農用車電動式電子助力動力轉向系統(tǒng)結構分析

豐澤康

（三峽大學機械與動力學院，湖北 宜昌 443002）

1 研究背景

近年來，人們對機動車行駛時的靈活性和輕捷性的要求越來越高，急需發(fā)明新的轉向系統(tǒng)，推動機動車的發(fā)展[1]。電動助力轉向系統(tǒng)的出現(xiàn)解決了這一難題，其廣泛應用節(jié)約了大量的能源，遏制了全球氣候的惡化，具有跨時代的意義。電動助力轉向系統(tǒng)（EPS）可以說非常緊湊、輕便，幾乎不需要維護。它們很容易設計和包裝成模塊化的形式，可以很容易地調整到特定尺寸，符合駕駛員的習慣。另外，電動助力轉向系統(tǒng)還能減小車輪與地面間的沖擊力，在過載條件下還具有過載保護的功能。近年來，EPS的引入數(shù)量逐漸增多。盡管電動助力轉向系統(tǒng)比液壓轉向系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢[2]，但直到最近，電動馬達技術和控制才得以實現(xiàn)應用。新一代的材料、復雜的計算機電子控制系統(tǒng)和動力管理的進步都促使電動助力轉向系統(tǒng)成為現(xiàn)實。

1.1 轉向系統(tǒng)的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的農用車機械轉向系統(tǒng)結構簡潔，內部的零件都是靠純機械傳動，所以方向盤很重。而液壓動力轉向系統(tǒng)提供輔助動力，使轉向更靈活。為克服液壓動力轉向系統(tǒng)的缺陷，日本高洋公司于1983年設計了一種附加速度信號的電液動力轉向系統(tǒng)?？偠灾娍貏恿D向系統(tǒng)（EHPS）是動力轉向系統(tǒng)（HPS）與電動助力轉向系統(tǒng)的過渡產品。1988年，日本高麗公司設計的轉向柱式電動助力轉向系統(tǒng)安裝在鈴木公司的一款名叫Cervo的小型機動車上。電子控制單元（ECU）根據(jù)方向盤的扭矩來控制輔助動力，ECU同時通過車速控制駕駛員的路感，在傳統(tǒng)的轉向系統(tǒng)中，轉向比是恒定的。轉向機中的動力從轉向軸流向旋轉閥，然后通過行星齒輪系、轉向齒條和橫拉桿轉向前輪[3]。行星齒輪架有外齒，可通過蝸輪由電動執(zhí)行器馬達旋轉。因此，任意驅動角可以疊加在駕駛員的方向盤輸入上。農用車低速行駛時，執(zhí)行器驅動的行星架旋轉方向與方向盤方向一致。智能化自適應前照燈系統(tǒng)（AFS）還具有穩(wěn)定控制功能。該功能通過橫擺角速度控制來實現(xiàn)。在危險情況下，提高了車輛的主動安全性。

1.2 EPS的發(fā)展趨勢

EPS系統(tǒng)已經(jīng)從研究發(fā)展和測驗過程過渡到量產階段，成為新時代農用車配件中的新科技產物。隨著電控技術的發(fā)展，EPS取代EHPS成為必然。進入21世紀以來，我國的專家和學者開始研究電動轉向系統(tǒng)。由于未來農用車轉向系統(tǒng)的巨大市場潛力，開發(fā)電控轉向系統(tǒng)將是一項值得推進的工作。

2 電子控制動力轉向系統(tǒng)

2.1 構成和類別

電控轉向系統(tǒng)可以分為液壓式動力轉向系統(tǒng)和電動式動力轉向系統(tǒng)兩類[4]。液壓動力轉向系統(tǒng)，通過減小方向盤所需的輸入扭矩，調節(jié)方向盤角位移與前輪角位移的比值，來輔助駕駛員進行轉向。液壓動力轉向系統(tǒng)由許多零部件組成，包括方向盤、輸入軸、齒條和小齒輪、泵、液壓缸支架、液壓軟管、橫拉桿連桿等。雖然這是一項成熟的技術，但仍存在著轉向系統(tǒng)液壓和機械部件之間的動力耦合有關的噪聲和振動問題。為了獲得理想的增壓特性，保證農用車在行駛過程中的安全駕駛，開發(fā)了專用的旋轉式滑閥和變傳動比齒輪齒條裝置。電動助力轉向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉向系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的，增加了電控單元、電源、電機、轉向傳感器等[5]。此系統(tǒng)是基于駕駛員在方向盤上的轉向力矩，通過助力電機提供輔助轉向力來克服轉向系統(tǒng)阻力。

