汽车电动助⼒转向机构的设计
引⾔
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[1]。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。
第1章概述
1.1电动助⼒转向的优点
与传统的转向系统相⽐，电动助⼒转向系统最⼤的特点就是极⾼的可控制性，即通过适当的控制逻辑，调整电机的助⼒特性，以达到改善操纵稳定性和驾驶舒适性的⽬的。作为今后汽车转向系统的发展⽅向，必将取代现有的机械转向系统、液压助⼒转向系统和电控制液压助⼒转向系统[2]。
相⽐传统液压动⼒转向系统，电动助⼒转向系统具有以下优点：
（1）只在转向时电机才提供助⼒，可以显著降低燃油消耗
传统的液压助⼒转向系统有发动机带动转向油泵，不管转向或者不转向都要消耗发动机部分动⼒。⽽电动助⼒转向系统只是在转向时才由电机提供助⼒，不转向时不消耗能量。因此，电动助⼒转向系统可以降低车辆的燃油消耗。
与液压助⼒转向系统对⽐试验表明：在不转向时，电动助⼒转向可以降低燃油消耗2.5%；在转向时，可以降低5.5%。
（2）转向助⼒⼤⼩可以通过软件调整，能够兼顾低速时的转向轻便性和⾼速时的操纵稳定性，回正
性能好。传统的液压助⼒转向系统所提供的转向助⼒⼤⼩不能随车速的提⾼⽽改变。这样就使得车辆虽然在低速时具有良好的转向轻便性，但是在⾼速⾏驶时转向盘太轻，产⽣转向“发飘”的现象，驾驶员缺少显著的“路感”，降低了⾼速⾏驶时的车辆稳定性和驾驶员的安全感。
电动助⼒转向系统提供的助⼒⼤⼩可以通过软件⽅便的调整。在低速时，电动助⼒转向系统可以提供较⼤的转向助⼒，提供车辆的转向轻便性；随着车速的提⾼，电动助⼒转向系统提供的转向助⼒可以逐渐减⼩，转向时驾驶员所需提供的转向⼒将逐渐增⼤，这样驾驶员就感受到明显的“路感”，提⾼了车辆稳定性。
电动助⼒转向系统还可以施加⼀定的附加回正⼒矩或阻尼⼒矩，使得低速时转向盘能够精确的回到中间位置，⽽且可以抑制⾼速回正过程中转向盘的振荡和超调，兼顾了车辆⾼、低速时的回正性能。
（3）结构紧凑，质量轻，⽣产线装配好，易于维护保养电动助⼒转向系统取消了液压转向油泵、油缸、液压管路、油罐等部件，⽽且电机及减速机构可以和转向柱、转向器做成⼀个整体，使得整个转向系统结构紧凑，质量轻，在⽣产线上的装配性好，节省装配时间，易于维护保养。
（4）通过程序的设置，电动助⼒转向系统容易与不同车型匹配，可以缩短⽣产和开发的周期。
由于电动助⼒转向系统具有上述多项优点，因此近年来获得了越来越⼴泛的应⽤。电动助⼒转向系统
是在机械式转向系统的基础上，加装了电机及减速机构、转矩转⾓传感器、车速传感器和ECU电控单元⽽成。
1.2国内外发展状况
1953年通⽤汽车公司⾸次使⽤了液压助⼒转向系统。80年代后期，⼜出现了变减速⽐的液压助⼒转向系统。由于变速⽐液压转向系统具有相对良好的操纵性能，⾄今仍在⼀些⾼档汽车上应⽤。之后随着节能环保要求的提⾼，变流量泵液压助⼒转向系统和电动液压助⼒转向(EHPS)系统应运⽽⽣。变流量泵助⼒转向系统在汽车处于⽐较⾼的⾏驶速度或者不需要转向的情况下，泵的流量会相应减少，从⽽达到节省能源的⽬的。电动液压转向系统采⽤电动机驱动转向泵，转向泵⽆需再随发动机同步转动，不需要转向助⼒的时候转向泵关闭，可以在很⼤程度上节省能源。
