電機在汽車零部件上的應(yīng)用

1、第一講電機在汽車零部件上的應(yīng)用(2) 周 涌 (上海法雷奧汽車電機雨刮系統(tǒng)有限公司，上海 200245) 3 電機在汽車底盤車架上的應(yīng)用3.1 電機在汽車電子懸架控制系統(tǒng)上的應(yīng)用 電機在汽車懸架減震控制系統(tǒng)中的應(yīng)用汽車懸架減震系統(tǒng)是汽車懸架傳力的阻尼裝置。它是通過衰減力(或阻尼力)來控制的，由減震器和執(zhí)行器等部件組成，其中執(zhí)行器由永磁式直流電動機、減速齒輪、限速減速齒輪旋轉(zhuǎn)的擋塊、帶動擋塊的電磁鐵等組成。半主動式懸架的減震控制系統(tǒng)由電腦控制器從傳感器接收汽車位移、速度、加速度等信號，計算出相應(yīng)的阻尼值，給出控制信號，加給執(zhí)行器中的步進電動機，帶動驅(qū)動桿旋轉(zhuǎn)，以改變控制閥節(jié)流口大小，從而改變防減

2、震器阻尼系數(shù)，構(gòu)成均勻衰減形式。汽車車身懸架減震控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器的機構(gòu)與工作狀態(tài)見圖4。 電機在汽車后輪車高調(diào)整裝置中的應(yīng)用汽車后輪車高調(diào)整裝置就是能夠根據(jù)乘車人數(shù)及載荷的變化自動調(diào)整汽車后部車高的變化，一直保持車輛姿勢正常的系統(tǒng)。汽車后輪車高調(diào)整裝置是由壓縮機及永磁式直流電動機組件、繼電器、干燥器、車高調(diào)整傳感器、車高調(diào)整用微機、減振器和指示燈等組成，系統(tǒng)組成見圖5。其工作原理是當汽車后輪過低時，車高調(diào)整用微機從車高調(diào)整傳感器處得到汽車后輪過低信號，于是，車高調(diào)整用微機向壓縮機及永磁式直流電動機組件發(fā)出增壓指令，以此增加減震器內(nèi)的空氣量，從而抬高汽車后輪；當汽車后輪過高時，車高調(diào)整用微機從

3、車高調(diào)整傳感器處得到汽車后輪過高信號，于是，車高調(diào)整用微機向干燥器內(nèi)的排氣閥發(fā)出減壓指令，以此減少減震器內(nèi)的空氣量，從而降低汽車后輪，保持車高為一定。 懸架的減震系統(tǒng)和車高調(diào)整裝置的控制是分不開的，兩者均由同一個的電腦控制器控制。3.2 電機在電動力轉(zhuǎn)向裝置上的應(yīng)用液壓動力轉(zhuǎn)向裝置自20世紀50年代問世以來，廣泛應(yīng)用于大噸位的載貨車，以及高檔轎車上，目前則有被電動力轉(zhuǎn)向所逐步替代的趨勢。電動力轉(zhuǎn)向裝置的優(yōu)點是使轉(zhuǎn)向操縱更輕便，提高響應(yīng)特性。電動力轉(zhuǎn)向裝置工作原理是電控單元對汽車行駛參數(shù)及轉(zhuǎn)向力矩進行檢測計算后，對電動機及驅(qū)動離合器發(fā)出指令，電動機經(jīng)過減速后驅(qū)動齒輪條式轉(zhuǎn)向器，以達到電動力轉(zhuǎn)向作

4、用，結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示。 3.3 電機在汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)中的應(yīng)用對于行駛在高速公路上的汽車，汽車的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)是非常重要的，它不僅關(guān)系到汽車的安全性，且直接影響到乘員的舒適性。當汽車發(fā)生超速、橫擺及顛簸時，一種用石英振蕩器制成的超速、橫擺及顛簸傳感器的振動頻率就發(fā)生了變化，從而使該晶體產(chǎn)生的晶體光束發(fā)生偏移，在控制器中產(chǎn)生了調(diào)整信號，此信號加到永磁式直流電動機上，由永磁式直流電動機對后車輪進行汽車穩(wěn)定性的調(diào)整。3.4 電機在汽車巡行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用汽車巡行控制系統(tǒng)又稱巡航恒穩(wěn)速經(jīng)濟車速系統(tǒng)。它是利用先進的電子技術(shù)使汽車以恒速或接近于恒速行駛的一種裝置。巡行控制系統(tǒng)的核心部件是電機式巡行控制

