【毕业论文】捷达轿车转向系统改进设计【2014年汽车机械专业答辩资料】

哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 1 摘要 汽车转向系统的法杖经历了从简单的纯机械转向系统、机械液压动力转向系统，到电控液压动力转向系统，知道更为节能、操纵性能更好的电子控制式电动助力转向系统（ EPS）等几个阶段。电动助力转向采用电动机直接提供助力，助力大小由电控单元控制，具有助力大小可调、路感良好、环保、耗能低和维修方便等优点。 本论文在对电动助力转向系统需求分析的基础上，提出了转向轴助力式 EPS系统的总体设计方案，应用 CAD软件对机械转向机构进行了结构设计，并给出了主要零部件的强度校核。而对于 EPS的电动助力部分，则主要是对其控 制原理进行分析，给出了总体的控制方案。 关键词 : 电动助力转向，转向器，结构设计 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 2 Abstract The automobile has turned to the sustematic experience and turned from simple pure machinery system ,mechanical hydraulic pressure power system ,get auromatically controlled hydraulic pressure power the system ,it is the energy-conservation even more ,handle performance fine electron who control electronic power steering adopts the motor to offer helping hand directly ,the size of helping hands is controlled by the automatically controlled untit have helping hand size adjustable ,way sense good ,environmental protection ,consume energy low maintaining advantaging such as being convenient . This thesis on electric power steering system based on the analysis of the demand, puts forward the steering shaft power type EPS system, overall design scheme of mechanical CAD software used the structure design of steering mechanism, and gives the main components strength check. And for EPS of electric power, the main part of the control principle is analyzed, given the overall control scheme . Key words: Electric power steering, Steering gear,Structural design 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 3 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第 1张 绪论 1 1.1 汽车电动助力转向系统的特点 2 1.2 EPS国内外的研究现状 3 1.3 电动助力转向系统的发展趋势 4 1.4 电动助力转向系统的工作原理及结构 5 第 2章 EPS方案设计 6 2.1 电动助力转向系统选型 6 2.2 机械部分系统方案设计 6 2.2.1设计要求 6 2.2.2机械式转向器的结构形式及比较 7 2.2.3 齿轮齿条式转向器布置和结构形式的选择 9 2.3 控制部分系统方案设计 10 2.3.1 控制部分性能要求分析 10 2.3.2 控制部分方案设计 12 第 3章 齿轮齿条式转向器设计 13 3.1 整车性能参数 13 3.2 齿轮齿条式转向器的设计和计算 13 3.2.1 齿轮齿条转向器计算载荷的确定 13 3.2.2 转向器基本部件设计 16 3.2.3 齿轮轴和齿条的材料选择及强度校核 21 3.2.4 齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 4 26 3.2.5 齿轮齿条传动受力分析 27 3.2.6 间隙调整弹簧的设计计算 27 3.2.7 齿轮轴轴承的校核 29 3.2.8 键的计算30 第 4章 EPS的关键部件和控制策略 31 4.1 EPS 的 关 键 部 件 选型 31 4.1.1 电动机 31 4.1.2 电磁离合器 31 4.1.3 减速机构 32 4.1.4 扭 矩 传 感器 32 4.1.5 电 流 传 感器 34 4.2 EPS 的电流控制 34 4.3 助力控制 35 4.4 阻尼控制 35 4.5 回正控制 36 结论 37 致谢 38 参考文献 39 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 5 全套 资料 ， 扣扣 加 414951605 第 1 章 绪论 随着现代汽车技术的迅猛发展，人们对汽车转向操纵性能得要求也日益提高。为了保证车辆在任何工况下转动方向盘时，都有较理想的操纵稳定性和转向轻便性，即使在停车情况下转动方向盘也能轻便灵敏，而高速行驶时又不会感到轻飘不稳，人们对转向系统进行了不断地改进。汽车转向系统的发展经历了从简单的纯机械转向系统到机械液压动力转向系统，到电控液压动力转向系统，直到更为节 能、操纵性能更好的电子控制式助力转向系统（ EPS）等几个阶段。 汽车操纵稳定性是指汽车确切地响应操纵输入与抵抗外界扰动的能力，其中操纵性指汽车系统作为随动系统，对驾驶员转向输入产生跟随响应的能力；稳定性指抵抗外界路面或阵风扰动的能力，两方面难以皆然分开，统称操纵稳定性。 按转向动力能源不同，汽车转向系统可分为机械式转向系统和动力转向系统两大类。机械式转向系统是以人的体力为转向能源的，其中所有的传动件都是机械的，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。汽车转向器作为汽车转向系统的重要零部件，其性 能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性和可靠性。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构成的转向系，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，汽车转向所需的力大部分由发动机通过转向加力装置提供，只有一小部分由驾驶员提供。