电动液压助力转向系统的设计与分析

电动液压助力转向系统的设计与分析 摘要 电动液压助力转向系统(ElectroHydraulic Power Steering System简称EHPS)是集液压助力转向和电动助力转向的于一体，采用直流电机驱动液压助力转向油泵，就算转向助力与发动机转速无关，也可根据汽车的转向需要提供动力，又发挥液压驱动系统的优势，由于有液压系统的存在，提高了转向平顺感觉，衰减道路冲击，提高了驾驶的舒适性和安全性。目前国内外小型汽车上主要用的都是齿轮齿条式转向器。齿轮齿条式转向器转向器式是将司机对转向盘的转动变为或齿条沿转向车轴轴向的移动，并按照一定的角传动比和力传动比进行传递的机构。其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条。转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。有时，靠齿条来直接带动横拉杆，就可使转向轮转向。所以，这是一种最简单的转向器。它具有结构简单、紧凑、质量轻、刚度大、转向灵敏、制造容易。成本低，正、逆效率都高一级便于布置等优点，而且特别适合于在、烛式和麦弗逊式悬架配用，因此，目前它在轿车和微型、轻型货车上得到了广泛的应用。本文在前人研究的基础上，对电动液压助力转向系统进行了简单的设计，并对主要传向机构-齿轮齿条传动机构进行了详细的设计与分析，在此基础上，对其进行了优化分析。关键词：电动液压助力转向 直流电机 液压系统 齿轮齿条Design and analysis of electro-hydraulic power steering system【Abstract】 Electro hydraulic power steering system(EHPS)，which uses DC motor to drive oil pump，sets the advantages of hydraulic power steering system and electric power steering system(EPS)inoneIt not only makes steering assist power have nothing to do with vehicle speed and provides assist power according to the steering requirements but also make full use of advantage of hydraulic driving system great energy densityDue to the existence of HPS steering feel is improved and the impact of the road attenuated SO that comfor of steering feel and safety are improvedRack and pinion steering gear steering gear type is the driver of the steering wheel or the rack into the rotation axial movement along the steering axle and gear ratio in accordance with a certain angle and the force transmission ratio for delivery institutions.Its basic structure is a pair of small gears meshing with each other and the rack. Rotating shaft driven pinion steering, the rack will do linear motion. Low cost, and inverse efficiency of all the advantages of a high level of ease of layout, but is especially good at, candle, and McPherson suspension with use, therefore, present it in the car and micro, light goods vehicle which has been widely aplied.Based on the previous research,combination of the electric power steering system and hydraulic steering system，make a simple design for the electric hydraulic power steering system ,then designed and analyzed in detail for the main spread to the body - gear rack mechanism,on this basis, has carried on the optimization analysis.