汽車電動助力轉向系統(tǒng)(eps)的設計[含cad圖紙和文檔資料]

汽車電動助力轉向系統(tǒng)(eps)的設計[含cad圖紙和文檔資料],含cad圖紙和文檔資料,汽車,電動,助力,轉向,系統(tǒng),eps,設計,cad,圖紙,以及,文檔,資料 本科學生畢業(yè)設計（論文）附件 附件C：譯文 附件C：譯文 采用輔助電機的電動轉向系統(tǒng)的 邏輯控制 摘要 電動助力轉向系統(tǒng)（EPS）與傳統(tǒng)的液壓轉向系統(tǒng)相比在發(fā)動機能源利用率，空間利用率，與環(huán)境的相容性方面有很多有點。這篇論文研究的目的在于發(fā)展提高EPS的邏輯控制，以達到減小由駕駛員提供的轉向力矩并且保持各種工況的路感，提高轉向回正性能的目的。另外，力矩傳感器能夠測量轉向力矩并計算車輪的轉角，能夠計算出一種實際負載轉矩并提供給轉向柱的回路仿真系統(tǒng)硬件也得到一定的發(fā)展。使用我們所介紹的EPS邏輯控制，駕駛員能夠使用由轉矩發(fā)生器提供的轉矩轉動轉向輪，轉向發(fā)生器發(fā)出的轉矩隨著駕駛員提供給轉向盤的轉矩的變化而變化，但是兩個相互對立的轉矩。經驗研究表明，我們研究的EPS邏輯控制能夠控制輔助電機來提高轉向輪的轉向回正性。 2002年Elsevier科學有限公司；保留所有權。 關鍵詞： 電動助力轉向；轉向力矩；轉矩傳感器；輔助電機；主動阻尼 1. 引言 電動助力轉向系統(tǒng)是汽車控制主要子系統(tǒng)之一。它按照駕駛員的輸入以相同的方向轉動前輪。當汽車前輪轉向過后，會產生一個回正力矩，它意圖將轉向輪恢復到原來的位置。雖然回正力矩能夠提高轉向穩(wěn)定性，但駕駛員必須提供更打的轉向力矩來克服它以使汽車轉向。 * 通訊作者。電話：+82-2-3290-3363；傳真：+82-2-3290-3757。 電子郵箱：jbsong@korea.ac.kr (J.-B. Song). 0957-4158/02/$ - 見前面相關事宜 2002年Elsevier科學有限公司；保留所有權。 PII: S09 5 7-4 1 58 (01)00004- 6 對于大車來說，轉向效率是一個非常需要考慮的問題，尤其在低速的情況之下。因此我們引進了動力轉向系統(tǒng)來幫助駕駛員實現(xiàn)這種情況下的轉向。很多動力轉向系統(tǒng)由一個由發(fā)動機驅動的液壓泵和一些管路執(zhí)行器件組成[1]。 因為傳統(tǒng)的液壓轉向系統(tǒng)(HPS)由發(fā)動機驅動，它不但不能降低發(fā)動機的能源消耗，而且其運轉還需要一些復雜的液壓器件如液壓泵，傳動帶，軟管等。對于電動助力轉向系統(tǒng)(EPS)來說，它由一個獨立與發(fā)動機的電機提供能量，減少了復雜的液壓器件，正因如此，它提高了發(fā)動機和空間利用率，即使在發(fā)動機停止工作時它也能獨立提供轉向能量。另外，因為它不使用液壓油，因此相當環(huán)保。由于它與液壓系統(tǒng)相比有這些優(yōu)點，EPS已經開始取代HPS用于一些高檔轎車上，在不遠的將來，它還將運用到其他類型的轎車上 [2]。 EPS有如下兩種功能。第一，它能減少駕駛員提供的轉向力矩并且保持各種工況的路感。這里的轉向力矩定義為汽車轉向時駕駛員感覺到的力矩。當EPS系統(tǒng)發(fā)出的輔助力矩與駕駛員的的轉向力矩作用方向一致時，駕駛員所需要提供的轉向力矩就會有很大程度的降低。另外，調整轉向助力特性，駕駛員會感到不同路況的路感。第二，當車輪轉向后，它能提高車輪的轉向回正性能。當轉向輪發(fā)生偏轉后，駕駛員放開轉向盤，車輪能夠在自調力矩的作用下回到中間位置，這個自調力矩是由地面施加給轉向車輪的。因為回正力矩隨著車速的增加而增加，因此在高速情況下，由于回正力矩過大而使汽車發(fā)生連續(xù)的擺動。EPS 能夠提供主動阻尼來減小這種現(xiàn)象，因此能提高回正性能 。 雖然有關邏輯控制的細節(jié)還未發(fā)表，但一些關于EPS的研究已經完成。在商業(yè)上，德爾福汽車和TRW汽車已經為實車設計了EPS系統(tǒng)模型，本田已經將其開發(fā)的EPS系統(tǒng)用于阿庫拉 NSX實車上[3]。大多數的EPS控制系統(tǒng)框圖如圖1，目標電流發(fā)生器根據行使條件來確定供給電機的參考電流[4 ,5 ]由控制器計算控制信號，它能利用和實際電流將錯誤減少到最低。這種方案的一個不足之處在于它實間接的控制轉矩，真正的控制參數是電機電流。 圖1. 典型的電動助力轉向系統(tǒng)控制框圖 這篇研究的主要目的是開發(fā)電動助力轉向系統(tǒng)的控制邏輯。 這篇研究構造的邏輯控制目的在于測量轉向力矩本身，并且將它反饋會控制器中，控制器產生控制信號使參考力矩和轉向力矩的誤差達到最小。參考力矩由力矩規(guī)律圖參照汽車速度信號和轉向輪狀態(tài)產生。這種方法的好處在于它能直接控制駕駛員的轉向力矩因此能改善各種工況的路感。 為了測量轉向力矩和轉向輪的角度，我們設計了由兩個光電編碼器組成的力矩傳感器。為了驗證所提出的邏輯控制，我們建立了回路仿真硬件系統(tǒng)，在這個回路仿真系統(tǒng)里面的負載電機附加到一組齒輪齒條機構上，電機產生不同的附加力矩傳遞到轉向軸上。 2. EPS系統(tǒng)的構建與造型 這項研究的主要工作是開發(fā)EPS系統(tǒng)的邏輯控制（而不是EPS硬件設計）。因此這篇論文研究的EPS系統(tǒng)用簡單的傳統(tǒng)轉向系進行改裝來進行建模。圖2為回路仿真硬件系統(tǒng)的試驗裝置，其中一些因數如汽車動力和回正力矩通過計算機進行仿真，否則，這個轉向系統(tǒng)的性能就只有在真實的硬件上進行完成。 圖2 所示的電動轉向系統(tǒng)為一轉向柱式電動轉向系統(tǒng)，輔助電機連接在轉向柱上通過齒輪機構傳遞力矩給轉向柱。連接到機架和齒輪機構中的負載電機提供等效的負載力矩，其中包括地面與車輪的摩擦力矩。輔助電機和負載電機由電機驅動器控制，它們的控制信號來自裝有邏輯控制的電腦。輔助電機和負載電機都是使用的無刷直流電機(BLDS)。雖然兩種電機在結構上有所不同，但它們在建模方面卻由相同的性能。轉向力矩和轉向輪轉角由我們上面提到的扭矩傳感器測量。 圖2.用于實現(xiàn)EPS邏輯控制的試驗裝置 2.1. 扭矩傳感器 為了測量由司機施加在轉向軸上的力矩Ts，我們設計了如圖3所示的力矩傳感器。在這個傳感器當中，轉向輪的轉角和轉向軸的轉角作用于扭桿兩端，扭桿安裝在轉向保護套管里面，和分別由光電編碼器1、2分別測量。因為細長的扭桿發(fā)生相對較大的角位移后Δθ，同步皮帶和滑輪機構能夠將這個角位移放大，所以即使在小扭矩的情況下光電編碼器也能測量出這個角位移。我們知道，作用在轉向軸上的轉向力矩Ts與這個相對位移Δθ有如下比例關系： （1） ktorsion為扭桿的扭轉剛度。EPS轉向系統(tǒng)邏輯控制需要的轉向盤的角度不需要其他傳感器而只需要我們所設計的扭矩傳感器就能夠獲得。 圖3.力矩傳感器結構圖 2.2. 系統(tǒng)建模 EPS系統(tǒng)的物理模型分為轉向軸部分和轉向輔助電機部分，如圖4。在圖里Ta和Tl分別代表傳遞給轉向軸的輔助力矩和負載轉矩，負載轉矩來自車輪與地面的摩擦、傳動系的效率等。輔助電機的運動方程表示為： (2) 這里的和分別代表輔助電機的轉動慣量和阻尼系數，代表電機的力矩，N代表齒輪機構的傳動比，它與轉向軸的運動關系有這永磁無刷直流電機的電動方程如下，它與直流電機的方程相同。 (3) 和分別代表電樞電壓和電流，和分別代表電樞電阻和反電勢常數輪。電機的轉矩為： (4) KT是電機的轉矩常數。 為了運行設計的回路仿真硬件系統(tǒng)，必須測量路面作用在車輪上的力矩。為了測量這個力矩，我們運用了Dugoff輪胎模型[7]，其縱向力和橫向力分別為： 圖4. 轉向軸的自由結構示意圖 (5) 其中和分別代表輪胎縱向和橫向剛度，A, s,α分別表示車輪與地面的接觸面積，滑移率，側偏角。 如圖5所示，輪胎受到的縱向和橫向的力傳遞到機架上后為： (6) 轉向盤的轉角和車輪轉角δ的關系為：，n為轉向系的傳動比，路面的負載力矩傳遞到轉向盤上后變?yōu)椋? (7) 圖6所示為路面施加與車輪的力矩于轉向盤轉角的關系，負載電機根據方程式來產生負載轉矩（7）。駕駛員按照正旋規(guī)律輸入。我們常用滑移率和側偏角參數評價系統(tǒng)的好壞。施通過圖我們可以看出：路面產生的力矩與轉向盤的轉角成比例。雖然在計算路面力矩的時候我們應該考慮轉向系統(tǒng)的效率，但我們這里假設我們所的的值近似等于真實的路面力矩。 圖5.轉向系統(tǒng)齒輪齒條的簡化模型 圖6.路面力矩與轉向盤轉角的關系（試驗數據） 3. EPS控制邏輯 EPS系統(tǒng)的主要作用是減小轉向力矩與提高轉向回正性能。這兩項功能不需要同時起作用，在某一個瞬間只需要一個功能。例如，在J形轉向試驗中，輔助電機產生輔助力矩來減小駕駛員作用在轉向盤上的力矩，通常，轉向盤會平滑的回到起始位置而不會引起回正力矩過大造成汽車發(fā)生連續(xù)振動，最終汽車將恢復直線行使。這一現(xiàn)象需要EPS系統(tǒng)提供兩個獨立的控制算法來滿足每一個行使狀況。 3.1. 減小轉向力矩的控制邏輯 當汽車轉向的時候由電機產生足夠而又適量的輔助力矩來幫助駕駛員完成轉向操作。圖7為產生這種輔助力矩的轉向系控制系統(tǒng)方框圖。在力矩規(guī)律圖上（下面將要討論）首先通過行使條件來確定參考力矩。輔助電機然后產生合適的輔助力矩使得轉向力矩接近。例如，當路面輸入力矩為20Nm時設定為3Nm，駕駛員將提供3Nm的轉向力矩，輔助電機提供17Nm的輔助力矩到轉向軸上。如沒有動力轉向，駕駛員將提供20Nm的轉向力矩在轉向盤上。當然，在實際的行使條件下，負載轉矩無法測量，但是轉向力矩能夠由轉矩傳感器測量。因此用這種方式調節(jié)輔助電機使和之間的誤差達到最小。為了達到這個目的，我們使用了下面的PI控制方式： (8) K1和K2是PI控制增益。