汽车电动助力转向系统[1]32446.pptx

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1、第四章第四章 汽汽车电动助力助力转向系向系统第一第一节 概述概述 在汽在汽车行行驶中，中，转向运向运动是最基本的运是最基本的运动。我。我们通通过方向方向盘来操来操纵和控制汽和控制汽车的行的行驶方向，从而方向，从而实现自己的行自己的行驶意意图。在在现代汽代汽车上，上，转向系向系统是必不可少的最基本的系是必不可少的最基本的系统之一，之一，它也是决定它也是决定汽汽车主主动安全性的关安全性的关键总成成。如何如何设计汽汽车的的转向特性，使汽向特性，使汽车具有良好的操具有良好的操纵性能，性能，始始终是各汽是各汽车厂家和科研机构的重要厂家和科研机构的重要课题。特。特别是在是在车辆高速化、高速化、驾驶人人员非

2、非职业化、化、车流密集化的今天，流密集化的今天，针对更更多不同的多不同的驾驶人群，汽人群，汽车的操的操纵性性设计显得尤得尤为重要。重要。传统转向系向系统传统的汽的汽车转向系向系统是是机械系机械系统，汽，汽车的的转向运向运动是是由由驾驶员操操纵方向方向盘，通，通过转向器和一系列的杆件向器和一系列的杆件传递到到转向向车轮而而实现的。的。普通的普通的转向系向系统建立在机械建立在机械转向的基向的基础上。上。常用的有两种是常用的有两种是齿轮齿条式条式和和循循环球式球式(用于需要用于需要较大的大的转向力向力时)。这种种转向系向系统是我是我们最常最常见的，目前大部分的，目前大部分低端低端轿车采用的就是采用的

3、就是齿轮齿条式机械条式机械转向系向系统。传统转向系向系统的缺点的缺点虽然然传统转向系向系统工作最可靠，但是也存在很多固有的缺工作最可靠，但是也存在很多固有的缺点，点，传统转向系向系统由于由于方向方向盘和和转向向车轮之之间的机械的机械连接接而而产生一些自身无法避免的生一些自身无法避免的缺陷缺陷：汽汽车的的转向特性受向特性受驾驶员驾驶技技术的影响的影响严重；重；转向向传动比固定比固定,提供不了合适的提供不了合适的转向力向力;液液压助力助力转向系向系统经济性差，性差，一般一般轿车每行每行驶一百公里一百公里要多消耗要多消耗0.30.4升的燃料升的燃料；另外，存在；另外，存在液液压油泄漏油泄漏问题，对环

4、境造成境造成污染染，在，在环保性能被日益保性能被日益强调的今天，无疑是的今天，无疑是一个明一个明显的劣的劣势。助力助力转向系向系统 助力助力转向系向系统使使转向操作灵活、向操作灵活、轻便，在便，在设计汽汽车时对转向器向器结构形式的构形式的选择灵活性增大，能吸收路面灵活性增大，能吸收路面对前前轮产生的冲生的冲击等等优点，点，现代汽代汽车上普遍采用助力上普遍采用助力转向系向系统助力助力转向系向系统于于1955年在年在Buick上首次采用，解决了上首次采用，解决了转向向轻便性便性问题，助力转向系统助力转向系统是指在驾驶员的控制下，借助于汽是指在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机通过液压泵产生的液体压力

5、或电动机驱动力来车发动机通过液压泵产生的液体压力或电动机驱动力来实现车轮转向。实现车轮转向。助力转向助力转向是一种以驾驶员操纵转向盘是一种以驾驶员操纵转向盘（转矩和转角）为输入信号，以转向车轮的角位移为输（转矩和转角）为输入信号，以转向车轮的角位移为输出信号的出信号的伺服机构伺服机构。助力助力转向系向系统的要求的要求对转向系向系统的要求，主要概括的要求，主要概括为转向的灵敏度向的灵敏度和和操操纵的的轻便性便性。高的。高的转向灵敏度，要求向灵敏度，要求转向器具有向器具有小的小的传动比比，以，以小的小的转向向盘转角迅速角迅速转向，好的操向，好的操纵轻便性，便性，则要求要求转向向器具有器具有大的大的

