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1、.第 1 章 绪论1.1 汽车转向系统简介汽车转向系统可以分为无助力转向系统和有助力转向系统。随着科技发展和新技术的采用，有助力转向系统逐渐由传统的液压助力转向(HPS) (Hydraulic Power Steering)系统向电动液压助力转向(EHPS) (Electronic Hydrautic Power Steering)系统和电动助力转向(EPS)(Etectronic Power Steering)系统发展。汽车在转向的时候，由于车轮与地面的摩擦，前桥载荷可以高达几千牛顿，在没有助力的情况下用手臂转动转向盘会感觉到比较沉重，所以，需要采取助力转向来解决转向轻便性问题。而随着车速的
2、增加，车轮与地面的摩擦力减小，在提供相同助力的情况下，高速时会令人感觉到转向盘发飘，另外，转向盘高速转动的时候，助力容易出现严重滞后，因此需要采用助力调节来解决转向盘发飘和助力跟随性问题。传统的液压助力转向系统是利用发动机带动转向油泵工作，油泵的流量和压力随发动机的转速升高而增加当转向的时候，液压油流入其中的一个缸，而另外的一缸则有一部分油回流。这样两缸之间产生了压力差，从而产生助力。如果油泵的流量和压力越高，那么产生的助力就越大。对于汽车来说，车速越高，发动机的转速越快，这样油泵的流量和压力就会越大，相应的产生的助力也就越大，导致高速时转向盘发飘，为了解决这个问题，液压助力转向系统使用控制阀
3、控制进入油缸的流速，让流速不要随着泵的转速改变而改变，这样解决了发飘的部分问题。电动液压助力转向系统是在传统液压系统的基础上增设了电控单元(ECU)而组成的，它使用电机代替发动机带动转向油泵工作。通过 ECU 控制电机转速，电机转速越高，转向油泵的流量和压力越大，相应产生的助力也就越大。通过调节电机转速，就可以实现助力可变。电动助力转向系统是由独立于发动机的蓄电池提供动力带动电机，用扭矩传感器测出施加于转向轴的扭矩，根据不同行驶条件通过 ECU 传送给电动机一个合适的电流以产生适合工况的转向助力。传统的液压助力转向系统还存在以下问题:首先没有实现真正的助力调节，它采用恒流速的方法，只能部分解决
4、转向盘发飘问题，高速时感觉较轻，低速时感觉较沉，操控舒适性较差;另外，在车速升高时，发动机转速升高，泵.的流速升高，控制阀控制大部分液压油没有进入油缸而是回流入泵，这样造成了较大的能源损耗。电动液压助力转向系统能量损耗较小，可以根据不同的路况提供可变助力，操纵手感好，适用于中型以上的货车和豪华轿车。电动助力转向系统最节能，但目前使用的是有刷直流电机，寿命相对较短，适用于轻型轿车。1.2 EHPS 系统特点以及发展现状1.2.1 EHPS 系统构成及工作原理电动液压助力转向系统是在液压动力转向系统基础上发展起来的，是将电机与液压动力电动泵、齿轮齿条式转向器、转向控制阀、电控单元等集成在一起的一种
5、转向技术。它的结构如图 1-1。图 1-1 电动液压助力转向系统组成图系统工作原理;首先控制器(Controller)实时的根据角度传感器（Steering angle sensor）和车速传感器等的信号计算出合适的电机转速，并调节电机达到该合适转速;在电机带动下，液压泵将高压油从出油孔泵出通过出油管进入转向阀，当有转向操作时，转阀阀芯和阀套产生相对运动，导致高压油进入.其中一个油缸(左缸) ，使左右油缸产生压力差，从而产生助力，另一个油缸(右缸)的低压油被压出来回流入液压泵。图中深色管为高压油，浅色管为低压油。当无转向操作时，高压油不进入油缸，直接回流入液压泵。1.2.2 EHPS 系统与其
6、它转向系统的比较传统液压助力转向系统由于由发动机带动转向油泵，在不转向或转向时都要消耗发动机部分动力。其次，一般液压动力转向系统所使用的转向油泵的流量是根据发动机怠速时能使动力转向系统产生足够的转向助力所需的供油量来确定，当提高发动机转速的时候，其供油量不断的增加，但由于动力转向系统要求转向油泵的流量如图 1-2 所示，要求随着发动机转速的提高所要求转向油泵的流量保持不变或下降。因此，在高速时，转向油泵内大部分流量通过溢流阀返回，在转向油泵内循环，造成转向油泵发热，更重要的是造成能源浪费，不符合汽车节能要求，也不符合汽车对转向系统的要求，能耗对比如图 1-3。图 1-2 转向泵流量特性曲线图.
