汽车电动助力转向系统的现状与发展

汽车电动助力转向系统的现状与发展李慧琪1李伟光2王元聪2(1.广州益维电动汽车有限公司,广东广州 510610;2.华南理工大学机械工程学院,广东广州 510640)[摘 要]本文通过研究国内外汽车电动助力转向系统的发展现状,重点阐述电动助力转向系统的分类、系统结构、工作原理、主要部件、技术参数及性能特点,并探讨了发展趋势。

[关健词]电动助力转向;控制系统;电动驱动;传感器信息融合作者简介:1.李慧琪,男,湖南桃江人,高级工程师,研究方向:机电一体化。

2.李伟光,男,江西南昌人,博士,教授,研究方向:机电一体化。

1.绪论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(H ydraulic Po w er Steeri n g ,简称H PS)[1]。

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[2]。

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。

自1953年美国通用汽车公司在别克轿车上使用液压动力转向系统以来,H PS 给汽车带来了巨大的变化,几十年来的技术革新使液压动力转向技术发展异常迅速,出现了电控式液压助力转向系统(E lectr i c H ydraulic Po w er Steeri n g ,简称EHPS)。

1988年2月日本铃木公司首先在其Cervo 车上装备EPS [3],随后又应用在A lto 汽车上;TRW 公司继推出E H PS 后也迅速推出了技术上比较成熟的带传动EPS 和转向柱助力式EPS [5],并装配在Fo r d F iesta 和M azda 323F 等车上,此后EPS 技术便得到了飞速的发展。

在国外,EPS 已进入批量生产阶段,并成为汽车零部件的高新技术产品,而我国动力转向系统目前绝大部分采用机械转向或液压助力转向,EPS 的研究开发目前还处于起步阶段,其产品在2002年才有国内企业进行研制开发。

目前,只有南摩股份有限公司(生产转向柱式的EPS 产品)能小批量生产用于汽车装配,在昌河公司产的爱迪尔轿车、南京菲亚特公司产的新雅途轿车上使用[6]。

2.汽车动力转向系统的分类及特点汽车转向系统可按转向的能源不同分为机械转向系统和动力转向系统两类。

动力转向系统根据动力源不同又可分为机械式的液压动力转向系、电控式液压助力转向系统(EHPS)和电动式电子控制动力转向系统(EPS)。

2 1 机械式的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,系统总要处于工作状态,能耗较高,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,又由于液压泵的压力很大,也比!83!较容易损害助力系统,且不易安装和维护。

少数大型车也有采用气压动力转向的,但这类动力转向系统的共同缺点是结构复杂、消耗功率大,容易产生泄漏,转向力不易有效控制等。

2 2 E H PSE H PS 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,E H PS 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。

其所有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,并控制电磁阀,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,但即使是最新的E H PS 也无法根除液压助力系统在布置、安装、密封性、操控性、能量消耗、磨损与噪音的固有缺憾。

2 3 EPS 系统电动助力式转向系统利用电动机产生的动力协助驾车者进行动力转向,不同车的EPS 结构部件尽管不一样,但其基本原理是一致的。

它一般是由转矩(转向)传感器、电子控制单元ECU 、电动机、电磁离合器以及减速机构构成,其机构示意图如图1所示。

图1电动式助力转向系统结构示意图图2 EPS 系统控制框图EPS 系统控制框图如图2所示。

当汽车处于直线行驶状态时,EPS 便处于Standy 状态,电动机停止工作,只有在汽车转向时,系统才实时的实现助力控制作用。

因而,EPS 可以很容易的实现在全速范围内的最佳助力控制,在低速行驶时保证汽车的转向灵活轻便,在高速行驶时保证汽车转向稳定可靠。

EPS 的主要部件包括扭矩传感器、车速传感器、电动机、电子控制单元、减速机构和电磁离合器,其工作原理如下:2 3 1 扭矩传感器、车速传感器EPS 中扭矩传感器主要有:电阻式转向传感器、非接触式电感扭矩传感器和其他类型传感器,也有很多厂家采用在转向轴位置加一扭杆,通过测量扭杆的变形转化得到扭矩的大小和方向。

电阻式转向传感器实际上是个滑动可变电阻器,其滑动触电固定在输出轴上,电阻线部分固定在输入轴上。

当操作方向盘时,滑动触点在电阻线上的移动使得电位计的电阻值随之变化,最终近集成电路I C 处理以变化电流的形式将方向盘信号送至EC U [8]。

电阻式传感器在早期EPS 中应用较多,这种传感器价格低,但体积大,易于磨损。

随着非接触式扭矩传感器成本的降低,越来越多的厂商转而采用这种精度高、体积小且寿命长的新型传感器。

图3所示为KOYO 公司研制的非接触式EPS 扭矩传感器原理图,改装置由安装在输入轴上的探测环1和探测环2,安装在输出轴上的另一个探测环1,探测线圈和补偿线圈组成。

