内蒙古大学交通职业技术学院

单位代码：学号：51033047 专科毕业论文（设计）汽车EPS工作原理与故障诊断 院（系）名称 交通学院汽车工程系 专业名称 汽车运用技术 年级 2010级 学生姓名 白宸 指导教师 张露 2013 年 6 月 8日 摘要 汽车工业作为我国的支柱产业，在国民经济中起着重要的作用。汽车转向器作为汽车的重要零部件，其性能的好坏直接影响着汽车行驶的安全性和可靠性。我国在发展汽车零部件的政策规划中，已将转向器列为优先发展的25种汽车关键零部件之一。随着电子技术的迅猛发展，汽车转向系统已从传统机械转向、液压助力转向（Hydraulic Power Steering）、电控液压助力转向（Electric Hydraulic Power Steering）,发展到电动助力转向系统（Electric Power Steering，简称EPS）,最终还将过渡到线控转向系统（Steer By Wire）。在国内EPS已成为现代汽车新技术的研究热点。EPS采用电动机直接提供助力，助力大小由电控单元(Electric Control Unit，简称ECU)控制。它不仅能节约燃料，提高主动安全性，且有利于环保，是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术，所以一经出现就受到高度重视。国外各大汽车公司对EPS的研究已经有20多年的历史，但是很长一段时间一直都没有取得大的进展，其主要原因是EPS的成本太高。然而近几年来电子技术的突飞猛进，电子元器件价格的不断降低，大幅度降低EPS的成本己成为可能，加上EPS具有一系列较之传统转向系统不可比拟的优点，使得它越来越受到人们的青睐。所以EPS具有非常广阔的应用前景。 本文所论述的得是汽车EPS的发展过程及其特点与工作原理、作用、EPS工作时性能与受力分析和维修时的故障诊断。主要目的的是更加深入的了解汽车EPS的发展状况、应用状况。本文深入的论述了汽车EPS的的工作原理以及现在今EPS系统的特点和发展趋势。还论述了宝马汽车出现的故障以及故障的排出。关键词：汽车 电动助力转向(EPS) 目录1、EPS的定义 42、EPS的发展状况 43、EPS的作用 54、EPS系统在国内外的应用状况 65、EPS系统结构及其工作原理 75.1 EPS的工作原理 75.2 EPS的关键部件 85.3 EPS的类型 105.4 EPS的优点 126、受力与性能分析EPS 146.1 EPS的受力 146.2 EPS理想转向盘力矩的研究 156.3 EPS性能的主要评价指标 176.4 EPS动力学模型 21 6.5 EPS电动机模型 226.6 EPS汽车整车模型 247、EPS的电流控制 288、EPS的关键技术及发展趋势 31 8.1 EPS关键技术的发展趋势 318.2 EPS系统发展趋势 329、 维修案例 3210、总结 34致谢 35参考文献 35 36 / 36 第一章EPS定义 电动助力转向系统EPS 英文全称是Electronic Power Steering，简称EPS，它利用电动机产生的动力协助驾车者进行动力转向。EPS的构成，不同的车尽管结构部件不一样，但大体是雷同。一般是由转矩(转向)传感器、电子控制单元、电动机、减速器、机械转向器、以及畜电池电源所构成。是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统,与传统的液压助力转向系统HPS(hydraulicpowersteering)相比,EPS系统具有很多优点：仅在需要转向时才启动电机产生助力,能减少发动机燃油消耗；能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力向系的扰动，改善汽车的转向特性,提高汽车的主动安全性；没有液压回路,调整和检测更容易,装配自动化程度更高,且可通过设置不同的程序，快速与不同车型匹配,缩短生产和开发周期；不存在漏油问题,减小对环境的污染。以下几张是介绍EPS的详细内容 第二章EPS技术的国内外发展概况 自1953年美国通用汽车公司在别克轿车上使用液压动力转向系统以来，HPS给汽车带来了巨大的变化，几十年来的技术革新使液压动力转向技术发展异常迅速，出现了电控式液压助力转向系统( Electric Hydraulic Power Steering,简称EHPS）。1988年2月日本铃木公司首先在其Cervo车上装备EPSTM，随后又应用在Alto汽车上；1993年本田汽车公司在爱克NSX跑车上装备EPS并取得了良好的市场效果；1999年奔驰和西门子公司开始投巨资开发EPS。上世纪九十年代初期，日本铃木、本田、三菱、美国Delphi汽车公司、德国ZF等公司相继推出了自己的EPS。TRW公司继推出EHPS后也迅速推出了技术上比较成熟的带传动EPS和转向柱助力式EPSTM，并装配在Ford Fiesta和Mazda 323F等车上，此后EPS技术得到了飞速的发展。