（机械电子工程专业论文）流量控制式汽车液压助力转向系统的设计与开发.pdf

摘要 摘要 汽车助力转向系统是汽车的关键部件，汽车的安全性和舒适性均由其直接体现，其 性能的优良直接影响人们对汽车好坏的评价，人们对汽车的操控性、舒适性和安全性的 要求越来越高。 论文首先介绍了汽车助力转向系统国内外的研究现状与发展趋势，并详细分析了传 统的液压助力转向系统的工作原理，静态特性，建立了动态的数学模型。在此基础上应 用了流量控制式液压助力转向系统的方案，即在传统的液压动力转向系统的基础上增设 了控制液体流量的电液比例阀、车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，控制电液比例阀，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。 为了实现此方案，本文建立了流量控制式液压助力转向系统的数学模型，设计了以 5 1 单片机为核心的电子控制单元，采集车速信号，计算输出电压信号，由此控制电液比 例阀，实现控制要求。 论文的最后部分设计了试验平台，检验电子控制单元的控制效果，并优化p i d 参数。 试验结果表明，电子单元可以正常工作，能够满足本液压系统控制性能的需要。 关键词：汽车；液压助力转向系统；流量控制；电液比例阀；电子控制单元； 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep o w e rs t e e r i n gs y s t e mi st h ek e yp a r t so fm o t o rv e h i c l e ，i ti si m p o r t a n t t os a f e t ya n dc o m f o r to fv e h i c l e ，a n di td i r e c t l yi m p a c to np e o p l e se v a l u a t i o n o ft h eq u a li t yo fc a r s ，p e o p l ei sd e m a n d i n gt h em o t o rc o n t r o l ，c o m f o r ta n ds a f e t y o fc a r sb e t t e ra n db e t t e r a tf i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ea u t o w e rs t e e r i n gs y s t e mo fp r e s e n t r e s e a r c ha n dt h et r e n do fd e v e l o p m e n ti nd o m e s t i ca n df o r e i g n a n da n a l y s i s e d t r a d i t i o nh y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m sp r i n c i p l e o fw o r k ，s t a t i c c h a r a c t e r i s t i c ，e s t a b l i s h e dd y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e l b a s e do nt r a d i t i o n h y d r a u li cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，t h ef l o wc o n t r o lo fh y d r a u li cp o w e rs t e e r i n g s y s t e mw a sp r o p o s e d ，n a m e l ya d d i t i o n a l l yb u i l tp r o p o r t i o nv a l v e ，v e h i c l es p e e d s e n s o ra n dt h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i ti nt h ef o u n d a t i o no ft r a d i t i o n a lh y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m t h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i te x a m i n e ds p e e ds i g n a l ，a n d c o n t r o l e dp r o p o r t i o nv a l v e ，c a u s e dt oc h a n g et h ep o w e re n l a r g e m e n tr a t i ot o r e a l i z ec o n t i n u o u s l ya d j u s t m e n t i no r d e rt