【文章內(nèi)容簡介】 Columnassist Type) 此時(shí)電動(dòng)機(jī)、減速器直接與轉(zhuǎn)向柱相連。它可安裝在轉(zhuǎn)向柱上的任意合適位置，一般提供蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)減速和變向。工作環(huán)境好，電機(jī)的輸出力矩比較小，是一種目前常見的助力形式。由于各部件相對(duì)獨(dú)立，因此維修方便。設(shè)計(jì)時(shí)也有很大的靈活性。但是電機(jī)輸出力矩的波動(dòng)容易傳遞到方向盤上。如果電動(dòng)機(jī)的安裝位置和駕駛員的乘坐位置很近的話，必須考慮對(duì)電動(dòng)機(jī)噪聲的抑制。 2:小齒輪助力式 (Pinionassist Type) 這也是一種目前較為 常見的助力形式，此時(shí)電動(dòng)機(jī)、減速器直接與轉(zhuǎn)向小齒輪相連。它具有轉(zhuǎn)向柱助力式 EPS 的全部優(yōu)點(diǎn)，并且還可在現(xiàn)有的機(jī)械轉(zhuǎn)向器上直接設(shè)計(jì)，而不用改變轉(zhuǎn)向柱的結(jié)構(gòu)。 因此本設(shè)計(jì)采用此種助力方式。 3:齒條助力式 (Rackassist Type) 電動(dòng)機(jī)的電樞通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與齒條直接相連，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槠絼?dòng)從而實(shí)現(xiàn)助力。作為最初應(yīng)用的 EPS，這種助力形式的優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 結(jié)構(gòu)緊湊，不受安裝位置的限制，可以提供較大的助力力矩，電機(jī)的力矩波動(dòng)不易傳遞到方向盤上。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，工作環(huán)境差，要求密封好，要求電動(dòng) 機(jī)的輸出力矩比較大，并且一旦某一部件出現(xiàn)故障，必須拆下整個(gè)轉(zhuǎn)向齒條部件，因此維修不方便。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)要求 對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求，主要可以概括為轉(zhuǎn)向的靈敏性和操縱的穩(wěn)定性。高的轉(zhuǎn)向靈敏性，要求轉(zhuǎn)向器具有較小的傳動(dòng)比，以小的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角獲得迅速轉(zhuǎn)向。好的操縱輕便性，則要求轉(zhuǎn)向器具有較大的傳動(dòng)比，這樣才能以較小的轉(zhuǎn)向盤操縱力獲得大的轉(zhuǎn)向力矩?？梢?，上述的兩個(gè)要求是矛盾的。而電動(dòng)式助力轉(zhuǎn)向器由于采用電子控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)和控制電機(jī)提供助力，因而能較好的解決這一矛盾。一般來說，電動(dòng)式助力轉(zhuǎn)向器應(yīng)當(dāng) 滿足動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的如下要求 ： ]4[ (1)能有效減小操縱力，特別是停車轉(zhuǎn)向操縱力。而行車轉(zhuǎn)向的操縱力不應(yīng)大于 245N。 (2)轉(zhuǎn)向靈敏度好。轉(zhuǎn)向靈敏度就是轉(zhuǎn)向助力器產(chǎn)生助力作用的快慢程度。 (3)具有直線行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)向盤應(yīng)能自動(dòng)回正 。駕駛員應(yīng)有良好的 ―路感 ‖。 (4)要有隨動(dòng)作用。轉(zhuǎn)向車輪的偏轉(zhuǎn)角和駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角保持一定電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 關(guān)系，并能使轉(zhuǎn)向車輪保持在任一偏轉(zhuǎn)角位上。 (5)工作可靠。當(dāng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向失敗或發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)能保證通過人力進(jìn)行轉(zhuǎn)向操縱。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 為了研究 EPS 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及 EPS 系統(tǒng)對(duì)汽車操縱性的影響， EPS數(shù)學(xué)模型的建立是進(jìn)行理論研究必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。 