汽车电动助力转向系统的研究与方案

　　摘要：

　　现代汽车技术追求高效节能，高舒适性和高安全性三大目标。作为汽车最重要的子系统之一，转向系统的 发展也一直努力追求达到这些目标。与传统液压助力转向系统（HPS）相比，电动助力转向系统（EPS）能节省油耗约3%~5%,具有结构精巧、节能环保、 安全舒适等优点，是汽车助力转向系统的发展方向。

　　英飞凌作为世界第二大车用半导体供应商，一直致力于开发新的产品以适应于电动助力转向系统的发展。 本文首先介绍转向系统的市场分析以及EPS的分类及其基本功能，然后在此基础上介绍英飞凌对于基于两种不同电机的EPS系统的解决方案及其产品，最后本文 分析了EPS的两个新方向以及英飞凌将采用的解决方案和新的产品技术。

　　1.转向系统市场分析

　　在汽车的发展历程中，转向体经历了四个阶段：从简单的纯机械式转向系统（Mechanical Steering,MS）发展到液压助力转向系统（Hydraulic Power Steering,HPS），然后又出现了电液助力转向系统（Electrically Powered Hydraulic Steering,EHPS），而目前正开始广泛应用的是电动助力转向系统（Electric Power Steering,EPS）。

　　与传统的液压动力转向系统相比，电动助力转向系统主要有以下几个方面的优势：

　　1.能耗少：EPS没有转向油泵，且只在转向时电动机才提供助力，所以动力消耗和燃油消耗均可降到最低。比液压助力转向系统可节约燃油3%~5%,因而燃油经济性有了很大的提高。

　　2.路感好：EPS能在各种行驶工况下提供最佳力，减小路面不平度所引起的对转向系的扰动。且由于EPS 系统内部采用刚性连接，系统的滞后特性可以通过软件加以控制，因此有较好的路感。

　　3.安装方便：EPS取消了油泵、皮带、密封件、液压软管、液压油及密封件等零件，并且其电机和减速机构安装在转向柱或装在转向器内，从而使整个转向系统的重量减轻、结构紧凑且安装方便。

　　4.回正性能好：EPS结构简单精确、内部阻力小、回正性能好，而且可以通过软件进行补偿，从而可以得到最佳的转向回正特性，且可改善汽车的操纵稳定性。

　　5.应用范围广：EPS可适应各种汽车，目前主要用于轿车和轻型载货汽车。而对于新能源车，尤其是纯电动汽车，EPS系统为其最佳选择。

　　6.整车网络构建：EPS由于有CAN/LIN的网络接口，可以与汽车其它电子控制系统结合，例如主动悬架、制动防抱死（ABS）及驾驶员辅助系统等，共享其电子装置的功能，实现更加复杂的功能，比如汽车智能化的终极目标：无人驾驶。

　　下表一是世界着名的咨询公司Strategy Analytics对全球转向系统的预测，可以看到EPS将占据50%以上的市场份额。

　　表一：2007-2018全球转向系统市场预测 （百万套）

　　若分区域来看，过去主要在欧美和日本采用EPS.但是从2015开始，中国将超过欧美和日本，成为全球最大的EPS市场。见下表二。

　　表二：2007-2017 全球转向系统市场分区域预测 （百万套）

　　若分车型来看，所有的广义乘用车都能应用EPS,从2007年至2017年的平均年增长率为15%.不过由于大型轿车和轻卡对于EPS的需求增长迅猛，表三显示从C级以下的小型轿车的份额从2007年的86%下降为2018年的66%.

　　表三：2007-2018 全球转向系统市场分车型预测 （百万套）

　　2.电动助力转向系统的介绍

　　电动助力转向系统是在传统机械转向系统的基础上发展起来的，它利用电动机产生的动力来帮助驾驶员进行转向操作。系统主要由三大部分构成：信号传感装置（包括扭矩传感器、方向盘角度传感器和车速传感器），电子控制单元和转向助力机构（电机、离合器、减速传动机构等）。

　　电动机仅在需要助力时工作，驾驶员在操纵转向盘时，装在转向盘轴上的扭矩传感器不断地测出转向轴上 的扭短信号，该信号与车速信号同时输入到电子控制单元。电控单元根据这些输入信号，确定助力扭矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转向，调整转向辅助动 力的大小。电动机的扭矩由电磁离合器通过减速机构减速增扭后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。

　　根据电机安装位置和机械结构的不同，电动助力转向系统系统可以分为：管柱助力式（Column Mounted），小齿轮助力式（Pinion mounted），双小齿轮助力式（2xPinion mounted）和齿条助力式（Rack mounted）。具体的如下图一所示：

　　图一：电动助力转向系统的分类

管柱助力式EPS系统中将助力电机安装在管柱上，通过减速增扭机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助 力转向。这样的系统结构简单紧凑、易于安装，但由于助力电机安装在驾驶舱内，受到空间布置和噪声的影响，电机的体积较小，输