汽车电动助力转向系统关键技术研究
目 录
1 绪论 1
1.1 EPS系统发展历程 1
1.2 EPS系统国内外概况 3
2 EPS系统的概述 4
2.1 EPS系统的分类 4
2.2 EPS系统的特点 6
2.3 EPS系统的结构及原理 7
3 EPS系统的主要部件 8
3.1 助力电机 8
3.2 减速机构 9
3.3 扭矩传感器 10
3.4 车速传感器 12
3.5 电磁离合器 13
3.6 电子控制单元 14
4 EPS系统的关键技术 14
4.1 电动机驱动技术 15
4.2 传感器技术 15
4.3 助力电机减速机构 15
4.4 控制策略 15
4.5 助力特性 17
5 EPS系统的助力特性曲线 17
5.1 助力特性曲线类型的确定 17
5.2 助力特性曲线参数的确定 18
结论 21
致谢 22
参考文献 23
1 绪论
随着汽车技术的发展，人们越来越注重高效节能环保与高舒适性以及高安全性相结合。电动助力转向系统作为汽车及其重要的组成部分，一直致力于达到这些目标。EPS系统在突破了之前的转向系统的不足之后又继续不断发展完善，具备了高效率、高舒适性、高安全性以及低消耗性等优点，在转向领域已经逐渐发挥出了领军作用。根据Strategy Analytics的展望，到2018年EPS将占有全球转向系统市场份额的50%以上，截至2015年的数据分析显示，中国已 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
经成为世界第一大EPS供需市场，成功超越了欧盟、美国以及日本。鉴于此，本文主要从EPS系统的结构、原理入手，带领大家了解一下EPS系统的关键技术。
1.1 EPS系统发展历程
汽车在行驶过程中不可能一直处于直行状态，当需要转弯或是发生突发状况需要转向避免时，就需要进行转向，所以，转向技术是汽车安全行驶过程中不可或缺的关键技术。早期的转向系统单纯通过人力进行转向，对于大型汽车而言，其质量且车轮与路面之间的接触面积较大，导致其转向时需要克服的摩擦力较大，使得驾驶员在转向过程中需要提供的转向力较大，驾驶员负担重，这使得人们不断探索、尝试，以寻求更好的方式来减轻驾驶员负担，因此，新的转向系统不断诞生。
按诞生时间排列，转向系统先后经历如下四个发展阶段。
（1）机械式转向系统。早期的机械转向系统主要由转向操纵机构、转向器、转向传动机构组成，汽车转向完全依赖于驾驶员作用在转向盘上的力，并通过传动机构将该力传递给转向器，从而控制车轮转向。为了产生足够大的转向扭矩，在不改变转向传动装置的情况下，最简单的方法就是使用直径较大的转向盘，这样在方向盘转动相同角度的情况下，转向盘的转角增量加大，使得角传动比增大，从而提高了转向扭矩。然而，这样就使得转向盘要占据更多的空间，使得整个转向系统显得头重脚轻，且驾驶员在转向过程中需要提供的转向力较大，对于一些重型汽车，其转向阻力原本就比一般的汽车要大，所以使用大直径转向盘时有可能难以实现驾驶员想要达到的转向效果，影响了转向时的操纵稳定性，安全性无法保证。但它的整体结构简单，成本较低，所以对于一些转向要求不高的轻便汽车机械转向系统仍是首选。
（2）液压助力转向系统。将外加动力引进汽车转向，是转向系统发展过程中的一个里程碑。液压助力转向系统的基本构造与机械式转向系统基本相同，只是在其基础上加装一套液压助力装置，汽车转向时，发动机的输出动力不完全作用于汽车行驶，其一部分的力会被传递到液压助力装置，液压助力装置再通过转向液压泵将该力施加到转向系统上，再结合驾驶员输入扭矩实现车轮转向。与机械式转向系统相比，液压助力转向系统不需要加大转向盘直径，使得转向盘占驾驶室的空间比较少，布局更加容易，同时减小了驾驶员所要提供转向操纵力，一定程度上解放了驾驶员的双手，也使转向系统更为灵敏，在提高了转向助力的情况下还控制了系统的体积大小，使其研发成本控制在一定范围内。随着液压助力转向系统技术的不断进步完善，它已经开始应用在一些乘用车以及重型车上。但是在低速转向时，转向沉重，需要获得较大的助力，导致液压装置输出的功率较大，增加了发动机的负荷，由于液压泵的压力较大，压力在输出时会对系统造成冲击，同时产生较大噪声，长此以往必然会对系统造成伤害，同时由于使用液压动力装置，系统体积增大，安装布置要求提高，其密封性也难以保证。
（3）电动液压助力转向系统。将电力引入转向系统填补了液压助力转向系统动力不足了这一缺点，只是在其基础上加装了液体流量控制装置，如电子控制单元等，转向时，ECU能根据车速、转向盘参数等来控制液压油的压力和流量，使转向系统更够根据不同的行驶车况改变助力的大小，转向更加安全、可靠。工作过程中，发动机的负荷大大减小，在降低能耗的同时也延长了系统的使用寿命；而转向助力的大小取决于转向角度、车速等，可实现自行调节，反应更加灵敏，更加人性化，它已经逐渐代替之前的转向系统，成为众多用户的首选。但是电力的引入也带来了很多电子单元，导致制造成本相应增加，且转向过程中的稳定性难以控制，维修不易。
