电动助力转向系统的研究与设计(编辑修改稿)

电动助力转向系统的研究与设计(编辑修改稿)内容摘要：

的输出力矩比较小，是一种目前常见的助力形式。 由于各部件相对独立，因此维修方便。 设计时也有很大的灵活性。 但是电机输出力矩的波动容易传递到方向盘上。 如果电动机的安装位置和驾驶员的乘坐位置很近的话，必须考虑对电动机噪声的抑制。 2:小齿轮助力式 (Pinionassist Type) 这也是一种目前较为常见的助力形式，此时电动机、减速器直接与转向小齿轮相连。 它具有转向柱助力式 EPS 的全部优点，并且还可在现有的机械转向器上直接设计，而不用改变转向柱的结构。 因此本设计采用此种助力方式。 3:齿条助力式 (Rackassist Type) 电动机的电枢通过传动机构与齿条直接相连，传动机构将电枢的转动变为平动从而实现助力。 作为最初应用的 EPS，这种助力形式的优点是洛阳理工学院毕业 设计（论文） 12 结构紧凑，不受安装位置的限制，可以提供较大的助力力矩，电机的力矩波动不易传递到方向盘上。 缺点是结构复杂，价格昂贵，工作 环境差，要求密封好，要求电动机的输出力矩比较大，并且一旦某一部件出现故障，必须拆下整个转向齿条部件，因此维修不方便。 电动助力转向系统的技术要求 对转向系统的要求，主要可以概括为转向的灵敏性和操纵的稳定性。 高的转向灵敏性，要求转向器具有较小的传动比，以小的转向盘转角获得迅速转向。 好的操纵轻便性，则要求转向器具有较大的传动比，这样才能以较小的转向盘操纵力获得大的转向力矩。 可见，上述的两个要求是矛盾的。 而电动式助力转向器由于采用电子控制系统，实时的调节和控制电机提供助力，因而能较好的解决这一矛盾。 一 般来说，电动式助力转向器应当满足动力转向系统的如下要求 ： ]4[ (1)能有效减小操纵力，特别是停车转向操纵力。 而行车转向的操纵力不应大于 245N。 (2)转向灵敏度好。 转向灵敏度就是转向助力器产生助力作用的快慢程度。 (3)具有直线行驶的稳定性，转向结束时转向盘应能自动回正。 驾驶员应有良好的 ―路感 ‖。 (4)要有随动作用。 转向车轮的偏转角和驾驶员转动的转角保持一定洛阳理工学院毕业 设计（论文） 13 关系，并能使转向车轮保持在任一偏转角位上。 (5)工作可靠。 当动力转向失败或发生故障时，应能保 证通过人力进行转向操纵。 电动助力转向系统的数学模型 为了研究 EPS 系统的动态特性及 EPS 系统对汽车操纵性的影响， EPS数学模型的建立是进行理论研究必不可少的一个环节。 EPS 的机械部分主要可分为转向盘和转向轴、电动机、减速结构和齿轮齿条四个主要部分，根据系统的使用条件和研究对象，忽略一些次要因素，对 EPS 部件进行简化，在简化的基础上，根据牛顿运动定律建立各部分的力学模型，然后再根据各部件之间的相互约束关系，联立各模型，得到 如图 24 所示的模型。 图 24 EPS 动态模型 洛阳理工学院毕业 设计（论文） 14 转向盘和转向 柱输入轴子模型 对转向盘和输入轴受力分析，这里考虑了转向盘的转动惯量，并且把输入轴的粘性阻尼考虑在内，可以得到如下运动方程 : Js s +Bs s =Th Tsen (21) 式中 Js—转向盘、输入轴的转动惯量， Kgm 2。 Bs—输入轴的粘性阻尼系数， Nm /( rad / s)。 s —输入轴的旋转角， rad。 Th —作用在转向盘上的转向转矩， Nm。 Tsen—扭杆的反作用转矩， Nm。 由于转矩传感器是依靠扭杆的相对转动产生扭转变形，扭杆受到的转矩与扭杆的扭转角度成正比，即有 Tsen = Ks ( s e) (22) 式中 KS—扭杆的刚性系数， Nm/rad。  s—输出轴的旋转角， rad。 