基于汽车电动助力转向系统的原理研究

2021-09-09高天智何宛芯胡泽华陆健发

汽车实用技术 2021年16期

陈强，高天智，何宛芯，胡泽华，陆健发

（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222）

关键字：工作原理；基本组成；性能优势；系统类型；控制技术；未来趋势

前言

随着科技的进步，各类汽车产品的更新迭代，汽车转向系统取得了不错的成就。生活品质的提升使得人们越来越注重汽车的安全性、舒适性、便捷性和可靠性。而汽车转向系统作为汽车主动安全性能的一个代表性操作系统，更是行车安全中的重中之重[1]。所以，我们对汽车转向系统的研究是十分有必要的。汽车转向系统是否良好，是衡量一辆汽车的主动安全性能优劣的重要指标，怎样设计好汽车的转向性能和操作稳定性能，是现今有关车辆行驶过程中转向的重要研究课题。在汽车行驶过程中，电动助力转向系统（EPS）能很大程度地提升汽车行驶中驾驶人员的舒适性、平稳性与安全性，是目前各大汽车公司重点的研究对象之一。

1 电动助力转向系统的工作原理

电动助力转向系统是通过系统中配置的电动机来为汽车转向提供辅助力的一种动力转向系统[2]。该转向系统和传统的机械式助力转向系统，液压助力转向系统相比较，电动助力转向系统具有更好的性能和优势。电动助力转向系统的工作原理是通过传感器测量采集作用在输入轴的力矩大小，然后电子控制单元（ECU）根据转矩传感器与车速传感器采集过来的有关信号去控制电动机的转向和助力电机的助力电流大小。最后电动机的力矩通过减速机构和离合器等作用到小齿轮中去，从而达到为汽车驾驶员提供车辆转向助力的效果，实现车辆电动助力转向。让汽车的变向和行驶更加轻松省力。并且电动助力转向系统会通过ECU进行实时分析控制，车速变低的时候它的助力就会增加，车速变高的时候助力就会减少[3]。并且当车辆的行驶速度超过规定范围的数值时，电动助力转向系统就会关闭电动助力，并通过控制电动机来反向制动汽车。从而使汽车在较高车速下行驶的过程中能增加车辆驾驶员操作方向盘的手感，确保车辆在行驶过程中的行车安全。电动助力转向系统本身是一个较为复杂的系统，很容易受到多个方面的影响。例如车速传感器与转矩传感器等采集传输的数据精度和数据传输速度。车辆行驶过程中的路面情况等各方面因素都会在一定程度上影响到汽车上的电动助力转向系统，所以电动助力转向系统对传感器采集到的相关数据实时性和准确性的要求相较于传统的机械式助力转向，液压助力转向系统来说要求会更加严格精细。

2 电动助力转向系统的基本构成

目前汽车的电动助力转向系统是在传统的机械助力转向和液压助力转向系统的基础上逐步发展而来的。该系统利用电动机产生的动力来协助汽车驾驶员进行车辆转向的相关操作[4]。电动助力转向系统主要由三大部分组成：信号采集传感部分、转向助力机构部分、电子控制部分。

其一为信号传感装置，该部分包括了扭矩传感器、车速传感器与转角传感器；其二为转向助力机构，这部分是由电动机、离合器和减速传动机构组成；其三为电子控制部分，值得注意的是，系统的电动机只有在车辆需要转向助力时才进行工作，车辆驾驶员在控制方向盘时，扭矩传感器和转角传感器根据方向盘传递过来的扭矩大小和转向的角度来产生相应的电压信号。车速传感器实时测量传递相关的车速信号给电子控制部分，电子控制单元根据传递过来的电压大小和车速信号，给出对应的控制命令来使电动机转动，从而为驾驶员提供相应的转向助力。

电动助力转向系统主要的传感器有扭矩、车速和转角这三个，它们在系统中起到至关重要的信息采集与传递功能。

扭矩传感器：是通过对车辆驾驶人员施加到方向盘传感器的力矩大小计算出具体需要提供多大的转向助力力矩，采集记录有关数据并提供给电子控制单元。

车速传感器：是用来测量车辆行驶时的车速，并将测量到的有关车速数据信号准确而迅速地传递到汽车的电子控制单元，进而分析车辆目前是否需要助力的传感器。

转角传感器：转角传感器是电动助力转向系统的一个关键传感器，它不仅需要实时的检测方向盘的具体转动角度，准确记录并快速传递给控制单元，为控制单元提供采集到的相关数据并和其他传感器传递过来的信号一起作为电子控制单元控制系统的数据提供对象。

