（机械电子工程专业论文）轻中型商用车电动助力转向系统的研究.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 轻中型商用车电动助力转向系统的研究 摘要 电动助力转向( e p s ) 系统不仅具有体积小、重量轻、结构简单、安装和维 修方便、节能环保的优点，而且可以改善汽车的操纵性能、提高驾驶舒适性和安 全性，已渐渐取代液压助力转向( h p s ) 系统，可广泛应用于乘用车、商用车等 众多车型。目前，针对轻中型商用车电动助力转向系统，国内外尚无相关文献和 研究，因此研究开发轻中型商用车的电动助力转向系统并使之推广应用，对提高 我国汽车产业的技术水平有极为重要的意义。 本学位论文旨在对轻中型商用车电动助力转向系统的关键技术进行研究，为 轻中型商用车的电动助力转向系统的设计与开发提供了较为系统的理论依据。本 文的主要内容及研究成果有： 设计了适用于轻中型商用车电动助力转向系统的两种助力传动耦合机构，通 过对这两种方案的动力学及运动学分析，以及对转向性能影响的分析与比较，选 取适用于商用车的助力传动耦合机构，为后面的系统设计提供了理论依据。 根据轻中型商用车的助力传动耦合机构设计轻中型商用车e p s 系统，进行硬 件选用与分析；建立了轻中型商用车e p s 系统的动力学模型，进一步推导得到适 合控制的状态方程；提出了评价综合e p s 系统和转向操纵性能指标，并推导相 关表达式；通过计算与仿真研究各可变参数对转向操纵性能指标的影响，为e p s 系统各参数的选择和优化打下理论基础，为优化、开发系统做好准备。 分析了商用车的助力特性曲线的特点，提出了轻中型商用电动助力转向系统 中转向助力特性曲线设计要求并研究了具体设计方法，结合某车型给出具体设计 实例。为后面的助力控制提供理论依据，为实际应用打下了理论基础。 对e p s 系统的控制策略进行分析，重点对车用永磁无刷直流电机进行相关研 究。研究了直流电机的位置检测技术及弱磁原理，对e p s 系统中电机控制进行仿 真分析，为研制e p s 控制系统提供必要的理论依据。 关键词：商用车转向系统电动助力传动耦合助力特性 青岛科技大学研究生学位论文 r e s e a r c ho ft h eu g h t - m e d i u ms i z e c o m m e r c l 气lv e h i c l e se 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 s t r a c t e l e c t r o n i cp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) s y s t e mi st h et r e n dt or e p l a c eh y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n g ( iw s ) s y s t e m ，b e c a u s ei th a sn o to n l yt h ea d v a n t a g eo fs m a l l e rv o l u m e ， l i g h t e rw e i g h t ，s i m p l e rs t r u c t u r e ，e a s i e ri n s t a l l a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，l o w e r c o n s u m p t i o n ，b e r e re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，b u ta l s oc a ni m p r o v et h ed y n a m i ca n d s t a t i cp e r f o r m a n c eo ft h ea u t o m o b i l e ，i m p r o v et h ed r i v e r s c o z i n e s sa n ds e c u r i t y ，s of i t s f o rm a n yk i n d so fv e h i c l e ss u c ha sc a r s ，c o m m e r c i a lv e h i c l e se t c a tp r e s e n t ，l i g h t m e d i u ms i z ec o m m e r c i a lv e h i c l e se l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mh a sn o tr e l e v a n t r e s e a r c h t h e r e f o r e ，s t u d y i n ga n dd e v e l o p i n gt h i sk i n do fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e mi sag r e a ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v