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第1章绪论1.1电动助力转向系统概述随着科学技术的飞速发展，汽车各方面的性能都有了很大的发展，但同时人们对汽车的性能也有了更高的要求。
为了取得更好的汽车性能，充分利用机械和电子两方面的优势，提供机电一体化的解决方案，日益被业界人士推崇为有效的应对策略。
虽然汽车是机械技术的完美再现，但是由于机械技术在短期内不会再有很大的突破，而电子技术正越来越体现出其相对而言更优越的地方，所以研制机、电相结合的汽车相关部件正成为当前的主要趋势。
转向系统作为汽车的一个重要组成部分，也同样顺应这样的发展趋势。
就目前而言，应当说也已经找到了比较完美的解决方案。
汽车助力转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。
其作用是使汽车在行驶过程中能够按照驾驶员的意图，适时地改变其行驶方向，能与行驶系统配合共同保持汽车持续稳定地行驶。
汽车方向盘助力系统经历了从机械助力到液压助力(hydraulic Power steering HPS)再到电子液压助力系统(electric hydraulic power steering EHPS)这三个阶段的演变。
经过多年的探索，电动助力转向（Electric Power Steering ，简称EPS）作为一种全新的动力转向模式走入了业界的视野，并且很快成为动力转向系统研究与开发的的热点。
由于电动助力转向系统相对于液压动力转向系统有着诸多的优点，因此电动助力转向系统及其相关配套的部件的研究与开发正愈来愈备受各主要汽车生产企业的青睐。
电动助力转向系统（EPS，Electric Power Steering）是未来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，电动助力转向系统还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。
正是因为由于有了这些优点，电动助力转向系统作为一种新的转向技术，部分取代了液压动力转向系统(Hydraulic Power Steering，简称HPS)。
汽车电动助力转向系统关键技术分析汽车行业在我国经济水平不断提升的背景下而发展快速，其不仅能够满足人们的出行需求，还能够带动其他产业的共同进步。
在我国科技力量不断壮大的背景下，电动助力转向系统随之出现，将其应用于汽车中能够有效解放驾驶员的双手，实现汽车运行的自动化、智能化。
但目前，汽车电动助力转向系统的应用还受到了人员、设备、技术等因素的影响，使其作用得不到真正发挥。
所以如何更好地应用电动助力转向系统于汽车中是必须思考的问题。
标签：汽车;电动助力;转向系统;关键技术引言电动助力系统在汽车中的广泛应用，使得汽车的运行更加可靠，同时也能够在保障人员生命安全的前提下减轻驾驶员的压力。
随着社会和人民对汽车的需求和关注度增加，电动助力转向系统的应用越來越被重视。
所以本文主要针对汽车电动助力转向系统的工作原理、具体分类及关键技术进行了具体分析，旨在不断提高该系统在汽车中的应用效率，真正发挥其作用，实现汽车的高效、可靠运行，不断增强汽车行业的综合实力。
一、汽车电动助力转向系统的工作原理及分类（一）汽车电动助力转向系统的工作原理电动助力转向系统在工作时，首先由转矩传感器对驾驶员所施加的转向盘操纵力度进行测量，之后又通过速度传感器而测量车辆的实际行驶速度，通过对这两个数据信息进行记录、传递，使电动助力系统了解车辆的实际运行情况，并根据实际信息来计算出准确的目标助力矩，之后将其转化为电流指令传递给电机;当电机接收到指令后便会经过减速机构而作用于机械式转向系统中，与驾驶员一起克服转向阻力矩，从而完成车辆的转向任务。
