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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 I 摘要 電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可解決汽車轉(zhuǎn)向輕便性和靈敏性的矛盾,使駕駛員在汽車低 速行駛時獲得較大助力,高速行駛時獲得較強的路感。 本次設(shè)計主要完成電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓部分和機械部分的設(shè)計。在設(shè)計 中將車速信號和轉(zhuǎn)向盤角速度信號引入液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電子控制單元根據(jù)車速傳感器 和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器檢測的車速信號和轉(zhuǎn)向信號，計算出電動機的對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，對電 動機轉(zhuǎn)速進行控制，電動機驅(qū)動油泵,控制電動機轉(zhuǎn)速從而控制油泵的泵油量，改變 助力的大小。 文中一開始闡述了電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計的目的和意義、發(fā)展狀況以及應(yīng)用 前景。接著分析論述了總體設(shè)計方案，進行了液壓動力系統(tǒng)、機械轉(zhuǎn)向器等主要部件 的方案分析和選擇。 關(guān)鍵詞:動力轉(zhuǎn)向；液壓動力轉(zhuǎn)向；助力轉(zhuǎn)向；可變助力特性；電控液壓動力轉(zhuǎn)向； 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 II ABSTRACT Electronically controlled hydraulic power steering system(EPHS) to solve the car and light sensitivity of the contradictions so that the driver in the car at low speed on a larger power, high-speed movements were strong sense of direction. The main design completed electronically controlled hydraulic power steering system of hydraulic and mechanical parts of the designation.In this designation, speed signals and Zhuanxiang Pan angular velocity signal are introduced to the hydraulic steering system. According to the detected speed signal and the corner signal of Zhuanxiang Pan,electronic control units detect speed signals and the corner signal of Zhuanxiang Pan by the speed sensor type of assistance, and then calculate the corresponding rotational of motor,and control the rotational speed of motor,then control the oil flow of pump,in order to meet therequirements to light the requirements of handling and stability . When expounded the start of a hydraulic power steering electronic control system design the purpose and significance of the development situation and prospects. And then analysis and choice its hydraulic power systems, mechanical steering gear and other major components of the programme. Keyword: Power Steering;Hydraulic Power Steering; Auxiliary Force; VariablePower Characteristics; Electronically Controlled Hydraulic Power steering 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 目錄 摘要 I ABSTRACT II 第 1 章 緒論 1 1.1 研究本課題的目的和意義1 1.2 汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢1 1.2.1 機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 1 1.2.2 液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 2 1.2.3 電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 2 1.2.4 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 2 1.2.5 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 3 1.3 汽車電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成、3 1.4 汽車電子控制轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展概況與前景4 1.4.1 電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展概況 4 1.4.2 電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 6 1.5 本次設(shè)計的主要內(nèi)容7 第 2 章 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計方案分析 8 2.1 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)8 2.2 液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)8 2.3 電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)11 2.3.1 液壓式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 12 2.3.2 電動式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 12 2.4 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計方案分析12 2.5 本章小結(jié)14 第 3 章 液壓動力系統(tǒng)的設(shè)計 15 3.1 動力缸的類型及安裝方式15 3.2 動力缸的主要零件的結(jié)構(gòu)和材料15 3.3 動力缸的密封裝置16 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 3.4 動力缸的緩沖裝置16 3.5 動力缸的設(shè)計計算16 3.5.1 動力缸的主要幾何尺寸的計算和選型 16 3.5.2 動力缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算選型 18 3.5.3 動力缸的性能參數(shù)的計算 20 3.5.4 動力缸油口直徑 d的計算 21 3.5.5 缸底厚度 h的計算 21 3.5.6 活塞桿直徑的強度校核 21 3.6 油泵的計算與選型22 3.6.1 油泵的最高供油壓力 p的計算 22 3.6.2 油泵最大供油量 q的計算 22 3.6.3 油泵的選型 23 3.6.4 與油泵匹配的電動機的計算選擇 23 3.7 油箱與油管的計算與選型23 3.7.1 油箱容積 V的計算 23 3.7.2 油管內(nèi)徑 d的計算 24 3.8 換向閥的選型24 3.8.1 換向閥 24 3.8.2 滑閥式換向閥 24 3.8.3 換向機能 25 3.8.4 滑閥機能 25 3.8.5 直流電磁鐵和交流電磁鐵 27 3.8.6 干式、油浸式、濕式電磁鐵 27 3.9 電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所用傳感器的選擇28 3.9.1 車速傳感器 25 3.9.2 轉(zhuǎn)角傳感器 25 3.10 本章小結(jié)26 第 4 章 機械轉(zhuǎn)向器方案分析與設(shè)計計算 27 4.1 機械轉(zhuǎn)向器方案分析27 4.1.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 27 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 4.1.2 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器 29 4.1.3 蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器 31 4.1.4 蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器 31 4.1.5 機械轉(zhuǎn)向器的確定 34 4.