湯傳軍，李朋，孫暉云

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

管柱式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術研究

湯傳軍1,2，李朋1,2，孫暉云1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

管柱式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是微型車和小型車采用的主要助力方式之一，其結構性能的優(yōu)劣直接影響到乘用車的操穩(wěn)性和安全性。對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行概述；以提高汽車的轉(zhuǎn)向性能為目的，對管柱式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結構及其工作原理進行系統(tǒng)研究。文中的研究對提高國內(nèi)EPS的自主研發(fā)能力和主機廠轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配有一定的參考價值。

汽車；管柱式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；轉(zhuǎn)向性能

0　引言

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車底盤系統(tǒng)的重要組成部分，對汽車性能有著密切的影響。隨著人們對汽車駕駛操縱性能要求的不斷提高，機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)很難同時滿足汽車在低速行駛時轉(zhuǎn)向輕便和高速時提供良好路感的要求。隨著電子技術和傳感技術的發(fā)展，為汽車性能的提升帶來了廣闊的空間，在20世紀末誕生了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)[1]。汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以提高轉(zhuǎn)向操縱性，有效地節(jié)省能源，增強轉(zhuǎn)向性能。汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在提供轉(zhuǎn)向助力、減輕特定工況下駕駛員的操作負擔的同時，還可以提高汽車的轉(zhuǎn)向性能和駕駛舒適性，進一步改善車輛的主動駕駛安全性。目前，國內(nèi)外很多車型已經(jīng)配置了EPS系統(tǒng)。

1　電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

1.1電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介

EPS系統(tǒng)在機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎上增加了轉(zhuǎn)向傳感器(轉(zhuǎn)矩、角速度)、車速傳感器等信號傳感采集裝置[2]。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結構如圖1所示，主要由電子控制單元、助力電機、離合器、減速機構組成。當駕駛員給方向盤施加適當?shù)霓D(zhuǎn)向力矩時，車速和扭矩傳感器檢測到車速和轉(zhuǎn)矩信號，將其傳送到控制器，控制器根據(jù)這些信號決定助力的大小和方向，驅(qū)動電機動作實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力。

1.2電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

EPS代表助力轉(zhuǎn)向技術的發(fā)展方向，以其突出的優(yōu)點將會逐漸成為未來汽車的標配。國內(nèi)各大主機廠主要選擇美國TRW公司和德國ZF公司生產(chǎn)的EPS系統(tǒng)與整車匹配。

美國TRW公司作為歐洲最大的EPS供應商，擁有量產(chǎn)化的齒條助力式電動助力(R-EPS)系統(tǒng)，同時還具有完善的EPS匹配和標定系統(tǒng)，研發(fā)的EPS產(chǎn)品也正逐漸由A級車向D級車過渡[3]。德國ZF公司根據(jù)不同車型的轉(zhuǎn)向齒條力和機械性能的匹配特性開發(fā)出適用與不同車型的EPS系統(tǒng)，開發(fā)出的雙小齒輪助力式電動助力(DP-EPS)系統(tǒng)可以在停車、城市工況、高速公路等不同工況控制驅(qū)動小齒輪輸出的助力力矩的大小[4]。國內(nèi)對EPS系統(tǒng)的研究起步較晚，但是近幾年來國內(nèi)各大高校和科研機構對其研究力度加大，國內(nèi)EPS產(chǎn)品也有了迅速的發(fā)展，EPS的類型多以管柱式助力系統(tǒng)Column-EPS(C-EPS)為主。

1.3電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)點

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，在簡化機械結構的基礎上還通過采用助力電機替代液壓油來提供助力，主要有如下優(yōu)點：

(1)節(jié)約能源，排放少；

(2)沒有液壓油泄漏問題，清潔無污染；

(3)結構緊湊，便于安裝布置，維護方便；

(4)產(chǎn)品開發(fā)過程中可以通過對控制策略的更改，匹配不同的車型，減少開發(fā)成本和開發(fā)周期；

(5)通過控制器控制路感電機可以提供良好的路感。

2　電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering，EPS)直接通過電動機來提供助力，助力的大小則是通過電控單元 (ECU)來控制的。根據(jù)電機布置位置的不同，可以分為3種類型：轉(zhuǎn)向軸助力式、齒輪助力式和齒條助力式，選擇何種形式的助力系統(tǒng)，取決于布置空間、車輛電源供給、轉(zhuǎn)向齒條力的大小。

