汽车电动助力转向系统特点与应用

引言…………………………………………………………………………………第1章汽车动力转向系统的历史发展概况……………………………………第2章汽车动力转向系统的原理及特点………………………………………第3章EPS系统的组成原理及分类……………………………………………3.1 EPS系统的组成……………………………………………………3.2 EPS系统的工作原理………………………………………………3.3 EPS系统主要部件的结构及工作原理……………………………3.4 EPS系统的分类……………………………………………………3.5 EPS系统的性能及特点……………………………………………第4章 EPS系统的发展趋势……………………………………………………近年来，随着电子技术的迅速发展，电子技术在汽车上的应用范围不断扩大。

汽车转向系统中愈来愈多的采用电子器件，汽车转向系统已从简单的纯机械式转向系统、液压动力转向系统（HydraulicPowerSteering，简称HPS）、电动液压助力转向系统（ElectricHydraulicPowerSteering，简称EHPS）和电控液压助力转向系统（ElecticallControlledHydraulicPowerSteering,简称ECHPS）发展到如今的更为节能及操纵性能更为优越的电动助力转向系统（ElectricalPow erSteering，简称EPS系统）。

EHPS和ECHPS系统等助力系统在汽车上的采用，改善了汽车转向力的控制特性，降低了驾驶员的转向负担，然而汽车转向系统始终处于液压机械传动阶段，EHPS相比传统HPS降低了能源损耗。

但电液动力转向系统，不论ECHPS还是EHPS都与传统的HPS一样存在液压油泄漏问题。

EPS 系统是新一代的助力转向系统，其性能特点与优势是电液动力转向系统所不能比拟的。

如果转向盘与转向轮通过控制信号连接，即采用电子转向系统（Steerin g-By-WireSystem，简称SBWS），转向盘转角和汽车前轮转角之间关系（汽车转向的角传递特性）的设计可以得到改善，但由于当今科学技术的限制，电子转向系统只被安装在国际著名汽车生产商所生产的概念车上。

本文综述了电动助力转向技术的发展、原理，并探讨了该项技术的发展趋势。

第1章汽车电动助力转向系统的历史发展概况自1953年通用汽车公司在凯迪拉克和别克轿车上首次批量使用液压动力转向系统以来，液压动力转向系统给汽车的发展带来了巨大的变化，使驾驶员的转向操纵力大大降低，转向的灵敏性得到了提高。

随着生产技术的发展，动力转向系统在体积、价格和所消耗的功率等方面都取得了惊人的进步。

在20世纪80年代后期，又开发了变减速比、电控液压动力转向系统。

但是动力转向系统的技术革新都是基于液压动力转向系统的，无法消除液压动力转向系统在布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面的缺陷。

直到1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，才真正摆脱了液压动力转向系统的束缚。

此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。

日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的Delphi公司，英国的Lueas公司，德国的ZF公司，都研制出了各自的EPS 系统。

如大发汽车公司在其Mira车上装备了EPS系统，三菱汽车公司在其Mini ca车上装备了EPS系统，本田汽车公司在Accord车上装备了EPS系统。

Delphi 公司已经为大众的Polo、菲亚特Punto开发出EPS系统。

本田还在其AcuraNXS 赛车上装备了EPS系统。

EPS系统的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。

日本早期开发的EPS系统仅仅在低速和停车时提供助力，高速时EPS系统将停止工作。

新一代的EPS系统则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。

如日本铃木公司装备在Wag on车上的EPS系统是一个负载-路面-车速感应型助力转向系统[4]。

由Delphi 公司为Funte车开发的EPS系统为全范围助力型，并且设置了两个开关，其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。

当车速大于70km/h后，这两种开关设置的程序则是一样的，以保证汽车在高速时有合适的路感，这样即使汽车行驶到高速公路时驾驶员忘记切换开关也不会发生危险。

市区型开关还与油门有关，使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更平滑。

随着电子技术的发展，EPS系统技术日趋完善，并且其成本大幅度降低，为此其应用范围将越来越大。

早在20世纪60年代末，德国Kasselmann等试图将转向盘与转向车轮之间通过导线连接（即电子转向系统），但由于当时电子和控制技术的制约，电子转向系统一直无法在实车上实现。

奔驰公司于1990年开始了前轮电子转向系统的深入研发，并将其开发的电子转向系统应用于概念车F400Carving上。

世界其他各大汽车厂家、研发机构（包括Daimler-Chrysler、宝马、ZF、DELPHI、TRW 等）以及日本的光洋（Koyo）精工技术研究所、日本国立大学、本田汽车公司等也先后对汽车电子转向系统做了深入研究。

目前许多汽车公司开发了自己的电子转向系统，一些国际著名汽车生产商已在其概念车上安装了该系统。

日本Koyo技术研究所根据他们自己的研究试验结果，利用电子转向系统进行主动控制的汽车，在摩擦系数很小的坚实雪地上进行蛇行、移线、侧向风试验中基本按照预定的轨迹行驶，比传统转向系统在路线跟踪性能上有较大的提高。

