汽车电动助力转向系统结构及其工作原理分析

本科毕业（设计）论文

（2012届）

题目汽车电动助力转向系统结构及其工作原理分析教学院系机械与交通学院专业车辆工程学生姓名

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2012年6月3日

汽车电动助力转向系统结构及其工作原理分析

摘要：在汽车的发展历程中，转向系统经历了由机械式转向系统发展为液压助力转向系统，电控液压助力转向系统和电动助力转向系统的四个阶段。汽车电动助力转向系统与传统的机械、液压助力转向系统相比具有转向灵敏、能耗低、与环境的兼容性好、成本低等优点。在很多高端车上都装有EPS，因此，开发EPS（Electric Power Steering）具有很大的实际意义和商业价值。电动助力转向系统主要由控制部分、执行部分和程序这三个部分组成，控制部分主要由信号采集电路、单片机和信号发送电路组成。其中单片机是控制部分的核心部件，信号采集电路采集到的转矩和车速信号送单片机处理后，单片机再发出控制信号给信号发送电路，经过驱动电路驱动电机转动。执行部分主要由电机、减速机构和电磁离合器的组成。它起着转向辅助动力的产生，传递和中断的作用。本文详细分析了汽车电动助力转向系统的结构、工作原理、故障维修以及它的发展趋势系统地介绍了汽车电动助力转向系统。从而得出，电动助力转向系统具有操作轻便、省力的优点。

关键词：电动助力转向，单片机，电机控制

Electric power steering system structure and working principle

Abstract:In the course of development of the automobile, the steering system has gone through four stages of mechanical steering system, the development of hydraulic power steering system, electronically controlled hydraulic power steering system and electric power steering system. Electric power steering systems and traditional compared to the mechanical, hydraulic power steering system with steering sensitivity, low energy consumption, and environmental compatibility, low cost. In many high-end car is equipped with EPS, and therefore, the development of EPS has great practical significance and commercial value. The electric power steering system by the control part of the operative procedures of these three components, the control part of the signal acquisition circuit, micro-controller and signal transmission circuit. Where the micro-controller is the core component of the control section to send single-chip processing of the torque and speed signals collected by the signal acquisition circuit, micro-controller and then control signals to the signal transmission circuit through the drive circuit drive motor rotation. The executive part of the main motor, reducer, the composition of the bodies and the electromagnetic clutch. It plays a steering auxiliary power generation, transmission and interrupt the role. This paper analyzes the structure of the automotive electric power steering system, the working principle, fault repair, and its development trend of a systematic introduction to the automotive electric power steering system. Thus obtained, the electric power steering system, easy operation,

Key words: electric power steering SCM motor control。

目录

1 绪论 (1)

1.1 项目研究的目地及其意义 (1)

1.2电动助力转向系统的发展过程及其发展现状 (1)

1.2.1国内发展现状 (1)

1.2.2 电动助力转向系统国外发展现状 (2)

1.3 研究内容 (2)

2 助力转向系统 (3)

2.1助力转向系统的发展及其分类 (3)

2.2传统助力转向系统 (6)

2.2.1机械液压转向系统的结构及工作原理 (6)

2.2.2电子液压助力转向系统 (11)

2.3机械液压转向系统与电子液压转向系统的比较 (13)

3 电动助力转向系统 (15)

3.1电动助力转向系统 (15)

3.2电动助力转向系统的结构及其作用 (15)

3.2.1 电动转向系统的分类 (15)

3.2.2电动助力转向系统结构 (16)

3.2.3电动助力转向系统的工作原理 (17)

3.2.4 EPS的控制部分 (18)

3.3 电动助力转向系统的优点 (21)

4 电动助力转向系统的故障诊断 (23)

4.1 电机故障自诊断 (23)

4.2 车速和发动机转速信号故障自诊断 (24)

4.3 电磁离合器故障自诊断 (26)

4.4 控制单元故障自诊断 (27)

5电动助力转向系统的发展趋势 (28)

5.1电动助力转向系统的硬件发展趋势 (28)

5.2电动助力转向系统软件发展趋势 (30)

5.3 未来的转向系统——线控转向系统 (33)

6 总结 (35)

参考文献 (36)

指导教师简介 ..................................................................................... 错误！未定义书签。致谢 . (37)

1 绪论

1.1 项目研究的目的及其意义

随着近年来电子控制技术的成熟和成本的降低，EPS越来越受到人们的重视，并以其具有传统动力转向系统不可比拟的优点，迅速迈向了应用领域，部分取代了液压动力转向系统(Hydraulic Power Steering，简称HPS)。电子控制技术在汽车动力转向系统中的应用，使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。电动助力转向系统( EPS) 在汽车低速行驶转向时减轻转向力使转向轻便、灵活；在汽车高速行驶转向时，适当加重转向力，从而提高了高速行驶时的操纵稳定性，增强了“路感”。不仅如此，EPS 的能耗是HPS能耗的1/3以下，且前者比后者使整车油耗下降可达3%～5%。因而,EPS 将成为汽车传统转向系统理想的升级换代产品。

