汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特點(diǎn)與應(yīng)用畢業(yè)論文

1 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特點(diǎn)與應(yīng)用 汽車檢測與維修 專業(yè)畢業(yè)論文 目 錄 引言 第 1章 汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的歷史發(fā)展概況 第 2章 汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理及特點(diǎn) 第 3章 EPS 系統(tǒng)的組成原理及分類 3.1 EPS 系統(tǒng)的組成 3.2 EPS 系統(tǒng)的工作原理 3.3 EPS 系統(tǒng)主要部件的結(jié)構(gòu)及工作原理 3.4 EPS 系統(tǒng)的分類 3.5 EPS 系統(tǒng) 的性能及特點(diǎn) 第 4 章 EPS 系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 2 引 言 近年來，隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中愈來愈多的采用電子器件，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已從簡單的純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ HydraulicPowerSteering，簡稱 HPS）、電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ ElectricHydraulicPowerSteering，簡稱 EHPS）和電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ ElecticallControlledHydraulicPowerSteering,簡稱 ECHPS）發(fā)展到如今的更為節(jié)能及操縱性能更為優(yōu)越的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ ElectricalPowerSteering，簡稱 EPS 系統(tǒng)）。 EHPS 和 ECHPS 系統(tǒng)等助力系統(tǒng)在汽車上的采用，改善了汽車轉(zhuǎn)向力的控制特性，降低了駕駛員的轉(zhuǎn)向負(fù)擔(dān)，然而汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)始終處于液壓機(jī)械傳動階段， EHPS 相比傳統(tǒng) HPS 降低了能源損耗。但電液動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，不論 ECHPS 還是 EHPS 都與傳統(tǒng)的 HPS 一樣存在液壓油泄漏問題。 EPS系統(tǒng)是新一代的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其性能特點(diǎn)與優(yōu)勢是電液動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所不能比擬的。如果轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪通過控制信號連接，即采用電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ Steering-By-WireSystem，簡稱 SBWS），轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和汽車前輪轉(zhuǎn)角之間關(guān)系（汽車轉(zhuǎn)向的角傳遞特性）的設(shè)計(jì)可以得到改善，但由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的限制，電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)只被安裝在國際著名汽車生產(chǎn)商所生產(chǎn)的概念車上。本文綜述了電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展、原理，并探討了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展趨勢。 3 第 1 章 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的 歷史發(fā)展概況 自 1953 年通用汽車公司在凱迪拉克和別克轎車上首次批量使用液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以來，液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)給汽車的發(fā)展帶來了巨大的變化，使駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱力大大降低，轉(zhuǎn)向的靈敏性得到了提高。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在體積、價(jià)格和所消耗的功率等方面都取得了驚人的進(jìn)步。在 20 世紀(jì) 80年代后期，又開發(fā)了變減速比、電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。但是動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)革新都是基于液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的，無法消除液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面的缺陷。直到 1988 年日本鈴木公 司首次開發(fā)出一種全新的電子控制式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，才真正擺脫了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的束縛。 