【摘要】 电动转向系统（Electric Power Assisted Steering，EPAS）是汽车动力转向的发展方向，它是继液压动力转向系统之后，汽车转向技术的又一次大的技术跨越。电动助力转向系统相比较于以往的转向系统有很大的优越之处。近年来一直是国内外汽车转向的研究热点，具有广阔的应用前景。电动助力转向系统在国外已经成功应用于某些车型上，但是目前国内的研究开发还处于起始阶段。
电动助力转向系统是典型的机电一体化系统，涉及的学科非常广泛。包括机械设计、汽车理论、电力电子、计算机技术、控制技术、传感器技术和电机技术等多个领域。课题综合应用各方面的知识开展了大量的研究。
【关键词】 汽车; 电动助力转向系统; 现状：发展方向：
汽车转向性能是汽车的主要性能之一,转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性,它对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。为了提高转向性能,目前普遍采用了动力转向系统。液压助力转向系统是最
早采用的动力转向系统形式,电子技术和电气技术的应用使得转向系统发生了革命性的变化,出现了电动液压助力转向系统、电动助力转向系统和线控电动转向系统。电动助力转向系统能够满足当前节能与环保的要求,并给汽车的设计与制造带来了新的空间;目前又出现了研究线控电动转向系统的趋势,它是在转向盘和转向轮之间不再采用机械连接,彻底摆脱传统转向系统所固有的限制,在给驾驶员带来方便的同时也提高了汽车的安全性。
1 电动助力转向系统
传统的液压助力转向系统一般是由发动机驱动转向油泵提供液压油,由转向控制阀来控制液压油的作用以实现助力。但这种转向系统的助力特性与汽车的实际要求不一致,因为汽车不同速度行驶时对助力特性的要求不同,液压滑环而传统的液压助力转向系统无法做到这一点。后来,把电子技术引进了转向系统,由控制单元根据情况来控制电动机,驱动转向油泵运转,就形成了电子控制的液压助力转向系统(Electro-Hydraulic PowerSteering,简称为EHPS),它符合当代节能与环保的要求,因为传统的液压助力转向系统中转向油泵不停地运转,但真正转向的时间却不多,这样存在很大的寄生损失;在EHPS中,正常转向时,驾驶员转向动作不快,其电动机可以低速运转;当需要快速转向时,电动机加速,以提供足够的液压油;不需要转向动作的时候,可以让电机停转或低速运转,从而大大节约能量。进一步的发展就是电动助力转向系统(ElectricPower-Assisted Steering,简称为EPAS)。
图1螺旋焊缝钢管是这种转向系统示意图,转矩传感器1检测驾驶员作用在转向盘上的转矩,控制单元2根据转矩的大小以及其他信号(包括车速等)控制电动机4书立通过减速机构3驱动转向系统实现助力。在1988年2月,这种转向系统首先装在Suzuki Corvo引向器上。
近年来,EPAS的开发已经在国内外形成一大热点,与传统的液压助力转向相比,它具有一系列的优点:
(1)节能。试验表明,装有EPAS和机械转向系统的汽车油耗基本上没有差别[3]。与传统的液
压系统相比,在不转向情况下,装有EPAS的车辆燃油消耗降低了215%,在使用转向情况下,降低了保暖鼠标垫515%。
(2)耐严寒。即使在-40e的低温下,EPAS也能够很好地工作,而传统的液压系统要等到液压油
预热后才能正常工作,这也节省了能量。
(3)增强了随动性。在EPAS中,电动机产生助力转矩,通过适当的控制方法,可以消除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随动性能。
(4)改善了回正特性。由于采用了微电子技术,利用软件控制电动机的动作,在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。从最低车速到最高车速,可得到一簇回正特性曲线,而传统的液压助力转向系统无法做到这一点。
