第四章电子转向系统

电子工业出版社2012通用车系维修体验第四章电子转向系统汽车维修体验丛书22第四章电子转向系统第一节电子控制转向系统的类型及其结构特点第二节电子控制转向系统维修体验33第一节电子控制转向系统的类型及其结构特点电子控制动力转向系统简写为EPS，是英文ElectronicPowerSteering的简写。汽车电控转向系统根据车速或发动机转速，改变动力放大倍数，可使汽车在停车或低速行驶时转动转向盘所需的力减少。当汽车高速行驶时，系统能保证最优控制传动比和稳定的手感，从而提高高速行驶时的稳定性。电子控制动力转向系统根据动力源不同可分为：电动式EPS和液力式EPS两种。一、液力式EPS根据控制方式不同，液力式EPS可分为流量控制式、反力控制式、电动泵式、车速感应式等多种类型。1、流量控制式EPS流量控制式EPS是在高压管路和低压管路之间加上一个电磁阀，EPSECU根据车速和转向角度信号来控制电磁阀的启程度，即控制节流孔的开度，从而控制转向动力缸活塞两侧油室的旁路液压油流量，以改变转向盘上的转向力。流量控制式EPS的工作原理如图4-1所示。44第一节电子控制转向系统的类型及其结构特点车速越高，流过电磁阀电磁线圈的平均电流值越大，电磁阀针阀的开启程度越大，旁路油压流量越大，而液压阻力作用越小，使转动转向盘的力也随之增加。这就是流量控制式动力转向系统的工作原理。55第一节电子控制转向系统的类型及其结构特点2、反力控制式EPS反力控制式EPS是在传统的整体转阀式助力转向控制阀的基础上增设了油压反力室而构成的。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。当转向力增大，扭力杆发生扭转变形时，控制阀阀体和转阀阀杆之间将发生相对转动，于是就改变了阀体与阀杆之间油道的通、断和工作油液的流动方向，从而实现转向助力作用。转向力越大，扭力杆的变形转角就越大，转阀中工作油液通道的截口面积就越大，助力就越大。当汽车停驶或速度较低时，ECU使电磁线圈的通电电流增大，电磁阀开口面积增大。经分流阀分流的液压油，通过电磁阀主要是回流到储油箱中，使作用在柱塞上的背压（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，使阀体与阀杆产生相对转动而实现转向助力作用。当汽车在中、高速转向时，ECU使电磁阀圈通过的电流减小，电磁阀开口面积就减小，所以油压反力室油压升高，作用于柱塞的背压提高，于是柱塞推动转阀阀杆的力增大，此时要使阀体与阀杆之间作同样的相对转角需要的转向力就要增加，所以在中、高速时，转向力会随速度的增加而增加，从而使驾驶员获得良好的转向手感和转向特件。66第一节电子控制转向系统的类型及其结构特点反力控制式EPS的工作原理如图4-2所示。77第一节电子控制转向系统的类型及其结构特点3、电动泵式EPS电动泵式EPS是利用电机直接驱动液压油泵，直接控制电机的转速，来对转向油泵的供油量调节，从而实现不同的转向助力。控制器的输入信号是转向盘角速度、汽车行驶速度和发动机转速，其输出是由驱动电路驱动转向油泵的直流电机，控制的基本策略是：当车速提高时降低驱动电压；当转向盘角速度增加时提高驱动电压。电动泵式EPS的组成如图4-3所示。88第一节电子控制转向系统的类型及其结构特点4、车速感应式EPS车速感应式EPS在上海通用轿车有所应用，如景程轿车。车速感应式EPS又称为可变作用力式EPS。该系统具有根据车速变化自动调节转向助力作用力大小的功能。车辆高速行驶时，系统减小转向助力作用力，使驾驶员手感转向阻力增强，提高了操控精确性；车辆低速行驶时，系统增大转向助力作用力，从而减小驾驶员的操纵力，使转向操纵轻便、灵活。景程轿车可变作用力转向系统组成示意如图4-4。在汽车行驶中，控制模块根据车速信号和发动机转速信号（或怠速开关信号）来判断车辆行驶速度，经分析、计算后发出助力作用力控制指令，以控制电流的形式输出给电磁执行器。