电动助力转向系统在商用车上的应用研究
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摘 要：文章对电动助力转向系统的工作原理、优越性及其应用现状进行了简要说明，对比乘用车对商用车的结构和工况特点进行了分析，并从关键零部件选型、助力特性设计等方面对电动助力转向系统在商用车上的应用进行了研究。作为电动助力转向系统的未来发展方向，文章末尾对线控转向技术进行了简要介绍。
关键词：电动助力转向系统;商用车;线控转向技术中图分类号：U463.4 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2019）20-110-04
A Study on Application of Electric Power Steering System in Commercial Vehicle
Zhao Huajie， Sun Xuecong
（Automotive Engineering Institute of Shaanxi Heavy Vehicle Co.， Ltd.， Shaanxi Xi"an 710200）
Abstract： This article gives a brief description of the working principle， superiority and application status on vehicles of Electric Power Steering System.According to the analysis on the structure and operating characteristics of commercial vehicles comparing with passenger cars， key component selection， design of assisting characteristics about the application of electric power steering system in Commercial Vehicles are studied. As the developing direction of electric power steering system， Wire-steering technology is described briefly at the end of the article.Keywords： Electric power steering system; Commercial vehicles; Wire-steering technologyCLC NO.： U463.4 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2019）20-110-04
1 EPS概述
1.1 工作原理
电动助力转向系统（Electric Power Steering System， EPS）由转角传感器、转矩传感器、控制器、助力电机等组成，如图1所示。其工作原理为：转角传感器和转矩传感器获取转角、转矩信号，并通过总线获取车速信号作为系统输入。控制器通过输入信号，判断车辆工况并进行功能模式选择;同时，控制系统根据内部算法计算出电机目标助力力矩，并通过脉宽调制、稳定性控制等技术进行调节，经功率器件最终输出电机控制的电信号。电机转矩通过减速机构与方向盘输入转矩共同作用在机械转向机构上作为转向动力矩的输入。
图1 电动助力转向系统的结构和原理示意图
1.2 EPS的特点
对比商用车传统转向系统，EPS增加了控制器、电机、减速机构等部件，可改善汽车转向过程中的舒适性和稳定性。其有以下优点：
（1）结构精简：减少了液压助力系统的油泵、油罐、油管等零部件，取消了复杂的管路布置和液压油的使用，从根本上避免了漏油对转向性能及系统清洁性的影响。
（2）转向性能优异：拥有HPS无法比拟的高效性，控制系统能对车速和转向盘输入信号作出准确而迅速的响应并向执行器发出指令[1];优越的工作特性能够很好地实现车辆低速行驶时的轻便性和高速时的路感，并能有效抑制路面干扰和信号噪声。