但在动力转哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 6 向实效时，驾驶员仍能通过机械转向系统实现汽车的转向操纵。 随着电子技术的发展，电子控制式机械 液压动力转向系统应运而生，该系统在某些性能方面优于传统的液压动力转向系统，但仍然无法彻底解决液压动力转向系统的固有缺陷。此外，传统液压动力转向系统在选定参数完成设计之后，转向系统的性能就确定了，不能再对其进行调节与控制。因此传统液压动力转向系统协调转向力与操纵“路感”的关系比较困难。当安汽车低速转向力小时设计，则高速行驶时转向力往往过小、即“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，低速时须转向力往往过大。 汽车电子化是当前汽车技术发展的必然趋势。继电子技术在发动机、变速器、制动器和悬架等系统得到广泛应用之后， EPS 在轿车和轻型汽车领域正逐步取代传统液压助力转向系统并向更大型轿车和商务客车方向发展，它已成为世界汽 车技术发展的研究热点和前沿技术之一，具有广泛的应用前景。 电动助力转向系统（ EPS），是继液压动力转向系统后产生的一种动力转向系统，是世界汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一，它属于与传统液压动力转向系统不同的另一种动力转向系统。它直接依靠电动机提供辅助扭矩，通过控制电动机电流的幅值和方向，从而实现转向器电动助力的要求，这种系统是汽车在低速时能减轻操纵力，从而提高操纵的轻便型；而当汽车在告诉行驶时，电子控制系统保证提供最优控制传动比和稳定的转向手感，从而提高高速行驶时的操纵稳定性。因此它可以较好地解决液压动 力转向系统所不能解决的矛盾。目前，电动助力转向系统有代替液压动力转向系统的趋势。 1.1 汽车电动助力转向系统的特点 目前，液压动力转向系统在汽车上得到了广泛应用，它能明显降低转向盘的操舵力，但存在工作效率低、体积大、液压油易泄露污染环境等缺点。为了克服液压动力转向系统的确定，采用电机助力的电动助力系统（ EPS） 成为当前研究的热点。电动助力转向系统由控制单元和动力单元组成，控制单元根据车速信号、扭矩传感器信号确定转向助力扭矩值，并向动力单元发送相应的控制信号，通过动力单元对电机电流进行控制，实现转向的 助力控制。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 7 由于动力转向系统具有转向操纵灵活、轻便、并可吸收路面对前轮产生的冲击等优点，自 20世纪 50年代以来在各国汽车上开始普遍应用。 20世纪 80年代开始研究的汽车上以电能为动力的电动助力转向系统。和液压助力转向系统相比，它具有更为突出的优点： 1、节能环保 由于发动机运转时，液压泵始终处于工作状态，液压转向系统使整个发动机燃油消耗量增加了 3 5，而 EPS 以蓄电池为能源，以电机为动力元件，可独立于发动机工作， EPS几乎不直接消耗发动机燃油。 EPS不存在液压动力转向系统的燃油泄漏问题， EPS通过电子控制 ，对环境几乎没有污染，更降低了油耗。 2、安装方便 EPS 的主要部件可以配集成在一起，易于布置，与液压动力转向系统相比减少了许多元件，没有液压系统所需要的油泵、油管、压力流量控制阀、储油罐等，元件数目少，装配方便，节约时间。 3、效率高 液压动力转向系统效率一般在 60%-70%，而 EPS的效率较高，可高达 90以上。 4、路感好 传统纯液压动力转向系大多采用固定放大倍数，工作驱动力大，但却不能实现汽车在各种车速下驾驶时的轻便性和路感。而 EPS系统的滞后特性可以通过 EPS控制器的软件加以补偿，使汽车在各种 速度下都能得到满意的转向助力。 5、回正性好 EPS 系统结构简单，不仅操作简便，还可以通过调整 EPS控制器的软件，得到最佳的回正性，从而改善汽车操纵的稳定性和舒适性。 由此可见， EPS 和 HIP相比，是一项紧扣现代汽车时代发展主题的高兴技术，必将逐步取代现有的机械转向系统。液压助力转向系统和电控液压助力转向系统。 1.2 电动助力转向系统国内外发展研究现状 目前国外的研究主要集中于细节上对助力特性 ,操纵性能等的进一步优化 ， 考虑的影响因素比国内多 ,并且设计出了操作模拟器对 EPS 的控制策略进行评估。在对 控制策略的研究上国外侧重于选择基于 PID 的补偿和回正控制策略 ,对于单独使用的模糊控制 ,H控制也有研究 ,暂时还未见对于神经网络的研究。 国外的研究通常都是在基于 PID 的回正补偿控制基础上对回正性能进一步优化 ,控制把持、转向、加载过程中的电流扰动 ,以及在特殊的路面条哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 8 件下对汽车的操控等。例如三菱公司提出的一种新的 EPS控制策略将在低附着的路面上提供更高的转向盘回正性和路感。这种方法是只有当转向轴上的反应力矩达到预定力矩时才提高回正性 ,采用了 2种控制策略 :第 1种策略是基于转向角反馈 ,而第 2种是基于估计校正力矩 反馈。而三菱公司的另外一种新的电机电流控制策略是基于对干扰电压的估计和补偿 ,在仍然使用普通的微处理器的情况下 ,电机的电流波动也可得到显著的减少 ,从而减少了不必要的转向力矩的波动和噪声。这种新的控制器是基于对电压波动的估计和补偿 ,包括 2个模块。一个模块是估计由于电池电压等的改变引起的电压波动 ,另一个模块补偿为电机提供的电压以消除电压的波动。 从整体上来讲国内近年来对于 EPS 的研究发展很快 ,尤其是在控制策略的研究上 ,已经将不同的控制方法引入 ECU 中 ,并通过实验和分析不断地完善和改进 ,但是在对于细节的优化上 距离国外还有相当的差距 ,而且目前国内除了吉利汽车 ,还尚未自主知识产权的 EPS ,距离 EPS 的批量化生产也还有很长的一段路要走。 1.3 电动助力转向系统的发展趋势 电动助力转向系统是一项综合了现代控制技术、机电一体化及现代化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，其发展前景非常好。 首先， EPS的应用范围将会进一步拓展，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，在全世界汽车行业中，电动转向系统每年正以 9% 10%的增长速度发展，年增长量以 130万 150万套，估计直 2005年，该产品的产量将由目前的 150 万套增长到 800万套， 2006年达到 1140万套。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。 其次，尽管 EPS 已达到了其最初的设计目的，但仍然存在一些急待解决的问题，比如提高现在应用的 EPS系统性能的可靠性、降低生产的成本等，另外，电动机本身的性能及其与电动助力转向系统的匹配都将影响到转向操纵力、转向路感等问题，因此进一步改善电动机的性能是下一步努力的一个主要方向。 第三，未来的 EPS 将向电子四轮转向的方向发展，并于通过总线技术电子 悬架。发动机电子控制等一起统一协调控制汽车的运动。随着电子技哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 9 术的发展，今后有可能取消转向系统的机械部分而采用所谓的线控转向系统。 