第8章电控动力转向系统(汽车电子控制技术)

汽车电子控制技术汽车类专业应用型本科示范教材机械工业出版社出版主编于京诺第8章电控动力转向•学习目标•·了解各种电控动力转向系统的作用和分类。•·掌握各种电控动力转向系统的结构和工作原理。•·掌握四轮转向系统的结构和工作原理。•·了解线控动力转向系统的组成和工作原理。第8章电控动力转向8.1液压式电控动力转向系统液压式电控动力转向系统是在普通动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、检测车辆信息的各种传感器以及电控单元（ECU）。目前液压式EPS在轿车上应用较多。根据控制方式不同，液压式EPS分为流量控制式、反力控制式和阀灵敏度控制式三种形式。另外，还有一种由电动机驱动液压泵进行转向助力的电动液压动力转向系统。8.1.1流量控制式EPS流量控制式EPS是ECU根据车速传感器的信号，控制电磁阀的开启程度，从而控制转向动力缸活塞两侧油室的旁路液压油流量，以控制转向力的大小。1.系统组成如图8-1所示为日产蓝鸟轿车上使用的一种流量控制式EPS的基本组成。该系统是在一般液压动力转向系统上增加了旁通流量控制电磁阀、车速传感器、转向角速度传感器、电控单元和控制开关等元件。图8-1蓝鸟轿车流量控制式EPS组成及原理a）组成结构b）工作原理1-动力转向油罐2-转向管柱3-转向角速度传感器4-ECU5-转向角速度传感器增幅器6-旁通流量控制电磁阀7-电磁线圈8-转向齿轮联动机构9-动力转向泵2.工作原理（1）当车速很低时电控单元输出的脉冲控制信号的占空比很小，电磁阀开启程度也很小，旁路液压油流量小，液压助力作用大，使低速时转向盘操纵轻便。（2）当车速提高时电控单元输出的脉冲控制信号的占空比增大，通过旁通流量控制电磁阀线圈的平均电流增大，旁路液压油流量增大，从而使液压助力作用减小，以增加高速时转向盘的路感。流量控制式EPS的优点是在原来液压动力转向功能基础上再增加压力流量控制功能，所以结构简单，成本低。其缺点是当流向动力转向机构的压力油降低到极限值时，对于快速转向会产生压力不足、响应慢等缺点。图8-1蓝鸟轿车流量控制式EPS组成及原理8.1.2反力控制式EPS反力控制式EPS是根据车速大小，控制液压反力腔油压，从而改变输入、输出增益幅度以控制转向力。1.系统组成反力控制式EPS主要由转向控制阀、液流分配阀、电磁阀、转向动力缸、转向油泵、储油罐、车速传感器及电控单元等组成。雷克萨斯LS400轿车反力控制式EPS结构原理图如图8-2所示。图8-2雷克萨斯LS400轿车反力控制式EPS结构原理图1-转向油泵2-储油罐3-转向器壳体4-转向阀阀体5-转阀阀芯6-扭杆7-转向动力缸8-液压反力活塞9-控制杆10-液压反力腔11-转向器齿轮12-转向器齿条13-节流孔14-液流分配阀柱塞15-液流分配阀弹簧16-电磁阀线圈17-电磁阀滑阀18-电磁阀弹簧19-EPSECU20-车速传感器（１）转向控制阀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液压反应装置而构成。扭杆6的下端用销子与转阀阀体4（4与转向齿轮11一体）相连，上端通过销子与转阀阀芯5相连，而转阀阀芯５又与转向轴的末端固定在一起，因而转向轴可通过扭杆带动转向齿轮转动。当转向力增大，扭杆６发生扭转变形时，转阀阀体４和转阀阀芯５之间将发生相对转动，于是就改变了阀体与阀芯之间油道的通、断关系和工作油液的流动方向，从而实现转向助力作用。（２）液压反应装置液压反应装置位于转阀下面（图中B-B剖面），它由液压反力腔10、四个液压反力活塞8和控制杆9等组成。转向盘转动时，与转向轴连接的转阀阀芯5带动控制杆转动，将推动相应的两个活塞克服反力腔中的液压力而移动。（３）液流分配阀主要由分配阀柱塞14和分配阀弹簧15组成，分配阀柱塞上有承压锥面，壳体上有四个孔，分别连通转向油泵1、转向控制阀、电磁阀和液压反力腔。其作用是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，改变控制阀一侧与电磁阀一侧的油压，确保电磁阀一侧具有稳定的油液流量。