PS汽車電動液壓助力轉(zhuǎn)向

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1、 第1章 緒論 1.1 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以分為無助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和有助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。隨著科技發(fā)展和新技術(shù)的采用，有助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)逐漸由傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向(HPS) (Hydraulic Power Steering)系統(tǒng)向電動液壓助力轉(zhuǎn)向(EHPS) (Electronic Hydrautic Power Steering)系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)(Etectronic Power Steering)系統(tǒng)發(fā)展。 汽車在轉(zhuǎn)向的時候，由于車輪與地面的摩擦，前橋載荷可以高達幾千牛頓，在沒有助力的情況下用手臂轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤會感覺到比較沉重，所以，需要采取助力轉(zhuǎn)向來解決轉(zhuǎn)

2、向輕便性問題。而隨著車速的增加，車輪與地面的摩擦力減小，在提供相同助力的情況下，高速時會令人感覺到轉(zhuǎn)向盤發(fā)飄，另外，轉(zhuǎn)向盤高速轉(zhuǎn)動的時候，助力容易出現(xiàn)嚴重滯后，因此需要采用助力調(diào)節(jié)來解決轉(zhuǎn)向盤發(fā)飄和助力跟隨性問題。 傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是利用發(fā)動機帶動轉(zhuǎn)向油泵工作，油泵的流量和壓力隨發(fā)動機的轉(zhuǎn)速升高而增加當轉(zhuǎn)向的時候，液壓油流入其中的一個缸，而另外的一缸則有一部分油回流。這樣兩缸之間產(chǎn)生了壓力差，從而產(chǎn)生助力。如果油泵的流量和壓力越高，那么產(chǎn)生的助力就越大。對于汽車來說，車速越高，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速越快，這樣油泵的流量和壓力就會越大，相應(yīng)的產(chǎn)生的助力也就越大，導(dǎo)致高速時轉(zhuǎn)向盤發(fā)飄，為了解

3、決這個問題，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用控制閥控制進入油缸的流速，讓流速不要隨著泵的轉(zhuǎn)速改變而改變，這樣解決了發(fā)飄的部分問題。 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)了電控單元(ECU)而組成的，它使用電機代替發(fā)動機帶動轉(zhuǎn)向油泵工作。通過ECU控制電機轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)向油泵的流量和壓力越大，相應(yīng)產(chǎn)生的助力也就越大。通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，就可以實現(xiàn)助力可變。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由獨立于發(fā)動機的蓄電池提供動力帶動電機，用扭矩傳感器測出施加于轉(zhuǎn)向軸的扭矩，根據(jù)不同行駛條件通過ECU傳送給電動機一個合適的電流以產(chǎn)生適合工況的轉(zhuǎn)向助力。 傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還存在以下

4、問題:首先沒有實現(xiàn)真正的助力調(diào)節(jié)，它采用恒流速的方法，只能部分解決轉(zhuǎn)向盤發(fā)飄問題，高速時感覺較輕，低速時感覺較沉，操控舒適性較差;另外，在車速升高時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高，泵的流速升高，控制閥控制大部分液壓油沒有進入油缸而是回流入泵，這樣造成了較大的能源損耗。 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能量損耗較小，可以根據(jù)不同的路況提供可變助力，操縱手感好，適用于中型以上的貨車和豪華轎車。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最節(jié)能，但目前使用的是有刷直流電機，壽命相對較短，適用于輕型轎車。 1.2 EHPS系統(tǒng)特點以及發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 EHPS系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)

5、上發(fā)展起來的，是將電機與液壓動力電動泵、齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向控制閥、電控單元等集成在一起的一種轉(zhuǎn)向技術(shù)。它的結(jié)構(gòu)如圖1-1。 圖1-1電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成圖 系統(tǒng)工作原理;首先控制器(Controller)實時的根據(jù)角度傳感器（Steering angle sensor）和車速傳感器等的信號計算出合適的電機轉(zhuǎn)速，并調(diào)節(jié)電機達到該合適轉(zhuǎn)速;在電機帶動下，液壓泵將高壓油從出油孔泵出通過出油管進入轉(zhuǎn)向閥，當有轉(zhuǎn)向操作時，轉(zhuǎn)閥閥芯和閥套產(chǎn)生相對運動，導(dǎo)致高壓油進入其中一個油缸(左缸)，使左右油缸產(chǎn)生壓力差，從而產(chǎn)生助力，另一個油缸(右缸)的低壓油被壓出來回流入液壓泵。圖中深色管為高壓

6、油，淺色管為低壓油。當無轉(zhuǎn)向操作時，高壓油不進入油缸，直接回流入液壓泵。 1.2.2 EHPS系統(tǒng)與其它轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的比較 傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于由發(fā)動機帶動轉(zhuǎn)向油泵，在不轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向時都要消耗發(fā)動機部分動力。其次，一般液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所使用的轉(zhuǎn)向油泵的流量是根據(jù)發(fā)動機怠速時能使動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)向助力所需的供油量來確定，當提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速的時候，其供油量不斷的增加，但由于動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)向油泵的流量如圖1-2所示，要求隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高所要求轉(zhuǎn)向油泵的流量保持不變或下降。因此，在高速時，轉(zhuǎn)向油泵內(nèi)大部分流量通過溢流閥返回，在轉(zhuǎn)向油泵內(nèi)循環(huán)，造成轉(zhuǎn)向油泵發(fā)熱，更重要的是造成能源浪費，不

7、符合汽車節(jié)能要求，也不符合汽車對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求，能耗對比如圖1-3。 圖1-2轉(zhuǎn)向泵流量特性曲線圖 1）傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 2）采用控制閥的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 3）電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 圖1-3能量消耗對比 1.2.3 EHPS系統(tǒng)的特點 EHPS系統(tǒng)是由直流電機帶動電動泵工作，而不是由發(fā)動機驅(qū)動，可根據(jù)轉(zhuǎn)向需求提供不同的轉(zhuǎn)向力，滿足汽車對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求。在發(fā)動機怠速時，電動泵提供較大的流量，而在高速時，按轉(zhuǎn)向要求，使其流量有所下降。亦即在低速行駛時，駕駛員需較小的轉(zhuǎn)向操縱力就能靈活地進行轉(zhuǎn)向，而在高速轉(zhuǎn)向時，使操縱力逐漸增大，優(yōu)化了轉(zhuǎn)向操縱，提高了

8、駕駛員舒適性和轉(zhuǎn)向靈活性，又克服了轉(zhuǎn)向“發(fā)飄”感覺，使駕駛員操縱時有顯著的“路感”，保證在高速行駛時的穩(wěn)定性和安全感。 另外，EHPS系統(tǒng)將電機、控制器、液壓泵集成在一起降低了占用空間，安裝比較輕便。控制器具有可編程性，可根據(jù)不同車型或個人喜好調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能，有較好的可移植性。 綜上所述，EHPS系統(tǒng)相對HPs系統(tǒng)具有如下特點; 1)、采用無刷直流電機(BLDC)，降低了能源損耗。 2)、結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝。 3)、具有可編程的助力特性，性能便于調(diào)試，能得到舒適的轉(zhuǎn)向路感。 4)、提高了可控性，可靠性，具有更好的安全性。 5)、與傳統(tǒng)的葉片泵相比，采用齒輪泵的EHPS系統(tǒng)

