電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

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1、黑龍江工程學(xué)院?？粕厴I(yè)實(shí)習(xí)報(bào)告 第1章 緒 論 1.1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車(chē)各方面的性能都有了很大的發(fā)展，但同時(shí)人們對(duì)汽車(chē)的性能也有了更高的要求。為了取得更好的汽車(chē)性能，充分利用機(jī)械和電子兩方面的優(yōu)勢(shì)，提供機(jī)電一體化的解決方案，日益被業(yè)界人士推崇為有效的應(yīng)對(duì)策略。雖然汽車(chē)是機(jī)械技術(shù)的完美再現(xiàn)，但是由于機(jī)械技術(shù)在短期內(nèi)不會(huì)再有很大的突破，而電子技術(shù)正越來(lái)越體現(xiàn)出其相對(duì)而言更優(yōu)越的地方，所以研制機(jī)、電相結(jié)合的汽車(chē)相關(guān)部件正成為當(dāng)前的主要趨勢(shì)。 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車(chē)的一個(gè)重要組成部分，也同樣順應(yīng)這樣的發(fā)展趨勢(shì)。就目前而言，應(yīng)當(dāng)說(shuō)也已經(jīng)找到了比較完美的解決

2、方案。 汽車(chē)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用于改變或保持汽車(chē)行駛方向的專門(mén)機(jī)構(gòu)。其作用是使汽車(chē)在行駛過(guò)程中能夠按照駕駛員的意圖，適時(shí)地改變其行駛方向，能與行駛系統(tǒng)配合共同保持汽車(chē)持續(xù)穩(wěn)定地行駛。汽車(chē)方向盤(pán)助力系統(tǒng)經(jīng)歷了從機(jī)械助力到液壓助力(hydraulic Power steering HPS)再到電子液壓助力系統(tǒng)(electric hydraulic power steering EHPS)這三個(gè)階段的演變。 經(jīng)過(guò)多年的探索，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Steering ，簡(jiǎn)稱EPS）作為一種全新的動(dòng)力轉(zhuǎn)向模式走入了業(yè)界的視野，并且很快成為動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)的的熱點(diǎn)。由于電動(dòng)助力

3、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相對(duì)于液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，因此電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其相關(guān)配套的部件的研究與開(kāi)發(fā)正愈來(lái)愈備受各主要汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)的青睞。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS，Electric Power Steering）是未來(lái)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動(dòng)助力機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，省去了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓油、傳送帶和裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上的皮帶輪，既節(jié)省能量，又保護(hù)了環(huán)境。另外，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還具有調(diào)整簡(jiǎn)單、裝配靈活以及在多種狀況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點(diǎn)。正是因?yàn)橛捎谟辛诉@些優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為一種新的轉(zhuǎn)向技術(shù)，部分取代了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Hydraulic Power S

4、teering，簡(jiǎn)稱HPS)。 電子控制技術(shù)在汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用，使汽車(chē)的駕駛性能達(dá)到令人滿意的程度。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)在汽車(chē)低速行駛轉(zhuǎn)向時(shí)減輕轉(zhuǎn)向力使轉(zhuǎn)向輕便、靈活；在汽車(chē)高速行駛轉(zhuǎn)向時(shí)，適當(dāng)加重轉(zhuǎn)向力，從而提高了高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性，增強(qiáng)了“路感”。不僅如此，EPS的能耗是HPS能耗的1／3以下，且前者比后者使整車(chē)油耗下降可達(dá)3％—5％。因而，EPS將成為汽車(chē)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)想的升級(jí)換代產(chǎn)品。 1.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的特點(diǎn) 1.2.1 助力特性 早期的EPS在車(chē)速高于設(shè)定值時(shí)，EPS停止工作，屬于低速型。現(xiàn)在研究多的是在全速型的EPS，它在任何車(chē)速下都提供

5、助力，既兼顧了低速時(shí)的操縱靈活性，也實(shí)現(xiàn)了高速時(shí)的操縱穩(wěn)定性，但系統(tǒng)控制算法相對(duì)復(fù)雜。由于電動(dòng)機(jī)具有彈簧阻尼的效果，EPS能減少路面不平對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)的沖擊力和車(chē)輪質(zhì)量不平衡引起的振動(dòng)，故EPS能夠更好的抑止路面的沖擊。另外，EPS還能提高停車(chē)泊位時(shí)的助力跟隨特性，電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)力矩最大，然后逐漸降低，這一特性非常符合汽車(chē)從靜止到起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)向力變化。 1.2.2 操縱靈活性與穩(wěn)定性 汽車(chē)駕駛操作靈活性與穩(wěn)定性體現(xiàn)在停車(chē)泊位、低速行駛以及高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向性能。以前，人們常將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)成變傳動(dòng)比，在轉(zhuǎn)向盤(pán)小轉(zhuǎn)角時(shí)以靈位主，在轉(zhuǎn)向盤(pán)大轉(zhuǎn)角時(shí)以輕為主，但靈的范圍只在轉(zhuǎn)向盤(pán)之間位置附件，僅對(duì)高速行駛有

6、意義，并且傳動(dòng)比不能隨車(chē)速變化，因此，這種方法不能從根本上解決這一矛盾。EPS的引入可以較好的解決上述矛盾，在EPS控制系統(tǒng)中，可以通過(guò)完善控制算法在不同工況下提供相應(yīng)的助力特性，并且具有較大的靈活性，能通過(guò)修改相應(yīng)控制參數(shù)達(dá)到調(diào)整修改控制輸出特性。圖1-1所示為Alto汽車(chē)有EPS和無(wú)EPS時(shí)的原地轉(zhuǎn)向曲線，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為柱助力式，前軸負(fù)荷為4kN，電動(dòng)機(jī)最大電路為20A。由圖知裝配EPS后，原地轉(zhuǎn)向力矩下降了40％。 圖1-1 Alto汽車(chē)有

7、EPS和無(wú)EPS時(shí)的原地轉(zhuǎn)向曲線 1.2.3 增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向跟隨性 在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中， 電動(dòng)機(jī)與助力機(jī)構(gòu)直接相連可以使其能量直接用于車(chē)輪的轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)利用慣性減振器的作用，使車(chē)輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振大大減小， 因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力大大增強(qiáng)， 和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生于電動(dòng)機(jī)，沒(méi)有液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應(yīng)， 增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向車(chē)輪對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)的跟隨性能。 1.2.4 節(jié)能環(huán)保 試驗(yàn)表明，EPS還具有高效節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，沒(méi)有系統(tǒng)要求的常運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向油泵，而且電動(dòng)機(jī)只是在需要轉(zhuǎn)向時(shí)才接通電源，所以動(dòng)力消耗和燃油消耗均可降到最低，還消除了由于轉(zhuǎn)向油泵帶來(lái)的

8、噪音污染。在不轉(zhuǎn)向情況下，裝有EPS的汽車(chē)燃油消耗降低了2.5％ ，在使用轉(zhuǎn)向情況下，降低了5.5％。有研究表明，由同一駕駛員操作1．6L前輪驅(qū)動(dòng)分別裝備EPS和HPS的轎車(chē)，行駛路況以郊區(qū)道路為主，以市區(qū)、山區(qū)等道路為輔，平均行駛速度在40km／h情況下，EPS比HPS節(jié)省燃料5.5％。此外，EPS的重復(fù)利用率高，組件的95％可以再回收利用，而傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回收利用率卻只有85％。 1.2.5 安全性 EPS系統(tǒng)控制的核心ECU具有故障自診斷功能，當(dāng)ECU檢測(cè)到某一組件工作異常，如系統(tǒng)各傳感器、電動(dòng)機(jī)、電磁離合器、電源系統(tǒng)及汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)等，便能立即控制電磁離合器分離，停止助力

9、，顯示相應(yīng)故障代碼，轉(zhuǎn)為手動(dòng)轉(zhuǎn)向，按普通轉(zhuǎn)向控制方式工作，以確保行車(chē)安全可靠。 1.3 課題的目的及意義 本論文的目的在與通過(guò)研究電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成和工作的原理，旨在能夠解決EPS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向性能，能夠簡(jiǎn)化汽車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、使其結(jié)構(gòu)更緊湊、同時(shí)削除減速齒輪、電機(jī)等使轉(zhuǎn)向系的慣性力及摩擦力，降低成本減少對(duì)環(huán)境的污染。 汽車(chē)轉(zhuǎn)向性能是汽車(chē)的主要性能之一，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能直接影響到汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性，它對(duì)于確保車(chē)輛的安全行駛，減少交通事故以及保護(hù)駕駛員的人身安全和改善駕駛員的工作條件都起著極其重要的作用。 本課題研究的汽車(chē)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是一種直接依靠電動(dòng)機(jī)提供輔助轉(zhuǎn)矩的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它提高了

