电动助力转向系统开发
简介
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正文
本文从六个方面介绍电动助力转向系统的相关知识，主要针对EPS转向系统的必要性、常用类型、重要参数分析、开发基本流程和异响问题的对策方法等方面进行了简要的阐述：
一、动力转向系简介
1、辅助动力转向的必要性
使用大而宽的轮胎以及前轴载荷（整车载荷）增加、转向时需要较大的力、人没有转动的力，所以为了改善驾驶人的操控性，很有必要增加辅助转向机构。
2、辅助动力转向的目的
增加辅助动力转向的目的是减轻操舵力和提高驾驶时的操稳性（稳定性、操控性）；
二、动力转向系的分类
1、类型
①液压式(HPS) Y1W
②电动液压式(EHPS)
③电动式(EPS)：
管柱式（C-EPS）: YC5、 YL1、YAE、YFE
小齿轮输入轴式（P-EPS）： YN5、YY5
齿条助力式（R-EPS）:无
2、EPS型式
管柱辅助小齿轮辅助齿条辅助
三、动力转向系关重分析
1、EPS系统简图
2、
扭矩传感器
扭矩传感器是通过扭力杆扭转后使两个分相器单元产生一个相对角度。
3、 控制器逻辑（ECU ）
驾驶员操作方向盘时，连接方向盘的扭杆产生形变，其形变角度与方向盘的转矩成正比，转矩传感器将扭杆形变的角度转化为线性的电压输出信号T ，并与车速信号V ，发动机转速信号W ，点火信号G 送入到控制器ECU 进行综合、分析、判断和运算后，输出电流信号控制助力电机。
助力电机通过传动机构产生助力转矩，该助力扭矩施加到转向轴上，从而辅助驾驶员完成转向操作。
ECU 控制策略主要包括: 助力控制、回正控制和阻尼控制。
项目 功 能
基本控制 根据转向力矩值及车速大小计算得到所需输出电流控制马达运转 惯性补偿控制
当驾驶员开始操作方向盘时改善马达的启动效果（启动力矩）
电机反馈电流
目标电流
车速增大
MCU
控制软件模块转向轴助力
控制算法
电机减速器
总成
转矩传感器车速传感器点火信号
发动机转速T
V W G
I
转向复位控制当方向盘从极限位置向回转动时，EPS提供复位助力控制
衰减控制当车辆高速过弯时调节助力输出，以防止车身出现较大摇摆
增压控制对EPS ECU的电压进行增压，当驾驶员未对方向盘进行任何操作时或车辆保持直线行驶时该电压保持在0伏。
当驾驶员对方向盘进行操作时根据负载大小以27~34伏的电压对输出助力进行可变控制
系统过热保护控制根据电流大小及其作用时间估计马达温度。
如果温度超出规定范围系统将对输出电流进行限制，以防止马达过热
4、减速机构
减速机构处是最易发生异响的部位，对配合间隙有较高要求。
磨损补偿
涡轮蜗杆传动而产生的磨损间隙可以通过下面的方式进行补偿：
四、EPS开发流程（转向柱、转向器）
1、开发过程
开发初期主要确认的参数有：整车质量，前轴载荷，轮胎规格，转向轮转角，最小转弯半径，轴距和轮距等；基本流程如下：
2、设计输入
转向柱的设计输入主要包括：电机类型、蓄电池电压、额定电流、倾角调节功能及角度、溃缩行程、管柱长度、安装尺寸、减速比、方向盘接口尺寸、点火开关锁口等参数；
转向器的设计输入主要包括：齿条最大推力、内外球头中心距、齿条行程、线传动比、齿条直径和安装尺寸等参数。
3、空间布置
转向柱
转向系统的空间布置根据发动机、变速器的搭载位置，以及驾驶室内的设计布局图进行确定。
转向器
其空间位置需根据发动机、变速器、车轮中心以及转向节的安装硬点确定，并依据转向轮的转角大小，确定其转向梯形机构的几何参数。
4、类型选择
EPS转向系统的选择主要根据汽车类型、前轴载荷、轮胎规格和使用条件等决定，并要考虑其传动效率特性、角传动比变化特性等对使用条件的适应性，以及转向的其他性能、寿命、制造工艺等。
C-EPS转向柱结构型式是由转向柱机械结构＋助力机构组成；国内电机技术的成熟，C-EPS是各汽车行业主要的选择方向。
