eps電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)（齒輪齒條轉(zhuǎn)向器）（含三維CATIA及CAD圖紙）
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中文摘要
摘 要
汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)與傳統(tǒng)的機(jī)械、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比具有轉(zhuǎn)向靈敏、能耗低、與環(huán)境的兼容性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前，在很多高端車上都裝由EPS，因此，開發(fā)EPS具有很大的實(shí)際意義和商業(yè)價(jià)值。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由控制部分、執(zhí)行部分和程序這三個(gè)部分組成，控制部分主要由信號(hào)采集電路、單片機(jī)和信號(hào)發(fā)送電路組成。其中單片機(jī)是控制部分的核心部件，信號(hào)采集電路采集到的轉(zhuǎn)矩和車速信號(hào)送單片機(jī)處理后，單片機(jī)再發(fā)出控制信號(hào)給信號(hào)發(fā)送電路，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。執(zhí)行部分主要由電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和電磁離合器的組成。它起著轉(zhuǎn)向輔助動(dòng)力的產(chǎn)生，傳遞和中斷的作用。而程序是助力控制方式的具體體現(xiàn)，它由控制方式和控制策略來(lái)決定。控制部分、程序、執(zhí)行部分相互組合就構(gòu)成了以一完整的汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)組建系統(tǒng)調(diào)試后，得出了我們所需要的助力特性曲線，經(jīng)過(guò)分析，采用的控制形式存在級(jí)變震動(dòng)，為了減小震動(dòng)的影響，必須增加助力曲線的數(shù)目以減小震動(dòng)幅度，但是幅度必須足夠的小，小到足以忽略頻率的影響。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向，單片機(jī)，助力曲線，直流電機(jī)，電機(jī)控制
II
本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ABSTRACT
ABSTRACT
Electric power steering system (EPS) has the advantage of sensitive, low energy consumption and environmental compatibility, and low cost compared with the traditional mechanical and hydraulic power steering system. At present, in many high-end vehicles are installed by the EPS, therefore, the development of EPS has great practical significance and commercial value. EPS controlled by the controller, actuator and procedures. The controller controlled by the signal acquisition, SCM, and circuit sent signals. SCM is the core components of the system, signal acquisition circuit to the acquisition of torque and speed signals sent to deal with SCM. Then, SCM sent the control signals to the signal circuit, after, driving circuit driving motor rotation. Actuator controlled by motor, reducer, and electromagnetic clutch. It plays to the formation of auxiliary power, transmission and the role of interruption. The assistance program is a concrete manifestation of control. It is decided by the control strategies. Controller, procedures, operation each other are combination of a complete vehicle electric power steering system. After the system debugging, we need to come to the assistance of the curve. After analysis, there is a shocking when the speed changes from one state to another. In order to reduce the impact of shock, we need to increase the number of curve to reduce the rate shock, however, the rate must be small enough to neglect the impact of the frequency.
Key words： electric power steering, SCM, power curve , DC motor, motor control
本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄
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目 錄
中文摘要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
緒論 1
1.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類 1
1.2電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.3 EPS的分類 2
1.3.1轉(zhuǎn)向軸助力式 2
1.3.2轉(zhuǎn)向小齒輪助力式 2
1.3.3轉(zhuǎn)向齒條助力式 3
1.4 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 3
1.5電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理 4
2.系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5
2.1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選型 5
2.2機(jī)械部分系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5
2.2.1設(shè)計(jì)要求分析 5
2.2.2實(shí)現(xiàn)形式 5
2.3控制部分系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7
2.4電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 7
3.主要零部件選型 9
3.1主要機(jī)械部件選型 9
3.1.1直流電機(jī)選型 9
3.1.2電磁離合器的選型 11
3.1.3 轉(zhuǎn)矩傳感器選型 12
3.2 主要控制芯片的選型 14
3.2.1 單片機(jī) 14
3.2.2數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換器及模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器 15
3.2.3 鎖存器 17
3.2.4 STK6855電機(jī)控制芯片 18
3.2.5 TL494電機(jī)調(diào)速芯片 19
3.2.6LM224放大器 19
3.2.7場(chǎng)效應(yīng)管 20
3.2.8穩(wěn)壓芯片 20
3.2.9主要選購(gòu)件列表 21
4．機(jī)械設(shè)計(jì)部分 22
4.1 減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 22
4.1.1 減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22
4.1.2 減速器齒輪齒圈設(shè)計(jì) 23
4.1.3 強(qiáng)度校核 26
4.2傳動(dòng)錐齒輪設(shè)計(jì) 31
4.2.1外形尺寸設(shè)計(jì) 31
4.2.2錐齒輪校核 33