10、汽車(chē)的安全性能，減輕了駕駛者的操縱里，降低了駕駛員的駕駛負(fù)擔(dān)，同時(shí)也提高了汽車(chē)的安全性。 電動(dòng)主力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在發(fā)展初期，只是作為液壓助力轉(zhuǎn)向的替代品，應(yīng)用在減少油耗并難以安裝液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的微型車(chē)上。自1988年2月開(kāi)始，由日本鈴木公司首次在起Cervo車(chē)上裝備，在此之后，電動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)就得到了迅速的發(fā)展。經(jīng)過(guò)近幾20年的研究，現(xiàn)在EPS技術(shù)已經(jīng)日趨完善。其應(yīng)用范圍已經(jīng)從最初的微型轎車(chē)向更大型轎車(chē)和商用客車(chē)方向發(fā)展，EPS的助力形式也從低速范圍助力型向全速范圍助力型發(fā)展，并且其控制形式與功能也進(jìn)一步增強(qiáng)。新一代的EPS則不僅在低速和停車(chē)時(shí)提供動(dòng)力，而且還能在高速時(shí)提高汽車(chē)的操縱的穩(wěn)定性。電動(dòng)助

11、力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自從20世紀(jì)80年代中期提出後，作為今后汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向，必將取代現(xiàn)有的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。現(xiàn)在國(guó)際上各大的汽車(chē)零部件公司，都將對(duì)它的研究作為研究開(kāi)啊工作的重點(diǎn)。EPS具有非常廣闊的市場(chǎng)前景，據(jù)專家預(yù)測(cè)，EPS的年產(chǎn)量正以10%的速度遞增，到2009年預(yù)計(jì)將達(dá)到3000萬(wàn)套，安此速度發(fā)展，EPS不久將占領(lǐng)去不轎車(chē)市場(chǎng)。目前，國(guó)外電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的研究已經(jīng)體現(xiàn)出實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，在部分中高檔轎車(chē)和高級(jí)轎車(chē)上已經(jīng)得到應(yīng)用，在中型車(chē)輛和重型車(chē)輛的應(yīng)用也處于研究階段。 1.4 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是于20世紀(jì)80年代中期提出來(lái)的。由于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有很多

12、優(yōu)點(diǎn)，國(guó)外許多汽車(chē)及零部件生產(chǎn)廠商紛紛致力于該技術(shù)的研究。1988年2月日本鈴木公司首次在其Cervo車(chē)上裝備電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)，隨后還用在了其Alto車(chē)上。在此之后，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)如雨后春筍般得到迅速發(fā)展。1993年，本田汽車(chē)公司首次將電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝備于大批量生產(chǎn)的，在國(guó)際市場(chǎng)上同法拉力和波爾舍競(jìng)爭(zhēng)的NSX跑車(chē)上。同時(shí)在歐美市場(chǎng)上，美國(guó)的Delphi汽車(chē)公司、德國(guó)的ZF汽車(chē)公司等，都相繼推出了各自的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。如今，大發(fā)汽車(chē)公司的Mira車(chē)、三菱汽車(chē)公司的Minica車(chē)、大眾的Polo,歐寶的3181以及菲亞特的Punt。都裝備了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。隨著高級(jí)轎車(chē)對(duì)轉(zhuǎn)向器提出的性

13、能上的更高要求，近幾年國(guó)外開(kāi)發(fā)出了更為成熟的電動(dòng)式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，凌志、皇冠等高檔轎車(chē)， 已經(jīng)使用了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該裝置優(yōu)于普通的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，在不同車(chē)速下可通過(guò)轉(zhuǎn)向ECU自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向盤(pán)的操作力，在低速行駛或車(chē)輛就位時(shí)，駕駛員只需用較小的操作力就能靈活進(jìn)行轉(zhuǎn)向;而在高速行駛時(shí)，則自動(dòng)控制使操作力逐漸增大，實(shí)現(xiàn)操縱的穩(wěn)定性。德?tīng)柛Ｆ?chē)系統(tǒng)公司，1998年開(kāi)發(fā)了全新的電動(dòng)式轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)，它可分別在齒條、齒輪或轉(zhuǎn)向軸上施加助力。英國(guó)汽車(chē)制造商Lucas公司，1998年研制的電動(dòng)式轉(zhuǎn)向器投入批量生產(chǎn)，該裝置最大優(yōu)點(diǎn)是燃油附加損耗極低，只有手動(dòng)式的0.5%，相比之下， 電動(dòng)液壓助力系統(tǒng)的損耗為2%，全液壓助

14、力系統(tǒng)損耗為8%。 與國(guó)外相比，我國(guó)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向研究還是空白，自2000年昌河北斗星裝備EPS之后，掀開(kāi)了國(guó)內(nèi)汽車(chē)轉(zhuǎn)向器歷史上新的一頁(yè)，帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)的熱潮，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有幾十家大專院校和國(guó)營(yíng)、民營(yíng)企業(yè)開(kāi)發(fā)改產(chǎn)品，并取得了一定的進(jìn)展。但由于國(guó)外對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的技術(shù)封鎖且對(duì)轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度等技術(shù)關(guān)聯(lián)控制方面的問(wèn)題尚需解決與改善，國(guó)內(nèi)對(duì)EPS的研究主要是對(duì)國(guó)外EPS樣件的實(shí)驗(yàn)摸索中進(jìn)行防止與確認(rèn)，雖然各方面對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的研究大量投入，已經(jīng)部分產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始裝車(chē)調(diào)試，單由于對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的控制理論和控制原理并未完全掌握，因此EPS研制的工作尚需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，EPS的批量國(guó)產(chǎn)化

15、生產(chǎn)的工作還有一個(gè)摸索的過(guò)程。因此我們還應(yīng)加大對(duì)EPS的研究。 1.5 本論文的主要研究?jī)?nèi)容 本論文通過(guò)對(duì)汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究，分析了EPS的基本結(jié)構(gòu)組成以及其工作原理，并對(duì)其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究EPS的關(guān)鍵零部件以及主要的功能機(jī)構(gòu)，從而對(duì)EPS的總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其的關(guān)鍵部位進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算。 主要的研究?jī)?nèi)容如下： 1、分析EPS的基本結(jié)構(gòu)組成、工作原理，及其關(guān)鍵技術(shù) 2、對(duì)EPS的受力進(jìn)行分析及其助力分析 2、進(jìn)行EPS總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)、比較、優(yōu)化 3、進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，參數(shù)計(jì)算和關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算 

16、第2章 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的結(jié)構(gòu)及受力分析 2.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部件 2.1.1 EPS的主要結(jié)構(gòu) EPS的組成包括以下5個(gè)部分，如圖2-1所示。 a．轉(zhuǎn)矩傳感器和車(chē)速傳感器轉(zhuǎn)矩傳感器用來(lái)測(cè)量駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力矩大小與方向， 以及轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的大小和方向，輸出為0-5 V的模擬電壓信號(hào)。轉(zhuǎn)向盤(pán)在中間位置時(shí)輸出2．5 V電壓，轉(zhuǎn)向盤(pán)向右轉(zhuǎn)輸出電壓為2．5～5 V，轉(zhuǎn)向盤(pán)向左轉(zhuǎn)輸出電壓為0-2．5 V。車(chē)速傳感器用來(lái)測(cè)量汽車(chē)行駛速，輸出為數(shù)字電壓信號(hào)。 b．永磁同步電動(dòng)機(jī)根據(jù)電子控制單元的指令輸出適宜的輔助轉(zhuǎn)矩， 是EPS的動(dòng)力源。例如， 用于1．6 L以

17、下汽車(chē)的電動(dòng)機(jī)，功率：300 W ； 助力轉(zhuǎn)矩：1～25 Nm (最大輸出電流35 A)。用于2．0L汽車(chē)的電動(dòng)機(jī)，功率：400 W； 助力轉(zhuǎn)矩： 1-32 Nm(最大輸出電流45 A)。 c．減速機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)通過(guò)離合器與電動(dòng)機(jī)相連， 起減速增矩作用， 常采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)， 也有采用行星齒輪機(jī)構(gòu)，離合器裝在減速機(jī)構(gòu)一側(cè)是為了保證EPS只在預(yù)先設(shè)定的車(chē)速(如：0-45 km／h)范圍內(nèi)起作用。 d．電子控制單元(ECU) ECU的功能是根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器信號(hào)和車(chē)速傳感器信號(hào)， 進(jìn)行邏輯分析與計(jì)算后 發(fā)出指令， 控制電動(dòng)機(jī)和離合器的動(dòng)作。此外，ECU還有安全保護(hù)和自我診斷功能。 e．蓄電池電源

