【正文】 ，直接驅(qū)動轉向軸助力轉向(圖11)。這種形式的電動助力轉向系統(tǒng)結構簡單緊湊、易于安裝。現(xiàn)在多數(shù)EPS就是采用這種形式。此外，CEPS的助力提供裝置可以設計成適用于各種轉向柱，如固定式轉向柱、斜度可調(diào)式轉向柱以及其它形式的轉向柱。但由于助力電機安裝在駕駛艙內(nèi)，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輛上。圖11 CEPS 轉向小齒輪助力式 齒輪助力式電動助力轉向器(P—EPS)的助力電機和減速增扭機構與小齒輪相連，直接驅(qū)動齒輪實現(xiàn)助力轉向(圖12)。由于助力電機不是安裝在乘客艙內(nèi)，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慣量太大產(chǎn)生的噪聲。該類型轉向器可用于中型車輛，以提供較大的助力。圖12 PEPS 轉向齒條助力式 齒條助力式電動助力轉向器(REPS)的助力電機和減速增扭機構則直接驅(qū)動齒條提供助力(圖13)。由于助力電機安裝于齒條上的位置比較自由，因此在汽車的底盤布置時非常方便。同時，同C—EPS和PEPS相比，可以提供更大的助力值，所以一般用于大型車輛上。圖13 REPS 電動助力轉向系統(tǒng)的優(yōu)點[1] （1）液壓轉向助力系統(tǒng)的油泵，不轉向時也工作，加大了能量消耗。而EPS系統(tǒng)只在轉向時電動機才提供助力，因而能減少能量消耗，并能在各種行駛工況下提供最佳的轉向助力。 （2）減小了由于路面不平所引起的對轉向系統(tǒng)的干擾，改善了汽車的轉向性能，減輕了汽車低速行駛時的轉向操縱力，提高了汽車高速行駛時的轉向穩(wěn)定性，進而提高汽車的主動安全性。 （3）由于不需要加注液壓油和安裝液壓油管，所以系統(tǒng)的安裝簡便，自由度大，而且成本低，無漏油故障的發(fā)生，它比常規(guī)的液壓轉向助力系統(tǒng)具有更好的通用性。 電動助力轉向系統(tǒng)的工作原理 電動助力轉向系統(tǒng)主要由機械轉向系統(tǒng)、轉矩傳感器、車速傳感器、控制單元（ECU）、離合器、助力電動機及減速機構等組成。系統(tǒng)結構示意圖如圖14。圖14 EPS結構示意圖 工作原理：汽車在運行過程中，扭矩傳感器、車速傳感器會產(chǎn)生各自的電信號，這些信號經(jīng)過濾波、信號電平調(diào)整后傳給ECU，ECU經(jīng)過分析處理后輸出控制信號給電機驅(qū)動模塊，實現(xiàn)對助力電機扭矩控制[2]。2 EPS方案設計 電動助力轉向系統(tǒng)選型 緒論中已經(jīng)提到轉向軸式電動助力轉向系統(tǒng)雖然提供的助力沒有其它兩種方式提供的助力大，但在安裝方面要方便的多。再者，這次設計的電動助力轉向系統(tǒng)主要是針對經(jīng)濟型轎車來進行開發(fā)的，其空間相對較小，空間問題是要考慮的重點問題。轉向軸式對空間緊湊的經(jīng)濟型轎車很適合。綜合以上原因，選擇轉向軸助力式。 機械部分系統(tǒng)方案設計 機械轉向系統(tǒng)由轉向操縱機構、轉向器和轉向傳動機構三大部分組成。 機械部分設計要求分析 轉向系是用來保持或者改變汽車行駛方向的機構，在汽車轉向行駛時，保證各轉向輪之間有協(xié)調(diào)的轉角關系。 轉向系應滿足如下基本要求[4]： （1）汽車轉彎行駛時，全部車輪應繞瞬時轉向中心旋轉，任何車輪不應有側滑。 （2）汽車在轉向行駛后，在駕駛員松開轉向盤的條件下，轉向輪有自動回正作用。 （3）汽車在任何行駛狀態(tài)下，轉向輪都不得產(chǎn)生自振。 （4）保證汽車有較高的機動性，具有迅速和小轉彎能力。 （5）轉向輪碰到障礙物以后，傳給轉向盤的反沖力要盡可能小。 （6）操縱輕便。 （7）轉向器和轉向機構的球頭處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機構。 機械式轉向器方案分析 目前汽車上廣泛使用的是齒輪齒條式及循環(huán)球式。 （1）齒輪齒條式 齒輪齒條式轉向器的主要優(yōu)點是結構簡單、緊湊、體積小、質(zhì)量輕；傳動效率高達90%；可自動消除齒間間隙；沒有轉向搖臂和直拉桿，轉向輪轉角可以增大；制造成本低。 