（车辆工程专业论文）电动助力转向系统助力特性研究.pdf

武汉理i ：人学硕十学何论文 摘要 汽车转向系统的发展经历了从简单的纯机械转向系统、液压助力转向系统， 电控液压助力转向系统，到更为节能、操纵性能更好的电动助力转向系统 ( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m 简称e p s ) 这几个阶段。 汽车电动助力转向系统( e p s ) 是近年来发展起来的一种新型动力转向系统， 具有节能、质量轻、安全、环保等一系列优点，正逐步取代传统的液压助力转向 系统，成为未来汽车转向系统的发展方向，其一经出现并迅速成为世界汽车技术 研究的热点。 本文论述了e p s 的特点、工作原理、结构组成、国内外的研究现状：通过 对e p s 各组成部分和汽车转向系统的分析建立了e p s 系统动力学模型，建立了车 辆二自由度模型，轮胎模型，并推导出了包括e p s 系统、轮胎模型和车辆二自由 度模型在内的系统状态表达式。给出了e p s 性能评价指标，并对三种助力特性曲 线的特点进行了分析和比较：直线型曲线确定简单、便于控制系统设计，调整也 简便，缺点在于虽然可以感应车速对助力曲线的斜率特性做出变化，但对于输入 的高、低区域却不能区别对应，输出为线性、路感单一，故无法很好协调路感和 轻便性的关系；曲线型助力特性曲线在感应速度的同时，每条曲线自身又感应高、 低输入区域进行变化，是十分理想的特性曲线，但在确定过程中需要大量的理想 转向盘力矩特性信息，故确定和调整都不容易；折线形的优、缺点则介于二者之 间在原有助力特性曲线的基础上提出了一种全新的助力特性曲线，并依据某型轿 车参数，以提高转向轻便性和路路感为目标，设计了其助力特性曲线，用 m a t l a b s i m u l i n k 进行模型仿真，检验了所设计的助力特性满足轻便性的要求， 理论上验证了这种设计方法是可行的。 关键词：电动助力转向助力特性转向盘力矩路感 武汉理i ：人中硕 = 学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p i n gp r o c e s so fs t e e r i n gs y s t e mh a se x p e r i e n c e ds e v e r a lp h a s e sf r o m t h es i m p l em e c h a n i c a ls t e e r i n gs y s t e m ，m e c h a n i c a l h y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e mt o e l e c t r i c - h y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e m ，t i l lt h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ( e p s ) w i t hl o w e re n e r g yc o n s u m p t i o na n dh i g h e rp e r f o r m a n c e e p si san e wt y p eo fa u t o m o b i l es t e e r i n gs y s t e m ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so f s a v i n gf u e l ，l i g h t ，s a f e t ya n dp r o d u c i n gl e s sp o l l u t i o n e p si st a k i n gt h ep l a c eo fl i p s g r a d u a l l ya n db e c o m i n gt h et r e n do fs t e e r i n gs y s t e m i t sr a p i d l yb e c o m et h eh o t s p o t s i nt h er e s e a r c ho fa u t o m o b i l et e c h n o l o g yo ft h ew o r l d t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f e p s ，w o r k i n gp r i n c i p l e ， c o m p o s i t i o na n dt h er e s e a r c hs t a t u so fd o m e s t i ca n da b r o a d t h r o u g ht h ea n a l y s i so f c o m p o n e n t so fe p ss y s t e ma n dt h es t e e r i n gs y s t e m ，e p s d y n a m i c sm o d e l ，f u l l v e h i c l em o d e lw i t ht w od e g r e e so ff r e e d o ma