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黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 I 摘 要 電控液壓動力轉向系統(tǒng)可解決汽車轉向輕便性和靈敏性的矛盾,使駕駛員在汽車低 速行駛時獲得較大助力,高速行駛時獲得較強的路感。 本次設計主要完成電控液壓動力轉向系統(tǒng)的液壓部分和機械部分的設計。在設計 中將車速信號和轉向盤角速度信號引入液壓轉向系統(tǒng)，電子控制單元根據車速傳感器 和轉向盤轉角傳感器檢測的車速信號和轉向信號，計算出電動機的對應的轉速，對電 動機轉速進行控制，電動機驅動油泵,控制電動機轉速從而控制油泵的泵油量，改變 助力的大小。 文中一開始闡述了電控液壓動力轉向系統(tǒng)設計的目的和意義、發(fā)展狀況以及應用 前景。接著分析論述了總體設計方案，進行了液壓動力系統(tǒng)、機械轉向器等主要部件 的方案分析和選擇。 關鍵詞:動力轉向；液壓動力轉向；助力轉向；可變助力特性；電控液壓動力轉向； 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 II ABSTRACT Electronically controlled hydraulic power steering system(EPHS) to solve the car and light sensitivity of the contradictions so that the driver in the car at low speed on a larger power, high-speed movements were strong sense of direction. The main design completed electronically controlled hydraulic power steering system of hydraulic and mechanical parts of the designation.In this designation, speed signals and Zhuanxiang Pan angular velocity signal are introduced to the hydraulic steering system. According to the detected speed signal and the corner signal of Zhuanxiang Pan,electronic control units detect speed signals and the corner signal of Zhuanxiang Pan by the speed sensor type of assistance, and then calculate the corresponding rotational of motor,and control the rotational speed of motor,then control the oil flow of pump,in order to meet therequirements to light the requirements of handling and stability . When expounded the start of a hydraulic power steering electronic control system design the purpose and significance of the development situation and prospects. And then analysis and choice its hydraulic power systems, mechanical steering gear and other major components of the programme. Keyword: Power Steering;Hydraulic Power Steering; Auxiliary Force; VariablePower Characteristics; Electronically Controlled Hydraulic Power steering 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 目 錄 摘要 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????I ABSTRACT ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????II 第 1 章 緒論 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.1 研究本課題的目的和意義????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.2 汽車轉向技術現狀與發(fā)展趨勢????