本田飞度电动助力转向系统设计毕业设计.doc

本田飞度电动助力转向系统设计摘 要电动助力转向系统 ( Electric Power Steering,简称EPS) 是在机械转向系统的基础上, 将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统。它根据作用在转向盘上的转矩信号和变速器输出轴上的车速传感器提供的车速信号, 通过电子控制装置使电机产生相应大小和方向的辅助力, 协助驾驶员进行转向操作, 并获得最佳转向特性的伺服系统。EPS能显著改善汽车动态性能和静态性能, 提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性, 减少环境的污染。因此, 该系统一经提出,就受到许多大汽车公司的重视, 并进行开发和研究, 未来的转向系统中电动助力转向将成为转向系统主流。本田飞度的电动助力转向（EPS）系统主要由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元、无刷直流电动机、电磁离合器和减速机构等部分组成。在相应的软件及控制算法的协助下，共同实现转向助力的功能。本文在明晰了EPS的组成和工作原理后，首先对本田飞度电动助力转向系统中的蜗轮蜗杆减速机构进行了设计计算和校核，然后又对该系统中的齿轮齿条进行了设计计算和校核。 关键词: 本田飞度电动助力转向系统；蜗轮蜗杆设计。 The Fit Electric Power Steering System Design AbstractElectric Power Steering, based on mechanic steering system, applies the latest electric power and electronic techniques and high quality motor control skills in vehicle steering system. Electric Power Steering help drivers to operate in the light of torque signals on the steer and the speed signals provided by speed torquesignal on the out-put axel of change speed gear box help the generator produce corresponding power and direction aid through electronic control device. And at the same time receive the highest quality steering service EPS can improve the dynamic and steady state quality greatly, raising the level of the drivers comfort, safety and reducing the pollution to the environment. As the result, on the birth of the system, it is welcomed by many major auto companies and get further researched and developed. Electric power steering will become the leading kind in future power steering. Fit electric power steering system is composed of torque sensor, the vehicle speed sensor, the electron controls the unit, not brushes parts and so on direct current motor, magnetic clutch and reduction gear. It will perform its power steering functions with the help of correspondent software and controlling program. This article after the defined EPS composition and the principle of work, first the electrically operated boost steering system worm gear worm bearing adjuster reduction gear has carried on the design calculation to fit and examines, then has carried on the design calculation and the examination to in this system gear rack.Key words: Fit electric power steering system; Worm gear worm bearing adjuster design.