eo u rc o u n t r y st e c h n o l o g i c a ll e v e lo fa u t o i n d u s t r y t h i sd i s s e r t a t i o na i m st o s t u d yt h ek e yt e c h n o l o g yo fl i g h tm e d i u ms i z e c o m m e r c i a lv e h i c l e se l e c t r i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，t om a k eas y s t e m a t i ca n d t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fe p ss y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o n m a k e ss o m ea d v a n c e so nt h e s ef o l l o w i n ga s p e c t s ： t w o p o w e r t r a n s m i s s i o n sc o u p l i n ga r eb u i l tw h i c ha r ea p p l i c a b l et ol i g h tm e d i u m s i z ec o m m e r c i a lv e h i c l e se p ss y s t e m b yt h ed y n a m i c sa n dk i n e m a t i c sa n a l y s i so f t h e s ep r o g r a m m e r s ，a sw e l la sb yt h ei m p a c to ft h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n d c o m p a r i s o n ，t h ep o w e rt r a n s m i s s i o nc o u p l i n ga p p l i c a b l et ol i g h tm e d i u ms i z e c o m m e r c i a lv e h i c l e se p s s y s t e mi ss e l e c t e d t h e s eh a v em a d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h es y s t e md e s i g n b yt h et r a n s m i s s i o nc o u p l i n go fl i g h tm e d i u ms i z ec o m m e r c i a lv e h i c l e se p s s y s t e m ，t h ec o n t r a c t u r eo ft h ee p ss y s t e mi sd e s i g n e d ，t h es p e c i a lh a r d w a r eo fi ta r e 轻中裂商用乍电动助力转向系统的研究 s e l e c t e da n da n a l y z e d al 【i n e f i cm o d e lo f l i g h tm e d i u ms i z ec o m m e r c i a lv e h i c l e se p s s y s t e mi sb u i l ta n df u r t h e rt r a n s f o r m e dt oas t a t e s p a c em o d e lw h i c hi sm o r ef i t t e dt o c o n t r 0 1 c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n o fe p ss y s t e ma n da u t o m o t i v es y s t e mt o m a n i p u l a t ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sa r ep u tf o r w a r da n dt h e s ee x p r e s s i o n sa r ed e d u c e d b yc o m p u t e rs i m u l a t i o ns t u d yo f t h ev a r i a b l e p a r a m e t e r s o nt h e p e r f o r m a n c e i n d i c a t o r st ot h ei m p a c to ft h es t e e r i n gs y s t e m ，at h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es e l e c t i o na n d o p t i m