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哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目 捷達(dá)轎車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)
專(zhuān) 業(yè) 車(chē)輛工程
學(xué) 號(hào) 1089311106
學(xué) 生 李青龍
指 導(dǎo) 教 師 閆春利
答 辯 日 期 2011年12月30日
哈工大華德學(xué)院
哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘要
汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的法杖經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單的純機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、機(jī)械液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，到電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，知道更為節(jié)能、操縱性能更好的電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）等幾個(gè)階段。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向采用電動(dòng)機(jī)直接提供助力，助力大小由電控單元控制，具有助力大小可調(diào)、路感良好、環(huán)保、耗能低和維修方便等優(yōu)點(diǎn)。
本論文在對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需求分析的基礎(chǔ)上，提出了轉(zhuǎn)向軸助力式EPS系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用CAD軟件對(duì)機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并給出了主要零部件的強(qiáng)度校核。而對(duì)于EPS的電動(dòng)助力部分，則主要是對(duì)其控制原理進(jìn)行分析，給出了總體的控制方案。
關(guān)鍵詞: 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
Abstract
The automobile has turned to the sustematic experience and turned from simple pure machinery system ,mechanical hydraulic pressure power system ,get auromatically controlled hydraulic pressure power the system ,it is the energy-conservation even more ,handle performance fine electron who control electronic power steering adopts the motor to offer helping hand directly ,the size of helping hands is controlled by the automatically controlled untit have helping hand size adjustable ,way sense good ,environmental protection ,consume energy low maintaining advantaging such as being convenient .
This thesis on electric power steering system based on the analysis of the demand, puts forward the steering shaft power type EPS system, overall design scheme of mechanical CAD software used the structure design of steering mechanism, and gives the main components strength check. And for EPS of electric power, the main part of the control principle is analyzed, given the overall control scheme .
Key words: Electric power steering, Steering gear,Structural design
目 錄
摘 要 …………………………………………………………………………I
ABSTRACT ……………………………………………………………………II
第1張 緒論 ……………………………………………………………………1
1.1 汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn) ………………………………… 2
1.2 EPS國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 …………………………………………… 3
1.3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)…………………………………… 4
1.4 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)…………………………… 5
第2章 EPS方案設(shè)計(jì)………………………………………………………… 6
2.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選型…………………………………………… 6
2.2 機(jī)械部分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)…………………………………………… 6
2.2.1設(shè)計(jì)要求………………………………………………………6
2.2.2機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)形式及比較……………………………7
2.2.3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器布置和結(jié)構(gòu)形式的選擇……………… 9
2.3 控制部分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)…………………………………………… 10
2.3.1 控制部分性能要求分析…………………………………… 10
2.3.2 控制部分方案設(shè)計(jì)………………………………………… 12
第3章 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)……………………………………………… 13
3.1 整車(chē)性能參數(shù)……………………………………………………… 13
3.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)和計(jì)算………………………………… 13
3.2.1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器計(jì)算載荷的確定………………………… 13
3.2.2 轉(zhuǎn)向器基本部件設(shè)計(jì)……………………………………… 16
3.2.3 齒輪軸和齒條的材料選擇及強(qiáng)度校核…………………… 21
3.2.4 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向橫拉桿的運(yùn)動(dòng)分析………………… 26
3.2.5 齒輪齒條傳動(dòng)受力分析…………………………………… 27
3.2.6 間隙調(diào)整彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算………………………………… 27
3.2.7 齒輪軸軸承的校核………………………………………… 29
3.2.8 鍵的計(jì)算……………………………………………………30
第4章 EPS的關(guān)鍵部件和控制策略………………………………………… 31
4.1 EPS的關(guān)鍵部件選型…………………………………………………31
4.1.1 電動(dòng)機(jī)……………………………………………………… 31
4.1.2 電磁離合器………………………………………………… 31
4.1.3 減速機(jī)構(gòu)……………………………………………………32
4.1.4 扭矩傳感器…………………………………………………32
4.1.5 電流傳感器…………………………………………………34
4.2 EPS的電流控制…………………………………………………… 34
4.3 助力控制……………………………………………………………35
4.4 阻尼控制……………………………………………………………35
4.5 回正控制……………………………………………………………36
結(jié)論 …………………………………………………………………………37
致謝……………………………………………………………………………38
參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………39
-IV-
哈工大華德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)語(yǔ)
姓名： 李青龍 學(xué)號(hào)： 1089311106 專(zhuān)業(yè)： 車(chē)輛工程
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 捷達(dá)轎車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)
工作起止日期： 2011 年 10 月 11 日起 2011 年 12 月 30日止
指導(dǎo)教師對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)行情況，完成質(zhì)量及評(píng)分意見(jiàn)：
指導(dǎo)教師簽字： 指導(dǎo)教師職稱(chēng)：
評(píng)閱人評(píng)閱意見(jiàn)：
評(píng)閱教師簽字： 評(píng)閱教師職稱(chēng)：
答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)：
根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的材料和學(xué)生的答辯情況，答辯委員會(huì)作出如下評(píng)定：
學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯成績(jī)?cè)u(píng)定為：
對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的特殊評(píng)語(yǔ)：
答辯委員會(huì)主任（簽字） 職稱(chēng)：
答辯委員會(huì)副主任（簽字）： 職稱(chēng)：
答辯委員會(huì)委員（簽字）：
年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)
學(xué)生姓名
李青龍
系部
汽車(chē)工程系
專(zhuān)業(yè)、班級(jí)
車(chē)輛工程0893111
指導(dǎo)教師姓名
閆春利
職稱(chēng)
副教授
從事
專(zhuān)業(yè)
車(chē)輛工程
是否外聘
▇是□否
題目名稱(chēng)
捷達(dá)轎車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)
一、設(shè)計(jì)（論文）目的、意義