5、用執(zhí)行器。它是由安全電磁離合器、永磁伺服直流電動機和油門(節(jié)氣門)位置傳感器三個部分組成。其中電機作用是保持車輛的動態(tài)恒速，它是一種可正反轉(zhuǎn)電動機。當汽車受到道路不平坦、上坡、下坡、轉(zhuǎn)彎及各種阻力影響，造成車速上下波動時，為保證車速穩(wěn)定在某一恒定值，必須對節(jié)氣門進行小范圍的調(diào)整，這時，電動機即時驅(qū)動節(jié)氣門，控制其快慢的變化，達到車輛動態(tài)恒速的目的。電動機還用于加速和減速的調(diào)整。電動機的工作是由巡行電子控制單元控制的，具體機構(gòu)見圖7。 3.5 防抱死制動控制系統(tǒng)及驅(qū)動動力控制系統(tǒng) 防抱死制動控制系統(tǒng)(即ABS)當汽車在轉(zhuǎn)彎、遇到障礙或緊急情況時，都需要用制動的方式降低車速或在很短的距離和時間內(nèi)停

6、車。但過度的制動將使車輪抱死，后輪抱死將使汽車的方向失控，前輪抱死則使汽車失去轉(zhuǎn)向能力。防抱死制動控制系統(tǒng)則起到在制動過程中自動調(diào)節(jié)車輪制動力，防止車輪抱死以取得最佳制動效果。防抱死制動控制是由輪速傳感器、減速傳感器、ABS執(zhí)行器和ABS電子控制單元組成。其中ABS執(zhí)行器是由電磁閥、泵電機(永磁式直流電動機)和儲液罐構(gòu)成。當汽車制動時，輪速傳感器和減速傳感器把車輪速度和減速度信號傳給ABS電子控制單元，ABS電子控制單元對這些信號進行比較、分析和判別，然后通過精確計算得出制動時車輪應(yīng)有的轉(zhuǎn)速和車速信號，并將處理后的信號加到ABS執(zhí)行器的電磁閥和泵電機，泵電機通過電機的偏心軸驅(qū)動泵體中的兩個徑向

7、活塞作高速往復(fù)運動，使之產(chǎn)生調(diào)整車輪上制動分泵中的制動液壓，從而達到防止車輪被抱死的目的，結(jié)構(gòu)簡圖如圖8所示?，F(xiàn)在，ABS在許多中、高檔橋車中被安裝使用。 驅(qū)動動力控制系統(tǒng)(即TRC)盡管ABS能大大改善汽車緊急制動時的制動效果，但是ABS仍存在由其本身因素和物理因素產(chǎn)生的局限性。驅(qū)動動力控制系統(tǒng)(即TRC系統(tǒng))的問世，解決了ABS的局限性?，F(xiàn)擇其與電機有關(guān)的執(zhí)行器進行分述。(1)TRC副節(jié)氣門執(zhí)行器是一種根據(jù)ABS和TRC電子控制單元發(fā)出的信號來控制轉(zhuǎn)動的永磁式步進電動機的裝置。在電機的旋轉(zhuǎn)軸的末端安裝著一個小齒輪(主動齒輪)，它能帶動安裝在副節(jié)氣門軸末端的凸軸齒輪旋轉(zhuǎn)，以此來控制副節(jié)氣門的

