趙華杰，孫學(xué)聰

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

1 EPS 概述

1.1 工作原理

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering System, EPS）由轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、控制器、助力電機等組成，如圖1 所示。其工作原理為：轉(zhuǎn)角傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器獲取轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩信號，并通過總線獲取車速信號作為系統(tǒng)輸入?？刂破魍ㄟ^輸入信號，判斷車輛工況并進行功能模式選擇；同時，控制系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)部算法計算出電機目標助力力矩，并通過脈寬調(diào)制、穩(wěn)定性控制等技術(shù)進行調(diào)節(jié)，經(jīng)功率器件最終輸出電機控制的電信號。電機轉(zhuǎn)矩通過減速機構(gòu)與方向盤輸入轉(zhuǎn)矩共同作用在機械轉(zhuǎn)向機構(gòu)上作為轉(zhuǎn)向動力矩的輸入。

圖1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理示意圖

1.2 EPS 的特點

對比商用車傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，EPS 增加了控制器、電機、減速機構(gòu)等部件，可改善汽車轉(zhuǎn)向過程中的舒適性和穩(wěn)定性。其有以下優(yōu)點：

（1）結(jié)構(gòu)精簡：減少了液壓助力系統(tǒng)的油泵、油罐、油管等零部件，取消了復(fù)雜的管路布置和液壓油的使用，從根本上避免了漏油對轉(zhuǎn)向性能及系統(tǒng)清潔性的影響。

（2）轉(zhuǎn)向性能優(yōu)異：擁有HPS 無法比擬的高效性，控制系統(tǒng)能對車速和轉(zhuǎn)向盤輸入信號作出準確而迅速的響應(yīng)并向執(zhí)行器發(fā)出指令[1]；優(yōu)越的工作特性能夠很好地實現(xiàn)車輛低速行駛時的輕便性和高速時的路感，并能有效抑制路面干擾和信號噪聲。

（3）節(jié)能環(huán)保：動力源為助力電機，靠電瓶供能，無氣體排放、液體污染等問題。電機的工作受控制器控制，不轉(zhuǎn)向時不工作，減少能量損失。

（4）通用性好：對于不同車型和工況條件，無需對EPS系統(tǒng)的零部件進行更換，只需改變控制器內(nèi)部控制策略即可滿足不同工況需求。減少了零部件品種，降低了設(shè)計、制造及管控成本。

（5）集成性強：可與ABS、TCS、ECAS 等電控系統(tǒng)集成，開發(fā)底盤域控制系統(tǒng)，有利于配合ADAS 功能實現(xiàn)。

（6）可靠性高：控制器內(nèi)部可集成故障監(jiān)控、失效保護算法，對傳感系統(tǒng)、控制器及執(zhí)行系統(tǒng)進行全方位的故障監(jiān)測診斷，提高系統(tǒng)安全性能。

1.3 EPS 應(yīng)用現(xiàn)狀

上世紀八十年代末日本鈴木首次將EPS 裝配到轎車之后，EPS 的應(yīng)用如雨后出筍般快速發(fā)展，隨后在歐美多個國家的車型上得到使用。國內(nèi)EPS 技術(shù)起步較晚，加之技術(shù)壟斷和封鎖，國內(nèi)研究水平大大滯后于歐美日韓等國家，能實現(xiàn)量產(chǎn)的企業(yè)非常少，導(dǎo)致EPS 的自產(chǎn)率較低。

隨著傳感技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展及汽車智能化、安全性要求的提高，EPS 的發(fā)展非常迅速。國內(nèi)外眾多車企、院校、研究院所對EPS 的研發(fā)投入了大量資源并取得了豐碩成果。

全球范圍內(nèi)，其供應(yīng)商主要集中在日韓、歐美等汽車工業(yè)先進國家。如日本的JTEKT、NSK，韓國的萬都、摩比斯，美國的TRW、德爾福，德國的博世、采埃孚等。近年來國內(nèi)通過技術(shù)引進、自主研發(fā)等方式，EPS 技術(shù)也有很大發(fā)展，易力達、恒隆、豫北、杭州世寶等轉(zhuǎn)向機構(gòu)制造商在EPS 的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售方面在國內(nèi)EPS 市場處于領(lǐng)先水平。

2 EPS 在商用車上的應(yīng)用

2.1 商用車工況特點

商用車的運行工況與乘用車有很大的不同，很難將乘用車的EPS 直接應(yīng)用于商用車。具體如下：

（1）懸架結(jié)構(gòu)：商用車上幾乎都采用縱置鋼板彈簧非獨立懸架，懸架結(jié)構(gòu)特點對轉(zhuǎn)向機構(gòu)的布置及性能有很大影響[2]。

