電子轉向系統綜述

賈愛芹，溫廣飛

（黃河交通學院，河南 焦作 454950）

電子轉向系統（Electronic Power Steering，EPS）是指取消了傳統的轉向系統所有的機械傳動和連接部件。駕駛員對機械發出轉向指令，指令信號到達控制機構后控制器根據駕駛員指令、車輛工況和路面狀況確定前輪轉角，從而實現轉向過程自動、智能控制的轉向系統。這種系統的動力源是來自電動機，根據車速和轉向力等參數由電子控制單元（ECU）來完成助力控制。當下是車輛轉向領域的新興尖端技術，歐美等其他許多汽車生產廠商和技術公司均對EPS技術產生了非常大的青睞。較傳統的轉向系統，EPS在汽車總布置設計、車輛轉向特性、行駛安全性、操縱穩定性及經濟性和環保性等方面均具有更佳的性能。該系統能節約燃料，提高主動安全性，且有利于環保，符合現代汽車機電一體化的設計思想。

1 電子轉向系統的結構

電子轉向系統（EPS）的結構主要由轉矩傳感器、電動機、電子控制單元（ECU）、離合器、減速器、轉向器、轉向軸、車速傳感器等部件組成。

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

（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）。它是電子轉向系統（EPS）的核心重要部件，用于收集轉矩傳感器信號和車速傳感器信號，并通過相應的算法對電動機和離合器的工作狀態進行控制，以滿足及時準確的控制。ECU還具有安全保護及故障診斷功能，ECU通過采集其他信號判斷其系統工作狀態是否穩定正常，一旦異常將進行診斷分析，單片機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，然后系統轉入人工轉向狀態。

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

（5）離合器。主要起到安全保護作用，當電子轉向系統（EPS）發生故障或出現其他意外情況，離合器會及時切斷，汽車仍然可以按照傳統的轉向裝置繼續工作，從而保障系統及行駛安全。

（6）減速器。用來增大電動機的輸出轉矩，主要有蝸輪蝸桿式和雙行星齒輪式。

2 電子轉向系統的工作原理

當駕駛員操縱轉向盤時，轉矩傳感器檢測采集轉向軸上的轉矩信號，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經運算處理后確定助力轉矩的大小和方向，向電動機發出控制指令即向其輸出一個合適的電流，調整轉向輔助動力的大小。電動機的轉矩由離合器通過減速機構減速增距后，通過齒輪齒條轉向器施加在汽車的轉向機構上，使之得到一個轉向作用力與汽車工況相適應。

3 電子轉向系統的分類

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

（1）轉向軸助力式。該類型的電動機固定在轉向軸的側面，裝有一電磁式離合器，通過減速器與轉向軸相連，直接驅動轉向軸實施轉向助力。特點是轉向系統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。這種轉向助力系統的轉矩傳感器、電動機、離合器及減速器集成在一起，安裝在轉向器齒輪處，電動機的輸出力矩經減速機構直接作用在小齒輪上進行助力。該類型的特點是轉向器的安全性和準確性都較傳統的轉向系統有所提高，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。這種系統提供助力的方式是電動機和減速器直接驅動齒條

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

4 電子轉向系統故障自診斷和安全功能

電子轉向系統（EPS）具有故障自診斷和顯示功能，當出現任意一故障時系統均可顯示出故障碼。如果同時出現兩個及以上故障時，則依次顯示出故障碼。其安全功能用來確保轉向系統正常工作，即當轉向系統的某些部件出現故障時，能迅速地檢測出故障，以便采取相應的安全措施，如限制或停止助力轉矩控制，從而使轉向系統能夠連續、安全地工作。限制助力轉矩控制功能是力圖防止可能會出現的故障。一旦出現可能導致系統故障或嚴重故障的蓄電池電壓過低、動力裝置過熱等時，電子轉向系統就會執行該功能；停止助力轉矩控制的功能是當電子轉向系統的基本部件出現故障可能導致嚴重后果時，離合器迅速分離，電源繼電器釋放，從而停止助力轉矩控制。

5 電子轉向系統的特點

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

（2）高效低能。電子轉向系統較傳統的轉向系統裝配自動化程度更高，縮短了造車節拍，提高了效率。與之相比，可節約燃油3%～5%，因此提高了燃油經濟性，降低了能源消耗。

（3）方便可靠。與傳統轉向系統相比，電子轉向系統省略了一些附件，所以重量更輕，結構更緊湊，在裝配選擇方面更方便，并能降低系統噪聲。另外電子轉向系統不存在滲漏等問題，幾乎無污染環保性好。原材料環保，很容易實現材料和能源的循環再利用。

（4）適配性好。電子轉向系統可以通過ECU設置和改變不同的程序，能快速精確地與不同的車型適配，大大降低了技術的復雜程度。

6 電子轉向系統的關鍵技術以及發展前景

電子轉向系統是近幾年來的新興技術，該技術雖已達到最初的設計目的，但是有很高的技術壁壘，目前在國內尚未成熟，仍然存在一些技術問題亟待解決。比如，改善電動機的性能是關鍵，將影響轉向盤力特性、轉向路感、汽車動態響應等重要問題；增強電子轉向系統控制器的穩定可靠性；及其故障診斷等關鍵技術。

汽車能源問題、環保問題及交通安全問題依然是21世紀汽車行業倍受關注的問題，然而隨著汽車EPS技術的不斷成熟，可以從一定程度上改善這三者所帶來的危害。電子轉向系統當前已經廣泛應用在各種類型的轎車上，其性能已經得到大眾的認可，隨著研究的發展和技術的提高，其應用范圍必然會進一步拓寬，目前該技術以每年20%左右的增速不斷被應用。況且汽車領域的未來就是小排量以及智能化，而電子轉向系統本身就是趨于智能的，隨著技術的成熟和普及該技術未來的成本必將會有所降低，電子轉向系統在轉向領域前景廣闊。總言之是為其更安全、更舒適、更簡單的提高而服務的。

［1］ 余志生.汽車理論5版［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［2］ 王望予.汽車設計4版［M］.北京：機械工業出版社，2004.