18、給整個(gè)EPS提供電力。 圖2-1 EPS的組成框圖 2.1.2 EPS的工作原理 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加信號(hào)傳感器裝置、電子制裝置和轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)等構(gòu)成的。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能著眼點(diǎn)是使用電力驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在不同的駕駛條件下為駕駛?cè)藛T提供適宜的輔助力。系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：電子控制單元（ECU）、車(chē)速傳感器和扭矩傳感器、伺服電動(dòng)機(jī)、變速機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向柱總成等。 具體的工作情形是：汽車(chē)處于起動(dòng)或者低速行駛狀態(tài)時(shí)，操縱方向盤(pán)轉(zhuǎn)向，裝在轉(zhuǎn)向柱上的扭矩傳感器不斷檢測(cè)作用于轉(zhuǎn)向柱扭桿上的扭矩，并將此信號(hào)與車(chē)速信號(hào)同時(shí)輸入電子

19、控制器，處理器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，確定助力扭矩的大小和方向，從而控制電動(dòng)機(jī)的電流和轉(zhuǎn)向，電動(dòng)機(jī)經(jīng)離合器及減速機(jī)構(gòu)將扭矩傳遞給牽引前輪轉(zhuǎn)向的橫拉桿，最終起到為駕駛?cè)藛T提供輔助轉(zhuǎn)向力的功效；當(dāng)車(chē)速超過(guò)一定的臨界值或者出現(xiàn)故障時(shí)，EPAS系統(tǒng)退出助力工作模式，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)入手動(dòng)轉(zhuǎn)向模式。不轉(zhuǎn)向的情況下，電動(dòng)機(jī)不工作。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)很容易實(shí)現(xiàn)在不同的車(chē)速下實(shí)時(shí)的為汽車(chē)轉(zhuǎn)向提供不同的助力效果，保證汽車(chē)在低速行駛時(shí)輕便靈活，高速行駛時(shí)穩(wěn)定可靠。 2.1.3 EPS的關(guān)鍵部件介紹 EPS系統(tǒng)的關(guān)鍵部件包括：扭矩傳感器、車(chē)速傳感器、助力電動(dòng)機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)和電子控制單元等。 1、 扭矩傳感器

20、和車(chē)速傳感 扭矩傳感器的作用就是測(cè)量轉(zhuǎn)向盤(pán)與轉(zhuǎn)向器之間的相對(duì)扭矩，以作為電動(dòng)助力的依據(jù)之一。車(chē)速傳感器的功能是測(cè)量汽車(chē)的行駛速度。這些信號(hào)都是EPS的控制信號(hào)。扭矩測(cè)量系統(tǒng)比較復(fù)雜且成本較高，所以精確、可靠、低成本的扭矩傳感器是決定EPS能否占領(lǐng)市場(chǎng)的關(guān)鍵因素之一。電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的扭矩傳感器主要有三種形式：擺動(dòng)桿式、雙行星齒輪式和扭桿式。擺動(dòng)桿式是通過(guò)測(cè)量由轉(zhuǎn)向器小齒輪軸反作用力矩引起的擺桿位移量得到轉(zhuǎn)向力矩的。雙行星齒輪式是通過(guò)測(cè)量與扭桿相連的兩套行星齒輪的相對(duì)位移得到轉(zhuǎn)向力矩信號(hào)值，扭桿位于轉(zhuǎn)向輸入軸和輸出軸之間，行星齒輪機(jī)構(gòu)也兼起減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用。扭桿式是通過(guò)扭桿直接測(cè)量輸入軸和輸

21、出軸的相對(duì)位移從而測(cè)得轉(zhuǎn)向力矩。 除了上述形式的扭矩傳安琪外，也有采用非接觸式扭矩傳感器。非接觸式扭矩器種類比較多，汽車(chē)上常用除了上述形式的扭矩傳感器以外傳感器中有一對(duì)磁極環(huán)，其原理是：當(dāng)輸入軸與輸出軸之間發(fā)生相對(duì)扭轉(zhuǎn)位移時(shí)，磁極環(huán)之間的空氣間隙發(fā)生變化，從而引起電磁感應(yīng)系數(shù)變化。非接觸式扭矩傳感器體積小，精度高，但成本較高。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)力矩傳感器獲得方向盤(pán)作用力的大小和方向的電壓信號(hào)，并把它輸送到ECU。車(chē)速傳感器主要用來(lái)檢測(cè)汽車(chē)的行駛速度，車(chē)速傳感車(chē)速傳感器是電磁感應(yīng)式傳感器，安裝在變速箱上。該傳感器根據(jù)車(chē)速的變化，把脈沖信號(hào)傳送給ECU，ECU根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)測(cè)量到的脈沖數(shù)目來(lái)計(jì)算出汽車(chē)車(chē)

22、輪的旋轉(zhuǎn)速度，從而根據(jù)汽車(chē)車(chē)輪的半徑、車(chē)輪的氣壓等參數(shù)計(jì)算出汽車(chē)前進(jìn)的速度。 2、 助力電動(dòng)機(jī) EPS的電動(dòng)機(jī)的功能是根據(jù)電子控制單元的指令輸出適宜的輔助扭矩，是EPS的動(dòng)力源，多采用無(wú)刷永磁式直流電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)對(duì)EPS的性能有很大的影響，是EPS的關(guān)鍵部件之一，所以EPS對(duì)電動(dòng)機(jī)有很高的要求，不僅要求低轉(zhuǎn)速大扭矩、波動(dòng)小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、尺寸小、質(zhì)量輕、而且要求可靠性高、易控制。為了改善操縱感、降低噪聲和減少振動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)常針對(duì)EPS的特點(diǎn)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)做一些特殊的處理，如：沿轉(zhuǎn)子的表面開(kāi)出斜槽或螺旋槽，定子此帖設(shè)計(jì)成不等厚等。 3、 減速機(jī)構(gòu) EPS的減速機(jī)構(gòu)與電動(dòng)機(jī)相連，它的作用是降

23、低轉(zhuǎn)速增加扭矩。減速比的大小和電動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和前橋載荷有關(guān)。常采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，也有采用行星齒輪機(jī)構(gòu)。有的EPS還配用離合器，裝在減速機(jī)構(gòu)一側(cè)，是為了保證EPS只在預(yù)先設(shè)定的車(chē)速行駛范圍內(nèi)起作用。當(dāng)車(chē)速達(dá)到某一值時(shí)，離合器分離，電動(dòng)機(jī)停止工作，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)為手動(dòng)轉(zhuǎn)向。另外，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，電磁離合器斷開(kāi)，切斷了動(dòng)力傳遞路線，此時(shí)機(jī)械式轉(zhuǎn)向方式無(wú)需帶電機(jī)轉(zhuǎn)向，既保證了安全，又不使轉(zhuǎn)向費(fèi)力。 4、電磁離合器 電動(dòng)式EPS中的電磁離合器主要起到安全保護(hù)的作用，當(dāng)EPS系統(tǒng)發(fā)生故障、助力電動(dòng)機(jī)工作電流過(guò)大等情況下，電磁離合器會(huì)及時(shí)切斷，汽車(chē)仍可以以傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行工作，以保證整個(gè)系統(tǒng)

24、和行車(chē)的安全。為了不使電動(dòng)機(jī)和電磁離合器的慣性映像轉(zhuǎn)向系的工作，離合器應(yīng)及時(shí)分離，以切斷輔助動(dòng)力。 5、電子控制單元（ECU） 電子控制單元（ECU）的功能是根據(jù)扭矩傳感器和車(chē)速傳感器的信號(hào)，進(jìn)行邏輯分析與計(jì)算，發(fā)出指令，控制電動(dòng)機(jī)和離合器的動(dòng)作。因此，控制系統(tǒng)和控制算法是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵之一?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)有強(qiáng)抗干擾能力，以適應(yīng)汽車(chē)多變的行駛環(huán)境，控制算法應(yīng)快速正確，滿足實(shí)時(shí)控制的要求，并能有效地實(shí)現(xiàn)理想的轉(zhuǎn)向助力。 2.1.4 EPS的關(guān)鍵技術(shù) EPS的關(guān)鍵技術(shù)既有硬件方面也有軟件方面，硬件是其骨架，軟件是靈魂。在硬件方面，高度可靠、價(jià)格便宜且精度又滿足要求的轉(zhuǎn)矩傳感器是一項(xiàng)關(guān)鍵

