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汽车底盘及车身电控系统维修 机械工业出版社主编 于京诺 配套教材信息 教材名称 汽车底盘及车身电控系统维修教材主编 于京诺出版社 机械工业出版社出版时间 版次 2011年2月第1版国际标准书号 ISBN 978 7 111 32432 4教材所属系列 高职高专汽车类专业技能型教育规划教材 第7章电控动力转向系统与四轮转向系统 汽车转向系统是指能够按照驾驶员的意愿 使汽车改变或恢复其行驶方向的一套专设机构 传统的转向系主要由转向操纵机构 转向器 转向传动机构三部分组成 7 1 1电控动力转向系统的功用汽车电控动力转向系统的功能就是根据各传感器的信号判断驾驶意愿和车辆状态信息 借助于液压系统的液体压力或电动机驱动力来对车轮的转向实现不同程度的助力 所以动力转向系统也称为转向助力装置 一般电控动力转向系统应满足以下要求 1 优越的操纵性 2 合适的转向力 3 平顺的回正性能 4 要有随动作用 5 减小从道路表面传来的冲击 6 工作可靠 7 1概述 7 1 2电控动力转向系统的分类按照动力源不同 电控动力转向系统可以分为液压式和电动式两种 液压式电控动力转向系统是在普通动力转向系统中增设了控制液体流量的电控系统 包括电磁阀 车速传感器以及电控单元 ECU 等 ECU通过传感器的信号控制电磁阀的开 闭 使得动力转向的助力程度连续可调 从而满足车辆在高 低速时的不同转向力要求 电动式电控动力转向系统是采用电动机作为动力源 电控单元依据转向参数和车速传感器信号控制加在转向机构上的电动机转矩的大小和方向 得到一个相应的转向助力 7 2电控动力转向系统的结构与工作原理 电控动力转向系统 ElectronicControlPowerSteering 简称EPS 在轿车上得到了广泛的应用 目前常用的电控动力转向系统有液压式和电动式两种 7 2 1液压式电控动力转向系统液压式电控动力转向系统是在普通动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀 检测车辆信息的各种传感器 以及电控单元 ECU 目前液压式EPS在轿车上应用较多 如上海大众POLO 一汽大众AudiA6等 根据控制方式不同 液压式电控动力转向系统分为流量控制式 反力控制式和阀灵敏度控制式三种形式 1 流量控制式电控液压动力转向系统其工作原理如图7 1b 所示 在动力转向泵与转向控制阀之间设有旁通管路 在旁通管路中又设有旁通流量控制阀 系统工作时 ECU根据车速传感器 转向角速度传感器和控制开关等信号 给旁通流量控制阀通入如图7 2所示的不同占空比的信号 以控制其开启程度 进而控制供油和回油管路之间的旁通油量 从而调整供给转向器内部的转向液的流量 当车辆高速行驶时 流过旁通流量控制阀电磁线圈上的平均电流大 阀的开度大 旁路液压油量大 油泵向转向器供油量减少 动力转向控制阀灵敏度下降 传力介质减少了 转向助力作用降低 操纵转向盘的转向力增加 反之 阀开度变小 旁路液压油量小 油泵向转向器供油量增多 转向助力作用提高 操纵转向盘的转向力减小 a b 图7 1蓝鸟轿车流量控制式EPS组成及原理a 组成结构b 工作原理 图7 2电磁阀驱动信号 如图7 3所示为该系统旁通流量控制阀的结构示意图 在阀体内装有主滑阀2和稳压滑阀7 在主滑阀的右端与电磁线圈柱塞3连接 主滑阀与电磁线圈的推力成正比移动 从而改变主滑阀左端流量主孔1的开口面积 调整调节螺钉4可以调节旁通流量的大小 稳压滑阀7的作用是保持流量主孔前后压差的稳定 以使旁通流量与流量主孔的开口面积成正比 当因转向负荷变化而使流量主孔前后压差偏离设定值时 稳压滑阀阀芯将在其左侧弹簧张力和右侧高压油压力的作用下发生滑移 如果压差大于设定值 则阀芯左移 使节流孔开口面积减小 流入到阀内的液压油量减少 前后压差减小 如果压差小于设定值 则阀芯右移 