9、泵油效率提高。 6)、維護方便。 7)、具有較高的性能價格比。 另外，與EPS系統(tǒng)相比，EHPS系統(tǒng)采用液壓提供助力，使助力比較平滑，手感很好;對于以前的HPS系統(tǒng)，可以經(jīng)過相對簡單的改裝即可成為EHPS系統(tǒng);另外EHPS系統(tǒng)也繼承了HPS系統(tǒng)的優(yōu)點，能夠提供很足的助力，將主要應(yīng)用與高級轎車以及運動型乘用車上。 1.3 EHPS系統(tǒng)的發(fā)展狀況 由于EHPS系統(tǒng)的優(yōu)越性能，國外很早就開始對其進行了研究，可以追溯到上世紀80年代，但當時的情況主要局限于理論研究，在技術(shù)實現(xiàn)上是利用電子閥控制油泵流量的方法調(diào)節(jié)助力，該技術(shù)在操控性和節(jié)能方面的改進十分有限。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展和無刷

10、直流電機的應(yīng)用，電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有了更深刻的變化，現(xiàn)在的研究方向是更為輕便、更為安全、更為節(jié)能。國外(主要是KOYO和TRW公司)提出了應(yīng)用電機代替發(fā)動機驅(qū)動轉(zhuǎn)向油泵以節(jié)能，根據(jù)車速、轉(zhuǎn)向盤角速度控制電機轉(zhuǎn)速以更為輕便和安全的方法。并已經(jīng)有產(chǎn)品推出， TRW公司生產(chǎn)的EHPS系統(tǒng)，它的控制器可以為電機提供高達幾十安的電流，產(chǎn)生幾千牛的助力。該公司主要為大眾的POLO轎車配套。 國外雖然已經(jīng)有產(chǎn)品推出，但由于時間較短，還不具有很大市場規(guī)模，而且汽車產(chǎn)品都有較長的跑車試驗期和壽命測驗，所以如今的大多數(shù)的汽車還是采用傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。從長遠眼光來看，傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)必然要被EHPS

11、系統(tǒng)或者更高的系統(tǒng)所代替。 國內(nèi)對于電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究還處于探索階段，因為該系統(tǒng)涉及電子，機械，自動化等諸多領(lǐng)域，需要多學(xué)科的交叉，面臨的難題也比較多，另外國內(nèi)在無刷電機和轉(zhuǎn)向柱方面的配套技術(shù)比較落后，如此種種影響了整個系統(tǒng)的發(fā)展。而且國外對此方面技術(shù)非常保密，國內(nèi)對該技術(shù)介紹較少。這些因素都導(dǎo)致我國在EHPS系統(tǒng)方面的研究十分落后。 1.4本課題的研究意義 隨著科技的發(fā)展和人們生活水平及環(huán)保意識的提高，汽車轉(zhuǎn)向助力肯定會向更輕便、更節(jié)能、更安全的方向發(fā)展，而本課題正是沿著這個方向?qū)ζ嚨霓D(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了研究?，F(xiàn)存的汽車，大部分都是傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，甚至沒有助力

12、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能提供比其更安全、更舒適的轉(zhuǎn)向操控性和節(jié)能效果。本課題對該系統(tǒng)的控制算法和控制系統(tǒng)進行了深入、細致的研究，并將其應(yīng)用于實踐，這對于推動該系統(tǒng)的發(fā)展和最終的產(chǎn)品化應(yīng)用，對于推動機械、傳感器技術(shù)和電子器件制造等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對于提高我國汽車電子化水平和加快轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有十分重要的意義。 在可預(yù)見的將來，電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車尤其是豪華轎車和貨車中必定會有廣泛的應(yīng)用 第2章 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體組成 2.1 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機理及類型 2.1.1

13、 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機理 EHPS 的工作原理如圖2-1所示。汽車直線行駛時，方向盤不轉(zhuǎn)動，泵以很低的速度運轉(zhuǎn)，大部分工作油經(jīng)過轉(zhuǎn)向閥流回油罐，少部分經(jīng)液控閥直接流回油罐；當駕駛員開始轉(zhuǎn)動方向盤時，電子控制單元根據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)角、車速以及電動機的反饋信號等，判斷汽車的轉(zhuǎn)向狀態(tài)，向驅(qū)動單元發(fā)出控制指令，使電動機產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)速以驅(qū)動泵，進而輸出相應(yīng)流量和壓力的高壓油（瞬時流量從ECU中儲存的流量通用特性場中讀取。）。壓力油經(jīng)轉(zhuǎn)閥進入齒條上的液壓缸，推動活塞以產(chǎn)生適當?shù)闹?，協(xié)助駕駛員進行轉(zhuǎn)向操縱，從而獲得理想的轉(zhuǎn)向效果。因為助力特性曲線可以通過軟件來調(diào)節(jié)，所以該系統(tǒng)可以適合多種車型。在電子控制

14、單元中，還有安全保護措施和故障診斷功能。當電動機電流過大或溫度過高時，系統(tǒng)將會限制或者切斷電動機的電流，避免故障的發(fā)生；當系統(tǒng)發(fā)生故障(如蓄電池電壓過低、轉(zhuǎn)角傳感器失效等)時，系統(tǒng)仍然可以依靠機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)向操縱，同時顯示并存儲其故障代碼。 1.動力缸 2.轉(zhuǎn)向閥 3.ECU 4.電機 5.液壓泵 6.液控閥 7.限壓閥 圖2-1電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理圖 EHPS 系統(tǒng)有如下特點：一是節(jié)能，高速時最多能節(jié)約85%的能源（相對于傳統(tǒng)的由發(fā)動機驅(qū)動泵的系統(tǒng)），實際行駛過程中能節(jié)約燃油0.2L/100km；二是結(jié)構(gòu)緊湊，主要部件(電動機、油泵和電子控制單元)均可以組合在一起

15、，具有良好的模塊化設(shè)計，所以整體外形尺寸比傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要小，質(zhì)量要輕，這就為整車布置帶來了方便；三是根據(jù)車型的不同和轉(zhuǎn)向工況的不同，提供不同的助力，有舒適的轉(zhuǎn)向路感。 2.1.2 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類 由于助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)向輕便和響應(yīng)性好等優(yōu)點，已經(jīng)在汽車上廣泛使用。但是，固定助力效果的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有明顯的缺點，雖然這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力效果在車速較低時能夠起到很好的作用，但是當車速不斷升高時，固定的助力效果會使轉(zhuǎn)向盤過于靈敏，不利于駕駛者對方向進行控制?；谶@種原因，設(shè)計人員通過電子控制技術(shù)在助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上增加了車速感應(yīng)式轉(zhuǎn)向功能，以實現(xiàn)車輛低速行駛時助力力矩大和高速行駛時

