汽车电动转向器选型与匹配

毕大宁

(山东先河悦新机电股份有限公司，山东 淄博 255120)

1 汽车电动转向器(简称EPS)的选型

1.1 EPS的设计选型原则

1.1.1 助力要求

驱动EPS的助力大小是由以下3个因素决定的:

(1)转向器输出力，它取决于车辆前轮的载荷。

(2)车辆驾驶员转向手力的要求。

(3)转向器机械部分传动效率。

考虑到以上情况，可以计算出驱动EPS的助力大小，然后根据要求的输出辅助力，选定电机和减速机构。作为助力源，选定的电机和减速机构也要有所限制。尺寸必须能满足安装空间的要求。因为一方面安装空间有限，另一方面EPS的输入电压有所限制，汽油车电压为12 V，柴油车电压为24 V。对于耗电量较小的紧凑型小车可以采用C-EPS。对于载重量较大的车辆采用P-EPS，对于中型车辆，采用R-EPS也受到了齿条齿轮转向器强度的限制。为了消除上述的局限性，开发了具有双小齿轮机构的EPS(以下简称为DP-EPS)，在这种R-EPS中，助力通过第二个小齿轮直接作用于齿条上，减小了第一个小齿轮的输入负荷，这就形成R-EPS的另一个结构，从而使R-EPS可以在大型轿车上使用。在中型和大型商用车上采用的EPS，其转向器则必须采用循环球转向器结构，因此发展出循环球电动转向器S-EPS。

1.1.2 EPS的安装空间

EPS总成包括了一个电机和一套减速机构，其具有一定的尺寸和重量。EPS通常安装在车辆的前部以替代传统的液力或手动转向系统，但仍要仔细考虑EPS的安装空间。可吸能的转向柱和发动机的撞击吸能区是必须考虑的。EPS靠近发动机的部分不能影响发动机仓空间，且不能受发动机散热影响。

ECU可分成2类:一种装在汽车发动机仓内;一种则直接装在驾驶仓转向柱上。在这2种ECU中，ECU安装在转向传动轴上的应用越来越广泛。

1.2 各种EPS结构的应用

1.2.1 C-EPS的应用

C-EPS也就是在转向传动轴加装减速机构——助力电机的结构，在汽车上应用越来越广泛。

(1)由于其结构简单、成本低，再加上ECU的连接线束可以更短，装配工序可以更简单。

(2)C-EPS大有扩大使用范围的趋势。已经发展到前桥载荷1 t轿车上。

(3)车内安装电机和减速齿轮机构，车辆更安全，布置更容易，更容易替换原有的液压转向机构。

(4)对于小型车，更容易进行改型。这种结构由于电机更加小型化且输出功率更大也可逐渐应用于吨位稍大的汽车上。

(5)因为电器设备不需要特殊的防水或防热技术。

(6)减速器和扭矩传感器安装在转向轴上，有限的空间可能会影响碰撞能量的吸收。这就要求必须设计新的结构去满足碰撞法规的要求。

(7)近来，C-EPS越来越多地与其他零件集成一体。点火开关，自动变速箱的排挡杆，开关支架都可以与中间轴和转向拉杆集成一体，由一个供应商提供。

1.2.2 P-EPS的应用

P-EPS的结构是在齿轮齿条式转向器上(图1)，电机通过一对减速蜗杆蜗轮对转向小齿轮施加辅助力，作用到转向齿条上。P-EPS的结构包括减速齿轮和扭矩传感器，与C-EPS类似，但不同之处在于安装位置。P-EPS安装在发动机仓的下部，靠近排气管。因此P-EPS的材料和结构必须耐热和防水。大多数的P-EPS的ECU安装在车厢内。但是这样的安装位置就要求较长的线束，可能会导致收音机杂音和整车装配工序的增加。现在越来越多的P-EPS安装在发动机仓内，ECU的工作环境更加恶劣，这就要求辅助的隔热装置。

P-EPS的结构有另外的好处，转向柱上有足够的空间，可用于安装碰撞吸能机构，这就使P-EPS更可能适用于市场。目前，前置前驱动的车辆由于其紧凑的发动机仓，要求P-EPS有特殊的结构。小而紧凑的发动机仓，限制了P-EPS的安装空间，在车辆前部的碰撞吸能机构更加难以布置。解决这个难题的方法是:双小齿轮结构DP-EPS。来自方向盘和辅助机构的力被分别传递到两个转向齿轮轴上。电机和减速齿轮机构安装在驾驶员相对一侧。

