转向系统设计

标题转向系统设计与优化摘要汽车在行驶过程中，需要按照驾驶员的意志经常改变行驶方向，即所谓汽车转向。用来改变或保持汽车行驶方向的机构称为汽车转向系统。汽车转向系统的功能就是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向。汽车转向系统对汽车的行驶安全是至关重要的。因此需要对转向系统进行优化，从而使汽车操作起来更加方便、安全。本次设计是EPS电动转向系统，即电动助力转向系统。该系统是由一个机械系统和一个电控的电动马达结合在一起而形成的一个动力转向系统。EPS系统主要是由扭矩传感器、电动机、电磁离合器、减速机构和电子控制单元等组成。驾驶员在操纵方向盘进行转向时，转矩传感器检测到转向盘的转向以及转矩的大小，将电压信号输送到电子控制单元，电子控制单元根据转矩传感器检测到的转距电压信号、转动方向和车速信号等，向电动机控制器发出指令，使电动机输出相应大小和方向的转向助力转矩，从而产生辅助动力。汽车不转向时，电子控制单元不向电动机控制器发出指令，电动机不工作。该系统由电动助力机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护了环境。另外，还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。因此，电动助力转向系统是汽车转向系统的发展方向。关键词：机械系统，扭矩传感器，电动机，电磁离合器，减速机构，电子控制单元。概述汽车在行使过程中，需要经常改变行驶方向，即所谓的转向。这就需要有一套能够按照司机意志来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，它将司机转动方向盘的动作转变为车轮的偏转动作，这就是所谓的转向系统。转向系统是用来改变汽车的行使方向和保持汽车直线行使的机构，既要保持车辆沿直线行驶的稳定性，又要保证车辆转向的灵活性。转向性能是保证车辆安全，减轻驾驶员劳动强度和提高作业效率的重要因素。汽车转向系统可按转向的能源不同分为机械转向系统和动力转向系统两类。机械转向系统是依靠驾驶员操纵转向盘的转向力来实现车轮转向，其中所有传力件都是机械的；动力转向系统则是一套兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系统，这样驾驶员就可以轻便灵活的操纵吨位较大的汽车转向，大大减轻了劳动强度，提高了行使安全性。但是动力转向系统一直存在“轻”与“灵”的矛盾。为缓和这一矛盾，过去人们将减速器设计成壳变速比，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，所以这一方法不能根本解决矛盾。随着动力转向系统的产生，液压转向系统以其具有的转向操纵灵活、轻便，设计汽车时对转向器的结构形式的选择灵活性增大，并可以吸收路面对前轮产生的冲击等优点，自20世纪50年代以来，在各国的汽车上普遍采用。但是传统的液压动力转向系统的油耗量是很大的，约占整车燃油消耗量的3%，故这一弊端无法消除。后来随着电子技术的发展，电控液压动力转向系统应运而生，该系统的某些性能明显的优于传统液压动力转向系统，但是仍然不发根除液压动力转向系统所固有的遗憾。此外，液压动力转向系统在设计完后，转向系统的性能就确定了，不能在对其调节和控制。因此，传统液压动力转向系统协调转向力与操纵“路感”的关系困难，很大程度上影响汽车的操纵稳定性。电动助力转向系统（简称EPS)是继液压动力转向系统之后产生的新的转向系统。电动助力转向系统由电动机提供助力，助力大小由电控单元（ECU）实时调节和控制，可以较好的解决液压动力转向系统所不能解决的矛盾。电动助力转向系统有其突出的特点：1、EPS系统能在各种行驶工况下提供最佳助力，减少由路面不平所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减少汽车低速行驶的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。2、提高汽车的燃油经济性。装有电动系统的车辆和装有液压动力转向系统的车辆对比实验证明，在不转向情况下、装有电动转向系统的车辆燃油消耗降低2.5%，在使用转向的情况下，燃油消耗降低5.5%。