2.1管柱助力式

管柱助力式電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電機安裝在駕駛室內(nèi)，為底盤的布置節(jié)省了空間。管柱式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖2所示。由于管柱式助力電機提供的助力一般在4～10 kN,所以主要適用于轉(zhuǎn)向力不需要太大的、發(fā)動機艙比較緊湊的微型車。

2.2齒輪助力式

小齒輪助力式電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要有兩種類型：單齒輪助力和雙齒輪助力。如圖3所示為小齒輪式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。單齒輪助力式適用于中級車，雙齒輪助力式適用于中高級車輛。它們的助力電機都安裝在發(fā)動機艙，選配該種助力形式時還要考慮發(fā)動機艙布置空間的影響因素。

2.3齒條助力式

圖4所示為齒條式助力轉(zhuǎn)型系統(tǒng)，齒條助力式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以提供較大的助力轉(zhuǎn)向力矩，主要適用于大型的車輛：SUV、卡車等。其電機也安裝在發(fā)動機艙，同樣也要考慮發(fā)動機艙的布置空間和電機的可靠性問題。

3　C-EPS工作原理及主要部件

3.1C-EPS的組成及工作原理

管柱式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)矩傳感器、電控單元、驅(qū)動裝置、電動機等組成，如圖5所示。

這是一款適用于轉(zhuǎn)向力不是很大的車輛的助力系統(tǒng)，電機和電控單元集成安裝在轉(zhuǎn)向管柱上。扭桿和傳感器緊挨著蝸輪安裝。由助力電機產(chǎn)生的助力扭矩通過蝸輪蝸桿減速機構減速增扭后傳遞到中間軸,其工作原理如圖6所示。

轉(zhuǎn)向管柱總成通過轉(zhuǎn)向中間軸和萬向節(jié)與機械式齒輪齒條轉(zhuǎn)向器連接組成完整的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總成。通過支座固定在車身上面，方向盤通過安裝花鍵固定在轉(zhuǎn)向軸上。扭桿安裝在轉(zhuǎn)向管柱內(nèi)中空的輸入軸內(nèi)。

EPS系統(tǒng)工作時，通過扭矩傳感器檢測獲得駕駛員的操縱力矩，并結合車速信號、發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，由設定好的助力特性曲線確定助力電機的目標控制電流；助力電機的實際電流由電流傳感器檢測得到，通過控制器調(diào)節(jié)電機目標電流與實際電流的偏差，控制電機助力力矩的大小和方向。駕駛員作用在方向盤上的作用力矩和助力電機產(chǎn)生的助力力矩和合力矩通過減速機構的減速增扭后，作為有效的轉(zhuǎn)向力矩，通過中間軸、傳動機構、橫拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)傳遞到車輪，克服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向阻力矩，完成轉(zhuǎn)向操作。

3.2C-EPS主要零部件及其作用

3.2.1助力電機

電動機是為電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供動力的，如圖7所示為電動助力電機實物圖，其主要作用是根據(jù)電控單元發(fā)出的控制指令以適當?shù)霓D(zhuǎn)速輸出合適的輔助轉(zhuǎn)向力矩[5]。目前，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中普遍使用的是永磁式直流電機。C-EPS的電動機必須具有轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)動慣量小、轉(zhuǎn)矩波動小、質(zhì)量輕、尺寸小、可靠性高以及易于控制等優(yōu)良特性。

3.2.2減速機構

減速機構的作用是將電動機輸出的助力扭矩和駕駛員作用的轉(zhuǎn)向力矩之和通過減速增扭后，提供實際的轉(zhuǎn)向力矩，普遍采用的是渦輪蝸桿減速機構，減速機構實物圖如圖8所示。

渦輪采用高強度樹脂材料制成，可以降低運動副的摩擦阻力，從而降低輸入軸的轉(zhuǎn)動力矩，改善整車的回正性能；另外還可以減小噪聲和提高耐久性。

3.2.3轉(zhuǎn)向器

轉(zhuǎn)向器的作用是將轉(zhuǎn)向軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)向，圖9所示為齒輪齒條轉(zhuǎn)向器。轉(zhuǎn)向器的角傳動比決定了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輕便型和靈敏性。由于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以改善轉(zhuǎn)向輕便性，所以在設計時應充分考慮轉(zhuǎn)向靈敏性的要求，初步設計選取較小的角傳動比，然后再確定原地轉(zhuǎn)向最大阻力矩和轉(zhuǎn)向器最大輸出力矩。

