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1、第 2 2卷 第 3期 2 0 0 8年 9月 湖 北 汽 车 工 业 学 院 学 报 J o u r n a l o f Hu b e i Au t o mo t i v e I n d u s t r i e s I n s t i t u t e Vo l _ 22 No 3 Se p2 00 8 电动助力转向系统(E P S)技术现状与发展 E-(南阳市公路技工学校 迅 河南南 阳 4 7 3 0 0 0)摘要：对电动助力转向系统 的发展历程作 了简要回顾。在对 汽车 电动助力转向原理 的深入分析基础上，阐述 了汽车电动助力转向系统的技术现状和发展前景。关键词：电动助力转向系统：关键技
2、术；技术现状 中图分类号：U 4 6 3 3 3 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 8 5 4 8 3(2 0 0 8)0 3 0 0 2 l 一 0 4 St a t e o f Ar t s o n El e c t r i c Po we r S t e e r i ng Sy s t e m Wa n g Xu n (N a n y a n g H i g h w a y M e c h a n i c S c h o o l，N a n y a n g 4 7 3 0 0 0，C h i n a)Abs t r a c t：Th i s pa pe r r e v i e ws
3、t h e d e v e l o pi n g p r o c e s s o f t h e e l e c t r i c p o we r s t e e r i n g s y s t e mBa s e d o n t h e d e e p a n a l y s i s o n t h e p r i n c i p l e o f t h e di f f e r e n t p o we r s t e e r i n g s y s t e ms，t h e s t a t e o f a r t s a n d t he k e y t e c h n o l o g
4、i e s o f t h e s y s t e m a r e de s c r i b e d a n d t h e f o r e g r o u n d o f t h e e l e c t r i c p o we r s t e e r i n g s y s t e m i s a l s o e x p a t i a t e d Ke y wo r ds：e l e c t r i c po we r s t e e r i n g s y s t e m；k e y t e c h n o l o g y；s t a t e o f a r t s 1 现状 随着汽车
5、技术的发展，人们逐渐追求安全、轻 便、舒适的驾驶环境，汽车转向系统 由普通转向系 统向动力转向系统发展。动力转向装置分气动 液 动助力转向和电动助力转向，其中电动助力转向装 置(E P S)轻便、简单、节能、清洁等优点，倍受人们 青睐。逐渐有取 代其 它助力 方式 的趋 势。E P S系统是在机械转向系统的基础上，依靠电 动机提供辅助扭矩 的动力转向系统。由于它有利 于环保，安装方便，提高主动安全性，并且助力特性 可 以根 据转 向速率、车 速等参 数设计 为可 变助力 特 性，所 以一经 出现就受 到高度 重视。在 国外，E P s已 部分取代传统液压动力转向，成为世界汽车技术发 展的研究热
6、点。由于 目前汽车蓄电池输出功率的 限制，使 E P S助力电动机提供的扭矩有限，所以 收稿 日期：2 0 0 8 0 5 1 6 作者简介：王迅(1 9 7 3 一)，女，河南南阳人，从事 汽车传动新技术研究：E P S最先 应用 在小 型车和家 庭轿车 上。然而 现在它 已广泛应 用 于较 大 型车辆上。这种扩 大要 归功于社 会 对节能 型转 向系统 的需求，而且 由于控制 技术 的 进步使 电动助力转向器性能达到甚至超过液力转 向器 的性 能【1 1。E P S应 用 到较 大 型 车辆 上 的技 术关 键 点是 能 提 供大 的辅助轴 向力，因为 中型或大 型车辆 需要 的 轴 向力
