第6章电子控制动力转向系统

汽车电子控制技术沈阳大学凌永成第6章电子控制动力转向系统6.1液压式电子控制动力转向系统电子控制动力转向系统(EPS)可以在低速时减轻转向力，以提高转向系统的操纵稳定性；在高速时则可适当加重转向力，以提高操纵稳定性。液压式电子控制动力转向系统是在传统的液压动力转向系统的基础上增设电子控制装置而构成的。根据控制方式的不同，液压式电子控制动力转向系统又可分为流量控制式、反力控制式和阀灵敏度控制式三种形式。6.1.1流量控制式EPS1.丰田凌志轿车电子控制动力转向系统图6.1所示为凌志轿车采用的流量控制式动力转向系统。由图可见，该系统主要由车速传感器、电磁阀、整体式动力转向控制阀、动力转向液压泵和电子控制单元等组成。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，两油道就被电磁阀旁通。流量控制式动力转向系统就是根据车速传感器的信号，控制电磁阀阀针的开启程度，从而控制转向动力缸活塞两侧油室的旁路液压油流量，来改变转向盘上的转向力。车速越高，流过电磁阀电磁线圈的平均电流值越大，电磁阀阀针的开启程度越大，旁路液压油流量越大，而液压助力作用越小，使转动转向盘的力也随之增加。这就是流量控制式动力转向系统的工作原理。图6.2所示为该系统电磁阀的结构。图6.3所示为电磁阀的驱动信号。由图可以看出，驱动电磁阀电磁线圈的脉冲电流信号频率基本不变，但随着车速增大，脉冲电流信号的占空比将逐渐增大，使流过电磁线圈的平均电流值随车速的升高而增大。图6.4所示为凌志轿车电子控制动力转向系统的电路图。2.蓝鸟轿车电子控制动力转向系统图6.5所示为曾在日产蓝鸟轿车上使用的流量控制式动力转向系统。它的特点是在一般液压动力转向系统上再增加旁通流量控制阀、车速传感器、转向角速度传感器、ECU和控制开关等。在转向油泵与转向机体之间设有旁通管路，在旁通管路中又设有旁通油量控制阀。根据车速传感器、转向角速度传感器和控制开关等信号，ECU向旁通流量控制阀按照汽车的行驶状态发出控制信号，控制旁通流量，从而调整向转向器供油的流量，如图6.6所示。当向转向器供油流量减少时，动力转向控制阀灵敏度下降，转向助力作用降低，转向力增加。在这一系统中，利用仪表板上的转换开关，驾驶员可以选择三种适应不同行驶条件的转向力特性曲线，如图6.7所示。另外，ECU还可根据转向角速度传感器输出信号的大小，在汽车急转弯时，按照图6.8所示的转向力特性曲线实施最优控制。图6.9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。如图6.10所示为日产蓝鸟轿车流量控制式动力转向系统电路图。系统中ECU的基本功能是接收车速传感器、转向角速度传感器及变换开关的信号，以控制旁通流量控制阀的电流，并具有故障自诊断功能。流量控制式电子控制动力转向系统是一种通过车速传感器信号调节向动力转向装置供应压力油，改变压力油的输入。输出流量，以控制转向力的大小。这种方法的优点是在原来液压动力转向功能上再增加压力油流量控制功能，所以结构简单，成本较低。但是，当流向动力转向机构的压力油降低到极限值时，对于快速转向会产生压力不足、响应较慢等缺点，故使它的推广应用受到限制。当控制单元、传感器、开关等电气系统发生故障时，安全保险装置能够确保与一般动力转向装置的功能相同。6.1.2反力控制式EPS1.系统组成及工作原理图6.11所示为反力控制式动力转向系统的工作原理图。由图可见，系统主要由转向控制阀、分流阀、电磁阀、转向动力缸、转向油泵、储油箱、车速传感器(图中未画出)及电子控制单元(ECU)等组成。转向控制阀是在传统的整体转阀式动力转向控制阀的基础上增设了油压反力室而构成的。扭力杆的上端通过销子与转阀阀杆相连，下端与小齿轮轴用销子连接。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。当转向力增大，扭力杆发生扭转变形时，控制阀体和转阀阀杆之间将发生相对转动，于是就改变了阀体和阀杆之间油道的通、断和工作油液的流动方向，从而实现转向助力作用。分流阀的作用把来自转向油泵的液压油向控制阀一侧和电磁阀一侧进行分流。按照车速和转向要求，改变控制阀一侧与电磁阀一侧的油压，确保电磁阀一侧具有稳定的液压油流量。固定小孔的作用是把供给转向控制阀的一部分流量分配到油压反力室一侧。电磁阀的作用是根据需要，将油压反力室一侧的液压油流回储油箱。ECU根据车速的高低线性控制电磁阀的开口面积。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，所以作用于柱塞的背压(油压反力室压力)降低。于是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，使阀体与阀杆产生相对转动而实现转向助力作用。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，于是柱塞推动转阀阀杆的力增大。此时需要较大的转向力才能使阀体与阀杆之间作相对转动(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。2.反力控制式动力转向系统实例如图6.12所示为丰田汽车公司“马克Ⅱ”型车用反力控制式动力转向系统结构图。图6.13所示为转向控制阀(增设了反力油压控制阀和油压反力室)的结构。图6.14所示为电磁阀的结构及其特性曲线。输入到电磁阀中的信号是通、断脉冲信号，改变信号占空比(信号导通时间所占的比例)就可以控制流过电磁阀线圈平均电流值的大小。