電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜述

賈愛芹，溫廣飛

（黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454950）

電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electronic Power Steering，EPS）是指取消了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所有的機(jī)械傳動和連接部件。駕駛員對機(jī)械發(fā)出轉(zhuǎn)向指令，指令信號到達(dá)控制機(jī)構(gòu)后控制器根據(jù)駕駛員指令、車輛工況和路面狀況確定前輪轉(zhuǎn)角，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向過程自動、智能控制的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的動力源是來自電動機(jī)，根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向力等參數(shù)由電子控制單元（ECU）來完成助力控制。當(dāng)下是車輛轉(zhuǎn)向領(lǐng)域的新興尖端技術(shù)，歐美等其他許多汽車生產(chǎn)廠商和技術(shù)公司均對EPS技術(shù)產(chǎn)生了非常大的青睞。較傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，EPS在汽車總布置設(shè)計(jì)、車輛轉(zhuǎn)向特性、行駛安全性、操縱穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等方面均具有更佳的性能。該系統(tǒng)能節(jié)約燃料，提高主動安全性，且有利于環(huán)保，符合現(xiàn)代汽車機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)思想。

1 電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的結(jié)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)矩傳感器、電動機(jī)、電子控制單元（ECU）、離合器、減速器、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向軸、車速傳感器等部件組成。

（1）轉(zhuǎn)矩傳感器。它的作用來檢測來自于轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩信號的方向和大小，目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)矩傳感器是利用扭桿檢測輸入軸和輸出軸的相對扭轉(zhuǎn)位移得到轉(zhuǎn)矩。

（2）車速傳感器。主要采用電磁式傳感器，裝配在變速器上，功能是根據(jù)車速的變化把脈沖信號傳送給電子控制單元（ECU）。

（3）電子控制單元（ECU）。它是電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的核心重要部件，用于收集轉(zhuǎn)矩傳感器信號和車速傳感器信號，并通過相應(yīng)的算法對電動機(jī)和離合器的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，以滿足及時準(zhǔn)確的控制。ECU還具有安全保護(hù)及故障診斷功能，ECU通過采集其他信號判斷其系統(tǒng)工作狀態(tài)是否穩(wěn)定正常，一旦異常將進(jìn)行診斷分析，單片機(jī)記錄下故障類型使儀表板上的故障指示燈亮起。同時ECU上的故障指示燈也亮，然后系統(tǒng)轉(zhuǎn)入人工轉(zhuǎn)向狀態(tài)。

（4）電動機(jī)。電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的動力源，是影響系統(tǒng)性能的主要因素之一。通常采用無刷式永磁直流電機(jī)。不僅要求控制性好可靠性高，而且還應(yīng)兼顧提高路感，降低噪聲和震動等來提高其性能。

（5）離合器。主要起到安全保護(hù)作用，當(dāng)電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）發(fā)生故障或出現(xiàn)其他意外情況，離合器會及時切斷，汽車仍然可以按照傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向裝置繼續(xù)工作，從而保障系統(tǒng)及行駛安全。

（6）減速器。用來增大電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，主要有蝸輪蝸桿式和雙行星齒輪式。

2 電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

當(dāng)駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)矩傳感器檢測采集轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩信號，并與車速傳感器信號這兩路信號同時被采集到電子控制單元（ECU），ECU經(jīng)運(yùn)算處理后確定助力轉(zhuǎn)矩的大小和方向，向電動機(jī)發(fā)出控制指令即向其輸出一個合適的電流，調(diào)整轉(zhuǎn)向輔助動力的大小。電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩由離合器通過減速機(jī)構(gòu)減速增距后，通過齒輪齒條轉(zhuǎn)向器施加在汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，使之得到一個轉(zhuǎn)向作用力與汽車工況相適應(yīng)。

3 電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類

根據(jù)電動機(jī)和減速器在汽車上的布置位置的不同電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）可分為轉(zhuǎn)向軸助力式、齒輪助力式、齒條助力式三種。

（1）轉(zhuǎn)向軸助力式。該類型的電動機(jī)固定在轉(zhuǎn)向軸的側(cè)面，裝有一電磁式離合器，通過減速器與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸實(shí)施轉(zhuǎn)向助力。特點(diǎn)是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重量輕占用空間小，安全性差，噪聲和振動大直接影響舒適性。鈴木公司（SUZUKI）的奧拓汽車多采用這種布置方案。

（2）齒輪助力式。這種轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器、電動機(jī)、離合器及減速器集成在一起，安裝在轉(zhuǎn)向器齒輪處，電動機(jī)的輸出力矩經(jīng)減速機(jī)構(gòu)直接作用在小齒輪上進(jìn)行助力。該類型的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)向器的安全性和準(zhǔn)確性都較傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有所提高，而且也提供了更高的行駛舒適性。日本三菱公司（Mitsubishi）的Minica微型汽車使用此布置方案。

