汽车助力器:从真空到电动,存在着哪些变数?

汽车助力器:从真空到电动,存在着哪些变数?

当普通用户在驾驶的时候,可能很少去关注过这样一些现象:一个大全尺寸SUV和一个微型车的方向盘,操作起来都很轻便。制动踏板踩起来都很轻盈,并没有因为SUV的巨大车重而变得沉重…

作为工程师来说,这当然不是问题,因为这有个叫‘助力系统’的机构存在,转向有液压帮助力、电动帮助力;制动系统有真空帮助力、气压帮助力、还有现在行业网红的电动助力器,这些部件提供的帮助力,让我们无论操纵起大型商用车,还是小微车辆,都灵活舒适。

今天我们就来聊聊电动助力器!

真空助力器的辉煌与尴尬

对于发动机来说,这个真空度无论你用与不用,它都在那里。所以发明真空助力器的工程师,也正是看中这与生俱来的能量来源,如果发动机没有这一真空源,制动帮助力历史就改写了。

就目前市面上的车辆,尤其燃油车辆,几乎都是真空助力器去当道。它的存在让我们踩制动踏板的力大为减轻(可以尝试,在发动机熄火的情况下,踩几脚制动踏板,你还能踩得动?)

作为发动机的工程师来说,他的使命就是提高发动机燃烧效率,其中一条就是要充入更多的空气进入气缸,所以各种的措施都出来了,机械增压、涡轮增压……但在提高发动机进气效率提高的同时,发动的真空度却在降低,这显然对制动帮助力不利。

在需要真空和抑制真空,这一博弈的过程中,毫无悬念,要妥协的是制动系统。因为提高发动机燃烧效率这是有利于环境、能源消耗的大课题。所以对于一些增压发动机以及柴油机,底盘工程师们想出来一个折中或者叫妥协的办法,就是增加一个真空泵来弥补真空度不足的情况,这是目前来说比较经济的做法了。

真空泵目前主要以电子真空泵(左下)和机械真空泵(右下)所示:



终极解决方案---电动助力器

在妥协让步,折中方案的同时,其实工程师们也没闲着,下一代的助力器已经产生了,那就是纯电动助力器。因为各个供应商的命名不尽相同,诸如 I-BOOST\E-BOOST \ EVB….等等,为了避免针对某一产品的嫌疑,我们还是将所有这些统称为电动助力器吧(听起来很有80年代的乡土感觉,就像那会儿听到的‘XX牌 的电视机、XX牌 电冰箱’一样)。

目前的电动助力器只是替换掉了传统的真空助力器,制动力的传递介质还是制动液。

催生电动助力器出现的另一个原因,是近年来的电动车兴起。因为电动车压根没有真空源,如果纯粹用真空泵来提供真空,再用真空助力器提供帮助力。那着实有点画蛇添足,用电来的多直接…...另一个就是对能量回收的要求,虽然能量回收在传统的助力器+ESP模块上也可以实现,但用电动助力器来实现却更简单易行。

电动助力器功能详解

跟任何一个新生事物一样,都会趋于最合理的一种结构方式。电动助力器的驱动方式也从百家争鸣,渐渐的演变为蜗轮蜗杆+齿轮齿条的方式。这点类似EPS 的方式,之所所以采用这种方式,因为它的正向、逆向效率都能接受。

电动助力器如果按大的分类来说,可以分为解耦和非解耦。所谓解耦就是制动踏板踩的力并没有直接作用在制动主缸,只克服一段弹簧力。作用在制动主缸上的推力是纯电机产生的推力。而非解耦结构则类似传统助力器的方式,踏板力和电机力同时作用在主缸上。如果体现在结构上,就是电动助力器推杆部分是否存在一个解耦间隙,如下图:

不要小看这一点间隙,它是实现能量回收的关键所在。下面我们就聊聊电动助力器的匹配以及工作过程。

踏板感觉,在电动助力器选型(电机容量)布置完成之后,第一件要做的事情是踏板感觉的匹配,千万不要被匹配这个词眼给吓倒。电动助力器的踏板感觉匹配其实没那么神秘,在单纯踏板感觉匹配阶段不考虑整车的减速度。

唯一考量的就是人机踏板力和踏板行程的舒适性,也就是类似车辆静止踩制动踏板,找到一个舒适的踏板力和行程的对应关系,最终决定的其实就是踏板模拟弹簧刚度。

在完成了踏板感觉匹配之后,就是如何将踏板感觉跟整车减速度关联起来,这就是电机的驱动帮助力的设定。比如踏板踩20mm 时对应的输出压力,我们将之转变为电机驱动齿条能达到的堵转电流,当电流达到额定电流的时候就开始保压。这个过程中,解耦间隙始终是存在。

这里有个问题,电机如何知道踏板踩了多少?别急,这里有个叫行程传感器的东西。它监控踏板踩出的行程,发给ECU ,ECU 根据行程换算成电机堵转电流来驱动电机。

能量回收如何实现?目前,能量回收主要是针对EV\PHEV 车辆来说的,应用其驱动电机反拖发电来制动,并将车辆动能转化为电能对电池进行充电。

具体到技术层面就是,踩下制动踏板(一定的行程范围内),系统不能有液压作用到卡钳之上,同时电机接受到踏板行程信号,并将其转化为反拖发电负荷(阻值)进行发电。那反应到电动助力器上是如何实现,其实就是,踏板走而驱动电机不转,此时的踏板行程只反应到解耦间隙的减小之上。

助力失效后的操作,只要是机械部件,都存在失效的可能,那如果电动助力器的电动助力部分失效了该如何制动?在电动助力器上,其实就是推杆前行,直到解耦间隙消失,推杆和齿条活塞刚性接触,此时只能通过推杆没有帮助力的情况下推动活塞建压,但必须满足2.44m/s^2的减速度要求。

自动驾驶模式下的主动建压,随着AEB\ACC 的普及以及更高级的LV3自动驾驶的热潮,作为车辆纵向主动控制之一的主动制动,在电动助力器的车辆上实现起来并不难,以AEB 为例,助力器ECU 接受到来自雷达的减速度信号,并将该减速度信号转化为电机的堵转电流来驱动电机,此时踏板行程的信号将被置零(始终有效)。结果就是电机驱动涡轮蜗杆、齿轮齿条推动主缸建压,而踏板则原地不动。此时的解耦间隙扩大。

电动助力器将是趋势
技术的发展就是一个革命的过程。而现在的趋势,电动助力取代其他助力方式的趋势不变,EPS 的装机量已经超过了HPS,从零部件数量上来说,EPS 少了油泵、油壶、管路、还有转向油等等,取而代之的只是一个带有助力电机的转向机。

对于助力器来说,面临的挑战也许没有HPS这么尖锐,但电动助力所提供的功能是传统真空助力系统所无法比拟的,尤其能量回收、主动建压这块。另外电动助力器的应用也进一步解放了发动机的限制,不需要在背负真空泵、管路。

当然了,电动化带来的后果是耗电量的增加,所以发电机的功率和负荷将会升高,但二者相比取其利,电动助力器将是趋势。

更多相关技术和就业问题,下载登录IND4汽车人app,在“问答”页面提问。

发布于 2019-08-20

文章被以下专栏收录