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电动助力转向系统试验台结构设计(EPS)【带CAD图纸和说明书】

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内容简介:
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 班 级 起 止 日 期 设 计 地 点 指 导 教 师 教研室主任发任务书日期 1.毕业设计的原始数据: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5kW;输入扭矩:量程50Nm;输出扭矩:量程100Nm;电源总电流:量程DC50A,传感器电压:量程DC10V2.毕业设计(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3.毕业设计应完成的技术文件: 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)4.主要参考文献: 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)Offline Detection of Electric Power Steering(EPS) (J)A Vehicle State Detection Method Based on Estimated Aligning Torque Using EPS (J)-1-5.毕业设计(论文)进度计划(以周为单位):起 止 日 期工 作 内 容备 注2.21-2.272.28-3.063.07-3.133.14-3.203.21-3.273.28-4.034.04-4.104.11-4.174.18-4.244.25-5.015.02-5.085.09-5.155.16-5.225.23-5.295.30-6.056.06-6.12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-2- 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:学生姓名:指导教师: 2011年3月本科毕业设计(论文)开题报告学生姓名学 号专 业机械设计制造及其自动化(汽车技术)指导教师职 称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:EPS(电动助力转向)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:毕业设计的内容和意义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EPS。电动助力转向(EPAS,electric power-assisted steering)是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。EPAS的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EPS对汽车转向轻便性的影响。同时也可以降低直接装车进行路试的危险性和研究成本。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EPS的开发研究比日本晚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EPS作为其轿车的标准装备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EPS起步比较晚,目前正处于技术开发和产业转化的初期2。EPS以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EPS相关企业联合展出,组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EPS系统。国内很多高校(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EPS的行业标准方面存在滞后性34。EPS试验台搭建的必要性: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EPS系统助力控制规律,确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EPS系统的工作特性,深入了解EPS系统的基本结构、功能,以及为EPS系统的仿真研究提供实际试验数据,以便验证仿真模型。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)EPS系统试验台虽不同于实车上的EPS系统,但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EPS系统与车辆的其他系统密切相关,且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满足产品质量检测的需要,并开发出了形式各异、种类繁多的试验台架。国外的几家著名汽车零部件公司,如博世(BOSCH)、采埃孚(ZP)等,其开发的试验台在结构和测试方面并重。其在结构设计上充分考虑现场操作的实际情况,从人机工程学角度出发引导试验台的结构设计;当然,其结构设计的重点仍然是试验台结构的合理性和可靠性,同时还兼顾到台架的美观性5。文献综述EPS试验台的基本功能主要包括以下几个方面:(1) 模拟出汽车在各种路况下行驶时产生对转向系统的阻力。(2) 能模拟出汽车在不同车速下提供给控制系统的车速信号。(3) 能够显示出汽车方向盘产生的助力扭矩。(4) 能够模拟出发动机信号和点火信号。(5) 提供人机交互界面,进行计算机后台数据处理6。通过网上的查找,发现一些有关电动助力转向试验台的研究,如:一汽集团的电动助力转向试验台,其装置包括有EPS系统总成、检测系统,其特征是:它还包括有加载机构、测试装置控制系统,EPS系统总成还包括右转向前轮总成,右转向前轮总成由转向控制臂、转向节臂和前轮组成,转向控制臂和转向节臂与前轮连接,转向节臂的另一端和转向横拉杆连接,加载机构一部分与转向齿条联结,另一部分与转向控制臂联结,测试装置控制系统与EPS系统总成、加载机构电连接。