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电动助力转向系统
作者:快频彩票    发布日期:2020-08-10 14:22


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  电动助力转向系统(Electric Power Steering,缩写EPS)是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统,与传统的液压助力转向系统HPS(Hydraulic Power Steering)相比,EPS系统具有很多优点。EPS主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元(ECU)等组成。

  从最初的机械式转向系统(Manual Steering,简称MS)发展为液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering,简称HPS),然后又出现了电控液压助力转向系统(Electro Hydraulic Power Steering,简称EHPS)和电动助力转向系统(Electric Power Steering,简称EPS)。

  装配机械式转向系统的汽车,在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重,为了解决这个问题,美国GM公司在20世纪50年代率先在轿车上采用了液压助力转向系统。但是,液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性,因此在1983年日本Koyo公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统。这种新型的转向系统可以随着车速的升高提供逐渐减小的转向助力,但是结构复杂、造价较高,而且无法克服液压系统自身所具有的许多缺点,是一种介于液压助力转向和电动助力转向之间的过渡产品。到了1988年,日本Suzuki公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统;1990年,日本Honda公司也在运动型轿车NSX上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统,从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。

  机械液压助力是我们最常见的一种助力方式,它诞生于1902年,由英国人Frederick W. Lanchester发明,而最早的商品化应用则推迟到了半个世纪之后,1951年克莱斯勒把成熟的液压转向助力系统应用在了Imperial车系上。由于技术成熟可靠,而且成本低廉,得以被广泛普及。

  机械液压助力系统的主要组成部分有液压泵、油管、压力流体控制阀、V型传动皮带、储油罐等等。这种助力方式是将一部分发动机动力输出转化成液压泵压力,对转向系统施加辅助作用力,从而使轮胎转向。

  由于机械液压助力需要大幅消耗发动机动力,所以人们在机械液压助力的基础上进行改进,开发出了更节省能耗的电子液压助力转向系统。 这套系统的转向油泵不再由发动机直接驱动,而是由电动机来驱动,并且在之前的基础上加装了电控系统,使得转向辅助力的大小不光与转向角度有关,还与车速相关。机械结构上增加了液压反应装置和液流分配阀,新增的电控系统包括车速传感器、电磁阀、转向ECU等。

  EPS就是英文Electric Power Steering的缩写,即电动助力转向系统。电动助力转向系统是汽车转向系统的发展方向。该系统由电动助力机直接提供转向助力,省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮,既节省能量,又保护了环境。另外,还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。正是有了这些优点,电动助力转向系统作为一种新的转向技术,将挑战大家都非常熟知的、已具有50多年历史的液压转向系统。

  根据助力电机的安装位置不同,EPS系统又可以分为转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式3种。转向轴助力式EPS的电动机固定在转向轴一侧,通过减速机构与转向轴相连,直接驱动转向轴助力转向。齿轮助力式EPS的电动机和减速机构与小齿轮相连,直接驱动齿轮助力转向。齿条助力式EPS的电动机和减速机构则直接驱动齿条提供助力。

  驾驶员在操纵方向盘进行转向时,转矩传感器检测到转向盘的转向以及转矩的大小,将电压信号输送到电子控制单元,电子控制单元根据转矩传感器检测到的转矩电压信号、转动方向和车速信号等,向电动机控制器发出指令,使电动机输出相应大小和方向的转向助力转矩,从而产生辅助动力。汽车不转向时,电子控制单元不向电动机控制器发出指令,电动机不工作。

  EPS的基本原理是:转矩传感器与转向轴(小齿轮轴)连接在一起,当转向轴转动时,转矩传感器开始工作,把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动角位移变成电信号传给ECU,ECU根据车速传感器和转矩传感器的信号决定电动机的旋转方向和助力电流的大小,从而完成实时控制助力转向。因此它可以很容易地实现在车速不同时提供电动机不同的助力效果,保证汽车在低速转向行驶时轻便灵活,高速转向行驶时稳定可靠。[1]