EPS 的機(jī)械部分主要可分為轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向軸、電動(dòng)機(jī)、減速結(jié)構(gòu)和齒輪齒條四個(gè)主要部分，根據(jù)系統(tǒng)的使用條件和研究對(duì)象，忽略一些次要因素，對(duì) EPS 部件進(jìn)行簡化，在簡化的基礎(chǔ)上，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律建立各部分的力學(xué)模型，然后再根據(jù)各部件之間的相互約束關(guān)系，聯(lián)立各模型，得到 如圖 24 所示的模型。 圖 24 EPS 動(dòng)態(tài)模型 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱輸入軸子模型 對(duì)轉(zhuǎn)向盤和輸 入軸受力分析，這里考慮了轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并且把輸入軸的粘性阻尼考慮在內(nèi)，可以得到如下運(yùn)動(dòng)方程 : Js? s +Bs s? =Th Tsen (21) 式中 Js—轉(zhuǎn)向盤、輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， Kgm2 。 Bs—輸入軸的粘性阻尼系數(shù)， Nm /( rad / s) 。 s? —輸入軸的旋轉(zhuǎn)角， rad 。 Th —作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩， Nm。 Tsen—扭桿的反作用轉(zhuǎn)矩， Nm 。 由于轉(zhuǎn)矩傳感器是依靠扭桿的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，扭桿受到的轉(zhuǎn)矩與扭桿的扭轉(zhuǎn)角度成正比，即 有 Tsen = Ks (? s? e) (22) 式中 KS—扭桿的剛性系數(shù)， Nm/rad 。 ? s—輸出軸的旋轉(zhuǎn)角， rad 。 電動(dòng)機(jī)模型 系統(tǒng)采用永磁式直流電動(dòng)機(jī)，如圖 25 所示，電動(dòng)機(jī)的端電壓 U 與電感 L、電樞電阻 R、反電動(dòng)勢常數(shù) Kb、轉(zhuǎn)速 ? m、電流 I 和時(shí)間 t 之間的關(guān)系如下 : U=L 。I 十 RI 十 K 。? m （ 23） 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 25 永磁式直流電動(dòng)機(jī)模型 電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為 : Tm = Ka I (24) 式中 Ka—電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù) :NmA 1? 。 對(duì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械 部分受力分析，可以得到 : Jm..? m + Bm.? m=TmTa (25) .. mm m m m aJ B T T???? 式中 Jm,—電動(dòng)機(jī)和離合器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， Kgm2 。 Bm—電動(dòng)機(jī)粘性阻尼系數(shù)， Nm/(rad/s)。 ? m—電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角， rad。 Tm—電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩， Nm。 Ta—電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩， Nm 。 在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)助力轉(zhuǎn)矩 Ta 可以如下式所示 Ta = Km (? m –G? e) (26) 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 式中 Km—電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)的輸出軸剛性系數(shù)， Nm/rad 。 輸出軸子模型 對(duì)轉(zhuǎn)向柱輸出軸及電機(jī)輸出軸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得到下面的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 : Je? e +Be? e=Tsen + GTa – Tw (27) 式中 Je—輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， Kgm2 。 