为了保证电动助力转向系统的作用的发挥，相关工作人员必须在其运行之前进行全面检测，及时发现该系统存在的问题并作出解决对策，以不断提高系统运行的稳定性和安全性。
（二）汽车电动助力转向系统的分类第一，转向轴助力式转向系统。
这一系统主要是将转矩传感器、减速机构、转向助力电机而结合为一个整体，一同安装于转向柱中。
该系统的特点是电机反应较快、响应性强，且结构紧凑，节省了很多空间。
轻型载货汽车电动助力转向系统的结构设计与优化随着环保意识的提高和能源危机的日益严重，电动车辆逐渐成为人们关注的焦点。
在轻型载货汽车领域，电动助力转向系统的设计与优化也引起了人们的广泛关注。
本文将就轻型载货汽车电动助力转向系统的结构设计与优化进行探讨。
一、电动助力转向系统的基本原理电动助力转向系统是利用电力设备，对轻型载货汽车的转向操纵提供力矩，降低驾驶员的操纵压力，提高操纵的舒适性和安全性。
其基本原理是通过电机和齿轮箱的协同作用，将转向盘的转动转化为对转向轮的力矩输出，从而实现车辆转向的目的。
二、轻型载货汽车电动助力转向系统的结构设计1. 电动助力转向系统的主要组成部分电动助力转向系统主要由电机、电源模块、传感器和控制模块等组成。
其中，电机通过传感器感知驾驶员的转向操作，并通过控制模块对电机进行控制，输出相应的力矩。
电源模块则提供所需的电能。
2. 电动助力转向系统的电机选择电动助力转向系统的电机选择应考虑功率、扭矩、响应速度和效率等因素。
通常情况下，选择直流无刷电动机作为电动助力转向系统的动力源是比较合适的选择。
3. 电动助力转向系统的传感器设计为了使电动助力转向系统能够准确感知驾驶员的转向操作，传感器的设计非常关键。
通过合理地选择传感器的种类和位置，可以提高系统的灵敏度和控制精度。
三、轻型载货汽车电动助力转向系统的优化策略为了提高电动助力转向系统的性能和可靠性，以下优化策略可供参考：1. 优化电机控制算法通过优化电机控制算法，可以提高系统的响应速度和控制精度。
可以考虑采用闭环控制算法，结合传感器的反馈信号，实时调整输出力矩，从而提高系统的稳定性和准确性。
2. 优化系统的机械结构系统的机械结构设计也是影响电动助力转向系统性能的关键因素之一。
通过合理设计转向装置和齿轮箱等部件，可以减小系统的传动误差和能量损耗，提高系统的传动效率。
3. 应用新材料和新工艺应用新材料和新工艺可以有效地减轻系统的重量，提高系统的刚度和耐疲劳性。
电动助力转向系统1、功能原理汽车电动助力转向（EPS）系统是在机械式转向系统的基础上加装电动机驱动单元构成的。
其主要的是提供助力、改善汽车转向性能、协助驾驶员完成转向操作。
2、组成具体组成原理详细EPS系统由扭矩传感器、车速传感器、电自控制单元（ECU）、助力电动机及减速机构等。
○1扭矩传感器，又称转向传感器，其作用是测定方向盘与转向器之间的相对扭矩，并转化为电信号传递给ECU。
○电动机，其功能是根据ECU的相关指令，输出适宜的转向助力矩，是EPS系统的动力源。
○减速机构，接收电动机的转矩，经减速增矩后传递给转向轴、小齿轮或齿条。
○ECU，是EPS系统的控制中心，根据扭矩传感器和车速传感器的信号进行逻辑分析与计算并发出指令，控制电动机和离合器。
3、基本工作过程汽车转向时，扭矩传感器和车速传感器将检测到的扭矩、方向信号及车速信号传递给ECU，ECU根据扭矩传感器的信号和车速传感器的信号确定电动机扭矩的大小和方向，电动机再通过离合器、减速机构等把此扭矩传递给扭杆，最终起到为驾驶员提供转向助力的效果，使汽车转向更轻便。
车速越低转向助力越大，车速越高转向助力越小。
当车速大于一定值时，取消助力，将直流电动机反接制动，目的是在汽车高速行驶时增加操作方向盘的手感，保证行驶安全。
