基于汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理研究

陳 強(qiáng)，高天智，何宛芯，胡澤華，陸健發(fā)

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

關(guān)鍵字：工作原理；基本組成；性能優(yōu)勢(shì)；系統(tǒng)類型；控制技術(shù)；未來(lái)趨勢(shì)

前言

隨著科技的進(jìn)步，各類汽車產(chǎn)品的更新迭代，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取得了不錯(cuò)的成就。生活品質(zhì)的提升使得人們?cè)絹?lái)越注重汽車的安全性、舒適性、便捷性和可靠性。而汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車主動(dòng)安全性能的一個(gè)代表性操作系統(tǒng)，更是行車安全中的重中之重[1]。所以，我們對(duì)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究是十分有必要的。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是否良好，是衡量一輛汽車的主動(dòng)安全性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，怎樣設(shè)計(jì)好汽車的轉(zhuǎn)向性能和操作穩(wěn)定性能，是現(xiàn)今有關(guān)車輛行駛過(guò)程中轉(zhuǎn)向的重要研究課題。在汽車行駛過(guò)程中，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）能很大程度地提升汽車行駛中駕駛?cè)藛T的舒適性、平穩(wěn)性與安全性，是目前各大汽車公司重點(diǎn)的研究對(duì)象之一。

1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是通過(guò)系統(tǒng)中配置的電動(dòng)機(jī)來(lái)為汽車轉(zhuǎn)向提供輔助力的一種動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[2]。該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和傳統(tǒng)的機(jī)械式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比較，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有更好的性能和優(yōu)勢(shì)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)傳感器測(cè)量采集作用在輸入軸的力矩大小，然后電子控制單元（ECU）根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器與車速傳感器采集過(guò)來(lái)的有關(guān)信號(hào)去控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和助力電機(jī)的助力電流大小。最后電動(dòng)機(jī)的力矩通過(guò)減速機(jī)構(gòu)和離合器等作用到小齒輪中去，從而達(dá)到為汽車駕駛員提供車輛轉(zhuǎn)向助力的效果，實(shí)現(xiàn)車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向。讓汽車的變向和行駛更加輕松省力。并且電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會(huì)通過(guò)ECU進(jìn)行實(shí)時(shí)分析控制，車速變低的時(shí)候它的助力就會(huì)增加，車速變高的時(shí)候助力就會(huì)減少[3]。并且當(dāng)車輛的行駛速度超過(guò)規(guī)定范圍的數(shù)值時(shí)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就會(huì)關(guān)閉電動(dòng)助力，并通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)來(lái)反向制動(dòng)汽車。從而使汽車在較高車速下行駛的過(guò)程中能增加車輛駕駛員操作方向盤的手感，確保車輛在行駛過(guò)程中的行車安全。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)本身是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，很容易受到多個(gè)方面的影響。例如車速傳感器與轉(zhuǎn)矩傳感器等采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)傳輸速度。車輛行駛過(guò)程中的路面情況等各方面因素都會(huì)在一定程度上影響到汽車上的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，所以電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)傳感器采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求相較于傳統(tǒng)的機(jī)械式助力轉(zhuǎn)向，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來(lái)說(shuō)要求會(huì)更加嚴(yán)格精細(xì)。

2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本構(gòu)成

目前汽車的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的機(jī)械助力轉(zhuǎn)向和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展而來(lái)的。該系統(tǒng)利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力來(lái)協(xié)助汽車駕駛員進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)向的相關(guān)操作[4]。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由三大部分組成：信號(hào)采集傳感部分、轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)部分、電子控制部分。

其一為信號(hào)傳感裝置，該部分包括了扭矩傳感器、車速傳感器與轉(zhuǎn)角傳感器；其二為轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)，這部分是由電動(dòng)機(jī)、離合器和減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成；其三為電子控制部分，值得注意的是，系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)只有在車輛需要轉(zhuǎn)向助力時(shí)才進(jìn)行工作，車輛駕駛員在控制方向盤時(shí)，扭矩傳感器和轉(zhuǎn)角傳感器根據(jù)方向盤傳遞過(guò)來(lái)的扭矩大小和轉(zhuǎn)向的角度來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)。車速傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量傳遞相關(guān)的車速信號(hào)給電子控制部分，電子控制單元根據(jù)傳遞過(guò)來(lái)的電壓大小和車速信號(hào)，給出對(duì)應(yīng)的控制命令來(lái)使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而為駕駛員提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要的傳感器有扭矩、車速和轉(zhuǎn)角這三個(gè)，它們?cè)谙到y(tǒng)中起到至關(guān)重要的信息采集與傳遞功能。

扭矩傳感器：是通過(guò)對(duì)車輛駕駛?cè)藛T施加到方向盤傳感器的力矩大小計(jì)算出具體需要提供多大的轉(zhuǎn)向助力力矩，采集記錄有關(guān)數(shù)據(jù)并提供給電子控制單元。

車速傳感器：是用來(lái)測(cè)量車輛行駛時(shí)的車速，并將測(cè)量到的有關(guān)車速數(shù)據(jù)信號(hào)準(zhǔn)確而迅速地傳遞到汽車的電子控制單元，進(jìn)而分析車輛目前是否需要助力的傳感器。

轉(zhuǎn)角傳感器：轉(zhuǎn)角傳感器是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵傳感器，它不僅需要實(shí)時(shí)的檢測(cè)方向盤的具體轉(zhuǎn)動(dòng)角度，準(zhǔn)確記錄并快速傳遞給控制單元，為控制單元提供采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)并和其他傳感器傳遞過(guò)來(lái)的信號(hào)一起作為電子控制單元控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)提供對(duì)象。

