项目七 电控转向及四轮转向系统检修

项目七电控动力转向及四轮转向系统检修常书战2023/9/281主要内容电子控制动力转向系统概述1液压式电子控制动力转向系统2电动式电子控制动力转向系统3电子式四轮转向系统4电子控制动力转向系统的诊断与检修52023/9/282引言

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，它也是决定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，始终是各汽车厂家和科研机构的重要课题。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，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。普通转向系统普通的汽车转向系统是机械系统，汽车的转向运动是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车轮而实现的。常用的有两种是齿轮齿条式和循环球式(用于需要较大的转向力时)。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齿轮齿条式机械转向系统。动力转向系统

动力转向系统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实现车轮转向。动力转向是一种以驾驶员操纵转向盘（转矩和转角）为输入信号，以转向车轮的角位移为输出信号的伺服机构。以下将普通转向系统和动力转向系统统称为传统转向系统。动力转向系统使转向操作灵活、轻便，在设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大，能吸收路面对前轮产生的冲击等优点，现代汽车上普遍采用助力转向系统动力转向系统于1955年在Buick上首次采用，解决了转向轻便性问题，

为了减少减少驾驶员在转向时的劳动强度，特意在机械转向系统的基础上加了一套助力装置，称为动力转向系统。传统转向系统的缺点1、汽车的转向特性受驾驶员自身因素的影响严重；2、液压助力转向系统经济性差，一般轿车每行驶一百公里要多消耗0.3~0.4升的燃料；3、存在液压油泄漏问题，对环境造成污染。在环保性能被日益强调的今天，无疑是一个明显的劣势。虽然传统转向系统技术成熟、工作可靠，但是也存在很多固有的缺点，传统转向系统由于方向盘和转向车轮之间的机械连接而产生一些自身无法避免的缺陷：

同样道理，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，两者不能兼顾。最重要的是提供不了合适的转向助力：

即若要保证汽车在停车或低速调头时转向轻便，就需要助力机构提供较大的助力，由于提供的助力不能改变，所以汽车在高速行驶时就会感到有”发飘“的感觉；由于传统转向系统的转向传动比固定，故提供不了合适的转向助力。想一下现代汽车对转向系统的要求究竟有哪些？2023/9/288现代汽车对转向系统的要求实际应用中，一般要求：当转向轮达到最大设计转角时，转向盘总转数不宜超过5圈，而转向盘操纵力最大不超过250N。现代汽车对转向系统的要求，主要概括为转向的灵敏度和操纵的轻便性。高的转向灵敏度，要求转向器具有小的传动比，以小的转向盘转角迅速转向，好的操纵轻便性，则要求转向器具有大的传动比，这样才能以较小的转向盘操纵力获得大的转向力矩。对转向系统的具体要求良好的操纵性合适的转向力与位置感具有回正功能适当的路面反馈量工作可靠节省能源安静、噪声小

转向必须灵活、平顺，具有很好的随动性，能够安全行驶在狭窄、连续拐弯的弯道上。

低速或停车时，转动转向盘不能太费力，高速行驶时，又不能感觉到转向盘上的力太小而有发“飘“的感觉，因此要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地感觉到转向盘的位置，感觉到操纵转向盘的角度与汽车行驶轨迹的对应关系，具有很好的直线行驶稳定性和高速行驶的路感。

在转向后，转向盘应当能自动回到直线行驶的位置，回转的速度要平稳、适当。使残留的角速度尽可能小。

从道路表面传来的冲击应能传达到转向盘上，增加驾驶员的路感，但不能太大，要使驾驶员的感觉是舒适的。

转向系统是安全件，如果不能转向或失去控制就会发生车毁人亡的事故。因此转向系统应具有故障预警功能，当计算机控制系统或助力系统发生故障时，转向系统仍然应保留人力转向功能。

在保证转向性能的前提下，尽可能降低转向系统的动力消耗。转向系统的分类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动助力转向系统现代汽车转向系统，根据助力的不同可分为：传统液压式助力转向系统机械式的液压助力转向系统一般由液压泵、油管、压力流量控制阀体、V型传动皮带、储油罐等部件构成。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，机械式液压助力转向系统由液压泵及管路和油缸组成，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，这也是耗资源的一个原因所在。传统液压式助力转向系统常流式是指汽车在行驶中，不转动转向盘时，流量控制阀在中间位置，油路保持畅通。常压式是指汽车在行驶中，无论转向盘是否转动，整个液压系统总是一直保持高压。

