电动助力转向系统

黑龙江工程学院专科生毕业实习报告第1章 绪 论 1.1电动助力转向系统概述随着科学技术的飞速发展，汽车各方面的性能都有了很大的发展，但同时人们对汽车的性能也有了更高的要求。为了取得更好的汽车性能，充分利用机械和电子两方面的优势，提供机电一体化的解决方案，日益被业界人士推崇为有效的应对策略。虽然汽车是机械技术的完美再现，但是由于机械技术在短期内不会再有很大的突破，而电子技术正越来越体现出其相对而言更优越的地方，所以研制机、电相结合的汽车相关部件正成为当前的主要趋势。转向系统作为汽车的一个重要组成部分，也同样顺应这样的发展趋势。就目前而言，应当说也已经找到了比较完美的解决方案。汽车助力转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。其作用是使汽车在行驶过程中能够按照驾驶员的意图，适时地改变其行驶方向，能与行驶系统配合共同保持汽车持续稳定地行驶。汽车方向盘助力系统经历了从机械助力到液压助力(hydraulic Power steering HPS)再到电子液压助力系统(electric hydraulic power steering EHPS)这三个阶段的演变。经过多年的探索，电动助力转向（Electric Power Steering ，简称EPS）作为一种全新的动力转向模式走入了业界的视野，并且很快成为动力转向系统研究与开发的的热点。由于电动助力转向系统相对于液压动力转向系统有着诸多的优点，因此电动助力转向系统及其相关配套的部件的研究与开发正愈来愈备受各主要汽车生产企业的青睐。电动助力转向系统（EPS，Electric Power Steering）是未来转向系统的发展方向。该系统由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，既节省能量，又保护了环境。另外，电动助力转向系统还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。正是因为由于有了这些优点，电动助力转向系统作为一种新的转向技术，部分取代了液压动力转向系统(Hydraulic Power Steering，简称HPS)。电子控制技术在汽车动力转向系统中的应用，使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。电动助力转向系统(EPS)在汽车低速行驶转向时减轻转向力使转向轻便、灵活；在汽车高速行驶转向时，适当加重转向力，从而提高了高速行驶时的操纵稳定性，增强了“路感”。不仅如此，EPS的能耗是HPS能耗的13以下，且前者比后者使整车油耗下降可达35。因而，EPS将成为汽车传统转向系统想的升级换代产品。1.2 电动助力转向系统（EPS）的特点 1.2.1 助力特性早期的EPS在车速高于设定值时，EPS停止工作，属于低速型。现在研究多的是在全速型的EPS，它在任何车速下都提供助力，既兼顾了低速时的操纵灵活性，也实现了高速时的操纵稳定性，但系统控制算法相对复杂。由于电动机具有弹簧阻尼的效果，EPS能减少路面不平对转向盘的冲击力和车轮质量不平衡引起的振动，故EPS能够更好的抑止路面的冲击。另外，EPS还能提高停车泊位时的助力跟随特性，电动机在起动时力矩最大，然后逐渐降低，这一特性非常符合汽车从静止到起动过程的转向力变化。1.2.2 操纵灵活性与稳定性汽车驾驶操作灵活性与稳定性体现在停车泊位、低速行驶以及高速行驶时的转向性能。以前，人们常将转向系统设计成变传动比，在转向盘小转角时以灵位主，在转向盘大转角时以轻为主，但灵的范围只在转向盘之间位置附件，仅对高速行驶有意义，并且传动比不能随车速变化，因此，这种方法不能从根本上解决这一矛盾。EPS的引入可以较好的解决上述矛盾，在EPS控制系统中，可以通过完善控制算法在不同工况下提供相应的助力特性，并且具有较大的灵活性，能通过修改相应控制参数达到调整修改控制输出特性。图1-1所示为Alto汽车有EPS和无EPS时的原地转向曲线，转向系统为柱助力式，前轴负荷为4kN，电动机最大电路为20A。由图知装配EPS后，原地转向力矩下降了40。 图1-1 Alto汽车有EPS和无EPS时的原地转向曲线1.2.3 增强了转向跟随性在电动助力转向系统中， 电动机与助力机构直接相连可以使其能量直接用于车轮的转向。该系统利用惯性减振器的作用，使车轮的反转和转向前轮摆振大大减小， 因此转向系统的抗扰动能力大大增强， 和液压助力转向系统相比，旋转力矩产生于电动机，没有液压助力系统的转向迟滞效应， 增强了转向车轮对转向盘的跟随性能。1.2.4 节能环保 试验表明，EPS还具有高效节能和环保的优点。与传统的液压助力转向系统相比，没有系统要求的常运转转向油泵，而且电动机只是在需要转向时才接通电源，所以动力消耗和燃油消耗均可降到最低，还消除了由于转向油泵带来的噪音污染。在不转向情况下，装有EPS的汽车燃油消耗降低了2.5 ，在使用转向情况下，降低了5.5。有研究表明，由同一驾驶员操作16L前轮驱动分别装备EPS和HPS的轿车，行驶路况以郊区道路为主，以市区、山区等道路为辅，平均行驶速度在40kmh情况下，EPS比HPS节省燃料5.5。此外，EPS的重复利用率高，组件的95可以再回收利用，而传统的液压助力转向系统的回收利用率却只有85。 1.2.5 安全性EPS系统控制的核心ECU具有故障自诊断功能，当ECU检测到某一组件工作异常，如系统各传感器、电动机、电磁离合器、电源系统及汽车点火系统等，便能立即控制电磁离合器分离，停止助力，显示相应故障代码，转为手动转向，按普通转向控制方式工作，以确保行车安全可靠。