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計與計算31 4.2.1 選擇齒輪齒條材料及精度等級 32 4.2.2 主要尺寸計算 33 4.2.3 齒輪強度校核 34 4.2.4 齒條的設(shè)計計算 36 4.3 本章小結(jié)36 第 5 章 電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的變助力方法分析 37 5.1 液壓式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)37 5.1.1 流量控制式 EPS 37 5.1.2 反力控制式 EPS 38 5.1.3 閥靈敏度控制式 EPS 38 5.2 電動式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)38 5.3 本章小結(jié)38 結(jié)論 40 參考文獻 42 致謝 43 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 1 第 1 章 緒論 1.1 研究本課題的目的和意義 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來改變汽車行駛方向的專設(shè)機構(gòu)的總稱。其功用是保證汽車能 按駕駛員的意愿進行直線或轉(zhuǎn)向行駛。 本設(shè)計根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作過程和工作要求，設(shè)計一套汽車電控液壓動力 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，此電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電動機帶動油泵，根據(jù)車速信號、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速信 號控制轉(zhuǎn)向油泵的泵油量，達到變助力的轉(zhuǎn)向。 本設(shè)計所設(shè)計的汽車電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可以為汽車設(shè)計研制一種助力轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)提供一種途徑，對生產(chǎn)實際具有一定的實用價值和應(yīng)用前景。 1.2 汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 目前我國生產(chǎn)的商用車和轎車上采用的大多是電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它是比較 成熟和應(yīng)用廣泛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 盡管電控液壓動力裝置從一定程度上緩解了傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向中輕便性和路感之間 的矛盾，然而它還是沒有從根本上解決液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在的不足，隨著汽車微電 子技術(shù)的發(fā)展，汽車燃油節(jié)能的要求以及全球性倡導(dǎo)環(huán)保，其在布置，安裝，密封性， 操縱靈敏度，能量消耗，磨損與噪聲等方面的不足已越來越明顯，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向著電動 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展。 汽車駕駛員通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來控制汽車的運動方向，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計的好壞直接影響 到汽車行駛的安全性、操縱穩(wěn)定性和駕駛的舒適性。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向動力的來源可 分為機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又分為液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控液 壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 1.2.1 機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向力全部來自駕駛員的手力。機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性能可 靠，但轉(zhuǎn)向盤操縱費力。另外，為解決機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)“輕” 和“靈”的問題，轉(zhuǎn)向器還常 設(shè)計成可變速比。在轉(zhuǎn)向盤小轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)，速比小，解決轉(zhuǎn)向靈活性的問題；在轉(zhuǎn) 向盤大轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，速比大，解決轉(zhuǎn)向輕便性的問題。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 2 1.2.2 液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ Hydraulic Power Steering System-HPS）一般由儲液罐、油 泵、油管、轉(zhuǎn)向控制閥、助力油缸及機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組件等組成，轉(zhuǎn)向控制閥有滑閥式 和轉(zhuǎn)閥式兩種結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)向控制閥根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動方向和力矩大小控制通向助力油缸的 油壓大小，從而控制助力大小。雖然液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可提供轉(zhuǎn)向助力，但卻存在很多缺 點：油泵由發(fā)動機驅(qū)動，持續(xù)工作，能量消耗多；液壓油泄漏、橡膠管污染環(huán)境；助 力特性與控制閥結(jié)構(gòu)有關(guān)，系統(tǒng)一旦定型，助力特性便不能改變；助力和車速無關(guān)， 不能協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向輕便性和路感的矛盾；系統(tǒng)元件較多，所占空間大；低溫助力性能不好。 1.2.3 電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 隨著人們對汽車經(jīng)濟性、環(huán)保性、安全性的日益重視以及小排量轎車的發(fā)展，人 們開始對液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在的不足進行改進，并開發(fā)出一些新型電控液壓動力轉(zhuǎn) 向系（Electric Hydraulic Power Steering -EHPS），其主要改進措施是將車速信號引入 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，得到車速感應(yīng)型助力特性，并增加了控制器和執(zhí)行機構(gòu)。控制器根據(jù) 車速信號改變電液轉(zhuǎn)換裝置的助力特性，助力較小，以滿足路感和操縱穩(wěn)定性的要求。 電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了車速感應(yīng)型助但由于仍然采用液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng) 本身的缺點依然難以克服，同時在液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了傳感器和控制器，使整個 系統(tǒng)成本增加。 1.2.4 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering System-EPS）是一種新型的、很有發(fā) 展前途的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完全取消了液壓組件，整個系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向盤 轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、控制器、助力電機及其減速機構(gòu)等組成。其基本工作原理 是：駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)矩傳感器檢測轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩大小和方向，控制器根據(jù) 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的大小進行助力控制。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩越大，助力電機提供的助力轉(zhuǎn)矩也越大， 從而解決了轉(zhuǎn)向輕便性的問題。同時，控制器根據(jù)車速的高低來控制路感。車速變高 時，控制助力適當減少，從而保證了高速轉(zhuǎn)向時駕駛員有合適的路感，提高了駕駛的 安全性和穩(wěn)定性。