EPS電動助力轉向系統(tǒng)結構原理

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上綜 述 電動助力轉向系統(tǒng)EPS(electripowersteering)是一種直接依靠電機提供輔助扭矩的動力轉向系統(tǒng),與傳統(tǒng)的液壓助力轉向系統(tǒng)HPS(hydraulicpowersteering)相比,EPS系統(tǒng)具有很多優(yōu)點：僅在需要轉向時才啟動電機產(chǎn)生助力,能減少發(fā)動機燃油消耗；能在各種行駛工況下提供最佳助力，減小由路面不平所引起電動機的輸出轉矩通過傳動裝置的作用而助力向系的擾動，改善汽車的轉向特性,提高汽車的主動安全性；沒有液壓回路,調(diào)整和檢測更容易,裝配自動化程度更高,且可通過設置不同的程序，快速與不同車型匹配,縮短生產(chǎn)和開發(fā)周期；不存在漏油問題,減小對環(huán)境的

2、污染。      EPS系統(tǒng)是未來動力轉向系統(tǒng)的一個發(fā)展趨勢。 EPS結構圖  EPS主要由扭矩傳感器、車速傳感器、電動機、減速機構和電子控制單元(ECU)等組成。通過傳感器探測司機在轉向操作時方向盤產(chǎn)生的扭矩或轉角的大小和方向，并將所需信息轉化成數(shù)字信號輸入控制單元,再由控制單元對這些信號進行運算后得到一個與行駛工況相適應的力矩,最后發(fā)出指令驅動電動機工作，電動機的輸出轉矩通過傳動裝置的作用而助力。因此扭矩傳感器是EPS系統(tǒng)中最重要的器件之一。扭矩傳感器的種類有很多，主要有電位計式扭矩傳感器、金屬電阻應變片的扭矩傳感器、非

3、接觸式扭矩傳感器等，隨技術的進步將會有精度更高、成本更低的傳感器出現(xiàn)。第1章 汽車助力轉向系統(tǒng)的歷史發(fā)展概況在汽車的發(fā)展歷程中，轉向系統(tǒng)經(jīng)歷了四個發(fā)展階段：從最初的機械式轉向系統(tǒng)（Manual Steering，簡稱MS）發(fā)展為液壓助力轉向系統(tǒng)（Hydraulic Power Steering，簡稱HPS），然后又出現(xiàn)了電控液壓助力轉向系統(tǒng)（Electro Hydraulic Power Steering，簡稱EHPS）和電動助力轉向系統(tǒng)（Electric Power Steering，簡稱EPS）。裝配機械式轉向系統(tǒng)的汽車，在泊車和低速行駛時駕駛員的轉向操縱負擔過于沉重，為了解決這個問題，美

4、國公司在20世紀50年代率先在轎車上采用了液壓助力轉向系統(tǒng)。但是，液壓助力轉向系統(tǒng)無法兼顧車輛低速時的轉向輕便性和高速時的轉向穩(wěn)定性，因此在1983年日本公司推出了具備車速感應功能的電控液壓助力轉向系統(tǒng)。這種新型的轉向系統(tǒng)可以隨著車速的升高提供逐漸減小的轉向助力，但是結構復雜、造價較高，而且無法克服液壓系統(tǒng)自身所具有的許多缺點，是一種介于液壓助力轉向和電動助力轉向之間的過渡產(chǎn)品。到了1988年，日本公司首先在小型轎車Cervo上配備了Koyo公司研發(fā)的轉向柱助力式電動助力轉向系統(tǒng)；1990年，日本公司也在運動型轎車NSX上采用了自主研發(fā)的齒條助力式電動助力轉向系統(tǒng)，從此揭開了電動助力轉向在汽車

