PS汽車電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向

1、第1章 緒論1.1 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以分為無助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和有助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。隨著科技發(fā)展和新技術(shù)的采用，有助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)逐漸由傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向(HPS) (Hydraulic Power Steering)系統(tǒng)向電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向(EHPS) (Electronic Hydrautic Power Steering)系統(tǒng)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)(Etectronic Power Steering)系統(tǒng)發(fā)展。 汽車在轉(zhuǎn)向的時(shí)候，由于車輪與地面的摩擦，前橋載荷可以高達(dá)幾千牛頓，在沒有助力的情況下用手臂轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤會(huì)感覺到比較沉重，所以，需要采取助力轉(zhuǎn)向來解決轉(zhuǎn)向輕便性問題。而隨著車速的增

2、加，車輪與地面的摩擦力減小，在提供相同助力的情況下，高速時(shí)會(huì)令人感覺到轉(zhuǎn)向盤發(fā)飄，另外，轉(zhuǎn)向盤高速轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，助力容易出現(xiàn)嚴(yán)重滯后，因此需要采用助力調(diào)節(jié)來解決轉(zhuǎn)向盤發(fā)飄和助力跟隨性問題。 傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是利用發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵工作，油泵的流量和壓力隨發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升高而增加當(dāng)轉(zhuǎn)向的時(shí)候，液壓油流入其中的一個(gè)缸，而另外的一缸則有一部分油回流。這樣兩缸之間產(chǎn)生了壓力差，從而產(chǎn)生助力。如果油泵的流量和壓力越高，那么產(chǎn)生的助力就越大。對(duì)于汽車來說，車速越高，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越快，這樣油泵的流量和壓力就會(huì)越大，相應(yīng)的產(chǎn)生的助力也就越大，導(dǎo)致高速時(shí)轉(zhuǎn)向盤發(fā)飄，為了解決這個(gè)問題，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用控制閥

3、控制進(jìn)入油缸的流速，讓流速不要隨著泵的轉(zhuǎn)速改變而改變，這樣解決了發(fā)飄的部分問題。 電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)了電控單元(ECU)而組成的，它使用電機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵工作。通過ECU控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)向油泵的流量和壓力越大，相應(yīng)產(chǎn)生的助力也就越大。通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，就可以實(shí)現(xiàn)助力可變。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)的蓄電池提供動(dòng)力帶動(dòng)電機(jī)，用扭矩傳感器測出施加于轉(zhuǎn)向軸的扭矩，根據(jù)不同行駛條件通過ECU傳送給電動(dòng)機(jī)一個(gè)合適的電流以產(chǎn)生適合工況的轉(zhuǎn)向助力。 傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還存在以下問題:首先沒有實(shí)現(xiàn)真正的助力調(diào)節(jié)，它采用恒流速的方法，只能部分解決轉(zhuǎn)

4、向盤發(fā)飄問題，高速時(shí)感覺較輕，低速時(shí)感覺較沉，操控舒適性較差;另外，在車速升高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，泵的流速升高，控制閥控制大部分液壓油沒有進(jìn)入油缸而是回流入泵，這樣造成了較大的能源損耗。 電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能量損耗較小，可以根據(jù)不同的路況提供可變助力，操縱手感好，適用于中型以上的貨車和豪華轎車。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最節(jié)能，但目前使用的是有刷直流電機(jī)，壽命相對(duì)較短，適用于輕型轎車。1.2 EHPS系統(tǒng)特點(diǎn)以及發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 EHPS系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是將電機(jī)與液壓動(dòng)力電動(dòng)泵、齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向控制閥、電控單元等集成在一起的一種轉(zhuǎn)向

5、技術(shù)。它的結(jié)構(gòu)如圖1-1。圖1-1電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成圖系統(tǒng)工作原理;首先控制器(Controller)實(shí)時(shí)的根據(jù)角度傳感器（Steering angle sensor）和車速傳感器等的信號(hào)計(jì)算出合適的電機(jī)轉(zhuǎn)速，并調(diào)節(jié)電機(jī)達(dá)到該合適轉(zhuǎn)速;在電機(jī)帶動(dòng)下，液壓泵將高壓油從出油孔泵出通過出油管進(jìn)入轉(zhuǎn)向閥，當(dāng)有轉(zhuǎn)向操作時(shí)，轉(zhuǎn)閥閥芯和閥套產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致高壓油進(jìn)入其中一個(gè)油缸(左缸)，使左右油缸產(chǎn)生壓力差，從而產(chǎn)生助力，另一個(gè)油缸(右缸)的低壓油被壓出來回流入液壓泵。圖中深色管為高壓油，淺色管為低壓油。當(dāng)無轉(zhuǎn)向操作時(shí)，高壓油不進(jìn)入油缸，直接回流入液壓泵。1.2.2 EHPS系統(tǒng)與其它轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的比較

6、傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵，在不轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向時(shí)都要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)部分動(dòng)力。其次，一般液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所使用的轉(zhuǎn)向油泵的流量是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)能使動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)向助力所需的供油量來確定，當(dāng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的時(shí)候，其供油量不斷的增加，但由于動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)向油泵的流量如圖1-2所示，要求隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高所要求轉(zhuǎn)向油泵的流量保持不變或下降。因此，在高速時(shí)，轉(zhuǎn)向油泵內(nèi)大部分流量通過溢流閥返回，在轉(zhuǎn)向油泵內(nèi)循環(huán)，造成轉(zhuǎn)向油泵發(fā)熱，更重要的是造成能源浪費(fèi)，不符合汽車節(jié)能要求，也不符合汽車對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求，能耗對(duì)比如圖1-3。圖1-2轉(zhuǎn)向泵流量特性曲線圖1）傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 2

7、）采用控制閥的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)3）電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)圖1-3能量消耗對(duì)比1.2.3 EHPS系統(tǒng)的特點(diǎn)EHPS系統(tǒng)是由直流電機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)泵工作，而不是由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可根據(jù)轉(zhuǎn)向需求提供不同的轉(zhuǎn)向力，滿足汽車對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求。在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，電動(dòng)泵提供較大的流量，而在高速時(shí)，按轉(zhuǎn)向要求，使其流量有所下降。亦即在低速行駛時(shí)，駕駛員需較小的轉(zhuǎn)向操縱力就能靈活地進(jìn)行轉(zhuǎn)向，而在高速轉(zhuǎn)向時(shí)，使操縱力逐漸增大，優(yōu)化了轉(zhuǎn)向操縱，提高了駕駛員舒適性和轉(zhuǎn)向靈活性，又克服了轉(zhuǎn)向“發(fā)飄”感覺，使駕駛員操縱時(shí)有顯著的“路感”，保證在高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性和安全感。另外，EHPS系統(tǒng)將電機(jī)、控制器、液壓泵集成在一起降低了占用空

