汽车转向技术发展（精选9篇）
汽车转向技术发展 篇1
1 EPS概述
现代汽车的转向系统已经从最初的机械式转向、液压助力转向(Hydraulic Power Steering,HPS)发展到电动助力转向(Electrical Power Steering,EPS)技术。随着微电子控制技术在汽车领域的广泛使用，以及世界节能环保两大主题的推广，EPS的优越性越来越突出，成为转向技术研究的重点和热点内容。早在1980年代，国外就已经研制成功EPS并装车使用。据美国天合(TRW)公司预测：到2010年，全球范围内电动助力转向器的装车率将超过30%[1]。我国对EPS的研究起步较晚，但目前已有十多家高等院校和科研单位正在进行该项技术的研究，并已取得了较大的进展。EPS的助力特性、电动机、传感器和ECU等关键技术也有了突破性的进展。
2 EPS的工作原理和特点
2.1 EPS的结构和工作原理
EPS系统是在传统机械式转向系统的基础上设计而成的，主要由转向盘转矩和转角传感器、车速传感器、轴重传感器、电子控制单元(ECU)、电动机、电磁离合器和减速机构等组成。如图1所示为一种转向轴助力式的EPS系统结构框图，它依靠电动机对转向轴实现助力作用。
工作原理：汽车不转向时，电动机不工作。当驾驶员操纵转向盘转向时，安装在转向轴上的转矩和转角传感器将所检测到的转矩和转角的大小和方向信号输入给ECU。车速传感器、轴重传感器等也将各自检测到的信号输入给ECU。ECU根据这些信号，并结合所检测到的助力电动机的电流反馈信号，进行运算处理，确定电动机助力电流的大小和方向。该电流即为所需的助力转矩，由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，加在转向轴上使之得到一个与汽车行驶工况相适应的转向作用力。当ECU检测到异常信号时，立即断开电磁离合器，退出助力模式，同时点亮故障指示灯。
2.2 EPS的优点
2.2.1 提高操纵轻便性和高速稳定性[2,3]
对汽车转向系统的基本要求是低速时转向操纵轻便，高速时转向稳定。早期的低速型EPS在车速高于设定值时停止助力，现在研究的EPS多是全速型的，在任何车速下都能提供最佳助力，即在汽车原地或低速转向时，使转向操纵轻便;而在高速转向时产生良好的转向路感，提高行驶的稳定性。而液压助力转向系统HPS在汽车高速转向时仍提供较大的助力作用，会使驾驶员丧失路感，影响了行驶的稳定性。
2.2.2 节能环保[4]
HPS系统中，转向油泵是由发动机驱动的，只要发动机在运转，油泵就会工作。而EPS系统由电动机提供助力，电动机可以由发动机驱动也可以由蓄电池驱动，在不转向时几乎不消耗发动机的功率，降低了燃料消耗。对比试验表明：装备EPS的汽车其燃料消耗量比装备HPS的汽车降低了5.5%[5]。EPS还取消了HPS中的转向油罐、油管等，质量减小，结构更紧凑;也没有液压油的消耗和泄漏问题，减小了对环境的污染。EPS中95%的组件都是可回收再利用的，而HPS系统的回收率只有85%左右。
2.2.3 提供可变的转向助力特性，适用范围广
EPS系统可在程序软件中方便地修改转向助力特性使系统具有不同的助力性能，快速地与不同车型匹配，以适应各种类型汽车转向助力的需要，从而缩短EPS产品的开发周期。而且转向助力的大小是随车速、转向快慢、路面条件等的变化实时调整的，保证始终获得良好的转向路感和操纵性能。而HPS系统中要改变转向助力的大小非常困难而且费用很高，必须增加额外的控制器和其他硬件。
2.2.4 提高主动安全性
一方面，电动机具有弹簧阻尼的作用，可以减小路面不平对转向系统的冲击和振动。另一方面，ECU具有安全保护和故障自诊断功能，一旦发现所监测的传感器或执行器出现异常，就会取消助力，同时ECU进行故障自诊断分析。
此外，EPS还具有集成度高、安装维修方便等优点。
3 EPS的关键部件及其性能分析
3.1 转矩/转角传感器
转矩/转角传感器的作用是采集驾驶员施加在转向盘上的力矩大小、方向和转向角度的信号，经处理后输入给ECU。该信号是EPS的主要控制信号之一，其准确性和可靠性直接影响EPS的助力输出特性。EPS以前主要使用转矩传感器，只能检测转向盘的转向转矩不能检测转向盘转动的角度和角速度从而实现精确控制，因此其发展趋势倾向于将转矩传感器和转角传感器集成化，并采用非接触式结构。如磁环-霍尔式、光电式、微波式、磁阻式传感器等，能满足EPS对制造成本、尺寸、精度和抗干扰性等方面的严格要求，还能适应汽车智能化和集成化的发展[6,7]。
3.2 ECU
ECU是EPS的控制核心，它根据各传感器的输入信号进行计算分析，得出控制参数的最佳值，然后发出控制指令给电动机和离合器，控制其动作。ECU的控制系统和控制算法也是EPS的关键技术之一，要求控制系统抗干扰性好，能进行实时控制，还应具备安全保护和故障自诊断功能等。ECU采用以8位或16位单片机为核心的硬件系统，编写适当的控制程序实现对转向盘力矩、转向速度、转向回正特性、转向路感和电动机电流等的控制。
ECU的控制信号除转向盘转角、转向盘转矩和车速等基本信号外，还有汽车横摆角速度或侧向加速度、前轴负荷和点火等多种信号。
ECU的控制算法很多，目前研究较多的主要有比例加微分控制、最优二次型控制、鲁棒性控制、模糊控制和神经网络控制等。这些算法在控制性能上各有优势：比例加微分控制可以提高EPS的助力力矩、改善系统的跟随性能;最优二次型控制易于构建最优的闭环控制系统;鲁棒性控制理论以EPS系统精确的数学模型为基础，易受模型不确定性因素的影响，但设计简单、易于实现;模糊控制根据经验或试验数据近似反映人的控制行为，不依赖系统参数，而且编程简单易于修改，很适合EPS的动态控制;神经网络控制可以提高助力电流的准确性。因此，在确定采用哪种或几种控制算法时，可以根据EPS系统功能的要求进行选择。
3.3 电动机
电动机的作用是根据ECU的控制指令输出合适的助力转矩，它是EPS的动力源。汽车转向时的路感与电动机的性能密切相关，要求小转角时助力增加慢、大转角时助力增加快、低速时助力大高速时助力小，而且转向轮对转向盘的跟随性好。可见电动机是EPS的关键技术之一，必须具有控制性能好、转速低转矩高、响应快、波动小、尺寸小和可靠性高等特点。常用的电动机有永磁同步电机和无刷直流电机两类，它们既保留了普通直流电动机优良的机械特性和调节特性，而且结构简单、运行可靠[8]。永磁同步电机转矩脉动小、响应快、结构紧凑;而且若能保证产生恒定的磁场，永磁同步电机用最简单的PWM方式调节电枢电流就可以获得所需的助力力矩，从而简化ECU的软硬件设计[9,10]，因此正成为研究的热点。
典型的电动机助力特性有直线型、折线型和曲线型等，分别如图2(a)、(b)、(c)所示。这些助力特性曲线都分为3个区域：0～Td0为无助力区，Td0～Tdmax为助力变化区，Td≥Tdmax为助力保持区，其中Td0为EPS开始助力时的转向盘输入力矩，Tdmax为EPS提供最大助力时的转向盘输入力矩。直线型助力特性适用于前轴负荷较小的车型(电动机驱动转向轴)，折线型适用于前轴为中等负荷的车型(电动机驱动转向齿轮)，曲线型适用于前轴负荷较大的车型(电动机驱动转向齿条)。
4 EPS的发展趋势
4.1 转向器和电动机
EPS系统中的齿轮齿条式转向器结构简单、传力性能好，但输出力矩不能满足中、大型车用EPS的需要;若采用变传动比，在高速转向时路感会减弱。因此循环球式转向器虽结构较复杂，但能满足今后大中型车市场的需要，是今后技术开发的重点。
稀土永磁材料卓越的磁性能加快了稀土永磁同步电机的发展，使其具有结构简单、运行可靠、质量小、效率高等优点。随着永磁材料和电子元器件的性价比的不断提高和制造工艺的发展，稀土永磁同步电机必将取代传统的电动机，推动EPS系统的深入发展[11]。另外，汽车上的电子装置越来越多，若能采用42V的蓄电池，则可以使电动机在较低的输出电流下获得较高的输出功率，既降低了EPS系统的能耗和发热，还能改善系统的性能。
4.2 控制理论
EPS转向助力特性的控制策略通常是电机助力电流控制，当转向参数变化时，转向盘转矩特性会随之变化。若以转向盘转矩为目标转矩进行控制，可以改善转向轻便性和路感，加快转向响应速度，进一步提高行驶安全性[12]。
汽车转向系统与车身、悬架之间存在相互关系，转向时车身的横摆角速度与侧倾角等参数对悬架的控制有重要影响，因此设计综合考虑EPS与悬架性能的集成化控制系统尤为重要。
转向系统的性能特性是表征汽车操纵稳定性能的一个重要内容。要使汽车获得良好的操纵稳定性，如适当的不足转向特性和良好的瞬态相应特性，转向系统的参数控制必须以整车的相关参数为基础进行，必须通过与整车动态性能的匹配才能从一定程度上得到保证[13]。
4.3 自动转向和全电动转向系统
无人驾驶汽车已经成为汽车产业的热门领域，适应无人驾驶的自动转向系统是汽车电子控制技术的重要内容，成为汽车智能转向的发展趋势之一。随着现代通讯技术和智能交通系统ITS的进一步完善，自动转向系统的性能将更加卓越。
全电动转向技术(也称线控转向，Steering-by-Wire,SBW)取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电能实现转向，如图3所示[14,15]。SBW系统主要由转向盘总成、控制器和前轮转向机构等部分组成，转向盘总成把转向信号等输入给控制器，控制器则对采集的信号如转向盘转角转矩、车速、横摆角速度、加速度和转向器位移等进行分析处理，然后发出指令控制转向电机和转向回正电机的工作，使汽车实现转向并提供给驾驶员相应的路感。控制器还对驾驶员的操作指令或汽车的状态进行判断，必要时自动进行驾驶控制，使汽车恢复稳定行驶。与EPS相比，SBW提供的操纵稳定性更佳;主动和被动安全性更高;转向性能设计更自由;乘坐舒适性更好。未来汽车正在向着低排放汽车、零污染燃料电池汽车等方向发展，SBW的研究既可以为其提供良好的技术平台，自身的应用前景也将更加广阔。
5 结语
综上所述，汽车动力转向系统EPS具有卓越的操纵轻便性和稳定性、助力特性随汽车工况而变化的特性、良好的主动安全性等，因此成为汽车电子技术发展的热点。随着EPS关键技术的发展，EPS的性能必将更加完善。
