汽车电动助力转向机构的设计

汽车电动助力转向机构的设计目录摘要……………………………………………………………………………………ⅠAbstract…………………………………………………………………………………Ⅱ1绪论…………………………………………………………………………………11.1助力转向系统的分类…………………………………………………………11.2EPS系统国内外发展研究现状……………………………………………………11.3EPS的分类…………………………………………………………………………11.3.1转向轴助力式………………………………………………………………11.3.2转向小齿轮助力式…………………………………………………………21.3.3转向齿条助力式……………………………………………………………21.4电动助力转向系统的优点…………………………………………………31.5电动助力转向系统的工作原理…………………………………………………32EPS方案设计…………………………………………………………………………52.1电动助力转向系统选型…………………………………………………………52.2机械部分系统方案设计…………………………………………………………52.2.1机械部分设计要求分析……………………………………………………52.2.2机械式转向器方案分析……………………………………………………52.2.3齿轮齿条式转向器布置和结构形式的选择………………………………72.2.4转向梯形结构方案分析……………………………………………………82.3控制部分系统方案设计…………………………………………………………82.3.1控制部分性能要求分析……………………………………………………82.3.2控制部分方案设计…………………………………………………………103齿轮齿条式转向器设计………………………………………………………………12汽车电动助力转向机构的设计3.1整车性能参数……………………………………………………………………123.2齿轮齿条式转向器的设计和计算………………………………………………123.2.1齿轮齿条转向器计算载荷的确定…………………………………………123.2.2转向器基本部件设计………………………………………………………153.2.3齿轮轴和齿条的材料选择及强度校核……………………………………213.2.4齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析…………………………………243.2.5齿轮齿条传动受力分析……………………………………………………253.2.6间隙调整弹簧的设计计算…………………………………………………253.2.7齿轮轴轴承的校核…………………………………………………………273.2.8键的计算……………………………………………………………………284EPS的关键部件和控制策略…………………………………………………………294.1EPS的关键部件选型……………………………………………………………294.1.1电动机………………………………………………………………………294.1.2电磁离合器…………………………………………………………………294.1.3减速机构……………………………………………………………………304.1.4扭矩传感器…………………………………………………………………304.1.5电流传感器…………………………………………………………………314.2EPS的电流控制…………………………………………………………………314.3助力控制…………………………………………………………………………324.4阻尼控制…………………………………………………………………………324.5回正控制…………………………………………………………………………335EPS电机驱动电路的设计……………………………………………………………345.1微控制器的选择…………………………………………………………………345.2硬件电路总体框架………………………………………………………………345.3电机控制电路设计………………………………………………………………355.3.1H桥上侧桥臂MOSFET功率管驱动电路设计………………………………355.3.2桥臂的功率MOSFET管驱动电路…………………………………………365.4蓄电池倍压工作电源……………………………………………………………37汽车电动助力转向机构的设计5.5电机驱动电路台架试验…………………………………………………………376结论……………………………………………………………………………………39致谢………………………………………………………………………………………40参考文献…………………………………………………………………………………41汽车电动助力转向机构的设计I摘要电动助力转向(ElectricPowerSteering,简称EPS)系统,是继液压助力转向系统后出现的一种新型动力转向系统,具有液压助力转向系统无法比拟的优势,它不仅能节约能源,提高安全性,还有利于环境保护,是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术,是汽车转向系统发展的必然趋势。电动助力转向系统(EPS)可解决小型汽车转向轻便性和灵敏性的矛盾,使驾驶员在汽车低速行驶时获得较大助力,高速行驶时获得较强的路感。由ECU根据转向盘转矩信号控制电动机离合器,使电动机在不需要助力时停止工作,降低了能量消耗，该系统能满足不同车速下获得不同助力特性的要求。本论文为汽车电动助力转向机构的设计,首先对EPS的发展历程、发展现状、原理、结构等进行了阐述，然后确定了以齿轮齿条式转向为例进行设计，对齿轮、齿条、转向器等进行了设计与计算，并对齿轮齿条的齿面接触强度和齿根弯曲强度进行校核，最后利用AUTOCAD软件绘制了齿轮、齿条及装配图。