摘 要

随着石油与环保问题的凸显与蓄电池性能的提升，电动汽车的技术也更加成熟，电动汽车得到了广泛的应用^[1]。同时，电动汽车的标准也逐渐呈现系列化、标准化的现代化趋势^[2]。在电动汽车中，转向系统在其中尤为关键。

本文设计了宝骏E200纯电动轿车的转向系。此电动汽车的转向系统采用电动助力转向系统。它主要包括转向操纵机构、电动助力机构、齿轮齿条式转向器和转向传动机构等。电动助力转向系统通过助力电机提供转向助力。本文首先对该汽车转向系统中各部件的结构形式的分类与特点分析比较，从而确定了转向系统中操纵、助力、传动等各机构的方案，并按照方案进行了设计，确定其基本参数，并对其进行设计计算分析与校核，利用matlab优化函数对转向梯形参数进行了优化设计，且对EPS控制策略进行了分析与算法设计。

关键词：电动助力转向；转向梯形；齿轮齿条转向器；控制策略

Abstract

With the highlight of petroleum and environmental issues and the improvement of battery performance, the technology of electric vehicles is more mature, and electric vehicles have been widely used. At the same time, the standards of electric vehicles are gradually showing the trend of serialization and standardization. In electric vehicles, steering systems are particularly critical.

This paper designed the steering system of Baojun E200 pure electric car. The steering system of this electric vehicle uses an electric power steering system. It mainly includes steering mechanism, electric assist mechanism, rack and pinion steering gear and steering transmission. The electric power steering system provides steering assistance through a booster motor. In this paper, the classification and characteristics of the structural forms of various components in the steering system of the automobile are firstly analyzed and compared, so that the schemes of the steering, steering, transmission and other mechanisms in the steering system are determined, and the basic parameters are determined according to the scheme. The design calculation analysis and verification are carried out. The optimization of the steering trapezoidal parameters is carried out by using the matlab optimization function, and the EPS control strategy is analyzed and algorithm designed.

Key words: EPS; Steering trapezoid; Rack and pinion steering gear; Control strategy

目 录

第1章 绪论 1

1.1 电动助力转向系统概述 1

1.2 电动助力转向系统发展现状 2

1.3 研究目的及意义 2

1.4 本文设计车型参数 3

第2章 转向操纵机构与助力机构设计 4

2.1 转向操纵机构 4

2.1.2 转向盘尺寸 4

2.1.3 转向轴的防伤安全措施 4

2.2 电动助力机构 5

2.2.1 特点 6

2.2.2 分类及选型 6

2.2.3 电动机的选择 7

2.2.4 电磁离合器的选择 8

2.2.5 扭矩传感器的选择 8

第3章 转向器的设计 10

3.1 分类与选型 10

3.1.1 循环球式转向器 10

3.1.2 蜗杆滚轮式转向器 10

3.1.3 齿轮齿条式转向器 11

3.2 结构选择 12

3.2.1 输入输出形式 12

3.2.2 齿轮齿条形式选择 13

3.2.3 布置形式 13

3.3 参数计算 14

3.3.1 最小转弯半径 14

3.3.2 内、外侧转向轮最大转角 14

3.3.3 计算载荷 15

3.4 齿轮齿条设计 16

3.4.1 设计要求 16

3.4.2 齿轮设计 16

3.4.3 齿面接触疲劳强度校核 18

3.4.4 齿条设计 19

第4章 转向传动机构设计 21

4.1 转向梯形的优化设计 21

4.1.1 理想的内外轮转角关系 21

4.1.2 实际的内外轮转角关系 22

4.1.3 数学模型的建立 24

4.1.4 Matlab优化函数求解 25

4.2 球头销的设计 25

第5章 EPS系统控制策略 27

5.1 EPS控制策略概述 27

5.2 EPS控制策略目标 27

5.3 EPS控制模式 27

5.3.1 助力控制模式 27

5.3.2 阻尼控制模式 28

5.3.3 回正控制模式 28

5.4 控制算法设计 28

第6章 结论 30

参考文献 31

致 谢 33

附录 34

附录A 目标函数aim.m 34

附录B 控制群算法pso.m 35

附录C 实际内轮转角sita_i_real.m 36

附录D 理想内轮转角sita_i_theory.m 36

附录E 绘制转角图线sita_figure.m 37

第1章 绪论

转向系统是汽车行驶时非常重要的一个子系统。它使前轮平面在驾驶员转向输入设定的所需方向上旋转。当前轮转向时，产生趋于使车轮返回到原始位置的恢复扭矩。虽然这种恢复扭矩提供了转向稳定性，但驾驶员必须提供足够的扭矩来克服该扭矩以使车辆转向。