16、助力力矩小的效果，這就出現(xiàn)了電子控制助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在此需要說明的是，有些車型配置的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不是通過感應(yīng)車速來改變助力力矩的大小，而是通過感應(yīng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速來改變助力力矩的大小，但是這種助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用得比較少。隨著人們對車輛舒適性和安全性要求的不斷提高，目前的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)不僅僅具有車速感應(yīng)式轉(zhuǎn)向功能，例如有些車型還具有“一般轉(zhuǎn)向模式”和“運動轉(zhuǎn)向模式”，并可以在2種轉(zhuǎn)向模式之間自由切換。 從廣泛意義上講，電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為2種。一種是為了實現(xiàn)車速感應(yīng)式轉(zhuǎn)向功能，而在機械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了控制液體流量的電磁閥、車速傳感器以及轉(zhuǎn)向控制單元等，轉(zhuǎn)向控制單元根據(jù)車速信號控制

17、電磁閥，從而通過控制液體流量實現(xiàn)了助力作用隨車速的變化。另一種助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用由電動機驅(qū)動的液壓泵代替了機械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的機械液壓泵，而且增加了車速傳感器、轉(zhuǎn)向角速度傳感器以及轉(zhuǎn)向控制單元等部件。從性能上講，采用電動液壓泵的電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有更好的性能。 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)閥的不同分為中位開式和中位閉式。中位開式工作系統(tǒng)的組成如圖2-2所示。轉(zhuǎn)向閥中位有預(yù)開量，不轉(zhuǎn)向時，來自轉(zhuǎn)向液壓泵的液壓油經(jīng)過槽和槽脊之間的間隙(預(yù)開口),閥芯上的徑向孔流回油箱，因此也被稱為常流式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向液壓泵通常由發(fā)動機驅(qū)動(亦可由電動機驅(qū)動)。中位開式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，液壓泵

18、壽命長和轉(zhuǎn)向手感好。 1. 內(nèi)燃機；2. 液壓泵；3. 液壓缸；4. 車輪； 5. 轉(zhuǎn)閥；6. 流量調(diào)節(jié)閥；7. 溢流閥 圖2-2中位開式EHPS系統(tǒng) 中位閉式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖2-3所示。當方向盤處于不轉(zhuǎn)向的中間位置時，轉(zhuǎn)向閥的進出油口關(guān)閉。液壓回路中裝有蓄能器，當蓄能器中的壓力低于某一時，卸荷閥關(guān)閉，液壓泵向蓄能器供油;當蓄能器中的壓力達幾到另一較高值時，卸荷閥打開，液壓泵停止向蓄能器供油、由于蓄能器中總保持一定的工作壓力，所以也被稱為常壓式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)。 中位閉式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于，在非轉(zhuǎn)向工況下，系統(tǒng)幾乎不消耗原電動機的能量，在液壓泵不運轉(zhuǎn)的倩況下，系統(tǒng)保持一定

19、的轉(zhuǎn)向能力。 但是中位閉式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)轉(zhuǎn)向流量和壓力由蓄能器提供，在各種工況下輸出不易調(diào)整，轉(zhuǎn)向助力不能隨轉(zhuǎn)向負荷做相應(yīng)的變化，降低了駕駛的可靠性和舒適性。另外，它的密封和結(jié)構(gòu)都比中位開式復(fù)雜，所以目前車輛中常用的仍是傳統(tǒng)的中位開式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)。 1. 壓力繼電器；2. 電動機；3. 液壓泵；4. 蓄能器； 5. 液壓缸；6. 車輪；7. 轉(zhuǎn)向閥；8. 單向閥； 9. 卸荷閥；10. 內(nèi)燃機；11. 溢流閥； 圖2-3 EHPS中位閉式系統(tǒng)

20、 2.2 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體框架 采用電動泵式的EHPS系統(tǒng)一般由電氣裝置和機械裝置兩部分組成，電氣部分由車速傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器和電子控制單元ECU組成；機械裝置包括齒輪齒條轉(zhuǎn)向器（包括轉(zhuǎn)子閥和助力缸）、控制閥及管路、電動泵。而比較先進電動泵把齒輪泵（或葉片泵）、ECU、低慣量、高功率的直流電機和油罐集成在一起，構(gòu)成集成的電動泵，使得整個總成結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量變得更輕，安裝的柔性也大大增強。 1. 轉(zhuǎn)角傳感器；2. 動力轉(zhuǎn)向傳動裝置； 3. 儲油罐；4. 限壓閥； 圖2-4 EHPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 2.3 電動液壓助

21、力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成部件的選取 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡稱為EHPS，系統(tǒng)部件主要包括電動機、液壓泵、轉(zhuǎn)向機、轉(zhuǎn)向角速度傳感器、轉(zhuǎn)向控制單元、EHPS警告燈以及助力油儲液罐等，其中轉(zhuǎn)向控制單元和電動機及液壓泵通常安裝在一起。 2.3.1 電動機? 電動機分為無刷和有刷電動機，通常采用免維護無碳刷式電動機。這種電動機利用電子方式實現(xiàn)整流，而且沒有碳刷的磨損，因此具有很好的可靠性和較長的使用壽命。當不需要提供轉(zhuǎn)向助力時，電動機在很小的電流驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，這樣當需要較大的轉(zhuǎn)向助力時，電動機就可以立即提高轉(zhuǎn)速以提供所需要的助力。 2.3.2 齒輪泵 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EHPS所用的齒輪泵為外嚙合

22、齒輪泵，主要由主動齒輪、從動齒輪、泵體、泵蓋等組成。齒輪泵靠兩端密封面密封，主動齒輪和從動齒輪均由兩端軸承支撐。泵體、泵蓋和齒輪的各個齒間槽形成密封的工作空間。 電機驅(qū)動主動齒輪，主動齒輪靠嚙合帶動從動齒輪旋轉(zhuǎn)。當兩齒逐漸分開，工作空間的容積逐漸增大，形成部分真空，儲油罐內(nèi)的液壓油在大氣壓作用下，經(jīng)進口被吸入，吸入的液壓油沿泵體被齒輪擠壓推入高壓油腔。當主動、從動齒輪不斷旋轉(zhuǎn)時，泵便能不斷吸入和排出液壓油，提供助力。 外嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕，造價低、工作可靠，較葉輪泵容積效率和機械效率都要高。圖2-5為齒輪泵的結(jié)構(gòu)簡圖。 圖2-5齒輪泵的結(jié)構(gòu)簡圖 2.3.3 轉(zhuǎn)向角速度傳感器

23、? 通常是霍爾式傳感器，內(nèi)置于轉(zhuǎn)向盤內(nèi)或轉(zhuǎn)向機內(nèi)，持續(xù)監(jiān)控轉(zhuǎn)動角速度，以作為轉(zhuǎn)向控制單元控制助力的參考依據(jù)。例如，當車輛高速行駛時，在車速感應(yīng)式轉(zhuǎn)向功能的作用下，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的助力作用會減小，但是行駛中有可能出現(xiàn)需要緊急轉(zhuǎn)向的突發(fā)情況。當駕駛者猛打轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)向角速度傳感器會感知這一變化并會向轉(zhuǎn)向控制單元發(fā)出信號，轉(zhuǎn)向控制單元控制電動機的轉(zhuǎn)速迅速提高，助力作用會瞬間增大，以便車輛順利完成轉(zhuǎn)向動作。在拆卸和安裝轉(zhuǎn)向角速度傳感器時，應(yīng)注意將轉(zhuǎn)向盤置于正中間位置。 2.3.4 轉(zhuǎn)向控制單元 轉(zhuǎn)向控制單元具有接收和處理各個傳感器信號、輸出執(zhí)行信號以及監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)等多種功能。 轉(zhuǎn)向控制