5.電路設(shè)計(jì) 35
5.1信號(hào)采集及A/D電路設(shè)計(jì) 35
5.2信號(hào)發(fā)送及D/A電路設(shè)計(jì) 36
5.3電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路設(shè)計(jì) 37
5.4 電磁離合器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 39
5.5電源控制電路設(shè)計(jì) 40
5.6 總電路設(shè)計(jì) 40
6. 程序設(shè)計(jì) 42
6.1 電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力曲線 42
6.2程序的前期數(shù)學(xué)處理 43
6.3 程序框圖 46
6.4程序 48
6.5程序結(jié)果驗(yàn)證 54
6.6 助力曲線分析 58
參考文獻(xiàn) 59
三、論文提綱
1.緒論
2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選型
2.2機(jī)械部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.3控制部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.4電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
3.主要零部件選型
3.1主要機(jī)械部件選型
3.2 主要控制芯片的選型
4．機(jī)械設(shè)計(jì)部分
4.1 減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.2傳動(dòng)錐齒輪設(shè)計(jì)
5.電路設(shè)計(jì)
6. 程序設(shè)計(jì)
參考文獻(xiàn)
II
本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論
緒論
隨著近年來(lái)電子控制技術(shù)的成熟和成本的降低,電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系(EPS)統(tǒng)越來(lái)越受到人們的重視, 并以其具有傳統(tǒng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點(diǎn), 迅速邁向了應(yīng)用領(lǐng)域, 部分取代了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Hydraulic Power Steering, 簡(jiǎn)稱HPS) 。電子控制技術(shù)在汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用, 使汽車的駕駛性能達(dá)到令人滿意的程度。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS) 在汽車低速行駛轉(zhuǎn)向時(shí)減輕轉(zhuǎn)向力使轉(zhuǎn)向輕便、靈活；在汽車高速行駛轉(zhuǎn)向時(shí),適當(dāng)加重轉(zhuǎn)向力,從而提高了高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性, 增強(qiáng)了“路感”。不僅如此,EPS的能耗是HPS能耗的1 /3以下,且前者比后者使整車油耗下降可達(dá)3%～5%, 因而, EPS將成為汽車傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想的升級(jí)換代產(chǎn)品。
1.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類
由于助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)向輕便和響應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在汽車上廣泛使用。 目前汽車配置的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可分為以下3類。
1) 機(jī)械式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
機(jī)械式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用最為廣泛，系統(tǒng)的核心部件是機(jī)械液壓泵。液壓泵通過(guò)傳動(dòng)皮帶由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)， 屬于固定助力效果的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。具有明顯的缺點(diǎn)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力效果在車速較低時(shí)能夠起到很好的作用，但是當(dāng)車速不斷升高時(shí)，固定的助力效果會(huì)使轉(zhuǎn)向盤過(guò)于靈敏，不利于駕駛者對(duì)方向進(jìn)行控制。
2)電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是機(jī)械式液壓助力的改進(jìn)， 通過(guò)電子控制技術(shù)在助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上增加了車速感應(yīng)式轉(zhuǎn)向功能，以實(shí)現(xiàn)車輛低速行駛時(shí)助力力矩大和高速行駛時(shí)助力力矩小的效果，但是結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，而且液壓系統(tǒng)由于液體的慣性和可壓縮性，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向滯后影響操作。再者，液壓油也對(duì)環(huán)境造成污染。能量損耗很大。
3)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)
EPS是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將最新的電力電子技術(shù)和高性能的電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之中，根據(jù)作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)，通過(guò)電子控制裝置使電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)大小和方向的輔助力，協(xié)助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，并獲得最佳轉(zhuǎn)向特性的伺服系統(tǒng),EPS能顯著改善汽車動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能，提高行駛中駕駛員的舒適性和安全性，減少環(huán)境的污染。因此，該系統(tǒng)一經(jīng)提出，就受到許多大汽車公司的重視，并進(jìn)行開發(fā)和研究。
1.2電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
自1953年美國(guó)通用汽車公司在別克轎車上使用液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以來(lái), HPS給汽車帶來(lái)了巨大的變化,幾十年來(lái)的技術(shù)革新使液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展異常迅速, 出現(xiàn)了電控式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Hydraulic Power Steering,簡(jiǎn)稱EHPS) 。1988年3月，日木鈴木公司開發(fā)出一種全新的電子控制式EPS，真正擺脫了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的束縛。首先在其Cervo車上裝備EPS , 隨后又應(yīng)用在Alto汽車上；1993年，本田汽車公司首次將EPS裝備于大批量生產(chǎn)的、在國(guó)際市場(chǎng)上同法拉利和波爾舍競(jìng)爭(zhēng)的愛克NSX跑車。TRW公司繼推出EHPS后也迅速推出了技術(shù)上比較成熟的帶傳動(dòng)EPS和轉(zhuǎn)向柱助力式EPS,并裝配在Ford Fiesta和Mazda 323F等車上, 此后EPS技術(shù)便得到了飛速的發(fā)展，如本田最新推出的Insight轎車上就是其中的—例。在國(guó)外, EPS已進(jìn)入批量生產(chǎn)階段, 并成為汽車零部件的高新技術(shù)產(chǎn)品。
