关 键 词：

电动 助力 转向 系统 试验台 结构设计

资源描述：

4174电动助力转向系统试验台结构设计,电动,助力,转向,系统,试验台,结构设计

内容简介：

南京工程学院 毕业设计任务书 车辆工程 系 机械设计制造及其自动化（汽车技术） 专业 设 计 题 目 电动助力转向系统试验台结构设计 学 生 姓 名 周云鹏 班 级 汽车 072 起 止 日 期 设 计 地 点 车辆工程实验中心 指 导 教 师 罗绍新 教研室主任 邹政耀 发任务书日期 2011 年 2 月 21 日 系统供电： 380V/220V；台架人体可触及部分元器件配电： 24V； 总功率：最大 5入扭矩：量程 50出扭矩：量程 100电源总电流：量程 感器电压：量程 论文 )的内容和要求 (包括技术要求、图表要求以及工作要求等 )： 电动助力转向系统试验台是根据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的基本要求来设计的，整个试验台主要有机械 部分和控制部分组成，本课题为试验台结构设计。 调研，查阅、收集资料，完成英文资料翻译，撰写开题报告 根据要求进行电动助力转向系统试验台总体方案设计 进行试验台结构设计 撰写毕业设计说明书 开题报告、论文 摘要 250 字（中、英文）、译文 3000 字； 总体方案原理图 1张 试验台装配图 1 张 部件图和部分非标零件图 1 套，所有图纸折合 0 号 3 张以上 设计说明书 1本， 2万字以上（计算机打印） 汽车工程手册 设计篇；机械设计手册； 汽车电动助力转向装置技术条件和试验方法（国家行业标准） 电动助力转向系统控制的台架试验研究 (J) 汽车电动助力转向系统测试平台的开发与研究 (学位论文 ) 汽车电动助力转向系统试验台设计研究 (学位论文 ) (J) A J) 论文 )进度计划 (以周为单位 )： 起 止 日 期 工 作 内 容 备 注 6 0 3 7 1 5 9 2 调研，查阅、收集资料 调研，查阅、收集资料 完成译文 编写并完成开题报告 进行系统分析、比较、计算、选择 试验台总体方案确定 试验台总体方案设计 试验台总体结构设计 通用件、标准价的选用 各部件装配图设计 各部件装配图设计 各部件装配图设计 非标零件图设计 非标零件图设计 编写设计说明书 完成中英文摘要，完善设计说明书，准备答辩 教研室审查意见： 室主任 年 月 日 系部审查意见： 系主任 年 月 日 南京工程学院 车辆工程系 本科毕业设计（论文） 题目： 电动助力转向系统试验台结构设计 专业： 机械设计制造及其自动化（汽车技术） 班 级： 汽车 072 学 号： 215070245 学生姓名： 周云鹏 指导教师： 罗绍新 副教授 起迄日期： 设计地点： 车辆工程实验中心 _ y y 2011 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） I 摘 要 本论文对 电动助力转向 (统 试验台进行了分析和设计。在本文中，对验台的两种布置形式进行了对比 和选择，结合现代 统试验台的发展趋势，对 统试验台进行了分析和设计。 通过研究 工作过程，进行试验台总体方案的设计，再对试验台的总体结构进行设计，设计过程中参考了东华转向器公司的产品，运 用 出试验台的装配图。 在设计中 采用了液压滑台设计， 并 对一些关键部件进行了选择 、校核。 本 文设计的 试验台的优点： (1)检测试验简单，结构紧凑 (2)装夹控制方便 (3)改进方便，便于升级改装 关键词 ： 试验台； 压滑台 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） to do of of in of PS it PS By PS ua s PS is In is of my as (1)2)to 3) to be 京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 录 第一章 绪 论 . 1 言 . 1 题背景与意义 . 1 究现状 . 2 文研究的内容 . 2 第二章 电动助力转向系统试验台的总体设计 . 4 动助力转向系统 . 4 作原理 . 4 作特点 . 4 型试验介绍 . 5 词定义 . 5 性试验的性能技术要求 . 5 验台整体方案设计 . 6 验台测试项目 . 8 速 . 8 统的阻力矩 . 8 动机的各项参数 . 9 向盘主扭矩与助力电动机转矩的关系 . 9 第三章 电动助力转向试验台各部件的选用 . 12 统主要部件 . 12 子控制单元 (. 12 动机 . 12 速机构 . 13 向电动机 . 14 粉制动器 . 14 感器的选择 . 16 速传感器 . 18 矩传感器 . 18 第四章 试验台的结构设计 . 21 验台的布置 . 21 轴器的选择与校核 . 21 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 通平键的选择与校核 . 24 压滑台 . 