（光学工程专业论文）电动助力转向系统性能测试加载系统的设计.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 汽车转向系统的性能直接影响车辆的操稳性及安全性，电动助力转向是汽车转向系 统上新应用的技术，需要对其性能和核心部件控制器进行测试，因此建立电动助力转向 性能试验台是非常必要的。 本文在对e p s 工作原理进行分析以及对国内外e p s 性能试验台试验方法研究的基础 上，依据电动助力转向装置技术条件与台架试验方法的内容，开展了电动助力转向 系统性能试验台的搭建工作，设计了电动助力转向系统性能测试的加载系统。 首先，论文通过研究电动助力转向系统的工作原理，设计了加载系统的功能方案； 通过研究电动助力转向系统助力特性，制定了加载系统的加载规律；根据加载系统的特 点，设计加载系统的机械结构，并对其进行了c a e 分析，证明了该机械结构符合加载系 统的性能要求。加载系统的硬件部分有控制器、程控电流、磁粉制动器、位移传感器、 扭矩传感器等。 然后，采用c 语言开发加载系统的软件控制部分：利用l a b v 】匝w 软件实现了加载系 统的试验数据采集，及对加载系统测试过程的实时监测。 最后，对加载系统进行了性能测试试验。试验表明，该加载系统使用方便、运行可 靠、加载情况良好，为后续电动助力转向控制器的设计和电动助力转向性能的测试奠定 了基础。 关键词：电动助力转向；加载系统；性能测试；试验 电动助力转向系统性能测试加载系统的设计 a b s t r a c t t h ep e 响肌锄c eo f s t e e r i n gs y s t e ma 仃c c t sv e h i c l e sh 锄d l i n g s 协b i l i t ya i l ds a f 音哆 d c t l y e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gi san e wt e c h m c a la p p l i c a t i o n0 ns t e 嘶n gs y s t e r n i t s p c r f b m 觚c e 锄d c o r ec o m p o n e i l t so fc o r l 仃o l l e rn e e dt 0b et e s t e d ，i ti sv e 哆n e c e s s a d ，t 0 e s t a b l i s ht h ep e r f 0 n i l 锄c et c s tb e d0 fe l e c t r i cp o w e rs t 血g i i lt l l i sp 印e r ，e p s w o r k si sa m l y z e da n dt h eb 鹊i sf 0 re p sp 硎b m 锄c et e s tm e t l l o d sa t h o m ea i l da b r o a d b a s e do nm ec o n t e n to ft l l ee l e c t r i cp o w e rs t e 荫n gd e v i c et c c l l l l i c a l c 0 n d i t i o 璐a n dt e s tm 甜l o 也t h ee l c c t r i cp o w e rs t e 础l gs y s t e mp 酬f 0 咖锄c et 髓tb e di sc 硎e d 0 u t ，l o a d i n gs y s t e mo fn l ee l e c t r i cp o w e rs t e e 血1 9s y s t e n lp e r f l o m 锄c et e s t i n gi sd e s i g n e d f 砥t l o a d i i l g 如n c t i o no f t l l es y s t 锄i sd e s i g n e db ys t u d y i i l gt l l ee l e c t r i cp o w e rs t e e 血g s y s t 锄w o f k si nt i l i sp 印e r ；l o a d i n gl a wo f t h el o a d i l l gs y s t 锄i sd e v e l 叩e dt 0b ys t l j d y i l l g e l e c t r i cp o w e rs t e e 血1 9s y s t 锄f e 砷u u r 铭；a c c 0 r d i i l gt 0n l ec h 锄c t 耐s t i c so ft l l el o a d i n g s y s t e 峨t h em e c h a n i c a lg 咖c t u 】r co ft l l es y s t 锄i sd e s i 印c d 锄ds e to 吣a n dc a e 趾a l y s i si s d o n et 0t l l em e c h a n i c a ls 咖c t u r e ，i