汽车电动助力转向系统[1]

1、第四章第四章 汽车电动助力转向系统汽车电动助力转向系统 第一节第一节 概述概述 在汽车行驶中，转向运动是最基本的运动。我们通过在汽车行驶中，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，从而实现自己的行方向盘来操纵和控制汽车的行驶方向，从而实现自己的行 驶意图。驶意图。 在现代汽车上，在现代汽车上，转向系统转向系统是必不可少的最基本的系统之一，是必不可少的最基本的系统之一， 它也是决定它也是决定汽车主动安全性的关键总成汽车主动安全性的关键总成。 如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能， 始终是各汽车厂家和科研机构

2、的重要课题始终是各汽车厂家和科研机构的重要课题。特别是在车辆。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，针对更高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更 多不同的驾驶人群，汽车的操纵性设计显得尤为重要。多不同的驾驶人群，汽车的操纵性设计显得尤为重要。 传统转向系统传统转向系统 传统的汽车转向系统是传统的汽车转向系统是机械系统机械系统，汽车的转向运动是，汽车的转向运动是由驾由驾 驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向 车轮而实现的。车轮而实现的。普通的转向系统建立在机械转向的基础上。普通的转向系统建立在机械转向

3、的基础上。 常用的有两种是常用的有两种是齿轮齿条式齿轮齿条式和和循环球式循环球式(用于需要较大的用于需要较大的 转向力时转向力时)。这种转向系统是我们最常见的，目前大部分。这种转向系统是我们最常见的，目前大部分 低端轿车采用的就是低端轿车采用的就是齿轮齿条式机械转向系统齿轮齿条式机械转向系统。 传统转向系统的缺点传统转向系统的缺点 虽然传统转向系统工作最可靠，但是也存在很多固有的缺虽然传统转向系统工作最可靠，但是也存在很多固有的缺 点，传统转向系统由于点，传统转向系统由于方向盘方向盘和和转向车轮之间的机械连接转向车轮之间的机械连接 而产生一些自身无法避免的而产生一些自身无法避免的缺陷缺陷： 汽

4、车的转向特性受驾驶员驾驶技术的影响严重；汽车的转向特性受驾驶员驾驶技术的影响严重； 转向传动比固定转向传动比固定,提供不了合适的转向力提供不了合适的转向力; 液压助力转向系统经济性差，液压助力转向系统经济性差，一般轿车每行驶一百公里一般轿车每行驶一百公里 要多消耗要多消耗0.30.4升的燃料升的燃料；另外，存在；另外，存在液压油泄漏问题，液压油泄漏问题， 对环境造成污染对环境造成污染，在环保性能被日益强调的今天，无疑是，在环保性能被日益强调的今天，无疑是 一个明显的劣势。一个明显的劣势。 助力转向系统助力转向系统 助力转向系统助力转向系统使转向操作灵活、轻便，在设计汽车使转向操作灵活、轻便，在

5、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，现代汽车上普遍采用助力转向系统轮产生的冲击等优点，现代汽车上普遍采用助力转向系统 助力转向系统助力转向系统于于1955年在年在Buick上首次采用，解决了转向上首次采用，解决了转向 轻便性问题，轻便性问题， 助力转向系统助力转向系统是指在驾驶员的控制下，借助于汽是指在驾驶员的控制下，借助于汽 车发动机通过液压泵产生的液体压力或电动机驱动力来车发动机通过液压泵产生的液体压力或电动机驱动力来 实现车轮转向。实现车轮转向。助力转向助力转向是一种以驾驶员操纵转向盘是一种以

