2022年汽车电子控制式电动助力转向系统的发展 .pdf

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1、第 15卷 第 1期2001年 3月湖 北 汽 车 工 业 学 院 学 报J ournal of Hubei Automotiv e IndustriesInstituteV ol. 15 No. 1 Mar. 2001文章编号 : 1008-5483( 2001) 01-0004-05汽车电子控制式电动助力转向系统的发展冯樱 , 肖生发 , 罗永革(湖北汽车工业学院汽车工程系,湖北 十堰 442002) 摘 要: 本文简 述了汽车电控助力转向系统的发展与应用 ,介绍 了电控助力 转向系统 的基本结构 与工作原 理 ,分析 比较了其性能特点,并阐述了该项技术今后的发展趋势。关键词 : 电控动力

2、转向 ;发 展趋势 ;转矩传感器中图法分类号 : U 463 文献标识码 : A随着现代汽车技术的迅猛发展,人们对汽车转向操纵性能的要求也日益提高。 为了保证车辆在任何工况下转动转向盘时,都有较理想的操纵稳定性,即使车辆在停车情况下转动转向盘时也能够轻松自如;而在高速行驶时又不会感到轻飘不稳。 汽车转向系统从简单的纯机械式转向系统,发展到机械液压动力转向系统、 到电控液压动力转向系统,直至如今的更为节能、 操纵性能更优的电子控制式电动助力转向系统( Electric Power System)阶段 。本文将对电控助力转向系统的发展、 系统的基本工作原理和主要元件的结构形式及系统的控制原理进行阐

3、述,并将其与液压动力转向系统进行性能比较;最后 ,讨论该项技术今后的发展趋势。1 电子控制式电动助力转向系统的发展与应用自 1953年通用汽车公司在凯迪莱克和别克轿车上首次批量使用了液压动力转向系统以来,液压动力转向系统给汽车带来了巨大的变化: 人们不再需要靠大直径的转向盘来产生足够的转向力矩,转向盘的减小 ,使得驾驶室变得宽敞起来,座椅布置也变得更为舒适了;液压动力转向系统在降低了转向操纵力的同时 ,也使转向变得更为灵敏。 随着技术的发展,动力转向系统在体积、 价格和所消耗的功率等方面都取得了惊人的进步 。在八十年代后期,又开发了变减速比、 电控液压动力转向系统。今天 ,变速比的液压动力转向

4、系统几乎成为发达国家所销售轿车的标准装备。几十年来,动力转向系统的技术革新都是在液压动力转向系统基础上的。 即便是电控液压动力转向系统也无法根除液压动力转向系统在系统布置、 安装、 密封性 、 操纵灵敏度 、 能量消耗 、 磨损与噪声等方面的固有缺憾 。直到1988年 3月 ,日本铃木公司开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统(以下简称 :电动助力转向系统),才真正摆脱了液压动力转向系统的束缚。 1993年 ,本田汽车公司首次将电动助力转向系统装备于大批量生产的、 在国际市场上同法拉利和波尔舍竞争的爱克N SX跑车上 ;同年 ,在欧洲市场销售的一种经济型轿车菲亚特帮托也将美国德尔费公司生产

5、的电控助力转向系统作为标准装备;由于电控助力转向系统完全取消液压装置,用电能取代液压能,减少了发动机的能量消耗;加上其性能的优越性 ,很快在越来越多的国外轿车上得到应用,如本田最新推出的Insigh t轿车上就是其中的一例。 电动助力转向系统无疑是未来动力转向设计的新方向,目前在中型以上货车和中级以上轿车上广泛采用的机械液压动力转向器将逐渐被效率更高、 适应性更强的电动助力转向系统所代替。 为此 ,国外几家大公司(如德国的ZF、 英国卢卡斯 伟利达 、Saginaw、T RW、 日本的N SK 、Koyo等 )都竟相推出自己的电动助力转向系统。目前国内动力转向器还处在机械液压式动力转向系阶段,

6、对于电动助力转向系统仅有清华、 华工等高校开展了系统结构方案设计、 系统建模和动力分析等研究,但处在研制的初级阶段,未达到实用程度。收稿日期 : 2001-01-19;修 回日期 : 2001-02-10作者简介 : 冯樱 ( 1968-) ,女 ,工学硕士 ,讲师 .名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 2 电子控制式电动助力转向系统基本结构与工作原理2. 1 电子控制式电动助力转向系统的基本工作原理电子控制式电动助