由于方向盤與轉(zhuǎn)向輪之間仍然存在機械連接，當車輛的電源供給發(fā)生故障時，駕駛員仍然可以繼續(xù)操縱車輛轉(zhuǎn)向。

3.2.4扭矩傳感器

管柱式電動和阻力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要使用扭矩傳感器來監(jiān)測轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向力和方向。其轉(zhuǎn)矩傳感器的扭桿安裝在轉(zhuǎn)向管柱的輸入軸和中間軸之間，駕駛員給方向盤施加轉(zhuǎn)向力矩時，扭桿會發(fā)生變形，扭矩傳感器測量駕駛員施加在方向盤上的扭矩大小和方向，在此基礎上控制單元計算轉(zhuǎn)向助力。圖10所示為扭矩傳感器實物圖。傳感器所能覆蓋的測量范圍一般在±10 N·m之間。

如果轉(zhuǎn)矩更高的話，機械角限制器會阻止扭桿的超載。當駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤產(chǎn)生扭矩時，扭桿會旋轉(zhuǎn)，同樣傳感器上的磁環(huán)也會旋轉(zhuǎn)。傳感器由磁阻元件組成，當磁場方向改變時，磁阻元件會改變它的電阻。 在此過程中，當磁鐵旋轉(zhuǎn)時，電壓呈正弦和余弦曲線，采用反正切函數(shù)來計算扭桿的直接旋轉(zhuǎn)角度，再乘以扭桿的剛度，得到扭矩值的大小[6]。

3.2.5電控單元

EPS控制單元中包括了電機的底層驅(qū)動控制和上層協(xié)調(diào)控制策略。轉(zhuǎn)向信號從扭矩傳感器得到之后傳遞到電子控制裝置。EPS系統(tǒng)的核心是高度精準的電子控制單元，其可靠的工作溫度一般為-35～75 ℃，電控單元如圖11所示?？刂茊卧獌?nèi)永久性地存儲了助力特性Map圖，助力特性的匹配由生產(chǎn)廠家

根據(jù)車輛定位和車輛參數(shù)進行確定匹配。助力特性曲線是一個助力力矩關于車速的函數(shù)。

4　總結

對電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行概述，首先介紹了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和優(yōu)點；然后通過對普遍應用于微型和小型乘用車上的管柱式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行全面的剖析，分析了管柱式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理和主要零部件的布置位置以及其工作原理，對今后提高國內(nèi)EPS的自主研發(fā)能力和主機廠轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配有一定的參考價值。

【1】林逸,施國標.汽車電動助力轉(zhuǎn)向技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].公路交通科技，2006,18(3)：80-82.

【2】周淑輝,李幼德,李靜,等.汽車電子控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[J].汽車電器,2006(11):1-4.

【3】TRW：safety system[OL].http://www.trw.com/steering_system/steerings/electrically_powered_steering,2015.

【4】李玉玲.體驗精湛的技術與服務-采埃孚(ZF)德國之旅[J].汽車與配件(技術與市場),2013(7):18-28.

【5】于卓平,孟濤,陳慧,等.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術發(fā)展趨勢[J].汽車技術,2005(9)：1-4,32.

【6】王齊剛,李萬莉,徐鳴謙,等.電動汽車轉(zhuǎn)向傳感器設計理論研究[J].儀表技術與傳感器,2008(1)：6-7,82.

Research on Column-EPS System Technology

Tang Chuanjun1,2,Li Peng1,2,Sun Huiyun1,2

(1.R & D Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000, China；2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000, China)

Column-EPS is one of the main power assistance steering modes applied in compact cars and subcompact cars, its performance has direct effect on the operating stability and safety of passenger cars. The development status of the EPS system was summarized, then Column-EPS structure and working principle were researched in order to improve the steering performance. The research provides reference for research and matching about EPS.

Automobile; Column style EPS; Steering performance

2015-06-07

湯傳軍(1988—)，男，碩士，主要從事汽車系統(tǒng)動力學性能分析研究。E-mail：tangchuanjun.good@163.com。