電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展概況

1、文章編號: doi: 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展概況程浩(中國石油大學(xué)機電工程學(xué)院,山東青島 266580)摘要：電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種直接依靠電動機提供輔助轉(zhuǎn)矩的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是為了滿足人們對于駕駛輕便性的要求而產(chǎn)生的。它可以根據(jù)不同的使用工況控制電動機提供不同的輔助動力。本文主要介紹電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括機械式轉(zhuǎn)向器、傳感器等在近年出現(xiàn)的新發(fā)展，同時為未來的發(fā)展做出展望。 關(guān)鍵詞：電動助力轉(zhuǎn)向，結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向器，傳感器中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Development of Electric Power Steering Structure Cheng Hao(College of Elec

2、tromechanical Engineering in China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)Abstract: Electric power steering (EPS) is a power steering system that directly relies on the motor to provide auxiliary torque. It is designed to meet the requirements of people for driving light. The utility model c

3、an control the motor to provide different auxiliary power according to different working conditions. This paper mainly introduces the new development of structure of the electric power steering system, including mechanical steering gear, sensor and so on. At the same time, it forecasts the future de

4、velopment.Key words: EPS, Structure, Steering Gear, SensorDocument number: document code:0 引言：用來改變或保持汽車行駛或倒退方向的一系列裝置稱為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(steering system)。在汽車發(fā)展史上，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)先后經(jīng)歷了純機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動助力液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和最新的線控轉(zhuǎn)向。電動助力轉(zhuǎn)向誕生于20世紀(jì)80年代。1988年，光洋精工成功研發(fā)出轉(zhuǎn)向柱式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并由鈴木公司首先在小型轎車Cervo上配備。電動助力轉(zhuǎn)向的主要結(jié)構(gòu)有機械式傳感器、傳感器、減速機構(gòu)

5、、離合器、電動機、電子控制單元（ECU）等（圖1）。雖然僅有近三十年的歷史，但電動助力轉(zhuǎn)向的結(jié)構(gòu)也在不斷地創(chuàng)新與優(yōu)化。圖11 驅(qū)動方式的發(fā)展根據(jù)驅(qū)動方式，或者說電動機布置位置的不同，EPS系統(tǒng)可分為轉(zhuǎn)向軸助力式，齒輪助力式，雙小齒輪式和齒條助力式。其中，轉(zhuǎn)向軸助力式是最早的類別，然后在1990年本田公司在運動型轎車NSX上首先運用了自主研發(fā)的齒條助力式系統(tǒng)。2003年，大眾公司在第五代高爾夫上使用了ZF公司的雙小齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。1而在市面上所使用的電動助力轉(zhuǎn)向中，以雙小齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向（DP-EPS）的應(yīng)用最為普遍。2所以本部分主要講述雙小齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向。雙小齒輪式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置

6、模式與齒條助力式類似，但是齒條助力式轉(zhuǎn)向器使用的是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，故能提供更大的輔助轉(zhuǎn)矩，能應(yīng)用于越野車或載重貨車上。雙小齒輪式EPS使用的是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。2圖 2雙小齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理如圖2 所示，工作過程和原理大致如下:1) 駕駛員雙手所產(chǎn)生的扭矩通過方向盤和轉(zhuǎn)向管柱傳遞到轉(zhuǎn)向輸入齒輪上。2) 傳感器采集從方向盤傳遞過來的扭矩、轉(zhuǎn)角等信號，并傳遞給轉(zhuǎn)向機的控制單元(ECU)。3） ECU 根據(jù)方向盤扭矩、轉(zhuǎn)角信號，同時結(jié)合來自整車控制器的車速等信息，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的助力策略計算當(dāng)前應(yīng)有的電機助力; 根據(jù)當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速和預(yù)設(shè)的電機特性計算出應(yīng)有的母線電流; 最終通過PWM 控制

7、實現(xiàn)既定的扭矩目標(biāo)。4) 電機的扭矩經(jīng)過減速機構(gòu)傳遞到助力齒輪上，通過助力齒輪與齒條的嚙合推動齒條直線運行，并最終實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。某雙齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向機的實物照片如圖3 所示，其拆解結(jié)構(gòu)如圖4 所示。主要核心零部件包括: 助力電機、控制器、轉(zhuǎn)向輸入齒輪總成、齒條、蝸輪蝸桿減速機構(gòu)、殼體、轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向外球頭和防塵罩等。圖 3圖 4轉(zhuǎn)向輸入小齒輪總成的主要功能是輸入駕駛員的轉(zhuǎn)向操作，向駕駛員反饋路感。其結(jié)構(gòu)主要由輸入軸、小齒輪、扭桿、扭矩轉(zhuǎn)角傳感器，以及其它連接附件構(gòu)成。輸入軸和小齒輪之間通過扭桿連接，同時輸入軸和小齒輪上又分別連接扭矩傳感器的兩個感應(yīng)元件。通過扭桿剛度和兩感應(yīng)元件之間的相對轉(zhuǎn)角

