电动助力转向系统在乘用车上的应用研究

摘 要

电动助力转向系统具有一系列的优势，诸如更轻的重量、更小的体积、安装维修的便利性以及节能环保的优势所在。除此之外，该系统还对于汽车的操纵性能变化和舒适性与否，以及安全性的保障都有很好的优势。一般来说该系统大都应用于商用车车型上。但是针对乘用车而言，电动转向系统的研究和文献都寥寥无几，因此对于其内在机理进行深入的探讨，力求探究电动助力转向系统在乘用车上的应用非常重要，对于国内的汽车产业发展和技术水平提高有很多的帮助。

本文主要是研究乘用车的电动助力转向系统的关键技术，力争为乘用车的电动助力转向系统带来更好的设计，帮助其开发，并且为其发展铺垫理论的基础。本文的主要内容：对于电动助力转向系统发展的背景进行概述，归纳了乘用车电动转向系统的关键技术、国内外现状以及本文的研究内容。其后对电动转向系统组成设计的助力特性曲线以及各部分的特点和选用案例进行研究，根据乘用车的助力传动耦合机构设计乘用车EPS系统，进行硬件选用与分析；然后依据不同的EPS特点，分析其应用类型和范围，最后针对乘用车上的EPS应用工况，分析并且对于乘用车上面所应用的电动助力转向系统的传动耦合机构进行设计，从而分析其转向的特征和技术难点，最终辅助提供控制理论，为乘用车上的EPS系统的应用奠定技术支持。

关键词：电动转向系统；乘用车；应用

　第一章 绪 论

　　第一节 课题背景

近年来中国汽车行业快速发展，已成为全球第一的汽车市场，2015年汽车产销量突破2500万辆，创世界历史新高，已经七年蝉联全球第一。人们对汽车的安全性能和节能环保的要求也越来越高，作为汽车主动安全的代表技术，电动助力转向系统也成为了各大车企和相关高校、科研机构的研究热点课题。但该系统具有前沿的电子电力技术和高性能高效的电机控制技术，若能更好的应用到乘用车上，必然能够明显提升驾驶舒适感，改善汽车的操作体验，并且很大程度上减少污染与其它转向系统对比，该系统有很多好处：

1）能减少燃料损失

而电动助力转向系统在这方面有两大优势，（1）按需供给助力，根据实际工况，收集车速与转向力矩的信息，再提供可变助力，能量消耗更为合理。（2）寒冷天气下也不需要预热，反应更快，冷启动能力强的同时也节省了大量能量。（3）结构更为简单，省去了油泵，油管等液压附件，减轻系统重量，从而减少油耗，提高燃油经济性。

能加强转向跟随性一般来说，该系统的助力电机和机构都是直接相连的，这种结构能够直接使得能量施加到车轮转向上面。这就能很大程度上让系统更加减振，而且还能维持车轮的反向转动和前轮摆振。因此电动转向系统的抗扰动能力大幅提升，与液压助力转向系统相比比较，旋转力矩通过电机产生，液压助力转向系统的迟滞效应消除了，转向车轮对转向盘的跟随能力得到提高。

能改善转向回正性能到目前为止，助力转向系统的性能已经发展到了瓶颈，电动助力转向系统的独有的回正特性打破了这一格局。当司机转动方向盘到一定角度后再松开，该系统可以自动调整车轮回到中间位置。从最低车速开始上涨，一直到达最高车速的过程中，基于灵活的变成都能得到电机的不同转矩特性，从而提升动力系统的转向能力，提供了与汽车实际工况相适应的转向回正特性。在传统的液压助力转向系统中，想要达到改善这一特性的目的，必须改变底盘的机械结构，十分困难。

4）能增加稳定性

测试汽车在高速行驶时的转向特性可以判断汽车的操纵稳定性。采用这种测试方法，迫使正在高速行驶的汽车产生侧倾角，在非常短的自动回正过程中，由于微机控制的应用，车辆具备有了很高的稳定性，驾驶员有更舒适的驾驶快感。

5）能带来转向助力

转向助力由电机而来。在车速的范围中，软件编程和硬件控制都能改变可变转向力转向盘输入力矩和车速决定了可变转向力的大小。在诸如原地转向，低速或者是高速行驶时，它都可以给提供可靠的，可控性好的路感，而且使得在停车场操作汽车更加容易。对于电动助力转向系统来说，只需要改写控制模块中的既定程序，对助力特性进行设置，花费很小。

6）绿色环保，符合现代汽车技术发展趋势

“最洁净“的电能是电动助力转向系统的能源，完全替代了液压装置，避免了液压助力转向系统液体状态油易发生泄漏的问题，可以说这种系统符合了“绿色化”的时代潮流。

7）结构简单，占地小

EPS结构上相对简单，省去了液压泵，管路等部件。并且电机，转向机，减速机构可做成一个整体结构，这样整个转向系统显得精简，紧凑，质量轻。通过简单的程序调制操作能适应多种车型，可模块化开发，节省开发周期。

8）生产装配好

电动助力转向系统结构简单，零件数目少，没有液压系统常见的油管、油泵、流量控制阀，储油罐等部件，从而减少了装配的工作量，缩减了装配时间，提升了装配效率。作为显而易见的汽车转向系统未来的主要的发展方向，毫无疑问将极大地挑战并终将取代前三种具有一定历史的转向系统。