i z a t i o no fp a r a m e t e r sa n dt h eo p t i m 娩a f i o no fe p ss y s t e md e v e l o p m e n ta r er e a d y b yt h ea n a l y s i so ft h ep o w e ro ft h ec o m m e r c i a lv e h i c l e sc u r v ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h e s p e c i f i cd e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dm e t h o d o l o g i e so fl i g h tm e d i u ms i z ec o m m e r c i a l v e h i d e s p o w e rs t e e r i n gc h a r a c t e r i s t i cc u r v ea n dc r i t e r i aa r ed e s i g n e d as p e c i f i cd e s i g n e x a m p l ei st a k e n at h e o r e t i c a lb a s i si sm a d ef o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h ee p ss y s t e mc o n t r o ls t r a t e g yh a sb e e na n a l y z e d ，e s p e c i a l l yt h ep e r m a n e n t m a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r - r e l a t e dh a sb e e nm a i n l yr e s e a r c h e d a n dt h e n ，t h e d c d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n dw e a km a g n e t i cp r i n c i p l ea r er e s e a r c h e d ，a n dt h ee p s s y s t e mo fm o t o rc o n t r o li ss i m u l a t e d t h e s ep r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h e d e v e l o p m e n to fe p ss y s t e mc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：c o m m e r c i a lv e h i c l e s ，s t e e r i n gs y s t e m ，d e c t d cp o w e r , t r a n s m i s s i o n c o u p l i n g ，p o w e rc h a r a c t e r i s t i c 轻中型商用车电动助力转向系统的研究 r ( 砌) 符号说明 乃( 2 v 砌) 一 乃( ) 乙m ) 等效到转向柱的转向阻力矩 电机提供的当量助力力矩 一一一一转向盘输入力矩 y ( i o n h ) 一 t ( k g m 2 ) c | ( n r a d ) c ，( n r a d ) 一 r ( q ) l ( 印 一电动机的电磁转矩 一车速 汽车绕重心垂直轴的转动惯量 前轮侧偏刚度 一一一后轮倾0 偏冈叽良 e ( n m 。s e c r a d ) 一 j 。( 幻m 2 ) 包( 砌) 一一电动机电枢电阻 电动机电枢电感 一前轮等效阻尼系数 一一一前轮等效转动惯量 屯( n m a ) 屯( y s 台c ) 一一一 ，。( 姆m 2 ) 一一扭矩传感器刚度 b m ( n m 。s e c r a d ) _ _ - g 1 一 反电势常数 电磁转矩常数 一一电动机转动惯量 电动机阻尼系数 一一助力机构传动比 机械转向器传动比 青岛科技人学研究生学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人己用于其他学位 申请的论文或成果。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 中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：同期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、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。本人授权学校可以将学位论文的全部或部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。