汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特點(diǎn)與應(yīng)用畢業(yè)論文

1 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特點(diǎn)與應(yīng)用 汽車檢測(cè)與維修 專業(yè)畢業(yè)論文 目 錄 引言 第 1章 汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的歷史發(fā)展概況 第 2章 汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理及特點(diǎn) 第 3章 EPS 系統(tǒng)的組成原理及分類 3.1 EPS 系統(tǒng)的組成 3.2 EPS 系統(tǒng)的工作原理 3.3 EPS 系統(tǒng)主要部件的結(jié)構(gòu)及工作原理 3.4 EPS 系統(tǒng)的分類 3.5 EPS 系統(tǒng) 的性能及特點(diǎn) 第 4 章 EPS 系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 2 引 言 近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中愈來(lái)愈多的采用電子器件，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已從簡(jiǎn)單的純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ HydraulicPowerSteering，簡(jiǎn)稱 HPS）、電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ ElectricHydraulicPowerSteering，簡(jiǎn)稱 EHPS）和電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ ElecticallControlledHydraulicPowerSteering,簡(jiǎn)稱 ECHPS）發(fā)展到如今的更為節(jié)能及操縱性能更為優(yōu)越的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ ElectricalPowerSteering，簡(jiǎn)稱 EPS 系統(tǒng)）。 EHPS 和 ECHPS 系統(tǒng)等助力系統(tǒng)在汽車上的采用，改善了汽車轉(zhuǎn)向力的控制特性，降低了駕駛員的轉(zhuǎn)向負(fù)擔(dān)，然而汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)始終處于液壓機(jī)械傳動(dòng)階段， EHPS 相比傳統(tǒng) HPS 降低了能源損耗。但電液動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，不論 ECHPS 還是 EHPS 都與傳統(tǒng)的 HPS 一樣存在液壓油泄漏問(wèn)題。 EPS系統(tǒng)是新一代的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其性能特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)是電液動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所不能比擬的。如果轉(zhuǎn)向盤(pán)與轉(zhuǎn)向輪通過(guò)控制信號(hào)連接，即采用電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ Steering-By-WireSystem，簡(jiǎn)稱 SBWS），轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角和汽車前輪轉(zhuǎn)角之間關(guān)系（汽車轉(zhuǎn)向的角傳遞特性）的設(shè)計(jì)可以得到改善，但由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的限制，電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)只被安裝在國(guó)際著名汽車生產(chǎn)商所生產(chǎn)的概念車上。本文綜述了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展、原理，并探討了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。 3 第 1 章 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的 歷史發(fā)展概況 自 1953 年通用汽車公司在凱迪拉克和別克轎車上首次批量使用液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以來(lái)，液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)給汽車的發(fā)展帶來(lái)了巨大的變化，使駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱力大大降低，轉(zhuǎn)向的靈敏性得到了提高。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在體積、價(jià)格和所消耗的功率等方面都取得了驚人的進(jìn)步。在 20 世紀(jì) 80年代后期，又開(kāi)發(fā)了變減速比、電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。但是動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)革新都是基于液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的，無(wú)法消除液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面的缺陷。