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仇屹珏：汽车助力转向检测实验台架的设计与开发 中文摘要 随着汽车安全性能及舒适性能的不断提高，电动助力转向系统在汽车上已经广泛采 用。如何检测并评价助力转向系统的性能，包括助力系统是否能够正常工作、助力的大小、 方向以及时刻，助力随车速和方向盘转角及转矩的变化规律是否合理等是评价电动助力转 向系统的重要指标。 综合评价电动助力转向系统性能的最终方法是进行实车试验，实车试验需要消耗大 量的财力、人力和物力，高速转向工况还存在一定的危险性，往往采用室内台架。室内检 测台架如果设计合理，同样能够检测助力转向系统工作时的各项参数，评价控制系统硬件 的可靠性和验证控制算法的有效性及准确性，还可以大量节约成本和降低危险性，因此开 展助力转向系统测试台架的研究与开发具有重要的意义。 本文首先从车辆动力学模型入手，分析了电动助力转向系统工作过程，确定了系统输 入参数，包括方向盘转角及转矩、车速、路面阻力输入等；同时确定了系统输出参数，包 括电机电流、助力大小、方向盘力矩等；对评价助力转向性能好坏的基本参数也进行了相 关分析，并以此作为检测台架设计的基本理论依据。 研究中重点设计开发了适用于电动助力转向系统的检测实验台架，包括台架本体的设 计、加工、安装及调试工作；方向盘转矩传感器选择安装及相应标定工作；车速传感器信 号采集及计算；转向阻力模拟机构设计及安装；助力电机、减速机构、离合器等部件的选 择购置及安装调试工作。 为了验证检测台架的测试效果，进行了典型工况的实验研究，包括直流电机转矩的测 量、转矩传感器信号采集、车速模拟信号、模拟阻力信号采集等，实验结果表明该检测实 验台架可实现对电动助力转向系统动态参数的准确测量；同时进行了助力规律的初步研 究，包括无助力和有助力的对比实验、方向盘转矩变化及车速变化时的电机助力特性的实 验测试，结果表明该台架能够准确测量传感器信号及助力电机电流的变化特性。 通过理论及实验研究，证明该台架性能良好、工作可靠，达到了设计的各项要求。利 用该台架不仅能够准确测量助力转向系统的动态参数，还可以用来初步评价助力性能的好 坏，为电动助力转向系统的产品开发及性能评价提供了良好的技术支持。 关键字：汽车；助力转向；实验台架；测试：设计开发 扬州大学硕士学位论文 l l a b s t r a c t a st h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to ft h ev e h i c l es a f e t ya n dc o m f o r t , t h ee l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ec a r , h o wt od e t e c ta n de v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo f p o w e rs t e e r i n gs y s t e m s ，i n c l u d i n gw h e t h e rt h ep o w e rs t e e r i n gs y s t e mi sa b l et ow o r k ，t h ev a l u e ， d i r e c t i o na n dm o m e n to ft h ep o w e rs t e e r i n g ，w h e t h e rt h et o r q u ev a r i a t i o ni sr e a s o n a b l ea d a p tt o t h ev e h i c l es p e e da n ds t e e r i n ga n g l e & t o r q u ee t c a r et h ek e ye v a l u a t i o ni n d i c a t o r so fe 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 og i v ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mp e r f o r m a n c e ，t h e u l t i m a t et e s ti st h er e a lv e h i c l er o a dt e s t ，b u tr e a lv e h i c l et e s tr e q u i r ec o n s i d e r a b l ef i n a n c i a l ， h u m a na n dm a t e r i a lr e s o u r c e s ，a s l os t e e r i n ga th i g hs p e e dc o n d i t i o ni sv e r yd a n g e r o u s ，o f t e nt h e i n d o o rb e n c ht e s ti sa d o p t e d i ft h ei n d o o rt e s tb e n