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汽车电气电子技术（12）哈工大网络与电气智能化研究所2015（秋）汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。其作用是使汽车在行驶过程中能按照驾驶员的操纵要求而适时地改变其行驶方向，并在受到路面传来的偶然冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶。因此，转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性和安全性。一、对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性和操纵的轻便性。高的转向灵敏性，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。第十章汽车电动助力转向系统第一节概述可见，上述两个要求是矛盾的。因此，在实际设计中，一般规定：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。为满足以上要求，除采取尽量减轻自重，选择最佳轴荷分配；提高转向系统传动效率；减小主销后倾角；选择最佳转向器速比曲线等措施外，通常都采用助力转向方式。尤其对中、重型车，由于轴荷重，助力转向几乎是惟一的选择。近年来，随着对小轿车舒适性要求的提高，助力转向的应用也比较普遍。助力转向系统应满足如下要求：1)能有效减小操纵力，特别是停车转向操纵力。行车转向的操纵力应不大于250N。2)转向灵敏性好。助力转向的灵敏度是指在转向器操纵下，转向助力器产生助力作用的快慢程度。助力作用快，转向就灵敏。3)具有直线行驶的稳定性，转向结束时转向盘应自动回正；驾驶员应有良好的“路感”。4)要有随动作用。转向车轮的偏转角和驾驶员转动转向盘的转角保持一定的关系，并能使转向车轮保持在任意偏转角位置上。5)工作可靠。当助力转向失效或发生故障时，应能保证通过人力进行转向操纵。二、助力转向系统的功用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。动力部分跟踪手动操作，产生与转向阻力相平衡的辅助力，使车辆进行转向运动。与此同时，把部分输出力反馈给驾驶员，使其获得适当的手感，构成所谓的助力转向双动伺服机构，如图10-1所示。由于助力转向系统使转向操纵灵活、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，因此已在汽车制造中普遍采用。但是，具有固定放大倍率的助力转向系统的主要缺点是：如果所设计的固定放大倍率的动力转向系统是为了减小汽车在停车或低速行驶状态下转动转向盘的力，则当汽车以高速行驶时，这一固定放大倍率的动力转向系统会使转动转向盘的力显得太小，不利于对高速行驶的汽车进行方向控制；图10-1助力转向双动伺服机构反之，如果所设计的固定放大倍率的动力转向系统是为了增加汽车在高速行驶时的转向力，则当汽车停驶或低速行驶时，转动转向盘就会显得非常吃力。电子控制技术在汽车助力转向系统中的应用，使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。电子控制助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和稳定的转向手感，从而提高了高速行驶的操纵稳定性。三、助力转向系统的类型1．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。常压式是指在汽车行驶中，无论转向盘是否转动，整个液压系统总是一直保持高压；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，油路保持常通。随着高速公路的不断延伸与轿车车速的不断提高，传统的液压式助力转向暴露出一个致命的缺点，即若要保证汽车在停车或低速调头时转向轻便，那么当汽车在高速行驶时就会感到有“发飘”的感觉；反之，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。