25、技術(shù)，因?yàn)樵谀壳半A段，轉(zhuǎn)矩傳感器在各種EPS中都是必須的，它不僅要在EPS正常工作時(shí)能準(zhǔn)確測(cè)量駕駛員施加的轉(zhuǎn)矩，而且在EPS失效時(shí)也不因?yàn)轳{駛員施加的轉(zhuǎn)矩增大而損壞；另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是提供助力的電動(dòng)機(jī)，因?yàn)樵诓煌闆r下轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度相差很大，電動(dòng)機(jī)要能夠?qū)崿F(xiàn)助力，其轉(zhuǎn)速范圍也要很大，響應(yīng)快，而且在堵轉(zhuǎn)時(shí)也要能夠提供助力作用，對(duì)于大型車(chē)輛，甚至要求電動(dòng)機(jī)能夠提供與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的主力轉(zhuǎn)矩。所以電動(dòng)機(jī)也是限制EPS在大型車(chē)輛上應(yīng)用的主要原因之一。因此在硬件的應(yīng)用層面上，EPS仍有一部分關(guān)鍵技術(shù)需要研究： （1）性能 通過(guò)EPS來(lái)降低轉(zhuǎn)向力，這與電機(jī)的尺寸，電機(jī)的電力以及減速比有關(guān)，而這些因素又涉

26、及其他領(lǐng)域，如：重量、成本、產(chǎn)生的熱量、電流消耗、慣性力及摩擦力等。因此EPS的設(shè)計(jì)不能僅考慮降低轉(zhuǎn)向力，應(yīng)進(jìn)一步考慮與整車(chē)性能如何協(xié)調(diào)的問(wèn)題。 （2）對(duì)轉(zhuǎn)向系的不良影響 減速齒輪、電機(jī)等使轉(zhuǎn)向系的慣性力及摩擦增大，從而影響轉(zhuǎn)向性能，有可能引起過(guò)多轉(zhuǎn)向或影響回正能力及阻尼特性，這些都是在設(shè)計(jì)控制策略時(shí)須認(rèn)真考慮的。 （3）轉(zhuǎn)向手感 當(dāng)一輛汽車(chē)僅帶有低速范圍助力裝置時(shí)，那么在兩個(gè)不同車(chē)速范圍內(nèi)，會(huì)有不同的轉(zhuǎn)向手感，即：帶助力和不帶助力兩種不同的手感。特別時(shí)，當(dāng)車(chē)速剛好是在助力裝置工作或脫離的狀態(tài)下，那轉(zhuǎn)向手感可能是非常微妙的，這些是在設(shè)計(jì)助力裝置時(shí)所必須考慮的問(wèn)題。 2.2 電動(dòng)助力

27、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)安裝位置的不同可以分為三類：齒條助力式、小齒輪助力式和轉(zhuǎn)向柱助力式。圖2-2為三類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的圖例。 圖2-2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型 齒條助力式EPS系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)安裝在齒條處，直接驅(qū)動(dòng)齒條提供助力，其中扭矩傳感器單獨(dú)地安裝在小齒輪處，電動(dòng)機(jī)與轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)一起安裝在小齒輪另一端的齒條處，用以給齒條助力。該類型又根據(jù)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同可分為兩種類型：一種是電動(dòng)機(jī)做成中空的，齒條從中穿過(guò)，電動(dòng)機(jī)提供的第二章電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)輔助力經(jīng)一對(duì)斜齒輪和螺桿螺母?jìng)鲃?dòng)副以及與螺母制成一體的鉸接塊傳給齒條。這種結(jié)構(gòu)是第一代電

28、動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由于電動(dòng)機(jī)位于齒條殼體內(nèi)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格比較高、維修也相當(dāng)困難。另一種是電動(dòng)機(jī)與齒條的殼體相互獨(dú)立。電動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)另一小齒輪傳給齒條，由于易于制造和維修，成本較低，已經(jīng)取代了第一代產(chǎn)品。因此，齒條由一個(gè)獨(dú)立的齒輪驅(qū)動(dòng)，可給系統(tǒng)較大的助力，主要用于重型汽車(chē)。小齒輪助力式EPS系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)與小齒輪相連，直接驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)向。小齒輪助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器、電動(dòng)機(jī)、離合器和轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)仍為一體，只要整體安裝在轉(zhuǎn)向齒輪處，直接給齒輪助力，可獲得較大的轉(zhuǎn)向力。該類型可使各部件布置更方便，但當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)與轉(zhuǎn)向器之間裝有萬(wàn)向傳動(dòng)裝置時(shí)，轉(zhuǎn)矩信號(hào)的取得與助力車(chē)輪部分不在同一直線上，其助力控制

29、特性難以保證準(zhǔn)確。轉(zhuǎn)向助力式EPS的電動(dòng)機(jī)固定在轉(zhuǎn)向柱一側(cè)，通過(guò)減速機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向。其轉(zhuǎn)矩傳感器、電動(dòng)機(jī)、離合器和轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)組成一體，安裝在轉(zhuǎn)向柱上。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、所測(cè)取的轉(zhuǎn)矩信號(hào)與控制直流電機(jī)助力的響應(yīng)性較好。這種類型一般在轎車(chē)上使用。目前合作的項(xiàng)目的最終應(yīng)用車(chē)型是輕型車(chē)，所以系統(tǒng)也是采用轉(zhuǎn)向柱助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 2.3 EPS的受力介紹 EPS系統(tǒng)所受的力主要有駕駛員作用在方向盤(pán)的操縱力、電動(dòng)機(jī)的助力矩和整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所受的阻力矩，駕駛員在轉(zhuǎn)向時(shí)作用在方向盤(pán)的操縱力同時(shí)在EPS系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)助力下，通過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)客服轉(zhuǎn)向阻力矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員作用

30、在方向盤(pán)的作用力以及電動(dòng)機(jī)作用的助力矩大小與汽車(chē)整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所受的阻力矩有關(guān)。 2.3.1 駕駛員的操縱力 在汽車(chē)曲線運(yùn)動(dòng)中，由駕駛員通過(guò)作用在方向盤(pán)的切向力對(duì)汽車(chē)進(jìn)行操縱。一般駕駛員都希望轉(zhuǎn)向時(shí)能操作輕便，在告訴時(shí)仍能保持穩(wěn)定，且具有良好的“路感”。因此駕駛員對(duì)汽車(chē)的操縱力分成兩種情況： ①改變汽車(chē)行駛方向時(shí)駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的切向力; ②保持汽車(chē)行駛方向不變（包括直線運(yùn)動(dòng)和固定某個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)）時(shí)駕駛員保持方向盤(pán)不動(dòng)的力。這種在車(chē)輪轉(zhuǎn)向角位置保持不變行車(chē)時(shí)，駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)的力稱為方向盤(pán)把持力。 2.3.2 EPS的阻力矩 按產(chǎn)生的來(lái)源不同，EPS的阻力矩大體上可分為

31、“繞主銷的阻力矩”和“轉(zhuǎn)向系的阻力矩”兩大部分組成。這些轉(zhuǎn)向阻力矩的各組成部分都隨轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角、車(chē)速、輪胎偏離角，轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和車(chē)輛側(cè)偏角變化而變化。 a)轉(zhuǎn)向系阻力矩主要包括“轉(zhuǎn)向系摩擦力矩”，“轉(zhuǎn)向系復(fù)原力矩”和“轉(zhuǎn)向系慣性力矩”三部分。“轉(zhuǎn)向系摩擦力矩”主要指轉(zhuǎn)向系的各部分之間的干摩擦阻力矩的總和?！稗D(zhuǎn)向系復(fù)原力矩”主要由轉(zhuǎn)向系內(nèi)回位彈簧、內(nèi)橡膠襯套等的彈性變形引起的回復(fù)力產(chǎn)生的。“轉(zhuǎn)向系慣性力矩”主要由轉(zhuǎn)向系內(nèi)各部分在運(yùn)動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速的變化所形成的。 b)“繞主銷的阻力矩”大部是由路面和輪胎間的轉(zhuǎn)矩形成的，它受有路面狀態(tài)、輪胎特性、車(chē)輪定位和負(fù)荷等的影響，隨著車(chē)速和轉(zhuǎn)