直到 1988 年日本鈴木公 司首次開(kāi)發(fā)出一種全新的電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，才真正擺脫了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的束縛。 此后，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)得到迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍已經(jīng)從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展。日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司，美國(guó)的 Delphi 公司，英國(guó)的 Lueas 公司，德國(guó)的 ZF 公司，都研制出了各自的 EPS系統(tǒng)。如大發(fā)汽車公司在其 Mira 車上裝備了 EPS 系統(tǒng)，三菱汽車公司在其 Minica 車上裝備了 EPS 系統(tǒng)，本田汽車公司在 Accord 車上裝備了 EPS 系統(tǒng)。 Delphi公司已經(jīng)為大眾的 Polo、菲亞特 Punto 開(kāi)發(fā)出 EPS 系統(tǒng)。本田還在其 AcuraNXS賽車上裝備了 EPS 系統(tǒng)。 EPS 系統(tǒng)的助力形式也從低速范圍助力型向全速范圍助力型發(fā)展，并且其控制形式與功能也進(jìn)一步加強(qiáng)。日本早期開(kāi)發(fā)的 EPS 系統(tǒng)僅僅在低速和停車時(shí)提供助力，高速時(shí) EPS 系統(tǒng)將停止工作。新一代的 EPS 系統(tǒng)則不僅在低速和停車時(shí)提供助力，而且還能在高速時(shí)提高汽車的操縱穩(wěn)定性。如日本鈴木公司裝備在 Wagon 車上的 EPS 系統(tǒng)是一個(gè)負(fù)載 -路面 -車速感應(yīng)型助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 4。由 Delphi公司為 Funte 車開(kāi)發(fā)的 EPS 系統(tǒng)為全范圍助力型，并且設(shè)置了兩個(gè)開(kāi)關(guān)，其中 一個(gè)用于郊區(qū)，另一個(gè)用于市區(qū)和停車。當(dāng)車速大于 70km/h 后，這兩種開(kāi)關(guān)設(shè)置的程序則是一樣的，以保證汽車在高速時(shí)有合適的路感，這樣即使汽車行駛到高速公路時(shí)駕駛員忘記切換開(kāi)關(guān)也不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。市區(qū)型開(kāi)關(guān)還與油門(mén)有關(guān)，使得在踩油門(mén)加速和松油門(mén)減速時(shí)，轉(zhuǎn)向更平滑。 4 隨著電子技術(shù)的發(fā)展， EPS 系統(tǒng)技術(shù)日趨完善，并且其成本大幅度降低，為此其應(yīng)用范圍將越來(lái)越大。 早在 20 世紀(jì) 60 年代末，德國(guó) Kasselmann 等試圖將轉(zhuǎn)向盤(pán)與轉(zhuǎn)向車輪之間通過(guò)導(dǎo)線連接（即電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)），但由于當(dāng)時(shí)電子和控制技術(shù)的制約，電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直無(wú)法 在實(shí)車上實(shí)現(xiàn)。奔馳公司于 1990 年開(kāi)始了前輪電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的深入研發(fā)，并將其開(kāi)發(fā)的電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用于概念車 F400Carving 上。世界其他各大汽車廠家、研發(fā)機(jī)構(gòu)（包括 Daimler-Chrysler、寶馬、 ZF、 DELPHI、 TRW等）以及日本的光洋（ Koyo）精工技術(shù)研究所、日本國(guó)立大學(xué)、本田汽車公司等也先后對(duì)汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)做了深入研究。目前許多汽車公司開(kāi)發(fā)了自己的電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，一些國(guó)際著名汽車生產(chǎn)商已在其概念車上安裝了該系統(tǒng)。 日本 Koyo 技術(shù)研究所根據(jù)他們自己的研究試驗(yàn)結(jié)果，利用電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng) 控制的汽車，在摩擦系數(shù)很小的堅(jiān)實(shí)雪地上進(jìn)行蛇行、移線、側(cè)向風(fēng)試驗(yàn) 中基本按照預(yù)定的軌跡行駛，比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在路線跟蹤性能上有較大的提高。在對(duì)開(kāi)路面上進(jìn)行制動(dòng)試驗(yàn)也能基本保證汽車的直線行駛，制動(dòng)距離也大大縮短。 日本大學(xué)和本田汽車公司在汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方面也做了一些理論工作和模擬器試驗(yàn)研究。他們從人 車閉環(huán)系統(tǒng)特性出發(fā)，設(shè)計(jì)了理想的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比，使汽車的穩(wěn)態(tài)增益不隨車速變化，并重點(diǎn)研究了駕駛員角控制特性和力控制特性對(duì)汽車主動(dòng)安全性的影響。 