在对开路面上进行制动试验也能基本保证汽车的直线行驶，制动距离也大大缩短。

日本大学和本田汽车公司在汽车电子转向系统方面也做了一些理论工作和模拟器试验研究。

他们从人—车闭环系统特性出发，设计了理想的转向系统传动比，使汽车的稳态增益不随车速变化，并重点研究了驾驶员角控制特性和力控制特性对汽车主动安全性的影响。

宝马汽车公司的概念车BMWZ22，应用了SBWS和BBW（Brake-By-Wire）技术，转向盘的转动范围减少到了160°，使紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到了很大程度的降低。

目前由于汽车供电系统的因素，转向电动机难以提供较大功率，现阶段电子转向系统的研究以及近期的应用对象主要针对轿车。

要在重型载货汽车上应用，还必须采用液压执行机构。

随着蓄电池技术的发展和42V电子设备在汽车上的应用，全电子转向系统将应用到中型和重型车上。

目前，42V电源已经在一些概念车上得到应用，通用的“自主魔力”和Bertone的“FILO”都采用了42V电源。

国内动力转向器目前还处于机械—液压动力转向阶段，对于电动助力转向系统，清华大学、北京理工大学、华南理工大学等高校开展了系统结构方案设计和系统建模及动力分析等研究，但目前还没有实用的电动助力转向系统和电子转向系统。

第2章汽车动力转向系统的原理及特点一.传统转向系统传统的汽车转向系统是机械系统，汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。

普通的转向系统建立在机械转向的基础上，通常根据机械式转向器形式可以分为：齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。

常用的有两种是齿轮齿条式和循环球式(用于需要较大的转向力时)。

这种转向系统是我们最常见的，目前大部分低端轿车采用的就是齿轮齿条式机械转向系统。

从上世纪四十年代起，为减轻驾驶员体力负担，在机械转向系统基础上增加了液压助力系统HPS(hydraulic power steering)，它是建立在机械系统的基础之上的，额外增加了一个液压系统，一般有油泵、V形带轮、油管、供油装置、助力装置和控制阀。

由于其工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。

现在液压助力转向系统在实际中应用的最多，根据控制阀形式有转阀式和滑阀式之分。

这个助力转向系统最重要的新功能是液力支持转向的运动，因此可以减少驾驶员作用在方向盘上的力。

虽然传统转向系统工作最可靠，但是也存在很多固有的缺点，传统转向系统由于方向盘和转向车轮之间的机械连接而产生一些自身无法避免的缺陷：①汽车的转向特性受驾驶员驾驶技术的影响严重；②转向传动比固定，使汽车转向响应特性随车速、侧向加速度等变化而变化，驾驶员必须提前针对汽车转向特性幅值和相位的变化进行一定的操作补偿，从而控制汽车按其意愿行驶。

这就变相地增加了驾驶员的操纵负担，使汽车转向行驶存在很大的不安全隐患；③液压助力转向系统经济性差，一般轿车每行驶一百公里要多消耗0.3~0.4升的燃料；另外，存在液压油泄漏问题，对环境造成污染，在环保性能被日益强调的今天，无疑是一个明显的劣势。

二.电液动力转向系统近年来，随着电子技术的不断发展，转向系统中越来越多的采用电子器件。

相应的就出现了电液助力转向系统。

电液助力转向可以分为两大类：电动液压助力转向系统EHPS(electro-hydraulic power steering)、电控液压助力转向EC HPS(electronically controlled hydraulic power steering)。

EHPS是在液压助力系统基础上发展起来的，其特点是原来有发动机带动的液压助力泵改由电机驱动，取代了由发动机驱动的方式，节省了燃油消耗。

ECHPS是在传统的液压助力转向系统的基础上增加了电控装置构成的。

电液助力转向系统的助力特性可根据转向速率、车速等参数设计为可变助力特性，使驾驶员能够更轻松便捷的操纵汽车。

现代电液动力转向系统主要通过车速传感器将车速传递给电子元件，或微型计算机系统，控制电液转换装置改变动力转向的助力特性，使驾驶员的转向手力根据车速和行驶条件变化而改变，即在低速行驶或转急弯时能以很小的转向手力进行操作，在高速行驶时能以稍重的转向手力进行稳定操作，使操纵轻便性和稳定性达到最合适的平衡状态。

为了保证转向轻便性，要求增大转向器的传动比。

但是，增大角传动比虽然可以减小转向盘上的手力，但同时也造成汽车对操纵的反应减慢，甚至有可能导致驾驶员没有能力来转动转向盘进行紧急避障等转向操作，即不够“灵”。

机械式转向器的设计目标是保证汽车在各种行驶条件下将转向盘上的手力保持在驾驶员能接受的合理范围内，同时保证适当的转向灵敏度。

但是机械式转向器的结构特点注定“轻”与“灵”矛盾的存在(包括变传动比机械转向器)，而电液助力转向系在一定程度上解决了这一矛盾。

EHPS相比传统HPS降低了能源损耗。

但电液动力转向系统，不论ECHPS还是EHPS都与传统的HPS一样存在液压油泄漏问题。

三.电动助力转向系统电动助力转向系统EPS(Electric Power Steering)把一个机械的系统和一个电控的电动马达结合在一起形成的一个动力转向系统。