电动助力转向系统课程设计.docx
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电动助力转向系统课程设计
电动助力转向系统的设计
设计题目:
电动助力转向系统的设计
设计者:
李铭
专业:
车辆工程09-2
学校:
山东科技大学
学号:
200901040413
设计日期:
2012年6月22日
指导教师:
韩以伦
一、设计目的……………………………………………………………………4
二、该方案的功能………………………………………………………………5
三、助力转向系统………………………………………………………………6
3.1助力转向系统简介…………………………………………………………6
3.2液压回路设计工作原理……………………………………………………6
四、动力转向器的机构…………………………………………………………12
4.1动力转向器的机构简介……………………………………………………12
4.2转向器的材料………………………………………………………………12
4.3转向器的组成及工作原理…………………………………………………12
五、传感器………………………………………………………………………13
5.1转矩传感器…………………………………………………………………13
5.1.1电位计式转矩传感器………………………………………………13
5.1.2金属电阻应变片的扭矩传感器……………………………………14
5.1.3非接触式扭矩传感器………………………………………………14
5.2车速传感器…………………………………………………………………15
5.2.1接触式车速传感器…………………………………………………15
5.2.2非接触式车速传感器………………………………………………16
六、其他机构的简介……………………………………………………………17
6.1电动机………………………………………………………………………17
6.2电磁离合器…………………………………………………………………17
6.3减速机构……………………………………………………………………18
6.3.1双行星齿轮式减速机构……………………………………………18
6.3.2涡轮蜗杆式减速机构………………………………………………20
6.4助力控制……………………………………………………………………20
6.5回正控制……………………………………………………………………21
6.6阻尼控制……………………………………………………………………21
七、EPS控制系统………………………………………………………………23
7.1电子控制单元简介…………………………………………………………23
7.2电子控制单元基本结构……………………………………………………23
7.3EPS控制系统总体结构……………………………………………………24
7.4ECU的控制芯片80C552……………………………………………………24
7.5电源电路和信号处理电路…………………………………………………26
7.5.1电源电路……………………………………………………………26
7.5.2扭矩信号……………………………………………………………27
7.5.3车速信号……………………………………………………………28
八、电动助力转向系统的软件流程……………………………………………29
8.1控制策略……………………………………………………………………29
8.2故障诊断……………………………………………………………………30
九、电动助力转向系统的工作原理……………………………………………32
9.1EPS工作原理………………………………………………………………32
9.2EPS关键技术………………………………………………………………33
9.3EPS结构特点………………………………………………………………33
9.4电动助力转向系统的控制策略…………………………………………33
十、结论…………………………………………………………………………35
十一、心得体会………………………………………………………………………………36
参考文献…………………………………………………………………………………………37
一、设计目的
汽车转向系统是用于改变和保持汽车行驶方向的专门机构,其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。
对转向系统的要求主要概括为转向的灵敏性和操纵的轻便性。
高的转向灵敏性,要求转向器具有小的传动比,以小的转向盘转角迅速转向;好的操纵轻便性,则要求转向器具有大的传动比,这样才能以较小的转向盘操纵力获得较大的转向力矩。
可见上述两个要求是相互矛盾的,因此,在实际设计过程中,一般规定,当转向轮达到最大设计转角时,转向盘总转数不宜超过5圈,而转向盘操纵力最大不超过250N。
为了满足以上要求,除尽量减轻自重,选择最佳轴向分配;提高转向系统传动效率;减小主销后倾角;选择最佳的转向器速比曲线等措施外,通常都采用助力转向方式。
尤其对中、重型车,由于轴荷重,助力转向几乎是唯一的选择。
近年来,随着对小轿车舒适性要求的提高,助力转向的应用比较普遍。
助力转向系统应满足以下的要求:
1)能有效的减小操纵力,特别是停车转向操纵力,行车转向的操纵力不应大于250N.