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍 然为青岛科技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口。 ( 请在以上方框内打“ ) 本人签名： 导师签名： 日期： 日期： 年月日 年月日 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 电动助力转向系统概述 1绪论 目前，助力转向( 动力转向) 已成为绝大多数车辆的一项标准配置n 1 。顾名 思义，助力转向就是利用外部能源通过助力装置协助驾驶员改变及恢复汽车行驶 方向，减轻转向盘操纵力矩并获得一定路感的装置。 从2 0 世纪5 0 年代以来，助力转向系统经历了机械式助力转向系统，液压助 力转向系统，电动助力转向系统三个发展阶段，并有继续向智能化发展的趋势。 电动助力转向系统( e p s ，e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ) 是在机械式转向系统的基 础上加装电机驱动单元构成的，其主要目的是提供助力、改善汽车转向性能、协 助驾驶员完成转向操作。e p s 系统相对于传统的液压助力转向( 1 i p s ，h y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n g ) 系统有其能耗小，污染少，节油，省空间等一系列优点，应用日 益广泛。据t r w 公司官员估计硷3 ，至2 0 1 0 年全世界三分之一的轿车将应用e p s 系统，e p s 系统渐渐作为标准配置应用于各种汽车上。可以预见，在各种车型上 e p s 系统取代传统液压助力转向系统是必然趋势。目前的轻中型商用车上大都应 用液压助力转向系统，轻中型商用车的电动助力转向系统在国内外还没有相关的 研究与应用。 1 1 1 电动助力转向的主要组成及助力形式 电动助力转向系统是以机械转向系统为基础，根据转向盘上的转向力矩信号 和车速信号，通过电控装置控制电机电流从而产生助力以辅助驾驶员进行转向的 装置。 以转向管柱助力式电动助力转向系统为例，乘用车的电动助力转向系统一般 由以下几个部分组成( 图1 - 1 ) ： 1 、机械转向器 转向机构的机械部分，与普通的机械转向系统相同。 2 、扭矩传感器 轻中型商用车电动助力转向系统的研究 安装于转向柱或转向器上的扭矩传感器，主要用来检测转向盘转矩和方 向。有的电动助力转向系统产品的扭矩传感器上还集成了转向盘角度传感 器，用来测量转向盘转角，输入控制器参与控制。 3 、车速传感器 感受汽车的行驶状态，控制单元根据车速的大小决定不同车速下的转向 助力，使驾驶者在全车速范围内都能得到良好的路感。 图1 - 1e p s 系统结构示意图 f i g 1 1s t r u c t u r ec h a r to fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m 1 转向盘2 转矩传感器3 减速机构4 电磁离合器5 电机6 转向器7 车轮 a 转矩信号b 车速信号c 发动机转速信号d 电机控制信号e 电磁离合器控制信号 4 、电子控制单元( 控制器) e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 包括控制单元和动力单元：控制单元决定助力的大小；动力单元接受控 制单元发出的指令，驱动电机实现助力。 5 、电动机及其附属机构 电机根据驱动单元的驱动信号输出一定的转矩，通过减速装置后，施加助力 于机械转向系统上，达到助力的目的。一般采用永磁直流电机或无刷直流电机。 永磁无刷直流电机结构紧凑、寿命长、效率高，将会越来越广泛地应用到电动助 力转向系统上。电动助力转向系统还应安装电磁离合器或转矩限制器，用来在危 险情况下断歼电机和机械转向系统的连接。 乘用车用电动助力转向系统按照在转向器上的助力部位，可以分成转向管柱 助力式、小齿轮助力式、齿条轴助力式以及双小齿轮助力式。图1 2 为几种不同 2 青岛科技大学研究生学位论文 助力形式的电动助力转向系统结构 蟹。、 ；菇罗 辱蕊 ，- 。警7 ，舀 繇。 、0 寥圹 ， 口$ 日e a o h 自# m n i 图1 2 不同助力形式的e p s 系统 f i gl 一2d i f f e r e n t p o w e r m o d a l i t i e s o f e p ss y s t e m 电机安装部位不同，对其自身的要求也不同。转向柱助力式e p s 系统，电机 位于驾驶室内，工作环境较好，但体积不能太大，否则会影响驾驶员腿的活动空 间，对电机噪声要求严格。其他几种助力型式，电机位于发动机室内，工作环境 较恶劣，但体积和噪声的要求较宽松，适用于前桥载荷较大的车辆。 对轻中型商用汽车而言，载荷比乘用车大很多，所需的电机助力远远超过乘 用车，并且转向器结构与安装部伉不同，凶此需要设计全新的适用于商用车重载 工况的电机助力传动耦合机构，使得电机助力经过传动耦合机构，可以和原来的 机械式转向器合成为整体式助力转向器。 2 研究的理论意义和现实意义 汽车电动转向助力系统是是利用电动机产生的动力协助驾车者进行动力转 7 葺m o ， n ，甓 盘m 瓷 m 7 轻中型商用车电动助力转向系统的研究 向，一般是由转向( 扭矩) 传感器、电子控制单元、电动机、减速器、机械转向 器以及蓄电池电源所构成。