电磁执行器即按照指令改变液压油路通道截面，从而使转向助力作用力改变。控制电流强度的变化范围为0.50～1.05A。控制电流强度越小，提供的转向助力作用力越小。汽车低速行驶时，控制电流强度为1A左右，系统提供最大（全部）助力作用力；中速行驶时，控制电流强度为0.78～0.90A，系统提供中等（部分）助力作用力；高速行驶时，控制电流强度为0.50～0.77A，系统提供最小（部分）助力作用力。99第一节电子控制转向系统的类型及其结构特点1010第一节电子控制转向系统的类型及其结构特点景程轿车车速感应式EPS的常见故障及故障码见表4-1。1111第一节电子控制转向系统的类型及其结构特点二、电动式EPS电动式EPS是以电动机作为动力源，根据转向参数、车速信号、由ECU完成助力转向控制。1、电动式EPS的特点电动式EPS与液力式相比，具有如下特点：（1）助力性能优。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。电动式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％。对于液力式EPS，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％；而电力式EPS仅在需要时供能，使汽车的燃油消耗率仅增加0.5％左右。1212第一节电子控制转向系统的类型及其结构特点（4）“路感”好。由于电力式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，且可以根据驾驶员的操作习惯进行调整。（5）回正性好。电力式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）可以独立于发动机工作。电力式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。（7）应用范围广。电力式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，电力式EPS为最佳选择。（8）装配性好且易于布置。因为电力式EPS系统零部件数目少，主要部件均可以组合一起，所以整体外形尺寸小，这为整车布置带来方便，且易于在装配线上安装。1313第一节电子控制转向系统的类型及其结构特点2.电动式EPS的类型根据电机不同的安装位置，电动式EPS可分为转向轴助力式、小齿轮助力式和齿条助力式三种。转向轴助力式EPS（图4-5a）是将电机安装在方向管柱上，通过减速机械与转向轴相连。其特点是结构紧凑，所测取的转矩信号与转向盘转矩在同一直线，因此控制直流电机助力的响应性较好，但对电机的噪声和振动要求较高。这种类型一般在微型轿车上使用。小齿轮助力式EPS（图4-5b）的转矩传感器、电机、离合器和转向助力机构仍为一体，只是整体安装在转向小齿轮处，直接给小齿轮助力，可获得较大的转向力。该型式可使各部件布置更方便，但当转向盘与转向器之间装有万向传动装置时，转矩信号的取得与助力车轮部分不在同一直线上，其助力控制特性难以保证准确。1414第一节电子控制转向系统的类型及其结构特点齿条助力式EPS（图4-5c）的转矩传感器单独安装在小齿轮处，电机与转向助力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处，用以给齿条助力。齿条助力式EPS又根据减速传动机构的不同可分两种：一种是电机做成中空的，齿条从中穿过，电机的动力经一对斜齿轮和螺杆螺母两级传动副以及与螺母制成一体的铰接块传给齿条。这种结构是第一代电动助力转向系统，由于电机位于齿条壳体内，结构复杂，价格高，维修也很困难。也有的将电机轴与齿条平行放置，称为轴旁式。由于易于制造和维修，成本低，在一般汽车上已取代了第一代产品。同时齿条由电机带动一对齿轮副和球螺母驱动，所以轴旁式可以给系统较大的助力，主要用于转向轴荷较大的汽车。