電動轉向

電動轉向是用電動機直接提供助力，助力大小由電控單元（ECU）控制的動力轉向系統。扭矩感測器與轉向軸連線在一起，當轉向軸轉動時，感測器工作，將信號傳給ECU，ECU根據車速決定電動機的助力效果，以保證汽車在低速時駕駛輕便，高速時穩定可靠。

基本介紹

• 中文名：電動轉向
• 外文名：Electric steering
• 學科：機械工程
• 領域：機械設備
• 套用：汽車
• 用途：低速時駕駛輕便，高速時穩定可靠

簡介

汽車轉向性能是汽車的主要性能之一，轉向系統的性能直接影響到汽車的操縱穩定性，它對於確保車輛的安全行駛、減少交通事故以及保護駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件起著重要的作用。為了提高轉向性能，普遍採用了動力轉向系統。液壓助力轉向系統是最早採用的動力轉向系統形式，電子技術和電氣技術的套用使得轉向系統發生了革命性的變化，出現了電動液壓助力轉向系統、電動助力轉向系統和線控電動轉向系統。

電動助力轉向系統能夠滿足當前節能與環保的要求，並給汽車的設計與製造帶來了新的空間； 又出現了研究線控電動轉向系統的趨勢，它是在轉向盤和轉向輪之間不再採用機械連線，徹底擺脫傳統轉向系統所固有的限制，在給駕駛員帶來方便的同時也提高了汽車的安全性。

電動助力轉向系統

傳統的液壓助力轉向系統一般是由發動機驅動轉向油泵提供液壓油，由轉向控制閥來控制液壓油的作用以實現助力。但這種轉向系統的助力特性與汽車的實際要求不一致，因為汽車不同速度行駛時對助力特性的要求不同，而傳統的液壓助力轉向系統無法做到這一點。後來，把電子技術引進了轉向系統，由控制單元根據情況來控制電動機，驅動轉向油泵運轉，就形成了電子控制的液壓助力轉向系統(Electro2Hydraulic Power Steering ，簡稱為EHPS) ，它符合當代節能與環保的要求，因為傳統的液壓助力轉向系統中轉向油泵不停地運轉，但真正轉向的時間卻不多，這樣存在很大的寄生損失；在EHPS 中，正常轉向時，駕駛員轉向動作不快，其電動機可以低速運轉；當需要快速轉向時，電動機加速，以提供足夠的液壓油；不需要轉向動作的時候，可以讓電機停轉或低速運轉，從而大大節約能量。進一步的發展就是電動助力轉向系統( ElectricPower2Assisted Steering ，簡稱為EPAS) 。

轉矩感測器檢測駕駛員作用在轉向盤上的轉矩，控制單元根據轉矩的大小以及其他信號(包括車速等)控制電動機通過減速機構驅動轉向系統實現助力。在1988年2月，這種轉向系統首先裝在Suzuki Corvo上。EPAS的開發已經在國內外形成一大熱點，與傳統的液壓助力轉向相比，它具有一系列的優點：

(1)節能。試驗表明，裝有EPAS和機械轉向系統的汽車油耗基本上沒有差別。與傳統的液壓系統相比，在不轉向情況下，裝有EPAS的車輛燃油消耗降低了2.5 %，在使用轉向情況下， 降低了5.5 % 。

(2)耐嚴寒。即使在- 40℃的低溫下， EPAS也能夠很好地工作，而傳統的液壓系統要等到液壓油預熱後才能正常工作，這也節省了能量。

(3)增強了隨動性。在EPAS中，電動機產生助力轉矩，通過適當的控制方法，可以消除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隨動性能。

(4)改善了回正特性。由於採用了微電子技術，利用軟體控制電動機的動作，在最大限度內調整設計參數以獲得最佳的回正特性。從最低車速到最高車速，可得到一簇回正特性曲線，而傳統的液壓助力轉向系統無法做到這一點。

