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汽车维修专业

技师论文

标题：

汽车电子助力转向系统

关键词:

电动助力转向；助力特性；控制策略

工作单位：

临沂万发汽修学校

作者：

张晓军

日期：

2012-10-27

摘 要:

汽车在行驶的过程中，经常需要改变行驶的方向，称为转向。

轮式汽车行驶是通过转向轮（一般是前轮）对汽车纵向轴线偏转一定角度来实现的。

驾驶操纵用来改变或恢复汽车行驶方向的专用机构称为汽车转向系统。

常用的汽车转向系统分为非动力转向系统和动力转向系统两大类。

非动力转向系统又称机械式转向系统，是以人的体力为动力源，其中所有的传力器件都是机械的，主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成，其中转向器是汽车转向系统的重要零部件，其性能的好坏直接影响汽车行驶的安全性和可靠性。

汽车动力转向系统（PowerSteeringSystem），亦可称作转向加力系统，是在机械转向系的基础上增设了一套转向加力装置所构成的转向系统。

汽车电动助力转向系统具有传统液压动力转向系统无法比拟的优势，是汽车动力转向发展的必然趋势。

电动助力转向采用电动机直接提供助力，助力大小由电控单元（ECU）控制。

它能节约能量，提高安全性，且有利于环保，是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术。

关键词:

电动助力转向；助力特性；控制策略

正文汽车电动助力转向系统简介

电动助力转向系统（EPS，ElectricPowerSteering）是未来转向系统的发展方向。

该系统由电动助力机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护了环境。

另外，还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。

正是有了这些优点，电动助力转向系统作为一种新的转向技术，将挑战大家都非常熟知的、已具有50多年历史的液压转向系统。

一、电动助力转向系统

电动助力转向系统是于20世纪80年代中期提出来的。

该技术发展最快、应用较成熟的当属TRW转向系统和DelphiSagiaw（萨吉诺）转向系统，而DelphiSagiaw（萨吉诺）转向系统又代表着转向系统发展的前沿。

她是一个于20世纪50年代把液压助力转向系统推向市场的，从此以后，Delphi转向发展了技术更加成熟的液压助力系统，使大部分的商用汽车和约50%的轿车装备有该系统。

现在，Delphi转向系统又领导了汽车转向系统的一次新革命——电动助力转向系统。

电动助力转向系统符合现代汽车机电一体化的设计思想，该系统由转向传感装置、车速传感器、助力机械装置、提供转向助力电机及微电脑控制单元组成。

该系统工作时，转向传感器检测到转向轴上转动力矩和转向盘位置两个信号，与车速传感器测得的车速信号一起不断地输入微电脑控制单元，该控制单元通过数据分析以决定转向方向和所需的最佳助力值，然后发出相应的指令给控制器，从而驱动电机，通过助力装置实现汽车的转向。

通过精确的控制算法，可任意改变电机的转矩大小，使传动机构获得所需的任意助力值。

二、电动助力转向系统的特点

液压助力转向系统已发展了半个多世纪，其技术已相当成熟。

但随着汽车微电子技术的发展，对汽车节能性和环保性要求不断提高，该系统存在的耗能、对环境可能造成的污染等固有不足已越来越明显，不能完全满足时代发展的要求。

电动助力转向系统将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统，能显著改善汽车动态性能和静态性能、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、减少环境的污染等。

因此，该系统一经提出，就受到许多大汽车公司的重视，并进行开发和研究，未来的转向系统中电动助力转向将成为转向系统主流，与其它转向系统相比，该系统突出的优势体现在：

1．降低了燃油消耗。

液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停地流动，浪费了部分能量。

相反电动助力转向系统（EPS）仅在需要转向操作时才需要电机提供的能量，该能量可以来自蓄电池，也可来自发动机。

而且，能量的消耗与转向盘的转向及当前的车速有关。

当转向盘不转向时，电机不工作，需要转向时，电机在控制模块的作用下开始工作，输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向力矩，而且，该系统在汽车原地转向时输出最大转向力矩，随着汽车速度的改变，输出的力矩也跟随改变。

该系统真正实现了“按需供能”，是真正的“按需供能型”（on-demand）系统。

汽车在较冷的冬季起动时，传统的液压系统反应缓慢，直至液压油预热后才能正常工作。

由于电动助力转向系统设计时不依赖于发动机而且没有液压油管，对冷天气不敏感，系统即使在-40℃时也能工作，所以提供了快速的冷起动。

由于该系统没有起动时的预热，节省了能量。

不使用液压泵，避免了发动机的寄生能量损失，提高了燃油经济性，装有电动助力转向系统的车辆和装有液压助力转向系统的车辆对比实验表明，在不转向情况下，装有电动助力转向系统的国辆燃油消耗降低2.5%，在使用转向情况下，燃油消耗降低了5.5%。

