电控助力转向毕业设计论文.doc

目 录摘要1一、转向系统的概述1二、汽车助力转向系统的历史发展概况2三、EPS系统的组成原理及分类3（一）EPS系统的分类3（二）EPS系统的组成4（三）EPS系统的工作原理4四、 EPS系统主要部件的结构和工作原理5（一）传感器51、扭矩传感器82、电位计式扭矩传感器83、扭杆式扭矩传感器84、金属电阻应变片的扭矩传感器85、非接触式扭距传感器86、其它扭矩传感器8（二）电磁离合器9（三）助力电机及减速器10（四）转角传感器10（五）电子控制单元11五、大众polo助力转向系统故障一例11参考文献14摘要：随着电子控制技术的发展及其在汽车领域的广泛应用, 电动助力转向系统（Electric Power Steering, 简称EPS)越来越成为目前汽车电子技术研究的热点之一。本文介绍了汽车转向系统的发展及电动助力转向系统的工作原理和检修，重点介绍了EPS的工作原理，并举大众polo助力转向系统故障一例对汽车电动助力转向系统的故障进行分析和检修。与传统的转向系统相比，EPS系统结构简单，灵活性大，可以获得理想的操纵稳定性，能动态地适应汽车行驶状况的变化，在操纵舒适性、安全性、环保、节能、易于维修等方面也充分显示了其优越性。目前, 电动助力转向已部分取代液压助力转向并获得广泛应用，如日本的大发、三菱、本田汽车公司，美国的Delphi汽车系统公司，德国的ZF公司等都相继研制出各自的EPS并装配使用。国内对EPS 系统的研究起步较晚，仅有清华、华中科大、吉林大学、合肥工大等高校开展了系统结构的方案设计、系统建模和动力学分析等研究，但处在理论探索、实验研究阶段。关键词：电动助力转向 原理 检修一 转向系统的概述转向系统是汽车的主要子系统之一，其性能直接关系到汽车的操纵稳定性和舒适性，对于确保行车安全、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。助力转向系统经历纯机械式、液压式、电控液压式、电动助力式以及处于研制阶段的线控式几个阶段。传统的动力转向系统一般采用液压助力，其结构复杂、功率消耗大、易泄漏、转向助力不易控制。因此汽车工程师一直在寻求一种更好的助力方式，以获得较强的路感、较轻的操纵力、较好的回正性、较高的抗干扰能力和较快的响应性。上个世纪80年代开始，人们开始研究电子控制式电动助力转向，简称EPS（Electric Power Steering）。EPS 是在EHPS 的基础上发展起来的, 其结构简单、零件数量大大减少、可靠性增强,它取消EHPS 的液压油泵、液压管路、液压油缸和密封圈等配件,纯粹依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构,解决了长期以来一直存在的液压管路泄漏和效率低下的问题。与传统的液压助力转向相比，EPS系统具有一系列的优点：1、节约了能源消耗。与传统的液压助力转向系统相比，没有系统要求的常运转转向油泵，且电动机只是在需要转向时才接通电源，所以动力消耗和燃油消耗均可降到最低。2、对环境无污染。该系统应用电力作为能源，消除了由于转向油泵带来的噪音污染。也不存在液压助力转向系统中液压油的泄漏与更换而造成的污染。同时该系统由于没有使用不可回收的聚合物组成的油管、油泵和密封件等配件，从而避免了污染。3、增强了转向跟随性。在电动助力转向系统中，电动机与助力机构直接相连，可以使其能量直接用于车轮的转向。该系统利用惯性减振器的作用，使车轮的反转和转向前轮摆振大大减小。因此转向系统的抗扰动能力大大增强。和液压助力转向系统相比，旋转力矩产生于电机，没有液压助力系统的转向迟滞效应，增强了转向车轮对转向盘的跟随性能。电动助力转向系统EPS(electripowersteering)是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统,与传统的液压助力转向系统HPS(hydraulicpowersteering)相比,EPS系统具有很多优点：仅在需要转向时才启动电机产生助力,能减少发动机燃油消耗；能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力向系的扰动，改善汽车的转向特性,提高汽车的主动安全性；没有液压回路,调整和检测更容易,装配自动化程度更高,且可通过设置不同的程序，快速与不同车型匹配,缩短生产和开发周期；不存在漏油问题,减小对环境的污染。 