Системы рулевого управления электромобилей, как ключевая система электромобилей, существенно отличаются от систем рулевого управления-автомобилей, работающих на топливе. В основном они делятся на три категории: рулевое управление с электроусилителем (EPS), электро-гидравлическое рулевое управление с усилителем (EHPS) и рулевое управление-по-проводному принципу (SBW). Каждый тип имеет различные принципы работы, преимущества, недостатки и сферы применения. В этой статье подробно рассмотрен состав и принципы работы этих трех систем рулевого управления для электромобилей.
I. Электроусилитель руля (EPS)
прибыль на акциюВ настоящее время это наиболее часто используемая система рулевого управления в электромобилях. В нем используется электродвигатель для обеспечения рулевого управления, заменяющий традиционное рулевое управление с гидроусилителем (HPS).
1. Состав ЭПС
EPS в основном состоит из следующих компонентов:
(1) Датчик крутящего момента: определяет крутящий момент и направление вращения рулевого колеса (намерения водителя).
(2) Датчик угла поворота рулевого колеса: контролирует угол поворота рулевого колеса (в некоторых системах встроен в датчик крутящего момента).
(3) Датчик скорости автомобиля: передает сигналы скорости автомобиля (для динамической регулировки уровня усиления рулевого управления).
(4) Электронный блок управления (ЭБУ): обрабатывает данные датчиков в режиме реального времени и рассчитывает необходимое усилие рулевого управления.
(5) Вспомогательный двигатель-: обычно это бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC), который передает крутящий момент на рулевую колонку или рейку через редуктор (например, червячную передачу).
(6) Редукторный механизм: усиливает крутящий момент двигателя, приводящий в действие систему рулевого управления.
2. Принцип работы EPS
(1) Обнаружение намерения водителя. Когда водитель поворачивает рулевое колесо, датчик крутящего момента измеряет крутящий момент рулевого вала, а датчик угла поворота рулевого колеса записывает угол поворота; оба сигнала отправляются в ЭБУ. Сигналы скорости автомобиля подаются синхронно (например, на низких скоростях требуется дополнительная помощь, а на высоких скоростях помощь уменьшается для повышения устойчивости).
(2) ЭБУ вычисляет потребность в помощи. ЭБУ вычисляет целевую помощь на основе крутящего момента, скорости автомобиля и даже состояния автомобиля (например, угла наклона в некоторых моделях высшего-класса) и выдает сигнал ШИМ для управления двигателем. Примеры алгоритмов:
Парковка на низкой-скорости: электродвигатель-усилителя мощности развивает высокий крутящий момент (для легкого рулевого управления).
Вождение на-высокой скорости: помощь снижается (чтобы улучшить ощущение дороги и избежать чрезмерной-чувствительности).
(3) Двигатель обеспечивает усиление рулевого управления. Двигатель передает мощность на рулевую колонку через редуктор (например, червячную передачу, ремень) или непосредственно приводит в движение рейку (существуют структурные различия между различными типами EPS, см. ниже). Направление помощи двигателя соответствует направлению рулевого управления водителем (судя по полярности датчика крутящего момента).
(4) Обратная связь и коррекция. Система постоянно отслеживает крутящий момент на рулевом колесе и фактический угол поворота, динамически регулируя мощность двигателя, чтобы обеспечить управление по замкнутому-контуру и избежать чрезмерной-помощи или задержек.
3. Классификация и сфера применения ЭПС.