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.2.1 機械轉向系統(tǒng) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.2.2 液壓動力轉向系統(tǒng) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2 1.2.3 電控液壓動力轉向系統(tǒng) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2 1.2.4 電動助力轉向系統(tǒng) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2 1.2.5 線控轉向系統(tǒng) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3 1.3 汽車電控液壓動力轉向系統(tǒng)組成、????????????????????????????????????????????????????????????????????????3 1.4 汽車電子控制轉向技術的發(fā)展概況與前景????????????????????????????????????????????????????????????4 1.4.1 電子控制動力轉向系統(tǒng)的發(fā)展概況 ??????????????????????????????????????????????????????????????4 1.4.2 電子控制動力轉向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 ??????????????????????????????????????????????????????????????6 1.5 本次設計的主要內容????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????7 第 2 章 動力轉向系統(tǒng)的設計方案分析 ??????????????????????????????????????????????????????8 2.1 動力轉向系統(tǒng)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????8 2.2 液壓動力轉向系統(tǒng)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????8 2.3 電控動力轉向系統(tǒng)??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11 2.3.1 液壓式電子控制動力轉向系統(tǒng) ????????????????????????????????????????????????????????????????????12 2.3.2 電動式電子控制動力轉向系統(tǒng) ????????????????????????????????????????????????????????????????????12 2.4 動力轉向系統(tǒng)設計方案分析??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????12 2.5 本章小結??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????14 第 3 章 液壓動力系統(tǒng)的設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????15 3.1 動力缸的類型及安裝方式??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????15 3.2 動力缸的主要零件的結構和材料??????????????????????????????????????????????????????????????????????????15 3.3 動力缸的密封裝置??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????16 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 3.4 動力缸的緩沖裝置??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????16 3.5 動力缸的設計計算??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????16 3.5.1 動力缸的主要幾何尺寸的計算和選型 ????????????????????????????????????????????????????????16 3.5.2 動力缸的結構參數的計算選型 ????????????????????????????????????????????????????????????????????18 3.5.3 動力缸的性能參數的計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????20 3.5.4 動力缸油口直徑 d?的計算 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????21 3.5.5 缸底厚度 h的計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21 3.5.6 活塞桿直徑的強度校核 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21 3.6 油泵的計算與選型??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????22 3.6.1 油泵的最高供油壓力 p的計算 ???????????????????????????????????????????????????????????????????22 3.6.2 油泵最大供油量 q的計算 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????22 3.6.3 油泵的選型 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????23 3.6.4 與油泵匹配的電動機的計算選擇 ????????????????????????????????????????????????????????????????23 3.7 油箱與油管的計算與選型??