　第二节 电动助力转向系统概述

上世纪五十年代开始，助力转向系统就在不断的发展之中，一直历经机械助力转向系统、液压助力转向系统和电动助力转向系统三个历程，而且还在不断的向着智能化发展。

对于电动助力转向系统而言，它是在机械式转向系统的背景下发展的，在上面通过添加电机驱动单元，便能使得汽车的助力能更好的提供，汽车的转向性能大幅度提高，使得驾驶员的转向操作更加简单。相对液压助力转向而言，EPS系统的优势主要包括少能耗、少污染、少燃料、省空间等等。而且还有着非常广泛的应用。目前的乘用车上大都应用液压助力转向系统，乘用车的电动助力转向系统在国内外还没有相关的研究与应用。

（一）电动助力转向的主要组成及助力形式

转向管柱助力式电动助力转向系统是一种非常常见的电动助力转向系统，因此下面以该款式作为研究案例，分析其具体包括的组成部分（图1.1）：

图1.1 EPS结构示意图

1、机械转向器

对于EPS系统而言，其是专门应用于汽车上的，作为汽车机械的重要关键，他的机械部分所用的就是机械转向器。这和普通的机械转向并无二致。

扭矩传感器该部分一般在转向柱或转向器上进行安装，主要的目的就是监控方向和转矩。对于很多电动助力转向系统的应用产品而言，其扭矩传感器上会有转向盘的角度检测仪，目的是了解转向盘的角度情况，从而帮助控制器进行汽车的转向控制。

3、车速传感器

顾名思义，车速传感器就是传递车速的一种部件，一般用来了解汽车的行驶情况，其主要的控制单元是依据车速变化而控制转向助力大小的。

4、电子控制单元（控制器）ECU（Electronic Control Unit）

对于汽车而言，控制器是大脑。也是核心。控制器中包括控制单元和动力单元，其中控制单元是控制助力大小情况的，而动力单元是为了了解控制指令，从而驱动电机运转的。

5、电动机及其附属机构

电动机及其附属机构是动力单元的驱动负载，对于驱动信号而言，必须要输出转矩，在减速装置的情况下施加助力转向系统，最终实现助力的过程。一般而言，选择的电动机大都是永磁直流电机或无刷直流电机两种。其中前者的电机具有紧凑的结构、更长的寿命和更高的效率这些优势，目前的应用已经越来越广泛。而且对于EPS系统而言，需要安装电磁离合器或转矩限制器才是更好的，这能确保电机在危险状态下能迅速断开运转。

电动助力转向系统的助力部位一般是不同的，在转向器上的位置不同，称呼的名字也不尽相同。一般包括如下四种助力形式：如转向管柱助力式、小齿轮助力式、齿条轴助力式以及双小齿轮助力式（图1.2）。

图1-2 不同助力形式的EPS系统

电机一般安装的位置也是不尽相同的，电机的要求也一般有所差别。对于电机而言，在转向柱助力式EPS系统下，一般处于环境较好的驾驶室内，因此具有小体积的优势，能提升腿部活动空间，便于驾驶员的形式。而且电机的噪声要求一般较高。另外三种的款式的电机处于发动机室内但环境较恶劣，体积和噪声的要求没有那么严格，因此更适用于载荷大的汽车。

对乘用车而言，载荷比轻中型商用汽车小很多，所需的电机助力远远小于轻中型商用汽车，并且转向器结构与安装部位不同，因此必须要依托乘用车的实际工况进行研究和分析，了解其具体的激烈，而且最终分析设计适合于乘用车工况的电机助力传动机构，使得其更有保障。

（二）研究意义

选题目的：与传统液压助力转向系统相比，EPS具有较高的节能环保、操稳性和安全性等特点，因此在汽车上得到越来越多的应用。对EPS应用及发展的研究具有重要的意义。

选题意义：随着汽车安全、舒适、节能与环保要求的提高，电动助力转向系统（EPS）已经在汽车上得到了比较广泛的应用。为了解决新车型开发前期EPS选型与设计问题，文章对不同类型和结构的EPS的特点和应用进行了分析，并对EPS关键技术和发展趋势加以说明。为汽车电动助力转向设计提供了一种方法，对EPS研究开发具有一定的指导意义。

国内外发展现状EPS系统的优势有很多，上世纪八十年代左右开始，就已经出现了一大批国外跨国汽车集团供应商进行相关系统的开发和研制。而且有不少的厂商开始应用这一系统并且进行销售。

比如1988年的时候，日本的Suzuki公司就首次应用了电动助力转向系统，应用的车辆叫做Cervo微型车款式，完成了初步试验。之后再两年左右的时间内，日本实现了小型乘用车的电动助力转向系统应用的商业化处理。对于日本的诸多车企而言，随着技术的发展，EPS系统的应用已经开始逐步普及，技术也更加成熟，在1990年到1997年的八年时间之内，日本Honda公司发展了超过六待的新技术。而且很多其他的公司也开始应用这一系统，比如NSK公司、DENSO公司和Koyo Seiko公司等等，都在轿车上对于自主研发的EPS系统进行了安装和销售。如下图的齿条助力式的电动助力转向系统就是NSK公司的关键产品。且该产品应用在了跑车上。自此之后，日本的三菱、本田和大发等众多的知名公司，都开始研制自主的电动助力转向系统产品。

