汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

新課引入在汽車行駛中，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。第一頁，共二十八頁。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)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采用的就是齒輪齒條式機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。第二頁，共二十八頁。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)濟性差，一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，對環(huán)境造成污染，在環(huán)保性能被日益強調(diào)的今天，無疑是一個明顯的劣勢。第三頁，共二十八頁。新課講授：助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使轉(zhuǎn)向操作靈活、輕便，在設(shè)計汽車時對轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)形式的選擇靈活性增大，能吸收路面對前輪產(chǎn)生的沖擊等優(yōu)點，現(xiàn)代汽車上普遍采用助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)于1955年在Buick上首次采用，解決了轉(zhuǎn)向輕便性問題，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)。第四頁，共二十八頁。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，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：當轉(zhuǎn)向輪達到最大設(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第五頁，共二十八頁。助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的具體要求良好的操縱性合適的轉(zhuǎn)向力與位置感具有回正功能適當?shù)穆访娣答伭抗ぷ骺煽抗?jié)省能源安靜、噪聲小

轉(zhuǎn)向必須靈活、平順，具有很好的隨動性，能夠安全行駛在狹窄、連續(xù)拐彎的彎道上。

低速或停車時，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤不能太費力，高速行駛時，又不能感覺到轉(zhuǎn)向盤上的力太小而有發(fā)“飄“的感覺，因此要求轉(zhuǎn)向盤上的力最好能隨車速變化，同時要求駕駛員能清楚地感覺到轉(zhuǎn)向盤的位置，感覺到操縱轉(zhuǎn)向盤的角度與汽車行駛軌跡的對應(yīng)關(guān)系，具有很好的直線行駛穩(wěn)定性和高速行駛的路感。

在轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向盤應(yīng)當能自動回到直線行駛的位置，回轉(zhuǎn)的速度要平穩(wěn)、適當。使殘留的角速度盡可能小。

從道路表面?zhèn)鱽淼臎_擊應(yīng)能傳達到轉(zhuǎn)向盤上，增加駕駛員的路感，但不能太大，要使駕駛員的感覺是舒適的。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是安全件，如果不能轉(zhuǎn)向或失去控制就會發(fā)生車毀人亡的事故。因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)具有故障預(yù)警功能，當計算機控制系統(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。

