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1、汽车电动助力转向系统机械本体的设计11 绪论1. 1 汽车转向系统作用及简要介绍作为汽车的一个重要组成部分, 汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成, 如 何设计汽车的转向特性, 使汽车具有良好的操纵性能, 始终是各汽车生产厂家和科研机构 的重要研究课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天, 针对更 多不同水平的驾驶人群, 汽车的操纵设计显得尤为重要。汽车转向系统经历了纯机械式转 向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统 3 个基本发展阶段。机械式的转向系统, 由于采用纯粹的机械解决方案, 为了产生足够大的转向扭矩需要 使用大直径的转向盘, 这样一来, 占用驾驶室的空
2、间很大, 整个机构显得比较笨拙, 驾驶 员负担较重, 特别是重型汽车由于转向阻力较大,单纯靠驾驶员的转向力很难实现转向, 这 就大大限制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉, 目前在一部分转向操纵 力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使用。 1953 年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统, 此后该技术迅速发展, 使得动 力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。80 年代后期, 又出现 了变减速比的液压动力转向系统。在接下来的数年内, 动力转向系统的技术革新差不多都 是基于液压转向系统, 比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统( Variable
3、Displacement Power Steering Pump) 和电动液压助力转向( Electric Hydraulic PowerSteering, 简称 EHPS) 系统。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向 的情况下, 泵的流量会相应地减少, 从而有利于减少不必要的功耗。电动液压转向系统采 用电动机驱动转向泵, 由于电机的转速可调, 可以即时关闭, 所以也能够起到降低功耗的 功效。液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞, 布置更方便, 降低了转向操纵力, 也使转向 系统更为灵敏。由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力, 目前在部分乘用 车、大部分商用车特
4、别是重型车辆上广泛应用。 但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损 与 噪声等方面存在不足。 电动助力系统 EPS 在日本最先获得实际应用, 1988 年日本铃木公司首次开发出一种 全新的电子控制式电动助力转向系统, 并装在其生产的 Cervo 车上, 随后又配备在 Alto 上。此后, 电动助力转向技术得到迅速发展, 其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客1车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司, 美国的 Delphi 公司, 英国的 Lucas 公司, 德国的 ZF 公司, 都研制出了各自的 EPS。EPS 的助力形式也从低速 范围助力型
5、向全速范围助力型发展, 并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期开发 的 EPS 仅低速和停车时提供助力, 高速时 EPS 将停止工作。新一代的 EPS 则不仅在低 速和停车时提供助力, 而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。随着电子技术的发展, EPS 技术日趋完善, 并且其成本大幅度降低, 为此其应用范围将越来越大。1.2 汽车电动助力式转向系统的国内外发展概况自 1953 年美国通用汽车公司在别克轿车上使用液压动力转向系统以来，HPS 给汽车带 来了巨大的变化，几十年来的技术革新使液压动力转向技术发展异常迅速，出现了电控 式液压助力转向系统(Electric Hydraulic Pow
6、er Steering，简称 EHPS)。1988 年 2 月 日本铃木公司首先在其 Cervo 车上装备 EPSTM，随后又应用在 Alto 汽车上；1993 年本田 汽车公司在爱克 NSX 跑车上装备 EPS 并取得了良好的市场效果4；1999 年奔驰和西门子 公司开始投巨资开发 EPS。上世纪九十年代初期，日本铃本、本田，三菱、美国 Delphi 汽车公司、德国 ZF 等公司相继推出了自己的 EPS，TRW 公司继推出 EHPS 后也迅速推出了 技术上比较成熟的带传动 EPS 和转向柱助力式 EPSTM，并装配在 Ford Fiesta 和 Mazda 323F 等车上，此后 EPS 技
7、术得到了飞速的发展。在国外，EPS 已进入批量生产阶段，并成为汽车零部件高新技术产品，而我国动力转 向系统目前绝大部分采用机械转向或液压助力转向，EPS 的研究开发处于起步阶段。 试验表明，EPS 还具有高效节能和环保的优点。与传统 HPS 相比，没有系统要求的常 运转转向油泵，且电动机只是在需要转向时才接通电源，所以动力消耗和燃油消耗均可 降到最低，还消除了由于转向油泵带来的噪音污染。在不转向情况下，装有 EPS 的汽车 燃油消耗降低了 25，在使用转向情况下，降低了 5510。此外，EPS 的重复利 用率高，组件的 95可以再回收利用，而传统的液压助力转向系统的回收利用率只有 851。 E
8、PS 系统控制的核心 ECU 具有故障自诊断功能，当 ECU 检测到某一组件工作异常，如 系统各传感器、电动机、电磁离合器、电源系统及汽车点火系统等，便能立即控制电磁 离合器分离，停止助力，显示相应故障代码，转为手动转向，按普通转向控制方式工作， 以确保行车安全可靠。EPS 当前已经较多应用在排量在 13L - 16L 的各类轻型轿车上，其性能已经得到 广泛的认可。随着直流电机性能的提高和 42V 电源在汽车组件上的应用，其应用范围将 进一步扩宽，并逐渐向微型车、轻型车和中型车扩展。目前，在全世界汽车行业中，EP8 系统每年正以 9 - 10的增长速度发展，年增长量达 130 万 - 150
