電子助力轉向系統(tǒng)構造探究

張樂，張鶴

電子助力轉向系統(tǒng)構造探究

張樂，張鶴

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州，545007）

轉向系統(tǒng)作為汽車構造中的一大重要基礎，其功能、處理能力直接影響到整車綜合性能。針對當前轉向系統(tǒng)發(fā)展的最高階段——電子助力轉向系統(tǒng)（EPS），從其分類、結構、工作原理幾大方面進行了論述。結合系統(tǒng)設計上的特點，分析了其優(yōu)勢。研究表明：該系統(tǒng)具有廣闊發(fā)展和應用前景，將得到更多汽車公司的青睞。

轉向系統(tǒng)；電子助力轉向系統(tǒng)；汽車；傳感器；可變助力；主動回正；環(huán)境友好

引言

人們在選購汽車時往往猶為關注直接影響汽車性能的核心“三大件”——發(fā)動機、底盤及變速箱。其中底盤可細分為傳動系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)四部分，其中轉向系統(tǒng)作為整車構造中最為重要的系統(tǒng)之一，一直是汽車行業(yè)的研究重點。轉向系統(tǒng)的好壞直接影響到汽車的舒適性、安全性、能耗，以及環(huán)境友好性。

汽車轉向系統(tǒng)的發(fā)展經歷了純機械式轉向系統(tǒng)、液壓助力轉向系統(tǒng)、電子助力轉向系統(tǒng)三大基本階段[1-3]；下一步的發(fā)展趨勢為線控助力轉向系統(tǒng)[4]。圖1所示為汽車轉向系統(tǒng)發(fā)展流程圖。1988年，日本鈴木汽車公司首先在旗下生產的小型轎車上配備了電子助力轉向系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用電能取代傳統(tǒng)液壓能，與汽車發(fā)展中的環(huán)保、節(jié)能、安全三大主題相吻合，具有廣闊發(fā)展和應用前景[5]。

1　電子助力轉向系統(tǒng)分類

根據(jù)電子助力轉向系統(tǒng)中電動機布置位置的差異，可以將其大致分為轉向管柱電子助力轉向系統(tǒng)和齒輪齒條電子助力轉向系統(tǒng)兩類，其中后者又可分為單小齒輪型、雙小齒輪型和齒條型三種）。圖2所示為電子助力轉向系統(tǒng)分類圖。

圖1　汽車轉向系統(tǒng)發(fā)展流程圖

1.1轉向管柱型（CEPS）

轉向管柱型電子助力轉向系統(tǒng)的控制器、助力單元及傳感器都集中在轉向管柱上。此系統(tǒng)結構簡單、布置靈活、緊湊性較好且易于安裝，可安裝于不同形式的轉向柱，如傾斜式轉向柱和固定式轉向柱等。

圖2　電子助力轉向系統(tǒng)分類圖

1.2齒輪齒條型（PEPS/REPS）

齒輪型助力單元固定在轉向齒輪的小齒輪軸上端。由于助力單元在駕駛室之外，因此具有高轉向助力、噪聲小的特點。齒條型助力單元可靈活固定在轉向齒輪的齒條各處，因此方便整車布置，同時降低了轉動慣量，提供優(yōu)良的轉向特性。

2　電子助力轉向系統(tǒng)結構

電子助力轉向系統(tǒng)主要由控制模塊（ECU）、轉向柱管、電動機、扭矩傳感器、汽車速度傳感器等部件組成，如圖3所示。本文主要介紹轉向管柱型電子助力轉向系統(tǒng)（CEPS）的組成結構，如圖4所示。

圖3　EPS結構示意圖

圖4　CEPS結構示意圖

2.1EPS位置傳感器

ECU作為整個EPS系統(tǒng)的核心是當之無愧的，但是觸發(fā)ECU工作的初始信號來源于位置傳感器。 EPS位置傳感器主要分為3種：相對位置傳感器、絕對位置傳感器、無位置（馬達位置）傳感器。其中后者不直接檢測轉子位置，而是通過測量電機的磁鏈、電流電壓等物理量，并進行相應的處理而得出。