【Key Words】：electro-hydraulic power steering DC motor hydraulic system rack and pinion目录1 绪论61.1 汽车助力转向系统简介61.2 电动液压助力转向系统的工作原理81.3 电动液压助力转向系统国内外研究现状91.3.1电动液压助力转向系统国外研究进展91.3.2国内发展电动液压助力转向系统所开展的工作101.4 本课题研究的目的和意义102 电动液压助力转向系统的总体组成122.1 电动液压助力转向系统的机理及类型122.1.1 电动液压助力转向系统的机理122.1.2 电动液压助力转向系统的分类122.2 电动液压助力转向系统的总体框架142.3 电动液压助力转向系统组成部件的选取142.3.1 电动机152.3.2 齿轮泵152.3.3 转向角速度传感器162.3.4 转向控制单元163 电动液压助力转向系统的设计173.1 EHPS系统的设计方法173.2 转向器的介绍183.3 齿轮齿条式式转向器设计计算203.3.1参数选择203.3.2齿轮齿条式转向器的设计与计算203.3.3转向系计算载荷的确定20 3.3.4 齿轮齿条式转向器的设计21 3.4 本章小结364 EHPS 系统电动机控制策略的研究174.1 永磁无刷直流电机的工作原理374.2 EHPS 永磁无刷直流电机的结构374.3 电机的驱动电路及续流原理374.4 EHPS 系统无刷直流电机控制策略分析384.4.1 换相控制原理384.4.2 调速控制原理394.5 数字 PID 控制的实现404.5.1 电流的检测和计算404.5.2 速度的检测和计算404.5.3 双闭环系统具有较好的动态性能414.6 本章小结415 转向传动机构的优化分析435.1 结构与布置435.2 用解析法求内、外轮转角关系435.3 转向传动机构的优化设计455.3.1 目标函数的建立455.3.2 设计变量与约束条件465.4 本章小结486 总结48致 谢49参考文献511 绪论1.1汽车助力转向系统简介 Francis WDavis在1920年发明了第一个助力转向单元，1951年被应用在乘用车上。随着汽车工业的不断发展，市场上目前有几种不同的助力转向系统。最常用的是液压助力转向系统(HPS)，最近微型车越来越多采用的电动助力转向系统(EPS)以及仅仅出现在概念车上的线控转向系(SteeringByWire)。在I-IPS系统向EPS发展的过程中，出现了在现有成熟的HPS系统的基础上借助用电机代替发动机驱动转向油泵工作的助力转向系统，即电动液压助力转向系统(EHPS)。以上四种助力转向系统的特点如下：液压助力转向系统是利用发动机带动转向油泵工作，油泵的流量随着发动机转速的增加而增加，液压油流入其中的一个缸，另一个缸则有一部分液压油回流，利用助力缸两腔之间产生了压力差，从而产生助力。对于车辆来说，HPS系统存在三个方面的不足：HPS系统是按转向阻力最大的泊车工况设计的，而汽车高速行驶时转向阻力显著下降，需要操纵力变小，易出现驾驶员路感下降的现象，降低高速行驶操纵仕能；95以上的汽车行驶里程是直线行驶，直线行驶时不需要转向系统工作，而HPS系统的油泵始终在发动机驱动下输出液压能，白白消耗能量。另外，HPS系统主要是按照克服低速泊车时的最大转向阻力，保证轻便转向设计的。低速泊车时发动机转速在500-一800rmin范围，而当汽车中、高速行驶时，发动机以怠速的3-一8倍转速运转，但此时，所需要的转向阻力下降，发动机却驱动油泵高速运转，输出流量数倍于泊车工况，输出液压能远远超出需要，浪费了许多能量。HPS系统由发动机驱动油泵提供动力，液压管路会引起振动噪声以及响应滞后等动力学问题。电动液压助力转向系统是在传统液压系统的基础上使用电机代替发动机驱动转向油泵工作。它通过ECU控制电机转速，电机转速越高，油泵的流量和压力越大，提供的助力就越大。这样通过调节电机的转速就可以实现可变助力。电动助力转向系统则是取消了液压部分，由独立于发动机的蓄电池提供动力带动电机，根据不同行驶条件通过ECU传送给电动机一个合适的电流以产生适合工况的转向助力。