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学号:24111901964南湖学院毕业设计（设计）课题：汽车转向系统输出轴结构设计作者：曾显富界别：24111901964系别：机械工程学院专业：机械设计制造及其自动化指导教师：杜青林职称：助教完成时间：2015.5.14摘要转向系统是控制汽车方向与行驶路线的重要装置，性能影响到了汽车的稳定性与操控性。而这几年一种新型的转向系统飞速发展——EPS（ElectricPower—assistedSteering）即电子助力转向系统，EPS采用了电子控制式的方式因此响应速度更快，行驶时可以迅速改变助力方式，使车辆在行驶中过得最佳的转向特性。EPS的转向轴是通过扭杆相连的输出和输入组成的。本文主要围绕电子助力转向系统的组成，工作原理，较传统转向系统的优势与输出轴在其中的位置来阐述。关键词：电子转向系统、发展、输出轴AbstractSteeringsystemistocontrolthecardirectionandrouteoftheimportantdevice,performanceaffectedthestabilityofthecarandhandling.TherapiddevelopmentinrecentyearsanewtypeofSteeringsystemofEPS(ElectricPower-assistedSteering)orelectronicPowerSteeringsystem,EPSwiththemethodoftheelectroniccontrolledsofasterresponsespeed,canquicklychangethewaypowerwhendriving,thevehicleontheroadhadthebestperformance.EPSsteeringshaftisconnectedbytorsionbarofinputandoutput.Thisarticlemainlyaroundthecomponentsoftheelectronicpowersteeringsystem,workingprinciple,theadvantageofmoretraditionalsteeringsystemwiththeoutputshaftintheseattoillustrate.Keywords：ElectricPower—assistedSteering.Thedevelopment.绪论转向系统是汽车的一个重要组成部位，他决定了汽车主动安全性的关键总成，为了让汽车具备了良好的操作性，一直是各大汽车生产厂家与科研机构的重要研究课题。尤其是在车辆逐渐高速化，车流密集的今天，针对更多的不同水准的驾驶人群。汽车的操作设计更成为了重中之重。汽车的转向系统由纯机械式转向系统，液压助力转向系统，到电子助力转向系统三个基本的发展阶段。机械式的转向系统，由于采用纯机械式转向，为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的方向盘，占用的驾驶室空间很大整个机构略显笨拙，尤其是是重型车辆，单靠驾驶员的转向力很难实现转向，如此便大大限制了其使用范围，但因价格低廉，结构简单，做工可靠的优点上，到如今一部分转向操纵力不大，操控性能不高的微型车辆与农业用车上仍在使用。至1953年通用汽车首次采用了液压助力转向系统此后技术极速发展，使得动力转向系统在体积、功率的消耗等方面都取得了极大的进步。80年代后期又出现了变减速比的液压动力转向系统。在数年内便出现了变流量泵液压转向系统（VariableDisplacementPowerSteeringPump）和电动液压助力转向系统（ElectricHydraulicPowerStarting）。液压助力系统使得驾驶室变得宽敞、布置更为方便、降低了转向操纵力也使得系统更加的灵敏。