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汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展與展望
作為車輛的重要組成部分,車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是決定車輛動(dòng)態(tài)安全的最重要組成部分。如何設(shè)計(jì)汽車的轉(zhuǎn)向特性,以及汽車的良好操縱性能一直是所有汽車制造商和研究機(jī)構(gòu)的研究主題。特別是在車輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天,針對(duì)更多不同水平的駕駛?cè)巳?汽車的操縱設(shè)計(jì)顯得尤為重要。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)3個(gè)基本發(fā)展階段。1整個(gè)機(jī)構(gòu)使用比較慢機(jī)械式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng),由于采用純粹的機(jī)械解決方案,為了產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)向扭矩需要使用大直徑的轉(zhuǎn)向盤,這樣一來(lái),占用駕駛室的空間很大,整個(gè)機(jī)構(gòu)顯得比較笨拙,駕駛員負(fù)擔(dān)較重,特別是重型汽車由于轉(zhuǎn)向阻力較大,單純靠駕駛員的轉(zhuǎn)向力很難實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向,這就大大限制了其使用范圍。但因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)低廉,目前在一部分轉(zhuǎn)向操縱力不大、對(duì)操控性能要求不高的微型轎車、農(nóng)用車上仍有使用。2能量泵的種類1953年通用汽車公司首次使用了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),此后該技術(shù)迅速發(fā)展,使得動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在體積、功率消耗和價(jià)格等方面都取得了很大的進(jìn)步。80年代后期,又出現(xiàn)了變減速比的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在接下來(lái)的數(shù)年內(nèi),動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)革新差不多都是基于液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng),比較有代表性的是變流量泵液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(VariableDisplacementPowerSteeringPump)和電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向(ElectricHydraulicPowerSteering,簡(jiǎn)稱EHPS)系統(tǒng)。變流量泵助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車處于比較高的行駛速度或者不需要轉(zhuǎn)向的情況下,泵的流量會(huì)相應(yīng)地減少,從而有利于減少不必要的功耗。電動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向泵,由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào),可以即時(shí)關(guān)閉,所以也能夠起到降低功耗的功效。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使駕駛室變得寬敞,布置更方便,降低了轉(zhuǎn)向操縱力,也使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更為靈敏。由于該類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)成熟、能提供大的轉(zhuǎn)向操縱助力,目前在部分乘用車、大部分商用車特別是重型車輛上廣泛應(yīng)用。但是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在系統(tǒng)布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面存在不足。3從汽車油車產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用EPS在日本最先獲得實(shí)際應(yīng)用,1988年日本鈴木公司首次開發(fā)出一種全新的電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),并裝在其生產(chǎn)的Cervo車上,隨后又配備在Alto上。此后,電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)得到迅速發(fā)展,其應(yīng)用范圍已經(jīng)從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展。日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司,美國(guó)的Delphi公司,英國(guó)的Lucas公司,德國(guó)的ZF公司,都研制出了各自的EPS。EPS的助力形式也從低速范圍助力型向全速范圍助力型發(fā)展,并且其控制形式與功能也進(jìn)一步加強(qiáng)。日本早期開發(fā)的EPS僅低速和停車時(shí)提供助力,高速時(shí)EPS將停止工作。新一代的EPS則不僅在低速和停車時(shí)提供助力,而且還能在高速時(shí)提高汽車的操縱穩(wěn)定性。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,EPS技術(shù)日趨完善,并且其成本大幅度降低,為此其應(yīng)用范圍將越來(lái)越大。3.1基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。系統(tǒng)通常由轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、電子控制器、電動(dòng)機(jī)、電磁離合器和減速機(jī)構(gòu)等組成,其結(jié)構(gòu)示意如圖1。