1、石家莊科技信息職業學院畢業論文題目：汽車電動助力轉向特性分析 學 號：090115007 姓 名：秦 翰 專業班級：09-15汽車電子技術 指導教師：劉國新完成日期：2011-11-20 汽車電動助力轉向特性分析摘要：汽車電動助力轉向系統(Electric Power Steering System簡稱EPS)是近年來發展起來的種新型動力轉向系統，具有節能、質量輕、安全、環保等一系列優點，正逐步取代傳統的液壓助力轉向系統，成為未來汽車轉向系統的發展方向，其出現并迅速成為世界汽車技術研究的熱點。汽車轉向系統的發展經歷了從簡單的純機械轉向系統、液壓助力轉向系統，電控液壓助力轉向系統，到更為節能、操

2、縱性能更好的電動助力轉向系統這幾個階段。本文論述了EPS的特點、工作原理、結構組成、國內外的研究現狀，通過對EPS各組成部分和汽車轉向系統的分析出了EPS性能評價指標，并對三種助力特性曲線的特點進行了分析和比較。EPS系統作為今后汽車轉向系統的發展方向，這給EPS帶來了更加廣闊的應用前景。關鍵詞：電動助力轉向；特性；發展目錄1 緒論11.1研究的目的和意義11.2國內外發展狀況3國外發展狀況31.2.2 國內發展狀況42轉向系統的概述62.1轉向系統的發展過程6機械式轉向系統6液壓式助力轉向系統(HPS)7電液式助力轉向系統(EHPS)82.2電動助力轉向系統10電動助力轉向系統的結構10電動

3、助力轉向系統的工作原理11電動助力轉向系統的類型13電動助力轉向的關鍵技術14電動助力轉向系統的優點153 電動助力轉向系統受力與性能分析173.1電動助力轉向系統受力173.2 理想轉向盤力矩的研究183.3電動助力轉向系統性能的主要評價指標19轉向回正能力評價193.3.2 轉向輕便性評價193.3.3 轉向盤中間位置操縱穩定性評價203.3.4 轉向盤振動評價203.3.5 轉向路感及路感強度214 電動助力轉向助力特性研究224.1助力特性曲線定義224.2轉向助力特性曲線設計概述224.3電動助力特性曲線類型23直線型24折線型25曲線型254.4不同助力特性曲線參數的影響265 結

4、論與發展295.1結論295.2發展29參考文獻301緒論隨著我國經濟的持續發展，人民生活水平不斷提高，汽車漸漸走入人們生活中，成為現代步伐的工具，而隨著汽車保有量的增加以及由此帶來的一系列問題，使得“安全、節能、環保”成為未來汽車發展的三大主題。汽車電動助力轉向(Electric Power Steering，簡稱EPS)由于具有能耗低、環保性能較好、體積小、重量輕等諸多優點，成為現代汽車轉向系統的發展方向。EPS采用電動機直接提供助力，助力大小由電控單元控制，是一項關系現代汽車發展主題的高新技術，所以已經就受到高度重視。近幾年來，隨著電子技術的發展，電動助力轉向系統逐漸成熟，成本也不斷降低

5、，現在取代傳統的液壓助力轉向(Hydraulic Power Steering，簡稱HPS)，其應用前景十分廣闊。1.1研究的目的和意義在汽車低速停車入庫時，駕駛員轉向所需的手力較大；而高速行駛時轉向所需的手力較小。因此電動助力轉向系統的助力大小也應該是變化的，即隨著車輛行駛和轉向狀態的變化而變化。合理的轉向助力特性曲線不僅可保持汽車低速行駛時轉向輕便靈活，而且可保持中高速行駛時的路感和操縱穩定性。隨著電子技術的發展，汽車電子化是當前汽車技術發展的趨勢，電動助力轉向系統是繼電子液壓助力系統后產生的種新的助力轉向系統。我國汽車正以每年30%的速度遞增，2008年汽車產量已突破900多萬輛，按照發

6、展趨勢，今后大部分微型車和轎車都將采用電動助力轉向器，因此，電動助力轉向器的市場前景十分廣闊。所以對電動助力轉向系統的研究具有很重要的理論價值和實際意義。1.2國內外發展狀況在汽車的發展歷程中，轉向系統經歷了四個發展階段。從最初的機械式轉向系統發展為液壓助力轉向系統，然后又出現了電控液壓助力轉向系統和電動助力轉向系統。隨著電子技術的發展，電子控制式機械液壓動力轉向系統應運而生，該系統在某些性能方面優于傳統的液壓動力轉向系統，但仍然無法徹底解決液壓動力轉向系統的固有缺陷。電動助力轉向系統，是繼液壓動力轉向系統后產生的種動力轉向系統，是世界汽車技術發展的研究熱點和前沿技術之一，它屬于與傳統液壓動力

7、轉向系統不同的另種動力轉向系統。它直接依靠電動機提供輔助扭矩，通過控制電動機電流的幅值和方向，從而實現轉向器電動助力的要求，這種系統使汽車在低速時能減輕操縱力，從而提高操縱的輕便性；而當汽車在高速行駛時，電子控制系統保證提供最優控制傳動比和穩定的轉向手感，從而提高高速行駛時的操縱穩定性。因此它可以較好地解決液壓動力轉向系統所不能解決的矛盾。目前，電動助力轉向系統有代替液壓動力轉向系統的趨勢。國外發展狀況EPS是繼液壓助力轉向系統后產生的種動力轉向系統。從上個世紀50年代開始，汽車工程師就開始對電動助力轉向產生興趣。但是由于成本等原因，直很難設計生產出在性能和價格比上可以與液壓助力轉向系統匹敵的

8、電動助力轉向系統。經過二十幾年的發展，EPS技術日趨完善，其應用范圍己經從最初的微型轎車向更大型轎車和商用客車方向發展，如本田的Accord和菲亞特的Punto等中型轎車已經安裝EPS，本田甚至還在其Ancra NSX賽車上裝備了EPS。EPS的助力型式也從低速范圍助力型向全速范圍助力型發展，Delphi為Punto車開發的EPS屬全速范圍助力型，其控制形式與功能也進步加強，并且首次設置了兩個開關，其中一個用于郊區，另一個用于市區和停車。當車速大于7Okm/h后，這兩種開關設置的程序則是一樣的，以保證汽車在高速時有合適的路感。這樣即使汽車行駛到高速公路時駕駛員忘記切換開關也不會發生危險。市區型

