电动液压助力转向（精选九篇）
电动液压助力转向 篇1
关键词：电动,液压助力转向,系统
1 转向系统概述
随着工业技术的发展, 汽车技术也与时俱进。转向系统作为汽车重要的零部件, 从纯机械手动驱动到动力液压驱动和电子控制液压驱动, 再到电动助力机械驱动。助力转向性能日益提高, 满足了消费者追求安全、舒适、轻便的驾驶需求。但现阶段由于EHPS技术成熟, 成本比EPS低, 较HPS有更优越的转向感和节能环保, 现阶段EHPS具备较大的市场潜力。
1.1 机械式转向 (MS)
机械式转向系统采用纯粹的机械解决方案。为了产生足够大的转向扭矩, 方向盘转动的圈数较多, 方向盘直径也较大, 占用驾驶空间, 驾驶员负担较重。无需消耗发动机动力, 路感最好, 但是路面冲击较大, 驾驶员的负担较重。目前, 只在A0级轿车及微型商用车上应用。
1.2 液压助力转向 (HPS)
为了减轻驾驶者的劳动强度, 在机械转向系统基础上增加液压加力装置而形成了液压助力转向系统 (Hydraulic Power System, 简称HPS) 。可以通过调整扭杆刚度和转向阀的曲线获得不同的助力特性。目前乘用车中大部分车型都在用。
液压转向加力装置由转向油泵、转向油管、转向储液罐以及位于转向器内部的转向控制阀及转向动力油缸等组成。转向器输入轴带动转向器内部的转向控制阀转动, 使转向动力缸产生液压作用力, 帮助驾驶员操纵转向。
液压助力转向系统减小了方向盘转动的圈数, 降低了转向操纵力, 提高了响应灵敏性。但是, 助力不随车速而变化, 高速稳定感和低速轻便性之间作折衷;发动机怠速时需输出额定流量;"常流式"系统, 不转向时, 油泵仍在工作;附加燃油消耗增大;扭杆使转向系统扭转刚度降低, 中间位置路感不明显;油泵/油罐占用部分发动机仓空间。
1.3 电控液压助力转向 (EHPS)
HPS只具有单一的助力特性曲线, 且能量消耗大, 为了克服这些缺点, 在液压助力转向系统中增加了电子控制和执行元件, 将车速信号引入到系统中, 实现了车速感应型助力特性。这类系统称为电动液压助力转向系统 (Electric Hydraulic Power System, 简称EH-PS) 。EHPS采用电动机驱动转向泵, 由于电机的转速可以调整, 从而可以降低部分能量消耗。图1是典型EHPS的助力特性曲线。
图2是电动液压助力转向的基本结构形式。转向加力装置由电动转向油泵、转向油管、转向储液罐以及位于转向器内部的转向控制阀及转向动力油缸等组成。转向器输入轴带动转向器内部的转向控制阀转动, 使转向动力缸产生液压作用力, 根据不同的车速提供不同的助力, 帮助驾驶员操纵转向。
1、转向管柱;2、动力转向机;3、转向油罐;4、转向管路;5、电液转向泵
EHPS系统通过ECU控制电机转速来带动电液泵工作, 可以根据转向需求提供多条助力特性曲线, 实现了随速助力功能, 改变传统液压助力转向系统单一助力特性, 改善驾驶操纵性能, 使助力平滑, 手感好, 解决传统转向系统中存在的方向盘摆振问题;通过将转向泵与发动机的分离, 解决转向泵一直处于运转状态, 能量损失严重的问题, 降低能量消耗、保护环境;可以利用现有液压动力转向系统的基础上改进, 借助控制技术兼顾液压助力和电动助力两者的优点, 有利于底盘电子控制方面的集成。
1.4 电动助力转向
在机械转向系统的基础上, 增加电动机、控制器和减速机构等相关零件, 依靠电动机提供辅助转向扭矩的动力转向系统, 成为电动助力转向系统 (Electric Power System, 简称EPS) 。
2 EHPS系统的应用现状
EHPS从控制方式可以分为以下几种类型:
其中, 第 (1) 种和第 (2) 种类型是EHPS发展初期的控制方式, 主要的控制目标都是将系统中的动力泄荷掉一部分以实现高速时减小助力, 但这样做的弊病就是浪费了动力, 不利于车辆省油, 而且, 还有急转弯反应迟钝的缺点, 需要安装特别装置才能解决, 现在已很少采用。第 (3) 种油压反馈控制式现在使用的比较普遍, 其根据车速传感器, 控制反力室油压, 改变压力油的输入、输出的增益幅度以控制操舵力。操舵力的变化量, 按照控制的反馈压力, 在油压反馈机构的容量范围内可任意给出, 急转弯也没问题。代表车型:马自达2、马自达3、凯旋、世嘉、307、C5、蒙迪欧致胜、福克斯。第 (4) 种阀特性控制式是根据车速控制电磁阀, 直接改变动力转向控制阀的油压增益 (阀灵敏度) 以控制油压的新方法。这种控制方式使来自油泵的供给流量没有浪费, 结构简单, 部件少、价格便宜, 有较大的选择操舵力的自由度, 可获得自然的操舵感和最佳的操舵特性。阀结构简单, 在传统的液力转向系统上不须做太多的改动就可实现。代表车型:新君威、新君越、凯迪拉克、宝马、奔驰、保时捷、法拉利、阿斯顿·马丁、布加迪威龙。
3 EHPS电机结构及工作原理
电机由含7块永磁体的外置转子和12股绕组的定子构成, 其基本结构如图3所示。
该电机含两块霍尔开关型位置传感器, 为ECU提供正确的位置信号以便换向。两路传感器的输出信号间隔90°电角度, 由于电机含7块永磁体分布在一周, 故根据计算, 电机每转过90°/7的机械角度, 两路霍尔信号改变一次状态字。四相绕组对应四种霍尔状态, 每一相在正确的霍尔状态下导通, 电机就能够正常运转。
电机四相绕组按霍尔位置传感器状态逐次导通, 其导通顺序为:A-C-B-D。如图4所示:当A相导通时, 通过与A相绕组并绕的B相绕组续流, A相绕组的反电动势经同名端于B相绕组产生相应反电动势, 当该反电动势大于电机电源电压12伏后电流经B相绕组的二极管续流。A相关断后C相开始导通, 随后为B相和D相, 其原理与A相类似。图中AB两相共用一个检测电阻, CD两相共用一个检测电阻, 检测电阻值约10毫欧。
4 EHPS发展前景
1989年, 欧洲公司首先在液压动力汽车中使用电子单元作为第一代EHPS系统。由于人们对EHPS系统节能的要求日益强烈, 到了90年代, 该系统发展到第二代, 一个独立的电子控制单元 (ECU) 首次产生, 该系统对电机的速度进行控制, 当没有转动方向盘时, 减少液压油流量, 从而降低能耗。随着电子控制技术的发展, 有KOYO、TRW推出了第三代EHPS系统, 该系统集成了ECU与无刷电机, 提高了电机的效率, 并根据转向角速度传感器和车速传感器的信号, 对电机速度的控制更加精确, 进一步降低了能耗, 同时在转向轻便性和路感方面能够很好的调和。通用的"MAGNASTEER磁力辅助转向系统"通过智能电磁控制来调节辅助力大小的技术, 为传统的机械液压助力转向系统带来革命性的突破。磁力辅助转向可以通过对车速和方向盘操控速度的监测, 自动调节助力的大小, 转向助力效果有了60%以上的提升。电动助力转向系统 (EPS) 虽然和磁力辅助一样, 能在不同车速下提供不同的助力特性, 但磁力辅助系统没有抛弃齿轮齿条式的机械转向机构, 所以其呈现的弯道循迹性, 以及清晰的路感却是完全数字虚拟的电动助力转向系统 (EPS) 所无法比拟的。并且磁力辅助转向可变范围相比电动助力转向系统 (EPS) 电子阻力要更宽广一些, 使得中低速以及高速状态下, 阻力变化平稳有序。正因为有这套助力转向系统, 使得新君威随速可变转向特性 (就是方向盘随着速度的变化, 转向力道也发生变化) 在中级车中表现的最明显, 方向盘在低速时轻盈灵敏, 高速时异常稳健厚重、给人很强的安全感。
5 结束语
综上所述, 电液助力转向系统具有优良的操纵轻便性和稳定性, 助力特性随汽车行驶速度的变化而变化, 是EHSP的最大优点。随着EHPS关键技术的发展, EHPS的性能将更加完善。同时, EHPS与电磁系统结合, 可以提高整车的操纵稳定性, 是汽车底盘电子技术的发展趋势。
参考文献
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电动液压助力转向 篇2
电动助力转向系统电机驱动电路的研究
本文简单介绍了汽车电动助力转向系统的基本组成结构及其工作原理,以及ARM-S3c2410芯片的功能特点,并以ARM-S3c2410芯片为核心,介绍了电动助力转向系统电子控制单元.把电动助力转向系统的电机驱动电路作为了介绍重点.驱动电路采用三相全桥逆变电路以及MOSFET驱动电路和PWM脉宽调制技术实现对电机的控制.在对硬件系统进行的`实验中,表明所设计的硬件电路能够满足电动助力转向系统对稳定性和跟随性的要求.
