汽车电控液压动力转向系统的设计

摘 要电控液压动力转向系统可解决汽车转向轻便性和灵敏性的矛盾,使驾驶员在汽车低速行驶时获得较大助力,高速行驶时获得较强的路感。本次设计主要完成电控液压动力转向系统的液压部分和机械部分的设计。在设计中将车速信号和转向盘角速度信号引入液压转向系统，电子控制单元根据车速传感器和转向盘转角传感器检测的车速信号和转向信号，计算出电动机的对应的转速，对电动机转速进行控制，电动机驱动油泵,控制电动机转速从而控制油泵的泵油量，改变助力的大小。文中一开始阐述了电控液压动力转向系统设计的目的和意义、发展状况以及应用前景。接着分析论述了总体设计方案，进行了液压动力系统、机械转向器等主要部件的方案分析和选择。关键词:动力转向；液压动力转向；助力转向；可变助力特性；电控液压动力转向；to of so in at on a of of an to to an,an by of of of of in to to of of a of of 摘要 章 绪论7第 2 章 动力转向系统的设计方案分析 14第 3 章 液压动力系统的设计计算 计算计算 计算 浸式、湿式电磁铁26第 4 章 机械转向器方案分析与设计计算 36第 5 章 电控动力转向系统的变助力方法分析灵敏度控制式38结论40参考文献42致谢43第1章绪 功用是保证汽车能按驾驶员的意愿进行直线或转向行驶。本设计根据汽车转向系统的工作过程和工作要求，设计一套汽车电控液压动力转向系统，此电动助力转向系统采用电动机带动油泵，根据车速信号、转向盘转速信号控制转向油泵的泵油量，达到变助力的转向。本设计所设计的汽车电控液压动力转向系统，可以为汽车设计研制一种助力转向系统提供一种途径，对生产实际具有一定的实用价值和应用前景。是比较成熟和应用广泛的转向系统。尽管电控液压动力装置从一定程度上缓解了传统的液压转向中轻便性和路感之间的矛盾，然而它还是没有从根本上解决液压动力转向系统存在的不足，随着汽车微电子技术的发展，汽车燃油节能的要求以及全球性倡导环保，其在布置，安装，密封性，操纵灵敏度，能量消耗，磨损与噪声等方面的不足已越来越明显，转向系统向着电动助力转向系统发展。汽车驾驶员通过转向系统来控制汽车的运动方向，转向系统设计的好坏直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶的舒适性。转向系统根据转向动力的来源可分为机械转向系统和动力转向系统。动力转向系统又分为液压动力转向系统、电控液压动力转向系统、电动助力转向系统、线控转向系统。械转向系统结构简单，性能可靠，但转向盘操纵费力。另外，为解决机械转向系统“轻”和“灵”的问题，转向器还常设计成可变速比。在转向盘小转角度范围内，速比小，解决转向灵活性的问题；在转向盘大转角范围内，速比大，解决转向轻便性的问题。般由储液罐、油泵、油管、转向控制阀、助力油缸及机械转向系统组件等组成，转向控制阀有滑阀式和转阀式两种结构。转向控制阀根据转向盘转动方向和力矩大小控制通向助力油缸的油压大小，从而控制助力大小。虽然液压转向系统可提供转向助力，但却存在很多缺点：油泵由发动机驱动，持续工作，能量消耗多；液压油泄漏、橡胶管污染环境；助力特性与控制阀结构有关，系统一旦定型，助力特性便不能改变；助力和车速无关，不能协调转向轻便性和路感的矛盾；系统元件较多，所占空间大；低温助力性能不好。保性、安全性的日益重视以及小排量轿车的发展，人们开始对液压动力转向系统存在的不足进行改进，并开发出一些新型电控液压动力转向系（其主要改进措施是将车速信号引入液压转向系统，得到车速感应型助力特性，并增加了控制器和执行机构。控制器根据车速信号改变电液转换装置的助力特性，助力较小，以满足路感和操纵稳定性的要求。电控液压动力转向系统虽然实现了车速感应型助但由于仍然采用液压系统，液压系统本身的缺点依然难以克服，同时在液压系统的基础上增加了传感器和控制器，使整个系统成本增加。一种新型的、很有发展前途的动力转向系统。电动助力转向系统完全取消了液压组件，整个系统由转向盘转矩传感器、车速传感器、控制器、助力电机及其减速机构等组成。其基本工作原理是：驾驶员转动转向盘时，转矩传感器检测转向盘上的转矩大小和方向，控制器根据转向盘转矩的大小进行助力控制。转向盘转矩越大，助力电机提供的助力转矩也越大，从而解决了转向轻便性的问题。同时，控制器根据车速的高低来控制路感。车速变高时，控制助力适当减少，从而保证了高速转向时驾驶员有合适的路感，提高了驾驶的安全性和稳定性。另外，为综合改善汽车转向系统的性能，有的电动助力转向系统还进行阻尼控制和回正控制。与液压动力转向系统和电控液压动力转向系统相比，电动助力转向系统具有很多优点：（1）可获得优化的助力特性，转向轻便，路感好，提高了操纵稳定性；（2）力特性通过软件设置和修改，可以快速与车型匹配；（3）在转向时电机才提供助力，可节能3%5；（4）结构紧凑，便于模块化安装；（5）对环境无污染；（6）低温工作性能好。