1.3 课题的目的及意义本论文的目的在与通过研究电动助力转向系统的基本组成和工作的原理，旨在能够解决EPS系统的转向性能，能够简化汽车的转向系统、使其结构更紧凑、同时削除减速齿轮、电机等使转向系的惯性力及摩擦力，降低成本减少对环境的污染。汽车转向性能是汽车的主要性能之一，转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性，它对于确保车辆的安全行驶，减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全和改善驾驶员的工作条件都起着极其重要的作用。本课题研究的汽车助力转向系统就是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的助力转向系统。它提高了汽车的安全性能，减轻了驾驶者的操纵里，降低了驾驶员的驾驶负担，同时也提高了汽车的安全性。电动主力转向系统在发展初期，只是作为液压助力转向的替代品，应用在减少油耗并难以安装液压助力转向系统的微型车上。自1988年2月开始，由日本铃木公司首次在起Cervo车上装备，在此之后，电动转向技术就得到了迅速的发展。经过近几20年的研究，现在EPS技术已经日趋完善。其应用范围已经从最初的微型轿车向更大型轿车和商用客车方向发展，EPS的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步增强。新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供动力，而且还能在高速时提高汽车的操纵的稳定性。电动助力转向系统自从20世纪80年代中期提出後，作为今后汽车转向系统的发展方向，必将取代现有的机械转向系统和液压助力转向系统。现在国际上各大的汽车零部件公司，都将对它的研究作为研究开啊工作的重点。EPS具有非常广阔的市场前景，据专家预测，EPS的年产量正以10%的速度递增，到2009年预计将达到3000万套，安此速度发展，EPS不久将占领去不轿车市场。目前，国外电动助力转向的研究已经体现出实际的应用价值，在部分中高档轿车和高级轿车上已经得到应用，在中型车辆和重型车辆的应用也处于研究阶段。1.4 国内外的研究现状分析电动助力转向系统是于20世纪80年代中期提出来的。由于电动助力转向系统具有很多优点，国外许多汽车及零部件生产厂商纷纷致力于该技术的研究。1988年2月日本铃木公司首次在其Cervo车上装备电动助力转向(EPS)，随后还用在了其Alto车上。在此之后，电动助力转向技术如雨后春笋般得到迅速发展。1993年，本田汽车公司首次将电动助力转向系统装备于大批量生产的，在国际市场上同法拉力和波尔舍竞争的NSX跑车上。同时在欧美市场上，美国的Delphi汽车公司、德国的ZF汽车公司等，都相继推出了各自的电动助力转向系统。如今，大发汽车公司的Mira车、三菱汽车公司的Minica车、大众的Polo,欧宝的3181以及菲亚特的Punt。都装备了电动助力转向系统。随着高级轿车对转向器提出的性能上的更高要求，近几年国外开发出了更为成熟的电动式动力转向器，凌志、皇冠等高档轿车， 已经使用了电动助力转向系统，该装置优于普通的动力转向器，在不同车速下可通过转向ECU自动调节转向盘的操作力，在低速行驶或车辆就位时，驾驶员只需用较小的操作力就能灵活进行转向;而在高速行驶时，则自动控制使操作力逐渐增大，实现操纵的稳定性。德尔福汽车系统公司，1998年开发了全新的电动式转向器系统，它可分别在齿条、齿轮或转向轴上施加助力。英国汽车制造商Lucas公司，1998年研制的电动式转向器投入批量生产，该装置最大优点是燃油附加损耗极低，只有手动式的0.5%，相比之下， 电动液压助力系统的损耗为2%，全液压助力系统损耗为8%。与国外相比，我国的电动助力转向研究还是空白，自2000年昌河北斗星装备EPS之后，掀开了国内汽车转向器历史上新的一页，带动了国内电动助力转向系统的研究开发的热潮，目前国内已经有几十家大专院校和国营、民营企业开发改产品，并取得了一定的进展。但由于国外对该项技术的技术封锁且对转向速度、横向加速度等技术关联控制方面的问题尚需解决与改善，国内对EPS的研究主要是对国外EPS样件的实验摸索中进行防止与确认，虽然各方面对电动助力转向的研究大量投入，已经部分产品已经开始装车调试，单由于对于该项技术的控制理论和控制原理并未完全掌握，因此EPS研制的工作尚需进行实验确认，EPS的批量国产化生产的工作还有一个摸索的过程。因此我们还应加大对EPS的研究。1.5 本论文的主要研究内容本论文通过对汽车电动助力转向系统的研究，分析了EPS的基本结构组成以及其工作原理，并对其基本结构进行分析，研究EPS的关键零部件以及主要的功能机构，从而对EPS的总体方案进行设计，并对其的关键部位进行了设计与计算。主要的研究内容如下：1、分析EPS的基本结构组成、工作原理，及其关键技术2、对EPS的受力进行分析及其助力分析2、进行EPS总体方案进行设计、比较、优化3、进行结构设计，参数计算和关键零部件的设计与计算 第2章 电动助力转向系统（EPS）的结构及受力分析2.1 电动助力转向系统的结构及关键部件2.1.1 EPS的主要结构EPS的组成包括以下5个部分，如图2-1所示。a转矩传感器和车速传感器转矩传感器用来测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小与方向， 以及转向盘转角的大小和方向，输出为0-5 V的模拟电压信号。转向盘在中间位置时输出25 V电压，转向盘向右转输出电压为255 V，转向盘向左转输出电压为0-25 V。车速传感器用来测量汽车行驶速，输出为数字电压信号。b永磁同步电动机根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助转矩， 是EPS的动力源。