电子动力转向系统的研究与设计（毕业论文） 开题报告

电子动力转向系统研究与设计开题报告一、课题的目的和意义 为了减轻驾驶员转动方向盘的操作力，利用动力产生辅助主力的装置，称为转向助力机构。动力转向，是一种以驾驶员操作方向盘为输入信号，以转向轮的角位移为输出信号的伺服机构。动力部分跟手动操作，产生于转向阻力相平衡的辅助力，使车辆进行转向运动。与此同时，把部分输出反馈给驾驶员，使其获得适当的手感，构成所谓的双动伺服机构。随着高速公路的不断延伸与轿车的不断提高，传统的液压动力转向暴露出一个致命的弱点，即若要保证汽车在停车或低速掉头时转向轻便的话，那么当汽车在高速行驶就会感到有“发飘“的感觉；反之，若保证汽车在高速行驶时操作有适度感的话，那么当其要掉头或停车时就会有感到转向太重，两者不兼顾，这是由于传统的动力转向的结构决定的。现在，动力转向系统已成为一些轿车的标准设置，全世界约有一半的轿车采用动力转向。随着汽车电子技术的发展，目前一些轿车已经使用电动助力转向器，使汽车的经济性、动力性和机动性都有所提高。电动助力转向装置是汽车上一种新的助力转向系统装置,近年来在国内外发展迅速,由于它采用了可编程电子控制装置,在带来灵活性的同时也存在着安全隐患.在分析这种产品特殊性的基础上,笔者结合电子控制装置的特点,指出了事关安全性的因素,提出了处理安全性的措施,并讨论了几个事关安全性的具体问题.研究结果表明:现有标准不能够满足电动助力转向装置安全性的需要;并提出了对电动助力转向装置进行安全性测评的思想.研究工作对电动助力转向装置的开发以及评价具有参考意义.二、 文献综述随着近年来电子控制技术的成熟和成本的降低, EPS越来越受到人们的重视, 并以其具有传统动力转向系统不可比拟的优点, 迅速迈向了应用领域, 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1 /3以下, 且前者比后者使整车油耗下降可达3%5%, 因而, EPS将成为汽车传统转向系统理想的升级换代产品。自1953年美国通用汽车公司在别克轿车上使用液压动力转向系统以来, HPS给汽车带来了巨大的变化, 几十年来的技术革新使液压动力转向技术发展异常迅速, 出现了电控式液压助力转向系统(Electric Hydraulic Power Steering,简称EHPS) 。1988年2月日本铃木公司首先在其Cervo车上装备EPS, 随后又应用在Alto汽车上; TRW公司继推出EHPS后也迅速推出了技术上比较成熟的带传动EPS和转向柱助力式EPS , 并装配在Ford Fiesta和Mazda 323F等车上, 此后EPS技术便得到了飞速的发展。在国外, EPS已进入批量生产阶段, 并成为汽车零部件的高新技术产品, 而我国动力转向系统目前绝大部分采用机械转向或液压助力转向,EPS的研究开发目前还处于起步阶段, 其产品、在2002年才有国内企业进行研制开发。目前,只有南摩股份有限公司能小批量生产用于汽车装配, 在昌河公司产的爱迪尔轿车、南京菲亚特公司产的新雅途轿车上使用。 三、研究（设计）内容和拟解决的关键问题3.1EPS系统电动助力式转向系统利用电动机产生的动力协助驾车者进行动力转向, 不同车的EPS结构部件尽管不一样, 但其基本原理是一致的。图1为EPS系统控制框图。 图1 EPS系统控制框图当汽车处于直线行驶状态时, EPS便处于Standy状态,电动机停止工作, 只有在汽车转向时, 系统才实时的实现助力控制作用。因而, EPS可以很容易的实现在全速范围内的最佳助力控制, 在低速行驶时保证汽车的转向灵活轻便, 在高速行驶时保证汽车转向稳定可靠。EPS的主要部件包括扭矩传感器、车速传感器、电动机、电子控制单元、减速机构和电磁离合器, 其工作原理如下:21311扭矩传感器、车速传感器EPS中扭矩传感器主要有: 电阻式转向传感器、非接触式电感扭矩传感器和其他类型传感器, 也有很多厂家采用在转向轴位置加一扭杆, 通过测量扭杆的变形转化得到扭矩的大小和方向。电阻式转向传感器实际上是个滑动可变电阻器, 其滑动触电固定在输出轴上, 电阻线部分固定在输入轴上。当操作方向盘时, 滑动触点在电阻线上的移动使得电位计的电阻值随之变化, 最终近集成电路IC处理以变化电流的形式将方向盘信号送至ECU 。