5、上應用的歷史。第2章 EPS系統(tǒng)的組成原理及分類2.1 EPS系統(tǒng)的分類 根據(jù)電動機驅動部位的不同，將電動助力轉向系統(tǒng)分為3類：轉向軸助力式、轉向器小齒輪助力式和齒條助力式。 1.轉向軸助力式轉向系統(tǒng)。其轉矩傳感器、電動機、離合器和轉向助力機構組成一體，安裝在轉向柱上。其特點是結構緊湊，所測取的轉矩信號與控制直流電動機助力的響應性較好。這種類型一般在轎車上使用。 2.小齒輪助力式轉向系統(tǒng)的轉矩傳感器、電動機、離合器和轉向助力機構仍為一體，只是整體安裝在轉向小齒輪處，直接給小齒輪助力，可獲得較大的轉向力。該形式可使各部件布置更方便，但當轉向盤與轉向器之間裝有萬向傳動裝置時，轉矩信號的取得與助力車

6、輪部分不在同一直線上，其助力控制特性難以保證準確。3. 圖1為齒條助力式轉向系統(tǒng)。其轉矩傳感器單獨地安裝在小齒輪處，電動機與轉向助力機構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)減速傳動機構的不同可分為兩種:一種是電動機做成中空的。齒條從中穿過，電動機的動力經(jīng)一對斜齒輪和螺桿螺母傳動副以及與螺母制成一體的鉸接塊傳給齒條。這種結構是第一代電動助力轉向系統(tǒng)，由于電動機位于齒條殼體內(nèi)，結構復雜，價格高，維修也困難。另一種是電動機與齒條的殼體相互獨立。電動機動力經(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。因為齒條由一個獨立的齒輪驅動，可給系統(tǒng)較大的助力，主要

7、用于重型汽車。4. 電動助力轉向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉向機構的基礎上發(fā)展起來的。此轉向系統(tǒng)在不同車上的結構部件盡管不盡一樣，但其基本原理是一致的。系統(tǒng)通常由轉向（轉矩）傳感器、電子控制單元、電動機、電磁離合器和減速機構等組成。汽車電子控制動力轉向系統(tǒng)的組成如圖1所示。2.2 EPS系統(tǒng)的組成 電動助力轉向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉向機構的基礎上發(fā)展起來的。此轉向系統(tǒng)不同車上的結構部件盡管不盡一樣，但其基本原理是一致的。系統(tǒng)通常由轉向（轉矩）傳感器、電子控制單元、電動機、電磁離合器和減速機構等組成。汽車電子控制動力轉向系統(tǒng)的組成如圖1所示。 2.3 EPS系統(tǒng)的工作原理電子控制動力轉向系統(tǒng)是利用電動機作為助

8、力源，根據(jù)轉向參數(shù)和車速等，由微機完成助力工作的，其控制框圖如圖2所示。 不轉向時，電動機不工作，EP系統(tǒng)處于STANDY狀態(tài)；當操縱轉向盤時，裝在轉向盤軸上的轉矩傳感器不斷檢測轉向軸上的轉矩，并由此產(chǎn)生一個電壓信號，該信號與車速信號同時輸入電子控制器，由控制器中的微機根據(jù)這些輸入信號進行運算處理，確定助力轉矩的大小和方向，即選定電動機的電流和轉向，調(diào)整轉向的輔助動力。電動機的轉矩由電磁離合器通過減速機構減速增矩后，加在汽車的轉向機構上，使之得到一個與工況相適應的轉向作用力。電子控制電動助力轉向控制系統(tǒng)的核心是一個4kBROM和256kBRAM的8位微機。轉向盤轉矩信號和車速信號經(jīng)過輸入接口送

9、入微機，隨著車速的提高，通過微機控制相應地降低助力電動機電流，以減少助力轉矩。發(fā)動機轉速信號也被送入微機，當發(fā)動機處于怠速時，由于供電不足，助力電動機和離合器不工作。點火開關的通斷（on/off）信號經(jīng)A/D轉換接口送入微機，當點火開關斷開時，電動機和離合器不能工作。微機控制指令經(jīng)D/A轉換后送入電動機和離合器的驅動放大電路中，控制電動機的旋轉方向和離合器的結合。電動機的電流經(jīng)驅動放大回路、電流表A、A/D轉換接口反饋給微機，將電動機的實際電流與按微機指令應給的電流相比較，調(diào)節(jié)電動機的實際電流，使兩者接近一致。2.3 EPS系統(tǒng)主要部件的結構及工作原理EPS系統(tǒng)主要部件包括扭矩傳感器、電動機、