n dt i r em o d e lw a sb u i l t t h e nt h es t a t e f u n c t i o no ft h ec o m b i n a t i o ns y s t e mm o d e lw a sd e d u c e da n dt h em o d e lf o rs i m u l a t i o n w a sb u i l ti nt h i sp a p e r g i v e nt h ee p sp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ， a n a l y s i sa n dc o m p a r e t h et h r e et y p e so fa s s i s tc h a r a c t e r i s t i c ，a n dt h e nd e s i g nan e wt y p eo fa s s i s tc u r v ei n o r d e rt or e d u c et h es t e e r i n gf o r c ew h i c hb a s e do nt h ep a r a m e t e r so fac e r t a i nt y p eo f c a r , t h e nt h ed y n a m i cs i m u l a t i o no ft h ee s ps y s t e mw i t ht h ed e s i g n e da s s i s tc u r v e h a sb e e no b t a i n e db ym a t l 忸s mn ，咖【t op r o v et h a ts t e e r i n gf o r c ec a nb e r e d u c e db yt h ed e s i g n e da s s i s tc h a r a c t e r i s t i c a n dt h e o r e t i c a lf e a s i b i l i t yo ft h i sd e s i g n m e t h o dh a sb e e nc o n f i r m e d k e yw o r d ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，a s s i s tc h a r a c t e r i s t i c ，s t e e r i n gw h e e lt o r q u e ， r o a df e e l i n g 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：；衄日期q 乒! 芏1 2 墨一 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，h i - 学校有权保留送交论 文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 护 研究生签名： ! 邀 导师签名：日期 武汉理l ：人学硕十学俯论文 第一章绪论 汽车工业是我国的支柱产业，在国民经济中起着重要的作用。而汽车的转 向系统作为汽车最重要的组成部分之一，其性能的好坏将直接影响着汽车的安全 性和稳定性。在我国，关于发展汽车零部件的政策规划中，将转向器列为优先发 展的2 5 种汽车关键零部件之一。 近年来，随着我国经济的持续发展，人民生活水平不断提高，轿车渐渐走 入平常百姓家中，成为代步的工具，而随着汽车保有量的增加以及由此带来的一 系列问题，使得“安全、节能、环保”成为未来汽车发展的三大主题。汽车电动 助力转l f i ( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) 由于具有能耗低、环保性能较好、体 积小、重量轻等诸多优点，成为现代汽车转向系统的发展方向。e p s 采用电动机 直接提供助力，助力大小由电控单元控制，是一项紧扣现代汽车发展主题的高新 技术，所以一经出现就受到高度重视【l 】。近几年来，随着电子技术的发展，电动 助力转向系统逐渐成熟，成本也不断降低，现已部分取代传统的液压助力转向 ( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，简称h p s ) ，其应用前景十分广阔。 1 1本文研究的目的与意义 众所周知，在汽车低速停车入库时，驾驶员转向所需的手力较大；而高速 行驶时转向所需的手力较小。因此电动助力转向系统的助力大小也应该是变化 的，即随着车辆行驶和转向状态的变化而变化。具体说，就是电动机助力应随 着车速和转向手力或转向角大小的变化而变化，此变化趋势称之为转向助力特 性，它是决定转向轻便性、转向路感和操纵稳定性的首要条件。合理的转向助 力特性曲线不仅可保持汽车低速行驶时转向轻便灵活，而且可保持中高速行驶 时的路感和操纵稳定性。因此助力特性曲线是电动助力转向系统控制器设计的 基础和前提，本课题试图以液压助力转向系统和电动液压助力转向系统为基础， 借助计算机仿真技术，得出手力、车速和转向力矩期望值之间的关系，标定出 电动助力转向系统的助力特性曲线来。 