8、，計算駕駛員操作扭矩; 同時該傳感器還可以測量小齒輪的轉(zhuǎn)角位置。助力齒輪的主要功能是將減速增扭后電機的扭矩轉(zhuǎn)換成齒條的直線推力，實現(xiàn)最終的助力功能，從而降低駕駛員轉(zhuǎn)向操作力，提高車輛行駛安全性和駕駛員舒適性。助力電機的主要功能是將輸入電能轉(zhuǎn)換成機械能即電機的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，從而實現(xiàn)助力功能，是整個EPS 的終端執(zhí)行機構(gòu)。與液壓執(zhí)行機構(gòu)相比，電機具有更高的效率和更好的可控制性，是EPS 相比于HPS 具有優(yōu)勢的根源。控制器是整個EPS 系統(tǒng)的大腦和運算中心，它根據(jù)傳感器收集到的各種信號，以及來自整車控制器的信息計算應(yīng)有的電機助力，并最終控制電機母線電流大小，從而實現(xiàn)助力控制?？刂破骺梢愿鶕?jù)收集到

9、的各方面信息依據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則實時計算最優(yōu)電機助力，從而保證車輛更好的操縱穩(wěn)定性和安全性。如圖5所示，EPS 系統(tǒng)可根據(jù)車速大小實時調(diào)整助力特性曲線，從而使車輛同時具有很好的低速轉(zhuǎn)向輕便性和高速操縱穩(wěn)定性。同時也對設(shè)計開發(fā)和生產(chǎn)制造有了更高的要求和挑戰(zhàn)。32 傳感器新技術(shù)目前大部分電子元器件是在 12V車載電源系統(tǒng)的限制下開發(fā)的，采用 42V車載電圖 5圖 6源系統(tǒng)是今后發(fā)展的目標(biāo)，但卻需要對部分電氣元件進(jìn)行重新開發(fā)設(shè)計。從 12V到42V車載電源系統(tǒng)的過渡并不是一個短期的過程。本部分要討論 12V電源系統(tǒng)下傳感器研究的最新進(jìn)展。EPS傳感器主要包括扭矩傳感器、速傳感器等。早期的 EPS扭矩傳感器應(yīng)

10、用較多的為接觸式傳感器，例如電阻式轉(zhuǎn)向傳感器。這種傳感器體積大，價格低，但是由于接觸式結(jié)構(gòu)使得工作時產(chǎn)生摩擦， 容易磨損。非接觸式扭矩傳感器使用了以下三種技術(shù)：磁、光和感應(yīng)技術(shù)，通過感應(yīng)部件的轉(zhuǎn)換，將駕駛員的轉(zhuǎn)向操作變?yōu)?ECU 可以接受的電信號。隨著公眾對車輛駕駛安全性和舒適性要求的進(jìn)一步提升，采用多功能綜合傳感器是今后發(fā)展的方向。圖 5、 圖6是日本 KOYO公司最新開發(fā)的扭矩/轉(zhuǎn)角綜合傳感器。當(dāng)靶盤（ Target）的齒每次經(jīng)過傳感器時，傳感器會輸出 A相和 B相信號，并輸入到控制上，微型計算機同步計算出扭矩和絕對轉(zhuǎn)向角的大小，從而實現(xiàn)對扭矩和轉(zhuǎn)角信號的同時檢測。這種新型的傳感器也代表了

11、 EPS傳感器今后的發(fā)展方向：小型化。小型化既可減少占用的空間，還能降低能耗，更符合環(huán)保的要求。該傳感器僅由靶盤和組件組成，傳感器桿高 17 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)與 轉(zhuǎn)向軸式 EPS轉(zhuǎn)向柱的一體化設(shè)計，在節(jié)省空間的同時還能獲得更好的碰撞吸能效果。擴展溫度范圍。齒輪式和齒條式EPS傳感器因為需要安裝在發(fā)動機附近需要考慮與發(fā)動機的安裝配合以及散熱等問題。目前使用的扭矩傳感器印刷電路 IC使用時的溫度圍較窄，約為- 30 80，可通過設(shè)計小體積的抗熱封裝結(jié)構(gòu)來改進(jìn)現(xiàn)行 IC的溫度特性。如采用新的封裝結(jié)構(gòu)后這種扭矩/轉(zhuǎn)角綜合傳感器的使用溫度范圍可以達(dá)到- 40 125，大大拓展了應(yīng)用空間。低成本、多功能、集

