电控液压助力转向系统设计方案.docx

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电控液压助力转向系统设计方案

电控液压助力转向系统的设计研究

【摘要】:

本论文主要阐述了现代工程车辆技术追求高效节能、高舒适性和高安全性等目标。

前一工程标与环境保护密切相关,是当代全球性热门话题,后两工程标是车辆朝着高性能化方向发展必须研究和解决的重要课题。

转向系统的高性能化是指其能够根据车辆的运行状况和驾驶员的要求实行多目标控制,以获得良好的转向轻便性、较好的路感和较快的响应性。

汽车转向系统是影响汽车操纵稳定性、行驶安全性和驾驶舒适性的关键部分。

在追求高效节能、高舒适性和高安全性的今天,电控液压助力转向系统作为一种新的汽车动力转向系统,以其节能、环保、更佳的操纵特性和转向路感,成为动力转向技术研究的焦点。

本文通过对电液动力转向系统的组成结构进行了分析,解释了其工作原理。

在分析了全液压转向系统的工作原理和液压转向器的结构后,建立了液压转向器的流体动力模型、数学模型。

接着利用所建的数学模型对电控液压助力转向系统组成各元件进行特性分析,了解了影响系统性能的一些参数。

并通过系统仿真,分析其性能是否满足实际工作中的要求。

为了实现系统的转向性能,进行了系统的软硬件设计。

最后根据电液动力转向系统结构原理图,搭建了相应的实验装置,同时通过检测系统,完成了性能的检测。

本文的研究为电液动力转向系统的设计和性能改善提供了一定的依据。

通过系统元件的参数对于系统性能的影响分析有助于我们设计系统时选择更合理的参数。

通过仿真分析了所建系统模型的性能,加入了PID控制算法调节,表明所设计的系统能够满足实际转向的要求。

关键词：

：

液压转向；助力器；压力；流量；功率

Abstract:

Thisthesismainlyelaboratedthemodernengineeringvehiclespursuitofhighefficiencyandenergysaving,hightechnologycomfortandhighsecurityobjectivesetc.Formeratargetandenvironmentalprotection,iscloselyrelatedtothecontemporaryglobalhottopic,aftertwoobjectivesarevehiclesperformance-baseddirectiontowardahighdevelopmentmuststudyandsolveimportantissue.Steeringsystemofhighperformanceistoshowitscanaccordingtotheoperationstatusofvehiclesanddriversforthecontrolofmulti-objectivetoobtaingoodsteeringportability,betterlkfeelingandquickerresponsesex.Automotivesteeringsystemistoinfluencethevehiclesteeringstability,drivingsafetyanddrivingcomfortkeypart.Inthepursuitofhighefficiencyandenergysaving,highcomfortandhighsecuritytoday,electronicallycontrolledhydraulicsteeringsystemasanewcarpowersteeringsystem,withitsenergy-saving,environmentalprotection,betterhandlingcharacteristicsandsteeringlkfeeling,becomethefocusofpowersteeringtechnologyresearch.Thisarticlethroughtoelectrohydraulicpowersteeringsystemcompositionstructureareanalyzed,explainsitsworkingprinciple.Ontheanalysisofthehydraulicsteeringsystemofhydraulicsteeringtheworkingprincipleandthestructureoftheestablishedhydraulicsteeringgear,thehydrodynamicmodel,themathematicalmodel.Thenusethemodelofelectronicallycontrolledhydraulicsteeringsystemcompositionforeachelementanalysis,understandthecharacteristicsofsomeparametersaffectsystemperformance.Andthroughthesystemsimulation,analyzesitsperformancemeetstherequirementsoftheactualwork.Inordertorealizethesystemtoperformance,thesystemhardwareandsoftwaredesign.Finally,accordingtotheelectrohydraulicpowersteeringsystemstructurediagram,builtthecorrespondingtestdevice,andatthesametimethroughtestingsystem,completedtheperformancetesting.Thisresearchforelectrohydraulicpowersteeringsystemdesignandperformanceimprovementprovidescertainbasis.Throughthesystemcomponentsfortheparametersofthesystemperformanceimpactanalysishelpsustothedesignofthesystemmorereasonableparametersselection。

Throughthesimulationanalysisoftheperformanceofthesystemmodelisbuilt,joinedthePIDcontrolalgorithmadjustment,showedthatthedesignedsystemcanmeetthepracticalsteeringrequirements.