概括地说，今后电动助力转向技术的发展方向主要是：改进控制系统的性能、提高系统可靠性和降低控制系统的制造成本。只有进一步改进控制系统的性能，才能满足更高档车的使用要求，只有降低成本才能在大多数汽车上得到广泛应用。 对于我国来说，由于在这方面和国外的差距很大，所以在今后相当长的一段间内，仍须集中精力解决好传感器、电动机和电子控制器 ECU等方面的研究开发工作。 1.4 电动助力 转向系统的工作原理及 EPS的机械部分有多种型式，其中较常见的是齿轮齿条转向机构，助力装置则由电动机代替传统助力转向系统中的液压缸，电动机从汽车蓄电池中获得电源。根据电动机驱动部位的不同， EPS分为转向轴助力式、转向器小齿轮助力式和齿条助力式三中。典型的电动助力机构为转向轴助力式，即助力电机被固定在转向轴上，从电动机输出轴上输出的助力矩经减速及离合机构传递到转向轴。但无论是哪一种形式的电动助力转向系统，其构成和工作原理都是大致相同的。 EPS的转向合奏由靠扭杆相连的输入轴和输出轴组成，输出轴通过传动机构带动转向拉杆使车轮转向。输出轴除通过扭杆与输入轴相连外，还经行星齿轮减速机构 离合器与助力电机相连。驾驶者在操作方向盘时，给输入轴输入了角位移 ，输入轴和输出轴之间的相对角位移是扭杆受扭，扭矩传感器将扭杆所受到的扭矩 m转化为电压信号输入控制装置并控制电机的助力和方向。与此同时，车速传感器检测到的车速信号也输入控制装置，在车速低于设定值时，离合器接合，系统提供助力；在车速超过设定值（ 30 40km/h）时，停止对电机提供，系统不提供助力，同时，离合器切断，以避免转向系统受电机惯性力矩的影响。 EPS多采 用永磁直流电机。为了改善电机的操作稳定性，降低震动和噪声，常在电机转子周缘开设斜槽或不对称环槽。扭矩传感器采用由双电位器构成的电桥，电位器的转动由扭杆和相应的机械装置实现。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 10 EPS系统结构示意图如图 1-1 图 1-1 EPS 结构示意图 第 2 章 EPS 方案设计 2.1 电动助力转向系统选型 电动助力转向系统按照电动机布置位置的不同，可以分为：转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式 3种。 转向轴助力式电动助力转向器 (C-EPS)的助力电机固定在转向柱的一侧，通过减速增扭机构与转向轴相连，直接驱动转向轴 助力转向。这种形式的电动助力转向系统结构简单紧凑、易于安装。现在多数 EPS就是采用这种形式。此外， C-EPS的助力提供装置可以设计成适用于各种转向柱，如固定式转向柱、斜度可调式转向柱以及其它形式的转向柱。但由于助力电机安装在驾驶舱内，受到空间布置和噪声的影响，电机的体积较小，输出扭矩不大，一般只用在小型及紧凑型车辆上。 齿轮助力式电动助力转向器 (P EPS)的助力电机和减速增扭机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮实现助力转向。由于助力电机不是安装在乘客舱内，因此可以使用较大的电机以获得较高的助力扭矩，而不必担心电 机转动惯量太大产生的噪声。该类型转向器可用于中型车辆，以提供较大的助力。 齿条助力式电动助力转向器 (R-EPS)的助力电机和减速增扭机构则直接驱动齿条提供助力。由于助力电机安装于齿条上的位置比较自由，因此在汽车的底盘布置时非常方便。同时，同 C EPS和 P-EPS相比，可以提供更大的助力值，所以一般用于大型车辆上。 转向轴式 电动助力转向系统虽然提供的助力没有其它两种方式提供哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 11 的助力大，但在安装方面要方便的多。再者，这次设计的电动助力转向系统主要是针对轿车来进行开发的， 轿车 空间相对较小，空间问题是我们要考虑的重点 问题。转向轴式对空间紧凑的经济型轿车很适合。 所以我选择转向轴助力式 (C-EPS)。 2.2 机械部分系统方案设计 机械转向系统由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。 2.2.1 设计要求 转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。 转向系应满足如下基本要求： （ 1）保证汽车有较高的机动性，在有限的场地面积内，具有迅速小转弯的能力； （ 2）内、外转向轮转角间的匹配硬保证当汽车转弯行驶时，全部车轮绕同一瞬时转向中心 旋转，任何车轮只有滚动而无侧滑； （ 3）当转向轮收到地面冲击时，转向系传到转向盘的逆向冲击要小； （ 4）汽车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自激振动，转向盘没有摆动； （ 5）操纵轻便：转向时加在转向盘上的力，对轿车不应超过 150200N，对中型货车不应超过 360N，对重型货车不应超过 450N，否则应考虑动力转向；同时转向盘的回转圈数要少； （ 6）转向传动机构和悬架导向装置的运动干涉应最小； （ 7） 转向后转向盘应自动汇整，并能使汽车保持在稳定的直线行驶状态； （ 8）转向器和转向传动 机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构； （ 9）当汽车发生碰撞转向盘和转向轴由于车架或车身变形而共同后移时，转向系应有能使驾驶人免遭或减轻伤害的防伤装置； （ 10）进行运动校核，保证转向轮与转向盘转动方向一致。 2.2.2 机械式转向器的结构形式及比较 目前汽车上广泛使用的是齿轮齿条式及循环球式。 （ 1）齿轮齿条式 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 12 齿轮齿条式转向器的主要优点是结构简单、紧凑、体积小、质量轻；传动效率高达 90%；可自动消除齿间间隙；没有转向摇臂和直拉杆，转向轮转角可以增大；制造成本低。 齿轮齿条式转向器的主要缺点是：逆效率高达 60% 70%。因此，汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间的冲击力，大部分能传至转向盘。 根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式：中间输入，两端输出（图 2-1a）；侧面输入，两端输出（图 2-1b）；侧面输入，中间输出（图 2-1c）；侧面输入，一端输出（图 2-1d）。 （ a） （ b） （ c） （ d） 图 2-1 齿轮齿条式转向器的形式 根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，在汽车上有四种布置形式：转向器位于前轴后方，后置梯形；转向器位于前轴后方，前置梯形；转向器位于前轴前方，后置梯形；转向器位于前轴前方，前置梯形，见图 2-2。 (a) (b) 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 13 (c) (d) 图 2-2 齿轮齿条式转向器的布置形式 齿条断面有圆形、 V形和 Y形三种。