不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- II -目 录摘要IAbstract.II第1章 绪论11.1 引言11.2 电动助力转向系统的类型11.3 电动助力转向系统的优点21.4 国内外的研究现状31.5 电动助力转向系统的发展趋势3第2章 本田飞度EPS系统的结构与工作原理及性能分析52.1本田飞度EPS系统的结构组成及工作原理52.1.1 本田飞度EPS系统的组成52.1.2 本田飞度EPS系统的工作原理52.2 本田飞度EPS系统的主要构件及选型72.2.1 电动机72.2.2 电磁离合器82.2.3 减速机构82.2.4 转矩传感器92.2.5 EPS系统的控制单元（ECU）102.3 EPS系统的性能分析122.3.1 EPS系统性能的主要评价指标122.3.2 EPS系统性能的主要参数14第3章 本田飞度EPS系统蜗轮蜗杆减速机构设计173.1 本田飞度EPS系统中电机选择173.2 本田飞度EPS系统中蜗轮蜗杆减速机构设计203.2.1 蜗轮蜗杆减速机构运动简图203.2.2 蜗轮蜗杆基本参数初取203.2.3 本田飞度EPS系统中蜗轮蜗杆减速机构校核213.2.4 蜗轮蜗杆传动的基本几何尺寸233.3 蜗轮轴的设计243.4 蜗杆轴的设计25第4章 本田飞度EPS系统中的齿轮齿条式转向器设计264.1 齿轮齿条的工作原理简介264.2 本田飞度EPS系统中的齿轮齿条式转向器设计274.2.1 转向器参数初选274.2.2 本田飞度EPS系统中齿轮齿条转向机构校核294.2.3 齿轮齿条传动的基本几何尺寸314.3 齿轮轴的设计32结 论- 34 -致谢- 35 -参考文献- 36 -附录A- 37 -Study on Characteristic of Electric Power Assist Steering System- 37 -1 Dynamic model of EPS- 38 -2 Analysis of assist characteristic of EPS- 40 -2.1 Simplification of steering resistance force- 40 -2.3 Analysis of assist gain- 41 -2.4 Analysis of assist characteristic diagram- 42 -附录B- 51 -千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 引言电动助力转向系统 ( Electric Power Steering,简称EPS) 是在机械转向系统的基础上, 将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统, 根据作用在转向盘上的转矩信号和变速器输出轴上的车速传感器提供的车速信号, 通过电子控制装置使电机产生相应大小和方向的辅助力, 协助驾驶员进行转向操作, 并获得最佳转向特性的伺服系统。EPS能显著改善汽车动态性能和静态性能, 提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性, 减少环境的污染。因此, 该系统一经提出,就受到许多大汽车公司的重视, 并进行开发和研究, 未来的转向系统中电动助力转向将成为转向系统主流。电动式动力转向系统（EPS）是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的电动动力式转向系统。该系统仅需要控制电动机电流的方向和幅值，不需要复杂的机械、液压机构。另外，该系统由于利用微机控制，因此为转向特性的设置提供了较高的自由度，有着非常广阔的开发和应用前景。11.2 电动助力转向系统的类型 由于助力转向系统具有转向轻便和响应性好等优点,已经在汽车上广泛使用。目前汽车配置的助力转向系统可分为以下3类。21. 机械式液压助力转向系统 机械式液压助力转向系统在汽车上的应用最为广泛,系统的核心部件是机械液压泵,液压泵通过传动皮带由发动机驱动,属于固定助力效果的助力转向系统,具有明显的缺点。转向系统的助力效果在车速较低时能够起到很好的作用,但是当车速不断升高时,固定的助力效果会使转向盘过于灵敏不利于驾驶者对方向进行控制。