通過(guò)學(xué)習(xí)和研究設(shè)計(jì)一套電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并使其可以配備到捷達(dá)轎車(chē)上。降低駕駛員的疲勞強(qiáng)度，提高舒適性能。
通過(guò)對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使學(xué)生掌握汽車(chē)部件設(shè)計(jì)的基本過(guò)程和方法，鍛煉學(xué)生借助參考資料，獨(dú)立的分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力。培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和工作作風(fēng)，為以后的工作打好基礎(chǔ)。
二、設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容、技術(shù)要求（研究方法）
設(shè)計(jì)內(nèi)容：
（1）EPS方案設(shè)計(jì)、
（2）齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)
（3）EPS的關(guān)鍵部件選型和控制策略
（4）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)等
技術(shù)要求：
（1）文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)際考察，實(shí)際的需要以及存在的問(wèn)題；
（2）對(duì)所要研究的課題進(jìn)行初步可行性分析；
（3）進(jìn)行實(shí)地調(diào)研和設(shè)計(jì)。
（4）捷達(dá)轎車(chē)的動(dòng)力參數(shù)：
發(fā)動(dòng)機(jī)：總排量1.6L，最大功率70kW, 最大功率時(shí)轉(zhuǎn)速5600r/min,
最大扭矩140N.m, 最大扭矩時(shí)轉(zhuǎn)速3500r/min。
主要質(zhì)量參數(shù)：整備質(zhì)量1091kg, 滿(mǎn)載質(zhì)量2200kg 離地間隙137mm
幾何參數(shù)：總長(zhǎng)4415mm, 總寬1674mm, 高1415mm, 軸距2471mm ，前輪距1429mm，后輪距1422mm
輪胎參數(shù)：
前/后輪胎規(guī)格：185/60 R14
三、設(shè)計(jì)（論文）完成后應(yīng)提交的成果
（一）計(jì)算說(shuō)明部分
設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)不少于1.2萬(wàn)
（二）圖紙部分
（1）畫(huà)一張總裝圖
（2）畫(huà)一張齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的裝配圖
四、設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度安排
2011.10.9~2011.10.20 進(jìn)行調(diào)研，查相關(guān)資料，撰寫(xiě)《開(kāi)題報(bào)告》。
2011.10.21 畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題答辯。
2011.10.22～2011.11.17 按要求完成總體設(shè)計(jì)方案、初步計(jì)算及繪制草圖。
2011.11.18 老師檢查完成進(jìn)度情況。
2011.11.19～2010.11.24 完成設(shè)計(jì)草圖。
2011.11.25 進(jìn)行中期檢查。
2011.11.26～2011.12.09 繪制正式圖紙及完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)草稿。
2011.12.10～2011.12.19 上交畢業(yè)設(shè)計(jì)材料。
2011.12.20 ～2011.12.26 老師對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)審。
2011.12.28、29 畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。
2011.12.30、31 提交所有畢業(yè)設(shè)計(jì)材料。
五、主要參考資料
1.期刊類(lèi)：相關(guān)論文（中國(guó)學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)），有關(guān)大學(xué)學(xué)報(bào)等（五年內(nèi)）；
2.書(shū)：相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)籍；
3.網(wǎng)絡(luò)：專(zhuān)業(yè)相關(guān)網(wǎng)站（多個(gè)）；
4.其它：相關(guān)科研資料；
5.英文翻譯資料。
六、備注
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
教研室主任簽字：
年 月 日
哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒論
隨著現(xiàn)代汽車(chē)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱性能得要求也日益提高。為了保證車(chē)輛在任何工況下轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，都有較理想的操縱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向輕便性，即使在停車(chē)情況下轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)也能輕便靈敏，而高速行駛時(shí)又不會(huì)感到輕飄不穩(wěn)，人們對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了不斷地改進(jìn)。汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單的純機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到機(jī)械液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，到電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，直到更為節(jié)能、操縱性能更好的電子控制式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）等幾個(gè)階段。
汽車(chē)操縱穩(wěn)定性是指汽車(chē)確切地響應(yīng)操縱輸入與抵抗外界擾動(dòng)的能力，其中操縱性指汽車(chē)系統(tǒng)作為隨動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)駕駛員轉(zhuǎn)向輸入產(chǎn)生跟隨響應(yīng)的能力；穩(wěn)定性指抵抗外界路面或陣風(fēng)擾動(dòng)的能力，兩方面難以皆然分開(kāi)，統(tǒng)稱(chēng)操縱穩(wěn)定性。
按轉(zhuǎn)向動(dòng)力能源不同，汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可分為機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩大類(lèi)。機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是以人的體力為轉(zhuǎn)向能源的，其中所有的傳動(dòng)件都是機(jī)械的，它主要由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三部分組成。汽車(chē)轉(zhuǎn)向器作為汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要零部件，其性能的好壞直接影響到汽車(chē)行駛的安全性和可靠性。汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系的基礎(chǔ)上增設(shè)了一套轉(zhuǎn)向加力裝置所構(gòu)成的轉(zhuǎn)向系，它兼用駕駛員的體力和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力作為轉(zhuǎn)向能源。在正常的情況下，汽車(chē)轉(zhuǎn)向所需的力大部分由發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)向加力裝置提供，只有一小部分由駕駛員提供。但在動(dòng)力轉(zhuǎn)向?qū)嵭r(shí)，駕駛員仍能通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向操縱。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子控制式機(jī)械—液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，該系統(tǒng)在某些性能方面優(yōu)于傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，但仍然無(wú)法徹底解決液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的固有缺陷。此外，傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在選定參數(shù)完成設(shè)計(jì)之后，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能就確定了，不能再對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。因此傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向力與操縱“路感”的關(guān)系比較困難。當(dāng)安汽車(chē)低速轉(zhuǎn)向力小時(shí)設(shè)計(jì)，則高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向力往往過(guò)小、即“路感”差，甚至感覺(jué)汽車(chē)發(fā)“飄”，從而影響操縱穩(wěn)定性，而按高速性能要求設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)，低速時(shí)須轉(zhuǎn)向力往往過(guò)大。
汽車(chē)電子化是當(dāng)前汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。繼電子技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、制動(dòng)器和懸架等系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用之后，EPS在轎車(chē)和輕型汽車(chē)領(lǐng)域正逐步取代傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并向更大型轎車(chē)和商務(wù)客車(chē)方向發(fā)展，它已成為世界汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)和前沿技術(shù)之一，具有廣泛的應(yīng)用前景。