2)转向灵敏性好。
助力转向的灵敏度是指在转向器操纵下,转向助力器产生助力作用的快慢程度。
助力作用快,转向就灵敏。
3)具有直线行驶的稳定性。
转向结束时转向盘应自动回正,驾驶员应具有良好的“路感”。
4)要有随动作用。
转向车轮的偏转角和驾驶员转动转向盘的转角保持一定的关系,并能使转向车轮保持在任意偏转角位置上。
5)工作可靠。
当助力转向失效或发生故障时,应能保证通过人力进行转向操纵。
二、该方案的功能
助力转向系统是指在驾驶员的控制下,借助于汽车发动机通过液压泵产生的液体压力或电动机驱动力来实现车轮转向。
助力转向是一种以驾驶员的操纵转向盘(转矩和转角)为输入信号,以转向车轮的角位移为输出信号的伺服机构。
助力转向系统使转向操纵灵活、轻便,在设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大,能吸收路面对前轮产生的冲击等优点,因此在汽车制造中普遍使用。
电子控制技术在汽车助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。
电子控制助力转向系统在低速时可使转向轻便、灵活;当汽车在中、高速区域转向时,又能保证提供最优的动力放大和稳定的转向手感,从而提高了高速行驶的操纵稳定性。
电动助力转向系统(EPS)是利用电动机作为助力源,根据车速和转向参数等,由电子控制单元(ECU)完成助力控制。
它能节约燃料,提高主动安全性,且有利于环保,是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术。
该系统主要由转矩传感器、车速传感器、电子控制单元、电动机、离合器、减速机构、转向轴及手动齿轮齿条式转向器等组成。
EPS系统可以对转向过程中的每一个环节(转向、回正、中间位置)进行精确控制,从而提高汽车转向助力性能。
微机可以根据各种传感器的信号、判断转向状态,选择执行不同控制模式,并根据这些要求制定EPS的控制策略。
主要包括助力控制、回正控制、阻尼控制。
三、助力转向系统
3.1助力转向系统简介
助力转向系统,也就是动力转向,目前已成为绝大多数轿车的一项标准配置,顾名思义,助力转向就是协助驾驶员做汽车方向调整,为驾驶员减轻打方向盘强度的装置。
助力转向是一种以驾驶员操纵转向盘(转矩和转角)为输入信号,以转向车轮的角位移为输出信号,产生与转向阻力相平衡的辅助力。
电子控制技术在汽车助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。
电子控制助力转向系统在低速行驶时可使转向轻便灵活;当汽车在中、高速区域转向时,又能保证提供最优的动力放大和稳定的转向手感,从而提高了高速行驶的操纵稳定性。
助力转向系统的类型主要有
1)传统的液压式助力转向系统:
这种转向系统的一个致命缺点是即若要保证汽车在停车或低速调头时转向轻便,那么当汽车在高速行驶时就会感到有“发飘”的感觉,反之,若要保证汽车在高速行驶时操纵有适度手感,那么当其要停车或低速调头时就会感到转向太重,两者不能兼顾。
2)电子控制式液压助力转向系统:
电子控制式液压助力转向系统(EHPS),主要由电子控制系统、转向齿轮箱、油泵、分流阀等组成。
电子控制式液压助力转向系统是通过控制电磁阀,使助力转向系统的油压随车速的变化而改变,在大转角或低速行驶时,转向轻便;在中、高速时,能获得具有一定手感的转向力。
3)电动助力转向系统;电动助力转向系统(EPS)是利用电动机作为助力源,根据车速和转向参数等,由电子控制单元(ECU)完成助力控制。
该系统主要由转矩传感器、车速传感器、电子控制单元、电动机、离合器、减速机构、转向轴及手动齿轮齿条式转向器等组成。
