摘 要

随着经济的发展和路面状况的改善，人们对汽车高速行驶的稳定性要求越来越高。原有的机械系统无法解决这个问题，因而出现了助力转向系统。原有的电液助力转向系统体积大，能耗高。而电动助力转向系统在能改善操纵稳定性的同时具有体积小，效率高，绿色环保，装配简单等优点，它以成为汽车助力转向系统的一个重要发展方向。

本文在详细分析了电动助力转向的工作原理、结构及其特点，并展望了其发展趋势，阐述了国内外汽车电动助力转向的研究现状。然后，课题在对电动助力转向系统的组成部分和功能需求深入分析的基础上，根据电动助力转向系统的总体功能设计方案，对系统的各组成部件进行了选型和匹配，包括电动机、电磁离合器、扭矩传感器、车速传感器、以及减速器等。

最后，对电动助力转向系统的关键技术，助力特性和控制策略作了初步的研究。并最终设计出适合本设计燃料电池电动轿车的电动助力转向系统。

关键词：汽车 电动助力转向系统 减速机构 控制策略

Abstract

With the development of economy and the improvement of road condition, the quality of vehicle's high speed stability is becoming more and more serious. Traditional mechanical steering systems can't solve this problem, so power assistant steering systems have been developed. The existent Power Assistant Steering systems are low effective. Instead, the Electric Power Steering (EPS) has effective handling and stability in high speed and some other advantages. It has become a promising way in vehicle steering system.

In this thesis, we first analyze the present developing、intuition and prospect of EPS and the principle, structure. and characteristics of EPS are also discussed. Then based on the analysis of the function requirements of the system, the main components of the system were studied and matched including driving motor, electromagnetic clutch, torque sensor, vehicle speed sensor, and reducer.

At last, the key technique of EPS system the assist characteristic and control strategy are studied. And finally design a EPS system, which can meet with the need of the design – fuel cell electrical vehicle’s assisted steering system.

Key words: vehicle electric power steering system reduction gear control strategy

1. 绪论

1.1选题的目的及意义

随着汽车的高速化，对汽车操纵的轻便性及灵活性要求越来越高。而现今广泛应用的液压式动力转向系统，存在着结构复杂、价格高、维修保养困难等缺陷，应用范围受到一定的影响。而电动助力转向系统可广泛应用于轻型汽车及普通型轿车上，并可提高汽车的操纵灵活性。电动助力转向系统是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的转向系统。这种转向系统不使用汽车发动机的动力，而依靠汽车上蓄电池作为其电源，它不需要复杂的控制机构，只要控制了电动机电流的幅值和方向，就能实现转向。它于液压助力转向机构相比较具有能量消耗少，两者比较，电动助力转向的燃料消耗率仅为液压动力转向的16％－20％。电动助力转向还有运动噪声低、滑动阻力小、整体结构紧凑，部件少，占用的空间尺寸小，质量比液压式动力转向约轻20％－25％以及在汽车上容易布置等优点。正因为电动助力转向系统有如此多的优点，而本设计主要是针对燃料电池电动轿车而言，故决定采取电动助力转向系统，与此同时，随着能源的紧缺，汽车电子化显得由为的重要，因此对电动助力转向系统进行设计显得尤为重要。

1.2电动助力转向系统工作原理及分类

1.2.1电动助力转向系统工作原理

电动助力转向系统由扭矩传感器、速度传感器、转向角传感器、电子控制装置、电动机、离合器、减速器和齿轮齿条转向机构等组成。其中电动机、离合器与减速器往往结合成一个整体，扭矩传感器通常布置在转向柱上。如图1-1所示：

图1-1 EPS工作原理图

具体的工作原理是：汽车处于起动或者低速行驶状态时，操纵方向盘转向，装在转向柱上的扭矩传感器不断检测作用于转向柱扭杆上的扭矩，并将此信号与车速信号同时输入电子控制器，处理器对输入信号进行运算处理，确定助力扭矩的大小和方向。之后，控制器将输出的数字量经D/A转换器，转换成模拟量，并将其输入电流控制电路。电流控制电路将来自微机的电流命令值同电动机电流的实际值进行比较后生成一个差值信号，同时将此信号送往电动机驱动电路，该电路驱动电动机从而控制电动机的电流和转向，电动机经离合器及减速机构将扭矩传递给牵引前轮转向的横拉杆，最终起到为驾驶人员提供辅助转向力的功效；当车速超过一定的临界值或者出现故障时，EPS 系统退出助力工作模式，转向系统转入手动转向模式。不转向的情况下，电动机不工作。电动助力转向系统很容易实现在不同的车速下实时的为汽车转向提供不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠。