此后，電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)得到迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍已經(jīng)從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展。日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司，美國的 Delphi 公司，英國的 Lueas 公司，德國的 ZF 公司，都研制出了各自的 EPS系統(tǒng)。如大發(fā)汽車公司在其 Mira 車上裝備了 EPS 系統(tǒng)，三菱汽車公司在其 Minica 車上裝備了 EPS 系統(tǒng)，本田汽車公司在 Accord 車上裝備了 EPS 系統(tǒng)。 Delphi公司已經(jīng)為大眾的 Polo、菲亞特 Punto 開發(fā)出 EPS 系統(tǒng)。本田還在其 AcuraNXS賽車上裝備了 EPS 系統(tǒng)。 EPS 系統(tǒng)的助力形式也從低速范圍助力型向全速范圍助力型發(fā)展，并且其控制形式與功能也進(jìn)一步加強(qiáng)。日本早期開發(fā)的 EPS 系統(tǒng)僅僅在低速和停車時(shí)提供助力，高速時(shí) EPS 系統(tǒng)將停止工作。新一代的 EPS 系統(tǒng)則不僅在低速和停車時(shí)提供助力，而且還能在高速時(shí)提高汽車的操縱穩(wěn)定性。如日本鈴木公司裝備在 Wagon 車上的 EPS 系統(tǒng)是一個(gè)負(fù)載 -路面 -車速感應(yīng)型助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 4。由 Delphi公司為 Funte 車開發(fā)的 EPS 系統(tǒng)為全范圍助力型，并且設(shè)置了兩個(gè)開關(guān)，其中 一個(gè)用于郊區(qū)，另一個(gè)用于市區(qū)和停車。當(dāng)車速大于 70km/h 后，這兩種開關(guān)設(shè)置的程序則是一樣的，以保證汽車在高速時(shí)有合適的路感，這樣即使汽車行駛到高速公路時(shí)駕駛員忘記切換開關(guān)也不會發(fā)生危險(xiǎn)。市區(qū)型開關(guān)還與油門有關(guān)，使得在踩油門加速和松油門減速時(shí)，轉(zhuǎn)向更平滑。 4 隨著電子技術(shù)的發(fā)展， EPS 系統(tǒng)技術(shù)日趨完善，并且其成本大幅度降低，為此其應(yīng)用范圍將越來越大。 早在 20 世紀(jì) 60 年代末，德國 Kasselmann 等試圖將轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向車輪之間通過導(dǎo)線連接（即電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)），但由于當(dāng)時(shí)電子和控制技術(shù)的制約，電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直無法 在實(shí)車上實(shí)現(xiàn)。奔馳公司于 1990 年開始了前輪電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的深入研發(fā)，并將其開發(fā)的電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用于概念車 F400Carving 上。世界其他各大汽車廠家、研發(fā)機(jī)構(gòu)（包括 Daimler-Chrysler、寶馬、 ZF、 DELPHI、 TRW等）以及日本的光洋（ Koyo）精工技術(shù)研究所、日本國立大學(xué)、本田汽車公司等也先后對汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)做了深入研究。目前許多汽車公司開發(fā)了自己的電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，一些國際著名汽車生產(chǎn)商已在其概念車上安裝了該系統(tǒng)。 日本 Koyo 技術(shù)研究所根據(jù)他們自己的研究試驗(yàn)結(jié)果，利用電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行主動 控制的汽車，在摩擦系數(shù)很小的堅(jiān)實(shí)雪地上進(jìn)行蛇行、移線、側(cè)向風(fēng)試驗(yàn) 中基本按照預(yù)定的軌跡行駛，比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在路線跟蹤性能上有較大的提高。在對開路面上進(jìn)行制動試驗(yàn)也能基本保證汽車的直線行駛，制動距離也大大縮短。 日本大學(xué)和本田汽車公司在汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方面也做了一些理論工作和模擬器試驗(yàn)研究。他們從人 車閉環(huán)系統(tǒng)特性出發(fā)，設(shè)計(jì)了理想的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比，使汽車的穩(wěn)態(tài)增益不隨車速變化，并重點(diǎn)研究了駕駛員角控制特性和力控制特性對汽車主動安全性的影響。 寶馬汽車公司的概念車 BMWZ22，應(yīng)用了 SBWS 和 BBW（ Brake-By-Wire）技術(shù)，轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動范圍減少到了 160，使緊急轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員的忙碌程度得到了很大程度的降低。 目前由于汽車供電系統(tǒng)的因素，轉(zhuǎn)向電動機(jī)難以提供較大功率，現(xiàn)階段電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究以及近期的應(yīng)用對象主要針對轎車。要在重型載貨汽車上應(yīng)用，還必須采用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。