(5)提高了操纵稳定性。采用该方法,给正在高速行驶(100 km/h)的汽车一个过度的转角迫使它侧倾,在短时间的自回正过程中,由于采用了微电脑控制,使得汽车具有更高稳定性,驾驶员有更舒适的感觉。同时利用电机质量的惯性阻尼效应,可以使转向轴的颤动和反冲降到最小。
(6)有利于环保。首先,节能的本身就是环保;其次不使用液压油,避免了污染,采用电能作为能源,适应当前开发电动汽车的发展潮流;再次,重复利用率高弹跳高跷,EPAS中的95%可以再回收利用,而传统的液压助力转向系统的回收利用率只有85%;EPAS还降低噪声,因为它没有转向油泵,而转向油泵是一个噪声源。
(7)易于包装和装配。由于没有油泵、油管和发动机上的皮带轮,整个助力部分可以与转向柱或转向器做成一体,便于包装和装配;Fiat公司生产的Punto采用了Delphi公司开发的EPAS,装车时间减少了80%左右;由于省去了装于发动机上皮带轮和油泵,留出的空间可以用于安装其他部件。
(8)易于维护与保养问题。EPAS不象传统的液压助力转向系统存在软管漏油和油泵漏油等,实际上,液压油泵和软管的事故率占整个系统故障的53%;EPAS具有自我诊断的功能,有助于维修。
(9)易于调整。这包括两个方面:一是当车型变化时,对助力特性有不同的要求,EPAS助力特性的调整在很大程度上可以通过软件实现,比如Delphi的EPAS性能的调节可以现场进行,把笔记本电脑与EPAS的ECU相连,只需要1 h左右就可以完成调整工作;
2 国内外电动助力转向系统的研究与应用现状
电动助力转向系统是于 20 世纪 80 年代中期提出来的。世界各主要汽车生产国对电动助力转向系统均进行了深入的研究与系统开发设计。EPS 系统最先在日本获得实际应用。日本铃木公司于 1988 年首次在其生产的 Cervo 车上装备了 EPS系统，随后用在 Alto 车上。此后，电动助力转向技术得到了迅速的发展。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 汽车公司、TRW 公司，德国的 ZF 公司，都相继研制出各自的 EPS系统。其中技术发展最快、应用较为成熟的当属 TRW 转向系统和 DelphiSaginaw(萨吉诺)转向系统，而Delphi Saginaw(萨吉诺)转向系统又代表着电动转向系统发展的前沿。TRW 公司从 1998 年开始便投入大量的人力、物力用于 EPS 系统的开发。最初针对客车转向柱助力式 EPS 系统，其后的小齿轮助力式 EPS 系统开发也获得成功。1999 年，TRW 公司的 EPS 系统已经装备在轿车上，如 Ford Fiesta 和 Mazda 323F 等。Delphi 汽车系统公司已经为大众的 Polo、欧宝 318i 以及菲亚特的 Punto 开发出 EPS 系统。最近韩国的一些开发机构也宣布独立开发出自己的电动助力转向系统。应该说现今的 EPS 系统主要应用对象是中小型轿车，但是最新的资料表明，Mercedes－Benz 和 SiemensAutomotive 两大公司共同投资开发新的 EPS 系统，该系统能够使用于汽车前桥
负荷超过 1200kg 的车型，因此货车也将可能成为 EPS 系统的装备目标。经过近 20 年的发展，EPS 技术日趋成熟。其应用范围已经从最初的微型轿车向大型轿车和商用客车方向发展。电动助力转向系统的助力方式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制方式和功能也进一步强化。
