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新型电动助力转向系统
Mathias Wuuml;rges
NSK Deutschland GmbH, Ratingen, Germany
1 引言
2 电动助力转向
3 系统组件
4 总结
1 引言
从上世纪80年代末引进第一个带有电机伺服单元的转向系统（电动助力转向系统，EPAS）以来，最近几年他们已经变得越来越普遍。节约能源从而减少二氧化碳排放的必要性驱动了这种发展。根据车辆类型和驾驶风格，EPAS系统有助于降低0.3-0.5升/百公里的油耗。
2010年全球市场上EPAS已累计达到2600万台，预计到2015年将几乎翻一番。这种趋势来源于用于小型车到高级汽车的电气和电子部件及其安全理念的快速发展，也来自于EPAS技术在例如中国和巴西等的高速发展国家市场的扩大。
2 电动助力转向
如今，在市场上有不同的EPAS系统，这是根据车辆的边界条件和车辆制造商的技术理念来确定的。选择合适系统中重要技术的参数是转向齿条力和转向比，即转向盘角度和转向齿条行程或相应的前轮转向角之间的比例（图1）。
图1.电动助力转向系统（EPAS）
尽管各种EPAS系统的设计不同，但是它们都有大多数的功能要求：
bull;在任何行驶条件下的操纵安全性和非常高水平的有效性
bull;在最多样的驾驶情况下的高动态响应特性
bull;对驾驶员在强驱动力的情况下驾驶，例如停车演习等时，有足够水平的转向助力
bull;在所有转向操纵时有较小的噪音，在这辆车的功能中声反馈是不可取
bull;有着与车辆品牌理念符合的高品质转向特性
bull;越来越多的转向功能被集成到现代EPAS系统中，这提高了驾驶员的安全性或舒适性，并且可以由相应的车辆制造商销售。
然而，减少燃料消耗量主要推动引进能替代液压转向系统的EPAS系统。因为在各种行驶状况的高动态响应对转向助力是至关重要的，在任何时候液压系统必须一直保持油压。这要通过泵的连续操作，因此导致高需求的功耗。然而，EPAS系统从车辆电源中转换电能，只需分配相应时间长度转向要求的所需能量。EPAS的另外一个优点是它简单的安装和拆卸性能，因为EPAS的执行系统可以通过电源和信号插头连接器简单地连接起来，没有耗时的液压液处理。
电机转向进一步的优点是其良好的控制能力，EPAS控制单元嵌入车辆通信网络中，系统具有高动态性能，几乎不依赖温度的特性。这些属性也被用来引入新的（转向）功能，从而增加转向时的安全性和舒适水平。
转向系统提出的严格安全要求需要广泛安全功能的开发和生效，以及质量标准化流程的应用。电子安全系统通用的IEC 61508安全标准最初应用于安全概念。然而，生效于2011年11月，将是未来发展的新安全标准ISO 26262，是专为道路车辆安全相关的电气和电子系统设定的。
2.1 EPAS系统的常规功能
驾驶员手动给转向盘施加操纵转矩。转矩传感器检测出这个力矩，并将其转化为一个模拟或数字信号后传送到转向系统的电子控制单元内（ECU）。该ECU根据驾驶情况计算必要的助力转矩。驱动器状态是由系统内部和系统外部信息，诸如车辆速度等决定的。该ECU通过电力电子技术相应地控制电动机。由手动扭矩和助力转矩组成的转向力矩通过转向器上的齿轮转化为驱动力，并且通过横拉杆传递到车轮部（图2）。
图2.EPAS转向柱的力平衡
为了尽量减少车辆的装载电气—因为能量的要求--转向系统的操作必须尽可能地有效。该系统设计对带有低机械摩擦损失及高效电机和传动链的转向系统有促进作用。下面的式子显示了一个明确的受机械影响变量的电动助力转向系统（C EPAS）转向柱的例子:
横拉杆上的驱动力
转向柱上齿轮和转向机构转向器的齿轮齿数比
齿轮齿条机构的效率
驾驶员的手动转向力矩
电机的机械效率
电机提供的机械力矩
减速装置的传动比
减速装置的效率
转向器的效率
力的平衡清楚地阐述了手动转向力矩受到电机控制力矩变化的直接影响。速度相关的回归转向助力借鉴了这一原则。在低车速时，例如停车时，EPAS电机激活具有相对高的电流（辅助电流），以便实现平稳转向。在高速行驶时，通常仅进行小转向运动，驾驶员需要精确的触觉反馈;因此，在此这种情况下（图3）EPAS系统提供一个较小的水平转向助力。
