黑龍江工程學院?？粕厴I(yè)實習報告第1章 緒 論 1.1電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述隨著科學技術的飛速發(fā)展，汽車各方面的性能都有了很大的發(fā)展，但同時人們對汽車的性能也有了更高的要求。為了取得更好的汽車性能，充分利用機械和電子兩方面的優(yōu)勢，提供機電一體化的解決方案，日益被業(yè)界人士推崇為有效的應對策略。雖然汽車是機械技術的完美再現(xiàn)，但是由于機械技術在短期內(nèi)不會再有很大的突破，而電子技術正越來越體現(xiàn)出其相對而言更優(yōu)越的地方，所以研制機、電相結合的汽車相關部件正成為當前的主要趨勢。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車的一個重要組成部分，也同樣順應這樣的發(fā)展趨勢。就目前而言，應當說也已經(jīng)找到了比較完美的解決方案。汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用于改變或保持汽車行駛方向的專門機構。其作用是使汽車在行駛過程中能夠按照駕駛員的意圖，適時地改變其行駛方向，能與行駛系統(tǒng)配合共同保持汽車持續(xù)穩(wěn)定地行駛。汽車方向盤助力系統(tǒng)經(jīng)歷了從機械助力到液壓助力(hydraulic Power steering HPS)再到電子液壓助力系統(tǒng)(electric hydraulic power steering EHPS)這三個階段的演變。經(jīng)過多年的探索，電動助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Steering ，簡稱EPS）作為一種全新的動力轉(zhuǎn)向模式走入了業(yè)界的視野，并且很快成為動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究與開發(fā)的的熱點。由于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相對于液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有著諸多的優(yōu)點，因此電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其相關配套的部件的研究與開發(fā)正愈來愈備受各主要汽車生產(chǎn)企業(yè)的青睞。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS，Electric Power Steering）是未來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動助力機直接提供轉(zhuǎn)向助力，省去了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓油、傳送帶和裝于發(fā)動機上的皮帶輪，既節(jié)省能量，又保護了環(huán)境。另外，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還具有調(diào)整簡單、裝配靈活以及在多種狀況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點。正是因為由于有了這些優(yōu)點，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為一種新的轉(zhuǎn)向技術，部分取代了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Hydraulic Power Steering，簡稱HPS)。電子控制技術在汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應用，使汽車的駕駛性能達到令人滿意的程度。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)在汽車低速行駛轉(zhuǎn)向時減輕轉(zhuǎn)向力使轉(zhuǎn)向輕便、靈活；在汽車高速行駛轉(zhuǎn)向時，適當加重轉(zhuǎn)向力，從而提高了高速行駛時的操縱穩(wěn)定性，增強了“路感”。不僅如此，EPS的能耗是HPS能耗的13以下，且前者比后者使整車油耗下降可達35。因而，EPS將成為汽車傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)想的升級換代產(chǎn)品。1.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的特點 1.2.1 助力特性早期的EPS在車速高于設定值時，EPS停止工作，屬于低速型。現(xiàn)在研究多的是在全速型的EPS，它在任何車速下都提供助力，既兼顧了低速時的操縱靈活性，也實現(xiàn)了高速時的操縱穩(wěn)定性，但系統(tǒng)控制算法相對復雜。由于電動機具有彈簧阻尼的效果，EPS能減少路面不平對轉(zhuǎn)向盤的沖擊力和車輪質(zhì)量不平衡引起的振動，故EPS能夠更好的抑止路面的沖擊。另外，EPS還能提高停車泊位時的助力跟隨特性，電動機在起動時力矩最大，然后逐漸降低，這一特性非常符合汽車從靜止到起動過程的轉(zhuǎn)向力變化。1.2.2 操縱靈活性與穩(wěn)定性汽車駕駛操作靈活性與穩(wěn)定性體現(xiàn)在停車泊位、低速行駛以及高速行駛時的轉(zhuǎn)向性能。以前，人們常將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計成變傳動比，在轉(zhuǎn)向盤小轉(zhuǎn)角時以靈位主，在轉(zhuǎn)向盤大轉(zhuǎn)角時以輕為主，但靈的范圍只在轉(zhuǎn)向盤之間位置附件，僅對高速行駛有意義，并且傳動比不能隨車速變化，因此，這種方法不能從根本上解決這一矛盾。EPS的引入可以較好的解決上述矛盾，在EPS控制系統(tǒng)中，可以通過完善控制算法在不同工況下提供相應的助力特性，并且具有較大的靈活性，能通過修改相應控制參數(shù)達到調(diào)整修改控制輸出特性。圖1-1所示為Alto汽車有EPS和無EPS時的原地轉(zhuǎn)向曲線，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為柱助力式，前軸負荷為4kN，電動機最大電路為20A。由圖知裝配EPS后，原地轉(zhuǎn)向力矩下降了40。 圖1-1 Alto汽車有EPS和無EPS時的原地轉(zhuǎn)向曲線1.2.3 增強了轉(zhuǎn)向跟隨性在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中， 電動機與助力機構直接相連可以使其能量直接用于車輪的轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)利用慣性減振器的作用，使車輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振大大減小， 因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗擾動能力大大增強， 和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生于電動機，沒有液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應， 增強了轉(zhuǎn)向車輪對轉(zhuǎn)向盤的跟隨性能。1.2.4 節(jié)能環(huán)保 試驗表明，EPS還具有高效節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)點。與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，沒有系統(tǒng)要求的常運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向油泵，而且電動機只是在需要轉(zhuǎn)向時才接通電源，所以動力消耗和燃油消耗均可降到最低，還消除了由于轉(zhuǎn)向油泵帶來的噪音污染。在不轉(zhuǎn)向情況下，裝有EPS的汽車燃油消耗降低了2.5 ，在使用轉(zhuǎn)向情況下，降低了5.5。