1、汽車電子控制技術(shù),第6章 汽車電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng),教學(xué)提示：操作輕便、路感清晰的電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)極大地提高了汽車的操縱性能。四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在提高車輛的彎道通過性能方面優(yōu)勢明顯，應(yīng)用日益廣泛。,教學(xué)要求：本章主要介紹汽車電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。要求學(xué)生了解電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用概況，熟悉電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成。,6.1 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述,6.1.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用與相關(guān)要求,用來改變或保持汽車行駛或倒退方向的一系列裝置稱為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Automobile Steering System，圖6-1）。,為確保行車安全，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有如下要求：,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)工作可靠，操縱輕便。,對輕微的路面沖

2、擊，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)有自動回正能力。,轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)應(yīng)能減小地面?zhèn)鞯椒较虮P上的沖擊，并保持適當(dāng)?shù)摹奥犯小薄?當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時，轉(zhuǎn)向裝置應(yīng)能減輕或避免對駕駛員的傷害。,6.1.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類,汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可按轉(zhuǎn)向的能源不同分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Mechanical steering system）和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Power steering system）兩類。,電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以在低速時減輕轉(zhuǎn)向操作力，以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操縱輕便性；在高速時則可適當(dāng)加重轉(zhuǎn)向力，以提高操縱穩(wěn)定性。,四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用，在提高汽車轉(zhuǎn)向操縱穩(wěn)定性的同時，能顯著縮短轉(zhuǎn)彎半徑，提高車輛的彎道通過性能。,6.2 汽車電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),6

3、.2.1動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),1.動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成,為使汽車操縱輕便及行駛安全，目前轎車、載重汽車、客車大多采用液壓轉(zhuǎn)向助力器，構(gòu)成液壓式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic power steering system，略作HPS）。,液壓式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,圖6-3 液壓式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的油路圖 1-油箱；2-溢流閥；3-齒輪油泵；4-進(jìn)油道量孔；5-單向閥；6-安全閥；7-滑閥；8-反作用閥；9-閥體；10-回位彈簧；11-轉(zhuǎn)向螺桿；12-轉(zhuǎn)向螺母；13-縱拉桿；14-轉(zhuǎn)向垂臂；15-動力缸,（a）右轉(zhuǎn)彎行駛時,（b）左轉(zhuǎn)彎行駛時,圖6-4 轉(zhuǎn)向控制閥在轉(zhuǎn)向時改變油路,2.動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的不足,6

4、.2.2電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),1.電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成,電子控制動力轉(zhuǎn)向（Electronic Control Power Steering，EPS）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。,圖6-5 電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),2.電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類,根據(jù)動力源的不同，電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)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ECU等，ECU根據(jù)檢測到的車速信

5、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)，從而滿足汽車在中、低速時的轉(zhuǎn)向助力要求。,電動式EPS是利用直流電動機(jī)作為動力源，ECU根據(jù)轉(zhuǎn)向參數(shù)和車速等信號，控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小和方向。,電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩由電磁離合器通過減速機(jī)構(gòu)減速增加轉(zhuǎn)矩后，加在汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，使之得到一個與工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。,3.電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點,為滿足現(xiàn)代汽車對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求，電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有以下特點。,良好的隨動性：即方向盤與轉(zhuǎn)向輪之間具有準(zhǔn)確的 對應(yīng)關(guān)系，同時能保證轉(zhuǎn)向輪可維持在任意轉(zhuǎn)向角位置。,有高度的轉(zhuǎn)向靈敏度：即轉(zhuǎn)向輪對方向盤具有靈敏的響應(yīng)。,良好的穩(wěn)定性：即具有很好的直線行駛穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向自動

6、回正能力。,助力效果能隨車速變化和轉(zhuǎn)向阻力的變化作相應(yīng)的調(diào)整：低速時，有較大的助力效果，以克服路面的轉(zhuǎn)向阻力；中、高速時，要有適當(dāng)?shù)穆犯?，以避免因轉(zhuǎn)向過輕（方向盤“發(fā)飄”）而發(fā)生事故。,6.3 液壓式電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),6.3.1流量控制式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成,圖6-6 流量控制式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 1-動力轉(zhuǎn)向油泵；2-電磁閥；3-動力轉(zhuǎn)向控制閥；4-ECU；5-車速傳感器；p-壓力油管；T-回油管,6.3.2流量控制式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作過程,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，兩油道就被電磁閥接通了一個旁路，使動力缸活塞兩側(cè)壓力差減小，助力減??；相反則助力增大