寶馬汽車公司的概念車 BMWZ22，應(yīng)用了 SBWS 和 BBW（ Brake-By-Wire）技術(shù)，轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍減少到了 160，使緊急轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員的忙碌程度得到了很大程度的降低。 目前由于汽車供電系統(tǒng)的因素，轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)難以提供較大功率，現(xiàn)階段電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究以及近期的應(yīng)用對(duì)象主要針對(duì)轎車。要在重型載貨汽車上應(yīng)用，還必須采用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。隨著蓄電池技術(shù)的發(fā)展和 42V 電子設(shè)備在汽車上的應(yīng)用，全電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將應(yīng)用到中型和重型車上。目前， 42V 電源已經(jīng)在一些概念車上得到應(yīng)用，通用的“自主魔力”和 Bertone 的“ FILO”都采用了 42V 電源。 國(guó)內(nèi)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器目前還處于機(jī)械 液壓動(dòng)力 轉(zhuǎn)向階段，對(duì)于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校開(kāi)展了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)建模及動(dòng)力分析等研究，但目前還沒(méi)有實(shí)用的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電子轉(zhuǎn)向 5 系統(tǒng)。 第 2 章 汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理及特點(diǎn) 一 .傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是機(jī)械系統(tǒng)，汽車的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)是由駕駛員操縱方向盤(pán)，通過(guò)轉(zhuǎn)向器和一系列的桿件傳遞到轉(zhuǎn)向車輪而實(shí)現(xiàn)的。普通的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建立在機(jī)械轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上，通常根據(jù)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器形式可以分為：齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式。常用的有兩種是齒輪齒條式和循環(huán)球式 (用于需要 較大的轉(zhuǎn)向力時(shí) )。這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是我們最常見(jiàn)的，目前大部分低端轎車采用的就是齒輪齒條式機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 從上世紀(jì)四十年代起，為減輕駕駛員體力負(fù)擔(dān)，在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了液壓助力系統(tǒng) HPS(hydraulic power steering)，它是建立在機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的，額外增加了一個(gè)液壓系統(tǒng)，一般有油泵、 V 形帶輪、油管、供油裝置、助力裝置和控制閥。由于其工作可靠、技術(shù)成熟至今仍被廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在實(shí)際中應(yīng)用的最多，根據(jù)控制閥形式有轉(zhuǎn)閥式和滑閥式之分。這個(gè)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最重要的新功能是液力支持轉(zhuǎn) 向的運(yùn)動(dòng)，因此可以減少駕駛員作用在方向盤(pán)上的力。 雖然傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作最可靠，但是也存在很多固有的缺點(diǎn)，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于方向盤(pán)和轉(zhuǎn)向車輪之間的機(jī)械連接而產(chǎn)生一些自身無(wú)法避免的缺陷： 汽車的轉(zhuǎn)向特性受駕駛員駕駛技術(shù)的影響嚴(yán)重； 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比固定，使汽車轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性隨車速、側(cè)向加速度等變化而變化，駕駛員必須提前針對(duì)汽車轉(zhuǎn)向特性幅值和相位的變化進(jìn)行一定的操作補(bǔ)償，從而控制汽車按其意愿行駛。這就變相地增加了駕駛員的操縱負(fù)擔(dān)，使汽車轉(zhuǎn)向行駛存在很大的不安全隱患； 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性差，一般轎車每行駛一百公里要 多消耗 0.30.4升的燃料；另外，存在液壓油泄漏問(wèn)題，對(duì)環(huán)境造成污染，在環(huán)保性能被日益強(qiáng)調(diào)的今天，無(wú)疑是一個(gè)明顯的劣勢(shì)。 