电动助力转向系统试验台结构设计毕业设计论文

摘 要本论文对电动助力转向(EPS)系统试验台进行了分析和设计。在本文中，对EPS试验台的两种布置形式进行了对比和选择，结合现代EPS系统试验台的发展趋势，对EPS系统试验台进行了分析和设计。通过研究EPS的工作过程，进行试验台总体方案的设计，再对试验台的总体结构进行设计，设计过程中参考了东华转向器公司的产品，运用AutoCAD画出试验台的装配图。在设计中采用了液压滑台设计，并对一些关键部件进行了选择、校核。本文设计的试验台的优点：(1)检测试验简单，结构紧凑(2)装夹控制方便(3)改进方便，便于升级改装关键词：EPS；试验台；AutoCAD；液压滑台ABSTRACTThis paper aims to do some analysis and design of electric power steer (EPS) system test platform, two forms of which are compared and selected in this context. Through learning the trend of modern EPS system test platform, it includes analysis and design of EPS test platform. By studying the work process of EPS, and then design the overall structure of EPS test platform with the reference to Dong Hua steering companys products. The assembly drawing of EPS test platform is drawn by AutoCAD. In this design, hydraulic slider is selected, and some key parts are selected and checked.The advantages of my design are as follows:(1)Testing simple, structure compacted(2)Easy to clamping and control(3) Easy to be improved and updated.Keywords：EPS；test platform；AutoCAD；hydraulic slider目 录第一章 绪 论11.1引言11.2选题背景与意义11.3研究现状21.4本文研究的内容2第二章 电动助力转向系统试验台的总体设计42.1电动助力转向系统42.1.1工作原理42.1.2工作特点42.2典型试验介绍52.2.1名词定义52.2.2 特性试验的性能技术要求52.3试验台整体方案设计62.4试验台测试项目82.4.1车速82.4.2系统的阻力矩82.4.3电动机的各项参数92.4.4转向盘主扭矩与助力电动机转矩的关系9第三章 电动助力转向试验台各部件的选用123.1系统主要部件123.1.1电子控制单元(ECU)123.1.2电动机123.1.3减速机构133.1.4转向电动机143.1.5磁粉制动器143.2传感器的选择163.2.1转速传感器183.2.2转矩传感器18第四章 试验台的结构设计214.1试验台的布置214.2联轴器的选择与校核214.3普通平键的选择与校核244.4液压滑台254.5磁粉制动器支架254.6减速机构支架264.7转向电机支架26第五章 结 论275.1结论275.2总结27参考文献28致 谢29附录A：英文资料30附录B：英文资料翻译36第一章 绪 论1.1引言汽车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按照驾驶员的操作要求而适当的改变其行驶方向，并在受到路面传来的偶尔冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车的操纵稳定性和安全性。汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成，如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的操纵设计显得尤为重要。1.2选题背景与意义汽车电动助力转向系统(EPS)在日本最先获得实际应用。1988年日本铃木公司首次开发出电动助力转向系统，并装在其生产的Cervo车上，随后又配备在Alto上。此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的Delphi公司，英国Lueas公司，德国的ZF公司，都研制出了各自的EPS。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加强。日本早期开发的EPS仅仅在低速和停车时提供助力，高速时EPS将停止工作。新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。随着电子技术的发展，EPS技术日趋完善，并且其成本大幅度降低，因此其应用范围将越来越大。