2.1.1相對位置傳感器

相對位置傳感器（如圖5所示）需要進行中位標定，確定±180°內的中心位置。其在市場上的五菱宏光及五菱榮光等系列車型中均具有如下特點：1. 具有相對位置傳感器探頭（P1/P2）；2. 具有兩個90度方位的霍爾傳感器；3. 中位標定實現(xiàn)方向盤中位；4. 利用學習算法計算整車實際中位。

圖5　相對位置傳感器示意圖

2.1.2絕對位置傳感器

絕對位置傳感器（如圖6所示）需要進行中位標定，確定絕對的中心位置。絕對位置信號在Key-on狀態(tài)時出現(xiàn)，通過CAN網絡傳輸?shù)娇偩€上?？刂破骶哂旋X輪位置和磁環(huán)位置比較，以及位置信號誤差計算等診斷功能。

圖6　絕對位置傳感器示意圖

2.2中位

2.1.1整車中位

整車中位，簡單來講就是車輛在符合制造技術要求后，在方向盤居中的情況下，轉向管柱相對于轉向機齒條的位置。

2.1.2EPS中位

EPS本身自定義一中心位置，一旦該位置確定后，EPS便圍繞其提供相應回正力。因此，整車中位與EPS中位需要有一個絕對位置。如果兩者不統(tǒng)一，即在整車中位情況下未達到EPS中位，那么EPS會繼續(xù)產生一個回正力，影響方向盤回正性、左右手力對稱性等。因此，EPS中位標定是用來確認方向盤中位的。

2.3轉向管柱

轉向管柱連接方向盤及轉向中間軸（間接連接轉向機），控制器、馬達、助力器等零部件也安裝在轉向管柱上，設計轉向管柱時要考慮到內潰縮行程設置（潰縮的形成一般取決于整車布置）、連接車身固定支架位置設計，如圖7所示。

圖7　轉向管柱結構示意圖

3　電子助力轉向系統(tǒng)工作原理

當汽車轉向時，傳感器會探測到方向盤的力矩和擬轉動的方向，該信號傳遞至ECU，ECU會根據(jù)轉動力矩、方向等數(shù)據(jù)向電機發(fā)出動作指令，產生助力轉向，如圖8所示。

圖8　電子助力轉向系統(tǒng)工作原理圖

3.1EPS控制器

控制器基于DSP芯片的控制技術，根據(jù)各輸入信號控制電機產生適當助力大小及方向，主要可實現(xiàn)助力功能、回正功能和阻尼功能等，如圖9所示。

圖9　控制器工作流程圖

3.2EPS力矩傳感器

輸入軸的轉動引起磁感應強度的變化，霍爾探頭通過探頭T1和探頭T2感應磁感變化，以計算駕駛員輸入力矩的值，如圖10所示。

圖10　力矩傳感器結構示意圖

在數(shù)字式力矩傳感器中，霍爾傳感器采集到的模擬信號經過A/D轉換輸出得到數(shù)字信號，可以直接供給DSP芯片使用，具有更好的靈敏度和精確性，如圖11所示。

圖11　信號處理流程圖

4　電子助力轉向系統(tǒng)優(yōu)勢

汽車電子助力轉向系統(tǒng)作為一種新型的汽車動力轉向系統(tǒng)，能夠提高主動安全性、節(jié)約燃料（降低3%～5%的油耗）、有利于環(huán)保（減少約3.5%的CO2排放量），是一項緊扣現(xiàn)代汽車發(fā)展主題——“安全、節(jié)能、環(huán)?！钡母咝录夹g[6]。本章集中討論電子助力轉向系統(tǒng)相比其他轉向系統(tǒng)的優(yōu)勢。

4.1降低油耗

液壓助力轉向系統(tǒng)是以發(fā)動機的動力作為轉向能源，帶動轉向泵進行工作。不管是否轉向，發(fā)動機動力一直被消耗。電子助力轉向系統(tǒng)由電能取代了傳統(tǒng)液壓能，轉向時由電機提供助力，因此在不轉向時，可以降低油耗2.5%；在轉向時，可以降低油耗5.5%。