电动助力转向系统采用电动机与电子控制技术对转向 进行控制，具有控制容易、结构简单、重量轻、维修方便等优点，且较之传统的 液压助力转向系统( h p s ) 无需液压传递回路，也无液压泄漏之忧，安装自由度 较大，可以通过优化算法来解决汽车操纵时轻与灵的矛盾。转向系统是影响汽车 操纵稳定性、舒适性和行驶安全性的关键系统之一，在转向系统的设计当中，存 在着转向轻便性和转向灵敏性之间的矛盾。最初为解决转向的轻便性和灵敏性之 间的矛盾，采用变传动比的机械转向系统或常规液压动力转向系统。查阅文献h m 5 3 可知，采用变传动比的机械转向系统从有效地减小转向力来看，无法同后者相比， 而且变传动比的机械转向系统加工较复杂且机械效率比定传动比低，故大多数商 用汽车及5 0 以上的轿车都采用动力转向系统。 e p s 相对于传统的液压助力转向系统具有以下的优越性： 节能环保。由于e p s 只有在需要转向的时候才启动电机，提供助力，而且在 达到一定车速时，提供的助力往往较小，因此相当节能。而传统的液压助力转向 系统的油泵始终由发动机带动，无论转弯或是直线行驶，都在白白消耗能量，造 成浪费。e p s 是现有的各种动力转向系统中燃料消耗最低的转向系统，据有关资 料报导，e p s 的燃料消耗率仅为液压助力转向系统的1 6 2 0 n 引。而对采用了 液压助力转向系统的轿车，以1 9 9 5 年全世界轿车销售量中7 5 ( 即3 7 0 0 万辆) 为例，为了维持液压助力转向系统正常工作，一年要消耗大约几亿升燃油，燃烧 如此多的油料对环境造成的污染是可想而知的。此外e p s 不需要传统的油泵、动 力缸等液压部件，因此也不会发生液压油泄漏及由此产生的污染问题。据d e l p h i 公司统计，1 9 9 5 年全世界销售轿车中采用h p s 的车辆，共用去了4 0 0 0 万升液压 油。如改用e p s 系统，仅此一项即可少消耗许多资源。 与传统液压助力转向系统相比，e p s 系统更容易获得较佳的助力特性。由于 采用软件控制，调整助力特性也十分容易，因此对不同的车型进行匹配时，该优 势是传统液压助力转向系统不能比拟的。助力大小随车速可变。为获得稳定行驶， 提供最佳转向手感，电子控制单元e c u 还会根据车速来修正助力大小，达到车 速越高助力越小，抑制高速行驶时“发飘。目前，仅高档车和部分中档车装配 的新一代的电子控制液压助力系统力具有这样的特性。 协助驾驶员抵抗来自路面的不良冲击，比如高速行驶发生爆胎，控制器会识 别这样的恶性冲击，通过施加与冲击方向相反的助力来适当抵消，稳定行驶。 结构简单，重量轻。电动机和减速机构安装在转向柱或转向系统内，所占空 4 青岛科技大学研究生学位论文 间小而且重量比液压转向系统的重量大大降低。 没有油泵，噪音小，即使在最大助力时，在驾驶室内几乎听不到因转向产生 的声音。 成本低、效率高。2 0 多年前，曾有用电机助力机构代替传统的h p s 系统， 其中没有成功的重要原因之一是控制成本太高。如今，电力电子技术获得了惊人 的发展，使得电子器件的价格大幅下降，t r w 公司认为，e p s 系统的成本可能 下降到h p s 成本的9 0 h 1 。 无安全隐患，性能可靠。e p s 只是在原有的机械管柱上附加了助力电机，电 机的输出端带有离合器，出现电气故障时，助力消失，系统恢复到原有的机械转 向状态，最大限度的保证行车安全。 目前，在全世界汽车行业中，电动转向系统每年正以9 。1 0 的增长速度发 展，并将由微型车、轿车向商用车等车型扩展，年增长量达1 3 0 万一1 5 0 万套，而 国内市场进入批量生产后每年将增加1 0 万一1 5 万套。按此速度发展，用不了几年 的时间，电动转向将会完全占领轿车市场，并向微型车、轻型和中型商用车扩展。 可以预见，在各种车型上e p s 系统取代传统液压助力转向系统是必然趋势。 开发具有自主知识产权的e p s 系统，对于我国在世界汽车工业新技术领域占有一 席之地，以及我国汽车零配件生产技术水平都具有重要意义。 本课题开发成功后，完全可以由上而下覆盖轻中型商用车领域，并可以向上 继续研发用于重型、超重型商用车的电动助力转向系统，从而形成全系列、多种 类的e p s 产品，迅速占领市场，创造良好的效益。 1 3 国内外研究现状及发展趋势 由于e p s 系统的诸多优点，自二十世纪八十年代以来，国外一些大的跨国汽 车零部件供应商以及一些汽车公司一直都在进行e p s 系统的开发研制工作。目 前，已有厂商将e p s 系统装备于实车上销售。 同本s u z u k i 公司在1 9 8 8 年首次把e p s 系统用于c e r v o 微型车上，并于1 9 9 0 年在小型乘用车上率先实现该系统的商品化嘲。日本h o n d a 公司的e p s 系统从 1 9 9 0 年到1 9 9 7 年已经发展到了第六代，技术十分成熟。同时，日本n s k 公司， k o y os e i k o 公司以及d e n s o 公司也相继研制出自己的e p s 产品并安装到轿车上 作为产品销售。图1 3 为s h o w a 公司的齿条助力式e p s 系统，其特点是采用空 5 轻中l q 商川乍电动助力转向系统的研究 心电机及球螺旋减速机构齿条轴从电机中穿过。