电动助力转向系统及其关键技术

电动助力转向系统及其关键技术

摘要: 电动助力转向 (EPS) 系统具有结构简单、节能环保等独特优势得以迅速发展; 介绍了 EPS 的工作原理及分类，分析了 EPS 系统的助力电机、减速机构、传感器、ECU 等关键部件及助力特性、控制理论等关键技术。

关键词: 电动助力转向; 关键部件; 助力特性; 控制技术

汽车转向是通过驾驶者转动转向盘，经过转向系统提供的操纵力以改变车轮角度来实现。助力转向是一种为了减轻驾驶员的操纵力而设有助力机构的转向装置。为方便驾驶员易于操纵转向系，动力转向已经作为汽车的标准装备。

助力转向最初为机械式，然后发展为液压式(HPS) ，随着现代控制技术和电子技术的发展，电动式动力转向系统 (EPS) 作为一种新的助力转向系统

［1］

传感器与转向轴(小齿轮轴) 连接一起，其不断检测作用于转向柱扭杆上的扭矩，当转向轴转动时，传感器把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动位移变成电信号传给控制装置，控制装置按照已设定的控制程序和控制策略对扭矩传感器以及车速传感器产生的信号进行运算处理，以此确定电机的旋转方向和助力电流的大小，电机经减速机构将助力转矩传递给转向系统，从而完成实时控制助力转向［2］。

迅速发展。相对 于 HPS ， EPS 有很多优 势 : ( 1) 在各种行驶工况下提 供最佳的 助力; (2) 只在转向时才提 供助力， 不像 HPS 不转向时 液 压系统的 油泵也运转， 节省燃油损耗; (3) 结构紧凑， 便于安装 和装 配; (4) 取消了液压回路， 减少了对 环境的 污染; (5) 具有自我诊断功能， 便于维修和保养; 另外， EPS 系统性能能够在不改变系统结构的 情况下， 可以通过改变系统的控制策略、编程来实现， 满足不同车型和不同驾驶感觉的 需要 。近些年 ， 国 内外汽车企业

第 7 期

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齿轮齿条式助力 (R-EPS) 等三大 基本类型， 如图 2 所示。

图 2 不同助力转向系统结构图

C-EPS 的 助力单元、控制器和传感器都集中于转向柱处， 系统比较紧凑， 易于在车辆上的 安装 ， 更容易替代原有的液压助力转向系统。一 般系统布 置在驾驶室内， 其工作环境很好， 电气元件一 般不需要 防水和隔热 措施， 但有限的 空间 可能会影响碰撞能量的 吸收， 要 求有满足碰撞法 规要 求的 结构。

P-EPS 的 助力单元固定在转向齿轮的 小齿轮轴 上端， 其电动机 和减速机 构相连， 直接驱动小齿轮进行助力。P-EPS 安装 在发动机 仓底部， 靠近排气管， 其材料和结构必须耐热 和防水。此系统的 ECU 可以 分别安装 在车厢和发动机 仓内， 目 前多数 安装 在车厢内，

但会消耗较长的 线束同时 会影响收音机 效果， 如果安装 在发动机 仓内， 要 求有辅助的 隔热装置。

R-EPS 的 减速机 构连同电机 、传感器一 起安装 在转向器与 转向小齿轮位置相对布置的 另一 侧， 另有一套小齿轮， 直接驱动齿条进行助力。根据电机与转向齿条的 位置关系可以 分 为平行 布置式、交叉布 置式、同轴布置式。当电动机与转向齿条平行布置时 ， 电机通过皮带减速器和滚珠丝杆两级减速来驱动齿条进行助力; 当电动机与转向齿条交叉布 置时 ， 电机

通过锥齿轮和滚

和高 校对 E PS 做了大 量研 究工作， 取得 了一 系列成果。

1 EPS 工作原理及分类 1. 1 EPS 工作原理

EPS 结构框图如图 1 所示， 其工作原理是: 扭矩

图 1 电动助力转向系统

1. 2 EPS 类型

依据电动机布置位置不同， EPS 系统主要可分为转向柱式助力 (C-EPS) ，小齿轮式助力 (P-EPS) ，

珠丝杆两级减速来驱动齿条进行助力; 当电动机与转向齿条同轴时，电机通过滚珠丝杆与齿条相连，直接驱动齿条进行助力［3］。

3 种不同电动动力转向系统的比较如表 1 所示［4］。

表 1 3 种不同电动动力转向系统比较

类型C-EPS P-EPS R-EPS

噪声、振动大中小

扭矩、波动中中中

低速时扭矩变动小小小

扭矩不足中中中

惯性矩中中中温度(耐热性)小大大

防水性小大大相应功率输出小中大

2 EPS 系统关键部件

EPS 系统关键部件主要有助力电机、减速机构、转角传感器、转矩传感器、车速传感器和电控单元(ECU) 等。

2. 1 减速机构

EPS 系统减速机构的主要作用是增大电机的助力转矩。江苏大学何仁等人［5］指出 : 在开发 EPS 系统时，要合理设计减速机构，必须保证其与助力电机匹配，否则无法满足转向要求。华中科技大学刘照等［6］对转向柱式助力系统减速机构进行了专门研究，指出世界各大汽车公司开发的转向柱式助力系统的减速机构基本为蜗轮蜗杆传动机构和差动轮系助位移传动机构。常见的减速机构如图 3 所示。

图 3 EPS 减速机构

文献［6］从运动学分析和动力学分析两方面分别对两传动机构进行了对比分析。研究表明，蜗轮蜗杆机构下的 EPS 系统的转向灵敏性不可调，而差动轮系下的转向灵敏性可调。蜗轮蜗杆机构方案的转向手感不平滑，而差动轮系方案是运动的合成，转向手力十分平稳，且能实现对手转向运动的精确跟踪，但差动轮系效率略低。

2. 2 助力电机

华南理工大学范心明等［7］专门研究了 EPS 系统助力电机，提出电机必须保证工作电压低，额定功率和额定电流足够大，调速范围广，控制特性好，低速运行平稳，力矩波动小，转速不能太大(约1 000 r/min) ，体积应尽可能小，在堵转时也应能够提供助力作用。

目前常采用的助力电机有直流电机、无刷直流伺服电动机、力矩电动机、开关磁阻 (SR) 电动机等。

直流电机是当前 EPS 系统常用的助力电机类型之一，主要有两方面原因: 一是起动性能和调速性能很好，另一方面汽车电源 (蓄电池，发电机 ) 为直流供电，能直接驱动直流电机。

无刷直流伺服电动机，其能将电压信号转变为转轴的角速度和角位移输出。

伺服电机和驱动电机相结合的一种叫力矩电动机，它可以不经减速机构直接驱动负载，其具有较高的

速