（4）电动助力转向系统。与机械转向系统相比，电动助力转向系统在其上增加了电动助力机构和转向助力控制系统。早期研制出的电动助力转向系统的工作范围比较局限，只能在低速或停车时提供助力，当车速超过某一特定值时，由于EPS自身的限制，将会停止提供助力。而随着科技的进步及不断研究和开发，全新的电动助力转向系统在高速时也会在保证汽车操纵稳定性的前提下根据车况提供一定的助力，使得EPS系统的助力形式发展成为全速范围助力型，转向系统的性能进一步提高。电动助力转向系统以其优越的操纵性能及较低的成本，迅速在大型轿车和客车上得到应用，已经发展成为目前最先进的转向系统。
1.2 EPS系统国内外发展概况
1.2.1 国外发展概况
随着汽车技术的发展壮大，小型汽车逐渐进入人们的视野，并以其轻巧便利的特点受到人们的喜爱，人们也开始研究适用于小型汽的高新技术，渐渐地，基于小型汽车的EPS系统逐渐发展起来。1988年，日本捷太格特首次研制开发出了第一代管柱式电动助力转向器，并装在Cervo车以及Alto车上，自此翻开了EPS系统发展史上的新篇章。随后，本田汽车公司在爱克NSX跑车上装备EPS，投入市场后，用户反映良好，EPS系统逐渐发展起来。接着，西方国家也开始投巨资开发EPS，相较于日本的发展，其开发力度较大，使得EPS的产品类型不断更新，逐渐能够匹配各种车型，之后EPS系统的发展趋势显著提高。随着对EPS系统研究的不断深入，TRW公司又相继推出了带传动EPS和转向柱助力式EPS，将电子稳定性控制系统加入了EPS系统，使其能更具不同的车况提供支持，此后EPS技术更加飞速地发展起来。
随着EPS系统的不断发展，很多大企业都具备了独立生产的资格，并已经处于批量生产阶段，目前日本捷太格特、德国采埃孚、日本精工、美国天合等均已推出各自的电动助力转向系统，除了在自己本国开设生产基地，也逐渐把目光投向别的国家，中国也在其中，在一定程度上带动了中国汽车行业的发展。
1 绪论 1
1.1 EPS系统发展历程 1
1.2 EPS系统国内外概况 3
2 EPS系统的概述 4
2.1 EPS系统的分类 4
2.2 EPS系统的特点 6
2.3 EPS系统的结构及原理 7
3 EPS系统的主要部件 8
3.1 助力电机 8
3.2 减速机构 9
3.3 扭矩传感器 10
3.4 车速传感器 12
3.5 电磁离合器 13
3.6 电子控制单元 14
4 EPS系统的关键技术 14
4.1 电动机驱动技术 15
4.2 传感器技术 15
4.3 助力电机减速机构 15
4.4 控制策略 15
4.5 助力特性 17
5 EPS系统的助力特性曲线 17
5.1 助力特性曲线类型的确定 17
5.2 助力特性曲线参数的确定 18
结论 21
致谢 22
参考文献 23
1 绪论
随着汽车技术的发展，人们越来越注重高效节能环保与高舒适性以及高安全性相结合。电动助力转向系统作为汽车及其重要的组成部分，一直致力于达到这些目标。EPS系统在突破了之前的转向系统的不足之后又继续不断发展完善，具备了高效率、高舒适性、高安全性以及低消耗性等优点，在转向领域已经逐渐发挥出了领军作用。根据Strategy Analytics的展望，到2018年EPS将占有全球转向系统市场份额的50%以上，截至2015年的数据分析显示，中国已 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
经成为世界第一大EPS供需市场，成功超越了欧盟、美国以及日本。鉴于此，本文主要从EPS系统的结构、原理入手，带领大家了解一下EPS系统的关键技术。
1.1 EPS系统发展历程
汽车在行驶过程中不可能一直处于直行状态，当需要转弯或是发生突发状况需要转向避免时，就需要进行转向，所以，转向技术是汽车安全行驶过程中不可或缺的关键技术。早期的转向系统单纯通过人力进行转向，对于大型汽车而言，其质量且车轮与路面之间的接触面积较大，导致其转向时需要克服的摩擦力较大，使得驾驶员在转向过程中需要提供的转向力较大，驾驶员负担重，这使得人们不断探索、尝试，以寻求更好的方式来减轻驾驶员负担，因此，新的转向系统不断诞生。
按诞生时间排列，转向系统先后经历如下四个发展阶段。