or e a l i z et h i sp l a n ，t h i sp a p e rh a de s t a b l i s h e dt h ef l o wc o n t r o l o fh y d r a u li cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m sm a t h e m a t i c a lm o d e l ，h a sd e s i g n e d5 1 i n t e g r a t e dc i r c u i t sa st h ec o r ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，g a t h e r i n gv e h i c l es p e e d ， c o m p u t a t e do u t p u tv o l t a g e ，a n dc o n t r o l e dt h ep r o p o r t i o nv a l v e ，r e a l i z e dt h e c o n t r o lr e q u e s t f i n a l l yt h ep a p e rd e s i g n e de x p e r i m e n t ，e x a m i n e de l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t c o n t r o le f f e c t ，a n do p ti m iz e dt h ep i dp a r a m e t e r s t h et e s tr e s u lti n d i c a t e dt h a t t h ee l e c t r o n i cu n i tw o r kn o r m a l l y ，a n dw a sa b l et os a t i s f yt h eq u e s to fh y d r a u l i c s y s t e mc o n t r o lp e r f o r m a n c e k e y w o r d ：a u t o m o b il e ：h y d r a u li cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ；f l o wc o n t r o l ： p r o p o r t i o nv a l v e ：e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ： u 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师的 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用 过的成果。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果 归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导老师签名： 论文作者签名蓉屋蒡 年月日硼口正o ? 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景、目的和意义 1 1 1 课题来源 随着我国汽车工业的飞速发展以及高速公路、高等级公路的大规模建设，车辆密集 化和车辆高速化对车辆的安全性能提出了更高要求。为了适应这一发展形势的需要，促 进汽车技术的进步，我国的汽车制动标准逐渐与国际法规、标准接轨。本研究课题来自 2 0 0 6 年粤港澳关键领域重点突破项目精密制造技术产品中的子项目：新型汽车及零部 件，( 项目编号：2 0 0 6 4 7 8 2 3 研究时间：2 0 0 4 年1 月- 2 0 0 8 年1 2 月) ，流量控制式汽车 液压助力转向系统是该项目的子项( 研究时间：2 0 0 6 年1 1 月一2 0 0 8 年6 月) 。 1 1 2 研究目的和意义 汽车业是推动科学技发展的龙头产业，也是推动国民经济发展的支柱产业。自我国 “十五”计划中提出“鼓励轿车进入家庭 的政策以来，我国汽车保有量持续以超过1 0 的年增长率激增。预计，今年汽车销量将超过6 0 0 万辆。 汽车助力转向系统是汽车的关键部件，汽车的安全性和舒适性均由其直接体现，其 性能的优良直接影响人们对汽车好坏的评价，随着人们对汽车的环保节能性、操控性、 舒适性和安全性的要求越来越高。 电子控制动力转向系统( 简称e p s e l e c t r o n i cc o n t r o lp o w e rs t e e r i n g ) ，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e p s ) 和电动式电子控制动力转向 系统( 电动式e p s ) 。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 础上增设了控制液体流量的电液比例阀、车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，控制电液比例阀，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。