汽车电动助力转向机构的设计

汽车电动助力转向机构的设计

引言

在汽车的发展历程中，转向系统经历了四个发展阶段：从最初的机械式转向系统（Manual Steering，简称MS）发展为液压助力转向系统（Hydraulic Power Steering，简称HPS），然后又出现了电控液压助力转向系统（Electro Hydraulic Power Steering，简称EHPS）和电动助力转向系统（Electric Power Steering，简称EPS）。

装配机械式转向系统的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员操纵负担过于沉重，为了解决这个问题，美国GM公司在20世纪50年代率先在轿车上采用了液压助力转向系统[1]。但是，液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性，因此在1983年日本koyo公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统。这种新型的转向系统可以随着车速的升高提供逐渐减小的转向助力，但是结构复杂、造价较高，而且无法克服液压系统自身所具有的许多缺点，是一种介于液压助力转向和电动助力转向之间的过渡产品。到了1988年，日本Suzuki公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统；1990年，日本Honda公司也在运动型轿车NSX上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。

第1章概述

1.1电动助力转向的优点

与传统的转向系统相比，电动助力转向系统最大的特点就是极高的可控制性，即通过适当的控制逻辑，调整电机的助力特性，以达到改善操纵稳定性和驾驶舒适性的目的。作为今后汽车转向系统的发展方向，必将取代现有的机械转向系统、液压助力转向系统和电控制液压助力转向系统[2]。

相比传统液压动力转向系统，电动助力转向系统具有以下优点：

（1）只在转向时电机才提供助力，可以显著降低燃油消耗

传统的液压助力转向系统有发动机带动转向油泵，不管转向或者不转向都要消耗发动机部分动力。而电动助力转向系统只是在转向时才由电机提供助力，不转向时不消耗能量。因此，电动助力转向系统可以降低车辆的燃油消耗。

与液压助力转向系统对比试验表明：在不转向时，电动助力转向可以降低燃油消耗2.5%；在转向时，可以降低5.5%。

（2）转向助力大小可以通过软件调整，能够兼顾低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性，回正性能好。传统的液压助力转向系统所提供的转向助力大小不能随车速的提高而改变。这样就使得车辆虽然在低速时具有良好的转向轻便性，但是在高速行驶时转向盘太轻，产生转向“发飘”的现象，驾驶员缺少显著的“路感”，降低了高速行驶时的车辆稳定性和驾驶员的安全感。

电动助力转向系统提供的助力大小可以通过软件方便的调整。在低速时，电动助力转向系统可以提供较大的转向助力，提供车辆的转向轻便性；随着车速的提高，电动助力转向系统提供的转向助力可以逐渐减小，转向时驾驶员所需提供的转向力将逐渐增大，这样驾驶员就感受到明显的“路感”，提高了车辆稳定性。

电动助力转向系统还可以施加一定的附加回正力矩或阻尼力矩，使得低速时转向盘能够精确的回到中间位置，而且可以抑制高速回正过程中转向盘的振荡和超调，兼顾了车辆高、低速时的回正性能。

（3）结构紧凑，质量轻，生产线装配好，易于维护保养电动助力转向系统取消了液压转向油泵、油缸、液压管路、油罐等部件，而且电机及减速机构可以和转向柱、转向器做成一个整体，使得整个转向系统结构紧凑，质量轻，在生产线上的装配性好，节省装配时间，易于维护保养。

（4）通过程序的设置，电动助力转向系统容易与不同车型匹配，可以缩短生产和开发的周期。

由于电动助力转向系统具有上述多项优点，因此近年来获得了越来越广泛的应用。电动助力转向系统是在机械式转向系统的基础上，加装了电机及减速机构、转矩转角传感器、车速传感器和ECU电控单元而成。

1.2国内外发展状况

1953年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统。80年代后期，又出现了变减速比的液压助力转向系统。由于变速比液压转向系统具有相对良好的操纵性能，至今仍在一些高档汽车上应用。之后随着节能环保要求的提高，变流量泵液压助力转向系统和电动液压助力转向(EHPS)系统应运而生。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下，泵的流量会相应减少，从而达到节省能源的目的。电动液压转向系统采用电动机驱动转向泵，转向泵无需再随发动机同步转动，不需要转向助力的时候转向泵关闭，可以在很大程度上节省能源。

但无论是变流量泵还是电动液压助力转向系统，由于液压转向系统的固有特性而难以实现效率上的突破，被电动助力转向系统(EPS)所替代已经成为一种必然。

EPS在日本最先获得实际应用。此后，电动助力转向技术得到迅速发展。鉴于电动助力转向系统良好的应用前景，国外许多研究机构和汽车公司对电动助力转向系统进行了大量的研究，使这项技术日趋成熟。从发展上来言可体现在以下几个特点：一是节能环保。电动助力转向系统能量消耗仅为液压助力转向

系统的20%，在当今能源严重短缺的严峻情况下，这是一个很有优势的特点。二是装配效率高。电动转向系统零件数目少，减少了装配的工作量，节省了装配时间，提高了装配效率。三是提供可变的转向助力。电动转向系统的转向力来自于电机，通过软件编程和硬件控制，可得到覆盖整个车速的可变转向力。四是安全性高。由于电动机由蓄电池供电，是否能够实现助力与发动机是否起动无关，所以即使在发动机熄火或出现故障时也能提供助力。

与国外相比,我国的电动转向研究在很长的一段时间里是空白,目前国内已经有数十家大专院校和国营、民营企业开发该产品，并取得了一定的进展。但由于电控单元运算速度和控制理论的影响，汽车电动助力转向的研制工作尚需进一步的发展。

第2章 EPS 的硬件系统

2.1电动助力转向系统的组成原理

控制器、电动机、离合器和减速机构等组成[3]。当转动转向盘时，扭矩传感器测出施加于转向轴的扭矩，并产生一个电压信号。与此同时，速度传感器测出汽车的车速，也产生一个电压信号，这两个信号均被传送到控制器，经过控制器运算处理后，传送给电动机一个合适的电流以产生扭矩，经减速机构减速以增加扭矩，施加在汽车的转向机构上，得到一个与工况相适应的转向作用力。

电动助力转向机构的工作原理如下：

当驾驶员对转向盘施力并转动方向盘时，位于转向盘下方与转向轴连接的转矩传感器，将经扭杆弹簧连接在一起的上下转向轴的相对转向角位移信号转变为电信号传至控制器，在同一时刻车速信号也传入控制器。根据以上两信号，控制器确定电动机的旋转方向的助力转矩的大小。之后，控制器将输出的数字量经D/A 转换器，转换为模拟量，并将其输入电流控制电路。电流控制电路将来自微机的电流命令值同电动机电流的实际值进行比较后生成一个差值信号，同时将此信号送往电动机驱动电路，该电路驱动电动机，并向电动机提供控制电流，完成助力转向作用。

助力转向控制信号的流程及控制系统的组成，如图2-2所示。