2. 电子液压助力转向系统 电子液压助力转向系统是机械式液压助力的改进,通过电子控制技术在助力转向系统上增加了车速感应式转向功能,以实现车辆低速行驶时助力力矩大和高速行驶时助力力矩小的效果。但是,结构太复杂。3. 电动助力转向系统 电动助力转向系统(Electric Power Steering简称EPS)是在机械转向系统的基础上,将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统,根据作用在转向盘上的转矩信号和车速信号,通过电子控制装置使电机产生相应大小和方向的辅助力,协助驾驶员进行转向操作,并获得最佳转向特性的伺服系统。EPS能显著改善汽车动态性能和静态性能,提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性,减少环境的污染。因此,该系统一经提出,就受到许多大汽车公司的重视,并进行开发和研究,未来的转向系统中电动助力转向将成为转向系统主流。1.3 电动助力转向系统的优点相比传统液压动力转向系统，电动助力转向系统具有以下优点：1.只在转向时电机才提供助力，可以显著降低燃油消耗。传统的液压助力转向系统有发动机带动转向油泵，不管转向或者不转向都要消耗发动机部分动力。而电动助力转向系统只是在转向时才由电机提供助力，不转向时不消耗能量。因此，电动助力转向系统可以降低车辆的燃油消耗。与液压助力转向系统对比试验表明：在不转向时，电动助力转向可以降低燃油消耗2.5%；在转向时，可以降低5.5%。2.转向助力大小可以通过软件调整，能够兼顾低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性，回正性能好。传统的液压助力转向系统所提供的转向助力大小不能随车速的提高而改变。这样就使得车辆虽然在低速时具有良好的转向轻便性，但是在高速行驶时转向盘太轻，产生转向“发飘”的现象，驾驶员缺少显著的“路感”，降低了高速行驶时的车辆稳定性和驾驶员的安全感。电动助力转向系统提供的助力大小可以通过软件方便的调整。在低速时，电动助力转向系统可以提供较大的转向助力，提供车辆的转向轻便性；随着车速的提高，电动助力转向系统提供的转向助力可以逐渐减小，转向时驾驶员所需提供的转向力将逐渐增大，这样驾驶员就感受到明显的“路感”，提高了车辆稳定性。电动助力转向系统还可以施加一定的附加回正力矩或阻尼力矩，使得低速时转向盘能够精确的回到中间位置，而且可以抑制高速回正过程中转向盘的振荡和超调，兼顾了车辆高、低速时的回正性能。3.结构紧凑，质量轻，生产线装配好，易于维护保养。电动助力转向系统取消了液压转向油泵、油缸、液压管路、油罐等部件，而且电机及减速机构可以和转向柱、转向器做成一个整体，使得整个转向系统结构紧凑，质量轻，在生产线上的装配性好，节省装配时间，易于维护保养。4.通过程序的设置，电动助力转向系统容易与不同车型匹配，可以缩短生产和开发的周期。5.采用“绿色能源”，适应现代汽车的要求。电动转向系统应用“最干静”的电力作为能源，完全取缔了液压装置，不存在液压助力转向系统中的液态油的泄漏问题，可以说该系统顺应了“绿色化”的时代趋势。该系统由于它没有液压油，没有软管、油泵和密封件，可对构成材料进行再加工，避免了污染。由于电动助力转向系统具有上述多项优点，因此近年来获得了越来越广泛的应用。1.4 国内外的研究现状国外EPS的发展之路：因为微型轿车上狭小的发动机舱空间给液压助力转向系统的安装带来了很大的麻烦，而EPS元件比较少，重量轻，装配方便，比较适合在微型轿车上安装。因此在国外，EPS系统首先是在微型轿车上发展起来的。上世纪80年代初期，日本铃木公司首次在其Cervo轿车上安装了EPS系统，随后还应用在其Alto车上。此后，EPS在日本得到迅速发展。出于节能环保的考虑，欧、美等国的汽车公司也相继对EPS进行了开发和研究。虽然比日本晚了10年时间，但是欧美国家的开发力度比较大，所选择的产品类型也有所不同。日本起初选择了技术相对成熟的有刷电机。有刷电机比较成熟，在汽车上的应用较广，比如雨刷、车窗等部分，稍做改进就适应了EPS的要求，因此研发周期较短，上世纪80年代末期就开始产业化，主要装配在微型车上。而欧美则选择了难度较大的无刷电机，但是电子控制系统比较复杂，延长了研发周期。直到90年代中期欧美才开始批量生产。从长远发展看，有刷电机存在一定弊端，比如电刷产生的噪声较难克服，磨损较严重，存在电磁干扰等问题。因此，日本现在国内配装的EPS也逐渐转向无刷电机类了。国内EPS的发展现状：我国汽车电子行业的总体发展相对滞后，但是，随着汽车对环保、节能和安全性要求的进一步提高，代表着现代汽车转向系统的发展方向的EPS电动助力转向系统已被我国列为高新科技产业项目之一，国内各大院校、科研机构和企业已经纷纷开始对EPS这一领域进行了研究，使得EPS得到了迅速的发展。