它具有如下优点： 1 ) 设计新颖，结构紧凑。安装占据体积小，质量轻，通过设置不同程序与不同车型 匹配，大大缩短生产和开发周期。 2 ) 稳定性好。通过软件控制，本系统增大汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车 高速行驶时的转向稳定性，提高汽车主动安全性，能通过电子控制器设置不同的 广东工业大学工学硕士学位论文 转向回力特性来满足不同使用对象的需求。 3 ) 高抗干扰性能。对汽车行驶时的测向力和侧风带来的影响有很好的校正作用， 4 ) 提高了转向操纵力。克服了液压助力系统的传动比不可调的缺点。同时，由于利 用了惯性减震器来减少车轮的反转和转向前轮摆振，因而提高了转向盘的跟随性 能。 5 ) 转向回正性好。可以充分发挥软件编程的优势，根据不同的车速和不同的车况， 控制电电液比例阀提供不同的流量特性和与车辆动态性能相匹配的转向回正性。 目前，国内仅有为数不多的院校和企业正在开展汽车液压式电动助力转向系统的研 究，研究工作并不深入，未开发出成熟的产品而严重受制于国外企业的垄断，因此，研 究和开发满足各种车型需求的新型汽车液压式电子控制动力转向系统，填补国内该类产 品的空白，形成产品规模化、系列化，建立面向高新技术领域的汽车电动助力转向系统 产业基地，已是亟待发展的急迫任务。开展本项目的研发和产业化，将达到以下目的： 1 ) 研究开发面向重型车型的新型汽车液压式电子控制动力转向系统，其应用前景 广泛，技术性能优越；该系统设计新颖，结构紧凑，工作安全可靠，稳定性好，转向 跟随特性和回正特性都将具备优良的动态品质。 2 ) 本系统将研发电子控制器，通过软件进行非线性、数字滤波，p i d 算法等。 此种设计极大的提高了新型汽车液压式电动助力转向系统的操作轻便性和驾驶稳定 性，保证安全可靠。 3 ) 创建具有较大规模广东省及国内汽车动力转向技术开发中心和生产基地，具 有活跃的技术创新力和自主知识产权。 开展新型汽车液压式电子控制动力转向系统的研制和产业化，将有以下重要意义： 1 ) 提供高性能的具有自主知识产权的汽车液压式电动助力转向系统装备，跟踪和赶 超国际先进科技水平，在提高综合国力和科技水平方面做出贡献。 2 ) 项目完成后，将为我国高精度、高性能的汽车助力转向系统产业化打下良好的基 础，初步建立起产业化中心，以产生强大的市场竞争力。 3 ) 该项目的研制与开发对满足驾驶安全以及社会需求，将产生巨大的经济效益和社 会效益。 2 第一章绪论 1 2 汽车助力转向器的国内外研究现状分析 1 2 1 汽车助力转向器的发展回顾 自汽车诞生以来，汽车转向系统经历了机械式转向系统，液压助力转向系统，到目 前转向系统发展的新趋势一电动助力转向系统。 转向器机构涉及整车的操纵性、稳定性和安全性，它的质量也反映了车辆的质量， 是直接关系到车辆性能的关键部件。 早期的汽车转向是用舵柄或横杆( 即一种两端带有手柄的水平杆) 进行操纵，转向比 是1 ：1 ，因而汽车转向时的操作是很吃力的。后来，带有齿轮减速比的转向机构很快被 推广使用，但是，这种机构的方向盘不象舵柄或横杆要置放在汽车中线的位置，而是要 置放在汽车的左边或右边，这样触发了方向盘位置的争论。这场争论旷日持久，导致了 今天的汽车分成了两大类方向盘装置法： 图1 1 汽车助力转向器示意图 f i g 1 - 1t h ep o w e rs t e e r i n gs y s t e m 7 sd r a w i n g 一类以美国、中国、俄罗斯等世界上大多数国家和地区采用的左置方向盘，实行右 上左下的汽车行驶规则；另一类以英国及英联邦、日本等少数国家和地区采用的右置方 向盘，实行右下左上的汽车行驶规则。几十年来，各种汽车都使用蜗杆扇形齿轮转向器， 现在的循环球式转向器也是这种转向器的一种变型，轿车也经常使用。在这种转向器中， 蜗杆与扇形齿轮之间嵌入了钢珠，大大降低了摩擦力，使汽车的转向操纵变得比较轻松。 从7 0 年代起轿车兴起了齿轮齿条转向机构，它由方向盘、方向轴、方向节、转动 轴、转向器、转向传动杆和转向轮( 前轮) 等组成。方向盘操纵转向器内的齿轮转动，齿 轮与齿条紧密啮合，推动齿条左移动或右移动，带动转向轮摆动，从而改变轿车行驶的 方向。这种转向机构与蜗杆扇形齿轮等其它类型的转向机构比较，省略了转向摇臂和转 向主拉杆，具有构件简单，传动效率高的优点。而且它的逆传动效率也高，在车辆行驶 广东工业大学工学硕士学位论文 时可以保证偏转车轮的自动回正，驾驶者的路感性强。 其实，齿轮齿条转向机构早在一世纪前的汽车萌芽发展阶段已经有了，只是那时 还不完善，机件加工粗糙。1 9 0 5 年通用汽车卡迪拉克部的工程师将齿轮齿条转向器的设 计理论化，并加工成精度很高，操纵灵活的齿轮齿条转向器，正式应用在轿车上。 后来，汽车转向器的型式被蜗杆一扇形齿轮型式所垄断，但许多人仍然继续完善齿 轮一齿条转向机构。由于近代材料科学的发展，大大提高了齿轮一齿条转向机构的安全 可靠系数，人们再次重视这种转向机构的简单实用性，由于它具有构件少质量轻，成本 低的优点，受到汽车制造商的青睐，现在大多数的轿车转向器都采用齿轮一齿条型。 