В зависимости от различных положений установки двигателя EPS можно разделить на следующие типы:
| Тип | Положение двигателя | Применимые модели автомобилей | Функции |
|---|---|---|---|
| C-EPS (EPS типа столбца) | Установлен на рулевой колонке | Компактные автомобили, микроавтомобили | Простая структура, низкая стоимость, но низкая эффективность помощи. |
| P-EPS (EPS типа шестерни-) | Установлен на рулевой шестерне | Компактные/средние автомобили | Умеренная помощь,-хорошо сбалансированная производительность |
| R-EPS (EPS стоечного-типа) | Непосредственно приводит в движение рулевую рейку | Большие и средние-автомобили, внедорожники | Высокая эффективность помощи, быстрое реагирование, подходит для тяжелых-транспортных средств. |
| DP-EPS (двойная-шестерня EPS) | Два двигателя приводят в движение шестерню и рейку соответственно. | Высокопроизводительные-автомобили, автомобили класса люкс | Более точное рулевое управление, лучший динамический отклик |
4. Преимущества и недостатки EPS
Преимущества
(1) Высокая энергоэффективность,-достаточный запас хода: EPS приводится в действие напрямую от электродвигателя, не требует гидравлического насоса и имеет чрезвычайно низкие потери энергии (традиционный HPS постоянно потребляет мощность двигателя). Для электромобилей сэкономленная энергия может косвенно увеличить запас хода (оптимизация энергоэффективности примерно на 3–5%).
(2) Гибко настраиваемая помощь при рулевом управлении: уровень помощи при рулевом управлении можно динамически регулировать с помощью программного обеспечения для адаптации к различным сценариям (например, легкое рулевое управление на низких скоростях, стабильное рулевое управление на высоких скоростях), и он даже поддерживает персонализированные режимы вождения (спорт/комфорт).
(3) Простая конструкция, низкие затраты на техническое обслуживание: исключает гидравлическое масло, насосы, трубопроводы и другие компоненты, снижая риск утечки масла и необходимость последующего обслуживания.
(4) Высокая адаптация к окружающей среде: не подвержен влиянию экстремальных температур (гидравлическое масло загустевает при низких температурах в гидравлических системах, что приводит к задержке рулевого управления).
(5) Поддержка усовершенствованных систем помощи водителю (ADAS): совместимость с функциями ADAS, такими как удержание полосы движения и автоматическая парковка.
Недостатки
(1) Слабая обратная связь по ощущению дороги: имитация ощущения дороги от электроусилителя менее естественна, чем от гидравлических систем.
(2) Зависимость от надежности электронной системы управления: неисправности двигателя, датчиков или управляющего программного обеспечения могут привести к внезапной потере помощи (хотя конструкции резервирования имеются, риски все еще существуют).
(3) Недостаточная помощь в сценариях с высокой-нагрузкой. Мощные-двигатели стоят дорого, а некоторые недорогие-модели могут иметь недостаточную помощь в экстремальных условиях работы (например, при рулевом управлении в неподвижном состоянии).
II. Электро-гидравлический усилитель рулевого управления (EHPS)
Из-за большой нагрузки электрических грузовиков и необходимости более мощного рулевого управления в некоторых моделях используется электро-гидравлический усилитель рулевого управления (EHPS), в котором используется технология электронного управления на основе традиционного гидравлического усилителя рулевого управления (HPS) для повышения энергоэффективности и управляемости.
1. Состав EHPS
Система EHPS в основном состоит из следующих компонентов:
(1) Электро-гидравлический насос (заменяет традиционный гидравлический насос с приводом от двигателя-). Он приводится в действие электродвигателем и работает независимо от двигателя. Он подходит для электромобилей. Обычно в нем используется бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) или синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM) для повышения энергоэффективности.
(2) Гидравлический усилитель-вспомогательного механизма (рейка и шестерня или рулевой механизм с рециркуляцией шариков) Аналогичен HPS, но гидравлическое давление точно регулируется электронной системой управления.
(3) Электронный блок управления (ЭБУ) Регулирует скорость вращения и давление электро-гидравлического насоса в соответствии с такими сигналами, как скорость автомобиля и крутящий момент рулевого управления.
(4) Гидравлический резервуар, гидравлические трубопроводы, рулевой клапан. Так же, как и традиционный HPS, отвечает за хранение и регулирование потока гидравлического масла.