3.2液压回路设计工作原理
该回路主要是应用在电控液压助力转向系统。
此次设计的是电控助力转向系统,因此在这里简单介绍下液压回路的设计:
EHPS是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元等装置构成的,电子控制单元根据检测到的车速信号,控制电磁阀的开度,使转向动力放大倍率实现连续可调,从而满足高、低速时的转向助力要求。
电动式EPS则是利用直流电动机作为动力源,电子控制单元根据转向参数和车速信号,控制电机输出扭矩。
电动机的输出扭矩经由电磁离合器通过减速机构减速增扭后,加在汽车的转向机构上,使之得到一个与工况相适应的转向作用力。
EHPS从控制方式可以分为以下几种类型:
序号
名称
控制对象
(1)
流量控制式
向助力系统供给的流量
(2)
动力缸分流控制式
动力缸有效的工作压力
(3)
油压反馈控制式
作用于油压反馈机构的压力
(4)
阀特性控制式
系统中控制阀的压力
其中,第
(1)种和第
(2)种类型是EHPS发展初期的控制方式,主要的控制目标都是将系统中的动力泄荷掉一部分以实现高速时减小助力,但这样做的弊病就是浪费了动力,不利于车辆省油,而且,还有急转弯反应迟钝的缺点,需要安装特别装置才能解决,现在已很少采用。
第(3)种油压反馈控制式现在使用的比较普遍,其根据车速传感器,控制反力室油压,改变压力油的输入、输出的增益幅度以控制操舵力。
操舵力的变化量,按照控制的反馈压力,在油压反馈机构的容量范围内可任意给出,急转弯也没问题,但是其结构复杂,各部分的加工精度要求较高,价格也较高。
第(4)种阀特性控制式是近几年开发的类型,是根据车速控制电磁阀,直接改变动力转向控制阀的油压增益(阀灵敏度)以控制油压的新方法。
这种控制方式使来自油泵的供给流量没有浪费,结构简单,部件少、价格便宜,有较大的选择操舵力的自由度,可获得自然的操舵感和最佳的操舵特性。
又因其阀结构简单,在传统的液力转向系统上不须做太多的改动就可实现,所以成为EHPS今后发展的主流。
车速感应式电子控制液压动力转向系统
1系统概要简介
该系统在传统的液压动力转向器的转阀上做了局部改进,并增加了比例电磁阀、电子控制单元、车速传感器等实现。
转阀的可变油口分为低速油口和高速油口两种,高速油口的前后设有低速油口。
在高速油口之后设有旁通回路,在旁通回路中又设置了比例电磁阀,根据车速开启电磁阀,改变电磁阀的灵敏度以控制操纵力。
系统备有故障安全保险功能,当电气系统发生故障时,具有确保高速工况的操作特性。
典型的系统如图所示。
图3.1EHPS系统图
1—发动机2—前轮3、17—动力转向泵4—齿轮齿条机构5、19—油箱
6、18—比例电磁阀7、20—电控单元(ECU)8—车速传感器9—车灯开关
10—空挡开关11—离合器开关12—保险丝13—蓄电池14—动力缸
15—外体16—内体
1主要部件的结构及工作过程
转阀转阀一般在圆周上形成6条或8条沟槽。
图3.3示出了用于可变特性的具有12条沟槽的系统,各沟槽利用阀体,与泵、动力缸、电磁阀及油箱连接。
图3.2示出实际的转阀结构剖面图。
阀部的等效电桥电路如图3.3所示。
图3.2转阀及电磁阀剖面图
图3.3阀部电桥电路
系统在动力缸与回油口之间配置了两个可变油口,在这两个可变油口之间设有电磁阀控制的油压回路。
可变油口1R、1L、2R、2L是能以较小的转向扭矩关闭的低速油口;3R、3L是能以较大转向扭矩关闭的高速油口,工作原理如图3.4。
当车辆处于低速行驶或停车时,电磁阀完全关闭,由于旁通回路截止,高灵敏度低速油口1R及2R以较小的转向扭矩关闭,所以具有轻便的转向特性(图3.4)。
