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1一、概述

動力轉向(Power Steering)

  汽車所使用的動力轉向系統,基本上是經修改的手動轉向系統,主要的是增加一個助力器(Power Booster),以幫助駕駛者。

  汽車轉向系統可按轉向的能源不同分為機械轉向系統和動力轉向系統兩類。機械轉向系統是依靠駕駛員操縱轉向盤的轉向力來實現車輪轉向;動力轉向系統則是在駕駛員的控制下,藉助於汽車發動機產生的液體壓力或電動機驅動力來實現車輪轉向。所以動力轉向系統也稱為轉向動力放大裝置。

  動力轉向系統由於使轉向操縱靈活、輕便,在設計汽車時對轉向器結構形式的選擇靈活性增大,能吸收路面對前輪產生的衝擊等優點,因此已在各國的汽車製造中普遍採用。但是,具有固定放大倍率的動力轉向系統的主要缺點是:如果所設計的固定放大倍率的動力轉向系統是為了減小汽車在停車或低速行駛狀態下轉動轉向盤的力,則當汽車以高速行駛時,這一固定放大倍率的動力轉向系統會使轉動轉向盤的力顯得太小,不利於對高速行駛的汽車進行方向控制;反之,如果所設計的固定放大倍率的動力轉向系統是為了增加汽車在高速行駛時的轉向力,則當汽車停駛或低速行駛時,轉動轉向盤就會顯得非常吃力。電子控制技術在汽車動力轉向系統的應用,使汽車的駕駛性能達到令人滿意的程度。電子控制動力轉向系統在低速行駛時可使轉向輕便、靈活;當汽車在中高速區域轉向時,又能保證提供最優的動力放大倍率和穩定的轉向手感,從而提高了高速行駛的操縱穩定性。

  電子控制動力轉向系統(簡稱EPS-Electronic Control Power Steering),根據動力源不同又可分為液壓式電子控制動力轉向系統(液壓式EPS)和電動式電子控制動力轉向系統(電動式EPS)。液壓式EPS是在傳統的液壓動力轉向系統的基礎上增設了控制液體流量的電磁閥、車速感測器和電子控制單元等,電子控制單元根據檢測到的車速信號,控制電磁閥,使轉向動力放大倍率實現連續可調,從而滿足高、低速時的轉向助力要求。電動式EPS是利用直流電動機作為動力源,電子控制單元根據轉向參數和車速等信號,控制電動機扭矩的大小和方向。電動機的扭矩由電磁離合器通過減速機構減速增扭后,加在汽車的轉向機構上,使之得到一個與工況相適應的轉向作用力。

2二、液壓式電子控制動力轉向系統

  電子控制動力轉向系統(EPS)可以在低速時減輕轉向力以提高轉向系統的操縱性;在高速時則可適當加重轉向力,以提高操縱穩定性。液壓式電子控制動力轉向系統是在傳統的液壓動力轉向系統的基礎上增設電子控制裝置而構成的。根據控制方式的不同,液壓式電子控制動力轉向系統又可分為流量控制式、反力控制式和閥靈敏度控制式三種形式。

  

(一)流量控制式EPSTOP

  圖 1所示為凌志牌轎車採用的流量控制式動力轉向系統。由圖可見,該系統主要由車速感測器、電磁閥、整體式動力轉向控制閥、動力轉向油泵和電子控制單元等組成。電磁閥安裝在通向轉向動力缸活塞兩側油室的油道之間,當電磁閥的閥針完全開啟時,兩油道就被電磁閥旁路。流量控制式動力轉向系統就是根據車速感測器的信號,控制電磁閥閥針的開啟程度,從而控制轉向動力缸活塞兩側油室的旁路液壓油流量,來改變轉向盤上的轉向力。車速越高,流過電磁閥電磁線圈的平均電流值越大,電磁閥閥針的開啟程度越大,旁路液壓油流量越大,液壓助力作用越小,使轉動轉向盤的力也隨之增加。這就是流量控制式動力轉向系統的工作原理。

  圖 2所示為該系統電磁閥的結構。圖 3為電磁閥的驅動信號。由圖可以看出,驅動電磁閥電磁線圈的脈衝電流信號頻率基本不變,但隨著車速增大,脈衝電流信號的占空比將逐漸增大,使流過電磁線圈的平均電流值隨車速的升高而增大。

