1、文章編號: doi: 電動助力轉向系統結構發展概況程浩(中國石油大學機電工程學院,山東青島 266580)摘要：電動助力轉向系統是一種直接依靠電動機提供輔助轉矩的動力轉向系統，是為了滿足人們對于駕駛輕便性的要求而產生的。它可以根據不同的使用工況控制電動機提供不同的輔助動力。本文主要介紹電動助力轉向系統的結構，包括機械式轉向器、傳感器等在近年出現的新發展，同時為未來的發展做出展望。 關鍵詞：電動助力轉向，結構，轉向器，傳感器中圖分類號： 文獻標志碼：Development of Electric Power Steering Structure Cheng Hao(College of Elec

2、tromechanical Engineering in China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)Abstract: Electric power steering (EPS) is a power steering system that directly relies on the motor to provide auxiliary torque. It is designed to meet the requirements of people for driving light. The utility model c

3、an control the motor to provide different auxiliary power according to different working conditions. This paper mainly introduces the new development of structure of the electric power steering system, including mechanical steering gear, sensor and so on. At the same time, it forecasts the future de

4、velopment.Key words: EPS, Structure, Steering Gear, SensorDocument number: document code:0 引言：用來改變或保持汽車行駛或倒退方向的一系列裝置稱為汽車轉向系統(steering system)。在汽車發展史上，轉向系統先后經歷了純機械式轉向系統、液壓助力轉向系統、電動助力液壓轉向系統、電動助力轉向系統和最新的線控轉向。電動助力轉向誕生于20世紀80年代。1988年，光洋精工成功研發出轉向柱式電動助力轉向系統，并由鈴木公司首先在小型轎車Cervo上配備。電動助力轉向的主要結構有機械式傳感器、傳感器、減速機構

5、、離合器、電動機、電子控制單元（ECU）等（圖1）。雖然僅有近三十年的歷史，但電動助力轉向的結構也在不斷地創新與優化。圖11 驅動方式的發展根據驅動方式，或者說電動機布置位置的不同，EPS系統可分為轉向軸助力式，齒輪助力式，雙小齒輪式和齒條助力式。其中，轉向軸助力式是最早的類別，然后在1990年本田公司在運動型轎車NSX上首先運用了自主研發的齒條助力式系統。2003年，大眾公司在第五代高爾夫上使用了ZF公司的雙小齒輪式電動助力轉向系統。1而在市面上所使用的電動助力轉向中，以雙小齒輪式電動助力轉向（DP-EPS）的應用最為普遍。2所以本部分主要講述雙小齒輪式電動助力轉向。雙小齒輪式轉向系統的布置

6、模式與齒條助力式類似，但是齒條助力式轉向器使用的是循環球式轉向器，故能提供更大的輔助轉矩，能應用于越野車或載重貨車上。雙小齒輪式EPS使用的是齒輪齒條式轉向器。2圖 2雙小齒輪式電動助力轉向系統的工作原理如圖2 所示，工作過程和原理大致如下:1) 駕駛員雙手所產生的扭矩通過方向盤和轉向管柱傳遞到轉向輸入齒輪上。2) 傳感器采集從方向盤傳遞過來的扭矩、轉角等信號，并傳遞給轉向機的控制單元(ECU)。3） ECU 根據方向盤扭矩、轉角信號，同時結合來自整車控制器的車速等信息，根據預先設定的助力策略計算當前應有的電機助力; 根據當前電機轉速和預設的電機特性計算出應有的母線電流; 最終通過PWM 控制