2．增强了转向跟随性。

在电动助力转向系统中，电动助力机与助力机构直接相连可以使其能量直接用于车轮的转向。

该系统利用惯性减振器的作用，使车轮的反转和转向前轮摆振大大减水。

因此转向系统的抗扰动能力大大增强和液压助力转向系统相比，旋转力矩产生于电机，没有液压助力系统的转向迟滞效应，增强了转向车轮对转向盘的跟随性能。

3．改善了转向回正特性。

直到今天，动力转向系统性能的发展已经到了极限，电动助力转向系统的回正特性改变了这一切。

当驾驶员使转向盘转动一角度后松开时，该系统能够自动调整使车轮回到正中。

该系统还可以让工程师们利用软件在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。

从最低车速到最高车速，可得到一簇回正特性曲线。

通过灵活的软件编程，容易得到电机在不同车速及不同车况下的转矩特性，这种转矩特性使得该系统能显著地提高转向能力，提供了与车辆动态性能相机匹配的转向回正特性。

而在传统的液压控制系统中，要改善这种特性必须改造底盘的机械结构，实现起来有一定困难。

4．提高了操纵稳定性。

通过对汽车在高速行驶时过度转向的方法测试汽车的稳定特性。

采用该方法，给正在高速行驶（100km/h）的汽车一个过度的转角迫使它侧倾，在短时间的自回正过程中，由于采用了微电脑控制，使得汽车具有更高的稳定性，驾驶员有更舒适的感觉。

5．提供可变的转向助力。

电动助力转向系统的转向力来自于电机。

通过软件编程和硬件控制，可得到覆盖整个车速的可变转向力。

可变转向力的大小取决于转向力矩和车速。

无论是停车，低速或高速行驶时，它都能提供可靠的，可控性好的感觉，而且更易于车场操作。

对于传统的液压系统，可变转向力矩获得非常困难而且费用很高，要想获得可变转向力矩，必须增加额外的控制器和其它硬件。

但在电动助力转向系统中，可变转向力矩通常写入控制模块中，通过对软件的重新编写就可获得，并且所需费用很小。

6．采用“绿色能源”，适应现代汽车的要求。

电动助力转向系统应用“最干净”的电力作为能源，完全取缔了液压装置，不存在液压助力转向系统中液态油的泄漏问题，可以说该系统顺应了"绿色化"的时代趋势。

该系统由于它没有液压油，没有软管、油泵和密封件，避免了污染。

而液压转向系统油管使用的聚合物不能回收，易对环境造成污染。

7．系统结构简单，占用空间小，布置方便，性能优越。

由于该系统具有良好的模块化设计，所以不需要对不同的系统重新进行设计、试验、加工等，不但节省了费用，也为设计不同的系统提供了极大的灵活性，而且更易于生产线装配。

由于没有油泵、油管和发动机上的皮带轮，使得工程师们设计该系统时有更大的余地，而且该系统的控制模块可以和齿轮齿条设计在一起或单独设计，发动机部件的空间利用率极高。

该系统省去了装于发动机上皮带轮和油泵，留出的空间可以用于安装其它部件。

许多消费者在买车时非常关心车辆的维护与保养问题。

装有电动助力转向系统的汽车没有油泵，没有软管连接，可以减少许多忧虑。

实际上，传统的液压转向系统中，液压油泵和软管的事故率占整个系统故障的53%，如软管漏油和油泵漏油等。

8．生产线装配性好。

电动助力转向系统没有液压系统所需要的油泵、油管、流量控制阀、储油罐等部件，零件数目大大减少，减少了装配的工作量，节省了装配时间，提高了装配效率。

电动助力转向系统自20世纪80年代中期初提出以来，作为今后汽车转向系统的发展方向，必将取代现有的机械转向系统、液压助力转向系统和电控制液压助力转向系统。

总结：

本文主题要对汽车电动助力系统的国内外研究现状、电动助力转向系统的关键技术和控制难点、电动助力转向系统存在的主要问题做出了相关的分析和研究，对电动助力的发展前景做出了一定的展望，电动助力转向系统工作原理、电动助力转向系统关键部件、电动助力转向系统的类型、电动助力转向系统的优点做出了详细的介绍，对电动助力系统受力、理想转向盘力矩的研究做出了相应的受力分析，对电动助力转向系统性能的主要评价指、电动助力转向的动力学模型做出了相关的分析、研究以及相关的公式推导。

在此基础上：

（1）论述了EPS系统的特点、主要类型以及研究现状和发展前景；

（2）对EPS系统的组成、工作原理及各部分特点和选用进行了介绍，并对EPS系统助力特性进行分析，包括EPS典型助力曲线、转向系统受力分析；（3）论述EPS系统的控制策略、三种控制模式及补偿控制研究；

参考文献

[1]张永辉.汽车电动助力转向系统特性仿真[D].陕西:

长安大学硕士论文，2009

[2]余志生.汽车理论（第三版）[M].北京:

机械工业出版社,2000

[3]胡建军,卢娟,秦大同,等..电动助力转向系统的建模和仿真分析[J].重庆大学学报:

自然科学版，2007，30（8）：

10-13.

[4]李伟,刘晓.汽车电动助力转向系统特性研究[J].客车技术与研究，2005，27（4），1-5

作者：

张树安

日期：

2012-10-28