电阻式传感器在早期EPS中应用较多, 这种传感器价格低,但体积大, 易于磨损。随着非接触式扭矩传感器成本的降低, 越来越多的厂商转而采用这种精度高、体积小且寿命长的新型传感器。图3所示为KOYO公司研制的非接触式EPS扭矩传感器原理图, 改装置由安装在输入轴上的探测环1和探测环2, 安装在输出轴上的另一个探测环1, 探测线圈和补偿线圈组成。当方向盘转动时, 扭杆受受转动力矩作用发生扭转, 此时由于线圈是固定不动的, 探测线圈与探测环之间的位置发生变化从而导致线圈磁阻改变, 并最终反映了扭矩的变化。另外, 还有如美国Allegro Microsystems公司开发的磁环式霍尔速度传感器, 它可以将转向盘的扭矩、转角、角速度大小及方向等信息转化为电信号输出 。图2为非接触式扭矩传感器。图2非接触式扭矩传感器扭矩传感器测量值的参考范围为- 12 +12 Nm , 输出电压范围0 + 5V ; 车速传感器应用较多的有输出为脉冲信号或电压信号两种, 输出电压值信号参考范围为0 + 5V,输出脉冲信号参考范围为, 检测的车速范围可达1200Km /h21312电动机助力电动机是EPS系统的动力源, 它根据ECU输出的控制指令, 在不同的工况下输出不同的助力转矩, 对整个EPS性能影响很大, 因此需要具备良好的动态特性、调速特性和随动特性并易于控制, 而且要求输出波动小、低转速大转矩、转动惯量小、尺寸小质量轻等, 因此, 常采用无刷式永磁直流电动机。为改善操纵感、降低噪音和减少振动, 在电动机转子外表面开出斜槽或螺旋槽, 而改变定子磁铁的中心处或端部厚度, 将定子磁铁设计成不等厚等 。三菱Minica的EPS电动机主要参考参数为: 永磁式直流电机, 额定电压DC12V, 最大工作电流30A, 额定转矩1Nm 。TRW公司推出的带传动EPS在工作电压1315V下, 最大工作电流为85A, 齿条输出的最大功率为600W, 齿条最大助力12500N; 转向柱助力式EPS在其工作电压1315V下, 最大工作电流为70A, 齿条输出最大功率为470W,齿条最大助力7500N, 最大助力转矩为55N m 。随着现代汽车技术的发展, 汽车各部件越来越多的采用42V 直流电源, 因而, 面向42V直流电的EPS也逐渐成为汽车技术研究热点之一。采用42V直流电的EPS将能够在较低的输出电流同时保证有足够的输出功率, 既降低了系统的能耗和发热, 又能够改善系统的控制。21313电磁离合器电动式EPS转向助力一般都是工作在一个设定的范围。当车速低于某一设定值时, 系统提供转向助力, 保证转向的轻便性; 当车速高于某一设定值时, 系统提供阻尼控制, 保证转向的稳定性; 而当车速处于两个设定值之间时,电动机停止工作, 系统处于Standy状态, 此时,为了不使电动机和电磁离合器的惯性影响转向系统的工作, 离合器应及时分离, 以切断辅助动力。另外, 当EPS系统发生故障时, 离合器应自动分离, 此时仍可利用手动控制转向, 保障系统的安全性。三菱Minica的EPS采用离合器主要参考参数为:干式单片电磁式电磁离合器, 额定电压DC12V,绕组1915 (20C) , 额定传递扭矩15 /12V（20C) 。减速机构是电动式EPS不可缺少的部件,它把电动机的输出减速放大后再传递给执行部件。目前实用的减速机构有多种组合方式, 采用较多的为蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合式, 如图5所示, 也有的采用两级行星齿轮与传动齿轮组合式。装配有离合器的EPS, 多采用涡轮蜗杆减速机构, 装配在减速机构的一侧, 为了保证EPS在预定车速范围内工作, 在范围之外,离合器分离, 电机停止工作, 转向系统转为手动, 另外, 当电动机发生故障时, 离合器也自动分离。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。电动助力转向系统的研制关键及发展趋势电动助力转向系统在操纵轻便、节能等方面充分显示了其优越性，应用前景广阔。研制电动助力转向系统的关键，在于电子控制技术，包括确立适宜的助力特性，还有采集主要参数的传感技术。此外，电动助力转向系统与汽车的安全性、操纵稳定性之间的关系，电动助力转向系统的可靠性等将成为重要的研究课题。