電動(dòng)轉(zhuǎn)向

EPAS給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)帶來了一場革命，但時(shí)代的發(fā)展對(duì)轉(zhuǎn)向系提出更高的要求。國際上又出現(xiàn)開發(fā)下一代電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的熱潮，這就是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Steering2By2Wire)，它取消了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，完全由電能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

開發(fā)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有以下幾個(gè)方面的考慮:

(1) 提高汽車操縱穩(wěn)定性能的需要。研究表明，變傳動(dòng)比(是指轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比隨著車速以及轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的變化而變化，而不是傳統(tǒng)意義上僅僅隨著轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的變化而變化) 的轉(zhuǎn)向系能夠提高汽車的操縱性能，但普通的電動(dòng)轉(zhuǎn)向由于存在機(jī)械連接而很難滿足這一要求。當(dāng)車輛高速行駛時(shí)，它使傳動(dòng)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(gè)問題:傳動(dòng)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(duì)高速行駛的車輛是重要的。

(2) 在發(fā)生撞車事故時(shí)，轉(zhuǎn)向盤是造成駕駛員傷亡的重要因素，而轉(zhuǎn)向盤的后移往往也是由于存在機(jī)械連接造成的。

(3) 動(dòng)力轉(zhuǎn)向存在機(jī)械連接的主要目的之一就是出于安全的考慮，即在助力作用部分或全部失效后，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須有控制汽車行駛的能力，這也是許多法規(guī)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(jī)械連接進(jìn)行轉(zhuǎn)向，但若駕駛員一時(shí)無法適應(yīng)這種突然的變化，也會(huì)給駕駛汽車帶來潛在危險(xiǎn)。

(4) 交通事故的大部分是由于駕駛員失誤造成的；研究表明，采用智能的駕駛員輔助系統(tǒng)能夠在很大程度上提高主動(dòng)和被動(dòng)安全性；采用前輪轉(zhuǎn)角的自動(dòng)穩(wěn)定控制比DYC更有效。

通過總線把這個(gè)消息發(fā)送出去并從轉(zhuǎn)向控制裝置獲得反饋命令；轉(zhuǎn)向控制單元也從操縱裝置獲得駕駛員的指令，并從轉(zhuǎn)向裝置獲得車輪情況，并指揮整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向裝置控制車輪轉(zhuǎn)到需要的角度，并將車輪的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩反饋到系統(tǒng)的其余部分，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(jù)不同的情況由轉(zhuǎn)向控制單元控制。又因?yàn)檗D(zhuǎn)向裝置完全在轉(zhuǎn)向控制單元的控制下運(yùn)動(dòng)，所以幾乎可以在任意位置實(shí)現(xiàn)任意轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比。這3個(gè)部分通過兩通道TTP/C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而且轉(zhuǎn)向控制單元還可以通過總線與其他裝置(比如ABS)進(jìn)行通信，獲得車輛運(yùn)行狀態(tài)從而進(jìn)行優(yōu)化控制，幫助駕駛員應(yīng)付各種情況。

EPAS的關(guān)鍵技術(shù)在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中也同樣需要解決，但開發(fā)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要解決更復(fù)雜的技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能并不困難，最重要最困難的是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全性和可靠性，這就需要采用容錯(cuò)技術(shù) 。

汽車轉(zhuǎn)向性能是汽車的主要性能之一，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能直接影響到汽車的操縱穩(wěn)定性，它對(duì)于確保車輛的安全行駛、減少交通事故以及保護(hù)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(zhuǎn)向性能，普遍采用了動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是最早采用的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)形式，電子技術(shù)和電氣技術(shù)的應(yīng)用使得轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生了革命性的變化，出現(xiàn)了電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和線控電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠滿足當(dāng)前節(jié)能與環(huán)保的要求，并給汽車的設(shè)計(jì)與制造帶來了新的空間； 又出現(xiàn)了研究線控電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的趨勢，它是在轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間不再采用機(jī)械連接，徹底擺脫傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所固有的限制，在給駕駛員帶來方便的同時(shí)也提高了汽車的安全性 。

傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般是由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵提供液壓油，由轉(zhuǎn)向控制閥來控制液壓油的作用以實(shí)現(xiàn)助力。但這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性與汽車的實(shí)際要求不一致，因?yàn)槠嚥煌俣刃旭倳r(shí)對(duì)助力特性的要求不同，而傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法做到這一點(diǎn)。后來，把電子技術(shù)引進(jìn)了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由控制單元根據(jù)情況來控制電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵運(yùn)轉(zhuǎn)，就形成了電子控制的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electro2Hydraulic Power Steering ，簡稱為EHPS) ，它符合當(dāng)代節(jié)能與環(huán)保的要求，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向油泵不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，但真正轉(zhuǎn)向的時(shí)間卻不多，這樣存在很大的寄生損失；在EHPS 中，正常轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員轉(zhuǎn)向動(dòng)作不快，其電動(dòng)機(jī)可以低速運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)需要快速轉(zhuǎn)向時(shí)，電動(dòng)機(jī)加速，以提供足夠的液壓油；不需要轉(zhuǎn)向動(dòng)作的時(shí)候，可以讓電機(jī)停轉(zhuǎn)或低速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而大大節(jié)約能量。進(jìn)一步的發(fā)展就是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( ElectricPower2Assisted Steering ，簡稱為EPAS) 。

轉(zhuǎn)矩傳感器檢測駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩，控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)矩的大小以及其他信號(hào)(包括車速等)控制電動(dòng)機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)助力。在1988年2月，這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)首先裝在Suzuki Corvo上。EPAS的開發(fā)已經(jīng)在國內(nèi)外形成一大熱點(diǎn)，與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向相比，它具有一系列的優(yōu)點(diǎn)：

(1)節(jié)能。試驗(yàn)表明，裝有EPAS和機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車油耗基本上沒有差別。與傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)相比，在不轉(zhuǎn)向情況下，裝有EPAS的車輛燃油消耗降低了2.5 %，在使用轉(zhuǎn)向情況下， 降低了5.5 % 。

(2)耐嚴(yán)寒。即使在- 40℃的低溫下， EPAS也能夠很好地工作，而傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)要等到液壓油預(yù)熱后才能正常工作，這也節(jié)省了能量。

(3)增強(qiáng)了隨動(dòng)性。在EPAS中，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩，通過適當(dāng)?shù)目刂品椒?，可以消除液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應(yīng)，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向車輪對(duì)轉(zhuǎn)向盤的隨動(dòng)性能。

(4)改善了回正特性。由于采用了微電子技術(shù)，利用軟件控制電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作，在最大限度內(nèi)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)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(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法做到這一點(diǎn)。

(5)提高了操縱穩(wěn)定性。采用該方法，給正在高速行駛(100km/h) 的汽車一個(gè)過度的轉(zhuǎn)角迫使它側(cè)傾，在短時(shí)間的自回正過程中，由于采用了微電腦控制，使得汽車具有更高穩(wěn)定性，駕駛員有更舒適的感覺。同時(shí)利用電機(jī)質(zhì)量的慣性阻尼效應(yīng)，可以使轉(zhuǎn)向軸的顫動(dòng)和反沖降到最小。

(6)有利于環(huán)保。首先，節(jié)能的本身就是環(huán)保；其次不使用液壓油，避免了污染，采用電能作為能源，適應(yīng)當(dāng)前開發(fā)電動(dòng)汽車的發(fā)展潮流；再次，重復(fù)利用率高，EPAS中的95%可以再回收利用，而傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回收利用率只有85%；EPAS還降低噪聲，因?yàn)樗鼪]有轉(zhuǎn)向油泵，而轉(zhuǎn)向油泵是一個(gè)噪聲源。

(7) 易于包裝和裝配。由于沒有油泵、油管和發(fā)動(dòng)機(jī)上的皮帶輪，整個(gè)助力部分可以與轉(zhuǎn)向柱或轉(zhuǎn)向器做成一體，便于包裝和裝配； Fiat公司生產(chǎn)的Punto采用了Delphi公司開發(fā)的EPAS，裝車時(shí)間減少了80%左右；由于省去了裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上皮帶輪和油泵，留出的空間可以用于安裝其他部件。

(8)易于維護(hù)與保養(yǎng)問題。EPAS不象傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在軟管漏油和油泵漏油等，實(shí)際上，液壓油泵和軟管的事故率占整個(gè)系統(tǒng)故障的53%；EPAS具有自我診斷的功能，有助于維修。

(9)易于調(diào)整。這包括兩個(gè)方面:一是當(dāng)車型變化時(shí)，對(duì)助力特性有不同的要求，EPAS助力特性的調(diào)整在很大程度上可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，比如Delphi的EPAS性能的調(diào)節(jié)可以現(xiàn)場進(jìn)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(diào)整工作；供應(yīng)商的調(diào)整時(shí)間僅需要7d，因?yàn)檗D(zhuǎn)向控制閥的調(diào)整相當(dāng)不容易。另一方面，EPAS可以根據(jù)車輛的車速等運(yùn)行狀態(tài)，提供合理的效能指標(biāo)。上述Punto的EPAS，提供了一個(gè)按鈕，駕駛員可以根據(jù)情況進(jìn)行選擇，而傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)調(diào)整卻相當(dāng)不容易，需要數(shù)月。