8、間，安裝比較輕便?？刂破骶哂锌删幊绦裕筛鶕?jù)不同車型或個(gè)人喜好調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能，有較好的可移植性。 綜上所述，EHPS系統(tǒng)相對(duì)HPs系統(tǒng)具有如下特點(diǎn);1)、采用無刷直流電機(jī)(BLDC)，降低了能源損耗。2)、結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝。3)、具有可編程的助力特性，性能便于調(diào)試，能得到舒適的轉(zhuǎn)向路感。4)、提高了可控性，可靠性，具有更好的安全性。5)、與傳統(tǒng)的葉片泵相比，采用齒輪泵的EHPS系統(tǒng)泵油效率提高。6)、維護(hù)方便。7)、具有較高的性能價(jià)格比。另外，與EPS系統(tǒng)相比，EHPS系統(tǒng)采用液壓提供助力，使助力比較平滑，手感很好;對(duì)于以前的HPS系統(tǒng)，可以經(jīng)過相對(duì)簡單的改裝即可成為EHPS系統(tǒng);另外EHP

9、S系統(tǒng)也繼承了HPS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠提供很足的助力，將主要應(yīng)用與高級(jí)轎車以及運(yùn)動(dòng)型乘用車上。1.3 EHPS系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r由于EHPS系統(tǒng)的優(yōu)越性能，國外很早就開始對(duì)其進(jìn)行了研究，可以追溯到上世紀(jì)80年代，但當(dāng)時(shí)的情況主要局限于理論研究，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上是利用電子閥控制油泵流量的方法調(diào)節(jié)助力，該技術(shù)在操控性和節(jié)能方面的改進(jìn)十分有限。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展和無刷直流電機(jī)的應(yīng)用，電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有了更深刻的變化，現(xiàn)在的研究方向是更為輕便、更為安全、更為節(jié)能。國外(主要是KOYO和TRW公司)提出了應(yīng)用電機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵以節(jié)能，根據(jù)車速、轉(zhuǎn)向盤角速度控制電機(jī)轉(zhuǎn)速以更為輕便和安全的方法。并已經(jīng)有

10、產(chǎn)品推出， TRW公司生產(chǎn)的EHPS系統(tǒng)，它的控制器可以為電機(jī)提供高達(dá)幾十安的電流，產(chǎn)生幾千牛的助力。該公司主要為大眾的POLO轎車配套。 國外雖然已經(jīng)有產(chǎn)品推出，但由于時(shí)間較短，還不具有很大市場規(guī)模，而且汽車產(chǎn)品都有較長的跑車試驗(yàn)期和壽命測驗(yàn)，所以如今的大多數(shù)的汽車還是采用傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。從長遠(yuǎn)眼光來看，傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)必然要被EHPS系統(tǒng)或者更高的系統(tǒng)所代替。 國內(nèi)對(duì)于電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究還處于探索階段，因?yàn)樵撓到y(tǒng)涉及電子，機(jī)械，自動(dòng)化等諸多領(lǐng)域，需要多學(xué)科的交叉，面臨的難題也比較多，另外國內(nèi)在無刷電機(jī)和轉(zhuǎn)向柱方面的配套技術(shù)比較落后，如此種種影響了整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)展。而且國外對(duì)此方

11、面技術(shù)非常保密，國內(nèi)對(duì)該技術(shù)介紹較少。這些因素都導(dǎo)致我國在EHPS系統(tǒng)方面的研究十分落后。1.4本課題的研究意義 隨著科技的發(fā)展和人們生活水平及環(huán)保意識(shí)的提高，汽車轉(zhuǎn)向助力肯定會(huì)向更輕便、更節(jié)能、更安全的方向發(fā)展，而本課題正是沿著這個(gè)方向?qū)ζ嚨霓D(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了研究。現(xiàn)存的汽車，大部分都是傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，甚至沒有助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能提供比其更安全、更舒適的轉(zhuǎn)向操控性和節(jié)能效果。本課題對(duì)該系統(tǒng)的控制算法和控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入、細(xì)致的研究，并將其應(yīng)用于實(shí)踐，這對(duì)于推動(dòng)該系統(tǒng)的發(fā)展和最終的產(chǎn)品化應(yīng)用，對(duì)于推動(dòng)機(jī)械、傳感器技術(shù)和電子器件制造等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)于提高我國汽車電子化水平

12、和加快轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有十分重要的意義。在可預(yù)見的將來，電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車尤其是豪華轎車和貨車中必定會(huì)有廣泛的應(yīng)用第2章 電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體組成2.1 電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)理及類型2.1.1 電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)理EHPS 的工作原理如圖2-1所示。汽車直線行駛時(shí)，方向盤不轉(zhuǎn)動(dòng)，泵以很低的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，大部分工作油經(jīng)過轉(zhuǎn)向閥流回油罐，少部分經(jīng)液控閥直接流回油罐；當(dāng)駕駛員開始轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，電子控制單元根據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)角、車速以及電動(dòng)機(jī)的反饋信號(hào)等，判斷汽車的轉(zhuǎn)向狀態(tài)，向驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出控制指令，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)泵，進(jìn)而輸出相應(yīng)流量和壓力的高壓油（瞬時(shí)流量從ECU中儲(chǔ)

13、存的流量通用特性場中讀取。）。壓力油經(jīng)轉(zhuǎn)閥進(jìn)入齒條上的液壓缸，推動(dòng)活塞以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)闹?，協(xié)助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操縱，從而獲得理想的轉(zhuǎn)向效果。因?yàn)橹μ匦郧€可以通過軟件來調(diào)節(jié)，所以該系統(tǒng)可以適合多種車型。在電子控制單元中，還有安全保護(hù)措施和故障診斷功能。當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流過大或溫度過高時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)限制或者切斷電動(dòng)機(jī)的電流，避免故障的發(fā)生；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障(如蓄電池電壓過低、轉(zhuǎn)角傳感器失效等)時(shí)，系統(tǒng)仍然可以依靠機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向操縱，同時(shí)顯示并存儲(chǔ)其故障代碼。1.動(dòng)力缸 2.轉(zhuǎn)向閥 3.ECU 4.電機(jī)5.液壓泵 6.液控閥 7.限壓閥圖2-1電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理圖EHPS 系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：一是

14、節(jié)能，高速時(shí)最多能節(jié)約85%的能源（相對(duì)于傳統(tǒng)的由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵的系統(tǒng)），實(shí)際行駛過程中能節(jié)約燃油0.2L/100km；二是結(jié)構(gòu)緊湊，主要部件(電動(dòng)機(jī)、油泵和電子控制單元)均可以組合在一起，具有良好的模塊化設(shè)計(jì)，所以整體外形尺寸比傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要小，質(zhì)量要輕，這就為整車布置帶來了方便；三是根據(jù)車型的不同和轉(zhuǎn)向工況的不同，提供不同的助力，有舒適的轉(zhuǎn)向路感。2.1.2 電動(dòng)液壓助力轉(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。但是，固定助力效果的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有明顯的缺點(diǎn)，雖然這種轉(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

15、助力效果會(huì)使轉(zhuǎn)向盤過于靈敏，不利于駕駛者對(duì)方向進(jìn)行控制?；谶@種原因，設(shè)計(jì)人員通過電子控制技術(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，這就出現(xiàn)了電子控制助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在此需要說明的是，有些車型配置的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不是通過感應(yīng)車速來改變助力力矩的大小，而是通過感應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來改變助力力矩的大小，但是這種助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用得比較少。隨著人們對(duì)車輛舒適性和安全性要求的不斷提高，目前的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)不僅僅具有車速感應(yīng)式轉(zhuǎn)向功能，例如有些車型還具有“一般轉(zhuǎn)向模式”和“運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向模式”，并可以在2種轉(zhuǎn)向模式之間自由切換。從廣泛意義上講，電動(dòng)液壓

