摘 要

电动助力转向系统（Electric Power Steering，缩写EPS）是汽车中比较重要的部件，这就需要保证其质量可靠。本文以此为目的，设计了一种可对转向柱式电动助力转向器的基本性能进行检测的试验台。

本文首先从电动助力转向器试验台在国内外的目前研究成果入手，对传统性能试验台的结构特点有了初步的了解，通过分析电动助力转向器的助力原理提出了试验台的设计要求，从而制定了采用伺服电机加载-液压制动系统制动的方式的性能试验台，并考虑到在现实生活中的实车试验来确定性能试验台可以实现的功能，再完成试验台总体结构的设计。然后完成对性能试验台组件的选型；包括减速电机、传感器、光电轴角编码器等，最后完成了对试验台台架、各个组件支撑架以及转向器工装夹具的设计，并且着重阐述了路面制动系统中零部件的设计过程。

本试验台适合用于在实验室内对转向柱式电动助力转向器的基本性能进行测试——包括力矩、电流、空载特性等试验项目。依据实验数据测试电动助力转向器在生产线完成装配后的工作性能。

关键词：电动助力转向器；性能测试；试验台

Abstract

Electric Power Steering (EPS) is an important safety component in automobiles, which requires reliable quality. For the purpose of this paper, an electric power steering performance test bench is designed to detect the basic performance of the steering column electric power steering gear.

This paper starts with the current research results of the electric power steering tester at home and abroad, and has a preliminary understanding of the structural characteristics of the traditional performance test bench. A performance test bench using the servo motor loading-hydraulic brake system braking method was developed, and the actual test of the performance test bench was determined in consideration of real-life real vehicle tests,including geared motors, and elaborated on the design process of components in the road brake system. Support frame and steering fixture fixture design.

This test bench is suitable for testing the basic performance of the steering column electric power steering gear in the laboratory; including the following items: torque characteristics, current characteristics, no-load characteristics. According to the experimental data, the performance of the steering gear is judged to reduce the cost of the actual vehicle test and avoid the danger.

Key words: electric power steering; performance test; test bench

目录

摘要Ⅰ

AbstractⅡ

目录Ⅲ

第1章 绪论1

1.1研究目的及意义1

1.2电动助力转向器性能试验台国内外研究现状1

1.2.1国外研究现状1

1.2.2国内研究现状2

1.3论文主要研究内容3

第2章 性能试验台的总体方案设计4

2.1电动助力转向系统助力原理分析4

2.2试验台设计要求4

2. 3试验台方案设计5

2. 4试验台具体功能分析5

第3章 性能试验台的主体结构设计7

3.1试验台结构设计7

3.2试验台主要零部件的选型7

3.2.1减速电机的选用7

3.2.2传感器的选用7

3.2.3光电轴角编码器的选用8

3.2.4 联轴器的选型8

第4章 性能试验台主要组件的设计10

4.1试验台台架的设计10

4.2各组件支撑架的设计10

4.3转向器工装夹具的设计11

4.4路面制动系统设计12

4.4.1齿轮齿条设计12

4.4.2齿轮轴的设计14

4.4.3液压系统设计16

结论20

致谢21

参考文献22

第1章 绪论

1.1研究目的及意义

EPS有着极其广泛的应用，因为其与HPS(液压助力转向系统)相比具有节能环保的优点，并且能够兼顾到汽车低速轻便性及高速稳定性^[1]。随着EPS的广泛应用，其质量与性能得到重视，而作为EPS中重要组成部件——电动助力转向器，对其进行性能质量的检测也成为其出厂的关键一步。传统的检测方法有：计算机仿真分析；实车试验^[2]。计算机仿真分析虽然速度比较快但是难以反应出产品在复杂工况下的性能；实车试验是最准确的检测方法，但是需要投入大量时间成本等。电动助力转向器试验台则集二者优点于一身，其不仅能实现不同的复杂的转向工况还能快速有效的分析检测结果。本文设计的性能试验台核心为电液比例控制技术；避免了传统试验台采用的自动化程度、测试精度低的螺旋加载方式和不能准确的模拟出转向器不同工况下转向阻力的磁粉制动器制动方式。应用本试验台对电动助力转向器进行检测，得到的相关数据和图表可为该电动助力转向器的性能评价和性能改进提高一定的参考。

1.2电动助力转向器性能试验台国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

在国外EPS系统发展过程中EPS系统试验台起着重要作用。利用试验台对EPS系统进行检测，可很大程度的节约时间和成本。因此越来越多的车企和汽车零部件制造商在开发EPS系统试验台来研发或测试。

IABG公司结合了dSPACE公司的Simulator实时仿真系统为BMW公司开发了一套EPS系统试验台如图所示^{[3][4][5][6][7]}；其可测试BMW公司所有车型的EPS系统使具有通用性的优点。该试验台采用电动缸制动伺服电机进行加载的方式。

dSPACE公司为Porsche公司开发了一套机械电子试验台，如图1.2，该试验台的方向盘转向力矩模拟系统采用了核心部件是电动机的转向执行机构，在转向器齿条端的转向路面阻力模拟系统采用两个直线电机对EPS系统转向器总成进行机械加载的方式。

