電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)

由于科技的進(jìn)步，大部分新車都放棄了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)而采用電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)。因?yàn)殡妱?dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不需要助力轉(zhuǎn)向泵，所以重量減輕，燃油經(jīng)濟(jì)性提高。而且EPS可以提供更好的操控感和轉(zhuǎn)向感，根據(jù)車速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向扭矩，在關(guān)鍵駕駛情況下提供主動(dòng)扭矩，提高車輛安全性。我們?cè)賮?lái)仔細(xì)看看電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的EPS。

什么是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的EPS？

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)是一種直接依靠電機(jī)提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的HPS液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，EPS系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)助力器直接提供轉(zhuǎn)向動(dòng)力，省去了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必需的動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓油、安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的傳送帶和皮帶輪，節(jié)能環(huán)保。此外，它還具有調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單、裝配靈活、可在各種條件下輔助轉(zhuǎn)向的特點(diǎn)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將是未來(lái)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的EPS結(jié)構(gòu)

EPS主要由扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和電子控制單元(ECU)組成。

同等成分。傳感器檢測(cè)駕駛員轉(zhuǎn)彎時(shí)方向盤產(chǎn)生的扭矩或旋轉(zhuǎn)角度的大小和方向，將所需信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，輸入控制單元。然后控制單元對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，得出適合行駛條件的扭矩，最后給出指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。馬達(dá)的輸出扭矩由傳動(dòng)裝置的動(dòng)作輔助。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作。

當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，扭矩傳感器檢測(cè)方向盤的轉(zhuǎn)向和扭矩，并向電子控制單元發(fā)送電壓信號(hào)。電子控制單元根據(jù)扭矩傳感器檢測(cè)到的扭矩電壓信號(hào)、旋轉(zhuǎn)方向和車速信號(hào)，向電機(jī)控制器發(fā)出指令，使電機(jī)輸出相應(yīng)大小和方向的轉(zhuǎn)向扭矩，從而產(chǎn)生輔助動(dòng)力。汽車不轉(zhuǎn)時(shí)，電控單元不給電機(jī)控制器指令，電機(jī)不工作。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類

根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)位置的不同

根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部件的不同，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可分為轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向小齒輪和齒條三大類。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。所以不同車輛的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)組成不同，但基本原理是一樣的。該系統(tǒng)通常由轉(zhuǎn)向(扭矩)傳感器、電子控制單元、電機(jī)、電磁離合器和減速機(jī)構(gòu)組成。

1.轉(zhuǎn)向軸動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

它的扭矩傳感器、電機(jī)、離合器和轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)集成在一起，安裝在轉(zhuǎn)向管柱上。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，測(cè)得的轉(zhuǎn)矩信號(hào)對(duì)DC電機(jī)的控制有很好的響應(yīng)。這種類型一般用于汽車。

2.轉(zhuǎn)向器小齒輪動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向小齒輪助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的扭矩傳感器、電機(jī)、離合器、轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)仍為一體式，但都安裝在轉(zhuǎn)向小齒輪處，直接輔助小齒輪，這樣可以獲得更大的轉(zhuǎn)向力。這種形式可以使各部分的布局更加方便，但當(dāng)萬(wàn)向傳動(dòng)裝置安裝在方向盤和轉(zhuǎn)向器之間時(shí)，扭矩信號(hào)采集和助力輪部分不在一條直線上，其助力控制特性難以保證精度。

3.齒條動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。(圖1)

扭矩傳感器單獨(dú)安裝在小齒輪上，電機(jī)和轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)安裝在小齒輪另一端的齒條上輔助齒條。這根據(jù)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同可以分為兩種。一個(gè)是電機(jī)是空心的。齒條從中穿過(guò)，電機(jī)的動(dòng)力通過(guò)一對(duì)斜齒輪傳遞給齒條，a。

這種結(jié)構(gòu)是第一代電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。由于電機(jī)位于齒條殼體內(nèi)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，維修困難。另一個(gè)是電機(jī)的外殼和機(jī)架是相互獨(dú)立的。電機(jī)的動(dòng)力通過(guò)另一個(gè)小齒輪傳遞給齒條，由于制造維修方便，成本低，已經(jīng)取代了第一代產(chǎn)品。由于齒條由獨(dú)立的齒輪驅(qū)動(dòng)，可以給系統(tǒng)更多的動(dòng)力，主要用于重型車輛。

根據(jù)位置的不同

根據(jù)電機(jī)的位置，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可分為轉(zhuǎn)向柱助力、齒輪助力、齒條助力和直接驅(qū)動(dòng)四種類型。

轉(zhuǎn)向柱輔助電動(dòng)轉(zhuǎn)向器(C-EPS)

轉(zhuǎn)向柱助力電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器(C-EPS)的助力電機(jī)固定在轉(zhuǎn)向柱的一側(cè)，通過(guò)減速增矩機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸連接，直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸進(jìn)行動(dòng)力轉(zhuǎn)向(圖2)。該電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，安裝方便。現(xiàn)在大部分EPS都采用這種形式。此外，C-EPS的供電裝置可以設(shè)計(jì)成適用于各種轉(zhuǎn)向柱，如固定轉(zhuǎn)向柱、傾斜可調(diào)轉(zhuǎn)向柱和其他轉(zhuǎn)向柱。但由于助力電機(jī)安裝在駕駛艙內(nèi)，受空間布局和噪音的影響，所以電機(jī)體積小，輸出扭矩小，一般只在小型緊湊的車輛上使用。

