汽车电动助力转向系统及其研究现状.doc

目 录摘要与关键词-5前言 -5第一章 汽车转向系统-51.1 转向系统的发展概况-51.1.1 汽车转向系统的发展历程-51.2 转向系统的功用、组成及分类-61.2.1 转向系统的功用-61.2.2 汽车转向系统的类型-61.2.3 汽车转向系统的组成-61.2.4 电动助力转向系统的特点-7第二章 汽车转向器-82.1 转向器的分类-82.1.1 转向器的类型-82.2 汽车动力转向器的类型及工作原理-92.2.1 动力转向器的类型-92.2.2 液压动力转向系统的工作原理-9第三章 电动助力转向系统（EPS）-103.1 电动助力转向系统的工作原理及特点-103.1.1 电动助力转向系统的组成-103.1.2 EPS的优点-113.2 电动助力转向系统的分类-12 3.2.1 电动助力转向系统的类型-12 第四章 电动助力转向系统国内外研究现状-14 4.1.1 电动助力转向系统的发展概况-14 4.1.2 电动助力转向系统的发展趋势-14汽车电动助力转向系统及其研究现状摘要 本论文介绍论了汽车转向系统的发展及电动助力转向系统的工作原理，重点介绍了EPS的结构特点及分类，对EPS的研究与发展进行了展望。关键词 汽车；电动助力转向系统；研究现状Abstract and keywords Abstract：The development of automobile steering system and operational principle of EPS were introduced, characteristics and classification were comprehensively reviewed , research and development of EPS were prospected.Keywords：Automobile；Electric power steering system; Current research status.前言：转向系统是汽车的主要子系统之一，其性能直接关系到汽车的操纵稳定性和舒适性，对于确保行车安全，减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全和改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。 助力转向系统历经纯机械式、液压式、电控液压式、电动助力式以及处于研制阶段的线控式几个阶段。传统的动力转向一般采用液压助力，其结构复杂、功率消耗大、易泄露、转向助力不易控制。因此，人们一直在寻找一种更好的助力方式，以获得良好的路感、轻松的操纵力、较好的回正性、较高的抗干扰能力和较快的响应性。上个世纪80年代开始，人们开始研究电子控制式助力转向，简称EPS。EPS是在EHPS的基础上发展起来的，其结构简单，零件数量大大减少，可靠性增强，它取消了EHPS的液压油泵、液压管路、液压油缸和密封圈等配件，纯粹依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构，解决了长期以来的一直存在着液压管路泄露和效率低下的问题。第一章 汽车转向系统 1.1 转向系统的发展概况1.1.1 汽车转向系统的发展历程在汽车的发展过程中，转向系统经历了四个发展阶段：从最初的机械式转向系统（Manual Steering，简称MS）发展为液压助力转向系统（Hydraulic Power Steering，简称HPS），然后又出现了电控液压助力转向系统（Electro Hydraulic Power Steering，简称EHPS）和电动助力转向系统（Electric Power Steering，简称EPS）。装配机械式转向系统的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重，为了解决这个问题，美国GM公司在20世纪50年代率先在轿车上采用了液压助力转向系统。但是，液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性，因此在1983年日本Koyo公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统。