【《基于所选车型电动助力转向需求计算和相关零件的选型分析案例》3500字】

基于所选车型电动助力转向需求计算和相关零件的选型分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u128101.1研究对象车型相关整车参数 120921.2由计算公式所计算出的对象车型的数据 1186321.2.1原地转向阻力矩 1132131.2.2齿轮齿条角传动比 2194711.2.3原地转向最大的齿条力 269401.2.4原地转向时转向盘上的力矩 21.1研究对象车型相关整车参数针对本课题的设计要求，基于所选尼桑汽车的涉及电动助力转向设计计算的整车参数做出如下汇总。如表3-1所示。表3-1整车参数项目参数值车辆基本信息轮胎满载胎压（MPa）2.5环境工作温度（℃）-40～80发动机排量（L）1.5轴荷分配比53：47轮胎选型175/65R14齿条移动量（mm/圈）45整车质量参数整车整备质量（Kg）1500前轴空载载荷（Kg）795满载质量（Kg）2000前轴满载载荷（Kg）10601.2由计算公式所计算出的对象车型的数据1.2.1原地转向阻力矩由于理论与实际之间存在一定的差距。为此本文用相对精确的能够考虑一定实际情况的公式来计算汽车在常规城市道路的路面上原地转向阻力矩用下式计算得出：（1.1）尼桑天籁汽车前胎标准胎压为2.2～2.4bar，考虑到满载质量和轮胎型号的不同，胎压分别取选取中间值2.5bar（1bar=0.1MPa）。解得：Mr=487.0Nm（1.2）1.2.2齿轮齿条角传动比（3-3）常规汽车的转向器仍然应用常用的齿轮齿条式转向器的所采用的仍然是圆柱斜齿轮传递力矩。一般的转向器齿轮模数为1，主动小齿轮齿数为14。mm（3-4）为齿轮齿条的轴交角，10°解得：==22.13（3-5）1.2.3原地转向最大的齿条力轮胎与地面之间的转向阻力和作用在转向节上的转向阻力矩之间有如下关系：（3-6）式中，为主销偏移量。通常轿车的值在O.4～O.6倍轮胎与地面接触的尺寸宽度选取（本次设计取0.5）。本次选取车型的轮胎型号为175/65R14。解得：=5565.7N（3-7）1.2.4原地转向时转向盘上的力矩作用在方向盘上的力矩为：（3-8）式中，--转向摇臂长，mm；--转向节臂长，mm；--转向器角传动比；--转向器正效率，取值范围为75%～90%。在实际的汽车结构设计中，转向摇臂长与节臂长的比值大约在0.85～1.1之间，本次设计取近似值1。齿轮齿条转向器的角传动比，取85%。则方向盘上的力矩：（3-9）而（3-10）其中为蜗轮蜗杆的减速比，再考虑75%驾驶员手力为4～5Nm，取中间值为4.5Nm，则转向电机应助力值为（3-11）根据上述计算数值，下面将电机助力需求计算的结果做出如下汇总。如表3-2。表3-2助力电机助力需求计算结果项目相关数值满载质量(Kg)2000前轴荷分配比53前轴荷(Kg)1060车胎型号175汽车胎压(Bar)2.5摩擦系数0.7减速比17.5转向盘力矩（Nm）32.93驾驶员施加力矩（Nm）4.5助力电机助力力矩（Nm）1.621.2.5动态电动助力特性曲线分析在前一节我们对在原地状态下的助力电机需求的理论计算。但是大家都知道汽车是要在路面上行驶的，而不是在原地不动的废铁，所以在对助力电机选型和匹配的过程中不能单就静态的原地助力需求进行理论计算，应当借助试验台及模拟仿真软件进模拟测试并做出分析。在导师的帮助下得以在试验台架上逐一进行测试，在测试过程中我们分别设定了怠速状态，20km/h以下，20~30km/h，40~50km/h，50km/h以上等不同车速条件下动态电动助力需求。试验结果如图3-1所示。图3-1输出、入扭矩关系及助力电机输出电流关系图1.2.5.1输入输出力矩特性曲线浅析由图3-1所展示的特性曲线中，我们可以得到以下几个结论：输入扭矩在±1.2Nm的区间时，我们可以发现此时助力电机并不参与助力，即无助力阶段。输入扭矩在±1.3Nm的区间时，我们可以发现此时的一个规律，即输入扭矩与输出扭矩呈线性正相关。而在输入扭矩达到一定值时，助力电机的输出扭矩便达到恒定数值，即恒定助力阶段。同时在整体观察图3-1后，我们还可以得出在不断提高车速的情况下，助力电机参与助力的数值随之降低；整个曲线在一三象限关于原点呈现中心对称。输出扭矩与车速关系列表如表3-3所示。表3-3输出扭矩数值汇总车速（km/h）输出扭矩-右（Nm）输出扭矩-左（Nm）025.9725.891721.2921.272518.9518.934315.8815.845512.4612.417012.0512.061.2.5.2力矩与助力电机电流浅析结合上节的列表，我们总结了输入力矩与输出力矩之间的联系，并作出归纳总结。而助力电机是靠电流驱动的，所以我们不能仅仅分析输入输出扭矩的规律，更应当对输出电流进行分析。