电子转向系统综述

贾爱芹，温广飞

（黄河交通学院，河南 焦作 454950）

电子转向系统（Electronic Power Steering，EPS）是指取消了传统的转向系统所有的机械传动和连接部件。驾驶员对机械发出转向指令，指令信号到达控制机构后控制器根据驾驶员指令、车辆工况和路面状况确定前轮转角，从而实现转向过程自动、智能控制的转向系统。这种系统的动力源是来自电动机，根据车速和转向力等参数由电子控制单元（ECU）来完成助力控制。当下是车辆转向领域的新兴尖端技术，欧美等其他许多汽车生产厂商和技术公司均对EPS技术产生了非常大的青睐。较传统的转向系统，EPS在汽车总布置设计、车辆转向特性、行驶安全性、操纵稳定性及经济性和环保性等方面均具有更佳的性能。该系统能节约燃料，提高主动安全性，且有利于环保，符合现代汽车机电一体化的设计思想。

1 电子转向系统的结构

电子转向系统（EPS）的结构主要由转矩传感器、电动机、电子控制单元（ECU）、离合器、减速器、转向器、转向轴、车速传感器等部件组成。

（1）转矩传感器。它的作用来检测来自于转向盘上的转矩信号的方向和大小，目前应用较多的转矩传感器是利用扭杆检测输入轴和输出轴的相对扭转位移得到转矩。

（2）车速传感器。主要采用电磁式传感器，装配在变速器上，功能是根据车速的变化把脉冲信号传送给电子控制单元（ECU）。

（3）电子控制单元（ECU）。它是电子转向系统（EPS）的核心重要部件，用于收集转矩传感器信号和车速传感器信号，并通过相应的算法对电动机和离合器的工作状态进行控制，以满足及时准确的控制。ECU还具有安全保护及故障诊断功能，ECU通过采集其他信号判断其系统工作状态是否稳定正常，一旦异常将进行诊断分析，单片机记录下故障类型使仪表板上的故障指示灯亮起。同时ECU上的故障指示灯也亮，然后系统转入人工转向状态。

（4）电动机。电子转向系统（EPS）的动力源，是影响系统性能的主要因素之一。通常采用无刷式永磁直流电机。不仅要求控制性好可靠性高，而且还应兼顾提高路感，降低噪声和震动等来提高其性能。

（5）离合器。主要起到安全保护作用，当电子转向系统（EPS）发生故障或出现其他意外情况，离合器会及时切断，汽车仍然可以按照传统的转向装置继续工作，从而保障系统及行驶安全。

（6）减速器。用来增大电动机的输出转矩，主要有蜗轮蜗杆式和双行星齿轮式。

2 电子转向系统的工作原理

当驾驶员操纵转向盘时，转矩传感器检测采集转向轴上的转矩信号，并与车速传感器信号这两路信号同时被采集到电子控制单元（ECU），ECU经运算处理后确定助力转矩的大小和方向，向电动机发出控制指令即向其输出一个合适的电流，调整转向辅助动力的大小。电动机的转矩由离合器通过减速机构减速增距后，通过齿轮齿条转向器施加在汽车的转向机构上，使之得到一个转向作用力与汽车工况相适应。

3 电子转向系统的分类

根据电动机和减速器在汽车上的布置位置的不同电子转向系统（EPS）可分为转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式三种。

（1）转向轴助力式。该类型的电动机固定在转向轴的侧面，装有一电磁式离合器，通过减速器与转向轴相连，直接驱动转向轴实施转向助力。特点是转向系统的重量轻占用空间小，安全性差，噪声和振动大直接影响舒适性。铃木公司（SUZUKI）的奥拓汽车多采用这种布置方案。