6、驾驶员操纵转向盘 （转矩和转角）为输入信号，以转向车轮的角位移为输（转矩和转角）为输入信号，以转向车轮的角位移为输 出信号的出信号的伺服机构伺服机构。 助力转向系统的要求助力转向系统的要求 对转向系统的要求，主要概括为对转向系统的要求，主要概括为转向的灵敏度转向的灵敏度和和操纵的轻操纵的轻 便性便性。高的转向灵敏度，要求转向器具有。高的转向灵敏度，要求转向器具有小的传动比小的传动比，以，以 小的转向盘转角迅速转向，好的操纵轻便性，则要求转向小的转向盘转角迅速转向，好的操纵轻便性，则要求转向 器具有器具有大的传动比大的传动比，这样才能以较小的转向盘操纵力获得，这样才能以较小的转向盘操纵力获得 大

7、的转向力矩。大的转向力矩。 实际应用中，一般要求：实际应用中，一般要求：当转向轮达到最大设计转角时，当转向轮达到最大设计转角时， 转向盘总转数不宜超过转向盘总转数不宜超过5圈，而转向盘操纵力最大不超过圈，而转向盘操纵力最大不超过 250N 助力转向系统的具体要求助力转向系统的具体要求 良好的操纵性良好的操纵性 合适的转向力与位置感合适的转向力与位置感 具有回正功能具有回正功能 适当的路面反馈量适当的路面反馈量 工作可靠工作可靠 节省能源节省能源 安静、噪声小安静、噪声小 转向必须灵活、平顺，转向必须灵活、平顺， 具有很好的随动性，能具有很好的随动性，能 够安全行驶在狭窄、连够安全行驶在狭窄、连

8、 续拐弯的弯道上。续拐弯的弯道上。 低速或停车低速或停车时，转动转向盘时，转动转向盘 不能太费力，不能太费力，高速行驶高速行驶时，又时，又 不能感觉到转向盘上的力太小不能感觉到转向盘上的力太小 而有发而有发“飘飘“的感觉，的感觉，因此要因此要 求转向盘上的力最好能随车速求转向盘上的力最好能随车速 变化，同时要求驾驶员能清楚变化，同时要求驾驶员能清楚 地感觉到转向盘的位置，地感觉到转向盘的位置，感觉感觉 到操纵转向盘的角度与汽车行到操纵转向盘的角度与汽车行 驶轨迹的对应关系，具有很好驶轨迹的对应关系，具有很好 的直线行驶稳定性和高速行驶的直线行驶稳定性和高速行驶 的路感。的路感。 在转向后，转向

9、盘应在转向后，转向盘应 当能自动回到直线行驶当能自动回到直线行驶 的位置，回转的速度要的位置，回转的速度要 平稳、适当。使残留的平稳、适当。使残留的 角速度尽可能小。角速度尽可能小。 从道路表面传来的冲从道路表面传来的冲 击应能传达到转向盘上，击应能传达到转向盘上， 增加驾驶员的路感，但增加驾驶员的路感，但 不能太大，要使驾驶员不能太大，要使驾驶员 的感觉是舒适的。的感觉是舒适的。 转向系统是安全件，转向系统是安全件， 如果不能转向或失去控如果不能转向或失去控 制就会发生车毁人亡的制就会发生车毁人亡的 事故。因此转向系统应事故。因此转向系统应 具有故障预警功能，当具有故障预警功能，当 计算机控

10、制系统或助力计算机控制系统或助力 系统发生故障时，转向系统发生故障时，转向 系统仍然应保留人力转系统仍然应保留人力转 向功能。向功能。 在保证转向性能的前在保证转向性能的前 提下，尽可能降低转向提下，尽可能降低转向 系统的动力消耗。系统的动力消耗。 转向系统的分类转向系统的分类 传统液压式助力转向系统传统液压式助力转向系统 电子控制式液压助力转向系统电子控制式液压助力转向系统 电动助力转向系统电动助力转向系统 传统液压式助力转向系统传统液压式助力转向系统 机械式的液压助力转向系统机械式的液压助力转向系统一般由一般由液压泵、油管、压力流液压泵、油管、压力流 量控制阀体、量控制阀体、V型传动皮带、