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。第六頁，共二十八頁。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)第七頁，共二十八頁。傳統(tǒng)液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)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)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。第八頁，共二十八頁。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。第九頁，共二十八頁。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操縱有適度手感，那么當其要停車或低速調(diào)頭時就會感到轉(zhuǎn)向太重，兩者不能兼顧。第十頁，共二十八頁。電子控制式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向控制閥油泵：由發(fā)動機驅(qū)動，用于提供助力轉(zhuǎn)向所需的液壓油。扭力桿的上端與轉(zhuǎn)閥閥桿用銷子剛性地連接在一起，下端與控制閥閥體用銷子相連，小齒輪軸的上端通過銷子與控制閥閥體相連，轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向力通過扭力桿傳遞給小齒輪軸。分流閥：根據(jù)有關(guān)傳感器的信號作出最佳助力轉(zhuǎn)向力判斷，并將來自轉(zhuǎn)向油泵的油液向控制閥一側(cè)和電磁閥一側(cè)分流，按照車速和轉(zhuǎn)向要求，改變控制閥一側(cè)和電磁閥一側(cè)的油壓，確保電磁閥一側(cè)具有穩(wěn)定的油液流量。固定小孔：把供給轉(zhuǎn)向控制閥的一部份液壓油分配到油壓反力室一側(cè)。在汽車高速行駛時，由于通過小孔又加了一部份燃油給反力室，進一步加強了柱塞的夾緊力，使得此時的轉(zhuǎn)向力相對于轉(zhuǎn)向角呈線性增加，從而獲得高速行駛時的穩(wěn)定轉(zhuǎn)向操縱感。助力轉(zhuǎn)向ECU：ECU根據(jù)車速傳感器傳來的信號，判斷汽車是處于停止狀態(tài)還是處于低速行駛或高速行駛工況，在根據(jù)判別出的汽車狀態(tài)，對電磁線圈的電流進行線性控制，使電磁閥有適當?shù)拈_度，以控制轉(zhuǎn)向助力的大小。電磁閥：根據(jù)需要開啟適當?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。第十一頁，共二十八頁。反力控制式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作過程當轉(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，助力就越大。第十二頁，共二十八頁。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。第十三頁，共二十八頁。流經(jīng)電磁線圈的電流較小，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。第十四頁，共二十八頁。液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功率消耗大，容易產(chǎn)生泄漏，轉(zhuǎn)向力不易有效控制。第十五頁，共二十八頁。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)利用電動機作為動力源，根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向參數(shù)等，由電子控制單元完成助力控制。根據(jù)電動機布置位置不同，可分為轉(zhuǎn)向柱助力式、齒輪助力式和齒條助力式三種類型。轉(zhuǎn)向柱助力式EPS的電動機固定在轉(zhuǎn)向柱的一側(cè)，通過減速機構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸助力轉(zhuǎn)向。齒輪助力式EPS的電動機和減速機構(gòu)和小齒輪相連，直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向齒輪，實現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。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。第十六頁，共二十八頁。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的最大特點就是能實現(xiàn)“精確轉(zhuǎn)向”，它能夠在汽車轉(zhuǎn)向過程中根據(jù)不同車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的快慢，精確提供各種行駛路況下的最佳轉(zhuǎn)向助力，減小由路面不平引起的對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的擾動。不但可以減輕低速行駛時的轉(zhuǎn)向操縱力，而且可大大提高高速行駛時的操縱穩(wěn)定性，并能精確實現(xiàn)人們預(yù)先設(shè)置的在不同車速、不同轉(zhuǎn)彎角度所需要的轉(zhuǎn)向助力。通過控制助力電機，可降低高速行駛時的轉(zhuǎn)向助力，增大轉(zhuǎn)向手力，解決高速發(fā)飄問題，成本相對較低。第十七頁，共二十八頁。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩傳感器轉(zhuǎn)向離合器第十八頁，共二十八頁。不轉(zhuǎn)向時，助力電動機不工作，當轉(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，施加在輸出軸上，輸出軸的下端與齒輪齒條轉(zhuǎn)向器總成中的小齒輪相連，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。第十九頁，共二十八頁。轉(zhuǎn)矩傳感器轉(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。第二十頁，共二十八頁。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。第二十一頁，共二十八頁。在線圈U、T的兩端施加連續(xù)的脈沖信號Ui,當轉(zhuǎn)向軸上的轉(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Uo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)生角位移θ，電橋失去平衡在V和W兩端出現(xiàn)電位差Uo。第二十二頁，共二十八頁。車速傳感器安裝在自動變速器的輸出軸上，用于檢測自動變速器輸出軸的轉(zhuǎn)速，根據(jù)輸出軸轉(zhuǎn)速計算得到汽車的行駛速度。常用電磁感應(yīng)式車速傳感器，主要由永久磁鐵和電磁感應(yīng)線圈兩個部分組成。當輸出軸轉(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，再進一步轉(zhuǎn)換成車速。第二十三頁，共二十八頁。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。通常采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。第二十四頁，共二十八頁。EPS電機正反轉(zhuǎn)控制電路當a2端得到輸入信號時，晶體管VT4導(dǎo)通，VT1得到基極電流而導(dǎo)通。電動機有反向電流流過反轉(zhuǎn)?？刂朴|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。a1和a2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a1和a2端，用以觸發(fā)電動機產(chǎn)生正反轉(zhuǎn)。當a1端得到輸入信號時，晶體管VT3導(dǎo)通，VT2得到基極電流而導(dǎo)通。電動機有電流流過正轉(zhuǎn)。第二十五頁，共二十八頁。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，當車速超過設(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。第二十六頁，共二十八頁。轉(zhuǎn)矩傳感器：檢測轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)矩的大小和轉(zhuǎn)動的方向，轉(zhuǎn)矩傳感器信號和車速信號同時輸入到ECU,ECU根據(jù)這些信號確定助力轉(zhuǎn)矩的大小和方向。發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器：確定發(fā)動機的工況，當處于怠速工況時，電動助