电动助力转向系统的优势主要体现在：(1) 提高了汽车的操纵性能。EPS能在各种行驶工况下提供最佳助力，减少由路面不平所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减小汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。(2) 提高了汽车的燃油经济性，减少了对环境的污染。电动助力转向系统直接通过电动机的输出给驾驶员提供助力，电动机只有在转向时才工作，在不进行转向时几乎没有动力消耗，提高了汽车的燃油经济性；同时由于不需要转向油泵，油管及控制阀等液压元件，不会发生液压油的泄露和损耗，减少了对环境的污染。(3) 增强了转向跟随性和可靠性。在EPS系统中，电动机与助力机构直接相连以使其能量直接用于车轮的转向，增加了系统的转动惯量，减小了车轮的反转和转向前轮摆振，增强了转向系统的抗扰动能力；EPS旋转力矩产生于助力电机，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；电动助力转向系统还可有各种安全保护措施和故障自诊断功能，使用可靠，维修方便。(4) 能够提供可变的转向助力。对于传统的液压系统，可变转向力矩获得非常困难而且费用很高，要想获得可变转向力矩，必须增加额外的控制器和其它硬件；电动助力转向系统的转向力来自于助力电机，可变转向力矩写入控制模块中，通过对软件的重新编写即可获得，所需费用很小。(5) 占用空间更小，质量更轻，结构更紧凑。电动机和减速机构在转向柱或转向系内，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、油管、液压油、密封件、传送带和装于发动机上的皮带轮等部件，因而其所占空间更小，质量更轻、结构更紧凑，在安装位置的选择方面也更容易，装配自动化程度更高。1.3研究现状电动助力转向系统自生产至今，经过几十年的应用与发展，已取得了较大的进步。如今，在国外己大规模采用EPS，其应用范围也将进一步拓宽，将作为标准件装备在汽车上，并将在动力转向领域占据主导地位。目前，在全世界汽车行业中，电动助力转向系统每年正以90%10%的增长速度发展，年增长量达130万150万套，2008年将超过1000万套。按此速度发展，用不了几年的时间，电动助力转向系统将逐渐占领轿车市场，并向微型车、轻型车和中型车扩展。EPS是汽车关键零部件之一，其质量对汽车转向有着重要的影响。实车试验需要消耗大量的财力、人力和物力，如果在实车试验之前进行必要的台架试验，为后续实车试验获得某些基本参数和算法，是非常有益的，同时也可以降低直接装车进行路试的危险性和研究成本。汽车EPS试验台就是针对这一情况研制的，它采用微机为控制核心，采用传感器对EPS系统输入端的扭矩、输入端的转角、输出端的扭矩进行检测，实现EPS性能和可靠性试验的自动测量和图形的动态显示，数据及特性曲线的自动记录输出。同时具有储存、打印和再处理功能。汽车EPS试验台的使用将会大大提高产品的装配质量和检测精度，为质量管理提供了统计资料，且使产品的装配、调试、检测工作变得十分简单，生产效率大幅度提高。1.4本文研究的内容(1)电动助力转向试验台总体方案设计；(2)电动助力转向试验台总体结构设计；(3)电动助力转向试验台用传感器的研究与选型；(4)非标零件图设计；(5)试验台的布置。第二章 电动助力转向系统试验台的总体设计2.1电动助力转向系统2.1.1工作原理电动助力转向系统主要由传感器、电子控制器ECU、执行器三个部分组成。其中传感器主要包括车速传感器、转矩传感器、转向角传感器；执行器主要包括电动机、电磁离合器和减速机构。其工作原理为：电子控制单元(ECU)根据车速传感器和转向盘转矩传感器的信号计算所需的转向助力的大小，通过功率放大模块控制直流电动机的转动，助力电动机的转矩经过减速机构减速增扭后，驱动齿轮齿条转向机构，产生相应的转向助力。EPS系统还设有故障诊断模块和保护措施，当EPS发生故障时，故障诊断及代码显示模块发出报警信号，并且以故障代码的形式指示故障类型同时，EPS系统断开电磁离合器，转为手动纯机械转向状态。电动助力转向系统能够实现不同车速下实时地为汽车转向提供不同的助力效果，减轻了汽车低速时的转向盘操纵力，提高了操纵的灵便性和高速行驶的稳定性。2.1.2工作特点对于电动助力转向机构，电动机仅在汽车转向时才工作并消耗蓄电池能量；而对于常流式液压动力转向机构，因液压泵处于长期工作状态和内泄漏等原因要消耗较多的能量。两者比较，电动助力转向的燃料消耗率仅为液压动力转向的16%20%。液压转向机构内的工作介质是油，任何部位出现漏油，油压将建立不起来，不仅失去助力效能，并对环境造成污染。当发动机出现故障停止工作时，液压泵也不工作，结果也会丧失助力效能，这就降低工作可靠性。电动助力转向机构不存在漏油问题，只要蓄电池内有电提供给电动助力转向机构，就能有助力作用，所以工作可靠。若液压动力转向机构的油路进入空气或者贮油罐油面过低，工作时将产生较大噪声，在排除气体之前会影响助力效果；而电动助力转向仅在电动机工作时有轻微的噪声。电动助力转向与液压动力转向比较，转动转向盘时仅需克服转向器的摩擦阻力，不存在回位弹簧阻力和反应路感的油压阻力。