二 .電液動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 6 近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中越來(lái)越多的采用電子器件。相應(yīng)的就出現(xiàn)了電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電液助力轉(zhuǎn)向可以分為兩大類：電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) EHPS(electro-hydraulic power steering)、電控液壓助力轉(zhuǎn)向 ECHPS(electronically controlled hydraulic power steering)。 EHPS 是在液壓助力系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其特點(diǎn)是原來(lái)有發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的液壓助力泵改由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，取代了由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，節(jié)省了燃油消耗。 ECHPS 是在傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了電控裝置構(gòu)成的。電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性可根據(jù)轉(zhuǎn)向速率、車速等參數(shù)設(shè)計(jì)為可變助力特性，使駕駛員能夠更輕松便捷的操縱汽車。 現(xiàn)代電液動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要通過(guò)車速傳感器將車速傳遞給電子元件，或微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，控制電液轉(zhuǎn)換裝置改變動(dòng)力轉(zhuǎn)向的助力特性，使駕駛員的轉(zhuǎn)向手力根據(jù)車速和行駛條件變化而改變，即在低速行駛或轉(zhuǎn)急彎時(shí)能以很小的轉(zhuǎn)向手 力進(jìn)行操作，在高速行駛時(shí)能以稍重的轉(zhuǎn)向手力進(jìn)行穩(wěn)定操作，使操縱輕便性和穩(wěn)定性達(dá)到最合適的平衡狀態(tài)。 為了保證轉(zhuǎn)向輕便性，要求增大轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比。但是，增大角傳動(dòng)比雖然可以減小轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力，但同時(shí)也造成汽車對(duì)操縱的反應(yīng)減慢，甚至有可能導(dǎo)致駕駛員沒(méi)有能力來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)進(jìn)行緊急避障等轉(zhuǎn)向操作，即不夠“靈”。 機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證汽車在各種行駛條件下將轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力保持在駕駛員能接受的合理范圍內(nèi)，同時(shí)保證適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向靈敏度。但是機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)注定“輕”與“靈”矛盾的存在 (包括變傳動(dòng)比機(jī)械轉(zhuǎn)向器 )， 而 電液助力轉(zhuǎn)向系在一定程度上解決了這一矛盾。 EHPS 相比傳統(tǒng) HPS 降低了能源損耗。但電液動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，不論 ECHPS 還是 EHPS 都與傳統(tǒng)的 HPS 一樣存在液壓油泄漏問(wèn)題。 三 .電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) EPS(Electric Power Steering)把一個(gè)機(jī)械的系統(tǒng)和一個(gè)電控的電動(dòng)馬達(dá)結(jié)合在一起形成的一個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。與液壓系統(tǒng)不同的是，助力改由電機(jī)提供，因此，要有一個(gè)力矩傳感器來(lái)測(cè)量作用在方向盤(pán)上的力矩，由電子控制單元來(lái)計(jì)算所需要的力矩。作用在方向盤(pán)上的力矩曲線由一個(gè)電動(dòng)助 7 力機(jī)來(lái)分配。通過(guò)電 動(dòng)助力提供轉(zhuǎn)向所必須要的力，它通過(guò)一個(gè)減速器作用在轉(zhuǎn)向柱上，根據(jù)助力位置不同分為三種形式。 由于 EPS 改由電機(jī)提供助力，助力大小由電控單元 ECU 實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制，可以較好解決汽車操縱時(shí)輕與靈的矛盾。 第 3 章 EPS 系統(tǒng)的組成原理及分類 3.1 EPS 系統(tǒng)的組成 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在不同車上的結(jié)構(gòu)部件盡管不盡一樣，但其基本原理是一致的。系統(tǒng)通常由轉(zhuǎn)向（轉(zhuǎn)矩）傳感器、電子控制單元、電動(dòng)機(jī)、電磁離合器和減速機(jī)構(gòu)等組成。