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????23 3.7.1 油箱容積 V的計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????23 3.7.2 油管內徑 d的計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????24 3.8 換向閥的選型??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????24 3.8.1 換向閥 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????24 3.8.2 滑閥式換向閥 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????24 3.8.3 換向機能 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????25 3.8.4 滑閥機能 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????25 3.8.5 直流電磁鐵和交流電磁鐵 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????27 3.8.6 干式、油浸式、濕式電磁鐵 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????27 3.9 電控動力轉向系統(tǒng)所用傳感器的選擇??????????????????????????????????????????????????????????????????28 3.9.1 車速傳感器 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????25 3.9.2 轉角傳感器 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????25 3.10 本章小結????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????26 第 4 章 機械轉向器方案分析與設計計算 ?????????????????????????????????????????????????27 4.1 機械轉向器方案分析??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????27 4.1.1 齒輪齒條式轉向器 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????27 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 4.1.2 循環(huán)球式轉向器 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????29 4.1.3 蝸桿滾輪式轉向器 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31 4.1.4 蝸桿指銷式轉向器 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31 4.1.5 機械轉向器的確定 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????34 4.2 齒輪齒條式轉向器設計與計算??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31 4.2.1 選擇齒輪齒條材料及精度等級 ????????????????????????????????????????????????????????????????????32 4.2.2 主要尺寸計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????33 4.2.3 齒輪強度校核 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????34 4.2.4 齒條的設計計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????36 4.3 本章小結??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????36 第 5 章 電控動力轉向系統(tǒng)的變助力方法分析 ?????????????????????????????????????????37 5.1 液壓式電子控制動力轉向系統(tǒng)??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????37 5.1.1 流量控制式 EPS ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????37 5.1.2 反力控制式 EPS ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????38 5.1.3 閥靈敏度控制式 EPS ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????38 5.2 電動式電子控制動力轉向系統(tǒng)??