液压助力转向系统

液压助力转向系统 西安航空职业技术学院 课程设计论文 电控液压助力转向系统的设计 【摘要】 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。前一项目标 与环境保护密切相关,是当代全球性热门话题,后两项目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,搭建了相应的试验装置,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。 关键词:电控液压助力转向 转向器 扭距传感器 车速传感器 电子控制单元 Abstract: Modern engineering vehicle technology pursue high efficiency and energy saving, high comfort and high safety goals. Former a target and environmental protection, is closely related to the contemporary global hot topic, after two objectives are vehicles performance-based direction toward a high development must study and solve important issue. Steering system of high performance is to show its can according to the operation status of vehicles and drivers for the control of multi-objective to obtain good steering portability, better lk feeling and quicker response sex. Automotive steering system is to influence the vehicle steering stability, driving safety and driving comfort key part. In the pursuit of high efficiency and energy saving, high comfort and high security today, electronically controlled hydraulic steering system as a new car power steering system, with its energy-saving, environmental protection, better handling characteristics and steering lk feeling, become the focus of power steering technology research. This article 第 1 页 共 17 页 西安航空职业技术学院 课程设计论文 through to electrohydraulic power steering system composition structure are analyzed, explains its working principle. On the analysis of the hydraulic steering system of hydraulic steering the working principle and the structure of the established hydraulic steering gear, the hydrodynamic model, the mathematical model. Then use the model of electronically controlled hydraulic steering system composition for each element analysis, understand the characteristics of some parameters affect system performance. And through the system simulation, analyzes its performance meets the requirements of the actual work. In order to realize the system to performance, the system hardware and software design. Finally, according to the electrohydraulic power steering system structure diagram, built the corresponding test device, and at the same time through testing system, completed the performance testing. This research for electrohydraulic power steering system design and performance improvement provides certain basis. Key words: Electric hydraulic steering redirector And long distance sensor Speed sensor ECU 第 2 页 共 17 页 西安航空职业技术学院 课程设计论文 目 录 电控液压助力转向系统的设计 ......................................................................................................... 1 1助力转向系统 ................................................................................................................................. 