电动液压助力转向系统的设计与分析 摘要 电动液压助力转向系统(ElectroHydraulic Power Steering System简称EHPS)是集液压助力转向和电动助力转向的于一体，采用直流电机驱动液压助力转向油泵，就算转向助力与发动机转速无关，也可根据汽车的转向需要提供动力，又发挥液压驱动系统的优势，由于有液压系统的存在，提高了转向平顺感觉，衰减道路冲击，提高了驾驶的舒适性和安全性。目前国内外小型汽车上主要用的都是齿轮齿条式转向器。齿轮齿条式转向器转向器式是将司机对转向盘的转动变为或齿条沿转向车轴轴向的移动，并按照一定的角传动比和力传动比进行传递的机构。其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条。转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。有时，靠齿条来直接带动横拉杆，就可使转向轮转向。所以，这是一种最简单的转向器。它具有结构简单、紧凑、质量轻、刚度大、转向灵敏、制造容易。成本低，正、逆效率都高一级便于布置等优点，而且特别适合于在、烛式和麦弗逊式悬架配用，因此，目前它在轿车和微型、轻型货车上得到了广泛的应用。本文在前人研究的基础上，对电动液压助力转向系统进行了简单的设计，并对主要传向机构-齿轮齿条传动机构进行了详细的设计与分析，在此基础上，对其进行了优化分析。关键词：电动液压助力转向 直流电机 液压系统 齿轮齿条Design and analysis of electro-hydraulic power steering system【Abstract】 Electro hydraulic power steering system(EHPS)，which uses DC motor to drive oil pump，sets the advantages of hydraulic power steering system and electric power steering system(EPS)inoneIt not only makes steering assist power have nothing to do with vehicle speed and provides assist power according to the steering requirements but also make full use of advantage of hydraulic driving system great energy densityDue to the existence of HPS steering feel is improved and the impact of the road attenuated SO that comfor of steering feel and safety are improvedRack and pinion steering gear steering gear type is the driver of the steering wheel or the rack into the rotation axial movement along the steering axle and gear ratio in accordance with a certain angle and the force transmission ratio for delivery institutions.Its basic structure is a pair of small gears meshing with each other and the rack. Rotating shaft driven pinion steering, the rack will do linear motion. Low cost, and inverse efficiency of all the advantages of a high level of ease of layout, but is especially good at, candle, and McPherson suspension with use, therefore, present it in the car and micro, light goods vehicle which has been widely aplied.Based on the previous research,combination of the electric power steering system and hydraulic steering system，make a simple design for the electric hydraulic power steering system ,then designed and analyzed in detail for the main spread to the body - gear rack mechanism,on this basis, has carried on the optimization analysis.