电动助力转向还有整体结构紧凑、部件少、占用的空间尺寸小、质量比液压式动力转向约轻20%25%以及在车上容易布置等优点。2.2典型试验介绍2.2.1名词定义国家标准汽车电动助力转向装置技术条件与台架试验方法中对循环和损坏有如下定义：循环：转向器输入端由中间位置向一个方向旋转至规定的角度后，返回中间位置再向另外一个方向旋转之规定角度后，再回到中间位置为1个循环。损坏：被试总成按规定的可靠性试验项目完成试验后，有下列情况之一出现，则认为己损坏。u 做功能试验时未满足功能技术要求。u 试验后的输入、输出特性曲线未满足输入、输出特性技术要求。u 试验后的助力电流特性曲线未满足设计技术要求。u 做反向冲击试验，丧失反向接通能力，并未满足反向冲击指标技术要求。u 回正试验时转向器回不到中间位置，并未满足回正特性技术要求。u 做噪声试验时未满足噪音指标的要求。u 做电磁特性试验未满足电磁特性技术要求。u 单个电器元器件损坏。u 任何零件出裂纹和变形。2.2.2 特性试验的性能技术要求国家标准汽车电动助力转向装置技术条件与台架试验方法中对电动助力转向系统性能技术条件有如下：(1)功能要求模拟不同车速转动转向盘的过程中感觉在转动转向盘的过程中应平滑、无卡滞；转向盘无明显振动，转动转向盘至任意角度停下时转向器输出端不应有惯性延时现象。(2)输入、输出特性按照不同的车速测量输入、输出力矩/力并绘制力矩特性曲线，电动助力装置的助力特性应符合设计要求，各车速下的曲线对称度不小于85%。(3)助力电流特性按照不同的车速，测量输入轴力矩并绘制助力电流特性曲线，该特性应符合设计要求。(4)反向冲击指标在转向器输出端施加冲击力，电动机应迅速反应制止转向盘转动，冲击时电流响应时间不超过10毫秒，在转向盘上不能产生大于3度的转动角度。(5)空载转动力矩检查电动助力转向装置在电源关闭和接通状态下转动的机械摩擦以及任何可能的机械阻力，转动阻力矩及其波动应符合设计要求。(6)回正特性1)低速行驶回正时，回正特性曲线应通过原点；2)高速行驶回正时，回正特性曲线允许有残留角，该值不大于5度。(7)报警要求任一元件及线路损坏，故障代码或故障报警显示灯应立即显示。2.3试验台整体方案设计查阅相关资料发现有多种电动助力转向试验台架。图2-1 EPS试验台如图2-1所示，此试验台架结构简单，体积小，占用空间小；不过只能完成相对较简单的电动助力转向试验，自动化程度低，无法通过工业计算机操作试验，观察试验的图像，而且车轮不能模拟多种路况的转向阻力矩，更不能满足电动助力转向系统出厂时的耐久性检测，综合以上几个方面，此种方案不能满足此次设计的要求。参考东华转向器公司的试验台，我做了少许改变，得到下图的总体设计框图，此试验台能满足此次设计的要求，且自动化程度高。图2-2 试验台总体设计框图试验台总体设计框图如图2-2所示。电动助力转向系统的电子控制单元根据转矩信号、模拟车速信号，模拟发动机转速信号来控制助力电机的电流大小，这时助力电机会给EPSECU一个反馈电流，EPSECU会根据这个反馈电流和下面的转矩传感器的转矩信号时时控制电流大小，EPSECU会把这些数据传给数据采集系统，然后进行数据处理，数据处理系统会根据情况来控制磁粉制动器的阻力矩，来模拟路面的阻力情况。本试验台会把助力电动机的电流和转向盘的转矩曲线图与数据库中的曲线图进行比较，来判定电动助力转向系统的好坏。此试验台也可以作电动助力转向系统的耐久性试验。整个试验台主要有三个部分：(1)是机械部分，包括EPS转向机械系统和驱动电动机；(2)是控制部分，包括电子控制系统以及程序调试系统；(3)是数据采集分析系统。汽车电动助力转向试验台的组成：1)转向电动机；2)直流电动机，额定电压12V，额定转矩1.6N.m，额定输出功率170W，额定转速1050r/min，额定电流30A，通过减速机构和转向柱连接；3)试验台架，用于安装固定各个部件；4)模拟转向负载的阻尼器，安装在转向轴径上；5)转矩传感器，电压测量范围010V6)车速信号模拟装置和控制电路板；7)电源，为系统提供所需电压380V/220V，电源总电流DC50A，台架人体可触及部分元器件配电：24V；8)多功能数据采集卡：PCI-8310数据采集卡。试验台系统总体结构框图如图2-1所示，通过传感器来测量一些电量和非电量，这些量为：车速、EPS装置中转向盘的主扭矩、转向盘的转向角度和制动器阻力矩，助力电动机的电流、电压和转矩等。把这些量以及ECU(电子控制器)中的一些控制量一起，通过PCI-8310多功能板传送到工业控制计算机上，并适时显示系统运行各项数据及主要参数曲线，并最终存到数据库系统中，据此来分析EPS的性能，然后通过改变EPS装置中ECU(电子控制器)硬件和软件的某些方面，从而能使该装置达到最佳的工作状态，为以后汽车电动助力转向装置的研制提供可借鉴的数据和经验。2.4试验台测试项目2.4.1车速由于车速传感器的信号经过整形后发出的是脉冲信号，每个脉冲表示磁电式车速传感器的被测齿盘轮齿转过一齿，那么汽车的行驶速度就可以用单位时间内的脉冲数、被测齿盘齿轮齿数与车轮的行驶半径计算出来。其计算公式如下： (2-1)其中：V-汽车行驶速度n-测量的脉冲数Z-被测齿盘的齿轮齿数T-测量时间周期rd-车轮的滚动半径2.4.2系统的阻力矩驾驶员在转向时所需克服的阻力矩包括两个主要部分：一是回正力矩，二是摩擦力矩。