动态转向系统Word格式.docx
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但是,液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性,因此在1983年日本Koyo公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统。
这种新型的转向系统可以随着车速的升高提供逐渐减小的转向助力,但是结构复杂、造价较高,而且无法克服液压系统自身所具有的许多缺点,是一种介于液压助力转向和电动助力转向之间的过渡产品。
到了1988年,日本铃木公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统;
1990年,日本本田公司也在运动型轿车NSX上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统,从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史
。
相比传统液压动力转向系统,电动助力转向系统具有以下优点:
(1)只在转向时电机才提供助力,可以显著降低燃油消耗
传统的液压助力转向系统有发动机带动转向油泵,不管转向或者不转向都要消耗发动机部分动力。
而电动助力转向系统只是在转向时才由电机提供助力,不转向时不消耗能量。
因此,电动助力转向系统可以降低车辆的燃油消耗。
与液压助力转向系统对比试验表明:
在不转向时,电动助力转向可以降低燃油消耗2.5%;
在转向时,可以降低5.5%。
(2)转向助力大小可以通过软件调整,能够兼顾低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性,回正性能好。
传统的液压助力转向系统所提供的转向助力大小不能随车速的提高而改变。
这样就使得车辆虽然在低速时具有良好的转向轻便性,但是在高速行驶时转向盘太轻,产生转向“发飘”的现象,驾驶员缺少显著的“路感”,降低了高速行驶时的车辆稳定性和驾驶员的安全感。
电动助力转向系统提供的助力大小可以通过软件方便的调整。
在低速时,电动助力转向系统可以提供较大的转向助力,提供车辆的转向轻便性;
随着车速的提高,电动助力转向系统提供的转向助力可以逐渐减小,转向时驾驶员所需提供的转向力将逐渐增大,这样驾驶员就感受到明显的“路感”,提高了车辆稳定性。
电动助力转向系统还可以施加一定的附加回正力矩或阻尼力矩,使得低速时转向盘能够精确的回到中间位置,而且可以抑制高速回正过程中转向盘的振荡和超调,兼顾了车辆高、低速时的回正性能
(3)结构紧凑,质量轻,生产线装配好,易于维护保养
电动助力转向系统取消了液压转向油泵、油缸、液压管路、油罐等部件,而且电机及减速机构可以和转向柱、转向器做成一个整体,使得整个转向系统结构紧凑,质量轻,在生产线上的装配性好,节省装配时间,易于维护保养。
(4)通过程序的设置,电动助力转向系统容易与不同车型匹配,可以缩短生产和开发的周期。
由于电动助力转向系统具有上述多项优点,因此近年来获得了越来越广泛的应用。
电动助力转向系统是在机械式转向系统的基础上,加装了电机及减速机构、转矩转角传感器、车速传感器和ECU电控单元而成。
1.3研究的主要内容
首先对转向系统的性能评价指标做了描述,针对汽车转向系统的各个性能指标的期望做了一个说明和阐述,比如说转向器的效率、传动比的变化特性(包括传动系的角传动比和转向系的力传动比)、转向器传动副的传动间隙等等,针对本次论文所研究探讨的奥迪动态转向系统,还对电动助力转向系统机构机型一个分析说明:
比如电动助力转向系统的组成与工作原理、电动助力转向的特点、电动助力转向机构布置方案(包括转向轴助力式、齿轮助力式和齿条助力式)、电动助力转向的助力特性(转向轻便型与路感、直线型助力特性和车速感应型助力特性)。
其次将针对奥迪的动态转向系统进行一个系统的、全面的分析与探讨,分别从组成结构、工作过程、控制策略、工作原理以及与EPS系统的配合优势上进行阐述,并在此之前对汽车的转向系统作一个大致的介绍论述,并且在介绍奥迪的动态转向系统过程中插入了宝马汽车的主动转向系统介绍,对奥迪动态转向系统内部各组成要素之间的组成结构与工作时的链接关系进行剖析。
