【检修知识】能源转向

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助力转向 一、概述 汽车转向系统根据转向能量的不同可分为机械转向系统和助力转向系统。 机械转向系统依靠驾驶员方向盘的转向力实现车轮转向；动力转向系统在驾驶员的控制下，借助汽车产生的液压或电机的驱动力实现车轮转向。 因此，动力转向系统也被称为转向功率放大器。 动力转向系统以其转向操作灵活轻便、增加汽车设计时转向结构选择的灵活性、能够吸收路面对前轮的冲击等优点，在各国汽车制造中得到了广泛应用。 但固定倍率的助力转向系统的主要缺点是:如果固定倍率的助力转向系统是为了减小汽车在停车或低速行驶时转动方向盘的力度而设计的，那么在汽车高速行驶时，固定倍率的助力转向系统会使转动方向盘的力度显得过小，不利于汽车高速行驶时的方向控制；另一方面，如果固定放大倍数的动力转向系统是为了增加汽车在高速行驶时的转向力，那么当汽车停止或低速行驶时，转动方向盘将会非常困难。 电子控制技术在汽车动力转向系统中的应用，使汽车的行驶性能达到了令人满意的水平。 电子助力转向系统可以使低速行驶时转向轻便灵活；汽车在中高速区转弯时，能保证最佳的动力放大倍数和稳定的转向感，从而提高高速行驶的操纵稳定性。 电控助力转向系统(EPS-Electronic control power steering，简称电控助力转向)根据动力源的不同，可分为液压电控助力转向系统(hydraulic eps)和电动电控助力转向系统(electric EPS)。 液压助力转向系统在传统液压助力转向系统的基础上，增加了电磁阀、车速传感器和电子控制单元来控制液体流量。电子控制单元根据检测到的车速信号控制电磁阀，使转向助力放大倍数连续可调，满足高、低速转向助力的要求。 电动eps以DC电机为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速信号控制电机扭矩的大小和方向。 电机的扭矩通过减速机构被电磁离合器减速和增大，然后加到汽车的转向机构上，从而获得适合工况的转向力。 二。液压电控助力转向系统 电控助力转向系统(eps)可以在低速时降低转向力，以提高转向系统机动性；高速时可以适当增加转向力，提高操纵稳定性。 液压电子控制动力转向系统是在传统的液压动力转向系统上增加了一个电子控制装置。 根据控制方式的不同，液压电控助力转向系统可分为流量控制、反作用控制和阀敏控制三种类型。 (一)流量控制式eps 图1为雷克萨斯轿车使用的流量控制式动力转向系统。 从图中可以看出，该系统主要由车速传感器、电磁阀、集成动力转向控制阀、动力转向油泵和电子控制单元组成。 电磁阀安装在通向转向动力油缸活塞两侧油室的油道之间。当电磁阀的针完全打开时，两个油道被电磁阀旁通。 流量控制动力转向系统根据车速传感器的信号控制电磁阀针的开度，从而控制转向动力油缸活塞两侧油室的旁通液压油流量，以改变方向盘上的转向力。 车速越高，流经电磁阀螺线管的平均电流值越大，电磁阀针的开度越大，旁通液压油流量越大，液压助力效果越小，转动方向盘的力度越大。 这就是流量控制动力转向系统的工作原理。 图2示出了系统电磁阀的结构。 图3是电磁阀的驱动信号。 从图中可以看出，驱动电磁阀的脉冲电流信号的频率基本不变，但随着车速的增加，脉冲电流信号的占空比会逐渐增加，这样流经电磁阀的平均电流值就会随着车速的增加而增加。 图4为雷克萨斯电控助力转向系统电路图。 (二)反作用控制式eps 图5是反作用控制式动力转向系统的工作原理图。 从图中可以看出，该系统主要由转向控制阀、分流阀、电磁阀、转向助力缸、转向油泵、油箱、车速传感器(图中未显示)和电子控制单元组成。 该转向控制阀是在传统的整体阀式动力转向控制阀的基础上增加了一个油压反应室。 扭杆的上端通过销与旋转阀杆连接，下端通过销与小齿轮轴连接。 小齿轮轴的上端通过销与控制阀体连接。 转向时，方向盘上的转向力通过扭杆传递到小齿轮轴。 当转向力增大，扭杆扭转时，控制阀体与旋转阀杆之间会发生相对转动，改变阀体与阀杆之间油路的通断关系和工作油的流向，从而实现转向助力。 分流阀是将油从转向油泵分流到控制阀侧和电磁阀侧的阀。 根据车速和转向的要求，改变控制阀侧和电磁阀侧的油压，以保证电磁阀侧的油流稳定。 固定节流孔用于将供应给转向控制阀的一部分流量分配到机油压力反应室一侧。 电磁阀的作用是根据需要将油压反应室一侧的油流回储油箱。