EHPS汽车电动液压助力转向

第1章 绪论

1.1 汽车转向系统简介

汽车转向系统可以分为无助力转向系统和有助力转向系统。随着科技发展和新技术的采用，有助力转向系统逐渐由传统的液压助力转向(HPS) (Hydraulic Power Steering)系统向电动液压助力转向(EHPS) (Electronic Hydrautic Power Steering)系统和电动助力转向(EPS)(Etectronic Power Steering)系统发展。

汽车在转向的时候，由于车轮与地面的摩擦，前桥载荷可以高达几千牛顿，在没有助力的情况下用手臂转动转向盘会感觉到比较沉重，所以，需要采取助力转向来解决转向轻便性问题。而随着车速的增加，车轮与地面的摩擦力减小，在提供相同助力的情况下，高速时会令人感觉到转向盘发飘，另外，转向盘高速转动的时候，助力容易出现严重滞后，因此需要采用助力调节来解决转向盘发飘和助力跟随性问题。

传统的液压助力转向系统是利用发动机带动转向油泵工作，油泵的流量和压力随发动机的转速升高而增加当转向的时候，液压油流入其中的一个缸，而另外的一缸则有一部分油回流。这样两缸之间产生了压力差，从而产生助力。如果油泵的流量和压力越高，那么产生的助力就越大。对于汽车来说，车速越高，发动机的转速越快，这样油泵的流量和压力就会越大，相应的产生的助力也就越大，导致高速时转向盘发飘，为了解决这个问题，液压助力转向系统使用控制阀控制进入油缸的流速，让流速不要随着泵的转速改变而改变，这样解决了发飘的部分问题。

电动液压助力转向系统是在传统液压系统的基础上增设了电控单元(ECU)而组成的，它使用电机代替发动机带动转向油泵工作。通过ECU控制电机转速，电机转速越高，转向油泵的流量和压力越大，相应产生的助力也就越大。通过调节电机转速，就可以实现助力可变。

电动助力转向系统是由独立于发动机的蓄电池提供动力带动电机，用扭矩传感器测出施加于转向轴的扭矩，根据不同行驶条件通过ECU传送给电动机一个合适的电流以产生适合工况的转向助力。

传统的液压助力转向系统还存在以下问题:首先没有实现真正的助力调节，它采用恒流速的方法，只能部分解决转向盘发飘问题，高速时感觉较轻，低速时感觉较沉，操控舒适性较差;另外，在车速升高时，发动机转速升高，

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泵的流速升高，控制阀控制大部分液压油没有进入油缸而是回流入泵，这样造成了较大的能源损耗。

电动液压助力转向系统能量损耗较小，可以根据不同的路况提供可变助力，操纵手感好，适用于中型以上的货车和豪华轿车。

电动助力转向系统最节能，但目前使用的是有刷直流电机，寿命相对较短，适用于轻型轿车。

1.2 EHPS系统特点以及发展现状

1.2.1 EHPS系统构成及工作原理

电动液压助力转向系统是在液压动力转向系统基础上发展起来的，是将电机与液压动力电动泵、齿轮齿条式转向器、转向控制阀、电控单元等集成在一起的一种转向技术。它的结构如图1-1。

图1-1电动液压助力转向系统组成图

系统工作原理;首先控制器(Controller)实时的根据角度传感器（Steering angle sensor）和车速传感器等的信号计算出合适的电机转速，并调节电机达到该合适转速;在电机带动下，液压泵将高压油从出油孔泵出通过出油管进入转向阀，当有转向操作时，转阀阀芯和阀套产生相对运动，导致高压油进入

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其中一个油缸(左缸)，使左右油缸产生压力差，从而产生助力，另一个油缸(右缸)的低压油被压出来回流入液压泵。图中深色管为高压油，浅色管为低压油。当无转向操作时，高压油不进入油缸，直接回流入液压泵。

1.2.2 EHPS系统与其它转向系统的比较

传统液压助力转向系统由于由发动机带动转向油泵，在不转向或转向时都要消耗发动机部分动力。其次，一般液压动力转向系统所使用的转向油泵的流量是根据发动机怠速时能使动力转向系统产生足够的转向助力所需的供油量来确定，当提高发动机转速的时候，其供油量不断的增加，但由于动力转向系统要求转向油泵的流量如图1-2所示，要求随着发动机转速的提高所要求转向油泵的流量保持不变或下降。因此，在高速时，转向油泵内大部分流量通过溢流阀返回，在转向油泵内循环，造成转向油泵发热，更重要的是造成能源浪费，不符合汽车节能要求，也不符合汽车对转向系统的要求，能耗对比如图1-3。

图1-2转向泵流量特性曲线图

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1）传统液压助力转向系统 2）采用控制阀的液压助力转向系统

3）电动液压助力转向系统

图1-3能量消耗对比

1.2.3 EHPS系统的特点

EHPS系统是由直流电机带动电动泵工作，而不是由发动机驱动，可根据转向需求提供不同的转向力，满足汽车对转向系统的要求。在发动机怠速时，电动泵提供较大的流量，而在高速时，按转向要求，使其流量有所下降。亦即在低速行驶时，驾驶员需较小的转向操纵力就能灵活地进行转向，而在高速转向时，使操纵力逐渐增大，优化了转向操纵，提高了驾驶员舒适性和转向灵活性，又克服了转向“发飘”感觉，使驾驶员操纵时有显著的“路感”，保证在高速行驶时的稳定性和安全感。

另外，EHPS系统将电机、控制器、液压泵集成在一起降低了占用空间，安装比较轻便。控制器具有可编程性，可根据不同车型或个人喜好调节系统的性能，有较好的可移植性。

综上所述，EHPS系统相对HPs系统具有如下特点; 1)、采用无刷直流电机(BLDC)，降低了能源损耗。 2)、结构紧凑，便于安装。

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3)、具有可编程的助力特性，性能便于调试，能得到舒适的转向路感。 4)、提高了可控性，可靠性，具有更好的安全性。

5)、与传统的叶片泵相比，采用齿轮泵的EHPS系统泵油效率提高。 6)、维护方便。

7)、具有较高的性能价格比。

另外，与EPS系统相比，EHPS系统采用液压提供助力，使助力比较平滑，手感很好;对于以前的HPS系统，可以经过相对简单的改装即可成为EHPS系统;另外EHPS系统也继承了HPS系统的优点，能够提供很足的助力，将主要应用与高级轿车以及运动型乘用车上。

1.3 EHPS系统的发展状况

由于EHPS系统的优越性能，国外很早就开始对其进行了研究，可以追溯到上世纪80年代，但当时的情况主要局限于理论研究，在技术实现上是利用电子阀控制油泵流量的方法调节助力，该技术在操控性和节能方面的改进十分有限。

随着电子技术的发展和无刷直流电机的应用，电动液压助力转向系统有了更深刻的变化，现在的研究方向是更为轻便、更为安全、更为节能。国外(主要是KOYO和TRW公司)提出了应用电机代替发动机驱动转向油泵以节能，根据车速、转向盘角速度控制电机转速以更为轻便和安全的方法。并已经有产品推出， TRW公司生产的EHPS系统，它的控制器可以为电机提供高达几十安的电流，产生几千牛的助力。该公司主要为大众的POLO轿车配套。 国外虽然已经有产品推出，但由于时间较短，还不具有很大市场规模，而且汽车产品都有较长的跑车试验期和寿命测验，所以如今的大多数的汽车还是采用传统的液压助力转向系统。从长远眼光来看，传统的液压系统必然要被EHPS系统或者更高的系统所代替。

国内对于电动液压助力转向系统的研究还处于探索阶段，因为该系统涉及电子，机械，自动化等诸多领域，需要多学科的交叉，面临的难题也比较多，另外国内在无刷电机和转向柱方面的配套技术比较落后，如此种种影响了整个系统的发展。而且国外对此方面技术非常保密，国内对该技术介绍较少。这些因素都导致我国在EHPS系统方面的研究十分落后。

1.4本课题的研究意义

随着科技的发展和人们生活水平及环保意识的提高，汽车转向助力肯定

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会向更轻便、更节能、更安全的方向发展，而本课题正是沿着这个方向对汽车的转向系统进行了研究。现存的汽车，大部分都是传统液压助力转向系统，甚至没有助力转向系统，电动液压助力转向系统能提供比其更安全、更舒适的转向操控性和节能效果。本课题对该系统的控制算法和控制系统进行了深入、细致的研究，并将其应用于实践，这对于推动该系统的发展和最终的产品化应用，对于推动机械、传感器技术和电子器件制造等相关产业的发展，对于提高我国汽车电子化水平和加快转向系统产业化发展具有十分重要的意义。

