汽车电动助力转向机构设计

1、汽车电动助力转向机构的设计引言在汽车的发展历程中，转向系统经历了四个发展阶段：从最初的机械式转向系统（Manual Steering，简称MS）发展为液压助力转向系统（Hydraulic Power Steering，简称HPS），然后又出现了电控液压助力转向系统（Electro Hydraulic Power Steering，简称EHPS）和电动助力转向系统（Electric Power Steering，简称EPS）。 装配机械式转向系统的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员操纵负担过于沉重，为了解决这个问题，美国GM公司在20世纪50年代率先在轿车上采用了液压助力转向系统。但是，液压助力转向

2、系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性，因此在1983年日本koyo公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统。这种新型的转向系统可以随着车速的升高提供逐渐减小的转向助力，但是结构复杂、造价较高，而且无法克服液压系统自身所具有的许多缺点，是一种介于液压助力转向和电动助力转向之间的过渡产品。到了1988年，日本Suzuki公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统；1990年，日本Honda公司也在运动型轿车NSX上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。 第1章 概述1.1电动助力转向的

3、优点与传统的转向系统相比，电动助力转向系统最大的特点就是极高的可控制性，即通过适当的控制逻辑，调整电机的助力特性，以达到改善操纵稳定性和驾驶舒适性的目的。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、液压助力转向系统和电控制液压助力转向系统。相比传统液压动力转向系统，电动助力转向系统具有以下优点： （1）只在转向时电机才提供助力，可以显著降低燃油消耗 传统的液压助力转向系统有发动机带动转向油泵，不管转向或者不转向都要消耗发动机部分动力。而电动助力转向系统只是在转向时才由电机提供助力，不转向时不消耗能量。因此，电动助力转向系统可以降低车辆的燃油消耗。 与液压助力转向系统对比试验表明

4、：在不转向时，电动助力转向可以降低燃油消耗2.5%；在转向时，可以降低5.5%。 （2）转向助力大小可以通过软件调整，能够兼顾低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性，回正性能好。传统的液压助力转向系统所提供的转向助力大小不能随车速的提高而改变。这样就使得车辆虽然在低速时具有良好的转向轻便性，但是在高速行驶时转向盘太轻，产生转向“发飘”的现象，驾驶员缺少显著的“路感”，降低了高速行驶时的车辆稳定性和驾驶员的安全感。电动助力转向系统提供的助力大小可以通过软件方便的调整。在低速时，电动助力转向系统可以提供较大的转向助力，提供车辆的转向轻便性；随着车速的提高，电动助力转向系统提供的转向助力可以逐渐减小

5、，转向时驾驶员所需提供的转向力将逐渐增大，这样驾驶员就感受到明显的“路感”，提高了车辆稳定性。电动助力转向系统还可以施加一定的附加回正力矩或阻尼力矩，使得低速时转向盘能够精确的回到中间位置，而且可以抑制高速回正过程中转向盘的振荡和超调，兼顾了车辆高、低速时的回正性能。（3）结构紧凑，质量轻，生产线装配好，易于维护保养 电动助力转向系统取消了液压转向油泵、油缸、液压管路、油罐等部件，而且电机及减速机构可以和转向柱、转向器做成一个整体，使得整个转向系统结构紧凑，质量轻，在生产线上的装配性好，节省装配时间，易于维护保养。（4）通过程序的设置，电动助力转向系统容易与不同车型匹配，可以缩短生产和开发的周

6、期。由于电动助力转向系统具有上述多项优点，因此近年来获得了越来越广泛的应用。电动助力转向系统是在机械式转向系统的基础上，加装了电机及减速机构、转矩转角传感器、车速传感器和ECU电控单元而成。1.2国内外发展状况 1953年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统。80年代后期，又出现了变减速比的液压助力转向系统。由于变速比液压转向系统具有相对良好的操纵性能，至今仍在一些高档汽车上应用。之后随着节能环保要求的提高，变流量泵液压助力转向系统和电动液压助力转向(EHPS)系统应运而生。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下，泵的流量会相应减少，从而达到节省能源的目的。电动

