汽车电动助力转向系统

第 四 章 汽 车 电 动 助 力 转 向 系 统 第 一 节 概 述 在 汽 车 行 驶 中 ， 转 向 运 动 是 最 基 本 的 运 动 。 我 们 通 过方 向 盘 来 操 纵 和 控 制 汽 车 的 行 驶 方 向 ， 从 而 实 现 自 己 的 行驶 意 图 。 在 现 代 汽 车 上 ， 转 向 系 统 是 必 不 可 少 的 最 基 本 的 系 统 之 一 ，它 也 是 决 定 汽 车 主 动 安 全 性 的 关 键 总 成 。 如 何 设 计 汽 车 的 转 向 特 性 ， 使 汽 车 具 有 良 好 的 操 纵 性 能 ，始 终 是 各 汽 车 厂 家 和 科 研 机 构 的 重 要 课 题 。 特 别 是 在 车 辆高 速 化 、 驾 驶 人 员 非 职 业 化 、 车 流 密 集 化 的 今 天 ， 针 对 更多 不 同 的 驾 驶 人 群 ， 汽 车 的 操 纵 性 设 计 显 得 尤 为 重 要 。 传 统 转 向 系 统 传 统 的 汽 车 转 向 系 统 是 机 械 系 统 ， 汽 车 的 转 向 运 动 是 由 驾驶 员 操 纵 方 向 盘 ， 通 过 转 向 器 和 一 系 列 的 杆 件 传 递 到 转 向车 轮 而 实 现 的 。 普 通 的 转 向 系 统 建 立 在 机 械 转 向 的 基 础 上 。 常 用 的 有 两 种 是 齿 轮 齿 条 式 和 循 环 球 式 (用 于 需 要 较 大 的转 向 力 时 )。 这 种 转 向 系 统 是 我 们 最 常 见 的 ， 目 前 大 部 分低 端 轿 车 采 用 的 就 是 齿 轮 齿 条 式 机 械 转 向 系 统 。 传 统 转 向 系 统 的 缺 点 虽 然 传 统 转 向 系 统 工 作 最 可 靠 ， 但 是 也 存 在 很 多 固 有 的 缺点 ， 传 统 转 向 系 统 由 于 方 向 盘 和 转 向 车 轮 之 间 的 机 械 连 接而 产 生 一 些 自 身 无 法 避 免 的 缺 陷 ： 汽 车 的 转 向 特 性 受 驾 驶 员 驾 驶 技 术 的 影 响 严 重 ； 转 向 传 动 比 固 定 ,提 供 不 了 合 适 的 转 向 力 ; 液 压 助 力 转 向 系 统 经 济 性 差 ， 一 般 轿 车 每 行 驶 一 百 公 里要 多 消 耗 0.30.4升 的 燃 料 ； 另 外 ， 存 在 液 压 油 泄 漏 问 题 ，对 环 境 造 成 污 染 ， 在 环 保 性 能 被 日 益 强 调 的 今 天 ， 无 疑 是一 个 明 显 的 劣 势 。 助 力 转 向 系 统 助 力 转 向 系 统 使 转 向 操 作 灵 活 、 轻 便 ， 在 设 计 汽 车时 对 转 向 器 结 构 形 式 的 选 择 灵 活 性 增 大 ， 能 吸 收 路 面 对 前轮 产 生 的 冲 击 等 优 点 ， 现 代 汽 车 上 普 遍 采 用 助 力 转 向 系 统 助 力 转 向 系 统 于 1955年 在 Buick上 首 次 采 用 ， 解 决 了 转 向轻 便 性 问 题 ， 助 力 转 向 系 统 是 指 在 驾 驶 员 的 控 制 下 ， 借 助 于 汽车 发 动 机 通 过 液 压 泵 产 生 的 液 体 压 力 或 电 动 机 驱 动 力 来实 现 车 轮 转 向 。 助 力 转 向 是 一 种 以 驾 驶 员 操 纵 转 向 盘（ 转 矩 和 转 角 ） 为 输 入 信 号 ， 以 转 向 车 轮 的 角 位 移 为 输出 信 号 的 伺 服 机 构 。 