摘 要

在许多城市，由于越来越严峻的环保形式，使用柴油的载货卡车几乎都被取消了路权。在新能源补贴、停车费减免以及享受各种路权的政策鼓励之下，新能源汽车市场成为了一片新的红海。轻卡纯电动汽车就在这样的环境下产生。轻卡纯电动汽车具有路权优势大、补贴力度强、环保和能源成本低等优点，这也使它在城市的物流配送领域里占有越来越多的比例。电动助力转向系统具有节能环保特性高的优点，符合轻卡纯电动汽车的要求。 本文基于电动助力转向系统的许多的优点，所以就以电动助力转向系统为主体进行轻卡纯电动汽车转向系统的设计。本文首先确定了轻卡纯电动汽车的参考车型和它的基本性能参数，以此为基础确定了转向系统的总体方案。然后根据EPS的组成结构进行电动助力转向系统的关键零部件的选型和计算。重点是在分析各种机械转向器性能优劣的基础上，选择循环球转向器进行设计计算和校核，并且在此基础上利用CATIA软件建立了电动助力转向系统的三维模型，并对转向摇臂进行了应力分析。本文中设计结果符合转向系统的基本要求，安全可靠。关键词:轻卡纯电动；电动助力转向；循环球式转向器；分析

Abstract

In many cities, cargo trucks using diesel have almost been eliminated due to increasingly severe environmental forms. Under the encouragement of new energy subsidies, parking fee reductions and enjoyment of various road rights, the new energy vehicle market has become a new Red Sea. Light trucks are produced in such an environment. Light truck pure electric vehicles have the advantages of large road rights, strong subsidies, environmental protection and low energy costs, which also make it occupy more and more proportions in urban logistics distribution. The steering system is an important system for automobiles, and the requirements for energy-saving and environmental protection of steering systems are now increasing. The electric power steering system has high energy saving and environmental protection characteristics and meets the requirements of light truck pure electric vehicles.

This article is based on the many advantages of electric power steering system, so the design of light truck pure electric vehicle steering system is mainly based on electric power steering system. This paper first determines the reference model of the light truck pure electric vehicle and its basic performance parameters, based on which the overall scheme of the steering system is determined. Then, according to the composition of the electric power steering system, the selection and calculation of key components of the electric power steering system are carried out. The focus is on the analysis of the performance of various mechanical steering gears, the selection of the recirculating ball steering gear for design calculation and verification. Based on this, the 3D model of the electric power steering system was established by using CATIA software, and the stress analysis of the steering rocker was carried out. The design results in this paper meet the requirements, safe and reliable.

Key Words：Light truck pure electric;EPS; Recirculating ball steering gear ; analysis

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 汽车转向系统概述 1

1.2 电动助力转向系统的特点 1

1.3 电动助力转向系统的国内外研究现状 2

1.3.1 国外研究现状 2

1.3.2 国内研究现状 2

1.4 本文研究背景和意义 3

第2章 电动助力转向系总体设计方案 4

2.1 轻卡纯电动厢式汽车的主要性能参数 4

2.2 轻卡纯电动厢式汽车转向系统总体设计方案 4

2.2.1 转向盘 4

2.2.2 转向轴、转向柱管及其吸能装置 5

2.2.3 转向器 6

2.2.4 转向传动机构 9

第3章 EPS总体结构和关键零部件选型 12

3.1 电动助力转向系统的分类 12

3.2 EPS总体结构 13

3.3 EPS关键零部件计算和选型 13

3.3.1 助力电机的计算和选型 14

3.3.2 转向器的选型 16

3.3.3 传感器的选型 16

3.3.4 减速机构的选型 18

3.3.5 电磁离合器的选型 19

3.4 EPS助力特性 20

第4章 循环球式转向器的设计和计算 22

4.1 螺杆-钢球-螺母传动副的设计 22

4.2 齿条-齿扇传动副的设计 24

4.3 转向器计算载荷的确定 27

4.4 循环球式转向器零件强度校核 28

第5章 基于CATIA的有限元分析 31

第6章 结论 35

参考文献 36

致谢 38

第1章 绪论

• 1. 汽车转向系统概述

汽车转向系统的产生和发展有以下四个阶段：传统机械转向系最早出现；然后以此为基础研究产生的液压助力转向系统随之诞生；电控液压助力转向系统随着控制技术的进一步发展而产生了；电动助力转向系统作为未来转向系统的主角，到了上世纪80年代末终于出现了^[1]。

