汽车电动助力转向系统

1、 汽车电动助力转向系统 电动助力转向系统自1988年3月首次在日本铃木汽车公司的塞尔沃轿车上使用以来，紧接着在大发汽车公司的米勒、三菱汽车公司的米尼卡、铃木汽车公司的奥拓等轿车上相续采用。目前，国外几家大公司（如德国的ZF，英国卢卡斯伟利达，美国的德尔福、Saginaw、TRW，日本的NSK、Koyo等）都竟相推出自己的电动助力转向系统。1998年北京第五届国际汽车博览会和2000年北京第六届国际汽车博览会上德国的ZF公司展出了电动助力转向系统。前言德国德国ZF电动助力转向系统（电动助力转向系统（2000北京国际汽车展览会）北京国际汽车展览会）EPS Electric Power Steeri

2、ng双齿轮电动助力转向系统双齿轮电动助力转向系统 在汽车行驶中，转向运动是最基本的运动。我们通过方向盘来操纵和控制汽车的行驶方向，从而实现自己的行驶意图。 在现代汽车上，转向系统是必不可少的最基本的系统之一，它也是决定汽车主动安全性的关键总成。 如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车厂家和科研机构的重要课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同的驾驶人群，汽车的操纵性设计显得尤为重要。 第一节 概述 助力转向系统使转向操作灵活、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，现代汽车上普遍采用助力转向

3、系统 助力转向系统于1955年在Buick上首次采用，解决了转向轻便性问题，助力转向系统 助力转向系统助力转向系统是指在驾驶员的控制下，借助于汽是指在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机通过液压泵产生的液体压力或电动机驱动力来车发动机通过液压泵产生的液体压力或电动机驱动力来实现车轮转向。实现车轮转向。助力转向助力转向是一种以驾驶员操纵转向盘是一种以驾驶员操纵转向盘（转矩和转角）为输入信号，以转向车轮的角位移为输（转矩和转角）为输入信号，以转向车轮的角位移为输出信号的出信号的伺服机构伺服机构。分类助力转向系统的具体要求 转向必须灵活、平顺，具转向必须灵活、平顺，具有很好的随动性，能够安全有很好的随动

4、性，能够安全行驶在狭窄、连续拐弯的弯行驶在狭窄、连续拐弯的弯道上。道上。 低速或停车低速或停车时，转动转向盘不能时，转动转向盘不能太费力，太费力，高速行驶高速行驶时，又不能感觉时，又不能感觉到转向盘上的力太小而有发到转向盘上的力太小而有发“飘飘“的感觉，的感觉，因此要求转向盘上的力因此要求转向盘上的力最好能随车速变化，同时要求驾驶最好能随车速变化，同时要求驾驶员能清楚地感觉到转向盘的位置，员能清楚地感觉到转向盘的位置，感觉到操纵转向盘的角度与汽车行感觉到操纵转向盘的角度与汽车行驶轨迹的对应关系，具有很好的直驶轨迹的对应关系，具有很好的直线行驶稳定性和高速行驶的路感。线行驶稳定性和高速行驶的路感

5、。 在转向后，转向盘应当能自动回到直线行驶的位置，回转的速在转向后，转向盘应当能自动回到直线行驶的位置，回转的速度要平稳、适当。使残留的角速度尽可能小。度要平稳、适当。使残留的角速度尽可能小。 从道路表面传来的冲击应从道路表面传来的冲击应能传达到转向盘上，增加驾能传达到转向盘上，增加驾驶员的路感，但不能太大，驶员的路感，但不能太大，要使驾驶员的感觉是舒适的。要使驾驶员的感觉是舒适的。 转向系统是安全件，如果转向系统是安全件，如果不能转向或失去控制就会发不能转向或失去控制就会发生车毁人亡的事故。因此转生车毁人亡的事故。因此转向系统应具有故障预警功能，向系统应具有故障预警功能，当计算机控制系统或助