我國(guó)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)目前絕大部分采用機(jī)械轉(zhuǎn)向或液壓助力轉(zhuǎn)向,EPS的研究開發(fā)目前還處于起步階段, 其產(chǎn)品在2002年才有國(guó)內(nèi)企業(yè)進(jìn)行研制開發(fā)。目前已經(jīng)知道的有13家企業(yè)和科研院校正在研制中，其中南摩股份有限公司(生產(chǎn)轉(zhuǎn)向柱式的EPS產(chǎn)品)在2003年開始進(jìn)入小批量生產(chǎn)階段，在昌河公司產(chǎn)的愛迪爾轎車、南京菲亞特公司生產(chǎn)的新雅途轎車上使用。吉利汽車集團(tuán)開發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EPS產(chǎn)品也已經(jīng)裝備其吉利豪情等系列轎車上。
1.3 EPS的分類
目前電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總共分為3類：轉(zhuǎn)向軸助力式，轉(zhuǎn)向小齒輪式，轉(zhuǎn)向齒條式。
1.3.1轉(zhuǎn)向軸助力式
轉(zhuǎn)向軸助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是將轉(zhuǎn)向助力部分安裝在轉(zhuǎn)向軸管上，輔助力矩由助力電機(jī)經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞到轉(zhuǎn)向軸上，從而實(shí)現(xiàn)助力效果。這種助力方式在結(jié)構(gòu)上安裝很方便，但其助力較小，一般用于小型汽車上。結(jié)構(gòu)如圖1-1(a)所示。
1.3.2轉(zhuǎn)向小齒輪助力式
轉(zhuǎn)向小齒輪助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是將輔助機(jī)構(gòu)安裝在轉(zhuǎn)向小齒輪上，輔助力矩由助力電機(jī)發(fā)出后經(jīng)過(guò)減速系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)直接作用在轉(zhuǎn)向小齒輪上。這種結(jié)構(gòu)的助力方式能夠提供較大的輔助力矩，適合用于需要較大助力的中型車上。但由于結(jié)構(gòu)方面的原因，使得安裝不是很方便。結(jié)構(gòu)如圖1-1(b)所示。
1.3.3轉(zhuǎn)向齒條助力式
轉(zhuǎn)向齒條助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是將輔助部分安裝在轉(zhuǎn)向齒條上，輔助力矩由輔助電機(jī)發(fā)出后經(jīng)過(guò)減速和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作用在齒條上以達(dá)到助力的目的。齒條助力方式能夠提供很大的轉(zhuǎn)向助力力矩，適合用于轉(zhuǎn)向力矩較大的大型車上。但其安裝和結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。結(jié)構(gòu)如圖1-1(c)所示。
(a) (b) (c)
圖 1-1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型
1.4 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
1)EPS系統(tǒng)只有在乘用車轉(zhuǎn)向時(shí)提供助力，因此能減少能量消耗，即降低油耗(液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的油泵在乘用車不轉(zhuǎn)向時(shí)也工作，能量消耗大)，并能在各種行駛工況下提供最佳的轉(zhuǎn)向助力。
2)減小由于路面不平所引起的對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的干擾，改善乘用車的轉(zhuǎn)向性能，減小低速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向操縱力，提高高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，從而提高乘用車的主動(dòng)安全性。
3)由于不需要加注液壓油和安裝液壓油管，所以EPS系統(tǒng)無(wú)漏油故障。
4)EPS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量小(比液壓助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)輕25％)，安裝和維修方便，且成本低。
5)EPS系統(tǒng)比液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有更好的通用性，能夠移植到不同的承用車上。
6)因?yàn)镋PS系統(tǒng)無(wú)需液壓油，因此不會(huì)污染環(huán)境，與環(huán)境的兼容性很好，適合用于在市區(qū)的車輛。
7) EPS 系統(tǒng)能夠提供不同路面的“路感”，因此提高了行駛的安全性和穩(wěn)定性，提高了駕駛的樂(lè)趣。
1.5電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理
EPS系統(tǒng)如圖1-2 所示, 系統(tǒng)的控制核心為89C51單片機(jī)。當(dāng)汽車點(diǎn)火開關(guān)閉合時(shí), 單片機(jī)上電后對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行自檢,自檢通過(guò)后, 閉合繼電器和離合器,EPS 系統(tǒng)便開始工作。駕駛員操縱方向盤轉(zhuǎn)向, 扭矩傳感器檢測(cè)到方向盤的扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)方向, 車速傳感器檢測(cè)到車速信號(hào), 這些信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入接口電路處理后送至89C51單片機(jī)相應(yīng)端口,單片機(jī)根據(jù)方向盤扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和車速等數(shù)據(jù),并依據(jù)系統(tǒng)助力特性, 確定助力電流的大小和方向,通過(guò)89C51單片機(jī)的輸出口發(fā)出電流指令和相應(yīng)的轉(zhuǎn)向控制端口發(fā)出轉(zhuǎn)向命令,通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路及H橋電路驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向。如EPS系統(tǒng)工作出現(xiàn)異常,單片機(jī)將驅(qū)動(dòng)EPS燈發(fā)亮進(jìn)行報(bào)警提示, 同時(shí)斷開電磁離合器退出電動(dòng)助力工作模式, 轉(zhuǎn)為人工手動(dòng)助力模式。
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要是通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制電機(jī)的電流大小以及電池離合器的閉合與斷開來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向系的助力。電機(jī)電流的大小主要受到轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)的影響，當(dāng)車速一定，轉(zhuǎn)矩信號(hào)所代表的轉(zhuǎn)矩值較低時(shí)，流經(jīng)電機(jī)的電流較小，電機(jī)助力較小，反之，則流過(guò)電機(jī)的電流較大，電機(jī)助力較大。當(dāng)轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，車速越大，流經(jīng)電機(jī)的電流越小，助力越小。車速越低，流經(jīng)電機(jī)的電流越大，助力越大。當(dāng)車速大于某個(gè)值或者轉(zhuǎn)向力矩小于某個(gè)值時(shí)，電磁離合器斷開，系統(tǒng)停止工作。
圖1-2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理圖
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本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第二章
本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選型
如我們前面緒論中講到，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為轉(zhuǎn)向軸式、轉(zhuǎn)向小齒輪式、轉(zhuǎn)向齒條式。本次設(shè)計(jì)中，我們選擇轉(zhuǎn)向軸式的助力方式。
