农用车电动式电子助力动力转向系统结构分析

丰泽康

（三峡大学机械与动力学院，湖北 宜昌 443002）

1 研究背景

近年来，人们对机动车行驶时的灵活性和轻捷性的要求越来越高，急需发明新的转向系统，推动机动车的发展[1]。电动助力转向系统的出现解决了这一难题，其广泛应用节约了大量的能源，遏制了全球气候的恶化，具有跨时代的意义。电动助力转向系统（EPS）可以说非常紧凑、轻便，几乎不需要维护。它们很容易设计和包装成模块化的形式，可以很容易地调整到特定尺寸，符合驾驶员的习惯。另外，电动助力转向系统还能减小车轮与地面间的冲击力，在过载条件下还具有过载保护的功能。近年来，EPS的引入数量逐渐增多。尽管电动助力转向系统比液压转向系统具有显著的优势[2]，但直到最近，电动马达技术和控制才得以实现应用。新一代的材料、复杂的计算机电子控制系统和动力管理的进步都促使电动助力转向系统成为现实。

1.1 转向系统的发展历程及研究现状

传统的农用车机械转向系统结构简洁，内部的零件都是靠纯机械传动，所以方向盘很重。而液压动力转向系统提供辅助动力，使转向更灵活。为克服液压动力转向系统的缺陷，日本高洋公司于1983年设计了一种附加速度信号的电液动力转向系统。总而言之，电控动力转向系统（EHPS）是动力转向系统（HPS）与电动助力转向系统的过渡产品。1988年，日本高丽公司设计的转向柱式电动助力转向系统安装在铃木公司的一款名叫Cervo的小型机动车上。电子控制单元（ECU）根据方向盘的扭矩来控制辅助动力，ECU同时通过车速控制驾驶员的路感，在传统的转向系统中，转向比是恒定的。转向机中的动力从转向轴流向旋转阀，然后通过行星齿轮系、转向齿条和横拉杆转向前轮[3]。行星齿轮架有外齿，可通过蜗轮由电动执行器马达旋转。因此，任意驱动角可以叠加在驾驶员的方向盘输入上。农用车低速行驶时，执行器驱动的行星架旋转方向与方向盘方向一致。智能化自适应前照灯系统（AFS）还具有稳定控制功能。该功能通过横摆角速度控制来实现。在危险情况下，提高了车辆的主动安全性。

1.2 EPS的发展趋势

EPS系统已经从研究发展和测验过程过渡到量产阶段，成为新时代农用车配件中的新科技产物。随着电控技术的发展，EPS取代EHPS成为必然。进入21世纪以来，我国的专家和学者开始研究电动转向系统。由于未来农用车转向系统的巨大市场潜力，开发电控转向系统将是一项值得推进的工作。

2 电子控制动力转向系统

2.1 构成和类别

电控转向系统可以分为液压式动力转向系统和电动式动力转向系统两类[4]。液压动力转向系统，通过减小方向盘所需的输入扭矩，调节方向盘角位移与前轮角位移的比值，来辅助驾驶员进行转向。液压动力转向系统由许多零部件组成，包括方向盘、输入轴、齿条和小齿轮、泵、液压缸支架、液压软管、横拉杆连杆等。虽然这是一项成熟的技术，但仍存在着转向系统液压和机械部件之间的动力耦合有关的噪声和振动问题。为了获得理想的增压特性，保证农用车在行驶过程中的安全驾驶，开发了专用的旋转式滑阀和变传动比齿轮齿条装置。电动助力转向系统是在传统机械转向系统的基础上发展起来的，增加了电控单元、电源、电机、转向传感器等[5]。此系统是基于驾驶员在方向盘上的转向力矩，通过助力电机提供辅助转向力来克服转向系统阻力。

2.2 EPS系统

EPS是在以往转向机构的基础上，加装了电动助力机构和转向助力控制系统。电动式电子控制动力转向系统由几大部分构成，分别是转向盘、电控单元、电动机、转向齿条、横拉杆、转向轮、转向轴、转向齿轮、扭力杆、转矩传感器、输出轴等[6]。

2.3 EHPS系统

现如今使用的农用车液压助力转向系统，在第一次引进后，经过了近50年的发展，才能显得如此自然、得体。在此之前，司机们需要努力在农田中操纵车辆低速停车。在相对高速下，还存在着寻找正确灵敏度和稳定性的问题。随着发动机功率的增加和车辆的增大，驾驶员为使车辆灵活地转向，所需付出的力气几乎达到了超人的程度。在农村公路或者农田里，司机驾驶车辆行驶在崎岖不平的地面显得格外吃力。因此，引进动力辅助转向系统显得越来越紧迫。美国通用汽车公司（Generals Motors）和澳大利亚毕晓普公司（Bishop）在20世纪50年代开发并引进了此套转向系统。

2.4 线控电动转向系统

线控电动转向系统是一种装有线控转向和四个独立电动轮辋驱动装置的车辆运动控制器。运动控制器通过作用于车辆重心，将控制与特定的执行器设置分离。采用实际执行器动力学的近似方法，分析不同运动控制器在线性和非线性驱动区域的性能。在此基础上，提出了一种基于非线性控制方法的精确车辆运动跟踪运动控制结构。运动控制器与由轮胎、轮胎载荷和半径计算以及UKF（一种算法）组成的非线性车辆状态观测器相结合，用于车辆状态的估计。将观测器结构与非线性运动控制器相结合，可以获得非常精确的控制性能。利用可调模拟量控制信号（DI）为运动控制器生成不同的平滑轨迹。仿真研究表明，在车辆敏捷性和稳定性之间保持良好的平衡是必要的，因此未来的研究将集中在更复杂的DI设计上。执行器饱和轮胎附着力的利用将通过重新制定控制分配作为分析或数值优化问题进行研究。线控转向消除了在农用车工作中对司机的伤害；从农田到方向盘没有振动，因为方向盘和转向柱之间的机械连接已拆下，这样可以减轻驾驶员的转向负担；方向盘可以安装在必要的位置。当电控单元发生故障时，线控转向系统失效，不能保证车辆的转向。此外，线控转向系统本身也非常昂贵，所以它不能广泛应用于家用机动车上。但是，随着控制技术的发展和电子元件功能的发挥，线控转向系统将在机动车上得到广泛的应用。