11、储油罐型传动皮带、储油罐等部件构成。等部件构成。 无论车是否转向，这套系统都要工作，而且在大转向车速无论车是否转向，这套系统都要工作，而且在大转向车速 较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力。较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力。 所以，也在一定程度上浪费了资源。还有，机械式液压助所以，也在一定程度上浪费了资源。还有，机械式液压助 力转向系统由力转向系统由液压泵及管路和油缸液压泵及管路和油缸组成，为保持压力，不组成，为保持压力，不 论是否需要转向助力，系统总要处于工作状态，能耗较高，论是否需要转向助力，系统总要处于工作状态，能耗较高， 这也是耗资源的一个原因所在。这也

12、是耗资源的一个原因所在。 传统液压式助力转向系统传统液压式助力转向系统 传统液压式助力转向系统（传统液压式助力转向系统（HPS）一般按液流的形式可分）一般按液流的形式可分 为为常流式常流式和和常压式常压式两种类型。两种类型。 常流式常流式是指汽车在行驶中，不转动转向盘时，流量控制阀在是指汽车在行驶中，不转动转向盘时，流量控制阀在 中间位置，油路保持畅通。中间位置，油路保持畅通。 常压式常压式是指汽车在行驶中，无论转向盘是否转动，整个液压是指汽车在行驶中，无论转向盘是否转动，整个液压 系统总是一直保持高压。系统总是一直保持高压。 传统液压式助力转向系统缺点传统液压式助力转向系统缺点 提供不了合适

13、的转向力提供不了合适的转向力，即若要保证汽车在停车或低，即若要保证汽车在停车或低 速调头时转向轻便，那么汽车高速行驶时就会感到有速调头时转向轻便，那么汽车高速行驶时就会感到有”发发 飘飘“的感觉；若要保证汽车在高速行驶时操纵有适度手感，的感觉；若要保证汽车在高速行驶时操纵有适度手感， 那么当其要停车或低速调头时就会感到转向太重，两者不那么当其要停车或低速调头时就会感到转向太重，两者不 能兼顾。能兼顾。 电子控制式液压助力转向系统电子控制式液压助力转向系统 转向控制阀转向控制阀 油泵：油泵：由发动机驱动，用于提供助力转向所需的液压油。由发动机驱动，用于提供助力转向所需的液压油。 扭力杆的上端与转

14、阀阀杆用销子刚性地连接在一起，下端与控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，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。转向时，转向盘上的转向力通过扭力杆传递给小齿轮轴。 分流阀：分流阀：根据有关传感器的信号作出最佳助力转向力判断，并根据有关传感器的信号作出最佳助力转向力判断，并 将来自转向油泵的油液向控制阀一侧和电磁阀一侧分流，按照车速将来自转向油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，改变控制阀一侧和电磁阀一侧的油压，确保电磁

15、阀一和转向要求，改变控制阀一侧和电磁阀一侧的油压，确保电磁阀一 侧具有稳定的油液流量。侧具有稳定的油液流量。 固定小孔：固定小孔：把供给转向控制阀的一部份液压油分配到油压反力把供给转向控制阀的一部份液压油分配到油压反力 室一侧。在汽车高速行驶时，由于通过小孔又加了一部份燃油给反室一侧。在汽车高速行驶时，由于通过小孔又加了一部份燃油给反 力室，进一步加强了柱塞的夹紧力，使得此时的转向力相对于转向力室，进一步加强了柱塞的夹紧力，使得此时的转向力相对于转向 角呈线性增加，从而获得高速行驶时的稳定转向操纵感。角呈线性增加，从而获得高速行驶时的稳定转向操纵感。 助力转向助力转向ECUECU：ECU根据车

