摘 要

现如今，全球都在致力于节能减排、小型化、轻量化的发展。在汽车领域中，尤其是新能源汽车领域，随着电子技术的发展，电动助力转向系统（EPS）从出现到现在，仅用30年的时间，就取代了大部分的助力系统，成为了最为主流的汽车助力转向技术。

电动助力转向系统能够根据汽车的行驶速度、方向盘转矩转角、路面状况、驾驶者驾驶习惯等条件，为驾驶者提供转向助力，使驾驶者在转向时，有更好的路感与更轻便的转向体验。另外，电动助力转向系统还能有利于车辆保持直线能力和降低在不平路面行驶时的逆效率，使驾驶者在各种路况下都能有较好的路感和良好的驾驶体验。

作为一种新型的汽车动力转向系统，汽车电动助力转向系统是与传统液压转向系统相比，采用电动机直接提供助力，且只在转向时供能，能源消耗显著降低。而且避免了复杂的液压管路布置，也不会因液压液泄漏而导致环境污染和助力失效等问题，体积更小，也有更高的可靠性。因此电动助力转向系统顺应了节能减排环保的要求，具有巨大的研究价值和市场前景。

本文对电动助力转向系统的原理和结构进行了说明，对吉利博越电动助力转向系统及其部件的结构型式进行分析并对其部件进行设计和计算分析。主要计算设计了转向器的参数，并且对电机、传感器等部件的选用原则。主要方法和理论采用了大学所学汽车设计、机械设计等课程内容，并在最后做了归纳和总结。

关键词：电动助力转向系统；齿轮齿条转向器；转向系统；EPS

Abstract

In the global development trend of energy saving, miniaturization and lightweight, the application of electric power steering (EPS) has gradually become the mainstream of automotive steering system technology, especially in the field of new energy and electric drive passenger cars.

The electric power steering system can provide steering assistance to the driver according to the steering wheel torque, steering wheel angle, vehicle speed and road condition, which makes the steering easier and softer. In addition, the vehicle has good ability to maintain and suppress the bumpy road reaction. The ability to ensure the road feel under all driving conditions.

As a new type of automotive power steering system, the electric power steering system of the automobile is directly assisted by the electric motor compared with the conventional hydraulic steering system, and only supplies energy during steering, and the energy consumption is significantly reduced. In recent years, many medium and high-end cars have been equipped with power steering system devices. EPS research has become one of the hot topics in the automotive industry, with important research value and great potential application prospects.

In this paper, the structural types of the Geely Bo Yue electric power steering system and its components are analyzed and the components are designed and calculated. The main methods and theories adopt the curriculum content of the automobile design and mechanical design studied by the university, and have been summarized and summarized.

Key Words：electric power steering；rack and pinion steering gear；steering system；EPS

目 录

摘 要 3

第1章绪论 1

1.1 汽车转向系统概述 1

1.2 EPS的特点及发展现状 1

1.2.1 EPS的特点 1

1.2.2 EPS的国内外发展现状 2

1.2.3 本课题的研究目的与意义 2

本章小结 3

第2章EPS的总体组成 4

2.1 EPS的机理与类型 4

2.1.1 EPS的机理 4

2.1.2 EPS的类型 5

2.2 电动助力转向系统的部件结构 6

2.2.1 转向力矩传感器 6

2.2.2 电动机 6

2.2.3 减速机构 7

2.2.4 电子控制单元（ECU） 7

2.3 电动助力转向的助力特性 7

本章小结 8

第3章吉利博越电动助力转向系统的设计 9

3.1 吉利博越整车参数 9

3.2 转向器的选取 9

3.3 转向器设计与计算 10

3.3.1 确定载荷 10

3.3.2 角传动比与力传动比 11

3.4 齿轮设计 12

3.4.1 齿轮参数初选 12

3.4.2 齿轮几何尺寸的确定 12

3.5 齿条的设计 13

3.6 齿轮强度计算 14

3.6.1 齿轮精度等级、材料及参数的选择 14

3.6.2 齿轮的齿根弯曲强度校核 14

3.6.3 齿面接触疲劳强度校核 15

3.7 齿轮轴的设计 15

3.8 转向传动机构设计 17

3.8.1 转向传动机构的原理 17

3.8.2 转向梯形机构尺寸的初步确定 18

3.8.3 转向梯形的近似设计 18

3.9 球头销 20

3.10 转向横拉杆 21

本章小结 21

第4章EPS部件的选择 22

4.1 电动机 22

4.2 减速机构 22

4.3 扭矩传感器 23

本章小结 23

第5章结论 24

附录 26

程序源代码： 26

参考文献 27

致 谢 28

绪论

汽车转向系统概述

驾驶者在驾驶汽车在行驶过程中改变汽车的行驶方向，即汽车转向。我们可以利用专门用来改变汽车行驶方向的系统来实现汽车的转向，这样的系统我们称之为汽车转向系统。

汽车转向系统可以分为两大类：机械转向系统和动力转向系统。他们的不同之处在于不同的转向力来源。机械转向系统的转向力来自驾驶者本身，而动力转向系统的转向力除了来自驾驶者外，还有一部分来自转向助力机构。转向操纵机构、转向器和转向传动机构这三个部分组成了机械转向系统。而动力转向系统则除了这三个部分以外，还有转向助力装置。