32、向輪偏離角的變化而變化。 通?！袄@主銷的阻力矩”按汽車(chē)不同的行車(chē)方式分成“原地轉(zhuǎn)向阻力矩”和“行車(chē)轉(zhuǎn)向阻力矩”兩種。原地轉(zhuǎn)向:指對(duì)靜止不動(dòng)的汽車(chē)進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，首先是輪胎發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，繼之以路面和路面之間發(fā)生滑移，稱這一情況所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向阻力矩為原地轉(zhuǎn)向阻力矩。行車(chē)轉(zhuǎn)向阻力矩指對(duì)行駛時(shí)的汽車(chē)進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的阻力矩。行車(chē)轉(zhuǎn)向比原地轉(zhuǎn)向車(chē)速增加了，接地面積滾動(dòng)成分增加，轉(zhuǎn)向阻力矩也突然減小。不過(guò)，車(chē)輛如以更高車(chē)速轉(zhuǎn)向行駛，將由于輪胎發(fā)生偏離形成自動(dòng)回正力矩，促使輪胎平面和輪胎行進(jìn)方向趨向一致。這樣行車(chē)轉(zhuǎn)向中所受轉(zhuǎn)向阻力矩就大致和原地轉(zhuǎn)向時(shí)相仿。高速行車(chē)中，由輪胎偏離角所引起的轉(zhuǎn)向阻力矩是隨主銷

33、后傾角增大而增大的。 因此影響“繞主銷的阻力矩”的因素有輪胎接地的單位面積壓力、接地面積、厚捺系數(shù)等。顯然，負(fù)荷愈大，輪胎氣壓愈低，原地轉(zhuǎn)向阻力矩也將愈大。同時(shí)輪胎和路面間的摩擦系數(shù)增大，原地轉(zhuǎn)向阻力矩也將增大。 2.3.3 EPS的助力矩 助力矩是由電動(dòng)機(jī)發(fā)出的實(shí)時(shí)力矩，其作用是提供主力，以提高駕駛員轉(zhuǎn)向時(shí)的操縱輕便姓。助力矩的大小由ECU控制，與方向盤(pán)轉(zhuǎn)向力矩和車(chē)速的大小有關(guān)。 2.4 EPS的助力特性介紹 助力特性是指助力隨汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀況（車(chē)速和轉(zhuǎn)向手盤(pán)力）變化而變化的規(guī)律。對(duì)于液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向，助力與液壓油壓力成正比，故一般用液壓油壓力與轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩（及車(chē)速）的變化關(guān)系曲線來(lái)

34、表示助力特性。對(duì)于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向，助力與直流電動(dòng)機(jī)的電流成正比，故可采用電流與轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩、車(chē)速的變化關(guān)系曲線來(lái)表示助力特性。理想的助力特性應(yīng)能充分協(xié)調(diào)好轉(zhuǎn)向輕便性與路感的關(guān)系，并提供給駕駛員與手動(dòng)轉(zhuǎn)向盡可能一致的、可控的轉(zhuǎn)向特性。在滿足轉(zhuǎn)向輕便性的條件下，如果路感強(qiáng)度在整個(gè)助力特性區(qū)域內(nèi)不變，則駕駛員就能容易地判定汽車(chē)行駛狀況的變化，預(yù)測(cè)出所需要的轉(zhuǎn)向操縱力矩的大小。 EPS的助力特性具有多種曲線形式，圖2-2為三種典型EPS助力特性曲線。圖中助力特性曲線可以分成三個(gè)區(qū)，0≤Td＜Td0區(qū)為無(wú)助力區(qū)，Td0≤Td＜Tdmax區(qū)為助力變化區(qū)，Td≥Tdmax區(qū)為助力不變區(qū)。 圖2-3 3

35、種典型的助力特性曲線形式 1、 直線型助力特性 圖2-3（a）為直線型助力特性，它的特點(diǎn)是在助力變化區(qū)，助力與轉(zhuǎn)向盤(pán)力 矩成線性關(guān)系。 2、 折線助力特性 圖2-3（b）所示為典型折線型助力特性，它的特點(diǎn)是在助力變化區(qū)，助力與 轉(zhuǎn)向盤(pán)力據(jù)成分段線性關(guān)系。 3、 曲線型助力特性 圖2-3（c）所示為典型曲線型助力特性，它的特點(diǎn)使在助力變化區(qū)，助力與 轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩成非線性關(guān)系。 比較上述三種助力特性曲線，直線型助力特性最簡(jiǎn)單，有利于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且在實(shí)際中調(diào)整容易；曲線型助力特性復(fù)雜，調(diào)整不方便；折線型助力特性則介于兩者之間。 助力特性對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能，包括輕便性

36、、回正性、路感等有重要影響。在傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向中助力特性主要由閥的結(jié)構(gòu)決定，調(diào)整困難，并且設(shè)計(jì)完成后助力特性也就確定了，不能隨車(chē)速變化。而EPS不同，助力特性曲線是其控制目標(biāo)，可以設(shè)計(jì)成車(chē)速感應(yīng)型特性曲線，并可方便進(jìn)行調(diào)節(jié)。針對(duì)EPS的特點(diǎn)，對(duì)助力特性曲線提出以下要求: 1.向盤(pán)輸入力矩小于某一特定值(通常為1Nm)時(shí)，助力矩為0,EPS不起作用。 2.盤(pán)輸入力矩較小的區(qū)域，助力部分的輸入應(yīng)較小，以保持較好的路感。 3.在轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入力矩較大的區(qū)域，為使轉(zhuǎn)向輕便，助力效果要明顯。 4.在轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入力矩達(dá)到駕駛員體力極限的區(qū)域時(shí)，應(yīng)盡可能發(fā)揮較大 的助力效果。

37、 5.隨著車(chē)速的增高，助力應(yīng)減小。 6.符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的最大操縱力要求 2.5 本章小結(jié) 通過(guò)對(duì)EPS的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，闡述了EPS的工作原理和關(guān)鍵部位以及關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行受力分析和助力特性的分析，得到了EPS的受力基本情況，為下一步的方案設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。 第3章 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的總體介紹 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的設(shè)計(jì)上包括兩大部分。其一是機(jī)械部分；其二是控制部分。本文主要介紹的是機(jī)械部分的設(shè)計(jì)。 所涉及的機(jī)械部分主要是有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)

38、據(jù)采集單元、傳動(dòng)單元和執(zhí)行單元。具體而言主要包括扭矩傳感器、車(chē)速傳感器、離合器、轉(zhuǎn)向柱總成以及伺服電機(jī)等。 3.1 電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的總體結(jié)構(gòu)方案 根據(jù)上章對(duì)EPS的工作原理和關(guān)鍵技術(shù)以及其受力和助力的分析，初步確定本文的EPS采用轉(zhuǎn)向軸助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方式，系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)，系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)與離合器、控制器、驅(qū)動(dòng)器、扭矩傳感器、減速機(jī)構(gòu)、防碰轉(zhuǎn)向管柱總成、轉(zhuǎn)向中間軸總成等組成(見(jiàn)圖3-1)。EPS系統(tǒng)采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)減速器，離合器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)一體化制造，裝在減速機(jī)構(gòu)一側(cè)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，離合器將自動(dòng)分離。為了獲得良好的動(dòng)態(tài)特性，蝸輪采用樹(shù)脂材料制造。 圖3-1 EPS系統(tǒng)總體

39、結(jié)構(gòu) 3.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成部件的設(shè)計(jì)選取 3.2.1 EPS的傳感器 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制決策的執(zhí)行主要取決于車(chē)速傳感器信號(hào)和扭矩傳感器信號(hào)，它們是整個(gè)EPS控制系統(tǒng)的神經(jīng)末梢，其性能的優(yōu)劣、壽命的長(zhǎng)短，直接影響著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部分的控制和監(jiān)測(cè)質(zhì)量，影響著控制策略的效果，所以各國(guó)對(duì)它們的研究與開(kāi)發(fā)都非常重視。 一般來(lái)講傳感器的選用與以下幾個(gè)方面密切相關(guān)：a、控制方面的要求：涉及測(cè)定的目的、測(cè)量的對(duì)象、測(cè)量的范圍以及精度要求等；b、傳感器的性質(zhì)：包括精度等級(jí)、穩(wěn)定性、對(duì)象的特性影響等；c、使用條件：主要涉及應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境因素；d、供求水平和維護(hù)：也即經(jīng)濟(jì)性和良好的維護(hù)性。作為電動(dòng)

40、助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的傳感器當(dāng)然也需要滿足以上的要求，同時(shí)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作環(huán)境的多變性、路況的相對(duì)惡劣性、以及來(lái)自電動(dòng)機(jī)、功率驅(qū)動(dòng)電路的電磁干擾比較大、考慮到人身安全要求的高可靠性等，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也有其自身的特殊要求。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1、有較好的環(huán)境適應(yīng)性。因?yàn)槠?chē)工作環(huán)境溫度變化范圍較寬（-40℃~80℃）,道路表面質(zhì)量相差很大；2、批量生產(chǎn)，并具有互換性；3、高可靠性，穩(wěn)定性好；4、盡可能小型、輕量，便于安裝。5、抗電磁干擾能力強(qiáng)；6、性能：精度高、響應(yīng)快，從而滿足電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向?qū)?shí)時(shí)性的要求。以上這些要求是選擇合適的傳感器的基本原則。 1、扭矩傳感器 扭矩傳感器的功能是測(cè)量