据悉，自主品牌研发的EPS系统离产业化就差整车厂批量装车认可这一台阶了，相信很快就可以实现量产。在汽车电动助力转向产品的开发上，初步统计国内的企业和大专院校已有48个单位在独立或联合进行这项工作。可以说是公有和民有制企业、大专院校和科研单位齐上阵。现已经过7年的努力, 在汽车电动助力转向各个产品的研制和开发方面已作了大量的工作, 已经取得了相当的成就。在国内已形成汽车电动助力转向各种产品全面发展、全面开花结果的局面。1.5 电动助力转向系统的发展趋势 EPS当前已经较多应用在排量在 1.3L1.6L(含 MMPV微型多功能车 ) 的各类轻型轿车上 ,其性能已经得到广泛的认可。随着直流电机性能的提高和42V电源在汽车组件上的应用 , 其应用范围将进一步扩宽 , 并逐渐向微型车、轻型车和中型车扩展。可以看出, 包括ABS、TCS及EPS等控制模块的汽车底盘电子部分将呈现逐年稳步增长的趋势, EPS以其一系列的优点代表着当今汽车助力转向系统的发展方向,并将在动力转向系统中占据市场主导地位。目前, 在全世界汽车行业中, EPS系统每年正以 9%- 10%的增长速度发展, 年增长量达130万-150万套。据TRW公司预测, 到2010年全世界生产的轿车中每3辆就有1辆装备EPS, 到2010年, 全球 EPS产量将达到2500万套。3 随着电子及控制技术的成熟, EPS近年来发展非常迅猛, 国外各大汽车公司都在研制自主EPS, 并大部分都已经进入批量生产阶段, 而国内的发展尚处来起步阶段, 因而在国内EPS将具有十分广阔的发展和应用前景。第2章 本田飞度EPS系统的结构与工作原理及性能分析2.1本田飞度EPS系统的结构组成及工作原理检测传感器控制单元无刷直流电动机蜗轮蜗杆减速机构齿轮齿条转向机构EPS系统是在机械转向系统的基础上，根据作用在方向盘上的转矩信号和车速信号，通过电子控制装置使电机产生相应大小和方向的辅助力，协助驾驶员进行转向操作，并获得最佳转向特性的伺服系统。该系统不使用汽车发动机的动力，而是依靠汽车上蓄电池作为其电源，也不需要复杂的控制执行机构，只要控制电机电流/电压的幅值和方向，就能实现转向系统的自动控制。系统框图如图2-1所示。图2-1 本田飞度电动助力转向系统框图2.1.1 本田飞度EPS系统的组成本田飞度的电动助力转向系统的基本组成包括齿轮齿条式转向器、无刷直流电动机、电控单元（包括控制单元和驱动单元）、蜗轮蜗杆减速机构和方向盘扭矩传感器等，如图2-2所示.2.1.2 本田飞度EPS系统的工作原理其工作原理是:驾使员操纵方向盘转向时,传感器将驾驶员作用于方向盘上的扭矩信号、车速信号、发动机转速信号输入ECU,ECU对输入信号进行运算,查助力表格,确定目标电流的大小和方向,从而控制电动机的电流和方向,电动机经离合器及减速机构将扭矩传递给转向机构,从而为驾驶员提供合适的助力.当转向系统出现故障时,EPS系统不助力,不转向的情况下,电动机不工作.电动助力转向系统可以实时地在不同的车速下为汽车转向提供不同的助力,保证汽车在低速行驶时轻便灵活,高速行驶时稳定可靠.1-方向盘和仪表总成 2-ECU和蜗轮蜗杆减速机构 3-蓄电池4-齿轮齿条式转向器 5-转向横拉杆 6-扭矩传感器图2-2 本田飞度EPS系统的结构示意图图2-3电动助力转向系统的原理2.2 本田飞度EPS系统的主要构件及选型2.2.1 电动机电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助转矩，是EPS系统的动力源。电动机要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、较广且平滑的调速范围。应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。传动系统间隙小、刚度大、输出扭矩高以及减速比大。多采用永磁式直流电动机，包括有刷式和无刷式两种均有采用。电动助力转向有助力电动机早期限曾用过有刷电动机，但是随着电子技术的发展，现行的EPS系统几乎都使用永磁无刷直流电动机。电机的主要要求归纳如下：1.起动快速、转矩惯量比大。电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好，一般是以伺服电动机的机电时间常数的大小来说明伺服电动机快速响应的性能。在驱动负载的情况下，要求电动机的起动转矩大，转动惯量小。2.控制特性的连续性和线性，随着控制信号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转还与控制信号成正比或近似成正比。体积小、质量小、轴向尺寸短、调速范围宽。要有足够的调速范围，低速运行平稳、力矩波动小。3.