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????38 5.3 本章小結??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????38 結論 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????40 參考文獻 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????42 致謝 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????43 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 1 第 1 章 緒 論 1.1 研究本課題的目的和意義 汽車轉向系統(tǒng)是用來改變汽車行駛方向的專設機構的總稱。其功用是保證汽車能 按駕駛員的意愿進行直線或轉向行駛。 本設計根據汽車轉向系統(tǒng)的工作過程和工作要求，設計一套汽車電控液壓動力 轉向系統(tǒng)，此電動助力轉向系統(tǒng)采用電動機帶動油泵，根據車速信號、轉向盤轉速信 號控制轉向油泵的泵油量，達到變助力的轉向。 本設計所設計的汽車電控液壓動力轉向系統(tǒng)，可以為汽車設計研制一種助力轉向 系統(tǒng)提供一種途徑，對生產實際具有一定的實用價值和應用前景。 1.2 汽車轉向技術現狀與發(fā)展趨勢 目前我國生產的商用車和轎車上采用的大多是電控液壓動力轉向系統(tǒng)，它是比較 成熟和應用廣泛的轉向系統(tǒng)。 盡管電控液壓動力裝置從一定程度上緩解了傳統(tǒng)的液壓轉向中輕便性和路感之間 的矛盾，然而它還是沒有從根本上解決液壓動力轉向系統(tǒng)存在的不足，隨著汽車微電 子技術的發(fā)展，汽車燃油節(jié)能的要求以及全球性倡導環(huán)保，其在布置，安裝，密封性， 操縱靈敏度，能量消耗，磨損與噪聲等方面的不足已越來越明顯，轉向系統(tǒng)向著電動 助力轉向系統(tǒng)發(fā)展。 汽車駕駛員通過轉向系統(tǒng)來控制汽車的運動方向，轉向系統(tǒng)設計的好壞直接影響 到汽車行駛的安全性、操縱穩(wěn)定性和駕駛的舒適性。轉向系統(tǒng)根據轉向動力的來源可 分為機械轉向系統(tǒng)和動力轉向系統(tǒng)。動力轉向系統(tǒng)又分為液壓動力轉向系統(tǒng)、電控液 壓動力轉向系統(tǒng)、電動助力轉向系統(tǒng)、線控轉向系統(tǒng)。 1.2.1 機械轉向系統(tǒng) 機械轉向系統(tǒng)的轉向力全部來自駕駛員的手力。機械轉向系統(tǒng)結構簡單，性能可 靠，但轉向盤操縱費力。另外，為解決機械轉向系統(tǒng)“輕” 和“靈”的問題，轉向器還常 設計成可變速比。在轉向盤小轉角度范圍內，速比小，解決轉向靈活性的問題；在轉 向盤大轉角范圍內，速比大，解決轉向輕便性的問題。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 2 1.2.2 液壓動力轉向系統(tǒng) 液壓動力轉向系統(tǒng)（ Hydraulic Power Steering System-HPS）一般由儲液罐、油 泵、油管、轉向控制閥、助力油缸及機械轉向系統(tǒng)組件等組成，轉向控制閥有滑閥式 和轉閥式兩種結構。轉向控制閥根據轉向盤轉動方向和力矩大小控制通向助力油缸的 油壓大小，從而控制助力大小。雖然液壓轉向系統(tǒng)可提供轉向助力，但卻存在很多缺 點：油泵由發(fā)動機驅動，持續(xù)工作，能量消耗多；液壓油泄漏、橡膠管污染環(huán)境；助 力特性與控制閥結構有關，系統(tǒng)一旦定型，助力特性便不能改變；助力和車速無關， 不能協(xié)調轉向輕便性和路感的矛盾；系統(tǒng)元件較多，所占空間大；低溫助力性能不好。 1.2.3 電控液壓動力轉向系統(tǒng) 隨著人們對汽車經濟性、環(huán)保性、安全性的日益重視以及小排量轎車的發(fā)展，人 們開始對液壓動力轉向系統(tǒng)存在的不足進行改進，并開發(fā)出一些新型電控液壓動力轉 向系（Electric Hydraulic Power Steering -EHPS），其主要改進措施是將車速信號引入 液壓轉向系統(tǒng)，得到車速感應型助力特性，并增加了控制器和執(zhí)行機構?？刂破鞲鶕?車速信號改變電液轉換裝置的助力特性，助力較小，以滿足路感和操縱穩(wěn)定性的要求。 電控液壓動力轉向系統(tǒng)雖然實現了車速感應型助但由于仍然采用液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng) 本身的缺點依然難以克服，同時在液壓系統(tǒng)的基礎上增加了傳感器和控制器，使整個 系統(tǒng)成本增加。 1.2.4 電動助力轉向系統(tǒng) 電動助力轉向系統(tǒng)（Electric Power Steering System-EPS）是一種新型的、很有發(fā) 展前途的動力轉向系統(tǒng)。電動助力轉向系統(tǒng)完全取消了液壓組件，整個系統(tǒng)由轉向盤 轉矩傳感器、車速傳感器、控制器、助力電機及其減速機構等組成。其基本工作原理 是：駕駛員轉動轉向盤時，轉矩傳感器檢測轉向盤上的轉矩大小和方向，控制器根據 轉向盤轉矩的大小進行助力控制。轉向盤轉矩越大，助力電機提供的助力轉矩也越大， 從而解決了轉向輕便性的問題。同時，控制器根據車速的高低來控制路感。車速變高 時，控制助力適當減少，從而保證了高速轉向時駕駛員有合適的路感，提高了駕駛的 安全性和穩(wěn)定性。