电动助力转向系统在低温环境下的转向沉重问题与策略改进

一、引言

随着汽车工业的不断发展，电动助力转向系统（EPS）逐渐取代传统的液压助力转向系统，成为汽车转向系统的主流。EPS 通过电机提供辅助动力，能够根据车辆行驶状态和驾驶员的操作需求，精确调节助力大小，从而提高驾驶的舒适性和安全性。然而，在寒冷的冬季或高纬度地区等低温环境中，EPS 的性能会受到显著影响，其中转向沉重是最为常见的问题之一。这不仅增加了驾驶员的操作强度，还可能在紧急情况下影响车辆的转向响应，对行车安全构成潜在威胁。因此，深入研究电动助力转向系统在低温环境下的转向沉重问题，并提出有效的改进策略，具有重要的理论意义和实际应用价值。

二、电动助力转向系统的组成与工作原理

（一）系统组成

电动助力转向系统主要由方向盘、转向柱、扭矩传感器、车速传感器、电机、减速机构、转向器以及电子控制单元（ECU）等部分组成。其中，扭矩传感器用于检测驾驶员施加在方向盘上的扭矩大小和方向；车速传感器用于获取车辆的行驶速度；ECU 根据扭矩传感器和车速传感器等传来的信号，计算出所需的助力大小和方向，并控制电机输出相应的辅助动力；减速机构则将电机的动力传递给转向器，以实现转向助力。

（二）工作原理

当驾驶员转动方向盘时，扭矩传感器会检测到方向盘的扭矩信号，并将其传输给 ECU。同时，车速传感器也会将车辆的行驶速度信号传输给 ECU。ECU根据接收到的扭矩信号和车速信号，按照预设的控制策略计算出所需的助力电流，并将该电流信号传输给电机。电机在电流的作用下产生相应的扭矩，并通过减速机构将扭矩传递给转向器，从而为驾驶员提供转向助力。助力的大小会随着扭矩和车速的变化而变化，当扭矩较大或车速较低时，助力较大；当扭矩较小或车速较高时，助力较小，以保证车辆在不同行驶状态下的转向稳定性和操控性。

三、低温环境下电动助力转向系统转向沉重的原因分析

（一）电机性能下降

电机是电动助力转向系统提供助力的核心部件，其性能在低温环境下会受到较大影响。一方面，低温会导致电机绕组的电阻增大，根据欧姆定律，在电压一定的情况下，电阻增大将导致电流减小，从而使电机输出的扭矩降低。另一方面，电机内部的永磁体在低温环境下会出现磁通量减少的现象，这也会导致电机的输出扭矩下降。此外，低温还会使电机的润滑脂黏度增加，增加电机的运转阻力，进一步降低电机的输出性能，从而导致转向助力不足，出现转向沉重的问题。

（二）传感器精度降低

扭矩传感器和车速传感器是电动助力转向系统中的重要传感器，其测量精度直接影响 ECU 对助力大小的计算。在低温环境下，扭矩传感器内部的弹性元件可能会因为温度过低而出现弹性系数变化的情况，导致其测量的扭矩信号不准确。同时，传感器的电子元件在低温环境下也可能会出现性能不稳定的现象，如输出信号漂移、灵敏度降低等，从而影响传感器的测量精度。车速传感器在低温环境下也可能会因为齿轮与传感器之间的间隙变化、信号传输受干扰等原因，导致测量的车速信号不准确。ECU 根据这些不准确的信号计算出的助力大小必然存在偏差，进而导致转向助力不足或不稳定，出现转向沉重的问题。

（三）机械结构变化

电动助力转向系统的机械结构在低温环境下也会发生一系列变化，从而影响系统的正常工作。转向柱、转向器等部件的材料在低温环境下会出现收缩现象，导致各部件之间的配合间隙发生变化。如果配合间隙变小，会增加部件之间的摩擦阻力；如果配合间隙变大，则可能会出现松动、异响等问题，影响转向的平稳性。此外，转向系统中的润滑脂在低温环境下会变得黏稠，甚至凝固，导致润滑效果下降，增加各运动部件之间的摩擦阻力，从而使驾驶员需要施加更大的力才能转动方向盘，出现转向沉重的现象。

四、电动助力转向系统在低温环境下的策略改进

（一）优化电机设计

为了提高电机在低温环境下的性能，可从以下几个方面对电机进行优化设计。一是选用低温性能优良的材料制作电机绕组和永磁体，如采用耐低温的铜线和高性能的永磁材料，以减少低温对电机电阻和磁通量的影响。二是改进电机的结构设计，增加电机的散热能力，同时采用低黏度、耐低温的润滑脂，以减少电机的运转阻力。三是在电机控制电路中增加温度补偿功能，根据电机的工作温度实时调整电机的工作电压或电流，以保证电机在低温环境下能够输出足够的扭矩。

（二）改进传感器性能

提高传感器在低温环境下的测量精度是解决转向沉重问题的关键之一。对于扭矩传感器，可选用在低温环境下弹性系数变化较小的弹性材料，并对传感器进行温度补偿设计，通过硬件或软件的方式消除温度对测量精度的影响。对于车速传感器，可优化传感器的结构设计，减少温度变化对齿轮与传感器之间间隙的影响，同时采用抗干扰能力强的信号传输方式，提高传感器的测量精度和稳定性。

（三）强化机械结构防护

为了减少低温环境对机械结构的影响，需要强化机械结构的防护措施。一是选用耐低温、热胀冷缩系数小的材料制作转向柱、转向器等部件，以减少温度变化对部件配合间隙的影响。二是对机械结构进行密封处理，防止水分进入部件内部，避免在低温环境下出现结冰现象，影响部件的正常运转。三是选用耐低温的润滑脂，并定期对转向系统进行润滑维护，保证各运动部件之间的良好润滑，减少摩擦阻力。

（四）完善控制算法

针对低温环境下控制策略不适应的问题，需要完善电动助力转向系统的控制算法。一是建立低温环境下的系统模型，通过实验和仿真分析，掌握电机、传感器等部件在不同低温环境下的性能变化规律，并将这些规律融入到控制算法中。二是采用自适应控制算法，ECU 能够根据传感器实时检测到的温度、扭矩、车速等信号，自动调整控制参数，优化助力大小的计算，使系统能够适应不同的低温环境。三是增加故障诊断和容错控制功能，当传感器或电机出现轻微故障时，ECU 能够及时检测到，并采取相应的容错控制措施，保证系统的基本功能正常，避免出现转向沉重等严重问题。

五、结论

电动助力转向系统在低温环境下的转向沉重问题是影响其性能和安全性的重要因素。通过对电机、传感器、机械结构和控制策略等方面的分析，找出了导致转向沉重的主要原因，并提出了相应的改进策略。优化电机设计、改进传感器性能、强化机械结构防护以及完善控制算法等措施，能够有效提高电动助力转向系统在低温环境下的性能，减少转向沉重问题的发生。

参考文献

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