圆形断面制造简单； V形和 Y形节约材料，质量小而且位于齿条下面的两斜面与齿条托坐接触，可以用来防止齿条绕轴线转动。 （ 2） 循环球式 循环球式转向器由螺杆和螺母共同形成的螺旋槽内装有钢球构成的传动副，以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成，如图 2-3所示。 图 2-3 循环球式转向器 循环球式转向器 的优点是：传动效率可达到 75%-85%；转向器的传动比可以变化；工作平稳可靠；齿条和齿扇之间的间隙调整容易；适合用来做整体式动力转向器。 循环球式转向器的主要缺点是：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。循环球式转向器主要用于货车和客车上。 由于齿轮齿条式转向器与循环球式转向器相比：结构简单，传动效率高，操纵轻便，质量轻；且不需要转向摇臂和转向直拉杆，使转向传动机构得以简化。所以我选用齿轮齿条式转向器。 2.2.3 齿轮齿条式转向器布置和结构形式的选择 在前桥仅为转向桥的情况下，由 转向横拉杆和左、右梯形臂组成的转向梯形一般布置在前桥之后。当转向轮处于与汽车直线行驶相应的中立位哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 14 置时，梯形臂与横拉杆在与道路平行的平面 (水平面 )内的交角 90。 在发动机位置较低或转向桥兼充驱动桥的情况下，为避免运动干涉，往往将转向梯形布置在前桥之前，此时上述交角 90。 本次设计是发动机前置前轮驱动，故采用如图 2-4所示的布置形式。 图 2-4 转向梯形前置 同时考虑到发动机前置前驱故采用如图 2-5所示的侧面输入两端输出的结构形式。 图 2-5 齿轮齿条位置布置 2.3 控制部分系统方案设计 2.3.1 控制部分性能要求分析 电动助力转向系统除必须满足车辆对转向系统的一切性能要求外，还应满足控制、控制系统、传感器等性能要求，具体有以下几点： （ 1） 具有良好的转向助力特性 转向盘力是驾驶者输入转向盘用以操纵汽车的力。 EPS的基本目标是提高汽车停车泊位和低速行驶时的转向轻便性，高速行驶时的操纵稳定性。在低车速、低侧向加速度行驶工况下，汽车应具有适度的转向盘力与转向盘转角，还应有良好的回正性能。在高车速 和低侧向加速度范围内，汽车应具有良好的横摆角速度频率响应特性，直线行驶能力和回正性能。转向盘力的大小要适度，特别是随着车速的提高，转向盘力不宜过轻而要保持一定的数值；采用随行驶车速而改变转向盘操作力特性的电动助力转向系统，可以显著地改善高速行驶时转向盘力的品质。因此， EPS系统的助力特性曲线是一族随车速变化的曲线，如图 2-6。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 15 图 2-6助力特性曲线 （ 2） 应具有良好的操纵稳定性 所谓稳定性主要是指汽车在行驶过程中，当突然受到外界横向力作用而发生自动转向等不稳定现象时，转向系统应该具有使车辆在相 当短的时间内迅速地回复正常行驶状态的能力。 转向系一直存在着轻与灵的矛盾，在不同的工况下，对操纵稳定性要求的侧重面是不一样的。一般转向力与路感是相互制约的，转向力小意味着转向轻便，能减小驾驶员的体力消耗；但转向力过小，就缺乏路感。传统液压助力转向由于不能对助力进行实时调节与控制，所以协调转向力和路感的关系困难，特别是汽车高速行驶时，仍然会提供较大助力，使驾驶员缺乏路感，甚至感觉汽车有飘的感觉，影响操纵稳定性，危机汽车高速行驶时的安全。由于 EPS由电机提供助力，助力大小由电控单元（ ECU）实时调节与控制。 EPS可以根据车速不同工况，制定不同的控制策略，自动地削弱或吸收摆振、维持转向盘具有良好的稳定感的能力，较好地解决上述矛盾。 (3)应具有良好的跟随性 EPS是一种电子控制电动助力转向伺服系统，跟随性问题十分重要。所谓跟随性问题是指当转向盘有转向输入时，系统中的各个元件（如电机等）及其他相关元件（如车轮等）均具有快速、协调和准确的响应性或跟随性。例如，当在方向盘上输入一个偏转角位移时，下部输出轴要在直流电机的带动下，按照给定的输入角位移稳定、准确、快速地跟踪上输入偏转角的位移。 （ 4)具有良好的回正特性 驾 驶员转向时，回正力矩是使转向车轮自动返回到直线行驶位置的主要恢复力矩之一。电动助力转向系统电动机通过减速机构作用到转向机构上，电动机和转向机构中不仅存在着摩擦损失转矩，还有弹性和间隙。如哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 16 果轮胎的回正力矩比总的摩擦损失力矩小，转向盘将不可能恢复到中间位置，汽车将偏离预期的行驶路线，直到驾驶员通过转向盘用力使它返回到中间位置。而在高速行驶时，为此，需要在常规转向的基础上增加回正控制功能。高速行驶时，轮胎的侧向力较大，为防止回正超调，则利用电机的转矩对系统的阻尼作用，使回正处于受控状态。 由于在 EPS中采用了微电 子技术，利用软件控制电动机的动作，在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。从最低车速到最高车速，可得到一组回正特性曲线，而传统的液压助力转向系统是无法做到这一点的。 （ 5） 适合的转向路感 对于 EPS来说，其助力大小可根据不同车速、通过软件的方式来控制电机电流来实现实时调节与控制，通过采用优良的控制策略，来调整转向路感，获得满意的转向轻便性和操纵稳定性，并保证驾驶员有足够的路感，实现路感的优化。 （ 6） 具有在版故障诊断功能 （ 7） EPS系统应具有碰撞能量吸收功能 对于 EPS系统，当汽车发生正面冲撞时，转向盘的压迫是导致驾驶员受伤的一个主要原因，因此要求 EPS系统转向操纵机构必须设置各种缓冲式的安全装置。 2.3.2 控制部分方案设计 EPS具体的工作流程是：当车辆点火开关接通，发动机开始运转后，电动助力转向系统的 ECU发出指令使电源继电器和故障保护继电器闭合，让整个 EPS系统启动， EPS程序一直监控车速传感器与转矩传感器输入的车速和转向盘转矩信号，其中，转向盘转矩信号体现了转向盘的转矩大小及该时刻转向盘的转向和位置，从而能够判断转向盘是顺时针转动还是逆时针转动还 是在中间位置保持不动，由车速与转矩信号实时输出相应的控制电流驱动电机，实现不同大小不同方向的助力，当点火开关断开时， EPS系统停止工作。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 17 图 2-7 EPS系统工作流程图 电动助力转向系统主要部件有：转矩传感器、车速传感器、电流传感器、电动机与减速机构、电子控制单元 （ ECU)。转矩传感器一般安装在转向小齿轮轴上，有的与电动机集成制造成一体；车速传感器安装在变速器输出轴上；电流传感器安装在电动机里；电子控制单元安装在转向器上方或者安装在驾驶员左侧的仪表盘背板上；电动机与减速机构集成制造在一起，一般根据不同的要 求安装在转向柱、转向小齿轮或者转向齿条上。 在小型车辆上，电机是通过齿轮箱与转向柱连接，而在中型汽车上，电机则是通过法兰交叉或纵向安装在齿条上，并通过齿轮箱操作。 本次设计中，由于所选用的车型是小型车，故将电动机与减速机构集成通过齿轮箱安装在转向柱上。 