41、作用于轉(zhuǎn)向盤(pán)的力矩的大小和方向。扭矩傳感器信號(hào)是EPS最重要的輸入控制信號(hào)，扭矩傳感器要求精確可靠、抗干擾能力強(qiáng)。而電位式扭矩傳感器由于其原理簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 2、車(chē)速傳感器 這種傳感器是利用電磁感應(yīng)的原理設(shè)計(jì)而成，是一種非接觸式的傳感器。在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中起作用是把車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送入電子控制單元。而霍爾傳感器不僅滿足了EPS系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性的要求，而且性價(jià)比也不高，是目前車(chē)速傳感器里面比較理想的一種。 3.2.2 電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)控制指令執(zhí)行功能。服電動(dòng)機(jī)的選擇直接關(guān)

42、系到系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)和控制效果?？紤]到汽車(chē)電控系統(tǒng)的電源等方面的因素，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電機(jī)考慮采用直流電機(jī)。 伺服控制系統(tǒng)中使用的直流電動(dòng)機(jī)和一般動(dòng)力用的直流電動(dòng)機(jī)在工作原理上是完全相同的，但是各自的功能和作用不同，因此他們的工作狀態(tài)和工作性能差別很大。在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)需要根據(jù)指令信號(hào)而改變。根據(jù)電動(dòng)機(jī)在助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的作用和特點(diǎn)，系統(tǒng)對(duì)它的性能提出了下列要求： （1）盡可能高的響應(yīng)頻率，亦即盡可能減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，增大轉(zhuǎn)矩－慣量比。 （2）良好的低速平穩(wěn)性。 （3）盡可能寬的調(diào)速范圍。 （4）機(jī)械特性的硬度的數(shù)值盡可能大。 （5）換向器和電刷間的接觸火花盡可

43、能小，以減小伺服噪聲。 （6）過(guò)載能力強(qiáng)。 永磁電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng)由永久磁鋼產(chǎn)生，無(wú)須外加勵(lì)磁線圈，從而省去勵(lì)磁電路，與電磁式電動(dòng)機(jī)相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小，重量輕。而且永久磁鋼產(chǎn)生的磁場(chǎng)可認(rèn)為恒定，在控制方案中視為常數(shù)，從而簡(jiǎn)化了控制方案的設(shè)計(jì)。此外，其穩(wěn)定性能和可靠性能超過(guò)了電磁式電動(dòng)機(jī)，EPS系統(tǒng)屬于中小功率范圍，永磁式電動(dòng)機(jī)可提供足夠的功率，因此系統(tǒng)采用永磁式電動(dòng)機(jī)。永磁式電動(dòng)機(jī)有直流伺服電動(dòng)機(jī)、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和直流力矩電動(dòng)機(jī)三種選擇方案，直流伺服電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍廣，機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，控制系統(tǒng)和控制方案簡(jiǎn)單。但是直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是帶鐵心的，加之鐵心有齒槽，如果電

44、動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，機(jī)電時(shí)間常數(shù)較大，靈敏度較差；轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，低速運(yùn)轉(zhuǎn)不夠平穩(wěn)；電動(dòng)機(jī)換向時(shí)易產(chǎn)生火花，不夠安全，并影響電動(dòng)機(jī)的壽命。電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)做了特殊處理之后，可以保證轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低，電動(dòng)機(jī)采取全封閉的形式從而去除了因換向火花帶來(lái)的不良影響。由于直流伺服電動(dòng)機(jī)有電刷和換向器，其間形成的滑動(dòng)機(jī)械接觸影響了電動(dòng)機(jī)的精度、性能和可靠性所產(chǎn)生的電火花不夠安全，因此有的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)既有直流電動(dòng)機(jī)的特性，又有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是把電子技術(shù)融入電機(jī)領(lǐng)域，將電子線路和電機(jī)融為一體的產(chǎn)物。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是由電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位

45、置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線路三部分組成。直流電源通過(guò)開(kāi)關(guān)電路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，位置傳感器隨時(shí)檢測(cè)到轉(zhuǎn)子所處的位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而控制哪些繞組通電，哪些繞組斷電，實(shí)現(xiàn)了電子換向。其中轉(zhuǎn)子是由永磁材料制造，具有一定磁極對(duì)數(shù)的永磁體無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是采用電子換向開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行換向，它既具有直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu).又具有交流電動(dòng)機(jī)的沒(méi)有換向器和電樞、維護(hù)方便、無(wú)火花、無(wú)電磁干擾、能在惡劣環(huán)境下工作的諸多優(yōu)點(diǎn)，但無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的價(jià)格較高，且控制系統(tǒng)和控制方案復(fù)雜。直流力矩電動(dòng)機(jī)的工作原理和普通的直流伺服電動(dòng)機(jī)相同。只是在結(jié)構(gòu)和外形尺寸的比例有所不同。直流力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)上采用扁平電樞，

46、可增加電樞槽數(shù)、元件數(shù)和換向器片數(shù)，而且適當(dāng)加大電機(jī)氣隙，所以力矩波動(dòng)小，從而保證了低速下能夠穩(wěn)定運(yùn)行。直流力矩電機(jī)由于結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，因此其機(jī)械特性和調(diào)節(jié)的線性度好。直流力矩電機(jī)的電磁時(shí)間常數(shù)小，電機(jī)響應(yīng)迅速，動(dòng)態(tài)特性好。直流力矩電動(dòng)機(jī)雖具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格比較高。從價(jià)格、性能、控制的復(fù)雜度、開(kāi)發(fā)周期以及現(xiàn)今國(guó)內(nèi)電機(jī)制造水平等方面進(jìn)行綜合權(quán)衡，所設(shè)計(jì)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最終選擇了直流伺服電動(dòng)機(jī)。伺服電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率，應(yīng)能滿負(fù)載運(yùn)動(dòng)要求控制特性應(yīng)能保證所需的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩變化范圍。 3.2.3 減速機(jī)構(gòu) 減速機(jī)構(gòu)的作用是降低電動(dòng)機(jī)的輸出軸的轉(zhuǎn)速，從而將電動(dòng)機(jī)輸出軸的輸出轉(zhuǎn)矩放大后作

47、用于轉(zhuǎn)向輸出軸。減速機(jī)構(gòu)主要有兩種形式：雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)和蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)。如圖3-2示： 圖3-2 減速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖 雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)采用了雙行星齒輪和傳動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)組合式。因?yàn)槭嵌嗉?jí)減速，可提供較大的助力扭矩。為了降低噪聲和提高使用壽命，減速機(jī)構(gòu)部分采用樹(shù)脂材料齒輪。雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)因?yàn)榭商峁┹^大的助力，通常用在小齒輪助力式和齒條助力式系統(tǒng)。蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，噪聲低，成本較雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)低。 3.3 EPS助力傳動(dòng)方案的分析比較與優(yōu)化 開(kāi)發(fā)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的根本目的是減少駕駛員在對(duì)汽車(chē)進(jìn)行轉(zhuǎn)向操縱時(shí)的體力消耗，而轉(zhuǎn)向體力消

48、耗主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)向功的大小上。因此，如何減小轉(zhuǎn)向功就成了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要研究目的?？紤]到轉(zhuǎn)向功是轉(zhuǎn)向力和轉(zhuǎn)向角之積，因此，減小轉(zhuǎn)向功就可分為兩種主要途徑：一是減小轉(zhuǎn)向力；二是減小轉(zhuǎn)向角。前者的原理即通過(guò)提供一個(gè)轉(zhuǎn)向助力，來(lái)直接減小轉(zhuǎn)向力，代表性的方案就是蝸輪蝸桿助力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案；后者的原理是通過(guò)提供另外一個(gè)運(yùn)動(dòng)，此運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)合成后可減小轉(zhuǎn)向角度，代表性的方案即差動(dòng)輪系助位移機(jī)構(gòu)方案。從廣義上來(lái)說(shuō)，后者可稱為另一種方式的助“力”傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案。下面詳述兩種助力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的原理與特點(diǎn)。 3.3.1方案的對(duì)比 方案1、蝸輪蝸桿助力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案； 這種方案由電動(dòng)機(jī)、電磁離合器、車(chē)速和扭矩