c hi sd e s i g n e dr e a s o n a b l e ，t h ew o r k i n g p a r a m e t e r so ft h ep o w e rs t e e r i n gs y s t e mc a nb ed e t e c t e d ，t h er e l i a b i l i t yo fc o n t r o ls y s t e m h a r d w a r e ，t h ev a l i d i t y & a c c u r a c yo fc o n t r o la l g o r i t h m sc a nb ev e r i f i e d ，a n da l s oi tw i l lb ec o s t 蹦v i n g sa n dr i s kr e d u c t i o n , s oi ti ss i g n i f i c a n tt oc a l t yo u tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t e s tb e n c h o np o w e rs t e e r i n gs y s t e m 。 f i r s t l y , s t a r t i n gf r o mt h ev e h i c l ed y n a m i c sm o d e l ，t h ew o r k i n gp r o c e s so fe l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e mi sa n a l y z e dt o d e t e r m i n et h es y s t e mi n p u tp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gt h es t e e r i n g w h e e la n g l ea n dt o r q u e ，v e h i c l es p e e d ，r o a dr e s i s t a n c ei n p u t , e t e ；a l s ot h es y s t e mo u t p u t p a r a m e t e r s ，i n c l u d i n ge l e c t r i cm o t o rc u r r e n t ，t h ev a l u eo fp o w e rs t e e r i n g ，s t e e r i n gw h e e lt o r q u e ， e t c a r cd e t e r m i n e d ；t h eb a s i cp a r a m e t e r sa n dt h ec o r r e l a t i o na n a l y s i so ft h ee v a l u a t i o n p e r f o r m a n c ew h e t h e rt h ep o w e rs t e e r i n gi sg o o do rb a di sa n a l y z e d ，a n dt h et e s tb e n c hi s d e s i g n e db a s e do nt h e s eb a s i ct h e o r y t h er e s e a r c hi sf o c u s e do nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft e s tb e n c hf o rt h ee l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m ，i n c l u d i n gt h ed e s i g n ，p r o c e s s i n g ，i n s t a l l a t i o na n dt e s to f b e n c hb o d y ；c h o o s e & i n s t a l lt h es t e e r i n gw h e e lt o r q u es e n s o ra n dt h ec o r r e s p o n d i n gc a l i b r a t i o n ；s p e e ds e n s o rs i g n a l a c q u i s i t i o na n dc a l c u l a t i o n ；s i m u l a t e ds t e e r i n gr e s i s t a n c em e c h a n i s md e s i g na n di n s t a l l a t i o n ； p u r c h a s ea n di n s t a l l a t i o nb o o s t e rm o t o r , g e a rb o x ，c l u t c ha n d o t h e rc o m p o n e n t so ft h ee