10、電磁離合器、減速機構車和電子控制單元等，其各自的工作原理如下：2.3.1 扭矩傳感器EPS系統(tǒng)的傳感器信號包括轉向盤轉矩信號、汽車車速信號、汽車軸重信號和電機電流信號，前三者用于確定助力電機的助力大小和方向，后者用于電機的閉環(huán)控制。這些信號用來作為EPS系統(tǒng)的輸入信號，共同決定助力信號的輸出。因此傳感器信息融合是EPS系統(tǒng)中的關鍵技術之一。EPS系統(tǒng)扭矩傳感器主要有：電位計式扭矩傳感器電、金屬電阻應變片的扭矩傳感器、非接觸式電感扭矩傳感器和其他類型傳感器。1 電位計式扭矩傳感器 電位計式扭矩傳感器主要可以分為旋臂式、雙級行星齒輪式、扭桿式。其中扭桿式測量結構簡單、可靠性能相對比較高，在早期應用

11、比較多。 EPS中扭桿式扭矩傳感器的結構、原理 扭桿式扭矩傳感器主要由扭桿彈簧、轉角-位移變換器、電位計組成。扭桿彈簧主要作用是檢測司機作用在方向盤上的扭矩，并將其轉化成相應的轉角值。轉角-位移變換器是一對螺旋機構，將扭桿彈簧兩端的相對轉角轉化為滑動套的軸向位移，由剛球、螺旋槽和滑塊組成。滑塊相對于輸入軸可以在螺旋方向上移動，同時滑塊通過一個銷安裝到輸出軸上，可以相對于輸出軸在垂直方向上移動。因此，當輸入軸相對于輸出軸轉動時，滑塊按照輸入軸的旋轉方向和相對于輸出軸的旋轉量，垂直移動。當轉動方向盤的時候，鈕矩被傳遞到扭力桿，輸入軸相對于輸出軸方向出現(xiàn)偏差。該偏差是滑塊出現(xiàn)移動，這些軸方向的移動轉

12、化為電位計的杠桿旋轉角度，滑動觸點在電阻線上的移動使電位計的電阻值隨之變化，電阻的變化通過電位計轉化為電壓。這樣扭矩信號就轉化為了電壓信號。2 扭桿式扭矩傳感器 扭桿是整個扭桿扭矩傳感器的重要部件，因而扭桿式扭矩傳感器的設計關鍵是扭桿的設計。扭桿通過細齒形漸開線花鍵和方向盤軸連接，另外的一端通過徑向銷（直徑D）與轉向輸出軸連接，基本結構如圖3所示。 圖3 圓柱截面扭桿結構圖扭桿細齒形漸開線花鍵端部結構外直徑d0=(1.15-1.25)d,長度L=（0.5-0.7）d，為了避免過大的應力集中，采用過度圓角時，半徑R=（3-5）d，扭桿的有效長度為l，d為扭桿有效長度的直徑。扭桿的扭轉剛度k是扭桿

13、的一個重要的物理量，可以參照下面的公式計算。當其受到扭矩的時候，其扭轉的切應力和變形角分別為：其扭轉剛度為：其中d-扭桿直徑，有效長度，Ip慣性矩，Zi抗扭截面系數(shù)扭桿式扭矩傳感器在早期的EPS中應用比較多，但由于是接觸式的，工作時產(chǎn)生的摩擦使其易磨損，影響其精度，將會被逐步淘汰。3、金屬電阻應變片的扭矩傳感器傳感器扭矩測量采用應變電測技術。在彈性軸上粘貼應變計組成測量電橋，當彈性軸受扭矩產(chǎn)生微小變形后引起電橋電阻值變化，應變電橋電阻的變化轉變?yōu)殡娦盘柕淖兓瘡亩鴮崿F(xiàn)扭矩測量。傳感器就完成如下的信息轉換： 傳感器由彈性軸、測量電橋、儀器用放大器、接口電路組成。彈性軸是敏感元件，在45度和135度