1.2电动助力转向系统的发展过程及其发展现状

1.2.1国内发展现状

2006年，国内汽车产销均超过500万，目前国内开发的EPS主要针对1.6排量以下的中小型汽车，而1.6排量以下的汽车约占70%左右，因此市场潜力巨大。当前国内实际安装EPS的汽车已达到15%，主要是昌河北斗星、哈飞路宝等，轿车有广州本田飞渡、上海大众途安、长安雨燕、一汽天津花冠3. 0、一汽大众开迪及郑州日产MPV旅行车，这些厂家都在寻求国产化合作伙伴。批量安装国产EPS的车型有: 爱迪尔车、新雅图轿车及吉利轿车；小批安装国产EPS的车型有天津夏利双环S6小贵族汽车；正在试装EPS的车型有: 天津夏利X121轿车、福瑞达面包车、奇瑞QQ轿车及杨子皮卡等车型。一汽轿车也准备安装国产电动转向器，正在寻求有实力的合作伙伴。重庆长安铃木、长安福特准备在其生产的新车型中试装电动转向器。研制EPS的厂家和科研院所已有好几十家，其中科研院所有清华大学、北京理工大学、天津大学、吉林工业大学及重庆大学等。传统的汽车转向器厂家有湖北恒隆、南京标准件厂、杭州万向集团、重庆驰骋、天津津丰、浙江万达、浙江双辉剑、杭州世宝、跃进汽车转向器公司及豫北光洋等厂家。但由于EPS为机电一体的高科技产品，传统的汽车转向器厂家缺乏控制器开发方面的电子专家；而科研院所重于理论研究，缺乏实际经验和批生产建

线的能力，因而EPS研制进展较慢。

1.2.2 电动助力转向系统国外发展现状

国外研发生产ESP的企业主要有美国的德尔福(Delphi )天合(TRW )，日本光洋精工(NSK)、KOYO和Showa，德国的采埃孚(ZF)，英国的卢卡斯(LUCAS）等，都已具备大规模批量生产的能力。其中以Delphi公司和NSK公司为主要代表从EPS控制策略的发展趋势来看，今后控制信号将不再仅仅依靠车速与扭矩信号，而是根据转向角、转向速度横向加速度、前轴重力等多种信号进行与汽车特性相吻合的综合控制，以获得更好的转向路感。目前已经开始这方面的研究Roy Macc通过将横摆角速度信号作为反馈信息引入到ESP的控制中，用于加强汽车在低附着率的地面上行驶的操纵稳定性，在ESP的助力特性性能评价故障诊断及测试系统方面也有专家，学者进行这方面的研究zebra，Davidia 针对EPS系统的稳定性进行了动力学分析，并指出：稳定性是由助力特性曲线的方程参数决定的，并根据路感等给出了助力特性的定性描述。从国内外的研究来看，EPS今后的研究主要集中在以下几方面:EPS助力控制策略助力控制是在转向过程中为减轻转向盘的操纵力，通过减速机构把助力电机的力矩作用到机械转向系上的一种基本控制模式助力控制策略的主要目的是根据转向助力特性曲线确定助力电动机的助力大小，辅助驾驶员实现汽车转向、控制策略是EPS研究的重点系统匹配技术助力特性的匹配电机、减速机构的匹配、传感器的匹配以及ESP系统与其它子系统进行匹配。是使整车性能达到最优的关键可靠性转向系统是驾乘人员的生命线之一，必须保证高度可靠性。ESP除了应有良好的硬件保证外，还需要良好的软件做支撑，因此对ESP的可靠性提出了很高的要求。

1.3 研究内容

本文从发展历程，结构，工作原理等来系统地阐述了电动助力转向系统。并分析比较了传统转向系统与电动助力转向系统的优缺点，最后本文还展望了未来的转向系统—线控转向系统。

2 助力转向系统

2.1助力转向系统的发展及其分类

助力转向是协助驾驶员作汽车方向调整，为驾驶员减轻打方向盘的用力强度，当然，助力转向在汽车行驶的安全性、经济性上也一定的作用。在汽车的发展历程中，转向系统经历了四个发展阶段：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）。

（1）机械式液压动力转向系统

机械式的液压动力转向系统一般由液压泵、油管、压力流量控制阀体、V型传动皮带、储油罐等部件构成。无论车是否转向，这套系统都要工作，而且在大转向车速较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力。所以，也在一定程度上浪费了资源。开这样的车，尤其是时低速转弯的时候，觉得方向比较沉，发动机也比较费力气。又由于液压泵的压力很大，也比较容易损害助力系统。还有，机械式液压助力转向系统由液压泵及管路和油缸组成，为保持压力，不论是否需要转向助力，系统总要处于工作状态，能耗较高，这也是耗资源的一个原因所在。一般经济型轿车使用机械液压助力系统的比较多。

