電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗臺設(shè)計

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1、長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文 摘 要 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種新型的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，具有以往任何助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所不具備的助力效果和車速感應(yīng)能力，其核心部件電控單元能根據(jù)車速和方向盤操控力矩的不同決定是否助力以及助力的大小。電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)已日趨成熟，且有取代液壓動力轉(zhuǎn)向的趨勢，它是一項緊扣當(dāng)今汽車發(fā)展主題，符合未來汽車發(fā)展趨勢的高新技術(shù)。 本文簡單介紹EPS系統(tǒng)背景及發(fā)展現(xiàn)狀，通過對電動助力系統(tǒng)的工作原理和特點、整體性能技術(shù)要求的分析，設(shè)計了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻力矩、電動機的各項參數(shù)和試驗臺各部件，并對電動助力轉(zhuǎn)向試驗臺進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。 (1)檢測試驗簡單，結(jié)構(gòu)緊湊 (2)裝夾控制方便 (3)改進方便

2、，便于升級改裝 關(guān)鍵詞：EPS；試驗臺；AutoCAD；液壓滑臺 Automotive electric power steering system test bench ABSTRACT Electric power steering system is a new type of vehicle steering system, has the past does not have any power steering system of effect and speed sensor, electroni

3、c control unit (ECU) for the core components can depending on the speed and the steering wheel control moment deciding whether or not the size of the power and dynamical. Electric power steering technology is mature, and has a tendency to replace hydraulic power steering, it is a theme, stick to the

4、 current auto industry development in line with the future development trend of high and new technology. This paper mainly introduces the background and current situation of the development of EPS system, based on the working principle and characteristics of electric power system, the overall perfo

5、rmance, the analysis of the technical requirements, design the steering resistance moment, the parameters of the motor and each component of a test rig and structure design of electric power steering test rig. The advantages of my design are as follows: (1)Testing simple, structure compacted (2)E

6、asy to clamping and control (3) Easy to be improved and updated. Keywords：EPS；test platform；AutoCAD；hydraulic slider 目錄 摘 要 1 Automotive electric power steering system test bench 2 ABSTRACT 2 1緒論 5 1.1選題背景與意義 5 1.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)介紹 6 1.3 電動助力轉(zhuǎn)向的發(fā)展現(xiàn)狀 9 1.3.1國內(nèi)電動助力轉(zhuǎn)向的

7、發(fā)展現(xiàn)狀 9 1.3.2 國外電動助力轉(zhuǎn)向的發(fā)展現(xiàn)狀 10 1.4 本文的主要研究內(nèi)容 11 2 電動助力轉(zhuǎn)向試驗臺的總體組成 12 2.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理 12 2.1.1工作原理 12 2.1.2工作特點 12 2.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類 13 2.3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗臺的核心部件 13 2.3.1 扭矩傳感器 18 2.3.2 車速傳感器 20 2.3.4 電子控制單元 20 2.3.5 阻力模擬裝置 21 2.4 本章小結(jié) 23 3 EPS系統(tǒng)匹配分析 24 3.1 EPS助力電機的匹配 24 3.1.1電機的布置形式 24

8、3.1.2助力電機類型匹配 24 3.1.3助力電機參數(shù)匹配 25 3.2 減速機構(gòu)的匹配 28 3.3扭矩傳感器的匹配 29 3.4 匹配結(jié)果 30 3.5 本章小結(jié) 30 4 試驗臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計 31 4.1 試驗臺的整體布置 31 4.2聯(lián)軸器的選擇與校核 31 4.3普通平鍵的選擇與校核 34 4.4轉(zhuǎn)向阻力模擬機構(gòu)的設(shè)計 35 4.5試驗臺固定支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計 35 總 結(jié) 37 致 謝 38 參考文獻 39 1緒論 1.1選題背景與意義 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)在日本最先獲得實際應(yīng)用

9、。1988年日本鈴木公司首次開發(fā)出電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并裝在其生產(chǎn)的Cervo車上，隨后又配備在Alto上。此后，電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)得到迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍已經(jīng)從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展。日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司，美國的Delphi公司，英國Lueas公司，德國的ZF公司，都研制出了各自的EPS。 EPS的助力形式也從低速范圍助力型向全速范圍助力型發(fā)展，并且其控制形式與功能也進一步加強。日本早期開發(fā)的EPS僅僅在低速和停車時提供助力，高速時EPS將停止工作。新一代的EPS則不僅在低速和停車時提供助力，而且還能在高速時提高汽車的操縱穩(wěn)定性。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，EPS技

10、術(shù)日趨完善，并且其成本大幅度降低，因此其應(yīng)用范圍將越來越大。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在： (1) 提高了汽車的操縱性能。EPS能在各種行駛工況下提供最佳助力，減少由路面不平所引起的對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的擾動，改善汽車的轉(zhuǎn)向特性，減小汽車低速行駛時的轉(zhuǎn)向操縱力，提高汽車高速行駛時的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，進而提高汽車的主動安全性。 (2) 提高了汽車的燃油經(jīng)濟性，減少了對環(huán)境的污染。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接通過電動機的輸出給駕駛員提供助力，電動機只有在轉(zhuǎn)向時才工作，在不進行轉(zhuǎn)向時幾乎沒有動力消耗，提高了汽車的燃油經(jīng)濟性；同時由于不需要轉(zhuǎn)向油泵，油管及控制閥等液壓元件，不會發(fā)生液壓油的泄露和損耗，減少了對環(huán)境的污

11、染。 (3) 增強了轉(zhuǎn)向跟隨性和可靠性。在EPS系統(tǒng)中，電動機與助力機構(gòu)直接相連以使其能量直接用于車輪的轉(zhuǎn)向，增加了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，減小了車輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振，增強了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗擾動能力；EPS旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生于助力電機，沒有液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應(yīng)，增強了轉(zhuǎn)向車輪對轉(zhuǎn)向盤的跟隨性能；電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還可有各種安全保護措施和故障自診斷功能，使用可靠，維修方便。 (4) 能夠提供可變的轉(zhuǎn)向助力。對于傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，可變轉(zhuǎn)向力矩獲得非常困難而且費用很高，要想獲得可變轉(zhuǎn)向力矩，必須增加額外的控制器和其它硬件；電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向力來自于助力電機，可變轉(zhuǎn)向力矩寫入控制模塊中，通過對軟件的重新編

12、寫即可獲得，所需費用很小。 (5) 占用空間更小，質(zhì)量更輕，結(jié)構(gòu)更緊湊。電動機和減速機構(gòu)在轉(zhuǎn)向柱或轉(zhuǎn)向系內(nèi)，直接提供轉(zhuǎn)向助力，省去了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動力轉(zhuǎn)向油泵、油管、液壓油、密封件、傳送帶和裝于發(fā)動機上的皮帶輪等部件，因而其所占空間更小，質(zhì)量更輕、結(jié)構(gòu)更緊湊，在安裝位置的選擇方面也更容易，裝配自動化程度更高。 1.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)介紹 英文全稱是Electronic Power Steering，簡稱EPS，它利用電動機產(chǎn)生的動力協(xié)助駕車者進行動力轉(zhuǎn)向。EPS的構(gòu)成，不同的車盡管結(jié)構(gòu)部件不一樣，但大體是雷同。一般是由轉(zhuǎn)矩(轉(zhuǎn)向)傳感器、電子控制單元、電動機、減速器、機械轉(zhuǎn)向