另一种是电机与齿条的壳体相互独立，电机动力经另一小发轮传给齿条，又称为双小齿轮式。1515第一节电子控制转向系统的类型及其结构特点1616第一节电子控制转向系统的类型及其结构特点3、电动式EPS的组成电动式EPS由转矩传感器、转向角传感器、车速传感器、ECU、执行部分等组成（图4-6）。以转矩传感器、转向角传感器和车速传感器作为助力转矩的信号源，转矩传感器和转向角传感器安装在转向器中，车速传感器安装在仪表盘内。执行部分由电动机、离合器与减速器构成一体，通过橡胶底座安装在车架上。电动机输出的转矩经减速器增扭，由万向节传递给辅助转向器小齿轮，向转向齿条提供助推扭矩。转矩传感器的功用是测量转向轮一侧小齿轮轴上的负载转矩。测量原理是当操作转向盘时转向轴将产生扭转变形，其变形的扭转角与转矩成正比，所以只要测定扭转角大小，即可知道转向力的大小，即转矩是利用测量扭转角而间接测量的。转向角传感器有光电式传感器和霍尔式传感器等。转向角传感器可根据齿条的位移电磁离合器用来传递助力转矩，按ECU的指令及时接通和断开辅助动力。量和位移方向测出转向角。减速传动机构是电动式EPS不可缺少的部件。目前实用的减速传动机构有多种组合方式，一般采用蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合式，也有的采用两级行星齿轮与传动齿轮组合式。为了抑制噪声和提高耐久性，减速传动机构中的齿轮有的采用特殊齿形，有的采用树脂材料制成。1717第一节电子控制转向系统的类型及其结构特点1818第一节电子控制转向系统的类型及其结构特点4、电动式EPS的控制系统电磁式EPS的控制系统由传感器、输入接口、微处理器、输出接口、驱动电路、执行器（助力电动机与电磁离合器）、反馈电路等组成（如图4-7），系统的输入信号，除了转矩、转向角和车速这三个控制助力转矩所必需的参数外，还有电动机电流、动力装置温度、蓄电池端电压、起动机开关电压和交流发电机电枢端电压等输入信号。控制电路的核心是一个具有256个字节RAM的8位单片机。外围电路包括一个10位A/D转换器，一个8位D/A转换器和一个8KB的ROM。电动式EPS的控制过程：转矩和转向角信号经过A/D转换器后输入ECU，ECU根据这些信号和车速计算出最优化的助力转矩。ECU把输出的数字量经D/A转换器转换为模拟量，再将其输入电流控制电路。电流控制电路把来自微处理器的电流命令值同电动机电流的实际值进行比较，并生成一个差值信号。该差值信号被送到电动机驱动电路，该电路可驱动动力装置并向电动机提供控制电流。1919第一节电子控制转向系统的类型及其结构特点2020第一节电子控制转向系统的类型及其结构特点5、电动式EPS的控制功能（1）助力控制助力控制是在转向过程（转向角增大）中为减轻转向盘的操纵力，通过减速机构把电动机转矩作用到机械转向系统（转向轴、齿轮、齿条）上的一种基本控制模式。助力控制利用电动机转矩和电动机电流成比例的特性，由转向转矩传感器检测的转矩信号和由车速传感器检测的车速信号输入控制器单片机中，根据预制的不同车速下“转矩—电动机助力目标电流表”，确定电动机助力的目标电流，通过对反馈电流与电动机目标电流相比较，利用PID调节器进行调节，输出PWM信号到驱动回路，以驱动电动机产生合适的助力。助力控制逻辑如图4-8所示。2121第一节电子控制转向系统的类型及其结构特点（2）回正控制回正控制是为改善转向回正特性的一种控制模式。汽车在行驶过程中转向时，由于转向轮主销后倾角和主销内倾角的存在，使得转向轮具有自动回正的作用。随着车速的提高，回正转矩增大，而轮胎与地面的侧向附着系数却减小，二者综合作用使得回正性能提高。根据转向盘转矩和转动的方向可以判断转向盘是否处于回正状态。回正控制主要用于低速行驶，此时电动机控制电路实行断路，保持机械系统原有的回正特性。对于高速行驶，为防止转向回正超调，采用阻尼控制方式。（3）阻力控制阻尼控制是汽车运行时为提高