12、成化。減少傳感器的數(shù)量同時擴大傳感器的功能和用途，采用新型汽車總線技術(shù)（如FlexRay）以實現(xiàn)整車傳感數(shù)據(jù)的交互和共享，同時應(yīng)用先進(jìn)的制造技術(shù)和工藝進(jìn)行 EPS傳感器的設(shè)計開發(fā)，能進(jìn)一步降低價格，實現(xiàn)多功能和集成化。3 車載 42V電源系統(tǒng)傳統(tǒng)的 12V 電源系統(tǒng) 3 kW 的功率已經(jīng)難以滿足下一代汽車設(shè)計中新增加的電子設(shè)備如車載計算機系統(tǒng)、車載導(dǎo)航系統(tǒng)、多媒體電子元器件和網(wǎng)絡(luò)化汽車電子設(shè)備等的要求。對于 EPS來說， 在大負(fù)載的情況下（如齒條力超過 1000N），此時電路中元器件的反向電動勢對電機輸出功率的影響超過了電動機本身功率損耗的影響。而采用 42V電源系統(tǒng)能夠在不加大電動機直徑的情

13、況下增大電動機的輸出功率。特別是對于 轉(zhuǎn)向軸式 EPS來說， 由于安裝位置和空間的影響不能夠進(jìn)一步加大電機的尺寸，是非常有利的。因此，無論從成本或是電機本身尺寸上考慮， 采用 42V電源系統(tǒng)是很有吸引力的。另一方面， 采用 42V電壓， 較小的輸出電流非常有利于電子芯片的正常工作，使大量采用芯片的電子系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的機械或液力系統(tǒng)成為可能，從而拓展了 EPS市場空間。歐洲國家目前已經(jīng)制定了 42V電源系統(tǒng)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，其中奔馳和寶馬公司計劃在近期推出裝備 42V電源系統(tǒng)的汽車。 日本和美國的公司也緊隨其后， 積極開展研究和開發(fā)工作。4機械轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向柱的高性能、重量輕、低成本和標(biāo)準(zhǔn)化是今后的發(fā)展方

14、向。另一方面，由于汽車安全性標(biāo)準(zhǔn)的提高，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對轉(zhuǎn)向柱的剛性、吸收碰撞能量的要求也隨之提高，對環(huán)保的要求也促使轉(zhuǎn)向柱在制造材料的選擇上向著有益于環(huán)保的方向發(fā)展。日本 KOYO等轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)商都已經(jīng)開發(fā)出適應(yīng)新要求以及伸縮可調(diào)式轉(zhuǎn)向管柱。目前在 EPS上應(yīng)用較多的是齒輪齒條型轉(zhuǎn)向器。它的結(jié)構(gòu)簡單，傳力性能好，但是輸出力矩不能滿足中型、大型車用 EPS的力矩需求。而循環(huán)球型轉(zhuǎn)向器雖然結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但卻能滿足今后市場的要求，因此，采用循環(huán)球型以及其他類型的轉(zhuǎn)向器是今后技術(shù)開發(fā)的重點。對齒輪齒條型轉(zhuǎn)向器的改進(jìn)能夠提供更大的扭矩輸出， 如采用變傳動比齒條 （ 如圖 7 所示 ），壓力角由中間向兩側(cè)逐漸減

15、小，與小齒輪嚙合時，節(jié)圓半徑隨壓力角的減小而減小， 轉(zhuǎn)向系角傳動比則逐漸增大。此外，對電控單元（ECU）以及控制策略的改進(jìn)研究也取得了很大的進(jìn)展，如采用多種控制方法，不再僅僅依靠車速與扭矩作為 EPS控制信號，而是根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速、 側(cè)向加速度、前軸負(fù)荷等多種信號進(jìn)行與汽車特征相吻合的綜合控制，獲得更好的轉(zhuǎn)向路感。同時，研究的方法和手段也將多種多樣。圖 75展望隨著EPS 的廣泛應(yīng)用，特別是在中型、大型車上的應(yīng)用，對轉(zhuǎn)向助力的需求加大。要獲得更大的轉(zhuǎn)向助力則必須加大輔助電動機的功率，這就意味著必須增大電動機的直徑。另一種方法是采用車載42V 電源系統(tǒng)。目前EPS 的電動機多為直流永磁電動機或永磁無刷電動機，而無刷電機將是今后電動機發(fā)展的方向。同時，隨著汽車智能化的發(fā)展，科研人員也在嘗試優(yōu)化控制算法，讓EPS更加符合人的習(xí)慣，還有自動回正等功能。EPS 因其優(yōu)異的性能和節(jié)能環(huán)保特性適應(yīng)了未來轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展的要求。深入開展EPS 技術(shù)的研究，對于汽車技術(shù)的發(fā)展特別是我國汽車工業(yè)的發(fā)展具有十分重大的意義。在此基礎(chǔ)上，把握EPS 發(fā)展趨勢，進(jìn)一步加快對未來轉(zhuǎn)向