EPS系统是未来动力转向系统的一个发展趋势。 图1-1EPS结构图  如图1-1所示。电动助力转向系统已经获得了广泛的应用。电动助力转向系统（EPS）由控制器、转向盘转矩传感器、车速传感器、电流传感器（在控制器内）、助力电机及减速机构、机械式转向器、蓄电池等组成。EPS的控制系统主要由控制器、传感器及信号处理电路、助力电机及驱动电路等组成。通过传感器探测司机在转向操作时方向盘产生的扭矩或转角的大小和方向，并将所需信息转化成数字信号输入控制单元,再由控制单元对这些信号进行运算后得到一个与行驶工况相适应的力矩,最后发出指令驱动电动机工作，电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力。因此扭矩传感器是EPS系统中最重要的器件之一。扭矩传感器的种类有很多，主要有电位计式扭矩传感器、金属电阻应变片的扭矩传感器、非接触式扭矩传感器等，随技术的进步将会有精度更高、成本更低的传感器出现。二 汽车助力转向系统的历史发展概况在汽车的发展历程中，转向系统经历了四个发展阶段：从最初的机械式转向系统（Manual Steering，简称MS）发展为液压助力转向系统（Hydraulic Power Steering，简称HPS），然后又出现了电控液压助力转向系统（Electro Hydraulic Power Steering，简称EHPS）和电动助力转向系统（Electric Power Steering，简称EPS）。装配机械式转向系统的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重，为了解决这个问题，美国GM公司在20世纪50年代率先在轿车上采用了液压助力转向系统。但是，液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性，因此在1983年日本Koyo公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统。这种新型的转向系统可以随着车速的升高提供逐渐减小的转向助力，但是结构复杂、造价较高，而且无法克服液压系统自身所具有的许多缺点，是一种介于液压助力转向和电动助力转向之间的过渡产品。到了1988年，日本Suzuki公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统；1990年，日本Honda公司也在运动型轿车NSX上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。三 EPS系统的组成原理及分类（一） EPS系统的分类根据电动机驱动部位的不同，将电动助力转向系统分为3类：转向轴助力式、转向器小齿轮助力式和齿条助力式。1、转向轴助力式转向系统。其转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构组成一体，安装在转向柱上。其特点是结构紧凑，所测取的转矩信号与控制直流电动机助力的响应性较好。这种类型一般在轿车上使用。2、小齿轮助力式转向系统的转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构仍为一体，只是整体安装在转向小齿轮处，直接给小齿轮助力，可获得较大的转向力。该形式可使各部件布置更方便，但当转向盘与转向器之间装有万向传动装置时，转矩信号的取得与助力车轮部分不在同一直线上，其助力控制特性难以保证准确。3、图1为齿条助力式转向系统。其转矩传感器单独地安装在小齿轮处，电动机与转向助力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处，用以给齿条助力。该类型又根据减速传动机构的不同可分为两种:一种是电动机做成中空的。齿条从中穿过，电动机的动力经一对斜齿轮和螺杆螺母传动副以及与螺母制成一体的铰接块传给齿条。这种结构是第一代电动助力转向系统，由于电动机位于齿条壳体内，结构复杂，价格高，维修也困难。另一种是电动机与齿条的壳体相互独立。电动机动力经另一小齿轮传给齿条，由于易于制造和维修，成本低，已取代了第一代产品。因为齿条由一个独立的齿轮驱动，可给系统较大的助力，主要用于重型汽车。