汽车转向技术发展 篇2
如图1所示为汽车转弯时所产生侧偏角的关系示意图，其中α为前轮侧偏角；α为后轮侧偏角；α为汽车重心位置侧偏角。汽车转向时，除在极低速时，一般情况下车轮平面与汽车行进速度方向并不一致，两者之间的角度值即为侧偏角α。在汽车转弯时，由于离心力的作用，垂直于车轮平面的车轮中心上有侧向力，相应地在地面上产生的反作用力就是侧偏力。由于车轮侧向产生弹性变形，变形车轮的滚动方向与车轮平面方向并不一致，侧偏力又分解为与车轮行进方向平行的滚动阻力和与行进方向垂直的转弯力。在地面附着极限内，转弯时路面反作用力的大小与方向随着侧偏角的大小发生变化，因而汽车的转向直径也随之变化。
通常车轮转向时，路面对各车轮转弯时的反作用合力与汽车圆周运动的离心力相平衡。一旦正在转弯的汽车速度提高，离心力就随之增加，质心位置的侧偏角必然增大而随之出现不足转向(如图1b所示)。此时若要保证前轮按原转弯半径运动，与低车速时相比，前轮必须向内侧多转过一定角度。换言之，汽车以相同转弯半径运动时，随着车速的增加，对于常规的前两轮转向(2WS)系统驾驶员就需相应增加转向盘转角；或者使后车轴产生一个向外则运动的力，以增加转弯时路面的反作用力，使其与离心力平衡。为了使汽车重心位置的侧偏角度α(汽车重心的速度方向与汽车纵向轴线之间的角度)为零，若能让后轮也向转弯内侧偏转相应角度，则就可使具有侧偏角的后轮行进方向也与转向圆一致。亦就是在高速行驶转弯时，要求后轮应具有与前轮同向的转向角度，即可减小车身的横摆角速度和侧倾角，避免汽车发生侧滑、倾翻现象，以确保高速转向时的稳定性。
四轮转向(4WS,4WheelsSteering)系统是指汽车的前、后四轮都具有相应的转向功能，后轮与前轮同方向转向称为同相控制模式，后轮与前轮反方向转向称为逆相控制模式。主要功能是有效控制车辆的横向运动特性。它是现代轿车采用的一项提高汽车操纵稳定性、操纵轻便性和机动性的关键技术措施，与两轮转向(2WS)系统相比具有如下优点：
1）改善高速转向或在侧向风力作用时的行驶稳定性。在中高速行驶时采用前、后轮同方向转向的同相控制模式，有助于减小车辆侧滑或扭摆，对平衡车辆在超车、变道、或躲避不平路面时的反应均具有帮助，也提高了车辆直线行驶的操纵稳定性。随着高速、高架公路的出现以及现代轿车高速行驶的发展，高档轿车采用四轮转向系统将成一种趋势。
2）减小低速转弯半径，改善其操纵轻便性和提高机动性。在低速行驶时采用前、后轮反方向转向的逆相控制模式，可使车辆转弯半径大大减小，参考后述图2所示分析，4WS的转弯半径最多可比2WS减小一半，这对低速选位停车，窄道转向行驶都将带来极大的方便。
3）提高转向响应的快速性，全面改善车辆的转向性能。不仅使车辆在高速行驶或湿滑路面上的转向性能稳定，且对转向输入的响应更迅速而准确。
二、轮毂电机应用与四轮驱动及电子差速的关系
鉴于轮毂电机在电动汽车上应用的诸多优点。但由于轮毂电机受轮毂内结构体积限制，按汽车驱动功率要求批量生产大功率轮毂电机有相应难度，而采用四轮驱动即可实现小马拉大车，通过四轮毂电机并联驱动即可比二轮毂电机驱动提高汽车总驱动力1倍。并根据汽车理论分析只有四轮驱动才能充分利用车重产生的地面附着力，以此提高汽车行驶的稳定性及车辆越野通过性。随着汽车材料技术的发展，需采用轻型材料来减轻车载自重，减小能耗，提高功效；并随着汽车高速行驶技术发展，对提高汽车行驶稳定性等性能指标将提出更高要求。因此也更需采用四轮毂电机驱动来提高汽车对地面的附着力。又由于只有驱动轮才能实现制动能量的回收，采用四轮毂电机驱动并结合兼有电动、发电回馈和电磁制动多功能的电动汽车轮毂电机技术，即可极大地提高汽车在降速制动和下坡时对动能能量的回收，以节能和提高续驶里程。所以轮毂电机的应用将使电动汽车由性能更好的四轮驱动替代两轮驱动。
为满足驱动轮差速要求有采用机械差速和电子差速两种。机械差速是传统汽车普遍采用的方法，其机构庞大而复杂。而电子差速系统EDS是采用电子控制的方式来实现，有诸多优点，它与轮毂电机的应用如同一对比翼鸳鸯，即左右侧驱动轮采用轮毂电机必须通过电子差速来控制，而轮毂电机的应用又使电子差速控制变得很容易。
综上所述汽车采用四轮驱动结合四轮转向将具有诸多优点，尤其对于电动汽车采用轮毂电机驱动来说，与传统汽车相比使汽车实现四轮驱动方式变得很容易。而且结合用直线步进电机控制转向力的汽车转向系统，能更容易地实现全面改善转向性能的四轮转向系统。而现有汽车仅采用四轮驱动或四轮转向的单一方式其结构都相当复杂，而由两者相结合的方式至今还没有，更没有同时采用电子差速转向控制等多项技术相组合的实施方案。虽有报道四轮驱动采用常规二轮转向的电子差速转向控制技术。但随着汽车控制技术发展及其性能要求的提高，特别是电动汽车采用轮毂电机技术的成熟，电动汽车用四轮毂电机驱动实现四轮转向的电子差速转向控制系统技术也将被要求得以解决。并且四轮毂电机驱动实现四轮转向将极大地提高电动汽车的性价比，也能较容易地实施其他各种性能优化措施，以减少交通事故和提高道路通行能力。
三、四轮驱动结合四轮转向的电子差速计算式推导
电子差速系统(EDS,ElectronicDifferentialSystem)是采用电子控制方式来实现内外侧驱动轮差速要求。而其实施首先需要一套正确易算的差速计算公式。通过对四轮驱动4WD与四轮转向4WS相结合的运行机理分析，在此提出仅利用中学的三角函数结合比例法数学工具来推导出其4WD-4WS的逆、同相控制模式的差速计算公式。如图2所示为4WD-4WS逆相控制的差速计算原理图。如图3所示为4WD-4WS同相控制差速计算原理图，图中L为汽车轴距，B为汽车轮距，α、β、α、β分别为前外侧、前内侧、后外侧、后内侧转向轮的偏转角，n为前驱动轮兼外侧转向轮转速，n为前驱动轮兼内侧转向轮转速，n为后驱动轮兼外侧转向轮转速，n为后驱动轮兼内侧转向轮转速。另外，为分析推导需要特引进2个临时借用参量l与r，其含义参见图中所标注的尺寸位置，即l为转弯圆心o到前车轮轴心的车身纵向距离，r为转弯圆心o到内侧车轮中心的车身横向距离。为保证汽车转弯时各车轮只滚动无滑动，要求四个车轮均绕同一个圆心o转动，即每个车轮的轴线交于同一点，因此各车轮转弯的圆弧轨迹分别为如图中所示的虚线，各车轮转弯的圆弧半径分别为R、R、R、R。根据车轮转速应与其转弯的圆弧半径成正比关系，即有n/n=R/R、n/n=R/R、n/n=R/R。若设n为参考标定转速，它与加速踏板指令汽车的车速n一致，也是四只车轮中最高的转速，分析图示几何关系即可获得其它三只车轮转速相对标定转速n的计算式，且经推导后发现逆相控制模式与同相控制模式的差速计算公式完全相同，即其他三只车轮转速n、n、n相对标定转速n的差速计算公式分别为：
从推导过程中还可发现同、逆相控制模式中的两个重要特征：
(1)参考图2所示，在四轮转向逆相控制模式中当前后轮转向角相等（α=α，β=β）时，其转弯半径为最小。并且它与常规的前二轮转向系统2WS相比，在转向轮转向角相同的前提下，其转弯半径可减小一半。这利用比例作图法即可证明，其最小转弯半径时的圆心点位于如图2中的黑点所示，此时l=L/2，并且前后轮的转弯圆弧轨迹重合，即前后圆弧半径相等（R=R、R=R）。所以采用四轮转向4WS系统逆相控制模式时，同时使前后轮偏转角达到最大值可将转弯半径大大缩小，这对低速选位停车，窄道转向行驶都会带来极大方便。但对于现已有的电控液压式或电控电动式两种四轮转向系统由于受其结构限制，其后轮转向角还较难以做大，而采用基于直线步进电机控制转向力的汽车转向系统技术就不会受其限制。
(2)在四轮转向同相控制模式中按图3所示分析，假若使前后轮转向角相同(α=α也β=β)，其四车轮中心到圆心点o的直线变为相互平行，即圆心点o将为无限远，其转弯半径变为无穷大，即圆弧轨迹变为一条直线。所以在实际应用中对四轮转向系统4WS的同相控制模式的后轮偏转角有一限定值，一般不大于5。
四、电子差速转向实施的结构原理
电子差速转向的实施主要是在其相应的微机控制系统ECU中增加一套差速计算程序，并与相应的转向机构配合，根据转向机构中各车轮的偏转角信号、车速信号及控制模式，按前述相应的差速计算公式计算出对各车轮转速的.要求值，输入到各车轮轮毂电机的驱动控制器中作为其速度指令值。按控制精度要求可以是开环或闭环。对于精度要求低的开环系统，几乎不需要增加硬件成本。而对于闭环系统有些传感器也可与轮毂电机控制器及相应转向机构的传感器兼用。如图4所示为电子差速转向实施的结构原理框图。方向盘的转角信号、加速踏板及制动踏板的加减速信号、转向机构中各车轮的偏转角信号以及各车轮轮毂电机的转角信号输入微机控制ECU系统。轮毂电机转子（对于磁阻电机和永磁无刷电机本身就具有转子转角位置传感器）的转角位置信号通过对时间t的微分，即可得到电机的转速信号，再按轮胎直径就可获得各车轮的线速度。根据上述各信号，ECU系统就可按既定的控制策略和差速计算公式由微机内的差速运算器计算出对各车轮速度的要求值n、n、n、n，作为对各车轮轮毂电机的速度指令，送入相应的电机驱动控制器进行调速控制。
对于四轮转向4WS系统控制策略，即是根据车速、转向要求及其特征确定何时应采用逆相控制模式，何时又需采用同相控制模式，并确定后轮转向角与前轮转向角间的比例关系。现已报道的四轮转向4WS系统控制策略主要有转角比-车速控制型、比例于横摆角速度的后轮转向控制型、质心侧偏角为零的后轮转向控制型等，它们是指控制前后车轮的相对转向及其转角比分别按车速、车身横摆角速度、质心侧偏角等稳定性因素要求以一定控制算法而变化的一种控制规律，其控制策略不同所需采用的传感器及其技术要求也不同。由于四轮转向4WS技术还处于发展成熟中，其控制策略的算法理论也有待进一步发展完善。为简单清楚说明起见，在此以目前用得较多也为较简单的转角比-车速控制型为例说明如下：
图5为转角比-车速控制型所采用的前后轮转角比与其车速的控制关系曲线图。它首先划定一个同、逆相控制的界限，一般定为车速35km/h，也就是说在车速低于35km/h时采用逆相控制模式，当车速高于35km/h时采用同相控制模式。根据上述同、逆相控制模式的两个重要特征中已表明同相控制时其转角比还不能较大，一般限定后轮同相转向角不大于5。所以对于通常汽车前轮转角最大值定为：内侧3955′士2，外侧为3500′士2时，其同相转角比定为不大于1/8。而对于逆相转角比为了减小低速转弯半径可适当放大。