隨著蓄電池技術(shù)的發(fā)展和 42V 電子設(shè)備在汽車上的應(yīng)用，全電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將應(yīng)用到中型和重型車上。目前， 42V 電源已經(jīng)在一些概念車上得到應(yīng)用，通用的“自主魔力”和 Bertone 的“ FILO”都采用了 42V 電源。 國內(nèi)動力轉(zhuǎn)向器目前還處于機(jī)械 液壓動力 轉(zhuǎn)向階段，對于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校開展了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)建模及動力分析等研究，但目前還沒有實(shí)用的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電子轉(zhuǎn)向 5 系統(tǒng)。 第 2 章 汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理及特點(diǎn) 一 .傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是機(jī)械系統(tǒng)，汽車的轉(zhuǎn)向運(yùn)動是由駕駛員操縱方向盤，通過轉(zhuǎn)向器和一系列的桿件傳遞到轉(zhuǎn)向車輪而實(shí)現(xiàn)的。普通的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建立在機(jī)械轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上，通常根據(jù)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器形式可以分為：齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式。常用的有兩種是齒輪齒條式和循環(huán)球式 (用于需要 較大的轉(zhuǎn)向力時(shí) )。這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是我們最常見的，目前大部分低端轎車采用的就是齒輪齒條式機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 從上世紀(jì)四十年代起，為減輕駕駛員體力負(fù)擔(dān)，在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了液壓助力系統(tǒng) HPS(hydraulic power steering)，它是建立在機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的，額外增加了一個(gè)液壓系統(tǒng)，一般有油泵、 V 形帶輪、油管、供油裝置、助力裝置和控制閥。由于其工作可靠、技術(shù)成熟至今仍被廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在實(shí)際中應(yīng)用的最多，根據(jù)控制閥形式有轉(zhuǎn)閥式和滑閥式之分。這個(gè)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最重要的新功能是液力支持轉(zhuǎn) 向的運(yùn)動，因此可以減少駕駛員作用在方向盤上的力。 雖然傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作最可靠，但是也存在很多固有的缺點(diǎn)，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于方向盤和轉(zhuǎn)向車輪之間的機(jī)械連接而產(chǎn)生一些自身無法避免的缺陷： 汽車的轉(zhuǎn)向特性受駕駛員駕駛技術(shù)的影響嚴(yán)重； 轉(zhuǎn)向傳動比固定，使汽車轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性隨車速、側(cè)向加速度等變化而變化，駕駛員必須提前針對汽車轉(zhuǎn)向特性幅值和相位的變化進(jìn)行一定的操作補(bǔ)償，從而控制汽車按其意愿行駛。這就變相地增加了駕駛員的操縱負(fù)擔(dān)，使汽車轉(zhuǎn)向行駛存在很大的不安全隱患； 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性差，一般轎車每行駛一百公里要 多消耗 0.30.4升的燃料；另外，存在液壓油泄漏問題，對環(huán)境造成污染，在環(huán)保性能被日益強(qiáng)調(diào)的今天，無疑是一個(gè)明顯的劣勢。 二 .電液動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 6 近年來，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中越來越多的采用電子器件。相應(yīng)的就出現(xiàn)了電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電液助力轉(zhuǎn)向可以分為兩大類：電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) EHPS(electro-hydraulic power steering)、電控液壓助力轉(zhuǎn)向 ECHPS(electronically controlled hydraulic power steering)。 EHPS 是在液壓助力系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其特點(diǎn)是原來有發(fā)動機(jī)帶動的液壓助力泵改由電機(jī)驅(qū)動，取代了由發(fā)動機(jī)驅(qū)動的方式，節(jié)省了燃油消耗。 ECHPS 是在傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了電控裝置構(gòu)成的。電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性可根據(jù)轉(zhuǎn)向速率、車速等參數(shù)設(shè)計(jì)為可變助力特性，使駕駛員能夠更輕松便捷的操縱汽車。 