動力轉(zhuǎn)向

photographerstories.com 來源：互聯(lián)網(wǎng) 作者：panzhihao 類別：汽車構(gòu)造維修時間：2007-09-01

動力轉(zhuǎn)向

一、概述

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可按轉(zhuǎn)向的能源不同分為機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩類。機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是依靠駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向力來實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向；動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則是在駕駛員的控制下，借助于汽車發(fā)動機產(chǎn)生的液體壓力或電動機驅(qū)動力來實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向。所以動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也稱為轉(zhuǎn)向動力放大裝置。

動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于使轉(zhuǎn)向操縱靈活、輕便，在設(shè)計汽車時對轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)形式的選擇靈活性增大，能吸收路面對前輪產(chǎn)生的沖擊等優(yōu)點，因此已在各國的汽車制造中普遍采用。但是，具有固定放大倍率的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要缺點是：如果所設(shè)計的固定放大倍率的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是為了減小汽車在停車或低速行駛狀態(tài)下轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的力，則當(dāng)汽車以高速行駛時，這一固定放大倍率的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會使轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的力顯得太小，不利于對高速行駛的汽車進行方向控制；反之，如果所設(shè)計的固定放大倍率的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是為了增加汽車在高速行駛時的轉(zhuǎn)向力，則當(dāng)汽車停駛或低速行駛時，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤就會顯得非常吃力。電子控制技術(shù)在汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用，使汽車的駕駛性能達到令人滿意的程度。電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在低速行駛時可使轉(zhuǎn)向輕便、靈活；當(dāng)汽車在中高速區(qū)域轉(zhuǎn)向時，又能保證提供最優(yōu)的動力放大倍率和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向手感，從而提高了高速行駛的操縱穩(wěn)定性。

電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（簡稱EPS-Electronic Control Power Steering），根據(jù)動力源不同又可分為液壓式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（液壓式EPS）和電動式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（電動式EPS）。液壓式EPS是在傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)了控制液體流量的電磁閥、車速傳感器和電子控制單元等，電子控制單元根據(jù)檢測到的車速信號，控制電磁閥，使轉(zhuǎn)向動力放大倍率實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，從而滿足高、低速時的轉(zhuǎn)向助力要求。電動式EPS是利用直流電動機作為動力源，電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)向參數(shù)和車速等信號，控制電動機扭矩的大小和方向。電動機的扭矩由電磁離合器通過減速機構(gòu)減速增扭后，加在汽車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)上，使之得到一個與工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。

二、液壓式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）可以在低速時減輕轉(zhuǎn)向力以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操縱性；在高速時則可適當(dāng)加重轉(zhuǎn)向力，以提高操縱穩(wěn)定性。液壓式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)電子控制裝置而構(gòu)成的。根據(jù)控制方式的不同，液壓式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又可分為流量控制式、反力控制式和閥靈敏度控制式三種形式。

（一）流量控制式EPS

圖 1所示為凌志牌轎車采用的流量控制式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。由圖可見，該系統(tǒng)主要由車速傳感器、電磁閥、整體式動力轉(zhuǎn)向控制閥、動力轉(zhuǎn)向油泵和電子控制單元等組成。電磁閥安裝在通向轉(zhuǎn)向動力缸活塞兩側(cè)油室的油道之間，當(dāng)電磁閥的閥針完全開啟時，兩油道就被電磁閥旁路。流量控制式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是根據(jù)車速傳感器的信號，控制電磁閥閥針的開啟程度，從而控制轉(zhuǎn)向動力缸活塞兩側(cè)油室的旁路液壓油流量，來改變轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向力。車速越高，流過電磁閥電磁線圈的平均電流值越大，電磁閥閥針的開啟程度越大，旁路液壓油流量越大，液壓助力作用越小，使轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的力也隨之增加。這就是流量控制式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理。圖 2所示為該系統(tǒng)電磁閥的結(jié)構(gòu)。

圖 3為電磁閥的驅(qū)動信號。由圖可以看出，驅(qū)動電磁閥電磁線圈的脈沖電流信號頻率基本不變，但隨著車速增大，脈沖電流信號的占空比將逐漸增大，使流過電磁線圈的平均電流值隨車速的升高而增大。

圖 4所示為凌志轎車電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電路圖。

（二）反力控制式EPS

圖 5所示為反力控制式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理圖。由圖可見，系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向控制閥、分流閥、電磁閥、轉(zhuǎn)向動力缸、轉(zhuǎn)向油泵、儲油箱、車速傳感器（圖中未畫出）及電子控制單元等組成。

