電子助力轉(zhuǎn)向系及四輪轉(zhuǎn)向系淺析（一）

◆文/江蘇 趙寶平 劉曉雪 鄧飛虎

電子助力轉(zhuǎn)向系及四輪轉(zhuǎn)向系淺析（一）

◆文/江蘇 趙寶平 劉曉雪 鄧飛虎

汽車轉(zhuǎn)向系是汽車底盤(pán)四大系統(tǒng)之一，其功能是按照駕駛員的意愿控制汽車的行程安全，因此汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的零部件都稱為保安件。同時(shí)，汽車轉(zhuǎn)向系和制動(dòng)系都有保障汽車安駛方向的功能。對(duì)于轉(zhuǎn)向系來(lái)說(shuō)，最主要的要求就是轉(zhuǎn)向的靈敏性和操縱的輕便性。

隨著汽車技術(shù)及電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，汽車新技術(shù)、新工藝、新材料層出不窮。尤其大量電子技術(shù)在汽車上得到了廣泛應(yīng)用，使得汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、舒適性、操縱性以及環(huán)保性能得到了較大的改善?，F(xiàn)代汽車各大系統(tǒng)均采用了電子控制技術(shù)，包括汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不僅從傳統(tǒng)機(jī)械液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也發(fā)展至電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)。

一、電子助力轉(zhuǎn)向系的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

普通動(dòng)力轉(zhuǎn)向系的助力特性是不變的，且與車速無(wú)關(guān)，這會(huì)導(dǎo)致停車及低速時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)操縱沉重，中速時(shí)較輕快，當(dāng)車速增高時(shí)更加輕快。如果考慮停車及低速時(shí)的輕便性，則使高速時(shí)操縱力過(guò)小，路感下降，易出現(xiàn)轉(zhuǎn)向過(guò)度；反之會(huì)使停車及低速時(shí)操縱力過(guò)大，轉(zhuǎn)向沉重，效率下降。為了實(shí)現(xiàn)在各種行駛條件下轉(zhuǎn)向盤(pán)上所需要的力都是最佳值，必須采用更先進(jìn)的電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系可分為：電動(dòng)式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系、電控液力式轉(zhuǎn)向系、電動(dòng)液力式轉(zhuǎn)向系。本文先介紹電動(dòng)式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系。

1.電子助力轉(zhuǎn)向系概述

(1)電子助力轉(zhuǎn)向系的組成

如圖1所示，該系統(tǒng)通常由轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、電動(dòng)機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)、電子控制單元等組成。各部件在車上的布置如圖2所示。

圖1 電子助力轉(zhuǎn)向系的組成

圖2 電子助力轉(zhuǎn)向系在車上的布置

(2)電子助力轉(zhuǎn)向系的工作原理

當(dāng)操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)，裝在轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器不斷測(cè)出轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩，并由此產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)。該信號(hào)與車速信號(hào)同時(shí)輸入電子控制單元，電子控制單元根據(jù)這些輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，確定助力轉(zhuǎn)矩的大小和轉(zhuǎn)向，即選定電動(dòng)機(jī)的電流和轉(zhuǎn)向，調(diào)整轉(zhuǎn)向的助力。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩由電磁離合器通過(guò)減速機(jī)構(gòu)減速增矩后，加在汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，使之得到一個(gè)與工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。

(3)電子助力轉(zhuǎn)向系(EPS)部件結(jié)構(gòu)及工作原理

①轉(zhuǎn)矩傳感器

轉(zhuǎn)矩傳感器也稱轉(zhuǎn)向傳感器，其作用是測(cè)定轉(zhuǎn)向盤(pán)與轉(zhuǎn)向器之間的相對(duì)轉(zhuǎn)矩，并將其作為電動(dòng)助力的依據(jù)之一。轉(zhuǎn)矩傳感器的結(jié)構(gòu)、原理如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)矩傳感器原理