電動(dòng)機(jī)：為車輛轉(zhuǎn)向提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)向動(dòng)力，并且它只在車輛需要助力的時(shí)候才進(jìn)行工作，根據(jù)電子控制單元發(fā)出的命令來(lái)工作，提供轉(zhuǎn)向助力。

減速機(jī)構(gòu)：其具有減速和增加轉(zhuǎn)矩的相關(guān)功能，降低車輛行駛速度并增加輸出的扭矩大小，為電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力提供一定的控制，輔助電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力。

電子控制單元：電子控制單元是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件[5]，通過(guò)各個(gè)傳感器傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)，來(lái)進(jìn)行分析、計(jì)算和控制，從而使電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)向助力的功用。

3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

（1）只有在車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向的時(shí)候電動(dòng)機(jī)才進(jìn)行轉(zhuǎn)向助力，在很大程度上降低了車輛燃油的消耗。

（2）提供的助力大小可以進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)的調(diào)控，能夠?qū)囕v高低速行駛的不同狀況進(jìn)行分析控制，有效提高車輛轉(zhuǎn)向便捷性和穩(wěn)定性。

（3）結(jié)構(gòu)布置更為緊湊，質(zhì)量更小，且性能更高，易于拆裝維護(hù)保養(yǎng)。

（4）更容易和不同的車型進(jìn)行配對(duì)，大為縮短產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)周期，且提高了轉(zhuǎn)向的性能。

4 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型發(fā)展比較完善的有機(jī)械式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電子液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三種類型。機(jī)械式和液壓式性能相交于電動(dòng)助力的來(lái)說(shuō)要弱一些，所以目前采用的多為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[6]。

4.1 機(jī)械助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

機(jī)械助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是通過(guò)車輛駕駛者自身的力量作為轉(zhuǎn)向的動(dòng)力來(lái)源，所有的部件都是機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，在液壓和電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)前使用廣泛，長(zhǎng)時(shí)間的駕駛對(duì)車輛駕駛?cè)藛T負(fù)擔(dān)較大。

4.2 電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向泵是由電動(dòng)機(jī)來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，同樣使用電子控制，其轉(zhuǎn)向輔助力的大小和方向盤轉(zhuǎn)過(guò)的角度、車輛的速度都有關(guān)聯(lián)。該轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)加裝了液壓裝置，它和純機(jī)械式的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)比來(lái)說(shuō)是提高了不少的性能，相對(duì)省力。

4.3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在車輛行駛過(guò)程中提供實(shí)時(shí)迅速改變的助力，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正在成為當(dāng)代汽車的一個(gè)主流助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是不用發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力的，和機(jī)械助力、液壓助力相比較，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)減輕了整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量、減少了汽車燃油的消耗、降低了制造成本，并且使維修保養(yǎng)更加便捷省時(shí)。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)目前主要發(fā)展以下三種類型，分別為轉(zhuǎn)向軸助力式、齒輪助力式和齒條助力式，分類如圖1所示。

圖1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

4.3.1 轉(zhuǎn)向軸助力式

轉(zhuǎn)向軸助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各個(gè)機(jī)構(gòu)都安裝在它的轉(zhuǎn)向軸上。結(jié)構(gòu)更加緊湊，助力的速度更快。只是其電動(dòng)機(jī)的體積會(huì)更小一些，輸出的扭矩不大，一般情況下用在偏小型的車輛上。

4.3.2 齒輪助力式

齒輪助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)整體布置在小齒輪處，直接為小齒輪提供助力，因此會(huì)有更大的轉(zhuǎn)向動(dòng)力。它通常用在中型的車輛之中。它的布置方式更加簡(jiǎn)單，方便維修養(yǎng)護(hù)。

4.3.3 齒條助力式

齒條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向軸式、齒輪助力式的不同之處在于它的轉(zhuǎn)矩傳感器是單獨(dú)放置在小齒輪處，電動(dòng)機(jī)和助力機(jī)構(gòu)則安放在其小齒輪另一邊的齒條處，用來(lái)對(duì)齒條進(jìn)行轉(zhuǎn)向助力。齒條助力式的布置方式更加簡(jiǎn)單，在車輛中布置起來(lái)十分便捷。和其他的助力系統(tǒng)來(lái)對(duì)比，其能提供較大的轉(zhuǎn)向助力，所以主要應(yīng)用在大型車輛之中。

5 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制技術(shù)

工作期間，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會(huì)受到多方因素影響：環(huán)境對(duì)其造成的干擾較大，路面，電磁干擾等都會(huì)使傳感器采集到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差，從而使助力效果與預(yù)期狀態(tài)產(chǎn)生出入。這些問(wèn)題使得EPS控制技術(shù)需要不斷發(fā)展提高，控制技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，EPS相關(guān)控制策略的選擇也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的相關(guān)控制技術(shù)也會(huì)愈加成熟。程序流程圖如圖2所示。

圖2 程序流程圖

6 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

EPS的成本高于傳統(tǒng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，但安全性、舒適性、可靠性也更加優(yōu)秀，加上各大車企都制定了對(duì)應(yīng)的規(guī)定和措施，使得電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車行業(yè)中具備自己相應(yīng)的價(jià)值。在將來(lái)會(huì)有越來(lái)越多的汽車使用電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向助力，該系統(tǒng)也會(huì)經(jīng)由各個(gè)方面的先進(jìn)技術(shù)不斷促進(jìn)自身發(fā)展。

7 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在不同車速狀態(tài)下通過(guò)電子控制單元計(jì)算分析并控制電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力，使車輛在行駛過(guò)程中能讓駕駛?cè)藛T更加輕松省力的控制方向。因此可以有效提高汽車安全性，舒適性，進(jìn)而得到一個(gè)更好的駕駛體驗(yàn)。本文旨在研究電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理特性，對(duì)其的分析設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。