7、1）传统液压助力转向系统 2）采用控制阀的液压助力转向系统3）电动液压助力转向系统图 1-3 能量消耗对比1.2.3 EHPS 系统的特点EHPS 系统是由直流电机带动电动泵工作，而不是由发动机驱动，可根据转向需求提供不同的转向力，满足汽车对转向系统的要求。在发动机怠速时，电动泵提供较大的流量，而在高速时，按转向要求，使其流量有所下降。亦即在低速行驶时，驾驶员需较小的转向操纵力就能灵活地进行转向，而在高速转向时，使操纵力逐渐增大，优化了转向操纵，提高了驾驶员舒适性和转向灵活性，又克服了转向“发飘”感觉，使驾驶员操纵时有显著的“路感”，保证在高速行驶时的稳定性和安全感。另外，EHPS 系统将电机
8、、控制器、液压泵集成在一起降低了占用空间，安装比较轻便。控制器具有可编程性，可根据不同车型或个人喜好调节系统的性能，有较好的可移植性。综上所述，EHPS 系统相对 HPs 系统具有如下特点;1)、采用无刷直流电机(BLDC)，降低了能源损耗。2)、结构紧凑，便于安装。.3)、具有可编程的助力特性，性能便于调试，能得到舒适的转向路感。4)、提高了可控性，可靠性，具有更好的安全性。5)、与传统的叶片泵相比，采用齿轮泵的 EHPS 系统泵油效率提高。6)、维护方便。7)、具有较高的性能价格比。另外，与 EPS 系统相比， EHPS 系统采用液压提供助力，使助力比较平滑，手感很好;对于以前的 HPS
9、系统，可以经过相对简单的改装即可成为EHPS 系统;另外 EHPS 系统也继承了 HPS 系统的优点，能够提供很足的助力，将主要应用与高级轿车以及运动型乘用车上。1.3 EHPS 系统的发展状况由于 EHPS 系统的优越性能，国外很早就开始对其进行了研究，可以追溯到上世纪 80 年代，但当时的情况主要局限于理论研究，在技术实现上是利用电子阀控制油泵流量的方法调节助力，该技术在操控性和节能方面的改进十分有限。随着电子技术的发展和无刷直流电机的应用，电动液压助力转向系统有了更深刻的变化，现在的研究方向是更为轻便、更为安全、更为节能。国外(主要是 KOYO 和 TRW 公司) 提出了应用电机代替发动
10、机驱动转向油泵以节能，根据车速、转向盘角速度控制电机转速以更为轻便和安全的方法。并已经有产品推出， TRW 公司生产的 EHPS 系统，它的控制器可以为电机提供高达几十安的电流，产生几千牛的助力。该公司主要为大众的 POLO 轿车配套。国外虽然已经有产品推出，但由于时间较短，还不具有很大市场规模，而且汽车产品都有较长的跑车试验期和寿命测验，所以如今的大多数的汽车还是采用传统的液压助力转向系统。从长远眼光来看，传统的液压系统必然要被 EHPS 系统或者更高的系统所代替。国内对于电动液压助力转向系统的研究还处于探索阶段，因为该系统涉及电子，机械，自动化等诸多领域，需要多学科的交叉，面临的难题也比较
11、多，另外国内在无刷电机和转向柱方面的配套技术比较落后，如此种种影响了整个系统的发展。而且国外对此方面技术非常保密，国内对该技术介绍较少。这些因素都导致我国在 EHPS 系统方面的研究十分落后。1.4 本课题的研究意义.随着科技的发展和人们生活水平及环保意识的提高，汽车转向助力肯定会向更轻便、更节能、更安全的方向发展，而本课题正是沿着这个方向对汽车的转向系统进行了研究。现存的汽车，大部分都是传统液压助力转向系统，甚至没有助力转向系统，电动液压助力转向系统能提供比其更安全、更舒适的转向操控性和节能效果。本课题对该系统的控制算法和控制系统进行了深入、细致的研究，并将其应用于实践，这对于推动该系统的发
