电子助力转向系及四轮转向系浅析（一）

◆文/江苏 赵宝平 刘晓雪 邓飞虎

电子助力转向系及四轮转向系浅析（一）

◆文/江苏 赵宝平 刘晓雪 邓飞虎

汽车转向系是汽车底盘四大系统之一，其功能是按照驾驶员的意愿控制汽车的行程安全，因此汽车转向系统的零部件都称为保安件。同时，汽车转向系和制动系都有保障汽车安驶方向的功能。对于转向系来说，最主要的要求就是转向的灵敏性和操纵的轻便性。

随着汽车技术及电子技术的迅猛发展，汽车新技术、新工艺、新材料层出不穷。尤其大量电子技术在汽车上得到了广泛应用，使得汽车的动力性、燃油经济性、舒适性、操纵性以及环保性能得到了较大的改善。现代汽车各大系统均采用了电子控制技术，包括汽车转向系统不仅从传统机械液压式动力转向系统也发展至电子助力转向系统(EPS)。

一、电子助力转向系的基本结构和工作原理

普通动力转向系的助力特性是不变的，且与车速无关，这会导致停车及低速时，转向盘操纵沉重，中速时较轻快，当车速增高时更加轻快。如果考虑停车及低速时的轻便性，则使高速时操纵力过小，路感下降，易出现转向过度；反之会使停车及低速时操纵力过大，转向沉重，效率下降。为了实现在各种行驶条件下转向盘上所需要的力都是最佳值，必须采用更先进的电子控制动力转向系统。电子控制动力转向系可分为：电动式动力转向系、电控液力式转向系、电动液力式转向系。本文先介绍电动式动力转向系。

1.电子助力转向系概述

(1)电子助力转向系的组成

如图1所示，该系统通常由转矩传感器、车速传感器、电动机、电磁离合器、减速机构、电子控制单元等组成。各部件在车上的布置如图2所示。

图1 电子助力转向系的组成

图2 电子助力转向系在车上的布置

(2)电子助力转向系的工作原理

当操纵转向盘时，装在转向轴上的转矩传感器不断测出转向轴上的转矩，并由此产生一个电压信号。该信号与车速信号同时输入电子控制单元，电子控制单元根据这些输入信号进行运算处理，确定助力转矩的大小和转向，即选定电动机的电流和转向，调整转向的助力。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。

(3)电子助力转向系(EPS)部件结构及工作原理

①转矩传感器

转矩传感器也称转向传感器，其作用是测定转向盘与转向器之间的相对转矩，并将其作为电动助力的依据之一。转矩传感器的结构、原理如图3所示。

图3 转矩传感器原理

用磁性材料制成的定子和转子可以形成闭合的磁路，线圈A、B、C、D分别绕在极靴上，形成一个桥式回路。转向轴扭转变形的扭转角与转矩成正比，所以只要测定轴的扭转角，就可间接地知道转向力的大小。

在线圈的U、T两端施加连续的脉冲电压信号Ui，当转向轴上的转矩为零时，定子与转子的相对转角也为零。这时转子的纵向对称面处于定子AC、BD的对称平面上，每个极靴上的磁通量是相同的。电桥平衡，V、W两端的电位差U0= 0。

当转向轴上存在转矩时，定子与转子的相对转角不为零，此时转子与定子间产生角位移θ。极靴A、D间的磁阻增加，B、C间的磁阻减小，各个极靴的磁阻产生差别，电桥失去平衡，在V、W两端产生电位差。这个电位差与轴的扭转角θ和输入电压Ui成比例，从而可知道转向轴的转矩。

