武汉理工大学毕业设计（论文）

轿房车电动助力转向系统设计

学院（系）： 汽车学院

专业班级： 车辆工程1201班

学生姓名： 王儒财

指导教师： 秦 岭

绪论

转向系统作为汽车底盘四大系统（传动系统、行驶系统、转向系统和制动系统）之一，其性能的好坏影响着汽车的操纵稳定性，行驶安全性以及乘坐的舒适性。在电子技术不断发展的背景下应运而生的电动助力转向系统(EPS)，不仅具有节能环保、结构简单、成本低廉的优点，同时能够提高汽车的操纵稳定性、行驶安全性和乘坐舒适性^[1]。无论是国内还是国外，EPS正逐渐取代传统的液压助力转向系统。但由于国内汽车电子技术与国外存在的巨大差距，国内自主的研究生产电动助力转向系统的企业只占有很小的市场份额，因此开发出我们自己的性能稳定的电动助力转向系统对于国内汽车行业的发展有重大的意义。

对于EPS系统的研究也主要集中在控制策略的研究、控制器的研究以及EPS系统稳定性的研究^[2]。其中国内主要是助力控制、阻尼控制和回正控制策略以及控制器的研究，其代表算法有PID控制策略、H∞鲁棒控制理论以及模糊神经控制等；对于国外研究，由于其起步较早，其控制理论已经研究的比较成熟，目前则更多的偏向于EPS系统的控制器及其稳定性的研究^[2-3]。

本文旨在基于齿轮齿条转向器设计电动助力转向系统，以适应其作为轿房车的使用要求。本研究中保留原转向系统的机械转向系统结构，只是除去其液压助力转向系统，同时加装一套电动助力转向系统，本次研究需要确定电动助力转向系统的参数以及其控制策略，以达到提高汽车操纵稳定性、行驶安全性和乘坐舒适性的目的。

第1章 转向系统介绍

1.1 转向系统结构及其分类

汽车转向系统是用来保证汽车能够按照驾驶员的意志进行转向行驶或转向回正行驶的专门机构^[4]。转向系统可简单的分为：机械转向系统、液压助力转向系统、电子液压助力转向系统和电动助力转向系统^[4]。

1.1.1 液压助力转向系统

液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering System，简称HPS)是在原有机械转向系统的基础上增加上了一套液压助力机构，用来减轻驾驶员的劳动强度^[4-5]。根据其系统内部压力状态的不同，可以将其分为常流式和常压式^[4-5]。其结构如图1.1所示。它虽然可以降低驾驶员的劳动强度，但它存在很多缺点，比如：结构复杂成本高，消耗发动机功率燃油经济性差，液压助力泵由发动机直接驱动，发动机熄火后无法提供助力，助力存在滞后，由于油液的泄露而对环境造成污染，助力特性没法调整等。

图1.1 液压助力转向系统

1.1.2 电子液压助力转向系统

电子液压助力转向系统(Electronic Hydraulic Power Steering System，简称EHPS)在原液压助力转向系统的基础上，引入车速等控制信号，同时将原由发动机驱动的液压助力泵改为由电控单元控制的电子泵。其结构图如图1.2所示。该转向系统不仅实现了助力特性可以根据车速和路况的调整，还减少了燃油消耗，节约了能源。但是，电控系统的引入增加了成本，同时液压助力转向系统固有的缺点，比如：系统结构复杂，零部件数量多，存在助力油液泄露污染环境等^[5]。

图1.2 液压助力转向系统

1.1.3 电动助力转向系统

电动助力转向系统(Electric Power Steering System，简称EPS)并不改变原来机械转向系统的结构，只是在系统合适的位置上增加电机、控制器、离合器、减速机构、方向盘转角和扭矩传感器等相关零件，依靠电机直接提供助力^[5]。其结构图如图1.3所示。