3、增强了转向跟随性。在EPS中电动机和助力机构直接相连，以使其能量直接用于车轮转向。这样增加了系统的转向惯量，电机部分的阻尼也使得车轮的反向和转向前轮摆振大大减小。因此转向系统的抗扰动能力大大增强。4、在EPS中由电动机直接提供转向助力，在停车时间壳获得最大的转向动力。同时省去了液压动力转向系统的所必须的转向油泵、软管、液压油、密封件、传送带和装于发动机上的皮带轮等。因此，其质量更轻、结构等紧凑，装配自动化程度高，维修简单。（5）采用绿色能源，适应现代汽车的要求。电动助力转向系统应用最干净的电力作为能源，完全取缔了液压装置，不存在液压助力转向系统中液态油的泄漏问题，可以说该系统顺应了绿色化的时代趋势。该系统由于它没有液压油，没有软管、油泵和密封件，避免了污染。而液压转向系统油管使用的聚合物不能回收，易对环境造成污染。（6）系统结构简单，占用空间小，布置方便，性能优越。由于该系统具有良好的模块化设计，所以不需要对不同的系统重新进行设计、试验、加工等,不但节省了费用，也为设计不同的系统提供了极大的灵活性，而且更易于生产线装配.该系统省去了装于发动机上皮带轮和油泵，留出的空间可以用于安装其它部件。许多消费者在买车时非常关心车辆的维护与保养问题。装有电动助力转向系统的汽车没有油泵，没有软管连接，可以减少许多忧虑。实际上，传统的液压转向系统中，液压油泵和软管的事故率占整个系统故障的53%，如软管漏油和油泵漏油等.目前，电动助力转向系统有取代机械转向系统、液压助力转向系统和电控液压助力转向系统的趋势，是一项紧扣现代汽车时代发展主题的高新技术，是现代轿车的主要发展方向。目录一.电动转向系统的来源及发展趋势。二.转向系统方案的分析。1.工作原理的分析。2.转向系统机械部分工作条件。3.转向系统关键部件的分析。4.转向器的功用及类型。5.转向系统的结构类型。6.转向传动机构的功用和类型。三．转向系统的主要性能参数。1.转向系的效率。2.传动系统传动比的计算。3.转向器的啮合特征。4.转向盘的自由行程。四．转向系统的设计与计算。1.转向轮侧偏角的计算。2.转向器参数的选取。3.动力转向机构的设计。4.转向梯形的计算和设计。五．结论。六．谢辞。七．参考文献。正文一．电动转向系统的来源及发展趋势。电动助力转向系统是于20世纪80年代中期提出来的。电动助力转向系统符合现代汽车机电一体化的设计思想，该系统由转向传感装置、车速传感器、助力机械装置、提供转向助力电机及微电脑控制单元组成。作为汽车的一个重要组成部分，汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成，如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的操纵设计显得尤为重要。汽车转向系统经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统3个基本发展阶段。机械式的转向系统，由于采用纯粹的机械解决方案，为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘，这样一来，占用驾驶室的空间很大，整个机构显得比较笨拙，驾驶员负担较重，特别是重型汽车由于转向阻力较大，单纯靠驾驶员的转向力很难实现转向，这就大大限制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉，目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使用。1953年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统，此后该技术迅速发展，使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。80年代后期，又出现了变减速比的液压动力转向系统。在接下来的数年内，动力转向系统的技术革新差不多都是基于液压转向系统，比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统和电动液压助力转向系统。