另外，為綜合改善汽車轉向系統(tǒng)的性能，有的電動助力轉向系統(tǒng)還 進行阻尼控制和回正控制。 與液壓動力轉向系統(tǒng)和電控液壓動力轉向系統(tǒng)相比，電動助力轉向系統(tǒng)具有很多優(yōu)點： （1）可獲得優(yōu)化的助力特性，轉向輕便，路感好，提高了操縱穩(wěn)定性； 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 3 （2）EPS 助力特性通過軟件設置和修改，可以快速與車型匹配； （3）EPS 只在轉向時電機才提供助力，可節(jié)能 3%～5％； （4）結構緊湊，便于模塊化安裝； （5）對環(huán)境無污染； （6）低溫工作性能好。 1.2.5 線控轉向系統(tǒng) 線控轉向系統(tǒng)（Steering by Wire-SBW）是更新一代的汽車電子轉向系統(tǒng)，線控 轉向系統(tǒng)與上述各類轉向系統(tǒng)的根本區(qū)別就是取消了轉向盤和轉向輪之間的機械連接 （也稱柔性轉向系統(tǒng)）。 線控轉向系統(tǒng)的主要優(yōu)點： （1）線控轉向系統(tǒng)能消除轉向干涉問題，為實現多功能全方位的自動控制，并為 汽車動態(tài)控制系 統(tǒng)和汽車平順性控制系統(tǒng)的集成控制提供了先決條件； （2）由于轉向盤和轉向輪之間是柔性連接，使轉向系統(tǒng)在汽車上的布置更加靈活， 轉向盤的位置可以方便地布置在需要的位置； （3）舒適性得到提高。在剛性轉向系統(tǒng)中，路面不平和轉向輪的不平衡引起的沖 擊負荷會傳遞到轉向盤，而線控轉向系統(tǒng)沒有這樣的問題； （4）轉向的回正力矩和轉向傳動比能通過軟件進行調整。因此，可以使轉向系統(tǒng) 對任何目標和環(huán)境進行調整，而不需要對系統(tǒng)進行重新設計； （5）消除了撞車事故中轉向柱后移傷害駕駛員的可能性，不必設置轉向防傷機構； 1.3 汽車電控液壓動力轉向系統(tǒng)組成 電控液壓轉向動力系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的液壓轉向助力系統(tǒng)的缺點。它所采用的液壓 泵不再靠發(fā)動機皮帶直接驅動，而是采用一個電動泵，它所有的工作的狀態(tài)都是由電 子控制單元根據車輛的行駛速度、轉向角度等信號計算出的最理想狀態(tài)。簡單地說， 在低速大轉向時，電子控制單元驅動電子液壓泵以高速運轉輸出較大功率，使駕駛員 打方向盤省力；汽車在高速行駛時，液壓控制單元驅動電子液壓泵以較低的速度運轉， 在不至于影響高速打轉向的需要的同時，節(jié)省一部分發(fā)動機功率。 動力轉向系統(tǒng)兼用駕駛員體力和發(fā)動機（或電動機）的動力為轉向能源的轉向系 統(tǒng)，它是在機械轉向系統(tǒng)的基礎上加設一套轉向加力裝置而形成的。其中屬于轉向加 力裝置的部件是：轉向油泵 5、轉向油管 4、轉向油罐 6 以及位于整體式轉向器 10 內 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 4 部的轉向控制閥及轉向動力缸等。當駕駛員轉動轉向盤 1 時，轉向搖臂 9 擺動，通過 轉向直拉桿 8、轉向節(jié)臂 7，使轉向輪偏轉，從而改變汽車的行使方向。 1.方向盤 2.轉向軸 3.轉向中間軸 4.轉向油管 5.轉向油泵 6.轉向油罐 7.轉向節(jié)臂 8.轉向橫 拉桿 9.轉向搖臂 10.整體式轉向器 11.轉向直拉桿 12.轉向減振器 圖 1.1 動力轉向系統(tǒng)示意圖 與此同時，轉向器輸入軸還帶動轉向器內部的轉向控制閥轉動，使轉向動力缸產 生液壓作用力，幫助駕駛員轉向操縱。 1.4 汽車電子控制轉向技術的發(fā)展概況與前景 隨著電子技術的迅速發(fā)展，電子技術在汽車上的應用范圍不斷擴大。汽車轉向系 統(tǒng)已從簡單的純機械式轉向系統(tǒng)、液壓動力轉向系統(tǒng)（Hydraulic Power Steering，簡 稱 HPS） 、電動液壓助力轉向系統(tǒng)（Electric Hydraulic Power Steering，簡稱 EHPS）發(fā) 展到如今的更為節(jié)能及操縱性能更為優(yōu)越的電動助力轉向系統(tǒng)（Electrical Power Steering，簡稱 EPS） 。EHPS 和 EPS 等助力系統(tǒng)在汽車上的采用，改善了汽車轉向力 的控制特性，降低了駕駛員的轉向負擔，然而汽車轉向系統(tǒng)始終處于機械傳動階段， 由于轉向傳動比固定，汽車轉向特性隨車速變化進行一定的操作補償，從而控制汽車 按其意愿行駛。 如果轉向盤與轉向輪通過控制信號連接，即采用電子轉向系統(tǒng)，轉向盤轉角和 汽車前輪轉角之間關系（汽車轉向的角傳遞特性）的設計就可以得到改善，從而降低 駕駛員的操縱負擔，改善人—車閉環(huán)系統(tǒng)性能。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 5 1.4.1 電子控制動力轉向系統(tǒng)的發(fā)展概況 自 1953 年通用汽車公司在凱迪拉克和別克轎車上首次批量使用液壓動力轉向系 統(tǒng)以來，液壓動力轉向系統(tǒng)給汽車的發(fā)展帶來了巨大的變化，使駕駛員的轉向操縱力 大大降低，轉向的靈敏性得到了提高。隨著生產技術的發(fā)展，動力轉向系統(tǒng)在體積、 價格和所消耗的功率等方面都取得了驚人的進步。在 20 世紀 80 年代后期，又開發(fā)了 變減速比、電控液壓動力轉向系統(tǒng)。但是動力轉向系統(tǒng)的技術革新都是基于液壓動力 轉向系統(tǒng)的，無法消除 HPS 系統(tǒng)在布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、 磨損與噪聲等方面的缺陷。