使节流孔开口面积增大 流入到阀内的液压油量增多 前后压差增大 流量主孔前后压差的稳定 保证了旁通流量的大小只与主滑阀控制的流量主孔的开口面积有关 图7 3旁通流量控制阀结构1 流量主孔2 主滑阀3 电磁线圈柱塞4 调节螺钉5 电磁线圈6 节流孔7 稳压滑阀 在实际的转向操作中 驾驶员可以通过转换开关选择不同的转向模式 H 高 N 中 L 低 得到三种适应不同行驶条件的转向力特性曲线 如图7 4所示 另外 ECU还可以根据转向角度传感器输出信号的大小 在汽车急转弯时按照特殊的转向力特性实施最优控制 如图7 5所示 图7 4三种不同的转向力特性曲线 图7 5汽车急转弯时的转向力特性 如图7 6所示为该系统电控系统电路图 主要有传感器及开关等信号输入装置 ECU 执行器等组成 当系统出现故障时 能够实现自诊断和失效保护等功能 2 反力控制式电控液压动力转向系统该系统的工作原理是 汽车转向时 转向盘上的转向力通过扭力杆传递给小齿轮轴 当转向力增大 扭力杆发生扭转变形时 控制阀阀套和阀芯之间将发生相对转动 于是就改变了阀套和阀芯之间油道的通 断关系和工作油液的流动方向 从而实现不同的转向助力作用 反力控制式EPS工作时 ECU根据车速的高低线性控制电磁阀的开度 1 当车辆停驶或速度较低时 ECU使电磁线圈的通电电流增大 电磁阀开口面积增大 经分流阀分流的液压油通过电磁阀重新回流到储油箱中 所以作用于柱塞16的背压 油压反力室压力 降低 于是柱塞推动控制阀阀芯的力 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 使转向控制阀的阀套与阀芯产生相对转动而实现转向助力作用 2 当车辆在中 高速区域转向时 ECU使电磁线圈的通电电流减小 电磁阀开口面积减小 所以油压反力室的油压升高 作用于柱塞的背压增大 于是柱塞推动控制阀阀芯的力增大 此时需要较大的转向力才能使转向控制阀的阀套与阀芯之间作相对转动 相当于增加了扭力杆的扭转刚度 而实现转向助力作用 所以在中 高速时可使驾驶员获得良好的转向手感和转向特性 反力控制式EPS具有较大的选择转向力的自由度 转向刚度大 驾驶员能感受到路面情况 可以获得稳定的操作手感等 其缺点是结构复杂 且价格较高 图7 7反力控制式EPS 3 阀灵敏度控制式电控液压动力转向系统阀灵敏度控制式电控液压动力转向系统 以下简称阀灵敏度控制式EPS 是根据车速控制电磁阀直接改变动力转向控制阀的油压增益 阀灵敏度 来控制系统油压 进而控制转向助力的大小 图7 8a 所示为阀灵敏度控制式EPS的组成 该系统主要由转向控制阀 转向动力缸 储油箱 电磁阀 车速传感器和电子控制单元等组成 系统对转向控制阀作了局部改进 如图7 8b 所示 一般在控制阀阀套圆周上形成6条或8条沟槽 各沟槽利用阀部外体与泵 动力缸 电磁阀及储油箱连接 控制阀的可变小孔分为低速专用小孔 1R 1L 2R 2L 和高速专用小孔 3R 3L 两种 在高速专用可变孔的下边设有旁通电磁阀回路 a b 图7 8阀灵敏度控制式EPSa 系统组成b 控制阀结构 图7 9控制阀的等效液压回路图a 等效液压回路b 助力作用增大c 助力作用减小 3 阀灵敏度控制式电控液压动力转向系统1 如图7 9b 所示 9b当车辆停止时 电磁阀完全关闭 如果此时向右转动转向盘 则高灵敏度低速专用小孔1R及2R在较小的转向转矩作用下即可关闭 转向液压泵的高压油液经1L流向转向动力缸右腔室 其左腔室的油液经3L 2L流回储油箱 所以此时具有轻便的转向特性 而且施加在转向盘上的转向力矩越大 可变小孔lL 2L的开口面积越大 节流作用就越小 转向助力作用越明显 2 如图7 9c 所示 随着车辆行驶速度的提高 在电子控制单元的作用下 电磁阀的开度也线性增加 如果向右转动转向盘 则转向液压泵的高压油液经1L 3R旁通电磁阀流回储油箱 回储油箱 此时 转向动力缸右腔室的转向助力油压就取决于旁通电磁阀和灵敏度低的高速专用可变孔3R的开度 