电动助力转向试验台架设计.docx
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电动助力转向试验台架设计
电动助力转向试验台架设计
第1章引言
从上世纪50年代出现了汽车助力转向系统以来，经历了机械式、液压式、电控液压式等阶段，80年代开始研制电子控制式电动助力转向系统，简称EPS（ElectricPowerSteering）。
EPS在机械式助力转向系统的基础上，用输入轴的扭矩信号和汽车行驶速度信号控制助力电机，使之产生相应大小和方向的助力，获得最佳的转向特性。
EPS用仅在转向时才工作的助力电机代替了在汽车运行过程中持续消耗能量的液压助力装置，简化了结构，降低了能耗，动态地适应不同的车速条件下助力的特性，操作轻便，稳定性和安全性好，同时，不存在油液泄露和液压软管不可回收等问题。
可以说，EPS是集环保、节能、安全、舒适为一体的机电一体化设计。
在EPS研究伊始，因为成本问题难以投入商业生产，再实验室阶段停留了许多年。
随着控制元件成本大幅度降低，使EPS的实际应用成为可能。
1988年3月日本铃木公司率先开发出商用EPS,1993年本田汽车公司将EPS装备于爱克NSX跑车，取得良好的市场效果。
不久，美国的德尔费公司生产的EPS被菲亚特轿车作为标准装备。
此后，日本的大发、三菱、本田，美国的TRW，德国的ZF都相继研制出各自的EPS产品。
1999年，奔驰和西门子开始投巨资开发EPS。
据专家预测，到2010年，全世界30%的轿车将会安装EPS。
国产汽车的动力转向器目前还处在机械—液压阶段，EPS的研究尚处于起步阶段。
仅有为数有限的高校对EPS进行过系统结构方案设计、系统建模和动力分析等探索性研究。
为了便于了解其性能，开始了电动助力转向性能实验台的研制。
由于这种实验台还没有相关的行业标准，本文借鉴了普通汽车转向器总成台架以及汽车动力转向器总成台架实验方法，并针对电动助力转向器的特点进行了实验方法的设计和实验台架的设计。
实验方法设计中根据普通转向器以及汽车动力转向器总成台架实验方法中提到的几项常规实验和重要性能实验，结合现有的技术及设备条件进行归纳总结，确定八项功能实验，测定十项性能，以及进行可靠性实验，并规定了实验的先后顺序。
而在实验中，液体压力模拟路面载荷对转向器加载，通过将各种传感器、电流计、计数器等测试装置测得的参数输入控制面板，经数据处理以后，将实验结果输出。
第2章转向系概述
转向系的功用是把汽车转向盘的转动变为转向车轮的方向变动。
（a）基本原理（b）齿轮齿条转向器
图2-1转向装置（示意图）
1、转向节臂
2、外拉杆
3、支承臂
4、横拉杆、齿条
5、转向盘
6、转向轴
7、转向器
8、转向摇臂
2.1对转向系的要求
根据欧洲标准（准则）70/311/EWG,转向系必须确保汽车转向轻便和安全:
对于充分适用的转向系统,其最大允许作用时间和作用力均由这些法规确定（见表2-1），这些规定必须遵守。
表2-1转向作用力的法规
车辆类别
充分适用的转向系统
有缺陷的转向系统
最大作用力
/daN
时间
/s
转弯半径/m
最大作用力
da/N
时间
/s
转弯半径
/m
M1
M2
M3
N1
N2
N3
15
15
20
20
25
20
4
4
4
4
4
4
12
12
12
12
12
12
（1）
4030
45
30
40
45
（2）
4
4
6
4
4
6
20
20
20
20
20
20
（1）假如此值达不到，则转向锁止；
（2）不包括摩擦转向桥，没有或装有两个或更多转向桥的车辆，此值为50daN
2.2转向运动学
转向运动学及车轴的设计必须使驾驶员能感到车轮与路面附着状况的反馈，而在转向盘上却不得感受到悬架运动或驱动力（对前轮驱动的车辆）反传上来的任何力。
主销内倾在车轮偏转一个角度时能使汽车前部抬高，这样就产生一个随转向角大小而变化的回正力矩。
前束（后束）实际上是形成一个侧偏角，即使在直线行驶时也存在。