作 者：刘文举 吕秀江 作者单位：长春工业大学电气与电子工程学院,130012刊 名：城市建设英文刊名：CHENGSHI JIANSHE YU SHANGYE WANGDIAN年，卷(期)：2010“”(21)分类号：关键词：电动助力转向 ARM-S3c2410 驱动电路 PWM脉宽调制技术
低附着路面电动助力转向控制策略 篇3
关键词：车辆工程；电动助力转向；扩展卡尔曼滤波；控制策略
中图分类号：U463.4文献标识码：A
电动助力转向（Electric Power Steering，简称EPS）具有节能环保、结构紧凑、助力特性好等优点，是助力转向的发展方向.近年来，国内外学者对EPS做了大量的研究.Badawy等人建立了EPS的数学模型[1]；林逸等人提出了EPS性能的评价标准[2]；赵万忠等人对EPS的系统参数进行了优化[3].EPS研究的重点和难点在于对助力电机的控制.He等人对EPS做了较全面的分析，包括助力控制、回正控制、阻尼控制和补偿控制[4].在控制策略方面，各学者的研究涉及PID控制、最优控制、滑模控制、鲁棒控制、智能控制等[5-9].
以上各种对EPS的控制大多基于正常路面行驶工况，而对雨雪天气中经常出现的低附着路面行驶工况讨论甚少.高附着路面行驶时，轮胎线性区域很宽，轮胎很少工作在非线性区域.而低附着路面则相反，轮胎线性区域变的很窄，使得转向时很容易进入非线性区.因此，在低附着路面转向时，转向阻力矩较正常路面时低，导致反馈到方向盘的路感降低，若此时驾驶员来不及反应，依然按照正常路面时转向，会使转向角过大，容易导致车辆侧滑甚至侧翻等事故的发生.鉴于此，文献[10-11]研究了低附着路面EPS的助力和回正控制.
本文利用扩展卡尔曼滤波器估计低附着路面前轴侧向力，并把该估计值用于控制器的设计.利用理想前轴侧向力与估计前轴侧向力的差值计算EPS补偿电流，通过电流补偿控制提高低附着路面驾驶员路感.在MATLAB /Simulink中的仿真分析验证了本文提出的控制算法的有效性.
1系统模型
1.1EPS模型
1.2车辆模型
为了能够反映低附着路面车辆运动状态，本文采用非线性二自由度车辆模型.忽略侧向风的影响，并假设车辆做纯转向运动，由Y轴方向和绕Z轴方向受力分析可得：
1.3轮胎模型
本文采用半经验魔术公式轮胎模型计算轮胎侧向力[12]，则其数学模型如下：
2低附着路面EPS控制策略
2.1低附着路面轮胎侧向力估计
如图2所示，车辆在高低不同附着系数路面转向时，前轴侧向力有很大的区别.低附着路面前轴的侧向力要远远小于高附着路面，导致驾驶员失去路感.如果轮胎侧向力能实时测出，并把轮胎侧向力信号反馈给EPS的控制器，当车辆行驶在低附着路面时EPS助力随之减小，则能保持驾驶员路感，减少事故的发生.
对于轮胎力的测量，国外学者提出了一种smart tires，它内置传感器，可以直接测量出轮胎力[13-14].但是其结构复杂，成本较高，不易于大规模应用.因此我们选择基于车辆动力学模型的间接观测方法来估计轮胎侧向力.扩展卡尔曼滤波是卡尔曼滤波器应用在非线性系统的一种推广形式，可以用来建立针对具有非线性特征车辆的状态观测器，利用车载传感器直接测量得到的车辆状态参数并结合车辆动力学模型对轮胎侧向力进行估计.本文利用扩展卡尔曼滤波方法估计低路面附着系数时轮胎侧向力，并把此侧向力信号反馈给EPS控制器做闭环控制.
用二阶高斯马尔可夫过程将轮胎力描述为待估参数：
2.2EPS电流补偿控制策略
当轮胎侧向力能估计后，我们可以讨论低附着路面EPS控制策略.整体控制框图如图4所示，侧向力估计模块通过车载传感器测出的横摆角速度、侧向加速度和前轮转角信号得到前轴侧向力实时估计值Festyf，同时控制器中的参考车辆模型得出正常附着系数路面的理想前轴侧向力值Frefyf，前轴侧向力差值通过增益系数K转化为EPS的补偿电流Ic.当车辆行驶在低附着路面时，由扩展卡尔曼滤波器估计出的前轴侧向力比正常附着系数路面的理想前轴侧向力低，此侧向力差等效为相应的EPS补偿电流，使EPS助力减小，从而提高了驾驶员路感.综上，EPS电机的助力电流Ii为：
3仿真试验分析
3.1模型验证
根据前文所述的数学模型，在MATLAB /Simulink软件中建立EPS系统仿真模型.为了验证此仿真模型的准确性，我们在雪路面和干沥青路面分别进行了相应的实车试验.试验设备如图5所示，SG-310型转向参数测试仪采集转向盘转角和转矩信号，并将该信号传输到移动数据记录仪进行数据处理.笔记本电脑用于监控和存储实验数据.
考虑到雪路面的行车危险性，我们仅做原地转向试验.雪路面的实验结果如图6所示，而干沥青路面的实验结果如图7所示.可以看出，在施加相同转向盘转角时，试验测得的转向盘力矩与仿真模型得出的转向盘力矩基本一致，说明仿真模型可以很好地替代实车模型用于控制器设计.
3.2侧向力估计效果验证
为了验证侧向力的估计效果，分别在不同车速和不同附着系数时对转向盘施加正弦激励，对比理想前轴侧向力和扩展卡尔曼滤波估计的前轴侧向力.如图8所示，实线表示理想前轴侧向力，虚线表示由扩展卡尔曼滤波得到的前轴侧向力.可以看出，估计值与理想值基本吻合，说明本文估计轮胎侧向力的方法可行.
3.3控制器效果验证
仿真工况为车辆在低附着路面（μ=0.2）行驶，仿真分别在低速（u=30 km/h）和高速（u=60 km/h）下进行，如图9所示，低速时转向盘施加90°斜坡阶跃转角信号、高速时施加30°斜坡阶跃转角信号.
4结论
1） 针对低附着路面转向驾驶员容易失去路感的问题，详细分析了其产生的原因，提出了利用EPS电流补偿控制方法提高驾驶员路感.
2） 在MATLAB/Simulink软件中建立了EPS系统模型，并用实车试验数据验证了模型的准确性.
3） 利用扩展卡尔曼滤波器估计低附着路面前轴侧向力，并把该估计值用于EPS电流补偿控制器的设计.仿真分析验证了本文所提出控制策略的有效性.