7、。,圖6-7 電磁閥結(jié)構(gòu),圖6-8 電磁閥驅(qū)動信號,6.3.3流量控制式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作電路,動力轉(zhuǎn)向ECU是EPS的核心控制部件。它根據(jù)車速傳感器提供的車速信號，通過改變旁通電磁閥驅(qū)動信號占空比的方式調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向力。,豐田流量控制式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電路圖,6.4 電動式電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),6.4.1電動式電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述,1.電動式EPS的組成,圖6-10 電動式EPS的組成 1-方向盤；2-輸入軸（轉(zhuǎn)向軸）；3-ECU；4-電動機(jī)；5-電磁離合器；6-轉(zhuǎn)向齒條；7-橫拉桿；8-轉(zhuǎn)向車輪；9-輸出軸；10-扭力桿；11-轉(zhuǎn)矩傳感器；12-轉(zhuǎn)向齒輪,2.電動式EPS的工作原理,圖6-10 電動式E

8、PS的組成 1-方向盤；2-輸入軸（轉(zhuǎn)向軸）；3-ECU；4-電動機(jī)；5-電磁離合器；6-轉(zhuǎn)向齒條；7-橫拉桿；8-轉(zhuǎn)向車輪；9-輸出軸；10-扭力桿；11-轉(zhuǎn)矩傳感器；12-轉(zhuǎn)向齒輪,3.電動式EPS的優(yōu)點,6.4.2三菱轎車電動式電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),三菱米尼卡（Minica）轎車所用電子控制電動式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由ECU、直流電動機(jī)和離合器、車速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器和轉(zhuǎn)向機(jī)總成等組成。,三菱米尼卡轎車電動式電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成,1.三菱電動式EPS的組成,1）電動機(jī)和離合器,圖6-12 電動機(jī)的行星齒輪機(jī)構(gòu) 1-轉(zhuǎn)矩傳感器；2-卷軸；3-轉(zhuǎn)矩桿；4-輸入軸；5-直流電動機(jī)和離合器；6-行星小

9、齒輪；7-恒星齒輪；8-行星小齒輪；9-齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)的小齒輪；10-從動齒輪；A-主動齒輪；B-內(nèi)齒圈,系統(tǒng)的ECU根據(jù)車速的快慢來控制電動機(jī)的電流，車輛在停駛和極低速狀態(tài)下電動機(jī)電流最大，助力作用大。電動機(jī)產(chǎn)生的助力經(jīng)離合器傳動齒輪減速后，起到助力作用。,2）轉(zhuǎn)矩傳感器,轉(zhuǎn)矩傳感器的功能是將轉(zhuǎn)動方向盤時轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角變?yōu)檗D(zhuǎn)向信號，輸送給ECU。一般轉(zhuǎn)矩桿的扭轉(zhuǎn)角度設(shè)定為4左右，這是由于采用行星齒輪機(jī)構(gòu)，使轉(zhuǎn)矩傳感器的檢測精度提高所致。,3）車速傳感器,車速傳感器安裝在變速器上，是一種電磁感應(yīng)式傳感器。該傳感器的作用是根據(jù)車速的變化，把主、副系統(tǒng)的脈沖信號輸送給ECU，車速傳感器每轉(zhuǎn)動一周產(chǎn)生8

10、個脈沖信號，由于是主、副兩個系統(tǒng)，故信號的可靠性更高。,車速傳感器的結(jié)構(gòu) 1-殼體；2-定子線圈； 3-磁極；4-下側(cè)定子；5-定子,4）汽車交流發(fā)電機(jī)的L端子,利用交流發(fā)電機(jī)的L端子電壓，可以判斷出發(fā)電機(jī)是否運轉(zhuǎn)，所以把交流發(fā)電機(jī)的L端子看成是向ECU輸送信號的一個傳感器。,直流電動機(jī)的最大電流約為30A，在發(fā)動機(jī)不工作時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作由蓄電池供電；發(fā)動機(jī)工作時，由發(fā)電機(jī)供電。,5）電子控制系統(tǒng),電子控制系統(tǒng)由一個8位單片機(jī)MC6805及外圍電路組成。電子控制電動式動力轉(zhuǎn)向的工作過程如圖6-14所示。,電子控制電動式動力轉(zhuǎn)向的工作過程,2.三菱電動式EPS的工作原理,6種車速下電動機(jī)的電流