（2）齿轮助力式。这种转向助力系统的转矩传感器、电动机、离合器及减速器集成在一起，安装在转向器齿轮处，电动机的输出力矩经减速机构直接作用在小齿轮上进行助力。该类型的特点是转向器的安全性和准确性都较传统的转向系统有所提高，而且也提供了更高的行驶舒适性。日本三菱公司（Mitsubishi）的Minica微型汽车使用此布置方案。

（3）齿条助力式。这种系统提供助力的方式是电动机和减速器直接驱动齿条

（4）转矩传感器独立装配在转向小齿轮旁边，电动机和减速机构集成在一起装配在齿条上。电动机的输出力矩通过减速传动机构传递到齿条上。常见采用此布置方案的汽车有雅阁轿车（本田公司）。特点是结构紧凑，很好地保证了转向器空间布置的弹性，系统刚度好，传动能力大，可以提供较大的助力转矩，适用于前轴负荷较大的汽车（如越野车）。

4 电子转向系统故障自诊断和安全功能

电子转向系统（EPS）具有故障自诊断和显示功能，当出现任意一故障时系统均可显示出故障码。如果同时出现两个及以上故障时，则依次显示出故障码。其安全功能用来确保转向系统正常工作，即当转向系统的某些部件出现故障时，能迅速地检测出故障，以便采取相应的安全措施，如限制或停止助力转矩控制，从而使转向系统能够连续、安全地工作。限制助力转矩控制功能是力图防止可能会出现的故障。一旦出现可能导致系统故障或严重故障的蓄电池电压过低、动力装置过热等时，电子转向系统就会执行该功能；停止助力转矩控制的功能是当电子转向系统的基本部件出现故障可能导致严重后果时，离合器迅速分离，电源继电器释放，从而停止助力转矩控制。

5 电子转向系统的特点

（1）转向特性佳。电子转向系统能在任何行驶工况下根据车速、转向角、转向转矩和转向速度等参数提供合理的最佳助力，减小了道路不平度所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性。转向操纵力在行驶时有所减轻，行驶时的转向稳定性更好，从而提高汽车的行驶安全性。

（2）高效低能。电子转向系统较传统的转向系统装配自动化程度更高，缩短了造车节拍，提高了效率。与之相比，可节约燃油3%～5%，因此提高了燃油经济性，降低了能源消耗。

（3）方便可靠。与传统转向系统相比，电子转向系统省略了一些附件，所以重量更轻，结构更紧凑，在装配选择方面更方便，并能降低系统噪声。另外电子转向系统不存在渗漏等问题，几乎无污染环保性好。原材料环保，很容易实现材料和能源的循环再利用。

（4）适配性好。电子转向系统可以通过ECU设置和改变不同的程序，能快速精确地与不同的车型适配，大大降低了技术的复杂程度。

6 电子转向系统的关键技术以及发展前景

电子转向系统是近几年来的新兴技术，该技术虽已达到最初的设计目的，但是有很高的技术壁垒，目前在国内尚未成熟，仍然存在一些技术问题亟待解决。比如，改善电动机的性能是关键，将影响转向盘力特性、转向路感、汽车动态响应等重要问题；增强电子转向系统控制器的稳定可靠性；及其故障诊断等关键技术。

汽车能源问题、环保问题及交通安全问题依然是21世纪汽车行业倍受关注的问题，然而随着汽车EPS技术的不断成熟，可以从一定程度上改善这三者所带来的危害。电子转向系统当前已经广泛应用在各种类型的轿车上，其性能已经得到大众的认可，随着研究的发展和技术的提高，其应用范围必然会进一步拓宽，目前该技术以每年20%左右的增速不断被应用。况且汽车领域的未来就是小排量以及智能化，而电子转向系统本身就是趋于智能的，随着技术的成熟和普及该技术未来的成本必将会有所降低，电子转向系统在转向领域前景广阔。总言之是为其更安全、更舒适、更简单的提高而服务的。

［1］ 余志生.汽车理论5版［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［2］ 王望予.汽车设计4版［M］.北京：机械工业出版社，2004.