汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1、汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)引言在汽車的發(fā)展歷程中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段：從最初的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Manual Steering，簡稱MS）發(fā)展為液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic Power Steering，簡稱HPS），然后又出現(xiàn)了電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electro Hydraulic Power Steering，簡稱EHPS）和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering，簡稱EPS）。 裝配機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車，在泊車和低速行駛時(shí)駕駛員操縱負(fù)擔(dān)過于沉重，為了解決這個(gè)問題，美國GM公司在20世紀(jì)50年代率先在轎車上采用了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。但是，液壓助力轉(zhuǎn)向

2、系統(tǒng)無法兼顧車輛低速時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性和高速時(shí)的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，因此在1983年日本koyo公司推出了具備車速感應(yīng)功能的電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這種新型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以隨著車速的升高提供逐漸減小的轉(zhuǎn)向助力，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)較高，而且無法克服液壓系統(tǒng)自身所具有的許多缺點(diǎn)，是一種介于液壓助力轉(zhuǎn)向和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向之間的過渡產(chǎn)品。到了1988年，日本Suzuki公司首先在小型轎車Cervo上配備了Koyo公司研發(fā)的轉(zhuǎn)向柱助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；1990年，日本Honda公司也在運(yùn)動(dòng)型轎車NSX上采用了自主研發(fā)的齒條助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，從此揭開了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向在汽車上應(yīng)用的歷史。 第1章 概述1.1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的

3、優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是極高的可控制性，即通過適當(dāng)?shù)目刂七壿?，調(diào)整電機(jī)的助力特性，以達(dá)到改善操縱穩(wěn)定性和駕駛舒適性的目的。作為今后汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向，必將取代現(xiàn)有的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電控制液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）只在轉(zhuǎn)向時(shí)電機(jī)才提供助力，可以顯著降低燃油消耗 傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵，不管轉(zhuǎn)向或者不轉(zhuǎn)向都要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)部分動(dòng)力。而電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)只是在轉(zhuǎn)向時(shí)才由電機(jī)提供助力，不轉(zhuǎn)向時(shí)不消耗能量。因此，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以降低車輛的燃油消耗。 與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)比試驗(yàn)表明

4、：在不轉(zhuǎn)向時(shí)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向可以降低燃油消耗2.5%；在轉(zhuǎn)向時(shí)，可以降低5.5%。 （2）轉(zhuǎn)向助力大小可以通過軟件調(diào)整，能夠兼顧低速時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性和高速時(shí)的操縱穩(wěn)定性，回正性能好。傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所提供的轉(zhuǎn)向助力大小不能隨車速的提高而改變。這樣就使得車輛雖然在低速時(shí)具有良好的轉(zhuǎn)向輕便性，但是在高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向盤太輕，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向“發(fā)飄”的現(xiàn)象，駕駛員缺少顯著的“路感”，降低了高速行駛時(shí)的車輛穩(wěn)定性和駕駛員的安全感。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的助力大小可以通過軟件方便的調(diào)整。在低速時(shí)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以提供較大的轉(zhuǎn)向助力，提供車輛的轉(zhuǎn)向輕便性；隨著車速的提高，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的轉(zhuǎn)向助力可以逐漸減小

5、，轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員所需提供的轉(zhuǎn)向力將逐漸增大，這樣駕駛員就感受到明顯的“路感”，提高了車輛穩(wěn)定性。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還可以施加一定的附加回正力矩或阻尼力矩，使得低速時(shí)轉(zhuǎn)向盤能夠精確的回到中間位置，而且可以抑制高速回正過程中轉(zhuǎn)向盤的振蕩和超調(diào)，兼顧了車輛高、低速時(shí)的回正性能。（3）結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，生產(chǎn)線裝配好，易于維護(hù)保養(yǎng) 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了液壓轉(zhuǎn)向油泵、油缸、液壓管路、油罐等部件，而且電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)可以和轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向器做成一個(gè)整體，使得整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，在生產(chǎn)線上的裝配性好，節(jié)省裝配時(shí)間，易于維護(hù)保養(yǎng)。（4）通過程序的設(shè)置，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)容易與不同車型匹配，可以縮短生產(chǎn)和開發(fā)的周