現(xiàn)代電液動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要通過車速傳感器將車速傳遞給電子元件，或微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，控制電液轉(zhuǎn)換裝置改變動力轉(zhuǎn)向的助力特性，使駕駛員的轉(zhuǎn)向手力根據(jù)車速和行駛條件變化而改變，即在低速行駛或轉(zhuǎn)急彎時(shí)能以很小的轉(zhuǎn)向手 力進(jìn)行操作，在高速行駛時(shí)能以稍重的轉(zhuǎn)向手力進(jìn)行穩(wěn)定操作，使操縱輕便性和穩(wěn)定性達(dá)到最合適的平衡狀態(tài)。 為了保證轉(zhuǎn)向輕便性，要求增大轉(zhuǎn)向器的傳動比。但是，增大角傳動比雖然可以減小轉(zhuǎn)向盤上的手力，但同時(shí)也造成汽車對操縱的反應(yīng)減慢，甚至有可能導(dǎo)致駕駛員沒有能力來轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行緊急避障等轉(zhuǎn)向操作，即不夠“靈”。 機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證汽車在各種行駛條件下將轉(zhuǎn)向盤上的手力保持在駕駛員能接受的合理范圍內(nèi)，同時(shí)保證適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向靈敏度。但是機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)注定“輕”與“靈”矛盾的存在 (包括變傳動比機(jī)械轉(zhuǎn)向器 )， 而 電液助力轉(zhuǎn)向系在一定程度上解決了這一矛盾。 EHPS 相比傳統(tǒng) HPS 降低了能源損耗。但電液動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，不論 ECHPS 還是 EHPS 都與傳統(tǒng)的 HPS 一樣存在液壓油泄漏問題。 三 .電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) EPS(Electric Power Steering)把一個(gè)機(jī)械的系統(tǒng)和一個(gè)電控的電動馬達(dá)結(jié)合在一起形成的一個(gè)動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。與液壓系統(tǒng)不同的是，助力改由電機(jī)提供，因此，要有一個(gè)力矩傳感器來測量作用在方向盤上的力矩，由電子控制單元來計(jì)算所需要的力矩。作用在方向盤上的力矩曲線由一個(gè)電動助 7 力機(jī)來分配。通過電 動助力提供轉(zhuǎn)向所必須要的力，它通過一個(gè)減速器作用在轉(zhuǎn)向柱上，根據(jù)助力位置不同分為三種形式。 由于 EPS 改由電機(jī)提供助力，助力大小由電控單元 ECU 實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制，可以較好解決汽車操縱時(shí)輕與靈的矛盾。 第 3 章 EPS 系統(tǒng)的組成原理及分類 3.1 EPS 系統(tǒng)的組成 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在不同車上的結(jié)構(gòu)部件盡管不盡一樣，但其基本原理是一致的。系統(tǒng)通常由轉(zhuǎn)向（轉(zhuǎn)矩）傳感器、電子控制單元、電動機(jī)、電磁離合器和減速機(jī)構(gòu)等組成。汽車電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成如圖 1 所示。 3.2 EPS 系統(tǒng)的工作原理 電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是利用電動機(jī)作為助力源，根據(jù)轉(zhuǎn)向參數(shù)和車速等，由微機(jī)完成助力工作的，其控制框圖如圖 2 所示。 8 不轉(zhuǎn)向時(shí)，電動機(jī)不工作， EP 系統(tǒng)處于 STANDY 狀態(tài)；當(dāng)操縱轉(zhuǎn)向盤時(shí)，裝在轉(zhuǎn)向盤軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器不斷檢測轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩，并由此產(chǎn)生一個(gè)電壓信號，該信號與車速信號同時(shí)輸入電子控制器，由控制器中的微機(jī)根據(jù)這些輸入信號進(jìn)行運(yùn)算處理，確定助力轉(zhuǎn)矩的大小和方向，即選定電動機(jī)的電流和轉(zhuǎn)向，調(diào)整轉(zhuǎn)向的輔助動力。電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩由電磁離合器通過減速 機(jī)構(gòu)減速增矩后，加在汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，使之得到一個(gè)與工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。 電子控制電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的核心是一個(gè) 4kBROM和 256kBRAM的 8位微機(jī)。 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號和車速信號經(jīng)過輸入接口送入微機(jī)，隨著車速的提高，通過微機(jī)控制相應(yīng)地降低助力電動機(jī)電流，以減少助力轉(zhuǎn)矩。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號也被送入微機(jī)，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于怠速時(shí)，由于供電不足，助力電動機(jī)和離合器不工作。