助 力 转 向 系 统 的 要 求 对 转 向 系 统 的 要 求 ， 主 要 概 括 为 转 向 的 灵 敏 度 和 操 纵 的 轻便 性 。 高 的 转 向 灵 敏 度 ， 要 求 转 向 器 具 有 小 的 传 动 比 ， 以小 的 转 向 盘 转 角 迅 速 转 向 ， 好 的 操 纵 轻 便 性 ， 则 要 求 转 向器 具 有 大 的 传 动 比 ， 这 样 才 能 以 较 小 的 转 向 盘 操 纵 力 获 得大 的 转 向 力 矩 。 实 际 应 用 中 ， 一 般 要 求 ： 当 转 向 轮 达 到 最 大 设 计 转 角 时 ，转 向 盘 总 转 数 不 宜 超 过 5圈 ， 而 转 向 盘 操 纵 力 最 大 不 超 过250N 助 力 转 向 系 统 的 具 体 要 求 良 好 的 操 纵 性 合 适 的 转 向 力 与 位 置 感 具 有 回 正 功 能 适 当 的 路 面 反 馈 量 工 作 可 靠 节 省 能 源 安 静 、 噪 声 小 转 向 必 须 灵 活 、 平 顺 ，具 有 很 好 的 随 动 性 ， 能够 安 全 行 驶 在 狭 窄 、 连续 拐 弯 的 弯 道 上 。 低 速 或 停 车 时 ， 转 动 转 向 盘不 能 太 费 力 ， 高 速 行 驶 时 ， 又不 能 感 觉 到 转 向 盘 上 的 力 太 小而 有 发 “ 飘 “ 的 感 觉 ， 因 此 要求 转 向 盘 上 的 力 最 好 能 随 车 速变 化 ， 同 时 要 求 驾 驶 员 能 清 楚地 感 觉 到 转 向 盘 的 位 置 ， 感 觉到 操 纵 转 向 盘 的 角 度 与 汽 车 行驶 轨 迹 的 对 应 关 系 ， 具 有 很 好的 直 线 行 驶 稳 定 性 和 高 速 行 驶的 路 感 。在 转 向 后 ， 转 向 盘 应当 能 自 动 回 到 直 线 行 驶的 位 置 ， 回 转 的 速 度 要平 稳 、 适 当 。 使 残 留 的角 速 度 尽 可 能 小 。 从 道 路 表 面 传 来 的 冲击 应 能 传 达 到 转 向 盘 上 ，增 加 驾 驶 员 的 路 感 ， 但不 能 太 大 ， 要 使 驾 驶 员的 感 觉 是 舒 适 的 。 转 向 系 统 是 安 全 件 ，如 果 不 能 转 向 或 失 去 控制 就 会 发 生 车 毁 人 亡 的事 故 。 因 此 转 向 系 统 应具 有 故 障 预 警 功 能 ， 当计 算 机 控 制 系 统 或 助 力系 统 发 生 故 障 时 ， 转 向系 统 仍 然 应 保 留 人 力 转向 功 能 。 在 保 证 转 向 性 能 的 前提 下 ， 尽 可 能 降 低 转 向系 统 的 动 力 消 耗 。 转 向 系 统 的 分 类 传 统 液 压 式 助 力 转 向 系 统 电 子 控 制 式 液 压 助 力 转 向 系 统 电 动 助 力 转 向 系 统 传 统 液 压 式 助 力 转 向 系 统 机 械 式 的 液 压 助 力 转 向 系 统 一 般 由 液 压 泵 、 油 管 、 压 力 流量 控 制 阀 体 、 V型 传 动 皮 带 、 储 油 罐 等 部 件 构 成 。 无 论 车 是 否 转 向 ， 这 套 系 统 都 要 工 作 ， 而 且 在 大 转 向 车 速较 低 时 ， 需 要 液 压 泵 输 出 更 大 的 功 率 以 获 得 比 较 大 的 助 力 。所 以 ， 也 在 一 定 程 度 上 浪 费 了 资 源 。 还 有 ， 机 械 式 液 压 助力 转 向 系 统 由 液 压 泵 及 管 路 和 油 缸 组 成 ， 为 保 持 压 力 ， 不论 是 否 需 要 转 向 助 力 ， 系 统 总 要 处 于 工 作 状 态 ， 能 耗 较 高 ，这 也 是 耗 资 源 的 一 个 原 因 所 在 。 