7、液压转向系统采用电动机驱动转向泵，转向泵无需再随发动机同步转动，不需要转向助力的时候转向泵关闭，可以在很大程度上节省能源。 但无论是变流量泵还是电动液压助力转向系统，由于液压转向系统的固有特性而难以实现效率上的突破，被电动助力转向系统(EPS)所替代已经成为一种必然。 EPS在日本最先获得实际应用。此后，电动助力转向技术得到迅速发展。鉴于电动助力转向系统良好的应用前景，国外许多研究机构和汽车公司对电动助力转向系统进行了大量的研究，使这项技术日趋成熟。从发展上来言可体现在以下几个特点：一是节能环保。电动助力转向系统能量消耗仅为液压助力转向系统的20%，在当今能源严重短缺的严峻情况下，这是一个很有

8、优势的特点。二是装配效率高。电动转向系统零件数目少，减少了装配的工作量，节省了装配时间，提高了装配效率。三是提供可变的转向助力。电动转向系统的转向力来自于电机，通过软件编程和硬件控制，可得到覆盖整个车速的可变转向力。四是安全性高。由于电动机由蓄电池供电，是否能够实现助力与发动机是否起动无关，所以即使在发动机熄火或出现故障时也能提供助力。 与国外相比,我国的电动转向研究在很长的一段时间里是空白,目前国内已经有数十家大专院校和国营、民营企业开发该产品，并取得了一定的进展。但由于电控单元运算速度和控制理论的影响，汽车电动助力转向的研制工作尚需进一步的发展。第2章 EPS的硬件系统2.1电动助力转向系

9、统的组成原理图2-1 电动转向器组成框图助力转矩转向转矩蜗轮反作用转矩电动机电子控制器转矩转角传感器 电动助力转向系统如图2-1所示，它是由扭矩传感器、速度传感器、控制器、电动机、离合器和减速机构等组成。当转动转向盘时，扭矩传感器测出施加于转向轴的扭矩，并产生一个电压信号。与此同时，速度传感器测出汽车的车速，也产生一个电压信号，这两个信号均被传送到控制器，经过控制器运算处理后，传送给电动机一个合适的电流以产生扭矩，经减速机构减速以增加扭矩，施加在汽车的转向机构上，得到一个与工况相适应的转向作用力。电动助力转向机构的工作原理如下：当驾驶员对转向盘施力并转动方向盘时，位于转向盘下方与转向轴连接的转

10、矩传感器，将经扭杆弹簧连接在一起的上下转向轴的相对转向角位移信号转变为电信号传至控制器，在同一时刻车速信号也传入控制器。根据以上两信号，控制器确定电动机的旋转方向的助力转矩的大小。之后，控制器将输出的数字量经D/A转换器，转换为模拟量，并将其输入电流控制电路。电流控制电路将来自微机的电流命令值同电动机电流的实际值进行比较后生成一个差值信号，同时将此信号送往电动机驱动电路，该电路驱动电动机，并向电动机提供控制电流，完成助力转向作用。助力转向控制信号的流程及控制系统的组成，如图2-2所示。图2-2 控制信号的流程及控制系统的组成2.2电动助力转向系统的主要形式及其特点根据电动机布置位置不同，电动助

11、力转向机构可分为：转向柱助力式、齿轮助力式、齿条助力式3种，如图2-3所示。图2-3 电动助力转向机构的布置方案（1）转向柱助力式 转向柱助力式电动助力转向机构的电动机布置在靠近转向盘下方，固定在转向柱一侧，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴辅助转向。这种布置方案的特点：此时电动机、减速器直接与转向柱相连。它可安装在转向柱上的任意合适位置，一般提供蜗轮蜗杆机构来实现减速和变向；工作环境好，电机的输出力矩比较小，是一种目前常见的助力形式；由于各部件相对独立，因此维修方便；设计时也有很大的灵活性；但是电机输出力矩的波动容易传递到方向盘上。如果电动机的安装位置和驾驶员的乘坐位置很近的话，必须考