这种新型的转向系统可以随着车速的升高提供逐渐减小的转向助力，但是结构复杂、造价较高，而且无法克服液压系统自身所具有的许多缺点，是一种介于液压助力转向和电动助力转向之间的过渡产品。到了1988年，日本Suzuki公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统；1990年，日本Honda公司也在运动型轿车NSX上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。 1.2 转向系统的功用、组成及分类 1.2.1 汽车转向系统的功用：改变和保持汽车的行驶方向。1.2.2汽车转向系统的类型：（1）汽车转向系统按转向能源的不同分为机械转向系统和动力转向系统。（2）动力转向系统按转向能源的不同分为传统液压动力转向系统和电子控制动力转向系统。（3）电子控制动力转向系统按动力源不同又分为液压式电子控制动力转向系统和电动式电子控制动力转向系统。1.2.3 汽车转向系统的组成：（1）机械式转向系统的组成：机械式转向系统由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。如下图所示：机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源，容易让驾驶员疲劳，操纵稳定性较差随动性差。（2）传统液压动力转向系统的组成：传统液压动力转向系统主要由转向油罐、转向液压油泵、转向控制阀、转向动力缸组成。如图3-2所示：传统动力转向系统由于使转向操纵灵活、轻便，在设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大，能吸收路面对前轮产生的冲击等优点，因此已在各国的汽车制造中普遍采用。但是传统液压动力转向系统在设计时存在着一些矛盾：如果所设计的固定放大倍率是为了减少汽车在停车或低速行驶状态下转动转向盘的力，则当汽车以高速行驶时，会使转动转向盘的力显得太小，不利于对高速行驶的汽车进行方向控制；反之，如果所设计的固定放大倍率是为了增加汽车在高速行驶时的转向力，则当汽车停驶或低速行驶时，转动转向盘就会显得非常吃力。（3）液压式电子控制动力转向系统的组成：电子控制动力转向系统（EPS）可以在低速时减轻转向力以提高转向系统的操纵性；在高速时则可适当加重转向力，以提高操纵稳定性。液压式电子控制动力转向系统是在传统的液压动力转向系统的基础上增设控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元等，电子控制单元根据检测到的车速信号，控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求。（4）电动式电子控制动力转向系统的组成：电动式电子控制动力转向系统是由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元（ECU）、电动机和减速机构等组成；电动式EPS是利用电动机作为助力源，根据车速和转向参数等，由电子控制单元完成助力控制。如下图所示：1.2.4 电动式EPS有许多液压式动力转向系统所不具备的特点：1） 电动机、减速机、转向柱和转向齿轮箱可以制成一个整体，管道，液压泵等不需单独占据空间，易于装车。2） 基本上只增加电动机和减速机，没有了液压管道等部件，使整个系统趋于小型轻量化。3） 液压泵仅在必要时用来使电动机运转，故可以节能。 4） 因为零件数目少，不需要加油和抽空气，所以在生产线上的装配性好。由此，从发展的角度看，电动式动力转向系统将成为标准件装备在汽车上。第二章 汽车转向器2.1转向器的分类2.1.1 转向器按结构形式可分为多种类型。历史上曾出现过许多种形式的转向器，目前较常用的有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、循环球曲柄指销式、蜗杆滚轮式等。其中第二、第四种分别是第一、第三种的变形形式，而蜗杆滚轮式则更少见。