7、可达 1 0 0 0 0 N，甚至更高。然而，在 目前大多 数 汽 车配装 l 2 V 电压 系统 的情 况 下，由于 电动转 向器 的电机 电流 的 限制，电 机输 出扭矩 的增 加受到 了很大 限制。欧洲 汽车 制造商 在研究 配有 4 2 V 电压 系统 的 中型车辆上应用 E P S方面走在了前头，而在拓展 E P S的应用 方 面，日本 的 K O Y O、N S K、HO N D A及 美 国 的 D E L P HI、T R W 等公 司 已 经 开 发 了多 种 类 型的 E P S E P S是一 种新 型的动 力转 向器，它 没有 因电液 2 2一 湖北汽车工业学 院学报
8、2 o 0 8年 9月 或液力动力转向器 的体积大、部件多、管路漏油等 造成的耗能、污染环境的缺点。因此，从 1 9 8 8年第 1 个 E P S 样 品诞 生 至今 的 l 0多年 里，快 速完成 了 从实验室走 向商品化的过程。特别是近几年，随着 汽车数量的大幅增加，能源和环保问题 日益突出，节能、环保的 E P S受到了汽车厂家的欢迎。2 助力转 向系统的分类 助力转向系统按照提供动力的形式大致 可以 分为 3类：液压助力转向系统 f Hy d r a u l i c P o w e r e d S t e e r i n g，H P S)，电动液压转向系统(E l e c t r i
9、 c a l l y H y d r a u l i c P o w e r e d S t e e r i n g，E HP S)，电动助力转 向系 统(E l e c t r i c P o w e r S t e e r i n g，E P S)。将来的趋势是电 线转向(S B W S t e e r i n g B y Wi r e)，即采用线控技术，在方向盘和转向轮之问没有机械连接。3种助力转 向系统的性能 比较见表 1。表 1 3种 助 力 转 向 系统 性 能 比 较 传统的液压助力转 向系统 的油泵与发动机直 接联结，在汽车直线行驶油泵也一直处在工作状 态，能量损耗很大。电动
10、液压 助 力 系统 由一 个 专 门的 电动 机驱 动 油泵来建立液压油压力，以液压油作为传递动力的 媒介，油泵与发动机分开，用电动机驱动油泵，由 E C U控制电动机的起动和停止，一般仅在需要助 力转向的时候启动电动机，这样减少 了机械损失，也 减少 了发动 机燃 油油耗，电液助 力转 向系 统 的能 耗是传统液压转向系统能耗 的 8 5，相当于整车 3 4 的油 耗。电动助力转向系统不需要油泵，转向助力由电 动机直接驱动，助力的大小和方向由E C U控制，只 在需要助力的时候起动电动机助力，安装起来更加 方便。由于没 有液压 系统，成本 低、更 环保 和节 能。E P S系统 的结构 和
11、布置形 式 多种 多样 E P S系 统的电机多为直流电机，端电压为 l 2 V、2 4 V或者 4 2 v。根据汽车前轴负荷的不同，助力电机的安装 位置也不同。当前轴负荷较小时，电机及减速装置 与转向轴相连(转向轴驱动)；当前轴负荷中等时，电机及转向器与转 向小齿轮相连(转 向齿轮驱动)；当前轴负荷较大时 电机及减速器则与转 向器齿条 轴 相连(转 向齿条 驱动)。3 电动助力转 向的关键 技术 E P S系统的研究开发涉及 电动机的驱动技术、非接触式传感器技术、转 向控制技术(包括助力控 制、回正控制、阻尼模式和惯性控制)以及 E P S系 统与整车性能等多方面的难题 3 14】。1)电动