它能使各拉杆绷紧，并且当车轮转向后能够迅速建立起侧向力。
后倾给侧向力一个力臂，也就形成一个随车速而变的回正力矩。
偏置矩决定外界干扰力（如左右制动力不均匀、前轮驱动的汽车在驱动或是滑转条件下的牵引力）对转向系的影响程度。
当今的设计目标是让注销偏置距处于“零”到“很小的负值”之间。
2.3转向系的性能
对转向系性能的要求可归纳如下：
1、来自路面不平度所引起的振动应尽可能被衰减，而不致传到转向盘上。
然而，这种衰减又不能使驾驶员丧失路感。
2、转向系运动学的基本设计必须满足阿克曼条件（Ackermann）条件：
在转向时，左、右转向前轮轴线的延长线都要和后轴的延长线相交于一点。
见图2-3。
3、转向系应有合适的刚度（特别是使用橡胶联接件时），使汽车对微小的转向修正也有快捷的反应。
4、当放松转向盘时，车轮应能自动回到直行位置，并能稳定在这个位置上。
为了操纵方便，转向传动比（转向盘从一侧转到另一侧极限位置的总圈数）应尽可能小。
与此有关的转向力不仅取决于转向传动比，还取决于前桥负荷、转弯半径的大小、车轮悬架布置（后倾角、主销内倾角、转向偏置距）以及轮胎胎面花纹。
图2-3转向时车轮理想偏转角
操纵特性
汽车的操纵特性常用“过度转向”和“不足转向”这两个术语来评价。
过度转向是指实际转向转弯半径小于与转向盘转角对应的转弯半径；而不足转向的汽车，则产生较大的转弯半径。
这种固有的转向性能是对车轮侧偏角的不同要求所造成的，而随着离心力的增大，当前后轴的侧向力与车轮垂直载荷之比的变化不同时，侧偏角增大。
正常情况下，希望是中性转向特性。
虽然中性转向能最好地利用侧向力（即达到最大的转向速度），但却减弱了驾驶员对汽车稳定极限的主观感觉。
此外，还无法预计汽车的制动甩偏，因为前桥或后桥都有可能发生制动甩偏。
因此，大多数汽车制造厂家都将汽车做成具有轻微的不足转向；在这种情况下，汽车制动甩偏会导致它回到可预计的原直驶路线。
2.4转向系的类型
转向系可分为三类：
——人力专向系，再该系统内，转向力仅由驾驶员提供。
——动力转向系，在该系统内，转向力完全由汽车的动力源提供。
它不适用于高速车辆。
——动力助力转向系，在该系统内，转向力由驾驶员和动力源共同提供。
用于高速车辆。
液压动力助力转向系
动力源
动力源包括一个泵（通常由发动机驱动），一个贮油罐以及相应的软管和硬管。
泵——通常是带有内部旁通道的叶片泵——必须设计成这样：
即使在发动机怠速时，它所供给的流量也足以满足转动速度达1.5rad/s的需求。
发动机转速增高致使液流压力升高时，即靠与油泵做成一体的限流阀来限压。
而且，通常还有一个与泵做成一体的限压阀，以保证液压系统正常工作。
控制阀
转向控制阀的功能是使助力缸按转向盘的旋转运动建立起相应的油压。
采用柔性的力矩感应元件（如扭杆、盘旋弹簧、片簧）精确地将力矩转换成无游隙的、尽可能小的控制行程。
依据控制行程使阀芯的边缘做成倒角或斜角，移动之后其边缘则形成相应的液流通道的截面开度。
转向助力缸
双向作用的转向助力缸把作用于其上的油压转换成作用在齿条上的助力，增强了驾驶员施加的转向力。
转向助力缸的摩擦必须特别小，因此，对活塞和活塞杆的密封圈要求特别高。
2.5转向器的类型
转向器必须具有下述的品质：
——在直驶位置时没有游隙；
——低摩擦，从而具有高效率；
——高刚性；
——可调整性。
齿轮齿条式转向器
齿轮齿条式转向器主要由一根齿条和一个小齿轮所组成。
其转向传动比由小齿轮的转数（等于转向盘的转数）与齿条的相应行程的比值来确定。
齿条采用适当的齿形可以使传动比在整个行程中是变化的。
这样可以减少为修正转向所需的作用力或行程。
循环球式转向器
转向螺杆与螺母之间的作用力是通过一串低摩擦的循环钢球来传递的。
转向螺母通过齿轮啮合到转向摇臂上。
这种转向器可以是可变传动比的。
蜗杆曲柄指销式转向器
蜗杆曲柄指销式转向器的传动副以转向蜗杆为主动件，其从动件是装在摇臂轴曲柄端部的指销。
转向蜗杆转动时，与之啮合的指销即绕摇臂轴轴线沿圆弧运动，并带动摇臂转动。
