電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）應(yīng)用及發(fā)展

摘 要：對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展做了簡要回顧，在對汽車電液助力轉(zhuǎn)向原理的分析基礎(chǔ)上，闡述了汽車電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：電動；液壓助力轉(zhuǎn)向；系統(tǒng)

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，汽車技術(shù)也與時(shí)俱進(jìn)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車重要的零部件，從純機(jī)械手動驅(qū)動到動力液壓驅(qū)動和電子控制液壓驅(qū)動，再到電動助力機(jī)械驅(qū)動。助力轉(zhuǎn)向性能日益提高，滿足了消費(fèi)者追求安全、舒適、輕便的駕駛需求。但現(xiàn)階段由于EHPS技術(shù)成熟，成本比EPS低，較HPS有更優(yōu)越的轉(zhuǎn)向感和節(jié)能環(huán)保，現(xiàn)階段EHPS具備較大的市場潛力。

1.1 機(jī)械式轉(zhuǎn)向（MS）

機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用純粹的機(jī)械解決方案。為了產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)向扭矩，方向盤轉(zhuǎn)動的圈數(shù)較多，方向盤直徑也較大，占用駕駛空間，駕駛員負(fù)擔(dān)較重。無需消耗發(fā)動機(jī)動力，路感最好，但是路面沖擊較大，駕駛員的負(fù)擔(dān)較重。目前，只在A0級轎車及微型商用車上應(yīng)用。

1.2 液壓助力轉(zhuǎn)向（HPS）

為了減輕駕駛者的勞動強(qiáng)度，在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加液壓加力裝置而形成了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic Power System，簡稱HPS）?？梢酝ㄟ^調(diào)整扭桿剛度和轉(zhuǎn)向閥的曲線獲得不同的助力特性。目前乘用車中大部分車型都在用。

液壓轉(zhuǎn)向加力裝置由轉(zhuǎn)向油泵、轉(zhuǎn)向油管、轉(zhuǎn)向儲液罐以及位于轉(zhuǎn)向器內(nèi)部的轉(zhuǎn)向控制閥及轉(zhuǎn)向動力油缸等組成。轉(zhuǎn)向器輸入軸帶動轉(zhuǎn)向器內(nèi)部的轉(zhuǎn)向控制閥轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)向動力缸產(chǎn)生液壓作用力，幫助駕駛員操縱轉(zhuǎn)向。

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)減小了方向盤轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，降低了轉(zhuǎn)向操縱力，提高了響應(yīng)靈敏性。但是，助力不隨車速而變化，高速穩(wěn)定感和低速輕便性之間作折衷；發(fā)動機(jī)怠速時(shí)需輸出額定流量；"常流式"系統(tǒng)，不轉(zhuǎn)向時(shí)，油泵仍在工作；附加燃油消耗增大；扭桿使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)剛度降低，中間位置路感不明顯；油泵/油罐占用部分發(fā)動機(jī)倉空間。

1.3 電控液壓助力轉(zhuǎn)向（EHPS）

HPS只具有單一的助力特性曲線，且能量消耗大，為了克服這些缺點(diǎn)，在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中增加了電子控制和執(zhí)行元件，將車速信號引入到系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了車速感應(yīng)型助力特性。這類系統(tǒng)稱為電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Hydraulic Power System，簡稱EHPS）。EHPS采用電動機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)向泵，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以調(diào)整，從而可以降低部分能量消耗。圖1是典型EHPS的助力特性曲線。

圖2是電動液壓助力轉(zhuǎn)向的基本結(jié)構(gòu)形式。轉(zhuǎn)向加力裝置由電動轉(zhuǎn)向油泵、轉(zhuǎn)向油管、轉(zhuǎn)向儲液罐以及位于轉(zhuǎn)向器內(nèi)部的轉(zhuǎn)向控制閥及轉(zhuǎn)向動力油缸等組成。轉(zhuǎn)向器輸入軸帶動轉(zhuǎn)向器內(nèi)部的轉(zhuǎn)向控制閥轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)向動力缸產(chǎn)生液壓作用力，根據(jù)不同的車速提供不同的助力，幫助駕駛員操縱轉(zhuǎn)向。