用磁性材料制成的定子和轉(zhuǎn)子可以形成閉合的磁路，線圈A、B、C、D分別繞在極靴上，形成一個(gè)橋式回路。轉(zhuǎn)向軸扭轉(zhuǎn)變形的扭轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)矩成正比，所以只要測(cè)定軸的扭轉(zhuǎn)角，就可間接地知道轉(zhuǎn)向力的大小。

在線圈的U、T兩端施加連續(xù)的脈沖電壓信號(hào)Ui，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩為零時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子的相對(duì)轉(zhuǎn)角也為零。這時(shí)轉(zhuǎn)子的縱向?qū)ΨQ面處于定子AC、BD的對(duì)稱平面上，每個(gè)極靴上的磁通量是相同的。電橋平衡，V、W兩端的電位差U0= 0。

當(dāng)轉(zhuǎn)向軸上存在轉(zhuǎn)矩時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子的相對(duì)轉(zhuǎn)角不為零，此時(shí)轉(zhuǎn)子與定子間產(chǎn)生角位移θ。極靴A、D間的磁阻增加，B、C間的磁阻減小，各個(gè)極靴的磁阻產(chǎn)生差別，電橋失去平衡，在V、W兩端產(chǎn)生電位差。這個(gè)電位差與軸的扭轉(zhuǎn)角θ和輸入電壓Ui成比例，從而可知道轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)矩。

一種實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)矩傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示，其工作原理與上述基本相同，優(yōu)點(diǎn)是便于安裝。

圖4 實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)矩傳感器

②電動(dòng)機(jī)、電磁離合器與減速機(jī)構(gòu)

電動(dòng)機(jī)、電磁離合器和減速機(jī)構(gòu)組成的整體稱為電機(jī)組件，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 電機(jī)組件

a.電動(dòng)機(jī)

轉(zhuǎn)向助力電動(dòng)機(jī)就是一般的永磁電動(dòng)機(jī)(原理不再敘述)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩控制是通過(guò)控制其輸入電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，而電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)則是由電子控制單元輸出的正反轉(zhuǎn)觸發(fā)脈沖控制。圖6是一種比較簡(jiǎn)單實(shí)用的正反轉(zhuǎn)控制電路。a1 、a2為觸發(fā)信號(hào)端。從電子控制單元得到的直流信號(hào)輸入到a1、a2端，用以觸發(fā)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生正反轉(zhuǎn)。當(dāng)a1端得到輸入信號(hào)時(shí)，晶體管T3導(dǎo)通，T2管得到基極電流而導(dǎo)通，電流經(jīng)T2管的發(fā)射極和集電極、電動(dòng)機(jī)M、T3管的集電極和發(fā)射極搭鐵，電動(dòng)機(jī)有電流通過(guò)而正轉(zhuǎn)。當(dāng)a2端得到輸入信號(hào)時(shí)，晶體管T4導(dǎo)通，T1管得到基極電流而導(dǎo)通，電流經(jīng)過(guò)T1管的發(fā)射極和集電極、電動(dòng)機(jī)M、T4管的集電極和發(fā)射極搭鐵，電動(dòng)機(jī)有反向電流通過(guò)而反轉(zhuǎn)?？刂朴|發(fā)信號(hào)端的電流大小，就可以控制電動(dòng)機(jī)通過(guò)電流的大小。

圖6 電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路

b.離合器

一般使用干式單片電磁離合器，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。工作電壓為12V、額定轉(zhuǎn)速時(shí)傳遞的轉(zhuǎn)矩為15 N m，線圈電阻(20℃時(shí))為19.5Ω。

其工作原理是：當(dāng)電流通過(guò)滑環(huán)進(jìn)人離合器線圈時(shí)，主動(dòng)輪產(chǎn)生電磁吸力，帶花鍵的壓板被吸引與主動(dòng)輪壓緊，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過(guò)軸、主動(dòng)輪、壓板、花鍵、從動(dòng)軸傳給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