EPAS的關(guān)鍵技術(shù)既有硬件方面也有軟件方面，硬件是其骨架，軟件是其靈魂。在硬件方面，高度可靠、價(jià)格便宜且精度又滿足要求的轉(zhuǎn)矩傳感器是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，因?yàn)樵陔A段，轉(zhuǎn)矩傳感器在各種EPAS中都是必須的，它不僅要在EPAS正常工作時(shí)能夠準(zhǔn)確測量駕駛員施加的轉(zhuǎn)矩，而且在EPAS失效時(shí)也不因?yàn)轳{駛員施加的轉(zhuǎn)矩增大而損壞；另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是提供助力的電動(dòng)機(jī)，因?yàn)樵诓煌那闆r下轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度相差很大，電動(dòng)機(jī)要能夠?qū)崿F(xiàn)助力，其轉(zhuǎn)速范圍也要很大，響應(yīng)快，而且在堵轉(zhuǎn)時(shí)也要能夠提供助力作用，對(duì)于大型的車輛，甚至要求電動(dòng)機(jī)能夠提供與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的助力轉(zhuǎn)矩。所以電動(dòng)機(jī)也是限制EPAS在大型車輛上應(yīng)用的主要原因之一。在軟件方面，要實(shí)現(xiàn)對(duì)助力電動(dòng)機(jī)的助力控制、回正控制、阻尼控制，并實(shí)時(shí)監(jiān)測轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的情況，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)采取相應(yīng)的控制措施。好的控制方法還可以實(shí)現(xiàn)硬件的功能，比如能夠估計(jì)駕駛員輸入的轉(zhuǎn)矩，用一個(gè)低價(jià)格的角位移傳感器代替高價(jià)格的轉(zhuǎn)矩傳感器 。

1.滿足汽車智能化發(fā)展的需要

汽車智能化一直是人們追求的目標(biāo)，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向控制單元可以接受汽車上其他傳感器的信號(hào)，這樣它就可以知道整個(gè)汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)出現(xiàn)緊急或意外情況的時(shí)候，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就能夠在駕駛員做出反應(yīng)之前開始采取相應(yīng)的動(dòng)作以避免意外事故的發(fā)生。當(dāng)汽車以巡航速度在公路上行駛時(shí)，配合其他導(dǎo)航系統(tǒng)和識(shí)別系統(tǒng)，可以自動(dòng)駕駛。

2.是實(shí)現(xiàn)汽車全電動(dòng)化的一個(gè)分支

為了實(shí)現(xiàn)汽車智能化以及保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)汽車各個(gè)系統(tǒng)的全電動(dòng)化(即所謂的X2By2Wire ，其中X代表轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等) 是必要的，這個(gè)過程被稱為“第五次浪潮”。然后再把所有系統(tǒng)的信息通過總線連接到一個(gè)中央控制器，這個(gè)中央控制器根據(jù)接收的信息判斷汽車的運(yùn)行狀態(tài)，統(tǒng)一協(xié)調(diào)，控制汽車的運(yùn)動(dòng)而最終實(shí)現(xiàn)汽車的智能化。最終有可能把道路上行駛的汽車都連接到一個(gè)交通控制中心，由這個(gè)交通控制中心統(tǒng)一指揮每輛汽車的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)交通的智能化。

3.有利于汽車的設(shè)計(jì)與制造

由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，可以騰出空間以安裝其他零部件，可以根據(jù)不同國家的法規(guī)需要，靈活地把轉(zhuǎn)向盤由左置改為右置，反過來也一樣。

汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展趨勢已經(jīng)明朗，國外主要汽車零部件公司，例如Koyo、Delphi 、Hypercar、TRW都在研制線控電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它被普遍認(rèn)為是下一代的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。據(jù)預(yù)測，在2010年左右，線控電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將會(huì)達(dá)到實(shí)用。中國離發(fā)達(dá)國家的差距很大，還沒有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EPAS，更沒有涉及線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。作為第一步，應(yīng)該首先開發(fā)自己的EPAS，盡快使EPAS產(chǎn)業(yè)化，為進(jìn)一步開發(fā)線控電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)打下基礎(chǔ) 。

將電動(dòng)機(jī)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在齒輪齒條轉(zhuǎn)向器小齒輪相對(duì)的另一側(cè)，單獨(dú)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向齒條來改變手力的電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。