车速越高 在电子控制单元的控制下 电磁阀的开度越大 旁路流量越大 转向助力作用越小 在车速不变的情况下 施加在转向盘上的转向力越小 高速专用小孔3R的开度越大 转向助力作用也越小 当转向力增大时 3R的开度逐渐减小 转向助力作用也随之增大 由此可见 阀灵敏度控制式EPS可使驾驶员获得非常自然的转向手感和良好的速度转向特性 图7 11阀灵敏度控制式EPS电控系统电路图 7 2 2电动式电控动力转向系统液压式电控动力转向系统由于工作压力和工作灵敏度较高 外廓尺寸较小 因而获得了广泛的应用 在采用气压制动或空气悬架的大型车辆上 也有采用气压动力转向的 这类动力转向系统的共同缺点是结构复杂 消耗功率大 容易产生泄漏 转向力不易有效控制等 随着电子技术的进一步发展 目前越来越多的轿车上采用了电动式电控动力转向系统 简称电动式EPS 它是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的电控动力式转向系统 主要优点有 采用电力作为转向动力 省去了油压系统 所以不需要给转向油泵补充油 也不必担心漏油 没有液压式动力转向系统所必须的常运转转向油泵 电动机只是在需要转向时才接通电源 所以动力消耗和燃油消耗均可降到最低 将各部件装配成一个整体 既无管道也无控制阀 其结构紧凑 质量减轻 一般电动式EPS的质量比液压式EPS质量轻25 左右 电动机工作可用ECU进行控制 可以比较容易地按照汽车性能的需要设置 修改转向助力特性 具有较好的兼容性 1 电动式EPS分类根据电动机对转向系统产生助力的部位不同 电动式电控动力转向系统有三种类型 1 转向轴助力式如图7 12a 所示 转向助力机械安装在转向轴上 当驾驶员转动转向盘时 控制单元根据接收的转矩 转动方向 车速等信号 控制直流助力电动机的电流 电动机的动力经离合器 电动机齿轮传给转向轴的齿轮 然后经万向节及中间轴传给转向器 2 转向器小齿轮助力式如图7 12b 所示 转向助力机械安装在转向器小齿轮处 与转向轴助力式相比 可以提供较大的转向力 适用于中型车 3 齿条助力式如图7 12c 所示 转向助力机械安装在转向齿条处 电动机通过减速传动机构直接驱动转向齿条 与转向器小齿轮助力式相比 可以提供更大的转向力 适用于大型车 对原有的转向传动机械有较大改变 2 电动式EPS的基本组成及元件结构 1 传感器系统中的传感器主要有车速传感器和转矩传感器 其中车速传感器的作用是测量车辆行驶速度 作为电动助力调节的依据 转矩传感器的作用是测量转向盘与转向器之间的相对转矩 以作为电动机动力调节的依据 如图7 14所示为一种无触点式转矩传感器的结构及原理 图7 14无触点式转矩传感器 其工作原理是 当转向盘处于中间位置 直驶 时 扭力杆的纵向对称面正好处于图示输出轴极靴AC BD的对称面上 当在U T两端加上连续的输入脉冲电压信号Ui时 由于通过每个极靴的磁通量相等 所以在V W两端检测到的输出电压信号U0 0 当转动转向盘时 由于扭力杆和输出轴极靴之间发生相对扭转变形 极靴A D之间的磁阻增加 B C之间的磁阻减少 各个极靴的磁通量发生变化 于是在V W之间就出现了电位差 其电位差与扭力杆的扭转角和输入电压Ui成正比 所以 通过测量V W两端的电位差就可以测量出扭力杆的扭转角 即可得出转向盘上施加的转矩大小 2 控制单元ECU包括检测电路 微处理器 控制电路等 检测电路将传感器的信号进行整形放大后输入微处理器 然后微处理器计算出最优化的助力转矩 控制电路将来自微处理器的电流命令输送到电机驱动电路 3 电动机电动式EPS中用的电动机是直流电动机 与起动用直流电动机原理基本相同 一般采用永磁磁场 最大电流为30A左右 电压为DC12V 额定转矩为10N m左右 转向盘的转动是双向的 因此转向助力电动机需要进行正反转控制 其控制电路如图7 15所示 a1 a2为触发信号端 