电动助力转向试验台转向阻力模拟精度高、控制系统实时性好、能提供实时的车辆动力学仿真环境7。还有长安大学的研究的试验台,其结构包括:阻力加载装置、齿轮齿条传动机构、联轴器、转向器、霍尔电流传感器、霍尔电压传感器、助力电机、双万向节、固定座、转矩传感器、方向盘等。试验台的工作原理为:当手动输入一定的转矩,模拟驾驶员转动方向盘时,方向盘上的力矩传递给转向轴,带动齿轮齿条压缩弹簧,弹簧变形从而向转向系统施加阻力。此时,转向轴上的转矩传感器随转向轴转动,获得方向盘转矩信号,传递给工控机,工控机由预先设定的理想助力转矩算出电机的助力转矩,控制电机输出助力矩。助力电机的电流、电压、助力矩由试验台的测控系统获得。所测的所有信号测控系统都会记录并保存,用于EPS系统的性能分析8。查阅有关书籍发现,一般电动助力转向系统主要包括:机械式转向器、转矩传感器、减速机构、离合器、电动机、电子控制单元和车速传感器等9。翻阅大量资料后,对自己要设计的电动助力转向试验台的结构也有了比较清晰的认识,在一般的电动助力转向器上加上台架,试验板,阻力加载装置等。重点参考南京东华转向器厂的电动助力转向试验台的机械结构设计。参考文献1 Xu Hanbin,Zhang Zhongfu.Offline Detection of Electric Power Steering (EPS) J. Wuhan: School of Mechantronic Engineering Wuhan University of Technology.20052 施国标,林逸,陈万忠,邹常,潘海鹏.汽车电动助力转向试验台测试系统开发J.测控技术,2005,24(3) : 23-253 王其东,杨孝剑,陈无畏,姜武华.电动助力转向系统控制的台架试验研究J.汽车工程,2004,26(5): 553-5564 赵景波.汽车电动助力转向系统的研制及台架实验研究D.江苏: 江苏大学, 20075 余敏.汽车动力转向器试验台测试系统设计D.武汉: 武汉理工大学,20056 牛继高.电动助力转向系统测试平台的开发与研究D.重庆: 重庆交通大学, 20097 http:/search.cnpat.com.cn/Search/CNViewSearch?wd=vdkvgwkey=200720094337&jsk=search_gb#8 梁爽.汽车电动助力转向系统控制策略研究及试验台方案设计D.西安: 长安大学, 20109 陈家瑞. 汽车构造(第四版)M.北京: 机械工业出版社, 2009.6研究内容通过查阅有关电动助力转向器试验台架的国内外资料,发现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进行汽车电动助力转向试验台测试系统的开发研究,他们研制的试验台使用方便,运行稳定可靠,测试精度和效率均能满足要求,适用于电动助力转向基本特性的测试与控制系统的开发。根据掌握的资料,制定具体研究内容如下:1. 研究电动助力转向器试验台的结构组成。2. 完成电动助力转向器试验台的总体方案的设计。3. 结合电动助力转向器的结构,完成其试验台架的结构设计。4. 采用CAD对电动助力转向器各零件进行设计。5. 通过CAD生成电动助力转向器试验台工程总装图、部件图和非标零件图。6. 撰写毕业设计说明书。研究计划3.01 - 3.14 调研,查阅、收集资料3.15 - 3.21 完成相关的英文资料翻译3.22 - 3.28 编写并完成开题报告3.29 - 4.04 进行系统分析、比较、计算、选择4.05 - 4.18 试验台总体方案确定和方案设计4.19 - 4.25 通用件、标准价的选用4.26 - 5.16 各部件装配图设计5.17 - 5.23 非标零件图设计5.24 - 5.30 部件图生成5.31 - 6.06 非标零件图生成6.07 - 6.13 编写设计说明书6.14 - 6.18 完成中英文摘要,完善设计说明书,准备答辩特色与创新试验台采用液压滑台设计,轴向移动控制方便。指导教师意 见指导教师签名:年 月 日教研室意见主任签名:年 月 日系部意见教学主任签名:年 月 日 车辆工程系本科毕业设计(论文)材料清单专业: 机械设计制造及其自动化(汽车技术) 题目:电动助力转向系统试验台结构设计序号本科毕业设计(论文)材料清单内容份数备 注1毕业设计(论文)选题、审题表1份2毕业设计(论文)任务书 1份3毕业设计(论文)开题报告1份4毕业设计成果正本(论文)1份5机械图纸1套电动助力转向试验台装配图#A01张部件装配图#A11张零件图#A2#A35张试验台总体设计框图#A31张6毕业设计(论文)评分标准1份7毕业设计指导教师审阅表1份8毕业设计评阅教师审阅表1份9毕业设计(论文)答辩及综合成绩评定表1份10毕业设计(论文)电子光盘1片填表人: 验收人: 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:学生姓名:指导教师:起迄日期:设计地点: Electric Power Steering System Test Platform DesignBy 摘 要本论文对电动助力转向(EPS)系统试验台进行了分析和设计。在本文中,对EPS试验台的两种布置形式进行了对比和选择,结合现代EPS系统试验台的发展趋势,对EPS系统试验台进行了分析和设计。通过研究EPS的工作过程,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AutoCAD画出试验台的装配图。