13、器、以及畜電池電源所構(gòu)成。 主要工作原理：汽車在轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)矩(轉(zhuǎn)向)傳感器會“感覺”到轉(zhuǎn)向盤的力矩和擬轉(zhuǎn)動的方向，這些信號會通過數(shù)據(jù)總線發(fā)給電子控制單元，電控單元會根據(jù)傳動力矩、擬轉(zhuǎn)的方向等數(shù)據(jù)信號，向電動機控制器發(fā)出動作指令，從而電動機就會根據(jù)具體的需要輸出相應(yīng)大小的轉(zhuǎn)動力矩，從而產(chǎn)生了助力轉(zhuǎn)向。如果不轉(zhuǎn)向，則本套系統(tǒng)就不工作，處于standby(休眠)狀態(tài)等待調(diào)用。由于電動電動助力轉(zhuǎn)向的工作特性，你會感覺到開這樣的車，方向感更好，高速時更穩(wěn)，俗話說方向不發(fā)飄。又由于它不轉(zhuǎn)向時不工作，所以，也多少程度上節(jié)省了能源。一般高檔轎車使用這樣的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的比較多。 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可按轉(zhuǎn)向的能源

14、不同分為機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩類。機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是依靠駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向力來實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向；動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則是在駕駛員的控制下，借助于汽車發(fā)動機產(chǎn)生的液體壓力或電動機驅(qū)動力來實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向。所以動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也稱為轉(zhuǎn)向動力放大裝置。 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于使轉(zhuǎn)向操縱靈活、輕便，在設(shè)計汽車時對轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)形式的選擇靈活性增大，能吸收路面對前輪產(chǎn)生的沖擊等優(yōu)點，因此已在各國的汽車制造中普遍采用。但是，具有固定放大倍率的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要缺點是：如果所設(shè)計的固定放大倍率的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是為了減小汽車在停車或低速行駛狀態(tài)下轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的力，則當(dāng)汽車以高速行駛時，這一固定放大倍率的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會使轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的力

15、顯得太小，不利于對高速行駛的汽車進行方向控制；反之，如果所設(shè)計的固定放大倍率的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是為了增加汽車在高速行駛時的轉(zhuǎn)向力，則當(dāng)汽車停駛或低速行駛時，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤就會顯得非常吃力。電子控制技術(shù)在汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用，使汽車的駕駛性能達到令人滿意的程度。電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在低速行駛時可使轉(zhuǎn)向輕便、靈活；當(dāng)汽車在中高速區(qū)域轉(zhuǎn)向時，又能保證提供最優(yōu)的動力放大倍率和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向手感，從而提高了高速行駛的操縱穩(wěn)定性。 電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（簡稱EPS-Electronic Control Power Steering），根據(jù)動力源不同又可分為液壓式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（液壓式EPS）和電動式

16、電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（電動式EPS）。液壓式EPS是在傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)了控制液體流量的電磁閥、車速傳感器和電子控制單元等，電子控制單元根據(jù)檢測到的車速信號，控制電磁閥，使轉(zhuǎn)向動力放大倍率實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，從而滿足高、低速時的轉(zhuǎn)向助力要求。電動式EPS是利用直流電動機作為動力源，電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)向參數(shù)和車速等信號，控制電動機扭矩的大小和方向。電動機的扭矩由電磁離合器通過減速機構(gòu)減速增扭后，加在汽車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)上，使之得到一個與工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。 電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）可以在低速時減輕轉(zhuǎn)向力以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操縱性；在高速時則可適當(dāng)加重轉(zhuǎn)向力，以提高操縱穩(wěn)定性。液壓式電

17、子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)電子控制裝置而構(gòu)成的。根據(jù)控制方式的不同，液壓式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又可分為流量控制式、反力控制式和閥靈敏度控制式三種形式。 （1）流量控制式EPSTO 凌志牌轎車采用的流量控制式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由車速傳感器、電磁閥、整體式動力轉(zhuǎn)向控制閥、動力轉(zhuǎn)向油泵和電子控制單元等組成。電磁閥安裝在通向轉(zhuǎn)向動力缸活塞兩側(cè)油室的油道之間，當(dāng)電磁閥的閥針完全開啟時，兩油道就被電磁閥旁路。流量控制式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是根據(jù)車速傳感器的信號，控制電磁閥閥針的開啟程度，從而控制轉(zhuǎn)向動力缸活塞兩側(cè)油室的旁路液壓油流量，來改變轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向力。車速越高

18、，流過電磁閥電磁線圈的平均電流值越大，電磁閥閥針的開啟程度越大，旁路液壓油流量越大，液壓助力作用越小，使轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的力也隨之增加。這就是流量控制式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理。 電磁閥的結(jié)構(gòu)。驅(qū)動電磁閥電磁線圈的脈沖電流信號頻率基本不變，但隨著車速增大，脈沖電流信號的占空比將逐漸增大，使流過電磁線圈的平均電流值隨車速的升高而增大。 （2）反力控制式EPSTOP 反力控制式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向控制閥、分流閥、電磁閥、轉(zhuǎn)向動力缸、轉(zhuǎn)向油泵、儲油箱、車速傳感器及電子控制單元等組成。 轉(zhuǎn)向控制閥是在傳統(tǒng)的整體轉(zhuǎn)閥式動力轉(zhuǎn)向控制閥的基礎(chǔ)上增設(shè)了油壓反力室而構(gòu)成。扭力桿的上端通過

19、銷子與轉(zhuǎn)閥閥桿相連，下端與小齒輪軸用銷子連接。小齒輪軸的上端部通過銷子與控制閥閥體相連。轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向力通過扭力桿傳遞給小齒輪軸。當(dāng)轉(zhuǎn)向力增大，扭力桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時，控制閥體和轉(zhuǎn)閥閥桿之間將發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，于是就改變了閥體和閥桿之間油道的通、斷關(guān)系和工作油液的流動方向，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力作用。 分流閥是把來自轉(zhuǎn)向油泵的機油向控制閥一側(cè)和電磁閥一側(cè)進行分流的閥。按照車速和轉(zhuǎn)向要求，改變控制閥一側(cè)與電磁閥一側(cè)的油壓，確保電磁閥一側(cè)具有穩(wěn)定的機油流量。 固定小孔的作用是把供給轉(zhuǎn)向控制閥的一部分流量分配到油壓反力室一側(cè)。 電磁閥的作用是根據(jù)需要將油壓反力室一側(cè)的機油流回儲油箱電

20、子控制單元（ECU）根據(jù)車速的高低線性控制電磁閥的開口面積。當(dāng)車輛停駛或速度較低時，ECU使電磁線圈的通電電流增大，電磁閥開口面積增大，經(jīng)分流閥分流的機油，通過電磁閥重新回流到儲油箱中，所以作用于柱塞的背壓（油壓反力室壓力）降低。于是柱塞推動控制閥轉(zhuǎn)閥閥桿的力（反力）較小，因此只需要較小的轉(zhuǎn)向力就可使扭力桿扭轉(zhuǎn)變形，使閥體與閥桿發(fā)生相對轉(zhuǎn)動而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力作用。 當(dāng)車輛在中高速區(qū)域轉(zhuǎn)向時，ECU使電磁線圈的通電電流減小，電磁閥開口面積減小，所以油壓反力室的油壓升高，作用于柱塞的背壓增大，于是柱塞推動轉(zhuǎn)閥閥桿的力增大，此時需要較大的轉(zhuǎn)向力才能使閥體與閥桿之間作相對轉(zhuǎn) （相當(dāng)于增加了扭力桿