（1）机械式转向系统。早期的机械转向系统主要由转向操纵机构、转向器、转向传动机构组成，汽车转向完全依赖于驾驶员作用在转向盘上的力，并通过传动机构将该力传递给转向器，从而控制车轮转向。为了产生足够大的转向扭矩，在不改变转向传动装置的情况下，最简单的方法就是使用直径较大的转向盘，这样在方向盘转动相同角度的情况下，转向盘的转角增量加大，使得角传动比增大，从而提高了转向扭矩。然而，这样就使得转向盘要占据更多的空间，使得整个转向系统显得头重脚轻，且驾驶员在转向过程中需要提供的转向力较大，对于一些重型汽车，其转向阻力原本就比一般的汽车要大，所以使用大直径转向盘时有可能难以实现驾驶员想要达到的转向效果，影响了转向时的操纵稳定性，安全性无法保证。但它的整体结构简单，成本较低，所以对于一些转向要求不高的轻便汽车机械转向系统仍是首选。
（2）液压助力转向系统。将外加动力引进汽车转向，是转向系统发展过程中的一个里程碑。液压助力转向系统的基本构造与机械式转向系统基本相同，只是在其基础上加装一套液压助力装置，汽车转向时，发动机的输出动力不完全作用于汽车行驶，其一部分的力会被传递到液压助力装置，液压助力装置再通过转向液压泵将该力施加到转向系统上，再结合驾驶员输入扭矩实现车轮转向。与机械式转向系统相比，液压助力转向系统不需要加大转向盘直径，使得转向盘占驾驶室的空间比较少，布局更加容易，同时减小了驾驶员所要提供转向操纵力，一定程度上解放了驾驶员的双手，也使转向系统更为灵敏，在提高了转向助力的情况下还控制了系统的体积大小，使其研发成本控制在一定范围内。随着液压助力转向系统技术的不断进步完善，它已经开始应用在一些乘用车以及重型车上。但是在低速转向时，转向沉重，需要获得较大的助力，导致液压装置输出的功率较大，增加了发动机的负荷，由于液压泵的压力较大，压力在输出时会对系统造成冲击，同时产生较大噪声，长此以往必然会对系统造成伤害，同时由于使用液压动力装置，系统体积增大，安装布置要求提高，其密封性也难以保证。
（3）电动液压助力转向系统。将电力引入转向系统填补了液压助力转向系统动力不足了这一缺点，只是在其基础上加装了液体流量控制装置，如电子控制单元等，转向时，ECU能根据车速、转向盘参数等来控制液压油的压力和流量，使转向系统更够根据不同的行驶车况改变助力的大小，转向更加安全、可靠。工作过程中，发动机的负荷大大减小，在降低能耗的同时也延长了系统的使用寿命；而转向助力的大小取决于转向角度、车速等，可实现自行调节，反应更加灵敏，更加人性化，它已经逐渐代替之前的转向系统，成为众多用户的首选。但是电力的引入也带来了很多电子单元，导致制造成本相应增加，且转向过程中的稳定性难以控制，维修不易。
（4）电动助力转向系统。与机械转向系统相比，电动助力转向系统在其上增加了电动助力机构和转向助力控制系统。早期研制出的电动助力转向系统的工作范围比较局限，只能在低速或停车时提供助力，当车速超过某一特定值时，由于EPS自身的限制，将会停止提供助力。而随着科技的进步及不断研究和开发，全新的电动助力转向系统在高速时也会在保证汽车操纵稳定性的前提下根据车况提供一定的助力，使得EPS系统的助力形式发展成为全速范围助力型，转向系统的性能进一步提高。电动助力转向系统以其优越的操纵性能及较低的成本，迅速在大型轿车和客车上得到应用，已经发展成为目前最先进的转向系统。
1.2 EPS系统国内外发展概况
1.2.1 国外发展概况
随着汽车技术的发展壮大，小型汽车逐渐进入人们的视野，并以其轻巧便利的特点受到人们的喜爱，人们也开始研究适用于小型汽的高新技术，渐渐地，基于小型汽车的EPS系统逐渐发展起来。1988年，日本捷太格特首次研制开发出了第一代管柱式电动助力转向器，并装在Cervo车以及Alto车上，自此翻开了EPS系统发展史上的新篇章。随后，本田汽车公司在爱克NSX跑车上装备EPS，投入市场后，用户反映良好，EPS系统逐渐发展起来。接着，西方国家也开始投巨资开发EPS，相较于日本的发展，其开发力度较大，使得EPS的产品类型不断更新，逐渐能够匹配各种车型，之后EPS系统的发展趋势显著提高。随着对EPS系统研究的不断深入，TRW公司又相继推出了带传动EPS和转向柱助力式EPS，将电子稳定性控制系统加入了EPS系统，使其能更具不同的车况提供支持，此后EPS技术更加飞速地发展起来。
随着EPS系统的不断发展，很多大企业都具备了独立生产的资格，并已经处于批量生产阶段，目前日本捷太格特、德国采埃孚、日本精工、美国天合等均已推出各自的电动助力转向系统，除了在自己本国开设生产基地，也逐渐把目光投向别的国家，中国也在其中，在一定程度上带动了中国汽车行业的发展。
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