16、助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為2種。一種是為了實(shí)現(xiàn)車速感應(yīng)式轉(zhuǎn)向功能，而在機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了控制液體流量的電磁閥、車速傳感器以及轉(zhuǎn)向控制單元等，轉(zhuǎn)向控制單元根據(jù)車速信號(hào)控制電磁閥，從而通過控制液體流量實(shí)現(xiàn)了助力作用隨車速的變化。另一種助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓泵代替了機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的機(jī)械液壓泵，而且增加了車速傳感器、轉(zhuǎn)向角速度傳感器以及轉(zhuǎn)向控制單元等部件。從性能上講，采用電動(dòng)液壓泵的電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有更好的性能。電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)閥的不同分為中位開式和中位閉式。中位開式工作系統(tǒng)的組成如圖2-2所示。轉(zhuǎn)向閥中位有預(yù)開量，不轉(zhuǎn)向時(shí)，來自轉(zhuǎn)向液壓泵的液壓油經(jīng)過槽和槽脊

17、之間的間隙(預(yù)開口),閥芯上的徑向孔流回油箱，因此也被稱為常流式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向液壓泵通常由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(亦可由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng))。中位開式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，液壓泵壽命長和轉(zhuǎn)向手感好。1. 內(nèi)燃機(jī)；2. 液壓泵；3. 液壓缸；4. 車輪；5. 轉(zhuǎn)閥；6. 流量調(diào)節(jié)閥；7. 溢流閥圖2-2中位開式EHPS系統(tǒng)中位閉式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖2-3所示。當(dāng)方向盤處于不轉(zhuǎn)向的中間位置時(shí)，轉(zhuǎn)向閥的進(jìn)出油口關(guān)閉。液壓回路中裝有蓄能器，當(dāng)蓄能器中的壓力低于某一時(shí)，卸荷閥關(guān)閉，液壓泵向蓄能器供油;當(dāng)蓄能器中的壓力達(dá)幾到另一較高值時(shí)，卸荷閥打開，液壓泵停止向蓄能器供油、由于蓄能器中總保持一定的工作壓力，所以也被稱為

18、常壓式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)。中位閉式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于，在非轉(zhuǎn)向工況下，系統(tǒng)幾乎不消耗原電動(dòng)機(jī)的能量，在液壓泵不運(yùn)轉(zhuǎn)的倩況下，系統(tǒng)保持一定的轉(zhuǎn)向能力。但是中位閉式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)轉(zhuǎn)向流量和壓力由蓄能器提供，在各種工況下輸出不易調(diào)整，轉(zhuǎn)向助力不能隨轉(zhuǎn)向負(fù)荷做相應(yīng)的變化，降低了駕駛的可靠性和舒適性。另外，它的密封和結(jié)構(gòu)都比中位開式復(fù)雜，所以目前車輛中常用的仍是傳統(tǒng)的中位開式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)。 1. 壓力繼電器；2. 電動(dòng)機(jī)；3. 液壓泵；4. 蓄能器；5. 液壓缸；6. 車輪；7. 轉(zhuǎn)向閥；8. 單向閥；9. 卸荷閥；10. 內(nèi)燃機(jī)；11. 溢流閥；圖2-3 EHPS中位閉式系統(tǒng) 2.2 電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

19、的總體框架采用電動(dòng)泵式的EHPS系統(tǒng)一般由電氣裝置和機(jī)械裝置兩部分組成，電氣部分由車速傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器和電子控制單元ECU組成；機(jī)械裝置包括齒輪齒條轉(zhuǎn)向器（包括轉(zhuǎn)子閥和助力缸）、控制閥及管路、電動(dòng)泵。而比較先進(jìn)電動(dòng)泵把齒輪泵（或葉片泵）、ECU、低慣量、高功率的直流電機(jī)和油罐集成在一起，構(gòu)成集成的電動(dòng)泵，使得整個(gè)總成結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量變得更輕，安裝的柔性也大大增強(qiáng)。1. 轉(zhuǎn)角傳感器；2. 動(dòng)力轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置；3. 儲(chǔ)油罐；4. 限壓閥； 圖2-4 EHPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖2.3 電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成部件的選取電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡稱為EHPS，系統(tǒng)部件主要包括電動(dòng)機(jī)、液壓泵、轉(zhuǎn)向機(jī)、轉(zhuǎn)向角速度傳感

20、器、轉(zhuǎn)向控制單元、EHPS警告燈以及助力油儲(chǔ)液罐等，其中轉(zhuǎn)向控制單元和電動(dòng)機(jī)及液壓泵通常安裝在一起。2.3.1 電動(dòng)機(jī)  電動(dòng)機(jī)分為無刷和有刷電動(dòng)機(jī)，通常采用免維護(hù)無碳刷式電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)利用電子方式實(shí)現(xiàn)整流，而且沒有碳刷的磨損，因此具有很好的可靠性和較長的使用壽命。當(dāng)不需要提供轉(zhuǎn)向助力時(shí)，電動(dòng)機(jī)在很小的電流驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣當(dāng)需要較大的轉(zhuǎn)向助力時(shí)，電動(dòng)機(jī)就可以立即提高轉(zhuǎn)速以提供所需要的助力。2.3.2 齒輪泵 電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EHPS所用的齒輪泵為外嚙合齒輪泵，主要由主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪、泵體、泵蓋等組成。齒輪泵靠兩端密封面密封，主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪均由兩端軸承支撐。泵體、泵蓋和齒

21、輪的各個(gè)齒間槽形成密封的工作空間。電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)齒輪，主動(dòng)齒輪靠嚙合帶動(dòng)從動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)兩齒逐漸分開，工作空間的容積逐漸增大，形成部分真空，儲(chǔ)油罐內(nèi)的液壓油在大氣壓作用下，經(jīng)進(jìn)口被吸入，吸入的液壓油沿泵體被齒輪擠壓推入高壓油腔。當(dāng)主動(dòng)、從動(dòng)齒輪不斷旋轉(zhuǎn)時(shí)，泵便能不斷吸入和排出液壓油，提供助力。外嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕，造價(jià)低、工作可靠，較葉輪泵容積效率和機(jī)械效率都要高。圖2-5為齒輪泵的結(jié)構(gòu)簡圖。圖2-5齒輪泵的結(jié)構(gòu)簡圖2.3.3 轉(zhuǎn)向角速度傳感器  通常是霍爾式傳感器，內(nèi)置于轉(zhuǎn)向盤內(nèi)或轉(zhuǎn)向機(jī)內(nèi)，持續(xù)監(jiān)控轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，以作為轉(zhuǎn)向控制單元控制助力的參考依據(jù)。例如，當(dāng)車輛高速行駛時(shí)，在車