在可预见的将来，电动液压助力转向系统在汽车尤其是豪华轿车和货车中必定会有广泛的应用

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第2章 电动液压助力转向系统的总体组成

2.1 电动液压助力转向系统的机理及类型

2.1.1 电动液压助力转向系统的机理

EHPS 的工作原理如图2-1所示。汽车直线行驶时，方向盘不转动，泵以很低的速度运转，大部分工作油经过转向阀流回油罐，少部分经液控阀直接流回油罐；当驾驶员开始转动方向盘时，电子控制单元根据检测到的转角、车速以及电动机的反馈信号等，判断汽车的转向状态，向驱动单元发出控制指令，使电动机产生相应的转速以驱动泵，进而输出相应流量和压力的高压油（瞬时流量从ECU中储存的流量通用特性场中读取。）。压力油经转阀进入齿条上的液压缸，推动活塞以产生适当的助力，协助驾驶员进行转向操纵，从而获得理想的转向效果。因为助力特性曲线可以通过软件来调节，所以该系统可以适合多种车型。在电子控制单元中，还有安全保护措施和故障诊断功能。当电动机电流过大或温度过高时，系统将会限制或者切断电动机的电流，避免故障的发生；当系统发生故障(如蓄电池电压过低、转角传感器失效等)时，系统仍然可以依靠机械转向系统进行转向操纵，同时显示并存储其故障代码。

1.动力缸 2.转向阀 3.ECU 4.电机 5.液压泵 6.液控阀 7.限压阀

图2-1电动液压助力转向系统工作原理图

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EHPS 系统有如下特点：一是节能，高速时最多能节约85%的能源（相对于传统的由发动机驱动泵的系统），实际行驶过程中能节约燃油0.2L/100km；二是结构紧凑，主要部件(电动机、油泵和电子控制单元)均可以组合在一起，具有良好的模块化设计，所以整体外形尺寸比传统液压助力转向系统要小，质量要轻，这就为整车布置带来了方便；三是根据车型的不同和转向工况的不同，提供不同的助力，有舒适的转向路感。

2.1.2 电动液压助力转向系统的分类

由于助力转向系统具有转向轻便和响应性好等优点，已经在汽车上广泛使用。但是，固定助力效果的助力转向系统具有明显的缺点，虽然这种转向系统的助力效果在车速较低时能够起到很好的作用，但是当车速不断升高时，固定的助力效果会使转向盘过于灵敏，不利于驾驶者对方向进行控制。基于这种原因，设计人员通过电子控制技术在助力转向系统上增加了车速感应式转向功能，以实现车辆低速行驶时助力力矩大和高速行驶时助力力矩小的效果，这就出现了电子控制助力转向系统。在此需要说明的是，有些车型配置的助力转向系统不是通过感应车速来改变助力力矩的大小，而是通过感应发动机转速来改变助力力矩的大小，但是这种助力转向系统应用得比较少。随着人们对车辆舒适性和安全性要求的不断提高，目前的电动助力转向系统已经不仅仅具有车速感应式转向功能，例如有些车型还具有“一般转向模式”和“运动转向模式”，并可以在2种转向模式之间自由切换。

从广泛意义上讲，电动液压助力转向系统分为2种。一种是为了实现车速感应式转向功能，而在机械液压助力转向系统的基础上增加了控制液体流量的电磁阀、车速传感器以及转向控制单元等，转向控制单元根据车速信号控制电磁阀，从而通过控制液体流量实现了助力作用随车速的变化。另一种助力转向系统是用由电动机驱动的液压泵代替了机械液压助力转向系统中的机械液压泵，而且增加了车速传感器、转向角速度传感器以及转向控制单元等部件。从性能上讲，采用电动液压泵的电动液压助力转向系统具有更好的性能。

电动液压助力转向系统根据转阀的不同分为中位开式和中位闭式。中位开式工作系统的组成如图2-2所示。转向阀中位有预开量，不转向时，来自转向液压泵的液压油经过槽和槽脊之间的间隙(预开口),阀芯上的径向孔流回油箱，因此也被称为常流式转向助力系统。转向液压泵通常由发动机驱动(亦

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可由电动机驱动)。中位开式转向助力系统的优点是结构简单，液压泵寿命长和转向手感好。

1. 内燃机；2. 液压泵；3. 液压缸；4. 车轮；

5. 转阀；6. 流量调节阀；7. 溢流阀

图2-2中位开式EHPS系统

中位闭式转向系统如图2-3所示。当方向盘处于不转向的中间位置时，转向阀的进出油口关闭。液压回路中装有蓄能器，当蓄能器中的压力低于某一时，卸荷阀关闭，液压泵向蓄能器供油;当蓄能器中的压力达几到另一较高值时，卸荷阀打开，液压泵停止向蓄能器供油、由于蓄能器中总保持一定的工作压力，所以也被称为常压式转向助力系统。

中位闭式转向系统最大的优势在于，在非转向工况下，系统几乎不消耗原电动机的能量，在液压泵不运转的倩况下，系统保持一定的转向能力。

但是中位闭式转向助力系统转向流量和压力由蓄能器提供，在各种工况下输出不易调整，转向助力不能随转向负荷做相应的变化，降低了驾驶的可靠性和舒适性。另外，它的密封和结构都比中位开式复杂，所以目前车辆中常用的仍是传统的中位开式转向助力系统。

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1. 压力继电器；2. 电动机；3. 液压泵；4. 蓄能器；

5. 液压缸；6. 车轮；7. 转向阀；8. 单向阀；

9. 卸荷阀；10. 内燃机；11. 溢流阀；

图2-3 EHPS中位闭式系统

2.2 电动液压助力转向系统的总体框架

采用电动泵式的EHPS系统一般由电气装置和机械装置两部分组成，电气部分由车速传感器、转角传感器和电子控制单元ECU组成；机械装置包括齿轮齿条转向器（包括转子阀和助力缸）、控制阀及管路、电动泵。而比较先进电动泵把齿轮泵（或叶片泵）、ECU、低惯量、高功率的直流电机和油罐集成在一起，构成集成的电动泵，使得整个总成结构紧凑，质量变得更轻，安装的柔性也大大增强。

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1. 转角传感器；2. 动力转向传动装置；

3. 储油罐；4. 限压阀；

图2-4 EHPS系统结构简图

2.3 电动液压助力转向系统组成部件的选取

电动液压助力转向系统简称为EHPS，系统部件主要包括电动机、液压泵、转向机、转向角速度传感器、转向控制单元、EHPS警告灯以及助力油储液罐等，其中转向控制单元和电动机及液压泵通常安装在一起。

2.3.1 电动机

电动机分为无刷和有刷电动机，通常采用免维护无碳刷式电动机。这种电动机利用电子方式实现整流，而且没有碳刷的磨损，因此具有很好的可靠性和较长的使用寿命。当不需要提供转向助力时，电动机在很小的电流驱动下转动，这样当需要较大的转向助力时，电动机就可以立即提高转速以提供所需要的助力。

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2.3.2 齿轮泵

电动液压助力转向系统EHPS所用的齿轮泵为外啮合齿轮泵，主要由主动齿轮、从动齿轮、泵体、泵盖等组成。齿轮泵靠两端密封面密封，主动齿轮和从动齿轮均由两端轴承支撑。泵体、泵盖和齿轮的各个齿间槽形成密封的工作空间。

电机驱动主动齿轮，主动齿轮靠啮合带动从动齿轮旋转。当两齿逐渐分开，工作空间的容积逐渐增大，形成部分真空，储油罐内的液压油在大气压作用下，经进口被吸入，吸入的液压油沿泵体被齿轮挤压推入高压油腔。当主动、从动齿轮不断旋转时，泵便能不断吸入和排出液压油，提供助力。

外啮合齿轮泵结构简单、质量轻，造价低、工作可靠，较叶轮泵容积效率和机械效率都要高。图2-5为齿轮泵的结构简图。

图2-5齿轮泵的结构简图

2.3.3 转向角速度传感器

通常是霍尔式传感器，内置于转向盘内或转向机内，持续监控转动角速度，以作为转向控制单元控制助力的参考依据。例如，当车辆高速行驶时，在车速感应式转向功能的作用下，助力转向系统提供的助力作用会减小，但是行驶中有可能出现需要紧急转向的突发情况。当驾驶者猛打转向盘时，转向角速度传感器会感知这一变化并会向转向控制单元发出信号，转向控制单元控制电动机的转速迅速提高，助力作用会瞬间增大，以便车辆顺利完成转

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向动作。在拆卸和安装转向角速度传感器时，应注意将转向盘置于正中间位置。

2.3.4 转向控制单元

转向控制单元具有接收和处理各个传感器信号、输出执行信号以及监控系统工作状态等多种功能。

转向控制单元接收来自发动机控制单元的车速信号或发动机转速信号，以及来自转向角速度传感器的角速度信号，并计算出理想的控制电流输出给电动机，以控制助力力矩的大小和方向。 当系统存在故障时，转向控制单元会存储故障码并点亮仪表板上的EHPAS警告灯或EPAS警告灯。当监测到系统内电动机等部件出现严重故障时，转向控制单元会切断助力转向系统，此时机械转向系统仍然正常。