4 1.1助力转向系统简介 ................................................................................................................. 4 1.2液压回路设计工作原理 .......................................................................................................... 4 2 动力转向器的机构 ........................................................................................................................ 6 2.1 动力转向器的机构简介 ......................................................................................................... 6 转向器的 ......................................................................................................................... 6 2.2 2.3 转向器的组成及工作原理 ...................................................................................................... 6 3 传感器 ........................................................................................................................................... 8 3(1 扭距传感器........................................................................................................................... 8 3.1.1 电位计式扭距传感器 ..................................................................................................... 8 3.1.2金属电阻应变片的扭矩传感器 ....................................................................................... 8 3.1.3非接触式扭矩传感器 ...................................................................................................... 8 3.2 车速传感器 ............................................................................................................................ 9 3.2.1 接触式 .......................................................................................................................... 10 3.2.2 非接触式 ...................................................................................................................... 10 4 电子控制单元 ............................................................................................................................ 11 4.1 电子控制单元简介 ............................................................................................................... 11 4.2 基本结构 .............................................................................................................................. 11 4.3 主要功能 .............................................................................................................................. 11 4.4 ECU的工作环境 .................................................................................................................... 12 4.5 ECU在实际工作环境中的检测 ............................................................................................. 12 4.6 设计原则 .............................................................................................................................. 12 5电控液压助力转向系统的工作原理 ............................................................................................. 