汽車電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成如圖 1 所示。 3.2 EPS 系統(tǒng)的工作原理 電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是利用電動(dòng)機(jī)作為助力源，根據(jù)轉(zhuǎn)向參數(shù)和車速等，由微機(jī)完成助力工作的，其控制框圖如圖 2 所示。 8 不轉(zhuǎn)向時(shí)，電動(dòng)機(jī)不工作， EP 系統(tǒng)處于 STANDY 狀態(tài)；當(dāng)操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)，裝在轉(zhuǎn)向盤(pán)軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器不斷檢測(cè)轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩，并由此產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，該信號(hào)與車速信號(hào)同時(shí)輸入電子控制器，由控制器中的微機(jī)根據(jù)這些輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，確定助力轉(zhuǎn)矩的大小和方向，即選定電動(dòng)機(jī)的電流和轉(zhuǎn)向，調(diào)整轉(zhuǎn)向的輔助動(dòng)力。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩由電磁離合器通過(guò)減速 機(jī)構(gòu)減速增矩后，加在汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，使之得到一個(gè)與工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。 電子控制電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的核心是一個(gè) 4kBROM和 256kBRAM的 8位微機(jī)。 轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入接口送入微機(jī)，隨著車速的提高，通過(guò)微機(jī)控制相應(yīng)地降低助力電動(dòng)機(jī)電流，以減少助力轉(zhuǎn)矩。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)也被送入微機(jī)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速時(shí)，由于供電不足，助力電動(dòng)機(jī)和離合器不工作。點(diǎn)火開(kāi)關(guān)的通斷（ on/off）信號(hào)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換接口送入微機(jī)，當(dāng)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電動(dòng)機(jī)和離合器不能工作。微機(jī)控制指令經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后送入電動(dòng)機(jī)和離合器 的驅(qū)動(dòng)放大電路中，控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和離合器的結(jié)合。電動(dòng)機(jī)的電流經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大回路、電流表 A、 A/D 轉(zhuǎn)換接口反饋給微機(jī)，將電動(dòng)機(jī)的實(shí)際電流與按微機(jī)指令應(yīng)給的電流相比較，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際電流，使兩者接近一致。 3.3 EPS 系統(tǒng)主要部件的結(jié)構(gòu)及工作原理 EPS 系統(tǒng)主要部件包括扭矩傳感器、電動(dòng)機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)車和電子控制單元等，其各自的工作原理如下： 3.3.1 扭矩傳感器 EPS 系統(tǒng)的傳感器信號(hào)包括轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩信號(hào)、汽車車速信號(hào)、汽車軸重信號(hào)和電機(jī)電流信號(hào)，前三者用于確定助力電機(jī)的助力大小和方向，后者 用于電機(jī)的 9 閉環(huán)控制。這些信號(hào)用來(lái)作為 EPS 系統(tǒng)的輸入信號(hào)，共同決定助力信號(hào)的輸出。因此傳感器信息融合是 EPS 系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。 EPS 系統(tǒng)扭矩傳感器主要有：電阻式轉(zhuǎn)向傳感器、非接觸式電感扭矩傳感器和其他類型傳感器，也有在轉(zhuǎn)向軸位置加一扭桿，通過(guò)測(cè)量扭桿的變型得到扭矩的大小和方向。電阻式轉(zhuǎn)向傳感器實(shí)際上是一個(gè)滑動(dòng)可變電阻器，當(dāng)操縱方向盤(pán)時(shí)，其電阻變化最終經(jīng)電路處理以電流的形式將轉(zhuǎn)矩信號(hào)送至 BCUTM。這種傳感器體積大，易于磨損，在早期 EPS 系統(tǒng)中應(yīng)用較多。隨著非接觸式扭矩傳感器成本的降低，越來(lái)越多的廠商轉(zhuǎn) 而采用這種精度高、體積小且壽命長(zhǎng)的新型傳感器。圖 3 所示 KOYO 公司研制的非接觸式 EPS 系統(tǒng)扭矩傳感器原理圖，該裝置由安裝在輸入軸上的探測(cè)環(huán) 1 和探測(cè)環(huán) 2，安裝在輸入軸上的另一個(gè)探測(cè)環(huán) 1、探測(cè)線圈和補(bǔ)償線圈組成。 