tp r o v e dt h a t 也em e c h a l l i c a ls 臼m c t u r et 0m e e tt l l e p c r f o m a n c er e q u i 崩n e n t s o fm el o a d i i l gs y s t e m t h eh a r d w a r ep a no ft h el o a d i n gs y s t 锄 c o n 仃0 1 1 p r 0 伊咖a b l e 删，m a 印嘶cp o w d e rb r a k e ，d i s p l a c e m 即ts 吼s o r t o r q l j es e n s o r e t c t h e ml o a d i i l gs y s t 锄s 0 f h ) i ，a r ec 0 n t r o ls c c t i o ni sd e v e l o p e db y 惦i i l gt h ec - l a n g u a g ei n t b j sp 印也el o a d i n gs y s t 锄e x p e r i i n 饥t 出p 锄e li sd 嚣i 印e db y 鹏i i l gl a b v 正ws o 脚a r e ，t 0 a 咖e v er c a l - 缸em o i l i t o 面1 9o ft h ep m c e s so fl o a d 血gs y s t e mt c s t i r l g f i n a l l y ，t l l el o a d i i l gs y s t e mp e 0 册锄c eh 觚b 啪t e s t e di nt l l i sp 印e r t h er 印o r ts h o w s t l l a tt h el o a d i n gs y s t e mi se 弱yt 0u s e ，r c l i a b l et 00 p e r a t e ，觚dw e ut 0l o a d ，w l l i c hl a y sag o o d f 0 岫d a t i o nf o rt 1 1 ed e s i 印o ft h ec o n t m l l e r 锄dt h et e s to ft h ee l e c t r i cp o w e rs t 锄g p 廿f 0 加1 锄c e k e yw o r d s ： e l e 确cp o w e rs t e e 曲g ；l 0 a d 啦s y s t 锄：p 柏m 锄c et e s t ；t e s t 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 汽车转向系统概述 在车辆行驶中，驾驶员常常需要改变或恢复车辆行驶的方向，此过程是通过转向系 统实现的。轮式汽车行驶是驾驶员通过控制方向盘使转向轮相对于汽车纵向轴偏转一定 角度来实现转向的【1 】【2 】。 转向系统有两种类型，分别为机械式转向系统和动力式转向系统，机械式转向系统 以人为动力源，其所有的传动机构都是机械的，传动机构有转向操纵机构、转向器和转 向传动机构组成。动力式转向系统与机械式转向系统的不同之处，主要是在其基础上增 加了一套转向助力装置就构成动力式转向系统【3 】。 早期出现的动力转向系统是液压助力转向系统，液压助力转向系统的原理：利用油 泵提供压力，再通过控制阀门的开度大小来调节油压，根据汽车的行驶状态，控制转向 助力系统。在汽车转向过程中，转向动作依然由驾驶员来完成，动力转向系统的油压只 对转向起辅助作用。液压助力转向所起作用力的大小主要取决去油压的高低，因此系 统中对流量的控制最为重要。转向系统工作时，液压泵持续转动，由于驱动液压泵工作 的动力源是发动机，这样就要消耗发动机的一部分的有效功率，所以液压助力转向系统 经济性差，一般轿车每百公里要多消耗o 3 o 4 升的燃料；此外，存在液压油泄漏问题， 对环境造成污染，在环保性能被日益强调的今天，无疑是个明显的劣势。 随着科技技术的迅速发展，电子技术在汽车上动力转向系统已经从早期液压动力转 向系统( e h p s ) 发展到电动液压助力转向系统再到如今的更为节能、安全及操纵性能 更为优良的电动助力转向系统( 简称e p s ) 。e p s 助力系统在汽车上的应用，提高了汽车的 操纵稳定性。然而目前绝大多数汽车上的转向系统都是处于机械传动阶段，由于其机械 结构的特性转向传动比是固体的。汽车转向时助力系统根据车辆的行驶情况进行一定的 操作补偿，进而使汽车按驾驶员的意愿行驶。由于e p s 系统靠车载蓄电池提供能量，相 比液压装置，利用电动机直接来提供助力的e p s 系统的经济性优越于液压助力系统。e p s 系统的助力大小由微控制器控制，改善了汽车的操纵灵活性，并且其只有在助力时才消 耗能量，它的普及能够适应当前节能与环保的大趋势【4 卜【1 1 1 。 1 2 电动式助力转向实验台的研究现状及发展前景 要使电动助力转向系统的性能调整到最佳的工作状态，实车试验对电动助力转向系 统的开发是不可或缺的。