在国外，EPS已进入批量生产阶段，并成为汽车零部件高新技术产品，而我国动力转向系统目前绝大部分采用机械转向或液压助力转向，EPS的研究开发处于起步阶段。 第三章EPS的作用1、EPS节能环保。由于发动机运转时，液压泵始终处于工作状态，液压转向系统使整个发动机燃油消耗量增加了35，而EPS以蓄电池为能源，以电机为动力元件，可独立于发动机工作，EPS几乎不直接消耗发动机燃油。EPS不存在液压动力转向系统的燃油泄漏问题，EPS通过电子控制，对环境几乎没有污染。2、EPS装配方便。EPS的主要部件可以集成在一起，易于布置，与液压动力转向系统相比减少了许多元件，没有液压系统所需要的油泵、油管、压力流量控制阀、储油罐等，元件数目少，装配方便，节约时间。3、EPS效率高。液压动力转向系统效率一般在60%70%，而EPS的效率较高，可高达90以上。4、EPS路感好。传统纯液压动力转向系大多采用固定放大倍数，工作驱动力大，但却不能实现汽车在各种车速下驾驶时的轻便性和路感。而EPS系统的滞后特性可以通过EPS控制器的软件加以补偿，使汽车在各种速度下都能得到满意的转向助力。5、EPS回正性好。EPS系统结构简单，不仅操作简便，还可以通过调整EPS控制器的软件，得到最佳的回正性，从而改善汽车操纵的稳定性和舒适性。 6、动力性。EPS系统可随车速的高低主动分配转向力，不直接消耗发动机功率，只在转向时才起助力作用，保障发动机充足动力。(不像HPS液压系统，即使在不转向时，油泵也一直运转处于工作状态，降低了使用寿命)与传统液压动力转向(HPS)相比EPS具有以下特点： 1、EPS能在各种行驶工况下提供最佳力，减小路面不平度所引起的对转向系的扰动，改善了汽车的转向特性。 2、EPS只在转向时电动机才提供助力，相比液压动力转向系统可节约燃油35，因而燃油经济性有了很大的提高。 3、EPS取消了油泵、皮带、密封件、液压软管、液压油及密封件等，其零件比传统液压动力转向系大大减少，因而质量更轻，结构更紧凑，在安装位置选择方面也更为方便，并且可以降低噪声。 4、HPS的参数一经确定，转向系统的性能也随之确定，很难改正，而EPS可以通过改变和设置不同的程序，改变转向特性，装配自动化程度更高，能与不同的车型匹配，缩短生产和开发时间，提高了效率。 5、由于EPS不存在渗漏问题，因而减少了对环境的污染。 6、HPS在低温下启动发动机之后，由于低温下油的粘度较大，使转向作用力较高，而EPS在低温下不会增加转向作用力和发动机的负荷，因而其低温运行状况好于HPS。 第四章 EPS系统在国内外的应用状况 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。 国内EPS的发展现状： 我国汽车电子行业的总体发展相对滞后，但是，随着汽车对环保、节能和安全性要求的进一步提高，代表着现代汽车转向系统的发展方向的EPS电动助力转向系统已被我国列为高新科技产业项目之一，国内各大院校、科研机构和企业已经纷纷开始对EPS这一领域进行了研究，使得EPS得到了迅速的发展。据悉，自主品牌研发的EPS系统离产业化就差整车厂批量装车认可这一台阶了，相信很快就可以实现量产。 第五章 EPS系统结构及其工作原理 5.1 EPS工作原理 电动助力转向系统在不同车上的结构部件尽管不尽一样，但是基本原理是一致的。它一般是由扭矩（转向）传感器、控制单元ECU、电动机、电磁离合器以及减速机构构成，其结构示意如图5.1所示。 图5.1 电动助力转向系统结构图其基本工作过程是：汽车转向时，扭矩传感器和车速传感器将检测的方向盘转矩、方向信号及车速信号传给控制单元ECU，控制单元根据转矩传感器信号和车速信号确定电动机助力转矩的大小并输出相应的控制信号给驱动电路，驱动电路提供相应的电压或电流给电动机，电动机再通过离合器、减速机构把助力力矩放大后传递给转向机构拉杆，最终起到为驾驶员提供转向助力的效果，从而使汽车转向轻便。车速越低助力越大，车速越高助力越小。当车速大于一定值时取消助力，将直流电动机反接制动（即利用电动机的反电动势形成一个反向转矩，阻碍电动机转动），目的是使汽车高速行驶时方向感沉稳，保证行驶安全。控制单元在实时分析助力大小的同时，还要检测系统各组成部件的工作情况。当检测到某一组件发生故障时，立即断开电磁离合器，使电动机与原机械转向机构脱离，此时相当于手动转向，并同时驱动故障信号指示灯，输出故障代码。5.2 电动助力转向系统关键部件 1 扭矩传感器 扭矩传感器用来检测转向盘转矩的大小和方向，它是EPS的控制信号之一。扭矩传感器主要有接触式和非接触式两种。常用的接触式（主要是电位计式）传感器有摆臂式、双排行星齿轮式和扭杆式三种类型，而非接触式扭矩传感器主要有光电式和磁电式两种。接触式扭矩传感器的优点是成本低，但是测量精度不高，易受温度和磨损的影响。非接触式扭矩的传感器的有点在于测量精度高、抗干扰能力强、刚度相对较高，缺点是成本太高。所以，成本低廉，测量精度可靠的扭矩传感器才会受到市场欢迎。2 电动机 电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适当的助力矩，是EPS的动力源。