12、机驱动技术：E P s系统中电机要求端 电压低，而功率相对较高，所 以电动机电流较大，这 给驱动单元的电子器件选择和电路设计带来一定 的 困难，这 是 E P S系统 开发 的关键 技术 之一。2)非接触传感器技术：E P S系统中的方向盘 转矩传感器要求结构简单，工作可靠，价格便宜，精 度适 中。目前国外 E P S系统 中的转矩传感器多为 非接触式(电磁感应式、光 电式等)，而接触式转矩 传感器(滑动电阻式)应用较少。国内非接触式传感 器价格较高，不适合用于 E P S系统 中，必须开发 出 一种符合以上要求的转矩传感器。3)转 向控 制技 术：E P S系 统 在原 有 的 机械 式 转
13、 向系统中增加了电机和减速器 使转 向操纵机构 的惯性增大，为此必须引入惯性控制和阻尼控制。避免在电机开始助力和结束助力时对转向操纵产 生影响。同时，为了更好的路感，必须根据汽车的行 驶速度和转向状态确定合理的助力的大小和方向。目前国外在助力控制、回正控制等方面都提 出了很 多先进 的控制策略，并取得了比较好的控制效果。4)E P S系统与整车性能相匹配：汽车是由各 子系统组成 的既相互联系又相互制约的有机整体，当汽车某个子系统改变时，整车性能也产生了相应 的变化，因此，必须对 E P S系统与其它子系统进行 匹配，使整车性能达到最优。目前汽车上流行的现 场总线是控制器局域 网总线 C A N
14、，而 S A E J 1 9 3 9 协议 是在 C A N协议 基础 上重 新定 义 的协议，本文 第 2 2卷 第 3期 王 迅：电动助力转 向系统(E P S)技术现状与发展 一 23一 研制的 E P S系统将支持 S A E J 1 9 3 9协议。4电动助 力转 向的发展前景 目前 E P S已广泛 装备 于轿 车上 并表现 出 明显 的优越性。E P S系统会 根据 扭矩、车速、转 向角度、转向速度、横向加速度等多种信号进行综合控制 以 取 得更优控 制性 能。同时，E P S技术 将有助 于 汽车 朝 着 电子 四轮转 向的方 向发展。此外，还将 与 电子 悬架结合，将达到多方
15、面综合、协调、统一控制的 目 的。随着 E P S生产成 本 的降低，性 能价格 比的进一 步提高，E P S的市场将继续拓宽。随着电子技术和传感器技术的快速发展，电子 控制器和传感器的价格越来越便宜，系统功能也越 来越强，这使电动助力转 向系统在性能和价格比上 比液压助 力转 向系统更 有优 势。另外控制算法和软件的开发也越来越完善。由 软件来实现在各种复杂的工况下的电动助力功能 已比较成熟，使人fl J x 在故障诊断和故障安全处理 也具有较高程度的信心，电动助力转向系统 比电动 液压助力转向系统更具竞争力。电动助 力 转 向的特 点 在 于：1)方 向盘 的转 向特性、转 向手感、转 向
16、灵 敏度 和 汽 车的稳 定 性 可 以通 过 软件 来 进 行 调 节 和 优 化。E H P S液 压 助 力的增减有一定的滞后性，反应敏感性较差，随 动性 不 足。2)E P S比 E H P S的 系 统 重 量 要 轻，结构紧凑。减少 了安装空间，当然都是配件厂已 经组 装好 了组 件，可 以直接 安装 到 车 上，在装 配 线上，安装 H P S系统约需 3 6 m i n，而 安装 E P S系 统仅 需 5-6 mi n。3)E P S和 E H P S都 是 只有 在 需 要 时 提供 助 力，不需 要 消耗 发动 机 的功 率，所 以 节省能耗，但 由于都是由蓄电池提供能量
17、，因此 对蓄电池的要求高了。4)E P S和 E H P S是电线转 向系统 的前期 产 品，为 以后 的一 体 式汽 车控 制 系 统 E C S提供 方便。驾 驶 员 可 以选 择 方 向 盘 手感。比如跑 车还 是家庭 轿 车。5)E P S和 E H P S的动力 与发 动机 无关，因此 适合 将来 的 电动汽 车或 混 合 电动汽车，也适合于小型车，因为这种车只需要 较小的动力来使前轮转 向。6)E P S相对于 E P HS 没有液压 油，易于保修，且绿 色环保。7)E P S的 应用 范 围广，适 用 于各 种汽 车，目前 主要 用 于轿 车 和轻 型 载货 汽 车，而 对 于