25 粉制动器支架 . 26 速机构支架 . 26 向电机支架 . 26 第五章 结 论 . 27 论 . 27 结 . 27 参考文献 . 28 致 谢 . 29 附录 A：英文资料 . 30 附录 B：英文资料翻译 . 36 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 1 第一章 绪 论 言 汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。其作用是使汽车在行驶过程中能按照驾驶员的操 作要求而适当的改变其行驶方向，并在受到路面传来的偶尔冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车的操纵稳定性和安全性。汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成，如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的操纵设计显得尤为重要 。 题背景与意义 汽车电动助力转向系统 (日本最先获得实际应用。 1988 年日本铃木公司首次开发出电动助力转向系统 ，并装在其生产的 上，随后又配备在。此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的 司，英 国 司，德国的 司，都研制出了各自的 助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期开发的 仅在低速和停车时提供助力，高速时 停止工作。新一代的 不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵 稳定性。随着电子技术的发展， 术日趋完善，并且其成本大幅度降低，因此其应用范围将越来越大。电动助力转向系统的优势主要 体现在： (1) 提高了汽车的操纵性能。 在各种行驶工况下提供最佳助力，减少由路面不平所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减小汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。 (2) 提高了汽车的燃油经济性，减少了对环境的污染。电动助力转向系统直接通过电动机的输出给驾驶员提供助力，电动机只有在转向时才工作，在不进行转向时几乎没有动力消 耗，提高了汽车的燃油经济性 ； 同时由于不需要转向油泵，油管及控制阀等液压元件，不会发生液压油的泄露和损耗，减少了对环境的污染。 (3) 增强了转向跟随性和可靠性。在 统中，电动机与助力机构直接相连以使其能量直接用于车轮的转向，增加了系统的转动惯量，减小了车轮的反转和转南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 2 向前轮摆振，增强了转向系统的抗扰动能力 ； 转力矩产生于助力电机，没有液压助力系统的转向迟滞效应，增强了转向车轮对转向盘的跟随性能 ； 电动助力转向系统还可有各种安全保护措施和故障自诊断功能，使用可靠，维修方便。 (4) 能够提供可变的转向 助力。对于传统的液压系统，可变转向力矩获得非常困难而且费用很高，要想获得可变转向力矩，必须增加额外的控制器和其它硬件 ；电动助力转向系统的转向力来自于助力电机，可变转向力矩写入控制模块中，通过对软件的重新编写即可获得，所需费用很小。 (5) 占用空间更小，质量更轻，结构更紧凑。电动机和减速机构在转向柱或转向系内，直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵 、 油管、液压油、密封件、传送带和装于发动机上的皮带轮等部件，因而其所占空间更小，质量更轻、结构更紧凑，在安装位置的选择方面也更容易，装配自动 化程度更高。 究现状 电动助力转向系统自生产至今，经过几十年的应用与发展，已取得了较大的进步。如今，在国外己大规模采用 应用范围也将进一步拓宽，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，在全世界汽车行业中，电动助力转向系统每年正以 90%10%的增长速度发展，年增长量达 130万 150 万套， 2008 年将超过 1000 万套。按此速度发展，用不了几年的时间，电动助力转向系统将逐渐占领轿车市场，并向微型车、轻型车和中型车扩展。 汽车关键零部件之一，其质量对汽车转向有着重 要的影响。实车试验需要消耗大量的财力、人力和物力，如果在实车试验之前进行必要的台架试验，为后续实车试验获得某些基本参数和算法，是非常有益的，同时也可以降低直接装车进行路试的危险性和研究成本。 汽车 验台就是针对这一情况研制的，它采用微机为控制核心，采用传感器对 统输入端的扭矩、输入端的转角、输出端的扭矩进行检测，实现 能和可靠性试验的自动测量和图形的动态显示，数据及特性曲线的自动记录输出。同时具有储存、打印和再处理功能。