图1.3 电动助力转向系统

与传统的HPS系统相比，它具有如下优点：

1. EPS只在汽车转向时才会进行助力，减少了能源消耗。
2. 由于没有了液压系统，不存在对环境的污染，节能环保。
3. 零部件数量少，降低了成本。
4. 转向助力特性可调，提高了汽的操纵稳定性，行驶安全性和乘坐舒适性。
5. 可靠性高，系统的零部件数量少，减少了系统发生故障的几率。
6. 可与整车电控系统协同工作，为汽车的智能化以及自动驾驶奠定了基础。

电动助力转向系统的电机可以安装在转向柱管、转向齿轮和转向齿条上，因此根据其安装位置的不同，可将其分为以下几类：转向轴助力式 (C-EPS)、转向小齿轮助力式 (P-EPS)、转向齿条助力式(R-EPS)^[5-6]。其结构如图1.4所示。

图1.4 电动助力转向系统类型

本次设计中采用的为双转向小齿轮助力式(D-EPS)，其结构如图1.5所示。

图1.5 双转向小齿轮助力式电动助力转向系统

1.2 电动助力转向系统的现状

1.2.1 国内电动助力转向系统现状

由于国内汽车行业起步较晚，加之汽车电子技术也较国外落后，目前国内对于电动助力转向系统的研究主要集中在C型EPS的研究上^[8]。国内的研究环境主要为“企业 高校”的合作研究模式。清华大学对电动助力转向系统的控制策略进行了研究，提出了基于PID算法的综合控制策略^[3]。吉林大学针对EPS系统仿真实验台展开了研究，并进行了实车的仿真实验^[8]。武汉理工大学针对汽车的回正控制，设计出了相应的EPS控制器^[2]。另外同济大学、北京理工大学、湖南大学、合肥工业大学等多所高校也对EPS系统进行了研究^[4-8]。但其成果多为实验室成果，很少有可以用于批量生产的成熟产品。

国内的EPS企业也由于行业整体起步晚，加上技术不成熟，生产的EPS系统稳定性还不够高等各种原因，只占到了整个EPS市场10%左右的份额，剩下的基本上被合资或外国的独资企业所占有^[6]。目前国内比较大的自主的EPS企业只有株洲易力达、浙江福林、南方航空动力等几个，其余的基本都是合资或外方独资企业。

1.2.2 国外电动助力转向系统现状

国外的汽车行业起步早，机械制造以及民用工业方面也强于国内，目前国外对电动助力转向系统的研究已经不仅仅局限于C型EPS，他们对于P-EPS和R-EPS也有不少的研究，特别是德国大众公司研制的D-EPS系统，现在已经广泛应用与其旗下的车型中。无论是在经典控制理论还是现代控制理论方面，国外的研究都取得了很多的成果。例如：为了改善车辆的回正性，提出的基于车辆回正力矩的补偿控制策略 ^[3] ；为了抑制助力电机控制电流的脉动，提出的一种新型电流观测方法^[3] ；为提高EPS系统的稳定性而设计出的H∞控制器；等等。

国外的EPS企业，起步最早的是日本的EPS企业，随后，欧美的汽车零部件企业在大的投入下，也已经迎头赶上。其中日本的 JTEKT、NSK、昭和等，在世界范围内都占据有很大的市场份额；美国的TRW，韩国的万都以及德国的大众、博士等也占有一定的市场份额^[5]。对于国内市场而言，90%左右的市场被合资企业和外企所占有。

1.3 本课题的意义及主要研究内容

1.3.1本课题的研究意义

在上述的介绍中，我们可以看出，电动助力转向系统(EPS)有其独特的优点，加上线控转向系统(SBW)的一些致命缺点，在现在以及未来的相当长的一段时间内将是各大高校和企业的研究重点，随着电子技术的发展，EPS系统的市场占有率也将进一步上升。然而从种种数据看来，国内自主的EPS系统企业的市场占有率非常不乐观，而且目前国内的研究水平也只是处于基础阶段。在未来的几十年的汽车发展中，要想实现弯道超车，汽车电子方面是一个重要的突破口，电动助力转向作为其中的一部分，它的研究也是很重要的。因此，本课题的研究是具有很重大的意义的。

