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汽车电子转向系统技术特征分析,为何熄火后很

时间:2019-11-21 09:34来源:金沙网站网址
前几天坐朋友的车出去玩,手动档,一路上享受着“切二档,7300”带来的乐趣,一会儿就到了目的地。 点击上方"汽车小常识"↑免费订阅本刊,一般人不知道! 一、概述 前几天坐朋友的

前几天坐朋友的车出去玩,手动档,一路上享受着“切二档,7300”带来的乐趣,一会儿就到了目的地。

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一、概述

  前几天坐朋友的车出去玩,手动档,一路上享受着“切二档,7300”带来的乐趣,一会儿就到了目的地。恰好停车位比较窄,倒了好久加上一次熄火,才顺利停好。下车后,朋友说到:“刚才熄火的时候,方向盘突然变得很沉,不知道为什么。”

我们平时开车,控制好方向盘就能让车往我们想要的方向行驶,很少会探究方向盘是如何使车轮转向的。也经常听到“液压助力转向”、“电动助力转向”、“主动转向”这些名词,它们到底是如何工作的?又有什么不同?下面我们一起来了解一下吧。

所谓电子助力转向系统, 指的是在驾驶员转动方向盘时, 转向系统的转向动力源由电动机提供;而液压助力转向系统指的是转向系统的转向动力源由液压泵产生的油液压力提供。电子助力转向由电动机提供, 消耗的是电能, 而车上的电能是由发动机转动后带动发电机发电所得到的。这种能量的转换效率较高, 而且能量损失较小, 对于车辆行驶的效率损失也小。这套系统优势明显, 同时这套系统也是有其缺点, 主要原因在汽车上的发电机实际的发电功率是有限的, 所以能够提供转向系统的转向助力能力也就有了限制。不过这种助力的能量是通过电动机直接提供, 助力的响应性很敏锐, 速度也非常快, 在驾驶员操作方向盘时就会感觉到操作很轻松。在电脑的控制下, 可以容易的改变助力系统的压力。在车辆行驶速度比较低的时候, 转向系统的助力压力增大, 驾驶员操作方向盘感觉非要轻盈;在车辆行驶速度比较高的时候, 转向系统的助力压力减小, 驾驶员操作方向盘感觉比较沉重;这种情况可以给车辆的行驶带来比较安全保障。这些实现起来很轻松, 需要通过集成电路板直接控制。这套电控液压系统的转向油泵不再依靠发动机依靠皮带带动, 它由电动机直接驱动, 并且在之前的基础上加装了电控系统, 使得转向的辅助力与转向角度、车速等参数, 该系统新增加的电控系统主要有电磁阀、车速传感器、转向控制电脑等设备。

  其实,不光是我这位朋友,相信很多人也会有这个疑问:为什么熄火后,方向盘很难转动?开过车的你也会不难发觉,一般情况下,方向盘转动起来很轻松,但是在熄火的那一瞬间,立马就变的特别沉,几乎转不动。这是为什么呢?答案其实不难,不过前提是你接着往下看。

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二、电子液压助力转向系统结构

  汽车转向系统是怎样工作的?

● 何为助力转向?

1.电子液压助力转向系统

  在解决这个问题之前,我们先来简单了解一下汽车的转向系统。转向系统一般由方向盘,转向管柱,转向机,转向拉杆等零件组成。驾驶员通过转动方向盘来带动转向管柱转动,从而使得转向机带动转向拉杆,而转向拉杆一般又与车轮的转向节相连,这样就可以“间接”的使得车辆转向。至于再细节的地方,诸如什么齿轮齿条型,循环球型,蜗杆型等等,百度一搜一大把,我就不复制粘贴了,大家只要知道转向系统是怎样工作的就可以了。

所谓助力转向,是指借助外力,使驾驶者用更少的力就能完成转向。起初应用于一些大型车上,不用那么费力就能够轻松地完成转向。现在已经广泛应用于各种车型上,使得驾驶更加轻松、敏捷,一定程度上提高了驾驶安全性。助力转向按动力的来源可分为液压助力和电动助力两种。

电子控制技术在汽车转向系统的应用, 使汽车驾驶可以达到令人满意的效果。电子控制动力转向系统在低速行驶的时候可以使转向轻便、灵活;当汽车在高速行驶的时候转向, 又能保证提供最优的动力放大倍率和转向手感, 从而提高了高速的行驶稳定性。目前汽车上使用的转向系统大多数都是电子液压助力转向系统, 其组成由助力转向控制单元、储液罐、电动泵、转向机、助力转向传感器等构成转向系统的主要元件。

  由于靠人手来转动一两吨的车子很不靠谱,于是乎,我们在转向系统中加入了助力机构,来帮助我们转动车轮。有了“外援”的帮助,即使你是纤纤细手的萌妹纸,也可以轻松转动方向盘了。可是说了这么多,似乎也没有回答之前提出的那个问题啊!别急,你还需要了解一下转向助力。

