汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)特征分析

概述

所謂電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，指的是在駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向動(dòng)力源由電動(dòng)機(jī)提供；而液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)指的是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向動(dòng)力源由液壓泵產(chǎn)生的油液壓力提供。電子助力轉(zhuǎn)向由電動(dòng)機(jī)提供，消耗的是電能，而車上的電能是由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電所得到的。這種能量的轉(zhuǎn)換效率較高，而且能量損失較小，對于車輛行駛的效率損失也小。這套系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，同時(shí)這套系統(tǒng)也是有其缺點(diǎn), 主要原因在汽車上的發(fā)電機(jī)實(shí)際的發(fā)電功率是有限的，所以能夠提供轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向助力能力也就有了限制。不過這種助力的能量是通過電動(dòng)機(jī)直接提供，助力的響應(yīng)性很敏銳，速度也非?？?，在駕駛員操作方向盤時(shí)就會(huì)感覺到操作很輕松。在電腦的控制下, 可以容易的改變助力系統(tǒng)的壓力。在車輛行駛速度比較低的時(shí)候, 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力壓力增大，駕駛員操作方向盤感覺非要輕盈；在車輛行駛速度比較高的時(shí)候, 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力壓力減小，駕駛員操作方向盤感覺比較沉重；這種情況可以給車輛的行駛帶來比較安全保障。這些實(shí)現(xiàn)起來很輕松，需要通過集成電路板直接控制。這套電控液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向油泵不再依靠發(fā)動(dòng)機(jī)依靠皮帶帶動(dòng)，它由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，并且在之前的基礎(chǔ)上加裝了電控系統(tǒng)，使得轉(zhuǎn)向的輔助力與轉(zhuǎn)向角度、車速等參數(shù)，該系統(tǒng)新增加的電控系統(tǒng)主要有電磁閥、車速傳感器、轉(zhuǎn)向控制電腦等設(shè)備。

電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電子控制技術(shù)在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用, 使汽車駕駛可以達(dá)到令人滿意的效果。電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在低速行駛的時(shí)候可以使轉(zhuǎn)向輕便、靈活；當(dāng)汽車在高速行駛的時(shí)候轉(zhuǎn)向, 又能保證提供最優(yōu)的動(dòng)力放大倍率和轉(zhuǎn)向手感, 從而提高了高速的行駛穩(wěn)定性。目前汽車上使用的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大多數(shù)都是電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng), 其組成由助力轉(zhuǎn)向控制單元、儲(chǔ)液罐、電動(dòng)泵、轉(zhuǎn)向機(jī)、助力轉(zhuǎn)向傳感器等構(gòu)成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要元件。

圖1 電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖

為了滿足轎車對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求, 電控動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點(diǎn): (1)良好的隨動(dòng)性：即方向盤與轉(zhuǎn)向輪之間具有準(zhǔn)確的一一對應(yīng)關(guān)系，同時(shí)能保轉(zhuǎn)向輪可維持在任意轉(zhuǎn)向角位置。 (2)有高度的轉(zhuǎn)向靈敏度：即轉(zhuǎn)向輪對方向盤應(yīng)具有靈敏的響應(yīng)。 (3)良好的穩(wěn)定性：即具有很好的直線行使穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向自動(dòng)回正能力。 (4)助力效果能隨車速變化和轉(zhuǎn)向阻力的變化做相應(yīng)的調(diào)整。低速時(shí)，有較大的助力效果，以克服路面的轉(zhuǎn)向阻力，高速時(shí)，有適當(dāng)?shù)穆犯?，以避免因轉(zhuǎn)向過輕發(fā)生事故。2.轉(zhuǎn)向助力油泵目前轎車上面的動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵是通過發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后由曲軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向泵皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)的, 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，液壓系統(tǒng)的液壓油被轉(zhuǎn)向泵從儲(chǔ)液罐中抽出來，其安裝在通向轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸活塞兩側(cè)油室的油道之間，當(dāng)閥針完全開啟時(shí)，兩油道就被電磁閥旁路，使動(dòng)力缸活塞兩側(cè)壓力差減小，助力減?。幌喾磩t助力增大。流量控制式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是根據(jù)車速傳感器的信號(hào)，控制電磁閥閥針的開啟程度，從而控制轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸活塞兩側(cè)油室的旁路液壓油流量，改變方向盤上的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)方向盤的力也隨之增加；相反，則車速較低時(shí)，助力作用加大，使轉(zhuǎn)向輕便。轉(zhuǎn)向液壓泵的工作原理如圖2所示：

圖2 轉(zhuǎn)向助力油泵

3.動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)

液壓系統(tǒng)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)屬于齒輪齒條式，其安裝在位于發(fā)動(dòng)機(jī)后部的副車架后橫梁之下的位置。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是根據(jù)車速傳感器的信號(hào)，控制電磁閥閥針的開啟程度，從而控制轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸活塞兩側(cè)油室的旁路液壓油流量，來改變方向盤上的轉(zhuǎn)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，而液壓助力作用越小，使轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的力加大, 增加路感。同時(shí)根據(jù)運(yùn)行道路條件，設(shè)計(jì)了不同的控制模式?？筛鶕?jù)20s內(nèi)的平均車速和平均方向盤轉(zhuǎn)角判定車輛當(dāng)前運(yùn)行道路條件。變換控制模式最多需要1.1s，可避免助力的急劇變化。

圖4 齒條動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)