一般采用无刷永磁直流电动机，这是因为无刷永磁直流电动机具有无激磁损耗、效率较高、体积较小等特点。由于控制系统需要根据不同的工况产生不同的助力转矩，要具有良好的动态特性并容易控制，这些都要求助力电机具有线性的机械特性和调速特性。此外还要求电动机在低转速时转矩大、波动小、转动惯量小。另具有尺寸小、质量轻、可靠性高、抗干扰能力强等特点。 除此之外，在电动机的选择上还要与蓄电池电压、减速比、阻力矩、前轴载荷相匹配。表5.1为不同电动机性能比较。表5.1 不同电动机分类比较成本过载能力可控性平稳性电磁干扰维修性寿命体积效率交流异步电动机低小难较差小易长大低有刷直流电动机较高大易较好严重难短较小高无刷直流电动机高大易好小易长小高3 电磁离合器 电磁离合器是保证电动助力只在预定的范围内起作用，对电动机起保护作用。当车速、电流超过限定的最大值或转向系统发生故障时，离合器便自动切断电动机的电源，恢复手动控制转向。此外，在不助力的情况下，离合器还能消除电动机的惯性对转向的影响。为了减少与不加转向助力时驾驶车辆感觉的差别，离合器不仅具有滞后输出特性，同时还具有半离合器状态区域。4 减速机构 减速机构用来增大电动机传递给转向器的转矩。它主要有两种形式：行星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构。行星轮系机构方案适合前轴负荷小且对高速操纵性能要求较高的轿车上，蜗轮蜗杆机构方案适合前轴负荷大转向沉重且对高速操纵性能要求不高的载货汽车上。目前，为了减低噪声和减小振动并减轻系统自重，减速机构多采用树脂材料。5 电子控制单元(ECU)电子控制单元(ECU)的功能是根据转矩传感器信号和车速传感器信号，进行逻辑分析与计算后，发出指令，控制电动机和电磁离合器的动作。此外，EUC还有安全保护和自我诊断功能，ECU通过采集电动机的电流、发电机电压、发动机工况等信号判断其系统工作状态是否正常，一旦系统发生异常，助力将自动取消，同时EUC将进行故障自诊断分析。ECU通常是一个8位单片机系统，也有采用数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称DPS)作为控制单元。控制系统应有强抗干扰能力，以适应汽车多变的行驶环境。控制算法应快速正确，满足实时控制的要求，并能有效的实现理想的助力规律与特性。图5.2显示了控制系统的基本框架。图5.2 ECU控制框架图正是由于系统有了电子控制单元，较其它转向系统，电动助力转向系统助力转矩的大小可以根据控制电动机电流或电压调整，所以对电动机的控制尤为关键。因此，一个好的控制策略可以使转向灵敏，路感良好，并使转向系统响应快速。5.3 电动助力转向系统的类型按照电机助力位置的不同，电动助力转向系统可分为转向柱助力式、小齿轮助力式、双小齿轮助力式和齿条助力式四种类型根据参考文献1。如图5.3所示：图5.3 电动助力转向系统分类1 转向柱助力式转向柱助力式EPS具有结构简单，安装、拆卸和维修方便的特点。它装在方向盘下面，固定在转向柱一侧，通过减速机构于转向柱相连，周围环境较好，不需要严格的防水、防高温技术。相对于其他EPS，它对转向系统的改动最小，所以最适用于将以前生产的无助力效果的纯机械转向汽车改装成电动助力转向汽车。转向柱式的成本最低，经济性好，目前市场占有量较大。缺点是占用了方向盘下面的空间，助力电动机的振动、噪声很容易传递给驾驶员，传动路线也较长，损失较大，反应不如其他类型快，目负荷较小，所以适合于微型车辆。2 小齿轮助力式小齿轮助力式转向系统的扭矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构仍为一体，只是整体安装在转向小齿轮处，直接给小齿轮助力。小齿轮助力式EPS具有结构紧凑的优点，与转向柱式EPS相比，在不增加质量的情况下，增大了系统的刚度。它安装在驾驶室外，位于发动机室下方，距离前桥很近，环境温度变化大(-3095)，环境恶劣，常受到尘土、泥巴和雨水等的腐蚀，要求传感器、ECU、电动机等防水、耐高温性能好。其技术要求比转向柱式高，适用于普及型车辆。3 双小齿轮助力式也有人把双小齿轮助力式EPS归于齿条式EPS。它改善了齿条的受力情况，使齿条受力均匀，转向系统的刚度进一步增大，传动路线进一步缩短，响应速度加快，是一种较优化的配置，且成本比齿条式EPS低。4 齿条助力式齿条助力式EPS性能最好，结构最紧读，电动机直接带动齿条助力，其扭矩传感器单独安装在小齿轮处，电动机与转向机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处。助力效果最明显，响应时间最短，超调量最小，电动机的振动、噪声都不容易传递给驾驶员。缺点是造价高、成本高、零件结构复杂。随着42 V车载电源的应用，其功率可达到很大值，适用于大功率、大负荷的汽车和豪华轿车。由于目前车载仍采用12V电源，为满足大功率要求，可采用变压技术，把12 V蓄电池电压变成3042V 。