【文章內容簡介】 Columnassist Type) 此時電動機、減速器直接與轉向柱相連。它可安裝在轉向柱上的任意合適位置，一般提供蝸輪蝸桿機構來實現(xiàn)減速和變向。工作環(huán)境好，電機的輸出力矩比較小，是一種目前常見的助力形式。由于各部件相對獨立，因此維修方便。設計時也有很大的靈活性。但是電機輸出力矩的波動容易傳遞到方向盤上。如果電動機的安裝位置和駕駛員的乘坐位置很近的話，必須考慮對電動機噪聲的抑制。 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，此時電動機、減速器直接與轉向小齒輪相連。它具有轉向柱助力式 EPS 的全部優(yōu)點，并且還可在現(xiàn)有的機械轉向器上直接設計，而不用改變轉向柱的結構。 因此本設計采用此種助力方式。 3:齒條助力式 (Rackassist Type) 電動機的電樞通過傳動機構與齒條直接相連，傳動機構將電樞的轉動變?yōu)槠絼訌亩鴮崿F(xiàn)助力。作為最初應用的 EPS，這種助力形式的優(yōu)點是電動助力轉向系統(tǒng)的研究與設計 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 12 結構緊湊，不受安裝位置的限制，可以提供較大的助力力矩，電機的力矩波動不易傳遞到方向盤上。缺點是結構復雜，價格昂貴，工作環(huán)境差，要求密封好，要求電動 機的輸出力矩比較大，并且一旦某一部件出現(xiàn)故障，必須拆下整個轉向齒條部件，因此維修不方便。 電動助力轉向系統(tǒng)的技術要求 對轉向系統(tǒng)的要求，主要可以概括為轉向的靈敏性和操縱的穩(wěn)定性。高的轉向靈敏性，要求轉向器具有較小的傳動比，以小的轉向盤轉角獲得迅速轉向。好的操縱輕便性，則要求轉向器具有較大的傳動比，這樣才能以較小的轉向盤操縱力獲得大的轉向力矩?？梢?，上述的兩個要求是矛盾的。而電動式助力轉向器由于采用電子控制系統(tǒng)，實時的調節(jié)和控制電機提供助力，因而能較好的解決這一矛盾。一般來說，電動式助力轉向器應當 滿足動力轉向系統(tǒng)的如下要求 ： ]4[ (1)能有效減小操縱力，特別是停車轉向操縱力。而行車轉向的操縱力不應大于 245N。 (2)轉向靈敏度好。轉向靈敏度就是轉向助力器產(chǎn)生助力作用的快慢程度。 (3)具有直線行駛的穩(wěn)定性，轉向結束時轉向盤應能自動回正 。駕駛員應有良好的 ―路感 ‖。 (4)要有隨動作用。轉向車輪的偏轉角和駕駛員轉動的轉角保持一定電動助力轉向系統(tǒng)的研究與設計 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 13 關系，并能使轉向車輪保持在任一偏轉角位上。 (5)工作可靠。當動力轉向失敗或發(fā)生故障時，應能保證通過人力進行轉向操縱。 電動助力轉向系統(tǒng)的數(shù)學模型 為了研究 EPS 系統(tǒng)的動態(tài)特性及 EPS 系統(tǒng)對汽車操縱性的影響， EPS數(shù)學模型的建立是進行理論研究必不可少的一個環(huán)節(jié)。 EPS 的機械部分主要可分為轉向盤和轉向軸、電動機、減速結構和齒輪齒條四個主要部分，根據(jù)系統(tǒng)的使用條件和研究對象，忽略一些次要因素，對 EPS 部件進行簡化，在簡化的基礎上，根據(jù)牛頓運動定律建立各部分的力學模型，然后再根據(jù)各部件之間的相互約束關系，聯(lián)立各模型，得到 如圖 24 所示的模型。 圖 24 EPS 動態(tài)模型 電動助力轉向系統(tǒng)的研究與設計 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 14 轉向盤和轉向柱輸入軸子模型 對轉向盤和輸 入軸受力分析，這里考慮了轉向盤的轉動慣量，并且把輸入軸的粘性阻尼考慮在內，可以得到如下運動方程 : Js? s +Bs s? =Th Tsen (21) 式中 Js—轉向盤、輸入軸的轉動慣量， Kgm2 。 Bs—輸入軸的粘性阻尼系數(shù)， Nm /( rad / s) 。 s? —輸入軸的旋轉角， rad 。 Th —作用在轉向盤上的轉向轉矩， Nm。 Tsen—扭桿的反作用轉矩， Nm 。 