（2）軸核：前軸負荷增加了轉(zhuǎn)向阻力距與系統(tǒng)慣性，商用車軸核是乘用車的3～5 倍，轉(zhuǎn)向時其阻力距約為乘用車的5～11 倍[3]，這對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及助力電機的選型有重要影響，也是EPS 在商用車上得不到推廣的限制因素之一。

（3）轉(zhuǎn)向機構(gòu)的布置：商用車轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)與轉(zhuǎn)向輪縱向相對位置較大，加之轉(zhuǎn)向力矩需求，不適宜齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，目前商用車多采用整體式的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。

（4）運行工況：商用車載荷大，工況惡劣，尤其對于城建自卸等類型的商用車，對零部件的沖擊、疲勞等力學(xué)性能有更高要求。

2.2 零部件選型

EPS 主要零部件包括轉(zhuǎn)向器、助力電機、減速機構(gòu)和控制器等，其合理選型及精度、可靠性控制對系統(tǒng)整體性能有重要影響。

2.2.1 轉(zhuǎn)向器選型

經(jīng)對商用車結(jié)構(gòu)及工況特點的分析，結(jié)合轉(zhuǎn)向器的特點，EPS 在商用車上應(yīng)用時多選用循環(huán)球式機械轉(zhuǎn)向器，根據(jù)助力電機的切入位置有轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向螺桿、轉(zhuǎn)向搖臂等形式。其中轉(zhuǎn)向軸助力方式成本較低、布置方便、結(jié)構(gòu)緊湊、容易進行拆裝與維修工作[3]，應(yīng)用較為廣泛。圖2 展示的是國內(nèi)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)生產(chǎn)廠商杭州世寶生產(chǎn)的一款電動助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)的外形結(jié)構(gòu)，其本質(zhì)即轉(zhuǎn)向軸助力的循環(huán)球式機械轉(zhuǎn)向器。

圖2 一款轉(zhuǎn)向軸助力循環(huán)球式機械轉(zhuǎn)向器

傳動比是轉(zhuǎn)向器設(shè)計與選用時的重要參數(shù)，主要起到對方向盤的降速增扭作用，以達到方向盤操縱手力的輕便和轉(zhuǎn)向速度的適中。整體式轉(zhuǎn)向器角傳動比為轉(zhuǎn)向器輸入短軸的轉(zhuǎn)角增量與搖臂軸轉(zhuǎn)角相應(yīng)的增量之比，即：

式中：iω0為轉(zhuǎn)向器角傳動比；△φd為轉(zhuǎn)向器輸入短軸的轉(zhuǎn)角增量；△φy為搖臂軸轉(zhuǎn)角增量。

針對循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，其角傳動比可由下式計算，即

式中：r 為齒扇的嚙合半徑；t 為螺桿螺距。

根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)動圈數(shù)與搖臂擺角之間關(guān)系的要求，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的角傳動比一般設(shè)計在18-26 的范圍內(nèi)。

2.2.2 減速機構(gòu)選型

減速機構(gòu)的主要作用是降速增矩，即降低電機輸出轉(zhuǎn)速、增大輸出轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中常用的減速機構(gòu)有雙行星齒輪減速機構(gòu)和蝸輪蝸桿減速機構(gòu)兩種。蝸輪蝸桿減速機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，易獲得較大傳動比，且傳動平穩(wěn)，對于自重大、前軸負荷大、需要較大轉(zhuǎn)向助力的商用車，蝸輪蝸桿減速機構(gòu)成為更佳的選擇。減速比對系統(tǒng)性能有很大影響，選擇需結(jié)合系統(tǒng)工況并與相關(guān)部件匹配。常用的減速比范圍是：有刷電機取15～18.5；無刷電機取18～22[4]。永磁無刷直流電機在商用車EPS 中應(yīng)用廣泛，減速機構(gòu)傳動比可取20。

2.2.3 助力電機選型

商用車EPS 要求助力電機具有功率高、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)矩波動小等特性。EPS 多采用永磁無刷直流電機和永磁有刷直流電機，其中永磁無刷直流電機效率和功率密度更高，對助力較大的車輛更適合，是商用車助力電機選型的趨勢。電機的額定輸出轉(zhuǎn)矩、額定功率等特性參數(shù)根據(jù)車輛運行工況、負荷需求并結(jié)合轉(zhuǎn)向器和減速機構(gòu)進行確定。

電機額定輸出轉(zhuǎn)矩用下式確定：

式中：Tm為電機額定輸出轉(zhuǎn)矩；ij為減速機構(gòu)角傳動比；ηj為減速機構(gòu)效率；Td為方向盤轉(zhuǎn)矩；iω0為轉(zhuǎn)向器角傳動比；ηω0為轉(zhuǎn)向器效率；iωL為轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)角傳動比；ηωL為轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)效率；Tf為汽車原地轉(zhuǎn)向阻力矩。