例如， 用于16 L以下汽车的电动机，功率：300 W ； 助力转矩：125 Nm (最大输出电流35 A)。用于20L汽车的电动机，功率：400 W； 助力转矩： 1-32 Nm(最大输出电流45 A)。c减速机构减速机构通过离合器与电动机相连， 起减速增矩作用， 常采用蜗轮蜗杆机构， 也有采用行星齿轮机构，离合器装在减速机构一侧是为了保证EPS只在预先设定的车速(如：0-45 kmh)范围内起作用。d电子控制单元(ECU) ECU的功能是根据转矩传感器信号和车速传感器信号， 进行逻辑分析与计算后 发出指令， 控制电动机和离合器的动作。此外，ECU还有安全保护和自我诊断功能。e蓄电池电源 给整个EPS提供电力。 图2-1 EPS的组成框图2.1.2 EPS的工作原理电动助力转向系统是在传统机械转向机构基础上，增加信号传感器装置、电子制装置和转向助力机构等构成的。电动助力转向系统的功能着眼点是使用电力驱动执行机构实现在不同的驾驶条件下为驾驶人员提供适宜的辅助力。系统主要由以下几个部分组成：电子控制单元（ECU）、车速传感器和扭矩传感器、伺服电动机、变速机构和转向柱总成等。具体的工作情形是：汽车处于起动或者低速行驶状态时，操纵方向盘转向，装在转向柱上的扭矩传感器不断检测作用于转向柱扭杆上的扭矩，并将此信号与车速信号同时输入电子控制器，处理器对输入信号进行运算处理，确定助力扭矩的大小和方向，从而控制电动机的电流和转向，电动机经离合器及减速机构将扭矩传递给牵引前轮转向的横拉杆，最终起到为驾驶人员提供辅助转向力的功效；当车速超过一定的临界值或者出现故障时，EPAS系统退出助力工作模式，转向系统转入手动转向模式。不转向的情况下，电动机不工作。电动助力转向系统很容易实现在不同的车速下实时的为汽车转向提供不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠。2.1.3 EPS的关键部件介绍EPS系统的关键部件包括：扭矩传感器、车速传感器、助力电动机、电磁离合器、减速机构和电子控制单元等。1、 扭矩传感器和车速传感扭矩传感器的作用就是测量转向盘与转向器之间的相对扭矩，以作为电动助力的依据之一。车速传感器的功能是测量汽车的行驶速度。这些信号都是EPS的控制信号。扭矩测量系统比较复杂且成本较高，所以精确、可靠、低成本的扭矩传感器是决定EPS能否占领市场的关键因素之一。电控助力转向系统的扭矩传感器主要有三种形式：摆动杆式、双行星齿轮式和扭杆式。摆动杆式是通过测量由转向器小齿轮轴反作用力矩引起的摆杆位移量得到转向力矩的。双行星齿轮式是通过测量与扭杆相连的两套行星齿轮的相对位移得到转向力矩信号值，扭杆位于转向输入轴和输出轴之间，行星齿轮机构也兼起减速传动机构的作用。扭杆式是通过扭杆直接测量输入轴和输出轴的相对位移从而测得转向力矩。除了上述形式的扭矩传安琪外，也有采用非接触式扭矩传感器。非接触式扭矩器种类比较多，汽车上常用除了上述形式的扭矩传感器以外传感器中有一对磁极环，其原理是：当输入轴与输出轴之间发生相对扭转位移时，磁极环之间的空气间隙发生变化，从而引起电磁感应系数变化。非接触式扭矩传感器体积小，精度高，但成本较高。实验中通过力矩传感器获得方向盘作用力的大小和方向的电压信号，并把它输送到ECU。车速传感器主要用来检测汽车的行驶速度，车速传感车速传感器是电磁感应式传感器，安装在变速箱上。该传感器根据车速的变化，把脉冲信号传送给ECU，ECU根据单位时间内测量到的脉冲数目来计算出汽车车轮的旋转速度，从而根据汽车车轮的半径、车轮的气压等参数计算出汽车前进的速度。2、 助力电动机EPS的电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助扭矩，是EPS的动力源，多采用无刷永磁式直流电动机。电动机对EPS的性能有很大的影响，是EPS的关键部件之一，所以EPS对电动机有很高的要求，不仅要求低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻、而且要求可靠性高、易控制。为了改善操纵感、降低噪声和减少振动，设计时常针对EPS的特点，对电动机的结构做一些特殊的处理，如：沿转子的表面开出斜槽或螺旋槽，定子此帖设计成不等厚等。3、 减速机构EPS的减速机构与电动机相连，它的作用是降低转速增加扭矩。减速比的大小和电动机的功率、转动惯量和前桥载荷有关。常采用蜗轮蜗杆机构，也有采用行星齿轮机构。有的EPS还配用离合器，装在减速机构一侧，是为了保证EPS只在预先设定的车速行驶范围内起作用。当车速达到某一值时，离合器分离，电动机停止工作，转向系统转为手动转向。另外，当系统出现故障时，电磁离合器断开，切断了动力传递路线，此时机械式转向方式无需带电机转向，既保证了安全，又不使转向费力。4、电磁离合器电动式EPS中的电磁离合器主要起到安全保护的作用，当EPS系统发生故障、助力电动机工作电流过大等情况下，电磁离合器会及时切断，汽车仍可以以传统的机械转向装置进行工作，以保证整个系统和行车的安全。为了不使电动机和电磁离合器的惯性映像转向系的工作，离合器应及时分离，以切断辅助动力。5、电子控制单元（ECU）电子控制单元（ECU）的功能是根据扭矩传感器和车速传感器的信号，进行逻辑分析与计算，发出指令，控制电动机和离合器的动作。因此，控制系统和控制算法是电动助力转向系统的关键之一。控制系统应有强抗干扰能力，以适应汽车多变的行驶环境，控制算法应快速正确，满足实时控制的要求，并能有效地实现理想的转向助力。2.1.4 EPS的关键技术EPS的关键技术既有硬件方面也有软件方面，硬件是其骨架，软件是灵魂。