14、的方向上產(chǎn)生最大壓應力和拉應力，這個時候承受的主應力和剪應力相等，其計算公式為： 式中主應力，此時與相等 p-軸截面極矩 測量電橋可以采用半導體電阻應變片，并將它們接成差動全橋,其輸出電壓正比于扭轉軸所受的扭矩。應變片的電阻R1=R2=R3=R4R0,可以得到下面的式子： 軸材料的彈性模量 u電橋的供電電壓 S電阻應變片的靈敏度系數(shù) 放大電路采用儀器用放大電路，它由專用儀器用放大電路構成，也有三只單運放電路組合而成，放大倍數(shù)為K，放大后的電壓為： 為了使一起具有高精度，必須使靈敏度系數(shù)為常數(shù)。 在金屬電阻應變片的扭矩傳感器中，需要解決的技術關鍵是： (1)、彈性軸的工作區(qū)域不應該大于彈性區(qū)域的

15、1/3，且取初始段。為了將遲滯誤差減低到最底，按照超載能力指數(shù)選取最大的軸徑。 (2)、采用LM型硅擴散力敏全橋應變片，較好的敏感性，很小的非線形度 (3)、采用高精度的穩(wěn)壓電源。4非接觸式扭距傳感器圖4 非接觸式扭矩傳感器結構如圖4所示為非接觸式扭矩傳感器的典型結構。輸入軸和輸出軸由扭桿連接起來，輸入軸上有花鍵，輸出軸上有鍵槽。當扭桿受方向盤的轉動力矩作用發(fā)生扭轉時，輸入軸上的花鍵和輸出軸上鍵槽之間的相對位置就被改變了。花鍵和鍵槽的相對位移改變量等于扭轉桿的扭轉量，使得花鍵上的磁感強度改變，磁感強度的變化，通過線圈轉化為電壓信號。信號的高頻部分由檢測電路濾波，僅有扭矩信號部分被放大。非接觸扭

16、矩傳感器由于采用的是非接觸的工作方式，因而壽命長、可靠性高，不易受到磨損、有更小的延時、受軸的偏轉和軸向偏移的影響更小，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于轎車和輕型車中，是EPS傳感器的主流產(chǎn)品。5、其它扭矩傳感器如圖5所示為相位差傳感方式來檢測扭矩的扭矩傳感器的結構和測量原理圖，這種傳感器具有高精度，高重復性的特點。其測量原理為：在受扭軸的兩端各安上一個齒輪，對著齒面再各裝一個電磁傳感器，從傳感器上就能感應出兩個與動力軸非接觸的交流信號。取出其信號的相位差，在這兩個相位差之間，插入由晶體震蕩器產(chǎn)生的高精度，高穩(wěn)定的時鐘信號。以這個時鐘信號為基準，巧妙運用數(shù)字信號處理技術就能精確地測出所承受的扭矩。圖52.3.

17、2 電磁離合器電磁離合器的結構如圖6-19所示，主要由電磁線圈、主動輪、從動軸、壓板等組成。工作時，電流通過滑環(huán)進入電磁線圈，主動輪便產(chǎn)生電磁吸力，帶花鍵的壓板就被吸引，并與主動輪壓緊，于是電動機的輸出轉矩便經(jīng)過輸出軸主動輪壓板花鍵從動軸，傳遞給執(zhí)行機構 (蝸輪蝸桿減速機構)。電磁離合器可保證電動助力只有在預定的車速范圍內(nèi)起作用。當汽車行駛速度超過系統(tǒng)限定的最大值時，電磁離合器便切斷電動機的電源，使電動機停轉，離合器分離，不起傳遞轉向助力的作用。另外，在不傳遞助力的情況下，離合器還能消除電動機的慣性對轉向的影響；當該動力轉向系統(tǒng)發(fā)生故障時，離合器還會自動分離，此時又可恢復手動控制轉向。圖 6