图3.4低速或停车时
车辆高速行驶时,电磁阀完全开启,液压油经过旁通回路,流回油箱,灵敏度低的高速油口3R控制通向动力缸的油压,所以具有重工况的转向特性(图3.5)。
从低速到高速的过渡区间,由于电磁阀的作用,根据车速控制其可变油口的开度,可按顺序改变转向特性(见图3.6)。
图3.5高速时
图3.6系统的操作特性
电磁阀图3.2示出了电磁阀的一种结构。
该阀设有控制流量的旁通油路,是可变节流阀。
在低速时电磁线圈通过最大的电流,可变油口关闭,随着车速的提高,顺次减小通电电流,可变油口开启,在高速时开启面积达到最大值。
该阀在左右转向时,液压油的流动方向可以逆转,所以在上下流动方向中,可变油口必须具有相同的特性。
为确保高压时流体力作用于阀,必须提供稳定的油压控制。
电子控制单元(ECU)ECU接受来自车速传感器的信号,换算后向电磁阀的电磁线圈中输出相应的电流,同时,ECU还监测自身及附件的工作情况,一旦出现异常会立刻作出反应。
图3.7示出了控制力特性图。
图3.7车速—电流特性
③电子控制动力转向系统的发展前景
理论上来讲,液压式EPS是在优化车速所对应的操纵性和稳定性处于均衡状态下,控制助力大小而获得最佳手感的系统,同常规的液压动力转向系统相比,它有以下优点:
(1)阀特性可变,手感好。
电子控制单元接受速度传感器传递来的脉冲信号,按照预先设定的转换规则输出相对应的电磁阀控制信号,控制电磁阀口的开度,进而得到此时刻的最佳助力。
实际使用时,可根据路面状况、车辆性能及个人习惯设置不同的阀特性曲线系数,使转向系统适应范围更加广泛;
(2)结构简单、部件少、成本低,在原有转向器的基础上不需太大的改动;
(3)能够把油泵提供的流量尽可能的变成作用在动力缸中的压力,耗能少,效率高;
(4)系统具有失效自动保护装置。
因为电子控制系统只是附加在原来的转向机上,所以当电子控制系统失效而使电子信号消失时,系统会自动恢复到普通液压动力转向状态。
四、动力转向器的结构
4.1动力转向器的机构简介
齿轮齿条式转向器具有结构简单,加工方便,工作可靠,传动效率高等优点,因此在轿车和微型,轻型货车上得到广泛的应用。
4.2转向器的材料
转向器的壳体材料一般为:
有铸铁,铝合金等
齿轮齿条:
钢
转向器摇臂轴材料:
20CrMnTi
汽车转向器支撑套采用具有极好耐磨性的材料CSB-M3制成,其在确保低磨损率的情况下能长
CSB-M3材料可以在-40~+100℃下长期运行;此材料出色的自润滑性能可确保在无油脂润滑的情况下也能正常工作。
持久保持支撑套必须的回弹性能;确保齿条在整个转向系统中始终保持较为平缓的运动状态。
4.3转向器的组成及工作原理
图4-1所示为齿轮齿条式转向器工作示意图。
转向器壳体11支撑在车身上。
作为传动副主动件的转向齿轮4垂直地安装在壳体中,在其上端的安全万向节3相连。
与传动齿轮啮合的转向齿条9水平布置,转向减震器5一端连接在转向器壳体上,另一端连接在齿条上,用以减小转向轮的摆振。
有效长度可调的转向拉杆10一端铰接在转向节臂上,另一端支撑在齿条上。
转向时,驾驶员转动转向盘,通过转向轴.安全万向节带动转向齿轮转动,齿轮使齿条轴向移动,带动拉杆移动,使车轮偏移,实现转向。
图4.1齿轮齿条式转向器工作示意图
五、传感器
5.1转矩传感器
5.1.1电位计式转矩传感器
扭杆式转矩传感器主要由扭杆弹簧、转角-位移变换器、电位计组成。
扭杆弹簧主要作用是检测司机作用在方向盘上的扭矩,并将其转化成相应的转角值。
转角-位移变换器是一对螺旋机构,将扭杆弹簧两端的相对转角转化为滑动套的轴向位移,由刚球、螺旋槽和滑块组成。