有研究表明，由同一駕駛員操作16L前輪驅(qū)動分別裝備EPS和HPS的轎車，行駛路況以郊區(qū)道路為主，以市區(qū)、山區(qū)等道路為輔，平均行駛速度在40kmh情況下，EPS比HPS節(jié)省燃料5.5。此外，EPS的重復利用率高，組件的95可以再回收利用，而傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回收利用率卻只有85。 1.2.5 安全性EPS系統(tǒng)控制的核心ECU具有故障自診斷功能，當ECU檢測到某一組件工作異常，如系統(tǒng)各傳感器、電動機、電磁離合器、電源系統(tǒng)及汽車點火系統(tǒng)等，便能立即控制電磁離合器分離，停止助力，顯示相應故障代碼，轉(zhuǎn)為手動轉(zhuǎn)向，按普通轉(zhuǎn)向控制方式工作，以確保行車安全可靠。1.3 課題的目的及意義本論文的目的在與通過研究電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成和工作的原理，旨在能夠解決EPS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向性能，能夠簡化汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、使其結構更緊湊、同時削除減速齒輪、電機等使轉(zhuǎn)向系的慣性力及摩擦力，降低成本減少對環(huán)境的污染。汽車轉(zhuǎn)向性能是汽車的主要性能之一，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能直接影響到汽車的操縱穩(wěn)定性，它對于確保車輛的安全行駛，減少交通事故以及保護駕駛員的人身安全和改善駕駛員的工作條件都起著極其重要的作用。本課題研究的汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是一種直接依靠電動機提供輔助轉(zhuǎn)矩的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它提高了汽車的安全性能，減輕了駕駛者的操縱里，降低了駕駛員的駕駛負擔，同時也提高了汽車的安全性。電動主力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在發(fā)展初期，只是作為液壓助力轉(zhuǎn)向的替代品，應用在減少油耗并難以安裝液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的微型車上。自1988年2月開始，由日本鈴木公司首次在起Cervo車上裝備，在此之后，電動轉(zhuǎn)向技術就得到了迅速的發(fā)展。經(jīng)過近幾20年的研究，現(xiàn)在EPS技術已經(jīng)日趨完善。其應用范圍已經(jīng)從最初的微型轎車向更大型轎車和商用客車方向發(fā)展，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增強。新一代的EPS則不僅在低速和停車時提供動力，而且還能在高速時提高汽車的操縱的穩(wěn)定性。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自從20世紀80年代中期提出後，作為今后汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向，必將取代現(xiàn)有的機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)?，F(xiàn)在國際上各大的汽車零部件公司，都將對它的研究作為研究開啊工作的重點。EPS具有非常廣闊的市場前景，據(jù)專家預測，EPS的年產(chǎn)量正以10%的速度遞增，到2009年預計將達到3000萬套，安此速度發(fā)展，EPS不久將占領去不轎車市場。目前，國外電動助力轉(zhuǎn)向的研究已經(jīng)體現(xiàn)出實際的應用價值，在部分中高檔轎車和高級轎車上已經(jīng)得到應用，在中型車輛和重型車輛的應用也處于研究階段。1.4 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是于20世紀80年代中期提出來的。由于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有很多優(yōu)點，國外許多汽車及零部件生產(chǎn)廠商紛紛致力于該技術的研究。1988年2月日本鈴木公司首次在其Cervo車上裝備電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)，隨后還用在了其Alto車上。在此之后，電動助力轉(zhuǎn)向技術如雨后春筍般得到迅速發(fā)展。1993年，本田汽車公司首次將電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝備于大批量生產(chǎn)的，在國際市場上同法拉力和波爾舍競爭的NSX跑車上。同時在歐美市場上，美國的Delphi汽車公司、德國的ZF汽車公司等，都相繼推出了各自的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。如今，大發(fā)汽車公司的Mira車、三菱汽車公司的Minica車、大眾的Polo,歐寶的3181以及菲亞特的Punt。都裝備了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。隨著高級轎車對轉(zhuǎn)向器提出的性能上的更高要求，近幾年國外開發(fā)出了更為成熟的電動式動力轉(zhuǎn)向器，凌志、皇冠等高檔轎車， 已經(jīng)使用了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該裝置優(yōu)于普通的動力轉(zhuǎn)向器，在不同車速下可通過轉(zhuǎn)向ECU自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向盤的操作力，在低速行駛或車輛就位時，駕駛員只需用較小的操作力就能靈活進行轉(zhuǎn)向;而在高速行駛時，則自動控制使操作力逐漸增大，實現(xiàn)操縱的穩(wěn)定性。德爾福汽車系統(tǒng)公司，1998年開發(fā)了全新的電動式轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)，它可分別在齒條、齒輪或轉(zhuǎn)向軸上施加助力。英國汽車制造商Lucas公司，1998年研制的電動式轉(zhuǎn)向器投入批量生產(chǎn)，該裝置最大優(yōu)點是燃油附加損耗極低，只有手動式的0.5%，相比之下， 電動液壓助力系統(tǒng)的損耗為2%，全液壓助力系統(tǒng)損耗為8%。與國外相比，我國的電動助力轉(zhuǎn)向研究還是空白，自2000年昌河北斗星裝備EPS之后，掀開了國內(nèi)汽車轉(zhuǎn)向器歷史上新的一頁，帶動了國內(nèi)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究開發(fā)的熱潮，目前國內(nèi)已經(jīng)有幾十家大專院校和國營、民營企業(yè)開發(fā)改產(chǎn)品，并取得了一定的進展。但由于國外對該項技術的技術封鎖且對轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度等技術關聯(lián)控制方面的問題尚需解決與改善，國內(nèi)對EPS的研究主要是對國外EPS樣件的實驗摸索中進行防止與確認，雖然各方面對電動助力轉(zhuǎn)向的研究大量投入，已經(jīng)部分產(chǎn)品已經(jīng)開始裝車調(diào)試，單由于對于該項技術的控制理論和控制原理并未完全掌握，因此EPS研制的工作尚需進行實驗確認，EPS的批量國產(chǎn)化生產(chǎn)的工作還有一個摸索的過程。因此我們還應加大對EPS的研究。1.5 本論文的主要研究內(nèi)容本論文通過對汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究，分析了EPS的基本結構組成以及其工作原理，并對其基本結構進行分析，研究EPS的關鍵零部件以及主要的功能機構，從而對EPS的總體方案進行設計，并對其的關鍵部位進行了設計與計算。