驾驶员对转向轻便性和舒适性的要求越来越高，传统的机械转向系统已经落伍。基于对驾驶感受的要求和技术的发展，液压助力转向系统在机械转向的基础上产生。液压转向加力装置是液压助力转向系统的核心部件，有了它提供的额外动力，转向轻便性提高了许多。但转向轻便性和转向稳定性的要求又满足不了。在液压助力转向系统的基础上增加了电子控制装置便形成了电控液压助力转向系统，车速不同，它提供的助力也不同。但结构复杂，造价高、不节能、不环保的缺点让它有了局限性^[2]。电动助力转向系统这种新型转向系统不依靠油压提供转向助力，它利用电动机产生的动力辅助驾驶员进行动力转向^[3]。行驶过程中安全性能更优、响应速度更快、灵敏度高和污染小的优点使电动助力转向系统日益符合现代汽车机电一体化的思想。它通过电子控制单元（ECU）控制助力可以同时满足驾驶轻便性和舒适性的要求^[4]。

• 1. 电动助力转向系统的特点

前面已经说过，液压助力转向系统由于耗能、污染环境等缺点使它不能完全满足时代发展对于转向系统的要求。 
　　电动助力转向系统采用最新的电子电力技术和日益成熟的电机控制技术，提高了环保特性，也提高了安全和舒适性能，还能改善静态和动态性能^[10]。

1. 经济环保性高

EPS不使用发动机的动力来进行助力转向，发动机消耗的能源更少了。少了用液压油的液压装置，EPS不用担心漏油问题，污染更小^[11]。

1. 转向特性好

EPS由于具有惯性减震器，反转和摆振大大缩小，而且没有转向迟滞效应，跟随性能大大提高。

1. 转向助力可变

转向力矩和车速决定了可变转向力的大小，覆盖整个车速的可变转向力可以通过EPS的ECU的软件编程和硬件控制来实现。驾驶员驾驶时的可靠的，可控性好的感觉可以在停车、低速和高速时都由EPS提供^[12]。

1. 占用空间小

EPS相对液压助力转向系统少了很多零件，安装方便，空间多了很多，这都可以安装其他零件。

1. 装配性能好

EPS没有液压回路，少了很多零件，装配效率提高不少，时间也节省很多，装配自动化程度高。

• 1. 电动助力转向系统的国内外研究现状
     1. 国外研究现状

EPS是继液压助力转向系统之后，汽车转向系统的又一重大技术革命。EPS最先出现在日本，并把它首先应用在微型汽车领域上。日本的铃木公司首次把EPS应用在它的Cervo车上，开启了汽车转向技术新的时代。

目前，国外借助技术的优势，对EPS 系统的研究的深度和力度不断增加，在EPS部件、建模仿真、控制策略、控制方法等方面都取得了优秀的成果。三菱电子公司的学者着重研究了电气和机械的失效模式对EPS助力性能的影响，并提出了仿真模型和算法用于分析出现的故障^[20]。美国德尔福转向系统公司的学者则对EPS系统的路感损失和回正慢等显著问题进行了研究，然后提出了助力电机的改进方法^[21]。美国的TRW公司的学者研究了怎么在转向试验中对转向车轮的侧向力进行补偿，根据补偿特性来施加补偿力可以让转向系统的灵敏度提高了许多^[22]。德国的ZF公司的学者主要研究转向盘转角传感器在EPS系统的作用，并且利用转角传感器协助提供回正力矩的方法提高了整车的操纵稳定性^[23]。日本的NSK公司的学者研究了轮胎弹性系数变化对EPS系统在转向时的鲁棒性的影响，并且基于鲁棒性理论建立了EPS系统的数学模型，随后研究出了鲁棒性控制器^[24]。英国Lucas公司的学者主要研究了EPS系统自身所提供的的助力、摩擦和转动惯量等因素对已经建立好了的简化的EPS动力学模型的动态响应特征的影响，还研究了控制方法的仿真^[25]。