8、開啟角度，從而控制進入發(fā)動機的空氣量，達到控制發(fā)動機輸出扭矩的目的。(2)TRC制動執(zhí)行器是由一個能產(chǎn)生液壓的泵總成和一個能產(chǎn)生液壓傳送給車輪制動分泵，并且能從車輪制動分泵中釋放液壓的制動執(zhí)行器組成。其中，泵總成是由一個由永磁式直流電動機驅(qū)動的柱塞式泵和儲壓器構(gòu)成。電動泵接到ABS 和TRC電子控制單元發(fā)出的控制信號后，從制動泵儲液器中提取制動液，升壓后再送回儲液器，儲液器儲存加壓后的制動液，并在TRC系統(tǒng)工作過程中向車輪制動分泵提供制動液，達到制動控制，結(jié)構(gòu)簡圖如圖9所示?，F(xiàn)代高級轎車上都是ABS和TRC系汽車電動轉(zhuǎn)向器研究原作者:浙江正田汽車電動轉(zhuǎn)向有限公司 畢大寧   

9、;出處:OneTwoFree.Sp【論文摘要】摘要 汽車電動轉(zhuǎn)向是汽車轉(zhuǎn)向器的發(fā)展趨勢，汽車電動轉(zhuǎn)向是遵循一定規(guī)律進行計算機程序設(shè)計的，推出B 氏模型作為汽車電動轉(zhuǎn)向程序設(shè)計的依據(jù)，介紹了制訂的我國第一個汽車電動轉(zhuǎn)向標準和汽車電動轉(zhuǎn)向試驗臺。 關(guān)鍵詞：汽車電動轉(zhuǎn)向原理 B 氏模型 標準 試驗臺 1 國內(nèi)外電動轉(zhuǎn)向發(fā)展概況 國外20 世紀80 年代以來在汽車上大力發(fā)展電動轉(zhuǎn)向（EPS），已經(jīng)取得相當大的成果，在輕微型轎車、廂式車上得到廣泛的應(yīng)用，并且每年以300 萬臺的速度發(fā)展。隨著2000 年昌河汽車之北斗星廂式車安裝電動轉(zhuǎn)向器，掀開我國汽車轉(zhuǎn)向器歷史上新的一頁。由于它在轉(zhuǎn)向方面明顯的優(yōu)越性，

10、很受廣大客戶歡迎。最初組裝的200 臺電動轉(zhuǎn)向試銷車很快被搶購一空。這幾年正逐年增加安裝電動轉(zhuǎn)向汽車的產(chǎn)量，今年將達到三萬六千臺。正是由于北斗星汽車在國內(nèi)首裝電動轉(zhuǎn)向，帶動了國內(nèi)電動轉(zhuǎn)向開發(fā)熱。到現(xiàn)在已有10 家大專院校和10 家國營和民營企業(yè)立項或獨自開發(fā)該種產(chǎn)品，預(yù)計我國每年會以1020 萬臺速度發(fā)展。正是由于各方面電動轉(zhuǎn)向研究的大量投入，該產(chǎn)品已接近成功，已有一部分產(chǎn)品開始裝車調(diào)試。在汽車電動轉(zhuǎn)向產(chǎn)品的開發(fā)中充分體現(xiàn)了我國市場經(jīng)濟競爭的特點，一些大專院校和企業(yè)相結(jié)合，國營、民營企業(yè)齊上陣，這種各方面競爭的結(jié)果加快了開發(fā)的進度。 電動轉(zhuǎn)向所以稱之為“精確轉(zhuǎn)向”，就是在汽車轉(zhuǎn)向過程中，該轉(zhuǎn)向

11、器根據(jù)不同車速、方向盤轉(zhuǎn)動的快慢，準確的提供各種行駛路況下的最佳轉(zhuǎn)向助力，這是在計算機（ECU）控制下實現(xiàn)的。電動轉(zhuǎn)向器是在計算機控制下實施對電機電流大小的變化控制，實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)向助力。所以它能精確的實現(xiàn)人們預(yù)先設(shè)置在不同車速、不同轉(zhuǎn)彎角度所需要的轉(zhuǎn)向助力。 電動轉(zhuǎn)向的發(fā)展主要是針對解決純液壓助力轉(zhuǎn)向的最大難題，高速行駛時方向盤發(fā)飄，這是汽車操縱穩(wěn)定性的一大課題。液壓助力轉(zhuǎn)向雖然解決了汽車轉(zhuǎn)向輕便性問題，但高速行駛時方向盤太輕，就造成了駕駛員發(fā)飄的感覺。新型轉(zhuǎn)向油泵雖然可以作到高速轉(zhuǎn)向時油泵流量可以下降，但高速行駛時并不保證發(fā)動機驅(qū)動下的油泵亦處于高速轉(zhuǎn)動工況。因此不能徹底解決汽車高速行駛發(fā)飄

