電機助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與方案

英飛凌作為世界第二大車用半導(dǎo)體供應(yīng)商，一直致力于開發(fā)新的產(chǎn)品以適應(yīng)于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展。本文首先介紹轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的市場分析以及EPS的分類及其基本功能，然后在此基礎(chǔ)上介紹英飛凌對于基于兩種不同電機的EPS系統(tǒng)的解決方案及其產(chǎn)品，最后本文分析了EPS的兩個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(zhuǎn)向系統(tǒng)市場分析

在汽車的發(fā)展歷程中，轉(zhuǎn)向體經(jīng)歷了四個階段：從簡單的純機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(MechanicalSteering，MS)發(fā)展到液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HydraulicPowerSteering，HPS)，然后又出現(xiàn)了電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(ElectricallyPoweredHydraulicSteering，EHPS)，而目前正開始廣泛應(yīng)用的是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(ElectricPowerSteering，EPS)。

與傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要有以下幾個方面的優(yōu)勢：

1.能耗少：EPS沒有轉(zhuǎn)向油泵，且只在轉(zhuǎn)向時電動機才提供助力，所以動力消耗和燃油消耗均可降到最低。比液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可節(jié)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(zhuǎn)向系的擾動。且由于EPS系統(tǒng)內(nèi)部采用剛性連接，系統(tǒng)的滯后特性可以通過軟件加以控制，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(gòu)安裝在轉(zhuǎn)向柱或裝在轉(zhuǎn)向器內(nèi)，從而使整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重量減輕、結(jié)構(gòu)緊湊且安裝方便。

4.回正性能好：EPS結(jié)構(gòu)簡單精確、內(nèi)部阻力小、回正性能好，而且可以通過軟件進行補償，從而可以得到最佳的轉(zhuǎn)向回正特性，且可改善汽車的操縱穩(wěn)定性。

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

6.整車網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建：EPS由于有CAN/LIN的網(wǎng)絡(luò)接口，可以與汽車其它電子控制系統(tǒng)結(jié)合，例如主動懸架、制動防抱死(ABS)及駕駛員輔助系統(tǒng)等，共享其電子裝置的功能，實現(xiàn)更加復(fù)雜的功能，比如汽車智能化的終極目標(biāo)：無人駕駛。

下表一是世界著名的咨詢公司StrategyAnalytics對全球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的預(yù)測，可以看到EPS將占據(jù)50%以上的市場份額。

表一：2007-2018全球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場預(yù)測（百萬套）

若分區(qū)域來看，過去主要在歐美和日本采用EPS。但是從2015開始，中國將超過歐美和日本，成為全球最大的EPS市場。見下表二。

表二：2007-2017全球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場分區(qū)域預(yù)測（百萬套）

若分車型來看，所有的廣義乘用車都能應(yīng)用EPS，從2007年至2017年的平均年增長率為15%。不過由于大型轎車和輕卡對于EPS的需求增長迅猛，表三顯示從C級以下的小型轎車的份額從2007年的86%下降為2018年的66%。

表三：2007-2018全球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場分車型預(yù)測（百萬套）

2．電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的介紹

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它利用電動機產(chǎn)生的動力來幫助駕駛員進行轉(zhuǎn)向操作。系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成：信號傳感裝置(包括扭矩傳感器、方向盤角度傳感器和車速傳感器)，電子控制單元和轉(zhuǎn)向助力機構(gòu)(電機、離合器、減速傳動機構(gòu)等)。

電動機僅在需要助力時工作，駕駛員在操縱轉(zhuǎn)向盤時，裝在轉(zhuǎn)向盤軸上的扭矩傳感器不斷地測出轉(zhuǎn)向軸上的扭短信號，該信號與車速信號同時輸入到電子控制單元。電控單元根據(jù)這些輸入信號，確定助力扭矩的大小和方向，即選定電動機的電流和轉(zhuǎn)向，調(diào)整轉(zhuǎn)向輔助動力的大小。電動機的扭矩由電磁離合器通過減速機構(gòu)減速增扭后，加在汽車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)上，使之得到一個與汽車工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。

根據(jù)電機安裝位置和機械結(jié)構(gòu)的不同，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)系統(tǒng)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：電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類

管柱助力式EPS系統(tǒng)中將助力電機安裝在管柱上，通過減速增扭機構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸助力轉(zhuǎn)向。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于安裝，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。小齒輪助力式EPS系統(tǒng)中將助力電機和減速增扭機構(gòu)與小齒輪相連，直接驅(qū)動齒輪實現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。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?fù)?dān)心電機轉(zhuǎn)動慣量太大產(chǎn)生的噪聲。雙小齒輪助力式EPS系統(tǒng)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(tǒng)中將助力電機和減速增扭機構(gòu)直接驅(qū)動齒條提供助力，因此能提供更大的助力，但整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，所以適用于豪華車和商務(wù)車上。