當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，扭桿受轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)，由于線圈產(chǎn)生扭矩且線圈固定不動(dòng)，探測(cè)線圈與探測(cè)環(huán)之間的位置發(fā)生變化導(dǎo)致線圈磁阻變化，并最終反映扭矩的變化。 3.3.2 電動(dòng)機(jī) 助力電動(dòng)機(jī)是 EPS 系統(tǒng)的動(dòng)力源，它根據(jù) ECU 輸出的控制指令在不同的工況下輸出不同的助力轉(zhuǎn)矩，對(duì)整個(gè) EPS 系統(tǒng)性能影響很大。因此需要有良好的動(dòng)態(tài)特性、調(diào)速特性和隨動(dòng)特性并易于控制，還要求輸出波動(dòng)小、低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、尺寸小質(zhì)量輕等，因此，常采用無(wú)刷式永磁直流電動(dòng)機(jī)。為改善操縱感、降低噪音和減少震動(dòng)，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外表面開(kāi)出斜槽或螺旋槽，改變定子 10 磁鐵中心處或端部厚度，將定子磁鐵設(shè)計(jì)成不等厚度。隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展，汽車各部件越來(lái)越多的采用 42V 直流電源，因而，面向 42V 直流電的 EPS 系統(tǒng)也逐漸成為汽車技術(shù)研究熱點(diǎn)之一。采用 42V 直流電的 EPS 系統(tǒng)能在較低的輸出電流同時(shí)保證有足夠的輸出功率，既降低系統(tǒng)的 能耗和發(fā)熱，又能改善系統(tǒng)的控制。 3.3.3 電磁離合器 EPS 系統(tǒng)轉(zhuǎn)向助力一般都是在一個(gè)設(shè)定的范圍。當(dāng)車速低于某一特定值時(shí)，系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)向助力，保證轉(zhuǎn)向的輕便性；當(dāng)車速處于兩個(gè)設(shè)定植之間時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止工作，系統(tǒng)處于 STANDY（休眠）狀態(tài)，離合器分離，以切斷輔助動(dòng)力。另外，當(dāng) EPS 系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，離合器應(yīng)自動(dòng)分離，此時(shí)仍可利用手動(dòng)控制轉(zhuǎn)向，保障系統(tǒng)的安全性， EPS 系統(tǒng)中電磁離合器應(yīng)用較多的為單片干式電磁離合器，其工作原理如圖 4 所示。 3.3.4 減速機(jī)構(gòu) 減速機(jī)構(gòu)是 EPS 系統(tǒng)不可缺少的組件，它把電動(dòng)機(jī)的輸出減速放大后再傳遞給執(zhí)行部件。目前實(shí)用的減速機(jī)構(gòu)有多種組合方式，采用較多的為蝸輪蝸桿與轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)組合式，如圖 5 所示，也有的采用兩級(jí)行星齒輪與傳動(dòng)齒輪組合式。裝配有離合器的 EPS 系統(tǒng)多采用蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，裝配在減速機(jī)的一側(cè)。 11 3.3.5 電子控制單元 電子控制單元 ECU 是整個(gè) EPS 系統(tǒng)的控制的核心。它根據(jù)扭矩傳感器、車速傳感器、軸重傳感器以及電動(dòng)機(jī)電流傳感器等輸入信號(hào)，一旦系統(tǒng)某部件工作出現(xiàn)異常， ECU 將控制電磁離合器分離，同時(shí)進(jìn)行 故障診斷分析并輸出顯示故障信號(hào)。 3.4 EPS 系統(tǒng)的分類 根據(jù)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部位的不同，將電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為 3 類：轉(zhuǎn)向軸助力式、轉(zhuǎn)向器小齒輪助力式和齒條助力式。 1.轉(zhuǎn)向軸助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其轉(zhuǎn)矩傳感器、電動(dòng)機(jī)、離合器和轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)組成一體，安裝在轉(zhuǎn)向柱上。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，所測(cè)取的轉(zhuǎn)矩信號(hào)與控制直流電動(dòng)機(jī)助力的響應(yīng)性較好。這種類型一般在轎車上使用。 2.小齒輪助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器、電動(dòng)機(jī)、離合器和轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)仍為一體，只是整體安裝在轉(zhuǎn)向小齒輪處，直接給小齒輪助力，可 獲得較大的轉(zhuǎn)向力。該形式可使各部件布置更方便，但當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)與轉(zhuǎn)向器之間裝有萬(wàn)向傳動(dòng)裝置時(shí)，轉(zhuǎn)矩信號(hào)的取得與助力車輪部分不在同一直線上，其助力控制特性難以保證準(zhǔn)確。 3. 圖 1 為齒條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其轉(zhuǎn)矩傳感器單獨(dú)地安裝在小齒輪處，電動(dòng)機(jī)與轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)一起安裝在小齒輪另一端的齒條處，用以給齒條助力。