24、單元接收來自發(fā)動機控制單元的車速信號或發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，以及來自轉(zhuǎn)向角速度傳感器的角速度信號，并計算出理想的控制電流輸出給電動機，以控制助力力矩的大小和方向。 當系統(tǒng)存在故障時，轉(zhuǎn)向控制單元會存儲故障碼并點亮儀表板上的EHPAS警告燈或EPAS警告燈。當監(jiān)測到系統(tǒng)內(nèi)電動機等部件出現(xiàn)嚴重故障時，轉(zhuǎn)向控制單元會切斷助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，此時機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍然正常。 為了保護電動機等部件，轉(zhuǎn)向控制單元在適當?shù)臅r候會起動臨界狀態(tài)控制程序。例如當轉(zhuǎn)向機轉(zhuǎn)動至極限位置時，由于此時助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電動機不能轉(zhuǎn)動，所以通過電動機的電流就會達到最大值，為了避免持續(xù)大電流導(dǎo)致電動機和控制單元損壞，所以當較大電流連續(xù)通過

25、30 s后，轉(zhuǎn)向控制單元就會控制電流逐漸減小。當這種狀態(tài)消失后，轉(zhuǎn)向控制單元就會根據(jù)需要控制電流逐漸增大，直到達到正常工作電流值。 第三章 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計 3.1 EHPS系統(tǒng)的設(shè)計方法 在研究電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，對該系統(tǒng)的設(shè)計方法做了探討。 汽車的最大轉(zhuǎn)向力矩發(fā)生在汽車原地轉(zhuǎn)向時，助力轉(zhuǎn)向必須滿足此時轉(zhuǎn)向輕便性的要求。汽車原地轉(zhuǎn)向阻力矩Tw（N·m）為 式中 f——輪胎和路面間的滑動摩擦因數(shù)；一般取f=0.7； ——轉(zhuǎn)向軸負荷，單位為N； P——輪胎氣壓，單位為。 此公式是經(jīng)驗公式

26、。為安全起見，取安全系數(shù)為1.5～2。此時，轉(zhuǎn)向盤所需轉(zhuǎn)矩Th（N·m）為 式中 ——轉(zhuǎn)向系角傳動比，一般情況下，輕型車為15～23； ——轉(zhuǎn)向系正效率，對齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器， 一般為70%～85%。 根據(jù)推薦值，轉(zhuǎn)向盤操縱力不應(yīng)大于30～50N,在10N 以下則轉(zhuǎn)向很輕便。因此，駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩Th0（N·m）為 式中 Fh0——作用在轉(zhuǎn)向盤上的力（N）； Dh——轉(zhuǎn)向盤直徑（m）。 所以，最大助力轉(zhuǎn)矩Tamax（N·m）為： 由此可以得到齒條上的最大作用力F（N）為： F=Tamax/rg 式中 rg ——小齒輪半徑（m）。 根據(jù)

27、液壓泵的壓力標準系列，初步選定需要的最高工作壓力Pmax（MPa），并計算出助力缸活塞實際作用面積為 S= F / Pmax 由式上式得到助力缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的初步值。根據(jù)現(xiàn)有的助力缸內(nèi)徑和活塞桿直徑常用系列值來，進一步確定合適內(nèi)徑和直徑。在確定了轉(zhuǎn)向器的相關(guān)參數(shù)后，下面根據(jù)這些參數(shù)設(shè)計出符合要求的電動泵的相關(guān)參數(shù)。 對于油泵，一般要求當油泵輸出最大流量時，要能夠滿足求方向盤轉(zhuǎn)速不低于1r/s，轎車最大取1.5r/s。近年來，國內(nèi)普遍采用1.25r/s 計算。則 活塞速度為： 式中 d1——小齒輪直徑（mm）。 轉(zhuǎn)向器所需的流量一般由動力缸活塞的有效作用面積和最大轉(zhuǎn)向速

28、度決定。它可以近似為動力缸容積隨時間變化的函數(shù)加上傳動裝置及轉(zhuǎn)向器內(nèi)的 泄流量Q2 (泄流量一般取0.9L/min)。 則泵實際需要提供的最大流量Q1 (L/min)為： Q1 =（1.5～2）Q0 + Q2 然后，對泵的結(jié)構(gòu)、泵腔的尺寸進行優(yōu)化設(shè)計，使之符合常用的排量系列中的值。在此基礎(chǔ)上，確定泵的最高轉(zhuǎn)速nmax（r/min），則泵的最高轉(zhuǎn)速可由最大流量和排量得出： nmax = Q1 / q 通過對以上參數(shù)的計算，可以得到所需要的液壓功率Py （W）為： Py = Q1 × Pmax 泵的輸入扭矩Ti（N·m）為： 式中 ηm ——泵與電機之間的機械效率

29、，一般?。?.9～1） 因為電動機和泵之間的扭矩傳遞損失很小，所以可以認為扭矩值非常接近于根據(jù)提供足夠助力需求所計算得到的扭矩值。首先，取一個安全系數(shù) n（1～1.2）[1]，可以得到電動機的額定輸出扭矩Te，則電動機的額定功率Pe 為： 上述設(shè)計方法的是可行的，能夠設(shè)計出符合助力要求的電動液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該設(shè)計方法是比較合適的。 3.2 轉(zhuǎn)向器的介紹 轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要總成，其作用主要有三方面，一是增大來自轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩，使之達到足以克服轉(zhuǎn)向輪與路面之間的轉(zhuǎn)向阻力矩；二是減低轉(zhuǎn)向傳動軸的轉(zhuǎn)速，并使轉(zhuǎn)向搖臂軸傳動，帶動要比擺動使其末端獲得所需的位移，或者是將與其轉(zhuǎn)向傳動軸連接在

30、一起的主動齒輪的傳動，轉(zhuǎn)換成齒條的直線運動而獲得所需的位移；三是通過選取不統(tǒng)的螺（蝸）桿上的螺紋螺旋方向，達到使轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動方向協(xié)調(diào)一致的目的。 汽車工業(yè)發(fā)達的國家，早期主要是圍繞減小轉(zhuǎn)向器的摩擦阻力、提高效率和增大剛度等方面從事研究并開發(fā)出新產(chǎn)品。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器很早便在奔馳汽車上得到應(yīng)用，在1920年以前，許多牌號汽車都用這種轉(zhuǎn)向器，因此這種轉(zhuǎn)向器是應(yīng)用最早的轉(zhuǎn)向器之一，已有100多年的歷史。早期使用的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，由一直齒圓柱齒輪與一直齒齒輪相嚙合所組成，不僅運動平穩(wěn)性不好，而且沖擊和噪聲都比較大。此外，小齒輪軸線與齒條軸線間的夾角只能是直角，很難滿足總體布置要求。