3.2車輛轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向力信號(hào)的處理控制部分主要是通過(guò)車速和轉(zhuǎn)矩傳感器來(lái)采集汽車車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向力信號(hào),進(jìn)行必要的運(yùn)算處理后發(fā)出控制指令給電動(dòng)機(jī),由電動(dòng)機(jī)為轉(zhuǎn)向提供輔助力。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制框架如圖2。3.3電機(jī)轉(zhuǎn)向控制模塊汽車處于起動(dòng)或者低速行駛狀態(tài)時(shí),操縱轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向,裝在轉(zhuǎn)向柱上的轉(zhuǎn)矩傳感器不斷檢測(cè)作用于轉(zhuǎn)向柱扭桿上的扭矩,并將此信號(hào)與車速信號(hào)同時(shí)輸入電子控制器,處理器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理,確定助力扭矩的大小和方向,從而控制電動(dòng)機(jī)的電流和轉(zhuǎn)向,電動(dòng)機(jī)經(jīng)離合器及減速機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)矩傳遞給牽引前輪轉(zhuǎn)向的橫拉桿,最終起到為駕駛?cè)藛T提供輔助轉(zhuǎn)向力的功效;當(dāng)車速超過(guò)一定的臨界值或者出現(xiàn)故障時(shí),為保持汽車高速時(shí)的操控穩(wěn)定性,EPS系統(tǒng)退出助力工作模式,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)入手動(dòng)轉(zhuǎn)向模式。不轉(zhuǎn)向的情況下,電動(dòng)機(jī)不工作。工作流程圖見圖3。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)很容易實(shí)現(xiàn)在不同的車速下實(shí)時(shí)的為汽車轉(zhuǎn)向提供不同的助力效果,保證汽車在低速行駛時(shí)輕便靈活,高速行駛時(shí)穩(wěn)定可靠。3.4支持電子相態(tài)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的主要部件3.4.1旋轉(zhuǎn)傳感器與旋轉(zhuǎn)傳感器的組成用于檢測(cè)作用于轉(zhuǎn)向盤上的扭矩信號(hào)的大小與方向,由力矩傳感器和旋轉(zhuǎn)速度傳感器組成。力矩傳感器感知轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向力矩大小,旋轉(zhuǎn)傳感器感知轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)速度,并把感知的這兩個(gè)信號(hào)傳遞到電子控制單元。目前采用較多的轉(zhuǎn)矩傳感器是扭桿式電位計(jì)傳感器。3.4.2速度傳感器用于檢測(cè)汽車的行駛速度,并進(jìn)行自診斷,把檢測(cè)到的信號(hào)送入電子控制單元。常采用電磁感應(yīng)式傳感器,安裝在汽車變速器輸出軸上。3.4.3電子控制單元中小型電子客觀電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力源,通常采用無(wú)刷永磁式直流電動(dòng)機(jī),其功能是根據(jù)電子控制單元(ECU)的指令產(chǎn)生相應(yīng)的輸出扭矩。電動(dòng)機(jī)是影響EPS性能的主要因素之一,不僅要求低轉(zhuǎn)速大扭矩、波動(dòng)小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、尺寸小、質(zhì)量輕,而且要求可靠性高、控制性能好。3.4.4電子控制單元它是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心,完成對(duì)各個(gè)傳感器輸入信號(hào)的處理,依據(jù)控制規(guī)則計(jì)算出所需的參數(shù)值,通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路,實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。3.4.5清除電機(jī)慣性的影響對(duì)于動(dòng)力的工作范圍限定在某一速度區(qū)域內(nèi)。如果超過(guò)規(guī)定速度,電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn),且離合器分離,不再起傳遞動(dòng)力的作用。在不加助力的情況下,離合器可以清除電動(dòng)機(jī)慣性的影響。同時(shí),在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),因離合器分離,又可以恢復(fù)手動(dòng)控制轉(zhuǎn)向。3.4.6蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)用來(lái)增大電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩。主要有兩種形式:蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)和雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)。前者主要用于轉(zhuǎn)向軸助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng),后者主要用于齒輪助力式和齒條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。3.5轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一項(xiàng)采用現(xiàn)代控制方法的高新技術(shù),與傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向相比,它具有下述優(yōu)點(diǎn):(1)電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)安裝在轉(zhuǎn)向柱或在轉(zhuǎn)向系內(nèi),所占空間小,零部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便,維護(hù)費(fèi)用低;(2)以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力,不需要轉(zhuǎn)向油泵、油管及控制閥等液壓元件,也不會(huì)耗用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和發(fā)生液壓油泄漏和損耗,電動(dòng)機(jī)只在需要時(shí)才啟動(dòng),耗用電能較少,提高了汽車經(jīng)濟(jì)性;(3)低速停車入庫(kù)時(shí)轉(zhuǎn)向助力器對(duì)轉(zhuǎn)向力的降低非常顯著;(4)更好地吸收道路上的任何顛簸并能靈敏反映路面信息,改善汽車的轉(zhuǎn)向特性,靈敏度高。4汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(SteeringbyWire-SBW)是更新一代的汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng),線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與上述各類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的根本區(qū)別就是取消了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接。圖4所示為ZF公司開發(fā)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有2個(gè)電機(jī):路感電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。路感電機(jī)安裝在轉(zhuǎn)向柱上,控制器根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向工況控制路感電機(jī)產(chǎn)生合適的轉(zhuǎn)矩,向駕駛員提供模擬路面信息。驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在齒條上,汽車的轉(zhuǎn)向阻力完全由驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)克服,轉(zhuǎn)向盤只是作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個(gè)轉(zhuǎn)角信號(hào)輸入裝置。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠提高汽車被動(dòng)安全性,有利于汽車設(shè)計(jì)制造,并能大大提高汽車的乘坐舒適性。但是由于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱之間無(wú)機(jī)械連接,生成讓駕駛員能夠感知汽車實(shí)際行駛狀態(tài)和路面狀況的“路感”比較困難;且電子器件的可靠性難以保證。所以線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)目前處于研究階段,只配備在一些概念汽車上。5控制策略和助力電機(jī)的研究助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,技術(shù)日趨完善。今后,電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將進(jìn)一步成熟,線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將成為我們研究的努力方向。具體來(lái)說(shuō),轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步發(fā)展:(1)傳感器技術(shù)性能完善的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號(hào)、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速信號(hào)、電機(jī)電壓信號(hào)、電機(jī)電流信號(hào)等。目前,傳感器的成本是制約電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)迅速市場(chǎng)化的主要因素,因此,設(shè)計(jì)和開發(fā)適合電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的性價(jià)比較高的傳感器是未來(lái)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。(2)控制策略的研究控制策略是影響助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一,也是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。目前,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都在探討將先進(jìn)的控制理論應(yīng)用于助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究,如魯棒控制理論、模糊控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論和自適應(yīng)控制理論等。今后,控制策略研究的重點(diǎn)主要集中在如何抑制電機(jī)的力矩波動(dòng)、如何獲得較好的路感、如何抑制路面干擾和傳感器的噪聲等方面,以進(jìn)一步優(yōu)化和改善助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。(3)助力電機(jī)的研究助力電機(jī)是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行元件,助力電機(jī)的特性直接影響到控制的難易程度和駕駛員的手感。目前,電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)普遍采用成本較低的直流有刷電機(jī)。由于直流無(wú)刷電機(jī)采用電子換向,減少了換向時(shí)的火花,不需要經(jīng)常維護(hù)以及具有較高的效率和功率密度等優(yōu)點(diǎn)而受到越來(lái)越多的關(guān)注。因此,開發(fā)適合助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的低成本的直流無(wú)刷電機(jī)是今后助力電機(jī)的研究方向。6未來(lái)動(dòng)力轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)低廉,目前在一部分轉(zhuǎn)向操縱力不大、對(duì)操
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