汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

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1、 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 第一節(jié)概述 ? 在汽車行駛中，轉(zhuǎn)向運動是最基本的運動。我們通過 方向盤來操縱和控制汽車的行駛方向，從而實現(xiàn)自己的行 駛意圖。 ?在現(xiàn)代汽車上，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是必不可少的最基本的系統(tǒng)之一, 它也是決定汽車主動安全性的關(guān)鍵總成。 ?如何設(shè)計汽車的轉(zhuǎn)向特性，使汽車具有良好的操縱性能， 始終是各汽車廠家和科研機構(gòu)的重要課題。特別是在車輛 高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天，針對更 多不同的駕駛?cè)巳?，汽車的操縱性設(shè)計顯得尤為重要。 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng) ?

2、傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是機械系統(tǒng)，汽車的轉(zhuǎn)向運動是由駕 駛員操縱方向盤，通過轉(zhuǎn)向器和一系列的桿件傳遞到轉(zhuǎn)向 車輪而實現(xiàn)的。普通的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建立在機械轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上。 ?常用的有兩種是齒輪齒條式和循環(huán)球式（用于需要較大的 轉(zhuǎn)向力時）。這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是我們最常見的，目前大部分 低端轎車釆用的就是齒輪齒條式機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點 ?雖然傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作最可靠，但是也存在很多固有的缺 點，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于方向盤和轉(zhuǎn)向車輪之間的機械連接 而產(chǎn)生一些自身無法避免的缺陷： ?①汽車的轉(zhuǎn)向特性受駕駛員駕駛技術(shù)的影響嚴(yán)重； ?②轉(zhuǎn)向傳動比固定，提供不了合適的轉(zhuǎn)向力; ③液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性差，一

3、般轎車每行駛一百公里 要多消耗0.3?0.4升的燃料；另外，存在液壓油泄漏問題, 一個明顯的劣勢。 對環(huán)境造成污染，在環(huán)保性能被日益強調(diào)的今天，無疑是 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) ? 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是指在駕駛員的控制下，借助于汽 車發(fā)動機通過液壓泵產(chǎn)生的液體壓力或電動機驅(qū)動力來 實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向。助力轉(zhuǎn)向是一種以駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤 （轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角）為輸入信號，以轉(zhuǎn)向車輪的角位移為輸 出信號的伺服機構(gòu)。 輕便性問題, 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求 ?對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求，主要概括為轉(zhuǎn)向的靈敏度和操縱的輕 便性。高的轉(zhuǎn)向靈敏度，要求轉(zhuǎn)向器具有小的傳動比，以 小的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角迅速轉(zhuǎn)向，好的操縱輕便性，

4、則要求轉(zhuǎn)向 器具有大的傳動比，這樣才能以較小的轉(zhuǎn)向盤操縱力獲得 大的轉(zhuǎn)向力矩。 ?實際應(yīng)用中，一般要求：當(dāng)轉(zhuǎn)向輪達(dá)到最大設(shè)計轉(zhuǎn)角時， 轉(zhuǎn)向盤總轉(zhuǎn)數(shù)不宜超過5圈，而轉(zhuǎn)向盤操縱力最大不超過 250N 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的具體要求 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的具體要求 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的具體要求 向盤 ■ K 7太小 I此要 1車速 ［清楚 「感覺 乞車行 亍很好 總行駛 ＞良好的操縱性 A合適的轉(zhuǎn)向力與位置感 ＞具有回正功能 ＞適當(dāng)?shù)穆访娣答伭?＞工作可靠 A節(jié)省能源 ＞安靜、噪聲小 在保證轉(zhuǎn)向性能的前 提下，盡可能降低轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)的動力消耗。

5、 具有故障預(yù)警功能，當(dāng) 計第機控制系統(tǒng)或助力 系統(tǒng)發(fā)生故障時，轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)仍然應(yīng)保留人力轉(zhuǎn) 向功能。 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類 ＞傳統(tǒng)液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) ＞電子控制式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) ＞電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 傳統(tǒng)液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) Alto ?機械式的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般由液壓泵、油管、壓力流 量控制閥體、V型傳動皮帶、儲油罐等部件構(gòu)成。 ?無論車是否轉(zhuǎn)向，這套系統(tǒng)都要工作，而且在大轉(zhuǎn)向車速 較低時，需要液壓泵輸出更大的功率以獲得比較大的助力。 所以，也在一定程度上浪費了資源。還有，機械式液壓助 力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

6、由液壓泵及管路和油缸組成，為保持壓力，不 論是否需要轉(zhuǎn)向助力，系統(tǒng)總要處于工作狀態(tài)，能耗較高, 這也是耗資源的一個原因所在。 傳統(tǒng)液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) ? 傳統(tǒng)液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HPS) 一般按液流的形式可分 為常流式和常壓式兩種類型。 ?常流式是指汽車在行駛中，不轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，流量控制閥在 中間位置，油路保持暢通。 ?常壓式是指汽車在行駛中，無論轉(zhuǎn)向盤是否轉(zhuǎn)動，整個液壓 系統(tǒng)總是一直保持高壓。 傳統(tǒng)液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)缺點 提供不了合適的轉(zhuǎn)向力，即若要保證汽車在停車或低 速調(diào)頭時轉(zhuǎn)向輕便，那么汽車高速行駛時就會感到有”發(fā) 飄“的感覺；若要保證汽車在高速行駛時