传 统 液 压 式 助 力 转 向 系 统 传 统 液 压 式 助 力 转 向 系 统 （ HPS） 一 般 按 液 流 的 形 式 可 分为 常 流 式 和 常 压 式 两 种 类 型 。 常 流 式 是 指 汽 车 在 行 驶 中 ， 不 转 动 转 向 盘 时 ， 流 量 控 制 阀 在中 间 位 置 ， 油 路 保 持 畅 通 。 常 压 式 是 指 汽 车 在 行 驶 中 ， 无 论 转 向 盘 是 否 转 动 ， 整 个 液 压系 统 总 是 一 直 保 持 高 压 。 传 统 液 压 式 助 力 转 向 系 统 缺 点 提 供 不 了 合 适 的 转 向 力 ， 即 若 要 保 证 汽 车 在 停 车 或 低速 调 头 时 转 向 轻 便 ， 那 么 汽 车 高 速 行 驶 时 就 会 感 到 有 ” 发飘 “ 的 感 觉 ； 若 要 保 证 汽 车 在 高 速 行 驶 时 操 纵 有 适 度 手 感 ，那 么 当 其 要 停 车 或 低 速 调 头 时 就 会 感 到 转 向 太 重 ， 两 者 不能 兼 顾 。 电 子 控 制 式 液 压 助 力 转 向 系 统转 向 控 制 阀 油 泵 ： 由 发 动 机 驱 动 ， 用 于 提 供 助 力 转 向 所 需 的 液 压 油 。 扭 力 杆 的 上 端 与 转 阀 阀 杆 用 销 子 刚 性 地 连 接 在 一 起 ， 下 端 与 控制 阀 阀 体 用 销 子 相 连 ， 小 齿 轮 轴 的 上 端 通 过 销 子 与 控 制 阀 阀 体 相 连 ，转 向 时 ， 转 向 盘 上 的 转 向 力 通 过 扭 力 杆 传 递 给 小 齿 轮 轴 。 分 流 阀 ： 根 据 有 关 传 感 器 的 信 号 作 出 最 佳 助 力 转 向 力 判 断 ， 并将 来 自 转 向 油 泵 的 油 液 向 控 制 阀 一 侧 和 电 磁 阀 一 侧 分 流 ， 按 照 车 速和 转 向 要 求 ， 改 变 控 制 阀 一 侧 和 电 磁 阀 一 侧 的 油 压 ， 确 保 电 磁 阀 一侧 具 有 稳 定 的 油 液 流 量 。 固 定 小 孔 ： 把 供 给 转 向 控 制 阀 的 一 部 份 液 压 油 分 配 到 油 压 反 力室 一 侧 。 在 汽 车 高 速 行 驶 时 ， 由 于 通 过 小 孔 又 加 了 一 部 份 燃 油 给 反力 室 ， 进 一 步 加 强 了 柱 塞 的 夹 紧 力 ， 使 得 此 时 的 转 向 力 相 对 于 转 向角 呈 线 性 增 加 ， 从 而 获 得 高 速 行 驶 时 的 稳 定 转 向 操 纵 感 。 助 力 转 向 ECU： ECU根 据 车 速 传 感 器 传 来 的 信 号 ， 判 断 汽 车 是 处于 停 止 状 态 还 是 处 于 低 速 行 驶 或 高 速 行 驶 工 况 ， 在 根 据 判 别 出 的 汽车 状 态 ， 对 电 磁 线 圈 的 电 流 进 行 线 性 控 制 ， 使 电 磁 阀 有 适 当 的 开 度 ，以 控 制 转 向 助 力 的 大 小 。电 磁 阀 ： 根 据 需 要 开 启 适 当 的 开 度 ， 使 油 压 反 力 室 一 侧 的 油 液流 回 储 油 箱 。 电 磁 阀 开 度 增 大 时 ， 使 作 用 在 柱 塞 的 背 压 （ 油 压 反 力室 压 力 ） 降 低 ， 柱 塞 推 动 控 制 阀 转 阀 阀 杆 的 力 （ 反 力 ） 较 小 ， 因 此只 需 要 较 小 的 转 向 力 就 可 使 扭 力 杆 扭 转 变 形 ， 使 阀 体 与 阀 杆 相 对 转动 而 实 现 转 向 助 力 作 用 ， 电 磁 阀 开 启 较 小 时 则 相 反 。 