参考文献
1 王贵明、王金懿编著.电动汽车及其性能优化[M].北京:机械工业出版社,2010.5
2 余志生主编.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2006.5第四版
3 王贵明、王金懿.兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机:中国,ZL2.5[P]
4 王贵明、王金懿.基于直线电动机控制转向力的汽车转向系统:中国,2.7[P]
汽车转向系统的发展 篇3
汽车转向系统的控制部分近年来发展迅速, 1954年, 凯迪拉克汽车公司首次把液压助力转向应用于汽车上。经过几十年的技术革新后, 又出现了电控液压助力转向系统。1988年, 日本铃木汽车公司首先在其小型轿车Cervo上装备了电控电动助力转向系统 (EPS) 。近几年, 市场上又出现了一些新技术——四轮转向系统及线控转向系统等, 它们主要应用在一些比较高级或新型轿车上。由于技术与价格方面的原因, 这两种转向系统目前还没有得到广泛应用。
一、机械控制液压助力转向系统
1. 系统结构和工作原理
机械控制液压助力转向系统是在机械转向系统的基础上加装一套液压动力辅助装置组成的, 如图1所示。转向油泵安装在发动机上, 由曲轴通过皮带驱动并向外输出液压油。转向油罐由进、出油管接头通过油管分别与转向油泵和转向控制阀相连, 转向控制阀用以改变油路。机械转向器和油缸体形成左、右两个工作腔, 它们分别通过油道与转向控制阀连接。
当汽车直线行驶时, 转向控制阀使转向油泵泵出来的工作液直接进入油罐, 转向油泵处于卸荷状态, 动力转向器不起助力作用。当汽车需要转向时, 驾驶员转动方向盘, 转向控制阀使转向油泵泵出来的工作液向左或右推动活塞, 通过传动机构使左、右前轮向左或右偏转, 从而实现汽车的转向行驶。
2. 系统工作特点
液压助力转向器的工作压力可高达10MPa以上, 其部件尺寸很小。液压系统工作时无噪声, 工作滞后时间短, 而且能吸收来自不平路面的冲击。因此, 液压助力转向器已在各类各级汽车上获得广泛应用, 目前别克系列轿车均采用液压助力转向系统。
二、电子控制液压助力转向系统
电子控制液压助力转向系也靠液压力帮助驾驶员转向, 但其液压泵 (齿轮泵) 是通过电动机驱动的, 与发动机在机械上毫无关系, 其助力效果只与方向盘速度和车辆的行驶速度有关。
1. 系统结构和工作原理
电子控制助力转向系统主要由动力转向器、转向助力传感器、单向阀、车速传感器、转向控制灯、发动机传感器、动力转向ECU、电动液压泵、限压阀、储油罐组成。动力转向ECU接收各传感器传来的信号 (包括方向盘转角变量、车速和发动机转速等) , 据此控制电动机的转速, 改变液压泵的供油量, 从而调整动力转向器中油压和辅助转向力的大小。方向盘转角增量越大或车速越低, 电动机转速越高, 液压泵的供油量也越大。
2. 系统工作特点
根据动力转向ECU提供的供油特性, 在车辆低速行驶时, 系统的助力作用较大, 驾驶员操纵轻便灵活;在车辆高速行驶时, 系统的助力作用减弱, 驾驶员的操纵力增大, 具有明显的路感, 既保证转向操纵的舒适性和灵活性, 又提高了高速行驶的稳定性和安全感。上海大众波罗、欧宝ASTRA轿车和丰田花冠轿车等很多中档车型都是采用这种动力转向系统。
由于利用电动机驱动液压泵进行转向助力, 因此电子控制液压助力转向系统也被称为“混合式”动力转向系统。因为液压泵的供油量主要是由方向盘转角变化量和车速决定的, 其共有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, 并能够获得更加理想的转向助力特性。但是, 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, 电动机直接助力转向系统则更好地解决了这些问题。
1-方向盘2-转向轴3-转向中间轴4-转向油管5-转向油泵6-转向油罐7-转向节臂8-转向横拉杆9-转向摇臂10-整体式转向器 (包括转向控制阀、液压油缸、机械转向器) 11-转向直拉杆12-转向减振器
三、电子控制电动助力转向系统
电子控制电动助力转向系统 (EPS, Electric Power Steering) 最先在日本获得实际应用。1988年, 日本铃木汽车公司开发出一种全新的电子控制电动助力转向系统, 并首先装备在其Cervo小型轿车上, 随后又配备在Alto微型轿车上。此后, 电动助力转向技术得到迅速发展, 其应用范围从微型轿车、小型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的其它汽车公司, 如大发、三菱、本田, 以及美国的Delphi公司、英国的Lucas公司、德国的ZF公司, 也都研制出了各自的EPS。
1. 系统结构和工作原理
电动助力转向系统是电子技术在汽车上的应用, 也是中、小型乘用车动力转向系统的发展方向, 它将会逐渐取代液压助力转向系统。图2为一汽-大众迈腾轿车的电动助力转向系统构成。
当汽车进行转向时, 转向传感器会“感觉”到方向盘的力矩和拟转动的方向, 这些信号会通过数据总线发送给电子控制单元, 电子控制单元会根据转动力矩、拟转动的方向等数据信号, 向电动机控制器发出动作指令, 电动机会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩, 从而产生助力转向。在汽车不转向时, 该系统不工作, 处于“休眠” (Standby) 状态等待调用。
2. 系统工作特点
(1) 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。此外, 可以通过设置不同的转向助力特性来满足不同使用对象的需要。
(2) EPS只有在转向时电动机才提供助力 (不像HPS, 即使在不转向时油泵也一直运转) , 因而能减少燃料消耗。由于直接由电动机提供助力, 电动机由蓄电池供电, 因此EPS能否提供助力与发动机是否起动无关, 即使在发动机熄火或出现故障时, EPS也能提供助力。
(3) EPS取消了油泵、皮带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件等, 其零件数目比液压助力转向系统大大减少, 因而其质量更轻、结构更紧凑, 在安装位置的选择方面也更加容易, 并且能降低噪声。EPS不存在渗油问题, 消除了液压助力系统的液压油泄漏问题, 可大大降低保修成本, 并减少了对环境的污染。
四、四轮转向系统
四轮转向系统 (4WS, Four Wheel Steering) 在20世纪80年代中期开始发展, 其主要作用是提高汽车高速行驶或在侧向风力作用时的操纵稳定性, 改善汽车低速行驶时的操纵轻便性, 以及减小在停车场驻车时的转弯半径。本田Prelude轿车、马自达602轿车以及GM Blazer XT-1概念车都曾应用了四轮转向技术。四轮转向系统除了传统的以前轮为转向轮外, 后面的两个车轮也是转向轮, 所以称为四轮转向系统。
1. 系统结构和工作原理
四轮转向系统有4个主要部件, 即前轮定位传感器、可转向的整体准双曲面后轴、电动机驱动的执行器以及1个控制单元。当按动按钮选定四轮转向 (4WS或4WS挂车) 模式时, 四轮转向系统处于激活状态。
四轮转向系统配备了2个传感器, 其中1个传感器安装在转向柱上, 用以检测方向盘的转向角度;另1个传感器安装在变速器上, 用于提供车速信号。来自这2个传感器的信号都能及时地传递至ECU。
ECU是一个包含2个具有10MHz运行速度及128K内存的微处理器的集成单体, 每只微处理器根据转向及车速传感器的输入信息进行独立运算, 并同时启动系统自检功能, 以确定系统自身功能是否正常。ECU通过比较2个微处理器的计算数据来确定转向系统是否正在正确执行。如果一切正常, 那么ECU将启动后轴转向驱动电机。
在此过程中, 微处理器以0.004s/次的频率持续不断地反复进行转向角度的计算和转向系统故障自检, 一旦四轮转向系统出现异常或传感器出现错误时, 后轴转向执行电机立即自动驱动后轴回正, 同时系统由4WS模式切换至2WS (传统的两前轮转向) 的安全转向模式。即便在转向过程中ECU出现灾难性故障, 后轴转向齿条机构内部的回位弹簧也能够使后轴慢慢回复至中立位置, 并同时使后轴转向电机关闭, 以阻止后轮的转向动作。
根据车速的不同, 系统转向后轴具有三种转向动作, 即异相、中相和同相。车辆低速行驶时, 后轮转弯方向与前轮相反, 这就是异相。车辆中速行驶时, 后轮正直, 即保持中相。车辆高速行驶时, 后轮与前轮转弯方向相同, 即为同相。车辆低速行驶时, 异相拖曳操纵, 尾部跟随车辆的真实轨迹, 比两轮转向更紧密, 这使得在城市交通中的驾驶更容易。在倒车上船板或野营带拖车停车时, 四轮转向系统将使操纵更加容易。在倒拖车时, 异相极大地改进了拖车对转向动作的反应, 更容易使车辆就位。
2. 系统工作特点
四轮转向技术极大地提高了SUV、MPV、大型皮卡和卡车的操纵性及舒适性。
首先, 缩小了车辆低速转向时的转弯半径。在低速转向时, 车辆因前、后轮的反向转向, 能够缩小转弯半径达20%。四轮转向技术使大型车辆具有如同小型车辆的操纵性及泊车敏捷性。
其次, 明显改善了车辆高速行驶的稳定性。当车辆在高速行驶中转向时, 四轮转向系统通过后轮与前轮的同向转向, 有效地降低和消除了车辆侧滑事故的发生几率, 明显改善了车辆的高速行驶稳定性及安全性, 进而缓解了驾驶者在各种路况下 (尤其是风雨天气) 高速驾车的疲劳程度。
第三, 提高了车辆的挂车能力。通过转向后轴对挂车的转向牵引, 四轮转向系统极大地提高了车辆挂车行驶的操纵性、稳定性及安全性。
五、线控转向系统