6、传动比比，这样才能以才能以较小的小的转向向盘操操纵力力获得得大的大的转向力矩。向力矩。实际应用中，一般要求：用中，一般要求：当当转向向轮达到最大达到最大设计转角角时，转向向盘总转数不宜超数不宜超过5圈，而圈，而转向向盘操操纵力最大不超力最大不超过250N助力助力转向系向系统的具体要求的具体要求良好的操良好的操纵性性合适的合适的转向力与位置感向力与位置感具有回正功能具有回正功能适当的路面反适当的路面反馈量量工作可靠工作可靠节省能源省能源安静、噪声小安静、噪声小 转向必须灵活、平顺，转向必须灵活、平顺，具有很好的随动性，能具有很好的随动性，能够安全行驶在狭窄、连够安全行驶在狭窄、连续拐弯的弯道上。

7、续拐弯的弯道上。低速或停车低速或停车时，转动转向盘时，转动转向盘不能太费力，不能太费力，高速行驶高速行驶时，又时，又不能感觉到转向盘上的力太小不能感觉到转向盘上的力太小而有发而有发“飘飘“的感觉，的感觉，因此要因此要求转向盘上的力最好能随车速求转向盘上的力最好能随车速变化，同时要求驾驶员能清楚变化，同时要求驾驶员能清楚地感觉到转向盘的位置，地感觉到转向盘的位置，感觉感觉到操纵转向盘的角度与汽车行到操纵转向盘的角度与汽车行驶轨迹的对应关系，具有很好驶轨迹的对应关系，具有很好的直线行驶稳定性和高速行驶的直线行驶稳定性和高速行驶的路感。的路感。在转向后，转向盘应在转向后，转向盘应当能自动回到直线行驶

8、当能自动回到直线行驶的位置，回转的速度要的位置，回转的速度要平稳、适当。使残留的平稳、适当。使残留的角速度尽可能小。角速度尽可能小。从道路表面传来的冲从道路表面传来的冲击应能传达到转向盘上，击应能传达到转向盘上，增加驾驶员的路感，但增加驾驶员的路感，但不能太大，要使驾驶员不能太大，要使驾驶员的感觉是舒适的。的感觉是舒适的。转向系统是安全件，转向系统是安全件，如果不能转向或失去控如果不能转向或失去控制就会发生车毁人亡的制就会发生车毁人亡的事故。因此转向系统应事故。因此转向系统应具有故障预警功能，当具有故障预警功能，当计算机控制系统或助力计算机控制系统或助力系统发生故障时，转向系统发生故障时，转向

9、系统仍然应保留人力转系统仍然应保留人力转向功能。向功能。在保证转向性能的前在保证转向性能的前提下，尽可能降低转向提下，尽可能降低转向系统的动力消耗。系统的动力消耗。转向系向系统的分的分类传统液液压式助力式助力转向系向系统电子控制式液子控制式液压助力助力转向系向系统电动助力助力转向系向系统传统液液压式助力式助力转向系向系统机械式的液机械式的液压助力助力转向系向系统一般由一般由液液压泵、油管、油管、压力流力流量控制量控制阀体、体、V型型传动皮皮带、储油罐油罐等部件构成。等部件构成。无无论车是否是否转向，向，这套系套系统都要工作，而且在大都要工作，而且在大转向向车速速较低低时，需要液，需要液压泵输出

10、更大的功率以出更大的功率以获得比得比较大的助力。大的助力。所以，也在一定程度上浪所以，也在一定程度上浪费了了资源。源。还有，机械式液有，机械式液压助助力力转向系向系统由由液液压泵及管路和油缸及管路和油缸组成，成，为保持保持压力，不力，不论是否需要是否需要转向助力，系向助力，系统总要要处于工作状于工作状态，能耗，能耗较高，高，这也是耗也是耗资源的一个原因所在。源的一个原因所在。传统液液压式助力式助力转向系向系统 传统液液压式助力式助力转向系向系统（HPS）一般按液流的形式可分）一般按液流的形式可分为常流式常流式和和常常压式式两种两种类型。型。常流式常流式是指汽是指汽车在行在行驶中，不中，不转动转