（3）齒條助力式。這種系統(tǒng)提供助力的方式是電動機(jī)和減速器直接驅(qū)動齒條

（4）轉(zhuǎn)矩傳感器獨(dú)立裝配在轉(zhuǎn)向小齒輪旁邊，電動機(jī)和減速機(jī)構(gòu)集成在一起裝配在齒條上。電動機(jī)的輸出力矩通過減速傳動機(jī)構(gòu)傳遞到齒條上。常見采用此布置方案的汽車有雅閣轎車（本田公司）。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，很好地保證了轉(zhuǎn)向器空間布置的彈性，系統(tǒng)剛度好，傳動能力大，可以提供較大的助力轉(zhuǎn)矩，適用于前軸負(fù)荷較大的汽車（如越野車）。

4 電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障自診斷和安全功能

電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）具有故障自診斷和顯示功能，當(dāng)出現(xiàn)任意一故障時系統(tǒng)均可顯示出故障碼。如果同時出現(xiàn)兩個及以上故障時，則依次顯示出故障碼。其安全功能用來確保轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正常工作，即當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的某些部件出現(xiàn)故障時，能迅速地檢測出故障，以便采取相應(yīng)的安全措施，如限制或停止助力轉(zhuǎn)矩控制，從而使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠連續(xù)、安全地工作。限制助力轉(zhuǎn)矩控制功能是力圖防止可能會出現(xiàn)的故障。一旦出現(xiàn)可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障或嚴(yán)重故障的蓄電池電壓過低、動力裝置過熱等時，電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就會執(zhí)行該功能；停止助力轉(zhuǎn)矩控制的功能是當(dāng)電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本部件出現(xiàn)故障可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果時，離合器迅速分離，電源繼電器釋放，從而停止助力轉(zhuǎn)矩控制。

5 電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）轉(zhuǎn)向特性佳。電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能在任何行駛工況下根據(jù)車速、轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向速度等參數(shù)提供合理的最佳助力，減小了道路不平度所引起的對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的擾動，改善汽車的轉(zhuǎn)向特性。轉(zhuǎn)向操縱力在行駛時有所減輕，行駛時的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性更好，從而提高汽車的行駛安全性。

（2）高效低能。電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)較傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝配自動化程度更高，縮短了造車節(jié)拍，提高了效率。與之相比，可節(jié)約燃油3%～5%，因此提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，降低了能源消耗。

（3）方便可靠。與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)省略了一些附件，所以重量更輕，結(jié)構(gòu)更緊湊，在裝配選擇方面更方便，并能降低系統(tǒng)噪聲。另外電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不存在滲漏等問題，幾乎無污染環(huán)保性好。原材料環(huán)保，很容易實(shí)現(xiàn)材料和能源的循環(huán)再利用。

（4）適配性好。電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以通過ECU設(shè)置和改變不同的程序，能快速精確地與不同的車型適配，大大降低了技術(shù)的復(fù)雜程度。

6 電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)以及發(fā)展前景

電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是近幾年來的新興技術(shù)，該技術(shù)雖已達(dá)到最初的設(shè)計(jì)目的，但是有很高的技術(shù)壁壘，目前在國內(nèi)尚未成熟，仍然存在一些技術(shù)問題亟待解決。比如，改善電動機(jī)的性能是關(guān)鍵，將影響轉(zhuǎn)向盤力特性、轉(zhuǎn)向路感、汽車動態(tài)響應(yīng)等重要問題；增強(qiáng)電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的穩(wěn)定可靠性；及其故障診斷等關(guān)鍵技術(shù)。

汽車能源問題、環(huán)保問題及交通安全問題依然是21世紀(jì)汽車行業(yè)倍受關(guān)注的問題，然而隨著汽車EPS技術(shù)的不斷成熟，可以從一定程度上改善這三者所帶來的危害。電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)當(dāng)前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各種類型的轎車上，其性能已經(jīng)得到大眾的認(rèn)可，隨著研究的發(fā)展和技術(shù)的提高，其應(yīng)用范圍必然會進(jìn)一步拓寬，目前該技術(shù)以每年20%左右的增速不斷被應(yīng)用。況且汽車領(lǐng)域的未來就是小排量以及智能化，而電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)本身就是趨于智能的，隨著技術(shù)的成熟和普及該技術(shù)未來的成本必將會有所降低，電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向領(lǐng)域前景廣闊?？傃灾菫槠涓踩⒏孢m、更簡單的提高而服務(wù)的。

［1］ 余志生.汽車?yán)碚?版［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］ 王望予.汽車設(shè)計(jì)4版［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.