  电动助力转向系统是在传统机械转向系统的基础上发展起来的。它利用电动机产生的动力来帮助驾驶员进行转向操作,系统主要由三大部分构成,信号传感装置(包括扭矩传感器、转角传感器和车速传感器),转向助力机构(电机、离合器、减速传动机构)及电子控制装置。电动机仅在需要助力时工作,驾驶员在操纵转向盘时,扭矩转角传感器根据输入扭矩和转向角的大小产生相应的电压信号,车速传感器检测到车速信号,控制单元根据电压和车速的信号,给出指令控制电动机运转,从而产生所需要的转向助力。

  传统的液压助力转向系统由发动机带动转向油泵,不管转向或者不转向都要消耗发动机部分动力。而电动助力转向系统只是在转向时才由电机提供助力,不转向时不消耗能量。因此,电动助力转向系统可以降低车辆的燃油消耗。

  与液压助力转向系统对比试验表明:在不转向时,电动助力转向可以降低燃油消耗2.5%;在转向时,可以降低5.5%。

  2、转向助力大小可以通过软件调整,能够兼顾低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性,回正性能好。

  传统的液压助力转向系统所提供的转向助力大小不能随车速的提高而改变。这样就使得车辆虽然在低速时具有良好的转向轻便性,但是在高速行驶时转向盘太轻,产生转向“发飘”的现象,驾驶员缺少显著的“路感”,降低了高速行驶时的车辆稳定性和驾驶员的安全感。

  电动助力转向系统提供的助力大小可以通过软件方便的调整。在低速时,电动助力转向系统可以提供较大的转向助力,提供车辆的转向轻便性;随着车速的提高,电动助力转向系统提供的转向助力可以逐渐减小,转向时驾驶员所需提供的转向力将逐渐增大,这样驾驶员就感受到明显的“路感”,提高了车辆稳定性。

  电动助力转向系统还可以施加一定的附加回正力矩或阻尼力矩,使得低速时转向盘能够精确的回到中间位置,而且可以抑制高速回正过程中转向盘的振荡和超调,兼顾了车辆高、低速时的回正性能。

  电动助力转向系统取消了液压转向油泵、油缸、液压管路、油罐等部件,而且电机及减速机构可以和转向柱、转向器做成一个整体,使得整个转向系统结构紧凑,质量轻,在生产线上的装配性好,节省装配时间,易于维护保养。

  4、通过程序的设置,电动助力转向系统容易与不同车型匹配,可以缩短生产和开发的周期。

  由于电动助力转向系统具有上述多项优点,因此近年来获得了越来越广泛的应用。

  电动助力转向系统是在机械式转向系统的基础上,加装了电机及减速机构、转矩转角传感器、车速传感器和ECU电控单元而成。

  液压助力转向系统已发展了半个多世纪,其技术已相当成熟。但随着汽车微电子技术的发展,对汽车节能性和环保性要求不断提高,该系统存在的耗能、对环境可能造成的污染等固有不足已越来越明显,不能完全满足时代发展的要求。

  电动助力转向系统将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统,能显著改善汽车动态性能和静态性能、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、减少环境的污染等。因此,该系统一经提出,就受到许多大汽车公司的重视,并进行开发和研究,未来的转向系统中电动助力转向将成为转向系统主流,与其它转向系统相比,该系统突出的优势体现在

  液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵,使液压油不停地流动,浪费了部分能量。相反电动助力转向系统(EPS)仅在需要转向操作时才需要电机提供的能量,该能量可以来自蓄电池,也可来自发动机。而且,能量的消耗与转向盘的转向及当前的车速有关。当转向盘不转向时,电机不工作,需要转向时,电机在控制模块的作用下开始工作,输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向力矩,而且,该系统在汽车原地转向时输出最大转向力矩,随着汽车速度的改变,输出的力矩也跟随改变。该系统真正实现了按需供能,是真正的按需供能型(on-demand)系统。汽车在较冷的冬季起动时,传统的液压系统反应缓慢,直至液压油预热后才能正常工作。由于电动助力转向系统设计时不依赖于发动机而且没有液压油管,对冷天气不敏感,系统即使在-40℃时也能工作,所以提供了快速的冷起动。由于该系统没有起动时的预热,节省了能量。不使用液压泵,避免了发动机的寄生能量损失,提高了燃油经济性,装有电动助力转向系统的车辆和装有液压助力转向系统的车辆对比实验表明,在不转向情况下,装有电动助力转向系统的国辆燃油消耗降低2.5%,在使用转向情况下,燃油消耗降低了5.5%。