电动机：为车辆转向提供相应的转向动力，并且它只在车辆需要助力的时候才进行工作，根据电子控制单元发出的命令来工作，提供转向助力。

减速机构：其具有减速和增加转矩的相关功能，降低车辆行驶速度并增加输出的扭矩大小，为电动机输出的动力提供一定的控制，辅助电动助力转向系统的助力。

电子控制单元：电子控制单元是电动助力转向系统中的关键部件[5]，通过各个传感器传递过来的数据信号，来进行分析、计算和控制，从而使电动助力转向系统提供转向助力的功用。

3 电动助力转向系统的优势

（1）只有在车辆进行转向的时候电动机才进行转向助力，在很大程度上降低了车辆燃油的消耗。

（2）提供的助力大小可以进行实时对的调控，能够对车辆高低速行驶的不同状况进行分析控制，有效提高车辆转向便捷性和稳定性。

（3）结构布置更为紧凑，质量更小，且性能更高，易于拆装维护保养。

（4）更容易和不同的车型进行配对，大为缩短产品的研发和生产周期，且提高了转向的性能。

4 助力转向系统的类型

转向系统的类型发展比较完善的有机械式助力转向系统、电子液压式助力转向系统和电动助力转向系统三种类型。机械式和液压式性能相交于电动助力的来说要弱一些，所以目前采用的多为电动助力转向系统[6]。

4.1 机械助力转向系统

机械助力转向系统是通过车辆驾驶者自身的力量作为转向的动力来源，所有的部件都是机械结构形式，在液压和电动转向系统出现前使用广泛，长时间的驾驶对车辆驾驶人员负担较大。

4.2 电子液压助力转向系统

液压助力转向系统的转向泵是由电动机来进行驱动的，同样使用电子控制，其转向辅助力的大小和方向盘转过的角度、车辆的速度都有关联。该转向助力系统加装了液压装置，它和纯机械式的助力转向系统对比来说是提高了不少的性能，相对省力。

4.3 电动助力转向系统

电动助力转向系统在车辆行驶过程中提供实时迅速改变的助力，电动助力转向系统正在成为当代汽车的一个主流助力转向系统。电动助力转向系统是不用发动机的动力的，和机械助力、液压助力相比较，电动助力转向系统减轻了整个系统的质量、减少了汽车燃油的消耗、降低了制造成本，并且使维修保养更加便捷省时。

电动助力转向系统目前主要发展以下三种类型，分别为转向轴助力式、齿轮助力式和齿条助力式，分类如图1所示。

图1 电动助力转向系统

4.3.1 转向轴助力式

转向轴助力式转向系统的各个机构都安装在它的转向轴上。结构更加紧凑，助力的速度更快。只是其电动机的体积会更小一些，输出的扭矩不大，一般情况下用在偏小型的车辆上。

4.3.2 齿轮助力式

齿轮助力式转向系统的机构整体布置在小齿轮处，直接为小齿轮提供助力，因此会有更大的转向动力。它通常用在中型的车辆之中。它的布置方式更加简单，方便维修养护。

4.3.3 齿条助力式

齿条助力式转向系统和转向轴式、齿轮助力式的不同之处在于它的转矩传感器是单独放置在小齿轮处，电动机和助力机构则安放在其小齿轮另一边的齿条处，用来对齿条进行转向助力。齿条助力式的布置方式更加简单，在车辆中布置起来十分便捷。和其他的助力系统来对比，其能提供较大的转向助力，所以主要应用在大型车辆之中。

5 电动助力转向系统控制技术

工作期间，电动助力转向系统会受到多方因素影响：环境对其造成的干扰较大，路面，电磁干扰等都会使传感器采集到的数据产生偏差，从而使助力效果与预期状态产生出入。这些问题使得EPS控制技术需要不断发展提高，控制技术的不断创新发展，EPS相关控制策略的选择也会越来越严格。电动助力转向系统的相关控制技术也会愈加成熟。程序流程图如图2所示。