4.電子控制器ECU動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的電子控制單元，采用模擬電路控制, 由模擬電路構(gòu)成的動(dòng)力轉(zhuǎn)向ECU，主要由頻率電壓 (頻壓) 轉(zhuǎn)換器、電壓放大器、比較器、振蕩器等組成。其輸人信號(hào)為車速傳感器提供的車速信號(hào), 執(zhí)行器為比例電磁鐵機(jī)構(gòu)；ECU擔(dān)負(fù)起控制通人比例電磁鐵機(jī)構(gòu)電流的任務(wù)。車速提高時(shí), 為了增大轉(zhuǎn)向的操縱力，需要加大流人比例電磁鐵機(jī)構(gòu)的電流；而當(dāng)車速超過120km/h時(shí)。為了防止電流過太而造成過載，ECU則控制比例電磁鐵機(jī)構(gòu)保持著恒定的電流值。5.轉(zhuǎn)向控制閥轉(zhuǎn)向機(jī)的轉(zhuǎn)向控制閥控制轉(zhuǎn)向機(jī)內(nèi)部閥口的變化，根據(jù)系統(tǒng)輸入壓力的變化改變液壓系統(tǒng)的助力，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)經(jīng)轉(zhuǎn)向機(jī)轉(zhuǎn)向橫拉桿推或拉車輪完成轉(zhuǎn)向操作，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

電磁閥的開度由ECU的輸出電流控制, 而該輸出電流又取決子車速的高低。通過電磁線圈的電流是模擬信號(hào), 通常改變其通電時(shí)間所占的比例即可控制此電流值的大小。而電磁閥的開度又可以控制PPS齒輪箱中油壓反力室的油壓。 當(dāng)車速較高時(shí), 流人電磁線圈的電流減小, 電磁閥的節(jié)流面積 (即開度) 變小, 返回儲(chǔ)油罐的回流量減少, 而使分流閥分到油壓反力室的流量增加, 油壓增大, 使轉(zhuǎn)向“沉重”；當(dāng)車速較低時(shí), 流入電磁線圈的電流增大, 電磁閥的節(jié)流面積 (開度) 變大, 流回儲(chǔ)油罐的液流量增加, 分到油壓反力室的液流量減少, 油壓減小, 便轉(zhuǎn)向“輕便”。 當(dāng)車輛停止時(shí), 電磁閥完全關(guān)閉, 如果此時(shí)向右轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤, 則高靈敏度低速專用小孔在較小的轉(zhuǎn)向扭矩作用下即可關(guān)閉, 轉(zhuǎn)向液壓泵高壓油液經(jīng)流向轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸右腔室, 其左腔室的匯液經(jīng)流回儲(chǔ)油箱。所以, 此時(shí)具有輕便的轉(zhuǎn)向特性。而且施加在方向盤上的轉(zhuǎn)向力矩越大, 可變小孔的開口面積越大節(jié)流作厙就越小, 轉(zhuǎn)向助力作用越明顯。隨著車輛行駛速度的提高, 在ECU的作用下, 電磁閥的開度也線性增加, 如果向右轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤, 則轉(zhuǎn)向液壓泵的高壓油液經(jīng)旁通電磁閥流回儲(chǔ)油箱。此時(shí), 轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸右腔室的轉(zhuǎn)向助力油壓就取決于旁通電磁閥和靈敏度低的高速專用小孔的開度。車速越高, 在ECU的控制下, 電磁閥的開度越大, 旁路流量越大, 轉(zhuǎn)向助力作用越小, 在車速不變的情況下, 施加在方向盤上的轉(zhuǎn)向力越小, 高速專用小孔的開度越大, 轉(zhuǎn)向助力作用也越小；當(dāng)施加在方向盤上的轉(zhuǎn)向力增大時(shí), 高速專用小孔的開度減小, 轉(zhuǎn)向助力作用也隨之增大。由此可見, 閥靈敏度控制式EPS可使駕駛員獲得非常自然的轉(zhuǎn)向手感和良好的速度轉(zhuǎn)向特性。6.壓力傳感器這個(gè)傳感器稱為“壓力”傳感器，安裝位置是轉(zhuǎn)向動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵系統(tǒng)高壓側(cè)的出口 (如圖6) ，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)向泵開始運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就開始產(chǎn)生的負(fù)荷信號(hào)，當(dāng)車輛靜止不動(dòng)，節(jié)氣門處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)就是發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的怠速校準(zhǔn)信號(hào)。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的負(fù)荷信號(hào)通過線束傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，壓力傳感器可以根據(jù)負(fù)荷產(chǎn)生占空比信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元接收到此信號(hào)以調(diào)整怠速時(shí)的控制輸出。在車輛行駛或者停車時(shí)，駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤至方向一側(cè)的極限位置時(shí)，由于轉(zhuǎn)向極限的原因助力系統(tǒng)會(huì)需要比較大的負(fù)荷才可以維持轉(zhuǎn)向，這種情況相比直線行駛，給發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶來的附荷會(huì)加大。因此為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)， 防止因負(fù)荷過大導(dǎo)致停機(jī)或低速空轉(zhuǎn)的情況，系統(tǒng)內(nèi)的傳感器檢測到壓力的變化后發(fā)出信號(hào)，并將信號(hào)發(fā)送到發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元處，收到傳感器傳來的信號(hào)后，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元會(huì)根據(jù)當(dāng)時(shí)情況的負(fù)荷適當(dāng)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，避免出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)“滅車”的現(xiàn)象。壓力傳感器的位置如圖6所示。

圖6 壓力傳感器

結(jié)論

本文詳細(xì)介紹汽車電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和技術(shù)特點(diǎn)，希望可以以此幫助相關(guān)技術(shù)人員對該系統(tǒng)有一個(gè)充分的認(rèn)識(shí)和理解，對于電子液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的故障檢測與診斷中提供一定的幫助和技術(shù)支持。

審核編輯 ：李倩