电动助力转向毕业设计

汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。作用是使汽车在行驶过程中能按照驾驶员的操纵要求而适时地改变其行驶方向，并在受到路面传来的偶然冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶。因此，转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性和安全性。 

在汽车的发展历程中，转向系统经历了四个发展阶段：从最初的机械式转向系统（Manual Steering，简称MS）发展为液压助力转向系统（Hydraulic Power Steering，简称HPS），然后又出现了电控液压助力转向系统（Electro Hydraulic Power Steering，简称EHPS）和电动助力转向系统（Electric Power Steering，简称EPS）。国外趋势,由于电动助力转向系统具有以上诸多优点,国外许多汽车及零部件生产商纷纷致力于该技术的研究。在此之后,电动助力转向技术如雨后春笋般得到迅速发展。转向的趋势电动转向系统作为一种新型的转向系统。相比之下,国内的EPS的研究起步较晚。 

电助力转向系统的工作原理为:首先，转矩传感器测出驾驶员施加在转向盘上的操纵力矩，车速传感器测出车辆当前的行驶速度，然后将这两个信号传递给ECU；ECU根据内置的控制策略，计算出理想的目标助力力矩，转化为电流指令给电机；然后，电机产生的助力力矩经减速机构放大作用在机械式转向系统上，和驾驶员的操纵力矩一起克服转向阻力矩，实现车辆的转向。 

关键词：汽车转向系统 电动助力转向 转矩传感器 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 II 

ABSTRACT 

Automotive steering system is used to alter or keep cars driving direction of specialized institutions. Action is to make cars driving during the manipulation of the requirements in accordance with the driver timely change its driving direction, and by coming in occasional shock and road car accidentally deviation driving direction, driving system and with miming cars keep maintained together. Therefore, steering system's capability directly affects the manipulation stability and safety car. 

In automobile development course, Steering system experienced four stages of development: from the initial mechanical Steering system development for Hydraulic Steering system, then again appeared electronically controlled Hydraulic Steering system and Electric Power Steering system. Foreign trend, because of electric power steering system has above many merits, many foreign automobile and component manufacturers are committed to the technology research. After that, electric power steering technology is rapidly developing springing up. Steering trend electric steering system as a kind of new steering system. By contrast, domestic EPS research startting evening. 

Electric power steering system for the working principle. First, the torque sensor measured on steering wheel drivers on the manipulation of the moment, the wheel speed sensors detect the vehicle driving speed, then present the two signals to ECU; According to the built-in control strategy: ECU, calculates the ideal target booster torque, into current instructions to motor; Then, the power generated by the torque motor slowdown institutions amplification on steering system in mechanical manipulation of the moment, and the driver together to overcome resistance torque, realize to the vehicle steering. 

Key words: Automotive steering system Electric power steering Torque sensor 北京理工

目 录 

摘 要 ......................................................................................... I 

ABSTRACT ............................................................................... II 

1 概述 ...................................................................................... 1 

1.1引言 ............................................................................................... 1 

1.2对转向系统的要求 ...................................................................... 1 

1.3转向系统的分类 .......................................................................... 2 

1.4电动助力转向系统发展历史 ...................................................... 2 

1.5助力转向系统的优劣 .................................................................. 3 

1.6研究目的 ...................................................................................... 5 

2 EPS系统的工作原理及分类 .............................................. 6 

2.1EPS系统的分类 ............................................................................ 6 

2.1.1转向轴助力式 ........................................................................... 6 

2.1.2转向小齿轮助力式 ................................................................... 6 

2.1.3转向齿条助力式 ....................................................................... 6 

2.2EPS系统的组成 ............................................................................ 7 

2.3EPS系统的工作原理.................................................................... 7 

3 EPS结构设计要求及主要零部件选型 .............................. 9 

3.1电动助力转向系统选型 .............................................................. 9 

3.2结构设计分析 .............................................................................. 9 

3.2.1设计要求分析 ........................................................................... 9 北

3.2.2实现形式 ................................................................................... 9 

3.3主要零部件选型 ........................................................................ 10 

3.3.1直流电机选型 ......................................................................... 10 

3.3.2电磁离合器的选型 ................................................................. 12 

3.3.3转矩传感器选型 ..................................................................... 13 

4 机械结构设计 .................................................................... 16 

4.1减速机构设计 ............................................................................ 16 