以這種方式產生的輔助力矩按照與駕駛員發(fā)出的力矩方向施加到轉向軸上。 圖7.減小轉矩的邏輯控制方框圖 這個系統(tǒng)最大的好處之一是引入了力矩規(guī)律圖，它根據車速V和轉向盤轉角來確定參考力矩。車速起著很重要的作用，因為駕駛員提供的轉向力矩隨著車速的不同而不同。比如說在低速情況下（停車時），為了方便轉向，助力系統(tǒng)要提供很大的力矩。在高速時，轉向力矩越大路感越強行使的安全性就越好。方向盤的轉角也很重要，因為它與負載力矩由如圖6所示的關系。 圖8為我們在試驗中所采用的力矩規(guī)律圖。在圖a中，在速度為0時為了轉向輕便將參考力矩T0設計的相當的，為了高速駕駛的安全性，參考力矩隨速度的增加而增大。因此駕駛員的轉向路感隨著車速的增加而增強。當車速到達極限車速時，參考力矩達到飽和值而不再增加，因此在高速時也能保持某些時候的轉向輕便；圖b所示為參考力矩隨著轉向盤轉角的變化而變化，參考力矩與轉向盤轉角成正比。參考力矩，車速，轉向盤轉角的三維關系構成了力矩規(guī)律圖，它儲存在存儲器了以供使用。如圖9所示。使用力矩規(guī)律圖的一個好處在于參考力矩能夠隨著行使狀況和駕駛員的需求隨時修改。 3.2. 轉向回正性的控制邏輯 在行使過程中，當轉向盤發(fā)生轉向時，自動回正力矩能夠自然的使轉向盤回到中間位置。這種性能能夠為駕駛員回正方向提供方便，但如果其值過大又會破壞汽車的行使穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的液壓動力轉向系統(tǒng)能夠依靠系統(tǒng)的慣性和摩擦提供一些阻尼，但是是處于被動的不是主動的提供阻尼。對于EPS系統(tǒng)來說，電機通過一定的控制能夠產生主動抑制阻尼。 (a) (b) 圖8.（a）依據車速確定參考力矩（b）依據方向盤轉角確定參考力矩 圖9.推薦的力矩規(guī)律三維曲線 回正性能的控制策略被分為2個運算部分。一個是使車輪回到中間位置的回正過程的運算。這個過程的主要作用是使車輪快速準確的回到中間位置，因此在車輪受到恒定的摩擦阻力而使回正受阻是這項功能就相當有用。另一種算法是主動抑制算法，它使車輪在適當的阻尼之下回到中間位置，避免了經常在高速情況下產生的振動。因此，將兩種算法加在一起就顯得比較理想。為了達到這個目的，在這篇研究中我們引入了PDI控制器： (9) K3,K4和K5為控制器增益。請注意方程式（9）里的PI部分，它為大方向轉角提供了很大的轉矩以供轉向控制，微分部分則提供主動阻尼，它隨著方向盤的角速度的增加而增加。調節(jié)控制增益就能獲得不同的控制特性。 4. 結果討論 使用這種控制邏輯能夠將不同的行使狀況在硬件試驗設備上進行不同的仿真。一些典型的結果如下： 圖10為在方向盤轉角和車速恒定的情況下的仿真結果。參考力矩和負載力矩設定為恒定值分別為7.5Nm和30Nm。在有EPS邏輯控制下減小轉向力矩的試驗結果為：輔助電機提供22.5Nm的穩(wěn)定力矩，因此駕駛員感覺到的轉向力矩為7.5Nm。因此轉向力矩與參考力矩精確相符。 圖10.在車速和負載力矩恒定時轉向力矩和輔助力矩隨時間的關系 動態(tài)轉向的試驗結果如圖11。我們假設駕駛員以180的振幅5s為周期進行正旋輸入。負載電機按照方程（7）的結果發(fā)出負載力矩經機架和小齒輪傳遞到轉向軸上。為了方便起見，我們設定轉向力矩隨時針為正。 在沒有動力輔助的時候，駕駛員需要提供相對較大和連續(xù)變化的轉向力矩來達到轉向的目的。但是有了動力輔助后，駕駛員提供的轉向力矩有很大程度的減小。另外，參考力矩設定的不同轉向力矩也不相同。因此產生不同的轉向路感。比如說，在參考力矩設定的很小的時候，駕駛員的路感很輕，參考力矩很大時駕駛員的路感很重。 圖11.轉向盤正旋輸入下的轉向力矩 圖12為有EPS系統(tǒng)下的參考力矩與轉向角的對應關系。在圖6我們知道，負載力矩與轉向角成比例，因此，在沒有動力轉向的情況下轉向力矩隨著轉向角的變化而發(fā)生很大的改變。但是在有EPS系統(tǒng)參與的情況下，轉向力矩在很大轉角范圍內變化很小，如圖12。 接著，我們對EPS回正控制邏輯進行評價。圖13為在主動阻尼起作用時的回正性能曲線，在沒有阻尼控制時表現(xiàn)出回正過量，在有阻尼控制時沒有觀察到回正過量的情況，因為一些阻尼強加在車輪轉動的反方向。如果我們調節(jié)對方程（9）中微分起作用的阻尼控制增益，將得到不同的回正穩(wěn)定性能。比如在圖13中，曲線A比曲線B有更大的阻尼增益，因此轉向更為遲鈍。 圖12.轉向力矩隨轉向角的變化規(guī)律 圖13.方向盤轉角隨主動阻尼變化的響應 圖14.方向盤轉角控制輸入隨阻尼和回正控制的響應 雖然在主動阻尼的控制作用下不會出現(xiàn)回正過量的情況，但它使得回正速度減慢。另外，在主動阻尼的作用下，由于系統(tǒng)內部的摩擦使得車輪不能精確的回到中間位置。為了克服這種現(xiàn)象，基于方程（9）的PID控制被引入了，在產生阻尼力的同時產生了恢復力矩。圖14（a）表明與單獨的阻尼控制相比，有PID加入的控制的回正反映更快而起不會引起回正過量。圖14(b)表明在開始時采用恢復力控制后面采用主動阻尼控制時的控制輸入的控制情況。因此由不同比例的阻尼控制和回正控制能夠構成不同的回正特性。 5. 結論； 在這篇論文里，我們推薦了減小轉向力矩、保持不同路感以及轉向回正性能的控制邏輯。另外，力矩傳感器能夠測量轉向力矩和轉向盤轉角，為EPS系統(tǒng)提供足夠準確的力矩值。回路仿真硬件系統(tǒng)HILS的研究能夠根據行使情況為轉向軸提供負載力矩，負載力矩的提供為EPS的邏輯控制的研究起了重要的作用。 EPS控制邏輯能夠減小轉向力矩，駕駛員轉動方向盤的力矩能夠由很大程度的降低。它也表明：轉向力矩也能參照由轉向力矩圖決定的參考力矩。 參考文獻 [1] Ribbens WB. 認識汽車電子產品。第四章 Sams,1992. [2] Badawy AA, Bolourchi F, Gaut SK. 電動轉向改變轉向技術 汽車工程. SAE 國標, 1997, p. 15–18. [3] SAE 國標. 汽車工程. SAE 國標, 1997, p. 39–40. [4] Endo S. 電動助力轉向系統(tǒng)的穩(wěn)定補償控制機構 美國專利, 5732373, 1998. [5] Mukai Y, Noro Y, Hironaka S. 電動轉向系統(tǒng)設計. 美國專利, 5844387, 1998. [6] Crandall SH. 剛體力學介紹. 紐約: McGraw-Hill, 1978. [7] Dugoff H, Fancher PS. 輪胎牽引性能及其對汽車動力性影響分析. SAE 700377, 1970. C12 附件B：開題報告 附件B： 汽車電動助力轉向系統(tǒng)設計 畢業(yè)設計（論文）開題報告 1、 課題的目的及意義（含國內外的研究現(xiàn)狀分析或設計方案比較、選型分析等） 繼電子技術在發(fā)動機、變速器、制動器和懸架等系統(tǒng)得到廣泛應用之后，國外汽車電動助力轉向(Electric power steering，簡稱EPS)已部分取代傳統(tǒng)液壓助力轉向(Hydraulic power steering，簡稱HPS)。電動助力轉向已成為世界汽車技術發(fā)展的研究熱點。EPS用電動機直接提供助力，助力大小由電控單元(ECU)控制。它能節(jié)約燃料，提高主動安全性，且有利于環(huán)保，是一項緊扣現(xiàn)代汽車發(fā)展主題的高新技術，所以一經出現(xiàn)就受到高度重視。國外汽車公司對EPS的研究已經有20多年的歷史，但是以前一直沒有取得大的進展，其主要原因是EPS的成本太高。近幾年來，隨著電子技術的發(fā)展，大幅度降低EPS的成本已成為可能，加上EPS具有一系列優(yōu)點，使得它越來越受到人們的青睞。 1988年3月，日木鈴木公司開發(fā)出一種全新的電子控制式EPS，真正擺脫了液壓助力轉向系統(tǒng)的束縛。1993年，本田汽車公司首次將EPS裝備于大批量生產的、在國際市場上同法拉利和波爾舍競爭的愛克NSX跑車。同年，在歐洲市場銷售的一種經濟型轎車——菲亞特幫托也將美國Delphi汽車系統(tǒng)公司生產的EPS作為標準裝備。由于EPS完全取消液壓裝置，用電能取代液壓能，減少了發(fā)動機的能量消耗，加上其性能的優(yōu)越性，很快在越來越多的國外轎車上得到應用，如本田最新推出的Insight轎車上就是其中的—例。目前在中型以上貨車和中級以上轎車上廣泛采用的機械—液壓助力轉向器將逐漸被效率更高、適應性更強的EPS所代替，為此，國外幾家大公司(如德國的ZF、英國盧卡斯—偉利達、Saginaw、TRW、日本的NSK、Koyo)等相繼推出自己的ESP 我國在2002年才開始研制開發(fā)汽車EPS產品，目前已經知道的有13家企業(yè)和科研院校正在研制中。其中南摩股份有限公司(生產轉向柱式的EPS產品)在2003年開始進入小批量生產階段，其他廠家和科研院校均在開發(fā)階段中。吉利汽車集團開發(fā)的具有自主知識產權的EPS產品也已經裝備其吉利豪情等系列轎車上。 設計方案比較：按照轉向助力機構位置的不同，將EPS分為3類：轉向軸助力式、轉向器小齒輪助力式和齒條助力式。 (1)轉向軸助力式：轉向助力機構安裝在轉向軸上，當駕駛員轉動轉向盤時，控制單元接受轉矩、轉動方向、車速等信號，控制直流助力電機的電流，電機的助力經離合器、電機齒輪傳給轉向軸的齒輪，然后經萬向節(jié)及中問軸傳給轉向器。 (2)轉向器小齒輪助力式：轉向助力機構安裝在轉向器小齒輪處，與轉向軸助力式相比，可以提供較大的轉向力，適用于中型車。 (3)齒條助力式：轉向助力機構安裝在轉向齒條處，電動機通過減速傳動機構直接驅動轉向齒條，與轉向器小齒輪助力式相比，可以提供更大的轉向力，適用 于大型車。 