其中，汽車原地轉(zhuǎn)向阻力矩Tf可根據(jù)下述經(jīng)驗公式進行計算：

式中：f 為輪胎與地面間摩擦系數(shù)；FZ為轉(zhuǎn)向軸載荷；P為輪胎氣壓。

根據(jù)電機額定輸出轉(zhuǎn)矩可估算電機額定功率：

式中：P 為電機額定功率（單位kW）；Tm為電機額定輸出轉(zhuǎn)矩（單位N·m）；n 為電機額定轉(zhuǎn)速（單位r/min）。

電機的額定轉(zhuǎn)速取決于駕駛員原地轉(zhuǎn)動方向盤的最大轉(zhuǎn)速ndm和減速機構(gòu)角傳動比ij的乘積[6]，即：

2.2.4 電控單元選型

電控單元ECU 是控制的核心模塊，負責(zé)助力系統(tǒng)的功能控制和故障監(jiān)測。商用車運行工況復(fù)雜，外部干擾較強，ECU必須具備高的抗干擾性和可靠性；數(shù)據(jù)運算處理應(yīng)高效、迅速，還需具備故障診斷、故障處理等保護功能。ECU 主要功能為：接收各傳感器及總線的方向盤轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、車速等信號，對其進行實時分析計算，并發(fā)出指令信號控制助力電機、電磁離合器動作，同時監(jiān)測EPS 的工作狀態(tài)，故障時確保助力模式及時切換，記錄并存儲故障碼，保證行車安全[5]。

2.3 助力特性設(shè)計

助力特性是指電機助力力矩隨方向盤轉(zhuǎn)矩和車速等汽車運動狀況的變化規(guī)律。由于電機助力矩與電機電流成一定比例，助力特性可以用電機電流、方向盤轉(zhuǎn)矩、車速的間的關(guān)系曲線表示。根據(jù)助力特性曲線，電機電流由不同車速下的方向盤轉(zhuǎn)矩決定。助力特性以方向盤手力為最終控制目標，理想的助力特性曲線應(yīng)能充分協(xié)調(diào)輕便性與路感的關(guān)系，并確保轉(zhuǎn)向時駕駛員手力的穩(wěn)定和平順，不能有大的波動和起伏。

根據(jù)現(xiàn)有研究成果，EPS 系統(tǒng)的助力特性曲線有直線型、折線型、曲線型三種形式，其形式如圖3 所示。

圖3 三種典型的助力特性曲線

直線型助力特性曲線的特點是，在助力變化區(qū)電機電流與方向盤轉(zhuǎn)矩成線性變化，隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的增加而增大，并在方向盤轉(zhuǎn)矩達到一定數(shù)值時保持不變；折線型助力特性曲線的特點是，在助力變化區(qū)電機電流與方向盤轉(zhuǎn)矩成分段線性關(guān)系；曲線型助力特性曲線的特點是，在助力變化區(qū)電機電流與轉(zhuǎn)向盤力矩成非線性關(guān)系，曲線型助力特性綜合了直線型和折線型助力特性的優(yōu)點，但助力特性設(shè)計較為復(fù)雜。

上述三種助力特性曲線，直線型助力特性最簡單，有利于控制系統(tǒng)的設(shè)計及調(diào)整，得到廣泛應(yīng)用；折線型和曲線型助力特性算法較為復(fù)雜，實際中對控制器硬件的要求較高，一般用于中高級車的EPS。商用車EPS 的設(shè)計中，直線型助力特性應(yīng)用較為廣泛。

為解決轉(zhuǎn)向力矩突變時系統(tǒng)輸出助力力矩的振動問題，獲得更為理想的轉(zhuǎn)向盤力矩，可對助力特性曲線予以修正，文獻[6]和文獻[7]中提出了一種動態(tài)修正助力特性曲線的方法。

2.4 技術(shù)難點

商用車大的前軸負荷導(dǎo)致大的轉(zhuǎn)向阻力矩，在現(xiàn)有供電條件下，大功率EPS 在硬件和控制上都面臨很大困難。此外，高性能電機、高效率減速和轉(zhuǎn)向機構(gòu)的選型、功能安全設(shè)計等都是亟需解決的問題。

2.4.1 轉(zhuǎn)向器選型

商用車前軸負荷較大，EPS 的轉(zhuǎn)向動力完全由機械機構(gòu)傳遞，對轉(zhuǎn)向器各組成部件提出了更高的要求。需根據(jù)車輛運行工況和轉(zhuǎn)向器輸出力矩對關(guān)鍵零部件的強度、剛度等力學(xué)性能進行校核。如轉(zhuǎn)向機構(gòu)尺寸過大，將對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置和安裝產(chǎn)生較大影響。