31、隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)得到不斷的完善。開發(fā)了斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合的轉(zhuǎn)向器，克服了采用直齒時所形成的缺點。如圖3-1。 圖3-1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 目前齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在各級別轎車上都得到廣泛應(yīng)用，而且隨著發(fā)動機前置前輪驅(qū)動轎車的生產(chǎn)不斷擴大，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器應(yīng)用的前景將十分廣闊，因為這會使轉(zhuǎn)向干系變得簡單。進入80年代初，我國生產(chǎn)的微型貨車開始開始應(yīng)用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，目前國產(chǎn)轎車絕大多數(shù)采用的都是這種形式轉(zhuǎn)向器。 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器主要由小齒輪、齒條、消除間隙機構(gòu)及容納上述各件的殼體組成。其中小齒輪與齒條作無間隙嚙合并形成齒輪齒條傳動副。工作

32、時，轉(zhuǎn)向盤帶動小齒輪作旋轉(zhuǎn)運動，便推動齒條作直線運動，在改變嚙合副運動方向的同時增大了傳動比。 在齒條齒與小齒輪嚙合處的背部，設(shè)置有消除間隙機構(gòu)。該機構(gòu)由預(yù)緊彈簧、托座等零件組成，在齒輪與齒條齒之間因磨損出現(xiàn)間隙時能自動消除此間隙。在齒條與托座之間裝有用減磨材料聚四氯乙烯制的墊片，齒條通過托座和轉(zhuǎn)向器殼中的支承來支承。 根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式，即中間輸入、兩端輸出；側(cè)面輸入、兩端輸出；側(cè)面輸入、中間輸出；側(cè)面輸入、一端輸出。如圖3-2。 圖 3-2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器輸入輸出形式 a) 中間輸入、兩端輸出；b) 側(cè)面輸入、兩端輸出；

33、 c) 側(cè)面輸入、中間輸出；d) 側(cè)面輸入、一端輸出； 今后一段時間內(nèi)，汽車主要采用的將是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。本文主要研究的是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。 3.3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的計算 3.3.1 轉(zhuǎn)向系計算載荷的確定 為了保證行駛安全，組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強度。預(yù)驗算轉(zhuǎn)向系零件的強度，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)向軸的負荷、路面阻力和輪胎氣壓等。為轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力，包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動的阻力、車輪穩(wěn)定阻力、輪胎變形阻力和轉(zhuǎn)向系中的內(nèi)摩擦阻力等。 精確地計算出這些力是困難的。為此用足夠精確的半經(jīng)驗公式來計算汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地

34、轉(zhuǎn)向阻力矩MR(N·mm)為： 式中 f——輪胎和路面間的滑動摩擦因數(shù)； ——轉(zhuǎn)向軸負荷，單位為N； P——輪胎氣壓，單位為。 作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力Fh為： 式中 ——轉(zhuǎn)向搖臂長, 單位為mm； ——原地轉(zhuǎn)向阻力矩, 單位為N·mm ——轉(zhuǎn)向節(jié)臂長, 單位為mm； ——為轉(zhuǎn)向盤直徑,單位為mm； Iw——轉(zhuǎn)向器角傳動比； η+——轉(zhuǎn)向器正效率。 因齒輪齒條式轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)無轉(zhuǎn)向搖臂，故L1、L2不代入數(shù)值。對給定的汽車，用上式計算出來的作用力是最大值。因此，可以用此值作為計算載荷。 梯形臂長度的計算： 輪輞直徑= 16in=16×25.4=406.4

35、mm 梯形臂長度=×0.8/2= 406.4×0.8/2 =162.6mm, 取=160mm 輪胎直徑的計算RT： =406.4+0.55×205=518.75mm 取=520mm 轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑的確定： =; 因此取=15mm 初步估算主動齒輪軸的直徑： =140Mpa 所以取=18mm 上述的計算只是初步對所研究的轉(zhuǎn)向系載荷的確定。 3.3.2 EHPS系統(tǒng)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計 1.齒條是在金屬殼體內(nèi)來回滑動的，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

36、和轉(zhuǎn)向搖臂，并保證轉(zhuǎn)向橫拉桿在適當?shù)母叨纫允顾麄兣c懸架下擺臂平行。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。齒條的橫向運動拉動或推動轉(zhuǎn)向橫拉桿，使前輪轉(zhuǎn)向。 表3-1 齒條的尺寸設(shè)計參數(shù) 序號 項目 符號 尺寸參數(shù)() 1 總長 767 2 直徑 30 3 齒數(shù) 20 4 法向模數(shù) 3 2.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)向軸相連。因此，轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)使齒條橫向移動以操縱前輪。齒輪軸由安裝在轉(zhuǎn)向器殼體上的球軸承支承

37、。 斜齒的彎曲增加了一對嚙合齒輪參與嚙合的齒數(shù)。相對直齒而言，斜齒的運轉(zhuǎn)趨于平穩(wěn)，并能傳遞更大的動力。 表3-2 齒輪軸的尺寸設(shè)計參數(shù) 序號 項目 符號 尺寸參數(shù)(mm) 1 總長 198 2 齒寬 60 3 齒數(shù) 6 4 法向模數(shù) 3 5 螺旋角 20° 6 螺旋方向 左旋 3.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。球頭銷通過螺紋與齒條連接。當這些球頭銷依制造廠的規(guī)范擰緊時，在球頭銷上就作用了一個預(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入球銷及齒條中。 轉(zhuǎn)向橫拉桿端部與外

38、端用螺紋聯(lián)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。見圖3-3。 注：轉(zhuǎn)向反饋是由前輪遇到不平路面而引起的轉(zhuǎn)向盤的運動。 1.橫拉桿 2.鎖緊螺母 3.外接頭殼體4.球頭銷 5.六角開槽螺母 6.球碗 7.端蓋 8.梯形臂 9.開口銷 圖3-3轉(zhuǎn)向橫拉桿外接頭 4.齒條調(diào)整 一個齒條導(dǎo)向座安裝在齒條光滑的一面。齒條導(dǎo)向座1和與殼體螺紋連接的調(diào)節(jié)螺塞3之間連有一個彈簧2。此調(diào)節(jié)螺塞由鎖緊螺母固定4。齒條導(dǎo)向座的調(diào)節(jié)使齒輪、齒條間有一定預(yù)緊力，此預(yù)緊力會影響轉(zhuǎn)向沖擊、噪聲及反饋（見圖3-4）。 圖3-4齒條間隙調(diào)整裝置

39、 3.3.3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計要求 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪多數(shù)采用斜齒圓柱齒輪。齒輪模數(shù)取值范圍多在2～3mm之間。主動小齒輪齒數(shù)多數(shù)在5～7個齒范圍變化，壓力角取20°，齒輪螺旋角取值范圍多為9°～15°。齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪達到最大偏轉(zhuǎn)角時，相應(yīng)的齒條移動行程應(yīng)達到的值來確定。變速比的齒條壓力角，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在12°～35°范圍內(nèi)變化。此外，設(shè)計時應(yīng)驗算齒輪的抗彎強度和接觸強度。 主動小齒輪選用16MnCr5或15CrNi6材料制造，而齒條常采用45鋼制造。為減輕質(zhì)量，殼體用鋁合金壓鑄。 3.4 齒輪軸和齒條的設(shè)計計算 表3-3 齒輪軸和齒條的設(shè)計計算 設(shè)計計算和說