图1.3 安装于NSX的EPS系统

欧美公司对于电动助力转向系统的研究也十分的深入，虽然他们的研究时间比日本相对来说较晚，但是发展速度快，在1997年的时候，X的知名汽车公司TRW和Delphi等开始推出了自主电动助力系统的产品。其中后者还将自身的系统供应给了Fiat公司的Punto款式车辆上，在2000年左右一度成为其车辆的标准装备系统。后来，包括X的、德国的和英国的一大批公司都开始进入电动助力转向系统的产品研发和布局中来。

不止有很多大型的的汽车公司对于电动助力转向系统进行研发，而且还有很多的零部件供应商对于该系统费劲心思。如有很多的芯片开发商一直都在致力于研发专用芯片和解决方案来提升转向系统的性能，加强对其的检测。从而优化质量，遇到问题也会专门的提出完整的解决方案。

据相关资料了解代，我国国内也是有可观数量的厂家和科研单位，他们也在努力地开发EPS系统，如：以天津大学来说，在团队的努力下，顺利研发了以采用16位单片机的EPS控制器样品；北京理工大学开发出了以车用EPS控制器；南方航空动力机械设备厂将以开发出的EPS系统，开始运用在昌河爱迪尔车型上进行小批量装车等。除此之外，这些厂家和科研单位在研究和开发中，也是有样品问世，如：江苏大学、华中科技大学、浙江世宝方向机有限公司等。

为了能够更好地将国内进行研发的EPS进行产业画，有些厂家进行了起草了相应的行业规则，主要是依据国家施行的标准，以《汽车电动助力转向装置技术条件与台架试验方法（征求意见稿）》，只为能够让电动助力系统的研发与设计，在试验中能够遵照合理的规范。从这些，足以说明：不论是国内的学者，还是技术界等，都对EPS进入产业化的极其重视。

对于电动助力转向系统技术，是结合了现代控制技术、机电一体化及现代电子技术等高校技术的融合，才有了如今技术的现世。将它进行与传统液压动力转向进行相比，是占有多处优点，而在未来的前景发展中，对EPS的运用及范围，也会进一步被开拓，以此定为标准件能够被装备在汽车上，并让动力转向领域，在未来占据主导地位。

目前，国内所有研发单位所进行的电动助力转向系统的研究，都是针对乘用车的，而且都没有大规模产业化，还有很长的道路要走。本课题的研究，主要是针对乘用车的，纵观国内外来看，是没有此类的产品和技术信息，说明在未来的发展中，是具有很大的创新空间。同时，说明对此类产品一旦研发成功，就可将

乘用车电动助力转向系统大规模装备应用到国内生产属于同类车型上。这种必将为以后产业的规模创造价值和经济条件。

第三节 乘用车电动转向系统的关键技术

（1）控制器硬件开发

控制器是EPS系统核心部件，控制器硬件直接影响到汽车EPS系统可靠性和汽车安全。EPS控制器对工作环境要求较高，尤其是布置在发动机舱内的控制器必须保证在-40~l30℃甚至更高的温度下稳定工作；同时控制器要求具有较高的密封和振动特性；另外，EPS在工作的过程中会产生较大的电流突变，并且EPS工作在较高电磁干扰环境，因此EPS控制器硬件开发要求较高的电磁兼容性设计词。

（2）控制策略开发

EPS系统，是以非线性和多输入多输出系统进行控制，在设定控制策略中的要求是：1）对驾驶员操作扭矩，能够快速被定位，以及精准追踪，实现基本助力特性；2）良好的路感；3）有效抑制助力电机扭矩波动；4）减小路面干扰和传动系误差等对系统性能的影响；5）控制系统的鲁棒性。为此。对于EPS系统来说，有这么多的设定控制策略，主要目的是为了能够多个控制目标，以及实现综合控制。

（3）助力电机

EPS系统在助力电机中，对性能的影响是很大，主要它是属于EPS的关键部件之一，所以EPS对助力电机的要求是挺高的。随着EPS逐渐在中高级轿车上的运用，要求助力电机具备低转速大扭矩、惯量小、扭矩波动小、体积小及噪声小等性能要求，因此高性能的直流无刷电机被广泛采用。

（4）减速传动机构

助力电机为高速低扭矩输出，因此EPS必须对其进行减速增扭处理。目前EPS中常见的减速机构为蜗轮蜗杆，蜗轮蜗杆减速机构由于其体积小和减速比大，在EPS上得到广泛运用，但其传动效率较低和磨损严重等因素成为影响EPS性能的重要因素，因此设计结构优化、传动比理想与材料合适的减速机构，减小系统尺寸和噪声对提高传动效率非常重要。

（5）系统标定

一旦传统液压助力转向在设计的过程中，参数被确定过后，就不能再进行对该系统的调节和控制。而EPS助力大小可由控制器进行实时调节与控制，可通过实车标定提供最佳的转向特性。因此，EPS系统需要根据不同车型与不同客户需求等因素，对控制参数进行调整，即系统标定。系统标定不单需要数据库的支持，更需要富有经验的标定工程师和主观评价人员操作完成。

