第17章 电子控制动力转向系统

第17章电子控制动力转向系统本章主要内容电子控制动力转向系统的作用电子控制动力转向系统的组成与分类电子控制动力转向系统的结构与原理电子控制动力转向系统的检测与故障诊断17.1概述17.1.1电子控制动力转向系统的作用动力转向系统是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机产生的液体压力或电动机驱动力来实现车轮转向，所以动力转向系统也称为转向动力放大装置。动力转向系统由于使转向操纵灵活、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，因此动力转向系统在中型载货汽车，尤其在重型载货汽车上得到广泛使用。但是，传统的动力转向系统所设定的固定放大倍率不可能同时满足汽车在不同行驶工况下都有最佳助力作用的要求，因此，使汽车的转向盘操纵总不能达到令人满意的程度。17.1.1电子控制动力转向系统的作用电子控制动力转向系统(ElectronicControlPowerSteering，简称EPS或ECPS)是根据车速、转向情况等对转向助力实施控制，使动力转向系统在不同的行驶条件下都有最佳的放大倍率：在低速时有较大的放大倍率，可以减轻转向操纵力，使转向轻便、灵活；在高速时则适当减小放大倍率，以稳定转向手感，提高高速行驶的操纵稳定性。发动机前置及前轮驱动式轿车其前轴负荷的增加使得转向轻便性也成为普遍关注的问题，由于电子控制动力转向系统不仅能很好地解决转向轻便与转向灵活的矛盾，还能提高行驶安全性和舒适性，因此，在轿车上使用电子控制动力转向系统已日渐增多。17.1液压式电子控制动力转向系统作用：电子控制动力转向系统(EPS)可以在低速时减轻转向力，以提高转向系统的操纵稳定性；在高速时则可适当加重转向力，以提高操纵稳定性。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。17.1.2电子控制动力转向系统的组成与分类电子控制动力转向系统：机械转向机构、转向助力系统和电子控制系统组成。转向动力源不同可分为：液压式电子控制动力转向系统电动式电子控制动力转向系统17.1.2电子控制动力转向系统的组成与分类液压式EPS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磁阀、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，控制电磁阀，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。液压式。EPS根据其控制方式的不同，又可分为流量控制式、反作用力控制式和阀灵敏度控制式三种形式。17.1.2电子控制动力转向系统的组成与分类电动式EPS利用直流电动机作为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速等信号，控制电动机转矩的大小和转动方向。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。电动式EPS按照其转向助力机构结构与位置的不同，又可分为转向轴助力式、转向器小齿轮助力式和齿条助力式三种形式。17.2电子控制动力转向系统的结构与原理17.2.1液压式电子控制动力转向系统的原理1．流量控制式EPS以丰田凌志汽车上采用的流量控制式电控动力转向系统(图17-1)为例。系统主要由车速传感器、电磁阀、整体式动力转向控制阀、动力转向液压泵和电子控制单元等组成。电磁阀安装在通向转向动力缸活塞两侧油室的油道之间，当电磁阀的阀芯完全开启时，两油道就被电磁阀旁路。17.2.1液压式电子控制动力转向系统的原理17.2.1液压式电子控制动力转向系统的原理EPSECU根据车速传感器的信号，控制电磁阀阀针的开启程度，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助力。当车速低很低时，控制器输出的控制信号脉冲占空比很小，通过电磁阀线圈的平均电流很小，电磁阀阀芯开启程度也很小，旁路液压油流量小，液压助力作用大，使转向盘操纵轻便。当车速提高时，控制器输出的控制信号脉冲占空比增大，使电磁阀线圈的平均电流增大，电磁阀阀芯的开启程度增大，旁路液压油流量增大，从而使液压助力作用减小，以增加转向盘的路感。17.2.1液压式电子控制动力转向系统的原理2．反作用力控制式EPS反作用力控制式动力转向系统主要由转向控制阀、分流阀、电磁阀、转向动力缸、转向液压泵、储油箱、车速传感器及电子控制单元等组成，其工作原理如图17-2所示。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作用力室而构成。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。17.2.1液压式电子控制动力转向系统的原理17.2.1液压式电子控制动力转向系统的原理分流阀的作用是将来自转向液压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。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作用力室一侧。电磁阀根据需要开启适当的开度，使油压反作用力室一侧的油液流回储油箱。工作时，EPSECU根据车速的高低线性控制电磁阀的开口面积。17.2.1液压式电子控制动力转向系统的原理当车辆停驶或速度较低时，ECU使电磁阀线圈的通电电流增大，电磁阀开口面积增大，经分流阀分流的油液通过电磁阀重新回流到储油箱中，使作用于柱塞的背压(油压反力室压力)降低。于是柱塞推动控制阀转阀阀杆的力(反作用力)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，ECU使电磁阀线圈的通电电流减小，电磁阀开口面积减小，所以油压反作用力室的油压升高，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而实现转向助力作用，使得在中高速时驾驶员可获得良好的转向手感和转向特性。