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汽车电动助力转向系统的关键技术研究 摘要 电动助力转向系统是一种新型的汽车转向系统，具有以往任何助力转向系统 所不具备的助力效果和车速感应能力，其核心部件电控单元能根据车速和方向盘 操控力矩的不同决定是否助力以及助力的大小。电动助力转向技术已日趋成熟， 它有取代液压动力转向的趋势，是一项紧扣当今汽车发展主题，符合未来汽车发 展趋势的高新技术。本文在介绍液压助力转向系统、电控液压助力转向系统的发 展过程和分析比较它们优缺点的基础上，阐述了国内外汽车电动助力转向的研究 现状，详细分析了电动助力转向的工作原理、结构及其特点，提出了电动助力转 向系统亟待解决的几个关键技术，并展望了其发展趋势。 本文从分析电动助力转向系统的关键技术入手，围绕电动助力转向系统的结 构分析和控制策略两大关键技术展开研究，设计了一套蜗轮蜗杆式的传动减速机 构，并对其进行了优化；另外，在对电动助力转向系统受力分析的基础上，结合 整车二自由度转向模型，建立了e p s 系统整车转向模型；最后，分别对e p s 系统 施加了p d 控制和模糊控制，并运用m a t l a b 6 5 软件进行了仿真计算和分析比较。 最后，在e p s 实验台和装有e p s 的微型客车上进行了试验验证。仿真和试验的结 果均表明所建模型是正确和有效的，采用的控制方法对提高汽车转向的动态特性 有显著作用。 关键词：汽车电动助力转向减速机构pd 控制模糊控制 s t u d y o n k e yt e c h n i q u e so f a u t o m o b i l e e l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m a b st r a c t e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) i san e wt y p eo fv e h i c l es t e e r i n gs y s t e m i th a st h ee f f i c i e n c yo fa s s i s t a n c ea n dt h es e n s eo fs p e e d ，w h i c ha n yo t h e r t y p eo fs y s t e md o e s n th a v e a c c o r d i n gt ot h es p e e do fv e h i e l ea n dt o r q u e o rs t e e r i n gw h e e l ，e l e c t r i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) ，am a i np a r to fe p s ，c a n d e c i d et h ea m o u n to fp o w e rt oa s s i s t t h ee p st e c h n i q u e sm a k ep r o g r e s s p e r f e c t l ya n dit i sg o i n gt or e p l a c et r a d i t i o n a lh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ( h p s ) i ti san e wh i g h t e c hw h i c hf o l l o w st h ed e v e l o p m e n to fm o d e r n a u t o m o b i l e i nt h i st h e m s ，w ef i r s ta n a l y z et h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so f t h et r a d i t i o n a lh p ss y s t e m ，t h ee l e c t r o n i cc o n t r o l lh p ss y s t e ma n dt h ee p s s y s t e m t h e n ，t h e i rm e r i t sa n dd e f e c t sa r ea l s oc o m p a r e d t h ep r e s e n t d e v e t o p i n gs i t u a t i o na n dp r o s p e c to fe p si so u t l i n e da n dt h ep r i n c i p t e ， s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r is t i c so fe p sa r ed i s c u s s e d s o m ek e yt e c h n i q u e s o fe p sa r ea l s op r e s e n t e d 。 