转向器结构型式有多种，主要包括齿轮齿条式、循环球式、球面蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等。
齿轮齿条式转向器其结构简单、紧凑，占用空间小，制造容易、传动效率高达90%、间隙可调整而被广泛采用。
5、关键要素
EPS系统关键的要素主要从硬件和软件两个方面，详述如下：
6、试验要求
正入力逆入力
载荷从小齿轮轴入力，计算齿条轴
从车轮端入力，计算齿条轴力
力
静强度正入力强度试验(QC G403)落锤冲击试验 (QC G405)
转向连接座强度试验(QC 1402)
拉杆球头座强度试验 (QC G406)
耐久强度 正转泥水试验(QC G404)
逆输入耐久试验(QC G407) 安装部耐久试验(QC 1406)
7、
强度校核
项目
内容（YL1） 1 方向盘入力 T h 5 N ·m 2 前轴满载 Ff 765 Kg 3 齿轮齿条传动比 k mm/rev 4 涡轮蜗杆传动比 i 1: 5
电机扭矩 T
N ·m
正入力
正向推力F2：
EPS 电机Fm ：
由以上计算可知，齿条正向推力是： F2=Fm （电机）+Fh （手入力）=+= N 、逆入力（经验公式）
齿条逆向推力F1=Ff × g ×=765××= N
结论： F2（）＞F1（），即正向推力大于逆向推力，满足转向驱动的性能要求。
8、 EPS 关重参数 前轴重
前轴载荷越大，转向阻抗越大，所以需要的操舵力（齿条推力）和副辅助力也变得越大。
8.2 转向操舵力（停车时）
设计基准是在中立附近为30N 以下（操舵力矩?m ，27N ），现在的目标值是23～25N 。
推算齿条推力
计算公式：GVW ×913/(转向节臂长)（SMC 经验值）
齿条与小齿轮轴的传动比由转向系的传动比决定，电机输出力、涡轮机构传动比由
齿条推力、齿条与小齿轮轴的传动比决定。
齿轮速比
转向齿轮速比＝方向盘回正角度÷轮胎转动角度
转向齿轮速比的值越小，操舵越轻便，但是，如果方向盘有少量的操作、轮胎也有大的移动，安
全性大大降低，所以需要有合理的速比值。
（手入力）
电机h )m (2F F F +=
9、 注意事项 转向追随性
电机性能决定了转矩和转速的关系；
当电机转速超过额定转速时，没有可靠的安全系数，
此时电机将成为负荷；所以，电机必须设计有富余的安全系数。
特性
为防止电机和ECU 的过热，连续使用电机的时候，需控制电机的最大输出力（过载保护）
当电机提供的辅助力减小，操舵时会变重。
五、 开发过程中的问题对策 1、 异音位置
转向柱和转向器主要的容易出现异响的部位如下：
2、异音及对策
①齿条＆小齿轮轴的异音
主要包括不确定的低频音，以及坏路和比利时路容易发生（较大的逆向输入力）。
0deg=25N
-150
-100-50050100
150-600-400-2000200400600
操舵角（deg）
操舵力（N ）
1周期目2周期目3周期目4周期目5周期目6周期目
②涡轮啮合部的异音
主要包括作KOTO音和碎石路和比利石路容易发生（小的输入力）
2、异音及对策
解决思路：从问题发生到对策完成的过程
①设计者要对评价阶段提出的异音要进行确认
②如果车辆上没有异音出现，更换部品进行确认
→确认现象对车辆是否有影响（是否为其他部品的声音）
③在异音发生的路面，测定拉杆的受力（频率、振幅）
④以测量值为参考，决定在供应商进行台架试验条件；实施再现测试。
⑤关于供应商制作的对策品，台架试验时确认对策效果。
⑥装上实车，在提出的路面上确认对策效果。
⑦落实图面上的台架试验项目。
六、总结
、动力转向系统开发的思考
①EPS是汽车转向系统发展主要方向（线控转向）。
②EPS性能的检测在开发初期很重要；决定了周边的布置后很难再进行变更。
③试作时把部品的开发日程与供应商进行商谈。
④EPS开发的时候，问题最多的时候也是异音。
、高性能动力转向系统的要求
①有可靠的轮胎信息向驾驶员传达②较低车速时的操舵力要轻
③高速时偏重④要有足够的刚性
⑤有线性感、摩擦感要减少⑥有辅助动力转向。