第7章_电控动力转向系统

《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