21、的扭轉(zhuǎn)剛度），而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力作用，所以在中高速時可使駕駛員獲得良好的轉(zhuǎn)向手感和轉(zhuǎn)向特性。 （3）閥靈敏度控制式EPSTOP 閥靈敏度控制式EPS是根據(jù)車速控制電磁閥，直接改變動力轉(zhuǎn)向控制閥的油壓增益（閥靈敏度）來控制油壓的方法。這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、部件少、價格便宜，而且具有較大的選擇轉(zhuǎn)向力的自由度，可以獲得自然的轉(zhuǎn)向手感和良好的轉(zhuǎn)向特性。 89型地平線牌轎車所采用的閥靈敏度控制式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向控制閥的轉(zhuǎn)子閥作了局部改進，并增加了電磁閥、車速傳感器和電子控制單元等。 轉(zhuǎn)子閥的可變小孔分為低速專用小孔（lR、1L、2R、2L）和高速專用小孔（3R、3L

22、）兩種，在高速專用可變孔的下邊設(shè)有旁通電磁閥回路。該系統(tǒng)的閥部等效液壓回路，其工作過程如下： 當(dāng)車輛停止時，電磁閥完全關(guān)閉，如果此時向右轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，則高靈敏度低速專用小孔1R及2R在較小的轉(zhuǎn)向扭矩作用下即可關(guān)閉，轉(zhuǎn)向油泵的高壓油液經(jīng)lL流向轉(zhuǎn)向動力缸右腔室，其左腔室的油液經(jīng)3L、2L流回儲油箱。所以此時具有輕便的轉(zhuǎn)向特性。而且施加在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向力矩越大，可變小孔lL、2L的開口面積越大，節(jié)流作用越小，轉(zhuǎn)向助力作用越明顯。 隨著車輛行駛速度的提高，在電子控制單元的作用下，電磁閥的開度也線性增加，如果向右轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，則轉(zhuǎn)向油泵的高壓油液經(jīng)lL、3R旁通電磁閥流回儲油箱。此時，

23、轉(zhuǎn)向動力缸右腔室的轉(zhuǎn)向助力油壓就取決于旁通電磁閥和靈敏度低的高速專用可變孔3R的開度。車速越高，在電子控制單元的控制下，電磁閥的開度越大，旁路流量越大，轉(zhuǎn)向助力作用越?。辉谲囁俨蛔兊那闆r下，施加在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向力越小，高速專用小孔3R的開度越大，轉(zhuǎn)向助力作用也越小，當(dāng)轉(zhuǎn)向力增大時，3R的開度逐漸減小，轉(zhuǎn)向助力作用也隨之增大。由此可見，閥靈敏度控制式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可使駕駛員獲得非常自然的轉(zhuǎn)向手感和良好的速度轉(zhuǎn)向特性。 液壓式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于工作壓力和工作靈敏度較高，外廓尺寸較小，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。在采用氣壓制動或空氣懸架的大型車輛上，也有采用氣壓動力轉(zhuǎn)向的。但這類動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的共同缺點是結(jié)構(gòu)

24、復(fù)雜、消耗功率大，容易產(chǎn)生泄漏，轉(zhuǎn)向力不易有效控制等。近年來隨著微機在汽車上的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了電動式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，簡稱電動式EPS。 1.3 電動助力轉(zhuǎn)向的發(fā)展現(xiàn)狀 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自生產(chǎn)至今，經(jīng)過幾十年的應(yīng)用與發(fā)展，已取得了較大的進步。如今，在國外己大規(guī)模采用EPS，其應(yīng)用范圍也將進一步拓寬，將作為標(biāo)準(zhǔn)件裝備在汽車上，并將在動力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。目前，在全世界汽車行業(yè)中，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)每年正以90%~10%的增長速度發(fā)展，年增長量達130萬~150萬套，2008年將超過1000萬套。按此速度發(fā)展，用不了幾年的時間，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將逐漸占領(lǐng)轎車市場，并向微型車、輕型車和中型

25、車擴展。 EPS是汽車關(guān)鍵零部件之一，其質(zhì)量對汽車轉(zhuǎn)向有著重要的影響。實車試驗需要消耗大量的財力、人力和物力，如果在實車試驗之前進行必要的臺架試驗，為后續(xù)實車試驗獲得某些基本參數(shù)和算法，是非常有益的，同時也可以降低直接裝車進行路試的危險性和研究成本。 汽車EPS試驗臺就是針對這一情況研制的，它采用微機為控制核心，采用傳感器對EPS系統(tǒng)輸入端的扭矩、輸入端的轉(zhuǎn)角、輸出端的扭矩進行檢測，實現(xiàn)EPS性能和可靠性試驗的自動測量和圖形的動態(tài)顯示，數(shù)據(jù)及特性曲線的自動記錄輸出。同時具有儲存、打印和再處理功能。汽車EPS試驗臺的使用將會大大提高產(chǎn)品的裝配質(zhì)量和檢測精度，為質(zhì)量管理提供了統(tǒng)計資料，且使產(chǎn)品

26、的裝配、調(diào)試、檢測工作變得十分簡單，生產(chǎn)效率大幅度提高。 1.3.1國內(nèi)電動助力轉(zhuǎn)向的發(fā)展現(xiàn)狀 從國內(nèi)外的研究來看，EPS今后的研究主要集中在以下幾方面： (1)EPS助力控制策略。助力控制是在轉(zhuǎn)向過程中為減輕轉(zhuǎn)向盤的操縱力，通過減速機構(gòu)把助力電機的力矩作用到機械轉(zhuǎn)向系上的一種基本控制模式。助力控制策略的主要目的是根據(jù)轉(zhuǎn)向助力特性曲線確定助力電動機的助力大小，輔助駕駛員實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向?？刂撇呗允荅PS研究的重點。 (2)系統(tǒng)匹配技術(shù)。助力特性的匹配、電機及減速機構(gòu)的匹配、傳感器的匹配以及EPS系統(tǒng)與其它子系統(tǒng)進行匹配，是使整車性能達到最優(yōu)的關(guān)鍵。 (3)可靠性。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是駕乘人員的“生

27、命線”之一，必須保證高度可靠性。EPS除了應(yīng)有良好的硬件保證外，還需要良好的軟件做支撐，因此對 EPS的可靠性提出了很高的要求。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)過近二十多年的發(fā)展，技術(shù)日趨成熟，其應(yīng)用范圍從最初的前軸負(fù)荷較小的轉(zhuǎn)向柱助力式EPS微型轎車向前軸負(fù)荷較大的大型轎車、商用客車、貨車方向發(fā)展，EPS系統(tǒng)的助力形式也由低速、轉(zhuǎn)向柱助力型向全速、齒條助力型發(fā)展。 由于技術(shù)、制造和維修成本等原因，目前汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍以液壓助力的HPS(包括 ECHPS、EHPS)為主。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于成本高以及現(xiàn)有法規(guī)限制等原因，在近期很難在車輛上裝配。EPS具有節(jié)能與環(huán)保等諸多優(yōu)點，EPS取代HPS是今后一段時間內(nèi)