4、EPS系统的控制方式○助力控制：助力控制是EPS的基本控制模式，包括汽车原地转向助力控制和动态转向助力控制两个方面。
○回正控制：回正控制的目的是使方向盘能够更快、更准地回到中位，避免方向盘产生不必要的抖动。
○阻尼控制：阻尼控制是为了提高汽车高速行驶时的转向稳定性的一种控制模式。
5、EPS的优点○降低了燃油消耗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。
○增强了转向跟随性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。
电控助力转向系统的原理电控助力转向系统是一种通过电子控制单元（ECU）控制的汽车转向系统。
它利用电动机在驾驶员操纵转向盘时提供额外的助力，帮助驾驶员更轻松地转向车辆。
本文将详细介绍电控助力转向系统的原理和工作方式。
一、电控助力转向系统的原理电控助力转向系统由电动助力转向机构、传感器和控制单元组成。
其中，电动助力转向机构是系统的核心部件，它通过电机和齿轮装置实现助力转向。
传感器用于感知驾驶员的转向意图，并将信号传输给控制单元。
控制单元根据传感器信号，控制电动助力转向机构提供适当的助力。
二、电控助力转向系统的工作方式1. 感知转向意图电控助力转向系统通过安装在转向柱上的转向传感器感知驾驶员的转向意图。
转向传感器可以感知转向盘的转动角度和转速，并将这些信息传输给控制单元。
控制单元根据转向传感器的信号判断驾驶员的转向意图。
2. 提供助力根据驾驶员的转向意图，控制单元计算出相应的助力需求，并向电动助力转向机构发送指令。
电动助力转向机构根据控制单元的指令，通过电机和齿轮装置提供额外的助力。
助力的大小根据转向盘的转动力度和速度来调节，以满足驾驶员的需求。
3. 实时调整电控助力转向系统能够实时调整助力的大小，以适应不同驾驶条件和车辆状态。
例如，在低速行驶时，系统可以提供更大的助力，以增加转向的灵活性和舒适性。
而在高速行驶时，系统可以减小助力，以提高转向的稳定性和操控性。
三、电控助力转向系统的优势1. 提高操控性能电控助力转向系统可以根据驾驶员的转向意图提供适当的助力，使驾驶员更轻松地操控车辆。
尤其是在低速行驶和停车时，系统的助力能够显著减小驾驶员的转向力度，提高操控的精确性和灵活性。
2. 提升驾驶舒适性电控助力转向系统的助力能够根据驾驶员的需求进行实时调整，使转向更加轻盈和平稳。
驾驶员在长时间驾驶或疲劳驾驶时，能够减少对肌肉的负担，提高驾驶的舒适性和乘坐的舒适性。
3. 增加安全性电控助力转向系统能够根据驾驶员的转向意图提供适当的助力，并且具有实时调整能力。
电动助力转向技术要求国家强制标准
电动助力转向技术是汽车制造业发展的重要方向之一，通过电子计算机控制汽车转向，能够提高驾驶员的驾驶舒适度和安全性，减少疲劳驾驶对驾驶员的身体危害，是汽车制造
业创新发展的方向之一。
为了约束和规范汽车制造业的发展，国家出台了一系列的强制性
标准，其中电动助力转向技术也有相应的标准。
国家强制标准
1、车速感知式电动助力转向系统的技术要求(GB/T 33837-2017)：该标准规定了在电
子计算机的控制下，车速感知式电动助力转向系统所必须符合的技术要求。
具体包括转向
轮扭矩传感器要求、车速传感器要求、电机控制器要求、电机转矩选择要求等等。
2、车辆电子控制系统的通用技术要求(GB/T 31419-2015)：该标准适用于汽车电子控
制系统的所有技术要求。
具体包括电气特性要求、功能要求、试验方法要求等等。
3、整车技术要求和试验方法(GB 7258-2017)：该标准适用于机动车辆的整车技术要求和试验方法。
