電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(EPS)

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電動助力轉(zhuǎn)向更能做到能量高效，環(huán)境相容。它消耗的能量約為傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的二十分之一，并且，它不含任何油，不論是生產(chǎn)還是報廢它都不污染環(huán)境。因此，這激發(fā)了越來越多地車輛裝備EPS。電動助力轉(zhuǎn)向(EPAS，electric power-assisted steering)是汽車動力轉(zhuǎn)向的新技術(shù)與新結(jié)構(gòu)，近年來在國內(nèi)外轎車上的應用逐漸增多。EPAS的成功開發(fā)必須進行大量的實車試驗，將系統(tǒng)的性能調(diào)整到最佳的工作狀態(tài)。實車試驗需要消耗大量的財力、人力和物力，如果在實車試驗之前進行必要的臺架試驗，為后續(xù)實車試驗獲得某些基本參數(shù)和算法，是非常有益的。通過臺架試驗研究可以探索電動機的助力規(guī)律，檢驗助力控制程序的運行效果，分析EPS對汽車轉(zhuǎn)向輕便性的影響。同時也可以降低直接裝車進行路試的危險性和研究成本。 文 獻 綜 述 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最早應用在日本的微型轎車上，歐、美等國的汽車公司對EPS的開發(fā)研究比日本晚10年時間，但開發(fā)的力度比較大，目前，一些公司己經(jīng)研發(fā)并將EPS作為其轎車的標準裝備[1]。 在國內(nèi)，隨著2000年昌河北斗星廂式車安裝進口電動助力轉(zhuǎn)向器，汽車轉(zhuǎn)向器歷史上掀開了新的一頁。由于國內(nèi)的EPS起步比較晚，目前正處于技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的初期[2]。EPS以它的一系列優(yōu)點以及它不斷擴大的市場吸引了國內(nèi)越來越多的專家、學者以及有關(guān)企業(yè)的關(guān)注，在2005年12月的上海零部件展上，18家國內(nèi)有成就的EPS相關(guān)企業(yè)聯(lián)合展出，組織了電動轉(zhuǎn)向聯(lián)合展臺。2005年國內(nèi)電動助力轉(zhuǎn)向器裝車己達6萬臺(4個廠家)，預計2006年將達到12萬臺(廠家將達到8~10家)。國內(nèi)生產(chǎn)的昌河北斗星、上海大眾途安、廣州本田飛度、吉利豪情等轎車上已經(jīng)安裝了EPS系統(tǒng)。國內(nèi)很多高校(如吉林大學、清華大學、江蘇大學等)也在這方面做了一系列的研究工作，在實驗室臺架試驗上取得了一些進展，但是在試驗車上轉(zhuǎn)向的效果有待改進，如轉(zhuǎn)向盤抖振、噪聲大、左右轉(zhuǎn)向不對稱等。在產(chǎn)業(yè)化方面，整車企業(yè)在電控技術(shù)及EPS的行業(yè)標準方面存在滯后性[3][4]。 EPS試驗臺搭建的必要性：電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)系到汽車的舒適性、安全性和可靠性，在開發(fā)前進行大量的實車試驗，將系統(tǒng)性能調(diào)整到最佳工作狀態(tài)是開發(fā)的必要要求。然而，在實車試驗中需要消耗大量的人力、物力和財力，為了在實車試驗前盡量的完善系統(tǒng)軟件、硬件設(shè)計，以減少設(shè)計中的某些不足導致實車試驗的失敗，在實車試驗之前的臺架試驗是非常必要的。 電動助力轉(zhuǎn)向試驗臺可以通過模擬轉(zhuǎn)向的實際工況向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)向阻力，并通過臺架中的傳感器收集相關(guān)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用來研究系統(tǒng)的控制方法和參數(shù)，特別是轉(zhuǎn)矩傳感器的工作特性、直流電機轉(zhuǎn)矩的控制等。也可以用來初步研究EPS系統(tǒng)助力控制規(guī)律，確定助力控制規(guī)律將如何滿足駕駛員對汽車轉(zhuǎn)向輕便性的要求。還可以研究EPS系統(tǒng)的工作特性，深入了解EPS系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、功能，以及為EPS系統(tǒng)的仿真研究提供實際試驗數(shù)據(jù)，以便驗證仿真模型。這些研究內(nèi)容都是電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的基本問題，能為將來的實車試驗提供必要的數(shù)據(jù)準備，是電動助力轉(zhuǎn)向產(chǎn)品化開發(fā)設(shè)計的前提和基礎(chǔ)。 