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS），是繼液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)后產(chǎn)生的一種動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是世界汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)和前沿技術(shù)之一，它屬于與傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不同的另一種動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它直接依靠電動(dòng)機(jī)提供輔助扭矩，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)電流的幅值和方向，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器電動(dòng)助力的要求，這種系統(tǒng)是汽車(chē)在低速時(shí)能減輕操縱力，從而提高操縱的輕便型；而當(dāng)汽車(chē)在告訴行駛時(shí)，電子控制系統(tǒng)保證提供最優(yōu)控制傳動(dòng)比和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向手感，從而提高高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性。因此它可以較好地解決液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所不能解決的矛盾。目前，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有代替液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的趨勢(shì)。
1.1 汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)
目前，液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車(chē)上得到了廣泛應(yīng)用，它能明顯降低轉(zhuǎn)向盤(pán)的操舵力，但存在工作效率低、體積大、液壓油易泄露污染環(huán)境等缺點(diǎn)。為了克服液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的確定，采用電機(jī)助力的電動(dòng)助力系統(tǒng)（EPS）成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由控制單元和動(dòng)力單元組成，控制單元根據(jù)車(chē)速信號(hào)、扭矩傳感器信號(hào)確定轉(zhuǎn)向助力扭矩值，并向動(dòng)力單元發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)，通過(guò)動(dòng)力單元對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的助力控制。
由于動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)向操縱靈活、輕便、并可吸收路面對(duì)前輪產(chǎn)生的沖擊等優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)50年代以來(lái)在各國(guó)汽車(chē)上開(kāi)始普遍應(yīng)用。20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究的汽車(chē)上以電能為動(dòng)力的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，它具有更為突出的優(yōu)點(diǎn)：
1、節(jié)能環(huán)保 由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，液壓泵始終處于工作狀態(tài)，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量增加了3％～5％，而EPS以蓄電池為能源，以電機(jī)為動(dòng)力元件，可獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)工作，EPS幾乎不直接消耗發(fā)動(dòng)機(jī)燃油。EPS不存在液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的燃油泄漏問(wèn)題，EPS通過(guò)電子控制，對(duì)環(huán)境幾乎沒(méi)有污染，更降低了油耗。
2、安裝方便 EPS的主要部件可以配集成在一起，易于布置，與液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比減少了許多元件，沒(méi)有液壓系統(tǒng)所需要的油泵、油管、壓力流量控制閥、儲(chǔ)油罐等，元件數(shù)目少，裝配方便，節(jié)約時(shí)間。
3、效率高 液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)效率一般在60%-70%，而EPS的效率較高，可高達(dá)90％以上。
4、路感好 傳統(tǒng)純液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系大多采用固定放大倍數(shù)，工作驅(qū)動(dòng)力大，但卻不能實(shí)現(xiàn)汽車(chē)在各種車(chē)速下駕駛時(shí)的輕便性和路感。而EPS系統(tǒng)的滯后特性可以通過(guò)EPS控制器的軟件加以補(bǔ)償，使汽車(chē)在各種速度下都能得到滿(mǎn)意的轉(zhuǎn)向助力。
5、回正性好 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅操作簡(jiǎn)便，還可以通過(guò)調(diào)整EPS控制器的軟件，得到最佳的回正性，從而改善汽車(chē)操縱的穩(wěn)定性和舒適性。
由此可見(jiàn)，EPS和HIP相比，是一項(xiàng)緊扣現(xiàn)代汽車(chē)時(shí)代發(fā)展主題的高興技術(shù)，必將逐步取代現(xiàn)有的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
1.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀
目前國(guó)外的研究主要集中于細(xì)節(jié)上對(duì)助力特性,操縱性能等的進(jìn)一步優(yōu)化，考慮的影響因素比國(guó)內(nèi)多,并且設(shè)計(jì)出了操作模擬器對(duì)EPS 的控制策略進(jìn)行評(píng)估。在對(duì)控制策略的研究上國(guó)外側(cè)重于選擇基于PID 的補(bǔ)償和回正控制策略,對(duì)于單獨(dú)使用的模糊控制,H∞控制也有研究,暫時(shí)還未見(jiàn)對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究。
國(guó)外的研究通常都是在基于PID 的回正補(bǔ)償控制基礎(chǔ)上對(duì)回正性能進(jìn)一步優(yōu)化,控制把持、轉(zhuǎn)向、加載過(guò)程中的電流擾動(dòng),以及在特殊的路面條件下對(duì)汽車(chē)的操控等。例如三菱公司提出的一種新的EPS控制策略將在低附著的路面上提供更高的轉(zhuǎn)向盤(pán)回正性和路感。這種方法是只有當(dāng)轉(zhuǎn)向軸上的反應(yīng)力矩達(dá)到預(yù)定力矩時(shí)才提高回正性,采用了2種控制策略:第1種策略是基于轉(zhuǎn)向角反饋,而第2種是基于估計(jì)校正力矩反饋。而三菱公司的另外一種新的電機(jī)電流控制策略是基于對(duì)干擾電壓的估計(jì)和補(bǔ)償 ,在仍然使用普通的微處理器的情況下,電機(jī)的電流波動(dòng)也可得到顯著的減少,從而減少了不必要的轉(zhuǎn)向力矩的波動(dòng)和噪聲。這種新的控制器是基于對(duì)電壓波動(dòng)的估計(jì)和補(bǔ)償,包括2個(gè)模塊。一個(gè)模塊是估計(jì)由于電池電壓等的改變引起的電壓波動(dòng),另一個(gè)模塊補(bǔ)償為電機(jī)提供的電壓以消除電壓的波動(dòng)。
從整體上來(lái)講國(guó)內(nèi)近年來(lái)對(duì)于EPS 的研究發(fā)展很快,尤其是在控制策略的研究上,已經(jīng)將不同的控制方法引入ECU 中,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析不斷地完善和改進(jìn),但是在對(duì)于細(xì)節(jié)的優(yōu)化上距離國(guó)外還有相當(dāng)?shù)牟罹?而且目前國(guó)內(nèi)除了吉利汽車(chē),還尚未自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EPS ,距離EPS 的批量化生產(chǎn)也還有很長(zhǎng)的一段路要走。
1.3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一項(xiàng)綜合了現(xiàn)代控制技術(shù)、機(jī)電一體化及現(xiàn)代化電子技術(shù)等技術(shù)的高新技術(shù)，與傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向相比有許多優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展前景非常好。
首先，EPS的應(yīng)用范圍將會(huì)進(jìn)一步拓展，將作為標(biāo)準(zhǔn)件裝備在汽車(chē)上，并將在動(dòng)力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。目前，在全世界汽車(chē)行業(yè)中，電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)每年正以9%—10%的增長(zhǎng)速度發(fā)展，年增長(zhǎng)量以130萬(wàn)—150萬(wàn)套，估計(jì)直2005年，該產(chǎn)品的產(chǎn)量將由目前的150萬(wàn)套增長(zhǎng)到800萬(wàn)套，2006年達(dá)到1140萬(wàn)套。按此速度發(fā)展，用不了幾年的時(shí)間，電動(dòng)轉(zhuǎn)向?qū)?huì)完全占領(lǐng)轎車(chē)市場(chǎng)。
其次，盡管EPS已達(dá)到了其最初的設(shè)計(jì)目的，但仍然存在一些急待解決的問(wèn)題，比如提高現(xiàn)在應(yīng)用的EPS系統(tǒng)性能的可靠性、降低生產(chǎn)的成本等，另外，電動(dòng)機(jī)本身的性能及其與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配都將影響到轉(zhuǎn)向操縱力、轉(zhuǎn)向路感等問(wèn)題，因此進(jìn)一步改善電動(dòng)機(jī)的性能是下一步努力的一個(gè)主要方向。
第三，未來(lái)的EPS將向電子四輪轉(zhuǎn)向的方向發(fā)展，并于通過(guò)總線(xiàn)技術(shù)電子懸架。發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制等一起統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，今后有可能取消轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械部分而采用所謂的線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
概括地說(shuō)，今后電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向主要是：改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能、提高系統(tǒng)可靠性和降低控制系統(tǒng)的制造成本。只有進(jìn)一步改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能，才能滿(mǎn)足更高檔車(chē)的使用要求，只有降低成本才能在大多數(shù)汽車(chē)上得到廣泛應(yīng)用。