點(diǎn)火開關(guān)的通斷（ on/off）信號經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換接口送入微機(jī)，當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)斷開時(shí)，電動機(jī)和離合器不能工作。微機(jī)控制指令經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后送入電動機(jī)和離合器 的驅(qū)動放大電路中，控制電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和離合器的結(jié)合。電動機(jī)的電流經(jīng)驅(qū)動放大回路、電流表 A、 A/D 轉(zhuǎn)換接口反饋給微機(jī)，將電動機(jī)的實(shí)際電流與按微機(jī)指令應(yīng)給的電流相比較，調(diào)節(jié)電動機(jī)的實(shí)際電流，使兩者接近一致。 3.3 EPS 系統(tǒng)主要部件的結(jié)構(gòu)及工作原理 EPS 系統(tǒng)主要部件包括扭矩傳感器、電動機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)車和電子控制單元等，其各自的工作原理如下： 3.3.1 扭矩傳感器 EPS 系統(tǒng)的傳感器信號包括轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號、汽車車速信號、汽車軸重信號和電機(jī)電流信號，前三者用于確定助力電機(jī)的助力大小和方向，后者 用于電機(jī)的 9 閉環(huán)控制。這些信號用來作為 EPS 系統(tǒng)的輸入信號，共同決定助力信號的輸出。因此傳感器信息融合是 EPS 系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。 EPS 系統(tǒng)扭矩傳感器主要有：電阻式轉(zhuǎn)向傳感器、非接觸式電感扭矩傳感器和其他類型傳感器，也有在轉(zhuǎn)向軸位置加一扭桿，通過測量扭桿的變型得到扭矩的大小和方向。電阻式轉(zhuǎn)向傳感器實(shí)際上是一個(gè)滑動可變電阻器，當(dāng)操縱方向盤時(shí)，其電阻變化最終經(jīng)電路處理以電流的形式將轉(zhuǎn)矩信號送至 BCUTM。這種傳感器體積大，易于磨損，在早期 EPS 系統(tǒng)中應(yīng)用較多。隨著非接觸式扭矩傳感器成本的降低，越來越多的廠商轉(zhuǎn) 而采用這種精度高、體積小且壽命長的新型傳感器。圖 3 所示 KOYO 公司研制的非接觸式 EPS 系統(tǒng)扭矩傳感器原理圖，該裝置由安裝在輸入軸上的探測環(huán) 1 和探測環(huán) 2，安裝在輸入軸上的另一個(gè)探測環(huán) 1、探測線圈和補(bǔ)償線圈組成。 當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動時(shí)，扭桿受轉(zhuǎn)動力矩作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)，由于線圈產(chǎn)生扭矩且線圈固定不動，探測線圈與探測環(huán)之間的位置發(fā)生變化導(dǎo)致線圈磁阻變化，并最終反映扭矩的變化。 3.3.2 電動機(jī) 助力電動機(jī)是 EPS 系統(tǒng)的動力源，它根據(jù) ECU 輸出的控制指令在不同的工況下輸出不同的助力轉(zhuǎn)矩，對整個(gè) EPS 系統(tǒng)性能影響很大。因此需要有良好的動態(tài)特性、調(diào)速特性和隨動特性并易于控制，還要求輸出波動小、低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量小、尺寸小質(zhì)量輕等，因此，常采用無刷式永磁直流電動機(jī)。為改善操縱感、降低噪音和減少震動，在電動機(jī)轉(zhuǎn)子外表面開出斜槽或螺旋槽，改變定子 10 磁鐵中心處或端部厚度，將定子磁鐵設(shè)計(jì)成不等厚度。隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展，汽車各部件越來越多的采用 42V 直流電源，因而，面向 42V 直流電的 EPS 系統(tǒng)也逐漸成為汽車技術(shù)研究熱點(diǎn)之一。采用 42V 直流電的 EPS 系統(tǒng)能在較低的輸出電流同時(shí)保證有足夠的輸出功率，既降低系統(tǒng)的 能耗和發(fā)熱，又能改善系統(tǒng)的控制。 3.3.3 電磁離合器 EPS 系統(tǒng)轉(zhuǎn)向助力一般都是在一個(gè)設(shè)定的范圍。當(dāng)車速低于某一特定值時(shí)，系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)向助力，保證轉(zhuǎn)向的輕便性；當(dāng)車速處于兩個(gè)設(shè)定植之間時(shí)，電動機(jī)停止工作，系統(tǒng)處于 STANDY（休眠）狀態(tài)，離合器分離，以切斷輔助動力。另外，當(dāng) EPS 系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，離合器應(yīng)自動分離，此時(shí)仍可利用手動控制轉(zhuǎn)向，保障系統(tǒng)的安全性， EPS 系統(tǒng)中電磁離合器應(yīng)用較多的為單片干式電磁離合器，其工作原理如圖 4 所示。 3.3.4 減速機(jī)構(gòu) 減速機(jī)構(gòu)是 EPS 系統(tǒng)不可缺少的組件，它把電動機(jī)的輸出減速放大后再傳遞給執(zhí)行部件。目前實(shí)用的減速機(jī)構(gòu)有多種組合方式，采用較多的為蝸輪蝸桿與轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動組合式，如圖 5 所示，也有的采用兩級行星齒輪與傳動齒輪組合式。裝配有離合器的 EPS 系統(tǒng)多采用蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，裝配在減速機(jī)的一側(cè)。 11 3.3.5 電子控制單元 電子控制單元 ECU 是整個(gè) EPS 系統(tǒng)的控制的核心。它根據(jù)扭矩傳感器、車速傳感器、軸重傳感器以及電動機(jī)電流傳感器等輸入信號，一旦系統(tǒng)某部件工作出現(xiàn)異常， ECU 將控制電磁離合器分離，同時(shí)進(jìn)行 故障診斷分析并輸出顯示故障信號。 