现代轿车马力大、速度快，为了操纵的轻便和灵敏，中高档次的轿车转向器都加装 了转向动力装置，又称为液压动力转向器。它具有工作无噪声，灵触度高体积小，能够 吸收来自不平路面的冲击力，在现代轿车上得到十分广泛的应用。 液压动力转向器的主要部件包括油泵、液压分配阀和助力器。液压分配阀与油泵组 合一体，助力器与转向器装在一起，中间用油路连接。发动机通过皮带带动油泵，把油 压输出到助力器。助力器壳体内是一个活塞，活塞连接着转向器的齿轮，活塞两端是腔 室。 当轿车直线行驶时，活塞两端压力相等，静止不动，油泵空转；当轿车转弯时，液 压分配阀将油液通过变化了的通道进入了助力器的一侧，使活塞两端产生压力差，迫使 活塞移动到另一侧，带动齿轮转动，“助一臂之力 。这样转动方向盘的操纵力不是直接 迫使车轮转向的唯一作用力了，可由助力器辅动车轮转向，减轻了驾驶者的劳动强度， 减少了方向盘的转数，特别是减少了停车转向时的操纵力。经过几十年技术革新，出现 了电液转向助力系统。 基于以上转向系统的缺点和未来汽车的发展趋势，迫切需要一种新型汽车助力转向 系统。这就是电动助力转向系统。电动助力转向系统一经提出，就受到许多大公司的重 视，并进行开发和研究。于是伴随着现代控制理论和电子电路技术的发展，电动助力转 向系统以其突出的优势( 节能环保、结构简单、稳定性高、安全性好等) 展现在世人的 眼前。 电动助力转向系统最先由日本应用于微型轿车上，1 9 8 8 年日本铃木公司在其生产的 轿车上安装了电动助力转向系统。之后，本田、德国奔驰和西门子公司开始投巨资开发 汽车电动助力转向系统，此外，国际各大的汽车零部件公司，都将此项研究作为研究开 发的重点，在国外，一些大型汽车零部件厂，如：d e l p h i 、n s k 、k o y o 、t r w 等，已经进 4 第一章绪论 入大批量生产电动助力转向系统的阶段，而且产量以1 0 的速度在递增，预计2 0 0 7 年产 量将达到1 1 4 0 万套，作为在电动助力转向技术中走在前列的德国d e l p h i 公司，新推出 的电子伺服前轮转向控制系统，取消了驾驶员和汽车前轮的机械连接，取消了传统的转 向柱，转向轴和齿轮齿条等。但它仍使用转向盘( 必要时可以改用手柄) ，通过电动机 向驾驶员提供路面反馈，该系统将信号由速度传感器和转矩传感器传给控制器。控制器 经运算处理后，通过电动机及某减速机构将合适的转矩施加在车轮上，得到与转向工况 相适应的转向助力。由此也可见国外电动助力转向技术已经遥遥领先与国内。 现在，电动助力转向系统已应用于微型轿车，部分中档车和高级轿车上，但在中型 车辆和重型车辆上的应用还处于研究中，这是由于现在直流电动机的功率与体积的矛 盾关系，功率越大，体积也越大，现在需要大功率，体积小的直流电机，还需要进一步 的研究开发6 3 7 3 嘲。 1 2 2 国内外汽车助力转向器的研究现状和发展趋势 1 国内外发展现状与趋势 液压式电控助力转向( h e p s ) 是介于传统液压助力转向( h p s ) 和电动助力转向( e p s ) 之间的一个过渡产品，结合了两者之间的优点，提供很大的可变助力。随着e p s 技术的 成熟，成本的降低，h e p s 终将被e p s 所取代。但在目前阶段，由于h e p s 技术成熟，成 本也较e p s 低，并较h p s 具备非常优越的转向感，特别是在中型车辆和重型车辆上的应 用上，在将来很长一段时期具备较大市场潜力。 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。 ( 1 ) 流量控制式e p s 5 广东工业大学工学硕士学位论文 图1 - 2 流量控制式液压助力转向系统图 f i g l 一2t h ef l o wc o n t r o lo fh y d r a u li cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m sd r a w i n g 圆圆 图1 - 3 流量控制式液压助力转向系统工作原理图 f i g l 一3f l o wc o n t r o lo fp o w e rs t e e r i n gs y s t e m sw o r kd i a g r a m 6 第一章绪论 图1 2 为凌志牌轿车采用的流量控制式液压助力转向系统图，图卜3 流量控制式 液压助力转向系统工作原理图。由图可见，该系统主要由车速传感器、电液比例阀、整 体式动力转向控制阀、动力转向油泵和电子控制单元等组成。电液比例阀安装在通向转 向动力缸活塞两侧油室的油道之间，当电液比例阀的阀芯完全开启时，两油道就被电液 比例阀旁路( 相当于电路中地短路) 。流量控制式液压助力转向系统就是根据车速传感 器的信号，控制电液比例阀阀芯的开启程度，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，流过电液比例阀电磁线圈的平均电 流值越大，电液比例阀阀芯的开启程度越大，旁路液压油流量越大，流入动力缸的流量 越小，使转向盘的灵敏度下降，这就是流量控制式液压助力转向系统的工作原理。 ( 2 ) 反力控制式e p s 图1 4 反力控制式动力转向系统图 f i g l 一4r e a c t i o nc o n t r o lt y p ep o w e rs t e e r i n gd i a g r a m 图i - 4 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、电液比例阀、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。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 7 广东工业大学工学硕士学位论文 的上端部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、断关系和工作油液的流动方向，从而实 现转向助力作用。 分流阀是把来自转向油泵的机油向控制阀一侧和电液比例阀一侧进行分流的阀。 按照车速和转向要求，改变控制阀一侧与电液比例阀一侧的油压，确保电液比例阀一侧 具有稳定的机油流量。 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。 电液比例阀的作用是根据需要将油压反力室一侧的机油流回储油箱电子控制单元 ( e c u ) 根据车速的高低线性控制电液比例阀的开口面积。当车辆停驶或速度较低时， e c u 使电磁线圈的通电电流增大，电液比例阀开口面积增大，经分流阀分流的机油，通 过电液比例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，使阀体与阀杆发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，e c u 使电磁线圈的通电电流减小，电液比例阀开口面 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。 ( 3 ) 阀灵敏度控制式e p s 阀灵敏度控制式e p s 是根据车速控制电液比例阀，直接改变动力转向控制阀的油压 增益( 阀灵敏度) 来控制油压的方法。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，可以获得自然的转向手感和良好的转向特性。 8 第一章绪论 8 口型地早线牌轿车电子控制动力转向系统 l 发动机，2 _ 翦轮3 - - 转向恼摹4 一转向动力缸5 - - 簧油箱l6 电磁一l7 一电子控翻单元8 一事遗传 感嚣l9 一事灯开关il o 一窑挡开关il l 一空萎开关l1 2 一鲁电池i1 3 一外体ll 一内体 图卜5 阀灵敏度控制式动力转向系统图 f i g l 5v a l v es e n s i t i v i t yc o n t r o lt y p ep o w e rs t e e r i n gd i a g r a m 图卜5 所示为8 9 型地平线牌轿车所采用的阀灵敏度控制式动力转向系统。该系统 在转向控制阀的转子阀作了局部改进，并增加了电液比例阀、车速传感器和电子控制单 元等。 转子阀的可变小孔分为低速专用小孔( 1 r 、i l 、2 r 、2 l ) 和高速专用小孔( 3 r 、 3 l ) 两种，在高速专用可变孔的下边设有旁通电液比例阀回路。图1 6 所示为该系统 的阀部等效液压回路，其工作过程如下： 图l 一6 阀部等效液压回路 f i g l 。6e q u i v a l e n th y d r a u l i cc i r c u i to fv a l v ed e p a r t m e n t 9 广东工业大学工学硕士学位论文 当车辆停止时，电液比例阀完全关闭，如果此时向右转动转向盘，则高灵敏度低速 专用小孔1 r 及2 r 在较小的转向扭矩作用下即可关闭，转向油泵的高压油液经l l 流向 转向动力缸右腔室，其左腔室的油液经3 l 、2 l 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l l 、2 l 的开口面积越大，节流 作用越小，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，电液比例阀的开度也线性增 加，如果向右转动转向盘，则转向油泵的高压油液经l l 、3 r 旁通电液比例阀流回储油 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液比例阀和灵敏度低的高 速专用可变孔3 r 的开度。车速越高，在电子控制单元的控制下，电液比例阀的开度越 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3 r 的开度越大，转向助力作用也越小，当转向力增大时，3 r 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。 在本课题中本人选用流量控制式汽车液压助力转向系统，本方案可使原有液压助力 系统升级改造非常方便，不改变原有系统的布局，只是在主油路入口并联一个电液比例 阀，安装方便，我们的试验设备也能满足。 广东佛山市恒威汽车动力转向有限公司进行研究和开发汽车液压助力转向系统已 有较长历史，为本课题的研究提供了很好的技术支持。 