【正文】 在我論文完成過程中，曹老師和徐老師在百忙之中抽出時間給予了我很多指導(dǎo)和幫助，在此我特向曹老師和徐老師表示衷心的感謝。在論文完成的過程中傾注了導(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。其中主要是對其關(guān)鍵元件（電動機、離合器、減速機構(gòu)及扭矩傳感器等）的功能要求進行了分析，并且對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）進行了逐一論述，最后進行了電機控制電路以及驅(qū)動電路的設(shè)計。本次設(shè)計以某一微型轎車為參考，采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，對轉(zhuǎn)向器中的關(guān)鍵元件齒輪和齒條進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度校核，對轉(zhuǎn)向橫拉桿進行了運動分析、從而確定了齒條行程，對自動間隙調(diào)整彈簧進行了選取，還對齒輪軸軸承進行選取、并進行了壽命驗算，并對鍵的強度進行了校核。圖56 方向盤扭矩和電機電流的關(guān)系曲線6 結(jié)論 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)作為一項高新技術(shù)產(chǎn)品，所涉及的技術(shù)領(lǐng)域包括汽車工程、電子、電力驅(qū)動、控制器、傳感器、現(xiàn)代控制理論等等諸多方面，需要解決的關(guān)鍵問題也很多，所以對于這項產(chǎn)品的研究與開發(fā)不可能一蹴而就。從圖56中可以看出，在轉(zhuǎn)向過程中，助力電動機電流隨著方向盤轉(zhuǎn)矩的變化而變化，電動機電流的變化趨勢和方向盤轉(zhuǎn)矩的變化趨勢相吻合，表明電動機的助力轉(zhuǎn)矩對方向盤轉(zhuǎn)矩有良好的跟蹤性能。圖55 電源倍壓電路 電機驅(qū)動電路臺架試驗 根據(jù)電動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)對穩(wěn)定性和跟蹤性的需要，采用最優(yōu)H二控制器編制電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制程序，并在汽車電動轉(zhuǎn)向試驗臺上進行臺架模擬試驗，車速信號用模擬車速傳感器發(fā)出的脈沖信號代替網(wǎng)。當NE555引腳3輸出高電平時，由于電容電壓不能突變，C3正極電壓為24V或接近24V，并通過D2向C4充電，使C4電壓為24V或接近24V。 電源倍壓電路如圖55所示，NE555定時器工作于多諧振蕩器模式，于引腳3產(chǎn)生幅值等于NE555的供電電壓，頻率為1/（R2+2R1）C1的矩形波。 蓄電池倍壓工作電源 ，而蓄電池電壓只有12V。當Qc導(dǎo)通時，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)妷骸．擬OSFET的控制信號c（d）為高電平時，Q1導(dǎo)通，Q2截止，Q1的柵極電壓通過R3與C1組成的并聯(lián)電路、D１及Q1迅速釋放，Qc/Qd關(guān)斷。IRF3205的導(dǎo)通門限電壓為2～4V，OV的柵—源極電壓能夠使其關(guān)斷。 圖53 H橋上側(cè)橋臂驅(qū)動電路 當MOSFET的控制信號a（b）管為低電平時，Q1和Q2均截止，Q3導(dǎo)通，Qa的柵—源極電壓通過R5與C1的并聯(lián)電路及Q3迅速釋放，直至Qa關(guān)斷。因此需設(shè)計高效的倍壓電源電路，以保證Vdble的值足夠大，滿足功率MOSFET的驅(qū)動要求。此時，Qa的柵—源極電壓降VGS=（ VdbleVCEVFVbat），其中VCE為2N2907的集一射極飽和導(dǎo)通電壓，VF為D1的正向?qū)▔航?，Vbat為蓄電池電壓。當MOSFET的控制信號a（b）為高電平時，Q1和Q2導(dǎo)通，電源通過Q2，D1以及R5與C1的并聯(lián)電路向Qa充電，直至Qa完全導(dǎo)通，Q3截止。IRF3205具有8 mΩ導(dǎo)通電阻、功耗小、耐壓達55V、最大直流電流110A、滿足EPS系統(tǒng)對MOSFET功率管低壓（正常工作不超過15V）大電流（額定電流30 A）的要求。采用PWM伺服控制方式，MOSFET功率管的驅(qū)動電路簡單，工作頻率高，可工作在上百千赫的開關(guān)狀態(tài)下。