随着电子技术的发展，汽车电子化是当前汽车技术发展的趋势，电动助力 转向系统是继电子液压助力系统后产生的一种新的助力转向系统。它完全取消 了液压装置，用电机取代油泵，用电能代替液压能，减少了发动机的能量消耗， 武汉理i ：人学硕十学位论文 与传统的机械转向系统和液压转向系统相比，具有明显的技术优势。电动助力 转向已成为世界汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一，是现代汽车转向系 统的发展方向，具有广泛的应用f j 景，己被我国列为高新科技产业项目之一。 我国汽车正以每年3 0 的速度递增，2 0 0 8 年汽车产量已突破9 0 0 多万辆，目前 绝大部分采用机械转向或液压助力转向，仅有少数采用电动助力转向器。按照 发展趋势，今后大部分微型车和轿车都将采用电动助力转向器，因此，电动助 力转向器的市场前景十分广阔。所以对电动助力转向系统的研究具有很重要的 理论价值和实际意义。 电动助力转向系统与机械转向系统、液压助力转向系统在技术上有很大的 区别，故它对汽车操纵性能的影响不同于这两种转向系统。因此想要设计一个 使汽车获得优良操纵性能的e p s 系统，就必须建立装备e p s 系统的汽车操纵性 能的评价方法和评价指标，为e p s 系统软硬件设计找到客观评价标准；必须使 得e p s 系统的设计与汽车转向操纵性能要求相匹配，并尽可能对系统设计进行 优化，以获得最佳转向性能【2 i 。 助力特性曲线作为电动助力转向的关键技术之一，直接影响到整车的转向 性能。理想的助力特性应能充分协调转向轻便性和路感的关系，并提供给驾驶员 与手动转向尽可能一致的、可控的转向特性。但是，关于电动助力转向系统的助 力特性曲线，经过检索和查阅发现，可能是出于技术保密，国外还没有文献专门 对此进行研究，一般都是在控制系统设计中附带提一下；在国内，关于电动助力 转向系统的技术特点，稳定性和控制策略方面的研究数不胜数，但是作为电动助 力转向最基础的助力特性曲线方面的研究基本上没有。因此，有必要对助力特性 曲线的设计原则和设计方法进行深入研究，这不仅可以填补国内电动助力转向技 术研究的空白，而且对电动助力转向系统的控制策略研究具有指导作用。 1 2国内外的研究现状 e p s 是继液压助力转向系统后产生的一种动力转向系统。从上个世纪5 0 年代 开始，汽车工程师就开始对电动助力转向产生兴趣。但是由于成本等原因，一直 很难设计生产出在性能和价格比上可以与液压助力转向系统匹敌的电动助力转 向系统。经过二十几年的发展，e p s 技术日趋完善，其应用范围已经从最初的微 型轿车向更大型轿车和商用客车方向发展，如本田的a c c o r d 和菲亚特的p u n t o 等 中型轿车已经安装e p s ，本田甚至还在其a u c r an s x 赛车上装备了e p s 。e p s 的助 力型式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，d e l p h i 为p u n t o 车开发的e p s 2 武汉理i ：人。z 硕十学f t 论文 属全速范围助力型，其控制形式与功能也进一步加强，并且首次设置了两个开关， 其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。当车速大于7 0 k m 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相关， 使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更平滑。日本早期的e p s 仅仅在低速和 停车时提供助力，高速时e p s 将停止工作。新一代的e p s 贝j j 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。如铃木公司装备的一款 e p s 是一个负载一路面一车速感应型助力转向系统p 】。 电动助力转向之所以最先应用在小型车和家庭轿车上，是由于目前汽车蓄电 池输出功率的限制，使助力电动机提供的转矩有限。如果e p s 要应用到较大型车 辆上，那么它的技术关键点是能提供大的转向力，因为中型或大型车辆需要的转 向力可达1 0 0 0 0 n ，甚至更高。然而，在目前大多数汽车配装1 2 v 电压系统的情况 下，由于电动转向器的电动机电流的限制，电动机输出扭矩的增加受到了很大限 制。欧洲汽车制造商在研究配有4 2 v 电压系统的中型车辆上应用e p s 方面走在了 前头，而在拓展e p s 的应用方面，日本的k o y o ，n s k ，h o n d a 及美国的d e l p h i ， t r w 等公司已经开发了多种类型的e p s 。奔驰公司计划开发适用于汽车前桥负荷 超过1 2 0 0 k g 的e p s ，因此货车也将可能成为e p s 的装备目标。 电动助力转向技术日渐成熟，其应用范围也从最初的微型轿车向更大型轿车 和商用客车方向发展。电动助力转向自身的特点特别适用于低排放汽车( l e v ) 、 混合动力汽车( h e v ) 、燃料电池汽车f ( c e v ) 、电动汽车( e v ) 。而这四大“e v 汽车将构成未来汽车发展的主体，因此电动助力转向具有非常广阔的应用前景。 电动助力转向给转向系统带来了一场革命，但时代的发展对转向系统提出 了更高的要求。