4、电动助力转向系统是在传统机械转向机构的基础上发展起来的。此转向系统在不同车上的结构部件尽管不尽一样，但其基本原理是一致的。系统通常由转向（转矩）传感器、电子控制单元、电动机、电磁离合器和减速机构等组成。汽车电子控制动力转向系统的组成如图1所示。（二） EPS系统的组成电动助力转向系统是在传统机械转向机构的基础上发展起来的。此转向系统不同车上的结构部件尽管不尽一样，但其基本原理是一致的。系统通常由转向（转矩）传感器、电子控制单元、电动机、电磁离合器和减速机构等组成。汽车电子控制动力转向系统的组成如图3-1所示。图3-1电动助力转向系统结构（三） EPS系统的工作原理电子控制动力转向系统是利用电动机作为助力源，根据转向参数和车速等，由微机完成助力工作的，其控制框图如图2所示。 图3-2 EPS系统控制图不转向时，电动机不工作，EP系统处于STANDY状态；当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的转矩传感器不断检测转向轴上的转矩，并由此产生一个电压信号，该信号与车速信号同时输入电子控制器，由控制器中的微机根据这些输入信号进行运算处理，确定助力转矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转向，调整转向的辅助动力。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。电子控制电动助力转向控制系统的核心是一个4kBROM和256kBRAM的8位微机。转向盘转矩信号和车速信号经过输入接口送入微机，随着车速的提高，通过微机控制相应地降低助力电动机电流，以减少助力转矩。发动机转速信号也被送入微机，当发动机处于怠速时，由于供电不足，助力电动机和离合器不工作。点火开关的通断（on/off）信号经A/D转换接口送入微机，当点火开关断开时，电动机和离合器不能工作。微机控制指令经D/A转换后送入电动机和离合器的驱动放大电路中，控制电动机的旋转方向和离合器的结合。电动机的电流经驱动放大回路、电流表A、A/D转换接口反馈给微机，将电动机的实际电流与按微机指令应给的电流相比较，调节电动机的实际电流，使两者接近一致。四 EPS系统主要部件的结构及工作原理EPS系统主要部件包括扭矩传感器、电动机、电磁离合器、减速机构车和电子控制单元等，其各自的工作原理如下：（一）传感器1、扭矩传感器EPS系统的传感器信号包括转向盘转矩信号、汽车车速信号、汽车轴重信号和电机电流信号，前三者用于确定助力电机的助力大小和方向，后者用于电机的闭环控制。这些信号用来作为EPS系统的输入信号，共同决定助力信号的输出。因此传感器信息融合是EPS系统中的关键技术之一。EPS系统扭矩传感器主要有：电位计式扭矩传感器电、金属电阻应变片的扭矩传感器、非接触式电感扭矩传感器和其他类型传感器。2、电位计式扭矩传感器电位计式扭矩传感器主要可以分为旋臂式、双级行星齿轮式、扭杆式。其中扭杆式测量结构简单、可靠性能相对比较高，在早期应用比较多。 EPS中扭杆式扭矩传感器的结构、原理 中扭杆式扭矩传感器主要由扭杆弹簧、转角-位移变换器、电位计组成。扭杆弹簧主要作用是检测司机作用在方向盘上的扭矩，并将其转化成相应的转角值。转角-位移变换器是一对螺旋机构，将扭杆弹簧两端的相对转角转化为滑动套的轴向位移，由刚球、螺旋槽和滑块组成。滑块相对于输入轴可以在螺旋方向上移动，同时滑块通过一个销安装到输出轴上，可以相对于输出轴在垂直方向上移动。因此，当输入轴相对于输出轴转动时，滑块按照输入轴的旋转方向和相对于输出轴的旋转量，垂直移动。当转动方向盘的时候，钮矩被传递到扭力杆，输入轴相对于输出轴方向出现偏差。该偏差是滑块出现移动，这些轴方向的移动转化为电位计的杠杆旋转角度，滑动触点在电阻线上的移动使电位计的电阻值随之变化，电阻的变化通过电位计转化为电压。这样扭矩信号就转化为了电压信号。3、 扭杆式扭矩传感器扭杆是整个扭杆扭矩传感器的重要部件，因而扭杆式扭矩传感器的设计关键是扭杆的设计。扭杆通过细齿形渐开线花键和方向盘轴连接，另外的一端通过径向销（直径D）与转向输出轴连接，基本结构如图3-3所示。 图3-3 圆柱截面扭杆结构图扭杆细齿形渐开线花键端部结构外直径d0=(1.15-1.25)d,长度L=（0.5-0.7）d，为了避免过大的应力集中，采用过度圆角时，半径R=（3-5）d，扭杆的有效长度为l，d为扭杆有效长度的直径。