  圖 4所示為凌志轎車電子控制動力轉向系統的電路圖。

  

(二)反力控制式EPSTOP

  圖 5所示為反力控制式動力轉向系統的工作原理圖。由圖可見,系統主要由轉向控制閥、分流閥、電磁閥、轉向動力缸、轉向油泵、儲油箱、車速感測器(圖中未畫出)及電子控制單元等組成。

  轉向控制閥是在傳統的整體轉閥式動力轉向控制閥的基礎上增設了油壓反力室而構成。扭力桿的上端通過銷子與轉閥閥桿相連,下端與小齒輪軸用銷子連接。小齒輪軸的上端部通過銷子與控制閥閥體相連。轉向時,轉向盤上的轉向力通過扭力桿傳遞給小齒輪軸。當轉向力增大,扭力桿發生扭轉變形時,控制閥體和轉閥閥桿之間將發生相對轉動,於是就改變了閥體和閥桿之間油道的通、斷關係和工作油液的流動方向,從而實現轉向助力作用。

  分流閥是把來自轉向油泵的機油向控制閥一側和電磁閥一側進行分流的閥。按照車速和轉向要求,改變控制閥一側與電磁閥一側的油壓,確保電磁閥一側具有穩定的機油流量。

  固定小孔的作用是把供給轉向控制閥的一部分流量分配到油壓反力室一側。

  電磁閥的作用是根據需要將油壓反力室一側的機油流回儲油箱電子控制單元(ECU)根據車速的高低線性控制電磁閥的開口面積。當車輛停駛或速度較低時,ECU使電磁線圈的通電電流增大,電磁閥開口面積增大,經分流閥分流的機油,通過電磁閥重新迴流到儲油箱中,所以作用於柱塞的背壓(油壓反力室壓力)降低。於是柱塞推動控制閥轉閥閥桿的力(反力)較小,因此只需要較小的轉向力就可使扭力桿扭轉變形,使閥體與閥桿發生相對轉動而實現轉向助力作用。

  當車輛在中高速區域轉向時,ECU使電磁線圈的通電電流減小,電磁閥開口面積減小,所以油壓反力室的油壓升高,作用於柱塞的背壓增大,於是柱塞推動轉閥閥桿的力增大,此時需要較大的轉向力才能使閥體與閥桿之間作相對轉動(相當於增加了扭力桿的扭轉剛度),而實現轉向助力作用,所以在中高速時可使駕駛員獲得良好的轉向手感和轉向特性。

  

(三)閥靈敏度控制式EPSTOP

  閥靈敏度控制式EPS是根據車速控制電磁閥,直接改變動力轉向控制閥的油壓增益(閥靈敏度)來控制油壓的方法。這種轉向系統結構簡單、部件少、價格便宜,而且具有較大的選擇轉向力的自由度,可以獲得自然的轉向手感和良好的轉向特性。

  圖 6所示為89型地平線牌轎車所採用的閥靈敏度控制式動力轉向系統。該系統在轉向控制閥的轉子閥作了局部改進,並增加了電磁閥、車速感測器和電子控制單元等。

  轉子閥的可變小孔分為低速專用小孔(lR、1L、2R、2L)和高速專用小孔(3R、3L)兩種,在高速專用可變孔的下邊設有旁通電磁閥迴路。圖 7所示為該系統的閥部等效液壓迴路,其工作過程如下:

  當車輛停止時,電磁閥完全關閉,如果此時向右轉動轉向盤,則高靈敏度低速專用小孔1R及2R在較小的轉向扭矩作用下即可關閉,轉向油泵的高壓油液經lL流向轉向動力缸右腔室,其左腔室的油液經3L、2L流回儲油箱。所以此時具有輕便的轉向特性。而且施加在轉向盤上的轉向力矩越大,可變小孔lL、2L的開口面積越大,節流作用越小,轉向助力作用越明顯。