另外，為綜合改善汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能，有的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還 進行阻尼控制和回正控制。 與液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有很多優(yōu)點： （1）可獲得優(yōu)化的助力特性，轉(zhuǎn)向輕便，路感好，提高了操縱穩(wěn)定性； 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 3 （2）EPS 助力特性通過軟件設(shè)置和修改，可以快速與車型匹配； （3）EPS 只在轉(zhuǎn)向時電機才提供助力，可節(jié)能 3%5； （4）結(jié)構(gòu)緊湊，便于模塊化安裝； （5）對環(huán)境無污染； （6）低溫工作性能好。 1.2.5 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steering by Wire-SBW）是更新一代的汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，線控 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與上述各類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的根本區(qū)別就是取消了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機械連接 （也稱柔性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）。 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要優(yōu)點： （1）線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能消除轉(zhuǎn)向干涉問題，為實現(xiàn)多功能全方位的自動控制，并為 汽車動態(tài)控制系 統(tǒng)和汽車平順性控制系統(tǒng)的集成控制提供了先決條件； （2）由于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間是柔性連接，使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車上的布置更加靈活， 轉(zhuǎn)向盤的位置可以方便地布置在需要的位置； （3）舒適性得到提高。在剛性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，路面不平和轉(zhuǎn)向輪的不平衡引起的沖 擊負荷會傳遞到轉(zhuǎn)向盤，而線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有這樣的問題； （4）轉(zhuǎn)向的回正力矩和轉(zhuǎn)向傳動比能通過軟件進行調(diào)整。因此，可以使轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 對任何目標和環(huán)境進行調(diào)整，而不需要對系統(tǒng)進行重新設(shè)計； （5）消除了撞車事故中轉(zhuǎn)向柱后移傷害駕駛員的可能性，不必設(shè)置轉(zhuǎn)向防傷機構(gòu)； 1.3 汽車電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成 電控液壓轉(zhuǎn)向動力系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的缺點。它所采用的液壓 泵不再靠發(fā)動機皮帶直接驅(qū)動，而是采用一個電動泵，它所有的工作的狀態(tài)都是由電 子控制單元根據(jù)車輛的行駛速度、轉(zhuǎn)向角度等信號計算出的最理想狀態(tài)。簡單地說， 在低速大轉(zhuǎn)向時，電子控制單元驅(qū)動電子液壓泵以高速運轉(zhuǎn)輸出較大功率，使駕駛員 打方向盤省力；汽車在高速行駛時，液壓控制單元驅(qū)動電子液壓泵以較低的速度運轉(zhuǎn)， 在不至于影響高速打轉(zhuǎn)向的需要的同時，節(jié)省一部分發(fā)動機功率。 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兼用駕駛員體力和發(fā)動機（或電動機）的動力為轉(zhuǎn)向能源的轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)，它是在機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加設(shè)一套轉(zhuǎn)向加力裝置而形成的。其中屬于轉(zhuǎn)向加 力裝置的部件是：轉(zhuǎn)向油泵 5、轉(zhuǎn)向油管 4、轉(zhuǎn)向油罐 6 以及位于整體式轉(zhuǎn)向器 10 內(nèi) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 4 部的轉(zhuǎn)向控制閥及轉(zhuǎn)向動力缸等。當駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤 1 時，轉(zhuǎn)向搖臂 9 擺動，通過 轉(zhuǎn)向直拉桿 8、轉(zhuǎn)向節(jié)臂 7，使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，從而改變汽車的行使方向。 1.方向盤 2.轉(zhuǎn)向軸 3.轉(zhuǎn)向中間軸 4.轉(zhuǎn)向油管 5.轉(zhuǎn)向油泵 6.轉(zhuǎn)向油罐 7.轉(zhuǎn)向節(jié)臂 8.轉(zhuǎn)向橫 拉桿 9.轉(zhuǎn)向搖臂 10.整體式轉(zhuǎn)向器 11.轉(zhuǎn)向直拉桿 12.轉(zhuǎn)向減振器 圖 1.1 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖 與此同時，轉(zhuǎn)向器輸入軸還帶動轉(zhuǎn)向器內(nèi)部的轉(zhuǎn)向控制閥轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)向動力缸產(chǎn) 生液壓作用力，幫助駕駛員轉(zhuǎn)向操縱。 1.4 汽車電子控制轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展概況與前景 隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用范圍不斷擴大。汽車轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)已從簡單的純機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic Power Steering，簡 稱 HPS） 、電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Hydraulic Power Steering，簡稱 EHPS）發(fā) 展到如今的更為節(jié)能及操縱性能更為優(yōu)越的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electrical Power Steering，簡稱 EPS） 。EHPS 和 EPS 等助力系統(tǒng)在汽車上的采用，改善了汽車轉(zhuǎn)向力 的控制特性，降低了駕駛員的轉(zhuǎn)向負擔，然而汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)始終處于機械傳動階段， 由于轉(zhuǎn)向傳動比固定，汽車轉(zhuǎn)向特性隨車速變化進行一定的操作補償，從而控制汽車 按其意愿行駛。 如果轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪通過控制信號連接，即采用電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和 汽車前輪轉(zhuǎn)角之間關(guān)系（汽車轉(zhuǎn)向的角傳遞特性）的設(shè)計就可以得到改善，從而降低 駕駛員的操縱負擔，改善人車閉環(huán)系統(tǒng)性能。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 5 1.4.1 電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展概況 自 1953 年通用汽車公司在凱迪拉克和別克轎車上首次批量使用液壓動力轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)以來，液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)給汽車的發(fā)展帶來了巨大的變化，使駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱力 大大降低，轉(zhuǎn)向的靈敏性得到了提高。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在體積、 價格和所消耗的功率等方面都取得了驚人的進步。在 20 世紀 80 年代后期，又開發(fā)了 變減速比、電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。但是動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)革新都是基于液壓動力 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的，無法消除 HPS 系統(tǒng)在布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、 磨損與噪聲等方面的缺陷。直到 1988 年日本鈴木公司首次開發(fā)出一種全新的電子控 制式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，才真正擺脫了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的束縛。 