汽车电动助力转向系统新技术的发展和应用
0 引言............................................................................................................................ 1 1 汽车转向系统的发展................................................................................................ 1
1.1 纯机械式转向系统.......................................................................................... 1 1.2 助力转向系统.................................................................................................. 1
1.2.1 液压助力转向系统................................................................................ 1 1.2.2 电控液压助力转向系统........................................................................ 2 1.2.3 电动助力转向系统................................................................................ 2 1.2.4 电磁助力转向系统................................................................................ 2 1.2.5 线控转向系统........................................................................................ 3
2 EPS转向系统概述 ..................................................................................................... 3
2.1 EPS转向系统的核心构件及工作原理 ........................................................... 3
2.1.1 扭矩和转角传感器................................................................................ 4 2.1.2 车速传感器............................................................................................ 4 2.1.3 助力电动机............................................................................................ 4 2.1.4 减速机构................................................................................................ 4 2.1.5 电子控制单元........................................................................................ 4 2.2 EPS转向系统的类型 ....................................................................................... 5
2.2.1 转向柱助力式EPS ................................................................................ 5 2.2.2 小齿轮助力式EPS ................................................................................ 5 2.2.3 双小齿轮助力式EPS ............................................................................ 5 2.2.4 齿条助力式EPS .................................................................................... 5 2.3 EPS转向系统的特点及优势 ........................................................................... 6 2.4 国内外EPS转向系统的发展概况 ................................................................. 6 3 EPS转向系统关键技术的发展趋势 ......................................................................... 7
3.1 传感器新技术.................................................................................................. 7
3.1.1 多信号集成转向传感器........................................................................ 7 3.1.2 非接触式传感器.................................................................................... 7 3.1.3 基于CAN总线控制的车速传感器 ..................................................... 8 3.2 无刷电机技术.................................................................................................. 8 3.3 新型EPS控制技术及策略 ............................................................................. 9
3.3.1 助力控制................................................................................................ 9 3.3.2 回正控制.............................................................................................. 10 3.3.3 阻尼控制.............................................................................................. 10 3.3.4 噪声控制.............................................................................................. 10 3.4 故障诊断功能................................................................................................ 11 3.5 系统匹配与集成技术.................................................................................... 11 3.6 自动转向和全电动转向技术........................................................................ 11 4 国内外EPS主要制造商及产品介绍 ..................................................................... 12
4.1 捷太格特（JTEKT） .................................................................................... 12
4.1.1 捷太格特（中国）.............................................................................. 12 4.1.2 EPS产品概况 ....................................................................................... 12 4.1.3 智能前转向技术（RD-EPS+E-VGR） ............................................. 13
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4.1.4 EPS的低成本化技术 ........................................................................... 14 4.2 昭和（SHOWA） ......................................................................................... 15
4.2.1 昭和（中国）...................................................................................... 15 4.2.2 本田动态自适应EPS转向系统 ......................................................... 15 4.3 采埃孚（ZF） ............................................................................................... 17