目前EPS系统主要应用于微型车上，本文所研究的车型为前轴载荷较大的中型商用车，所用的是转向柱助力循环球式电动助力转向器。它有两级传动副组成：第1级为螺杆及螺母传动副，第2级为齿条及齿扇传动副。扭矩传感器位于方向盘与转向柱之间，电动机的转矩经涡杆、涡轮减速器后带动转向柱转动，同时循环球转向器使转向拉杆转动使车轮转向，从而完成助力转向动作。本文在建模是就采用这种形式的电动助力转向系统。5.4 电动助力转向系统的优点传统的液压助力转向系统由转向油罐、转向油泵、高压油管、控制阀及机械转向机构等组成。该系统结构庞大复杂；动力转向器加工精度要求高；转向油泵靠发动机驱动，汽车转向与否均需消耗发动机动力；液压油的渗漏亦为一大困扰，须经常维护保养。因此，液压动力系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损和噪声等方面都受到一定程度的限制。与此类转向系统相比，电动助力转向系统独特的特点和优势主要体现在：1、降低了燃油消耗液压转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停的流动，因而浪费来了部分能量。对于电动助力转向系统，电动机在需要转向操作时才工作，是按需工作型的转向系统，并且能量的消耗与转向盘的转向角及当前的车速有关,转向盘不转向时，电机不工作。实验表明，在不转向情况下，装有电动转向系统的车辆的燃油消耗降低了约2.5%;在转向情况下，燃油消耗降低了约5.5%参照参考文献2。2、转向力矩可随车速变化机械转向和液压转向时,转向机构所获得的转向力矩与转向盘提供的力矩成正比，与汽车的车速无关，而电动助力转向，在需要转向时,根据车速电动机在控制单元的作用下开始工作，输出相应大小及方向的转矩以产生助力。3、改善了转向路感在电动助力转向系统中，电动机与助力机构直接相连可以使电机提供的能量直接用于车轮转向。该系统利用惯性减震器的作用，使车轮的反转和转向前车轮摆振得以大大减小。转向系统的抗干扰能力大大增强。尤其在高速时，按照助力特性降低助力转矩，可以提供更好的路感，因此极大的改善高速时的操稳性。4、提高了稳定性通过对汽车在高速行驶时过度转向方法,可以测试汽车的稳定特性。采用该方法,给正在高速行驶的汽车一个过度的转角来迫使它的侧倾，在短时间的转向盘自动回正过程中由于采用微电脑烤制,使得汽车具有更高的稳定性。5、增强转向跟随性与液压助力转向系统相比，电动转向系统的转向力矩产生于电动机。没有液压助力转向的迟滞效应,增强了转向轮对转向盘的跟随性能。同时通过灵活的软件编程，容易得到电机在不同车速及车况下的转矩特性，提供了与车辆动态性能相匹配的转向回正特性。6、 提高安全性由于采用数字控制技术和电子集成技术，当发动机出现故障，甚至行驶中发动机突然熄火时，系统仍然可以正常工作，提高了安全性能。 第六章电动助力转向系统受力与性能分析6.1电动助力转向系统受力 EPS系统所受的力主要有驾驶员作用在方向盘的操纵力、电动机的助力矩和整个转向系统所受的阻力矩，汽车转向时，作用在方向盘上的操纵力矩和EPS系统的电动机助力矩通过转向机构克服转向阻力矩，从而实现对汽车的转向，而操纵力矩和电动机助力力矩的大小则与整个转向系统所受的阻力有关。下面分别对作用在EPS中的力矩进行分析:1.方向盘的操纵力 在汽车进行转向运动中，由驾驶员通过作用在方向盘的切向力对汽车进行操纵。一般驾驶员都希望转向时能操作轻便，在高速时仍能保持稳定，且具有良好的“路感”，因此驾驶员对汽车的操纵力分成两种情况:a、改变汽车行驶方向时驾驶员作用在转向盘上的切向力;b、保持汽车行驶方向不变(包括直线运动和固定某个方向的运动)时驾驶员保持方向盘不动的力。这种在车轮转向角位置保持不变行车时，驾驶员作用在转向盘上的力称为方向盘把持力。2.阻力矩 影响转向力矩的因素有许多，例如车速、载荷、路面摩擦系数、转向轮胎类型及气压、轮胎力学特性、前轮定位参数、转弯半径、转向系统干摩擦特性、转向角速度与角加速度、侧倾转向效应、转向系统刚度、车辆参数等等。转向力矩是由于转向轮与地路面之间相互作用以及转向系统内部的摩擦而共同产生的。地面对转向轮的作用力主要包括侧向力、切向力与法向力。构成车轮转向力矩的主要是自轮胎回正力矩和侧向力回正力矩，其次是重力回正力矩和切向力回正力矩。其中轮胎自回正力矩和侧向力回正力矩与侧向力成正比，而重力回正力矩与前轴负荷、转向角成正比。在前轴左右轮负荷差别不大的情况下，切向力回正力矩很小。 车速对转向力矩的影响是通过侧向加速度间接实现的，并不是直接体现出来。在极低速转向以及原地转向条件下，轮胎与地面之间的静摩擦力矩占主导地位，故转向力矩大大高于其它车速下行驶的力矩。在低速大转角行驶条件下，汽车的侧向加速度较小，因此轮胎的侧偏角很小，由侧向力形成的回正力矩较小，而此时转角大，由前轴负荷形成的重力回正力矩占主要地位。当汽车在中高速行驶时，其侧向加速度较大，导致车轮的侧向力较大，故转向阻力矩主要向加速度下，车身发生侧倾导致载荷的转移，从而左右轮胎的侧偏刚度发生显著变化，最终导致侧向力下降，因此转向力矩下降，这是车速影响转向力矩变化的原因之一;当侧向加速度过大时，轮胎可提供的侧向力饱和并使得轮胎的拖距减小，从而导致轮胎自回正力矩下降;此外，由于载荷的转移，车轮与地面的侧向附着系数下降，也导致侧向力下降。