11、向向盘时，流量控制，流量控制阀在在中中间位置，油路保持位置，油路保持畅通。通。常常压式式是指汽是指汽车在行在行驶中，无中，无论转向向盘是否是否转动，整个液，整个液压系系统总是一直保持高是一直保持高压。传统液液压式助力式助力转向系向系统缺点缺点 提供不了合适的提供不了合适的转向力向力，即若要保，即若要保证汽汽车在停在停车或低或低速速调头时转向向轻便，那么汽便，那么汽车高速行高速行驶时就会感到有就会感到有”发飘“的感的感觉；若要保；若要保证汽汽车在高速行在高速行驶时操操纵有适度手感，有适度手感，那么当其要停那么当其要停车或低速或低速调头时就会感到就会感到转向太重，两者不向太重，两者不能兼能兼顾。电

12、子控制式液子控制式液压助力助力转向系向系统转向控制阀转向控制阀 油泵：油泵：由发动机驱动，用于提供助力转向所需的液压油。由发动机驱动，用于提供助力转向所需的液压油。扭力杆的上端与转阀阀杆用销子刚性地连接在一起，下端与控扭力杆的上端与转阀阀杆用销子刚性地连接在一起，下端与控制阀阀体用销子相连，小齿轮轴的上端通过销子与控制阀阀体相连，制阀阀体用销子相连，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。转向时，转向盘上的转向力通过扭力杆传递给小齿轮轴。分流阀：分流阀：根据有关传感器的信号作出最佳助力转向力判断，并根据有关传感器的信号作出最佳助力转向力判断，并

13、将来自转向油泵的油液向控制阀一侧和电磁阀一侧分流，按照车速将来自转向油泵的油液向控制阀一侧和电磁阀一侧分流，按照车速和转向要求，改变控制阀一侧和电磁阀一侧的油压，确保电磁阀一和转向要求，改变控制阀一侧和电磁阀一侧的油压，确保电磁阀一侧具有稳定的油液流量。侧具有稳定的油液流量。固定小孔：固定小孔：把供给转向控制阀的一部份液压油分配到油压反力把供给转向控制阀的一部份液压油分配到油压反力室一侧。在汽车高速行驶时，由于通过小孔又加了一部份燃油给反室一侧。在汽车高速行驶时，由于通过小孔又加了一部份燃油给反力室，进一步加强了柱塞的夹紧力，使得此时的转向力相对于转向力室，进一步加强了柱塞的夹紧力，使得此时的

14、转向力相对于转向角呈线性增加，从而获得高速行驶时的稳定转向操纵感。角呈线性增加，从而获得高速行驶时的稳定转向操纵感。助力转向助力转向ECUECU：ECU根据车速传感器传来的信号，判断汽车是处根据车速传感器传来的信号，判断汽车是处于停止状态还是处于低速行驶或高速行驶工况，在根据判别出的汽于停止状态还是处于低速行驶或高速行驶工况，在根据判别出的汽车状态，对电磁线圈的电流进行线性控制，车状态，对电磁线圈的电流进行线性控制，使电磁阀有适当的开度，使电磁阀有适当的开度，以控制转向助力的大小。以控制转向助力的大小。电磁阀：电磁阀：根据需要开启适当的开度，使油压反力室一侧的油液根据需要开启适当的开度，使油压

