传统的液压助力转向系统一般是由发动机驱动转向油泵提供液压油,由转向控制阀来控制液压油的作用以实现助力。但这种转向系统的助力特性与汽车的实际要求不一致,因为汽车不同速度行驶时对助力特性的要求不同,而传统的液压助力转向系统无法做到这一点。后来,把电子技术引进了转向系统,由控制单元根据情况来控制电动机,驱动转向油泵运转,就形成了电子控制的液压助力转向系统(Electro2Hydraulic Power Steering ,简称为EHPS) ,它符合当代节能与环保的要求,因为传统的液压助力转向系统中转向油泵不停地运转,但真正转向的时间却不多,这样存在很大的寄生损失;在EHPS 中,正常转向时,驾驶员转向动作不快,其电动机可以低速运转;当需要快速转向时,电动机加速,以提供足够的液压油;不需要转向动作的时候,可以让电机停转或低速运转,从而大大节约能量。进一步的发展就是电动助力转向系统( ElectricPower2Assisted Steering ,简称为EPAS) 。
转矩传感器检测驾驶员作用在转向盘上的转矩,控制单元根据转矩的大小以及其他信号(包括车速等)控制电动机通过减速机构驱动转向系统实现助力。在1988年2月,这种转向系统首先装在Suzuki Corvo上。EPAS的开发已经在国内外形成一大热点,与传统的液压助力转向相比,它具有一系列的优点:
(1)节能。试验表明,装有EPAS和机械转向系统的汽车油耗基本上没有差别。与传统的液压系统相比,在不转向情况下,装有EPAS的车辆燃油消耗降低了2.5 %,在使用转向情况下, 降低了5.5 % 。
(2)耐严寒。即使在- 40℃的低温下, EPAS也能够很好地工作,而传统的液压系统要等到液压油预热后才能正常工作,这也节省了能量。
(3)增强了随动性。在EPAS中,电动机产生助力转矩,通过适当的控制方法,可以消除液压助力系统的转向迟滞效应,增强了转向车轮对转向盘的随动性能。
(4)改善了回正特性。由于采用了微电子技术,利用软件控制电动机的动作,在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。从最低车速到最高车速,可得到一簇回正特性曲线,而传统的液压助力转向系统无法做到这一点。
(5)提高了操纵稳定性。采用该方法,给正在高速行驶(100km/h) 的汽车一个过度的转角迫使它侧倾,在短时间的自回正过程中,由于采用了微电脑控制,使得汽车具有更高稳定性,驾驶员有更舒适的感觉。同时利用电机质量的惯性阻尼效应,可以使转向轴的颤动和反冲降到最小。
(6)有利于环保。首先,节能的本身就是环保;其次不使用液压油,避免了污染,采用电能作为能源,适应当前开发电动汽车的发展潮流;再次,重复利用率高,EPAS中的95%可以再回收利用,而传统的液压助力转向系统的回收利用率只有85%;EPAS还降低噪声,因为它没有转向油泵,而转向油泵是一个噪声源。
(7) 易于包装和装配。由于没有油泵、油管和发动机上的皮带轮,整个助力部分可以与转向柱或转向器做成一体,便于包装和装配; Fiat公司生产的Punto采用了Delphi公司开发的EPAS,装车时间减少了80%左右;由于省去了装于发动机上皮带轮和油泵,留出的空间可以用于安装其他部件。
(8)易于维护与保养问题。EPAS不象传统的液压助力转向系统存在软管漏油和油泵漏油等,实际上,液压油泵和软管的事故率占整个系统故障的53%;EPAS具有自我诊断的功能,有助于维修。
(9)易于调整。这包括两个方面:一是当车型变化时,对助力特性有不同的要求,EPAS助力特性的调整在很大程度上可以通过软件实现,比如Delphi的EPAS性能的调节可以现场进行,把笔记本电脑与EPAS的ECU相连,只需要1 h 左右就可以完成调整工作;供应商的调整时间仅需要7d,因为转向控制阀的调整相当不容易。另一方面,EPAS可以根据车辆的车速等运行状态,提供合理的效能指标。上述Punto的EPAS,提供了一个按钮,驾驶员可以根据情况进行选择,而传统的液压助力转向系统调整却相当不容易,需要数月。
EPAS的关键技术既有硬件方面也有软件方面,硬件是其骨架,软件是其灵魂。在硬件方面,高度可靠、价格便宜且精度又满足要求的转矩传感器是一项关键技术,因为在阶段,转矩传感器在各种EPAS中都是必须的,它不仅要在EPAS正常工作时能够准确测量驾驶员施加的转矩,而且在EPAS失效时也不因为驾驶员施加的转矩增大而损坏;另一项关键技术就是提供助力的电动机,因为在不同的情况下转向盘的转动速度相差很大,电动机要能够实现助力,其转速范围也要很大,响应快,而且在堵转时也要能够提供助力作用,对于大型的车辆,甚至要求电动机能够提供与转动方向相反的助力转矩。所以电动机也是限制EPAS在大型车辆上应用的主要原因之一。在软件方面,要实现对助力电动机的助力控制、回正控制、阻尼控制,并实时监测转向系统的情况,当出现异常情况时采取相应的控制措施。好的控制方法还可以实现硬件的功能,比如能够估计驾驶员输入的转矩,用一个低价格的角位移传感器代替高价格的转矩传感器 。