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1、新课引入 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。第1页/共32页传统转向系统传统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。普通的转向系统建立在机械转向的基础上。常用的有两种是齿轮齿
2、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。第2页/共32页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：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,提供不了合适的转向力;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0.30.4升的燃料；另外，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。第3页/共32页新课讲授：助力转向系统 助力转向系统使转向操作灵
3、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助力转向系统于1955年在Buick上首次采用，解决了转向轻便性问题，助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。助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。第4页/共32页助力转向系统的要求对转向系统的要求，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
4、能以较小的转向盘操纵力获得大的转向力矩。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第5页/共32页助力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
5、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。第6页/共32页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第7页/共32页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
6、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。第8页/共32页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为常流式和常压式两种类型。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
7、压。第9页/共32页传统液压式助力转向系统缺点 提供不了合适的转向力，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”发飘“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，两者不能兼顾。第10页/共32页电子控制式液压助力转向系统转向控制阀 油泵：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，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：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
8、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，确保电磁阀一侧具有稳定的油液流量。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ECU：ECU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，以控制转向助力的大小。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流回储油箱
9、。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，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动而实现转向助力作用，电磁阀开启较小时则相反。第11页/共32页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，控制阀阀体与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。第12页/共32页汽车低速行驶或者大转弯时。流经电磁线圈的电流较大，电磁阀的开启角度较大，经分流阀分流后的油液通过电磁阀返回油箱的油液就较多，因此作用在反力室的油压就较
10、小，柱塞上的油压较小，这时作用在控制阀轴上的反力也较小，因此反力油压形成的阻力矩较小。由于阻力矩较小，转向盘只需要用较小的力就可以使扭力杆发生较大的变形，转向助力较大。第13页/共32页流经电磁线圈的电流较小，电磁阀的开启角度较小，经分流阀分流后的油液通过电磁阀返回油箱的油液就较少，因此作用在反力室的油压就较大，柱塞上的油压较大，这时作用在控制阀轴上的反力也较大，因此反力油压形成的阻力矩较大。由于阻力矩较大，输入同样的力，使扭力杆发生变形较小，转向助力较小。旋转阀与控制阀相互连通的通道口开度也减小，助力较小。第14页/共32页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
11、易有效控制。第15页/共32页电动助力转向系统（EPS）电动助力转向系统利用电动机作为动力源，根据车速和转向参数等，由电子控制单元完成助力控制。根据电动机布置位置不同，可分为转向柱助力式、齿轮助力式和齿条助力式三种类型。转向柱助力式EPS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。齿轮助力式EPS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。齿条助力式EPS的电动机和减速机构直接驱动齿条提供助力。第16页/共32页电动助力转向系统的最大特点就是能实现“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慢，精确提供各种行驶路况下的最
12、佳转向助力，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，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。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，解决高速发飘问题，成本相对较低。第17页/共32页电动助力转向系统结构转矩传感器转向离合器第18页/共32页不转向时，助力电动机不工作，当转向盘转动时，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，车速传感器产生车速信号，ECU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，即输出一个适合的电流，
13、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，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，使之得到一个与工况相适应的转向助力。第19页/共32页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，目前采用较多的是扭杆式电位计传感器，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移得到扭矩。第20页/共32页用磁性材料构成的定子和转子可以形成闭合的回来，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
14、扭转角，就可间接知道转向力的大小。第21页/共32页在线圈U、T的两端施加连续的脉冲信号Ui,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，在V和W两端的电位差Uo为零，如果转向轴上存在转矩，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，电桥失去平衡在V和W两端出现电位差Uo。第22页/共32页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轴的转速，根据输出轴转速计算得到汽车的行驶速度。常用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。当输出轴转动时，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，从而产生交流感应电
15、压，车速越高，输出轴转速越高，感应电压脉冲频率就越高。ECU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。第23页/共32页电机EPS的动力源是电动机，功能是根据ECU的指令产生相应的输出转矩，电动机时影响EPS性能的主要因素之一。通常采用无刷永磁式直流电动机。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。需要正反转控制。第24页/共32页EPS电机正反转控制电路当a2端得到输入信号时，晶体管VT4导通，VT1得到基极电流而导通。电动机有反向电流流过反转。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大小。a1和a2端为触发信号端，从微机系统的D/A
16、转换器得到的直流信号输入到a1和a2端，用以触发电动机产生正反转。当a1端得到输入信号时，晶体管VT3导通，VT2得到基极电流而导通。电动机有电流流过正转。第25页/共32页离合器采用干式电磁离合器,保证EPS在预先设定的车速范围内闭合，当车速超过设定车速范围时，离合器断开，电动机不在提供助力，转入手动转向状态，另外当电动机发生故障时，离合器将自动断开。车速超过30KM/h时，EPS不工作。第26页/共32页转矩传感器：检测转向轴转矩的大小和转动的方向，转矩传感器信号和车速信号同时输入到ECU,ECU根据这些信号确定助力转矩的大小和方向。发动机转速传感器：确定发动机的工况，当处于怠速工况时，电
17、动助力转向系统不工作。微机根据车速、转向力及转向角等参数，计算得到最佳的转向助力转矩，并向转向电动机输出电流控制信号，使转向机构得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。从而实现最佳的转向助力控制。第27页/共32页电动助力转向的精确转向的实现过程 工作时，微机控制指令经D/A转换接口送入电动机和离合器的驱动放大电路，以控制电动机电流的大小和方向，以及离合器的离合。电动机的电流经放大电路、电流表及a/d转换接口反馈给微机，微机将此与按微机指令应给的电流相比较，若有差值，则予以调整，使两者趋于一致。第28页/共32页电动助力转向系统的控制流程第29页/共32页1、电动助力转向系统结构2、电动助力转向系统工作原理课堂小结第30页/共32页谢谢大家！第31页/共32页感谢您的观看。第32页/共32页