参考文献
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电动助力转向系统助力特性研究 篇4
汽车工业发展至今,对汽车主动安全性和使用经济性、环保等方面提出越来越高的要求。传统的液压动力转向系统已经广泛应用于多数车辆上,液压动力转向可以很好满足车辆转向快捷、轻便等方面的要求,但其自身弱点也日益显现。电动助力转向系统因其有效解决了车辆在操纵稳定性方面的问题,具有兼顾低速转向轻便性和高速增强转向路感的优点,同时有利节能、环保,因而成为汽车电子控制的研究方向之一。
1、EPS系统的结构组成和工作原理
1.转向盘2.上端转向柱3.扭感和传感器4.减速机构5.转向轮6.下端转向柱7.电磁离合器8.助力电动机9.控制器10.齿轮齿条转向器
电动助力转向系统最初的发展概念是应用于前轴荷1吨的车辆上,目的在于改善转向的路感、提高高速行驶安全,同时改善车辆燃油经济性。电动助力转向系统的结构如图1-1所示。
当传感器检测到驾驶员有转向意图时,将信号提供给控制器,控制器通过各种算法,给出一个控制信号(一般为电流)到电机,电机通过机械结构输出一个辅助的转向力矩,辅助驾驶者控制车辆转向。
2、电动助力转向系统的动力学模型
汽车转向系统是由多个惯性元件和弹簧、阻尼组成的。通过简化,可以得到转向盘和上端转向柱、助力电动机、下端转向柱、齿轮齿条和左、右转向轮等六个电动助力转向系统的动力学元件,如图2-1所示。
将各动力学元件列成动力学微分方程:转向盘和上转向柱:
式中,θc转向盘输入转角;Jc向盘转动惯量;Bc为上;Kc为上转向柱的扭转刚度;Td向盘输入力矩;θe转向柱转角;Je转向柱转动惯量;Be转向柱的阻尼系数;Ke为下转向柱的扭转刚度;θm为助力电机转角;Jm力电机转动惯量;Bm助力电机阻尼系数;Km力电机轴扭转刚度;xr条移动量;rp为小齿轮分度圆半径;Mr为齿条质量;Br为齿条阻尼系数;Kr为齿条刚度;Fδ条端作用力;A为转向器端至前轮的力臂传动比;θFW车轮转角;JFW轮绕主销的转动惯量;BFW为前轮绕主销的阻尼系数;KFW为前轮绕主销的转动刚度;MZ为前轮回正力矩。另外,前轮方程为单侧车轮的方程,左前轮、右前轮各满足一个前轮方程。将方程2-1至2-5连立,就为EPS动力学模型方程组。
3、电动助力转向系统的助力特性曲线
电动助力转向系统的助力特性可以有多种曲线形式,图3-1分别为直线形、折线形和曲线形式的助力特性曲线。图中可见,特性曲线都有三个区域,当0≤Td
a.直线形助力特性在助力变化区域中,转向盘输入力矩与助力力矩按线形变化规律。其函数表达为:
式中,Ta为电动机助力力矩;K(v)为斜率函数,是速度的函数;Td为转向盘输入力矩;Td0为电动机开始提供助力时的转向盘输入力矩,即电动助力转向系统开始作用时的输入力矩;Tdmax为电动机提供最大助力时的转向盘输入力矩。
b.折线形助力特性在助力变化区域中,特性曲线呈分段线形变化。以图示中的两段折线为例,函数表达为:
式中,K1(v)和K2(v)分别为两段直线的斜率函数,仍然是速度的函数;Td1是斜率由K1,变为K2时的转向盘输入力矩。
c.曲线形助力特性在助力变化区域中,助力力矩和转向盘输入力矩呈非线形变化,函数表达为:
比较三种助力特性曲线:直线形确定简单、便于控制系统设计,调整也简便。缺点在于虽然可以感应车速对助力曲线的斜率特性做出变化,但对于输入的高、低区域却不能区别对应,输出为线性、路感单一,故无法很好协调路感和轻便性的关系;非线性曲线在感应速度的同时,每条曲线自身又感应高、低输入区域进行变化,是十分理想的特性曲线,但在确定过程中需要大量和稠密的理想转向盘力矩特性信息,故确定和调整都不容易;折线形的优、缺点则介于二者之间。
由上述曲线可以看出,直线型助力特性的特点是斜率越大转向盘力矩越小,即所用来转向的力越小,转向越省力,因此我们选择直线型助力。
4、EPS的仿真分析
对建立的EPS的动力学模型,采用直线型助理特性,用已知某样车的carsim的整车模型与simulink进行链接进行仿真,模型的结构如图4-1所示。
助力特性的确定需要根据理想转向盘力矩值,最终应满足低速时的轻便性和高速时增加“路感”的目的,为此,我们分别进行了原地助力转向仿真(零助力),车辆速度为30 km/h时的转向仿真(加助力)和车辆速度为70 km/h的转向仿真(加助力),仿真结果如图4-1所示。
根据仿真结果,不加助力时,原地转向最沉重;加助力时,转向盘转矩大大减少,转向轻便性提高;当车速提高,转向盘上的转矩相应增加,说明车速提高后,驾驶员获得了较强的路感。
5、结论
本文介绍了电动助力转向系统(EPS)的系统组成和工作原理,通过建立EPS动力学模型,基于simulink为平台结合carsim整车模型对直线型助力特性进行仿真分析,结果表明所设计的助力特性可以满足车辆对路感的要求,对EPS产品开发有一定指导意义。
参考文献
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电动助力转向系统设计论述 篇5
随着微电子技术在汽车领域的广泛应用, 可与汽车智能系统充分衔接的电动助力转向系统成为汽车助力转向装置的发展方向, 由于基于微处理器的数字系统具有信号传输及处理的确定性和接口的通用性, 在汽车电子控制方面, 已经充分体现了它的优势, 这是模拟系统无法达到的。目前, 以32位处理器作为高性能嵌入式系统开发的核心是嵌入式技术发展的必然趋势。在汽车电子技术领域, 从车身控制、底盘控制、发动机管理、主被动安全系统到车载娱乐、信息系统等, 都离不开嵌入式技术的支持。为此, 本文采用ARM7 S3C44B0X单片机作为电动助力转向的主控单元, 以实现EPS系统的高速, 精确及稳定控制.