13 结 束 语 ...................................................................................................................................... 15 谢 辞 ........................................................................................................................................... 16 文 献 ........................................................................................................................................... 17 第 3 页 共 17 页 西安航空职业技术学院 课程设计论文 1助力转向系统 1.1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液压回路设计工作原理 第 4 页 共 17 页 西安航空职业技术学院 课程设计论文 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1-1 液压系统设计工作原理 第 5 页 共 17 页 西安航空职业技术学院 课程设计论文 2 动力转向器的机构 2.1 动力转向器的机构简介 齿轮齿条式转向器具有结构简单，加工方便，工作可靠，传动效率高等优点，因此在轿车和微型，轻型货车上得到广泛的应用。 2.2 转向器的材料 转向器的壳体材料一般为:有铸铁，铝合金等 齿轮齿条: 钢 转向器摇臂轴材料:20CrMnTi 汽车转向器支撑套采用具有极好耐磨性的材料CSB-M3制成，其在确保低磨损率的情况下能长 CSB-M3材料可以在-40,+100?下长期运行;此材料出色的自润滑性能可确保在无油脂润滑的情况下也能正常工作。 持久保持支撑套必须的回弹性能;确保齿条在整个转向系统中始终保持较为平缓的运动状态。 2.3 转向器的组成及工作原理 图2-2所示为齿轮齿条式转向器工作示意图。转向器壳体11支撑在车身上。作为传动副主动件的转向齿轮4垂直地安装在壳体中，在其上端的安全万向节3相连。与传动齿轮啮合的转向齿条9水平布置，转向减震器5一端连接在转向器壳体上，另一端连接在齿条上，用以减小转向轮的摆振。有效长度可调的转向拉杆10一端铰接在转向节臂上，另一端支撑在齿条上。 转向时，驾驶员转动转向盘，通过转向轴.安全万向节带动转向齿轮转动，齿轮使齿条轴向移动，带动拉杆移动，使车轮偏移，实现转向。 第 6 页 共 17 页 西安航空职业技术学院 课程设计论文 第 7 页 共 17 页 西安航空职业技术学院 课程设计论文 3 传感器 3(1 扭距传感器 3.1.1 电位计式扭距传感器 扭杆式扭矩传感器主要由扭杆弹簧、转角-位移变换器、电位计组成。扭杆弹簧主要作用是检测司机作用在方向盘上的扭矩，并将其转化成相应的转角值。转角-位移变换器是一对螺旋机构，将扭杆弹簧两端的相对转角转化为滑动套的轴向位移，由刚球、螺旋槽和滑块组成。滑块相对于输入轴可以在螺旋方向上移动，同时滑块通过一个销安装到输出轴上，可以相对于输出轴在垂直方向上移动。因此，当输入轴相对于输出轴转动时，滑块按照输入轴的旋转方向和相对于输出轴的旋转量，垂直移动。当转动方向盘的时候，钮矩被传递到扭力杆，输入轴相对于输出轴方向出现偏差。该偏差是滑块出现移动，这些轴方向的移动转化为电位计的杠杆旋转角度，滑动触点在电阻线上的移动使电位计的电阻值随之变化，电阻的变化通过电位计转化为电压。这样扭矩信号就转化为了电压信号。 3.1.2金属电阻应变片的扭矩传感器 传感器扭矩测量采用应变电测技术。在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥，当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。传感器就完成如下的信息转换: 在金属电阻应变片的扭矩传感器中，需要解决的技术关键是: (1)弹性轴的工作区域不应该大于弹性区域的1/3，且取初始段。为了将迟滞误差减低到最底，按照超载能力指数选取最大的轴径。 (2)采用LM型硅扩散力敏全桥应变片，较好的敏感性，很小的非线形度 (3)采用高精度的稳压电源。 3.1.3非接触式扭矩传感器 第 8 页 共 17 页 西安航空职业技术学院 课程设计论文 图3-1 非接触式扭矩传感器的结构 如图3-3所示为非接触式扭矩传感器的典型结构。输入轴和输出轴由扭杆连接起来，输入轴上有花键，输出轴上有键槽。当扭杆受方向盘的转动力矩作用发生扭转时，输入轴上的花键和输出轴上键槽之间的相对位置就被改变了。花键和键槽的相对位移改变量等于扭转杆的扭转量，使得花键上的磁感强度改变，磁感强度的变化，通过线圈转化为电压信号。信号的高频部分由检测电路滤波，仅有扭矩信号部分被放大。非接触扭矩传感器由于采用的是非接触的工作方式，因而寿命长、可靠性高，不易受到磨损、有更小的延时、受轴的偏转和轴向偏移的影响更小，现在已经广泛用于轿车和轻型车中，是EPS传感器的主流产品 3.2 车速传感器 速度传感器是一种将非电量(如速度、压力)的变化转变为电量变化的原件，根据转换的非电量不同可分为压力传感器、速度传感器、温度传感器等，是进行测量、控制仪器及设备的零件、附件。 单位时间内位移的增量就是速度。速度包括线速度和角速度，与之相对应的就有线速度传感器和角速度传感器，我们都统称为速度传感器。 在机器人自动化技术中，旋转运动速度测量较多，而且直线运动速度也经常通过旋转速度间接测量。目前广泛使用的速度传感器是直流测速发电机，可以将 第 9 页 共 17 页 西安航空职业技术学院 课程设计论文 旋转速度转变成电信号。测速机要求输出电压与转速间保持线性关系，并要求输出电压陡度大，时间及温度稳定性好。测速机一般可分为直流式和交流式两种。直流式测速机的励磁方式可分为他励式和永磁式两种，电枢结构有带槽的、空心的、盘式印刷电路等形式，其中带槽式最为常用。 旋转式速度传感器的结构和特征 旋转式速度传感器按安装形式分为接触式和非接触式两类。 3.2.1 接触式 旋转式速度传感器与运动物体直接接触。当运动物体与旋转式速度传感器接触时，摩擦力带动传感器的滚轮转动。装在滚轮上的转动脉冲传感器，发送出一连串的脉冲。每个脉冲代着一定的距离值，从而就能测出线速度。 接触式旋转速度传感器结构简单，使用方便。但是接触滚轮的直径是与运动物体始终接触着，滚轮的外周将磨损，从而影响滚轮的周长。而脉冲数对每个传感器又是固定的。