轉(zhuǎn)向控制閥是在傳統(tǒng)的整體轉(zhuǎn)閥式動力轉(zhuǎn)向控制閥的基礎(chǔ)上增設(shè)了油壓反力室而構(gòu)成。扭力桿的上端通過銷子與轉(zhuǎn)閥閥桿相連，下端與小齒輪軸用銷子連接。小齒輪軸的上端部通過銷子與控制閥閥體相連。轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向力通過扭力桿傳遞給小齒輪軸。當(dāng)轉(zhuǎn)向力增大，扭力桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時，控制閥體和轉(zhuǎn)閥閥桿之間將發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，于是就改變了閥體和閥桿之間油道的通、斷關(guān)系和工作油液的流動方向，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力作用。

分流閥是把來自轉(zhuǎn)向油泵的機油向控制閥一側(cè)和電磁閥一側(cè)進行分流的閥。按照車速和轉(zhuǎn)向要求，改變控制閥一側(cè)與電磁閥一側(cè)的油壓，確保電磁閥一側(cè)具有穩(wěn)定的機油流量。

固定小孔的作用是把供給轉(zhuǎn)向控制閥的一部分流量分配到油壓反力室一側(cè)。

電磁閥的作用是根據(jù)需要將油壓反力室一側(cè)的機油流回儲油箱電子控制單元（ECU）根據(jù)車速的高低線性控制電磁閥的開口面積。當(dāng)車輛停駛或速度較低時，ECU使電磁線圈的通電電流增大，電磁閥開口面積增大，經(jīng)分流閥分流的機油，通過電磁閥重新回流到儲油箱中，所以作用于柱塞的背壓（油壓反力室壓力）降低。于是柱塞推動控制閥轉(zhuǎn)閥閥桿的力（反力）較小，因此只需要較小的轉(zhuǎn)向力就可使扭力桿扭轉(zhuǎn)變形，使閥體與閥桿發(fā)生相對轉(zhuǎn)動而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力作用。

當(dāng)車輛在中高速區(qū)域轉(zhuǎn)向時，ECU使電磁線圈的通電電流減小，電磁閥開口面積減小，所以油壓反力室的油壓升高，作用于柱塞的背壓增大，于是柱塞推動轉(zhuǎn)閥閥桿的力增大，此時需要較大的轉(zhuǎn)向力才能使閥體與閥桿之間作相對轉(zhuǎn)動（相當(dāng)于增加了扭力桿的扭轉(zhuǎn)剛度），而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力作用，所以在中高速時可使駕駛員獲得良好的轉(zhuǎn)向手感和轉(zhuǎn)向特性。

（三）閥靈敏度控制式EPS

閥靈敏度控制式EPS是根據(jù)車速控制電磁閥，直接改變動力轉(zhuǎn)向控制閥的油壓增益（閥靈敏度）來控制油壓的方法。這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、部件少、價格便宜，而且具有較大的選擇轉(zhuǎn)向力的自由度，可以獲得自然的轉(zhuǎn)向手感和良好的轉(zhuǎn)向特性。

圖 6所示為89型地平線牌轎車所采用的閥靈敏度控制式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向控制閥的轉(zhuǎn)子閥作了局部改進，并增加了電磁閥、車速傳感器和電子控制單元等。

轉(zhuǎn)子閥的可變小孔分為低速專用小孔（lR、1L、2R、2L）和高速專用小孔（3R、3L）兩種，在高速專用可變孔的下邊設(shè)有旁通電磁閥回路

圖 7所示為該系統(tǒng)的閥部等效液壓回路，其工作過程如下：

當(dāng)車輛停止時，電磁閥完全關(guān)閉，如果此時向右轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，則高靈敏度低速專用小孔1R及2R在較小的轉(zhuǎn)向扭矩作用下即可關(guān)閉，轉(zhuǎn)向油泵的高壓油液經(jīng)lL流向轉(zhuǎn)向動力缸右腔室，其左腔室的油液經(jīng)3L、2L流回儲油箱。所以此時具有輕便的轉(zhuǎn)向特性。而且施加在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向力矩越大，可變小孔lL、2L的開口面積越大，節(jié)流作用越小，轉(zhuǎn)向助力作用越明顯。

隨著車輛行駛速度的提高，在電子控制單元的作用下，電磁閥的開度也線性增加，如果向右轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，則轉(zhuǎn)向油泵的高壓油液經(jīng)lL、3R旁通電磁閥流回儲油箱。此時，轉(zhuǎn)向動力缸右腔室的轉(zhuǎn)向助力油壓就取決于旁通電磁閥和靈敏度低的高速專用可變孔3R的開度。車速越高，在電子控制單元的控制下，電磁閥的開度越大，旁路流量越大，轉(zhuǎn)向助力作用越�。辉谲囁俨蛔兊那闆r下，施加在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向力越小，高速專用小孔3R的開度越大，轉(zhuǎn)向助力作用也越小，當(dāng)轉(zhuǎn)向力增大時，3R的開度逐漸減小，轉(zhuǎn)向助力作用也隨之增大。由此可見，閥靈敏度控制式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可使駕駛員獲得非常自然的轉(zhuǎn)向手感和良好的速度轉(zhuǎn)向特性。