1.2.2 电动助力转向系统的分类

EPS的类型通常可以按其助力转向机构电机的布置位置不同或电动机的减速机构的形式不同进行分类。

按照助力转向机构电机的布置位置不同，将电动助力转向系统分为三类：转向轴助力式、转向器小齿轮助力式和齿条助力式，如图1-2所示：

图1-2 电动助力转向的形式

转向轴助力式EPS的电动机固定在转向柱上,并通过减速机构与转向轴相连,直接驱动转向轴实现转向助力。该方案的助力输入将经过转向器传递,因此要求电动机的最大输出力矩相对小;电动机常布置在驾驶室内,工作环境较好,对密封要求低;但是安装位置离驾驶员近,对电动机的噪声要求高,且其力矩波动易直接传到转向盘上。

齿轮助力式EPS的电动机和减速机构与小齿轮相连,直接驱动齿轮助力转向。该方案的助力输入也要经过转向器传递,因此要求电动机的最大输出力矩也相对小;电动机安装位置在地板下方,工作环境差,对密封要求较高;其力矩波动也易传到转向盘上。由于离驾驶员较远,对电动机的噪声要求相对较小。

齿条助力式EPS的电动机和减速机构与齿条相连,直接驱动齿条助力转向。该方案的助力输入点在齿条上,要求电动机的最大输出力矩相对大;电动机工作环境差,对密封要求高;安装位置离驾驶员较远,对电动机的噪声要求相对较小,且其力矩波动不易传到转向盘上。

根据电动机力矩采用的减速机构的形式不同，可将电动助力转向系统分为三类：循环球螺母式（图1-3）、蜗轮蜗杆式（图1-4）、齿轮齿条式（图1-5）。

图1-3 循环球螺母式 图1-4蜗轮蜗杆式

1.转矩传感器 2.循环球螺母 1.电磁离合器 2.电动机 3.扭矩传感器

3.功率放大器 4.电控单元 5.齿条 4.转向轴 5.蜗轮蜗杆机构

6.方向盘 7.电动机 8.减速机构 6.齿轮齿条机构

图1-5 齿轮齿条式

1.扭矩传感器 2.连接盘 3.电动机 4.电磁离合器 5.齿轮齿条机构

循环球螺母式EPS电动机力矩的传递路线为：电动机—循环球螺母—齿轮条。蜗轮蜗杆式EPS力矩的传递路线为：电动机—蜗轮—齿条。齿轮齿条式EPS的电动机力矩的传递路线为：电动机—行星齿轮副—齿轮—齿条。

1.3 电动助力转向系统的特点

电动助力转向系统将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统，能显著改善汽车动态性能和静态性能、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、减少环境的污染。因此，该类型系统必将成为未来转向系统的主流，与其他转向系统相比，该系统突出的优势体现在下面几点：

1）提高了汽车的操纵性能。 EPS能在各种行驶工况下提供最佳助力，减少由路面不平所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减少汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。并且可通过设置不同的转向手力特性来满足不同对象使用的需要。

2）提高了汽车的燃油经济性。液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停地流动，浪费了部分能量。相反电动转向系的EPS仅在需要转向操作时才需要电机提供能量，是真正的“按需供能型”系统。装有电动转向系统的车辆和装有液压助力转向系统的车辆对比实验表明，在不转向清况下、装有电动转向系统的车辆燃油消耗降低2. 5%，在使用转向情况下，燃油消耗降低了5. 5%。

3）增强了转向跟随性和可靠性。在EPS系统中，电动机与助力机构直接相连以使其能量直接用于车轮的转向。这样增加了系统的转动惯量，电机部分的阻尼也使得车轮的反转和转向前轮摆振大大减小。因此转向系统的抗扰动能力大大增强。和HPS相比，EPS旋转力矩产生于电机，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。电动转向还可有各种安全保护措施和故障自诊断功能，使用可靠，维修方便。

4）该系统由电动机直接提供转向助力，在停车时，也可获得最大的转向动力。同时省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、密封件、传送带和装于发动机上的皮带轮等，其零件比HPS大大减少，从而重量大大减轻，复杂度大大减小。EPS各个部分己经高度集成化模块化，电动机、减速机构传感器、控制装置均可安装在转向柱或转向器上，所占空间小;不需要传统的油泵、动力缸和油罐等液压部件，因而其质量更轻、结构更紧凑，在安装位置的选择方面也更容易，装配自动化程度更高，维修更简单。