22、速感應(yīng)式轉(zhuǎn)向功能的作用下，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的助力作用會(huì)減小，但是行駛中有可能出現(xiàn)需要緊急轉(zhuǎn)向的突發(fā)情況。當(dāng)駕駛者猛打轉(zhuǎn)向盤時(shí)，轉(zhuǎn)向角速度傳感器會(huì)感知這一變化并會(huì)向轉(zhuǎn)向控制單元發(fā)出信號(hào)，轉(zhuǎn)向控制單元控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速提高，助力作用會(huì)瞬間增大，以便車輛順利完成轉(zhuǎn)向動(dòng)作。在拆卸和安裝轉(zhuǎn)向角速度傳感器時(shí)，應(yīng)注意將轉(zhuǎn)向盤置于正中間位置。2.3.4 轉(zhuǎn)向控制單元轉(zhuǎn)向控制單元具有接收和處理各個(gè)傳感器信號(hào)、輸出執(zhí)行信號(hào)以及監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)等多種功能。轉(zhuǎn)向控制單元接收來自發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的車速信號(hào)或發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，以及來自轉(zhuǎn)向角速度傳感器的角速度信號(hào)，并計(jì)算出理想的控制電流輸出給電動(dòng)機(jī)，以控制助力力矩的大小和方

23、向。 當(dāng)系統(tǒng)存在故障時(shí)，轉(zhuǎn)向控制單元會(huì)存儲(chǔ)故障碼并點(diǎn)亮儀表板上的EHPAS警告燈或EPAS警告燈。當(dāng)監(jiān)測到系統(tǒng)內(nèi)電動(dòng)機(jī)等部件出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，轉(zhuǎn)向控制單元會(huì)切斷助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，此時(shí)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍然正常。 為了保護(hù)電動(dòng)機(jī)等部件，轉(zhuǎn)向控制單元在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候會(huì)起動(dòng)臨界狀態(tài)控制程序。例如當(dāng)轉(zhuǎn)向機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至極限位置時(shí)，由于此時(shí)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)，所以通過電動(dòng)機(jī)的電流就會(huì)達(dá)到最大值，為了避免持續(xù)大電流導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)和控制單元損壞，所以當(dāng)較大電流連續(xù)通過30 s后，轉(zhuǎn)向控制單元就會(huì)控制電流逐漸減小。當(dāng)這種狀態(tài)消失后，轉(zhuǎn)向控制單元就會(huì)根據(jù)需要控制電流逐漸增大，直到達(dá)到正常工作電流值。第三章 電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的

24、設(shè)計(jì)3.1 EHPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法在研究電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法做了探討。汽車的最大轉(zhuǎn)向力矩發(fā)生在汽車原地轉(zhuǎn)向時(shí)，助力轉(zhuǎn)向必須滿足此時(shí)轉(zhuǎn)向輕便性的要求。汽車原地轉(zhuǎn)向阻力矩Tw（N·m）為式中 f輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)；一般取f=0.7；轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷，單位為N；P輪胎氣壓，單位為。此公式是經(jīng)驗(yàn)公式。為安全起見，取安全系數(shù)為1.52。此時(shí)，轉(zhuǎn)向盤所需轉(zhuǎn)矩Th（N·m）為式中 轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比，一般情況下，輕型車為1523；轉(zhuǎn)向系正效率，對(duì)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，一般為70%85%。根據(jù)推薦值，轉(zhuǎn)向盤操縱力不應(yīng)大于3050N,在10N 以下則轉(zhuǎn)向很輕便。因此

25、，駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩Th0（N·m）為式中 Fh0作用在轉(zhuǎn)向盤上的力（N）；Dh轉(zhuǎn)向盤直徑（m）。所以，最大助力轉(zhuǎn)矩Tamax（N·m）為：由此可以得到齒條上的最大作用力F（N）為：F=Tamax/rg式中 rg 小齒輪半徑（m）。根據(jù)液壓泵的壓力標(biāo)準(zhǔn)系列，初步選定需要的最高工作壓力Pmax（MPa），并計(jì)算出助力缸活塞實(shí)際作用面積為S= F / Pmax由式上式得到助力缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的初步值。根據(jù)現(xiàn)有的助力缸內(nèi)徑和活塞桿直徑常用系列值來，進(jìn)一步確定合適內(nèi)徑和直徑。在確定了轉(zhuǎn)向器的相關(guān)參數(shù)后，下面根據(jù)這些參數(shù)設(shè)計(jì)出符合要求的電動(dòng)泵的相關(guān)參數(shù)。對(duì)于油泵，一般要求當(dāng)

26、油泵輸出最大流量時(shí)，要能夠滿足求方向盤轉(zhuǎn)速不低于1r/s，轎車最大取1.5r/s。近年來，國內(nèi)普遍采用1.25r/s 計(jì)算。則活塞速度為：式中 d1小齒輪直徑（mm）。轉(zhuǎn)向器所需的流量一般由動(dòng)力缸活塞的有效作用面積和最大轉(zhuǎn)向速度決定。它可以近似為動(dòng)力缸容積隨時(shí)間變化的函數(shù)加上傳動(dòng)裝置及轉(zhuǎn)向器內(nèi)的泄流量Q2 (泄流量一般取0.9L/min)。則泵實(shí)際需要提供的最大流量Q1 (L/min)為：Q1 =（1.52）Q0 + Q2 然后，對(duì)泵的結(jié)構(gòu)、泵腔的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之符合常用的排量系列中的值。在此基礎(chǔ)上，確定泵的最高轉(zhuǎn)速nmax（r/min），則泵的最高轉(zhuǎn)速可由最大流量和排量得出：nmax

27、= Q1 / q 通過對(duì)以上參數(shù)的計(jì)算，可以得到所需要的液壓功率Py （W）為：Py = Q1 × Pmax 泵的輸入扭矩Ti（N·m）為：式中 m 泵與電機(jī)之間的機(jī)械效率，一般?。?.91）因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)和泵之間的扭矩傳遞損失很小，所以可以認(rèn)為扭矩值非常接近于根據(jù)提供足夠助力需求所計(jì)算得到的扭矩值。首先，取一個(gè)安全系數(shù)n（11.2）1，可以得到電動(dòng)機(jī)的額定輸出扭矩Te，則電動(dòng)機(jī)的額定功率Pe 為：上述設(shè)計(jì)方法的是可行的，能夠設(shè)計(jì)出符合助力要求的電動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)方法是比較合適的。3.2 轉(zhuǎn)向器的介紹轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要總成，其作用主要有三方面，一是增大來自轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)

28、矩，使之達(dá)到足以克服轉(zhuǎn)向輪與路面之間的轉(zhuǎn)向阻力矩；二是減低轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，并使轉(zhuǎn)向搖臂軸傳動(dòng)，帶動(dòng)要比擺動(dòng)使其末端獲得所需的位移，或者是將與其轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸連接在一起的主動(dòng)齒輪的傳動(dòng)，轉(zhuǎn)換成齒條的直線運(yùn)動(dòng)而獲得所需的位移；三是通過選取不統(tǒng)的螺（蝸）桿上的螺紋螺旋方向，達(dá)到使轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向協(xié)調(diào)一致的目的。汽車工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，早期主要是圍繞減小轉(zhuǎn)向器的摩擦阻力、提高效率和增大剛度等方面從事研究并開發(fā)出新產(chǎn)品。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器很早便在奔馳汽車上得到應(yīng)用，在1920年以前，許多牌號(hào)汽車都用這種轉(zhuǎn)向器，因此這種轉(zhuǎn)向器是應(yīng)用最早的轉(zhuǎn)向器之一，已有100多年的歷史。早期使用的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器