最后,通过对奥迪动态转向系统的分析介绍和跟宝马主动转向系统的对比,提出本文的主要结论,同时从人才支撑体系、政府政策支撑体系、技术支撑体系和产学研支撑体系四个方面提出政策建议,以促进我国的相关行业的发展。
2汽车转向系统的理论分析
2.1转向系统概述
汽车在行驶过程中,需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向,即所谓汽车转向。
就轮式汽车而言,实现汽车转向的方法是,驾驶员通过一套专设的机构,使汽车转向桥(一般是前桥)上的车轮(转向轮)相对于汽车纵轴线偏转一定角度。
在汽车直线行驶时,往往转向轮也会受到路面侧向干扰力的作用,自动偏转而改变行驶方向。
此时,驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向相反方向偏转,从而使汽车恢复原来的行驶方向。
这一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构,即称为汽车转向系统(俗称汽车转向系)。
因此,汽车转向系的功用是,保证汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶。
2.2转向系统的主要性能参数
2.2.1转向器的转动效率
转向器的输出功率与输入功率之比称为转向器传动效率。
在功率由转向轴输入,由转向摇臂输出的情况下求得的传动效率称为正效率,而传动方向与上述相反时求得的效率则称为逆效率。
逆效率很高的转向器很容易将经转向传动机构传来的路面反力传到转向轴和转向盘上,故称为可逆式转向器。
可逆式转向器有利于汽车转向结束后转向轮和转向盘自动回正,但也能将坏路面对车轮的冲击力传到转向盘,发生“打手”情况。
逆效率很低的转向器称为不可逆式转向器。
不平道路对转向轮的冲击载荷输入到这种转向器,即由其中各传动零件(主要是传动副)承受,而不会传到转向盘上。
路面作用于转向轮上的回正力矩同样也不能传到转向盘。
这就使得转向轮自动回正成为不可能。
此外,道路的转向阻力矩也不能反馈到转向盘,使得驾驶员不能得到路面反馈信息(所谓丧失“路感”),无法据以调节转向力矩。
通常,由转向盘至转向轮的效率即转向系的正效率的平均值为0.67~0.82;
当向上述相反方向传递力时逆效率的平均值为0.58~0.63。
转向操纵及传动机构的效率用于评价在这些机构中的摩擦损失,其中转向轮转向主销等的摩擦损失约为转向系总损失的40%~50%,而拉杆球销的摩擦损失约为转向系总损失的10%~15%。
2.2.3转向系的转动比变化特性
(1)角传动比
转向盘转角的增量
与同侧转向节转角的相应增量
之比,称为转向系的角传动比
与转向摇臂轴转角的相应增量
之比,称为转向器的角传动比
转向摇臂轴转角的增量
之比,称为转向传动机构的角传动比
现代汽车转向传动机构的角传动比多在0.85~1.1之间,即近似为1。
故研究转向系的角传动比时,为简化起见往往只研究转向器的角传动比及其变化规律即可。
(2)力传动比
转向传动机构的力传动比
等于转向车轮的转向阻力矩
与转向摇臂的力矩T之比值。
与转向传动机构的结构布置型式及其杆件所处的转向位置有关。
:
当转向阻力矩
一定时,增大力传动比
,
就能减小作用在转向盘上的切向力
,使操纵轻便。
(3)传动器角传动比的变化规律
转向器的角传动比
是一个重要参数,它影响着汽车的许多转向性能。
由于增大转向器角传动比可以增大力传动比,因此转向器的角传动比不仅对转向灵敏性和稳定性有直接影响,而且也影响着汽车的操纵轻便性。
考虑到
≈1,可以看出:
转向轮的转角与转向器的角传动比
成反比。
增大会使在同一转向盘转角下的转向轮转角变小,使转向操纵时间变长,汽车转向灵敏性降低。
因此转向“轻便性”与“灵敏性”是产品设计中遇到的一对矛盾。
采用可变角传动比的转向器可协调对“轻便性”和“灵敏性”的要求。
而转向器角传动比的变化规律又因转向器的结构型式和参数的不同而异。
随转向盘转角
的变化特性有不变和可变之分
2.2.4转向器的传动间隙特性
转向器的传动间隙是指转向器传动副之间的间隙。
该间隙
的改变而改变。
通常将这种变化关系称为转向器的传动间隙特性。
研究该传动间隙特性的意义在于它对汽车直线行驶时的稳定性和转向器的寿命都有直接影响。
当转向盘处于中间位置即汽车作直线行驶时,如果转向器有传动间隙则将使转向轮在该间隙范围内偏离直线行驶位置而失去稳定性。