图3.回归转向支持
高动态驾驶被使用在EPAS系统中，这样在完成快速转向运动，例如当停车或进行快速逃避演习时，也可以提供必要的助力转矩。一般来说，EPAS系统能够提供全面助力转矩，即使在360◦/ s的角速度时。
2.2 EPAS技术
2.2.1 EPAS转向柱
C EPAS转向在主要用于小型和紧凑型车辆。这是由于电机、（功率）电子、组件刚度、减速装置和控制软件技术的进一步增强;然而，现代C EPAS转向也被用在小型车到高级汽车的所有种类的车辆中。
在C EPAS转向的情况下，电动机/控制单元和力矩传感器被集成到转向柱上。通过一个减速装置，电机向转向柱传递一个支持转矩。随着这技术渗入到到车辆内部，这种类型的EPAS为相对温和的环境条件而配置。
伺服单元被直接集成到转向柱，现代EPAS系统必须足够小，以灵活地适应车辆装置空间。由于其靠近驾驶员，伺服单元在所有转向速度下必须要很安静。转向路感提出的高要求是通过转向柱和中间轴(I-shift)的稳定的力学性能以及相关的控制算法（图4）。
图4.EPAS转向柱
全球活跃的日本转向制造商NSK的产品组合，清楚地展示了C EPAS转向系统可能的广泛应用。图5展示了目前市场上可用的最小系统，这是用在丰田iQ上的。随着新丰田赛纳转向系统的使用，NSK设定了C EPAS系统的全球性能和功率密度标准。该系统提供了一个12.5kN的转向助力机架负荷，是一个经典的替代液压助力转向的例子，它可以用于各种类别的车辆，从小型车到超过3-L引擎的车。欧洲市场上性能最高到8.5kN的C EPAS也是由NSK开发。它在包括雷诺Megane Scenic在内的车型使用。
图5.Toyota iQ EPAS转向柱简图
2.2.2单齿轮EPAS
在单齿轮EPAS的情况下，伺服单元直接设置在转向齿轮上。转矩传感器、伺服单元和减速装置结合在齿轮壳体上，从而形成了一个紧凑的EPAS系统，但是，这有一个相对固定的布局。单齿轮EPAS用在在小型和中型的车辆上。
因为它们位于发动机室，单齿轮EPAS和附属系统暴露在比C EPAS系统（最多135◦C）较高的环境温度中，必须根据特别是电子部件来相应地设计。其布置还意味着EPAS系统暴露于灰尘颗粒和潮湿中，因此，壳体结构必须密封（图6）。
图6.单齿轮式EPAS
2.2.3双齿轮EPAS
顾名思义，这种类型的EPAS系统特征是第二齿轮。该第二单元包括电动机、控制器、减速装置以及齿轮。因为所使用的原理，扭矩传感器被集成在齿轮单元的转向柱上，类似于单齿轮EPAS，这使得单独的信令线路被连接至电子控制单元。相比于单齿轮的概念，双齿轮EPAS提供一个更好水平的伺服单元安排灵活性，因此，其放置在有限的发动机隔间内。因为它的转向齿轮比是独立的，减速装置的传动比可以被优化后应用在具有稍高控制扭矩的地方（图7）。
图7.双齿轮式EPAS
2.2.4平行轴式EPAS
随着在这类车辆中液压系统正在被电动伺服系统取代以及EPAS系统也变得越来越成熟，平行轴式驱动系统在中高轴负载车辆使用，并正在强劲地增长。
由电动机和ECU组成的单元，和转向器平行布置。在电机轴上的一个齿轮驱动带齿的皮带，转向齿条的滚珠螺杆传动将转矩转化到其主轴上。由于有效传输阶段，带齿的皮带、滚珠螺杆传动，这种形式的EPAS的具有高的整体效率，这使得它能够控制大的转向力。转矩传感器依次集成到转向齿轮部，并通过一个信号线与伺服单元相连（图8）。
图8. 平行轴式EPAS
2.2.5机架同心式EPAS
机架同心EPAS系统使用在高轴负荷和相应的高驱动力要求的车辆上。然而，如今他们都还不是很普遍。
在此系统中，电动机的转子直接安置在滚珠螺杆处。电动马达的扭矩转换成驱动力作用在滚珠螺杆转向齿条。由于该系统仅包括一个传输阶段，电动机必须提供一个相当高的转矩（图9）。
图9. 机架同心式EPAS
3 系统部件
3.1 EPAS转向柱的结构
