汽车电动助力转向系统特点与应用毕业论文

1 汽车电动助力转向系统特点与应用 汽车检测与维修 专业毕业论文 目 录 引言 第 1章 汽车动力转向系统的历史发展概况 第 2章 汽车动力转向系统的原理及特点 第 3章 EPS 系统的组成原理及分类 3.1 EPS 系统的组成 3.2 EPS 系统的工作原理 3.3 EPS 系统主要部件的结构及工作原理 3.4 EPS 系统的分类 3.5 EPS 系统 的性能及特点 第 4 章 EPS 系统的发展趋势 2 引 言 近年来，随着电子技术的迅速发展，电子技术在汽车上的应用范围不断扩大。汽车转向系统中愈来愈多的采用电子器件，汽车转向系统已从简单的纯机械式转向系统、液压动力转向系统（ HydraulicPowerSteering，简称 HPS）、电动液压助力转向系统（ ElectricHydraulicPowerSteering，简称 EHPS）和电控液压助力转向系统（ ElecticallControlledHydraulicPowerSteering,简称 ECHPS）发展到如今的更为节能及操纵性能更为优越的电动助力转向系统（ ElectricalPowerSteering，简称 EPS 系统）。 EHPS 和 ECHPS 系统等助力系统在汽车上的采用，改善了汽车转向力的控制特性，降低了驾驶员的转向负担，然而汽车转向系统始终处于液压机械传动阶段， EHPS 相比传统 HPS 降低了能源损耗。但电液动力转向系统，不论 ECHPS 还是 EHPS 都与传统的 HPS 一样存在液压油泄漏问题。 EPS系统是新一代的助力转向系统，其性能特点与优势是电液动力转向系统所不能比拟的。如果转向盘与转向轮通过控制信号连接，即采用电子转向系统（ Steering-By-WireSystem，简称 SBWS），转向盘转角和汽车前轮转角之间关系（汽车转向的角传递特性）的设计可以得到改善，但由于当今科学技术的限制，电子转向系统只被安装在国际著名汽车生产商所生产的概念车上。本文综述了电动助力转向技术的发展、原理，并探讨了该项技术的发展趋势。 3 第 1 章 汽车电动助力转向系统的 历史发展概况 自 1953 年通用汽车公司在凯迪拉克和别克轿车上首次批量使用液压动力转向系统以来，液压动力转向系统给汽车的发展带来了巨大的变化，使驾驶员的转向操纵力大大降低，转向的灵敏性得到了提高。随着生产技术的发展，动力转向系统在体积、价格和所消耗的功率等方面都取得了惊人的进步。在 20 世纪 80年代后期，又开发了变减速比、电控液压动力转向系统。但是动力转向系统的技术革新都是基于液压动力转向系统的，无法消除液压动力转向系统在布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面的缺陷。直到 1988 年日本铃木公 司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，才真正摆脱了液压动力转向系统的束缚。 此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的 Delphi 公司，英国的 Lueas 公司，德国的 ZF 公司，都研制出了各自的 EPS系统。如大发汽车公司在其 Mira 车上装备了 EPS 系统，三菱汽车公司在其 Minica 车上装备了 EPS 系统，本田汽车公司在 Accord 车上装备了 EPS 系统。 Delphi公司已经为大众的 Polo、菲亚特 Punto 开发出 EPS 系统。本田还在其 AcuraNXS赛车上装备了 EPS 系统。 EPS 系统的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期开发的 EPS 系统仅仅在低速和停车时提供助力，高速时 EPS 系统将停止工作。新一代的 EPS 系统则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。如日本铃木公司装备在 Wagon 车上的 EPS 系统是一个负载 -路面 -车速感应型助力转向系统 4。由 Delphi公司为 Funte 车开发的 EPS 系统为全范围助力型，并且设置了两个开关，其中 一个用于郊区，另一个用于市区和停车。当车速大于 70km/h 后，这两种开关设置的程序则是一样的，以保证汽车在高速时有合适的路感，这样即使汽车行驶到高速公路时驾驶员忘记切换开关也不会发生危险。市区型开关还与油门有关，使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更平滑。 4 随着电子技术的发展， EPS 系统技术日趋完善，并且其成本大幅度降低，为此其应用范围将越来越大。 早在 20 世纪 60 年代末，德国 Kasselmann 等试图将转向盘与转向车轮之间通过导线连接（即电子转向系统），但由于当时电子和控制技术的制约，电子转向系统一直无法 在实车上实现。奔驰公司于 1990 年开始了前轮电子转向系统的深入研发，并将其开发的电子转向系统应用于概念车 F400Carving 上。