3.助力矩 主要是为了改善汽车操纵的轻便性而外加的力矩，由电控单元ECU依据车速和力矩信号控制助力电流的幅值，电动机产生作用于转向系统助力矩，以提高驾驶员转向时的操纵轻便性。6.2理想转向盘力矩的研究根据参考文献3中关于转向盘力矩的公式:由以上公式知:转向盘力矩ML与vZ成正比，随着车速的增加而增加。而有一些学者各自采用实车场地试验，研究随车速变化不同驾驶员所倾向的转向力的变化情况，定性得出了随车速的增加，驾驶员所倾向的转向力增大的结论。 图6.1 转型盘力矩与车速变化关系图 1996年，日本的MotorFan杂志给出了皇冠尊严4000辆轿车的转向盘力矩随侧向加速度和车速的变化特性曲线。图6一l为4000辆轿车在车速为lookm/h、频率0.33Hz时，随侧向加速度的增加，平均转向盘力矩的变化特性曲线。从图上可以看出，随侧向加速度的增加，转向盘力矩有增大的趋势。1999年，通用公司采用瑞典驾驶模拟器(VTI)测试了在侧向加速度为3m/s2时随车速的不同驾驶员所偏好的转向盘力矩特性曲线，得出驾驶员所偏好的转向盘力矩具有随着车速的增大而增大趋势的结论。 根据参考文献4利用吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室的开放型驾驶模拟器(ADSL驾驶模拟器)，聘请多名驾驶员，对我国驾驶员所偏好的转向盘力矩随车速和侧向加速度的变化特性进行了试验研究，得出了不同侧向加速度车速下，驾驶员所偏好的转向盘力矩特性，如图6.2所示。图6.2 中国驾驶员平均所偏好的转向力矩随车速变化的特性曲线由图可知：在侧向加速度为3m/s2，车速为4Okn、h和10Okm/h时，试验中驾驶员所偏好的转向盘力矩分别为2.125Nm和3.125Nm)。6.3 EPS性能的主要评价指标 汽车电动助力转向系统与传统的转向系统相比有很大区别，对汽车的转向轻便性、转向回正性和路感、可靠性等方面将会产生新的影响，因此，传统汽车转向系统的试验与评价指标就不能完全适用于EPS系统，必须建立适用于EPS的试验和评价指标根据参考文献5我国国家标准GB/T6323.4一94和GB/T6323.5一94分别对汽车转向回正性和转向轻便性进行了规范，这两项试验可以用来评价装备EPS汽车的转向回正性和轻便性。为了评价装备EPS汽车高速行驶时转向盘中间位置附近区域的操纵稳定性，应进行转向盘中间位置附近区域操纵稳定性试验，另外，针对EPS总成，还需要进行转向盘振动试验、能量消耗试验和可靠性试验等。6.3.1转向回正能力评价 汽车转向后转向盘能自动回正，使汽车保持稳定的直线行驶状态，这是汽车转向系的基本要求之一，但转向系统中摩擦力矩的存在会降低转向盘的回正特性。在装有EPS的汽车上采用合理的助力特性曲线和控制策略能有效提高转向盘的回正特性，获得更好的转向盘中间位置区域的路感。汽车转向回正能力可通过整车道路试验或台架试验测得。对整车道路试验，可参照GB/T62犯.4一94汽车操纵稳定性试验方法转向回正性能试验进行，即令汽车沿半径为15m的圆周行驶，调整车速使侧向加速度为4m/s2，然后松开转向盘，汽车在回正力矩作用下，前轮将自动回复到直线行驶状态，记录这个过程的时间t、车速u、转向盘转角和横摆角速度，整理出横摆角速度和时间的曲线。评价指标可依据我国汽车行业标准QC/T480一2000汽车操纵稳定性指标极限值与评价方法，采用松开转向盘3秒时的残余横摆角速度绝对值和横摆角速度总方差两项指标进行评价。台架试验，可参照我国汽车行业标准QC/T529一2000进行，试验过程中在转向器输出端施加最大输出力(力矩)的8%，采用转向盘从两个极限位置回到中间位置所需时间来评6.3.2转向轻便性评价汽车装备EPS的一个重要目的就是为了提高汽车的转向轻便性，可以通过整车道路试验和台架试验来测量汽车的转向轻便性。对于整车道路试验，一般有原地转向试验和双纽线试验两种，其中我国国家标准GB/T6323.5一94对双纽线试验进行了规范。对台架试验，一般进行模拟原地转向试验。1.原地转向试验 汽车原地静止，转向盘从中间位置正向转动到极限位置，再逆向转动到另一极限位置，然后回复到起始中间位置。测定作用于转向盘上的转向力。2.双纽线试验 试验时风速应不大于5m/s，大气温度在0一40范围内，汽车按照画在场地上的双纽线(参看图3.3)以10km/h的车速行驶。在双纽线顶点处的曲率半径最小，其数值为Rmm=d/3。双纽线的最小曲率半径应按照试验汽车的最小转弯半径乘以1.1倍，并取整到比此乘积大的一个整数来确定，在双纽线最宽处，顶点和中点(即结点)的路径两侧各放置两个标桩，共计放置16个标桩。标桩与试验路径中心线的距离，为车宽的一半加50cm，或按转弯通道圆宽的二分之一加50cm。试验中记录转向盘转角及转向盘转矩，并按双纽线路径每一周整理出转向盘转矩一转向盘转角曲线。