6、力系当计算机控制系统或助力系统发生故障时，转向系统仍统发生故障时，转向系统仍然应保留人力转向功能。然应保留人力转向功能。 在保证转向性能的前提下，尽可能降低转向系统的动力消耗。在保证转向性能的前提下，尽可能降低转向系统的动力消耗。传统液压式助力转向系统电子控制式液压助力转向系统电动助力转向系统转向系统的分类 机械式的液压助力转向系统一般由液压泵、油管、压力流量控制阀体、V型传动皮带、储油罐等部件构成。 无论车是否转向，这套系统都要工作，而且在大转向车速较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力。所以，也在一定程度上浪费了资源。还有，机械式液压助力转向系统由液压泵及管路和油缸组成，为保持

7、压力，不论是否需要转向助力，系统总要处于工作状态，能耗较高，这也是耗资源的一个原因所在。 传统液压式助力转向系统结构 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。 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。 传统转向系统 提供不了合适的转向力，即若要保证汽车在停车或低速调头时转向轻便，那么汽车高速行驶时就会感到有”发飘“的感觉；若要保证汽车在高速行驶时操纵有适度手感，那么当其要停车或低速调

8、头时就会感到转向太重，两者不能兼顾。传统液压式助力转向系统缺点 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,提供不了合适的转向力; 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。 传统转向系统的缺点电子控制液压助力转向工作原理 电动助力转向系统的最大特点就是能实现“精确转向”，它能够在汽车转向过程中根据不同车速和转向盘转动的快

9、慢，精确提供各种行驶路况下的最佳转向助力，减小由路面不平引起的对转向系统的扰动。不但可以减轻低速行驶时的转向操纵力，而且可大大提高高速行驶时的操纵稳定性，并能精确实现人们预先设置的在不同车速、不同转弯角度所需要的转向助力。通过控制助力电机，可降低高速行驶时的转向助力，增大转向手力，解决高速发飘问题，成本相对较低。电动助力转向日本大发日本大发电动助力系统电动助力系统1.电动助力转向系统的构成电动助力转向系统的构成机械转向机构机械转向机构传感器传感器（转向转矩，转向转动速度，转动方向）（转向转矩，转向转动速度，转动方向）及扭杆及扭杆电子控制单元电子控制单元 输入信号：输入信号： 转向转矩，转向转动

10、速度，转动方向，车速转向转矩，转向转动速度，转动方向，车速 输出信号：助力电动机电流，电磁离合器电流输出信号：助力电动机电流，电磁离合器电流转向助力机构转向助力机构(助力电动机，电磁离合器助力电动机，电磁离合器, 减速机构减速机构)转向力矩传感器转向力矩传感器电机电机控制单元控制单元驱动小齿轮驱动小齿轮转向小齿轮转向小齿轮转向齿条转向齿条转向柱转向柱方向盘转角传感器方向盘转角传感器 工作时，微机控制指令经工作时，微机控制指令经D/AD/A转换接口送入电动机和离合器的驱动放大电转换接口送入电动机和离合器的驱动放大电路，以控制电动机电流的大小和方向，以及离合器的离合。电动机的电流路，以控制电动机电

11、流的大小和方向，以及离合器的离合。电动机的电流经放大电路、电流表及经放大电路、电流表及a/d a/d 转换接口反馈给微机，微机将此与按微机指令转换接口反馈给微机，微机将此与按微机指令应给的电流相比较，若有差值，则予以调整，使两者趋于一致。应给的电流相比较，若有差值，则予以调整，使两者趋于一致。转矩传感器：转矩传感器：检测转向轴转矩的大小和转动的方向，转矩传感器检测转向轴转矩的大小和转动的方向，转矩传感器信号和车速信号同时输入到信号和车速信号同时输入到ECU,ECUECU,ECU根据这些信号确定助力转矩根据这些信号确定助力转矩的大小和方向。的大小和方向。发动机转速传感器：发动机转速传感器：确定发

