汽车助力转向系统EPS论文

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1、本科课程论文题 目EPS电子助力转向系统的研究学院工程技术学院专业机械设计制造及其自动化年级2010级学号222010322210059姓名罗文指导教师冀杰成绩2013年05月22日目录摘要21 前言22 EPS工作原理23. EPS相对于传统液压助力系统的优势33.1效率高33.2能耗少33.3. 助力特性可通过软件进行调整33.4. 回正性好33.5. 对环境污染少33.6. 可以独立于发动机工作43.7. 应用范围广43.8. 结构简单43.9. 装配性好44. 国外EPS的发展之路55. 电动助力转向系统及发展趋势55.1舒适性功能65.1.1不同助力特性图的存储和选择65.1.2自动

2、泊车功能65.2安全功能65.2.1主动前轮转向系统65.2.2可变的传动比系统8参考文献9EPS电子助力转向系统的研究罗文西南大学工程技术学院2010级机械设计制造及其自动化2班摘要：电动助力转向系统已经获得了广泛的应用。电动助力转向系统（EPS）由 控制器、转向盘转矩传感器、车速传感器、电流传感器（在控制器内）、助力电机及减 速机构、机械式转向器、蓄电池等组成。EPS的控制系统主要由控制器、传感器及信号 处理电路、助力电机及驱动电路等组成。详细阐述了飞度轿车电动助力转向系统的组成、 工作原理及故障诊断方法。本文主要通过介绍电子助力转向系统的工作原理，其相对于 传统液压助力转向系统的优势及其

3、在国内国外的发展过程和以后的发展趋势来详细的 介绍EPS电子助力转向系统。关键词：电子助力转向系统工作原理优点发展趋势1刖言EPS就是英文Elec trical Power St eering的缩写，也就是“电子助力转向 系统”的意思，EPS系统一般由机械转向系统加上转矩传感器、车速传感器、电子控制单元、 减速器、电动机等组成，它在传统机械转向系统的基础上，根据方向盘上的转矩 信号和汽车的行驶车速信号，利用电子控制装置使电动机产生相应大小和方向的 辅助动力，协助驾驶员进行转向操作。长期以来，汽车的动力转向系统普遍采用的是液压助力转向系统，可以说， 经过了十几年的发展，液压转向技术相对要成熟许多

4、，但是，从整个转向系统的 发展趋势看，随着人们对汽车环保、节能和安全性要求的进一步提高，EPS电子 助力转向以其诸多绝对的技术优势取代液压助力转向是早晚的事情。基于目前的 技术发展水平，有关专家乐观估计，EPS要完全取代液压助力转向系统大约需要 35年。2. EPS的工作原理驾驶员在操纵方向盘进行转向时，转矩传感器检测到转向盘的转向以及转矩 的大小，将电压信号输送到电子控制单元，电子控制单元根据转矩传感器检测到 的转距电压信号、转动方向和车速信号等，向电动机控制器发出指令，使电动机 输出相应大小和方向的转向助力转矩，从而产生辅助动力。汽车不转向时，电子 控制单元不向电动机控制器发出指令，电动机

5、不工作。辰1电动狀毀縈統徹骑赫）Sk cor. cn3. EPS相对于传统液压助力系统的优势3.1.效率高HPS系统为机械和液压连接，效率较低，一般为6070% ；而EPS系统为机械 和电气连接，效率较高，有的可高达90%以上。3.2. 能耗少汽车在实际行驶过程中，处于转向状态的时间约占总行驶时间的5%。对于 HPS系统，发动机运转时，油泵始终在工作、油液一直在管路中循环，从而使轿 车燃油消耗增加4-6%；而EPS系统仅在需要转向时，才启动电机产生助力，因此， 轿车装用EPS系统比装用HPS系统燃油消耗可减少3.5-5.5%。3.3. 助力特性可通过软件进行调整由于EPS系统集成了电子控制系统

