【正文】 何設計汽車的轉向特性，使汽車具有良好的操縱性能，始終是各汽車生產廠家和科研機構的重要研究課題。特別是在車輛高速化、駕駛人員非職業(yè)化、車流密集化的今天，針對更多不同水平的駕駛人群，汽車的操縱設計顯得尤為重要。 選題背景與意義 汽車電動助力轉向系統(tǒng) (EPS)在日本最先獲得實際應用。 1988 年日本鈴木 公司首次開發(fā)出電動助力轉向系統(tǒng)，并裝在其生產的 Cervo 車上，隨后又配備在Alto 上。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 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。隨著電子技術的發(fā)展， EPS 技術日趨完善，并且其成本大幅度降低，因此其應用范圍將越來越大。電動助力轉向系統(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向系統(tǒng)的擾動，改善汽車的轉向特性，減小汽車低速行駛時的轉向操縱力，提高汽車高速行駛時的轉向穩(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濟性，減少了對環(huán)境的污染。電動助力轉向系統(tǒng)直接通過電動機的輸出給駕駛員提供助力，電動機只有在轉向時才工作 ，在不進行轉向時幾乎沒有動力消耗，提高了汽車的燃油經濟性；同時由于不需要轉向油泵，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)境的污染。 (3) 增強了轉向跟隨性和可靠性。在 EPS 系統(tǒng)中，電動機與助力機構直接相連以使其能量直接用于車輪的轉向，增加了系統(tǒng)的轉動慣量，減小了車輪的反轉和轉2 向前輪擺振，增強了轉向系統(tǒng)的抗擾動能力； EPS 旋轉力矩產生于助力電機，沒有液壓助力系統(tǒng)的轉向遲滯效應，增強了轉向車輪對轉向盤的跟隨性能；電動助力轉向系統(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) 能夠提供可變的轉向助力。對于傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，可變轉向力矩獲得非常困難而且費用很高，要想獲得可變轉向力矩，必須增加額外的控制器和其它硬件；電動助力轉向系統(tǒng)的轉向力來自于助力電機，可變轉向力矩寫入控制模塊中，通過對軟件的重新編寫即可獲得，所需費用很小。 (5) 占用空間更小，質量更輕，結構更緊湊。電動機和減速機構在轉向柱或轉向系內，直接提供轉向助力，省去了液壓動力轉向系統(tǒng)所必需的動力轉向油泵、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，質量更輕、結構更緊湊，在安裝位 置的選擇方面也更容易，裝配自動化程度更高。 研究現(xiàn)狀 電動助力轉向系統(tǒng)自生產至今，經過幾十年的應用與發(fā)展，已取得了較大的進步。如今，在國外己大規(guī)模采用 EPS，其應用范圍也將進一步拓寬，將作為標準件裝備在汽車上，并將在動力轉向領域占據(jù)主導地位。目前，在全世界汽車行業(yè)中，電動助力轉向系統(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， 20xx 年將超過 1000 萬套。按此速度發(fā)展，用不了幾年的時間，電動助力轉向系統(tǒng)將逐漸占領轎車市場，并向微型車、輕型車和中型車擴展。 EPS 是汽車關鍵零部 件之一，其質量對汽車轉向有著重要的影響。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品的 裝配質量和檢測精度，為質量管理提供了統(tǒng)計資料，且使產品的裝配、調試、檢測工作變得十分簡單，生產效率大幅度提高。 本文研究的內容 (1)電動助力轉向試驗臺總體方案設計； (2)電動助力轉向試驗臺總體結構設計； 3 (3)電動助力轉向試驗臺用傳感器的研究與選型； (4)非標零件圖設計； (5)試驗臺的布置。 4 第二章 電動助力轉向系統(tǒng)試驗臺的總體設計 電動助力轉向系統(tǒng) 工作原理 電動助力轉向系統(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、轉矩傳感器、轉 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。 其工作原理為：電子控制單元 (ECU)根據(jù)車速傳感器和轉向盤轉矩傳感器的信號計算所需的轉向助力的大小，通過功率放大模塊控制直流電動機的轉動，助力電動機的轉矩經過減速機構減速增扭后，驅動齒輪齒條轉向機構，產生相應的轉向助力。 EPS 系統(tǒng)還設有故障診斷模塊和保護措施，當 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，轉為手動純機械轉向狀態(tài)。 電動助力轉向系統(tǒng)能夠實現(xiàn)不同車速下實時地為汽車轉 向提供不同的助力效果，減輕了汽車低速時的轉向盤操縱力，提高了操縱的靈便性和高速行駛的穩(wěn)定性。 工作特點 對于電動助力轉向機構，電動機僅在汽車轉向時才工作并消耗蓄電池能量；而對于常流式液壓動力轉向機構，因液壓泵處于長期工作狀態(tài)和內泄漏等原因要消耗較多的能量。兩者比較，電動助力轉向的燃料消耗率僅為液壓動力轉向的16%~20%。 液壓轉向機構內的工作介質是油，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。當發(fā)動機出現(xiàn)故障停止工作時，液壓泵也不工作，結果也會喪失助力效能，這就降低 工作可靠性。電動助力轉向機構不存在漏油問題，只要蓄電池內有電提供給電動助力轉向機構，就能有助力作用，所以工作可靠。若液壓動力轉向機構的油路進入空氣或者貯油罐油面過低，工作時將產生較大噪聲，在排除氣體之前會影響助力效果；而電動助力轉向僅在電動機工作時有輕微的噪聲。 電動助力轉向與液壓動力轉向比較，轉動轉向盤時僅需克服轉向器的摩擦阻力，不存在回位彈簧阻力和反應路感的油壓阻力。電動助力轉向還有整體結構緊湊、部件少、占用的空間尺寸小、質量比液壓式動力轉向約輕 20%~25%以及在車上容易布置等優(yōu)點。 5 典型試驗介 紹 名詞定義 國家標準《汽車電動助力轉向裝置技術條件與臺架試驗方法》中對循環(huán)和損壞有如下定義： 循環(huán)：轉向器輸入端由中間位置向一個方向旋轉至規(guī)定的角度后，返回中間位置再向另外一個方向旋轉之規(guī)定角度后，再回到中間位置為 1 個循環(huán)。 損壞：被試總成按規(guī)定的可靠性試驗項目完成試驗后，有下列情況之一出現(xiàn)，則認為己損壞。 ? 做功能試驗時未滿足功能技術要求。 ? 試驗后的輸入、輸出特性曲線未滿足輸入、輸出特性技術要求。 ? 試驗后的助力電流特性曲線未滿足設計技術要求。 ? 做反向沖擊試驗，喪失反向接通能力，并未滿足反向沖擊指 標技術要求。 ? 回正試驗時轉向器回不到中間位置，并未滿足回正特性技術要求。 ? 做噪聲試驗時未滿足噪音指標的要求。 ? 做電磁特性試驗未滿足電磁特性技術要求。 ? 單個電器元器件損壞。 ? 任何零件出裂紋和變形。 特性試驗的性能技術要求 國家標準《汽車電動助力轉向裝置技術條件與臺架試驗方法》中對電動助力轉向系統(tǒng)性能技術條件有如下： (1)功能要求 模擬不同車速轉動轉向盤的過程中感覺在轉動轉向盤的過程中應平滑、無卡滯；轉向盤無明顯振動，轉動轉向盤至任意角度停下時轉向器輸出端不應有慣性延時現(xiàn)象。 (2)輸入、輸出特性 按照不同的車速測量輸入、輸出力矩 /力并繪制力矩特性曲線，電動助力裝置的助力特性應符合設計要求，各車速下的曲線對稱度不小于 85%。 (3)助力電流特性 按照不同的車速，測量輸入軸力矩并繪制助力電流特性曲線，該特性應符合設計要求。 (4)反向沖擊指標 在轉向器輸出端施加沖擊力，電動機應迅速反應制止轉向盤轉動，沖擊時電流響應時間不超過 10 毫秒，在轉向盤上不能產生大于 3 度的轉動角度。 6 (5)空載轉動力矩 檢查電動助力轉向裝置在電源關閉和接通狀態(tài)下轉動的機械摩擦以及任何可能的機械阻力，轉動阻力矩及其波動應符合設計要 求。 (6)回正特性 1)低速行駛回正時，回正特性曲線應通過原點； 2)高速行駛回正時，回正特性曲線允許有殘留角，該值不大于 5 度。 (7)報警要求 任一元件及線路損壞，故障代碼或故障報警顯示燈應立即顯示。 試驗臺整體方案設計 查閱相關資料發(fā)現(xiàn)有多種電動助力轉向試驗臺架。 圖 21 EPS 試驗臺 如圖 21 所示，此試驗臺架結構簡單，體積小，占用空間??；不過只能完成相對較簡單的電動助力轉向試驗，自動化程度低，無法通過工業(yè)計算機操作試驗，觀察試驗的圖像，而且車輪不能模擬多種路況的轉向阻力矩，更不能滿足 電動助力轉向系統(tǒng)出廠時的耐久性檢測，綜合以上幾個方面，此種方案不能滿足此次設計的要求。 參考東華轉向器公司的試驗臺，我做了少許改變，得到下圖的總體設計框圖，此試驗臺能滿足此次設計的要求，且自動化程度高。 7 圖 22 試驗臺總體設計框圖 試驗臺總體設計框圖如圖 22 所示。電動助力轉向系統(tǒng)的電子控制單元根據(jù)轉矩信號、模擬車速信號，模擬發(fā)動機轉速信號來控制助力電機的電流大小，這時助力電機會給 EPSECU 一個反饋電流， EPSECU 會根據(jù)這個反饋電流和下面的轉矩傳感器的轉矩信號時時控制電流大小， EPSECU 會把這 些數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后進行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會根據(jù)情況來控制磁粉制動器的阻力矩，來模擬路面的阻力情況。本試驗臺會把助力電動機的電流和轉向盤的轉矩曲線圖與數(shù)據(jù)庫中的曲線圖進行比較，來判定電動助力轉向系統(tǒng)的好壞。此試驗臺也可以作電動助力轉向系統(tǒng)的耐久性試驗。 整個試驗臺主要有三個部分： (1)是機械部分，包括 EPS 轉向機械系統(tǒng)和驅動電動機； (2)是控制部分，包括電子控制系統(tǒng)以及程序調試系統(tǒng)； (3)是數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。 汽車電動助力轉向試驗臺的組成： 1)轉向電動機； 2)直流電動機，額定電壓 12V，額定轉矩 ，額定輸出功率 170W，額定轉速 1050r/min，額定電流 30A，通過減速機構和轉向柱連接； 3)試驗臺架，用于安裝固定各個部件； 8 4)模擬轉向負載的阻尼器，安裝在轉向軸徑上； 5)轉矩傳感器，電壓測量范圍 0~10V 6)車速信號模擬裝置和控制電路板； 7)電源，為系統(tǒng)提供所需電壓 380V/220V，電源總電流 DC50A， 臺架人體可觸及部分元器件配電： 24V； 8)多功能數(shù)據(jù)采集卡： PCI8310 數(shù)據(jù)采集卡。 試驗臺系統(tǒng)總體結構框圖如圖 21 所示，通過傳感器來測量一些電量和非電量， 這些量為 ： 車速、 EPS 裝置中轉向盤的主扭矩、轉向盤的轉向角度和制動器阻力矩，助力電動機的電流、電壓和轉矩等。把這些量以及 ECU(電子控制器 )中的一些控制量一起，通過 PCI8310 多功能板傳送到工業(yè)控制計算機上，并適時顯示系統(tǒng)運行各項數(shù)據(jù)及主要參數(shù)曲線，并最終存到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，據(jù)此來分析 EPS 的性能，然后通過改變 EPS 裝置中 ECU(電子控制器 )硬件和軟件的某些方面，從而能使該裝置達到最佳的工作狀態(tài)，為以后汽車電動助力轉向裝置的研制提供可借鑒的數(shù)據(jù)和經驗。 試驗臺測試項目 車速 由于車速傳感器 的信號經過整形后發(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過一齒，那么汽車的行駛速度就可以用單位時間內的脈沖數(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： 錯誤 !未找到引用源。 (21) 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 系統(tǒng)的阻力矩 駕駛員在轉向時所需克服的阻力矩包括兩個主要部分：一是回正力矩，二是摩擦力矩。汽車轉彎時 ，前輪上作用著與轉向力相應的“繞主銷的阻力矩”，通?；\統(tǒng)地稱為回正力矩。回正力矩除以傳動比，就是駕駛員為了使汽車轉彎所經常需要克服的力矩。除了回正力矩以外，駕駛員還需要克服主銷的摩擦阻力矩，轉向機構的摩擦力矩 (其大小取決于轉向機效率 )，各個球頭的摩擦力矩以及原地9 轉向時輪胎與地面的摩擦力矩等。 通?！稗D向阻力矩”按汽車不同的行車方式分成“原地轉向阻力矩”和“行車轉向阻力矩”兩種。原地轉向 :指對靜止不動的汽車進行轉向時，首先是輪胎發(fā)生扭轉變形，繼之以路面和路面之間發(fā)生滑移，稱這一情況所產生的轉向阻力矩為原地轉向 阻力矩。行車轉向阻力矩指對行駛時的汽車進行轉向時產生的阻力矩。行車轉向比原地轉向車速增加了，接地面積滾動成分增加，轉向阻力矩也突然減小。 因此影響