12、动机的工况，当处于怠速工况时，电确定发动机的工况，当处于怠速工况时，电动助力转向系统不工作。动助力转向系统不工作。微机微机根据车速、转向力及转向角等参数，计算得到最佳的转向助根据车速、转向力及转向角等参数，计算得到最佳的转向助力转矩，并向转向电动机输出电流控制信号，使转向机构得到一力转矩，并向转向电动机输出电流控制信号，使转向机构得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。从而实现最佳的转向助力控个与汽车工况相适应的转向作用力。从而实现最佳的转向助力控制。制。电动助力转向系统的控制流程方向盘输入的旋转力矩方向盘输入的旋转力矩电机的助力力矩电机的助力力矩有效的输出力矩有效的输出力矩1、当司机用力旋转方

13、向盘时助力转向系统开始、当司机用力旋转方向盘时助力转向系统开始工作。工作。2、作用在方向盘上的力引起了转向小齿轮的旋、作用在方向盘上的力引起了转向小齿轮的旋转，转向力矩传感器转，转向力矩传感器G269察觉的旋转并将计算察觉的旋转并将计算出的转向力传给控制单元出的转向力传给控制单元J500。3、方向盘转角传感器、方向盘转角传感器G85将正确的方向盘转动将正确的方向盘转动的角度传给控制单元的角度传给控制单元J500，同时转子传感器将，同时转子传感器将正确的转动速度传给控制单元正确的转动速度传给控制单元J500 。4、根据转向力、发动机转速、车速、方向盘转、根据转向力、发动机转速、车速、方向盘转角、

14、方向盘转速以及存储在控制单元中的特性角、方向盘转速以及存储在控制单元中的特性曲线图，控制单元计算出必要的助力力矩并控曲线图，控制单元计算出必要的助力力矩并控制电机开始工作。制电机开始工作。5、由电机驱动的第二个小齿轮（驱动小齿轮）、由电机驱动的第二个小齿轮（驱动小齿轮）提供能量产生转向助力，电机是通过一个蠕动提供能量产生转向助力，电机是通过一个蠕动齿轮驱动小齿轮，从而驱动转向齿条产生助力。齿轮驱动小齿轮，从而驱动转向齿条产生助力。6、助力转向力矩和施加在方向盘、助力转向力矩和施加在方向盘上的力矩的总和是最终驱动转向上的力矩的总和是最终驱动转向齿条上的有效力矩。齿条上的有效力矩。在停车时的转向操

15、纵功能：在停车时的转向操纵功能：方向盘输入的旋转力矩方向盘输入的旋转力矩电机的助力力矩电机的助力力矩有效的输出力矩有效的输出力矩1、当车辆静止时，应保证驾驶员可以迅速的转动方、当车辆静止时，应保证驾驶员可以迅速的转动方向盘。向盘。2、作用在方向盘上的力引起了在转向小齿轮上的转、作用在方向盘上的力引起了在转向小齿轮上的转动杆旋转，转向力矩传感器动杆旋转，转向力矩传感器G269察觉的旋转并将计察觉的旋转并将计算出的转向力传给控制单元算出的转向力传给控制单元J500，指示出一个大的，指示出一个大的转向力施加在方向盘上。转向力施加在方向盘上。3、方向盘转角传感器、方向盘转角传感器G85将大的方向盘转动

16、角度传将大的方向盘转动角度传给控制单元给控制单元J500，同时转子传感器将当前的转动速，同时转子传感器将当前的转动速度传给控制单元度传给控制单元J500。4、根据大的转向力、大的方向盘转角、车速为、根据大的转向力、大的方向盘转角、车速为0km/h、发动机转速、转动速度以及存储在控制单、发动机转速、转动速度以及存储在控制单元中的元中的v=0km/h的特性曲线图，控制单元计算出需的特性曲线图，控制单元计算出需要一个要一个“大大”的助力力矩并控制电机开始工作。的助力力矩并控制电机开始工作。5、这样在静止状态下，由电机驱动的第二个小齿轮、这样在静止状态下，由电机驱动的第二个小齿轮（驱动小齿轮）提供能量