1.2.3 R-EPS式或RD-EPS式

越来越多的EPS将应用于中型或大型轿车和商用车上，这反映了汽车节能要求的增长。然而C-EPS和P-EPS在中型或大型轿车上的应用，却受到了限制。因为其转向齿轮和转向齿条的强度有限，不能适应较大的输入力。为了解决这个问题，开发了电机直接驱动齿条的R-EPS。

R-EPS的转向加力装置分几种结构，一种是双小齿轮式电机通过蜗轮蜗杆带动另一个小齿轮驱动齿条的DP型EPS;一种是电机通过皮带传动带动滚珠丝杆驱动齿条的RP型EPS，见图2;一种是电机包在齿条外侧通过滚珠丝杆减速驱动齿条的RD型EPS，见图3。这几种结构的EPS大都采用无刷电机。

RD-EPS的转向加力装置:安装在齿轮齿条壳体内的电机通过电机轴和特制的滚珠丝杠机构，提供一转向助力在齿条上。这样的结构使齿条完全适合于DD-EPS的电机的布置，并且结构更加紧凑。但是，DD-EPS的外形较大，就要求加大转向齿条的直径和加大电机本体，导致齿轮齿条壳体外径增加，可能会与变速箱或发动机油底壳相干涉，这是在汽车布置时特别要注意的。

尽管有以上的担心，RD-EPS仍然是一种理想的系统，其减速机构能够提供较高的传动效率。只要在整车开发的初始阶段，充分考虑到RD-EPS的布置问题，就能实现开发工作。现在美国TRW公司大力发展R型皮带式电动转向器RP型EPS见图5。JTEKT、TRW、MANDO、NEXTEER都在开发此类REPS产品。

1.2.4 循环球式(S-EPS)电动转向器的选用

这是一种将电机和减速机构与循环球机械转向器输入轴安装成一体的新型电动转向器见图6。它是专门为轻型卡车、中大型卡车和皮卡车设计的，它将改善电机的工作环境，又不影响原车转向传动轴的防冲撞性能。

1.3 EPS装车问题

选好了电动转向器后，怎么安装在汽车上充分发挥助力作用，是在开发电动转向器后遇到的又一个问题。

(1)理想的方案，是在汽车整机设计时就将电动转向器考虑进去，设计在最理想的位置上。设计时包括总线的通讯协议都考虑进去。

(2)已有的车型改装EPS存在的主要问题是安装空间问题。以C-EPS型电动转向器为例，该电动转向器由于减速器直径较大，而且还有电机要安装，所占用驾驶内仪表盘下空间较大。而现有国产汽车的转向管柱与传动轴制动踏板臂、真空助力器推杆与转向管柱的距离太小，大多数无法安装下C-EPS型减速器，特别是带防冲撞转向管柱，布置较难。捷达轿车的转向管柱防冲撞结构很复杂，根本无法安装减速器-电机结构。这是目前这类汽车改装存在的主要问题。电机在安装时可以旋转任一角度，但不能影响油门踏板、制动踏板的操作。

(3)C型管柱和减速器只能安装在驾驶室内，因为传感器和电机对环境要求高，环境温度适宜有助于二者性能发挥和寿命延长。

P型和R型必然装在发动机仓里，电机的不得和其他零件相碰，留有拆装空间，尽量避免与排气管距离太近。

如不能放在驾驶室内就要被迫放在发动机仓里，此处环境差、温度高甚至会有油泥水，这对电动转向器的工作是不利的。

所以一方面要提高电动转向器高、低温工作性能和防泥、水性能，一方面要尽力从汽车布置上给电动转向器提供好的工作条件。电动转向器的工作环境温度应为－40～+125℃。

(4)控制器最好安装在驾驶室仪表盘下面，固定在任一支架上，这样一来工作环境好，但散热不好。控制器与总线的通讯协议在设计时考虑。

(5)仪表板改造:从仪表板上取车速信号，加故障信号灯;或从总线上取得。

(6)电气线束改造:电源、车速信号、扭距信号、通过控制器、控制信号线束、电源线束和接插件缺一不可。特别是新车型必须连接总线，通讯协议要提供给控制器厂家，以便预先设计好。

(7)管柱与传动轴改造:将上管柱与减速器部分刚性连接，并通过支架与驾驶室或前围刚性连接，下端用传动轴与转向器相连。保证转动灵活、无卡滞。要保证转向管柱与减速机壳同心，上传动轴有充分摆动余地和伸缩调节的可能性。现在要求此伸缩量要达到127 mm。