线控转向系统 (SBW, Steering By Wire) 的研究可以追溯到20世纪60年代末期, 当时德国的Kasselmann等试图将方向盘与转向车轮之间通过导线连接, 但由于当时电子技术和控制技术的制约, 一直无法在实车上实现。到了1990年左右, 世界上各大汽车厂商、研发机构先后开始对SBW进行深入研究。目前, 在一些汽车公司的概念车型上已经安装了SBW系统, 预示着未来汽车的一个发展方向。
1. 系统结构和工作原理
线控转向系统是更新一代的汽车转向系统。线控转向系统与上述各类转向系统的根本区别, 就是取消了方向盘与转向轮之间的机械连接。线控转向系统由方向盘模块、转向执行模块和主控制器ECU等3个主要部分及自动防故障系统、电源等辅助模块组成。
该系统有2个电动机, 即路感电动机和驱动电动机。路感电动机安装在转向柱上, 控制器根据汽车转向工况控制路感电动机产生合适的转矩, 向驾驶员提供模拟路面信息。驱动电动机安装在齿条上, 汽车的转向阻力完全由驱动电动机来克服, 方向盘只是作为转向系统的一个转角信号输入装置。
2. 系统工作特点
线控转向系统能够提高汽车的被动安全性, 有利于汽车设计制造, 并能大大提高汽车的乘坐舒适性。但是, 由于方向盘与转向柱之间无机械连接, 驾驶员的“路感”比较差, 而且电子器件的可靠性难以保证。目前, 线控转向系统仍处于研究阶段, 只配备在一些概念汽车上。
简单介绍一下汽车转向系统 篇4
既然在讨论汽车转向系统，那我就简单介绍一下目前3种转向系统。1.机械转向系统机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源，所有传递力的构件都是机械的，主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。2.动力转向系统动力转向系统是兼用驾驶员体力和发动机（或电动机）的动力作为转向能源的转向系统，并在驾驶员控制下，对转向传动机构或转向器中某一传动件施加辅助作用力，使转向轮偏摆，以实现汽车转向的一系列装置。动力转向系统是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的。主要分为：液压助力转向系统、电动助力转向系统2.1液压助力转向系统（简称HPS，hydraulic power steering）2.1.1常压式液压助力转向系统其特点是无论转向盘处于中立位置还是转向位置，也无论转向盘保持静止还是运动状态，系统工作管路中总是保持高压。2.1.2常流式液压助力转向系统其特点是转向油泵始终处于工作状态，但液压助力系统不工作时，基本处于空转状态。多数汽车都采用常流式液压助力转向系
统。常见车型有：福美来
2、标致307、Mazda6、新宝来、威驰2.2电动助力转向系统电动助力转向（简称EPS，Electrical Power Steering）系统利用直流电动机提供转向动力，辅助驾驶员进行转向操作。电动助力转向系统根据其助力机构的不同可以分为电动液压式（简称EPHS）和电动机直接助力式两种。2.2.1电动液压助力转向系统（简称EHPS，Electro Hydraulic Power Steering）由于液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性，因此在1983年日本Koyo公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统。电动液压助力转向系统的液压泵（齿轮泵）通过电动机驱动，与发动机在机械上毫无关系，助力效果只与转向盘角速度和行驶速度有关，是典型的可变助力转向系统。其特点是由ECU提供供油特性，汽车低速行驶时助力作用大，驾驶员操纵轻便灵活；在高速行驶时转向系统的助力作用减弱，驾驶员的操纵力增大，具有明显的“路感”，既保证转向操纵的舒适性和灵活性，又提高了高速行驶中转向的稳定性和安全感。典型的车子有：福克斯、POLO、别克林荫大道、速腾、Mazda3、卡罗拉2.2.2直接助力式电动转向系统EHPS这种新型的转向系统可以随着车速的升高提供逐渐减小的转向助力，但是结构复杂、造价较高，而且无法克服液压系统自身所具有的许多缺点，是一种介于液压助力转向HPS和电动助力转向EPS之间的过渡产品。到了1988年，日本Suzuki公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统；1990年，日本Honda公司也在运动型轿车NSX上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。直接助力式电动转向系统是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的动力转向系统，可以根据不同的使用工况控制电动机提供不同的辅助动力。2.2.2.1直接助力式电动转向系统的结构和工作原理当转向轴转动时，转矩传感器开始工作，把两段转向轴在扭杆作用下产生的相对转角转变成电信号传给电子控制单元（ECU），ECU根据车速传感器和转矩传感器的信号决定电动机的旋转方向和助力电流的大小，并将指令传递给电动机，通过离合器和减速机构将辅助动力施加到转向系统（转向轴）中，从而完成实时控制的助力转向。此类系统一般由转矩传感器(3)、电控单元（微处理器）(5)、电动机(4)、减速器(2)、机械转向器(1)和蓄电池电源(6)所组成。2.2.2.2直接助力式电动转向系统根据电动机布置位置的不同，直接助力式电动转向系统可以分为转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式三种类型。本田雅阁轿车的前轮载荷较大，优点如下：a、效率可所需要的转向辅助力也大，因此辅助力直接作用在齿条上。
汽车四轮转向系统的控制技术浅谈 篇5
目前, 大多数轿车仍在使用前轮转向, 而前轮转向汽车, 在转向时, 车身都会出现较大的摆尾和侧滑, 严重影响汽车的行驶安全性。这样就促使科研人员对汽车四轮转向的研究, 四轮转向 (4WS) 是指汽车转向时除前轮转向之外, 再附加相应的后轮转向。与前轮转向汽车相比, 四轮转向汽车具有更好的机动性和灵活性;汽车高速行驶时, 能迅速改变车道, 车身不出现较大地摆尾, 能够更容易地控制汽车的姿态[1]。
1 四轮转向系统的控制理论和控制方法的应用
国内对于四轮转向系统的研究主要集中在北京理工大学、吉林大学等高校, 汽车企业基本还没有展开其相关的研究和开发工作。高校由于条件的限制特别是试验条件和试验经费的限制, 多数研究的重点主要是四轮转向控制算法的研究。
四轮转向控制算法的研究差异主要表现在三个方面:
(1) 采用的系统模型不同。大多数四轮转向的研究都是基于只考虑侧偏和横摆两个方向运动的二自由度模型。
(2) 控制策略的不同。目前较常用的控制策略有前馈型、反馈型、反馈控制与前馈控制同时应用三种。
前馈型四轮转向系统 (图1所示) 的后轮转角取决于前轮转角的大小, 而汽车的运动状态靠驾驶员进行反馈控制, 因此这种系统能够修正转向以抵御各种外部干扰。反馈型四轮转向系统 (图2所示) 的后轮转角大小取决于汽车的运行参数, 其特点是响应快, 能有效地减小外界干扰的影响。随着对四轮转向控制技术研究的进一步深化, 现在已有不少四轮转向系统同时采用前馈型和反馈型控制策略进行研究。图中δ为方向盘转角, δf为前轮转角, δr为后轮转角, Tf、K、Tr、C1、C2为参数。
(3) 控制方法采用的不同。随着对四轮转向研究的越来越深入和控制理论的不断发展, 越来越多的控制方法被应用于四轮转向, 从研究四轮转向之初到目前为止可以总结七种:定前、后轮转向比的4WS系统;前、后轮转向比是前轮转角函数的4WS系统;前、后轮转向比是车速函数的4WS系统;具有一阶滞后的4WS系统;具有反相特性的4WS系统;具有最优控制特性的4WS系统;具有自学习、自适应能力的4WS系统。前面介绍的五种4WS系统, 都是采用古典控制理论, 其局限性在于这些系统不能较好地适应汽车本身特性的非线性或随机性变化 (如轮胎侧偏特性的非线性, 前后轮载荷变化的随机性等) , 不能适应车辆———道路系统特性的非线性或随机性变化 (如轮胎—路面附着系数的变化等) 。因此要在这样的条件下实现更为有效的控制, 控制系统应具有自学习、自适应能力, 即随着被控对象的变化而改变控制器的结构或参数, 改变控制规律。通常采用的控制方法有自适应控制、鲁棒控制、H∞控制、L综合控制和基于神经网络的控制等几种控制方法[2]。
四轮转向系统的控制目标是减小侧向加速度与横摆角速度之间的相位差, 以及它们各自的相位;减小汽车质心处的侧偏角;增强汽车行驶时的稳定性;低速行驶时具备良好的机动性;实现所希望的转向特性;抵御汽车参数的变化, 保持所希望的转向特性;在轮胎处于附着极限时, 仍具备良好的响应特性。这些控制目标是相互联系和相互影响的, 四轮转向的各种控制方法分别有其侧重点[3]。随着计算机仿真软件的不断发展, 各种新的控制理论和控制方法不断地应用于四轮转向系统。
2 四轮转向系统研究存在的问题和研究方向
近几年国内学者对四轮转向系统的理论及试验研究虽取得了一定的成果, 但仍然存在很多需要解决的问题:
(1) 一般情况下进行的四轮转向系统的研究都是基于一个简单的二自由度线性车辆模型。这只是一种理想化的数学模型, 在建模时忽略了汽车的一些动力学参数的变化, 没有考虑汽车行驶过程中产生的许多随机的、不确定因素, 因而与实际情况存在较多的差异。
(2) 研究有效的驾驶员模型, 将人的因素考虑到操纵控制中, 更加准确地评价汽车的主动安全性。
(3) 将最先进的控制理论不断应用于控制器的研究中, 由于汽车本身是不确定、非线性模型, 因此有必要发展新的智能控制理论和方法。
(4) 加强实验, 不断验证和调整理论研究的结果。
摘要：四轮转向较前轮转向具有更好的机动性和灵活性, 总结了四轮转向系统的控制理论和控制策略, 指出了四轮转向系统控制研究中存在的问题, 提出了研究方向。
关键词：四轮转向,控制策略,前馈型四轮转向系统,反馈型四轮转向系统
参考文献
[1]汪东明.四轮转向汽车的转向特性及控制技术[J].现代机械, 2003, 6.