9、開關還與油門相關，使得在踩油門加速和松油門減速時，轉向更平滑。日本早期的EPS僅僅在低速和停車時提供助力，高速時EPS將停止工作。新一代的EPS不僅在低速和停車時提供助力，而且還能在高速時提高汽車的操縱穩定性。如鈴木公司裝備的款EPS是個負載路面車速感應型助力轉向系統。1.2.2 國內發展狀況在我國，電動助力轉向的開發還處于起步階段，并且處于實驗室研究階段，僅有為數不多院校開展了電動助力轉向系統的研究。1993年，清華大學汽車工程系的教授指導碩士研究生進行了EPS系統的探索性研究，清華大學的季學武教授還申請了“種車用光電式扭矩傳感器”專利，因為扭矩傳感器直是電動助力轉的核心部件。吉林大學也進行

10、電動助力轉向系統的研究，并制作了試驗臺架，取得許多的試驗數據，為下一步的研究開發提供有用的試驗數據。合肥工業大學機械汽車學院完成了轉向系運動學、動力學分析計算，提出了關于EPS的控制策略，并在汽車轉向試驗臺上對控制策略進行了檢驗，同時進行了道路試驗證明其合理性，為EPS的產品化奠定了堅實的基礎。但是關于電動助力轉向系統，國內的文獻大多集中在控制策略，對助力特性曲線方面的研究很少，但就其中的某方面進行了討論，對電動助力轉向系統中助力特性曲線的研究有發展空間:（1）車速對助力增益的影響不清楚；（2）助力特性曲線確定的理論依據不明確，沒有明確指出所采用的助力特性曲線到底對汽車的轉向路感、操縱穩定性有

11、沒有影響；（3）如何根據轉向輕便性、轉向路感綜合確定轉向助力特性曲線。2轉向系統的概述汽車轉向系統是用于改變或保持汽車行駛方向的專門機構，其作用是使汽車能在行駛過程中按照駕駛員的操縱要求而適時地改變其行駛方向，在受到路面傳來的沖擊及偏離行駛方向時，能與行駛系統配合共同保持汽車繼續穩定行駛。因此，轉向系統的性能直接影響著汽車的操縱穩定性和安全性。隨著汽車技術的迅猛發展，人們對汽車轉向操縱性能的要求也日益提高，為了保證車輛在任何工況下轉動方向盤時，都有較理想的操縱穩定性和轉向輕便性，人們對轉向系統進行了不斷改進，使其性能得到不斷提高。2.1轉向系統的發展過程機械式轉向系統圖 2-1機械式轉向系統如

12、圖2-1所示，機械式轉向系統以駕駛員的體力作為轉向動力，所有傳遞動力的部件都是機械的，沒有輔助動力源。機械轉向系統主要由轉向操縱機構、轉向器和轉向傳動機構三部分組成。轉向操縱機構就是駕駛員操縱轉向器工作的機構，包括從轉向盤到轉向器輸入端的零部件等。操縱汽車轉向時，駕駛員對轉向盤的操縱力是非常有限的，因此需要借助增力裝置來使轉向車輪發生偏轉。而轉向器就是把轉向盤傳來的轉矩按定傳動比進行放大并輸出。轉向器是完成由旋轉運動到直線運動的組齒輪機構，同時也是轉向系中的減速傳動裝置。目前較常用的有齒輪齒條式、循環球曲柄指銷式、蝸桿曲柄指銷式、循環球齒條齒扇式、蝸桿滾輪式等。轉向傳動機構是把轉向器的運動傳給

13、轉向車輪的機構，包括從搖臂到轉向車輪的零部件。整個機械轉向系統的工作方式為:駕駛員需要轉向時，對轉向盤施加轉向力矩，該力矩通過轉向軸輸入到機械轉向器，力矩經轉向器減速放大后由轉向搖臂傳到轉向直拉桿，最后再傳給固定于轉向節上的轉向節臂，使轉向節和它所支承的轉向車輪發生偏轉；與此同時，經梯形轉向機構帶動另側的轉向車輪同時發生偏轉，從而改變汽車的行駛方向。根據機械式轉向器形式的不同，可以將其分為:齒輪齒條式、循環球式、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式。應用最廣泛的主要是齒輪齒條式和循環球式(用于需要較大的轉向力時)。循環球式轉向器由于是滾動摩擦形式，因而正傳動效率很高，操作方便且使用壽命長，而且承載能力強，故

14、廣泛地應用于載貨汽車上。齒輪齒條式轉向器與循環球式相比，最大特點是剛性大，結構緊湊重量輕，且成本低。由于這種方式容易將反作用力由車輪傳至轉向盤，因此具有對路面狀態反應靈敏的優點，但同時也容易產生打手和擺振等現象，且其承載能力相對較弱，故主要應用于小汽車及輕型貨車上，目前我國大部分轎車上采用的就是齒輪齒條式機械轉向系統。液壓式助力轉向系統(HPS)液壓助力轉向于20世紀30年代首先應用在重型車輛上。由于當時汽車裝載質量和整備質量的增加，在轉向過程中需要克服的前輪轉向阻力矩也將相應增加，作用在轉向盤上的轉向力也隨著增加，使駕駛員感到“轉向沉重”。當前軸負荷增加到某個數值后，靠人力去轉動轉向輪就很吃

15、力。為使駕駛員操縱輕便，提高車輛的機動性，最有效的方法就是在汽車的轉向系中加裝轉向助力裝置，借助于汽車發動機的動力驅動油泵、空氣壓縮機和發電機等，以液力、氣力或電力增大駕駛員操縱前輪轉向的力量，使駕駛員可以輕便靈活地操縱汽車轉向，減輕勞動強度，提高了行駛安全性。液壓助力轉向系統除了傳統的機械轉向器以外，尚需增加控制閥、動力缸、油泵、油罐和管路等。而轎車對動力轉向的要求與重型車輛不完全相同。比如重型車輛對動力轉向系統噪聲的要求較低，轎車則對噪聲要求很高，轎車還要求選用的轉向器系統結構要更簡單、尺寸更小、成本更低等。但是重型車輛動力轉向技術的發展無疑為轎車動力轉向技術奠定了基礎。傳統液壓助力轉向系