對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，由于在這方面和國(guó)外的差距很大，所以在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段間內(nèi)，仍須集中精力解決好傳感器、電動(dòng)機(jī)和電子控制器ECU等方面的研究開(kāi)發(fā)工作。
1.4 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理及
EPS的機(jī)械部分有多種型式，其中較常見(jiàn)的是齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，助力裝置則由電動(dòng)機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的液壓缸，電動(dòng)機(jī)從汽車(chē)蓄電池中獲得電源。根據(jù)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部位的不同，EPS分為轉(zhuǎn)向軸助力式、轉(zhuǎn)向器小齒輪助力式和齒條助力式三中。典型的電動(dòng)助力機(jī)構(gòu)為轉(zhuǎn)向軸助力式，即助力電機(jī)被固定在轉(zhuǎn)向軸上，從電動(dòng)機(jī)輸出軸上輸出的助力矩經(jīng)減速及離合機(jī)構(gòu)傳遞到轉(zhuǎn)向軸。但無(wú)論是哪一種形式的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其構(gòu)成和工作原理都是大致相同的。
EPS的轉(zhuǎn)向合奏由靠扭桿相連的輸入軸和輸出軸組成，輸出軸通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向拉桿使車(chē)輪轉(zhuǎn)向。輸出軸除通過(guò)扭桿與輸入軸相連外，還經(jīng)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)—離合器與助力電機(jī)相連。駕駛者在操作方向盤(pán)時(shí)，給輸入軸輸入了角位移?，輸入軸和輸出軸之間的相對(duì)角位移是扭桿受扭，扭矩傳感器將扭桿所受到的扭矩m轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸入控制裝置并控制電機(jī)的助力和方向。與此同時(shí)，車(chē)速傳感器檢測(cè)到的車(chē)速信號(hào)也輸入控制裝置，在車(chē)速低于設(shè)定值時(shí)，離合器接合，系統(tǒng)提供助力；在車(chē)速超過(guò)設(shè)定值（30—40km/h）時(shí)，停止對(duì)電機(jī)提供，系統(tǒng)不提供助力，同時(shí)，離合器切斷，以避免轉(zhuǎn)向系統(tǒng)受電機(jī)慣性力矩的影響。
EPS多采用永磁直流電機(jī)。為了改善電機(jī)的操作穩(wěn)定性，降低震動(dòng)和噪聲，常在電機(jī)轉(zhuǎn)子周緣開(kāi)設(shè)斜槽或不對(duì)稱(chēng)環(huán)槽。扭矩傳感器采用由雙電位器構(gòu)成的電橋，電位器的轉(zhuǎn)動(dòng)由扭桿和相應(yīng)的機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)。
EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-1
圖1-1 EPS結(jié)構(gòu)示意圖
第2章 EPS方案設(shè)計(jì)
2.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選型
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照電動(dòng)機(jī)布置位置的不同，可以分為：轉(zhuǎn)向軸助力式、齒輪助力式、齒條助力式3種。
轉(zhuǎn)向軸助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器(C-EPS)的助力電機(jī)固定在轉(zhuǎn)向柱的一側(cè)，通過(guò)減速增扭機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸助力轉(zhuǎn)向。這種形式的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、易于安裝?，F(xiàn)在多數(shù)EPS就是采用這種形式。此外，C-EPS的助力提供裝置可以設(shè)計(jì)成適用于各種轉(zhuǎn)向柱，如固定式轉(zhuǎn)向柱、斜度可調(diào)式轉(zhuǎn)向柱以及其它形式的轉(zhuǎn)向柱。但由于助力電機(jī)安裝在駕駛艙內(nèi)，受到空間布置和噪聲的影響，電機(jī)的體積較小，輸出扭矩不大，一般只用在小型及緊湊型車(chē)輛上。
齒輪助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器(P—EPS)的助力電機(jī)和減速增扭機(jī)構(gòu)與小齒輪相連，直接驅(qū)動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。由于助力電機(jī)不是安裝在乘客艙內(nèi)，因此可以使用較大的電機(jī)以獲得較高的助力扭矩，而不必?fù)?dān)心電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量太大產(chǎn)生的噪聲。該類(lèi)型轉(zhuǎn)向器可用于中型車(chē)輛，以提供較大的助力。
齒條助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器(R-EPS)的助力電機(jī)和減速增扭機(jī)構(gòu)則直接驅(qū)動(dòng)齒條提供助力。由于助力電機(jī)安裝于齒條上的位置比較自由，因此在汽車(chē)的底盤(pán)布置時(shí)非常方便。同時(shí)，同C—EPS和P-EPS相比，可以提供更大的助力值，所以一般用于大型車(chē)輛上。
轉(zhuǎn)向軸式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然提供的助力沒(méi)有其它兩種方式提供的助力大，但在安裝方面要方便的多。再者，這次設(shè)計(jì)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要是針對(duì)轎車(chē)來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，轎車(chē)空間相對(duì)較小，空間問(wèn)題是我們要考慮的重點(diǎn)問(wèn)題。轉(zhuǎn)向軸式對(duì)空間緊湊的經(jīng)濟(jì)型轎車(chē)很適合。所以我選擇轉(zhuǎn)向軸助力式(C-EPS)。
2.2 機(jī)械部分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。
2.2.1 設(shè)計(jì)要求
轉(zhuǎn)向系是用來(lái)保持或者改變汽車(chē)行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車(chē)轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。
轉(zhuǎn)向系應(yīng)滿(mǎn)足如下基本要求：
（1）保證汽車(chē)有較高的機(jī)動(dòng)性，在有限的場(chǎng)地面積內(nèi)，具有迅速小轉(zhuǎn)彎的能力；
（2）內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角間的匹配硬保證當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，全部車(chē)輪繞同一瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車(chē)輪只有滾動(dòng)而無(wú)側(cè)滑；
（3）當(dāng)轉(zhuǎn)向輪收到地面沖擊時(shí)，轉(zhuǎn)向系傳到轉(zhuǎn)向盤(pán)的逆向沖擊要小；
（4）汽車(chē)在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪都不得產(chǎn)生自激振動(dòng)，轉(zhuǎn)向盤(pán)沒(méi)有擺動(dòng)；
（5）操縱輕便：轉(zhuǎn)向時(shí)加在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力，對(duì)轎車(chē)不應(yīng)超過(guò)150—200N，對(duì)中型貨車(chē)不應(yīng)超過(guò)360N，對(duì)重型貨車(chē)不應(yīng)超過(guò)450N，否則應(yīng)考慮動(dòng)力轉(zhuǎn)向；同時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)的回轉(zhuǎn)圈數(shù)要少；
（6）轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置的運(yùn)動(dòng)干涉應(yīng)最小；
（7）轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向盤(pán)應(yīng)自動(dòng)匯整，并能使汽車(chē)保持在穩(wěn)定的直線(xiàn)行駛狀態(tài)；
（8）轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的球頭處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)；
（9）當(dāng)汽車(chē)發(fā)生碰撞轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向軸由于車(chē)架或車(chē)身變形而共同后移時(shí)，轉(zhuǎn)向系應(yīng)有能使駕駛?cè)嗣庠饣驕p輕傷害的防傷裝置；
（10）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核，保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。
2.2.2 機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)形式及比較
目前汽車(chē)上廣泛使用的是齒輪齒條式及循環(huán)球式。
（1）齒輪齒條式
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、體積小、質(zhì)量輕；傳動(dòng)效率高達(dá)90%；可自動(dòng)消除齒間間隙；沒(méi)有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角可以增大；制造成本低。
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是：逆效率高達(dá)60%—70%。因此，汽車(chē)在不平路面上行駛時(shí)，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(pán)。
根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點(diǎn)不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式：中間輸入，兩端輸出（圖2-1a）；側(cè)面輸入，兩端輸出（圖2-1b）；側(cè)面輸入，中間輸出（圖2-1c）；側(cè)面輸入，一端輸出（圖2-1d）。
（a） （b）
（c） （d）
圖2-1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的形式