在硬件方面，高度可靠、价格便宜且精度又满足要求的转矩传感器是一项关键技术，因为在目前阶段，转矩传感器在各种EPS中都是必须的，它不仅要在EPS正常工作时能准确测量驾驶员施加的转矩，而且在EPS失效时也不因为驾驶员施加的转矩增大而损坏；另一项关键技术是提供助力的电动机，因为在不同情况下转向盘的转动速度相差很大，电动机要能够实现助力，其转速范围也要很大，响应快，而且在堵转时也要能够提供助力作用，对于大型车辆，甚至要求电动机能够提供与转动方向相反的主力转矩。所以电动机也是限制EPS在大型车辆上应用的主要原因之一。因此在硬件的应用层面上，EPS仍有一部分关键技术需要研究：（1）性能通过EPS来降低转向力，这与电机的尺寸，电机的电力以及减速比有关，而这些因素又涉及其他领域，如：重量、成本、产生的热量、电流消耗、惯性力及摩擦力等。因此EPS的设计不能仅考虑降低转向力，应进一步考虑与整车性能如何协调的问题。（2）对转向系的不良影响减速齿轮、电机等使转向系的惯性力及摩擦增大，从而影响转向性能，有可能引起过多转向或影响回正能力及阻尼特性，这些都是在设计控制策略时须认真考虑的。（3）转向手感 当一辆汽车仅带有低速范围助力装置时，那么在两个不同车速范围内，会有不同的转向手感，即：带助力和不带助力两种不同的手感。特别时，当车速刚好是在助力装置工作或脱离的状态下，那转向手感可能是非常微妙的，这些是在设计助力装置时所必须考虑的问题。2.2 电动助力转向系统的分类电动助力转向系统根据安装位置的不同可以分为三类：齿条助力式、小齿轮助力式和转向柱助力式。图2-2为三类转向系统的图例。 图2-2 电动助力转向系统类型齿条助力式EPS系统的电动机和减速机构安装在齿条处，直接驱动齿条提供助力，其中扭矩传感器单独地安装在小齿轮处，电动机与转向助力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处，用以给齿条助力。该类型又根据减速传动机构的不同可分为两种类型：一种是电动机做成中空的，齿条从中穿过，电动机提供的第二章电动助力转向系统的总体设计辅助力经一对斜齿轮和螺杆螺母传动副以及与螺母制成一体的铰接块传给齿条。这种结构是第一代电动助力转向系统，由于电动机位于齿条壳体内，结构复杂、价格比较高、维修也相当困难。另一种是电动机与齿条的壳体相互独立。电动机动力经另一小齿轮传给齿条，由于易于制造和维修，成本较低，已经取代了第一代产品。因此，齿条由一个独立的齿轮驱动，可给系统较大的助力，主要用于重型汽车。小齿轮助力式EPS系统的电动机和减速机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮转向。小齿轮助力式转向系统的转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构仍为一体，只要整体安装在转向齿轮处，直接给齿轮助力，可获得较大的转向力。该类型可使各部件布置更方便，但当转向盘与转向器之间装有万向传动装置时，转矩信号的取得与助力车轮部分不在同一直线上，其助力控制特性难以保证准确。转向助力式EPS的电动机固定在转向柱一侧，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴转向。其转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构组成一体，安装在转向柱上。其特点是结构紧凑、所测取的转矩信号与控制直流电机助力的响应性较好。这种类型一般在轿车上使用。目前合作的项目的最终应用车型是轻型车，所以系统也是采用转向柱助力式转向系统。2.3 EPS的受力介绍EPS系统所受的力主要有驾驶员作用在方向盘的操纵力、电动机的助力矩和整个转向系统所受的阻力矩，驾驶员在转向时作用在方向盘的操纵力同时在EPS系统的电动机助力下，通过转向机构客服转向阻力矩，从而实现对汽车的转向。转向时驾驶员作用在方向盘的作用力以及电动机作用的助力矩大小与汽车整个转向系统所受的阻力矩有关。2.3.1 驾驶员的操纵力在汽车曲线运动中，由驾驶员通过作用在方向盘的切向力对汽车进行操纵。一般驾驶员都希望转向时能操作轻便，在告诉时仍能保持稳定，且具有良好的“路感”。因此驾驶员对汽车的操纵力分成两种情况：改变汽车行驶方向时驾驶员作用在转向盘上的切向力;保持汽车行驶方向不变（包括直线运动和固定某个方向的运动）时驾驶员保持方向盘不动的力。这种在车轮转向角位置保持不变行车时，驾驶员作用在转向盘的力称为方向盘把持力。2.3.2 EPS的阻力矩 按产生的来源不同，EPS的阻力矩大体上可分为“绕主销的阻力矩”和“转向系的阻力矩”两大部分组成。这些转向阻力矩的各组成部分都随转向盘转角、车速、轮胎偏离角，转向盘转动角速度和车辆侧偏角变化而变化。 a)转向系阻力矩主要包括“转向系摩擦力矩”，“转向系复原力矩”和“转向系惯性力矩”三部分。“转向系摩擦力矩”主要指转向系的各部分之间的干摩擦阻力矩的总和。“转向系复原力矩”主要由转向系内回位弹簧、内橡胶衬套等的弹性变形引起的回复力产生的。“转向系惯性力矩”主要由转向系内各部分在运动过程转速的变化所形成的。 b)“绕主销的阻力矩”大部是由路面和轮胎间的转矩形成的，它受有路面状态、轮胎特性、车轮定位和负荷等的影响，随着车速和转向轮偏离角的变化而变化。 通常“绕主销的阻力矩”按汽车不同的行车方式分成“原地转向阻力矩”和“行车转向阻力矩”两种。原地转向:指对静止不动的汽车进行转向时，首先是轮胎发生扭转变形，继之以路面和路面之间发生滑移，称这一情况所产生的转向阻力矩为原地转向阻力矩。行车转向阻力矩指对行驶时的汽车进行转向时产生的阻力矩。行车转向比原地转向车速增加了，接地面积滚动成分增加，转向阻力矩也突然减小。不过，车辆如以更高车速转向行驶，将由于轮胎发生偏离形成自动回正力矩，促使轮胎平面和轮胎行进方向趋向一致。这样行车转向中所受转向阻力矩就大致和原地转向时相仿。