第3章电动助力转向系统
3.1电动助力转向系统的基本组成
电动助力转向系统的基本组成如图3-1-1所示，主要由车速传感器、扭矩传感器及转向角传感器、电控单元（ECU）、电动机及减速机构等组成。
电动机连同离合器和减速齿轮一起，通过一个橡胶底座安装在左车架上。
电机的输出转矩由齿轮放大，并通过万向节、转向器中的助力小齿轮把输出转矩传送给齿条，以便向转向轮提供推转矩。
电控单元（ECU）根据各传感器的输入信号确定助力转矩的幅值和方向，并直接控制驱动电机。
系统有转矩传感器、转向传感器和车辆速度传感器作为助力转矩的信号源。
转矩传感器和转向传感器安装在输入轴上（也可以安装在转向齿轮箱内），车辆速度传感器安装在仪表盘内。
驾驶者在操纵方向盘时，给输入轴输入了角位移θ1，输入轴和输出轴之间的相对角位移使扭杆受扭，扭矩传感器将扭杆所受到的扭矩mh转化为电压信号输入控制装置并控制电机的助力和方向。
系统的安全装置由一个在主电源电路中能切断电源的继电器和一个安装在电机和减速器之间，并能够把它们断开的电磁离合器组成。
只要系统发生故障，这些安全装置就开始工作，确保安全。
系统多采用永磁直流电机。
为了改善电机的操作稳定性，降低振动和噪声，常在电机转子周缘开设斜槽或不对称环槽。
3.２电动转向系统的工作原理
电动转向系统的电子控制原理如图３－２－１所示。
图３－２－２是系
统对转矩、车速、及转向角传感器的输出信号进行综合处理与转换的原理框图。
（1）速度控制。
当汽车行驶速度高于４５km/h时，系统停止对电动机的供电，离合器处于分离状态，此时按普通转向控制方式工作。
（2）电动机电流的控制。
系统根据汽车转向力矩和车速信号来确定电动机的驱动电流，并向电动机输入电流。
车速很低时转向需要的助力大，此时供给电动机的电流值很大；当车速接近４５km/h时，需要的转向助力减小，故电动机输入的电流也减小；当车速高于４５km/h时，转向无需助力，电动机的电流被自动切断。
３.３电动助力转向的系统模型分析
电动助力转向系的助力作用通过扭矩传感器所检测到的扭矩信号mh和车速信号n确定。
扭矩信号
与输入轴和输出轴的角位移成正比，所以，方向盘转角θ１（t）（即输入轴的转角）、输出轴的转角θ２（t）和扭矩信号mh（t）之间的关系是：
或
（1）
式中，K0为比例系数。
对扭矩信号mh通过调节器进行比例、积分和微分运算得到扭矩的电压信号：
（2）
式中，Kp为比例增益；Ki为积分增益；Kd为微分增益。
本系统中，比例增益Kp是最重要的，它将直接影响助力器控制作用的强弱，同时加大Kp还可以减小系统的稳态误差，提高系统的动态响应速度。
通常需要选较大的比例增益，但Kp过大会使动态质量变坏，引起被控制量振荡甚至导致系统不稳定。
在比例调节的基础上加上积分控制可以用来消除系统的稳态误差，直至积分的值为零，控制作用才停止。
但过高的积分增益Ki会使系统的动态过程变慢，超调量增大，以致使系统的稳定性变坏。
微分控制能够预测误差，产生超前的校正作用，有助于减少超调、克服振荡、使系统趋于稳定并能加快系统的动作速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能，但过高的微分增益Kd会放大噪声信号。
通过试验可以确定适合的Ki和Kd，一般选用值较Kp要小。
3.4转矩传感器
3.4.1无触点式转矩传感器
转矩传感器的结构原理如图3-4-1所示，由定子和转子两大部分组成，其定子和转子用磁性材料做成，定子和转子间形成了闭合磁路。
在定子的A,B,C,D四个极靴上绕有线圈，接成一个桥式回路，转向盘扭转变形的扭转角与转矩成比例，只要测定杆出现的转角，就可以间接地知道转向力的大小。
图3-4-1
3.4.2滑动电阻式转矩传感器
滑动电阻式转矩传感器的结构如图3-4-2所示。
主要有：
控制臂、电位计、滑块、输入轴、输出轴、扭杆等组成。
其工作原理：
当转向系统工作时，输入轴和输出轴的旋转方向产生偏移、扭杆产生转矩，与此同时滑块沿轴向移动，控制臂将滑块的轴向移动变换成电位计的旋转角度，将转矩值变换成电压量，并输入到控制组件中。