11、狀態(tài),6.5 電控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng),6.5.1電控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述,目前，絕大多數(shù)汽車都是以兩個前輪作為轉(zhuǎn)向車輪，這樣的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)稱為兩輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Two-wheel steering，略作2WS）。,為了使汽車具有更好的彎道通過性和操縱穩(wěn)定性，一些汽車在后橋上也安裝了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，前后左右四個車輪均為轉(zhuǎn)向車輪，這樣的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)稱為四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Four-wheel steering 或all-wheel steering，略作4WS）。,汽車采用四輪轉(zhuǎn)向（4WS）系統(tǒng)的目的是：在汽車低速行駛時，依靠逆向轉(zhuǎn)向（前、后車輪的轉(zhuǎn)角方向相反）獲得較小的轉(zhuǎn)向半徑，改善汽車的操縱性；在汽車以中、高速行駛時，依靠同向

12、轉(zhuǎn)向（前、后車輪的轉(zhuǎn)角方向相同）減小汽車的橫擺運動，使汽車可以高速變換行進(jìn)路線，提高轉(zhuǎn)向時的操縱穩(wěn)定性。,4WS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一般布置形式 1-車速傳感器；2-方向盤轉(zhuǎn)角傳感器；3-車輪轉(zhuǎn)速傳感器；4-后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)；5-后輪轉(zhuǎn)角傳感器,（a）2WS車,（b）4WS車,低速轉(zhuǎn)向時的行駛軌跡,（a）2WS車,（b）4WS車,中、高速轉(zhuǎn)向時的操縱性比較,4WS系統(tǒng)在不同車速下的前后輪轉(zhuǎn)向比率及車輪偏轉(zhuǎn)狀態(tài),6.5.2轉(zhuǎn)向角比例控制式4WS系統(tǒng),所謂轉(zhuǎn)向角比例控制，是指使后輪的偏轉(zhuǎn)方向在低速區(qū)與前輪的偏轉(zhuǎn)方向相反，在高速區(qū)與前輪的偏轉(zhuǎn)方向相同，并同時根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)向角度和車速情況控制后輪與前輪偏轉(zhuǎn)角度比

13、例。,轉(zhuǎn)向角比例控制式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成,1.系統(tǒng)組成部件,1）轉(zhuǎn)向樞軸,偏置軸與轉(zhuǎn)向樞軸的構(gòu)造,偏置軸與轉(zhuǎn)向樞軸的工作原理,2）4WS轉(zhuǎn)換器,4WS轉(zhuǎn)換器的作用是驅(qū)動從動桿轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)2WS向4WS方式的轉(zhuǎn)換和后輪轉(zhuǎn)向方向與轉(zhuǎn)向角比例控制。4WS轉(zhuǎn)換器與后輪轉(zhuǎn)向傳感器的工作原理及電壓特性如圖6-23所示。,（a）后輪執(zhí)行結(jié)構(gòu)（4WS轉(zhuǎn)換器） （b）后輪轉(zhuǎn)向傳感器的工作原理與電壓特性 圖6-23 4WS轉(zhuǎn)換器與后輪轉(zhuǎn)向傳感器的工作原理及電壓特性,3）轉(zhuǎn)向角比例控制系統(tǒng),轉(zhuǎn)向角比例控制系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向ECU、車速傳感器、4WS轉(zhuǎn)換開關(guān)、轉(zhuǎn)向角比例傳感器和4WS轉(zhuǎn)換器等組成，轉(zhuǎn)向ECU是控制中心。,轉(zhuǎn)

14、向角比例控制式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理,2.系統(tǒng)的主要控制功能,1）轉(zhuǎn)向控制方式的選擇,當(dāng)通過2WS選擇開關(guān)選擇2WS方式時，ECU控制4WS轉(zhuǎn)換器使后輪在任何車速下的轉(zhuǎn)向角為零，這是為習(xí)慣于前輪轉(zhuǎn)向的駕駛?cè)嗽O(shè)置的；在4WS方式下，駕駛員還可根據(jù)駕駛習(xí)慣和行駛情況通過4WS轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行NORM 工況與SPORT工況的變換，對后輪轉(zhuǎn)向角比例控制特性進(jìn)行選擇。,2）轉(zhuǎn)向角比例控制,當(dāng)選定4WS方式時，ECU根據(jù)車速信號和轉(zhuǎn)向角比例傳感器信號，計算車速與轉(zhuǎn)向角的實際數(shù)值，控制4WS轉(zhuǎn)換器電動機(jī)調(diào)節(jié)后輪轉(zhuǎn)向角控制比例。,3）安全保障功能,當(dāng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，4WS故障警告燈將點亮，并在ECU中記憶