  隨著車輛行駛速度的提高,在電子控制單元的作用下,電磁閥的開度也線性增加,如果向右轉動轉向盤,則轉向油泵的高壓油液經lL、3R旁通電磁閥流回儲油箱。此時,轉向動力缸右腔室的轉向助力油壓就取決於旁通電磁閥和靈敏度低的高速專用可變孔3R的開度。車速越高,在電子控制單元的控制下,電磁閥的開度越大,旁路流量越大,轉向助力作用越小;在車速不變的情況下,施加在轉向盤上的轉向力越小,高速專用小孔3R的開度越大,轉向助力作用也越小,當轉向力增大時,3R的開度逐漸減小,轉向助力作用也隨之增大。由此可見,閥靈敏度控制式動力轉向系統可使駕駛員獲得非常自然的轉向手感和良好的速度轉向特性。

3三、電動式電子控制動力轉向系統

  液壓式動力轉向系統由於工作壓力和工作靈敏度較高,外廓尺寸較小,因而獲得了廣泛的應用。在採用氣壓制動或空氣懸架的大型車輛上,也有採用氣壓動力轉向的。但這類動力轉向系統的共同缺點是結構複雜、消耗功率大,容易產生泄漏,轉向力不易有效控制等。近年來隨著微機在汽車上的廣泛應用,出現了電動式電子控制動力轉向系統,簡稱電動式EPS。

  

(一)電動式EPS的組成、原理與特點TOP

  電動式EPS通常由扭矩感測器、車速感測器、電子控制單元(ECU)、電動機和電磁離合器等組成(如圖 8所示)。電動式EPS是利用電動機作為助力源,根據車速和轉向參數等,由電子控制單元完成助力控制,其原理可概括如下:

  當操縱轉向盤時,裝在轉向盤軸上的扭矩感測器不斷地測出轉向軸上的扭簡訊號,該信號與車速信號同時輸入到電子控制單元。電控單元根據這些輸入信號,確定助力扭矩的大小和方向,即選定電動機的電流和轉向,調整轉向輔助動力的大小。電動機的扭矩由電磁離合器通過減速機構減速增扭后,加在汽車的轉向機構上,使之得到一個與汽車工況相適應的轉向作用力。

  電動式EPS有許多液壓式動力轉向系統所不具備的優點:

  (1)將電動機、離合器、減速裝置、轉向桿等各部件裝配成一個整體,這既無管道也無控制閥,使其結構緊湊、質量減輕。一般電動式EPS的質量比液壓式EPS質量輕25%左右。

  (2)沒有液壓式動力轉向系統所必須的常運轉轉向油泵,電動機只是在需要轉向時才接通電源,所以動力消耗和燃油消耗均可降到最低。

  (3)省去了油壓系統,所以不需要給轉向油泵補充油,也不必擔心漏油。

  (4)可以比較容易地按照汽車性能的需要設置、修改轉向助力特性。

  

(二)電動式EPS主要部件的結構及工作原理



  1.扭矩感測器

  扭矩感測器的作用是測量轉向盤與轉向器之間的相對扭矩,以作為電動助力的依據之一。圖 9所示為無觸點式扭矩感測器的結構及工作原理圖。在輸出軸的極靴上分別繞有A、B、C、D四個線圈,轉向盤處於中間位置(直駛)時,扭力桿的縱向對稱面正好處於圖示輸出軸極靴AC、BD的對稱面上。當在U、T兩端加上連續的輸入脈衝電壓信號Ui時由於通過每個極靴的磁通量相等,所以在V、W兩端檢測到的輸出電壓信號Uo=0。轉向時,由於扭力桿和輸出軸極靴之間發生相對扭轉變形,極靴A、D之間的磁阻增加,B、C之間的磁阻減少,各個極靴的磁通量發生變化,於是在V、W之間就出現了電位差。其電位差與扭力桿的扭轉角。和輸入電壓Ui成正比。如果比例係數為K,則有Uo=KUiθ所以,通過測量V、W兩端的電位差就可以測量出扭力桿的扭轉角,於是也就知道了轉向盤施加的轉動扭矩。圖 10所示為滑動可變電阻式扭矩感測器的結構。它是將負載力矩引起的扭力桿角位移轉換為電位器電阻的變化,並經滑環傳遞出來作為扭矩信號。