电子控制单元(ecu)根据车速线性控制电磁阀的开启面积。 当车辆停止行驶或车速较低时，ecu增大电磁线圈的通电电流和电磁阀的开启面积，被分流阀分流的油通过电磁阀回流到储油箱中，因此作用在柱塞上的背压(油压反应室压力)减小。 因此，柱塞推动控制阀到阀杆的力(反作用力)很小，只需要很小的转向力就能使扭杆扭转变形，使阀体和阀杆相对转动，实现转向助力。 当车辆在中高速区转弯时，ecu减小电磁线圈的通电电流和电磁阀的开启面积，因此油压反应室内的油压增加，作用在柱塞上的背压增加，因此柱塞推动转阀阀杆的力增加。此时需要较大的转向力使阀体和阀杆相对转动(相当于增加扭杆的扭转刚度)，从而实现转向助力，因此驾驶员可以获得良好的转向感和中高速转向。 (三)气门灵敏度控制eps 气门灵敏度控制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(气门灵敏度)来控制油压的方法。 这种转向系统结构简单，部件少，价格低，转向力选择自由度大，可以获得自然的转向感和良好的转向特性。 图6显示了用于89型Horizon汽车的阀灵敏度控制的动力转向系统。 该系统对转向控制阀的转子阀进行了部分改进，增加了电磁阀、车速传感器和电子控制单元。 转子阀的可变节流孔分为低速专用节流孔(lr、1l、2r、2l)和高速专用节流孔(3r、3l)两种。高速专用可变节流孔下有一个旁通电磁阀回路 图7为系统阀门部分的等效液压回路，其工作过程如下: 车辆停止时，电磁阀完全关闭。然后高灵敏低速专用小孔1r、2r在小转向力矩的作用下可以关闭，转向油泵的高压油通过ll流向转向动力油缸的右腔，左腔的油通过3l和2L流回储油箱。 因此，它具有轻型转向特性。 此外，施加到方向盘上的转向扭矩越大，可变节流孔L1、2l的开口面积越大，节流效果越小，转向辅助效果越明显。 随着车速的增加，在电控单元的作用下，电磁阀的开度也线性增加。如果方向盘向右转动，转向油泵的高压油将通过ll和3r旁通电磁阀流回油箱。 此时，转向动力油缸右腔的转向油压取决于旁通电磁阀和低灵敏度高速专用可变孔3r的开度。 在电控单元的控制下，车速越高，电磁阀开度越大，旁通流量越大，助力转向效果越小。在车速不变的情况下，施加在方向盘上的转向力越小，高速专用孔3r的开度越大，转向辅助效果越小。当转向力增加时，3r的开度逐渐减小，转向辅助效果也增加。 因此，阀灵敏度控制的动力转向系统可以使驾驶员获得非常自然的转向感觉和良好的速度转向特性。 三。电动电控助力转向系统 液压助力转向系统因其工作压力高、灵敏度高、外形尺寸小而得到广泛应用。 在带有气动制动或空气悬架的大型车辆中，也使用气动助力转向。 然而，这种动力转向系统的共同缺点是结构复杂、功耗高、易泄漏、难以有效控制转向力等。 近年来，随着微型计算机在汽车上的广泛应用，出现了电动电子控制动力转向系统，简称电动助力转向系统。 (一)电动eps的组成、原理及特点 电动eps通常由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元(ecu)、电机和电磁离合器组成(如图8)。 电动eps以电动机为动力源，电子控制单元根据车速和转向参数完成动力控制。其原理可以概括为: 操作方向盘时，安装在方向盘轴上的扭矩传感器不断测量转向轴上的扭矩信号，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决定辅助扭矩的大小和方向，即选择电机的电流和转向，调整转向辅助动力的大小。 电机的扭矩通过减速机构被电磁离合器减速和增大，然后加到汽车的转向机构上，从而获得适合汽车工况的转向力。 电动eps有很多液压助力转向系统不具备的优点: (1)将电机、离合器、减速器、转向杆等部件组装成一个整体，既没有管路，也没有控制阀，结构紧凑，重量轻。 一般来说，电动eps的质量比液压eps轻25%左右 (2)液压助力转向系统不需要正常运转的转向油泵，只在需要转向时才开启电动机，因此可以最大限度地降低功耗和油耗。 (3)省略了油压系统，不需要向转向油泵补油，也不用担心漏油。 (4)根据汽车性能的需要，设定和修改转向助力特性相对容易。 (二)电动eps主要部件的结构和工作原理 1。扭矩传感器 扭矩传感器的作用是测量方向盘和转向器之间的相对扭矩，是电动助力的基础之一。 图9为非接触式扭矩传感器的结构和工作原理图。 四个线圈A、B、C、D分别绕在输出轴的极靴上。