[2]殷国栋等.四轮转向控制技术的理论及应用研究[J].山东交通学院学报, 2008, 2.
汽车转向技术发展 篇6
1汽车四轮转向系统结构及工作原理分析
4WS系统在汽车四轮转向系统中得到了广泛应用, 4WS系统是日本NISSAN公司研制的, 在对四轮控制中, 发挥了重要作用。4WS系统的可靠性较高, 并且工作压力大、系统较为可靠, 有效地满足了汽车四轮转向系统的应用需要。
1.1 4WS系统组成
4WS系统是基于汽车电子控制技术发展到一定阶段的产物, 其采用了电子控制技术和电机助力技术。4WS应用于四轮转向控制当中, 结构相对独立, 在前后轮转向系统当中, 并不存在机械连接, 保证系统在工作中, 能够具有较强的性能水平。4WS系统由转向机构、传感器、ECU、电动机、减速器等部分组成。电子控制技术在后轮转向中得到应用, 可以完成汽车转向操作, 满足汽车行驶需要。
1.2 4WS系统工作原理
从上文中4WS系统的组成部分来看, 4WS系统发挥功能, 需要借助于电子控制技术, 并且对传感器进行应用, 获取转向信息, 利用ECU分析计算, 之后将相关命令传递给电动机, 电动机对信号进行执行, 以完成转向操作。在这一过程中, ECU和传感器之间进行联动, 可以对汽车状况进行有效监测, 保证汽车转向时, 转向角能够符合要求。4WS系统在转向控制过程中, 主要有两种转向模式, 一种是4WS状态, 即车主根据4WS系统反馈的信息, 对转向过程中存在的危险进行规避, 保证转向安全;另一种是在系统出现故障后, 系统处于2WS状态, 通过对后轮自动转向装置进行控制, 完成转向需要。无论是4WS还是2WS转向, 都需要借助于传感器和ECU之间的联动, 保证对汽车行驶状况进行把握, 以保证汽车转向具有较高的安全性和可靠性。
2基于汽车电子控制技术的四轮转向系统分析
4WS系统在汽车四轮转向系统中的应用, 采用了步进电动机作为转向系统的执行元件, 具有较高的动态响应效果, 能够提升转向的灵敏性, 保证驾驶员转向操作具有较高的稳定性和安全性。4WS系统在应用时, 需要对结果框架以及系统内部设计进行把握, 保证系统具有较强的刚性功能, 能够更好地满足汽车行业发展需要。
2.1结构框架
四轮转向系统在设计过程中, 关键点在于把握其结构设计, 能够从整体角度出发, 对各个局部进行有效地分析, 以保证4WS汽车电控系统功能和作用得以发挥。4WS系统中, 传感器以及控制ECU是系统功能得以发挥的关键, 在设计过程中, 需要选择性能较好的单片机, 并且保证指示灯设计合理, 能够为汽车驾驶员提供预警, 避免转向过程中出现危险。关于4WS系统的结构框架, 我们可以从图1中看出。
4WS系统设计需要兼顾4WS模式和2WS模式, 保证两种模式在系统应用过程中发挥应有的功能和作用, 保证4WS系统具有较高的稳定性。在进行控制核心选择时, 利用80C196KB单片机, 可以保证系统性能, 对获取的信号信息进行有效处置, 保证系统功能稳定发挥。
2.2系统设计
如图2, 在进行系统设计过程中, 需要考虑到微处理器的设计、电路设计两个方面内容, 这两个方面设计合理性, 直接影响到了四轮转向系统的功能。
2.2.1微处理器设计
微处理器是四轮转向系统中的重要组成部分, 在利用4WS系统过程中, 微处理器性能需要得以保证。微处理器是ECU的核心部门, 对大部分输入信号进行处理, 工作量较大。微处理器的性能, 直接影响到了信号处理效率和质量, 对于4WS系统功能有着十分重要的影响。在进行设计过程中, 其采取A/D或是D/A的转换模式, 能够保证信号进行有效传输。同时, 在CPU选择时, 可以应用80C196KB单片机, 这种单片机具有较好的处理性能。
2.2.2电路设计
电路设计过程中, 需要考虑到信号有效调理, 能够保证电路符合系统处理信息需要。4WS系统电路设计以ECU设计为主, ECU是输入信号调理电路的重要组成部分, 主要由运算放大器LM2902和外围阻容元件构成低通滤波器。为了保证电路运行的稳定性, 利用电极管D1和D2进行过载保护, 当元器件中电流或是电压过大, 对电路产生破坏后, 可以对故障问题进行较好的解决。同时, 电路设计时, 需要保证A/D转换器能够对干扰信号进行处理, 并通过利用滤波电容, 对高频干扰问题进行有效解决。同时, 在进行电路设计过程中, 需要加强电路与其他系统结构之间的联系, 尤其考虑到电路设计与微处理器选择之间的关系, 保证CPU和ECU之间发挥联动作用, 保证4WS系统具有较强的功能。
2.2.3抗干扰设计
4WS系统在四轮转向系统中应用, 干扰设计问题必须予以考虑。系统工作时, 由于受到电源波动以及电磁辐射的影响, 可能导致信号传输出现混乱的情况, 进而影响到程序正常运转, 导致程序出现失控。在这一过程中, 为了保证程序运行的稳定性和可靠性, 可以利用多级滤波技术对抗电源波动干扰, 降低外部电磁辐射的影响, 从而保证数据信息更加有效的获取。
3结束语
4WS系统在汽车四轮转动系统中应用, 实现了电子控制技术的有效利用, 保证在转向操作时, 为驾驶员提供较好的指导, 在遇到危险时, 能够对驾驶员进行预警, 避免驾驶员错误操作, 给汽车和自身带来危险。因此, 汽车行业在发展过程中, 要注重对电子控制技术进行应用, 使其能够对四轮转向系统进行完善, 提升转向系统的性能水平, 使其更加稳定、可靠。
摘要：汽车行业的快速发展, 要求其技术手段必须不断创新, 才能够满足人们的需要, 获得长足的发展和进步。现代化汽车更加注重智能化、自动化发展, 四轮转向系统应用电子控制技术后, 具有较强的智能化水平, 从而保证驾驶过程中, 能够对汽车进行较好的控制。
关键词：汽车电子控制技术,四轮转向系统,4WS系统
参考文献
[1]王贵明, 王金懿.四轮驱动四轮转向的汽车电子差速转向控制[J].变频器世界, 2011 (02) :48-51.