在汽车中，动力转向是一种通过增加方向盘的转向力来帮助驾驶员转向的装置。动力转向系统可分为液压动力转向系统（HPS）、电液动力转向系统（EHPS）、电动助力转向系统（EPS/EPAS/MDPS）和电动可变齿比系统（VGS）^[3]。

1.1 电动助力转向系统概述

EPS系统是使用电动机助力汽车转向的系统。传感器探测转向柱的位置和扭矩，ECU模块通过助力电机施加扭矩，电机一般连接到转向柱或转向器。这使得EPS可因驾驶状况的变化而采用不同程度的转向助力。于是，我们可以根据汽车速度变化和可变阻尼悬架系统制定EPS的助力，改进汽车的行驶，操控和转向^[4]。在菲亚特的汽车上有名为“CITY”的按钮，用来调节助力程度，此功能可使EPS系统改变其助力曲线，多数其他EPS系统也同样具有可变助力转向。这些可变助力EPS系统可以在车辆低速时提供较多助力，而在高速下提供较少的助力。

EPS系统保留了方向盘和转向器之间的机械连接。如果组件发生故障或电源故障导致无法提供帮助，则机械连接可用作备用电源。如果EPS失效，驾驶员会遇到需要大量转向才能驾驶的情况。这种情况类似于停止工作的的液压助力转向系统。根据驾驶情况，驾驶技巧和驾驶员的力量，转向助力损失甚至可能导致车祸。EPS装置失效时加剧了转向操作的难度。美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）曾协助汽车制造商召回容易出现故障的EPS系统^[5]。

由于传统的HPS系统由发动机提供动力，它不仅降低了发动机效率，而且还需要复杂的液压部件，例如发动机附件，发动机上的液压泵以及安装在转向器之间的许多高压液压软管等。另一方面，由于EPS系统使用独立于发动机的电动机进行动力转向，于是其不需要冗余的液压机构，可以提高发动机和空间效率，并在发动机不运转时提供动力转向。此外，它是环保的，因为它不使用工作流体。凭借这些优于HPS系统的优势，EPS系统已开始取代某些先进车辆中的HPS系统，并且预计它们的使用将在不久的将来扩展到所有类型的车辆。

EPS系统具有以下两个功能。首先，它可以减少转向扭矩并呈现各种转向感。转向扭矩（或驾驶员扭矩）定义为驾驶员在转动方向盘时经历（或驾驶员应用于转向柱）的扭矩。当来自EPS系统的适当助力扭矩施加在与汽车的转向方向相同时，驾驶员转向所需的转向扭矩量可以显著减少。另外，调节辅助扭矩的特性允许驾驶员体验各种转向感觉。其次，EPS系统可以在转向时改善方向盘的返回中心性能。当方向盘转弯然后在转弯期间释放时，它通过道路上施加在轮胎上的所谓的自对准扭矩返回到中心位置。由于该扭矩随着车辆速度而增加，因此在高车速下，方向盘可能表现出过度的过冲和随后的振荡。EPS系统可以通过提供主动阻尼能力来消除这种现象，从而增强可回收性特征。

1.2 电动助力转向系统发展现状

1986年，日本精工株式会社（NSK）将电池前叉的EPS用于实际应用。在随后的1988年日本光洋精工株式会社（KOYO SEIKO，现在的JTEKT）中，NSK又开发了一种专门用于微型车的柱式系统，仅在日本销售，如铃木和三菱电机。然而，由于在低速行驶时的快速转向时电动机的惯性，在高速行驶时转变到手动转向时转向力变得很小，这种简单的方法的弊端是显著的。因此该系统未被采用。在90年代后期，本田汽车NSX（3.0升）将使用了无需离合器，直接完全控制系统的助力系统应用到普通汽车，并在世界各地销售。从那时起，在普通车辆的助力系统中已经从刷式电动机转变为无刷电动机，该方法逐渐成为主流。