齒輪助力電動(dòng)轉(zhuǎn)向器

助力電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器(P-EPS)有一個(gè)助力電機(jī)和一個(gè)與小齒輪相連的減速增矩機(jī)構(gòu)，直接驅(qū)動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向(圖3)。由于助力電機(jī)沒(méi)有安裝在乘客艙中，因此可以使用更大的電機(jī)來(lái)獲得更高的助力扭矩，而不用擔(dān)心電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)大而產(chǎn)生噪音。這種類型的轉(zhuǎn)向器可用于中型車輛，以提供更大的動(dòng)力輔助。

齒條助力電動(dòng)轉(zhuǎn)向器(R-EPS)

齒條助力電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器(R-EPS)直接驅(qū)動(dòng)齒條提供動(dòng)力(圖4)。因?yàn)橹﹄姍C(jī)安裝在車架上的位置比較自由，所以布置汽車底盤非常方便。同時(shí)與C-EPS和P-EPS相比，可以提供更大的動(dòng)力，所以一般用在大型車輛上。

直接助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器(D-EPS)的助力電機(jī)、減速增扭機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向器組成一個(gè)獨(dú)立的單元(圖5)。和R-EPS類似，兩者的主要區(qū)別在于扭矩傳感器的安裝位置不同。通過(guò)優(yōu)化電子控制單元(ECU)中的算法，電機(jī)可以直接為齒條提供轉(zhuǎn)向助力，以獲得良好的轉(zhuǎn)向感。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)工作原理

電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以電機(jī)為動(dòng)力源，計(jì)算機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)向參數(shù)和車速完成助力工作。

不旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)不工作，EP系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)；方向盤操作時(shí)，安裝在方向盤軸上的扭矩傳感器不斷檢測(cè)方向盤軸上的扭矩，從而產(chǎn)生電壓信號(hào)，與車速信號(hào)同時(shí)輸入到電子控制器，控制器中的微型計(jì)算機(jī)根據(jù)這些輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和處理，確定輔助扭矩的大小和方向，即選擇電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)向，調(diào)整轉(zhuǎn)向的輔助動(dòng)力。電機(jī)的扭矩通過(guò)減速機(jī)構(gòu)被電磁離合器減速和增大，然后加到汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，從而獲得適合工況的轉(zhuǎn)向力。

電子助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的核心是一個(gè)8位微機(jī)，具有4kBROM和256kBRAM。轉(zhuǎn)向扭矩信號(hào)和車速信號(hào)通過(guò)輸入接口發(fā)送到微型計(jì)算機(jī)。隨著車速的提高，通過(guò)微電腦控制相應(yīng)降低助力電機(jī)的電流，從而降低助力扭矩。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)也發(fā)送到微型計(jì)算機(jī)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，助力電機(jī)和離合器不工作。

點(diǎn)火開關(guān)的on/off信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換接口發(fā)送到微機(jī)。當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)關(guān)閉時(shí)，電機(jī)和離合器不能工作。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)的工作原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是扭矩傳感器測(cè)量駕駛員施加在方向盤上的轉(zhuǎn)向扭矩，車速傳感器測(cè)量車輛當(dāng)前的行駛速度，然后將這兩個(gè)信號(hào)傳輸給ECU。根據(jù)ECU內(nèi)置的控制策略，計(jì)算出理想的目標(biāo)輔助扭矩，并轉(zhuǎn)換成電流指令給電機(jī)；然后，電機(jī)產(chǎn)生的輔助扭矩經(jīng)減速機(jī)構(gòu)放大后作用于機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，與駕駛員的轉(zhuǎn)向扭矩一起克服轉(zhuǎn)向阻力扭矩，實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的最終發(fā)展趨勢(shì)

1.提高控制系統(tǒng)的性能，減小控制單元和驅(qū)動(dòng)單元的體積，降低控制系統(tǒng)的制造成本，使其能更好地適應(yīng)不同檔次的汽車。

比如改進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)，消除電機(jī)慣性大、摩擦大導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向路感不足等缺點(diǎn)，讓電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也能應(yīng)用到重型卡車上。

2.實(shí)現(xiàn)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制單元與車輛上其他控制單元的通信，從而實(shí)現(xiàn)整車電控系統(tǒng)的集成。

3.根據(jù)各種信號(hào)如車速、扭矩、轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向速度、側(cè)向加速度、前橋重力等。將實(shí)施符合車輛特性的綜合控制，以獲得更好的轉(zhuǎn)向路感。

4.提高系統(tǒng)的可靠性。

這應(yīng)該從提高系統(tǒng)所有部件的可靠性開始，比如使用非接觸式扭矩傳感器。

5.提高系統(tǒng)的安全性。

方向盤EPS系統(tǒng)取消后，駕駛室有更多空間布置被動(dòng)安全部件，減少危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)對(duì)乘客的傷害。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)因其技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)越，將取代其他助力轉(zhuǎn)向技術(shù)，成為未來(lái)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的主流。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將是動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向，也是未來(lái)汽車對(duì)安全性、操縱穩(wěn)定性和舒適性的更高要求。具有良好的發(fā)展前景。隨著DC汽車性能的提高和42V電源在汽車零部件上的應(yīng)用，其應(yīng)用范圍將進(jìn)一步拓寬，并逐步擴(kuò)展到微型車、輕型車和中型車。