汽车 验台的使用将会大大提高产品的装配质量和检测精度，为质量管理 提供了统计资料，且使产品的装配、调试、检测工作变得十分简单，生产效率大幅度提高。 文研究的 内容 (1)电动助力转向试验台总体方案设计； (2)电动助力转向试验台总体结构设计； 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 3 (3)电动助力转向试验台用传感器的研究与选型； (4)非标零件图设计； (5)试验台的布置。 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 4 第二章 电动助力转向系统试验台的总体设计 动助力转向系统 作原理 电动助力转向系统主要由传感器、电子控制器 行器三个部分组成。其中传感器主要包括车速传感器、转矩传感器、转向角传感器 ； 执行器主要包括电动 机、电磁离合器和减速机构。 其工作原理为 ： 电子控制单元 (据车速传感器和转向盘转矩传感器的信号计算所需的转向助力的大小，通过功率放大模块控制直流电动机的转动，助力电动机的转矩经过减速机构减速增扭后，驱动齿轮齿条转向机构，产生相应的转向助力。 统还设有故障诊断模块和保护措施，当 生故障时，故障诊断及代码显示模块发出报警信号，并且以故障代码的形式指示故障类型同时， 统断开电磁离合器，转为手动纯机械转向状态。 电动助力转向系统能够实现不同车速下实时地为汽车转向提供不同的助力效果，减轻了汽 车低速时的转向盘操纵力，提高了操纵的灵便性和高速行驶的稳定性。 作特点 对于电动助力转向机构，电动机仅在汽车转向时才工作并消耗蓄电池能量；而对于常流式液压动力转向机构，因液压泵处于长期工作状态和内泄漏等原因 要消耗较多的能量。两者比较，电动助力转向的燃料消耗率仅为液压动力转向的16%20%。 液压转向机构内的工作介质是油，任何部位出现漏油，油压将建立不起来，不仅失去助力效能，并对环境造成污染。当发动机出现故障停止工作时，液压泵也不工作，结果也会丧失助力效能，这就降低工作可靠性。电动助力转向机构不存在漏油问题， 只要蓄电池内有电提供给电动助力转向机构，就能有助力作用，所以工作可靠。若液压动力转向机构的油路进入空气或者贮油罐油面过低，工作时将产生较大噪声，在排除气体之前会影响助力效果；而电动助力转向仅在电动机工作时有轻微的噪声。 电动助力转向与液压动力转向比较，转动转向盘时仅需克服转向器的摩擦阻力，不存在回位弹簧阻力和反应路感的油压阻力。电动助力转向还有整体结构紧凑 、 部件少、占用的空间尺寸小、质量比液压式动力转向约轻 20%25%以及在车上容易布置等优点。 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 5 型试验介绍 词定义 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中对循环和损坏有如下定义： 循环：转向器输入端由中间位置向一个方向旋转至规定的角度后，返回中 间位置再向另外一个方向旋转之规定角度后，再回到中间位置为 1 个循环。 损坏：被试总成按规定的可靠性试验项目完成试验后，有下列情况之一出现，则认为己损坏。 做功能试验时未满足功能技术要求。 试验后的输入、输出特性曲线未满足输入、输出特性技术要求。 试验后的助力电流特性曲线未满足设计技术要求。 做反向冲击试验，丧失反向接通能力，并未满足反向冲击指标技术要求。 回正试验时转向器 回不到中间位置，并未满 足 回正特性技术要求。 做噪声试验时未满足噪音指标的要求。 做电磁特性试验未满足电磁特性技术要求。 单个电器元器件损坏。 任何零件出裂纹和变形 。 性试验的性能技术要求 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中对电动助力转向系统性能技术条件有如下： (1)功能要求 模拟不同车速转动转向盘的过程中感觉在转动转向盘的过程中应平滑、无卡滞 ； 转向盘无明显振动，转动转向盘至任意角度停下时转向器输出端不应有惯性延时现象。 (2)输入、输出特性 按照不同的车速测量输入、输出 力矩 /力并绘制力矩特性曲线，电动助力装置的助力特性应符合设计要求，各车速下的曲线对称度不小于 85%。 (3)助力电流特性 按照不同的车速，测量输入轴力矩并绘制助力电流特性曲线，该特性应符合设计要求。 (4)反向冲击指标 在转向器输出端施加冲击力，电动机应迅速反应制止转向盘转动，冲击时电流响应时间不超过 10 毫秒，在转向盘上不能产生大于 3 度 的转动角度。 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 6 (5)空载转动力矩 检查电动助力转向装置在电源关闭和接通状态下转动的机械摩擦以及任何可能的机械阻力，转动阻力矩及其波动应符合设计要求。 (6)回正特性 1)低速 行驶回正时，回正特性曲线应通过原点 ； 2)高速行驶回正时，回正特性曲线允许有残留角，该值不大于 5 度。 (7)报警要求 任一元件及线路损坏，故障代码或故障报警显示灯应立即显示。 验台整体 方案设计 查阅相关资料发现有多种电动助力转向试验台架。 图 2验台 如图 2示，此试验台架结构简单，体积小，占用空间小；不过只能完成相对较简单的电动助力转向试验，自动化程度低，无法通过工业计算机操作试验，观察试验的图像， 而且车轮不能模拟多种路况的转向阻力矩，更不能满足电动助力转向系统出厂时的耐久性 检测，综合以上几个方面，此种方案不能满足此次设计的要求。 参考东华转向器公司的试验台，我做了少许改变，得到下图的总体设计框图，此试验台能满足此次设计的要求，且自动化程度高。 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 7 图 2试验台总体设计框图 试验台总体设计框图如图 2示。电动助力转向系统的电子控制单元根据转矩信号、模拟车速信号，模拟发动机转速信号来控制助力电机的电流大小，这时助力电机会给 个反馈电流， 根据这个反馈电流和下面的转矩传感器的转矩信号时时控制电流大小， 把这些数据传给数据采集系统，然后进 行数据处理 ，数据处理系统会根据情况来控制磁粉制动器的阻力矩，来模拟路面的阻力情况。本试验台会把助力电动机的电流和转向盘的转矩曲线图与数据库中的曲线图进行比较，来判定电动助力转向系统的好坏。此试验台也可以作电动助力转向系统的耐久性试验。 整个试验台主要有三个部分 ： (1)是机械部分，包括 向机械系统和驱动电动机 ； (2)是控制部分，包括电子控制系统以及程序调试系统 ； (3)是数据采集分析系统。 汽车电动助力转向试验台的组成 ： 1)转向电动机； 2)直流电动机，额定电压 12V，额定转矩 定输 出功率 170W，额定转速 1050r/定电流 30A， 通 过减速机构和转向柱连接 ； 3)试验台架，用于安装固定各个部件 ； 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 8 4)模拟转向负载的阻尼器，安装在转向轴径上 ； 5)转矩传感器，电压测量范围 010V 6)车速信号模拟装置和控制电路板 ； 7)电源，为系统提供所需电压 380V/220V，电源总电流 台架人体可触及部分元器件配电： 24V； 8)多功能数据采集卡 ： 据采集卡 。 试验台系统总体结构框图如图 2示，通过传感器来测量一些电量和非电量，这些量为 ： 车速、 置中转 向盘的主扭矩、转向盘的转向角度和制动器阻力矩，助力电动机的电流、电压和转矩等。把这些量以及 子控制器 )中的一些控制量一起，通过 功能板传送到工业控制计算机上，并适时显示系统运行各项数据及主要参数曲线，并最终存到数据库系统中，据此来分析 性能，然后通过改变 置中 子控制器 )硬件和软件的某些方面，从而能使该装置达到最佳的工作状态，为以后汽车电动助力转向装置的研制提供可借鉴的数据和经验。 验台测试项目 速 由于车速传感器的信号经过整形后发出的是脉冲信 号，每个脉冲表示磁电式车速传感器的被测齿盘轮齿转过一齿，那么汽车的行驶速度就可以用单位时间内的脉冲数、被测齿盘齿轮齿数与车轮的行驶半径计算出来。 其计算公式如下： (2其中： 统的阻力矩 驾驶员在转向时所需克服的阻力矩包括两个主要部分 ： 一是回正力矩，二是摩擦力矩。汽车转弯时，前轮上 作用着与转向力相应的“ 绕主销的阻力矩”， 通常笼统地称为回正力矩。回正力矩除以传动比，就是驾驶员为了使汽车转弯所经常需要克服的力矩。除了回正力矩以外，驾驶员还需要克服主销的摩擦阻力矩，转向机构的摩擦力矩 (其大小取决于转向机效率 )，各个球头的摩擦力矩以及原地南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 9 转向时轮胎与地面的摩擦力矩等。 通常“转向阻力矩”按汽车不同的行车方式分成“原地转向阻力矩”和“行车转向阻力矩”两种。原地转向 :指对静止不动的汽车进行转向时，首先是轮胎发生扭转变形，继之以路面和路面之间发生滑移，称这一情况所产生的转向阻 力矩为原地转向阻力矩。行车转向阻力矩指对行驶 时的汽车进行转向时产生的阻力矩。行车转向比原地转向车速增加了，接地面积滚动成分增加，转向阻力矩也突然减小。 因此影响“阻力矩”的因素有轮胎接地的单位面积压力、接地面积、摩擦系数等。显然，负荷愈大，轮胎气压愈低，原地转向阻力矩也将愈大。同时轮胎和路面间的摩擦系数增大，原地转向阻力矩也将增大。 动机的各项参数 电动机助力转矩是电动机为了提高汽车操纵的轻便性而对转向系外加的力矩，其大小由 据传感器传来的车速信号、转向盘扭矩等参数决定。 在本测试系统中除了对转向盘的主扭矩、电动机的助力转矩 和整个转向装置所受的阻力矩的采集以外，还对车速和转向盘转角进行采集，对车速进行采集是因为一般的汽车电动助力转向装置 的电子控制单元 要车速这个量；而采集汽车转向盘角这个量是为了测量助力转矩和转向盘转角的关系。同时也对助力电动机的电流、电压、输出转矩这些量进行采集，以此来检测电动机的工作状态 。 向盘主扭矩与助力电动机转矩的关系 助力特性对电动助力转向系统的性能，包括轻便性、回正性、路感等有重要影响。