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1、第1章 绪 论1.1 汽车的发展趋势自1886年德国人卡尔.本茨(CarlBenZ)研制成功世界上第一台单缸两冲程汽油三轮汽车以来，汽车工业已经走过了一个多世纪曲折而辉煌的历程。上个世纪二十年代汽车工业已经开始大规模生产，随着相关技术的发展，特别是在第二次世界大战中的技术更新，进一步促进了汽车工业的迅速发展和进步。今天，汽车产业在世界上大多数国家的国民经济中都成为了支柱产业。据统计，2000年世界汽车产量己达到5733万辆，比1999年增长2.8%。我国2000年生产汽车206.82万辆，2003年生产汽车444万辆，目前已成为美国、日本、德国之后的世界第四大汽车生产国。不久前，商务部公布中国
2、汽车近三年来的年产量正以50%的速度增长。由于中国及其他发展中国家汽车市场的扩大，全球汽车这种增长趋势还会持续下去。但是，这种快速增长也带来了一些负面影响，如空气污染、交通事故和能源紧张等问题。随着人们对汽车特别是轿车的经济性、舒适性、环保性和安全性的日益重视，低排放汽车(LEV)、混合动力汽车(HEv)、燃料电池汽车(FCEV)、电动汽车(EV)这四大类型汽车将构成未来汽车发展的主体。全套图纸，加1538937061.2 汽车转向技术的发展汽车在行驶过程中，经常需要改变行驶的方向，称为转向。轮式汽车行驶是通过转向轮(一般是前轮)相对于汽车纵向轴线偏转一定的角度来实现的。汽车转向系统是用于改变
3、或保持汽车行驶方向的专用机构。其作用是使汽车在行驶过程中能按照驾驶员的操纵要求而适时地改变其行驶方向，并在受到路面传来的偶然冲击及汽车意外偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶。因此，转向系统的性能直接影响着操纵稳定性和安全性。按转向动力能源不同，汽车转向系统可分为机械式转向系统和动力转向系统两大类。机械式转向系统是以人的体力为转向能源的，其中所有的传力件都是机械的，它主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成。汽车转向器作为汽车转向系统的重要零部件，其性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性和可靠性。汽车动力转向系统是在机械转向系的基础上增设了一套转向加力装置所构成的转
4、向系(如液压动力转向系统中的转向油罐、油泵、控制阀、动力缸等)，它兼用驾驶员的体力和发动机动力作为转向能源。在正常的情况下，汽车转向所需的力大部分由发动机通过转向加力装置提供，只有一小部分由驾驶员提供。但在动力转向失效时，驾驶员仍能通过机械转向系统实现汽车的转向操纵。长期以来，汽车转向系统一直存在着“轻”与“灵”的矛盾。为缓和这一矛盾，过去人们常将转向器设计成可变速比，在转向盘小转角时以“灵”为主，在转向盘大转角时以“轻”为主。但“灵”的范围只在转向盘中间位置附近，仅对高速行驶有意义，并且传动比不能随车速变化，所以不能根本解决这一矛盾。随着动力转向系统的产生，液压动力转向系统(HPS)以其具有
5、的转向操纵灵活、轻便，设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大，并可吸收路面对前轮产生的冲击等优点，自20世纪50年代以来，在各国汽车上得到普遍采用。但传统的液压动力转向系统需消耗一定的能量，增加了汽车的燃油消耗量，液压动力转向系统所引起的燃油消耗量约占整车燃油消耗量的约30%。随着电子技术的发展，电子控制式机械液压动力转向系统(EHPS)应运而生，该系统在某些性能方面优于传统的液压动力转向系统，但仍然无法根除液压动力转向系统的固有缺憾。此外，传统液压动力转向系统在选定参数完成设计之后，转向系统的性能就确定了，不能再对其进行调节与控制。因此，传统液压动力转向系统协调转向力与操纵“路感”的关系
6、困难。低速转向力小时，高速行驶时转向力往往过轻、“路感”差，甚至感觉汽车发“飘”，从而影响操纵稳定性;而按高速性能要求设计转向系统时，低速时转向力往往过大。电动助力转向系统(Electric Power Steering System，简称EPS)，是继液压动力转向系统后产生的一种新的动力转向系统。电动助力转向系统由电机提供助力，助力大小由电控单元(ECU)实时调节与控制，可以较好地解决上述液压动力转向系统所不能解决的矛盾。目前，电动助力转向系统有代替液压动力转向系统的趋势。1.3 电动助力转向系统研究的状况及发展趋势1988 年2 月日本铃木公司首次在其Cervo 车上装备EPS , 随后还
7、用在了其Alto 车上。在此之后, 电动助力转向技术如雨后春笋般得到迅速发展。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 汽车系统公司、TRW公司, 德国的ZF 公司, 都相继研制出各自的EPS。比如: 大发汽车公司在其Mi2ra 车上装备了EPS , 三菱汽车公司则在其Minica 车上装备了EPS ; 本田汽车公司的Accord 车目前已经选装EPS , S2000 轿车的动力转向也将倾向于选择EPS ;Delphi 汽车系统公司已经为大众的Polo 、欧宝的318i以及菲亚特的Punto 开发出EPS 。TRW从1998 年开始, 便投入了大量人力、物力和财力用