扭杆的扭转刚度k是扭杆的一个重要的物理量，可以参照下面的公式计算。当其受到扭矩的时候，其扭转的切应力和变形角分别为：其扭转刚度为：其中d-扭杆直径，有效长度，Ip惯性矩，Zi抗扭截面系数扭杆式扭矩传感器在早期的EPS中应用比较多，但由于是接触式的，工作时产生的摩擦使其易磨损，影响其精度，将会被逐步淘汰。4、金属电阻应变片的扭矩传感器传感器扭矩测量采用应变电测技术。在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥，当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。传感器就完成如下的信息转换：传感器由弹性轴、测量电桥、仪器用放大器、接口电路组成。弹性轴是敏感元件，在45度和135度的方向上产生最大压应力和拉应力，这个时候承受的主应力和剪应力相等，其计算公式为：式中主应力，此时与相等p-轴截面极矩测量电桥可以采用半导体电阻应变片，并将它们接成差动全桥,其输出电压正比于扭转轴所受的扭矩。应变片的电阻R1=R2=R3=R4R0,可以得到下面的式子： E轴材料的弹性模量 u电桥的供电电压 S电阻应变片的灵敏度系数 放大电路采用仪器用放大电路，它由专用仪器用放大电路构成，也有三只单运放电路组合而成，放大倍数为K，放大后的电压为： 为了使一起具有高精度，必须使灵敏度系数为常数。 在金属电阻应变片的扭矩传感器中，需要解决的技术关键是： 弹性轴的工作区域不应该大于弹性区域的1/3，且取初始段。为了将迟滞误差减低到最底，按照超载能力指数选取最大的轴径。 采用LM型硅扩散力敏全桥应变片，较好的敏感性，很小的非线形度 采用高精度的稳压电源。5、非接触式扭距传感器图3-4 非接触式扭矩传感器结构如图3-4所示为非接触式扭矩传感器的典型结构。输入轴和输出轴由扭杆连接起来，输入轴上有花键，输出轴上有键槽。当扭杆受方向盘的转动力矩作用发生扭转时，输入轴上的花键和输出轴上键槽之间的相对位置就被改变了。花键和键槽的相对位移改变量等于扭转杆的扭转量，使得花键上的磁感强度改变，磁感强度的变化，通过线圈转化为电压信号。信号的高频部分由检测电路滤波，仅有扭矩信号部分被放大。非接触扭矩传感器由于采用的是非接触的工作方式，因而寿命长、可靠性高，不易受到磨损、有更小的延时、受轴的偏转和轴向偏移的影响更小，现在已经广泛用于轿车和轻型车中，是EPS传感器的主流产品。6、其它扭矩传感器如图3-5所示为相位差传感方式来检测扭矩的扭矩传感器的结构和测量原理图，这种传感器具有高精度，高重复性的特点。其测量原理为：在受扭轴的两端各安上一个齿轮，对着齿面再各装一个电磁传感器，从传感器上就能感应出两个与动力轴非接触的交流信号。取出其信号的相位差，在这两个相位差之间，插入由晶体震荡器产生的高精度，高稳定的时钟信号。以这个时钟信号为基准，巧妙运用数字信号处理技术就能精确地测出所承受的扭矩。图3-5（二）电磁离合器电磁离合器的结构如图3-6所示，主要由电磁线圈、主动轮、从动轴、压板等组成。工作时，电流通过滑环进入电磁线圈，主动轮便产生电磁吸力，带花键的压板就被吸引，并与主动轮压紧，于是电动机的输出转矩便经过输出轴主动轮压板花键从动轴，传递给执行机构 (蜗轮蜗杆减速机构)。电磁离合器可保证电动助力只有在预定的车速范围内起作用。当汽车行驶速度超过系统限定的最大值时，电磁离合器便切断电动机的电源，使电动机停转，离合器分离，不起传递转向助力的作用。另外，在不传递助力的情况下，离合器还能消除电动机的惯性对转向的影响；当该动力转向系统发生故障时，离合器还会自动分离，此时又可恢复手动控制转向。图 3-6 电磁离合器 1-滑环电 2-磁离合器 3-压板 4-花键 5-从动 6-主动轮 7-球轴承（三）助力电机及减速器在转向器中部柱管内壁，安装有助力电机及减速器(如图3-7所示)。图3-7 减速机构 1-转矩传感器 2-控制臂 3-输入轴 4-扭杆 5-滑块 6球槽 7-滑环 8-钢球9-涡轮10-蜗杆 11-电磁离合器 12-电动机 助力电机为无电刷的三相交流电机，定子线圈为三相双星形连接，电机转子是强永磁式的。此电机设计的转动惯量较小，便于汽车行驶时灵活的变转向操作。该电机的改变旋转方向极方便，只是将三相电源任意两相间进行换接即能实现迅速的转向助力操作。