電動轉(zhuǎn)向

EPAS給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)帶來了一場革命，但時代的發(fā)展對轉(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)向輪之間的機械連接，完全由電能實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

開發(fā)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有以下幾個方面的考慮:

(1) 提高汽車操縱穩(wěn)定性能的需要。研究表明，變傳動比(是指轉(zhuǎn)向系傳動比隨著車速以及轉(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，但普通的電動轉(zhuǎn)向由于存在機械連接而很難滿足這一要求。當(dāng)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(fā)生撞車事故時，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械連接造成的。

(3) 動力轉(zhuǎn)向存在機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械連接進行轉(zhuǎn)向，但若駕駛員一時無法適應(yīng)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和被動安全性；采用前輪轉(zhuǎn)角的自動穩(wěn)定控制比DYC更有效。

通過總線把這個消息發(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，并指揮整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運動。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。又因為轉(zhuǎn)向裝置完全在轉(zhuǎn)向控制單元的控制下運動，所以幾乎可以在任意位置實現(xiàn)任意轉(zhuǎn)向傳動比。這3個部分通過兩通道TTP/C總線進行數(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)進行通信，獲得車輛運行狀態(tài)從而進行優(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現(xiàn)系統(tǒng)的安全性和可靠性，這就需要采用容錯技術(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，它對于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(zhuǎn)向性能，普遍采用了動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是最早采用的動力轉(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)了電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和線控電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

電動助力轉(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)計與制造帶來了新的空間； 又出現(xiàn)了研究線控電動轉(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)動機驅(qū)動轉(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現(xiàn)助力。但這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)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(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法做到這一點。后來，把電子技術(shù)引進了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由控制單元根據(jù)情況來控制電動機，驅(qū)動轉(zhuǎn)向油泵運轉(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，因為傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向油泵不停地運轉(zhuǎn)，但真正轉(zhuǎn)向的時間卻不多，這樣存在很大的寄生損失；在EHPS 中，正常轉(zhuǎn)向時，駕駛員轉(zhuǎn)向動作不快，其電動機可以低速運轉(zhuǎn)；當(dāng)需要快速轉(zhuǎn)向時，電動機加速，以提供足夠的液壓油；不需要轉(zhuǎn)向動作的時候，可以讓電機停轉(zhuǎn)或低速運轉(zhuǎn)，從而大大節(jié)約能量。進一步的發(fā)展就是電動助力轉(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(包括車速等)控制電動機通過減速機構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實現(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，與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向相比，它具有一系列的優(yōu)點：

(1)節(jié)能。試驗表明，裝有EPAS和機械轉(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)增強了隨動性。在EPAS中，電動機產(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)，增強了轉(zhuǎn)向車輪對轉(zhuǎn)向盤的隨動性能。

(4)改善了回正特性。由于采用了微電子技術(shù)，利用軟件控制電動機的動作，在最大限度內(nèi)調(diào)整設(shè)計參數(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。

(5)提高了操縱穩(wěn)定性。采用該方法，給正在高速行駛(100km/h) 的汽車一個過度的轉(zhuǎn)角迫使它側(cè)傾，在短時間的自回正過程中，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。同時利用電機質(zhì)量的慣性阻尼效應(yīng)，可以使轉(zhuǎn)向軸的顫動和反沖降到最小。

(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，因為它沒有轉(zhuǎn)向油泵，而轉(zhuǎn)向油泵是一個噪聲源。

(7) 易于包裝和裝配。由于沒有油泵、油管和發(fā)動機上的皮帶輪，整個助力部分可以與轉(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，裝車時間減少了80%左右；由于省去了裝于發(fā)動機上皮帶輪和油泵，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，實際上，液壓油泵和軟管的事故率占整個系統(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。這包括兩個方面:一是當(dāng)車型變化時，對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現(xiàn)，比如Delphi的EPAS性能的調(diào)節(jié)可以現(xiàn)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(diào)整工作；供應(yīng)商的調(diào)整時間僅需要7d，因為轉(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)車輛的車速等運行狀態(tài)，提供合理的效能指標(biāo)。上述Punto的EPAS，提供了一個按鈕，駕駛員可以根據(jù)情況進行選擇，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、價格便宜且精度又滿足要求的轉(zhuǎn)矩傳感器是一項關(guān)鍵技術(shù)，因為在階段，轉(zhuǎn)矩傳感器在各種EPAS中都是必須的，它不僅要在EPAS正常工作時能夠準(zhǔn)確測量駕駛員施加的轉(zhuǎn)矩，而且在EPAS失效時也不因為駕駛員施加的轉(zhuǎn)矩增大而損壞；另一項關(guān)鍵技術(shù)就是提供助力的電動機，因為在不同的情況下轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動速度相差很大，電動機要能夠?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)時也要能夠提供助力作用，對于大型的車輛，甚至要求電動機能夠提供與轉(zhuǎn)動方向相反的助力轉(zhuǎn)矩。所以電動機也是限制EPAS在大型車輛上應(yīng)用的主要原因之一。在軟件方面，要實現(xiàn)對助力電動機的助力控制、回正控制、阻尼控制，并實時監(jiān)測轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的情況，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時采取相應(yīng)的控制措施。好的控制方法還可以實現(xiàn)硬件的功能，比如能夠估計駕駛員輸入的轉(zhuǎn)矩，用一個低價格的角位移傳感器代替高價格的轉(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，這樣它就可以知道整個汽車的運動狀態(tài)；當(dāng)出現(xiàn)緊急或意外情況的時候，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，配合其他導(dǎo)航系統(tǒng)和識別系統(tǒng)，可以自動駕駛。

2.是實現(xiàn)汽車全電動化的一個分支

為了實現(xiàn)汽車智能化以及保護環(huán)境，實現(xiàn)汽車各個系統(tǒng)的全電動化(即所謂的X2By2Wire ，其中X代表轉(zhuǎn)向、制動等) 是必要的，這個過程被稱為“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中央控制器，這個中央控制器根據(jù)接收的信息判斷汽車的運行狀態(tài)，統(tǒng)一協(xié)調(diào)，控制汽車的運動而最終實現(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交通控制中心，由這個交通控制中心統(tǒng)一指揮每輛汽車的運行，從而實現(xiàn)交通的智能化。

3.有利于汽車的設(shè)計與制造

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都在研制線控電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它被普遍認為是下一代的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。據(jù)預(yù)測，在2010年左右，線控電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將會達到實用。中國離發(fā)達國家的差距很大，還沒有自主知識產(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，為進一步開發(fā)線控電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)打下基礎(chǔ) 。

將電動機及其傳動機構(gòu)固定在齒輪齒條轉(zhuǎn)向器小齒輪相對的另一側(cè)，單獨驅(qū)動轉(zhuǎn)向齒條來改變手力的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。