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 电流经VT2 电动机M VT3 搭铁而构成回路 于是电动机正转 当a2端得到输入信号时 电流则经VT1 电动机 VT4 搭铁而构成回路 电动机则因电流方向相反而反转 控制触发信号端电流的大小 就可以控制通过电动机电流的大小 4 电磁离合器电控动力转向系的工作一般都有一定的范围 如果超过规定车速 如45km h 就不需要电动机辅助动力转向 此时电动机停止工作 且离合器分离 不再起传递动力的作用 在不加动力的情况下 离合器可以消除电动机惯性的影响 同时 在系统发生故障时 因离合器分离 可以恢复手动控制转向 如图7 16所示为电磁离合器的工作原理 电动机带动主动轮旋转 当线圈通电时 离合器接合 主动轮与压板结合 通过压板内的花键带动从动轴旋转 此时电动机具有助力作用 反之 离合器分离 助力作用被切断 为了减少加与不加助力时驾驶车辆感觉的差别 设法使离合器具有滞后输出特性 同时还使其具有半离合状态区域 5 减速机构减速机构是电动式EPS不可缺少的部件 其作用是把电动机的输出进行减速增扭 再传给转向齿轮箱的主要部件 目前已使用的有多种组合方式 如两级行星齿轮与传动齿轮驱动组合式 涡轮涡杆与转向轴驱动组合式等 为了抑制噪声和提高耐久性 减速机构中的齿轮多半采用了特殊齿形或者采用树脂材料 3 电动式EPS的工作原理系统的工作原理是 当驾驶员操纵转向盘时 转矩传感器不断输出与转向力大小相应的转矩信号 同时 车速传感器提供的车速信号与该信号同时输入给电控单元 电控单元根据这些输入信号 确定动力转矩的大小和方向 即选定电动机的电流和方向 电动机的转矩由电磁离合器传递并通过减速机构减速增扭后 加在汽车的转向机构上 使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力 当超过规定的车速时 离合器的驱动信号被切断 电动机与减速机构分离 同时电动机也停止工作 7 3典型汽车电控动力转向系统 目前 电控动力转向系统在国内普遍应用于轿车上 国外部分大中型客 货车上也有应用 本节主要介绍丰田凌志LS400轿车的电控动力转向系统 凌志LS400轿车采用反力控制式电控液压动力转向系统 丰田公司称之为PPS ProgressivePowerSteering 1 凌志LS400轿车动力转向系统的功能1 可随汽车道路驶车速改变液压助力的大小 提高车辆的转向性和操纵稳定性 2 转向机构中还包括有动力倾斜 动力伸缩ECU控制的转向柱 可根据驾驶员的需要使转向柱自动选择合适的倾斜角度和伸缩长度 以及返回原位等 2 凌志LS400轿车电控动力转向系统的组成如图7 18所示 凌志LS400轿车的电控液压动力转向系统由锥齿轮式转向机构 液压控制系统和电子控制系统三部分组成 3 凌志LS400轿车电控动力转向系统的工作原理 1 当车辆低速行驶或车辆泊位停车时 转向ECU接收的是低速传感信号 即向电磁阀提供较大的电流 阀芯开路增大 从转向油泵输出的压力油液经流量分配阀后 一部分流向转向旋转滑阀 然后经助力缸起转向助力作用 另一部分则经电磁阀旁路流回到储液罐内 使得流向反力室的液压油流量大大减少 反力室中的油压下降 失去阻尼作用 故此时需要的转向操纵力很小 转向轻巧灵活 对泊位停车或低速行驶转向十分有利 2 当车辆在中 高速行驶转向时 因为电磁阀从ECU只得到随车速增高而逐渐减小的电流 阀芯位移很小 流量旁通作用很小 反力室中的油压上升 使得转向操作的 路感 明显 可有效地克服高速转向 发飘 和不易掌握的缺陷 提高行驶稳定性和安全性 当转向角较大 助力缸液压升高较大时 反馈到进油管的压力也升高 则通过量孔的流量自然增加 使反力室的阻尼作用迅速得以增强 然而 过分地增加转向操纵力对驾驶也不利 为此 流量分配阀起限制反力室流量的作用 当进油压力升至较高时 推动流量分配阀下阀体逐渐向下 关小至反力室的液流通道 