汽车转向系统EPS设计论文

汽 车 转 向 系 统 EPS 设 计电助力转向系统（Electric Power Steering system）作为转向助力新的研究方向，因为具有节能、环保、占用空间小、反应灵敏等优点受到广大汽车公司和科研人员的青睐。毋庸置疑，电助力在不久的将来将会完全取代传统的液压转向系统。汽车转向系统的应用按先后顺序可以分为：机械转向系统、液压助力转向系统、电子控液压助力转向系统、电助力转向系统等。 本文研究的是齿条助力式转向装置。其以齿轮齿条转向器的设计为核心，主要包括转向操纵机构设计、齿轮齿条传动设计、转向梯形机构设计和控制系统的硬件选择等。电助力转向系统工作过程中，当驾驶员转动方向盘时，扭矩传感器和车速传感器会将信息传输给控制器，使其发出命令控制电机的正反转和输出力矩的大小。从而使驾驶员可以轻松地驾驶汽车和增加汽车的转向灵敏性。关键词 电助力 转向系统 齿轮齿条 自动控制毕 业 设 计 外 文 摘 要Title The design of automotive steering systemAbstractElectric power steering is a new power steering technology for vehicles. Merit such as energy conservation , environmental protection，fast reaction and small footprint that the person has accepts the respectively big automobiles of company and the reserchers favour .Needless to say,home and abroad developing trend is to use electric power-assistance to change to the hydraulic pressure power-assistance vergence substituting tradition in future.Automotive steering system application can be divided into：Mechanical steering，Hydraulic power steering，Electronically controlled hydraulic steering system，Electronic Power System。This paper studies the steering rack power device, the design of the steering gear and rack as the core, mainly including the design of steering mechanism, gear and rack transmission design, the design of steering trapezoidal mechanism and control system hardware selection, etc. The working process of the electric power steering system, the driver turned the steering wheel, the torque sensor and speed sensor will transfer the information to the controller, make it a command control and reversing and the size of the output torque of the motor. So that the driver can easily drive a car and increase automobile steering sensitivity.Key Words Electric Power Steering System Gear and Rack Automatic control本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 I 页 共 I 页目 录1 引言 .11.1 汽车转向系统简介 .11.2 汽车转向系统的设计思路 .31.3 EPS 的研究意义 .42 EPS 控制装置的硬件分析 .52.1 汽车电助力转向系统的机理以及类别 .52.2 电助力转向机构的主要元件 .83 电助力转向系统的设计 .113.1 动力转向机构的性能要求 .113.2 齿轮齿条转向器的设计计算 .113.3 转向横拉杆的运动分析 9.213.4 转向器传动受力分析 .224 转向传动机构优化设计 .244.1 传动机构的结构与装配 .244.2 利用解析法求解出内外轮转角的关系 .254.3 建立目标函数 .27本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）5 控制系统设计 .295.1 电助力转向系统的助力特性 .295.2 EPS 电助力电动机的选择 .305.3 控制系统框图设计 .31结 论 .32致谢 .34参 考 文 献 .35本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 1 页 共 35 页1 引言1.1汽车转向系统简介汽车转向系统，顾名思义是为了能够使车辆按照驾驶员的意愿向左或者向右转弯或者直线行驶。转向装置有很多种，也一直在经历一个循序渐进不断更新不断创新的过程。从发明家本茨发明汽车的初期，转向系统知识最简单的形式来转向，其机构为单纯的扶把式，没有助力，所以笨重，费力，以及行驶状态不稳定。从在原始的雏形开始，各国人士不断创新改革，到现在为止，汽车转向系统的应用按先后顺序可以分为：机械转向装置、液压助力转向装置、电子控液压助力转向系统、电助力转向系统、四轮转向系统、主动前轮转向系统和线控转向系统 1目前市场大部分中低档轿车采用的液压式转向器，当然电控的也很常见，所以在该种系统的转向器技术的发展如今已经遇到了瓶颈。