反 力 控 制 式 助 力 转 向 系 统 的 工 作 过 程 当 转 向 力 增 大 ， 扭 力 杆 发 生 扭 转 变 形 时 ， 控 制 阀 阀 体 与 转 阀 阀 杆之 间 将 发 生 相 对 转 动 ， 使 两 阀 的 通 道 口 相 互 连 通 ， 扭 力 杆 的 变 形角 度 就 越 大 ， 转 阀 中 工 作 油 液 通 道 的 截 口 面 积 就 越 大 ， 助 力 就 越大 。 汽 车 低 速 行 驶 或 者 大 转 弯 时 。 流 经 电 磁 线 圈 的 电 流 较 大 ， 电 磁 阀的 开 启 角 度 较 大 ， 经 分 流 阀 分 流 后 的 油 液 通 过 电 磁 阀 返 回 油 箱 的油 液 就 较 多 ， 因 此 作 用 在 反 力 室 的 油 压 就 较 小 ， 柱 塞 上 的 油 压 较小 ， 这 时 作 用 在 控 制 阀 轴 上 的 反 力 也 较 小 ， 因 此 反 力 油 压 形 成 的阻 力 矩 较 小 。 由 于 阻 力 矩 较 小 ， 转 向 盘 只 需 要 用 较 小 的 力 就 可 以使 扭 力 杆 发 生 较 大 的 变 形 ， 转 向 助 力 较 大 。 流 经 电 磁 线 圈 的 电 流 较 小 ， 电 磁 阀 的 开 启 角 度 较 小 ， 经 分 流 阀 分流 后 的 油 液 通 过 电 磁 阀 返 回 油 箱 的 油 液 就 较 少 ， 因 此 作 用 在 反 力室 的 油 压 就 较 大 ， 柱 塞 上 的 油 压 较 大 ， 这 时 作 用 在 控 制 阀 轴 上 的反 力 也 较 大 ， 因 此 反 力 油 压 形 成 的 阻 力 矩 较 大 。 由 于 阻 力 矩 较 大 ，输 入 同 样 的 力 ， 使 扭 力 杆 发 生 变 形 较 小 ， 转 向 助 力 较 小 。 旋 转 阀与 控 制 阀 相 互 连 通 的 通 道 口 开 度 也 减 小 ， 助 力 较 小 。 液 压 式 助 力 转 向 系 统 的 缺 点 结 构 复 杂 ， 功 率 消 耗 大 ， 容 易 产 生 泄 漏 ， 转 向 力 不 易 有 效控 制 。 电 动 助 力 转 向 系 统 （ EPS） 电 动 助 力 转 向 系 统 利 用 电 动 机 作 为 动 力 源 ， 根 据 车 速 和 转向 参 数 等 ， 由 电 子 控 制 单 元 完 成 助 力 控 制 。 根 据 电 动 机 布 置 位 置 不 同 ， 可 分 为 转 向 柱 助 力 式 、 齿 轮 助力 式 和 齿 条 助 力 式 三 种 类 型 。 转 向 柱 助 力 式 EPS的 电 动 机 固 定 在 转 向 柱 的 一 侧 ， 通 过减 速 机 构 与 转 向 轴 相 连 ， 直 接 驱 动 转 向 轴 助 力 转 向 。 齿 轮 助 力 式 EPS的 电 动 机 和 减 速 机 构 和 小 齿 轮 相 连 ， 直接 驱 动 转 向 齿 轮 ， 实 现 助 力 转 向 。 齿 条 助 力 式 EPS的 电 动 机 和 减 速 机 构 直 接 驱 动 齿 条 提 供助 力 。 电 动 助 力 转 向 系 统 的 最 大 特 点 就 是 能 实 现 “ 精 确 转 向 ” ，它 能 够 在 汽 车 转 向 过 程 中 根 据 不 同 车 速 和 转 向 盘 转 动 的 快慢 ， 精 确 提 供 各 种 行 驶 路 况 下 的 最 佳 转 向 助 力 ， 减 小 由 路面 不 平 引 起 的 对 转 向 系 统 的 扰 动 。 