齒輪齒條式轉向器的主要缺點是：逆效率高達60%—70%。因此，汽車在不平路面上行駛時，發(fā)生在轉向輪與路面之間的沖擊力，大部分能傳至轉向盤。根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點不同，齒輪齒條式轉向器有四種形式[4]：中間輸入，兩端輸出（圖21a）；側面輸入，兩端輸出（圖21b）；側面輸入，中間輸出（圖21c）；側面輸入，一端輸出（圖21d）。圖21 齒輪齒條式轉向器的形式 根據(jù)齒輪齒條式轉向器和轉向梯形相對前軸位置的不同，在汽車上有四種布置形式：轉向器位于前軸后方，后置梯形；轉向器位于前軸后方，前置梯形；轉向器位于前軸前方，后置梯形；轉向器位于前軸前方，前置梯形，見圖22。圖22 齒輪齒條式轉向器的布置形式 齒條斷面有圓形、V形和Y形三種。圓形斷面制造簡單；V形和Y形節(jié)約材料，質(zhì)量小而且位于齒條下面的兩斜面與齒條托坐接觸，可以用來防止齒條繞軸線轉動。 （2）循環(huán)球式循環(huán)球式轉向器由螺桿和螺母共同形成的螺旋槽內(nèi)裝有鋼球構成的傳動副，以及螺母上齒條與搖臂軸上齒扇構成的傳動副組成[3]，如圖23所示。 圖23 循環(huán)球式轉向器循環(huán)球式轉向器的優(yōu)點是：傳動效率可達到75%~85%；轉向器的傳動比可以變化；工作平穩(wěn)可靠；齒條和齒扇之間的間隙調(diào)整容易；適合用來做整體式動力轉向器。 循環(huán)球式轉向器的主要缺點是：逆效率高，結構復雜，制造困難，制造精度要求高。循環(huán)球式轉向器主要用于貨車和客車上。 由于齒輪齒條式轉向器與循環(huán)球式轉向器相比[4]：結構簡單，傳動效率高，操縱輕便，質(zhì)量輕；且不需要轉向搖臂和轉向直拉桿，使轉向傳動機構得以簡化。針對本次設計，應該選用齒輪齒條式轉向器。 齒輪齒條式轉向器布置和結構形式的選擇 在前橋僅為轉向橋的情況下，由轉向橫拉桿和左、右梯形臂組成的轉向梯形一般布置在前橋之后。當轉向輪處于與汽車直線行駛相應的中立位置時，梯形臂與橫拉桿在與道路平行的平面(水平面)內(nèi)的交角＞90176。 在發(fā)動機位置較低或轉向橋兼充驅(qū)動橋的情況下，為避免運動干涉，往往將轉向梯形布置在前橋之前，此時上述交角＜90176。 本次設計是發(fā)動機前置前輪驅(qū)動，故采用如圖24所示的布置形式。 圖24 轉向梯形前置 同時考慮到發(fā)動機前置前驅(qū)故采用如圖25所示的側面輸入兩端輸出的結構形式。 圖25 齒輪齒條位置布置 轉向梯形結構方案分析轉向梯形有整體式和斷開式兩種。選擇該轉向梯形的方案時與懸架采用何種方案有關[4]。考慮到本次設計中采用獨立懸架，故設計中采用斷開式轉向梯形。 控制部分系統(tǒng)方案設計 控制部分性能要求分析電動助力轉向系統(tǒng)除必須滿足車輛對轉向系統(tǒng)的一切性能要求外，還應滿足控制、控制系統(tǒng)、傳感器等性能要求，具體有以下幾點[11]： （1）具有良好的轉向助力特性轉向盤力是駕駛者輸入轉向盤用以操縱汽車的力。EPS的基本目標是提高汽車停車泊位和低速行駛時的轉向輕便性，高速行駛時的操縱穩(wěn)定性[6]。在低車速、低側向加速度行駛工況下，汽車應具有適度的轉向盤力與轉向盤轉角，還應有良好的回正性能。在高車速和低側向加速度范圍內(nèi)，汽車應具有良好的橫擺角速度頻率響應特性，直線行駛能力和回正性能。轉向盤力的大小要適度，特別是隨著車速的提高，轉向盤力不宜過輕而要保持一定的數(shù)值；采用隨行駛車速而改變轉向盤操作力特性的電動助力轉向系統(tǒng)，可以顯著地改善高速行駛時轉向盤力的品質(zhì)。因此，EPS系統(tǒng)的助力特性曲線是一族隨車速變化的曲線，如圖26。圖26助力特性曲線 （2）應具有良好的操縱穩(wěn)定性汽車行駛穩(wěn)定性的影響因素很多，轉向系統(tǒng)是其重要影響因素之一。所謂穩(wěn)定性主要是指汽車在行駛過程中，當突然受到外界橫向力作用而發(fā)生自動轉向等不穩(wěn)定現(xiàn)象時，轉向系統(tǒng)應該具有使車輛在相當短的時間內(nèi)迅速地回復正常行駛狀態(tài)的能力。