Keywords:

Hydraulicsteering。

Booster。

Pressure。

Flow。

power

1引言

1.1液压助力转向系统简介

助力转向系统，也就是动力转向，目前已成为绝大多数轿车的一项标准配置，顾名思义，助力转向就是协助驾驶员做汽车方向调整，为驾驶员减轻打方向盘强度的装置。

可是很多车友在面对诸如机械式液压助力转向、电子式液压助力转向及电动助力转向等多种助力转向系统时难免有些迷惑，搞不清楚其间区别。

从本期汽车学堂起，我们将简单介绍目前常见的几种助力转向系统，希望对您购车、用车有所帮助。

首先来看传统的液压助力转向系统。

据了解，液压助力转向系统到现在已经有半个世纪的发展历史，可以说技术已经非常成熟，所以被广泛应用。

据西安某专业汽修厂负责人介绍，液压助力转向系统由液压和机械等两部分组成，它是以液压油做动力传递介质，通过液压泵产生动力来推动机械转向器，从而实现转向的。

传统机械液压动力转向系统的液压泵由汽车发动机驱动。

为保证汽车原地转向或者低速转向时的轻便性，液压泵的排量是以发动机怠速时的流量来确定的。

汽车发动之后，无论是否转向，这套系统都要工作，而且在大转向车速较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力，所以便在一定程度上浪费了发动机动力资源。

现在还有些汽车冠以电动助力转向，其实不是真正意义上的纯电动助力转向，它还需要液压系统，只不过由电动机供油，这就是电子液压助力转向系统。

电子液压转向助力系统克服了传统的液压转向助力系统的缺点。

它所采用的液压泵不再靠发动机皮带直接驱动，而是采用一个电动泵，它所有的工作的状态都是由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态。

简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动电子液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向省力；汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动电子液压泵以较低的速度运转，在不至于影响高速打转向的需要的同时，节省一部分发动机功率。

1.2机械转向系统

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。

1一转向盘；2一转向轴；3一转向万向节；4一转向传动轴；5一转向器；

6-转向摇臂；7一转向直拉杆；8一转向节臂；9一左转向节；

10、12一梯形臂；11一转向横拉杆；13一右转向节

图1-1机械转向系示意图

图1-1所示为机械转向系的组成和布置示意图。

当汽车转向时，驾驶员对转向盘1施加一个转向力矩。

该力矩通过转向轴2、转向万向节3和转向传动轴4输入转向器5。

经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向摇臂6，再经过转向直拉杆7传给固定于左转向节9上的转向节臂8，使左转向节和它所支承的左转向轮偏转。

为使右转向节13及其支承的右转向轮随之偏转相应角度，还设置7转向梯形。

转向梯形由固定在左、右转向节上的梯形臂10、12和两端与梯形臂作球铰链连接的转向横拉杆n组成。

从转向盘到转向传动轴这一系列部件和零件，均属于转向操纵机构。

由转向摇臂至转向梯形这一系列部件和零件（不含转向节），均属于转向传动机构。

目前，许多国内外生产的新车型在转向操纵机构中采用了万向传动装置（转向万向节和转向传动轴）。

这有助于转向盘和转向器等部件和组件的通用化和系列化。

只要适当改变转向万向传动装置的几何参数，便可满足各种变型车的总布置要求。

即使在转向盘与转向器同轴线的情况下，其间也可采用万向传动装置，以补偿由于部件在车上的安装误差和安装基体（驾驶室、车架）的变形所造成的二者轴线实际上的不重合。

转向盘在驾驶室安放的位置与各国交通法规规定车辆靠道路左侧还是右侧通行有关。

包括我国在内的大多数国家规定车辆右侧通行，相应地应将转向盘安置在驾驶室左侧。

这样，驾驶员的左方视野较广阔，有利于两车安全交会。

相反，在一些规定车辆靠左侧通行的国家和地区使用的汽车上，转向盘则应安置在驾驶室右侧。

2液压动力转向系统的介绍

汽车转向一直存在着“轻”与“灵”的矛盾。

尽管，人们采用了变速比转向器等手段，但始终不能从根本上解决这一矛盾。

在20世纪50年代初出现了液压动力转向技术，比较好地缓解了“轻”与“灵”的矛盾，符合人们对转向轻便性更高的要求，在保证其他性能的条件下，能大大降低转向盘上的手力，特别是原地转向时转向盘上的手力。