直到 1988 年日本鈴木公司首次開發(fā)出一種全新的電子控 制式電動助力轉向系統(tǒng)，才真正擺脫了液壓動力轉向系統(tǒng)的束縛。 此后，電動助力轉向技術得到迅速發(fā)展，其應用范圍已經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，英國的 Lueas 公司，德國的 ZF 公司，都研制出了各自的 EPS。如大發(fā) 汽車公司在其 Mira 車上裝備了 EPS，三菱汽車公司在其 Minica 車上裝備了 EPS，本 田汽車公司在 Accord 車上裝備了 EPS。Delphi 公司已經為大眾的 Polo、菲亞特 Punto 開發(fā)出 EPS[2]。本田還在其 AcuraNXS 賽車上裝備了 EPS[3]。 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。如日本鈴木公司裝備在 WagonR+車上的 EPS 是一個負載- 路面- 車速感應型助力轉向系統(tǒng) [4]。由 Delphi 公司為 Funte 車開發(fā)的 EPS 為全范圍助 力型，并且設置了兩個開關，其中一個用于郊區(qū)，另一個用于市區(qū)和停車。當車速大 于 70km/h 后，這兩種開關設置的程序則是一樣的，以保證汽車在高速時有合適的路 感，這樣即使汽車行駛到高速公路時駕駛員忘記切換開關也不會發(fā)生危險。市區(qū)型開 關還與油門有關，使得在踩油門加速和松油門減速時，轉向更平滑。 隨著電子技術的發(fā)展，EPS 技術日趨完善，并且其成本大幅度降低，為此其應 用范圍將越來越大。 早在 20 世紀 60 年代末，德國 Kasselmann 等試圖將轉向盤與轉向車輪之間通過 導線連接（即電子轉向系統(tǒng)） ，但由于當時電子和控制技術的制約，電子轉向系統(tǒng)一 直無法在實車上實現。奔馳公司于 1990 年開始了前輪電子轉向系統(tǒng)的深入研發(fā)，并 將其開發(fā)的電子轉向系統(tǒng)應用于概念車 F400Carving 上。世界其他各大汽車廠家、研 發(fā)機構（包括 Daimler-Chrysler、寶馬、ZF、DELPHI 、TRW 等）以及日本的光洋 （Koyo）精工技術研究所、日本國立大學、本田汽車公司等也先后對汽車電子轉向 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 6 系統(tǒng)做了深入研究。目前許多汽車公司開發(fā)了自己的電子轉向系統(tǒng)，一些國際著名汽 車生產商已在其概念車上安裝了該系統(tǒng)。 目前由于汽車供電系統(tǒng)的因素，轉向電動機難以提供較大功率，現階段電子轉向 系統(tǒng)的研究以及近期的應用對象主要針對轎車。要在重型載貨汽車上應用，還必須采 用液壓執(zhí)行機構。隨著蓄電池技術的發(fā)展和 42V 電子設備在汽車上的應用，全電子 轉向系統(tǒng)將應用到中型和重型車上。目前，42V 電源已經在一些概念車上得到應用， 通用的“自主魔力 ”和 Bertone 的“FILO”都采用了 42V 電源。 國內動力轉向器目前還處于機械—液壓動力轉向階段，對于電動助力轉向系統(tǒng)， 清華大學、北京理工大學、華南理工大學等高校開展了系統(tǒng)結構方案設計和系統(tǒng)建模 及動力分析等研究，但目前還沒有實用的電動助力轉向系統(tǒng)和電子轉向系統(tǒng)。 1.4.2 電子控制動力轉向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 電動助力轉向系統(tǒng)經過十幾年的發(fā)展，在降低自重、減少生產成本，控制系統(tǒng)發(fā) 熱、電流消耗、內部摩擦，整車進行匹配獲得合理的助力特性以及保證良好的路感方 面取得了重大進步。電動助力轉向系統(tǒng)在操縱舒適性和安全性、節(jié)能等方面充分顯示 了其優(yōu)越性，如今已在輕型車和轎車上得到應用并具有良好的工作性能。隨著直流電 機性能的改進，其應用范圍將越來越廣。據 TRW 公司預測，到 2010 年，全世界生 產的每 3 輛轎車中就有 1 輛裝備 EPS，特別是低排放汽車、混合動力汽車、燃料電池 汽車、電動汽車將構成未來汽車發(fā)展的主體，這給電子控制轉向系統(tǒng)帶來了更加廣闊 的應用前景。 盡管目前在歐洲汽車法規(guī)中要求駕駛員與轉向車輪之間必須有機械連接，電子轉 向系統(tǒng)還不允許在歐洲上市。但只要生產商能夠有足夠的證據表明電子轉向系統(tǒng)的安 全可靠性，它得到上市許可還是完全可能的。電子控制轉向系統(tǒng)的最終發(fā)展趨勢在以 下幾個方面。 1、改善控制系統(tǒng)性能、減小控制單元和驅動單元的體積及降低控制系統(tǒng)的制造 成本，使之更好地與不同檔次汽車相適應。如改進電動機控制技術，消除由于電動機 慣性大、摩擦力所帶來的轉向路感不足等缺點，使電動助力轉向系統(tǒng)也能應用于重型 載貨汽車上。 2、實現電動助力轉向系統(tǒng)控制單元與汽車上其他控制單元的通訊聯系，以實現 整車電子控制系統(tǒng)一體化。 3、將根據車速、轉矩、轉向角、轉向速度、橫向加速度、前軸重力等多種信號 進行與汽車特性相吻合的綜合控制，以獲得更好的轉向路感。 4、提高系統(tǒng)的可靠性。這應從提高系統(tǒng)各部件的可靠性入手，如采用非接觸式 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 7 轉矩傳感器。 5、提高系統(tǒng)的安全性。采用取消轉向盤的 SBWS 系統(tǒng)后，駕駛室有更大的空間 用于布置被動安全部件，減少了危險發(fā)生時對乘員的傷害。 電動轉向技術由于其技術先進，性能優(yōu)越，未來必將取代其他動力轉向技術，成 為動力轉向技術的主流。