15、反力室一侧的油液流回储油箱。电磁阀开度增大时，使作用在柱塞的背压（油压反力流回储油箱。电磁阀开度增大时，使作用在柱塞的背压（油压反力室压力）降低，柱塞推动控制阀转阀阀杆的力（反力）较小，因此室压力）降低，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，使阀体与阀杆相对转只需要较小的转向力就可使扭力杆扭转变形，使阀体与阀杆相对转动而实现转向助力作用，电磁阀开启较小时则相反。动而实现转向助力作用，电磁阀开启较小时则相反。反力控制式助力反力控制式助力转向系向系统的工作的工作过程程当当转向力增大，扭力杆向力增大，扭力杆发生扭生扭转变形形时，控制控制阀阀体体与与转阀阀

16、杆杆之之间将将发生相生相对转动，使两，使两阀的通道口相互的通道口相互连通，扭力杆的通，扭力杆的变形形角度就越大，角度就越大，转阀中工作油液通道的截口面中工作油液通道的截口面积就越大，助力就越就越大，助力就越大。大。汽车低速行驶或者大转弯时汽车低速行驶或者大转弯时。流经电磁线圈的电流。流经电磁线圈的电流较大较大，电磁阀，电磁阀的开启角度的开启角度较大较大，经分流阀分流后的油液通过电磁阀返回油箱的，经分流阀分流后的油液通过电磁阀返回油箱的油液就油液就较多较多，因此作用在反力室的油压就，因此作用在反力室的油压就较小较小，柱塞上的油压，柱塞上的油压较较小小，这时作用在控制阀轴上的，这时作用在控制阀轴上

17、的反力也较小反力也较小，因此反力油压形成的，因此反力油压形成的阻力矩较小阻力矩较小。由于阻力矩较小，转向盘只需要用较小的力就可以。由于阻力矩较小，转向盘只需要用较小的力就可以使扭力杆发生使扭力杆发生较大的变形，转向助力较大较大的变形，转向助力较大。流经电磁线圈的电流流经电磁线圈的电流较小较小，电磁阀的开启角度，电磁阀的开启角度较小较小，经分流阀分，经分流阀分流后的油液通过电磁阀返回油箱的油液就流后的油液通过电磁阀返回油箱的油液就较少较少，因此作用在反力，因此作用在反力室的油压就室的油压就较大较大，柱塞上的油压，柱塞上的油压较大较大，这时作用在控制阀轴上的，这时作用在控制阀轴上的反力也较大反力也

18、较大，因此反力油压形成的，因此反力油压形成的阻力矩较大阻力矩较大。由于阻力矩较大，。由于阻力矩较大，输入同样的力，使扭力杆发生输入同样的力，使扭力杆发生变形较小，转向助力较小变形较小，转向助力较小。旋转阀。旋转阀与控制阀相互连通的通道口开度也减小，助力与控制阀相互连通的通道口开度也减小，助力较小较小。液液压式助力式助力转向系向系统的缺点的缺点结构复构复杂，功率消耗大，容易，功率消耗大，容易产生泄漏，生泄漏，转向力不易有效向力不易有效控制。控制。电动助力助力转向系向系统（EPS）电动助力助力转向系向系统利用利用电动机作机作为动力源，根据力源，根据车速和速和转向参数等，由向参数等，由电子控制子控制

19、单元完成助力控制。元完成助力控制。根据根据电动机布置位置机布置位置不同，可分不同，可分为转向柱助力式向柱助力式、齿轮助助力式力式和和齿条助力式条助力式三种三种类型。型。转向柱助力式转向柱助力式EPSEPS的电动机固定在转向柱的一侧，通过的电动机固定在转向柱的一侧，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向。减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向。齿轮助力式齿轮助力式EPSEPS的电动机和减速机构和小齿轮相连，直的电动机和减速机构和小齿轮相连，直接驱动转向齿轮，实现助力转向。接驱动转向齿轮，实现助力转向。齿条助力式齿条助力式EPSEPS的电动机和减速机构直接驱动齿条提供的电动机和减速