3.4 EPS 系統(tǒng)的分類 根據(jù)電動機(jī)驅(qū)動部位的不同，將電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為 3 類：轉(zhuǎn)向軸助力式、轉(zhuǎn)向器小齒輪助力式和齒條助力式。 1.轉(zhuǎn)向軸助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其轉(zhuǎn)矩傳感器、電動機(jī)、離合器和轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)組成一體，安裝在轉(zhuǎn)向柱上。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，所測取的轉(zhuǎn)矩信號與控制直流電動機(jī)助力的響應(yīng)性較好。這種類型一般在轎車上使用。 2.小齒輪助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器、電動機(jī)、離合器和轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)仍為一體，只是整體安裝在轉(zhuǎn)向小齒輪處，直接給小齒輪助力，可 獲得較大的轉(zhuǎn)向力。該形式可使各部件布置更方便，但當(dāng)轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向器之間裝有萬向傳動裝置時(shí)，轉(zhuǎn)矩信號的取得與助力車輪部分不在同一直線上，其助力控制特性難以保證準(zhǔn)確。 3. 圖 1 為齒條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其轉(zhuǎn)矩傳感器單獨(dú)地安裝在小齒輪處，電動機(jī)與轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)一起安裝在小齒輪另一端的齒條處，用以給齒條助力。該類型又根據(jù)減速傳動機(jī)構(gòu)的不同可分為兩種 :一種是電動機(jī)做成中空的。齒條從中穿過，電動機(jī)的動力經(jīng)一對斜齒輪和螺桿螺母傳動副以及與螺母制成一體的鉸接 12 塊傳給齒條。這種結(jié)構(gòu)是第一代電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由于電動機(jī)位于齒條 殼體內(nèi)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，維修也困難。另一種是電動機(jī)與齒條的殼體相互獨(dú)立。電動機(jī)動力經(jīng)另一小齒輪傳給齒條，由于易于制造和維修，成本低，已取代了第一代產(chǎn)品。因?yàn)辇X條由一個(gè)獨(dú)立的齒輪驅(qū)動，可給系統(tǒng)較大的助力，主要用于重型汽車。 3.5 EPS 系統(tǒng)的性能及特點(diǎn) 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì)，其技術(shù)已相當(dāng)成熟。但隨著汽車微電子技術(shù)的發(fā)展，對汽車節(jié)能性和環(huán)保性要求不斷提高，該系統(tǒng)存在的耗能、對環(huán)境可能造成的污染等固有不足已越來越明顯，不能完全滿足時(shí)代發(fā)展的要求。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將最新的 電力電子技術(shù)和高性能的電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能顯著改善汽車動態(tài)性能和靜態(tài)性能、提高行駛中駕駛員的舒適性和安全性、減少環(huán)境的污染等。因此，該系統(tǒng)一經(jīng)提出，就受到許多大汽車公司的重視，并進(jìn)行開發(fā)和研究，未來的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中電動助力轉(zhuǎn)向?qū)⒊蔀檗D(zhuǎn)向系統(tǒng)主流，與其它轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)突出的優(yōu)勢體現(xiàn)在： a.降低了燃油消耗。液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要發(fā)動機(jī)帶動液壓油泵，使液壓油不停地流動，浪費(fèi)了部分能量。相反電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ EPS 系統(tǒng)）僅在需要轉(zhuǎn)向操作時(shí)才需要電機(jī)提供的能量，該能量可以來自蓄電池，也可來自發(fā)動 機(jī)。而且 ,能量的消耗與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向及當(dāng)前的車速有關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤不轉(zhuǎn)向時(shí)，電機(jī)不工作，需要轉(zhuǎn)向時(shí)，電機(jī)在控制模塊的作用下開始工作 ,輸出相應(yīng)大小及方向的轉(zhuǎn)矩以產(chǎn)生助動轉(zhuǎn)向力矩，而且，該系統(tǒng)在汽車原地轉(zhuǎn)向時(shí)輸出最大轉(zhuǎn)向力矩，隨著汽車速度的改變，輸出的力矩也跟隨改變。該系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了 按需供能 ，是真正的 按需供能型 （ on-demand）系統(tǒng)。汽車在較冷的冬季起動時(shí)，傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)反應(yīng)緩慢，直至液壓油預(yù)熱后才能正常工作。由于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不依賴于發(fā)動機(jī)而且沒有液壓油管，對冷天氣不敏感，系統(tǒng)即使在 -40時(shí)也 能工作，所以提供了快速的冷起動。由于該系統(tǒng)沒有起動時(shí)的預(yù)熱，節(jié)省了能量。