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底盘转向系统开发思路-EPS(1)

汽车维基(稿源) 2022-4-9 19:32 No.661

今天主要分享EPS的开发思路


EPS开发思路


目录


电动助力转向系统


第1节 概述


第2节 结构及工作原理


2.1 概述


2.2结构及工作原理


2.2.1 结构


2.2.2 工作原理


第3节 设计原则


3.1传感器


3.2电动机


3.3减速机构


第4节 试验与评价


4.1转向轻便性试验与评价


4.2转向回正性试验与评价


4.3转向盘振动试验与评价


4.4助力特性试验与评价


电动助力转向系统第1节 概述


汽车电动助力转向系统(EPS)英文全称Electronic Power Steering,它利用电动机产生的动力协助驾车者进行动力转向。EPS是现代汽车转向系统的发展方向,已经被我国列入高科技产业项目之一。它在国外发展于上个世纪九十年代末,以其环保、节能、成本低和工作可靠等优点,已经成为主流 见图1.1。



图1.1 EPS的市场需求


第2节结构及工作原理


2.1 概述


EPS具有以下特点:


1、节能环保:不同转向系统形式的CO2排放和燃油消耗的对比,见图1.2。其中EPS系统能节约75%。



图1.2 不同转向系统排放和燃油消耗比


液压助力转向系统的燃油消耗分类,见图1.3,电液助力转向系统由于采用独立的电子泵,在90%的驾驶工况下,无油液进入油缸减少了电能的消耗,见图1.4。



图1.3 HPS燃油消耗分类


图1.4 EHPS燃油消耗分析


HPS和EPS消耗功率理论对比:在城市中低速工况(0~10km/h、40km/h)多转向情况下,EPS消耗的发动机功率比HPS明显减少,节油效果显著;在高速工况多直线行驶情况下,两者耗能均不大,EPS省油情况效果小于上述转向状态。根据经验值,综合工况下EPS比HPS节油2%~5%。



图1.5 EPS和HPS的不同工况的消耗功率对比


2、高性能化:在各种不同的使用条件(路面和车速)下能获得最佳路感、高速行驶稳定性、低速转向轻便性、抗干扰性强、防摆振等优点。见表1.1。


表1.1 EPS性能优越性



1)EPS内集成主动回正功能. 即能通过EPS本身的转角传感器来检测当前的管柱位置, 来提供一定的回正力矩;通过EPS还具有阻尼功能, 来防止回正过渡,见图1.6,图1.7。



图1.6 回正控制



图1.7 阻尼控制


由于助力提升较慢所引起的原地转向沉重(不考虑由于匹配计算不当造成的助力不够)。HPS解决方案:改变阀曲线,需要调整阀总成EPS解决方案:调节EPS内部助力曲线的参数来达到最佳的手感,无需改变硬件,问题解决简单方便,见图1.8。



图1.8 可调助力曲线


3、可控性高:对于不同车型和使用要求,在基本上不变动硬件的条件下,只要改变软件,就能满足性能要求。可以比较容易地按照汽车性能的需要设置和修改转向助力特性。另外它容易与目前国外正在发展的车辆稳定性控制系统和四轮转向系统集成和匹配,提高整车综合性能。


4、重量轻:将电动机、离合器、减速装置和转向杆等部件装配成一个整体,这既无管道也无控制阀,使其结构紧凑、质量减轻,而且为整车布置带来了很大的方便。一般电动式EPS比液压助力转向质量轻20%左右。


5、工作可靠性好,维修方便:电动转向系统零部件数目少,不存在液压动力转向系统中常有的液压油泄漏问题,故其故障率低,维修方便。


6、制造成本低,竞争力强:因其机械部分与机械转向器相同,整个电动转向系统零部件不仅数目少,而且制造工艺与液压零件制造工艺相比要简便,设备投资少,制造费用低。批量生产后总成本比液压助力转向低10%~15%。


7、当发动机出现故障时,仍能通过蓄电池供电继续提供转向助力。


8、由于不用发动机直接驱动,需要转向时才接通电源,降低了油耗。


2.2结构及工作原理


2.1 结构


电动助力转向系统按电机布置形式分为转向柱驱动,小齿轮驱动,齿条驱动等三种形式,见图1.10。



图1.10 EPS结构形式


1)转向柱驱动方式:转向助力机构安装在转向柱上。当驾驶员转动转向盘时,电控单元接受转矩、车速等信号,控制直流电动机的电流。电机的动力经离合器、减速机构传给转向柱的齿轮,然后经万向节及中间轴传给转向器。


2)小齿轮驱动方式:转向助力机构安装在转向器小齿轮处。与转向柱驱动方式相比,可以提供较大的转向力,适用于中型车,但在助力控制特性方面增加了难度。


3)齿条驱动方式:转向助力机构安装在转向齿条处。电动机通过减速传动机构直接驱动转向齿条。与转向器小齿轮驱动相比,可以提供更大的转向力,适用于大型车,但它对原有的转向传动机构有较大改变。


根据不同的齿条力,选择不同形式的EPS,见图1.11.



