摘 要

随着汽车产业的飞速发展，转向系统的性能对整车的安全性和可靠性起到了越来越重要的作用。而台架试验具有效率高、成本低、不受环境影响等优点，已经成为转向系统的调试必不可少的环节。本文从调试台架研究的目的及意义出发，阐述了国内外的研究现状，明确了研究的基本内容。根据汽车行业标准和台架试验标准，确定了调试台架的调试规范，采用五轴加载的布局方案和伺服液压缸加载的阻力模拟方案。通过介绍调试台架的总体结构和工作原理，利用Catia软件建立了三维模型，利用Ansys软件分析了固定支架和导轨滑块的结构强度。在计算出伺服电动机的额定功率、额定转矩等参数，并且校核了滚珠丝杠轴承的寿命之后，选择了系统的主要部件和传感器的型号。

关键词：转向系统；调试台架；加载装置；伺服电动机；传感器

Abstract

With the rapid development of the automotive industry, the performance of the steering system has played an increasingly important role in the safety and reliability of the vehicle. The bench test has the advantages of high efficiency, low cost, and no environmental impact, and has become an indispensable link in the commissioning of the steering system. In this paper, starting from the purpose and significance of the study of the debugging bench, the research status at home and abroad is described and the basic content of the research is clarified. According to the automotive industry standards and bench test standards, commissioning specifications for the commissioning gantry were determined, and a five-axis loading layout scheme and a drag simulation scheme for hydraulic servo cylinder loading were adopted. By introducing the overall structure and working principle of the debugging gantry, a three-dimensional model was established using Catia software, and the structural strength of the fixed bracket and rail slider was analyzed using Ansys software. After calculating parameters such as rated power and rated torque of the servo motor and checking the life of the ball screw bearing, the main components and sensors of the system were selected.

Keywords: steering system; debugging bench; loading device; servo motor; sensor

目录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究的目的及意义 1

1.3 国内外研究现状 1

1.3.1 国内研究现状 1

1.3.2 国外研究现状 2

1.4 研究的基本内容 2

1.5 本章小结 3

第二章 转向自动操作系统调试台架总体设计 4

2.1 调试规范 4

2.1.1 功能要求 4

2.1.2 技术要求 4

2.2 测试项目 5

2.3 加载轴数方案 5

2.4 阻力模拟方案 6

2.5 本章小结 7

第三章 转向自动操作系统调试台架结构设计与计算 8

3.1 调试台架的布置 8

3.1.1 总体结构 8

3.1.2 基本原理 8

3.2 加载装置 9

3.2.1 输入端加载装置 9

3.2.2 输出端双向加载装置 9

3.3 自动调整装置 10

3.4 传动机构的理论分析 10

3.4.1 静力学特性 10

3.4.2 运动学特性 12

3.5 伺服电机参数计算 13

3.6 滚珠丝杠轴承寿命计算 14

3.7 承载部件的结构强度分析 14

3.7.1 输入端加载装置支架 15

3.7.2 输出端加载装置支架 16

3.7.3 自动调整装置导轨滑块 16

3.8 本章小结 17

第四章 转向自动操作系统调试台架器件选型 18

4.1 电子控制单元(ECU) 18

4.2 伺服电动机 18

4.2.1 输入端伺服电机 18

4.2.2 输出端伺服电机 19

4.3 减速机构 19

4.4 电磁离合器 20

4.5 传感器 20

4.5.1 转矩传感器 21

4.5.2 转速传感器 21

4.4.3 力传感器 22

4.6 本章小结 22

第五章 结论与展望 24

5.1 结论 24

5.2 展望 24

参考文献 25

致谢 26

第一章 绪论

1.1 引言

汽车转向系统是改变或维持汽车方向的设备，它是整车的重要组成部分，因此成为汽车行业研究的重点。汽车转向系统的功用是根据驾驶员的意愿控制车辆的行驶方向，其性能的好坏直接影响驾驶的舒适性、安全性和能耗，甚至影响到环境^[1]。性能好的转向系统不仅可以提高驾驶舒适性、缓解驾驶员的疲劳，而且还可以保证汽车安全行驶。