三、電動式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

液壓式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于工作壓力和工作靈敏度較高，外廓尺寸較小，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。在采用氣壓制動或空氣懸架的大型車輛上，也有采用氣壓動力轉(zhuǎn)向的。但這類動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的共同缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、消耗功率大，容易產(chǎn)生泄漏，轉(zhuǎn)向力不易有效控制等。近年來隨著微機在汽車上的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了電動式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，簡稱電動式EPS。

（一）電動式EPS的組成、原理與特點

電動式EPS通常由扭矩傳感器、車速傳感器、電子控制單元（ECU）、電動機和電磁離合器等組成（如圖 8所示）。電動式EPS是利用電動機作為助力源，根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向參數(shù)等，由電子控制單元完成助力控制，其原理可概括如下：

當(dāng)操縱轉(zhuǎn)向盤時，裝在轉(zhuǎn)向盤軸上的扭矩傳感器不斷地測出轉(zhuǎn)向軸上的扭短信號，該信號與車速信號同時輸入到電子控制單元。電控單元根據(jù)這些輸入信號，確定助力扭矩的大小和方向，即選定電動機的電流和轉(zhuǎn)向，調(diào)整轉(zhuǎn)向輔助動力的大小。電動機的扭矩由電磁離合器通過減速機構(gòu)減速增扭后，加在汽車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)上，使之得到一個與汽車工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。

電動式EPS有許多液壓式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所不具備的優(yōu)點：

（1）將電動機、離合器、減速裝置、轉(zhuǎn)向桿等各部件裝配成一個整體，這既無管道也無控制閥，使其結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量減輕。一般電動式EPS的質(zhì)量比液壓式EPS質(zhì)量輕25%左右。

（2）沒有液壓式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必須的常運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向油泵，電動機只是在需要轉(zhuǎn)向時才接通電源，所以動力消耗和燃油消耗均可降到最低。

（3）省去了油壓系統(tǒng)，所以不需要給轉(zhuǎn)向油泵補充油，也不必擔(dān)心漏油。

（4）可以比較容易地按照汽車性能的需要設(shè)置、修改轉(zhuǎn)向助力特性。

（二）電動式EPS主要部件的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.扭矩傳感器

扭矩傳感器的作用是測量轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向器之間的相對扭矩，以作為電動助力的依據(jù)之一。

圖 9所示為無觸點式扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理圖。在輸出軸的極靴上分別繞有A、B、C、D四個線圈，轉(zhuǎn)向盤處于中間位置（直駛）時，扭力桿的縱向?qū)ΨQ面正好處于圖示輸出軸極靴AC、BD的對稱面上。當(dāng)在U、T兩端加上連續(xù)的輸入脈沖電壓信號U_i時由于通過每個極靴的磁通量相等，所以在V、W兩端檢測到的輸出電壓信號Uo=0。轉(zhuǎn)向時，由于扭力桿和輸出軸極靴之間發(fā)生相對扭轉(zhuǎn)變形，極靴A、D之間的磁阻增加，B、C之間的磁阻減少，各個極靴的磁通量發(fā)生變化，于是在V、W之間就出現(xiàn)了電位差。其電位差與扭力桿的扭轉(zhuǎn)角。和輸入電壓U_i成正比。如果比例系數(shù)為K，則有Uo=KU_iθ所以，通過測量V、W兩端的電位差就可以測量出扭力桿的扭轉(zhuǎn)角，于是也就知道了轉(zhuǎn)向盤施加的轉(zhuǎn)動扭矩。

圖 10所示為滑動可變電阻式扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)。它是將負載力矩引起的扭力桿角位移轉(zhuǎn)換為電位器電阻的變化，并經(jīng)滑環(huán)傳遞出來作為扭矩信號。

2.電動機

電動式EPS用電動機與啟動用直流電動機原理上基本相同，但一般采用永磁磁場。其最大電流一般為3OA左右，電壓為DC12V，額定轉(zhuǎn)矩為1ON·m左右。

轉(zhuǎn)向助力用直流電動機需要正反轉(zhuǎn)控制，

圖 11所示為一種比較簡單適用的控制電路。a₁_、a₂為觸發(fā)信號端。當(dāng)a₁端得到輸入信號時，晶體管T₃導(dǎo)通，T₂得到基極電流而導(dǎo)通，電流經(jīng)T₂、電動機M、T₃、搭鐵而構(gòu)成回路，于是電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)a₂端得到輸入信號時，電流則經(jīng)T₁、M、T₄、搭鐵而構(gòu)成回路，電機則因電流方向相反而反轉(zhuǎn)�？刂朴|發(fā)信號端電流的大小，就可以控制通過電動機電流的大小。