当方向盘转动时,扭杆受受转动力矩作用发生扭转,此时由于线圈是固定不动的,探测线圈与探测环之间的位置发生变化从而导致线圈磁阻改变,并最终反映了扭矩的变化。

另外,还有如美国A llegro M icrosyste m s 公司开发的磁环式霍尔速度传感器,它可以将转向盘的扭矩、转角、角速度大小及方向等信息转化为电信号输出[7]。

图3 非接触式扭矩传感器!84!扭矩传感器测量值的参考范围为-12~+ 12N∀m,输出电压范围0~+5V[8];车速传感器应用较多的有输出为脉冲信号或电压信号两种,输出电压值信号参考范围为0~+5V,输出脉冲信号参考范围为,检测的车速范围可达1~200Km/h2 3 2 电动机助力电动机是EPS系统的动力源,它根据ECU输出的控制指令,在不同的工况下输出不同的助力转矩,对整个EPS性能影响很大,因此需要具备良好的动态特性、调速特性和随动特性并易于控制,而且要求输出波动小、低转速大转矩、转动惯量小、尺寸小质量轻等,因此,常采用无刷式永磁直流电动机。

为改善操纵感、降低噪音和减少振动,在电动机转子外表面开出斜槽或螺旋槽,而改变定子磁铁的中心处或端部厚度,将定子磁铁设计成不等厚等[9]。

三菱M i n ica的EPS电动机主要参考参数为:永磁式直流电机,额定电压DC12V,最大工作电流30A,额定转矩1N∀m[1]。

TRW公司推出的带传动EPS在工作电压13 5V下,最大工作电流为85A,齿条输出的最大功率为600W,齿条最大助力12500N;转向柱助力式EPS在其工作电压13 5V下,最大工作电流为70A,齿条输出最大功率为470W,齿条最大助力7500N,最大助力转矩为55N∀m[5]。

随着现代汽车技术的发展,汽车各部件越来越多的采用42V直流电源,因而,面向42V直流电的EPS也逐渐成为汽车技术研究热点之一。

采用42V直流电的EPS将能够在较低的输出电流同时保证有足够的输出功率,既降低了系统的能耗和发热,又能够改善系统的控制。

2 3 3 电磁离合器电动式EPS转向助力一般都是工作在一个设定的范围。

当车速低于某一设定值时,系统提供转向助力,保证转向的轻便性;当车速高于某一设定值时,系统提供阻尼控制,保证转向的稳定性;而当车速处于两个设定值之间时,电动机停止工作,系统处于Standy状态,此时,为了不使电动机和电磁离合器的惯性影响转向系统的工作,离合器应及时分离,以切断辅助动力。

另外,当EPS系统发生故障时,离合器应自动分离,此时仍可利用手动控制转向,保障系统的安全性。

EPS系统中电磁离合器应用较多的为单片干式电磁离合器,其工作原理如图4所示。

三菱M i n ica的EPS采用离合器主要参考参数为:干式单片电磁式电磁离合器,额定电压DC12V,绕组19 5 (20#C),额定传递扭矩15/12V (20#C)[1]。

图4 电磁离合器工作原理图2 3 4 减速机构减速机构是电动式EPS不可缺少的部件,它把电动机的输出减速放大后再传递给执行部件。

目前实用的减速机构有多种组合方式,采用较多的为蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合式,如图5所示,也有的采用两级行星齿轮与传动齿轮组合式。

装配有离合器的EPS,多采用涡轮蜗杆减速机构,装配在减速机构的一侧,为了保证EPS在预定车速范围内工作,在范围之外,离合器分离,电机停止工作,转向系统转为手动,另外,当电动机发生故障时,离合器也自动分离。

为了抑制噪声和提高耐久性,减速机构中的齿轮有的采用特殊齿形,有的采用树脂材料制成。

图5 蜗轮蜗杆减速机构!85!2 3 5 电子控制单元电子控制单元EC U是整个EPS系统控制的核心,它根据扭矩传感器、车速传感器、轴重传感器以及电动机电流传感器等输入信号,进行分析计算,得出最佳控制参数,发出控制指令,控制电动机与电磁离合器的动作。

EPS系统的控制算法也是系统控制性能的关键之一,控制系统应具有较强的抗干扰能力,能适应汽车在各种路况下的行驶环境,并能实现实时理想的助力控制。

除此之外,EC U还应具备安全保护与自我诊断功能。

EC U有采用8位单片机系统,如采用Ph ilips的87C552单片机[4],也有采用美国TI公司专为数字电机控制和其它控制系统设计的低价位高性能16位定点DSP,如T M S320LF2407DSP芯片[11],由于它集成度高以及高速的运算能力等,特别适合电动机的实时控制,它的使用有利于减少治理电机的扭矩波纹,消除助力电机的振动,增强控制系统的跟踪性能[12]。

3.EPS性能及特点3 1 助力特性早期的EPS在车速高于设定值时,EPS停止工作,属于低速型。

现在研究多的是在全速型的EPS,它在任何车速下都提供助力,既兼顾了低速时的操纵灵活性,也实现了高速时的操纵稳定性,但系统控制算法相对复杂。

由于电动机具有弹簧阻尼的效果,EPS能减少路面不平对转向盘的冲击力和车轮质量不平衡引起的振动,故EPS能够更好的抑止路面的冲击。