電機助力轉向系統的研究與方案

英飛凌作為世界第二大車(chē)用半導體供應商，一直致力于開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品以適應于電動(dòng)助力轉向系統的發(fā)展。本文首先介紹轉向系統的市場(chǎng)分析以及EPS的分類(lèi)及其基本功能，然后在此基礎上介紹英飛凌對于基于兩種不同電機的EPS系統的解決方案及其產(chǎn)品，最后本文分析了EPS的兩個(gè)新方向以及英飛凌將采用的解決方案和新的產(chǎn)品技術(shù)。

1．轉向系統市場(chǎng)分析

在汽車(chē)的發(fā)展歷程中，轉向體經(jīng)歷了四個(gè)階段：從簡(jiǎn)單的純機械式轉向系統(MechanicalSteering，MS)發(fā)展到液壓助力轉向系統(HydraulicPowerSteering，HPS)，然后又出現了電液助力轉向系統(ElectricallyPoweredHydraulicSteering，EHPS)，而目前正開(kāi)始廣泛應用的是電動(dòng)助力轉向系統(ElectricPowerSteering，EPS)。

與傳統的液壓動(dòng)力轉向系統相比，電動(dòng)助力轉向系統主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢：

1.能耗少：EPS沒(méi)有轉向油泵，且只在轉向時(shí)電動(dòng)機才提供助力，所以動(dòng)力消耗和燃油消耗均可降到最低。比液壓助力轉向系統可節約燃油3％~5％，因而燃油經(jīng)濟性有了很大的提高。

2.路感好：EPS能在各種行駛工況下提供最佳力，減小路面不平度所引起的對轉向系的擾動(dòng)。且由于EPS系統內部采用剛性連接，系統的滯后特性可以通過(guò)軟件加以控制，因此有較好的路感。

3.安裝方便：EPS取消了油泵、皮帶、密封件、液壓軟管、液壓油及密封件等零件，并且其電機和減速機構安裝在轉向柱或裝在轉向器內，從而使整個(gè)轉向系統的重量減輕、結構緊湊且安裝方便。

4.回正性能好：EPS結構簡(jiǎn)單精確、內部阻力小、回正性能好，而且可以通過(guò)軟件進(jìn)行補償，從而可以得到最佳的轉向回正特性，且可改善汽車(chē)的操縱穩定性。

5.應用范圍廣：EPS可適應各種汽車(chē)，目前主要用于轎車(chē)和輕型載貨汽車(chē)。而對于新能源車(chē)，尤其是純電動(dòng)汽車(chē)，EPS系統為其最佳選擇。

6.整車(chē)網(wǎng)絡(luò )構建：EPS由于有CAN/LIN的網(wǎng)絡(luò )接口，可以與汽車(chē)其它電子控制系統結合，例如主動(dòng)懸架、制動(dòng)防抱死(ABS)及駕駛員輔助系統等，共享其電子裝置的功能，實(shí)現更加復雜的功能，比如汽車(chē)智能化的終極目標：無(wú)人駕駛。

下表一是世界著(zhù)名的咨詢(xún)公司StrategyAnalytics對全球轉向系統的預測，可以看到EPS將占據50%以上的市場(chǎng)份額。

表一：2007-2018全球轉向系統市場(chǎng)預測（百萬(wàn)套）

若分區域來(lái)看，過(guò)去主要在歐美和日本采用EPS。但是從2015開(kāi)始，中國將超過(guò)歐美和日本，成為全球最大的EPS市場(chǎng)。見(jiàn)下表二。

表二：2007-2017全球轉向系統市場(chǎng)分區域預測（百萬(wàn)套）

若分車(chē)型來(lái)看，所有的廣義乘用車(chē)都能應用EPS，從2007年至2017年的平均年增長(cháng)率為15%。不過(guò)由于大型轎車(chē)和輕卡對于EPS的需求增長(cháng)迅猛，表三顯示從C級以下的小型轎車(chē)的份額從2007年的86%下降為2018年的66%。

表三：2007-2018全球轉向系統市場(chǎng)分車(chē)型預測（百萬(wàn)套）

2．電動(dòng)助力轉向系統的介紹

電動(dòng)助力轉向系統是在傳統機械轉向系統的基礎上發(fā)展起來(lái)的，它利用電動(dòng)機產(chǎn)生的動(dòng)力來(lái)幫助駕駛員進(jìn)行轉向操作。系統主要由三大部分構成：信號傳感裝置(包括扭矩傳感器、方向盤(pán)角度傳感器和車(chē)速傳感器)，電子控制單元和轉向助力機構(電機、離合器、減速傳動(dòng)機構等)。

電動(dòng)機僅在需要助力時(shí)工作，駕駛員在操縱轉向盤(pán)時(shí)，裝在轉向盤(pán)軸上的扭矩傳感器不斷地測出轉向軸上的扭短信號，該信號與車(chē)速信號同時(shí)輸入到電子控制單元。電控單元根據這些輸入信號，確定助力扭矩的大小和方向，即選定電動(dòng)機的電流和轉向，調整轉向輔助動(dòng)力的大小。電動(dòng)機的扭矩由電磁離合器通過(guò)減速機構減速增扭后，加在汽車(chē)的轉向機構上，使之得到一個(gè)與汽車(chē)工況相適應的轉向作用力。

根據電機安裝位置和機械結構的不同，電動(dòng)助力轉向系統系統可以分為：管柱助力式(ColumnMounted)，小齒輪助力式(Pinionmounted)，雙小齒輪助力式(2xPinionmounted)和齒條助力式(Rackmounted)。具體的如下圖一所示：

圖一：電動(dòng)助力轉向系統的分類(lèi)

管柱助力式EPS系統中將助力電機安裝在管柱上，通過(guò)減速增扭機構與轉向軸相連，直接驅動(dòng)轉向軸助力轉向。這樣的系統結構簡(jiǎn)單緊湊、易于安裝，但由于助力電機安裝在駕駛艙內，受到空間布置和噪聲的影響，電機的體積較小，輸出扭矩不大，一般只用在小型及緊湊型車(chē)輛上。小齒輪助力式EPS系統中將助力電機和減速增扭機構與小齒輪相連，直接驅動(dòng)齒輪實(shí)現助力轉向。由于助力電機不是安裝在乘客艙內，因此可以使用較大的電機以獲得較高的助力扭矩，而不必擔心電機轉動(dòng)慣量太大產(chǎn)生的噪聲。雙小齒輪助力式EPS系統由于增加了一對齒輪齒條而能提供比小齒輪助力式更大的助力，但是成本上也略高。而齒條助力式EPS系統中將助力電機和減速增扭機構直接驅動(dòng)齒條提供助力，因此能提供更大的助力，但整套系統結構復雜，成本較高，所以適用于豪華車(chē)和商務(wù)車(chē)上。