2010-2-26
本文介紹了汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展及電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理，重點(diǎn)介紹了巨PS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及分類(lèi)，對(duì)EPS的研究與發(fā)展進(jìn)行了展望。
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車(chē)的主要子系統(tǒng)之一，其性能直接關(guān)系到汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性和舒適性，對(duì)于確保行車(chē)安全、減少交通事故以及保護(hù)駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件起著重要的作用。
助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了純機(jī)械式、液壓式、電控液壓式、電動(dòng)助力式以及處于研制階段的線(xiàn)控式幾個(gè)階段。傳統(tǒng)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般采用液壓助力，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功率消耗大、易泄漏、轉(zhuǎn)向助力不易控制。因此汽車(chē)工程師一直在尋求一種更好的助力方式，以獲得較強(qiáng)的路感、較輕的操縱力、較好的回正性、較高的抗干擾能力和較快的響應(yīng)性。
上個(gè)世紀(jì)80年代開(kāi)始，人們開(kāi)始研究電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向，簡(jiǎn)稱(chēng)EPS(Electric Power Steering)。EPS是在EHPS(電控液壓助力轉(zhuǎn)向)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件數(shù)量大大減少、可靠性增強(qiáng)，它取消EHPS的液壓油泵、液壓管路、液壓油缸和密封圈等配件，純粹依靠電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，解決了長(zhǎng)期以來(lái)一直存在的液壓管路泄漏和效率低下的問(wèn)題。
EPS的工作原理及特點(diǎn)
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力來(lái)幫助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成，信號(hào)傳感裝置(包括扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器和車(chē)速傳感器)，轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)(電機(jī)、離合器、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu))及電子控制裝置。電動(dòng)機(jī)僅在需要助力時(shí)工作，駕駛員在操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)，扭矩轉(zhuǎn)角傳感器根據(jù)輸入扭矩和轉(zhuǎn)向角的大小產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)，車(chē)速傳感器檢測(cè)到車(chē)速信號(hào)，控制單元根據(jù)電壓和車(chē)速的信號(hào)，給出指令控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)向助力。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向相比，EPS系統(tǒng)具有一系列的優(yōu)點(diǎn)。
(1)節(jié)約了能源消耗。沒(méi)有轉(zhuǎn)向油泵，且電動(dòng)機(jī)只是在需要轉(zhuǎn)向時(shí)才接通電源，所以動(dòng)力消耗和燃油消耗均可降到最低。
(2)對(duì)環(huán)境無(wú)污染。該系統(tǒng)應(yīng)用電力作為能源，消除了由于轉(zhuǎn)向油泵帶來(lái)的噪聲污染。也不存在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中液壓油的泄漏與更換而造成的污染。同時(shí)該系統(tǒng)由于沒(méi)有使用不可回收的聚合物組成的油管、油泵和密封件等配件，從而避免了污染。
(3)增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向跟隨性。在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)與助力機(jī)構(gòu)直接相連，可以使其能量直接用于車(chē)輪的轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)利用慣性減振器的作用，使車(chē)輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振大大減小。因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力大大增強(qiáng)。和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生于電機(jī)，沒(méi)有液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應(yīng)，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向車(chē)輪對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)的跟隨性能。
(4)改善了回正特性。由于采用了微電子技術(shù)，利用軟件控制電動(dòng)機(jī)動(dòng)作，在最大限度內(nèi)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)以獲得雖佳的回正特性。從最低車(chē)速到最高車(chē)速，可得到一簇回正特性曲線(xiàn)，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)電機(jī)在不同車(chē)速及不同車(chē)況下的轉(zhuǎn)矩特性，這些轉(zhuǎn)矩特性使得該系統(tǒng)能顯著提高轉(zhuǎn)向能力，提供了與車(chē)輛動(dòng)態(tài)性能相匹配的轉(zhuǎn)向回正特性，而傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無(wú)法做到這一點(diǎn)。
(5)提高了操縱穩(wěn)定性。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)一角度，然后松開(kāi)時(shí)，EPS系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整使車(chē)輪回正。同時(shí)還可利用軟件在最大限度內(nèi)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)以獲得最佳的回正特性。而在傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)中，要改善這種特性必須改造底盤(pán)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)很困難。