轉向系一直存在著輕與靈的矛盾，在不同的工況下，對操作穩(wěn)定性要求的側重面是不一樣的。一般轉向力與路感是相互制約的，轉向力小意味著轉向輕便，能減小駕駛員的體力消耗；但轉向力過小，就缺乏路感。傳統(tǒng)液壓助力轉向由于不能對助力進行實時調(diào)節(jié)與控制。所以協(xié)調(diào)轉向力和路感的關系困難，特別是汽車高速行駛時，仍然會提供較大助力，使駕駛員缺乏路感，甚至感覺汽車發(fā)飆，影響操縱穩(wěn)定性，危機汽車高速行駛時的安全。由于EPS由電機提供助力，助力大小由電控單元（ECU）實時調(diào)節(jié)與控制。EPS可以根據(jù)車速不同工況，制定不同的控制策略，自動地削弱或吸收擺振、維持轉向盤具有良好的穩(wěn)定感的能力，較好地解決上述矛盾。（3）應具有良好的跟隨性 EPS是一種電子控制電動助力轉向伺服系統(tǒng)，跟隨性問題十分重要[7][8]。所謂跟隨性問題是指當轉向盤有轉向輸入時，系統(tǒng)中的各個元件（如電機等）及其他相關元件（如車輪等）均具有快速、協(xié)調(diào)和準確的響應性或跟隨性。例如，當在方向盤上輸入一個偏轉角位移時，下部輸出軸要在直流電機的帶動下，按照給定的輸入角位移穩(wěn)定、準確、快速地跟蹤上輸入偏轉角的位移。（4）具有良好的回正特性 駕駛員轉向時，回正力矩是使轉向車輪自動返回到直線行駛位置的主要恢復力矩之一。電動助力轉向系統(tǒng)電動機通過減速機構作用到轉向機構上，電動機和轉向機構中不僅存在著摩擦損失轉矩，還有彈性和間隙。如果輪胎的回正力矩比總的摩擦損失力矩小，轉向盤將不可能恢復到中間位置，汽車將偏離預期的行駛路線，直到駕駛員通過轉向盤用力使它返回到中間位置。而在高速行駛時，為此，需要在常規(guī)轉向的基礎上增加回正控制功能。高速行駛時，輪胎的側向力較大，為防止回正超調(diào)，則利用電機的轉矩對系統(tǒng)的阻尼作用，使回正處于受控狀態(tài)。由于在EPS中采用了微電子技術，利用軟件控制電動機的動作，在最大限度內(nèi)調(diào)整設計參數(shù)以獲得最佳的回正特性。從最低車速到最高車速，可得到一族回正特性曲線，而傳統(tǒng)的液壓助力轉向系統(tǒng)是無法做到這一點的。 （5）適合的轉向路感 對于EPS來說，其助力大小可根據(jù)不同車速、通過軟件的方式來控制電機電流來實現(xiàn)實時調(diào)節(jié)與控制，通過采用優(yōu)良的控制策略，來調(diào)整轉向路感，獲得滿意的轉向輕便性和操縱穩(wěn)定性，并保證駕駛員有足夠的路感，實現(xiàn)路感的優(yōu)化。 （6）具有在版故障診斷功能 （7）EPS系統(tǒng)應具有碰撞能量吸收功能對于EPS系統(tǒng)，當汽車發(fā)生正面沖撞時，轉向盤的壓迫是導致駕駛員受傷的一個主要原因，因此要求EPS系統(tǒng)轉向操縱機構必須設置各種緩沖式的安全裝置。 控制部分方案設計EPS具體的工作流程是[5]：當車輛點火開關接通，發(fā)動機開始運轉后，電動助力轉向系統(tǒng)的ECU發(fā)出指令使電源繼電器和故障保護繼電器閉合，讓整個EPS系統(tǒng)啟動，EPS程序一直監(jiān)控車速傳感器與轉矩傳感器輸入的車速和轉向盤轉矩信號，其中，轉向盤轉矩信號體現(xiàn)了轉向盤的轉矩大小及該時刻轉向盤的轉向和位置，從而能夠判斷轉向盤是順時針轉動還是逆時針轉動還是在中間位置保持不動，由車速與轉矩信號實時輸出相應的控制電流驅(qū)動電機，實現(xiàn)不同大小不同方向的助力，當點火開關斷開時，EPS系統(tǒng)停止工作。圖27 EPS系統(tǒng)工作流程圖電動助力轉向系統(tǒng)主要部件有：轉矩傳感器、車速傳感器、電流傳感器、電動機與減速機構、電子控制單元（ECU)。轉矩傳感器一般安裝在轉向小齒輪軸上，有的與電動機集成制造成一體；車速傳感器安裝在變速器輸出軸上；電流傳感器安裝在電動機里；電子控制單元安裝在轉向器上方或者安裝在駕駛員左側的儀表盤背板上；電動機與減速機構集成制造在一起，一般根據(jù)不同的要求安裝在轉向柱、轉向小齒輪或者轉向齒條上。在小型車輛上，電機是通過齒輪箱與轉