4.3.1 采埃孚（中国）.................................................................................. 17 4.3.2 宝马EPS-APA系统 ............................................................................ 17 4.4 德尔福（DELPHI） ..................................................................................... 18 4.5 天合（TRW） ............................................................................................... 19 4.6 万都（MANDO） ........................................................................................ 19 4.7 精工（NSK）................................................................................................ 20
4.7.1 精工（中国）...................................................................................... 20 4.7.2 EPS产品概况 ....................................................................................... 20 4.7.3 多类型C-EPS ...................................................................................... 21 4.7.4 偏置式滚珠丝杠式EPS转向系统 ..................................................... 21 4.8耐世特（Nexteer） ........................................................................................ 21
4.8.1 耐世特（中国）.................................................................................. 22 4.8.2 EPS降噪技术 .................................................................................... 22 4.8.3 单齿轮EPS系统 .............................................................................. 23 4.8.4 12伏特齿条式EPS系统 ................................................................. 23 4.9 英飞凌（Infineon） ...................................................................................... 23 4.10株洲易力达................................................................................................... 24
4.10.1 EPS研发计划 ..................................................................................... 24 4.10.2 EPS产品概况 ..................................................................................... 25
5 小结.......................................................................................................................... 26 参考文献...................................................................................................................... 26
II
0 引言
随着社会的不断进步与发展，汽车拥有率增长速度迅猛，人们对汽车驾驶的安全性及舒适度的要求也在不断提高，越来越多的高新技术被应用在现代汽车的设计与生产中。转向系统可以按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向，是驾驶员根据行驶实况适时调整前进方向，确保操纵稳定性及行驶安全的核心部件之一。除了确保稳定与安全之外，汽车转向装置还需具有适应行驶车速的操纵轻便性。基于这样的设计要求，汽车转向系统不断地被改进优化设计，现代汽车转向装置超越了早先纯机械转向的时代，步入液压助力转向、电控液压助力转向、电动助力转向及线控转向系统的发展历程。
电动助力转向系统是电控技术在汽车转向系统中的应用，具有调整简单、装配灵活的特点。机电技术的结合进一步提高了汽车的操纵性能，成为现代汽车备受关注的转向技术，挑战着大家非常熟悉的液压转向系统。
1 汽车转向系统的发展
概括地讲，汽车转向系统经历了两大发展阶段，即传统的纯机械转向和现代的助力转向。 1.1 纯机械式转向系统
纯机械式转向系统（Mechanical Steering，简称MS）指依靠驾驶员施加在方向盘上的力作为转向动力，不附加任何外部助力，然后通过转向轴和转向器，再经过传动机构直接传给转向轮，以达到改变车轮转角的目的，进而改变车轮的行驶方向。最早的汽车转向系统就是没有助力的纯机械式转向系统。MS转向系统增加了驾驶员泊车和低速行驶时的转向操纵负担，而且纯机械式转向器的转向轻便性与灵敏性相互对立，无法从根本上解决汽车在不同路感及工况下的转向矛盾。
1.2 助力转向系统
助力转向是在纯机械转向系统中增加了助力泵，通过发动机使助力泵工作来给单纯的人力转向提供助力，有助力的转向变得更轻松。 1.2.1 液压助力转向系统
液压助力转向系统（Hydraulic Power Steering，简称HPS）是在传统的纯机
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械式转向装置上增加控制阀、油泵、动力缸、储油罐以及回油管路等液压动力装置来提供转向助力。液压动力装置从发动机曲轴上获取能量，储存于液压罐中，转向时通过机械机构的控制释放能量，从而向转向系统提供助力。液压助力转向降低了驾驶员施加在转向盘上的转矩，尤其是原地转向的操作难度，大幅度缓解了驾驶疲劳。
1.2.2 电控液压助力转向系统
当选定了转向器和机械控制参数后，传统的液压助力转向系统的助力特性就随之确定了，不能再对相关参数进行控制与调节，因此难以协调不同工况下转向轻便性与路感的关系，也就不能很好地满足人们对汽车操控性能日益提高的要求。
基于上述局限性，设计者对传统液压助力转向装置进行改进，推出了电控液压助力转向系统（Electric Hydraulic Power Steering，简称EHPS）。在原系统中增加一个电磁阀，通过车速传感器和转向盘转角传感器的输入信号，使用电控单元（Electric Control Unit，简称ECU）来控制电磁阀开启的大小，直接调节动力缸的供油量，从而比较精确地控制助力大小，目前这种转向系统在汽车生产中得到了广泛应用。电控技术的引用是助力转向技术发展的重大变革，但液压装置始终存在，由此引发的漏油、管路复杂、高成本等缺陷为电动助力转向的发展奠定了基础。
1.2.3 电动助力转向系统
电动助力转向系统（Electric Power Steering，简称EPS）是在电控液压助力转向的基础上发展起来的一种全新的机电结合转向技术。系统的助力源是一个由电控单元ECU控制电流输入的电动机，而非液压动力缸。在ECU的控制下，通过对助力电机输入电流大小和方向的变化进行控制和调节，以精确地实现设计者预先设定在不同车速和不同转向盘转角下所需的最佳转向助力。 1.2.4 电磁助力转向系统
电磁助力转向系统主要由车速传感器、扭矩传感器、控制单元、电磁力发生装置等组成。电磁助力转向系统与普通电动助力转向系统最大的区别在于产生助力的装置不同：电动助力转向系统的助力由电动机提供，而电磁助力转向系统的助力来自于电磁力发生装置。电磁助力转向系统与电动助力转向系统相比少了电
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动机、电磁离合器及减速机构，结构更为简单、价格更低，而且能较好地避免地面冲击对系统的影响，可广泛应用于轻型汽车及普通型轿车上。 1.2.5 线控转向系统
EPS是用人力和电机助力两部分来驱动转向轮转向。随着技术的不断进步，汽车转向系统将朝着全助力电动转向的方向发展，即：驱动转向轮转向的力完全由电机提供；转向盘仅作为一个控制电机的信号发生器。线控转向系统（Steering By Wire，简称SBW）就是该技术的典型代表，取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电能实现转向。
2 EPS转向系统概述
电动助力转向系统是在液压助力转向系统基础上开发的全新转向系统。作为目前汽车转向系统的主流产品，EPS转向系统在当前汽车电子技术领域备受青睐。结构精巧、节能环保的属性紧扣现代汽车发展的理念与要求。 2.1 EPS转向系统的核心构件及工作原理
扭矩传感器、转角传感器、车速传感器、助力电动机、减速机构和电子控制单元等是EPS的内部核心组件，EPS转向系统组件结构布置如图2.1所示。
图2.1 EPS系统机构布置图
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