1.3.2 国内研究现状

因为EPS最先出现在国外，所以国外的研究很深入了，而国内对EPS系统的研究开始的比较晚，这反而使国内的研究热情更高。我国EPS的开发从1992年开始，开始时的初级阶段，大部分文献只是介绍国外EPS系统状况以及电动转向系统基本组成和特点，但是随着相关的企业和国内的科研机构、院校协同合作，目前也已取得了许多成果。这些成果有各个方向的：驾驶性能、系统的鲁棒性、系统的控制策略、转向性能的评价、系统各部件的联合作用、助力电机的控制等。清华大学在EPS的研究时间最长，也是最早进行性能试验的院校，而且研究最深的是系统中回正、阻尼、助力三种特性这个方面。然后在此基础上，接着研究转矩传感器和电动转向技术这两个方面^[17]。武汉理工和北京理工两所院校对补偿方法研究比较深入，增大车辆侧向移动距离，计算系统移动位移和补偿的位移，从而可以增强系统的操纵稳定性^[18]。吉林大学则进行了联合仿真实验得出了一些用于匹配设计和控制策略的研究数据，用于系统控制领域^[19]。石家庄铁道学院、清华大学和北京交通大学对在台架实验和仿真实验上研究了电动助力转向系统的跟随性能^[14][15][16]。深圳职业技术学院经仿真和试验，得到了PID控制策略，为电动助力转向系统的内外轮的转向协调性奠定了基础^[13]。华中科技大学和合肥工业大学则主要研究EPS系统的鲁棒性，采用现代鲁棒控制理论和状态空间模型对系统进行了深入的研究分析^[12]。

• 1. 本文研究背景和意义

代表未来转向系统的发展方向的电动助力转向系统（EPS）现在已逐步取代了液压助力转向系统，这是因为它具有节能环保、可以改善操纵稳定性、安装方便、结构简单和可以提高行驶安全性的优点。

为了解决环境问题和能源危机，许多企业都推出了各种类型的新能源汽车，而轻卡纯电动汽车是在货车领域的先行者，它具有以下优点：能量转换效率高；同时可回收制动、下坡时的能量，提高能量利用率；无污染，噪声小；结构简单，维修方便。轻卡纯电动汽车作为节能环保的典范，其转向系统也应符合节能和环保的要求。轻卡纯电动汽车采用单一蓄电池作为动力源，不使用内燃机驱动，也就没有内燃机的缺点。这就决定了电机只能是助力转向系统的动力来源，动力转向系统也就有了采用电动助力转向系统的必要性^[6]。

所以轻卡纯电动汽车和电动助力转向系统有可以结合的地方，而且电动助力转向系统目前主要应用于乘用车上，轻卡纯电动汽车这种商用车则应用的较少，因此本文具有一定的实际价值。

1. 电动助力转向系总体设计方案
2. 轻卡纯电动厢式汽车的主要性能参数

本文选择了某款载质量为1.2吨的轻卡纯电动厢式汽车作为参考车型，然后为该车型设计一个基于电动助力转向原理的转向系统。该车型主要性能参数如表2.1所示。

表2.1 轻卡纯电动厢式汽车主要性能参数

1. 轻卡纯电动厢式汽车转向系统总体设计方案

转向器、转向传动机构和转向操纵机构三大部分组成了机械的转向系统。转向传动轴、转向万向节、转向轴、转向盘组成了转向操纵机构。转向摇臂、转向节臂、梯形臂、转向横拉杆、转向直拉杆组成了由转向摇臂到转向梯形这一部分（不包含转向节）是转向传动机构，转向操纵机构和转向传动机构之间是转向器。

前面已述，纯电动轻卡汽车转向系统采用的是EPS系统，因此与其他的机械转向系统的区别就在于多了转向加力装置。

1. 转向盘

轮毂、轮辐、轮缘组成了转向盘。发生事故时，为了降低转向盘和驾驶员身体的碰撞所造成的的伤害，轮辐应有足够大的面积，而且轮辐多时可以满足强度和刚度的要求。但是也为了驾驶员观察仪表盘更有利清楚，转向盘的轮辐不宜设置过多。，转向盘的轮毂部分设计有内花键，用来与转向轴上的花键配合并固定。

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