第 3 章 齿轮齿条式转向器设计 3.1 整车性能参数 本次设计以某微型轿车为模型，采用前置前驱的驱动方式，其基本参数如表 3-1所示： 表 3-1 某微型车基本参数 名称 数值 单位 轴距 L 2472 mm 前轮距 L1 1429 mm 后轮距 L2 1422 mm 最小转弯半径 Rmin 10600 mm 车长 4415 mm 车宽 1674 mm 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 18 车高 1415 mm 整车整备质量 1095 kg 前轮负荷率 60% 载客数 5 人 轮胎规格 前轮 175/65 R15 后轮 175/65 R15 3.2 齿轮齿条式转向器的设计和计算 3.2.1 齿轮齿条转向器计算载荷的确定 （ 1） 为了保证行驶安全，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。 精确地计算这些力是困难的，为此推荐用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或者混泥土路面上的原转向阻力矩 rM (N mm)，即 pGfMr313 2.04.855537.0 3 412878.50 （ 3-1） 式中， f为轮胎和路面间的滑动摩擦因数，一般取 0.7； G1为转向轴负荷（ N)； P为轮胎气压（ MPa)。 该车整车整备质量为 1095kg，所载人数为 6人，每人质量约 60kg；前置前驱转向轴负荷率为 60% 故 G1=（ 1095+60 6) 9.8 60%=8555.4N P取 0.2MPa。 （ 2） 转向器角传动比wi的计算 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 19 图 3-1 转向器转角关系图 51.04 9 4 02 5 0 0s in RL （ 3-2） 50.30 式中： L 汽车轴距， 2472mm； R 汽车最小转弯半径， 10600mm。 804.0142950.30c o s1 0 6 0 0 2472c o st a n BR L 38.12。 式中： L 汽车轴距， 2472mm； R 汽车最小转弯半径， 10600mm； B 前轮轮距， 1429mm。 设计取方向盘总圈数为 3.5，则 87.1462.72 3 6 03 KWw wwi （ 3-4） 式中 ：w 转向盘转角（速度）， 3360 。 ； K 转向轮转角（速度）， +=72.62 。 （ 3） 作用在转向盘上的手力 作用在转向盘上的 手力为 40.171%9087.1436050.4 1 2 8 7 82221 wSWRh iDL MLF N （ 3-5） 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 20 式中 ： 1L 转向摇臂长； 2L 转向节臂长； SWD 转向盘直径，设计为 360mm； wi 转向器角传动比； 转向器正效率， 90%。 因齿轮齿条式转向传动机构无转向摇臂和转向节臂，故 1L 和 2L 不代入数值。 对于给定的汽车，用式（ 3-5）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。 （ 4） 转向盘扭力矩 Tz mmNDFT SWhZ .3 0 8 5 22 3 6 040.1 7 12 （ 3-6） 式中：hF 转向盘上的手力， 171.40N； SWD 转向盘直径，设计为 360mm。 （ 5）梯形臂长度 L2的计算 前 轮 轮 胎 规 格 为 前 轮 185/60 R14 ， 则 轮 辋 直 径LWR=14in=14 25.4=355.6mm。 梯形臂长度 2/8.06.3 5 52/8.02 LWRL142.24，取 L=140mm。 （ 6）轮胎直径的计算 轮胎直径 mmRRLWT 35.4 6 82 0 555.06.3 5 52 0 555.0 ， 取mmRT 500 。 （ 7）转向横拉杆直径的计算： 3.1216142950.412878441 L Md R mm （ 3-7） 式中： RM 原地转 向阻力矩， 412878.50N.mm； 1L 前轮距 1429mm； 材料许用应力 216MPa； 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 21 取 mmd 10min 。 （ 8）主动齿轮轴的计算： mmmMnd 1.1410140852.30163m a x163 2 （ 3-8） 式中：nM 方向盘扭矩， 30852 N.mm； 材料许用切应力， 140MPa； 取 mmd 15min 3.2.2 转向器基本部件设计 （ 1）技术参数见表 3-2 表 3-2 技术参数表 名称 数值 单位 线角传动比 47.6 mm/rad 齿轮法向模数 2.5 方向盘总圈数 3 齿条行程 160 mm （ 2）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互连接。因此，转向盘的旋转使齿条横向移动以操作前轮。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。 故齿轮齿条式转向器的齿轮多采用斜齿圆柱齿轮。齿轮的模数取值范围在 2-3mm 之间。主动小齿轮齿数在 5-7个范围变化 ,压力角取值 20，齿轮螺旋角多为 9 -15 。 取齿轮模数 mn1=2.5，齿轮齿数 z1=6，齿轮压力角 1=20 ，齿轮螺旋角取为 15 、左旋，齿轮轴总长 L=160mm， 故斜齿圆柱齿轮直径根据公式 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 22 d1=mn1z1/cos=15.53mm （ 3-9） 取齿宽系数 1.2d ， 则齿条宽度 mmdbd 636.1853.152.112 （ 3-10） 圆整取 mmb 202 ，则取齿轮齿宽 mmbb 301021 。 表 3-3 齿轮轴的尺寸设计参数 序号 项目 符号 尺寸参数 (mm) 1 总长 L 160 2 齿宽 1B 30 3 齿数 1Z 6 4 法向模数 1Mn 2.5 5 螺旋角 15 6 螺旋方向 左旋 （ 3） 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的下摆臂平行。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。相互啮合的齿轮的齿距111 cos nmP 和齿条的齿距222 cos nmP 必须相等。 即：2211 c o sc o s nn mm 取齿条的模数：2nm=2.5，计算出齿条的压力角为： 2 =20 ， 取齿条的总厂 L 为 735mm，直径 30mm，齿条行程为 160mm。 表 3-4 齿条的尺寸设计参数 序号 项目 符号 尺寸参数 (mm ) 1 总长 L 735 2 直径 30 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 23 3 齿数 2Z 21 4 法向模数 2Mn 2.5 （ 4）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和齿条中。 