摘 要

转向系统（steering system）是用来改变或保持汽车行驶方向的一系列装置，作为其发展至今的重要形式——电动助力转向系统，具有节能、环保、高效率等众多优势。

本文以EPS转向系统为主要研究对象，希望以东风标致308轿车为平台设计一套符合该车型的电动助力转向系统。主要通过计算设计了转向系统中的机械式转向器；通过分析对比确定了EPS系统所特有的助力部分的硬件选型；根据阿克曼原理对转向梯形进行看简单的设计；据材料的参数特性和系统的结构要求，对齿轮齿条式转向器进行了应力校核；利用CATIA等软件对设计成品进行了三维建模。本文还介绍了EPS系统的发展历史、类型、结构以及工作原理。最后设计得到了一套符合轿车车型的转向系统。

关键词：EPS系统；齿轮齿条式转向器；转向梯形；CATIA

Abstract

Steering system is a series of devices used to change or maintain the direction of the vehicle. As an important form of its development up to now, electric power steering system has many advantages such as energy saving, environmental protection and high efficiency.

This paper takes EPS steering system as the main research object, and hopes to design a set of electric power steering system on the platform of Dongfeng Peugeot 308. The mechanical steering gear in the steering system is designed mainly through calculation; the hardware selection of the boosting part of the EPS system is determined through analysis and comparison; the steering trapezium is simply designed according to the Ackerman principle; and the gear-rack steering gear is corresponded to the material parameter characteristics and the structural requirements of the system. The three-dimensional model of the finished product was built by CATIA and other software. This paper also introduces the development history, type, structure and working principle of EPS system. Finally, a set of steering system is designed and obtained.

Key Words：EPS system；Rack and pinion steering gear；Steering trapezium；CATIA

目 录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 EPS系统的介绍 1

1.2.1 EPS系统的结构 1

1.2.2 EPS系统的工作原理 2

1.3 研究的目的及意义。 3

1.4 国内外研究现状 5

1.4.1国外EPS系统研究现状 6

1.4.2国内EPS系统研究现状 6

1.5 本文研究的主要内容 7

第2章 电动助力转向系统方案设计 9

2.1 转向操纵机构的选型 9

2.2 EPS系统的分类 9

2.2.1 转向轴助力式（Column EPS）的特点 10

2.2.2 小齿轮助力式（Pinion EPS）的特点 10

2.2.3 齿条助力式（Rack EPS）的特点 11

2.3 转向加力装置的硬件选型 11

2.3.1 助力电动机 11

2.3.2 扭矩传感器 12

2.3.3 车速传感器 13

2.3.4 减速机构 13

2.3.5 电子控制单元（ECU） 14

2.4 本章小结 14

第3章 机械式转向器设计 15

3.1 机械式转向器方案分析 15

3.2齿轮齿条式转向器的结构 16

3.3齿轮齿条式转向器的工作原理 16

3.4齿轮齿条式转向器的分类及布置形式 17

3.5 齿轮齿条式转向器参数的计算 18

3.5.1 齿轮齿条材料选择 19

3.5.2 齿轮轴许用应力计算 19

3.5.3 齿条许用应力计算 20

3.5.4转向系计算载荷的确定 20

3.5.5 转向轮侧偏角的计算 21

3.5.6 转向系统传动比的计算 22

3.5.7 齿轮轴尺寸参数的计算 23

3.5.8 齿条尺寸参数的计算 25

3.6齿轮、齿条结构强度校核 25

3.6.1齿面接触疲劳强度校核 25

3.6.2 齿轮弯曲疲劳强度校核 26

3.7 本章小结 27

第4章 机械式转向器的三维建模 28

4.1 齿轮轴的三维建模 28

4.2 齿条的三维建模 28

4.3 其他传动部分的三维建模 29

4.4 齿轮齿条的模拟装配 30

4.5 本章小结 31

第5章 转向传动机构的设计 32

5.1转向传动机构的组成 32

5.2 转向梯形结构方案分析 32

5.3 转向梯形机构尺寸的设计计算 33

5.3.1 转向系内外轮转角关系的确定 34

5.3.2 标准阿克曼转向几何关系 35

结 论 38

参考文献 39

致 谢 40

第1章 绪论

1.1引言

汽车在行驶时，为了配合不同道路环境和驾驶情况，需要经常改变行驶方向。因此，对汽车来说转向系统尤为重要，车辆本身的转向特性、行驶稳定性和行驶安全性被该系统性能的优劣严重影响。应用传统的非加力式转向系统的汽车，希望开车的司机提供很大的转向力矩，导致了转向过重。为办妥被提到的疑难杂症，美国的通用汽车公司在二十世纪五十年代把注意力放在液压助力转向系统的研究上并率先开发出来。谁曾想到，液压助力转向系统的弊端在于汽车在高速行驶是的稳定性难以保证。在不断的探索下，上世纪90年代，日本的本田公司研发出了齿条式电动助力转向系统，从此电动助力转向系统登上了历史的舞台。