但⽆论是变流量泵还是电动液压助⼒转向系统，由于液压转向系统的固有特性⽽难以实现效率上的突破，被电动助⼒转向系统(EPS)所替代已经成为⼀种必然。
EPS在⽇本最先获得实际应⽤。此后，电动助⼒转向技术得到迅速发展。鉴于电动助⼒转向系统良好的应⽤前景，国外许多研究机构和汽车公司对电动助⼒转向系统进⾏了⼤量的研究，使这项技术⽇趋成熟。从发展上来⾔可体现在以下⼏个特点：⼀是节能环保。电动助⼒转向系统能量消耗仅为液压助⼒转向
进口车关税是多少系统的20%，在当今能源严重短缺的严峻情况下，这是⼀个很有优势的特点。⼆是装配效率⾼。电动转向系统零件数⽬少，减少了装配的⼯作量，节省了装配时间，提⾼了装配效率。三是提供可变的转向助⼒。电动转向系统的转向⼒来⾃于电机，通过软件编程和硬件控制，可得到覆盖整个车速的可变转向⼒。四是安全性⾼。由于电动机由蓄电池供电，是否能够实现助⼒与发动机是否起动⽆关，所以即使在发动机熄⽕或出现故障时也能提供助⼒。
与国外相⽐，我国的电动转向研究在很长的⼀段时间⾥是空⽩,⽬前国内已经有数⼗家⼤专院校和国营、民营企业开发该产品，并取得了⼀定的进展。但由于电控单元运算速度和控制理论的影响，汽车电动助⼒转向的研制⼯作尚需进⼀步的发展。
第2章 EPS 的硬件系统
2.1电动助⼒转向系统的组成原理
控制器、电动机、离合器和减速机构等组成[3]。当转动转向盘时，扭矩传感器测出施加于转向轴的扭矩，并产⽣⼀个电压信号。与此同时，速度传感器测出汽车的车速，也产⽣⼀个电压信号，这两个信号均被传送到控制器，经过控制器运算处理后，传送给电动机⼀个合适的电流以产⽣扭矩，经减速机构减速以增加扭矩，施加在汽车的转向机构上，得到⼀个与⼯况相适应的转向作⽤⼒。
电动助⼒转向机构的⼯作原理如下：
当驾驶员对转向盘施⼒并转动⽅向盘时，位于转向盘下⽅与转向轴连接的转矩传感器，将经扭杆弹簧连接在⼀起的上下转向轴的相对转向⾓位移信号转变为电信号传⾄控制器，在同⼀时刻车速信号也传⼊控制器。根据以上两信号，控制器确定电动机的旋转⽅向的助⼒转矩的⼤⼩。之后，控制器将输出的数字量经D/A 转换器，转换为模拟量，并将其输⼊电流控制电路。电流控制电路将来⾃微机的电流命令值同电动机电流的实际值进⾏⽐较后⽣成⼀个差值信号，同时将此信号送往电动机驱动电路，该电路驱动电动机，并向电动机提供控制电流，完成助⼒转向作⽤。
助⼒转向控制信号的流程及控制系统的组成，如图2-2所⽰。
图2-2 控制信号的流程及控制系统的组成
2.2电动助⼒转向系统的主要形式及其特点
根据电动机布置位置不同，电动助⼒转向机构可分为：转向柱助⼒式、齿轮
助⼒式、齿条助⼒式3种[4]，如图2-3所⽰。
图2-3 电动助⼒转向机构的布置⽅案
（1）转向柱助⼒式转向柱助⼒式电动助⼒转向机构的电动机布置在靠近转向盘下⽅，固定在转向柱⼀侧，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴辅助转向。这种布置⽅案的特点：此时电动机、减速器直接与转向柱相连。它可安装在转向柱上的任意合适位置，⼀般提供蜗轮蜗杆机构来实现减速和变向；⼯作环境好，电机的输出⼒矩⽐较⼩，是⼀种⽬前常见的助⼒形式；由于各部件相对独⽴，因此维修⽅便；设计时也有很⼤的灵活性；但是电机输出⼒矩的波动容易传递到⽅向盘上。如果电动机的安装位置和驾驶员的乘坐位置很近的话，必须考虑对电动机噪声的抑制。