17、产生（驱动小齿轮）提供能量产生“大大”的转向助力，的转向助力，驱动转向齿条。驱动转向齿条。6、施加在方向盘上的力矩和、施加在方向盘上的力矩和“大大”的的助力转向力矩的总和是车辆在静止工助力转向力矩的总和是车辆在静止工况下最终驱动转向齿条上的有效力矩。况下最终驱动转向齿条上的有效力矩。在停车时的转向操纵功能：在停车时的转向操纵功能：方向盘输入的旋转力矩方向盘输入的旋转力矩电机的助力力矩电机的助力力矩有效的输出力矩有效的输出力矩1、当车辆静止时，应保证驾驶员可以迅速的转动方、当车辆静止时，应保证驾驶员可以迅速的转动方向盘。向盘。2、作用在方向盘上的力引起了在转向小齿轮上的转、作用在方向盘上的力引起

18、了在转向小齿轮上的转动杆旋转，转向力矩传感器动杆旋转，转向力矩传感器G269察觉的旋转并将计察觉的旋转并将计算出的转向力传给控制单元算出的转向力传给控制单元J500，指示出一个大的，指示出一个大的转向力施加在方向盘上。转向力施加在方向盘上。3、方向盘转角传感器、方向盘转角传感器G85将大的方向盘转动角度传将大的方向盘转动角度传给控制单元给控制单元J500，同时转子传感器将当前的转动速，同时转子传感器将当前的转动速度传给控制单元度传给控制单元J500。4、根据大的转向力、大的方向盘转角、车速为、根据大的转向力、大的方向盘转角、车速为0km/h、发动机转速、转动速度以及存储在控制单、发动机转速、转

19、动速度以及存储在控制单元中的元中的v=0km/h的特性曲线图，控制单元计算出需的特性曲线图，控制单元计算出需要一个要一个“大大”的助力力矩并控制电机开始工作。的助力力矩并控制电机开始工作。5、这样在静止状态下，由电机驱动的第二个小齿轮、这样在静止状态下，由电机驱动的第二个小齿轮（驱动小齿轮）提供能量产生（驱动小齿轮）提供能量产生“大大”的转向助力，的转向助力，驱动转向齿条。驱动转向齿条。6、施加在方向盘上的力矩和、施加在方向盘上的力矩和“大大”的的助力转向力矩的总和是车辆在静止工助力转向力矩的总和是车辆在静止工况下最终驱动转向齿条上的有效力矩。况下最终驱动转向齿条上的有效力矩。回转力回转力 电

20、机的助力力矩电机的助力力矩有效的输出力矩有效的输出力矩主动回正功能：主动回正功能：1、如果驾驶员在转弯的过程中减少了施加在方向盘、如果驾驶员在转弯的过程中减少了施加在方向盘上的力，旋转杆上的扭转也相应减少。上的力，旋转杆上的扭转也相应减少。2、转向力的减少的同时，包括转向角度和转向的速、转向力的减少的同时，包括转向角度和转向的速度都相应的减少，一个精确的回转速度也相应的计度都相应的减少，一个精确的回转速度也相应的计算出来。将其和转向角度和速度进行比较，其结果算出来。将其和转向角度和速度进行比较，其结果就是需要的回正力。就是需要的回正力。3、作用在方向盘上的转向回正力是由整个运动装置、作用在方向

21、盘上的转向回正力是由整个运动装置设计的结果，转向回正力经常很微弱，因为转向系设计的结果，转向回正力经常很微弱，因为转向系统及悬挂系统的摩擦力就可以使车轮回到中心位置。统及悬挂系统的摩擦力就可以使车轮回到中心位置。4、控制单元根据转向力、车速、发动机转速、转向、控制单元根据转向力、车速、发动机转速、转向角度、转向速度和存储在控制单元中的特性曲线图角度、转向速度和存储在控制单元中的特性曲线图评估出电机需要的必要的回正力。评估出电机需要的必要的回正力。5、电机工作促使车轮回到直线向前行驶的方向，回、电机工作促使车轮回到直线向前行驶的方向，回到中心位置。到中心位置。没有转向助力油，减少对环境的污染没有