7、實現既定的扭矩目標。4) 電機的扭矩經過減速機構傳遞到助力齒輪上，通過助力齒輪與齒條的嚙合推動齒條直線運行，并最終實現轉向功能。某雙齒輪式電動助力轉向機的實物照片如圖3 所示，其拆解結構如圖4 所示。主要核心零部件包括: 助力電機、控制器、轉向輸入齒輪總成、齒條、蝸輪蝸桿減速機構、殼體、轉向拉桿、轉向外球頭和防塵罩等。圖 3圖 4轉向輸入小齒輪總成的主要功能是輸入駕駛員的轉向操作，向駕駛員反饋路感。其結構主要由輸入軸、小齒輪、扭桿、扭矩轉角傳感器，以及其它連接附件構成。輸入軸和小齒輪之間通過扭桿連接，同時輸入軸和小齒輪上又分別連接扭矩傳感器的兩個感應元件。通過扭桿剛度和兩感應元件之間的相對轉角

8、，計算駕駛員操作扭矩; 同時該傳感器還可以測量小齒輪的轉角位置。助力齒輪的主要功能是將減速增扭后電機的扭矩轉換成齒條的直線推力，實現最終的助力功能，從而降低駕駛員轉向操作力，提高車輛行駛安全性和駕駛員舒適性。助力電機的主要功能是將輸入電能轉換成機械能即電機的輸出轉速和扭矩，從而實現助力功能，是整個EPS 的終端執行機構。與液壓執行機構相比，電機具有更高的效率和更好的可控制性，是EPS 相比于HPS 具有優勢的根源。控制器是整個EPS 系統的大腦和運算中心，它根據傳感器收集到的各種信號，以及來自整車控制器的信息計算應有的電機助力，并最終控制電機母線電流大小，從而實現助力控制。控制器可以根據收集到

9、的各方面信息依據預設規則實時計算最優電機助力，從而保證車輛更好的操縱穩定性和安全性。如圖5所示，EPS 系統可根據車速大小實時調整助力特性曲線，從而使車輛同時具有很好的低速轉向輕便性和高速操縱穩定性。同時也對設計開發和生產制造有了更高的要求和挑戰。32 傳感器新技術目前大部分電子元器件是在 12V車載電源系統的限制下開發的，采用 42V車載電圖 5圖 6源系統是今后發展的目標，但卻需要對部分電氣元件進行重新開發設計。從 12V到42V車載電源系統的過渡并不是一個短期的過程。本部分要討論 12V電源系統下傳感器研究的最新進展。EPS傳感器主要包括扭矩傳感器、速傳感器等。早期的 EPS扭矩傳感器應

10、用較多的為接觸式傳感器，例如電阻式轉向傳感器。這種傳感器體積大，價格低，但是由于接觸式結構使得工作時產生摩擦， 容易磨損。非接觸式扭矩傳感器使用了以下三種技術：磁、光和感應技術，通過感應部件的轉換，將駕駛員的轉向操作變為 ECU 可以接受的電信號。隨著公眾對車輛駕駛安全性和舒適性要求的進一步提升，采用多功能綜合傳感器是今后發展的方向。圖 5、 圖6是日本 KOYO公司最新開發的扭矩/轉角綜合傳感器。當靶盤（ Target）的齒每次經過傳感器時，傳感器會輸出 A相和 B相信號，并輸入到控制上，微型計算機同步計算出扭矩和絕對轉向角的大小，從而實現對扭矩和轉角信號的同時檢測。這種新型的傳感器也代表了

11、 EPS傳感器今后的發展方向：小型化。小型化既可減少占用的空間，還能降低能耗，更符合環保的要求。該傳感器僅由靶盤和組件組成，傳感器桿高 17 mm，能夠實現與 轉向軸式 EPS轉向柱的一體化設計，在節省空間的同時還能獲得更好的碰撞吸能效果。擴展溫度范圍。齒輪式和齒條式EPS傳感器因為需要安裝在發動機附近需要考慮與發動機的安裝配合以及散熱等問題。目前使用的扭矩傳感器印刷電路 IC使用時的溫度圍較窄，約為- 30 80，可通過設計小體積的抗熱封裝結構來改進現行 IC的溫度特性。如采用新的封裝結構后這種扭矩/轉角綜合傳感器的使用溫度范圍可以達到- 40 125，大大拓展了應用空間。低成本、多功能、集