28、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。 1.3.2 國外電動助力轉(zhuǎn)向的發(fā)展現(xiàn)狀 雖然EPS系統(tǒng)在操作輕便、節(jié)能等一些方面呈現(xiàn)了優(yōu)越性，它已經(jīng)得到人們的廣泛認(rèn)可，可是還有一些問題需要解決，如以下幾點。 （1）電動機的性能與ERS系統(tǒng)能否匹配 電動機的性能及其與EPS系統(tǒng)的匹配是影響控制系統(tǒng)性能、轉(zhuǎn)向操縱力、轉(zhuǎn)向路感等問題的主要原因，所以改善電動機的性能和整個EPS系統(tǒng)的匹配是主要的問題[11~12]。 （2）助力特性是否合理 　　助力特性的好壞關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)向的輕便性和路感。然而在目前國內(nèi)對于路感問題并沒有成熟的理論研究成果，研究手段依然在以試驗為主，所以需要確定合理的助力特性； （3）抗干擾

29、度的問題 　　EPS不但要有良好的硬件保證外，還需要良好的軟件控制做支撐，EPS的安裝一般在發(fā)動機附近，所以還會有熱輻射與電磁干擾的影響，所以對EPS的控制策略提出了很高的要求。 相比于國內(nèi)EPS的研發(fā)落后，國外近些年來開始針對于電動助力系統(tǒng)的不足，開始探索其他助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 電磁助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)： 電磁助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要就是由車速傳感器、扭矩傳感器、控制單元、電磁力發(fā)生裝置這些組成的。電磁助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與簡便的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的不同就是產(chǎn)生助力的裝置不一樣：電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力由電動機所給予的，然而電磁助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力是通過電磁力發(fā)生裝置。電磁助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間的

30、差于是少了電動機、電磁離合器及減速機構(gòu)，結(jié)構(gòu)比以前更加的簡單、價格更加的低，再而就是能較佳地減少地面沖擊對系統(tǒng)的作用，所以廣泛應(yīng)用于輕型汽車及普通型轎車上。 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)： EPS它是根據(jù)人力與電機助力兩部分去驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向。經(jīng)過技術(shù)的不斷創(chuàng)新，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會向全助力電動轉(zhuǎn)向的方向發(fā)展，它就是；驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向的力完全用電機提供；轉(zhuǎn)向盤只作為一個控制電機的信號發(fā)生器。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steering ByWire，簡稱SBW）它作為該技術(shù)的典型代表，減去了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪的機械連接，完全通過電能實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 1.4 本文的主要研究內(nèi)容 (1)電動助力轉(zhuǎn)向試驗臺總體方案設(shè)計； (2)電動助

31、力轉(zhuǎn)向試驗臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計； (3)電動助力轉(zhuǎn)向試驗臺用傳感器的研究與選型； (4)零件圖設(shè)計； (5)試驗臺的布置。 2 電動助力轉(zhuǎn)向試驗臺的總體組成 2.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理 2.1.1工作原理 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由傳感器、電子控制器ECU、執(zhí)行器三個部分組成。其中傳感器主要包括車速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)向角傳感器；執(zhí)行器主要包括電動機、電磁離合器和減速機構(gòu)。 其工作原理為：電子控制單元(ECU)根據(jù)車速傳感器和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器的信號計算所需的轉(zhuǎn)向助力的大小，通過功率放大模

32、塊控制直流電動機的轉(zhuǎn)動，助力電動機的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過減速機構(gòu)減速增扭后，驅(qū)動齒輪齒條轉(zhuǎn)向機構(gòu)，產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力。EPS系統(tǒng)還設(shè)有故障診斷模塊和保護措施，當(dāng)EPS發(fā)生故障時，故障診斷及代碼顯示模塊發(fā)出報警信號，并且以故障代碼的形式指示故障類型同時，EPS系統(tǒng)斷開電磁離合器，轉(zhuǎn)為手動純機械轉(zhuǎn)向狀態(tài)。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同車速下實時地為汽車轉(zhuǎn)向提供不同的助力效果，減輕了汽車低速時的轉(zhuǎn)向盤操縱力，提高了操縱的靈便性和高速行駛的穩(wěn)定性。 2.1.2工作特點 對于電動助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)，電動機僅在汽車轉(zhuǎn)向時才工作并消耗蓄電池能量；而對于常流式液壓動力轉(zhuǎn)向機構(gòu)，因液壓泵處于長期工作狀態(tài)和內(nèi)泄漏等原因要消耗

33、較多的能量。兩者比較，電動助力轉(zhuǎn)向的燃料消耗率僅為液壓動力轉(zhuǎn)向的16%~20%。 液壓轉(zhuǎn)向機構(gòu)內(nèi)的工作介質(zhì)是油，任何部位出現(xiàn)漏油，油壓將建立不起來，不僅失去助力效能，并對環(huán)境造成污染。當(dāng)發(fā)動機出現(xiàn)故障停止工作時，液壓泵也不工作，結(jié)果也會喪失助力效能，這就降低工作可靠性。電動助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)不存在漏油問題，只要蓄電池內(nèi)有電提供給電動助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)，就能有助力作用，所以工作可靠。若液壓動力轉(zhuǎn)向機構(gòu)的油路進入空氣或者貯油罐油面過低，工作時將產(chǎn)生較大噪聲，在排除氣體之前會影響助力效果；而電動助力轉(zhuǎn)向僅在電動機工作時有輕微的噪聲。 電動助力轉(zhuǎn)向與液壓動力轉(zhuǎn)向比較，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時僅需克服轉(zhuǎn)向器的摩擦阻力，不存

34、在回位彈簧阻力和反應(yīng)路感的油壓阻力。電動助力轉(zhuǎn)向還有整體結(jié)構(gòu)緊湊、部件少、占用的空間尺寸小、質(zhì)量比液壓式動力轉(zhuǎn)向約輕20%~25%以及在車上容易布置等優(yōu)點。 2.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類 EPS在日本最先獲得實際應(yīng)用。此后,電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)得到迅速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計, 2008年我國汽車市場上EPS 轉(zhuǎn)向器的裝車量已經(jīng)占了19% , 根據(jù)助力的施加位置和機械結(jié)構(gòu)不同, EPS分為: 管柱助力式( CEPS ) 、小齒輪助力式( PEPS) 、雙小齒輪式(DEPS) 、和滾珠絲杠式(APA2EPS) 。 管柱助力電機安裝于轉(zhuǎn)向管柱上,助力和駕駛員操縱力矩一同經(jīng)過中間轉(zhuǎn)向軸作用于轉(zhuǎn)向小齒輪。這種

35、結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是電機、ECU、減速機 構(gòu)都安裝于駕駛艙內(nèi),電機、ECU 的工作環(huán)境較好,方便發(fā)動機艙布置。缺點是所有助力都通過轉(zhuǎn)向管柱傳遞到轉(zhuǎn)向小齒輪和齒條,轉(zhuǎn)向管柱部件受力較大,因而助力大小受到限制;同時由于其電機和蝸輪蝸桿減速機構(gòu)安裝于駕駛艙內(nèi),更容易引起駕駛室內(nèi)噪聲。因而這種結(jié)構(gòu)的EPS主要適用于車重較輕、發(fā)動機艙較小且對噪聲要求相對不高的微型轎車。 小齒輪式EPS助力電機和蝸輪蝸桿減速器布置在轉(zhuǎn)向小齒輪附近。這種結(jié)構(gòu)的EPS,助力不需要管柱部件傳遞,因而電機可以提供更大的助力。小齒輪式EPS可以應(yīng)用到需要助力較大,而布置相對方便的中級轎車上。雙小齒輪式EPS能提供的齒條力比小齒輪式