12、的問題。電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可通過控制助力電機，降低高速行駛時轉(zhuǎn)向助力，增大轉(zhuǎn)向手力，解決高速發(fā)飄問題，而且成本相對較低。但由于電機的功率、扭矩及尺寸的限制，故多用于輕微型轎車和廂式車。隨著新的電動轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)研發(fā)，未來將逐步推廣到中高級轎車和卡車上。由于目前已有裝電動轉(zhuǎn)向器的市場，未來潛在的市場也較廣大；該種轉(zhuǎn)向器成本較低，必將受到汽車廠家的歡迎。 綜合起來，電動轉(zhuǎn)向的優(yōu)點，有以下幾方面： 提高了汽車操縱穩(wěn)定性； 有較好的汽車轉(zhuǎn)向輕便性； 有較好的汽車安全性； 降低了發(fā)動機功率損耗； 節(jié)省了油料； 減少了污染； 提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)低溫工作性能。 電動轉(zhuǎn)向器的分為四類： 軸助力式（電機和減速裝置裝在轉(zhuǎn)向傳動軸

13、上）； 小齒輪助力式（電機和減速裝置裝在輸入小齒輪一側(cè)）； 另端小齒輪助力式（電機和減速裝置裝在輸入小齒輪對稱另一側(cè)）； 齒條助力式（電機和減速裝置套在齒條外側(cè)）； 電動轉(zhuǎn)向器主要包括以下五個部件： 控制器（ECU）； 扭矩（角度）傳感器； 直流電機（帶電磁離合器）和減速裝置； 轉(zhuǎn)向傳動軸； 機械轉(zhuǎn)向器。 目前，我們應(yīng)在大力提倡電動轉(zhuǎn)向器的開發(fā)和研究的同時，盡快統(tǒng)一我國的電動轉(zhuǎn)向標準，盡快開發(fā)標準試驗設(shè)備。特別應(yīng)在開發(fā)和研究階段加強技術(shù)和信息交流，共同提高我國電動轉(zhuǎn)向的技術(shù)水平。 2 汽車電動轉(zhuǎn)向力模型探討 汽車電動轉(zhuǎn)向基本原理是方向盤的轉(zhuǎn)動經(jīng)扭矩傳感器給控制器一個扭矩信號（也可以認為是角度信

14、號或轉(zhuǎn)動速度信號，這些都是可以通過計算機處理出來的）。通過車速傳感器給控制器一個車速信號，控制器則根據(jù)此二信號根據(jù)預(yù)先設(shè)定的力模型對直流電機及電磁離合器實施控制。通過控制改變電機電流的大小，從而改變輸出力矩。該輸出力矩通過減速機構(gòu)放大后直接作用于轉(zhuǎn)向器輸入軸，對操縱手力起助力作用。 汽車電動轉(zhuǎn)向器動作原理框圖如下： 采用電磁離合器對汽車電動轉(zhuǎn)向器的工作更有利，電動轉(zhuǎn)向器工作時吸合，在出現(xiàn)了故障時電磁離合器自動脫開，一方面對直流電機起保護作用，一方面不影響機械轉(zhuǎn)向器正常工作。 汽車電動轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵在于控制器（ECU）控制程序的設(shè)計，而ECU 控制程序應(yīng)該按什么力模型來設(shè)計，這是我們要研究的。按車速