主要的研究內(nèi)容如下：1、分析EPS的基本結構組成、工作原理，及其關鍵技術2、對EPS的受力進行分析及其助力分析2、進行EPS總體方案進行設計、比較、優(yōu)化3、進行結構設計，參數(shù)計算和關鍵零部件的設計與計算 第2章 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的結構及受力分析2.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結構及關鍵部件2.1.1 EPS的主要結構EPS的組成包括以下5個部分，如圖2-1所示。a轉(zhuǎn)矩傳感器和車速傳感器轉(zhuǎn)矩傳感器用來測量駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩大小與方向， 以及轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的大小和方向，輸出為0-5 V的模擬電壓信號。轉(zhuǎn)向盤在中間位置時輸出25 V電壓，轉(zhuǎn)向盤向右轉(zhuǎn)輸出電壓為255 V，轉(zhuǎn)向盤向左轉(zhuǎn)輸出電壓為0-25 V。車速傳感器用來測量汽車行駛速，輸出為數(shù)字電壓信號。b永磁同步電動機根據(jù)電子控制單元的指令輸出適宜的輔助轉(zhuǎn)矩， 是EPS的動力源。例如， 用于16 L以下汽車的電動機，功率：300 W ； 助力轉(zhuǎn)矩：125 Nm (最大輸出電流35 A)。用于20L汽車的電動機，功率：400 W； 助力轉(zhuǎn)矩： 1-32 Nm(最大輸出電流45 A)。c減速機構減速機構通過離合器與電動機相連， 起減速增矩作用， 常采用蝸輪蝸桿機構， 也有采用行星齒輪機構，離合器裝在減速機構一側(cè)是為了保證EPS只在預先設定的車速(如：0-45 kmh)范圍內(nèi)起作用。d電子控制單元(ECU) ECU的功能是根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器信號和車速傳感器信號， 進行邏輯分析與計算后 發(fā)出指令， 控制電動機和離合器的動作。此外，ECU還有安全保護和自我診斷功能。e蓄電池電源 給整個EPS提供電力。 圖2-1 EPS的組成框圖2.1.2 EPS的工作原理電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向機構基礎上，增加信號傳感器裝置、電子制裝置和轉(zhuǎn)向助力機構等構成的。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能著眼點是使用電力驅(qū)動執(zhí)行機構實現(xiàn)在不同的駕駛條件下為駕駛?cè)藛T提供適宜的輔助力。系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：電子控制單元（ECU）、車速傳感器和扭矩傳感器、伺服電動機、變速機構和轉(zhuǎn)向柱總成等。具體的工作情形是：汽車處于起動或者低速行駛狀態(tài)時，操縱方向盤轉(zhuǎn)向，裝在轉(zhuǎn)向柱上的扭矩傳感器不斷檢測作用于轉(zhuǎn)向柱扭桿上的扭矩，并將此信號與車速信號同時輸入電子控制器，處理器對輸入信號進行運算處理，確定助力扭矩的大小和方向，從而控制電動機的電流和轉(zhuǎn)向，電動機經(jīng)離合器及減速機構將扭矩傳遞給牽引前輪轉(zhuǎn)向的橫拉桿，最終起到為駕駛?cè)藛T提供輔助轉(zhuǎn)向力的功效；當車速超過一定的臨界值或者出現(xiàn)故障時，EPAS系統(tǒng)退出助力工作模式，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)入手動轉(zhuǎn)向模式。不轉(zhuǎn)向的情況下，電動機不工作。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)很容易實現(xiàn)在不同的車速下實時的為汽車轉(zhuǎn)向提供不同的助力效果，保證汽車在低速行駛時輕便靈活，高速行駛時穩(wěn)定可靠。2.1.3 EPS的關鍵部件介紹EPS系統(tǒng)的關鍵部件包括：扭矩傳感器、車速傳感器、助力電動機、電磁離合器、減速機構和電子控制單元等。1、 扭矩傳感器和車速傳感扭矩傳感器的作用就是測量轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向器之間的相對扭矩，以作為電動助力的依據(jù)之一。車速傳感器的功能是測量汽車的行駛速度。這些信號都是EPS的控制信號。扭矩測量系統(tǒng)比較復雜且成本較高，所以精確、可靠、低成本的扭矩傳感器是決定EPS能否占領市場的關鍵因素之一。電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的扭矩傳感器主要有三種形式：擺動桿式、雙行星齒輪式和扭桿式。擺動桿式是通過測量由轉(zhuǎn)向器小齒輪軸反作用力矩引起的擺桿位移量得到轉(zhuǎn)向力矩的。雙行星齒輪式是通過測量與扭桿相連的兩套行星齒輪的相對位移得到轉(zhuǎn)向力矩信號值，扭桿位于轉(zhuǎn)向輸入軸和輸出軸之間，行星齒輪機構也兼起減速傳動機構的作用。扭桿式是通過扭桿直接測量輸入軸和輸出軸的相對位移從而測得轉(zhuǎn)向力矩。除了上述形式的扭矩傳安琪外，也有采用非接觸式扭矩傳感器。非接觸式扭矩器種類比較多，汽車上常用除了上述形式的扭矩傳感器以外傳感器中有一對磁極環(huán)，其原理是：當輸入軸與輸出軸之間發(fā)生相對扭轉(zhuǎn)位移時，磁極環(huán)之間的空氣間隙發(fā)生變化，從而引起電磁感應系數(shù)變化。非接觸式扭矩傳感器體積小，精度高，但成本較高。實驗中通過力矩傳感器獲得方向盤作用力的大小和方向的電壓信號，并把它輸送到ECU。車速傳感器主要用來檢測汽車的行駛速度，車速傳感車速傳感器是電磁感應式傳感器，安裝在變速箱上。該傳感器根據(jù)車速的變化，把脈沖信號傳送給ECU，ECU根據(jù)單位時間內(nèi)測量到的脈沖數(shù)目來計算出汽車車輪的旋轉(zhuǎn)速度，從而根據(jù)汽車車輪的半徑、車輪的氣壓等參數(shù)計算出汽車前進的速度。2、 助力電動機EPS的電動機的功能是根據(jù)電子控制單元的指令輸出適宜的輔助扭矩，是EPS的動力源，多采用無刷永磁式直流電動機。電動機對EPS的性能有很大的影響，是EPS的關鍵部件之一，所以EPS對電動機有很高的要求，不僅要求低轉(zhuǎn)速大扭矩、波動小、轉(zhuǎn)動慣量小、尺寸小、質(zhì)量輕、而且要求可靠性高、易控制。為了改善操縱感、降低噪聲和減少振動，設計時常針對EPS的特點，對電動機的結構做一些特殊的處理，如：沿轉(zhuǎn)子的表面開出斜槽或螺旋槽，定子此帖設計成不等厚等。3、 減速機構EPS的減速機構與電動機相連，它的作用是降低轉(zhuǎn)速增加扭矩。減速比的大小和電動機的功率、轉(zhuǎn)動慣量和前橋載荷有關。常采用蝸輪蝸桿機構，也有采用行星齒輪機構。有的EPS還配用離合器，裝在減速機構一側(cè)，是為了保證EPS只在預先設定的車速行駛范圍內(nèi)起作用。當車速達到某一值時，離合器分離，電動機停止工作，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)為手動轉(zhuǎn)向。另外，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，電磁離合器斷開，切斷了動力傳遞路線，此時機械式轉(zhuǎn)向方式無需帶電機轉(zhuǎn)向，既保證了安全，又不使轉(zhuǎn)向費力。4、電磁離合器電動式EPS中的電磁離合器主要起到安全保護的作用，當EPS系統(tǒng)發(fā)生故障、助力電動機工作電流過大等情況下，電磁離合器會及時切斷，汽車仍可以以傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)向裝置進行工作，以保證整個系統(tǒng)和行車的安全。為了不使電動機和電磁離合器的慣性映像轉(zhuǎn)向系的工作，離合器應及時分離，以切斷輔助動力。5、電子控制單元（ECU）電子控制單元（ECU）的功能是根據(jù)扭矩傳感器和車速傳感器的信號，進行邏輯分析與計算，發(fā)出指令，控制電動機和離合器的動作。