电动机模型 系统采用永磁式直流电动机，如图 25 所示，电动机的端电压 U 与电感 L、电枢电阻 R、反电动势常数 Kb、转 速  m、电流 I 和时间 t 之间的关系如下 : U=L。 I 十 RI 十 K。  m （ 23） 洛阳理工学院毕业 设计（论文） 15 图 25 永磁式直流电动机模型 电动机产生的电磁转矩为 : Tm = Ka I (24) 式中 Ka—电动机的转矩系数 :NmA 1。 对电动机机械部分受力分析，可以得到 : Jm.. m + Bm. m=TmTa (25) .. mm m m m aJ B T T 式中 Jm,—电动机和离合器的转动惯量， Kgm 2。 Bm—电动机粘性阻尼系数， Nm/(rad/s)。  m—电动机的转 角， rad。 Tm—电动机电磁转矩， Nm。 Ta—电动机输出转矩， Nm。 在实际的控制系统中，电动机助力转矩 Ta 可以如下式所示 Ta = Km ( m –G e) (26) 洛阳理工学院毕业 设计（论文） 16 式中 Km—电动机和减速机构的输出轴刚性系数， Nm/rad。 输出轴子模型 对转向柱输出轴及电机输出轴进行动力学分析，得到下 面的运动学方程 : Je e +Be e=Tsen + GTa – Tw (27) 式中 Je—输出轴的转动惯量， Kgm2。 Be—输出轴的阻尼系数， Nm /(rad / s)。 G—蜗轮 蜗杆减速机构的减速比。 Tw—作用在输出轴上的反作用转矩， Nm。 齿轮齿条子模型 对齿条和小齿轮进行动力学 建模，可以得到 Mr Xr + Br Xr=pwRT FTR (28) 式中 Mr—齿条及小齿轮的等效质量， Kg。 Br—齿条的阻尼系数， N/(m/s)。 Xr—齿条的位移， m。 Rp—小齿轮半径， m。 FTR—轮胎转向阻力及回正力矩等作用于齿条上的轴向力， N。 转向阻力 FTR 主要受转向时车轮与地面的摩擦、回正力矩及转向系统中各种摩擦力和力矩的影响，同时 它还与车速、路况、转弯半径、风阻以洛阳理工学院毕业 设计（论文） 17 及转向盘的转速等有关。 对于常规助力控制过程该模型的简化对控制策略的影响不大，这里给出简化的计算公式： ]6[ FTR=KrXr+F (29) 式中 Kr—等效弹簧的弹性系数， N/m。 F —路面的随机信号， N。 其中  e=pfRX。 联立上面所建的动力学方程，可以得到 : Js.. s + Bs . s+ Ks s=TprRX （ 210） Jm.. m +Bm . m +Km  m = Tm+ G KmprRX （ 211） Mr ..X r+Br .X r+KrXr=pmrGK m +psrK s F （ 212） Mr=mr+2perJ ——减速机构、小齿轮和齿条等的当量质量， Kg； Br=br+2perB——减速机构、小齿轮和齿条等的当量阻尼系数， N/（ m/s）。 Kt=kt+2p2srGK mk——小齿轮、齿条和轮胎的等效弹簧的弹性系数，N/m； 电动助力转向系统的主要部 分 电动助力转向系统虽然有着三种不同的类型，但其主要部件几乎相同。 除了本身的机械传 动部件外，主要的部件还包括转矩传感器、车速传感器、直流电动机、电磁离合器、减速机构和电子控制器 ECU (Electronic Control 洛阳理工学院毕业 设计（论文） 18 Unit)。 转矩传感器 转矩传感器用于测量方向盘的输出力矩的大小和方向，然后将其转换为相应的电压信号传送给控制器 ECU，作为系统控制策略的重要依据之一，它直接影响到控制效果的好坏，所以很多厂家都非常重视转矩传感器的研究与开发。 转矩传感器有接触式和非接触式两类，非接触式主要是使用下列三种技术之一 ； ]6[ 磁、光和感应技 术。 非接触式转矩传感器的线性功能和滞后性能好，但价格较高。 接触式转矩传感器一般结构简单，价格合适，目前的应用也较为广泛。 