22、转向助力油，减少对环境的污染“双齿轮双齿轮”式电子机械助力转向系统，由两个能够向转向拉杆提供式电子机械助力转向系统，由两个能够向转向拉杆提供足够转向力的齿轮组成（转向齿轮和驱动齿轮）。足够转向力的齿轮组成（转向齿轮和驱动齿轮）。根据驾驶员转向意愿要求，调节电机工作，帮助转向。根据驾驶员转向意愿要求，调节电机工作，帮助转向。系统通过系统通过“主动回正主动回正”功能帮助转向轮回到中心位置功能帮助转向轮回到中心位置,使在各种驾使在各种驾驶情况下能获得良好的平衡感觉及精确的直线行驶稳定性。驶情况下能获得良好的平衡感觉及精确的直线行驶稳定性。由于有了直线行驶稳定功能，当车辆受到侧向风的作用和行驶在由于有

23、了直线行驶稳定功能，当车辆受到侧向风的作用和行驶在上下颠簸的路面时，驾驶员更容易控制车辆在直线上行驶。上下颠簸的路面时，驾驶员更容易控制车辆在直线上行驶。带外壳的异步带外壳的异步伺服电机伺服电机系统系统电动助力转向系统电动助力转向系统 Electric Power Steering EPS的动力源是电动机，功能是根据ECU的指令产生相应的输出转矩，电动机时影响EPS性能的主要因素之一。通常采用无刷永磁式直流电动机。要求低速转矩大、波动小、惯量小、尺寸小、质量轻，可靠性高、控制性能好。 需要正反转控制。电机 不转向时，助力电动机不工作， 当转向盘转动时，与转向轴相连的转矩传感器不断地测出作用于转

24、向轴上的力矩，并将力矩转换为电信号，车速传感器产生车速信号，ECU根据这两个信号，经过运算处理后，向离合器和电动机发车发出控制指令，即输出一个适合的电流，在离合器结合的同时，是电动机产生一个转矩，转矩经过减速机构减速增距后，施加在输出轴上，输出轴的下端与齿轮齿条转向器总成中的小齿轮相连，于是由电动机发出的转矩最后通过齿轮齿条转向器施加到汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向助力。F317_080控制单元控制单元控制单元与电机直接相连，控制单元与电机直接相连，出现损坏后整体更换出现损坏后整体更换 控制单元内部有一个控制单元内部有一个温度传感器，当温度温度传感器，当温度超过超过10010

25、0度时，当衰减度时，当衰减至低于至低于60%60%时，则时，则K161K161亮亮方向盘转角传感器方向盘转角传感器G85安装在转向柱上，转向开关与方向盘之间，安装在转向柱上，转向开关与方向盘之间，与安全气囊时钟弹簧集成为一体。与安全气囊时钟弹簧集成为一体。通过通过CANCAN总线总线将方向盘转角信号传递给转向柱将方向盘转角信号传递给转向柱电控单元电控单元J527J527。J527J527分析转角信号。分析转角信号。输入信号：输入信号：方向盘转角方向盘转角转角速度转角速度转向柱电控单元转向柱电控单元G85信号失效：信号失效：应急运转模式起动，由替代值代替，电子助力转应急运转模式起动，由替代值代替

26、，电子助力转向依然起作用，只不过故障指示灯向依然起作用，只不过故障指示灯K161常亮。常亮。 转矩传感器用于检测作用于转向盘上转矩信号的大小，目前采用较多的是扭杆式电位计传感器，它是在转向轴位置加一根扭杆，通过扭杆检测输入轴与输出轴的相对扭转位移得到扭矩。转矩传感器 用磁性材料构成的定子和转子可以形成闭合的回来，线圈A、B、C、D分别绕在极靴上，构成一个桥式回路。转向轴扭转变形的扭转角和转矩成正比，所以只要测定转向轴的扭转角，就可间接知道转向力的大小。 在线圈U、T的两端施加连续的脉冲信号Ui,当转向轴上的转矩为零时，定子和转子的相对转角也为零，电桥平横，在V和W两端的电位差Uo为零，如果转向轴上存在转矩，定子和转子的相对转角不为零，此时定子和转子间产生角位移，电桥失去平衡在V和W两端出现电位差Uo。iokUU 安装在自动变速器的输出轴上，用于检测自动变速器输出轴的转速，根据输出轴转速计算得到汽车的行驶速度。常用电磁感应式车速传感器，主要由永久磁铁和电磁感应线圈两个部分组成。车速