因为实车试验需要消耗大量的人力、物力、财力，所在设计开 发过程中进行台架试验是非常有必要的。虽然有的试验台不能精准地模拟行驶路况，但 电动助力转向系统性能测试加载系统的设计 台架上转向负载的变化趋势与路面对转向系统的行驶阻力变化趋势的一致性还是可以 实现的。通过台架试验研究可检验助力控制程序的运行效果，探索电动机的助力规律， 分析电动助力转向系统对汽车轻便性、转向分辨率等性能影响，为后续实车控制器制作 提供了理论依据与试验数据，并降低直接装车进行路试的研究成本以及危险性2 1 3 1 。 近几年，e p s 控制系统及其试验台设计引起国内许多的厂家和科研机构的注意，这 些厂家和科研机构对其展开研究，甚至某些厂家投入了大量资金，由此可见企业对电子 助力转向性能测试的试验台的设计非常重视。 在电动助力转向系统领域，清华大学汽车系进行了大量研究并有飞跃的进展，而且 在电动助力转向硬件及台架、控制策略等方面的研究也较为深入。1 9 9 3 年，清华大学汽 车工程系的硕士研究生在教授的指导下探索研究了电动助力转向系统。如清华大学的季 学武教授等人通过自主开发的电动助力转向系统性能试验台，标定进口电动助力转向系 统的转矩传感器和电机电流传感器，并测试了电动助力转向系统的性能。测试数据对制 定控制策略，选择电动助力转向系统有关传感器及控制器元件等有参考作用b 1 。 北京理工大学电动车辆工程技术中心和吉林大学汽车工程学院联合开发了研究汽 车电动助力转向试验台的测试系统，并且该系统具有使用方便，运行稳定可靠，满足要 求的测试精度和效率等优点，对e p s 系统的性能测试和控制器的开发起到良好的推进作 用【5 】【1 4 】。 西华大学对汽车e p s 性能测试试验台的加载系统进行了研究。其加载系统的阻力模 拟试验台的硬件主要组成部分有机械系统、液压系统、电子控制系统组成等组成。机械 系统的主要部件有测试试验台架、横向位置调节机构、纵向位置调节机构等组成，其主 要目的是安装固定被测电动助力转向器；液压系统用于模拟路面对转向系统的阻力，其 动力来源由液压泵提供，控制器通过对系统中比例阀等控制，实现对转向系统性能测试 的加载【1 5 】。 1 3 本课题研究的目的与意义 本文通过对e p s 试验台的研究，搭建合理的e p s 性能试验台，并实现对e p s 性能 测试的加载，然后通过设计的监测软件检验其合理性，为探索电动助力转向系统的助力 规律和后续开发e p s 控制器给出一定的理论指导。 e p s 的性能的好坏对汽车转向操控性影响极大，也是是汽车的关键零部件之一。在 实车试验之前进行必要的台架试验，可以为后续实车试验获得某些基本参数和算法，这 样就可以减少降低直接装车进行路试的危险性和研究成本，可大大减少实车试验所消耗 的财力、物力和人力。针对这一情况研制了汽车e p s 系统性能测试的加载系统。 2 西华大学硕士学位论文 1 4 本课题研究的主要内容 本课题的来源是四川省科技厅支撑项目( 项目编号：1 0 2 0 3 0 6 1 ) 和四川省重点学科 建设基金项目( 项目编号：s z d 0 4 1 0 ) ，项目名称是“电动助力转向系统控制器研究” ( 1 ) 通过分析汽车在行驶过程中受到地面对车轮转向阻力的特点，确定电动助力 转向加载系统的试验台功能与结构方案。 ( 2 )电动助力转向试验台用传感器的研究与选型。 ( 3 ) 开发e p s 实验台的软、硬件。 ( 4 ) 搭建加载系统台架。 ( 5 ) 对电动助力转向加载台架进行研究。 1 5 本章小结 本章主要介绍了国内外有关e p s 系统产品及其测试平台开发的相关背景资料，国内 汽车电动助力转向系统测试平台的研究现状，以及论文的内容。 电动助力转向系统性能测试加载系统的设计 2e p s 加载系统的设计 目前国内一些试验台很难精确模拟行驶路况，但在试验台架上模拟车辆在转向时受 到地面对转向系统的阻力是可以实现的。台架试验研究可以用于找出电动机的助力规律 和检验助力控制程序的运行效果，同时还可减少直接装车进行路试的危险性和研究成 本，也可获得某些基本参数和算法，为后续实车试验做准备。开发电动助力转向试验台 对进行e p s 控制系统的开发设计、控制逻辑和算法的确定也很有必要。 本章主要介绍电动助力转向加载系统的设计原理，测试设备的组成，加载装置和控 制器、传感器的参数选择。 2 1 e p s 加载系统的功能设计 此加载e p s 加载系统的基本功能主要包括以下几个方面： ( 1 ) 模拟出汽车在原地转向时路面作用于转向系统的阻力； ( 2 ) 模拟出汽车在行驶状态下转向时路面作用于转向系统的阻力； ( 3 ) 模拟出在不同载荷汽车行驶时转向时路面作用于转向系统的阻力； ( 4 ) 实时显示车速； 加载系统的输入信号有两路：一路是转向和拉杆的位移输入信号，另一路则是车速 输入信号。加载系统上的转向横拉杆的位移信号是位移传感器产生的，如果能模拟出汽 车的车速输入信号，那么e p s 控制系统的两路信号问题就解决了n 6 1 。 由于加载系统的车速输入信号是在试验台上模拟的，试验时不可能在汽车实际行使 中进行。所以对车速输入信号的处理设计，必须根据汽车构造的原理制定出相应的处理 办法。汽车的车速信号是模拟信号，而且是一个脉冲信号。 