p s ， t ov e r i f yt h ee f f e c to ft h et e s tb e n c h ，t y p i c a le x p e r i m e n t a ls t u d i e si sc a r r i e do u t ，i n c l u d i n g d cm o t o rt o r q u em e a s u r e m e n t ，t o r q u es e n s o rs i g n a la c q u i s i t i o n ，v e h i c l es p e e ds i m u l a t i o ns i g n a l a c q u i s i t i o n ，s i m u l a t e dr e s i s t a n c es i g n a la c q u i s i t i o ne t c ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h et e s t 仇屹珏：汽车助力转向检测实验台架的设计与开发i i i b e n c hc a na c c u r a t e l ym e a s u r et h ed y n a m i cp a r a m e t e r so fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ；a l s ot h e s t e e r i n gr u l e si sp r e l i m i n a r i l ya n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h ec o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t sw i t h o u te p s & w i t he p s ，m o t o ra s s i s t a n c ee x p e r i m e n t a lt e s tw h e nt h es t e e r i n gw h e e lt o r q u ea n ds p e e dc h a n g e s c h a n g e s ，r e s u l t ss h o wt h a tw i t l lt h i st e s tb e n c h ，t h es e n s o rs i g n a l sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fm o t o r c u r r e n tc a r lb e a c c u r a t e l ym e a s u r e d b yt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e s ，i t r e l i a b l eo p e r a t i o n ，i tc a na c c u r a t e l ym e a s q l r et h e s h o w st h eb e n c hh a v eg o o dp e r f o r m a n c ea n d d y n a m i cp a r a m e t e r so fp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ， a l s oi tc a nb eu s e dt og i v et h ei n i t i a la s s e s s m e n tw h e t h e rt h ep o w e rs t e e r i n gp e r f o r m a n c ei s9 0 0 d o rb a d ，i tp r o v i d e sag o o dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rp r o d u c td e v e l o p m e n ta n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n o f t h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m k 盯w o r d s ：a u t o m o t i v e ；e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ；t e s tb e n c h ；m e a s u r e m e n t ；r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t 仉屹珏：汽车助力转向榆测实验台架的设计j 开发 4 3 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。 