由于轉矩傳感器是依靠扭桿的相對轉動產(chǎn)生扭轉變形，扭桿受到的轉矩與扭桿的扭轉角度成正比，即 有 Tsen = Ks (? s? e) (22) 式中 KS—扭桿的剛性系數(shù)， Nm/rad 。 ? s—輸出軸的旋轉角， rad 。 電動機模型 系統(tǒng)采用永磁式直流電動機，如圖 25 所示，電動機的端電壓 U 與電感 L、電樞電阻 R、反電動勢常數(shù) Kb、轉速 ? m、電流 I 和時間 t 之間的關系如下 : U=L 。I 十 RI 十 K 。? m （ 23） 電動助力轉向系統(tǒng)的研究與設計 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 15 圖 25 永磁式直流電動機模型 電動機產(chǎn)生的電磁轉矩為 : Tm = Ka I (24) 式中 Ka—電動機的轉矩系數(shù) :NmA 1? 。 對電動機機械 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,—電動機和離合器的轉動慣量， Kgm2 。 Bm—電動機粘性阻尼系數(shù)， Nm/(rad/s)。 ? m—電動機的轉角， rad。 Tm—電動機電磁轉矩， Nm。 Ta—電動機輸出轉矩， Nm 。 在實際的控制系統(tǒng)中，電動機助力轉矩 Ta 可以如下式所示 Ta = Km (? m –G? e) (26) 電動助力轉向系統(tǒng)的研究與設計 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 16 式中 Km—電動機和減速機構的輸出軸剛性系數(shù)， Nm/rad 。 輸出軸子模型 對轉向柱輸出軸及電機輸出軸進行動力學分析，得到下面的運動學方程 : Je? e +Be? e=Tsen + GTa – Tw (27) 式中 Je—輸出軸的轉動慣量， Kgm2 。 Be—輸出軸的阻尼系數(shù)， Nm /(rad / s) 。 G—蝸輪 蝸桿減速機構的減速比 。 Tw—作用在輸出軸上的反作用轉矩， Nm 。 齒輪齒條子模型 對齒條和小齒輪進行動力學建模，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—輪胎轉向阻力及回正力矩等作用于齒條上的軸向力， N。 轉向阻力 FTR 主要受轉向時車輪與地面的摩擦、回正力矩及轉向系統(tǒng)中各種摩擦力和力矩的影響，同時它還與車速、路況、轉彎半徑、 風阻以電動助力轉向系統(tǒng)的研究與設計 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 17 及轉向盤的轉速等有關。對于常規(guī)助力控制過程該模型的簡化對控制策略的影響不大，這里給出簡化的計算公式： ]6[ FTR=KrXr+F? (29) 式中 Kr—等效彈簧的彈性系數(shù)， N/m 。 F? —路面的隨機信號， N。 其中 ? e=pfRX 。聯(lián)立上面所建的動力學方程，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——減速機構、小齒輪和齒條等的當量質量， Kg； Br=br+2perB——減速機構、小齒輪和齒條等的當量阻尼系數(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； 電動助力轉向系統(tǒng)的主要部 分 電動助力轉向系統(tǒng)雖然有著三種不同的類型，但其主要部件幾乎相同。除了本身的機械傳動部件外，主要的部件還包括轉 矩傳感器、車速傳感器、直流電動機、電磁離合器、減速機構和電子控制器 ECU (Electronic Control 電動助力轉向系統(tǒng)的研究與設計 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 18 Unit)。 轉矩傳感器 轉矩傳感器用于測量方向盤的輸出力矩的大小和方向，然后將其轉換為相應的電壓信號傳送給控制器 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矩傳感器的研究與開發(fā)。