7、力转向系统是在传统机械转向机构基础上,增加信号传感装置、 电子控制装置和转向助力机构 。它是利用电动机产生的动力来帮助驾驶员进行转向。不转向时 ,电动机不工作;转向时 ,转矩图 1 电控助力转向系统传感器检测到的转向盘转矩和旋转方向信号输送给控制单元 ,控制单元根据转矩大小及其方向和从车速传感器传来的车速信号向电动机发出指令,电动机输出相应大小及方向的转矩以产生助力。2. 2 电子控制式电动助力转向系统分类根据电动机驱动部位的不同,将电动助力转向系统分为三类 : 转向轴助力式 、 转向器小齿轮助力式和齿条助力式 。图 1为转向轴助力式转向系统原理图。其转矩传感器、 电动机 、 离合器和转向助力

8、机构组成一体,安装在转向柱上 。 其特点是结构紧凑、 所测取的转矩信号与控制直流电机助力的响应性较好。这种类型一般在轿车上使用 。小齿轮助力式转向系统的转矩传感器、 电动机 、 离合器和转向助力机构仍为一体,只是整体安装在转向小齿轮处,直接给小齿轮助力,可获得较大的转向力。 该型式可使各部件布置更方便,但当转向盘与转向器之间装有万向传动装置时,转矩信号的取得与助力车轮部分不在同一直线上,其助力控制特性难以保证准确。齿条助力式转向系统的转矩传感器单独地安装在小齿轮处,电动机与转向助力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处,用以给齿条助力。该类型又根据减速传动机构的不同可分为两种: 一种是电动机作成中

9、空的 ,齿条从中穿过,电动机动力经一对斜齿轮和螺杆螺母传动副以及与螺母制成一体的铰接块传给齿条。 这种结构是第一代电动助力转向系统,由于电动机位于齿条壳体内,结构复杂 、 价格高 、 维修也很困难 。另一种是电动机与齿条的壳体相互独立,电动机动力经另一小齿轮传给齿条,由于易于制造和维修,成本低 ,已取代了第一代产品。因为齿条由一个独立的齿轮驱动,可给系统较大的助力,主要用于重型汽车。2. 3 转矩传感器图 2 扭杆式传感器结构图转矩传感器用来检测转向盘的转矩和方向,采用电位计式传感器。它输出两个彼此独立的电压信号: 主信号和副信号,控制单元用副信号来检查主信号是否正确。 电控助力转向系统的转矩

10、传感器主要有三种形式 : 摆动杆式 、 双行星齿轮式和扭杆式。摆动杆式是通过测量由转向器小齿轮轴反作用力矩引起的摆杆位移量得到转向力矩的。双行星齿轮式是通过测量与扭杆相连的两套行星齿轮的相对位移得到转向力矩信号值,扭杆位于转向输入轴和输出轴之间,行星齿轮机构也兼起减速传动机构的作用。扭杆式是通过扭杆直接测量输入轴和输出轴的相对位移,从而测得转向力矩 。图 2为扭杆式传感器结构图。转矩传感器感应部分包括两个线 圈和一个滑套(铁芯 )。轴助力式转向系统的转向轴从中间断开 ,上段为输入轴,下段为输出轴,输入轴与输出轴之间用扭杆连接。传感器滑套被套在输出轴外,固定在扭杆上的导向销插入传感器滑套的斜槽中

11、,导向销既可随输出轴一同转动,也能沿传感器滑套的斜槽作上下移动。当道路阻力较5第 15卷 第 1期 冯樱等 :汽车电子控制式电动助力转向系统的发展名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 小 ,转动转向盘后,滑套和转向输出轴一同转动,滑套不作上下运动;当道路阻力较高时,转向力矩增大,扭杆发生扭转,输入轴和输出轴的转角不同,相应的导向销和滑套的转角也不同,导向销将迫使滑套上下移动。这时滑套(铁芯 )外围的两个线圈可检测到运动