(6)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小，布置方便。由于該系統(tǒng)具有良好的模塊化設(shè)計(jì)，所以不需要對(duì)不同的系統(tǒng)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、加工等，不僅節(jié)省了費(fèi)用，也為設(shè)計(jì)不同的系統(tǒng)提供了極大的靈活性，而且更易于生產(chǎn)線(xiàn)裝配。相對(duì)于液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，EPS沒(méi)有油泵、油管和發(fā)動(dòng)機(jī)上的皮帶輪，使得設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)有更大的余地，而且該系統(tǒng)的控制模塊可以和齒輪齒條設(shè)計(jì)在一起或單獨(dú)設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)部件的空間利用率極高。
EPS的分類(lèi)
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照電動(dòng)機(jī)布置位置的不同，可以分為：轉(zhuǎn)向柱助力式(Column-assisttype EPS)、齒輪助力式(Pinion-assisttype EPS)、齒條助力式(Rack—assisttype EPS)、直接助力式(Direct-drivetype EPS)四種。
轉(zhuǎn)向柱助力式電動(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)減速增扭機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸助力轉(zhuǎn)向(圖2)。這種形式的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、易于安裝。現(xiàn)在多數(shù)EPS就是采用這種形式。此外，C-EPS的助力提供裝置可以設(shè)計(jì)成適用于各種轉(zhuǎn)向柱，如固定式轉(zhuǎn)向柱、斜度可調(diào)式轉(zhuǎn)向柱以及其它形式的轉(zhuǎn)向柱。但由于助力電機(jī)安裝在駕駛艙內(nèi)，受到空間布置和噪聲的影響，電機(jī)的體積較小，輸出扭矩不大，一般只用在小型及緊湊型車(chē)輛上。
齒輪助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器(P—EPS)的助力電機(jī)和減速增扭機(jī)構(gòu)與小齒輪相連，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)不是安裝在乘客艙內(nèi)，因此可以使用較大的電機(jī)以獲得較高的助力扭矩，而不必?fù)?dān)心電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量太大產(chǎn)生的噪聲。該類(lèi)型轉(zhuǎn)向器可用于中型車(chē)輛，以提供較大的助力。
齒條助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器(R-EPS)的助力電機(jī)和減速增扭機(jī)構(gòu)則直接驅(qū)動(dòng)齒條提供助力(圖4)。由于助力電機(jī)安裝于齒條上的位置比較自由，因此在汽車(chē)的底盤(pán)布置時(shí)非常方便。同時(shí)，同C—EPS和P-EPS相比，可以提供更大的助力值，所以一般用于大型車(chē)輛上。
直接助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器(D-EPS)的助力電機(jī)和減速增扭機(jī)構(gòu)同轉(zhuǎn)向齒輪形成了一個(gè)獨(dú)立的單元(圖5)。它與日—EPS比較相似，兩者的主要區(qū)別是扭矩傳感器的安裝位置有所不同。通過(guò)優(yōu)化電控單元(ECU)內(nèi)部的算法，讓電機(jī)向齒條直接提供轉(zhuǎn)向助力可以獲得良好的轉(zhuǎn)向路感。
EPS技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
從EPS控制策略的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，今后控制信號(hào)將不再僅僅依靠車(chē)速與扭矩信號(hào)，而是根據(jù)轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度、前軸重力等多種信號(hào)進(jìn)行與汽車(chē)特性相吻合的綜合控制，以獲得更好的轉(zhuǎn)向路感。目前已經(jīng)開(kāi)始這方面的研究。
從國(guó)內(nèi)外的研究來(lái)看，EPS今后的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：
(1)EPS助力控制策略。助力控制是在轉(zhuǎn)向過(guò)程中為減輕轉(zhuǎn)向盤(pán)的操縱力，通過(guò)減速機(jī)構(gòu)把助力電機(jī)的力矩作用到機(jī)械轉(zhuǎn)向系上的一種基本控制模式。助力控制策略的主要目的是根據(jù)轉(zhuǎn)向助力特性曲線(xiàn)確定助力電動(dòng)機(jī)的助力大小，輔助駕駛員實(shí)現(xiàn)汽車(chē)轉(zhuǎn)向?？刂撇呗允?span>EPS研究的重點(diǎn)。
(2)系統(tǒng)匹配技術(shù)。助力特性的匹配、電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)的匹配、傳感器的匹配以及EPS系統(tǒng)與其它子系統(tǒng)進(jìn)行匹配，是使整車(chē)性能達(dá)到最優(yōu)的關(guān)鍵。
(3)可靠性。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是駕乘人員的“生命線(xiàn)”之一，必須保證高度可靠性。EPS除了應(yīng)有良好的硬件保證外，還需要良好的軟件做支撐，因此對(duì)EPS的可靠性提出了很高的要求。
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)過(guò)近二十多年的發(fā)展，技術(shù)日趨成熟，其應(yīng)用范圍從最初的前軸負(fù)荷較小的轉(zhuǎn)向柱助力式EPS微型轎車(chē)向前軸負(fù)荷較大的大型轎車(chē)、商用客車(chē)、貨車(chē)方向發(fā)展，EPS系統(tǒng)的助力形式也由低速、轉(zhuǎn)向柱助力型向全速、齒條助力型發(fā)展。
由于技術(shù)、制造和維修成本等原因，目前汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍以液壓助力的HPS(包括ECHPS、EHPS)為主。線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于成本高以及現(xiàn)有法規(guī)限制等原因，在近期很難在車(chē)輛上裝配。EPS具有節(jié)能與環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，EPS取代HPS是今后一段時(shí)間內(nèi)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。
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