在試驗臺設(shè)計時有以下三點要求： (1)EPS系統(tǒng)試驗臺雖不同于實車上的EPS系統(tǒng)，但可用來研究系統(tǒng)的一些性能和控制算法，為實車試驗所需的一些數(shù)據(jù)做準備。 (2)由于EPS系統(tǒng)與車輛的其他系統(tǒng)密切相關(guān)，且與行車環(huán)境等因素緊密聯(lián)系，所以，為了使臺架試驗數(shù)據(jù)比較真實、準確地反映實際情況，試驗結(jié)果有說服力，設(shè)計的試驗臺能夠更好的為系統(tǒng)的開發(fā)和研究提供幫助，臺架設(shè)計時，一定要盡可能的模擬出汽車行駛時的實際情況。 (3)所設(shè)計的試驗臺要在滿足臺架最基本功能的基礎(chǔ)上，考慮投資成本問題，在選擇部件時盡可能選擇成本較低、性能適中的部件。 設(shè)計試驗臺的目的是要驗證仿真模擬中的一些設(shè)計數(shù)據(jù)，本文中所設(shè)計的試驗臺主要是結(jié)構(gòu)設(shè)計。 在試驗臺的研究方面，國內(nèi)外研制試驗臺的目的基本上都是滿足產(chǎn)品質(zhì)量檢測的需要，并開發(fā)出了形式各異、種類繁多的試驗臺架。國外的幾家著名汽車零部件公司，如博世(BOSCH)、采埃孚(ZP)等，其開發(fā)的試驗臺在結(jié)構(gòu)和測試方面并重。其在結(jié)構(gòu)設(shè)計上充分考慮現(xiàn)場操作的實際情況，從人機工程學角度出發(fā)引導試驗臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計；當然，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點仍然是試驗臺結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性，同時還兼顧到臺架的美觀性[5]。 文獻綜述 EPS試驗臺的基本功能主要包括以下幾個方面： (1) 模擬出汽車在各種路況下行駛時產(chǎn)生對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的阻力。 (2) 能模擬出汽車在不同車速下提供給控制系統(tǒng)的車速信號。 (3) 能夠顯示出汽車方向盤產(chǎn)生的助力扭矩。 (4) 能夠模擬出發(fā)動機信號和點火信號。 (5) 提供人機交互界面，進行計算機后臺數(shù)據(jù)處理[6]。 通過網(wǎng)上的查找，發(fā)現(xiàn)一些有關(guān)電動助力轉(zhuǎn)向試驗臺的研究，如：一汽集團的電動助力轉(zhuǎn)向試驗臺，其裝置包括有EPS系統(tǒng)總成、檢測系統(tǒng)，其特征是：它還包括有加載機構(gòu)、測試裝置控制系統(tǒng)，EPS系統(tǒng)總成還包括右轉(zhuǎn)向前輪總成，右轉(zhuǎn)向前輪總成由轉(zhuǎn)向控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)臂和前輪組成，轉(zhuǎn)向控制臂和轉(zhuǎn)向節(jié)臂與前輪連接，轉(zhuǎn)向節(jié)臂的另一端和轉(zhuǎn)向橫拉桿連接，加載機構(gòu)一部分與轉(zhuǎn)向齒條聯(lián)結(jié)，另一部分與轉(zhuǎn)向控制臂聯(lián)結(jié)，測試裝置控制系統(tǒng)與EPS系統(tǒng)總成、加載機構(gòu)電連接。電動助力轉(zhuǎn)向試驗臺轉(zhuǎn)向阻力模擬精度高、控制系統(tǒng)實時性好、能提供實時的車輛動力學仿真環(huán)境[7]。還有長安大學的研究的試驗臺，其結(jié)構(gòu)包括：阻力加載裝置、齒輪齒條傳動機構(gòu)、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)向器、霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器、助力電機、雙萬向節(jié)、固定座、轉(zhuǎn)矩傳感器、方向盤等。 試驗臺的工作原理為：當手動輸入一定的轉(zhuǎn)矩，模擬駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤時，方向盤上的力矩傳遞給轉(zhuǎn)向軸，帶動齒輪齒條壓縮彈簧，彈簧變形從而向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)施加阻力。此時，轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器隨轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動，獲得方向盤轉(zhuǎn)矩信號，傳遞給工控機，工控機由預先設(shè)定的理想助力轉(zhuǎn)矩算出電機的助力轉(zhuǎn)矩，控制電機輸出助力矩。助力電機的電流、電壓、助力矩由試驗臺的測控系統(tǒng)獲得。所測的所有信號測控系統(tǒng)都會記錄并保存，用于EPS系統(tǒng)的性能分析[8]。 