汽车EPS教材

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1、第17章 电子控制动力转向系统 本章主要内容 n电子控制动力转向系统概述 nEHPS的结构与原理 nEPS的结构与原理 EPS-Electric Power Steering EHPS- Electric Hydraulic Power Steering 17.1 概 述 17.1.1 电子控制动力转向系统的作用 动力转向系统是在驾驶员的控制下，借助于汽车发 动机产生的液体压力或电动机驱动力来实现车轮转向， 所以动力转向系统也称为转向动力放大装置。 动力转向系统由于使转向操纵灵活、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，因此动力转向系统在中型

2、载货汽车，尤其在重型载货汽车上得到广泛使用。但是 ，传统的动力转向系统所设定的固定放大倍率不可能同 时满足汽车在不同行驶工况下都有最佳助力作用的要求 ，因此，使汽车的转向盘操纵总不能达到令人满意的程 度。 17.1.1 电子控制动力转向系统的作用 电子控制动力转向系统是根据车速、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：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。 发动机前置及前轮驱动式轿车其前轴负荷的增加使 得转向轻便性也成为普遍关注的问题，由于电子控制

3、动 力转向系统不仅能很好地解决转向轻便与转向灵活的矛 盾，还能提高行驶安全性和舒适性，因此，在轿车上使 用电子控制动力转向系统已日渐增多。 17.1.2 电子控制动力转向系统的组成与分类 电子控制动力转向系统：机械转向机 构、转向助力系统和电子控制系统组成。 转向动力源不同可分为： 液压式电子控制动力转向系统EHPS 电动式电子控制动力转向系统EPS 17.1.2 电子控制动力转向系统的组成与分类 液压式EHPS是在传统的液压动力转向系统的 基础上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

4、高、低速时的转向助力 要求。EHPS根据其控制方式的不同，又可分为流 量控制式、反作用力控制式和阀灵敏度控制式三 种形式。 目前主要采用流量控制式，其它 两种非常少见。 17.1.2 电子控制动力转向系统的组成与分类 电动式EPS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。 电动式EPS按照其转向助力机构结构与位置 的不同，又可分为转向轴助力式C型（Column)、 转向器小齿轮助力式P型(Pinion)和齿条助力式R 型(R

5、ack）三种形式。 汽车转向行驶时的工作状况： 转动方向盘 扭杆扭转变形 滑阀偏转 动力油缸左腔进入高压油，右腔与回油管路连通 转向 轮偏转 转向齿轮与转向轴同向转动 。 动力转向装置的随动作用：（扭杆使阀芯和阀套位置变化引起） 转向动力缸随转向盘工作或停止的特性。 P A B O 整体式动力转向器 17.2 EHPS系统的结构与原理 17.2.1流量控制式EHPS 以丰田凌志汽车上采用的流量控制式电控动 力转向系统为例。 系统主要由车速传感器、电磁阀、整体式动 力转向控制阀、动力转向液压泵和电子控制单元 等组成。 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，

6、两油 道就被电磁阀旁路。 17.2.1流量控制式EHPS 17.2.1流量控制式EHPS EPS ECU根据车速传感器的信号，控制电磁 阀阀针的开启程度，从而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。 当车速低很低时，控制器输出的控制信号脉 冲占空比很小，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，控制器输出的控制信号脉冲占空比增 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，以增加转向盘的路感。 17.2.2 电动式电子控制动力转向

7、系统的原理 1电动式EPS的组成与原理 电动式EPS在机械转向机构的基础上，增加 电动式助力机构、及转向助力控制系统。电动式 EPS一例如图17-5所示。 电动式EPS利用电动机作为助力源， EPS ECU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 向助力机构输出控制信号，实现最佳的转 向助力控制。 MAZADA3 EHPS结构 EHPS油泵总成 EHPS控制策略 17.2.2 电动 式电子控制动 力转向系统的 原理 17.2.2 电动式电子控制动力转向系统的原理 电动式EPS的基本控制原理 当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的转向力 矩传感器不断地测出转向轴上的转向力矩

8、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，确定助力转矩的大小 和方向，即选定电动机的电流大小和方向，调整 转向辅助动力的大小。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，使之得到一个与汽车工况相适应的转向作 用力。 17.2.2 电动式电子控制动力转向系统的原理 2电动式EPS的特点 能耗低：电动式EPS只有转向时系统才工作，消耗较 少的能量。因而与液压式动力转向系统相比，在各种行 驶工况下均可节能8090。 轻量化显著：电动式EPS无液压式EPS必须具有的液压 缸、油泵、转阀、液压管道等部件，因此其结构紧凑、 重量减轻、无油渗漏

9、问题、系统易于布置。 优化助力控制特性：液压助力的增减有一定的滞后性 ，反应敏感性较差，随动性不够。电动式EPS由于采用电 子控制，可以使转向系统的转向性能得到优化，增强随 动性。 系统安全可靠：当电动式EPS出现故障时，可立即切 断电动机与助力齿轮机构的动力传送，迅速转入人工-机 械转向状态。 17.2.2 电动式电子控制动力转向系统的原理 3电动式EPS的类型 转向轴助力式 转向器小齿轮助力式 齿条助力式 17.2.2 电动式电子控制动力转向系统的原理 转向轴助力式。 转向助力机构安装在 转向轴上，电动机的 动力经离合器、电动 机齿轮传给转向轴的 齿轮，然后经万向节 及中间轴传给转向器 。