12、展和最终的产品化应用，对于推动机械、传感器技术和电子器件制造等相关产业的发展，对于提高我国汽车电子化水平和加快转向系统产业化发展具有十分重要的意义。在可预见的将来，电动液压助力转向系统在汽车尤其是豪华轿车和货车中必定会有广泛的应用.第 2 章 电动液压助力转向系统的总体组成2.1 电动液压助力转向系统的机理及类型2.1.1 电动液压助力转向系统的机理EHPS 的工作原理如图2-1所示。汽车直线行驶时，方向盘不转动，泵以很低的速度运转，大部分工作油经过转向阀流回油罐，少部分经液控阀直接流回油罐；当驾驶员开始转动方向盘时，电子控制单元根据检测到的转角、车速以及电动机的反馈信号等，判断汽车的转向状态
13、，向驱动单元发出控制指令，使电动机产生相应的转速以驱动泵，进而输出相应流量和压力的高压油（瞬时流量从ECU中储存的流量通用特性场中读取。）。压力油经转阀进入齿条上的液压缸，推动活塞以产生适当的助力，协助驾驶员进行转向操纵，从而获得理想的转向效果。因为助力特性曲线可以通过软件来调节，所以该系统可以适合多种车型。在电子控制单元中，还有安全保护措施和故障诊断功能。当电动机电流过大或温度过高时，系统将会限制或者切断电动机的电流，避免故障的发生；当系统发生故障(如蓄电池电压过低、转角传感器失效等)时，系统仍然可以依靠机械转向系统进行转向操纵，同时显示并存储其故障代码。1.动力缸 2.转向阀 3.ECU
14、4.电机5.液压泵 6.液控阀 7.限压阀.图2-1电动液压助力转向系统工作原理图EHPS 系统有如下特点：一是节能，高速时最多能节约85%的能源（相对于传统的由发动机驱动泵的系统），实际行驶过程中能节约燃油0.2L/100km；二是结构紧凑，主要部件(电动机、油泵和电子控制单元)均可以组合在一起，具有良好的模块化设计，所以整体外形尺寸比传统液压助力转向系统要小，质量要轻，这就为整车布置带来了方便；三是根据车型的不同和转向工况的不同，提供不同的助力，有舒适的转向路感。2.1.2 电动液压助力转向系统的分类由于助力转向系统具有转向轻便和响应性好等优点，已经在汽车上广泛使用。但是，固定助力效果的助
15、力转向系统具有明显的缺点，虽然这种转向系统的助力效果在车速较低时能够起到很好的作用，但是当车速不断升高时，固定的助力效果会使转向盘过于灵敏，不利于驾驶者对方向进行控制。基于这种原因，设计人员通过电子控制技术在助力转向系统上增加了车速感应式转向功能，以实现车辆低速行驶时助力力矩大和高速行驶时助力力矩小的效果，这就出现了电子控制助力转向系统。在此需要说明的是，有些车型配置的助力转向系统不是通过感应车速来改变助力力矩的大小，而是通过感应发动机转速来改变助力力矩的大小，但是这种助力转向系统应用得比较少。随着人们对车辆舒适性和安全性要求的不断提高，目前的电动助力转向系统已经不仅仅具有车速感应式转向功能，
16、例如有些车型还具有“一般转向模式”和“运动转向模式” ，并可以在2种转向模式之间自由切换。从广泛意义上讲，电动液压助力转向系统分为2种。一种是为了实现车速感应式转向功能，而在机械液压助力转向系统的基础上增加了控制液体流量的电磁阀、车速传感器以及转向控制单元等，转向控制单元根据车速信号控制电磁阀，从而通过控制液体流量实现了助力作用随车速的变化。另一种助力转向系统是用由电动机驱动的液压泵代替了机械液压助力转向系统中的机械液压泵，而且增加了车速传感器、转向角速度传感器以及转向控制单元等部件。从性能上讲，采用电动液压泵的电动液压助力转向系统具有更好的性能。电动液压助力转向系统根据转阀的不同分为中位开式和中位闭式。中位开式工作系统的组成如图2-2所示。转向阀中位有预开量，不转向时，来自转向液压泵的液压油经过槽和槽脊之间的间隙(预开口),阀芯上的径向孔流.回油箱，因此也被称为常流式转向助力系统。转向液压泵通常由发动机驱动(亦可由电动机驱动)。中位开式转向助力系统的优点是结构简单，液压泵寿命长和转