29、，由一直齒圓柱齒輪與一直齒齒輪相嚙合所組成，不僅運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性不好，而且沖擊和噪聲都比較大。此外，小齒輪軸線與齒條軸線間的夾角只能是直角，很難滿足總體布置要求。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)得到不斷的完善。開發(fā)了斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合的轉(zhuǎn)向器，克服了采用直齒時(shí)所形成的缺點(diǎn)。如圖3-1。 圖3-1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 目前齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在各級(jí)別轎車上都得到廣泛應(yīng)用，而且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)轎車的生產(chǎn)不斷擴(kuò)大，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器應(yīng)用的前景將十分廣闊，因?yàn)檫@會(huì)使轉(zhuǎn)向干系變得簡單。進(jìn)入80年代初，我國生產(chǎn)的微型貨車開始開始應(yīng)用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，目前國產(chǎn)轎車絕大多數(shù)采用的都是這種形式轉(zhuǎn)向器。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器

30、主要由小齒輪、齒條、消除間隙機(jī)構(gòu)及容納上述各件的殼體組成。其中小齒輪與齒條作無間隙嚙合并形成齒輪齒條傳動(dòng)副。工作時(shí)，轉(zhuǎn)向盤帶動(dòng)小齒輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，便推動(dòng)齒條作直線運(yùn)動(dòng)，在改變嚙合副運(yùn)動(dòng)方向的同時(shí)增大了傳動(dòng)比。在齒條齒與小齒輪嚙合處的背部，設(shè)置有消除間隙機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由預(yù)緊彈簧、托座等零件組成，在齒輪與齒條齒之間因磨損出現(xiàn)間隙時(shí)能自動(dòng)消除此間隙。在齒條與托座之間裝有用減磨材料聚四氯乙烯制的墊片，齒條通過托座和轉(zhuǎn)向器殼中的支承來支承。 根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點(diǎn)，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式，即中間輸入、兩端輸出；側(cè)面輸入、兩端輸出；側(cè)面輸入、中間輸出；側(cè)面輸入、一端輸出。如圖3-2。圖 3-2 齒輪齒

31、條式轉(zhuǎn)向器輸入輸出形式 a) 中間輸入、兩端輸出；b) 側(cè)面輸入、兩端輸出；c) 側(cè)面輸入、中間輸出；d) 側(cè)面輸入、一端輸出；今后一段時(shí)間內(nèi)，汽車主要采用的將是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。本文主要研究的是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。3.3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的計(jì)算3.3.1 轉(zhuǎn)向系計(jì)算載荷的確定為了保證行駛安全，組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。預(yù)驗(yàn)算轉(zhuǎn)向系零件的強(qiáng)度，需首先確定作用在各零件上的力。影響這些力的主要因素有轉(zhuǎn)向軸的負(fù)荷、路面阻力和輪胎氣壓等。為轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力，包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力、車輪穩(wěn)定阻力、輪胎變形阻力和轉(zhuǎn)向系中的內(nèi)摩擦阻力等。精確地計(jì)算出這些力是困難的。為此用足夠

32、精確的半經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩MR(N·mm)為：式中 f輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)；轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷，單位為N；P輪胎氣壓，單位為。作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力Fh為：式中 轉(zhuǎn)向搖臂長, 單位為mm；原地轉(zhuǎn)向阻力矩, 單位為N·mm轉(zhuǎn)向節(jié)臂長, 單位為mm；為轉(zhuǎn)向盤直徑,單位為mm；Iw轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比；+轉(zhuǎn)向器正效率。因齒輪齒條式轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)無轉(zhuǎn)向搖臂，故L1、L2不代入數(shù)值。對(duì)給定的汽車，用上式計(jì)算出來的作用力是最大值。因此，可以用此值作為計(jì)算載荷。梯形臂長度的計(jì)算：輪輞直徑= 16in=16×25.4=406.4mm梯形臂長度=×

33、;0.8/2= 406.4×0.8/2=162.6mm, 取=160mm輪胎直徑的計(jì)算RT：=406.4+0.55×205=518.75mm 取=520mm轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑的確定：=;因此取=15mm初步估算主動(dòng)齒輪軸的直徑： =140Mpa所以取=18mm上述的計(jì)算只是初步對(duì)所研究的轉(zhuǎn)向系載荷的確定。3.3.2 EHPS系統(tǒng)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)1.齒條是在金屬殼體內(nèi)來回滑動(dòng)的，加工有齒形的金屬條。轉(zhuǎn)向器殼體是安裝在前橫梁或前圍板的固定位置上的。齒條代替梯形轉(zhuǎn)向桿系的搖桿和轉(zhuǎn)向搖臂，并保證轉(zhuǎn)向橫拉桿在適當(dāng)?shù)母叨纫允顾麄兣c懸架下擺臂平行。齒條可以比作是梯形轉(zhuǎn)向桿系的轉(zhuǎn)向直拉桿

34、。導(dǎo)向座將齒條支持在轉(zhuǎn)向器殼體上。齒條的橫向運(yùn)動(dòng)拉動(dòng)或推動(dòng)轉(zhuǎn)向橫拉桿，使前輪轉(zhuǎn)向。表3-1 齒條的尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)尺寸參數(shù)()1總長7672直徑303齒數(shù)204法向模數(shù)32.齒輪是一只切有齒形的軸。它安裝在轉(zhuǎn)向器殼體上并使其齒與齒條上的齒相嚙合。齒輪齒條上的齒可以是直齒也可以是斜齒。齒輪軸上端與轉(zhuǎn)向柱內(nèi)的轉(zhuǎn)向軸相連。因此，轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)使齒條橫向移動(dòng)以操縱前輪。齒輪軸由安裝在轉(zhuǎn)向器殼體上的球軸承支承。斜齒的彎曲增加了一對(duì)嚙合齒輪參與嚙合的齒數(shù)。相對(duì)直齒而言，斜齒的運(yùn)轉(zhuǎn)趨于平穩(wěn)，并能傳遞更大的動(dòng)力。表3-2 齒輪軸的尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)尺寸參數(shù)(mm)1總長1982齒寬603齒數(shù)64法