夏利团购（2）齿轮助⼒式齿轮助⼒式电动助⼒转向机构的电动机布置在与转向器主动齿轮相连的位置，并通过驱动主动齿轮实现助⼒转向。这种布置⽅案的特点：这也是⼀种⽬
前较为常见的助⼒形式，此时电动机、减速器直接与转向⼩齿轮相连。它具有转向柱助⼒式EPS的全部优点，并且还可在现有的机械转向器上直接设计，⽽不⽤改变转向柱的结构。
（3）齿条助⼒式齿条助⼒式电动助⼒转向机构的电动机和减速机构布置在齿条处，并直接驱动齿条提供助⼒。这种布置⽅案的特点：电动机的电枢通过传动机构与齿条直接相连，传动机构将电枢的转动变为平动从⽽实现助⼒。作为最初应⽤的EPS，这种助⼒形式的优点是结构紧凑，不受安装位置的限制，可以提供较⼤的助⼒⼒矩，电机的⼒矩波动不易传递到⽅向盘上。缺点是结构复杂，价格昂贵，⼯作环境差，要求密封好，要求电动机的输出⼒矩⽐较⼤，并且⼀旦某⼀部件出现故障，必须拆下整个转向齿条部件，因此维修不⽅便。
2.3电动助⼒转向系统各部分特点
2.3.1转矩传感器
转矩传感器是测量驾驶员作⽤在转向盘上⼒矩的⼤⼩与⽅向。转矩测量系统⽐较复杂且成本较⾼，所以精确、可靠、低成本的转矩传感器是决定EPS系统能否占领市场的关键因素之⼀[5]。转矩传感器分为⾮接触式和接触式两种。接触式成本较低，但受温度与磨损影响易发⽣漂移、使⽤寿命较低、需要对制造精度和扭杆刚度进⾏折中，难以实现绝对转⾓和⾓速度的测量。⾮接触式的测量精度⾼、抗⼲扰能⼒强、体积⼩，但成本较⾼。因此扭矩传感器类型的选取根据EPS的性
能要求进⾏综合考虑。
2.3.2电动机
电动机是EPS系统的动⼒源。电动机对EPS系统的性能有很⼤的影响，所以EPS系统对电动机的要求很⾼，不仅要求转矩⼤、转矩波动⼩、转动惯量⼩、尺⼨⼩、质量轻，⽽且要求可靠性⾼、易控制[6]。
2.3.3减速机构
EPS系统的减速机构与电动机相连，起降速增扭作⽤。常采⽤蜗轮蜗杆机构、滚珠螺杆螺母机构和⾏星齿轮机构等。涡轮蜗杆减速机构⼀般应⽤在转向轴助⼒式EPS系统上，⽽⾏星齿轮式减速机构则被应⽤在齿条助⼒式EPS系统和齿轮助⼒式EPS系统上。
2.3.4电⼦控制单元
电⼦控制单元（ECU）根据车速传感器和转矩传感器传来的信号，进⾏逻辑分析与计算后发出指令，控制电动机和离合器的动作[9]。
电⼦控制系统（ECU）的基本构成单元如图2-4⽰
图 2-4 电⼦控制系统的基本结构
ECU模块安装在驾驶员侧仪表板下⾯。ECU模块是由微电脑，A／D(模拟／数字)变换器，I／O(输⼊／输出)装置等组成的精密设备。它的功能包括控制辅助转向⼒的⼤⼩和⽅向、车载诊断系统(⾃我诊断功能)和安全防护。⽬前的EPS 系统采⽤的芯⽚有8位的单⽚机和DSP两种，⽐如DELPHI的E－Steer采⽤的是DSP56F805芯⽚[7]。不管采⽤何种芯⽚，都要求该芯⽚的抗⼲扰能⼒强，适应在
⽐较恶劣的环境下长期可靠的⼯作。
其外部传感器和输⼊信号如下：
扭矩传感器：它获得⽅向盘操作⼒⼤⼩和⽅向的信号，并把它们转换为电压值，将它们传递到ECU模块。
VSS(车速传感器)：车速传感器位于变速箱上，它根据车速⼤⼩产⽣成⽐例的信号。车速⾥程表将这些信号转换为相应的车速指针读数，同时也把它转换成双倍周期的ON ／OFF信号[8]。
发动机速度信号：点⽕线圈上的点⽕信号，作为发动机速度信号，通过抑噪器被传递到P／S控制模块。
输出信号：电机驱动信号、离合器通断信号和“EPS”状态指⽰灯通断信号。
2.4本章⼩结
本章介绍了电动助⼒转向的各种硬件种类及其特点