现在国际上又出现开发下一代转向系统的热潮，这就是线控转向 系统( s t e e r i n g b y - w i r e ) 。美国的d e l p h i 汽车公司最新推出的线控电动转向系统，取 消了传统的转向柱，转向轴和齿轮齿条等，而由速度传感器、扭矩传感器、控制 器、电动机和减速机构等组成。但它仍采用转向盘( 必要时也可改用操纵手柄) ， 通过电动机向驾驶员提供路面反馈。该转向系统与传统转向系统比较，它去掉了 转向盘与车轮之间直接的机械运动连接，通过控制算法可以实现车辆转向，使车 辆的操纵安全更有保证；同时比传统转向系统更节省安装空间、重量更轻；还有 它提供了整车设计布置的极大灵活性【4 】。 但是在我国，电动助力转向的开发还处于起步阶段，并且处于实验室研究 阶段，仅有为数不多的院校开展了电动助力转向系统的研究。清华大学汽车系在 e p s 领域进行了卓有成效的研究，并取得了很大的进展，在控制策略、电动助力 转向硬件及台架方面，目前处于国内研究的前列。1 9 9 3 年，清华大学汽车工程系 3 武汉理i ：人学硕卜学化论文 的教授指导硕士研究生进行了e p s 系统的探索性研究，清华大学的季学武教授还 申请了“一种车用光电式扭矩传感器”专利，因为扭矩传感器一直是电动助力转 向的核心部件。吉林大学也进行电动助力转向系统的研究，并制作了试验台架， 取得许多的试验数据，为下一步的研究开发提供有用的试验数据。武汉理工大学、 华中科技大学、江苏理工大学和天津大学也对电动助力转向系统的转向特性和转 向盘力等进行了理论方面的研究。合肥工业大学机械汽车学院完成了转向系运动 学、动力学分析计算，提出了关于e p s 的控制策略，并在汽车转向试验台上对控 制策略进行了检验，同时进行了道路试验证明其合理性，为e p s 的产品化奠定了 坚实的基础。这些研究都对下一步的电动助力转向的研究打下了一定的基础。但 是关于电动助力转向系统，国内的文献大多集中在控制策略、系统的建模与仿真 以及软硬件方面的研究，对助力特性曲线方面的研究很少，只有几篇文献提到了 转向助力特性曲线，但也只是仅就其中的某一方面进行了讨论，对电动助力转向 系统中助力特性曲线的研究还基本处于空白： 一是车速对助力增益的影响不清楚； 二是助力特性曲线确定的理论依据不明确，都没有明确指出所采用的助力 特性曲线到底对汽车的转向路感、操纵稳定性有没有影响； 三是如何根据转向轻便性、转向路感综合确定转向助力特性曲线，这也还 没有人研究过。而国外的可能是出于技术保密，还没有文献专门对此进行研究， 一般都是在控制系统设计中附带的提一下。 1 3 本文研究的内容 1 对电动助力转向系统进行受力分析； 2 转向操纵力、路感、转向操纵性能三者的内在规律； 3 转向盘操纵力矩随汽车行驶速度变化的规律； 4 对三种助力特性曲线的特点进行分析； 5 确定便于控制的转向助力特性曲线。 4 武汉理i ：人。学硕十学化论文 第二章转向系统的发展过程 汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构，其作用是使汽 车能在行驶过程中按照驾驶员的操纵要求而适时地改变其行驶方向，在受到路 面传来的冲击及偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行 驶，因此，转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性和安全性。随着汽车 技术的迅猛发展，人们对汽车转向操纵性能的要求也日益提高，为了保证车辆 在任何工况下转动方向盘时，都有较理想的操纵稳定性和转向轻便性，人们对 转向系统进行了不断改进，使其性能得到不断提高。 2 1 传统的转向系统 2 1 1 机械式转向系统 机械式转向系统以驾驶员的体力作为转向动力，所有传递动力的部件都是 机械的，没有辅助动力源。机械转向系统主要由转向操纵机构、转向器和转向 传动机构三部分组成【5 1 ，如图2 1 所示。 转内横拉轷 图2 - 1 机械式转向系统 转向操纵机构就是驾驶员操纵转向器工作的机构，包括从转向盘到转向器 输入端的零部件等。操纵汽车转向时，驾驶员对转向盘的操纵力是非常有限的， 因此需要借助增力装置来使转向车轮发生偏转。而转向器就是把转向盘传来的 转矩按一定传动比进行放大并输出。 转向器( 也常称为转向机) 是完成由旋转运动到直线运动( 或近似直线运动) 的一组齿轮机构，同时也是转向系中的减速传动装置。目前较常用的有齿轮齿 5 武汉理l ：人学硕- l ：。何论文 条式、循环球曲柄指销式、蜗丰丁曲柄指销式、循环球齿条齿扇式、蜗杆滚轮 式等。 转向传动机构是把转向器的运动传给转向车轮的机构，包括从摇臂到转向 车轮的零部件。整个机械转向系统的工作方式为：驾驶员需要转向时，对转向 盘施加转向力矩，该力矩通过转向轴输入到机械转向器，力矩经转向器减速放 大后由转向摇臂传到转向直拉杆，最后再传给固定于转向节上的转向节臂，使 转向节和它所支承的转向车轮发生偏转；与此同时，经梯形转向机构带动另一 侧的转向车轮同时发生偏转，从而改变汽车的行驶方向。 根据机械式转向器形式的不同，可以将其分为：齿轮齿条式、循环球式、 蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。