7、操縱有適度手感, 那么當(dāng)其要停車或低速調(diào)頭時就會感到轉(zhuǎn)向太重，兩者不 能兼顧。 電磁閥：根據(jù)需要開啟適當(dāng)?shù)拈_度，使油壓反力室一側(cè)的油液 流回儲油箱。電磁閥開度增大時，使作用在柱塞的背壓（油壓反力 室壓力）降低，柱塞推動控制閥轉(zhuǎn)閥閥桿的力（反力）較小，因此 只需要較小的轉(zhuǎn)向力就可使扭力桿扭轉(zhuǎn)變形，使閥體與閥桿相對轉(zhuǎn) 動而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力作用，電磁閥開啟較小時則相反。 反力控制式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作過程 ?當(dāng)轉(zhuǎn)向力增大，扭力桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時，控制閥閥體與轉(zhuǎn)閥閥桿 之間將發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，使兩閥的通道口相互連通，扭力桿的變形 角度就越大，轉(zhuǎn)閥中工作油液通道的截口面積就越大，助力就越 

8、?汽車低速行駛或者大轉(zhuǎn)彎時。流經(jīng)電磁線圈的電流較大，電磁閥 的開啟角度較大，經(jīng)分流閥分流后的油液通過電磁閥返回油箱的 油液就較多,因此作用在反力室的油壓就較小，柱塞上的油壓較 小，這時作用在控制閥軸上的反力也較小，因此反力油壓形成的 阻力矩較小。由于阻力矩較小，轉(zhuǎn)向盤只需要用較小的力就可以 使扭力桿發(fā)生較大的變形，轉(zhuǎn)向助力較大。 轉(zhuǎn)向液斥泵 轉(zhuǎn)向盤 ECU — 一 乍速傳感器 儲油箱 分流閥 \ 倒繆小誌輪齒條轉(zhuǎn)向動力缸舷 小孔 f肖 /!轉(zhuǎn)閥閥桿 / /控制閥閥休 廠 // 1 / 一小 1 //  ?流經(jīng)電磁線圈

9、的電流較小，電磁閥的開啟角度較小，經(jīng)分流閥分 流后的油液通過電磁閥返回油箱的油液就較少，因此作用在反力 室的油壓就較大，柱塞上的油壓較大，這時作用在控制閥軸上的 反力也較大，因此反力油壓形成的阻力矩較大。由于阻力矩較大, 輸入同樣的力，使扭力桿發(fā)生變形較小，轉(zhuǎn)向助力較小。旋轉(zhuǎn)閥 與控制閥相互連通的通道口開度也減小，助力較小。 /轉(zhuǎn)向盤 f肖 5 /控脾閥休 \ ECU — 一 儲汕箱 分流閥 轉(zhuǎn)向液斥泵 乍速傳感器 廠 // 1 / 一小 1 // 倒輕塞小誌輪齒條轉(zhuǎn)向動力缸舷 1 液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點 ?結(jié)構(gòu)復(fù)雜，

10、功率消耗大，容易產(chǎn)生泄漏，轉(zhuǎn)向力不易有效 控制。 轉(zhuǎn)向軸助力式 齒輪助力式 齒親助力式 直接葡力式電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類裂 ?很據(jù)電動林布直位直不同，可分為轉(zhuǎn)向枉助力丸、齒輪助 力式和齒條助力式三種類型。 齒條助力式EPS的電動機和減速機構(gòu)直接驅(qū)動齒條提供 助力。 ?電動助; 它能夠" 慢，精/ 成本相〉 “向 決 咯 t 矍 老 I4JF ■電帆助力特性 轉(zhuǎn)向離合器 卷冏齒輪i 特向齒條 電動助力

11、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 車尅i號 «^Jfc=====X ?不轉(zhuǎn)向時，助力電動機不工作， ?當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時，與轉(zhuǎn)向軸相連的轉(zhuǎn)矩傳感器不斷地測出 作用于轉(zhuǎn)向軸上的力矩，并將力矩轉(zhuǎn)換為電信號，車速傳 感器產(chǎn)生車速信號，ECU根據(jù)這兩個信號，經(jīng)過運算處 理后，向離合器和電動機發(fā)車發(fā)出控制指令，即輸出一個 適合的電流，在離合器結(jié)合的同時，是電動機產(chǎn)生一個轉(zhuǎn) 矩，轉(zhuǎn)矩經(jīng)過減速機構(gòu)減速增距后，施力口在輸出軸上，輸 出軸的下端與齒輪齒條轉(zhuǎn)向器總成中的