4.1.1减速器结构设计 ..................................................................... 16 

4.1.2减速器齿轮齿圈设计 ............................................................. 17 

4.1.3强度校核 ................................................................................. 19 

4.2传动锥齿轮设计 ........................................................................ 23 

4.2.1外形尺寸设计 ......................................................................... 23 

4.2.2锥齿轮校核 ............................................................................. 24 

5 EPS控制系统 .................................................................... 27 

5.1EPS控制原理 .............................................................................. 27 

5.2EPS控制策略 .............................................................................. 28 

5.3EPS控制流程 .............................................................................. 29 

6 电动助力转向仿真分析 .................................................... 30 

6.1引言 ............................................................................................. 30 

6.2系统仿真模型的建立 ................................................................ 30 

6.3系统仿真分析 ............................................................................ 31 北

6.4结论 ............................................................................................. 33 

总结与展望 .............................................................................. 34 

参考文献： .............................................................................. 35 

附录：外文文献 ...................................................................... 36 

原文 ................................................................................................... 36 

译文 ................................................................................................... 41 

致 谢 ...................................................................................... 44 北京 

1 概述 

1.1引言 

用来改变或保持汽车行驶或倒退方向的一系列装置称为汽车转向系统(steering system)。汽车转向系统的功能就是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向。汽车转向系统对汽车的行驶安全至关重要，因此汽车转向系统的零件都称为保安件。汽车转向系统分为两大类：机械转向系统和动力转向系统。完全靠驾驶员手力操纵的转向系统称为机械转向系统。借助动力来操纵的转向系统称为动力转向系统。动力转向系统又可分为液压动力转向系统和电动助力动力转向系统。 

1.2对转向系统的要求 

在汽车行驶中，转向运动是最基本的运动。我们通过方向盘来操纵和控制汽车的行驶方向，从而实现自己的行驶意图。在现代汽车上，转向系统是必不可少的最基本的系统之一，它也是决定汽车主动安全性的关键总成，如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车厂家和科研机构的重要课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同的驾驶人群，汽车的操纵性设计显得尤为重要。 

对转向系提出的要求有： 

(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) 汽车转向行驶后，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，转向轮不得产生自振，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，保证转向盘与转向轮转动方向一致。 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 2 

1.3转向系统的分类 

由于助力转向系统具有转向轻便和响应性好等优点，已经在汽车上广泛使用。 目前汽车配置的助力转向系统可分为以下3类。 

(1) 机械式液压助力转向系统； 

机械式液压助力转向系统在汽车上的应用最为广泛，系统的核心部件是机械液压泵。液压泵通过传动皮带由发动机驱动， 属于固定助力效果的助力转向系统。具有明显的缺点，转向系统的助力效果在车速较低时能够起到很好的作用，但是当车速不断升高时，固定的助力效果会使转向盘过于灵敏，不利于驾驶者对方向进行控制。 

(2) 电子液压助力转向系统； 

电子液压助力转向系统是机械式液压助力的改进， 通过电子控制技术在助力转向系统上增加了车速感应式转向功能，以实现车辆低速行驶时助力力矩大和高速行驶时助力力矩小的效果，但是结构太复杂，而且液压系统由于液体的惯性和可压缩性，导致转向滞后影响操作。再者，液压油也对环境造成污染。能量损耗很大。 

(3) 电动助力转向系统(EPS)。 

EPS是在机械转向系统的基础上，将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统之中，根据作用在转向盘上的转矩信号和车速信号，通过电子控制装置使电机产生相应大小和方向的辅助力，协助驾驶员进行转向操作，并获得最佳转向特性的伺服系统,EPS能显著改善汽车动态性能和静态性能，提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性，减少环境的污染。因此，该系统一经提出，就受到许多大汽车公司的重视，并进行开发和研究。 

1.4电动助力转向系统发展历史 

随着电子技术在汽车领域的广泛应用，电子化将成为汽车发展的必然趋势。因此，现代汽车的转向系统已经从最初的机械式转向、液压助力转向发展到电动助力转向。现在电动助力转向的优越性也将越来越突出。 

电动助力转向可以利用动力产生辅助主力的装置，减轻驾驶员转动方向盘的操作力，动力和手动操作会产生和转向助力相平衡的辅助力，使车辆转向运动，获得一个好的手感。具有节能环保、回正性好、效率高、路感好、操纵稳定性、转向跟随性、转向灵敏性等优点，是现代汽车转向系统发展的一个重要方向。 