该转向系统技术成熟，如今在部位的乘用车、大部分商用车尤其是在重型车俩上打得到广泛的利用。但即便如此液压助力也有着系统布置、安装、密封性、操纵的灵敏、能量消耗、磨损与噪音等发面的诸多不足。电动助力系统EPS在日本首先获得了实际上的运用，1988年铃木公司首次在其Cervo轿车上安装了EPS系统，随后还运用在其Alto车型上。此后EPS在日本得到了迅速发展。随着电子技术的日益发展，EPS技术的逐渐完善，并其成本的逐步降低，其以后的运用范围将越来越大。一、EPS转向系统1.1国外EPS的发展20世纪50年代，美国TRW等转向系统开发商做了一个大胆的假设，将方向盘与转向车轮之间用控制信号代替了原有的机械链接。60年代末，德国的Kasslemann等也设计了类似的相似的主动转向系统，即电子转向系统（Steering-by-wireSystem）。但由于当时电子技术和计算机计算能力的制约，电子转向系统一直无法在实车上实现。[2]（吴江汗，杜彦良，电动转向控制系统抗干扰策略的仿真[J]，汽车工程。上世纪80年代初期，世界各大汽车厂家、研发机构如欧美的ZF、宝马、DELPHI，以及日本的光洋精工技术研究所，日本国立大学等等都对汽车电子转向系统做出了深入的研究。日本光洋株式会社是世界上最早对电子转向系统研究与开发的厂家，目前生产的转向系统在世界上的市场占有率为世界第一。而铃木公司首次在其Cervo轿车上安装了EPS系统，随后还运用在其Alto车型上。此后EPS在日本得到了迅速发展。综合起来看电子转向系统系统飞速发展后电子转向系统大概可以分为四类：（1）液压电动转向系统EHPS（Elcerto-HydraulicPowerSteering）、（2）电动转向系统EPS（ElectriclPowerSteering）、（3）线控电动专向系统SBW（ElecrtricPowerbywireEPS-bywire或steeringwire）、（4）主动前轮转向系统AFS（ActiveFrontSteering）这四类转系统反应了汽车转向系统不同时期的发展，1.2EPS系统的构造电子助力转向系统是全电动，与发动机并无关联的动力转向系统，是于20世纪80年代中期提出来的。一个典型的EPS系统由4个基本部分组成，助力转向控制单元,带动方向柱的电动机，扭矩传感器，以及机械转向装置。我们在操作方向进行转向时，转矩传感器接收到方向盘的转向以及转矩的大小，将电压信号输到电子控制单元，电子控制单元将会根据转矩传感器检测到的转矩电压信号，车速信号以及转动的方向等，与电动机给出指令是电动机发出相应的大小、方向。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。图一便为典型EPS系统。[1](吴江文电动转向系统助力性能研究中国安全科学学报)1.3助力特性助力特性特指助力转矩随车辆运动状况变化而变化的的规律。在EPS系统中，助力转矩与助力电机的电流成正比，因此采用了电机电流与方向盘转矩、车速的变化关系曲线来表示助力特性。[3]助力特性是EPS系统的控制目标，反应了转向的轻便和路感之间的矛盾。（冯樱，肖生发，电子控制式电子助力转向系统的控制[J]，汽车的研究与开发。按照车速的范围的不同，EPS系统的助力特性曲线可分为低速范围特性型和全速范围助力型。但是按照曲线图来分，常用的特性有三种，为直线助力特性，曲线助力特性与折线助力特性。助力特性曲线又分为无助力区、恒助力区、变化助力变化区三个区间。如图二(a)为直线型特性助力曲线，在变化内。助力的大小与方向盘输入力矩成线性(b)为折线型特性助力曲线，在助力变化区内，助力大小与方向盘输入力矩成分段线性关系。（a）和（b）同属线性助力特性，其特点为模型较为简单在固定的车速之下助力大小不改变，因此控制方法更加简单；缺点为在转向阻力迅速上升时系统的响应速度无法达到要求的助力增益。（c）为典型的曲线型助力曲线，在助力变化区内助力的大小与转向方向盘输入力矩成非线性关系，如抛物线型[4]（电动转向系统的特性分析，汽车科技）。