16、統按轉向控制閥形式分為滑閥式和轉閥式兩種。目前在轎車上的液壓助力轉向采用的是轉閥式控制閥。在轎車上裝備液壓助力轉向系統有如下優點:（1）減輕駕駛員的疲勞強度。動力轉向可以減小駕駛員的轉向操縱力，提高轉向輕便性。（2）提高轉向靈敏度。可以比較自由地根據操縱穩定性要求選擇轉向器傳動比，不會受到轉向力的制約；允許轉向車輪承受更大的負荷，不會引起轉向沉重問題。（3）衰減道路沖擊，提高行駛安全性。液壓系統的阻尼作用可以衰減道路不平度對轉向盤的沖擊。液壓助力轉向系統缺點:（1）選定參數完成設計之后，助力特性就確定了，不能再進行調節與控制，因此協調輕便性與路感的關系困難:如按低速性能設計轉向系統時，高速行駛

17、時轉向力往往過小，“路感”較差，甚至感覺汽車發“飄”，從而影響操縱穩定性;而按高速性能設計轉向系統時，低速時轉向力往往過大。（2）即使在不轉向時，油泵也直運轉，增加了能量消耗。（3）存在滲油與維護問題，提高了保修成本，且泄漏的液壓油會對環境造成污染。電液式助力轉向系統(EHPS)近年來，隨著電子技術的不斷發展，轉向系統中愈來愈多的采用電子器件，相應的就出現了電液助力轉向系統。電液助力轉向可以分為兩大類:電動液壓助力轉向系統和電控液壓助力轉向。電動液壓是在液壓助力系統基礎上發展起來的，它將原來由發動機帶動的液壓助力泵改為由電機驅動，節省了燃油消耗。電控液壓是在傳統的液壓助力轉向系統的基礎上增加了

18、電控裝置構成的。電液助力轉向系統的助力特性可根據轉向速率、車速等參數設計為可變助力特性，使駕駛員能夠更輕松便捷的操縱汽車。現代電液助力轉向系統主要通過車速傳感器將車速傳遞給電子元件，或微型計算機系統，控制電液轉換裝置改變動力轉向的助力特性，使駕駛員的轉向手力能根據車速和行駛條件的變化而改變，即在低速行駛或轉急彎時能以很小的轉向手力進行操作，而在高速行駛時能以稍重的轉向手力進行穩定操作，使汽車的操縱輕便性和穩定性達到最合適的平衡狀態。為了保證轉向輕便性，要求增大轉向器的傳動比，這樣雖然可以減小轉向盤上的手力，但同時也會造成汽車對操縱反應的遲緩，甚至可能導致駕駛員無法進行緊急避障等轉向操作，即轉向

19、不夠“靈”。機械式轉向器的設計目的就是保證汽車在各種行駛條件下都能將轉向盤上的手力保持在駕駛員能接受的合理范圍內，同時又要保證適當的轉向靈敏度，但是機械式轉向器的結構特點注定無法解決“輕”與“靈”的矛盾，而電液助力轉向系統則在定程度上解決了這矛盾。電控液壓助力轉向系統在傳統液壓助力轉向系統的基礎上有了定的改進，但液壓裝置的存在，使得該系統仍有難以克服的缺點，如:還存在滲油問題，零件增加，管路復雜，不便于安裝維修及檢測等。另外，雖然引入車速實現車速感應型變助力特性，但是在原有液壓系統的基礎上又增加了電子系統，使系統越加復雜，成本增加。在液壓助力轉向系統中，只要發動機運轉，不管是否轉向，液壓泵都始

20、終處于工作狀態。另外，在發動機轉速升高時，油泵供油量不斷增加，而實際上動力轉向系統所要求的供油量應隨著發動機轉速的升高保持不變或下降，因此，發動機轉速高時，油泵輸出的大部分油液通過溢流閥返回，在油泵內部循環流動，導致油泵發熱，造成嚴重的能量消耗，使汽車燃油消耗量增加了4%6%。二十世紀八十年代以來，電動助力轉向(EPS)作為種全新的動力轉向模式進入了業界的視野，并很快成為動力轉向系統研究與開發的熱點。它直接依靠電動機提供輔助扭矩，通過控制電動機電流的幅值，實現轉向器電動助力的要求，這種系統使汽車在低速行駛時操縱力減小，提高了操縱的輕便性；而當汽車在高速行駛時，電子控制系統提供最優傳動比和穩定的

21、轉向路感，提高高速行駛時的操縱穩定性。電動助力轉向系統較好地解決了液壓助力轉向系統所不能解決的問題。2.2電動助力轉向系統電動助力轉向系統的結構圖2-2 EPS的組成電動助力轉向系統的主要部件包括傳感器、減速機構、電動機、電子控制單元等。（1）車速傳感器和轉矩傳感器車速傳感器的功能是測量汽車行駛速度。轉矩傳感器的功能是測量駕駛員作用在轉向盤上的力矩大小與方向，以及轉向盤轉角的大小和方向。這些信號都是EPS的基本控制信號。轉矩測量系統比較復雜且成本較高，所以精確、可靠、低成本的轉矩傳感器是決定EPS能否占領市場的關鍵因素之一。目前采用較多的是在轉向柱的位置加扭桿，通過測量扭桿的變形得到轉矩，另外

22、也有采用非接觸式轉矩傳感器。其原理是:當輸入軸與輸出軸之間發生相對扭轉位移時，磁極環之間的空氣間隙發生變化，從而引起電磁感應系數變化。非接觸式轉矩傳感器的優點是體積小，精度高，缺點是成本較高。（2）減速機構EPS的減速機構與電動機相連，起減速增扭的作用，常采用蝸輪蝸桿機構，也有采用行星齒輪機構。有的EPS還配有離合器，裝在減速機構側，是為了保證EPS只在預先設定的車速行駛范圍內起作用，當車速達到某值時，離合器分離，電動機停止工作，轉向系統轉為手動轉向。當電動機發生故障時，離合器將自動分離。減速機構通過離合器與電動機相連，起減速增矩作用，常采用蝸輪蝸桿機構也有采用行星齒輪機構，離合器裝在減速機構