根據(jù)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向梯形相對(duì)前軸位置的不同，在汽車(chē)上有四種布置形式：轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，后置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，前置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，后置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，前置梯形，見(jiàn)圖2-2。
(a) (b)
(c) (d)
圖2-2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的布置形式
齒條斷面有圓形、V形和Y形三種。圓形斷面制造簡(jiǎn)單；V形和Y形節(jié)約材料，質(zhì)量小而且位于齒條下面的兩斜面與齒條托坐接觸，可以用來(lái)防止齒條繞軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。
（2）循環(huán)球式
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由螺桿和螺母共同形成的螺旋槽內(nèi)裝有鋼球構(gòu)成的傳動(dòng)副，以及螺母上齒條與搖臂軸上齒扇構(gòu)成的傳動(dòng)副組成，如圖2-3所示。
圖2-3 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)是：傳動(dòng)效率可達(dá)到75%-85%；轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比可以變化；工作平穩(wěn)可靠；齒條和齒扇之間的間隙調(diào)整容易；適合用來(lái)做整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是：逆效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，制造精度要求高。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要用于貨車(chē)和客車(chē)上。
由于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器與循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器相比：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)效率高，操縱輕便，質(zhì)量輕；且不需要轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向直拉桿，使轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)得以簡(jiǎn)化。所以我選用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。
2.2.3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器布置和結(jié)構(gòu)形式的選擇
在前橋僅為轉(zhuǎn)向橋的情況下，由轉(zhuǎn)向橫拉桿和左、右梯形臂組成的轉(zhuǎn)向梯形一般布置在前橋之后。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪處于與汽車(chē)直線(xiàn)行駛相應(yīng)的中立位置時(shí)，梯形臂與橫拉桿在與道路平行的平面(水平面)內(nèi)的交角＞90。
在發(fā)動(dòng)機(jī)位置較低或轉(zhuǎn)向橋兼充驅(qū)動(dòng)橋的情況下，為避免運(yùn)動(dòng)干涉，往往將轉(zhuǎn)向梯形布置在前橋之前，此時(shí)上述交角＜90。
本次設(shè)計(jì)是發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)，故采用如圖2-4所示的布置形式。
圖2-4 轉(zhuǎn)向梯形前置
同時(shí)考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)故采用如圖2-5所示的側(cè)面輸入兩端輸出的結(jié)構(gòu)形式。
圖2-5 齒輪齒條位置布置
2.3 控制部分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
2.3.1 控制部分性能要求分析
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)除必須滿(mǎn)足車(chē)輛對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一切性能要求外，還應(yīng)滿(mǎn)足控制、控制系統(tǒng)、傳感器等性能要求，具體有以下幾點(diǎn)：
（1）具有良好的轉(zhuǎn)向助力特性
轉(zhuǎn)向盤(pán)力是駕駛者輸入轉(zhuǎn)向盤(pán)用以操縱汽車(chē)的力。EPS的基本目標(biāo)是提高汽車(chē)停車(chē)泊位和低速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性，高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性。在低車(chē)速、低側(cè)向加速度行駛工況下，汽車(chē)應(yīng)具有適度的轉(zhuǎn)向盤(pán)力與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角，還應(yīng)有良好的回正性能。在高車(chē)速和低側(cè)向加速度范圍內(nèi)，汽車(chē)應(yīng)具有良好的橫擺角速度頻率響應(yīng)特性，直線(xiàn)行駛能力和回正性能。轉(zhuǎn)向盤(pán)力的大小要適度，特別是隨著車(chē)速的提高，轉(zhuǎn)向盤(pán)力不宜過(guò)輕而要保持一定的數(shù)值；采用隨行駛車(chē)速而改變轉(zhuǎn)向盤(pán)操作力特性的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可以顯著地改善高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)力的品質(zhì)。因此，EPS系統(tǒng)的助力特性曲線(xiàn)是一族隨車(chē)速變化的曲線(xiàn)，如圖2-6。
圖2-6助力特性曲線(xiàn)
（2）應(yīng)具有良好的操縱穩(wěn)定性
所謂穩(wěn)定性主要是指汽車(chē)在行駛過(guò)程中，當(dāng)突然受到外界橫向力作用而發(fā)生自動(dòng)轉(zhuǎn)向等不穩(wěn)定現(xiàn)象時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)該具有使車(chē)輛在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)迅速地回復(fù)正常行駛狀態(tài)的能力。
轉(zhuǎn)向系一直存在著輕與靈的矛盾，在不同的工況下，對(duì)操縱穩(wěn)定性要求的側(cè)重面是不一樣的。一般轉(zhuǎn)向力與路感是相互制約的，轉(zhuǎn)向力小意味著轉(zhuǎn)向輕便，能減小駕駛員的體力消耗；但轉(zhuǎn)向力過(guò)小，就缺乏路感。傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向由于不能對(duì)助力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制，所以協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向力和路感的關(guān)系困難，特別是汽車(chē)高速行駛時(shí)，仍然會(huì)提供較大助力，使駕駛員缺乏路感，甚至感覺(jué)汽車(chē)有飄的感覺(jué)，影響操縱穩(wěn)定性，危機(jī)汽車(chē)高速行駛時(shí)的安全。由于EPS由電機(jī)提供助力，助力大小由電控單元（ECU）實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制。EPS可以根據(jù)車(chē)速不同工況，制定不同的控制策略，自動(dòng)地削弱或吸收擺振、維持轉(zhuǎn)向盤(pán)具有良好的穩(wěn)定感的能力，較好地解決上述矛盾。
(3) 應(yīng)具有良好的跟隨性
EPS是一種電子控制電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向伺服系統(tǒng)，跟隨性問(wèn)題十分重要。所謂跟隨性問(wèn)題是指當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)有轉(zhuǎn)向輸入時(shí)，系統(tǒng)中的各個(gè)元件（如電機(jī)等）及其他相關(guān)元件（如車(chē)輪等）均具有快速、協(xié)調(diào)和準(zhǔn)確的響應(yīng)性或跟隨性。例如，當(dāng)在方向盤(pán)上輸入一個(gè)偏轉(zhuǎn)角位移時(shí)，下部輸出軸要在直流電機(jī)的帶動(dòng)下，按照給定的輸入角位移穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速地跟蹤上輸入偏轉(zhuǎn)角的位移。
（4) 具有良好的回正特性
駕駛員轉(zhuǎn)向時(shí)，回正力矩是使轉(zhuǎn)向車(chē)輪自動(dòng)返回到直線(xiàn)行駛位置的主要恢復(fù)力矩之一。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)作用到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中不僅存在著摩擦損失轉(zhuǎn)矩，還有彈性和間隙。如果輪胎的回正力矩比總的摩擦損失力矩小，轉(zhuǎn)向盤(pán)將不可能恢復(fù)到中間位置，汽車(chē)將偏離預(yù)期的行駛路線(xiàn)，直到駕駛員通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)用力使它返回到中間位置。而在高速行駛時(shí)，為此，需要在常規(guī)轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上增加回正控制功能。高速行駛時(shí)，輪胎的側(cè)向力較大，為防止回正超調(diào)，則利用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩對(duì)系統(tǒng)的阻尼作用，使回正處于受控狀態(tài)。
由于在EPS中采用了微電子技術(shù)，利用軟件控制電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作，在最大限度內(nèi)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)以獲得最佳的回正特性。從最低車(chē)速到最高車(chē)速，可得到一組回正特性曲線(xiàn)，而傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是無(wú)法做到這一點(diǎn)的。
（5）適合的轉(zhuǎn)向路感
對(duì)于EPS來(lái)說(shuō)，其助力大小可根據(jù)不同車(chē)速、通過(guò)軟件的方式來(lái)控制電機(jī)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制，通過(guò)采用優(yōu)良的控制策略，來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)向路感，獲得滿(mǎn)意的轉(zhuǎn)向輕便性和操縱穩(wěn)定性，并保證駕駛員有足夠的路感，實(shí)現(xiàn)路感的優(yōu)化。
（6）具有在版故障診斷功能
（7）EPS系統(tǒng)應(yīng)具有碰撞能量吸收功能