（４）节流孔节流孔13的作用是把供给转向控制阀的一部分流量分配到液压反力腔一侧。（５）电磁阀电磁阀装在齿轮齿条转向器的壳体上，由电磁线圈16、空心滑阀17和弹簧18组成。空心滑阀上有阀孔和固定小孔（图中未标出），壳体上有两个孔，一个通向储油罐，一个通向液流分配阀。2.工作原理（1）直线行驶当汽车直线行驶时，转阀不工作。此时管路中的油压很低，液流分配阀柱塞在其弹簧的作用下处于上极限位置（图8-2所示位置），分配阀开启。从转向油泵输出的油液经液流分配阀流入转阀，并从回油管流回储油罐，还有一部分油液经液流分配阀和电磁阀流回储油罐。整个油路畅通，动力转向系统无助力作用。此时液压反力腔中活塞背面作用的油压力很小。（2）汽车转向当转动转向盘，转向动力缸7产生辅助转向力时，转向油泵1输出的油液压力升高，在液流分配阀柱塞14承压锥面上产生向下的推力，柱塞下移，关闭分配阀。这样，转向油泵经液流分配阀通向电磁阀和液压反力腔的油路被切断，但这时仍有少量的油液可以通过节流孔13流进液压反力腔，液压反力腔中的油压不再随转阀中油压的增大而增大，而是通过电控系统根据车速进行调节。动力转向ECU接收车速传感器的信号，并据此控制电磁阀线圈中的电流。当车速较高时，电磁线圈中的电流较小，空心滑阀在弹簧的作用下处于上极限位置。此时阀孔关闭，而固定小孔开启，通道截面很小，从液压反力腔经液流分配阀和电磁阀流回储油罐的油液流量很小，使液压反力腔中保持很高的油压。因此转动转向盘时转阀阀芯受到的来自于液压反力活塞的液压阻力很大，增加了驾驶员的转向操纵力，使其手感增强，获得良好的转向路感，有效地克服了高速转向“发飘”和不易掌握的缺陷，提高了高速行驶稳定性和安全性。汽车低速转向时，动力转向ECU使通过电磁线圈中的电流变大，线圈中产生的电磁吸力克服弹簧力使空心滑阀逐渐下移（图8-2所示位置）。阀孔的开启截面逐渐增大，液压反力腔中的油液经液流分配阀和电磁阀流回储液罐的流量增大，腔内油压逐渐减小，作用在转阀阀芯上的液压反力减小，使扭杆能够产生较大的扭转变形，转阀开启程度加大，转向助力效果增大，保证低速时转向轻便。反力控制式EPS的优点是具有较大的选择转向力的自由度，转向刚度大，驾驶员能感受到路面情况，可以获得稳定的操作手感等。其缺点是结构复杂，且价格高。8.1.3阀灵敏度控制式EPS１.系统组成根据车速信号控制电磁阀，直接改变动力转向控制阀的油压增益（阀灵敏度）来控制系统油压，进而控制转向助力的大小。阀灵敏度控制式EPS主要由动力转向油泵、动力转向电磁阀、转向动力缸、储油箱、车速传感器和动力转向电控单元等组成。图8-3地平线轿车所采用的阀灵敏度控制式EPSa)系统示意图b)转子阀（1）转子阀如图8-3b）所示，在控制阀阀套圆周上有6条或8条沟槽，各沟槽利用阀外体与动力转向油泵、动力缸、电磁阀及储油箱连接。转子阀的可变小孔分为低速专用小孔（1R、1L、2R、2L）和高速专用小孔（3R、3L）两种，当作用于转向盘上的转矩变化时，会引起转子阀内、外体之间的相对转动，从而使转子阀可变小孔的流通截面发生变化。转向盘向右转动时，小孔1R、2R、3R关小，1L、2L、3L开大；转向盘向左转动时，小孔1L、2L、3L关小，1R、2R、3R开大。（２）电磁阀电磁阀与转子阀连接在动力转向油路中，电磁阀油路构成可变小孔2R、2L的旁通油路。ECU通过控制电磁阀的电流，可以控制旁通油路的流量。车速低时，ECU对电磁阀通以大电流，电磁阀关闭，旁通油路流量变小；车速升高时，ECU对电磁阀的通电电流逐渐减小，电磁阀开度增大，旁通油路流量变大。2.工作原理图8-4所示为控制阀等液压回路图，其工作过程如下：（1）车辆停止时如图8-4b）所示，电磁阀完全关闭，如果此时向右转动转向盘，则高灵敏度低速专用小孔1R及2R在较小的转向力矩作用下即可关闭。转向液压泵的高压油液经1L流向转向动力缸右腔室，其左腔室的油液经3L、2L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1L、2L的开度越大，节流作用就越小，转向助力作用越明显。