2 EPS系统结构及工作原理
电动助力转向系统 (EPS) 是由电子控制单元 (ECU) , 扭矩传感器, 助力电机, 机械减速机构等组成.其工作原理为:在检测到汽车点火信号有效后, 当转向轴转动时, 扭矩传感器将检测到的转矩和转角信号输出至电子控制单元ECU, ECU根据扭矩转角信号、车速信号、汽车轴重负载信号进行分析和计算, 确定助力电机的运转方向及工作电流, 从而实现助力转向控制。
3 EPS控制器的设计
3.1 转矩信号采集电路设计简介
输入控制器的转矩信号幅值为0-5V, S3C44B0X的A/D转换器的输入电压范围为0-2.5V, 故对转矩信号除了一般的滤波处理外, 还需对其进行分压处理。其电路原理如上图所示。此采样滤波电路为二阶低通有源滤波电路, 阻值相同的R1R2先将输入的转矩信号分压, 幅值变为原来的一半, 然后与C1构成一阶低通滤波电路, R3与C2构成第二级一阶低通滤波, 运放则作为一个电压跟随器来使用。
3.2 电动机电流信号采集电路简介
由于助力电动机提供左右两个方向的助力, 电动机的助力电流也就有正负之分。电机的反馈电流采用霍尔电流传感器采集。霍尔传感器输出的是电流信号 (0-50mA) , 而系统接收的是电压信号, 故需在传感器的输出引脚上接一个约100Ω的电阻, 将输入的信号转换为-5V-5V的电压信号, 然后经过电压变换电路, 使其转换为对应的0-2.5V的电压信号, 最后经滤波电路送到ARM芯片的A/D端口。
3.3 电机驱动控制实现
本文采用IR2110构成电机的驱动电路, 由图可见用两片IR2110可以驱动一个逆变全桥电路, 它们可以共用同一个驱动电源而不须隔离, 使驱动电路极其简化。IR2110本身不能产生负偏压。由驱动电路可见本电路在每个桥臂各加了负偏压电路, 以左半部为例, 其工作过程如下:VDO上电后通过R1给C1充电, 并在VW1的钳位下形成+5.1V电压, 当IR2110的脚1 (LO) 输出为高电平时, 下管有 (VDO-5.1) V的驱动电压, 同时在下管关断时下管的栅源之间形成一个-5.1V的偏压;下管开通同时脚1 (LO) 输出高电平通过Rg2, R2开通MOSFET让C3进行充电;当IR2110的脚7 (HO) 输出为高电平时, 由C3放电提供上管开通电流, 同时给C2充电并由VW2钳位+5.1V, 下管关断时Vc2即形成负偏压。为了只用IR2110的保护功能, 把脚11 (SD) 端接地。
3.4 车速信号采集电路简介
车速信号是从车速里程表引出的, 输出为单极性的脉冲信号, 电压在9.5V以上。本文采用脉冲发生器来模拟车速信号, 输入到单片机。单片机所能处理的信号高电压在2.5V左右, 所以车速信号的通道设计主要是完成信号的电平匹配设计, 电路设计中采用的是光电耦合器的电平匹配方式。
4 EPS的软件设计
(1) A/D转换程序。A/D转换单元主要完成扭矩信号采集、蓄电池电压监测、电机工作电流监测等主要任务。在A/D转换开始之前要对10位A/D转换器CMOS ADC进行初始化设置, 包括转换采样通道选择, 时钟源的选择、参考电压的选择等。A/D转换主要有两步:采样和转换。首先须设置A/D的数据寄存器和控制寄存器, 通过控制寄存器的设置来选择AIN1位ADC的输入通道。
(2) 根据预先建立的EPS数学模型计算出控制电机转速的目标电压值, 单片机输出相对应的PWM信号, 这个波形信号用以控制功率驱动电路, 实现电动机转速的控制, 从而实现助力。
5 结语
在一定的时间范围内, 转动转向盘, 助力电机的电流、转向阻力矩以及施加在转向盘上的力矩通过多功能数据采集系统送入ARM7 S3C44B0X单片机。通过A/D转换程序和PWM控制程序, 实现助力转向控制。可见电动助力转向系统 (EPS, Electric Power Steering) 将成为汽车助力转向装置的发展方向。
参考文献
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电动液压助力转向 篇6
一、故障现象
汽车转向时, 驾驶员转动方向盘感到沉重而费力, 视为转向沉重。
二、原因分析
1.润滑不良
润滑不良使相对运动的配合机件发生干摩擦, 摩擦系数增大, 导致转向沉重。
2.装配过紧
转向系统内的配合机件装配过紧, 使两机件摩擦表面的接触应力增大, 导致转向沉重, 其装配过紧的部位有:
(1) 转向器EQ1141液压助力转向系统采用循环球式转向器。支承转向螺杆的两个推力球轴承预紧力过大, 钢球尺寸偏大, 齿扇与齿条啮合间隙过小等, 可能导致转向沉重。
(2) 转向传动机构弹簧的预紧力大小是靠调整螺塞来调整的, 若螺塞旋入过多, 就会使弹簧的预紧力过大, 而将球头销夹持过紧, 从而使两机件摩擦阻力增大, 导致转向沉重。
(3) 转向节主销与衬套装配过紧而引起转向沉重。
3.滚动阻力过大
滚动阻力主要是由于车轮与路面的变形产生的。车轮沿硬路滚动, 路面变形很小, 轮胎内部的缓冲层、布帘层、胎冠等发生相互摩擦, 同时与地面接触面积增大 (即摩擦面增大) , 从而引起滚动阻力增大;车轮在软路面上行驶, 轮胎变形小, 路面变形大, 同样会使轮胎与路面接触面积增大而摩擦阻力也增大。车轮滚动时产生的变形与摩擦均会引起转向沉重。
4.推力轴承影响
在转向节下耳与前梁拳部之间装有推力轴承, 使前轮转向灵活轻便。但是, 由于推力轴承磨损过甚而滚动体失圆、毛面或缺润滑油, 原来的滚动摩擦变为部分或全部滑动摩擦, 从而增大了摩擦阻力, 引起转向沉重。
5.前轮定位失准
对汽车前轮的要求是:行驶时应做纯滚动, 如果前轮定位失准, 就会使前轮连滚带滑, 引起车轮与路面摩擦阻力增大, 导致转向沉重。
三、诊断步骤
诊断时应先了解情况, 如果维修后转向明显沉重, 说明装配或调整过紧;若未进行维修, 说明润滑不良可能性很大, 或者是推力轴承磨损过甚而引起转向沉重;若发生撞车事故后引起转向沉重, 说明是前轮定位失准所致。
1.润滑问题
可采用对润滑部位进行润滑, 若润滑后转向变轻, 便说明转向沉重是因润滑不良所致。
2.轮胎气压
检查轮胎气压若气压不足, 按规定充气。
3.检查装配是否过紧的检查步骤
(1) 将汽车前部支起, 使前轮悬空, 并转动方向盘, 若轻便, 则说明转向沉重是转向节下耳与前梁拳部所装推力轴承损坏, 或是前轮定位失准, 或者是轮胎气压不足所致 (轮胎气压不足可直观判断) 。若仍转向沉重, 再按下列步骤进行检查调整。
(2) 将转向摇臂拆下, 转动方向盘, 若转向轻便, 表明引起转向沉重的是转向传动部分或转向节主销与衬套装配过紧和无润滑所致。若脱节后仍转向沉重, 表明是转向器装配过紧, 应予以调整。否则, 是传动件装配过紧, 应调整。
(3) 检查横拉杆、直拉杆、转向节主销。用手抓住横拉杆或直拉杆, 来回绕其轴心线转动, 若转动轻便, 表明转向沉重与直、横拉杆球铰链无关。若转动费力或转不动, 说明转向沉重是球铰链调整螺塞过紧所致。应重新调整。其调整方法如下:取出开口销, 用扳手将螺塞旋出则变松, 反之, 则变紧。若以上调整后, 转向仍然沉重, 表明问题在转向节主销。如主销和转向节推力轴承润滑不良应添加润滑脂。或者由于主销与转向节衬套配合间隙过小, 应检测铰削衬套。
(4) 前轮定位失准的检查。被检车辆在硬质路面上 (水泥路面上) 直线行驶过后, 若在路面上留下印迹, 表明前轮定位失准, 应检查前轮定位或车架及前轴变形情况, 并针对故障所在进行排除。
前轴变形, 可通过检测主销内倾、后倾和前轮前束测出。车架变形, 可通过测量前、后桥两端轴距查出。检测主销倾角。
诊断结果为左侧转向节主销平面轴承损坏。