为了保护电动机等部件，转向控制单元在适当的时候会起动临界状态控制程序。例如当转向机转动至极限位置时，由于此时助力转向系统的电动机不能转动，所以通过电动机的电流就会达到最大值，为了避免持续大电流导致电动机和控制单元损坏，所以当较大电流连续通过30 s后，转向控制单元就会控制电流逐渐减小。当这种状态消失后，转向控制单元就会根据需要控制电流逐渐增大，直到达到正常工作电流值。

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第三章 电动液压助力转向系统的设计

3.1 EHPS系统的设计方法

在研究电动液压助力转向系统功能的基础上，对该系统的设计方法做了探讨。

汽车的最大转向力矩发生在汽车原地转向时，助力转向必须满足此时转向轻便性的要求。汽车原地转向阻力矩Tw（N·m）为

3fG1Tw

3p式中 f——轮胎和路面间的滑动摩擦因数；一般取f=0.7；

G1——转向轴负荷，单位为N；

P——轮胎气压，单位为MPa。

此公式是经验公式。为安全起见，取安全系数为1.5～2。此时，转向盘所需转矩Th（N·m）为

ThTw iW式中 iW——转向系角传动比，一般情况下，轻型车为15～23；

——转向系正效率，对齿轮齿条式转向器，

一般为70%～85%。

根据推荐值，转向盘操纵力不应大于30～50N,在10N 以下则转向很轻便。因此，驾驶员作用在转向盘上的转矩Th0（N·m）为

DhTh0Fh0

2式中 Fh0——作用在转向盘上的力（N）；

Dh——转向盘直径（m）。

所以，最大助力转矩Tamax（N·m）为：

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TamaxThTh0

由此可以得到齿条上的最大作用力F（N）为：

F=Tamax/rg

式中 rg ——小齿轮半径（m）。 根据液压泵的压力标准系列，初步选定需要的最高工作压力Pmax（MPa），并计算出助力缸活塞实际作用面积为

S= F / Pmax

由式上式得到助力缸内径和活塞杆直径的初步值。根据现有的助力缸内径和活塞杆直径常用系列值来，进一步确定合适内径和直径。在确定了转向器的相关参数后，下面根据这些参数设计出符合要求的电动泵的相关参数。

对于油泵，一般要求当油泵输出最大流量时，要能够满足求方向盘转速不低于1r/s，轿车最大取1.5r/s。近年来，国内普遍采用1.25r/s 计算。则 活塞速度为：

V21.25d12

式中 d1——小齿轮直径（mm）。

转向器所需的流量一般由动力缸活塞的有效作用面积和最大转向速度决定。它可以近似为动力缸容积随时间变化的函数加上传动装置及转向器内的 泄流量Q2 (泄流量一般取0.9L/min)。

则泵实际需要提供的最大流量Q1 (L/min)为：

Q1 =（1.5～2）Q0 + Q2

然后，对泵的结构、泵腔的尺寸进行优化设计，使之符合常用的排量系列中的值。在此基础上，确定泵的最高转速nmax（r/min），则泵的最高转速可由最大流量和排量得出：

nmax = Q1 / q

通过对以上参数的计算，可以得到所需要的液压功率Py （W）为：

Py = Q1 × Pmax

泵的输入扭矩Ti（N·m）为：

TiPmaxq

2m式中 εm ——泵与电机之间的机械效率，一般取（0.9～1）

因为电动机和泵之间的扭矩传递损失很小，所以可以认为扭矩值非常接

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近于根据提供足够助力需求所计算得到的扭矩值。首先，取一个安全系数 n（1～1.2）[1]，可以得到电动机的额定输出扭矩Te，则电动机的额定功率Pe 为：

2 PeTeVe60上述设计方法的是可行的，能够设计出符合助力要求的电动液压转向系统，该设计方法是比较合适的。

3.2 转向器的介绍

转向器是转向系统中的重要总成，其作用主要有三方面，一是增大来自转向盘的转矩，使之达到足以克服转向轮与路面之间的转向阻力矩；二是减低转向传动轴的转速，并使转向摇臂轴传动，带动要比摆动使其末端获得所需的位移，或者是将与其转向传动轴连接在一起的主动齿轮的传动，转换成齿条的直线运动而获得所需的位移；三是通过选取不统的螺（蜗）杆上的螺纹螺旋方向，达到使转向盘的转动方向与转向轮转动方向协调一致的目的。

汽车工业发达的国家，早期主要是围绕减小转向器的摩擦阻力、提高效率和增大刚度等方面从事研究并开发出新产品。齿轮齿条式转向器很早便在奔驰汽车上得到应用，在1920年以前，许多牌号汽车都用这种转向器，因此这种转向器是应用最早的转向器之一，已有100多年的历史。早期使用的齿轮齿条式转向器，由一直齿圆柱齿轮与一直齿齿轮相啮合所组成，不仅运动平稳性不好，而且冲击和噪声都比较大。此外，小齿轮轴线与齿条轴线间的夹角只能是直角，很难满足总体布置要求。随着汽车工业的发展，其结构得到不断的完善。开发了斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的转向器，克服了采用直齿时所形成的缺点。如图3-1。

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图3-1 齿轮齿条式转向器

目前齿轮齿条式转向器在各级别轿车上都得到广泛应用，而且随着发动机前置前轮驱动轿车的生产不断扩大，齿轮齿条式转向器应用的前景将十分广阔，因为这会使转向干系变得简单。进入80年代初，我国生产的微型货车开始开始应用齿轮齿条式转向器，目前国产轿车绝大多数采用的都是这种形式转向器。

齿轮齿条式转向器主要由小齿轮、齿条、消除间隙机构及容纳上述各件的壳体组成。其中小齿轮与齿条作无间隙啮合并形成齿轮齿条传动副。工作时，转向盘带动小齿轮作旋转运动，便推动齿条作直线运动，在改变啮合副运动方向的同时增大了传动比。

在齿条齿与小齿轮啮合处的背部，设置有消除间隙机构。该机构由预紧弹簧、托座等零件组成，在齿轮与齿条齿之间因磨损出现间隙时能自动消除此间隙。在齿条与托座之间装有用减磨材料聚四氯乙烯制的垫片，齿条通过托座和转向器壳中的支承来支承。

根据输入齿轮位置和输出特点，齿轮齿条式转向器有四种形式，即中间输入、两端输出；侧面输入、两端输出；侧面输入、中间输出；侧面输入、一端输出。如图3-2。

图 3-2 齿轮齿条式转向器输入输出形式

a) 中间输入、两端输出；b) 侧面输入、两端输出； c) 侧面输入、中间输出；d) 侧面输入、一端输出；

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今后一段时间内，汽车主要采用的将是齿轮齿条式转向器和循环球式转向器。本文主要研究的是齿轮齿条式转向器。

3.3 齿轮齿条式转向器的计算

3.3.1 转向系计算载荷的确定

为了保证行驶安全，组成转向系的各零件应有足够的强度。预验算转向系零件的强度，需首先确定作用在各零件上的力。影响这些力的主要因素有转向轴的负荷、路面阻力和轮胎气压等。为转动转向轮要克服的阻力，包括转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内摩擦阻力等。

精确地计算出这些力是困难的。为此用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩MR(N·mm)为：

3fG10.7MR3p3(9009.8)3456828.455Nmm0.179

式中 f——轮胎和路面间的滑动摩擦因数；

G1——转向轴负荷，单位为N；

P——轮胎气压，单位为MPa。

作用在转向盘上的手力Fh为：

FhLDi2SW2L1MRW2456828.455156N

36018.190%式中 L1——转向摇臂长, 单位为mm；

MR——原地转向阻力矩, 单位为N·mm L2——转向节臂长, 单位为mm； DSW——为转向盘直径,单位为mm；

Iw——转向器角传动比；

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ε+——转向器正效率。

因齿轮齿条式转向传动机构无转向摇臂，故L1、L2不代入数值。对给定的汽车，用上式计算出来的作用力是最大值。因此，可以用此值作为计算载荷。

梯形臂长度的计算L2：

轮辋直径RLW= 16in=16×25.4=406.4mm 梯形臂长度L2=RLW×0.8/2= 406.4×0.8/2

=162.6mm, 取L2=160mm

轮胎直径的计算RT：

RTRLW0.55205=406.4+0.55×205=518.75mm

取RT=520mm

转向横拉杆直径的确定：

d4MRa[]4456.83310m4.103mm0.16216

a=L2;[]216MPa;MR456.83Nm

因此取dmin=15mm

初步估算主动齿轮轴的直径：

d316Mnmax3161560.16210m9.69mm[]=140Mpa

[]140

所以取dmin=18mm

上述的计算只是初步对所研究的转向系载荷的确定。

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3.3.2 EHPS系统齿轮齿条式转向器的设计

1.齿条是在金属壳体内来回滑动的，加工有齿形的金属条。转向器壳体是安装在前横梁或前围板的固定位置上的。齿条代替梯形转向杆系的摇杆和转向摇臂，并保证转向横拉杆在适当的高度以使他们与悬架下摆臂平行。齿条可以比作是梯形转向杆系的转向直拉杆。导向座将齿条支持在转向器壳体上。齿条的横向运动拉动或推动转向横拉杆，使前轮转向。