23、側是為了保證EPS只在預先設定的車速范圍內起作用。（3）電動機電動機的功能是根據電子控制單元的指令輸出適宜的輔助轉矩，是EPS的動力源。多采用無刷永磁式直流電動機。電動機對EPS的性能有很大影響，是EPS的關鍵部件之一，所以EPS對電動機有很高要求，不僅要求低轉速大轉矩、波動小、轉動慣量小、尺寸小、質量輕，而且要求可靠性高、易控制。為此，設計時常針對EPS的特點，對電動機的結構做些特殊地處理，如沿著轉子的表面開出斜槽或螺旋槽，定子磁鐵設計成不等厚等。根據電子控制單元的指令輸出適宜的輔助轉矩，是EPS的動力源。（4）電子控制單元電子控制單元(ECU)的功能是根據轉矩傳感器信號和車速傳感器信號，進

24、行邏輯分析與計算后，發出指令，控制電動機和離合器。此外，ECU還有安全保護和自我診斷功能，ECU通過采集電動機的電流、電壓、發動機工況等信號判斷其系統工作狀況是否正常，旦系統工作異常，助力將自動取消，同時ECU將進行故障診斷分析。ECU通常是單片機系統，也有采用數字信號處理器(Digital signal Processing，簡稱DSP)作為控制單元。控制系統與控制算法也是EPS的關鍵之一，控制系統應有強的抗干擾能力，以適應汽車多變的行駛環境。控制算法應快速正確，滿足實時控制的要求，并能有效地實現理想的助力規律與特性。（5）蓄電池，電源給整個EPS提供電力。電動助力轉向系統的工作原理電動助力

25、轉向系統的基本組成包括扭矩傳感器、車速傳感器、控制單元(ECU)電動機、減速機構和離合器等。在EPS系統中傳感器主要有扭矩傳感器、方向盤轉速傳感器、速度傳感器。扭矩傳感器時刻檢測轉向盤的運動情況，將駕駛員轉動轉向盤的方向、角度信息傳送給控制單元。方向盤轉速傳感器用于測量轉向盤的旋轉速度，速度傳感器測量汽車的行駛速度，兩者的測量結果同樣送到控制單元。控制單元是EPS系統的核心部分，也是EPS系統研究的重點。控制單元般以個八位或十六位微處理器為核心，外圍集成刀D電路、輸入信號接口電路、報警電路、電源。要求具有簡單計算、查表、故障診斷處理、存儲、報警、驅動等功能。電動機的功能是根據控制單元的指令輸出

26、適宜的輔助扭矩，是EPS的動力源。電動機對EPS的性能有很大影響，是EPS的關鍵部件之一，所以EPS常采用蝸輪蝸桿機構，也有采用行星齒輪機構。EPS的離合器，裝在減速機構側，是為了保證EPS只在預先設定的車速行駛范圍內起作用。當車速達到某值時，離合器分離，電動機停止工作，轉向系統轉為手動轉向。另外，當電動機發生故障時離合器將自動分離。電動助力轉向系統是在傳統機械轉向機構基礎上增加信號傳感裝置、控制單元和轉向助力機構。EPS的轉向軸由靠扭桿相連的輸入軸和輸出軸組成，輸出軸通過傳動機構帶動轉向拉桿使車輪轉向，輸出軸除通過扭桿與輸入軸相連外，還經行星齒輪減速機構離合器與助力電動機相連。駕駛者在操縱轉

27、向盤時，給輸入軸輸入了個角位移，輸入軸和輸出軸之間的相對角位移使扭桿受扭，扭矩傳感器將扭桿所受到的扭矩轉化為電壓信號輸入電控單元；與此同時，車速傳感器檢測到的車速信號也輸入電控單元，電控單元綜合轉向盤的輸入力矩、轉動方向以及車速等輸入信號，判斷是否需要助力以及助力的方向。若需要助力，則依照既定的助力控制策略計算電動機助力轉矩的大小并輸出相應的控制信號給驅動電路，驅動電路提供相應的電壓或電流給電動機，電動機輸出轉矩由蝸輪蝸桿傳動裝置放大再施加給轉向軸，從而完成實時控制助力轉向；若出現故障或車速超出設定值則停止對電動機供電，系統不提供助力，同時，離合器分離，以避免轉向系統受電動機慣性力矩的影響，系

28、統轉為人工手動助力。ESP系統的工作分為轉向、回正、休眠3個狀態。汽車在轉向時，轉矩傳感器把采集到的轉向盤力矩和轉動方向信號，車速傳感器把采集到的汽車行駛速度信號，通過數據總線發給電子控制單元ECU根據轉動力矩、轉動的方向、行駛速度等數據信號，進行綜合邏輯分析與計算后，選擇條合適的助力特性曲線，向電動機控制器發出動作指令電動機就會根據具體的需要輸出大小可變的轉動力矩，從而產生了助力轉向。當駕駛員使轉向盤轉動某角度后松開時，電子控制單元根據傳感器得到的車速、車況等數據信息，在存儲器中的回正特性曲線簇中迅速找出條最佳的回正特性曲線，以此曲線參數向電動機控制器發出動作指令，使系統自動調整輪回到正中。

29、由于EPS提供的轉向回正動作是在軟硬件共同作用下實現的。因此能夠真正地達到與車輛動態性能相匹配的水平。EPS系統只有在0起作用，當車速接近中時，電動機得到的電流減小，助力減小；當車速超過時，電動機電流被切斷，離合器分離，變為常規的轉向裝置，本套系統處于休眠狀態在中低速域控制類型的EPS系統中，的設置為45km/h (鈴木轎車)；在全域控制型EPS系統中可達到80km/h或更高。電動助力轉向系統的類型根據電動機布置位置的不同，電動助力轉向系統可以分為轉向軸助力式、齒輪助力式、齒條助力式三種類型。（1）轉向軸助力式轉向軸助力式EPS系統的電動機固定在轉向軸側面，裝有個電磁控制的離合器，通過減速機構