8、于EPS 的开发。他们最初针对客车开发出转向柱助力式EPS , 如今小齿轮助力式EPS 开发也已获成功。1999 年3 月, 他们的EPS 已经装备在轿车上, 如Ford Fiesta 和Mazda 323F 等 。Mercedes OBenz 和Siemens Automotive 两大公司共同投资6500万英镑用于开发EPS , 他们的目标是到2002 年装车, 年产300 万套, 成为全球EPS 制造商。他们计划开发出适用于汽车前桥负荷超过1200kg的EPS，因此货车也将可能成为EPS的装备目标。而我国在2002 年才开始研制开发汽车EPS 产品, 目前已经知道的有13 家企业和科研院
9、校正在研制中。其中南摩股份有限公司( 生产转向柱式的EPS 产品) 在2003 年开始进入小批量生产阶段, 其他厂家和科研院校均在开发阶段中。EPS当前已经较多应用在排量在1.3L-1.6L(含MMPV 微型多功能车) 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。另外EPS 的控制信号将不再仅仅依靠车速与扭矩, 而是根据转向角、转向速度、横向加速度、前轴重力等多种信号进行与汽车特性相吻合的综合控制, 以获得更好的转向路感。未来的EPS将朝着电子四轮转向的方向发展, 并与电子悬架统一
10、协调控制。1.4 电动助力转向系统设计的目的和意义随着汽车行业的蓬勃发展，人们对于汽车功能的要求变得越来越高，EPS系统也迎来了巨大的市场需求，许多厂商都以EPS系统作为一个卖点，来吸引顾客买车。所谓电动转向( EPS) , 就是在机械转向系统中,用电池作为能源, 电动机为动力, 以转向盘的转速和转矩以及车速为输入信号, 通过电子控制装置, 协助人力转向, 并获得最佳转向力特性的伺服系统。EPS汽车转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性, 对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。特别是EPS用电动机直接提供助力，助力大小由电子控制单元
11、（ECU）控制。它能在汽车低速行驶转向时减轻转向力使转向轻便、灵活; 在汽车高速行驶转向时, 适当加重转向力, 从而提高了高速行驶时的操纵稳定性, 增强了路感 。不仅如此,EPS的能耗是HPS能耗的1 /3以下, 且前者比后者使整车油耗下降可达3% - 5%, 因而, 它能节约燃料，提高主动安全性，且有利于环保。1.5 研究的主要内容1、对电动助力转向系统进行分析确定其布置形式。2、电动机、电磁离合器、扭距传感器的选取。3、在对EPS系统机构进行分析的基础上，设计了一套减速机构。4、设计齿轮齿条式转向器。第2章 电动助力转向系统主要参数的确定2.1 电动助力转向系统的分析2.1.1 电动助力转
12、向系统的工作原理EPS 主要由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元( ECU) 、电动机和减速机构组成。其主要工作原理是: 汽车在转向时, 扭矩传感器会“ 感觉”到转向盘的力矩和拟转动的方向。这些信号会通过数据总线发给电子控制单元, 电控单元会根据传动力矩、拟转的方向和车辆速度等数据信号, 向电动机控制器发出动作指令。电动机就会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩以产生助动力, 从而实现了助力转向的实时控制。如果不转向, 则本套系统处于休眠状态等待调用。由于它不转向时不工作, 所以也节省了能源。图2.1 EPS结构系统图2.1.2 电动助力转向系统的类型EPS的类型通常可以按其电动机的减速机构
13、的形式不同或电动机的布置位置不同进行分类。EPS系统一般都有减速机构，电动机转矩输出经过减速机构减速增矩对EPS进行助力。根据汽车上转向器结构形式不同，EPS可分为:循环球螺母式(图2.2)、蜗轮蜗杆式(图2.3)、齿轮齿条式(图2.4)三种。循环球螺母式EPS电动机力矩的传递路线为:电动机循环球螺母齿轮条。蜗轮蜗杆式EPS电动机力矩的传递路线为:电动机蜗轮一齿轮条。齿轮齿条式EPS的电动机力矩的传递路线为:电动机行星齿轮副另设齿轮齿条。 1力矩传感器 1电磁离合器 2循环球螺母 2电动机 3功率放大器 3扭矩传感器 4电控单元 4转向轴 5齿条 5蜗轮蜗杆机构 6转向盘 6齿轮齿条机构 7电
14、动机 8转向减速机构图2.2 循环球螺母式 图2.3 蜗轮蜗杆式 1扭矩传感器 2转接盘3电动机 4电磁离合器5齿轮齿条机构 图2.4 齿轮齿条式根据电动机布置位置不同，EPS可分为:转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式三种，如图2.5所示。转向轴助力式EPS的电动机固定在转向柱一侧，通过减速机构与转向轴相近，直接驱动转向轴助力转向。齿轮助力式EPS的电动机和减速机构与小齿轮相近，直接驱动齿轮助力转向。齿条助力式EPS的电动机和减速机构则直接驱动齿条提供助力。图2.5 电动机布置位置不同的EPS的类型2.2 助力电动机的选择2.2.1 电动机的概述助力电动机是EPS 系统的动力源, 它根据ECU 输出的控制指令, 在不同的工况下输出不同的助力转矩, 对整个EPS 性能影响很大, 因此需要具备良好的动态特性、调速特性和随动特性并易于控制, 而且要求输出波动小、低转大转矩、转动惯量小、尺寸小质量轻等, 因此, 常采用无刷式永磁直流电动机。为改善操纵感、降低噪音和减少振动, 在电动机转子外表面开出斜槽或螺旋槽, 而改变定子磁铁的中心处或端部厚度, 将定子磁铁设计成不等厚。2.2.2 电动机的参数计算根据任务书上的基本参数可知 式中 f轮胎和路面间的滑动摩擦因数；转向轴负荷，单位为N；P轮胎气压，单位为；原地转向阻力矩；作用在转向盘的手力矩为
