淺談汽車電動助力轉向系統

郭紫威

摘 要：轉向系統是汽車的主要子系統之一，近年來，汽車電動助力轉向系統（簡稱為“EPS”）已成為現代汽車中的常規配置，是一種直接依靠電機提供輔助扭矩的動力轉向系統。其性能直接關系到汽車的操縱舒適性和穩定性，對安全行車、減少交通事故、保護駕駛員的人身安全以及改善駕駛員的工作條件起著重要作用。

關鍵詞：電動助力轉向系統；特點；類型；工作原理；關鍵技術

中圖分類號：G463.4

文獻標識碼：A

一、電動助力轉向系統的特點

1. 電動助力轉向系統與傳統的液壓助力轉向系統相比具有的優點

（1）可降低發動機能耗。液力式動力轉向系統在汽車不轉向時，動力轉向液壓泵也一直在工作，這樣會消耗發動機的能量。電動助力轉向系統只有轉向時電動機才工作，不轉向時無需消耗發動機能量。因此，電動助力轉向系統能耗低。與液壓式動力轉向系統相比，電動助力轉向系統在各種行駛工況下均可節能80%～90%。

（2）重量輕，安裝方便。電動式EPS無液壓泵、液壓缸、液壓控制閥、液壓管路及液壓油等液壓部件，電動助力機構的零件少，結構緊湊，重量可大幅度減輕，因而動力轉向系統易于布置，并且能降低噪聲。

（3）系統安全，可靠性強。當電動式EPS出現故障時，可立即切斷電動機與助力齒輪機構的動力傳遞，迅速轉入人工—機械轉向狀態。此外，由于電動式動力轉向系統是由電動機提供助力，電動機可由蓄電池供電，因此，在發動機熄火或因故障而不能運轉時，動力轉向系統仍能正常工作，可確保汽車行駛的安全性。

（4）工作性能好。液壓助力增減控制有一定的滯后性，反應敏感性和隨動性較差。電動助力轉向系統由電子控制器直接控制電動機產生相應的轉向動力，反應敏感性好，容易實現轉向動力最優化。此外，電動助力轉向系統比液壓助力轉向系統具有更好的低溫工作性能。

（5）生產與開發周期短。電動助力轉向系統通過設置不同的程序進行控制就可與不同車型匹配，從而縮短了生產和開發周期。

2. 電動助力轉向系統仍有一些尚未解決的問題

（1）直接助力式電動轉向系統提供的輔助動力比較小，很難用于大型車輛。

（2）電動機、減速機構等部件會影響汽車的操縱穩定性，擁有正確的匹配整車性能至關重要。

（3）使用轉矩傳感器、電動機和減速機構等部件會增加系統的成本。

二、電動助力轉向系統的類型

1. 轉向柱助力式

轉向柱助力式EPS具有結構簡單和維修方便的特點。助力電機安裝在轉向柱上，電機助力扭矩通過蝸輪蝸桿減速增扭后直接作用在轉向柱上。相對于其他EPS，它對轉向系統的改動最小，所以最適合將以前生產的無助力效果的純機械轉向汽車改裝成電動助力轉向汽車。電機可以裝在轉向柱的任何位置， 轉向柱式的成本最低，目前市場占有 量較大。適合微型車輛如1.1t以內的小型車。

2. 直接助力式

齒條助力式EPS轉向齒條上裝兩個小齒輪，一個小齒輪與轉向盤相連，助力電機通過另一個小齒輪與齒條嚙合，為齒條提供助力，電動機直接帶動齒條助力，助力效果比齒輪助力式好。

3. 齒輪助力式

齒輪助力式EPS通過小齒輪與齒條嚙合，電機的助力扭矩傳輸在小齒輪軸上，具有結構緊湊的優點。與轉向柱式EPS相比，在不增加質量的情況下，增大了系統的剛度，不需要管柱部件傳遞，電機可以提供更大的助力。它安裝在駕駛室外，位于發動機室下方，常受到塵土、泥巴和雨水等的腐蝕，要求ECU、電動機、傳感器等耐高溫、防水性能好。其技術要求比轉向柱式的高，適用于1.3t以內的中小型車。

4. 齒條助力式

齒條助力式EPS電機、減速裝置套在齒條外側，通過錐齒輪和滾珠絲杠構成二級減速機構，其結構最緊湊，性能最好，電動機直接帶動進行齒條助力，助力效果最好，響應時間最短，電動機的振動、噪聲都不容易傳遞給駕駛員。隨著42V車載電源的應用，其功率可達到很大值，適用于大負荷、大功率的汽車和豪華轎車及2.2t以內的中型車。

三、電動助力轉向系統的工作原理

汽車轉向時，轉矩傳感器檢測到轉向盤轉動方向和力矩的大小，將這些信號輸送到電控單元，電控單元根據轉向盤的轉動方向、轉動力矩以及車輛速度等數據向電動機控制器發出信號指令，使得電動機輸出相應方向及大小的轉動力矩以產生助力。

當不轉向時，電控單元不向電動機控制器發出信號指令，電動機不工作。同時，電控單元會根據車輛的速度信號確定施加給轉向盤的阻力矩，從而減少駕車者在高速行駛時轉向盤“飄”的感覺。

四、電動助力轉向系統關鍵技術

1. 電動機與傳感器技術

電動助力轉向技術的發展及運用主要歸功于電動機技術、控制理論和電子技術的發展，EPS對電動機有很高的要求，包括尺寸、功率、性能等。

電動助力轉向技術的發展還受制于它的價格和性能，電動機和傳感器的選擇也因此受到限制。目前的轉矩傳感器通常在機械精度、校準難度和裝配、極限溫度和價格之間進行折中選擇。多數情況下，總是有些參數受到限制。比如，為了降低價格而限制最高溫度，但是溫度又與系統的可靠性緊密相連。因此，轉矩傳感器應能提供一個質量高、穩定可靠、響應速度快的信號。

2. 控制技術

EPS是否能夠獲得令人滿意的性能，除了應有好的硬件保證，還必須有良好的控制軟件來支撐。我們知道，汽車有多種多樣的行駛工況，EPS工作時不但受到來自不平地面的干擾和不穩定因素的影響，同時還由于其安裝在發動機附近，發動機發出的電磁干擾與熱輻射對整個系統會產生很大的影響，這些因素會對EPS的控制策略的選擇提出很高要求。PID控制技術、自適應控制技術、動態補償技術、魯棒控制技術等控制理論的發展，為該系統的成功開發提供了有力支持。隨著智能控制技術的進一步發展，EPS控制技術也將得到不斷完善。

3. 助力特性

助力特性關系到路感和轉向輕便性，目前國內外對路感問題的研究手段主要以實驗為主。助力特性是否合理決定著EPS的助力性能。EPS的助力特性屬于車速感應型，主要分為全速型和低速型兩種。全速型是指EPS在任何車速下都提供助力；低速型是指EPS只在低速時才提供助力，而當車速超過某一設定值時，EPS停止工作。

電動助力轉向系統將最新的電力電子技術和高性能的電機控制技術應用于汽車轉向系統，能顯著改善汽車動態性能和靜態性能，提高行駛中駕駛員的舒適性和安全性，減少環境污染等。因此，未來的轉向系統中電動助力轉向將成為轉向系統主流。

參考文獻：

[1]付百學，李曉雪.汽車底盤電控系統構造與維修[M].北京：北京交通大學出版社，2009.

[2]麻友良.汽車電器與電子控制系統[M].北京：機械工業出版社，2013.