15、調(diào)整助力一般有兩種方式，我們認為全程調(diào)速比半程調(diào)速優(yōu)越性更大，更有利于對轉(zhuǎn)向全過程進行控制。 根據(jù)研究動力轉(zhuǎn)向多年的經(jīng)驗，我們提出電動轉(zhuǎn)向手力B 氏模型。該模型遵循汽車轉(zhuǎn)向原理和要求操縱穩(wěn)定性，隨方向盤轉(zhuǎn)動手力變化和在不同車速時有以下規(guī)律： （1）隨方向盤轉(zhuǎn)角增大，電動電流（扭矩）按一定規(guī)律增大（見圖1）； （2）隨方向盤轉(zhuǎn)動速度增大，電機轉(zhuǎn)速增加； （3）隨方向盤轉(zhuǎn)動方向不同，電機轉(zhuǎn)動方向不同，換向時不得出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。 隨汽車車速增大，電機電流（扭矩）按一定規(guī)律減?。ㄒ妶D2） 圖1 轉(zhuǎn)向手力特性 圖2 速度特性性圖1 就是我們設(shè)計的電動轉(zhuǎn)向器任意車速時的手力特性。該特性是否合理就是看其形狀是

16、否利于駕駛員操縱。根據(jù)動力轉(zhuǎn)向設(shè)計的經(jīng)驗知道，在等剛度載荷作用下，在較小角度轉(zhuǎn)向時，此時地面轉(zhuǎn)向阻力較小，助力應(yīng)增加的較緩；在較大角度轉(zhuǎn)向時，此時地面轉(zhuǎn)向阻力較大，助力應(yīng)增加的快一些，因此它仍然應(yīng)是兩個2 次曲線的組合圓滑曲線，中間應(yīng)有一段自由間隙。 圖2 就是我們設(shè)計的電動轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)向手力按速度變化的特性。該特性設(shè)計的是否合理就是看能不能在低速時轉(zhuǎn)向輕便，在高速時應(yīng)當加大轉(zhuǎn)向手力，從而解決高速時操縱穩(wěn)定性問題。曲線形狀應(yīng)為在4050km/h 以下車速時，助力均應(yīng)較大，可有較小的下降；而在7080km/h 以上車速時，助力應(yīng)較小，且有較小的下降。在中間車速過渡段應(yīng)有一個圓滑雙曲線的過渡，保證駕

17、駛員全過程操縱平滑。其下降助力比應(yīng)為100:30，在高速時仍應(yīng)保持30%助力。 轉(zhuǎn)向力特性和速度特性相結(jié)合應(yīng)該是如圖3 所示的曲線圖。它顯示的就是我們提出的電動轉(zhuǎn)向器的B氏模型。 圖3 B氏模型軸為扭矩座標，軸為車速座標，z 軸為負載座標。在每一個車速上都有一個轉(zhuǎn)向特性，該模型就是不同車速下無數(shù)轉(zhuǎn)向力特性組合成的。對于轎車低速時轉(zhuǎn)向手力矩應(yīng)控制在5Nm 以內(nèi)，而在高速時轉(zhuǎn)向手力矩應(yīng)控制在78Nm 左右。這是一個比較合理的力模。 3 電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計重點 3.1 在控制器的設(shè)計中要保證對電機實現(xiàn)如下控制 (1) 電機的隨動性能。方向盤在包括中間位置在內(nèi)的任意位置停止轉(zhuǎn)動，電機能迅速停止轉(zhuǎn)動。 (

18、2) 電機的中位控制。電機在方向盤中位進行阻尼控制，以保證中間位置路感。 (3) 電機的慣性控制。電機在啟動、換向或停止轉(zhuǎn)動時應(yīng)進行慣性控制或慣性補償。 (4) 電機的回正控制。保證電機在完成轉(zhuǎn)向動作后迅速回正到中位。 3.2 電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計重點 電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計可以有多種方案，關(guān)鍵要保證以下幾點： (1) 系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全性控制。在受到地面沖擊或外界橫向力（如側(cè)風）作用時產(chǎn)生反向力矩，保持方向穩(wěn)定和恢復(fù)正常行駛。 (2) 無故障保證設(shè)計。提高元器件安全系數(shù)，各部件必須經(jīng)過嚴格出廠檢測，實現(xiàn)誤操作保護設(shè)計保護性電路設(shè)計，個別系統(tǒng)中個別部位電壓、電流和溫度保護。 (3) 失效保護設(shè)計。防止單