5）EPS没有液压回路，不存在渗油的问题，减少了对环境的污染。同时由于液压油在低温时的粘度很大，存在低温时必须有个加温的过程，而EPS可以在零下40℃很好的工作，基本上不存在受温度影响的问题。

6）电动转向还可有各种安全保护措施和故障自诊断功能。使用可靠，维修方便。

7）电动助力技术的日趋完善，其应用范围己从最初的微型轿车向更大型轿车和商用客车方向发展。电动助力转向自身的特点，使其特别使用于低排放汽车(LEV)、混合动力汽车(HEV ),燃料电池汽车(FCEV )、电动汽车(EV)，而这四大“EV”汽车将构成未来汽车发展的主体，因此电动助力转向具有非常广阔的应用前景。

1.4 国内外电动助力转向系统的研究与应用现状

继电子技术在发动机、变速器、制动器和悬架等系统得到广一泛应用之后，国外汽车电动助力转向己部分取代传统液压动力转向。电动助力转向已成为汽车技术发展的研究热点，EPS用电动机直接提供助力，助力大小由电控单元(ECU)控制，它能提高主动安全性、节约燃料，且有利于环保，是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术，所以一经出现就受到高度重视。国外汽车公司对EPS的研制已经有20多年的历史，但是以前一直没有取得大的进展，其主要原因是EPS的成本太高。近几年来，随着电子技术的发展，大幅度降低EPS的成本己成为可能，加上EPS具有一系列优点，使得它越来越受到人们的青睐。电动助力转向系统最先应用在日本的微型轿车上。1988年2月日本铃木公司首次在其Cervo。车上装备电动助力转向，随后还用在其Alto车上。1993年，本田汽车公司首次将电动助力转向系统装备于大批量生产的NSX跑车上。在欧美市场上，美国的Delphi汽车公司、德国的ZF汽车公司等，都相继推出了各自的电动助力转向系统。此后，电动助力转向技术得到迅速发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司，本田汽车公司，美国的Delphi汽车系统公司、TRW公司，德国的ZF公司，都相继研制出各自的电动助力转向系统。如大发汽车公司的Mira车、三菱汽公司的Minica车都装备了电动助力转向系统;本田汽车公司的:Sccord车目前已经选装电动助力转向系统;Dephi汽车系统公司己经为大众的Polo、欧宝的3181以及菲亚特的Punto开发出电动助力转向系统。TR1的电动助力转向系统己经装备在Ford Fiesta和Mazda 323E等轿车上。世界上各主要生产厂所研制的电动助力转向应用情况如表1.1所示：

表1-1 电动助力转向在各种车的应用情况

随着高级轿车对转向系统提出性能上的更高要求，近几年国外开发出了更为成熟的电动助力转向系统，凌志、皇冠等高档轿车，己经使用了电动助力转向系统，该装置优于普通的动力转向系统，在不同车速下可通过转向电脑ECU自动调节转向盘的操作力，在低速行驶或车辆就位时，驾驶员只需用较小的操作力就能灵活进行转向;而在高速行驶时，则自动控制使操作力逐渐增大，实现操纵的稳定性。德尔福汽车公司，1998年开发了全新的电动助力转向系统，它可分别在齿条、齿轮或转向柱上施加助力。在全世界汽车行业中，电动助力转向系统每年正以9%-10%的增长速度发展，年增长量达130—150万套，估计至2007年将达到1140万套。按此速度发展，用不了几年的时间，电动助力转向系统将会完全占领轿车市场，并向微型车、轻型车和中型车扩展。在我国，电动助力转向的开发还处于初级阶段，国产电动助力大部分文献只是介绍国外电动助力转向系统状况以及电动转向系统基本组成和特点。1992年清华大学的学生在导师的指导下进行了探索性的研究;其后几年，同济大学、吉林大学、华中科技大学、武汉理工大学相继开展这方面的研究，取得了一些进展。清华大学汽车系在EPS领域进行了卓有成效的研究，并取得了很大的进展，在控制策略、电动助力转向硬件及台架方面，目前处于国内的研究的前列。华中科技大学、江苏理工大学和天津大学也对EPS的转向特性和转向盘力等进行了理论方面的研究，这些研究都对下一步的电动助力转向的研究打下了一定的基础。总体来说，现在国内对EPS还处于研究与探索阶段，而且基本都是国内一些重点高校自己在作一些理论上的研究，力量比较分散，故都还没有形成定型的产品。估计在今后的几年内，会有更多的公司和科研院所投入到EPS的研制行列当中。