世界其他各大汽车厂家、研发机构（包括 Daimler-Chrysler、宝马、 ZF、 DELPHI、 TRW等）以及日本的光洋（ Koyo）精工技术研究所、日本国立大学、本田汽车公司等也先后对汽车电子转向系统做了深入研究。目前许多汽车公司开发了自己的电子转向系统，一些国际著名汽车生产商已在其概念车上安装了该系统。 日本 Koyo 技术研究所根据他们自己的研究试验结果，利用电子转向系统进行主动 控制的汽车，在摩擦系数很小的坚实雪地上进行蛇行、移线、侧向风试验 中基本按照预定的轨迹行驶，比传统转向系统在路线跟踪性能上有较大的提高。在对开路面上进行制动试验也能基本保证汽车的直线行驶，制动距离也大大缩短。 日本大学和本田汽车公司在汽车电子转向系统方面也做了一些理论工作和模拟器试验研究。他们从人 车闭环系统特性出发，设计了理想的转向系统传动比，使汽车的稳态增益不随车速变化，并重点研究了驾驶员角控制特性和力控制特性对汽车主动安全性的影响。 宝马汽车公司的概念车 BMWZ22，应用了 SBWS 和 BBW（ Brake-By-Wire）技术，转向盘的转动范围减少到了 160，使紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到了很大程度的降低。 目前由于汽车供电系统的因素，转向电动机难以提供较大功率，现阶段电子转向系统的研究以及近期的应用对象主要针对轿车。要在重型载货汽车上应用，还必须采用液压执行机构。随着蓄电池技术的发展和 42V 电子设备在汽车上的应用，全电子转向系统将应用到中型和重型车上。目前， 42V 电源已经在一些概念车上得到应用，通用的“自主魔力”和 Bertone 的“ FILO”都采用了 42V 电源。 国内动力转向器目前还处于机械 液压动力 转向阶段，对于电动助力转向系统，清华大学、北京理工大学、华南理工大学等高校开展了系统结构方案设计和系统建模及动力分析等研究，但目前还没有实用的电动助力转向系统和电子转向 5 系统。 第 2 章 汽车动力转向系统的原理及特点 一 .传统转向系统 传统的汽车转向系统是机械系统，汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。普通的转向系统建立在机械转向的基础上，通常根据机械式转向器形式可以分为：齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。常用的有两种是齿轮齿条式和循环球式 (用于需要 较大的转向力时 )。这种转向系统是我们最常见的，目前大部分低端轿车采用的就是齿轮齿条式机械转向系统。 从上世纪四十年代起，为减轻驾驶员体力负担，在机械转向系统基础上增加了液压助力系统 HPS(hydraulic power steering)，它是建立在机械系统的基础之上的，额外增加了一个液压系统，一般有油泵、 V 形带轮、油管、供油装置、助力装置和控制阀。由于其工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。现在液压助力转向系统在实际中应用的最多，根据控制阀形式有转阀式和滑阀式之分。这个助力转向系统最重要的新功能是液力支持转 向的运动，因此可以减少驾驶员作用在方向盘上的力。 虽然传统转向系统工作最可靠，但是也存在很多固有的缺点，传统转向系统由于方向盘和转向车轮之间的机械连接而产生一些自身无法避免的缺陷： 汽车的转向特性受驾驶员驾驶技术的影响严重； 转向传动比固定，使汽车转向响应特性随车速、侧向加速度等变化而变化，驾驶员必须提前针对汽车转向特性幅值和相位的变化进行一定的操作补偿，从而控制汽车按其意愿行驶。这就变相地增加了驾驶员的操纵负担，使汽车转向行驶存在很大的不安全隐患； 液压助力转向系统经济性差，一般轿车每行驶一百公里要 多消耗 0.30.4升的燃料；另外，存在液压油泄漏问题，对环境造成污染，在环保性能被日益强调的今天，无疑是一个明显的劣势。 二 .电液动力转向系统 6 近年来，随着电子技术的不断发展，转向系统中越来越多的采用电子器件。相应的就出现了电液助力转向系统。电液助力转向可以分为两大类：电动液压助力转向系统 EHPS(electro-hydraulic power steering)、电控液压助力转向 ECHPS(electronically controlled hydraulic power steering)。 EHPS 是在液压助力系统基础上发展起来的，其特点是原来有发动机带动的液压助力泵改由电机驱动，取代了由发动机驱动的方式，节省了燃油消耗。 ECHPS 是在传统的液压助力转向系统的基础上增加了电控装置构成的。电液助力转向系统的助力特性可根据转向速率、车速等参数设计为可变助力特性，使驾驶员能够更轻松便捷的操纵汽车。 现代电液动力转向系统主要通过车速传感器将车速传递给电子元件，或微型计算机系统，控制电液转换装置改变动力转向的助力特性，使驾驶员的转向手力根据车速和行驶条件变化而改变，即在低速行驶或转急弯时能以很小的转向手 力进行操作，在高速行驶时能以稍重的转向手力进行稳定操作，使操纵轻便性和稳定性达到最合适的平衡状态。 