2.2 EPS系統(tǒng)

EPS是在以往轉向機構的基礎上，加裝了電動助力機構和轉向助力控制系統(tǒng)。電動式電子控制動力轉向系統(tǒng)由幾大部分構成，分別是轉向盤、電控單元、電動機、轉向齒條、橫拉桿、轉向輪、轉向軸、轉向齒輪、扭力桿、轉矩傳感器、輸出軸等[6]。

2.3 EHPS系統(tǒng)

現(xiàn)如今使用的農用車液壓助力轉向系統(tǒng)，在第一次引進后，經(jīng)過了近50年的發(fā)展，才能顯得如此自然、得體。在此之前，司機們需要努力在農田中操縱車輛低速停車。在相對高速下，還存在著尋找正確靈敏度和穩(wěn)定性的問題。隨著發(fā)動機功率的增加和車輛的增大，駕駛員為使車輛靈活地轉向，所需付出的力氣幾乎達到了超人的程度。在農村公路或者農田里，司機駕駛車輛行駛在崎嶇不平的地面顯得格外吃力。因此，引進動力輔助轉向系統(tǒng)顯得越來越緊迫。美國通用汽車公司（Generals Motors）和澳大利亞畢曉普公司（Bishop）在20世紀50年代開發(fā)并引進了此套轉向系統(tǒng)。

2.4 線控電動轉向系統(tǒng)

線控電動轉向系統(tǒng)是一種裝有線控轉向和四個獨立電動輪輞驅動裝置的車輛運動控制器。運動控制器通過作用于車輛重心，將控制與特定的執(zhí)行器設置分離。采用實際執(zhí)行器動力學的近似方法，分析不同運動控制器在線性和非線性驅動區(qū)域的性能。在此基礎上，提出了一種基于非線性控制方法的精確車輛運動跟蹤運動控制結構。運動控制器與由輪胎、輪胎載荷和半徑計算以及UKF（一種算法）組成的非線性車輛狀態(tài)觀測器相結合，用于車輛狀態(tài)的估計。將觀測器結構與非線性運動控制器相結合，可以獲得非常精確的控制性能。利用可調模擬量控制信號（DI）為運動控制器生成不同的平滑軌跡。仿真研究表明，在車輛敏捷性和穩(wěn)定性之間保持良好的平衡是必要的，因此未來的研究將集中在更復雜的DI設計上。執(zhí)行器飽和輪胎附著力的利用將通過重新制定控制分配作為分析或數(shù)值優(yōu)化問題進行研究。線控轉向消除了在農用車工作中對司機的傷害；從農田到方向盤沒有振動，因為方向盤和轉向柱之間的機械連接已拆下，這樣可以減輕駕駛員的轉向負擔；方向盤可以安裝在必要的位置。當電控單元發(fā)生故障時，線控轉向系統(tǒng)失效，不能保證車輛的轉向。此外，線控轉向系統(tǒng)本身也非常昂貴，所以它不能廣泛應用于家用機動車上。但是，隨著控制技術的發(fā)展和電子元件功能的發(fā)揮，線控轉向系統(tǒng)將在機動車上得到廣泛的應用。

3 EPS系統(tǒng)結構分析

3.1 EPS工作原理與特點

EPS系統(tǒng)利用電動機作為助力器，根據(jù)車速和轉向參數(shù)等，由電子控制單元完成助力控制[7]。在轉動方向盤的時候，傳感器收錄電流信號，傳遞給ECU。在完成一系列的控制后，ECU反饋其轉向系統(tǒng)信號，確定其轉矩的大小和電流轉向。隨后開始所需協(xié)調輔助動力，獲得適合工況的轉向力。電動式EPS系統(tǒng)有以往轉向系統(tǒng)所不具備的諸多優(yōu)點。多個部件組裝成一個整體，沒有管路和控制閥，機構緊湊，質量輕，通用電動EPS系統(tǒng)質量比液壓EPS系統(tǒng)輕25%左右。普通旋轉式液壓轉向泵不需要液壓動力轉向系統(tǒng)，電動機只會在其必要時開啟，并且將動力消耗和油耗降到最低。另外，油壓系統(tǒng)被淘汰，因此無需再給轉向泵補充油液，也無需擔心漏油，并且可以設置車輛的動力特性，精準完成助力控制。

