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电动助力转向系统结构发展概况

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电动助力转向系统结构发展概况
程浩
(中国石油大学机电工程学院,山东青岛 266580)

摘要：电动助力转向系统是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的动力转向系统，是为了满足人们对于驾驶轻便性的要求而产生的。它可以根据不同的使用工况控制电动机提供不同的辅助动力。本文主要介绍电动助力转向系统的结构，包括机械式转向器、传感器等在近年出现的新发展，同时为未来的发展做出展望。
关键词：电动助力转向，结构，转向器，传感器
中图分类号： 文献标志码：

Development of Electric Power Steering Structure
Cheng Hao
(College of Electromechanical Engineering in China University of Petroleum,
Qingdao 266580, China)
Abstract: Electric power steering (EPS) is a power steering system that directly relies on the motor to provide auxiliary torque. It is designed to meet the requirements of people for driving light. The utility model can control the motor to provide different auxiliary power according to different working conditions. This paper mainly introduces the new development of structure of the electric power steering system, including mechanical steering gear, sensor and so on. At the same time, it forecasts the future development.
Key words: EPS, Structure, Steering Gear, Sensor
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0 引言：
用来改变或保持汽车行驶或倒退方向的一系列装置称为汽车转向系统(steering system)。在汽车发展史上，转向系统先后经历了纯机械式转向系统液压助力转向系统、电动助力液压转向系统、电动助力转向系统和最新的线控转向。
电动助力转向诞生于20世纪80年代。1988年，光洋精工成功研发出转向柱式电动助力转向系统，并由铃木公司首先在小型轿车Cervo上配备。电动助力转向的主要结构有机械式传感器、传感器、减速机构、离合器、电动机、电子控制单元（ECU）等（图1）。虽然仅有近三十年的历史，但电动助力转向的结构也在不断地创新与优化。

图1

1 驱动方式的发展
根据驱动方式，或者说电动机布置位置的不同，EPS系统可分为转向轴助力式，齿轮助力式，双小齿轮式和齿条助力式。其中，转向轴助力式是最早的类别，然后在1990年本田公司在运动型轿车NSX上首先运用了自主研发的齿条助力式系统。2003年，大众公司在第五代高尔夫上使用了ZF公司的双小齿轮式电动助力转向系统。[1]而在市面上所使用的电动助力转向中，以双小齿轮式电动助力转向（DP-EPS）的应用最为普遍。[2]所以本部分主要讲述双小齿轮式电动助力转向。
双小齿轮式转向系统的布置模式与齿条助力式类似，但是齿条助力式转向器使用的是循环球式转向器，故能提供更大的辅助转矩，能应用于越野车或载重货车上。双小齿轮式EPS使用的是齿轮齿条式转向器。[2
图 2
双小齿轮式电动助力转向系统的工作原理如图2 所示，工作过程和原理大致如下:
1) 驾驶员双手所产生的扭矩通过方向盘和转向管柱传递到转向输入齿轮上。
2) 传感器采集从方向盘传递过来的扭矩、转角等信号，并传递给转向机的控制单元(ECU)。
3） ECU 根据方向盘扭矩、转角信号，同时结合来自整车控制器的车速等信息，根据预先设定的助力策略计算当前应有的电机助力; 根据当前电机转速和预设的电机特性计算出应有的母线电流; 最终通过PWM 控制实现既定的扭矩目标。
4) 电机的扭矩经过减速机构传递到助力齿轮上，通过助力齿轮与齿条的啮合推动齿条直线运行，并最终实现转向功能。
某双齿轮式电动助力转向机的实物照片如图3 所示，其拆解结构如图4 所示。主要核心零部件包括: 助力电机、控制器、转向输入齿轮总成、齿条、蜗轮蜗杆减速机构、壳体、转向拉杆、转向外球头和防尘罩等。