电动助力转向系统出现十几年来，在降低系统自质量、价格，减少系统发热、电流消耗、内部摩擦，与整车进行匹配获得合理的助力特性，保证良好的路感等方面取得了重大进步。未来的发展趋势是：（1）进一步改善控制性能，使之更好地与不同档次汽车相适应。如增加汽车转向反馈信号，对车辆回正性能进行控制等。（2）提高系统的可靠性。如采用非接触式转矩传感器等。（3）降低价格四、研究（设计）方案与进度计划安排日期内 容4.41至4.20调研、查阅中外文献，自己初步确定设计方案，给出框图4.21至4.27撰写开题报告，进行外文翻译，完成外文翻译4.28至5.4指导教师讨论确定系统设计方案完成开题报告5.5至5.11设计原理框图和硬件原理图，采用PROTEL99画出原理图5.12至5.18编写程序流程图和软件程序5.19至5.25调试软件和硬件修改软件及硬件5.26至6.1技术理论分析6.2至6.8搜集资料，整理相关数据、图纸等按照学院统一要求撰写毕业设计（论文）6.9至6.15指导教师修改毕业论文6.16至6.22指导教师、评阅教师评阅论文，分别给出成绩6.23至6.29装订论文，准备10分钟PPT演讲稿参加答辩五、预期结果和创新成果通过与国内外同类课题分析比较，阐明其学术价值与应用价值，体现课题的创造性。电动助力转向系统自1988 年3月首次在日本铃木汽车公司的塞尔沃轿车上使用以来，紧接着在大发汽车公司的米勒、三菱汽车公司的米尼卡、铃木汽车公司的奥拓等轿车上相继采用。目前，国外几家大公司都竟相推出自己的电动助力转向系统。在1998年北京第五届国际汽车博览会和2000年北京第六届国际汽车博览会上，德国的.ZF 公司展出了电动助力转向系统。至今，国内仅有为数不多的院2000年的32%。柴油机赋予了旧车型以新的生命，如标致, 或第一代雷诺Laguna。柴油车的畅销，一方面是由于燃油价格大涨，另一方面，法国和德国制造商推出了效率更高、更清洁、更节能的新型增压柴油发动机系统。这些新型发动机都是高压直喷柴油机，正是标致和雷诺的研究重点，他们的HDi 和dCi柴油车在销售中的份额不停的呈跳跃式增长。57%的雷诺“风景”车和“甘果”车、59%的雪铁龙“毕加索”车、70.5%的标致406 以及,68%的标致,607 都是柴油车。更令人惊奇的是，柴油车在小型多功能车上所占份额也不容小视，而那些推出柴油车较晚的制造商则损失惨重，销量大减，如福特在法国的销量下降了7%，在欧洲下降10%，欧宝也一样。2000年对于法国制造商来说是丰收年，雷诺和PSA 通过自身内部的重组，决策人士的严格管理以及对市场敏锐的战略眼光，一举收复了失地，并开始大举反攻。在法国整个轿车（新）市场下滑0.7%的情况下，法国制造商的销量却有所上升，达到126万辆。PSA凭借标致206 .8.2%的市场占有率和雪铁龙“毕加索”2.8%的市场占有率一举拿下31%的市场份额；而雷诺则保持了1999年的销售水平， 达到602 415辆， 占据了28.2%的市场份额，它的同盟伙伴日产在法国的销量更是大涨2.9%。同时其主要竞争对手则开始丧失领地，大众“高尔夫”的销量下降2.3%，退出了法国销量十佳，而福特集团和本田的销量更是分别下跌了21%和42%同时，在海外市场，法国车也处处开花。1996, 至2000 年间，法国汽车的出口在英国增长了20%，在德国增长了20%，在西班牙和意大利的增幅分别达到了55%和90%。六、成文时间和提交成果形式成文时间：2008年6月29日提交成果形式：论文七、参考文献1 邓泽英. 电子动力转向系统.解放军汽车管理学院2 冯英,肖生发, 李春茂.电子控制式电动助力转向系统的控制.汽车研究与开发.2001年第6期3 林逸,施国标,皱常丰.电动助力转向助力控制策略的研究.汽车技术.2002年12月4 潘新民.微型计算机控制技术.北京：高等教育出版社，2003年2月5 胡寿松.自动控制原理，国防工业出版社.2005年3月6 何立民.单片机应用技术.北京：北京航空航天大学出版社，1991年2月7 汪吉鹏.微机原理与接口技术.北京：高等教育出版社，2002年7月8 王兆安,黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2000年6