12、小齒輪相連，于是 由電動機發(fā)出的轉(zhuǎn)矩最后通過齒輪齒條轉(zhuǎn)向器施加到汽車 的轉(zhuǎn)向機構(gòu)上，使之得到一個與工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力。 轉(zhuǎn)矩傳感器 km ?轉(zhuǎn)矩傳感器用于檢測作用于轉(zhuǎn)向盤上轉(zhuǎn)矩信號的大小，目 前采用較多的是扭桿式電位計傳感器，它是在轉(zhuǎn)向軸位置 加一根扭桿，通過扭桿檢測輸入軸與輸出軸的相對扭轉(zhuǎn)位 移得到扭矩。 ?用磁性材料構(gòu)成的定子和轉(zhuǎn)子可以形成閉合的回來，線圈 A、B、C、D分別繞在極靴上，構(gòu)成一個橋式回路。轉(zhuǎn)向 軸扭轉(zhuǎn)變形的扭轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩成正比，所以只要測定轉(zhuǎn)向軸 的扭轉(zhuǎn)角，就可間接知道轉(zhuǎn)向力的大小。 轉(zhuǎn)向力矩侵感器外觀及工作原理 ?在線圏U. T的兩端施加

13、連續(xù)的脈沖信號％當(dāng)轉(zhuǎn)向軸上的 I 轉(zhuǎn)矩為零時，定子和轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)角也為零，電橋平橫, 在V和W兩端的電位差U。為零，如果轉(zhuǎn)向軸上存在轉(zhuǎn)矩， 定子和轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)角不為零，此時定子和轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生角  ?當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)動時，感應(yīng)轉(zhuǎn)子的齒不斷的靠近和離開車速 傳感器，使感應(yīng)線圈內(nèi)的磁通發(fā)生變化，從而產(chǎn)生交流感應(yīng) 電壓，車速越高，輸出軸轉(zhuǎn)速越高，感應(yīng)電壓脈沖頻率就越 高。ECU根據(jù)脈沖信號的頻率，計算出輸出軸的轉(zhuǎn)速，再進(jìn) 一步轉(zhuǎn)換成車速。 a) 時間 b) 電機 ? EPS的動力源是電動機，功能是根據(jù)ECU的指令產(chǎn)生相應(yīng) 的輸出轉(zhuǎn)矩，電動機時影響EPS性能的主要因素之一。通

14、常釆用無刷永磁式直流電動機。要求低速轉(zhuǎn)矩大、波動小、 慣量小、尺寸小、質(zhì)量輕，可靠性高、控制性能好。 ?需要正反轉(zhuǎn)控制。 ?比和a?端為觸發(fā)信號端，從微機系統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換器得到的直流信 號輸入到和a?端，用以觸發(fā)電動機產(chǎn)生正反轉(zhuǎn)。當(dāng)比端得到輸 入信號時，晶體管VT3導(dǎo)通，VT?得到基極電流而導(dǎo)通。電動機有 電流流過正轉(zhuǎn)。 ?當(dāng)a?端得到輸入信號時，晶體 管VT4導(dǎo)通，VT〔得到基極電流 而導(dǎo)通。電動機有反向電流流 過反轉(zhuǎn)。 ?控制觸發(fā)信號端電流的大小， 就可以控制電動機通過電流的 大小。 離合器 ?采用干式電磁離合器，保證EPS在預(yù)先設(shè)定的車速范圍內(nèi) 閉合，當(dāng)車速超

15、過設(shè)定車速范圍時，離合器斷開，電動機 不在提供助力，轉(zhuǎn)入手動轉(zhuǎn)向狀態(tài)，另外當(dāng)電動機發(fā)生故 障時，離合器將自動斷開。車速超過30KM/h時，EPS不 工作。 <-K ?轉(zhuǎn)換 藥 4- 輸 ?轉(zhuǎn)絶傳?亡 微機根據(jù)車速.轉(zhuǎn)向力及轉(zhuǎn)向角等參數(shù)，計算得到最佳的轉(zhuǎn)向助 力轉(zhuǎn)矩，并向轉(zhuǎn)向電動機輸出電流控制信號，使轉(zhuǎn)向機構(gòu)得到一 個與汽車工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。從而實現(xiàn)最佳的轉(zhuǎn)向助力控 制。 D/A 丸電曙 卑進(jìn)轉(zhuǎn)感?跺  h電動助力轉(zhuǎn)向的精確轉(zhuǎn)向的實現(xiàn)過程 工作時，微機控制指令經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換接口送入電動機和離合器的 驅(qū)動放大電路，以控制電動機電流的大小和方向，以及離合器的離合。 電動機的電流經(jīng)放大電路.電流表及a/d轉(zhuǎn)換接口反饋給微機，微機 將此與按微機指令應(yīng)給的電流相比較，若有差值，則予以調(diào)整，使兩 者趨于一致。 A 備 D/A 1 ?輕緬傳感?跺E3 !笈動.札哺速 儒?感?跺 E 火開壬 C開始）