我国作为潜在的汽车消费大国也同样对电动助力转向系统的研究与开发给予了很大的关注。国内的一些大学、研究机构和一些汽车系统公司也在这方面作了很多工作。吉林大学对电动助力转向系统的前景进行了展望，对电动助力转向系统的控制策略进行了有益的探讨；清华大学、华中科技大学和江苏大学等院校纷纷开展了电动助力转向系统的建模、动态分析等工作；合肥工业大学、湖北汽车工业学校等院校也对汽车电动助力转向系统进行了仿真分析。陕西、吉林、安徽等省都将电动助力转向系统作为科技攻关项目进行研究。目前在国内南方动力据称已经研制出电动助力控制系统的样机，并在进行车试，在业界来讲是一件振奋人心的消息。但是就目前而言，国内的很多研究还紧紧是在定性的层次上，真正对系统进行具体的研制工作的机构还很鲜闻。东南大学机械系是较早投入这方面研究的大学之一，目前已经在具体工作的开展过程中获得了关于电动助力转向系统设计开发工作中的比较有价值的经验和部分成果。据 TRW 公司预言，到 2010 年全世界生产的汽车中
每三辆就有一辆装备 EPS 系统，特别是低排放汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车、电动汽车四大汽车将构成未来汽车发展的主体，这给 EPS 系统的发展带来了更加广阔的应用前景和巨大的商机。但是应当看到我国的基础工业不是很发达，很多与电动助力转向系统开发相关的技术现况并不是很理想，要想在未来的世界汽车电动助力转向系统中有一席之地不是一件很容易的事情。
可喜的是在国家的“十五”规划中将电动助力转向系统的研制工作作为一个重要的研究内容，规划确定了“十五”的目标是解决关键技术，开发成功新产品，主要研究内容是：传感器技术、控制技术、电机技术、离合器技术和减速机构等技术。国家政策的倾斜一定程度上可以解决目前国内的一些研究机构经费不足的问题，也必将提升电动助力转向系统相关零部件性能，从而有助于我国自主的电动助力转向系统产品的成功研制。
3电动助力转向系统的发展趋势
当前，电动助力转向系统在中小型车上得到了很好的应用，EPS 系统在降低系统自重、减少生产成本、控制系统发热、电流消耗、内部摩擦，与整车进行匹配获得合理的助力特性，以及保证良好的路感等方面取得了重大的进步。电动助力转向系统在操纵舒适性和安
全性、节能等方面也充分显示了其优越性，其性能也得到用户的普遍认同。随着直流电机性能的改进，EPS 系统助力能力的提高，其应用范围将进一步拓宽，现在 3 升级的运动型跑车也有安装 EPS 系统。EPS 代表未来动力转向技术的发展方向，将作为标准件装备到汽车上，并将在动力转向领域占据重要地位。
尽管 EPS 已达到了其最初的设计目的，但仍然存在一些问题需要解决。
就目前的电动助力转向系统而言，其发展方向主要为：改进控制系统性能和降低控制系统的制造成本。EPS 系统将进一步简化系统，减少控制单元和驱动单元的体积，控制生产成本，降低价格，使其具有价格竞争力。在改进控制系统性能方面，进一步改善电动机的性能是关键问题。因为电动机的性能是影响控制系统性能的关键因素，电动机本身的性能及其与电动助力转向系统的匹配都将影响到转向操纵力、转向路感等问题，消除由于电动机较大惯性、摩擦力所带来的转向路感不足等缺点，使 EPS 系统也能批量使用在重型货车上。也只有进一步改进控制系统性能，才能满足更高档轿车的使用要求。EPS 系统将进一步提高系统的可靠性，主要从提高系统各部件的可靠性入手，如采用非接触式扭矩传感器等。另外，EPS 系统的控制信号将不再仅仅局限与车速与扭矩，而是根据转向角、转向速
度、横向加速度、前轴重力等多种信号进行与汽车特性相吻合的综合控制，以获得更好的转向路感。另外从车载电源的角度分析，现有的 12v 电源供给方式也很难满足将来电子化的汽车的能量供给要求，欧洲现今倡导的 42v 供给电源就是其中的一个尝试，标准电源电压调整一方面使电动助力转向系统的应用领域拓宽的难度降低，可应用于重型汽车；另一方面也要求对新开发的电动助力转向系统的相关部件进行必要的调整，或者对现有的系统进行前展性设计，以适应将来发展的需要。
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