摘 要

本文以某小轿车为背景，设计了一款转向轴助力式，装有齿轮齿条转向器的电动助力转向系统。利用汽车理论与汽车设计的相关知识，计算了转向系统的基本参数，完成了EPS（Electric Power Steering，电动助力转向的缩写）内部相关部件的尺寸、参数计算和强度校核。同时完成了部件选型，确定了系统的内部构造。利用CATIA软件实现EPS系统的三维建模，得到了EPS系统的三维模型，并进一步转换为二维图纸。运用MATLAB/Simulink软件进行了一定量的优化和仿真工作。

首先，本文对需要进行设计的助力转向系统和电动助力转向系统分别进行了介绍，包括它的发展历史、基本原理、结构组成和三种结构分类。分析了三种结构的优缺点，为后面的选型奠定了基础。

然后根据所选取的轿车参数，进行了EPS系统的基本参数计算，包括：转向器角传动比、转向系统角传动比、良好路况下的原地转向阻力矩、作用在转向盘上的手力，为部件的选型提供依据。随后对系统中重要的部件选型计算，包括：电控单元、传感器、电动机、转向器等，确定了最终的结构组成。

接着，简述了使用CATIA软件建立整个系统简化模型的过程，着重介绍了几个重要结构的几何特征，并将装配体和部分零件模型转化为2D图纸。。

最后，本文详述了利用MATLAB软件中的优化工具箱对系统中蜗轮蜗杆减速器进行优化计算的步骤，包括目标函数，约束条件公式的选择和计算。利用软件中同软件中的Simulink组件建立了EPS的动力学模型，输入合理的信号，运行得到结果。

汽车转向系统对于汽车的重要性显而易见，EPS作为转向系统的发展趋势有很大的研究价值。本文的特色在于：充分利用所学知识和软件，完成了EPS从计算选型到建模、仿真，每一个步骤都有所涉及。可以为EPS之后的研究提供思路，有一定参考价值。

关键词：EPS系统；CATIA三维建模；蜗轮蜗杆减速器；EPS动力学模型

Abstract

The paper designs a shaft-powering EPS (Abbreviate for Electric Power Steering) system with a rack-pinion diverter based on a certain car model. Fully employing relative knowledge from Vehicle Theory and Vehicle Design, the paper calculates basic parameters of the EPS system. After finishing the calculation and strength checking of some key components, it carries out type selection and determines the system’s structure inside. Utilizing CATIA, it completes the 3D modeling and moves forward to transform it into 2D graphs. At the end, the paper takes the advantages of MATLAB/Simulink to complete a certain amount of simulation work.

Firstly, the paper makes an introduction to the EPS system that needs to be designed, including its history, basic theories, fundamental structure and its 3 specific types. Through analyzing its strength and weakness, we can gain some information for the system's type selection.

Then, according to the dimensions of the car we chose, the paper calculates the EPS system's basic parameters, including Diverter's angle transmission ratio, Steering system's transmission ratio, On-site Steering torque in good road condition and Hand force on the steering wheel. We can provide them as foundations for the type selection of key components. Afterwards, the paper conducts type selection for the essential components like ECU, sensors, motor, diverter, etc.

Next, the paper introduces the process of using CATIA to construct the whole 3D model in brief with the emphasis on several key structures' geometrical features. At the same time, it has shown several pictures of the 3D model.

At last, the paper illustrates how to use Optimization Toolbox in MATLAB to complete the optimization of worm gear reducer, including the way to build and to solve the target function and inequality constrains. As well as utilizing Simulink module to establish EPS system's dynamic model. Through putting into reasonable signals, we can run for the graphs.

The importance of the steering system to a vehicle can be apparent. EPS, to be its trend of development, is of great value to be studied. The characteristic of the paper lies on that it makes full use of the knowledge and software to complete the whole process of designing an EPS system from calculation, modeling to simulation. It can provide the future study with some inspirations and is of certain reference value.

Key words：EPS System; CATIA Modeling; Worm Gear Reducer; EPS’s Dynamic Model

目 录

第1章 绪论 1

1.1 设计的目的及意义 1

1.2 助力转向系统的概述 1

1.3 电动助力转向系统发展历史和研究现状 2

1.3.1 电动助力转向系统的历史 2

1.3.2 电动助力转向系统的国内外发展现状 2

1.4 研究的主要内容 3

第2章 EPS系统的结构与类型分析 4

2.1 EPS的结构组成 4

2.2 EPS基本工作原理 4

2.3 电动助力转向系统的分类 4

2.4 本章小结 5

第3章 EPS系统选型 6

3.1 某轿车有关转向系统的参数 6

3.2 基本参数的确定 6

3.2.1 内外转向轮的最大转角和 6

3.2.2 转向系统角传动比 7

3.2.3 原地转向阻力矩 7

3.2.4 转向盘上的力 8

3.3 助力方式的选取 8

3.4 关键部件的选型和计算 9

3.4.1 电控单元的选型 9

3.4.2 传感器的选型 9

3.4.3 助力电机的选型和计算 11

3.4.4 齿轮齿条转向器 13

3.4.5 离合器 15

3.4.6 减速器 16

3.4.7 转向传动机构部件的设计 17

3.5本章小结 17

第4章 基于CATIA平台的EPS结构设计 18

4.1 CATIA软件简介 18

4.2 CATIA中零件模型的创建 18

4.3 CAITA中装配模型的创建 19

4.4本章小结 19

第5章 基于Matlab的蜗轮蜗杆减速器设计优化 20

5.1蜗轮蜗杆减速器的选型与选材 20

5.2目标函数选取 20

5.3 确定约束条件 20

5.3.1 几何参数的约束 20

5.3.2 性能约束条件 21

5.4 优化的结果 23

5.5本章小结 23

第6章 EPS动力学数学模型的建立 24

6.1 EPS数学模型的结构 24

6.2 EPS动力学模型 25

6.3 在Simulink中间搭建模型 25

6.3.1 Simulink软件的介绍 25

6.3.2 EPS模型的建立 25

6.4模型的仿真 28

6.4.1模型的输入 28

6.4.1模型的输出 29

6.5 本章小结 30

第7章 总结与展望 31

7.1 总结 31

7.2 展望 31

参考文献 32

附录 33

致谢 34

第1章 绪论

1.1 设计的目的及意义

汽车转向系统是各种零件和连接等的集合，它可以用来改变和恢复汽车的行驶方向。它们基本的功用就是帮助车辆按着驾驶员期望的线路行驶。从20世纪50年代液压助力转向系统第一次在轿车上使用开始，到今天的60多年间，EPS（全称：Electric power steering）技术已经逐渐走向成熟。如今随着电控技术在整车的各个部位发挥着越来越大的作用，对于转向系统的研究就不得不涉及到电动助力转向。

EPS作为一个质量小、助力效果好、对驾驶舒适度有重大提升作用的技术，在我国人口对于汽车要求越来越高的现实下，会有更大的需求。以全世界第一的产销量作为基础，每一代技术先进的产品都会有无限可能。本文的目的在于提供一个EPS系统的简要设计流程，意义在于帮助之后的深入研究和产品升级。

1.2 助力转向系统的概述

在汽车中转向助力系统通过增大驾驶员的转向力来帮助驾驶员转向。液力或者电力执行机构向转向机构增加收控制的能量，所以当车辆以正常的速度行驶，驾驶员可以提供更小的力来操纵转向轮。当汽车停止或者行驶缓慢的时候，助力转向系统可以将转向力大幅减小。另外该系统还可以改进到提供一些虚拟的来自转向轮的反馈力。