汽车电动助力转向系统EPS设计.doc

1、摘要汽车转向系统可按转向的能源不同分为机械转向系统和动力转向系统两类。汽车电动助力转向系统是一种新型的汽车动力转向系统，与传统液压转向系统相比，采用电动机直接提供助力，具有多方面优越性。近年来已有很多中高档汽车配备了动力转向系统装置，EPS研究也成为汽车工业的热门课题之一，具有重要研究价值和巨大潜在应用前景。 在本文中重点进行齿轮齿条转向器的设计计算和对转向齿轮轴的校核，及转向传动机构的优化设计。主要方法和理论采用汽车设计的经验参数和大学所学机械设计的课程内容进行设计，并做了归纳和总结。关键词 转向系统；电动助力转向系统；齿轮齿条转向器；优化设计-I-AbstractThe steering

2、system can be divided into mechanical energy and power steering system.Electric power steering system is a new type of vehicle power steering system, compared with traditional hydraulic steering systems, directly with the motor power, has many advantages. In recent years, many in the luxury car have

3、 been equipped with a power steering system device, EPS studies have become a hot topic in automotive industry, great research value and great potential applications.This article focus on the design of the rack and pinion steering gear shaft calculation and verification, and optimization of steering

4、 linkage. The main methods and theories of experience with automotive design parameters and the university curriculum in mechanical design to design, and made and summarized.Key words Steering System；Electric Power Steering ；Rack and pinion steering；Optimization目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 汽车转向系统简介11.

5、1.1 转向系的设计要求11.2 EPS的特点及发展现状21.2.1 EPS与其他系统比较21.2.2 EPS的特点21.2.3 EPS在国内外的应用状况31.3 本课题的研究意义4第2章 电动助力转向系统的总体组成52.1 电动助力转向系统的机理及类型52.1.1 电动助力转向系统的机理52.1.2 电动助力转向系统的类型72.2 电动助力转向系统的关键部件92.2.1 扭矩传感器92.2.2 车速传感器92.2.3 电动机92.2.4 减速机构102.2.5 电子控制单元102.3 电动助力转向的助力特性11第3章 电动助力转向系统的设计123.1 对动力转向机构的要求123.2 齿轮齿条

6、转向器的设计与计算123.2.1 转向系计算载荷的确定133.2.2 齿轮齿条式转向器的设计143.2.3 齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析223.2.4 齿轮齿条传动受力分析243.2.5 齿轮轴的强度校核24第4章 转向传动机构的优化设计294.1 结构与布置294.2 用解析法求内、外轮转角关系304.3 转向传动机构的优化设计324.3.1 目标函数的建立324.3.2 设计变量与约束条件334.4 研究结论36结论37致谢39参考文献40附录141附录246-V-第1章 绪论1.1 汽车转向系统简介汽车转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有

7、协调的转角关系。它由转向操纵机构、转向器和转向传动机构组成。 转向系统作为汽车的一个重要组成部分，其性能的好坏将直接影响到汽车的转向特性、稳定性、和行驶安全性。目前汽车转向技术主要有七大类：手动转向技术（MS）、液压助力转向技术（HPS）、电控液压助力转向技术（ECHPS）、电动助力转向技术（EPS）、四轮转向技术（4WS）、主动前轮转向技术（AFS）和线控转向技术（SBW）。转向系统市场上以HPS、ECHPS、EPS应用为主。电动助力转向具有节约燃料、有利于环境、可变力转向、易实现产品模块化等优点，是一项紧扣当今汽车发展主题的新技术，他是目前国内转向技术的研究热点。1.1.1 转向系的设计要

8、求(1) 汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。(2) 汽车转型行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶。(3) 汽车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生共振，转向盘没有摆动。(4) 转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小。(5) 保证汽车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。(6) 操纵轻便。(7) 转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小。(8) 转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。(9) 在车

9、祸中，当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。(10) 进行运动校核，保证转向轮与转向盘转动方向一致。1.2 EPS的特点及发展现状1.2.1 EPS与其他系统比较对于电动助力转向机构(EPS)，电动机仅在汽车转向时才工作并消耗蓄电池能量；而对于常流式液压动力转向机构，因液压泵处于长期工作状态和内泄漏等原因要消耗较多的能量。两者比较，电动助力转向的燃料消耗率仅为液压动力转向的16%20%。 液压动力转向机构的工作介质是油，任何部位出现漏油，油压将建立不起来，不仅失去助力效能，并对环境造成污染。当发动机出现故障停止工作时，液压泵也不工作，结果