表3-1 齿条的尺寸设计参数 序号 项目 符号 尺寸参数(mm) 1 总长 767 L 2 直径 30  3 4 齿数 法向模数 Z2 Mn2 20 3 2.齿轮是一只切有齿形的轴。它安装在转向器壳体上并使其齿与齿条上的齿相啮合。齿轮齿条上的齿可以是直齿也可以是斜齿。齿轮轴上端与转向柱内的转向轴相连。因此，转向盘的旋转使齿条横向移动以操纵前轮。齿轮轴由安装在转向器壳体上的球轴承支承。

斜齿的弯曲增加了一对啮合齿轮参与啮合的齿数。相对直齿而言，斜齿的运转趋于平稳，并能传递更大的动力。

表3-2 齿轮轴的尺寸设计参数

序号 项目 符号 尺寸参数(mm) 1 总长 198 L 2 3 4 5 6 齿宽 齿数 法向模数 螺旋角 螺旋方向 B1 Z1 Mn1 60 6 3 20° 左旋  20

3.转向横拉杆及其端部 转向横拉杆与梯形转向杆系的相似。球头销通过螺纹与齿条连接。当这些球头销依制造厂的规范拧紧时，在球头销上就作用了一个预载荷。防尘套夹在转向器两侧的壳体和转向横拉杆上，这些防尘套阻止杂物进入球销及齿条中。

转向横拉杆端部与外端用螺纹联接。这些端部与梯形转向杆系的相似。侧面螺母将横拉杆外端与横拉杆锁紧。见图3-3。

注：转向反馈是由前轮遇到不平路面而引起的转向盘的运动。

1.横拉杆 2.锁紧螺母 3.外接头壳体4.球头销 5.六角开槽螺母 6.球碗 7.端盖 8.梯形臂 9.开口销

图3-3转向横拉杆外接头

4.齿条调整 一个齿条导向座安装在齿条光滑的一面。齿条导向座1和与壳体螺纹连接的调节螺塞3之间连有一个弹簧2。此调节螺塞由锁紧螺母固定4。齿条导向座的调节使齿轮、齿条间有一定预紧力，此预紧力会影响转向冲击、噪声及反馈（见图3-4）。

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图3-4齿条间隙调整装置

3.3.3 齿轮齿条式转向器的设计要求

齿轮齿条式转向器的齿轮多数采用斜齿圆柱齿轮。齿轮模数取值范围多在2～3mm之间。主动小齿轮齿数多数在5～7个齿范围变化，压力角取20°，齿轮螺旋角取值范围多为9°～15°。齿条齿数应根据转向轮达到最大偏转角时，相应的齿条移动行程应达到的值来确定。变速比的齿条压力角，对现有结构在12°～35°范围内变化。此外，设计时应验算齿轮的抗弯强度和接触强度。

主动小齿轮选用16MnCr5或15CrNi6材料制造，而齿条常采用45钢制造。为减轻质量，壳体用铝合金压铸。

3.4 齿轮轴和齿条的设计计算

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表3-3 齿轮轴和齿条的设计计算 设计计算和说明 1.选择齿轮材料、热处理方式及计算许用应力 (1) 选择材料及热处理方式 小齿轮16MnCr5 渗碳淬火，齿面硬度56-62HRC 大齿轮 45钢 表面淬火，齿面硬度56-56HRC (2) 确定许用应力 [H]计算结果 Hlim11500MPa Hlim21300MPa Flim1425MPa Flim2375MPa N1N22.16107 HlimZNSHmin [F]FlimYSTYNSFmin ZN11.32 YN11YN2 a)确定Hlim和Flim Hlim11500MPa [H1]1980MPa Hlim21300MPa Flim1425MPa Flim2375MPa b)计算应力循环次数N，确定寿命系数ZN、YN。 N160an1t601151083002.16107N2 ZN11.32 YN11YN2 [H2]1716MPa [F1]607.14MPa c)计算许用应力 取SHmin1,SFmin1.4 [F2]535.7MPa 23

Z15001.32[H1]Hlim1N1=1980MPa SHmin1[H2]Hlim2ZN2SHmin=13001.321716MPa 1应力修正系数YST2 [F1]Flim1YSTYN1SFmin=42521607.14MPa 1.4[F2]Flim2YSTYN2SFmin=37521535.7MPa 1.42.初步确定齿轮的基本参数和主要尺寸 (1) 选择齿轮类型 根据齿轮传动的工作条件，选用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条T124960Nmm 啮合传动方案 (2) 选择齿轮传动精度等级 选用7级精度 (3) 初选参数 初选Kt1.4 20 Z1=6 Z2=20 d=0.8 Y=0.7 Y=0.89 按当量齿数ZVZ/cos36/cos3207.23 YFS15.6 (4) 初步计算齿轮模数mn 转矩T1156×0.16=24.96Nm=24960Nmm 斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合传动 7级精度 24

闭式硬齿面传动，按齿根弯曲疲劳强度设计。 mnt32KtT1cos2YYdZ12YFS [F]K=1.378 mn=2.5mm 221.424960cos200.70.895.6 =32607.140.86=2.309mm (5) 确定载荷系数K KA=1，由t d1=16mm mntz1n1601000cos0.0116m/s, vZ1/100=0.000696,KV=1；对称布置，取K=1.06； da1=21mm 取K=1.3 则KKAKVKK=1×1×1.06×1.3=1.378 (6) 修正法向模数 mnmnt3KKt df1=9.75mm =2.309×31.3781.4=2.297 取b2=20mm ha2=2.5mm 圆整为标准值，取mn=2.5mm 3.确定齿轮传动主要参数和几何尺寸 (1) 分度圆直径d d1mnz12.56==16mm coscos20(2) 齿顶圆直径da1 Xn da1d2ha=16+2mnhan hf2=3.125mm =16+2×2.5(1+0)=21 mm 25

(3) 齿根圆直径df df1d2hf=16-2mnhanCnXn Sn2=3.9mm =16-2×2.5×1.25=9.75mm (4) 齿宽b bdd1=0.8×16=12.8mm 因为相互啮合齿轮的基圆齿距必须相等，即Pb1Pb2。 齿轮法面基圆齿距为Pb1mn1cos1 齿条法面基圆齿距为Pb2mn2cos2 取齿条法向模数为mn2=2.5 (5) 齿条齿顶高ha2 ha2mnhanXn=2.5×(1+0)=2.5mm H1677.6MPa 齿面接触疲劳强度满足要求 (6) 齿条齿根高hf2 hf2mnhanCnXn=2.5×(1+0.25-0)=3.125mm (7) 法面齿距Sn2 Sn2/22Xntannmn=3.9mm 4.校核齿面接触疲劳强度 HZHZEZZ2KT1u1[H] 2ubd1 26

查表，得ZE=189.8MPa 查图，得ZH=2.45 取Z=0.8，Z=cos=0.969 所以 H=189.8×2.45×0.8×0.969 ×21.378249602MPa 120162=1677.6MPa[H2] 3.5 本章小结

本章是电动液压助力转向系统的设计，主要内容如下：

(1) 介绍了电动液压助力转向系统的一种设计方法，这种设计方法是有其可行性的，能够设计出符合助力要求的电动液压转向系统，该设计方法在现实中是比较合适的。

(2) 对EHPS系统中的齿轮齿条转向器的主要元件进行的详细的介绍，并且给出了一些参考的转向系参数。

(3) 根据已知条件，对EHPS系统中的齿轮齿条式转向器进行了齿轮轴和齿条的设计计算。

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第四章 电动液压助力转向系统控制器的研究

4.1 电动液压助力转向系统控制器介绍

目前, 商用车上的转向系统大多是液压助力转向系统, 而传统的液压助力系统助力特性是固定的,存在低速转向沉重、高速转向发飘的问题。这对驾驶舒适性和安全性都有较大的影响。在液压助力转向系统的基础上加装电子控制装置, 改变其助力特性, 就构成了电动液压助力转向系统EHPS。EHPS 系统针对不同车速给出不同的助力特性, 既满足了低速工况下的大助力需求, 又保证了高速工况下的路感, 是当前液压助力转向系统的发展趋势。