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  目前常见的车型主要搭载三种转向助力系统,既:机械液压助力转向(HPS),电子液压助力转向(EHPS),电子助力转向(EPS)。

● 机械式液压助力转向

图1 电子液压助力转向系统示意图

  机械液压式助力转向主要是通过液压泵来提供油压推动活塞,从而产生一个辅助的推力,来推动转向机拉动横拉杆,从而转向。

机械式液压助力系统主要包括齿轮齿条转向结构和液压系统(液压助力泵、液压缸、活塞等)两部分。工作原理是通过液压泵(由发动机皮带带动)提供油压推动活塞,进而产生辅助力推动转向拉杆,辅助车轮转向。

为了满足轿车对于转向系统的要求, 电控动力转向系统应具有以下特点:

  以最常见的常流式为例,一般正常行驶的时候转向控制阀不工作,各处油压相等。在转动方向盘时会带动转向控制阀的阀芯与阀体发生相对角度差,这时回油管缝隙减小,压力增大,这样压力就不对等,产生压力差来推动动力缸活塞,产生了助力来转动方向盘。由于结构比较复杂,可以简单理解为转动方向盘的时候减小了活塞一侧的液体压力,使得活塞向一侧运动,产生助力。

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良好的随动性:即方向盘与转向轮之间具有准确的一一对应关系, 同时能保转向轮可维持在任意转向角位置。

  电子液压助力转向的原理与机械液压助力转向类似,不同之处在于,用电子泵代替了液压泵。由于电子泵的开关可以通过电脑程序来调节,因此,相比于机械液压系统,电子液压系统可以根据速度与转向角度的相关传感器,来经过电子程序的处理与运算,精确的控制阀门的开启,这样就可以更加多样化的调节转向助力的大小,在不同工况下营造出不同的手感,比如在高速的时候,减小助力大小,转向手感就会更稳定,也就是我们所说的“沉”,增加了驾驶的稳定性;低速时又会很“轻”,方便进行大角度的转弯或者掉头。

那具体是怎样动作的呢?首先位于转向机上的机械阀体(可随转向柱转动),在方向盘没有转动时,阀体保持原位,活塞两侧的油压相同,处于平衡状态。当方向盘转动时,转向控制阀就会相应的打开或关闭,一侧油液不经过液压缸而直接回流至储油罐,另一侧油液继续注入液压缸内,这样活塞两侧就会产生压差而被推动,进而产生辅助力推动转向拉杆,使转向更加轻松。

有高度的转向灵敏度:即转向轮对方向盘应具有灵敏的响应。

  最后是电子助力转向。相比于前两种,电子助力转向没有复杂的油路系统,也没有提供油压的泵体,它是利用电机的转动,来辅助转向。一般这个辅助电机装在转向管柱或者转向机上,当转动方向盘时,电机便产生一个扭矩来“帮助”我们转动方向盘,从而达到助力的作用。

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良好的稳定性:即具有很好的直线行使稳定性和转向自动回正能力。

  由于电机的扭矩可以通过电压等手段任意调节,因此,电动助力转向往往转向手感会更加细腻,它早已不局限在“高速沉,低速轻”这个阶段了,利用电机的“主动性”,加上更加强大的ECU电子程序,小到自动泊车,大到车道偏离辅助,ACC自适应巡航,甚至自动驾驶,都离不开电子助力转向。正因如此,加之结构简单,潜力巨大,电子助力转向越来越多的出现在各种车上。

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助力效果能随车速变化和转向阻力的变化做相应的调整。低速时, 有较大的助力效果, 以克服路面的转向阻力, 高速时, 有适当的路感, 以避免因转向过轻发生事故。

  熄火后为什么很难转动方向盘?

在液压转向系统中,如车轮的剧烈跳动和遇到坑洼路面导致轮胎出现非自主的转向时,可以通过液压对活塞的作用能够很好的缓冲和吸收震动,使传递到方向盘上的震动大大减少。机械液压助力技术成熟稳定,可靠性高,应用广泛。但结构较复杂,维护成本较高。而且单纯的机械式液压助力系统助力力度不可调节,很难兼顾低速和高速行驶时对指向精度的不同需求。

2.转向助力油泵

  好了,说了这么多,我们来言归正传,谈谈为什么熄火后,方向盘会很难转动。其实,了解了上面的知识,现在看来,这个问题就变的很简单了。由于汽车的电力主要靠发动机运转带动发电机工作来提供,熄火就意味着汽车断电,别指望电瓶能提供这部分电力,毕竟它还肩负着为启动机供电的重任。而机械液压助力转向中的液压泵是通过发动机的皮带带动运转的,发动机停止工作,液压泵也就停止工作,没有了油液的压力差,自然就不会产生额外的推力来帮助你转向了,这个时候你面对的就是一两吨的车子,很难转动方向盘也是情理之中的事了。同样,电子液压助力与电子助力本来就靠电来提供助力,没了电,当然也就不要指望会有谁来帮你了。以上就是熄火后方向盘很难转动的原因,希望对你有所帮助,以后我们也将带来转向系统更为详细的介绍。