6、期。由于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有上述多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，因此近年來獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加裝了電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器和ECU電控單元而成。1.2國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 1953年通用汽車公司首次使用了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。80年代后期，又出現(xiàn)了變減速比的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。由于變速比液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有相對(duì)良好的操縱性能，至今仍在一些高檔汽車上應(yīng)用。之后隨著節(jié)能環(huán)保要求的提高，變流量泵液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向(EHPS)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。變流量泵助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車處于比較高的行駛速度或者不需要轉(zhuǎn)向的情況下，泵的流量會(huì)相應(yīng)減少，從而達(dá)到節(jié)省能源的目的。電動(dòng)

7、液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向泵，轉(zhuǎn)向泵無需再隨發(fā)動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，不需要轉(zhuǎn)向助力的時(shí)候轉(zhuǎn)向泵關(guān)閉，可以在很大程度上節(jié)省能源。 但無論是變流量泵還是電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由于液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的固有特性而難以實(shí)現(xiàn)效率上的突破，被電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)所替代已經(jīng)成為一種必然。 EPS在日本最先獲得實(shí)際應(yīng)用。此后，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)得到迅速發(fā)展。鑒于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)良好的應(yīng)用前景，國外許多研究機(jī)構(gòu)和汽車公司對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，使這項(xiàng)技術(shù)日趨成熟。從發(fā)展上來言可體現(xiàn)在以下幾個(gè)特點(diǎn)：一是節(jié)能環(huán)保。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能量消耗僅為液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的20%，在當(dāng)今能源嚴(yán)重短缺的嚴(yán)峻情況下，這是一個(gè)很有

8、優(yōu)勢(shì)的特點(diǎn)。二是裝配效率高。電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零件數(shù)目少，減少了裝配的工作量，節(jié)省了裝配時(shí)間，提高了裝配效率。三是提供可變的轉(zhuǎn)向助力。電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向力來自于電機(jī)，通過軟件編程和硬件控制，可得到覆蓋整個(gè)車速的可變轉(zhuǎn)向力。四是安全性高。由于電動(dòng)機(jī)由蓄電池供電，是否能夠?qū)崿F(xiàn)助力與發(fā)動(dòng)機(jī)是否起動(dòng)無關(guān)，所以即使在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火或出現(xiàn)故障時(shí)也能提供助力。 與國外相比,我國的電動(dòng)轉(zhuǎn)向研究在很長的一段時(shí)間里是空白,目前國內(nèi)已經(jīng)有數(shù)十家大專院校和國營、民營企業(yè)開發(fā)該產(chǎn)品，并取得了一定的進(jìn)展。但由于電控單元運(yùn)算速度和控制理論的影響，汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的研制工作尚需進(jìn)一步的發(fā)展。第2章 EPS的硬件系統(tǒng)2.1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系

9、統(tǒng)的組成原理圖2-1 電動(dòng)轉(zhuǎn)向器組成框圖助力轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩蝸輪反作用轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)電子控制器轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖2-1所示，它是由扭矩傳感器、速度傳感器、控制器、電動(dòng)機(jī)、離合器和減速機(jī)構(gòu)等組成。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，扭矩傳感器測(cè)出施加于轉(zhuǎn)向軸的扭矩，并產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)。與此同時(shí)，速度傳感器測(cè)出汽車的車速，也產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)均被傳送到控制器，經(jīng)過控制器運(yùn)算處理后，傳送給電動(dòng)機(jī)一個(gè)合適的電流以產(chǎn)生扭矩，經(jīng)減速機(jī)構(gòu)減速以增加扭矩，施加在汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，得到一個(gè)與工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的工作原理如下：當(dāng)駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤施力并轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，位于轉(zhuǎn)向盤下方與轉(zhuǎn)向軸連接的轉(zhuǎn)

10、矩傳感器，將經(jīng)扭桿彈簧連接在一起的上下轉(zhuǎn)向軸的相對(duì)轉(zhuǎn)向角位移信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)傳至控制器，在同一時(shí)刻車速信號(hào)也傳入控制器。根據(jù)以上兩信號(hào)，控制器確定電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向的助力轉(zhuǎn)矩的大小。之后，控制器將輸出的數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為模擬量，并將其輸入電流控制電路。電流控制電路將來自微機(jī)的電流命令值同電動(dòng)機(jī)電流的實(shí)際值進(jìn)行比較后生成一個(gè)差值信號(hào)，同時(shí)將此信號(hào)送往電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，該電路驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，并向電動(dòng)機(jī)提供控制電流，完成助力轉(zhuǎn)向作用。助力轉(zhuǎn)向控制信號(hào)的流程及控制系統(tǒng)的組成，如圖2-2所示。圖2-2 控制信號(hào)的流程及控制系統(tǒng)的組成2.2電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要形式及其特點(diǎn)根據(jù)電動(dòng)機(jī)布置位置不同，電動(dòng)助

