汽车电动助力转向系统的发展

何琳

摘要：随着汽车安全性、舒适性、节能性和环保性要求的提高，电动助力转向系统在汽车中得到广泛应用。为了解决新车开发早期电动助力转向系统的选择和设计问题，分析了不同类型和结构电动助力转向系统的特点和应用，阐述了电动助力转向系统的关键技术和发展趋势。

关键词：汽车；转向系统；电动助力

汽车转向系统大致经历了无助力的纯机械转向（MS）、有液压助力的液压助力转向（HPS）、随车速改变助力大小的电控液压助力转向（ECHPS）、由电动机直接驱动转向油泵的电动液压助力转向（EHPS）、纯粹靠电动机提供助力的电动助力转向（EPS）、可变传动比转向系统（VGRS）等发展历程。专家们预测，未来汽车转向系统的发展趋势是线控转向（SBW），即取消方向盘与转向车轮之间原有的机械连接，而改用控制信号代替的一种电动转向系统。本文探讨EPS的发展及原理等。

1电动助力式转向系统概述

电动助力式转向系统是转向系统发展中一项重要的技术。它将电子技术与汽车机械技术良好地结合，完成了许多以前看来不可能的任务，例如简化系统、性能优良、侧面影响小和花费低，是一种直接依靠电力、不需要液压系统就能提供辅助扭矩的助力转向系统。该系统主要由扭矩传感器、转角传感器、车速传（可与其它系统共用）、电动机、减速机构和电子控制单元ECU等组成，助力大小由ECU控制。装在转向器上的转角传感器和扭矩传感器测得转向盘的角位移和作用于其上的力矩，ECU根据这2个信号，并结合车速信息，按照一定的算法，控制电动机产生相应的力矩，来辅助驾驶员转动转向盘。

2 EPS的工作原理及分类

2.1基本结构与工作原理

EPS是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统。不同类型的EPS基本原理是相同的：扭矩传感器与转向轴（小齿轮轴）连接一起，当转向轴转动时，扭矩传感器开始工作，把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动位移变成电信号传给ECU，ECU根据车速传感器和扭矩传感器的信号决定电动机的旋转方向和助力电流的大小，从而完成实时控制助力转向。

2.2 EPS的分类

根据电动机安装位置不同可将EPS分为三类：转向柱助力式、齿轮助力式、齿条助力式。转向柱助力式EPS的电动机固定在转向柱一侧，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴转向。齿轮助力式EPS的电动机和减速机构与小齿轮相连，直驱动齿轮转向。齿条助力式EPS的电动机和减速机构安装在齿条处直接驱动齿条提供助力。

3 EPS的特点

（1）具有随车速变化的最佳助力效果。将不同车辆的助力特性曲线做成数据表格存入ECU的ROM，工作时，ECU根据扭矩和车速信号快速查阅该表，得出电动机所需助力电流，加以修正后得目标电流，用来控制电动机的助力大小，且由电流传感器进行反馈控制，控制效果精确。二次设计开发时，只需修改程序，就能满足新的要求，所以可大大缩短研发周期。

（2）节约能源，保护环境。EPS是按需工作型的转向系统，电动机只在需要时才工作。由于没有液压回路，与EHPS相比，EPS避免了液压损失、泄漏和液压油对环境的污染，其节能性能、环保性能都比EHPS好。

（3）零件简化。只靠电动机直接提供助力，取消了油泵、皮带、皮带轮、液压管路、液压油和密封件等，可靠性增加。没有液压油，且低温工作性能好。电气元件的检测维修、更换方便。

（4）EPS采用机械连接，路感真实、直接、可靠，系统发生故障时，机械部分仍能可靠操纵转向，不需要另设计一套应急转向系统。但汽车碰撞时，方向盘对驾驶员的伤害较大，且一般的EPS都没有改变转向传动比，没有解决低速时转向灵活性、机动性（要求传动比小）与高速时方向稳定性、安全性（要求传动比大）的矛盾。

4 EPS的关键技术

4.1控制器硬件开发

控制器是EPS系统核心部件，控制器硬件直接影响到汽车EPS系统可靠性和汽车安全。EPS控制器对工作环境要求较高，尤其是布置在发动机舱内的控制器必须保证在-40～130℃甚至更高的温度下稳定工作；同时控制器要求具有较高的密封和振动特性；另外，EPS在工作的過程中会产生较大的电流突变，并且EPS工作在较高电磁干扰环境.

4.2控制策略开发

EPS系统是一个非线性和多输入多输出控制系统，其控制策略设计要求：1）对驾驶员操纵扭矩快速精确跟踪，实现基本助力特性；2）良好的路感；3）有效抑制助力电机扭矩波动；4）减小路面干扰和传动系误差等对系统性能的影响；5）控制系统的鲁棒性。

4.3助力电机

助力电机对EPS性能影响很大，是EPS的关键部件之一，所以EPS对助力电机有很高的要求。随着EPS逐渐在中高级轿车上的运用，要求助力电机具备低转速大扭矩、惯量小、扭矩波动小、体积小及噪声小等性能要求.

4.4减速传动机构

助力电机为高速低扭矩输出，因此EPS必须对其进行减速增扭处理。目前EPS中常见的减速机构为蜗轮蜗杆，蜗轮蜗杆减速机构由于其体积小和减速比大，在EPS上得到广泛运用，但其传动效率较低和磨损严重等因素成为影响EPS性能的重要因素.

5 EPS未来的发展趋势

（1）控制性能的加强。EPS能否获得满意的性能，除了应有好的硬件保证外，还必须有良好的控制软件做支撑。随着智能控制技术的进一步发展，智能控制技术必将应用于EPS的开发。

（2）合理助力特性的确定。助力特性的好坏取决于转向的轻便性和路感。对于路感问题国内外还没有成熟的理论研究结果，研究手段还以试验为主。

（3）电动机性能的改善。电动机的性能是影响控制系统性能的主要因素，电动机本身的性能及其与EPS的匹配都将影响转向操纵力、转向路感等重要问题。

（4）系统可靠性的提高。EPS通过采用电动机和计算机控制系统，部分地将转向操作独立于驾驶员的控制.

6结束语

电动助力转向系统的应用已经成为助力转向系统的一个转折点和总趋势。以电力为驱动辅助力的能源，完全避免了传统助力系统和电控液压助力系统的缺点，符合“绿色、环保、熟练”的时代潮流，必将成为未来助力系统发展的中流砥柱。

参考文献：

[1]唐子雷，李伟.汽车电动助力转向电子控制系统的研究[J].机械管理开发，2007，S1：10-12.

[2]左丽，李夏青，吴文江.电动助力转向系统稳定性分析[J].北京汽车，2006，03：20-23.

（作者单位：奇瑞商用车（安徽）有限公司）