管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)研究

湯傳軍，李朋，孫暉云

(1.長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)研究

湯傳軍1,2，李朋1,2，孫暉云1,2

(1.長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是微型車(chē)和小型車(chē)采用的主要助力方式之一，其結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)劣直接影響到乘用車(chē)的操穩(wěn)性和安全性。對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行概述；以提高汽車(chē)的轉(zhuǎn)向性能為目的，對(duì)管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其工作原理進(jìn)行系統(tǒng)研究。文中的研究對(duì)提高國(guó)內(nèi)EPS的自主研發(fā)能力和主機(jī)廠轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配有一定的參考價(jià)值。

汽車(chē)；管柱式電動(dòng)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(chē)底盤(pán)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)汽車(chē)性能有著密切的影響。隨著人們對(duì)汽車(chē)駕駛操縱性能要求的不斷提高，機(jī)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(shí)滿足汽車(chē)在低速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向輕便和高速時(shí)提供良好路感的要求。隨著電子技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，為汽車(chē)性能的提升帶來(lái)了廣闊的空間，在20世紀(jì)末誕生了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)[1]。汽車(chē)電動(dòng)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(qiáng)轉(zhuǎn)向性能。汽車(chē)電動(dòng)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(fù)擔(dān)的同時(shí)，還可以提高汽車(chē)的轉(zhuǎn)向性能和駕駛舒適性，進(jìn)一步改善車(chē)輛的主動(dòng)駕駛安全性。目前，國(guó)內(nèi)外很多車(chē)型已經(jīng)配置了EPS系統(tǒng)。

1　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

1.1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡(jiǎn)介

EPS系統(tǒng)在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)向傳感器(轉(zhuǎn)矩、角速度)、車(chē)速傳感器等信號(hào)傳感采集裝置[2]。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電子控制單元、助力電機(jī)、離合器、減速機(jī)構(gòu)組成。當(dāng)駕駛員給方向盤(pán)施加適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向力矩時(shí)，車(chē)速和扭矩傳感器檢測(cè)到車(chē)速和轉(zhuǎn)矩信號(hào)，將其傳送到控制器，控制器根據(jù)這些信號(hào)決定助力的大小和方向，驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力。

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

EPS代表助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向，以其突出的優(yōu)點(diǎn)將會(huì)逐漸成為未來(lái)汽車(chē)的標(biāo)配。國(guó)內(nèi)各大主機(jī)廠主要選擇美國(guó)TRW公司和德國(guó)ZF公司生產(chǎn)的EPS系統(tǒng)與整車(chē)匹配。

美國(guó)TRW公司作為歐洲最大的EPS供應(yīng)商，擁有量產(chǎn)化的齒條助力式電動(dòng)助力(R-EPS)系統(tǒng)，同時(shí)還具有完善的EPS匹配和標(biāo)定系統(tǒng)，研發(fā)的EPS產(chǎn)品也正逐漸由A級(jí)車(chē)向D級(jí)車(chē)過(guò)渡[3]。德國(guó)ZF公司根據(jù)不同車(chē)型的轉(zhuǎn)向齒條力和機(jī)械性能的匹配特性開(kāi)發(fā)出適用與不同車(chē)型的EPS系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)出的雙小齒輪助力式電動(dòng)助力(DP-EPS)系統(tǒng)可以在停車(chē)、城市工況、高速公路等不同工況控制驅(qū)動(dòng)小齒輪輸出的助力力矩的大小[4]。國(guó)內(nèi)對(duì)EPS系統(tǒng)的研究起步較晚，但是近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)各大高校和科研機(jī)構(gòu)對(duì)其研究力度加大，國(guó)內(nèi)EPS產(chǎn)品也有了迅速的發(fā)展，EPS的類(lèi)型多以管柱式助力系統(tǒng)Column-EPS(C-EPS)為主。

1.3電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，在簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上還通過(guò)采用助力電機(jī)替代液壓油來(lái)提供助力，主要有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)節(jié)約能源，排放少；

(2)沒(méi)有液壓油泄漏問(wèn)題，清潔無(wú)污染；

(3)結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝布置，維護(hù)方便；

(4)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以通過(guò)對(duì)控制策略的更改，匹配不同的車(chē)型，減少開(kāi)發(fā)成本和開(kāi)發(fā)周期；

(5)通過(guò)控制器控制路感電機(jī)可以提供良好的路感。

2　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類(lèi)型

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering，EPS)直接通過(guò)電動(dòng)機(jī)來(lái)提供助力，助力的大小則是通過(guò)電控單元 (ECU)來(lái)控制的。根據(jù)電機(jī)布置位置的不同，可以分為3種類(lèi)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(chē)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(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電機(jī)安裝在駕駛室內(nèi)，為底盤(pán)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(jī)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(dòng)機(jī)艙比較緊湊的微型車(chē)。