四、结构分析
转向桥是利用车桥中的转向节使车轮可以偏转一定角度, 以实现汽车转向。EQ1141转向桥主要由前梁、转向节和主销组成。
前梁用钢材锻造, 两端加粗的拳部有通孔, 主销即插入此孔内, 用带有螺纹的楔形锁销将主销固定在拳部孔内, 使之不能转动。前梁经主销与转向节相连, 车轮可绕主销偏转, 从而实现汽车转向。
为了减少磨损, 转向节内端两耳部通孔内压入铜衬套, 销孔端部用盖加以封住, 并通过转向节上的黄油嘴注入黄油。转向节上耳与前梁之间采用了一组2.1～2.8mm的不同厚度的调整垫片, 用来调整转向节叉的轴向间隙, 要求其间隙在0.1mm以下。不同厚度的垫片可以避免垫片太薄装配时易变形, 不易保证间隙的缺点。在转向节下耳与前梁之间装有推力滚子轴承以减少转向阻力, 止推轴承上端有“O”形密封圈, 下端靠橡胶刃口进行端面密封, 既可以保证转向轻便, 又提高了轴承的使用寿命, 减轻主销锈蚀。
靠转向节耳部有一方形凸缘, 用以固定制动底板。左转向节两耳的上端的锥形孔用来安装转向节臂, 下端的锥形孔分别用以安装左右转向梯形臂。转向节轴颈用内外两个滚子止推轴承和支承轮毂, 并通过轴承调整螺母、止推垫圈、锁止垫圈、锁止螺母与转向节安装于一体, 轴承紧度用调整螺母加以调整。轮毂与车轮用螺栓连接, 其内端是制动鼓, 轮毂轴承采用润滑脂润滑。为防止润滑脂浸入制动鼓, 影响制动效能, 在内端轴承内侧装有油封, 若油封漏油, 则外端的挡油盘仍足以防止润滑油进入制动器内;外轴承外端用轮毂盖加以防尘。
五、故障排除
更换转向节主销平面轴承。
(一) 拆卸步骤
1.用千斤顶在前轴下端面选择合适的位置支起故障侧车轮。注意不要挡住转向横拉杆。
2.拆下半轴外端油封盖。整体拆下轮胎和轮毂总成。拆卸制动底板总成。清理尘土。
3.拆下转向节上耳孔的转向节臂和下耳孔的转向梯形臂。
4.用专用工具压出主销。
发现主销锈蚀严重, 衬套损坏。上耳孔黄油嘴堵塞。平面轴承外座圈压坏, 滚柱散落。
(二) 装复步骤
1.购回专用主销更换零件包。在转向节上、下耳孔内用专用工具压入衬套。并试装主销, 发现上端衬套过紧, 用锉刀铰削, 砂纸磨平, 至主销能在孔内轻松滑动为止。
2.装入主销。平面轴承抹足黄油并注意平面轴承的安装方向。用调整垫片调整拳形孔与转向节耳孔的间隙。
3.装复转向节臂和转向梯形臂。
4.装复制动底板。
5.清洗轮毂轴承并抹足黄油, 更换油封并装复轮胎和轮毂。拧上半轴外端油封盖。
电动液压助力转向 篇7
助力特性是指电动机提供的助力随汽车运动状况 (车速和转向盘力矩) 变化而变化的规律。与液压助力转向不同的是, 在电动助力系统中助力与直流电动机电流成比例, 故可采用电动机电流与转向盘力矩、车速的变化关系曲线来表示助力特性。
目前没有标准的助力特性曲线可参考, 但普遍认同的助力特性曲线有3种:直线型、折线型和曲线型助力特性, 它们各自有优缺点[1~2]。较多文献研究直线型和曲线型助力特性的设计方法, 但折线型助力特性一直没有具体的设计方法。本文提出如何设计折线型助力特性曲线, 并解决了影响折线型助力特性的两个重要参数斜率系数和折点坐标的设计, 结合实验和仿真验证了其精确性。
1 EPS工作原理
电动助力转向系统 (EPS) 的工作原理及组成如图1所示, 主要由车速传感器、转向盘转动传感器 (包括扭矩传感器和转速传感器) 、电子控制单元、功率驱动电路、离合器和直流电动机等组成。电子控制单元 (ECU) 根据各传感器输出的信号决定电动机的转动方向和最佳助力转矩, 向电动机和离合器发出控制信号, 通过功率驱动电路控制直流电动机的转动, 电动机的输出经过减速机构减速增扭后, 驱动齿轮齿条机构, 产生相应的转向助力[3~4]。其控制系统的基本结构如图1、2所示。
为了能够精确的提供所需的助力力矩, 为驾驶员提供操纵的轻便型和保证高速行驶时操纵的稳定性, EPS系统必须要进行因电机的摩擦和惯量将引起转向过程中的路感消失、回正迟缓和延迟、方向盘振荡、转向不灵敏等问题进行相应各个参数的补偿控制, 相应的控制策略如图3所示。
由图3可知, 电动机目标电流为基本助力电流、摩擦补偿电流、阻尼补偿电流、回正补偿、惯性补偿电流的代数和。电动机目标电流经过PID调整及最大电动机电流控制后, 输出电动机控制信号。
2 EPS折线型曲线特性
2.1 EPS对助力特性的要求
助力特性对动力转向系统的性能, 包括轻便性、回正性、路感等, 有重要影响。EPS的助力特性曲线是电动助力转向的控制目标, 由软件来设置, 可以设计成车速感应型特性曲线, 并可方便地进行调整。为了不违背驾驶员的原有驾驶习惯, 方向盘转矩和助力转矩之间应满足以下要求[5]:
(1) 当方向盘输入力矩小于某一特定值 (本试验车型使用1N·m左右) 时, 希望助力转矩越小越好, 助力转矩为EPS系统不起作用;
(2) 在方向盘输入力矩较小的区域, 助力部分的输出应较小, 以保持较好的路感;
(3) 如原地转向时, 应尽量提供较大的助力转矩, 助力效果要明显, 保证行车轻便性;在方向盘输入力矩达到驾驶员体力极限的区域时, 应最大的助力效果;
(4) 随着车速的提高, 助力应减小, 且在高速行驶至一定车速时, 停止助力, 使驾驶员获得良好的路感, 提供行车安全性;
(5) 各区段过渡平滑, 以避免操作有跳跃感, 并且助力转矩不能大于同工况下无助力时的转向转矩, 即助力转矩小于转向阻力矩, 以避免“打手”现象发生;
(6) 符合国家标准对动力转向作用在转向盘上的最大操纵力要求。
将上述要求量化, 即可达到理想的助力特性曲线。但理想的助力特性曲线很难实现, 在设计中只能尽可能满足要求。
2.2 折线型曲线特性
图4所示为典型折线型助力特性, 它的特点是在助力变化区, 助力与转向盘力矩成分段线性关系.该助力特性曲线可用式 (1) 表示。
式 (1) 中, K1 (v) , K2 (v) 分别为助力特性曲线的斜率系数, 随车速增加而减小, 是与车速变化相关的系数;Th1为助力特性曲线斜率系数由从K1 (v) 变为K2 (v) 时的方向盘输入转矩。
由助力电流公式 (1) 可知, 折线型助力特性曲线的设计关键有2点:如何确定斜率系数K1 (v) 与K2 (v) 及如何确定Th1折点坐标。
3 EPS折线型曲线设计
在设计斜率系数K1 (v) 与K2 (v) 及设计折点坐标Th1时, 采用先确定斜率系数, 然后再确定折点坐标的顺序。
3.1 斜率系数K1 (v) 、K2 (v)
助力电流I (Td, v) 的变化随斜率系数K1 (v) 和K2 (v) 变化而变化。设计思路如下:令方向盘转矩Th1的仿真值等于在该车速下的理想方向盘转矩值, 此时助力转矩与方向盘输入转矩达到最理想的系数关系, 这时可确定一个在该车速下对应的斜率系数K1, 再令方向盘输入转矩等于该车速对应的理想方向盘转矩, 则又得到对应该车速的最佳斜率系数值K2。按照这样的方法在各车速下进行仿真, 就得到一组对应不同车速的斜率系数Ki (i=1, 2, 3…n) , 最后将这些离散的Ki值对应车速进行多项式拟合, 就可以得到各车速下最佳的斜率系数K1 (v) 和K2 (v) [1,6]。
3.2 Th1折点坐标
不同的车型, 方向盘转矩Th在设计时可不同。该值越小, 方向盘越轻, 驾驶员驾驶越轻松, 但不能太小, 不然会使驾员难以控制方向。且助力要求车速在较低时需要提供的助力大, 随着车速的增加, 助力减少, 甚至在高速行驶时, 停止助力。根据本试验车型, Th的取值范围为在Th0 (0 N·m) 和Thmax (8 N·m) 之间。
