EPS装置试验台设计.docx
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EPS装置试验台设计
电动助力转向系统试验台
毕业（论文）设计
院系：
襄樊学院理工学院
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
0712
姓名：
周枫
学号：
07316250
指导教师：
夏铭
二0一一年五月十日
EPS装置试验台设计及测试数据分析
摘要：
电动助力转向装置（EPS）和液压助力转向（HPS）相比有环保、节能、体积小和助力度可调等特点，因此EPS有取代HPS的趋势。
而我国在EPS产品还处在研制开发阶段，与国外存在着较大的差距。
本课题所设计的EPS性能测试台有助于EPS产品的改善和研发，所以该测试系统式非常必要和有实用价值的。
本文主要是在对EPS产品结构及其工作原理有深刻认知之后，制定一个EPS助力性能检测试验台。
首先根据检测项目要求确定试验台所要具备的功能；然后确定整个试验台的整体规划布局；再根据这个方案做出试验台架实物；最后建立在该试验台的基础之上，对EPS产品的助力性能进行检测。
我们所需的主要数据是各种状态下的负载扭矩和输入扭矩，根据两个扭矩数值的比较分析来判断EPS产品的助力性能，同时也制定助力测试效果图来分析改试验台是否满足测试稳定可靠的要求。
本课题所研制的性能检测试验台经过实际检测后证明是可行有效的，但是在检测过程中还存在着一点波动，不能完全保证稳定，这需要进一步改进和完善。
关键词：
电动助力转向装置;EPS控制仿真试验台
TheDesignofTest-BedandTestingDataAnalyseofElectricPowerSteeringDevice
Abstract：
Electricpowersteeringisenvironmentalprotection,energy-conservation,smallandadjustabledynamicswhencomparingwithhydraulicpowersteering,soelectricpowersteeringhasanadvantageoverhydraulicpowersteeringandelectricpowersteeringmustreplacehydraulicpowersteeringsoon.AndourEPSproductsarestillindevelopingstages,whichhasagreatsizedisparitywithothercountriesThedesignofEPSperformancetestboardinthispapercontributestotheimprovementandstudyofEPSproducts.Sothetestingsystemturnsouttobeanecessaryandpracticalvalue.
ThisarticleismainlyindraftingaEPSperformancetestboardafterhavingaprofoundunderstandingonEPSstructureandworks.Firstofall，accordingtothetestingitemrequirementswedeterminedthetestboardmainfunction.Andthensettheoverallarrangementsofthetestboard.Undertheschemewemadearealtestboard.FinallywetestEPSproductperformancebasedonthetestboard.AccordingtothetorquecomparisonwecananalysistheperformanceofEPSproductscomparativeanalysistodeterminetheperformanceofEPSproducts.Themaindataweneedistheloadtorqueandenterthetorque.Alsohelptoidentifyabambooforesttestboardtestwhethertomeettherequirementsofthetestisreliable.
Theexperimentprovesthatthetestingsystemisfeasibleandeffective.Duringtheresearchtherearesomeproblemswerefoundneededtobeimprovedandconsummatedfurther.