(8)根据需要加装隔热装置。

2 匹配问题

2.1 EPS的适用范围

根据笔者的工作可以知道:不同的车型有不同的前轴负荷。不同车型电压也不同，电流也有不同的要求，随着前轴负荷提高电流相应提高才行。

2.2 电机的匹配

(1)EPS电机的特点

在选用电机时则应根据使用经验，原车结构，匹配，电机性能(包括转速和噪声)以及成本诸因素确定。因为电动转向器安装位置很紧凑，所以对电机的尺寸有一定限制。一般来说电机尺寸小、功率大、性能好、寿命长，特别是噪声低最受欢迎。

电机的性能包括:电机的额定电压、额定电流、额定功率、额定额定扭矩、额定转速和阻抗(内阻、感抗、容抗)。

对发展中型汽车电动转向的最大难题主要是电机的功率和尺寸，电机消耗电流大对蓄电池的容量也造成一定的影响。

(2)电机的匹配

方向盘使用的最大转速对轿车、微型车而言应该是60～90 r/min。现在通常采用的电动转向器减速机构的速比为16.5左右，通常采用的电动转向器转速为1400～1500 r/min，要讨论的就是如何在电机的最大工作转速范围发挥电机的最大功率。

根据某电机厂提供的电动转向170 W电机测试数据，可以看出相应电机1000 r/min时，该电机的输出功率最大为139.8 W，此时电压为11.8 V，电流为24.9 A。也就是说方向盘的使用最大转速为60 r/min时正处于电机的输出功率最大状态。

2.3 传感器的选型与匹配

(1)传感器有电磁感应式、电位器式(电阻式)、霍尔元件式、编码器式、光电式等，更新型的传感器有表面波式的。

(2)传感器应有正反向电压输出，还应有两条电路包括一条校准电路，以确保使用精度。

(3)电位器式传感器是北斗星汽车安装铃木公司开发的一种成本较低的传感器，由碳膜板和电刷等组成。这种传感器最难的是碳膜和指状钢丝刷。

(4)传感器还可以装有热敏电阻作为温度传感器来感知EPS系统和环境温度。

3 电动转向器的性能设计要求

(1)防止高速发飘功能

由于汽车行驶过程中转向阻力是变化的。有动力转向的汽车在高速行驶时由于轮胎的横向阻力小，方向盘变得轻飘，很难捕捉路面的感觉，容易造成转向过于灵敏而使汽车不易控制。所以在高速时要适当减低助力，甚至于加大转动阻力，这种阻力的变化应该平滑过渡。该控制器设计时必须按理想的电动转向手力模型进行，该电动转向系统可根据车速通过控制助力电机，降低高速行驶时转向助力，增大转向手力，这样才能真正解决高速发飘问题，而且成本相对较低［1］。

(2)主动回正功能

如果驾驶员在转弯的过程中减小了施加在方向盘上的力矩，扭杆上的扭矩也相应减小。于是转向力在减小的同时，转向角度和转向的速度都相应地减小，回转速度也相应被精确地检测到。控制单元根据转向力、车速、发动机转速、转向角度、转向速度和存储在控制单元中的特性曲线图计算出电动机需要的必要的回正力，并控制电动机工作，促使车轮回到直线行驶的方向，即中心位置。

(3)制止摆头功能

在方向盘撒手回正过程中，当车轮出现第一个方向摆头时、回正角度超过零点，角度传感器就会出现相对零点的超越角度信号，控制器就会控制电机反向加力，阻止车轮继续转动;出现第二个方向回摆，回正角度超过零点，角度传感器就会再次出现相对零点的超越角度信号，控制器就会再次控制电机反向加力，阻止车轮继续转动，可使汽车迅速制止摆头。

(4)维持直线行驶功能

直线行驶功能是主动回正功能的一个扩展，当没有力矩作用在方向盘上时，系统将产生助力使车轮回复到中心位置。为实现直线行驶功能，又分为长时间法则和短时间法则两种不同的情况。

东风汽车有限公司三吨汽车DF3电动转向控制器的设计要求已完全实现。经过四轮的道路试验证明是完全可行的。

(5)解决汽车整车轻量化问题

车型采用了电动转向后，整个转向系统预计轻2～3 kg。解放4.5 t转向器原用液压助力转向器(TRW)，采用S-EPS转向器后轻了10 kg。

4 电动转向器适用范围

电动转向器适用范围如表1所示。

表1 电动转向器适用范围

5 对各种车型的EPS产品匹配建议

(1)乘用车EPS产品推荐表如表2所示。

表2 乘用车EPS产品推荐表

(2)商用车EPS产品推荐表如表3所示。

表3 商用车EPS产品推荐表

【1】钮因昌．电动助力转向器的设计要求［J］．天津汽车，2009(5):35－36．