電動助力轉向系統簡述

08-17

電動助力轉向系統簡述

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按照轉向動力源來分，目前的汽車轉向系統分為純人力轉向和動力輔助轉向，後者又經歷了機械機構助力轉向、液壓助力轉向和電動助力轉向三個階段。

液壓助力轉向系統（HPS）工作雜訊低，靈敏度高，體積小，能夠吸收來自不平路面的衝擊力，在現代轎車上得到十分廣泛的應用。液壓助力系統由發動機驅動油泵，為保證汽車原地轉向或者低速轉向時的輕便性，油泵的排量是以發動機怠速時的流量來確定的。而汽車行駛中大部分時間處於高於怠速的速度和直線行駛狀態，只能將油泵輸出的高壓油大部分經控制閥迴流到儲油罐，產生很大的寄生損失。同時高壓油在泵內循環，造成泵發熱量大，浪費能源，不符合汽車節能的要求。

為了減少此類損失，同時加入控制功能，後來發展出了電動液壓助力系統（EHPS），由電機帶動油泵供油，實質上還是液壓助力系統。這種系統的特點是單獨由一個電機帶動液壓泵工作，由於和發動機脫開，轉向泵不會在高速下工作，因此不需要流量控制閥，簡化了結構，同時大大節約了能量。

但無論是HPS還是EHPS，存在以下缺點：

需要油泵、油管、流量控制閥、儲油罐等部件，安裝和布置受限
轉向液是一種對對環境污染極嚴重的化工產品
功能拓展性不強

因此，汽車人們想到了用電機來完全取代液壓系統，在這個背景下EPS應運而生，走在最前面的是日本的工程師們。1988年2月日本鈴木公司首次在其Cervo車上裝備EPS，隨後還用在了其Alto車上。在此之後，電動助力轉向技術如雨後春筍般得到迅速發展、日本豐田、三菱、本田，美國德爾福（註：08年金融危機中轉向業務先被通用汽車收購，成立Nexteer轉向系統公司，之後被中航收購）、TRW（註：2015年被德國ZF收購），德國ZF（註：因ZF收購TRW，為通過反壟斷調查，原ZF與BOSCH 50:50的轉向部門被BOSCH收購），都相繼研製出各自的EPS。

在這裡，特別值得一提的是將EPS引入中國汽車市場的先驅——昌河北斗星。大概在2000年前後，昌河發布了搭載原裝日本NSK的第一代電動助力轉向系統（直流有刷電機、接觸式電位器形式扭矩感測器、帶電磁離合器）的車型北斗星。以該車為原型車，國內的零部件企業才有了進行自主研發的平台。如果沒有記錯的話，率先在該車型上實現國產化替代的Tier1是株洲易力達，電機供應商則是常州東宇（後改名常州凱宇，現已與日本電產合資，更名日電產-凱宇）。如果沒有北斗星這個平台，相信EPS的國產化自主開發進程會走得慢一些。

（一）讓我們來看看，EPS系統跟HPS系統相比，存在哪些優勢：

首先一點：節能減排，這個主旋律在政治上無疑是偉大光榮正確的

從上圖可知，在車輛行駛過程中，發動機帶動液壓泵所消耗的能量，80%以上是被浪費掉的，而EPS就沒有這個問題，其按需助力的形式決定了具有更好的燃油消耗性。

其它的有點，從下圖可見端倪：

上圖中的「很多機會」，發展到現在，可以有如下擴展：

APA
LKA/LDW
LCA
……

（二）EPS的主要構型及特點

EPS的主要構型如上圖,目前常見的有五種構型，大部分以C、DP和BD為主，P和R比較少。

（1）C-EPS：

電機安裝於管柱，其成本最低，助力響應性較好
溫度等級要求低(85℃)
防水防塵要求低（IPX5）
對扭矩波動的要求高
對雜訊的要求特別高
因安裝位置在寸土寸金的駕駛艙，需要預留腿部空間並考慮轉向系統的潰縮空間，這種構型的EPS電機一般做不大，電機出力在4Nm以內
C-EPS的中間軸要承受所有的齒條力，對其強度的要求特別高，也是限制這種構型的EPS很少應用於B級以上車型的原因之一。做鋼鐵出身的那家德國巨頭（TKP）在中間軸上就有其不傳之密，很多國際知名Tier1的不得不低頭找TKP採購中間軸，這是閑話。

（2）P-EPS

這種構型的EPS電機安裝於小齒輪（Pinion）上，算是從C-EPS向其它三種EPS的一個過渡產品，筆者接觸的第一個EPS就是這種構型。

安裝與發動機艙，溫度要求高（120℃）
防水防塵要求高（IPX5/IPX7）
噪音要求低
安裝位置受限，電機做得可以比C型大一點
剛性好，助力不需要通過管柱傳遞，效率更高
萬向節的存在影響控制特性的精確度

這種構型的EPS貌似兼具了管柱助力式和齒條助力式EPS的優點，但實際上不上不下，一方面它助力做不大，隨著技術的發展，C型EPS現在基本可以覆蓋其助力區域，另一方面其布置的靈活性又遠遠不如其它三種齒條助力式EPS。筆者看來，這種構型遲早要被淘汰。

（3）DP-EPS，BD-EPS，R-EPS

這三種構型的EPS可以合併為同一種類型，都是電機的助力直接載入在齒條上，只是按照傳動機構不同分為齒輪齒條式、同步帶傳動式和同軸滾珠絲杠類型。

安裝與發動機艙，溫度要求高（120℃）
防水防塵要求高（IPX5/IPX7）
噪音要求低
安裝位置非常靈活
電機可大到8Nm
能提供更大的助力，效率最高
機械結構複雜，成本最高
DP構型，增加了一個齒輪，而且需要在一付齒條上加工兩段不同的齒，這個對工藝的要求極高
BD構型，同步帶不能打滑，這個全世界做得好的沒幾家
R構型示意圖見下，電機與齒條高度集成，電機的空心轉子與齒條同軸，通過滾珠絲杠傳動力矩驅動齒條，其機械複雜程度為所有EPS構型之最。

結語：

本文泛泛而談，簡述了EPS系統相對於傳統液壓助力系統的優點、及目前五種主要EPS構型的優缺點。

經驗所限，謬誤在所難免，部分數據未經考證，請讀者海涵。

作者：JACK

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