线控转向系统.ppt

第4章四轮转向和电动转向 6 四轮转向 4WS 在改变形式路线时的性能7 低速下的小转弯半径的行驶8 后轮转向的控制类型 1 转角传感型后轮偏转角与前轮的偏转角之间存在某种函数关系 即后轮可以按与前轮同方向或反方向旋转 2 车速传感型根据车速设定程序 当车速达到某一预定值时 后轮与前轮同方向偏转 而低于这一预定值时 则方向相反 4 1四轮转向技术 其结构是在前轮的动力转向器上 再安装一个后轮专用的控制阀 产生一个大致与横向加速度成比例的 与前轮转向器阻力相平衡的油压 把该压力的油液送到后轮执行机构 在执行机构中 装入高刚性弹簧 当与送来的油压达到平衡状态时 输出杆便产生位移 从而带动后轮开始转向 横向加速度车速感应型 在该系统中 从油泵出来的油液直接流入电磁阀 车速传感器 转角传感器分别将车速和前轮转角信号输入计算机 按计算机指令 控制油液流入后轮执行机构 前轮转角车速感应型 前轮转角传感型 为了把前轮转角传给后轮 在前轮齿轮齿条式转向器的齿条轴上 安装了后轮转向齿轮 其角位移 通过中间传动轴 传给后轮转向器 后轮具有小转角同相转向 大转角逆相转向的功能 在微小转向的高速行驶时 形成了同相转向 获得了行驶稳定性 在大转角转向的极低速行驶时 变成逆相转向 获得了小半径转向性能 前轮转角比例车速感应型在动力传至后轮转向轴之前 与前者基本相同 但后轮的执行机构由相位控制部分和动力补助部分构成 动力补助部分以油压为动力 由后轮滑阀和动力缸构成 相位控制部分能实现对后轮同相位或逆相位的控制 第3章四轮转向和电动转向 9 四轮转向 4WS 控制种类 1 机械控制式 2 机械 电子控制式 3 电子控制液压工作式 4 液压控制液压工作式 5 电子控制电动工作式10 举例说明4WS的控制原理 1 机械控制式 本田公司4ws系统 机械式四轮转向系统是最早开发的四轮转向系统的一种 它包括前轮的齿轮齿条转向系和前后转向系之间的传动轴 随着前轮偏转 转向力通过传动轴传到后轮 机械式四轮转向系统中有时也为后轮加装第二套转向器来帮助转向 属于转向传感型 其后轮的偏转与车速无关 只与方向盘转角有一定关系 当方向盘转角约为120左右 后轮与前轮转向一致 当方向盘转角大于240时 后轮转向与前轮相反 第3章四轮转向和电动转向 2 液压式四轮转向系统第二代四轮转向系统利用液压系统来控制转向 这种类型的四轮转向系统的后轮只能偏转1 5度左右 并且也只有在速度高于22mile h时才起作用 典型的液压式四轮转向系统如图4 26所示 开始时 基本的齿轮齿条转向器使前轮偏转 同时把部分转向液压送到后轮转向系统的控制阀中 控制该控制阀 滑阀 的位置 前轮向某一方向偏转时 该滑阀向一个方向移动 前轮向另一方向偏转时 该滑阀向与前面相反方向移动 然后该滑阀控制着第二套液压回路工作 这个回路利用由差速器驱动后转向油泵产生的压力油为动力 这些压力油接着又驱动一个齿轮齿条转向器像前轮的一样工作 但第二个齿轮齿条转向器只能在很小的范围内移动 后轮的偏转角不得超过1 5度 第3章四轮转向和电动转向 3 电控式四轮转向系统目前 四轮转向系统正越来越多地使用电子和计算机控制 电控式四轮转向系统允许后轮与前轮以相同的方向偏转 在高速时 或者以相反的方向偏转 在低速时 为实现这些功用 用计算机连接两个传感器和两个执行器 图5 27说明了其输入和输出的工作流程 首先 车速传感器把确切的车速信号传给计算机 计算机据此决定后轮与前轮是以相同或者相反的方向偏转 同时 前轮转角传感器把前轮的实际转角信号传给计算机 计算机通过后轮传感器和后轮转角传感器得到后轮的实际转角信号 根据这些输入信号 计算机分别告诉前 后轮转向器各自的偏转量 图4 28所示为电控式四轮转向系统主要部件的布置位置 另外 还有许多附件也是必要的 如液压泵 如果用液压执行器而不是电动机 电磁线圈 断路阀等 上述部件及其它部件的不断改进 将更好地提高四轮转向系统效率和可靠性 