其中包括对电动助力转向技术的相关规定，如在不同车速下的转向稳定性要求、转向系统可靠性和安全性要求、转向精度和灵敏度要求等等。
技术要求
从技术上讲，汽车电动助力转向技术需要满足以下几个方面的要求：
1、降低驾驶员驾驶的心理负担：电动助力转向技术通过电子计算机的控制，减少驾
驶员对车辆方向的控制力度，从而可以让驾驶变得更加轻松、舒适，减少驾驶员的疲劳驾驶。
2、提高转向系统的安全性：传统的机械转向系统在转向过程中存在飞车现象，对驾
驶员的安全造成很大威胁，而电动助力转向技术可以通过电子计算机的控制来避免这种情
况的发生，提高驾驶者和车辆乘员的安全性。
电动助力转向系统及其关键技术摘要: 电动助力转向 (EPS) 系统具有结构简单、节能环保等独特优势得以迅速发展; 介绍了 EPS 的工作原理及分类，分析了 EPS 系统的助力电机、减速机构、传感器、ECU 等关键部件及助力特性、控制理论等关键技术。
关键词: 电动助力转向; 关键部件; 助力特性; 控制技术汽车转向是通过驾驶者转动转向盘，经过转向系统提供的操纵力以改变车轮角度来实现。
助力转向是一种为了减轻驾驶员的操纵力而设有助力机构的转向装置。
为方便驾驶员易于操纵转向系，动力转向已经作为汽车的标准装备。
助力转向最初为机械式，然后发展为液压式(HPS) ，随着现代控制技术和电子技术的发展，电动式动力转向系统 (EPS) 作为一种新的助力转向系统［1］传感器与转向轴(小齿轮轴) 连接一起，其不断检测作用于转向柱扭杆上的扭矩，当转向轴转动时，传感器把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动位移变成电信号传给控制装置，控制装置按照已设定的控制程序和控制策略对扭矩传感器以及车速传感器产生的信号进行运算处理，以此确定电机的旋转方向和助力电流的大小，电机经减速机构将助力转矩传递给转向系统，从而完成实时控制助力转向［2］。
迅速发展。
相对 于 HPS ， EPS 有很多优 势 : ( 1) 在各种行驶工况下提 供最佳的 助力; (2) 只在转向时才提 供助力， 不像 HPS 不转向时 液 压系统的 油泵也运转， 节省燃油损耗; (3) 结构紧凑， 便于安装 和装 配; (4) 取消了液压回路， 减少了对 环境的 污染; (5) 具有自我诊断功能， 便于维修和保养; 另外， EPS 系统性能能够在不改变系统结构的 情况下， 可以通过改变系统的控制策略、编程来实现， 满足不同车型和不同驾驶感觉的 需要 。
近些年 ， 国 内外汽车企业第 7 期·177·齿轮齿条式助力 (R-EPS) 等三大 基本类型， 如图 2 所示。
图 2 不同助力转向系统结构图C-EPS 的 助力单元、控制器和传感器都集中于转向柱处， 系统比较紧凑， 易于在车辆上的 安装 ， 更容易替代原有的液压助力转向系统。
一 般系统布 置在驾驶室内， 其工作环境很好， 电气元件一 般不需要 防水和隔热 措施， 但有限的 空间 可能会影响碰撞能量的 吸收， 要 求有满足碰撞法 规要 求的 结构。
P-EPS 的 助力单元固定在转向齿轮的 小齿轮轴 上端， 其电动机 和减速机 构相连， 直接驱动小齿轮进行助力。
P-EPS 安装 在发动机 仓底部， 靠近排气管， 其材料和结构必须耐热 和防水。
此系统的 ECU 可以 分别安装 在车厢和发动机 仓内， 目 前多数 安装 在车厢内，但会消耗较长的 线束同时 会影响收音机 效果， 如果安装 在发动机 仓内， 要 求有辅助的 隔热装置。
R-EPS 的 减速机 构连同电机 、传感器一 起安装 在转向器与 转向小齿轮位置相对布置的 另一 侧， 另有一套小齿轮， 直接驱动齿条进行助力。
根据电机与转向齿条的 位置关系可以 分 为平行 布置式、交叉布 置式、同轴布置式。