16、速传感器传来的信号，判断汽车是处根据车速传感器传来的信号，判断汽车是处 于停止状态还是处于低速行驶或高速行驶工况，在根据判别出的汽于停止状态还是处于低速行驶或高速行驶工况，在根据判别出的汽 车状态，对电磁线圈的电流进行线性控制，车状态，对电磁线圈的电流进行线性控制，使电磁阀有适当的开度，使电磁阀有适当的开度， 以控制转向助力的大小。以控制转向助力的大小。 电磁阀：电磁阀：根据需要开启适当的开度，使油压反力室一侧的油液根据需要开启适当的开度，使油压反力室一侧的油液 流回储油箱。电磁阀开度增大时，使作用在柱塞的背压（油压反力流回储油箱。电磁阀开度增大时，使作用在柱塞的背压（油压反力 室压力）降低，

17、柱塞推动控制阀转阀阀杆的力（反力）较小，因此室压力）降低，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，使阀体与阀杆相对转只需要较小的转向力就可使扭力杆扭转变形，使阀体与阀杆相对转 动而实现转向助力作用，电磁阀开启较小时则相反。动而实现转向助力作用，电磁阀开启较小时则相反。 反力控制式助力转向系统的工作过程反力控制式助力转向系统的工作过程 当转向力增大，扭力杆发生扭转变形时，当转向力增大，扭力杆发生扭转变形时，控制阀阀体控制阀阀体与与转阀阀杆转阀阀杆 之间将发生相对转动，使两阀的通道口相互连通，扭力杆的变形之间将发生相对转动，使两阀的通道口相互连通，扭力

18、杆的变形 角度就越大，转阀中工作油液通道的截口面积就越大，助力就越角度就越大，转阀中工作油液通道的截口面积就越大，助力就越 大。大。 汽车低速行驶或者大转弯时汽车低速行驶或者大转弯时。流经电磁线圈的电流。流经电磁线圈的电流较大较大，电磁阀，电磁阀 的开启角度的开启角度较大较大，经分流阀分流后的油液通过电磁阀返回油箱的，经分流阀分流后的油液通过电磁阀返回油箱的 油液就油液就较多较多，因此作用在反力室的油压就，因此作用在反力室的油压就较小较小，柱塞上的油压，柱塞上的油压较较 小小，这时作用在控制阀轴上的，这时作用在控制阀轴上的反力也较小反力也较小，因此反力油压形成的，因此反力油压形成的 阻力矩较小

19、阻力矩较小。由于阻力矩较小，转向盘只需要用较小的力就可以。由于阻力矩较小，转向盘只需要用较小的力就可以 使扭力杆发生使扭力杆发生较大的变形，转向助力较大较大的变形，转向助力较大。 流经电磁线圈的电流流经电磁线圈的电流较小较小，电磁阀的开启角度，电磁阀的开启角度较小较小，经分流阀分，经分流阀分 流后的油液通过电磁阀返回油箱的油液就流后的油液通过电磁阀返回油箱的油液就较少较少，因此作用在反力，因此作用在反力 室的油压就室的油压就较大较大，柱塞上的油压，柱塞上的油压较大较大，这时作用在控制阀轴上的，这时作用在控制阀轴上的 反力也较大反力也较大，因此反力油压形成的，因此反力油压形成的阻力矩较大阻力矩较

20、大。由于阻力矩较大，。由于阻力矩较大， 输入同样的力，使扭力杆发生输入同样的力，使扭力杆发生变形较小，转向助力较小变形较小，转向助力较小。旋转阀。旋转阀 与控制阀相互连通的通道口开度也减小，助力与控制阀相互连通的通道口开度也减小，助力较小较小。 液压式助力转向系统的缺点液压式助力转向系统的缺点 结构复杂，功率消耗大，容易产生泄漏，转向力不易有效结构复杂，功率消耗大，容易产生泄漏，转向力不易有效 控制。控制。 电动助力转向系统（电动助力转向系统（EPS） 电动助力转向系统利用电动机作为动力源，根据车速和转电动助力转向系统利用电动机作为动力源，根据车速和转 向参数等，由电子控制单元完成助力控制。向