高速行车中，由轮胎偏离角所引起的转向阻力矩是随主销后倾角增大而增大的。 因此影响“绕主销的阻力矩”的因素有轮胎接地的单位面积压力、接地面积、厚捺系数等。显然，负荷愈大，轮胎气压愈低，原地转向阻力矩也将愈大。同时轮胎和路面间的摩擦系数增大，原地转向阻力矩也将增大。2.3.3 EPS的助力矩助力矩是由电动机发出的实时力矩，其作用是提供主力，以提高驾驶员转向时的操纵轻便姓。助力矩的大小由ECU控制，与方向盘转向力矩和车速的大小有关。2.4 EPS的助力特性介绍助力特性是指助力随汽车运动状况（车速和转向手盘力）变化而变化的规律。对于液压动力转向，助力与液压油压力成正比，故一般用液压油压力与转向盘力矩（及车速）的变化关系曲线来表示助力特性。对于电动助力转向，助力与直流电动机的电流成正比，故可采用电流与转向盘力矩、车速的变化关系曲线来表示助力特性。理想的助力特性应能充分协调好转向轻便性与路感的关系，并提供给驾驶员与手动转向尽可能一致的、可控的转向特性。在满足转向轻便性的条件下，如果路感强度在整个助力特性区域内不变，则驾驶员就能容易地判定汽车行驶状况的变化，预测出所需要的转向操纵力矩的大小。EPS的助力特性具有多种曲线形式，图2-2为三种典型EPS助力特性曲线。图中助力特性曲线可以分成三个区，0TdTd0区为无助力区，Td0TdTdmax区为助力变化区，TdTdmax区为助力不变区。图2-3 3种典型的助力特性曲线形式1、 直线型助力特性图2-3（a）为直线型助力特性，它的特点是在助力变化区，助力与转向盘力矩成线性关系。2、 折线助力特性图2-3（b）所示为典型折线型助力特性，它的特点是在助力变化区，助力与转向盘力据成分段线性关系。3、 曲线型助力特性图2-3（c）所示为典型曲线型助力特性，它的特点使在助力变化区，助力与转向盘力矩成非线性关系。 比较上述三种助力特性曲线，直线型助力特性最简单，有利于控制系统设计，并且在实际中调整容易；曲线型助力特性复杂，调整不方便；折线型助力特性则介于两者之间。助力特性对动力转向系统的性能，包括轻便性、回正性、路感等有重要影响。在传统的液压助力转向中助力特性主要由阀的结构决定，调整困难，并且设计完成后助力特性也就确定了，不能随车速变化。而EPS不同，助力特性曲线是其控制目标，可以设计成车速感应型特性曲线，并可方便进行调节。针对EPS的特点，对助力特性曲线提出以下要求: 1.向盘输入力矩小于某一特定值(通常为1Nm)时，助力矩为0,EPS不起作用。 2.盘输入力矩较小的区域，助力部分的输入应较小，以保持较好的路感。3.在转向盘输入力矩较大的区域，为使转向轻便，助力效果要明显。4.在转向盘输入力矩达到驾驶员体力极限的区域时，应尽可能发挥较大的助力效果。 5.随着车速的增高，助力应减小。6.符合国家标准对动力转向作用在转向盘上的最大操纵力要求2.5 本章小结通过对EPS的系统的结构分析，阐述了EPS的工作原理和关键部位以及关键技术。通过对EPS系统进行受力分析和助力特性的分析，得到了EPS的受力基本情况，为下一步的方案设计打下基础。第3章 电动助力转向系统（EPS）的总体介绍电动助力转向系统（EPS）的设计上包括两大部分。其一是机械部分；其二是控制部分。本文主要介绍的是机械部分的设计。所涉及的机械部分主要是有转向系统的数据采集单元、传动单元和执行单元。具体而言主要包括扭矩传感器、车速传感器、离合器、转向柱总成以及伺服电机等。3.1 电动转向系统（EPS）的总体结构方案 根据上章对EPS的工作原理和关键技术以及其受力和助力的分析，初步确定本文的EPS采用转向轴助力式转向系统方式，系统由驱动电机，系统由驱动电机与离合器、控制器、驱动器、扭矩传感器、减速机构、防碰转向管柱总成、转向中间轴总成等组成(见图3-1)。EPS系统采用蜗轮蜗杆机构减速器，离合器与驱动电机一体化制造，装在减速机构一侧。当电动机发生故障时，离合器将自动分离。为了获得良好的动态特性，蜗轮采用树脂材料制造。图3-1 EPS系统总体结构3.2 电动助力转向系统的组成部件的设计选取3.2.1 EPS的传感器电动助力转向系统的控制决策的执行主要取决于车速传感器信号和扭矩传感器信号，它们是整个EPS控制系统的神经末梢，其性能的优劣、寿命的长短，直接影响着转向系统各部分的控制和监测质量，影响着控制策略的效果，所以各国对它们的研究与开发都非常重视。一般来讲传感器的选用与以下几个方面密切相关：a、控制方面的要求：涉及测定的目的、测量的对象、测量的范围以及精度要求等；b、传感器的性质：包括精度等级、稳定性、对象的特性影响等；c、使用条件：主要涉及应用现场的环境因素；d、供求水平和维护：也即经济性和良好的维护性。作为电动助力转向系统中的传感器当然也需要满足以上的要求，同时电动助力转向系统的工作环境的多变性、路况的相对恶劣性、以及来自电动机、功率驱动电路的电磁干扰比较大、考虑到人身安全要求的高可靠性等，电动助力转向系统也有其自身的特殊要求。具体体现在以下几个方面：1、有较好的环境适应性。因为汽车工作环境温度变化范围较宽（-4080）,道路表面质量相差很大；2、批量生产，并具有互换性；3、高可靠性，稳定性好；4、尽可能小型、轻量，便于安装。5、抗电磁干扰能力强；6、性能：精度高、响应快，从而满足电动助力转向对实时性的要求。以上这些要求是选择合适的传感器的基本原则。1、扭矩传感器扭矩传感器的功能是测量作用于转向盘的力矩的大小和方向。扭矩传感器信号是EPS最重要的输入控制信号，扭矩传感器要求精确可靠、抗干扰能力强。而电位式扭矩传感器由于其原理简单、成本较低等优点在电动助力转向系统中得到了广泛的应用。2、车速传感器 这种传感器是利用电磁感应的原理设计而成，是一种非接触式的传感器。在电动助力转向控制系统中起作用是把车轮的运动状态转变为电信号送入电子控制单元。而霍尔传感器不仅满足了EPS系统对运行稳定性和可靠性的要求，而且性价比也不高，是目前车速传感器里面比较理想的一种。