一种实际应用的转矩传感器结构如图4所示，其工作原理与上述基本相同，优点是便于安装。

图4 实际应用的转矩传感器

②电动机、电磁离合器与减速机构

电动机、电磁离合器和减速机构组成的整体称为电机组件，其结构如图5所示。

图5 电机组件

a.电动机

转向助力电动机就是一般的永磁电动机(原理不再叙述)，电动机的输出转矩控制是通过控制其输入电流来实现，而电动机的正转和反转则是由电子控制单元输出的正反转触发脉冲控制。图6是一种比较简单实用的正反转控制电路。a1 、a2为触发信号端。从电子控制单元得到的直流信号输入到a1、a2端，用以触发电动机产生正反转。当a1端得到输入信号时，晶体管T3导通，T2管得到基极电流而导通，电流经T2管的发射极和集电极、电动机M、T3管的集电极和发射极搭铁，电动机有电流通过而正转。当a2端得到输入信号时，晶体管T4导通，T1管得到基极电流而导通，电流经过T1管的发射极和集电极、电动机M、T4管的集电极和发射极搭铁，电动机有反向电流通过而反转。控制触发信号端的电流大小，就可以控制电动机通过电流的大小。

图6 电动机正反转控制电路

b.离合器

一般使用干式单片电磁离合器，其结构如图7所示。工作电压为12V、额定转速时传递的转矩为15 N m，线圈电阻(20℃时)为19.5Ω。

其工作原理是：当电流通过滑环进人离合器线圈时，主动轮产生电磁吸力，带花键的压板被吸引与主动轮压紧，电动机的动力经过轴、主动轮、压板、花键、从动轴传给执行机构。

由于转向助力的工作范围限定在一定速度区域内，所以离合器一般设定一个速度范围，如当车速超过30km/h时，离合器便分离，电动机也停止工作，这时就没有转向助力的作用。当电动机停止工作时，为了不使电动机及离合器的惯性影响转向系的工作，离合器也应及时分离，以切断辅助动力。当系统中电动机等发生故障时，离合器会自动分离，这是仍可恢复手动控制转向。

图7 电磁离合器的结构

c.减速机构

目前使用的减速机构有多种组合方式，一般采用涡轮蜗杆与转向轴驱动组合式；也有的采用两级行星齿轮与传动齿轮组合式，如图8所示。

图8 双级行星齿轮减速机构

图5是涡轮与斜齿轮组合方式。涡轮与固定在转向输出轴上的斜齿轮相啮合，它把电机的回转运动减速后传递到输出轴上。为了抑制噪声和提高耐久性，减速机构中的齿轮有的采用特殊齿形，有的采用树脂材料制成。

(4) 控制系统

电动动力转向的控制系统方框图如图9所示。该系统的核心是一个有4KROM和256 RAM的8位微机。

图9 电子助力转向系的控制系统

转向盘转矩信号和车速信号经过输入接口送人微机，随着车速的升高，微机控制相应地降低助力电动机电流，以减少助力转矩。发动机转速信号也被送人微机，当发动机处于怠速时，由于供电不足，助力电动机和离合器不工作。因此，电动动力转向工作时，电子控制单元必须控制发动机处于高怠速工作状态。点火开关的通断(ON/OFF)信号经A/D转换接口送入微机。当点火开关断开时，电动机和离合器不工作。微机输出控制指令经D/A转换接口送人电动机和离合器的驱动放大电路中，控制电动机的旋转转向和离合器的离合。电动机的电流经驱动放大回路、电流表A/D转换接口反馈给微机，即电动机的实际电流与按微机指令应给的电流相比较，调节电动机的实际电流，使两者接近一致。

三菱“米尼卡”车的电子助力转向系如图10所示，控制系统简图如图11所示。

由图10和11可知：交流发电机的“L”端子可视为向电子控制单元输入信号的一个传感器，利用交流发电机的“L”端子电压可以判断发动机是否转动。当发动机还未发动时，该系统不能工作。

电动机和离合器接受电子控制单元输出的控制电流，产生助力转矩，经传动齿轮减速后，再经过小齿轮实现动力转向，电动机的动力是通过行星齿轮机构传递的。离合器是由电磁铁和弹簧等组成的电磁离合器。

(作者赵宝平、刘晓雪、邓飞虎单位：金肯职业技术学院)