11、力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可分為：轉(zhuǎn)向柱助力式、齒輪助力式、齒條助力式3種，如圖2-3所示。圖2-3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的布置方案（1）轉(zhuǎn)向柱助力式 轉(zhuǎn)向柱助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)布置在靠近轉(zhuǎn)向盤下方，固定在轉(zhuǎn)向柱一側(cè)，通過減速機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸輔助轉(zhuǎn)向。這種布置方案的特點(diǎn)：此時(shí)電動(dòng)機(jī)、減速器直接與轉(zhuǎn)向柱相連。它可安裝在轉(zhuǎn)向柱上的任意合適位置，一般提供蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)減速和變向；工作環(huán)境好，電機(jī)的輸出力矩比較小，是一種目前常見的助力形式；由于各部件相對(duì)獨(dú)立，因此維修方便；設(shè)計(jì)時(shí)也有很大的靈活性；但是電機(jī)輸出力矩的波動(dòng)容易傳遞到方向盤上。如果電動(dòng)機(jī)的安裝位置和駕駛員的乘坐位置很近的話，必須考

12、慮對(duì)電動(dòng)機(jī)噪聲的抑制。（2）齒輪助力式 齒輪助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)布置在與轉(zhuǎn)向器主動(dòng)齒輪相連的位置，并通過驅(qū)動(dòng)主動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。這種布置方案的特點(diǎn)：這也是一種目前較為常見的助力形式，此時(shí)電動(dòng)機(jī)、減速器直接與轉(zhuǎn)向小齒輪相連。它具有轉(zhuǎn)向柱助力式EPS的全部優(yōu)點(diǎn)，并且還可在現(xiàn)有的機(jī)械轉(zhuǎn)向器上直接設(shè)計(jì)，而不用改變轉(zhuǎn)向柱的結(jié)構(gòu)。（3）齒條助力式 齒條助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)布置在齒條處，并直接驅(qū)動(dòng)齒條提供助力。這種布置方案的特點(diǎn)：電動(dòng)機(jī)的電樞通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與齒條直接相連，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槠絼?dòng)從而實(shí)現(xiàn)助力。作為最初應(yīng)用的EPS，這種助力形式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，不受安裝位置的

13、限制，可以提供較大的助力力矩，電機(jī)的力矩波動(dòng)不易傳遞到方向盤上。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，工作環(huán)境差，要求密封好，要求電動(dòng)機(jī)的輸出力矩比較大，并且一旦某一部件出現(xiàn)故障，必須拆下整個(gè)轉(zhuǎn)向齒條部件，因此維修不方便。2.3電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部分特點(diǎn)2.3.1轉(zhuǎn)矩傳感器 轉(zhuǎn)矩傳感器是測(cè)量駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上力矩的大小與方向。轉(zhuǎn)矩測(cè)量系統(tǒng)比較復(fù)雜且成本較高，所以精確、可靠、低成本的轉(zhuǎn)矩傳感器是決定EPS系統(tǒng)能否占領(lǐng)市場的關(guān)鍵因素之一。轉(zhuǎn)矩傳感器分為非接觸式和接觸式兩種。接觸式成本較低，但受溫度與磨損影響易發(fā)生漂移、使用壽命較低、需要對(duì)制造精度和扭桿剛度進(jìn)行折中，難以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)轉(zhuǎn)角和角速度的測(cè)量。非接觸式的

14、測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小，但成本較高。因此扭矩傳感器類型的選取根據(jù)EPS的性能要求進(jìn)行綜合考慮。2.3.2電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)是EPS系統(tǒng)的動(dòng)力源。電動(dòng)機(jī)對(duì)EPS系統(tǒng)的性能有很大的影響，所以EPS系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求很高，不僅要求轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、尺寸小、質(zhì)量輕，而且要求可靠性高、易控制。2.3.3減速機(jī)構(gòu) EPS系統(tǒng)的減速機(jī)構(gòu)與電動(dòng)機(jī)相連，起降速增扭作用。常采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、滾珠螺桿螺母機(jī)構(gòu)和行星齒輪機(jī)構(gòu)等。渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)一般應(yīng)用在轉(zhuǎn)向軸助力式EPS系統(tǒng)上，而行星齒輪式減速機(jī)構(gòu)則被應(yīng)用在齒條助力式EPS系統(tǒng)和齒輪助力式EPS系統(tǒng)上。2.3.4電子控制單元電子控制單元（ECU）根

