淺談汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)探討

胡仲衡

摘 要：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是繼液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)后出現(xiàn)的一種新型動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，具有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，它不僅能節(jié)約能源，提高安全性，還有利于環(huán)境保護(hù)，是一項(xiàng)緊扣現(xiàn)代汽車發(fā)展主題的高新技術(shù)，是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文主要從汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理入手，具體分析其系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，最后對(duì)系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)做一簡(jiǎn)要說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：汽車制造；電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向；系統(tǒng)特點(diǎn)；優(yōu)勢(shì)介紹；發(fā)展趨勢(shì)

一、汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理論概述

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS是在傳統(tǒng)的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用直流電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)向參數(shù)和車速等信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。與傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接通過(guò)電動(dòng)機(jī)的輸出給駕駛員提供助力，電動(dòng)機(jī)只有在轉(zhuǎn)向時(shí)才工作，在不進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)幾乎沒(méi)有動(dòng)力消耗，使汽車具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)具有輕型小巧，裝配迅速，易于調(diào)整 ，噪聲及廢油、廢氣污染小等優(yōu)點(diǎn)。

二、 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

1.降低了燃油消耗。該系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了“按需供能”，是真正的“按需供能型”系統(tǒng)。汽車在較冷的冬季起動(dòng)時(shí)，傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)反應(yīng)緩慢，直至液壓油預(yù)熱后才能正常工作。由于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)而且沒(méi)有液壓油管，對(duì)冷天氣不敏感，系統(tǒng)即使在-40℃時(shí)也能工作，所以提供了快速的冷起動(dòng)。由于該系統(tǒng)沒(méi)有起動(dòng)時(shí)的預(yù)熱，節(jié)省了能量。不使用液壓泵，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)的寄生能量損失，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，裝有電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛和裝有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，在不轉(zhuǎn)向情況下，裝有電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的國(guó)輛燃油消耗降低2.5%，在使用轉(zhuǎn)向情況下，燃油消耗降低了5.5%。

2.增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向跟隨性。在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電動(dòng)助力機(jī)與助力機(jī)構(gòu)直接相連可以使其能量直接用于車輪的轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)利用慣性減振器的作用，使車輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振大大減水。因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力大大增強(qiáng)和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生于電機(jī)，沒(méi)有液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應(yīng)，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向車輪對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)的跟隨性能。

3.改善了轉(zhuǎn)向回正特性。直到今天，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的發(fā)展已經(jīng)到了極限，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正特性改變了這一切。當(dāng)駕駛員使轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一角度后松開(kāi)時(shí)，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整使車輪回到正中。該系統(tǒng)還可以讓工程師們利用軟件在最大限度內(nèi)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)以獲得最佳的回正特性。從最低車速到最高車速，可得到一簇回正特性曲線。通過(guò)靈活的軟件編程，容易得到電機(jī)在不同車速及不同車況下的轉(zhuǎn)矩特性，這種轉(zhuǎn)矩特性使得該系統(tǒng)能顯著地提高轉(zhuǎn)向能力，提供了與車輛動(dòng)態(tài)性能相機(jī)匹配的轉(zhuǎn)向回正特性。而在傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)中，要改善這種特性必須改造底盤(pán)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)有一定困難。

4.提高了操縱穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)汽車在高速行駛時(shí)過(guò)度轉(zhuǎn)向的方法測(cè)試汽車的穩(wěn)定特性。采用該方法，給正在高速行駛（100km/h）的汽車一個(gè)過(guò)度的轉(zhuǎn)角迫使它側(cè)傾，在短時(shí)間的自回正過(guò)程中，由于采用了微電腦控制，使得汽車具有更高的穩(wěn)定性，駕駛員有更舒適的感覺(jué)。

5.提供可變的轉(zhuǎn)向助力。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向力來(lái)自于電機(jī)。通過(guò)軟件編程和硬件控制，可得到覆蓋整個(gè)車速的可變轉(zhuǎn)向力?？勺冝D(zhuǎn)向力的大小取決于轉(zhuǎn)向力矩和車速。無(wú)論是停車，低速或高速行駛時(shí)，它都能提供可靠的，可控性好的感覺(jué)，而且更易于車場(chǎng)操作。對(duì)于傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，可變轉(zhuǎn)向力矩獲得非常困難而且費(fèi)用很高，要想獲得可變轉(zhuǎn)向力矩，必須增加額外的控制器和其它硬件。但在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，可變轉(zhuǎn)向力矩通常寫(xiě)入控制模塊中，通過(guò)對(duì)軟件的重新編寫(xiě)就可獲得，并且所需費(fèi)用很小。