除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名： 灿以沙 签字日期：7 o l 口年f 月沙日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关 部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人授权扬州大 学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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录 到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 学位做储揣加以沙导师躲了蝎二 签字日期：沙fo 年r 月功日签字日期：加矽年i ，_ 月j 日 ( 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 仉屹珏：汽车助力转向检测实验台架的设计j 开发 1 1 助力转向系统研究概述 第一章绪论 随着汽车技术的发展，人们逐渐追求安全、轻便、舒适的驾驶环境，汽车转向系统由 普通转向系统( 即完全依赖驾驶员的手力) 向助力转向( 即驾驶员手力加上辅助力) 系统 发展。助力转向系统能够根据方向盘输入的力矩和转角等参数，通过助力装置帮助驾驶员 转向，以减轻长时间驾驶造成的疲劳，性能优秀的助力转向系统还能够根据汽车行驶速度 控制助力大小，速度较高时不助力或者产生反向阻力，防止驾驶员高速时误转方向盘而造 成的交通事故。 助力转向系统按照提供助力的形式大致可以分为3 类：机械液压助力转向系统、电动 液压转向系统和纯电动助力转向系统，简要介绍如下： 1 、机械液压助力转向系统 机械液压助力转向系统( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，以下简称h p s ) 是助力转向系统的 早期产品，主要有机械转向器、液压油泵、分配阀、油罐、动力缸、溢流阀和限压阀等组 成，如图1 - 1 所示。h p s 的液压油泵由发动机皮带轮带动，一直处于工作状态，因此油耗较 大，同时由于泄漏和控制精度不准等原因，已逐渐淘汰i lj 。 图1 1 液压助力转向系示意图 1 转向盘2 转向轴3 梯形臂4 转向节5 转向控制阀6 转向主拉杆 7 一转向摇臂8 一机械转向器9 转向油罐l o 转向油泵l1 转向横拉杆1 2 一转向动力缸 2 、电液助力转向系统 电液助力转向系统是在h p s 的基础上发展而产生的，也可以分为两大类2 j ：电动液压 扬州人学硕j j 学化论文 2 助力转向系统( e l e c t r o h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，以下简称e h p s ) 和电控液压助力转向 ( e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，以下简称e c h p s ) 。电动液压助力转 向系统是在液压助力转向系统的基础上将转向油泵的驱动由原来的直接由发动机驱动改 为由电机驱动，这在一定程度上节省了发动机的燃油消耗量。而电控液压助力转向系统是 在液压助力转向系统的基础上增加了一套电控装置，这样电控装置可以根据车速等参数改 变系统的助力特性，以更好的满足助力要求。电液助力转向系统虽然在一定程度上克服了 液压助力转向系统的缺点，降低了汽车的燃油损耗，改善了系统的助力特性，但仍然没有 解决液压油泄漏所造成的污染问题，这就需要新的思路来解决这个问题，于是电动助力转 向系统应运而生。 3 、纯电动助力转向系统 纯电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，以下简称e p s ) 由于靠蓄电池提供能量， 完全由电动部分工作，免去了液压装置，利用电动机直接提供助力，助力大小由微控制器 ( e l e c t r i cc o n t r o l l e r u n i t ，以下简称e c u ) 控制，而且只有在助力时才消耗能量【3 1 ，如图1 2 所示。 图1 - 2 电动转向系统示意图 l - 转向盘2 - 输入轴3 电子控制器4 电动机5 电磁离合器6 转向齿条7 横拉杆 8 转向轮9 输出轴1 0 扭力杆1 1 转矩传感器1 2 转向齿轮 电动助力转向系统与液压助力转向系统相比，有以下几个优点1 4 】： 1 、更加环保。由于彻底消除了液压系统，根本不存在泄漏与污染等问题； 2 、更加节能。电动助力转向系统只在需要时提供助力，不需要时不消耗能量，而实际车 辆在行驶过程9 0 以上不需要助力，因此相对于h p s 可以节约燃油消耗5 左右； 3 、性能更优。方向盘的转向特性、转向手感和汽车的转向稳定特性，可以通过软件来进 仇屹珏：汽车助力转向检测实验台架的没计j j 开发 行调节和优化，所以其功能显然优于传统液压助力系统，同时在低速时，电动系统提 供较大的助力，助力大小随车速的增加而逐渐减小，而传统的液压系统往往在高速时 会趋于产生过度的助力； 4 、成本更低。电动助力转向系统由于零部件较少，方便采用集成式模块系统，便于汽车 总装厂装配，降低了成本； 5 、适用面更广。