21、参数等，由电子控制单元完成助力控制。 根据根据电动机布置位置电动机布置位置不同，可分为不同，可分为转向柱助力式转向柱助力式、齿轮助齿轮助 力式力式和和齿条助力式齿条助力式三种类型。三种类型。 转向柱助力式转向柱助力式EPSEPS的电动机固定在转向柱的一侧，通过的电动机固定在转向柱的一侧，通过 减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向。减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向。 齿轮助力式齿轮助力式EPSEPS的电动机和减速机构和小齿轮相连，直的电动机和减速机构和小齿轮相连，直 接驱动转向齿轮，实现助力转向。接驱动转向齿轮，实现助力转向。 齿条助力式齿条助力式EPSEPS的电动机和减速机

22、构直接驱动齿条提供的电动机和减速机构直接驱动齿条提供 助力。助力。 电动助力转向系统的最大特点就是能实现电动助力转向系统的最大特点就是能实现“精确转向精确转向”， 它能够在汽车转向过程中根据不同车速和转向盘转动的快它能够在汽车转向过程中根据不同车速和转向盘转动的快 慢，精确提供各种行驶路况下的慢，精确提供各种行驶路况下的最佳转向助力最佳转向助力，减小由路，减小由路 面不平引起的对转向系统的扰动。不但可以减轻低速行驶面不平引起的对转向系统的扰动。不但可以减轻低速行驶 时的转向操纵力，而且可大大提高高速行驶时的操纵稳定时的转向操纵力，而且可大大提高高速行驶时的操纵稳定 性，性，并能精确实现人们预先

23、设置的在不同车速、不同转弯并能精确实现人们预先设置的在不同车速、不同转弯 角度所需要的转向助力角度所需要的转向助力。通过控制助力电机，可降低高速。通过控制助力电机，可降低高速 行驶时的转向助力，增大转向手力，行驶时的转向助力，增大转向手力，解决高速发飘问题解决高速发飘问题， 成本相对较低。成本相对较低。 电动助力转向系统结构电动助力转向系统结构 转矩传感器转矩传感器 转向离合器转向离合器 不转向时不转向时，助力电动机不工作，助力电动机不工作， 当转向盘转动时当转向盘转动时，与转向轴相连的转矩传感器不断地测出，与转向轴相连的转矩传感器不断地测出 作用于转向轴上的力矩，并将力矩转换为电信号，车速传

24、作用于转向轴上的力矩，并将力矩转换为电信号，车速传 感器产生车速信号，感器产生车速信号，ECU根据这两个信号，经过运算处根据这两个信号，经过运算处 理后，向离合器和电动机发车发出控制指令，理后，向离合器和电动机发车发出控制指令，即输出一个即输出一个 适合的电流，在离合器结合的同时，是电动机产生一个转适合的电流，在离合器结合的同时，是电动机产生一个转 矩，转矩经过减速机构减速增距后，矩，转矩经过减速机构减速增距后，施加在输出轴上，输施加在输出轴上，输 出轴的下端与齿轮齿条转向器总成中的小齿轮相连，于是出轴的下端与齿轮齿条转向器总成中的小齿轮相连，于是 由电动机发出的转矩最后通过齿轮齿条转向器施加

25、到汽车由电动机发出的转矩最后通过齿轮齿条转向器施加到汽车 的转向机构上，使之得到一个与的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向助力工况相适应的转向助力。 转矩传感器转矩传感器 转矩传感器用于检测作用于转向盘上转矩信号的大小，目转矩传感器用于检测作用于转向盘上转矩信号的大小，目 前采用较多的是前采用较多的是扭杆式电位计传感器，扭杆式电位计传感器，它是在转向轴位置它是在转向轴位置 加一根扭杆，通过扭杆检测输入轴与输出轴的相对扭转位加一根扭杆，通过扭杆检测输入轴与输出轴的相对扭转位 移得到扭矩。移得到扭矩。 用磁性材料构成的定子和转子可以形成闭合的回来，线圈用磁性材料构成的定子和转子可以形成闭合

