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汽车电子控制技术沈阳大学凌永成配套教材信息教材名称：汽车电子控制技术（第2版）教材主编：凌永成教材定价：40RMB出版社：北京大学出版社出版时间/版次：2011年7月第2版国际标准书号（ISBN）：978-7-301-19225-2教材所属系列：21世纪全国高等院校汽车类创新型应用人才培养规划教材第6章汽车电控转向系统教学提示：操作轻便、路感清晰的电控转向系统极大地提高了汽车的操纵性能。四轮转向系统在提高车辆的弯道通过性能方面优势明显，应用日益广泛。教学要求：本章主要介绍汽车电控转向系统和四轮转向系统。要求学生了解电控转向系统在汽车上的应用概况，熟悉电控转向系统和四轮转向系统的基本组成。6.1汽车转向系统概述6.1.1转向系统的作用与相关要求用来改变或保持汽车行驶或倒退方向的一系列装置称为汽车转向系统（AutomobileSteeringSystem，图6-1）。为确保行车安全，对转向系统有如下要求：①转向系统应工作可靠，操纵轻便。②对轻微的路面冲击，转向系统应有自动回正能力。③转向机构应能减小地面传到方向盘上的冲击，并保持适当的“路感”。④当汽车发生碰撞时，转向装置应能减轻或避免对驾驶员的伤害。6.1.2转向系统的分类汽车转向系统可按转向的能源不同分为机械转向系统（Mechanicalsteeringsystem）和动力转向系统（Powersteeringsystem）两类。电控动力转向系统可以在低速时减轻转向操作力，以提高转向系统的操纵轻便性；在高速时则可适当加重转向力，以提高操纵稳定性。四轮转向系统的应用，在提高汽车转向操纵稳定性的同时，能显著缩短转弯半径，提高车辆的弯道通过性能。6.2汽车电控动力转向系统6.2.1动力转向系统1.动力转向系统的组成为使汽车操纵轻便及行驶安全，目前轿车、载重汽车、客车大多采用液压转向助力器，构成液压式动力转向系统（Hydraulicpowersteeringsystem，略作HPS）。液压式动力转向系统结构示意图图6-3液压式动力转向系统的油路图1-油箱；2-溢流阀；3-齿轮油泵；4-进油道量孔；5-单向阀；6-安全阀；7-滑阀；8-反作用阀；9-阀体；10-回位弹簧；11-转向螺杆；12-转向螺母；13-纵拉杆；14-转向垂臂；15-动力缸（a）右转弯行驶时（b）左转弯行驶时图6-4转向控制阀在转向时改变油路2.动力转向系统的不足6.2.2电控动力转向系统1.电控动力转向系统的组成电子控制动力转向（ElectronicControlPowerSteering，EPS）系统在低速行驶时可使转向轻便、灵活；当汽车在中高速区域转向时，又能保证提供最优的动力放大倍率和稳定的转向手感，从而提高了高速行驶的操纵稳定性。图6-5电控动力转向系统2.电控动力转向系统的分类根据动力源的不同，电子控制动力转向系统可分为液压式电子控制动力转向系统（液压式EPS）和电动式电子控制动力转向系统（电动式EPS）。液压式EPS在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和ECU等，ECU根据检测到的车速信号，控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足汽车在中、低速时的转向助力要求。电动式EPS是利用直流电动机作为动力源，ECU根据转向参数和车速等信号，控制电动机转矩的大小和方向。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增加转矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。3.电控动力转向系统的特点为满足现代汽车对转向系统的要求，电控动力转向系统具有以下特点。①良好的随动性：即方向盘与转向轮之间具有准确的——对应关系，同时能保证转向轮可维持在任意转向角位置。②有高度的转向灵敏度：即转向轮对方向盘具有灵敏的响应。