15、故障部位，同時，后備系統(tǒng)實施以下控制。,當(dāng)4WS轉(zhuǎn)換器主電動機(jī)發(fā)生故障時，ECU驅(qū)動輔助電動機(jī)工作，使后輪以NORM模式與前輪作同向轉(zhuǎn)向運動，并根據(jù)車速進(jìn)行轉(zhuǎn)向角比例控制。,當(dāng)車速傳感器發(fā)生故障時，ECU取SP1和SP2兩個車速傳感器中輸出車速信號高的為依據(jù)，控制4WS轉(zhuǎn)換器主電動機(jī)僅進(jìn)行同向轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向角比例控制。,當(dāng)轉(zhuǎn)向角比例傳感器發(fā)生故障時，ECU驅(qū)動4WS轉(zhuǎn)換器輔助電動機(jī)使后輪處于與前輪同向轉(zhuǎn)向最大值，并終止轉(zhuǎn)向角比例控制。如果輔助電動機(jī)發(fā)生故障，則通過驅(qū)動主電動機(jī)完成這一控制。,當(dāng)ECU出現(xiàn)異常時，4WS輔助電動機(jī)驅(qū)動后輪至與前輪同向轉(zhuǎn)向最大值位置，以避免后輪處于反向運動狀態(tài)，并終止轉(zhuǎn)

16、向角比例控制。當(dāng)后輪處于與前輪同向轉(zhuǎn)向狀態(tài)時，后輪的最大轉(zhuǎn)向角很小，且有利于確保高速轉(zhuǎn)向時的方向穩(wěn)定性。,6.5.3橫擺角速度比例控制式4WS系統(tǒng),橫擺角速度比例控制是一種能根據(jù)檢測出的車身橫擺角速度來控制后輪轉(zhuǎn)向量的控制方法。,它與轉(zhuǎn)向角比例控制相比，具有兩方面優(yōu)點：一是它可以使汽車的車身方向從轉(zhuǎn)向初期開始就與其行進(jìn)方向保持高度一致；二是它可以通過檢測車身橫擺角速度感知車身的自轉(zhuǎn)運動。,因此，即使有外力（如橫向風(fēng)等）引起車身自轉(zhuǎn)，也能馬上感知到，并可迅速通過對后輪的轉(zhuǎn)向控制來抑制自轉(zhuǎn)運動。,1.系統(tǒng)組成,橫擺角速度比例控制式4WS系統(tǒng)的組成如6-25所示。,a-液壓泵；b-分流器；c-前動力

17、轉(zhuǎn)向器；d-后轉(zhuǎn)向助力器；e-帶輪傳動組件；f-轉(zhuǎn)角傳動拉索；g-前帶輪；h-后帶輪；l、2-輪速傳感器；3-車速傳感器；4-擋位開關(guān)；5-油面高度傳感器；6-轉(zhuǎn)角傳感器；7-橫擺角速度傳感器；8-電動機(jī)轉(zhuǎn)角傳感器；9-轉(zhuǎn)向電動機(jī)；10-ABS ECU；11-4WS ECU,橫擺角速度比例控制式4WS系統(tǒng),1）前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),圖6-26 前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 1-方向盤；2-齒輪齒條副；3-液壓油缸；4-齒條端部； 5-控制齒條；6-前帶輪；7-轉(zhuǎn)角傳動拉索；8-彈簧；9-帶輪傳動組件,2）后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),圖6-27 后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 1-后帶輪；2-凸輪推桿；3-襯套；4-滑閥；5-主動齒輪；6-脈動電動機(jī)

18、；7-從動齒輪；8-閥控制桿；9-液壓缸右室；l0、12-功率活塞；11-液壓缸軸；13-液壓缸左室；14-彈簧；15-閥套筒；16-控制凸輪,2.控制原理,1）后輪轉(zhuǎn)角控制,方向盤轉(zhuǎn)角與后輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系如圖6-28所示。圖6-28中的后輪轉(zhuǎn)角特性是由機(jī)械轉(zhuǎn)向與電動轉(zhuǎn)向特性合成后得到的。,圖6-28 方向盤轉(zhuǎn)角與后輪轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系,大轉(zhuǎn)角控制（機(jī)械式轉(zhuǎn)向）。,圖6-29 大轉(zhuǎn)角控制原理 1-前帶輪；2-滑閥；3-支點A；4-閥控制桿； 5-液壓缸軸；6-功率活塞；7-閥套筒；8-控制凸輪,小轉(zhuǎn)角控制（電控轉(zhuǎn)向）。,（a）閥控制桿的運動 （b）整體的運動 圖6-30 小轉(zhuǎn)角控制原理 1-閥套筒；2-滑閥；3-支點A；4-從動齒輪；5-閥控制桿,2