常见的ECHPS 系统都采用电磁阀来调节系统的油压和流量, 而日本光洋公司与1998 年推出了一种新型的采用步进阀的阀特性式的ECHPS 系统。与电磁阀相比, 步进阀有如下特点: 提高了滑阀的位置精度; 以固定车速行驶时, 执行机构不消耗电力; 行驶过程中, 向执行机构供给的电流被中断时, 转向力不会因为滑阀位置的变动而发生快速变化, 即系统出故障的情况下稳定性好。清华大学汽车研究所开发了采用步进转阀的流量控制式EHPS 系统, 如图4-1 所示。本章对其控制器进行了研究。

图 4-1 EHPS系统

4.2 两相混合步进电机恒转矩细分原理

两相混合步进电机可以抽象为如图4-2 所示, 绕组间的电角度为90°, 则两相电流的相位差也为90°。

由图可得:

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iAI0cosiBI0sin式中 I0——满幅单相绕组电流。 则由欧拉公式可得合成电流向量为:

图4-2两相混合步进电机模型

这样就得到了一个幅值为I0、幅角为! 的矢量。只要控制! 作均匀步长变化, 就可以保证该矢量做均匀步长的转动, 且保持幅值不变, 从而实现步进电机恒转矩的细分转动。对步进电机作均匀细分后, 可以得到一系列对应的值, 由公式可以计算出对应的A、B 相的电流。将这些电流值量化后储存在单片机内, 步进电机运行时根据对应的步数将数据送入控制电路中, 就可以实现对电机绕组的电流控制, 实现细分驱动。

4.3 控制器电路基本构成

4.3.1 电路概述

控制器的模块如图4-2 所示。各部分的主要构成及功能如下:

(1)系统信号输入输出。主要包括车速信号、方向盘转速信号和各部分电压监测信号输入, 状态指示灯、DEBUG 灯信号输出。

29

图4-2 EHPS控制系统

(2)单片机相关电路。主要包括单片机、相应的时钟电路、电源部分以及程序烧写接口等。该部分提供了整个系统的信号处理及基本控制信号输出功能。

(3)细分控制。对单片机提供的绕组电平信号、D/A 提供的电流限值以及由绕组电流检测部分反馈回来的电流值进行综合处理, 产生斩波驱动信号送 入驱动电路。

(4)功率驱动电路。将细分控制产生的斩波信号进行放大, 驱动步进电机转动。

(5)步进电机。步进电机带动泄流阀, 改变ECHPS 系统的助力特性。 (6) D/A。根据具体的细分步数, 产生对应的目标电压值, 送入细分控制器。

(7)绕组电流检测。由电流/电压转换和放大器构成。将电机绕组中的电流转化为电压值并放大, 送入细分控制器与D/A 产生的目标电压进行比较, 一旦达到目标值就进行斩波。

(8)电机位置检测。由光电续断器及其相关电路组成。主要提供了阀的基准位置, 并在运行过程中作为位置校准点。

4.3.2 细分驱动电路设计

控制器采用的细分芯片为L6506, 驱动芯片采用的是L298, 其内部结构及连接如图4-3所示。以某个细分位置时A 相绕组为例, 说明电流控制的工作过程。假设此时A 相绕组正向通电, 需要的电流大小为IA。首先单片机分别给出IN1 为高、IN2 为低的方向控制信号( 如果A 相反向通电, 则给IN1 为低、IN2 为高的信号) , 同时, 根据单片机内部预设好的表格, 查出IA 所对应的参考电压(VAref) , 通过SPI 接口将对应的控制信号输出给D/A 芯片, D/A 在对应A 相绕组的OUTA 输出一个参考电压VAref。IN1 高电平信号使得H

30

桥的T1 臂打开, T3 臂关闭; IN2 的低电平信号使得H 桥的T2 臂关闭, T4 臂打开。这样由图不难看出电流的流动顺序为:

Power→H 桥T1 臂→绕组A 正→绕组A 负→H桥T4 臂→采样电阻Rsen1→地

图4-3细分驱动增加

随着通电时间的增加, 回路中的电流iA( t) 不断增大, 采样电阻上的电压Vsen1 不断增大。当Vsen1 的值达到VAref 时(即iA( t)=IA), 比较器被推翻, 触发器清零,A 相输入控制信号被关断, 绕组通过续流回路进行续流, 电流iA( t) 不断减小, 使得采样电阻上的电压Vsen1不断减小, 从而使Vsen14.4 研究结论

所采用的步进电机步进角为1.8°, 10 细分后步距角达到了0.18°, 使用一般仪器难以测量。为了检验细分结果, 设计了如图4-4 所示的步进角测量装置。步进电机的角位移放大转化为光点的直线位移, 便于测量。图中L 为电机轴到投影屏幕的距离。则投影光点位移l 与电机转角ζ有如下近似关系:

31

图4-4步进角测量装置

1 arctg

L针对整个系统, 可以看出, 在低车速的情况下,系统压力能够随着方向盘转矩的提高迅速上升, 从而提供较大幅度的助力, 避免了低速时转向沉重; 在高车速情况下, 系统压力只有方向盘转矩较大情况下才有明显提高, 从而避免了转向发飘, 增加了驾驶员的手感。通过对步进阀的控制, 改变了系统在不同车速下的助力特性, 达到了改善助力特性的目的。

所研究的控制器满足了EHPS 系统的需要, 能够针对不同的车速提供不同的转向助力特性,解决了液压助力转向系统的“低速沉重, 高速发飘” 问题。对于一些常见的系统故障, 控制器也能进行诊断。现有控制器在中速情况下的助力特性和速度的对应还是不够理想, 有待进一步的改进。

32

第五章 转向传动机构的优化设计

5.1 结构与布置

齿轮齿条式转向器具有结构简单紧凑、制造工艺简便等优点, 既适用于整体式前轴,也适用于采用独立悬架的断开式前轴, 被广泛地应用在轿车、轻型客货车、微型汽车等车辆上。其中, 与之配用的转向传动机构同传统的整体式转向梯形机构相比有其特殊之处。

一般来说, 这种转向系统的结构大多如图5-1所示。转向轴1的末端与转向器的齿轮轴2直接相连或通过万向节轴相连, 齿轮2与装于同一壳体的齿条3啮合, 外壳则固定于车身或车架上。齿条通过两端的球铰接头与两根分开的横拉杆4、7相连, 两横拉杆又通过球头销与左右车轮上的梯形臂5、6相连。因此, 齿条3既是转向器的传动件又是转向梯形机构中三段式横拉杆的一部分。

绝大多数齿轮齿条式转向器都布置在轴前后方, 这样既可避让开发动机的下部, 又便于与转向轴下端连接。安装时, 齿条轴线应与汽车纵向对称轴垂直, 而且当转向器处于中立位置时, 齿条两端球铰中心应对称地处于汽车纵向对称轴的两侧。

1.转向轴 2.齿轮 3.齿条 4.左横拉杆 5.左梯形臂 6.右梯形臂 7.右横拉杆 图5-1转向系统结构简图

对于给定的汽车, 其轴距L、主销后倾角β以及左右两主销轴线延长线与地面交点之间的距离K均为已知定值。对于选定的转向器, 其齿条两端球铰中

33

心距也为已知定值。因而在设计转向传动机构时, 需要确定的参数为梯形底角γ、梯形臂长l1以及齿条轴线到梯形底边的安装距离h。而横拉杆长l2则可由转向传动机构的上述参数以及已知的汽车参数K和转向器参数M来确定。其关系式为：

(1)

5.2 用解析法求内、外轮转角关系

转动转向盘时, 齿条便向左或向右移动,使左右两边的杆系产生不同的运动, 从而使左右车轮分别获得一个转角。以汽车左转弯为例, 此时右轮为外轮, 外轮一侧的杆系运动如图5-2所示。设齿条向右移过某一行程S, 通过右横拉杆推动右梯形臂, 使之转过0。

图5-2外轮一侧杆系运动情况

取梯形右底角顶点O为坐标原点, X、Y轴方向如图5-2所示, 则可导出齿条行程S与外轮转角0的关系：

2KM2Sl1cos()l2[l2sin(0)h] (2)

2另外，由图5-2可知：

0

34

arctg2hKM2S22l1OE2l22arccos2l1OE1

2OE1(2KMS)2h2∴0arccos2l1(2KMS)h2l2222KM22l1(S)h2arctg(2h) (3)

KM2S而内轮一侧的运动则如图5-3所示, 齿条右移了相同的行程S, 通过左横拉杆拉动左梯形臂转过i。

图5-3内轮一侧杆系运动情况

取梯形左底角顶点O1为坐标原点,X 、Y轴方向如图5-3所示, 则同样可导出齿条行程S与内轮转角i的关系, 即:

KM2 (4) Sl1cos(i)l2[l1sin(i)h]22KM2l1(S)2h2l222h2 (5) iarctgarccosKM2SKM2l1(S)2h22 35

因此, 利用公式(2)便可求出对应于任一外轮转角0的齿条行程S, 再将S代入公式(5)即可求出相应的内轮转i角。把公式(2)和(5)结合起来便可将i表示为0的函数,记作:

iF(0)