传统液压式助力转向系统（HPS）一般按液流的形式可分为常流式和常压式两种类型。第一节电子控制动力转向系统概述2023/9/28141.电子控制动力转向系统的功用

电子控制动力转向（ElectronicControlPowerSteering，简称EPS或ECPS）系统是根据车速、转向情况等对转向助力实施控制，使动力转向系统在不同的行驶条件下都有最佳的放大倍率。转向系统一般由转向盘、转向机、转向传动杆和转向节等构成。

在低速时有较大的放大倍率，可以减轻转向操纵力，使转向轻便、灵活。在高速时则适当减小放大倍率，以稳定转向手感，提高高速行驶的操纵稳定性。2023/9/2815A解决转向轻便与转向灵活的矛盾。B提高行驶安全性和舒适性。电子控制动力转向系统2023/9/28162.电子控制动力转向系统的组成EPS机械转向机构转向助力系统电子控制系统2023/9/28172.电子控制动力转向系统的分类液压式增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元等，电子控制单元根据检测到的车速信号，控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求。

转向动力源电动式利用直流电动机作为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速等信号，控制电动机转矩的大小和转动方向。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。

2023/9/2818第二节

液压式电子控制动力转向系统

2023/9/2819根据其控制方式的不同，可分为流量控制式、反作用力控制式和阀灵敏度控制式三种形式。

7.2.1流量控制式EPS系统

动力转向液压泵电磁阀电磁阀整体式动力转向控制阀EPSECU车速传感器车速传感器蓄电池易熔线点火开关熔丝（ECU-IG）2023/9/2820电磁阀安装在通向转向动力缸活塞两侧油室的油道之间，当电磁阀的阀芯完全开启时，两油道就被电磁阀旁路。EPSECU根据车速传感器的信号，控制电磁阀阀芯的开启程度，从而通过控制转向动力缸活塞两侧油室的旁路液压油流量来改变转向助力。当车速很低时，EPSECU输出的脉冲控制信号占空比很小，通过电磁阀线圈的平均电流很小，电磁阀阀芯开启程度也很小，旁路液压油流量小，液压助力作用大，使转向盘操纵轻便。当车速提高时，EPSECU输出的脉冲控制信号占空比增大，使电磁阀线圈的平均电流增大，电磁阀阀芯的开启程度增大，旁路液压油流量增大，从而使液压助力作用减小，以提高操纵稳定性。2023/9/28217.2.2反作用力控制式EPS系统转向液压泵储油箱分流阀电磁阀扭力杆转向盘销子转阀阀杆控制阀阀体小齿轮轴活塞转向动力缸齿条小齿轮柱塞油压反作用力室固定小孔转向控制阀是在传统的整体转阀式动力转向控制阀的基础上增设了油压反作用力室而构成。扭力杆的上端通过销子与转阀阀杆相连，下端与小齿轮轴用销子连接。2023/9/2822小齿轮轴的上端部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，于是就改变了阀体和阀杆之间油道的通、断关系和工作油液的流动方向，从而实现转向助力作用。分流阀的作用是将来自转向液压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，改变控制阀一侧与电磁阀一侧的油压，确保电磁阀一侧具有稳定的油液流量。固定小孔的作用是把供给转向控制阀的一部分流量分配到油压反作用力室一侧。电磁阀根据需要开启适当的开度，使油压反作用力室一侧的油液流回储油箱。

2023/9/2823反作用力控制式EPS系统具有三种控制形态停车与低速状态

中高速直线行驶状态

中高速转向行驶

2023/9/28247.2.3阀灵敏度控制式EPS系统阀灵敏度控制式EPS系统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量（阀灵敏度）来控制油压。

优点结构简单部件少价格便宜具有较大的选择转向力的自由度可以获得自然的转向手感和良好的转向特性2023/9/2825典型阀灵敏度控制式EPS系统转子阀的可变小孔分为低速专用小孔（1R，1L，2R，2L）和高速专用小孔（3R，3L）两种，在高速专用小孔的下边设有旁通电磁阀回路。发动机前轮转向油泵转向动力缸储油箱电磁阀EPSECU车速传感器车灯开关挡位开关蓄电池外体内体2023/9/2826阀部等效液压回路分析车辆停止时，电磁阀完全关闭……