30、與轉向軸相連，直接驅動轉向軸實現轉向助力。這種方案可以使轉向器占用的空間減至最小。由于各部件相對獨立，因此維修方便，設計時也有很大的靈活性。但是電動機輸出力矩的波動容易傳遞到轉向盤上。如果電動機的安裝位置和駕駛員的乘坐位置很近的話，必須考慮對電動機噪聲的抑制。鈴木公司的Alto汽車采用的是這種布置方案。（2）齒輪助力式齒輪助力式EPS系統的轉矩傳感器、電動機、減速機構以及離合器集成在一起，電動機直接通過減速機構驅動齒輪軸進行助力。齒輪助力式EPS系統提供的轉向助力作用比轉向軸助力式EPS系統要大，適合于前軸負荷中等的汽車。三菱公司的Minia微型汽車采用了這種方案。（3）齒條軸助力式齒條助力式

31、EPS系統是利用電動機和減速機構直接驅動齒條提供助力的。轉矩傳感器單獨安裝在轉向小齒輪附近，而電動機和減速機構集成在起，安裝在小齒輪另端的齒條上，電動機的動力直接作用在齒條上。該類型根據減速傳動機構的不同可分為兩種:種是電動機做成中空的，轉向齒條從中間穿過，電動機的動力經滾珠螺桿螺母減速機構后傳給齒條。這種結構是第一代電動助力轉向系統，由于電動機位于齒條殼內，結構復雜、價格高、維修也很困難。本田公司的Accord轎車采用的是這種方案。另一種是電動機與齒條的殼體相對獨立，電動機的動力經另小齒輪傳給齒條，由于易于制造和維修，成本低，已取代了第一代產品。齒條助力式EPS系統的優點是結構緊湊，不受安裝

32、位置的限制，電動機的力矩波動不易傳遞到轉向盤上，系統剛度好、傳動能力大，可以提供較大的助力轉矩，適用于前軸負荷較大的汽車。電動助力轉向的關鍵技術電動助力轉向系統它與轉向輕便性以及舒適性和安全性密切相關，該系統的關鍵技術包括以下幾個方面。(l)電動機與傳感器技術電動助力轉向技術的發展及運用主要歸功于電動機技術、電子技術和控制理論的發展。EPS系統對電動機有很高的要求，包括功率、尺寸和性能等。轎車上使用的電源通常是12V，依據不同的車型和制造商，蓄電池輸出的最大電流般是758OA。這就決定了其最大的輸出功率為9OOW。受功率限制，EPS系統必須提高各元件的效率，以獲得所需的輸出功率能依據轉向阻力在

33、25O55OW之間變化，而轉向阻力主要取決于轉向軸負荷質量。除了功率要求，電動機還必須滿足轉向系統的其它特定要求。如平滑性，即駕駛員不應當在轉向盤上感覺到任何由于電動機輸出力矩的波動所引起的沖擊；電動機的轉動慣量應當足夠小；避免轉向失控等。傳感器是電動助力轉向系統中最重要的器件之一，在電動助力轉向系統中需要的傳感器有:扭矩傳感器、方向盤轉速傳感器、速度傳感器，它們對車輛狀況進行實時檢測，并將檢測到的信息傳遞給控制單元，因此傳感器質量的好壞將直接影響整個系統的性能。如何制造出體積小、成本低、可靠性好而且測量精度高的傳感器就成為電動助力轉向系統的關鍵技術之一。(2)助力特性助力特性關系到轉向輕便性

34、與路感，目前國內外對路感問題的研究手段主要以試驗為主。助力特性是EPS系統的控制目標，助力特性是否合理決定著EPS系統的助力性能。EPS系統的助力特性屬于車速感應型，主要分為全速型和低速型兩種。全速型是指EPS系統在任何車速下都提供助力；低速型是指EPS系統只有低速時才提供助力，當車速超過某預定值時，EPS系統停止工作。低速型的優點是對系統的要求相對較低，缺點是不能改善汽車的高速操縱穩定性。全速型的優點是能改善汽車的高速操縱穩定性，缺點是對系統的要求相對較高。(3)控制策略EPS系統能否獲得滿意的性能，除了要有好的硬件保證外，還必須要有良好的控制軟件來支撐。汽車的行駛工況多種多樣，EPS系統工

35、作時不但受到來自地面隨機干擾和不確定因素的影響，同時發動機發出的熱輻射與電磁干擾對整個系統也會產生很大的影響。這些因素都對EPS系統的控制策略提出很高的要求。PD控制技術、動態補償技術、自適應控制技術、魯棒控制技術等控制理論的發展為EPS系統的成功開發提供了有力的保障。隨著智能控制技術的進步發展，EPS系統控制策略必將在發展中不斷加以完善。(4)故障診斷與可靠性由于EPS系統是項新技術，它沒有液壓助力轉向系統那么長的使用歷史，因此EPS系統的故障診斷與可靠性應受到充分重視。EPS系統一般有兩種主要故障表現形式:是系統停止工作，如果這種故障出現在汽車行駛過程中，容易出現意外交通事故。另一種更嚴重

36、的故障就是系統在沒有駕駛員轉向輸入的情況下使車輪轉向，導致汽車偏離原來的方向。這是絕對不允許發生的。在這些故障中，有些可以通過機械設計的方法減少故障的發生。這與傳統液壓助力轉向系統采用的方法沒有本質區別。作為個電控系統有些故障是不能通過機械設計方法來避免的，而是需要通過故障診斷的方法來有效地加以校正。電動助力轉向系統的優點電動助力轉向是項采用現代控制方法的高新技術，與傳統液壓助力轉向相比，它具有下述優點:（1）EPS系統能在各種行駛工況下提供最佳助力，減小由路面不平所引起的對轉系的擾動。（2）EPS系統只在轉向時電動機才提供助力，因而能減少燃料消耗。（3）由于EPS系統由電動機提供助力，電動機

37、由蓄電池供電，因此EPS能否助力與發動機是否起動無關，即使在發動機熄火或出現故障時也能提供助力。（4）EPS系統取消了油泵、皮帶、皮帶輪、液壓軟管、液壓油及密封件等，其零件比即S減少很多，因而其質量更輕、結構更緊湊，在安裝位置選擇方面也更容易，并且能降低噪聲。（5）EPS系統沒有液壓回路，比HPS更易調整和檢測，裝配自動化程度更高，并且可以通過設置不同的程序，快速與不同車型匹配，因而能縮短生產和開發周期。（6）EPS不存在滲油問題，消除了液壓助力中液壓油泄漏問題，可大大降低保修成本，減小對環境的污染，更加環保。（7）由于低溫下油的粘性較大，HPS系統在低溫下啟動發動機后，轉向操縱力較高，而電動