其具体数值如表3-4所示。表3-4输出电流数值图车速（km/h）输出电流-左（A）输出电流-右（A）027.528.81720.521.22517.318.44311.914.6559.810.6709.410.2通过对图表的观察和数值汇总，我们不难看出在输入力矩较小时，助力电动机的输出电流近似等于额定电流。也即此时助力电动机并没有参与到助力的工作中去，随着车速的增加，助力电机便开始工作并随着输入力矩的增大而增大，最终变为相对恒定的电流，以满足车辆行驶的轻便性和平顺性。1.3助力电动机的选型与匹配针对助力电机相关的理论基础在本文的第二章第四节有所介绍。那么本节根据上述计算结果，通过查阅相关文献资料选取适合本次设计的助力电机，相关参数如表3-5所示。表3-5助力电机的选型及相关参数电机序号额定电压额定电流额定功率ZW1860A12V30A220W额定转矩适用用最大齿条力匹配扭矩传感器噪声2.36±0.237500N非接触型TAS≤45dB1.4扭矩传感器的选型与匹配现如今，接触式传感器和非接触式传感器汽车市场上的电动助力转向系统中应用的传感器主要分类。前者出现较早，技术也相对比较成熟，一般多用于低端车型；后者具有很多优势，如没有过多的机械磨损、其线性度比较高和滞后性比较小等诸多优点。非接触式传感器在高端车型中比较常见，也是当今电动助力系统传感器的主要发展趋势。对于整个电动助力转向系统来说，能否实现合理且舒适的转向，扭矩传感器起着举足轻重的作用。其中方向盘的转矩，转角信号是EPS系统中最重要的输入信号，因此对于扭矩传感器的选取非常关键。其原理图和相关装配图如图3-1所示。图3-1扭矩传感器及蜗轮蜗杆总成通过查阅相关的产品资料和相关参数的对比，对传感器的内部结构，装配形式及基本的工作原理进行相关学习。随后，笔者就本此设计拟选取Hella扭矩转角传感器。相关参数如表3-6。表3-6传感器参数列表传感器型号CL-YD-301测量范围扭矩±6°（±15Nm施加在刚度系数2.5Nm/°扭杆上）转角±738°测量精度扭矩＜0.1°转角≤1.0°分辨率扭矩≤0.0029°转角≤0.013°信号输出扭矩PWM(占空比12.5%～87.5%代表-6°～6°，低电平有效)转角PWM(P信号占空比12.5%～87.5%代表-6°～6°，低电平有效）(S信号占空比12.5%～87.5%代表0°～296°,高电平有效）1.5控制器系统选型与匹配在如今的汽车市场上，电动助力转向系统控制器的品牌种类很多，非常繁杂。而就具体分类来讲，大致可以分为有刷控制器和无刷控制器两大类。现在，我们可以把控制器可以比喻成一个人的大脑，是整个电动助力转向系统的核心部件。主要作用是实现对助力电机的控制，在控制助力电机时进行调制解调和滤波补偿便能实现对助力电机的精准控制。具体的程序框图如图3-2所示。图3-2EPS系统控制策略程序框图控制器若想实现对扭矩的控制，那么需要经过以下几个步骤才能实现：一是分离频率，可将频率分为高频和低频，二是对低频率助力的控制，主要解决电动助力转向系统的手感轻重的问题，三是对高频率助力的控制，主要解决的是响应，也即跟随性问题。同时还要担任滤波补偿的任务。控制器在功能控制方面，主要体现在车轮回正控制、阻尼、转角、热管理、扭矩限制等诸多方面的功能。电动助力转向系统控制单元可以分为软件程序和硬件两大部分。首先是控制系统的软件程序部分主要是建立相对应的控制逻辑，然而在当今的大数据、云计算的大背景下，针对不同的品牌、不同的整车性能以及操控风格，各大汽车品牌厂商对其自主研发的车辆转向系统控制单元的软件部分均有相对应成熟的控制程序，所以笔者不在本文中进行赘述。其次是控制系统的硬件部分，控制单元由众多的稳压器、CAN收发器、信号处理电路、继电器、电源开关和微控制器组成。稳压器，顾名思义其主要作用是为了稳定电压。其为传感器、微控制器和ASIC等元器件提供所需要的各种稳定电压。CAN收发器主要是用于CAN总线和各微控制器之间的信息交换而提供请求或发送要求，并接收和发送相应电信号。数据信号的处理方式是模拟方式还是数字方式取决于所选取的传感器类型。因为电源开关不能由微控制器直接控制，所以需要用继电器充当一个桥梁，控制器控制继电器的闭合，继电器再控制电源的开关，进而达到控制器间接控制电源开关的作用。微控制器控制可以监视马达与整个系统，它还具有诊断功能，并与整车CAN网络进行信息通联。综合前文所述内容可知，电动助力转向系统控制器硬件系统匹配方案的核心和重心是控制器。应用在管柱式电动助力转向系统控制器中的型号相对较多，其中常见的包括C8051F系列控制器和英飞凌公司的XC200系列控制器等[29]。而在选型过程中主要的项目包括:MIPS(每秒处理语言指令数)、闪存字节数FlashMemory(闪存字节数)、RAM(随机存储器)、SerialBuses(连续总线)、PCAChannels(