35、向模數(shù)35螺旋角20°6螺旋方向左旋3.轉(zhuǎn)向橫拉桿及其端部 轉(zhuǎn)向橫拉桿與梯形轉(zhuǎn)向桿系的相似。球頭銷通過螺紋與齒條連接。當(dāng)這些球頭銷依制造廠的規(guī)范擰緊時(shí)，在球頭銷上就作用了一個(gè)預(yù)載荷。防塵套夾在轉(zhuǎn)向器兩側(cè)的殼體和轉(zhuǎn)向橫拉桿上，這些防塵套阻止雜物進(jìn)入球銷及齒條中。轉(zhuǎn)向橫拉桿端部與外端用螺紋聯(lián)接。這些端部與梯形轉(zhuǎn)向桿系的相似。側(cè)面螺母將橫拉桿外端與橫拉桿鎖緊。見圖3-3。注：轉(zhuǎn)向反饋是由前輪遇到不平路面而引起的轉(zhuǎn)向盤的運(yùn)動(dòng)。1.橫拉桿 2.鎖緊螺母3.外接頭殼體4.球頭銷5.六角開槽螺母 6.球碗7.端蓋 8.梯形臂 9.開口銷圖3-3轉(zhuǎn)向橫拉桿外接頭4.齒條調(diào)整 一個(gè)齒條導(dǎo)向座安裝在齒條

36、光滑的一面。齒條導(dǎo)向座1和與殼體螺紋連接的調(diào)節(jié)螺塞3之間連有一個(gè)彈簧2。此調(diào)節(jié)螺塞由鎖緊螺母固定4。齒條導(dǎo)向座的調(diào)節(jié)使齒輪、齒條間有一定預(yù)緊力，此預(yù)緊力會(huì)影響轉(zhuǎn)向沖擊、噪聲及反饋（見圖3-4）。圖3-4齒條間隙調(diào)整裝置3.3.3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)要求 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪多數(shù)采用斜齒圓柱齒輪。齒輪模數(shù)取值范圍多在23mm之間。主動(dòng)小齒輪齒數(shù)多數(shù)在57個(gè)齒范圍變化，壓力角取20°，齒輪螺旋角取值范圍多為9°15°。齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪達(dá)到最大偏轉(zhuǎn)角時(shí)，相應(yīng)的齒條移動(dòng)行程應(yīng)達(dá)到的值來確定。變速比的齒條壓力角，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在12°35°范圍內(nèi)變

37、化。此外，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算齒輪的抗彎強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度。主動(dòng)小齒輪選用16MnCr5或15CrNi6材料制造，而齒條常采用45鋼制造。為減輕質(zhì)量，殼體用鋁合金壓鑄。3.4 齒輪軸和齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算表3-3 齒輪軸和齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算和說明計(jì)算結(jié)果1.選擇齒輪材料、熱處理方式及計(jì)算許用應(yīng)力(1) 選擇材料及熱處理方式小齒輪16MnCr5 滲碳淬火，齒面硬度56-62HRC大齒輪 45鋼 表面淬火，齒面硬度56-56HRC(2) 確定許用應(yīng)力a)確定和 b)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，確定壽命系數(shù)、。 c)計(jì)算許用應(yīng)力取,=應(yīng)力修正系數(shù)=2.初步確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸(1) 選擇齒輪類型根據(jù)齒輪傳動(dòng)的工作

38、條件，選用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動(dòng)方案(2) 選擇齒輪傳動(dòng)精度等級(jí)選用7級(jí)精度(3) 初選參數(shù)初選 =6 =20 =0.8 =0.7 =0.89按當(dāng)量齒數(shù)(4) 初步計(jì)算齒輪模數(shù)轉(zhuǎn)矩156×0.16=24.96=24960閉式硬齒面?zhèn)鲃?dòng)，按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)。=2.309(5) 確定載荷系數(shù)=1，由,/100=0.000696,=1；對(duì)稱布置，取=1.06；取=1.3則=1×1×1.06×1.3=1.378(6) 修正法向模數(shù)=2.309×=2.297圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，取=2.53.確定齒輪傳動(dòng)主要參數(shù)和幾何尺寸(1) 分度圓直徑=16(2

39、) 齒頂圓直徑=16+2=16+2×2.5(1+0)=21 (3) 齒根圓直徑=16-2=16-2×2.5×1.25=9.75(4) 齒寬=0.8×16=12.8因?yàn)橄嗷Ш淆X輪的基圓齒距必須相等，即。齒輪法面基圓齒距為齒條法面基圓齒距為取齒條法向模數(shù)為=2.5(5) 齒條齒頂高=2.5×(1+0)=2.5(6) 齒條齒根高=2.5×(1+0.25-0)=3.125(7) 法面齒距=3.94.校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度查表，得=189.8查圖，得=2.45取=0.8，=0.969所以 =189.8×2.45×0.8

40、15;0.969×=1677.6斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動(dòng)7級(jí)精度24960=1.378=2.5=16=21=9.75取=20=2.5=3.125=3.9齒面接觸疲勞強(qiáng)度滿足要求3.5 本章小結(jié)本章是電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容如下：(1) 介紹了電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)方法，這種設(shè)計(jì)方法是有其可行性的，能夠設(shè)計(jì)出符合助力要求的電動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)方法在現(xiàn)實(shí)中是比較合適的。(2) 對(duì)EHPS系統(tǒng)中的齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的主要元件進(jìn)行的詳細(xì)的介紹，并且給出了一些參考的轉(zhuǎn)向系參數(shù)。(3) 根據(jù)已知條件，對(duì)EHPS系統(tǒng)中的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器進(jìn)行了齒輪軸和齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算。第四章

41、 電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的研究4.1 電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器介紹目前, 商用車上的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大多是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng), 而傳統(tǒng)的液壓助力系統(tǒng)助力特性是固定的,存在低速轉(zhuǎn)向沉重、高速轉(zhuǎn)向發(fā)飄的問題。這對(duì)駕駛舒適性和安全性都有較大的影響。在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝電子控制裝置, 改變其助力特性, 就構(gòu)成了電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EHPS。EHPS 系統(tǒng)針對(duì)不同車速給出不同的助力特性, 既滿足了低速工況下的大助力需求, 又保證了高速工況下的路感, 是當(dāng)前液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。常見的ECHPS 系統(tǒng)都采用電磁閥來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的油壓和流量, 而日本光洋公司與1998 年推出了一種新型的采用步進(jìn)閥的

42、閥特性式的ECHPS 系統(tǒng)。與電磁閥相比, 步進(jìn)閥有如下特點(diǎn): 提高了滑閥的位置精度; 以固定車速行駛時(shí), 執(zhí)行機(jī)構(gòu)不消耗電力; 行駛過程中, 向執(zhí)行機(jī)構(gòu)供給的電流被中斷時(shí), 轉(zhuǎn)向力不會(huì)因?yàn)榛y位置的變動(dòng)而發(fā)生快速變化, 即系統(tǒng)出故障的情況下穩(wěn)定性好。清華大學(xué)汽車研究所開發(fā)了采用步進(jìn)轉(zhuǎn)閥的流量控制式EHPS 系統(tǒng), 如圖4-1 所示。本章對(duì)其控制器進(jìn)行了研究。圖 4-1 EHPS系統(tǒng)4.2 兩相混合步進(jìn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩細(xì)分原理兩相混合步進(jìn)電機(jī)可以抽象為如圖4-2 所示, 繞組間的電角度為90°, 則兩相電流的相位差也為90°。由圖可得:式中 I0滿幅單相繞組電流。則由歐拉公式可得