因為電動助力轉向的關鍵是在找出系統(tǒng)的助力特性（轉向軸轉矩與電機輸出轉矩的關系，轉向軸轉角與電機轉角的關系）但是考慮到安裝的方便性和助力力矩的大小，因此本次設計采用轉向小齒輪助力式電動轉向系統(tǒng)。 研究電動轉向系統(tǒng)是因為它與液壓助力系統(tǒng)相比，具有如下特點： (1) 降低了燃油消耗，只有在工作時才消耗能源。 (2) 增強了轉向跟隨性。在EPS中，電動機產生助力轉矩，通過適當的控制方法，可以消除液壓助力系統(tǒng)的轉向遲滯效應，增強了轉向車輪對轉向盤的隨動性能。 (3)改善了轉向回正特性。該系統(tǒng)采用了微電子技術，利用軟件控制電動機的動作，在最大限度內調整設計參數以獲得最佳的回正特性。從最低車速到最高車速，可得到一簇回正特性曲線，而傳統(tǒng)的液壓助力轉向系統(tǒng)無法做到這一 點。 (4)提高了操縱穩(wěn)定性。采用EPS高速行駛(100km/h)的汽車，給其一個過度的轉角迫使它側傾，在短時間的自回正過程中，由于采用了微電腦控制，使得汽車具有更高穩(wěn)定性，駕駛員有更舒適的感覺。 (5)有利于環(huán)保。EPS應用電能作為能源，完全取締了液壓裝置，不會有液壓助力轉向系統(tǒng)中的泄油問題，避免了污染。該系統(tǒng)沒有油泵，降低了噪聲。再者，EPS中的95％可再回收利用，有利于保護環(huán)境。 (6)輕量化顯著。液壓助力系統(tǒng)因有液壓缸、油泵、轉閥、液壓管道等部件，使系統(tǒng)結構復雜，零件數目多，占用空間大，布置不方便。EPS則表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，系統(tǒng)結構緊湊、質量減輕、無油滲漏問題、系統(tǒng)易于布置等。 (7)系統(tǒng)安全保護。當EPS出現(xiàn)故障時，即切斷電動機與減速傳動機構的助力傳送，迅速轉人人工一機械轉向狀態(tài)。 (8)易于包裝和裝配。EPS沒有液壓系統(tǒng)所需要的油泵、油管、流量控制閥、儲油罐等部件，零件數目大大減少，減少了裝配的工作量，節(jié)省了裝配時間，提高了裝配效率。 2.課題任務、重點研究內容、實現(xiàn)途徑 課題任務：以汽車轉向系統(tǒng)為研究對象，設計一個電動助力轉向系統(tǒng)，以滿足汽車轉向輕便與操控穩(wěn)定性要求，建立汽車電動轉向系統(tǒng)的物理模型和數學模型，并進行模擬計算分析。 重點研究內容： 1) 電動助力轉向系統(tǒng)方案比較及選型分析 2) 汽車轉向特性的研究 3) 電動轉向系統(tǒng)物理模型和數學模型的建立 4) 電動助力轉向系統(tǒng)總體設計 5) 電動助力轉向系統(tǒng)機械裝置設計 6) 主要零部件設計與選型。 實現(xiàn)途徑：在機械轉向系統(tǒng)的基礎上添加電動助力部分，采用控制單元對電機轉矩進行控制，根據作用在方向盤上的轉矩信號和車速信號， 按照汽車理論對轉向特性的要求和汽車的運行狀況，確定轉向助力特性，通過電子控制裝置使電機產生相應大小和方向的輔助力，協(xié)助駕駛員進行轉向操作， 并獲得最佳轉向特性。 選型通過對現(xiàn)有的電動轉向系統(tǒng)進行比較，綜合考慮其安裝和助力特性，本次采用轉向軸式電動轉向系統(tǒng)（C-EPS）。 轉向特性按照汽車理論的相關理論，保證汽車的平順性和操控性，同時要求有一定的路感，且轉向輕便。電機的選取應按照功率和電路的最大負載來決定，并考慮其體積大小和安裝是否方便。 物理模型采用傳統(tǒng)的機械轉向系統(tǒng)，加上電機和控制單元。而數學模型則按照經典力學來進行建立 系統(tǒng)設計則是綜合機械單元和控制單元，建立控制思想，使其成為一個有機整體，并對其進行優(yōu)化。 3、進度計劃 序號 起止周次 工 作 內 容 1 4周至 5 周 文獻檢索，文獻綜述，開題報告 2 5周至 6 周 外文資料翻譯 3 6周至 8周 電動助力轉向系統(tǒng)設計 4 9周至 11周 電動助力轉向系統(tǒng)機械設計 5 12周至13周 主要零部件設計 6 14周至15周 外購件選型 7 16周至 17周 編寫說明書，答辯 B4 畢業(yè)論文（設計）題目 汽車電動動力轉向系統(tǒng)設計 文獻綜述（選題研究意義、國內外研究現(xiàn)狀、主要參考文獻等） 汽車電動助力轉向系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機械、液壓助力轉向系統(tǒng)相比具有轉向靈敏、能耗低、與環(huán)境的兼容性好、成本低等優(yōu)點。目前，在很多高端車上都裝由電動助力轉向系統(tǒng)，因此，開發(fā)電動助力轉向系統(tǒng)具有很大的實際意義和商業(yè)價值。電動助力轉向系統(tǒng)主要由控制部分、執(zhí)行部分和程序這三個部分組成，控制部分主要由信號采集電路、單片機和信號發(fā)送電路組成。其中單片機是控制部分的核心部件，信號采集電路采集到的轉矩和車速信號送單片機處理后，單片機再發(fā)出控制信號給信號發(fā)送電路，經過驅動電路驅動電機轉動。執(zhí)行部分主要由電機、減速機構和電磁離合器的組成。它起著轉向輔助動力的產生，傳遞和中斷的作用。而程序是助力控制方式的具體體現(xiàn)，它由控制方式和控制策略來決定?？刂撇糠帧⒊绦?、執(zhí)行部分相互組合就構成了以一完整的汽車電動助力轉向系統(tǒng)。經過組建系統(tǒng)調試后，得出了我們所需要的助力特性曲線，經過分析，采用的控制形式存在級變震動，為了減小震動的影響，必須增加助力曲線的數目以減小震動幅度，但是幅度必須足夠的小，小到足以忽略頻率的影響。 繼電子技術在發(fā)動機、變速器、制動器和懸架等系統(tǒng)得到廣泛應用之后，國外汽車電動助力轉向已部分取代傳統(tǒng)液壓助力轉向(Hydraulic power steering，簡稱HPS)。電動助力轉向已成為世界汽車技術發(fā)展的研究熱點。電動助力轉向系統(tǒng)用電動機直接提供助力，助力大小由電控單元(ECU)控制。它能節(jié)約燃料，提高主動安全性，且有利于環(huán)保，是一項緊扣現(xiàn)代汽車發(fā)展主題的高新技術，所以一經出現(xiàn)就受到高度重視。國外汽車公司對電動助力轉向系統(tǒng)的研究已經有20多年的歷史，但是以前一直沒有取得大的進展，其主要原因是電動助力轉向系統(tǒng)的成本太高。近幾年來，隨著電子技術的發(fā)展，大幅度降低電動助力轉向系統(tǒng)的成本已成為可能，加上電動助力轉向系統(tǒng)具有一系列優(yōu)點，使得它越來越受到人們的青睞。 1988年3月，日木鈴木公司開發(fā)出一種全新的電子控制式電動助力轉向系統(tǒng)，真正擺脫了液壓助力轉向系統(tǒng)的束縛。1993年，本田汽車公司首次將電動助力轉向系統(tǒng)裝備于大批量生產的、在國際市場上同法拉利和波爾舍競爭的愛克NSX跑車。同年，在歐洲市場銷售的一種經濟型轎車——菲亞特幫托也將美國Delphi汽車系統(tǒng)公司生產的電動助力轉向系統(tǒng)作為標準裝備。由于電動助力轉向系統(tǒng)完全取消液壓裝置，用電能取代液壓能，減少了發(fā)動機的能量消耗，加上其性能的優(yōu)越性，很快在越來越多的國外轎車上得到應用，如本田最新推出的Insight轎車上就是其中的—例。目前在中型以上貨車和中級以上轎車上廣泛采用的機械—液壓助力轉向器將逐漸被效率更高、適應性更強的電動助力轉向系統(tǒng)所代替，為此，國外幾家大公司(如德國的ZF、英國盧卡斯—偉利達、Saginaw、TRW、日本的NSK、Koyo)等相繼推出自己的ESP 我國在2002年才開始研制開發(fā)汽車電動助力轉向系統(tǒng)產品，目前已經知道的有13家企業(yè)和科研院校正在研制中。其中南摩股份有限公司(生產轉向柱式的電動助力轉向系統(tǒng)產品)在2003年開始進入小批量生產階段，其他廠家和科研院校均在開發(fā)階段中。吉利汽車集團開發(fā)的具有自主知識產權的電動助力轉向系統(tǒng)產品也已經裝備其吉利豪情等系列轎車上。 主要參考文獻 [1] Model development and control methodology of a new electric power steering system. Jeonghoom Song, Kwangsuck Boo, Heung Seob Kim, Jongil lee and sunyoung Hong. Technology Innovation Center for Automobile Parts , Inje University, Gyeongnam, south Korea. [2] Control logic for an electric power steering system using assist motor. Ji-Hoon Kim, Jae-Bok Song. Department of mechanical engineering, Korea University, 5 Anam-dong, Sungbuk-gu, Seoul 136-701, south korea. [3] 電動助力轉向系統(tǒng) 系統(tǒng)H橋上管驅動電路的研究。鄭榮良，吳云峰。江蘇大學 汽車與交通工程學院。 [4] 車速對汽車轉向力矩的分析，劉照 ，武漢大學，武漢，430072。楊家軍 廖道訓 華中科技大學，武漢，430074。 [5] 電動轉向系統(tǒng)種兩種助力轉向傳動機構方案分析，劉照，楊家軍，廖道訓 華中科技大學，武漢，430074 [6] 單片機控制的汽車電動助力轉向系統(tǒng)， 張云安 楊平， 西北工業(yè)大學自動化學院 [7] 電動助力轉向系統(tǒng)，山東交通學院 250023 吳際璋 蘇霆. [8] 電動助力轉向系統(tǒng)電感式轉矩傳感器的研究，TP212.1 A 1006-883X（2007）02-0011-04，季學武，劉學 孫凌玉. [9] 電動助力轉向系統(tǒng)控制軟件的開發(fā)，劉麗麗，宋建松，陜粉麗 長治學院計算機系，山西長治 046011 [10] 電動轉向系統(tǒng)助力性能研究， 吳文江 北方交通大學機械與電子工程學院， 杜彥良 石家莊鐵道學院，季學武 清華大學汽車安全與節(jié)能國家中點實驗室. [11] 電動助力轉向系統(tǒng)硬件設計， 李書龍，許超，楊智。東南大學機械工程系，江蘇 南京 210096 [12] 轉矩傳感器， 國外傳感技術。Vo1.10 NO.1 [13] 電動助力轉向系統(tǒng)中的轉矩傳感器設計， 盧尚斌，孟廣耀 青島理工大學機械工程學院，青島，266033 [14] 電動助力轉向系統(tǒng)的設計與開發(fā)， 張云安，馬瑞卿，符向榮，楊平 ， 西北工業(yè)大學 制動化學院，陜西西安 710072. [15] 轉向系統(tǒng)的三世人生，零部件觀察，王東升 注：此表如不夠填寫，可另加頁。 研究方案（研究目的、方法、預期成果、條件保障等） 研究目的： 隨著近年來電子控制技術的成熟和成本的降低,電動助力轉向系(電動助力轉向系統(tǒng))統(tǒng)越來越受到人們的重視, 并以其具有傳統(tǒng)動力轉向系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點, 迅速邁向了應用領域, 部分取代了液壓動力轉向系統(tǒng)(Hydraulic Power Steering, 簡稱HPS) 。電子控制技術在汽車動力轉向系統(tǒng)中的應用, 使汽車的駕駛性能達到令人滿意的程度。電動助力轉向系統(tǒng)(電動助力轉向系統(tǒng)) 在汽車低速行駛轉向時減輕轉向力使轉向輕便、靈活；在汽車高速行駛轉向時,適當加重轉向力,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,電動助力轉向系統(tǒng)的能耗是HPS能耗的1 /3以下,且前者比后者使整車油耗下降可達3%～5%, 因而, 電動助力轉向系統(tǒng)將成為汽車傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)理想的升級換代產品。 研究方法： 以汽車轉向系統(tǒng)為研究對象，設計一個電動助力轉向系統(tǒng)，以滿足汽車轉向輕便與操控穩(wěn)定性要求，建立汽車電動轉向系統(tǒng)的物理模型和數學模型，并進行模擬計算分析。 重點研究內容： 1) 電動助力轉向系統(tǒng)方案比較及選型分析 2) 汽車轉向特性的研究 3) 電動轉向系統(tǒng)物理模型和數學模型的建立 4) 電動助力轉向系統(tǒng)總體設計 5) 電動助力轉向系統(tǒng)機械裝置設計 6) 主要零部件設計與選型。 進程計劃（各研究環(huán)節(jié)的時間安排、實施進度、完成程度等） 論證小組意見 組長簽名： 專業(yè)委員會意見 簽名： 畢業(yè)論文工作領導小組審核意見 簽名： 注：1.此表可用黑色簽字筆填寫，也可打印，但意見欄必須相應責任人親筆填寫。 2.此表可從湖南農業(yè)大學東方科技學院教務園地網站下載中心下載。 畢業(yè)設計（論文）任務書 設計（論文）中文題目： 汽車電動動力轉向系統(tǒng)設計 設計（論文）的主要內容與要求： 電動式動力轉向系統(tǒng)是一種直接依靠電動機提供輔助轉矩的電動助力式轉向系統(tǒng)。該系統(tǒng)僅需要控制電動機電流的方向和幅值，不需要復雜的控制機構。另外，該系統(tǒng)由于利用微機控制，因此，為轉向特性的設置提供了較高的自由度，同時還降低了成本和重量。 該裝置應滿足如下要求：減輕轉向力；具有安全保護裝置；可減少轉向操作的頻率程度；具有適當的轉向反饋；轉向平滑；減輕來自地面的沖擊；能防止振動噪聲的發(fā)生。 主要內容： ⑴電動動力轉向系統(tǒng)概述； ⑵電動動力轉向系方案比選； ⑶系統(tǒng)設計； ⑷主要部件選型和設計； ⑸模擬計算分析等。 準備工作：復習題涉及的汽車構造、直流電動機、機械設計、電子控制技術等專業(yè)知識。 具體要求： ⑴畢業(yè)設計論文(doc)，打?。? ⑵電動動力轉向系統(tǒng)圖； ⑶電動動力轉向系統(tǒng)機械裝配圖（cad）； ⑷主要零部件零件圖（cad）。 ⑸畢業(yè)論文撰寫、答辯(ppt) 進 度 安 排 序號 設計（論文）工作內容 時間（起止周數） 1 文獻檢索、文獻綜述、開題報告 3周至 4周 2 外文資料翻譯 4周至 5周 3 電動動力轉向系統(tǒng)設計 6周至 8周 4 電動動力轉向系統(tǒng)機械設計 9周至 11 周 5 主要零部件設計 12周至 13 周 6 外購件選型 14周至 15周 7 畢業(yè)設計說明書編撰、答辯 16周至 17周 8 周至 周 主要參考文獻： 1. 楊天怡 《計算機硬件技術基礎》 出版社 2. 陳家瑞 《汽車構造》 人民交通出版社 3. 余志生 《汽車理論》 機械工業(yè)出版社 1990 4. 江兵 《電子技術基礎及應用》 機械工業(yè)出版社 5. 張偉 《汽車電子控制技術》 機械工程學院 6. (日) 谷腰欣司《直流電機實際應用技巧》科學出版社，2006 指導教師簽字： 系（教研室）負責人審查意見： 簽字： 年 月 日 學生簽字： 年 月 日 說明： 1、任務書由指導教師填寫，于第七學期（五年制第九學期）期末前下達給學生。 2、學生簽字時間就是任務下達時間（學生接受任務時間）。 2 A 中文摘要 摘 要 汽車電動助力轉向系統(tǒng)(EPS)與傳統(tǒng)的機械、液壓助力轉向系統(tǒng)相比具有轉向靈敏、能耗低、與環(huán)境的兼容性好、成本低等優(yōu)點。目前，在很多高端車上都裝由EPS，因此，開發(fā)EPS具有很大的實際意義和商業(yè)價值。電動助力轉向系統(tǒng)主要由控制部分、執(zhí)行部分和程序這三個部分組成，控制部分主要由信號采集電路、單片機和信號發(fā)送電路組成。其中單片機是控制部分的核心部件，信號采集電路采集到的轉矩和車速信號送單片機處理后，單片機再發(fā)出控制信號給信號發(fā)送電路，經過驅動電路驅動電機轉動。執(zhí)行部分主要由電機、減速機構和電磁離合器的組成。它起著轉向輔助動力的產生，傳遞和中斷的作用。而程序是助力控制方式的具體體現(xiàn)，它由控制方式和控制策略來決定。控制部分、程序、執(zhí)行部分相互組合就構成了以一完整的汽車電動助力轉向系統(tǒng)。經過組建系統(tǒng)調試后，得出了我們所需要的助力特性曲線，經過分析，采用的控制形式存在級變震動，為了減小震動的影響，必須增加助力曲線的數目以減小震動幅度，但是幅度必須足夠的小，小到足以忽略頻率的影響。 關鍵詞：電動助力轉向，單片機，助力曲線，直流電機，電機控制 II 本科學生畢業(yè)設計（論文） ABSTRACT ABSTRACT Electric power steering system (EPS) has the advantage of sensitive, low energy consumption and environmental compatibility, and low cost compared with the traditional mechanical and hydraulic power steering system. At present, in many high-end vehicles are installed by the EPS, therefore, the development of EPS has great practical significance and commercial value. EPS controlled by the controller, actuator and procedures. The controller controlled by the signal acquisition, SCM, and circuit sent signals. SCM is the core components of the system, signal acquisition circuit to the acquisition of torque and speed signals sent to deal with SCM. Then, SCM sent the control signals to the signal circuit, after, driving circuit driving motor rotation. Actuator controlled by motor, reducer, and electromagnetic clutch. It plays to the formation of auxiliary power, transmission and the role of interruption. The assistance program is a concrete manifestation of control. It is decided by the control strategies. Controller, procedures, operation each other are combination of a complete vehicle electric power steering system. After the system debugging, we need to come to the assistance of the curve. After analysis, there is a shocking when the speed changes from one state to another. In order to reduce the impact of shock, we need to increase the number of curve to reduce the rate shock, however, the rate must be small enough to neglect the impact of the frequency. Key words： electric power steering, SCM, power curve , DC motor, motor control 本科學生畢業(yè)設計（論文） 目錄 本科學生畢業(yè)設計（論文） 目錄 目 錄 中文摘要 Ⅰ ABSTRACT Ⅱ 緒論 1 1.1轉向系統(tǒng)的分類 1 1.2電動助力轉向系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.3 EPS的分類 2 1.3.1轉向軸助力式 2 1.3.2轉向小齒輪助力式 2 1.3.3轉向齒條助力式 3 1.4 電動助力轉向系統(tǒng)的優(yōu)點 3 1.5電動助力轉向系統(tǒng)的工作原理 4 2.