38、助力轉向系統在低溫下不會增加轉向操縱力和發動機負荷，因而其具有良好的低溫工作性能。3 電動助力轉向系統受力與性能分析3.1電動助力轉向系統受力EPS系統所受的力主要有駕駛員作用在方向盤的操縱力、電動機的助力矩和整個轉向系統所受的阻力矩，汽車轉向時，作用在方向盤上的操縱力矩和EPS系統的電動機助力矩通過轉向機構克服轉向阻力矩，從而實現對汽車的向，而操縱力矩和電動機助力力矩的大小則與整個轉向系統所受的阻力有關。下面分別對作用在EPS中的力矩進行分析:(1）方向盤的操縱力在汽車進行轉向運動中，由駕駛員通過作用在方向盤的切向力對汽車進行操縱。般駕駛員都希望轉向時能操作輕便，在高速時仍能保持穩定，且具有

39、良好的“路感”，因此駕駛員對汽車的操縱力分成兩種情況:第一種：改變汽車行駛方向時駕駛員作用在轉向盤上的切向力。第二種：保持汽車行駛方向不變(包括直線運動和固定某個方向的運動)時駕駛員保持方向盤不動的力。這種在車輪轉向角位置保持不變行車時，駕駛員作用在轉向盤上的力稱為方向盤把持力。(2)阻力矩影響轉向力矩的因素有許多，例如車速、載荷、路面摩擦系數、轉向輪胎類型及氣壓、輪胎力學特性、前輪定位參數、轉彎半徑、轉向系統干摩擦特性、轉向角速度與角加速度、側傾轉向效應、轉向系統剛度、車輛參數等等。轉向力矩是由于轉向輪與地路面之間相互作用以及轉向系統內部的摩擦而共同產生的。地面對轉向輪的作用力主要包括側向力

40、、切向力與法向力。構成車輪轉向力矩的主要是自輪胎回正力矩和側向力回正力矩，其次是重力回正力矩和切向力回正力矩。其中輪胎自回正力矩和側向力回正力矩與側向力成正比，而重力回正力矩與前軸負荷、轉向角成正比。在前軸左右輪負荷差別不大的情況下，切向力回正力矩很小。車速對轉向力矩的影響是通過側向加速度間接實現的，并不是直接體現出來。在極低速轉向以及原地轉向條件下，輪胎與地面之間的靜摩擦力矩占主導地位，故轉向力矩大大高于其它車速下行駛的力矩。在低速大轉角行駛條件下，汽車的側向加速度較小，因此輪胎的側偏角很小，由側向力形成的回正力矩較小，而此時轉角大，由前軸負荷形成的重力回正力矩占主要地位。當汽車在中高速行駛

41、時，其側向加速度較大，導致車輪的側向力較大，故轉向阻力矩主要由側向力引起的回正力矩，而重力回正力矩相比之下顯得不重要。在較大的側向加速度下，車身發生側傾導致載荷的轉移，從而左右輪胎的側偏剛度發生顯著變化，最終導致側向力下降，因此轉向力矩下降，這是車速影響轉向力矩變化的原因之；當側向加速度過大時，輪胎可提供的側向力飽和并使得輪胎的拖距減小，從而導致輪胎自回正力矩下降；此外，由于載荷的轉移，車輪與地面的側向附著系數下降，也導致側向力下降。(3)助力矩主要是為了改善汽車操縱的輕便性而外加的力矩，由電控單元ECU依據車速和力矩信號控制助力電流的幅值，電動機產生作用于轉向系統助力矩，以提高駕駛員轉向時的

42、操縱輕便性。3.2 理想轉向盤力矩的研究 圖3-1 轉向盤力矩與車速變化關系圖圖3-1所示，日本皇冠尊嚴400轉向盤力矩隨側向加速度和車速的變化特性曲線。圖3-1為4000輛轎車在車速為100km/h、正弦輸入、頻率0.33Hz時，隨側向加速度的增加，平均轉向盤力矩的變化特性曲線。從圖3-1可以看出，隨側向加速度的增加，轉向盤力矩有增大的趨勢。1999年，通用公司采用瑞典駕駛模擬器(VTI)測試了在側向加速度為3m/s²時隨車速的不同駕駛員所偏好的轉向盤力矩特性曲線，得出駕駛員所偏好的轉向盤力矩具有隨著車速的增大而增大趨勢的結論。3.3電動助力轉向系統性能的主要評價指標汽車電動助力轉

43、向系統與傳統的轉向系統相比有很大區別，對汽車的轉向輕便性、轉向回正性和路感、可靠性等方面將會產生新的影響，因此，傳統汽車轉向系統的試驗與評價指標就不能完全適用于EPS系統，必須建立適用于EPS的試驗和評價指標我國國家標準GB/T6323.494和GB/T6323.594分別對汽車轉向回正性和轉向輕便性進行了規范，這兩項試驗可以用來評價裝備EPS汽車的轉向回正性和輕便性。為了評價裝備EPS汽車高速行駛時轉向盤中間位置附近區域的操縱穩定性，應進行轉向盤中間位置附近區域操縱穩定性試驗，另外，針對EPS總成，還需要進行轉向盤振動試驗、能量消耗試驗和可靠性試驗等。 轉向回正能力評價汽車轉向后轉向盤能自動

44、回正，使汽車保持穩定的直線行駛狀態，這是汽車轉向系的基本要求之一，但轉向系統中摩擦力矩的存在會降低轉向盤的回正特性。在裝有EPS的汽車上，采用合理的助力特性曲線和控制策略能有效提高轉向盤的回正特性，獲得更好的轉向盤中間位置區域的路感。汽車轉向回正能力可通過整車道路試驗或臺架試驗測得。對整車道路試驗，可參照GB/T62.494汽車操縱穩定性試驗方法轉向回正性能試驗進行，即令汽車沿半徑為15m的圓周行駛，調整車速使側向加速度為4m/s²，然后松開轉向盤，汽車在回正力矩作用下，前輪將自動回復到直線行駛狀態，記錄這個過程的時間t、車速u、轉向盤轉角和橫擺角速度，整理出橫擺角速度和時間的曲線。