为防止这种情况发生,要求当转向盘处于中间位置时转向器的传动副为无隙啮合。
这一要求应在汽车使用的全部时间内得到保证。
汽车多直行行驶,因此转向器传动副在中间部位的磨损量大于其两端。
为了保证转向器传动副磨损最大的中间部位能通过调整来消除因磨损而形成的间隙,调整后当转动转向盘时又不致于使转向器传动副在其他啮合部位卡住。
为此应使传动间隙从中间部位到两端逐渐增大,并在端部达到其最大值(旷量转角约为
),以利于对间隙的调整及提高转向器的使用寿命。
不同结构的转向器其传动间隙特性亦不同。
3奥迪动态转向系统
3.1汽车的转向系统
汽车转向系统分为两大类:
机械转向系统和动力转向。
完全靠驾驶员手力操纵的转向系统称为机械转向系统。
借助动力来操纵的转向系统称为动力转向系统。
动力转向系统又可分为液压动力转向系统和电动助力动力转向系统。
3.1.1机械转向系统简介
机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源,其中所有传力件都是机械的。
机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。
(1)转向操纵机构
转向操纵机构由方向盘、转向轴、转向管柱等组成,它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。
(2)转向器
转向器(也常称为转向机是完成由旋转运动到直线运动(或近似直线运动)的一组齿轮机构,同时也是转向系中的减速传动装置。
目前较常用的有齿轮齿条式、循环球曲柄指销式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、蜗杆滚轮式等。
我们主要介绍前几种。
1)齿轮齿条式转向器
齿轮齿条式转向器分两端输出式和中间(或单端)输出式两种。
两端输出的齿轮齿条式转向器如图3-1所示,作为传动副主动件的转向齿轮轴11通过轴承12和13安装在转向器壳体5中,其上端通过花键与万向节叉10和转向轴连接。
与转向齿轮啮合的转向齿条4水平布置,两端通过球头座3与转向横拉杆1相连。
弹簧7通过压块9将齿条压靠在齿轮上,保证无间隙啮合。
弹簧的预紧力可用调整螺塞6调整。
当转动转向盘时,转向器齿轮11转动,使与之啮合的齿条4沿轴向移动,从而使左右横拉杆带动转向节左右转动,使转向车轮偏转,从而实现汽车转向。
另一种是中间输出的齿轮齿条式转向器,其结构及工作原理与两端输出的齿轮齿条式转向器基本相同,不同之处在于它在转向齿条的中部用螺栓6与左右转向横拉杆7相连。
在单端输出的齿轮齿条式转向器上,齿条的一端通过内外托架与转向横拉杆相连。
1.万向节叉2.转向齿轮轴3.调整螺母4.向心球轴承5.滚针轴承6.固定螺栓7.转向横拉杆8.转向器壳体9.防尘套10.转向齿条11.调整螺塞12.锁紧螺母13.压紧弹簧14.压块
图3-1两端输出的齿轮齿条式转向器
2)循环球式转向器
循环球式转向器是目前国内外应用最广泛的结构型式之一,一般有两级传动副,第一级是螺杆螺母传动副,第二级是齿条齿扇传动副。
为了减少转向螺杆转向螺母之间的摩擦,二者的螺纹并不直接接触,其间装有多个钢球,以实现滚动摩擦。
转向螺杆和螺母上都加工出断面轮廓为两段或三段不同心圆弧组成的近似半圆的螺旋槽。
二者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面的螺旋管状通道。
螺母侧面有两对通孔,可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内。
转向螺母外有两根钢球导管,每根导管的两端分别插入螺母侧面的一对通孔中。
导管内也装满了钢球。
这样,两根导管和螺母内的螺旋管状通道组合成两条各自独立的封闭的钢球“流道”。
转向螺杆转动时,通过钢球将力传给转向螺母,螺母即沿轴向移动。
同时,在螺杆及螺母与钢球间的摩擦力偶作用下,所有钢球便在螺旋管状通道内滚动,形成"
球流"
在转向器工作时,两列钢球只是在各自的封闭流道内循环,不会脱出。
3)蜗杆曲柄指销式转向器
蜗杆曲柄指销式转向器的传动副(以转向蜗杆为主动件,其从动件是装在摇臂轴曲柄端部的指销。
转向蜗杆转动时,与之啮合的指销即绕摇臂轴轴线沿圆弧运动,并带动摇臂轴转动。
(3)转向传动机构