圖51 EPS控制系統(tǒng)組成圖框圖 電機控制電路設(shè)計 直流電動機是EPS系統(tǒng)的執(zhí)行元件，電機的控制電路在系統(tǒng)設(shè)計中有著特殊的地位。設(shè)計方案采用MC9S12DP256單片機，其主頻高達25 MHz，同時片上還集成了許多標準模塊，包括2個異步串行通信口SCI，3個同步串行通信口SPI，8通道輸入捕捉/輸出比較定時器、2個10位8通道A/D轉(zhuǎn)換模塊、1個8通道脈寬調(diào)制模塊、49個獨立數(shù)字I/0口（其中20個具有外部中斷及喚醒功能）；片內(nèi)擁有256 KB的Flash EEPROM，12KB的RAM及4KB的EEPROM，資源十分豐富。5 EPS電機驅(qū)動電路的設(shè)計 微控制器的選擇 MOTOROLA公司的MC9S12系列單片機是基于16位HCS12 、 FLASH微控制器[14]，是根據(jù)當前汽車的要求設(shè)計出來的一個系列。根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動的方向可以判斷轉(zhuǎn)向盤是否處于回正狀態(tài)。對于前一種情況而言，可以利用電動機的阻尼來防止出現(xiàn)超調(diào)。駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤后，隨著作用在轉(zhuǎn)向盤上的力的減小，轉(zhuǎn)向盤將在回正力矩的作用下回正。 回正控制 當汽車以一定的車速行駛時，由于轉(zhuǎn)向輪主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角的存在，使得轉(zhuǎn)向輪具有自動回正的作用。汽車在高速行駛時，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)向盤的力矩比低速行駛時要大，為了抑制這種橫擺振動，必須采用阻尼控制；此外，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向后回到中間位置時，由于電動機的慣性存在，在不加其他控制情況下，助力系統(tǒng)的慣性比機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的慣性大，轉(zhuǎn)向回正時不容易收斂，此時，也需要采用阻尼控制。汽車高速直線行駛時，如果轉(zhuǎn)向過于靈敏、“輕便”，駕駛員就會有通常說的“飄”的感覺，這給駕駛會帶來很大的危險。EPS系統(tǒng)的助力特性曲線屬于車速感應(yīng)型，在同一轉(zhuǎn)向盤力矩輸入下，電動機的目標電流會隨著車速的增加而降低，能較好地兼顧輕便性與路感的要求。步驟如下[13]： （1）輸入由車速傳感器測得的車速信號； （2）輸入由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器測得的轉(zhuǎn)向盤力矩的大小和方向； （3）根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩，由助力特性得到電動機目標電流； （4）通過電動機電流控制器控制電動機輸出力矩。整個控制器可以分為上、下兩層，上層控制器用來根據(jù)基本助力特性及其補償調(diào)節(jié)，進行電動機目標電流的決策，下層控制器通過控制電動機電樞兩端的電壓，跟蹤目標電流。因此EPS的控制要解決兩個問題：（1）確定助力特性。根據(jù)EPAS的特點，上層控制策略分為助力控制、回正控制和阻尼控制[12]。 電流傳感器 我們選用閉環(huán)霍爾傳感器，它的優(yōu)點是電路形式簡單、成本相對較低，精度和線性度較好，響應(yīng)時間較快，溫度漂移較小?，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于轎車和輕型車中，是EPS傳感器的主流產(chǎn)品。信號的高頻部分由檢測電路濾波，僅有扭矩信號部分被放大。當扭桿受方向盤的轉(zhuǎn)動力矩作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，輸入軸上的花鍵和輸出軸上鍵槽之間的相對位置就被改變了。如圖所示為非接觸式扭矩傳感器的典型結(jié)構(gòu)。因此扭矩傳感器類型的選取根據(jù)EPS的性能要求綜合考慮。需要對制造精度和扭桿剛度進行折中，難以實現(xiàn)絕對轉(zhuǎn)角和角速度的測量。常用的接觸式（主要指電位計式）傳感器有擺臂式、雙排行星齒輪式和扭桿式三種類型，而非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器主要有光電式和磁電式兩種。