通常以转向盘最大转矩、转向盘最大作用力及转向盘作用功来评价转向轻便性。图6.3 测定转向轻便型的双纽线6.3.3转向盘中间位置操纵稳定性评价 汽车高速行驶必须具有良好的操纵稳定性，目前国外通常以中间位置转向试验来评价汽车高速行驶时的操纵稳定性。1.试验方法 试验时，汽车以100k/h的速度作(近似于)正弦曲线的蛇行行驶，正弦运动的周期为5s，转向盘输入频率基准值为0.2HZ，侧向加速度峰值基准为0.29。试验在无风、水平路面上进行。被试验汽车上装有转向盘转角、转向盘转矩、车速与横摆角速度等传感器，要测量的数据有:车速，转向盘转角，转向盘作用力矩，汽车侧向加速度。其中,汽车侧向加速度的数值可以得用横摆角速度与车速的乘积求得。2.转向盘力输入方面的评价指标转向盘中间位置操纵稳定性试验的原始数据中包含许多车辆转向特性信息，根据需要可绘制出转向盘转角与侧向加速度、转向盘力矩与侧向加速度、转向盘力矩与转向盘转角等多条特性曲线。这些特性曲线中分别包含着不同的评价指标。根据参考文献6，转向盘转角与侧向加速度关系曲线反映的是转向盘角输入特性，从这条曲线中至少可提取4个参数作为评价指标，即转向灵敏度、最小转向灵敏度、转向灵敏度比和转向迟滞。转向盘力矩与侧向加速度关系曲线反映的是转向盘力输入特性，通过这条关系曲线可以评价车辆的回正性能，库仑干摩擦，路感，转向盘非线性力的大小等。6.3.4转向盘振动评价 路面不平度、机械振动和助力机构力矩波动会引起转向盘振动，使驾驶员感到紧张和疲劳，路面不平度引起的振动通常是高频振动，而电动助力机构引起的转向盘振动一般在低转向盘转速和低频时发生。为此可将转向盘振动试验分两种情况进行:一种是在不平路面上(如鹅卵石路面)进行整车道路试验，包括直线行驶工况和常用转向行驶工况，测试转向盘力矩和角加速度;另一种是进行原地转向或台架试验，测量转向盘力矩和角加速度。转向盘振动可以用转向盘力矩峰值、转向盘力矩均方根值和转向盘角加速度均方根三项指标来评价。6.3.5转向路感及路感强度 汽车转向的轻便性与路感是相互矛盾的，一般驾驶员都希望车辆转向时“轻”些好，即在转向时系统提供大的助力，这样可以减少驾驶员的体力消耗，但转向太“轻”又不好，因为转向力中还包含着前轮侧向力的信息，使汽车的运动状态(包括车轮与路面的附着状态)与驾驶员手上的力有一种对应关系，这就是“路感”，如果这种“路感”很清晰，驾驶员就会感到“心中有数”，有把握地操纵汽车，所以转向力又不能太小。确切地说，转向力中与前轮侧向力有对应关系的那部分(回正力矩部分)不能太小，而与前轮侧向力无关的各种摩擦力矩则是越小越好121，。汽车转向轻便性是对低速行驶时(如原地转向)提出的要求，而路感则是针对汽车高速行驶时提出。汽车在高速行驶时，应能把车轮与路面的接触状态以反力的形式传至转向盘，使驾驶员感到此种力反馈及其差别。清晰的路感，对驾驶员非常重要，特别是在高速行驶时，它能够给驾驶员提供一种正确判断车轮与路面附着情况的信息，让驾驶员心中有数，以便在不同的道路条件下，采取合适的运行方式(高速、转向和制动)，确保车辆的行驶安全。因此，在某种意义上说，路感实际上是给予驾驶员操纵汽车的一种安全感，做到心中有数、防患于未然。通常，路感按车辆的行驶状态或转向盘的位置，可以分高速直线行驶、转向和回正过程的路感。1.直线行驶时的路感 一般认为机械式转向系统的路感比较合适，因为该系统从车轮到转向盘都是机械连接，刚性较大，来自路面的反力和位移能迅速而准确地由车轮传递到转向盘，但车辆在不平路面上行驶时，转向盘容易受到较大的冲击。EPS系统中，转向盘到车轮亦是机械连接，电机直接连接在转向器上，具有一定的惯性和阻尼控制，所以，装有EPS系统的车辆在平坦的路面行驶时，具有与机械转向系统相似的路感，而在不平的路面行驶时，转向盘却不会受到很大的冲击。2.转向过程的路感 转向过程的路感主要表现在如下两个方面:首先，汽车在某种路面上进行转向时，转向盘上的操纵力应随车速而变化。其次，汽车在同一路面上和同一车速下进行转向运动时，转向盘的操纵力应随其转角或阻力矩的增加而增加。在转向过程中，由于EPS能够进行多变量优化的助力控制，不但能够完全实现上述两方面的路感，并且还可以根据需要较方便地改变操纵力特性，满足客户需求;而传统的柳S完全不能实现第一种路感，只能实现第二种路感。3.回正过程的路感 当转向盘旋转到某个需要的转角时，在车轮回正力矩的作用下，转向盘开始向中间位置自动回正。回正过程的路感也是表现在两个方面:首先，转向盘的操纵力应随其转角的减小而减小。其次，当车辆以较低的速度运行并转向和回正时，车轮的回正能力较差(路面的摩擦力较大)，为了提高转向操纵轻便性，尽可能使转向盘回正力矩特性曲线基本上通过或接近转向盘的中间位置;而当车辆高速行驶时，车轮的回正能力较强，如不加以控制则转向盘将会出现较大的超调量和摆振。因此，为了提高车辆行驶的稳定性和转向盘稳定感，宁愿使回正特性曲线不通过中间位置而保留少量的残留角，使其在运动的过程中，靠回正力矩的作用自动回正。EPS由于采用了回正控制，不但能够完全实现上述两方面的路感，而且还可以根据需要改变回正特性曲线，获得适合于车辆动态性能的回正特性。