转向横拉杆端部与外端用螺纹连接。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。 表 3-5 转向横拉杆及接头的尺寸设计参数 序号 项目 符号 尺寸参数（ mm) 1 横拉杆总长 aL 257 2 横拉杆直径 La 10 3 螺纹长度 ML 48 4 外接头总长 WL 100 5 球头销总长 QXL 52 6 球头销螺纹公称直径 qxd M8 1 7 外接头螺纹公称直径 wd M10 1 8 内接头总长 NL 60 9 内接头螺纹公称直径 nd M12 1 （ 5）齿条调整 一个齿条导向座安装在齿条光滑的一面。齿条导向座和壳体螺纹连接的调整螺塞之间连有一个弹簧。此调节螺塞由锁紧螺母固定。齿条导向座哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 24 的调节使齿轮、齿条之间有一定的预紧力，此预紧力会影响转向冲击、噪声和反馈。 图 3-2 自动消除间隙装置 表 3-6 齿条调整装置的尺寸设计参数 序号 项目 符号 尺寸参数（ mm) 1 导向座外径 L 40 2 导向座高度 1B 30 3 弹簧总圈数 n 6.5 4 弹簧节距 t 8.25 5 弹簧外径 D 30 6 弹簧安装高度 2H 37 7 螺塞螺纹公称直径 sd M44 2 8 螺塞高度 sH 30 9 锁止螺塞高度 ssH 10 10 转向器壳体总长 /高 kk HL / 600/150 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 25 11 转向器壳体内 /外径 wknk / 40/56 （ 6）齿轮齿条的综合分析设计及计算 转向器转向盘的单位转角增量与齿条位移增量的反比定义为齿轮齿条转向器的线角传动比。 假设齿轮有足够的啮合长度，且齿轮在齿条上滚动而齿条不动的啮合情况，当齿轮啮合一周时，齿轮中心线由 O-O位置移动到 O -O 位置 ， 如图 3-3示 。 这时可以知道 AB=d ，齿轮在齿条上移动了 AC 距离： c o sc o s dABAC 式中： 齿轮安装角，（ ） ； d 齿轮分度圆直径（ mm） 。 齿轮在垂直于齿条中心线 MM 的方向上移动了 BC 距离： s ins in dABBC ； 在齿条实际工作中是运动的，齿轮只是绕轴承中心线转动，并不移动。只能是齿条沿其轴线移动，可见 BC在实际工作中不存在，从中可知： rBCCD tan ； 在齿轮转动一周，齿条实际移动距离 AD为： rddCDACAD t a ns inc os 。 式中： r 齿条倾角（ ） 。 AD就是齿轮齿条式转向器的线角传动比 ， 即 rrdddi co sco st ans inco s （ 3-11） 将设计数据： radmmi /6.47 ； 5.2nm； 61z ； cos/11 zmd n代入 上 式，得 r =8.3114。 齿条的齿数计算 z2 222 cos nmLZ （ 3-12） 式中： L 齿条行程， 160mm； 2nm 齿条模数， 2.5； 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 26 2 齿条压力角， 2 =20 。 将数据代入（ 3-12）式，得 2z =21.68， 取整数值 2z =21。 图 3-3 齿条啮合长度计算图 3.2.3 齿轮轴和齿条的材料选择及强度校核 3-7 齿轮轴和齿条的设计计算 设计计算和说明 计算结果 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 27 选择齿轮材料、热处理方式及计算许用应力 选择材料及热处理方式 小齿轮 16MnCr5 渗碳淬火，齿面硬度 56-62HRC 齿条 45钢 表面淬火，齿面硬度 56-56HRC 确定许用应力 Hm in NlimSZ HH ； Fm in NSTlimSYY FF (a)确定 limH 和 limF MPaH 15001lim ； MPaH 13002lim MPaF 4251lim ； MPaF 3752lim (b)计算应力循环次数 N，确定寿命系数NZ、NY。 2711 1016.23 0 08101516060 NtanN 32.11 NZ 21 1 NN YY (c)计算许用应力 取 1min HS , 4.1min FS H m in N11lim1 SZ HH = M P a19 801 32.115 00 H m in N22lim2 SZ HH = M P a17 161 32.113 00 应力修正系数 2STY Fm in N1ST1lim1 SYY FF = M P a14.6074.1 12425 F m in N2ST2lim2 SYY FF = M P a7.5354.1 12375 MPaH 15001lim MPaH 13002lim MPaF 4251lim MPaF 3752lim 721 1016.2 NN 32.11 NZ 21 1 NN YY MPaH 1980 1 MPaH 1716 2 MPaF 14.607 1 MPaF 7.535 2 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 28 初步确定齿轮的基本参数和主要尺寸 选择齿轮类型 根据齿轮传动的工作条件，选用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合传动方案 选择齿轮传动精度等级 选用 7级精度 初选参数 初选 4.1tK 15 1Z =6 2Z =21 d=1.2 Y =0.7 Y =0.89 按当量齿数 77.715co s/7co s/ 33 ZZV 6.51 FSY 初步计算齿轮模数nm 转矩1T 176.290.175=30.85 mN =30850 mmN 闭式硬齿面传动，按齿根弯曲疲劳强度设计。 3 2121co s2FFSdtntYZYYTKm =3 2214.6076.562.189.07.015c os308504.12 =2.205mm 确定载荷系数 K AK =1 ，由 smnzm ntt /0 1 0 8.0c o s1 0 0 060 11 , 1vZ /100=0.000648, VK =1；对称布置，取 K =1.06；取K=1.3 ， 则 斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合传动 7级精度 1T 46510 mmN 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 29 KKKKK VA =111.061.3=1.378 修正法 向模数 3 tntn KKmm =2.205 3 4.1378.1 =2.193 圆整为标准值，取nm=2.5mm 确定齿轮传动主要参数和几何尺寸 分度圆直径 d cos 11 zmd n=15cos 65.2=15.53mm 齿顶圆直径1ad hadd a 21 =15.53+2 Xnhm ann =15.53+22.5(1+0)=20.53 mm 齿根圆直径fd ff hdd 21 =15.53-2 XnChm nann =15.53-22.51.25=9.28 mm 齿宽 b 1db d =1.215.53=18.636 mm 因为相互啮合齿轮的基圆齿距必须相等，即21 bb PP 。 