如果按照助力形式，又可以分为机械式（无助力），和动力式（有助力）两种，其中动力转向器又可以分为气压动力式、液压动力式、电动助力式、电液助力式等种类。 1）齿轮齿条式转向器齿轮齿条式转向器是一种最常见的转向器。其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条。转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。有时，靠齿条来直接带动横拉杆，就可使转向轮转向。所以，这是一种最简单的转向器。它的优点是结构简单，成本低廉，转向灵敏，体积小，可以直接带动横拉杆。在汽车上得到广泛应用。2）蜗杆曲柄销式转向器蜗杆曲柄销式转向器是以蜗杆为主动件，曲柄销为从动件的转向器。蜗杆具有梯形螺纹，手指状的锥形指销用轴承支承在曲柄上，曲柄与转向摇臂轴制成一体。转向时，通过转向盘转动蜗杆、嵌于蜗杆螺旋槽中的锥形指销一边自转，一边绕转向摇臂轴做圆弧运动，从而带动曲柄和转向垂臂摆动，再通过转向传动机构使转向轮偏转。这种转向器通常用于转向力较大的载货汽车上。3）循环球式转向器循环球式转向装置是由齿轮机构将来自转向盘的旋转力进行减速，使转向盘的旋转运动变为涡轮蜗杆的旋转运动，滚珠螺杆和螺母夹着钢球啮合，因而滚珠螺杆的旋转运动变为直线运动，螺母再与扇形齿轮啮合，直线运动再次变为旋转运动，使连杆臂摇动，连杆臂再使连动拉杆和横拉杆做直线运动，改变车轮的方向。 这是一种古典的机构，现代轿车已大多不再使用，但又被最新方式的助力转向装置所应用。它的原理相当于利用了螺母与螺栓在旋转过程中产生的相对移动，而在螺纹与螺纹之间夹入了钢球以减小阻力，所有钢球在一个首尾相连的封闭的螺旋曲线内循环滚动，循环球式故而得名。4）齿轮齿条液压助力转向器齿轮齿条液压助力转向器，是相对于齿轮齿条机械转向器而言的，主要是增加了转向油泵、转向油壶、转向油管、转向阀、转向油缸等部件，以期达到改善驾驶员手感，增加转向助力的目的的转向装置。2.2 汽车动力转向器的类型及工作原理 采用动力转向系统的汽车转向所需的能量，在正常情况下，只有小部分是驾驶员提供的体能，而大部分是发动机(或电机)驱动的油泵(或空气压缩机)所提供的液压能(或气压能)。用以将发动机(或电机)输出的部分机械能转化为压力能，并在驾驶员控制下，对转向传动装置或转向器中某一传动件施加不同方向的液压或气压作用力，以助驾驶员施力不足的一系列零部件，总称为动力转向器。下面介绍动力转向器的类型及工作原理。 2.2.1 动力转向器的类型 按传能介质的不同，动力转向器有气压式和液压式两种。装载质量特大的货车不宜采用气压动力转向器，因为气压系统的工作压力 较低(一般不高于0.7MPa)，用于重型汽车上时，其部件尺寸将过于庞大。液压动力转向器的工作压力可高达10MPa以上，故其部件尺寸很小。液压系统工作时无噪声，工作滞后时间短，而且能吸收来自不平路面的冲击。因此，液压动力转向器已在各类各级汽车上获得广泛应用。根据机械式转向器、转向动力缸和转向控制阀三者在转向装置中的布置和联接关系的不同，液压动力转向装置分为整体式（机械式转向器、转向动力缸和转向控制阀三者设计为一体）、组合式（把机械式转向器和转向控制阀设计在一起，转向动力缸独立）和分离式（机械式转向器独立，把转向控制阀和转向动力缸设计为一体）三种结构型式。2.2.2液压动力转向系统的工作原理动力转向系统是在机械式转向系统的基础上加一套动力辅助装置组成的。如下图，转向油泵6安装在发动机上，由曲轴通过皮带驱动并向外输出液压油。转向油罐5有进、出油管接头，通过油管分别与转向油泵和转向控制阀2联接。转向控制阀用以改变油路。机械转向器和缸体形成左右两个工作腔，它们分别通过油道和转向控制阀联接。 当汽车直线行驶时，转向控制阀2将转向油泵6泵出来的工作液与油罐相通，转向油泵处于卸荷状态，动力转向器不起助力作用。当汽车需要向右转向时，驾驶员向右转动转向盘，转向控制阀将转向油泵泵出来的工作液与R腔接通，将L腔与油罐接通，在油压的作用下，活塞向下移动，通过传动结构使左、右轮向右偏转，从而实现右转向。向左转向时，情况与上述相反。液压动力转向系统示意图 l.转向操纵机构 2.转向控制阀 3.机械转向器与转向动力缸总成 4.转向传动结构 5.转向油罐 6.