線控動力轉向系統(tǒng)將是動力轉向系統(tǒng)的發(fā)展方向，是未來汽 車對安全性、操縱穩(wěn)定性和舒適性的更高要求，有著很好的發(fā)展前景。 當然，在汽車邁向全面線控轉向之前，電動轉向系統(tǒng)是“中站” ，是第一步，當汽 車裝有電動轉向系統(tǒng)時，其中的轉向電動機將接受一系列傳感器信號，例如轉向控制、 動態(tài)穩(wěn)定控制等，最后機械的部分一個一個消失，逐漸變成了全面線控轉向。 1.5 本次設計的主要內容 本設計主要內容是對汽車電控液壓動力轉向系統(tǒng)的液壓部分和機械部分進行設計， 首先確定液壓動力轉向系統(tǒng)的組成與系統(tǒng)設計方案，然后進行液壓動力系統(tǒng)的設計計 算與液壓元件的計算選型再進行齒輪齒條轉向器的設計計算。并對車速傳感器，轉向 盤轉角傳感器、電動機等部件計算選型。同時用總布置草圖表達主要部件的裝配和重 要工作裝置的布置；最后通過正確的計算，完成部件設計選型，達到工藝合理、加工 容易、成本低、可靠性高的設計要求，并附之以總裝配圖、零件圖，清楚表達設計。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 8 第 2 章液壓動力轉向系統(tǒng)的設計方案 2.1 動力轉向系統(tǒng) 汽車轉向系統(tǒng)可按轉向的能源不同分為機械轉向系統(tǒng)和動力轉向系統(tǒng)兩類（見 圖 2.1）。機械轉向系統(tǒng)是依靠駕駛員操縱轉向盤的轉向力來實現車輪轉向；動力轉 向系統(tǒng)則是在駕駛員的控制下，借助于汽車發(fā)動機產生的液體壓力或電動機驅動力來 實現車輪轉向。所以動力轉向系統(tǒng)也稱為轉向動力放大裝置。動力轉向系統(tǒng)由于使轉 向操縱靈活、輕便，在設計汽車時對轉向器結構形式的選擇靈活性增大，能吸收路面 對前輪產生的沖擊等優(yōu)點，因此已在各國的汽車制造中普遍采用。 圖 2.1 轉向系統(tǒng)的分類 2.2 液壓動力轉向系統(tǒng) 液壓動力轉向系統(tǒng)是在機械式轉向系統(tǒng)的基礎上加一套動力轉向裝置而成的，一 般組成如圖2.2所示。 汽車 轉向系統(tǒng) 機械式轉向系統(tǒng) 動力轉向系統(tǒng) 電子伺服轉向 循環(huán)球式 齒輪齒條式 液壓動力轉向 電控動力轉向 電控液壓動力轉向 （EPHS ） 電動助力轉向 (EPS) 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 9 l.轉向操縱機構 2.轉向控制閥 3.機械轉向器與 轉向動力缸總成 4.轉向傳動結構 5.轉向油罐 6.轉向油泵 R.轉向動力缸右腔 L.轉向動力缸左腔 圖2.2 液壓動力轉向系統(tǒng)示意圖 當汽車直線行駛時，轉向控制閥將轉向液壓泵泵出來的工作液與油罐接通，轉向 液壓泵處于卸荷狀態(tài)，動力轉向器不起助力作用。汽車向右轉向時，駕駛員向右轉動 轉向盤，轉向控制閥將轉向液壓泵泵出來的工作液與 R 腔接通，將 L 腔與油罐接通， 在油壓的作用下，活塞向下移動，通過轉向傳動機構 4 使左、右輪向右偏轉，從而實 現右轉向，向左轉向時，情況與上述相反。 液壓動力轉向系統(tǒng)按系統(tǒng)內部的壓力狀態(tài)分，有常壓式和常流式兩種。 常壓式液壓動力轉向系示意圖見圖 2.3。在汽車直線行使，轉向盤保持中立位置時， 轉向控制閥經常處于關閉位置。轉向油泵輸出的壓力油充入儲能器。當儲能器壓力增 長到規(guī)定值后，油泵即自動卸荷空轉，從而儲能器壓力壓力得以限制在該規(guī)定值以下。 當轉動轉向盤時，機械轉向器即通過轉向搖臂等桿件使轉向控制閥轉入開啟位置。此 時儲能器中的壓力油即流入轉向動力缸。動力缸輸出的液壓作用力，作用在轉向傳動 機構上，以助機械轉向器輸出力之不足。轉向盤一停止運動，轉向控制閥便隨之回復 到關閉位置。于是，轉向加力作用終止。 由此可見，無論轉向盤處于中立位置還是轉向位置，也無論轉向盤保持靜止還是 運動狀態(tài)，該系統(tǒng)工作管路中總是保持高壓。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 10 圖 2.3 常壓式液壓動力轉向系統(tǒng)示意圖 常流式液壓動力轉向系統(tǒng)示意圖見圖 2.4。不轉向時，轉向控制閥保持開啟。轉 向動力缸的活塞兩邊的工作腔，由于都與低壓回油管路相通而不起作用。轉向油泵輸 出的油液流入轉向控制閥，又由此流回轉向油罐。因轉向控制閥的節(jié)流阻力很小，故 油泵輸出壓力也很低，油泵實際上處于空轉狀態(tài)。當駕駛員轉動轉向盤，通過機械轉 向器使轉向控制閥處于與某一轉彎方向相應的工作位置時，轉向動力缸的相應工作腔 方與回路管路隔絕，轉而與油泵輸出管路相通，而動力缸的另一腔則仍然通回油管路。 地面轉向阻力竟轉向傳動機構傳動轉向動力缸的推桿和活塞上，形成比轉向控制閥節(jié) 流阻力高得多的油泵輸出管路阻力。于是轉向油泵輸出壓力急劇升高，直到足以推動 轉向動力缸活塞為止。轉向盤停止轉動后，轉向控制閥隨即回復到中立位置，使動力 缸停止工作。 圖 2.4 常流式液壓動力轉向系統(tǒng)示意圖 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 11 上述兩種液壓動力轉向系統(tǒng)相比較，常壓式的優(yōu)點在于有儲能器積蓄液壓能，可 以使用流量較小的轉向油泵，而且還可以在油泵不運轉的情況下保持一定的轉向加力 能力，使汽車有可能續(xù)駛一定距離。這一點對重型汽車而言尤為重要。常流式的優(yōu)點 則是結構簡單，油泵壽命長，泄漏較少，消耗功率也較少。因此，目前只有少數重型 汽車采用常壓式液壓動力轉向系統(tǒng)，而常流式液壓動力轉向系統(tǒng)則廣泛應用于各種汽 車。 2.3 電控動力轉向系統(tǒng) 電子控制技術在汽車動力轉向系統(tǒng)的應用，使汽車的駕駛性能達到令人滿意的程 度。