  在电动助力转向系统中,电动助力机与助力机构直接相连可以使其能量直接用于车轮的转向。该系统利用惯性减振器的作用,使车轮的反转和转向前轮摆振大大减水。因此转向系统的抗扰动能力大大增强和液压助力转向系统相比,旋转力矩产生于电机,没有液压助力系统的转向迟滞效应,增强了转向车轮对转向盘的跟随性能。

  直到今天,动力转向系统性能的发展已经到了极限,电动助力转向系统的回正特性改变了这一切。当驾驶员使转向盘转动一角度后松开时,该系统能够自动调整使车轮回到正中。该系统还可以让工程师们利用软件在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。从最低车速到最高车速,可得到一簇回正特性曲线。通过灵活的软件编程,容易得到电机在不同车速及不同车况下的转矩特性,这种转矩特性使得该系统能显著地提高转向能力,提供了与车辆动态性能相机匹配的转向回正特性。而在传统的液压控制系统中,要改善这种特性必须改造底盘的机械结构,实现起来有一定困难。

  通过对汽车在高速行驶时过度转向的方法测试汽车的稳定特性。采用该方法,给正在高速行驶(100km/h)的汽车一个过度的转角迫使它侧倾,在短时间的自回正过程中,由于采用了微电脑控制,使得汽车具有更高的稳定性,驾驶员有更舒适的感觉。

  电动助力转向系统的转向力来自于电机。通过软件编程和硬件控制,可得到覆盖整个车速的可变转向力。可变转向力的大小取决于转向力矩和车速。无论是停车,低速或高速行驶时,它都能提供可靠的,可控性好的感觉,而且更易于车场操作。

  对于传统的液压系统,可变转向力矩获得非常困难而且费用很高,要想获得可变转向力矩,必须增加额外的控制器和其它硬件。但在电动助力转向系统中,可变转向力矩通常写入控制模块中,通过对软件的重新编写就可获得,并且所需费用很小。

  电动助力转向系统应用最干净的电力作为能源,完全取缔了液压装置,不存在液压助力转向系统中液态油的泄漏问题,可以说该系统顺应了绿色化的时代趋势。该系统由于它没有液压油,没有软管、油泵和密封件,避免了污染。而液压转向系统油管使用的聚合物不能回收,易对环境造成污染。

  由于该系统具有良好的模块化设计,所以不需要对不同的系统重新进行设计、试验、加工等,不但节省了费用,也为设计不同的系统提供了极大的灵活性,而且更易于生产线装配。由于没有油泵、油管和发动机上的皮带轮,使得工程师们设计该系统时有更大的余地,而且该系统的控制模块可以和齿轮齿条设计在一起或单独设计,发动机部件的空间利用率极高。该系统省去了装于发动机上皮带轮和油泵,留出的空间可以用于安装其它部件。许多消费者在买车时非常关心车辆的维护与保养问题。装有电动助力转向系统的汽车没有油泵,没有软管连接,可以减少许多忧虑。实际上,传统的液压转向系统中,液压油泵和软管的事故率占整个系统故障的53%,如软管漏油和油泵漏油等。

  电动助力转向系统没有液压系统所需要的油泵、油管、流量控制阀、储油罐等部件,零件数目大大减少,减少了装配的工作量,节省了装配时间,提高了装配效率。

  电动助力转向系统自20世纪80年代中期初提出以来,作为今后汽车转向系统的发展方向,必将取代现有的机械转向系统、液压助力转向系统和电控制液压助力转向系统。

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