40、明 計算結(jié)果 1.選擇齒輪材料、熱處理方式及計算許用應(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 大齒輪 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)計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，確定壽命系數(shù)、。 c)計算許用應(yīng)力 取, = = 應(yīng)力修正系數(shù) = = 2.初步確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸 (1) 選擇齒輪類型 根據(jù)齒輪傳動的工作條件，選用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動方案 (2) 選擇齒輪傳動精度等級 選用7級精度 (3) 初選參數(shù) 初選 =

41、6 =20 =0.8 =0.7 =0.89 按當量齒數(shù) (4) 初步計算齒輪模數(shù) 轉(zhuǎn)矩156×0.16=24.96=24960 閉式硬齒面?zhèn)鲃?，按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計。 = =2.309 (5) 確定載荷系數(shù) =1，由, /100=0.000696,=1；對稱布置，取=1.06； 取=1.3 則=1×1×1.06×1.3=1.378 (6) 修正法向模數(shù) =2.309×=2.297 圓整為標準值，取=2.5 3.確定齒輪傳動主要參數(shù)和幾何尺寸 (1) 分度圓直徑 ==16 (2) 齒頂圓直徑 =16+2 =16+2×2.5(1+0)=21

42、 (3) 齒根圓直徑 =16-2 =16-2×2.5×1.25=9.75 (4) 齒寬 =0.8×16=12.8 因為相互嚙合齒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 =3.9 4.校核齒面接觸疲勞強度 查表，得=189.8 查圖，得=2.45 取=0.8，==0.969 所以 =189.8×2.45×0.8×0.969 × =1677.6

43、 斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動 7級精度 24960 =1.378 =2.5 =16 =21 =9.75 取=20 =2.5 =3.125 =3.9 齒面接觸疲勞強度滿足要求 3.5 本章小結(jié) 本章是電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計，主要內(nèi)容如下： (1) 介紹了電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的

44、一種設(shè)計方法，這種設(shè)計方法是有其可行性的，能夠設(shè)計出符合助力要求的電動液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該設(shè)計方法在現(xiàn)實中是比較合適的。 (2) 對EHPS系統(tǒng)中的齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的主要元件進行的詳細的介紹，并且給出了一些參考的轉(zhuǎn)向系參數(shù)。 (3) 根據(jù)已知條件，對EHPS系統(tǒng)中的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器進行了齒輪軸和齒條的設(shè)計計算。 第四章 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的研究 4.1 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器介紹 目前, 商用車上的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大多是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng), 而傳統(tǒng)的液壓助力系統(tǒng)助力特性是固定的,存在低速轉(zhuǎn)向沉重、高速轉(zhuǎn)向發(fā)飄的問題。這對駕駛舒適性和安全性都有較大的影響

45、。在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝電子控制裝置, 改變其助力特性, 就構(gòu)成了電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EHPS。EHPS 系統(tǒng)針對不同車速給出不同的助力特性, 既滿足了低速工況下的大助力需求, 又保證了高速工況下的路感, 是當前液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。 常見的ECHPS 系統(tǒng)都采用電磁閥來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的油壓和流量, 而日本光洋公司與1998 年推出了一種新型的采用步進閥的閥特性式的ECHPS 系統(tǒng)。與電磁閥相比, 步進閥有如下特點: 提高了滑閥的位置精度; 以固定車速行駛時, 執(zhí)行機構(gòu)不消耗電力; 行駛過程中, 向執(zhí)行機構(gòu)供給的電流被中斷時, 轉(zhuǎn)向力不會因為滑閥位置的變動而發(fā)生快速變化, 即系統(tǒng)出故

46、障的情況下穩(wěn)定性好。清華大學(xué)汽車研究所開發(fā)了采用步進轉(zhuǎn)閥的流量控制式EHPS 系統(tǒng), 如圖4-1 所示。本章對其控制器進行了研究。 圖 4-1 EHPS系統(tǒng) 4.2 兩相混合步進電機恒轉(zhuǎn)矩細分原理 兩相混合步進電機可以抽象為如圖4-2 所示, 繞組間的電角度為90°, 則兩相電流的相位差也為90°。 由圖可得: 式中 I0——滿幅單相繞組電流。 則由歐拉公式可得合成電流向量為: 圖4-2兩相混合步進電機模型 這樣就得到了一個幅值為I0、幅角為! 的矢量。只要控制! 作均勻步長變化, 就可以保證該矢量做均勻步長的轉(zhuǎn)動, 且保持幅值不變, 從而

47、實現(xiàn)步進電機恒轉(zhuǎn)矩的細分轉(zhuǎn)動。對步進電機作均勻細分后, 可以得到一系列對應(yīng)的值, 由公式可以計算出對應(yīng)的A、B 相的電流。將這些電流值量化后儲存在單片機內(nèi), 步進電機運行時根據(jù)對應(yīng)的步數(shù)將數(shù)據(jù)送入控制電路中, 就可以實現(xiàn)對電機繞組的電流控制, 實現(xiàn)細分驅(qū)動。 4.3 控制器電路基本構(gòu)成 4.3.1 電路概述 控制器的模塊如圖4-2 所示。各部分的主要構(gòu)成及功能如下: (1)系統(tǒng)信號輸入輸出。主要包括車速信號、方向盤轉(zhuǎn)速信號和各部分電壓監(jiān)測信號輸入, 狀態(tài)指示燈、DEBUG 燈信號輸出。 圖4-2 EHPS控制系統(tǒng) (2)單片機相關(guān)電路。主要包括單片機、相應(yīng)的時鐘電路、電源部分以

48、及程序燒寫接口等。該部分提供了整個系統(tǒng)的信號處理及基本控制信號輸出功能。 (3)細分控制。對單片機提供的繞組電平信號、D/A 提供的電流限值以及由繞組電流檢測部分反饋回來的電流值進行綜合處理, 產(chǎn)生斬波驅(qū)動信號送 入驅(qū)動電路。 (4)功率驅(qū)動電路。將細分控制產(chǎn)生的斬波信號進行放大, 驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。 (5)步進電機。步進電機帶動泄流閥, 改變ECHPS 系統(tǒng)的助力特性。 (6) D/A。根據(jù)具體的細分步數(shù), 產(chǎn)生對應(yīng)的目標電壓值, 送入細分控制器。 (7)繞組電流檢測。由電流/電壓轉(zhuǎn)換和放大器構(gòu)成。將電機繞組中的電流轉(zhuǎn)化為電壓值并放大, 送入細分控制器與D/A 產(chǎn)生的目標電壓進行

49、比較, 一旦達到目標值就進行斬波。 (8)電機位置檢測。由光電續(xù)斷器及其相關(guān)電路組成。主要提供了閥的基準位置, 并在運行過程中作為位置校準點。 4.3.2 細分驅(qū)動電路設(shè)計 控制器采用的細分芯片為L6506, 驅(qū)動芯片采用的是L298, 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及連接如圖4-3所示。以某個細分位置時A 相繞組為例, 說明電流控制的工作過程。假設(shè)此時A 相繞組正向通電, 需要的電流大小為IA。首先單片機分別給出IN1 為高、IN2 為低的方向控制信號( 如果A 相反向通電, 則給IN1 為低、IN2 為高的信號) , 同時, 根據(jù)單片機內(nèi)部預(yù)設(shè)好的表格, 查出IA 所對應(yīng)的參考電壓(VAref) , 通