Keywords：
ElectricPowerSteering；EPScontrolsimulationtest
Classification:
TH218
1.绪论
1.1.选题背景
电动转向系统（ElectronicPowerSteering，EPS）早在十九世纪八十年代中期，天合（TRW）公司已经开始研究，并取得了一些成果。
日本于九十年代初制造出了真正意义上的电动转向系统，如长安铃木（SuzukiAlto），主要是因为该车装传统转向系统所用空间较大，适合于体积较小的电动转向系统。
1988年2月日本铃木公司首次在其牡鹿（Cervo）车上装备EPS，随后还用在了其奥拓（Alto）车上。
在此之后，电动助力转向技术如雨后春笋般得到迅速发展。
此后，欧洲、日本、美国的许多汽车部件供应商都开发出了自己的电动转向系统装于不同的汽车中。
比如：
三菱汽车公司则在其米尼卡（Minica）车上装备了EPS；德尔福（Delphi）汽车系统公司已经为大众的波罗（Polo）、欧宝的318i以及菲亚特的eunto开发出EPS。
TRW从1998年开始，便投入了大量人力、物力和财力用于EPS的开发。
他们最初针对客车开发出转向柱助力式EPS。
1999年3月，他们的EPS已经装备在轿车上，如Ford嘉年华（Fiesta）和Mazda323F等。
德尔福（Delphi）公司：
该转向器公司专门生产整合式电动转向系统，该公司把电动转向系统称为E*SS，于1999年8月首次研制成功并进入欧洲市场。
TRW公司：
TRW公司把成熟的航空技术应用于汽车，研制和开发了性能优越的电控液压助力转向系统和全电动转向系统。
Honda公司：
该公司对电动转向系统研究最早，早在十九世纪九十年代初，该公司已经成功研制出电动转向系统并装于2.5L和3.0LNSX车。
随着近年来电子控制技术的成熟和成本的降低，EPS越来越受到人们的重视，并以其具有传统动力转向系统不可比拟的优点，迅速迈向了应用领域，部分取代了液压动力转向系统（HydraulicPowerSteering，简称HPS）。
电子控制技术在汽车动力转向系统中的应用，使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。
电动助力转向系统（EPS）在汽车低速行驶转向时减轻转向力使转向轻便、灵活；在汽车高速行驶转向时，适当加重转向力，从而提高了高速行驶时的操纵稳定性，增强了“路感”。
不仅如此，EPS的能耗是HPS能耗的1/3以下，且前者比后者使整车油耗下降可达3%-5%。
因而，EPS将成为汽车传统转向系统理想的升级换代产品。
自1953年美国通用汽车公司在别克轿车上使用液压动力转向系统以来，HPS给汽车带来了巨大的变化，几十年来的技术革新使液压动力转向技术发展异常迅速，出现了电控式液压助力转向系统（ElectronicHydraulicPowerSteering，简称EHPS）。
在国外，EPS已进入批量生产阶段，并成为汽车零部件的高新技术产品，而我国动力转向系统目前绝大部分采用机械转向或液压助力转向，EPS的研究开发目前还处于起步阶段，其产品在2002年才有国内企业进行研制开发。
目前，只有南摩股份有限公司（生产转向柱式的EPS产品）能小批量生产用于汽车装配，在昌河公司产的爱迪尔轿车、南京菲亚特公司产的新雅途轿车上使用[1]。
1.2.选题的目的和意义
课题的目的是:
研制汽车电动助力转向装置的性能测试系统，本测试系统要求经济实用、使用方便、界面友好，并且可靠性好、精度高和易于维护。
本课题的意义是:
为汽车电动助力转向装置的研制和改进提供准确全面的数据和分析方法。
本课题所研制的测试系统希望能给汽车电动助力转向装置的发展和完善做理论上和实践上的准备，从而能对我国汽车电动助力转向装置研制水平的提高有所帮助。
1.3.国内外研究现状
目前，国内汽车动力转向系统仍采用旧的模式——液压控制转向系统。
主要原因是EPS产品还处在研制和开发阶段。
从国外购买该产品，又难以承受高额的价格。
仅仅有一些高档轿车为了上档次，才能享有从国外购买的EPS产品的优厚待遇，然而无形中增加了成本的投入，加大了消费者的负担。
由于国外汽车公司长期对此技术的垄断，使得国内汽车工业的发展的步伐受到限制，一些汽车厂家和科研机构纷纷联合起来，共同参与EPS产品的研究开发。
我国的FPS控制系统的研究与开发工作尚处在起步阶段，仅仅少数高校和研究机
构从事该课题的研究。
