电动助力转向系统毕业设计开题报告

1、 毕业设计开题论证报告专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 钱道清 班 级 B机制085 学 号 0810101534 指导教师 夏基胜 完成日期 2011年3月1日 课题名称：“智跑”乘用车动力转向系统设计一、课题来源、课题研究的主要内容及国内外现状综述课题来源：智跑乘用车的转向系统是采用电动式转向系统（EPS），EPS是英文Electric Power Steering的缩写,即电动助力转向系统。电动助力转向系统是汽车转向系统的发展方向。该系统由电动助力机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护了环境。

2、另外，还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。正是有了这些优点，电动助力转向系统作为一种新的转向技术，将挑战大家都非常熟知的、已具有50多年历史的液压转向系统。驾驶员在操纵方向盘进行转向时，转矩传感器检测到转向盘的转向以及转矩的大小，将电压信号输送到电子控制单元，电子控制单元根据转矩传感器检测到的转距电压信号、转动方向和车速信号等，向电动机控制器发出指令，使电动机输出相应大小和方向的转向助力转矩，从而产生辅助动力。汽车不转向时，电子控制单元不向电动机控制器发出指令，电动机不工作。课题研究的主要内容：电动式EPS通常由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元（ECU）、电动机

3、和电磁离合器等组成。1、传感器、电动机、电磁离合器的选型与计算。2、减速机构的设计及零件图纸。3、电动式EPS控制框图。国内外现状综述：（1）国际市场发展现状和趋势。20世纪8O年代，日本铃木公司首次开发出电动助力转向系统(Electrical Power Steering，简称EPS)，在此之后，日本的大发汽车公司、三菱汽车公司及本田汽车公司均研制出适合各自车型的EPS。日本精工已成为世界最大的EPS生产厂，占全球的3O%，日本光洋2006年已达到800万套，日本丰田从2003年开始批量生产P-EPS，年产已上100万套，美国的Delphi公司、TRW 公司已经成功开发出EPS系统，大大促进

4、了EPS技术的发展。经过近20年的发展，EPS技术日趋完善，其应用范围从最初的微型轿车配套向负荷较大的中、高档型轿车配套发展。国外生产的中低档小型、微型汽车大都备配了电动助力转向器，在部分中档轿车和高级轿车上已经得到应用，在中型车辆和重型车辆的应用也已处于研究阶段。2006年EPS的市场占有率已达到3O%。(2)EPS国内市场发展现状和趋势。2006年，国内汽车产销均超过500万，目前国内开发的EPS主要针对16排量以下的中小型汽车，而16排量以下的汽车约占7O 左右，因此市场潜力巨大。当前国内实际安装EPS的汽车已达到15%，主要是昌河北斗星、哈飞路宝等，轿车有广州本田飞渡、上海大众途安、长

5、安雨燕、一汽天津花冠30、一汽大众开迪及郑州日产MPV旅行车，这些厂家都在寻求国产化合作伙伴。批量安装国产EPS的车型有：爱迪尔车、新雅图轿车及吉利轿车；小批安装国产EPS的车型有天津夏利、双环S6“小贵族”汽车；正在试装EPS的车型有：天津夏利X121轿车、福瑞达面包车、奇瑞QQ轿车及杨子皮卡等车型。一汽轿车也准备安装国产电动转向器，正在寻求有实力的合作伙伴。重庆长安铃木、长安福特准备在其生产的新车型中试装电动转向器。研制EPS的厂家和科研院所已有好几十家，其中科研院所有清华大学、北京理工大学、天津大学、吉林工业大学及重庆大学等。传统的汽车转向器厂家有湖北恒隆、南京标准件厂、杭州万向集团、重

6、庆驰骋、天津津丰、浙江万达、浙江双辉剑、杭州世宝、跃进汽车转向器公司及豫北光洋等厂家。但由于EPS为机电一体的高科技产品，传统的汽车转向器厂家缺乏控制器开发方面的电子专家；而科研院所重于理论研究，缺乏实际经验和批生产建线的能力，因而EPS研制进展较慢。二、本课题拟解决的问题EPS系统电动助力式转向系统利用电动机产生的动力协助驾车者进行动力转向, 不同车的EPS结构部件尽管不一样, 但其基本原理是一致的。图1为EPS系统控制框图。 图1 EPS系统控制框图当汽车处于直线行驶状态时, EPS便处于Standy状态,电动机停止工作, 只有在汽车转向时, 系统才实时的实现助力控制作用。因而, EPS可

7、以很容易的实现在全速范围内的最佳助力控制, 在低速行驶时保证汽车的转向灵活轻便, 在高速行驶时保证汽车转向稳定可靠。EPS的主要部件包括扭矩传感器、车速传感器、电动机、电子控制单元、减速机构和电磁离合器, 其工作原理如下:扭矩传感器、车速传感器EPS中扭矩传感器主要有: 电阻式转向传感器、非接触式电感扭矩传感器和其他类型传感器, 也有很多厂家采用在转向轴位置加一扭杆, 通过测量扭杆的变形转化得到扭矩的大小和方向。电阻式转向传感器实际上是个滑动可变电阻器, 其滑动触电固定在输出轴上, 电阻线部分固定在输入轴上。当操作方向盘时, 滑动触点在电阻线上的移动使得电位计的电阻值随之变化, 最终近集成电路