（6）故障诊断

EPS作为汽车安全系统，故障诊断是EPS系统的关键技术之一。当控制器、车辆信号、传感器信号或助力电机等部件出现故障时，EPS系统一方面需要及时警示驾驶员故障状态并记录准确的故障信息，另一方面需要采用冗余容错控制方法，根据故障程度及等级，保证系统基本工作以确保驾驶安全。

　第四节 研究内容及方法

通过分析乘用车EPS系统现状，本文研究内容如下：

第一章对介绍了电动助力转向系统及发展现状和趋势，提出了本课题的研究意义，阐述了乘用车电动助力转向系统的关键技术及本文的研究内容。

第二章表述的是乘用车内部电动助力转向系统的组成设计和案例分析情况，对于其助力特性匹配进行了概述，且对其各部分特点及选用进行了比较，尤其是针对电动机和扭矩传感器进行了案例分析情况和匹配分析。

第三章主要是介绍了乘用车EPS的分类和应用特点，详细介绍了其具体的选择原理。

第四章针对EPS系统在乘用车上的应用进行了分析和讨论，分别针对乘用车的工况，以及其与乘用车的对比分析，来明确乘用车上的EPS系统情况，其次针对电动助力转向系统的特征进行减数，对其技术难点和发展前景进行简要的探讨。

最后对于上文的所有内容进行了一个简要的论述，从而成为结束语。

　　第二章 EPS组成设计及与案例分析

　　第一节 引言

EPS系统相比于液压助力转向系统的一个主要特点是转向操作特性可以通过软件加以改进。这是因为调节EPS系统的助力特性是通过控制助力电流来实现的，而液压助力转向系统的助力特性则是由阀的结构决定，调节困难。国外著名的EPS生产厂商都有一套自己的EPS系统匹配方法，如KOYO公司的EPS系统根据车速信号和转向盘转矩信号查找助力表格，得到该行驶工况下的助力电流；并通过测量电机两端的电压和电枢电流对电机转速和角加速度进行估计，进而实现对不同转向状态的判断和控制。其中，当电动机的电枢转动惯量稍大时，为提高紧急转向时转向盘的快速跟踪性，需要进行惯性补偿控制；当转向系统内部摩擦影响到转向性能时，需要进行摩擦补偿控制：为提高汽车高速行驶时的稳定性，又需要进行阻尼补偿控制。另外，为避免电动机持续以较大电流助力时不会烧坏半导体器件，要求EPS系统具有温度自我保护功能。

EPS系统的匹配工作主要是对助力特性、电动机、扭矩传感器的匹配，将匹配好的器件装配到目标车上，并通过调整助力特性曲线，实现合理的汽车转向特性。EPS系统还应具有在线故障诊断功能和安全保护措施。

　第二节 EPS助力特性的匹配

对于EPS助力系统而言，其助力特性的匹配是较为重要的。助力特性的概念主要指的是转向助力的力矩根据汽车的受力情况变换的一种规律，是与汽车运动过程中的扭矩和车速紧密相连的。助力特性一般会关乎于电动助力转向系统的转向的轻便性、路感和回正性等关键要素。对于液压助力转向系统来说，一般助力大小会与液压油的压力呈现正相关。电动助力转向系统则不尽相同，因为电动助力转向系统的助力大小一般与直流电动机的电流大小呈现正相关状态。一般描绘其逐利特性的是电流和转向盘的运动状态的关系曲线，如电流与扭矩的和电流与车速的变化关系。电动助力转向系统的助力特性不但能跟随转向盘扭矩随之变化，还能在车速变化途中不断调整转向轻便性、路感和回正性的各种关系。

一般匹配助力特性的关键参数都是包括如下几条，首先要如何选用其助力特性曲线的型式、其次是助力开始过程中的转向盘的扭矩，还有的就是其最大助力扭矩和助力特性曲线的斜率等等。

EPS开始助力的最大助力扭矩，转向盘扭矩是需要在合适范围之内的，不能过重，也不能过轻。为了使驾驶员保持这种对转向盘的施力感，应根据人的感觉灵敏度，设置一个助力作用临界值，当转向盘输入力矩小于该值时不进行助力。

（2）EPS能提供的最大助力转矩。对于助力电动机而言，其扭矩总是有限的，一般在最大电流的时候实现。所以输入最大转矩需要匹配合理数值，不能超过驾驶员体力要求，而且需要匹配汽车自身的EPS系统和整车。

（3）助力增益系数。对于直线型助力特性曲线来说，助力增益系数就是在某一特定的车速范围内的助力直线的斜率，是一个定值。

助力特性曲线一般会以车速感应型助力特性曲线的形态呈现。主要有以下三种。

图2.1 三种助力特性曲线

一、直线型助力特性曲线

图2.1a为直线型助力特性曲线，能看出助力大小和转盘的扭矩是呈现直线的线性关系的。其代表函数主要如下:

式中：I——电动机目标电流；

Imax——电动机最大工作电流；

T—转向盘输入力矩；

Td0——系统开始助力时转向盘输入力矩；

Tdmax——系统提供最大助力时转向盘输入力矩；

Kv——助力特性曲线系数。

　二、折线型助力特性曲线

图2.1b为折线型助力特性曲线，由图中可以看出，在助力变化区内，助力大小与转向盘扭矩成分段线性关系。该助力特性曲线可用下式函数表示：

式中：Td1折线型助力特性曲线折点处的转向盘输入力矩；

K1v、K2v—一折线型助力特性曲线两段直线的助力增益系数，随车速的增加而减小。

三、曲线型助力特性曲线

图2.1c为曲线型助力特性曲线,一般来说，在这一种助力特性曲线中，助力大小和转盘扭矩的关系是曲线的，即非线性的关系。其函数代表如下：

式中：f（Td）一助力增益。

对于上面的几种助力特性曲线而言，直线型的具有最简单的、最直观的态度，而且具有更好的存储性能和数据多少。有助于设计比较上述三种助力特性曲线，直线型助力特性曲线最简单，数据量最少，存储最方便，有利于设计控制系统，而且在后续的维修、调整和维护过程中，具有更便利的优势。因此普及性是最高的，其次分别是折线型的和曲线型的。三者的选用建议从高到低。

　第三节 电动助力转向系统的各部分特点及选用

一、电动机的选择

电动机是EPS的核心部件，它的性能决定了整个系统的性能，因此，在开发EPS系统的过程中，匹配合适的电动机至关重要。汽车作为乘用车，其选用的电动机必须有如下的特征，首先具有小尺寸，其次具有高效率和低重量，还要有更好的可靠性、噪声和力矩波动，还需要有良好的电磁兼容性能，确保乘用车与环境之间匹配良好。

选用电动机电动机布置形式多种多样，汽车设计人员根据具体车型的前轴荷、电动机特性以及空间大小来确定采用何种布置形式。对于轴助力式电动助力转向系统而言，转向管柱上面的电动机的连接模式是基于减速机构实现的，因此进行驱动转向的是转向轴。电动机输出力矩要求小，环境好，对电动机密封要求是很小的。但是，驾驶室内空间紧张，电动机占用空间较大，不利于整体布置；电动机的力矩波动容易传到转向盘上，造成驾驶员的驾驶手感不够好，电动机在驾驶室内的布置和对噪声的要求使得这种布置形式一般都是针对乘用车而言的。

齿轮助力式的电动机与齿轮相连，通过齿轮来完成调转方向。该方案中助力转矩也要经过转向器进行传递，因此对电动机最大输出力矩的要求也相对较小；

并且因为电机设置在驾驶室下，作业条件不好，所以密封性能有很高的需求；而且马达的力矩波动很轻松传递给方向盘。但是电动机的布置位置离驾驶员比较远，对噪声的要求就没有那么高了。

齿轮助力式的电动机与齿轮相连，通过齿轮来完成调转方向。由于这种设计的助力转矩是由齿条来实现的，所以需要电机的最大输出扭矩；而且作业条件不好，所以密封性能有很高的需求。由于电机设置在距离驾驶者较远的地方，噪音需要很小；同时，其力矩波动不会轻易地传递给方向盘。这种设置方式一般用于大型车辆。

关于电动机的类型则是根据汽车的具体要求进行选择。对助力矩大小要求低的车辆，可选用永磁有刷直流电机，该电动机技术成熟、结构简单、成本低；对助力矩大小要求高的车辆，可选用永磁无刷直流电机，该电动机效率与功率密度高，布置方便。

　　（二）电动机的参数匹配

汽车引擎前置前驱，在靠近前轴的地方很小，所以电动机应该尽量小，以适合整个汽车的排列。在构思时，可依据前轴周围的情况，对电机的长宽之比进行合适的调节，以达到车辆的空间布局需求。

当汽车在原地调整方向时，会出现最高的转向阻力。这个数值基本取决于前轴载荷。这时，电机输出力矩应该要确保汽车的调整方向方便，以达到调整方向的力随动需要。对于轴助力式，需要符合下列公式：

式中：Tm max——满足转向轻便时电动机的最大输出扭矩；Tmax——最大转向阻力矩；

gp——转向系角传动比；gm——减速机构传动比。

其中，gp越大转向就越轻便，但转向灵敏度会相应地变差。在没有动力转向时，gp的选择通常是在转向轻便性和转向灵敏性之间折中，安装动力转向后，gp的选择可以更多的偏向灵敏度要求。gm的选择应充分考虑与电动机的匹配，gm越大要求Tmmax越小，这样可以减小电动机的尺寸，降低电动机的生产成本，并且在车上容易布置。但是gm越大，要求电动机的转速越高，电动机的力矩波动就容易传到转向盘上，并且减速机构的尺寸也会变大，大尺寸的减速机构会给电动助力转向的布置带来困难。

图2.2是直流电机在额定电压下的机械性能曲线。从此可得，为达到方便调整方向的需要，方向盘处于某一转速区间（0~Wmax），电动机均可输出力矩Tmmax。轴助力式Wmax应达到：