● 电子式液压助力转向

目前轿车上面的动力转向泵是通过发动机运转后由曲轴旋转带动转向泵皮带运转的, 当发动机工作时, 液压系统的液压油被转向泵从储液罐中抽出来, 其安装在通向转向动力缸活塞两侧油室的油道之间, 当阀针完全开启时, 两油道就被电磁阀旁路, 使动力缸活塞两侧压力差减小, 助力减小;相反则助力增大。流量控制式动力转向系统就是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, 改变方向盘上的转向力。车速越高, 流过电磁阀电磁线圈的平均电流值越大, 电磁阀阀针的开启程度越大, 旁路液压油流量越大, 液压助力作用越小, 使转动方向盘的力也随之增加;相反, 则车速较低时, 助力作用加大, 使转向轻便。转向液压泵的工作原理如图2所示:

电子式液压助力的结构原理与机械式液压助力大体相同,最大的区别在于提供油压油泵的驱动方式不同。机械式液压助力的液压泵直接是通过发动机皮带驱动的,而电子式液压助力采用的是由电力驱动的电子泵。

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图2 转向助力油泵

电子液压助力的电子泵,不用消耗发动机本身的动力,而且电子泵是由电子系统控制的,不需要转向时,电子泵关闭,进一步减少能耗。电子液压助力转向系统的电子控制单元,利用对车速传感器、转向角度传感器等传感器的信息处理,可以通过改变电子泵的流量来改变转向助力的力度大小。

3.动力转向机

● 电动助力转向

液压系统的动力转向机属于齿轮齿条式, 其安装在位于发动机后部的副车架后横梁之下的位置。动力转向系统就是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, 来改变方向盘上的转向力。车速越高, 流过电磁阀电磁线圈的平均电流值越大, 电磁阀阀针的开启程度越大, 旁路液压油流量越大, 而液压助力作用越小, 使转动方向盘的力加大, 增加路感。同时根据运行道路条件, 设计了不同的控制模式。可根据20s内的平均车速和平均方向盘转角判定车辆当前运行道路条件。变换控制模式最多需要1.1s, 可避免助力的急剧变化。

电动助力主要由传感器、控制单元和助力电机构成,没有了液压助力系统的液压泵、液压管路、转向柱阀体等结构,结构非常简单。

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图4 齿条动力转向机

主要工作原理是,在方向盘转动时,位于转向柱位置的转矩传感器将转动信号传到控制器,控制器通过运算修正给电机提供适当的电压,驱动电机转动。而电动机输出的扭矩经减速机构放大后推动转向柱或转向拉杆,从而提供转向助力。电动助力转向系统可以根据速度改变助力的大小,能够让方向盘在低速时更轻盈,而在高速时更稳定。

4.电子控制器ECU

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动力转向系统中的电子控制单元, 采用模拟电路控制, 由模拟电路构成的动力转向ECU, 主要由频率电压 转换器、电压放大器、比较器、振荡器等组成。其输人信号为车速传感器提供的车速信号, 执行器为比例电磁铁机构;ECU担负起控制通人比例电磁铁机构电流的任务。车速提高时, 为了增大转向的操纵力, 需要加大流人比例电磁铁机构的电流;而当车速超过120km/h时。为了防止电流过太而造成过载, ECU则控制比例电磁铁机构保持着恒定的电流值。

电动助力转向有两种实现方式,一种是对转向柱施加助力,是将助力电机经减速增扭后直接连接在转向柱上,电机输出的辅助扭矩直接施加在转向柱上,相当于电机直接帮助我们转动方向盘。另一种是对转向拉杆施加助力,是将助力电机安装在转向拉杆上,直接用助力电机推动拉杆使车轮转向。后者结构更为紧凑、便于布置,目前使用比较广泛。

5.转向控制阀

● 随速可变助力转向是怎样的?

转向机的转向控制阀控制转向机内部阀口的变化, 根据系统输入压力的变化改变液压系统的助力, 方向盘转动时经转向机转向横拉杆推或拉车轮完成转向操作, 结构如图5所示。

随速可变助力转向是指转向助力的大小可随着车速的变化而改变。这样有什么好处呢?在平时停车入库等低速行驶时,如方向盘转向轻盈确实很方便,但是如果在高速行驶时,方向盘转向过于轻盈反而是一种危害,因为不利于车辆高速行驶的稳定性。

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图5 内部结构图

而随速可变助力转向可以做到这点,当车低速行驶时,它可以提供大的助力,保证方向盘转动轻盈和灵活;当车速较高时,它提供的助力就会较小,以增强行车的安全性和稳定性。

电磁阀的开度由ECU的输出电流控制, 而该输出电流又取决子车速的高低。通过电磁线圈的电流是模拟信号, 通常改变其通电时间所占的比例即可控制此电流值的大小。而电磁阀的开度又可以控制PPS齿轮箱中油压反力室的油压。

● 何为可变转向比转向系统(主动转向系统)?