對(duì)于EPS系統(tǒng)，當(dāng)汽車(chē)發(fā)生正面沖撞時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)的壓迫是導(dǎo)致駕駛員受傷的一個(gè)主要原因，因此要求EPS系統(tǒng)轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)必須設(shè)置各種緩沖式的安全裝置。
2.3.2 控制部分方案設(shè)計(jì)
EPS具體的工作流程是：當(dāng)車(chē)輛點(diǎn)火開(kāi)關(guān)接通，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)后，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的ECU發(fā)出指令使電源繼電器和故障保護(hù)繼電器閉合，讓整個(gè)EPS系統(tǒng)啟動(dòng)，EPS程序一直監(jiān)控車(chē)速傳感器與轉(zhuǎn)矩傳感器輸入的車(chē)速和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩信號(hào)，其中，轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩信號(hào)體現(xiàn)了轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)矩大小及該時(shí)刻轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)向和位置，從而能夠判斷轉(zhuǎn)向盤(pán)是順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)還是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)還是在中間位置保持不動(dòng)，由車(chē)速與轉(zhuǎn)矩信號(hào)實(shí)時(shí)輸出相應(yīng)的控制電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)不同大小不同方向的助力，當(dāng)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，EPS系統(tǒng)停止工作。
圖2-7 EPS系統(tǒng)工作流程圖
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要部件有：轉(zhuǎn)矩傳感器、車(chē)速傳感器、電流傳感器、電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)構(gòu)、電子控制單元（ECU)。轉(zhuǎn)矩傳感器一般安裝在轉(zhuǎn)向小齒輪軸上，有的與電動(dòng)機(jī)集成制造成一體；車(chē)速傳感器安裝在變速器輸出軸上；電流傳感器安裝在電動(dòng)機(jī)里；電子控制單元安裝在轉(zhuǎn)向器上方或者安裝在駕駛員左側(cè)的儀表盤(pán)背板上；電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)構(gòu)集成制造在一起，一般根據(jù)不同的要求安裝在轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向小齒輪或者轉(zhuǎn)向齒條上。在小型車(chē)輛上，電機(jī)是通過(guò)齒輪箱與轉(zhuǎn)向柱連接，而在中型汽車(chē)上，電機(jī)則是通過(guò)法蘭交叉或縱向安裝在齒條上，并通過(guò)齒輪箱操作。本次設(shè)計(jì)中，由于所選用的車(chē)型是小型車(chē)，故將電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)構(gòu)集成通過(guò)齒輪箱安裝在轉(zhuǎn)向柱上。
第3章 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)
3.1 整車(chē)性能參數(shù)
本次設(shè)計(jì)以某微型轎車(chē)為模型，采用前置前驅(qū)的驅(qū)動(dòng)方式，其基本參數(shù)如表3-1所示：
表3-1 某微型車(chē)基本參數(shù)
名稱(chēng)
數(shù)值
單位
軸距L
2472
mm
前輪距L1
1429
mm
后輪距L2
1422
mm
最小轉(zhuǎn)彎半徑Rmin
10600
mm
車(chē)長(zhǎng)
4415
mm
車(chē)寬
1674
mm
車(chē)高
1415
mm
整車(chē)整備質(zhì)量
1095
kg
前輪負(fù)荷率
60%
載客數(shù)
5
人
輪胎規(guī)格
前輪175/65 R15
后輪175/65 R15
3.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)和計(jì)算
3.2.1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器計(jì)算載荷的確定
（1）為了保證行駛安全，組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。欲驗(yàn)算轉(zhuǎn)向系零件的強(qiáng)度，需首先確定作用在各零件上的力。影響這些力的主要因素有轉(zhuǎn)向軸的負(fù)荷，路面阻力和輪胎氣壓等。為轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力，包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力、車(chē)輪穩(wěn)定阻力、輪胎變形阻力和轉(zhuǎn)向系中的內(nèi)摩擦阻力等。
精確地計(jì)算這些力是困難的，為此推薦用足夠精確的半經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算汽車(chē)在瀝青或者混泥土路面上的原轉(zhuǎn)向阻力矩(Nmm)，即
412878.50 （3-1）
式中，f為輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，一般取0.7；G1為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷（N)； P為輪胎氣壓（MPa)。
該車(chē)整車(chē)整備質(zhì)量為1095kg，所載人數(shù)為6人，每人質(zhì)量約60kg；前置前驅(qū)轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷率為60%
故G1=（1095+606)9.860%=8555.4N
P取0.2MPa。
（2）轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比的計(jì)算
圖3-1 轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)角關(guān)系圖
（3-2）
式中：L—汽車(chē)軸距，2472mm；
R—汽車(chē)最小轉(zhuǎn)彎半徑，10600mm。
38.12。
式中：L—汽車(chē)軸距，2472mm；
R—汽車(chē)最小轉(zhuǎn)彎半徑，10600mm；
B—前輪輪距，1429mm。
設(shè)計(jì)取方向盤(pán)總?cè)?shù)為3.5，則
（3-4）
式中：—轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角（速度），3×360。；
—轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角（速度），α+β=72.62。
（3）作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力
作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力為
N （3-5）
式中：—轉(zhuǎn)向搖臂長(zhǎng)；
—轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)；
—轉(zhuǎn)向盤(pán)直徑，設(shè)計(jì)為360mm；
—轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比；
—轉(zhuǎn)向器正效率，90%。
因齒輪齒條式轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向節(jié)臂，故和不代入數(shù)值。
對(duì)于給定的汽車(chē)，用式（3-5）計(jì)算出來(lái)的作用力是最大值。因此，可以用此值作為計(jì)算載荷。
（4）轉(zhuǎn)向盤(pán)扭力矩Tz
（3-6）
式中：—轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力，171.40N；
—轉(zhuǎn)向盤(pán)直徑，設(shè)計(jì)為360mm。
（5）梯形臂長(zhǎng)度L2的計(jì)算
前輪輪胎規(guī)格為前輪185/60 R14，則輪輞直徑=14in=1425.4=355.6mm。
梯形臂長(zhǎng)度142.24，取L=140mm。
（6）輪胎直徑的計(jì)算
輪胎直徑，取。
（7）轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑的計(jì)算：
mm （3-7）
式中：—原地轉(zhuǎn)向阻力矩，412878.50N.mm；
—前輪距1429mm；
[σ]—材料許用應(yīng)力216MPa；
取。
（8）主動(dòng)齒輪軸的計(jì)算：
（3-8）
式中：—方向盤(pán)扭矩，30852 N.mm；
[τ]—材料許用切應(yīng)力，140MPa；
取
3.2.2 轉(zhuǎn)向器基本部件設(shè)計(jì)
（1）技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3-2
表3-2 技術(shù)參數(shù)表
名稱(chēng)
數(shù)值
單位
線(xiàn)角傳動(dòng)比
47.6
mm/rad
齒輪法向模數(shù)
2.5
方向盤(pán)總?cè)?shù)
3
齒條行程
160
mm
（2）齒輪
齒輪是一只切有齒形的軸。它安裝在轉(zhuǎn)向器殼體上并使其齒與齒條上的齒相嚙合。齒輪齒條上的齒可以是直齒也可以是斜齒。齒輪軸上端與轉(zhuǎn)向柱內(nèi)的轉(zhuǎn)向軸相互連接。因此，轉(zhuǎn)向盤(pán)的旋轉(zhuǎn)使齒條橫向移動(dòng)以操作前輪。齒輪軸由安裝在轉(zhuǎn)向器殼體上的球軸承支承。斜齒的彎曲增加了一對(duì)嚙合齒輪參與嚙合的齒數(shù)。相對(duì)直齒而言，斜齒的運(yùn)轉(zhuǎn)趨于平穩(wěn)，并能傳遞更大的動(dòng)力。故齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪多采用斜齒圓柱齒輪。齒輪的模數(shù)取值范圍在2-3mm之間。主動(dòng)小齒輪齒數(shù)在5-7個(gè)范圍變化,壓力角取值20o，齒輪螺旋角多為9°-15°。
取齒輪模數(shù)mn1=2.5，齒輪齒數(shù)z1=6，齒輪壓力角α1=20°，齒輪螺旋角取為15°、左旋，齒輪軸總長(zhǎng)L=160mm，
故斜齒圓柱齒輪直徑根據(jù)公式
d1=mn1z1/cosβ=15.53mm （3-9）
取齒寬系數(shù)，
則齒條寬度 （3-10）
圓整取 ，則取齒輪齒寬。
表3-3 齒輪軸的尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
尺寸參數(shù)(mm)
1
總長(zhǎng)
160
2
齒寬
30
3
齒數(shù)
6
4
法向模數(shù)
2.5
5
螺旋角
15°
6
螺旋方向
左旋
（3）齒條
齒條是在金屬殼體內(nèi)來(lái)回滑動(dòng)的，加工有齒形的金屬條。轉(zhuǎn)向器殼體是安裝在前橫梁或前圍板的固定位置上的。齒條代替梯形轉(zhuǎn)向桿系的搖桿和轉(zhuǎn)向搖臂，并保證轉(zhuǎn)向橫拉桿在適當(dāng)?shù)母叨纫允顾麄兣c懸架的下擺臂平行。齒條可以比作是梯形轉(zhuǎn)向桿系的轉(zhuǎn)向直拉桿。導(dǎo)向座將齒條支持在轉(zhuǎn)向器殼體上。齒條的橫向運(yùn)動(dòng)拉動(dòng)或推動(dòng)轉(zhuǎn)向橫拉桿，使前輪轉(zhuǎn)向。相互嚙合的齒輪的齒距和齒條的齒距必須相等。