随着人们对乘车舒适，节能，安全，稳定的期望，电控液压式转向系统逐渐取代了先前的版本，但随着科技的进步，越来越多的科学家期待有路感的转向系统问世，所以流量阀式液压助力转向器出现了，在不同车速下，驾驶员手握方向盘，感觉到了路感的存在，助力特性曲线描述的就是“路感” ，但是美中不足的是这种液压式转向器依然存在很多缺陷，电机，液压泵，转向器，流量阀等等转向器在发动机旁的布置问题又出现了，还有就是液压油的泄漏问题越来越的突出尖锐。电助力 EPS（Electronic Power steering system）是在纯机械转向机构的前提下，设计加装了扭矩和车速等信号传感器、电子控制单元和转向助力装置等 2。所以电助力式转向器弥补了上述的不足，而且节能环保，易于线性控制，所以现在很多研究人员把目光转向了电助力式转向机，瞬时其成为了国际汽车工业转向系统新的研究主题，且这种系统也正在慢慢实现整车量产状态。1.1.1 EPS在国内外的发展状况国外 EPS 发展之路：谈到国际上 EPS 转向助力系统的发展，地处亚洲的日本和美国最具有代表性本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 2 页 共 35 页和发言权。日本研究 EPS 系统最早的国家，其初衷是因为在微型车上布置液压式助力系统比较困难，空间狭小，液压泵等装置无法布置，而电动式零件、体积小，易于布置安装，所以在微型车上开发研究出了 EPS 先进技术，并成功应用在了铃木 CERVO 汽车上，如今在我国比较常见的奥拓汽车应用的就是日本的这种转向系统。另外，日本是一个十分注重资源节约的国家，正是由于 EPS 相比于 HPS 具有突出的节油优点，所以日本国家政策也是相当倾向于扶持其研发制作的。随着时间的检验，EPS 技术在日本迅速发展起来。欧美等国出于节能环保的目的，也相继开发和研究 EPS 系统，且目前此项技术已经相对成熟。但是美国走了不同于日本的 EPS 开发道路，研制基于无刷直流电动机的 EPS 系统，因为其控制器的硬件和软件调剂比较复杂，所以经历了多年的努力才试制完成。对于电助力的两种不同电动机，我们会发现有刷电机的不足之处，如转子转动噪声大，电刷磨损严重，使用寿命短，以及具有严峻挑战的电子干扰等。国内 EPS 发展之路：中国由于历史原因，解放以前的旧中国还主要是以轻工业为主，没有大型的重工业基地，更别说汽车的研发制造了，解放初期，我国的汽车工业严重滞后，基本上式从外国进口或者委托国外厂家制造。第一代红旗轿车是引进德国汽车的基础上吸收改进和更新，产出了第一代红旗 CA771，其转向器当然也只是普通的 MS 转向器，所以对于中国老说，汽车整车性能的更新换代是任重道远的。中国东方汽车制造厂也是在八九十年代开始生产液压式转向系统的轿车。随着中国综合国力和高新技术不断实现质的飞越，现如今比亚迪的唐和宋部分使用了 EPS 转向助力稳定系统。但其适用性和日本、美国等发达国家还有一定的差距。近年来，国人对晴天白云，绿水蓝天的诉求越来越强烈，所以汽车工业节能环保的技术成为国家重点推广的新主题，所以我相信 EPS 转向系统在中国自主研发制造的轿车上会得到颠覆性的普及。1.1.2 EPS与其它汽车转向系统的对比常流量阀液压泵助力转向器由于只是提供单一的动力转向扭矩，是一种非本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 3 页 共 35 页线性助力工作方式，汽车只要启动工作后，液压泵就持续不断的转动输送液压能。以现代人的眼光审视，其是非常不合理的；流量阀式液压泵虽然具有助力特性，但助力效果不理想，且故障频发；电控液压助力转向装置助力效果显著，尽管依然没有摆脱掉液压式助力的一些弊端， 可他毋庸置疑就是 EPS 转向系统产生的雏形，电助力转向系统在其基础上应运而生。液压助力转向装置以油为工作介质，因为工作介质易泄露，系统不易保压，若液压助力转向系统的油管进入空气或液压油不足，液压泵工作时将会产生较高的噪音，且影响助力效果；而 EPS 仅仅在电机工作时产生轻微噪音，且污染环境。但是电助力系统的燃油消耗量仅为通状态下液压式的 20%y 以下，且占用底盘空间少，模块化安装，易拆装和维修，不存在液体泄漏。EPS 进行助力工作时，因为不具有限位弹簧和油压阻力的干扰，所以转动方向盘时的摩擦阻力相比于液压式要小一些，另外，EPS 装置没有供油泵、流量阀和各种管路，所以整体结构相对小些和更加轻便一些，但更为突出的优点是其助力特性灵敏可靠，可变助力在较广泛的区域调节， “路感”十足，既增加了驾驶安全性，又在一定程度上使汽车向更智能的方向迈进一部。1.1.3 EPS转向系统的特点（1）EPS 节能环保，其以空心电机为原动件，通过电子控制单元控制电机，对环境几乎零污染。（2）装配简单便捷，其集成度高，易于布置，没有油泵、油管路、流量阀、储油罐的制约。（3）EPS 高效率，液压式的一般为 60%-70%，但 EPS 可达到 90%。（4）具有良好的路感。（5）主动回程性好（因为不存在液压泵工作介质的阻力和回位弹簧的回程反力）。1.2汽车转向系统的设计思路本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 4 页 共 35 页汽车助力转向系统是在司机开始扭转转向时闭合离合器和空心电机输出助力，扭矩由转向器和转向传动机构传递动能使两前转向轮转弯行驶。固然应用动力转向装置的汽车必须要装备有动力器件，依靠此来减轻驾驶员的手力。以下为我们研究转向系统时应提出的设计思路 3（1）力求避免产生侧滑，且前转向轮转弯弧线过一定点。（2）在设定的转向轮阻力范围以下，方向盘应具有回正特性。（3）轮胎动平衡在误差允许范围内，方向盘不会“发抖” 。（4）避免转向装置和悬架装置干涉，空间上进行合理的布置。（5）汽车要具有较高的行驶灵敏性，小转弯机动性灵敏。（6）操纵轻便灵敏。（7）前转向轮剧烈撞击时，冲击力传至方向盘的破坏力尽可能小（逆效率低） 。（8）转向横拉杆端部与转向摇臂连接件球头应具有磨损补偿装置。（9）车辆高速前行撞击使钣金严重变形时，方向盘立即下移减轻驾驶员受伤程度。（10）方向盘转动方向和两转向前轮摆动方向一致。1.3 EPS的研究意义现今国内的轿车，绝大部分还是液压式助力转向，无论是常流式还是流量阀式液压泵，但无疑的是电助力系统比其具有更突出的节能、环保和轻便，以及给驾驶带来前所未有的“路感” 。众所周知，如今能源危机愈演愈烈，我国是人口大国，资源的匮乏始终是摆脱不掉的噩梦，所以新能源是新世界中国的发展主题，电能比原油更加经济和节能，