电动助力转向系统首次于1988年出现在铃木小型车Cervo上，EPS系统之后出现在1990年的本田NSX，1999年的菲亚特 Punto Mk2，1999年的本田S2000，2000年的丰田普锐斯，2002年的宝马Z4和2003年的马自达RX-8^[6]。如今EPS系统已被各种汽车制造商广泛应用。

EPS的未来趋势可能有两个方面。一是提高控制质量，使其适用于高档汽车。该系统可以设计成也检测转向角，从而允许转向回程控制系统。这将需要更多的控制功能，以提供更好的转向感。这不仅有利于微型轿车，而且还有利于小型轿车，动力转向现在已成为标准设备和中型发动机汽车，其中安装长液压管路很困难。特别是在这些情况下，EPS在设计宽容度方面具有相当大的优势，可以建立合适的转向特性。

1.3 研究目的及意义

EPS在发动机效率，空间效率和环境兼容性方面具有许多优于传统HPS系统的优点。本文研究旨在研究EPS控制逻辑，使其减少汽车转向驾驶员所需的转向扭矩，优化驾驶员的转向体验。另外，设计与选用了EPS中的电机、电磁离合器等各部件。

本次设计的目的及意义在于，用电动助力转向解决电动汽车转向“轻”与“灵”的矛盾，同时可以提高汽车的燃油经济性，提高操纵轻便性和稳定性，保证乘员的舒适性及安全性。汽车EPS是机电一体系统的子系统，电动助力转向系统的研究,可以拓展传动技术的应用,推动机械、电子器件及传感器制造业的发展。通过对电动助力转向系统的设计计算，有助于电动助力转向的普及应用。通过使用对应软件来设计分析，提高电动助力转向系统的设计效率。

1.4 本文设计车型参数

本文所设计宝骏E200电动汽车主要参数见表1.1。由表中参数可知，本车为一微型两厢纯电动汽车，设计时应注意考虑空间布置、经济成本、操纵平稳性等因素。

表1.1 宝骏E200汽车主要参数

第2章 转向操纵机构与助力机构设计

2.1 转向操纵机构

驾驶员通过转向操纵机构控制汽车进行转向。转向操纵机构通常包含转向盘、转向管柱、防伤转向机构、转向传动轴等。此机构可将驾驶员施加在方向盘上的力矩输送至齿轮齿条转向器。转向操纵机构关系着汽车的安全性与稳定性等，起着十分重要的作用^[17]。

2.1.2 转向盘尺寸

转向盘由轮毂、轮缘和轮辐等构成。在选择转向盘直径时，应考虑与汽车的类型和大小相适应。转向盘直径过小时，则在转向时需要驾驶员作用较大的力。转向盘直径过大时，驾驶员会不易进出驾驶室。国标GBT5911-1986中给出了方向盘的尺寸，如图2.1所示。虽然此国标已不再使用，但仍将此作为参考。

表2.1 GBT5911-1986 转向盘尺寸

参考表2.1，本文所设计宝骏E200微型纯电动轿车因空间紧凑，且方向盘较小时，转向力可由EPS系统补充。因此选择转向盘直径为350mm。

2.1.3 转向轴的防伤安全措施

相关资料表明当汽车发生事故时驾驶员的受伤常常是刚性转向柱以及方向盘所致。驾驶员与汽车内零件发生二次碰撞会使驾驶员受伤几率大为增加。因此对转向轴采取防伤安全措施是非常重要且必不可少的。转向轴的防伤安全措施可以在发生正面碰撞事故时，保证驾驶员有充裕的活动范围，同时吸收碰撞能量，并且降低驾驶员受到伤害的几率^[18]。

图2.1 防伤转向传动轴

本文所设计宝骏E200纯电动汽车是两厢车，空间紧凑，为方便转向轴的布置且节省整车空间，本文转向轴与上、下两个双十字轴式万向节相连接。此时可以满足转向轴防伤安全措施的要求。防伤安全措施如图2.1所示。此设计将转向轴分为上、下两部分。此转向轴不仅可以大大提高汽车的安全性与稳定性，且转向轴的上、下两部分在发生事故时可以自动分开，因此减小了驾驶员受伤的几率。

除此之外，布置弹性联轴器防伤机构，其上方与转向柱相连，下方与转向传动轴相连，包含凸缘、弹性垫片、连接螺栓等，如图2.2所示。当汽车遭遇碰撞时，联轴器的弹性垫片可以吸收碰撞能量，而且可使两段传动轴产生相对移动，保护驾驶人的安全。

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