汽车转弯时，前轮上作用着与转向力相应的“绕主销的阻力矩”，通常笼统地称为回正力矩。回正力矩除以传动比，就是驾驶员为了使汽车转弯所经常需要克服的力矩。除了回正力矩以外，驾驶员还需要克服主销的摩擦阻力矩，转向机构的摩擦力矩(其大小取决于转向机效率)，各个球头的摩擦力矩以及原地转向时轮胎与地面的摩擦力矩等。通常“转向阻力矩”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。因此影响“阻力矩”的因素有轮胎接地的单位面积压力、接地面积、摩擦系数等。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。2.4.3电动机的各项参数电动机助力转矩是电动机为了提高汽车操纵的轻便性而对转向系外加的力矩，其大小由EPS的ECU根据传感器传来的车速信号、转向盘扭矩等参数决定。在本测试系统中除了对转向盘的主扭矩、电动机的助力转矩和整个转向装置所受的阻力矩的采集以外，还对车速和转向盘转角进行采集，对车速进行采集是因为一般的汽车电动助力转向装置EPS中的电子控制单元ECU需要车速这个量；而采集汽车转向盘角这个量是为了测量助力转矩和转向盘转角的关系。同时也对助力电动机的电流、电压、输出转矩这些量进行采集，以此来检测电动机的工作状态。2.4.4转向盘主扭矩与助力电动机转矩的关系 此处省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩助力特性对电动助力转向系统的性能，包括轻便性、回正性、路感等有重要影响。在传统液压动力转向中助力特性主要由阀的结构决定，调整困难，且设计完成助力特性便确定，不随车速变化；而EPS不同，助力特性曲线是电动助力转向的控制目标，由软件来设置，可以设计成车速感应型特性曲线，并可方便地进行调节。图2-3所示为传统液压动力转向的助力特性曲线，俗称盆形曲线。图2-4为几种典型EPS助力特性曲线。对于永磁直流电动机，电磁转矩与电枢电流成比例，因此EPS的助力特性常用电动机电流与转向盘输入力矩之间的关系曲线表示。图2-3 传统液压动力转向助力特性曲线(a)直线型 (b)折线型 (c)曲线型图2-4 助力特性曲线助力特性曲线有以下几种类型：(1)直线型助力特性图2-4(a)为典型直线型助力特性。该助力特性曲线可用下式函数表示 (2-2)式中，I为电动机目标电流；Imax为电动机最大工作电流；Td为转向盘输入矩；K(v)为助力特性曲线的梯度，随车速增加而减小；Td0为系统开始助力时转向盘输入力矩；Tmax为系统提供最大助力时的转向盘输入力矩。(2)折线型助力特性图2-4(b)所示为典型折线型助力特性。该助力特性曲线可用下式函数表示 (2-3)式中，K1(v)、K2(v)分别为助力特性曲线梯度，随车速增加而减小；Td1为助力特性曲线梯度增大为K2(v)时的转向盘输入力矩。(3)曲线型助力特性图2-4(c)所示为典型曲线型助力特性。该助力特性曲线可用下式函数表示 (2-4)比较上述3种助力特性曲线，直线型助力特性最简单，数据量小，存储方便，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，数据存储量大，调整不方便；折线型助力特性则介于两者之间。助力特性曲线特征与参数的确定要与车型、驾驶员的要求相匹配。一般直线型助力特性适用于前轴负荷较小的车型，曲线型助力特性适用于前轴负荷较大的车型，折线型助力特性则介于两者之间。我们根据采集的电动机电流、转向盘主扭矩和车速的数据画成与助力特性类似的曲线，然后和助力特性曲线比较，如果与之比较相符的话，就说明汽车电动助力转向装置的性能比较好；反之，就说明性能不是很好，针对这些就应该对电子控制器进行硬件和软件上的修改。所以本测试系统既可以用于研究开发人员对自己设计的EPS系统进行检测；也可以用于成品的检查，这样可以使不符合要求的产品从性能良好的产品中分离出去。第三章 电动助力转向试验台各部件的选用3.1系统主要部件测控系统主要有电子控制单元(ECU)，电动机，减速机构，磁粉制动器，多功能数据采集卡，车速传感器，转矩传感器等部件组成。检测的主要性能参数为：汽车的车速，转向盘的主扭矩和角度及车轮的阻力矩，电动机的电流、电压和转矩。3.1.1电子控制单元(ECU)ECU的功能是根据车速信号、转向盘扭矩信号，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， ECU通过采集电动机的电流、电动机电压、发动机工况等信号判断其系统工作状况是否正常，一旦系统工作异常，助力将自动取消，系统转变为手动转向状态，同时ECU将进行故障诊断分析。ECU通常是一个8位单片机系统或者是16位电动机控制专用微处理器芯片，也可采用数字信号处理器 (Digital Signal Processing，简称DSP)作为控制单元。由于电动助力转向系统存在非线性元件(如摩擦和阻尼)，另外元件的磨损、路面条件的变化和传感器噪声也会给系统带来不确定性，因此控制系统与控制算法也是EPS的关键之一。控制系统应有较强抗干扰能力，以适应汽车复杂的行驶环境。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助力规律与特性。它是本系统检测的关键部件。