由于轉(zhuǎn)向助力的工作范圍限定在一定速度區(qū)域內(nèi)，所以離合器一般設(shè)定一個(gè)速度范圍，如當(dāng)車速超過(guò)30km/h時(shí)，離合器便分離，電動(dòng)機(jī)也停止工作，這時(shí)就沒(méi)有轉(zhuǎn)向助力的作用。當(dāng)電動(dòng)機(jī)停止工作時(shí)，為了不使電動(dòng)機(jī)及離合器的慣性影響轉(zhuǎn)向系的工作，離合器也應(yīng)及時(shí)分離，以切斷輔助動(dòng)力。當(dāng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)等發(fā)生故障時(shí)，離合器會(huì)自動(dòng)分離，這是仍可恢復(fù)手動(dòng)控制轉(zhuǎn)向。

圖7 電磁離合器的結(jié)構(gòu)

c.減速機(jī)構(gòu)

目前使用的減速機(jī)構(gòu)有多種組合方式，一般采用渦輪蝸桿與轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)組合式；也有的采用兩級(jí)行星齒輪與傳動(dòng)齒輪組合式，如圖8所示。

圖8 雙級(jí)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)

圖5是渦輪與斜齒輪組合方式。渦輪與固定在轉(zhuǎn)向輸出軸上的斜齒輪相嚙合，它把電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速后傳遞到輸出軸上。為了抑制噪聲和提高耐久性，減速機(jī)構(gòu)中的齒輪有的采用特殊齒形，有的采用樹(shù)脂材料制成。

(4) 控制系統(tǒng)

電動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向的控制系統(tǒng)方框圖如圖9所示。該系統(tǒng)的核心是一個(gè)有4KROM和256 RAM的8位微機(jī)。

圖9 電子助力轉(zhuǎn)向系的控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入接口送人微機(jī)，隨著車速的升高，微機(jī)控制相應(yīng)地降低助力電動(dòng)機(jī)電流，以減少助力轉(zhuǎn)矩。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)也被送人微機(jī)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速時(shí)，由于供電不足，助力電動(dòng)機(jī)和離合器不工作。因此，電動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向工作時(shí)，電子控制單元必須控制發(fā)動(dòng)機(jī)處于高怠速工作狀態(tài)。點(diǎn)火開(kāi)關(guān)的通斷(ON/OFF)信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換接口送入微機(jī)。當(dāng)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電動(dòng)機(jī)和離合器不工作。微機(jī)輸出控制指令經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換接口送人電動(dòng)機(jī)和離合器的驅(qū)動(dòng)放大電路中，控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向和離合器的離合。電動(dòng)機(jī)的電流經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大回路、電流表A/D轉(zhuǎn)換接口反饋給微機(jī)，即電動(dòng)機(jī)的實(shí)際電流與按微機(jī)指令應(yīng)給的電流相比較，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際電流，使兩者接近一致。

三菱“米尼卡”車的電子助力轉(zhuǎn)向系如圖10所示，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖11所示。

由圖10和11可知：交流發(fā)電機(jī)的“L”端子可視為向電子控制單元輸入信號(hào)的一個(gè)傳感器，利用交流發(fā)電機(jī)的“L”端子電壓可以判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)還未發(fā)動(dòng)時(shí)，該系統(tǒng)不能工作。

電動(dòng)機(jī)和離合器接受電子控制單元輸出的控制電流，產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩，經(jīng)傳動(dòng)齒輪減速后，再經(jīng)過(guò)小齒輪實(shí)現(xiàn)動(dòng)力轉(zhuǎn)向，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力是通過(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu)傳遞的。離合器是由電磁鐵和彈簧等組成的電磁離合器。

(作者趙寶平、劉曉雪、鄧飛虎單位：金肯職業(yè)技術(shù)學(xué)院)