36、EPS略大,由于增加了一對齒輪齒條嚙合副,制造成本也比小齒輪助力式略高,但能夠滿足助力大小和車輛總布置的特別需求。 滾珠絲杠式EPS由于滾珠絲杠比齒輪齒條具有更高的承載能力,這種EPS能夠提供更大的助力,應(yīng)用于載荷較大的豪華轎車或商務(wù)車領(lǐng)域。 各類型的EPS原理基本相似,由電機、傳感器、ECU、離合器、減速機構(gòu)和其它一些輔助機構(gòu)組成,結(jié)構(gòu)形式的選擇很大程度上受需求的助力大小和 空間布置的影響。由于齒輪齒條嚙合副所能承受的載荷有限,無論是管柱式、小齒輪式,還是雙小齒輪式EPS,所能達到的齒條力都在10 kN 以下;而滾珠絲杠較強的承載特性使?jié)L珠絲杠式EPS的齒條力能夠達到14 kN或更大。

37、滾珠絲杠式EPS所適用車型的前軸載荷也由齒輪式EPS的700～900 kg增大到1 000 kg或更大。 2.3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗臺的核心部件 系統(tǒng)主要核心部件 測控系統(tǒng)主要有電子控制單元(ECU)，電動機，減速機構(gòu)，磁粉制動器，多功能數(shù)據(jù)采集卡，車速傳感器，轉(zhuǎn)矩傳感器等部件組成。 檢測的主要性能參數(shù)為：汽車的車速，轉(zhuǎn)向盤的主扭矩和角度及車輪的阻力矩，電動機的電流、電壓和轉(zhuǎn)矩。 電子控制單元(ECU) ECU的功能是根據(jù)車速信號、轉(zhuǎn)向盤扭矩信號，進行邏輯分析與計算后，發(fā)出指令，控制電動機和離合器的動作。此外，ECU還有安全保護和自我診斷功能， ECU通過采集電動機的電流、電動機

38、電壓、發(fā)動機工況等信號判斷其系統(tǒng)工作狀況是否正常，一旦系統(tǒng)工作異常，助力將自動取消，系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槭謩愚D(zhuǎn)向狀態(tài)，同時ECU將進行故障診斷分析。 ECU通常是一個8位單片機系統(tǒng)或者是16位電動機控制專用微處理器芯片，也可采用數(shù)字信號處理器 (Digital Signal Processing，簡稱DSP)作為控制單元。由于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在非線性元件(如摩擦和阻尼)，另外元件的磨損、路面條件的變化和傳感器噪聲也會給系統(tǒng)帶來不確定性，因此控制系統(tǒng)與控制算法也是EPS的關(guān)鍵之一。控制系統(tǒng)應(yīng)有較強抗干擾能力，以適應(yīng)汽車復(fù)雜的行駛環(huán)境?？刂扑惴☉?yīng)快速正確，滿足實時控制的要求，并能有效地實現(xiàn)理想的助力規(guī)

39、律與特性。它是本系統(tǒng)檢測的關(guān)鍵部件。 電動機 電動機的功能是根據(jù)電子控制單元的指令輸出適宜的輔助轉(zhuǎn)矩，是EPS的動力源。電動機對EPS的性能有很大的影響，是EPS的關(guān)鍵部件之一，所以EPS對電動機有很高的要求，這些要求主要有： (1)由于大多車載電源為12V直流電，因此要求助力電動機的工作電壓低和具有足夠大的額定功率和額定電流； (2)轉(zhuǎn)動慣量小，寬廣的調(diào)速范圍，控制特性好，低速運行平穩(wěn)，力矩波動?。? (3)大的齒輪傳動比將增加機械慣量，降低EPS系統(tǒng)的動態(tài)性能，所以齒輪傳動比較小，因此，電動機轉(zhuǎn)速不能太高； (4)為減小轉(zhuǎn)子的慣性力矩，電動機的體積應(yīng)盡可能?。? (5)在堵轉(zhuǎn)時也

40、要能夠提供助力作用，對于大型的車輛，甚至要求電動機能夠提供與轉(zhuǎn)動方向相反的助力轉(zhuǎn)矩。 表2-1分析了不同電動機的技術(shù)特點及其滿足EPS使用要求的情況。這幾種電動機不僅在結(jié)構(gòu)方面有各自的特點，而且在效率、功率密度、力矩波動等技術(shù)參數(shù)也互不相同。考慮到汽車的特點，要求EPS選用的電動機應(yīng)該具有尺寸小、質(zhì)量輕、效率高、力矩波動與噪聲小，可靠性高、能與汽車使用環(huán)境相適應(yīng)，包括對電源的需求等。 表2-1 不同類型電動機技術(shù)特點比較 電機類型 項目 感應(yīng)電動機 永磁有刷電動機 永磁無刷電動機 開關(guān)磁阻電動機 結(jié)構(gòu)特點 結(jié)構(gòu)簡單 三相定子 鋁或銅籠轉(zhuǎn)子無永磁體

41、 轉(zhuǎn)動繞組 機械換向器 三相定子 永磁轉(zhuǎn)子 電子換向 四相定子 鋼鐵轉(zhuǎn)子 無轉(zhuǎn)子繞組 無永磁體 負(fù)荷效率(%) 90-92 85-97 85-97 78-86 系統(tǒng)復(fù)雜程度 驅(qū)動電路復(fù)雜 控制器簡單 控制器簡單 高度復(fù)雜 使用技術(shù) 成熟 成熟 仍在發(fā)展 仍在發(fā)展 可靠性 一般 較好 優(yōu) 較好 力矩波動 小 電動機設(shè)計時考慮 基本通過電磁設(shè)計考慮 由電磁設(shè)計和電子控制考慮 功率密度 中 中 高 中 對助力大小要求較低的汽車，選用永磁有刷直流電動機是一個好的選擇，因為有刷直流電動機技術(shù)成熟、控制器結(jié)構(gòu)簡單、成本低；

42、對要求助力較大的轎車，應(yīng)選擇永磁無刷直流電動機，因為永磁無刷直流電動機比其它類型電動機更具有優(yōu)勢。雖然也可以用開關(guān)磁阻電動機，但是需要進行許多的研究來克服其缺點。 減速機構(gòu) EPS的減速機構(gòu)與電動機相連，用來增大電動機的輸出扭矩。主要有兩種形式：蝸輪蝸桿減速機構(gòu)和雙行星齒輪減速機構(gòu)。前者主要用于轉(zhuǎn)向軸助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，后者主要用于齒輪助力式和齒條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。本試驗臺的測試減速機構(gòu)為蝸輪蝸桿減速機構(gòu)，減速比為16.5。 圖2-1 蝸輪蝸桿減速機構(gòu) 轉(zhuǎn)向電動機 磁粉制動器的阻力矩最大值Tc=100Nm，i=16.5，轉(zhuǎn)向盤所需施加的轉(zhuǎn)矩 Td=Tc/i=100/16.5