图 3

图 4
转向输入小齿轮总成的主要功能是输入驾驶员的转向操作，向驾驶员反馈路感。其结构主要由输入轴、小齿轮、扭杆、扭矩转角传感器，以及其它连接附件构成。输入轴和小齿轮之间通过扭杆连接，同时输入轴和小齿轮上又分别连接扭矩传感器的两个感应元件。通过扭杆刚度和两感应元件之间的相对转角，计算驾驶员操作扭矩; 同时该传感器还可以测量小齿轮的转角位置。
助力齿轮的主要功能是将减速增扭后电机的扭矩转换成齿条的直线推力，实现最终的助力功能，从而降低驾驶员转向操作力，提高车辆行驶安全性和驾驶员舒适性。
助力电机的主要功能是将输入电能转换成机械能即电机的输出转速和扭矩，从而实现助力功能，是整个EPS 的终端执行机构。与液压执行机构相比，电机具有更高的效率和更好的可控制性，是EPS 相比于HPS 具有优势的根源。
控制器是整个EPS 系统的大脑和运算中心，它根据传感器收集到的各种信号，以及来自整车控制器的信息计算应有的电机助力，并最终控制电机母线电流大小，从而实现助力控制。控制器可以根据收集到的各方面信息依据预设规则实时计算最优电机助力，从而保证车辆更好的操纵稳定性和安全性。如图5所示，EPS 系统可根据车速大小实时调整助力特性曲线，从而使车辆同时具有很好的低速转向轻便性和高速操纵稳定性。同时也对设计开发和生产制造有了更高的要求和挑战。[3]