此后，電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)得到迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍已經(jīng)從微型轎車向大型轎 車和客車方向發(fā)展。日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司，美國的 Delphi 公司，英國的 Lueas 公司，德國的 ZF 公司，都研制出了各自的 EPS。如大發(fā) 汽車公司在其 Mira 車上裝備了 EPS，三菱汽車公司在其 Minica 車上裝備了 EPS，本 田汽車公司在 Accord 車上裝備了 EPS。Delphi 公司已經(jīng)為大眾的 Polo、菲亞特 Punto 開發(fā)出 EPS2。本田還在其 AcuraNXS 賽車上裝備了 EPS3。 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 與功能也進一步加強。日本早期開發(fā)的 EPS 僅僅在低速和停車時提供助力，高速時 EPS 將停止工作。新一代的 EPS 則不僅在低速和停車時提供助力，而且還能在高速 時提高汽車的操縱穩(wěn)定性。如日本鈴木公司裝備在 WagonR+車上的 EPS 是一個負載- 路面- 車速感應(yīng)型助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 4。由 Delphi 公司為 Funte 車開發(fā)的 EPS 為全范圍助 力型，并且設(shè)置了兩個開關(guān)，其中一個用于郊區(qū)，另一個用于市區(qū)和停車。當車速大 于 70km/h 后，這兩種開關(guān)設(shè)置的程序則是一樣的，以保證汽車在高速時有合適的路 感，這樣即使汽車行駛到高速公路時駕駛員忘記切換開關(guān)也不會發(fā)生危險。市區(qū)型開 關(guān)還與油門有關(guān)，使得在踩油門加速和松油門減速時，轉(zhuǎn)向更平滑。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，EPS 技術(shù)日趨完善，并且其成本大幅度降低，為此其應(yīng) 用范圍將越來越大。 早在 20 世紀 60 年代末，德國 Kasselmann 等試圖將轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向車輪之間通過 導(dǎo)線連接（即電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)） ，但由于當時電子和控制技術(shù)的制約，電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一 直無法在實車上實現(xiàn)。奔馳公司于 1990 年開始了前輪電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的深入研發(fā)，并 將其開發(fā)的電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用于概念車 F400Carving 上。世界其他各大汽車廠家、研 發(fā)機構(gòu)（包括 Daimler-Chrysler、寶馬、ZF、DELPHI 、TRW 等）以及日本的光洋 （Koyo）精工技術(shù)研究所、日本國立大學(xué)、本田汽車公司等也先后對汽車電子轉(zhuǎn)向 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 6 系統(tǒng)做了深入研究。目前許多汽車公司開發(fā)了自己的電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，一些國際著名汽 車生產(chǎn)商已在其概念車上安裝了該系統(tǒng)。 目前由于汽車供電系統(tǒng)的因素，轉(zhuǎn)向電動機難以提供較大功率，現(xiàn)階段電子轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)的研究以及近期的應(yīng)用對象主要針對轎車。要在重型載貨汽車上應(yīng)用，還必須采 用液壓執(zhí)行機構(gòu)。隨著蓄電池技術(shù)的發(fā)展和 42V 電子設(shè)備在汽車上的應(yīng)用，全電子 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將應(yīng)用到中型和重型車上。目前，42V 電源已經(jīng)在一些概念車上得到應(yīng)用， 通用的“自主魔力 ”和 Bertone 的“FILO”都采用了 42V 電源。 國內(nèi)動力轉(zhuǎn)向器目前還處于機械液壓動力轉(zhuǎn)向階段，對于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)， 清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校開展了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計和系統(tǒng)建模 及動力分析等研究，但目前還沒有實用的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 1.4.2 電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，在降低自重、減少生產(chǎn)成本，控制系統(tǒng)發(fā) 熱、電流消耗、內(nèi)部摩擦，整車進行匹配獲得合理的助力特性以及保證良好的路感方 面取得了重大進步。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在操縱舒適性和安全性、節(jié)能等方面充分顯示 了其優(yōu)越性，如今已在輕型車和轎車上得到應(yīng)用并具有良好的工作性能。隨著直流電 機性能的改進，其應(yīng)用范圍將越來越廣。據(jù) TRW 公司預(yù)測，到 2010 年，全世界生 產(chǎn)的每 3 輛轎車中就有 1 輛裝備 EPS，特別是低排放汽車、混合動力汽車、燃料電池 汽車、電動汽車將構(gòu)成未來汽車發(fā)展的主體，這給電子控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)帶來了更加廣闊 的應(yīng)用前景。 盡管目前在歐洲汽車法規(guī)中要求駕駛員與轉(zhuǎn)向車輪之間必須有機械連接，電子轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)還不允許在歐洲上市。但只要生產(chǎn)商能夠有足夠的證據(jù)表明電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安 全可靠性，它得到上市許可還是完全可能的。電子控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的最終發(fā)展趨勢在以 下幾個方面。 1、改善控制系統(tǒng)性能、減小控制單元和驅(qū)動單元的體積及降低控制系統(tǒng)的制造 成本，使之更好地與不同檔次汽車相適應(yīng)。如改進電動機控制技術(shù)，消除由于電動機 慣性大、摩擦力所帶來的轉(zhuǎn)向路感不足等缺點，使電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也能應(yīng)用于重型 載貨汽車上。 2、實現(xiàn)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制單元與汽車上其他控制單元的通訊聯(lián)系，以實現(xiàn) 整車電子控制系統(tǒng)一體化。 3、將根據(jù)車速、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度、前軸重力等多種信號 進行與汽車特性相吻合的綜合控制，以獲得更好的轉(zhuǎn)向路感。 4、提高系統(tǒng)的可靠性。這應(yīng)從提高系統(tǒng)各部件的可靠性入手，如采用非接觸式 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 7 轉(zhuǎn)矩傳感器。 5、提高系統(tǒng)的安全性。采用取消轉(zhuǎn)向盤的 SBWS 系統(tǒng)后，駕駛室有更大的空間 用于布置被動安全部件，減少了危險發(fā)生時對乘員的傷害。 電動轉(zhuǎn)向技術(shù)由于其技術(shù)先進，性能優(yōu)越，未來必將取代其他動力轉(zhuǎn)向技術(shù)，成 為動力轉(zhuǎn)向技術(shù)的主流。線控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將是動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向，是未來汽 車對安全性、操縱穩(wěn)定性和舒適性的更高要求，有著很好的發(fā)展前景。 當然，在汽車邁向全面線控轉(zhuǎn)向之前，電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是“中站” ，是第一步，當汽 車裝有電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時，其中的轉(zhuǎn)向電動機將接受一系列傳感器信號，例如轉(zhuǎn)向控制、 動態(tài)穩(wěn)定控制等，最后機械的部分一個一個消失，逐漸變成了全面線控轉(zhuǎn)向。 1.5 本次設(shè)計的主要內(nèi)容 本設(shè)計主要內(nèi)容是對汽車電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓部分和機械部分進行設(shè)計， 首先確定液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成與系統(tǒng)設(shè)計方案，然后進行液壓動力系統(tǒng)的設(shè)計計 算與液壓元件的計算選型再進行齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的設(shè)計計算。