2.2齒輪助力式

小齒輪助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要有兩種類(lèi)型：?jiǎn)锡X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(jí)車(chē)，雙齒輪助力式適用于中高級(jí)車(chē)輛。它們的助力電機(jī)都安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙，選配該種助力形式時(shí)還要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)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(chē)輛：SUV、卡車(chē)等。其電機(jī)也安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙，同樣也要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)艙的布置空間和電機(jī)的可靠性問(wèn)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)矩傳感器、電控單元、驅(qū)動(dòng)裝置、電動(dòng)機(jī)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(chē)輛的助力系統(tǒng)，電機(jī)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(jī)產(chǎn)生的助力扭矩通過(guò)蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)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(guò)轉(zhuǎn)向中間軸和萬(wàn)向節(jié)與機(jī)械式齒輪齒條轉(zhuǎn)向器連接組成完整的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總成。通過(guò)支座固定在車(chē)身上面，方向盤(pán)通過(guò)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(shí)，通過(guò)扭矩傳感器檢測(cè)獲得駕駛員的操縱力矩，并結(jié)合車(chē)速信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，由設(shè)定好的助力特性曲線確定助力電機(jī)的目標(biāo)控制電流；助力電機(jī)的實(shí)際電流由電流傳感器檢測(cè)得到，通過(guò)控制器調(diào)節(jié)電機(jī)目標(biāo)電流與實(shí)際電流的偏差，控制電機(jī)助力力矩的大小和方向。駕駛員作用在方向盤(pán)上的作用力矩和助力電機(jī)產(chǎn)生的助力力矩和合力矩通過(guò)減速機(jī)構(gòu)的減速增扭后，作為有效的轉(zhuǎn)向力矩，通過(guò)中間軸、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、橫拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)傳遞到車(chē)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(jī)

電動(dòng)機(jī)是為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供動(dòng)力的，如圖7所示為電動(dòng)助力電機(jī)實(shí)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(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速輸出合適的輔助轉(zhuǎn)向力矩[5]。目前，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中普遍使用的是永磁式直流電機(jī)。C-EPS的電動(dòng)機(jī)必須具有轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)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(jī)構(gòu)

減速機(jī)構(gòu)的作用是將電動(dòng)機(jī)輸出的助力扭矩和駕駛員作用的轉(zhuǎn)向力矩之和通過(guò)減速增扭后，提供實(shí)際的轉(zhuǎn)向力矩，普遍采用的是渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，減速機(jī)構(gòu)實(shí)物圖如圖8所示。

渦輪采用高強(qiáng)度樹(shù)脂材料制成，可以降低運(yùn)動(dòng)副的摩擦阻力，從而降低輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，改善整車(chē)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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)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(dòng)比決定了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輕便型和靈敏性。由于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以改善轉(zhuǎn)向輕便性，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮轉(zhuǎn)向靈敏性的要求，初步設(shè)計(jì)選取較小的角傳動(dòng)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(pán)與轉(zhuǎn)向輪之間仍然存在機(jī)械連接，當(dāng)車(chē)輛的電源供給發(fā)生故障時(shí)，駕駛員仍然可以繼續(xù)操縱車(chē)輛轉(zhuǎn)向。

3.2.4扭矩傳感器

管柱式電動(dòng)和阻力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要使用扭矩傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)向盤(pán)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(pán)施加轉(zhuǎn)向力矩時(shí)，扭桿會(huì)發(fā)生變形，扭矩傳感器測(cè)量駕駛員施加在方向盤(pán)上的扭矩大小和方向，在此基礎(chǔ)上控制單元計(jì)算轉(zhuǎn)向助力。圖10所示為扭矩傳感器實(shí)物圖。傳感器所能覆蓋的測(cè)量范圍一般在±10 N·m之間。

如果轉(zhuǎn)矩更高的話，機(jī)械角限制器會(huì)阻止扭桿的超載。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)產(chǎn)生扭矩時(shí)，扭桿會(huì)旋轉(zhuǎn)，同樣傳感器上的磁環(huán)也會(huì)旋轉(zhuǎn)。傳感器由磁阻元件組成，當(dāng)磁場(chǎng)方向改變時(shí)，磁阻元件會(huì)改變它的電阻。 在此過(guò)程中，當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，電壓呈正弦和余弦曲線，采用反正切函數(shù)來(lái)計(jì)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(jī)的底層驅(qū)動(dòng)控制和上層協(xié)調(diào)控制策略。轉(zhuǎn)向信號(hào)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(zhǔn)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(chǔ)了助力特性Map圖，助力特性的匹配由生產(chǎn)廠家

根據(jù)車(chē)輛定位和車(chē)輛參數(shù)進(jìn)行確定匹配。助力特性曲線是一個(gè)助力力矩關(guān)于車(chē)速的函數(shù)。

4　總結(jié)

對(duì)電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行概述，首先介紹了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和優(yōu)點(diǎn)；然后通過(guò)對(duì)普遍應(yīng)用于微型和小型乘用車(chē)上的管柱式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)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(duì)今后提高國(guó)內(nèi)EPS的自主研發(fā)能力和主機(jī)廠轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配有一定的參考價(jià)值。

【1】林逸,施國(guó)標(biāo).汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].公路交通科技，2006,18(3)：80-82.

【2】周淑輝,李幼德,李靜,等.汽車(chē)電子控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[J].汽車(chē)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(yàn)精湛的技術(shù)與服務(wù)-采埃孚(ZF)德國(guó)之旅[J].汽車(chē)與配件(技術(shù)與市場(chǎng)),2013(7):18-28.

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

【6】王齊剛,李萬(wàn)莉,徐鳴謙,等.電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向傳感器設(shè)計(jì)理論研究[J].儀表技術(shù)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(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能分析研究。E-mail：tangchuanjun.good@163.com。