10、 C-EPS 17.2.2 电动式电子控制动力转向系统的原理 转向器小齿轮 助力式。转向助 力机构安装在转 向器小齿轮处。 与转向轴助力式 相比，可以提供 较大的转向力， 适用于中型车。 这种助力形式的 助力控制特性方 面比较复杂。 17.2.2 电动式电子控制动力转向系统的原理 齿条助力式。如图17 -7所示，转向助力机构 安装在转向齿条处，电 动机通过减速传动机构 直接驱动转向齿条。与 转向器小齿轮助力式相 比，可以提供更大的转 向力，适用于大型车。 这种助力形式对原有的 转向传动机构有较大改 变。 17.2.3 电子控制动力转向系统部件结构 1转向力矩传感器 转向力矩传感器用于测定转向盘

11、与转向器之间的转向 力矩，其原理如图17-8所示。 17.2.3 电子控制动力转向系统部件结构 17.2.3 电子控制动力转向系统部件结构 工作原理 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。在线圈的U、T两端输入持续的脉冲电压Ui，当转向杆上 的转矩为0时，定子与转子的相对转角为0，这时转子的纵向对称面 处于图示定子AC、BD的对称平面上，每个极靴上的磁通量均相等， 因而由线圈组成的电桥处于平衡状态，在V、w两端的电位差Uo为0。 转向时，由于扭力杆与输出轴极靴之间发生相对的扭转变形，定子 与转子之间产生角位移。这时，极靴A、D间的磁阻增大，B、C间的 磁阻减小，

12、各极靴的磁通量产生了差别，使电桥失去平衡。于是， 在V、W之间就出现电位差Uo。这个电位差与扭力杆的扭转角护和输 入电压Ui成正比(Uo=kUi，k为比例系数)。由于扭转角参与作用于 扭力杆上的转向力矩成比例，因此，由Uo就可获得转向盘的转向力 矩。 17.2.3 电子控制动 力转向系统部件结构 EPS的另一种转向盘 转向力矩传感器如图 17-9所示。 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。 17.2.3 电子控制动力转向系统部件结构 2直流电动机 直流电动机的原理 与起动机电动机基本相 同，通常采用永磁式电 动机。电动机的输出转 矩控制是通

13、过控制其输 入电流来实现，而电动 机的正转和反转则是由 ECU输出的正反转触发 脉冲控制。图17-10是 一种比较简单适用的控 制电路。 17.2.3 电子控制动力转向系统部件结构 a1、a2为电动机正反转信号触发端，当a2端有 触发信号输入时，V3导通，V2得到基极电流也导 通，电流经V2、电动机M、V3到搭铁，电动机正 转。当a1端有触发信号输入时，V4导通，V1得到 基极电流也导通，电流经V1、电动机M、V4到搭 铁，电动机反转。电动机的电流大小可由触发信 号电流的大小控制。 3电磁离合器 EPS通常采用干式单 片式电磁离合器，其原理 如图17-11所示。 装在电动机输出轴上 的主动轮内

14、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。 4减速机构 电动式EPS减机构 有多种组合方式，一般 采用蜗轮蜗杆传动与转 向轴驱动组合方式，也 有采用两级行星齿轮传 动与传动齿轮驱动组合 方式(图17-12)。 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。 电子机械转向，带随速助力 节能技术 运动特征曲线 易于停车和移动 主动缓冲 奥迪TT R-EPS 奥迪TT R-EPS n 机电式转向助力系统的优势： 转向助力和减震调节程

15、度由车速决定，在所有情况 下都能获得最佳的转向轮感觉 降低燃油消耗，因为系统只在需要的时候才消耗能 量（节约0.1-0.2l/100km） 在系统中没有液压油，因此也就不存在泄露的问题 它具有具有主动回正辅助和修正功能，以达到直线 保持能力 奥迪TT R-EPS n转向助力程度受转向扭矩、转向角度及变化率、驱 动型式、发动机转速、车速的影响，这些数据通过 车辆CAN总线系统提供给系统控制单元 蜗轮机构 非同步电机 控制单元 扭矩传感器 车速 EPS控制单元 异步电机 涡轮涡杆传动机构 EPS-小齿轮 转向角传感器 转向角 转向角速度 转向力矩传感器 转向力矩 转向主动齿轮 输入信号 输出信号

16、转向速度 转向角 J527-转向柱电控单元 G85- 转向角传感器 15号接线柱 D-点火开关 J500-机电式转向装置控 制单元 转向力矩 转向力矩传感器 J285-组合仪表内的控制单元（带显示屏） 车速 指示灯控制 电机控制 转子转速 转向速度 发动机转速 J220-发动机控制单元J104-ESP控制 单元 车速 V187-转向电机 K161-指示灯 无滑动离合器的减震器 传感器采用冗余设计结构 转向柱连接件 电磁感应器 冗余磁阻效应传感 元件 扭力杆 转向器连接件 转向辅助系统协 助转向轮回到中 间位置，因此在 底盘开发过程中 不需要将过多精 力放在转向主销 后倾和主销内倾 的回正力上面 外来回位力 转向器上的有效力矩 助力力矩（- 回位力矩） 回位力矩 V187-电机力矩 停车 手力矩 特性曲线7（用于重车） 特性曲线6（用于轻车） 控制策略助力特性曲线