设计出模拟汽车车速信号的最好办法是采用信号发生器，可以通过调节信号发生器 的发出脉冲信号的频率来控制车速的大小： ( 5 ) 能够显示出汽车行驶的速度以及加载系统所加载的力： ( 6 ) 提供人机交互界面，进行计算机后台数据处理； 将测试的实验数据进行分析，检验所设计的加载系统是否符合电动助力转向系统性 能测试平台的要求，e p s 测试平台的主要目对设计开发e p s 控制系统中存在的问题进 行必要的改进与补充，以达到开发出一个理想的e p s 控制系统： ( 7 ) 体积小可以灵活移动。 4 西华大学硕士学位论文 2 2 汽车电动助力转向加载系统平台的组成 电动助力转向加载系统由机械台架( 如图2 1 ) ，控制器( m c 9 s 1 2 x d p 5 1 2 单片机 开发板如图2 2 ) 、程控电流( 如图2 3 ) 、磁粉制动器( 如图2 4 ) 。 图2 1 机械台架 f i g2 1 m e c h 觚i c a lt e s tb e n c h 图2 2 f i g2 2 控制器 c o n 仃0 1 1 e r 电动助力转向系统性能测试加载系统的设计 图2 3 程控电流 f i g2 3p r o g r u n m a b l ec u l l e n t 图2 4 磁粉制动器 f i g2 4m a g n e 石cp 枷c l eb i 琶k e 2 3 加载系统的机械部分 机械结构是加载系统的重要组成部分，而三维建模是整个测试平台的基础如图2 5 为加载系统三维台架模型 6 西华大学硕士学位论文 图2 5 加载系统三维台架模型 f i 9 2 5 l 0 a ds y s t e m3 db c hm o d e l 2 3 1 车辆原地转向阻力计算硷们 根据人机工程学，汽车理论等相关知识。转向系统设计时通常要求原地转向时作用 在转向盘上的手力不超过2 4 5 n ，对装备动力转向的轿车转向时，对转向盘手力的要求 一般2 0 5 0 n 转向时驾驶员作用到转向盘上的手力与转向轮在路面上回转时产生的转向 阻力矩有关，车辆原地转向所需要的力矩是转向系统结构强度设计的依据，也是电动助 力转向装置设计和选型的依据。根据汽车设计中给出的经验公式，一般情况下，车辆在 沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩可以采用半经验定义公式形式如下： m m 觚 一f 慷 一了、下3 、尸 ( 2 1 ) 公式中m 。最大原地转向力矩( ，朋) 厂 摩擦系数 易转向轴载荷( ) 电动助力转向系统性能测试加载系统的设计 p 转向轮胎压( 坳) 本论文中实验车型的参数为： 前轴负荷：8 6 3 烈；轮胎气压：0 2 2 m p ；摩擦系数以：0 7 ： 鸠= 等厍瑚们胁 图2 6 转向伺化不恿图 f i g 2 6 s t e i 血gs i m p l i 6 e ds c h e m a t i cd n w i i l g 由转向简化示意图2 6 就可以算出转向很拉杆上需要的力即 f = 坠 一n 姒 r l ( 2 2 ) 取三= o 13 聊 得 瓦娃= 2 9 2 8 5 5 上式：m 瑚x 表示转向阻力；l 表示转向横拉杆的力到转向主销的力臂；f 姐x 表示转 向横拉杆的最大转向阳力。 2 3 2 车辆行驶时转向阻力的计算 为了研究轮胎所受的力和力矩，需要引入一个坐标系，如图2 7 【2 。 8 西华大学硕士学位论文 图2 7 轮胎坐标系 f i g2 7 t hc 0 0 r d i n a t es ) r s t 锄 汽车在行驶过程中一般沿直线行驶，但是当汽车行驶到有侧向倾斜的路面、受到侧 向风、或曲线行驶时的离心力等作用，车轮中心沿y 轴方向将作用有侧向力f v 相应地 在地面上产生地面侧向反力f y ，f y 也称侧偏力。当侧偏力f y 达到车轮与地面的附着极 限时，车轮与地面间发生侧滑，因为轮胎的侧向弹性，即使f y 没有达到附着极限，车 辆会发生侧偏，偏移量的大小称为轮胎拖距e 车辆将偏离车轮平面行驶。同时会产生作 用于轮胎绕z 轴的力矩，此力矩迫使转向轮回正，称为回正力矩。轮胎拖距e 与侧偏力 的乘机等于回正力矩。根据汽车理论汽车动力学中图2 8 作用回正力矩随垂直载荷的增 大而增大。侧偏角也是影响回正力矩的因素。根据侧偏角与回正力矩的实验曲线，随着 侧偏角的增加回正力矩逐渐增加，当侧偏角到达矿嗡。时达到最大值：侧偏角在增加回 正力矩反而减少，在1 0 0 1 6 0 时回正力矩为零：侧偏角再大，回正力矩减少为负值。对 于确定的侧偏角，侧偏力和轮胎的回正力矩都与侧偏角近似成正比。轮胎的气压和拖距 也对回正力矩有影响。但通常由侧偏力产生的轮胎自回正力矩要大的多。地面的切向力 及车辆在行驶时的驱动力或制动力对回正力矩也有影响。实验表明随着驱动力的增加， 回正力矩达最大值后在下降。在制动力作用下，回正力矩不断减小，达到一定程度时回 正力矩降到0 最后到达负值。轮胎的胎压和车辆的载荷的改变也会引起轮胎拖距的变 化，进而影响轮胎的回正力矩。综上所述，轮胎的回正力矩主要受轮胎的侧偏刚度、地 面的附着情况影响。