因此，控制系統(tǒng)和控制算法是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關鍵之一?？刂葡到y(tǒng)應有強抗干擾能力，以適應汽車多變的行駛環(huán)境，控制算法應快速正確，滿足實時控制的要求，并能有效地實現(xiàn)理想的轉(zhuǎn)向助力。2.1.4 EPS的關鍵技術EPS的關鍵技術既有硬件方面也有軟件方面，硬件是其骨架，軟件是靈魂。在硬件方面，高度可靠、價格便宜且精度又滿足要求的轉(zhuǎn)矩傳感器是一項關鍵技術，因為在目前階段，轉(zhuǎn)矩傳感器在各種EPS中都是必須的，它不僅要在EPS正常工作時能準確測量駕駛員施加的轉(zhuǎn)矩，而且在EPS失效時也不因為駕駛員施加的轉(zhuǎn)矩增大而損壞；另一項關鍵技術是提供助力的電動機，因為在不同情況下轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動速度相差很大，電動機要能夠?qū)崿F(xiàn)助力，其轉(zhuǎn)速范圍也要很大，響應快，而且在堵轉(zhuǎn)時也要能夠提供助力作用，對于大型車輛，甚至要求電動機能夠提供與轉(zhuǎn)動方向相反的主力轉(zhuǎn)矩。所以電動機也是限制EPS在大型車輛上應用的主要原因之一。因此在硬件的應用層面上，EPS仍有一部分關鍵技術需要研究：（1）性能通過EPS來降低轉(zhuǎn)向力，這與電機的尺寸，電機的電力以及減速比有關，而這些因素又涉及其他領域，如：重量、成本、產(chǎn)生的熱量、電流消耗、慣性力及摩擦力等。因此EPS的設計不能僅考慮降低轉(zhuǎn)向力，應進一步考慮與整車性能如何協(xié)調(diào)的問題。（2）對轉(zhuǎn)向系的不良影響減速齒輪、電機等使轉(zhuǎn)向系的慣性力及摩擦增大，從而影響轉(zhuǎn)向性能，有可能引起過多轉(zhuǎn)向或影響回正能力及阻尼特性，這些都是在設計控制策略時須認真考慮的。（3）轉(zhuǎn)向手感 當一輛汽車僅帶有低速范圍助力裝置時，那么在兩個不同車速范圍內(nèi)，會有不同的轉(zhuǎn)向手感，即：帶助力和不帶助力兩種不同的手感。特別時，當車速剛好是在助力裝置工作或脫離的狀態(tài)下，那轉(zhuǎn)向手感可能是非常微妙的，這些是在設計助力裝置時所必須考慮的問題。2.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)安裝位置的不同可以分為三類：齒條助力式、小齒輪助力式和轉(zhuǎn)向柱助力式。圖2-2為三類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的圖例。 圖2-2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型齒條助力式EPS系統(tǒng)的電動機和減速機構安裝在齒條處，直接驅(qū)動齒條提供助力，其中扭矩傳感器單獨地安裝在小齒輪處，電動機與轉(zhuǎn)向助力機構一起安裝在小齒輪另一端的齒條處，用以給齒條助力。該類型又根據(jù)減速傳動機構的不同可分為兩種類型：一種是電動機做成中空的，齒條從中穿過，電動機提供的第二章電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體設計輔助力經(jīng)一對斜齒輪和螺桿螺母傳動副以及與螺母制成一體的鉸接塊傳給齒條。這種結構是第一代電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由于電動機位于齒條殼體內(nèi)，結構復雜、價格比較高、維修也相當困難。另一種是電動機與齒條的殼體相互獨立。電動機動力經(jīng)另一小齒輪傳給齒條，由于易于制造和維修，成本較低，已經(jīng)取代了第一代產(chǎn)品。因此，齒條由一個獨立的齒輪驅(qū)動，可給系統(tǒng)較大的助力，主要用于重型汽車。小齒輪助力式EPS系統(tǒng)的電動機和減速機構與小齒輪相連，直接驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)向。小齒輪助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器、電動機、離合器和轉(zhuǎn)向助力機構仍為一體，只要整體安裝在轉(zhuǎn)向齒輪處，直接給齒輪助力，可獲得較大的轉(zhuǎn)向力。該類型可使各部件布置更方便，但當轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向器之間裝有萬向傳動裝置時，轉(zhuǎn)矩信號的取得與助力車輪部分不在同一直線上，其助力控制特性難以保證準確。轉(zhuǎn)向助力式EPS的電動機固定在轉(zhuǎn)向柱一側(cè)，通過減速機構與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向。其轉(zhuǎn)矩傳感器、電動機、離合器和轉(zhuǎn)向助力機構組成一體，安裝在轉(zhuǎn)向柱上。其特點是結構緊湊、所測取的轉(zhuǎn)矩信號與控制直流電機助力的響應性較好。這種類型一般在轎車上使用。目前合作的項目的最終應用車型是輕型車，所以系統(tǒng)也是采用轉(zhuǎn)向柱助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。2.3 EPS的受力介紹EPS系統(tǒng)所受的力主要有駕駛員作用在方向盤的操縱力、電動機的助力矩和整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所受的阻力矩，駕駛員在轉(zhuǎn)向時作用在方向盤的操縱力同時在EPS系統(tǒng)的電動機助力下，通過轉(zhuǎn)向機構客服轉(zhuǎn)向阻力矩，從而實現(xiàn)對汽車的轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向時駕駛員作用在方向盤的作用力以及電動機作用的助力矩大小與汽車整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所受的阻力矩有關。2.3.1 駕駛員的操縱力在汽車曲線運動中，由駕駛員通過作用在方向盤的切向力對汽車進行操縱。一般駕駛員都希望轉(zhuǎn)向時能操作輕便，在告訴時仍能保持穩(wěn)定，且具有良好的“路感”。因此駕駛員對汽車的操縱力分成兩種情況：改變汽車行駛方向時駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的切向力;保持汽車行駛方向不變（包括直線運動和固定某個方向的運動）時駕駛員保持方向盤不動的力。這種在車輪轉(zhuǎn)向角位置保持不變行車時，駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤的力稱為方向盤把持力。2.3.2 EPS的阻力矩 按產(chǎn)生的來源不同，EPS的阻力矩大體上可分為“繞主銷的阻力矩”和“轉(zhuǎn)向系的阻力矩”兩大部分組成。這些轉(zhuǎn)向阻力矩的各組成部分都隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車速、輪胎偏離角，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角速度和車輛側(cè)偏角變化而變化。 a)轉(zhuǎn)向系阻力矩主要包括“轉(zhuǎn)向系摩擦力矩”，“轉(zhuǎn)向系復原力矩”和“轉(zhuǎn)向系慣性力矩”三部分。“轉(zhuǎn)向系摩擦力矩”主要指轉(zhuǎn)向系的各部分之間的干摩擦阻力矩的總和。“轉(zhuǎn)向系復原力矩”主要由轉(zhuǎn)向系內(nèi)回位彈簧、內(nèi)橡膠襯套等的彈性變形引起的回復力產(chǎn)生的。“轉(zhuǎn)向系慣性力矩”主要由轉(zhuǎn)向系內(nèi)各部分在運動過程轉(zhuǎn)速的變化所形成的。 b)“繞主銷的阻力矩”大部是由路面和輪胎間的轉(zhuǎn)矩形成的，它受有路面狀態(tài)、輪胎特性、車輪定位和負荷等的影響，隨著車速和轉(zhuǎn)向輪偏離角的變化而變化。 通常“繞主銷的阻力矩”按汽車不同的行車方式分成“原地轉(zhuǎn)向阻力矩”和“行車轉(zhuǎn)向阻力矩”兩種。