根据经验设方向盘折点转矩在2 N·m至6 N·m, 结合软件仿真用试探的方法得到最佳的方向盘折点转矩[7]。本车型在车速为60Km/h的最佳方向盘折点转矩为3.5 N·m。下面通过原地转向工况对转向轻便性的影响和通过蛇行工况对中高速情况下转向盘中间位置附近区域路感的影响这两个方面, 来验证T。汽车蛇形运行线路如图5所示。
(1) 方向盘转矩不变情形
如图6所示, 分别取3个坐标:A (3.5, 10) 、a1 (3.5, 12) 和a2 (3.5, 8) 进行仿真验证。原地转向工况如图7所示, 图8、9分别作蛇形工况时其转向盘转角和侧向加速度时的仿真图。
(2) 输出电流不变的情形
如图10所示, 分别取3点坐标:A (3.5, 10) , b1 (3, 10) , b2 (4, 10) 进行仿真验证。原地转向工况如图10所示, 图11、12分别作蛇形工况时其转向盘转角和侧向加速度时的仿真图。
比较图7和图11可以看出:对于折线型助力特性曲线, 折点坐标越小, 其助力效果好, 汽车具有较好的轻便性;比较图8、9及图12、13可以看出随着车速的增大, 折点坐标应相应增大, 减小助力, 以保持驾驶员较好的路感, 不至驾驶员感觉方向盘发飘。
最终得到的折线型助力特性二维图如图14所示, 图15为其三维图。
4 结论
(1) 结合汽车电动助力转向系统对助力特性的要求, 提出了折线型助力特性曲线示意图;
(2) 很好地解决了影响折线型助力特性曲线中斜率系数和折点坐标的2个参数的设计难题;
(3) 通过实验和仿真比较可得到:对于折线型助力特性曲线, 折点坐标越小, 其助力效果好, 汽车具有较好的轻便性;及随着车速的增大, 折点坐标应相应增大, 以保持驾驶员较好的路感;
(4) 仿真结果表明:该折线型助力特性曲线能够较好地协调转向轻便性和路感之间的矛盾, 并完善汽车电动助力转向的设计有着重要的意义。
参考文献
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汽车电动助力转向系统改装技术研究 篇8
近年来能源紧张已成为全球关注的焦点, 环保、节能产品的开发已成为汽车行业的发展趋势。而电动助力转向系统 (EPS) 是在液压助力转向系统 (HPS) 基础上发展起来的新型助力转向系统, 与液压助力转向系统相比, 它能够有效降低发动机功耗、具有更好的低温运行性能、电子集成度高、占用空间小等优点[1,2,3,4]。因此, 必将在大部分车型中实现配套并取代现有的机械转向系统、液压助力转向系统和电控液压转向系统[5]。
本研究针对把试验样车从液压助力转向系统改装成电动助力转向系统中的关键问题进行详细叙述, 进而完成EPS系统改装匹配设计, 并对改装后的样车做蛇形路面试验验证。
1 EPS系统组成与工作原理
EPS系统主要包括助力电动机、控制器、扭矩传感器、减速机构四大部分。
1.1 EPS系统组成
1.1.1 助力电动机
电动机是EPS系统的动力来源, 研究者可根据不同的车型配备不同功率的助力电机。作为EPS系统的关键部件, EPS的助力电动机需能够在较低转速下输出较大的扭矩, 且具有转矩脉动小、振动噪声小、转动惯量小等特点。现有国内外的助力电机主要为直流有刷电动机、直流无刷电动机、三相电动机等。但由于直流有刷电动机具有结构简单、成本低等优点, 是目前国内常用的EPS助力电动机。
1.1.2 控制器
EPS控制器简称ECU。该控制器主要由微处理器、信号输入传感器及其预处理电路、PWM输出电路、由场效应管组成的桥式电机驱动和控制电路、电机电流反馈电路等组成。
电动助力转向系统ECU的关键技术为保证ECU在运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过所要求的限制, 同时对所在环境存在的电磁干扰具有一定程度的抗干扰度, 即电磁兼容性 (EMC) ;另一个关键技术就是ECU的散热设计, ECU内部MOS管的发热将极大地影响控制器的稳定性及可靠性, 所以需要通过专门的设计以保证ECU良好散热的机构。
1.1.3 扭矩传感器
扭矩传感器是用来检测人手施加在方向盘的转矩、转角大小, 分为接触式与非接触式, 由于成本原因国内大多采用只输出扭矩信号的接触式扭矩传感器。
1.1.4 减速机构
EPS系统的减速机构与电动机相连, 主要起到减速增扭的作用。其主要有蜗轮蜗杆结构与行星齿轮结构两种形式。国内大多采用蜗轮蜗杆结构。其减速机构减速比根据实车所需助力大小与方向盘转速等因素决定。
1.2 EPS工作原理
当汽车发动机正常启动后, 这时EPS处于工作状态, 驾驶员操纵方向盘转向时, 扭矩传感器探测到方向盘转动产生的扭矩和转角的大小, 同时接收车速信号和发动机转速的信号, 并将所需信息转化成数字信号输入控制单元, 再由控制单元对这些信号进行运算后得到一个与行驶工况相适应的力矩, 最后发出指令以驱动电动机工作, 电动机输出的转矩通过减速装置的减速增扭来完成助力。
2 EPS系统分类
按照助力位置的不同, 电动助力转向系统可分为转向柱式、小齿轮式、双小齿轮式和齿条式4种类型[6]。
转向柱助力式EPS系统如图1 (a) 所示, 其电动机固定在转向管柱一侧, 通过减速机构与转向柱相连, 直接驱动转向柱助力转向。该方案的助力输入经过EPS系统减速器减速增扭后经过方向机传递到转向轮, 因此要求电动机的最大输出扭矩相对小。电动机常布置在驾驶室内, 工作环境较好, 对密封要求低。目前, 国内大多采用转向柱助力式EPS系统, 其大多安装在轻型车上。
小齿轮助力式EPS系统如图1 (b) 所示, 其电动机和减速器与小齿轮相连, 直接驱动方向机的小齿轮完成助力转向。该方案的助力输入也要经过系统减速器减速增扭后经过方向机传递到转向轮, 因此要求电机的最大输出扭矩也相对较小;电动机安装在驾驶员踏板的下方, 工作环境差、对密封要求高。其大多应用在中型车上。
双小齿轮式EPS系统如图1 (c) 所示, 其与小齿轮式的区别在于, 方向机上有两个小齿轮。其中一个小齿轮用于通过扭矩传感器接收驾驶员的扭矩信号, 电动机通过减速器减速增扭驱动另一个小齿轮完成助力。
齿条助力式EPS系统如图1 (d) 所示, 其电动机和减速机构与齿条相连, 直接驱动齿条助力转向。该方案的助力输入点在齿条上, 要求电动机的最大输出力矩相对大;电动机工作环境差, 对密封要求高。其大多应用在重型车与卡车上[7,8,9]。
3 EPS系统匹配设计及改装
因为不同车型的参数相差较大, EPS系统要根据目标车型对系统参数做相应配置。所以, 研究者首先要获得目标车型的参数。而其中最重要的就是目标车型的地面阻力矩、车速信号、发动机转速信号等, 而这些参数可由原车提供的资料或试验获取[10,11]。
3.1 EPS系统匹配设计
本研究以某款已安装液压助力转向系统的小型车为例, 将其改装为电动助力转向系统。其基本参数如表1所示。
设计EPS系统改装方案时, 首先要估算出所需助力值。本研究先利用方向盘转矩转角测试仪, 测试无助力时 (即发动机不工作, 样车的液压助力转向系统不工作时) 方向盘所需克服的地面最大阻力矩。经测试得出测得值为28 N·m。
另外, 笔者由整车参数获得原车的液压助力转向系统参数, 实车的原有液压助力曲线如图2所示。
原车齿条座套内径40 mm, 齿条轴径28 mm, 通过图2可知, 最大液压值为100 bar即10 MPa时, 计算得出液压缸最大活塞力为5 183.6 N, 由方向机小齿轮半径6 mm可推出最大助力转矩为31.1 N·m。可见, 其完全可以达到助力效果。原液压转向系统参数与计算结果如表2所示。
根据以上计算所得, 可选择EPS系统关键部件。
3.1.1 电动机选型