在传统液压动力转向中助力特性主要由阀的结构决定，调整困难，且设计完成助力特性便确定，不随 车速变化 ； 而 同，助力特性曲线是电动助力转向的控制目标，由软件来设置，可以设计成车速感应型特性曲线，并可方便地进行调节。图 2示为传统液压动力转向的助力特性曲线，俗称盆形曲线。图2几种典型 力特性曲线。对于永磁直流电动机，电磁转矩与电枢电流成比例，因此 助力特性常用电动机电流与转向盘输入力矩之间的关系曲线表示。 图 2传统液压动力转向助力特性曲线 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 10 (a)直线型 (b)折线型 (c)曲线型 图 2助力特 性曲线 助力特性曲线有以下几种类型： (1)直线型助力特性 图 2-4(a)为典型直线型助力特性。该助力特性曲线可用下式函数表示 (2式中， I 为电动机目标电流； 电动机最大工作电流； 转向盘输入矩；K(v)为助力特性曲线的梯度，随车速增加而减小； 系统开始助力时转向盘输入力矩； 系统提供最大助力时的转向盘输入力矩。 (2)折线型助力特性 图 2-4(b)所示为典型折线型助力特性。该助力特性曲线可用下式函数 表示 (2式中， K1(v)、 K2(v)分别为助力特性曲线梯度，随车速增加而减小； 助力特性曲线梯度增大为 K2(v)时的转向盘输入力矩。 (3)曲线型助力特性 图 2-4(c)所示为典型曲线型助力特性。该助力特性曲线可用下式函数表示 (2比较上述 3 种助力特性曲线，直线型助力特性最简单，数据量小，存储方便，有利于控制系统设计，并且在实际 中调整容易 ； 曲线型助力特性复杂，数据存储量大，调整不方便 ； 折线型助力特性则介于两者之间。助力特性曲线特征与参数南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 11 的确定要与车型、驾驶员的要求相匹配。一般直线型助力特性适用于前轴负荷较小的车型，曲线型助力特性适用于前轴负荷较大的车型，折线型助力特性则介于两者之间。 我们根据采集的电动机电流、转向盘主扭矩和车速的数据画成与助力特性类似的曲线，然后和助力特性曲线比较，如果与之比较相符的话，就说明汽车电动助力转向装置的性能比较好 ； 反之，就说明性能不是很好，针对这些就应该对电子控制器进行硬件和软件上的修改。所以本测试系 统既可以用于研究开发人员对自己设计的 统进行检测 ； 也可以用于成品的检查，这样可以使不符合要求的产品从性能良好的产品中分离出去。 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 12 第三章 电动助力转向试验台各部件的选用 统主要部件 测控系统主要有电子控制单元 (电动机，减速机构， 磁粉制动器，多功能数据采集卡，车速传感器，转矩传感器等部件组成。 检测的主要性能参数为 ： 汽车的车速，转向盘的主扭矩和角度及车轮的阻力矩，电动机的电流、电压和转矩。 子控制单元 (功能是根据车速信号、转向盘扭矩信号，进行逻辑分析与 计算后，发出指令，控制电动机和离合器的动作。此外， 有安全保护和自我诊断功能， 过采集电动机的电流、电动机电压、发动机工况等信号判断其系统工作状况是否正常，一旦系统工作异常，助力将自动取消，系统转变为手动转向状态，同时 进行故障诊断分析。 常是一个 8 位单片机系统或者是 16 位电动机控制专用微处理器芯片，也可采用数字信号处理器 (称 为控制单元。由于电动助力转向系统存在非线性元件 (如摩擦和阻尼 )，另外元件的磨损、路面条件 的变化和传感器噪声也会给系统带来不确定性，因此控制系统与控制算法也是 关键之一。控制系统应有较强抗干扰能力，以适应汽车复杂的行驶环境。控制算法应快速正确，满足实时控制的要求，并能有效地实现理想的助力规律与特性。它是本系统检测的关键部件。 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 动力源。电动机对 性能有很大的影响，是 关键部件之一，所以 些要求主要有 ： (1)由于大多车载电源为 12V 直流电，因此要求助力电动机的工作电压低 和具有足够大的额定功率和额定电流； (2)转动惯量小，宽广的调速范围，控制特性好，低速运行平稳，力矩波动小； (3)大的齿轮传动比将增加机械惯量，降低 统的动态性能，所以齿轮传动比较小，因此，电动机转速不能太高； (4)为减小转子的惯性力矩，电动机的体积应尽可能小； (5)在堵转时也要能够提供助力作用，对于大型的车辆，甚至要求电动机能够提供与转动方向相反的助力转矩。 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 13 表 3析了不同电动机的技术特点及其满足 用要求的情况。这几种电动机不仅在结构方面有各自的特点，而且在效率、功率密度、力矩波动等 技术参数也互不相同。考虑到汽车的特点，要求 用的电动机应该具有尺寸小、质量轻、效率高、力矩波动与噪声小，可靠性高、能与汽车使用环境相适应，包括对电源的需求等。 