反之, 也可利用公式(4)求出对应于任一内轮转角i的齿条行程S, 再将S代入公式(3)即可求出相应的外轮转角0。将公式(4)和(5)结合起来可将0表示为i的函数, 记作:

0(i)

5.3 转向传动机构的优化设计

5.3.1 目标函数的建立

众所周知, 在不计轮胎侧偏时, 实现转向轮纯滚动、无侧滑转向的条件是内、外轮转角具有如图5-4所示的理想的关系, 即:

Kctg0ctgit (6)

T式中 T——计及主销后倾角时的计算轴距

TLrtg

L——汽车轴距 r——车轮滚动半径

由式(6)可将理想的内轮转角it表示为0的函数, 即:

Kitf(0)arcctg(ctg0) (7)

T反之, 取内轮转角i为自变量时, 理想的外轮转角ot也可表示为i的函数, 即:

Kot(i)arcctg(ctgi) (8)

T而由转向梯形机构所提供的内、外实际转角关系为前述的ζi=F(ζ0)或 ζ0=Φ(ζi),因此, 转向梯形机构优化设计的目标就是要在规定的转角范围内使实际的内或外轮转角尽量地接近对应的理想的内或外轮转角。为了综合评价在全部转角范围内两者接近的精确程度, 并考虑到在最常使用的中小转角时希望两者尽量接近, 因此建议用两函数的加权均方根误差作为评价指

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标。即：

两式中的加权因子W0、Wi为：

(9)、(10) 两式是等价的, 可根据具体情况任取其中之一作为极小化目标函数。

图5-4理想的内、外轮转交关系

5.3.2 设计变量与约束条件

对于给定的汽车和选定的转向器, 转向梯形机构尚有梯形臂长l1、底角γ和安装距离h三个设计变量。其中底角γ可按经验公式先选一个初始值,然后再增加或减小, 进行优化搜索。而l1及h的选择则要结合约束条件来考虑。

第一, 要保证梯形臂不与车轮上的零部件(如轮胎、轮辆或制动底板)发生干涉, 故要满足：

AoyAynin＞ 0

37

式中 Aoy——梯形臂球头销中心的Y坐标值（见图5-3）

Aymin——车轮上可能与梯形臂干涉部位的Y坐标值 因

，所以可知当l1选定时的可取值上限为：

(11)

第二, 要保证有足够的齿条行程来实现要求的最大转角。即有:

Smax[S]

式中 Smax——最大转角omax或imax所对应的齿条行程

[S]——转向器的许用齿条行程 KM2因 l1cosl2(l1sinh)22所以由公式(1)或(3)可知：

222Smaxl1[coscos(omax)]{l2(lsinh)l[lsin(omax)h]} 2121一般来说{ }内的数值很小, 故在估算齿条行程时可略去不计, 即可粗略地认为：

Sl1[coscos(omax)]

所以当选定时，l1的可取值范围为：

(12)式和(13)式是等价的，使用时可根据具体情况任取其中之一作为约束条件。

第三，要保证有足够大的传动角。传动角是指转向梯形臂与横拉杆所夹的锐角。随着车轮转角增大, 传动角渐渐变小。而且对应于同一齿条行程, 内轮一侧的传动角i总是比外轮一侧的传动角0要小。由图5-2可知：

38

由图5-3可知:

最小传动角min发生在内轮一侧, 当i达到最大值时, i也达到最大值, 故此时i为最小值。传动角过小会造成有效分力过小,表现为转向沉重或回正不良。对于一般平面连杆机构, 为了保证机构传动良好, 设计时通常应使min40°, 但一般后置式转向梯形机构的min都偏小。这是由于汽车正常行驶中多用小转角转向, 约有80％以上的转角在20°以内即使是大转角转向, 也是从小转角开始, 而且速度较低, 所以取23°时的内轮一侧传动角i23作为控制参数。以i2323°作为约束条件, 这样一般均能保证在020°时i40°。

转向器安装距离h对传动角的影响较大, h越小, 占也小, 可获得较大的0。在选择h时应充分注意到这一点, 但h过小会造成横拉杆与齿条间夹角δ过大。由图5-2、图5-3可知：

为保证传动良好一般希望不等式：

max10°, 以此作为约束条件即要满足联立

由此可解得：

由于转向器处于中立状态时（即0i0°），值较小，故可近似地认为：

39

于是可得h的取值范围： KMKMl1(l1cos)sin10＜h≤l1sin(imax)(l1cos)sin10

22(14)

5.4 研究结论

研究得到，对于同一l1，随着γ增大，σi略有减小，但要求安装距离h相应地增大，同时δmax也随之加大。随着l1的减小，σi也略有减小，不过l1小转向力臂也小，操纵力会有所增大。总的看来，只要l1、γ和h三者选配的恰当，其i差别是很小的。

本章介绍了与齿轮齿条式转向器配用的转向传动机构的优化设计，介绍了该转向机构的结构特点和优化设计方法，给出了优化设计的目标函数和设计变量的选取范围。

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结论

在道路上行驶的各种机动车辆中，转向系统是它们必备的一个重要组成部分。汽车的转向系就是用来改变或保持汽车行驶方向的机构，它由转向控制机构、转向传动装置、转向轮和专用机构组成。汽车的转向性能是汽车的主要性能之一，它能直接影响到汽车的操纵稳定性，对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。

随着时间的推移，高科技的不断发展，传统的机械助力转向系统慢慢地被电动助力转向系统所取代。电动助力转向系统还包括电动液压助力转向系统，电动液压助力转向系统采用全新的控制模式，最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术，能够根据车辆不同的行驶状况调节助力，拥有更好的转向操控性和节能效果。随着车辆进入家庭步伐的加快以及对节能、驾驶舒适性要求的提高，电动液压助力转向系统将拥有非常广阔的应用前景。本文就是对汽车电动助力转向系统做了初步的研究，主要以电动液压助力转向系统为研究对象。

本文采用理论研究和借鉴研究相结合的方法，对电动液压助力转向系统进行了初步的理论研究和设计。

本论文完成的主要内容如下：

(1) 汽车电动助力转向系统的介绍。介绍了转向系统的发展状况，重点研究了电动液压助力转向系统的发展前景及与其他转向系统的比较，总结出EHPS系统的优点，在将来，电动液压助力转向系统在汽车尤其是豪华轿车和货车中必定会有广泛的应用。

(2) 电动液压助力转向系统的总体设计。对EHPS系统的工作原理进行了研究，并对EHPS系统的结构和组成元件进行了细致、深入的研究和部分元件的选取。

(3) EHPS系统的设计方法和转向器的设计。介绍了电动液压助力转向系统的设计和计算方法。对齿轮齿条式转向器进行了具体的设计和计算，根据任务要求完成了齿轮轴和齿条的部分计算。

(4) 电动液压助力转向系统控制器的研究。简单的介绍了电动液压助力转向系统控制器组成和工作原理。

(5) 转向传动机构的优化设计。与齿轮齿条式转向器配用的转向传动机构的优化设计。介绍了转向传动机构的优化设计方法，研究了其可行性，给出

41

了优化设计的目标函数和设计变量的选择范围。

由于时间紧张和水平有限，对电动液压助力转向系统的研究不是十分的完善，对于EHPS系统的分析还有待更进一步的深入研究，比如对EHPS系统的仿真分析、电机的控制原理和EHPS系统模型的建立等内容。总之，这次的研究工作还只是对汽车的电动液压助力转向系统的研究和设计开了个头，还有更多的内容需要更进一步的学习。

42

致谢

经过三个月刻苦钻研，终于完成了我毕业论文。首先要衷心感谢我尊敬的导师夏文恒老师的悉心指导和关心。论文的选题、思路的确定、关键技术的突破、课题实施以及论文撰写都是在夏老师悉心指导下完成的;夏老师严谨的治学态度、渊博的学识、刻苦的治学精神，都让我受益匪浅。三个月来，夏老师不仅在学术上给予我无私的的指导和关怀。值此论文完成之际，谨向夏老师致以崇高的敬意和诚挚的感谢。

同时，在整个设计工作及论文的撰写期间，各位老师老师在诸多方面给予了我极大的帮助、指点和支持，他们严谨的工作态度，以及对学科发展的敏锐洞察力让我深深敬佩，是我毕生学习的榜样。在此谨向他们表示衷心的感谢!

感谢0593103班全体同学的帮助，论文的完成离不开他们的共同帮助和支持。

特别感谢我的家人。是他们一直在身后为我默默地支持着我，让我顺利的走到今天。

最后，再次感谢所有帮助过我的亲朋好友，感谢我的所有老师!