8、IC处理以变化电流的形式将方向盘信号送至ECU 。电阻式传感器在早期EPS中应用较多, 这种传感器价格低,但体积大, 易于磨损。随着非接触式扭矩传感器成本的降低, 越来越多的厂商转而采用这种精度高、体积小且寿命长的新型传感器。图2所示为KOYO公司研制的非接触式EPS扭矩传感器原理图, 改装置由安装在输入轴上的探测环1和探测环2, 安装在输出轴上的另一个探测环1, 探测线圈和补偿线圈组成。当方向盘转动时, 扭杆受受转动力矩作用发生扭转, 此时由于线圈是固定不动的, 探测线圈与探测环之间的位置发生变化从而导致线圈磁阻改变, 并最终反映了扭矩的变化。另外, 还有如美国Allegro Microsy

9、stems公司开发的磁环式霍尔速度传感器, 它可以将转向盘的扭矩、转角、角速度大小及方向等信息转化为电信号输出 。图2为非接触式扭矩传感器。图2非接触式扭矩传感器扭矩传感器测量值的参考范围为- 12 +12 Nm , 输出电压范围0 + 5V ; 车速传感器应用较多的有输出为脉冲信号或电压信号两种, 输出电压值信号参考范围为0 + 5V,输出脉冲信号参考范围为, 检测的车速范围可达1200Km /h21312电动机助力电动机是EPS系统的动力源, 它根据ECU输出的控制指令, 在不同的工况下输出不同的助力转矩, 对整个EPS性能影响很大, 因此需要具备良好的动态特性、调速特性和随动特性并易于控

10、制, 而且要求输出波动小、低转速大转矩、转动惯量小、尺寸小质量轻等, 因此, 常采用无刷式永磁直流电动机。为改善操纵感、降低噪音和减少振动, 在电动机转子外表面开出斜槽或螺旋槽, 而改变定子磁铁的中心处或端部厚度, 将定子磁铁设计成不等厚等 。三菱Minica的EPS电动机主要参考参数为: 永磁式直流电机, 额定电压DC12V, 最大工作电流30A, 额定转矩1Nm 。TRW公司推出的带传动EPS在工作电压1315V下, 最大工作电流为85A, 齿条输出的最大功率为600W, 齿条最大助力12500N; 转向柱助力式EPS在其工作电压1315V下, 最大工作电流为70A, 齿条输出最大功率为4

11、70W,齿条最大助力7500N, 最大助力转矩为55N m 。随着现代汽车技术的发展, 汽车各部件越来越多的采用42V 直流电源, 因而, 面向42V直流电的EPS也逐渐成为汽车技术研究热点之一。采用42V直流电的EPS将能够在较低的输出电流同时保证有足够的输出功率, 既降低了系统的能耗和发热, 又能够改善系统的控制。电磁离合器电动式EPS转向助力一般都是工作在一个设定的范围。当车速低于某一设定值时, 系统提供转向助力, 保证转向的轻便性; 当车速高于某一设定值时, 系统提供阻尼控制, 保证转向的稳定性; 而当车速处于两个设定值之间时,电动机停止工作, 系统处于Standy状态, 此时,为了不

12、使电动机和电磁离合器的惯性影响转向系统的工作, 离合器应及时分离, 以切断辅助动力。另外, 当EPS系统发生故障时, 离合器应自动分离, 此时仍可利用手动控制转向, 保障系统的安全性。三菱Minica的EPS采用离合器主要参考参数为:干式单片电磁式电磁离合器, 额定电压DC12V,绕组1915 (20C) , 额定传递扭矩15 /12V（20C) 。减速机构是电动式EPS不可缺少的部件,它把电动机的输出减速放大后再传递给执行部件。目前实用的减速机构有多种组合方式, 采用较多的为蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合式, 也有的采用两级行星齿轮与传动齿轮组合式。装配有离合器的EPS, 多采用涡轮蜗杆减速机构,

13、 装配在减速机构的一侧, 为了保证EPS在预定车速范围内工作, 在范围之外,离合器分离, 电机停止工作, 转向系统转为手动, 另外, 当电动机发生故障时, 离合器也自动分离。为了抑制噪声和提高耐久性, 减速机构中的齿轮有的采用特殊齿形, 有的采用树脂材料制成。三、解决方案及预期效果电动助力转向系统的研制关键及发展趋势电动助力转向系统在操纵轻便、节能等方面充分显示了其优越性，应用前景广阔。研制电动助力转向系统的关键，在于电子控制技术，包括确立适宜的助力特性，还有采集主要参数的传感技术。此外，电动助力转向系统与汽车的安全性、操纵稳定性之间的关系，电动助力转向系统的可靠性等将成为重要的研究课题。电动

14、助力转向系统出现十几年来，在降低系统自质量、价格，减少系统发热、电流消耗、内部摩擦，与整车进行匹配获得合理的助力特性，保证良好的路感等方面取得了重大进步。技术优势：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35，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

15、、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。四、课题进度安排2月21日3月5日毕业实习阶段。毕业实习，查阅资料，到多个公司实践，撰写实习报告。3月5日3月19日开题阶段。提出