目前EPS是最节能的，但是目前使用的是有刷直流电机，寿命相对较短，仅仅适用于轻型轿车，并且由于其取消了液压部分，在转向感觉平顺以及衰减道路冲击方面存在不足。线控转向系统取消方向盘与转向轮之间的机械连接，用电能实现全动力转向，但现行标准出于可靠性和安全性的考虑，不允许采用全动力转向系统，所以没有批量生产。驾驶一辆车实际上是一个闭环系统，驾驶员是控制器而转向单元是激励。转向系统将转向盘转角转换到车轮转角，此操作改变了车辆的行进方向。作为主要的参考，驾驶员采用视觉信息将车停靠在路边，驾驶员也通过转向盘反馈的横向加速度和横摆力偶矩来保证转向是按照要求来实现。 LSegel在1960年代研究了反馈转矩并且发现横向加速度和转向盘力矩的关系在安全停车时扮演了重要的角色。这项工作在1970年代由FJaksch，在1980年代由FJAdams和ICDNorman继续研究下去。车辆制造商今天采用他们研究的结论去设计助力转向系统。拥有转向盘力矩和横向加速度的内在的具体的关系对于驾驶员来说变得很重要，可以使得反馈到驾驶员的路感连续不断。图11所示为横向加速度和转向盘力矩的关系。注意到转向盘力矩在横向加速度较低时的陡坡，这是用来保证在方向盘中心位置刚近时有个很好的反馈力矩。为了获得横向加速度和转向盘力矩之间的具体的关系，助力转向的传动比和前轮悬挂的布置形式一起被用于研究。但是这种助力转向的传动比是根据不同的要求折衷处理的。正常的驾驶要求转向盘的力矩是02Nm。助力转向单元最重要的特征是驾驶员作用的力矩和由助力单元提供的辅助力矩之间的关系，通常叫做助力曲线。助力曲线表明了助力转向单元的稳态特性。稳态特性的形状是关于助力大小和路感关系的折衷。折衷处理的原因是由系统的固有特性决定的，即车辆应用于不同的驾驶工况。图12中表示了三种不同的驾驶工况：高速公路驾驶，城市驾驶和泊车，得出不同的驾驶工况下特性曲线，转向盘力矩和载荷的稳态的特征关系。高速路面城市路面怠速负荷压力（Mpa）转向盘力矩（Nm）转向盘力矩横向加速度 图1.1横向加速度和转向盘力矩的关系 图12不同工况下的特性图由于助力曲线的形状，驾驶员作用的力矩和助力矩之间的平衡随着作用力矩的大小而改变。在图14中，助力矩和驾驶员作用的力矩之间的关系作为总力矩的一个因素显示出来了，见方程1-1。 （1-1）如图13所示，在力矩较小的时候，驾驶员作用的力矩起着主导作用以保证良好的路感。在力矩较大的时候，助力矩是增加的，这也导致了较小的路面的触觉干涉。但是，在低速转向的时候这不是很关键。在图14中，路面扰动采用在两个不同的工作点的正弦曲线输入来模拟。扰动在两个工作点处都保持固定值。可以看到，触觉反馈的改变取决于哪一个工作点的扰动先开始。在之前的论述中，比较大的力矩区域在泊车和低速城市驾驶时给着驾驶员助力而触觉反馈不重要。不幸的是，高性能驾驶在较高的区域里减轻转向盘力矩的要求。这表明，在较大的转向盘力矩的工作点时驾驶员不能够感到路感，无触觉反馈。转向盘力矩（Nm）负荷压力（Mpa）力分布转向盘力矩（Nm）图13转向盘力矩和助力矩之间的力矩分配与 图14两个不同的工作点时 转向盘力矩的关系 干扰力的传播1.2电动液压助力转向系统的工作原理1-转向齿轮；2-阀套；3-活塞；4-弹簧；5-挡片；6-阀芯；7-油泵；8-电磁阀；9-储油罐；10-安全阀；11-钢球；12-转向助力缸；P-进油环槽；Q-反力腔（a） 控制阀结构；（b）工作原理图1.5 液压助力转向系统结构及工作原理图 1.5 为一种反力控制式液压助力转向器的结构及原理图。阀芯 6 的下部装有由弹簧 4、活塞 3 和钢球 11 组成的反力机构。活塞 3 可相对阀芯 6 轴向移动，但二者不可相对转动。活塞 3 的下端及阀套 2 的上端有 V 型槽，钢球 11 置于 V型槽中。这样，活塞 3 上的轴向力对阀芯 6 和阀套 2 的相对转动起阻碍作用。反力机构位于反力腔 Q 中，而在进油环槽 P 和反力腔 Q 的通道上安装有电磁阀 8。该系统的工作过程为：转向电控单元(图中未绘出)根据采集到的车速信号，对电磁阀电流进行控制，以改变反作用腔中的油压，从而使阀芯附加的转动阻力产生变化，获得所需要的路感。汽车行驶速度低时，流经电磁阀线圈的电流大，反力腔与进油腔间的通道被堵塞，反力腔中无法建立油压，这与普通液压助力转向系统相同，转向操舵力较小。随着车速的增加，流过电磁阀线圈的电流减小，反作用腔与进油腔之间的节流面积增大，油液的压力损失减小，反作用腔中压力升高，转动阀芯的阻力增大，转向操舵力增加。 1.3 电动液压助力转向系统国内外研究现状1.3.1电动液压助力转向系统国外研究进展国外汽车公司对EHPS系统的研究已有20多年历史。