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参考文献

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【19】 冯樱，肖生发，罗永革.汽车电子控制式电动助力转向系统的发展.湖

北汽车工业学院，2001

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【20】 张辉，唐厚军.汽车电动助力转向系统设计.上海交通大学，2007

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附录1 中文文献

随着汽车电子技术的迅猛发展,人们对汽车转向操纵性能的要求也日益提高。汽车转向系统已从传统机械转向、液压助力转向(Hydraulic Power Steering ,简称HPS) 、电控液压助力转向( Elect ric Hydraulic PowerSteering , 简称EHPS) , 发展到电动助力转向系统(Elect ric Power Steering ,简称EPS) ,最终还将过渡到线控转向系统(Steer By Wire ,简称SBW) 。

1 机械转向机构

1. 1 机械转向机构的概念

机械转向系统是指以驾驶员的体力作为转向能源,其中所有传力件都是机械的，汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘,通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机械3 大部分组成。

1. 2 机械转向机构的分类

通常根据机械式转向器形式可以分为:齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。应用最广的两种是齿轮齿条式和循环球式(用于需要较大的转向力时) 。在循环球式转向器中,输入转向圈与输出的转向摇臂摆角是成正比的;在齿轮齿条式转向器中,输入转向圈数与输出的齿条位移是成正比的。循环球式转向器由于是滚动摩擦形式,因而正传动效率很高,操作方便且使用寿命长,而且承载能力强,故广泛应用于载货汽车上。齿轮齿条式转向器与循环球式相比,最大特点是刚性大,结构紧凑重量轻,且成本低。由于这种方式容易由车轮将反作用力传至转向盘,所以具有对路面状态反应灵敏的优点,但同时也容易产生打手和摆振等现象,且其承载效率相对较弱,故主要应用于小汽车及轻型货车上,目前大部分低端轿车采用的就是齿轮齿条式机械转向系统。

2 液压转向机构

随着车辆载重的增加以及人们对车辆操纵性能要求的提高,简单的机械式转向系统已经无法满足需要,动力转向系统应运而生,它能在驾驶员转动方

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向盘的同时提供助力,动力转向系统分为液压转向系统和电动转向系统2 种。其中液压转向系统是目前使用最为广泛的转向系统。

2. 1 传统的液压动力转向系统(HPS)

液压转向系统在机械系统的基础上增加了液压系统,包括液压泵、V 形带轮、油管、供油装置、助力装置和控制阀。它借助于汽车发动机的动力驱动液压泵、空气压缩机和发电机等,以液力、气力或电力增大驾驶员操纵前轮转向的力量,使驾驶员可以轻便灵活地操纵汽车转向,减轻了劳动强度,提高了行驶安全性。

液压助力转向系统从发明到现在已经有了大约半个世纪的历史,可以说是一种较为完善的系统,由于其工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。它由液压泵作为动力源,经油管道控制阀向动力液压缸供油,通过活塞杆带动转向机构动作,可通过改变缸径及油压的大小来改变助力的大小,由此达到转向助力的作用。传统液压式动力转向系统一般按液流的形式可以分为:常流式和常压式2 种类型,也可根据控制阀形式分为转阀式和滑阀式。

随着液压动力转向系统在汽车上的日益普及,人们对操作时的轻便性和路感的要求也日益提高,然而液压动力转向系统却存在许多的缺点: ①由于其本身的结构决定了其无法保证车辆在任何工况下转动转向盘时,都有较理想的操纵稳定性,即无法同时保证低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性; ②汽车的转向特性受驾驶员驾驶技术的影响严重; ③转向传动比固定,使汽车转向响应特性随车速、侧向加速度等变化而变化,驾驶员必须提前针对汽车转向特性幅值和相位的变化进行一定的操作补偿,从而控制汽车按其意愿行驶。这样增加了驾驶员的操纵负担,也使汽车转向行驶中存在不安全隐患;而此后出现了电控液压助力系统,它在传统的液压动力转向系统的基础上增加了速度传感器,使汽车能够随着车速的变化自动调节操纵力的大小,在一定程度上缓和了传统的液压转向系统存在的问题。

2. 2 电动液压助力转向系统( EHPS)

目前我国生产的商用车和轿车上采用的大多是电动液压助力转向系统,它是比较成熟和应用广泛的转向系统。

尽管电控液压助力装置从一定程度上缓解了传统的液压转向中轻便性和路感之间的矛盾,然而它还是没有从根本上解决HPS 系统存在的不足,随着汽车微电子技术的发展,汽车燃油节能的要求以及全球性倡导环保,其在布置、

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安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面的不足已越来越明显,转向系统向着电动助力转向系统发展。

3 电动助力转向系统(EPS)

电动助力转向系统是现在汽车转向系统的发展方向,其工作原理是:EPS 系统的ECU 对来自转向盘转矩传感器和车速传感器的信号进行分析处理后,控制电机产生适当的助力转矩,协助驾驶员完成转向操作。

近几年来,随着电子技术的发展,大幅度降低EPS的成本已成为可能,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 汽车系统公司、TRW公司及德国的ZF 公司都相继研制出EPS。Mercedes-Benz 和Siemens Automotive 两大公司共同投资6500万英镑用于开发EPS ,目标是到2002 年装车,年产300 万套,成为全球EPS 制造商。到目前为止,EPS 系统在轻微型轿车、厢式车上得到广泛的应用,并且每年以300 万台的速度发展。

3. 1 电动助力转向系统的结构及分类

电动助力转向系统主要是在机械式转向系统的基础上加上了传感器(包括车速传感器、转矩传感器和小齿轮位置传感器) 、电子控制单元( ECU) 、助力电机、电磁离合器和减速机构而构成(图1) 。

图1 电动助力转向系统结构示意图

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电动助力转向系统可根据减速机构的不同分为蜗轮蜗杆式助力机构和差动轮系式的助力机构两种形式。差动轮系机构具有转向路感平滑稳定、转向灵敏性可调,更适合前轴负载小且对高速操纵性能要求较高的轿车上,而蜗轮蜗杆机构具有助力大小可调整,适合前轴负载大、转向沉重、主要目的是降低转向力且对高速操纵性能要求不高的载货汽车上。另外电动助力转向系统还可以根据电动机和减速机构位置的不同分为(图2) :轴助力式EPS(电机和减速装置装在转向传动轴上) ,转向小齿轮助力式(电机和减速装置装在输入小齿轮上) ,另端小齿轮助力式(电机和减速装置装在另端小齿轮上) ,齿条助力式(电机和减速装置套在齿条外侧) 。

3. 2 EPS 的国外研究现状

目前国外的研究主要集中于细节上对助力特性,操纵性能等的进一步优化，考虑的影响因素比国内多,并且设计出了操作模拟器对EPS 的控制策略进行评估。在对控制策略的研究上国外侧重于选择基于PID 的补偿和回正控制策略,对于单独使用的模糊控制,H∞控制也有研究,暂时还未见对于神经网络的研究。

国外的研究通常都是在基于PID 的回正补偿控制基础上对回正性能进一步优化,控制把持、转向、加载过程中的电流扰动,以及在特殊的路面条件下对汽车的操控等。例如三菱公司提出的一种新的EPS控制策略将在低附着的路面上提供更高的转向盘回正性和路感。这种方法是只有当转向轴上的反应力矩达到预定力矩时才提高回正性,采用了2种控制策略:第1种策略是基于转向角反馈,而第2种是基于估计校正力矩反馈。而三菱公司的另外一种新的电机电流控制策略是基于对干扰电压的估计和补偿 ,在仍然使用普通的微处理器的情况下,电机的电流波动也可得到显著的减少,从而减少了不必要的转向力矩的波动和噪声。这种新的控制器是基于对电压波动的估计和补偿,包括2个模块。一个模块是估计由于电池电压等的改变引起的电压波动,另一个模块补偿为电机提供的电压以消除电压的波动。

从整体上来讲国内近年来对于EPS 的研究发展很快,尤其是在控制策略的研究上,已经将不同的控制方法引入ECU 中,并通过实验和分析不断地完善和改进,但是在对于细节的优化上距离国外还有相当的差距,而且目前国内除了吉利汽车,还尚未自主知识产权的EPS ,距离EPS 的批量化生产也还有很长的一段路要走。

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3. 3 电动助力转向系统的其他问题

汽车电子转向系统在实际应用中,除安全与可靠性问题外,还有其他的一些问题,如模拟路感的电机振动问题、动力电源问题、传感器的精度和成本问题等。其中,模拟路感的电机振动问题在EPS 的研发过程中,已经有成熟的技术和经验可以借鉴。车用42 V电源预计在未来的几年内将会快速发展普及,届时汽车电子附件的供电问题将会得到圆满解决。车用各种传感器如非接触转矩、转角传感器、横摆角速度传感器等的精度在不断提高,成本下降,在未来的几年内将会在精度和价格方面满足各种电控系统的要求

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附录2 英文翻译

With the car of the rapid development of electronic technology, people have to manipulate the car's performance requirements increasing. Automobile steering system from the traditional mechanical steering, hydraulic power steering, elect ric hydraulic powers teering, electric power steering, will be the ultimate transition to steer by wire system

1 Mechanical steering

1.1 Mechanical steering concept

Mechanical steering system refers to the shift as a driver's physical energy, power-all of which are pieces of machinery, vehicles campaign by the pilots to control the steering wheel, steering gear and through a series of bars delivered to the wheels turn and Achievable. By turning to mechanical manipulation of institutions, and the steering gear to drive most of the mechanical components of 3.