（3）节能环保：动力源为助力电机，靠电瓶供能，无气体排放、液体污染等问题。电机的工作受控制器控制，不转向时不工作，减少能量损失。
（4）通用性好：对于不同车型和工况条件，无需对EPS系统的零部件進行更换，只需改变控制器内部控制策略即可满足不同工况需求。减少了零部件品种，降低了设计、制造及管控成本。
（5）集成性强：可与ABS、TCS、ECAS等电控系统集成，开发底盘域控制系统，有利于配合ADAS功能实现。
（6）可靠性高：控制器内部可集成故障监控、失效保护算法，对传感系统、控制器及执行系统进行全方位的故障监测诊断，提高系统安全性能。
1.3 EPS应用现状
上世纪八十年代末日本铃木首次将EPS装配到轿车之后，EPS的应用如雨后出笋般快速发展，随后在欧美多个国家的车型上得到使用。国内EPS技术起步较晚，加之技术垄断和封锁，国内研究水平大大滞后于欧美日韩等国家，能实现量产的企业非常少，导致EPS的自产率较低。
随着传感技术、控制技术的发展及汽车智能化、安全性要求的提高，EPS的发展非常迅速。国内外众多车企、院校、研究院所对EPS的研发投入了大量资源并取得了丰硕成果。
全球范围内，其供应商主要集中在日韩、欧美等汽车工业先进国家。如日本的JTEKT、NSK，韩国的万都、摩比斯，美国的TRW、德尔福，德国的博世、采埃孚等。近年来国内通过技术引进、自主研发等方式，EPS技术也有很大发展，易力达、恒隆、豫北、杭州世宝等转向机构制造商在EPS的研发、生产和销售方面在国内EPS市场处于领先水平。
2 EPS在商用车上的应用
2.1 商用车工况特点
商用车的运行工况与乘用车有很大的不同，很难将乘用车的EPS直接应用于商用车。具体如下：
（1）悬架结构：商用车上几乎都采用纵置钢板弹簧非独立悬架，悬架结构特点对转向机构的布置及性能有很大影响[2]。
（2）轴核：前轴负荷增加了转向阻力距与系统惯性，商用车轴核是乘用车的3～5倍，转向时其阻力距约为乘用车的5～11倍[3]，这对转向系统及助力电机的选型有重要影响，也是EPS在商用车上得不到推广的限制因素之一。
（3）转向机构的布置：商用车转向操纵机构与转向轮纵向相对位置较大，加之转向力矩需求，不适宜齿轮齿条式转向器，目前商用车多采用整体式的循环球式转向器。
（4）运行工况：商用车载荷大，工况恶劣，尤其对于城建自卸等类型的商用车，对零部件的冲击、疲劳等力学性能有更高要求。
2.2 零部件选型
EPS主要零部件包括转向器、助力电机、减速机构和控制器等，其合理选型及精度、可靠性控制对系统整体性能有重要影响。
2.2.1 转向器选型
经对商用车结构及工况特点的分析，结合转向器的特点，EPS在商用车上应用时多选用循环球式机械转向器，根据助力电机的切入位置有转向轴、转向螺杆、转向摇臂等形式。其中转向轴助力方式成本较低、布置方便、结构紧凑、容易进行拆装与维修工作[3]，应用较为广泛。图2展示的是国内转向系统生产厂商杭州世宝生产的一款电动助力转向机构的外形结构，其本质即转向轴助力的循环球式机械转向器。
图2 一款转向轴助力循环球式机械转向器
传动比是转向器设计与选用时的重要参数，主要起到对方向盘的降速增扭作用，以达到方向盘操纵手力的轻便和转向速度的适中。整体式转向器角传动比为转向器输入短轴的转角增量与摇臂轴转角相应的增量之比，即：
式中：iω0为转向器角传动比;△φd为转向器输入短轴的转角增量;△φy为摇臂轴转角增量。
针对循环球式转向器，其角传动比可由下式计算，即
式中：r为齿扇的啮合半径;t为螺杆螺距。
根据方向盘转动圈数与摇臂摆角之间关系的要求，循环球式转向器的角传动比一般设计在18-26的范围内。
2.2.2 减速机构选型
减速机构的主要作用是降速增矩，即降低电机输出转速、增大输出转矩。转向系统中常用的减速机构有双行星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构两种。蜗轮蜗杆减速机构结构简单，易获得较大传动比，且传动平稳，对于自重大、前轴负荷大、需要较大转向助力的商用车，蜗轮蜗杆减速机构成为更佳的选择。减速比对系统性能有很大影响，选择需结合系统工况并与相关部件匹配。常用的减速比范围是：有刷电机取15～18.5;无刷电机取18～22[4]。永磁无刷直流电机在商用车EPS中应用广泛，减速机构传动比可取20。