表 3不同类型电动机技术特点比较 电机类型 项目 感应电动机 永磁有刷电动机 永磁无刷电动机 开关磁阻电动机 结构特点 结构简单 三相定子 铝或铜 笼转子无永磁体 转动绕组 机械换向器 三相定子 永磁转子 电子换向 四相定子 钢铁转子 无转子绕组 无永磁体 负荷效率 (%) 90558统复杂程度 驱动电路复 杂 控制器简单 控制器简单 高度复杂 使用技术 成熟 成熟 仍在发展 仍在发展 可靠性 一般 较好 优 较好 力矩波动 小 电动机设计时 考虑 基本通过电磁 设计考虑 由电磁设计和电子控制考虑 功率密度 中 中 高 中 对助力大小要求较低的汽车，选用永磁有刷直流电动机是一个好的选择，因为有刷直流电动机技术成熟、控制器结构简单、成本低 ； 对要求助力较大的轿车，应选择永磁无刷直流电动机，因为永磁无刷直流电动机比其它类型电动机更具有优势。虽然也可以用开关磁阻电动机，但是需要进行许多的研 究来克服其缺点。 速机构 减速机构与电动机相连，用来增大电动机的输出扭矩。主要有两种形式：蜗轮蜗杆减速机构和双行星齿轮减速机构。前者主要用于转向轴助力式转向系统，后者主要用于齿轮助力式和齿条助力式转向系统。 本试验台的测试减速机构为蜗轮蜗杆减速机构，减速比为 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 14 图 3蜗轮蜗杆减速机构 向电动机 磁粉制动器的阻力矩最大值 00i=向盘所需施加的转矩 c/i=100/W 选择 动机，将其有关参数带入验算 取 n=1400 r/=550 10 以转向电动机选 粉制动器 本系统中应用磁粉制动器来模拟转向系统的阻力矩。磁粉制动器是利用电磁效应下的磁粉来传递转矩的，具有激磁电流和传递转矩基本成线性关系、响应速度快、结构简单、无冲击、无振动、无噪音、无污染等优点，是一种多用途 性能优越的自动控制元件，广泛应用于各种行业中机械的加载、制动以及卷绕系统中收卷和放卷的张力控制。在该系统中，利用磁粉制动器来模拟汽车整个转向装置所受的阻力矩。尽管磁粉制动器难以精确模拟行驶路况，但是可以实现磁粉制动器负载的变化趋势与路面行驶一致。因此，通过磁粉制动器研究可以探索电动机的助力规律，检验助力控制程序的运行效果，分析 汽车转向轻便性的影南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 15 响。同时也可以降低直接装车进行路试的危险性和研究成本。本试验台采用瑞安市中瑞控制器厂生产的 磁粉制动器 (如图 3其技术参数如表 3 图 3磁粉制动器 表 3粉制动器技术参数 参数 额定转矩 磁电流 A 允许滑差功率 却方式 磁粉量 g 指标 100 1 8 单双水冷 150 其主要有激磁电流 速 (1) 激磁电流 激磁电流与转矩基本成线性关系，通过调节激磁电流可以控制力矩的大小。其特性如图 3示。 图 3激磁电流 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 16 图 3转速 (2) 转速 力矩与转速无关，保持定值。静力矩和动力矩没有差别。特性如图 3示。 (3) 负载特性 磁粉制动器的允许滑差功率在散热条件一定时是定值。其连续运行时，实际滑差需在允许滑差功率以内。使用转速高时，需降低力矩使用。其特性如图 3 图 3负载特性 感器的选择 传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。一般来讲传感器的选用与以下几个方面密切相关： 控制方面的要求：涉及测定的目的、测量的对象、测量的范围以及精度要求等； 今传感器的性质：包括精度等级、稳定性、对象的特性影响等； 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 17 使用条件：主要涉及应用现场的环境因素； 供求水平 和维护：也即经济性和良好的维护性。同时试验台系统的工作环境的多变性，以及来自电动机和功率驱动电路的电磁干扰比较大，考虑到人身安全要求的高可靠性等。 表 3现场信号清单 序号 信号名称 信号类型 信号源 路数 信号标准 1 车速信号 模拟量输 入 波形发生器 1 方波 2 角度信号 数字量输 入 角度传感器 1 方波 3 转向转矩 模拟量输 入 扭矩传感器 1 方波 4 电动机转矩 模拟量输 入 扭矩传感器 1 方波 5 转向阻力矩 模拟量输 入 扭矩传感器 1 方波 6 电动机电流 模拟量输 入 电动 机输出端子 1 5v 7 电动机电压 模拟量输 入 电动机输出端子 1 5v 试验台用传感器也有其自身的特殊要求。具体体现在以下几个方面 ： (1)有较好的环境适应性 ； (2)批量生产，并具有互换性 ； (3)高可靠性，稳定性好 ； (4)尽可能小型、轻量，便于安装 ； (5)抗电磁干扰能力强 ； (6)性能 :精度高、响应快，从而满足试验台实时采集数据的要求。 