2 传感器新技术
目前大部分电子元器件是在 12V车载电源系统的限制下开发的，采用 42V车载电

图 5

图 6
源系统是今后发展的目标，但却需要对部分电气元件进行重新开发设计。从 12V到42V车载电源系统的过渡并不是一个短期的过程。本部分要讨论 12V电源系统下传感器研究的最新进展。EPS传感器主要包括扭矩传感器、速传感器等。早期的 EPS扭矩传感器应用较多的为接触式传感器，例如电阻式转向传感器。这种传感器体积大，价格低，但是由于接触式结构使得工作时产生摩擦， 容易磨损。非接触式扭矩传感器使用了以下三种技术：磁、光和感应技术，通过感应部件的转换将驾驶员的转向操作变为 ECU 可以接受的电信号。随着公众对车辆驾驶安全性和舒适性要求的进一步提升，采用多功能综合传感器是今后发展的方向。图 5、 图6是日本 KOYO公司最新开发的扭矩/转角综合传感器。当靶盘（ Target）的齿每次经过传感器时，传感器会输出 A相和 B相信号，并输入到控制上，微型计算机同步计算出扭矩和绝对转向角的大小，从而实现对扭矩和转角信号的同时检测。这种新型的传感器也代表了 EPS传感器今后的发展方向：小型化。小型化既可减少占用的空间，还能降低能耗，更符合环保的要求。该传感器仅由靶盘和组件组成，传感器杆高 17 mm，能够实现与 转向轴式 EPS转向柱的一体化设计，在节省空间的同时还能获得更好的碰撞吸能效果。扩展温度范围。齿轮式和齿条式EPS传感器因为需要安装在发动机附近需要考虑与发动机的安装配合以及散热等问题。目前使用的扭矩传感器印刷电路 IC使用时的温度围较窄，约为- 30℃～ 80℃，可通过设计小体积的抗热封装结构来改进现行 IC的温度特性。如采用新的封装结构后这种扭矩/转角综合传感器的使用温度范围可以达到- 40℃～ 125℃，大大拓展了应用空间。低成本、多功能、集成化。减少传感器的数量同时扩大传感器的功能和用途，采用新型汽车总线技术（如FlexRay）以实现整车传感数据的交互和共享，同时应用先进的制造技术和工艺进行 EPS传感器的设计开发，能进一步降低价格，实现多功能和集成化。
3 车载 42V电源系统
传统的 12V 电源系统 3 kW 的功率已经难以满足下一代汽车设计中新增加的电子设备如车载计算机系统、车载导航系统、多媒体电子元器件和网络化汽车电子设备等的要求。对于 EPS来说， 在大负载的情况下（如齿条力超过 1000N），此时电路中元器件的反向电动势对电机输出功率的影响超过了电动机本身功率损耗的影响。而采用 42V电源系统能够在不加大电动机直径的情况下增大电动机的输出功率。特别是对于 转向轴式 EPS来说， 由于安装位置和空间的影响不能够进一步加大电机的尺寸，是非常有利的。因此，无论从成本或是电机本身尺寸上考虑， 采用 42V电源系统是很有吸引力的。另一方面， 采用 42V电压， 较小的输出电流非常有利于电子芯片的正常工作，使大量采用芯片的电子系统取代传统的机械或液力系统成为可能，从而拓展了 EPS市场空间。欧洲国家目前已经制定了 42V电源系统的相应标准，其中奔驰和宝马公司计划在近期推出装备 42V电源系统的汽车。 日本和美国的公司也紧随其后， 积极开展研究和开发工作。
4机械转向结构
转向柱的高性能、重量轻、低成本和标准化是今后的发展方向。另一方面，由于汽车安全性标准的提高，转向系统对转向柱的刚性、吸收碰撞能量的要求也随之提高，对环保的要求也促使转向柱在制造材料的选择上向着有益于环保的方向发展。日本 KOYO等转向系统开发商都已经开发出适应新要求以及伸缩可调式转向管柱。目前在 EPS上应用较多的是齿轮齿条型转向器。它的结构简单，传力性能好，但是输出力矩不能满足中型、大型车用 EPS的力矩需求。而循环球型转向器虽然结构较复杂，但却能满足今后市场的要求，因此，采用循环球型以及其他类型的转向器是今后技术开发的重点。对齿轮齿条型转向器的改进能够提供更大的扭矩输出， 如采用变传动比齿条 （ 如图 7 所示 ），压力角由中间向两侧逐渐减小，与小齿轮啮合时，节圆半径随压力角的减小而减小， 转向系角传动比则逐渐增大。此外，对电控单元（ECU）以及控制策略的改进研究也取得了很大的进展，如采用多种控制方法，不再仅仅依靠车速与扭矩作为 EPS控制信号，而是根据方向盘转角及转速、 侧向加速度、前轴负荷等多种信号进行与汽车特征相吻合的综合控制，获得更好的转向路感。同时，研究的方法和手段也将多种多样。

图 7
5展望
随着EPS 的广泛应用，特别是在中型、大型车上的应用，对转向助力的需求加大。要获得更大的转向助力则必须加大辅助电动机的功率，这就意味着必须增大电动机的直径。另一种方法是采用车载42V 电源系统。目前EPS 的电动机多为直流永磁电动机或永磁无刷电动机，而无刷电机将是今后电动机发展的方向。同时，随着汽车智能化的发展，科研人员也在尝试优化控制算法，让EPS更加符合人的习惯，还有自动回正等功能。
EPS 因其优异的性能和节能环保特性适应了未来转向技术发展的要求。深入开展EPS 技术的研究，对于汽车技术的发展特别是我国汽车工业的发展具有十分重大的意义。在此基础上，把握EPS 发展趋势，进一步加快对未来转向技术的研究，不仅有利于缩小我国汽车工业同发达工业国家的技术差距，提升我国制造业的总体技术水平，还将有更大的社会和经济效益。

参考文献：
[1] 盖世汽车.电动助力转向系统（EPS）产业链全景图，2016.
[2] 郑勇 方滨. 双小齿轮式电动助力转向机（DP-EPS）的结构原理及噪音分析，汽车实用技术，2016（12），41～43.
[3] 邱琪. 双齿轮式电动助力转向机国产化开发策略，上海汽车，2014.04，21～24.
[4] 胡烽，赵燕. 电动转向系统技术研究现状与展望，机械工程师，2006（2）,19～21.