为了保证转向轻便性，要求增大转向器的传动比。但是，增大角传动比虽然可以减小转向盘上的手力，但同时也造成汽车对操纵的反应减慢，甚至有可能导致驾驶员没有能力来转动转向盘进行紧急避障等转向操作，即不够“灵”。 机械式转向器的设计目标是保证汽车在各种行驶条件下将转向盘上的手力保持在驾驶员能接受的合理范围内，同时保证适当的转向灵敏度。但是机械式转向器的结构特点注定“轻”与“灵”矛盾的存在 (包括变传动比机械转向器 )， 而 电液助力转向系在一定程度上解决了这一矛盾。 EHPS 相比传统 HPS 降低了能源损耗。但电液动力转向系统，不论 ECHPS 还是 EHPS 都与传统的 HPS 一样存在液压油泄漏问题。 三 .电动助力转向系统 电动助力转向系统 EPS(Electric Power Steering)把一个机械的系统和一个电控的电动马达结合在一起形成的一个动力转向系统。与液压系统不同的是，助力改由电机提供，因此，要有一个力矩传感器来测量作用在方向盘上的力矩，由电子控制单元来计算所需要的力矩。作用在方向盘上的力矩曲线由一个电动助 7 力机来分配。通过电 动助力提供转向所必须要的力，它通过一个减速器作用在转向柱上，根据助力位置不同分为三种形式。 由于 EPS 改由电机提供助力，助力大小由电控单元 ECU 实时调节与控制，可以较好解决汽车操纵时轻与灵的矛盾。 第 3 章 EPS 系统的组成原理及分类 3.1 EPS 系统的组成 电动助力转向系统是在传统机械转向机构的基础上发展起来的。此转向系统在不同车上的结构部件尽管不尽一样，但其基本原理是一致的。系统通常由转向（转矩）传感器、电子控制单元、电动机、电磁离合器和减速机构等组成。汽车电子控制动力转向系统的组成如图 1 所示。 3.2 EPS 系统的工作原理 电子控制动力转向系统是利用电动机作为助力源，根据转向参数和车速等，由微机完成助力工作的，其控制框图如图 2 所示。 8 不转向时，电动机不工作， EP 系统处于 STANDY 状态；当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的转矩传感器不断检测转向轴上的转矩，并由此产生一个电压信号，该信号与车速信号同时输入电子控制器，由控制器中的微机根据这些输入信号进行运算处理，确定助力转矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转向，调整转向的辅助动力。电动机的转矩由电磁离合器通过减速 机构减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。 电子控制电动助力转向控制系统的核心是一个 4kBROM和 256kBRAM的 8位微机。 转向盘转矩信号和车速信号经过输入接口送入微机，随着车速的提高，通过微机控制相应地降低助力电动机电流，以减少助力转矩。发动机转速信号也被送入微机，当发动机处于怠速时，由于供电不足，助力电动机和离合器不工作。点火开关的通断（ on/off）信号经 A/D 转换接口送入微机，当点火开关断开时，电动机和离合器不能工作。微机控制指令经 D/A 转换后送入电动机和离合器 的驱动放大电路中，控制电动机的旋转方向和离合器的结合。电动机的电流经驱动放大回路、电流表 A、 A/D 转换接口反馈给微机，将电动机的实际电流与按微机指令应给的电流相比较，调节电动机的实际电流，使两者接近一致。 3.3 EPS 系统主要部件的结构及工作原理 EPS 系统主要部件包括扭矩传感器、电动机、电磁离合器、减速机构车和电子控制单元等，其各自的工作原理如下： 3.3.1 扭矩传感器 EPS 系统的传感器信号包括转向盘转矩信号、汽车车速信号、汽车轴重信号和电机电流信号，前三者用于确定助力电机的助力大小和方向，后者 用于电机的 9 闭环控制。这些信号用来作为 EPS 系统的输入信号，共同决定助力信号的输出。因此传感器信息融合是 EPS 系统中的关键技术之一。 EPS 系统扭矩传感器主要有：电阻式转向传感器、非接触式电感扭矩传感器和其他类型传感器，也有在转向轴位置加一扭杆，通过测量扭杆的变型得到扭矩的大小和方向。电阻式转向传感器实际上是一个滑动可变电阻器，当操纵方向盘时，其电阻变化最终经电路处理以电流的形式将转矩信号送至 BCUTM。这种传感器体积大，易于磨损，在早期 EPS 系统中应用较多。随着非接触式扭矩传感器成本的降低，越来越多的厂商转 而采用这种精度高、体积小且寿命长的新型传感器。图 3 所示 KOYO 公司研制的非接触式 EPS 系统扭矩传感器原理图，该装置由安装在输入轴上的探测环 1 和探测环 2，安装在输入轴上的另一个探测环 1、探测线圈和补偿线圈组成。 当方向盘转动时，扭杆受转动力矩作用发生扭转，由于线圈产生扭矩且线圈固定不动，探测线圈与探测环之间的位置发生变化导致线圈磁阻变化，并最终反映扭矩的变化。 3.3.2 电动机 助力电动机是 EPS 系统的动力源，它根据 ECU 输出的控制指令在不同的工况下输出不同的助力转矩，对整个 EPS 系统性能影响很大。