19、個元件損壞影響其它元器件正常工作（采用各種保護電路），EC 失效后，可恢復(fù)機械轉(zhuǎn)向器直接工作。 (4) 采用故障代碼顯示故障狀況。 代碼1 系統(tǒng)正常 代碼2 扭矩傳感器系統(tǒng)異常 代碼3 車速傳感器信號系統(tǒng)異常 代碼4 電子控制器（ECU）工作異常 代碼5 電磁離合器異常 代碼6 電動機異常 代碼7 線路異常 代碼8 電源異常（蓄電池電壓不足） 4 汽車電動轉(zhuǎn)向產(chǎn)品標準 我們已制定出我國第一個電動轉(zhuǎn)向裝置的標準“汽車電動轉(zhuǎn)向裝置技術(shù)條件與試驗方法”。 關(guān)于其中產(chǎn)品部分技術(shù)條件說明如下： 由于電動轉(zhuǎn)向目前有四種結(jié)構(gòu)，因此標準主要針對安裝電機和減速裝置的部位進行檢測。不同的電動轉(zhuǎn)向裝置試驗總成和加載

20、方式都是不一樣的。如軸助力式電動轉(zhuǎn)向檢測的部位主要是帶電機和減速裝置的傳動軸，而其它結(jié)構(gòu)的電動轉(zhuǎn)向主要檢測的對象就是帶電動機和減速裝置的轉(zhuǎn)向器本身了。因此稱為汽車電動轉(zhuǎn)向裝置產(chǎn)品標準最為適宜。 該標準參考了汽車轉(zhuǎn)向器總成的技術(shù)條件和臺架試驗方法，汽車傳動軸總成性能及試驗方法，汽車電氣設(shè)備基本技術(shù)條件，電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程和關(guān)于保護車載接收機的無線電騷擾特性的限制和測量方法。 該標準分為二個部份：技術(shù)條件與臺架試驗方法。 4.1 技術(shù)條件規(guī)定了如下技術(shù)要求 4.1.1 性能試驗測試項目 （1）功能試驗 用手轉(zhuǎn)動電動轉(zhuǎn)向器在高、中、低車速下感覺在全行程內(nèi)轉(zhuǎn)動的平順性。 （2）負荷特性 測不

21、同車速下左、右轉(zhuǎn)向手力，與輸出負荷的關(guān)系曲線，測出左右最大轉(zhuǎn)向力矩值和對稱度確定該曲線族是否符合設(shè)計要求。 （3）電流特性 測不同車速下左右轉(zhuǎn)向手力與電機電流的關(guān)系曲線，確定該曲線族是否符合設(shè)計要求。 （4）反向沖擊試驗 反向沖擊轉(zhuǎn)向器輸出端，檢測電機在沖擊下迅速反應(yīng)制止方向盤轉(zhuǎn)動，反向沖擊時電流響應(yīng)時間不超過10ms，方向盤上不能產(chǎn)生大于3o的轉(zhuǎn)動角度。 （5）回正試驗 在剛性面載下沉低速和高速行駛回正曲線，低速回正曲線應(yīng)通過原點，高速回正曲線允許有殘留角，該值在方向盤上殘余不大于5o。 （6）噪聲試驗 進行標準噪聲試驗，被試總成應(yīng)低于60dB。 （7）報警試驗 對各元件及線路進行損壞測試，故障報警燈或故障代碼顯示燈應(yīng)顯示。 （8）電磁騷擾特性 被試總成應(yīng)作電磁兼容試驗，分別測量電動轉(zhuǎn)向器電機及電磁離合器工作時發(fā)出的電磁波和防外界電磁波對電子控制器的干擾，都不能超過限值。 4.1.2 可靠性試驗測試項目 （1）老化試驗 類似30 分鐘機械啟合試驗，主要是使新電器元件工作穩(wěn)定，確保正常運轉(zhuǎn)。 （2）壽命試驗 經(jīng)過10×106 換向操作，（可類比30 萬公里汽車行駛）產(chǎn)品應(yīng)正常工作。 （3）強制轉(zhuǎn)向試驗 反復(fù)通電源和切斷電源分別找反復(fù)循環(huán)工作，檢驗強