b a s e do nt h ea n a l y s iso fk e yt e c h n i q u e so fe p s ，t h em a i nr e s e a r c hf o c u s o nt w oa s p e c t s 一一s t r u c t u r ea n a l y s i sa n dc o n t r o lm e t h o d s ar e d u c t i o ng e a ri s d e s i g n e da n dt h ep a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d i na d d it i o n ，w ep r e s e n tt h ep d c o n t r o la n d f u z z y c o n t r o ls c h e m e so nt h em a t hm o d e lo f t w od e g r e e so f f r e e d o m ，a n d s i m u l a t eb ym a t l a b 6 5 a tl a s t ，w ec a r r i e do u tt e s t si nt e s t i n gb e da n dm i n i b u sw i t he p s i m p l e m e n t e d 。t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o na n dt e s tp r o v et h a tt h em a t hm o d ei sc o r r e c ta n d e f f e c t i v e a n dt h ec o n t r o l l e ri ss u i t a b l ef o ri m p r o v i n g t h ed y n a m i c p e r f o r m a n c e o f t h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g 。 k e yw o r d s ：v e h i c l e e l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m r e d u c t i o ng e a r p dc o n t r o l l e r f u z z y c o n t r o l l e r 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业 大学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：谚建呜局水易六蠢绞 主席：( 工作单位职称) 傍气摊认 委员：客 驭鬃 主首徘z 人吾蛾 洋芒扎攀j 冤p r p f 长 奉织移吒 。 导师：叩辱醒 插图清荤 图l 一1e p s 的控制系统示意图2 豳卜2 扭杼式传感器结构图3 黼卜3 非接触式扭矩传艨器4 图2 - 1 德阑z f 公司的电动助力转向系统1 1 强2 - 2 电动橇减速税憨不弱豹e p s 熬类型1 3 图2 - 3 电动机布置位置不同的e p $ 的类型1 3 阁3 - 1 蜗轮蜗杆减速机构图1 5 黼3 2 毫溺穰髂豌力符羧1 8 阁3 - 3 无刷永磁式直流电动机1 6 翻3 - 4 电动助力转向系统组成框1 7 圈3 - 5 转向杆和蜗杆辅示意图1 8 圈3 - 6 两种型号的蜗杆接触系数2 0 爨3 一? 摄轮鹣齿形系数2 3 图3 - 8 渐开线蜗杆( z t 蜗杆) 2 4 图3 - 9 蜗轮蜗杆设计结构简图2 6 黼3 - 1 0 程窍运行漆程图2 8 图4 - 1欧洲汽车杂志道路试验中对转向系有关的主观评价项目3 1 洌争2 转| l 】系统动力学模型3 2 闰43 电动机等效电路3 3 圈4 4 线性二自由度模型图3 4 强争lp i d 控翻系绕蘸灌挺銎3 图5 - 2e p s 系统的p d 控制结构3 9 图5 3v l o m s ，囊玲袄输入对，横摆角速疫璇态哟瘦4 0 圈5 4v 一2 0 m s ，角阶跃输入时，横摆角速度瞬态响应4 i 闰5 - 5v l o m s ，方向盘转矩一一方向盘转角仿真曲线4 1 图5 - 6 图j 一7 图5 - 8 图5 - - 9 图5 - 1 0 圈6 一l 图6 - 2 图6 - 3 图6 - 4 蹬6 5 图6 6 图6 7 图6 8 圈6 9 图6 - 0 图6 一l l 图6 12 翅6 - 3 曩6 一1 4 模糊控制原理豳4 2 模糊控镧器的缀成4 2 v l o m s ，受除跃竣入对，横摆楚速凄瓣态桶应 v 一2 0 m s ，角阶跃输入时横摆角速度瞬态响应4 5 v l o m s ，方向盘转矩方向盘转角仿真曲线4 5 e p s 控制电路的缩褐示意潮4 7 实验台实甥圈勰 e p s 实骏台试验的工作流穰4 9 采样程序结构简图5 0 无韵力时的阶跃晌应5 l 有助力辩的除跃嚷应5 l 无肋力时的脉冲响应5 l 有勋力时的脉冲响应5 l 试验车照片j 2 试验设餐毒置甄s 2 无助力状态方向盘转角力矩关系曲线5 3 有助力状态方向盘转角一力矩关系曲线5 3 无劲力状态横溪角速震一时问弱程5 3 鸯璐力状态横撰角逮度一黪阕历程5 3 袭格清单 表l l 三菱m i n i c a 斡e p s 主要部俘瓣参数5 表2 1 电控液压幼力转向系统的种类l o 表3 l 蜗秆传动使用系数2 0 表3 2 各耱铸 譬豹基本许臻羧魅应力篷2 l 表3 3 各种铸件的基本许用弯曲应力值2 2 表3 4 蜗轮蜗秆设计尺寸2 5 表3 5 饶优i 后避凳懿搴于参数2 9 表5 l 系统结构参数4 0 表5 2 模糊控制规则4 3 表5 3v = 1 0 m s ，角除跃输入下戆横摆角逮凄时域确庭辩魄分搴厅4 5 表5 4v = 2 0 m s ，角阶跃输入下的横摆角遗度时域响应对比分析4 5 表6 1 车型参数5 2 表6 2 试验仪器设备5 2 表6 3 有助力一无助力方向盘力矩对比5 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得佥鲤王些太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 靴糍各降了解吼少嘲胛 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权金胆王些盍堂可以将学位论文的全部或鄢分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：尹轨事 签字门期：p 千年7 毋白 学位沦文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 导师签名：7 辱秒 签字 = | 期：年月同 致谢 岁月茌苒，日月如梭。弹指一挥间，转眼三年即将过去。在硕士论 文即将完成之际，感谢敬爱的导师陈无畏教授，感谢王其东教授、王启 瑞副教授、张代胜副教授、钱立军副教授等合肥工业大学机械与汽车工 程学院汽车工程系的各位老师们。他们深厚的学术功底、严谨的学术态 度和虚怀若谷的作风给我留下了难已磨灭的印象；他们对科学真理的无 限热情与无私奉献精神深深地影响和激励着我；他们的关心、鞭策与鼓 励使我在学习中获得了巨大的勇气和无穷的力量。在攻读硕士研究生期 间，我从导师们这里学到的不仅仅是科学知识和科研方法，更重要的是 获取了一种锲而不舍的精神，一份对科学的态度，一份对事业的执着， 一份对生活的热爱。特别要感谢导师陈无畏教授在我论文写作过程中， 悉心指导，不厌其烦。在修改过程中，字斟句酌，精益求精。在我生活 中遇到困难时，从各方面给予的支持和关心。 还要向我的妻子姚菊红和我的女儿陈鹤然道一份深深的谢意。由于我 是在职攻读硕士研究生，一方面离开所学专业时间比较长，专业基础知 识比较薄弱。另一方面工作任务重压力大，是她们给予我精神上与生活 上的支持和关心，在我迷茫与困顿时以浓浓的亲情抚慰我，在我取得成 功时，她们与我共享胜利的喜悦。求学路上，亲人们的殷殷之情是我奋 斗的源泉。 最后还要感谢姜武华、郁明、王妍曼和许张红等同学对我的支持， 特别感谢姜武华同学在我的课题研究和论文写作期间给予我的大力帮 助。 雄关漫道真如铁，而今迈步从头越 作者：陈卫平 二o o 四年八月 第章绪论 1 1 汽车的发展趋势 鑫1 8 8 6 年德簪人卡尔本茨( c a r lb e n z ) 研翩成功毽器上第一台单缸两冲程 汽油三轮汽车以来，汽车工业已经走过了一个多世纪蟪折丽辉煌的历程。上个世 纪二十年代汽车工业已经开始大瓶模生产，随着相关技术的发展，特剐是在第二 次世秀大战中的技术更毅，进一步促进了汽车工业懿迅速发展积遴步。今天，汽 车产业在世界上大多数国家的国民经济中都成为了支柱产业。据统计，2 0 0 0 年世 器汽车产量已达到5 7 3 3 万辆，毙1 9 9 9 年增长2 8 链。我国2 0 0 0 年生产汽车2 0 6 8 2 万辆，2 0 0 3 年生产汽车4 4 4 万辆，目前已成为荧国、日本、德国之后的世界第四 太汽车生产謦。不久旃，意务部公布中截汽车邂三年采豹年产量燕以5 0 的速度蹭 长。由于中国及其他发展中国家汽车市场的扩大，全球汽车这种增长趋势还会持 续下去。僵是，这种快速增长也带来了一些负丽影响，如空气污染、交道事故和 越源紧张等问题。隧着人们对汽车特别是轿车的经济性、舒适性、环保性和安全 性的日益重视，低摊放汽车( l e v ) 、混合动力汽车( h e v ) 、燃料电池汽车( f c e v ) 、 瞧动汽车( e v ) 这窭大类型汽车憋姆戒未来汽车发展黪主 本。 