15、據(jù)車速傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器傳來的信號(hào)，進(jìn)行邏輯分析與計(jì)算后發(fā)出指令，控制電動(dòng)機(jī)和離合器的動(dòng)作9。電子控制系統(tǒng)（ECU）的基本構(gòu)成單元如圖2-4示 EPS-ECUM C U單元扭矩傳感器車速傳感器“EPS”指示燈直流電機(jī)點(diǎn)火開關(guān)離合器自診斷控制端發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào)12V蓄電池輸入處理電路輸出及監(jiān)控電路圖 2-4 電子控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)ECU模塊安裝在駕駛員側(cè)儀表板下面。ECU模塊是由微電腦，AD(模擬數(shù)字)變換器，IO(輸入輸出)裝置等組成的精密設(shè)備。它的功能包括控制輔助轉(zhuǎn)向力的大小和方向、車載診斷系統(tǒng)(自我診斷功能)和安全防護(hù)。目前的EPS系統(tǒng)采用的芯片有8位的單片機(jī)和DSP兩種，比如DELPHI的

16、ESteer采用的是DSP56F805芯片。不管采用何種芯片，都要求該芯片的抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)在比較惡劣的環(huán)境下長期可靠的工作。其外部傳感器和輸入信號(hào)如下：扭矩傳感器：它獲得方向盤操作力大小和方向的信號(hào)，并把它們轉(zhuǎn)換為電壓值，將它們傳遞到ECU模塊。VSS(車速傳感器)：車速傳感器位于變速箱上，它根據(jù)車速大小產(chǎn)生成比例的信號(hào)。車速里程表將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的車速指針讀數(shù)，同時(shí)也把它轉(zhuǎn)換成雙倍周期的ONOFF信號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)速度信號(hào)：點(diǎn)火線圈上的點(diǎn)火信號(hào)，作為發(fā)動(dòng)機(jī)速度信號(hào)，通過抑噪器被傳遞到PS控制模塊。輸出信號(hào)：電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)、離合器通斷信號(hào)和“EPS”狀態(tài)指示燈通斷信號(hào)。2.4本章小結(jié)本章介紹了

17、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的各種硬件種類及其特點(diǎn)第3章 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)本設(shè)計(jì)以吉利熊貓轎車為設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì),技術(shù)參數(shù)見表3-1表3-1 吉利熊貓汽車技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)整車質(zhì)量m/kg軸矩L/mm質(zhì)心至前軸的距離a/mm質(zhì)心至后軸的距離b/mm前輪輪距/mm后輪輪距/mm最小轉(zhuǎn)彎半徑/m輪胎規(guī)格輪胎氣壓/kpa985234010801260142014104.75165/60 R14186.23.2電動(dòng)機(jī)的參數(shù)選擇電動(dòng)機(jī)是此設(shè)計(jì)的直接動(dòng)力來源，EPS的性能好壞主要取決于電動(dòng)機(jī)的性能。EPS要求電動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速大扭矩、波動(dòng)小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、質(zhì)量輕、可靠性高、易控制等性能。假設(shè)蓄電池在不

18、同行駛速度時(shí)的功率不變，則電動(dòng)機(jī)輸出功率、扭矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速有如下關(guān)系：Pm=Tm×n/9550（Kw） （3-1）式中：n 電機(jī)轉(zhuǎn)速（n/min）；Tm 電機(jī)輸出扭矩（Nm）；Pm 電機(jī)輸出功率（Kw）；由式中可見，電機(jī)在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，扭矩Tm與其轉(zhuǎn)速n成反比，即轉(zhuǎn)速低時(shí)扭矩大，轉(zhuǎn)速高時(shí)扭矩小。永磁電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁場由永久磁鋼產(chǎn)生，無須外加勵(lì)磁線圈，從而省去勵(lì)磁電路，與電磁式電動(dòng)機(jī)相比結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，重量輕。而且永久磁鋼產(chǎn)生的磁場可認(rèn)為恒定，在控制方案中視為常數(shù)，從而簡化了控制方案的設(shè)計(jì)。此外，其穩(wěn)定性能和可靠性能超過了電磁式電動(dòng)機(jī)，EPS系統(tǒng)屬于中小功率范圍，永磁式電動(dòng)機(jī)可提供足