③良好的稳定性：即具有很好的直线行驶稳定性和转向自动回正能力。④助力效果能随车速变化和转向阻力的变化作相应的调整：低速时，有较大的助力效果，以克服路面的转向阻力；中、高速时，要有适当的路感，以避免因转向过轻（方向盘“发飘”）而发生事故。6.3液压式电控动力转向系统6.3.1流量控制式动力转向系统的组成图6-6流量控制式动力转向系统1-动力转向油泵；2-电磁阀；3-动力转向控制阀；4-ECU；5-车速传感器；p-压力油管；T-回油管6.3.2流量控制式动力转向系统的工作过程电磁阀安装在通向转向动力缸活塞两侧油室的油道之间，当电磁阀的阀针完全开启时，两油道就被电磁阀接通了一个旁路，使动力缸活塞两侧压力差减小，助力减小；相反则助力增大。图6-7电磁阀结构图6-8电磁阀驱动信号6.3.3流量控制式动力转向系统的工作电路动力转向ECU是EPS的核心控制部件。它根据车速传感器提供的车速信号，通过改变旁通电磁阀驱动信号占空比的方式调节转向力。丰田流量控制式动力转向系统电路图6.4电动式电控动力转向系统6.4.1电动式电控动力转向系统概述1.电动式EPS的组成图6-10电动式EPS的组成1-方向盘；2-输入轴（转向轴）；3-ECU；4-电动机；5-电磁离合器；6-转向齿条；7-横拉杆；8-转向车轮；9-输出轴；10-扭力杆；11-转矩传感器；12-转向齿轮2.电动式EPS的工作原理图6-10电动式EPS的组成1-方向盘；2-输入轴（转向轴）；3-ECU；4-电动机；5-电磁离合器；6-转向齿条；7-横拉杆；8-转向车轮；9-输出轴；10-扭力杆；11-转矩传感器；12-转向齿轮3.电动式EPS的优点6.4.2三菱轿车电动式电控动力转向系统三菱米尼卡（Minica）轿车所用电子控制电动式动力转向系统主要由ECU、直流电动机和离合器、车速传感器、转矩传感器和转向机总成等组成。三菱米尼卡轿车电动式电控动力转向系统的组成1.三菱电动式EPS的组成1）电动机和离合器图6-12电动机的行星齿轮机构1-转矩传感器；2-卷轴；3-转矩杆；4-输入轴；5-直流电动机和离合器；6-行星小齿轮；7-恒星齿轮；8-行星小齿轮；9-齿轮齿条转向机的小齿轮；10-从动齿轮；A-主动齿轮；B-内齿圈系统的ECU根据车速的快慢来控制电动机的电流，车辆在停驶和极低速状态下电动机电流最大，助力作用大。电动机产生的助力经离合器传动齿轮减速后，起到助力作用。2）转矩传感器转矩传感器的功能是将转动方向盘时转矩和转角变为转向信号，输送给ECU。一般转矩杆的扭转角度设定为4°左右，这是由于采用行星齿轮机构，使转矩传感器的检测精度提高所致。3）车速传感器车速传感器安装在变速器上，是一种电磁感应式传感器。该传感器的作用是根据车速的变化，把主、副系统的脉冲信号输送给ECU，车速传感器每转动一周产生8个脉冲信号，由于是主、副两个系统，故信号的可靠性更高。车速传感器的结构1-壳体；2-定子线圈；3-磁极；4-下侧定子；5-定子4）汽车交流发电机的L端子利用交流发电机的L端子电压，可以判断出发电机是否运转，所以把交流发电机的L端子看成是向ECU输送信号的一个传感器。直流电动机的最大电流约为30A，在发动机不工作时，转向系统的工作由蓄电池供电；发动机工作时，由发电机供电。5）电子控制系统电子控制系统由一个8位单片机MC6805及外围电路组成。电子控制电动式动力转向的工作过程如图6-14所示。电子控制电动式动力转向的工作过程2.三菱电动式EPS的工作原理6种车速下电动机的电流状态6.5电控四轮转向系统6.5.1电控四轮转向系统概述目前，绝大多数汽车都是以两个前轮作为转向车轮，这样的转向系统称为两轮转向系统（Two-wheelsteering，略作2WS）。为了使汽车具有更好的弯道通过性和操纵稳定性，一些汽车在后桥上也安装了转向系统，前后左右四个车轮均为转向车轮，这样的转向系统称为四轮转向系统（Four-wheelsteering或all-wheelsteering，略作4WS）。