9、万套。据 TRW 公司 预测，到 2010 年全世界生产的轿车中每 3 辆就有 1 辆装备 EPS，到 2010 年，全球 EPS 产 量将达到 2500 万套。因而，EPS 将具有十分广阔的发展和应用前景。1.3汽车动力转向系统的构造电动助力转向系统按照电动机布置位置的不同，可以分为：转向柱助力式(Column- assisttype EPS)、齿轮助力式(Pinion-assisttype EPS)、齿条助力式(Rack assisttype EPS)、直接助力式(Direct-drivetype EPS)四种。转向柱助力式电动助力转向器(C-EPS)的助力电机固定在转向柱的一侧，通过减速
10、增 扭机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向。这种形式的电动助力转向系统结构简1单紧凑、易于安装。现在多数 EPS 就是采用这种形式。此外，C-EPS 的助力提供装置可以 设计成适用于各种转向柱，如固定式转向柱、斜度可调式转向柱以及其它形式的转向柱。 但由于助力电机安装在驾驶舱内，受到空间布置和噪声的影响，电机的体积较小，输出 扭矩不大，一般只用在小型及紧凑型车辆上。齿轮助力式电动助力转向器(PEPS)的助力电机和减速增扭机构与小齿轮相连，直 接驱动齿轮实现助力转向。由于助力电机不是安装在乘客舱内，因此可以使用较大的电 机以获得较高的助力扭矩，而不必担心电机转动惯量太大产生的噪声。该类型转向
11、器可 用于中型车辆，以提供较大的助力。齿条助力式电动助力转向器(R-EPS)的助力电机和减速增扭机构则直接驱动齿条提供 助力。由于助力电机安装于齿条上的位置比较自由，因此在汽车的底盘布置时非常方便。 同时，同 CEPS 和 P-EPS 相比，可以提供更大的助力值，所以一般用于大型车辆上。 直接助力式电动助力转向器(D-EPS)的助力电机和减速增扭机构同转向齿轮形成了一 个独立的单元。它与日EPS 比较相似，两者的主要区别是扭矩传感器的安装位置有所不 同。通过优化电控单元(ECU)内部的算法，让电机向齿条直接提供转向助力可以获得良好 的转向路感。 汽车转向系统可按转向能源不同分为机械转向系统和动
12、力转向系统两类。动力转向系 统根据动力源不同又可分为机械式的液压动力转向系、电控式液压助力转向系统(EHPS) 和电动助力式动力转向系统(EPS)。机械式的液压动力转向系统一般由液压泵、油管、压力流量控制阀体、V 型传动皮带、 储油罐等部件构成。无论车是否转向，系统总处于工作状态，能耗较高，又由于液压泵 的压力很大，比较容易损害助力系统，且不易安装和维护。其共同缺点是结构复杂、消 耗功率大，容易产生泄漏，转向力不易有效控制等。EHPS 是在传统的液压动力转向系统的基础上增设电子控制装置而构成的。它采用的液 压泵是一个电动泵，其工作状态是由电子控制单元根据车速、转向等信号计算出的理想 状态，并控
13、制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向 助力要求，但即使是最新的 EH PS 也无法根除液压助力系统在布置、安装、密封性、 操控性、能量消耗、磨损与噪音的固有缺陷。新一代的 EPS 是利用直流电动机作为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速等信 号，控制电动机输出扭矩的大小和方向，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。它 将电动机、离合器、减速装置、转向杆等各部件装配成一个整体，其结构紧凑、质量较 轻，其可编程的转向助力特性使得转向操纵稳定性得到较大的提高。电动助力式转向系统在不同车上的结构部件尽管不尽一样，但其基本原理是一致的。 它一般是由转矩(转向)传感器、电子
14、控制单元 ECU、电动机、电磁离合器以及减速机构构 成，其机构示意图如图 1 所示。当转向轴转动时，扭矩传感器检将测到的转矩信号转化为电信号送至电子控制单元 ECU，ECU 再根据扭矩信号、车速信号、轴重信号等进行计算，得出助力电动机的转向和 助力电流的大小，完成转向助力控制。1图 1当汽车处于直线行驶状态时，EPS 便处于 Standy 状态，电动机停止工作，只有在汽车 转向时，系统才实时的实现助力控制作用。因而，EPS 可以很容易的实现在全速范围内的最佳助力控制，在低速行驶时保证汽车的 转向灵活轻便，在高速行驶时保证汽车转向稳定可靠。在系统的某一部件发生故障时， 可以断开电磁离合器使助力系
15、统脱离机械转向系统，并同时驱动故障信号指示灯，保障 驾驶的安全性。所以，EPS 可以在各种路况和车速下，给驾驶员提供一个安全、稳定、轻 便、舒适的驾驶环境。本次设计在于完成电动助力转向系统机械本体部分的设计及适当改进。基于目前微 车普遍采用的方案，本次本已设计采用的助力方案是齿条助力式。12 汽车转向系统方案的选择2. 1 汽车参数的确定本次毕业设计选择的针对车型是长安汽车奔奔 mini 舒适型，其相关参数如下：轴距 L/mm2345内转向轮最大转角 imax/45装备质量 m0/kg870总质量 ma/kg1080轮胎155/65R13轮胎压力 P/MPa0.3最小转弯半径 R/mm4900
16、方向盘直径 DSW/mm380方向盘总圈数 N3.62.2 对转向系的要求1.汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。不满 足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。 2.汽车转向行驶时，在驾驶员松开转向盘条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位 置，并稳定行驶。 3.汽车在任何行驶状态下，转向轮不得产生自振，转向盘没有摆动。 4.转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动应 最小。 5.保证汽车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。 6.操纵轻便。 7.转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小。 8.转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。19.在车祸中，当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时，转向系应有能 使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。 10.进行运动校核，保证转向轮和转向盘转动方向一致。2.3 转向操纵机构转向操纵机构包括转向盘，转向轴，转向管柱。为了布置方便，减小由于装置位置 误差及部件相对运动引起的附加载荷，提