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:EPS;试验台;AutoCAD;液压滑台ABSTRACTThis paper aims to do some analysis and design of electric power steer (EPS) system test platform, two forms of which are compared and selected in this context. Through learning the trend of modern EPS system test platform, it includes analysis and design of EPS test platform. By studying the work process of EPS, and then design the overall structure of EPS test platform with the reference to Dong Hua steering companys products. The assembly drawing of EPS test platform is drawn by AutoCAD. In this design, hydraulic slider is selected, and some key parts are selected and checked.The advantages of my design are as follows:(1)Testing simple, structure compacted(2)Easy to clamping and control(3) Easy to be improved and updated.Keywords:EPS;test platform;AutoCAD;hydraulic slider目 录第一章 绪 论11.1引言11.2选题背景与意义11.3研究现状21.4本文研究的内容2第二章 电动助力转向系统试验台的总体设计42.1电动助力转向系统42.1.1工作原理42.1.2工作特点42.2典型试验介绍52.2.1名词定义52.2.2 特性试验的性能技术要求52.3试验台整体方案设计62.4试验台测试项目82.4.1车速82.4.2系统的阻力矩82.4.3电动机的各项参数92.4.4转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123.1系统主要部件123.1.1电子控制单元(ECU)123.1.2电动机123.1.3减速机构133.1.4转向电动机143.1.5磁粉制动器143.2传感器的选择163.2.1转速传感器183.2.2转矩传感器18第四章 试验台的结构设计214.1试验台的布置214.2联轴器的选择与校核214.3普通平键的选择与校核244.4液压滑台254.5磁粉制动器支架254.6减速机构支架264.7转向电机支架26第五章 结 论275.1结论275.2总结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36IV第一章 绪 论1.1引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。1.2选题背景与意义汽车电动助力转向系统(EPS)在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Cervo车上,随后又配备在Alto上。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Delphi公司,英国Lueas公司,德国的ZF公司,都研制出了各自的EPS。EPS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EPS仅仅在低速和停车时提供助力,高速时EPS将停止工作。新一代的EPS则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,EPS技术日趋完善,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。EPS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EPS系统中,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向前轮摆振,增强了转向系统的抗扰动能力;EPS旋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。1.3研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EPS,其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。EPS是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EPS试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EPS系统输入端的扭矩、输入端的转角、输出端的扭矩进行检测,实现EPS性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EPS试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。1.4本文研究的内容(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;(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。第二章 电动助力转向系统试验台的总体设计2.1电动助力转向系统2.1.1工作原理电动助力转向系统主要由传感器、电子控制器ECU、执行器三个部分组成。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(ECU)根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。EPS系统还设有故障诊断模块和保护措施,当EPS发生故障时,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,EPS系统断开电磁离合器,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。