2.2.3 助力电机选型
商用车EPS要求助力电机具有功率高、转矩大、转矩波动小等特性。EPS多采用永磁无刷直流电机和永磁有刷直流电机，其中永磁无刷直流电机效率和功率密度更高，对助力较大的车辆更适合，是商用车助力电机选型的趋势。电机的额定输出转矩、额定功率等特性参数根据车辆运行工况、负荷需求并结合转向器和减速机构进行确定。
电机额定输出转矩用下式确定：
式中：Tm为电机额定输出转矩;ij为减速机构角传动比;ηj为减速机构效率;Td为方向盘转矩;iω0为转向器角传动比;ηω0为转向器效率;iωL為转向传动机构角传动比;ηωL为转向传动机构效率;Tf为汽车原地转向阻力矩。
其中，汽车原地转向阻力矩Tf可根据下述经验公式进行计算：
式中：f为轮胎与地面间摩擦系数;FZ为转向轴载荷;P为轮胎气压。
根据电机额定输出转矩可估算电机额定功率：
式中：P为电机额定功率（单位kW）;Tm为电机额定输出转矩（单位N·m）;n为电机额定转速（单位r/min）。
电机的额定转速取决于驾驶员原地转动方向盘的最大转速ndm和减速机构角传动比ij的乘积[6]，即：
2.2.4 电控单元选型
电控单元ECU是控制的核心模块，负责助力系统的功能控制和故障监测。商用车运行工况复杂，外部干扰较强，ECU必须具备高的抗干扰性和可靠性;数据运算处理应高效、迅速，还需具备故障诊断、故障处理等保护功能。ECU主要功能为：接收各传感器及总线的方向盘转速、转矩、车速等信号，对其进行实时分析计算，并发出指令信号控制助力电机、电磁离合器动作，同时监测EPS的工作状态，故障时确保助力模式及时切换，记录并存储故障码，保证行车安全[5]。
2.3 助力特性设计
助力特性是指电机助力力矩随方向盘转矩和车速等汽车运动状况的变化规律。由于电机助力矩与电机电流成一定比例，助力特性可以用电机电流、方向盘转矩、车速的间的关系曲线表示。根据助力特性曲线，电机电流由不同车速下的方向盘转矩决定。助力特性以方向盘手力为最终控制目标，理想的助力特性曲线应能充分协调轻便性与路感的关系，并确保转向时驾驶员手力的稳定和平顺，不能有大的波动和起伏。
根据现有研究成果，EPS系统的助力特性曲线有直线型、折线型、曲线型三种形式，其形式如图3所示。
a直线型助力特性曲线 b折线型助力特性曲线 c曲线型助力特性曲线
图3 三种典型的助力特性曲线
直线型助力特性曲线的特点是，在助力变化区电机电流与方向盘转矩成线性变化，随转向盘转矩的增加而增大，并在方向盘转矩达到一定数值时保持不变;折线型助力特性曲线的特点是，在助力变化区电机电流与方向盘转矩成分段线性关系;曲线型助力特性曲线的特点是，在助力变化区电机电流与转向盘力矩成非线性关系，曲线型助力特性综合了直线型和折线型助力特性的优点，但助力特性设计较为复杂。
上述三种助力特性曲线，直线型助力特性最简单，有利于控制系统的设计及调整，得到广泛应用;折线型和曲线型助力特性算法较为复杂，实际中对控制器硬件的要求较高，一般用于中高级车的EPS。商用车EPS的设计中，直线型助力特性应用较为广泛。
为解决转向力矩突变时系统输出助力力矩的振动问题，获得更为理想的转向盘力矩，可对助力特性曲线予以修正，文献[6]和文献[7]中提出了一种动态修正助力特性曲线的方法。
2.4 技术难点
商用车大的前轴负荷导致大的转向阻力矩，在现有供电条件下，大功率EPS在硬件和控制上都面临很大困难。此外，高性能电机、高效率减速和转向机构的选型、功能安全设计等都是亟需解决的问题。
2.4.1 转向器选型
商用车前轴负荷较大，EPS的转向动力完全由机械机构传递，对转向器各组成部件提出了更高的要求。需根据车辆运行工况和转向器输出力矩对关键零部件的强度、刚度等力学性能进行校核。如转向机构尺寸过大，将对转向系统的布置和安装产生较大影响。
2.4.2 电机选型
商用车EPS需选用大功率助力电机，电机会有较大的尺寸和重量，对布置和安装产生困难;此外，由于电机功率较大，其运转稳定性能不易保证。