3.1.2电动机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转矩，是EPS的动力源。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，这些要求主要有：(1)由于大多车载电源为12V直流电，因此要求助力电动机的工作电压低和具有足够大的额定功率和额定电流；(2)转动惯量小，宽广的调速范围，控制特性好，低速运行平稳，力矩波动小；(3)大的齿轮传动比将增加机械惯量，降低EPS系统的动态性能，所以齿轮传动比较小，因此，电动机转速不能太高；(4)为减小转子的惯性力矩，电动机的体积应尽可能小；(5)在堵转时也要能够提供助力作用，对于大型的车辆，甚至要求电动机能够提供与转动方向相反的助力转矩。表3-1分析了不同电动机的技术特点及其满足EPS使用要求的情况。这几种电动机不仅在结构方面有各自的特点，而且在效率、功率密度、力矩波动等技术参数也互不相同。考虑到汽车的特点，要求EPS选用的电动机应该具有尺寸小、质量轻、效率高、力矩波动与噪声小，可靠性高、能与汽车使用环境相适应，包括对电源的需求等。表3-1 不同类型电动机技术特点比较 电机类型项目感应电动机永磁有刷电动机永磁无刷电动机开关磁阻电动机结构特点结构简单三相定子铝或铜笼转子无永磁体转动绕组机械换向器三相定子永磁转子电子换向四相定子钢铁转子无转子绕组无永磁体负荷效率(%)90-9285-9785-9778-86系统复杂程度驱动电路复杂控制器简单控制器简单高度复杂使用技术成熟成熟仍在发展仍在发展可靠性一般较好优较好力矩波动小电动机设计时考虑基本通过电磁设计考虑由电磁设计和电子控制考虑功率密度中中高中对助力大小要求较低的汽车，选用永磁有刷直流电动机是一个好的选择，因为有刷直流电动机技术成熟、控制器结构简单、成本低；对要求助力较大的轿车，应选择永磁无刷直流电动机，因为永磁无刷直流电动机比其它类型电动机更具有优势。虽然也可以用开关磁阻电动机，但是需要进行许多的研究来克服其缺点。3.1.3减速机构EPS的减速机构与电动机相连，用来增大电动机的输出扭矩。主要有两种形式：蜗轮蜗杆减速机构和双行星齿轮减速机构。前者主要用于转向轴助力式转向系统，后者主要用于齿轮助力式和齿条助力式转向系统。本试验台的测试减速机构为蜗轮蜗杆减速机构，减速比为16.5。图3-1 蜗轮蜗杆减速机构3.1.4转向电动机磁粉制动器的阻力矩最大值Tc=100Nm，i=16.5，转向盘所需施加的转矩Td=Tc/i=100/16.5 =6.06NmPW选择Y90L-4电动机，将其有关参数带入验算取0.98，n=1400 r/minT=1.595500.98=10NmTTd所以转向电动机选Y90L-4。3.1.5磁粉制动器本系统中应用磁粉制动器来模拟转向系统的阻力矩。磁粉制动器是利用电磁效应下的磁粉来传递转矩的，具有激磁电流和传递转矩基本成线性关系、响应速度快、结构简单、无冲击、无振动、无噪音、无污染等优点，是一种多用途性能优越的自动控制元件，广泛应用于各种行业中机械的加载、制动以及卷绕系统中收卷和放卷的张力控制。在该系统中，利用磁粉制动器来模拟汽车整个转向装置所受的阻力矩。尽管磁粉制动器难以精确模拟行驶路况，但是可以实现磁粉制动器负载的变化趋势与路面行驶一致。因此，通过磁粉制动器研究可以探索电动机的助力规律，检验助力控制程序的运行效果，分析EPS对汽车转向轻便性的影响。同时也可以降低直接装车进行路试的危险性和研究成本。本试验台采用瑞安市中瑞控制器厂生产的CZ型磁粉制动器(如图3-2)，其技术参数如表3-2。图3-2 CZ型磁粉制动器表3-2 CZ磁粉制动器技术参数参数额定转矩N.M激磁电流A允许滑差功率KW冷却方式磁粉量g指标10018单双水冷150其主要有激磁电流-力矩、转速-力矩和负载三个特性：(1) 激磁电流-力矩特性激磁电流与转矩基本成线性关系，通过调节激磁电流可以控制力矩的大小。其特性如图3-3所示。图3-3 激磁电流-力矩特性图3-4 转速-力矩特性(2) 转速-力矩特性力矩与转速无关，保持定值。静力矩和动力矩没有差别。特性如图3-4所示。(3) 负载特性磁粉制动器的允许滑差功率在散热条件一定时是定值。其连续运行时，实际滑差需在允许滑差功率以内。使用转速高时，需降低力矩使用。其特性如图3-5所示。图3-5 负载特性3.2传感器的选择传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。一般来讲传感器的选用与以下几个方面密切相关：u 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；u 今传感器的性质：包括精度等级、稳定性、对象的特性影响等；u 使用条件：主要涉及应用现场的环境因素；u 供求水平和维护：也即经济性和良好的维护性。同时试验台系统的工作环境的多变性，以及来自电动机和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。