20、机构直接驱动齿条提供助力。助力。电动助力助力转向系向系统的最大特点就是能的最大特点就是能实现“精确精确转向向”，它能它能够在汽在汽车转向向过程中根据不同程中根据不同车速和速和转向向盘转动的快的快慢，精确提供各种行慢，精确提供各种行驶路况下的路况下的最佳最佳转向助力向助力，减小由路，减小由路面不平引起的面不平引起的对转向系向系统的的扰动。不但可以减。不但可以减轻低速行低速行驶时的的转向操向操纵力，而且可大大提高高速行力，而且可大大提高高速行驶时的操的操纵稳定定性，性，并能精确并能精确实现人人们预先先设置的在不同置的在不同车速、不同速、不同转弯弯角度所需要的角度所需要的转向助力向助力。通。通过控制

21、助力控制助力电机，可降低高速机，可降低高速行行驶时的的转向助力，增大向助力，增大转向手力，向手力，解决高速解决高速发飘问题，成本相成本相对较低。低。电动助力转向系统结构电动助力转向系统结构转矩传感器转矩传感器转向离合器转向离合器不不转向向时，助力，助力电动机不工作，机不工作，当当转向向盘转动时，与，与转向向轴相相连的的转矩矩传感器不断地感器不断地测出出作用于作用于转向向轴上的力矩，并将力矩上的力矩，并将力矩转换为电信号，信号，车速速传感器感器产生生车速信号，速信号，ECU根据根据这两个信号，两个信号，经过运算运算处理理后，向离合器和后，向离合器和电动机机发车发出控制指令，出控制指令，即即输出一

22、个适出一个适合的合的电流，在离合器流，在离合器结合的同合的同时，是，是电动机机产生一个生一个转矩，矩，转矩矩经过减速机构减速增距后，减速机构减速增距后，施加在施加在输出出轴上，上，输出出轴的下端与的下端与齿轮齿条条转向器向器总成中的小成中的小齿轮相相连，于是由，于是由电动机机发出的出的转矩最后通矩最后通过齿轮齿条条转向器施加到汽向器施加到汽车的的转向机构上，使之得到一个与向机构上，使之得到一个与工况相适工况相适应的的转向助力向助力。转矩矩传感器感器转矩矩传感器用于感器用于检测作用于作用于转向向盘上上转矩信号的大小，目矩信号的大小，目前采用前采用较多的是多的是扭杆式扭杆式电位位计传感器，感器，它

23、是在它是在转向向轴位置位置加一根扭杆，通加一根扭杆，通过扭杆扭杆检测输入入轴与与输出出轴的相的相对扭扭转位位移得到扭矩。移得到扭矩。用磁性材料构成的定子和用磁性材料构成的定子和转子可以形成子可以形成闭合的回来，合的回来，线圈圈A、B、C、D分分别绕在极靴上，构成一个在极靴上，构成一个桥式回路。式回路。转向向轴扭扭转变形的扭形的扭转角和角和转矩成正比，所以只要矩成正比，所以只要测定定转向向轴的扭的扭转角，就可角，就可间接知道接知道转向力的大小。向力的大小。在在线圈圈U、T的两端施加的两端施加连续的脉冲信号的脉冲信号Ui,当当转向向轴上的上的转矩矩为零零时，定子和，定子和转子的相子的相对转角也角也

24、为零，零，电桥平横，平横，在在V和和W两端的两端的电位差位差Uo为零，如果零，如果转向向轴上存在上存在转矩，矩，定子和定子和转子的相子的相对转角不角不为零，此零，此时定子和定子和转子子间产生角生角位移位移，电桥失去平衡在失去平衡在V和和W两端出两端出现电位差位差Uo。车速速传感器感器安装在自安装在自动变速器的速器的输出出轴上，用于上，用于检测自自动变速器速器输出出轴的的转速，根据速，根据输出出轴转速速计算得到汽算得到汽车的行的行驶速度。常速度。常用用电磁感磁感应式式车速速传感器，主要由永久磁感器，主要由永久磁铁和和电磁感磁感应线圈两个部分圈两个部分组成。成。当输出轴转动时，感应转子的齿不断的靠