18、环 保 型 纯 电 动汽 车，由于没有 发动 机，因此 E P S系统 为其最 佳选择。正是因为 E P S系统有上述优点，世界各汽车 生产 大国 已投 入大 量的人 力、物力 从事该 系统 的研 究开发工作。目前只有 日本、美国、德国、英国等几 个 国 家 的著 名 汽 车公 司开 发 出 自己 的 E P S产 品，并在部 分 车型上 安装使 用，E P S系统开 发成 功是转 向装置的一次变革，为进一步实现 电线转向奠定了 基础。据专家预测，到 2 0 1 0年，约 3 0 的轿车将安 装 E P S系统。国内 E P S系统 的研究 开发 还 属于起 步 阶段。E P S在汽车操纵稳定
19、性相对于其它转 向系统 有 4点改善同：1)增强了转向跟随性。在 E P S系统中，电动机 与助力机构直接相连可以使其能量直接用于车轮 的转向，因此，转向系统的抗扰动能力大大增强。与 液压 力助力 转 向系统相 比，助力 转矩产 生 于 电机，没 有液压 助力 系统 的转 向迟 滞效 应，增强 了转 向车 轮对 转 向盘的跟 随性能。2)改善了转向回正特性。E P S还可通过软件工 程师们最大限度调整设计参数以获得最佳的回正 特性，提供了与车辆动态性能相匹配的转向回正特 性。而在传统的液压使制系统中，要改善这种特性 必须 改造 底盘 的机械结构，实 现起来较 困难。3 1 提高 了操 纵稳 定
20、性。通 过 微 电脑 快速 灵 活 的智能控制，使汽车稳定性更高，驾驶感觉更好。4 1 提供可变的转 向助力。通过柔性控制策略 可得到覆盖整个车速的可变转向力特性。对于传统 的液压系 统 可变 转 向力 矩获得 非常 困难 而且费用 很高 要想获得可变转向力矩、必须增加额外的控 制器和其它硬件，但电动转向系统可变转向力矩可 通 过软件设 定，成 本低，效率 高。5 未来市场 需求 人类逐 渐意识 到全球 变暖 的问题，从而 需要改 进燃 烧效 率，并 且对 具 有 环保、节 能 型特 点 的产 品 需求 不断增 加。因此，可以预测从 液力 转 向系统 到 电动转 向系统 的转 变过程 会在将
21、来很快地 发生。表 2展示 了 E P S及 H P S在世界各地 的需求趋势。数 据 表 明，在 世 界范 围 内，电动 转 向器 和 电液转 向器 的使用 会 增 加很 快，2 0 0 1年 大 约 4 2 的安 装 在新 车 中的转 向器是 这种节 能型 的。即使 是保守 的估 计，到 2 0 0 6年欧 洲市场 中 电动转 向器和 电液转 向 器 的份额会 达到 5 6。汽车采用 E P S技术将使 一2 4一 湖北汽车工业学院学报 2 0 0 8年 9月 表 2 E P S和HP S占所在地转向器的比率 转 向技术 向线控转向技术大大前进 了一步。随着 4 2 V电子系统在未来几年大
22、规模地进入市场，它 将会促进 电动转向器应用于大型豪华汽车上。参考文献：1 黄李 琴，季 学武，陈奎元 汽 车电动助力转 向控制 系统 的初步研究 J 汽车技术，2 0 0 3，3 4(6)：3 6 2 杨树，唐新蓬 汽 车电动助力转 向系转 向系转向盘力(上接第 2 0页)参考文献：1 黄宗益，李 兴华 轿 车 自动变速 器杠杆分析 法 J 传动 技术，2 0 0 2(3)：1 8 2 5 2 葛安林 车辆 自动变速器理论 与设 计 M 北京：机械工 业 出版社 1 9 9 3 特性 的初步研究 J 汽车科技，2 0 0 3，3 1 0)：1 9 2 1 3 林逸，施 国标，邹常丰，等 电动助力转 向助力 控制策 略的研究 J 汽车技术，2 0 0 3，3 4(3)：8-1 1 4 王晓明 电动机的单片机控制 M 北京：北京航空航天 大学出版社，2 o 0 2 5 张卫冬，余达 太曼 一种智能 电动助力转 向系统 J 北 京科技大学学报，2 0 0 3，2 5(1)：6 6 6 8 3 周守仁 自动变速器 M 北 京：中国铁道出版社，1 9 8 4 4 何 国旗，李 兴华 行 星齿轮传动 分析的新方 法 J 机械 工程 师，2 0 0 3，3 5(1 1)：4 8 5】5 黄宗益 现代轿 车 自动变速器原理 和设计 M 上海：同 济大学 出版社，2 0 0 6