汽车电动助力转向系统ppt课件.ppt

电子控制电动助力转向系统,1,第一节概述,在汽车行驶中，转向运动是最基本的运动。我们通过方向盘来操纵和控制汽车的行驶方向，从而实现自己的行驶意图。在现代汽车上，转向系统是必不可少的最基本的系统之一，它也是决定汽车主动安全性的关键总成。如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车厂家和科研机构的重要课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同的驾驶人群，汽车的操纵性设计显得尤为重要。,2,由于汽车高速化后，地面对行路机构和转向系统的冲击力明显增大。从而，对行驶的安全性、操纵性、稳定性提出更高的要求。为此，电控动力转向系统，在各类汽车上普遍装用，已成为必备的装置。优点和具体功能：1、减小转向时的操纵力减轻司机的疲劳程度，特别是装用超低压扁平胎的乘用车更为必要。,3,2、根据车速的高低和行驶条件的变化（静态或动态；好路或坏路），提供合适的转向助力，提高汽车行驶的安全性、操纵性、稳定性。3、具体功能如下：（1）原地转向或低车速行驶转向时操纵轻便，路感良好。（2）中、高速行驶转向时根据车速的高低，适当助力；车速愈高，助力愈小，使司机有一定的轻、重手感，无转向发飘的感觉。,4,（3）如遇大的单边冲击或爆胎时小的冲击可利用动力缸油液阻尼衰减。大的单边冲击或爆胎时，转向轮会猛然向一边偏转，它可使动力缸产生反向助力，阻止车轮偏转，保持原行驶方向，提高行驶的被动安全性。,5,动力转向都具有“正向传动、正向导通助力；反向传动、反向导通助力”的特点，这是动力转向的一大优点，为此，成为高速车辆的必备系统。（4）失效安全保护转向助力系统失效后，仍能维持手动机械转向。但方向盘所需的操纵力变大，维持安全行驶。,6,传统转向系统,传统的汽车转向系统是机械系统，汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。普通的转向系统建立在机械转向的基础上。常用的有两种是齿轮齿条式和循环球式(用于需要较大的转向力时)。这种转向系统是我们最常见的，目前大部分低端轿车采用的就是齿轮齿条式机械转向系统。,7,传统转向系统的缺点,虽然传统转向系统工作最可靠，但是也存在很多固有的缺点，传统转向系统由于方向盘和转向车轮之间的机械连接而产生一些自身无法避免的缺陷：汽车的转向特性受驾驶员驾驶技术的影响严重；转向传动比固定,提供不了合适的转向力;液压助力转向系统经济性差，一般轿车每行驶一百公里要多消耗0.30.4升的燃料；另外，存在液压油泄漏问题，对环境造成污染，在环保性能被日益强调的今天，无疑是一个明显的劣势。,8,助力转向系统,助力转向系统使转向操作灵活、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，现代汽车上普遍采用助力转向系统助力转向系统于1955年在Buick上首次采用，解决了转向轻便性问题，,助力转向系统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或电动机驱动力来实现车轮转向。助力转向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出信号的伺服机构。,9,助力转向系统的要求,对转向系统的要求，主要概括为转向的灵敏度和操纵的轻便性。高的转向灵敏度，要求转向器具有小的传动比，以小的转向盘转角迅速转向，好的操纵轻便性，则要求转向器具有大的传动比，这样才能以较小的转向盘操纵力获得大的转向力矩。实际应用中，一般要求：当转向轮达到最大设计转角时，转向盘总转数不宜超过5圈，而转向盘操纵力最大不超过250N,10,助力转向系统的具体要求,良好的操纵性合适的转向力与位置感具有回正功能适当的路面反馈量工作可靠节省能源安静、噪声小,转向必须灵活、平顺，具有很好的随动性，能够安全行驶在狭窄、连续拐弯的弯道上。,低速或停车时，转动转向盘不能太费力，高速行驶时，又不能感觉到转向盘上的力太小而有发“飘“的感觉，因此要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地感觉到转向盘的位置，感觉到操纵转向盘的角度与汽车行驶轨迹的对应关系，具有很好的直线行驶稳定性和高速行驶的路感。,在转向后，转向盘应当能自动回到直线行驶的位置，回转的速度要平稳、适当。使残留的角速度尽可能小。,从道路表面传来的冲击应能传达到转向盘上，增加驾驶员的路感，但不能太大，要使驾驶员的感觉是舒适的。,转向系统是安全件，如果不能转向或失去控制就会发生车毁人亡的事故。因此转向系统应具有故障预警功能，当计算机控制系统或助力系统发生故障时，转向系统仍然应保留人力转向功能。