不 但 可 以 减 轻 低 速 行 驶时 的 转 向 操 纵 力 ， 而 且 可 大 大 提 高 高 速 行 驶 时 的 操 纵 稳 定性 ， 并 能 精 确 实 现 人 们 预 先 设 置 的 在 不 同 车 速 、 不 同 转 弯角 度 所 需 要 的 转 向 助 力 。 通 过 控 制 助 力 电 机 ， 可 降 低 高 速行 驶 时 的 转 向 助 力 ， 增 大 转 向 手 力 ， 解 决 高 速 发 飘 问 题 ，成 本 相 对 较 低 。 电 动 助 力 转 向 系 统 结 构转 矩 传 感 器 转 向 离 合 器 不 转 向 时 ， 助 力 电 动 机 不 工 作 ， 当 转 向 盘 转 动 时 ， 与 转 向 轴 相 连 的 转 矩 传 感 器 不 断 地 测 出作 用 于 转 向 轴 上 的 力 矩 ， 并 将 力 矩 转 换 为 电 信 号 ， 车 速 传感 器 产 生 车 速 信 号 ， ECU根 据 这 两 个 信 号 ， 经 过 运 算 处理 后 ， 向 离 合 器 和 电 动 机 发 车 发 出 控 制 指 令 ， 即 输 出 一 个适 合 的 电 流 ， 在 离 合 器 结 合 的 同 时 ， 是 电 动 机 产 生 一 个 转矩 ， 转 矩 经 过 减 速 机 构 减 速 增 距 后 ， 施 加 在 输 出 轴 上 ， 输出 轴 的 下 端 与 齿 轮 齿 条 转 向 器 总 成 中 的 小 齿 轮 相 连 ， 于 是由 电 动 机 发 出 的 转 矩 最 后 通 过 齿 轮 齿 条 转 向 器 施 加 到 汽 车的 转 向 机 构 上 ， 使 之 得 到 一 个 与 工 况 相 适 应 的 转 向 助 力 。 转 矩 传 感 器 转 矩 传 感 器 用 于 检 测 作 用 于 转 向 盘 上 转 矩 信 号 的 大 小 ， 目前 采 用 较 多 的 是 扭 杆 式 电 位 计 传 感 器 ， 它 是 在 转 向 轴 位 置加 一 根 扭 杆 ， 通 过 扭 杆 检 测 输 入 轴 与 输 出 轴 的 相 对 扭 转 位移 得 到 扭 矩 。 用 磁 性 材 料 构 成 的 定 子 和 转 子 可 以 形 成 闭 合 的 回 来 ， 线 圈A、 B、 C、 D分 别 绕 在 极 靴 上 ， 构 成 一 个 桥 式 回 路 。 转 向轴 扭 转 变 形 的 扭 转 角 和 转 矩 成 正 比 ， 所 以 只 要 测 定 转 向 轴的 扭 转 角 ， 就 可 间 接 知 道 转 向 力 的 大 小 。 在 线 圈 U、 T的 两 端 施 加 连 续 的 脉 冲 信 号 Ui,当 转 向 轴 上 的转 矩 为 零 时 ， 定 子 和 转 子 的 相 对 转 角 也 为 零 ， 电 桥 平 横 ，在 V和 W两 端 的 电 位 差 Uo为 零 ， 如 果 转 向 轴 上 存 在 转 矩 ，定 子 和 转 子 的 相 对 转 角 不 为 零 ， 此 时 定 子 和 转 子 间 产 生 角位 移 ， 电 桥 失 去 平 衡 在 V和 W两 端 出 现 电 位 差 Uo。 io kUU 车 速 传 感 器 安 装 在 自 动 变 速 器 的 输 出 轴 上 ， 用 于 检 测 自 动 变 速 器 输 出轴 的 转 速 ， 根 据 输 出 轴 转 速 计 算 得 到 汽 车 的 行 驶 速 度 。 常用 电 磁 感 应 式 车 速 传 感 器 ， 主 要 由 永 久 磁 铁 和 电 磁 感 应 线圈 两 个 部 分 组 成 。 