3.2.2 电动机电动机是电动助力转向系统的关键部件之一，担负着系统控制指令执行功能。服电动机的选择直接关系到系统的调节品质和控制效果。考虑到汽车电控系统的电源等方面的因素，所设计的系统电机考虑采用直流电机。伺服控制系统中使用的直流电动机和一般动力用的直流电动机在工作原理上是完全相同的，但是各自的功能和作用不同，因此他们的工作状态和工作性能差别很大。在电动助力转向控制系统中，电动机的工作状态需要根据指令信号而改变。根据电动机在助力转向系统中的作用和特点，系统对它的性能提出了下列要求：（1）尽可能高的响应频率，亦即尽可能减小转子的转动惯量，增大转矩惯量比。（2）良好的低速平稳性。（3）尽可能宽的调速范围。（4）机械特性的硬度的数值尽可能大。（5）换向器和电刷间的接触火花尽可能小，以减小伺服噪声。（6）过载能力强。永磁电动机的励磁磁场由永久磁钢产生，无须外加励磁线圈，从而省去励磁电路，与电磁式电动机相比结构简单，体积较小，重量轻。而且永久磁钢产生的磁场可认为恒定，在控制方案中视为常数，从而简化了控制方案的设计。此外，其稳定性能和可靠性能超过了电磁式电动机，EPS系统属于中小功率范围，永磁式电动机可提供足够的功率，因此系统采用永磁式电动机。永磁式电动机有直流伺服电动机、无刷直流电动机和直流力矩电动机三种选择方案，直流伺服电动机的启动转矩大，调速范围广，机械特性和调节特性的线性度好，控制系统和控制方案简单。但是直流电动机的转子是带铁心的，加之铁心有齿槽，如果电动机的转动惯量大，机电时间常数较大，灵敏度较差；转矩波动较大，低速运转不够平稳；电动机换向时易产生火花，不够安全，并影响电动机的寿命。电动机结构做了特殊处理之后，可以保证转矩波动小，转动惯量低，电动机采取全封闭的形式从而去除了因换向火花带来的不良影响。由于直流伺服电动机有电刷和换向器，其间形成的滑动机械接触影响了电动机的精度、性能和可靠性所产生的电火花不够安全，因此有的电动助力转向系统采用无刷直流电动机。无刷直流电动机既有直流电动机的特性，又有交流电动机的结构简单、运行可靠及维护方便等优点。无刷直流电动机是把电子技术融入电机领域，将电子线路和电机融为一体的产物。无刷直流电动机是由电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而控制哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现了电子换向。其中转子是由永磁材料制造，具有一定磁极对数的永磁体无刷直流电动机是采用电子换向开关元件进行换向，它既具有直流电动机的优.又具有交流电动机的没有换向器和电枢、维护方便、无火花、无电磁干扰、能在恶劣环境下工作的诸多优点，但无刷直流电动机的价格较高，且控制系统和控制方案复杂。直流力矩电动机的工作原理和普通的直流伺服电动机相同。只是在结构和外形尺寸的比例有所不同。直流力矩电机结构上采用扁平电枢，可增加电枢槽数、元件数和换向器片数，而且适当加大电机气隙，所以力矩波动小，从而保证了低速下能够稳定运行。直流力矩电机由于结构的特殊设计，因此其机械特性和调节的线性度好。直流力矩电机的电磁时间常数小，电机响应迅速，动态特性好。直流力矩电动机虽具有诸多优点，但价格比较高。从价格、性能、控制的复杂度、开发周期以及现今国内电机制造水平等方面进行综合权衡，所设计的电动助力转向系统最终选择了直流伺服电动机。伺服电机输出的转矩、转速和功率，应能满负载运动要求控制特性应能保证所需的调速范围和转矩变化范围。3.2.3 减速机构减速机构的作用是降低电动机的输出轴的转速，从而将电动机输出轴的输出转矩放大后作用于转向输出轴。减速机构主要有两种形式：双行星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构。如图3-2示：图3-2 减速机构结构示意图双行星齿轮减速机构采用了双行星齿轮和传动齿轮驱动组合式。因为是多级减速，可提供较大的助力扭矩。为了降低噪声和提高使用寿命，减速机构部分采用树脂材料齿轮。双行星齿轮减速机构因为可提供较大的助力，通常用在小齿轮助力式和齿条助力式系统。蜗轮蜗杆减速机构简单，体积小，噪声低，成本较双行星齿轮减速机构低。3.3 EPS助力传动方案的分析比较与优化 开发电动助力转向系统的根本目的是减少驾驶员在对汽车进行转向操纵时的体力消耗，而转向体力消耗主要体现在转向功的大小上。因此，如何减小转向功就成了电动助力转向系统的主要研究目的。考虑到转向功是转向力和转向角之积，因此，减小转向功就可分为两种主要途径：一是减小转向力；二是减小转向角。前者的原理即通过提供一个转向助力，来直接减小转向力，代表性的方案就是蜗轮蜗杆助力传动机构方案；后者的原理是通过提供另外一个运动，此运动与转向运动合成后可减小转向角度，代表性的方案即差动轮系助位移机构方案。从广义上来说，后者可称为另一种方式的助“力”传动机构方案。下面详述两种助力传动机构方案的原理与特点。3.3.1方案的对比方案1、蜗轮蜗杆助力传动机构方案；这种方案由电动机、电磁离合器、车速和扭矩传感器、一套蜗轮蜗杆助力传动机构和电子控制单元组成，原理图见图3-3：图3-3 蜗轮蜗杆助力结构示意图 电动机提供的转向助力通过蜗轮蜗杆机构放大作用于转向柱，辅助驾驶员进行转向动作。在车辆高速行驶不需要助力或在助力转向系统出现故障时，为了增加转向的可靠性，在电动机与助力机构之间采用了电磁离合器来实现电动机与转向系统分离。由于电磁离合器的吸合和分离需要一定时间，必然造成转向的滞后与超调。例如在一定车速下，当转向手力大于某个给定值时，控制器根据扭矩传感器检测出的转向力和车速传感器测试的车速确定一个参考电压值，它通过调节驱动H桥的PWM波形的占空比来提供一定的电动机端电压，同时命令电磁离合器吸合。