1、轉(zhuǎn)向管柱；2、動力轉(zhuǎn)向機(jī)；3、轉(zhuǎn)向油罐；4、轉(zhuǎn)向管路；5、電液轉(zhuǎn)向泵

EHPS系統(tǒng)通過ECU控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來帶動電液泵工作，可以根據(jù)轉(zhuǎn)向需求提供多條助力特性曲線，實(shí)現(xiàn)了隨速助力功能，改變傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)單一助力特性，改善駕駛操縱性能，使助力平滑，手感好，解決傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中存在的方向盤擺振問題；通過將轉(zhuǎn)向泵與發(fā)動機(jī)的分離，解決轉(zhuǎn)向泵一直處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，能量損失嚴(yán)重的問題，降低能量消耗、保護(hù)環(huán)境；可以利用現(xiàn)有液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改進(jìn)，借助控制技術(shù)兼顧液壓助力和電動助力兩者的優(yōu)點(diǎn)，有利于底盤電子控制方面的集成。

1.4 電動助力轉(zhuǎn)向

在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加電動機(jī)、控制器和減速機(jī)構(gòu)等相關(guān)零件，依靠電動機(jī)提供輔助轉(zhuǎn)向扭矩的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，成為電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power System，簡稱EPS）。

2 EHPS系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

EHPS從控制方式可以分為以下幾種類型：

其中，第（1）種和第（2）種類型是EHPS發(fā)展初期的控制方式，主要的控制目標(biāo)都是將系統(tǒng)中的動力泄荷掉一部分以實(shí)現(xiàn)高速時(shí)減小助力，但這樣做的弊病就是浪費(fèi)了動力，不利于車輛省油，而且，還有急轉(zhuǎn)彎反應(yīng)遲鈍的缺點(diǎn)，需要安裝特別裝置才能解決，現(xiàn)在已很少采用。第（3）種油壓反饋控制式現(xiàn)在使用的比較普遍，其根據(jù)車速傳感器，控制反力室油壓，改變壓力油的輸入、輸出的增益幅度以控制操舵力。操舵力的變化量，按照控制的反饋壓力，在油壓反饋機(jī)構(gòu)的容量范圍內(nèi)可任意給出，急轉(zhuǎn)彎也沒問題。代表車型：馬自達(dá)2、馬自達(dá)3、凱旋、世嘉、307、C5、蒙迪歐致勝、福克斯。第（4）種閥特性控制式是根據(jù)車速控制電磁閥，直接改變動力轉(zhuǎn)向控制閥的油壓增益（閥靈敏度）以控制油壓的新方法。這種控制方式使來自油泵的供給流量沒有浪費(fèi)，結(jié)構(gòu)簡單，部件少、價(jià)格便宜，有較大的選擇操舵力的自由度，可獲得自然的操舵感和最佳的操舵特性。閥結(jié)構(gòu)簡單，在傳統(tǒng)的液力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上不須做太多的改動就可實(shí)現(xiàn)。代表車型：新君威、新君越、凱迪拉克、寶馬、奔馳、保時(shí)捷、法拉利、阿斯頓·馬丁、布加迪威龍。

3 EHPS電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

電機(jī)由含7塊永磁體的外置轉(zhuǎn)子和12股繞組的定子構(gòu)成，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該電機(jī)含兩塊霍爾開關(guān)型位置傳感器，為ECU提供正確的位置信號以便換向。兩路傳感器的輸出信號間隔90°電角度，由于電機(jī)含7塊永磁體分布在一周，故根據(jù)計(jì)算，電機(jī)每轉(zhuǎn)過90°/7的機(jī)械角度，兩路霍爾信號改變一次狀態(tài)字。四相繞組對應(yīng)四種霍爾狀態(tài)，每一相在正確的霍爾狀態(tài)下導(dǎo)通，電機(jī)就能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