43、=6.06Nm PW錯誤！未找到引用源。 選擇Y90L-4電動機，將其有關(guān)參數(shù)帶入驗算 錯誤！未找到引用源。取0.98，n=1400 r/min T=1.5錯誤！未找到引用源。9550錯誤！未找到引用源。0.98錯誤！未找到引用源。=10Nm T錯誤！未找到引用源。Td 所以轉(zhuǎn)向電動機選Y90L-4。 傳感器的選擇 傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。一般來講傳感器的選用與以下幾個方面密切相關(guān)： u 控制方面的要求：涉及測定的目的、測量的對象、測量的范圍以及精度要求等； u 今傳感器的性質(zhì)：包括精度等級、穩(wěn)定性、對象的特性影響等；

44、u 使用條件：主要涉及應(yīng)用現(xiàn)場的環(huán)境因素； u 供求水平和維護：也即經(jīng)濟性和良好的維護性。同時試驗臺系統(tǒng)的工作環(huán)境的多變性，以及來自電動機和功率驅(qū)動電路的電磁干擾比較大，考慮到人身安全要求的高可靠性等。 表2-2 現(xiàn)場信號清單 序號 信號名稱 信號類型 信號源 路數(shù) 信號標(biāo)準(zhǔn) 1 車速信號 模擬量輸入 波形發(fā)生器 1 方波 2 角度信號 數(shù)字量輸入 角度傳感器 1 方波 3 轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩 模擬量輸入 扭矩傳感器 1 方波 4 電動機轉(zhuǎn)矩 模擬量輸入 扭矩傳感器 1 方波 5 轉(zhuǎn)向阻力矩 模擬量輸入 扭矩傳感器 1 方波

45、 6 電動機電流 模擬量輸入 電動機輸出端子 1 -5~+5v 7 電動機電壓 模擬量輸入 電動機輸出端子 1 -5~+5v 試驗臺用傳感器也有其自身的特殊要求。具體體現(xiàn)在以下幾個方面： (1)有較好的環(huán)境適應(yīng)性； (2)批量生產(chǎn)，并具有互換性； (3)高可靠性，穩(wěn)定性好； (4)盡可能小型、輕量，便于安裝； (5)抗電磁干擾能力強； (6)性能:精度高、響應(yīng)快，從而滿足試驗臺實時采集數(shù)據(jù)的要求。 從表3-3中可以看出，本系統(tǒng)中待檢測的信號比較多，而且信號的種類又不同，主要有轉(zhuǎn)矩信號、速度信號、轉(zhuǎn)角信號、電流信號、電壓信號等。 在該系統(tǒng)中，最主要的性

46、能參數(shù)為汽車的車速，轉(zhuǎn)向盤的主扭矩和電動機目標(biāo)電流，下面對這三者所用的傳感器和檢測方法加以詳細(xì)的說明。 轉(zhuǎn)速傳感器 (1)轉(zhuǎn)速傳感器的分類及特點 速度傳感器是將機械運動速度這個非電量變換成電量信號的傳感器，如果按輸出信號的模式可分為模擬式和數(shù)字式兩種，按工作原理又可分為電容式、光電式、磁電式等，其分類方法如圖3-6所示。 1)模擬式轉(zhuǎn)速傳感器是取其與被測轉(zhuǎn)速成正比的電壓幅度作為輸出信號，稱為測速發(fā)電機。測速發(fā)電機的構(gòu)造簡單可靠，耐振動沖擊，速度范圍小，但溫漂較大，不適于高溫環(huán)境。 2)數(shù)字式傳感器是取其與被測轉(zhuǎn)速的頻率成正比的電脈沖作為輸出信號，按獲取轉(zhuǎn)速信號的方式可分為電渦流式，光

47、電式和磁電式三種。 直流測速機 模擬式轉(zhuǎn)速傳感器 同步型 轉(zhuǎn)速傳感器 交流測速機 電渦流式 數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器 光電式 異步型 磁電式 圖2-2 車速傳感器的分類 汽車上的速度傳

48、感器一般用的是數(shù)字式傳感器，它以集電極開路形式輸出的脈沖表示車速，在本測試系統(tǒng)中可以用基本輸入輸出系統(tǒng)輸出的脈沖來模擬，把這脈沖分別傳送給ECU和測試微機系統(tǒng)。 2.3.1 扭矩傳感器 轉(zhuǎn)矩傳感器是測量各種電動機、內(nèi)燃機以及旋轉(zhuǎn)動力設(shè)備的輸出扭矩及功率的必備設(shè)備，從上世紀(jì)三四十年代發(fā)展至今己有數(shù)十種產(chǎn)品，從最初的光學(xué)機械變形類發(fā)展到電磁感應(yīng)類、相位差類，到現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變測量類。隨著低功耗微電子技術(shù)的發(fā)展，各類轉(zhuǎn)矩傳感器被賦予了新的生命，其性能也越來越好可測的精度與轉(zhuǎn)速也越來越高。 傳遞法 轉(zhuǎn)矩傳感器 平衡力法 能量轉(zhuǎn)換法

49、圖2-3 轉(zhuǎn)矩傳感器的分類 從傳感器的分類來說，以往所有的轉(zhuǎn)矩傳感器都屬于結(jié)構(gòu)型傳感器，由于都要利用彈性元件的機械變形，因此轉(zhuǎn)矩傳感器具有體積大、耗材多等缺點。但由于上藝成熟、牢固、可靠、價格低廉，與微電子技術(shù)和計算機技術(shù)結(jié)合后易實現(xiàn)數(shù)字化、自動化，所以仍有十分廣闊的應(yīng)用前景。在本系統(tǒng)中主要用于測量轉(zhuǎn)向盤的主扭矩，轉(zhuǎn)向阻力矩和助力電機力矩。 轉(zhuǎn)矩傳感器按測量原理的分類如下所示: (1)傳遞法(扭軸法)是根據(jù)彈性元件在傳遞轉(zhuǎn)矩時由于彈性元件的變形、應(yīng)力或應(yīng)變而引起機械、液壓、氣動、電阻、電容、電感、光學(xué)、光電、振弦等物理參數(shù)的變化而形成的轉(zhuǎn)矩傳感器，目前此類傳感器占轉(zhuǎn)矩測量的絕大部分。

50、 (2)平衡力法(反力法)對于任何一種勻速工作動力機械或制動機械，當(dāng)它的主軸受轉(zhuǎn)矩作用時，在它的機殼上必定同時作用著一個方向相反的平衡力矩(或稱為支座反力矩)，測量支座上的反力矩就.用以確定機器主軸上作用轉(zhuǎn)矩的大小與方向。此種測量方法就是平人衡力法。也稱反力法。常用這種方法的有電力測功機、水力測功機和空氣、磁粉等測功機類。 (3)能量轉(zhuǎn)換法是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換守恒定律的關(guān)系來測量轉(zhuǎn)矩的一種方法，它是一種間接測量方法。一般來說誤差較大，故很少采用，只有在直接測量無法進行的時候才考慮此法。 目前在轉(zhuǎn)矩測量中，傳遞類轉(zhuǎn)矩傳感器應(yīng)用十分廣泛。 轉(zhuǎn)矩傳感器用來檢測電動助力轉(zhuǎn)向器輸入軸扭矩和轉(zhuǎn)向阻力矩，是