第3章电动助⼒转向系统减速机构设计
3.1汽车结构参数
本设计以吉利熊猫轿车为设计对象进⾏设计，技术参数见表3-1
表3-1 吉利熊猫汽车技术参数
项⽬参数
整车质量m/kg
轴矩L/mm
质⼼⾄前轴的距离a/mm 质⼼⾄后轴的距离b/mm 前轮轮距/mm
后轮轮距/mm
最⼩转弯半径/m
轮胎规格
轮胎⽓压/kpa
985
2340
1080
1260
1420
1410
4.75 165/60 R14 186.2
3.2电动机的参数选择
电动机是此设计的直接动⼒来源，EPS的性能好坏主要取决于电动机的性能。EPS要求电动机低转速⼤扭矩、波动⼩、转动惯量⼩、质量轻、可靠性⾼、易控制等性能。假设蓄电池在不同⾏驶速度时的功率不变，则电动机输出功率、扭矩与电机转速有如下关系：
P m=T m×n/9550（Kw）（3-1）
坦克 300式中：n —电机转速（n/min）；
申湘凯迪拉克T m—电机输出扭矩（N﹒m）；
P m—电机输出功率（Kw）；
毛家湾路考由式中可见，电机在⼯作转速范围内，扭矩T m与其转速n成反⽐，即转速低时扭矩⼤，转速⾼时扭矩⼩。
永磁电动机的励磁磁场由永久磁钢产⽣，⽆须外加励磁线圈，从⽽省去励磁电路，与电磁式电动机相⽐结构简单，体积较⼩，重量轻。⽽且永久磁钢产⽣的磁场可认为恒定，在控制⽅案中视为常数，从⽽简化了控制⽅案的设计。此外，其稳定性能和可靠性能超过了电磁式电动机，EPS系统属于中⼩功率范围，永磁式电动机可提供⾜够的功率，因此系统采⽤永磁式电动机。永磁式电动机有直流伺服电动机、⽆刷直流电动机和直流⼒矩电动机三种选择⽅案[9]。
直流伺服电动机的启动转矩⼤，调速范围⼴，机械特性和调节特性的线性度好，控制系统和控制⽅案简单。但是直流电动机的转⼦是带铁⼼的，加之铁⼼有齿槽，如果电动机的转动惯量⼤，机电时间常数较⼤，灵敏度较差；转矩波动较⼤，低速运转不够平稳；电动机换向时易产⽣⽕花，不够安全，并影响电动机的寿命。电动机结构做了特殊处理之后，可以保证转矩波动⼩，转动惯量低，电动机采取全封闭的形式，从⽽去除了因换向⽕花带来的不良影响。
由于直流伺服电动机有电刷和换向器，其间形成的滑动机械接触影响了电动机的精度、性能和可靠性，所产⽣的电⽕花不够安全，因此有的电动助⼒转向系统采⽤⽆刷直流电动机。⽆刷直流电动机既有直流电动机的特性，⼜有交流电动机的结构简单、运⾏可靠及维护⽅便等优点。
歌诗图怎么样⽆刷直流电动机是把电⼦技术融⼊电机领域，将电⼦线路和电机融为⼀体的产物。⽆刷直流电动机是由电动机、转⼦位置传感器和电⼦开关线路三部分组成。直流电源通过开关电路向电动机定⼦绕组供电，位置传感器随时检测到转⼦所处的位置，并根据转⼦的位置信号来控制开关管的导通和截⽌，从⽽控制哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现了电⼦换向。其中转⼦是由永磁材料制造，具有⼀定磁极对数的永磁体。
⽆刷直流电动机是采⽤电⼦换向开关元件进⾏换向，它既具有直流电动机的优点，⼜具有交流电动机的没有换向器和电枢、维护⽅便、⽆⽕花、⽆电磁⼲扰、能在恶劣环境下⼯作的诸多优点，但⽆刷直流电动机的价格较⾼，且控制系统和控制⽅案复杂。
直流⼒矩电动机的⼯作原理和普通的直流伺服电动机相同。只是在结构和外形尺⼨的⽐例有所不同。直流⼒矩电机结构上采⽤扁平电枢，可增加电枢槽数、元件数和换向器⽚数，⽽且适当加⼤电机⽓隙，所以⼒矩波动⼩，从⽽保证了低