轉(zhuǎn)向軸式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然提供的助力沒有其它兩種方式提供的助力大，但在安裝方面要方便的多。再者，這次設(shè)計(jì)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要是針對(duì)經(jīng)濟(jì)型轎車來(lái)進(jìn)行開發(fā)的，其空間相對(duì)較小，空間問(wèn)題是我們要考慮的重點(diǎn)問(wèn)題。轉(zhuǎn)向軸式對(duì)空間緊湊的經(jīng)濟(jì)型轎車很適合。
2.2機(jī)械部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.2.1設(shè)計(jì)要求分析
機(jī)械部分是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行部分，ECU發(fā)出的控制指令最終都要由它來(lái)完成。根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求，在滿足傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系的要求之外，還要求機(jī)械部分必須具有以下性能：
1） 反應(yīng)靈敏，因?yàn)槠嚨霓D(zhuǎn)向是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，如果轉(zhuǎn)向操作的滯后性太大，會(huì)造成很大的轉(zhuǎn)向誤差，使轉(zhuǎn)向失真，影響行駛的安全。
2） 傳動(dòng)的可逆性，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要求在不同的路面上有不同的路感，由于我們?cè)趥鹘y(tǒng)的機(jī)械齒輪齒條轉(zhuǎn)向系的基礎(chǔ)上添加了助力部分，有可能使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的“路感”變差。因此，在設(shè)計(jì)的時(shí)候必須要考慮到轉(zhuǎn)向路感的問(wèn)題。作用在車輪上的力，必須部分的傳遞到方向盤上。
3） 噪聲低，我們添加的助力部分距離駕駛員很近，如果噪聲太大對(duì)駕駛員的駕駛會(huì)造成很大的影響。再者，過(guò)大的震動(dòng)會(huì)通過(guò)轉(zhuǎn)向軸傳遞到轉(zhuǎn)向盤，使轉(zhuǎn)向盤產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動(dòng)，影響駕駛的安全性和駕駛樂(lè)趣。
2.2.2實(shí)現(xiàn)形式
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械部分主要由轉(zhuǎn)矩傳感器、直流電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、電磁離合器、傳動(dòng)錐齒輪組成。
為了直接的測(cè)量駕駛員作用在轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)向力矩，我們將轉(zhuǎn)向軸分?jǐn)啵謩e接在轉(zhuǎn)矩傳感器的兩端。聯(lián)接方式如圖2-1通過(guò)這樣測(cè)出來(lái)的轉(zhuǎn)矩與駕駛員作用在方向盤上的轉(zhuǎn)矩值最為接近，而且這樣設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)與安裝方面也比較的容易。精確的轉(zhuǎn)矩測(cè)量對(duì)電機(jī)的電流控制極為重要，使得系統(tǒng)的控制性能得到改善。
圖2-1 轉(zhuǎn)矩傳感器的連接方式
輔助電機(jī)主要為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供助力力矩，通過(guò)減速機(jī)構(gòu)減速增矩，然后由電磁離合器控制助力力矩的接通，最后，由一對(duì)錐齒輪傳遞到轉(zhuǎn)向軸上。其機(jī)械部分系統(tǒng)圖如圖2-2
圖2-2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械部分系統(tǒng)圖
通過(guò)這種方式將轉(zhuǎn)向力矩傳遞到轉(zhuǎn)向軸上使結(jié)構(gòu)比較緊湊，所需要的傳動(dòng)部件比較少，因此傳動(dòng)效率高，噪聲小，而且轉(zhuǎn)向傳動(dòng)也比較靈敏。并且當(dāng)輔助電機(jī)不工作時(shí)，電磁離合器斷開，系統(tǒng)進(jìn)入純機(jī)械轉(zhuǎn)向。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，由于減速機(jī)構(gòu)采用可逆?zhèn)鲃?dòng)，作用在轉(zhuǎn)向輪上的力能夠部分的傳到轉(zhuǎn)向盤上，保證了不同工況下有不同的路感。
2.3控制部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)
控制部分是電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部分，它對(duì)車速傳感器傳來(lái)的車速信號(hào)和轉(zhuǎn)矩傳感器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，最后向驅(qū)動(dòng)部分發(fā)出指令?？刂撇糠种饕蓡纹瑱C(jī)、A/D、D/A和一些控制電路組成。如圖2-3
圖2-3 控制部分系統(tǒng)圖
轉(zhuǎn)矩傳感器采用電壓輸出，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)由單片機(jī)進(jìn)行處理，車速信號(hào)采用脈沖信號(hào)，直接接在單片機(jī)上進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算。兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，單片機(jī)發(fā)出指令（數(shù)字信號(hào)）經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)控制電路，最后由功率模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電磁離合器。電機(jī)電流的大小由單片機(jī)控制。
2.4電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
將機(jī)械部分與控制部分結(jié)合起來(lái)就夠成了完整的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，如附圖1所示。由圖可知，控制部分對(duì)轉(zhuǎn)向操作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，機(jī)械部分將監(jiān)控后的執(zhí)行結(jié)果傳達(dá)到轉(zhuǎn)向操作中，因此，從某中角度來(lái)看，這兩部分一起夠成了一個(gè)“監(jiān)測(cè)—控制—執(zhí)行—監(jiān)測(cè)”這樣的一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。如果系統(tǒng)助力不夠，機(jī)械部分施加在轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)向力矩較小，因此，駕駛員施加的轉(zhuǎn)向力矩增大，轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)量的力矩值增大，從而使得電機(jī)電流增大，輔助力矩增大。這樣對(duì)誤差起到了修正的作用。由于系統(tǒng)的工作頻率很高，從而提高了轉(zhuǎn)向助力的隨動(dòng)性。
助力減小---轉(zhuǎn)向力矩增大---傳感器輸出增大---電機(jī)電流加大---助力增加
助力增加---轉(zhuǎn)向力矩減小---傳感器輸出減小---電機(jī)電流減小---助力減小
在系統(tǒng)中，電機(jī)作為動(dòng)力源輸出動(dòng)力，電磁離合器所起的作用相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，它控制著力矩的通斷。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速很高，大約在3000r/min，因此需要一個(gè)減速機(jī)構(gòu)起到減速增矩的作用。它們都受到控制部分的操作，統(tǒng)稱為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。單片機(jī)及其它控制驅(qū)動(dòng)電路統(tǒng)稱為控制部分。兩個(gè)部分的相互配合使得系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)。
本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 主要零部件選型
3.主要零部件選型
3.1主要機(jī)械部件選型
3.1.1直流電機(jī)選型