1 。2 汽举转囊技本豹麓震 汽车在行驶过稷中，经常需矮改变幸亍驶的方向，称为转嚏。辘式汽车行驶是 通过转向轮( 般怒前轮) 相对于汽车纵向轴线偏转一定的角度朱实现的。汽车 转向系绞是嗣予改变或镙持汽车行驶方肉我专惩掇梭。其终矮是馊汽车焱行驶避 程中能按照驾驶员的操纵要求而遁时地改变其行驶方向，并在受到路面传来的偶 然挣击及汽车意癸镳离行璇方彝辩，麓与嚣袭系统醚合共鼷保持汽车继绥稳定行 驶。因此，转向系统的性能直接影响着操纵稳定性和安全性。 按转向动力能源不同，汽车转向系统可分为祝褫式转向系统和动力转向系统 两大类。机械式转向系统怒以人的体力为转向能源的，其中所有的传力传都是规 械的，它主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成。汽车转向器 俸为汽车转肉系统蛉重要零都l 孛。其性姥的好坏壹拨影噙裂汽车嚣驶的安全牲翻 可靠性。汽车动力转向系统是在机械转向系的基础上增设了一套转向加力装置所 筏残致转楚系( 妇滚压囊力转彝系统中静转淘演罐、潘泵、控裁润、动力篷等) ， 它兼用驾驶员的体力和发动机动力作为转向能源。在正常的情况下，汽车转向所 需瀚力大部分由发动机通过转商潮力装嚣提供，只有- - 4 , 部分由驾驶员撬筷。但 在动力转向失效时，驾驶员仍能通过机械转向系统实现汽车的转向操纵。 长期以柬，汽车转向系统一悫存在着“轻”与“灵”的矛盾。为缓和这一矛 嚣，过去人们常烽转向器设计成可变速比，在转向擞小转角时以“灵”为主，谯 转向擞大转角时以“轻”为主。但“炙”的范围只在转向盘中间位置附近，仅对 裹速行驶毒惑义，并量传渤魄不缝隧车速交能，掰以不能禳本解决这一矛詹。 随着动力转向系统的产生，液压动力转向系统( h p s ) 以其其肖的转向操纵灵 活、轻便，设计汽车对对转商器结构形式的途择灵活性增大，并可吸收路面对前 轮产生的冲击等优点，自2 0 世纪5 0 年代以来，在器国汽车上得到普遍采用。但 传统的液压渤力转向系统需消耗一定豹能量，增加了汽车的燃油消耗量，液压动 力转向系统掰引起的燃、淫漕耗量约占夔车燃演消耗羹的约3 。 随着电子技术的发展，电子控制式机械液压动力转向系统( e h p s ) 应运 穗生，该系统在慕艘性能方垂线予传绞瓣滚疆动力转离系统，餐仍然无法按滁液 压动力转向系统的固有缺憾。此外，传统液压动力转向系统在选定参数完成设计 之螽，转淘系统豹穗能藏确定了，不麓再对箕迸彳亍调节与控镪。因既，传统液压 动力转向系统协调转向力与操纵“路感”的关系困难。低速转向力小时，高速行 驶时转向力往往过轻、“路感”麓，甚至感觉汽车发“飘”，从而影响操纵稳定性； 丽按禽速性能要求设计转向系统时，低速时转向力往往过大。 电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，简称e p s ) ，是继液 压动力转囱系绞爱产生爨一穗毅蛉魂力转岛系绞。滚动助力转舄系统出逢捉鬟镞 助力，助力大小由电控单元( e c u ) 实时调节与控制，1 j 丁以较好地解决上述液压动力 转囊系统辑不链簿决静矛蒋。誉蓊，电动韵力转囱答统有代替液压动力转向系统 的趋势。川2 1 1 3 电动助力转向系统( e p s ) 的工作原理及关键技术 1 3 1e p s 的工作原理 职$ 毒 强卜le p s 的控卷系缆示意塑 电动助力转向系统的基本组成觎括扭矩传感器、车速传感器、控制元件、电 动机和减遴机构等。图卜l 所示为醚罔凿轮齿条式转向器的e p s 。信号控制器根据 蚕黄感器豹输入售号确定赣力整矩豹疆徨帮方淘，并盈直接控髑电懿。电梳豹输 出扭矩由减速齿轮放大，并通过万向节、转向器中的传送装置把输出扭矩邀到齿 条，使之向转向轮提供助推扭矩。系统的信号源识括：扭矩传感器、转向角传感 器和车速传感器，转向翅传感器可缀据篷条款位移攫秘位移黪方彝来溅出转囱焦。 1 3 2 e p s 的关键部件 e p s 主要部件包括传感器、电劝机、减速机构和电子控制单元等。 ( 一) 铸慧耩 蝻凡转 图卜2 猛秆式传感器结稠翻 扭矩传感器的功能是测量驾驶崩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。车速传感器的功能是测爨汽车行驶速度。这些信号都是 e p s 戆控麓壤号。拯簸测爨系统毙较笈杂曼盛本较舞，赣懿耩秘、可靠、鬣戏本夔 扭矩传感器是决定e p s 能否占领市场的关键因素之一。目前的e p s 一般采用电位 计式传感器，它输出两个彼此独立的电压信号：主信号和副信号，控制单元用副 信号束检焱主信号是否j e 确。电控助力转向系绞的扭矩传感器主要有三静澎式： 摆动括式、双行星齿轮式稻拯秆式。摆动孝手式是遵逶溯量由转向箍小齿轮辘反作 用力矩引起的摆杆位移爨得到转向力矩的。双行鼷齿轮式是邋过测量与扭秆相连 的两套行凝齿轮的相对证移得到转向力矩信号值，扭杆位于转向输入轴和输出轴 之闼，行麓爨轮提擒瞧蒺起减速传凌辍棱懿俸瘸。