更新一代的汽车电子转向系统，线控转向系统与上述各类转向系统的根本区别就是取消了转向盘和转向轮之间的机械连接（也称柔性转向系统）。线控转向系统的主要优点：（1）线控转向系统能消除转向干涉问题，为实现多功能全方位的自动控制，并为汽车动态控制系统和汽车平顺性控制系统的集成控制提供了先决条件；（2）由于转向盘和转向轮之间是柔性连接，使转向系统在汽车上的布置更加灵活，转向盘的位置可以方便地布置在需要的位置；（3）舒适性得到提高。在刚性转向系统中，路面不平和转向轮的不平衡引起的冲击负荷会传递到转向盘，而线控转向系统没有这样的问题；（4）转向的回正力矩和转向传动比能通过软件进行调整。因此，可以使转向系统对任何目标和环境进行调整，而不需要对系统进行重新设计；（5）消除了撞车事故中转向柱后移伤害驾驶员的可能性，不必设置转向防伤机构；所采用的液压泵不再靠发动机皮带直接驱动，而是采用一个电动泵，它所有的工作的状态都是由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态。简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动电子液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向盘省力；汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动电子液压泵以较低的速度运转，在不至于影响高速打转向的需要的同时，节省一部分发动机功率。动力转向系统兼用驾驶员体力和发动机（或电动机）的动力为转向能源的转向系统，它是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的。其中属于转向加力装置的部件是：转向油泵5、转向油管4、转向油罐6以及位于整体式转向器10内部的转向控制阀及转向动力缸等。当驾驶员转动转向盘1时，转向摇臂9摆动，通过转向直拉杆8、转向节臂7，使转向轮偏转，从而改变汽车的行使方向。向器输入轴还带动转向器内部的转向控制阀转动，使转向动力缸产生液压作用力，帮助驾驶员转向操纵。子技术在汽车上的应用范围不断扩大。汽车转向系统已从简单的纯机械式转向系统、液压动力转向系统（称电动液压助力转向系统（称展到如今的更为节能及操纵性能更为优越的电动助力转向系统（称善了汽车转向力的控制特性，降低了驾驶员的转向负担，然而汽车转向系统始终处于机械传动阶段，由于转向传动比固定，汽车转向特性随车速变化进行一定的操作补偿，从而控制汽车按其意愿行驶。如果转向盘与转向轮通过控制信号连接，即采用电子转向系统，转向盘转角和汽车前轮转角之间关系（汽车转向的角传递特性）的设计就可以得到改善，从而降低驾驶员的操纵负担，改善人车闭环系统性能。压动力转向系统给汽车的发展带来了巨大的变化，使驾驶员的转向操纵力大大降低，转向的灵敏性得到了提高。随着生产技术的发展，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20世纪80年代后期，又开发了变减速比、电控液压动力转向系统。但是动力转向系统的技术革新都是基于液压动力转向系统的，无法消除装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面的缺陷。直到1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，才真正摆脱了液压动力转向系统的束缚。此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的国的国的研制出了各自的大发汽车公司在其菱汽车公司在其田汽车公司在亚特。本田还在其。且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期开发的速时一代的且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。如日本铃木公司装备在上的。由且设置了两个开关，其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。当车速大于70km/两种开关设置的程序则是一样的，以保证汽车在高速时有合适的路感，这样即使汽车行驶到高速公路时驾驶员忘记切换开关也不会发生危险。市区型开关还与油门有关，使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更平滑。随着电子技术的发展，且其成本大幅度降低，为此其应用范围将越来越大。早在20世纪60年代末，德国电子转向系统），但由于当时电子和控制技术的制约，电子转向系统一直无法在实车上实现。奔驰公司于1990年开始了前轮电子转向系统的深入研发，并将其开发的电子转向系统应用于概念车界其他各大汽车厂家、研发机构（包括马、及日本的光洋（工技术研究所、日本国立大学、本田汽车公司等也先后对汽车电子转向系统做了深入研究。