電機(jī)是把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，廣泛的說(shuō)，所有依靠電能工作的動(dòng)力源都是電機(jī)。電機(jī)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)可以是直線的也可以是旋轉(zhuǎn)的，還可以是震動(dòng)的，無(wú)論如何運(yùn)動(dòng)，都是因?yàn)殡姍C(jī)能夠產(chǎn)生電磁力。從供電形式上電機(jī)可分為交流電機(jī)和直流電機(jī)，本此設(shè)計(jì)采用的電機(jī)為直流旋轉(zhuǎn)式電機(jī)。它由轉(zhuǎn)子和定子兩大部分組成。
所選電機(jī)型號(hào)：10DK230-12
外形：
圖3-1 電機(jī)外形圖
電機(jī)性能參數(shù)：
型號(hào)
電壓V
功率W
空載參數(shù)
負(fù)載參數(shù)
轉(zhuǎn)速R/min
電流A
轉(zhuǎn)速R/min
轉(zhuǎn)矩KG.cm
電流A
10DK230-12
12
220
3300
7.0
3000
9.0
30
表3-1 電機(jī)性能參數(shù)表
電機(jī)外形尺寸：
圖3-2 電機(jī)外形尺寸
電機(jī)特性曲線
圖3-3 電機(jī)特性曲線
由電機(jī)特性曲線可知，電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電流近視成正比，轉(zhuǎn)速增加，電流減小，轉(zhuǎn)矩減小。而電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電流的關(guān)系為：
(3-1)
由圖可知，當(dāng)轉(zhuǎn)矩T＝8Kg.cm＝0.8NM時(shí)，電機(jī)電流I＝10A。由此可以計(jì)算出所選電機(jī)的T-I函數(shù)：
(3-2)
直流電機(jī)的特性決定了在低速時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出很大，這正好適合于汽車原地轉(zhuǎn)向的要求。剛開始轉(zhuǎn)向的時(shí)候，由于靜摩擦力的緣故使得轉(zhuǎn)向力需求很大，因此轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)量到的轉(zhuǎn)矩也很大，ECU控制電路對(duì)電機(jī)輸出大電流，電機(jī)輸出很大的力矩，因此，使轉(zhuǎn)向輕便。當(dāng)轉(zhuǎn)向力要求不大時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)量到的轉(zhuǎn)矩很小，ECU控制電路對(duì)電機(jī)輸出小電流，這時(shí)電機(jī)提供較小的電流和較快的轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)向輕便靈敏。由直流電機(jī)的特性圖我們很清楚的知道，要控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，只需要控制流過(guò)電機(jī)的電流，而電流控制對(duì)于采用單片機(jī)的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。
3.1.2電磁離合器的選型
電磁離合器的主要作用是控制輔助電機(jī)發(fā)出的輔助力矩的通斷。目前，電磁離合器主要有摩擦片式和牙嵌式兩種。按照不通電時(shí)電磁離合器的開閉情況又分為常開式和常閉式兩種。摩擦片式電磁離合器又分為干式和濕式兩種。不管干式還是濕式，摩擦片都存在相對(duì)滑動(dòng)的情況，不適合用于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中。因?yàn)槿绻l(fā)生相對(duì)滑動(dòng)會(huì)使傳動(dòng)滯后，造成失真，使轉(zhuǎn)向靈敏度下降。汽車大部分的時(shí)間時(shí)速都超過(guò)40Km/h，而大于此速度是不需要助力的，因此離合器應(yīng)該斷開。為了滿足轉(zhuǎn)向靈敏和電機(jī)不助力時(shí)斷開助力部分的要求，此次設(shè)計(jì)選用牙嵌常開式電磁離合器。代號(hào)為：DLY3
電磁離合器安裝尺寸如圖3-4和表3-2
圖3-4 電磁離合器外形安裝尺寸圖
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
φ
φ
φ
82
58
42
36
35
75
82
3-φ4.5
3-φ10
20
h
e
L
L
L
L
a/(°)
δ
22.8+0.2
6
55
42
6
8
45
0.3
表3-2 電磁離合器的安裝尺寸
在安裝時(shí)要注意間隙δ的調(diào)整，δ過(guò)大則反應(yīng)滯后，過(guò)小，電磁離合器不容易斷開。
電磁離合器的工作原理為：
當(dāng)電磁離合器斷電時(shí)，兩牙嵌片在彈簧力的作用下分開，斷開動(dòng)力專遞；通電后，感應(yīng)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，吸引銜鐵使牙嵌片相互結(jié)合，從而傳遞了動(dòng)力。斷電后，彈簧又將兩牙嵌片分開斷開動(dòng)力。在傳動(dòng)過(guò)程中，線圈不產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，支撐在軸承外圈上面，軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)件的旋轉(zhuǎn)的傳遞。
3.1.3 轉(zhuǎn)矩傳感器選型
轉(zhuǎn)矩傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)駕駛員作用在方向盤上的轉(zhuǎn)向力矩，為單片機(jī)的計(jì)算提供依據(jù)。
目前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的EPS系統(tǒng)采用的轉(zhuǎn)矩傳感主要有以下形式：
1)光電式，LUCAS公司有該類型的產(chǎn)品，清華大學(xué)也進(jìn)行了這方面的研究、并做出了樣件，前者結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)加工工藝要求較高，后者對(duì)前者進(jìn)行了改進(jìn)，但是存在溫度漂移和繞線的問(wèn)題。
2)電位計(jì)式，BI公司和NSK公司都有該類型的產(chǎn)品，前者集成了轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角測(cè)量，后者采用滑套機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)角差變換為電位計(jì)擺臂擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩測(cè)量。該類型的傳感器都屬于接觸式，存在磨損，降低了其性能
3)電感式，KOYO公司和NSK公司都有該類型的產(chǎn)品，該類型傳感器具有較高的精度，很好地實(shí)現(xiàn)了非接觸測(cè)量，并且線性好，非常適合EPS系統(tǒng)使用。
電感式轉(zhuǎn)矩傳感器的結(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示
圖3-5 電感式轉(zhuǎn)矩傳感器的結(jié)構(gòu)圖
電感式轉(zhuǎn)矩傳感器主要有輸入軸、扭桿、檢測(cè)環(huán)、檢測(cè)線圈、補(bǔ)償線圈、輸出軸、殼體組成。當(dāng)輸入軸有轉(zhuǎn)矩輸入時(shí)，扭桿發(fā)生變形，檢測(cè)環(huán)齒輪正對(duì)面積發(fā)生變化，輸入力矩越大，扭桿變形越大，正對(duì)面積變化越大。其工作過(guò)程如下圖所示
圖3-6 電感式轉(zhuǎn)矩傳感器工作過(guò)程框圖
本次設(shè)計(jì)采用電感式轉(zhuǎn)矩傳感器，其型號(hào)為：0170MS 50R
具體的安裝尺寸見圖3-7和表3-3
量程N(yùn)M
A(mm)
B(mm)
C(mm)
D(mm)
E(mm)
F(mm)
G(mm)
-50--50
108
38
58
19g6
30
32
44
H(mm)
I(mm)
J(mm)
K(mm)
L(mm)
N(mm)
軸向力N
徑向力N
19
5
22
15
可調(diào)
可調(diào)
200
50
表3-3 轉(zhuǎn)矩傳感器安裝尺寸表
圖3-7 轉(zhuǎn)矩傳感器外形及安裝尺寸
其安裝方式為與轉(zhuǎn)向軸串接。0170MS系列具有很好的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)性能，響應(yīng)快，能夠準(zhǔn)確迅速的測(cè)量出轉(zhuǎn)向力矩。其輸出電壓為0-5V，當(dāng)轉(zhuǎn)矩為0時(shí)輸出2.5V電壓，轉(zhuǎn)矩為-50Nm時(shí)輸出電壓為0，轉(zhuǎn)矩為50Nm時(shí)輸出電壓為5V，其輸入--輸出曲線如圖3-6所示
圖3-8 轉(zhuǎn)矩傳感器輸入輸出曲線
車速信號(hào)由ABS中取出，為一脈沖信號(hào)，再這不做討論。
3.2 主要控制芯片的選型
3.2.1 單片機(jī)