2.1.2工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。2.2典型试验介绍2.2.1名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。u 做功能试验时未满足功能技术要求。u 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。u 试验后的助力电流特性曲线未满足设计技术要求。u 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。u 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。u 做噪声试验时未满足噪音指标的要求。u 做电磁特性试验未满足电磁特性技术要求。u 单个电器元器件损坏。u 任何零件出裂纹和变形。2.2.2 特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。(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。2.3试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2-1 EPS试验台如图2-1所示,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。图2-2 试验台总体设计框图试验台总体设计框图如图2-2所示。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EPSECU一个反馈电流,EPSECU会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,EPSECU会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EPS转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1.6N.m,额定输出功率170W,额定转速1050r/min,额定电流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;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010V6)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DC50A,台架人体可触及部分元器件配电:24V;8)多功能数据采集卡:PCI-8310数据采集卡。试验台系统总体结构框图如图2-1所示,通过传感器来测量一些电量和非电量,这些量为:车速、EPS装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ECU(电子控制器)中的一些控制量一起,通过PCI-8310多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EPS的性能,然后通过改变EPS装置中ECU(电子控制器)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。2.4试验台测试项目2.4.1车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:V=2nTZrd (2-1)其中:V-汽车行驶速度n-测量的脉冲数Z-被测齿盘的齿轮齿数T-测量时间周期rd-车轮的滚动半径2.4.2系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。2.4.3电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EPS的ECU根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EPS中的电子控制单元ECU需要车速这个量;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。2.4.4转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EPS不同,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2-3所示为传统液压动力转向的助力特性曲线,俗称盆形曲线。图2-4为几种典型EPS助力特性曲线。对于永磁直流电动机,电磁转矩与电枢电流成比例,因此EPS的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2-3 传统液压动力转向助力特性曲线(a)直线型 (b)折线型 (c)曲线型图2-4 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I=0 0TdTd0KvTd-Td0 Td0TdTdmaxImax TdmaxTd (2-2)式中,I为电动机目标电流;Imax为电动机最大工作电流;Td为转向盘输入矩;K(v)为助力特性曲线的梯度,随车速增加而减小;Td0为系统开始助力时转向盘输入力矩;Tmax为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I=0 0TdTd0K1vTd-Td0 Td0TdTdmaxK2vTd-Td1+ Td1TdTdmaxK1v(Td1-Td0)Imax TdmaxTd (2-3)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;Td1为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I=0 0TdTd0KvfTd Td0Td0.5%150%F.S200Mo-20600.5%F.S90%RH第四章 试验台的结构设计4.1试验台的布置由试验台的总体方案设计,运用CAD软件设计试验台架。