电动助力转向技术的研究现状与发展趋势

电动助力转向技术的研究现状与发展趋势

[摘要] 电动助力转向已成为当今世界汽车转向技术的研究热点。本文介绍了电动助力转向系统的工作原理、结构、分类及特点；阐述了国内外电动助力转向的研究发展现状；分析了电动助力转向系统未来市场需求、应用前景、存在的主要问题及关键技术；最后对电动助力转向技术的发展趋势进行了探讨。

[关键词] 电动助力转向研究现状发展趋势

0.引言

汽车在行驶中，经常需要改变行驶方向。转向系统作为整车的一个重要总成，是影响汽车操纵稳定性、舒适性和行驶安全性的关键系统之一。在转向系统的设计中，为缓和汽车转向轻便性和转向灵敏性之间的矛盾，大多数商用汽车及50%的轿车都采用动力转向系统[1]。20世纪50年代以来，动力转向系统经过了常规液压动力转向系统(hydraulic power steering,简称HPS)、电液动力转向系统(electro-hydraulic power steering,简称EHPS)、电动助力转向系统(Electrical Power Assisted Steering,简称EPAS)三个发展阶段，并有继续向电子化和智能化发展的趋势[2]。EPAS由于其技术先进，性能优越，未来将取代其它动力转向技术，成为动力转向技术的主流。国外轿车和轻型汽车EPAS系统正逐步取代传统HPS[3]，近几年在国内发展也很快，但在实际应用方面，还存在很多需要解决的问题，加快EPAS的研究进程，对EPAS在我国的工程应用，推动汽车转向技术发展，具有重要的理论和工程意义。

1.EPAS的工作原理

EPAS主要由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元（ECU）、电动机、减速机构及离合器等组成，如图1所示。其转向的基本原理为：当驾驶员转动方向盘时，与转向柱连接在一起的扭矩传感器把输入扭矩作用下扭杆的相对转动角位移变成电信号传给ECU。ECU根据车速传感器和转矩传感器的信号，通过助力特性曲线，控制电动机的旋转方向和助力电流的大小，完成转向助力。因此它可以很容易地实现在不同车速时提供给电动机不同的助力效果，保证汽车在低速转向行驶时轻便灵活，高速转向行驶时具有足够的路感，且稳定可靠。

l.方向盘2.扭矩传感器3.减速机构

4.齿轮齿条式转向器

5.离合器

6.直流电动机

7.车速信号8.控制电流9.转矩信号10.车轮

图1 转向柱助力式电动转向器示意图

2.EPAS的分类及特点

2.1 EPAS的分类

EPAS按照辅助电机的布置方式可分为四种：转向柱助力式(Column-assist type EPAS)、小齿轮助力式(Pinion-assist type EPAS)、齿条助力式(Rack-assist type EPAS)、直接助力式(Direct-drive type EPAS)。

(1) 转向柱助力式(C-EPAS )

图2为转向轴助力式转向系统，其转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构组成一体，安装在转向柱上。其特点是结构紧凑，电动机助力的响应性较好。

(2) 小齿轮助力式(P-EPAS)

如图3所示，小齿轮助力式转向系统的转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构仍为一体，只是整体安装在转向小齿轮处，直接给小齿轮助力，能够获得较大的转向力。

图2转向柱助力式图3小齿轮助力式

图4齿条助力式图5直接助力式

(3) 齿条助力式(R-EPAS)

齿条助力式转向系统的转矩传感器单独地安装在小齿轮处，电动机与转向助力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处，用以给齿条助力。如图4中所示，齿条助力式EPAS系统的动力辅助单元安装在齿条上，具体安装位置比较自由，因此在汽车的底盘布置时非常方便。

(4) 直接助力式(D-EPAS) [4]

直接助力式EPAS系统的动力辅助机构和转向器的齿条组成一个独立的单元，很容易布置在发动机舱内。如图5所示为丹纳赫传动(Danaher Motion )公司设计的直接驱动式EPAS系统，该系统采用IP67密封标准，降低了系统的复杂性，可为车辆设计单位、制造商和用户带来显著优势。

2.2 EPAS的特点[5-7]

与传统的机械转向系统以及目前广泛采用的HPS和EHPS相比较而言，EPAS具有以下特点：

(a)提高汽车的主动安全性。

(b)节能环保。EPAS系统只有在转向时电动机才提供助力，减少了燃料消耗，

相比液压动力转向系统可节约燃油3%~5%，在各种行驶工况下均可节能80%-90%。

(c)生产线装配性好，开发周期短。

(d)低温工作性能好。

(e)提供可变转向力矩。

(f)提高了操纵稳定性，改善了转向路感。

(g)增强了转向跟随性，改善了转向回正特性。

3.EPAS的发展现状

3.1国外发展现状

EPAS是继液压动力转向之后，汽车转向系统的又一重大技术革命。EPAS 最先应用在日本的微型轿车上。1988年2月日本铃木公司首次在其Cervo车上装备EPAS，翻开了汽车转向技术新的一页，随后还用在其Alto车上[5]。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司、NSK和Koyo公司、美国的Delphi 汽车系统公司, TRW公司,德国的ZF公司、英国的Lucas公司都相继研制出各自的EPAS系统[8-12]。同时在欧美市场上，美国的Delphi汽车系统公司、德国的ZF公司等，都相继推出了各自的EPAS系统。德尔福（Delphi）汽车系统公司，1998年开发了全新的电动式转向器系统，它可分别在齿条、齿轮或转向轴上施加助力,而且Delphi汽车系统公司己经为大众的Polo ,欧宝的318i以及菲亚特的Punto开发出EPAS[8]。其属下的Sagninaw公司于1999年首次研制成功其EPAS 系统产品E*SS，德尔福公司称E*SS的特点为”4E”，即安全(Embrace The Safety ) ,高效(High Efficiency)、通用(Engineering Versatility)及舒适(Steering Ease)[1]。英国汽车制造商Lucas公司，1998年研制的电动式转向器投入批量生产，该装置最大优点是燃油附加损耗极低，只有手动式的0.5%，相比之下，电动液压助力系统的损耗为2%，全液压助力系统损耗为8%。随后，大发汽车公司在其Mira 车上装备了EPAS。三菱汽车公司的Minica车、大众的Polo、欧宝的318i以及菲亚特的Punto等都装备了EPAS。TRW从1998年开始,便投入了大量人力、物力和则力用于EPAS的开发。他们最初针对客车开发出转向柱助力式EPAS,如今小齿轮助力式EPAS开发也己获成功。1999年3月,他们的EPAS己经装备在轿车上,如Ford Fiesta和Mazda 323F等[9]。2002年，第一辆装备了EPAS的SUV 汽车在美国生产，引起了更多汽车及转向行业相关企业的重视。经过近二十年的发展，EPAS技术日趋成熟。其应用范围己经从最初的微型轿车向更大型轿车和商用客车方向发展，EPAS的助力型式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期的EPAS仅仅在低速和停车时提供助力，高速时EPAS将停止工作。新一代的EPAS则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性，如铃木公司装备在Wagon R车上的EPAS是一个负载－路面－车速感应型助力转向系统[8]。最近，