Be—輸出軸的阻尼系數(shù)， Nm /(rad / s) 。 G—蝸輪 蝸桿減速機(jī)構(gòu)的減速比 。 Tw—作用在輸出軸上的反作用轉(zhuǎn)矩， Nm 。 齒輪齒條子模型 對(duì)齒條和小齒輪進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，可以得到 Mr Xr + Br Xr=pwRT FTR (28) 式中 Mr—齒條及小齒輪的等效質(zhì)量， Kg。 Br—齒條的阻尼系數(shù)， N/(m/s)。 Xr—齒條的位移， m。 Rp—小齒輪半徑， m。 FTR—輪胎轉(zhuǎn)向阻力及回正力矩等作用于齒條上的軸向力， N。 轉(zhuǎn)向阻力 FTR 主要受轉(zhuǎn)向時(shí)車輪與地面的摩擦、回正力矩及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中各種摩擦力和力矩的影響，同時(shí)它還與車速、路況、轉(zhuǎn)彎半徑、 風(fēng)阻以電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 及轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)速等有關(guān)。對(duì)于常規(guī)助力控制過程該模型的簡化對(duì)控制策略的影響不大，這里給出簡化的計(jì)算公式： ]6[ FTR=KrXr+F? (29) 式中 Kr—等效彈簧的彈性系數(shù)， N/m 。 F? —路面的隨機(jī)信號(hào)， N。 其中 ? e=pfRX 。聯(lián)立上面所建的動(dòng)力學(xué)方程，可以得到 : Js..? s + Bs .? s+ Ks? s=TprRX （ 210） Jm..? m +Bm .? m +Km ? m = Tm+ G KmprRX （ 211） Mr ..X r+Br .X r+KrXr=pmrGK m? +psrK s? F ? （ 212） Mr=mr+2perJ——減速機(jī)構(gòu)、小齒輪和齒條等的當(dāng)量質(zhì)量， Kg； Br=br+2perB——減速機(jī)構(gòu)、小齒輪和齒條等的當(dāng)量阻尼系數(shù)， N/（ m/s）。 Kt=kt+2p2srGK mk?——小齒輪、齒條和輪胎的等效彈簧的彈性系數(shù)，N/m； 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要部 分 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然有著三種不同的類型，但其主要部件幾乎相同。除了本身的機(jī)械傳動(dòng)部件外，主要的部件還包括轉(zhuǎn) 矩傳感器、車速傳感器、直流電動(dòng)機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)和電子控制器 ECU (Electronic Control 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 Unit)。 轉(zhuǎn)矩傳感器 轉(zhuǎn)矩傳感器用于測量方向盤的輸出力矩的大小和方向，然后將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)傳送給控制器 ECU，作為系統(tǒng)控制策略的重要依據(jù)之一，它直接影響到控制效果的好壞，所以很多廠家都非常重視轉(zhuǎn)矩傳感器的研究與開發(fā)。轉(zhuǎn)矩傳感器有接觸式和非接觸式兩類，非接觸式主要是使用下列三種技術(shù)之一 ； ]6[ 磁、光和感應(yīng)技術(shù)。非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器的線性功能和滯后性能好，但價(jià)格較高。接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器一般結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格合適，目前的應(yīng)用也較為廣泛。 本課題選用的即為非接觸電位式轉(zhuǎn)矩傳感器，主要由滑塊、鋼球、環(huán)和電位器組成。鋼球通過螺旋球表面固定在輸入軸外側(cè)的螺旋球槽和滑塊內(nèi)側(cè)的球洞里。滑塊相對(duì)于輸入軸可以在螺旋方向移動(dòng)。同時(shí)，滑塊通過一個(gè)銷安裝到輸出軸，使它僅可以相對(duì)于輸出軸在垂直方向上移動(dòng)。因此，當(dāng)輸入軸相對(duì)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑塊按照輸入軸旋轉(zhuǎn)的方向和輸出軸的旋轉(zhuǎn)量，垂直移動(dòng) (在軸方向 )， (等于輸入軸相對(duì)于輸出軸旋轉(zhuǎn) )。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，轉(zhuǎn)矩被傳遞到扭力桿時(shí)，輸入軸 和輸出軸之間的旋轉(zhuǎn)方向里出現(xiàn)偏差。