,在保证转向性能的前提下，尽可能降低转向系统的动力消耗。,11,（一）动力转向技术的发展概况,电动液压转向EHPS,线控转向SBW,液压动力转向HPS,12,（一）动力转向技术的发展概况,液压动力转向（HPS）,优点动力转向可以减小作用在转向盘上的力，提高转向轻便性。可自由地根据操纵稳定性要求选择转向器传动比，不会受到转向力的制约。衰减道路冲击，提高行驶安全性。缺点选定参数完成设计之后，不能调节与控制助力特性，协调轻便性与路感的关系困难。即使在不转向时，油泵也一直运转，增加了寄生能量损失。存在渗油与维护问题，提高了保修成本，泄漏的液压油会对环境造成污染。低温工作性能较差。,13,（一）动力转向技术的发展概况,电控液压动力转向（EHPS）,优点电控液压动力转向是在原液压式动力转向系统上发展起来的，原来的系统都可利用，不需要更改布置。低速时转向效果不变，高速时可以自动根据车速逐步减小助力，增大路感，提高车辆行驶稳定性。采用电动机驱动油泵时可以节省能量。缺点依然存在渗油问题。零件增加，管路复杂，不便于安装维修及检测。原有液压系统的基础上又增加了电子系统，使系统越加复杂，成本增加。低温工作性能没有改善。,14,（一）动力转向技术的发展概况,电动助力转向（EPS）,优点电动助力转向能改善汽车的转向助力特性，提高汽车的轻便性和安全性。电动助力转向只在转向时电动机才提供助力，能减少能量消耗。电动助力转向零件比液压动力转向减少，质量更轻、结构更紧凑，在安装位置选择方面也更容易，并且能降低噪声。电动助力转向没有液压回路，比液压动力转向更易调整和检测，装配自动化程度更高，能缩短生产和开发周期。电动助力转向不存在渗油问题，可大大降低保修成本，减小对环境的污染。电动助力转向比液压动力转向具有更好的低温工作性能。,15,（一）动力转向技术的发展概况,线控转向（SBW）,优点可实现多功能全方位的自动控制，以及未汽车系统集成提供了先决条件。大大方便系统的总布置。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。消除了撞车事故中转向柱后移引起伤害驾驶员的可能性，不必设置转向防伤机构。驾驶员腿部活动空间增加，出入更方便自由。,16,（二）电动助力转向国家政策支持,原机械工业部汽车司在1999年未来十年中国汽车工业产品与技术发展报告中，就将电动助力转向列为我国汽车工业积极开展研究的产品与技术项目；“十五”国家863电动汽车重大科技专项、“十一五”国家863节能与新能源汽车重大专项都把电动助力转向列为子项目作为电动汽车优先发展的零部件产品；科技部、财政部和国家税务总局共同商定，联合制订的中国高新技术产品目录中包括了电动助力转向装置；科技部和商务部共同组织编制的鼓励外商投资高新技术产品目录（2003）中也包括了电动助力转向装置。,17,（二）电动助力转向技术的发展概况,日本电动助力转向最先应用在日本的微型轿车上。日本电动助力转向产品发展迅速，不断更新换代，光洋精工、NSk、SHOWA等汽车转向系统公司先后开发出电动助力转向，丰田、本田、日产、三菱、铃木、富士重工等公司先后装车配套。1988年铃木公司首次在其Cervo车上装备首次装配电动助力转向。随后大发在Mira车上装配了电动助力转向，三菱则在Minica车上装配了电动助力转向；而本田的NSX及Accord车也装配了电动助力转向。2000年光洋精工与丰田公司达成协议，联合开发电动助力转向系统。日前光洋精工定下发展目标，要在本财年内使公司的电动助力转向系统在北美市场上的销量到37万套，增幅达54。光洋精工希望到2008财年时，能够占据北美汽车转向系统市场的20，去年该市场的市场份额为13，公司还计划2006年在北美建立一家新工厂。2001年NSk从福特公司获得了一份100多万套的电动助力转向供货合同，价值1.65亿美元。,18,（二）电动助力转向技术的发展概况,本田公司开发的电动助力转向,光洋精工开发的电动助力转向,NSK开发的电动助力转向,装有EPS的铃木轿车,19,（二）电动助力转向技术的发展概况,欧美开发较晚，但起点高、力度大。TRW及Delphi、Bosch、ZF都相继推出电动助力转向。Delphi将电动助力转向作为扩大其在全球汽车零配件市场销售的重点产品。Mercedes_Benz和SiemensAutomotive共同投资6500万英镑用于电动助力转向的开发。,TRW公司最新开发的三种电动助力转向,Delphi开发的ESteerTM,20,（三）电动助力转向技术的发展概况,国内,研发单位,高校：清华大学、北京理工大学、北京航空航天大学、天津大学、江苏大学、湖北汽车工业学院及合肥工大等；企业：南方动力、荆州恒隆、杭州世宝、南京转向器厂等。