原地轉(zhuǎn)向:指對靜止不動的汽車進行轉(zhuǎn)向時，首先是輪胎發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，繼之以路面和路面之間發(fā)生滑移，稱這一情況所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向阻力矩為原地轉(zhuǎn)向阻力矩。行車轉(zhuǎn)向阻力矩指對行駛時的汽車進行轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生的阻力矩。行車轉(zhuǎn)向比原地轉(zhuǎn)向車速增加了，接地面積滾動成分增加，轉(zhuǎn)向阻力矩也突然減小。不過，車輛如以更高車速轉(zhuǎn)向行駛，將由于輪胎發(fā)生偏離形成自動回正力矩，促使輪胎平面和輪胎行進方向趨向一致。這樣行車轉(zhuǎn)向中所受轉(zhuǎn)向阻力矩就大致和原地轉(zhuǎn)向時相仿。高速行車中，由輪胎偏離角所引起的轉(zhuǎn)向阻力矩是隨主銷后傾角增大而增大的。 因此影響“繞主銷的阻力矩”的因素有輪胎接地的單位面積壓力、接地面積、厚捺系數(shù)等。顯然，負荷愈大，輪胎氣壓愈低，原地轉(zhuǎn)向阻力矩也將愈大。同時輪胎和路面間的摩擦系數(shù)增大，原地轉(zhuǎn)向阻力矩也將增大。2.3.3 EPS的助力矩助力矩是由電動機發(fā)出的實時力矩，其作用是提供主力，以提高駕駛員轉(zhuǎn)向時的操縱輕便姓。助力矩的大小由ECU控制，與方向盤轉(zhuǎn)向力矩和車速的大小有關。2.4 EPS的助力特性介紹助力特性是指助力隨汽車運動狀況（車速和轉(zhuǎn)向手盤力）變化而變化的規(guī)律。對于液壓動力轉(zhuǎn)向，助力與液壓油壓力成正比，故一般用液壓油壓力與轉(zhuǎn)向盤力矩（及車速）的變化關系曲線來表示助力特性。對于電動助力轉(zhuǎn)向，助力與直流電動機的電流成正比，故可采用電流與轉(zhuǎn)向盤力矩、車速的變化關系曲線來表示助力特性。理想的助力特性應能充分協(xié)調(diào)好轉(zhuǎn)向輕便性與路感的關系，并提供給駕駛員與手動轉(zhuǎn)向盡可能一致的、可控的轉(zhuǎn)向特性。在滿足轉(zhuǎn)向輕便性的條件下，如果路感強度在整個助力特性區(qū)域內(nèi)不變，則駕駛員就能容易地判定汽車行駛狀況的變化，預測出所需要的轉(zhuǎn)向操縱力矩的大小。EPS的助力特性具有多種曲線形式，圖2-2為三種典型EPS助力特性曲線。圖中助力特性曲線可以分成三個區(qū)，0TdTd0區(qū)為無助力區(qū)，Td0TdTdmax區(qū)為助力變化區(qū)，TdTdmax區(qū)為助力不變區(qū)。圖2-3 3種典型的助力特性曲線形式1、 直線型助力特性圖2-3（a）為直線型助力特性，它的特點是在助力變化區(qū)，助力與轉(zhuǎn)向盤力矩成線性關系。2、 折線助力特性圖2-3（b）所示為典型折線型助力特性，它的特點是在助力變化區(qū)，助力與轉(zhuǎn)向盤力據(jù)成分段線性關系。3、 曲線型助力特性圖2-3（c）所示為典型曲線型助力特性，它的特點使在助力變化區(qū)，助力與轉(zhuǎn)向盤力矩成非線性關系。 比較上述三種助力特性曲線，直線型助力特性最簡單，有利于控制系統(tǒng)設計，并且在實際中調(diào)整容易；曲線型助力特性復雜，調(diào)整不方便；折線型助力特性則介于兩者之間。助力特性對動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能，包括輕便性、回正性、路感等有重要影響。在傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向中助力特性主要由閥的結構決定，調(diào)整困難，并且設計完成后助力特性也就確定了，不能隨車速變化。而EPS不同，助力特性曲線是其控制目標，可以設計成車速感應型特性曲線，并可方便進行調(diào)節(jié)。針對EPS的特點，對助力特性曲線提出以下要求: 1.向盤輸入力矩小于某一特定值(通常為1Nm)時，助力矩為0,EPS不起作用。 2.盤輸入力矩較小的區(qū)域，助力部分的輸入應較小，以保持較好的路感。3.在轉(zhuǎn)向盤輸入力矩較大的區(qū)域，為使轉(zhuǎn)向輕便，助力效果要明顯。4.在轉(zhuǎn)向盤輸入力矩達到駕駛員體力極限的區(qū)域時，應盡可能發(fā)揮較大的助力效果。 5.隨著車速的增高，助力應減小。6.符合國家標準對動力轉(zhuǎn)向作用在轉(zhuǎn)向盤上的最大操縱力要求2.5 本章小結通過對EPS的系統(tǒng)的結構分析，闡述了EPS的工作原理和關鍵部位以及關鍵技術。通過對EPS系統(tǒng)進行受力分析和助力特性的分析，得到了EPS的受力基本情況，為下一步的方案設計打下基礎。第3章 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的總體介紹電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的設計上包括兩大部分。其一是機械部分；其二是控制部分。本文主要介紹的是機械部分的設計。所涉及的機械部分主要是有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元、傳動單元和執(zhí)行單元。具體而言主要包括扭矩傳感器、車速傳感器、離合器、轉(zhuǎn)向柱總成以及伺服電機等。3.1 電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的總體結構方案 根據(jù)上章對EPS的工作原理和關鍵技術以及其受力和助力的分析，初步確定本文的EPS采用轉(zhuǎn)向軸助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方式，系統(tǒng)由驅(qū)動電機，系統(tǒng)由驅(qū)動電機與離合器、控制器、驅(qū)動器、扭矩傳感器、減速機構、防碰轉(zhuǎn)向管柱總成、轉(zhuǎn)向中間軸總成等組成(見圖3-1)。EPS系統(tǒng)采用蝸輪蝸桿機構減速器，離合器與驅(qū)動電機一體化制造，裝在減速機構一側(cè)。當電動機發(fā)生故障時，離合器將自動分離。為了獲得良好的動態(tài)特性，蝸輪采用樹脂材料制造。圖3-1 EPS系統(tǒng)總體結構3.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成部件的設計選取3.2.1 EPS的傳感器電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制決策的執(zhí)行主要取決于車速傳感器信號和扭矩傳感器信號，它們是整個EPS控制系統(tǒng)的神經(jīng)末梢，其性能的優(yōu)劣、壽命的長短，直接影響著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部分的控制和監(jiān)測質(zhì)量，影響著控制策略的效果，所以各國對它們的研究與開發(fā)都非常重視。一般來講傳感器的選用與以下幾個方面密切相關：a、控制方面的要求：涉及測定的目的、測量的對象、測量的范圍以及精度要求等；b、傳感器的性質(zhì)：包括精度等級、穩(wěn)定性、對象的特性影響等；c、使用條件：主要涉及應用現(xiàn)場的環(huán)境因素；d、供求水平和維護：也即經(jīng)濟性和良好的維護性。作為電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的傳感器當然也需要滿足以上的要求，同時電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作環(huán)境的多變性、路況的相對惡劣性、以及來自電動機、功率驅(qū)動電路的電磁干擾比較大、考慮到人身安全要求的高可靠性等，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也有其自身的特殊要求。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：1、有較好的環(huán)境適應性。因為汽車工作環(huán)境溫度變化范圍較寬（-4080）,道路表面質(zhì)量相差很大；2、批量生產(chǎn)，并具有互換性；3、高可靠性，穩(wěn)定性好；4、盡可能小型、輕量，便于安裝。5、抗電磁干擾能力強；6、性能：精度高、響應快，從而滿足電動助力轉(zhuǎn)向?qū)崟r性的要求。