使反力室的阻尼作用得以抑制 4 凌志LS400轿车电控动力转向系统电路 7 4电控动力转向系统故障诊断与检修 7 4 1检修注意事项1 应经常检查转向系统储油罐油面以及油质 如需添加更换或排气应及时进行 2 行驶过程中尽量避免将方向打到某一侧极限 防止动力油泵负荷过大 3 电控转向系统发生故障时 通常不要打开ECU及各种电控元件的盖子或盒子 以免造成ECU被静电损坏 4 检修过程中一般按照可能性由大到小 检查复杂程度由简到难的顺序进行 先对线路和传感器等元件进行基本检查 不要轻易更换ECU或拆卸管路 7 4 2凌志LS400轿车电控转向系统基本检查电控转向系统装配完毕后 应进行基本检查 主要包括针对液压系统的油量 油压试验 系统排气 转向油泵皮带松紧度调整 以及电控部分及相关部件的工作状态检查等 以确定系统是否需要进一步检修 保证转向系统良好的工作性能 不同车型动力转向系统的检查内容和方法基本类似 下面就以凌志LS400电控转向系统为例讲解电控转向系统的基本检查程序 1 初步检查在进行系统检查之前 首先要根据车辆的具体情况初步的检查一下轮胎气压 前轮 230kPa 后轮 250kPa 前轮定位 悬架与转向连接杆之间的润滑情况 转向系统接头及悬架臂球头等处是否正常 转向柱管是否弯曲 转向盘的自由间隙是否正常等 2 常规检查 1 检查传动带对于动力转向泵传动带的检查主要包括两项内容 一是传动带与带轮配合位置的检查 如图7 22a 所示 二是传动带松紧度的检查 如图7 22b 所示 利用丰田专用工具检查 在95Nm的作用力矩下 皮带的挠度为 运转5min以下时 7 5 9 5mm 运转5min以上时 9 13mm 2 检查储液罐液面高度丰田汽车采用的转向液压油牌号为ATFDEXRON 检查油面高度时 保持车身水平位置 油温80 C时进行 在发动机维持怠速运转 约850r min 的条件下 反复将转向盘从左侧打到右侧再返回 使得油温达到正常要求后 打开储液箱 检查液压油有无泡沫或乳化现象 量油尺液面应在HOT范围以内 若在检查系统无泄漏情况下需要补给液压油 按规定号牌补给 若需更换液压油 则先顶起转向桥 从转向油罐及回油管排出旧液压油 并将转向盘反复左 右转至极限位置 直至旧液压油排尽后1 2s后加注新液压油 3 系统空气排放动力转向系统在更换液压油后和检查转向油罐中油位时发现有气泡冒出时 说明系统内渗入了空气 这将引起转向沉重 前轮摆动 转向噪声等故障 必须对系统进行排气 具体程序如下 架起转向桥 发动机怠速运转 反复向左 右转动转向盘到极限位置 直至转向油罐内无气泡冒出并消除乳化现象 表明液力转向系统中的空气已基本排除干净 4 检查油泵压力将油压表的一端接在转向液压泵的输出端 另一端接在转向助力器的输入端 维持发动机怠速运转 油温达到80 C 如图7 23所示 检查阀关闭时的压力 不小于7845kPa 检查阀全开时的压力差 1000r min和3000r min时 不大于490kPa 检查转向盘在锁定位置时 不小于7845kPa 5 检查转向盘转向力矩使汽车停放在平坦地面上 两转向轮在直线行驶位置 发动机怠速运转 测量转向盘从中间位置向左 右转动所需的力矩 标准 不大于5 9Nm 7 4 3电控动力转向系统故障自诊断电控动力转向控制系统具有自诊断功能 当发生系统故障时 能自动停止助力 同时ECU可以记忆故障内容 并使故障指示灯点亮 提醒驾驶员 维修时可以读取故障代码 找出故障原因 此功能与大多数电控系统故障自诊断的工作原理类似 在此不详述 对于电动式动力转向系统而言 当自诊断系统诊断出有故障后 控制电路停止向电动机供电 并且将离合器脱开 此时系统恢复至机械转向系统 仍能够实现正常的转向 只是转向力变大 7 4 4电控动力转向系统故障检修电控动力转向系统常见的故障有转向沉重或助力不足 动力转向液产生乳状泡沫 液面低以及压力低 向左或向右急转转向盘时转向力瞬时增大等 主要原因集中在油路系统和电控系统中 