2.4.2 電機選型

商用車EPS 需選用大功率助力電機，電機會有較大的尺寸和重量，對布置和安裝產(chǎn)生困難；此外，由于電機功率較大，其運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性能不易保證。

2.4.3 供電系統(tǒng)

大功率助力電機給電源系統(tǒng)帶來沉重負擔(dān)，很難保證電網(wǎng)在大負荷下穩(wěn)定工作。在現(xiàn)有24 V 的電源系統(tǒng)下，產(chǎn)生很高的驅(qū)動電流，一方面導(dǎo)致電能損失；另一方面高電流產(chǎn)生的大量熱量對電機也是很大的考驗。

2.4.4 功能安全

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車行駛安全的重要保安系統(tǒng)，功能安全是電控系統(tǒng)開發(fā)的重要內(nèi)容，EPS 開發(fā)的整個過程需遵循汽車轉(zhuǎn)向、電控系統(tǒng)的安全要求，國內(nèi)EPS 核心技術(shù)尚不成熟，在商用車上的功能安全設(shè)計更是任重道遠。

2.5 解決思路

（1）轉(zhuǎn)向機構(gòu)結(jié)構(gòu)及原理創(chuàng)新。設(shè)計新形式的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，采埃孚新型全電動轉(zhuǎn)向裝置ReAX EPS 為商用車轉(zhuǎn)向機構(gòu)提供了思路：電機與減速器相結(jié)合，減速器由皮帶和滾珠絲杠組成。電機與減速器的零件布置類似于乘用車的齒條并聯(lián)型EPS。如圖4 所示。電機最大輸出扭矩為70N·m，可產(chǎn)生最大為55kN 的軸向力，適用于大型卡車。

圖4 采埃孚新型全電動轉(zhuǎn)向裝置ReAX EPS

（2）設(shè)計專用于新能源車型的EPS 電機結(jié)構(gòu)及布置形式?？紤]控制單元、電機、減速機構(gòu)的一體化設(shè)計，并將其集成于相關(guān)系統(tǒng)之中布置，實現(xiàn)功能、結(jié)構(gòu)和布置統(tǒng)一。

（3）改進電機驅(qū)動形式。提高供電電壓至48V 或更高，降低電機驅(qū)動電流、溫度負荷及能量損耗。在新能源車型上設(shè)計通用性強、轉(zhuǎn)化效率高的電器架構(gòu)，實現(xiàn)助力電機供電形式的匹配。

（4）對標國外成熟應(yīng)用的商用車EPS，通過技術(shù)引進或合作開發(fā)的方式進行開發(fā)，依據(jù)ISO 26262 進行功能安全設(shè)計，重視故障診斷、故障處理和安全冗余設(shè)計。

3 EPS 發(fā)展前景

線控轉(zhuǎn)向技術(shù)是汽車EPS 的發(fā)展方向，它由方向盤總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成和主控制器（ECU）三個主要部分以及自動防故障系統(tǒng)、電源等輔助系統(tǒng)組成。

方向盤總成的主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖（通過測量方向盤轉(zhuǎn)角）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳遞給主控制器，同時接受主控制器發(fā)來的力矩信號，產(chǎn)生方向盤回正力矩，以提供給駕駛員相應(yīng)的路感信息。轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成是接受主控制器的命令，通過助力電機驅(qū)動器控制助力電機的運轉(zhuǎn)。主控制器對采集的方向盤的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角以及車速等信號進行分析處理，判斷車輛運行狀態(tài)，控制方向盤回正電機和轉(zhuǎn)向助力電機工作，保證各種工況下都具有理想的車輛響應(yīng)。

汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了方向盤與轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)之間的機械連接，完全由電能實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，擺脫了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的多種限制，可以自由設(shè)計汽車轉(zhuǎn)向的力傳遞特性和角傳遞特性，給汽車轉(zhuǎn)向特性的設(shè)計帶來廣闊空間，是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重大革新。

4 結(jié)束語

EPS 作為汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向，已在乘用車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，由于商用車自身的結(jié)構(gòu)和運行工況特點，EPS在商用車上的應(yīng)用尚未得到推廣和普及。本文對商用車的特點、商用車EPS 關(guān)鍵零部件的選型和助力特性設(shè)計進行了分析，對EPS 系統(tǒng)在商用車上應(yīng)用的技術(shù)難點進行了總結(jié)，并給出了相應(yīng)的解決思路，可為后期EPS 在商用車上的應(yīng)用開發(fā)提供理論參考。