不使用液壓泵，避免了發(fā)動機(jī)的寄生能量損失，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，裝有電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛和裝有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛對比實(shí)驗(yàn)表明，在不轉(zhuǎn)向情況下，裝有電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛燃油消耗降低 2.5%，在使用轉(zhuǎn)向情況下， 13 燃油消耗降低了 5.5%。 b.增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向跟隨性。在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電動助力機(jī)與助力機(jī)構(gòu)直接相連可以使其能量直接用于車輪的轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)利用慣性減振器的作用，使車輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振大大減小。因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗擾動能力大大增 強(qiáng)和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生于電機(jī)，沒有液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應(yīng)，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向車輪對轉(zhuǎn)向盤的跟隨性能。 c.改善了轉(zhuǎn)向回正特性。直到今天，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的發(fā)展已經(jīng)到了極限 ,電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正特性改變了這一切。當(dāng)駕駛員使轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動一角度后松開時(shí)，該系統(tǒng)能夠自動調(diào)整使車輪回到正中。該系統(tǒng)還可以讓工程師們利用軟件在最大限度內(nèi)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)以獲得最佳的回正特性。從最低車速到最高車速，可得到一簇回正特性曲線。通過靈活的軟件編程，容易得到電機(jī)在不同車速及不同車況下的轉(zhuǎn)矩特性，這種轉(zhuǎn)矩特性使得該系統(tǒng)能 顯著地提高轉(zhuǎn)向能力，提供了與車輛動態(tài)性能相機(jī)匹配的轉(zhuǎn)向回正特性。而在傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)中，要改善這種特性必須改造底盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)起來有一定困難。 d.提高了操縱穩(wěn)定性。通過對汽車在高速行駛時(shí)過度轉(zhuǎn)向的方法測試汽車的穩(wěn)定特性。采用該方法，給正在高速行駛（ 100km/h）的汽車一個(gè)過度的轉(zhuǎn)角迫使它側(cè)傾，在短時(shí)間的自回正過程中，由于采用了微電腦控制，使得汽車具有更高的穩(wěn)定性，駕駛員有更舒適的感覺。 e.提供可變的轉(zhuǎn)向助力。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向力來自于電機(jī)。通過軟件編程和硬件控制，可得到覆蓋整個(gè)車 速的可變轉(zhuǎn)向力?？勺冝D(zhuǎn)向力的大小取決于轉(zhuǎn)向力矩和車速。無論是停車，低速或高速行駛時(shí)，它都能提供可靠的，可控性好的感覺，而且更易于車場操作。對于傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，可變轉(zhuǎn)向力矩獲得非常困難而且費(fèi)用很高，要想獲得可變轉(zhuǎn)向力矩，必須增加額外的控制器和其它硬件。但在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，可變轉(zhuǎn)向力矩通常寫入控制模塊中，通過對軟件的重新編寫就可獲得，并且所需費(fèi)用很小。 f.采用 綠色能源 ，適應(yīng)現(xiàn)代汽車的要求。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用 最干凈 的電力作為能源，完全取締了液壓裝置，不存在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中液態(tài)油的泄漏問題， 可以說該系統(tǒng)順應(yīng)了 綠色化 的時(shí)代趨勢。該系統(tǒng)由于它沒有液壓油，沒有軟管、油泵和密封件，避免了污染。而液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油管使用的聚合物不能 14 回收，易對環(huán)境造成污染。 g.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，布置方便，性能優(yōu)越。由于該系統(tǒng)具有良好的模塊化設(shè)計(jì)，所以不需要對不同的系統(tǒng)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、加工等 ,不但節(jié)省了費(fèi)用，也為設(shè)計(jì)不同的系統(tǒng)提供了極大的靈活性，而且更易于生產(chǎn)線裝配。由于沒有油泵、油管和發(fā)動機(jī)上的皮帶輪，使得工程師們設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)有更大的余地，而且該系統(tǒng)的控制模塊可以和齒輪齒條設(shè)計(jì)在一起或單獨(dú)設(shè)計(jì)，發(fā)動機(jī) 部件的空間利用率極高。該系統(tǒng)省去了裝于發(fā)動機(jī)上皮帶輪和油泵，留出的空間可以用于