這些偏差使滑塊在軸方向移動(dòng)，這些軸方向的移動(dòng)轉(zhuǎn)換為圖 26 所示的控制桿里電位器的旋轉(zhuǎn)角度。結(jié)果，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓魉偷娇刂破?ECU.送到控制器的轉(zhuǎn)矩信號(hào)分為主、副兩路。當(dāng)方向盤處于中間位置時(shí)，主、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 副兩路輸出的信號(hào)都為 V。當(dāng)方向盤右轉(zhuǎn)時(shí)，主轉(zhuǎn)矩信號(hào)大于 V，副轉(zhuǎn)矩信號(hào)小于 V。當(dāng)方向盤左轉(zhuǎn)時(shí)，主轉(zhuǎn)矩信號(hào)小于 V，副轉(zhuǎn)矩信號(hào)大于 V。系統(tǒng)利用主、副轉(zhuǎn)矩信號(hào)即可判斷方向盤轉(zhuǎn)向的方向和轉(zhuǎn)矩大小。 5 V輸 出 電 壓副 信 號(hào)右 左轉(zhuǎn) 向 扭 矩0主 信 號(hào) 圖 26 電位式轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出特性 車速傳感器 車速信號(hào)也是系統(tǒng)控制重要依據(jù)之一，一方面它與轉(zhuǎn)矩信號(hào)結(jié)合用以確定系統(tǒng)控制的目標(biāo)電流，一方面用于保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，即當(dāng)車速超出系統(tǒng)設(shè)定的助力范圍時(shí)，系統(tǒng)將停止助力，改為手動(dòng)操作。車速信號(hào)由車速傳感器測得，車速傳感器也有多種類型，主要是利用電磁原理和光學(xué)原理制成。常見的車速傳感器工作原理如圖 27 所示 ， ]7[ 車速傳感器由永久磁鐵、鐵芯及線圈組成。由于傳感 器的頂端設(shè)置在附有齒的轉(zhuǎn)子附近，當(dāng)附有齒的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，從傳感器的永久磁鐵出來的磁通量發(fā)生變化，在線圈上就會(huì)產(chǎn)生交流電流。 圖 27 為車速傳感器的工作原理。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 27 車速傳感器的工作原理 車速傳感器的輸出信號(hào)一般是經(jīng)里程表處理后，變成方波信號(hào)送給控制系統(tǒng)。在本文的研究中，作者采用脈沖發(fā)生器來模擬實(shí)際的車速信號(hào)，用于對(duì)控制策略的研究。 直流電動(dòng)機(jī) EPS 用直流電動(dòng)機(jī)與一般的起動(dòng)電機(jī)在原理上基本相同， 但一般采用永磁電動(dòng)機(jī)。為了降低噪聲和減小振動(dòng)，有的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外圓表面開有斜槽。作為 EPS 系統(tǒng)助力的提供者，直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)當(dāng)有較好的機(jī)械特性和調(diào)速特性。一般應(yīng)滿足如下要求 ： ]3[ 1)盡可能寬的調(diào)速范圍 。 2)較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 。 3)良好的低速平穩(wěn)性 。 4)體積小、質(zhì)量輕、噪聲低 。 5)過載能力強(qiáng) 。 按照上述要求，本課題選用了直流有刷永磁電動(dòng)機(jī)作為 EPS 系統(tǒng)的助電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 力電機(jī)，其工作的額定電壓為 12 V,額定電流為 30A,，額定轉(zhuǎn)速為 1050r/min,額定輸出功率為 170W，額定轉(zhuǎn)矩為 . 電磁離合器 電磁離合器安裝在電動(dòng)機(jī)和減速齒輪之間，它的作用主要是使電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)快速地結(jié)合和分離。當(dāng)系統(tǒng)工作于助力模式時(shí)，離合器使電機(jī)與減速齒輪結(jié)合，傳送電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。當(dāng)系統(tǒng)車速高于設(shè)定值或電機(jī)電流高于設(shè)定值或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，離合器又?jǐn)嚅_電動(dòng)機(jī)與減速齒輪的連接，使系統(tǒng)停止助力，改為人工操作，從而保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。一般的 EPS 系統(tǒng)通常采用干式單片式電磁離合器，它的結(jié)構(gòu)如圖 2