系統(tǒng)設計 5 2.1電動助力轉向系統(tǒng)選型 5 2.2機械部分系統(tǒng)設計 5 2.2.1設計要求分析 5 2.2.2實現(xiàn)形式 5 2.3控制部分系統(tǒng)設計 7 2.4電動轉向系統(tǒng)總體設計 7 3.主要零部件選型 9 3.1主要機械部件選型 9 3.1.1直流電機選型 9 3.1.2電磁離合器的選型 11 3.1.3 轉矩傳感器選型 12 3.2 主要控制芯片的選型 14 3.2.1 單片機 14 3.2.2數模D/A轉換器及模數A/D轉換器 15 3.2.3 鎖存器 17 3.2.4 STK6855電機控制芯片 18 3.2.5 TL494電機調速芯片 19 3.2.6LM224放大器 19 3.2.7場效應管 20 3.2.8穩(wěn)壓芯片 20 3.2.9主要選購件列表 21 4．機械設計部分 22 4.1 減速機構設計 22 4.1.1 減速器結構設計 22 4.1.2 減速器齒輪齒圈設計 23 4.1.3 強度校核 26 4.2傳動錐齒輪設計 31 4.2.1外形尺寸設計 31 4.2.2錐齒輪校核 33 5.電路設計 35 5.1信號采集及A/D電路設計 35 5.2信號發(fā)送及D/A電路設計 36 5.3電機正反轉電路設計 37 5.4 電磁離合器驅動電路設計 39 5.5電源控制電路設計 40 5.6 總電路設計 40 6. 程序設計 42 6.1 電動轉向系統(tǒng)的助力曲線 42 6.2程序的前期數學處理 43 6.3 程序框圖 46 6.4程序 48 6.5程序結果驗證 54 6.6 助力曲線分析 58 參考文獻 59 三、論文提綱 1.緒論 2.系統(tǒng)設計 2.1電動助力轉向系統(tǒng)選型 2.2機械部分系統(tǒng)設計 2.3控制部分系統(tǒng)設計 2.4電動轉向系統(tǒng)總體設計 3.主要零部件選型 3.1主要機械部件選型 3.2 主要控制芯片的選型 4．機械設計部分 4.1 減速機構設計 4.2傳動錐齒輪設計 5.電路設計 6. 程序設計 參考文獻 II 本科學生畢業(yè)設計（論文） 緒論 緒論 隨著近年來電子控制技術的成熟和成本的降低,電動助力轉向系(EPS)統(tǒng)越來越受到人們的重視, 并以其具有傳統(tǒng)動力轉向系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點, 迅速邁向了應用領域, 部分取代了液壓動力轉向系統(tǒng)(Hydraulic Power Steering, 簡稱HPS) 。電子控制技術在汽車動力轉向系統(tǒng)中的應用, 使汽車的駕駛性能達到令人滿意的程度。電動助力轉向系統(tǒng)(EPS) 在汽車低速行駛轉向時減輕轉向力使轉向輕便、靈活；在汽車高速行駛轉向時,適當加重轉向力,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1 /3以下,且前者比后者使整車油耗下降可達3%～5%, 因而, EPS將成為汽車傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)理想的升級換代產品。 1.1轉向系統(tǒng)的分類 由于助力轉向系統(tǒng)具有轉向輕便和響應性好等優(yōu)點，已經在汽車上廣泛使用。 目前汽車配置的助力轉向系統(tǒng)可分為以下3類。 1) 機械式液壓助力轉向系統(tǒng) 機械式液壓助力轉向系統(tǒng)在汽車上的應用最為廣泛，系統(tǒng)的核心部件是機械液壓泵。液壓泵通過傳動皮帶由發(fā)動機驅動， 屬于固定助力效果的助力轉向系統(tǒng)。具有明顯的缺點，轉向系統(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向盤過于靈敏，不利于駕駛者對方向進行控制。 2)電子液壓助力轉向系統(tǒng) 電子液壓助力轉向系統(tǒng)是機械式液壓助力的改進， 通過電子控制技術在助力轉向系統(tǒng)上增加了車速感應式轉向功能，以實現(xiàn)車輛低速行駛時助力力矩大和高速行駛時助力力矩小的效果，但是結構太復雜，而且液壓系統(tǒng)由于液體的慣性和可壓縮性，導致轉向滯后影響操作。再者，液壓油也對環(huán)境造成污染。能量損耗很大。 3)電動助力轉向系統(tǒng)(EPS) EPS是在機械轉向系統(tǒng)的基礎上，將最新的電力電子技術和高性能的電機控制技術應用于汽車轉向系統(tǒng)之中，根據作用在轉向盤上的轉矩信號和車速信號，通過電子控制裝置使電機產生相應大小和方向的輔助力，協(xié)助駕駛員進行轉向操作，并獲得最佳轉向特性的伺服系統(tǒng),EPS能顯著改善汽車動態(tài)性能和靜態(tài)性能，提高行駛中駕駛員的舒適性和安全性，減少環(huán)境的污染。因此，該系統(tǒng)一經提出，就受到許多大汽車公司的重視，并進行開發(fā)和研究。 1.2電動助力轉向系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 自1953年美國通用汽車公司在別克轎車上使用液壓動力轉向系統(tǒng)以來, HPS給汽車帶來了巨大的變化,幾十年來的技術革新使液壓動力轉向技術發(fā)展異常迅速, 出現(xiàn)了電控式液壓助力轉向系統(tǒng)(Electric Hydraulic Power Steering,簡稱EHPS) 。1988年3月，日木鈴木公司開發(fā)出一種全新的電子控制式EPS，真正擺脫了液壓動力轉向系統(tǒng)的束縛。首先在其Cervo車上裝備EPS , 隨后又應用在Alto汽車上；1993年，本田汽車公司首次將EPS裝備于大批量生產的、在國際市場上同法拉利和波爾舍競爭的愛克NSX跑車。TRW公司繼推出EHPS后也迅速推出了技術上比較成熟的帶傳動EPS和轉向柱助力式EPS,并裝配在Ford Fiesta和Mazda 323F等車上, 此后EPS技術便得到了飛速的發(fā)展，如本田最新推出的Insight轎車上就是其中的—例。在國外, EPS已進入批量生產階段, 并成為汽車零部件的高新技術產品。 我國動力轉向系統(tǒng)目前絕大部分采用機械轉向或液壓助力轉向,EPS的研究開發(fā)目前還處于起步階段, 其產品在2002年才有國內企業(yè)進行研制開發(fā)。目前已經知道的有13家企業(yè)和科研院校正在研制中，其中南摩股份有限公司(生產轉向柱式的EPS產品)在2003年開始進入小批量生產階段，在昌河公司產的愛迪爾轎車、南京菲亞特公司生產的新雅途轎車上使用。吉利汽車集團開發(fā)的具有自主知識產權的EPS產品也已經裝備其吉利豪情等系列轎車上。 1.3 EPS的分類 目前電動助力轉向系統(tǒng)總共分為3類：轉向軸助力式，轉向小齒輪式，轉向齒條式。 1.3.1轉向軸助力式 轉向軸助力式電動助力轉向系統(tǒng)是將轉向助力部分安裝在轉向軸管上，輔助力矩由助力電機經過減速機構和傳動機構傳遞到轉向軸上，從而實現(xiàn)助力效果。這種助力方式在結構上安裝很方便，但其助力較小，一般用于小型汽車上。結構如圖1-1(a)所示。 1.3.2轉向小齒輪助力式 轉向小齒輪助力式電動助力轉向系統(tǒng)是將輔助機構安裝在轉向小齒輪上，輔助力矩由助力電機發(fā)出后經過減速系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)直接作用在轉向小齒輪上。這種結構的助力方式能夠提供較大的輔助力矩，適合用于需要較大助力的中型車上。但由于結構方面的原因，使得安裝不是很方便。結構如圖1-1(b)所示。 1.3.3轉向齒條助力式 轉向齒條助力式電動助力轉向系統(tǒng)是將輔助部分安裝在轉向齒條上，輔助力矩由輔助電機發(fā)出后經過減速和傳動機構作用在齒條上以達到助力的目的。齒條助力方式能夠提供很大的轉向助力力矩，適合用于轉向力矩較大的大型車上。但其安裝和結構很復雜。結構如圖1-1(c)所示。 (a) (b) (c) 圖 1-1 電動助力轉向系統(tǒng)的類型 1.4 電動助力轉向系統(tǒng)的優(yōu)點 1)EPS系統(tǒng)只有在乘用車轉向時提供助力，因此能減少能量消耗，即降低油耗(液壓助力轉向系統(tǒng)的油泵在乘用車不轉向時也工作，能量消耗大)，并能在各種行駛工況下提供最佳的轉向助力。 2)減小由于路面不平所引起的對轉向系統(tǒng)的干擾，改善乘用車的轉向性能，減小低速行駛時的轉向操縱力，提高高速行駛時的轉向穩(wěn)定性，從而提高乘用車的主動安全性。 3)由于不需要加注液壓油和安裝液壓油管，所以EPS系統(tǒng)無漏油故障。 