汽车转向系及其检测 篇7
随着世界各先进工业国家经济的不断发展, 城市运输车辆大幅度增加。我国2000年的汽车保有量达到了2000万辆, 2006年达5000万辆, 2007年达8000万辆。然而随之而来的交通事故与车辆技术的关键部位——转向系统有着密不可分的联系。这些关键部位如出现故障常常会造成行车事故。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, 也是决定汽车主动安全性的关键总成, 如何检测汽车的转向特性, 保持汽车具备较好的操纵性能, 始终是汽车检测技术当中的一个重要课题。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, 汽车转向系的检测技术显得尤为重要。
汽车转向系
汽车上用来改变或恢复其行驶方向的专设机构称为汽车转向系统。
1. 转向系统的基本组成装配
我们主要是通过转向盘和汽车实现交流, 除了驾驶室裸露的一部分转向管柱外, 在仪表盘下面, 一直延伸到汽车前桥, 还有转向系统的主要执行机构:
(1) 转向操纵机构主要由转向盘、转向轴、转向管柱等组成。
(2) 转向器将转向盘的转动变为转向摇臂的摆动或齿条轴的直线往复运动, 并对转向操纵力进行放大的机构。转向器一般固定在汽车车架或车身上, 转向操纵力通过转向器后一般还会改变传动方向。
(3) 转向传动机构将转向器输出的力和运动传给车轮 (转向节) , 并使左右车轮按一定关系进行偏转的机构。
2. 转向系统的类型及工作原理
按转向动力源的不同, 转向系统可分为机械转向系统和动力转向系统两大类。
(1) 机械转向系统以驾驶员的体力 (手力) 作为转向能源的转向系统, 其中所有传力件都是机械的。图1是一种机械式转向系统。
1.转向节2.转向节臂3.转向横拉杆4.转向减振器5.机械转向器6.安全转向轴7.转向盘8.转向轮
(2) 动力转向系统兼用驾驶员体力和发动机 (或电动机) 的动力为转向动力的转向系统, 它是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的。图2为一种液压式动力转向系统示意图。
1.转向节臂2.转向横拉杆3.转向摇臂4.整体式转向器5.转向直拉杆6.转向减振器7.转向油罐8.转向油泵9.转向油管10.转向中间轴11.转向轴12.方向盘
3.对转向系统的要求
(1) 要求工作可靠, 操纵轻便。
(2) 转向机构还应能减小地面传到转向盘上的冲击, 并保持适当的“路感”。
(3) 当汽车发生碰撞时, 转向装置应能减轻或避免对驾驶员的伤害。
转向系故障分析
1.机械转向系故障分析
(1) 转向沉重产生原因转向器主、从动轴轴承装配过紧;转向器啮合传动副啮合过紧或润滑不当;横、纵拉杆球头销装配过紧或接头处缺油;转向节主销与衬套配合过紧或缺油;转向盘轴或套管弯曲, 相互摩擦或卡住, 转向器传动轴十字轴承咬死;转向装置和前轮定位特别是前束调整不当或前轮胎气压不足, 前桥或车架弯曲变形。
(2) 单边转向不足的产生原因转向垂臂在转向垂臂轴上位置装配不当或直拉杆弯曲变形;有一边前轮转向角限位螺钉过长;前钢板弹簧骑马螺栓松动或中心螺栓折断。
2. 动力转向系的常见故障
动力转向系实际上是在机械转向器上加装一套液压助力器。转向系的故障前已叙述, 这里动力转向系的故障往往是指液压传动部分的泄漏、渗进空气、液压泵工作不良、操纵失效等引起的转向沉重、跑偏和噪声。
(1) 转向沉重动力转向的汽车如突然感到转向沉重甚至转不动, 应从下列原因检查:油箱油量不足、滤油器堵塞、油路中有空气、液压泵磨损导致内部泄漏严重、驱动皮带打滑、安全阀泄漏、弹簧太软、液压缸或分配阀密封圈损坏、各油管接头泄漏等。
(2) 直线行驶发飘、跑偏或左右转向轻重不均这种故障首先检查油液是否脏污, 油液脏污会使滑阀运动受到阻滞或左右移动时阻力不一致。其次是分配阀回位弹簧太软, 难以克服阻力回位所致。当调整螺母调整不当时, 也会使滑阀与阀体台肩的缝隙不一致, 或者动力缸两腔压力差过大。
(3) 动力转向系统出现噪声动力转向系统经常会出现工作噪声, 此故障往往是液压系统油路缺油或渗入空气过多造成液压泵工作时走空穴而产生噪声。当液压泵机件损坏时, 也会产生不正常摩擦声和撞击声。
汽车转向系检测
转向系是汽车底盘的主要组成部分之一, 其技术状况主要是指转向盘的转向力和自由转动量, 其好坏直接影响汽车操作稳定性和高速行驶的安全性。也就是开车时转向盘是否打摆、自由转动量是否太大和高速行驶时是否跑偏等现象。利用仪器设备对这两个参数进行检测, 从而确切地判断转向系的技术状况是否合格。现在, 大部分汽车安全检测站将此项工作的检测移至外观工位, 只凭外观检验员的经验进行检测, 并且不检测转向盘的转向力, 带有一定的盲目性, 建议应向仪器设备方面检测过渡。而汽车综合性检测站在检测线上普遍使用转向参数测量仪, 并对这两个指标进行检测。
1.转向盘转向力的检测
如果一辆车的转向盘使用起来比较轻便, 能够明显减少驾驶员的疲劳程度, 那么, 转向盘的转向轻便性如何进行评价呢?我们可用作用在转向盘上外缘的最大切向力即转向力来表示。使用转向参数测量仪可检测其相应的技术状况。
转向参数测量仪如图3所示。其基本组成有操纵盘、主机箱、联接和定位杆四部分。此转向参数测量仪适用于汽车、拖拉机、工程机械及其他轮式车辆的转向性能试验。可以测量方向盘的自由转角、原地转向力、方向盘转矩、转角等值, 具有联网功能, 可与主控计算机和其他检测设备一起构成智能化检测线。整机电路设计采用单片机以及A/D转换集成电路作为测试数据处理单元, 高亮度数码管作为测试数据显示器件, 具有测试数据精确、显示直观、性能稳定等特点。在测试中自动存储本次测试过程中的转矩和转角的最大值以及当时相应的转角值和转矩值。用户也可以在测试过程中将当前的测试值实时地存储起来。
通常, 将转向参数测量仪安装在转向盘上面, 并对准转向盘的中心, 使操作盘固定在转向盘上, 同时操纵盘又固定在底板上, 通过底板上的力矩传感器与联接相连。主机箱也固定在底板上, 内有微机和打印机等。此外, 定位杆的主要作用是从底板下伸出, 经磁力座吸附在驾驶室内的仪表盘上, 主要起零点定位作用。
其工作原理比较简单, 当转动操纵盘时, 一方面带动汽车转向, 另一方面力矩传感器将转向力矩转变成电信号, 而定位杆内的光电装置将转角的变化也转变成电信号, 这两种模似电信号通过放大滤波电路和模数转换器送入到微机, 即可测得转向力、转向盘转角和转向盘自由转动量的大小。
一般的检测方法有三种, 即原地转向力试验、低速大转角转向力试验和弯道转向力试验。不过, 在综检站通常采用原地转向力试验的方法来检测其转向力。
2. 转向盘自由转动量的检测
当汽车保持直线行驶位置不动时, 可以向左或向右轻轻转动转向盘时, 发现汽车的转向轮并没有动, 我们把转向盘的这个游动角度称为自由转动量, 也就是说在转动转向盘时的自由量。在用转向参数测量仪检测时, 先定好零点, 然后从中间位置向左转动到车轮似动非动时, 记下测量值;再回到中间位置, 然后向右转动到车轮似动非动时, 记下测量值。取两次测量结果的最大值作为其自由转动量, 并与国家标准G B7258—1997《机动车过行安全技术条件》中的有关规定进行对比, 从而判断其是否合格。
国家标准G B7258—1997《机动车运行安全技术条件》中的有关转向力的要求如下:机动车在平坦、硬实、干燥和清洁的水泥或沥青道路上行驶, 以10km/h的速度在5s之内沿螺旋线从直线行驶过渡到直径为24m的圆周行驶, 施加于转向盘外缘的最大切向力不得大于245N。
转向盘自由转动量对最大自由转动量从中间位置向左或向右转角根据情况有所不同:
(1) 最大设计车速不小于100k m/h的机动车10°。
(2) 最大设计车速小于100k m/h的机动车 (三轮农用运输车除外) 15°。
(3) 三轮农用运输车22.5°。在安检线上, 一般只凭外观检验员的经验进行检测, 通常的方法是:右手握住转向盘的中间位置, 向左或向右转动转向盘, 从而判断其自由转动量的大小。
当自由转动量超过规定值时, 一定要引起注意, 最好进行修理, 查出隐患, 消除故障, 确保行车安全。
结论
汽车电控助力转向系统 篇8
汽车在行驶过程中,需要按照驾驶员的意志经常改变其行驶方向,驾驶员通过一套专设的机构使汽车转向桥上的车轮相对于汽车纵轴线偏转一定的角度,在汽车直线行驶过程中,转向轮也往往会受到路面侧向干扰力的作用,自动偏转而改变行驶方向,这套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构,称为汽车转向系统。汽车动力转向系统是兼用驾驶员体力和发动机(或电动机)的动力作为转向能源的转向系统,在正常情况下,汽车转向所需要的能量只有一小部分由驾驶员提供,而大部分能量由发动机(或电动机)通过转向加力装置提供,但是在转向加力装置失效时,一般还应当由驾驶员独立承担汽车转向任务。因此动力转向系统是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置形成的。
2 电控助力转向系统
电控助力转向系统是一种新型的汽车转向系统,具有以往任何助力转向系统所不具备的助力效果和车速感应能力,基本结构类型有EPS(Electric Power Steering)和EHPS(Electric Hydraulic Power Steering System)两种类型[1]。在操纵汽车转向时,控制单元根据扭矩传感器采集的扭矩信号、车速传感器采集的车速信号和一定助力特性规律,控制电动机电流的幅值和方向或者电液泵提供的液压力,从而形成适当的转向助力,电动机输出的扭矩或者电液泵提供的液压力由减速机构放大,通过万向节、转向机构中传送装置把输出扭矩传送到齿条,从而向转向提供助力扭矩。
3 电液助力转向系统EHPS
EHPS是在液压助力转向系统HPS(Hydraulic Power Steering)的基础上发展而来的,通用汽车公司于1953年首次使用了HPS系统,HPS系统给汽车的驾驶控制性能带来了巨大的变化:驾驶室变得宽敞,座椅布置也更舒适;HPS系统不仅降低了转向操纵力,也使转向系统更为灵敏。这一技术的进一步发展,使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。20世纪80年代后期,又出现了变减速比的HPS系统,随即变减速比的HPS系统几乎成为发达国家所销售的轿车的标准设备[2]。图1所示为HPS系统。