3 EPS系统结构分析

3.1 EPS工作原理与特点

EPS系统利用电动机作为助力器，根据车速和转向参数等，由电子控制单元完成助力控制[7]。在转动方向盘的时候，传感器收录电流信号，传递给ECU。在完成一系列的控制后，ECU反馈其转向系统信号，确定其转矩的大小和电流转向。随后开始所需协调辅助动力，获得适合工况的转向力。电动式EPS系统有以往转向系统所不具备的诸多优点。多个部件组装成一个整体，没有管路和控制阀，机构紧凑，质量轻，通用电动EPS系统质量比液压EPS系统轻25%左右。普通旋转式液压转向泵不需要液压动力转向系统，电动机只会在其必要时开启，并且将动力消耗和油耗降到最低。另外，油压系统被淘汰，因此无需再给转向泵补充油液，也无需担心漏油，并且可以设置车辆的动力特性，精准完成助力控制。

3.2 助力电动机总成

转向器的作用是把来自方向盘的转向力和转向角进行适当的变换，再输出给转向拉杆机构，从而使汽车转向，所以转向器本质上只是减速传动装置[8]。助力电动机总成由直流电动机和减速机构组成。助力电动机能够提供转向助力，能在很大程度上节省驾驶员的体力，使转向更加轻便。而且助力电动机安装在转向器外壳上，既能避免造成相互之间的干扰，又能保证转向性能。电动转向系统中的直流电动机，其装置输出的扭矩经过减速机构传递给齿轮机构，从而加大其操纵力。

3.3 转矩传感器

电动助力转向系统比液压转向系统具有显著的优势[9]，当农用车辆以合理的速度在农田中行驶或不需要转向时，可以减小动力，消除损耗。蓄电池提供转弯或低速停车所需的所有转向动力。电路能够将此信息中继到电子控制单元（ECU）中。控制算法产生一个驱动电机提供转向辅助的信号。电动机的动力来自蓄电池，它是电子控制的，不会造成很大损失。扭矩传感器的主要部件是扭力杆，它记录杆两端之间的差异（或相对）角位移。杆的扭转量或弯曲量可通过多种方式作为电子信号来提取。因此，开发了多种类型的扭矩传感器。理想情况下，扭力杆是小齿轮和方向盘之间转向杆的一部分，因此其位置可供选择。其目的是不影响传感器输出信号随后传递给电机控制器，以产生协助驾驶员所需的扭矩。所需扭矩的大小由控制回路中的驾驶员确定。扭矩传感器的输出与电机产生的扭矩应呈线性关系。驾驶员对车辆的运动做出响应，方向盘的微调会引起转向系统中零部件的变化，从而改变转矩传感器的特性。当转矩传感器的特性发生变化时，会向转向控制单元输出。直行状态时机动车不产生转矩，扭杆不转动，传感器不发生改变。

在农田中处于转向状态的农用车，扭杆扭转会产生转矩，一段时间后转矩平衡。经过演算得出助力转矩值、传递电流，并且在齿轮上产生转向助力。转向稳定状态的农用车，不转动方向盘的时候，处于平衡状态，转向系统保持初步的稳定。转向控制单元根据各个传感器的信号和方向盘操纵力、速度计算助力电流值。当传感器发生异常的时候，通常状态下，电源会断开，助力在这个时候就会停止，转向系统在这个时候进入机械式转向状态[10]。在转向杆机械强度的情况下，产生约1.8倍的扭矩，以获得传感器输出信号。需要注意的是，扭杆的两端可以自由旋转约两圈，这意味着连接在扭杆两端圆盘上的所有电子设备都可以通过软电缆连接到电源和其他外部电路。除了相对位移角外，还可能需要感测方向盘的绝对角位置和速度，电动助力转向主要是一种节能方案。这是一项创新，即将被引入全世界的农用机动车之中。几年后，它将被广泛使用，进一步的优化可能包括转向系统位置的灵活性增强，转向系统的调整以满足特定农用机动车或单个驾驶员的需要。

4 结论

笔者阐述了在农用车中转向系统的基本结构和工作原理，对机械转向系统、液压式电子控制动力转向系统到电动助力转向系统依次进行了介绍。首先介绍了机械转向系统，分析了该系统的自身结构和工作原理，由于自身结构简单，因此不是很普及；其次介绍了农用车的液压助力转向系统，该转向系统相比于机械转向系统成熟了一些，本身的优点也比较明显，操作精准，可靠性高，制造成本低，信息反馈丰富；最后介绍了电动助力转向系统，分析了该系统的结构，例如转向器、助力电动机总成、转矩传感器，并对其进行了简要的概括。仿真结果表明，电动助力转向系统在输出其内在的功率时，会发现其中的最佳供油规律，直观地了解电动助力转向系统的结构，凸显了电动助力转向系统各方面的优点。