因此需要有良好的动态特性、调速特性和随动特性并易于控制，还要求输出波动小、低转速大转矩、转动惯量小、尺寸小质量轻等，因此，常采用无刷式永磁直流电动机。为改善操纵感、降低噪音和减少震动，在电动机转子外表面开出斜槽或螺旋槽，改变定子 10 磁铁中心处或端部厚度，将定子磁铁设计成不等厚度。随着现代汽车技术的发展，汽车各部件越来越多的采用 42V 直流电源，因而，面向 42V 直流电的 EPS 系统也逐渐成为汽车技术研究热点之一。采用 42V 直流电的 EPS 系统能在较低的输出电流同时保证有足够的输出功率，既降低系统的 能耗和发热，又能改善系统的控制。 3.3.3 电磁离合器 EPS 系统转向助力一般都是在一个设定的范围。当车速低于某一特定值时，系统提供转向助力，保证转向的轻便性；当车速处于两个设定植之间时，电动机停止工作，系统处于 STANDY（休眠）状态，离合器分离，以切断辅助动力。另外，当 EPS 系统发生故障时，离合器应自动分离，此时仍可利用手动控制转向，保障系统的安全性， EPS 系统中电磁离合器应用较多的为单片干式电磁离合器，其工作原理如图 4 所示。 3.3.4 减速机构 减速机构是 EPS 系统不可缺少的组件，它把电动机的输出减速放大后再传递给执行部件。目前实用的减速机构有多种组合方式，采用较多的为蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合式，如图 5 所示，也有的采用两级行星齿轮与传动齿轮组合式。装配有离合器的 EPS 系统多采用蜗轮蜗杆减速机构，装配在减速机的一侧。 11 3.3.5 电子控制单元 电子控制单元 ECU 是整个 EPS 系统的控制的核心。它根据扭矩传感器、车速传感器、轴重传感器以及电动机电流传感器等输入信号，一旦系统某部件工作出现异常， ECU 将控制电磁离合器分离，同时进行 故障诊断分析并输出显示故障信号。 3.4 EPS 系统的分类 根据电动机驱动部位的不同，将电动助力转向系统分为 3 类：转向轴助力式、转向器小齿轮助力式和齿条助力式。 1.转向轴助力式转向系统。其转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构组成一体，安装在转向柱上。其特点是结构紧凑，所测取的转矩信号与控制直流电动机助力的响应性较好。这种类型一般在轿车上使用。 2.小齿轮助力式转向系统的转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构仍为一体，只是整体安装在转向小齿轮处，直接给小齿轮助力，可 获得较大的转向力。该形式可使各部件布置更方便，但当转向盘与转向器之间装有万向传动装置时，转矩信号的取得与助力车轮部分不在同一直线上，其助力控制特性难以保证准确。 3. 图 1 为齿条助力式转向系统。其转矩传感器单独地安装在小齿轮处，电动机与转向助力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处，用以给齿条助力。该类型又根据减速传动机构的不同可分为两种 :一种是电动机做成中空的。齿条从中穿过，电动机的动力经一对斜齿轮和螺杆螺母传动副以及与螺母制成一体的铰接 12 块传给齿条。这种结构是第一代电动助力转向系统，由于电动机位于齿条 壳体内，结构复杂，价格高，维修也困难。另一种是电动机与齿条的壳体相互独立。电动机动力经另一小齿轮传给齿条，由于易于制造和维修，成本低，已取代了第一代产品。因为齿条由一个独立的齿轮驱动，可给系统较大的助力，主要用于重型汽车。 3.5 EPS 系统的性能及特点 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： a.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 系统）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车辆燃油消耗降低 2.5%，在使用转向情况下， 13 燃油消耗降低了 5.5%。 b.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小。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。 c.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。 d.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。 e.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。 f.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 14 回收，易对环境造成污染。 g.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