式中：Wdmax在调整方向轻巧的情况下，可以达到最大转动速度。从直流电机的有关理论中可以看出，电磁转矩Tm为：

式中：Km一电动机的电磁转矩系数。

当Tmmax、Wmax确定后，就可以对电动机进行电磁设计，确定电动机的相关参数，如最大工作电流、电磁转矩系数以及堵转转矩系数等。

另外，随着电动机最高运行电流的增加，其驱动电路的需求和费用也随之增加。电动机的最高运行电流也是由车辆的输出电流以及组件效率所决定的。

所以，在进行电动机的设计时，不仅应考虑其转动惯量、阻尼及电机轴刚度对系统的影响，还应考虑汽车本身配置对系统的诸多限制。

图2.2 直流电动机的机械特性曲线

二、扭矩传感器的匹配

在 EPS中，扭矩传感器是关键部件。扭矩传感器重点涉及到两个方面：选型和参数的搭配。扭矩传感器分为两类：接触型和非接触型。目前接触式用得较多的是电位计式扭矩传感器，这种传感器需要一套将旋转元件的旋转变形转换成线位移的机构（例如将一个销定位在一个螺旋槽内），然后用固定的电位计来测量旋转位移。其构造较为繁杂，由于机械零件的损耗，很容易出现偏差。而且方向的损耗也会造成其偏差。目前常用的非接触式有电磁感应、光电、超声波式传感器。以电磁感应式传感器为例，它是基于电磁感应原理，把检测环的相对位移量转化为电感量，再由测量电路转换为电压或电流变化量输出的一种装置。由于该类型传感器采用了非接触式的测量方式，因而寿命长，可靠性高，不易受到磨损，延时更小，受轴的偏转和轴向偏移的影响更小，非常适合EPS系统使用。接触式费用更低；但对高温和损耗都很敏感，易于漂移、使用时间较短、加工准确度与扭杆硬度必须有一个调和的构思。而且，绝对转角与角速度的量测是困难的。非接触式传感器的成本较高；但是测量精度、抗干扰能力、刚度都好过接触式传感器，并且容易测量绝对转角和角速度。因此，扭矩传感器的类型选择要根据EPS的具体性能要求和制造成本综合考虑。如图2.3所示。

图2.3 扭矩传感器

另外，电动机的助力值大小是根据扭矩传感器的输出值确定的。其最高助力转矩是固定的，按动力曲线法则，当方向盘的扭矩最高时，其力矩输出也要最高。因此，扭矩传感器的量程Tsmax应该大于电动机在最大输出力矩Tmmax时转向盘的输入力矩Tdmax，即Tsmax≥Tdmax·

　三、EPS系统的三维结构布置

微型车结构紧凑、体积小，所以对于EPS系统的布置空间很有限。既要求其不与其他系统互相干涉，又要求其能完全发挥工作性能。因此，本文在CATIA平台的基础上建立了EPS系统的转向轴、传动轴、输出轴、助力电动机、减速机构以及扭矩传感器外壳体的三维模型，对EPS系统先进行虚拟装配。经过结构布置、零部件改型等工作，所设计的EPS系统能满足该微型车的布置要求。结构如下。

置在转向小齿轮附近。这种结构的EPS，助力不需要管柱部件传递，因而电机可以提供更大的助力。小齿轮式EPS可以应用到需要助力较大，而布置相对方便的中级轿车上。双小齿轮式EPS能提供的齿条力比小齿轮式EPS略大，由于增加了一对齿轮齿条啮合副，制造成本也比小齿轮助力式略高，但能够满足助力大小和车辆总布置的特别需求。齿轮式EPS（P-EPS），如图3.2所示，助力电机和减速机构布置在转向齿轮上，电机助力转矩作用于转向齿轮上。P-EPS助力扭矩直接作用于转向齿轮上，因此可以提供较大的转向助力，助力效果较为迅速准确。助力电机和减速机构布置在发动机舱，有利于降低驾驶舱噪声水平。P-EPS的缺点是：其电机和传感器等部件安装在发动机舱，器件的耐热与防水等环境要求高，成本较高。因此，P-EPS适用于需求助力较大的中型乘用车。

图3.2 P-EPS

　第三节 齿条式EPS

齿条式EPS，如图3.3所示，助力电机和减速机构布置在转向齿条上，电机助力扭矩作用于转向齿条上。R-EPS助力扭矩直接作用于转向齿条上，因此可以提供更大的转向助力，助力效果也最为迅速准确。助力电机和减速机构布置在发动机舱，有利于降低驾驶舱噪声水平。R-EPS缺点是：其电机和传感器等部件安装在发动机舱，器件的耐热与防水等环境要求高，成本较高。因此，R-EPS适用于需求助力较大的大中型乘用车。

图3.3 R-EPS

第四节 各类型EPS的应用范围

选用不同类型EPS的重要原则是确认EPS能够满足汽车转向系统阻力矩要求。车辆的受道路阻力、转向轴载荷、轮胎空气压力等因素的作用。在沥青或水泥道路上，车辆的转向阻力（MR/(N. m)）常常采用较为准确的半经验式，也就是：

式中：f——路面滑动摩擦因数；G——转向轴载荷，N；p——轮胎气压，MPa。

对于给定汽车，f取较大值，用式（1）计算出来的一般是最大阻力矩，由此可以计算转向器最大齿条力（Fam）l，如式（2）所示。EPS可提供的齿条力（Fax），如式（3）所示。