19、夠的功率，因此系統(tǒng)采用永磁式電動(dòng)機(jī)。永磁式電動(dòng)機(jī)有直流伺服電動(dòng)機(jī)、無刷直流電動(dòng)機(jī)和直流力矩電動(dòng)機(jī)三種選擇方案。直流伺服電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍廣，機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，控制系統(tǒng)和控制方案簡單。但是直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是帶鐵心的，加之鐵心有齒槽，如果電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，機(jī)電時(shí)間常數(shù)較大，靈敏度較差；轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，低速運(yùn)轉(zhuǎn)不夠平穩(wěn)；電動(dòng)機(jī)換向時(shí)易產(chǎn)生火花，不夠安全，并影響電動(dòng)機(jī)的壽命。電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)做了特殊處理之后，可以保證轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低，電動(dòng)機(jī)采取全封閉的形式，從而去除了因換向火花帶來的不良影響。由于直流伺服電動(dòng)機(jī)有電刷和換向器，其間形成的滑動(dòng)機(jī)械接觸影響了電動(dòng)機(jī)的精度、性能和可靠性

20、，所產(chǎn)生的電火花不夠安全，因此有的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用無刷直流電動(dòng)機(jī)。無刷直流電動(dòng)機(jī)既有直流電動(dòng)機(jī)的特性，又有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。無刷直流電動(dòng)機(jī)是把電子技術(shù)融入電機(jī)領(lǐng)域，將電子線路和電機(jī)融為一體的產(chǎn)物。無刷直流電動(dòng)機(jī)是由電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。直流電源通過開關(guān)電路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，位置傳感器隨時(shí)檢測(cè)到轉(zhuǎn)子所處的位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而控制哪些繞組通電，哪些繞組斷電，實(shí)現(xiàn)了電子換向。其中轉(zhuǎn)子是由永磁材料制造，具有一定磁極對(duì)數(shù)的永磁體。無刷直流電動(dòng)機(jī)是采用電子換向開關(guān)元件進(jìn)行換向，它既具有直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，又具

21、有交流電動(dòng)機(jī)的沒有換向器和電樞、維護(hù)方便、無火花、無電磁干擾、能在惡劣環(huán)境下工作的諸多優(yōu)點(diǎn)，但無刷直流電動(dòng)機(jī)的價(jià)格較高，且控制系統(tǒng)和控制方案復(fù)雜。直流力矩電動(dòng)機(jī)的工作原理和普通的直流伺服電動(dòng)機(jī)相同。只是在結(jié)構(gòu)和外形尺寸的比例有所不同。直流力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)上采用扁平電樞，可增加電樞槽數(shù)、元件數(shù)和換向器片數(shù)，而且適當(dāng)加大電機(jī)氣隙，所以力矩波動(dòng)小，從而保證了低速下能夠穩(wěn)定運(yùn)行。直流力矩電機(jī)由于結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，因此其機(jī)械特性和調(diào)節(jié)的線性度好。直流力矩電機(jī)的電磁時(shí)間常數(shù)小，電機(jī)響應(yīng)迅速，動(dòng)態(tài)特性好。直流力矩電動(dòng)機(jī)雖具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格比較高。從價(jià)格、性能、控制的復(fù)雜度、開發(fā)周期以及現(xiàn)今國內(nèi)電機(jī)制造水平等方面

22、進(jìn)行綜合權(quán)衡，所設(shè)計(jì)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最終選擇了無刷永磁式直流電動(dòng)機(jī)。電機(jī)具體參數(shù)的確定，一方面要依據(jù)負(fù)載特性，另一方面溫升、過載和通頻帶等也是確定參數(shù)的著眼點(diǎn)。綜合考慮以上各方面的因素，系統(tǒng)采用的無刷永磁式直流電動(dòng)機(jī)的規(guī)格如表3-2，如圖3-1所示。圖3-1 無刷永磁式直流電動(dòng)機(jī)表3-2 無刷永磁式直流電動(dòng)機(jī)的規(guī)格項(xiàng)目參數(shù)電動(dòng)機(jī)類型額定電壓（V）額定功率（W）額定轉(zhuǎn)速（r/min）額定扭矩（Nm）額定電流（A）無刷永磁式直流電動(dòng)機(jī)DC1215012001.2303.3電磁離合器的參數(shù)選擇電磁離合器的作用是傳遞電動(dòng)機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩，電磁離合器安裝在電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)之間。電磁離合器的設(shè)置是為了使電動(dòng)