应用最广泛的主要是齿轮齿条式和循环球式( 用于需 要较大的转向力时) 。 循环球式转向器由于是滚动摩擦形式，因而正传动效率很高，操作方便且 使用寿命长，而且承载能力强，故广泛地应用于载货汽车上。齿轮齿条式转向 器与循环球式相比，最大特点是刚性大，结构紧凑重量轻，且成本低。由于这 种方式容易将反作用力由车轮传至转向盘，因此具有对路面状态反应灵敏的优 点，但同时也容易产生打手和摆振等现象，且其承载能力相对较弱，故主要应 用于小汽车及轻型货车上，目前我国大部分轿车上采用的就是齿轮齿条式机械 转向系统。 2 1 2 液压式助力转向系统( h p s ) 液压助力转向于2 0 世纪3 0 年代首先应用在重型车辆上。由于当时汽车装 载质量和整备质量的增加，在转向过程中需要克服的前轮转向阻力矩也将相应 增加，作用在转向盘上的转向力也随着增加，使驾驶员感到“转向沉重 。当前 轴负荷增加到某一数值后，靠人力去转动转向轮就很吃力。为使驾驶员操纵轻 便，提高车辆的机动性，最有效的方法就是在汽车的转向系中加装转向助力装 置，借助于汽车发动机的动力驱动油泵、空气压缩机和发电机等，以液力、气 力或电力增大驾驶员操纵前轮转向的力量，使驾驶员可以轻便灵活地操纵汽车 转向，减轻劳动强度，提高了行驶安全性。液压助力转向系统除了传统的机械 转向器以外，尚需增加控制阀、动力缸、油泵、油罐和管路等。而轿车对动力 转向的要求与重型车辆不完全相同。比如重型车辆对动力转向系统噪声的要求 较低，轿车则对噪声要求很高，轿车还要求选用的转向器系统结构要更简单、 尺寸更小、成本更低等。但是重型车辆动力转向技术的发展无疑为轿车动力转 向技术奠定了基础。传统液压助力转向系统按转向控制阀形式分为滑阀式和转 阀式两种。目前在轿车上的液压助力转向采用的是转阀式控制蒯6 1 。 6 在轿车上装备液压助力转向系统有如f 优点： l 减轻驾驶员的疲劳强度。动力转向可以减小驾驶员的转向操纵力，提 高转向轻便性。 2 提高转向灵敏度。可以比较自由地根据操纵稳定性要求选择转向器传 动比，不会受到转向力的制约。允许转向车轮承受更大的负荷，不会引起转向 沉重问题。 3 衰减道路冲击，提高行驶安全性。液压系统的阻尼作用可以衰减道路 不平度对转向盘的冲击。 同时液压助力转向系统也有不足： 1 选定参数完成设计之后，助力特性就确定了，不能再进行调节与控制， 因此协调轻便性与路感的关系困难：如按低速性能设计转向系统时，高速行驶 时转向力往往过小，“路感”较差，甚至感觉汽车发“飘”，从而影响操纵稳定 性：而按高速性能设计转向系统时，低速时转向力往往过大。 2 即使在不转向时，油泵也一直运转，增加了能量消耗。 3 存在渗油与维护问题，提高了保修成本，且泄漏的液压油会对环境造 成污染。 图2 - 2 液压助力转向系统 213 电- 液式助力转向系统( e h p s ) 近年来，随着电予技术的不断发展，转向系统中愈来愈多的采用电子器件 7 武汉理i ：人学硕卜学f 市论艾 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e h p s ( e l e c t r o h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) 、电控液压助力转向 e c h p s ( e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) 。e h p s 是在液压助力系 统基础上发展起来的，它将原来由发动机带动的液压助力泵改为由电机驱动， 节省了燃油消耗。e c h p s 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。 现代电液助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 手力能根据车速和行驶条件的变化而改变，即在低速行驶或转急弯时能以很小 的转向手力进行操作，而在高速行驶时能以稍重的转向手力进行稳定操作，使 汽车的操纵轻便性和稳定性达到最合适的平衡状态【7 i 【8 】【9 1 。 为了保证转向轻便性，要求增大转向器的传动比，这样虽然可以减小转向 盘上的手力，但同时也会造成汽车对操纵反应的迟缓，甚至可能导致驾驶员无 法进行紧急避障等转向操作，即转向不够“灵 。机械式转向器的设计目的就 是保证汽车在各种行驶条件下都能将转向盘上的手力保持在驾驶员能接受的合 理范围内，同时又要保证适当的转向灵敏度，但是机械式转向器的结构特点注 定无法解决“轻”与“灵”的矛盾，而电液助力转向系统则在一定程度上解决 了这一矛盾。 电控液压助力转向系统在传统液压助力转向系统的基础上有了一定的改 进，但液压装置的存在，使得该系统仍有难以克服的缺点，如：还存在渗油问 题；零件增加，管路复杂，不便于安装维修及检测等。另外，虽然引入车速实 现车速感应型变助力特性，但是在原有液压系统的基础上又增加了电子系统， 使系统越加复杂，成本增加。 在液压助力转向系统中，只要发动机运转，不管是否转向，液压泵都始终 处于工作状态。另外，在发动机转速升高时，油泵供油量不断增加，而实际上 动力转向系统所要求的供油量应随着发动机转速的升高保持不变或下降，因此， 发动机转速高时，油泵输出的大部分油液通过溢流阀返回，在油泵内部循环流 动，导致油泵发热，造成严重的能量消耗，使汽车燃油消耗量增加了4 - - - 6 。 