转向柱的结构具有吸收由驾驶员施加的转向转矩和在最低可能摩擦损失下将其转移到I轴的首要任务。由于转向必须始终作为一个安全顶级优先的系统，转向结构的设计也相应强大和受到密集的测试。在碰撞的情况下，转向柱还具有由一个可控崩塌速率的装置吸收冲击能量的任务，防止驾驶员对着方向盘被抛出
转向柱具有以下驾驶员/车辆系统机械接口（图10）：
bull;方向盘（输入扭矩）
bull;I-轴（转矩传递）
bull;交叉车梁（固定）
bull;仪表板（封装接口）
图10.EPAS转向柱蜗轮蜗杆装置
C EPAS转向系统的机械结构包括分开的转向轴，其两部分由扭杆相连。根据扭杆刚度，其典型值是2.0-25Nm/◦，这种设计保证了相对于手动转向转矩的输入和输出轴之间的旋转角度差。这个角度差被用来检测转向转矩（第3.3.1节;扭矩传感器）。手动转向力矩和伺服助力力矩组合驱动力矩，通过I轴，到转向齿轮，并转化成成所得转向齿条力。
以下转向柱类型之间的区别是基于他们的适应性：
bull;不能单独调整到驱动位置的转向柱被称为固定转向柱。
bull;为了提高舒适性，一些转向柱的高度可以调节。在这种情况下，转向柱使用杠杆为驾驶员位置设定合适的高度。
bull;第三类型转向柱可以调整高度和臂长。这允许方向盘位置上下移动，进去或出来。
可调系统设有分离的转向轴，这是夹紧系统在位置上一致的，以固定转向柱。这一个特殊版本有着电动调节高度和臂长的功能。这主要存在于高档汽车。这种电动调节系统都是使用和转向传动系统分离的机电系统。
3.1.1手动高度调节
当车辆被开发，方向盘位置为驾驶员设计了一定高度。根据驾驶员的实际身体构造和他或她个人座椅的位置，高度可调转向柱可提高舒适程度。高度可调转向柱以最低安装悬挂点为中心旋转。转向柱由在上方固定的狭槽引导，这决定了转向柱可以倾斜（通常约plusmn;20-25mm）。夹紧系统保证转向柱被牢固地固定在选定位置，即使当它受到负荷，如驾驶员使用方向盘拉动他或她自己向后。无论摩擦的机械系统和主动锁止机构都提供了选项。
3.1.2手动长度调整
为进一步地适应方向盘的位置，可以调整伸缩长度，即改变驾驶员和方向盘之间的距离来实现。有两种类型的伸缩调整，这是根据所述车辆的制造商的理念和可用的空间来分的。
类型1：在伸缩调整时，只有内转向柱管移动，留下I轴位置的上部万向节。
类型2：整个上转向柱移动，包括上万向节。I轴的滑动机构补偿了这种在系统中的运动。
对于这两种类型，通过槽来达到调整，它定义了可能调整（通常约plusmn;20 mm）引导。转向柱使用摩擦夹紧或主动锁止来固定在适当位置。该系统的设计必须确保强壮司机施加的力不会意外改变方向盘的位置。这种提高舒适度的选项通常与高度调节相结合，使得驾驶员可以最佳地调整系统。
3.1.3电动高度和纵向长度调节转向柱
有些高档汽车具有电动调节系统。这些系统具有一个用于高度调节、一个调节长度的电机执行机构系统，使司机在允许的范围内通过激活相应的开关来调整方向盘位置。该机构由一个独立于EPAS控制单元的单独系统控制。
这些系统不仅用于驾驶时调节方向盘位置，但它们也执行附加功能。例如，当驾驶员离开车辆时，方向盘可以自动提升使得方便出去。驾驶员进入后，转向盘自动回到存储各自驾驶员特定位置的地方。
3.1.4在碰撞的情况下乘客的安全
作为被动安全系统的一部分，所述转向系统包括用于驾驶员在车辆碰撞的情况下的保护机制。如果驾驶员被抛向方向盘，转向柱应吸收能量，从而减少作用在司机上的力。基本上，在车辆碰撞尤其是正面碰撞可分为两个阶段，初级和二次碰撞。
在初级碰撞中，车辆撞击障碍物，发动机舱变形。由于这个原因，发动机被推回，这将使方向盘移向驾驶员。转向器和转向轮之间的这种相对运动是由在I-轴的滑动机构补偿，这同样用于一样用于纵向调节（图11）。
二次碰撞指的是车辆及其乘客和转向系统反应的快速减速。气囊被释放驾驶员被甩到对方向盘。转向系统现在通过吸收大部分的冲击能量保护司机。定义的反作用力都在这里产生，其特点可以分为三个阶段来表示。
正
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