从表 3可以看出，本系统中待检测的信号比较多，而且信号的种类又不同，主要有转矩信号、速度信号、转角信号、电流信号、电压信号等。 在该系 统中，最主要的性能参数为汽车的车速，转向盘的主扭矩和电动机目标电流，下面对这三者所用的传感器和检测方法加以详细的说明。 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 18 速传感器 (1)转速传感器的分类及特点 速度传感器是将机械运动速度这个非电量变换成电量信号的传感器，如果按输出信号的模式可分为模拟式和数字式两种，按工作原理又可分为电容式、光电式、磁电式等，其分类方法如图 3示。 1)模拟式转速传感器是取其与被测转速成正比的电压幅度作为输出信号，称为测速发电机。测速发电机的构造简单可靠，耐振动冲击，速度范围小，但温漂较大，不适于高温环境。 2)数字式传感器是取其与被测转速的频率成正比的电脉冲作为输出信号，按获取转速信号的方式可分为电涡流式，光电式和磁电式三种。 直流测速机 模拟式转速传感器 同步型 转速传感器 交流测速机 电涡流式 数字式转速传感器 光电式 异步型 磁电式 图 3车速传感器的分类 汽车上的速度传感器一般用的是数字式传感器，它以集电极开路形式输出的脉冲表示车速，在本测试系统中可以用基本输入输出系统输出的脉冲来模拟，把这脉冲分别传送给 测试微机系统。 矩传感器 转矩传感器是测量各种电动机、内燃机以及旋转动力设备的输出扭矩及功率的必备设备，从上世纪三四十年代发展至今己有数十种产品，从最初的光学机械变形类发展到电 磁感应类、相位差类，到现在应用最广泛的应变测量类。随着低功耗微电子技术的发展，各类转矩传感器被赋予了新的生命，其性能也越来越好可测的精度与转速也越来越高 。 传递法 转矩传感器 平衡力法 能量转换法 图 3转矩传感器的分类 从传感器的分类来说，以往所有的转矩传感器都属于结构型传感器，由于都南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 19 要利用弹性元件的机械变形，因此转矩传感器具有体积大、耗材多等缺点。但由于上艺成熟、牢固、可靠、价格低廉，与微电子技术和计算机技术结合后易实现数字化、自动化，所以仍有十分广阔的应用前景。在本系统中主要用于测量 转向盘的主扭矩，转向阻力矩和助力电机力矩。 转矩传感器按测量原理的分类如图 3示 : (1)传递法 (扭轴法 )是根据弹性元件在传递转矩时由于弹性元件的变形、应力或应变而引起机械、液压、气动、电阻、电容、电感、光学、光电、振弦等物理参数的变化而形成的转矩传感器，目前此类传感器占转矩测量的绝大部分。 (2)平衡力法 (反力法 )对于任何一种匀速工作动力机械或制动机械，当它的主轴受转矩作用时，在它的机壳上必定同时作用着一个方向相反的平衡力矩 (或称为支座反力矩 )，测量支座上的反力矩就 向。此种测量方法就是平人衡力法。也称反力法。常用这种方法的有电力测功机、水力测功机和空气、磁粉等测功机类。 (3)能量转换法是根据能量转换守恒定律的关系来测量转矩的一种方法，它是一种间接测量方法。一般来说误差较大，故很少采用，只有在直接测量无法进行的时候才考虑此法。 目前在转矩测量中，传递类转矩传感器应用十分广泛。 转矩传感器用来检测电动助力转向器输入轴扭矩和转向阻力矩，是系统中一个非常重要的检测部件。选用的扭矩传感器为是北京三晶创业集团的 字转矩转速传感器如图 3示。 图 3数字转矩 转速 传感器 该传感器采用两组特殊环形旋转变压器来实现能源的输入及转矩信号的输出，从而解决了旋转动力传递系统中能源及信号可靠地在旋转部分与静止部分之间的传递问题。该传感器还可同时实现旋转轴转速的测量，从而可方便地计算出轴输出功率，因此，利用该传感器可实现转矩、转速及轴功率的多参数输出。 主要技术参数如下 : 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 20 表 3感器主要技术参数 参数 转矩准确 度 过载能力 绝缘电阻 工作温度 线性 相对湿度 指标 150%002060 0%京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文） 21 第四章 试验台 的结构设计 验台的布置 由试验台的总体方案设计，运用 件设计试验台架。如图 4右到左为液压缸，滑台，转向电动机，弹性联轴器，转矩传感器，万向节联轴器，减速器，助力电机 ，万向 联轴器，转矩传感器，凸缘联轴器，磁粉制动器，滑台，液压缸 。 图 4试验台的布置 轴器的选择 与校核 联轴器是用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭 矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。 联轴器种类繁多，按照被联接两轴的相对位置和位置的变动情况，可以分为： 固定式联轴器。主要用于两轴要求严格对中并在工作中不发生相对位移的地方，结构一般较简单，容易制造，且两轴瞬时转速相同，主要有凸缘联轴器、套筒联轴器、夹壳联轴器等。 