50、過SPI 接口將對應(yīng)的控制信號輸出給D/A 芯片, D/A 在對應(yīng)A 相繞組的OUTA 輸出一個參考電壓VAref。IN1 高電平信號使得H 橋的T1 臂打開, T3 臂關(guān)閉; IN2 的低電平信號使得H 橋的T2 臂關(guān)閉, T4 臂打開。這樣由圖不難看出電流的流動順序為: Power→H 橋T1 臂→繞組A 正→繞組A 負→H橋T4 臂→采樣電阻Rsen1→地 圖4-3細分驅(qū)動增加 隨著通電時間的增加, 回路中的電流iA( t) 不斷增大, 采樣電阻上的電壓Vsen1 不斷增大。當Vsen1 的值達到VAref 時(即iA( t)=IA), 比較器被推翻, 觸發(fā)器清零,

51、A 相輸入控制信號被關(guān)斷, 繞組通過續(xù)流回路進行續(xù)流, 電流iA( t) 不斷減小, 使得采樣電阻上的電壓Vsen1不斷減小, 從而使Vsen1

52、影光點位移l 與電機轉(zhuǎn)角θ有如下近似關(guān)系: 圖4-4步進角測量裝置 針對整個系統(tǒng), 可以看出, 在低車速的情況下,系統(tǒng)壓力能夠隨著方向盤轉(zhuǎn)矩的提高迅速上升, 從而提供較大幅度的助力, 避免了低速時轉(zhuǎn)向沉重; 在高車速情況下, 系統(tǒng)壓力只有方向盤轉(zhuǎn)矩較大情況下才有明顯提高, 從而避免了轉(zhuǎn)向發(fā)飄, 增加了駕駛員的手感。通過對步進閥的控制, 改變了系統(tǒng)在不同車速下的助力特性, 達到了改善助力特性的目的。 所研究的控制器滿足了EHPS 系統(tǒng)的需要, 能夠針對不同的車速提供不同的轉(zhuǎn)向助力特性,解決了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的“低速沉重, 高速發(fā)飄” 問題。

53、對于一些常見的系統(tǒng)故障, 控制器也能進行診斷。現(xiàn)有控制器在中速情況下的助力特性和速度的對應(yīng)還是不夠理想, 有待進一步的改進。 第五章 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計 5.1 結(jié)構(gòu)與布置 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、制造工藝簡便等優(yōu)點, 既適用于整體式前軸,也適用于采用獨立懸架的斷開式前軸, 被廣泛地應(yīng)用在轎車、輕型客貨車、微型汽車等車輛上。其中, 與之配用的轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)同傳統(tǒng)的整體式轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)相比有其特殊之處。 一般來說, 這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大多如圖5-1所示。轉(zhuǎn)向軸1的末端與轉(zhuǎn)向器的齒輪軸2直接相連或通過萬向節(jié)軸相連, 齒輪

54、2與裝于同一殼體的齒條3嚙合, 外殼則固定于車身或車架上。齒條通過兩端的球鉸接頭與兩根分開的橫拉桿4、7相連, 兩橫拉桿又通過球頭銷與左右車輪上的梯形臂5、6相連。因此, 齒條3既是轉(zhuǎn)向器的傳動件又是轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)中三段式橫拉桿的一部分。 絕大多數(shù)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器都布置在軸前后方, 這樣既可避讓開發(fā)動機的下部, 又便于與轉(zhuǎn)向軸下端連接。安裝時, 齒條軸線應(yīng)與汽車縱向?qū)ΨQ軸垂直, 而且當轉(zhuǎn)向器處于中立位置時, 齒條兩端球鉸中心應(yīng)對稱地處于汽車縱向?qū)ΨQ軸的兩側(cè)。 1.轉(zhuǎn)向軸 2.齒輪 3.齒條 4.左橫拉桿 5.左梯形臂 6.右梯形臂 7.右橫拉桿 圖5-1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 對于

55、給定的汽車, 其軸距L、主銷后傾角β以及左右兩主銷軸線延長線與地面交點之間的距離K均為已知定值。對于選定的轉(zhuǎn)向器, 其齒條兩端球鉸中心距也為已知定值。因而在設(shè)計轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)時, 需要確定的參數(shù)為梯形底角γ、梯形臂長以及齒條軸線到梯形底邊的安裝距離h。而橫拉桿長則可由轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的上述參數(shù)以及已知的汽車參數(shù)K和轉(zhuǎn)向器參數(shù)M來確定。其關(guān)系式為： (1) 5.2 用解析法求內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系 轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時, 齒條便向左或向右移動,使左右兩邊的桿系產(chǎn)生不同的運動, 從而使左右車輪分別獲得一個轉(zhuǎn)角。以汽車左轉(zhuǎn)彎為例, 此時右輪為外輪, 外輪一側(cè)的桿系運動如圖5-2所示。設(shè)齒條向右移

56、過某一行程S, 通過右橫拉桿推動右梯形臂, 使之轉(zhuǎn)過。 圖5-2外輪一側(cè)桿系運動情況 取梯形右底角頂點O為坐標原點, X、Y軸方向如圖5-2所示, 則可導(dǎo)出齒條行程S與外輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系： (2) 另外，由圖5-2可知： ∴ (3) 而內(nèi)輪一側(cè)的運動則如圖5-3所示, 齒條右移了相同的行程S, 通過左橫拉桿拉動左梯形臂轉(zhuǎn)過。 圖5-3內(nèi)輪一側(cè)桿系運動情況 取梯形左底角頂點O1為坐標原點,X 、Y軸方向如圖5-3所示, 則同樣可導(dǎo)出齒條行程S與內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系, 即: (4) (5) 因此, 利用公式(2)便可求出對應(yīng)于任一外輪轉(zhuǎn)角的齒條行

57、程S, 再將S代入公式(5)即可求出相應(yīng)的內(nèi)輪轉(zhuǎn)角。把公式(2)和(5)結(jié)合起來便可將表示為的函數(shù),記作: 反之, 也可利用公式(4)求出對應(yīng)于任一內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的齒條行程S, 再將S代入公式(3)即可求出相應(yīng)的外輪轉(zhuǎn)角。將公式(4)和(5)結(jié)合起來可將表示為的函數(shù), 記作: 5.3 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計 5.3.1 目標函數(shù)的建立 眾所周知, 在不計輪胎側(cè)偏時, 實現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪純滾動、無側(cè)滑轉(zhuǎn)向的條件是內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角具有如圖5-4所示的理想的關(guān)系, 即: (6) 式中 T——計及主銷后傾角時的計算軸距

58、 L——汽車軸距 r——車輪滾動半徑 由式(6)可將理想的內(nèi)輪轉(zhuǎn)角表示為的函數(shù), 即: (7) 反之, 取內(nèi)輪轉(zhuǎn)角為自變量時, 理想的外輪轉(zhuǎn)角也可表示為的函數(shù), 即: (8) 而由轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)所提供的內(nèi)、外實際轉(zhuǎn)角關(guān)系為前述的θi=F(θ0)或 θ0=Φ(θi),因此, 轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目標就是要在規(guī)定的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)使實際的內(nèi)或外輪轉(zhuǎn)角盡量地接近對應(yīng)的理想的內(nèi)或外輪轉(zhuǎn)角。為了綜合評價在全部轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)兩者接近的精確程度, 并考慮到在最常使用的中小轉(zhuǎn)角時希望兩者盡量接近, 因此建議用兩函數(shù)的加