当车速较高时, 流人电磁线圈的电流减小, 电磁阀的节流面积 变小, 返回储油罐的回流量减少, 而使分流阀分到油压反力室的流量增加, 油压增大, 使转向“沉重”;当车速较低时, 流入电磁线圈的电流增大, 电磁阀的节流面积 变大, 流回储油罐的液流量增加, 分到油压反力室的液流量减少, 油压减小, 便转向“轻便”。

所谓可变转向比,可以简单理解为方向盘转动的角度与对应的车轮转动角度的比值。前面提到的随速可变助力转向系统中,能够改变的仅仅是助力力度,也就是只能改变方向盘转动时的助力而已,但是转向比是不可改变的,而可变转向比的转向系统仅能够改变转向的助力力度,在不同情况下,方向盘转角对应的车轮转动角度也是可以变化的。

当车辆停止时, 电磁阀完全关闭, 如果此时向右转动方向盘, 则高灵敏度低速专用小孔在较小的转向扭矩作用下即可关闭, 转向液压泵高压油液经流向转向动力缸右腔室, 其左腔室的汇液经流回储油箱。所以, 此时具有轻便的转向特性。而且施加在方向盘上的转向力矩越大, 可变小孔的开口面积越大节流作厍就越小, 转向助力作用越明显。随着车辆行驶速度的提高, 在ECU的作用下, 电磁阀的开度也线性增加, 如果向右转动方向盘, 则转向液压泵的高压油液经旁通电磁阀流回储油箱。此时, 转向动力缸右腔室的转向助力油压就取决于旁通电磁阀和灵敏度低的高速专用小孔的开度。车速越高, 在ECU的控制下, 电磁阀的开度越大, 旁路流量越大, 转向助力作用越小, 在车速不变的情况下, 施加在方向盘上的转向力越小, 高速专用小孔的开度越大, 转向助力作用也越小;当施加在方向盘上的转向力增大时, 高速专用小孔的开度减小, 转向助力作用也随之增大。由此可见, 阀灵敏度控制式EPS可使驾驶员获得非常自然的转向手感和良好的速度转向特性。

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6.压力传感器

如上图中的主动转向系统中,在转向盘和转向轮之间安装一个电子控制的机械机构,那么车轮整体转向的角度不再仅仅是驾驶员输入方向盘的角度,而是在此基础上叠加上蜗轮蜗杆调节机构附加的角度。那么通过利用电动机对蜗轮蜗杆调节结构的控制,可以改变传动系统的传动比。

这个传感器称为“压力”传感器, 安装位置是转向动力转向泵系统高压侧的出口 , 当发动机工作时, 转向泵开始运转, 转向系统就开始产生的负荷信号, 当车辆静止不动, 节气门处于关闭状态, 此时就是发动机控制单元的怠速校准信号。动力转向系统的负荷信号通过线束传递给发动机控制单元, 压力传感器可以根据负荷产生占空比信号, 发动机控制单元接收到此信号以调整怠速时的控制输出。在车辆行驶或者停车时, 驾驶员转动方向盘至方向一侧的极限位置时, 由于转向极限的原因助力系统会需要比较大的负荷才可以维持转向, 这种情况相比直线行驶, 给发动机运转带来的附荷会加大。因此为了保证发动机正常运转, 防止因负荷过大导致停机或低速空转的情况, 系统内的传感器检测到压力的变化后发出信号, 并将信号发送到发动机控制单元处, 收到传感器传来的信号后, 发动机控制单元会根据当时情况的负荷适当调整发动机转速以保证发动机的正常运转, 避免出现发动机“灭车”的现象。压力传感器的位置如图6所示。

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这样做有什么好处呢?在高速时,通过电动机的作用使蜗轮蜗杆调节机构与驾驶员转动方向盘的方向相同,可以减少对转向力的需求。而在高速时,通过电动机的作用使蜗轮蜗杆调节机构与驾驶员转动方向盘的方向相反,减少前轮的转动角度,提高转向稳定性。

图6 压力传感器

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三、结论

本文详细介绍汽车电子液压助力转向系统的基本结构、工作原理和技术特点, 希望可以以此帮助相关技术人员对该系统有一个充分的认识和理解, 对于电子液压转向系统的故障检测与诊断中提供一定的帮助和技术支持。

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