12、的大小和方向,从而获得转矩的大小和方向。2. 4 电动机和离合器电动机采用永磁直流电动机。在电动机设计时,应着重考虑如何提高路感、 降低噪音和振动。比如在电机转子周缘开设不对称或螺旋状的环槽、 靠特殊形状的定子产生不均匀磁场等都可改善电动机的性能。离合器采用电磁式离合器,其由控制单元根据车速的快慢来控制。当车速在设定车速以上时,电磁离合器切断 ,电动机不再提供助力,此时 ,系统不受电动机惯性力矩的影响,转入人工转向状态;在设定车速之下,电磁离合器接合,转入助力转向状态。为了改善转向特性,离合器设计时要让它具有一定的滞后特性。2. 5 减速传动机构减速传动机构是用来增大电动机传递给转向器的转矩。

13、 它主要有两种形式: 双行星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构 。 前者主要用于小齿轮助力式和齿条助力式转向系统;后者主要用于转向轴助力式转向系统。2. 6 控制单元2. 6. 1 控制电路电动助力转向系统的控制电路核心是8位单片机 ,带有A /D转换器和PWM单元 。 转矩 、 转向角信号和车速经过接口电路被输入到单片机,单片机根据这些信号计算出最优化的助力转矩,然后把已计算出来图 3 控制电路框图的值作为电流命令值输入到电流控制电路。电流控制电路把来自单片机的电流命令值同电机电流的实际值进行比较,并产生一个差值信号。该差值信号被送往电机驱动电路,该电路可驱动动力装置并向电机提供控制电流 。当车

14、速超过设定值时,离合器被切断,减速传动机构与电动机脱离,接着电动机停机 。2. 6. 2 失效保护和故障诊断控制单元还具有失效保护和故障自诊断功能。 当由电池电压过低检查电路、 时钟监督电路和其它检查电路 (硬件 )或由微型计算机检测出一个故障时,微型计算机将记录下故障类型,点亮仪表板上的故障灯,同时控制器上的故障代码显示灯点亮。此时 ,电动机的电流被中断,离合器断开,系统转入人工转向状态。2. 6. 3 助力转矩的控制内容电动助力转向系统的基本功能是根据转向作用力产生助力力矩。电动助力转向系统的控制器有两种型式: 一种是以车辆的行驶速度施控,叫速度型控制器;另一种是以发动机的运转速度施控,称

15、转速型控制器。目前广泛采用是速度型控制器,即系统在每一个车速下都可得到最优化的转向作用力。图 4为助力转矩特性曲线 。此外 ,系统还根据转向转矩变化率、 转向角速度和转向角进行控制以改善瞬态转向灵敏度。 这样 ,系统6 湖北汽车工业学院学报 2001年 3月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 图 4 助力转矩特性曲线此有三种基本控制模式:普通控制模式、 回正控制模式和阻尼控制模式。在正常转向过程中,采用普通控制模式;

16、当驾驶员作用在转向盘的力减少,转向盘在回正力矩作用下有回正趋势时,采用回正控制模式 ,使电动机的助力转矩随驾驶员施加在转向盘上的力的下降而平稳下降 。因为电动转向系统含有电动机、 减速传动机构等部件,具有较大的转向系统摩擦力和惯性矩,若无回正控制,会使系统在低速时转向回正性能不良。采用回正控制后,在侧向加速度低的区段回正性能得到改善,但在侧向加速度高的区段却出现回正过量现象,这个问题需采用阻尼控制来解决。采用阻尼控制模式后,在车辆高速转向行驶放松转向盘后,侧滑角速度能迅速收敛,改善了高速时的转向稳定性。3 电子控制式电动助力转向系统特性比较分析将电控助力转向系统同普通液压动力转向系统的性能进行

17、比较,其优越性主要表现如下:1) 电控助力转向系统的最主要优点是转向作用力控制范围宽,可以十分灵活地修改转矩、 转向角和车辆速度信号的软件逻辑控制,并能根据驾驶条件设置最优化的转向助力特性。2) 根据转向角进行的回正控制和根据转向角速度进行的阻尼控制可以提供最佳的转向返回特性。3) 由于电动助力转向系统无液压装置,仅当需要时,电机才运行,所以动力消耗和燃油消耗均可降到最低 。与液压动力转向系统相比,在各种行驶工况下均可节能80 % 90 % 。4) 电动助力转向系统较高的惯性力矩,对于来自轮胎的外部干扰其作用就象质量阻尼器一样,可以使转向轴的颤动和反冲降到最小。在高速时 ,电动助力转向系统的颤