本研究选择国产直流有刷170 W电动机, 当输入电流为30 A时, 电机输出额定转矩为1.6 N·m。额定转速为1 050 r·min-1。
3.1.2 减速机构计算
选用蜗轮蜗杆减速机构, 其减速比为16.5∶1, 由经验知效率为80%, 可知电动机输出助力转矩经减速机构的减速增扭达到1.6×16.5×80%=21 N·m。又由于地面最大阻力矩为28 N·m, 当电机输出额定转矩克服地面最大阻力矩时, 所需人手施加转矩为28-21=7 N·m, 此时在驾驶员实现正常操作方向盘时所需施加的扭矩值范围内。并且, 当电动机输出额定转矩时, 最大转速可达到1 050 r·min-1, 经减速比可实现最快转速为1 050/16.5=63.6 r·min-1, 因此即使当驾驶员瞬间以60 r·min-1的转速快速转动方向盘时, 电动机也可实现很好的跟随性。
3.1.3 控制器设定
根据获得的车速信号与发动机转速信号, 笔者将其脉冲频率与转速的关系写入助力曲线中, 并且设定助力曲线的纵坐标 (电机最大输出电流) 为30 A, 此时为零车速时克服地面最大阻力矩所需电机输出扭矩。控制器可读取助力曲线值而实现EPS系统的实时助力功能。
3.1.4 扭矩传感器选型
研究者选择仅输出扭矩信号值的传感器即可, 这样既可以降低成本, 又可实现助力。控制器给传感器的供电电压为5 V, 扭矩传感器将采集到的人手扭矩信号转换为电压信号, 输入控制器。
EPS系统当检测到人手的扭矩值在1.5 N·m之内时不助力, 即控制器不给电机供电, EPS无助力, 这时处于助力曲线的死区之内;当检测到人手的扭矩值超过1.5 N·m, 但小于7 N·m时, 助力值随检测到人手的转矩增大而增大;当检测到人手的扭矩值超过7 N·m时, 输出此车速下的最大助力。根据不同的车速输出的助力值而不同, 在零车速时实现最大助力, 这时的电流为30 A, 电机输出额定转矩1.6 N·m。EPS系统的助力最大值随车速的增大而降低, 当车速大于90 km/h时不助力。EPS系统助力特性曲线如图3所示。
EPS系统匹配参数如表3所示, 由于笔者采用转向柱助力式EPS, 且助力电机与减速器接近驾驶室, 防护等级选择IP54。
3.2 EPS系统改装
EPS系统的优点在于其拆装方便、更换部件便捷。
由于样车为液压助力转向系统, 其方向机上有各种液压油路, 安装EPS系统前, 需将其拆除, 并将方向机上的油管口封死。然后本研究将原有的转向管柱拆除, 安装有EPS减速机构的转向管柱配置在实车的相应位置, 利用锁紧螺栓将EPS转向管柱输出轴端与转向系统的中间轴锁紧, 将EPS转向管柱输入端与方向盘锁紧, 即可完成安装。
4 EPS系统试验
本研究对改装后的样车开展蛇形路面试验, 得到了试验过程中的助力电流与人手转矩的对应关系曲线 (EPS系统测试结果如图4所示) 。从获得的试验结果来看, 改装后的系统可满足助力要求, 并可获得好的转向平顺性。
5 结束语
通过对目标车型进行了测试、分析和计算等的基础上, 本研究获得了针对该车型的EPS系统关键部件所需参数, 并利用已确定的目标部件参数对已有液压助力转向系统的样车进行了改装, 实现了用电动助力转向系统取代现有的液压助力转向系统, 并在此基础上增加了随速助力等功能。
改装后的样车, 经过蛇形试验, 结果表明EPS系统可实现较好的助力效果。
摘要：为解决传统液压助力转向系统引起的易漏油、结构复杂、拆卸困难等问题, 以一种轻型车为试验样车, 将电动助力转向技术应用到试验样车的转向系统中, 从而替换原有的液压助力转向系统。以试验样车为研究对象, 分析了原车的液压助力转向系统与电动助力系统之间的区别与联系, 参考原车液压助力转向曲线, 并通过分析计算地面最大阻力矩、最大助力转矩等实车参数, 建立了针对电动助力转向系统的助力曲线, 并确定了电动助力转向系统中电动机、减速机构、控制器、扭矩传感器等关键部件的主要参数;将关键部件组装为电动助力转向系统, 并对实验样车做了改装, 对改装后的样车进行了蛇形路面试验, 并采集了试验过程中的助力电流与人手转矩的对应关系曲线。研究结果表明:改装后的电动助力转向系统可实现随速助力, 并有一定的路感, 转矩脉动小, 具有较好的转向平顺性。
关键词：电动助力转向系统,汽车,改装,液压助力转向系统
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电动液压助力转向 篇9
电动液压助力转向系统(Electro-Hydraulic Power Steering System, EHPS),一般采用直流电机驱动液压助力转向泵,并能根据汽车行驶状态主动调节电机转速进而控制转向助力的大小,使得汽车在低速时转向轻便,高速时转向稳重[1]。
前轮主动转向系统(Active Front Steering,AFS),通过改变转向传动比和主动转向干预,使轮胎侧向力始终置于线性区,因此相比传统的助力转向系统,具有前轮主动转向系统的汽车低速时转向更轻便、灵敏,而高速时转向更加稳重、精准[2]。
目前,EHPS不能实现变传动比控制和通过主动转向干预对车辆实施稳定性控制,且现有的AFS多采用在转向盘和齿轮齿条转向器之间的转向柱上集成了一套双行星齿轮机构,用于向前轮提供叠加转向角,从而实现变传动比转向功能并提高车辆高速行驶稳定性,结构比较复杂,需要增加蜗轮蜗杆减速装置,制造精度要求高,成本大[3]。本文在EHPS和AFS的基础上引入了一种新型的电动液压转向系统该转向系统因采用二级伸缩式的液压缸的结构实现助力转向和主动转向[4],故在原理上相比传统的行星齿轮式机构简单,结构上也更加紧凑,通过控制助力转向电机转速的高低实现助力大小的改变,而通过控制主动转向电机的转速的高低实现主动转向变传动比的改变。但是由于转向系统的高度集成,两系统同时工作时,助力转向和主动转向油路之间,液压元件之间耦合对整个转向系统的性能产生的影响是性能分析中必须考虑的问题[5]。通过采用控制变量法对比仿真分析了助力转向和主动转向高压油腔的压力与流量时域特性,结果显示两系统之间的液压耦合作用对助力与主动功能影响较小,这表明该新型液压转向系统能够很好的实现力与角位移的协同控制[6]。
1 新型转向系统结构及原理
1.1 转向系统三维模型
CATIA是法国达索公司开发的一款高档CAD/CAE/CAM一体化软件,因其强大的曲面设计功能,先进的混合建模技术等优点在汽车行业得到了广泛的应用。利用CATIA软件建立的新型电动液压转向系统三维模型如图1所示[7]。该转向系统将助力转向系统和主动转向系统集成在一个转向器中,采用两个无刷直流电机作为动力源,分别驱动助力转向油泵和主动转向油泵为助力转向动力缸和主动转向动力缸供油,以实现助力和主动转向。其中助力转向油路的控制仍采用助力阀完成,主动转向油路的控制则采用精度较高的液压伺服阀控制,并且助力转向和主动转向共用一个储油罐,利于节省空间和降低开发成本。
1.2 转向器结构
转向器部分由一个双活塞杆的两级伸缩油缸和一个齿轮齿条机构组成,并通过间隙补偿器将转向齿条压紧在转向小齿轮上,以保证转向稳定可靠。其中第一级活塞杆油缸为主动转向动力缸,第二级活塞杆油缸为助力转向动力缸。转向器的内部结构如图2所示。
1.主动转向动力缸外油孔;2.助力转向活塞杆;3.转向器壳体端盖;4.助力转向动力缸油;5.助力转向动力缸油腔;6.主动转向动力缸油腔;7.主动转向活塞杆;8.主动转向动;9.转向器壳体;10.间隙补偿器;11.转向小齿轮;12.转向齿条
1.3 转向系统工作原理