以上這些要求是選擇合適的傳感器的基本原則。1、扭矩傳感器扭矩傳感器的功能是測量作用于轉(zhuǎn)向盤的力矩的大小和方向。扭矩傳感器信號是EPS最重要的輸入控制信號，扭矩傳感器要求精確可靠、抗干擾能力強。而電位式扭矩傳感器由于其原理簡單、成本較低等優(yōu)點在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。2、車速傳感器 這種傳感器是利用電磁感應的原理設計而成，是一種非接觸式的傳感器。在電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中起作用是把車輪的運動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査腿腚娮涌刂茊卧６魻杺鞲衅鞑粌H滿足了EPS系統(tǒng)對運行穩(wěn)定性和可靠性的要求，而且性價比也不高，是目前車速傳感器里面比較理想的一種。3.2.2 電動機電動機是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關鍵部件之一，擔負著系統(tǒng)控制指令執(zhí)行功能。服電動機的選擇直接關系到系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)和控制效果?？紤]到汽車電控系統(tǒng)的電源等方面的因素，所設計的系統(tǒng)電機考慮采用直流電機。伺服控制系統(tǒng)中使用的直流電動機和一般動力用的直流電動機在工作原理上是完全相同的，但是各自的功能和作用不同，因此他們的工作狀態(tài)和工作性能差別很大。在電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中，電動機的工作狀態(tài)需要根據(jù)指令信號而改變。根據(jù)電動機在助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的作用和特點，系統(tǒng)對它的性能提出了下列要求：（1）盡可能高的響應頻率，亦即盡可能減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，增大轉(zhuǎn)矩慣量比。（2）良好的低速平穩(wěn)性。（3）盡可能寬的調(diào)速范圍。（4）機械特性的硬度的數(shù)值盡可能大。（5）換向器和電刷間的接觸火花盡可能小，以減小伺服噪聲。（6）過載能力強。永磁電動機的勵磁磁場由永久磁鋼產(chǎn)生，無須外加勵磁線圈，從而省去勵磁電路，與電磁式電動機相比結構簡單，體積較小，重量輕。而且永久磁鋼產(chǎn)生的磁場可認為恒定，在控制方案中視為常數(shù)，從而簡化了控制方案的設計。此外，其穩(wěn)定性能和可靠性能超過了電磁式電動機，EPS系統(tǒng)屬于中小功率范圍，永磁式電動機可提供足夠的功率，因此系統(tǒng)采用永磁式電動機。永磁式電動機有直流伺服電動機、無刷直流電動機和直流力矩電動機三種選擇方案，直流伺服電動機的啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍廣，機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，控制系統(tǒng)和控制方案簡單。但是直流電動機的轉(zhuǎn)子是帶鐵心的，加之鐵心有齒槽，如果電動機的轉(zhuǎn)動慣量大，機電時間常數(shù)較大，靈敏度較差；轉(zhuǎn)矩波動較大，低速運轉(zhuǎn)不夠平穩(wěn)；電動機換向時易產(chǎn)生火花，不夠安全，并影響電動機的壽命。電動機結構做了特殊處理之后，可以保證轉(zhuǎn)矩波動小，轉(zhuǎn)動慣量低，電動機采取全封閉的形式從而去除了因換向火花帶來的不良影響。由于直流伺服電動機有電刷和換向器，其間形成的滑動機械接觸影響了電動機的精度、性能和可靠性所產(chǎn)生的電火花不夠安全，因此有的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用無刷直流電動機。無刷直流電動機既有直流電動機的特性，又有交流電動機的結構簡單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點。無刷直流電動機是把電子技術融入電機領域，將電子線路和電機融為一體的產(chǎn)物。無刷直流電動機是由電動機、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關線路三部分組成。直流電源通過開關電路向電動機定子繞組供電，位置傳感器隨時檢測到轉(zhuǎn)子所處的位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號來控制開關管的導通和截止，從而控制哪些繞組通電，哪些繞組斷電，實現(xiàn)了電子換向。其中轉(zhuǎn)子是由永磁材料制造，具有一定磁極對數(shù)的永磁體無刷直流電動機是采用電子換向開關元件進行換向，它既具有直流電動機的優(yōu).又具有交流電動機的沒有換向器和電樞、維護方便、無火花、無電磁干擾、能在惡劣環(huán)境下工作的諸多優(yōu)點，但無刷直流電動機的價格較高，且控制系統(tǒng)和控制方案復雜。直流力矩電動機的工作原理和普通的直流伺服電動機相同。只是在結構和外形尺寸的比例有所不同。直流力矩電機結構上采用扁平電樞，可增加電樞槽數(shù)、元件數(shù)和換向器片數(shù)，而且適當加大電機氣隙，所以力矩波動小，從而保證了低速下能夠穩(wěn)定運行。直流力矩電機由于結構的特殊設計，因此其機械特性和調(diào)節(jié)的線性度好。直流力矩電機的電磁時間常數(shù)小，電機響應迅速，動態(tài)特性好。直流力矩電動機雖具有諸多優(yōu)點，但價格比較高。從價格、性能、控制的復雜度、開發(fā)周期以及現(xiàn)今國內(nèi)電機制造水平等方面進行綜合權衡，所設計的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最終選擇了直流伺服電動機。伺服電機輸出的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率，應能滿負載運動要求控制特性應能保證所需的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩變化范圍。3.2.3 減速機構減速機構的作用是降低電動機的輸出軸的轉(zhuǎn)速，從而將電動機輸出軸的輸出轉(zhuǎn)矩放大后作用于轉(zhuǎn)向輸出軸。減速機構主要有兩種形式：雙行星齒輪減速機構和蝸輪蝸桿減速機構。如圖3-2示：圖3-2 減速機構結構示意圖雙行星齒輪減速機構采用了雙行星齒輪和傳動齒輪驅(qū)動組合式。因為是多級減速，可提供較大的助力扭矩。為了降低噪聲和提高使用壽命，減速機構部分采用樹脂材料齒輪。雙行星齒輪減速機構因為可提供較大的助力，通常用在小齒輪助力式和齒條助力式系統(tǒng)。蝸輪蝸桿減速機構簡單，體積小，噪聲低，成本較雙行星齒輪減速機構低。3.3 EPS助力傳動方案的分析比較與優(yōu)化 開發(fā)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的根本目的是減少駕駛員在對汽車進行轉(zhuǎn)向操縱時的體力消耗，而轉(zhuǎn)向體力消耗主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)向功的大小上。因此，如何減小轉(zhuǎn)向功就成了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要研究目的?？紤]到轉(zhuǎn)向功是轉(zhuǎn)向力和轉(zhuǎn)向角之積，因此，減小轉(zhuǎn)向功就可分為兩種主要途徑：一是減小轉(zhuǎn)向力；二是減小轉(zhuǎn)向角。前者的原理即通過提供一個轉(zhuǎn)向助力，來直接減小轉(zhuǎn)向力，代表性的方案就是蝸輪蝸桿助力傳動機構方案；后者的原理是通過提供另外一個運動，此運動與轉(zhuǎn)向運動合成后可減小轉(zhuǎn)向角度，代表性的方案即差動輪系助位移機構方案。從廣義上來說，后者可稱為另一種方式的助“力”傳動機構方案。下面詳述兩種助力傳動機構方案的原理與特點。