作为汽车最重要的部分之一，转向系统的性能是否良好将会关系到汽车的操控性能和安全性能。目前，市场上有有多种动力转向系统，其中以液压助力转向（HPS）、电控液压助力转向（EPHS）、电动助力转向（EPS）、这三种转向助力方式为主，而近几年来又以电动助力转向的发展最为迅猛。电动助力转向系统不仅具有低能耗、可改变助力、便于设计生产等优点，而且有巨大的发展空间和市场前景，是目国内外动力转向转向技术领域中研究的主要对象。

EPS的特点及发展现状

EPS的特点

电动助力转向系统通过电动机提供额外的转矩，帮助驾驶者不同情况来控制汽车的转向。相比HPS，电动助力转向系统只在转向时驱动电机消耗能量，而HPS因为需要让液压泵长期处于工作状态，会消耗大量的能量。EPS的电动机工作时长约占行驶总时长的5%，燃油消耗率相比不使用任何动力转向机构的转向系统仅增加0.5%左右，能源消耗降低非常显著，仅为液压动力转向的16%～20%。同时，由于电动助力转向系统中的机械系统与电动机直接连接，能量损耗较小，其工作效率可达90%，远远高于一般液压助力转向系统的60%～70%。

因为电动助力转向系统相对于传统的机械转向系统只额外多装了一套电动机、减速机构、传感器和电控单元，结构简单，质量小，便于设计和安装。同时，因为不需要充入液体，系统便于继承，使整体尺寸减小，节省空间，使总布置更加方便。

EPS的国内外发展现状

EPS最早于电子控制技术快速发展的上世纪八十年代末进入公众的视线。早在1988年，日本的SUZUKI公司就已经将EPS安装到小型轿车Cervo上。同年，美国通用公司也在其汽车产品上配备了EPS。鉴于EPS优异的的性能，日本HONDA公司在1993年将电动助力转向系统安装在了NSX上，并为其他高端先进车型装载了EPS^[1]。随后，世界上更多的公司和组织也加入了对EPS的研发。

经过三十年的发展，随着技术越来越完善，EPS的应用范围也越来越广，如今不止是小型轿车，越来越多的车型也开始使用电动助力转向系统。随着驾驶者对于驾驶汽车时的舒适程度和安全程度的需求越来越高，电动助力转向系统也变的越来越复杂。最初，EPS仅通过方向盘转矩转角和车速的信号来改变助力大小，如今则通过汽车多种信号，例如横摆加速度、前轴载荷、转向阻力距等复杂信号，来对系统进行更加精密的控制，从而使驾驶者获得更舒适和精准的驾驶体验。

国内的电动助力转向系统的发展时间相对国外比较晚，到二十一世纪初才开有国内企业进行研发^[2]。同时由于国内转向系统的研究水平较差，在当时发展EPS面临巨大的挑战。目前国内已有数十家科研院校正在研发中，其中清华大学、吉林大学等已取得了较大的突破，另外还有十多家转向企业和配套企业也在研发中。随着国内汽车行业的发展，国内的EPS也同样得到了快速的发展。国内已装有EPS的汽车主要为1.3L-1.6L的轿车。近几年国内车展所展出的车辆中，采用EPS的车辆占比剧增，而采用HPS和SHPS的车辆占比则有大幅度的下降，EPS已经成为最主要的助力形式^[3]。虽然国内EPS发展迅速，但在许多方面仍存在不小技术壁垒。加之国内EPS存在噪声大，系统可靠性低、故障率高等问题，与国外EPS还有很大的差距，仍有许多问提亟待解决。虽然如此，EPS在乘用车上的应用越来越广的趋势也会持续下去，并且EPS相对于其他助力形式有更大的发展空间，也有更好的发展前景^[4]。

本课题的研究目的与意义

汽车的转向存在“轻”与“灵”的矛盾，“轻”即转向轻便，“灵”即操纵灵敏，然而“轻”与“灵”又是互相制约的。驾驶者驾驶汽车在低速行驶时需要转向轻便，而高速行驶时又需要有良好的路感。本课题通过利用已学的知识和方法，设计吉利博越汽车转向系统，以达到转向轻便性和操纵稳定性的要求。EPS相较于其他传统动力转向系统而言，具有耗能量低的特征，符合现今追求环保的大环境。动力转向系统具有随着车速、路况等条件变化的转向盘力特性，能够更好地满足驾驶者地需求。因此，发展EPS是自然的趋势也是必然的要求。