齿轮法面基圆齿距为111 cos nb mP 齿条法面基圆齿距为222 cos nb mP 取齿条法向模数为2nm=2.5 齿条齿顶高 2ha Xnhmha ann 2 =2.5(1+0)=2.5 mm K =1.378 nm=2.5mm 1d =15.53mm 1ad=20.53mm 1fd=9.28mm 取 2b =20mm 2ha =2.5mm 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 30 齿条齿根高2fh XnChmh nannf 2 =2.5(1+0.25-0)=3.125mm 法面齿距2nS nnn mXnS t a n22/2 =3.925mm 校核齿面接触疲劳强度 1221 1 HEHH uubdKTZZZZ 查表得 ， EZ =189.8 MPa ；查图得 ， HZ =2.45 取 Z =0.8，Z= cos =0.985 所以 H =189.82.450.80.985 1215. 53203085 01. 37822 MPa =1512.8 2HMPa 2fh=3.125mm 2nS=3.925mm MPaH 8.1512 齿面接触疲劳强度满足要求 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 31 3.2.4 齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析 图 3-3 转向横拉杆的运动分析简图 如图 3-3， 当转向盘从锁点向锁点转动，每只前轮大约从其正前方开始转动 30 ，因而前轮从左到右总共转动约 60 。当转向轮右转 30 ，即梯形臂或转向节由 OC 绕圆心 O 转至 OA 时，齿条左端点 E 移至 EA 的距离为 1l cosOAOD 30=1 40cos30= 121.24mm ODOCDC =140-121.24=18.86mm sinOAAD 30= 70mm DCAA mmBECEAE BA 3 0 5 ADCA 22 AAAEEA AA = 22 86.18305 =304.42mm CAEACE AA =304.42-70=234.42mm ACECEl 1 =305-234.42=70.58 同理计算转向轮左转 30 ，转向节由 OC 绕圆心 O 转至 OB 时，齿条左端点 E移至 BE 的距离为 2l DADB =70mm BBDC 2222 86.18305 BBBEEB BB =304.42mm CEEBBCEEl BB 2 =70+304.42-305=69.42mm 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 32 齿轮齿条啮合长度应大于 21 ll 即 21 llL =70.58+69.42=140mm 取 L=160mm 。 3.2.5 齿轮齿条传动受力分析 若略去齿面间的摩擦力，则作用于节点 P的法向力 Fn可分解为径向力 Fr和分力 F，分力 F又可分解为圆周力 Ft 和轴向力 Fa。 11 /2 dTFt =230851/15.53=3973.08 N 15c o s/20t a n08.3 9 7 3c o s/t a n ntr FF =1497.13N 15t a n08.3 9 7 3t a n ta FF =1064.58N 3.2.6 间隙调整弹簧的设计计算 设计要求：设计一圆柱形压缩螺旋弹簧，载荷平稳，要求maxF=1400N时，max10mm,弹簧总的工作次数小于 410 ，弹簧中要能宽松地穿过一根直径为 18mm 的轴；弹簧两端固定；外径 mmD 30 ,自由高度mmH 450 。 (1) 选择材料 由弹簧工作条件可知，对材料无特殊要求，选用 C组碳素弹簧钢丝。因弹簧的工作次数小于 410 ，载荷性质属 类， B 45.0 。 (2) 计算弹簧丝直径 d 表 3-8 弹簧丝直径 d 的计算 计算项目 计算依据和内容 计算结果 选择旋绕比 C 估 2D 初算弹簧丝直径 d 计算曲度系数 K 计算弹簧丝的许用切应力 取 C =4 按 D 30mm、 1D 18mm,取mmD 252 CDd /2 =6.25mm CCCK 6 1 5.044 14 =1.404 =0.45 B =0.451700=765取 C =4 mmD 252 mmd 25.6 K =1.404 =765 MPa 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 33 计算弹簧丝直径 d MPa /6.1 m a x KCFd = 765/14004404.16.1 =5.129mm 取 d =5mm (3) 计算弹簧圈数和弹簧的自由高度 表 3-9 弹簧圈数和自由高度的计算 计算项目 计算依据和内 容 计算结果 工作圈数 n 总圈数 1n 节距 t 自由高度0H )m a x8m a x/ ( 3CFGdn =34140088580000 =4.46 各端死圈取 1，故 5.621 nn tan2Dt , 则 mmt 25.86ta n25 ,取6 dntH 5.10 =4.468.25+1.55=44.29 mm n =4.46 1n =6.5 t =8.25mm 0H=44.29mm (4) 稳定性验算 高径比 b=H0/D2=44.29/25=1.770.1d 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 34 (6) 几何参数和结构尺寸的确定 弹簧外径 D=D2+d=25+5=30mm 弹簧内径 D1=D2-d=25-5=20mm (7) 弹簧工作图 s =1.25 =1.25765=956.25 MPa 弹簧的极限载荷 Flim=CKd s82 =3.145 2956.25/(841.4)=1670 N 弹簧的安装载荷 Fmin=0.9Fmax=0.91400=1260 N 弹簧刚度 Cs=Gd/(8C3n)=800005/(84 34.46)=175.17 N/mm 安装变形量 min =Fmin/Cs=1260/175.17=7.19mm 最大变形量 max =Fmax/Cs=1400/175.17=7.99mm 极限变形量 lim =Flim/Cs=1670/175.17=9.53mm 安装高度 H1=H0-min =44.29-7.19=37.10mm 工作高度 H2=H0-max =44.29-7.99=36.3mm 极限高度 H3=H0-lim =44.29-9.53=34.76mm 3.2.7 齿轮轴轴承的校核 校核 30203圆锥滚子轴承，轴承间距 60mm,轴承极限转速 n=9000r/min,采用脂润滑，预期寿命 Lh =12000h 初步计算当量动负荷 13.149758.1064RAFF=0.711e X=0.56,暂选一近似中间值 Y=1.5。