49、傳感器、一套蝸輪蝸桿助力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和電子控制單元組成，原理圖見(jiàn)圖3-3： 圖3-3 蝸輪蝸桿助力結(jié)構(gòu)示意圖 電動(dòng)機(jī)提供的轉(zhuǎn)向助力通過(guò)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)放大作用于轉(zhuǎn)向柱，輔助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向動(dòng)作。在車(chē)輛高速行駛不需要助力或在助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，為了增加轉(zhuǎn)向的可靠性，在電動(dòng)機(jī)與助力機(jī)構(gòu)之間采用了電磁離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分離。由于電磁離合器的吸合和分離需要一定時(shí)間，必然造成轉(zhuǎn)向的滯后與超調(diào)。例如在一定車(chē)速下，當(dāng)轉(zhuǎn)向手力大于某個(gè)給定值時(shí)，控制器根據(jù)扭矩傳感器檢測(cè)出的轉(zhuǎn)向力和車(chē)速傳感器測(cè)試的車(chē)速確定一個(gè)參考電壓值，它通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)H橋的PWM波形的占空比來(lái)提供

50、一定的電動(dòng)機(jī)端電壓，同時(shí)命令電磁離合器吸合。從而電動(dòng)機(jī)開(kāi)始提供助力，但電磁離合器并不是立即吸合，而是逐步吸合的，在吸合的時(shí)間內(nèi)它使得助力機(jī)構(gòu)提供的助力滯后，這樣通過(guò)扭矩傳感器反饋回來(lái)的手力信號(hào)仍然較大，這必然使得電動(dòng)機(jī)的端電壓繼續(xù)保持較大，這種情況一直持續(xù)到離合器吸合為止；同樣當(dāng)轉(zhuǎn)向手力下降到某個(gè)設(shè)定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止助力，但離合器不能馬上分開(kāi)，在離合器分離的時(shí)間內(nèi)，駕駛員必須額外多付出一些體力來(lái)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 方案2、差動(dòng)輪系助力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案； 這種方案它有兩種結(jié)構(gòu)，即NGW型圓柱齒輪助力機(jī)構(gòu)（圖3-4(a)）和錐齒輪助力機(jī)構(gòu)（圖3-4(b)）。 圖3-4（a）

51、NGW圓柱齒輪差動(dòng)輪系助力機(jī)構(gòu) 圖3-4（b）錐齒輪差動(dòng)輪系助力機(jī)構(gòu) 它由電動(dòng)機(jī)、車(chē)速和轉(zhuǎn)角傳感器、一套蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)和一套差動(dòng)輪系機(jī)構(gòu)、電子控制單元組成。轉(zhuǎn)向輸入軸與差動(dòng)輪系的中心輪連在一起，電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)一級(jí)蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)齒圈運(yùn)動(dòng)，合成的運(yùn)動(dòng)由行星架輸出。其工作原理是根據(jù)車(chē)速和手動(dòng)轉(zhuǎn)向角度，電子控制單元按照事先確定的控制規(guī)律使得電動(dòng)機(jī)提供一個(gè)與手動(dòng)轉(zhuǎn)向同方向的輔助轉(zhuǎn)角并利用差動(dòng)輪系的運(yùn)動(dòng)合成得到前輪轉(zhuǎn)向角度，這間接地減小了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比而減小了手動(dòng)轉(zhuǎn)向角度，從而減少了駕駛員消耗的轉(zhuǎn)向功。在電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)即手動(dòng)轉(zhuǎn)向條件下，由于蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成反向自鎖，故齒圈固定，轉(zhuǎn)向動(dòng)作通過(guò)

52、行星架減速輸出。這種助位移傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的最大特點(diǎn)是不需要電磁離合器，故也不存在方案1中的滯后和超調(diào)效應(yīng)，而且不會(huì)造成手力的突變。但差動(dòng)輪系機(jī)構(gòu)方案是由一套蝸桿機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)和一套差動(dòng)輪系機(jī)構(gòu)組成，其效率要比只有蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的方案1低，并且其體積比方案1大。 3.3.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)性能比較 上述兩種助力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案哪一種更好，或者更適用于何種場(chǎng)合，必須從分析它們對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的影響入手。衡量轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)有轉(zhuǎn)向靈敏性、轉(zhuǎn)向手感。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向靈敏性取決于輔助轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)和手動(dòng)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，而轉(zhuǎn)向手感取決于輔助轉(zhuǎn)向和手動(dòng)轉(zhuǎn)向之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，因此對(duì)這兩種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案之間的運(yùn)

53、動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析比較，對(duì)在各種類型車(chē)輛的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)中如何確定輔助轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的方案就顯得十分重要。 1、 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析比較 (1) 蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)方案的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系較簡(jiǎn)單，電動(dòng)機(jī)輸出軸角速度必須滿足 式（3.1）其中θm,θe分別是電動(dòng)機(jī)與轉(zhuǎn)向盤(pán)角速度，N是助力機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比。 θm=Nθe (3.1） 從式（3.1）可知，電動(dòng)機(jī)的角速度即蝸桿的角速度必須是轉(zhuǎn)向柱角速度的N倍，這種方案下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速必須與手動(dòng)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速匹配，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)只有一個(gè)自由度。當(dāng)不助力時(shí)，電磁離合器脫開(kāi)，直接依靠手轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向。顯然，這

54、種方案下電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比不可變，故轉(zhuǎn)向靈敏性不可調(diào)，并且它的傳動(dòng)比與手動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)的一致，即助力機(jī)構(gòu)的增加并不改變手動(dòng)轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向靈敏性。 (2) 差動(dòng)輪系設(shè)其中心輪的轉(zhuǎn)速、齒圈的轉(zhuǎn)速、行星架的轉(zhuǎn)速,前輪等效到轉(zhuǎn)向柱的轉(zhuǎn)向速度為手動(dòng)轉(zhuǎn)向速度和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的合成，顯然這種方案具有兩個(gè)自由度。當(dāng)手動(dòng)轉(zhuǎn)向規(guī)律確定而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，合成后得到的前輪轉(zhuǎn)向速度也隨之改變，因此可以通過(guò)獨(dú)立地調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)獲得不同的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比，從而這種方案下的轉(zhuǎn)向靈敏性是可調(diào)。在純手動(dòng)轉(zhuǎn)向即電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，蝸輪蝸桿自鎖導(dǎo)致齒圈固定。 由于差動(dòng)輪系的減速作用，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)即手動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)此方案下的傳動(dòng)比比方案1大了Z3/

55、Z1倍，使得手動(dòng)轉(zhuǎn)向靈敏性下降，這對(duì)車(chē)輛高速行駛下操縱的安全性是很不利的，這可以通過(guò)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速來(lái)解決。但這要求在車(chē)輛高速行駛時(shí)，電動(dòng)機(jī)必須持續(xù)工作，因此其能耗必然大于方案1。 2、 動(dòng)力學(xué)分析比較 （1）對(duì)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)方案進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，由于只考慮轉(zhuǎn)向手感的比較，故可忽略一些次要的因素如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度，其中，Th，Ta，Tr分別是手力、電動(dòng)機(jī)助力和轉(zhuǎn)向阻力，J，b分別是整個(gè)手動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘性摩擦系數(shù)。為得到電動(dòng)機(jī)助力表達(dá)式，首先應(yīng)分析電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，其次再分析電磁離合器的動(dòng)態(tài)特性。但根據(jù)所查閱的國(guó)外文獻(xiàn)來(lái)說(shuō)，都沒(méi)有考慮過(guò)電磁離合器的動(dòng)態(tài)特性。 （2）對(duì)于差動(dòng)輪系把方向

56、盤(pán)、轉(zhuǎn)向柱和差動(dòng)輪系的中心輪作為一個(gè)整體，前輪和行星架作為一個(gè)整體，再把前輪的轉(zhuǎn)向阻力和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等效到轉(zhuǎn)向柱以便對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，電動(dòng)機(jī)提供的助力必須克服2倍的轉(zhuǎn)向阻力，才能改變其自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)即角速度和角加速度，進(jìn)而才能對(duì)手力產(chǎn)生影響，而這種影響在較小的情況下并不是很顯著。并且總有一部分轉(zhuǎn)向阻力按照固定的比例分配到手力上，所以這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案下車(chē)輛以任何車(chē)速行駛時(shí)都能確保轉(zhuǎn)向手力的存在即轉(zhuǎn)向手感的存在。而蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)方案若某個(gè)車(chē)速下的助力增益過(guò)大且手力設(shè)定值太小，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)向手力過(guò)小，從而導(dǎo)致失去轉(zhuǎn)向手感。差動(dòng)輪系機(jī)構(gòu)方案雖然可確保轉(zhuǎn)向手感的存在，但從另一方面分析，它不能顯著地減少轉(zhuǎn)向手力，