并對車速傳感器，轉(zhuǎn)向 盤轉(zhuǎn)角傳感器、電動機等部件計算選型。同時用總布置草圖表達主要部件的裝配和重 要工作裝置的布置；最后通過正確的計算，完成部件設(shè)計選型，達到工藝合理、加工 容易、成本低、可靠性高的設(shè)計要求，并附之以總裝配圖、零件圖，清楚表達設(shè)計。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 8 第 2 章液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計方案 2.1 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可按轉(zhuǎn)向的能源不同分為機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩類（見 圖 2.1）。機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是依靠駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向力來實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向；動力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)則是在駕駛員的控制下，借助于汽車發(fā)動機產(chǎn)生的液體壓力或電動機驅(qū)動力來 實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向。所以動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也稱為轉(zhuǎn)向動力放大裝置。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于使轉(zhuǎn) 向操縱靈活、輕便，在設(shè)計汽車時對轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)形式的選擇靈活性增大，能吸收路面 對前輪產(chǎn)生的沖擊等優(yōu)點，因此已在各國的汽車制造中普遍采用。 圖 2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類 2.2 液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加一套動力轉(zhuǎn)向裝置而成的，一 般組成如圖2.2所示。 汽車 轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 電子伺服轉(zhuǎn)向 循環(huán)球式 齒輪齒條式 液壓動力轉(zhuǎn)向 電控動力轉(zhuǎn)向 電控液壓動力轉(zhuǎn)向 （EPHS ） 電動助力轉(zhuǎn)向 (EPS) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 9 l.轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu) 2.轉(zhuǎn)向控制閥 3.機械轉(zhuǎn)向器與 轉(zhuǎn)向動力缸總成 4.轉(zhuǎn)向傳動結(jié)構(gòu) 5.轉(zhuǎn)向油罐 6.轉(zhuǎn)向油泵 R.轉(zhuǎn)向動力缸右腔 L.轉(zhuǎn)向動力缸左腔 圖2.2 液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖 當汽車直線行駛時，轉(zhuǎn)向控制閥將轉(zhuǎn)向液壓泵泵出來的工作液與油罐接通，轉(zhuǎn)向 液壓泵處于卸荷狀態(tài)，動力轉(zhuǎn)向器不起助力作用。汽車向右轉(zhuǎn)向時，駕駛員向右轉(zhuǎn)動 轉(zhuǎn)向盤，轉(zhuǎn)向控制閥將轉(zhuǎn)向液壓泵泵出來的工作液與 R 腔接通，將 L 腔與油罐接通， 在油壓的作用下，活塞向下移動，通過轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu) 4 使左、右輪向右偏轉(zhuǎn)，從而實 現(xiàn)右轉(zhuǎn)向，向左轉(zhuǎn)向時，情況與上述相反。 液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按系統(tǒng)內(nèi)部的壓力狀態(tài)分，有常壓式和常流式兩種。 常壓式液壓動力轉(zhuǎn)向系示意圖見圖 2.3。在汽車直線行使，轉(zhuǎn)向盤保持中立位置時， 轉(zhuǎn)向控制閥經(jīng)常處于關(guān)閉位置。轉(zhuǎn)向油泵輸出的壓力油充入儲能器。當儲能器壓力增 長到規(guī)定值后，油泵即自動卸荷空轉(zhuǎn)，從而儲能器壓力壓力得以限制在該規(guī)定值以下。 當轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，機械轉(zhuǎn)向器即通過轉(zhuǎn)向搖臂等桿件使轉(zhuǎn)向控制閥轉(zhuǎn)入開啟位置。此 時儲能器中的壓力油即流入轉(zhuǎn)向動力缸。動力缸輸出的液壓作用力，作用在轉(zhuǎn)向傳動 機構(gòu)上，以助機械轉(zhuǎn)向器輸出力之不足。轉(zhuǎn)向盤一停止運動，轉(zhuǎn)向控制閥便隨之回復(fù) 到關(guān)閉位置。于是，轉(zhuǎn)向加力作用終止。 由此可見，無論轉(zhuǎn)向盤處于中立位置還是轉(zhuǎn)向位置，也無論轉(zhuǎn)向盤保持靜止還是 運動狀態(tài)，該系統(tǒng)工作管路中總是保持高壓。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 10 圖 2.3 常壓式液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖 常流式液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖見圖 2.4。不轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向控制閥保持開啟。轉(zhuǎn) 向動力缸的活塞兩邊的工作腔，由于都與低壓回油管路相通而不起作用。轉(zhuǎn)向油泵輸 出的油液流入轉(zhuǎn)向控制閥，又由此流回轉(zhuǎn)向油罐。因轉(zhuǎn)向控制閥的節(jié)流阻力很小，故 油泵輸出壓力也很低，油泵實際上處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。當駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，通過機械轉(zhuǎn) 向器使轉(zhuǎn)向控制閥處于與某一轉(zhuǎn)彎方向相應(yīng)的工作位置時，轉(zhuǎn)向動力缸的相應(yīng)工作腔 方與回路管路隔絕，轉(zhuǎn)而與油泵輸出管路相通，而動力缸的另一腔則仍然通回油管路。 地面轉(zhuǎn)向阻力竟轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)傳動轉(zhuǎn)向動力缸的推桿和活塞上，形成比轉(zhuǎn)向控制閥節(jié) 流阻力高得多的油泵輸出管路阻力。于是轉(zhuǎn)向油泵輸出壓力急劇升高，直到足以推動 轉(zhuǎn)向動力缸活塞為止。轉(zhuǎn)向盤停止轉(zhuǎn)動后，轉(zhuǎn)向控制閥隨即回復(fù)到中立位置，使動力 缸停止工作。 圖 2.4 常流式液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 11 上述兩種液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比較，常壓式的優(yōu)點在于有儲能器積蓄液壓能，可 以使用流量較小的轉(zhuǎn)向油泵，而且還可以在油泵不運轉(zhuǎn)的情況下保持一定的轉(zhuǎn)向加力 能力，使汽車有可能續(xù)駛一定距離。這一點對重型汽車而言尤為重要。常流式的優(yōu)點 則是結(jié)構(gòu)簡單，油泵壽命長，泄漏較少，消耗功率也較少。因此，目前只有少數(shù)重型 汽車采用常壓式液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而常流式液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則廣泛應(yīng)用于各種汽 車。 2.3 電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 電子控制技術(shù)在汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用，使汽車的駕駛性能達到令人滿意的程 度。電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在低速行駛時可使轉(zhuǎn)向輕便、靈活；當汽車在中高速區(qū)域 轉(zhuǎn)向時，又能保證提供最優(yōu)的動力放大倍率和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向手感，從而提高了高速行駛 的操縱穩(wěn)定性。電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（簡稱 EPS-Electronic Control Power Steering），根據(jù)動力源不同又可分為液壓式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（液壓式 EPS） 和電動式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（電動式 EPS）。 