另查表得 fp=1.2 P =fp(XFR+YFA)=1.2(0.56698.5+1.5432.3)=1247.53 N 计算轴承应有的基本额定动负荷 Cr 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 35 查表得 ,ft=1,又 =3 Cr = NLnfP htr 6.275710 12000156053.12471060 3 66 初选轴承型号 查机械工程及自动化简明设计手册 ,选择 6202轴承 ,Cr=7.65KN，其基本额定静负荷 Cor=3.72KN 验算并确定轴承型号 FA/Cor=432.3/3720=0.116,e 为 0.30,轴向载荷系数 Y应为 1.45 计算当量动载荷 Pr=fp(XFR+YFA)=1.2(0.56149735/60+1.45432)=1338.5 N 验算 6204轴承的寿命 Lh= hPCfn r rt 207209133976501151666716667 3 12000h 即高于预期寿命，能满足要求。上轴承选择比下轴承稍大的型号 6203,同样满足要求。 3.2.8 键的计算 p = 2 pdlkT p=120 MPa mmpdK Tl 85.121 2 05.216 3 0 8 5 122 式中 ： T 传递 的转矩，单位为 Nmm ； D 轴的直径，单位为 mm； L 键的接触长度，单位为 mm； K 键与轮毂接触高度， Kh/2 ,单位为 mm； p 许用挤压应力，单位为 MPa。 选用 A 型键 ， 公称尺寸 bh=55； 键的接触长度 L 应该大于 15mm,则 L15+6=21mm； 圆头普通平键 (A 型 )的尺寸参考 GB1096-79； 键和键槽的断面尺寸参考 GB1095-79。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 36 第 4 章 EPS 的关键部件和控制策略 4.1 EPS 的关键部件 选型 4.1.1 电动机 电动机根据 ECU 的指令输出适宜的转矩，一般采用无刷永磁 直流 电动机 9，无刷永磁电动机具有无激励损耗、效率较高、体积较小等特点。电机是 EPS的关键部件之一，对 EPS的性能有很大的影响。由于控制系统需要根据不同的工况产生不同的助力转矩，具有良好的动态特性并容易控制，这些都要求助力电机具有线性的机械特性和调速特性。此外还要求电机低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻、可靠性高、抗干扰能力强。 我们采用的永磁直流电机，主要参数如表 4-1所示。 表 4-1 EPS电动机基本 参数 型式 永磁式直流电动机 额定时间 S2 2分钟 标称输出 150W 额定转速 1200r/min/DC 额定转矩 1.2Nm/30A 额定电流 30A 旋转方向 正反转 允许最大电流 35A 4.1.2 电磁离合器 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，离合器便自动地切断电动机的电源，恢复手动控制转向。此外，在不助力的情况下，离合器还能够消除哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 37 电动机的惯性对转向的影响。为了减少与不需要转向助力时驾驶车辆感觉的 差别，离合器不仅具有滞后输出的特性，同时还具有半离合器状态区域。离合器采用干式电磁式离合器，主要参数见表 4-2。 表 4-2 干式单片电磁离合器 型式 干式单片电磁离合器 额定时间 连续 功耗 9.8W/12V 20C 额定转矩 1.47Nm/12V 20C 线圈阻抗 14.71 4.1.3 减速机构 减速机构用来增大电动机传递给转向器的转矩。它主要有两种形式：双行星齿轮减速机构和涡轮蜗杆减速机构。由于减速机构对系统工作性能的影响较大，因此在降低噪声、提高效率和左右转向操作的对称性 方面对减速机构提出了较高的要求。 4.1.4 扭矩传感器 扭矩传感器用以检测转向盘转矩的大小和方向，以及转向盘转角的大小和方向，它是 EPS 系统的控制信号之一。精确、可靠、低成本的扭距传感器是决定 EPS能否占领市场的关键因素之一。扭距传感器主要有接触式和非接触式两种。常用的接触式（主要指电位计式）传感器有摆臂式、双排行星齿轮式和扭杆式三种类型，而非接触式转矩传感器主要有光电式和磁电式两种。前者的成本低，但受温度和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。后者的体积小、精度高、抗干扰能力强、刚度相对较高，易实现绝对转角和角速度的测量，但是成本较高。因此扭矩传感器类型的选取哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 38 根据 EPS的性能要求综合考虑。 图 4-1 扭矩传感器 我们选用非接触式扭矩传感器。如图 4-1 所示为非接触式扭矩传感器的典型结构。输入轴和输出轴由扭杆连接起来，输入轴上有花键，输出轴上有键槽。当扭杆受方向盘的转动力矩作用发生扭转时，输入轴上的花键和输出轴上键槽之间的相对位置就被改变了。花键和键槽的相对位移改变量等于扭转杆的扭转量，使得花键上的磁感强度改变，磁感强度的变化，通过线 圈转化为电压信号。信号的高频部分由检测电路滤波，仅有扭矩信号部分被放大。非接触扭矩传感器由于采用的是非接触的工作方式，因而寿命长，可靠性高，不易受到磨损，有更小的延时，受轴的偏转和轴向偏移的影响更小。现在已经广泛用于轿车和轻型车中，是 EPS传感器的主流产品。本次设计选用了德国 NCTE公司生产的 Series 2000系列的非接触式扭矩传感器。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 39 4.1.5 电流传感器 我们选用闭环霍尔传感器，它的优点是电路形式简单、成本相对较低，精度和线性度较好，响应时间较快，温度漂移较小。 表 4-3 电流传感器主要 参数 型式 闭环霍尔电流传感器 额定电流 50A 测量范围 80A 输出电流 50mA 精度 0.8%/25 摄氏度 匝数比 l:1000 电源 士 15V 4.2 EPS 的电流控制 EPS的上层控制器用来确定电动机的目标电流。根据 EPAS的特点，上层控制策略分为助力控制、回正控制和阻尼控制。 EPS的电流控制方式控制过程为：控制器根据转向盘转矩传感器的输出 Th和车速超过气的输出 V由 助力特性确定电动机的目标电流 Imo,然后电流控制器控制电动机的电流 Im，使电动机输出目标助力矩。 因此 EPS的控制要解决两个问题：（ 1）确定助力特性 ；（ 2） 跟踪该助力特性。整个控制器可以分为上、下两层，上层控制器用来根据基本助力特性及其补偿调节，进行电动机目标电流的决策，下层控制器通过控制电动机电枢两端的电压，跟踪目标电流。 图 4-2 EPS的电流控制 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 40 4.3 助力控制 助力控制是在转向过程（转向角增大）中为减轻转向盘的操纵力通过减速机构把电机转矩作用到机械转向系（转向轴、齿轮、齿条）上的一种基本控制模式。 步骤如下： （ 1） 输入由车速传感