12、虑对电动机噪声的抑制。（2）齿轮助力式 齿轮助力式电动助力转向机构的电动机布置在与转向器主动齿轮相连的位置，并通过驱动主动齿轮实现助力转向。这种布置方案的特点：这也是一种目前较为常见的助力形式，此时电动机、减速器直接与转向小齿轮相连。它具有转向柱助力式EPS的全部优点，并且还可在现有的机械转向器上直接设计，而不用改变转向柱的结构。（3）齿条助力式 齿条助力式电动助力转向机构的电动机和减速机构布置在齿条处，并直接驱动齿条提供助力。这种布置方案的特点：电动机的电枢通过传动机构与齿条直接相连，传动机构将电枢的转动变为平动从而实现助力。作为最初应用的EPS，这种助力形式的优点是结构紧凑，不受安装位置的

13、限制，可以提供较大的助力力矩，电机的力矩波动不易传递到方向盘上。缺点是结构复杂，价格昂贵，工作环境差，要求密封好，要求电动机的输出力矩比较大，并且一旦某一部件出现故障，必须拆下整个转向齿条部件，因此维修不方便。2.3电动助力转向系统各部分特点2.3.1转矩传感器 转矩传感器是测量驾驶员作用在转向盘上力矩的大小与方向。转矩测量系统比较复杂且成本较高，所以精确、可靠、低成本的转矩传感器是决定EPS系统能否占领市场的关键因素之一。转矩传感器分为非接触式和接触式两种。接触式成本较低，但受温度与磨损影响易发生漂移、使用寿命较低、需要对制造精度和扭杆刚度进行折中，难以实现绝对转角和角速度的测量。非接触式的

14、测量精度高、抗干扰能力强、体积小，但成本较高。因此扭矩传感器类型的选取根据EPS的性能要求进行综合考虑。2.3.2电动机电动机是EPS系统的动力源。电动机对EPS系统的性能有很大的影响，所以EPS系统对电动机的要求很高，不仅要求转矩大、转矩波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻，而且要求可靠性高、易控制。2.3.3减速机构 EPS系统的减速机构与电动机相连，起降速增扭作用。常采用蜗轮蜗杆机构、滚珠螺杆螺母机构和行星齿轮机构等。涡轮蜗杆减速机构一般应用在转向轴助力式EPS系统上，而行星齿轮式减速机构则被应用在齿条助力式EPS系统和齿轮助力式EPS系统上。2.3.4电子控制单元电子控制单元（ECU）根

15、据车速传感器和转矩传感器传来的信号，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9。电子控制系统（ECU）的基本构成单元如图2-4示 EPS-ECUM C U单元扭矩传感器车速传感器“EPS”指示灯直流电机点火开关离合器自诊断控制端发动机点火信号12V蓄电池输入处理电路输出及监控电路图 2-4 电子控制系统的基本结构ECU模块安装在驾驶员侧仪表板下面。ECU模块是由微电脑，AD(模拟数字)变换器，IO(输入输出)装置等组成的精密设备。它的功能包括控制辅助转向力的大小和方向、车载诊断系统(自我诊断功能)和安全防护。目前的EPS系统采用的芯片有8位的单片机和DSP两种，比如DELPHI的

16、ESteer采用的是DSP56F805芯片。不管采用何种芯片，都要求该芯片的抗干扰能力强，适应在比较恶劣的环境下长期可靠的工作。其外部传感器和输入信号如下：扭矩传感器：它获得方向盘操作力大小和方向的信号，并把它们转换为电压值，将它们传递到ECU模块。VSS(车速传感器)：车速传感器位于变速箱上，它根据车速大小产生成比例的信号。车速里程表将这些信号转换为相应的车速指针读数，同时也把它转换成双倍周期的ONOFF信号。发动机速度信号：点火线圈上的点火信号，作为发动机速度信号，通过抑噪器被传递到PS控制模块。输出信号：电机驱动信号、离合器通断信号和“EPS”状态指示灯通断信号。2.4本章小结本章介绍了

17、电动助力转向的各种硬件种类及其特点第3章 电动助力转向系统减速机构设计3.1汽车结构参数本设计以吉利熊猫轿车为设计对象进行设计,技术参数见表3-1表3-1 吉利熊猫汽车技术参数项目参数整车质量m/kg轴矩L/mm质心至前轴的距离a/mm质心至后轴的距离b/mm前轮轮距/mm后轮轮距/mm最小转弯半径/m轮胎规格轮胎气压/kpa985234010801260142014104.75165/60 R14186.23.2电动机的参数选择电动机是此设计的直接动力来源，EPS的性能好坏主要取决于电动机的性能。EPS要求电动机低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、质量轻、可靠性高、易控制等性能。假设蓄电池在不