3.3.1方案的對比方案1、蝸輪蝸桿助力傳動機構方案；這種方案由電動機、電磁離合器、車速和扭矩傳感器、一套蝸輪蝸桿助力傳動機構和電子控制單元組成，原理圖見圖3-3：圖3-3 蝸輪蝸桿助力結構示意圖 電動機提供的轉(zhuǎn)向助力通過蝸輪蝸桿機構放大作用于轉(zhuǎn)向柱，輔助駕駛員進行轉(zhuǎn)向動作。在車輛高速行駛不需要助力或在助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，為了增加轉(zhuǎn)向的可靠性，在電動機與助力機構之間采用了電磁離合器來實現(xiàn)電動機與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分離。由于電磁離合器的吸合和分離需要一定時間，必然造成轉(zhuǎn)向的滯后與超調(diào)。例如在一定車速下，當轉(zhuǎn)向手力大于某個給定值時，控制器根據(jù)扭矩傳感器檢測出的轉(zhuǎn)向力和車速傳感器測試的車速確定一個參考電壓值，它通過調(diào)節(jié)驅(qū)動H橋的PWM波形的占空比來提供一定的電動機端電壓，同時命令電磁離合器吸合。從而電動機開始提供助力，但電磁離合器并不是立即吸合，而是逐步吸合的，在吸合的時間內(nèi)它使得助力機構提供的助力滯后，這樣通過扭矩傳感器反饋回來的手力信號仍然較大，這必然使得電動機的端電壓繼續(xù)保持較大，這種情況一直持續(xù)到離合器吸合為止；同樣當轉(zhuǎn)向手力下降到某個設定值時，電動機停止助力，但離合器不能馬上分開，在離合器分離的時間內(nèi)，駕駛員必須額外多付出一些體力來帶動電動機轉(zhuǎn)動。方案2、差動輪系助力傳動機構方案； 這種方案它有兩種結構，即NGW型圓柱齒輪助力機構（圖3-4(a)）和錐齒輪助力機構（圖3-4(b)）。圖3-4（a）NGW圓柱齒輪差動輪系助力機構 圖3-4（b）錐齒輪差動輪系助力機構它由電動機、車速和轉(zhuǎn)角傳感器、一套蝸輪蝸桿機構和一套差動輪系機構、電子控制單元組成。轉(zhuǎn)向輸入軸與差動輪系的中心輪連在一起，電動機經(jīng)過一級蝸輪蝸桿減速機構帶動齒圈運動，合成的運動由行星架輸出。其工作原理是根據(jù)車速和手動轉(zhuǎn)向角度，電子控制單元按照事先確定的控制規(guī)律使得電動機提供一個與手動轉(zhuǎn)向同方向的輔助轉(zhuǎn)角并利用差動輪系的運動合成得到前輪轉(zhuǎn)向角度，這間接地減小了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動比而減小了手動轉(zhuǎn)向角度，從而減少了駕駛員消耗的轉(zhuǎn)向功。在電動機不轉(zhuǎn)即手動轉(zhuǎn)向條件下，由于蝸輪蝸桿機構設計成反向自鎖，故齒圈固定，轉(zhuǎn)向動作通過行星架減速輸出。這種助位移傳動機構方案的最大特點是不需要電磁離合器，故也不存在方案1中的滯后和超調(diào)效應，而且不會造成手力的突變。但差動輪系機構方案是由一套蝸桿機構機構和一套差動輪系機構組成，其效率要比只有蝸輪蝸桿機構的方案1低，并且其體積比方案1大。3.3.2 傳動機構性能比較上述兩種助力傳動機構方案哪一種更好，或者更適用于何種場合，必須從分析它們對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的影響入手。衡量轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的主要指標有轉(zhuǎn)向靈敏性、轉(zhuǎn)向手感。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向靈敏性取決于輔助轉(zhuǎn)向運動和手動轉(zhuǎn)向運動之間的運動學關系，而轉(zhuǎn)向手感取決于輔助轉(zhuǎn)向和手動轉(zhuǎn)向之間的動力學關系，因此對這兩種傳動機構方案之間的運動學和動力學進行分析比較，對在各種類型車輛的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計中如何確定輔助轉(zhuǎn)向傳動機構的方案就顯得十分重要。1、 運動學分析比較(1) 蝸輪蝸桿機構方案的運動學關系較簡單，電動機輸出軸角速度必須滿足式（3.1）其中m,e分別是電動機與轉(zhuǎn)向盤角速度，N是助力機構傳動比。m=Ne (3.1）從式（3.1）可知，電動機的角速度即蝸桿的角速度必須是轉(zhuǎn)向柱角速度的N倍，這種方案下電動機轉(zhuǎn)速必須與手動轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速匹配，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)只有一個自由度。當不助力時，電磁離合器脫開，直接依靠手轉(zhuǎn)向運動帶動前輪轉(zhuǎn)向。顯然，這種方案下電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動比不可變，故轉(zhuǎn)向靈敏性不可調(diào)，并且它的傳動比與手動轉(zhuǎn)向時的一致，即助力機構的增加并不改變手動轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向靈敏性。(2) 差動輪系設其中心輪的轉(zhuǎn)速、齒圈的轉(zhuǎn)速、行星架的轉(zhuǎn)速,前輪等效到轉(zhuǎn)向柱的轉(zhuǎn)向速度為手動轉(zhuǎn)向速度和電動機轉(zhuǎn)速的合成，顯然這種方案具有兩個自由度。當手動轉(zhuǎn)向規(guī)律確定而電動機的轉(zhuǎn)速改變時，合成后得到的前輪轉(zhuǎn)向速度也隨之改變，因此可以通過獨立地調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速來獲得不同的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比，從而這種方案下的轉(zhuǎn)向靈敏性是可調(diào)。在純手動轉(zhuǎn)向即電動機不轉(zhuǎn)時，蝸輪蝸桿自鎖導致齒圈固定。由于差動輪系的減速作用，電動機轉(zhuǎn)即手動轉(zhuǎn)向時此方案下的傳動比比方案1大了Z3/Z1倍，使得手動轉(zhuǎn)向靈敏性下降，這對車輛高速行駛下操縱的安全性是很不利的，這可以通過調(diào)整電動機的輸出轉(zhuǎn)速來解決。但這要求在車輛高速行駛時，電動機必須持續(xù)工作，因此其能耗必然大于方案1。2、 動力學分析比較（1）對蝸輪蝸桿機構方案進行動力學分析，由于只考慮轉(zhuǎn)向手感的比較，故可忽略一些次要的因素如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度，其中，Th，Ta，Tr分別是手力、電動機助力和轉(zhuǎn)向阻力，J，b分別是整個手動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量和粘性摩擦系數(shù)。為得到電動機助力表達式，首先應分析電動機的動態(tài)特性，其次再分析電磁離合器的動態(tài)特性。但根據(jù)所查閱的國外文獻來說，都沒有考慮過電磁離合器的動態(tài)特性。（2）對于差動輪系把方向盤、轉(zhuǎn)向柱和差動輪系的中心輪作為一個整體，前輪和行星架作為一個整體，再把前輪的轉(zhuǎn)向阻力和轉(zhuǎn)動慣量等效到轉(zhuǎn)向柱以便對其進行動力學分析，電動機提供的助力必須克服2倍的轉(zhuǎn)向阻力，才能改變其自身的運動狀態(tài)即角速度和角加速度，進而才能對手力產(chǎn)生影響，而這種影響在較小的情況下并不是很顯著。并且總有一部分轉(zhuǎn)向阻力按照固定的比例分配到手力上，所以這種傳動機構方案下車輛以任何車速行駛時都能確保轉(zhuǎn)向手力的存在即轉(zhuǎn)向手感的存在。而蝸輪蝸桿機構方案若某個車速下的助力增益過大且手力設定值太小，將導致轉(zhuǎn)向手力過小，從而導致失去轉(zhuǎn)向手感。差動輪系機構方案雖然可確保轉(zhuǎn)向手感的存在，但從另一方面分析，它不能顯著地減少轉(zhuǎn)向手力，因此這種方案只能是助位移而不是助力，電動機的轉(zhuǎn)角應隨車速變化按照一定規(guī)律跟蹤手動轉(zhuǎn)向角度，其中K是助轉(zhuǎn)角增益，隨車速而變化，以獲得最佳的轉(zhuǎn)向特性。 從上述討論可以知道，這兩種傳動機構方案各有利弊。蝸輪蝸桿減速機構簡單，體積小，噪聲低，成本較星齒輪減速機構低。