4)EPS控制系統(tǒng)的結構簡單，質量小(比液壓助力轉向控制系統(tǒng)輕25％)，安裝和維修方便，且成本低。 5)EPS系統(tǒng)比液壓助力轉向系統(tǒng)具有更好的通用性，能夠移植到不同的承用車上。 6)因為EPS系統(tǒng)無需液壓油，因此不會污染環(huán)境，與環(huán)境的兼容性很好，適合用于在市區(qū)的車輛。 7) EPS 系統(tǒng)能夠提供不同路面的“路感”，因此提高了行駛的安全性和穩(wěn)定性，提高了駕駛的樂趣。 1.5電動助力轉向系統(tǒng)的工作原理 EPS系統(tǒng)如圖1-2 所示, 系統(tǒng)的控制核心為89C51單片機。當汽車點火開關閉合時, 單片機上電后對EPS系統(tǒng)進行自檢,自檢通過后, 閉合繼電器和離合器,EPS 系統(tǒng)便開始工作。駕駛員操縱方向盤轉向, 扭矩傳感器檢測到方向盤的扭矩和轉動方向, 車速傳感器檢測到車速信號, 這些信號經過輸入接口電路處理后送至89C51單片機相應端口,單片機根據方向盤扭矩、轉動方向和車速等數據,并依據系統(tǒng)助力特性, 確定助力電流的大小和方向,通過89C51單片機的輸出口發(fā)出電流指令和相應的轉向控制端口發(fā)出轉向命令,通過驅動電路及H橋電路驅動直流電動機進行轉向。如EPS系統(tǒng)工作出現(xiàn)異常,單片機將驅動EPS燈發(fā)亮進行報警提示, 同時斷開電磁離合器退出電動助力工作模式, 轉為人工手動助力模式。 電動助力轉向系統(tǒng)主要是通過單片機來控制電機的電流大小以及電池離合器的閉合與斷開來實現(xiàn)對轉向系的助力。電機電流的大小主要受到轉矩信號和車速信號的影響，當車速一定，轉矩信號所代表的轉矩值較低時，流經電機的電流較小，電機助力較小，反之，則流過電機的電流較大，電機助力較大。當轉矩一定時，車速越大，流經電機的電流越小，助力越小。車速越低，流經電機的電流越大，助力越大。當車速大于某個值或者轉向力矩小于某個值時，電磁離合器斷開，系統(tǒng)停止工作。 圖1-2 電動助力轉向系統(tǒng)工作原理圖 59 本科學生畢業(yè)設計（論文） 第二章 本科學生畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)設計 2.系統(tǒng)設計 2.1電動助力轉向系統(tǒng)選型 如我們前面緒論中講到，電動助力轉向系統(tǒng)分為轉向軸式、轉向小齒輪式、轉向齒條式。本次設計中，我們選擇轉向軸式的助力方式。 轉向軸式電動助力轉向系統(tǒng)雖然提供的助力沒有其它兩種方式提供的助力大，但在安裝方面要方便的多。再者，這次設計的電動助力轉向系統(tǒng)主要是針對經濟型轎車來進行開發(fā)的，其空間相對較小，空間問題是我們要考慮的重點問題。轉向軸式對空間緊湊的經濟型轎車很適合。 2.2機械部分系統(tǒng)設計 2.2.1設計要求分析 機械部分是電動助力轉向系統(tǒng)的執(zhí)行部分，ECU發(fā)出的控制指令最終都要由它來完成。根據轉向系統(tǒng)的要求，在滿足傳統(tǒng)的轉向系的要求之外，還要求機械部分必須具有以下性能： 1） 反應靈敏，因為汽車的轉向是一個動態(tài)的過程，如果轉向操作的滯后性太大，會造成很大的轉向誤差，使轉向失真，影響行駛的安全。 2） 傳動的可逆性，汽車轉向系統(tǒng)要求在不同的路面上有不同的路感，由于我們在傳統(tǒng)的機械齒輪齒條轉向系的基礎上添加了助力部分，有可能使轉向系統(tǒng)的“路感”變差。因此，在設計的時候必須要考慮到轉向路感的問題。作用在車輪上的力，必須部分的傳遞到方向盤上。 3） 噪聲低，我們添加的助力部分距離駕駛員很近，如果噪聲太大對駕駛員的駕駛會造成很大的影響。再者，過大的震動會通過轉向軸傳遞到轉向盤，使轉向盤產生強烈的震動，影響駕駛的安全性和駕駛樂趣。 2.2.2實現(xiàn)形式 電動助力轉向系統(tǒng)機械部分主要由轉矩傳感器、直流電機、減速機構、電磁離合器、傳動錐齒輪組成。 為了直接的測量駕駛員作用在轉向軸上的轉向力矩，我們將轉向軸分斷，分別接在轉矩傳感器的兩端。聯(lián)接方式如圖2-1通過這樣測出來的轉矩與駕駛員作用在方向盤上的轉矩值最為接近，而且這樣設計在實現(xiàn)與安裝方面也比較的容易。精確的轉矩測量對電機的電流控制極為重要，使得系統(tǒng)的控制性能得到改善。 圖2-1 轉矩傳感器的連接方式 輔助電機主要為電動助力轉向系統(tǒng)提供助力力矩，通過減速機構減速增矩，然后由電磁離合器控制助力力矩的接通，最后，由一對錐齒輪傳遞到轉向軸上。其機械部分系統(tǒng)圖如圖2-2 圖2-2 電動助力轉向系統(tǒng)機械部分系統(tǒng)圖 通過這種方式將轉向力矩傳遞到轉向軸上使結構比較緊湊，所需要的傳動部件比較少，因此傳動效率高，噪聲小，而且轉向傳動也比較靈敏。并且當輔助電機不工作時，電磁離合器斷開，系統(tǒng)進入純機械轉向。當系統(tǒng)工作時，由于減速機構采用可逆?zhèn)鲃?，作用在轉向輪上的力能夠部分的傳到轉向盤上，保證了不同工況下有不同的路感。 2.3控制部分系統(tǒng)設計 控制部分是電動轉向系統(tǒng)的核心部分，它對車速傳感器傳來的車速信號和轉矩傳感器傳來的轉矩信號進行計算，最后向驅動部分發(fā)出指令?？刂撇糠种饕蓡纹瑱C、A/D、D/A和一些控制電路組成。如圖2-3 圖2-3 控制部分系統(tǒng)圖 轉矩傳感器采用電壓輸出，經過A/D轉化成數字信號由單片機進行處理，車速信號采用脈沖信號，直接接在單片機上進行計數，計算。兩個信號經過處理后，單片機發(fā)出指令（數字信號）經D/A轉換后驅動控制電路，最后由功率模塊驅動電機和電磁離合器。電機電流的大小由單片機控制。 2.4電動轉向系統(tǒng)總體設計 將機械部分與控制部分結合起來就夠成了完整的電動助力轉向系統(tǒng)，如附圖1所示。由圖可知，控制部分對轉向操作進行實時監(jiān)控，機械部分將監(jiān)控后的執(zhí)行結果傳達到轉向操作中，因此，從某中角度來看，這兩部分一起夠成了一個“監(jiān)測—控制—執(zhí)行—監(jiān)測”這樣的一個閉環(huán)系統(tǒng)。如果系統(tǒng)助力不夠，機械部分施加在轉向軸上的轉向力矩較小，因此，駕駛員施加的轉向力矩增大，轉矩傳感器測量的力矩值增大，從而使得電機電流增大，輔助力矩增大。這樣對誤差起到了修正的作用。由于系統(tǒng)的工作頻率很高，從而提高了轉向助力的隨動性。 助力減小---轉向力矩增大---傳感器輸出增大---電機電流加大---助力增加 助力增加---轉向力矩減小---傳感器輸出減小---電機電流減小---助力減小 在系統(tǒng)中，電機作為動力源輸出動力，電磁離合器所起的作用相當于一個開關，它控制著力矩的通斷。由于電機的轉速很高，大約在3000r/min，因此需要一個減速機構起到減速增矩的作用。它們都受到控制部分的操作，統(tǒng)稱為執(zhí)行機構。單片機及其它控制驅動電路統(tǒng)稱為控制部分。兩個部分的相互配合使得系統(tǒng)功能得以實現(xiàn)。 本科學生畢業(yè)設計（論文） 主要零部件選型 3.主要零部件選型 3.1主要機械部件選型 3.1.1直流電機選型 電機是把電能轉換為機械能的裝置，廣泛的說，所有依靠電能工作的動力源都是電機。電機的運動形態(tài)可以是直線的也可以是旋轉的，還可以是震動的，無論如何運動，都是因為電機能夠產生電磁力。從供電形式上電機可分為交流電機和直流電機，本此設計采用的電機為直流旋轉式電機。它由轉子和定子兩大部分組成。 所選電機型號：10DK230-12 外形： 圖3-1 電機外形圖 電機性能參數： 型號 電壓V 功率W 空載參數 負載參數 轉速R/min 電流A 轉速R/min 轉矩KG.cm 電流A 10DK230-12 12 220 3300 7.0 3000 9.0 30 表3-1 電機性能參數表 電機外形尺寸： 圖3-2 電機外形尺寸 電機特性曲線 圖3-3 電機特性曲線 由電機特性曲線可知，電機轉矩與電流近視成正比，轉速增加，電流減小，轉矩減小。而電機轉矩與電流的關系為： (3-1) 由圖可知，當轉矩T＝8Kg.cm＝0.8NM時，電機電流I＝10A。由此可以計算出所選電機的T-I函數： (3-2) 直流電機的特性決定了在低速時，電機的轉矩輸出很大，這正好適合于汽車原地轉向的要求。剛開始轉向的時候，由于靜摩擦力的緣故使得轉向力需求很大，因此轉矩傳感器測量到的轉矩也很大，ECU控制電路對電機輸出大電流，電機輸出很大的力矩，因此，使轉向輕便。當轉向力要求不大時，轉矩傳感器測量到的轉矩很小，ECU控制電路對電機輸出小電流，這時電機提供較小的電流和較快的轉速，使轉向輕便靈敏。由直流電機的特性圖我們很清楚的知道，要控制電機的輸出轉矩，只需要控制流過電機的電流，而電流控制對于采用單片機的控制系統(tǒng)來說相對比較簡單。 3.1.2電磁離合器的選型 電磁離合器的主要作用是控制輔助電機發(fā)出的輔助力矩的通斷。目前，電磁離合器主要有摩擦片式和牙嵌式兩種。按照不通電時電磁離合器的開閉情況又分為常開式和常閉式兩種。摩擦片式電磁離合器又分為干式和濕式兩種。不管干式還是濕式，摩擦片都存在相對滑動的情況，不適合用于轉向系統(tǒng)中。因為如果發(fā)生相對滑動會使傳動滯后，造成失真，使轉向靈敏度下降。汽車大部分的時間時速都超過40Km/h，而大于此速度是不需要助力的，因此離合器應該斷開。為了滿足轉向靈敏和電機不助力時斷開助力部分的要求，此次設計選用牙嵌常開式電磁離合器。代號為：DLY3 電磁離合器安裝尺寸如圖3-4和表3-2 圖3-4 電磁離合器外形安裝尺寸圖 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 φ φ φ 82 58 42 36 35 75 82 3-φ4.5 3-φ10 20 h e L L L L a/(°) δ 22.8+0.2 6 55 42 6 8 45 0.3 表3-2 電磁離合器的安裝尺寸 在安裝時要注意間隙δ的調整，δ過大則反應滯后，過小，電磁離合器不容易斷開。 