随着车辆行驶速度的提高，EPSECU输出的控制信号使电磁阀的开度线性增加……2023/9/2827第三节

电动式电子控制动力转向系统2023/9/2828液压式电控动力转向系统由于工作压力和工作灵敏度较高，外廓尺寸较小，因而获得了广泛的应用。在采用气压制动或空气悬架的大型车辆上，也有采用气压动力转向的。电动式EPS的发展同时，这类动力转向系统的也有严重的缺点：结构复杂、消耗功率大，容易产生泄漏，转向力不易有效控制等。最重要的是这类动力转向系统提供的助力是根据固定放大倍数算出来的，因此无法兼顾低速和高速时对助力的不同要求。随着电子技术的进一步发展，目前越来越多的轿车上采用了电动式电控动力转向系统（简称电动式EPS），它是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的电控动力式转向系统。电控动力转向系统因具有可变的动力放大倍数，即可使在低速时转向轻便、灵活，也可在高速时，保证稳定的转向手感、驾驶舒适性、操纵稳定性更高，所以得到了广泛应用。2023/9/2830电动式EPS主要优点1、效率高。HPS系统为机械和液压连接，效率一般为60%～70%；EPS系统为机械与电机连接，效率可达90%以上。2、能耗少。对于HPS系统，发动机运转时，液压泵始终处于工作状态，使汽车燃油消耗率增加4%～6%；而EPS系统仅在需要转向时，才产生助力，使汽车燃油消耗率仅增加0.5%左右。没有液压式动力转向系统所必须的常运转转向油泵，电动机只是在需要转向时才接通电源，所以动力消耗和燃油消耗均可降到最低。

在使用中，同型号的汽车装EPS比装HPS节省燃油约5%。按100公里平均油耗8.0L，行程20万公里计算，可节省油费3000元左右。4、对环境污染少。EPS为电机与减速机构连接，EPS对环境几乎没有污染。

3、“路感好”，操纵性好。在不同的车速下都能获得较好助力，改善汽车操纵的稳定性。系统可以通过软件加以控制，使汽车在各种速度下都能得到满意的转向助力。6、应用范围广。EPS系统可适用于各种汽车，尤其对于环保型的纯电动汽车，EPS系统的控制更加精准。5、可以独立于发动机工作。EPS系统以电源为能源，只要电源电力充足，即可产生助力作用。2023/9/28328、电动机工作可用ECU进行控制，可以比较容易地按照汽车性能的需要设置、修改转向助力特性，具有较好的兼容性。7、装配性好，易于布置。因为EPS系统零件数目少，整体外形尺寸比HPS小，易于整车布置和装配。将各部件装配成一个整体，既无管道也无控制阀，其结构紧凑、质量减轻。一般电动式EPS的质量比液压式EPS质量轻25%左右。9、采用电力作为转向动力，省去了油压系统，所以不需要给转向油泵补充油，也不必担心漏油。2023/9/2833概念电动式EPS系统是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的电动助力式转向系统。该系统仅需要控制电动机电流的方向和幅值，不需要复杂的控制机构。另外，该系统由于利用微机控制，因此，为转向特性的设置提供了较高的自由度，同时还降低了成本和重量。2023/9/2834特点

电动机、减速机、转向柱和转向齿轮箱可以制成一个整体，管道、液压泵等不需单独占据空间，易于装车。增加了电动机和减速机，取消了液压管道等部件，使整个系统趋于小型轻量化。液压泵仅在必要时用来使电动机运转，故可以节能。因为零件的数目少，不需要加油和抽空气，所以在生产线上的装配性好。由此，从发展的角度看，电动式动力转向系统将成为标准件装备在汽车上。2023/9/28351.电动式EPS系统的组成电动式EPS系统是在机械转向机构的基础上，增加了电动式助力机构、转向助力控制系统后形成的。它是由转矩传感器、直流电动机、电磁离合器、减速机构和车速传感器、EPSECU组成的。转向盘转向轴EPSECU直流电动机电磁离合器转向齿条横拉杆转向轮输出轴扭力杆转矩传感器转向齿轮2023/9/2836转矩传感器转矩传感器用于测定转向盘与转向器之间的转向力矩。在输出轴的极靴上分别绕有A，B，C，D四个线圈，连接成一个桥式回路。

2023/9/2837转矩传感器应用于EPS系统的另一种转向盘转矩传感器，它将负载力矩所引起的扭力杆扭转角位移转换为电位计电阻的变化，并通过滑环将信号输出。

2023/9/2838直流电动机电动机的输出转矩控制是通过控制其输入电流来实现的，而电动机的正转和反转则是由EPSECU输出的正、反转触发脉冲控制的。2023/9/2839电磁离合器