59、權(quán)均方根誤差作為評價指標。即： 兩式中的加權(quán)因子、為： (9)、(10) 兩式是等價的, 可根據(jù)具體情況任取其中之一作為極小化目標函數(shù)。 圖5-4理想的內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)交關(guān)系 5.3.2 設(shè)計變量與約束條件 對于給定的汽車和選定的轉(zhuǎn)向器, 轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)尚有梯形臂長、底角γ和安裝距離h三個設(shè)計變量。其中底角γ可按經(jīng)驗公式先選一個初始值,然后再增加或減小, 進行優(yōu)化搜索。而及h的選擇則要結(jié)合約束條件來考慮。 第一, 要保證梯形臂不與車輪上的零部件(如輪胎、輪輛或制動底板)發(fā)生干涉, 故要滿足： ＞ 0 式中 Aoy——梯形臂球頭銷中心的Y坐標值（見圖5-3） Ay

60、min——車輪上可能與梯形臂干涉部位的Y坐標值 因，所以可知當選定時的可取值上限為： (11)第二, 要保證有足夠的齒條行程來實現(xiàn)要求的最大轉(zhuǎn)角。即有: 式中 Smax——最大轉(zhuǎn)角或所對應(yīng)的齒條行程 [S]——轉(zhuǎn)向器的許用齒條行程 因 所以由公式(1)或(3)可知： 一般來說{ }內(nèi)的數(shù)值很小, 故在估算齒條行程時可略去不計, 即可粗略地認為： 所以當選定時，的可取值范圍為： (12)式和(13)式是等價的，使用時可根據(jù)具體情況任取其中之一作為約束條件。 第三，要保證有足夠大的傳動角。傳動角是指轉(zhuǎn)向梯形臂

61、與橫拉桿所夾的銳角。隨著車輪轉(zhuǎn)角增大, 傳動角漸漸變小。而且對應(yīng)于同一齒條行程, 內(nèi)輪一側(cè)的傳動角總是比外輪一側(cè)的傳動角要小。由圖5-2可知： 由圖5-3可知: 最小傳動角發(fā)生在內(nèi)輪一側(cè), 當達到最大值時, 也達到最大值, 故此時為最小值。傳動角過小會造成有效分力過小,表現(xiàn)為轉(zhuǎn)向沉重或回正不良。對于一般平面連桿機構(gòu), 為了保證機構(gòu)傳動良好, 設(shè)計時通常應(yīng)使°, 但一般后置式轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)的都偏小。這是由于汽車正常行駛中多用小轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向, 約有80％以上的轉(zhuǎn)角在20°以內(nèi)即使是大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向, 也是從小轉(zhuǎn)角開始, 而且速度較低, 所以取23°時的內(nèi)輪一側(cè)傳動角作為控制參數(shù)。以°作為約束條件,

62、 這樣一般均能保證在°時°。 轉(zhuǎn)向器安裝距離h對傳動角的影響較大, h越小, 占也小, 可獲得較大的。在選擇h時應(yīng)充分注意到這一點, 但h過小會造成橫拉桿與齒條間夾角ζ過大。由圖5-2、圖5-3可知： 為保證傳動良好一般希望°, 以此作為約束條件即要滿足聯(lián)立不等式： 由此可解得： 由于轉(zhuǎn)向器處于中立狀態(tài)時（即°），值較小，故可近似地認為： 于是可得h的取值范圍： ＜h≤ (14) 5.4 研究結(jié)論 研究得到，對于同一，隨著γ增大，σi略有減小，但要求安裝距離h相應(yīng)地增大，同時ζmax也隨之加大。隨著的減小，σi也略有減小，不過小轉(zhuǎn)向力臂也小，操縱

63、力會有所增大?？偟目磥恚灰?、γ和h三者選配的恰當，其差別是很小的。 本章介紹了與齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器配用的轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，介紹了該轉(zhuǎn)向機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點和優(yōu)化設(shè)計方法，給出了優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)和設(shè)計變量的選取范圍。 結(jié)論 在道路上行駛的各種機動車輛中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是它們必備的一個重要組成部分。汽車的轉(zhuǎn)向系就是用來改變或保持汽車行駛方向的機構(gòu)，它由轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)、轉(zhuǎn)向傳動裝置、轉(zhuǎn)向輪和專用機構(gòu)組成。汽車的轉(zhuǎn)向性能是汽車的主要性能之一，它能直接影響到汽車的操縱穩(wěn)定性，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

64、全、改善駕駛員的工作條件起著重要的作用。 隨著時間的推移，高科技的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的機械助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)慢慢地被電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所取代。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還包括電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用全新的控制模式，最新的電力電子技術(shù)和高性能的電機控制技術(shù)，能夠根據(jù)車輛不同的行駛狀況調(diào)節(jié)助力，擁有更好的轉(zhuǎn)向操控性和節(jié)能效果。隨著車輛進入家庭步伐的加快以及對節(jié)能、駕駛舒適性要求的提高，電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將擁有非常廣闊的應(yīng)用前景。本文就是對汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)做了初步的研究，主要以電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對象。 本文采用理論研究和借鑒研究相結(jié)合的方法，對電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了初步的理論研

65、究和設(shè)計。 本論文完成的主要內(nèi)容如下： (1) 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的介紹。介紹了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展狀況，重點研究了電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展前景及與其他轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的比較，總結(jié)出EHPS系統(tǒng)的優(yōu)點，在將來，電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車尤其是豪華轎車和貨車中必定會有廣泛的應(yīng)用。 (2) 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體設(shè)計。對EHPS系統(tǒng)的工作原理進行了研究，并對EHPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成元件進行了細致、深入的研究和部分元件的選取。 (3) EHPS系統(tǒng)的設(shè)計方法和轉(zhuǎn)向器的設(shè)計。介紹了電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計和計算方法。對齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器進行了具體的設(shè)計和計算，根據(jù)任務(wù)要求完成了齒輪軸和齒條的部分計算

66、。 (4) 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的研究。簡單的介紹了電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器組成和工作原理。 (5) 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。與齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器配用的轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。介紹了轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法，研究了其可行性，給出了優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)和設(shè)計變量的選擇范圍。 由于時間緊張和水平有限，對電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究不是十分的完善，對于EHPS系統(tǒng)的分析還有待更進一步的深入研究，比如對EHPS系統(tǒng)的仿真分析、電機的控制原理和EHPS系統(tǒng)模型的建立等內(nèi)容?？傊@次的研究工作還只是對汽車的電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究和設(shè)計開了個頭，還有更多的內(nèi)容需要更進一步的學(xué)習(xí)。 致謝 經(jīng)過三個月刻苦鉆研，終于完成了我畢業(yè)論文。首先要衷心感謝我尊敬的導(dǎo)師夏文恒老師的悉心指導(dǎo)和關(guān)心。論文的選題、思路的確定、關(guān)鍵技術(shù)的突破、課題實施以及論文撰寫都是在夏老師悉心指導(dǎo)下完成的;夏老師嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的學(xué)識、刻苦的治學(xué)精神，都讓我受益匪淺。三個月來，夏老師不僅在學(xué)術(shù)上