本课题选用的即为非接触电位式转矩传感器，主要由滑块、钢球、环和电位器组成。 钢球通过螺旋球表面固定在输入轴外侧的螺旋球槽和滑块内侧的球洞里。 滑块相对于输入轴可以在螺旋方向移动。 同时，滑块通过一个销安装到输出轴，使它仅可以相对于输出轴在垂直方向上移动。 因此，当输入轴相对输出轴转动时，滑块按照输入轴旋转的方向和输出轴的旋转量，垂直移动 (在轴方向 )， (等于输入轴相对于输出轴旋转 )。 当转动方向盘，转矩被传递到扭力杆时，输入轴和输出轴之间的旋转方向里出现偏差。 这些偏差使滑块在轴方向移动，这些轴方向的移动转换为图 26 所示的控制杆里电位器的旋转角度。 结果，转矩转变为电压变化，并传送到控制器 ECU.送到控制器的转矩信号分为主、副两路。 当方向盘处于中间位置时，主、洛阳理工学院毕业 设计（论文） 19 副两路输出的信号都为 V。 当方向盘右转时，主转矩信号大于 V，副转矩信号小于 V。 当方向盘左转时，主转矩信号小于 V，副转矩信号大于 V。 系统利用主、副转矩信号即可判断方向盘转向的方向和转矩大小。 5 V输 出 电 压副 信 号右 左转 向 扭 矩0主 信 号 图 26 电位式转矩传感器的输出特性 车速传感器 车速信号也是系统控制重要依据之一，一方面它与转矩信号结合用以确定系统控制的目标电流，一方面用于保证系统的安全性和可靠性，即当车速超出系统设定的助力范围时，系统将停止助力，改为手动操作。 车速信号由车速传感器测得，车速传感器也有多种类型，主要是利用电磁原理和光学原理制成。 常见的车速传感器工作原理如图 27 所示 ， ]7[ 车速传感器由永久磁 铁、铁芯及线圈组成。 由于传感器的顶端设置在附有齿的转子附近，当附有齿的转子旋转时，从传感器的永久磁铁出来的磁通量发生变化，在线圈上就会产生交流电流。 图 27 为车速传感器的工作原理。 洛阳理工学院毕业 设计（论文） 20 图 27 车速传感器的工作原理 车速传感器的输出信号一般是经里程表处理后，变成方波信号送给控制系统。 在本文的研究中，作者采用脉冲发生器来模拟实际的车速信号，用于对控制策略的研究。 直流电动机 EPS 用直流电动机与一般 的起动电机在原理上基本相同，但一般采用永磁电动机。 为了降低噪声和减小振动，有的电动机转子外圆表面开有斜槽。 作为 EPS 系统助力的提供者，直流电动机应当有较好的机械特性和调速特性。 一般应满足如下要求 ： ]3[ 1)尽可能宽的调速范围。 2)较小的转动惯量。 3)良好的低速平稳性。 4)体积小、质量轻、噪声低。 5)过载能力强。 按照上述要求，本课题选用了直流有刷永磁电动机作为 EPS 系统的助洛阳理工学院毕业 设计（论文） 21 力电机，其工作的额定电压为 12 V,额定电流 为 30A,，额定转速为 1050r/min,额定输出功率为 170W，额定转矩为 . 电磁离合器 电磁离合器安装在电动机和减速齿轮之间，它的作用主要是使电机与减速机构快速地结合和分离。 当系统工作于助力模式时，离合器使电机与减速齿轮结合，传送电机的输出转矩。 当系统车速高于设定值或电机电流高于设定值或系统出现故障时，离合器又断开电动机与减速齿轮的连接，使系统停止助力，改为人工操作，从而保证系统的安全性和可靠性。 一般的 EPS 系统通常采用干式单片式电磁离合器，它的结构如图 28 所示，主要由电磁线 圈、 主动轮、从动轴、压板 等组成。 ]3[ 其工作原理如下 :装在电动机输出轴上的主动轮内装有电磁线圈，通过滑环引入电流。 当离合器通电时，电磁线圈产生的电磁力使压板与主动轮端面压紧。 于是，电动机的动力经主动轮、压板、花键、从动轴传给减速齿轮灭。 1 滑环 2 电磁线圈 3 压板 4 花键 5 从动轴 6 主动轴 7 滚珠轴承 图 28 电磁离合器结构图 洛阳理工学院毕业 设计。