转向传动机构的功用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节,使两侧转向轮偏转,且使二转向轮偏转角按一定关系变化,以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小
3.1.2动力转向系统
使用机械转向装置可以实现汽车转向,当转向轴负荷较大时,仅靠驾驶员的体力作为转向能源则难以顺利转向。
动力转向系统就是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的。
转向加力装置减轻了驾驶员操纵转向盘的作用力。
转向能源来自驾驶员的体力和发动机(或电动机),其中发动机(或电动机)占主要部分,通过转向加力装置提供。
正常情况下,驾驶员能轻松地控制转向。
但在转向加力装置失效时,就回到机械转向系统状态,一般来说还能由驾驶员独立承担汽车转向任务。
动力转向系统由于使转向操纵灵活、轻便,在设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大,能吸收路面对前轮产生的冲击等优点,因此已在各国的汽车制造中普遍采用。
但是,具有固定放大倍率的动力转向系统的主要缺点是:
如果所设计的固定放大倍率的动力转向系统是为了减小汽车在停车或低速行驶状态下转动转向盘的力,则当汽车以高速行驶时,这一固定放大倍率的动力转向系统会使转动转向盘的力显得太小,不利于对高速行驶的汽车进行方向控制;
反之,如果所设计的固定放大倍率的动力转向系统是为了增加汽车在高速行驶时的转向力,则当汽车停驶或低速行驶时,转动转向盘就会显得非常吃力。
电子控制技术在汽车动力转向系统的应用,使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。
电子控制动力转向系统在低速行驶时可使转向轻便、灵活;
当汽车在中高速区域转向时,又能保证提供最优的动力放大倍率和稳定的转向手感,从而提高了高速行驶的操纵稳定性。
电子控制动力转向系统(简称EPS-ElectronicControlPowerSteering),根据动力源不同又可分为液压式电子控制动力转向系统(液压式EPS)和电动式电子控制动力转向系统(电动式EPS)。
液压式EPS是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元等,电子控制单元根据检测到的车速信号,控制电磁阀,使转向动力放大倍率实现连续可调,从而满足高、低速时的转向助力要求。
电动式EPS是利用直流电动机作为动力源,电子控制单元根据转向参数和车速等信号,控制电动机扭矩的大小和方向。
电动机的扭矩由电磁离合器通过减速机构减速增扭后,加在汽车的转向机构上,使之得到一个与工况相适应的转向作用力
(1)液压式动力转向系统
液压式动力转向系统属于转向加力装置的部件是:
转向液压泵、转向油管、转向油罐以及位于整体式转向器内部的转向控制阀及转向动力缸等。
当驾驶员转动转向盘时,通过机械转向器使转向横拉杆移动,并带动转向节臂,使转向轮偏转,从而改变汽车的行驶方向。
与此同时,转向器输入轴还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,帮助驾驶员转向操作。
由于有转向加力装置的作用,驾驶员只需比采用机械转向系统时小得多的转向力矩,就能使转向轮偏转。
液压动力转向系按系统内部的压力状态分,有常压式和常流式两种。
第一种为常压式液压动力转向系。
常压式液压动力转向系如图3-2所示。
在汽车直线行驶,转向盘保持中立位置时,转向控制阀5经常处于关闭位置。
转向油泵3输出的压力油充入储能器2。
当储能器压力增长到规定值后,油泵即自动卸荷空转,从而储能器压力得以限制在该规定值以下。
当转动转向盘时,机械转向器6即通过转向摇臂等杆件使转向控制阀转入开启位置。
此时储能器中的压力油即流入转向动力缸4。
动力缸输出的液压作用力,作用在转向传动机构上,以助机械转向器输出力之不足。
转向盘一停止运动,转向控制阀便随之回复到关闭位置。
于是,转向加力作用终止。
由此可见,无论转向盘处于中立位置还是转向位置,也无论转向盘保持静止还是运动状态,该系统工作管路中总是保持高压。
1.转向油罐2.转向油泵3.储能器4.转向动力缸5.转向控制阀6.机械转向器