18、同行驶速度时的功率不变，则电动机输出功率、扭矩与电机转速有如下关系：Pm=Tm×n/9550（Kw） （3-1）式中：n 电机转速（n/min）；Tm 电机输出扭矩（Nm）；Pm 电机输出功率（Kw）；由式中可见，电机在工作转速范围内，扭矩Tm与其转速n成反比，即转速低时扭矩大，转速高时扭矩小。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

19、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

20、，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点，又具

21、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

22、进行综合权衡，所设计的电动助力转向系统最终选择了无刷永磁式直流电动机。电机具体参数的确定，一方面要依据负载特性，另一方面温升、过载和通频带等也是确定参数的着眼点。综合考虑以上各方面的因素，系统采用的无刷永磁式直流电动机的规格如表3-2，如图3-1所示。图3-1 无刷永磁式直流电动机表3-2 无刷永磁式直流电动机的规格项目参数电动机类型额定电压（V）额定功率（W）额定转速（r/min）额定扭矩（Nm）额定电流（A）无刷永磁式直流电动机DC1215012001.2303.3电磁离合器的参数选择电磁离合器的作用是传递电动机的助力转矩，电磁离合器安装在电动机和减速机构之间。电磁离合器的设置是为了使电动

23、机和减速机构快速的结合和分离。即当低速转向时，电子控制单元输出控制信号起动电动机，并输出控制信号使离合器吸合，从而将电动机的输出扭矩通过离合器传递到减速机构上。而当车速超过预置车速时，电子控制单元输出控制信号使离合器断开，离合器失去励磁电流而分离。此外，电动机出现故障时，可使离合器分离，令电动机与减速机构脱开，转向系统便从电动助力方式切换为机械转向方式，从而保证了转向系统的安全性能。电磁离合器的选用主要是要满足稳定可靠地结合和分离，能够很好地实现扭矩的传递，现已知电动机的额定扭矩是1.2N·m，考虑到需要有一定的安全可靠连接余量，离合器的额定扭矩选择1.47N·m.。电磁离

24、合器的具体规格要求如表3-3。表3-3 电磁离合器的规格项目参数型式额定电压（V）消耗功率（W）额定扭矩（Nm）干式电磁离合器DC129.8W/12V 201.47Nm/12V 203.4电动助力转向减速机构的选择减速机构是电动式EPS不可缺少的部件，它把电机的输出经过减速增扭传递到动力辅助单元，实现助力。目前实用的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。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

25、助力式和齿条助力式系统11。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。其提供的助力虽不及双行星齿轮减速机构，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系统中，本系统即是采用蜗轮蜗杆减速机构。 图（a）涡轮蜗杆减速机构 图（b）双行星齿轮减速机构3.5电动助力转向减速机构传动比的选择3.5.1汽车行驶绕主销转向阻力矩的计算 （3-2）其中G前桥满载负荷 ()G=9859.8=5197.77N=0.1Nm=259.89Nm3.5.2作用在方向盘上的力矩的计算 （3-3）式中：转向器速比， 转向拉杆速比， 一般在0.81.1之间， 转向器正

26、效率，一般取0.70.8转向拉杆效率，一般取0.850.9N m3.5.3减速机构传动比的计算动力转向器的作用效能，即没有动力转向器与有动力转向器时作用在方向盘上的力之比。原地转向时，取，即助力转向器提供95%的转向力矩，即助力转矩：减速机构传动比： 3.6蜗轮蜗杆减速机构设计计算设计要求：普通圆柱蜗杆闭式传动（用于EPS系统中电机输出到转向轴），蜗杆转速，输入功率，传动比。双侧工作，工作载荷较稳定，冲击不大。要求寿命为5年（按每年365天，每天8小时），则3.6.1选择蜗杆传动类型根据GB100851988的推荐，采用渐开线蜗杆(ZI)。传动比i介于580之间，根据推荐，确定蜗杆头数。3.6.2选择材料考虑到蜗杆传动传递的功率不大，速度只是中等，故蜗杆用45号钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋面要求淬火并且调质处理