電子控制動力轉向系統(tǒng)在低速行駛時可使轉向輕便、靈活；當汽車在中高速區(qū)域 轉向時，又能保證提供最優(yōu)的動力放大倍率和穩(wěn)定的轉向手感，從而提高了高速行駛 的操縱穩(wěn)定性。電子控制動力轉向系統(tǒng)（簡稱 EPS-Electronic Control Power Steering），根據動力源不同又可分為液壓式電子控制動力轉向系統(tǒng)（液壓式 EPS） 和電動式電子控制動力轉向系統(tǒng)（電動式 EPS）。 2.3.1 液壓式電子控制動力轉向系統(tǒng) 液壓式 EPS 是在傳統(tǒng)的液壓動力轉向系統(tǒng)的基礎上增設了控制液體流量的電磁閥、 車速傳感器和電子控制單元等，電子控制單元根據檢測到的車速信號，控制電磁閥， 使轉向動力放大倍率實現連續(xù)可調，從而滿足高、低速時的轉向助力要求。根據控制 方式的不同，液壓式電子控制動力轉向系統(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。 2.3.2 電動式電子控制動力轉向系統(tǒng) 液壓式動力轉向系統(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向的。 但這類動力轉向系統(tǒng)的共同缺點是結構復雜、消耗功率大，容易產生泄漏，轉向力不 易有效控制等。近年來隨著微機在汽車上的廣泛應用，出現了電動式電子控制動力轉 向系統(tǒng)，簡稱電動式 EPS。電動式 EPS 是利用直流電動機作為動力源，電子控制單 元根據轉向參數和車速等信號，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減速增扭后，加在汽車的轉向機構上，使之得到一個與工況相適 應的轉向作用力。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 12 2.4 動力轉向系統(tǒng)設計方案分析 電子控制動力轉向系統(tǒng)能減輕低速行駛時駕駛員轉向操縱力，提高車輛高速行駛 時的穩(wěn)定性，同時又提高了燃油經濟性，與液壓動力轉向系統(tǒng)相比，電控動力轉向系 統(tǒng)可節(jié)油3％-4％。 傳統(tǒng)的液壓動力轉向系統(tǒng)由于由發(fā)動機帶動轉向油泵，不管在不轉向或轉向時都 要消耗發(fā)動機部分動力，浪費能源，所以本設計采用電動油泵式電控液壓動力轉向系 統(tǒng)，即在轉向時由電動機泵驅動油泵，在汽車不轉向時不消耗動力，因此能節(jié)約能源。 其次，一般液壓動力轉向所使用的轉向油泵的流量是根據發(fā)動機怠速時能使動力轉向 系統(tǒng)產生足夠的轉向速度所需的供應量來確定，當提高發(fā)動機轉速時其供油量也不斷 增加，但由于動力轉向系統(tǒng)要求轉向油泵的流量如圖2.5所示 圖2.5轉向泵流量特性曲線圖 亦即要求隨著發(fā)動機轉速的提高所要求轉向油泵的流量保持不變或下降。因此， 在高速時轉向油泵內大部分泵流量通過溢流閥返回，在轉向油泵內循環(huán)，造成轉向油 泵發(fā)熱，更重要是造成能源浪費，不符合汽車節(jié)能要求。因此本設計采用電控液壓動 力轉向系統(tǒng)。 電控液壓動力轉向系統(tǒng)由車速傳感器、轉角傳感器、控制單元、油泵、直流電動 機、電磁閥、動力缸、齒輪和齒條等組成。其中直流電動機、油泵和儲油罐制成一體 稱為電動油泵總成。 本次設計采用直流電機驅動油泵，電子控制單元根據車速信號和轉向盤轉角信號， 控制電磁閥的開閉狀態(tài)和電動機的轉速，決定是否助力和助力的大小。車速低、轉向 角度大時油泵泵油量大，油壓高，轉向省力；車速高、轉向角速度小時，油泵泵油量 貨車用轉向泵流量特性 曲線 轎車用轉向泵 流量特性曲線 流量（L/r） 轉速（r/min） 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 13 小，油壓低，轉向安全性高，不發(fā)飄。工作原理圖見圖2.6。 圖2.6 電控液壓動力轉向系統(tǒng)工作原理圖 采用此種方案時用于轉向系統(tǒng)的助力大小是可變的。當車輛在一定的車速范圍 內（車速較低）行駛或者停止時，轉向助力較大，轉動轉向盤比較輕松；車輛高速行 駛時，轉向助力較小，轉動轉向盤比較費力，安全性能提高，同時還可以減少燃料消 耗。并且用電動機驅動液壓泵，減少助力系統(tǒng)工作時對發(fā)動機轉速直接的機械干涉。 2.5 本章小結 本章介紹動力轉向系統(tǒng)的組成和分類，詳細介紹了電控動力轉向系統(tǒng)的分類，其 包括液壓式電子控制動力轉向系統(tǒng)和電動式動力轉向系統(tǒng)，詳細說明本次設計的液壓 式電子控制動力轉向系統(tǒng)。并確定了動力轉向系統(tǒng)的設計方案，闡述了其組成部分， 并以框圖的形式描述了電控液壓動力轉向系統(tǒng)的工作原理。即電子控制單元根據車速 信號和轉向盤轉角信號，控制電磁閥閥針的開閉，從而控制是否實行助力轉向；控制 單元根據不同信號，計算出液壓泵電動機對應的轉速，對液壓泵電動機轉速進行控制， 進而控制泵的流量，也就控制了在不同工況下轉向助力的大小。 車速傳感器 方向盤轉角傳感器 蓄電池 電動機 齒條 控制單元 儲油罐 數據線 電源線 低壓回油管 高壓進油管液壓泵 電磁閥 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 14 第 3 章 液壓動力系統(tǒng)的設計 汽車電控液壓動力轉向系統(tǒng)主要由動力轉向器和液壓系統(tǒng)組成，液壓系統(tǒng)所采用 的油泵、油缸、液壓閥等液壓系統(tǒng)元件均為高度標準化、系列化與通用化且由專業(yè)化 液壓件廠集中生產供應；因此在設計中只需要進行液壓元件計算選型。其主要