目前许多汽车公司开发了自己的电子转向系统，一些国际著名汽车生产商已在其概念车上安装了该系统。目前由于汽车供电系统的因素，转向电动机难以提供较大功率，现阶段电子转向系统的研究以及近期的应用对象主要针对轿车。要在重型载货汽车上应用，还必须采用液压执行机构。随着蓄电池技术的发展和42电子转向系统将应用到中型和重型车上。目前，42用的“自主魔力”和采用了42内动力转向器目前还处于机械液压动力转向阶段，对于电动助力转向系统，清华大学、北京理工大学、华南理工大学等高校开展了系统结构方案设计和系统建模及动力分析等研究，但目前还没有实用的电动助力转向系统和电子转向系统。降低自重、减少生产成本，控制系统发热、电流消耗、内部摩擦，整车进行匹配获得合理的助力特性以及保证良好的路感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，如今已在轻型车和轿车上得到应用并具有良好的工作性能。随着直流电机性能的改进，其应用范围将越来越广。据2010年，全世界生产的每3辆轿车中就有1辆装备别是低排放汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车、电动汽车将构成未来汽车发展的主体，这给电子控制转向系统带来了更加广阔的应用前景。尽管目前在欧洲汽车法规中要求驾驶员与转向车轮之间必须有机械连接，电子转向系统还不允许在欧洲上市。但只要生产商能够有足够的证据表明电子转向系统的安全可靠性，它得到上市许可还是完全可能的。电子控制转向系统的最终发展趋势在以下几个方面。1、改善控制系统性能、减小控制单元和驱动单元的体积及降低控制系统的制造成本，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，消除由于电动机惯性大、摩擦力所带来的转向路感不足等缺点，使电动助力转向系统也能应用于重型载货汽车上。2、实现电动助力转向系统控制单元与汽车上其他控制单元的通讯联系，以实现整车电子控制系统一体化。3、将根据车速、转矩、转向角、转向速度、横向加速度、前轴重力等多种信号进行与汽车特性相吻合的综合控制，以获得更好的转向路感。4、提高系统的可靠性。这应从提高系统各部件的可靠性入手，如采用非接触式转矩传感器。5、提高系统的安全性。采用取消转向盘的驶室有更大的空间用于布置被动安全部件，减少了危险发生时对乘员的伤害。电动转向技术由于其技术先进，性能优越，未来必将取代其他动力转向技术，成为动力转向技术的主流。线控动力转向系统将是动力转向系统的发展方向，是未来汽车对安全性、操纵稳定性和舒适性的更高要求，有着很好的发展前景。当然，在汽车迈向全面线控转向之前，电动转向系统是“中站”，是第一步，当汽车装有电动转向系统时，其中的转向电动机将接受一系列传感器信号，例如转向控制、动态稳定控制等，最后机械的部分一个一个消失，逐渐变成了全面线控转向。先确定液压动力转向系统的组成与系统设计方案，然后进行液压动力系统的设计计算与液压元件的计算选型再进行齿轮齿条转向器的设计计算。并对车速传感器，转向盘转角传感器、电动机等部件计算选型。同时用总布置草图表达主要部件的装配和重要工作装置的布置；最后通过正确的计算，完成部件设计选型，达到工艺合理、加工容易、成本低、可靠性高的设计要求，并附之以总装配图、零件图，清楚表达设计。机械转向系统是依靠驾驶员操纵转向盘的转向力来实现车轮转向；动力转向系统则是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机产生的液体压力或电动机驱动力来实现车轮转向。所以动力转向系统也称为转向动力放大装置。动力转向系统由于使转向操纵灵活、轻便，在设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大，能吸收路面对前轮产生的冲击等优点，因此已在各国的汽车制造中普遍采用。械式转向系统动力转向系统电子伺服转向 循环球式齿轮齿条式液压动力转向电控动力转向 电控液压动力转向（动助力转向(压动力转向系统示意图当汽车直线行驶时，转向控制阀将转向液压泵泵出来的工作液与油罐接通，转向液压泵处于卸荷状态，动力转向器不起助力作用。汽车向右转向时，驾驶员向右转动转向盘，转向控制阀将转向液压泵泵出来的工作液与油压的作用下，活塞向下移动，通过转向传动机构4使左、右轮向右偏转，从而实现右转向，向左转向时，情况与上述相反。液压动力转向系统按系统内部的压力状态分，有常压式和常流式两种。汽车直线行使，转向盘保持中立位置时，转向控制阀经常处于关闭位置。转向油泵输出的压力油充入储能器。当储能器压力增长到规定值后，油泵即自动卸荷空转，从而储能器压力压力得以限制在该规定值以下。当转动转向盘时，机械转向器即通过转向摇臂等杆件使转向控制阀转入开启位置。此时储能器中的压力油即流入转向动力缸。