45、評價指標可依據我國汽車行業標準QC/T4802000汽車操縱穩定性指標極限值與評價方法，采用松開轉向盤3秒時的殘余橫擺角速度絕對值和橫擺角速度總方差兩項指標進行評價。臺架試驗過程中在轉向器輸出端施加最大輸出力(力矩)的8%，采用轉向盤從兩個極限位置回到中間位置所需時間來評價。3.3.2 轉向輕便性評價汽車裝備EPS的個重要目的就是為了提高汽車的轉向輕便性，可以通過整車道路試驗和臺架試驗來測量汽車的轉向輕便性。對于整車道路試驗，一般有原地轉向試驗和雙紐線試驗兩種，其中我國國家標準GB/T6323.594對雙紐線試驗進行了規范。對臺架試驗，一般進行模擬原地轉向試驗。(1)原地轉向試驗汽車原地靜止，

46、轉向盤從中間位置正向轉動到極限位置，再逆向轉動到另一極限位置，然后回復到起始中間位置。測定作用于轉向盤上的轉向力。(2)雙紐線試驗試驗時風速應不大于5 m/s²，大氣溫度在0到40范圍內，汽車按照畫在場地上的雙紐線以10km/h的車速行駛。在雙紐線最寬處，頂點和中點(即結點)的路徑兩側各放置兩個標樁，共計放置16個標樁。標樁與試驗路徑中心線的距離，為車寬的一半加50cm，或按轉彎通道圓寬的二分之一加50cm。試驗中記錄轉向盤轉角及轉向盤轉矩，并按雙紐線路徑每一周整理出轉向盤轉矩一轉向盤轉角曲線。通常以轉向盤最大轉矩、轉向盤最大作用力及轉向盤作用功來評價轉向輕便性。3.3.3 轉向盤中

47、間位置操縱穩定性評價汽車高速行駛必須具有良好的操縱穩定性，目前國外通常中間位置轉向試驗來評價汽車高速行駛時的操縱穩定性。（1）試驗方法試驗時，汽車以100km/h的速度作(近似于)正弦曲線的蛇行行駛，正弦運動的周期為5s，轉向盤輸入頻率基準值為0.2HZ，側向加速度峰值基準為0.29。試驗在無風、水平路面上進行。試驗汽車上裝有轉向盤轉角、轉向盤轉矩、車速與橫擺角速度等傳感器，要測量的數據有:車速，轉向盤轉角，轉向盤作用力矩，汽車側向加速度，其中，汽車側向加速度的數值可以得用橫擺角速度與車速的乘積求得。（2）轉向盤力輸入方面的評價指標轉向盤中間位置操縱穩定性試驗的原始數據中包含許多車輛轉向特性信

48、息，根據需要可繪制出轉向盤轉角與側向加速度、轉向盤力矩與側向加速度、轉向盤力矩與轉向盤轉角等多條特性曲線。這些特性曲線中分別包含著不同的評價指標。轉向盤轉角與側向加速度關系曲線反映的是轉向盤角輸入特性，從這條曲線中至少可提取4個參數作為評價指標，即轉向靈敏度、最小轉向靈敏度、轉向靈敏度比和轉向遲滯。轉向盤力矩與側向加速度關系曲線反映的是轉向盤力輸入特性，通過這條關系曲線可以評價車輛的回正性能，庫侖干摩擦，路感，轉向盤非線性力的大小等。3.3.4 轉向盤振動評價路面不平度、機械振動和助力機構力矩波動會引起轉向盤振動，使駕駛員感到緊張和疲勞，路面不平度引起的振動通常是高頻振動，而電動助力機構引起的

49、轉向盤振動般在低轉向盤轉速和低頻時發生。為此可將轉向盤振動試驗分兩種情況進行:一種是在不平路面上進行整車道路試驗，包括直線行駛工況和常用轉向行駛工況，測試轉向盤力矩和角加速度；另一種是進行原地轉向或臺架試驗，測量轉向盤力矩和角加速度。轉向盤振動可以用轉向盤力矩峰值、轉向盤力矩均方根值和轉向盤角加速度均方根三項指標來評價。3.3.5 轉向路感及路感強度汽車轉向的輕便性與路感是相互矛盾的，一般駕駛員都希望車輛轉向時力“輕”些好，即在轉向時系統提供大的助力，這樣可以減少駕駛員的體力消耗，但轉向太“輕”又不好，因為轉向力中還包含著前輪側向力的信息，使汽車的運動狀態(包括車輪與路面的附著狀態)與駕駛員手

50、上的力有一種對應關系，這就是“路感”，如果這種“路感”很清晰，駕駛員就會感到“心中有數”，有把握地操縱汽車，所以轉向力又不能太小。確切地說，轉向力中與前輪側向力有對應關系的那部分(回正力矩部分)不能太小，而與前輪側向力無關的各種摩擦力矩則是越小越好。汽車轉向輕便性是對低速行駛時(如原地轉向)提出的要求，而路感則是針對汽車高速行駛時提出。汽車在高速行駛時，應能把車輪與路面的接觸狀態以反力的形式傳至轉向盤，使駕駛員感到此種力反饋及其差別。清晰的路感，對駕駛員非常重要，特別是在高速行駛時，它能夠給駕駛員提供一種正確判斷車輪與路面附著情況的信息，讓駕駛員心中有數，以便在不同的道路條件下，采取合適的運行

51、方式(高速、轉向和制動)，確保車輛的行駛安全。因此，在某種意義上說，路感實際上是給予駕駛員操縱汽車的一種安全感，做到心中有數、防患于未然。通常，路感按車輛的行駛狀態或轉向盤的位置，可以分高速直線行駛、轉向和回正過程的路感。4 電動助力轉向助力特性研究4.1助力特性曲線定義助力特性是指助力隨汽車運動狀況和受力狀況車速和方向盤力矩變化而變化的規律。對電動助力轉向，助力與直流電機電流成比例，故可采用電機電流與方向盤力矩、車速的變化關系曲線來表示助力特性。汽車在高速行駛時，能把車輪與路面的接觸狀態以反力和位移形式通過轉向系傳至方向盤，使駕駛員感到此種力和位移的反饋及其差別，這就是所謂的路感。汽車轉向過