电控式四轮转向系的组成 第3章四轮转向和电动转向 11 与2WS相比 4WS的优点 1 提高了汽车在高速行驶时和在滑溜路面上的转向性能 2 驾驶员操纵方向盘反映灵敏 动作准确 3 在不良路面和侧风等条件下 汽车业具有较好的方向稳定性 提高了高速下的直线行驶稳定性 4 提高了汽车高速转弯的行驶稳定性 不但便于转向操纵 而且在进行急转弯时 也能保持汽车的行驶稳定性 5 通过使后轮转向与前轮转向相反 减小了低速行驶时的转弯半径 不但便于在狭窄路面上进行U型转弯 而且在驶入车库等情况下便于驾驶 4 1四轮转向技术 第3章四轮转向和电动转向 12 4WS今后发展趋势对4WS提出异议的理由 1 转向性能没有明显改善 2 性能上仅有微小改变 但结构很复杂 3 实用性技术目前还没有达到成熟的地步 如果把研制费花在提高轮胎性能和改善悬架设计会收到更好的效果 13 各公司的4WS系统特性比较 4 1四轮转向技术 第3章四轮转向和电动转向 一 综述所谓电动转向 EPS 就是在机械转向系统中 用电池作为能源 电机为动力 以转向盘的转速和转矩以及车速为输入信号 通过电子控制装置 协助人力转向 并获得最佳转向力特性的伺服系统 主要是速度控制和电动机电流控制 速度控制是当速度高于某一值时 系统应停止对电动机供电 离合器处于分离状态 这时就按普通的转向控制方式工作 系统确定电动机电流的大小是按照汽车转向力矩和车速信号 当车速很低时 转向需要的助力大 此时供给电动机的电流值就应大 当车速接近45km h时 转向需要的助力减少 此时供给电动机的电流值就应减少 当车速超过45km h时 若无需助力 此时就应切断电动机的电流 4 2电动转向 EPS 二 电动助力转向技术发展概况三 EPS的机构与特点分析1 基本结构与工作原理 1 电动助力转向系统的结构 电动助力转向系统是在传统机械转向机构的基础上发展起来的 系统通常由转矩传感器 车速传感器 电子控制器 电动机 电磁离合器和减速机构等组成 2 电动助力转向系统的控制框架 控制部分主要是通过车速和转矩传感器来采集汽车车速和转向盘转向力信号 进行必要的运算处理后发出控制指令给电动机 由电动机为转向提供辅助力 3 电动助力转向系统的工作原理 汽车处于起动或者低速行驶状态时 操纵转向盘转向 装在转向柱上的转矩传感器不断检测作用于转向柱扭杆上的扭矩 并将此信号与车速信号同时输入电子控制器 处理器对输入信号进行运算处理 确定助力扭矩的大小和方向 从而控制电动机的电流和转向 电动机经离合器及减速机构将转矩传递给牵引前轮转向的横拉杆 最终起到为驾驶人员提供辅助转向力的功效 当车速超过一定的临界值或者出现故障时 为保持汽车高速时的操控稳定性 EPS系统退出助力工作模式 转向系统转入手动转向模式 不转向的情况下 电动机不工作 电动助力转向系统很容易实现在不同的车速下实时的为汽车转向提供不同的助力效果 保证汽车在低速行驶时轻便灵活 高速行驶时稳定可靠 2 EPS的关键部件 1 扭矩传感器和车速传感器用于检测作用于转向盘上的扭矩信号的大小与方向 由力矩传感器和旋转速度传感器组成 力矩传感器感知转向盘的转向力矩大小 旋转传感器感知转向盘的旋转速度 并把感知的这两个信号传递到电子控制单元 目前采用较多的转矩传感器是扭杆式电位计传感器 车速传感器 用于检测汽车的行驶速度 并进行自诊断 把检测到的信号送入电子控制单元 常采用电磁感应式传感器 安装在汽车变速器输出轴上 2 电动机电动机 电动助力转向系统的动力源 通常采用无刷永磁式直流电动机 其功能是根据电子控制单元 ECU 的指令产生相应的输出扭矩 电动机是影响EPS性能的主要因素之一 不仅要求低转速大扭矩 波动小 转动惯量小 尺寸小 质量轻 而且要求可靠性高 控制性能好 3 减速机构6 减速机构 用来增大电动机的输出扭矩 主要有两种形式 蜗轮蜗杆减速机构和双行星齿轮减速机构 前者主要用于转向轴助力式转向系统 后者主要用于齿轮助力式和齿条助力式转向系统 