从而电动机开始提供助力，但电磁离合器并不是立即吸合，而是逐步吸合的，在吸合的时间内它使得助力机构提供的助力滞后，这样通过扭矩传感器反馈回来的手力信号仍然较大，这必然使得电动机的端电压继续保持较大，这种情况一直持续到离合器吸合为止；同样当转向手力下降到某个设定值时，电动机停止助力，但离合器不能马上分开，在离合器分离的时间内，驾驶员必须额外多付出一些体力来带动电动机转动。方案2、差动轮系助力传动机构方案； 这种方案它有两种结构，即NGW型圆柱齿轮助力机构（图3-4(a)）和锥齿轮助力机构（图3-4(b)）。图3-4（a）NGW圆柱齿轮差动轮系助力机构 图3-4（b）锥齿轮差动轮系助力机构它由电动机、车速和转角传感器、一套蜗轮蜗杆机构和一套差动轮系机构、电子控制单元组成。转向输入轴与差动轮系的中心轮连在一起，电动机经过一级蜗轮蜗杆减速机构带动齿圈运动，合成的运动由行星架输出。其工作原理是根据车速和手动转向角度，电子控制单元按照事先确定的控制规律使得电动机提供一个与手动转向同方向的辅助转角并利用差动轮系的运动合成得到前轮转向角度，这间接地减小了转向系统的传动比而减小了手动转向角度，从而减少了驾驶员消耗的转向功。在电动机不转即手动转向条件下，由于蜗轮蜗杆机构设计成反向自锁，故齿圈固定，转向动作通过行星架减速输出。这种助位移传动机构方案的最大特点是不需要电磁离合器，故也不存在方案1中的滞后和超调效应，而且不会造成手力的突变。但差动轮系机构方案是由一套蜗杆机构机构和一套差动轮系机构组成，其效率要比只有蜗轮蜗杆机构的方案1低，并且其体积比方案1大。3.3.2 传动机构性能比较上述两种助力传动机构方案哪一种更好，或者更适用于何种场合，必须从分析它们对转向系统性能的影响入手。衡量转向系统性能的主要指标有转向灵敏性、转向手感。电动助力转向系统的转向灵敏性取决于辅助转向运动和手动转向运动之间的运动学关系，而转向手感取决于辅助转向和手动转向之间的动力学关系，因此对这两种传动机构方案之间的运动学和动力学进行分析比较，对在各种类型车辆的电动助力转向系统设计中如何确定辅助转向传动机构的方案就显得十分重要。1、 运动学分析比较(1) 蜗轮蜗杆机构方案的运动学关系较简单，电动机输出轴角速度必须满足式（3.1）其中m,e分别是电动机与转向盘角速度，N是助力机构传动比。m=Ne (3.1）从式（3.1）可知，电动机的角速度即蜗杆的角速度必须是转向柱角速度的N倍，这种方案下电动机转速必须与手动转向转速匹配，转向系统只有一个自由度。当不助力时，电磁离合器脱开，直接依靠手转向运动带动前轮转向。显然，这种方案下电动助力转向系统的传动比不可变，故转向灵敏性不可调，并且它的传动比与手动转向时的一致，即助力机构的增加并不改变手动转向的转向灵敏性。(2) 差动轮系设其中心轮的转速、齿圈的转速、行星架的转速,前轮等效到转向柱的转向速度为手动转向速度和电动机转速的合成，显然这种方案具有两个自由度。当手动转向规律确定而电动机的转速改变时，合成后得到的前轮转向速度也随之改变，因此可以通过独立地调整电动机的转速来获得不同的转向系统传动比，从而这种方案下的转向灵敏性是可调。在纯手动转向即电动机不转时，蜗轮蜗杆自锁导致齿圈固定。由于差动轮系的减速作用，电动机转即手动转向时此方案下的传动比比方案1大了Z3/Z1倍，使得手动转向灵敏性下降，这对车辆高速行驶下操纵的安全性是很不利的，这可以通过调整电动机的输出转速来解决。但这要求在车辆高速行驶时，电动机必须持续工作，因此其能耗必然大于方案1。2、 动力学分析比较（1）对蜗轮蜗杆机构方案进行动力学分析，由于只考虑转向手感的比较，故可忽略一些次要的因素如转向系统刚度，其中，Th，Ta，Tr分别是手力、电动机助力和转向阻力，J，b分别是整个手动转向系统的转动惯量和粘性摩擦系数。为得到电动机助力表达式，首先应分析电动机的动态特性，其次再分析电磁离合器的动态特性。但根据所查阅的国外文献来说，都没有考虑过电磁离合器的动态特性。（2）对于差动轮系把方向盘、转向柱和差动轮系的中心轮作为一个整体，前轮和行星架作为一个整体，再把前轮的转向阻力和转动惯量等效到转向柱以便对其进行动力学分析，电动机提供的助力必须克服2倍的转向阻力，才能改变其自身的运动状态即角速度和角加速度，进而才能对手力产生影响，而这种影响在较小的情况下并不是很显著。并且总有一部分转向阻力按照固定的比例分配到手力上，所以这种传动机构方案下车辆以任何车速行驶时都能确保转向手力的存在即转向手感的存在。而蜗轮蜗杆机构方案若某个车速下的助力增益过大且手力设定值太小，将导致转向手力过小，从而导致失去转向手感。差动轮系机构方案虽然可确保转向手感的存在，但从另一方面分析，它不能显著地减少转向手力，因此这种方案只能是助位移而不是助力，电动机的转角应随车速变化按照一定规律跟踪手动转向角度，其中K是助转角增益，随车速而变化，以获得最佳的转向特性。 从上述讨论可以知道，这两种传动机构方案各有利弊。蜗轮蜗杆减速机构简单，体积小，噪声低，成本较星齿轮减速机构低。其提供的助力虽不及星齿轮减速机构，但已能满足轿车的助力要求，因此，蜗轮蜗杆减速机构通常用在转向柱助力式的轿车转向。3.4 本章小结本章从总体上对EPS的结构进行了初步设计，探讨了电动助力转向系统（EPS）对传感器、电动机、离合器及其传动减速机构的基本要求，在以往设计的基础上，对系统的某些部件进行了调整与改进，对系统的各个部件进行了具体的选型，并对两种助力传动方案进行了优化比较，得出一些有用的结论第4章 电动助力转向系统（EPS）关键部件的介绍 电动助力转向系统的减速结构是该系统不可缺少重要组成部分，其减速机构把电动机的输出，经过减速增扭传递到动力辅助单元，实现助力。因此，减速机构设计是EPS系统的关键技术之一。目前常用的减速机构有多种结构形式，主要分为蜗轮蜗杆式、行星齿轮式等(详见第三章)。