1.3.2本课题的主要的研究内容

本次毕业设计创新设计的轿房车，目前市场上没有，是全新的车型，轿房车定义为：平常作为轿车使用，出去旅行是可以变形成房车，简称轿房车，类似轿跑车。本次设计在齿轮齿条转向器的基础上设计电动助力转向系统(EPS)。主要设计内容包括：

1. 分析国内外汽车电动助力转向系统结构型式；
2. 确定电动助力转向系统设计方案；

（3）确定电动助力转向系统参数及其控制策略；

（4）进行电动助力转向系统及其部件的设计计算；

（5）确定电动助力转向系统部件结构尺寸参数；

（6）绘制电动助力转向系统装配图和主要零部件图；

1.4 本章小结

在本章中，通过大量的资料查阅后，简要介绍了转向系统的发展、组成、分类，介绍了本研究中的EPS系统的优点。从控制策略、控制器以及稳定性研究方面对比了目前国内外对于EPS系统的研究。分析了国内外EPS企业的发展情况。最后，明确了本研究的意义以及基本的研究内容。

第2章 电动助力转向系统的结构及其动力学模型

2.1 转向系和电机模型

2.1.1 电动助力转向系统的机械结构及其工作原理

电动助力转向系统的主要结构及其组成部件在1.1.3节中已经详细介绍，本文中采用的为双小齿轮助力式(D-EPS)电动助力转向系统，其结构简图如图2.1所示。

其工作过程为：汽车行驶过程中，电子控制单元(ECU)接收来自各传感器的信号，包括车速信号、发动机点火信号、负载信号、方向盘转角和转矩信号，以及电机的反馈信号，判断汽车的行驶状态，从而发出控制信号，控制电机进行助力、回正以及断开电机等动作。当汽车车速较低或刚起步，驾驶员转动转向盘进行转向时，电控单元接受到方向盘转角和转矩信号，根据当前车速和前轴载荷，计算出一个助力值，通过控制助力电机实现转向助力，助力值的大小随车速增大而减小，随载荷增大而增大。当车速到达设定的某一个值时，断开电磁离合器，进入手动转向控制^[8-9]。当转向完成需要回正时，电控单元同样接收各种信号，对其进行综合处理，计算出回正所需力矩，利用助力电机加载到车轮上，实现回正控制。

图2.1 双小齿轮助力式(D-EPS)电动助力转向系统结构简图

2.1.2 电动助力转向系统的主要组成部件

电动助力转向系统的主要由助力电机、减速机构、电磁离合器、方向盘转角和扭矩传感器、电控单元ECU等组成^[5][8]。

助力电机作为EPS系统的转向动力来源，对于汽车行驶的各种工况，都要为转向系统提供合适的力矩来改善汽车的操纵稳定性。因此在电机的选择上需要满足以下要求：转矩大、速度低、抗干扰、运行稳定、转动惯量小、容易控制、容易安装布置、对电压要求不高等等^[8-10][12]。

在选择电机时，主要考虑电机的类型和电机的最大转矩和功率。就电机的类型而言，目前主要有3类：交流异步电机、直流有刷电机和直流无刷电机^[8]。其性能特点如下表所示：

表2.1 电机性能比较

目前汽车使用的电源多为直流电源，加之直流无刷电机平稳性好、抗电磁干扰能力强等优点，本设计选用直流无刷电机。最终确定的电机参数如表2.2所示：

表2.2 助力电机参数

除了助力电机外，本次研究对其他主要零部件也进行了选择。离合器选用的是干式电磁离合器，其主要作用是当车速超过一定数值时，断开离合器，变为纯机械转向系统；或者系统出现故障时，断开离合器，以保证行车的安全性。扭矩传感器用来测量转向盘的输入转矩，并作为助力电机控制器的一个主要参数，来确定助力的目标电路。减速机构采用涡轮蜗杆式，用来给通过助力电机加载到转向器齿条上的力进行减速增矩。转向盘转角传感器用来测量转角，从一定程度上反映助力的质量。上述主要零部件的参数具体见表2.3：