（2）电子液压助力转向系统

主要构件：储油罐、助力转向控制单元、电动泵、转向机、助力转向传感器等，其中助力转向控制单元和电动泵是一个整体结构。工作原理：电子液压转向助力系统克服了传统的液压转向助力系统的缺点。它所采用的液压泵不再靠发动机皮带直接驱动，而是采用一个电动泵，它所有的工作的状态都是由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态。简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动电子液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向省力；汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动电子液压泵以较低的速度运转，在不至于影响高速打转向的需要同时，节省一部分发动机功率。是使用较为普遍的助力转向系统。

（3）电动助力转向系统(EPS)

电动助力转向系统的英文全称是Electronic Power Steering，简称EPS，它利用电

动机产生的动力协助驾车者进行动力转向。EPS的构成，不同的车尽管结构部件不一样，但大体是雷同。一般是由转矩(转向)传感器、电子控制单元、电动机、减速器、机械转向器、以及畜电池电源所构成。电子控制动力转向系统（简称EPS-Electronic Control Power Steering），根据动力源不同又可分为液压式电子控制动力转向系统（液压式EPS）和电动式电子控制动力转向系统（电动式EPS）。液压式EPS是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元等，电子控制单元根据检测到的车速信号，控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求。电动式EPS是利用直流电动机作为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速等信号，控制电动机扭矩的大小和方向。电动机的扭矩由电磁离合器通过减速机构减速增扭后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。

电子控制动力转向系统（EPS）可以在低速时减轻转向力以提高转向系统的操纵性；在高速时则可适当加重转向力，以提高操纵稳定性。液压式电子控制动力转向系统是在传统的液压动力转向系统的基础上增设电子控制装置而构成的。根据控制方式的不同，液压式电子控制动力转向系统又可分为流量控制式、反力控制式和阀灵敏度控制式三种形式。

2.2传统助力转向系统

2.2.1机械液压转向系统的结构及工作原理

图2-1 液压常流滑阀式动力转向装置

1-滑阀2-反作用柱塞3-滑阀复位弹4-阀体5-转向螺杆6-转向直拉杆 7-转向摇臂8-转向动力缸9-转向螺母10-单向阀11-安全阀12-节流孔13-溢流阀14-转向储油罐15-转向油泵

汽车直线行驶时，滑阀1在复位弹簧3的作用下保持在中间位置。转向控制阀内各环槽相通，自油泵15输送出来的油液进入阀体环槽A之后，经环槽B和C分别流入动力缸8的R腔和L腔，同时又经环槽D和E进入回油管道流回油罐14。这时，滑阀与阀体各环槽槽肩之间的间隙大小相等，油路畅通，动力缸8因左右腔油压相等而不起加力作用。液压常流滑阀式动力转向装置如图2-1所示。

汽车右转向时，驾驶员通过转向盘使转向螺杆5向右转动（顺时针）。开始时，转向螺母暂时不动，具有左旋螺纹的螺杆5在螺母9的推动下向右轴向移动，带动滑阀1压缩弹簧3向右移动，消除左端间隙h，此时环槽C与E之间、A与B之间的油路通道被滑阀和阀体相应的槽肩封闭，而环槽A与C之间的油路通道增大，油泵送来的油液自A经C流入动力缸的L腔，L腔成为高压油区。R腔油液经环槽B、D 及回油管流回储油罐14，动力缸8的活塞右移，使转向摇臂7逆时针转动，从而起加力作用。

助力作用必须是随转向盘的转动而进行，随方向盘的停转而减小（维持），若继续转动，则继续助力。这就是所谓的“随动”作用（转向轮的偏转角随转向盘的转角变化而变化）。

只要转向盘和转向螺杆5继续转动，加力作用就一直存在。当转向盘转过一定角度保持不动时，转向螺杆5作用于转向螺母9的力消失，但动力缸活塞仍继续右移，转向摇臂7继续逆时针方向转动，其上端拨动转向螺母，带动转向螺杆5及滑阀一起向左移动，直到滑阀1恢复到中间稍偏右的位置。此时L腔的油压仍高于R腔的油压。此压力差在动力缸活塞上的作用力用来克服转向轮的回正力矩，使转向轮的偏转角维持不动，这就是转向的维持过程。如转向轮进一步偏转，则需继续转动转向盘，重复上述全部过程。