2.3.1 液壓式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 液壓式 EPS 是在傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)了控制液體流量的電磁閥、 車速傳感器和電子控制單元等，電子控制單元根據(jù)檢測到的車速信號，控制電磁閥， 使轉(zhuǎn)向動力放大倍率實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，從而滿足高、低速時的轉(zhuǎn)向助力要求。根據(jù)控制 方式的不同，液壓式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又可分為流量控制式、反力控制式和閥靈 敏度控制式三種形式。 2.3.2 電動式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 液壓式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于工作壓力和工作靈敏度較高，外廓尺寸較小，因而獲得 了廣泛的應(yīng)用。在采用氣壓制動或空氣懸架的大型車輛上，也有采用氣壓動力轉(zhuǎn)向的。 但這類動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的共同缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、消耗功率大，容易產(chǎn)生泄漏，轉(zhuǎn)向力不 易有效控制等。近年來隨著微機在汽車上的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了電動式電子控制動力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)，簡稱電動式 EPS。電動式 EPS 是利用直流電動機作為動力源，電子控制單 元根據(jù)轉(zhuǎn)向參數(shù)和車速等信號，控制電動機扭矩的大小和方向。電動機的扭矩由電磁 離合器通過減速機構(gòu)減速增扭后，加在汽車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)上，使之得到一個與工況相適 應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 12 2.4 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計方案分析 電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能減輕低速行駛時駕駛員轉(zhuǎn)向操縱力，提高車輛高速行駛 時的穩(wěn)定性，同時又提高了燃油經(jīng)濟性，與液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電控動力轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)可節(jié)油3-4。 傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于由發(fā)動機帶動轉(zhuǎn)向油泵，不管在不轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向時都 要消耗發(fā)動機部分動力，浪費能源，所以本設(shè)計采用電動油泵式電控液壓動力轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)，即在轉(zhuǎn)向時由電動機泵驅(qū)動油泵，在汽車不轉(zhuǎn)向時不消耗動力，因此能節(jié)約能源。 其次，一般液壓動力轉(zhuǎn)向所使用的轉(zhuǎn)向油泵的流量是根據(jù)發(fā)動機怠速時能使動力轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)向速度所需的供應(yīng)量來確定，當提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速時其供油量也不斷 增加，但由于動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)向油泵的流量如圖2.5所示 圖2.5轉(zhuǎn)向泵流量特性曲線圖 亦即要求隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高所要求轉(zhuǎn)向油泵的流量保持不變或下降。因此， 在高速時轉(zhuǎn)向油泵內(nèi)大部分泵流量通過溢流閥返回，在轉(zhuǎn)向油泵內(nèi)循環(huán)，造成轉(zhuǎn)向油 泵發(fā)熱，更重要是造成能源浪費，不符合汽車節(jié)能要求。因此本設(shè)計采用電控液壓動 力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由車速傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器、控制單元、油泵、直流電動 機、電磁閥、動力缸、齒輪和齒條等組成。其中直流電動機、油泵和儲油罐制成一體 稱為電動油泵總成。 本次設(shè)計采用直流電機驅(qū)動油泵，電子控制單元根據(jù)車速信號和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號， 控制電磁閥的開閉狀態(tài)和電動機的轉(zhuǎn)速，決定是否助力和助力的大小。車速低、轉(zhuǎn)向 角度大時油泵泵油量大，油壓高，轉(zhuǎn)向省力；車速高、轉(zhuǎn)向角速度小時，油泵泵油量 貨車用轉(zhuǎn)向泵流量特性 曲線 轎車用轉(zhuǎn)向泵 流量特性曲線 流量（L/r） 轉(zhuǎn)速（r/min） 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 13 小，油壓低，轉(zhuǎn)向安全性高，不發(fā)飄。工作原理圖見圖2.6。 圖2.6 電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理圖 采用此種方案時用于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力大小是可變的。當車輛在一定的車速范圍 內(nèi)（車速較低）行駛或者停止時，轉(zhuǎn)向助力較大，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤比較輕松；車輛高速行 駛時，轉(zhuǎn)向助力較小，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤比較費力，安全性能提高，同時還可以減少燃料消 耗。并且用電動機驅(qū)動液壓泵，減少助力系統(tǒng)工作時對發(fā)動機轉(zhuǎn)速直接的機械干涉。 2.5 本章小結(jié) 本章介紹動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和分類，詳細介紹了電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類，其 包括液壓式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，詳細說明本次設(shè)計的液壓 式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。并確定了動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計方案，闡述了其組成部分， 并以框圖的形式描述了電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理。即電子控制單元根據(jù)車速 信號和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號，控制電磁閥閥針的開閉，從而控制是否實行助力轉(zhuǎn)向；控制 單元根據(jù)不同信號，計算出液壓泵電動機對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，對液壓泵電動機轉(zhuǎn)速進行控制， 進而控制泵的流量，也就控制了在不同工況下轉(zhuǎn)向助力的大小。 車速傳感器 方向盤轉(zhuǎn)角傳感器 蓄電池 電動機 齒條 控制單元 儲油罐 數(shù)據(jù)線 電源線 低壓回油管 高壓進油管液壓泵 電磁閥 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 14 第 3 章 液壓動力系統(tǒng)的設(shè)計 汽車電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由動力轉(zhuǎn)向器和液壓系統(tǒng)組成，液壓系統(tǒng)所采用 的油泵、油缸、液壓閥等液壓系統(tǒng)元件均為高度標準化、系列化與通用化且由專業(yè)化 液壓件廠集中生產(chǎn)供應(yīng)；因此在設(shè)計中只需要進行液壓元件計算選型。其主要內(nèi)容包 括動力缸的直徑與行程、液壓泵工作壓力、流量、以及各種相關(guān)控制閥的選型等。 3.1 動力缸的類型 根據(jù)液壓設(shè)計手冊和工作要求。本次設(shè)計選擇單桿雙作用活塞式液壓缸。 3.2 動力缸的主要零件的結(jié)構(gòu)和材料 （1）缸體的材料 動力缸缸體的常用材料為 20、35、45 號無縫鋼管。因 20 號鋼的力學(xué)性能略低， 且不能調(diào)質(zhì)，應(yīng)用較少。當缸筒與缸底、缸頭、管接頭或耳軸等件需焊接時，則應(yīng)采 用焊接性能較好地 35 鋼，粗加工后調(diào)質(zhì)。 一般情況下，工作壓力 時使用鑄鐵，在 時使用無510pPa5201pPa 縫鋼管，在 時使用鑄鋼或鍛鋼。因此本次設(shè)計中缸體材料選擇鑄鐵520pPa HT200。 （2）缸蓋的材料 動力缸的缸蓋可選用 35、45 號鍛缸或 ZG25、ZG45 鑄缸或 HT200、HT300、HT350 鑄鐵等材料。本設(shè)計中缸蓋本身是活塞桿的導(dǎo)向套，所以缸 蓋材料選用鑄鐵 HT200。 （3）缸體端部聯(lián)接型式 采用法蘭聯(lián)接，該結(jié)構(gòu)簡單、加工與拆卸方便，應(yīng)用廣泛。 （4）活塞的材料 活塞常用材料為耐磨鑄鐵、灰鑄鐵、鋼及鋁合金等。本設(shè)計中活塞材料選擇鑄鐵 HT200。 （5）活塞與缸體的密封結(jié)構(gòu) 活塞與缸體之間既有相對運動又需要使動力缸兩腔之間不漏油，因此在結(jié)構(gòu)上應(yīng) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 15 慎重考慮。本設(shè)計中采用活塞環(huán)密封。 3.3 動力缸的密封裝置 本設(shè)計采用 O 形密封圈密封，用橡膠和塑料制成的密封圈有各種不同的端面形式， 密封圈用在缸筒和活塞之間、缸蓋和活塞桿之間、活塞和活塞桿之間、缸筒和缸蓋之 間，以防止泄漏。它結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，磨損后有自動補償能力，性能可靠。在工 作時，活塞桿要外伸出動力缸，很容易把贓物帶入動力缸，使油液受污染，使密封件 磨損，因此常需要在活塞桿密封處增添防塵圈，并放在向著活塞桿外伸的一段。 3.4 動力缸的緩沖裝置 動力缸中緩沖裝置的工作原理，是利用活塞或缸筒在其走向行程終端時在活塞和 缸筒之間封住一部分油液，強迫它從小孔或細縫中擠出，產(chǎn)生很大的阻力，使工作部 件受到制動，逐漸減慢運動速度，達到避免活塞和缸蓋相互撞擊的目的。 本設(shè)計采用錐形恒節(jié)流面積的緩沖裝置。 3.5 動力缸的設(shè)計計算 動力缸是液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件。通常油缸分為活塞式和浮拄式兩類?；钊骄鶠?單向作用，其缸體長度大而伸縮長度小、使用油壓低（一般不超過 ） 。浮拄式14MPa 為多級伸縮式油缸，一般有 個伸縮節(jié)，其結(jié)構(gòu)緊湊，并具有短而粗、伸縮長度25 大、使用油壓高（可達 ）,易于安裝布置等優(yōu)點。浮拄式油缸又分為單向作用3MPa 式與雙向作用式。 3.5.1 動力缸的主要幾何尺寸的計算和選型 1、初選動力缸的工作壓力 動力缸是液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件。工作壓力是確定執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)參數(shù)的主要依據(jù)。它 的大小影響執(zhí)行元件的尺寸和成本，乃至整個系統(tǒng)的性能，工作壓力選得高，執(zhí)行元 件和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊，但對元件的強度，剛度及密封要求高，且要采用較高壓力的液 壓泵。反之，如果工作壓力選得低，就會增大執(zhí)行元件及整個系統(tǒng)的尺寸，使結(jié)構(gòu)變 得龐大，所以應(yīng)根據(jù)實際情況選取適當?shù)墓ぷ鲏毫?，?zhí)行元件工作壓力可以根據(jù)總負 載值選取，見表 3.2。 表 3.2 按負載選擇執(zhí)行元件的工作壓力 負載 (kN) 50 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 16 工作壓力(MPa) 0.81.2 1.52.5 3.04.0 4.05.0 5.0 根據(jù)負載由表 3.2 選取動力缸的工作壓力 。MPa0.1 2、動力缸的主要幾何尺寸的計算 動力缸的主要幾何尺寸，包括動力缸的內(nèi)徑 、活塞桿直徑 和動力缸行程 等。Dds (1)動力缸內(nèi)徑 和活塞桿直徑 的計算Dd 動力缸的計算主要依據(jù)所需的最大作用力 以及最大工作行程來確定的。根據(jù)maxF 液壓系統(tǒng)中動力缸的工作特點，則： 42maxdp pFmax4 （3.1） 式中： 系統(tǒng)效率，通常按 ；8.0 液壓系統(tǒng)額定工作壓力（ MPa） ，p 由式（3.1）可知： mpFD9.38.01.4346max 根據(jù)液壓設(shè)計手冊，將動力缸內(nèi)徑圓整為標準系列直徑 ;4D 活塞桿直徑 ；將活塞桿直徑圓整為標準系列直徑 .0.52.d 25d 對有低速運動要求的系統(tǒng)，需對動力缸缸有效工作面積進行驗算，即應(yīng)保證 minv qA （3.2） 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 17 式中：A動力缸工作腔的有效工作面積； minq控制動力缸速度的流量閥最小 穩(wěn)定流量，從液壓閥產(chǎn)品樣本上查得； iv動力缸要求達到的最低工作速度。 32min0.51qAcmv （3.3） 動力缸工作腔的有效工作面積 2222()(4.5)7.64Ddc 可見上述不等式滿足，動力缸能達到所需低速。 (2)動力缸行程 和活塞寬度 的計算sB 根據(jù)液壓元件選用手冊和轉(zhuǎn)向器工作情況計算選擇活塞最大行程 10Lm 活塞寬度 (.6).652D 則動力缸行程 s1BLm 取為標準值 10s (3)動力缸工作時所需流量 的計算q22330.45/min6.28/in6.28/in4qAvDL (4)動力缸的選型 根據(jù)上述計算的 和 值,參照液壓元件及選用手冊，選用雙活塞桿雙作用等速缸，其Ld 型號為選用 CG250-25MPa40/25-160A10/02CGDMA。 3.5.2 動力缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算選型 動力缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要包括缸筒壁厚、缸體外徑的計算等。 1、缸筒壁厚 的計算及外徑強度的校核 2ypD （3.4） 式中 動力缸缸筒壁厚（ ） ；m 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 18 試驗壓力（ ） ， ；ypMPa1.5yp 動力缸內(nèi)徑（ ） ；Dm 缸體材料的許用應(yīng)力（ ） ；Pabn 缸體材料的抗拉強度（ ） ；bMPa 安全系數(shù)，一般取 。n5n 鑄鐵 60Pa 由式（3.4）計算得動力缸缸筒壁厚 5m 當 時，按下式校驗強度，即0.8D.3max23pDP 6361.041 3. 式中 缸體材料的許用應(yīng)力 ，取()MPa0Pa 最高工作壓力 maxp 試驗壓力 ，工作壓力 時， ，y()161.5yLMPa 液壓缸缸筒厚度 m 液壓缸內(nèi)徑 D() 外徑強度滿足設(shè)計要求 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 19 2、缸體外徑 的計算1D 12D （3.5） 式中 缸體外徑（ ） ；則1Dm 由式（3.5）計算得 1250Dm 3.5.3 動力缸的性能參數(shù)的計算 主要包括動力缸的推力、油口直徑、缸底厚度等。 1、動力缸的輸出力 雙桿活塞式動力缸的推（或拉）力 F 310pAF （3.6） 式中 雙桿活塞式動力缸推力（ ）;FKN 工作壓力（ ）;pMPa 動力缸的作用面積（ ）A2m)(42dDA 活塞直徑（ ） ；D 活塞桿直徑（ ） 。d 由式（3.6）計算得 322310(.04.5)10.765FpAKN 2、動力缸的輸出速度 雙桿活塞式動力缸活塞縮入時的速度 60vqA （3.7） 式中 雙桿活塞動力缸的輸出速度（ ） ；v /min 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 20 進入（或流出）動力缸的流量（ ） ；vq 3/ms 活塞作用面積（ ）A22()4ADd 活塞直徑（ ） ；Dm 活塞桿直徑（ ） 。d 由式（3.7）計算得活塞的縮入速度 608.2/minvqA 3.5.4 動力缸油口直徑 的計算0.13dD348.256.m 取 7d 式中 動力缸油口直徑 d () 動力缸內(nèi)徑 Dm 動力缸最大輸出速度 (in) 油口液流速度 )s 3.5.5 缸底厚度 的計算h0.43yhDp31.5602.8m 式中 缸底厚度 h()m 動力缸內(nèi)徑 D 試驗壓力 yp()MPa 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 21 缸底材料的許用應(yīng)力 ()MPa 3.5.6 活塞桿直徑的強度校核 214Fd （3.8） 式中 活塞桿直徑（ ） ；dm 動力缸負載（KN） ；F 活塞桿材料許用應(yīng)力，鑄鐵 ；60MPa 空心活塞桿孔徑，對實心桿 。1d1d 由式（3.8）計算得 2114255Fmdm 活塞桿直徑強度滿足要求。 3.6 油泵的計算與選型 根據(jù)結(jié)構(gòu)和原理的不同，油泵通?？煞譃辇X輪泵、柱塞泵、葉片泵等。齒輪泵多 為外嚙合式，在相同體積下齒輪泵比柱塞泵流量大但油壓低。柱塞泵最大特點是油壓 高（油壓范圍 1635MPa） ，且在最低轉(zhuǎn)速下仍能產(chǎn)生全油壓。葉片泵有單作用（變 量泵）和雙作用（定量泵）兩大類，在液壓系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。葉片泵輸出流 量均勻、脈動小、躁聲小，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、吸油特性不太好、對油液中的污染也比較 敏感。常用葉片泵為 系列葉片泵。根據(jù)工況要求選擇雙作用葉片泵。YB 3.6.1 油泵的最高供油壓力 的計算p pp1 （3.9） 式中： 油泵最大工作壓力；p 執(zhí)行元件最大工作壓力；1 進油管路中的壓力損失，初算時可取 ，本設(shè)計取0.25MPa0.5MPa 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 22 MpaPpp 5.7).07(1 泵的額定壓力 應(yīng)滿足 n n6.12. 