51、系統(tǒng)中一個非常重要的檢測部件。選用的扭矩傳感器為是北京三晶創(chuàng)業(yè)集團的JN338數(shù)字轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器如圖2-4所示。 圖2-4 JN338型數(shù)字轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器 該傳感器采用兩組特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器來實現(xiàn)能源的輸入及轉(zhuǎn)矩信號的輸出，從而解決了旋轉(zhuǎn)動力傳遞系統(tǒng)中能源及信號可靠地在旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分之間的傳遞問題。該傳感器還可同時實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測量，從而可方便地計算出軸輸出功率，因此，利用該傳感器可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及軸功率的多參數(shù)輸出。 主要技術(shù)參數(shù)如下: 表2-3 JN338傳感器主要技術(shù)參數(shù) 參數(shù) 轉(zhuǎn)矩準(zhǔn)確度 過載能力 絕緣電阻 工作溫度 線性 相對濕度 指標(biāo) >

52、0.5% 150%F.S 200Mo -20~60 ℃ 0.5%F.S 90%RH 2.3.2 車速傳感器 由于車速傳感器的信號經(jīng)過整形后發(fā)出的是脈沖信號，每個脈沖表示磁電式車速傳感器的被測齒盤輪齒轉(zhuǎn)過一齒，那么汽車的行駛速度就可以用單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)、被測齒盤齒輪齒數(shù)與車輪的行駛半徑計算出來。 其計算公式如下： (2-1) 其中：V-汽車行駛速度 n-測量的脈沖數(shù) Z-被測齒盤的齒輪齒數(shù) T-測量時間周期 rd-車輪的滾動半徑 2.3.4 電子控制單元 電

53、子控制單元(ECU) ECU的功能是根據(jù)車速信號、轉(zhuǎn)向盤扭矩信號，進行邏輯分析與計算后，發(fā)出指令，控制電動機和離合器的動作。此外，ECU還有安全保護和自我診斷功能， ECU通過采集電動機的電流、電動機電壓、發(fā)動機工況等信號判斷其系統(tǒng)工作狀況是否正常，一旦系統(tǒng)工作異常，助力將自動取消，系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槭謩愚D(zhuǎn)向狀態(tài)，同時ECU將進行故障診斷分析。 ECU通常是一個8位單片機系統(tǒng)或者是16位電動機控制專用微處理器芯片，也可采用數(shù)字信號處理器 (Digital Signal Processing，簡稱DSP)作為控制單元。由于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在非線性元件(如摩擦和阻尼)，另外元件的磨損、路面條件的變

54、化和傳感器噪聲也會給系統(tǒng)帶來不確定性，因此控制系統(tǒng)與控制算法也是EPS的關(guān)鍵之一。控制系統(tǒng)應(yīng)有較強抗干擾能力，以適應(yīng)汽車復(fù)雜的行駛環(huán)境?？刂扑惴☉?yīng)快速正確，滿足實時控制的要求，并能有效地實現(xiàn)理想的助力規(guī)律與特性。它是本系統(tǒng)檢測的關(guān)鍵部件。 2.3.5 阻力模擬裝置 本系統(tǒng)中應(yīng)用磁粉制動器來模擬轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的阻力矩。磁粉制動器是利用電磁效應(yīng)下的磁粉來傳遞轉(zhuǎn)矩的，具有激磁電流和傳遞轉(zhuǎn)矩基本成線性關(guān)系、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、無沖擊、無振動、無噪音、無污染等優(yōu)點，是一種多用途性能優(yōu)越的自動控制元件，廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)中機械的加載、制動以及卷繞系統(tǒng)中收卷和放卷的張力控制。在該系統(tǒng)中，利用磁粉制動器來模擬

55、汽車整個轉(zhuǎn)向裝置所受的阻力矩。盡管磁粉制動器難以精確模擬行駛路況，但是可以實現(xiàn)磁粉制動器負(fù)載的變化趨勢與路面行駛一致。因此，通過磁粉制動器研究可以探索電動機的助力規(guī)律，檢驗助力控制程序的運行效果，分析EPS對汽車轉(zhuǎn)向輕便性的影響。同時也可以降低直接裝車進行路試的危險性和研究成本。本試驗臺采用瑞安市中瑞控制器廠生產(chǎn)的CZ型磁粉制動器(如圖3-2)，其技術(shù)參數(shù)如表3-2。 圖2-5 CZ型磁粉制動器 表2-4 CZ磁粉制動器技術(shù)參數(shù) 參數(shù) 額定轉(zhuǎn)矩N.M 激磁電流A 允許滑差功率KW 冷卻方式 磁粉量g 指標(biāo) 100 1 8 單雙水冷 150 其主要有激磁電流

56、-力矩、轉(zhuǎn)速-力矩和負(fù)載三個特性： (1) 激磁電流-力矩特性 激磁電流與轉(zhuǎn)矩基本成線性關(guān)系，通過調(diào)節(jié)激磁電流可以控制力矩的大小。其特性如圖3-3所示。 圖2-6 激磁電流-力矩特性 圖2-7 轉(zhuǎn)速-力矩特性 (2) 轉(zhuǎn)速-力矩特性 力矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)，保持定值。靜力矩和動力矩沒有差別。特性如圖3-4所示。 (3) 負(fù)載特性 磁粉制動器的允許滑差功率在散熱條件一定時是定值。其連續(xù)運行時，實際滑差需在允許滑差功率以內(nèi)。使用轉(zhuǎn)速高時，需降低力矩使用。其特性如圖3-5所示。 圖2-8 負(fù)載特性 2.4 本章小結(jié) 測控系統(tǒng)主要有電子控制單元(ECU)，電動機，減速機

57、構(gòu)，磁粉制動器，多功能數(shù)據(jù)采集卡，車速傳感器，轉(zhuǎn)矩傳感器等部件組成。 檢測的主要性能參數(shù)為：汽車的車速，轉(zhuǎn)向盤的主扭矩和角度及車輪的阻力矩，電動機的電流、電壓和轉(zhuǎn)矩。 3 EPS系統(tǒng)匹配分析 3.1 EPS助力電機的匹配 助力電機是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部件，系統(tǒng)就是依靠助力電機提供轉(zhuǎn)向助力，從而改善轎車在低速行駛時的轉(zhuǎn)向輕便性和高速行駛時的路感信息，它的性能決定著整個系統(tǒng)的性能，所以電機的匹配十分重要。助力電機的匹配問題包括結(jié)構(gòu)選擇和參數(shù)匹配兩大問題。結(jié)構(gòu)選擇問題包括：電機的布置形式（助力

58、形式）和電機類型的選擇。參數(shù)匹配包括:電機尺寸、電機輸出扭矩、電機轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、電機的阻尼、電機軸的剛度。 3.1.1電機的布置形式 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)電動機布置位置不同，分為軸助力式、齒輪助力式、齒條助力式三種。具體車型采用何種形式主要依據(jù)汽車前軸的空間大小、前軸荷、電動機的特性等來確定。一般來說，從整車排量考慮，1.5L以下的中小車型可以選擇軸助力式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，2L以上的大型轎車可以選擇齒條助力式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；從轉(zhuǎn)向器的齒條輸出力考慮，8000N以下的可以選擇軸助力或者小齒輪助力式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，8000N以上的可以選擇齒條助力式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；從整車前軸軸