轉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之一 ； ]6[ 磁、光和感應技術。非接觸式轉矩傳感器的線性功能和滯后性能好，但價格較高。接觸式轉矩傳感器一般結構簡單，價格合適，目前的應用也較為廣泛。 本課題選用的即為非接觸電位式轉矩傳感器，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的螺旋球槽和滑塊內側的球洞里?；瑝K相對于輸入軸可以在螺旋方向移動。同時，滑塊通過一個銷安裝到輸出軸，使它僅可以相對于輸出軸在垂直方向上移動。因此，當輸入軸相對輸出軸轉動時，滑塊按照輸入軸旋轉的方向和輸出軸的旋轉量，垂直移動 (在軸方向 )， (等于輸入軸相對于輸出軸旋轉 )。當轉動方向盤，轉矩被傳遞到扭力桿時，輸入軸 和輸出軸之間的旋轉方向里出現(xiàn)偏差。這些偏差使滑塊在軸方向移動，這些軸方向的移動轉換為圖 26 所示的控制桿里電位器的旋轉角度。結果，轉矩轉變?yōu)殡妷鹤兓?，并傳送到控制?ECU.送到控制器的轉矩信號分為主、副兩路。當方向盤處于中間位置時，主、電動助力轉向系統(tǒng)的研究與設計 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 19 副兩路輸出的信號都為 V。當方向盤右轉時，主轉矩信號大于 V，副轉矩信號小于 V。當方向盤左轉時，主轉矩信號小于 V，副轉矩信號大于 V。系統(tǒng)利用主、副轉矩信號即可判斷方向盤轉向的方向和轉矩大小。 5 V輸 出 電 壓副 信 號右 左轉 向 扭 矩0主 信 號 圖 26 電位式轉矩傳感器的輸出特性 車速傳感器 車速信號也是系統(tǒng)控制重要依據(jù)之一，一方面它與轉矩信號結合用以確定系統(tǒng)控制的目標電流，一方面用于保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，即當車速超出系統(tǒng)設定的助力范圍時，系統(tǒng)將停止助力，改為手動操作。車速信號由車速傳感器測得，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 器的頂端設置在附有齒的轉子附近，當附有齒的轉子旋轉時，從傳感器的永久磁鐵出來的磁通量發(fā)生變化，在線圈上就會產(chǎn)生交流電流。 圖 27 為車速傳感器的工作原理。 電動助力轉向系統(tǒng)的研究與設計 洛陽理工學院畢業(yè)設計（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一般是經(jīng)里程表處理后，變成方波信號送給控制系統(tǒng)。在本文的研究中，作者采用脈沖發(fā)生器來模擬實際的車速信號，用于對控制策略的研究。 直流電動機 EPS 用直流電動機與一般的起動電機在原理上基本相同， 但一般采用永磁電動機。為了降低噪聲和減小振動，有的電動機轉子外圓表面開有斜槽。作為 EPS 系統(tǒng)助力的提供者，直流電動機應當有較好的機械特性和調速特性。一般應滿足如下要求 ： ]3[ 1)盡可能寬的調速范圍 。 2)較小的轉動慣量 。 3)良好的低速平穩(wěn)性 。 4)體積小、質量輕、噪聲低 。 5)過載能力強 。 按照上述要求，本課題選用了直流有刷永磁電動機作為 EPS 系統(tǒng)的助電動助力轉向系統(tǒng)的研究與設計 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 21 力電機，其工作的額定電壓為 12 V,額定電流為 30A,，額定轉速為 1050r/min,額定輸出功率為 170W，額定轉矩為 . 電磁離合器 電磁離合器安裝在電動機和減速齒輪之間，它的作用主要是使電機與減速機構快速地結合和分離。當系統(tǒng)工作于助力模式時，離合器使電機與減速齒輪結合，傳送電機的輸出轉矩。當系統(tǒng)車速高于設定值或電機電流高于設定值或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，離合器又斷開電動機與減速齒輪的連接，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，它的結構如圖 2