1.2 Classification of mechanical steering

According to the usual mechanical steering gear can be divided into the form: rack and pinion, ball-cycle, the worm-wheel, pin-worm means. The two most widely used is a rack and pinion and cycle-ball (the need for a larger force to). In the circle-ball steering gear, steering input and output of the ring to swing arm is directly proportional to the angle; in the rack and pinion steering gear, to enter the ring with the number of output is directly proportional to the displacement of the rack. Cycle-ball to Since the device is in the form of rolling friction, which is a high transmission efficiency, easy operation and long service life, and the carrying capacity of strong, it is widely used in the Truck. Rack and pinion steering gear and ball-cycle, characterized by the most rigid, compact, light weight and low cost. As a result of this easy way by the reaction wheels to steering wheel

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can be spread, so has the state of the road responsive advantages, but also prone to shimmy and hatchet man, and so on, and the efficiency of carrying relatively weak, it is mainly used in Cars and light goods vehicles, most of the current low-end sedan was used in mechanical rack and pinion steering system.

2 Hydraulic steering

With the increase in heavy-duty vehicles as well as the manipulation of people's vehicles to enhance the performance

requirements, a simple mechanical steering system has been unable to meet the needs of the power steering system came into being, it can turn in the driver's steering wheel at the same time provide the impetus required for power steering system at For the hydraulic steering system and the electric steering system 2. Hydraulic steering system which is currently the most widely used to the system.

2.1 Traditional hydraulic power steering system (HPS)

Hydraulic steering system in the mechanical system on the basis of the increase in the hydraulic system, including the hydraulic pump, V-shaped pulley, oil, oil installations, power devices and control valves. With its car engine powered hydraulic pumps, air compressors and generators, hydraulic, pneumatic or electric power to manipulate the driver's front wheel to increase the strength, so that drivers can be light and flexible control of the vehicle to reduce the The labor intensity and improved traffic safety.

Hydraulic power steering system from the present invention has been around for half a century of history can be said to be a relatively perfect system, because of its reliable and mature technology is still widely used. It consists of a hydraulic pump power source, the oil pipeline valve to control the hydraulic cylinder power supply through the steering rod driven action, by changing the size of the bore and hydraulic power to change the size, power steering to achieve this . The traditional hydraulic power steering system, according to the

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general flow in the form can be divided into: regular flow and

pressure-type 2, also may turn into the form of valve control valve and slide-valve.

With the hydraulic power steering system in the car on the growing popularity of people on the operation of the light and a sense of the way of increasing demands, however, hydraulic power steering system, but there are a lot of shortcomings: ① by their very structure of the decision Can not guarantee that the vehicle steering wheel turning in any conditions, have better handling and stability, that is, at the same time can not guarantee when shift low light and high-speed handling and stability when; ② characteristics to the vehicle by the driver driving The serious impact of technology; ③ to drive than the fixed, so that the car to respond with the characteristics of speed, lateral acceleration, and other changes, to be ahead of time for car drivers to amplitude and phase characteristics of certain changes in the operation of compensation in order to control the car Running their own will. This increased the burden on the driver's control, but also a moving vehicle to the existence of hidden dangers; and since then there have been electronically controlled hydraulic system, which in the traditional hydraulic power steering system on the basis of the increased speed sensors, vehicle With the speed of change can

automatically control the size of the force, to a certain extent, ease the traditional hydraulic steering system problems.

2.2 Electronically controlled hydraulic power steering system (EHPS)

China's production of cars and commercial vehicles used mostly on electronic control of hydraulic power steering system, which is more mature and application of a wide range of steering system.

Despite the electronically controlled hydraulic power from the device to a certain extent, eased the shift in the traditional hydraulic light and a sense of the contradiction between the way, but it is not a fundamental solution to the shortage of HPS systems, with the automotive semiconductor technology, Development of energy-saving

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vehicle fuel requirements, as well as to promote global environmental protection, in its layout, installation, sealing, sensitivity control, energy consumption, noise and wear and tear and so on has become increasingly less obvious, steering toward the development of electric power steering system.

3 Electric power steering system

Electric power steering system is the car's steering direction, and its working principle is: EPS system from the steering wheel to the ECU and torque sensor speed sensor signal processing, the control of motor torque generated appropriate assistance to help Driver to complete the operation.

In recent years, along with the development of electronic

technology to substantially reduce the cost of the EPS has become possible, Japan's Daihatsu Motor Co., Mitsubishi Motors Corp., Honda Motor Co., the U.S. Delphi Automotive Systems, TRW Inc. and Germany's ZF All have been developed EPS. Mercedes-Benz and Siemens Automotive two joint venture companies 65,000,000 pounds for the development of the EPS, the goal is to load in 2002, with an annual output of 3,000,000 units, EPS manufacturer in the world. So far, EPS system in a small car, the van has been on board a wide range of applications, and each year 300 million pace.

3.1 Electric power steering system and the structure of the classification

Electric power steering system is mechanical in the steering system on the basis of the combined sensor (including speed sensors, torque sensors and small gear position sensor), the electronic control unit (ECU), electric power, electromagnetic clutch and slow body constituted (Figure 1).

Electric power steering system may slow down the body is divided into different worm-assistance agencies and differential gear-help organizations in two forms. Differential gear with a body to smooth

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the way a sense of stability, sensitivity adjustable steering, front axle load is more suitable for small and high-speed manipulation of the high performance requirements of the car, the worm and institutions have to adjust the size of assistance for large front axle load , To the heavy main objective is to reduce the ability to manipulate high-speed performance and do not ask for much of the cargo vehicle. Another electric power steering system and the electric motor can also slow down the location of the body is divided into different (Figure 2): Power-axis EPS (electric and deceleration device mounted on the steering shaft) and pinion power-steering (and slow down the electrical equipment installed On the input pinion) and the other-side-pinion power (electric and deceleration device mounted on a small gear on the other side), rack-power (electric slow down and sets of equipment in the rack outside).

3. 2 EPS of foreign research

At present, foreign study focused on the details of the characteristics of power, manipulated to further optimize the

performance, consider the impact of domestic factors, and designed to operate on the simulator of the EPS control strategy evaluation. In the control of foreign policy studies focused on the choice of PID-based compensation and come back to the control strategy, used alone for the fuzzy control, Hcontrol there, not for the time being neural network.

Study abroad is usually based on the PID to control the compensation is based on being back to further optimize the performance, dominated control, steering, load in the process of the current disturbances, as well as the special road conditions, such as control of the vehicle. For example, Mitsubishi made a new EPS control strategy will be attached to the low road to provide better come back to the steering wheel and a sense of the way. This approach is only when the turning axis response is scheduled to meet the moment when the moment is to raise, use 2 kinds of control strategies: 1 kind of strategy is based on the feedback steering angle, and No. 2 is based on the estimated torque feedback

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correction. Mitsubishi and the other a new electric current control strategy is based on estimates and the interference voltage

compensation , are still in common use of the microprocessor, the current fluctuations in electrical and can be significantly reduced, thereby A reduction of unnecessary torque to the fluctuations and noise. The new controller is based on estimates of voltage fluctuations and compensation, including 2 module. One module is estimated that due to the battery voltage, and other changes caused by voltage fluctuations and the other modules to provide compensation for the electrical voltage in order to eliminate voltage fluctuations.

As a whole in recent years in terms of domestic EPS for the research and development soon, especially in the control strategy, will have different methods to control the introduction of ECU, and through experiments and analysis continue to improve and improve, but the details of Optimization of the distance there is still a considerable gap between foreign and domestic In addition to Geely Automobile, has not yet own intellectual property rights of the EPS, the EPS from the bulk of production there is still a long way to go.

3.3 Electric power steering system on other issues

Automotive electronic steering system in practical applications, in addition to the security and reliability problems, there are a number of other issues, such as simulation of a sense of the way the problem of vibration motor, power supply problems, the sensor accuracy and cost, and so on. The simulation of a sense of the way the motor vibration problems in EPS of R & D process, there has been a mature technology and can learn from the experience. 42 V motor power supply in the next few years will be the rapid development of universal, automotive electronics will annex the power supply problems will be satisfactorily resolved. A variety of automotive sensors, such as non-contact torque, angle sensor, yaw angular velocity sensor, such as the accuracy of the rising costs in the next few years will be in the accuracy and price to meet a variety of electronic control system.

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