速下能够稳定运⾏。直流⼒矩电机由于结构的特殊设计，因此其机械特性和调节的线性度好。直流⼒矩电机的电磁时间常数⼩，电机响应迅速，动态特性好。直流⼒矩电动机虽具有诸多优点，但价格⽐较⾼。
从价格、性能、控制的复杂度、开发周期以及现今国内电机制造⽔平等⽅⾯进⾏综合权衡，所设计的电动助⼒转向系统最终选择了⽆刷永磁式直流电动机。电机具体参数的确定，⼀⽅⾯要依据负载特性，另⼀⽅⾯温升、过载和通频带等也是确定参数的着眼点。综合考虑以上各⽅⾯的因素，系统采⽤的⽆刷永磁式直流电动机的规格如表3-2，如图3-1所⽰。
图3-1 ⽆刷永磁式直流电动机
表3-2 ⽆刷永磁式直流电动机的规格
项⽬参数
电动机类型
额定电压（V）额定功率（W）额定转速（r/min）额定扭矩（N﹒m）额定电流（A）⽆刷永磁式直流电动机
DC12
150
1200
1.2
30
3.3电磁离合器的参数选择
电磁离合器的作⽤是传递电动机的助⼒转矩，电磁离合器安装在电动机和减速机构之间。电磁离合器的设置是为了使电动机和减速机构快速的结合和分离。
即当低速转向时，电⼦控制单元输出控制信号起动电动机，并输出控制信号使离合器吸合，从⽽将电动机的输出扭矩通过离合器传递到减速机构上。⽽当车速超过预置车速时，电⼦控制单元输出控制信号使离合器断开，离合器失去励磁电流⽽分离。此外，电动机出现故障时，可使离合器分离，令电动机与减速机构脱开，转向系统便从电动助⼒⽅式切换为机械转向⽅式，从⽽保证了转向系统的安全性能[10]。电磁离合器的选⽤主要是要满⾜稳定可靠地结合和分离，能够很好地实现扭矩的传递，现已知电动机的额定扭矩是1.2N·m，考虑到需要有⼀定的安全可靠连接余量，离合器的额定扭矩选择1.47N·m.。电磁离合器的具体规格要求如表3-3。
表3-3 电磁离合器的规格
项⽬参数
型式
额定电压（V）消耗功率（W）额定扭矩（N?m）
⼲式电磁离合器
DC12
9.8W/12V 20℃1.47N?m/12V 20℃
3.4电动助⼒转向减速机构的选择
减速机构是电动式EPS不可缺少的部件，它把电机的输出经过减速增扭传递到动⼒辅助单元，实现助⼒。⽬前实⽤的减速机构主要有两种形式：双⾏星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构。如图3-2⽰。
双⾏星齿轮减速机构采⽤了双⾏星齿轮和传动齿轮驱动组合式。因为是多级减速，可提供较⼤的助⼒扭矩。为了降低噪声和提⾼使⽤寿命，减速机构部分采⽤树脂材料齿轮。双⾏星齿轮减速机构因为可提供较⼤的助⼒，通常⽤在⼩齿轮助⼒式和齿条助⼒式系统[11]。
蜗轮蜗杆减速机构简单，体积⼩，噪声低，成本较双⾏星齿轮减速机构低。其提供的助⼒虽不及双⾏星齿轮减速机构，但已能满⾜轿车的助⼒要求，因此，蜗轮蜗杆减速机构通常⽤在转向柱助⼒式的轿车转向系统中，本系统即是采⽤蜗轮蜗杆减速机构。
图（a ）涡轮蜗杆减速机构
图（b ）双⾏星齿轮减速机构
3.5电动助⼒转向减速机构传动⽐的选择 3.5.1汽车⾏驶绕主销转向阻⼒矩的计算
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（3-2）其中G ——前桥满载负荷 (N )
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