1.2 EPS系统的介绍

1.2.1 EPS系统的结构

电动助力转向系统（Electric Power Steering，缩写EPS）依靠电动机提供额外帮助扭矩的动力转向系统。电动加力装置部分和机械式转向器两部分构成了现在典型的EPS系统。当中的电动加力装置部分包括信号传感装置（包括转角传感器、速度传感器、扭矩传感器）、原来机械式转向系统所不具有的加力机构部分（包括降低速度快慢的装置、电动机、分离结合器）外加使用电子程序进行控制的装置^[1]。同时机械式转向器主要采用齿轮齿条式转向器或者循环球式转向器。

图1.1 EPS系统的结构

1.2.2 EPS系统的工作原理

如下图所示，当转向盘被驾驶人员给力并搬动，传感器将输入角、矩信号转变为电信号，同时车速信号被车速传感器监测到，一并传至控制单元ECU。根据以上两信号经过D/A转向器，转换为模拟量，并将其输入电流控制电路，ECU综合数据同时分析是否需要助力。当ECU判断需要助力时，相应的力矩大小被设定的助力算法计算好，电机被输入相应驱动电流。得到命令后的电机输出转矩经过蜗轮蜗杆减速机构，经放大后的扭矩施加给转向轴，从而完成加力转向的过程。当ECU判断不需要助力时，助力转向系统关闭，转向系统还是依靠手动转向。

图1.2 EPS工作原理

1.3 研究的目的及意义。

如下图所示，转向系统历史发展有大的飞跃，可以看出都是在加力的能源供给形式上做文章。

图1.3 汽车转向系统的发展

在未来，汽车驾驶性能和舒适性一定会被提升，给电动助力式转向系统（EPS）和线控式转向系统（Steeringby Wire-SBW）带来了广阔的应用前景。

从技术角度讲，相比传统液压助力系统，电动助力系统有如下优势：

1）EPS只会在开车的司机搬动方向盘时才给予帮助的力，所以，EPS系统能够降低汽车的燃油消耗；

2）EPS系统能够利用电脑来差异帮助力的值的高低，转向很飘的现象、驾驶人员没有显著的“路感”等现象就会明显的好转^[2]；

3）EPS系统具有独立性，不依赖于任何固定车型，具有标准通用性，这样大大方便了EPS的广泛运用。以二十世纪用的转向系统为雏形，并在其地基上，放上ECU、降慢速度的装置、角矩传感器得到EPS系统^[3]。

除了安全性和可靠性外，线控转向系统还有很多弊端，比如模拟路感的电机振动、电源这些缺点，以及成本问题、传感器的精度等。在EPS系统的研发当中，模拟路感的电动机振动控制可以有成熟的技术和经验借鉴。以后的智能汽车在技术方面一定会越发成熟，线控转向系统在汽车的自主驾驶在中就会容易实现。虽然线控系统是未来依靠，但电动助力系统作为当前研究热门具有重要意义^[4]。

从市场角度讲，可以从战略分析公司的调研中获得未来趋势，如下图所示，2016年全球范围内对于转向系统的需求量将超过一亿，其中对于EPS产品的需求量占到总量的百分之八十二以上；2017年CHINA将会成为全球EPS系统销售最大的市场。

图1.4 战略分析公司对今后全球EPS市场需求预测

图1.5 战略分析公司对未来全球转向系发展预测

本次设计东方标致308转向系统的目的大致如下：

1）查阅资料并掌握东风标致308轿车转向系统的组成、功用、特点；

2）掌握东风标致308轿车电动助力转向系统的工作原理；

3）最后对东风标致308轿车的电动助力转向系统进行设计；

4）分析各部件的理想运行状态以及如何改善转向系统的性能，使整个设计满足东方标致308车型的设计要求。

1.4 国内外研究现状

1.4.1国外EPS系统研究现状

1998年一种前所未有的电控式电动助力转向系统被日本的铃木公司首次开发出来, 同时它被装在铃木公司生产的卡沃车上 , 后来安托车型也装配了这种系统，这是EPS 在是汽车运用发展史上的第一次表演。EPS的生命力展现出了极其旺盛的一面，它在各车种都扮演了不可或缺的角色^[5]。世界上主要的车企例如三菱公司等为了确保自己的行业竞争力都相继研发了自己的EPS系统。