关键词：汽车,电动助力转向系统，转向器，齿轮齿条,计算汽车电动助力转向机构的设计IIAbstractElectricPowerSteering（EPS）Systemisanewtypesteeringsystem,whichcansaveenergy,improvevehiclesafety,andbenefitenvironmentprotection.It’sanew-high-techthatfollowsmodernvehicledevelopmenttopicclosely.EPSismuchsuperiortohydraulicpowersteeringsystem.Itwillbetheinevitabledevelopingdirectionforautomobilepowersteering.Theelectricpowersteering(EPS)systemcansolvethecontradictionbetweensteeringhandinessanddelicacythatexistsinsmalltypeofcars.Itenablethedrivertoobtainstrongerroadsensewhendriveinhighspeedandbiggerassistwhendriveinslowspeed.AccordingtobyECUtodishtorquesignalcontrolmotorclutch,makethemotorwheninneednotstopworking,reduceboostofenergyconsumption,thissystemcansatisfydifferentspeedsgetdifferentdynamicalcharacteristicsrequirement.Thethesisisforthedesignofautoelectricpowersteering.First,itdiscusseddevelopmenthistory,EPSdevelopmentpresentsituation,theprinciple,andthestructure.Thendeterminerackandpiniontypesteeringwithdesign.Designandcalculatesteeringgearandrack,andtestrackandpiniongearsurfacecontactstrengthandtoothrootbendingstrength.Finally,makedthepinionandrackandassemblydrawingbyusingAUTOCADsoftware.Keywords:automobile，EPS,steeringgear,rackandpinion,calculate汽车电动助力转向机构的设计11.绪论随着汽车技术的发展，人们逐渐追求安全、舒适、轻便的驾驶环境，汽车转向系统由普通转向系统向动力转向系统发展。1.1助力转向系统的分类助力转向系统按照提供动力的形式大致可以分为3类：液压助力转向系统（HydraulicPoweredSteering,HPS)，电动液压转向系统（ElectricallyHydraulicPoweredSteering,EHPS)，电动助力转向系统（ElectricPowerSteering,EPS)。1.2EPS系统国内外发展研究现状在国外，从1979年开始研究电动助力转向系统，至今已有30多年的历史。1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，并装在其生产的Cervo车上，随后又配备在Alto上。此后，其应用范围从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的Delphi公司，英国的Lucas公司，德国的ZF公司，都研制出了各自的EPS。在国外，EPS已经进入了批量生产阶段。在国内，EPS技术大多还处于实验室开发研究阶段，部分科研院所已经进入了装车实验。国内的清华大学早在1992年就开始了EPS研究。2002年，经调查发现国内至少13家企业和科研院所正在研制中，如清华大学、吉林大学、江苏大学、同济大学以及南摩股份有限公司等。目前21个国内汽车厂家的43种品种均可装配EPS产品，其中六个厂家8个车型具有装配EPS的潜力，其中有重庆长安的奥拓、羚羊，吉利的美日、豪情，奇瑞的QQ，天津丰田的威驰，悦达起亚的千里马，东南汽车的菱帅，广州本田的飞度等。1.3EPS的分类电动助力转向系统按照电动机布置位置的不同，可以分为：转向轴助力式(Column-assisttypeEPS)、齿轮助力式(Pinion-assisttypeEPS)、齿条助力式(Rack—assisttypeEPS)3种。1.3.1转向轴助力式转向轴助力式电动助力转向器(C-EPS)的助力电机固定在转向柱的一侧，通过减汽车电动助力转向机构的设计2速增扭机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向(图1-1)。这种形式的电动助力转向系统结构简单紧凑、易于安装。现在多数EPS就是采用这种形式。此外，C-EPS的助力提供装置可以设计成适用于各种转向柱，如固定式转向柱、斜度可调式转向柱以及其它形式的转向柱。但由于助力电机安装在驾驶舱内，受到空间布置和噪声的影响，电机的体积较小，输出扭矩不大，一般只用在小型及紧凑型车辆上。图1-1C-EPS1.3.2转向小齿轮助力式齿轮助力式电动助力转向器(P—EPS)的助力电机和减速增扭机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮实现助力转向(图1-2)。由于助力电机不是安装在乘客舱内，因此可以使用较大的电机以获得较高的助力扭矩，而不必担心电机转动惯量太大产生的噪声。该类型转向器可用于中型车辆，以提供较大的助力。图1-2P-EPS1.3.3转向齿条助力式齿条助力式电动助力转向器(R-EPS)的助力电机和减速增扭机构则直接驱动齿条提供助力(图1-3)。由于助力电机安装于齿条上的位置比较自由，因此在汽