其提供的助力雖不及星齒輪減速機構，但已能滿足轎車的助力要求，因此，蝸輪蝸桿減速機構通常用在轉(zhuǎn)向柱助力式的轎車轉(zhuǎn)向。3.4 本章小結本章從總體上對EPS的結構進行了初步設計，探討了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）對傳感器、電動機、離合器及其傳動減速機構的基本要求，在以往設計的基礎上，對系統(tǒng)的某些部件進行了調(diào)整與改進，對系統(tǒng)的各個部件進行了具體的選型，并對兩種助力傳動方案進行了優(yōu)化比較，得出一些有用的結論第4章 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）關鍵部件的介紹 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的減速結構是該系統(tǒng)不可缺少重要組成部分，其減速機構把電動機的輸出，經(jīng)過減速增扭傳遞到動力輔助單元，實現(xiàn)助力。因此，減速機構設計是EPS系統(tǒng)的關鍵技術之一。目前常用的減速機構有多種結構形式，主要分為蝸輪蝸桿式、行星齒輪式等(詳見第三章)。經(jīng)過分析討論，根據(jù)實驗條件和設備，我們選用了蝸輪蝸桿式減速機構。本章對該機構的關鍵部件進行了參數(shù)選擇或設計計算，并對整個機構進行了優(yōu)化。采用蝸輪蝸桿減速機構(見圖4-1)，其傳動機構有如下兩大優(yōu)點: (一)實現(xiàn)大的傳動比。在動力傳動中，一般傳動比1=S一80;在分度機構或手動機構的傳動中，傳動比可達300;若只傳遞運動，傳動比可達1000。由于傳動比大，零件數(shù)目又少，因而結構很緊湊。(二)在蝸桿傳動中，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和蝸輪是逐漸進入嚙合逐漸退出嚙合的，同時嚙合的齒對數(shù)較多，故沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲低。圖4-1 蝸輪蝸桿減速機構圖4.1 轉(zhuǎn)向軸的設計計算在計算的時候，我們先進行電動機的參數(shù)選擇，根據(jù)第三章的對電動機的分析研究 以及常用車型和方向盤轉(zhuǎn)矩的范圍和EPS系統(tǒng)對電動機性能的要求，選擇電動機的具體參數(shù)，如圖4-2所示:電動機類型:無刷永磁式直流電動機額定電壓(V) 12;額定扭矩（N .m ) 1.76;額定電流(A) 30; 額定轉(zhuǎn)速(r/min ) 1210; 圖4-2 無刷永磁式直流電動機采用蝸輪蝸桿組合方式的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結構簡圖如4-2所示，轉(zhuǎn)向軸的計算通常都是在初步完成結構設計后進行校核計算，計算準則是滿足轉(zhuǎn)向軸的強度或剛度要求，必要時還應校核軸的振動穩(wěn)定性。對于轉(zhuǎn)向器，其轉(zhuǎn)向軸承受的主要是來自方向盤的轉(zhuǎn)矩和電動機的轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩，故只需要進行軸的強度校核計算即可。 圖4-3 電動助力轉(zhuǎn)向組成系統(tǒng)框圖 進行軸的強度校核計算時，應根據(jù)軸的具體受載及應力情況，采取相應的計算方法，并恰當?shù)剡x取其許用應力。對于僅僅(或主要)承載扭矩的軸(傳動軸)，應按扭轉(zhuǎn)強度條件計算;對于只承受彎矩的軸(心軸)，應按彎曲強度條件計算；對于既承受彎矩又承受扭矩的軸(轉(zhuǎn)軸)，應按彎扭合成條件進行計算，需要時還應按疲勞強度條件進行精確校核。此外，對于瞬時過載很大或應力循環(huán)不對稱較為嚴重的軸，還應按峰值載荷校核其靜強度，以免產(chǎn)生過量的塑性變形。電動助力轉(zhuǎn)向機構的轉(zhuǎn)向軸主要是進行轉(zhuǎn)動作用，只需按扭轉(zhuǎn)強度條件計算即可。按扭轉(zhuǎn)強度計算，根據(jù)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計要求，僅進行扭轉(zhuǎn)強度條件計算就可以了。如果還有不大的彎矩時，則用降低許用扭轉(zhuǎn)切應力的辦法予以考慮。轉(zhuǎn)向軸的結構設計時，通常用這種方法初步估算軸徑。對于不大重要的軸，也可以作為最后計算結果。軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為：式中: T扭轉(zhuǎn)切應力，單位為Mpa； T軸所受的扭矩。單位為Nmm ； WT軸的抗扭截面系數(shù)，單位為mm3 ；N軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min ； P軸傳遞的功率，單位為kW ； d計算截面處軸的直徑，單位為mm； T許用扭轉(zhuǎn)切應力。單位為Mpa。由上式可得軸的直徑 通常取=0.50.6。應當指出，當截面上開有鍵槽時，鍵槽對軸的強度有影響，應增大軸徑。當直徑d > 100 mm，加工一個鍵槽時，軸徑應增大3%；加工兩個鍵槽時，應增大7%。對于直徑d100 mm，加工一個鍵槽時，軸徑應增大5%7%，加工兩個鍵槽時，應增大10%一15%。然后將軸徑圓整為標準直徑。應當注意，這樣求出的直徑，只能作為承受扭矩作用的軸端的最小直徑d。4.2 普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)以及幾何尺寸的設計計算為了抑制噪聲和提高耐久性，減速機構中的齒輪有的采用特殊齒形，有的采用樹脂材料制成。如圖4-4所示，在中間平面上，普通圓柱蝸桿傳動就相當于齒條與齒輪的嚙合傳動。故在設計蝸桿傳動時，均取中間平面上的參數(shù)(如模數(shù)，壓力角等)和尺寸(如齒頂圓、分度圓等)為基準，并沿用齒輪傳動的計算關系。普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)及其選擇:普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)有模數(shù)m、壓力角a、蝸桿頭數(shù)Z1、蝸桿齒數(shù)Z2及蝸桿的直徑d1等。進行蝸桿傳動的設計時，首先要正確地選擇參數(shù)。4.2.1 按齒面接觸疲勞強度進行設計 在閉式傳動中，蝸桿副多因齒面膠合或點蝕而失效，因此根據(jù)閉式蝸桿傳動的設計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設計，再校核齒根彎曲疲勞強度。傳動中心距1）確定作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩T2按Z1=1,估取效率=0.8，則T2=T10.8=1408Nmm2）確定載荷系數(shù)K 因工作載荷較穩(wěn)定，所以選取齒向載荷分布系數(shù)K=1；由下表選取使用系數(shù)Ka=1.15；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動載系數(shù)Kv=1.05；則表3-1蝸桿傳動使用系數(shù)蝸桿傳動使用系數(shù)KA原動機 工作機載荷均勻中等沖擊載荷嚴重沖擊載荷電動機、汽輪機0.81.250.91.51.01.75多剛內(nèi)燃機0.91.51.01.751.252.0單缸內(nèi)燃機1.01.751.252.01.52.25注：小值用于每天偶爾工作，大值用于長期連續(xù)工作。3）確定彈性影響系數(shù)ZE因選用的是鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，故ZE =160MPa1/24)確定接觸系數(shù)Z先假設蝸桿分度圓直徑d，和傳動中心距a的比值d1/a=0.35，則可查得Z=3.05）確定許用接觸應力H根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZcuSn10P1，金屬模鑄造，蝸桿硬度>45HRC可從下表中查得蝸輪的基本許用應力H=268MPa表3-2各種鑄件的基本許用接觸應力值渦輪材料鑄造方法蝸桿螺旋面的硬度45HRC45HRC鑄錫磷青銅ZCuSn10P1砂模鑄造150180金屬模鑄造220268鑄錫鉛鋅青銅 ZCuSn5Pb5Zn5砂模鑄造113135金屬模鑄造128