图8-4控制阀等效液压回路图a）等效液压回路b）助力作用增大c）助力作用减小2.工作原理图8-4所示为控制阀等液压回路图，其工作过程如下：（1）车辆停止时如图8-4b）所示，电磁阀完全关闭，如果此时向右转动转向盘，则高灵敏度低速专用小孔1R及2R在较小的转向力矩作用下即可关闭。转向液压泵的高压油液经1L流向转向动力缸右腔室，其左腔室的油液经3L、2L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1L、2L的开度越大，节流作用就越小，转向助力作用越明显。（2）车速提高时如图8-4c）所示，随着车速的提高，在电控单元的作用下，电磁阀的开度线性增加，如果向右转动转向盘，则转向液压泵的高压油液不仅经1L进入动力缸右腔室，而且部分油液经3R以及电磁阀旁通油路流回储油箱。此时，转向动力缸右腔室的转向助力油压就取决于旁通电磁阀的开度（由车速决定）和可变小孔3R的开度（由转向盘转矩决定）。车速越高，在ECU的控制下，电磁阀的开度越大，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矩越小，高速专用小孔3R的开度越大，转向助力作用越小。当转向力增大时，3R的开度逐渐减小，转向助力作用也随之增大。8.1.4电动液压动力转向系统1.系统组成主要由动力转向器、电动液压泵总成和各种传感器组成。电动液压泵总成是由动力转向ECU、电动液压泵（电动机和液压泵）、储油罐、限压阀等集成在一起形成的，用一个消音罩包封，利用橡胶支承弹性地悬挂在支架上，而支架安装在发动机舱左侧的车架纵梁上。图8-5波罗（Polo）轿车电动液压助力转向系统示意图2.工作原理（1）汽车直线行驶时转向控制阀的阀芯处于中间位置，转向助力传感器检测不到转向盘的转动。这时，动力转向ECU控制电动液压泵，使输出的油液极少，几乎是无压力地通过动力转向器经回油道流回储油罐，动力转向系统不工作。（2）汽车转向时扭杆变形，转阀开始工作，使动力缸的一个油腔接通油泵，而另一个油腔则经回油道通向储油罐。同时，转向助力传感器检测到转向盘的转角变化，将信号传送给动力转向ECU。ECU根据转向盘转动和车速等信息确定并提高电动机的转速和液压泵的供油量，使油路中的油压升高，推动动力缸活塞移动实现转向助力。3.特点因为电动液压动力转向系统的液压泵供油量主要是由转向盘转角变化量和车速决定的，其供油特性更符合转向系统对助力作用的实际要求。因此节省能量，并且能够获得更加理想的转向助力特性。但它在不转向时仍然存在能量损失，而且液压系统的固有缺陷仍然存在。8.2电动式电控动力转向系统液压式电控动力转向系统由于工作压力和工作灵敏度高，外廓尺寸较小，因此获得了广泛应用。在采用气压制动或空气悬架的大型车辆上，也有采用气压制动转向的，但这类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。随着电子技术的进一步发展，越来越多的轿车上采用了电动式EPS它是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的电控动力转向系统。8.2.1电动式EPS的结构和工作原理1.电动式EPS的结构电动式EPS主要包括机械式转向器、转矩传感器、减速机构、离合器、电动机、电控单元（ECU）和车速传感器等，其结构如图8-6所示。图8-6电动式EPS的结构示意图1-转矩传感器2-转向轴3-减速机构4-齿轮齿条式转向器5-离合器6-电动机7-电控单元（ECU）2.电动式EPS的工作原理当操纵转向盘时，装在转向轴上的转矩传感器1不断地测出转向轴上的转矩信号，该信号与车速传感器同时输入到电控单元7，电控单元根据这些信号，确定助力转矩的大小和方向，即选定电动机6的电流大小和方向，调整转向辅助动力的大小。电动机的转矩由电磁离合器5通过减速机构3减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。这种控制可以方便地实现在不同车速下提供