如图4-1从右到左为液压缸,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4-1 试验台的布置4.2联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)、万向联轴器(用于两轴有较大偏斜角或在工作中有较大角位移的地方)、齿轮联轴器(允许综合位移)、链条联轴器(允许有径向位移)等,弹性可移式联轴器(简称弹性联轴器)利用弹性元件的弹性变形来补偿两轴的偏斜和位移,同时弹性元件也具有缓冲和减振性能,如蛇形弹簧联轴器、径向多层板弹簧联轴器、弹性圈栓销联轴器、尼龙栓销联轴器、橡胶套筒联轴器等。联轴器有些已经标准化。选择时先应根据工作要求选定合适的类型,然后按照轴的直径计算扭矩和转速,再从有关手册中查出适用的型号,最后对某些关键零件作必要的验算。典型联轴器:(1)凸缘联轴器:凸缘联轴器由两个带凸缘的半联轴器和联接螺栓组成。两半联轴器分别用键与两轴连接,同时它们再用螺栓相互连接。凸缘联轴器有两种对中方式:一种是利用两个半联轴器接合端面上凸出的对中榫和凹入的榫槽相配合对中,其对中精度高,工作中靠预紧普通螺栓在两个半联轴器的接触面间产生的摩擦力来传递转矩,拆装时轴必须作轴向移动,不太方便,多用于不常拆装的场合;另一种是采用铰制孔用螺栓对中,工作中靠螺栓杆的剪切和螺栓杆与孔壁间的挤压来传递转矩,其传递转矩的能力较大。若传递的转矩不大,可以一半采用铰制孔用螺栓,另一半采用普通螺栓,这种结构装拆时轴不需作轴向移动,只需拆卸螺栓即可,比较方便,可用于经常装拆的场合。图4-2 凸缘联轴器制造凸缘联轴器的材料可采用35、45钢或ZG310-570,当外缘圆周速度v30 m/s时可采用HT200。考虑到机器启动、停车和工作中不稳定运转的动载荷影响,计算转矩Tca可按下式计算Tca=KAT式中 T联轴器传递的名义转矩,单位为Nm; KA联轴器的工作情况系数。根据联轴器的工作情况系数表,选择KA=1.3,磁粉制动器的最大转矩为T=100Nm,带入公式Tca=1.3100=130Nm磁粉制动器的输入轴的直径d=38mm,根据机械工程及自动化简明设计手册选取凸缘联轴器YL7,其额定转矩为160Nm,大于130Nm,满足要求,转速较小,所以选取材料为HT200。(2)弹性联轴器:弹性套柱销联轴器的结构与凸缘联轴器的结构相似,只是用套有弹性套的柱销代替了连接螺栓。柱销的一端以圆锥面与一半联轴器上的圆锥孔相配合,并用螺母固定。另一端套装有整体式弹性套,与另一半联轴器凸缘上的圆柱形孔间隙配合。因弹性套的弹性变形和间隙配合,从而使联轴器具有补偿两轴相对位移的能力和缓冲吸阵的功能。两半联轴器与轴配合的孔可做成圆柱形或圆锥形。半联轴器的材料常用TH200,有时也采用ZG310-570,柱销材料多用45钢,弹性套采用耐油橡胶制成。弹性套柱销联轴器制造容易,装拆方便,成本较低,其弹性套易磨损,但更换方便,主要适用于起动频繁、需要正反转的中、小功率传动,工作环境温度应在-20+70的范围内。弹性套柱销联轴器可从有关标准中选用,必要时应验算弹性套与孔壁的挤压强度和柱销的剪切强度。Tca=KATT=50Nm,KA=1.3带入公式Tca=1.350=65Nm现在计算柱销的剪切应力,看能否满足要求T= 2FS D1 联轴器TL4的D1为85mm柱销直径d=12mmFS=5020.085=294N=Fs/A=2940.0062=2.6MPa2.6MPa=30MPa可以选用TL4型弹性套柱销联轴器。弹性套的挤压面积AbS=bd查手册b=23mm,d=12mmAbS=0.0230.012=2.7610-3m2F=FS=AbSbS带入数值bS=2942.7610-3=0.1MPa满足要求特点:缓冲吸振,可补偿较大的轴向位移,微量的径向位移和角位移。 应用:正反向变化多,启动频繁的高速轴。图4-3 弹性套柱销联轴器(3)万向联轴器万向联轴器有多种结构型式,例如:十字轴式、球笼式、球叉式、凸块式、球销式、球铰式、球铰柱塞式、三销式、三叉杆式、三球销式、铰杆式等,最常用的为十字轴式,其次为球笼式,万向联轴器的共同特点是角向补偿量较大,不同结构型式万向联轴器两轴线夹角不相同,一般545之间。万向联轴器利用其机构的特点,使两轴不在同一轴线,存在轴线夹角的情况下能实现所联接的两轴连续回转,并可靠地传递转矩和运动。万向联轴器最大的特点是具有较大的角向补偿能力,结构紧凑,传动效率高。在实际应用中根据所传递转矩大小分为重型、中型、轻型和小型。图4-4 万向联轴器万向联轴器与EPS系统连接,可以补偿各部件高度上的微小差别,保证试验台的正常运转。4.3普通平键的选择与校核根据弹性套柱销联轴器的尺寸,查阅机械工程设计手册,选择A型普通平键bh=87,材料为45号钢。键的许用应力=60MPa,bs=100MPa。考虑到磁粉制动器的输出转矩为100Nm,所以应校核此处的平键。下面对键的强度进行校核。首先校核键的剪切强度。将平键沿n-n截面分成两部分,并把n-n以下部分和轴作为一个整体来考虑。因为假设在n-n截面上切应力均匀分布,故n-n截面上的剪力FS为FS=A=bl对轴心取矩,由平衡方程M0=0,得FSd2=bld2=Me式中l=38mm,故有=2Mebld=21008382410-9=27.4MPa可见平键满足剪切强度条件。其次校核键的挤压强度。考虑键在n-n截面以上部分的平衡,在n-n截面上的剪力FS=bl,一侧面上的挤压力为F=Absbs=h2lbs投影于水平方向,由平衡方程得FS=F 或 bl=h2lbs由此求得bs=2bh=2810-3(27.4106)710-3=62.6106Pa=62.6MPabs故平键也满足挤压强度要求。可选用此平键。4.4液压滑台液压滑台可以实现试验部件的移动,方便装夹,这也是本设计的一个亮点,在参考东华转向器试验台的时候,发现他的滑台是手动的,如果改成液压的会方便许多。液压滑台如图4-5,通过控制电磁阀来控制液压缸,实现滑台的运动,在此就不设计液压缸了。图4-5 液压滑台4.5磁粉制动器支架根据磁粉制动器的参数,设计了磁粉制动器的支架。如图4-6,用于固定磁粉制动器,使其能正常工作。图4-6 磁粉制动器支架4.6减速机构支架磁粉制动器支架已设计好,根据磁粉制动器装配好的轴线高度设计减速机构支架,如图4-7使用最简单的支架结构,关键保证支架的高度,使减速
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