即：
取齒條的模數(shù)：=2.5，計(jì)算出齒條的壓力角為：=20°，
取齒條的總廠(chǎng)L為735mm，直徑30mm，齒條行程為160mm。
表3-4 齒條的尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
尺寸參數(shù)()
1
總長(zhǎng)
735
2
直徑
30
3
齒數(shù)
21
4
法向模數(shù)
2.5
（4）轉(zhuǎn)向橫拉桿及其端部
轉(zhuǎn)向橫拉桿與梯形轉(zhuǎn)向桿系的相似。球頭銷(xiāo)通過(guò)螺紋與齒條連接。當(dāng)這些球頭銷(xiāo)依制造廠(chǎng)的規(guī)范擰緊時(shí)，在球頭銷(xiāo)上就作用了一個(gè)預(yù)載荷。防塵套夾在轉(zhuǎn)向器兩側(cè)的殼體和轉(zhuǎn)向橫拉桿上，這些防塵套阻止雜物進(jìn)入球銷(xiāo)和齒條中。
轉(zhuǎn)向橫拉桿端部與外端用螺紋連接。這些端部與梯形轉(zhuǎn)向桿系的相似。側(cè)面螺母將橫拉桿外端與橫拉桿鎖緊。
表3-5 轉(zhuǎn)向橫拉桿及接頭的尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
尺寸參數(shù)（mm)
1
橫拉桿總長(zhǎng)
257
2
橫拉桿直徑
10
3
螺紋長(zhǎng)度
48
4
外接頭總長(zhǎng)
100
5
球頭銷(xiāo)總長(zhǎng)
52
6
球頭銷(xiāo)螺紋公稱(chēng)直徑
M81
7
外接頭螺紋公稱(chēng)直徑
M101
8
內(nèi)接頭總長(zhǎng)
60
9
內(nèi)接頭螺紋公稱(chēng)直徑
M121
（5）齒條調(diào)整
一個(gè)齒條導(dǎo)向座安裝在齒條光滑的一面。齒條導(dǎo)向座和殼體螺紋連接的調(diào)整螺塞之間連有一個(gè)彈簧。此調(diào)節(jié)螺塞由鎖緊螺母固定。齒條導(dǎo)向座的調(diào)節(jié)使齒輪、齒條之間有一定的預(yù)緊力，此預(yù)緊力會(huì)影響轉(zhuǎn)向沖擊、噪聲和反饋。
圖3-2 自動(dòng)消除間隙裝置
表3-6 齒條調(diào)整裝置的尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
尺寸參數(shù)（mm)
1
導(dǎo)向座外徑
40
2
導(dǎo)向座高度
30
3
彈簧總?cè)?shù)
6.5
4
彈簧節(jié)距
8.25
5
彈簧外徑
30
6
彈簧安裝高度
37
7
螺塞螺紋公稱(chēng)直徑
M442
8
螺塞高度
30
9
鎖止螺塞高度
10
10
轉(zhuǎn)向器殼體總長(zhǎng)/高
600/150
11
轉(zhuǎn)向器殼體內(nèi)/外徑
40/56
（6）齒輪齒條的綜合分析設(shè)計(jì)及計(jì)算
轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向盤(pán)的單位轉(zhuǎn)角增量與齒條位移增量的反比定義為齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的線(xiàn)角傳動(dòng)比。
假設(shè)齒輪有足夠的嚙合長(zhǎng)度，且齒輪在齒條上滾動(dòng)而齒條不動(dòng)的嚙合情況，當(dāng)齒輪嚙合一周時(shí)，齒輪中心線(xiàn)由O-O位置移動(dòng)到O‘-O’位置，如圖3-3示。
這時(shí)可以知道AB=πd，齒輪在齒條上移動(dòng)了AC距離：
式中：—齒輪安裝角，（°）；
—齒輪分度圓直徑（mm）。
齒輪在垂直于齒條中心線(xiàn)MM的方向上移動(dòng)了BC距離：；在齒條實(shí)際工作中是運(yùn)動(dòng)的，齒輪只是繞軸承中心線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，并不移動(dòng)。只能是齒條沿其軸線(xiàn)移動(dòng)，可見(jiàn)BC在實(shí)際工作中不存在，從中可知：；在齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，齒條實(shí)際移動(dòng)距離AD為：。
式中：—齒條傾角（°）。
AD就是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的線(xiàn)角傳動(dòng)比，即
（3-11）
將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：；；；代入上式，得
=8.3114°。
齒條的齒數(shù)計(jì)算z2
（3-12）
式中：—齒條行程，160mm；
—齒條模數(shù)，2.5；
—齒條壓力角，=20°。
將數(shù)據(jù)代入（3-12）式，得=21.68，取整數(shù)值=21。
圖3-3 齒條嚙合長(zhǎng)度計(jì)算圖
3.2.3 齒輪軸和齒條的材料選擇及強(qiáng)度校核
3-7 齒輪軸和齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算
設(shè)計(jì)計(jì)算和說(shuō)明
計(jì)算結(jié)果
⑴選擇齒輪材料、熱處理方式及計(jì)算許用應(yīng)力
①選擇材料及熱處理方式
小齒輪16MnCr5 滲碳淬火，齒面硬度56-62HRC
齒條 45鋼 表面淬火，齒面硬度56-56HRC
② 確定許用應(yīng)力
；
(a)確定和
；
；
(b)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，確定壽命系數(shù)、。
(c)計(jì)算許用應(yīng)力
取,
=
=
應(yīng)力修正系數(shù)
=
=
⑵初步確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸
①選擇齒輪類(lèi)型
根據(jù)齒輪傳動(dòng)的工作條件，選用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動(dòng)方案
②選擇齒輪傳動(dòng)精度等級(jí)
選用7級(jí)精度
③ 初選參數(shù)
初選 =6 =21 =1.2
=0.7 =0.89
按當(dāng)量齒數(shù)
④初步計(jì)算齒輪模數(shù)
轉(zhuǎn)矩176.29×0.175=30.85=30850
閉式硬齒面?zhèn)鲃?dòng)，按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)。
=
=2.205
⑤ 確定載荷系數(shù)
=1，由, /100=0.000648,=1；對(duì)稱(chēng)布置，取=1.06；取=1.3，則=1×1×1.06×1.3=1.378
⑥修正法向模數(shù)
=2.205×=2.193
圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，取=2.5
⑶確定齒輪傳動(dòng)主要參數(shù)和幾何尺寸
① 分度圓直徑
==15.53
② 齒頂圓直徑
=15.53+2
=15.53+2×2.5(1+0)=20.53
③齒根圓直徑
=15.53-2
=15.53-2×2.5×1.25=9.28
④齒寬
=1.2×15.53=18.636
因?yàn)橄嗷Ш淆X輪的基圓齒距必須相等，即。
齒輪法面基圓齒距為
齒條法面基圓齒距為
取齒條法向模數(shù)為=2.5
⑤ 齒條齒頂高
=2.5×(1+0)=2.5
⑥齒條齒根高
=2.5(1+0.25-0)=3.125
⑦法面齒距
=3.925
⑷校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度
查表得，=189.8；查圖得，=2.45
取=0.8，==0.985
所以 =189.8×2.45×0.8×0.985
×
=1512.8
斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動(dòng)
7級(jí)精度
46510
=1.378
=2.5
=15.53
=20.53
=9.28
取=20
=2.5
=3.125
=3.925
齒面接觸疲勞強(qiáng)度滿(mǎn)足要求
3.2.4 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向橫拉桿的運(yùn)動(dòng)分析
圖3-3 轉(zhuǎn)向橫拉桿的運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖
如圖3-3，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)從鎖點(diǎn)向鎖點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，每只前輪大約從其正前方開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)30°，因而前輪從左到右總共轉(zhuǎn)動(dòng)約60°。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪右轉(zhuǎn)30°，即梯形臂或轉(zhuǎn)向節(jié)由繞圓心轉(zhuǎn)至?xí)r，齒條左端點(diǎn)移至的距離為
30°=140×cos30°=121.24
=140-121.24=18.86
30°=70
==304.42
=304.42-70=234.42
=305-234.42=70.58
同理計(jì)算轉(zhuǎn)向輪左轉(zhuǎn)30°，轉(zhuǎn)向節(jié)由繞圓心轉(zhuǎn)至?xí)r，齒條左端點(diǎn)E移至的距離為
=70
=304.42
=70+304.42-305=69.42
齒輪齒條嚙合長(zhǎng)度應(yīng)大于
即 =70.58+69.42=140
取L=160。
3.2.5 齒輪齒條傳動(dòng)受力分析
若略去齒面間的摩擦力，則作用于節(jié)點(diǎn)P的法向力Fn可分解為徑向力Fr和分力F，分力F又可分解為圓周力Ft和軸向力Fa。
=2×30851/15.53=3973.08
=1497.13
=1064.58N
3.2.6 間隙調(diào)整彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算
設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一圓柱形壓縮螺旋彈簧，載荷平穩(wěn)，要求=1400N時(shí)，<10mm,彈簧總的工作次數(shù)小于，彈簧中要能寬松地穿過(guò)一根直徑為φ18mm的軸；彈簧兩端固定；外徑,自由高度。
(1) 選擇材料
由彈簧工作條件可知，對(duì)材料無(wú)特殊要求，選用C組碳素彈簧鋼絲。因彈簧的工作次數(shù)小于，載荷性質(zhì)屬Ⅱ類(lèi)，。
(2) 計(jì)算彈簧絲直徑
表3-8 彈簧絲直徑的計(jì)算
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算依據(jù)和內(nèi)容
計(jì)算結(jié)果
①選擇旋繞比
②估
③初算彈簧絲直徑
④計(jì)算曲度系數(shù)
⑤計(jì)算彈簧絲的許用切應(yīng)力
⑥計(jì)算彈簧絲直徑
取=4
按30mm、18mm,取
=6.25
=1.404
=0.45=0.45×1700=765
==5.129
取=4
=1.404
[τ]=765
取=5
(3) 計(jì)算彈簧圈數(shù)和彈簧的自由高度
表3-9 彈簧圈數(shù)和自由高度的計(jì)算
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算依據(jù)和內(nèi)容
計(jì)算結(jié)果
①工作圈數(shù)
②總?cè)?shù)
③節(jié)距
④自由高度
==4.46
各端死圈取1，故
,
則,取
=4.46×8.25+1.5×5=44.29
=4.46
=6.5
=8.25
=44.29
(4) 穩(wěn)定性驗(yàn)算