清华大学前几年开展过该系统的结构方案设计、系统建模和动力分析等研究，还未达到实用程度。
广州的某科研机构据说已经完成产品的前期调试阶段。
由此看来,国内一方面是对此产品的需求日益迫切，而另一方面是在EPS的投入方面力度不大，投入的资金很有限。
这一现状与当代我国汽车工业飞速发展良好是势头格格不入，对推动和促进电动助力系统的发展将起到负面效应，对我国汽车工业的发展也会造成不利影响。
随着生活水平与质量的提高，人们的消费水准、需求层次和消费能力在不断地变化，消费观念也随之发生改变。
随着汽车走入家庭，拉近了汽车与人之间的关系，使人们与汽车的关系越来越密切。
本着以人为本的宗旨，如何对汽车进行最优化设计，降低汽车生产成本，提高汽车使用性能成为当今汽车工业发展的趋势。
自从美国汽车通用公司在1953年在凯迪莱克和别克轿车上首次批量使用液压转向系统技术以来，它给汽车工业带来了巨大的变化。
人们不再需要靠大直径的转向盘来产生足够的转向力矩。
转向盘的减小，又同时使得驾驶室变得宽敞起来，座椅布置也变得更为合理、舒适。
八十年代末，又曾开发出变减速比、电控液压动力转向系统，这一技术刚刚问世，并成为当时发达国家汽车公司销售汽车的标准设备，即使是现在的有些稍微落后的汽车公司或厂家至今仍采用这一技术。
[2]
虽然这仅仅是一个从纯机械式转向系统向液压转向系统的作的一次小小技术改进，但人们从其中得到的不仅仅是一些好处和实惠，更主要的是使人们感受到了技术更新带来的巨大差异与震撼。
在这个智慧的人类社会，似乎对技术的追求是永无止尽的。
汽车助力转向系统是汽车方向的主宰，它直接影响到汽车的安全行驶。
尽管液压转向系统比纯机械式转向系统优越很多，但它仍存在着许多的缺陷，因而给驾驶人员带来了许多麻烦，诸如:
在启动时由于扭矩大，难以操纵;尤其是大型货车转向时着实让人感到难以控制。
于是一些汽车公司与生产厂家正在考虑用一种性能更可靠更安全的新型转向系统来替代液压控制的转向系统。
由于电子技术的飞速发展尤其是微电子技术的高速发展，一种新型的汽车转向系统—电子控制式助力转向系统EPS（ElectronicPowerSteering简称EPS）并是在这一情形下应运而生。
1988年3月，日本的铃木公司投入巨资，组织科技人员首先研制开发出这种全新的电子控制式电动转向系统，人们才真正从液压动力转向系统中摆脱出来，从而进入了转向系统由电子来控制的时代。
1993年本田汽车公司首次将电动助力转向系统装备于批量产生、在国际市场上同法拉利和波尔舍竞争的爱克NSX跑车上:
同年在欧洲市场上销售的一种经济轿车—亚特帮托也将美国德尔费公司生产的电动助力转向系统作为标准装备。
[3][4]
由于电动助力转向系统完全不需要液压装置，用电能取代了液压能，减少了发电机的能量的消耗，加上其性能的优越性，很快在越来越多的国外轿车上得到了应用，如日本的本田推出的Insight轿车就广泛采用自己生产的EPS产品。
国外的几家大公司如德国的ZF公司、英国的RUCAS卢卡斯一伟利达、Saginaw,TRW、日本的NSK,KOYO等也不甘示弱，竞相推出自己的EPS产品。
目前，国外中型以上的货车和中级以上的轿车上几乎都广泛采用这一技术装置。
尽管当时人们非常看好EPS产品，也知道该产品的功能非常诱人，但由于当时EPS产品投入成本太高，这在一定程度上，限制了其产品在实际生产中的应用。
直到近几年，由于微电子产品价格暴跌，加上这十几年来EPS技术发展日趋成熟，使得人们在EPS产品研究上的投入的成本，也随之大幅度地降低。
另外，由于EPS控制系统在一些生产厂家得到应用，加上其本身具有使人无法拒绝的诱惑力，于是一些汽车集团公司与生产厂家，纷纷组织人员开发研究EPS产品，掀起了又一轮的开发新浪潮，使得EPS这一技术再次焕发出勃勃生机。
图1.1是电动助力转向装置的大体结构简图。
图1.1电动助力转向装置
1.4.本课题研究内容和预期目标
1.4.1.研究方向与研究内容
汽车电动助力转向装置系统的研究包括多方面的内容，包括转向机构部分、数据采集和传输处理部分、电动助力转向测试部分（即试验台）。
在这里我们选择汽车电动助力转向的测试系统作为研究的课题，对EPS装置的检测试验台进行设计，并且侧重于在设计的基础上对电动助力转向装置进行性能测试（主要是助力性能测试），同时对测试的数据进行分析，最后得出电动助力转向装置的助力效果图。
此系统能否真实反映汽车电动助力转向装置的性能，不仅取决于在系统研制过程中所选用的元器件的精度，更重要的是取决于研究方法和手段的科学性。
整个设计包括四个方面的内容:
（1）电动助力转向装置总体结构设计；