表3-3 现场信号清单序号信号名称信号类型信号源路数信号标准1车速信号模拟量输入波形发生器1方波2角度信号数字量输入角度传感器1方波3转向转矩模拟量输入扭矩传感器1方波4电动机转矩模拟量输入扭矩传感器1方波5转向阻力矩模拟量输入扭矩传感器1方波6电动机电流模拟量输入电动机输出端子1-5+5v7电动机电压模拟量输入电动机输出端子1-5+5v试验台用传感器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；(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，从而满足试验台实时采集数据的要求。从表3-3中可以看出，本系统中待检测的信号比较多，而且信号的种类又不同，主要有转矩信号、速度信号、转角信号、电流信号、电压信号等。在该系统中，最主要的性能参数为汽车的车速，转向盘的主扭矩和电动机目标电流，下面对这三者所用的传感器和检测方法加以详细的说明。3.2.1转速传感器(1)转速传感器的分类及特点速度传感器是将机械运动速度这个非电量变换成电量信号的传感器，如果按输出信号的模式可分为模拟式和数字式两种，按工作原理又可分为电容式、光电式、磁电式等，其分类方法如图3-6所示。1)模拟式转速传感器是取其与被测转速成正比的电压幅度作为输出信号，称为测速发电机。测速发电机的构造简单可靠，耐振动冲击，速度范围小，但温漂较大，不适于高温环境。2)数字式传感器是取其与被测转速的频率成正比的电脉冲作为输出信号，按获取转速信号的方式可分为电涡流式，光电式和磁电式三种。 直流测速机 模拟式转速传感器 同步型转速传感器 交流测速机 电涡流式 数字式转速传感器 光电式 异步型 磁电式图3-6 车速传感器的分类汽车上的速度传感器一般用的是数字式传感器，它以集电极开路形式输出的脉冲表示车速，在本测试系统中可以用基本输入输出系统输出的脉冲来模拟，把这脉冲分别传送给ECU和测试微机系统。3.2.2转矩传感器转矩传感器是测量各种电动机、内燃机以及旋转动力设备的输出扭矩及功率的必备设备，从上世纪三四十年代发展至今己有数十种产品，从最初的光学机械变形类发展到电磁感应类、相位差类，到现在应用最广泛的应变测量类。随着低功耗微电子技术的发展，各类转矩传感器被赋予了新的生命，其性能也越来越好可测的精度与转速也越来越高。传递法转矩传感器 平衡力法 能量转换法图3-7 转矩传感器的分类从传感器的分类来说，以往所有的转矩传感器都属于结构型传感器，由于都要利用弹性元件的机械变形，因此转矩传感器具有体积大、耗材多等缺点。但由于上艺成熟、牢固、可靠、价格低廉，与微电子技术和计算机技术结合后易实现数字化、自动化，所以仍有十分广阔的应用前景。在本系统中主要用于测量转向盘的主扭矩，转向阻力矩和助力电机力矩。转矩传感器按测量原理的分类如图3-7所示:(1)传递法(扭轴法)是根据弹性元件在传递转矩时由于弹性元件的变形、应力或应变而引起机械、液压、气动、电阻、电容、电感、光学、光电、振弦等物理参数的变化而形成的转矩传感器，目前此类传感器占转矩测量的绝大部分。(2)平衡力法(反力法)对于任何一种匀速工作动力机械或制动机械，当它的主轴受转矩作用时，在它的机壳上必定同时作用着一个方向相反的平衡力矩(或称为支座反力矩)，测量支座上的反力矩就.用以确定机器主轴上作用转矩的大小与方向。此种测量方法就是平人衡力法。也称反力法。常用这种方法的有电力测功机、水力测功机和空气、磁粉等测功机类。(3)能量转换法是根据能量转换守恒定律的关系来测量转矩的一种方法，它是一种间接测量方法。一般来说误差较大，故很少采用，只有在直接测量无法进行的时候才考虑此法。目前在转矩测量中，传递类转矩传感器应用十分广泛。转矩传感器用来检测电动助力转向器输入轴扭矩和转向阻力矩，是系统中一个非常重要的检测部件。选用的扭矩传感器为是北京三晶创业集团的JN338数字转矩转速传感器如图3-8所示。图3-8 JN338型数字转矩转速传感器该传感器采用两组特殊环形旋转变压器来实现能源的输入及转矩信号的输出，从而解决了旋转动力传递系统中能源及信号可靠地在旋转部分与静止部分之间的传递问题。该传感器还可同时实现旋转轴转速的测量，从而可方便地计算出轴输出功率，因此，利用该传感器可实现转矩、转速及轴功率的多参数输出。主要技术参数如下:表3-4 JN338传感器主要技术参数参数转矩准确度过载能力绝缘电阻工作温度线性相对湿度指标0.5%150%F.S200Mo-20600.5%F.S90%RH第四章 试验台的结构设计4.1试验台的布置由试验台的总体方案设计，运用CAD软件设计试验台架。如图4-1从右到左为液压缸，滑台，转向电动机，弹性联轴器，转矩传感器，万向节联轴器，减速器，助力电机，万向联轴器，转矩传感器，凸缘联轴器，磁粉制动器，滑台，液压缸。图4-1 试验台的布置4.2联轴器的选择与校核联轴器是用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。联轴器种类繁多，按照被联接两轴的相对位置和位置的变动情况，可以分为：固定式联轴器。主要用于两轴要求严格对中并在工作中不发生相对位移的地方，结构一般较简单，容易制造，且两轴瞬时转速相同，主要有凸缘联轴器、套筒联轴器、夹壳联轴器等。可移式联轴器。主要用于两轴有偏斜或在工作中有相对位移的地方，根据补偿位移的方法又可分为刚性可移式联轴器和弹性可移式联轴器。