滑块相对于输入轴可以在螺旋方向上移动,同时滑块通过一个销安装到输出轴上,可以相对于输出轴在垂直方向上移动。
因此,当输入轴相对于输出轴转动时,滑块按照输入轴的旋转方向和相对于输出轴的旋转量,垂直移动。
当转动方向盘的时候,钮矩被传递到扭力杆,输入轴相对于输出轴方向出现偏差。
该偏差是滑块出现移动,这些轴方向的移动转化为电位计的杠杆旋转角度,滑动触点在电阻线上的移动使电位计的电阻值随之变化,电阻的变化通过电位计转化为电压。
这样扭矩信号就转化为了电压信号。
转矩传感器用于检测作用于转向盘上的转矩信号的大小与方向。
目前采用较多的转矩传感器是扭杆式电位计传感器。
它是在转向轴位置加一扭杆,通过扭杆检测输入轴和输出轴的相对扭转位移得到的转矩。
图所示为转矩传感器的基本原理。
在转矩传感器中,用磁性材料制成的定子和转子可以形成闭合的磁路,线圈A、B、C、D分别绕在极靴上,接成一个桥式回路。
转向轴扭转变形的扭转角与转矩成比例,所以只要测定转向轴的扭转角,就可间接的知道转向角的大小。
在线圈的U、T两端施加连续的脉冲电压信号Ui,当转向轴上的转矩为零时,定子与转子的相对转角也为零。
这时转子的纵向对称面处于图示定子AC、BD的对称平面上,每个级靴上的磁通是相同的,因而电桥是平衡的,在V、W两端的电位差Uo=0.如果转向轴上存在转矩时,定子与转子的相对转角不为零,此时转子与定子间产生如图所示的角位移θ.极靴A、D间的磁阻增加,B、C间的磁阻减少,各个极靴的磁通产生差别,电桥失去平衡,在V、W之间出现电位差。
这个电位差与转向轴的扭转角θ和输入电压Ui成比例。
若比例系数为k,则有:
Uo=kUiθ
由V、W两端的电位差Uo就可以知道转向轴的扭转角,从而便可以知道转向轴的转矩。
图5.1转矩传感器基本原理
5.1.2金属电阻应变片的扭矩传感器
传感器扭矩测量采用应变电测技术。
在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥,当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化,应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。
传感器就完成如下的信息转换:
在金属电阻应变片的扭矩传感器中,需要解决的技术关键是:
(1弹性轴的工作区域不应该大于弹性区域的1/3,且取初始段。
为了将迟滞误差减低到最底,按照超载能力指数选取最大的轴径。
(2采用LM型硅扩散力敏全桥应变片,较好的敏感性,很小的非线形度
(3采用高精度的稳压电源。
5.1.3非接触式扭矩传感器
图5.2非接触式扭矩传感器的结构
如图5.2所示的为非接触式扭矩传感器的典型结构。
输入轴和输出轴由扭杆连接起来,输入轴上有花键,输出轴上有键槽。
当扭杆受方向盘的转动力矩作用发生扭转时,输入轴上的花键和输出轴上键槽之间的相对位置就被改变了。
花键和键槽的相对位移改变量等于扭转杆的扭转量,使得花键上的磁感强度改变,磁感强度的变化,通过线圈转化为电压信号。
信号的高频部分由检测电路滤波,仅有扭矩信号部分被放大。
非接触扭矩传感器由于采用的是非接触的工作方式,因而寿命长、可靠性高,不易受到磨损、有更小的延时、受轴的偏转和轴向偏移的影响更小,现在已经广泛用于轿车和轻型车中,是EPS传感器的主流产品
5.2车速传感器
速度传感器是一种将非电量(如速度、压力)的变化转变为电量变化的原件,根据转换的非电量不同可分为压力传感器、速度传感器、温度传感器等,是进行测量、控制仪器及设备的零件、附件。
单位时间内位移的增量就是速度。
速度包括线速度和角速度,与之相对应的就有线速度传感器和角速度传感器,我们都统称为速度传感器。