查閱有關(guān)書籍發(fā)現(xiàn)，一般電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要包括：機械式轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)矩傳感器、減速機構(gòu)、離合器、電動機、電子控制單元和車速傳感器等[9]。翻閱大量資料后，對自己要設(shè)計的電動助力轉(zhuǎn)向試驗臺的結(jié)構(gòu)也有了比較清晰的認識，在一般的電動助力轉(zhuǎn)向器上加上臺架，試驗板，阻力加載裝置等。重點參考南京東華轉(zhuǎn)向器廠的電動助力轉(zhuǎn)向試驗臺的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。 參考文獻 [1] Xu Hanbin,Zhang Zhongfu.Offline Detection of Electric Power Steering (EPS) [J]. Wuhan: School of Mechantronic Engineering Wuhan University of Technology.2005 [2] 施國標,林逸,陳萬忠,鄒常,潘海鵬.汽車電動助力轉(zhuǎn)向試驗臺測試系統(tǒng)開發(fā)[J].測控技術(shù),2005,24(3) : 23-25 [3] 王其東,楊孝劍,陳無畏,姜武華.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制的臺架試驗研究[J].汽車工程,2004,26(5): 553-556 [4] 趙景波.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研制及臺架實驗研究[D].江蘇: 江蘇大學, 2007 [5] 余敏.汽車動力轉(zhuǎn)向器試驗臺測試系統(tǒng)設(shè)計[D].武漢: 武漢理工大學,2005 [6] 牛繼高.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)測試平臺的開發(fā)與研究[D].重慶: 重慶交通大學, 2009 [7] http://search.cnpat.com.cn/Search/CNViewSearch?wd=vdkvgwkey=20072009 4337&jsk=search_gb# [8] 梁爽.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究及試驗臺方案設(shè)計[D].西安: 長安大學, 2010 [9] 陳家瑞. 汽車構(gòu)造(第四版)[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 2009.6 研 究 內(nèi) 容 通過查閱有關(guān)電動助力轉(zhuǎn)向器試驗臺架的國內(nèi)外資料，發(fā)現(xiàn)北京理工大學電動車輛工程技術(shù)中心和吉林大學汽車工程學院聯(lián)合進行汽車電動助力轉(zhuǎn)向試驗臺測試系統(tǒng)的開發(fā)研究，他們研制的試驗臺使用方便，運行穩(wěn)定可靠，測試精度和效率均能滿足要求，適用于電動助力轉(zhuǎn)向基本特性的測試與控制系統(tǒng)的開發(fā)。根據(jù)掌握的資料，制定具體研究內(nèi)容如下： 1. 研究電動助力轉(zhuǎn)向器試驗臺的結(jié)構(gòu)組成。 2. 完成電動助力轉(zhuǎn)向器試驗臺的總體方案的設(shè)計。 3. 結(jié)合電動助力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)，完成其試驗臺架的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 4. 采用CAD對電動助力轉(zhuǎn)向器各零件進行設(shè)計。 5. 通過CAD生成電動助力轉(zhuǎn)向器試驗臺工程總裝圖、部件圖和非標零件圖。 6. 撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書。 研 究 計 劃 3.01 --- 3.14 調(diào)研，查閱、收集資料 3.15 --- 3.21 完成相關(guān)的英文資料翻譯 3.22 --- 3.28 編寫并完成開題報告 3.29 --- 4.04 進行系統(tǒng)分析、比較、計算、選擇 4.05 --- 4.18 試驗臺總體方案確定和方案設(shè)計 4.19 --- 4.25 通用件、標準價的選用 4.26 --- 5.16 各部件裝配圖設(shè)計 5.17 --- 5.23 非標零件圖設(shè)計 5.24 --- 5.30 部件圖生成 5.31 --- 6.06 非標零件圖生成 6.07 --- 6.13 編寫設(shè)計說明書 6.14 --- 6.18 完成中英文摘要，完善設(shè)計說明書，準備答辯 特 色 與 創(chuàng) 新 試驗臺采用液壓滑臺設(shè)計，軸向移動控制方便。 指導教師 意 見 指導教師簽名： 年 月 日 教研室意見 主任簽名： 年 月 日 系部意見 教學主任簽名： 年 月 日