電磁離合器的工作原理為： 當電磁離合器斷電時，兩牙嵌片在彈簧力的作用下分開，斷開動力專遞；通電后，感應線圈產生磁場，吸引銜鐵使牙嵌片相互結合，從而傳遞了動力。斷電后，彈簧又將兩牙嵌片分開斷開動力。在傳動過程中，線圈不產生轉動，支撐在軸承外圈上面，軸承內圈轉動，實現(xiàn)主動件的旋轉的傳遞。 3.1.3 轉矩傳感器選型 轉矩傳感器用來監(jiān)測駕駛員作用在方向盤上的轉向力矩，為單片機的計算提供依據。 目前，國內外現(xiàn)有的EPS系統(tǒng)采用的轉矩傳感主要有以下形式： 1)光電式，LUCAS公司有該類型的產品，清華大學也進行了這方面的研究、并做出了樣件，前者結構比較復雜，對加工工藝要求較高，后者對前者進行了改進，但是存在溫度漂移和繞線的問題。 2)電位計式，BI公司和NSK公司都有該類型的產品，前者集成了轉矩、轉角測量，后者采用滑套機構將轉角差變換為電位計擺臂擺動，實現(xiàn)轉矩測量。該類型的傳感器都屬于接觸式，存在磨損，降低了其性能 3)電感式，KOYO公司和NSK公司都有該類型的產品，該類型傳感器具有較高的精度，很好地實現(xiàn)了非接觸測量，并且線性好，非常適合EPS系統(tǒng)使用。 電感式轉矩傳感器的結構圖如圖3-5所示 圖3-5 電感式轉矩傳感器的結構圖 電感式轉矩傳感器主要有輸入軸、扭桿、檢測環(huán)、檢測線圈、補償線圈、輸出軸、殼體組成。當輸入軸有轉矩輸入時，扭桿發(fā)生變形，檢測環(huán)齒輪正對面積發(fā)生變化，輸入力矩越大，扭桿變形越大，正對面積變化越大。其工作過程如下圖所示 圖3-6 電感式轉矩傳感器工作過程框圖 本次設計采用電感式轉矩傳感器，其型號為：0170MS 50R 具體的安裝尺寸見圖3-7和表3-3 量程NM A(mm) B(mm) C(mm) D(mm) E(mm) F(mm) G(mm) -50--50 108 38 58 19g6 30 32 44 H(mm) I(mm) J(mm) K(mm) L(mm) N(mm) 軸向力N 徑向力N 19 5 22 15 可調 可調 200 50 表3-3 轉矩傳感器安裝尺寸表 圖3-7 轉矩傳感器外形及安裝尺寸 其安裝方式為與轉向軸串接。0170MS系列具有很好的動態(tài)監(jiān)測性能，響應快，能夠準確迅速的測量出轉向力矩。其輸出電壓為0-5V，當轉矩為0時輸出2.5V電壓，轉矩為-50Nm時輸出電壓為0，轉矩為50Nm時輸出電壓為5V，其輸入--輸出曲線如圖3-6所示 圖3-8 轉矩傳感器輸入輸出曲線 車速信號由ABS中取出，為一脈沖信號，再這不做討論。 3.2 主要控制芯片的選型 3.2.1 單片機 單片微型計算機(簡稱單片機)，是將計算機基本部分微型化，使之集成在一塊芯片上，片內含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定時器、中斷控制、系統(tǒng)時鐘及總線等。單片機體積小，功耗低，功能強，較多的應用在控制領域。在汽車電動助力轉向系統(tǒng)中，單片機主要對轉矩信號和車速信號進行計算，判斷汽車運行工況后，對電機發(fā)出指令，使電機發(fā)出相應的輔助力矩。單片機有4位、8位、16位、32位的，它們同時存在與市場。運算頻率有6MHz、12MHz、24MHz、32MHz和40MHz的。為了節(jié)約成本，并且兼顧到運算數度，我們選擇8位24MHz的51系列的單片機89C51。它有豐富的指令系統(tǒng)，編程開發(fā)非常方便，運算速度快，用在轉向系統(tǒng)中隨動性好。89C51的工作電為5V，因此，需要另配標準恒定電源，盡量減小電壓波動，使單片機工作穩(wěn)定。89C51單片機的封裝圖如圖3-9所示： 圖3-9 AT89C51單片機的引腳圖 由于單片機的內容很多，應用領域也相當廣泛，具體功能在這里不做具體介紹，請參看《單片微型計算機與接口技術》。在汽車電動助力轉向系統(tǒng)中的應用參看電路設計和程序設計部分。 3.2.2數模D/A轉換器及模數A/D轉換器 1)A/D轉換器 模數轉換器是將模擬信號轉換為數字信號的器件。在電動助力轉向系統(tǒng)中，轉矩傳感器輸出的信號為電壓模擬信號，不能直接輸入單片機內進行處理，因此必須經過模數轉換，將模擬信號轉換為數字信號，再輸入單片機中進行處理計算。在本次設計中我們選擇ADC0809模數轉換芯片，它具有體積小，轉換快等優(yōu)點，還能根據輸入模擬電壓的最大值進行調整。芯片的封裝結構如圖3-10所示，它有8個模擬電壓輸入端口，能夠對8路信號進行轉換，當Vref＋接5V電壓，Vref－接地時，可對0—5V的電壓信號進行轉換，轉換器全“1”輸出就代表輸入端口的輸入電壓時5V，全“0”輸出時代表輸入電壓為0。0—7路的輸入端口由ADDA、ADDB、ADDC進行選中，000代表選中0口，001代表輸入1口，111代表輸入7口。ALE為地址鎖存有效信號，START信號用于啟動A/D轉換。EOC為轉換完成信號，啟動轉換后 EOC變成低電平，轉換完成后EOC變?yōu)楦唠娖剑诵盘柨梢韵騿纹瑱C提出中斷申請。EO為輸出允許信號，高電平時，信號從D0—D7口輸出。 由于車數信號為脈沖信號不需要轉換，因此在這里不作討論 圖3-10 ADC0809模數轉換器引腳圖 2)D/A數模轉換器 車數信號和轉矩信號經過單片機處理以后，單片機輸出的信號為數字信號，不能直接驅動外部電路，因此需要數模轉換，本次設計采用DAC1210數模轉換芯片。1210是12為的數字轉換芯片，器引腳圖如圖3-11所示 圖3-11 DAC1210引腳圖 DI0—DI11為數據的輸入端，OUT1、OUT2為數據的輸出端，當輸入數字為全“1”時，OUT1輸出電流最大，輸入全“0”時，OUT1輸出電流最小。OUT1與OUT2之和為一常數，當需要輸出模擬電壓時，需要外接運算放大器進行I/V轉換。WR1、WR2控制芯片高位和低位的輸入，CS為芯片的片選信號，CS為高時，芯片被選中。信號的高8位與低4位分時輸入，先輸入高8位，再輸入低4位。輸入高位與低位的區(qū)別信號由BYTE1與BYTE2來控制，BYTE1位為高時，輸入高8位，BYTE1位為低時輸入低4位。 3.2.3 鎖存器 由于單片機的工作頻率非常高，發(fā)出的信號為瞬時信號，若要將信號長期的保持在某種狀態(tài)，則要用到鎖存器。本次設計采用74ls373鎖存芯片，其性能較穩(wěn)定，工作可靠，外接5V電源，輸出端輸出信號電壓高達2.5V無需放大，可直接使用。74ls373的引腳圖如圖所示 圖3-12 鎖存器74ls373引腳圖 Vcc接5V電源 D0—D7接信號輸入 O0—O7接信號輸出 LE、OE作為兩個邏輯控制端 GND接地 芯片使用的電源必須穩(wěn)定，以免芯片工作發(fā)生振蕩而影響輸出。 下面表3-4是74ls373的真值表 Dn LE On H H L H L H L L X L L On X X H Z* 表3-4 74ls373真值表 由真值表我們可以看出 LE為高電位的時候，輸出On隨著輸入Dn變化 LE為低電平的時候，輸出On保持原來的狀態(tài)，從而將瞬時信號變?yōu)榱顺掷m(xù)信號。因此，再控制過程中，我們可以先給LE高電平，Dn給我們需要的電平，然后將LE變?yōu)榈?，使輸出鎖住。 3.2.4 STK6855電機控制芯片 STK6855芯片是用著電機正反轉控制的專業(yè)混合厚膜IC芯片。它能夠由從正反轉信號端子輸入的信號來控制電機的正反轉，利用PWM控制端來實現(xiàn)電機的脈沖調速，需要外加的器件少，使用方便。其部分引腳圖如圖所示： 圖3-13 STK6855部分引腳圖 其中A、B為轉向控制信號輸入端，PWM為脈沖調速端 端口6，7接12V電源，4，5，6，9作為輸出端口 表3-5為A、B端口的真值表 A B 正轉 H L 反轉 L H 停止1(禁止) H H 停止2(制動) L L 表3-5 STK6855正反轉真值表 3.2.5 TL494電機調速芯片 TL494 是電機脈沖控制的調速芯片，它的輸入信號為電壓信號，輸出信號為站空比不同的脈沖信號。通過調節(jié)脈沖信號的站空比來調節(jié)電機的轉速。從而節(jié)約能源。但是，這里由一個問題值得我們注意。TL494所發(fā)出的脈沖信號的周期必須比直流電機的電器周期要小很多，如果這兩個周期相差不大，會造成電機的抖動。 3.2.6LM224放大器 LM224放大器主要實現(xiàn)電壓信號的放大與電流信號與電壓信號的轉換。由于數模轉化器輸出的信號為弱電流信號，而我們需要的信號為強電壓信號，因此要用到運算放大器。LM224是工業(yè)運算放大器，它工作穩(wěn)定，工作溫度高，適合用于汽車電子當中。 圖3-14為LM224的引腳圖 LM224 共有4個集成運放組成，可同時完成4路信號的放大。每路運算相互獨立，互不相干。 圖3-14 LM224引腳圖 3.2.7場效應管 場效應管在此次設計中主要是用來搭建電機正反轉控制的H橋式電路。它是通過電壓控制電流的半導體器件，通過柵級電壓的調節(jié)來控制流過源級與漏級的電流，從而達到控制流過電機電流的目的。 本次設計選用場效應管的型號為IRFP150A 其封裝圖如圖所示： 圖3-15 IRFP150A封裝圖 它允許通過的最大電流為43A，而我們設計的系統(tǒng)最大電流為30A，因此，所選擇的場效應管符合要求。關于場效應管的性能特性在這里不作敘述。 3.2.8穩(wěn)壓芯片 車載電源是一個不穩(wěn)定的電源，而我們設計的系統(tǒng)中控制芯片較多，而芯片的工作電壓波動要有嚴格的控制，以使其穩(wěn)定工作。某些場合要求12V電壓，某些場合要求5V電壓，因此，我們必須通過電路來實現(xiàn)12V和5V的恒定電壓。