安装在电动机输出轴上的主动轮内装有电磁线圈，通过滑环引入电流。当离合器通电时，电磁线圈产生的电磁力使压板与主动轮端面压紧。于是，电动机的动力经主动轮、压板、花键、从动轴传递给减速机构。滑环电磁线圈压板花键从动轴主动轮球轴承2023/9/2840减速机构电动式EPS系统减速机构的组合方式：蜗轮-蜗杆传动与转向轴驱动两级行星齿轮传动与传动齿轮驱动为了抑制噪声和提高耐久性，减速机构中的齿轮有的采用特殊齿形，有的采用树脂材料制成。2023/9/28412.电动式EPS系统的工作原理2023/9/2842当驾驶员操纵转向盘时，转矩传感器不断输出与转向力大小相应的转矩信号，同时，车速传感器提供的车速信号与该信号同时输入给电控单元，电控单元根据这些输入信号，确定动力转矩的大小和方向，即选定电动机的电流和方向。电动机的转矩由电磁离合器传递并通过减速机构减速增扭后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。当超过规定的车速时，离合器的驱动信号被切断，电动机与减速机构分离，同时电动机也停止工作。2023/9/2843

所以，通过测量V、W两端的电位差就可以测量出扭力杆的扭转角，即可得出转向盘上施加的转矩大小。当转向盘处于中间位置（直驶）时，扭力杆的纵向对称面正好处于图示输出轴极靴AC、BD的对称面上，当在U、T两端加上连续的输入脉冲电压信号Ui时，由于通过每个极靴的磁通量相等，所以在V、W两端检测到的输出电压信号U0=0；当转动转向盘时，由于扭力杆和输出轴极靴之间发生相对扭转变形，极靴A、D之间的磁阻增加，B、C之间的磁阻减少，各个极靴的磁通量发生变化，于是在V、W之间就出现了电位差。其电位差与扭力杆的扭转角和输入电压Ui成正比。2023/9/28441.优点与传统的液压动力转向系统相比，电动式EPS在多个方面具有明显的优势。（1）技术的复杂程度低不论是控制系统还是助力系统都是通过一个简单的，易于控制的动力源——电流来实现，这大大降低了技术的复杂程度。（2）高效率、低能耗液压助力转向系统，即使在不转向的时候也需要不停地提供液压油，因为转向泵在不停地转动，最高可以消耗发动机5％的功率。与之相比，电动式系统只在汽车转向的时候，电动机才开始工作，因此可以节能80％～90%（每百公里可以减少汽油的消耗量约0.2～0.3L）。另外，由于电动式EPS系统省略了液压系统的一些附件，如转向泵、储油灌、高压油管和回油管，减轻了整车的重量。（3）通用性好电动式EPS可以通过设置不同的程序，能快速地与不同车型匹配，因而能缩短生产和开发周期。电动式EPS总结（4）安装方便、使用可靠

与液压助力转向系统相比，电动式EPS取消了油泵、皮带、皮带轮、液压软管、控制阀、油罐、液压油及密封件等，只增加了电动机、减速机构、传感器及电控单元等，零件比液压助力转向系统少，质量更轻、结构更紧凑，在安装位置选择方面也更容易，并且能降低系统噪声。也没有液压助力转向系统的漏油问题。（5）转向舒适、精确电动式EPS能在各种行驶工况下根据车速，转向角，转向转矩和转向速度的状况提供合理的助力。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，进而提高汽车的安全性。同时它的阻尼特性又具有可编程性，保证了路面冲击能够被极好地吸收，减小了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。

2.缺点（1）不宜用于大型车辆

车用电源的电压较低（一般为12V或42V），使得电动式EPS系统提供的辅助动力较小，用于大型车辆比较困难。（2）匹配较难减速机构、电动机等部件的摩擦力和惯性力会影响转向特性（如产生过多转向等），或者改变转向盘的自动回正作用以及它的阻尼特性，因此正确匹配整车性能至关重要。由此可见，电动式EPS尤其适用于对空间、重量要求更高的使用小排量发动机的微型汽车上，尤其适用于电动汽车。第四节四轮转向系统2023/9/2848两轮转向和四轮转向汽车的转向特性差异低速转向特性如图所示汽车在低速转向时：

2WS汽车的情况是后轮不转向，所以转向中心大致在后轴的延长线上。4WS汽车的情况是对后轮进行逆向操纵，转向中心比2WS汽车靠近车体处。在低速转向时，若两前轮转向角相同，则4WS汽车的转向半径更小，内轮差也小，转向性能好。对小轿车而言，如果后轮逆向转向5度，则可以减少最小转向半径0.5米，内轮差约0.1米。2023/9/28