刚性可移式联轴器利用联轴器工作零件间构成的动联接具有某一方向或几个方向的活动度来补偿，如牙嵌联轴器（允许轴向位移）、十字沟槽联轴器（用来联接平行位移或角位移很小的两根轴）、万向联轴器（用于两轴有较大偏斜角或在工作中有较大角位移的地方）、齿轮联轴器（允许综合位移）、链条联轴器（允许有径向位移）等，弹性可移式联轴器（简称弹性联轴器）利用弹性元件的弹性变形来补偿两轴的偏斜和位移，同时弹性元件也具有缓冲和减振性能，如蛇形弹簧联轴器、径向多层板弹簧联轴器、弹性圈栓销联轴器、尼龙栓销联轴器、橡胶套筒联轴器等。联轴器有些已经标准化。选择时先应根据工作要求选定合适的类型，然后按照轴的直径计算扭矩和转速，再从有关手册中查出适用的型号，最后对某些关键零件作必要的验算。典型联轴器：(1)凸缘联轴器：凸缘联轴器由两个带凸缘的半联轴器和联接螺栓组成。两半联轴器分别用键与两轴连接，同时它们再用螺栓相互连接。凸缘联轴器有两种对中方式：一种是利用两个半联轴器接合端面上凸出的对中榫和凹入的榫槽相配合对中，其对中精度高，工作中靠预紧普通螺栓在两个半联轴器的接触面间产生的摩擦力来传递转矩，拆装时轴必须作轴向移动，不太方便，多用于不常拆装的场合；另一种是采用铰制孔用螺栓对中，工作中靠螺栓杆的剪切和螺栓杆与孔壁间的挤压来传递转矩，其传递转矩的能力较大。若传递的转矩不大，可以一半采用铰制孔用螺栓，另一半采用普通螺栓，这种结构装拆时轴不需作轴向移动，只需拆卸螺栓即可，比较方便，可用于经常装拆的场合。图4-2 凸缘联轴器制造凸缘联轴器的材料可采用35、45钢或ZG310-570，当外缘圆周速度v30 m/s时可采用HT200。考虑到机器启动、停车和工作中不稳定运转的动载荷影响，计算转矩Tca可按下式计算Tca=KAT式中 T联轴器传递的名义转矩，单位为Nm； KA联轴器的工作情况系数。根据联轴器的工作情况系数表，选择KA=1.3，磁粉制动器的最大转矩为T=100Nm，带入公式Tca=1.3100=130Nm磁粉制动器的输入轴的直径d=38mm，根据机械工程及自动化简明设计手册选取凸缘联轴器YL7，其额定转矩为160Nm,大于130Nm，满足要求，转速较小，所以选取材料为HT200。(2)弹性联轴器：弹性套柱销联轴器的结构与凸缘联轴器的结构相似，只是用套有弹性套的柱销代替了连接螺栓。柱销的一端以圆锥面与一半联轴器上的圆锥孔相配合，并用螺母固定。另一端套装有整体式弹性套，与另一半联轴器凸缘上的圆柱形孔间隙配合。因弹性套的弹性变形和间隙配合，从而使联轴器具有补偿两轴相对位移的能力和缓冲吸阵的功能。两半联轴器与轴配合的孔可做成圆柱形或圆锥形。半联轴器的材料常用TH200，有时也采用ZG310-570，柱销材料多用45钢，弹性套采用耐油橡胶制成。弹性套柱销联轴器制造容易，装拆方便，成本较低，其弹性套易磨损，但更换方便，主要适用于起动频繁、需要正反转的中、小功率传动，工作环境温度应在-20+70的范围内。弹性套柱销联轴器可从有关标准中选用，必要时应验算弹性套与孔壁的挤压强度和柱销的剪切强度。Tca=KATT=50Nm，KA=1.3带入公式Tca=1.350=65Nm现在计算柱销的剪切应力，看能否满足要求T= 2FS D1 联轴器TL4的D1为85mm柱销直径d=12mmFS=500.085=294N=294=2.6MPa2.6MPa=30MPa可以选用TL4型弹性套柱销联轴器。弹性套的挤压面积AbS=bd查手册b=23mm，d=12mmAbS=0.023=2.76m2F=FS=AbSbS带入数值bS=2942.76=0.1MPa满足要求特点：缓冲吸振，可补偿较大的轴向位移，微量的径向位移和角位移。 应用：正反向变化多，启动频繁的高速轴。图4-3 弹性套柱销联轴器(3)万向联轴器万向联轴器有多种结构型式，例如：十字轴式、球笼式、球叉式、凸块式、球销式、球铰式、球铰柱塞式、三销式、三叉杆式、三球销式、铰杆式等，最常用的为十字轴式，其次为球笼式，万向联轴器的共同特点是角向补偿量较大，不同结构型式万向联轴器两轴线夹角不相同，一般545之间。万向联轴器利用其机构的特点，使两轴不在同一轴线，存在轴线夹角的情况下能实现所联接的两轴连续回转，并可靠地传递转矩和运动。万向联轴器最大的特点是具有较大的角向补偿能力，结构紧凑，传动效率高。在实际应用中根据所传递转矩大小分为重型、中型、轻型和小型。图4-4 万向联轴器万向联轴器与EPS系统连接，可以补偿各部件高度上的微小差别，保证试验台的正常运转。4.3普通平键的选择与校核根据弹性套柱销联轴器的尺寸，查阅机械工程设计手册，选择A型普通平键b87，材料为45号钢。键的许用应力=60MPa，=100MPa。考虑到磁粉制动器的输出转矩为100Nm，所以应校核此处的平键。下面对键的强度进行校核。首先校核键的剪切强度。将平键沿n-n截面分成两部分，并把n-n以下部分和轴作为一个整体来考虑。因为假设在n-n截面上切应力均匀分布，故n-n截面上的剪力FS为FS=A=bl对轴心取矩，由平衡方程，得FS=bl式中l=38mm，故有可见平键满足剪切强度条件。其次校核键的挤压强度。考虑键在n-n截面以上部分的平衡，在n-n截面上的剪力FS=bl，一侧面上的挤压力为F投影于水平方向，由平衡方程得FS=F 或 bl由此求得故平键也满足挤压强度要求。可选用此平键。4.4液压滑台液压滑台可以实现试验部件的移动，方便装夹，这也是本设计的一个亮点，在参考东华转向器试验台的时候，发现他的滑台是手动的，如果改成液压的会方便许多。液压滑台如图4-5，通过控制电磁阀来控制液压缸，实现滑台的运动，在此就不设计液压缸了。