單片微型計(jì)算機(jī)(簡(jiǎn)稱單片機(jī))，是將計(jì)算機(jī)基本部分微型化，使之集成在一塊芯片上，片內(nèi)含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定時(shí)器、中斷控制、系統(tǒng)時(shí)鐘及總線等。單片機(jī)體積小，功耗低，功能強(qiáng)，較多的應(yīng)用在控制領(lǐng)域。在汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，單片機(jī)主要對(duì)轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，判斷汽車運(yùn)行工況后，對(duì)電機(jī)發(fā)出指令，使電機(jī)發(fā)出相應(yīng)的輔助力矩。單片機(jī)有4位、8位、16位、32位的，它們同時(shí)存在與市場(chǎng)。運(yùn)算頻率有6MHz、12MHz、24MHz、32MHz和40MHz的。為了節(jié)約成本，并且兼顧到運(yùn)算數(shù)度，我們選擇8位24MHz的51系列的單片機(jī)89C51。它有豐富的指令系統(tǒng)，編程開發(fā)非常方便，運(yùn)算速度快，用在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中隨動(dòng)性好。89C51的工作電為5V，因此，需要另配標(biāo)準(zhǔn)恒定電源，盡量減小電壓波動(dòng)，使單片機(jī)工作穩(wěn)定。89C51單片機(jī)的封裝圖如圖3-9所示：
圖3-9 AT89C51單片機(jī)的引腳圖
由于單片機(jī)的內(nèi)容很多，應(yīng)用領(lǐng)域也相當(dāng)廣泛，具體功能在這里不做具體介紹，請(qǐng)參看《單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)》。在汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用參看電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)部分。
3.2.2數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換器及模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器
1)A/D轉(zhuǎn)換器
模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的器件。在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的信號(hào)為電壓模擬信號(hào)，不能直接輸入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，因此必須經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再輸入單片機(jī)中進(jìn)行處理計(jì)算。在本次設(shè)計(jì)中我們選擇ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它具有體積小，轉(zhuǎn)換快等優(yōu)點(diǎn)，還能根據(jù)輸入模擬電壓的最大值進(jìn)行調(diào)整。芯片的封裝結(jié)構(gòu)如圖3-10所示，它有8個(gè)模擬電壓輸入端口，能夠?qū)?路信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)Vref＋接5V電壓，Vref－接地時(shí)，可對(duì)0—5V的電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換器全“1”輸出就代表輸入端口的輸入電壓時(shí)5V，全“0”輸出時(shí)代表輸入電壓為0。0—7路的輸入端口由ADDA、ADDB、ADDC進(jìn)行選中，000代表選中0口，001代表輸入1口，111代表輸入7口。ALE為地址鎖存有效信號(hào)，START信號(hào)用于啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。EOC為轉(zhuǎn)換完成信號(hào)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換后 EOC變成低電平，轉(zhuǎn)換完成后EOC變?yōu)楦唠娖?，此信?hào)可以向單片機(jī)提出中斷申請(qǐng)。EO為輸出允許信號(hào)，高電平時(shí)，信號(hào)從D0—D7口輸出。
由于車數(shù)信號(hào)為脈沖信號(hào)不需要轉(zhuǎn)換，因此在這里不作討論
圖3-10 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器引腳圖
2)D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器
車數(shù)信號(hào)和轉(zhuǎn)矩信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理以后，單片機(jī)輸出的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，不能直接驅(qū)動(dòng)外部電路，因此需要數(shù)模轉(zhuǎn)換，本次設(shè)計(jì)采用DAC1210數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。1210是12為的數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，器引腳圖如圖3-11所示
圖3-11 DAC1210引腳圖
DI0—DI11為數(shù)據(jù)的輸入端，OUT1、OUT2為數(shù)據(jù)的輸出端，當(dāng)輸入數(shù)字為全“1”時(shí)，OUT1輸出電流最大，輸入全“0”時(shí)，OUT1輸出電流最小。OUT1與OUT2之和為一常數(shù)，當(dāng)需要輸出模擬電壓時(shí)，需要外接運(yùn)算放大器進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換。WR1、WR2控制芯片高位和低位的輸入，CS為芯片的片選信號(hào)，CS為高時(shí)，芯片被選中。信號(hào)的高8位與低4位分時(shí)輸入，先輸入高8位，再輸入低4位。輸入高位與低位的區(qū)別信號(hào)由BYTE1與BYTE2來(lái)控制，BYTE1位為高時(shí)，輸入高8位，BYTE1位為低時(shí)輸入低4位。
3.2.3 鎖存器
由于單片機(jī)的工作頻率非常高，發(fā)出的信號(hào)為瞬時(shí)信號(hào)，若要將信號(hào)長(zhǎng)期的保持在某種狀態(tài)，則要用到鎖存器。本次設(shè)計(jì)采用74ls373鎖存芯片，其性能較穩(wěn)定，工作可靠，外接5V電源，輸出端輸出信號(hào)電壓高達(dá)2.5V無(wú)需放大，可直接使用。74ls373的引腳圖如圖所示
圖3-12 鎖存器74ls373引腳圖
Vcc接5V電源
D0—D7接信號(hào)輸入
O0—O7接信號(hào)輸出
LE、OE作為兩個(gè)邏輯控制端
GND接地
芯片使用的電源必須穩(wěn)定，以免芯片工作發(fā)生振蕩而影響輸出。
下面表3-4是74ls373的真值表
Dn
LE
On
H
H
L
H
L
H
L
L
X
L
L
On
X
X
H
Z*
表3-4 74ls373真值表
由真值表我們可以看出
LE為高電位的時(shí)候，輸出On隨著輸入Dn變化
LE為低電平的時(shí)候，輸出On保持原來(lái)的狀態(tài)，從而將瞬時(shí)信號(hào)變?yōu)榱顺掷m(xù)信號(hào)。因此，再控制過(guò)程中，我們可以先給LE高電平，Dn給我們需要的電平，然后將LE變?yōu)榈?，使輸出鎖住。
3.2.4 STK6855電機(jī)控制芯片
STK6855芯片是用著電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制的專業(yè)混合厚膜IC芯片。它能夠由從正反轉(zhuǎn)信號(hào)端子輸入的信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，利用PWM控制端來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的脈沖調(diào)速，需要外加的器件少，使用方便。其部分引腳圖如圖所示：
圖3-13 STK6855部分引腳圖
其中A、B為轉(zhuǎn)向控制信號(hào)輸入端，PWM為脈沖調(diào)速端
端口6，7接12V電源，4，5，6，9作為輸出端口
表3-5為A、B端口的真值表
A
B
正轉(zhuǎn)
H
L
反轉(zhuǎn)
L
H
停止1(禁止)
H
H
停止2(制動(dòng))
L
L
表3-5 STK6855正反轉(zhuǎn)真值表
3.2.5 TL494電機(jī)調(diào)速芯片
TL494 是電機(jī)脈沖控制的調(diào)速芯片，它的輸入信號(hào)為電壓信號(hào)，輸出信號(hào)為站空比不同的脈沖信號(hào)。通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)的站空比來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。從而節(jié)約能源。但是，這里由一個(gè)問(wèn)題值得我們注意。TL494所發(fā)出的脈沖信號(hào)的周期必須比直流電機(jī)的電器周期要小很多，如果這兩個(gè)周期相差不大，會(huì)造成電機(jī)的抖動(dòng)。
3.2.6LM224放大器