而传统的HPS可以实现第一种路感，完全不能实现第二种路感。路感的大小通常用路感强度来表示。路感强度是指转向手力增加单位值时，相应输出力的变化量。当系统为机械转向，当量路感强度等于100%。当转向机构为纯动力转向时，此时转向阻力完全由动力转向克服，当量路感强度等于O。这是两个极端情况，动力转向的当量路感强度一般介于二者之间。什么是理想的路感，目前尚无定论，对不同的人有不同的理解。不同的汽车类型、不同的行驶环境、不同的驾驶风格等，都需要不同的路感。例如，一辆经常以中等车速行驶在城镇的大型车辆，应该提供较大的助力。当汽车在高速公路上直线行驶、或在盘旋公路上行驶时，需要驾驶员对其精确地操纵，此时驾驶员需要通过转向盘得到更多地汽车响应信息，使驾驶员能精确地控制汽车转向。大多数美国轿车转向比较轻便，而路感不太好，而欧洲轿车在侧向加速度小，即转向角度小时，路感相对较好。对于经常在城市中低速行驶的车辆来说，对路感的要求并不突出，而是要求尽量轻便灵敏;而对于经常在高速公路上直线行驶的车辆而言，从安全性的角度出发，应该在小转角的中心直线行驶区域具有足够的路感。6.4 EPS的动力学模型 为了研究EPS系统的动态特性，必须推导出它的数学模型，即系统动态特性的数学表达式。同时，在研究EPS系统对汽车操纵性的影响时，数学模型的建立也是进行理论研究的一个必要环节。通常根据基本物理定律来建立EPS系统的数学模型，由这些定律分析EPS系统间的一些变量关系，并用微分方程加以描述。在推导数学模型过程中通常要考虑在模型的简化和准确性之间进行折衷。影响系统的因素很多，如果把它们全部都考虑在内，建立的模型就很准确很全面，但这样会使模型变得非常复杂，可用性也就成了问题，因此在建立系统数学模型时要根据系统的使用条件和研究对象，忽略一些次要因素，对模型进行适当的简化。对于EPS系统，为分析问题方便，把前轮和转向机构向转向轴简化，扭矩传感器安装在转向盘和助力机构之间，可以看成是一个扭力杆，用来跟踪转向柱的角度变化，简化后的转向系统模型如图6.4所示， 图中、 、分别表示转向盘、转向柱、电动机及助力机构的转动惯量；、 、分别表示转向盘、转向柱、电动机及助力机构的阻尼；、 、分别表示转向盘、转向柱、电动机及助力机构的转角；、分别表示转向盘力矩、前轮及转向机构阻力矩、电动机的输出力矩；、代表扭矩传感器作用到转向柱的作用力矩和作用到转向盘的反作用力矩；为电动机输出转矩。 图6.4 转向系统动力学模型图6.5 EPS助力电动机模型 图6.5电机等效电路图 汽车电动助力转向系统的助力机构通过直流电机驱动，电动机电枢电路如图所示，其中端电压U 与电感L、电枢电阻R、反电动势常数、电流、转角和时间t之间的电压平衡方程式为: （6.2）由于电动机的电感很小，一般情况下可忽略，故上式可以简化为： （6.3）直流电动机的扭矩与电路电流成正比关系，即电动机产生的电磁转矩与电流成正比： 式中，为电动机转矩常数，电动机转矩常数仅与电动机结构有关，电动机制造后不变。设电动机的转动惯量、阻尼系数、转角和输出转矩分别为、和。考虑电动机的动态运行，对电动机及助力机构进行受力分析有： 6.6 EPS汽车整车模型为了掌握操纵稳定性的基本特征，我们将对一简化为线性二自由度的汽车模型进行研究，分析中首先忽略转向系统的影响，直接以前轮转角作为输入；忽略悬架的作用，认为汽车车厢只作平行于地面的平面运动，即汽车沿Z轴的位移，绕Y轴的俯仰角与X轴的侧倾角均为零。另外，汽车沿X轴的前进速度视为不变。因此，汽车只有沿Y轴的侧倾运动与绕Z轴的横摆运动这样两个自由度。此外，汽车的侧向加速度限定在0.4 以下，轮胎的侧偏特性处于线性范围。还假设驱动力不大，不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响，没有空气动力的作用，忽略左、右车轮轮胎由于载荷的变化而引起的轮胎特性的变化以及轮胎回正力矩的作用。 这样，实际汽车便简化成一个两轮摩托车模型。它是一个由前后两个有侧向弹性的轮胎支承于地面、具有侧向及横摆运动的二自由度汽车模型。显然，车辆坐标系的原点与汽车质心重合，汽车的质量分布参数，如转动惯量等，对于固结于汽车的这一动坐标系而言为常数。 图6.6 二自由度车辆模型 平面运动汽车对车辆坐标系的运动微分方程为： 式（6.6）中整车质量前轮转向角地面对前、后轮侧向反作用力，即侧偏力汽车绕Z轴的转动惯量考虑到较小，式（6.6）可以改写为： 侧偏力大小取决于侧偏角，与汽车运动参数有关。汽车前后轴重心速度为、，侧偏角为、，质心侧偏角为，。设是与X轴夹角，其值为。根据坐标系规定，前后侧偏角为： （6.8）根据式侧偏力与侧偏角的关系式（6.8）可写为： （6.9）式（6.9）中 、侧偏刚度 、前、后轮中心到汽车质心的距离。汽车轴距将式（6.8）代入式（6.9），整理后得二自由度汽车运动微分方程： （6.10）对上式进行零初始条件的拉氏变换，可得到质心侧偏角和横摆角速度对前轮转角的传递函数: （6.11）其中， 第七章 EPS的电流控制 EPS的上层控制器用来确定电动机的目标电流。