  2.電動機

  電動式EPS用電動機與啟動用直流電動機原理上基本相同,但一般採用永磁磁場。其最大電流一般為3OA左右,電壓為DC12V,額定轉矩為1ON·m左右。

  轉向助力用直流電動機需要正反轉控制,圖 11所示為一種比較簡單適用的控制電路。a1、a2為觸發信號端。當a1端得到輸入信號時,晶體管T3導通,T2得到基極電流而導通,電流經T2、電動機M、T3、搭鐵而構成迴路,於是電機正轉;當a2端得到輸入信號時,電流則經T1、M、T4、搭鐵而構成迴路,電機則因電流方向相反而反轉。控制觸發信號端電流的大小,就可以控制通過電動機電流的大小。

  3.電磁離合器

  圖 12為單片乾式電磁離合器的工作原理圖。當圖 10滑動可變電阻式扭矩感測器結構電流通過滑環進入電磁離合器線圈時,主動輪產生電磁吸力,帶花鍵的壓板被吸引與主動輪壓緊,於是電動機的動力經過軸、主動輪、壓板、花鍵、從動軸傳遞給執行機構。

  電動式EPS一般都設定一個工作範圍,例如當車速達到45km/h時,就不需要輔助動力轉向,這時電動機就停止工作,為了不使電動機和電磁離合器的慣性影響轉向系的工作,離合器應及時分離,以切斷輔助動力。另外當電動機發生故障時,離合器會自動分離,這時仍可利用手動控制轉向。

  4.減速機構

  減速機構是電動式EPS不可缺少的部件。目前實用的減速機構有多種組合方式,一般採用蝸輪蝸桿與轉向軸驅動組合式,也有的採用兩級行星齒輪與傳動齒輪組合式。為了抑制雜訊和提高耐久性,減速機構中的齒輪有的採用特殊齒形,有的採用樹脂材料製成。

  

(三)電動式EPS實例TOP

  圖 13所示為Alto汽車電動式EPS配件布置圖。該系統由扭矩感測器、車速感測器、電子控制單元、電動機和減速機構組成。扭矩感測器(滑動可變電阻型)、電動機和減速機構製成一個整體(見圖 14),安裝在轉向柱上,電磁離合器安裝在電動機的輸出端旁,電子控制單元安裝在司機座位下面。

  圖 15所示為Alto車用扭矩感測器的結構。當轉向系統工作時,施加在轉向盤上的轉向力經輸入軸、扭桿傳遞給輸出軸,扭桿的扭曲變形使輸入軸與輸出軸之間發生相對扭轉,與此同時滑塊沿軸向移動,控制臂將滑塊的軸向移動變換成電位器的旋轉角度,即將轉矩值變換成電壓量,並輸入到電子控制單元。

  當轉向盤處於中間位置時,感測器的輸出電壓為2.5V;當轉向盤向右旋轉時,其輸出電壓大於2.5V;當轉向盤向左旋轉時,其輸出電壓小於2.5V,扭矩感測器的輸出特性如圖 16所示。因此,電子控制單元根據感測器輸出電壓的高低,就可以判定轉向盤的轉動方向和轉動角度。

  圖 17所示為Alto汽車電動式EPS控制方框圖。其控制內容如下:

  1.電動機電流控制

  電子控制單元根據轉向力矩和車速信號確定並控制電動機的驅動電流方向和大小。使其在每一種車速下都可以得到最優化的轉向助力扭矩。

  2.速度控制

  當車速高於43-52km/h時,停止對電動機供電的同時,使電動機內的電磁離合器分離,按普通轉向控制方式工作,以確保行車安全。

  3.臨界控制

  這是為了保護系統中的電動機以及控制組件而設的控制項目。在轉向器偏轉至最大(即臨界狀態)時,由於此時電動機不能轉動,所以流入電動機的電流達最大值,為了避免持續大電流使電動機及控制組件發熱損壞,所以每當較大電流連續通過3Os后,系統就會控制電流使之逐漸減小。當臨界控制狀態解除后,控制系統就會再逐漸增大電流,一直達到正常的工作電流值為止。

  4.自診斷和安全控制

  該系統的電子控制單元具有故障自診斷功能,當電子控制單元檢測出系統存在故障時都可顯示出相應的故障代碼,以便採取相應的措施。當檢測出系統的基本部件如扭矩感測器、電動機、車速感測器等出現故障而導致系統處於嚴重故障的情況下,系統就會使電磁離合器斷開,停止轉向助力控制,力圖確保系統安全、可靠。

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