3.電磁離合器

圖 12為單片干式電磁離合器的工作原理圖。當(dāng)圖 10滑動可變電阻式扭矩傳感器結(jié)構(gòu)電流通過滑環(huán)進入電磁離合器線圈時，主動輪產(chǎn)生電磁吸力，帶花鍵的壓板被吸引與主動輪壓緊，于是電動機的動力經(jīng)過軸、主動輪、壓板、花鍵、從動軸傳遞給執(zhí)行機構(gòu)。

電動式EPS一般都設(shè)定一個工作范圍，例如當(dāng)車速達到45km/h時，就不需要輔助動力轉(zhuǎn)向，這時電動機就停止工作，為了不使電動機和電磁離合器的慣性影響轉(zhuǎn)向系的工作，離合器應(yīng)及時分離，以切斷輔助動力。另外當(dāng)電動機發(fā)生故障時，離合器會自動分離，這時仍可利用手動控制轉(zhuǎn)向。

4.減速機構(gòu)

減速機構(gòu)是電動式EPS不可缺少的部件。目前實用的減速機構(gòu)有多種組合方式，一般采用蝸輪蝸桿與轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動組合式，也有的采用兩級行星齒輪與傳動齒輪組合式。為了抑制噪聲和提高耐久性，減速機構(gòu)中的齒輪有的采用特殊齒形，有的采用樹脂材料制成。

（三）電動式EPS實例

圖 13所示為Alto汽車電動式EPS配件布置圖。該系統(tǒng)由扭矩傳感器、車速傳感器、電子控制單元、電動機和減速機構(gòu)組成。扭矩傳感器（滑動可變電阻型）、電動機和減速機構(gòu)制成一個整體（見圖 14），安裝在轉(zhuǎn)向柱上，電磁離合器安裝在電動機的輸出端旁，電子控制單元安裝在司機座位下面。

圖 15所示為Alto車用扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)。當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作時，施加在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向力經(jīng)輸入軸、扭桿傳遞給輸出軸，扭桿的扭曲變形使輸入軸與輸出軸之間發(fā)生相對扭轉(zhuǎn)，與此同時滑塊沿軸向移動，控制臂將滑塊的軸向移動變換成電位器的旋轉(zhuǎn)角度，即將轉(zhuǎn)矩值變換成電壓量，并輸入到電子控制單元。

當(dāng)轉(zhuǎn)向盤處于中間位置時，傳感器的輸出電壓為2.5V；當(dāng)轉(zhuǎn)向盤向右旋轉(zhuǎn)時，其輸出電壓大于2.5V；當(dāng)轉(zhuǎn)向盤向左旋轉(zhuǎn)時，其輸出電壓小于2.5V，扭矩傳感器的輸出特性如圖 16所示。因此，電子控制單元根據(jù)傳感器輸出電壓的高低，就可以判定轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動角度。

圖 17所示為Alto汽車電動式EPS控制方框圖。其控制內(nèi)容如下：

1.電動機電流控制

電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)向力矩和車速信號確定并控制電動機的驅(qū)動電流方向和大小。使其在每一種車速下都可以得到最優(yōu)化的轉(zhuǎn)向助力扭矩。

2.速度控制

當(dāng)車速高于43-52km/h時，停止對電動機供電的同時，使電動機內(nèi)的電磁離合器分離，按普通轉(zhuǎn)向控制方式工作，以確保行車安全。

3.臨界控制

這是為了保護系統(tǒng)中的電動機以及控制組件而設(shè)的控制項目。在轉(zhuǎn)向器偏轉(zhuǎn)至最大（即臨界狀態(tài)）時，由于此時電動機不能轉(zhuǎn)動，所以流入電動機的電流達最大值，為了避免持續(xù)大電流使電動機及控制組件發(fā)熱損壞，所以每當(dāng)較大電流連續(xù)通過3Os后，系統(tǒng)就會控制電流使之逐漸減小。當(dāng)臨界控制狀態(tài)解除后，控制系統(tǒng)就會再逐漸增大電流，一直達到正常的工作電流值為止。

4.自診斷和安全控制

該系統(tǒng)的電子控制單元具有故障自診斷功能，當(dāng)電子控制單元檢測出系統(tǒng)存在故障時都可顯示出相應(yīng)的故障代碼，以便采取相應(yīng)的措施。當(dāng)檢測出系統(tǒng)的基本部件如扭矩傳感器、電動機、車速傳感器等出現(xiàn)故障而導(dǎo)致系統(tǒng)處于嚴(yán)重故障的情況下，系統(tǒng)就會使電磁離合器斷開，停止轉(zhuǎn)向助力控制，力圖確保系統(tǒng)安全、可靠�！