1989年，欧洲H公司首先在液压动力汽车中使用电子单元作为第一代EHPS系统。由于人们对EHPS系统节能的要求日益强烈，到了90年代，该系统发展到第代，一个独立的电子控制单元(ECU)首次产生。该系统对电机的速度进行控制，当没有转动转向盘时，减少液压油流量，从而降低能耗。随着电子控制技术的发展，由KOYO，71州推出了第三代EHPS系统，该系统集成了ECU与无刷电机，提高了电机的效率，并根据转向角速度传感器和车速传感器的信号，使得对电机速度的控制更加精确。由此，进一步降低了能耗，同时在转向轻便性和路感方面能够很好地调和，另外，无刷电机的采用使得转向系统的可靠性大大改善。在EHPS系统发展的20多年历程中，国外学者对该系统的性能与能耗方面也进行了大量研究。Hirotsug Yamaguchi等采用在常流量系统的高压油路和低压回路之间加上一个旁通电磁阀，电控单元控制电磁阀的可变阀口大小来控制流量，从而使流向转阀的流量得到调节。该方法虽然提高了驾驶的路感，却急剧降低了转向系刚度，高速时低刚度会引起从方向盘传动到车轮的运动滞后和损失。1995年同本ToyodaMachine Works公司研制了一种低能耗的电液动力转向系统。该系统能够在非转向情况下停止动力泵的工作，转向时根据转向情况提供动力。上述功能主要依靠一个中位闭式伺服换向阀，一个附加的压力检测装置，一个蓄能器及一个电控单元来控制，动力泵由一个附加的电动机带动。通过减压阀根据泵的出口压力来控制泵的流量控制阀，从而降低动力泵在非转向时的输出转矩，来达到节能的目的。实现表明，这种动力泵比传统的动力泵在非转向工况下节能30。但是泵的流量特性不理想，没有能够转向时根据车速情况提供流量的问题。1996年日本ToyodaMachine Works公司的Yos”haru Inaguma等人研发了一种用于电液动力转向系统的节能技术。这一技术用于中位闭式转向系统，通过一个有着特殊结构的压力检测装置和一个电控单元，控制泵的动力电机在非转向情况下以很低的速度转动，达到节能的目的，此时产生的少量流量从液压元件的间隙中泄漏掉。为进一步提高能源利用率，KeqiSuzuki等设计了基于闭心伺服阀的EHPS系统，通过对中位开式和中位闭式EHPS进行仿真分析，得出开式系统具有传统液压助力所拥有的手感好、变助力及改造容易等优点，但节能效果不如闭式系统；而闭式系统输出流量变化大，手感较差，且由于增加了蓄能器使得系统的复杂性增加。Vladimk V Kokotovic等提出采用自适应控制方法对电机进行控制，同时将车速、车辆侧向加速度及偏移速度等车辆状态参数考虑进去，采用多参数综合反馈控制提高车辆操纵性能，实现对助力的精确控制，该方法由于增加了过多控制参数，导致实现比较困难，同时增加了成本。韩国的Se-hyun Rhyu，Yong-Kyoun Kim，JunHyukChoi and Jill Hur在2007年分析了用于42V车辆上的EHPS系统电动泵的发展状况，并采用等效磁路方法分析并设计了永磁同步电动机，该电机通过了实验验证。1.3.2国内发展电动液压助力转向系统所开展的工作由于EHPS系统涉及电子、机械、液压等诸多领域，面临的难题较多，再加上国外对此方面的技术非常保密，故国内对该系统的研究还处于探索阶段，主要是高校在进行一些探讨。其中清华大学为完成863燃料电池大客车项目，而开发的第一代电动转向油泵并己成功地应用于863燃料电池大客车项目的数辆试验样车上，但在一些关键技术上还没突破性进展，总体性能还不理想。其他高校和科研机构进行了一些研究，1998年同济大学的周俊龙对动力转向器电液伺服控制系统的瞬态响应进行了分析，并结合响应曲线给出了不同参变量下的具体响应数据，从而找出了影响系统响应性能的重要参数，指出转向系统要获得满意的瞬态响应曲线，阻尼比最好在0.3-0.7之间。北京航空航天大学的高峰等对EHPS进行了初步匹计算，得出了转阀参数对操舵力特性的影响。同济大学的周名等对电控液压助力转向系统的机理进行了研究，得出EHPS比HPS具有更好的转向手感和节能效果。南京工程学院罗绍新等对EHPS设计了基于ARM芯片的控制器并进行了相关的试验验证。江苏大学的耿国庆等对电动液压助力转向系统设计方法进行了研究，对系统各部件的参数进行了定量的分析。天津大学的许阳坡对EHPS系统的控制算法与实现进行了研究，得出一种根据转向盘角速度和车速控制电机转速来调节助力的控制算法，并进行了相关的试验验证。以上研究只是对EHPS系统的部分特性和系统匹配进行了分析或采用简单的控制方法对助力特性进行粗略实现，并没有在全面分析系统特性的基础上，采用先进的控制方法进行精确的控制。此外还有一些厂家对EHPS项目处于探索阶段，如浙江恒隆万安泵业有限公司成立了电机、油泵技术研究所，产品结构将向电磁阀控制的液压助力和由电机驱动的电动液压助力方向发展，但目前尚未有成熟的技术产品投向市场。