该系统安装于排量为3 升的 n s x 跑车上”。另外，r 本的大发汽车公司、= 菱汽车公司、本田等都相继研 制出各自的e p s 产品。 囤卜3 安装于n s x 的e p s 系统 f i 9 1 3 e p ss y s t e m i n s t a l l e d i n n s x 欧美公司在e p s 方面的研究虽晚十h 本，但也不甘落后。荧幽的t r w 年口 d e l p h i 等公司也相继于1 9 9 7 年扦始推出各自的e p s 系统。其中，d e l p h i 公司的 e p s 系统自2 0 0 0 年起作为标准装备，f 始安装在f i a t 公列的p u n t o 微型车上。另外， 美国v i s t e o n 公司以及德四z f 公司，英国的c h e r w e l l 公司，l u c k s 公司也研 制出了各自的e p s 产品o “。 h 小在有刷电机e p s 系统的研究t 起步较早，产品也比较成熟，欧荚则偏向 开发无刷电机e p s 系统。尽管无刷电机具有结构简单、无换向火花等优点，但在 小功率电机上，这些优点小是很明显，且无刷电机的控制十分复杂。 比较有代表性的早期e p s 控制器有n 3 和e 6 等，新吖e 有代表性的e p s 控 制器为n 4 。早期的n 3 和e 6 控制器尺寸比较大，直捅式功率管依靠控制器侧面 的散热器散热，而n 4 控制器几乎全部选用贴片元件，并将信号和功率电路分别 设计在两块电路板上叠层放置，利用控制器下方的散热器散热，因此尺寸显著减 小。在硬件技术上，n 4 也有较大改进。除了信号部分采用4 层板，提高了电磁 兼容性之外，n 4 更多的采用集成元器件构成单元电路，以提高可靠性，而n 3 和 e 6 则较多的采用分立元件构成单元电路。另外，n 4 采用，频率稳定性更高的石 英品振代替陶瓷谐振元件为单片机提供时钟信号，在控制精度和稳定程度r 更胜 筹：在电机电流榆测和吸收电源尖峰的方法上也有差异。 除了各大汽车公司和零部件供应商纷纷研究丌发e p s 系统外各大芯片开发 商也争相为e p s 系统开发专用芯片，甚至提供完整的解决方案，如m o t o r o l a 为 e p s 设计了集成驱动电路m c 3 3 8 8 3 ，国际整流器( m ) 公司为e p s 开发了电流 检测芯片i r 2 1 7 5 ，以及i r f 7 8 4 3 、i r f l 4 0 4 等e p s 专用m o s f e t 。 青岛科技大学研究生学位论文 据了解，目前国内也有相当数量的厂家和科研单位f 在开发e p s 系统，如天 津大学开发了采用1 6 位单片机的e p s 控制器样品；北京理工大学开发出车用用 e p s 控制器；南方航空动力机械设备厂开发的e p s 系统已经开始在昌河爱迪尔车 型上进行小批量装车；由浙江福林国润汽车零配件有限公司开发的e p s 系统丌始 在吉利的豪情2 3 2 车型上试装。此外，江苏大学、北京航空航天大学、华中科技 大学、哈尔滨航天风华科技公司、浙江世宝方向机有限公司等单位也在进行e p s 系统的研究和开发，并有样品问世。 为了更好的规范国内e p s 研发与产业化，重庆汽车研究所作为主要起草人起 草了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( 征求意见稿) ， 力求对电动助力转向系统的设计开发及生产试验进行规范，可见国内学术界、技 术界、产业界对e p s 产业化的重视程度。 电动助力转向系统是一项综合了现代控制技术、机电一体化及现代电子技术 等技术的高新技术，与传统液压动力转向相比有许多优点，具有广阔的发展前景 e p s 的应用范围将会进步拓宽，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，国内所有研发单位所进行的电动助力转向系统的研究，都是针对乘用 车的，而且都没有大规模产业化，还有很长的道路要走。本课题是针对轻中型商 用车的，国内外均无此类产品和技术信息，具有很大的发展和创新空问。同时， 研发成功的轻中型商用车电动助力转向系统可以大规模装备到国内生产的同类 车型上，具有大规模产业化创造价值的可靠条件。 1 4 轻中型商用车电动助力转向系统的关键技术 针对商用车与乘用车的一些不同之处，需要对轻中型商用车e p s 系统的关键 部分进行相关研究，其关键技术及主要创新主要有以下几个方面t 1 、轻中型商用车电机助力传动耦合机构的设计 目前大多数乘用车采用齿轮齿条转向器，而轻中型商用车由于其独特的循环 球转向器及拉杆式转向系统，使得其e p s 系统不同于目i j 轿车上应用的几种e p s 传动耦合方式。对轻中型商用车而言，所需电机助力远远超过乘用车，因此需要 设计全新的适用于商用汽车重载工况的电机助力传动耦合机构，使得电机助力经 过传动耦合机构，可以和原来的机械式转向器合成为整体式助力转向系统。目前 7 轻中型商用车电动助力转向系统的研究 电动助力转向系统主要应用于齿轮齿条式转向器，而轻中型商用汽车采用的是循 环球式转向器，乘用车所用的通用助力方式已经不适用于轻中型商用车，需要针 对轻中型商用汽车的循环球式转向机设计新型的电机助力传动耦合机构。