2. Принцип работы EHPS
(1) Сбор сигнала Когда водитель поворачивает рулевое колесо, датчик крутящего момента рулевого колеса определяет намерение водителя рулить (величину и направление силы рулевого управления). Датчик скорости автомобиля предоставляет текущую информацию о скорости автомобиля (большая помощь на низких скоростях, меньшая помощь на высоких скоростях).
(2) ЭБУ рассчитывает необходимую помощь. На основе таких данных, как крутящий момент, скорость автомобиля и угол поворота рулевого колеса, ЭБУ рассчитывает необходимое гидравлическое давление и управляет скоростью вращения электро-гидравлического насоса.
Низкие скорости (например, парковка): двигатель работает на высокой скорости, обеспечивая большой поток гидравлического масла для облегчения рулевого управления.
Высокие скорости: двигатель замедляется, чтобы уменьшить помощь, повысить «стабильность» рулевого колеса и улучшить устойчивость движения.
(3) Электро-насос создает давление. Двигатель приводит в действие гидравлический насос, который создает давление в гидравлическом масле и подает его к клапану рулевого управления. В соответствии с направлением крутящего момента на рулевом колесе управляющий клапан направляет гидравлическое масло в соответствующую камеру гидравлического цилиндра, толкая рейку или рулевую тягу для усиления рулевого управления.
Низкая скорость/большая нагрузка: увеличьте гидравлическое давление, чтобы усилить помощь и облегчить рулевое управление.
Высокая скорость/без нагрузки: уменьшите гидравлическое давление, чтобы уменьшить помощь и улучшить устойчивость движения.
(4) Циркуляция гидравлического маслаПосле завершения оказания помощи гидравлическое масло возвращается в резервуар, образуя замкнутый-циркуляционный цикл.
3. Преимущества и недостатки EHPS
Преимущества
(1) Усилитель с высоким-крутящим моментом: подходит для тяжелых-электрических грузовиков и коммерческого транспорта, обеспечивая более сильное рулевое усилие, чем EPS.
(2) Высокая надежность: зрелая гидравлическая система стабильно работает в экстремальных условиях работы (например, при низкой температуре, высокой нагрузке).
(3) Умеренная стоимость: более экономична, чем EPS (оснащена мощным-двигателем + редукторным механизмом) и более энергоэффективна-, чем традиционные HPS.
Недостатки
(1) Относительно высокое энергопотребление: электро-гидравлический насос работает непрерывно и потребляет больше энергии, чем EPS (но более энергоэффективен,-по сравнению с традиционным HPS).
(2) Сложная конструкция: требуются гидравлические трубопроводы, резервуары и другие компоненты, обслуживание которых немного сложнее, чем у EPS.
(3) Немного медленный отклик: скорость динамической регулировки гидравлической системы немного ниже, чем у EPS.
III. Управление-по-проводу (SBW)
Управление-по-проводу (SBW)— это будущее направление развития систем рулевого управления. Он полностью исключает механическую связь между рулевым колесом и колесами и полностью полагается на электрические сигналы для управления рулевым управлением.
1. Состав СБВ
Система SBW в основном состоит из следующих компонентов:
(1) Модуль рулевого колеса Отвечает за определение намерения водителя рулевого управления и имитацию обратной связи по ощущению дороги, включая: датчик крутящего момента/угла рулевого колеса, электродвигатель обратной связи по ощущению дороги и электронный блок управления рулевого колеса.
(2) Модуль исполнения рулевого управления Отвечает за управление рулевым управлением, заменяя традиционную рулевую колонку и реечный механизм, включая: электродвигатель рулевого управления, датчик угла поворота рулевого колеса и механизм понижения (например, шариковый винт или набор шестерен).
(3) Электронный блок управления (ЭБУ). «Мозг» SBW, отвечающий за обработку сигналов и координацию системы, включая: главный ЭБУ и резервный ЭБУ.