4.2轉向輕便、高速穩(wěn)定、回正性能好

使用液壓助力轉向系統(tǒng)的車輛依靠液壓傳遞助力，轉向沉重，從而無法兼顧到車輛在高速時的轉向穩(wěn)定性和低速時的轉向輕便性。電子助力轉向系統(tǒng)可以通過軟件來調整轉向所需助力的大小，在低速時轉向輕便，高速時穩(wěn)定性好。該系統(tǒng)可以在不同的行駛路況下提供所需的最佳助力，減少了由路面不平產生的干擾，提高了車輛行駛的穩(wěn)定性和回正性。除此之外，電子助力轉向系統(tǒng)還可以實現(xiàn)倒車軌跡模擬、自動泊車、車道保持、牽引力補償?shù)裙δ堋?/p>

4.3節(jié)約裝配時間

電子助力轉向系統(tǒng)依靠電機，通過減速機構來驅動轉向機構，具有零件數(shù)量少、可靠性強、結構簡單緊湊及布置靈活等特點，一般可以減少整車廠4～7分鐘的裝配時間，進而提升整車廠生產效率。

4.4縮短開發(fā)周期

由于電子助力轉向系統(tǒng)可以通過軟件來調整轉向助力大小和程序，因此可以令一種電子助力轉向系統(tǒng)與多個車型共用，降低了整車制造成本，也縮短了開發(fā)及生產周期。

5　結束語

電子助力轉向系統(tǒng)結構簡單、零件數(shù)少、可靠性強，解決了長期存在的液壓管路滲漏和效率低下等問題。該系統(tǒng)具有可變助力，能夠主動回正、增加阻尼、提高燃油經濟性，并可實現(xiàn)自動泊車、倒車軌跡和車道保持等。電子助力轉向系統(tǒng)可以節(jié)約裝配時間、布置靈活、調試簡單、節(jié)能環(huán)保，得到了越來越多汽車公司的青睞。

[1]黃安華, 卜憲衛(wèi). 淺談汽車的轉向系統(tǒng)[J]. 農業(yè)裝備與車輛工程, 2010, 2010(1): 7-10.

[2]陳奎元, 馬小平, 季學武. 電動助力轉向系統(tǒng)控制技術的研究[J]. 江蘇大學學報: 自然科學版, 2004, 25(1): 21-24.

[3]朱華. 汽車電動助力轉向系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及趨勢[J]. 汽車與配件, 2010(1): 34-36.

[4]王常友, 董愛杰. 汽車轉向系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 北京汽車, 2007(3): 7-10.

[5]李武波. 電動助力轉向系統(tǒng)的控制及試驗研究[D]. 廣州: 華南理工大學, 2011.

[6]程源. 汽車電動助力轉向系統(tǒng)的動力學分析與控制策略研究[D]. 太原: 中北大學, 2011.

A Comprehensive Investigation on Electrical Power Steering System

ZHANG Le, ZHANG He
(SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Liuzhou, Guangxi, 545007, China)

Steering system, as an essential part of automobile structure, its performance directly affects overall properties of a complete automobile. Current stratosphere of steering system, i.e. electrical power steering system (EPS), for comprehensive discussion on its classification, structure and mechanism are focused on. Also, its advantages are analyzed based on above design characteristics, fully implementing a broad prospect for development and application of such a system. It is believed that electrical power steering system will receive favors from more and more automobile companies.

Steering System; Electrical Power Steering System; Automobile; Sensor; Variable Power Assist; Active Return; Eco-friendly

U463.4

A

2095-8412 (2016) 05-1043-04工業(yè)技術創(chuàng)新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.059

張樂(1987-)，男，本科，陜西西安人，現(xiàn)工作于上汽通用五菱汽車股份有限公司，主要從事汽車零部件質量問題分析方面的工作。

E-mail: 312989896@qq.com