電機(jī)四相繞組按霍爾位置傳感器狀態(tài)逐次導(dǎo)通，其導(dǎo)通順序?yàn)椋篈-C-B-D。如圖4所示：當(dāng)A相導(dǎo)通時(shí)，通過與A相繞組并繞的B相繞組續(xù)流，A相繞組的反電動勢經(jīng)同名端于B相繞組產(chǎn)生相應(yīng)反電動勢，當(dāng)該反電動勢大于電機(jī)電源電壓12伏后電流經(jīng)B相繞組的二極管續(xù)流。A相關(guān)斷后C相開始導(dǎo)通，隨后為B相和D相，其原理與A相類似。圖中AB兩相共用一個(gè)檢測電阻，CD兩相共用一個(gè)檢測電阻，檢測電阻值約10毫歐。

4 EHPS 發(fā)展前景

1989年，歐洲公司首先在液壓動力汽車中使用電子單元作為第一代EHPS系統(tǒng)。由于人們對EHPS系統(tǒng)節(jié)能的要求日益強(qiáng)烈，到了90年代，該系統(tǒng)發(fā)展到第二代，一個(gè)獨(dú)立的電子控制單元（ECU）首次產(chǎn)生，該系統(tǒng)對電機(jī)的速度進(jìn)行控制，當(dāng)沒有轉(zhuǎn)動方向盤時(shí)，減少液壓油流量，從而降低能耗。隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展，有KOYO、TRW推出了第三代EHPS系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了ECU與無刷電機(jī)，提高了電機(jī)的效率，并根據(jù)轉(zhuǎn)向角速度傳感器和車速傳感器的信號，對電機(jī)速度的控制更加精確，進(jìn)一步降低了能耗，同時(shí)在轉(zhuǎn)向輕便性和路感方面能夠很好的調(diào)和。通用的"MAGNASTEER磁力輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)"通過智能電磁控制來調(diào)節(jié)輔助力大小的技術(shù)，為傳統(tǒng)的機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)帶來革命性的突破。磁力輔助轉(zhuǎn)向可以通過對車速和方向盤操控速度的監(jiān)測，自動調(diào)節(jié)助力的大小，轉(zhuǎn)向助力效果有了60%以上的提升。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）雖然和磁力輔助一樣，能在不同車速下提供不同的助力特性，但磁力輔助系統(tǒng)沒有拋棄齒輪齒條式的機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，所以其呈現(xiàn)的彎道循跡性，以及清晰的路感卻是完全數(shù)字虛擬的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）所無法比擬的。并且磁力輔助轉(zhuǎn)向可變范圍相比電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）電子阻力要更寬廣一些，使得中低速以及高速狀態(tài)下，阻力變化平穩(wěn)有序。正因?yàn)橛羞@套助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使得新君威隨速可變轉(zhuǎn)向特性（就是方向盤隨著速度的變化，轉(zhuǎn)向力道也發(fā)生變化）在中級車中表現(xiàn)的最明顯，方向盤在低速時(shí)輕盈靈敏，高速時(shí)異常穩(wěn)健厚重、給人很強(qiáng)的安全感。

5 結(jié)束語

綜上所述，電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有優(yōu)良的操縱輕便性和穩(wěn)定性，助力特性隨汽車行駛速度的變化而變化，是EHSP的最大優(yōu)點(diǎn)。隨著EHPS關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，EHPS的性能將更加完善。同時(shí)，EHPS與電磁系統(tǒng)結(jié)合，可以提高整車的操縱穩(wěn)定性，是汽車底盤電子技術(shù)的發(fā)展趨勢。

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作者簡介：陳陣，性別男，民族漢，籍貫，學(xué)歷本科，職稱：申請中級工程師，現(xiàn)工作單位：廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院 ，研究方向：底盤。