管柱式电动助力转向系统技术研究

汤传军，李朋，孙晖云

(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)

管柱式电动助力转向系统技术研究

汤传军1,2，李朋1,2，孙晖云1,2

(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)

管柱式电动助力转向系统是微型车和小型车采用的主要助力方式之一，其结构性能的优劣直接影响到乘用车的操稳性和安全性。对电动助力转向系统进行概述；以提高汽车的转向性能为目的，对管柱式电动助力转向系统的结构及其工作原理进行系统研究。文中的研究对提高国内EPS的自主研发能力和主机厂转向系统匹配有一定的参考价值。

汽车；管柱式电动助力转向系统；转向性能

0　引言

转向系统作为汽车底盘系统的重要组成部分，对汽车性能有着密切的影响。随着人们对汽车驾驶操纵性能要求的不断提高，机械式转向系统和传统的液压助力转向系统已经很难同时满足汽车在低速行驶时转向轻便和高速时提供良好路感的要求。随着电子技术和传感技术的发展，为汽车性能的提升带来了广阔的空间，在20世纪末诞生了电动助力转向系统(EPS)[1]。汽车电动助力转向系统可以提高转向操纵性，有效地节省能源，增强转向性能。汽车电动助力转向系统在提供转向助力、减轻特定工况下驾驶员的操作负担的同时，还可以提高汽车的转向性能和驾驶舒适性，进一步改善车辆的主动驾驶安全性。目前，国内外很多车型已经配置了EPS系统。

1　电动助力转向系统概述

1.1电动助力转向系统简介

EPS系统在机械转向系统的基础上增加了转向传感器(转矩、角速度)、车速传感器等信号传感采集装置[2]。电动助力转向系统结构如图1所示，主要由电子控制单元、助力电机、离合器、减速机构组成。当驾驶员给方向盘施加适当的转向力矩时，车速和扭矩传感器检测到车速和转矩信号，将其传送到控制器，控制器根据这些信号决定助力的大小和方向，驱动电机动作实现转向助力。

1.2电动助力转向系统发展现状

EPS代表助力转向技术的发展方向，以其突出的优点将会逐渐成为未来汽车的标配。国内各大主机厂主要选择美国TRW公司和德国ZF公司生产的EPS系统与整车匹配。

美国TRW公司作为欧洲最大的EPS供应商，拥有量产化的齿条助力式电动助力(R-EPS)系统，同时还具有完善的EPS匹配和标定系统，研发的EPS产品也正逐渐由A级车向D级车过渡[3]。德国ZF公司根据不同车型的转向齿条力和机械性能的匹配特性开发出适用与不同车型的EPS系统，开发出的双小齿轮助力式电动助力(DP-EPS)系统可以在停车、城市工况、高速公路等不同工况控制驱动小齿轮输出的助力力矩的大小[4]。国内对EPS系统的研究起步较晚，但是近几年来国内各大高校和科研机构对其研究力度加大，国内EPS产品也有了迅速的发展，EPS的类型多以管柱式助力系统Column-EPS(C-EPS)为主。

1.3电动助力转向系统优点

电动助力转向系统与传统的机械转向系统和液压助力转向系统相比，在简化机械结构的基础上还通过采用助力电机替代液压油来提供助力，主要有如下优点：

(1)节约能源，排放少；

(2)没有液压油泄漏问题，清洁无污染；

(3)结构紧凑，便于安装布置，维护方便；

(4)产品开发过程中可以通过对控制策略的更改，匹配不同的车型，减少开发成本和开发周期；

(5)通过控制器控制路感电机可以提供良好的路感。

2　电动助力转向系统类型

电动助力转向系统(Electric Power Steering，EPS)直接通过电动机来提供助力，助力的大小则是通过电控单元 (ECU)来控制的。根据电机布置位置的不同，可以分为3种类型：转向轴助力式、齿轮助力式和齿条助力式，选择何种形式的助力系统，取决于布置空间、车辆电源供给、转向齿条力的大小。

2.1管柱助力式

管柱助力式电动转向系统的电机安装在驾驶室内，为底盘的布置节省了空间。管柱式助力转向系统如图2所示。由于管柱式助力电机提供的助力一般在4～10 kN,所以主要适用于转向力不需要太大的、发动机舱比较紧凑的微型车。

2.2齿轮助力式

小齿轮助力式电动转向系统主要有两种类型：单齿轮助力和双齿轮助力。如图3所示为小齿轮式助力转向系统。单齿轮助力式适用于中级车，双齿轮助力式适用于中高级车辆。它们的助力电机都安装在发动机舱，选配该种助力形式时还要考虑发动机舱布置空间的影响因素。

2.3齿条助力式

图4所示为齿条式助力转型系统，齿条助力式电动助力转向系统可以提供较大的助力转向力矩，主要适用于大型的车辆：SUV、卡车等。其电机也安装在发动机舱，同样也要考虑发动机舱的布置空间和电机的可靠性问题。

3　C-EPS工作原理及主要部件

3.1C-EPS的组成及工作原理

管柱式电动助力转向系统主要由转矩传感器、电控单元、驱动装置、电动机等组成，如图5所示。

这是一款适用于转向力不是很大的车辆的助力系统，电机和电控单元集成安装在转向管柱上。扭杆和传感器紧挨着蜗轮安装。由助力电机产生的助力扭矩通过蜗轮蜗杆减速机构减速增扭后传递到中间轴,其工作原理如图6所示。

转向管柱总成通过转向中间轴和万向节与机械式齿轮齿条转向器连接组成完整的电动助力转向系统总成。通过支座固定在车身上面，方向盘通过安装花键固定在转向轴上。扭杆安装在转向管柱内中空的输入轴内。