而在这种复杂的情况下我们很难用某一个特定的的数学模型来描 述。 9 电动助力转向系统性能测试加载系统的设计 l l 毒o - 5 - 5 0 - 5o6 1 01 5 a 曩和 图2 8 分别是侧偏角与侧偏力、侧偏角与轮胎自回正力矩的关系 f i g2 8 t h er e l a t i o n s h i po fc o m e r i n gf 1 0 r c ea n ds i d es l i pa n g l e 、t i 托s e l fa l i g n i n gt o r q u 本文中假定车辆的行驶在某一特定的路况，车速不发生改变时，驾驶员在平稳的操 纵方向盘的情况下，忽略转向系统的间歇特性，对路面对转向系统的阻力提出以下两点 假设【2 2 】【2 3 】： ( 1 ) 转向横拉杆在移动式需克服一个弹性力，该弹力与转向横拉杆的位移成正比； ( 2 ) 车速变化，影响该弹力，具体变化通过e p s 系统的助力表进行计算； 综合以上假设，由转向时等效到转向横拉杆转向阻力可以下面的公式计算： f = 墨z + 仃( f ) ( 2 3 ) 其中，表示转向横拉杆的转向阻力：人，表示为转向阻力等效到转向横拉杆弹簧系 数；仃【z ) 表示与速度有关的关系式。 由于汽车在原地转向时受到的阻力要比行驶时大，所以在设计齿轮齿条时只要能满 足原地转向的最大阻力，那么行驶时的阻力完全可以满足 2 3 3 传动装置的设计 由于磁粉制动器输出的是力矩，而此加载系统需要把地面对车轮阻力等效到转向横 拉杆上所以需要把力矩转换成力，为此设计了齿轮齿条传动结构。在设之前首先要保证 齿轮齿条在最大应力下能安全使用，所以计算出最大应力是设计的关键。 2 3 3 1 齿轮轴的设计 1 0 西华大学硕士学位论文 按齿面接触强度设计 图2 9 齿轮轴三维图 f i g2 9 g e a rs h a f it h i d i n l s i o n a lm a p d “2 3 2 确定各参数值 ( 1 ) 试选载荷系数k = 1 3 ( 2 ) 转矩丁= 1o o m ( 3 ) 取齿宽系数九= 1 0 9 三 ( 4 ) 的弹性影响系数乙= 1 8 9 8 朋p 2 ( 5 ) 取疲劳寿命系数为1 5 ( 6 ) 接触疲劳许用应力 仃 = 墅竽 ( a ) 取安全系数s = 1 ( b ) 接触疲劳强度极限l i m = 6 0 0 胁 ( c ) 应力循环次数 v = 6 0 ，犯k ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 电动助力转向系统性能测试加载系统的设计 式中，z 表示齿轮转速；歹表示齿轮每转一圈，同一齿面啮合的次数；表示齿轮 的工作寿命。 取刀= 8 r n j n ，= 1 ，厶= 3 12 5 日得 = 1 5 1 0 6 由数值查机械设计图表得 = 1 5 - 1 5 幸6 0 0 1 = 9 0 0 胁 ( 7 ) 初算直径 将以上参数代入 d ，f 2 3 2 弓i 5 0 9 7 6 8 加朋 得 ( 8 ) 修正计算 ( a ) 模数关系式 m2 舻 ( 2 7 ) 式中z 表示齿轮齿数，d 表示齿轮分度圆直径，m 表示齿轮模数，当z = 3 5 时 m = 1 4 5 ( b ) 齿宽公式 6 = d 九 式中b 为齿轮宽度，仍为齿宽系数 6 = 5 5 5 6 刀z 7 打 j l = 2 2 5 聊 公式中办表示齿轮齿高。 办= 3 2 6 2 5 聊聊 ( c ) 齿宽与齿高之比鱼：1 8 6 6 6 7 ( d ) 计算载荷系数：由于是低速，则k 矿= 1 ：直齿轮k 舶 1 2 ( 2 8 ) ( 2 9 ) = k 凡= 1 ：取k 一= 1 ： 西华大学硕士学位论文 动载荷系数公式 得 ( 9 ) 修正分度圆： 得 ( 1 0 ) 计算模数 查表得k = 1 3 1 ；砟夕= 1 2 5 k = k 毒k t k h 冀e k = 1 31 功 l t 跬 d = 51 10 7 历历 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 式中匕，k ， 分别表示应力校正系数，齿形系数，弯曲疲劳许用应力 ( a ) 弯曲疲劳寿命为= 1 1 ( b ) 弯曲疲劳强度极限盯尼= 5 0 0 舰 ( c ) 许用应力：取弯曲疲劳强度安全系数s = 1 4 由公式 听1 - 坠冬 ( 2 1 3 ) 得 【咋】= 3 9 2 8 5 7 u 护口 ( 1 1 ) 计算动载荷k 由计算公式 k = k 2 k 峰a k ， ( 2 1 4 ) 公式中k 一，k y ，k 砌，k ，口分别表示使用系数，动载荷系数，齿间载荷分配系数， 齿向载荷分配系数。 分布取k _ = 1 ，k y = 1 ，k ，口。