二十世纪八十年代以来，电动助力转向( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，e p s ) 作为 一种全新的动力转向模式进入了业界的视野，并很快成为动力转向系统研究与 开发的热点。它直接依靠电动机提供辅助扭矩，通过控制电动机电流的幅值， 实现转向器电动助力的要求，这种系统使汽车在低速行驶时操纵力减小，提高 了操纵的轻便性；而当汽车在高速行驶时，电子控制系统提供最优传动比和稳 8 定的转向路感，提高高述 j ：驶时的操纵稳定性。l 乜动助力转川系统较好地解决 了澉j j 、助力转向系统所h i 能解决的问题。 2 2 电动助力转向系统 2 21 电动助力转向系统的结构与工作原理 电动助力转向系统的基本组成包括扭矩传感器、车速传感器、控制单兀 ( e c u ) 、电动机、减速机构和离合器等，如图2 3 所示 圈2 - 3 电动助力转向系统 在e p s 系统中传感器主要有扭矩传感器、方向盘转速传感器、速度传感器。 扭矩传感器时刻检测转向盘的运动情况，将驾驶员转动转向盘的方向、角度信 息传送给控制睢元。方向盘转速传感器用于测量转向盘的旋转速度，速度传感 器测量汽车的行驶速度两者的测量结果同样送到控制单元 。 控制单元是e p s 系统的核心部分，也足e p s 系统研究的重点。控制单元 一般以个八位或十六位微处理器为核心，外围集成a d 电路、输入信号接口 电路、报警电路、电源。要求具有简单计算、查表、故障诊断处理、存储、报 警、驱动等功能。 电动机的功能是根据控制单元的指令输出适宜的辅助扭矩，是e p s 的动力 源。电动机对e p s 的性能有很大影响，是e p s 的关键部件之，所以e p s 对 r u 动机有很高要求。不仅要低转述犬扭矩、波动小、转动旧世小、尺寸小、质 9 量轻，f f i 目要可靠性高，易控制。n 现有设计中电动机卜璺秉 j 直流电动机耵i 无刷水磁式直流电动机，驱动电路根据采用的电动机和控制策略不同而不同。 e p s 的减速机构与电动机相连，起减速增扭的作用。常采用蜗轮蜗杆机构， 也有采用行星齿轮机构。 e p s 的离合器，装在减速机构一侧，是为了保证e p s 只在预先设定的车速 行驶范围内起作用。当车速达到某一值时，离合器分离，电动机停止工作，转 向系统转为手动转向。另外，当电动机发生故障时离合器将自动分离。 由图l 一3 可见，电动助力转向系统是在传统机械转向机构基础上增加信号传 感装置、控制单元和转向助力机构。e p s 的转向轴由靠扭杆相连的输入轴和输 出轴组成，输出轴通过传动机构带动转向拉杆使车轮转向，输出轴除通过扭杆 与输入轴相连外，还经行星齿轮减速机构一离合器与助力电动机相连。驾驶者 在操纵转向盘时给输入轴输入了一个角位移，输入轴和输出轴之间的相对角 位移使扭杆受扭，扭矩传感器将扭杆所受到的扭矩转化为电压信号输入电控单 元；与此同时，车速传感嚣检测到的车速信号也输入电控单元，电控单元综合 转向盘的输入力矩、转动方向以及车速等输入信号，判断是否需要助力以及助 力的方向。若需要助力，则依照既定的助力控制策略计算电动机助力转矩的大 小并输出相应的控制信号给驱动电路，驱动电路提供相应的电压或电流给电动 机，电动机输出转矩由蜗轮蜗杆传动装置放大再施加给转向轴，从而完成实时 控制助力转向：若出现故障或车速超出设定值则停止对电动机供电，系统不提 供助力，同时，离合器分离，以避免转向系统受电动机惯性力矩的影响，系统 转为人工手动助力】。工作过程如下图所示。 困，叵至丑一困一匝亟丑一困 2 22 电动助力转向系统的类型 a ) 转自自或b ) # # b 女tc ) 蕞m 自女 图2 - 4 ：电动助力转向系统三种类型 o 武汉理i 人学硕十学f t 沦义 根据电动机布置位置的不同，电动助力转向系统可以分为转向轴助力式、 齿轮助力式、齿条助力式三种类型【l 引，如图2 4 所示。 1 转向轴助力式 转向轴助力式e p s 系统的电动机固定在转向轴侧面，装有一个电磁控制 的离合器，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴实现转向助力。这种 方案可以使转向器占用的空间减至最小。由于各部件相对独立，因此维修方便， 设计时也有很大的灵活性。但是电动机输出力矩的波动容易传递到转向盘上。 如果电动机的安装位置和驾驶员的乘坐位置很近的话，必须考虑对电动机噪声 的抑制。铃木公司的a l t o 汽车采用的是这种布置方案。 2 齿轮助力式 齿轮助力式e p s 系统的转矩传感器、电动机、减速机构以及离合器集成在 一起，电动机直接通过减速机构驱动齿轮轴进行助力。齿轮助力式e p s 系统提 供的转向助力作用比转向轴助力式e p s 系统要大，适合于前轴负荷中等的汽车。 三菱公司的m i n i c a 微型汽车采用了这种方案。 3 齿条轴助力式 齿条助力式e p s 系统是利用电动机和减速机构直接驱动齿条提供助力的。 转矩传感器单独安装在转向小齿轮附近，而电动机和减速机构集成在一起，安 装在小齿轮另一端的齿条上，电动机的动力直接作用在齿条上。该类型根据减 速传动机构的不同可分为两种：一种是电动机做成中空的，转向齿条从中间穿 过，电动机的动力经滚珠螺杆螺母减速机构后传给齿条。