转向系统设计

合现代汽车机电一体化的设计思想，该系统由转向传感装置、车速传感器、助力机械装置、提供转向助力电机及微电脑控制单元组成。

作为汽车的一个重要组成部分，汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成，如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的操纵设计显得尤为重要。汽车转向系统经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统3个基本发展阶段。

机械式的转向系统，由于采用纯粹的机械解决方案，为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘，这样一来，占用驾驶室的空间很大，整个机构显得比较笨拙，驾驶员负担较重，特别是重型汽车由于转向阻力较大，单纯靠驾驶员的转向力很难实现转向，这就大大限制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉，目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使用。1953年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统，此后该技术迅速发展，使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。

80年代后期，又出现了变减速比的液压动力转向系统。在接下来的数年内，动力转向系统的技术革新差不多都是基于液压转向系统，比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统和电动液压助力转向系统。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下，泵的流量会相应地减少，从而有利于减少不必要的功耗。电动液压转向系统采用电动机驱动转向泵，由于电机的转速可调，可以即时关闭，所以也能够起到降低功耗的功效。

液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞，布置更方便，降低了转向操纵力，也

使转向系统更为灵敏。由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力，目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面存在不足的问题。 因此电动助力转向系统（简称EPS）应运而生，它是继液压动力转向系统之后产生的新的转向系统。电动助力转向系统由电动机提供助力，助力大小由电控单元（ECU）实时调节和控制，可以较好的解决液压动力转向系统所不能解决的矛盾。且拥有许多液压转向系统没有的优势，所以电动助力转向系统有取代机械转向系统、液压助力转向系统和电控液压助力转向系统的趋势，是一项紧扣现代汽车时代发展主题的高新技术，是现代轿车的主要发展方向。

二．转向系统方案的分析。 1.工作原理的分析。

首先，转矩传感器测出驾驶员施加在转向盘上的操纵力矩，车速传感器测出车辆当前的行驶速度，然后将这两个信号传递给ECU；ECU根据内置的控制策略，计算出理想的目标助力力矩，转化为电流指令给电机；然后，电机产生的助力力矩经减速机构放大作用在机械式转向系统上，和驾驶员的操纵力矩一起克服转向阻力矩，实现车辆的转向。

2.转向系统机械部分工作条件。

电动助力转向系统的基本组成包括扭距传感器、车速传感器、控制单元（ECU）、电动机、减速机构和离合器等，如图所示。

在EPS系统中，传感器主要应用了扭距传感器、转速传感器、速度传感器。扭距传感器时刻检测转向盘的运动状况，将驾驶员转动转向盘的方向、角度、信息传送给控制单元作输入信号。转速传感器用于测量转向盘的旋转速度，速度传感器测量车辆的行驶速度，两者的测量结果同样送到控制单元作为输入。

控制单元是EPS系统的核心部分，也是EPS系统研究的重点。目前普遍将控制单元设计为数字化，一般以一个八位或十六位微处理器为核心，外围集成A/D电路、输入信号接口电路、报警电路、电源。要求具有简单计算、查表、故障诊断处理、储存、报警、驱动等功能。

电动机的功能是根据控制单元的指令输出适宜的辅助扭矩，是EPS的动力源。电动机对EPS的性能有很大的影响，是EPS的关键部件之一，所以EPS对电动机很重要。不仅要求低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻，而且要求可靠性高、易控制。在现有设计中电动机主要采用直流电动机和无刷永磁式电动机，驱动电路根据采用的电动机和控制策略不同而不同。

EPS的减速机构与电动机相连，起减速增扭作用。常采用涡轮蜗杆机构，也有采用行星齿轮机构。

EPS的离合器，装在减速机构的一侧，是为了保证EPS只有在预先设定的车速行驶范围内起作用。当车速达到某一值时，离合器分离，电动机停止工作，转向系统转为手动转向。另外，当电动机发生故障时离合器将自动分离。

由图可见，电动助力转向系统是在传统机械转向机构基础上增加信号

传感装置、控制单元和转向助力机构。EPS的转向轴由靠扭杆相连的输入轴和输出轴组成。输出轴通过传动机构带动转向拉杆使车轮转向，输出轴除通过扭杆与输入轴相连外，还经行星齿轮减速机构—离合器与主力电动机相连。驾驶者在操纵转向盘时，给输入轴输入了一个角位移，输入轴和输出轴之间的相对角位移使扭杆受扭，扭距传感器将扭杆所受到的扭矩转化为电压信号输入电控单元；与此同时，车速传感器检测到的车速信号页输入电控单元，电控单元综合转向盘的输入力矩、转向方向以及车速等信号，判断是否需要力矩以及力矩的方向。若需要力矩，则依照既定的助力控制策略来计算电动机助力转矩的大小并输出相应的信号给驱动电路，驱动电路提供相应的电压或电流给电动机，电动机输出相应的转矩由蜗轮蜗杆传动装置放大再施加给转向轴起助力作用，从而完成实时控制助力转向；若出现故障或超出设定值则停止给电动机供电，系统不提供助力，同时，离合器切断，以避免转向系统受电动机惯性力矩的影响。系统转为人工手动助力。工作过程如图所示。

3.转向系统关键部件的分析。 （1）转矩传感器。

转矩传感器是测量驾驶员作用在转向盘上的力矩的大小和方向的，有的转矩传感器还能测量转向盘的转角的大小和方向。转矩传感器有接触式和非接触式两种。二者比较起来，由于非接触式转矩传感器体积小，而且精度高，所以采用非接触式转矩传感器。

（2）电磁离合器。

EPS系统助力一般都是在一个设定的范围，当车速低于某一个特定值时，系统提供转向助力，保证转向的轻便性；当车速处于设定值之间时，电动机停止工作，系统处于休眠状态，离合器分离，以切断辅助动力，另外，当EPS系统发生故障的时候，离合器自动分离，此时仍然可利用手动控制转向，保障系统的安全性，EPS系统中电磁离合器应用较多的为单片干式电磁离合器。

（3）电动机。