59、荷考慮，9000N以下的可以選擇軸助力或者小齒輪助力式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，9000N以下的可以選擇齒條助力式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。本車型基本參數(shù)如表1所示。 表3-1 電機布置形式選型 排量 齒條輸出力（N） 前軸軸荷（N） 電機布置形式 1.5L 最大7000~8000 滿載7800 轉(zhuǎn)向軸助力式 因此，選擇轉(zhuǎn)向軸助力式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這種EPS的電動機固定在轉(zhuǎn)向柱上，并通過減速機構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力。該方案的助力輸入將經(jīng)過轉(zhuǎn)向器傳遞，所以對電動機的最大輸出力矩的要求相對較??；電動機布置在駕駛室內(nèi)，工作環(huán)境較好；另外由于電機的安裝位置離駕駛員比較近，

60、需要注意電動機的噪聲。 3.1.2助力電機類型匹配 助力電機的功能是根據(jù)電子控制單元的指令輸出適宜的輔助扭矩，它是系統(tǒng)的動力源，也是整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。對電機有如下要求：起動迅速，伺服性能好，低速下具有較大扭矩，轉(zhuǎn)動慣量小，噪聲低，具有良好的機械特性；易控制，可靠性和安全性高，維護方便，對其它控制電路的電磁干擾盡量??；尺寸小，質(zhì)量輕，盡可能節(jié)省空間大小并降低重量，使用12V的直流車載電源。因此選擇12V直流電機作為助力電機。直流電機分為有刷直流電機和無刷直流電機，對于本車型，屬于中小型乘用車，所以選擇永磁有刷直流電機。采用的永磁有刷直流電機包括轉(zhuǎn)動繞組、機械換向器，電機的技術(shù)成熟，

61、控制器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，對于助力要求較低的汽車，一般采用永磁有刷直流電機，符合本車型要求。 表3-2 電機類型匹配 電機類型 額定電壓 永磁有刷直流電機 12V 3.1.3助力電機參數(shù)匹配 電機參數(shù)匹配本報告的重要部分，匹配內(nèi)容包括電機尺寸、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率、PWM驅(qū)動頻率及轉(zhuǎn)動慣量等內(nèi)容。 3.1.3.1助力電機的尺寸匹配 由于本車型屬于發(fā)動機前置前驅(qū)動乘用車，駕駛室內(nèi)空間相對緊張，并且附近有踏板機構(gòu)及其附件，因此原則上電機的尺寸應(yīng)盡可能小，電機長度和直徑協(xié)調(diào)設(shè)計使之與整車前軸布置相適應(yīng)。 3.1.3.2助力電機的轉(zhuǎn)矩匹配 a) 對于選定的轉(zhuǎn)向軸助力式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，

62、主力電機的轉(zhuǎn)矩主要取決于汽車在原地轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向阻力矩，即取決于前軸載荷的大小。汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩可以按下面的半經(jīng)驗公式計算： (3-1) 其中：為輪胎和路面之間的滑動摩擦系數(shù)，一般取0.7；為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷（N）；為輪胎氣壓（MPa）。 經(jīng)過驗算，此半經(jīng)驗公式誤差較大，而且存在未知的機械參數(shù)。又因為原有液壓機構(gòu)的參數(shù)未知，且即使參數(shù)已知液壓保護系數(shù)的影響而使存在一定誤差。在這里使用一種對比參照的方法，比較一種成型的同車型乘用車，結(jié)合本車參數(shù)對電機助力轉(zhuǎn)矩進行匹配。參考車型參數(shù)如表3-3所示。 表3-3 參考車型齒條力

63、參數(shù) 滿載前軸載荷 齒條力 974kg 9600N 根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)有 (3-2) 其中為齒條力，為轉(zhuǎn)向節(jié)臂長。 而且因為考慮車型與參考車型轉(zhuǎn)向節(jié)臂長基本相同，結(jié)合(1)(2)得所考慮的車型的齒條力， (3-3) 轉(zhuǎn)化為助力電機經(jīng)過減速器減速后在轉(zhuǎn)向柱上的扭矩，為轉(zhuǎn)向軸齒輪節(jié)圓半徑 (3-4) 要求方向盤力矩不超過，考慮電機從方向盤力矩為零開始滿足轉(zhuǎn)矩條件，因此，助力電機的轉(zhuǎn)矩匹配如表3-4所示。 表3-4 助力電機的轉(zhuǎn)矩匹配 滿載前軸載荷(kg) 最大

64、齒條力(N) 助力電機經(jīng)減速機構(gòu)輸出最大轉(zhuǎn)矩(Nm) 785 6946 53.5 3.1.3.3助力電機的轉(zhuǎn)速匹配 對于選定的助力電機類型，永磁有刷直流電機的機械特性曲線如圖3-1所示。為了滿足轉(zhuǎn)向輕便性要求，需要使在方向盤轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，電機減速后都能輸出一定的轉(zhuǎn)矩，即。 圖3-1 助力電機機械特性曲線 因此得到電機轉(zhuǎn)速匹配要求， (3-5) 其中為方向盤最高轉(zhuǎn)速，為助力電機減速機構(gòu)的減速比，為電機最高轉(zhuǎn)速。 在我國，操縱穩(wěn)定性試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方向盤轉(zhuǎn)速不小于，而美國的ESV試驗為不小于；實際試驗數(shù)據(jù)表明，在駕駛員進行緊急避讓時，

65、可以比這個還要大很多，例如，根據(jù)美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)的調(diào)查，駕駛員在進行緊急避讓的時候，可以達到左右。 這里用到了助力電機減速機構(gòu)的減速比，它對電機輸出轉(zhuǎn)矩起到放大作用，同時對電動機的轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)也起到放大作用，因此影響系統(tǒng)的動態(tài)性能；減速比還會影響減速機構(gòu)的尺寸、布置空間和傳動效率等。因此在減速機構(gòu)匹配中進行設(shè)計。 3.1.3.4助力電機的功率匹配及驗算 選擇助力電機額定功率一般分為三個步驟：一、計算電動機的負(fù)載功率，進行預(yù)選；二、助力電機的過熱驗算；三、助力電機的過載驗算。由于汽車的駕駛情況及行使工況的不同，電動機的工作負(fù)載也表現(xiàn)出不同的負(fù)載類型。匹配選擇時，應(yīng)

66、綜合考慮各種不同的負(fù)載情況，選擇略大的電動機功率。 一、電動機負(fù)載功率的計算 電動機的負(fù)載功率要根據(jù)具體的負(fù)載功率及效率來進行計算。電動機的負(fù)載功率可采用下式來估算， (3-6) 其中，為轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)矩；為轉(zhuǎn)向盤最高轉(zhuǎn)速；為考慮電動機、減速器的等效功率系數(shù)，一般的取值范圍為1.2~2.5。 考慮到電動機的連續(xù)工作制運行工況，電動機的額定功率應(yīng)滿足： (3-7) 考慮到電機功率的利用效率，取為1.2，則額定功率 (3-8) 二、助力電機的過熱驗算和過載驗算（因為要預(yù)選電機，所以暫時無法計算） 若預(yù)選的電動機過熱、過載能力不夠，則要重選助力電機及額定功率，直到滿足要求為止。 3.1.3.5助力電機PWM驅(qū)動頻率及轉(zhuǎn)動慣量的匹配 1、助力電機PWM驅(qū)動頻率的匹配 電動機端電壓由PWM方式獲得，PWM頻率對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作具有重要的影響。PWM的驅(qū)動頻率要考慮與機械系統(tǒng)固有頻率的關(guān)系、對電樞電流紋波的影響及對人的噪聲影響，同時還要考慮開關(guān)時電流脈