1 ，k ，= 1 2 5 得 k = 1 2 5 1 3 电动助力转向系统性能测试加载系统的设计 取= 2 4 5 ，匕= 1 6 5 则聊1 2 4 4 31 对比计算结果，有齿面接触疲劳强度计算聊大于齿根弯曲疲劳强度计算的聊，由于 齿轮模数聊的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定 的承载能力仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度计算所得的模数取标准值为1 5 m 历，按 接触强度算得的分度圆直径d = 51 1 0 7 所肌算出齿数z ：d 所= 3 4 7 3 ，取整得齿数3 5 则基本参数取值： 聊= 1 5 m 朋，d = 5 2 5 朋朋，z = 3 5 ，有效齿宽为6 0 所聊， c ：荨 有公式 d ( 2 1 5 ) 得圆周力 c = 3 8 0 9 5 l 觚 完全符合设计要求。 3 3 3 2 轴的设计豫帕 1 低速轴设计 ( 1 ) 选择材料 由于传递中小功率，转速不太高，故选用4 5 优质碳素结构钢，力学性能数据为： = 6 5 0 舰【】6 = 9 8 舰= 5 9 胁 ( 2 ) 初步估算轴径 = 叱。为最小直径：k 表示轴受到的最大扭矩：【z 表示允许扭转切应力； 取【i 】- 3 0 ，= 1 o o 聊得 丸i n = 2 5 5 4 4 考虑装联轴器加键需将其轴径增加4 5 ，故取轴的最小直径为3 0 研所 ( 3 ) 轴的结构设计 如图2 10 所示 1 4 ( 2 1 6 ) 西华大学硕士学位论文 如图2 1 0 齿轮轴示恿图 f i g2 1 0g e 盯s h a f i g i l l 血gd 您、池g ( 4 ) 轴上受力分析如图2 1 2 齿轮上的作用力 圆周力：f ，= 3 6 4 2 聊 径向力：c l = f 1 t a n 口= 3 6 4 2 t a n2 0 。= 13 5 0 1 5 电动助力转向系统性能测试加载系统的设计 受力简图： f - 弯矩 图2 1 l 轴力计算图 f i g2 1 l a x i a lf o r c ec a l c i l l a 6 c h a r t ( 5 ) 在齿轮处 虬= 竿一o o s o 0 8 5 罴划俐聊 r = 1o o 朋 ( 6 ) 直径3 3 处 m = 5 5 6 4 fo 0 5 5 o 0 8 51 = 3 6 朋 丁= 1o o m 1 6 西华大学硕士学位论文 ( 7 ) 亘径3 0 处 m = 5 5 6 4 ( o 0 2 o 0 8 5 ) = 1 3 0 9 2 聊 丁= 1o o m 计算当量弯矩 因单向回转，视转矩为脉动循环，口= 【疋l 】6 【】6 ，则口= 5 9 9 8 = o 6 0 2 齿轮处处当量弯矩m ：= m f + ( 口石) 2 = 5 5 6 4 2 + ( o 6 0 2 1 0 0 ) 2 = 8 1 9 7 5 肌 直径3 3 处当量弯矩m ：= m ；+ ( 口互) 2 = 3 6 2 + ( o 6 0 2 1o o ) 2 = 7 0 1 4 朋 直径3 0 处当量弯矩m ；= m ；+ ( 口互) 2 = 1 3 0 9 2 2 + ( o 6 0 2 1 0 0 ) 2 = 6 】6 0 7 ，竹 ( 8 ) 判断危险剖面并验算强度 a 齿轮处当量弯矩最大 以= 等= 然胁- 5 6 6 5 胁 以l 】6 ：5 6 舰 ，r = 二= 一，乜= ) n n ，m ，d l 仃1 = ) n ，w ，口 p o 1 d 3o 1 5 2 5 3 。叫肋 b 直径3 3 处 吒= 誊= 器胁圳川7 5 胁 【正。】6 瑚舰 c 直径3 0 处 、 吼= 黔= 掣胁“8 4 8 9 舰 【以】6 = 5 9 胁 ，r = 二- = 一m ，n = k 4 v ，尸a 1 0 m o 5 0 0 c 以下 8 5 ( 2 5 0 c ) ( 3 ) 面板配置 程控电流控制面板如图2 2 1 。 图2 2 l 程控电流版面 f i g2 2l p r o 伊a 删f n a b l ec u tl a y 叩t t r s 2 3 2 4 8 5 ”端子说明： r s 2 3 2 接口：2 脚：t ) 3 脚：r x d5 脚：地 r s 4 8 5 接口：2 脚：a3 脚：b5 脚：地 “遥控”信号输入端： l 脚：遥控信号( o 1 0 v ) 输入正端： 2 脚：遥控信号( o 1 0 v ) 输入负端； “输出”端： 主电源输出端； ( 4 ) 计算机通信规则( p l o 方式) 仪器采用r s 2 3 2 爪s 4 8 5 数据通信接口，提供w l k 3 b d l l 动态链接库供用户直接调 用。 w l k 3 b m l 动态连接库，包括g e t 口盯即t 过程和p u tc 啪t 函数，g e l c 啪t 过 程用于读取电流 2 4 西华大学硕士学位论文 值，p u t a 盯如t 函数用于输出电流值。 