在一定的车速下，助力随输入力矩增大而增加，提高了系统的反应速度；但模型较为复杂不易控制。助力的特性是否合理决定了EPS系统的性能，理想的助力特性要充分协调好转向轻便行性与路感的关系，为机械转向系统和驾驶人员提供尽可能相同的转向特性。1.4控制方法EPS系统是以电控单元为核心，采集工作状态数据，发出控制指令，确定助力电机的助力大小与工作的方式。因此电子助力转向系统的硬件抗干扰性与软件的优化也成为了衡量电子助力转向系统性能的重要指标。而在其中最为重要的便是控制方法的选择既要满足操控的轻便性、实时性的同时又要符合驾驶路感的需求。要根据各种路况及时调整助力模式，有效的实现理想的助力特性，为驾驶员带来最大的轻便与安全性。EPS系统在工作时不但受到来自路面的随机干扰影响，还有发动机发出的电磁干扰与其热辐射，这些对系统的工作也有着很大的影响。所以这些因素也应当在EPS系统的设计时都要考虑到控制策略上去，同过软件的、修正的方法消除干扰。PID控制技术、鲁棒控制技术、自适应控制技术、动态补偿技术、神经网络理论的发展成为了EPS系统的控制法强而有力的保障[4]JianZou，JingZhu.“Researchonintelligentpredictivecontrolanditsapplications.”1.5故障的诊断及系统的稳定性在生产与研究EPS产品时还有一个重要的部位便是对故障的检测和故障的输出及处理。故障诊断系统时不仅要对故障进行报警，还要对故障进行定位，确定故障发生时的位子及其原因，如输出对象的故障代码，所以在设计一个产品的故障诊断系统时，必须先确定系统的故障点，然后灾根据故障编码原则对系统的故障点进行编码。EPS主要的故障及其原因大概分为七类，分别为电子控制单元的故障、助力电机的故障、扭矩传感器的故障、车速传感器的故障、电磁离合器的故障、点火信号的故障、电源故障。而各部分的故障又分为了很多类，因为必须有统一的故障代码和相关的标准才能有效的识别故障的种类，便于维修。在SAEJI587标准中给出了编码的原则，后来的SAEJI939中加入了应用与CAN总线系统的编码方法，IOS14230标准也基本的采用了SAEJI587与SAEJI939的标准格式作为故障的代码。[5]（陈燎，车辆动力转向系统非线性仿真研究。汽车技参考丰田汽车公司电子助力转向系统故障诊断编码，表1给出了规范的EPS故障代码。1.6故障的检测及报警电路为了保证电子助力系统的正常工作避免助力失效从而引起的安全问题，在系统的控制单元中，要求对每个部件进行检测，对重要的部分实行故障检测。好在及时发现问题时能立马断开助力系统。助力电机的故障主要为电机电压浮动，与电机电流过高、电机的温度难以掌控等。传感器故障主要是线路的短路与断路，发动机传感器无信号等。电源故障多为电源的短路与电源电压不足等。电磁离合器的故障检测主要也是看线路是否短路与断路。ECU系统主要检测为，供电情况，控制器是否失效等。故障的处理由指示灯按故障代码来显示。系统欠压检测如下3图图3系统欠压检测电路1.7整车性能匹配EPS系统作为一个整车提升性能的一个重要的组成部分，其系统稳定性和安全性也会影响到其他的电子系统以及整车的性能。因此，我们必须对EPS系统与其它子系统进行匹配，才能使整车性能达到最优化。在设计EPS系统时必须考虑到与汽车的其他子系统有效的配合，这是EPS系统的开发关键技术之一。二、输出轴2.1输出轴的作用输出轴主要应用在动力输出装置中，是输出动力的主要零件之一。其主要作用是传递转矩，使主轴获得旋转的动力，其工作中要承受较大的冲击载荷和扭矩。因此，该零件需具有足够的耐磨性和抗扭强度。2.2输出轴在EPS中的位置电子助力转向系统的转向轴通过与扭杆想交的输入轴和输出轴组成输出轴与助力电动机相连，输出轴通过传动机构带动转向拉杆带动车轮转向。在行驶过程中转向盘给输出轴一个角位移。相对角位移给出一个扭杆的形变。扭矩传感器将扭杆所受到的扭矩转换为电压信号而输出给ECU，同时ECU在判断需要助力的大小方向情况下，依照设定的助力控制计算方法计算力矩的