这种机 构是完全新型的结构，在重量轻、结构简单的基础上可以稳定、可靠、持续的传 递电机助力到转向轮；同时要考虑双前轮转向时运动及助力的协调配合。 2 、轻中型商用车e p s 模型的建立及转向操纵性能分析 根据轻中型商用车e p s 系统的动力学模型，需要评价综合e p s 系统和汽车 系统的转向操纵性能指标，推导这些指标的具体表达式；根据推导的转向操纵表 达式，分析各可变参数对转向操纵性能指标的影响，并由此建立了汽车操纵稳定 性准则；根据各参数对转向操纵性能的影响，为系统的设计提供了理论依据。 3 、轻中型商用车的转向助力特性研究 关于转向助力特性曲线，经过检索和查阅发现，可能是出于技术保密，国内 外还没有文献专门对此进行研究，一般都是在控制系统设计中附带提一下。对轻 中型商用汽车电动助力转向系统中助力特性曲线的研究还基本处于空白，因此有 必要对轻中型商用车助力特性曲线的设计要求和设计方法进行深入研究，对电动 助力转向系统的控制策略研究具有指导作用。 4 、车用大功率直流电机的控制、调节方法及弱磁理论的研究 对普通乘用车而言，转向桥( 一般为前桥，不考虑四轮转向) 载荷一般为车 辆总重的5 0 - 6 5 ，通常不超过2 0 0 0 k g ；而轻中型商用汽车而言，满载时转向 桥载荷超过3 0 0 0 k g ，甚至会达到1 0 0 0 0 k g ，是普通乘用车的3 5 倍。 轻中型商用汽车所需的助力力矩约为普通乘用车的5 - - - 1 1 倍。考虑到减速机 构及机械转向器的速比，轻中型商用汽车助力用直流电机的功率应是普通乘用车 所用助力电机的1 0 倍左右。 目前，乘用车用助力电机多为永磁直流电机，功率为1 5 0w - - - 2 0 0 w ；而商用 车所用助力电机应选择功率为1 5 k w - - 2 0 k w 的直流电机。此功率段直流电机应 选择永磁无刷直流电机或永磁同步电机，采用p w m 控制或相位矢量控制方法来 控制电机输出转矩，从而调节助力力矩。大功率直流电机的控制、调节方法及稳 定性研究是一个创新点。 转向助力要求电机驱动系统要有很宽的调速范围。为了扩大电机的调速范 围，可以采用采用弱磁控制的方法达到这一目的。永磁无刷直流电机的弱磁比较 困难，弱磁范围的大小和电机本身的结构有很大关系。目前永磁无刷直流电机弱 磁控制方法以及电机弱磁理论等都还需要进一步进行研究。 8 青岛科技人学研究生学位论文 1 5 本文的主要研究内容 针对轻中型商用车e p s 系统的关键技术，本文的主要研究内容如下t 第1 章对介绍了电动助力转向系统及发展现状和趋势，提出了本课题的研究 意义，阐述了轻中型商用车电动助力转向系统的关键技术及本文的研究内容。 第2 章设计了轻中型商用车电动助力转向系统的两种助力传动耦合机构，对 两种助力机构方案进行了运动学与动力学的分析与比较，选取适用于商用车的助 力传动耦合机构。 第3 章根据前面轻中型商用车助力传动耦合机构设计了商用车e p s 系统结 构，并对具体部件进行选用与原理分析。 第4 章建立了轻中型商用车e p s 系统的动力学模型，建立适宜控制的状态方 程；提出了评价综合e p s 系统和汽车系统的转向操纵性能指标，并推导了这些指 标的具体表达式；通过计算，仿真出各可变参数对转向操纵性能指标的影响，建 立了汽车操纵稳定性准则。 第5 章中提出了轻中型商用车电动助力转向系统中转向助力特性曲线的设计 要求，研究适合轻中型商用车的转向助力特性曲线的设计方法，并根据具体商用 车型进行计算。 第6 章对e p s 系统的控制策略进行分析研究，重点对车用永磁无刷直流电机 进行研究，利用m a t l a b 对永磁无刷直流电机进行控制仿真，对直流电机的位 置检测技术和弱磁控制进行了研究。 一 第7 章设计了轻中型商用车e p s 系统试验台架，为后续试验与开发做好准备。 9 轻巾艰商川中电动助力转向系统的研究 2 轻中型商用车e p s 系统的传动耦合结构设计及分析 目前，商用车所用的足液压助力转向系统，其结构复杂”2 ( 图2 - 1 ) ，根据原 有的机械结构开发新式的轻中型商用车电动助力转向系统迪在眉睫。然而，在目 前的汽车转向系统的设计中，转向灵敏性与转向轻便性是一个矛盾的问题。转向 灵敏性是指驾驶员转动一定转角所需的时问，时m 越短则灵敏性越好。对机械转 向系统来说要想转向灵敏性好，就要减小转向系统传动比，但这必然导致转向力 增大；反之要想转向力小，传动比就需增大，这又导致转向灵敏性下降。对于 d 口轮轴载荷较小的车辆如轿车和微型车，转向力不大，这个矛盾还不明显。但对 商用乍尤其是重型商用车等转向沉重的车辆，如果采用机械转向系统，转向灵敏 性与轻便性的矛盾是无法调和的。因此必须采用助力装置柬辅助驾驶员转向从 而叫在保汪转向灵敏性币下降的情况下，尽量降低体力消耗。 冬 一j 斟2 1 液压助力转向系统 f i g21h v d r a u l i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m 与液压动力转向系统一样，开发电动助力转向系统也正是为了解决此矛盾， 但它具有液压动力转向系统所不具备的优势。在电动助力转向系统的研究中转向 助力传动机构的设计足转向系统达到优越性能的前提条件之一。归纳世界各犬汽 乍公司开发的电动助力转向系统，转向柱辅助转向传础机构方案基本上町分为蜗 轮蜗杆助力传动机构方案和差动轮系助位移传动机构方案两种。