(4) Резервная система безопасности. Для обеспечения безопасности SBW должен быть оснащен несколькими резервными источниками питания, включая двойной-источник питания, два канала связи и механический аварийный резерв.
2. Принцип работы SBW
(1) Сбор сигналов (модуль рулевого колеса)
Датчик крутящего момента/угла: определяет силу и угол поворота рулевого колеса водителя и преобразует их в электрические сигналы.
Такие сигналы, как скорость автомобиля и скорость рыскания: получение статуса автомобиля (например, данные ESP, ABS) через шину CAN для расчета оптимальной реакции рулевого управления.
(2) Электронное управление (принятие решений ЭБУ-)
Главный ЭБУ: рассчитывает целевой угол поворота рулевого колеса (динамически регулирует передаточное число рулевого управления в сочетании со скоростью автомобиля, режимом вождения и т. д.) и интенсивность обратной связи по ощущению дороги (имитирует силу взаимодействия между шинами и дорожным покрытием) на основе сигналов датчиков.
Резервный ЭБУ: контролирует основную систему в режиме реального времени и немедленно берет на себя управление или активирует аварийный режим при обнаружении неисправности (например, потеря сигнала, неисправность двигателя).
(3) Управление рулевым управлением (привод колес) Двигатель рулевого управления (обычно бесщеточный двигатель с высоким-крутящим моментом) напрямую приводит в движение рейку или поворотный кулак, заставляя колеса поворачиваться. Датчик положения возвращает фактический угол поворота колес в режиме реального времени, чтобы обеспечить управление по замкнутому-контуру и гарантировать точное выполнение инструкций ЭБУ.
(4) Имитация ощущения дороги (обратная связь с рулевым колесом). Двигатель обратной связи с рулевым колесом применяет программируемое сопротивление к рулевому колесу для имитации механического ощущения дороги от традиционных систем рулевого управления (например, неровностей, изменений сцепления шин с дорогой).
3. Преимущества и недостатки SBW
Преимущества
(1) Отсутствие механического соединения: повышает гибкость компоновки шасси и увеличивает внутреннее пространство.
(2) Переменное передаточное число рулевого управления: угол поворота рулевого колеса и угол поворота рулевого колеса можно свободно регулировать (например, более чувствительное рулевое колесо на низких скоростях, более стабильное на высоких скоростях).
(3) Идеально адаптирован к автономному вождению: рулевое управление может полностью контролироваться компьютером без вмешательства водителя.
(4) Более безопасная защита от столкновений: нет рулевой колонки, которая не проникнет в кабину водителя в случае столкновения.
Недостатки
(1) Высокая стоимость. Требуются высоконадежные электронные компоненты и резервные системы.
(2) Нормативные ограничения: В настоящее время некоторые страны требуют сохранения частичных механических резервных копий (например, система Toyota SBW все еще сохраняет аварийное соединение сцепления).
(3) Принятие потребителя: некоторые пользователи сомневаются в методе рулевого управления «без механического соединения».
IV. Краткое содержание
В этой статье представлены три различных типа систем рулевого управления для электромобилей и принципы их работы. Из-за большой нагрузки на рулевое управление электрических грузовиков EHPS (электро-гидравлический усилитель рулевого управления) в настоящее время по-прежнему остается основным решением, обеспечивающим хороший баланс между интенсивностью помощи, надежностью и стоимостью. Однако с развитием технологии EPS высокой-мощности некоторые электрические грузовики в будущем могут перейти на EPS или гибридные системы рулевого управления. В настоящее время EPS по-прежнему остается наиболее экономичным-решением и широко используется. Будущее систем рулевого управления электромобилей будет развиваться от EPS (электрического усилителя рулевого управления) к SBW (управление-по-проводному принципу), а SBW станет основным направлением благодаря своей большей гибкости и совместимости с автономным вождением.