即使发动机熄火，电动助力转向系统还能照常工作，因此很适用于将来 的电动汽车或电汽混合型车，另外整个系统的重量比液压系统轻，结构更紧凑，因而安 装范围更广。 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 国外研究现状 在国外，从1 9 7 9 年丌始研究电动助力转向系统，至今已有3 0 多年的历史。之前一直没 有取得大的进展，主要是因为e p s 的成本太高。近几年随着来电子及控制技术的快速发展， e p s 的电控单元所需的电子元器件和传感器价格降低、成本已大幅度降低，再加上它独特 的优点，因而越来越受到人们的重视，并迅速迈向应用领域，部分取代了液压动力转向系 统【5 】o 因此，从1 9 8 8 年第1 个e p s 样品诞生至今的l o 多年里，快速完成了从实验室走向商品化 的过程。特别是近几年，随着汽车数量的大幅增加，能源和环保问题日益突出，节能、环 保的e p s 受到了汽车厂家的欢迎。 正是因为e p s 系统有上述优点，世界各汽车生产大国已投入大量的人力、物力从事该 系统的研究开发工作。目前只有日本、美国、德国、英国等几个国家的著名汽车公司开发 出自己的e p s 产品，并在部分车型上安装使用，e p s 系统开发成功是转向装置的一次变革， 为进一步实现电线转向奠定了基础。据美国天合( t i w ) 公司预测，到2 0 1 0 年底，在全 球范围内电动助力转向器的装车率将超过3 0 ，因此，电动助力转向技术的发展前景是非 常广阔的，这也正是全球各大汽车及零部件公司对其青睐的原因。 目前，国外电动转向系统的研究已经体现出实际的应用价值，在轿车上已经得到广泛 应用，但在中型车辆和重型车辆的应用还处于研究阶段，因为中型或大型车辆需要的轴向 力可达1 0 0 0 0n ，甚至更高。然而，在目前大多数汽车配装1 2v 电压系统的情况下，由于电 动转向器的电机电流的限制，电机输出转矩的增加受到了很大限制，助力电机能够提供的 助力比较小，不能满足大型车辆的助力要求。 扬州人学硕i j 学位论文 4 欧洲汽车制造商在研究配有4 2v 电压系统的中型车辆上应用e p s 方面走在了前头，而 在拓展e p s 的应用方面，同本的k o y o 、n s k 、h o n d a 及美国的d e l p h i 、t r w 等公 司已经开发了多种类型的e p s 。 1 2 2 国内研究现状 在国内，电动助力转向技术还处于实验室开发研究阶段。清华大学早在1 9 9 2 年就开始 了e p s 的研究，曾研制出e p s 的样机，并进行了性能试验。国内有多家家企业和科研院校 正在研制中，包括清华大学、吉林大学、江苏大学、同济大学以及南摩股份有限公司等。 但成熟的产品还没有完全开发出来。 目前国内e p s 主要装配在排量在小排量紧凑型轿车。最早装车的是昌河北斗星车型， 目前奥拓、羚羊，吉利美同、豪情，奇瑞q q ，威驰，千里马，菱帅，飞度和爱迪尔等小 型和微型车型均把e p s 作为选装器件，而b 级以上轿车上则把e p s 作为标准配置。但目 前装车的e p s 主要的部件包括助力电机、传感器和控制器等均是依赖进口，国内的自主研 发的能力还比较低下。 1 2 3 电动助力转向系统的核心技术 e p s 系统的研究开发涉及许多核心技术，包括：助力电机的驱动技术、传感器技术、 控制机理( 包括助力控制、回正控制、阻尼模式和惯性控制) 、e p s 系统与整车性能和实 验与检测技术等多方面的难题。 1 、电动机驱动技术。e p s 系统中电机要求端电压低，而功率相对较高，所以电动机电流较 大，这给驱动单元的电子器件选择和电路设计带来一定的困难，这是e p s 系统开发的关键 技术之一。 2 、方向盘转矩传感器技术。e p s 系统中的方向盘转矩传感器要求结构简单，工作可靠，价 格便宜，精度适中。目前国p 、e p s 系统中的转矩传感器多为非接触式( 电磁感应式、光电 式等) ，而接触式转矩传感器( 滑动电阻式) 应用较少。国内非接触式传感器价格较高，不 适合用于e p s 系统中，必须开发出一种符合以上要求的转矩传感器。 3 、控制机理研究。e p s 系统在原有的机械式转向系统中增加了电机和减速器使转向操纵 机构的惯性增大，为此必须引入惯性控制和阻尼控制。避免在电机开始助力和结束助力时 对转向操纵产生影向。同时，为了更好的路感，必须根据汽车的行驶速度和转向状态确定 合理的助力的大小和方向。目前国外在助力控制、回正控制等方面都提出了很多先进的控 制策略，并取得了比较好的控制效果。 仇屹珏：汽车助力转向榆测实验台架的设计与开发 4 、e p s 系统与整车性能相匹配。汽车是由各子系统组成的既相互联系又相互制约的有机整 体，当汽车某个子系统改变时，整车性能也产生了相应的变化，因此，必须对e p s 系统与 其它子系统进行匹配，比如发动机控制系统、防抱死刹车系统、自动变速器等电控系统， 使整车性能达到最优。目前汽车上流行的现场总线是控制器局域网c a n 总线技术，而 s a e j 1 9 3 9 协议是在c a n 协议基础上重新定义的协议，该技术可以协调多控制系统安装分 层的结构进行处理和控制，是今后发展的重要研究领域之一。 5 、实验与检测技术。包括电动助力系统是否能够正常工作和出现故障时的诊断功能。