LM224放大器主要實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的放大與電流信號(hào)與電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。由于數(shù)模轉(zhuǎn)化器輸出的信號(hào)為弱電流信號(hào)，而我們需要的信號(hào)為強(qiáng)電壓信號(hào)，因此要用到運(yùn)算放大器。LM224是工業(yè)運(yùn)算放大器，它工作穩(wěn)定，工作溫度高，適合用于汽車電子當(dāng)中。
圖3-14為L(zhǎng)M224的引腳圖
LM224 共有4個(gè)集成運(yùn)放組成，可同時(shí)完成4路信號(hào)的放大。每路運(yùn)算相互獨(dú)立，互不相干。
圖3-14 LM224引腳圖
3.2.7場(chǎng)效應(yīng)管
場(chǎng)效應(yīng)管在此次設(shè)計(jì)中主要是用來(lái)搭建電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制的H橋式電路。它是通過(guò)電壓控制電流的半導(dǎo)體器件，通過(guò)柵級(jí)電壓的調(diào)節(jié)來(lái)控制流過(guò)源級(jí)與漏級(jí)的電流，從而達(dá)到控制流過(guò)電機(jī)電流的目的。
本次設(shè)計(jì)選用場(chǎng)效應(yīng)管的型號(hào)為IRFP150A 其封裝圖如圖所示：
圖3-15 IRFP150A封裝圖
它允許通過(guò)的最大電流為43A，而我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)最大電流為30A，因此，所選擇的場(chǎng)效應(yīng)管符合要求。關(guān)于場(chǎng)效應(yīng)管的性能特性在這里不作敘述。
3.2.8穩(wěn)壓芯片
車載電源是一個(gè)不穩(wěn)定的電源，而我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)中控制芯片較多，而芯片的工作電壓波動(dòng)要有嚴(yán)格的控制，以使其穩(wěn)定工作。某些場(chǎng)合要求12V電壓，某些場(chǎng)合要求5V電壓，因此，我們必須通過(guò)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)12V和5V的恒定電壓。12V電壓我們可以通過(guò)選用7812芯片來(lái)得到，5V電壓可以通過(guò)7805芯片來(lái)得到。其封裝結(jié)構(gòu)如圖3-16所示
圖3-16 7812/7805的封裝結(jié)構(gòu)
它共有三個(gè)端口，其中一端接電源，一段接輸出，一段接地。一般情況需要并聯(lián)一個(gè)斬波電容來(lái)減小波動(dòng)。
3.2.9主要選購(gòu)件列表
名稱
型號(hào)
名稱
型號(hào)
電機(jī)
10DK230-12
模數(shù)轉(zhuǎn)換器
ADC0809
電磁離合器
DLY3
鎖存器
74ls373
轉(zhuǎn)矩傳感器
0170MS 50R
電機(jī)控制芯片
STK6855
單片機(jī)
AT89C51
電機(jī)調(diào)速芯片
TL494
數(shù)模轉(zhuǎn)換器
DAC1210
放大器
LM224
場(chǎng)效應(yīng)管
IRFP150A
5V穩(wěn)壓芯片
7805
12V穩(wěn)壓芯片
7812
表3-6 主要選購(gòu)件列表
本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 機(jī)械設(shè)計(jì)
4．機(jī)械設(shè)計(jì)部分
4.1 減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1.1 減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
目前減速器的結(jié)構(gòu)形式有很多種，最常見的有圓柱外嚙合齒輪傳動(dòng)減速、圓柱內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)減速、渦輪蝸桿減速、行星輪系減速等。其見圖如圖4-1
圖4-1各種減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
圓柱外嚙合傳動(dòng)方式傳動(dòng)可靠，剛度大，但其結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大，用在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)當(dāng)中不方便安裝，圓柱內(nèi)嚙合傳動(dòng)也存在尺寸大的問(wèn)題，也不適合用于電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)當(dāng)中。
渦輪蝸桿傳動(dòng)能以小的尺寸實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比，但是它只能進(jìn)行單向傳動(dòng)。運(yùn)動(dòng)可以由蝸桿傳遞給渦輪，而不能由渦輪傳遞給蝸桿。由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要求不同的路況有不同的路感，地面作用在車輪上的力必須部分的傳遞到轉(zhuǎn)向盤上，因此，要求減速機(jī)構(gòu)必須可逆。而渦輪蝸桿是不可逆的，因此不適合用在轉(zhuǎn)向系當(dāng)中。
行星輪系減速機(jī)構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)小尺寸，大傳動(dòng)比，并且其傳動(dòng)可逆，因此，可以運(yùn)用在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)當(dāng)中。但是單級(jí)的行星輪系傳動(dòng)比還是太小，若將傳動(dòng)比做的太大，則尺寸較大，因此，本次設(shè)計(jì)采用雙級(jí)行星輪系減速。第二級(jí)利用第一級(jí)的行星輪輸出作為輸入，以第二級(jí)行星輪的輸出作為輸出。其原理簡(jiǎn)圖如圖4-2所示：
圖4-2 雙級(jí)行星輪系減速機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
電機(jī)的動(dòng)力從第一級(jí)的太陽(yáng)輪輸入，然后，經(jīng)第一級(jí)行星輪減速后傳到第二級(jí)的太陽(yáng)輪，又經(jīng)第二級(jí)的行星輪減速后輸出。我們假設(shè)第一級(jí)的傳動(dòng)比為i1，第二級(jí)的傳動(dòng)比為i2，則整個(gè)減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為i＝i1*i2。
在本此設(shè)計(jì)中，我們選擇的電機(jī)的轉(zhuǎn)速為3000r/min，而方向盤的轉(zhuǎn)速大概在50r/min。因此，要求助力部分的總減速比為60。按照這個(gè)傳動(dòng)比做出來(lái)的減速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)很大，因此我們?cè)O(shè)計(jì)的減速器的傳動(dòng)比為30，在轉(zhuǎn)向軸與助力部分銜接處錐齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比為2，這樣我們就保證了助力部分的總傳動(dòng)比為60。
4.1.2 減速器齒輪齒圈設(shè)計(jì)
雙級(jí)行星輪系中，所有的齒輪都為直齒圓柱齒輪，齒圈也為直齒圓柱齒圈。由于設(shè)計(jì)的安全性要求較高，而減速器的結(jié)構(gòu)又不能太大，因此做減速器齒輪的材料要求較高，每一級(jí)的行星輪系的主動(dòng)輪（太陽(yáng)輪）選用滲碳或者碳氮共滲合金鋼，其余零件選用調(diào)質(zhì)合金鋼。
1） 齒數(shù)的確定
要實(shí)現(xiàn)兩級(jí)行星輪系的傳動(dòng)比為30，則每一級(jí)的傳動(dòng)比為5.5。兩級(jí)為30.25，與理論要求的非常接近。符合要求。
下圖為雙級(jí)行星輪系減速機(jī)構(gòu)的示意圖
3
圖4-3 雙級(jí)行星輪系加速機(jī)構(gòu)示意圖
由于兩級(jí)結(jié)構(gòu)一樣，因此，只需要計(jì)算其中一級(jí)。
由轉(zhuǎn)化輪系的傳動(dòng)比計(jì)算公式有：
（4-1）
已知 ＝5.5 帶入計(jì)算有＝－4.5
所以Z2＝4.5Z1
取Z1＝20則Z2＝90
（4-2）
計(jì)算得Z3＝35
初取模數(shù)m＝0.8
壓力角取標(biāo)準(zhǔn)值α＝20°
d＝m*Z （4-3）
因此有d1＝16；d2＝72；d3＝28
齒輪寬度取為15
2） 幾何尺寸計(jì)算
計(jì)算公式表如下：
名稱
代號(hào)
計(jì)算公式
模數(shù)
取標(biāo)準(zhǔn)值0.8
壓力角
＝20°
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
全齒高
頂隙
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒距
齒厚