(5)提高了操縱穩定性。採用該方法，給正在高速行駛(100km/h) 的汽車一個過度的轉角迫使它側傾，在短時間的自回正過程中，由於採用了微電腦控制，使得汽車具有更高穩定性，駕駛員有更舒適的感覺。同時利用電機質量的慣性阻尼效應，可以使轉向軸的顫動和反衝降到最小。

(6)有利於環保。首先，節能的本身就是環保；其次不使用液壓油，避免了污染，採用電能作為能源，適應當前開發電動汽車的發展潮流；再次，重複利用率高，EPAS中的95%可以再回收利用，而傳統的液壓助力轉向系統的回收利用率只有85%；EPAS還降低噪聲，因為它沒有轉向油泵，而轉向油泵是一個噪聲源。

(7) 易於包裝和裝配。由於沒有油泵、油管和發動機上的皮帶輪，整個助力部分可以與轉向柱或轉向器做成一體，便於包裝和裝配； Fiat公司生產的Punto採用了Delphi公司開發的EPAS，裝車時間減少了80%左右；由於省去了裝於發動機上皮帶輪和油泵，留出的空間可以用於安裝其他部件。

(8)易於維護與保養問題。EPAS不象傳統的液壓助力轉向系統存在軟管漏油和油泵漏油等，實際上，液壓油泵和軟管的事故率占整個系統故障的53%；EPAS具有自我診斷的功能，有助於維修。

(9)易於調整。這包括兩個方面:一是當車型變化時，對助力特性有不同的要求，EPAS助力特性的調整在很大程度上可以通過軟體實現，比如Delphi的EPAS性能的調節可以現場進行，把筆記本電腦與EPAS的ECU相連，只需要1 h 左右就可以完成調整工作；供應商的調整時間僅需要7d，因為轉向控制閥的調整相當不容易。另一方面，EPAS可以根據車輛的車速等運行狀態，提供合理的效能指標。上述Punto的EPAS，提供了一個按鈕，駕駛員可以根據情況進行選擇，而傳統的液壓助力轉向系統調整卻相當不容易，需要數月。

EPAS的關鍵技術既有硬體方面也有軟體方面，硬體是其骨架，軟體是其靈魂。在硬體方面，高度可靠、價格便宜且精度又滿足要求的轉矩感測器是一項關鍵技術，因為在階段，轉矩感測器在各種EPAS中都是必須的，它不僅要在EPAS正常工作時能夠準確測量駕駛員施加的轉矩，而且在EPAS失效時也不因為駕駛員施加的轉矩增大而損壞；另一項關鍵技術就是提供助力的電動機，因為在不同的情況下轉向盤的轉動速度相差很大，電動機要能夠實現助力，其轉速範圍也要很大，回響快，而且在堵轉時也要能夠提供助力作用，對於大型的車輛，甚至要求電動機能夠提供與轉動方向相反的助力轉矩。所以電動機也是限制EPAS在大型車輛上套用的主要原因之一。在軟體方面，要實現對助力電動機的助力控制、回正控制、阻尼控制，並實時監測轉向系統的情況，當出現異常情況時採取相應的控制措施。好的控制方法還可以實現硬體的功能，比如能夠估計駕駛員輸入的轉矩，用一個低價格的角位移感測器代替高價格的轉矩感測器。

線控電動轉向系統

EPAS給轉向系統帶來了一場革命，但時代的發展對轉向系提出更高的要求。國際上又出現開發下一代電動轉向系統的熱潮，這就是線控轉向系統(Steering2By2Wire)，它取消了轉向盤與轉向輪之間的機械連線，完全由電能實現轉向。

開發線控轉向系統有以下幾個方面的考慮:

(1) 提高汽車操縱穩定性能的需要。研究表明，變傳動比(是指轉向系傳動比隨著車速以及轉向盤轉角的變化而變化，而不是傳統意義上僅僅隨著轉向盤轉角的變化而變化) 的轉向系能夠提高汽車的操縱性能，但普通的電動轉向由於存在機械連線而很難滿足這一要求。當車輛高速行駛時，它使傳動比變大，雖然這樣在一定程度上提高了操縱性能，但卻潛伏這樣一個問題:傳動比的增大往往使得駕駛員獲得的“路感”信息減少，而適度的“路感”信息對高速行駛的車輛是重要的。