18、電磁離合器 1-滑環(huán)電 2-磁離合器 3-壓板 4-花鍵 5-從動軸6-主動輪 7-球軸承2.3.3 助力電機及減速器的結構與工作原理在轉向器中部柱管內(nèi)壁，安裝有助力電機及減速器(如圖2所示)。助力電機為無電刷的三相交流電機，定子線圈為三相雙星形連接(如圖5所示)，電機轉子是強永磁式的。此電機設計的轉動慣量較小，便于汽車行駛時靈活的變轉向操作。該電機的改變旋轉方向極方便，只是將三相電源任意兩相間進行換接即能實現(xiàn)迅速的轉向助力操作。而且此電機具有低噪聲、高轉矩的特點，能克服行駛各種道路時的轉向阻力，進行靈活轉向操作 減速機構是EPS系統(tǒng)不可缺少的組件，它把電動機的輸出減速放大后再傳遞給執(zhí)行部件。

19、目前實用的減速機構有多種組合方式，采用較多的為蝸輪蝸桿與轉向軸驅動組合式，如圖5所示，也有的采用兩級行星齒輪與傳動齒輪組合式。裝配有離合器的EPS系統(tǒng)多采用蝸輪蝸桿減速機構，裝配在減速機的一側。 圖7 減速機構 1-轉矩傳感器 2-控制臂 3-輸入軸 4-扭桿 5-滑塊 6球槽 7-滑環(huán) 8-鋼球9-渦輪10-蝸桿 11-電磁離合器 12-電動機2.3.4 轉角傳感器的結構與工作原理該傳感器屬于電磁感應式傳感器，能將轉向電機的轉向角度信號輸出到控制單元。這個傳感器轉子為凸極式，轉子與電機轉子是連成一體的。定子線圈呈圓環(huán)狀，套在轉子外，通過電磁感應原理，檢測出轉子的轉角。在拆檢時不能單獨取下此轉

20、角傳感器，只能通過解體轉向器總成時，才能拆檢。但可通過定子上的電路接插件進行檢測。轉向控制單元安裝在蓄電池的下方，除有處理傳感器信號功能外，控制單元還有提升蓄電池電壓、逆變?yōu)槿嚯娏麟姷墓δ堋Ｒ嗫s短了控制單元與動力轉向機總成之間的電纜長度，可減小線路的電壓降。2.3.5 電子控制單元如圖8所示，工作時，轉向轉矩和轉向角信號經(jīng)過A/D轉換器被輸入到中央處理器 (CPU)，中央處理器根據(jù)這些信號和車速計算出最優(yōu)化的助力轉矩。ECU把己計算出來的參數(shù)值作為電流命令值送到D/A轉換器并轉換為模擬量，再將其輸入到電流控制電路；電流控制電路把來自微處理器的電流命令值同電動機電流的實際值進行比較，產(chǎn)生一個差

21、值信號。該差值信號被送到驅動電路，該電路可驅動動力裝置并向電動機提供控制電流。也即當轉矩傳感器和轉向角傳感器的信號經(jīng)A/D轉換器處理后，微處理器就在其內(nèi)存中尋找與該信號相匹配的電動機電流值，然后將此值輸送給D/A轉換器進行數(shù)字模擬轉換，處理后的模擬信號再送給限流器，由限流器來決定電動機驅動電路電流值的大小。微處理器同時給電動機驅動電路輸出另一個信號，即決定電動機(左轉或右轉)的轉動方向。圖8 ECU工作原理圖2.4 EPS系統(tǒng)的性能及特點一、較高的性能價格比本公司所生產(chǎn)的EPSCN050A系統(tǒng)在硬件結構上；控制策略以及各項技術指標均已達到或超過國外同類EPS產(chǎn)品；但在售價方面只是國外同類產(chǎn)品的

22、60，因此可以降低汽車生產(chǎn)廠商的成本，以提高競爭力。二、本系統(tǒng)有效提高整車行駛的穩(wěn)定性由于本系統(tǒng)控制裝置ECU內(nèi)部設有微處理器，可以根據(jù)車速的大小，決定輔助力矩的輸出值。使得車在低速時提供較大的附加轉向力矩，而在高速時提供較小的附加轉向力矩，使駕駛員感到在低速時轉向輕便，而在高速時轉向不發(fā)飄。三、與液壓助力轉向系統(tǒng)（HPS）相比，EPS系統(tǒng)具有如下特點，(1)效率高 HPS系統(tǒng)為機械和液壓連接，效率較低，一般為6070%；而EPS系統(tǒng)為機械和電氣連接，效率較高，有的可高達90%以上。(2)能耗少汽車在實際行駛過程中，處于轉向狀態(tài)的時間約占總行駛時間的5%。對于HPS系統(tǒng)，發(fā)動機運轉時，油泵始終

23、在工作、油液一直在管路中循環(huán)，從而使轎車燃油消耗增加4-6%；而EPS系統(tǒng)僅在需要轉向時，才啟動電機產(chǎn)生助力，因此，轎車裝用EPS系統(tǒng)比裝用HPS系統(tǒng)燃油消耗可減少3.5-5.5%。(3)助力特性可通過軟件進行調(diào)整由于EPS系統(tǒng)集成了電子控制系統(tǒng)，所以其助力特性可以通過軟件進行調(diào)節(jié)。在進行整車匹配時，不用對機械參數(shù)進行修改，直接可以通過軟件調(diào)整助力特性，簡化了整車匹配工作。(4)回正性好EPS系統(tǒng)結構簡單，內(nèi)部阻力小，回正性好，從而可得到最佳的轉向回正特性，且可改善汽車的操縱穩(wěn)定性。(5)對環(huán)境污染少HPS系統(tǒng)的液壓回路中有液壓軟管和接頭，存在油液泄漏問題，而且液壓軟管是不可回收的，對環(huán)境有一

24、定的污染；EPS系統(tǒng)中，沒有不可回收的油管，也沒有油液泄漏問題，對環(huán)境幾乎沒有污染。(6)可以獨立于發(fā)動機工作傳統(tǒng)的HPS系統(tǒng)以發(fā)動機為動力源，當發(fā)動機熄火或轉速較低時，便不能產(chǎn)生助力或助力不足，造成轉向困難；而EPS系統(tǒng)以電池為能源，以電機為動力元件，只要電池電量充足，不論發(fā)動機處于何種工作狀態(tài)，都可以產(chǎn)生助力。(7)應用范圍廣EPS系統(tǒng)可適用于各種汽車,目前主要用于轎車和輕型載貨汽車;而對于環(huán)保型純電動汽車,由于沒有發(fā)動機，因此EPS系統(tǒng)為其最佳選擇。(8) 結構簡單沒有液力轉向泵、油管、油罐、慮清器等機構,節(jié)省安裝空間,便于整車設計布置。(9)裝配性好HPS系統(tǒng)中，轉向油泵與機械式轉向裝

25、置相互分離，裝配時不僅要安裝油泵、支架、油管、接頭等，而且還需要排氣；而EPS系統(tǒng)元件數(shù)目少且為模塊化結構，安裝方便、省時；在裝配線上，安裝HPS系統(tǒng)約需36分鐘，而安裝EPS系統(tǒng)僅需要56分鐘。 總 結電動助力轉向系統(tǒng)的最終發(fā)展趨勢在以下幾個方面。1.改善控制系統(tǒng)性能、減小控制單元和驅動單元的體積及降低控制系統(tǒng)的制造成本，使之更好地與不同檔次汽車相適應。如改進電動機控制技術，消除由于電動機慣性大、摩擦力所帶來的轉向路感不足等缺點，使電動助力轉向系統(tǒng)也能應用于重型載貨汽車上。2.實現(xiàn)電動助力轉向系統(tǒng)控制單元與汽車上其他控制單元的通訊聯(lián)系，以實現(xiàn)整車電子控制系統(tǒng)一體化。3.將根據(jù)車速、轉矩、轉向角、轉向速度、橫向加速度、前軸重力等多種信號進行與汽車特性相吻合的綜合控制，以獲得更好的轉向路感。4.提高系統(tǒng)的可靠性。這應從提高系統(tǒng)各部件的可靠性入手，如采用非接觸式轉矩傳感器。5.提高系統(tǒng)的安全性。采用取消轉向盤的EPS系統(tǒng)后，駕駛室有更大的空間用于布置被動安全部件，減少了危險發(fā)生時對乘員的傷害。電動轉向技術由于其技