表4-1 齒輪計(jì)算公式表
計(jì)算結(jié)果如下表
1
2
3
0.8
0.8
0.8
20
20
20
16
72
28
0.8
0.8
0.8
1
1
1
1.8
1.8
1.8
0.2
0.2
0.2
17.6
70.4
29.6
14
74
26
2.512
2.512
2.512
1.256
1.256
1.256
表4-2 齒輪參數(shù)表
4.1.3 強(qiáng)度校核
根據(jù)雙級(jí)行星輪系的結(jié)構(gòu)，第二級(jí)行星輪系所受的力最大，在第二級(jí)行星輪系中，太陽(yáng)輪的尺寸最小，因此，只需校核的二級(jí)太陽(yáng)輪。
齒輪失效形式雖然多種多樣，但在某一具體使用場(chǎng)合這些失效形式并不同時(shí)發(fā)生。齒輪究竟產(chǎn)生那種失效，最要取決于齒輪材料得齒面硬度和具體工作條件。在一般得閉式齒輪傳動(dòng)中，齒輪得主要失效形式式齒面疲勞點(diǎn)蝕和齒根彎曲疲勞折斷，所以目前應(yīng)用最普遍也是最成熟得設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是，針對(duì)齒面點(diǎn)蝕和齒根彎曲疲勞折斷進(jìn)行齒面疲勞強(qiáng)度及齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算。
1）齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核
計(jì)算公式
（4-4）
（4-5）
符號(hào)說(shuō)明
----許用接觸應(yīng)力 MPa
K-------載荷系數(shù) 取K＝1
b--------齒輪寬度 b＝15
u ----- u＝1.75
T-------輸入力矩
電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩T1＝0.882Nm，經(jīng)過(guò)第一級(jí)減速后輸入到第二級(jí)的太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)矩為T＝4.851Nm
d1 ---------------- 小齒輪分度圓直徑 d＝17.6
------疲勞應(yīng)力極限 可由圖4-4查出
太陽(yáng)輪采用滲碳合金鋼，查圖后得到＝1500MPa
圖4-4 實(shí)驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限
------接觸疲勞強(qiáng)度最小安全系數(shù)，一般傳動(dòng)取1—1.1，重要傳動(dòng)取1.25—1.6，本次設(shè)計(jì)取為1.5
--------接觸疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù) 由圖4-5可以查出
在查詢之前先計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
（4-6）
a--------齒輪每轉(zhuǎn)一圈時(shí)，齒輪同一側(cè)的嚙合次數(shù)
n--------齒輪轉(zhuǎn)速r/min
t--------齒輪總的工作小時(shí)數(shù) h
取a＝2，
經(jīng)第一級(jí)減速后第二級(jí)得太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速n＝545.45，
工作壽命取為20年，每年360天，每天工作8小時(shí)，計(jì)算后有t＝57600h
帶入公式（4-6）中計(jì)算有N＝3.8×109
查圖4-5 疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)圖可得
=0.89
圖4-5接觸疲勞壽命系數(shù)圖
由公式（4-5）可以計(jì)算出＝890MPa
由公式（4-4）可以計(jì)算出
＝669.73MPa
< 符合要求
2） 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算
齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算針對(duì)輪齒折斷失效。
計(jì)算公式
（4-7）
(4-8)
參數(shù)說(shuō)明：
K-------過(guò)載系數(shù) K＝1
T-------輸入力矩 T＝4.851
b-------齒寬 b＝15
m--------模數(shù) m＝0.8
Z1-------太陽(yáng)輪齒數(shù) Z1＝20
------外齒輪齒形系數(shù) 由圖4-6查可查出＝2.72
圖4-6 外齒輪齒形系數(shù)
-------應(yīng)力修正系數(shù) 由圖4-7可查處＝1.56
圖4-7 外齒輪應(yīng)力修正系數(shù)
---------許用應(yīng)力
---------實(shí)驗(yàn)齒輪的齒根彎曲疲勞極限 由圖4-8可查出
＝920MPa
圖4-8實(shí)驗(yàn)齒輪的齒根彎曲疲勞極限
---------彎曲疲勞強(qiáng)度的最小安全系數(shù)，一般傳動(dòng)取1.25，重要傳動(dòng)取1.6---2，本次設(shè)計(jì)取1.8
-----------彎曲疲勞強(qiáng)度的壽命系數(shù)，根據(jù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)由圖4-9可以查出。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)在上面已經(jīng)計(jì)算過(guò)N＝3.8×109
圖4-9 彎曲疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)圖
由公式（4-8）計(jì)算＝434.4MPa
由公式（4-7）計(jì)算＝107.918MPa
< 符合條件
4.2傳動(dòng)錐齒輪設(shè)計(jì)
4.2.1外形尺寸設(shè)計(jì)
在助力部分和轉(zhuǎn)向軸的銜接處，由于運(yùn)動(dòng)的傳遞方向改變了90°，因此要用到錐齒輪，錐齒輪傳動(dòng)比為2，在傳動(dòng)中也起到了減速增矩的作用。
1） 錐齒輪正確嚙合的條件
2）連續(xù)傳動(dòng)條件
直齒錐齒輪連續(xù)傳動(dòng)的條件為重合度大于1。重合度按其當(dāng)量直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的重合度計(jì)算。
3） 傳動(dòng)比
（4-9）
當(dāng)交角
時(shí) （4-10）
4） 齒數(shù)計(jì)算
由于＝2，
＝64° ＝26°
m＝0.9 Z1＝60
Z2＝2 Z1＝120
＝54，＝108
5） 幾何尺寸計(jì)算表
名稱
代號(hào)
計(jì)算公式
模數(shù)
m
以大端模數(shù)為準(zhǔn)，取標(biāo)準(zhǔn)值0.9
傳動(dòng)比
i
分度圓錐角
δ
分度圓直徑
d
齒頂高
齒根高
全齒高
h
頂隙
c
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
錐距
R
齒寬
b
16
表4-3 錐齒輪參數(shù)計(jì)算表
計(jì)算結(jié)果如下表
1
2
m
0.9
0.9
δ
26°
64°
d
54
108
0.9
0.9
1.08
1.08
h
1.98
1.98
c
0.18
0.18
55.618
108.79
52.058
107.053
R
55.596
b
16
16
表4-4錐齒輪計(jì)算結(jié)果表
4.2.2錐齒輪校核
由于直齒圓錐齒輪沿齒寬方向截面大小不等，故強(qiáng)度計(jì)算比較復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化，近視認(rèn)為一對(duì)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)與其齒寬中點(diǎn)處的一對(duì)當(dāng)量直齒圓柱齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度相等，這對(duì)當(dāng)量直齒圓柱齒輪的分度圓半徑為兩錐齒輪齒寬中點(diǎn)處背錐母線長(zhǎng)度，模數(shù)為齒寬中點(diǎn)模數(shù)，齒寬與錐齒輪的齒寬相等。
1） 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算公式
（4-11）
K-------載荷系數(shù)，一般取1.2—1.8。本次設(shè)計(jì)取K＝1.5
------小齒輪大端分度圓直徑
u-------齒數(shù)比 u＝2
b-------齒寬 b＝16
-----齒寬系數(shù) ＝0.3
T------輸入轉(zhuǎn)矩 T＝26.42Nm
---許用應(yīng)力，根據(jù)直齒圓柱齒輪的許用應(yīng)力的計(jì)算方法
材料采用滲碳合金鋼，并且保證一定的滲碳層厚度，查圖4－4得到＝1650MPa，
取＝1.5
接觸疲勞壽命系數(shù)查圖4-5有＝0.89，其中應(yīng)力循環(huán)次數(shù)與上面設(shè)計(jì)的圓柱齒輪相同。
計(jì)算有：
＝979MPa
＝777.41MPa<
疲勞強(qiáng)度符合要求。
2）
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