該類型又根據(jù)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同可分為兩種 :一種是電動(dòng)機(jī)做成中空的。齒條從中穿過(guò)，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)一對(duì)斜齒輪和螺桿螺母?jìng)鲃?dòng)副以及與螺母制成一體的鉸接 12 塊傳給齒條。這種結(jié)構(gòu)是第一代電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由于電動(dòng)機(jī)位于齒條 殼體內(nèi)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，維修也困難。另一種是電動(dòng)機(jī)與齒條的殼體相互獨(dú)立。電動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)另一小齒輪傳給齒條，由于易于制造和維修，成本低，已取代了第一代產(chǎn)品。因?yàn)辇X條由一個(gè)獨(dú)立的齒輪驅(qū)動(dòng)，可給系統(tǒng)較大的助力，主要用于重型汽車。 3.5 EPS 系統(tǒng)的性能及特點(diǎn) 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì)，其技術(shù)已相當(dāng)成熟。但隨著汽車微電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)汽車節(jié)能性和環(huán)保性要求不斷提高，該系統(tǒng)存在的耗能、對(duì)環(huán)境可能造成的污染等固有不足已越來(lái)越明顯，不能完全滿足時(shí)代發(fā)展的要求。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將最新的 電力電子技術(shù)和高性能的電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能顯著改善汽車動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能、提高行駛中駕駛員的舒適性和安全性、減少環(huán)境的污染等。因此，該系統(tǒng)一經(jīng)提出，就受到許多大汽車公司的重視，并進(jìn)行開(kāi)發(fā)和研究，未來(lái)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向?qū)⒊蔀檗D(zhuǎn)向系統(tǒng)主流，與其它轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)突出的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在： a.降低了燃油消耗。液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓油泵，使液壓油不停地流動(dòng)，浪費(fèi)了部分能量。相反電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ EPS 系統(tǒng)）僅在需要轉(zhuǎn)向操作時(shí)才需要電機(jī)提供的能量，該能量可以來(lái)自蓄電池，也可來(lái)自發(fā)動(dòng) 機(jī)。而且 ,能量的消耗與轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)向及當(dāng)前的車速有關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)不轉(zhuǎn)向時(shí)，電機(jī)不工作，需要轉(zhuǎn)向時(shí)，電機(jī)在控制模塊的作用下開(kāi)始工作 ,輸出相應(yīng)大小及方向的轉(zhuǎn)矩以產(chǎn)生助動(dòng)轉(zhuǎn)向力矩，而且，該系統(tǒng)在汽車原地轉(zhuǎn)向時(shí)輸出最大轉(zhuǎn)向力矩，隨著汽車速度的改變，輸出的力矩也跟隨改變。該系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了 按需供能 ，是真正的 按需供能型 （ on-demand）系統(tǒng)。汽車在較冷的冬季起動(dòng)時(shí)，傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)反應(yīng)緩慢，直至液壓油預(yù)熱后才能正常工作。由于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)而且沒(méi)有液壓油管，對(duì)冷天氣不敏感，系統(tǒng)即使在 -40時(shí)也 能工作，所以提供了快速的冷起動(dòng)。由于該系統(tǒng)沒(méi)有起動(dòng)時(shí)的預(yù)熱，節(jié)省了能量。不使用液壓泵，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)的寄生能量損失，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，裝有電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛和裝有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，在不轉(zhuǎn)向情況下，裝有電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛燃油消耗降低 2.5%，在使用轉(zhuǎn)向情況下， 13 燃油消耗降低了 5.5%。 b.增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向跟隨性。