3.4.3光电式转向传感器
光电式转向传感器也称光电式变化率传感器，它用来检测转向轴的旋转方向及旋转角度。
其结构如图3-4-3-1所示。
在转向器的轴上，设有一个遮光盘，夹于遮光盘两侧的是两组光电耦合组件，光电耦合组件安装在转向管柱上。
其工作原理：
当转向器轴转动时，遮光盘也随之转动，因遮光盘整个圆周上均匀开有许多槽，遮光盘上的槽与齿使光电耦合组件之间的光断续地通断，由此就可以检测出旋转角度，如图3-4-3-2所示。
转向传感器的工作过程也可用图3-4-3-3所示的电路图来予以说明。
图中的光敏三极管在遮光盘的作用下，或者导通，或者截止，根据三极管导通、截止的速度，就可以检测出转向器的速度。
此外，TV1和TV2之间的导通与截止，相位差90。
，根据先导通的脉冲信号（波形下降）可检测出转向器的旋转方向。
第4章实验参数、方法及条件
4.1实验参数
根据《汽车转向器总成台架实验方法》（QC/29096-1992，普通转向器实验标准）和《汽车转向器总成台架实验方法》（QC/T529-200，汽车动力转向器总成台架实验方法）结合电动助力转向器的特点，确定测试如下的性能指标：
（1）输入轴全转角——输入轴从一极端位置旋转至另一极端位置的总圈数。
（2）空载动力转矩——输入轴在不同转角时的扭矩。
（3）角传动比特性——
输入轴转角增量/转向摇臂轴转角增量。
（4）线角传动比——
，齿条位移量/输入轴转角增量。
（5）自由间隙——输入轴在无手感状态下的转动角度。
（6）转向力特性——输出端刚性地固定在直行位置时，转动输入端，电动机工作电流达到最大时输入转矩与工作电流之间的关系。
（7）转向灵敏度——电动机工作电流由小到大过程中输入转矩与工作电流间的关系。
（8）传动间隙特性——输入轴某一固定转角下，转向摇臂轴上正反10N.m的力矩对应的转角或正反400N的力对应的位移。
（9）动效率——对于助力转向常采用齿轮齿条式转向器，只考虑齿轮齿条式转向器的效率测定：
（10）回正能力——输出端施加最大输出力矩8%载荷时，输入两极端位置时间。
4.2实验方法和条件
根据普通转向和动力转向实验标准设定实验方法和实验条件如下：
（1）输入轴转角测定：
将总成安装在实验台架上，测量输入端从一个极端位置转到另一个极端位置所转过的圈数。
（2）空载动力转矩测定：
驱动输入轴，测定输入轴在不同转角时的扭矩。
测量误差不得大于5%测定条件：
齿条为空载；
输入轴转速不大于10r/min。
（3）角及线角传动比测定
驱动输入轴，测出输入轴转角Ф和转向摇臂轴相应转角β及齿条位移L分别取增量ΔΦ，Δβ和ΔL，代入以下公式，分别可得角传动比和线角传动比
（1）
，
（2）
测定条件：
测定范围不小于输入全转角的90%；
测量点间隔：
输入轴转角增量不大于45º，变速比转向器输入轴增量不大于18º；
输入轴转角增量误差不大于10º，转向摇臂轴不大于15º，齿条位移测量误差不得大于0.01mm。
（4）自由间隙的测定方法：
将总成安装再实验台架上，把输出端刚性的固定在直线行驶的位置上，在无手感的情况下，平稳、缓慢地转动输入轴，测出输入端转过的角度。
为避免待测件发生弹性形变，转动应在无手感状态下进行。
（5）转向灵敏度及转向力测定：
将总成安装在实验台架上，把输入轴刚性地固定在直线行使位置，分别向两个方向转动输入端，做到电流达到总成最大工作电流为止，同时记录输入转角、转矩与电动机工作电流间的关系。
分别测出总成在最大工作电流下的左右转角和转向力矩。
（6）传动间隙特性测定：
输入轴每转一定角度后，由于在转向摇臂轴上施力需额外的扭矩传感器，故采用在齿条上施加正反400N的力，测量齿条相应的位移，测量结果按普通转向实验标准附录3及附录图3的格式给出。
测定条件：
测定范围不小于输入轴全转角的90%；
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