对于油路系统的检修在基本检查中逐步排查 详见7 4 2 电控系统的检修主要针对传感器 执行器 ECU及线路连接 并应充分利用故障自诊断系统的功能 下面就以凌志LS400轿车为例 讲解电控动力转向系统的检修方法1 车速传感器检修顶起汽车 旋转后轮 用万用表测量传感器侧线束插接器上的SPD与GND之间的电压 应在0 5V之间 否则应检查传感器及其连接线路2 电磁阀的检修用万用表检测电磁阀侧线束插接器上的SOL 与SOL 之间的阻值 应为6 11 否则说明线圈断路或短路故障 用12V的蓄电池电压给电磁阀通电 应能听到咔哒声 否则说明线路断路或电磁阀损坏 需更换 7 4 5雷克萨斯LS400型轿车电控动力转向系统工作异常故障案例分析 1 故障症状该车不论在正常行驶时转向 原地转向时转向盘明显沉重 助力泵噪声很大 同时在转动转向盘时 观察油杯的液面变化不明显 2 可能故障部位轮胎气压 系统机械连接 油面高度 系统管路 液压泵 助力器 安全阀 电控系统等 3 故障检修1 首先检查轮胎气压 转向系统的各球头磨损 相关悬架悬臂部分 转向器本身及相关管路渗漏状况 油杯液面高度及油质 转向助力泵传动带松紧度 前轮定位等 各项参数都在正常技术规范范围内 2 该电控动力转向电路控制如图7 21所示 3 拔下电磁阀线束插接器 测量动力转向电磁阀阻值在10 左右 基本符合标准 起动发动机 转动转向盘 用发光二极管测试灯连接电磁阀线束插接器的两个端子 试灯点亮 用数字万用表电压档测量两个端子之间的电压 电压数值正常 说明动力转向ECU本身无故障 动力转向ECU与SOL SOL 端子之间的连接正常 4 在驾驶室内转向盘下方找到动力转向ECU 拆下ECU的线束插接器 用数字万用表检查ECU线束侧插接器 B端子的输入电压正常 且该车发电机发电量正常 说明连接ECU的 B端子的线路无问题 顶起该车后端 用手转动后轮 同时用数字万用表电阻档检查SPD端子与GND端子之间的电阻值的变化 表的读数在0 之间交替变化 说明车速传感器信号输入ECU是正常的 5 用举升机将车举起 再次拔下动力转向电磁阀的线束插接器 用试灯连接线束插接器的两个端子 同时左右转动转向盘 试灯仍亮 用手晃动电磁阀线束 并稍用力拉伸 弯折线束 试灯熄灭 说明此线束有折断或虚接的地方 经检查 是SOL 端子到电磁阀间的线束有问题 重新接好SOL 到电磁阀间的线路后试车 不管是在原地还是行驶时左右转动转向盘 都有明显的改善 但是仍感觉稍沉 有时感觉像转向助力突然失效一样 时沉时轻 说明动力转向系统还存在故障 6 将动力转向电磁阀从转向器上拆下来 直接用12V电源驱动电磁阀 用时通时断的方法来验证其技术状态 检验结果电磁阀能发出 咔嗒 的工作声 但声音很小 判断该阀可能发卡或开度不够 更换新电磁阀后 故障得以完全排除 在原地转动转向盘 用一个手指拨动感觉不费力 且在低速 高速等不同工况下都正常 4 原因分析转向电磁阀接线不良导致其信号时有时无 以及电磁阀本身发卡或开度不够 使得助力转向电子控制系统的工作不良 从而导致了助力不良 间歇性的失效 驾驶感觉转向沉重 7 5四轮转向控制系统 四轮转向 4WS 4WheelSteering 汽车是指四个车轮都是转向车轮的汽车 或4个车轮都能起转向作用的汽车 它是在传统两轮转向系统的基础上 增设了一个安装在后悬架上的后轮转向机构 能够使驾驶员操纵转向盘时转动汽车的前后四个车轮 不仅提高了高速时的稳定性和可控性 而且提高了低速时的机动性 汽车的四轮转向系统在20世纪80年代中期开始发展 二十世纪八 九十年代的本田 马自达及通用概念车都曾经应用了四轮转向技术 此外 最近几年的丰田概念车 日产以及雷诺等车型都用到了四轮转向技术 目前该技术被很多公司所采用 其中大多应用在了高级轿车 大型车辆上 也有一些SUV以及跑车具有四轮转向的功能 7 5 14WS车辆的转向特性采用四轮转向系统的车辆 在低速行驶时为逆相转向 前 后轮旋转方向相反 