（2）电动助力转向装置测试系统试验台的设计；
（3）利用电动助力转向装置试验台进行数据测试；
（4）对所测的数据进行分析。
1.4.2.拟解决问题
（1）电动助力转向装置各部件的布局；
（2）硬件电路元气件选型；
（3）电动助力转向装置测试试验台各部件布局；
（4）对测得的数据进行归纳；
（5）如何对测得的数据进行分析。
2.电动助力转向装置（EPS）
2.1.EPS装置的结构
电动助力转向装置的简称是EPS，我们在接下去都简写为EPS。
电动转向助力装置系统的部件有方向盘、转向管柱、方向盘转角传感器、转向力矩传感器、转向齿轮、转向助力电动机及转向助力控制单元组成，如图1所示。
图2.1电动助力转向装置结构图
2.2.EPS装置类型
根据电动机与转轴之间布置位置不同，EPS可以分为：
转向柱助式、小齿轮助力式、齿条助力式和直接驱动式四种类型。
（1）转向柱型EPS——这种结构型式的EPS，其动力辅助单元、控制器、力矩传感器等都装在转向柱上，系统结构紧凑，不论是固定式转向柱或是倾斜式转向柱以及其它型式转向柱，都能安装，这种结构适用于中小型车辆。
（2） 齿条型EPS——这种结构型式的EPS，其动力辅助单元安装在转向机构的齿条上，动力辅助单元可以装在齿条的任何位置，增加了结构设计布置的灵活性。
动力辅助单元的大减速比，使得惯性很小同时打方向盘的感觉非常好。
（3）小齿轮型EPS——这种结构型式的EPS，其动力辅助单元安装在转向机构的小齿轮轴上，由于动力辅助单元在车厢外面，使得即使辅助力矩有很大增加也不会增加车厢内的噪声。
如果再将它与可变速比的转向器结合在一起，该系统的操纵特性将会非常好。
（4）直接驱动型EPS——转向齿条与动力辅助单元形成一个部件，该系统很紧凑，而且容易将它布置在发动机舱内，由于直接对齿条通过助力，摩擦与惯性都很小，进而打方向盘的感觉很理想。
目前我们主要采用转向柱型EPS。
本测试系统的测试对象是转向柱型EPS。
2.3.EPS装置工作原理
当驾驶员旋转方向盘时，转向助力系统开始工作。
安装于转向柱上的方向盘转角传感器将检测到方向盘的旋转角度和旋转速度，以电信号的方式送至转向助力电子控制单元。
与此同时，作用在方向盘上的力矩经过传递驱动转向小齿轮旋转，转向力矩传感器检测到旋转力矩并将其传给控制单元。
根据转向力、发动机转速、车速、方向盘转角、方向盘转速以及存储在控制单元中的信号，控制单元计算出必要的助力力矩并控制电动机开始工作。
图2.2电动助力转向系统工作原理图
2.4.主要参数和测试方法
2.4.1.主要参数
由于测试系统所要测试出具体的数据，而这些参数主要都是通过一些传感器的测量来获得的，所以在这里要介绍所选传感器的种类和类型，
测试系统检测的主要性能参数有：
汽车的车速，方向盘的主扭矩和转角，车轮的阻转矩，电动机的温度、电流、电压和转矩，汽车发动机的转速。
该系统的最终目的是为了使驾驶员得到方向助力，因此扭矩传感器是EPS系统中最重要的器件之一。
另外汽车的车速也是一个重要的参数量。
2.4.2.参数测试方法
下面就对扭矩传感器和速度传感器的检测方法加以详细的说明。
（1）转矩传感器是测量各种电动机、内燃机以及旋转动力设备的输出扭矩的必备设备。
从最初的机械变形发展到电磁感应类与相位差类，到现在的应变测量类。
在本系统中主要用于测量方向盘的主扭矩。
目前EPS采用的扭矩传感器主要有接触式和非接触式两种形式.本系统采用的是转向管柱自带的接触式扭矩传感器。
图2.3为选用的扭矩传感器的输出特性.该传感器的输出特性呈良好的线性,转向盘在中间位置时,传感器的输出电压为2·5V；转向盘转到左、右极限位置时,传感器的输出分别为0.9V和4.1V。
EPS控制器可根据转矩传感器输出电压的大小（=2·5、>2·5、<2·5）判断是否进行转向及其转动方向。
图2.3扭矩传感器输出特性
（2）速度传感器是将机械运动速度这个非电量变换成电量信号的传感器，如果按输出信号的模式可分为模拟式和数字式两种，按工作原理又可分为电容式、光电式、磁电式等。
①模拟式转速传感器是取其与被测转速成正比的电压幅度作为输出信号，称为测速发电机，测速发电机的构造简单可靠，耐振动冲击，速度范围小，但温漂较大，不适于高温环境。
②数字式传感器是取其与被测转速的频率成正比的电脉冲作为输出信号，按获取转速信号的方式可分为电涡流式，光电式和磁电式三种。
汽车系统中，速度传感器一般用的是数字式传感器，它以集电极开路形式输出的脉冲表示车速。
转速测量方法有很多，有测频率法、测周期法和自适应法。
此系统根据试验中设定的不同速度的车速信号来确定车速传感器，又根据车速频率与车速转换的关系，得出所需的车速传感器。