实 验主要是验证助力电机的电流随车速和方向盘转角及转矩的变化规律是否合理，方向盘的 自动回正性能、电机的噪音及抖动等是评价电动助力转向系统的重要指标。 由于电动助力转向系统的研究牵涉内容十分广泛，包括控制器硬件设计开发、控制机 理、加工工艺、故障诊断、实验测试等方面。关于助力转向系统的研究，通过查阅相关文 献报告，其中的研究重点主要是电子控制器控制机理及相关的模拟仿真或者控制器开发类 型的文献较多6 】【7 】【8 】，特别是纯理论研究的文献很岁9 】【l o l ，而开展助力转向实验及测试的文 献报到较少，因此本文重点开展助力转向实验与测试方面的研究。 1 3 研究背景及意义 国外虽然已经开发了许多e p s 产品，但牵涉知识产权和技术保密，很难获得其具体的 核心技术，包括控制器硬件的芯片型号、具体电路、控制参数和机理( 均加密) 、关键零 部件加工工艺及试验检测方法等，因此国内加强助力转向系统的研究显得十分迫切。 如前所述，电动助力转向系统具有很多的优点，国内外学者丌展了大量的研究工作， 其中的重点领域之一就是如何评价助力转向系统的综合性能，包括助力系统是否能够正常 工作、助力的大小、方向以及时刻，助力随车速和方向盘转角及转矩的变化规律是否合理， 方向盘的回正性能、电机的噪音及抖动等是评价电动助力转向系统的重要指标。 评价的基本方法是进行实验测试研究，目前的实验手段主要有2 种，即实车试验和 台架实验。进行实车试验是综合评价电动助力转向系统性能的最终办法，但由于实车试验 需要试验车辆、大量的燃料、试验场地、专门的驾驶员、各类随车测试仪器等，实验不仅 消耗大量的财力、人力和物力，而且由于高速转向工况还有存在一定的危险性i l 。 另一种实验手段就是室内台架实验，与实车试验相比较具有成本低、危险性小等优 点，还可以为实车试验获得基本参数，是助力转向系统开发的前期工作，但台架的设计是 否合理，具体测量哪些数据、所测量的参数与实车试验的结果有多大差别，是值得认真研 扬州人学硕i ：学位论文 6 究的问题。少量的文献提及了台架实验，但结构和功能均十分简单1 1 2 j ，与实际汽车转向工 况存在较大差别，实用性不强。 如果室内检测台架设计科学合理，不仅能够检测助力转向系统工作时的各项参数， 验证控制系统硬件的可靠性和控制算法的有效性及准确性，综合评价助力特性，而且还能 够为后续实车试验获得基本参数，同时还可以大量节约成本和降低危险性，因此进行台架 的设计与开发是非常有益的尝试。 1 4 主要研究目的和内容 研究主要目的是针对电动助力转向系统的特点，对比实车试验时所需的参数，设计并 开发检测实验台架系统，包括硬件和软件系统两部分的设计，重点进行台架的硬件部分的 设计。设计完成之后，进行实验测试研究，动态测量电动助力转向系统的各项参数，对助 力转向系统的控制精度、助力特性、响应速度以及方向盘回正性能进行综合评价。 研究具体内容包括： 1 、理论分析部分，建立电动助力转向系统的模型，分析输入参数、控制参数和输出 参数，确定助力特性的评价指标，为台架的设计做理论准备。 2 、台架硬件部分设计，即台架本体的设计；检测所需的传感器选择及标定工作；助 力电机的选择和调试；阻力加载机构设计：车速信号的获取等。此部分是本文的研究重点。 3 、加工和安装调试工作。包括台架本体的加工、安装和调试工作；助力电机的安装； 离合器及减速机构的安装；阻力加载机构的安装等 4 、实验测试工作，主要是测量方向盘转矩传感器的信号、直流电机电流、车速模拟 信号，绘制成动态曲线，以验证台架的工作性能，包括可靠性，数据采集的准确性，从而 综合评价检测台架的各项性能。 仇屹珏：汽车助力转向榆测实验台架的设计j 开发 7 第二章电动助力转向系统建模与理论分析 2 1 电动助力转向系统的力学模型 为了设计检测实验台架，首先必须确定电动助力转向系统的的基本参数，为此动建立 e p s 的动力学模型，如图2 1 所示，分别包括转向盘、电动机、减速机构模型，进行了计 算和分析13 1 。 图2 - 1e p s 动力学模型 2 1 1 转向盘和扭杆模型 把转向盘和扭杆作为研究对象，可得如下动力学方程【1 4 】： t h - - k = ( o h 一) - 厶幺+ 玩( 2 式中：，h 为转向盘和扭杆的转动惯鼍，魄口m 2 ；o i l 为转向盘转角，r a d ；bh 为转向盘和扭杆的阻尼， n ；m u r a d 【s s - 1 ；死为施加在转向盘上的转矩，n 口m ；凰为扭杆扭转刚度，n d m 已r a d ；新为齿条位移， m ：为小齿轮半径，m 。 方向盘转矩传感器的输出为： t a = k , ( o h z ) 乏， 2 1 2 电动机模型 以电动机和离合器为研究对象，得如下动力学方程【1 5 j ： 歹。巳4 - b 。0 。= 乙一乙( 2 - 3 ) 式中：厶为电动机和离合器的转动惯量，k g t m 2 ；0 。为电动机转角，r a d ；风为电动机阻尼，n _ m t r a d - s ； 为电动机产生的电磁转矩，n z m ：瓦为电动机通过离合器施加剑减速机构上的力矩，n z m 。 扬州人学硕j ：学位论文 8 电动机的转角和齿条位移之间的关系如下： 以= ( 2 - 4 ) 式中：n 为减速机构的减速比。 