2 国内现有技术基础 国内先后有清华大学，吉林大学，合肥大学等大学和企业进行过研究研制电动助力 转向系统。但目前还是处于初步或启动阶段，未能形成产业化规模，其性能无法与国外 同类产品竞争。 佛山市恒威汽车动力转向器有限公司是一家具有雄厚的经济实力和科研实力的企 业。通过与高校结合建立研发中心，进一步加强其科研实力。该公司有着很强的生产能 力和比较先进的管理制度。并拥有先进的力n - r - _ 设备，其生产的液压动力转向系统已与多 家汽车公司配套。经调研，佛山市恒威汽车动力转向器有限公司在液压动力转向器的研 发和产业化上处于前列地位，对本项目液压式电动助力转向系统研发的成功提供了可靠 的技术保障。 1 0 第一章绪论 1 3 论文的主要工作和结构 1 3 1 主要工作 本论文主要完成以下几项工作： 1 对研究内容进行调研，搜集国内外相关资料，为研究工作提供参考。 2 详细分析了传统的液压助力转向系统的工作原理，静态特性，建立了动态的数学 模型。在此基础上提出了流量控制式液压助力转向系统的方案。 3 建立了流量控制式液压助力转向系统的数学模型，设计了以5 1 单片机为核心的 电子控制单元，采集车速信号，计算输出电压信号，由此控制电液比例阀，实现 控制要求。 4 设计了试验平台，检验电子控制单元的控制效果，并优化p i d 参数。试验结果表 明，电子单元可以正常工作，能够满足本液压系统控制性能的需要。 1 3 2 论文结构 本论文主要分为五个章。第一章绪论叙述论文的研究背景、目的和意义以及国内外 的研究现状；第二、三章详细分析了传统的液压助力转向系统的工作原理，静态特性， 建立了动态的数学模型；第四章设计了以5 1 单片机为核心的电子控制单元，采集车速 和控制电压两路信号，计算输出电压信号，由此控制电液比例阀；第五章设计了试验平 台，检验电子控制单元的控制效果，并优化p i d 参数：最后为论文的总结与展望。 第二章汽车液压助力转向系统工作原理与转阀静态数学建模 第二章汽车液压助力转向系统工作原理与转阀静态数学建模 本人的研究课题是流量控制式汽车液压助力转向系统，采用的是流量控制式液压助 力转向系统。该系统主要由车速传感器、电液比例阀、整体式动力转向控制阀、动力转 向油泵和电子控制单元等组成。电液比例阀安装在通向转向动力缸活塞两侧油室的油道 之间，当电液比例阀的阀芯完全开启时，两油道就被电液比例阀旁路。流量控制式液压 助力转向系统就是根据车速和扭矩传感器的信号，控制电液比例阀阀芯的开启程度，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，流过电液比例阀电磁线圈的平均电流值越大，电液比例阀阀芯的开启程度越大，旁 路液压油流量越大，流入动力缸的流量越小，使转向盘的灵敏度下降，这就是流量控制 式液压助力转向系统的工作原理。由工作原理知，汽车本身的液压助力转向系统性能的 直接影响到液压e p s 助力转向系统的性能，所以首先要对汽车液压助力系统进行充分的 分析研究。 2 1 回转式转向控制阀工作原理 2 1 1 回转式转向控制阀的结构介绍 回转式转向控制阀安装在转向器的上端，如下图2 1 所示，控制阀的主要机件与 齿轮输出轴1 0 同轴，输入轴2 的上端通过花键与转向中间轴的下“十字轴万向节轴 相连。控制阀的进油口1 8 通过管路与转向油泵的出油口相连，出油口1 9 通过管路与储 油罐相通。转向控制阀主要由阀体，转阀，输入轴组件，输出轴组件，调整螺塞组件， 轴承，密封件组成u 。 在图1 0 1 中，控制阀阀体7 滑装在壳体2 1 上部的孔中，在其外圆柱面上有3 道 较宽深的环槽和4 道较浅窄的环槽。宽深的环槽是环形油槽，其底部均开有均匀的4 个 油孔，中间环形油槽与进油口1 8 连通，其底部的4 个油孔较大，是进油通道。两侧v 一环形油槽的底部也有均布的4 个直径较小的油孔，是出油通道，左侧v 一环形油槽通 过壳体内设的油道1 6 与动力缸左腔室相通，右侧v 一环形油槽通过壳体内设的油道1 6 与动力缸右腔室相通，浅窄的环槽是用于安装密封圈组件的，4 个密封圈组件1 4 分别装 在4 个环槽中，从而将3 个宽深的环形油槽分隔开来。阀体的内表面制有8 条与两端不 惯通的纵向切槽，如图2 2 ，从而形成分别相间分布的8 道纵槽和8 道槽肩，它们与转 1 3 广东工业大学工学硕士学位论文 阀外表面相应纵槽和槽肩配合形成油液流通的间隙通道。在阀体的下部7 装有锁销8 ， 它与斜齿轮输出轴1 0 相卡，7 和1 0 不能相互转动。 1 扭杆2 输入轴( 转阀)3 锁定销4 密封圈5 密封圈组件6 密封圈 7 阀体8 锁销9 滚针轴承1 0 斜齿轮输出轴1 1 密封圈组件1 2 铜套 1 3 深沟球轴承1 4 密封圈1 5 深沟球轴承1 6 通左液压缸1 7 通右液压缸 1 8 进油口1 9 出油口2 0 锁紧螺母2 1 壳体 图2 - - 1 转向器结构图 f 1 9 2 1d i v e r t e rs t r u c t u r ed r a w i n g 转阀( 与输出轴一体) 2 的外圆柱面与阀体7 的内孔滑动配合，间隙很小，配合精 度很高，与阀体形成组件，不可单独更换，它的外圆柱面上开有与阀体内孔表面上对应 的8 条不贯通的纵槽，并形成8 道槽肩( 如图2 1 ) 。