式中：LB——转向力臂长，mm；T—助力电机输出扭矩，N·m；n1——减速比；n2——齿轮齿条速比；T——方向盘扭矩输入，T≤4N·m。

不同汽车其转向系统具体参数（前轴载荷、传动比和转向力臂等）不同，综合考虑目前乘用车情况及EPS用电机扭矩输出，各类型的EPS适用的齿条力范围大致如图3.4所示，C-EPS、P-EPS和R-EPS对应的齿条力依次增大，同时成本也逐渐增加。

图3.4 EPS类型与齿条力范围

第四章 EPS在乘用车上的应用研究

　　第一节 乘用车上EPS的应用工况

乘用车的运行工况与商用车有很大的不同，乘用车的EPS很难直接应用于商用车。具体如下：

（1）悬架结构：乘用车上几乎都采用纵置钢板弹簧非独立忌架，悬架结构特点对转向机构的布置及性能有很大影响。

（2）轴核：前轴负荷增加了转向阻力距与系统惯性，乘用车轴核是乘用车的3~5倍，转向时其阻力距约为乘用车的5~11倍，这对转向系统及助力电机的选型有重要影响，也是EPS在乘用车上得不到推广的限制因素之一。但是在乘用车上，其工况推广就比较轻松

（3）转向装置的配置：汽车上适合使用齿条型转向装置，而商业汽车则常为一体的循环球式转向装置。

（4）运行工况：乘用车载荷小，工况简单，其对于零部件的冲击、疲劳性能的要求并不太高。

第二节 乘用车上转向传动耦合机构方案的设计及分析

当前，在设计汽车转向系统的时候，一般都要着重考虑转向的灵敏性和轻便性。但是这两者是相对矛盾的。其中灵敏性指的是驾驶员转动转角的时间长短，时间短意味着灵敏性好。对于机械转向系统而言，灵敏性的实现需要减少转向系统传动比，就会使得转向力增加。对于乘用车而言，因为前轮轴载荷较小，转向力相对较小，因此矛盾差别不大，所以对于乘用车上EPS的转向传动机构研究相对较少，但如果采用良好的助力装置，就能实现灵敏性更高，体力消耗也更少的最优选择。但如果在这种背景下，给乘用车更多的电机助力，就能尽量减小转向功。通过减少转向力，或者减小转向角来实现。

本文对于乘用车的设计方案主要是针对其转向传动耦合机构而言的，提出不同的设计方案，首先是需要为乘用车带来转向助力，但是提供助力，需要考虑多种因素，首先需要尽量的确保减少转向力能够实现。这种要求下，蜗轮蜗杆助力传动机构方案是一种较好的方法。再就是通过差动轮系助力机构方案来减小转向角。

2.1 蜗轮蜗杆助力传动机构方案设计

图4.1 蜗轮蜗杆助力传动机构方案

该乘用车的蜗轮蜗杆机构、转向助力装置具体示意图如上图4.1所示，该蜗轮蜗杆机构包括壳体、蜗轮、蜗杆、蜗杆安装结构及软连接组件，蜗轮固定在壳体内；蜗杆安装结构，用于蜗杆安装在壳体中并使之与蜗轮啮合；软连接组件用于将蜗杆的动力输入端柔性连接至转向助力装置的电机输出轴，以允许电机输出轴与蜗杆的同轴度调节。本发明的蜗轮蜗杆机构，可以有效地调整电机输出轴与蜗杆两者由于各自不同轴及相连不同轴引起的偏斜，使两者之间传递平稳扭矩，避免电机异常甚至电机损坏，保证电机寿命。同时，还能够解决转向异响的问题。这便于避免因为现有的蜗轮蜗杆机构的蜗杆与电机的刚性问题而导致的电机损坏缺陷。

2.2 差动轮系助力传动机构方案

差动轮系助力传动机构方案的组成部分一般包括两种，分别是圆柱齿轮机构和蜗轮蜗杆机构。之所以叫做差动轮系，是因为在循环球转向器和万向联轴器内部需要添加一个差动轮系机构，这就是的整体上需要安装的关键部件分别报考车速转角传感器、电动机、蜗轮蜗杆机构和ECU。

主要的工作原理是控制器需要依照设定控制规律在车速和手动转向角的情况下提供给电动机一个辅助转角，从而基于差动轮系的运动轨迹进行合成，实现前轮转向角度的确定，在这个过程中电动机提供的辅助转角是和手动转向系统同向的。这种方案能有效的给驾驶员带来转向助力，从而使得传动比减小。该设计方案无需电磁离合器，因此并不滞后，只不过加入了差动轮系机构，使得效率难以比得上第一种方案，而且体积还较大。

第三节 电动助力转向系统的特征分析

EPS主要零部件包括转向器、助力电机、减速机构和控制器等，其合理选型及精度、可靠性控制对系统整体性能有重要影响。其主要特征包括：

3.1耗能量低

具体而言，传统液压动力转向系统需通过电动机带动液压油流动而产生转向动力，液压油等资源浪费严重，转向能量消耗量大。而汽车电动助力转向系统则可更好地控制能量输出，在汽车转向时进行能量的输出，实际能耗量低，大大提升了汽车与运行期间的经济效益及安全效益。