EHPS的优点以及它不断扩大的市场正使得国内的专家学者以及相关企业对EHPS系统产生越来越浓厚的兴趣，已经成为国内汽车技术发展的另一热点。从国内的发展状况来看，近几年转向系统的研究比较集中在转向系统节能、电动力转向系统的改进和实用化、人车系统的各种分析和研究等问题上。1.4本课题研究的目的和意义当今汽车技术的发展趋势是节能、安全和环保。随着助力转向系统在汽车上的广泛应用，如何提高助力转向系统的工作性能、减少系统的能耗己成为人们日益关注的问题。本课题通过对电动液压助力转向系统转向特性分析和控制策略的研究，为开发研制电动液压助力转向系统提供相关知识和技术储备。在这基础上，进行了台架试验来验证助力特性的合理性和控制策略的可行性，进而为研制适合轿车的电动液压助力转向系统的样机奠定基础。所研究的电动液压助力转向系统具有如下优点：EHPS系统通过ECU控制直流电机转速来带动电动泵工作，可根据转向需求提供不同的助力，改变了传统液压助力转向系统单一助力特性的缺点。EHPS系统采用液压提供助力，使助力比较平滑，手感好，解决了现有电动助力转向系统中存在的方向盘摆振问题。对于以前的HPS可以经过相对简单的改装即可成为EHPS系统，适用于各种车型，而且比HPS更节能、省油。所以，EHPS能提供比其它转向系统更安全、更舒适的转向操控性的同时还具有较好的节能效果。可以利用现有的，成熟的液压动力转向系统的基础上借助先进的控制技术可以兼顾液压助力和电动助力两者的优点。因此，开发电动液压助力转向系统具有很好的发展前景。2 电动液压助力转向系统的总体组成2.1 电动液压助力转向系统的机理及类型2.1.1 电动液压助力转向系统的机理EHPS 的工作原理如图2.1所示。当汽车直线行驶时，方向盘不动，液压泵以低速运转，大部分工作油经转向阀流回油罐，小部分经液控阀直接流回油罐；当驾驶员开始转动方向盘时，电子控制单元根据检测到的车速、转角以及电动机的反馈信号等，判断汽车的转向状态，向驱动单元发出控制命令，使电动机产生相应的转速并驱动液压泵，进而输出相应流量和压力的高压油。压力油经转阀进入齿条上的液压缸，并推动活塞以产生适当的力，帮助驾驶员进行转向操纵，从而获得较好的转向效果。助力特性曲线可以通过软件来调节，所以该系统可以应用于多种车型。在电子控制单元中，还有安全保护措施和故障诊断功能。当电动机电流过大或温度过高时，系统将会限制或者切断电流，避免发生故障；当系统发生故障时，系统仍可依靠机械转向系统进行转向操作，同时显示并存储故障代码。1.动力缸 2.转向阀 3.ECU 4.电机5.液压泵 6.液控阀 7.限压阀图2.1电动液压助力转向系统工作原理图EHPS 系统以下特点：一是结构紧凑，主要部件都可以组合在一起，具有良好的模块化设计，所以整体外形尺寸比传统液压助力转向系统小，质量轻，这就为整车的布置带来了很大的方便；二是节能，实际行驶过程中能节约燃油0.2L/100km；三是根据车型和转向工况的不同，提供不同的助力，有舒适的转向路感。2.1.2 电动液压助力转向系统的分类由于助力转向系统具有响应性好、转向轻便等优点，已经在汽车上得到广泛使用。但，固定助力效果的助力转向系统具有明显的不足，虽然这种系统的助力效果在车速低时能够起到很好的作用，但当车速不断升高时，固定的助力效果会使转向盘过于灵敏，不利于驾驶者对方向进行控制。基于这种原因，设计人员通过电子控制技术在助力转向系统上增加了车速感应式的转向功能，以实现车辆低速行驶时助力力矩大和高速行驶时助力力矩小的效果，这就出现了电子控制助力转向系统。在此需要说明的是，有些车型配置的助力转向系统并不是通过感应车速来改变助力力矩的大小，而是通过感应发动机的转速来改变助力力矩的大小，但是这种助力转向系统应用较少。随着人们对车辆舒适性能和安全性能要求的不断提高，目前的电动助力转向系统已经不仅仅具有车速感应式转向功能，例如有些车型还具有“一般转向模式”和“运动转向模式”，并可以在2种转向模式之间自由切换。从广泛意义上讲，电动液压助力转向系统分为2种。一种是为了实现车速感应式转向功能，而在机械液压助力转向系统的基础上增加了控制液体流量的电磁阀、转向控制单元以及车速传感器等，转向控制单元根据车速信号控制电磁阀，从而实现了通过控制液体流量来使助力作用随车速的变化而变化。另一种助力转向系统是用由电动机驱动的液压泵代替了机械液压助力转向系统中的机械液压泵，而且增加了车速传感器、转向角速度传感器和转向控制单元等部件。通过比较，采用电动液压泵的电动液压助力转向系统具有更好的性能。电动液压助力转向系统根据转阀的不同可分为中位开式和中位闭式。中位开式工作系统的组成如图2.2所示。