汽车转向系统的演变

在现代汽车系统和模块电子化的趋势下,电控执行系统的普及率不断提高;随着电动汽车的发展,由于传统发动机的消失,传动、转向、制动的动力源和执行方式发生了根本性的变化,电控执行系统成为基本配置;在自动驾驶时代,控制系统从传感层采集大量传感器信息,进行处理和分析,感知周围环境,规划行驶路线,最终通过线控执行系统控制车辆。

传统的纯机械转向系统几乎被取代。从机械液压助力转向系统(HPS)升级到电动液压助力转向系统(EHPS)后,电力驱动的电动助力转向系统(EPS)逐渐占据主流。随着汽车电子化的深入,转向系统电子化普及率加快,电动助力转向逐渐占据主流,而随着未来自动驾驶时代的到来,将进入线控转向。

1,机械液压动力转向系统(HPS)

机械液压助力转向,将人体转动方向盘的力与发动机的机械能相结合,结合液压对力的放大作用推动转向杆完成转向动作。机械液压助力系统主要包括齿轮齿条式转向结构和液压系统(液压助力泵、液压缸、活塞等)。).工作原理是液压泵(由发动机皮带驱动)提供油压推动活塞,然后产生辅助力推动转向杆,辅助车轮转向。

首先,位于方向盘上的机械阀体(可随转向柱转动)在方向盘不转动时保持原位,活塞两侧油压相同,处于平衡状态。当方向盘转动时,转向控制阀会相应地打开或关闭,一边的油不经过液压缸直接流回储油箱,另一边的油继续注入液压缸,使活塞两侧产生压差而被推动,进而产生辅助力推动转向杆,转向更容易。

机械液压助力技术成熟稳定,机械结构完全独立于电子设备,可靠性高,路感清晰,便于驾驶员判断转向角度,因此应用广泛。但其缺点也很明显,结构复杂,占用空间大,设计、制造和维护成本高。而且机械液压助力系统的强度不可调,难以兼顾低速和高速行驶时指向精度的不同要求,无法满足自动驾驶的要求。

2.电动液压动力转向系统(EHPS)

电子液压助力和机械液压助力的区别在于油泵的驱动方式不同。机械液压助力的液压泵由发动机皮带直接驱动,而电子液压助力则是利用ECU检测方向盘的转向角度,通过电力驱动电子泵对液压缸施力,这样就可以将方向盘设计得“轻便”,方便驾驶员使用。

电液压助力的电子泵不是靠发动机本身的动力驱动的,电子泵是由电子系统控制的。当不需要转向时,电子泵关闭,进一步降低能耗。电子液压动力转向系统的电子控制单元可以通过处理诸如速度传感器和转向角度传感器的传感器的信息来改变电子泵的流量,从而改变转向辅助的动力。

3.电动助力转向系统(EPS)

电动助力转向系统(EPS)主要由方向盘传感器、控制单元和助力电机组成。由于可以避免液压助力系统的液压泵、液压管路和转向柱阀体的结构,其设计和结构简单。

EPS的工作原理是,当方向盘转动时,方向盘传感器将转动信号传递给控制单元,控制单元通过计算向电机提供合适的电压,驱动电机输出扭矩,经减速器减速、增大扭矩后,再驱动转向拉杆,提供转向助力。

EPS的主要优点是不包含任何机械结构,设计和结构简单。助力与发动机转速无关,可以让方向盘在低速时更轻便,高速时更稳定。缺点是需要长时间保留机械设备以保证冗余,否则一旦电子设备出现故障容易导致不良后果。

此外,根据辅助电机的位置,有四种类型的EPS。它们是柱辅助(C-EPS)、齿轮辅助(P-EPS)和齿条辅助(R-EPS)。

转向柱助力C-EPS的助力电机安装在转向柱上,转向柱下方连接有机械式转向机,电机助力扭矩作用在转向柱上。C- EPS系统结构紧凑,电机、减速机构、传感器、控制器一体化设计,工作环境好,不占用发动机舱空间,发动机舱布置方便,成本低。缺点是驱动电机的动力通过转向柱和转向器传递给转向机,转向柱部件受力,所以能提供的动力有限;另外,由于电机和减速机构布置在驾驶舱内,更容易造成驾驶舱内的噪音;由于减速机构安装在方向盘上,不利于转向轴的吸能结构设计。因此,C-EPS适用于中小型客车。

齿轮助力P-EPS助力电机和减速机构布置在转向器上,驱动电机的输出扭矩通过蜗轮减速机构传递给转向器。P-EPS扭矩直接作用在转向器上,所以可以提供更大的转向动力,助力效果更快更准。增压电机和减速机构布置在发动机舱内,有利于降低驾驶舱内的噪声水平。P-EPS的缺点是其电机和传感器安装在发动机舱内,对耐热、防水等环境要求较高,成本较高。所以P-EPS适用于需求量大的中型客车。

齿条式R-EPS,助力电机和减速机构布置在转向齿条上,电机的助力扭矩作用在转向齿条上。R-EPS扭矩直接作用在转向齿条上,所以能提供更大的转向动力,助力效果最快最准。增压电机和减速机构布置在发动机舱内,有利于降低驾驶舱内的噪声水平。R-EPS的缺点是其电机和传感器安装在发动机舱内,对耐热、防水等环境要求较高,成本较高。因此,R-EPS适用于需求量大的大中型客车。

4.线控转向(SBW)

线控转向是指取消方向盘和方向盘之间的机械连接,代之以路感反馈总成、转向执行器总成、控制器和相关传感器。方向盘转角数据仅通过传感器获得,然后ECU将其转化为具体的驱动力数据,电机驱动方向盘转动车轮。

可以说线控转向完全摆脱了传统转向的局限性,不仅可以设计汽车转向的力传递特性,还可以设计汽车转向的角传递特性,为汽车转向特性的设计带来了更大的空间,更便于与自动驾驶的其他子系统(如感知、动力、底盘等)集成。).它在提高主动安全性能、驾驶特性、操纵性和驾驶员的路感方面具有优势,是自动驾驶实现路径跟踪和避障的必要关键。

2014菲尼迪Q50是首款配备线控转向的量产车。为了确保冗余,它有三个ECU和一个机械转向系统。如果电子控制装置出现问题,驾驶员可以恢复机械控制。