转阀与阀体配合后纵槽肩相对可 形成油液流通的间隙通道。在转阀2 的4 个纵槽上开有4 个通孔与回油口1 9 连通。转 阀上端开有环槽，其中装有o 形密封圈6 。转阀2 上端与扭杆1 之间装有定位销3 ，保 证扭杆3 与输出轴2 ( 转阀) 同步转动。转阀2 与扭杆之间有很大的间隙，用以流通回 油的轴油。 输入轴2 ，扭杆1 和锁定销3 组成输入轴组件，输入轴2 为空心管形轴件，其上端 外表面制有三角细花键，与转向中间轴下端的“十 字轴万向节相连。扭杆1 具有较好 的扭转弹性，扭杆穿过输出轴2 中心孔，并用锁定销3 与输入轴固定，扭杆上部与输入 轴间有密封圈4 密封，扭杆4 的下端通过三角细花键与铜套1 2 固连。铜套与斜齿轮输 出轴过盈配合。扭杆1 ，铜套1 2 ，斜齿轮输出轴1 0 ，锁定销8 ，阀体7 联成一体，可实 现同步转动。 1 4 第二章汽车液压助力转向系统工作原理与转阀静态数学建模 扭杆 扭杆 图2 2 转向控制阀阀体与转阀断面结构及相对位置 f i 9 2 2c r o s ss e c t i o ns t r u c t u r ea n dt h er e l a t i v ep o s i t i o no ft h ec o n t r o lv a l v e 锁紧螺母2 0 拧在转向器壳体底部的螺纹底座孔中，输入轴组件的上部通过深沟球 轴承1 5 支撑在壳体中心孔内，输出轴组件通过深沟球轴承1 3 支承在壳体中心孔内，从 而使输入，输出轴组件实现了径向定位。输出轴1 0 与锁紧螺母2 0 之间有密封圈组件1 1 ， 输入轴2 与壳体2 1 之间有密封圈组件5 ，以防泄漏。 2 1 2 回转式动力转向器的工作原理 2 1 2 1 汽车直线行驶 l 扭杆2 输入轴( 转阀)3 锁定销4 密封圈5 密封圈组件6 密封圈 7 阀体8 锁销9 滚针轴承1 0 斜齿轮输出轴1 1 密封圈组件1 2 铜套 1 3 深沟球轴承1 4 密封圈1 5 深沟球轴承1 6 通左液压缸1 7 通右液压缸 1 8 进油口1 9 出油口2 0 锁紧螺母2 1 壳体 图2 3 汽车直线行驶时转阀位置及油流状态 f i 9 2 3t h ev a l v ep o s i t i o na n dt h eo i ls t r e a mc o n d i t i o nw h e nc a r st r a v e l e di ns t r a i g h tl i n e 当汽车直线行驶时，驾驶员未转动方向盘，此时转阀+ 处于如图2 3 所示的中间位 置。来自转向油泵出油口的高压油从转向器的进油口进入到阀体和转阀之间。由于转阀 1 5 广东工业大学工学硕士学位论文 处于中间位置，所以油液就分别通过阀体和转阀纵槽，槽肩形成的间隙流入阀体内表面 两侧的纵槽中，然后通过其槽底的油孔进入阀体外圆柱面的下油环槽( 图中即左槽) 和 上油环槽( 左槽) 。下油环槽的油液通过壳体中的油道1 6 与转向动力缸左腔室相通，上 有环槽的油液通过壳体中的油道1 7 与转向动力缸右腔室相通，这样动力缸左，右油腔 油压相等。此时，齿条一活塞既没有受到斜齿轮输出轴1 0 所产生的轴向推动力，也没 有受到左，右油腔因压差对齿条一活塞所产生的轴向移动力，所以齿条一活塞也处于中 间位置，转向助力器不起作用。流入到阀体内表面纵槽中的油液又经过阀体，转阀槽肩 之间形成的间隙，流入转阀纵槽底面油口中，再流入转阀2 与扭杆1 之间的空隙，最后 经转阀上部通孔流入壳体上的油口1 9 ，流回转向油泵储油罐，从而形成常流式的油液循 环羽。 2 1 2 1 汽车左转向 汽车左转向时，驾驶员向左转动方由于转动转向轮有一定的转向阻力，起初转动方 向盘的力矩不足以克服转向阻力使斜齿轮输出轴1 0 转动，这样阀体7 也不转动，那么 作用在输出轴2 上的转向力矩将使扭杆1 产生扭转变形，从而输入轴2 ( 即转阀) 相对 阀体逆时针转过一个角度。转阀逆时针转过一个角度后，几乎关闭了通向动力缸向盘， 输入轴2 在转向中间轴的驱动下有逆时针方向转动的趋势( 图2 4 ) 。输入轴2 即转阀 有同步转动的趋势；另一方面，输入轴2 通过锁定销3 带动扭杆1 的上端有同步转动的趋 势，但扭杆底部和输出轴1 0 ，阀心7 ，锁定销8 相连，则输出轴1 0 ，阀心7 ，锁定销8 ， 有同步转动的趋势，右腔室的通道1 7 ，开大了通向动力缸左腔室的油液通道1 6 ，这样 就使 1 扭杆 2 输入轴( 转阀) 3 镇定销4 密封圈5 密封圈组件 6 密封圈 7 阀体8 锁销9 滚针轴承1 0 斜齿轮输出轴1 1 密封圈组件 l2 铜套 1 3 深沟球轴承 14 密封圈l5 深沟球轴承 1 6 通左液压缸l7 通右液压缸 1 8 进油口1 9 出油口2 0 锁紧螺母2 1 壳体 图2 4 汽车左转弯时转阀位置及油流状态 f i 9 2 - 4t h ev a l v ep o s i t i o na n dt h eo i ls t r e a mc o n d i t i o nw h e ne a r st u r n e dl e f t 1 6 第二章汽车液压助力转向系统工作原理与转阀静态数学建模 转向油泵的压力油经阀体中间环槽，油孔，转阀纵槽，油孔进入阀体的下油环槽( 即 左槽) ，然后经壳体中的油道1 6 进入动力缸左腔室，左腔室中的油液压力上升，与此同 时，由于转阀相对阀体逆时针转动，开打了动力缸右腔室与转阀回油孔之间的通道，这 样动力缸右腔室的油液经壳体油道1 7 ，阀体上环槽( 即右槽) ，油孔，转阀纵槽，油孔， 转阀与扭杆间隙，油孔，与壳体上的回油口1 9 连通，动力缸右腔室的油液压力下降。 