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内，结构复杂、价格高、维修也很困 难。本田公司的a c c o r d 轿车采用的是这种方案。另一种是电动机与齿条的壳体 相对独立，电动机的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。齿条助力式e p s 系统的优点是结构紧凑，不受安装 位置的限制，电动机的力矩波动不易传递到转向盘上，系统刚度好、传动能力 大，可以提供较大的助力转矩，适用于前轴负荷较大的汽车。 2 2 3电动助力转向系统的主要部件 电动助力转向系统的主要部件包括传感器、减速机构、电动机、电子控制 单元等。 1 车速传感器和转矩传感器 车速传感器的功能是测量汽车行驶速度。转矩传感器的功能是测量驾驶员 作用在转向盘上的力矩大小与方向，以及转向盘转角的大小和方向。这些信号 11 武汉理i ：人学硕十学何论文 都是e p s 的基本控制信号。转矩测量系统比较复杂且成本较高，所以精确、可 靠、低成本的转矩传感器是决定e p s 能否占领市场的关键因素之一。目前采用 较多的是在转向柱的位置加一扭杆，通过测量扭杆的变形得到转矩，另外也有 采用非接触式转矩传感器。其原理是：当输入轴与输出轴之间发生相对扭转位 移时，磁极环之间的空气间隙发生变化，从而引起电磁感应系数变化。非接触 式转矩传感器的优点是体积小，精度高，缺点是成本较高。 2 减速机构 e p s 的减速机构与电动机相连，起减速增扭的作用，常采用蜗轮蜗杆机构， 也有采用行星齿轮机构。有的e p s 还配有离合器，装在减速机构一侧，是为了 保证e p s 只在预先设定的车速行驶范围内起作用，当车速达到某一值时，离合 器分离，电动机停止工作，转向系统转为手动转向。另外，当电动机发生故障 时，离合器将自动分离。 3 电动机 电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助转矩，是e p s 的 动力源。多采用无刷永磁式直流电动机。电动机对e p s 的性能有很大影响，是 e p s 的关键部件之一，所以e p s 对电动机有很高要求，不仅要求低转速大转矩、 波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻，而且要求可靠性高、易控制。为此， 设计时常针对e p s 的特点，对电动机的结构做一些特殊地处理，如沿着转子的 表面开出斜槽或螺旋槽，定子磁铁设计成不等厚等。 4 电子控制单元 电子控制单元( e c u ) 的功能是根据转矩传感器信号和车速传感器信号， 进行逻辑分析与计算后，发出指令，控制电动机和离合器【l3 1 。此外，e c u 还有 安全保护和自我诊断功能，e c u 通过采集电动机的电流、电压、发动机工况等 信号判断其系统工作状况是否正常，一旦系统工作异常，助力将自动取消，同 时e c u 将进行故障诊断分析。e c u 通常是单片机系统，也有采用数字信号处 理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 作为控制单元。控制系统与控制算 法也是e p s 的关键之一，控制系统应有强的抗干扰能力，以适应汽车多变的行 驶环境。控制算法应快速正确，满足实时控制的要求，并能有效地实现理想的 助力规律与特性。 2 2 4电动助力转向的关键技术 电动助力转向系统是机电一体化系统，涉及机械设计、汽车理论、电子学、 传感检测、电机学、控制理论等多门学科知识，它与转向轻便性、路感以及舒 适性和安全性密切相关，该系统的关键技术包括以下几个方面1 1 4 1 1 2 武汉理i ：人学颂十学何论文 ( 1 ) 电动机与传感器技术 电动助力转向技术的发展及运用主要归功于电动机技术、电子技术和控制 理论的发展。e p s 系统对电动机有很高的要求，包括功率、尺寸和性能等。轿 车上使用的电源通常是1 2 v ，依据不同的车型和制造商，蓄电池输出的最大电 流一般是7 5 8 0 a 。这就决定了其最大的输出功率为1 2 7 5 - - 9 0 0 w 。受功率限 制，e p s 系统必须提高各元件的效率，以获得所需的输出功率能依据转向阻力 在2 5 0 w 5 5 0 w 之间变化，而转向阻力主要取决于转向轴负荷质量。除了功率 要求，电动机还必须满足转向系统的其它特定要求。如平滑性，即驾驶员不应 当在转向盘上感觉到任何由于电动机输出力矩的波动所引起的冲击；电动机的 转动惯量应当足够小；避免转向失控等。 传感器是电动助力转向系统中最重要的器件之一，在电动助力转向系统中 需要的传感器有：扭矩传感器、方向盘转速传感器、速度传感器，它们对车辆 状况进行实时检测，并将检测到的信息传递给控制单元，因此传感器质量的好 坏将直接影响整个系统的性能。如何制造出体积小、成本低、可靠性好而且测 量精度高的传感器就成为电动助力转向系统的关键技术之一。 ( 2 ) 助力特性 助力特性关系到转向轻便性与路感，目前国内外对路感问题的研究手段主 要以试验为主。助力特性是e p s 系统的控制目标，助力特性是否合理决定着e p s 系统的助力性能。e p s 系统的助力特性属于车速感应型，主要分为全速型和低 速型两种。全速型是指e p s 系统在任何车速下都提供助力；低速型是指e p s 系 统只有低速时才提供助力，当车速超过某一预定值时，e p s 系统停止工作。