液压助力转向系统的设计.docx

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液压助力转向系统的设计

电控液压助力转向系统设计研究

【摘要】:

本论文关键叙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。

前一项目标和环境保护亲密相关,是现代全球性热门话题,后两项目标是车辆朝着高性能化方向发展必需研究和处理关键课题。

转向系统高性能化是指其能够依据车辆运行情况和驾驶员要求实施多目标控制,以取得良好转向轻便性、很好路感和较快响应性。

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关键部分。

在追求高效节能、高舒适性和高安全性今天,电控液压助力转向系统作为一个新汽车动力转向系统,以其节能、环境保护、更佳操纵特征和转向路感,成为动力转向技术研究焦点。

本文经过对电液动力转向系统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工作原理和液压转向器结构后,建立了液压转向器流体动力模型、数学模型。

接着利用所建数学模型对电控液压助力转向系统组成各元件进行特征分析,了解了影响系统性能部分参数。

并经过系统仿真,分析其性能是否满足实际工作中要求。

为了实现系统转向性能,进行了系统软硬件设计。

最终依据电液动力转向系统结构原理图,搭建了对应试验装置,同时经过检测系统,完成了性能检测。

本文研究为电液动力转向系统设计和性能改善提供了一定依据。

经过系统元件参数对于系统性能影响分析有利于我们设计系统时选择更合理参数;经过仿真分析了所建系统模型性能,加入了PID控制算法调整,表明所设计系统能够满足实际转向要求。

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液压助力转向系统介绍

助力转向系统，也就是动力转向，现在已成为绝大多数轿车一项标准配置，顾名思义，助力转向就是帮助驾驶员做汽车方向调整，为驾驶员减轻打方向盘强度装置。

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个助力转向系统时难免有些迷惑，搞不清楚其间区分。

从本期汽车学堂起，我们将简单介绍现在常见多个助力转向系统，期望对您购车、用车有所帮助。

首先来看传统液压助力转向系统。

据了解，液压助力转向系统到现在已经有半个世纪发展历史，能够说技术已经很成熟，所以被广泛应用。

据西安某专业汽修厂责任人介绍，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输介质，经过液压泵产生动力来推进机械转向器，从而实现转向。

传统机械液压动力转向系统液压泵由汽车发动机驱动。

为确保汽车原地转向或低速转向时轻便性，液压泵排量是以发动机怠速时流量来确定。

汽车发动以后，不管是否转向，这套系统全部要工作，而且在大转向车速较低时，需要液压泵输出更大功率以取得比较大助力，所方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液压转向助力系统缺点。

它所采取液压泵不再靠发动机皮带直接驱动，而是采取一个电动泵，它全部工作状态全部是由电子控制单元依据车辆行驶速度、转向角度等信号计算出最理想状态。

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速度运转，在不至于影响高速打转向需要同时，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体力作为转向能源，其中全部传力件全部是机械。

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所表示为机械转向系组成和部署示意图。

当汽车转向时，驾驶员对转向盘1施加一个转向力矩。

该力矩经过转向轴2、转向万向节3和转向传动轴4输入转向器5。

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

为使右转向节13及其支承右转向轮随之偏转对应角度，还设置7转向梯形。

转向梯形由固定在左、右转向节上梯形臂10、12和两端和梯形臂作球铰链连接转向横拉杆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。

现在，很多中国外生产新车型在转向操纵机构中采取了万向传动装置（转向万向节和转向传动轴）。

这有利于转向盘和转向器等部件和组件通用化和系列化。

只要合适改变转向万向传动装置几何参数，便可满足多种变型车总部署要求。

即使在转向盘和转向器同轴线情况下，其间也可采取万向传动装置，以赔偿因为部件在车上安装误差和安装基体（驾驶室、车架）变形所造成二者轴线实际上不重合。

转向盘在驾驶室安放位置和各国交通法规要求车辆靠道路左侧还是右侧通行相关。

包含中国在内大多数国家要求车辆右侧通行，对应地应将转向盘安置在驾驶室左侧。

这么，驾驶员左方视野较宽广，有利于两车安全交会。

相反，在部分要求车辆靠左侧通行国家和地域使用汽车上，转向盘则应安置在驾驶室右侧。

2液压动力转向系统介绍

汽车转向一直存在着“轻”和“灵”矛盾。

尽管，大家采取了变速比转向器等手段，但一直不能从根本上处理这一矛盾。

在20世纪50年代初出现了液压动力转向技术，比很好地缓解了“轻”和“灵”矛盾，符合大家对转向轻便性更高要求，在确保其它性能条件下，能大大降低转向盘上手力，尤其是原地转向时转向盘上手力。