EPS系统工作时，通过扭矩传感器检测获得驾驶员的操纵力矩，并结合车速信号、发动机转速信号，由设定好的助力特性曲线确定助力电机的目标控制电流；助力电机的实际电流由电流传感器检测得到，通过控制器调节电机目标电流与实际电流的偏差，控制电机助力力矩的大小和方向。驾驶员作用在方向盘上的作用力矩和助力电机产生的助力力矩和合力矩通过减速机构的减速增扭后，作为有效的转向力矩，通过中间轴、传动机构、横拉杆、转向节传递到车轮，克服转向系统的转向阻力矩，完成转向操作。

3.2C-EPS主要零部件及其作用

3.2.1助力电机

电动机是为电动助力转向系统提供动力的，如图7所示为电动助力电机实物图，其主要作用是根据电控单元发出的控制指令以适当的转速输出合适的辅助转向力矩[5]。目前，电动助力转向系统中普遍使用的是永磁式直流电机。C-EPS的电动机必须具有转矩大、转动惯量小、转矩波动小、质量轻、尺寸小、可靠性高以及易于控制等优良特性。

3.2.2减速机构

减速机构的作用是将电动机输出的助力扭矩和驾驶员作用的转向力矩之和通过减速增扭后，提供实际的转向力矩，普遍采用的是涡轮蜗杆减速机构，减速机构实物图如图8所示。

涡轮采用高强度树脂材料制成，可以降低运动副的摩擦阻力，从而降低输入轴的转动力矩，改善整车的回正性能；另外还可以减小噪声和提高耐久性。

3.2.3转向器

转向器的作用是将转向轴的旋转运动转化为直线运动，驱动转向轮左右转向，图9所示为齿轮齿条转向器。转向器的角传动比决定了转向系统的轻便型和灵敏性。由于电动助力转向系统可以改善转向轻便性，所以在设计时应充分考虑转向灵敏性的要求，初步设计选取较小的角传动比，然后再确定原地转向最大阻力矩和转向器最大输出力矩。

由于方向盘与转向轮之间仍然存在机械连接，当车辆的电源供给发生故障时，驾驶员仍然可以继续操纵车辆转向。

3.2.4扭矩传感器

管柱式电动和阻力转向系统主要使用扭矩传感器来监测转向盘的转向力和方向。其转矩传感器的扭杆安装在转向管柱的输入轴和中间轴之间，驾驶员给方向盘施加转向力矩时，扭杆会发生变形，扭矩传感器测量驾驶员施加在方向盘上的扭矩大小和方向，在此基础上控制单元计算转向助力。图10所示为扭矩传感器实物图。传感器所能覆盖的测量范围一般在±10 N·m之间。

如果转矩更高的话，机械角限制器会阻止扭杆的超载。当驾驶员转动方向盘产生扭矩时，扭杆会旋转，同样传感器上的磁环也会旋转。传感器由磁阻元件组成，当磁场方向改变时，磁阻元件会改变它的电阻。 在此过程中，当磁铁旋转时，电压呈正弦和余弦曲线，采用反正切函数来计算扭杆的直接旋转角度，再乘以扭杆的刚度，得到扭矩值的大小[6]。

3.2.5电控单元

EPS控制单元中包括了电机的底层驱动控制和上层协调控制策略。转向信号从扭矩传感器得到之后传递到电子控制装置。EPS系统的核心是高度精准的电子控制单元，其可靠的工作温度一般为-35～75 ℃，电控单元如图11所示。控制单元内永久性地存储了助力特性Map图，助力特性的匹配由生产厂家

根据车辆定位和车辆参数进行确定匹配。助力特性曲线是一个助力力矩关于车速的函数。

4　总结

对电动转向系统进行概述，首先介绍了电动助力转向系统的发展现状和优点；然后通过对普遍应用于微型和小型乘用车上的管柱式助力转向系统进行全面的剖析，分析了管柱式助力转向系统的工作原理和主要零部件的布置位置以及其工作原理，对今后提高国内EPS的自主研发能力和主机厂转向系统匹配有一定的参考价值。

【1】林逸,施国标.汽车电动助力转向技术的发展现状与趋势[J].公路交通科技，2006,18(3)：80-82.

【2】周淑辉,李幼德,李静,等.汽车电子控制转向系统的发展趋势[J].汽车电器,2006(11):1-4.

【3】TRW：safety system[OL].http://www.trw.com/steering_system/steerings/electrically_powered_steering,2015.

【4】李玉玲.体验精湛的技术与服务-采埃孚(ZF)德国之旅[J].汽车与配件(技术与市场),2013(7):18-28.

【5】于卓平,孟涛,陈慧,等.电动助力转向系统的技术发展趋势[J].汽车技术,2005(9)：1-4,32.

【6】王齐刚,李万莉,徐鸣谦,等.电动汽车转向传感器设计理论研究[J].仪表技术与传感器,2008(1)：6-7,82.

Research on Column-EPS System Technology

Tang Chuanjun1,2,Li Peng1,2,Sun Huiyun1,2

(1.R & D Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000, China；2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000, China)

Column-EPS is one of the main power assistance steering modes applied in compact cars and subcompact cars, its performance has direct effect on the operating stability and safety of passenger cars. The development status of the EPS system was summarized, then Column-EPS structure and working principle were researched in order to improve the steering performance. The research provides reference for research and matching about EPS.

Automobile; Column style EPS; Steering performance

2015-06-07

汤传军(1988—)，男，硕士，主要从事汽车系统动力学性能分析研究。E-mail：tangchuanjun.good@163.com。