10、也会丧失助力效能，这就降低了工作可靠性。电动助力转向机构不存在漏油的问题，只要蓄电池内有电提供给电动助力转向机构，就能有助力作用，所以工作可靠。若液压动力转向机构的油路进入空气或者贮油罐油面过低，工作时将产生较大噪声，在排除气体之前会影响助力效果；而电动助力转向仅在电动机工作时有轻微的噪声。 电动助力转向与液压动力转向比较，转动转向盘时仅需克服转向器的摩擦阻力，不存在回位弹簧阻力和反映路感的油压阻力。电动助力转向还有整体结构紧凑、部件少、占用的空间尺寸小、质量比液压动力转向约轻20%25%以及汽车上容易布置等优点。1.2.2 EPS的特点(1）EPS节能环保。由于发动机运转时，液压泵始终处于工

11、作状态，液压转向系统使整个发动机燃油消耗量增加了3%5%,而EPS以蓄电池为能源，以电机为动力元件，可独立于发动机工作，EPS几乎不直接消耗发动机燃油。EPS不存在液压动力转向系统的燃油泄漏问题，EPS通过电子控制，对环境几乎没有污染。(2）EPS装配方便。EPS的主要部件可以集成在一起，易于布置，与液压动力转向相比减少了许多原件，没有液压系统所需要的油泵、油管、压力流量控制阀、储油罐等，原件数目少，装配方便，节约时间。(3）EPS效率高。液压动力转向系统效率一般在60%70%，而EPS得效率较高，可高达90%以上。(4）EPS路感好。传统纯液压动力转向系大多采用固定放大倍数，工作驱动力大，但

12、却不能实现汽车在各种车速下驾驶时的轻便性和路感。而EPS系统的滞后性可以通过EPS控制器的软件加以补偿，是汽车在各种速度下都能得到满意的转向助力。(5）EPS回正性好。EPS系统结构简单，不仅操作简便，还可以通过调整EPS控制器的软件，得到最佳的回正性，从而改善汽车的操纵稳定性和舒适性。(6）动力性。EPS系统可随车速的高低主动分配转向力，不直接消耗发动机功率，只在转向时才起助力作用，保障发动机充足动力。（不像HPS液压系统，即使在不转向时，油泵也一直运转处于工作状态，降低了使用寿命）1.2.3 EPS在国内外的应用状况国外EPS的发展之路：因为微型轿车上狭小的发动机舱空间给液压助力转向系统的

13、安装带来了很大的麻烦，而EPS原件比较少，重量轻，装配方便，比较适合在微型轿车上安装。因此在国外，EPS系统首先是在微型轿车上发展起来的。上世纪80年代初期，日本铃木公司首次在其Cervo轿车上安装了EPS系统，随后还应用在其Alto车上。此后，EPS在日本得到迅速发展。出于节能环保的考虑，欧、美等国的汽车公司也相继对EPS进行了开发和研究。虽然比日本晚了十年时间，但是欧美国家的开发力度比较大，所选择的产品类型也有所不同。日本起初选择了技术相对成熟的有刷电机。有刷电机比较成熟，在汽车上的应用较广，比如雨刷、车窗等部分，稍作改进就适应了EPS的要求，因此研发周期较短，上世纪80年代末期就开始产业

14、化，主要装配在微型车上。而欧美则选择了难度较大的无刷电机，但是电子控制系统比较复杂，延长了研发周期。直到90年代中期欧美才开始量产。从长远发展看，有刷电机存在一定弊端，比如电机产生的噪声较难克服，磨损较严重，存在电磁干扰等问题。因此，日本现在国内装配的EPS也逐渐转向无刷电机了。国内EPS的发展现状：我国汽车电子行业的总体发展相对滞后，但是，随着汽车对环保、节能和安全性要求的进一步提高，代表着现代汽车转向系统的发展方向的EPS电动助力转向系统已被我国列为高新科技产业项目之一，国内各大院校、科研机构和企业在进行EPS技术的研究，也有少数供应商能批量提供转向轴式的EPS系统。但总的来讲目前国内EP

15、S技术还不成熟；供应商所提供的EPS系统还未达到产品级的要求，且类型单一，还不能满足整车厂需要。据悉，自主品牌研发的EPS系统离产业化就差整车厂批量装车认可这一台阶了，相信很快就可以实现量产。EPS系统是未来动力转向系统的一个发展趋势。1.3 本课题的研究意义 随着科技的发展和人们生活水平及环保意识的提高，汽车转向助力肯定会向更轻便、更节能、更安全的方向发展，而本课题正是沿着这个方向对汽车的转向系统进行了研究。现存的汽车，大部分都是传统液压助力转向系统，甚至没有助力转向系统，电动助力转向系统能提供比其更安全、更舒适的转向操控性和节能效果。本课题对该系统的进行了深入的研究，并将其应用于实践，这对于推动该系统的发展和最终的产品化应用，对于推动机械、传感器技术和电子器件制造等相关产业的发展，对于提高我国汽车电子化水平和加快转向系统产业化发展具有十分重要的意义。在可预见的将来，电动助力转向系统在汽车领域必定会有广泛的应用。本章小结这一章介绍了现在应用的汽车转向技术，并对电动助力转向系统和液压助力转向系统进行了分析比较。还阐述了EPS的国内外发展状