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转向系。

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

但在动力转向装置失效时，通常还应该能由驾驶员独立负担汽车转向任务。

所以，动力转向系是在机械转向系基础上加设一套动力转向装置而形成。

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

故这种汽车动力转向装置应该尤其可靠。

图2-1动力转向系示意图

图1-2为一个液压动力转向系组成和液压动力转向装置管路部署示意图。

其中属于动力转向装置部件是：

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。

和此同时，转向直拉杆还带动转向控制阀中滑阀，使转向动力缸右腔接通液面压力为零转向油罐。

转向油泵高压油进入转向动力缸左腔，于是转向动力缸活塞上受到向右液压作用力便经推杆施加在转向横拉杆上，也使之右移。

这么，驾驶员施于转向盘上很小转向力矩，便可克服地面作用于转向轮上转向阻力矩。

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，伴随当初汽车装载质量和整备质量增加，在转向过程中所需克服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转向力，使驾驶员感到“转向沉重”。

目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升车辆机动性，最有效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力矩。

使驾驶员能够轻便灵活地操纵汽车转向，减轻了劳动强度，提升了行驶安全性。

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

轿车对动力转向要求和重型车辆不完全相同。

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

不过重型车辆动力转向技术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控制阀采取滑阀式，即控制阀中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，宜于部署，使用性能很好。

不过滑阀灵敏度不够高，以后逐步被转阀替换。

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

和滑阀相比，转阀灵敏度高、密封件少、结构比较优异。

即使因为转阀利用扭杆弹簧来使阀回位，结构较复杂，尤其是对扭杆材质和热处理工艺要求较高。

不过其性能相对于滑阀有很大改善，达成令人满意程度，而且在齿轮齿条式转向器中部署转阀比较轻易，现在在轿车及大部分重型汽车上液压动力转向采取均是转阀式控制阀。

在大型汽车上装备液压动力转向系统有以下优点：

（1）减小驾驶员疲惫强度。

动力转向能够减小作用在转向盘上力，提升转向轻便性。

（2）提升转向灵敏度。

能够比较自由地依据操纵稳定性要求选择转向器传动比，不会受到转向力制约。

许可转向车轮承受更大负荷，不会引发转向沉重问题。

（3）衰减道路冲击，提升行驶安全性。

液压系统阻尼作用能够衰减道路不平度对转向盘冲击；其次，当汽车高速行驶时，假如发生爆胎，将造成汽车转向盘难以把握，应用动力转向能够使驾驶员较轻易把握转向盘。

同时液压动力转向系统也有不足：

（1）选定参数完成设计以后，助力特征就确定了，不能再进行调整和控制。

所以协调轻便性和路感关系困难。

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）存在渗油和维护问题，提升了保修成本，泄漏液压油会对环境造成污染。

（4）低温工作性能较差。

伴随大家对汽车经济性、环境保护、安全性日益重视和大型汽车技术发展，大家开始对液压动力转向存在不足进行改善，开发出部分新型液压动力转向技术。

这种技术上改善关键围绕第

（1）、

（2）点不足。

对第

（1）点不足关键改善方法是将车速引入动力转向系统，得到车速感应型助力特征，发展了两种车速感应型液压动力转向系统。

一个是机械式，经过和调速器及变速器相连泵来控制油压阀，现在已经极少采取；另一个是电子控制式，经过传感器由EUC控制阀操作，现在用得比较多。

对第

（2）点不足，关键经过开发节能泵、提升系统效率和电控液压动力转向系统来加以改善。

2.2液压助力转向系统工作原理

液压助力转向系统关键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工作原理。

图1（a）所表示，助力转向系统关键由油泵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。

因为滑阀7长度比阀体9宽度稍大，所以两个止推轴承端面和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有一定预紧力，将两个反作用柱塞顶向阀体两端，滑阀两端挡圈恰好卡在两个反作用柱塞外端，使滑阀在不转向时一直处于阀体中间位置。

滑阀上有两道油槽C、B，阀体对应配合面上有三道油槽A、D、E。

油泵3由发动机经过带或齿轮来驱动，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，图1（a）所表示，滑阀7在回位弹簧10和反作用阀8作用下处于中间位置，动力缸15两端均和回油孔道连通，油泵输出油液经过进油道量孔4进入阀体9环槽A，然后分成两路：

一路经过环槽B和D，另一路流过环槽C和E。

因为滑阀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，和转向轴制成一体滑阀7和转向螺杆克服回位弹簧10及反作用阀8一侧油压作用力而向右移动。