57、因此這種方案只能是助位移而不是助力，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角應(yīng)隨車(chē)速變化按照一定規(guī)律跟蹤手動(dòng)轉(zhuǎn)向角度，其中K是助轉(zhuǎn)角增益，隨車(chē)速而變化，以獲得最佳的轉(zhuǎn)向特性。 從上述討論可以知道，這兩種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案各有利弊。蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，噪聲低，成本較星齒輪減速機(jī)構(gòu)低。其提供的助力雖不及星齒輪減速機(jī)構(gòu)，但已能滿足轎車(chē)的助力要求，因此，蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)通常用在轉(zhuǎn)向柱助力式的轎車(chē)轉(zhuǎn)向。 3.4 本章小結(jié) 本章從總體上對(duì)EPS的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，探討了電動(dòng)助

58、力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）對(duì)傳感器、電動(dòng)機(jī)、離合器及其傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)的基本要求，在以往設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的某些部件進(jìn)行了調(diào)整與改進(jìn)，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)行了具體的選型，并對(duì)兩種助力傳動(dòng)方案進(jìn)行了優(yōu)化比較，得出一些有用的結(jié)論 第4章 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）關(guān)鍵部件的介紹 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的減速結(jié)構(gòu)是該系統(tǒng)不可缺少重要組成部分，其減速機(jī)構(gòu)把電動(dòng)機(jī)的輸出，經(jīng)過(guò)減速增扭傳遞到動(dòng)力輔助單元，實(shí)現(xiàn)助力。因此，減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是EPS系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前常用的減速機(jī)構(gòu)有多種結(jié)構(gòu)形式，主要分為蝸輪蝸桿式、行星齒輪式等(詳見(jiàn)第三章)。經(jīng)過(guò)分析討論，

59、根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備，我們選用了蝸輪蝸桿式減速機(jī)構(gòu)。本章對(duì)該機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了參數(shù)選擇或設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。 采用蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖4-1)，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有如下兩大優(yōu)點(diǎn): (一)實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比。在動(dòng)力傳動(dòng)中，一般傳動(dòng)比1=S一80;在分度機(jī)構(gòu)或手動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)中，傳動(dòng)比可達(dá)300;若只傳遞運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)比可達(dá)1000。由于傳動(dòng)比大，零件數(shù)目又少，因而結(jié)構(gòu)很緊湊。 (二)在蝸桿傳動(dòng)中，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和蝸輪是逐漸進(jìn)入嚙合逐漸退出嚙合的，同時(shí)嚙合的齒對(duì)數(shù)較多，故沖擊載荷小，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低。 圖4-1 蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)圖 4.1 轉(zhuǎn)向

60、軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 在計(jì)算的時(shí)候，我們先進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的參數(shù)選擇，根據(jù)第三章的對(duì)電動(dòng)機(jī)的分析研究 以及常用車(chē)型和方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩的范圍和EPS系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的要求，選擇電動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)，如圖4-2所示: 電動(dòng)機(jī)類型:無(wú)刷永磁式直流電動(dòng)機(jī) 額定電壓(V) 12; 額定扭矩（N .m ) 1.76; 額定電流(A) 30; 額定轉(zhuǎn)速(r/min ) 1210; 圖4-2 無(wú)刷永磁式直流電動(dòng)機(jī) 采用蝸輪蝸桿組合方式的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如4-2所示，轉(zhuǎn)向軸的計(jì)算

61、通常都是在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后進(jìn)行校核計(jì)算，計(jì)算準(zhǔn)則是滿足轉(zhuǎn)向軸的強(qiáng)度或剛度要求，必要時(shí)還應(yīng)校核軸的振動(dòng)穩(wěn)定性。對(duì)于轉(zhuǎn)向器，其轉(zhuǎn)向軸承受的主要是來(lái)自方向盤(pán)的轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩，故只需要進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算即可。 圖4-3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向組成系統(tǒng)框圖 進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的計(jì)算方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力。對(duì)于僅僅(或主要)承載扭矩的軸(傳動(dòng)軸)，應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算;對(duì)于只承受彎矩的軸(心軸)，應(yīng)按彎曲強(qiáng)度條件計(jì)算；對(duì)于既承受彎矩又承

62、受扭矩的軸(轉(zhuǎn)軸)，應(yīng)按彎扭合成條件進(jìn)行計(jì)算，需要時(shí)還應(yīng)按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核。此外，對(duì)于瞬時(shí)過(guò)載很大或應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱較為嚴(yán)重的軸，還應(yīng)按峰值載荷校核其靜強(qiáng)度，以免產(chǎn)生過(guò)量的塑性變形。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向軸主要是進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)作用，只需按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算即可。 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算，根據(jù)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，僅進(jìn)行扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算就可以了。如果還有不大的彎矩時(shí)，則用降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的辦法予以考慮。轉(zhuǎn)向軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常用這種方法初步估算軸徑。對(duì)于不大重要的軸，也可以作為最后計(jì)算結(jié)果。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為： 式中: τT—扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為Mpa； T—軸所受的扭矩。單

63、位為Nmm ； WT—軸的抗扭截面系數(shù)，單位為mm3 ； N—軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min ； P—軸傳遞的功率，單位為kW ； d—計(jì)算截面處軸的直徑，單位為mm； [τT]—許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。單位為Mpa。 由上式可得軸的直徑 通常取β=0.5～0.6。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)截面上開(kāi)有鍵槽時(shí)，鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度有影響，應(yīng)增大軸徑。當(dāng)直徑d > 100 mm，加工一個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑應(yīng)增大3%；加工兩個(gè)鍵槽時(shí)，應(yīng)增大7%。對(duì)于直徑d≤100 mm，加工一個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑應(yīng)增大5%～7%，加工兩個(gè)鍵槽時(shí)，應(yīng)增大10%一15%。然后將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑。應(yīng)當(dāng)注

64、意，這樣求出的直徑，只能作為承受扭矩作用的軸端的最小直徑d。 4.2 普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)以及幾何尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算 為了抑制噪聲和提高耐久性，減速機(jī)構(gòu)中的齒輪有的采用特殊齒形，有的采用樹(shù)脂材料制成。如圖4-4所示，在中間平面上，普通圓柱蝸桿傳動(dòng)就相當(dāng)于齒條與齒輪的嚙合傳動(dòng)。故在設(shè)計(jì)蝸桿傳動(dòng)時(shí)，均取中間平面上的參數(shù)(如模數(shù)，壓力角等)和尺寸(如齒頂圓、分度圓等)為基準(zhǔn)，并沿用齒輪傳動(dòng)的計(jì)算關(guān)系。 普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)及其選擇:普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)有模數(shù)m、壓力角a、蝸桿頭數(shù)Z1、蝸桿齒數(shù)Z2及蝸桿的直徑d1等。進(jìn)行蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)時(shí)，首先要正確地選擇參數(shù)。 4.2.1 按齒

65、面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 在閉式傳動(dòng)中，蝸桿副多因齒面膠合或點(diǎn)蝕而失效，因此根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。 傳動(dòng)中心距 1）確定作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩T2 按Z1=1,估取效率η=0.8，則T2=T10.8=1408Nmm 2）確定載荷系數(shù)K 因工作載荷較穩(wěn)定，所以選取齒向載荷分布系數(shù)Kβ=1；由下表選取使用系 數(shù)Ka=1.15；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載系數(shù)Kv=1.05；則 表3-1蝸桿傳動(dòng)使用系數(shù)蝸桿傳動(dòng)使用系數(shù)KA 原動(dòng)機(jī) 工作機(jī) 載荷均勻 中等沖擊

66、載荷 嚴(yán)重沖擊載荷 電動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī) 0.8～1.25 0.9～1.5 1.0～1.75 多剛內(nèi)燃機(jī) 0.9～1.5 1.0～1.75 1.25～2.0 單缸內(nèi)燃機(jī) 1.0～1.75 1.25～2.0 1.5～2.25 注：小值用于每天偶爾工作，大值用于長(zhǎng)期連續(xù)工作。 3）確定彈性影響系數(shù)ZE 因選用的是鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，故ZE =160MPa1/2 4)確定接觸系數(shù)Zρ 先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d，和傳動(dòng)中心距a的比值d1/a=0.35，則可查得Zρ=3.0 5）確定許用接觸應(yīng)力[σ]H 根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZcuSn10P1，金屬模鑄造，蝸桿硬度>45HRC可從下表中查得蝸輪的基本許用應(yīng)力[σ]H=268MPa 表3-2各種鑄件的基本許用接觸應(yīng)力值 渦輪材料 鑄造方法 蝸桿螺旋面的硬度 ≤45HRC ＞45HRC 鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1 砂模鑄造 150 180 金屬模鑄造 220 268 鑄錫鉛鋅青銅 ZCuSn5Pb5Zn5 砂模鑄造 113 135 金屬模鑄造 128