图4-5 液压滑台4.5磁粉制动器支架根据磁粉制动器的参数，设计了磁粉制动器的支架。如图4-6，用于固定磁粉制动器，使其能正常工作。图4-6 磁粉制动器支架4.6减速机构支架磁粉制动器支架已设计好，根据磁粉制动器装配好的轴线高度设计减速机构支架，如图4-7使用最简单的支架结构，关键保证支架的高度，使减速机构装配好后，其轴线高度与磁粉制动器的高度差上下不超过10mm，满足机构能正常运行。4-7 减速机构支架4.7转向电机支架转向电机支架和减速机构支架相似，但要满足转向电机的要求，如图4-8。图4-8 转向电机支架第五章 结 论5.1结论汽车电动助力转向系统是汽车的关键部件之一，在汽车特别是乘用车上的应用和普及，是大势所趋。本文对电动助力转向系统的工作原理进行了分析。在对汽车电动助力转向装置技术条件与台架试验方法标准理解的基础上，研究了性能测试技术和方法，设计了汽车动力转向器试验台。主要完成以下工作：完成了电动助力试验台总体方案的确定和设计，根据需要选择了试验台用转矩传感器，磁粉制动器，联轴器，电动机，液压滑台。在分析了减速器的结构尺寸后，设计了夹具，能把减速器夹紧在试验台上，在试验时起固定作用。用CAD设计了试验台总框架图和总装配图，非标准的零件图。本试验台能帮助厂家测试刚出厂的电动助力转向系统，测试助力特性，工业计算机会生成助力特性曲线，并与数据库中的标注助力特性曲线进行比较，评价EPS系统的好坏。5.2总结本设计只是对电动助力转向试验台机械结构的设计，软件设计和硬件设计由另外两位同学来完成。试验台根据车速信号来控制助力电动机的电流，以此来控制施加的助力转矩的大小，可以得到电流与转矩的关系曲线，然后与数据库中的曲线相比较，可检测助力性能的好坏；次试验台也可以做转向器的疲劳实验，作为刚出厂时的检测。由于本人能力有限，所以不足之处还请大家帮忙指出。汽车电动助力转向试验台涉及机械、汽车、电子和软件设计等多学科领域，它的发展一定会促进EPS产品质量的提高，对中国汽车工业产生一定影响。参考文献1.陈家瑞主编.汽车构造(第三版下册)M.北京: 机械工业出版社,2009.22.王望予主编.汽车设计(第四版)M.北京: 机械工业出版社,2004.83.余志生主编. 汽车理论(第三版)M.北京: 机械工业出版社,20044.林逸,施国标.汽车电动助力转向技术的发展现状与趋势J.公路交通科技,2001(3): 23-285.苗立东,何仁.汽车电动转向技术发展综述J.长安大学学报(自然科学版), 2004(24): 34-376.肖生发,冯樱.电子控制式电动助力转向系统的开发前景J.汽车科技2001.(3): 17-227.陈于萍,周兆元主编.互换性与测量技术基础(第二版)M.北京: 机械工业出版社，2005.108.谢家瀛主编.组合机床设计简明手册M.北京: 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Offline Detection of Electric Power SteeringJ.Wuhan: School of Mechantronic Engineering Wuhan University of Technology致 谢光阴荏苒，时光如梭，转眼间，四年的大学学习生活已进入尾声，往日的求学生活及知识的积累，将成为我心底最难忘的回忆和一笔终生的财富。汽车电动助力转向试验台的研究启迪了我的思维，开拓了我的视野，锻炼了我的能力。自身能力的提高离不开我的指导老师罗绍新副教授的悉心指导和关怀。在此论文完成之际，谨向您致以最诚挚的敬意！您渊博的学识、求实的作风、具有开拓性的科学研究和对事业的执着追求精神，让我体会到了现代学者的风采，同样感到亲人般的温暖和关爱。我从你身上不仅学到了很多专业知识，而且学会了很多做人道理，这将是一笔永恒的财富，使我终生受益。还要感谢东华转向器公司对我的帮助。在多年的学习生活中，还得到了许多车辆系领导和老师的热情关心和帮助，在这里我要感谢你们。在这里我还要感谢我的父母，感谢你们对我养育，感谢各位老师，感谢你们传授我知识，教我做人，感谢同学陪伴，感谢所有帮助过我的人，感谢你们让我顺利完成了大学学习以及生活。最后，向审阅本文的老师们致敬！周云鹏 2011年6月 于南京 附录A：英文资料Offline Detection of Electric Power Steering (EPS)Xu Hanbin Zhang Zhongfu School of Mechantronic Engineering Wuhan University of Technology. Wuhan 430070, CHINAAbstract: Increasing use of electric power steering (EPS) systems, which affect vehicle dynamic behavior, has prompted the need for a more effective method of testing electric power steering systems, especially to electric control unit (ECU) in EPS. This research aims at