转向阀中位有预开量，不转向时，来自转向液压泵的液压油经过槽和槽脊之间的间隙(预开口),阀芯上的径向孔流回油箱，因此也被称为常流式转向助力系统。转向液压泵通常由发动机驱动(亦可由电动机驱动)。中位开式转向助力系统的优点是结构简单，液压泵寿命长和转向手感好。1. 内燃机；2. 液压泵；3. 液压缸；4. 车轮；5. 转阀；6. 流量调节阀；7. 溢流阀图2.2中位开式EHPS系统中位闭式转向系统如图2.3所示。当方向盘处于不转向的中间位置时，转向阀的进出油口关闭。液压回路中装有蓄能器，当蓄能器中的压力低于某一时，卸荷阀关闭，液压泵向蓄能器供油;当蓄能器中的压力达几到另一较高值时，卸荷阀打开，液压泵停止向蓄能器供油、由于蓄能器中总保持一定的工作压力，所以也被称为常压式转向助力系统。中位闭式转向系统最大的优势在于，在非转向工况下，系统几乎不消耗原电动机的能量，在液压泵不运转的倩况下，系统保持一定的转向能力。但是中位闭式转向助力系统转向流量和压力由蓄能器提供，在各种工况下输出不容易调整，转向助力不能随转向负荷做出相应的变化，降低了驾驶的可靠性和舒适性。另外，它的密封和结构都比较复杂，所以目前车辆中常用的仍是传统的中位开式转向助力系统。 1. 压力继电器；2. 电动机；3. 液压泵；4. 蓄能器；5. 液压缸；6. 车轮；7. 转向阀；8. 单向阀；9. 卸荷阀；10. 内燃机；11. 溢流阀；图2.3 EHPS中位闭式系统2.2 电动液压助力转向系统的总体框架采用电动泵式的EHPS系统一般由电气装置和机械装置两部分组成，电气部分由车速传感器、转角传感器和电子控制单元ECU组成；机械装置由齿轮齿条转向器（包括转子阀和助力缸）、控制阀及管路、电动泵组成。而比较先进的电动泵把齿轮泵（或叶片泵）、ECU、低惯量、高功率的直流电机和油罐集成在一起，构成集成的电动泵，使得整个总成结构紧凑，质量变得更轻，安装的柔性也大大增强。2.3 电动液压助力转向系统组成部件的选取电动液压助力转向系统简称为EHPS，系统部件主要包括电动机、液压泵、转向机、转向角速度传感器、转向控制单元、EHPS警告灯以及助力油储液罐等，其中转向控制单元和电动机及液压泵通常安装在一起。ECU发动机转速信号车速信号齿轮泵角速度信号1. 转角传感器；2. 动力转向传动装置；3. 储油罐；4. 限压阀；图2.4 EHPS系统结构简图2.3.1 电动机 电动机分为无刷和有刷电动机，通常采用免维护无碳刷式电动机。这种电动机利用电子方式实现整流，而且没有碳刷的磨损，因此具有很好的可靠性和较长的使用寿命。当不需要提供转向助力时，电动机在很小的电流驱动下转动，这样当需要较大的转向助力时，电动机就可以立即提高转速来提供所需要的助力。2.3.2 齿轮泵电动液压助力转向系统所用的齿轮泵为外啮合齿轮泵，主要由主动齿轮、从动齿轮、泵体、泵盖等组成。齿轮泵靠两端的密封面密封，主动齿轮和从动齿轮各自由两端轴承支撑。泵体、泵盖和齿轮的各个齿间槽形成密封的工作空间。电机驱动主动齿轮，主动齿轮靠啮合带动从动齿轮旋转。当两齿逐渐分开，工作空间的容积逐渐增大，形成部分真空，储油罐内的液压油在大气压作用下，经进口被吸入，吸入的液压油沿泵体被齿轮挤压推入高压油腔。当主动、从动齿轮不断旋转时，泵便能不断吸入和排出液压油，提供助力。外啮合齿轮泵结构简单、质量轻，造价低、工作可靠，较叶轮泵容积效率和机械效率都要高。图2.5为齿轮泵的结构简图。图2.5齿轮泵的结构简图2.3.3 转向角速度传感器 通常是霍尔式传感器，内置于转向盘内或转向机内，持续监控转动角速度，以作为转向控制单元控制助力的参考依据。例如，当车辆高速行驶时，在车速感应式转向功能的作用下，助力转向系统提供的助力作用会减小，但是行驶中有可能出现需要紧急转向的突发情况。当驾驶者猛打转向盘时，转向角速度传感器会感知这一变化并会向转向控制单元发出信号，转向控制单元控制电动机的转速迅速提高，助力作用会瞬间增大，以便车辆顺利的完成转向动作。在拆卸和安装转向角速度传感器时，应注意将转向盘置于正中间位置。2.3.4 转向控制单元转向控制单元具有接收和处理各个传感器信号、输出执行信号和监控系统工作状态等功能。转向控制单元接收来自发动机控制单元的车速信号或发动机的转速信号，以及来自转向角速度传感器的角速度信号，然后计算出理想的控制电流输出给电动机，来控制助力力矩的大小和方向。当系统存在故障时，转向控制单元会存储故障码并点亮仪表板上的EHPAS警告灯或EPAS警告灯。当监测到系统内电动机等部件出现故障时，转向控制单元会切断助力转向系统，此时的机械转向系统仍然正常。为了保护电动机等部件，转向控制单元在适当的时候会起动临界状态控制程序。例如当转向机转动至极限位置时，由于此时助力转向系统的电动机不能转动，所以通过电动机的电流就会达到最大值，为了避免持续大电流导致电动机和控制单元损坏，所以当较大电流通过连续30 s后，转向控制单元就会控制电流逐渐减小。