23、機(jī)和減速機(jī)構(gòu)快速的結(jié)合和分離。即當(dāng)?shù)退俎D(zhuǎn)向時(shí)，電子控制單元輸出控制信號(hào)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，并輸出控制信號(hào)使離合器吸合，從而將電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩通過離合器傳遞到減速機(jī)構(gòu)上。而當(dāng)車速超過預(yù)置車速時(shí)，電子控制單元輸出控制信號(hào)使離合器斷開，離合器失去勵(lì)磁電流而分離。此外，電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可使離合器分離，令電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)構(gòu)脫開，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)便從電動(dòng)助力方式切換為機(jī)械轉(zhuǎn)向方式，從而保證了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性能。電磁離合器的選用主要是要滿足穩(wěn)定可靠地結(jié)合和分離，能夠很好地實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞，現(xiàn)已知電動(dòng)機(jī)的額定扭矩是1.2N·m，考慮到需要有一定的安全可靠連接余量，離合器的額定扭矩選擇1.47N·m.。電磁離

24、合器的具體規(guī)格要求如表3-3。表3-3 電磁離合器的規(guī)格項(xiàng)目參數(shù)型式額定電壓（V）消耗功率（W）額定扭矩（Nm）干式電磁離合器DC129.8W/12V 201.47Nm/12V 203.4電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向減速機(jī)構(gòu)的選擇減速機(jī)構(gòu)是電動(dòng)式EPS不可缺少的部件，它把電機(jī)的輸出經(jīng)過減速增扭傳遞到動(dòng)力輔助單元，實(shí)現(xiàn)助力。目前實(shí)用的減速機(jī)構(gòu)主要有兩種形式：雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)和蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)。如圖3-2示。雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)采用了雙行星齒輪和傳動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)組合式。因?yàn)槭嵌嗉?jí)減速，可提供較大的助力扭矩。為了降低噪聲和提高使用壽命，減速機(jī)構(gòu)部分采用樹脂材料齒輪。雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)因?yàn)榭商峁┹^大的助力，通常用在小齒輪

25、助力式和齒條助力式系統(tǒng)11。蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)簡單，體積小，噪聲低，成本較雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)低。其提供的助力雖不及雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)，但已能滿足轎車的助力要求，因此，蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)通常用在轉(zhuǎn)向柱助力式的轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，本系統(tǒng)即是采用蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)。 圖（a）渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu) 圖（b）雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)3.5電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比的選擇3.5.1汽車行駛繞主銷轉(zhuǎn)向阻力矩的計(jì)算 （3-2）其中G前橋滿載負(fù)荷 ()G=9859.8=5197.77N=0.1Nm=259.89Nm3.5.2作用在方向盤上的力矩的計(jì)算 （3-3）式中：轉(zhuǎn)向器速比， 轉(zhuǎn)向拉桿速比， 一般在0.81.1之間， 轉(zhuǎn)向器正

26、效率，一般取0.70.8轉(zhuǎn)向拉桿效率，一般取0.850.9N m3.5.3減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比的計(jì)算動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的作用效能，即沒有動(dòng)力轉(zhuǎn)向器與有動(dòng)力轉(zhuǎn)向器時(shí)作用在方向盤上的力之比。原地轉(zhuǎn)向時(shí)，取，即助力轉(zhuǎn)向器提供95%的轉(zhuǎn)向力矩，即助力轉(zhuǎn)矩：減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比： 3.6蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)要求：普通圓柱蝸桿閉式傳動(dòng)（用于EPS系統(tǒng)中電機(jī)輸出到轉(zhuǎn)向軸），蝸桿轉(zhuǎn)速，輸入功率，傳動(dòng)比。雙側(cè)工作，工作載荷較穩(wěn)定，沖擊不大。要求壽命為5年（按每年365天，每天8小時(shí)），則3.6.1選擇蝸桿傳動(dòng)類型根據(jù)GB100851988的推薦，采用漸開線蝸桿(ZI)。傳動(dòng)比i介于580之間，根據(jù)推薦，確定蝸桿頭數(shù)。3.6.2選擇材料考慮到蝸桿傳動(dòng)傳遞的功率不大，速度只是中等，故蝸桿用45號(hào)鋼；因希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋面要求淬火并且調(diào)質(zhì)處理