d e l p h i 语言过程、函数申明如下： 劬以o np u l c u r r 锄t o r t ，a d d r _ j 1 1 c u ：i n t e g e r ；o u l 饥l r r t ：r c a l ) ：i n t e g c r ；s t d c a l l ； p r o c e d u r eg e tc u 仃c m t ( p o r t ，a d 血- m c u ：i n t e g 盯；v 甜i n - 删t ：r e a l ) ；s t d c a l l ； 语言过程、函数申明如下： p r i v a t ed e c l a r es u bg e l c u r r 锄tl i b ”w l k 3 b d l l ( b y v a lp o na si l l t e g e r ，b y v a l a d d u n c i la s1 1 1 t e g i i lc u r r ta sd o u b l e ) p d v a t ed e c l a r ef u n c t i o np u l c u 盯e n t “b ”w l k 3 b d 1 1 ”( b y v a lp o na si n t e g e r ，b y v a l a d d i j n c ua s i i l t e g b y v a lo u tc l l i 瑚ta sd o u b l e ) a si n t e g 盯 其中： p o r t ：计算机c o m 口值，其值为l 、2 、3 等； a d d rm c u ：电源的通信地址，其值为9 ； o u tc l l 仃i 即t ：输出到电源的电流值( 如：1 2 52 3 3 等) ； i i l 删t ：从电源读入的电流值( 如：1 2 52 3 3 等) 。 o u ta 盯锄t 函数返回值说明： 值为1 时，表示通信联络失败。可能的原因有：计算机c o m 口值( p o r t ) 设置 错误：a d d rm c l l 的值错误； 值为2 时，表示数据传输时出错，电源不接收该次指令。 值为1 时，通讯正确。 g e tc l 盯t 过程中i nc u r r 锄t 参数返回值说明： 值为1 时，表示通信联络失败。可能的原因有：计算机c o m 口值( p o r t ) 设置 错误：a d d rm c i l 的值错误； 值为2 时，表示数据传输时出错。可将该次通信数据舍去。 值为3 时，表示电源发出的数据溢出，可将该次通信数据舍去。 值大于等于o 时，通讯正确，其值为采集的电流值。 ( 5 ) p l c 控制器通信规则 为简化p l c 控制器软件编程，采用较简单的通信协议，程控电源为半工 r s 2 3 2 瓜s 4 8 5 接收方式， 程控电源具有3 种数据接收方式。 电动助力转向系统性能测试加载系统的设计 p l l 、p l 2 方式： 1 数据格式 帧数据为1 0 位，无奇偶校验位，即： 起始位8 位数据位( 低在先) 停止位 2 传送的数据 p l l 方式： p l c 向程控电源发送1 个数据，范围为0 2 5 5 ，对应电流为：0 量程。 p l 2 方式： p l c 向程控电源发送2 个数据，此2 数据相同，范围为o 一2 5 5 ，对应电流为：0 量 程：程控电 源根据接收到的2 个数据是否相同判断数据是否正确。p l 2 比p l l 方式有较高的可 靠性。p l c 向程 控电源连续发送的2 个数据之间的时间间隔( t ) 约为l m s ，可在1 m s t 1 0 0 m s 区间选 择。 p l 3 方式： 1 数据格式 帧数据为1 1 位，即： 起始位8 位数据位( 低在先) 第9 位停止位 第9 位( 奇偶位) ，在这里做地址和数据的判别位，l 为地址，o 为数据。 仪器只被地址触发，即上位机只有向程控电源发0 9 h ( 0 9 h 为程控电源的通信地址) 并且奇偶位 为l 时才能得到本仪器的响应，第9 位在计算机里就是奇偶校验位，通过奇偶校验 的设置就可以 改变它。 2 传送的数据 上位机向程控电源发送地址0 9 h ，第9 位为l ：接着发送1 个数据，第9 位为0 ，范 围为o 2 5 5 ， 对应电流为：o 量程。2 次发送之间的时间间隔( t ) 约为l m s ，可在1 m s 鲁主s上。舌芒釜垡u叼he-ern喜hdd盼笔至“呈差l甜90i凄)emd￥s芷“osiri，p至d叠 西华大学硕士学位论文 外部电源和接地引脚，提供i o 驱动。 v d d l 2 和v s s l 2外部2 5 v 供电压引脚 v d d a 和v s s aa d c 转换模块电源和接地引脚。 m 和甩a d c 参考电源和接地引脚 v d d p l l 和v s s p l l振荡器和锁相环供电引脚 v m g e n电源调整模块选择引脚 扩展模式下所用到的引脚 a 口( p a 7 一p a o ) 和b 口( p b 7 p b o )地址、数据总线引脚 p e 4 ( e c l 酌地址所存引脚 p e 2读写信号引脚 p e 3片选信号引脚 p k 7片内程序存储器选择引脚 系统功能引脚 x t a l 和e x t a l 、x f c锁相环外部滤波电容端 p e 7外部振荡电路方式选择 l 迎s e t复位引脚 p e i ( m q )可屏蔽中断请求 p e o ( x 瓜q )不可屏蔽中断请求 b k g d背景调试引脚 输入输出部分 m c u 片上集成了十余个i o 接口，其中有通用并行i o 口( 一般每口8 个外部引脚) 以及s c i 、p w n 、a d c 、1 2 c 、c a n 等专用子系统。