6、，所以其助力特性可以通过软件进行调 节。在进行整车匹配时，不用对机械参数进行修改，直接可以通过软件调整助力 特性，简化了整车匹配工作。3.4. 回正性好EPS系统结构简单，内部阻力小，回正性好，从而可得到最佳的转向回正特 性，且可改善汽车的操纵稳定性。3.5. 对环境污染少HPS系统的液压回路中有液压软管和接头，存在油液泄漏问题，而且液压软 管是不可回收的，对环境有一定的污染；EPS系统中，没有不可回收的油管，也 没有油液泄漏问题，对环境几乎没有污染。消除了转向堵转过程中HPS系统油泵 的噪音，利于环保。3.6. 可以独立于发动机工作传统的HPS系统以发动机为动力源，当发动机熄火或转速较低时，

7、便不能产 生助力或助力不足，造成转向困难；而EPS系统以电池为能源，以电机为动力元 件，只要电池电量充足，不论发动机处于何种工作状态，都可以产生助力。3.7. 应用范围广EPS系统可适用于各种汽车，目前主要用于轿车和轻型载货汽车；而对于环 保型纯电动汽车，由于没有发动机，因此EPS系统为其最佳选择。3.8. 结构简单没有液力转向泵、油管、油罐、虑清器等机构，节省安装空间,便于整车设计 布置。3.9. 装配性好HPS系统中，转向油泵与机械式转向装置相互分离，装配时不仅要安装油泵、 支架、油管、接头等，而且还需要排气；両PS系统元件数目少且为模块化结构， 安装方便、省时；在装配线上，安装IPS系统

8、约需36分钟，而安装EPS系统仅需要 56分钟。注车之家 CLUB. AUTOHDME. COM. CN4. 国外EPS的发展之路因为微型轿车上狭小的发动机舱空间给液压助力转向系统的安装带来 了很大的麻烦，而EPS元件比较少，重量轻，装配方便，比较适合在微型轿车上 安装。因此在国外，EPS系统首先是在微型轿车上发展起来的。上世纪80年代初期，日本铃木公司首次在其Cervo轿车上安装了 EPS系统， 随后还应用在其Alto车上。此后，EPS在日本得到迅速发展。出于节能环保的 考虑，欧、美等国的汽车公司也相继对EPS进行了开发和研究。虽然比日本晚了 10年时间，但是欧美国家的开发力度比较大，所选择

9、的产品类型也有所不同。 日本起初选择了技术相对成熟的有刷电机。有刷电机比较成熟，在汽车上的应用较广，比如雨刷、车窗等部分，稍做改 进就适应了 EPS的要求，因此研发周期较短，上世纪80年代末期就开始产业化， 主要装配在微型车上。而欧美则选择了难度较大的无刷电机，但是电子控制系统 比较复杂，延长了研发周期。直到90年代中期欧美才开始批量生产。从长远发 展看，有刷电机存在一定弊端，比如电刷产生的噪声较难克服，磨损较严重，存 在电磁干扰等问题。因此，日本现在国内配装的EPS也逐渐转向无刷电机类了。5. 电动助力转向系统及发展趋势随着车辆底盘控制系统的发展，电动助力转向系统被赋予了更多的使命。人们希望

10、他能集成更多的功能，使得我们的车辆具有更高的舒适性和安全性。电 动助力转向系统在发展的初期，只是作为液压助力转向系统的替代品，应用在注 重减少油耗并难于安装的微型车上。目前，电动助力转向系统获得了广泛的应用， 有多款新车配备了电动助力转向系统，如Prius、本田飞度、大众途安、铃木雨 燕等等。在最近的两年内电动助力转向系统几乎已不可阻挡之势替代了液压助力 转向系统。人们开始对电动助力转向系统提出了更多的要求，希望它能够拥有性 能更加优越的硬件，功能更加强大的软件，而且人们希望进一步集成新的更多主 动功能。5.1舒适性功能5.1.1不同助力特性图的存储和选择针对某一个具体的车型，电动助力转向系统

11、可以匹配的非常完美。但在同一 系列车型中，由于配置的不同，车辆有多种不同的型号，性能也有很大的变化。 同样的一组主力曲线，无法满足同一系列中不同车型的需要。即使同一型号的车 辆，由于驾驶员驾驶习惯的不同，对电动助力转向系统的主力特性也会有不同的 要求。因此，有必要在ECU中存储多种助力特性图，供整车生产厂家驾驶员选择。5.1.2自动泊车功能当停车入库时，由于停车面积的狭小，驾驶员要反复的调整车辆的位置，才 能够准确的将车辆停到停车位上。为减轻驾驶员的操纵负担，自动泊车系统能够 根据车辆周围的环境情况，自动控制方向盘的转角和车速，实现车辆的停车入库。 通过该系统工作，可以自动实现两种日常的典型情