低 速型的优点是对系统的要求相对较低，缺点是不能改善汽车的高速操纵稳定性。 全速型的优点是能改善汽车的高速操纵稳定性，缺点是对系统的要求相对较高。 ( 3 ) 控制策略 e p s 系统能否获得满意的性能，除了要有好的硬件保证外，还必须要有良 好的控制软件来支撑。汽车的行驶工况多种多样，e p s 系统工作时不但受到来 自地面随机干扰和不确定因素的影响，同时发动机发出的热辐射与电磁干扰对 整个系统也会产生很大的影响。这些因素都对e p s 系统的控制策略提出很高的 要求。p i d 控制技术、动态补偿技术、自适应控制技术、鲁棒控制技术等控制 理论的发展为e p s 系统的成功开发提供了有力的保障。随着智能控制技术的进 一步发展，e p s 系统控制策略必将在发展中不断加以完善。 ( 4 ) 故障诊断与可靠性 由于e p s 系统是一项新技术，它没有液压助力转向系统那么长的使用历史， 因此e p s 系统的故障诊断与可靠性应受到充分重视。e p s 系统一般有两种主要 故障表现形式：是系统停止工作，如果这种故障出现在汽车行驶过程中，容 易出现意外交通事故。另一种更严重的故障就是系统在没有驾驶员转向输入的 1 3 武汉理i ：人学硕十学位论文 情况下使车轮转向，导致汽车偏离原来的方向。这是绝对不允许发生的。在这 些故障中，有些可以通过机械设计的方法减少故障的发生。这与传统液压助力 转向系统采用的方法没有本质区别。作为一个电控系统有些故障是不能通过机 械设计方法来避免的，而是需要通过故障诊断的方法来有效地加以校正。 2 2 5 电动助力转向系统的优点 电动助力转向是一项采用现代控制方法的高新技术，与传统液压助力转向 相比，它具有下述优点： 1 e p s 系统能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起 的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵 力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，可通过设置不同的转向手力特性来满 足不同使用对象的需要。 2 e p s 系统只在转向时电动机才提供助力( 不像t i p s ，即使在不转向时， 油泵也一直运转) ，因而能减少燃料消耗。 3 由于e p s 系统由电动机提供助力，电动机由蓄电池供电，因此e p s 能 否助力与发动机是否起动无关，即使在发动机熄火或出现故障时也能提供助 力。 4 e p s 系统取消了油泵、皮带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件等， 其零件比h p s 大大减少，因而其质量更轻、结构更紧凑，在安装位置选择方面 也更容易，并且能降低噪声。 5 e p s 系统没有液压回路，比h p s 更易调整和检测，装配自动化程度更 高，并且可以通过设置不同的程序，快速与不同车型匹配，因而能缩短生产和 开发周期。 6 e p s 不存在渗油问题，消除了液压助力中液压油泄漏问题，可大大降 低保修成本，减小对环境的污染，更加环保。 7 由于低温下油的粘性较大，h p s 系统在低温下启动发动机后，转向操纵 力较高，而电动助力转向系统在低温下不会增加转向操纵力和发动机负荷，因 而其具有良好的低温工作性能。 1 4 武汉理l ：人学硕十学何论文 第三章电动助力转向系统受力与性能分析 3 1电动助力转向系统受力 e p s 系统所受的力主要有驾驶员作用在方向盘的操纵力、电动机的助力矩 和整个转向系统所受的阻力矩【l5 1 ，汽车转向时，作用在方向盘上的操纵力矩和 e p s 系统的电动机助力矩通过转向机构克服转向阻力矩，从而实现对汽车的转 向，而操纵力矩和电动机助力力矩的大d , n 与整个转向系统所受的阻力有关。 下面分别对作用在e p s 中的力矩进行分析： 1 方向盘的操纵力 在汽车进行转向运动中，由驾驶员通过作用在方向盘的切向力对汽车进行 操纵。一般驾驶员都希望转向时能操作轻便，在高速时仍能保持稳定，且具有 良好的“路感”，因此驾驶员对汽车的操纵力分成两种情况： a 、改变汽车行驶方向时驾驶员作用在转向盘上的切向力； b 、保持汽车行驶方向不变( 包括直线运动和固定某个方向的运动) 时驾驶 员保持方向盘不动的力。这种在车轮转向角位置保持不变行车时，驾驶员作用 在转向盘上的力称为方向盘把持力。 2 阻力矩 影响转向力矩的因素有许多，例如车速、载荷、路面摩擦系数、转向轮胎 类型及气压、轮胎力学特性、前轮定位参数、转弯半径、转向系统干摩擦特性、 转向角速度与角加速度、侧倾转向效应、转向系统刚度、车辆参数等等。 转向力矩是由于转向轮与地路面之间相互作用以及转向系统内部的摩擦 而共同产生的。地面对转向轮的作用力主要包括侧向力、切向力与法向力。构 成车轮转向力矩的主要是自轮胎回正力矩和侧向力回正力矩，其次是重力回正 力矩和切向力回正力矩。其中轮胎自回正力矩和侧向力回正力矩与侧向力成正 比，而重力回正力矩与前轴负荷、转向角成正比。在前轴左右轮负荷差别不大 的情况下，切向力回正力矩很小。 车速对转向力矩的影响是通过侧向加速度间接实现的，并不是直接体现出 来。在极低速转向以及原地转向条件下，轮胎与地面之间的静摩擦力矩占主导 地位，故转向力矩大大高于其它车速下行驶的力矩。在低速大转角行驶