17.2.1液压式电子控制动力转向系统的原理3．阀灵敏度控制式EPS阀灵敏度控制式EPS是根据车速控制电磁阀，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。阀灵敏度控制式EPS一例如图17-3所示。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，在高速专用可变孔的下边设有旁通电磁阀回路。该系统的阀部等效液压回路如图17-4所示。工作过程当车辆停止时，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，转向油泵的高压油液经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的开口面积越大，节流作用越小，获得的转向助力也越大。随着车辆行驶速度的提高，在EPSECU输出的控制信号使电磁阀的开度线性增加。如果向右转动转向盘，则转向油泵的高压油液经1L、3R旁通电磁阀流回储油箱。此时，转向动力缸右腔室的转向助力油压就取决于旁通电磁阀和灵敏度低的高速专用可变孔3R的开度。车速高时，电磁阀的开度大，旁路流量大，转向助力作用小；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3R的开度越大，转向助力作用也越小，当转向力增大时，3R的开度逐渐减小，获得的转向助力也随之增大。17.2.2电动式电子控制动力转向系统的原理1．电动式EPS的组成与原理电动式EPS在机械转向机构的基础上，增加电动式助力机构、及转向助力控制系统。电动式EPS一例如图17-5所示。电动式EPS利用电动机作为助力源，EPSECU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，并向转向助力机构输出控制信号，实现最佳的转向助力控制。17.2.2电动式电子控制动力转向系统的原理17.2.2电动式电子控制动力转向系统的原理电动式EPS的基本控制原理当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的转向力矩传感器不断地测出转向轴上的转向力矩信号，该信号与车速信号同时输入到电子控制单元。电控单元根据这些输入信号，确定助力转矩的大小和方向，即选定电动机的电流大小和方向，调整转向辅助动力的大小。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，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。17.2.2电动式电子控制动力转向系统的原理2．电动式EPS的特点①能耗低：电动式EPS只有转向时系统才工作，消耗较少的能量。因而与液压式动力转向系统相比，在各种行驶工况下均可节能80％～90％。②轻量化显著：电动式EPS无液压式EPS必须具有的液压缸、油泵、转阀、液压管道等部件，因此其结构紧凑、重量减轻、无油渗漏问题、系统易于布置。③优化助力控制特性：液压助力的增减有一定的滞后性，反应敏感性较差，随动性不够。电动式EPS由于采用电子控制，可以使转向系统的转向性能得到优化，增强随动性。④系统安全可靠：当电动式EPS出现故障时，可立即切断电动机与助力齿轮机构的动力传送，迅速转入人工-机械转向状态。17.2.2电动式电子控制动力转向系统的原理3．电动式EPS的类型转向轴助力式转向器小齿轮助力式齿条助力式17.2.2电动式电子控制动力转向系统的原理①转向轴助力式。转向助力机构安装在转向轴上(参见图17-5)，电动机的动力经离合器、电动机齿轮传给转向轴的齿轮，然后经万向节及中间轴传给转向器。②转向器小齿轮助力式。如图17-6所示，转向助力机构安装在转向器小齿轮处。与转向轴助力式相比，可以提供较大的转向力，适用于中型车。这种助力形式的助力控制特性方面比较复杂。17.2.2电动式电子控制动力转向系统的原理17.2.2电动式电子控制动力转向系统的原理③齿条助力式。如图17-7所示，转向助力机构安装在转向齿条处，电动机通过减速传动机构直接驱动转向齿条。与转向器小齿轮助力式相比，可以提供更大的转向力，适用于大型车。这种助力形式对原有的转向传动机构有较大改变。17.2.3电子控制动力转向系统部件结构1．转向力矩传感器转向力矩传感器用于测定转向盘与转向器之间的转向力矩，其原理如图17-8所示。17.2.3电子控制动力转向系统部件结构17.2.3电子控制动力转向系统部件结构工作原理在输出轴的极靴上分别绕有A、B、C、D四个线圈，连接成一个桥式回路。在线圈的U、T两端输入持续的脉冲电压Ui，当转向杆上的转矩为0时，定子与转子的相对转角为0，这时转子的纵向对称面处于图示定子AC、BD的对称平面上，每个极靴上的磁通量均相等，因而由线圈组成的电桥处于平衡状态，在V、w两端的电位差Uo为0。转向时，由于扭力杆与输出轴极靴之间发生相对的扭转变形，定子与转子之间产生角位移。这时，极靴A、D间的磁阻增大，B、C间的磁阻减小，各极靴的磁通量产生了差别，使电桥失去平衡。于是，在V、W之间就出现电位差Uo。这个电位差与扭力杆的扭转角护和输入电压Ui成正比(Uo=kUi，k为比例系数)。由于扭转角参与作用于扭力杆上的转向力矩成比例，因此，由Uo就可获得转向盘的转向力矩。17.2.3电子控制动力转向系统部件结构EPS的另一种转向盘转向力矩传感器如图17-9所示。它将负载力矩所引起的扭力杆扭转角位移转换为电位计电阻的变化，并通过滑环将信号输出。17.2.3电子控制动力转向系统部件结构2．直流电动机直流电动机的原理与起动机电动机基本相同，通常采用永磁式电动机。电动机的输出转矩控制是通过控制其输入电流来实现，而电动机的正转和反转则是由ECU输出的正反转触发脉冲控制。图17-10是一种比较简单适用的控制电路。17.2.3电子控制动力转向系统部件结构a1、a2为电动机正反转信号触发端，当a2端有触发信号输入时，V3导通，V2得到基极电流也导通，电流经V2、电动机M、V3到搭铁，