2.1动力转向系

动力转向系是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系。

在正常情况下，汽车转向所需的能量，只有一小部分由驾驶员提供，而大部分是由发动机通过动力转向装置提供的。

但在动力转向装置失效时，一般还应当能由驾驶员独立承担汽车转向任务。

因此，动力转向系是在机械转向系的基础上加设一套动力转向装置而形成的。

对最大总质量在12t以上的大型汽车而言，一旦动力转向装置失效，驾驶员通过机械传动系加于转向节的力远不足以使转向轮偏转而实现转向。

故这种汽车的动力转向装置应当特别可靠。

图2-1动力转向系示意图

图1-2为一种液压动力转向系的组成和液压动力转向装置的管路布置示意图。

其中属于动力转向装置的部件是：

转向油罐、转向油泵、转向控制阀和转向动力缸。

当驾驶员逆时针转动转向盘（左转向）时，转向摇臂带动转向直拉杆前移。

直拉杆的拉力作用于转向节臂，并依次传到梯形臂和转向横拉杆，使之右移。

与此同时，转向直拉杆还带动转向控制阀中的滑阀，使转向动力缸的右腔接通液面压力为零的转向油罐。

转向油泵的高压油进入转向动力缸的左腔，于是转向动力缸的活塞上受到向右的液压作用力便经推杆施加在转向横拉杆上，也使之右移。

这样，驾驶员施于转向盘上很小的转向力矩，便可克服地面作用于转向轮上的转向阻力矩。

2.2液压动力转向

液压动力转向首先是在大型车辆上得到发展的，随着当时汽车装载质量和整备质量的增加，在转向过程中所需克服的前轮转向阻力矩也随之增加，从而要求加大作用在转向盘上的转向力，使驾驶员感到“转向沉重”。

当前轴负荷增加到某一数值后，靠人力转动转向轮就很吃力。

为使驾驶员操纵轻便和提高车辆的机动性，最有效的方法就是在汽车转向系中加装转向助力装置，借助于汽车发动机的动力驱动油泵、空气压缩机和发电机等，以液力、气力或电力增大驾驶员操纵前轮转向的力矩。

使驾驶员可以轻便灵活地操纵汽车转向，减轻了劳动强度，提高了行驶安全性。

液压动力转向系统除了传统的机械转向器以外，尚需增加控制阀、动力缸、油泵、油罐和管路等。

轿车对动力转向的要求与重型车辆不完全相同。

比如大型车辆对动力转向系统噪声的要求较低，轿车则对噪声要求很高，轿车还要求装用的转向器系统结构要更简单、尺寸更小、成本更低等。

但是重型车辆动力转向技术的发展无疑为轿车动力转向技术奠定了基础。

开始阶段液压动力转向的控制阀采用滑阀式，即控制阀中的阀以轴向移动来控制油路。

滑阀式控制阀结构简单，生产工艺性好，操纵方便，宜于布置，使用性能较好。

但是滑阀灵敏度不够高，后来逐渐被转阀代替。

20世纪50年代末沙基诺发明了转阀式液压动力转向，即控制阀中的阀芯以旋转运动来控制油路。

与滑阀相比，转阀的灵敏度高、密封件少、结构比较先进。

虽然由于转阀利用扭杆弹簧来使阀回位，结构较复杂，特别是对扭杆的材质和热处理工艺要求较高。

但是其性能相对于滑阀有很大改进，达到令人满意的程度，并且在齿轮齿条式转向器中布置转阀比较容易，目前在轿车及大部分重型汽车上的液压动力转向采用的均是转阀式控制阀。

在大型汽车上装备液压动力转向系统有如下优点：

（1）减小驾驶员的疲劳强度。

动力转向可以减小作用在转向盘上的力，提高转向轻便性。

（2）提高转向灵敏度。

可以比较自由地根据操纵稳定性要求选择转向器传动比，不会受到转向力的制约。

允许转向车轮承受更大的负荷，不会引起转向沉重问题。

（3）衰减道路冲击，提高行驶安全性。

液压系统的阻尼作用可以衰减道路不平度对转向盘的冲击；另一方面，当汽车高速行驶时，如果发生爆胎，将导致汽车转向盘难以把握，应用动力转向可以使驾驶员较容易把握转向盘。