12V電壓我們可以通過選用7812芯片來得到，5V電壓可以通過7805芯片來得到。其封裝結構如圖3-16所示 圖3-16 7812/7805的封裝結構 它共有三個端口，其中一端接電源，一段接輸出，一段接地。一般情況需要并聯(lián)一個斬波電容來減小波動。 3.2.9主要選購件列表 名稱 型號 名稱 型號 電機 10DK230-12 模數轉換器 ADC0809 電磁離合器 DLY3 鎖存器 74ls373 轉矩傳感器 0170MS 50R 電機控制芯片 STK6855 單片機 AT89C51 電機調速芯片 TL494 數模轉換器 DAC1210 放大器 LM224 場效應管 IRFP150A 5V穩(wěn)壓芯片 7805 12V穩(wěn)壓芯片 7812 表3-6 主要選購件列表 本科學生畢業(yè)設計（論文） 機械設計 4．機械設計部分 4.1 減速機構設計 4.1.1 減速器結構設計 目前減速器的結構形式有很多種，最常見的有圓柱外嚙合齒輪傳動減速、圓柱內嚙合齒輪傳動減速、渦輪蝸桿減速、行星輪系減速等。其見圖如圖4-1 圖4-1各種減速傳動機構簡圖 圓柱外嚙合傳動方式傳動可靠，剛度大，但其結構尺寸過大，用在電動助力轉向系統(tǒng)當中不方便安裝，圓柱內嚙合傳動也存在尺寸大的問題，也不適合用于電動轉向系統(tǒng)當中。 渦輪蝸桿傳動能以小的尺寸實現(xiàn)較大的傳動比，但是它只能進行單向傳動。運動可以由蝸桿傳遞給渦輪，而不能由渦輪傳遞給蝸桿。由于轉向系統(tǒng)要求不同的路況有不同的路感，地面作用在車輪上的力必須部分的傳遞到轉向盤上，因此，要求減速機構必須可逆。而渦輪蝸桿是不可逆的，因此不適合用在轉向系當中。 行星輪系減速機構也能實現(xiàn)小尺寸，大傳動比，并且其傳動可逆，因此，可以運用在電動助力轉向系統(tǒng)當中。但是單級的行星輪系傳動比還是太小，若將傳動比做的太大，則尺寸較大，因此，本次設計采用雙級行星輪系減速。第二級利用第一級的行星輪輸出作為輸入，以第二級行星輪的輸出作為輸出。其原理簡圖如圖4-2所示： 圖4-2 雙級行星輪系減速機構簡圖 電機的動力從第一級的太陽輪輸入，然后，經第一級行星輪減速后傳到第二級的太陽輪，又經第二級的行星輪減速后輸出。我們假設第一級的傳動比為i1，第二級的傳動比為i2，則整個減速機構的傳動比為i＝i1*i2。 在本此設計中，我們選擇的電機的轉速為3000r/min，而方向盤的轉速大概在50r/min。因此，要求助力部分的總減速比為60。按照這個傳動比做出來的減速機構結構很大，因此我們設計的減速器的傳動比為30，在轉向軸與助力部分銜接處錐齒輪傳動的傳動比為2，這樣我們就保證了助力部分的總傳動比為60。 4.1.2 減速器齒輪齒圈設計 雙級行星輪系中，所有的齒輪都為直齒圓柱齒輪，齒圈也為直齒圓柱齒圈。由于設計的安全性要求較高，而減速器的結構又不能太大，因此做減速器齒輪的材料要求較高，每一級的行星輪系的主動輪（太陽輪）選用滲碳或者碳氮共滲合金鋼，其余零件選用調質合金鋼。 1） 齒數的確定 要實現(xiàn)兩級行星輪系的傳動比為30，則每一級的傳動比為5.5。兩級為30.25，與理論要求的非常接近。符合要求。 下圖為雙級行星輪系減速機構的示意圖 3 圖4-3 雙級行星輪系加速機構示意圖 由于兩級結構一樣，因此，只需要計算其中一級。 由轉化輪系的傳動比計算公式有： （4-1） 已知 ＝5.5 帶入計算有＝－4.5 所以Z2＝4.5Z1 取Z1＝20則Z2＝90 （4-2） 計算得Z3＝35 初取模數m＝0.8 壓力角取標準值α＝20° d＝m*Z （4-3） 因此有d1＝16；d2＝72；d3＝28 齒輪寬度取為15 2） 幾何尺寸計算 計算公式表如下： 名稱 代號 計算公式 模數 取標準值0.8 壓力角 ＝20° 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 全齒高 頂隙 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒距 齒厚 表4-1 齒輪計算公式表 計算結果如下表 1 2 3 0.8 0.8 0.8 20 20 20 16 72 28 0.8 0.8 0.8 1 1 1 1.8 1.8 1.8 0.2 0.2 0.2 17.6 70.4 29.6 14 74 26 2.512 2.512 2.512 1.256 1.256 1.256 表4-2 齒輪參數表 4.1.3 強度校核 根據雙級行星輪系的結構，第二級行星輪系所受的力最大，在第二級行星輪系中，太陽輪的尺寸最小，因此，只需校核的二級太陽輪。 齒輪失效形式雖然多種多樣，但在某一具體使用場合這些失效形式并不同時發(fā)生。齒輪究竟產生那種失效，最要取決于齒輪材料得齒面硬度和具體工作條件。在一般得閉式齒輪傳動中，齒輪得主要失效形式式齒面疲勞點蝕和齒根彎曲疲勞折斷，所以目前應用最普遍也是最成熟得設計準則是，針對齒面點蝕和齒根彎曲疲勞折斷進行齒面疲勞強度及齒根彎曲疲勞強度計算。 1）齒面接觸疲勞強度校核 計算公式 （4-4） （4-5） 符號說明 ----許用接觸應力 MPa K-------載荷系數 取K＝1 b--------齒輪寬度 b＝15 u ----- u＝1.75 T-------輸入力矩 電機的輸出轉矩T1＝0.882Nm，經過第一級減速后輸入到第二級的太陽輪的轉矩為T＝4.851Nm d1 ---------------- 小齒輪分度圓直徑 d＝17.6 ------疲勞應力極限 可由圖4-4查出 太陽輪采用滲碳合金鋼，查圖后得到＝1500MPa 圖4-4 實驗齒輪的接觸疲勞極限 ------接觸疲勞強度最小安全系數，一般傳動取1—1.1，重要傳動取1.25—1.6，本次設計取為1.5 --------接觸疲勞強度壽命系數 由圖4-5可以查出 在查詢之前先計算應力循環(huán)次數： （4-6） a--------齒輪每轉一圈時，齒輪同一側的嚙合次數 n--------齒輪轉速r/min t--------齒輪總的工作小時數 h 取a＝2， 經第一級減速后第二級得太陽輪轉速n＝545.45， 工作壽命取為20年，每年360天，每天工作8小時，計算后有t＝57600h 帶入公式（4-6）中計算有N＝3.8×109 查圖4-5 疲勞強度壽命系數圖可得 =0.89 圖4-5接觸疲勞壽命系數圖 由公式（4-5）可以計算出＝890MPa 由公式（4-4）可以計算出 ＝669.73MPa < 符合要求 2） 齒根彎曲疲勞強度計算 齒根彎曲疲勞強度計算針對輪齒折斷失效。 計算公式 （4-7） (4-8) 參數說明： K-------過載系數 K＝1 T-------輸入力矩 T＝4.851 b-------齒寬 b＝15 m--------模數 m＝0.8 Z1-------太陽輪齒數 Z1＝20 ------外齒輪齒形系數 由圖4-6查可查出＝2.72 圖4-6 外齒輪齒形系數 -------應力修正系數 由圖4-7可查處＝1.56 圖4-7 外齒輪應力修正系數 ---------許用應力 ---------實驗齒輪的齒根彎曲疲勞極限 由圖4-8可查出 ＝920MPa 圖4-8實驗齒輪的齒根彎曲疲勞極限 ---------彎曲疲勞強度的最小安全系數，一般傳動取1.25，重要傳動取1.6---2，本次設計取1.8 -----------彎曲疲勞強度的壽命系數，根據應力循環(huán)次數由圖4-9可以查出。應力循環(huán)次數在上面已經計算過N＝3.8×109 圖4-9 彎曲疲勞強度壽命系數圖 由公式（4-8）計算＝434.4MPa 由公式（4-7）計算＝107.918MPa < 符合條件 4.2傳動錐齒輪設計 4.2.1外形尺寸設計 在助力部分和轉向軸的銜接處，由于運動的傳遞方向改變了90°，因此要用到錐齒輪，錐齒輪傳動比為2，在傳動中也起到了減速增矩的作用。 1） 錐齒輪正確嚙合的條件 2）連續(xù)傳動條件 直齒錐齒輪連續(xù)傳動的條件為重合度大于1。重合度按其當量直齒圓柱齒輪傳動的重合度計算。 3） 傳動比 （4-9） 當交角 時 （4-10） 4） 齒數計算 由于＝2， ＝64° ＝26° m＝0.9 Z1＝60 Z2＝2 Z1＝120 ＝54，＝108 5） 幾何尺寸計算表 名稱 代號 計算公式 模數 m 以大端模數為準，取標準值0.9 傳動比 i 分度圓錐角 δ 分度圓直徑 d 齒頂高 齒根高 全齒高 h 頂隙 c 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 錐距 R 齒寬 b 16 表4-3 錐齒輪參數計算表 計算結果如下表 1 2 m 0.9 0.9 δ 26° 64° d 54 108 0.9 0.9 1.08 1.08 h 1.98 1.98 c 0.18 0.18 55.618 108.79 52.058 107.053 R 55.596 b 16 16 表4-4錐齒輪計算結果表 4.2.2錐齒輪校核 由于直齒圓錐齒輪沿齒寬方向截面大小不等，故強度計算比較復雜。為了簡化，近視認為一對直齒圓錐齒輪傳動與其齒寬中點處的一對當量直齒圓柱齒輪傳動強度相等，這對當量直齒圓柱齒輪的分度圓半徑為兩錐齒輪齒寬中點處背錐母線長度，模數為齒寬中點模數，齒寬與錐齒輪的齒寬相等。 1） 齒面接觸疲勞強度計算公式 （4-11） K-------載荷系數，一般取1.2—1.8。本次設計取K＝1.5 ------小齒輪大端分度圓直徑 u-------齒數比 u＝2 b-------齒寬 b＝16 -----齒寬系數 ＝0.3 T------輸入轉矩 T＝26.42Nm ---許用應力，根據直齒圓柱齒輪的許用應力的計算方法 材料采用滲碳合金鋼，并且保證一定的滲碳層厚度，查圖4－4得到＝1650MPa， ?。?.5 接觸疲勞壽命系數查圖4-5有＝0.89，其中應力循環(huán)次數與上面設計的圓柱齒輪相同。 計算有： ＝979MPa ＝777.41MPa< 疲勞強度符合要求。 2）