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電動助力轉向系統(EPS)技術現狀與發展

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2019-6-6     瀏覽次數:    

1 現狀

隨著汽車技術的發展,人們逐漸追求安全、輕便、舒適的駕駛環境,汽車轉向系統由普通轉向系統向動力轉向系統發展。動力轉向裝置分氣動/液動助力轉向和電動助力轉向,其中電動助力轉向裝置(EPS)輕便、簡單、節能、清潔等優點,倍受人們青睞。逐漸有取代其它助力方式的趨勢。

EPS系統是在機械轉向系統的基礎上,依靠電動機提供輔助扭矩的動力轉向系統。由于它有利于環保,安裝方便,提高主動安全性,并且助力特性可以根據轉向速率、車速等參數設計為可變助力特性,所以一經出現就受到高度重視。在國外,EPS已部分取代傳統液壓動力轉向,成為世界汽車技術發展的研究熱點。由于目前汽車蓄電池輸出功率的限制,使EPS助力電動機提供的扭矩有限,所以EPS應用在小型車和家庭轎車上。然而現在它已廣泛應用于較大型車輛上。這種擴大要歸功于社會對節能型轉向系統的需求,而且由于控制技術的進步使電動助力轉向器性能達到甚至超過液力轉向器的性能[1,2]。

EPS應用到較大型車輛上的技術關鍵點是能提供大的輔助軸向力,因為中型或大型車輛需要的軸向力可達10000N,甚至更高。然而,在目前大多數汽車配裝12V電壓系統的情況下,由于電動轉向器的電機電流的限制,電機輸出扭矩的增加受到了很大限制。

歐洲汽車制造商在研究配有42V電壓系統的中型車輛上應用EPS方面走在了前頭,而在拓展EPS的應用方面,日本的KOYO、NSK、HONDA及美國的DELPHI、TRW等公司已經開發了多種類型的EPS。

EPS是一種新型的動力轉向器,它沒有因電液或液力動力轉向器的體積大、部件多、管路漏油等造成的耗能、污染環境的缺點。因此,從1988年第1個EPS樣品誕生至今的10多年里,快速完成了從實驗室走向商品化的過程。特別是近幾年,隨著汽車數量的大幅增加,能源和環保問題日益突出,節能、環保的EPS受到了汽車廠家的歡迎。

2 助力轉向系統的分類

助力轉向系統按照提供動力的形式大致可以分為3類:液壓助力轉向系統(Hydraulic Powered Steering,HPS),電動液壓轉向系統(Electrically Hydraulic Powered Steering,EHPS),電動助力轉向系統(Electric Power Steering,EPS)。將來的趨勢是電線轉向(SBW-Steering By Wire),即采用線控技術,在方向盤和轉向輪之問沒有機械連接。

傳統的液壓助力轉向系統的油泵與發動機直接聯結,在汽車直線行駛油泵也一直處在工作狀態,能量損耗很大。

電動液壓助力系統由一個專門的電動機驅動油泵來建立液壓油壓力,以液壓油作為傳遞動力的媒介,油泵與發動機分開,用電動機驅動油泵,由ECU控制電動機的起動和停止,一般僅在需要助力轉向的時候啟動電動機,這樣減少了機械損失,也減少了發動機燃油油耗,電液助力轉向系統的能耗是傳統液壓轉向系統能耗的85%,相當于整車3%~4%的油耗。

電動助力轉向系統不需要油泵,轉向助力由電動機直接驅動,助力的大小和方向由ECU控制,只在需要助力的時候起動電動機助力,安裝起來更加方便。由于沒有液壓系統,成本低、更環保和節能。

EPS系統的結構和布置形式多種多樣,EPS系統的電機多為直流電機,端電壓為12V、24V或者42V。根據汽車前軸負荷的不同,助力電機的安裝位置也不同。當前軸負荷較小時,電機及減速裝置與轉向軸相連(轉向軸驅動);當前軸負荷中等時,電機及轉向器與轉向小齒輪相連(轉向齒輪驅動);當前軸負荷較大時,電機及減速器則與轉向器齒條軸相連(轉向齒條驅動)。

3 電動助力轉向的關鍵技術

EPS系統的研究開發涉及電動機的驅動技術、非接觸式傳感器技術、轉向控制技術(包括助力控制、回正控制、阻尼模式和慣性控制)以及EPS系統與整車性能等多方面的難題[3,4]。

1)電動機驅動技術:EPS系統中電機要求端電壓低,而功率相對較高,所以電動機電流較大,這給驅動單元的電子器件選擇和電路設計帶來一定的困難,這是EPS系統開發的關鍵技術之一。

2)非接觸傳感器技術:EPS系統中的方向盤轉矩傳感器要求結構簡單,價格便宜,精度適中。目前國外EPS系統中的轉矩傳感器多為非接觸式(電磁感應式、光電式等),而接觸式轉矩傳感器(滑動電阻式)應用較少。國內非接觸式傳感器價格較高,不適合用于EPS系統中,必須開發出一種符合以上要求的轉矩傳感器。

3)轉向控制技術:EPS系統在原有的機械式轉向系統中增加了電機和減速器,使轉向操縱機構的慣性增大,為此必須引入慣性控制和阻尼控制。避免在電機開始助力和結束助力時對轉向操縱產生影響。同時,為了更好的路感,必須根據汽車的行駛速度和轉向狀態確定合理的助力的大小和方向。目前國外在助力控制、回正控制等方面都提出了很多先進的控制策略,并取得了比較好的控制效果。