能经受得起苛刻的运行条件，电机及其控制器在额定负载下运行时，允许施加周期性过载，过载的倍数及每次过载持续时间、间隔时间以及整个运行时间应在产品标准中规定，并能在短时间内承受过载。4.温度、湿度和盐雾。当周围环境温度在-45+125时，电机及控制器能长时间连续运行。电机及控制器在相对湿度不超过100%的情况下能正常工作，电机及控制器应在其表面温度低于露点的情况下，即电机及控制器表面产生冷凝也能完全工作。作为汽车电气设备产品，应具有一定的抗盐雾能力，并能满足相应的标准规定。5.防水、防尘、防振动。当淋雨、高压水冲洗时，电机及控制器的构造、安装和通风的方式应保证电机及控制器不出现损坏。同时，根据电机及控制安装部位，电机及控股器应经受上下、左右、前后在各方向的定频振动。 电动机对EPS系统的性能有很大影响，是EPS系统的关键部件之一，所以EPS系统对电动机有很高的要求，不仅要求转矩大、转矩波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻、而且要求可靠性高，易控制。为此，设计时常针对EPS系统的特点，对电动机的结构做一些特殊的处理，如沿转子的表面开出斜槽或旋槽，定子磁铁设计成不等厚等。电动机的选择和助力机构的减速比、前轴载荷、蓄电池电压有关。我们还可以看到，电动机的转动惯量对EPS系统的响应有很大的影响。此外，在选择电动机时，必须考虑其噪声和振动对驾驶员的影响。2.2.2 电磁离合器 1滑环 2线圈 3压板 4花键5从动轴 6主动轮 7滚珠轴承图2-4 电磁离合器的工作原理 如图2-4，为单片式电磁离合器的工作原理图。当电磁离合器控制电流通过滑环进入电磁离合器线圈时，主动轮产生电磁吸力，带花键的压板被吸引与主动轮压紧，于是电动机的动力经过轴、主动轮、压板、花键和从动轴传递给执行机构。电动式EPS系统中的电磁离合器主要是起到安全保护的作用，当EPS系统发生故障、助力电机工作电流过大等情况下，电磁离合器会及时切断，汽车仍可以以传统的机械转向装置进行工作，从而保障整个系统和行车的安全。为了不使电动机和电磁离合器的惯性影响转向系的工作，离合器应及时分离，以切断辅助动力。2.2.3 减速机构EPS系统的减速机构与电动机相连，起降速增扭作用。常采用蜗轮蜗杆机构、滚珠螺杆螺母、行星齿轮机构等。有的EPS系统还配有离合器，装在减速机构一侧，是为了保证EPS系统只在预先设定的车速行驶范围内起作用。当车速达到其一值时，离合器分离，电动机停止工作，转向系统转为手动转向。另外，当电动机发生故障时，离合器将自动分离。常见的减速方式包括齿轮机构减速、蜗轮蜗杆机构减速、球螺旋减速机构、双排行星齿轮减速等。值得注意的是，减速比的大小和电动机的功率、转动惯量和前桥载荷有关。飞度的减速机构是蜗轮蜗杆机构，由与助力电机的电枢做成一体的蜗杆和与小齿轮固定成一体的蜗轮组成，为了减小噪声和冲击，蜗轮采用树脂材料，助力电机输出轴的支撑部位上装设有橡胶减震器。2.2.4 转矩传感器飞度轿车的扭矩传感器是非接触式扭矩传感器，属于电感式扭矩传感器，它安装在输入轴/小齿轮轴的周围，由线圈，磁芯和扭杆等组成。线圈固定在塑料壳里面，磁芯能在输入轴/小齿轮轴上上下移动，扭杆的上端通过圆柱销连接转向轴，传递驾驶员转动方向盘时输入的扭矩，扭杆的下端是接小齿轮输出轴，是传递路面转向阻力扭矩，扭杆在这两个扭矩的作用下，产生扭转变形，这个工作过程与液压助力转向中转向控制阀的扭杆的工作过程是一样的。磁芯上下移动在线圈中产生的感应电压的变化信号，就反映出扭矩大小的信号，信号经过处理后，输出到控制单元。在输入轴与小齿轮轴上分别安装了导杆，磁芯有斜纹槽和垂直槽，斜纹槽插入输入轴的导杆，垂直槽插入小齿轮轴的导杆。当扭杆受扭矩时，扭杆的上下端就有角应变，产生角变形，使输入与输出端之间转动了一个角度，磁芯在斜纹槽中受输入轴导杆的接触力，它垂直于斜槽，可沿水平和垂直方向分解，产生水平分力和垂直分力，水平分力被垂直槽约束，磁芯不能转动，而垂直分力则没有被约束，磁芯可以沿垂直槽上下运动。工作过程是驾驶员左转动方向盘（从上往下看）时，在扭杆承受向上的扭矩，致使磁芯受到输入轴上导杆垂直向下的分力作用，磁芯向下运动，向下运动的位移与扭杆所受到的扭矩成正比。这个微小的位移引起线圈中电感的微小变化，电感的微小变化被放大电路放大后，送给ECU，ECU综合扭矩传感器信号和车速信号，控制助力电机产生向上的助力扭矩，辅助驾驶员转向，同理，驾驶员向右转向时，磁芯向上运动，直线行驶时，磁芯处于中间位置。可见，扭矩传感器的功能是通过磁芯位置的变化来反映加在扭杆上扭矩的大小和方向。为了消除误差，必须减小斜槽中导杆和磁阀接触的间隙，磁阀上的回位弹簧就是起到消除间隙的作用的。2.2.5 EPS系统的控制单元（ECU） 扭矩传感器车速传感器发动机点火信号点火开关12V蓄电池输入处理电路E单元输出及监控电路自诊断控制端离合器直流电机EPS指示 图2-5电子控制系统的基本结构 电子控制单元ECU作为EPS系统的关键部件,主要