电磁离合器 对于动力的工作范围限定在某一速度区域内 如果超过规定速度 电动机停转 且离合器分离 不再起传递动力的作用 在不加助力的情况下 离合器可以清除电动机惯性的影响 同时 在系统发生故障时 因离合器分离 又可以恢复手动控制转向 4 电子控制单元电子控制单元 是整个控制系统的核心 完成对各个传感器输入信号的处理 依据控制规则计算出所需的参数值 通过驱动电路 实现对电机的控制 3 EPS的分类 1 转向轴助力式电动机固定在转向轴一侧 由离合器与转向轴相连接 直接驱动转向轴助力转向 2 齿轮助力式电动机和离合器与小齿轮相连接 直接驱动齿轮助力转向 3 单独助力式电动机和离合器固定在齿轮齿条转向器的小齿轮相对另一侧连接 单独驱动齿条助力实现转向动作 4 齿条助力式电动机和离合器与齿条为一体 电动机带动循环球螺母运动 使齿条 螺杆产生轴向位移 直接起助力转向 第3章四轮转向和电动转向 4 EPS的特点 1 能在各种行驶工况下提供最佳助力 2 减少燃料消耗 3 在发动机熄火或出现故障时也能提供助力 4 质量轻 机构紧凑 在安装位置选择方面也容易 并且能降低噪声 5 缩短生产和开发周期 6 不存在漏油问题 大大降低保修成本 减小对环境污染 7 EPS比HPS具有更好的低温工作性能 4 齿条助力式 4 2电动转向 EPS 第3章四轮转向和电动转向 5 EPS的性能分析 1 转向轻便型 原地转向的力矩下降40 2 操纵稳定性 助力由电控单元调节与控制 解决了 轻 与 灵 的矛盾 3 燃料经济性 平均速度40km h 节约燃料5 5 4 助力特性 助力规律属于车速感应型 6 EPS今后的发展EPS的发展现状EPS是在EHPS的基础上发展起来的 它取消EHPS的液压油泵 液压管路 液压油缸和密封圈等配件 纯粹依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构 其结构简单 零件数量大大减少 可靠性增强 解决了长期以来一直存在的液压管路泄漏和效率低下的问题 是转向系统的一次革命 目前 EPS技术日趋成熟 国外新生产的轿车一半以上都装备EPS 不少国产轿车也装备EPS 4 2电动转向 EPS 未来汽车的主体是低排放汽车 LEV 混合动力汽车 HEV 燃料电池汽车 FCEV 电动汽车 EV 四大EV汽车 这给线控转向系统带来了更加广阔的应用前景 除了安全性和可靠性外 还有模拟路感的电机振动 电源 传感器的精度和成本问题等 模拟路感的电机振动控制在EPS的研发过程中 已经有成熟的技术和经验可以借鉴 车用42V电源预计在未来的几年内将会快速发展并普及 届时汽车电子附件的供电问题将会得到圆满解决 车用各种传感器如非接触扭矩 转角传感器 横摆角速度传感器等的精度在不断提高 成本下降 在未来的几年内将会在精度和价格方面满足各种电控系统的要求 线控转向系统 线控转向系统 SteeringbyWire SBW 是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 1 线控转向系统的结构 汽车线控转向系统主要由转向盘模块 前轮转向模块 主控制器 ECU 以及自动防故障系统组成 1 转向盘模块 转向盘模块包括转向盘组件 转向盘转角传感器 力矩传感器 转向盘回正力矩电机 其主要功能是将驾驶员的转向意图 通过测量转向盘转角 转换成数字信号并传递给主控制器 同时主控制器向转向盘回正力矩电机发送控制信号 产生转向盘回正力矩 以提供给驾驶员相应的路感信息 2 前轮转向模块 前轮转向模块包括前轮转角传感器 转向执行电机 电机控制器和前轮转向组件等 其功能是将测得的前轮转角信号反馈给主控制器 并接受主控制器的命令 控制转向盘完成所要求的前轮转角 实现驾驶员的转向意图 3 主控制器 主控制器对采集的信号进行分析处理 判别汽车的运动状态 向转向盘回正力矩电机和转向电机发送命令 控制两个电机协调工作 