使转弯时具有较小的转弯半径 灵活性良好 中高速时为同相转向 前 后轮旋转方向相同 以提高在高速时抗侧风能力及车道变换或车辆转弯时的操纵稳定性 1 4WS车辆的低速转向特性 2 4WS车辆的高速转向特性 7 5 2转向角比例控制转向角比例控制的四轮转向系统是指后轮转角与前轮转角成比例 在低速区前 后轮逆相 而中高速区同相的转向操纵控制 使车体的前进方向与车体朝向一致 得到稳定的转向性能 1 系统组成系统主要由车速传感器 转角比传感器 转向控制单元 4WS转换器 转向枢轴 前后转向齿轮箱等组成 前后轮的转向机构机械连接 转向盘的转动传到前轮转向齿轮箱 齿轮齿条式 齿条带动前转向横拉杆左右运动 以控制前轮转向 同时 输出小齿轮旋转 通过连接轴传递到后轮转向齿轮箱 后轮的转角与转向盘的转角成比例变化 使其低速转向时 后轮与前轮反相转动 中高速行驶时 后轮与前轮同相转动 如图7 29a 所示为转向枢轴的结构 转向枢轴位于后转向齿轮箱内 是一个大的轴承 其外圈与扇形齿轮成为一体 围绕枢轴可左右旋转 内圈与连杆突出的偏心轴相连 连杆通过4WS转换器的电动机以连杆旋转中心做正反旋转 偏心轴在转向枢轴机构内可上下回转约55 图7 29转向枢轴a 结构b 偏心轴和枢轴的运动c 枢轴的旋转角与连杆移动量之间的关系 通过连接轴的输入使输入小齿轮向左或向右旋转时 带动扇形齿轮转动 再由转向枢轴通过偏心轴使连杆向左右方向移动 连杆带动后转向横拉杆和后转向节臂实现后轮的转向 如图7 29b 所示为枢轴与偏心轴的运动 形成后轮的同相位和逆相位的转向原理图 偏心轴的前端与枢轴左右旋转中心重合时 即使转向枢轴左右转动 连杆也完全不动 后轮就在中立状态 随着偏心轴前端位置与枢轴的旋转中心上下方向的偏离 枢轴左右转动时连杆的移动量就会变大 偏心轴与后轮转向之间的动态关系是 偏心轴前端位置在转向枢轴的上侧时为逆相位 而下侧时为同相位 如图7 29c 所示 图7 304WS转换器的结构 2 控制原理如图7 31所示为该系统ECU控制流程图 通过转向角传感器 车速传感器等输入信号 进行以下控制 1 转向角比控制 车速主要由车速表的传感器提供 SP1 用ABS车速传感器中的前轮的一个传感器输入信号作为辅助信号 SP2 转向角比传感器是检测后转向齿轮箱内的连杆的旋转角度 其工作原理与电位计式节气门位置传感器类似 根据与旋转角度的变化 传感器内的滑动电阻值发生变化 进而使得电路中的电压发生变化 将不同的电压信号输入到ECU即可得出对应的角度 2 2WS选择功能2WS开关为ON且变速器为倒挡状态时 因车速较低 故将后轮的转向操纵量设定为零 对2WS车倒退转向操纵已习惯的人 若对4WS车倒退转向操纵有失调感时 可使用此开关 3 安全性控制系统出现故障时 在进行下列工作的同时点亮 4WS警告灯 通知驾驶员 而且ECU记忆故障信息 主电动机异常时 驱动副电动机只在同相方向上 以常规模式 NORMAL 按照车速进行转向角比控制 车速传感器异常时 在SPl和SP2的任何一个输出中 用车速高的值通过主电动机只对同相方向进行转向角控制 转向角比传感器异常时 通过副电动机驱动到同相方向最大值时停止控制 此时 若是副电动机异常 则用主电动机进行同样的控制 ECU异常时 通过副电动机驱动到相同方向最大值为止 然后停止控制 此时 能避免出现逆相位状态 7 5 3横摆角速度比例控制1 系统组成 图7 33所示为4WS的横摆角速度比例控制系统的组成 使后轮产生转向角的工作原理就是转换后转向机构的控制阀油路 使阀芯左右移动 在前轮有转向运动时控制阀将后轮的最大转向角控制到5 大转向角控制 而与前轮转向无关时将后轮的转向角最大控制到1 小转向角控制 前者属于依靠传动绳索的机械式转向 而后者是依靠转向电动机的电子式转向 后轮的转向角是由上述两者合成的 图7 334WS横摆角速度比例控制系统的组成 图7 34转向操纵机构a 前轮转向操纵机构b 后轮转向操纵机构 1 