复位后所有i o 引脚默认设置为通用 i o 输入，当专用子系统激活后，自动变更为专用功能。m c 9 s 1 2 输入输出口包括p t a 、 p t b 、p t e 、p t h 、p t j 、p t s 、p t p 、p t k 、a d o 、a d l 等。 b 口 在扩展方式下为地址数据分时复用总线，但在芯片模式下为通用i o 。输入可选内 部上拉，输出具有降功率驱动功能。 e 口 用于总线控制和中断请求，余下其他引脚可作通用i o 。输入可选内部上拉，输出 具有降功率驱动功能。但p e i 、p e 0 固定为输入。 a d 口 3 l 电动助力转向系统性能测试加载系统的设计 a t d 子系统输入或通用输入引脚。复位后默认为通用i o 输入引脚并且只能做输入。 a t d 模块使能后，用作模拟输入。m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 有1 6 个加引脚对应于两个独立的a t d 模块。 t 口 增强型捕捉定时器共享引脚。可设置为通用i o ，定时器功能打开后，可用作输入 捕捉、输出比较、脉冲累加输入。 p 口 s p i 、p w m 波调制输出、i o 口中断或普通i o 。设置后可为通用i o 引脚，要使用某 种特殊功能，可以通过置位相应功能寄存器的使能位来实现。 s 口 s c i 、s p i 或通用i o 。复位后为通用i o 引脚。s c i 或s p i 使能后，对应引脚的通用i o 关闭。 m 口 i o 与c a n 、b d l c 共享。复位后为通用i o 引脚。c a n 或b d l c 使能后，对应引脚的 通用i o 关闭。 j 口 i o 与i 的平方c 、c a n 、i o 中断共享。复位后为通用i o 引脚。特殊功能使能后，对 应引脚的通用i o 关闭。 h 口 i o 与i o 中断共享。复位后为通用i o 引脚。特殊功能使能后，对应引脚的通用i o 关闭。 2 4 3 扭矩传感器 l d 8 0 0 扭矩传感器是一种测量各种扭矩，转速的精密测量仪器【3 0 】，如图2 2 4 。 一i- 一、 图2 2 4 扭矩传感器 f i g2 2 4t o r q u es s o o 西华大学硕士学位论文 ( 1 ) 具体应用行业如下： 。 电动机，发动机，内燃机等动力设备的扭矩输出及功率输出检测。 水泵，齿轮箱，扭矩扳手等设备的扭矩及功率输出检测。 铁路，汽车，飞机，船舶，矿山机械等行业的扭矩及功率输出检测及控制。 ( 2 ) 产品特点： 特点：适用于检测非旋转体的扭矩值。最大偏转角度为小于3 6 0 度 测量静止扭矩。 既可以测量静态扭矩，也可以测量动态扭矩。 检测精度高，稳定性好。 体积小，重量轻，易于安装。 不需反复调零即可连续测量正反向扭矩。 测量弹性体强度大，可承受1 0 0 过载。 抗干扰性强。 耦合器部分可脱离二次仪表独立使用，只要按插座针号送+ 15 v 的电源，即 可输出与扭矩成正比例的电压信号或方波频率信号。 ( 3 ) 扭矩传感器的标定： 表2 3 扭矩出感器的标定 t a b l e2 3s c i l s o rc a l i b r 撕o no fm et o r q u e 正向信号反向信号 负载值毫伏输出二次仪表显示 毫伏输出 二次仪表显示 ( n m ) ( m v )( n m )( m v )( n m ) 加载卸载加载卸载加载卸载加载卸载 01 0 8 01 0 8 00 0 o o1 0 8 01 0 8 20 00 0 3 02 6 1 72 6 1 92 9 93 0_ 4 7 7 1- 4 7 7 4- 3 0 03 0 0 6 06 3 1 36 3 1 5 6 0 1 6 0 28 4 6 38 4 6 76 0 o5 9 9 9 0 l o 0 0 8 1 0 0 0 79 0 1 9 0 11 2 1 5 61 2 1 5 88 9 99 0 0 1 2 0 1 3 7 0 3 1 3 7 0 01 2 0 o 1 2 0 o1 5 8 4 51 5 8 4 51 1 9 91 1 9 8 1 5 0 1 7 3 8 2 1 7 3 8 21 5 0 o 1 5 0 01 9 5 3 41 9 5 3 41 4 9 81 4 9 8 3 3 电动助力转向系统性能测试加载系统的设计 2 4 辱位移传感器 图2 2 5 位移传感器 f i g2 2 5d i s p l a c 锄e n ts e n s o r 直线位移传感器的功能是将非电量的位移信号转化为电信号。为了实现这样的 效果，通常把传感器可移动的一端定，当滑片在滑轨上的位移发生变化时对应的阻 值也相应变化。传感器接通稳态直流电源，传感器输出的电压与滑片在导轨上的位 移成正比。将传感器用作分压器可最大限度降低对滑轨总阻值精确性的要求，因为 由温度变化引起的阻值变化不会影响到测量结果【3 1 1 。位移传感器的标定曲线如图 2 2 6 。 ( 1 ) 技术参数 灵敏度： 供电直流电源：9 v 或1 2 v - 一1 5 v 动态频