早在1988年2月日本铃木公司就研究电动助力转向系统EPS（Electrical Power Steering）并装车使用，主要装配在微型车上。随后还应用在其Alto车上。在此之后，电动助力转向技术得到迅速发展。1993年，本田汽车公司首次将电动助力转向系统大批量生产应用于在国际市场上同法拉利和波尔舍竞争的NSX跑车上。同时在欧美市场司，美国的Delphi汽北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 3 

车公司、TRW公司、德国的ZF汽车公司等，都相继推出了各自的电动助力转向系统。虽然比日本晚了10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。 

在汽车的发展历程中，转向系统经历了四个发展阶段：从最初的机械式转向系统（Manual Steering，简称MS）发展为液压助力转向系统（Hydraulic Power Steering，简称HPS），然后又出现了电控液压助力转向系统（Electro Hydraulic Power Steering，简称EHPS）和电动助力转向系统（Electric Power Steering，简称EPS）。装配机械式转向系统的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重，为了解决这个问题，美国GM公司在20世纪50年代率先在轿车上采用了液压助力转向系统。但是，液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性，因此在1983年日本Koyo公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统。这种新型的转向系统可以随着车速的升高提供逐渐减小的转向助力，但是结构复杂、造价较高，而且无法克服液压系统自身所具有的许多缺点，是一种介于液压助力转向和电动助力转向之间的过渡产品。到了1988年，日本Suzuki公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统；1990年，日本Honda公司也在运动型轿车NSX上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。 

我国汽车电子行业的总体发展相对滞后，但随着世界节能环保的两大主题推广后，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、科研机构和企业已经纷纷开始对EPS这一领域进行了研究，使得EPS得到了迅速的发展。尽管国内有许多家企业在进行EPS研发试装，但是由于转向系统是汽车的必需件，国家对整车安全有非常严格的要求，所以EPS的稳定性和可靠性成为产业化进展的关键。 

1.5助力转向系统的优劣 

随着汽车电子技术的日益发展，对汽车设计的要求以及对汽车的控制水平的要求也越来越高，尤其对汽车的节能和环保特性的要求越来越高。传统的液压助力转向系统(HPS)存在的消耗能源和环境污染等不足己变得越来越明显，不能完全满足时代发展的需求。 

而电动助力转向系统(EPS)将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统，能明显改善车辆的静态性能和动态性能、有效提高行驶中驾驶员的轻便性和安全性、同时也更加节能和环保。 

对于纯电动汽车而言，采用EPS是必然选择，因为它本身不用内燃机，助力转向系统动力的来源只有来自电机，所以纯电动汽车动力转向系统的选择只能是EPS或者EHPS，一般来讲，设计者都是趋向于选择EPS。 

因此，未来的转向系统中，电动助力转向将成为汽车动力转向系统的主流，对该系统北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 4 

进行开发和研究成为越来越多的汽车企业和科研机构的工作重点。与其它助力转向系统相比，该系统突出的优点体现在: 

(1) 更加节能与环保； 

EPS由于没有液压装置，属于典型的“按需供能型”( on-demand )系统，即只有转向时系统才工作，而车辆没运行或者直线行驶时不消耗能量，这样将消耗相对较少的能量。因而与液压动力系统相比，在各种行驶状况下均可节能80%到90%。而在不转向情况下，装有EPS的车辆燃油消耗将降低2.5%;在使用转向情况下，则降低5.5%。同时又由于在40℃的低温下，EPS也能够很好地工作，而传统的液压系统要等到液压油预热后才能正常工作，因为EPS没有起动时的这样一个预热过程，所以也节省了能量。EPS同时不存在传统液压助力转向系统中液态油的泄漏问题，从而也避免了环境污染，顺应了环保的时代要求。 

(2) 助力效果更好； 

EPS可以针对车辆行驶的各种工况，通过优化助力特性曲线，使得助力更加精确，助力效果更加理想。另外还可以采用阻尼控制减小由路面不平产生的对转向系统的干扰，保障汽车低速行驶时的转向轻便性，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。 