在接下来的数年内,动力转向系统的技术革新差不多都是基于液压转向系统,比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统(Variable Displacement Power Steering Pump)和电动液压助力转向(Electric Hydraulic Power Steering,简称EHPS)系统。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下,泵的流量会相应减少,从而有利于减少不必要的功耗。EHPS系统采用电动机驱动转向泵,由于电机的转速可调、可以即时关闭,所以也能够起到降低功率消耗的功效。图2和图3分别为EHPS系统的工作原理和结构原理图。
整套电动液压式动力转向系统主要由机械装置(转向伺服阀、电液油泵及其管路)和电气装置(控制器、传感器、电磁阀等)两部分组成。控制器根据转向角速度和来自CAN总线的车辆行驶速度发出信号驱动齿轮泵,通过控制齿轮泵的泵油量来达到控制助力转向传动装置的目的。
转向泵和内燃发动机独立,电液转向泵的转速根据需求特殊设定并受控于车速和转向角速度两个参数。相比HPS耗油量占整车耗油量的3%的情况,EHPS系统节能>75%,其中待机控制模式下耗油量2.0%,停止和前进控制模式下耗油量1.0%。
EHPS系统虽然对于HPS系统作了革新措施,但是并没有根除液压动力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面的缺陷。同时存在着液压油的渗漏,零部件增加后管路设计复杂,不便于安装维修和检测,同时成本也有大幅增加。
4 电动助力转向系统EPS
电动助力转向系统是在传统机械转向机构基础上,增加信号传感器装置、电子控制装置和转向助力机构等构成的。电动助力转向系统的功能着眼点是使用电力驱动执行机构实现在不同的驾驶条件下为驾驶人员提供适宜的辅助力。
EPS系统主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元(ECU)等组成[3]。通过传感器探测司机在转向操作时方向盘产生的扭矩或转角的大小和方向,并将所需信息转化成数字信号输入ECU,ECU对这些信号进行运算后得到与行驶工况相适应的力矩,并发出指令驱动电动机工作,电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力。
目前EPS系统按照电动机布置位置的不同主要分为以下3种结构类型。
4.1 转向轴助力式C-EPS
转向助力式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,直接驱动转向轴转向[4]。其转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构组成一体,安装在转向柱上。其特点是结构紧凑,所测取的转矩信号与控制直流电机助力的响应性较好。这种类型一般在轿车上使用。图4所示为C-EPS系统结构原理。
C-EPS系统的优点是结构小巧、价格较低、工作环境好、不需要耐热耐水性能;缺点是电机输出力矩的波动容易传递到方向盘上,如果电动机安装位置离驾驶员很近,必须考虑对电动机的噪声进行抑制。
4.2 齿轮助力式P-EPS
齿轮助力式EPS系统的电动机和减速机构与小齿轮相连,直接驱动齿轮转向。齿轮助力式转向系统的转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构仍为一体,只要整体安装在转向齿轮处,直接给齿轮助力,可获得较大的转向力[5]。该类型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。P-EPS系统的结构原理如图5所示。
与C-EPS相比,P-EPS系统优点是具有可以提供较大的转向力,可以在现有的机械转向器上直接设计,而不用更改转向轴结构,多用于中型车;缺点是在助力控制特性方面比较复杂。
4.3 齿条助力式R-EPS
齿条助力式EPS系统的电动机和减速机构安装在齿条处,直接驱动齿条提供助力,其中扭矩传感器单独地安装在小齿轮处,电动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。R-EPS的结构原理如图6所示。
该类型又根据减速传动机构的不同可分为两种类型:一种是电动机做成中空的,齿条从中穿过,电动机提供的辅助力经一对斜齿轮和螺杆螺母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,由于电动机位于齿条壳体内,结构复杂、价格比较高、维修也相当困难。另一种是电动机与齿条的壳体相互独立。电动机动力经另一小齿轮传给齿条,由于易于制造和维修,成本较低,已经取代了第一代产品。因此,齿条由一个独立的齿轮驱动,可给系统较大的助力,主要用于重型汽车。
R-EPS的优点是结构紧凑,不受安装位置的限制,可以提供较大的助力力矩,电机的力矩波动不易传递到方向盘上;缺点是该类型结构复杂、价格昂贵、工作环境差、密封要求性好、电动机的输出力矩比较大,某个零部件出现故障,必须拆下整个转向齿条部件,维修不便,而且对于原有的转向机构有较大改变。
4.4 双齿轮式DP-EPS
这种结构类型的EPS是方向盘轴通过齿轮直接和齿条相连,电机通过减速器经过另外的齿轮与齿条咬合[6]。双齿轮式DP-EPS的结构原理如图7所示。
相比HPS、EHPS、EPS这三种类型结构,这种结构类型更加简洁,整个系统由电动机、离合器(包括左、右两个)、转矩传感器和控制单元三部分构成。转矩约束装置保护驱动部件免受路面冲击,动力传输装置由左、右两个离合器组成,且每次转向只有一个工作。转矩传感器和控制单元将方向盘的转向和力矩转换为电信号,经放大后驱动电动机。方向盘的旋转方向分别对应着左、右离合器,在离合器的作用下,不论方向盘转向如何,电动机只朝着一个方向旋转。整个系统非常简单,效率非常高。
这种结构的EPS系统应用于重型车具有特殊的优势,由于技术和成本多方面的原因,目前仅有少量的研发样品,还没有大规模应用的报道。
由于EPS和EHPS系统的关键零部件有不少通用性,因此接下来以EPS系统的关键零部件为对象进行分析。
5 EPS系统关键零部件及性能分析
根据不同汽车转向系统的结构形式和总体布置,EPS系统各部件的配置与结构必须与汽车的设计相适应,常见的系统配置有以下几种形式。
(1)扭矩传感器与传动齿轮是分开的,电动机和减速机构合为一体,安装在传动齿轮相对的齿条箱上,电动机的驱动力直接传给齿条轴,控制件安装在司机助手侧的仪表盘背板上。
(2)扭矩传感器、电动机和减速机构制成一个整体,安装在转向柱上,电磁离合器装在电动机的输出端旁,控制件装在司机座位下。
(3)扭矩传感器、电动机、减速机与离合器仍是制成一个整体,用以驱动传动轴,控制元件装在助手坐席处的机罩上。
5.1 扭矩传感器
扭矩传感器的功能是测量驾驶员作用在方向盘上的力矩大小和方向盘转角的大小和方向。扭矩传感器分接触式和非接触式两种[7]。
接触式扭矩传感器有摇臂式、双行星齿轮式和扭杆式。接触式扭矩传感器成本较低,但受温度与磨损影响易发生漂移,使用寿命较低,需要对制造精度和扭杆刚度进行折中,难以实现绝对转角和角速度的测量。摇臂式扭矩传感器是通过一个小齿轮轴产生的反作用力推动摇臂,根据摇臂的摆动量来监测转向扭矩;双行星齿轮扭矩传感器通过一对行星齿轮运动的位移量来监测转向扭矩,同时这对行星齿轮兼起减速和增扭作用;扭杆式扭矩传感器通过输入轴和输出轴与扭杆之间的相对变化量来监测转向扭矩。图8所示为扭杆式扭矩传感器的结构原理。
非接触式扭矩传感器有光电式和磁电式。非接触式的测量精度高、抗干扰能力强、刚度相对较高、易实现绝对转角和角速度的测量,但成本较高。
由于EPS的助力力矩控制主要取决于扭矩信号和车速信号,因此对扭矩传感器要求高。扭矩传感器类型的选取应根据EPS的性能要求进行综合考虑。
5.2 车速传感器
车速传感器用于检测车轮转速的大小,并把车轮的运动状态转变为电信号送入电子控制单元[8]。通常采用的车速传感器是一种霍尔式转速传感器,它由霍尔开关集成传感器和磁性转盘组成,其工作原理与结构如图9所示。
考虑到整车集成度以及降低成本,在实际应用中,不单独设置车速传感器,而是取自于ABS系统所采集的车速信号,并通过CAN总线方式与EPS系统进行通讯。
5.3 电动机
电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助力矩,是EPS的动力源。电动机的性能直接影响EPS系统的性能,电动机型式的选择不仅要考虑助力机构的减速比、前轴载荷、蓄电池电压,而且还必须考虑其噪声和振动对驾驶员的影响、转动惯量对EPS系统响应的影响。
1.输入轴2.磁性转盘3.小磁铁4.霍尔传感器
电动机是电动助力转向系统的关键部件之一,担负着系统控制指令执行功能。伺服电动机的选择直接关系到系统的调节品质和控制效果。
根据电动机在助力转向系统中的作用和特点,系统对它的性能提出了下列要求:
(1)尽可能高的响应频率,亦即尽可能减小转子的转动惯量,增大转矩-惯量比;
(2)良好的低速平稳性;
(3)尽可能宽的调速范围;
(4)机械特性的硬度的数值尽可能大;
(5)换向器和电刷间的接触火花尽可能小,以减小伺服噪声;
(6)过载能力强。
考虑到汽车电控系统的电源、控制特性、效率、转矩脉动、制造成本等方面的因素,所设计的系统电机考虑采用永磁无刷直流电机,参考表1。
5.4 减速机构
减速机构的作用是降低电动机的输出轴的转速,从而将电动机输出轴的输出转矩放大后作用于转向输出轴。减速机构主要有两种形式:双行星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构。
双行星齿轮减速机构采用了双行星齿轮和传动齿轮驱动组合式。因为是多级减速,可提供较大的助力扭矩。为了降低噪声和提高使用寿命,减速机构部分采用树脂材料齿轮。双行星齿轮减速机构因为可提供较大的助力,通常用在小齿轮助力式和齿条助力式系统。
蜗轮蜗杆减速机构简单,体积小,噪声低,成本较双行星齿轮减速机构低。其提供的助力虽不及蜗轮蜗杆减速机构,但已能满足轿车的助力要求,因此,蜗轮蜗杆减速机构通常用在转向柱助力式的轿车转向系统中。
在实际应用中,为了降低EPS系统噪声和提高其使用寿命,减速机构采用树脂材料齿轮。
5.5 电磁离合器
电磁离合器安装在电动机和减速机构之间,作用是使电动机和减速机构快速的结合和分离,即当低速转向时,电子控制单元输出控制信号使离合器吸合,从而将电动机的输出扭矩通过离合器传递到减速机构上。而当车速超过预置车速时,电子控制单元输出控制信号使离合器断开,离合器失去励磁电流而分离。此外,电动机出现故障时,离合器分离,使电动机和减速机构脱开,转向系统便从电动助力方式切换为机械转向方式,保证了系统的安全。