精確、可靠、低成本的扭距傳感器是決定EPS能否占領(lǐng)市場的關(guān)鍵因素之一。由于減速機構(gòu)對系統(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)向操作的對稱性方面對減速機構(gòu)提出了較高的要求。1 減速機構(gòu)減速機構(gòu)用來增大電動機傳遞給轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)矩。C額定轉(zhuǎn)矩176。離合器采用干式電磁式離合器，主要參數(shù)見表42。此外，在不助力的情況下，離合器還能夠消除電動機的慣性對轉(zhuǎn)向的影響。我們采用的永磁直流電機，主要參數(shù)如下表：表41 EPS電動機基本參數(shù)型式永磁式直流電動機額定時間S2 2分鐘標稱輸出150W額定轉(zhuǎn)速1200r/min/DC額定轉(zhuǎn)矩額定電流30A旋轉(zhuǎn)方向正反轉(zhuǎn)允許最大電流35A 電磁離合器 電磁離合器是保證電動助力只在預(yù)定的范圍內(nèi)起作用。由于控制系統(tǒng)需要根據(jù)不同的工況產(chǎn)生不同的助力轉(zhuǎn)矩，具有良好的動態(tài)特性并容易控制，這些都要求助力電機具有線性的機械特性和調(diào)速特性。4 EPS的關(guān)鍵部件和控制策略 EPS的關(guān)鍵部件選型 電動機 電動機根據(jù)ECU的指令輸出適宜的轉(zhuǎn)矩，一般采用無刷永磁直流電動機[9]，無刷永磁電動機具有無激勵損耗、效率較高、體積較小等特點。mm；D—軸的直徑，單位為mm；L—鍵的接觸長度，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。上軸承選擇比下軸承稍大的型號6203,同樣滿足要求。(5) 檢查δ及δ1 鄰圈間隙 δ=td== 彈簧單圈的最大變形量 λmax/n=8/= 故在最大載荷作用下仍留有間隙δ1，δ1==(6) 幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸的確定 彈簧外徑 D=D2+d=25+5=30mm 彈簧內(nèi)徑 D1=D2d=255=20mm(7) 彈簧工作圖 τs=[τ]=765= 彈簧的極限載荷 Flim==52(84)=1670N 彈簧的安裝載荷 Fmin==1400=1260N 彈簧剛度 Cs=Gd/(8C3n)=800005/(843)= 安裝變形量 λmin=Fmin/Cs=1260/= 最大變形量 λmax=Fmax/Cs=1400/= 極限變形量 λlim=Flim/Cs=1670/= 安裝高度 H1=H0λmin== 工作高度 H2=H0λmax==極限高度 H3=H0λlim== 齒輪軸軸承的校核校核30203圓錐滾子軸承，軸承間距60mm,軸承極限轉(zhuǎn)速n=9000r/min,采用脂潤滑，預(yù)期壽命L′h=12000h⑴初步計算當量動負荷=e X=,暫選一近似中間值Y=。因彈簧的工作次數(shù)小于，載荷性質(zhì)屬Ⅱ類。=230851/=== 間隙調(diào)整彈簧的設(shè)計計算設(shè)計要求：設(shè)計一圓柱形壓縮螺旋彈簧，載荷平穩(wěn)，要求=1400N時，10mm,彈簧總的工作次數(shù)小于，彈簧中要能寬松地穿過一根直徑為φ18mm的軸；彈簧兩端固定；外徑,自由高度。轉(zhuǎn)向節(jié)由繞圓心轉(zhuǎn)至時，齒條左端點E移至的距離為=75 ==75+=齒輪齒條嚙合長度應(yīng)大于即 =+=150取L====30176。即梯形臂或轉(zhuǎn)向節(jié)由繞圓心轉(zhuǎn)至時，齒條左端點移至的距離為30176。因而前輪從左到右總共轉(zhuǎn)動約60176。 == ⑤ 確定載荷系數(shù) =1，由, /100=,=1；對稱布置，取=；取=，則=11= ⑥修正法向模數(shù) == 圓整為標準值，取= ⑶確定齒輪傳動主要參數(shù)和幾何尺寸 ① 分度圓直徑 == ② 齒頂圓直徑 =+2 =+2(1+0)= ③齒根圓直徑 = == ④齒寬 == 因為相互嚙合齒輪的基圓齒距必須相等，即。 齒輪軸和齒條的材料選擇及強度校核表37 齒輪軸和齒條的設(shè)計計算設(shè)計計算和說明計算結(jié)果 ⑴選擇齒輪材料、熱處理方式及計算許用應(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5662HRC 齒條 45鋼 表面淬火，齒面硬度56