12、况下的停车入库：a.停车位与道路平行；b.停车位与道路垂直。5.2安全功能5.2.1主动前轮转向系统主动前轮转向功能的实现可以基于电动助力转向系统或线控转向系统。当基 于电动助力转向系统时，必须保证控制系统的工作不干扰驾驶员的正常转向操 纵，因此需要对现有转向系统的机械结构架已改进，使得电机的转向操纵和驾驶 员的转向操纵独立进行，互不干扰。解决方案为在转向柱和转向小齿轮之间串联 一个行星齿轮机构，其中转向柱的转角输入通过太阳轮传递到转向小齿轮上，而 转向电机的输入转角则通过齿圈传递到转向小齿轮上主动前轮转向系统可以实现以下功能：a，线路的保持功能该系统通过一个CCD照相机和实时图像处理算法监控

13、道路上黄色和白色分 道路以及道路上其它交通参与者，当驾驶员由于各种不可抗拒的原因（如醉酒、 疲劳驾驶等）无意中偏离道路时，系统给出报警信号。报警信号分为两个层次： 系统给出报警声音和闪烁的灯光信号；当驾驶员没有反应时系统进一步是转向盘 和座椅产生振动。如果驾驶员对所有的报警信号没有任何反应时，则线路保持系 统将自动接管车辆，保证安全行车。b，侧风补偿功能当车辆高速行驶时，如果有侧风干扰，车辆将偏离正常的行驶方向。侧风 补偿功能可以在车辆受到侧风干扰时，施加一个于侧风方向相反的转向盘转角， 纠正车辆的偏航，保持车辆的直线行驶状态，使得车辆获得更高的侧风安全性。侧风干扰的检测通过多种方法实现，其中

14、最为有效的方法是使用风压传感 器。图22所示为风压传感器示意图。该传感器可以按装在发动机舱的上方或者车顶上。侧风风力的大小通过应 变仪测出，侧风方向通过电位计测出。检测出侧风风力和侧风方向，可以明显看出侧风对车辆操纵稳定性的影响, 此时只要在车辆前轮施加一个转角，使得轮胎产生的横摆力矩和侧风产生的横摆 力矩平衡，这就达到了我们要求的理想状态。c.对开路面抗制动跑偏功能当车辆在对开路面上行驶紧急制动时，即使车辆配有ABS，车轮不会抱死, 但是由于左、右车轮处于不同的路面附着系数，造成左、右车轮的制动力矩大小 不一样，必然会出现制动跑偏现象。这时，可以通过横摆角速度传感器和侧向加 速度传感器测出车

15、辆的实际运动状态，然后反馈给主动前轮转向控制器，通过转 向系统的主动前轮转向功能，给前轮施加一个合适的转角，纠正车辆的偏航，使 得车辆回到安全的行驶方向上。图23所示为控制系统框图图25主动前轮转向控制系统框图其中，为转向盘转角；X为车辆前轮转角；r为车辆横摆角速度；a为车辆侧向加速度。ya.低附着系数路面稳定性控制功能在低附着系数路面上(如冰雪路面)，如果车辆的侧向加速度过大，会出现 危险工况(达到侧滑极限)，这是可以在车辆前轮上施加一个附加的、修正的前 轮转角，把车辆的侧向加速度控制在极限值之下，从而提高低附着系数路面上车 辆行驶的稳定性。相关实验及资料表明，在车辆上应用了该控制功能之后，即使 是实习驾驶员，也可以很容易的在冰雪路面上驾驶行驶。5.2.2可变的传动比系统当采用了可变的传动比系统时，转向传动比根据车速的不同而改变。在低速 时，采用较小的转向传动比，可以提高车辆的机动性，当在停车入库时可以减少 驾驶员操纵转向盘的圈数。在高速行驶时，采用较大的传动比，可以使驾驶员能 轻松的控制车辆，而不必过分紧张。转向传动比的大小还和转向盘转角的大小有关。在中间位置时(on-cen ter), 采用较大的传动比，以减轻驾驶员的操纵强度；在较大转角时(off-center)