当这种状态消失后，转向控制单元就会根据需要控制电流逐渐增大直到达到正常工作电流值。3 电动液压助力转向系统的设计3.1 EHPS系统的设计方法在研究电动液压助力转向系统功能的基础上，对该系统的设计方法做了探讨。汽车的最大转向力矩发生在汽车原地转向时，助力转向必须满足此时转向轻便性的要求。汽车原地转向阻力矩Tw（Nm）为 （3-1）式中 f轮胎和路面间的滑动摩擦因数；一般取f=0.7；转向轴负荷，单位为N；P轮胎气压，单位为。此公式是经验公式。为安全起见，取安全系数为1.52。此时，转向盘所需转矩Th（Nm）为 （3-2）式中 转向系角传动比，一般情况下，轻型车为1523；转向系正效率，对齿轮齿条式转向器，一般为70%85%。根据推荐值，转向盘操纵力不应大于3050N,在10N 以下则转向很轻便。因此，驾驶员作用在转向盘上的转矩Th0（Nm）为 （3-3）式中 Fh0作用在转向盘上的力（N）；Dh转向盘直径（m）。所以，最大助力转矩Tamax（Nm）为：由此可以得到齿条上的最大作用力F（N）为：F=Tamax/rg式中 rg 小齿轮半径（m）。根据液压泵的压力标准系列，初步选定需要的最高工作压力Pmax（MPa），并计算出助力缸活塞实际作用面积为S= F / Pmax由式上式得到助力缸内径和活塞杆直径的初步值。根据现有的助力缸内径和活塞杆直径常用系列值来，进一步确定合适内径和直径。在确定了转向器的相关参数后，下面根据这些参数设计出符合要求的电动泵的相关参数。对于油泵，一般要求当油泵输出最大流量时，要能够满足求方向盘转速不低于1r/s，轿车最大取1.5r/s。近年来，国内普遍采用1.25r/s 计算。则活塞速度为： （3-4）式中 d1小齿轮直径（mm）。转向器所需的流量一般由动力缸活塞的有效作用面积和最大转向速度决定。它可以近似为动力缸容积随时间变化的函数加上传动装置及转向器内的泄流量Q2 (泄流量一般取0.9L/min)。则泵实际需要提供的最大流量Q1 (L/min)为：Q1 =（1.52）Q0 + Q2 （3-5）然后，对泵的结构、泵腔的尺寸进行优化设计，使之符合常用的排量系列中的值。在此基础上，确定泵的最高转速nmax（r/min），则泵的最高转速可由最大流量和排量得出：nmax = Q1 / q （3-6）通过对以上参数的计算，可以得到所需要的液压功率Py （W）为：Py = Q1 Pmax （3-7）泵的输入扭矩Ti（Nm）为： （3-8）式中 m 泵与电机之间的机械效率，一般取（0.91）因为电动机和泵之间的扭矩传递损失很小，所以可以认为扭矩值非常接近于根据提供足够助力需求所计算得到的扭矩值。首先，取一个安全系数n（11.2）1，可以得到电动机的额定输出扭矩Te，则电动机的额定功率Pe 为： （3-9）上述设计方法的是可行的，能够设计出符合助力要求的电动液压转向系统，该设计方法是比较合适的。3.2 转向器的介绍转向器是转向系统中的重要总成部分，其作用主要有以下三方面：一是增大来自转向盘的转矩，使之达到足以克服转向轮与路面之间的转向阻力矩；二是减低转向传动轴的转速，并使转向摇臂轴传动，带动摇臂摆动使其末端获得所需的位移，或者是将与其转向传动轴连接在一起的主动齿轮的传动，转换成齿条的直线运动而获得所需的位移；三是通过选取不统的螺（蜗）杆上的螺纹螺旋方向，达到使转向盘的转动方向与转向轮转动方向协调一致的目的。汽车工业发达的国家，早期主要是围绕减小转向器的摩擦阻力、提高效率和增大刚度等问题从事研究并开发出新产品。齿轮齿条式转向器很早便在奔驰汽车上得到了应用，在1920年以前，许多牌号汽车都用这种转向器，因此这种转向器是应用最早的转向器之一，已有100多年的历史。早期使用的齿轮齿条式转向器，由一个直齿圆柱齿轮与一个直齿齿轮相啮合组成，不仅运动平稳性差，而且冲击和噪声又大。而且，小齿轮轴线与齿条轴线间的夹角只能是直角，很难满足总体布置要求。随着汽车工业在现在的不断发展，其结构得到不断的完善。开发出了斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的转向器，克服了采用直齿时所形成的缺点。如图3-1。图3.1 齿轮齿条式转向器 目前齿轮齿条式转向器在各级别轿车上都得到广泛的应用，而且随着发动机前置前轮驱动轿车的生产不断扩大，齿轮齿条式转向器应用的前景将十分广阔，因为这会使转向系变得特别简单。进入80年代初，我国生产的微型货车开始应用齿轮齿条式转向器，目前国产轿车绝大多数采用的都是这种形式的转向器。齿轮齿条式转向器主要由小齿轮、齿条、消除间隙机构及容纳上述各件的壳体组成。其中小齿轮与齿条作无间隙啮合并形成齿轮齿条传动副。