转向油泵 R.转向动力缸右腔 L.转向动力缸左腔。第三章 电动助力转向系统（EPS）3.1 电动助力转向系统的工作原理及特点3.1.1 电动助力转向系统的组成 电动助力转向系统是在传统机械转向系统的基础上发展起来的，它利用电动机产生的动力来帮助驾驶员进行转向操作；系统主要由三大部分构成信号传感装置（包括扭矩传感器、转角传感器和车速传感器），转向助力机构（电机、离合器、减速传动机构）及电子控制装置。电动机仅在需要助力时工作，驾驶员在操纵方向盘时，扭矩转角传感器根据输入扭矩和转向角的大小产生相应的电压号，车速传感器检测到车速信号，控制单元根据电压和车速的信号，给出指令控制电动机运转，从而产生所需要的转向助力，其结构示意图如下所示：3.1.2 EPS的优点与传统的液压助力转向相比，EPS系统具有一系列的优点：【1】（1） 节约了能源消耗。与传统液压助力转向系统相比，没有系统要求的常运转转向油泵，且电动机只是在需要转向时接通电源，所以动力消耗和燃油消耗均可降到最低。（2） 对环境无污染。该系统应用电力作为能源，消除了电子转向油泵带来的噪声污染，同时该系统忧郁没有使用不可回收的聚合物组成的油管，油泵和密封件等配件，从而避免了污染。（3） 增强了转向跟随性。在电动助力转向系统中，电动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阵大大减小。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。（4） 改善了回正特性。由于采用了微电子技术，利用软件控制电动机动作，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，可以得到一簇回正特性曲线，通过编程实现电机在不同车速及不同车况下的转矩特性，这些转矩特性使得该系统能显著提高转向能力，提供了与车辆动态性能相匹配的回正特性，而传统道德液压助力转向系统无法做到这一点。（5） 提高了操纵稳定性。当驾驶员转动方向盘一角度然后松开时，EPS系统能够自动调整使车轮回正。同时还可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。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，实现起来很困难。（6） 系统结构简单，占用空间小，布置方便，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，相对于液压助力转向系统，EPS没有油泵、油管和发动机上的皮带轮，使得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。3.2 电动助力转向系统的分类3.2.1 电动助力转向系统的类型电动助力转向系统按照电动机布置位置的不同，可以分为转向柱助力式、齿轮助力式、齿条助力式、直接助力式四种。（1）转向柱助力式电动助力转向器（C-EPS）C-EPS的助力电机固定在转向柱的一侧，通过减速增扭机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向，图下图所示。这种形式的电动助力转向系统结构简单紧凑，易于安装。（转向柱助力式转向器）现在多数EPS就是采用这种形式，此外，C-EPS的助力提供装置可以设计成适用于各种转向柱，如固定式转向柱、斜度可调式转向柱以及其它形式的转向柱。但由于助力电机安装在驾驶舱内，受到空间布置和噪声的影响电机的体积较小，输出扭矩不大，一般只用在小型及紧凑型车辆上。（2） 齿轮助力式电动助力转向器。（P-EPS）P-EPS的助理电机和减速增扭机构和小齿轮相连，直接驱动齿轮实现助力转向，如图所示。（齿轮助力式转向器）由于助力电机不是安装在乘客舱内，因此可以 (齿轮助力式电动助力转向器)使用较大的电机以获得较高的助力扭矩，而不必担心电机转动惯量太大产生的噪音。该类型转向器可用于中型车辆，以提供较大的助力。（3）齿条助力式电动助力转向器（R-EPS）R-EPS的助力电机和减速增扭机构则直接驱动齿条提供助力，如图所示。由于助力电机安装于齿条上的位置比较自由，因此在汽车的底盘布置时非常方便。 （齿条助力式转向器）同时同C-EPS和P-EPS相比，可以提供更大的助力值，所以一般用于大型车辆上。（4）直接助力式电动助力转向器（D-EPS）D-EPS的助力电机和减速增扭机构同转向齿轮形成了一个独立单元，如图所示。它与R-EPS比较相似，两者的主要区别是扭矩传感器的安装位置有所不同。（直接助力式电动助力转向器）通过优化电控单元(ECU)内部的算法，让电机向齿条直接提供转向助力可以获得良好的转向路感。第四章 电动助力转向系统国内外研究现状4.1.1 电动助力转向系统的发展概况国外研发生产的EPS企业主要有么过的德尔福、天合，日本光洋精工、昭和，德国的采埃孚，英国的卢卡斯登，都已经具备大规模批量生产的能力，其中以德尔福公司和日本光洋精工公司为主要代表。从EPS控制策略的发展趋势来看，金钩控制信号将不再仅仅依靠车速与扭矩信号，而是根据转向角、转向速度、转向加速度、前轴重力等多种信号进行一汽车特性相吻合的综合控制，以获得更好的转向路感。目前已经开始这方面的研究。Roy McCann 【2】通过将横摆角速度信号作为反馈信息引入到EPS的控制中，用于加强汽车在低扶着率的地面上行驶的操纵稳定性。在EPS的助力特性、性能评价、故障诊断及测试系统方面也有专家学者进行着方面的研究。ZarembaA DavisRI针对EPS系统的稳定性进行了动力学分析，并指出稳定性是由助力特性曲线的方程的参数决定的，并根据路感等给出了助力特性的定性描述 【3】。林逸、施国标【4】等人对助力特性进行了研究，定性分析了各种助力特性的特征形式对路感等的影响，讨论了确定助力特性的一般过程，并设计了其控制策略，但对于助力特性没有定量分析。王豪【5】等人以装在中型轿车上的齿轮轴式电动助力转向系统为研究对象，分析了影响转向助力特性的变量提出了简化的转向阻力计算公式，并提出了路感系数的方程。唐新蓬、杨树【6】对电动助力转向系统对转向盘力特性的方法。杨楠【7】提出了对电动助力转向系统的在线故障诊断结合离线故障诊断的总体设计方案。季学武【8】设计了电动助力转向系统的转矩传感器、电机电流传感器进行标定，并进行台架性能测试。赵君卿、王其东【9】建立了汽车电动助力转向和主动悬架集成控制的动力学模型，对PD控制的EPS最优控制下悬架和集成控制的系统进行了仿真计算，计算结果表明，EPS和主动悬架的集成控制的效果优于单独控制，为系统的集成优化打下了基础。4.1.2 电动助力转向系统的发展趋势从国内外的研究来看，EPS今后的研究主要是集中在以下几个方面：（1）EPS助力控制策略。助力控制是在转向过程中为减轻转向盘的操纵力，通过减速机构把助力电机的力矩作用到机械转向系上的一种基本控制模式。助力控制策略的主要目的是：根据转向助力特性曲线确定助力电动机的助力大小，辅助驾驶员实现汽车转向，控制策略是EPS研究的重点。（2）系统匹配技术。助力特性的匹配，电机及减速机构的匹配、传感器的匹配以及EPS系统与其它子系统进行匹配，是使整车性能达到最优的关键。（3）可靠性。转向系统是驾乘人员的“生命线”之一，必须保证高度可靠性。EPS除应具有良好的硬件保证外，还需要良好的软件做支撑，因此对EPS的可靠性提出了很高的要求。参考文献【1】 苗立东，何仁，徐建平，等。汽车电动助力转向技术发展综述【J】。长安大学学报：自然科学版，2004，24（1）：79-84.【2】 Roy McCann.Variable Efflrt steering for Vehicle Stability Enhancement Usong an Electric Power Steering System C. SAEPaper2000-01-0817.【3】 Zaremba A,DavisRI.Dynamic Analysis and Stability of a Power Assist Steering SystemC.Proc.ACC,1995:4253-4257.【4】 林逸，施国标，邹常丰，王望予。电动助力转向系统转向系统的客观评价【J】。农业机械学报，2003，34（4）：4-7.【5】 王豪，许镇琳。电动转向系统助力特性研究【J】。公路交通科技，2003，20（6）：143-146.【6】 唐新蓬，杨树。