大转向角控制 机械式控制 当前轮转向角处在与后轮转向无关的控制齿条自由行程范围 盲区 内时 阀芯与阀套筒之间的相对位置处于中立状态 因而 来自液压泵的工作油液被排出 且返回到副油箱 动力油缸的左 右室都成为中立的低油压 活塞杆在复位弹簧的作用下停止在中立位置 当前轮转向角较大时 超出转向齿条自由行程范围 如果向左转向时 阀套筒向左方向移动 并与阀芯之间产生相对位移 图7 35中的阀套筒与阀芯在a部位接触密封 高压作用于动力油缸的右室 推动活塞杆向左移动 而后轮就向右转向 2 控制状态 图7 35大转向角控制 当活塞杆向左移动时 因为转向电动机不工作 阀控制杆就以支点A为中心回转 并将阀芯从B点移到左方的B 点 A B B 点的位置见7 36a 图 因此阀套筒与阀芯在a部位脱开接触形成节流作用 降低动力油缸右室的压力 结果是当活塞杆移动到规定位置时 节流压力与来自车轮的外力相平衡 后轮就不能进行更多的转向 外力产生变化时 活塞杆将有微小的变化 但阀控制杆立即将变化反馈给阀芯并改变节流量 这个过程直到动力活塞的压力与外力相平衡为止 从而保持稳定 2 小转向角控制 电子式控制 为了将转向电动机的旋转运动变为阀芯的直线运动 采用螺旋齿轮和曲柄组合机构 转向电动机的旋转通过蜗轮机构传递到从动齿轮 借助曲柄使阀控制杆移动 如图7 36a 所示 当从动齿轮逆时针旋转时 阀控制杆的上端支点A就以从动齿轮中心O点为回转中心移动到A 点 转向电动机刚起动的瞬间 后转向轴还没有运动 所以阀控制杆就以C点为回转中心向左运动 杆中央的B点成为B 点 使阀芯向左移动 缆绳不动时 阀套筒固定不动 阀芯与阀套筒产生相对位移 图7 36b 中阀的b部分被节流 高压油进入油缸左室 当活塞杆向右移动时 如图7 36b 所示 阀控制杆以支点A为中心回转 使阀芯向右移动到B 点为止 结果打开b部分 减少节流使压力下降 而后以与机械式转向操纵相同的方法保持平衡 图7 36小转向角控制 3 控制逻辑 1 车体侧滑角的零控制车体侧滑角零控制是在转向初期的过渡过程中 4WS以特有的抑制转向时车体向转向内侧滞后的转向角比例现象 使转向时车体的方向与前进方向相一致 从而确保稳定转向的一种控制 根据式7 1所示的控制规则 它通过逆相位转向角比例控制与横摆角速度反馈控制的组合来实现 如图7 38所示 r KS v f KY v Y 7 1式7 1中 r是后轮转向角 f是前轮转向角 Y是横摆角速度 v是车速 KS是转向角比例系数 KY是横摆角速度比例系数 在转向初期的瞬间 对后轮进行逆相控制使它产生自转并抑制公转 从而能防止车体朝转向外侧倾斜 与此同时 横摆角速度传感器能检测自转运动的增大状态并进行反馈控制 同时附加同相位成分以取得自转与公转运动的平衡 从转向开始至转向结束 一直进行使车体侧滑角成为零的控制 2 受侧向风干扰时的控制由于突然的侧向风力的作用 车辆会偏向行驶 横摆角速度传感器能立即检测出它的偏向 并对后轮进行转向控制以消除产生的偏向行驶 由于后轮产生的力矩 侧向风引起的自转运动会减小 并能使汽车的行驶方向偏差最小 3 ABS工作时的控制通常为了提高中低速范围的转向操纵的响应性 正如横摆角速度比例系数KY特性中见到的那样 角速度增益低于高速区域 但是ABS工作时 与转向操纵响应性相比将更加重视车辆的稳定性 而且将ABS开始工作的瞬间的横摆角速度增益 KY值 一直保持到ABS的工作结束 思考题 汽车动力转向系统应该满足那些要求 动力转向系再设计时存在什么问题 如何解决 简述流量控制式电控液压动力转向系的工作原理 简述反力控制式电控液压动力转向系的工作原理 简述阀灵敏度控制式电控液压动力转向系的工作原理 以转向轴助力式为例说明电动助力转向系的工作原理 在电动动力转向系统中 电磁离合器起什么作用 如何实现 在何种情况下需要对动力转向系统进行排气 如何操作 四轮转向系统在高 低速转向时如何保证车辆的最佳转向性能 分析4WS车辆的低速转向特性如何