为了使转向系统的性能达到最佳的运行状态，必须对车辆进行大量的实际测试。尽管如此，由于实车试验具有代价昂贵、测试周期漫长的缺点，而且需要许多财力、人力和物力资源。因此，在此之前进行台架试验是很有必要的。室内台架试验的重要特征在于，试验不受环境的影响，其突出特点是试验效率高，不仅适用于汽车的总成部件，也适用于汽车整车^[2]。虽然台架试验难以精确地模拟实际的行驶工况，但是我们可以通过配置模拟汽车运行工况的装置以及控制该装置的电控系统，使台架试验的测试工况尽可能地接近实际工况。

转向系统调试台架是测试与检测转向系统性能的重要工具，全球领先的汽车制造商越来越重视测试平台技术的研发，测试平台的技术水平对转向系统的特性产生显著的影响。

1.2 研究的目的及意义

本文所设计的转向系统调试台架可以模拟转向盘输入，还可以模拟转向阻力和轮胎跳动。由于负载轴数量众多，因此测试功能更加丰富，仿真条件也更接近实际的工作条件。

该试验台易于操作，能够执行转向系统的基本测试和仿真试验，还可以帮助汽车制造商在设计和生产过程中发现转向系统的故障，有利于缩短研发周期，协助开发和改进驾驶系统，为真正的车辆测试提供理论建议并降低研究成本。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国内研究现状

随着我国汽车工业的迅速发展，转向系统的性能对汽车的主动安全性起到了重要的作用，国内科研人员对转向系统的认识不断深入，解决问题的手段也从纯理论研究到软件仿真分析，逐步出现了室内的转向系统试验台。

西华大学王园园对电动助力转向试验台进行了研究，她分析了在驾驶过程中车轮在地面上的阻力特点，确定了电动助力转向系统的功能与装载系统，并且开发了EPS试验台的软件和设备，建立了加载系统库^[3]。但是，该试验台缺少校正设备，模拟精度不高。在郭孔辉院士的指导下，张茂林通过研究转向系统的完整测试平台，完成了转向系统的全面性能测试，他还利用VI-grade、xPC和Simulink软件和现有的硬件条件搭建了一个硬件环路仿真系统，并在回路中执行硬件模拟实验，分析了自由驾驶条件下各参数的曲线^[4]。

武汉理工大学王常友为汽车动力转向器设计了一种测试台，在分析数据采集和处理方法的基础上，应用Visual C 6.0编程软件开发了基于Windows平台的数据采集系统^[5]。然而，实验过程当中的软件保护能力尚不完善，其系统的功能有待改进。吕旺完成了汽车电动助力转向系统试验台的总体设计，对系统的硬件部分进行了详细的研究和设计，使用LabView创建了一个系统软件设计平台，验证了系统的整体性能^[6]。

当然，许多国家机构、研究机构和公司花费了大量的时间和精力对转向系统进行广泛的研究，试验台架已经被用于调试与检验，取得了许多实质性的进展。

1.3.2 国外研究现状

对于转向系统的研究，国外的一些发达国家已经引入了试验的研究方法，国外的大学、汽车行业制造商大多已经为相对成熟的转向系统设计和开发出了测试台架。

德国宝马公司开发了一套用于转向系统的硬件在环测试平台，它可以实现故障模拟、测试自动化以及精确的数据采集和处理^[7]。该试验台模拟转向盘的输入运动，齿条一侧的加载装置可以模拟汽车行驶时的道路阻力。德国申克公司也开发出一种转向试验台，具有紧凑的结构和高集成度的设备，其位置锁紧机构是手动操作的，并且易于维护 ^[8]。当试验台的垂直输出装置加载时，它只驱动从水平液压缸的活塞杆伸出的杆，该杆质量轻、惯性小。然而，由于它安装在垂直加载机构的后端，垂直缸的摩擦力会造成干扰，因此测试结果包含一些误差。

法国BIA公司还开发了转向系统的测试台，其具有能够达到5轴性能测试台连接的优点，而且仿真条件甚至更接近车辆的实际驾驶条件^[9]。与申克公司的试验台相比，其测力装置直接与垂直加载机构连接，使测量的负载结果更准确。然而，试验台的调整机构相对分散，操作复杂。

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