25、近和离开车速传当输出轴转动时，感应转子的齿不断的靠近和离开车速传感器，使感应线圈内的磁通发生变化，从而产生交流感应电感器，使感应线圈内的磁通发生变化，从而产生交流感应电压，车速越高，输出轴转速越高，感应电压脉冲频率就越高。压，车速越高，输出轴转速越高，感应电压脉冲频率就越高。ECU根据脉冲信号的频率，计算出输出轴的转速，再进一步根据脉冲信号的频率，计算出输出轴的转速，再进一步转换成车速。转换成车速。电机机EPS的的动力源是力源是电动机，功能是根据机，功能是根据ECU的指令的指令产生相生相应的的输出出转矩，矩，电动机机时影响影响EPS性能的主要因素之一。通性能的主要因素之一。通常采用常采用无刷永

26、磁式直流无刷永磁式直流电动机机。要求低速。要求低速转矩大、波矩大、波动小、小、惯量小、尺寸小、量小、尺寸小、质量量轻，可靠性高、控制性能好。，可靠性高、控制性能好。需要正反需要正反转控制。控制。EPS电机正反机正反转控制控制电路路当当a2端得到端得到输入信号入信号时，晶体，晶体管管VT4导通，通，VT1得到基极得到基极电流流而而导通。通。电动机有反向机有反向电流流流流过反反转。控制触控制触发信号端信号端电流的大小，流的大小，就可以控制就可以控制电动机通机通过电流的流的大小。大小。a1和和a2端为触发信号端，从微机系统的端为触发信号端，从微机系统的D/A转换器得到的直流信转换器得到的直流信号输入

27、到号输入到a1和和a2端，用以触发电动机产生正反转。当端，用以触发电动机产生正反转。当a1端得到输入端得到输入信号时，晶体管信号时，晶体管VT3导通，导通，VT2得到基极电流而导通。电动机有电得到基极电流而导通。电动机有电流流过流流过正转正转。离合器离合器采用干式采用干式电磁离合器磁离合器,保保证EPS在在预先先设定的定的车速范速范围内内闭合合，当，当车速超速超过设定定车速范速范围时，离合器断开，离合器断开，电动机不机不在提供在提供助力助力，转入手入手动转向状向状态，另外当，另外当电动机机发生故障生故障时，离合器将自，离合器将自动断开。断开。车速超速超过30KM/h时，EPS不工不工作。作。转

28、矩传感器：转矩传感器：检测转向轴转矩的大小和转动的方向，转矩传感器检测转向轴转矩的大小和转动的方向，转矩传感器信号和车速信号同时输入到信号和车速信号同时输入到ECU,ECUECU,ECU根据这些信号确定助力转矩的根据这些信号确定助力转矩的大小和方向。大小和方向。发动机转速传感器：发动机转速传感器：确定发动机的工况，当处于怠速工况时，电确定发动机的工况，当处于怠速工况时，电动助力转向系统不工作。动助力转向系统不工作。微机微机根据车速、转向力及转向角等参数，计算得到最佳的转向助根据车速、转向力及转向角等参数，计算得到最佳的转向助力转矩，并向转向电动机输出电流控制信号，使转向机构得到一力转矩，并向转

29、向电动机输出电流控制信号，使转向机构得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。从而实现最佳的转向助力控个与汽车工况相适应的转向作用力。从而实现最佳的转向助力控制。制。电动助力助力转向的精确向的精确转向的向的实现过程程 工作工作时，微机控制指令，微机控制指令经D/AD/A转换接口送入接口送入电动机和离合器的机和离合器的驱动放大放大电路，以控制路，以控制电动机机电流的大小和方向，以及离合器的离合。流的大小和方向，以及离合器的离合。电动机的机的电流流经放大放大电路、路、电流表及流表及a/da/d转换接口反接口反馈给微机，微机微机，微机将此与按微机指令将此与按微机指令应给的的电流相比流相比较，若有差，若有差值，则予以予以调整，使两整，使两者者趋于一致。于一致。电电动动助助力力转转向向系系统统的的控控制制流流程程