此时图1（b）所表示，环槽A和C，B和D分别连通，而环槽C和E使进油道和助力缸15L腔相通，形成高压回路；B和D使回油道和R腔相通，形成低压回路。

在油压差作用下，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。

因为系统压力很高（通常为6.9Mpa以上），汽车转向关键依靠推力。

驾驶作用于转向盘转向力基础上是打开滑阀所需力，通常为5～10N，最大不超出10N,所以转向操纵十分轻便。

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

在转向过程中，助力缸油压随转向阻力而改变，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经过转向盘进行控制。

2.3液压回路设计工作原理

该回路住要应用电液百分比换向阀,储能灌。

当电液百分比阀处于中间位时，液压缸不工作，油泵产生液压力储存到储存罐中。

当1YA接通时，电液百分比换向阀处于右位，并依据电磁铁吸力大小调整阀芯移动距离而控制油量和压力大小，此时储蓄罐中液压力经过电液百分比换向阀进入液压缸右腔，推进活塞运动。

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电液百分比换向阀6液压缸

图2-3液压系统设计工作原理

3硬件选择

3.1扭矩传感器

EPS控制系统传感器信号包含转向盘转矩信号、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助力转矩大小和方向，后者用于电机闭环控制。

这些信号用来作为EPS输入信号，共同决定助力信号输出。

所以，传感器信息融合是EPS系统中关键技术之一。

EPS中扭矩传感器关键有：

电阻式转向传感器、非接触式电感扭矩传感器和其它类型传感器，也有经过在转向轴位置加一扭杆，经过测量扭杆变形得到扭矩大小和方向。

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，其电阻改变最终经电路处理以电流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。

伴随非接触式扭矩传感器成本降低，越来越多厂商转而采取这种精度高、体积小且寿命长新型传感器。

图3所表示为KOYO企业研制非接触式EPS扭矩传感器原理图，该装置由安装在输入轴上探测环1和探测环2，安装在输出轴上另一个探测环1，探测线圈和赔偿线圈组成。

当方向盘转动时，扭杆受转动力矩作用发生扭转，因为线圈生扭转，因为线圈固定不动，探测线圈和探测环之间位置发生改变造成线圈磁阻改变，并最终反应扭矩改变。

3.2电液百分比阀

电液百分比阀是阀内百分比电磁铁依据输入电压信号产生对应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成和输入电压成百分比压力、流量输出元件。

阀芯位移也能够以机械、液压或电形式进行反馈。

因为电液百分比阀含有形式种类多样、轻易组成使用电气及计算机控制多种电液系统、控制精度高、安装使用灵活和抗污染能力强等多方面优点，所以应用领域日益拓宽。

多年研发生产插装式百分比阀和百分比多路阀充足考虑到工程机械使用特点，含有先导控制、负载传感和压力赔偿等功效。

它出现对移动式液压机械整体技术水平提升含相关键意义。

尤其是在电控先导操作、无线遥控和有线遥控操作等方面展现了其良好应用前景

图3-2电液百分比阀实物图

4电子转向控制单元

4.1电子控制单元组成及原理

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依据检测到转角及角速度，车速，发动机转速和电动机转速反馈信号等，判定汽车行驶状态，转向状态，决定应提前提供助力大小，同时向驱动单元发出控制指令，使电动机产生对应转速以驱动油泵，进而输出对应流量和压力高压油。

高压油经转向控制阀进入齿条上动力缸，推进活塞产生合适助力，以帮助操作员进行转向操作，从而取得理想转向效果。

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。

汽车制造企业不一样叫法也不一样。

它是由集成电路组成用于实现对数据分析处剪发送等一系列功效控制装置。

现在在汽车上广泛应用，而且集成度越来越高。

电控单元关键由硬件和软件两大部分组成。

硬件部分关键包含系统电路、电源电路、输入采集接口电路、输出驱动电路等1.系统电路：

系统电路以所选定单片机为关键，关键有存放区扩展电路、时钟电路、复位电路、通信电路等。

　　2.输入接口电路：

输入接口关键将从传感器中采集到转速、油门踏板位置、冷却水温度等多种发动机信号进行放大、整形、电压转换、滤波处理等，确保实时正确地为CPU提供发动机多种参数，方便CPU进行监控。

3.驱动电路：

驱动电路关键是将CPU依据发动机状态和操作人员要求计算得到控制信号放大驱动，实现对油量控制机构和定时控制机构控制。

图4-1电子控制单元工作原理

ECU关键功效

1.接收控制信息，关键指接收操作人员多种控制指令如油门指令。

2.系统参数采集处理功效，应用单片机丰富接口资源采集发动机工况和状态参数，以后加以转换处理。

3.在控制软件管理下，完成多种控制功效，依据采集系统参数进行工况判定，实现喷油量控制和喷油定时控制。

4.输出驱动功效，依据系统处理后所得控制信息，进行信号输出放大，驱动油量控制机构和定时控制机构。

5.含有系统自诊疗功效，假