43、合成電流向量為:圖4-2兩相混合步進(jìn)電機(jī)模型這樣就得到了一個(gè)幅值為I0、幅角為! 的矢量。只要控制! 作均勻步長變化, 就可以保證該矢量做均勻步長的轉(zhuǎn)動(dòng), 且保持幅值不變, 從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩的細(xì)分轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)步進(jìn)電機(jī)作均勻細(xì)分后, 可以得到一系列對(duì)應(yīng)的值, 由公式可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的A、B 相的電流。將這些電流值量化后儲(chǔ)存在單片機(jī)內(nèi), 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)根據(jù)對(duì)應(yīng)的步數(shù)將數(shù)據(jù)送入控制電路中, 就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)繞組的電流控制, 實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)。4.3 控制器電路基本構(gòu)成4.3.1 電路概述控制器的模塊如圖4-2 所示。各部分的主要構(gòu)成及功能如下:(1)系統(tǒng)信號(hào)輸入輸出。主要包括車速信號(hào)、方向盤轉(zhuǎn)速信號(hào)和各

44、部分電壓監(jiān)測信號(hào)輸入, 狀態(tài)指示燈、DEBUG 燈信號(hào)輸出。圖4-2 EHPS控制系統(tǒng)(2)單片機(jī)相關(guān)電路。主要包括單片機(jī)、相應(yīng)的時(shí)鐘電路、電源部分以及程序燒寫接口等。該部分提供了整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)處理及基本控制信號(hào)輸出功能。(3)細(xì)分控制。對(duì)單片機(jī)提供的繞組電平信號(hào)、D/A 提供的電流限值以及由繞組電流檢測部分反饋回來的電流值進(jìn)行綜合處理, 產(chǎn)生斬波驅(qū)動(dòng)信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)電路。(4)功率驅(qū)動(dòng)電路。將細(xì)分控制產(chǎn)生的斬波信號(hào)進(jìn)行放大, 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。(5)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)泄流閥, 改變ECHPS 系統(tǒng)的助力特性。(6) D/A。根據(jù)具體的細(xì)分步數(shù), 產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的目標(biāo)電壓值, 送入細(xì)分控制器。(7)

45、繞組電流檢測。由電流/電壓轉(zhuǎn)換和放大器構(gòu)成。將電機(jī)繞組中的電流轉(zhuǎn)化為電壓值并放大, 送入細(xì)分控制器與D/A 產(chǎn)生的目標(biāo)電壓進(jìn)行比較, 一旦達(dá)到目標(biāo)值就進(jìn)行斬波。(8)電機(jī)位置檢測。由光電續(xù)斷器及其相關(guān)電路組成。主要提供了閥的基準(zhǔn)位置, 并在運(yùn)行過程中作為位置校準(zhǔn)點(diǎn)。4.3.2 細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)控制器采用的細(xì)分芯片為L6506, 驅(qū)動(dòng)芯片采用的是L298, 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及連接如圖4-3所示。以某個(gè)細(xì)分位置時(shí)A 相繞組為例, 說明電流控制的工作過程。假設(shè)此時(shí)A 相繞組正向通電, 需要的電流大小為IA。首先單片機(jī)分別給出IN1 為高、IN2 為低的方向控制信號(hào)( 如果A 相反向通電, 則給IN1 為低

46、、IN2 為高的信號(hào)) , 同時(shí), 根據(jù)單片機(jī)內(nèi)部預(yù)設(shè)好的表格, 查出IA 所對(duì)應(yīng)的參考電壓(VAref) , 通過SPI 接口將對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)輸出給D/A 芯片, D/A 在對(duì)應(yīng)A 相繞組的OUTA 輸出一個(gè)參考電壓VAref。IN1 高電平信號(hào)使得H 橋的T1 臂打開, T3 臂關(guān)閉; IN2 的低電平信號(hào)使得H 橋的T2 臂關(guān)閉, T4 臂打開。這樣由圖不難看出電流的流動(dòng)順序?yàn)?PowerH 橋T1 臂繞組A 正繞組A 負(fù)H橋T4 臂采樣電阻Rsen1地圖4-3細(xì)分驅(qū)動(dòng)增加隨著通電時(shí)間的增加, 回路中的電流iA( t) 不斷增大, 采樣電阻上的電壓Vsen1 不斷增大。當(dāng)Vsen1 的值

47、達(dá)到VAref 時(shí)(即iA( t)=IA), 比較器被推翻, 觸發(fā)器清零,A 相輸入控制信號(hào)被關(guān)斷, 繞組通過續(xù)流回路進(jìn)行續(xù)流, 電流iA( t) 不斷減小, 使得采樣電阻上的電壓Vsen1不斷減小, 從而使Vsen1<VAref, 比較器被重新置位, 當(dāng)觸發(fā)器收到下一個(gè)由OSC 送來的低電平信號(hào)時(shí), 觸發(fā)器被重新置位, 繞組恢復(fù)供電。以上過程不斷循環(huán),繞組中就保持了一個(gè)平均幅值為IA 的振蕩電流。4.4 研究結(jié)論所采用的步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角為1.8°, 10 細(xì)分后步距角達(dá)到了0.18°, 使用一般儀器難以測量。為了檢驗(yàn)細(xì)分結(jié)果, 設(shè)計(jì)了如圖4-4 所示的步進(jìn)角測量裝置。

48、步進(jìn)電機(jī)的角位移放大轉(zhuǎn)化為光點(diǎn)的直線位移, 便于測量。圖中L 為電機(jī)軸到投影屏幕的距離。則投影光點(diǎn)位移l 與電機(jī)轉(zhuǎn)角有如下近似關(guān)系: 圖4-4步進(jìn)角測量裝置 針對(duì)整個(gè)系統(tǒng), 可以看出, 在低車速的情況下,系統(tǒng)壓力能夠隨著方向盤轉(zhuǎn)矩的提高迅速上升, 從而提供較大幅度的助力, 避免了低速時(shí)轉(zhuǎn)向沉重; 在高車速情況下, 系統(tǒng)壓力只有方向盤轉(zhuǎn)矩較大情況下才有明顯提高, 從而避免了轉(zhuǎn)向發(fā)飄, 增加了駕駛員的手感。通過對(duì)步進(jìn)閥的控制, 改變了系統(tǒng)在不同車速下的助力特性, 達(dá)到了改善助力特性的目的。所研究的控制器滿足了EHPS 系統(tǒng)的需要, 能夠針對(duì)不同的車速提供不同的轉(zhuǎn)向助力特性,解決了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的

49、“低速沉重, 高速發(fā)飄” 問題。對(duì)于一些常見的系統(tǒng)故障, 控制器也能進(jìn)行診斷。現(xiàn)有控制器在中速情況下的助力特性和速度的對(duì)應(yīng)還是不夠理想, 有待進(jìn)一步的改進(jìn)。第五章 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)5.1 結(jié)構(gòu)與布置齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、制造工藝簡便等優(yōu)點(diǎn), 既適用于整體式前軸,也適用于采用獨(dú)立懸架的斷開式前軸, 被廣泛地應(yīng)用在轎車、輕型客貨車、微型汽車等車輛上。其中, 與之配用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同傳統(tǒng)的整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)相比有其特殊之處。一般來說, 這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大多如圖5-1所示。轉(zhuǎn)向軸1的末端與轉(zhuǎn)向器的齒輪軸2直接相連或通過萬向節(jié)軸相連, 齒輪2與裝于同一殼體的齒條3嚙合, 外殼則固定于

50、車身或車架上。齒條通過兩端的球鉸接頭與兩根分開的橫拉桿4、7相連, 兩橫拉桿又通過球頭銷與左右車輪上的梯形臂5、6相連。因此, 齒條3既是轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)件又是轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)中三段式橫拉桿的一部分。絕大多數(shù)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器都布置在軸前后方, 這樣既可避讓開發(fā)動(dòng)機(jī)的下部, 又便于與轉(zhuǎn)向軸下端連接。安裝時(shí), 齒條軸線應(yīng)與汽車縱向?qū)ΨQ軸垂直, 而且當(dāng)轉(zhuǎn)向器處于中立位置時(shí), 齒條兩端球鉸中心應(yīng)對(duì)稱地處于汽車縱向?qū)ΨQ軸的兩側(cè)。1.轉(zhuǎn)向軸 2.齒輪 3.齒條 4.左橫拉桿 5.左梯形臂 6.右梯形臂 7.右橫拉桿圖5-1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖對(duì)于給定的汽車, 其軸距L、主銷后傾角以及左右兩主銷軸線延長線與地面交點(diǎn)之間

51、的距離K均為已知定值。對(duì)于選定的轉(zhuǎn)向器, 其齒條兩端球鉸中心距也為已知定值。因而在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí), 需要確定的參數(shù)為梯形底角、梯形臂長以及齒條軸線到梯形底邊的安裝距離h。而橫拉桿長則可由轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的上述參數(shù)以及已知的汽車參數(shù)K和轉(zhuǎn)向器參數(shù)M來確定。其關(guān)系式為： (1)5.2 用解析法求內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí), 齒條便向左或向右移動(dòng),使左右兩邊的桿系產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng), 從而使左右車輪分別獲得一個(gè)轉(zhuǎn)角。以汽車左轉(zhuǎn)彎為例, 此時(shí)右輪為外輪, 外輪一側(cè)的桿系運(yùn)動(dòng)如圖5-2所示。設(shè)齒條向右移過某一行程S, 通過右橫拉桿推動(dòng)右梯形臂, 使之轉(zhuǎn)過。圖5-2外輪一側(cè)桿系運(yùn)動(dòng)情況取梯形右底角頂點(diǎn)O為坐

52、標(biāo)原點(diǎn), X、Y軸方向如圖5-2所示, 則可導(dǎo)出齒條行程S與外輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系： (2)另外，由圖5-2可知： (3)而內(nèi)輪一側(cè)的運(yùn)動(dòng)則如圖5-3所示, 齒條右移了相同的行程S, 通過左橫拉桿拉動(dòng)左梯形臂轉(zhuǎn)過。圖5-3內(nèi)輪一側(cè)桿系運(yùn)動(dòng)情況取梯形左底角頂點(diǎn)O1為坐標(biāo)原點(diǎn),X 、Y軸方向如圖5-3所示, 則同樣可導(dǎo)出齒條行程S與內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系, 即: (4) (5)因此, 利用公式(2)便可求出對(duì)應(yīng)于任一外輪轉(zhuǎn)角的齒條行程S, 再將S代入公式(5)即可求出相應(yīng)的內(nèi)輪轉(zhuǎn)角。把公式(2)和(5)結(jié)合起來便可將表示為的函數(shù),記作:反之, 也可利用公式(4)求出對(duì)應(yīng)于任一內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的齒條行程S, 再將S代入公式

53、(3)即可求出相應(yīng)的外輪轉(zhuǎn)角。將公式(4)和(5)結(jié)合起來可將表示為的函數(shù), 記作:5.3 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)5.3.1 目標(biāo)函數(shù)的建立眾所周知, 在不計(jì)輪胎側(cè)偏時(shí), 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪純滾動(dòng)、無側(cè)滑轉(zhuǎn)向的條件是內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角具有如圖5-4所示的理想的關(guān)系, 即: (6)式中 T計(jì)及主銷后傾角時(shí)的計(jì)算軸距 L汽車軸距r車輪滾動(dòng)半徑由式(6)可將理想的內(nèi)輪轉(zhuǎn)角表示為的函數(shù), 即: (7)反之, 取內(nèi)輪轉(zhuǎn)角為自變量時(shí), 理想的外輪轉(zhuǎn)角也可表示為的函數(shù), 即: (8)而由轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)所提供的內(nèi)、外實(shí)際轉(zhuǎn)角關(guān)系為前述的i=F(0)或 0=(i),因此, 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是要在規(guī)定的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)使實(shí)

54、際的內(nèi)或外輪轉(zhuǎn)角盡量地接近對(duì)應(yīng)的理想的內(nèi)或外輪轉(zhuǎn)角。為了綜合評(píng)價(jià)在全部轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)兩者接近的精確程度, 并考慮到在最常使用的中小轉(zhuǎn)角時(shí)希望兩者盡量接近, 因此建議用兩函數(shù)的加權(quán)均方根誤差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。即：兩式中的加權(quán)因子、為：(9)、(10) 兩式是等價(jià)的, 可根據(jù)具體情況任取其中之一作為極小化目標(biāo)函數(shù)。圖5-4理想的內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)交關(guān)系5.3.2 設(shè)計(jì)變量與約束條件對(duì)于給定的汽車和選定的轉(zhuǎn)向器, 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)尚有梯形臂長、底角和安裝距離h三個(gè)設(shè)計(jì)變量。其中底角可按經(jīng)驗(yàn)公式先選一個(gè)初始值,然后再增加或減小, 進(jìn)行優(yōu)化搜索。而及h的選擇則要結(jié)合約束條件來考慮。第一, 要保證梯形臂不與車輪上的零部件(如

55、輪胎、輪輛或制動(dòng)底板)發(fā)生干涉, 故要滿足： 0式中 Aoy梯形臂球頭銷中心的Y坐標(biāo)值（見圖5-3）Aymin車輪上可能與梯形臂干涉部位的Y坐標(biāo)值因，所以可知當(dāng)選定時(shí)的可取值上限為： (11)第二, 要保證有足夠的齒條行程來實(shí)現(xiàn)要求的最大轉(zhuǎn)角。即有:式中 Smax最大轉(zhuǎn)角或所對(duì)應(yīng)的齒條行程S轉(zhuǎn)向器的許用齒條行程因所以由公式(1)或(3)可知：一般來說 內(nèi)的數(shù)值很小, 故在估算齒條行程時(shí)可略去不計(jì), 即可粗略地認(rèn)為：所以當(dāng)選定時(shí)，的可取值范圍為：(12)式和(13)式是等價(jià)的，使用時(shí)可根據(jù)具體情況任取其中之一作為約束條件。第三，要保證有足夠大的傳動(dòng)角。傳動(dòng)角是指轉(zhuǎn)向梯形臂與橫拉桿所夾的銳角。隨著車輪轉(zhuǎn)角增大, 傳動(dòng)角漸漸變小。而且對(duì)應(yīng)于