高徑比b=H0/D2=44.29/25=1.77<5.3，滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。
(5) 檢查δ及δ1
鄰圈間隙 δ=t-d=8.25-5=3.25mm
彈簧單圈的最大變形量 λmax/n=8/4.46=1.79mm
故在最大載荷作用下仍留有間隙δ1 ，δ1=3.25-1.79=1.46>0.1d
(6) 幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸的確定
彈簧外徑 D=D2+d=25+5=30mm
彈簧內(nèi)徑 D1=D2-d=25-5=20mm
(7) 彈簧工作圖
τs=1.25[τ]=1.25×765=956.25MPa
彈簧的極限載荷
Flim==3.14×52×956.25/(8×4×1.4)=1670N
彈簧的安裝載荷
Fmin=0.9Fmax=0.9×1400=1260N
彈簧剛度 Cs=Gd/(8C3n)=80000×5/(8×43×4.46)=175.17N/mm
安裝變形量 λmin=Fmin/Cs=1260/175.17=7.19mm
最大變形量 λmax=Fmax/Cs=1400/175.17=7.99mm
極限變形量 λlim=Flim/Cs=1670/175.17=9.53mm
安裝高度 H1=H0-λmin=44.29-7.19=37.10mm
工作高度 H2=H0-λmax=44.29-7.99=36.3mm
極限高度 H3=H0-λlim=44.29-9.53=34.76mm
3.2.7 齒輪軸軸承的校核
校核30203圓錐滾子軸承，軸承間距60mm,軸承極限轉(zhuǎn)速n=9000r/min,采用脂潤(rùn)滑，預(yù)期壽命L′h=12000h
⑴初步計(jì)算當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷
=0.711>e
X=0.56,暫選一近似中間值Y=1.5。另查表得fp=1.2
P′=fp(XFR+YFA)=1.2×(0.56×698.5+1.5×432.3)=1247.53N
⑵計(jì)算軸承應(yīng)有的基本額定動(dòng)負(fù)荷C′r
查表得,ft=1,又ε=3
C′r=
⑶初選軸承型號(hào)
查《機(jī)械工程及自動(dòng)化簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)》,選擇6202軸承,Cr=7.65KN，其基本額定靜負(fù)荷Cor=3.72KN
⑷驗(yàn)算并確定軸承型號(hào)
① FA/Cor=432.3/3720=0.116,e為0.30,軸向載荷系數(shù)Y應(yīng)為1.45
② 計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷
Pr=fp(XFR+YFA)=1.2×(0.56×1497×35/60+1.45×432)=1338.5N
③ 驗(yàn)算6204軸承的壽命
Lh= >12000h
即高于預(yù)期壽命，能滿(mǎn)足要求。上軸承選擇比下軸承稍大的型號(hào)6203,同樣滿(mǎn)足要求。
3.2.8 鍵的計(jì)算
σp= [σp]=120MPa
式中：T—傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為N·mm；
D—軸的直徑，單位為mm；
L—鍵的接觸長(zhǎng)度，單位為mm；
K—鍵與輪轂接觸高度，K≈h/2,單位為mm；
[]—許用擠壓應(yīng)力，單位為MPa。
選用A型鍵 ，公稱(chēng)尺寸b×h=5×5；鍵的接觸長(zhǎng)度L應(yīng)該大于15mm,則L≥15+6=21mm；圓頭普通平鍵(A型)的尺寸參考GB1096-79；鍵和鍵槽的斷面尺寸參考GB1095-79。
第4章 EPS的關(guān)鍵部件和控制策略
4.1 EPS的關(guān)鍵部件選型
4.1.1 電動(dòng)機(jī)
電動(dòng)機(jī)根據(jù)ECU的指令輸出適宜的轉(zhuǎn)矩，一般采用無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)[9]，無(wú)刷永磁電動(dòng)機(jī)具有無(wú)激勵(lì)損耗、效率較高、體積較小等特點(diǎn)。電機(jī)是EPS的關(guān)鍵部件之一，對(duì)EPS的性能有很大的影響。由于控制系統(tǒng)需要根據(jù)不同的工況產(chǎn)生不同的助力轉(zhuǎn)矩，具有良好的動(dòng)態(tài)特性并容易控制，這些都要求助力電機(jī)具有線(xiàn)性的機(jī)械特性和調(diào)速特性。此外還要求電機(jī)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、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。我們采用的永磁直流電機(jī)，主要參數(shù)如表4-1所示。
表4-1 EPS電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)
型式
永磁式直流電動(dòng)機(jī)
額定時(shí)間
S2 2分鐘
標(biāo)稱(chēng)輸出
150W
額定轉(zhuǎn)速
1200r/min/DC
額定轉(zhuǎn)矩
1.2Nm/30A
額定電流
30A
旋轉(zhuǎn)方向
正反轉(zhuǎn)
允許最大電流
35A
4.1.2 電磁離合器
電磁離合器是保證電動(dòng)助力只在預(yù)定的范圍內(nèi)起作用。當(dāng)車(chē)速、電流超過(guò)限定的最大值或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，離合器便自動(dòng)地切斷電動(dòng)機(jī)的電源，恢復(fù)手動(dòng)控制轉(zhuǎn)向。此外，在不助力的情況下，離合器還能夠消除電動(dòng)機(jī)的慣性對(duì)轉(zhuǎn)向的影響。為了減少與不需要轉(zhuǎn)向助力時(shí)駕駛車(chē)輛感覺(jué)的差別，離合器不僅具有滯后輸出的特性，同時(shí)還具有半離合器狀態(tài)區(qū)域。離合器采用干式電磁式離合器，主要參數(shù)見(jiàn)表4-2。
表4-2 干式單片電磁離合器
型式
干式單片電磁離合器
額定時(shí)間
連續(xù)
功耗
9.8W/12V 20°C
額定轉(zhuǎn)矩
1.47Nm/12V 20°C
線(xiàn)圈阻抗
14.7±1
4.1.3 減速機(jī)構(gòu)
減速機(jī)構(gòu)用來(lái)增大電動(dòng)機(jī)傳遞給轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)矩。它主要有兩種形式：雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)和渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)。由于減速機(jī)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)工作性能的影響較大，因此在降低噪聲、提高效率和左右轉(zhuǎn)向操作的對(duì)稱(chēng)性方面對(duì)減速機(jī)構(gòu)提出了較高的要求。
4.1.4 扭矩傳感器
扭矩傳感器用以檢測(cè)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩的大小和方向，以及轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的大小和方向，它是EPS系統(tǒng)的控制信號(hào)之一。精確、可靠、低成本的扭距傳感器是決定EPS能否占領(lǐng)市場(chǎng)的關(guān)鍵因素之一。扭距傳感器主要有接觸式和非接觸式兩種。常用的接觸式（主要指電位計(jì)式）傳感器有擺臂式、雙排行星齒輪式和扭桿式三種類(lèi)型，而非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器主要有光電式和磁電式兩種。前者的成本低，但受溫度和磨損影響易發(fā)生漂移、使用壽命較低。，需要對(duì)制造精度和扭桿剛度進(jìn)行折中，難以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)轉(zhuǎn)角和角速度的測(cè)量。后者的體積小、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、剛度相對(duì)較高，易實(shí)現(xiàn)絕對(duì)轉(zhuǎn)角和角速度的測(cè)量，但是成本較高。因此扭矩傳感器類(lèi)型的選取根據(jù)EPS的性能要求綜合考慮。
圖4-1 扭矩傳感器
我們選用非接觸式扭矩傳感器。如圖4-1所示為非接觸式扭矩傳感器的典型結(jié)構(gòu)。輸入軸和輸出軸由扭桿連接起來(lái)，輸入軸上有花鍵，輸出軸上有鍵槽。當(dāng)扭桿受方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，輸入軸上的花鍵和輸出軸上鍵槽之間的相對(duì)位置就被改變了?；ㄦI和鍵槽的相對(duì)位移改變量等于扭轉(zhuǎn)桿的扭轉(zhuǎn)量，使得花鍵上的磁感強(qiáng)度改變，磁感強(qiáng)度的變化，通過(guò)線(xiàn)圈轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。信號(hào)的高頻部分由檢測(cè)電路濾波，僅有扭矩信號(hào)部分被放大。非接觸扭矩傳感器由于采用的是非接觸的工作方式，因而壽命長(zhǎng)，可靠性高，不易受到磨損，有更小的延時(shí)，受軸的偏轉(zhuǎn)和軸向偏移的影響更小。現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于轎車(chē)和輕型車(chē)中，是EPS傳感器的主流產(chǎn)品。本次設(shè)計(jì)選用了德國(guó)NCTE公司生產(chǎn)的Series 2000系列的非接觸式扭矩傳感器。
4.1.5 電流傳感器
我們選用閉環(huán)霍爾傳感器，它的優(yōu)點(diǎn)是電路形式簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低，精度和線(xiàn)性度較好，響應(yīng)時(shí)間較快，溫度漂移較小。
表4-3 電流傳感器主要參數(shù)
型式
閉環(huán)霍爾電流傳感器
額定電流
50A
測(cè)量范圍
80A
輸出電流
50mA
精度
0.8%/25攝氏度
匝數(shù)比
l:1000
電源
士15V
4.2 EPS的電流控制
EPS的上層控制器用來(lái)確定電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流。根據(jù)EPAS的特點(diǎn)，上層控制策略分為助力控制、回正控制和阻尼控制。
EPS的電流控制方式控制過(guò)程為：控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出Th和車(chē)速超過(guò)氣的輸出V由助力特性確定電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流Imo,然后電流控制器控制電動(dòng)機(jī)的電流Im，使電動(dòng)機(jī)輸出目標(biāo)助力矩。因此EPS的控制要解決兩個(gè)問(wèn)題：（1）確定助力特性；（2）跟蹤該助力特性。整個(gè)控制器可以分為上、下兩層，上層控制器用來(lái)根據(jù)基本助力特性及其補(bǔ)償調(diào)節(jié)，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)目標(biāo)電流的決策，下層控制器通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電壓，跟蹤目標(biāo)電流。
圖4-2 EPS的電流控制
4.3 助力控制
助力控制是在轉(zhuǎn)向過(guò)程（轉(zhuǎn)向角增大）中為減輕轉(zhuǎn)向盤(pán)的操縱力通過(guò)減速機(jī)構(gòu)把電機(jī)轉(zhuǎn)矩作用到機(jī)械轉(zhuǎn)向系（轉(zhuǎn)向軸、齒輪、齒條）上的一種基本控制模式。
步驟如下：