当 输 出 轴 转 动 时 ， 感 应 转 子 的 齿 不 断 的 靠 近 和 离 开 车 速传 感 器 ， 使 感 应 线 圈 内 的 磁 通 发 生 变 化 ， 从 而 产 生 交 流 感 应电 压 ， 车 速 越 高 ， 输 出 轴 转 速 越 高 ， 感 应 电 压 脉 冲 频 率 就 越高 。 ECU根 据 脉 冲 信 号 的 频 率 ， 计 算 出 输 出 轴 的 转 速 ， 再 进一 步 转 换 成 车 速 。 TrV 2 电 机 EPS的 动 力 源 是 电 动 机 ， 功 能 是 根 据 ECU的 指 令 产 生 相 应的 输 出 转 矩 ， 电 动 机 时 影 响 EPS性 能 的 主 要 因 素 之 一 。 通常 采 用 无 刷 永 磁 式 直 流 电 动 机 。 要 求 低 速 转 矩 大 、 波 动 小 、惯 量 小 、 尺 寸 小 、 质 量 轻 ， 可 靠 性 高 、 控 制 性 能 好 。 需 要 正 反 转 控 制 。 EPS电 机 正 反 转 控 制 电 路 当 a2端 得 到 输 入 信 号 时 ， 晶 体管 VT4导 通 ， VT1得 到 基 极 电 流而 导 通 。 电 动 机 有 反 向 电 流 流过 反 转 。 控 制 触 发 信 号 端 电 流 的 大 小 ，就 可 以 控 制 电 动 机 通 过 电 流 的大 小 。a1和 a2端 为 触 发 信 号 端 ， 从 微 机 系 统 的 D/A转 换 器 得 到 的 直 流 信号 输 入 到 a1和 a2端 ， 用 以 触 发 电 动 机 产 生 正 反 转 。 当 a1端 得 到 输入 信 号 时 ， 晶 体 管 VT3导 通 ， VT2得 到 基 极 电 流 而 导 通 。 电 动 机 有电 流 流 过 正 转 。 离 合 器 采 用 干 式 电 磁 离 合 器 ,保 证 EPS在 预 先 设 定 的 车 速 范 围 内闭 合 ， 当 车 速 超 过 设 定 车 速 范 围 时 ， 离 合 器 断 开 ， 电 动 机不 在 提 供 助 力 ， 转 入 手 动 转 向 状 态 ， 另 外 当 电 动 机 发 生 故障 时 ， 离 合 器 将 自 动 断 开 。 车 速 超 过 30KM/h时 ， EPS不工 作 。 转 矩 传 感 器 ： 检 测 转 向 轴 转 矩 的 大 小 和 转 动 的 方 向 ， 转 矩 传 感 器信 号 和 车 速 信 号 同 时 输 入 到 ECU,ECU根 据 这 些 信 号 确 定 助 力 转 矩的 大 小 和 方 向 。发 动 机 转 速 传 感 器 ： 确 定 发 动 机 的 工 况 ， 当 处 于 怠 速 工 况 时 ， 电动 助 力 转 向 系 统 不 工 作 。微 机 根 据 车 速 、 转 向 力 及 转 向 角 等 参 数 ， 计 算 得 到 最 佳 的 转 向 助力 转 矩 ， 并 向 转 向 电 动 机 输 出 电 流 控 制 信 号 ， 使 转 向 机 构 得 到 一个 与 汽 车 工 况 相 适 应 的 转 向 作 用 力 。 从 而 实 现 最 佳 的 转 向 助 力 控制 。 电 动 助 力 转 向 的 精 确 转 向 的 实 现 过 程 工 作 时 ， 微 机 控 制 指 令 经 D/A转 换 接 口 送 入 电 动 机 和 离 合 器 的驱 动 放 大 电 路 ， 以 控 制 电 动 机 电 流 的 大 小 和 方 向 ， 以 及 离 合 器 的 离 合 。电 动 机 的 电 流 经 放 大 电 路 、 电 流 表 及 a/d转 换 接 口 反 馈 给 微 机 ， 微 机将 此 与 按 微 机 指 令 应 给 的 电 流 相 比 较 ， 若 有 差 值 ， 则 予 以 调 整 ， 使 两者 趋 于 一 致 。 电动助力转向系统的控制流程