转向系统 - 助力转向

Question

如题所述

Answer 1

为了减轻驾驶员在转向盘上的操作力度，利用外部动力为转向提供辅助力量的装置被称作转向助力装置。
常见的助力转向类型包括机械液压助力、电子液压助力和电动助力。
机械液压助力系统的核心部件包括液压泵、油管、压力流体控制阀、V型传动皮带和储油罐等。这种助力方式是将发动机的一部分动力转换为液压泵的压力，对转向系统施加辅助作用力，从而实现轮胎的转向。根据系统内部液体的流动方式，可以分为常压式和常流式两种液压助力。
常压式液压助力系统的特点是，无论方向盘处于中心位置还是转向位置，无论方向盘静止还是旋转，系统管路中的油液总是保持高压状态；而常流式液压助力系统即使在助力不工作时，油泵仍在运转，但管路的负荷比常压式小，因此现在大多数液压转向助力系统都采用常流式。转向油泵是这一系统的必备部件，它将发动机的机械能转化为油液的压力。
电子液压助力的原理与机械液压助力基本相同，所不同之处在于油泵由电动机驱动，且助力力度可变。车速传感器监控车速，为电子控制单元提供数据，控制单元通过控制转向控制阀的开度来改变油液压力，实现转向助力力度的调节。
当驾驶员操纵方向盘进行转向时，转矩传感器检测到转向盘的转动及转矩大小，将电压信号输送到电子控制单元。电子控制单元根据转矩传感器检测到的转距电压信号、转动方向和车速信号等，向电动机控制器发出指令，使电动机输出相应大小和方向的转向助力转矩，从而产生辅助动力。汽车不转向时，电子控制单元不向电动机控制器发出指令，电动机不工作。
机械液压助力的方向盘与转向轮之间的连接全部是机械部件，操控精准，路感直接，信息反馈丰富；由于液压泵由发动机驱动，转向动力充沛，适用于各种大小车辆；技术成熟，可靠性强，平均制造成本低。
由于依赖发动机动力来驱动油泵，能耗较高，车辆行驶动力无形中受到消耗；液压系统的管路结构复杂，控制油液的阀门数量众多，后期保养维护成本高；整套油路经常保持高压状态，使用寿命受到影响，这些都是机械液压助力转向系统的缺点。
电子液压助力拥有机械液压助力的大部分优点，同时降低了能耗，反应更加灵敏，转向助力大小可自动调节，更加人性化。不过，增加了许多电子部件，制造和维修成本增加，使用稳定性不如机械液压式可靠。随着技术的发展，这些缺点正在逐渐被克服，电子液压助力已经成为许多家用车型的选择。
电动助力机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，节省了能量，保护了环境。此外，还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。
电动助力转向系统相比于液压转向系统，电机只在需要时工作，省去了液压泵和液压回路装置。它可以通过软件调整助力曲线，而不需要调整扭力杆；还可以实现随速调整助力，改善路感。接下来将重点解析电动助力转向系统（EPS）的工作原理。如上图所示，负责感知扭矩和转向行为，就像扭力弹簧一样的扭矩传感器的一端连接着方向盘，另外一端连接变速箱，变速箱又连接齿轮。齿轮的旋转带动齿条横向拉动连接车轮的横拉杆，从而使车轮转向。控制单元通过控制电动机给转向系统提供助力，而控制单元的输入为扭矩传感器的输出和车速。
助力的基本要求是，随方向盘扭矩的增加，助力应增加，以使转向轻便；随车速的提升，助力应减小，以保持高速转向时的路感。另外，转向系统还应对来自路面的高频干扰有一定的抑制作用，以改善方向盘的手感。
助力特性是指方向盘扭矩与助力扭矩（或助力电流）之间的关系。电动助力转向的助力特性一般有三种：直线型、折线形和曲线型，由于直线型形式简单，容易调节，被广泛采用。图中，直线的斜率一般被称为助力比，直线段的助力电流与方向盘的扭矩成正比。在相同的车速区间，直线型的助力比是固定的；折线形的助力比是分阶段的，当方向盘输入的扭矩较小时，助力比较小，方向盘输入的扭矩较大时，助力比较大，一般设计成两段或三段折线；而曲线型的助力比则不是直线关系，而是曲线关系，在不同的方向盘扭矩下呈现出不同的助力比特性。
当方向盘转矩小于某一值时，一般不进行助力，否则转向过于灵敏，轿车常取Td0= 1Nm。
受驾驶员极限体力的限制，Tdmax一般不能过大，国家标准规定方向盘的最大切向力不能大于50N。另外，还需要根据驾驶员对转向轻便性的要求确定合理的数值，参考Tdmax=7Nm。
汽车原地转向时，转向阻力矩最大，一般根据该阻力确定最大助力电流。原地转向阻力矩值可通过试验测得，也可通过经验公式计算获得。在沥青或者混凝土路面上转向轮绕主销最大阻力矩经验计算公式为式中：f为轮胎与路面间的滑动摩擦系数，一般取0.7；G1为汽车前轴负荷，N；p为轮胎气压，MPa；
计算出MR后，通过转向系参数将其折算到转向轴上，可得出转向轴上的最大转向阻力矩Trmax，进一步按照式（2）求出最大助力电流Imax。式中：im为电动机减速机构传动比；Kt为电动机转矩系数。
根据上述三个参数可以制定出汽车最大助力特性曲线。当汽车原地转向阻力较大时，需要的助力比很大，这时系统阻尼会减少。车速增大时，为保证驾驶员有合适的路感，应适当减少助力。助力大小与车速之间应该有依赖关系，在不同的车速区间使用相同的助力比，显然是不适宜的。但是助力大小与车速之间应成什么关系，有赖于各家厂商对不同车型和不同路感要求进行针对性调校。