趣轻式是逶遵拯轾壹接溅燕赣 入轴和输出轴的相对位移，从而测褥转向力矩。 图1 2 为扭杆式传感器结构图。扭矩传感嚣艨应部分包攒两个线圈和一个滑 套( 铁芯) 。辘助力式转向系统的转向轴从中间断弼，上段为输入轴，下段为输出 辘，输入獭与输密辘之阍簿握孛于连缓。传蓉器潜襄被套在辍滋辎矫，固定在掇拇 上的导向销插入传感器滑套的斜槽中，导向销既可随输出轴一同转动，也能沿传 感器滑套的斜槽作上下移动。当邀路瞪力较小，转动转向盘舞，潺套和转向输出 辘一嗣转动，潺套不 謦上下运动；警遴路阻力较赢时，转淘力矩增大，麓抒发生 扭转，输入轴和输出轴的转角不问，相应的导向销和滑套的转角也不同，导向销 将迫使滑套上下移动。这时滑套( 铁芯) 外围的两个线圈可检测到运动的大小和 方向，扶露获褥转蹩敬大小秘方两。 除了上述形式静扭矩传感器以外，也有采用菲接触式搬矩传感器。阁卜3 所 示的非接触式扭矩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，从顾引起电磁感威系数变 讫。 接簸式翅矩传惑器 搴覆小，精疫离，毽戏本较高。 图l 一3 非接触式丰珏矩传感器 ( 二) 电动机 惫动掘躲功髓罴根摆电子控铡蕈元( e c u ) 翡指令浚蹬逑窝弱驱动援短，是 e p s 的动力源。大多莱蠲无剐永磁式直流电动枫。电动机对e p s 的性能有缀大影响， 是e p s 的关键部件之，e p s 对电动机有很高要求，不仅要求低转速大扭缎、波动 小、转动惯量小、尺寸小、质量轻、而且要求可靠性高，易控制等。 ( 三) 减速穗褐 e p s 的减速机构与电动机相连，起降速增扭作用。常采用蜗轮蜗秤机构，也 有采用行星齿轮机构。有的e p s 还配用离合器，装在减速机构一侧，这怒为了保 证e p s 只在预先设定的车速行驶蕊团内起 乍用。当车速达到菜一壤时，壤会器分 离，电动祝停止工 擘，转向系统转为手动转向。另外，当电渤枫发生敬簿拜孛，离 合器将自动分离。 ( 四) 电子控制单元( e c u ) e c u 懿动戆跫掇摅蘧矩簧感嚣俊号弱车速佼感器售号，遴嚣遥辏分辨与诗雾 后，发出指令，控制电动机和离合器的动作。此外，e c u 还莉安全保护和自我诊断 功能。e c u 通过采集电动机的电流、电压、发动机工况等信号判断其系统工作状况 是否正常，一旦系绫工 乍异常，助力将鑫动取淡，同时e c u 将进行故障诊叛分极。 e c u 邋鬻是一个8 攮革片梳系统，氇有采爝数字信号处毽器( d i g i t a ls i g n a l 4 p r o c c s s i n g ，简称d s p ) 作为控制单元陆1 。由于电渤助力转向系统存在非线性元件 ( 如摩擦和阻尼) ，另外元件的磨揆、路面条传的变忧和传感器噪声也会绘系统带 来不确定经。e c u 与按澍算法遣是e p s 鹣关键援术之一，e c u 应有强抗干貔挠力， 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 有效地实现理想的助力舰律与特性。 衰i 一 三菱m i n i e a 魏e p s 主要裁舞瓣参数 赫件参辩粪羽 拳餮 嘲谁机煮戮浓艘式 氧濑电孤4 能i2 裁煮鞭罐t 沁t o 燕袋电壤 j o 蕊鸯箍巍熬牛式蕈冀鸯擞譬 蕊翻瓤壤lv)oc|2 筑阻ln jl j ，抽e 瓶激倦疆擂难 “r c h ； 1 5 f t 2 扎：d 撼擞莺爨瓣 援坳氧莲 坼 3 疆辍矗馥避篷 肆 l 串嚣健釜 最走躐拣 研 l 圭oi 5 翠撩恃鳓袖粥l 彝属4 ”9 ，s 瞻上， o hm 抽 尚阻i a )1 拍2 0 ，祷c 粕靛罐嚣控癣游或撼靖辘撩剌 fg e u 蛭彩电疆 砖o c l l 美撵壤蕊簿整 v # 一 1 3 3 电动助力转向系统( e p s ) 的关键技术 电动助力转向与转向轻便性、路感以及舒邋性和安全性密切相关，该系统的 关键按零包螽黻下足令方嚣。 1 电动机与佟艨器技术 电动助力转向技术的发展及运用主要归功予电动机技术、电子技术和控制理 论的发震。e p s 系统对电动机有缀蕊的要求，包括功率、尺寸、性能等。彀动桃还 必须满足转囱系统熬蕻它特定要求。魏平港瞧，郎驾疆虽不应当在转翔纛上感凳 到任何硅f 于电动机输出力矩的波动所引起的冲击；电动机的转动惯量应当足够小； 避免转向失控等。 毫渤髓力转两懿发震还受割予它戆佳能秘捡貉，逛动掇帮黄感器麴逸择霆照 也受到了限制。目静静扭矩传感嚣通常在变形、机械精度、装配和校准难度、极 限温度和价格之间进行折中选择。多数情况下，总有某些参数受到限制。比如， 为了降低价格丽限制缀高温度，假是温度与系统的可靠性紧密相连。电动助力转 囱系统还会受塑“援簸波动”赘彩翡，菠餐劈力中毽含不合灌要豹菝韵。这将导 致系统的可接受程度下降、成本增加、电动机及其控制系统慝加复杂。因此，扭 矩传感嚣应能提供一个质量高、响虑速度快、稳定可靠的信号 2 控制策略 e p s 能否获得满懑的性能，除了应有好豹硬件保证外，述必须有岛好躬控裁软 5 件来支撑。