在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電動(dòng)助力機(jī)與助力機(jī)構(gòu)直接相連可以使其能量直接用于車輪的轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)利用慣性減振器的作用，使車輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振大大減小。因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力大大增 強(qiáng)和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生于電機(jī)，沒(méi)有液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應(yīng)，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向車輪對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)的跟隨性能。 c.改善了轉(zhuǎn)向回正特性。直到今天，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的發(fā)展已經(jīng)到了極限 ,電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正特性改變了這一切。當(dāng)駕駛員使轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一角度后松開(kāi)時(shí)，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整使車輪回到正中。該系統(tǒng)還可以讓工程師們利用軟件在最大限度內(nèi)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)以獲得最佳的回正特性。從最低車速到最高車速，可得到一簇回正特性曲線。通過(guò)靈活的軟件編程，容易得到電機(jī)在不同車速及不同車況下的轉(zhuǎn)矩特性，這種轉(zhuǎn)矩特性使得該系統(tǒng)能 顯著地提高轉(zhuǎn)向能力，提供了與車輛動(dòng)態(tài)性能相機(jī)匹配的轉(zhuǎn)向回正特性。而在傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)中，要改善這種特性必須改造底盤(pán)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)有一定困難。 d.提高了操縱穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)汽車在高速行駛時(shí)過(guò)度轉(zhuǎn)向的方法測(cè)試汽車的穩(wěn)定特性。采用該方法，給正在高速行駛（ 100km/h）的汽車一個(gè)過(guò)度的轉(zhuǎn)角迫使它側(cè)傾，在短時(shí)間的自回正過(guò)程中，由于采用了微電腦控制，使得汽車具有更高的穩(wěn)定性，駕駛員有更舒適的感覺(jué)。 e.提供可變的轉(zhuǎn)向助力。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向力來(lái)自于電機(jī)。通過(guò)軟件編程和硬件控制，可得到覆蓋整個(gè)車 速的可變轉(zhuǎn)向力?？勺冝D(zhuǎn)向力的大小取決于轉(zhuǎn)向力矩和車速。無(wú)論是停車，低速或高速行駛時(shí)，它都能提供可靠的，可控性好的感覺(jué)，而且更易于車場(chǎng)操作。對(duì)于傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，可變轉(zhuǎn)向力矩獲得非常困難而且費(fèi)用很高，要想獲得可變轉(zhuǎn)向力矩，必須增加額外的控制器和其它硬件。但在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，可變轉(zhuǎn)向力矩通常寫(xiě)入控制模塊中，通過(guò)對(duì)軟件的重新編寫(xiě)就可獲得，并且所需費(fèi)用很小。 f.采用 綠色能源 ，適應(yīng)現(xiàn)代汽車的要求。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用 最干凈 的電力作為能源，完全取締了液壓裝置，不存在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中液態(tài)油的泄漏問(wèn)題， 可以說(shuō)該系統(tǒng)順應(yīng)了 綠色化 的時(shí)代趨勢(shì)。該系統(tǒng)由于它沒(méi)有液壓油，沒(méi)有軟管、油泵和密封件，避免了污染。而液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油管使用的聚合物不能 14 回收，易對(duì)環(huán)境造成污染。 g.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小，布置方便，性能優(yōu)越。由于該系統(tǒng)具有良好的模塊化設(shè)計(jì)，所以不需要對(duì)不同的系統(tǒng)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、加工等 ,不但節(jié)省了費(fèi)用，也為設(shè)計(jì)不同的系統(tǒng)提供了極大的靈活性，而且更易于生產(chǎn)線裝配。由于沒(méi)有油泵、油管和發(fā)動(dòng)機(jī)上的皮帶輪，使得工程師們?cè)O(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)有更大的余地，而且該系統(tǒng)的控制模塊可以和齒輪齒條設(shè)計(jì)在一起或單獨(dú)設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī) 部件的空間利用率極高。該系統(tǒng)省去了裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上皮帶輪和油泵，留出的空間可以用于