26、的回来，线圈 A、B、C、D分别绕在极靴上，构成一个桥式回路。转向分别绕在极靴上，构成一个桥式回路。转向 轴扭转变形的扭转角和转矩成正比，所以只要测定转向轴轴扭转变形的扭转角和转矩成正比，所以只要测定转向轴 的扭转角，就可间接知道转向力的大小。的扭转角，就可间接知道转向力的大小。 在线圈在线圈U、T的两端施加连续的脉冲信号的两端施加连续的脉冲信号Ui,当转向轴上的当转向轴上的 转矩为零时，定子和转子的相对转角也为零，电桥平横，转矩为零时，定子和转子的相对转角也为零，电桥平横， 在在V和和W两端的电位差两端的电位差Uo为零，如果转向轴上存在转矩，为零，如果转向轴上存在转矩， 定子和转子的相对转角

27、不为零，此时定子和转子间产生角定子和转子的相对转角不为零，此时定子和转子间产生角 位移位移，电桥失去平衡在，电桥失去平衡在V和和W两端出现两端出现电位差电位差Uo。 io kUU 车速传感器车速传感器 安装在自动变速器的输出轴上，用于检测自动变速器输出安装在自动变速器的输出轴上，用于检测自动变速器输出 轴的转速，根据输出轴转速计算得到汽车的行驶速度。常轴的转速，根据输出轴转速计算得到汽车的行驶速度。常 用用电磁感应式车速传感器，主要由永久磁铁和电磁感应线电磁感应式车速传感器，主要由永久磁铁和电磁感应线 圈两个部分组成。圈两个部分组成。 当输出轴转动时，感应转子的齿不断的靠近和离开车速当输出轴转

28、动时，感应转子的齿不断的靠近和离开车速 传感器，使感应线圈内的磁通发生变化，从而产生交流感应传感器，使感应线圈内的磁通发生变化，从而产生交流感应 电压，车速越高，输出轴转速越高，感应电压脉冲频率就越电压，车速越高，输出轴转速越高，感应电压脉冲频率就越 高。高。ECU根据脉冲信号的频率，计算出输出轴的转速，再进根据脉冲信号的频率，计算出输出轴的转速，再进 一步转换成车速。一步转换成车速。 T r V 2 电机电机 EPS的动力源是电动机，功能是根据的动力源是电动机，功能是根据ECU的指令产生相应的指令产生相应 的输出转矩，电动机时影响的输出转矩，电动机时影响EPS性能的主要因素之一。通性能的主要

29、因素之一。通 常采用常采用无刷永磁式直流电动机无刷永磁式直流电动机。要求低速转矩大、波动小、。要求低速转矩大、波动小、 惯量小、尺寸小、质量轻，可靠性高、控制性能好。惯量小、尺寸小、质量轻，可靠性高、控制性能好。 需要正反转控制。需要正反转控制。 EPS电机正反转控制电路电机正反转控制电路 当当a2端得到输入信号时，晶体端得到输入信号时，晶体 管管VT4导通，导通，VT1得到基极电流得到基极电流 而导通。电动机有反向电流流而导通。电动机有反向电流流 过过反转反转。 控制触发信号端电流的大小，控制触发信号端电流的大小， 就可以控制电动机通过电流的就可以控制电动机通过电流的 大小。大小。 a1和和a2端为触发信号端，从微机系统的端为触发信号端，从微机系统的D/A转换器得到的直流信转换器得到的直流信 号输入到号输入到a1和和a2端，用以触发电动机产生正反转。当端，用以触发电动机产生正反转。当a1端得到输端得到输 入信号时，晶体管入信号时