在机器人自动化技术中,旋转运动速度测量较多,而且直线运动速度也经常通过旋转速度间接测量。
目前广泛使用的速度传感器是直流测速发电机,可以将旋转速度转变成电信号。
测速机要求输出电压与转速间保持线性关系,并要求输出电压陡度大,时间及温度稳定性好。
测速机一般可分为直流式和交流式两种。
直流式测速机的励磁方式可分为他励式和永磁式两种,电枢结构有带槽的、空心的、盘式印刷电路等形式,其中带槽式最为常用。
旋转式速度传感器的结构和特征
旋转式速度传感器按安装形式分为接触式和非接触式两类。
5.2.1接触式车速传感器
旋转式速度传感器与运动物体直接接触。
当运动物体与旋转式速度传感器接触时,摩擦力带动传感器的滚轮转动。
装在滚轮上的转动脉冲传感器,发送出一连串的脉冲。
每个脉冲代表着一定的距离值,从而就能测出线速度。
接触式旋转速度传感器结构简单,使用方便。
但是接触滚轮的直径是与运动物体始终接触着,滚轮的外周将磨损,从而影响滚轮的周长。
而脉冲数对每个传感器又是固定的。
影响传感器的测量精度。
要提高测量精度必须在二次仪表中增加补偿电路。
另外接触式难免产生滑差,滑差的存在也将影响测量的正确性。
因此传感器使用中必须施加一定的正压力或着滚轮表面采用摩擦力系数大的材料,尽可能减小滑差。
5.2.2非接触式车速传感器
旋转式速度传感器与运动物体无直接接触,非接触式测量原理很多,以下仅简单介绍两点,以供参考。
[1].光电流速传感器
叶轮的叶片边缘贴有反射膜,流体流动时带动叶论旋转,页轮每转动一周光纤传输反光一次,产生一个电脉冲信号。
可由检测到的脉冲数,计算出流速。
[2].光电风速传感器
风带动风速计旋转,经齿轮传动后带动凸轮成比例旋转。
光纤被徒轮轮番遮断形成一串光脉冲,经光电管转换成定信号,经计算可检测出风速。
非接触式旋转速度传感器寿命长,无需增加补偿电路。
但脉冲当量不是距离整数倍,因此速度运算相对比较复杂。
旋转式速度传感器的性能可归纳如下:
(1.传感器的输出信号为脉冲信号,其稳定性比较好,不易受外部噪声干扰,对测量电路无特殊要求。
(2.结构比较简单,成本低,性能稳定可靠。
功能齐全的微机芯片,使运算变换系数易于获得,故目前速度传感器应用极为普遍。
六、其他机构的简介
6.1电动机
EPS的动力源是电动机,通常采用无刷永磁式直流电动机,其功能是根据ECU的指令产生相应的输出转矩。
电动机是影响EPS性能的主要因素之一,不仅要求低速大转矩,波动小,转动惯量小,尺寸小,质量轻,而且要求可靠性高,控制性能好。
在电动机设计时,应着重考虑如何提高路感,降低噪声和振动,如在电动机转子周缘开设不对称或螺旋状的环槽、靠特殊形状的定子产生不均匀磁场等来提高电动机的性能。
转向助力用的电动机需要正反转控制。
一种比较简单适用的转向助力电动机正反转控制电路如图6.1所示,图中a1、a2为触发信号端,从微机系统的D/A转换器得到的直流信号输入到a1、a2端,用以触发电动机正反转。
当a1端得到输入信号时,晶体管VT3导通,VT2得到基极电流而导通,电流经VT2的集电极和发射极、电动机M、VT3的集电极和发射极搭铁,电动机有电流通过而正转。
当a2端得到输入信号时,晶体管VT4导通,VT1得到基极电流而导通,电流经过VT1的发射极和集电极、电动机M、VT4的集电极和发射搭铁,电动机有反向电流通过而反转。
控制触发信号端的电流大小,就可以控制电动机通过电流的大小。
图6.1电动机正反转控制电路
6.2电磁离合器
离合器采用干式电磁离合
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