而且此电机具有低噪声、高转矩的特点，能克服行驶各种道路时的转向阻力，进行灵活转向操作。减速机构是EPS系统不可缺少的组件，它把电动机的输出减速放大后再传递给执行部件。目前实用的减速机构有多种组合方式，采用较多的为蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合式，也有的采用两级行星齿轮与传动齿轮组合式。装配有离合器的EPS系统多采用蜗轮蜗杆减速机构，装配在减速机的一侧（四）转角传感器该传感器属于电磁感应式传感器，能将转向电机的转向角度信号输出到控制单元。这个传感器转子为凸极式，转子与电机转子是连成一体的。定子线圈呈圆环状，套在转子外，通过电磁感应原理，检测出转子的转角。在拆检时不能单独取下此转角传感器，只能通过解体转向器总成时，才能拆检。但可通过定子上的电路接插件进行检测。转向控制单元安装在蓄电池的下方，除有处理传感器信号功能外，控制单元还有提升蓄电池电压、逆变为三相电流电的功能。亦缩短了控制单元与动力转向机总成之间的电缆长度，可减小线路的电压降。（五）电子控制单元如图3-8所示，工作时，转向转矩和转向角信号经过A/D转换器被输入到中央处理器 (CPU)，中央处理器根据这些信号和车速计算出最优化的助力转矩。图8 ECU工作原理图ECU把己计算出来的参数值作为电流命令值送到D/A转换器并转换为模拟量，再将其输入到电流控制电路；电流控制电路把来自微处理器的电流命令值同电动机电流的实际值进行比较，产生一个差值信号。该差值信号被送到驱动电路，该电路可驱动动力装置并向电动机提供控制电流。也即当转矩传感器和转向角传感器的信号经A/D转换器处理后，微处理器就在其内存中寻找与该信号相匹配的电动机电流值，然后将此值输送给D/A转换器进行数字模拟转换，处理后的模拟信号再送给限流器，由限流器来决定电动机驱动电路电流值的大小。微处理器同时给电动机驱动电路输出另一个信号，即决定电动机(左转或右转)的转动方向。五 大众POLO助力转向系统故障一例故障现象 上海大众2003款POLO手动挡车，行驶里程为32550km，VIN码为 LSVFA49J732012842。该车在行驶过程中转向沉重，仪表板上的故障警告灯偶尔出现全部闪烁报警的现象。故障诊断与排除 首先试车，打开点火开关，仪表指示灯显示正常。起步后，发现转向确实沉重。行驶一段路程后发现仪表板上的动力转向故障指示灯点亮。连接金奔腾CS-538“彩圣”汽车电脑解码器进入“辅助转向”系统读取故障码，显示01309 辅助转向( J500 )控制单元。清除故障码后着车发现仪表板上的故障警告灯全部闪烁报警，再次连接电脑解码器居然已经不能进入“辅助转向”系统。后来利用电脑解码器进入发动机系统进行检测，结果显示“系统正常”。进入车载网络控制单元后，发现了2个故障码：01312动力系统数据总线；01760 辅助转向控制单元(J500)无通讯。进入网关（J533）数据总线，也检测到了2个相同的故障码。(如图1所示)维修小结由于现代汽车的技术水平大幅提高，要求能对更多的汽车运行参数进行控制，因而汽车控制器的数量在不断的上升，从开始的几个发展到几十个以至于上百个控制单元。控制单元数量的增加，使得它们互相之间的信息交换也越来越密集。(如图2所示)该车采用新一代的CAN-BUS系统，来为汽车的控制器之间进行数据交换，在系统内的控制单元之间采用了铜缆（双绞线）串行连接方式，即各控制单元都串行连接在一起。 控制单元之间的信息传播采用的是广播式传输方式，这样在某个控制单元发出信息后，由接收控制单元自由选择是否接收信息。因CAN收发器安装在每个控制单元内部，它同时具备接收和发送的功能。该车的组合仪表、ABS、安全气囊及转向助力同属于驱动系统，都在1条数据线上。由于转向助力控制单元损坏，使得其他控制单元均无法通讯，这种故障属于CAN-BUS系统在控制单元内线路的短路。参 考 文 献1 姚国平等.新型汽车电气与电控系统使用维修问答.北京：机械工业出版社.2001年2月第一版.2 博世公司技术报告(2002)（英文）3 王景祜.奔驰轿车的行驶稳定性电子控制系统.长春：汽车技术.2000年第三期4 陈家瑞.汽车构造.北京:机械工业出版社.2002年12月第一版5 高延龄.汽车运用工程.北京:人民交通出版社.1990年3月第一版6 吴际章.汽车构造(上、下册).北京:人民交通出版社2001年6月第一版