当电动机与转向齿条平行布置时 ， 电机通过皮带减速器和滚珠丝杆两级减速来驱动齿条进行助力; 当电动机与转向齿条交叉布 置时 ， 电机通过锥齿轮和滚和高 校对 E PS 做了大 量研 究工作， 取得 了一 系列成果。
1 EPS 工作原理及分类 1. 1 EPS 工作原理EPS 结构框图如图 1 所示， 其工作原理是: 扭矩图 1 电动助力转向系统1. 2 EPS 类型依据电动机布置位置不同， EPS 系统主要可分为转向柱式助力 (C-EPS) ，小齿轮式助力 (P-EPS) ，珠丝杆两级减速来驱动齿条进行助力; 当电动机与转向齿条同轴时，电机通过滚珠丝杆与齿条相连，直接驱动齿条进行助力［3］。
3 种不同电动动力转向系统的比较如表 1 所示［4］。
表 1 3 种不同电动动力转向系统比较类型C-EPS P-EPS R-EPS噪声、振动大中小扭矩、波动中中中低速时扭矩变动小小小扭矩不足中中中惯性矩中中中温度(耐热性)小大大防水性小大大相应功率输出小中大2 EPS 系统关键部件EPS 系统关键部件主要有助力电机、减速机构、转角传感器、转矩传感器、车速传感器和电控单元(ECU) 等。
2. 1 减速机构EPS 系统减速机构的主要作用是增大电机的助力转矩。
江苏大学何仁等人［5］指出 : 在开发 EPS 系统时，要合理设计减速机构，必须保证其与助力电机匹配，否则无法满足转向要求。
华中科技大学刘照等［6］对转向柱式助力系统减速机构进行了专门研究，指出世界各大汽车公司开发的转向柱式助力系统的减速机构基本为蜗轮蜗杆传动机构和差动轮系助位移传动机构。
常见的减速机构如图 3 所示。
图 3 EPS 减速机构文献［6］从运动学分析和动力学分析两方面分别对两传动机构进行了对比分析。
研究表明，蜗轮蜗杆机构下的 EPS 系统的转向灵敏性不可调，而差动轮系下的转向灵敏性可调。
蜗轮蜗杆机构方案的转向手感不平滑，而差动轮系方案是运动的合成，转向手力十分平稳，且能实现对手转向运动的精确跟踪，但差动轮系效率略低。
2. 2 助力电机华南理工大学范心明等［7］专门研究了 EPS 系统助力电机，提出电机必须保证工作电压低，额定功率和额定电流足够大，调速范围广，控制特性好，低速运行平稳，力矩波动小，转速不能太大(约1 000 r/min) ，体积应尽可能小，在堵转时也应能够提供助力作用。
目前常采用的助力电机有直流电机、无刷直流伺服电动机、力矩电动机、开关磁阻 (SR) 电动机等。
直流电机是当前 EPS 系统常用的助力电机类型之一，主要有两方面原因: 一是起动性能和调速性能很好，另一方面汽车电源 (蓄电池，发电机 ) 为直流供电，能直接驱动直流电机。
无刷直流伺服电动机，其能将电压信号转变为转轴的角速度和角位移输出。
伺服电机和驱动电机相结合的一种叫力矩电动机，它可以不经减速机构直接驱动负载，其具有较高的速度和位置控制精度，运行可靠，维护简便，振动小，结构紧凑。
另外，开关磁阻 (SR) 电动机也常被选为助力电机，一个完整的 SR 电机驱动系统应由电源、驱动电路、控制器和 SR 电机组成。
2. 3 转角、转矩传感器转角传感器用于实时检测转向盘的转动方向以及转向盘的位置，转矩传感器用于实时检测转向盘转矩的大小，并将信号输送到 EPS 系统的电控单元。
国内外常见的扭矩传感器有: ( 1) 上海新跃公司生产的 NSK 扭矩传感器，是电位计式传感器，主要用于昌河北斗星 EPS 系统。
(2) 美国 BI 公司针对 Delphi 的EPS 系统开发的扭矩、位置复合传感器，此传感器也是一个电位计式传感器，可以同时提供扭矩信号和方向盘的位置信号。
(3) 株洲时代公司开发的将磁电式扭矩传感器和 AMR 角度传感器简单集成传感器，能同时产生扭矩和角度信号。