这两种方案下转 向系统传动比可随着车速的变化而变化，从而可提高车辆在各种行驶条件下转向 鱼时 锶 青岛科技大学研究生学位论文 操纵性能。本章根据这两种方案设计了两种适用于商用车的助力传动耦合结构， 在蜗轮蜗杆助力传动机构方案的动力学建模中考虑了电磁离合器的动态特性，并 从转向灵敏性和转向手感的角度出发，讨论这两种辅助转向传动机构方案对转向 性能的影响，从而找出最佳的设计方案。 2 1 机构方案设计 与目前大多数乘用车相比，轻中型商用车由于其独特的循环球转向器及拉杆 式机械转向结构，使得其e p s 系统不同于目前轿车上应用的几种助力传动耦合方 式。乘用车用电动助力转向系统按照在转向器上的助力部位，可以分成转向柱助 力式、小齿轮助力式、齿条轴助力式以及双小齿轮助力式( 图1 2 ) 。对轻中型商 用车而言，所需电机助力远远超过乘用车，因此需要设计全新的适用于商用车重 载工况的电机助力传动耦合机构，使得电机助力经过传动耦合机构，可以和原来 的机械式转向器( 图2 2 ) 合成为整体式助力转向系统。 图2 - 2商用车机械转向系统结构示意图u 副 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo fe o m m e r c i a lm e c h a n i c a ls t e e r i n gs y s t e m 1 、转向盘2 、转向柱3 、转向万向节4 、转向传动轴5 、转向器6 、转向摇臂7 、转向直 拉杆8 、转向节臂9 、左转向节1 0 、1 2 梯形臂1 l 、转向横拉杆1 3 、右转向节 目前电动助力转向系统主要应用于齿轮齿条式转向器，而轻中型商用车采用 的是循环球式转向器，对于商用车的电动助力转向系统，应采用转向柱助力方式。 根据这种助力方式，可以对传动耦合机构进行结构设计。设计助力传动耦合机构 的基本原理就是减小转向功，考虑到转向功是转向力和转向角之积，因此，减小 转向功可分为两种途径：一是减小转向力，二是减小转向角。前者的原理是通过 轻中型商用乍电动助力转向系统的研究 提供一个转向助力来直接减小转向力，可采用蜗轮蜗杆助力传动机构方案；后者 的原理是通过提供另外一个运动，此运动与转向运动合成后可减小转向角度，可 采用的是差动轮系助位机构方案。 2 1 1 蜗轮蜗杆助力传动机构设计 根据原有的机械转向器，设计蜗轮蜗杆助力式传动机构，此种机构是在万向 联轴器与循环球转向器之间加上电动机、电磁离合器、车速及扭矩传感器、蜗轮 蜗杆传动机构和电子控制单元等结构而组成的( 图2 - 3 ) 。这种结构的安装即不影 响先前的机械转向器，又可以大大的节省空间。电动机通过提供转向助力辅助驾 驶员进行转向，为了增加转向的可靠性，电磁离合器是保证电动助力只在预定的 范围内起作用，当车速、电流超过限定的最大值或转向系统发生故障时，离合器 便自动切断电动机的电源，恢复手动控制转向。此外，在不加助力的情况下，离 合器还能消除电动机的惯性对转向的影响。但由于电磁离合器的特性，它的吸合 和分离需要一定时间，因此会有转向的滞后与超凋。 图2 - 3 蜗轮蜗杆助力传动机构示意图 f i g 2 3w o r mg e a rp o w e rt r a n s m i s s i o ns k e t c h 1 方向盘2 、万向联轴器3 、扭矩传感器4 、蜗轮蜗杆机构5 、电机6 、离合器 7 、循环球转向器8 、前臂拉杆 2 1 2 差动轮系助力传动机构设计 这种方案有两种机构组成，即圆柱齿轮机构和蜗轮蜗杆机构。这种方案结构 也是在万向联轴器和循环球转向器之间加装电动机、车速和转角传感器、蜗轮蜗 青岛科技人学研究生学位论文 杆机构和差动轮系机构、电子控制单元而组成( 图2 4 ) 。其工作原理是根据车速 和手动的转向角度，电子控制单元按照规定的控制规律使得电动机提供一个与手 动转向同方向的辅助转角并利用差动轮系的运动合成得到前轮转向角度，这间接 地减小了转向系统的传动比而减小了手动转向角度，从而为驾驶员提供了转向助 力。由于蜗轮蜗杆机构设计成反向自锁，在电动机不转情况下，齿圈固定，转向 动作通过行星架减速输出。这种传动机构方案的特点是不需要电磁离合器，故不 存在滞后和超调效应。但由于差动轮系机构方案是由两套机构组成，其效率要比 蜗轮蜗杆机构低，并且其体积较大。 图2 - 4 差动轮系传动助力机构示意图 f i g 2 - 4d i f f e r e n t i a lg e a rs y s t e mt r a n s m i s s i o ns k e t c h l 、方向盘2 、万向联轴器3 、扭矩传感器4 、差动行星轮机构5 、蜗轮蜗杆机构 6 、循环球转向器7 、前臂拉杆 2 2 两种方案性能对比 上述两种方案哪一种更好，必须分析比较它们的转向系统性能，衡量转向系 统性能的主要指标有转向灵敏性和转向手感n3 j 。转向灵敏性可以定义为前轮转角 与方向盘转角之比，比值越大，转向越灵敏。对于机械转向系统而言，转向灵敏 性取决于转向器的传动比和转向机构尺寸。转向手感就是汽车的运动状态( 包括 前轮与路面的附着状态) 与驾驶员手上的力的对应关系。手感越平滑，驾驶员对 路面状况的把握越准确。由于电动助力转向系统的转向灵敏度和转向手感分别取 多 毒一一 轻中犁商用乍电动助力转向系统的研究 决于辅助转向运动和手动转向之间的运动学关系及动力学关系