3.2 助力電動機總成

轉向器的作用是把來自方向盤的轉向力和轉向角進行適當?shù)淖儞Q，再輸出給轉向拉桿機構，從而使汽車轉向，所以轉向器本質上只是減速傳動裝置[8]。助力電動機總成由直流電動機和減速機構組成。助力電動機能夠提供轉向助力，能在很大程度上節(jié)省駕駛員的體力，使轉向更加輕便。而且助力電動機安裝在轉向器外殼上，既能避免造成相互之間的干擾，又能保證轉向性能。電動轉向系統(tǒng)中的直流電動機，其裝置輸出的扭矩經(jīng)過減速機構傳遞給齒輪機構，從而加大其操縱力。

3.3 轉矩傳感器

電動助力轉向系統(tǒng)比液壓轉向系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢[9]，當農用車輛以合理的速度在農田中行駛或不需要轉向時，可以減小動力，消除損耗。蓄電池提供轉彎或低速停車所需的所有轉向動力。電路能夠將此信息中繼到電子控制單元（ECU）中。控制算法產生一個驅動電機提供轉向輔助的信號。電動機的動力來自蓄電池，它是電子控制的，不會造成很大損失。扭矩傳感器的主要部件是扭力桿，它記錄桿兩端之間的差異（或相對）角位移。桿的扭轉量或彎曲量可通過多種方式作為電子信號來提取。因此，開發(fā)了多種類型的扭矩傳感器。理想情況下，扭力桿是小齒輪和方向盤之間轉向桿的一部分，因此其位置可供選擇。其目的是不影響傳感器輸出信號隨后傳遞給電機控制器，以產生協(xié)助駕駛員所需的扭矩。所需扭矩的大小由控制回路中的駕駛員確定。扭矩傳感器的輸出與電機產生的扭矩應呈線性關系。駕駛員對車輛的運動做出響應，方向盤的微調會引起轉向系統(tǒng)中零部件的變化，從而改變轉矩傳感器的特性。當轉矩傳感器的特性發(fā)生變化時，會向轉向控制單元輸出。直行狀態(tài)時機動車不產生轉矩，扭桿不轉動，傳感器不發(fā)生改變。

在農田中處于轉向狀態(tài)的農用車，扭桿扭轉會產生轉矩，一段時間后轉矩平衡。經(jīng)過演算得出助力轉矩值、傳遞電流，并且在齒輪上產生轉向助力。轉向穩(wěn)定狀態(tài)的農用車，不轉動方向盤的時候，處于平衡狀態(tài)，轉向系統(tǒng)保持初步的穩(wěn)定。轉向控制單元根據(jù)各個傳感器的信號和方向盤操縱力、速度計算助力電流值。當傳感器發(fā)生異常的時候，通常狀態(tài)下，電源會斷開，助力在這個時候就會停止，轉向系統(tǒng)在這個時候進入機械式轉向狀態(tài)[10]。在轉向桿機械強度的情況下，產生約1.8倍的扭矩，以獲得傳感器輸出信號。需要注意的是，扭桿的兩端可以自由旋轉約兩圈，這意味著連接在扭桿兩端圓盤上的所有電子設備都可以通過軟電纜連接到電源和其他外部電路。除了相對位移角外，還可能需要感測方向盤的絕對角位置和速度，電動助力轉向主要是一種節(jié)能方案。這是一項創(chuàng)新，即將被引入全世界的農用機動車之中。幾年后，它將被廣泛使用，進一步的優(yōu)化可能包括轉向系統(tǒng)位置的靈活性增強，轉向系統(tǒng)的調整以滿足特定農用機動車或單個駕駛員的需要。

4 結論

筆者闡述了在農用車中轉向系統(tǒng)的基本結構和工作原理，對機械轉向系統(tǒng)、液壓式電子控制動力轉向系統(tǒng)到電動助力轉向系統(tǒng)依次進行了介紹。首先介紹了機械轉向系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)的自身結構和工作原理，由于自身結構簡單，因此不是很普及；其次介紹了農用車的液壓助力轉向系統(tǒng)，該轉向系統(tǒng)相比于機械轉向系統(tǒng)成熟了一些，本身的優(yōu)點也比較明顯，操作精準，可靠性高，制造成本低，信息反饋豐富；最后介紹了電動助力轉向系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)的結構，例如轉向器、助力電動機總成、轉矩傳感器，并對其進行了簡要的概括。仿真結果表明，電動助力轉向系統(tǒng)在輸出其內在的功率時，會發(fā)現(xiàn)其中的最佳供油規(guī)律，直觀地了解電動助力轉向系統(tǒng)的結構，凸顯了電動助力轉向系統(tǒng)各方面的優(yōu)點。