在本設(shè)計中 p389 3.6.2 油泵最大供油量 的計算pq max)(qKLp （3.10） 式中： 油泵的最大流量；pq 同時工作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值；max)( 系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取 ，現(xiàn)取LK1.LK32.1LKmin/54.7in/286)(maxqLp 3.6.3 油泵的選型 根據(jù)上述計算 和 的值，查閱液壓元件及選用手冊，選擇 型號的中pq 10YBD 低壓定量葉片泵 該泵的基本參數(shù)為：每轉(zhuǎn)排量 ，泵的額定壓力 ，轉(zhuǎn)速01/mlrnpMPainHn 3.6.4 與油泵匹配的電動機的計算選擇 在整個工作循環(huán)中，泵的壓力和流量在較多時間內(nèi)皆達到最大工作值時，驅(qū)動泵 的電動機功率為 p qP （3.11） 式中： p油泵的總效率， 0.8p 9.37541.6pqkw 根據(jù)電動機選型及應(yīng)用手冊和電動機功率選擇直流調(diào)速電機 自通風(fēng)式他23Z 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 23 勵自流電動機 該電機低轉(zhuǎn)速大扭矩、波動小、轉(zhuǎn)動慣量小、尺寸小、質(zhì)量輕、可靠性高、抗 干擾能力強。 3.7 油箱與油管的計算與選型 3.7.1 油箱容積 的計算V 油箱容量與系統(tǒng)的流量有關(guān)，一般容量可取最大流量的 35 倍。取57.pVqL 根據(jù)液壓設(shè)計手冊油箱容積取標準值 40 3.7.2 油管內(nèi)徑 的計算d 由 3 2610401Vdqp 即： 103Vqdp （3.12） 式中： 油泵理論流量，(L/min)；pq 管路中油的流速；低壓管路中油的流速 。V smV/1 則： 油管內(nèi)徑 d05.26154.73 根據(jù)管路計算結(jié)果選用 （HG4-406-66）一層鋼絲編織低壓膠管。液壓油冬20Q 季選用 HJ-20 號機械油，夏季 HJ-30 號機械油。 3.8 閥類元件的選型 3.8.1 換向閥 換向閥是利用閥芯和閥體間相對位置的不同來變換不同管路間的通斷關(guān)系，實現(xiàn) 接通、切斷，或改變液流的方向的閥類。它的用途很廣，種類也很多。 對換向閥性能的主要要求是： 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 24 1）油液流經(jīng)換向閥時的壓力損失要小(一般 0.3MPa)； 2）互不相通的油口間的泄漏小； 3）換向可靠、迅速且平穩(wěn)無沖擊。 換向閥按閥的結(jié)構(gòu)形式、操縱方式、工作位置數(shù)和控制的通道數(shù)的不同，可分為 各種不同的類型。 按閥的結(jié)構(gòu)形式有：滑閥式、轉(zhuǎn)閥式、球閥式、錐閥式。 按閥的操縱方式有：手動式、機動式、電磁式、液動式、電液動式、氣動式。 按閥的工作位置數(shù)和控制的通道數(shù)有：二位二通閥、二位三通閥、二位四通閥、 三位四通閥、三位五通閥等。 1、滑閥式換向閥 閥的結(jié)構(gòu)： 閥體：有多級沉割槽的圓柱孔；閥芯：有多段環(huán)行槽的圓柱體。 此種換向閥具有工作可靠、壓力損失小、 內(nèi)泄漏小、 換向時間與復(fù)位時間短、 使用壽命長等優(yōu)點，并且在本次設(shè)計中要求換向閥的換向時間短，壓力損失小，從 而使轉(zhuǎn)向輕便、靈敏， 所以按閥的結(jié)構(gòu)形式選擇滑閥式換向閥。其滿足在不同工況 下轉(zhuǎn)向靈敏、迅速的工作要求。 按控制方式換向閥分為電磁換向閥、液動換向閥、電液換向閥、機動換向閥、手 動換向閥。其中電磁換向閥可以使操作輕便，容易實現(xiàn)自動化操作，應(yīng)用廣泛，并且 閥靈敏度高，滿足轉(zhuǎn)向迅速的要求。 電磁換向閥是利用電磁鐵推力，推動閥心運動以控制液流方向的。由閥體、閥心、 彈簧、電磁鐵等組成。電磁換向閥只是采用電磁鐵來操縱滑閥閥芯運動，而閥芯的結(jié) 構(gòu)及型式可以是各種各樣的，所以電磁滑閥可以是二位二通、二位三通、二位四通、 三位四通和三位五通等多種型式。 3.8.2 溢流閥 溢流閥是壓力控制閥的一種，主要控制執(zhí)行機構(gòu)輸出力或輸出轉(zhuǎn)矩的大小，并組 確定液壓泵及整個液壓系統(tǒng)的工作負載，在過載時起到保護系統(tǒng)的作用。 本設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)壓力和流量選用 DBDSGK10 直動式溢流閥，其壓力范圍： 2.563Mpa;額定流量：330L/min;公稱直徑：630mm。直動式溢流閥制造精度要求 不高，成本低，阻力小。動作比較靈敏，壓力超調(diào)量較小，但達到穩(wěn)定過程較長。 3.8.3 節(jié)流閥 節(jié)流閥是根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)運動速度的要求供給所需的流量。且用以限定轉(zhuǎn)向油泵的 最大流量。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 25 本設(shè)計選用 MG6G1.2 節(jié)流閥。 3.9 電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所用傳感器的選擇 3.9.1 車速傳感器 車速傳感器是通過檢測變速器輸出軸轉(zhuǎn)速，向電子控制器提供汽車行駛速度電信 號。常用的車速傳感器有磁感應(yīng)式、光電式、霍爾效應(yīng)式、磁阻式等多種類型。其中 霍爾效應(yīng)式車速傳感器應(yīng)用廣泛。 本設(shè)計采用霍爾效應(yīng)式車速傳感器。 3.9.2 轉(zhuǎn)角傳感器 轉(zhuǎn)角傳感器是檢測轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的角度和方向。常用轉(zhuǎn)角傳感器為光電式，磁電式 兩種。前者的成本低，但受溫度與磨損影響易發(fā)生漂移、使用壽命較低，需要對制造 精度和扭桿剛度進行折中。后者的體積小，精度高，抗干擾能力強、剛度相對較高， 易實現(xiàn)絕對轉(zhuǎn)角和角速度的測量。價格昂貴，制造維修復(fù)雜。 因此本設(shè)計采用光電式轉(zhuǎn)角傳感器，安裝于轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)軸上，用于向電子控制單 元輸送轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動角度信號。 3.10 本章小結(jié) 本章主要是進行動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓動力部分的設(shè)計，其中包括轉(zhuǎn)向動力缸的選 型、其主要零件的結(jié)構(gòu)、材料的選擇以及動力缸的設(shè)計計算、轉(zhuǎn)向油泵的計算與選型、 油箱與油管的計算設(shè)計以及各種控制閥、傳感器的選擇等。 對活塞桿直徑和缸筒壁厚的外徑進行強度校核，校核后其強度滿足要求。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 26 第 4 章 機械轉(zhuǎn)向器方案分析與設(shè)計計算 機械式轉(zhuǎn)向器應(yīng)用比較多，根據(jù)它們的結(jié)構(gòu)特點不同，可分為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器、 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器、蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器和蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器等。 4.1 機械轉(zhuǎn)向器方案分析 4.1.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器由與轉(zhuǎn)向軸做成一體的轉(zhuǎn)向齒輪和常與轉(zhuǎn)向橫拉桿做成一體的 齒條組成。與其它形式轉(zhuǎn)向器比較，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器最主要的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、 緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成，轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量比較?。粋鲃有矢哌_ 90；齒輪與齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙后，利用裝在齒條背部、靠近主動小齒輪處的 壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧，可自動消除齒間間隙，如圖4.1所示，這不僅可以提高轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)的剛度，還可以防止工作時產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用的體積?。粵]有轉(zhuǎn)向搖 臂和直拉桿，所以轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角可以增大；制造成本低。 圖4.1 自動消除間隙裝置 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要缺點是： 因逆效率高(6070) ，汽車在不平路面上行駛時，發(fā)生在轉(zhuǎn)向輪與路面之間 的沖擊力，大部分能傳至轉(zhuǎn)向盤，稱之為反沖。反沖現(xiàn)象會使駕駛員精神緊張，并難 以準確控制汽車行駛方向，轉(zhuǎn)向盤突然轉(zhuǎn)動又會造成打手，對駕駛員造成傷害。 根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式：中間輸入， 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 27 兩端輸出(圖4.2a)；側(cè)面輸入，兩端輸出(圖4.2b)；側(cè)面輸入，中間輸出(圖4.2c)；側(cè) 面輸入，一端輸出(圖4.2d)。 圖4.2 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的四種形式 采用側(cè)面輸入、中間輸出方案時，由圖4.3可見，與齒條固連的左、右拉桿延伸到 接近汽車縱向?qū)ΨQ平面附近。由于拉桿長度增加，車輪上、下跳動時拉桿擺角減小， 有利于減少車輪上、下跳動時