我们知道，汽车的行驶工况多种多样，e p s 工作时不但受到来自地面随 裁于撬耪不确定磷綮静影璃，丽簿还幽于其一般安装在发确祝辩近，发动梳发出 的热辐射与电磁干扰对整个系统会产生很大的影响。这些因素都对e p s 系统的控 制策珞豹选弹提出很高的黉求。随着p i d 控制技术“3 、动态补偿技术鳓。自适应控 制技术、鲁棒控制技术”等控制理论的发展为该系统的成功开发提供了有力蚋保 障。随着智能控制技术的进一步发展，e p s 控制策略必将在发展中不断加以完普。 3 。助力特性 助力特性关系到转向轻便性与路感，目前国内外对路感问题的研究手段主要 强试验为主。囊力特性楚e p s 静控铡鏊标，瀚力特经是否合理决定着e p s 静韵力 性能。e p s 的助力特性属于车速感应型，主要分为全速型和低速型两种。全速型是 指e p s 在任何车速下都撼供劲力；低速垄是辫e p s 只有低速时才提镆韵力，当车 速超过某一预定值时，e p s 停止工作。低速型的优点是对系统的要求相对较低，缺 点是不能改旃汽车高速搡级稳定性。全速型的优点魑能改静汽车高速操纵稳定性， 缺点怒对系绞靛要求毒爨对铰毫。 另外，e p s 系统作为一项新技术，采用电动机驱动与计算机控制系统，部分 缝将转自操 擘独立予驾驶爨的狡铡。嚣瑟，e p s 系统会有跑德绞黧滚压系统更多静 故障模式，所以e p s 的故障诊断与可靠性应受到充分重视。一般有两种主要故障 表现彭式：8 一是系统箨止工雩篁，这霄转向盘力矩超过手动转向，g i 起转向力犬子 等价的手动转向系统。如果这种故障出现在汽车行驶过程中，容易出现意外交通 事故。第二种更严疆的故障就是引起系统在没有驾驶员转向输入的情况下改变汽 车方魄，导致汽车镳离原来的方向。这是绝剥不允许发生豹。在这些故障中，褒 些可以通过机械设计的方法减少故障的发生，但有赎需要通过故障诊断的方法柬 有效蟪援| 冀校正。 l ，4 硪究瑟鹣 继电予技术奁发动机、变速器、制动器靼悬絮簿系统褥至广泛应黑之后，国 外轿车和轻型汽车电动助力转向系统藏逐步取代传统液压助力转向系统，汽车电 子化怒当兹汽车援术发震戆必然趋势。嚣兹，毫动动力转淘己戏为壁爨汽车技零 发展的研究热点和前沿技术之一。本文研究的目的主要是达到咀下几个方面： ( 一) 采霜e p s 鳃浚转囱系统豹“轻”与“灵”静矛_ | 鹭，协调汽车静操级往 与路感的关系，并减轻路面对方向盘的反向冲击，使汽车在低速时减轻操纵力和 提高揉级韵稳定性，当冀由低速档换到高速辎时，保证提供最优控翻传动比和稳 定的转向手感，从丽提意高速行驶的稳定性。 ( 二) 采用e p s 在撼高汽车的轻便性和操纵稳定性的同时，使汽车节省发动 疑燃滚、菠纯汽车蕊转两系统，其结构矍紧凑、降低保修成本、溅少对嚣撬懿污 s 染并节省汽车的布置空间。 ( 三) 汽车是一个复杂弱枫电一体诧系统，甏现代汽车的e p s 佟为其中的一 个子系统，其内部的各个机械结构与控制结构之间也是互相联系、互相影响、互 稳毒约戆，司时e p s 与潞露输入霸汽车的箕链子系统之润是互榍联系、互穗彩稍、 互相制约的。既然系统内部和系统之间有者这样的联系、影响、制约关系，那么 在设计一个系统时如采不综合考虑这种联系、影响、制约关系，而是孤立地考虑 其中的单独要素，其设计结果必然邋离其设计初裳，达不到目标要求。基于此， 我们如果在对汽车e p s 设计时考虑到汽车模型的不确定嗣素问的相互影响，因而 采用相应的控制繁略，使其具凌较好的鲁榜牲，可改善系统的动态特性和摭于抗 能力，从而达到令人满意的设计效果。 1 5 本文研究的主要内容 本文依托国家自然科学基金项目：“汽车电动助力转向与主动悬架系统的集成 控制疆究”，通过怼e p s 系统中关键技术款鞭究，从露达至汽车转自系壤量凳轻、 结构更紧凑的目的。同时，进步改替控制性能，提高系统的可靠性。 本文蕞隽究携主要内褰； 1 在对e p s 系统机构进行分析的基础上，设计了一餐减速机构，并对其进行 了绕纯； 2 ，对汽车电动助力转向系统进行受力分析，并建立起数学模型； 3 掇出了控制和模糊控制策略，并进行计算仿崴与分析比较； 4 进行e p s 台架试验和邋路试验，进一步验 正所设计的e p s 的台理性。 第量章各种结构形式的助力转向系统的现状及分析 汽车转向系绞豹发鼹经历了从籁鼙豹缝机械转向系统到机械液压动力 系统，弱惫羧液压魂力转两系统，寰刘嚣为节能、绦缀经姥雯後瓣电子控潮 式电动助力转向系统等几个阶段。最午月，驾驶员们只希望比较容易操纵转向 系统，而后则追求在高遮行驶时的稳邂性、舒适性和良好的操纵性，于是动 力转自系绞蠖应运丽生。1 9 5 1 每美毽炎篆蘩勒公司簸先在赣车上慕月滚压动 力转向( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，简称h p s ) ，标志着轿车应用动力转向 技术的开始。随着技术的迅猛发展，到2 0 世纪8 0 年代后期，在日本开始出 现电动助力转向系统( e p s ) ，目前已或为世界汽车动力转向技术的研究热点。 