当方向盘处于中间位置(直线行驶)时，扭杆的纵向对称面正好在输出轴极靴ac和bd的对称面上，如图所示。 当连续输入脉冲电压信号ui施加到U和T的两端时，在V和W两端检测到的输出电压信号UO等于0，因为通过每个极靴的磁通量相等。 转弯时，由于扭杆与输出轴极靴之间的相对扭转变形，导致极靴A和D之间的磁阻增大，极靴B和C之间的磁阻减小，各极靴的磁通发生变化，因此V和w之间存在电位差。 它的电位差与扭杆的扭转角 与输入电压ui成比例。 如果比例因子为k，则有uo=kuiθ。因此，通过测量V和W之间的电位差，可以测出扭杆的扭转角度，进而可以知道方向盘施加的旋转扭矩。 图10显示了滑动式可变电阻扭矩传感器的结构。 它将负载扭矩引起的扭杆角位移转化为电位器电阻的变化，并通过滑环作为扭矩信号传递。 2。电机 电动eps电机的原理和启动DC电机的原理基本相同，只是一般使用的是永磁场。 最大电流一般在30a左右，电压为dc12v，额定扭矩在1on·m左右。 用于动力转向的DC电机需要正反向控制， 图11显示了一个相对简单且适用的控制电路。 A1和a2是触发信号端子。 当a1端得到输入信号时，晶体管t3导通，t2得到基极电流导通。电流经过t2、电机M、t3、地形成回路，so/1/正转；当a2端接收到输入信号时，电流通过t1、m、t4和地形成回路，and/きだよよよよ1/由于电流方向相反而反转。 通过控制触发信号端子处的电流，可以控制通过电机的电流。 3。电磁离合器 图12是单片干式电磁离合器的工作原理图。 图10当滑动式变阻扭矩传感器结构的电流通过滑环进入电磁离合器线圈时，主动轮产生电磁引力，花键压板被吸引并压向主动轮，于是电机的动力通过轴、主动轮、压板、花键、从动轴传递给执行机构。 电动eps一般会设定一个工作区间。比如车速达到45km/h，就不需要辅助助力转向。此时，电机停止工作。为了防止电机和电磁离合器的惯性影响转向系统，应及时分离离合器，切断辅助动力。 此外，当电机出现故障时，离合器会自动分离，仍然可以手动控制转向。 4。减速机构 减速机构是电动eps不可缺少的一部分。 目前实用的减速机构组合有很多，如蜗轮蜗杆和转向轴传动组合，还有一些两级行星齿轮和传动齿轮组合。 为了抑制噪音，提高耐用性，减速机构中的齿轮有的采用特殊齿形，有的则采用树脂材料。 (三)电动eps实例 图13为奥拓汽车电动eps附件布局。 该系统由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元、电机和减速机构组成。 扭矩传感器(滑动变阻式)、电机和减速机构做成一个整体(见图14)，安装在转向管柱上，电磁离合器安装在电机输出端旁边，电子控制单元安装在驾驶座下面。 图15示出了用于alto车辆的扭矩传感器的结构。 转向系统工作时，施加在方向盘上的转向力通过输入轴和扭杆传递到输出轴。扭杆的扭曲变形导致输入轴和输出轴之间的相对扭曲。同时滑块沿轴向运动，控制臂将滑块的轴向运动转化为电位器的旋转角度，即扭矩值转化为电压量，输入电控单元。 方向盘在中间位置时，传感器输出电压为2.5v；方向盘向右旋转时，其输出电压大于2.5v；方向盘向左旋转时，其输出电压小于2.5v，扭矩传感器的输出特性如图16所示。 因此，电子控制单元可以根据传感器的输出电压来确定方向盘的旋转方向和角度。 图17为奥拓汽车电动eps控制框图。 控制内容如下: 1。电机电流控制 电子控制单元根据转向力矩和车速信号确定并控制电机驱动电流的方向和大小。 从而可以在每个车速下获得最佳转向扭矩。 2。速度控制 当车速高于43-52km/h时，停止向电机供电，同时分离电机中的电磁离合器，按照普通转向控制模式工作，保证行车安全。 3。关键控制 这是一个控制项目，旨在保护系统中的电机和控制部件。 当转向器偏转到最大(即临界状态)时，流入电机的电流达到最大，因为此时电机不能转动。为了防止电机和控制元件因持续大电流而发热损坏，系统会在每次大电流持续通过3os时控制电流逐渐减小。 当临界控制状态解除后，控制系统会逐渐增加电流，直到达到正常工作电流值。 4。自诊断和安全控制 该系统的电子控制单元具有故障自诊断功能。当电子控制单元检测到系统中存在故障时，它可以显示相应的故障代码，以便采取相应的措施。 当检测到系统的基本部件，如扭矩传感器、电机、车速传感器等。，出现故障且系统出现严重故障时，系统会断开电磁离合器并停止转向助力控制，试图保证系统的安全性和可靠性。