1998年开始，美国TRW公司对EPS系统进行了研发。开始阶段EPS转向柱助力式客车被他们研制出来，随后小齿轮助力式的EPS被成功研发出来。随后一年的三月，轿车使用的EPS被他们研发出来，如福德和马自达323E等。

2000年德国的ZF公司在EPS系统的多样性上下足了功夫，在为其以后所有产品都能配备这样的系统奠定了基础。作为德国乃至世界车企的领军者在2005年，宝马公司的Z4双门跑车因配备了EPS系统而大放异彩^[6]。由于起步早晚的问题，西方发达国家的EPS技术肯定是领先于我们的。

学术上Chen J．S．从不同角度主要是从固有的动、静态特性来加深对EPS的理解，那么手段就多样了起来，主要是从多自由度模型着手^[7]。

美国专家Ji—Hoo Kim等人利用PID控制算法对EPS的重大问题即如何确定电动机需要提供的电压，手段上比较新颖，采用了当时新潮的技术即PID控制算法^[8]。

Jae—Bok Song等人着手于驾驶员的驾驶舒适度进行了优化研究，他们想达到的目的是找一个捷径来确定司机需给出的力，这样可以获得良好的转向感，具体是从控制策略来入手的 ^[9]。

日本专家黑崎Eki, 龙夫Teratani, and 高桥Iwasaki 比较了42V系统和12V系统对EPS特性的影响，研究工程问题的基本思路是利用数学模型分析理论问题，在这个思路的指导下，上述系统的MATH模型先被建立好，发现前者的系统在能源的节省性能表现十分优秀，能耗被大大降低，这也代表了EPS系统的发展趋势^[10]。

总而言之，西方发达国家的车企，因为起步时间很早，所以他们搞的很扎实，更新换代也快，自然成效也很让人满意。

1.4.2国内EPS系统研究现状

在国内,EPS系统的技术还有待于质的飞越，他们做的阶段都还是实验室阶段，不具备流水线大规模量产能力。EPS系统用起来很舒服、危险度被明显降低，都是用于高端车型使用的，基本都是用的国外技术或者中外技术合作，发达国家封锁了技术，ECU的核心技术出了从国外输入别无其他办法^[11]。本土的企业和本土的院校当然不甘人后，在EPS的研发上他们倾注了很多心血，这也离不开国家的支持：。

重庆大学在本土的EPS研究中有重要贡献，他们率先提出了EPS系统中以前未曾注意的设计匹配问题，手段还是惯用的PID控制算法，从路面对轮胎的加速特性入手，研究其加速度和相应特性 ^[12]。

清华大学是国内EPS系统研发的急先锋，他们牢牢抓住Motorola HC08这一关键技术点，攻克核心处理器，取得良好效果代表作为Motorola微型计算分析器 ^[13]。

我国作为发展中国家，因为历史原因起步很晚，但当前祖国实力较强的车企已经在EPS系统的道路上迈出坚实的一步，并取得骄人成果即一开始大规模的量产 ^[14]。

但还存在问题：在建模这块，大都依靠老旧的PID控制算法，这就导致曲线绘制的精度达不到要求，从而影响整个系统的稳定性 ^[16]

1.5 本文研究的主要内容

本文基于东风标致308轿车这款轿车，设计其电动助力转向系统。首先深入学习东风标致308轿车的EPS系统由那些部件组成、是如何工作的；其次对东风标致308轿车的电动助力转向系统的机械式转向器进行设计与计算；最后对标致308轿车的电动助力主要部件进行设计^[16]。

拟采用的技术方案及措施：

1)学习电动助力转向系统的组成是哪些原件及各原件是如何协调工作的，包括助力电动机、扭矩传感器、减速机构、电子控制单元在内的关键部件^[17]；

2)设计东风标致308电动助力转向系统的电动助力部分；

本设计立足于传统机械式转向系统，应理解齿轮齿条式转向器、转向梯形构成及工作原理，并设计计算东风标致308轿车的机械转向系统^[18]；

3)对东方标致308轿车的转向梯形进行优化设计；

4)建立东风标致308机械转向系统（主要是齿轮齿条式转向器）的CATIA模型；

5)EPS控制系统MATLAB建模，分析并确定一组常见的EPS助力特性曲线，最后建立了电动助力转向系统，关于模糊理论的学习，并建立 自适应 PID 控制器，为联合仿真做好准备^[19]。

图1.6 工作路线流程图

第2章 电动助力转向系统方案设计

转向系统的组成如下图所示，本文的研究重点为EPS系统的设计，即除去转向操纵机构的其余部分设计，只对转向操纵机构进行简单地选型工作。

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