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下，泵的流量会相应地减少，从而有利于减少不必要的功耗。电动液压转向系统采用电动机驱动转向泵，由于电机的转速可调，可以即时关闭，所以也能够起到降低功耗的功效。液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞，布置更方便，降低了转向操纵力，也使转向系统更为灵敏。由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力，目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面存在不足的问题。因此电动助力转向系统（简称EPS）应运而生，它是继液压动力转向系统之后产生的新的转向系统。电动助力转向系统由电动机提供助力，助力大小由电控单元（ECU）实时调节和控制，可以较好的解决液压动力转向系统所不能解决的矛盾。且拥有许多液压转向系统没有的优势，所以电动助力转向系统有取代机械转向系统、液压助力转向系统和电控液压助力转向系统的趋势，是一项紧扣现代汽车时代发展主题的高新技术，是现代轿车的主要发展方向。二．转向系统方案的分析。1.工作原理的分析。首先，转矩传感器测出驾驶员施加在转向盘上的操纵力矩，车速传感器测出车辆当前的行驶速度，然后将这两个信号传递给ECU；ECU根据内置的控制策略，计算出理想的目标助力力矩，转化为电流指令给电机；然后，电机产生的助力力矩经减速机构放大作用在机械式转向系统上，和驾驶员的操纵力矩一起克服转向阻力矩，实现车辆的转向。2.转向系统机械部分工作条件。电动助力转向系统的基本组成包括扭距传感器、车速传感器、控制单元（ECU）、电动机、减速机构和离合器等，如图所示。在EPS系统中，传感器主要应用了扭距传感器、转速传感器、速度传感器。扭距传感器时刻检测转向盘的运动状况，将驾驶员转动转向盘的方向、角度、信息传送给控制单元作输入信号。转速传感器用于测量转向盘的旋转速度，速度传感器测量车辆的行驶速度，两者的测量结果同样送到控制单元作为输入。控制单元是EPS系统的核心部分，也是EPS系统研究的重点。目前普遍将控制单元设计为数字化，一般以一个八位或十六位微处理器为核心，外围集成A/D电路、输入信号接口电路、报警电路、电源。要求具有简单计算、查表、故障诊断处理、储存、报警、驱动等功能。电动机的功能是根据控制单元的指令输出适宜的辅助扭矩，是EPS的动力源。电动机对EPS的性能有很大的影响，是EPS的关键部件之一，所以EPS对电动机很重要。不仅要求低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻，而且要求可靠性高、易控制。在现有设计中电动机主要采用直流电动机和无刷永磁式电动机，驱动电路根据采用的电动机和控制策略不同而不同。EPS的减速机构与电动机相连，起减速增扭作用。常采用涡轮蜗杆机构，也有采用行星齿轮机构。EPS的离合器，装在减速机构的一侧，是为了保证EPS只有在预先设定的车速行驶范围内起作用。当车速达到某一值时，离合器分离，电动机停止工作，转向系统转为手动转向。另外，当电动机发生故障时离合器将自动分离。由图可见，电动助力转向系统是在传统机械转向机构基础上增加信号传感装置、控制单元和转向助力机构。EPS的转向轴由靠扭杆相连的输入轴和输出轴组成。输出轴通过传动机构带动转向拉杆使车轮转向，输出轴除通过扭杆与输入轴相连外，还经行星齿轮减速机构—离合器与主力电动机相连。驾驶者在操纵转向盘时，给输入轴输入了一个角位移，输入轴和输出轴之间的相对角位移使扭杆受扭，扭距传感器将扭杆所受到的扭矩转化为电压信号输入电控单元；与此同时，车速传感器检测到的车速信号页输入电控单元，电控单元综合转向盘的输入力矩、转向方向以及车速等信号，判断是否需要力矩以及力矩的方向。若需要力矩，则依照既定的助力控制策略来计算电动机助力转矩的大小并输出相应的信号给驱动电路，驱动电路提供相应的电压或电流给电动机，电动机输出相应的转矩由蜗轮蜗杆传动装置放大再施加给转向轴起助力作用，从而完成实时控制助力转向；若出现故障或超出设定值则停止给电动机供电，系统不提供助力，同时，离合器切断，以避免转向系统受电动机惯性力矩的影响。系统转为人工手动助力。工作过程如图所示。3.转向系统关键