汽车采用四轮转向（4WS）系统的目的是：在汽车低速行驶时，依靠逆向转向（前、后车轮的转角方向相反）获得较小的转向半径，改善汽车的操纵性；在汽车以中、高速行驶时，依靠同向转向（前、后车轮的转角方向相同）减小汽车的横摆运动，使汽车可以高速变换行进路线，提高转向时的操纵稳定性。4WS转向系统的一般布置形式1-车速传感器；2-方向盘转角传感器；3-车轮转速传感器；4-后轮转向执行机构；5-后轮转角传感器（a）2WS车（b）4WS车低速转向时的行驶轨迹（a）2WS车（b）4WS车中、高速转向时的操纵性比较4WS系统在不同车速下的前后轮转向比率及车轮偏转状态6.5.2转向角比例控制式4WS系统所谓转向角比例控制，是指使后轮的偏转方向在低速区与前轮的偏转方向相反，在高速区与前轮的偏转方向相同，并同时根据方向盘转向角度和车速情况控制后轮与前轮偏转角度比例。转向角比例控制式四轮转向系统的构成1.系统组成部件1）转向枢轴偏置轴与转向枢轴的构造偏置轴与转向枢轴的工作原理2）4WS转换器4WS转换器的作用是驱动从动杆转动，实现2WS向4WS方式的转换和后轮转向方向与转向角比例控制。4WS转换器与后轮转向传感器的工作原理及电压特性如图6-23所示。（a）后轮执行结构（4WS转换器）（b）后轮转向传感器的工作原理与电压特性图6-234WS转换器与后轮转向传感器的工作原理及电压特性3）转向角比例控制系统转向角比例控制系统主要由转向ECU、车速传感器、4WS转换开关、转向角比例传感器和4WS转换器等组成，转向ECU是控制中心。转向角比例控制式四轮转向系统的工作原理2.系统的主要控制功能1）转向控制方式的选择当通过2WS选择开关选择2WS方式时，ECU控制4WS转换器使后轮在任何车速下的转向角为零，这是为习惯于前轮转向的驾驶人设置的；在4WS方式下，驾驶员还可根据驾驶习惯和行驶情况通过4WS转换开关进行NORM工况与SPORT工况的变换，对后轮转向角比例控制特性进行选择。2）转向角比例控制当选定4WS方式时，ECU根据车速信号和转向角比例传感器信号，计算车速与转向角的实际数值，控制4WS转换器电动机调节后轮转向角控制比例。3）安全保障功能当转向控制系统发生故障时，4WS故障警告灯将点亮，并在ECU中记忆故障部位，同时，后备系统实施以下控制。①当4WS转换器主电动机发生故障时，ECU驱动辅助电动机工作，使后轮以NORM模式与前轮作同向转向运动，并根据车速进行转向角比例控制。②当车速传感器发生故障时，ECU取SP1和SP2两个车速传感器中输出车速信号高的为依据，控制4WS转换器主电动机仅进行同向转向的转向角比例控制。③当转向角比例传感器发生故障时，ECU驱动4WS转换器辅助电动机使后轮处于与前轮同向转向最大值，并终止转向角比例控制。如果辅助电动机发生故障，则通过驱动主电动机完成这一控制。④当ECU出现异常时，4WS辅助电动机驱动后轮至与前轮同向转向最大值位置，以避免后轮处于反向运动状态，并终止转向角比例控制。当后轮处于与前轮同向转向状态时，后轮的最大转向角很小，且有利于确保高速转向时的方向稳定性。6.5.3横摆角速度比例控制式4WS系统横摆角速度比例控制是一种能根据检测出的车身横摆角速度来控制后轮转向量的控制方法。它与转向角比例控制相比，具有两方面优点：一是它可以使汽车的车身方向从转向初期开始就与其行进方向保持高度一致；二是它可以通过检测车身横摆角速度感知车身的自转运动。因此，即使有外力（如横向风等）引起车身自转，也能马上感知到，并可迅速通过对后轮的转向控制来抑制自转运动。1.系统组成横摆角速度比例控制式4WS系统的组成如6-25所示。a-液压泵；b-分流器；c-前动力转向器；d-后转向助力器；e-带轮传动组件；f-转角传动拉索；g-前带轮；h-后带轮；l、2-轮速传感器；3-车速传感器；4-挡位开关；5-油面高度传感器；6-转角传感器；7-横摆角速度传感器；8-电动机转角传感器；9-转向电动机；10-ABSECU；11-4WSECU横摆角速度比例控制式4WS系统1）前轮转向机构图6-26前轮转向机构1-方向盘；2-齿轮齿条副；3-液压油缸；4-齿条端部；5-控制齿条；6-前带轮