,飞度,北斗星,途安,雨燕,皇冠,开迪,21,转向系统的分类,传统液压式助力转向系统电子控制式液压助力转向系统电动助力转向系统,22,传统液压式助力转向系统,机械式的液压助力转向系统一般由液压泵、油管、压力流量控制阀体、V型传动皮带、储油罐等部件构成。无论车是否转向，这套系统都要工作，而且在大转向车速较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力。所以，也在一定程度上浪费了资源。还有，机械式液压助力转向系统由液压泵及管路和油缸组成，为保持压力，不论是否需要转向助力，系统总要处于工作状态，能耗较高，这也是耗资源的一个原因所在。,23,传统液压式助力转向系统,传统液压式助力转向系统（HPS）一般按液流的形式可分为常流式和常压式两种类型。常流式是指汽车在行驶中，不转动转向盘时，流量控制阀在中间位置，油路保持畅通。常压式是指汽车在行驶中，无论转向盘是否转动，整个液压系统总是一直保持高压。,24,传统液压式助力转向系统缺点,提供不了合适的转向力，即若要保证汽车在停车或低速调头时转向轻便，那么汽车高速行驶时就会感到有”发飘“的感觉；若要保证汽车在高速行驶时操纵有适度手感，那么当其要停车或低速调头时就会感到转向太重，两者不能兼顾。,25,电子控制式液压助力转向系统,转向控制阀,油泵：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。,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，确保电磁阀一侧具有稳定的油液流量。,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ECU：ECU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，以控制转向助力的大小。,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。,26,反力控制式助力转向系统的工作过程,当转向力增大，扭力杆发生扭转变形时，控制阀阀体与转阀阀杆之间将发生相对转动，使两阀的通道口相互连通，扭力杆的变形角度就越大，转阀中工作油液通道的截口面积就越大，助力就越大。,27,汽车低速行驶或者大转弯时。流经电磁线圈的电流较大，电磁阀的开启角度较大，经分流阀分流后的油液通过电磁阀返回油箱的油液就较多，因此作用在反力室的油压就较小，柱塞上的油压较小，这时作用在控制阀轴上的反力也较小，因此反力油压形成的阻力矩较小。由于阻力矩较小，转向盘只需要用较小的力就可以使扭力杆发生较大的变形，转向助力较大。,28,流经电磁线圈的电流较小，电磁阀的开启角度较小，经分流阀分流后的油液通过电磁阀返回油箱的油液就较少，因此作用在反力室的油压就较大，柱塞上的油压较大，这时作用在控制阀轴上的反力也较大，因此反力油压形成的阻力矩较大。由于阻力矩较大，输入同样的力，使扭力杆发生变形较小，转向助力较小。旋转阀与控制阀相互连通的通道口开度也减小，助力较小。,29,液压式助力转向系统的缺点,结构复杂，功率消耗大，容易产生泄漏，转向力不易有效控制。,30,电动助力转向系统（EPS）,电动助力转向系统利用电动机作为动力源，根据车速和转向参数等，由电子控制单元完成助力控制。根据电动机布置位置不同，可分为转向柱助力式、齿轮助力式和齿条助力式三种类型。,转向柱助力式EPS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。,齿轮助力式EPS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。,齿条助力式EPS的电动机和减速机构直接驱动齿条提供助力。,31,电动助力转向系统的最大特点就是能实现“精确转向”，它能够在汽车转向过程中根据不同车速和转向盘转动的快慢，精确提供各种行驶路况下的最佳转向助力，减小由路面不平引起的对转向系统的扰动。不但可以减轻低速行驶时的转向操纵力，而且可大大提高高速行驶时的操纵稳定性，并能精确实现人们预先设置的在不同车速、不同转弯角度所需要的转向助力。通过控制助力电机，可降低高速行驶时的转向助力，增大转向手力，解决高速发飘问题，成本相对较低。,32,（四）电动助力转向的系统组成,电子控制单元（ECU）ECU的功能是根据扭矩传感器信号和车速传感器信号，进行逻辑分析与计算后，发出指令，控制电动机和离合器的动作。此外，ECU还有安全保护和自我诊断功能，ECU通过采集电动机的电流、电动机电压、发动机工况等信号判断其系统工作状况是否正常，一旦系统工作异常，助力将自动取消，同时ECU将进行故障诊断分析。,33,（四）电动助力转向的系统组成,电动助力转向系统一般由扭矩传感器、电控单元（微处理器）、电动机与电磁离合器、减速器等组成。