　　3.2转向跟随力强

汽车电动助力转向系统的转向跟随力更强，在系统实际运行过程中，电动机与其他结构直接相连，使车轮转向期间前后摆振率降低，切实提高了汽车专项时的效率，对驾驶员的人身安全提供了重要保障。且该系系统具有较小的迟滞效应和很强的抗扰能力。

　3.3稳定性高

汽车电动助力转向系统具有稳定性高的特征。以汽车高速运行转向情况为判断汽车稳定性的重要依据，采用汽车电动助力转向系统可帮助汽车在方高速行驶期间迅速回正，通过计算机网络系统的全程控制，确保汽车转向期间的安全性，提高驾驶员驾驶体验。

3.4转向回正性灵活

汽车电动助力转向系统的转向回正性能为灵活，可通过计算机软件编程及硬件控制，提高转向回正的灵活性，更好适应汽车行驶过程中的力矩及车速。不仅如此，利用汽车电动助力转向系统可将转向回正性编辑在运行程序中，因此在提升汽车转向性时所需花费资金较少，对提高汽车运行期间的经济效益具有重要影响。

　第四节 技术难点

　　4.1控制电路的设计

在电动助力转向系统控制电路设计过程中，相关工作人员应从以下三个方面入手：第一，对电动助力转向系统中转矩信号的采集电路系统进行设计，利用滤波处理技术对采集信号进行分压处理；第二，对电动助力转向系统电流信号进行控制，接入一定规格的电阻，将电流信号更好的转化为电压信号；第三，对车速信号进行控制，将实际信号输入到单片机中，通过光电耦合装置，切实提高电路安全性。

　4.2控制系统的设计

在电动助力转向控制系统设计期间，应从转换控制程序等方面入手。首先，明确电动助力转向系统不同程序的功能；其次，对转换前的系统进行初始化控制；再次，依据电动助力转向系统转化需求，设置数据与控制寄存装置，然后进行上下输入通道设计[3]。最后，在电动助力转向系统程序设计过程中，需选择适当计算公式，以更好地明确系统实际运行期间电压值的具体额度，确保电动助力转向系统实际运行的稳定性。

　第五节 发展前景

现阶段汽车电动助力转向系统可分为以下三种类型：第一，电动助力转向齿条式系统；第二，电动助力转向小齿轮助力式；第三，电动助力转向助式。具体而言，电动助力转向齿式系统主要安装在汽车电动装置及汽车转向齿装置中，以更好地为汽车驱动齿条提供重要驱动力。随着电动助力转向系统内直流电机性能的不断改进，电动助力转向系统性能在原有基础上也得到了明显的提升，在节能性、安全性等方面展现出了更高的优势。为充分发挥出电动助力转向系统的积极作用，相关工作人员也应将当前工作重点放置在降低电动助力转向系统运行成本、简化电动助力转向系统运行流程等方面，以更好地提升汽车转向性能。

结 束 语

对于驾驶员而言，操纵方向盘的转向工程需要相关系统的辅助才能更好的实现。在该过程中。转矩传感器会对转向盘的转向和转矩大小进行检测，产生电压信号输入ECU之中，控制器会依据信号发出指令使得电动锯运转，产生辅助转向动力，帮助驾驶员转向。本文专门为了乘用车上该系统的应用进行了研究，并且对电动助力转向系统进行了概述，对其主要组成结构和研究意义进行了了解，其后还专门对其组成设计过程中的匹配和选用工作进行了研究，分析了电动助力转向系统的各类别及应用情况，最终针对乘用车上的电动助力转向系统进行了转向传动耦合机构方案的设计及分析，并且对其技术难点和发展前景进行了简要了解。电动助力转向系统的应用已经成为了助力转向系统的转折点也是大趋势。以电力作为驱动辅助力的能量来源，完全避免了传统形式助力系统及电控液压助力系统的缺点，顺应了“绿色、环保、技能”的时代趋势，必将在未来的助力系统发展中的中流砥柱。本文通过对乘用车EPS系统的研究，并对其应用进行的概述，希望能为后续乘用车上EPS系统的应用提供参考。

　致 谢

时光荏苒，转眼间我的大学生活已经接近尾声。回首四年大学时光，我学到了很多。想想入学时那个稚气未脱的少年，我现在更加成熟稳重了，对今后的人生道路有了更具体的认识和计划。

至此毕业论文即将定稿之际，首先我要感谢我的论文指导老师，从论文的撰写到运用都给了我莫大的帮助。老师作风严谨，渊博学识使我终生受益。在此衷心的感谢老师，祝您身体健康，工作顺利。

同时我要感谢班主任，您对我的关心和照顾使我顺利完成了我大学期间的各项任务。还要感谢大学期间帮助过我的老师和同学，你们给了我很大的支持和鼓励，我将永远记住与你们在一起的时光。

最后感谢审阅本文的辛勤工作的老师们，本文有不当之处，望各位老师海涵并指正。也祝愿我的母校发展的越来越好。

　参 考 文 献

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电动助力转向系统在乘用车上的应用研究

价格 ¥9.90 发布时间 2022年11月23日

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