同时液压动力转向系统也有不足：

（1）选定参数完成设计之后，助力特性就确定了，不能再进行调节与控制。

因此协调轻便性与路感的关系困难。

低速转向力小时，高速行驶时转向力往往过轻、“路感”差，甚至感觉汽车发“飘”，从而影响操纵稳定性；而按高速性能要求设计转向系统时，低速时转向力往往过大。

（2）即使在不转向时，油泵也一直运转，增加了能量消耗。

（3）存在渗油与维护问题，提高了保修成本，泄漏的液压油会对环境造成污染。

（4）低温工作性能较差。

随着人们对汽车经济性、环保、安全性的日益重视以及大型汽车技术的发展，人们开始对液压动力转向存在的不足进行改进，开发出一些新型液压动力转向技术。

这种技术上的改进主要围绕第

（1）、

（2）点不足。

对第

（1）点不足的主要改进措施是将车速引入动力转向系统，得到车速感应型助力特性，发展了两种车速感应型液压动力转向系统。

一种是机械式，通过与调速器及变速器相连的泵来控制油压阀，现在已经很少采用；另一种是电子控制式，通过传感器由EUC控制阀操作，现在用得比较多。

对第

（2）点不足，主要通过开发节能泵、提高系统的效率以及电控液压动力转向系统来加以改进。

2.2液压助力转向系统的工作原理

液压助力转向系统主要由机械部分和液压助力装置两部分组成。

机械部分由转向传动副、转向摇臂、纵拉杆总成、横拉杆总成、转向节臂、转向主销、转向节主销套、转向节压力轴承及转向节等组成。

液压助力装置部分由液压助力器、贮油箱、转向油泵及管路等组成。

液压助力转向按液流形式分为常流式和常压式两种，按分配阀的形式又可分为滑阀式和转阀两种。

现以液压常流式转向为例介绍液压助力转向系统的工作原理。

如图1（a）所示，助力转向系统主要由油泵3、控制阀（滑阀7和阀体9）、螺杆螺母式转向器（11、12）及助力缸15等组成。

滑阀7同转向螺杆11连为一体，两端设有两个止推轴承。

由于滑阀7的长度比阀体9的宽度稍大，所以两个止推轴承端面与阀体端面之间有轴向间隙h，使滑阀连同转向螺杆一起能在阀体内做轴向移动。

回位弹簧10有一定的预紧力，将两个反作用柱塞顶向阀体两端，滑阀两端的挡圈正好卡在两个反作用柱塞的外端，使滑阀在不转向时一直处于阀体的中间位置。

滑阀上有两道油槽C、B，阀体的相应配合面上有三道油槽A、D、E。

油泵3由发动机通过带或齿轮来驱动，压力油经油管流向控制阀，再经控制阀流向动力缸L、R腔。

汽车直线行驶时，如图1（a）所示，滑阀7在回位弹簧10和反作用阀8的作用下处于中间位置，动力缸15两端均与回油孔道连通，油泵输出的油液通过进油道量孔4进入阀体9的环槽A，然后分成两路：

一路通过环槽B和D，另一路流过环槽C和E。

由于滑阀7在中间位置，两路油液经回油孔道流回油箱，整个系统内油路相通，油压处于低压状态。

图2-2汽车液压助力转向系统工作原理

1油箱2溢流阀3齿轮油泵4进油道量孔5单向阀6安全阀7滑阀8反作用阀9阀体10回位弹簧.11转向螺杆12转向螺母13纵拉杆14转向垂臂15助力缸

汽车向右转弯时，转向螺杆11（左旋螺纹）顺时针方向转动，与转向轴制成一体的滑阀7和转向螺杆克服回位弹簧10及反作用阀8一侧的油压的作用力而向右移动。

此时如图1（b）所示，环槽A与C，B与D分别连通，而环槽C与E使进油道与助力缸15的L腔相通，形成高压回路；B与D使回油道与R腔相通，形成低压回路。

在油压差的作用下，活塞向右移动，而转向螺母12向左移动。

纵拉杆13也向右移动，带动转向轮向右偏转。

由于系统压力很高（一般为6.9Mpa以上），汽车转向主要依靠推力。

驾驶作用于转向盘的转向力基本上是打开滑阀所需的力，一般为5～10N，最大不超过10N,因而转向操纵十分轻便。

汽车左转弯时滑阀7左移，如图1（c）所示，油路改变流通方向，助力缸15加力方向相反。

在转向过程中，助力缸的油压随转向阻力而变化，二者相互平衡。

汽车转向时，助力只提供动力，而转向过程仍由驾驶员通过转向盘进行控制。

2.3液压回路设计工作原理

该回路住要应用电液比例换向阀,储能灌。

当电液比例阀处于中间位时，液压缸不工作，油泵产生的液压力储存到储存罐中。

当1YA接通时，电液比例换向阀处于右位，并根据电磁铁的吸力大小调节阀芯的移动距离而控制油量与压力大小，此时储蓄罐中的液压力通过电液比例换向阀进入液压缸右腔，推动活塞运动。