4)EPS系統與整車性能相匹配:汽車是由各子系統組成的既相互聯系又相互制約的有機整體,當汽車某個子系統改變時,整車性能也產生了相應的變化,因此,必須對EPS系統與其它子系統進行匹配,使整車性能達到優。目前汽車上流行的現場總線是控制器局域網總線CAN,而SAEJ1939協議是在CAN協議基礎上重新定義的協議,本文研制的EPS系統將支持SAEJ1939協議。

4 電動助力轉向的發展前景

目前.EPS已廣泛裝備于轎車上并表現出明顯的優越性。EPS系統會根據扭矩、車速、轉向角度、轉向速度、橫向加速度等多種信號進行綜合控制以取得更優控制性能。同時,EPS技術將有助于汽車朝著電子四輪轉向的方向發展。此外,還將與電子懸架結合,將達到多方面綜合、協調、統一控制的目的。隨著EPS生產成本的降低,性能價格比的進一步提高,EPS的市場將繼續拓寬。

隨著電子技術和傳感器技術的快速發展,電子控制器和傳感器的價格越來越便宜,系統功能也越來越強,這使電動助力轉向系統在性能和價格比上比液壓助力轉向系統更有優勢。

另外控制算法和軟件的開發也越來越完善。由軟件來實現在各種復雜的工況下的電動助力功能已比較成熟,使人們在故障診斷和故障安全處理也具有較高程度的信心,電動助力轉向系統比電動液壓助力轉向系統更具競爭力。

電動助力轉向的特點在于:1)方向盤的轉向特性、轉向手感、轉向靈敏度和汽車的穩定性可以通過軟件來進行調節和優化。EHPS液壓助力的增減有一定的滯后性,反應敏感性較差,隨動性不足。2)EPS比EHPS的系統重量要輕,結構緊湊。減少了安裝空間,當然都是配件廠已經組裝好了組件,可以直接安裝到車上,在裝配線上,安裝HPS系統約需36min,而安裝EPS系統僅需5-6min。3)EPS和EHPS都是只有在需要時提供助力,不需要消耗發動機的功率,所以節省能耗,但由于都是由蓄電池提供能量,因此對蓄電池的要求高了。4)EPS和EHPS是電線轉向系統的前期產品,為以后的一體式汽車控制系統ECS提供方便。駕駛員可以選擇方向盤手感。比如跑車還是家庭轎車。5)EPS和EHPS的動力與發動機無關,因此適合將來的電動汽車或混合電動汽車,也適合于小型車,因為這種車只需要較小的動力來使前輪轉向。6)EPS相對于EPHS沒有液壓油,易于保修,且綠色環保。7)EPS的應用范圍廣,適用于各種汽車,目前主要用于轎車和輕型載貨汽車,而對于環保型純電動汽車,由于沒有發動機,因此EPS系統為其佳選擇。

正是因為EPS系統有上述優點,世界各汽車生產大國已投入大量的人力、物力從事該系統的研究開發工作。目前只有日本、美國、德國、英國等幾個國家的著名汽車公司開發出自己的EPS產品,并在部分車型上安裝使用,EPS系統開發成功是轉向裝置的變革,為進一步實現電線轉向奠定了基礎。據專家預測,到2010年,約30%的轎車將安裝EPS系統。國內EPS系統的研究開發還屬于起步階段。

EPS在汽車操縱穩定性相對于其它轉向系統有4點改善[5]:

1)增強了轉向跟隨性。在EPS系統中,電動機與助力機構直接相連可以使其能量直接用于車輪的轉向,因此,轉向系統的抗擾動能力大大增強。與液壓力助力轉向系統相比,助力轉矩產生于電機,沒有液壓助力系統的轉向遲滯效應,增強了轉向車輪對轉向盤的跟隨性能。

2)改善了轉向回正特性。EPS還可通過軟件工程師們限度調整設計參數以獲得佳的回正特性,提供了與車輛動態性能相匹配的轉向回正特性。而在傳統的液壓使制系統中,要改善這種特性必須改造底盤的機械結構,實現起來較困難。

3)提高了操縱穩定性。通過微電腦快速靈活的智能控制,使汽車穩定性更高,駕駛感覺更好。

4)提供可變的轉向助力。通過柔性控制策略可得到覆蓋整個車速的可變轉向力特性。對于傳統的液壓系統,可變轉向力矩獲得非常困難而且費用很高,要想獲得可變轉向力矩、必須增加額外的控制器和其它硬件,但電動轉向系統可變轉向力矩可通過軟件設定,成本低,效率高。

5 未來市場需求

人類逐漸意識到全球變暖的問題,從而需要改進燃燒效率,并且對具有環保、節能型特點的產品需求不斷增加。因此,可以預測從液力轉向系統到電動轉向系統的轉變過程會在將來很快地發生。表2展示了EPS及HPS在世界各地的需求趨勢。數據表明,在世界范圍內,電動轉向器和電液轉向器的使用會增加很快,2001年大約42%的安裝在新車中的轉向器是這種節能型的。即使是保守的估計,到2006年歐洲市場中電動轉向器和電液轉向器的份額會達到56%。汽車采用EPS技術將使轉向技術向線控轉向技術大大前進了一步。隨著42V電子系統在未來幾年大規模地進入市場,它將會促進電動轉向器應用于大型豪華汽車上。

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