(2) 在發生撞車事故時，轉向盤是造成駕駛員傷亡的重要因素，而轉向盤的後移往往也是由於存在機械連線造成的。

(3) 動力轉向存在機械連線的主要目的之一就是出於安全的考慮，即在助力作用部分或全部失效後，轉向系統必須有控制汽車行駛的能力，這也是許多法規的要求。但這樣存在另一方面問題，若助力作用突然失效，雖然駕駛員可以靠機械連線進行轉向，但若駕駛員一時無法適應這種突然的變化，也會給駕駛汽車帶來潛在危險。

(4) 交通事故的大部分是由於駕駛員失誤造成的；研究表明，採用智慧型的駕駛員輔助系統能夠在很大程度上提高主動和被動安全性；採用前輪轉角的自動穩定控制比DYC更有效。

通過匯流排把這個訊息傳送出去並從轉向控制裝置獲得反饋命令；轉向控制單元也從操縱裝置獲得駕駛員的指令，並從轉向裝置獲得車輪情況，並指揮整個轉向系統的運動。轉向裝置控制車輪轉到需要的角度，並將車輪的轉角和轉動轉矩反饋到系統的其餘部分，比如操縱裝置，以使駕駛員獲得“路感”，這種“路感”的大小可以根據不同的情況由轉向控制單元控制。又因為轉向裝置完全在轉向控制單元的控制下運動，所以幾乎可以在任意位置實現任意轉向傳動比。這3個部分通過兩通道TTP/C匯流排進行數據傳輸，而且轉向控制單元還可以通過匯流排與其他裝置(比如ABS)進行通信，獲得車輛運行狀態從而進行最佳化控制，幫助駕駛員應付各種情況。

線控轉向系統的關鍵技術

EPAS的關鍵技術線上控轉向系統中也同樣需要解決，但開發線控轉向系統需要解決更複雜的技術。要實現線控轉向系統的功能並不困難，最重要最困難的是實現系統的安全性和可靠性，這就需要採用容錯技術。

開發線控轉向系統的意義

1.滿足汽車智慧型化發展的需要

汽車智慧型化一直是人們追求的目標，線控轉向系統的轉向控制單元可以接受汽車上其他感測器的信號，這樣它就可以知道整個汽車的運動狀態；當出現緊急或意外情況的時候，線控轉向系統就能夠在駕駛員做出反應之前開始採取相應的動作以避免意外事故的發生。當汽車以巡航速度在公路上行駛時，配合其他導航系統和識別系統，可以自動駕駛。

2.是實現汽車全電動化的一個分支

為了實現汽車智慧型化以及保護環境，實現汽車各個系統的全電動化(即所謂的X2By2Wire ，其中X代表轉向、制動等) 是必要的，這個過程被稱為“第五次浪潮”。然後再把所有系統的信息通過匯流排連線到一個中央控制器，這箇中央控制器根據接收的信息判斷汽車的運行狀態，統一協調，控制汽車的運動而最終實現汽車的智慧型化。最終有可能把道路上行駛的汽車都連線到一個交通控制中心，由這個交通控制中心統一指揮每輛汽車的運行，從而實現交通的智慧型化。

3.有利於汽車的設計與製造

由於線控轉向系統取消了轉向盤與轉向輪之間的機械連線，可以騰出空間以安裝其他零部件，可以根據不同國家的法規需要，靈活地把轉向盤由左置改為右置，反過來也一樣。

總結

汽車電動助力轉向技術的發展趨勢已經明朗，國外主要汽車零部件公司，例如Koyo、Delphi 、Hypercar、TRW都在研製線控電動轉向系統，它被普遍認為是下一代的轉向系統。據預測，在2010年左右，線控電動轉向系統將會達到實用。中國離已開發國家的差距很大，還沒有自主智慧財產權的EPAS，更沒有涉及線控轉向系統。作為第一步，應該首先開發自己的EPAS，儘快使EPAS產業化，為進一步開發線控電動轉向系統打下基礎。