2 1 传统液压动力转向 液压动力转向于2 0 燃纪3 0 年代首先应用在黧型车辆上。由于当时汽车 装载震量帮设备质量斡增熊，在转囱适程中掰嚣竟黢瓣蘩较转囱隧力矩氇褥 相应增加，从而要求加大作用在转向擞上的转向力，使驾驶员感到“转向沉 重”。当前轴负荷增加到巢一数值后，雅人力转动转向轮就很费力。为使驾驶 员撵缀轻矮秘提寒车辆豹规动性，最礴效的方法就楚在汽车的转向系中 j 疆装 转向助力装鬣，借助予汽车发动辊的动力驱动渣象、空气压缩橇和发电视等， 以液力、气力或电力增大驾驶员操纵前轮转向的力鬣。使驾驶掇叮以轻便灵 活地操纵汽车转向，减轻了劳动强度，提高了行驶安全性。液压动力转向系 统涂了传统豹撬藏转囱嚣叛羚，滏霉壤强控裁璃、凌力程、演裂、潼罐秘管 路等。轿车对动力转向的要求与重型汽车不完全相同。比如重型车辆对动力 转向系统噪声的要求低，轿车则对噪声要求很高，轿车还要求激用的转向器 系统结构受麓单、尺寸爨小、或率更低等。但是爨型车辆动力转向技术兹发 展无疑为轿车动力转向掖术羹定了蓥穑。 2 1 1 液臌动力转向的控制阀及类型 最初，液压动力转肉翡控裁阂聚掰漕阕式，帮控翻凌中静溺懿辜壶自移动 来控制油路。这种滑阀式控制结构简单，生产工藏性好，操纵方便，宜于布 置，使用性能较好。但慰滑阀式控制阀灵敏度不够离，后来逐渐被转阀代替。 2 0 毯鳃s e 年代寒沙基诺发明了转阉式渡匿动力转囱，鄂熬潮润中蛔润 j 落以旋转远幼来控制油路。与滑阀榍眈，转阊的灵敏度高、密瓣件少、结梅 比较先进。虽然由于转阀利用扭杆弹簧使阀回位，结构较复杂，特别是对扭 抒的材质孝璐热处理工艺臻求较高。缎跫其性能相对子滑润有缀大改进，使原 8 地转向力得到明显降低，达到令人满意的程度，并且在齿轮齿条式转向器中 布置也转阀比较容易。目前在轿车上的液压转向动力系统广泛采用转阀式控 制阀。 2 1 2 液压动力转向的优点与不足 在轿车上装备液压动力转向系统有如下优点： ( 一) 减小驾驶员的疲劳强度。动力转向可以减小转向盘上的力，提高 转向轻便性。 ( 二) 提高转向灵敏度。动力转向可以比较自由地根据操纵稳定性要求选 择转向器转向比，不会受到转向力的制约。允许转向车轮承受更大的负荷， 不会引起转向沉重问题。 ( 三) 衰减道路冲击，提高行驶安全性。液压系统的阻尼作用可以衰减 道路不平度对转向盘的冲击；另一方面，当汽车高速行驶时，如果发生爆胎， 将导致汽车转向盘难以把握，应用动力转向可以使驾驶员较容易把握方向盘。 同时液压动力转向系统也有不足： ( 一) 选定参数完成设计后，助力特性就确定了，不能再进行调节和控制。 因此，协调轻便性与路感的关系较困难。低速转向力小时，高速行驶时转向 力往往过轻、“路感差”、甚至感觉汽车发“飘”，从而影响操纵稳定性；而按 高速性能要求设计转向系统时，低速时转向力往往过大。 ( 二) 即使在不转向时，油泵也一直运转，增加了能量消耗。 ( 三) 存在渗油与维护问题，提高了保修成本，并且泄漏的液压油会对 环境造成污染。 ( 四) 低温工作性能较差。 2 2 电控液压动力转向 为了克服液压动力转向存在的不足，人们在液压动力转向系统中增加电 子控制和执行元件，将车速( 也有采用车速和转向盘转速) 引入到系统中， 实现车速感应型助力特性液压动力转向。这类系统称为电控液压动力转向系 统。现代电控液压动力转向系统主要通过车速传感器将车速信号传递给电控 单元或微型计算机系统，控制电液转换装置改变动力转向的助力特性，使驾 驶员的转向手力根据车速和行驶条件变化而改变，即在低速行驶或转急弯时 能以很少的转向手力进行操作，在高速行驶时能以稍重的转向手力进行稳定 操作，使操纵性和稳定性达到最合适的平衡状态。 9 2 2 1 电控液压动力转向的原理及种类 龟控液压动力转商系统的静类徽多( 如下表新示) ，僵其琢理基本上都 是通过在油泵或转向器。 ：加装电子执行机构或辅助装置，根据车速信号( 也 有采用车遴和转向盘转速) 来控铜液珏系统的流量或压力。 寝2 l 电控液压动力转向系统的种类 序号 名称 控制对象 l 涵压爱馈控镧式作霜予泊疆菔馈税构的压力 2 阀特性控制式动力转向中控制阀的压力 3 流量控制式向动力转向供给的流量 4 魂力敷分、凌擦制式 动力熬有效工痒压力 2 。2 。2 逛拄滚器式动力转蠢瓣优煮与不是 电控波压动力转向有如下佐点： ( 一) 电控液压动力转向鼹在原液压式动力转向系统上发展起来的，原 采静系统都可剥翔，不褥要更改森蚤。 ( 二) 低速时转向效果不变，高速时可以根据车速逐步减小助力，增大 路感，提离车辆行驶稳定洼。 ( 三) 采用电动机驱动油泵可以节省能摄。 ( 四) 具有失效保护系统，电子元件失灵矗仍可依靠液匿动力转向系统 安全= 作。 电控液压式劝力转向系统在传统的液压动力转向系统的基础上商了一 定的改进，僵液压装置的存在，使霉该系绞饶有雉以克服鳃缺点，熟羟在渗 油问题；零件增加，管路复杂，不便于安装维修及检测等。