【Key Words】：electro-hydraulic power steering DC motor hydraulic system rack and pinion目录1 绪论61.1 汽车助力转向系统简介61.2 电动液压助力转向系统的工作原理81.3 电动液压助力转向系统国内外研究现状91.3.1电动液压助力转向系统国外研究进展91.3.2国内发展电动液压助力转向系统所开展的工作101.4 本课题研究的目的和意义102 电动液压助力转向系统的总体组成122.1 电动液压助力转向系统的机理及类型122.1.1 电动液压助力转向系统的机理122.1.2 电动液压助力转向系统的分类122.2 电动液压助力转向系统的总体框架142.3 电动液压助力转向系统组成部件的选取142.3.1 电动机152.3.2 齿轮泵152.3.3 转向角速度传感器162.3.4 转向控制单元163 电动液压助力转向系统的设计173.1 EHPS系统的设计方法173.2 转向器的介绍183.3 齿轮齿条式式转向器设计计算203.3.1参数选择203.3.2齿轮齿条式转向器的设计与计算203.3.3转向系计算载荷的确定20 3.3.4 齿轮齿条式转向器的设计21 3.4 本章小结364 EHPS 系统电动机控制策略的研究174.1 永磁无刷直流电机的工作原理374.2 EHPS 永磁无刷直流电机的结构374.3 电机的驱动电路及续流原理374.4 EHPS 系统无刷直流电机控制策略分析384.4.1 换相控制原理384.4.2 调速控制原理394.5 数字 PID 控制的实现404.5.1 电流的检测和计算404.5.2 速度的检测和计算404.5.3 双闭环系统具有较好的动态性能414.6 本章小结415 转向传动机构的优化分析435.1 结构与布置435.2 用解析法求内、外轮转角关系435.3 转向传动机构的优化设计455.3.1 目标函数的建立455.3.2 设计变量与约束条件465.4 本章小结486 总结48致 谢49参考文献511 绪论1.1汽车助力转向系统简介 Francis WDavis在1920年发明了第一个助力转向单元，1951年被应用在乘用车上。随着汽车工业的不断发展，市场上目前有几种不同的助力转向系统。最常用的是液压助力转向系统(HPS)，最近微型车越来越多采用的电动助力转向系统(EPS)以及仅仅出现在概念车上的线控转向系(SteeringByWire)。在I-IPS系统向EPS发展的过程中，出现了在现有成熟的HPS系统的基础上借助用电机代替发动机驱动转向油泵工作的助力转向系统，即电动液压助力转向系统(EHPS)。以上四种助力转向系统的特点如下：液压助力转向系统是利用发动机带动转向油泵工作，油泵的流量随着发动机转速的增加而增加，液压油流入其中的一个缸，另一个缸则有一部分液压油回流，利用助力缸两腔之间产生了压力差，从而产生助力。对于车辆来说，HPS系统存在三个方面的不足：HPS系统是按转向阻力最大的泊车工况设计的，而汽车高速行驶时转向阻力显著下降，需要操纵力变小，易出现驾驶员路感下降的现象，降低高速行驶操纵仕能；95以上的汽车行驶里程是直线行驶，直线行驶时不需要转向系统工作，而HPS系统的油泵始终在发动机驱动下输出液压能，白白消耗能量。另外，HPS系统主要是按照克服低速泊车时的最大转向阻力，保证轻便转向设计的。低速泊车时发动机转速在500-一800rmin范围，而当汽车中、高速行驶时，发动机以怠速的3-一8倍转速运转，但此时，所需要的转向阻力下降，发动机却驱动油泵高速运转，输出流量数倍于泊车工况，输出液压能远远超出需要，浪费了许多能量。HPS系统由发动机驱动油泵提供动力，液压管路会引起振动噪声以及响应滞后等动力学问题。电动液压助力转向系统是在传统液压系统的基础上使用电机代替发动机驱动转向油泵工作。它通过ECU控制电机转速，电机转速越高，油泵的流量和压力越大，提供的助力就越大。这样通过调节电机的转速就可以实现可变助力。电动助力转向系统则是取消了液压部分，由独立于发动机的蓄电池提供动力带动电机，根据不同行驶条件通过ECU传送给电动机一个合适的电流以产生适合工况的转向助力。目前EPS是最节能的，但是目前使用的是有刷直流电机，寿命相对较短，仅仅适用于轻型轿车，并且由于其取消了液压部分，在转向感觉平顺以及衰减道路冲击方面存在不足。线控转向系统取消方向盘与转向轮之间的机械连接，用电能实现全动力转向，但现行标准出于可靠性和安全性的考虑，不允许采用全动力转向系统，所以没有批量生产。驾驶一辆车实际上是一个闭环系统，驾驶员是控制器而转向单元是激励。转向系统将转向盘转角转换到车轮转角，此操作改变了车辆的行进方向。作为主要的参考，驾驶员采用视觉信息将车停靠在路边，驾驶员也通过转向盘反馈的横向加速度和横摆力偶矩来保证转向是按照要求来实现。 LSegel在1960年代研究了反馈转矩并且发现横向加速度和转向盘力矩的关系在安全停车时扮演了重要的角色。这项工作在1970年代由FJaksch，在1980年代由FJAdams和ICDNorman继续研究下去。车辆制造商今天采用他们研究的结论去设计助力转向系统。拥有转向盘力矩和横向加速度的内在的具体的关系对于驾驶员来说变得很重要，可以使得反馈到驾驶员的路感连续不断。图11所示为横向加速度和转向盘力矩的关系。注意到转向盘力矩在横向加速度较低时的陡坡，这是用来保证在方向盘中心位置刚近时有个很好的反馈力矩。为了获得横向加速度和转向盘力矩之间的具体的关系，助力转向的传动比和前轮悬挂的