当2YA接通时，情况于此相反。

1油箱2液压泵3单向阀4蓄能器5电液比例换向阀6液压缸

图2-3液压系统设计工作原理

3硬件选取

3.1扭矩传感器

EPS控制系统的传感器信号包括转向盘转矩信号、汽车车速信号、汽车轴重信号、电机电流信号，前三者用于确定助力电机的助力转矩大小和方向，后者用于电机的闭环控制。

这些信号用来作为EPS的输入信号，共同决定助力信号的输出。

因此，传感器信息融合是EPS系统中的关键技术之一。

EPS中扭矩传感器主要有：

电阻式转向传感器、非接触式电感扭矩传感器和其他类型传感器，也有通过在转向轴位置加一扭杆，通过测量扭杆的变形得到扭矩的大小和方向。

电阻式转向传感器实际上是个滑动可变电阻器，当操作方向盘时，其电阻的变化最终经电路处理以电流的形式将转矩信号送至ECUTM。

这种传感器价格低，但体积大，易于磨损，在早期EPS中应用较多。

随着非接触式扭矩传感器成本的降低，越来越多的厂商转而采用这种精度高、体积小且寿命长的新型传感器。

图3所示为KOYO公司研制的非接触式EPS扭矩传感器原理图，该装置由安装在输入轴上的探测环1和探测环2，安装在输出轴上的另一个探测环1，探测线圈和补偿线圈组成。

当方向盘转动时，扭杆受转动力矩作用发生扭转，由于线圈生扭转，由于线圈固定不动，探测线圈与探测环之间的位置发生变化导致线圈磁阻改变，并最终反映扭矩的变化。

3.2电液比例阀

电液比例阀是阀内比例电磁铁根据输入的电压信号产生相应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成与输入电压成比例的压力、流量输出的元件。

阀芯位移也可以以机械、液压或电的形式进行反馈。

由于电液比例阀具有形式种类多样、容易组成使用电气及计算机控制的各种电液系统、控制精度高、安装使用灵活以及抗污染能力强等多方面优点，因此应用领域日益拓宽。

近年研发生产的插装式比例阀和比例多路阀充分考虑到工程机械的使用特点，具有先导控制、负载传感和压力补偿等功能。

它的出现对移动式液压机械整体技术水平的提升具有重要意义。

特别是在电控先导操作、无线遥控和有线遥控操作等方面展现了其良好的应用前景

图3-2电液比例阀实物图

4电子转向控制单元

4.1电子控制单元的组成及原理

组成：

动力转向电脑ECU，车速传感器VSS，电磁阀，分流阀，反应室等组成。

原理：

在汽车直线行驶时，转向盘不动，电动液压泵以很低的速度运转，大部分工作油经过转向阀流回储液罐，少部分经过液控阀然后流回储液罐；当驾驶员开始转动方向盘时，ECU根据检测到的转角及角速度，车速，发动机转速以及电动机转速的反馈信号等，判断汽车的行驶状态，转向状态，决定应提前提供的助力大小，同时向驱动单元发出控制指令，使电动机产生相应的转速以驱动油泵，进而输出相应流量和压力的高压油。

高压油经转向控制阀进入齿条上的动力缸，推动活塞产生适当的助力，以协助操作员进行转向操作，从而获得理想的转向效果。

4.1.1ECU

控单元、汽车电控单元或集成电路控制单元、多路控制装置等等。

汽车制造公司不同叫法也不同。

它是由集成电路组成的用于实现对数据的分析处理发送等一系列功能的控制装置。

目前在汽车上广泛应用，并且集成度越来越高。

电控单元主要由硬件和软件两大部分组成。

硬件部分主要包括系统电路、电源电路、输入采集接口电路、输出驱动电路等1.系统电路：

系统电路以所选定的单片机为核心，主要有存储区扩展电路、时钟电路、复位电路、通信电路等。

　　2.输入接口电路：

输入接口主要将从传感器中采集到的转速、油门踏板位置、冷却水温度等各种发动机信号进行放大、整形、电压转换、滤波处理等，保证实时准确地为CPU提供发动机的各种参数，以便CPU进行监控。

3.驱动电路：

驱动电路主要是将CPU根据发动机状态和操作人员的要求计算得到的控制信号放大驱动，实现对油量控制机构和定时控制机构的控制。

图4-1电子控制单元