(3) 重量大大减少； 

与HPS相比，EPS的结构更加简单，零件数目也大大减少，因而带来重量的大大减轻，同时还使布置更加方便，并且降低了工作时的噪声。 

(4) 安全性更好； 

与HPS比较，当EPS出现故障时，系统可通过电磁离合器立即切断电机与减速传动机构的动力传送，迅速转入纯机械转向状态。另外由于直接由电机提供助力，因此EPS于车辆的驱动系统的工作，只要电动汽车的DC-DC不发生故障，即使在车辆未启动或出现其它故障时也能提供助力。 

(5) 生产和开发周期更短； 

EPS的前期研发时间较长，但是一旦设计完成，就可以通过修改相应的程序，快速实现与特定车型的匹配，因而能大大减少针对不同车型的研发时间。 

(6) 改善了转向系统的回正特性； 

在一定的车速下，当驾驶员转动转向盘一个角度后松开，车辆本身具有使车辆回到直线行驶方向的能力，这是车辆固有结构所决定的。EPS系统可以对该回正过程进行控制，利用软件在最大限度内调整设计参数以使车辆获得最佳的回正特性。而在传统的液压控制系统中，汽车设计一旦完成，其回正特性就不能再改变，否则必须改造底盘的机械结构，实现起来有较大困难； 

(7) EPS效率一般较HPS高，使用车辆范围广，尤其适用于电动汽车。 

北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 5 

电动助力转向系统自20世纪80年代中期提出以来，作为今后汽车动力转向系统的发展方向，同时也作为节能环保的高科技产品，必将取代现有的机械转向系统、液压助力转向系统和电控液压助力转向系统，而成为汽车动力转向系统的主流。 

1.6研究目的 

(1)汽车电子化是当前汽车技术发展的必然趋势。继电子技术在发动机、变速器、制动器和悬架等系统得到广泛应用之后,EPS在轿车和轻型汽车领域正逐步取代传统液压助力转向系统并向更大型轿车和商用客车方向发展,它己成为世界汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一,所以它具有广泛的应用前景； 

(2)按转向动力能源不同,汽车转向系统可分为机械式转向系统和动力转向系统两大类； 

(3)传统转向系统就是由简单的机械来传递动力,主要的组成是有方向盘、转向器总成、以及转向拉杆等零件组成； 

(4)随着电子技术的发展,电子控制式机械—液压动力转向系统应运而生,该系统在某些性能方面优于传统的液压动力转向系统,但仍然无法根除液压动力转向系统的固有缺憾就是管内压力和油的泄露。替液压动力转向系统的趋势。 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 6 

2 EPS系统的工作原理及分类 

2.1EPS系统的分类 

目前电动助力转向系统总共分为3类：转向轴助力式，转向小齿轮式，转向齿条式。 

2.1.1转向轴助力式 

转向轴助力式电动助力转向系统是将转向助力部分安装在转向轴管上，辅助力矩由助力电机经过减速机构和传动机构传递到转向轴上，从而实现助力效果。这种助力方式在结构上安装很方便，但其助力较小，一般用于小型汽车上。结构如图2-1(a)所示。 

2.1.2转向小齿轮助力式 

转向小齿轮助力式电动助力转向系统是将辅助机构安装在转向小齿轮上，辅助力矩由助力电机发出后经过减速系统和传动系统直接作用在转向小齿轮上。这种结构的助力方式能够提供较大的辅助力矩，适合用于需要较大助力的中型车上。但由于结构方面的原因，使得安装不是很方便。结构如图2-1(b)所示。 

2.1.3转向齿条助力式 

转向齿条助力式电动助力转向系统是将辅助部分安装在转向齿条上，辅助力矩由辅助电机发出后经过减速和传动机构作用在齿条上以达到助力的目的。齿条助力方式能够提供很大的转向助力力矩，适合用于转向力矩较大的大型车上。但其安装和结构很复杂。结构如图2-1(c)所示。 

(a) (b) (c) 

图2-1 电动助力转向系统的类型 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 7 

2.2EPS系统的组成 

电动助力转向系统是在传统机械转向机构的基础上发展起来的。此转向系统不同车上的结构部件尽管不尽一样，但其基本原理是一致的。系统通常由转向（转矩）传感器、电子控制单元、电动机、电磁离合器和减速机构等组成。汽车电子控制动力转向系统的组成如图2-2所示。 

图2-2 电动助力系统结构示意图