12、成化。減少傳感器的數量同時擴大傳感器的功能和用途，采用新型汽車總線技術（如FlexRay）以實現整車傳感數據的交互和共享，同時應用先進的制造技術和工藝進行 EPS傳感器的設計開發，能進一步降低價格，實現多功能和集成化。3 車載 42V電源系統傳統的 12V 電源系統 3 kW 的功率已經難以滿足下一代汽車設計中新增加的電子設備如車載計算機系統、車載導航系統、多媒體電子元器件和網絡化汽車電子設備等的要求。對于 EPS來說， 在大負載的情況下（如齒條力超過 1000N），此時電路中元器件的反向電動勢對電機輸出功率的影響超過了電動機本身功率損耗的影響。而采用 42V電源系統能夠在不加大電動機直徑的情

13、況下增大電動機的輸出功率。特別是對于 轉向軸式 EPS來說， 由于安裝位置和空間的影響不能夠進一步加大電機的尺寸，是非常有利的。因此，無論從成本或是電機本身尺寸上考慮， 采用 42V電源系統是很有吸引力的。另一方面， 采用 42V電壓， 較小的輸出電流非常有利于電子芯片的正常工作，使大量采用芯片的電子系統取代傳統的機械或液力系統成為可能，從而拓展了 EPS市場空間。歐洲國家目前已經制定了 42V電源系統的相應標準，其中奔馳和寶馬公司計劃在近期推出裝備 42V電源系統的汽車。 日本和美國的公司也緊隨其后， 積極開展研究和開發工作。4機械轉向結構轉向柱的高性能、重量輕、低成本和標準化是今后的發展方

14、向。另一方面，由于汽車安全性標準的提高，轉向系統對轉向柱的剛性、吸收碰撞能量的要求也隨之提高，對環保的要求也促使轉向柱在制造材料的選擇上向著有益于環保的方向發展。日本 KOYO等轉向系統開發商都已經開發出適應新要求以及伸縮可調式轉向管柱。目前在 EPS上應用較多的是齒輪齒條型轉向器。它的結構簡單，傳力性能好，但是輸出力矩不能滿足中型、大型車用 EPS的力矩需求。而循環球型轉向器雖然結構較復雜，但卻能滿足今后市場的要求，因此，采用循環球型以及其他類型的轉向器是今后技術開發的重點。對齒輪齒條型轉向器的改進能夠提供更大的扭矩輸出， 如采用變傳動比齒條 （ 如圖 7 所示 ），壓力角由中間向兩側逐漸減

15、小，與小齒輪嚙合時，節圓半徑隨壓力角的減小而減小， 轉向系角傳動比則逐漸增大。此外，對電控單元（ECU）以及控制策略的改進研究也取得了很大的進展，如采用多種控制方法，不再僅僅依靠車速與扭矩作為 EPS控制信號，而是根據方向盤轉角及轉速、 側向加速度、前軸負荷等多種信號進行與汽車特征相吻合的綜合控制，獲得更好的轉向路感。同時，研究的方法和手段也將多種多樣。圖 75展望隨著EPS 的廣泛應用，特別是在中型、大型車上的應用，對轉向助力的需求加大。要獲得更大的轉向助力則必須加大輔助電動機的功率，這就意味著必須增大電動機的直徑。另一種方法是采用車載42V 電源系統。目前EPS 的電動機多為直流永磁電動機或永磁無刷電動機，而無刷電機將是今后電動機發展的方向。同時，隨著汽車智能化的發展，科研人員也在嘗試優化控制算法，讓EPS更加符合人的習慣，還有自動回正等功能。EPS 因其優異的性能和節能環保特性適應了未來轉向技術發展的要求。深入開展EPS 技術的研究，對于汽車技術的發展特別是我國汽車工業的發展具有十分重大的意義。在此基礎上，把握EPS 發展趨勢，進一步加快對未來轉向