(4) 英国 LUCAS 公司和清华大学研究小组各自研制的光电式扭矩传感器。
(5) BOSCH 与BOURNS 公司联合开发的磁阻式扭矩传感器［8］。
2. 4 车速传感器车速传感器是用来测量汽车的行驶速度。
在汽车上应用最多的是磁电式传感器、光电式传感器以及霍尔式传感器。
为消除电子设备产生的电磁及射频干扰，防止造成驾驶性能变差，通常安装在驱动桥壳或变速器壳内屏蔽的外套内。
2. 5 ECUECU 在工作时，微处理器 CPU 按照已设定的控制程序和控制策略根据转矩和车速等信号计算出最优化的助力转矩，然后将其输入到电流控制电路。
电流控制电路把这些信号同电动机的实际电流值进行比较，产生的差值信号被送到驱动电路，此电路可以驱动动力装置并向电机提供控制电流。
CPU 同时还会给电机驱动电路一个决定电机转向的信号。
另外，ECU 还有安全保护和自我诊断功能。
3 EPS 关键技术电动助力转向与转向轻便性、路感以及舒适性和安全性密切相关，该系统的关键技术包括以下两个方面。
3. 1 助力特性助力特性是指助力随汽车运动状况(车速和转向盘手力) 变化而变化的规律。
对液压动力转向，助力与液压油压力成正比，故一般用液压油压力与转向盘力矩 (及车速) 的变化关系曲线来表示助力特性。
对电动助力转向，助力与直流电动机电流成比例，故可采用电动机电流与转向盘力矩、车速的变化关系曲线来表示助力特性。
助力特性曲线决定了 ECU 按照什么样的目标去控制助力电流的大小，满足不同行驶工况下对助力扭矩的要求。
目前国内外已经对助力特性进行了诸多研究，比较典型的助力特性曲线主要有直线型、折线型和曲线型3 种类型，如图 4 所示，但是何种曲线比较理想还没有明确的结论。
每种类型曲线都可分为 3 个助力区，分别为无助力区，助力变化区，最大助力区。
当转向盘输入扭矩在无助力区时电机不提供助力，在助力变化区时，电机依据特性曲线提供实时助力，在最大助力区时，一定车速下电机助力电流达到最大值，并保持不变。
·178·机床与液压第 40 卷图 4 助力特性形式助力特性曲线之所以设计成图 4 形状，是因为须保证系统在工作时满足如下要求: 系统在转向阻力较小(1 N·m) 时停止助力，即在无助力区电机的输出电流应为零，以便节能并防止转向过度灵敏; 转向时作用在方向盘上的最大操纵力不应超过 50 N，即当方向盘输入扭矩达到规定的最大操纵力时，电机输出助力电流应该达到最大值，且保持不变; 随着车速增大，为保证合适路感，应减少助力。
文献［9］指出直线型助力效果最好，但路感不理想; 曲线型较好兼顾了转向轻便性和路感要求，但曲线方程不容易确定; 折线型由 2—3 段不同斜率的直线组成，性能介于曲线和直线型中间，但转折点如果定位不当，容易引起助力特性突变。
文献［10］结合 3 种常见助力特性的优点，根据EPS 在不同助力区段助力转矩与输入转矩的关系，以管柱式 EPS 为例，设计了一种由直线和曲线构成的组合式新型助力特性，其曲线和直线连接处采用“相切”设计以保证连接平滑，避免了助力特性“突变”，曲线段的确定也相对容易，便于实际应用。
通过对某微型轿车管柱式 EPS 的仿真，分析了这种组合型助力特性的基本性能，为提高 EPS 助力控制效果提供了新的技术方法。
文献［11］指出助力特性曲线的设计方法，提出目前常用的机理分析法和基于实验数据的曲线拟合法。
其中机理分析法是先对方向盘输入扭矩，车辆行驶速度，前轮气压等与电机助力电流建立一个数学模型，确定一组输入参数，就可得出助力电流大小，通过描点可得出图形。
该方法要想精确建模很困难，不是很实用。
基于实验数据的曲线拟合法设计曲线时，将电机助力电流看成是以车速为自变量的助力系数函数和助力电流随方向盘输入扭矩函数的简单乘积。