影响传感器的测量精度。要提高测量精度必须在二次仪表中增加补偿电路。另外接触式难免产生滑差，滑差的存在也将影响测量的正确性。因此传感器使用中必须施加一定的正压力或着滚轮表面采用摩擦力系数大的材料，尽可能减小滑差。 3.2.2 非接触式 旋转式速度传感器与运动物体无直接接触，非接触式测量原理很多，以下仅简单介绍两点，以供参考。 [1].光电流速传感器 叶轮的叶片边缘贴有反射膜，流体流动时带动叶论旋转，页轮每转动一周光纤传输反光一次，产生一个电脉冲信号。可由检测到的脉冲数，计算出流速。 [2].光电风速传感器 风带动风速计旋转，经齿轮传动后带动凸轮成比例旋转。光纤被徒轮轮番遮断形成一串光脉冲，经光电管转换成定信号，经计算可检测出风速。 非接触式旋转速度传感器寿命长，无需增加补偿电路。但脉冲当量不是距离整数倍，因此速度运算相对比较复杂。 旋转式速度传感器的性能可归纳如下: (1).传感器的输出信号为脉冲信号，其稳定性比较好，不易受外部噪声干扰，对测量电路无特殊要求。 (2).结构比较简单，成本低，性能稳定可靠。功能齐全的微机芯片，使运算变换系数易于获得，故目前速度传感器应用极为普遍。 第 10 页 共 17 页 西安航空职业技术学院 课程设计论文 4 电子控制单元 4.1 电子控制单元简介 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 4.2 基本结构 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 电子控制单元工作原理图 4.3 主要功能 1.接受控制信息，主要指接受操作人员的各种控制指 令，如油门指令。 2.系统参数的采集处理功能，应用单片机丰富的接口 资源采集发动机的工况和状态参数，之后加以转换处理。 3.在控制软件的管理下，完成各种控制功能，根据采集的系统参数进行工况判断，实现喷油量控制和喷油定时控制。 4.输出驱动功能，根据系统处理后所得的控制信息，进行信号输出放大，驱动油量控制机构和定时控制机构。 5.具备系统自诊断功能，如果检测到故障，则启用后备功能。 6.与监控系统进行实时通讯的功能。 第 11 页 共 17 页 西安航空职业技术学院 课程设计论文 4.4 ECU的工作环境 车用ECU所处的环境十分恶劣复杂，除了湿度、温度、振动、冲击、灰尘、泥砂、水、油污、波动电压等环境因素外，电磁环境更是个不可忽视的问题。为了能使ECU适应汽车内恶劣电磁环境，在设计汽车电子产品时考虑ECU所处的环境以及对ECU进行检测和评估就显得十分重要。 4.5 ECU在实际工作环境中的检测 对车用电子产品的基本要求就是高可靠性和耐用性，各个以ECU为核心的电子系统，必须能够在恶劣的温度、湿度、振动、灰尘和电磁干扰环境中完成其应有的功能。因此必须进行实际的综合测试。以汽车作为一个整体进行测试，要在实验室中模拟汽车行驶过程中所遇到的各种情况。在模拟环境的实验室和试车场进行各种恶劣条件下的试验。 4.6 设计原则 (1)适应ECU的具体工作环境，采用可靠性设计; (2)电路采用模块化设计; (3)采用低功耗高性能的元器件、简化电路、降低功耗、提高控制精度; (4)采用车上低压电池供电，选用先进的开关电源; (5)系统具有较好的抗振和抗电磁干扰能力，能在各种环境温度下可靠工作; (6)ECU硬件系统安装调试方便，便于维修，质量轻; (7)采用标准化开放式设计方法，便于系统的扩展、移植和修改; (8)在软件设计中，采用层状结构体系和模块化技术便于修改和扩展。 第 12 页 共 17 页 西安航空职业技术学院 课程设计论文 5电控液压助力转向系统的工作原理 控制原理为: 在转向液压泵1与转向器5之间设有旁流通道，由旁通流量控制阀控制流量的大小，间接控制流向动力转向器的压力油流量，也即控制转向助力的大小。 电子控制单元接收扭距传感器和车速传感器输入扭矩和车速等信号，通过分析计算，控制分流电磁阀通电电流的大小，进而控制旁通阀的旁通流量，最终控制转向助力的大小。 ECU控制程序决定了操纵特性，当低速和原地转向时，电磁阀断电，关闭旁通流量控制阀，液压助力最大，保证了低速时转向轻便;中高速时，电子控制单元给电磁阀通电，并根据车速大小控制通电电流大小。车速不是很高时，通电电流小，由转向液压泵输出的液压油比旁路流回的流量小，液压助力效果降低的程度小;车速高时，电磁阀通电电流大，电磁阀开启程度大，由转向液压泵输出的液压油比旁路流回的流量大，液压助力效果降低的程度大，驾驶员在转向盘处获得的路感就强，避免了高速“发飘”现象的发生，但这时转向操纵力也需适当加大。当控制系统出现故障时，旁通阀完全关闭，转向系统变为非电控的动力转向系统。 第 13 页 共 17 页 西安航空职业技术学院 课程设计论文 再者，扭距传感器可以检测汽车方向盘的转动所产生的扭矩并把该扭矩的变化转化为电信号传递给电子控制单元，电子控制单元再根据该信号来调节电液比例阀的开口大小最终达到调节液压回路中油量大小的目的。 第 14 页 共 17 页 西安航空职业技术学院 课程设计论文 结 束 语 完成情况:在本次课程设计中我们组的四位同学齐心协力，分工明确，一起讨论，共同努力，通过查阅资料，最终在规定的时间内完成了各自的任务。 所得收获:通过本次课程设计使我对液压助力系统这方面的知识有了深入的了解，也对液压的发展前景有了一定的了解。而且这次课程设计使我有了一次通过理论联系实际，来解决实际问题的经历，它培养了自己分析问题，解决问题的能力，以及上网检索信息的能力。其实学到的知识其实是次要的，重要的是我们探索知识的过程，这个过程便是一个人自主学习能力的体现，它将影响着我今后的发展。 第 15 页 共 17 页 西安航空职业技术学院 课程设计论文 谢 辞 本课题在进行过程中得到马文倩老师的悉心指导。论文行文过程中，马老师多次帮助我分析思路，开拓视角，在我遇到困难想放弃的时候给予我最大的支持和鼓励。马老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益。再多华丽的言语也显苍白。在此，谨向马老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。我在这里还要感谢和我同组的仵凯同学，张婷同学，梁栋同学他们不仅做课程设计认真仔细，而且当我在做课程设计的过程中和生活中遇到困难时他们都乐于帮助我解决困难。 第 16 页 共 17 页 西安航空职业技术学院 课程设计论文 文 献 [1] :主编:王正键 《现代汽车构造》 华南理工大学出版社 起止页232-241 主编:董辉 《汽车用传感器》 北京理工大学出版社 起止页181-185 [2] : 第 17 页 共 17 页