这是由传统液压式助力转向的结构所决定的。由于助力转向在轿车上的日益普及，对其性能上的要求已不再是单纯的为了减轻操作强度，而是要求其在低速调头时保证转向轻便性的同时，又能保证高速行驶时的操纵稳定性。为了达到上述要求，只有通过采用速度传感型的助力转向才能解决。所谓速度传感型的助力转向，是一种随着车速变化而自动调节操纵力的助力转向装置。车速传感型助力转向在提高车辆操纵稳定性、安全性方面的作用很大。目前所采用的多为车速传感型助力转向，有两种基本形式：①采用电子控制的液压式助力转向系统；②采用电子控制的电动助力转向系统。2．电子控制式液压助力转向系统电子控制式液压助力转向系统(EHPS)如图10-2所示，主要由电子控制系统、转向齿轮箱、油泵、分流阀等组成。电子控制式液压助力转向系统是通过控制电磁阀，使助力转向系统的油压随车速的变化而改变，在大转角或低速行驶时，转向轻便；在中、高速时，能获得具有一定手感的转向力。电子控制器(ECU)根据从轮速传感器传来的信号，判别汽车是处于停止状态还是处于低速行驶或高速行驶工况，再根据判别出的汽车状态，对电磁阀线圈的电流进行线性控制，从而达到控制助力转向的目的。图10-2电子控制式液压助力转向系统1-锁销2-小齿轮轴3-左腔4-右腔5-活塞6-动力缸7-横拉杆8-齿条9-小齿轮10-转向齿轮箱11-柱塞12-油压反力室13-电磁阀14-油泵15-储油罐16-分流阀17-阻尼孔18-旋转阀19-扭杆20-控制阀轴当汽车低速行驶或大转角时，由于流经电磁线圈的电流较大，经分流阀分流后的油液就通过电磁阀返回储油罐。因此，作用在柱塞上的油压（油压反力室的压力）较小。这时作用在控制阀轴上的压力（反力）也就小，在转向盘的转向力作用下，扭杆就可能产生较大的扭转变化。控制阀就会随扭杆相对于与驱动小齿轮固定在一起的旋转阀转过一个角度，使两阀的通道口相互连通，动力缸的右腔（左腔）就受到油泵油压的作用，驱动动力缸内的活塞向左（右）移动。产生一个较大的辅助力，从而增大了转向力。当汽车中、高速直行时，转向角较小，扭杆产生的扭转变形也很小，旋转阀与控制阀相互连通的通道口开度也减小，使旋转阀一侧的油压上升。由于分流阀的作用，此时电磁阀一侧的油量会增加。同时，伴随着车速的提高，电磁线圈内的电流会减小，电磁阀的节流开度也会缩小，使作用在油压反力室中的反力油压增加，柱塞作用到控制阀轴上的压力也随之增大。因此增加了转向操纵力，使驾驶员的手感增强，从而获得良好的转向路感。开始转向时，扭杆的扭转角会进一步减小，旋转阀与控制阀相连的阀口开度也减小，使旋转阀一侧的油压进一步升高。伴随着旋转阀油压的升高，通过固定阻尼孔的油液也供给到油压反力室。通过分流阀向油压反力室供给的一定量的油液和通过固定阻尼孔的油液相加，进一步加强了柱塞的压紧力，使得此时的转向力相应于转向角呈线性增加，从而获得在高速行驶时的稳定转向操纵感。目前在用的电控式液压助力转向系统，无不例外地把普通的无助力的转向系统作为后备，一旦助力转向系统出现某种故障时，可以应急和用手转向把车开回。迄今为止，电子控制式液压助力转向系统已在轿车上获得应用。与此同时，也使得该系统结构更复杂、价格更昂贵，而且仍然无法克服液压助力系统的一些大的缺点，如效率低、耗能大等。3．电动助力转向系统电动助力转向系统(EPS)是利用电动机作为助力源，根据车速和转向参数等，由电子控制单元(ECU)完成助力控制。它能节约燃料，提高主动安全性，且有利于环保，是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术，所以一经出现就受到高度重视。它符合现代汽车机电一体化的设计思想，该系统主要由转矩传感器、车速传感器、电子控制单元、电动机、离合器、减速机构、转向轴及手动齿轮齿条式转向器等组成。根据电动机布置位置不同，EPS可分为转向柱助力式、齿轮助力式、齿条助力式等三种类型。