6.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于該系統(tǒng)具有良好的模塊化設(shè)計(jì)，所以不需要對(duì)不同的系統(tǒng)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、加工等，不但節(jié)省了費(fèi)用，也為設(shè)計(jì)不同的系統(tǒng)提供了極大的靈活性，而且更易于生產(chǎn)線裝配。由于沒(méi)有油泵、油管和發(fā)動(dòng)機(jī)上的皮帶輪，使得工程師們?cè)O(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)有更大的余地，而且該系統(tǒng)的控制模塊可以和齒輪齒條設(shè)計(jì)在一起或單獨(dú)設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)部件的空間利用率極高。該系統(tǒng)省去了裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上皮帶輪和油泵，留出的空間可以用于安裝其它部件。許多消費(fèi)者在買車時(shí)非常關(guān)心車輛的維護(hù)與保養(yǎng)問(wèn)題。裝有電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車沒(méi)有油泵，沒(méi)有軟管連接，可以減少許多憂慮。實(shí)際上，傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，液壓油泵和軟管的事故率占整個(gè)系統(tǒng)故障的53%，如軟管漏油和油泵漏油等。

三、汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

1.傳感器目前正向著小型化、集成化方向發(fā)展。傳感器是EPS的重要部件，EPS的傳感器包括轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、角度傳感器等，主要有接觸式電阻轉(zhuǎn)向傳感器、非接觸式光電轉(zhuǎn)向傳感器以及新型磁阻式轉(zhuǎn)向傳感器之分。早期的EPS轉(zhuǎn)矩傳感器多為接觸式傳感器，這種傳感器工作時(shí)容易因產(chǎn)生摩擦而造成磨損。非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器則使用了磁、光和感應(yīng)技術(shù)，有效地避免了這一不足，是未來(lái)應(yīng)用的趨勢(shì)。隨著人們對(duì)車輛的行駛安全性、乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性要求的進(jìn)一步提高，單一功能的傳感器己不能滿足多種性能的需求，而采用多個(gè)傳感器又勢(shì)必造成成本的增加，同時(shí)還有安全的隱患，所以未來(lái)傳感器將向著多功能集成的方向發(fā)展。另外，目前所使用的轉(zhuǎn)矩傳感器印刷電路IC使用的溫度范圍相對(duì)較窄，約為一300C-800C未來(lái)可通過(guò)設(shè)計(jì)小體積的抗熱封裝結(jié)構(gòu)來(lái)拓展使用溫度至一400C -1250C，從而擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。此外，傳感器的小型化也是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一，這將更加減少占用空間，同時(shí)降低能耗，達(dá)到環(huán)保的目的。

2.助力電機(jī)向著高功率而體積小的方向發(fā)展。早期的EPS主要為微型或者小型車輛設(shè)計(jì)，但隨著EPS在中型、大型車上的廣泛應(yīng)用，對(duì)轉(zhuǎn)向助力的需求日益加大。如此一來(lái)就必須加大助力電機(jī)的功率，也就必須增大電機(jī)的直徑。然而這對(duì)于尺寸和安裝位置都有較高要求的EPS尤其是C-EPS而言是很困難的。為此，對(duì)于電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，如何在提高功率的同時(shí)盡量減小電動(dòng)機(jī)的外形尺寸成為未來(lái)發(fā)展的主要方向。解決的方法可以采用DD型EPS，將電動(dòng)機(jī)與齒輪齒條型轉(zhuǎn)向器組合在一起，但其外形仍然較大，有可能會(huì)與變速器以及發(fā)動(dòng)機(jī)的油底殼相干涉，因此在整車設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮如何布置。另外，在電動(dòng)機(jī)的選擇上，目前EPS的電動(dòng)機(jī)多為直流永磁電動(dòng)機(jī)或永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，而無(wú)刷電動(dòng)機(jī)將是今后電動(dòng)機(jī)發(fā)展的方向。

3.車載電源系統(tǒng)向著42V電源系統(tǒng)發(fā)展。隨著下一代汽車設(shè)計(jì)中日益增加的電子設(shè)備比例，如車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、車載導(dǎo)航系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化汽車電子設(shè)備、多媒體電子元器件等的要求日益增高，傳統(tǒng)的12V電源系統(tǒng)已逐漸難以滿足。而采用42V電源系統(tǒng)能夠在不加大電動(dòng)機(jī)直徑也不增加體積的情況下，增大電動(dòng)機(jī)的輸出功率。尤其對(duì)于C-EPS而言，是非常有利的。因此無(wú)論從成本或是電機(jī)體積考慮，采用42V電源系統(tǒng)都將是未來(lái)EPS的發(fā)展方向，目前歐洲國(guó)家已經(jīng)制訂了42V電源系統(tǒng)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，也表明了這一趨勢(shì)。電動(dòng)汽車由于本身采用高壓直流供電，因而不存在12V供電電壓的限制，很容易獲得12-42V之間的一系列直流供電電壓。因而在未來(lái)的應(yīng)用中可以更方便實(shí)現(xiàn)到42V系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。

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