IPG公司应用dSPACE公司实时仿真系统开发出了一套更有效的EPS系统试

验台，如图1.3该该试验台采用自动转向电机进行加载，双直线电机制动^[8]。 图1.3 IPG公司的试验台图 1.4 IABG公司的试验台

IABG公司开发出的EPS系统试验台如图1.4所示，该试验台采用电液加载系统制动，采用伺服电机进行加载 ^[9]，并应用了dSPACE 仿真系统。

此外，试验标准被国外的各大车企和相关厂家制定并据此大都开发了自己的EPS系统试验台，与整车动力仿真技术相结合，已经能够为EPS系统提供接近实际汽车转向工况的试验条件，即在该领域处于较高水平。

1.2.2国内研究现状

在我国国内，转向器试验台的研究成果主要在一些高校。

吉林大学宗长富教授、郭孔辉教授研发团队开发的EPS系统试验台如图1.6，该试验台采用带有减速机的伺服电机对转向器输出端加载，采用伺服电机制动

西华大学王园园^[10]通过对汽车转向阻力进行计算及 EPS 系统助力特性分析设计的试验台如图1.7所示，该试验台采用磁粉加载器制动。

图1.7 西华大学试验台

辽宁工学院开发出的EPS试验台采用了液压驱动系统制动。合肥工业大学和中国汽车技术研究中心开发的EPS试验台采用了弹簧制动的方式。

此外一些企业例如德州中泰研华生产的试验台采用了两端伺服电机加载的方式^[11]。但是总体来说由于EPS系统基础研究的落后，国内对于EPS试验台研究成果对比国外来说还不乐观。

1.3研究内容

本文主要是对电动助力转向器性能试验台机械结构的研究，主要内容有以下几点：

1.性能试验台的总体方案设计

通过分析EPS试验台的国内外发展现状及EPS的助力原理和设计要求，制定出符合试验需求的方案，并考虑实际EPS试验台应用目的来确定其可实现的实验项目。

2.性能试验台的主体结构设计

设计性能试验台的整体结构，包括各个零部件的选型。

3.性能试验台主要组件的设计

主要是对试验台机械结构的完善，即对试验台台架、各个组件支撑架、转向器工装夹具及液压制动系统的设计的设计。

第2章 性能试验台的总体方案设计

2.1 电动助力转向系统助力原理分析

EPS 系统有很多种类型，但其本质是在齿轮齿条转向器基础上添加助力装置，在转向柱或小齿轮或齿条上耦合电机的作用力，达到辅助驾驶员转向的效果。根据电机作用位置不同，一般把 EPS 系统分为:

（1） 转向柱式 EPS系统

1. 小齿轮式 EPS系统
2. 齿条式 EPS系统

图2.1 EPS分类

本文所设计的试验台适用于助力电机安装在转向柱上的C-EPS转向器，当驾驶员进行转向时，

（1）ECU通过传感器实时收集信号；如方向盘扭矩、车速、发动机转速，电机的主转子位置，电压和电流等

（2）根据ECU内部控制策略计算出助力电流大小并将助力指令发送给助力电机

（3）助力电机就根据助力电流的大小产生相应大小的助力转矩

（4）助力转矩经涡轮蜗杆减速器减速增扭后对转向柱加载

C-EPS 具有以下特点：结构简单、安装灵活、维修方便、成本低廉、助力响应快速等。低速转向时，转向重即需要增加方向盘扭矩，增加电机助力扭矩以确保转向轻便性; 车速过高时，转向较轻，为获得更好的路感应减小助力扭矩^[12]。另外由于由于其在较大程度上沿用了齿轮齿条转向器的技术基础，也具有开发周期相对短的优点。但缺点是电机会有噪声或波动，而由于助力电机安装位置靠近转向盘，这就会对驾驶员有一定影响。

2.2 试验台设计要求

为了使测试结果接近真实工况，电动助力转向器性能测试台的设计在满足国家标准的前提下应尽可能真实的模拟驾驶员实际驾驶转向；则试验台的设计要求如下：

1. 能模拟驾驶员进行转向

试验台需要能模拟驾驶员对方向盘进行转动，并作为试验台的驱动力作用到被测电动助力转向器的输入轴。

1. 能模拟出路面阻力

试验台需要模拟出汽车在不同工作环境下行驶时所受的来自路面的阻力，即模拟转向时路面阻力矩，并作为试验台输出端负载作用到电动助力转向器的输出轴。

1. 能模拟汽车不同的行驶速度

在实车行驶过程中，驾驶员往往不是仅仅使用一种车速的，故本试验台也需要模拟出汽车不同的行驶速度来检测其是否能进行正常的助力^[13]。

1. 能采集显示数据并进行分析处理

评价转向器性能优劣最简单便捷的方式就是根据图形和数据，故试验台还应具备在检测过程中实时的采集、显示、分析数据的功能。另外应能通过人机交互界面设定试验参数。最后应根据人的需求能将其数据表格或图形进行输出打印。

2.3试验台方案设计

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