结合图1和图2,当系统仅工作在助力转向模式时,主动转向油腔内处于高保压状态,转动方向盘,通过传动轴驱动助力阀和转向器的转向小齿轮,助力阀首先打开,油液从助力转向动力缸油孔4进入助力转向动力缸的腔室5,推动助力转向活塞杆2,并带动横拉杆、车轮的运动,实现转向轻便。当系统仅工作在主动转向模式时,液压伺服阀处于工作位,通过电机调节主动转向油泵的供油量,油液从主动转向动力缸外油孔1进入主动转向活塞杆内的空心油路后从主动转向动力缸内油孔8进入主动转向动力缸油腔6,再推动主动转向活塞杆7左移或右移,从而带动横拉杆和车轮的附加转动,实现变传动比转向。当系统同时处于这两种工作模式时,这时助力阀和液压伺服阀都处于工作状态,因此横拉杆的位移是两种操纵位移的叠加,故此种状态下操纵稳定性最好。
1.4 转向系统控制策略设计
新型的电动液压转向系统通过双伸缩液压缸将EHPS和AFS高度集成在一起,存在助力转向与主动转向液压油路之间的耦合问题。因此控制的关键技术是如何实现力和角位移的分工协同控制[16]。这对于改善汽车操纵稳定性,提高行驶安全有着重要的意义。针对集成式的新型电动液压转向系统结构特点及功能要求,提出一种基于转向盘角速度和车速的附加主动转向活塞杆位移的变传动比协同控制策略,附加位移是通过主动转向动力缸的定流量控制实现[8]。
1.4.1 附加位移与车速的关系
根据新型转向系统的助力要求和车速的关系,当车速比较低时或原地转向时,需要较大的传动比,即同样的转向盘角速度下车轮转角要相对大一些,这样可以提高转向轻便性和驾驶员的舒适性,减小作用在方向盘上的力矩,即减轻手力。车速较高时,转向系统需要有较小的传动比,即在同样的转向盘转角下,车轮转角要小一些,从而在保证驾驶员转向路感的情况下提高整车行驶稳定性,其函数表达式如下:
式中,Smax1为紧急状况或泊车转向时的主动转向活塞杆最大附加位移,Smin为主动转向活塞杆最小附加位移,S(v)是与v相关的非线性递减函数。
1.4.2 附加位移与转向盘角速度的关系
在车速一定的条件下,车辆主动转向活塞杆的位移会随着转向盘角速度的增大而增大,同时转向力矩也会增大。转向盘角速度越大附加位移越大,既满足汽车急转向和泊车时对转向助力的要求,又满足了助力跟随性,其函数表达式如下:
式中,ω为转向盘角速度,S2(ω)是与转向盘角速度相关的非线性递增函数,Smax2为高速避障或紧急转弯时主动转向系统提供的最大补偿位移。
2 系统数学模型建立
2.1 方向盘到转向小齿轮的数学模型
不考虑传动轴和方向盘的传动间隙,轴套与转向轴间的摩擦,忽略液动力对阀芯、扭杆的影响,可得到:
式中:J是方向盘转动惯量,c是转向器的等效阻尼系数,kd是转向轴中扭杆的刚度,是方向盘转角,1是小齿轮转角,x是齿条的位移,m是齿条等效质量,D是液压缸阻尼系数,k是等效外界刚度,r是小齿轮的基圆半径,是齿条的螺旋齿形角,p1、p2是动力缸的进出腔的油液压力,Ap是活塞的有效面积。
2.2 电机数学模型
电机输出转矩:
电机转速:
其中,T为电机输出扭矩;K2为电机转矩系数;I为电机电流;N为电机转速;E为供电电压;RC为供电电压到电机之间的电阻;RM为电机电枢电阻;K1为电机转速系数。
2.3 系统流量压力数学模型
转向器入口流量:
式中,QL为转向阀流到转向器的供油量;q为油泵排量;v为油泵容积效率;Qf为转向阀流回油泵的流量。
以液压缸流量为研究对象:
式中,Cic为液压缸总泄露系数;V为液压缸容积;e为油液弹性模量。
液压缸力平衡方程:
式中,F0为负载力为M活塞和负载的总质量;Be为粘性阻尼系数;K为负载弹性刚度;FL为液压缸助力。
2.4 齿条位移与车轮转角之间的关系
式中,L、L、R、i、x分别为转向节臂的长度、左右轮的转角、初始偏移角(转向节臂与车轮中心面的夹角)和齿条位移。
由上述公式可以看出,控制电机的转速控制进入主动转向动力缸的油量,就可以控制主动转向活塞杆的位移,从而控制附加车轮转向角。
3 系统仿真建模
3.1 建模主要参数
根据转向系统设计要求和参考某款轿车部分参考,建模主要参数如下:整车质量1533kg,前轴载荷628kg,助力齿轮泵排量为10cc/rev,主动转向油泵排量为0.1cc/rev,设定主动转向动力缸整体尺寸为30mm×16mm×30mm(外径/内径/行程),助力转向动力缸整体尺寸为 50mm×40mm×150mm(外径/内径/行程),转向扭杆刚度为2.5N.m/degree,车轮单边阻力为2200N,主动转向油泵工作排量2ml/rev,助力转向油泵工作排量10ml/rev,溢流阀压力调定为15MPa。
3.2 仿真模型
AMESim是比利时LMS公司的一款多学科领域复杂系统建模仿真专用软件,因其基于可视化的物理建模技术、内部具有丰富的应用库、面向工程应用的定位等诸多优点使其成为在汽车、液压、航空领域的理想选择[9]。根据新型电动液压转向系统的结构和工作原理,在AMESim中选取相应的液压元件模型将助力转向和主动转向结合到一起,按照机械液压传递原理搭建整个转向系统的仿真模型,并设置相关元件参数,模型如图3所示。
4 系统动态流量压力特性分析
当单独实现助力或主动转向功能时,即只有一个系统工作时,另外一个系统的油路处于相对封闭的状态,故主动油路与助力油路之间的相互影响作用很小,可以不加考虑。而在助力转向和主动转向同时工作时,两者之间因液压油路能量之间的互相影响,导致助力与附加位移传递的误差。为了分析出两者之间的影响程度,采用了控制变量法研究两系统同时工作时各个系统的流量压力时域变化特性。具体分成如下两种情况讨论:
1)在不同助力大小下,主动转向高压油腔的流量压力特性变化
方向盘给定阶跃信号,使得方向盘转速为20rev/min。控制主动转向直流电机的转速为500rev/min,分别设置助力转向电机转速为2000rev/min,2500rev/min,3000rev/min,设置仿真时间2s,采用batch仿真模式。
图4表明,助力转向动力缸的高压油腔的稳定压力随着电机的转速的增加而增加,并且压力稳定时间都足够小,助力响应快速平顺。图5所示的是助力转向动力缸高压油腔时域流量特性,随着电机转速的提高,系统的流量超调会降低,因此一定范围内提高电机的转速可以改善驾驶员的操纵手感。图6与图7是改变助力转向电机转速后的主动转向动力缸高压油腔时域流量压力特性,可以看到主动转向动力缸高压油腔的流量和压力基本上不受助力电机转速的改变而改变,都能快速达到的稳定状态。但随着助力电机的转速的提高,系统压力和流量的最大超调量会有所降低,而这对于提高系统的稳定性是很有利的。
2)不同附加位移下,助力转向高压油腔的流量压力特性变化
附加位移是通过主动转向电机驱动油泵往主动转向动力缸中泵入定量的流量控制的,故一定时间内泵入主动转向动力缸的流量与主动转向的电机转速是线性递增的关系,因此,控制助力转向电机的转速为2000rev/min,分别设置主动转向电机转速为300rev/min,500rev/min,700rev/min,其他仿真参数不变,这里主要分析附加位移对助力转向动力缸压力和流量特性的影响。
图8和图9表明,随着主动转向电机转速的提高,助力转向动力缸的压力和流量特性并没有明显受到附加位移变化的影响。助力转向动力缸内压力超调量很小,在0.1s内就达到稳定值。而助力转向动力缸的流量因受到主动转向系统的影响,开始超调量比较大,但0.12s内也很快达到稳定状态。图10和图11是主动转向动力缸高压油腔的压力和流量时域特性。很明显随着主动转向电机的转速的提高,进入主动转向高压油腔的流量随之提高,因此附加位移也会随之增加,从而改变车轮叠加转角实现变传动比。图10还表明,随着主动转向电机的转速的增加,系统的流量会增加且流量的超调量也会比较大,但是系统流量能很快在0.12s内达到稳定。图11也表明主动转向电机转速的提高会增加其高压油腔的稳定压力。
5 结论