图1.11 根据齿条力选择EPS类型


2.2 工作原理


EPS系统是在机械转向系统的基础上,根据作用在方向盘上的转矩信号和车速信号,通过电子控制装置使电机产生相应大小和方向的辅助力,协助驾驶员进行转向操作,并获得最佳转向特性的伺服系统。该系统不使用汽车发动机的动力,而是依靠汽车上蓄电池作为其电源,也不需要复杂的控制机构,只要控制了电动机电流/电压的幅值和方向,就能实现转向系统的自动控制。


EPS系统由机械转向器、驱动电机、减速机构、方向盘传感器(包括转矩传感器和转速传感器)及控制器(包括控制单元和驱动单元)等组成,见图1.12。



图1.12 电动式EPS的组成


1—转向盘;2—输入轴;3—ECU;4—电动机;5—电磁离合器;


6—转向齿条;7—横拉杆;8—转向轮;9—输出轴;10—扭力杆;


11—扭矩传感器;12—转向齿轮


汽车在转向时,转矩传感器会检测到转向盘的力矩和拟转动的方向,这些信号通过数据总线发给电子控制单元,电子控制单元根据转向盘的转动力矩、拟转动的方向以及车辆速度等数据信号,向电动机控制器发出动作指令,从而电动机就会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩来产生助动力。当不转向时,电子控制单元不向电动机控制器发出信号指令,系统处于standby(休眠)状态等待调用。同时,电子控制单元根据车辆速度信号,通过电液转换器确定输给转向盘的作用力,减少驾车者在高速行驶时方向盘“飘”的感觉。


当操纵转向盘时,装在转向盘轴上的转矩传感器不断测出转向轴上的转矩,并由此产生一个电压信号,该信号与车速信号同时输入电子控制单元,由电子控制单元中的微机根据这些输入信号进行运算处理,确定助力转矩的大小与方向,即选定电动机的电流/电压和转向,调整转向的辅助动力。


1、助力特性是指助力矩随汽车运动状况(车速和转向盘手力)变化而变化的规律。理想的助力特性应能同时满足转向轻便性与路感的要求。其中转向轻便性是对汽车低速行驶时提出的要求,而路感是对汽车高速行驶时提出的要求。阻力矩、助力矩和转向盘力矩构成了一个力矩场,最大阻力矩是力矩场的边界。确定助力特性就是在某一阻力矩下确定的分配关系。EPS的助力特性有多种曲线形式,最常见的有直线型、折线型和曲线型三种。如图1.13所示:


图1.13 EPS助力特性的形式


它们的特点分别是:直线型助力特性在助力变化区,助力与转向盘力矩成线性关系;折线型助力特性在助力变化区,助力与转向盘力矩成分段线性关系;曲线型助力特性在助力变化区,助力与转向盘力矩成非线性关系。直线型助力特性最简单,有利于控制系统设计,并且在实际中容易调整;曲线型助力特性复杂,且调整不方便;折线型助力特性则介于两者之间。


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。在传统的液压助力转向中助力特性主要由阀的结构决定,调整困难,并且设计完成后助力特性也就确定了,不能随车速变化。而EPS不同,助力特性曲线是其控制目标,可以设计成车速感应型特性曲线,并可方便进行调节。针对EPS的特点,对助力特性曲线提出以下要求:


(1).当转向盘输入力矩小于某一特定值(通常为1Nm)时,助力矩为0,EPS不起作用。


(2).在转向盘输入力矩较小的区域,助力部分的输入应较小,以保持较好的路感。


(3).在转向盘输入力矩较大的区域,为使转向轻便,助力效果要明显。


(4).在转向盘输入力矩达到驾驶员体力极限的区域时,应尽可能发挥较大的助力效果。


(5).随着车速的增高,助力应减小。


(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。


2、减速机构


减速机构是电动式EPS不可缺少的部件。目前实用的减速机构有多种组合方式,一般采用蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合式,也有的采用两级行星齿轮与传动齿轮组合式。为了抑制噪声和提高耐久性,减速机构中的齿轮有的采用特殊齿形,有的采用树脂材料制成。


3、电子控制单元


①.电动机电流控制


电子控制单元根据转向力矩和车速信号确定并控制电动机的驱动电流大小和方向,使其在每一种车速下都可以得到最优化的转向助力扭矩。


基本功能如下:


下节我们来了解EPS的设计原则




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