动力缸输出的液压作用力，作用在转向传动机构上，以助机械转向器输出力之不足。转向盘一停止运动，转向控制阀便随之回复到关闭位置。于是，转向加力作用终止。由此可见，无论转向盘处于中立位置还是转向位置，也无论转向盘保持静止还是运动状态，该系统工作管路中总是保持高压。转向时，转向控制阀保持开启。转向动力缸的活塞两边的工作腔，由于都与低压回油管路相通而不起作用。转向油泵输出的油液流入转向控制阀，又由此流回转向油罐。因转向控制阀的节流阻力很小，故油泵输出压力也很低，油泵实际上处于空转状态。当驾驶员转动转向盘，通过机械转向器使转向控制阀处于与某一转弯方向相应的工作位置时，转向动力缸的相应工作腔方与回路管路隔绝，转而与油泵输出管路相通，而动力缸的另一腔则仍然通回油管路。地面转向阻力竟转向传动机构传动转向动力缸的推杆和活塞上，形成比转向控制阀节流阻力高得多的油泵输出管路阻力。于是转向油泵输出压力急剧升高，直到足以推动转向动力缸活塞为止。转向盘停止转动后，转向控制阀随即回复到中立位置，使动力缸停止工作。流式液压动力转向系统示意图上述两种液压动力转向系统相比较，常压式的优点在于有储能器积蓄液压能，可以使用流量较小的转向油泵，而且还可以在油泵不运转的情况下保持一定的转向加力能力，使汽车有可能续驶一定距离。这一点对重型汽车而言尤为重要。常流式的优点则是结构简单，油泵寿命长，泄漏较少，消耗功率也较少。因此，目前只有少数重型汽车采用常压式液压动力转向系统，而常流式液压动力转向系统则广泛应用于各种汽车。汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。电子控制动力转向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。电子控制动力转向系统（简称根据动力源不同又可分为液压式电子控制动力转向系统（液压式电动式电子控制动力转向系统（电动式速传感器和电子控制单元等，电子控制单元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，从而满足高、低速时的转向助力要求。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。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，简称电动式动式子控制单元根据转向参数和车速等信号，控制电动机扭矩的大小和方向。电动机的扭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，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。高车辆高速行驶时的稳定性，同时又提高了燃油经济性，与液压动力转向系统相比，电控动力转向系统可节油3传统的液压动力转向系统由于由发动机带动转向油泵，不管在不转向或转向时都要消耗发动机部分动力，浪费能源，所以本设计采用电动油泵式电控液压动力转向系统，即在转向时由电动机泵驱动油泵，在汽车不转向时不消耗动力，因此能节约能源。其次，一般液压动力转向所使用的转向油泵的流量是根据发动机怠速时能使动力转向系统产生足够的转向速度所需的供应量来确定，当提高发动机转速时其供油量也不断增加，） 转速（r/此，在高速时转向油泵内大部分泵流量通过溢流阀返回，在转向油泵内循环，造成转向油泵发热，更重要是造成能源浪费，不符合汽车节能要求。因此本设计采用电控液压动力转向系统。电控液压动力转向系统由车速传感器、转角传感器、控制单元、油泵、直流电动机、电磁阀、动力缸、齿轮和齿条等组成。其中直流电动机、油泵和储油罐制成一体称为电动油泵总成。本次设计采用直流电机驱动油泵，电子控制单元根据车速信号和转向盘转角信号，控制电磁阀的开闭状态和电动机的转速，决定是否助力和助力的大小。车速低、转向角度大时油泵泵油量大，油压高，转向省力；车速高、转向角速度小时，油泵泵油量小，油压低，转向安全性高，不发飘。速传感器方向盘转角传感器蓄电池电动机 齿条控制单元储油罐数据线电源线 低压回油管高压进油管液压泵 车辆在一定的车速范围内（车速较低）行驶或者停止时，转向助力较大，转动转向盘比较轻松；车辆高速行驶时，转向助力较小，转动转向盘比较费力，安全性能提高，同时还可以减少燃料消耗。并且用电动机驱动液压泵，减少助力系统工作时对发动机转速直接的机械干涉。细介绍了电控动力转向系统的分类，其包括液压式电子控制动力转向系统和电动式动力转向系统，详细说明本次设计的液压式电子控制动力转向系统。并确定了动力转向系统的设计方案，阐述了其组成部分，并以框图的形式描述了电控液压动力转向系统的工作原理。即电子控制单元根据车速信号和转向盘转角信号，控制电磁阀阀针的开闭，从而控制是否实行助力转向；控制单元根据不同信号，计算出液压泵电动机对应的转速，对液压泵电动机转速进行控制，进而控制泵的流量，