对电磁离合器的性能不仅要求其满足稳定可靠地结合和分离,较好地实现扭矩的传递,还要有较高的响应速度。EPS系统中多采用单片式电磁离合器,当电流通过滑环进入电磁离合器线圈时,主动轮产生电磁吸力,带花键的压板被吸引与主动轮压紧,于是电动机的动力经过轴、主动轮、压板、花键、从动轴传递给执行机构。
5.6 电子控制单元ECU
电子控制单元(ECU)是EPS系统的控制核心,由微电脑、A/D变换器、I/O装置等组成。其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,从而实现EPS系统的助力转向特性。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,发电机电压,发动机工况等信号判断系统工作状态是否正常,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。图10所示为助力转向系统ECU的组成结构框图。
EPS系统的电子控制单元包括控制系统硬件和控制算法,在设计电子控制单元时要考虑两方面:一是控制系统应有强抗干扰能力,以适应汽车多变的行驶环境;二是控制算法应快速正确,满足实时控制的要求,并能有效地实现理想的助力规律与特性。
6 EPS系统的数学模型
由于系统是多变量、强耦合的非线性系统,同时系统存在未建模动态以及外部的干扰和参数的变化等未知因素,因此建立适合于实际控制的EPS数学模型是控制设计的基础。根据物理模型,可得到EPS系统的三自由度动态数学模型。根据牛顿运动定理,简化该非线性系统的转向轴、齿条轴、电机的线性运动方程如下所示[10]:
式中:Td为转向盘转矩;x、m和b分别为齿条的位移量、质量和阻尼系数;θs、Js、Ks、bs分别为转向轴的旋转角、转动惯量、刚性系数、阻尼系数;rs为齿轮半径;θm、Jm、Km、bm分别为电机的旋转角、转动惯量、刚性系数及阻尼系数;G为电机至齿轮轴的减速比;FTR为轮胎转向阻力及回正力矩等作用于齿条上的转向阻力[11]。
式(1)为转向轴的动态方程。其中θs为转向盘转过的角度,为齿轮转过的角度,为转向传感器的输出,表现为测量到的转向盘转矩信号,Td为转向盘的转矩。式(2)为齿条轴的动态方程。其中分别为转向轴力与助力电机经减速机构后引起的齿条位移,式(3)为电机的动态方程。其中为电机的输出转矩,Tm为电机的给定电磁转矩。值的大小决定于电机的给定电流大小。
7 EPS的故障保护功能
EPS系统对安全性能要求很高,系统在实际运行中不可避免的会出现一些问题,这些问题可能直接导致事故的发生。因此设计时需要建立故障保护模块,使驾驶员能够第一时间了解所出现的故障以便及时排除。在进行系统设计时需要考虑的故障保护因素有以下几点。
(1)机械设计的强度、精度。机械传动机构如齿轮齿条机构的输入/输出轴,丝杠和转向机构,必须保证高强度以及精密配合。
(2)电子器件的额定值以及使用寿命。如MOSFET管的功率和电机必须按标准选择以保证高安全性。同时考虑车内的恶劣工作环境,要求其有足够的使用寿命。
(3)误操作处理能力。如果发生对EPS系统误操作,控制系统必须考虑到足够自控性能。
(4)信号故障。保障采集信号的正确性,即使采集不到信号,系统也应有能够避免事故发生的设计。
(5)EPS失效时的手动操作。当EPS系统失效时,应立即由电动转向转换为手动转向操作。
(6)故障显示。任何一部分出现故障时,显示屏应能将对应故障代码显示出来。
引起系统故障的因素主要有以下几个:
(1)电源(即车载电池)的电压,如果电压低于指定值,就无法得到所需的电机转矩Tm;
(2)电机电枢电流,如果电枢电流过大,则会烧毁ECU中的电子器件;
(3)方向盘转矩转角等信号。
8 总结
电控助力转向系统作为一项高新技术产品,是近年来国内外汽车界研究开发的热点。它涉及到汽车力学、轮胎力学、电机控制技术、电力电子技术、传感器技术、计算机技术和现代控制理论等诸多技术领域,因此对它的研究将是一项长期而艰巨的任务。
摘要：介绍了汽车电控助力转向系统的基本情况和主要的特点,分析论述了该系统目前的国内外研究状况,并且讨论了该系统的数学模型和错误诊断方式。
关键词：电控助力,控制策略,转向系统
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汽车前轮电子转向系统研究 篇9
在汽车行驶过程中, 根据不同的路况经常要改变行驶方向, 驾驶员通过对方向盘的操纵来控制汽车的转向, 让汽车能够按照其意愿进行相关的动作。汽车转向系统的主要作用是让汽车在行驶过程中根据驾驶员的想法来实现车辆的转向控制, 同时把汽车行驶过程中的路面信息汇报给驾驶员, 让驾驶员及时了解路面信息, 更好地应付由于路面不整等突发情况, 使汽车能够更安全地行驶在路面上。因此, 转向系统在车辆的构造中十分必要, 其好坏直接影响车辆的行驶质量。
2 汽车转向系统的发展概况
2.1 传统的机械式转向系统
汽车的发展来源于马车和自行车的构想, 所以汽车诞生初期的转向机构类似于马车的转向机构, 通过一个手柄让前轮实现转向过程。随着汽车的不断发展, 既费力又不安全的转向方式慢慢被淘汰。1820年, 德国人阿克曼发明了传统的机械式转向系统, 不仅能够提高汽车的行驶速度, 而且能够保证汽车转向操作的效率。
2.2 液压转向系统
尽管机械式转向系统取得了一定的成绩, 但是随着汽车负重量越来越大, 驾驶员需要一种更加有效、安全的转向系统。1955年, 凯迪拉克汽车公司首次把液压转向系统运用到汽车上。自此, 液压转向系统在汽车上应用越来越普及, 该系统通过液压的推动力支持系统中机械转向机构的转向运动, 进而满足驾驶员在行驶过程中的需求。
2.3 电液推动的转向系统
随着科学技术的不断发展, 电子技术越来越多地被应用在汽车上, 在这种情况下, 电液推动的转向系统出现在汽车转向系统中。电液推动的转向系统可分为2类, 一类是电动液压推动转向系统, 另一类是电子控制液压转向系统。电动液压推动系统是在原有液压推动力系统的基础上发展起来的, 区别在于推动转向机构转向的动力 (由发动机改成了电机) ;而电子控制液压系统则是在原有的系统上加入了电子控制装置, 可以根据车辆行驶情况、速度等来实现转向操作。
2.4 电子转向系统
电子转向系统是依托电子信息技术而发展起来的一种全新的转向系统, 它通过电线传输的信号来控制汽车的转向机构, 实现转向操作。
3 电子转向系统的特点
汽车前轮的电子转向系统作为一种新型的转向系统, 摒弃了传统转向系统中方向盘和转向车轮之间的机械式连接, 通过电线传输信号来控制, 同时系统中的信号控制单元接受驾驶员发出的操作指令, 控制转向车轮转向对应的角度。
汽车电子转向系统的特点如下:
(1) 能够让汽车的整体设计变得更简单。由于电子转向系统没有机械的连接, 因此可以让发动机能够拥有一个更宽敞的空间, 使汽车的布置更具灵活性, 更大程度地保证驾驶员的安全。
(2) 提高汽车的操作性能和安全系数。电子系统可以实现转向系统中转动的任意设置, 可以通过软件设计让转动满足不同的行驶情况和不同驾驶员驾驶的习惯, 同时还可以根据汽车方向盘的角度和汽车行驶速度对转向的性能做出适当的调整, 让汽车在行驶过程中保持很好的操作性, 最大程度地减轻驾驶员的负担。
(3) 提高转向系统的反应速度。由于电子转向系统减少了从执行机构到汽车车轮之间的传输过程, 让转向系统在很多方面的损耗降低, 从而大大提高了系统的反应速度。
(4) 提高汽车的稳定性能。电子转向系统通过汽车前轮来控制转向, 这样的操作不仅可以实现控制系统的动态运行, 而且还可以让汽车上的其他系统、部件运行良好, 从而实现系统对汽车的整体控制, 提高汽车的稳定性能。
(5) 使汽车的转向操作更方便。由于电子转向系统能够提高操作的方便性, 根据相关研究可知, 未来车辆转向系统的转向运动可以通过操纵杆实现, 从而使转向操作更方便。
(6) 有效改善驾驶员的路面感觉。在电子转向系统中, 方向盘和转向机构之间是没有连接的, 驾驶员对路面情况的感觉完全是凭自身的经验和想象完成, 在控制方面可以选择从信号中获取能够反映汽车实际情况的信息, 让转向操作更具安全性。
(7) 其他方面的优点。电子转向系统只在转向时有电机功率输出, 从而可以有效减少燃油的消耗, 节省能源, 同时还能够极大地提高电子转向系统总转向机构的效率。跟液压推动转向系统相比, 电子转向系统能够有效避免液压油的泄漏以及液压部件废弃物对环境所造成的破坏。
4 汽车电子转向系统的发展前景
21世纪全球最受关注的3大问题是汽车能源问题、环境保护问题和交通安全问题, 在一定意义上, 汽车电子转向系统可以减少这3大问题带来的不利影响。2012年, 国际石油价格一直是民众关心的话题, 其价格持续飙升已严重影响人们的生产生活, 而电子转向系统不仅能够节省石油能源的消耗, 而且还可以改善环境质量。电子转向系统设计的宗旨是减轻驾驶员体力、脑力劳动, 充分改善车辆转向系统的性能, 提高汽车的安全性, 增强环保意识等, 所以在市场需求下, 汽车电子转向系统的设计引起了科研机构的重视。
随着电子技术和计算机技术的飞速发展, 信息领域大量的研究成果逐渐被运用到汽车中, 大大地提高了车辆的性能, 同时电子部件和电子芯片快速的信息处理能力并没有因为系统成本的降低而降低, 这些都为汽车电子转向技术在普通车辆的运用创造了很好的条件。由于电子转向系统内部采用的是软件控制技术, 所以在系统硬件设施中有很大的共用性。对于新型车辆来说, 控制软件只需要改变相关的参数就可以适用, 这样能够大大节省时间, 让系统在市场中更加有竞争力。电子转向系统不仅可以有效地减轻驾驶员的驾驶负担, 提高汽车的安全性能, 而且随着电子部件成本的降低, 其普遍应用让汽车的操作过程也更为简化, 汽车内部空间更大, 费用更低。
由上文可知, 电子转向系统在汽车上的应用不仅比传统转向系统更能节省能源, 满足环保要求以及市场上越来越严格的油耗和排放法规的要求, 而且由于其本身采用了准确的电子控制技术, 因此可以很大程度提高汽车的整体驾驶性能, 大大满足用户对安全性能的要求, 有效降低交通事故的发生率。
5 结语
本文介绍了汽车转向系统的发展概况, 重点分析了电子转向系统的构造、特点, 与传统转向系统相比, 电子转向系统在整体设计和车辆转向上更具灵活性, 因此有着巨大的发展空间, 是未来汽车转向系统发展的方向。
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