18、振比液力转向系统减少25 % 30 % 。5) 液压动力转向系统在低温下启动发动机之后,由于低温下油的粘性较大,使转向作用力较高。电动助力转向系统,在低温下不会增加转向作用力和发动机负荷,因而 ,其低温运行状况好于前者。6) 液压动力转向系统因有液压缸、 油泵 、 转阀 、 液压管道等部件,使系统结构复杂,零件数目多,占用空间大 ,布置不方便 。 电动助力转向系统则表现出了明显的优势,系统结构紧凑,重量减轻,易于布置等 。4 电子控制式电动助力转向系统的发展趋势电动助力转向系统出现十几年来,在降低系统自重、 减少生产成本,控制系统发热 、 电流消耗 、 内部摩擦 ,以及与整车进行匹配获得合理的

19、助力特性,保证良好的路感等方面取得了重大进步。电动助力转向系统在操纵舒适性和安全性、 节能等方面充分显示了其优越性,应用前景广阔 。 未来的发展趋势是:1) 进一步改善控制性能,使之更好地与不同档次汽车相适应。如改进电动机控制技术,消除由于电动机较大惯性 、 摩擦力所带来转向时路感不足等缺点,使电动助力转向系统也能批量使用在重型货车上。2) 实现电动助力转向系统控制单元与汽车上其它控制单元的通讯联系,以实现控制系统的一体化。3) 提高系统的可靠性。这应从提高系统各元部件的可靠性入手,如采用非接触式转矩传感器等。4) 进一步简化系统,减小控制单元和驱动单元的体积,控制生产成本 。参考文献 : 1

20、 T. N akayama, E. Suda. The Present and Futur e of Electric Power Steering. Int. J . of Vehicle Design, V ol. 15,Nos 3 /4 /5, 1994. 2 Yasuo Shimizu,Toshitake Kawal.Developments of Electric Power Steering.SAE paper 910014.7第 15卷 第 1期 冯樱等 :汽车电子控制式电动助力转向系统的发展名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - -

21、 - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 3 Chang Sub shim , Byeong J o lee, Je Duk kim . Developments of Contro lled Electric Power Steering.SAE paper981117. 4 张晓龙 . 全电子控制的动力转向系统J. 国外汽 车 ,1989,( 6). 5 毕大宁 . 汽车转阀式动力转向器的设计与应用M.北京 : 人民交通出版社, 1998. 6 季学武等 . 动力转向系统的发展与节能J. 世界 汽车 ,1

22、999,( 10). 7 Shigeru lga, AkihikoSakazaki. Motor driv ern power steering for the maximum steering sensation in every driv ingsitua tion.SAE paper 880705. 8 Sanket Amberbar, Mark Kushion. Diagnostic development for an electric power steering system.SAE paper 2000-01-0819.DevelopmentSurvey of Electric

23、Power SteeringF EN G Ying , X IAO Sheng-fa , LUO Yong-ge( Dept. of A utomobile Engineering , Hubei Automotiv e IndustriesInstitute,Shiyan 442002, China)Abstract:The development and applicatio n of Electricpower steering technology is explicatedin thispaper.The structure,working principleand control

24、system areintro duced and comparativ ely analysis ofseveral features such as performance,reliability,service life and cost,etc is made. the trend of futuredevelopment is predicted.Key words:electric power steering;future trend;torque sensor(Received Date:February 19, 2001)(上接第3页 )参考文献 : 1 肖生发 .新型等速万

25、向节环叉式万向节分析研究 J.湖北汽车工业学院学报,1995, 9(2): 29-35. 2 肖生发 .前轮驱动轿车等角速万向节的研究 J.湖 北汽车 ,1995, (3): 26-29. 3 伍德荣 ,肖生发 ,陶健民 .万向节和传动轴M.北京 : 北京理 工大学出版社,1997. 4 羊拯民 .传动轴和万向节 M .北京 : 人民交通出版社 ,1986.Solving the Ring- ForkU- Joint and Its AdditionalMomentby the Space AnalytX IAO Sheng-fa( Dept. of A utomobile Engineeri

26、ng , Hubei Automotiv e IndustriesInstitute,Shiyan 442002, China)Abstract: This paper covers the set-up of the spacecoordinate axis of the ring- fork U-joint,and throughthe analysis of the additional moment in the ring-fork U-joint it presents how the value of the additio nalmoment is obtained.Key words:ring -fork U- joint;additio nal moment(Received Date:January 9, 2001)8 湖北汽车工业学院学报 2001年 3月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -