【正文】 ，仍然會(huì)提供較大助力，使駕駛員缺乏路感，甚至感覺(jué)汽車(chē)發(fā)飆，影響操縱穩(wěn)定性，危機(jī)汽車(chē)高速行駛時(shí)的安全。如果輪胎的回正力矩比總的摩擦損失力矩小，轉(zhuǎn)向盤(pán)將不可能恢復(fù)到中間位置，汽車(chē)將偏離預(yù)期的行駛路線，直到駕駛員通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)用力使它返回到中間位置。圖27 EPS系統(tǒng)工作流程圖電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要部件有：轉(zhuǎn)矩傳感器、車(chē)速傳感器、電流傳感器、電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)構(gòu)、電子控制單元（ECU)。精確地計(jì)算這些力是困難的，為此推薦用足夠精確的半經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算汽車(chē)在瀝青或者混泥土路面上的原轉(zhuǎn)向阻力矩(Nmm)，即 （31） 式中，f為輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，；G1為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷（N)； P為輪胎氣壓（MPa)。 對(duì)于給定的汽車(chē)，用式（35）計(jì)算出來(lái)的作用力是最大值。mm；[τ]—材料許用切應(yīng)力，140MPa。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。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懸架的下擺臂平行。當(dāng)這些球頭銷(xiāo)依制造廠的規(guī)范擰緊時(shí)，在球頭銷(xiāo)上就作用了一個(gè)預(yù)載荷。齒條導(dǎo)向座的調(diào)節(jié)使齒輪、齒條之間有一定的預(yù)緊力，此預(yù)緊力會(huì)影響轉(zhuǎn)向沖擊、噪聲和反饋。 齒條的齒數(shù)計(jì)算Z2 （312） 式中：—齒條行程，160mm；—齒條模數(shù)，；—齒條壓力角，=200。即梯形臂或轉(zhuǎn)向節(jié)由繞圓心轉(zhuǎn)至?xí)r，齒條左端點(diǎn)移至的距離為30176。因彈簧的工作次數(shù)小于，載荷性質(zhì)屬Ⅱ類(lèi)。4 EPS的關(guān)鍵部件和控制策略 EPS的關(guān)鍵部件選型 電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī)根據(jù)ECU的指令輸出適宜的轉(zhuǎn)矩，一般采用無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)[9]，無(wú)刷永磁電動(dòng)機(jī)具有無(wú)激勵(lì)損耗、效率較高、體積較小等特點(diǎn)。離合器采用干式電磁式離合器，主要參數(shù)見(jiàn)表42。精確、可靠、低成本的扭距傳感器是決定EPS能否占領(lǐng)市場(chǎng)的關(guān)鍵因素之一。如圖所示為非接觸式扭矩傳感器的典型結(jié)構(gòu)。 電流傳感器 我們選用閉環(huán)霍爾傳感器，它的優(yōu)點(diǎn)是電路形式簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低，精度和線性度較好，響應(yīng)時(shí)間較快，溫度漂移較小。步驟如下[13]： （1）輸入由車(chē)速傳感器測(cè)得的車(chē)速信號(hào)； （2）輸入由轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩的大小和方向； （3）根據(jù)車(chē)速和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩，由助力特性得到電動(dòng)機(jī)目標(biāo)電流； （4）通過(guò)電動(dòng)機(jī)電流控制器控制電動(dòng)機(jī)輸出力矩。 回正控制 當(dāng)汽車(chē)以一定的車(chē)速行駛時(shí)，由于轉(zhuǎn)向輪主銷(xiāo)后傾角和主銷(xiāo)內(nèi)傾角的存在，使得轉(zhuǎn)向輪具有自動(dòng)回正的作用。5 EPS電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 微控制器的選擇 MOTOROLA公司的MC9S12系列單片機(jī)是基于16位HCS12 、 FLASH微控制器[14]，是根據(jù)當(dāng)前汽車(chē)的要求設(shè)計(jì)出來(lái)的一個(gè)系列。IRF3205具有8 mΩ導(dǎo)通電阻、功耗小、耐壓達(dá)55V、最大直流電流110A、滿(mǎn)足EPS系統(tǒng)對(duì)MOSFET功率管低壓（正常工作不超過(guò)15V）大電流（額定電流30 A）的要求。 圖53 H橋上側(cè)橋臂驅(qū)動(dòng)電路 當(dāng)MOSFET的控制信號(hào)a（b）管為低電平時(shí)，Q1和Q2均截止，Q3導(dǎo)通，Qa的柵—源極電壓通過(guò)R5與C1的并聯(lián)電路及Q3迅速釋放，直至Qa關(guān)斷。 蓄電池倍壓工作電源 ，而蓄電池電壓只有12V。從圖56中可以看出，在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，助力電動(dòng)機(jī)電流隨著方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩的變化而變化，電動(dòng)機(jī)電流的變化趨勢(shì)和方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)相吻合，表明電動(dòng)機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩對(duì)方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩有良好的跟蹤性能。在論文完成的過(guò)程中傾注了導(dǎo)師大量的心血，在論文完成之際，特向我尊敬的導(dǎo)師曹老師和徐老師表示衷心的感謝。其中主要是對(duì)其關(guān)鍵元件（電動(dòng)機(jī)、離合器、減速機(jī)構(gòu)及扭矩傳感器等）的功能要求進(jìn)行了分析，并且對(duì)EPS的電流控制及上層控制策略（助力控制、回正控制及阻尼控制）進(jìn)行了逐一論述，最后進(jìn)行了電機(jī)控制電路以及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。圖55 電源倍壓電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路臺(tái)架試驗(yàn) 根據(jù)電動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性和跟蹤性的需要，采用最優(yōu)H二控制器編制電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制程序，并在汽車(chē)電動(dòng)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行臺(tái)架模擬試驗(yàn)，車(chē)速信號(hào)用模擬車(chē)速傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)代替網(wǎng)。當(dāng)Qc導(dǎo)通時(shí)，其柵—源極電壓等于電源電壓減去Q2的集—射極飽和導(dǎo)通電壓，而電源電壓又等于蓄電池電壓減去1N5819二極管的正向?qū)妷?。因此需設(shè)計(jì)高效的倍壓電源電路，以保證Vdble的值足夠大，滿(mǎn)足功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)要求。采用PWM伺服控制方式，MOSFET功率管的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高，可工作在上百千赫的開(kāi)關(guān)狀態(tài)下。根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)的方向可以判斷轉(zhuǎn)向盤(pán)是否處于回正狀態(tài)。汽車(chē)在高速行駛時(shí)，由于路面偶然因素的干擾引起的側(cè)向加速度較大，傳到轉(zhuǎn)向盤(pán)的力矩比低速行駛時(shí)要大，為了抑制這種橫擺振動(dòng)，必須采用阻尼控制；此外，轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)向后回到中間位置時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的慣性存在，在不加其他控制情況下，助力系統(tǒng)的慣性比機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的慣性大，轉(zhuǎn)向回正時(shí)不容易收斂，此時(shí)，也需要采用阻尼控制。整個(gè)控制器可以分為上、下兩層，上層控制器用來(lái)根據(jù)基本助力特性及其補(bǔ)償調(diào)節(jié)，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)目標(biāo)電流的決策，下層控制器通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電壓，跟蹤目標(biāo)電流?，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于轎車(chē)和輕型車(chē)中，是EPS傳感器的主流產(chǎn)品。因此扭矩傳感器類(lèi)型的選取根據(jù)EPS的性能要求綜合考慮。由于減速機(jī)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)工作性能的影響較大，因此在降低噪聲、提高效率和左右轉(zhuǎn)向操作的對(duì)稱(chēng)性方面對(duì)減速機(jī)構(gòu)提出了較高的要求。此外，在不助力的情況下，離合器還能夠消除電動(dòng)機(jī)的慣性對(duì)轉(zhuǎn)向的影響。mm；D—軸的直徑，單位為mm；L—鍵的接觸長(zhǎng)度，單位為mm；K—鍵與輪轂接觸高度，K≈h/2,單位為mm；[]—許用擠壓應(yīng)力，單位為MPa。=230851/=== 間隙調(diào)整彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一圓柱形壓縮螺旋彈簧，載荷平穩(wěn)，要求=1400N時(shí)，10mm,彈簧總的工作次數(shù)小于，彈簧中要能寬松地穿過(guò)一根直徑為φ18mm的軸；彈簧兩端固定；外徑,自由高度。因而前輪從左到右總共轉(zhuǎn)動(dòng)約60176。式中：—齒條傾角（0）。齒條導(dǎo)向座和殼體螺紋連接的調(diào)整螺塞之間連有一個(gè)彈簧。表34 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(zhǎng)7352直徑303齒數(shù)214法向模數(shù)（4）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。6螺旋方向左旋 （3）齒條 齒條是在金屬殼體內(nèi)來(lái)回滑動(dòng)的，加工有齒形的金屬條。齒輪軸由安裝在轉(zhuǎn)向器殼體上的球軸承支承。 （7）轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑的計(jì)算： mm （37） 取 式中：—原地轉(zhuǎn)向阻力矩，；—前輪距1490mm；[σ]—材料許用應(yīng)力216MPa。 （3）作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力 作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力為 N （35） 式中：—轉(zhuǎn)向搖臂長(zhǎng)；—轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)；—轉(zhuǎn)向盤(pán)直徑，設(shè)計(jì)為350mm；—轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比；—轉(zhuǎn)向器正效率，90%。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。 （6）具有在版故障診斷功能 （7）EPS系統(tǒng)應(yīng)具有碰撞能量吸收功能對(duì)于EPS系統(tǒng)，當(dāng)汽車(chē)發(fā)生正面沖撞時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)的壓迫是導(dǎo)致駕駛員受傷的一個(gè)主要原因，因此要求EPS系統(tǒng)轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)必須設(shè)置各種緩沖式的安全裝置。（4）具有良好的回正特性 駕駛員轉(zhuǎn)向時(shí)，回正力矩是使轉(zhuǎn)向車(chē)輪自動(dòng)返回到直線行駛位置的主要恢復(fù)力矩之一。一般轉(zhuǎn)向力與路感是相互制約的，轉(zhuǎn)向力小意味著轉(zhuǎn)向輕便，能減小駕駛員的體力消耗；但轉(zhuǎn)向力過(guò)小，就缺乏路感。EPS的基本目標(biāo)是提高汽車(chē)停車(chē)泊位和低速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性，高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性[6]。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪處于與汽車(chē)直線行駛相應(yīng)的中立位置時(shí)，梯形臂與橫拉桿在與道路平行的平面(水平面)內(nèi)的交角＞90176。圓形斷面制造簡(jiǎn)單；V形和Y形節(jié)約材料，質(zhì)量小而且位于齒條下面的兩斜面與齒條托坐接觸，可以用來(lái)防止齒條繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。 （7）轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的球頭處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)。 機(jī)械部分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。 （3）由于不需要加注液壓油和安裝液壓油管，所以系統(tǒng)的安裝簡(jiǎn)便，自由度大，而且成本低，無(wú)漏油故障的發(fā)生，它比常規(guī)的液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)具有更好的通用性。由于助力電機(jī)不是安裝在乘客艙內(nèi)，因此可以使用較大的電機(jī)以獲得較高的助力扭矩，而不必?fù)?dān)心電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量太大產(chǎn)生的噪聲。目前21個(gè)國(guó)內(nèi)汽車(chē)廠家的43種品種均可裝配EPS產(chǎn)品，其中六個(gè)廠家8個(gè)車(chē)型具有裝配EPS的潛力，其中有重慶長(zhǎng)安的奧拓、羚羊，吉利的美日、豪情，奇瑞的，天津豐田的威馳，悅達(dá)起亞的千里馬，東南汽車(chē)的菱帥，廣州本田的飛度等。 EPS系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀 在國(guó)外，從1979年開(kāi)始研究電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，至今已有30多年的歷史。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS) 可解決小型汽車(chē)轉(zhuǎn)向輕便性和靈敏性的矛盾, 使駕駛員在汽車(chē)低速行駛時(shí)獲得較大助力, 高速行駛時(shí)獲得較強(qiáng)的路感。日本的大發(fā)汽車(chē)公司、三菱汽車(chē)公司、本田汽車(chē)公司，美國(guó)的Delphi公司，英國(guó)的Lucas公司，德國(guó)的ZF公司，都研制出了各自的EPS。這種形式的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、易于安裝。由于助力電機(jī)安裝于齒條上的位置比較自由，因此在汽車(chē)的底盤(pán)布置時(shí)非常方便。圖14 EPS結(jié)構(gòu)示意圖 工作原理：汽車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，扭矩傳感器、車(chē)速傳感器會(huì)產(chǎn)生各自的電信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、信號(hào)電平調(diào)整后傳給ECU，ECU經(jīng)過(guò)分析處理后輸出控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)助力電機(jī)扭矩控制[2]。 （2）汽車(chē)在轉(zhuǎn)向行駛后，在駕駛員松開(kāi)轉(zhuǎn)向盤(pán)的條件下，轉(zhuǎn)向輪有自動(dòng)回正作用。 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是：逆效率高達(dá)60%—70%。 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是：逆效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，制造精度要求高。 圖24 轉(zhuǎn)向梯形前置 同時(shí)考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)故采用如圖25所示的側(cè)面輸入兩端輸出的結(jié)構(gòu)形式。轉(zhuǎn)向盤(pán)力的大小要適度，特別是隨著車(chē)速的提高，轉(zhuǎn)向盤(pán)力不宜過(guò)輕而要保持一定的數(shù)值；采用隨行駛車(chē)速而改變轉(zhuǎn)向盤(pán)操作力特性的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可以顯著地改善高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)力的品質(zhì)。由于EPS由電機(jī)提供助力，助力大小由電控單元（ECU）實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制。而在高速行駛時(shí)，為此，需要在常規(guī)轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上增加回正控制功能。轉(zhuǎn)矩傳感器一般安裝在轉(zhuǎn)向小齒輪軸上，有的與電動(dòng)機(jī)集成制造成一體；車(chē)速傳感器安裝在變速器輸出軸上；電流傳感器安裝在電動(dòng)機(jī)里；電子控制單元安裝在轉(zhuǎn)向器上方或者安裝在駕駛員左側(cè)的儀表盤(pán)背板上；電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)構(gòu)集成制造在一起，一般根據(jù)不同的要求安裝在轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向小齒輪或者轉(zhuǎn)向齒條上。 該車(chē)整車(chē)整備質(zhì)量為1095kg，所載人數(shù)為6人，每人質(zhì)量約60kg；前置前驅(qū)轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷率為60% 故G1=（1095+606)%=