,34,（四）电动助力转向的系统组成,（1）电动机；（2）蜗杆；（3）蜗轮；（4）力矩传感器机构；（5）电位器；（6）电动机接插线；（7）力矩传感器接插线；（8）吸能套管；（9）转向盘锁装置；（10）开关支架；（11）下支架；（12）减振垫片,35,（四）电动助力转向的系统组成,转向盘转矩传感器测量转向盘转矩大小和方向。电动助力转向系统中转矩传感器有接触式和非接触式。考虑到成本，一般采用接触式转矩传感器。,1输入轴；2扭杆；3信号输出端；5电位计，6转向器小齿轮；7滑环,1小齿轮；2差分变压器；3接口电路；4输入轴；5扭杆；6传动齿轮；7直流发电机,36,（四）电动助力转向的系统组成,助力电机及减速机构助力电机用来实现转向系统的助力，对助力电机的基本要求是：助力转矩大、转矩波动小、转动惯量小，功率密度大、可靠性高，易控制。目前电动助力转向系统普遍采用永磁直流有刷电机和直流无刷电机。直流无刷采用电子换向，无需维护，功率密度大，但成本较高；直流有刷电机技术成熟，控制器简单，成本低。,1离合器；2电动机；3传感器轴；4扭杆；5滑块；6球槽；7连接杆；8钢球；9蜗轮；10蜗杆,1循环球；2滚珠螺杆；3螺旋齿轮；4拔叉；5电刷；6转子,37,电动助力转向系统结构,转矩传感器,转向离合器,38,不转向时，助力电动机不工作，当转向盘转动时，与转向轴相连的转矩传感器不断地测出作用于转向轴上的力矩，并将力矩转换为电信号，车速传感器产生车速信号，ECU根据这两个信号，经过运算处理后，向离合器和电动机发车发出控制指令，即输出一个适合的电流，在离合器结合的同时，是电动机产生一个转矩，转矩经过减速机构减速增距后，施加在输出轴上，输出轴的下端与齿轮齿条转向器总成中的小齿轮相连，于是由电动机发出的转矩最后通过齿轮齿条转向器施加到汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向助力。,39,转矩传感器,转矩传感器用于检测作用于转向盘上转矩信号的大小，目前采用较多的是扭杆式电位计传感器，它是在转向轴位置加一根扭杆，通过扭杆检测输入轴与输出轴的相对扭转位移得到扭矩。,40,用磁性材料构成的定子和转子可以形成闭合的回来，线圈A、B、C、D分别绕在极靴上，构成一个桥式回路。转向轴扭转变形的扭转角和转矩成正比，所以只要测定转向轴的扭转角，就可间接知道转向力的大小。,41,在线圈U、T的两端施加连续的脉冲信号Ui,当转向轴上的转矩为零时，定子和转子的相对转角也为零，电桥平横，在V和W两端的电位差Uo为零，如果转向轴上存在转矩，定子和转子的相对转角不为零，此时定子和转子间产生角位移，电桥失去平衡在V和W两端出现电位差Uo。,42,车速传感器,安装在自动变速器的输出轴上，用于检测自动变速器输出轴的转速，根据输出轴转速计算得到汽车的行驶速度。常用电磁感应式车速传感器，主要由永久磁铁和电磁感应线圈两个部分组成。,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，再进一步转换成车速。,43,电机,EPS的动力源是电动机，功能是根据ECU的指令产生相应的输出转矩，电动机时影响EPS性能的主要因素之一。通常采用无刷永磁式直流电动机。要求低速转矩大、波动小、惯量小、尺寸小、质量轻，可靠性高、控制性能好。需要正反转控制。,44,EPS电机正反转控制电路,当a2端得到输入信号时，晶体管VT4导通，VT1得到基极电流而导通。电动机有反向电流流过反转。控制触发信号端电流的大小，就可以控制电动机通过电流的大小。,a1和a2端为触发信号端，从微机系统的D/A转换器得到的直流信号输入到a1和a2端，用以触发电动机产生正反转。当a1端得到输入信号时，晶体管VT3导通，VT2得到基极电流而导通。电动机有电流流过正转。,45,离合器,采用干式电磁离合器,保证EPS在预先设定的车速范围内闭合，当车速超过设定车速范围时，离合器断开，电动机不在提供助力，转入手动转向状态，另外当电动机发生故障时，离合器将自动断开。车速超过30KM/h时，EPS不工作。,46,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ECU,ECU根据这些信号确定助力转矩的大小和方向。,发动机转速传感器：确定发动机的工况，当处于怠速工况时，电动助力转向系统不工作。,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。,47,电动助力转向的精确转向的实现过程,工作时，微机控制指令经D/A转换接口送入电动机和离合器的驱动放大电路，以控制电动机电流的大小和方向，以及离合器的离合。电动机的电流经放大电路、电流表及a/d转换接口反馈给微机，微机将此与按微机指令应给的电