2.4.3 供电系统
大功率助力电机给电源系统带来沉重负担，很难保证电网在大负荷下稳定工作。在现有24 V的电源系统下，产生很高的驱动电流，一方面导致电能损失;另一方面高电流产生的大量热量对电机也是很大的考验。
2.4.4 功能安全
转向系统是汽车行驶安全的重要保安系统，功能安全是电控系统开发的重要内容，EPS开发的整個过程需遵循汽车转向、电控系统的安全要求，国内EPS核心技术尚不成熟，在商用车上的功能安全设计更是任重道远。
2.5 解决思路
（1）转向机构结构及原理创新。设计新形式的转向机构，采埃孚新型全电动转向装置ReAX EPS为商用车转向机构提供了思路：电机与减速器相结合，减速器由皮带和滚珠丝杠组成。电机与减速器的零件布置类似于乘用车的齿条并联型EPS。如图4所示。电机最大输出扭矩为70N·m，可产生最大为55kN的轴向力，适用于大型卡车。
图4 采埃孚新型全电动转向装置ReAX EPS
（2）设计专用于新能源车型的EPS电机结构及布置形式。考虑控制单元、电机、减速机构的一体化设计，并将其集成于相关系统之中布置，实现功能、结构和布置统一。
（3）改进电机驱动形式。提高供电电压至48V或更高，降低电机驱动电流、温度负荷及能量损耗。在新能源车型上设计通用性强、转化效率高的电器架构，实现助力电机供电形式的匹配。
（4）对标国外成熟应用的商用车EPS，通过技术引进或合作开发的方式进行开发，依据ISO 26262进行功能安全设计，重视故障诊断、故障处理和安全冗余设计。
3 EPS发展前景
线控转向技术是汽车EPS的发展方向，它由方向盘总成、转向执行总成和主控制器（ECU）三个主要部分以及自动防
故障系统、电源等辅助系统组成。
方向盘总成的主要功能是将驾驶员的转向意图（通过测量方向盘转角）转换成数字信号并传递给主控制器，同时接受主控制器发来的力矩信号，产生方向盘回正力矩，以提供给驾驶员相应的路感信息。转向执行总成是接受主控制器的命令，通过助力电机驱动器控制助力电机的运转。主控制器对采集的方向盘的转矩、转角以及车速等信号进行分析处理，判断车辆运行状态，控制方向盘回正电机和转向助力电机工作，保证各种工况下都具有理想的车辆响应。
汽車线控转向系统取消了方向盘与转向传动机构之间的机械连接，完全由电能实现转向，摆脱了传统转向系统的多种限制，可以自由设计汽车转向的力传递特性和角传递特性，给汽车转向特性的设计带来广阔空间，是汽车转向系统的重大革新。
4 结束语
EPS作为汽车转向技术的发展方向，已在乘用车领域得到广泛应用，由于商用车自身的结构和运行工况特点，EPS在商用车上的应用尚未得到推广和普及。本文对商用车的特点、商用车EPS关键零部件的选型和助力特性设计进行了分析，对EPS系统在商用车上应用的技术难点进行了总结，并给出了相应的解决思路，可为后期EPS在商用车上的应用开发提供理论参考。
参考文献
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[2] 王霄锋.汽车悬架和转向系统设计[M].北京：清华大学出版社， 2015：11-12.
[3] 周仕友，李霆，汪兆栋.重型汽车EPS助力控制策略的研究与仿真[J].机电工程， 2014， 31（6）： 740-744.
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[5] 王涛.基于CAN总线的商用车EPS控制器关键技术研究[D].西安： 长安大学， 2012.
[6] ZHAO X， SHI X， CHEN J， et al. Dynamic correction of the steering- characteristic curve and application to an EPS control system[J]. International Journal of Automotive Technology， 2011，12（2）： 243- 249.
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