汽车电动助力转向系统结构设计

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摘 要：传统电动助力转向系统主要是以提供转向助力为控制目标，协调低速时转向轻便性与高速时行驶稳定性。AFS系统的核心则是通过对转向轮施加一个独立驾驶员操作的附加转角及实现转向传动比的连续变化，优化车辆对转向盘的输入响应。

关键词：电动助力转向;主动转向;主动安全性

汽车转向系统是依据驾驶员意图进行转向并协调各转向轮转角间关系的车辆底盘关键子系统，作为人-车交换界面的重要组成部分，其性能的好坏直接影响车辆行驶安全舒适性、操作稳定性和驾驶感受。转向系统的电子化为汽车的主动安全、辅助驾驶系统和智能驾驶提供了友好的人机界面和有效的转向执行机构[1-3]。

汽车主动转向（Active Steering System，AFS）系统的核心是通过对转向轮施加一个独立驾驶员操作的附加转角及实现转向传动比的连续变化，来优化车辆对驾驶员输入响应或在紧急情况下提高车辆的操纵性、稳定性和轨迹保持能力。

1 管柱式EPS系统关键零部件设计及选型

当驾驶员操纵汽车实现转向时，其工作原理如图1所示。EPS利用车速传感器、扭矩传感器分别检测作用于转向盘上的转矩及车辆行驶速度，并将检测到的电子信号传送给电子控制单元ECU。然后电子控制单元通过对数据分析和运算处理后发出指令确定助力电机的旋转方向和输出助力电流值，控制电动机输出大小和方向适宜的助力扭矩。电机输出的扭矩经离合器和减速机构传递给转向横拉杆并最终作用于轮胎上，实现助力转向，辅助驾驶员完成转向操作。

2 融合AFS功能的新型EPS系统工作原理

本文在传统管柱式EPS基础上，将转向轴截断加装双行星齿轮系和助转角电机构成的一套融合主动转向功能的新型电动助力转向系统。新型EPS系统保持了原有转向系统中的机械传动部分，通过助力转矩和主动转角叠加的形式实现汽车行驶过程中的主动转向功能，提高车辆在对开路面、低附着系数道路和紧急转向制动等工况下的行驶安全性及操纵稳定性。

图2所示为宝马AFS系统简图，低速时伺服电机驱动行星架与转向盘同向叠加转向，增加前轮转角;高速时反向转动，降低负向转角使得转向间接，提高汽车行驶稳定及循迹性。宝马AFS可实现对电动液压伺服机构驱动的助力转矩和前轮转向角的双重调节。当转向盘不动，通过控制电机转动可实现主动转向操纵。当电机停止转动，可操纵转向盘实现转向。当电机和转向盘同时转动，可实现变传动比及附加转角的双重控制。

3 融合主动转向功能的新型EPS结构设计

新型布局方案节省实车装配空间，提高了驾驶员操作舒适性。在低传动比时，变传动比机构在输出转角的同时还可输出部分扭矩，降低了助力电机的工作负荷。但此种布局要求变传动比机构具有较高的强度和制造精度。

融合主动转向功能的新型EPS主要由一套传统电动助力转向系统和变传动比机构组成。变传动比机构主要由主动转向电机、蜗轮蜗杆减速机构和一套双行星齿轮轮系组成。在原有的电动助力转向系统基础上，将转向轴截断后添加双行星齿轮和助转角电机后构成的一套完整转向控制系统。新型EPS系统通过双行星齿轮机构完成行驶中的变传动比功能，以助力电机电流闭环跟踪或转矩闭环跟踪为控制思路，扭矩、车速、横摆角速度、质心侧偏角等信号传感器将检测到电子信号输送给电子控制单元ECU。然后电子控制单元通过对数据分析、运算处理后确定助力电机和助转角电机的电压信号，给电动机发出指令，控制电机产生适当的助力转矩和转角，双行星齿轮机构可根据行驶工况等信息改变系统的转向传动比，辅助驾驶员完成转向操作，实现随速助力、主动回正、转向角动态补偿等功能。

4 结论

采用将行星齿轮机构和助转角电机装配于传统EPS系统下方的整体结构布局。后期会根据此结构建立其动力学及仿真模型，研究车辆在对开路面、低附着系数路面、大侧向力及转弯制动等极端工况下的控制特性，提高行驶稳定性和主动安全性。

参考文献：

[1]赵树恩，刘文文.基于NCD/自适应模糊PID的汽车EPS系统控制特性研究[J].计算机测量与控制，2013，21（11）：2963-2965.

[2]赵林峰，陈无畏，秦明辉等.基于转向轻便性及回正性能设计的EPS应用[J].机械工程学报，2009，45（06）：181-187.

[3]余志生.汽車理论（第五版）[M].北京：机械工业出版社，2011：144-146.

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