当车速升高时，受输出电流特性的限制，输入到电磁阀线圈的平均电流值减小，所以电磁阀的开度也减小。这样，根据车速的高、低就可以调整油压室反力，从而得到最佳的转向操纵力。图6.15所示为流量控制式动力转向系统与反力控制式动力转向系统转向特性的对比。从图中可以看出，反力控制式动力转向系统的转向还是比较理想的。停车摆放及车辆低速时的转向操纵力比较小，而中、高速时又具有转向力手感适宜的特性。反力控制式动力转向系统根据车速大小，控制反力室油压，从而改变输入、输出增益幅度以控制转向力。其优点表现在，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。6.1.3阀灵敏度控制式EPS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)来控制油压的。这种转向系统结构简单、部件少、价格便宜，而且具有较大的选择转向力的自由度。与反力控制式转向相比，转向刚性差，但可以最大限度提高原来的弹性刚度来加以克服，从而获得自然的转向手感和良好的转向特性。图6.16所示为89型地平线牌轿车所采用的阀灵敏度可变控制式动力转向系统。该系统对转向控制阀的转子阀做了局部改进，并增加了电磁阀、车速传感器和电子控制单元等。(1)转子阀一般在圆周上形成6条或8条沟糟，各沟槽利用阀部外体，与泵、动力缸、电磁阀及油箱连接。图6.17所示为实际的转子阀结构断面图。图6.18所示为阀部的等液压回路图，转子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，其工作过程如下：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在较小的转向扭矩作用下即可关闭，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1L、2L的开口面积越大，节流作用就越小，转向助力作用越明显。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。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，阀灵敏度控制式动力转向系统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。所以具有多工况的转向特性如图6.18(c)所示。从低速到高速的过渡区间，由于电磁阀的作用，按照车速控制可变小孔的油量，因而可以按顺序改变特性。(2)电磁阀如图6.17所示的电磁阀结构图，该阀设有按控制上下流量的旁通油道，是可变的节流阀。在低速时向电磁线圈通以最大的电流，使可变孔关闭，随着车速升高，依次减小通电电流，可变孔开启；在高速时，开启面积达到最大值。该阀在左右转向时，油液流动的方向可以逆转，所以在上下流动方向中，可变小孔必须具有相同的特性。为了确保高压时流体有效作用于阀，必须提供稳定的油压控制。(3)电子控制单元接收来自车速传感器的信号，控制向电磁阀和电磁线圈输出电流。如图6.19所示为控制系统的回路图。6.2电动式电子控制动力转向系统液压式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。但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。近年来随着微机在汽车上的广泛应用，出现了电动式电子控制动力转向系统，简称电动式EPS。6.2.1电动式EPS的组成、原理与特点电动式EPS通常由转矩传感器、车速传感器、电子控制单元(ECU)、电动机和电磁离合器等组成，如图6.20所示。上述部件的主要参数见表6-1。EPS系统中各部件的配置、结构与各种汽车的设计相适应的特点如下：(1)Mira车上，转矩传感器与传动齿轮是分开的。电动机和减速机合为一体，安装在与传动齿轮相对的齿条箱上，电动机的驱动力直接传给齿条轴，控制件安装在司机助手侧的仪表盘背板上，如图6.21所示。(2)在奥拓(Alto)牌车上，转矩传感器、电动机和减速机合为一个整体，装在转向柱上，电磁离合器装在电动机的输出端旁，控制件装在司机座位下。(3)在Minica车上，转矩传感器、电动机、减速机与离合器仍是合为一个整体，用以驱动传动轴，控制件装在司机助手侧的机罩下。电动式EPS是利用电动机作为助力源，根据车速和转向参数等，由ECU完成助力控制，其原理可概括如下：当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的转矩传感器不断地测出转向轴上的转矩信号，该信号与车速信号同时输入到ECU。ECU根据这些输入信号，确定助力转矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转向，调整转向辅助动力的大小。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增扭后，加在汽车的转向机构上，得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。电动式EPS有许多液压式动力转向系统所不具备的优点：(1)将电动机、离合器、减速装置、转向杆等部件装配成一个整体，这既无管道也无控制阀，使其结构紧凑、质量减轻，一般电动式EPS的质量比液压式EPS质量轻25%左右。(2)没有液压式动力转向系统所必须的常运转式转向液压泵，电动机只是在需要转向时，才接通电源，所以动力消