工作时，转向盘带动小齿轮作旋转运动，便推动齿条作直线运动，在改变啮合副运动方向的同时增大了传动比。在齿条与小齿轮啮合处的背部，设置有消除间隙机构。该机构由预紧弹簧、托座等零件组成，在齿轮与齿条之间因磨损出现间隙时能自动消除此间隙。在齿条与托座之间装有用减磨材料聚四氯乙烯制的垫片，齿条通过托座和转向器壳中的支承来支承。根据输入齿轮位置和输出特点，齿轮齿条式转向器有四种形式，即中间输入、两端输出；侧面输入、两端输出；侧面输入、中间输出；侧面输入、一端输出。如图3-2。a) 中间输入、两端输出；b) 侧面输入、两端输出；c) 侧面输入、中间输出；d) 侧面输入、一端输出；图 3.2 齿轮齿条式转向器输入输出形式 今后一段时间内，汽车主要采用的将是齿轮齿条式转向器和循环球式转向器。本文主要研究的是齿轮齿条式转向器。3.3齿轮齿条式式转向器设计计算3.3.1 参数选择由汽车类型齿轮齿条式转向器的齿轮模数为：m=3mm，齿数为z=7，压力角为=20，螺旋角=14齿条模数:m=3mm,齿数为 z=21，压力角=20，螺旋角为=14。3.3.2齿轮齿条式转向器的设计与计算3.3.2.1 转向系计算载荷的确定为了确保行驶安全，组成转向系的各零件应有足够的强度。欲验算转向系零件的强度，需首先确定作用在各零件上的力。影响这些力的主要因素有转向轴的负荷、路面阻力和轮胎气压等。为转动转向轮要克服的阻力，包括转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内摩擦阻力等。精确地计算出这些力是比较困难的。为此用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩MR(Nmm)。表3-1 原地转向阻力矩MR的计算设计计算和说明计算结果式中 f轮胎和路面间的滑动摩擦因数；转向轴负荷，单位为N；P轮胎气压，单位为。f=0.7=10902.5Np=0.179=627826.2作用在转向盘上的手力Fh为：表3-2 转向盘手力Fh的计算设计计算和说明计算结果 式中 转向摇臂长, 单位为mm；原地转向阻力矩, 单位为Nmm转向节臂长, 单位为mm；为转向盘直径,单位为mm；Iw转向器角传动比；+转向器正效率。因齿轮齿条式转向传动机构无转向摇臂和转向节臂，故、不代入数值。=627826.2=380mmiw=15=90%=244.8N对于给定的汽车，用上式计算出来的作用力是最大值。因此，可以用此值作为计算载荷。梯形臂长度的计算：表3-3 梯形臂长度L2的计算设计计算和说明计算结果轮辋直径= 15in=1525.4=381mm梯形臂长度 =0.8/2=3810.8/2=152.4mm,取=150mm=150mm轮胎直径的计算RT：表3-4 轮胎直径RT的计算设计计算和说明计算结果=381+0.55205=493.75mm 取=500mm=500mm转向横拉杆直径的确定：表3-5 转向横拉杆直径的计算设计计算和说明计算结果=;取=18mm初步估算主动齿轮轴的直径：表3-6 主动齿轮轴的计算设计计算和说明计算结果=140MPa取=16mm3.3.2.2 齿轮齿条式转向器的设计1. EPS系统齿轮齿条转向器的主要元件1) 齿条 齿条是在金属壳体内来回滑动的，加工有齿形的金属条。转向器壳体是安装在前横梁或前围板的固定位置上的。齿条代替梯形转向杆系的摇杆和转向摇臂，并保证转向横拉杆在适当的高度以使他们与悬架下摆臂平行。齿条可以比作是梯形转向杆系的转向直拉杆。导向座将齿条支持在转向器壳体上。齿条的横向运动拉动或推动转向横拉杆，使前轮转向(图3.3）。图3.3齿条表3-7 齿条的尺寸设计参数序号项目符号尺寸参数()1总长7672直径303齿数214法向模数32) 齿轮 齿轮是一只切有齿形的轴。它安装在转向器壳体上并使其齿与齿条上的齿相啮合。齿轮齿条上的齿可以是直齿也可以是斜齿。齿轮轴上端与转向柱内的转向轴相连。因此，转向盘的旋转使齿条横向移动以操纵前轮。齿轮轴由安装在转向器壳体上的球轴承支承。斜齿的弯曲增加了一对啮合齿轮参与啮合的齿数。相对直齿而言，斜齿的运转趋于平稳，并能传递更大的动力。表3-8 齿轮轴的尺寸设计参数序号项目符号尺寸参数(mm)1总长1302齿宽553齿数74法向模数35螺旋角146螺旋方向左旋3) 转向横拉杆及其端部 转向横拉杆与梯形转向杆系的相似。球头销通过螺纹与齿条连接。当这些球头销依制造厂的规范拧紧时，在球头销上就作用了一个预载荷。防尘套夹在转向器两侧的壳体和转向横拉杆上，这些防尘套阻止杂物进入球销及齿条中。转向横拉杆端部与外端用螺纹联接。这些端部与梯形转向杆系的相似。侧面螺母将横拉杆外端与横拉杆锁紧（见图3.4）。图3.4转向横拉杆外接头1-横拉杆 2-锁紧螺母3-外接头壳体 4-球头