2 1 3 减速机构、小齿轮和齿条模型 以齿条、减速机构、小齿轮为研究对象，并将小齿轮和减速机构的质量和阻尼折算到 齿条上，当轮胎的侧偏角小于4 0 时，转动过程中轮胎产生的阻力矩与齿条位移近似成线性 关系，此时对齿条列动力学方程如下【1 6 1 ： 卜z ) 一z 划”耳似 2 剐 式中：坛为减速机构、小齿轮和齿条等的当量质量，k g ；b ，为减速机构、小齿轮和齿条等的当量阻尼， n 3 m - 1u s ；群为轮胎等的等效刚度，n d m 。 2 1 4 电动机等效电路模型 电动助力转向系统采用的是直流电动机，其等效电路如图2 2 所示，包括一个电感、一 个电阻和一个电源。嘞电机两端电压，为流过电机的电流，r 为电机电枢的电阻，三为电 机电感，kb 为反电动势常数，e 为电动机转动产生的反电动势。 lr 图2 - 2 电机等效电路 根据电动机的工作原理得：u = u + 肼+ e ，其中：e = k 。既。根据电动机产生的电磁 力矩与通过电枢的电流正比，得乙= k o i 本文设计的控制系统是根据转矩信号控制电动机 两端的有效电压的，因此u = k 口乃。 通过理论分析与系统建模，为检测台架的设计明确了各主要部件的工作原理及特性参 数，为动态测量哪些参数提供了理论依据。 仇屹址：汽车助山转自检测实验架的计与 发 2 2 电动助力转向系统输入与输出参数的确定 由于助力转向系统是在普通机械式转向系统的基础上通过增加方向盘转矩传感器、助 力电机等部件实现的，因此系统的机械部分包括转向轴、扭杆、助力电动机、蜗轮蜗杆传 动机构、减速齿轮以及齿条轴：电子部分包括转向盘力矩传感器、车速和转速信号传感器、 控制单元等e p s 的工作原理如图2 - 3 所示【。 图2 - 3i 乜动助力转向系统工作示意圈 图2 - 3 中，方框区域为硬件系统的核心部件电子控制器，主要作用是读取传感器信号， 经过读入信号和计算判断，控制电机、离合器等执行机构的动作。 罔2 - 3 中，方框左侧部分均为输入部分，包括电源部分，由蓄电池和发电机组成，系 统需要检测的传感器包括方向盘转矩和转角角信号、车速传感器、发动机转速、发电机电 压等作为系统的输入参数。图2 - 3 中，方框右侧部分为输出参数，包括电机电流，离合器 的丌关信号另外，由于是电控系统，还需要进行故障诊断【1 ”，因此预留了诊断输出接口。 由于设计的是台架实验因此发动机转速信号、车速信号和发电机不存在，蓄电池、 方向盘转矩信号等输入信号保留，输出部分与图2 - 3 基本相似，由于是台架实验，暂时没 有设计故障诊断与分析接口。 2 3 助力特性的确定与评价标准 目前助力特性的评价主要是通过方向盘转矩传感器和车速来评价，汽车行驶时，驾驶 员操作转向盘的力克服的主要阻力和阻力矩包括l 州：轮胎与地面之间的摩擦力；主销岳倾 扬州人学顾i ：学化论文 l o 和主销内倾等定位参数导致汽车产生的回正力矩；转向系统各部件之间的机械摩擦力等。 同时，转向阻力还与其他因素有关，例如车速、路况、转弯半径、风阻以及转向盘的转速 等【2 0 】。车速高、路况好、风阻小，则转向阻力也就小，驾驶员操作转向盘就比较轻松；反 之则比较沉重【2 l 】。 建立转向阻力与影响因素的函数如下： 厂( w ) = 矽0 。，t ，c ，尺，国) ( 2 6 ) 其中，知转向阻力，z o 车速，砰汽车的滚动阻力，凡一空气阻力，屉汽车的转弯? 卜径，一方向盘角速 度。 助力转矩坛转向盘输入转矩有关，即： m 。= f d ，v ) ( 2 - 7 ) 式中必广。转向盘转矩；卜汽车速度 转向时驾驶员施加在转向盘上的输入力矩与系统的输出力矩成线形关系： 瓦乙= k 。( 2 8 ) 式中肠为系统的助力增益 装有助力装置后，应尽可能的遵循驾驶员的驾驶习惯。因此，输入力矩和输出力矩之 间的理想特性曲线，应具有以下特点： 在输入力矩较小的区域，助力部分的输出力矩应很小或者不助力，即对助力装置设置 “死区”，在“死区”内不助力，主要目的就是保证方向盘上有较好的“路感”，在输入力矩超 过助力装置的“死区”后，助力装置应承担转向所需的主要力矩，以降低驾驶员的劳动强度： 在原地转向或汽车调头时，转向阻力矩较大时，助力装置应发挥较大的助力转向效果，输 出力矩的增幅变大。随着车速的逐渐提高，助力装置的死区应逐渐增大，保证高速时转向 的安全性f 2 2 】，如图2 4 所示。 仇屹珏：汽车助力转向检测实验台架的设计与开发 ，、 、j 憔 脚 r 蛊 叵 辩 0 24 6 8 转向力矩( n m ) h ) 图2 - 4 电动助力转向系统助力特性 因此要评价电动助力转向系统的综合性能，必须测量方向盘转矩、车速及电机的电流 大小，另外为了评价方向盘回正性能及驾驶员的路感，还必须测量电机电流随方向盘转矩 及车速的变化特性。 评价指标还包括方向盘回正性能【2 3 】，当车辆的使用因素发生变化，系统的回正特性随 之改变。回正控制的控制过程为，转向时前轮回正力矩使转向恢复直线行驶的状态变化。 在汽车低速行驶过程中，当方向盘转动后回到中间位置时，电控单元使电动机电流迅速减 小，使转向车轮迅速回j 下；而在汽车高速行驶过程中，当方向盘转动后回到中间位置时， 电控单元将使电动机电流逐渐减小，对转向车轮产生回正阻尼，使汽车具有稳定的转向特 性。