主控制器还可以对驾驶员的操作指令进行识别 判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理 当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时 前轮线控转向系统将自动进行稳定控制或将驾驶员错误的转向操作屏蔽 以合理的方式自动驾驶车辆 使汽车尽快恢复到稳定状态 4 自动防故障系统 自动防故障系统是线控转向系统的重要模块 它包括一系列的监控和实施算法 针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理 以求最大限度的保持汽车的正常行驶 线控转向技术采用严密的故障检测和处理逻辑 以最大程度地提高汽车安全性能 2 线控转向系统的工作原理其工作过程 来自转向盘传感器和各种车辆当前状态的信息送给电子控制子系统后 利用计算机对这些信息进行控制运算 然后对车辆转向子系统发出指令 使车辆转向 同时车轮转向子系统中的转向阻力传感器给出的信息也经电子控制子系统 传给转向盘子系统中模拟路感的部件 线控转向系统的性能特点 由于线控转向系统中的转向盘和转向轮之间没有机械连接 是断开的 通过总线传输必要的信息 故该系统也称作柔性转向系统 具有如下性能特点 柔性转向能消除转向干涉问题 为实现多功能全方位的自动控制 以及汽车动态控制系统和汽车平顺性控制系统的系统集成提供了显著的先决条件 对前轮驱动轿车 在安装发动机时需要考虑刚性转向轴占用空间 转向轴必须依据汽车是左侧驾驶还是右侧驾驶安装在发动机附近 设计人员必须协调处理各种需要安排部件 而柔性转向去掉了原来转向系各个功能模块之间的刚性机械连接 大大方便了系统的总布置 舒适性得到提高 转向回正力矩能够通过软件依据驾驶员的要求进行调整 因此在不改变设计的情况下 可以个性化地适合特定的驾驶者和驾驶环境 与转向有关的驾驶行为都可以通过软件来实现 消除了碰撞事故中转向柱引起伤害驾驶员的可能性 不必设立转向防扭机构 驾驶员腿部活动空间增加 出入更方便自由 专家们预测 未来汽车转向系统的发展趋势是线控转向 SBW 即取消方向盘与转向车轮之间原有的机械连接 而改用控制信号代替的一种电动转向系统 一 填空题1 各种各样的四轮驱动汽车可归纳为两大类 即 短时 4WD和 常时 4WD P222 汽车动力传递路线是从发动机开始 经过驱动轮系 最终到达 轮胎 P223 在丰田产品目录上被命名为I FOUR的皇冠 玛杰斯特轿车 采用的是 常 时四轮驱动 P244 与前纵置发动机前轮驱动为原型的四轮驱动汽车车厢与其原型相比 车厢内空间较 小 P255 相比两轮驱动的汽车 四轮驱动的汽车整体燃油消耗量比较 大 P35 二 选择题 四轮驱动的吉普车大都采用 C P23 以后纵置发动机后轮驱动为原型 以前纵置发动机前轮驱动为原型 以前纵置发动机后轮驱动为原型 以后纵置发动机前轮驱动为原型 以前横置发动机前轮驱动为原型的四轮驱动汽车的车厢内空间利用率 相比其原型 C P27 持平 要大 要小 可大可小 以中置大马力增压发动机的四轮驱动最适用于 P27 赛车 货车 轿车 面包车 汽车转弯时 四轮的转速总是 B P30 外轮比内轮高一些 后轮比前轮高一些 外轮比内轮高一些 前轮比后轮高一些 内轮比外轮高一些 前轮比后轮高一些 内轮比外轮高一些 后轮比前轮高一些 三 名称解释 纵置发动机和横置发动机P23答 以汽车前后方向为参考方向 按汽车前后方向布置的发动机称为纵置发动机 跟汽车前后方向成直角布置的发动机为横置发动机 湿式多片离合器P39答 湿式多片离合器是靠摩擦材料和金属板之间摩擦来传递扭矩 它浸在润滑油中 其特点是产生的摩擦热能被冷却 且摩损小 差动限制装置P39 40答 是一种用来限制差动器差动的装置 即在差速器该起作用的时候就让其起作用 在差速器不该起作用的时候就限制其差动 四 简答1 什么是4WD 答 详见P22 2 两轮驱动