3.EPS装置试验台设计
3.1.EPS装置试验台要具备的功能
EPS测试系统试验台的设计目的不仅仅是测试EPS测试系统的一些相关数据，更主要的是利用测试所得的数据进行分析，为此系统的开发与设计提供建设性的观点和建议。
由于车辆在行驶的过程中受到诸多的环境因素的影响，所以测试试验台的一个重要功能是尽可能地模拟出车辆行驶是的实际情况，以使测得的试验数据能够比较真实反映实际效果，分析结果具有说服力。
使得试验台的设计能够为系统的研究与开发提供最直接的服务。
EPS测试系统试验台必须要具备的功能：
（1）要模拟出汽车在各种路况下行驶时产生对转向系统的阻力
汽车在行驶时，在不同的路况下汽车转向系统受到的阻力是不相同的，所以必须要考虑整个实际情况。
由于汽车产生的阻力是扭矩信号，所以在进行试验台零部件选型时，选择的部件必须能够产生不同的阻力扭矩。
在这里我们选择了磁粉制动器来作为产生阻力扭矩的零部件。
我们选择的依据是：
①激磁电流与转矩成线性关系，磁粉制动器是根据电磁原理并利用磁粉来传达转矩的，其传达之转矩与激磁电流基本成线性关系。
因此，只要改变激磁电流之大小，便可轻易地控制转矩之大小。
正常情况下，在5%至100%的额定转矩范围内
②稳定的滑差转矩，当激磁电流保持不变时，其传达之转矩不受传动件与从动件之间差速（滑差转速）之影响，即静力矩与动力矩无差别。
因此可以稳定地传达恒定之转矩。
此特性若运用于张力控制，则用户只需调节激磁电流之大小，便能准确控制并传达所需转矩，从而简便、有效地达到控制卷料张力的目的。
磁粉制动器的选型：
在这里我们选择磁粉制动器的是依据所需传达的最大转矩来选定，另外磁粉制动器的一个重要参数是滑差功率，选择的磁粉制动器要保证实际滑差功率小于允许滑差功率。
实际滑差功率：
P=2×3.14×M×n/60
式中:
M-----实际工作转矩（N.m）
n-----转速（r/min）
磁粉制动器在散热条件一定时，其滑差功率是一定值，因此其实际工作转矩与转速可以相互补偿，即滑差转速提高时，则许用转矩将相应下降，但最高转速不得高于其许可转速。
最终我们选择的磁粉制动器的型号是：
FZ100，因为根据这个制动器的额定转速和滑差功率，它符合我们测试系统的要求，其具体参数如下：
FZ100磁粉制动器，其额定转矩M=100N.m,滑差功率P=7KW
则额定转速n=9550*P/M=9550*7/100=668.5r/min
实际滑差转速n=1500r/min（式中9550为常数系数）
许用转距应为M=9550*P/n=9550*7/1500=44.6N.m
（2）能模拟出汽车在不同车速下提供给测试系统的电源信号
汽车EPS测试系统的输入信号有两路：
一路是扭矩输入信号，另一路则是车速输入信号。
之前我们已经选择了FZ100磁粉制动器来作为此测试系统的扭矩输入信号，所以我们只要选择模拟车速信号的发生器。
车速与频率之间的一个重要特性是频率与转速成正比。
根据这一特性，我们在这里选择频率发生器作为模拟车速信号的发生器。
在汽车测试系统里一般都是选择SKS-3005型号的频率发生器，它采用单片机技术，是一个专用信号发生器，信号幅值可以在5V和12V之间切换，能用于各种车型。
它的技术参数：
①正弦波信号（20Hz--900Hz），模拟车速、轮速等信号，5Vpp、12Vpp二档；
②方波信号（10Hz--10KHz），模拟各种光电、霍尔、频率型空气流量等传感器的数字信号，5Vpp、12Vpp二档；
③一路可变电阻信号（50欧--10千欧），模拟冷却水温、进气温度、油位信号等；
④一路可变电压信号（0--5V）,模拟各种电压信号如氧传感、节气门、进气压力、翼板式空气流量计等。
⑤频率与车速之间的转换关系为：
f=0.707V。
所以我们只要设定好所需车速所对应的频率就能得到我们试验所需的各种车速。
（3）能够显示出汽车方向盘产生的助力扭矩和磁粉制动器产生的阻力距
在解决了汽车两路输入信号即扭矩信号和车速信号的模拟仿真后，对产生的助力效果的显示则成为实验台设计时考虑的当务之急。
助力转向系统产生的助力效果必须通过数据形式反映出来。
由于EPS控制系统能对在不同的扭矩信号和车速信号下的助力，是通过传感器将信号传送给电子控制单元ECU的，由软件系统来执行。
所以进行在实际试验台助力测试时，考虑到试验台结构的合理性等相关问题，可以利用传动系统的自身特点，在方向盘上安装一个传感器，清晰反映出方向盘在正反转时，控制系统产生的实际扭矩数值。
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