在动力缸左，右腔油液压差作用下，产生了使齿轮一活塞向左移动的作用力，这个作用 力与转向时通过输入轴2 一扭杆1 和斜齿轮输出轴1 0 一齿条一活塞上的转向力是相同 的，因此起到了明显得助力效果。 当驾驶员停止转动方向盘后，输入轴2 随之不再转动，而斜齿轮输出轴1 0 由于通 过转向机构与转向轮相连，在惯性力作用下它不可能立即停止转动，从而使之同步转动 的阀体仍将逆时针转动。阀体相对转阀逆时针转动后，使转阀与阀体间的相对位置又回 到了如图2 2 所示状态，动力缸左，右腔中的油液压力又重新恢复相同，那么转向助 力作用也随之消失，转向轮保持在与方向盘转角成比例的转向位置，这种作用就是随动 作用。 2 1 2 3 汽车右转向 汽车右转向时，动力转向控制阀的工作与左转向类似，只是由于转向方向相反，阀 体与转阀的相对位置及油液流通方向与左转弯时相反，其位置及油流状况如图2 5 所 示，在这种情况下，动力缸右腔室通高压油，而左腔室与回油路相通是低压油液，所以 其助理作用方向也与左转向时相反1 。 l 扭杆2 输入轴( 转阀)3 锁定销4 密封圈5 密封圈组件6 密封圈 7 阀体8 锁销9 滚针轴承1 0 斜齿轮输出轴1 1 密封圈组件1 2 铜套 1 3 深沟球轴承1 4 密封圈1 5 深沟球轴承1 6 通左液压缸1 7 通右液压缸 1 8 进油口1 9 出油口2 0 锁紧螺母2 1 壳体 图2 5 汽车右转时转阀位置及油流状态 1 7 广东工业大学工学硕士学位论文 f i 9 2 5 t h ev a l v ep o s i t i o na n dt h eo i ls t r e a mc o n d i t i o nw h e n c a r st u r n e dr i g h t 2 2 转向助动器控制阀的阀口静态分析 图2 6 转阀阀口示意图 f i 9 2 - 6t h ev a l v ep o r ts c h e m a t i cd r a w i n g 2 2 1 阀口示意图 1 阀口是一个正开口的阀。 2 而且我们可以看到发的开口的棱边不是以往那样为直边，而是一个弧形的 边。 3 阀的切口形状采用了斜面的长坡面切口。而且采用了两个成一定角度的斜面 来形成切口。 4 切口的长度( 经过测量) ，约为阀口棱边的8 2 。即彤一8 0 w 。 设当阀芯转过线距离u 一厶一l ：一厶时，阀芯转过的角度为0 - a 。一q 一口：一。 2 2 2 阀口的静态数学模型 2 2 2 1 当阀芯转过的角度小于 这个时候阀口其主要作用是预开口。设卢为阀芯转过的角度。那么此时节流口的面 积如图的矩形a 和扇形4 两个区域。 此时，切口的作用相对于预开口来说非常的小，可以忽略。 矩形区域的宽度为b ： 6 = u a 而r r p 1 8 ( 2 1 ) 第二章汽车液压助力转向系统工作原理与转阀静态数学建模 图2 7 转阀阀口平面展开图 f i 9 2 - 7 v a l v ep o r t sp l a n ev i e w 那么可以得到爿。“= 彤( u 一告) ( 2 2 ) 对于扇形区域的面积，我们可以得到月，土石，：一1 ，zs i n2 a ，其中4 。a r c s i n 坠。那 18 022 7 么我们可以得到阀口此时的总面积为 月“i ( u 一告) + ( 箭一扣z n ) r 2 所以此时的转阀供油压力为 p 。等2 而习丽亲再研 ( 2 3 ) ( 2 4 ) n 一一为截流阀口的个数； p 一一转阀的供油压力； 2 2 2 2 当阀芯转到矩形阀口结束后，即口。 伊 口： 此时主要是弧形预开口再起作用。切口一起到一定的作用。 切口的作用相对于弧形预开口要小的多，那么此时，我们主要考虑弧形节流口。我 们可以计算扇形区域的面积为扇形的高度为6 ；工一型旦 18 0 那么扇形区面积为 1 9 广东工业大学工学硕士学位论文 月，一斋r 2 一l 2 y 2s 口 ( 2 5 ) 其中，口；a r c c o s 型。那么我们可以得到此时的阀的供油压力 厂 ”特) 2 庐荸五# 一 ( 2 6 ) 2 2 2 3 当阀口转过弧形阀口时 即当口2 驴 时，此时就是主要时第一个坡面起到节流的作用。 坡面节流人可以看作是长方形薄壁孔，空的宽度为b ，0 2 为点b 到斜线a c 的垂足， 卢是转阀位于中位时阀套的槽边相对于转阀轴线的角位移，为常数。 图2 - - 8 长坡型转阀阀口分析图 f i 9 2 8t h el o n gs l o p eo ft h ev a l v ep o r ta n a l y s i sc h a r t b - b 0 2 - s i n _ b a 0 2 一a b s i nl o l a o - ( o a - o b ，s i n _ o - a 0 = 卜五卜。- 们 一尺s i n 0 1 a o 一0 1 0 其中l o , a o = z 0 1 c o + _