本章小结

本章介总结了与其他助力转向系统相比，汽车电动助力转向系统的特点和优点。并简单分析了电动助力转向系统在国内外的发展现状。最后，将电动助力助力转向系统的发展前景进行了分析。

EPS的总体组成

EPS的机理与类型

近年来，在乘用车等车辆上EPS已经得到了普遍的应用。EPS除了应当满足与其他类型动力转向系统的相似要求之外，同时还应具有出色的抗干扰和振动的能力，自诊断和报警，过载保护等功能。

EPS的机理

EPS一般包括两个部分，传统的机械式转向器部分与电动助力部分。其中，机械式转向器通常会使用齿轮齿条式转向器。电动助力部分包括电动机、电子控制单元（ECU）、车速传感器、转矩传感器、减速机构、离合器等。

图2.1 EPS示意图

如图2.1所示，转矩传感器一般被安装在在转向轴中间。当驾驶者转动转向盘时，转向盘带动转向轴随之转动，此时转矩传感器就会将检测到的转矩信号信号传输给电子控制单元（ECU）。随后ECU根据接收到的信号计算出此时所需要的辅助转矩，并将结果转化为信号发送给电动机。电动机收到信号后再通过离合器和减速机构将放大后的转矩作用到转向轴上。这整个过程都是实时的，所以能够实现对转向所需的助力的实时控制^[4]。

EPS的类型

在EPS中，电动机可以根据需求安装在不同位置上，根据安装位置不同，可以分为三种助力方式：电动机安装在转向轴处的转向轴助力式，电动机安装在转向器小齿轮处的小齿轮助力式以及电动机安装在齿条处的齿条助力式。

图2.3 电动助力转向系统类型

（1）转向轴助力式。转向轴助力式EPS的电动机发出的动力经离合器、减速机构传到转向轴上，转向轴再经过万向节将电动机发出的动力传给转向器。由于这种EPS的电动机的位置布置在转向轴上，因而它通常位于驾驶室内，工作环境相对另外两种较好，所以不需要太高的密封要求。因为减速机构会将电动机输出的助力转矩放大，再传给转向轴，所以相同情况下电动机需要的输出转矩可以比较小。所以所需电动机尺寸也会较小，有利于整车轻量化和布置。但是由于电动机布置在驾驶室，距离驾驶者比较近。为减少电动机工作时对驾驶者的影响，它的工作噪声、振动等要求比较高，所以转向轴助力式EPS通常只适用于小型车辆。

（2）转向器小齿轮助力式。转向器小齿轮助力式EPS的电动机经过离合器和减速器与转向器主动齿轮相连，通过对转向器的主动齿轮施加转矩实现助力转向。与转向轴助力式相比，由于其电机安装在转向器处，有空间安装更大的电机直接对小齿轮提供助力，可以提供更大的转向力，所以可以用于较大的中型车上。由于其电动机安装在驾驶室地板下方、转向器上方，所在环境的工作条件比较恶劣，所以需要有较好的密封性，防止杂物进入影响系统的精确度。同时，由于助力转向机构与转向器需要安装在一个总成内，使得这种助力方式的转向器与常规的转向器有较大的差别，需要专门对其进行设计制造，其设计制造成本也会相对较高。

（3）齿条助力式。齿条助力式EPS电动机通过对转向齿条施加力矩来实现转向助力。通常其电机就安装在转向器齿条处。由于电机通过减速器直接驱动齿条，输出的转矩没有通过转向器，减少了转向器增扭的环节。相同情况下齿条助力式需要有较大的输出功率的电机才能达到相同的助力效果，为此必须使用转矩更大的电动机。而更大转矩的电动机就意味着更大的尺寸和跟重的重量，不利于整车轻量化。同时，这种助力形式会使得其转向器与常规转向器有较大的结构差异，需要单独设计与制造。但是由于其布置位置远离驾驶室，可以足够的空间安装电动机和减速机构。所以总的来说，这种形式能够提供更大的辅助转矩，可以应用于大型车辆。

电动助力转向系统的部件结构

转向力矩传感器

转向力矩传感器通常用来测量转向盘与转向器之间的转向力矩，其结构如图2.4所示。 在A、B、C、D四个极靴上分别绕有线圈，形成一个回路。在回路的U、T两端输入脉冲电压U_i，当驾驶者没有转动转向盘时，施加在转向轴上的转向力矩为0，则转子和定子的相对转角也为0。那么此时A、B、C、D四个极靴上的磁通量相等，在V、W两端的电位差U₀为0。但是当转向杆上的转矩不为0时，转子和定子之间就会产生相对转角θ，A、B、C、D四个极靴上的磁通量就会发生变化，使V、W之间的电位差U₀发生变化，而U₀又与U_i和θ成正比。所以就能通过测量U₀得到转向力矩^[5]。

a）结构简图 b）原理图

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