另外，虽然引入 车这实现车速感瘦銎韵力穗毪，毽蔻在嚣鸯液压系统魏慕础上又潜燕了毫子 系统，使系统越加复杂，成本增加。 2 3 电动助力转向系统的发展 2 3 1 国内外电动助力转向系统的发展现状 电动肋力转向系统最先威用在闷本的微型轿车上。1 9 8 8 年2 月日本铃 本公司首次在其c e r v o 鬻上装铸电动助力转两，隧簇还弱在其a l t o 车上。1 9 9 3 年，本田汽车公司首次将电动助力转向系统装备子大批量生产的n s x 跑车上。 在敬美专场上，荚国我d e l p h i 汽车公司、德鋈戆z f 汽车公司簿，帮耀继撵 出了各自的电动助力转向系统( 图2 一l 为德国z f 公司的电动助力转向系 统) 。此后，电动助力转向技术得到迅速发展。日本的大发汽车公司、三菱 汽车公司，本霹汽车公霹，美国酶d e l p h i 汽车系统公司、t r w 公司，德餮的 z f 公司，都相继研制出各自的电动助力转向系统。如大发汽车公司的m i r a 车、三菱汽公司的m i n i c a 车都装备了电动动力转向系统；本嗣汽车公司的 a c c o r d 车目前已经选装电动助力转向系统；d e p h i 汽车系统公司已经为大众 的p o l o 、欧宝的3 1 8 i 以及菲亚特的p u n t o 开发出电动助力转向系统。t r w 的电动助力转自累统已经装务在f o r df i e s t a 和m a z d a3 2 3 f 等辨车土。照着 高级轿车时转向系统提出性能上的更高要求，近几年国外开发出了更为成熟 棼惫动劲力转自系凌，凌志、塞嚣等蔫挡轿车，瑟经使籍了宅麓秘力转南系 统，该装鬣优于蒋通的动力转向系统，在不同车速下可通过转向电脑e c u 自 动调节转裔盘的探作力，在低速行驶或车辆就位时，驾鞭员只需用较小的搡 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澌增大， 实现操纵的稳定性。德尔福汽车公司，1 9 9 8 年开发了全新的电动助力转向系 统，它可分别在泼条、痰轮或媾彝棱上施加助力。英国汽车刳逡离l u e a s 公 司，1 9 9 8 年研制的电动助力转向系统投入批量生产，该装置最大优点是燃油 嫩掇辗耗投低，只毒手动式蕊0 。5 ，稳比之下，电控滚压肇力系统豹损耗 为2 ，全液压助力系统损耗为8 。“3 目前，在全世界汽车行业中，电动 霸力转淘系统每年正以9 - 1 0 静增长速凄发震，年瀵长登达1 3 0 万一1 鞠万套， 估计至2 0 0 5 年，该产品的产凝将由蹰前的1 5 0 万套增长到8 0 0 万套，2 0 0 7 年将达到11 4 0 万套。披就速度发展，弼不了几年的时闻，电动助力转向系统 将会完全占领轿车市场，著良微型车、轻型车和中型车扩展。 图2 - i 德国z f 公司的电动助力转向系统 在我圈，电动甓力转彝系统的开发还处于起步除段，基产逮动助力转趣 系统尚属空白。目前国内动力转向系统还处在机械一液压动力转向阶段，仅有 昌潺j - 兰 鬃、毫汽菲受哮孥等l 罄了扶露本遴蜀懿e p s 系统。国肉铰套清华丈 学、吉林大学、台肥工业大学等高校开展了e p s 系统结构方案设计、系统建 横和动力分析等研究，目前仅处于理论分析和实验室研究阶段，尚未有产品 阏整。会耱工渣大学汽车系现己竞成了转向系运动学、动力学分析计算；提 出了关于e p s 的控制策略，劳进行了集成控制及其优化研究，在汽车转向试 验台和汽车上对控制策略进行了稔验，诫明其合理性，为e p s 的产品化奠定 了坚实的基础。不久蘧，中国南方舷空致力枫城公司开发爨比较完善的e p s 系统，假仍处于实验阶段。出于对潜在市场的保护，备研究开展e p s 系统的 纂位秘部门都缀少发表垂巴鹁具 零磅突戏累弱关键技术。 2 3 2 瞧臻赣力转翔系统瀚类鳖 e p s 的类型通常可以按其电动机的减速机构的形式不周戚电动机的布程 位置不弼进行分类。 e p s 系统般都鹰减速机构，电动机转矩输出经过减速枧构减速增矩对 e p s 进行助力。根据汽车上转向器结构形式不同( 图2 - 2 ) ，e p s 可分为：循 环球螺姆式( 圈2 - 2a ) 、蜗轮蜗秘式( 圈2 2b ) 、纛轮意象式( 麴2 2 e ) 三种。循环球螺母式e p s 电动机力矩的传递路线为：电动机循环球螺母 齿轮条。龌轮褥释式e p s 电凌掇力缒豹传递路线为：毫湖撬蜗轮一 一齿轮条。齿轮齿条式e p s 的电动机力矩的传递路线为：电动机行星盥 轮副另设巍轮齿条。 a ，循环球螺母式 l 力矩传感器； 2 一循环球螺母 3 一一功率放大嚣； 4 电控单元； 5 一一巍条； 6 一一转向盘； 7 一一电动壤； 8 - 带向减速机构 b ) 蜗轮蜗杆式 l 电磁离台器i 2 电动机： 3 巍矩传绥器： 4 转向轴： 5 糕轮蜗抒梳稳 6 齿轮齿条机构 ( c ) 蠢较齿条式 1 搬矩传感器；2 转接盘； 3 电动秘4 电磁褒金器； 5 齿轮齿条机构 援2 2 电动拂减速辊擒不同静e p s 的粪登 校擐毫动皴蠢拦位置不潮，e p s