52、程中的轉向輕便性與路感是相互矛盾的。滿足輕便就要求轉向系統能提供較大的助力，而助力增加后，路感就變差了。如果路感很清晰，駕駛員就會心中有數，有利于提高行駛安全性。理想的助力特性應能充分協調好轉向輕便性與路感的關系，并提供給駕駛員與手動轉向盡可能一致的、可控的轉向特性。在滿足轉向輕便性的條件下，如果路感強度在整個力特性區域內不變，駕駛員就能容易地判定汽車行駛狀況的變化，預測出所需要的轉向操縱力矩的大小。4.2轉向助力特性曲線設計概述轉向助力特性曲線決定了汽車在不同車速下的轉向手力與轉向路感，在具體進行助力特性曲線設計前，還必須明確不同車速下對轉向手力和路感的不同要求。為此，首先分析各種車速條件下

53、的轉向特點，根據前面對不同車速下轉向力矩的分析可以得到下面的結論：(l)當汽車在零車速和極低車速下進行轉向，如原地轉向及停車入庫時轉向，此時輪胎地面之間的滑動摩擦力與轉向系統干摩擦力之和遠遠大于重力回正力矩，而側向力回正力矩接近為零，此車速下的轉向特點是轉角大、轉向手力大，但轉向手力隨轉角增加不明顯。(2)當汽車低速行駛時進行轉向，如在彎道很急的山路上轉向，此時重力回正力矩和轉向系統摩擦力在轉向力矩中占主要地位，而側向力回正力矩相對較小，此車速下的轉向特點是轉角較大、轉速快，轉向手力較大并隨轉角上升緩慢上升。(3)當汽車以中速行駛時進行轉向，如在鄉村較平直的公路上行駛，此時的轉向手力中所包含的

54、側向力回正力矩超過重力回正力矩，在轉向力矩中占主要地位。轉向的特點是轉角較小，轉向手力也較小。(4)當汽車高速行駛中進行轉向如在高速公路上的轉向，此時的轉向特點是大多數時間方向盤都處于中間位置只偶爾對它作些細微的調整，故轉角小，轉向手力小。從上面的分析可以看出，隨車速的增加方向盤的轉角是逐步減小的，這導致在低速下轉向力很大，而高速下轉向力較小，相應的轉向路感也隨車速上升而降低。根據對不同車速下轉向特點的分析，以及參考機械轉向系統和動力轉向系統的設計要求，可得到以下助力特性曲線設計原則：（1）在零車速和極低車速下電動機助力的主要目的是提供助力，克服輪胎與地面之間的滑動摩擦力和轉向系統的干摩擦力來

55、減小轉向手力，使得轉向輕便，而此車速下與路感對應的側向力回正力矩很小，對轉向路感沒有要求。（2）在低速轉向時，此時電動機助力主要用于克服重力回正力矩和轉向系統摩擦力。由于此車速下駕駛員對路面的信息要求不高，因此對轉向路感也無具體要求。（3）汽車在零車速或低速行駛轉向過程中，轉向阻力矩較大，為使轉向輕便，降低駕駛員勞動強度，此時應盡可能發揮較大的助力轉向效果，且助力矩增幅應較大。（4）在中速下轉向時，由于車速增加，轉角逐漸減小，與側向力回正力矩對應的轉向路感也隨之逐步減小，為保證路感此時助力應隨車速增加而逐步減小，以便在保證轉向輕便性的同時，保持轉向路感基本不變。（5）在轉向力矩很小的區域里希望

56、助力矩越小越好，甚至不施加助力，以便保持較好的路感和節約能源。（6）在高速行駛時為使駕駛員獲得良好的路感，保證行車安全，應停止助力。（7）助力矩不能大于同工況下無助力時的轉向驅動力矩，即助力矩應小于轉向力矩，否則將出現“打手”現象。（8）當車速由低速向高速變化時，手力大小應平滑上升，不能有很明顯的波動，以免操縱力矩出現跳躍感。（9）當手力大于某個值時，對應的電動機助力電流也很大，為防止電動機過熱燒壞電動機或使電機退磁，規定當手力大于某個值后助力不再增加。4.3電動助力特性曲線類型EPS系統的助力特性曲線按照助力車速范圍的不同，可分為全車速范圍助力型和中低速范圍助力型兩種。中低速范圍助力型曲線只

57、在低于某個車速時，電動機才提供助力，高于此車速時不提供助力，并切換為機械轉向。這種助力特性曲線在車速切換點存在手力的突變，而全車速范圍助力型在整個車速范圍內都可提供助力。電動助力特性曲線按照曲線形狀可分為:線性和非線性兩種。線性助力特性曲線特點是模型簡單，助力增益在固定車速下是固定不變的，所以控制實施更簡便易行。但是在轉向阻力上升很快時，只能按固定比例提供助力，所以會造成手力較大。而采用非線性，如拋物線型助力特性曲線，在一定車速下助力隨手力增大而迅速增加，因此更有利于減少手力。以下為三種典型EPS助力特性曲線。圖中助力特性曲線可以分成三個區，0<<區為無助力區，< <區

58、為助力變化區，>區為助力不變區。直線型圖4-1直線型曲線圖4-1為直線型助力特性曲線，它的特點是在助力變化區，助力與轉向盤力矩成線性關系。當轉向盤輸入力矩小于時，系統不工作，汽車靠轉向盤輸入力矩進行轉向;當轉向盤輸入力矩達到時，系統開始工作，并提供助力力矩，幫助駕駛員轉向；當超過時，系統提供最大助力力矩并保持助力恒定。該助力特性曲線可用以下函數表示:折線型圖4-2所示為典型的折線型助力特性曲線，它的特點是在助力變化區，助力與轉向盤力矩成分段線性關系。該助力特性曲線可用以下函數表示。圖4-2折線型曲線當轉向盤輸入力矩小于時，系統不工作，汽車靠轉向盤輸入力矩進行轉向；當轉向盤輸入力矩達到時，系統開始工作，提