松开转向盘，滑阀在回位弹簧3和反作用柱塞2上的油压的作用下回到中间位置，动力缸停止工作。转向轮在前轮定位产生的回正力矩的作用下自动回正，通过转向螺母9带动转向螺杆5反向转动，使转向盘回到直线行驶位置。如果滑阀不能回到中间位置，汽车将在行驶中跑偏。

在对装的反作用柱塞2的内端，复位弹簧3所在的空间，转向过程中总是与

动力缸高压油腔相通。此油压与转向阻力成正比，作用在柱塞2的内端。转向时，要使滑阀移动，驾驶员作用在转向盘上的力，不仅要克服转向器内的摩擦阻力和复位弹簧的张力，还要克服作用在柱塞2上的油液压力。所以，转向阻力增大，油液压力也增大，驾驶员作用于转向盘上的力也必须增大，使驾驶员感觉到转向阻力的变化情况。这种作用就是“路感”，

液压常流转阀式动力转向装置的工作原理也是有转向油泵、转向动力缸、转向控制阀等组成。液压常流转阀式动力转向装置的基本组成如图2-2所示，

图2-2 液压常流转阀式动力转向装置的基本组成

1-转向油泵2-油管3-阀体4-阀芯6-油管7-车轮 8-转向拉杆9-转向动力缸10-转向摇臂 11-转向横拉杆

当汽车直线行驶时，转阀处于中间位置，工作油液从转向器壳体的进油孔B流到

阀体13的中间油环槽中，经过其槽底的通孔进入阀体13和阀芯12之间，此时阀芯处于中间位置。进入的油液分别通过阀体和阀芯纵槽和槽肩形成的两边相等的间隙，再通过阀芯的纵槽，以及阀体的径向孔流向阀体外圆上、下油环槽，通过壳体油道流到动力缸的左转向动力腔L和右转向动力腔R。流入阀体内腔的油液在通过阀芯纵槽流向阀体上油环槽的同时，通过阀芯槽肩上的径向油孔流到转向螺杆和输入轴之间的空隙中，从回油口经油管回到油罐中去，形成常流式油液循环。此时，上下腔油压相等且很小，齿条—活塞既没有受到转向螺杆的轴向推力，也没有受到上、下腔因压力差造成的轴向推力。齿条—活塞处于中间位置，动力转向器不工作。汽车直线行驶时转阀工作情况如图2-3所示

左转向时（右转向与此正相反），转动转向盘，短轴逆时针转动，通过下端轴销带动阀芯同步转动，同时弹性扭杆也通过轴盖、阀体上的销子带动阀体转动，阀体通过缺口和销子带动螺杆旋转。

图2-3 汽车直线行驶时转阀的工作情况

a)阀芯与阀体的相对位置 b)阀芯中的油流情况

R-接右转向动力缸 L-接左转向动力缸B-接转向油泵 C-接转向油罐但由于转向阻力的存在，促使扭杆发生弹性扭转，造成阀体转动角度小于阀芯的转动角度，两者产生相对角位移，如图2-4b)所示。造成通下腔的进油缝隙减小（或关闭），回油缝隙增大，油压降低；上腔正相反，油压升高，上下动力腔，产生油压差，齿条—活塞在油压差的作用下移动，产生助力作用。

图2-4 a)阀芯与阀体的相对位置b)阀芯中的油流情况

R-接右转向动力缸 L-接左转向动力缸 B-接转向油泵 C-接转向油罐

转向助力器助力，帮助车轮回正。当汽车直线行驶偶遇外界阻力使转向轮发生偏转时，阻力矩通过转向传动机构、转向螺杆、螺杆与阀体的锁定销，作用在阀体上，使之与阀芯之间产生相当转向盘转动后停在某一位置，阀体随转向螺杆在液力和扭杆弹力的作用下，沿转向盘转动方向旋转一个角度，使之与滑阀的相对角位移量减小，上、下动力油缸油压差减小，但仍有一定的助力作用。使助力转矩与车轮的回正力矩，相平衡，车轮维持在某一转角位置上。

在转向过程中，若转向盘转动的速度快，阀体与阀芯的相对角位移量也大，上下动力腔的油压差也相应加大，前轮偏转的速度也加快；转向盘转动得慢，前轮偏转的也慢；转向盘转到某一位置上不动，前轮也偏转到某一位置上不变。此即“快转快助，大转大助，不转不助”原理。

转向后需要回正时，驾驶员放松转向盘，阀芯在弹性扭杆作用下回到中间位置，失去了助力作用，转向轮，在回正力矩的作用下自动回位。若驾驶员同时回转转向盘时，转对角位移，动力缸上、下腔油压不等，产生与转向轮转向相反的助力作用。转向轮，迅速回正，保证了汽车直线行驶的稳定性。

当液压动力转向装置失效后，失去方向控制是非常危险的，所以，一旦液压动力转向装置失效，该动力转向器将变成机械转向器。动力传递路线与机械转向系，完全