可移式联轴器。主要用于两轴有偏斜或在工作中有相对位移的地方，根据补偿位移的方法又可分为刚性可移式联轴器和弹性可移式联轴器。刚性可移式联轴器利用 联轴器工作零件间构成的动联接具有某一方向或几个方向的活动度来补偿，如牙嵌联轴器（允许轴向位移）、十字沟槽联轴器（用来联接平行位移或角位移很小的两根轴 南京工程学院 车辆工程系 本科毕业设计（论文）开题报告 题目 ： 电 动助力转向系统试验台 结 构设计 专业： 机械设计制造及其自动化 (汽车技术 ) 班 级： 汽 车 072 学 号： 215070245 学生姓名： 周云鹏 指导教师： 罗绍新 副教授 2011年 3月 本科毕业设计 (论文 )开题报告 学生姓名 周云鹏 学 号 215070245 专 业 机 械设计制造及其自动 化（汽车技术） 指导教师 罗绍新 职 称 副教授 所在院系 车辆工程 课题来源 自拟 课题 课题性质 工程设计 课题名称 电动助力转向系统试验台结构设计 毕业设计的内容和意义 本课题的设计内容： 动助力转向） 系统在传统的机械转向系统的基础上增加了传感检测装置、控制单元以及转向助力机构 (包括电动机、减速机构、传动装置 )，它是通过电动机产生的转矩来帮助驾驶员进行转向的 。 本课题是 试验台的结构 设计，需完成的主要内容如下： 1. 试验台 总体方案设计 2. 试验台总体结构设计 3. 通用件、标准件的选 用 4. 各部件装配图的设计 5. 非标零件图设计 6. 编写设计说明书 本课题研究的意义： 本课题对 电动助力转向系统试验台的机 械系统进行了研究和设计，其意义如下： 电动助力转向更能做到能量高效，环境相容。它消耗的能量约为传统的液压动力转向系统的二十分之一，并且，它不含任何油，不论是生产还是报废它都不污染环境。因此，这激发了越来越多地车辆装备 电动助力转向 (汽车动力转向的新技术与新结构，近年来在国内外轿车上的应用逐渐增 多。 成功开发必须进行大量的实车试验，将系统的性能调整到最佳的工作状态。实车试验需要消耗大量的财力、人力和物力，如果在实车试验之前进行必要的台架试验，为后续实车试验获得某些基本参数和算法，是非常有益的。 通过台架试验研究可以探索电动机的助力规律 ，检验助力控制程序的运行效果 ， 分析 时也可以降低直接装车进行路试的危险性和研究成本 。 毕业设计的内容和意义 文 献 综 述 电动助力转向系统最早应用在日本的微型轿车上，欧、美等国的汽车公司对 开发研究比日本晚 10 年时间 ，但开发的力度比较大，目前， 一些公司己经研发并将 1。 在国内，随着 2000年昌河北斗星厢式车安装进口电动助力转向器，汽车转向器历史上掀开了新的一页。由于国内的 前正处于技术开发和产业转化的初期 2。 它的一系列优点以及它不断扩大的市场吸引了国内越来越多的专家、学者以及有关企业的关注，在 2005年 12 月的上海零部件展上， 18家国内有成就的 织了电动转向联合展台。2005年国内电动助力转向器装车己达 6万台 (4个厂家 )，预计 2006年将达到 12万台 (厂家将达到 810家 )。国内生产的昌河北斗星、上海大众途安、广州本田飞度、吉利豪情等轿车上已经安装了 内很多高校 (如吉林大学、清华大学、江苏大学等 )也在这方面做了一系列的研究工作，在实验室台架试验上取得了一些进展，但是在试验车上转向的效果有待改进，如转向盘抖振、噪声大、左右转向不对称等。在产业化方面，整车企业在电控技术及 34。 验台搭建的必要性：电动助力转向系统关系到汽车的舒适性 、 安全性和可靠性，在开发前进行大量的实车试验，将系统性能调整到最佳工作状态是开发的必 要要求。然而，在实车试验中需要消耗大量的人力、物力和财力，为了在实车试验前尽量的完善系统软件、硬件设计，以减少设计中的某些不足导致实车试验的失败，在实车试验之前的台架试验是非常必要的。 电动助力转向试验台可以通过模拟转向的实际工况向转向系统提供转向阻力，并通过台架中的传感器收集相关数据，这些数据可用来研究系统的控制方法和参数，特别是转矩传感器的工作特性、直流电机转矩的控制等。也可以用来初步研究 定助力控制规律将如何满足驾驶员对汽车转向轻便性的要求。还可以研究 入 了解 能，以及为 便验证仿真模型。这些研究内容都是电动助力转向技术的基本问题，能为将来的实车试验提供必要的数据准备，是电动助力转向产品化开发设计的前提和基础。 在试验台设计时有以下三点要求 ： (1)可用来研究系统的一些性能和控制算法，为实车试验所需的一些数据做准备。 (2)由于 与行车环境等因素紧密联系，所以，为了使台架试验数据比较真实、准确地反映实际情况，试验结果有说服力，设计的试验台能够更好的为系统的开发和研究提供帮助，台架设计时， 一定要尽可能的模拟出汽车行驶时的实际情况。 (3)所设计的试验台要在满足台架最基本功能的基础上，考虑投资成本问题，在选择部件时尽可能选择成本较低、性能适中的部件。 设计试验台的目的是要验证仿真模拟中的一些设计数据，本文中所设计的试验台主要 是结构设计。 在试验台的研究方面，国内外研制试验台的目的基本上都是