另外相关文献还提及了关于电机噪音及抖动、系统的响应速度等方面的控制和评价【2 4 1 ， 由于篇幅有限，不再赘述。 本次设计的e p s 检测台架主要针对助力转向的主要评价指标，实现对无助力和有助力 的对比、有助力时电机电流随转矩和车速的变化规律以及部分回正实验，等这些工作完成 之后再进行电机噪音及抖动等其它研究工作。 2 4 检测实验台架设计总体方案 为了实现对助力转向系统的动态测量和助力特性的评价，总体设计时采用硬件与软件 相结合的设计方案；同时考虑到该台架的零部件较多，需要进行归类，采用了模块化设计 的方法，系统的工作原理如图2 5 所示。 扬州人学硕i j 学位论文 图2 - 5e p s 实验台架示意图 图2 5 中，助力转向检测实验台架硬件主要包括方向盘转矩传感器、车速传感器、助 力电动机、减速机构及离合器、模拟阻力加载装置、台架本体和数据采集系统所需的计算 机和数据采集卡等。软件部分包括数据采集、数据保存、曲线绘制等模块，同时为今后开 展进一步研究，预留了扩展模块。 2 5 本章小结 本章主要对电动助力转向系统的动力学及工作原理进行了理论分析，建立了电动助力 转向系统主要部件的数学模型，确定了系统的输入及输出参数，并分析了助力特性的基本 评价指标，以此完成了台架设计的总体方案。 仇屹珏：汽车助力转向榆测实验台架的设计j 开发 第三章实验台架硬件系统的设计与开发 为了实现助力转向系统的动态数据采集和检测功能，首先必须进行系统的硬件设计。 具体工作为：1 、选择相关的传感器，包括方向盘转矩传感器和车速传感器，这是系统最 基本的输入；2 、选择合适的助力电机及离合器、减速机构；3 、为了获得类似于实车试验 的轮胎阻力，必须找到代替的模拟阻力加载机构；4 、转向系统的方向盘、转向轴、万向 节等基本部件，5 、待检测的电子控制器及数据采集使用的计算机等。硬件设计方案如图 3 1 所示。 离合器 减速机构 同定 墅 同定 电机h 电流信号 匝一1 丙磊菇森亲 车速传感器信号 转向轴万向节卜jj 模拟阻力加载装置ii 待检测电子控制器 导线 连接 计 算 机 数 据 采 集 图3 1 台架硬件设计方案 图3 1 中机械部分包括方向盘、转向轴、万向节、加载弹簧、助力电机、离合器及减 速机构、方向盘转矩传感器等采用固定的方式与台架本体连接；电子部分包括车速传感器、 电子控制器和电机电流采用导线与计算机连接。 为此首先选择了方向盘、转向轴、转向万向节和转向传动轴，考虑到台架的小巧，省 略了转向器及后面的部分，由于在转向传动轴的末端有孔，初步考虑采用扭转弹簧连接作 为模拟阻力加载装置。 需要购置的零部件主要包括：助力电机2 只，其中1 只备用；方向盘转矩传感器2 只： 减速机构带离合器的机构；阻力弹簧2 只；需要加工的部分主要是台架的本体。 0 1 台架本体设计 台架本体设计包括方向盘、万向节、转向传动轴等安装及定位，保证方向盘转动时工 作性能稳定，不出现噪音及抖动情况，各部件相对定位准确，尽可能消除间隙，以减少误 差。底座采用4 根角铁，采用框架结构，角铁之间采用焊接的方法连接，保证整个台架小 巧轻便。台架本体的尺寸及装配安装如图3 2 所示。 扬州人学硕十学位论文1 4 i 鱼里! z - i 图3 - 2 台架本体的尺寸及装配示意图 1 2 角钢( 固定方式为焊接) 3 螺栓4 扭矩传感器5 电机6 万向节7 功n 载弹簧8 一方向盘 如图3 - 2 所示，首先通过测量确定了方向盘到转向万向节部分的长度，大约为 5 8 5 8 m m ，倾斜角4 0 。左右。以此设计了台架的底部，采用4 根3 m m 的角钢，组成了方框 仇屹珏：汽乍助力转向榆测实验台架的设计与开发 结构，长度6 9 7 m m ，宽度5 3 m m ，由于方向盘、电机和减速机构等部件重量较大，为维持 重心的稳定，长的角钢伸出了大约2 4 5 7 m m ，4 根角钢之间采用焊接方式刚性连接，增加 了台架的强度。 由于台架上还需要固定方向盘转向传动机构，由于方向盘的夹角一般与水平线成4 0 0 左右，设计时需要在方向盘等部件下面增加1 根垂直支撑角钢，该角钢的项部焊接1 块与 水平线成4 0 0 左右的斜角钢，保证夹角及支撑强度。其中垂直角钢与台架底部采用焊接方 式连接，保证系统的强度足够。 方向盘、转向轴、转向万向节和转向传动轴等部件可直接从普通转向系中获得。分析 普通机械式主要部件有方向盘、转向传动机构和转向器，机械转向系的工作原理是：驾驶 员对转向盘的转向操作经传动机构和转向器后输出为转向摇臂摆动，再通过转向直拉杆和 梯形臂，带动转向节的转动，即可实现转向轮的偏转，其结构简图如图3 3 所示2 5 1 。 图3 3 普通机械式转向系示意图 1 转向盘，2 转向轴，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：常臂，9 左转向节，l o 、1 2 梯形臂，1 1 转向横拉杆，1 3 右转向节 为此首先选择了普通转向器( 昌河北斗星车型) 中的方向盘、转向轴、转向万向节和 转向传动轴，考虑到台架的小巧，省略了转向器及后面的部分，即保留了图3 3 中的l 、2 、 3 、4 的部件作为台架的部分使用，其余部分暂不使用。 固定助力电机、离合器及减速机构和方向盘转矩传感器等部件可以通过螺栓或螺钉紧