转向柱助力式EPS的电动机固定在转向柱一侧，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与小齿轮相连，直接驱动齿轮助力转向；齿条助力式EPS的电动机和减速机构则直接驱动齿条提供助力。有些EPS中，电动机、离合器与减速机构往往结合成一个整体与转向轴成垂直布置。这类EPS有两种形式：转向轴助力式——减速器被直接安装在转向盘下方；小齿轮（齿条）助力式——减速器安装于齿轮齿条机构的小齿轮上。四、电动助力转向系统的特点电动助力转向系统(EPS)与液压助力转向系统(HPS)相比，具有很多优点：(1)助力性能优EPS能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减轻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，进而提高汽车的主动安全性；并且可通过设置不同的转向手力特性来满足不同使用对象的需要。(2)效率高HPS为机械和液压连接，效率较低，一般为60%~70%；而EPS为机械与电动机直接连接，效率高，有的可高达90%以上。(3)耗能少汽车在实际行驶过程中，处于转向的时间约占行驶时间的5%。对于HPS，发动机运转时，油泵始终处于工作状态，油液一直在管路中循环，从而使汽车燃油消耗率增加4%~6%；而EPS仅在需要时供能，使汽车的燃油消耗率仅增加0.5%左右。(4)“路感”好由于EPS内部采用刚性连接，系统的滞后特性可以通过软件加以控制，且可以根据驾驶员的操作习惯进行调整。(5)回正性好EPS结构简单，内部阻力小，回正性好，从而可得到最佳的转向回正特性，改善汽车操纵稳定性。(6)对环境污染少HPS液压回路中有液压软管和接头，存在油液泄漏问题，而且液压软管不可回收，对环境有一定污染；而EPS对环境几乎没有污染。(7)可以独立于发动机工作EPS以电池为能源，以电动机为动力元件，只要电池电量充足，不论发动机处于何种工作状态，都可以产生助力作用。(8)应用范围广EPS可用于各种汽车，目前主要用于轿车和轻型载货汽车上；而对于环保型纯电动汽车，由于没有发动机，EPS为最佳选择。(9)装配性好且易于布置因为EPS系统零部件数目少，主要部件均可以组合在一起，所以整体外形尺寸比HPS小，这为整车布置带来方便，且易于在装配线上安装。第二节电动助力转向系统的结构及工作原理一、电动助力转向系统结构EPS主要由转矩传感器、车速传感器、电子控制单元、电动机、离合器、减速机构、转向轴及手动齿轮齿条式转向器等组成。其结构示意图如图10-3所示。图10-3电动助力转向系统结构示意图1-转向盘2-转向轴3-电动机4-离合器5-齿条6-小齿轮7-横拉杆8-输出轴9-减速机构10-转矩传感器1．转矩传感器转矩传感器用于检测作用于转向盘上的转矩信号的大小与方向。目前采用较多的转矩传感器是扭杆式电位计传感器。它是在转向轴位置加一扭杆，通过扭杆检测输入轴和输出轴的相对扭转位移得到转矩。图10-4所示为图10-4转矩传感器的基本原理转矩传感器的基本原理。在转矩传感器中，用磁性材料制成的定子和转子可以形成闭合的磁路，线圈A、B、C、D分别绕在极靴上，接成一个桥式回路。转向轴扭转变形的扭转角与转矩成比例，所以只要测定转向轴的扭转角，就可间接地知道转向力的大小。在线圈的U、T两端施加连续的脉冲电压信号Ui，当转向轴上的转矩为零时，定子与转子的相对转角也为零。这时转子的纵向对称面处于图示定子AC、BD的对称平面上，每个极靴上的磁通是相同的，因而电桥是平衡的，在V、W两端的电位差Uo=0。如果转向轴上存在转矩时，定子与转子的相对转角不为零，此时转子与定子间产生如图10-4所示的角位移θ。极靴A、D间的磁阻增加，B、C间的磁阻减少，各个极靴的磁通产生差别，电桥失去平衡，在V、W之间出现电位差。这个电位差与转向轴的扭转角θ和输入电压Ui成比例。若比例系数为k，则有oiUkU由V、W两端的电位差Uo就可以知道转向扭转角，从而便可以知道转向轴的转矩。另外，也有采用非接触式转矩传感器的，图10-5所示就是非接触式转矩传感器中的一对检测环。其原理是：当输入轴与输出轴之间发生相对扭转位移时，检测环之间的空气间隙发生变化，从而引起检测线圈电磁感应系数变化。