图3-2常压式液压动力转向系示意图
第二种为常流式液压动力转向系。
不转向时,转向控制阀6保持开启。
转向动力缸8的活塞两边的工作腔,由于都与低压回油管路相通而不起作用。
转向油泵.输出的油液流入转向控制阀,又由此流回转向油罐1。
因转向控制阀的节流阻力很小,故油泵输出压力也很低,油泵实际上处于空转状态。
当驾驶员转动转向盘,通过机械转向器7使转向控制阀处于与某一转弯方向相应的工作位置时,转向动力缸的相应工作腔方与回油管路隔绝,转而与油泵输出管路相通,而动力缸的另一腔则仍然通回油管路。
地面转向阻力经转向传动机构传到转向动力缸的推杆和活塞上,形成比转向控制阀节流阻力高得多的油泵输出管路阻力。
于是转向油泵输出压力急剧升高,直到足以推动转向动力缸活塞为止。
转向盘停止转动后,转向控制阀随即回复到中立位置,使动力缸停止工作。
上述两种液压动力转向系相比较,常压式的优点在于有储能器积蓄液压能,可以使用流量较小的转向油泵,而且还可以在油泵不运转的情况下保持一定的转向加力能力,使汽车有可能续驶一定距离。
常流式的优点则是结构简单,油泵寿命长,漏泄较少,消耗功率也较少。
优缺点:
能耗较高,尤其早低速转弯的时候,觉得方向比较沉,发动机也比较费力气。
又由于液压泵的压力很大,也比较容易损害助力系统
(2)电动助力动力转向系统
电动助力动力转向系统简称电动式EPS或EPS(ElectronicPowerSteeringsystem)在机械转向机构的基础上,增加信号传感器、电子控制单元和转向助力机构。
根据电动机驱动部位的不同,将电动助力转向系统分为三类:
转向轴助力式(图3-3)、转向器小齿轮助力式(图3-4)和齿条助力式(图3-5)。
1)转向轴助力式转向系统由扭矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构组成一体,安装在转向柱上。
其特点是结构紧凑、所测取的扭矩信号与控制直流电机助力的响应性较好。
这种类型一般在轿车上使用。
图3-3转向助力式
2)小齿轮助力式转向系统的扭矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构仍为一体,只是整体安装在转向小齿轮处,直接给小齿轮助力,可获得较大的转向力。
该型式可使各部件布鼍更方便,但当转向盘与转向器之间装有万向传动装置时,扭矩信号的取得与助力车轮部分不在同一直线上,其助力控制特性难以保证准确。
图3-4转向器小齿轮助力式
齿条助力式转向系统的扭矩传图3-2到3-5转向器小齿轮助力式感器单独地安装在小齿轮处,电动机与转向助力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处,用以给齿条助力。
该类型又根据减速传动机构的不同可分为两种:
一种是电动机做成中空的,齿条从中穿过,电动机动力经一对斜齿轮和螺杆螺母传动副以及与螺母制成一体的铰接块传给齿条。
这种结构是第一代电动助力转向系统,由于电动机位于齿条壳体内,结构复杂、价格高、维修也很困难。
另~种是电动机与齿条的壳体相互独立,电动机动力经另一小齿轮传给齿条,由于易于制造和维修,成本低,已取代了第一代产品。
因为齿条由一个独立的齿轮驱动,可给系统较大的助力,主要用于重型汽车。
3)电动式EPS是利用电动机作为助力源,根据车速和转向参数等因素,由电子控制单元完成助力控制,其原理可概括如下:
当操纵转向盘时,装在转向盘轴上的转矩传感器不断地测出转向轴上的转矩信号,该信号与车速信号同时输入到电子控制单元。
电控单元根据这些输入信号,确定助力转矩的大小和方向,即选定电动机的电流和转动方向,调整转向辅助动力的大小。
电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增矩后,加在汽车的转向机构上,使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。
例如,福克斯的EHPAS电子液压系统由电脑根据发动机转速、车速以及方向盘转角等信号,驱动电子泵给转向系统提供助力。
助力感觉非常的自然。
因此很多人对福克斯方向的感觉相当不错,转向操控感觉可以说是随心所欲。
有些车也号称采用电子助
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