经过分析讨论，根据实验条件和设备，我们选用了蜗轮蜗杆式减速机构。本章对该机构的关键部件进行了参数选择或设计计算，并对整个机构进行了优化。采用蜗轮蜗杆减速机构(见图4-1)，其传动机构有如下两大优点: (一)实现大的传动比。在动力传动中，一般传动比1=S一80;在分度机构或手动机构的传动中，传动比可达300;若只传递运动，传动比可达1000。由于传动比大，零件数目又少，因而结构很紧凑。(二)在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮是逐渐进入啮合逐渐退出啮合的，同时啮合的齿对数较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。图4-1 蜗轮蜗杆减速机构图4.1 转向轴的设计计算在计算的时候，我们先进行电动机的参数选择，根据第三章的对电动机的分析研究 以及常用车型和方向盘转矩的范围和EPS系统对电动机性能的要求，选择电动机的具体参数，如图4-2所示:电动机类型:无刷永磁式直流电动机额定电压(V) 12;额定扭矩（N .m ) 1.76;额定电流(A) 30; 额定转速(r/min ) 1210; 图4-2 无刷永磁式直流电动机采用蜗轮蜗杆组合方式的电动助力转向系统结构简图如4-2所示，转向轴的计算通常都是在初步完成结构设计后进行校核计算，计算准则是满足转向轴的强度或刚度要求，必要时还应校核轴的振动稳定性。对于转向器，其转向轴承受的主要是来自方向盘的转矩和电动机的转轴的转矩，故只需要进行轴的强度校核计算即可。 图4-3 电动助力转向组成系统框图 进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。对于仅仅(或主要)承载扭矩的轴(传动轴)，应按扭转强度条件计算;对于只承受弯矩的轴(心轴)，应按弯曲强度条件计算；对于既承受弯矩又承受扭矩的轴(转轴)，应按弯扭合成条件进行计算，需要时还应按疲劳强度条件进行精确校核。此外，对于瞬时过载很大或应力循环不对称较为严重的轴，还应按峰值载荷校核其静强度，以免产生过量的塑性变形。电动助力转向机构的转向轴主要是进行转动作用，只需按扭转强度条件计算即可。按扭转强度计算，根据电动助力转向系统的设计要求，仅进行扭转强度条件计算就可以了。如果还有不大的弯矩时，则用降低许用扭转切应力的办法予以考虑。转向轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴径。对于不大重要的轴，也可以作为最后计算结果。轴的扭转强度条件为：式中: T扭转切应力，单位为Mpa； T轴所受的扭矩。单位为Nmm ； WT轴的抗扭截面系数，单位为mm3 ；N轴的转速，单位为r/min ； P轴传递的功率，单位为kW ； d计算截面处轴的直径，单位为mm； T许用扭转切应力。单位为Mpa。由上式可得轴的直径 通常取=0.50.6。应当指出，当截面上开有键槽时，键槽对轴的强度有影响，应增大轴径。当直径d 100 mm，加工一个键槽时，轴径应增大3%；加工两个键槽时，应增大7%。对于直径d100 mm，加工一个键槽时，轴径应增大5%7%，加工两个键槽时，应增大10%一15%。然后将轴径圆整为标准直径。应当注意，这样求出的直径，只能作为承受扭矩作用的轴端的最小直径d。4.2 普通圆柱蜗杆传动的主要参数以及几何尺寸的设计计算为了抑制噪声和提高耐久性，减速机构中的齿轮有的采用特殊齿形，有的采用树脂材料制成。如图4-4所示，在中间平面上，普通圆柱蜗杆传动就相当于齿条与齿轮的啮合传动。故在设计蜗杆传动时，均取中间平面上的参数(如模数，压力角等)和尺寸(如齿顶圆、分度圆等)为基准，并沿用齿轮传动的计算关系。普通圆柱蜗杆传动的主要参数及其选择:普通圆柱蜗杆传动的主要参数有模数m、压力角a、蜗杆头数Z1、蜗杆齿数Z2及蜗杆的直径d1等。进行蜗杆传动的设计时，首先要正确地选择参数。4.2.1 按齿面接触疲劳强度进行设计 在闭式传动中，蜗杆副多因齿面胶合或点蚀而失效，因此根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距1）确定作用在涡轮上的转矩T2按Z1=1,估取效率=0.8，则T2=T10.8=1408Nmm2）确定载荷系数K 因工作载荷较稳定，所以选取齿向载荷分布系数K=1；由下表选取使用系数Ka=1.15；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数Kv=1.05；则表3-1蜗杆传动使用系数蜗杆传动使用系数KA原动机 工作机载荷均匀中等冲击载荷严重冲击载荷电动机、汽轮机0.81.250.91.51.01.75多刚内燃机0.91.51.01.751.252.0单缸内燃机1.01.751.252.01.52.25注：小值用于每天偶尔工作，大值用于长期连续工作。3）确定弹性影响系数ZE因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故ZE =160MPa1/24)确定接触系数Z先假设蜗杆分度圆直径d，和传动中心距a的比值d1/a=0.35，则可查得Z=3.05）确定许用接触应力H根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZcuSn10P1，金属模铸造，蜗杆硬度45HRC可从下表中查得蜗轮的基本许用应力H=268MPa表3-2各种铸件的基本许用接触应力值涡轮材料铸造方法蜗杆螺旋面的硬度45HRC45HRC铸锡磷青铜ZCuSn10P1砂模铸造150180金属模铸造220268铸锡铅锌青铜 ZCuSn5Pb5Zn5砂模铸造113135金属模铸造128