根据EPAS的特点，上层控制策略分为助力控制、阻尼控制和回正控制。 EPS的电流控制方式控制过程为：控制器根据转向盘转矩传感器的输出Th和车速传感器的输出V由助力特性确定电动机的目标电流Imo，然后电流控制器控制电动机的电流Im,使电动机输出目标助力矩。因此EPS的控制要解决两个问题：（1）确定助力特性；（2）跟踪该助力特性。整个控制器可分为上、下两层，上层控制器用来根据基本助力特性及其补偿调节，进行电动机目标电流的决策，下层控制器通过控制电动机电枢两端的电压，跟踪目标电流。 1 助力控制 助力控制是在转向过程（转向角增大）中为减轻转向盘的操纵力，通过减速机构把电机转矩作用到机械转向系（转向轴、齿轮、齿条）上的一种基本控制模式。 步骤如下： 1.输入由车速传感器测得的车速信号； 2.输人由转向盘转矩传感器测得的转向盘力矩大小和方向； 3.根据车速和转向盘力矩，由助力特性得到电动机目标电流； 4.通过电动机电流控制器控制电动机输出力矩。在这一基本控制过程中，助力特性曲线确定系统的控制目标，决定着EPS系统的性能。EPS的助力特性曲线属于车速感应型，在同一转向盘力矩输人下，电动机的目标电流随车速的增加而降低，能较好地兼顾轻便性与路感的要求。 2 回正控制 当汽车以一定速度行驶时，由于转向轮主销后倾角和主销内倾角的存在，使得转向轮具有自动回正的作用。随着车速的提高，回正转矩增大，而轮胎与地面的侧向附着系数却减小，二者综合作用使得回正性能提高。驾驶员松开转向盘后，随着作用在转向盘上的力的减小，转向盘将在回正力矩的作用下回正。在转向盘回正过程中，有两种情况需要考虑：（1）回正力矩过大，引起转向盘位置超调；（2）回正力矩过小，转向盘不能回到中间位置。对前一种情况，可以利用电动机的阻尼来防止出现超调。后一种情况需要对助力进行补偿，以增加回正能力。 根据转向盘转矩和转动的方向可以判断转向盘是否处于回正状态。回正控制的内容有：低速行驶转向回正过程中，EPS系统H桥实行断路控制，保持机械系统原有的回正特性；高速行驶转向回正时，为防止回正超调，采用阻尼控制。 3 阻尼控制 阻尼控制是针对汽车高速直线行驶稳定性和快速转向收敛性提出的。汽车高速直线行驶时，如果转向过于灵敏、“轻便”，驾驶员就会有通常说的 “飘”的感觉，这给驾驶带来很大的危险。为提高高速行驶时驾驶的稳定性，提出在死区范围内进行阻尼控制，适当加重转向盘的阻力，最终体现在高速行驶时手感的稳重”。汽车高速行驶时，由于路面偶然因素的干扰引起的侧向加速度较大，传到方向盘的力矩比低速行驶时要大，为了抑制这种横摆振动，必须采用阻尼控制；此外，转向盘转向后回到中间位置时，由于电动机的惯性存在，在不加其他控制情况下，助力系统的惯性比机械式转向系统的惯性大，转向回正时不容易收敛，此时，也需采用阻尼控制。采用阻尼控制时，只需将电动机输出为制动状态，就可使电动机产生阻尼效果。 第八章EPS的关键技术及发展趋势 8.1关键技术的发展趋势 EPS系统在操作轻便、节能等方面显示了优越性，性能己经得到人们的普遍认可，但是仍有一些问题需要解决： （一)电动机的性能及其与EPS系统的匹配是影响控制系统性能、转向操纵力、转向路感等问题的主要因素，因此改善电动机的性能及其与整个EPS系统的匹配是关键问题； （二）助力特性的好坏取决于转向的轻便性和路感。但是目前国内对于路感问题还没有成熟的理论研究结果，研究手段还主要以试验为主，因此需要确定合理的助力特性； （三）EPS除了应有良好的硬件保证外，还需要良好的软件控制做支撑，EPS的安装一般在发动机附近，不可避免地会有热辐射与电磁干扰的影响，因此对EPS的控制策略提出了很高的要求。 EPS当前已经较多应用在排量在1.3-1.6L的各类轻型轿车上，其性能已经得到广泛的认可。随着直流电机性能的提高和42V电源在汽车组件上的应用，其应用范围将进一步扩宽，并逐渐向微型车、轻型车和中型车扩展。目前，在全世界汽车行业中，EPS系统每年正以9-10的增长速度发展，年增长量达130万-150万套。据TRW公司预测，到2010年全世界生产的轿车中每3辆就有1辆装备EPS，到2010年，全球EPS产量将达到2500万套。因此，EPS将具有十分广阔的发展和应用前景。(end) 8.2 EPS系统的发展趋势电动助力转向系统的最终发展趋势在以下几个方面。（一）改善控制系统性能、减小控制单元和驱动单元的体积及降低控制系统的制造成本，使之更好地与不同档次汽车相适应。如改进电动机控制技术，消除由于电动机惯性大、摩擦力所带来的转向路感不足等缺点，使电动助力转向系统也能应用于重型载货汽车上。（二）实现电动助力转向系统控制单元与汽车上其他控制单元的通讯联系，以实现整车电子控制系统一体化。（三）将根据车速、转矩、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。（四）提高系统的可靠性。这应从提高系统各部件的可靠性入手，如采用非接触式转矩传感器。（五）提高系统的安全性。采用取消转向盘的EPS系统后，驾驶室有更大的空间用于布置被动