基于ProE的P-EPS外拉杆结构设计

学号： 设计 题目：基于Pro/E的P-EPS外拉杆结构设计作 者 届 别 院 别 专 业 指导老师 职 称 完成时间20 年 月 日摘 要本文先对国内外电动助力转向系统（EPS）进行了解，然后对EPS的基本机构及工作原理进行了研究。在传统的机械转向系统上添加电子控制设备、传感器设备与转向助力系统等就构成了EPS。EPS拥有体积小、重量轻、结构简单、安装和维修方便、节能环保的优点，而且拥有突出的性能，能够跟着车速变化来进行调整转向助力大小取得不同的转向路感，可广泛应用于轿车、货车等许多车型，是现在汽车技术发展的研究热点和重点。本文的主要工作是对电动助力转向系统外拉杆的结构设计，并运用CAD和Pro/E对其进行了二维和三维设计。关键词：电动助力转向；发展现状；外拉杆；CAD；Pro/E AbstractIn this paper,the domestic and foreign electric power steering system (EPS) is understood.Then the basic structure and working principle of EPS are studied.In the traditional mechanical steering system to add electronic control equipment, sensor equipment and steering power system, such as the composition of the EPS.EPS has the advantages of small size, light weight, simple structure, convenient installation and maintenance, energy saving and environmental protection,and has outstanding performance,be able to follow the speed change to adjust the steering power to achieve a different steering sense of the road,can be widely used in cars, trucks and many other models,Is the research focus and focus of the development of automotive technology.The main work of this paper is the structural design of the outer pull rod of the electric power steering system.The use of Pro/E and CAD on the two-dimensional and three-dimensional designKeywords: Electric power steering；Development status；Outer pull rod；CAD；Pro/E 目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 概述11.2 国外EPS的发展现状11.3 国内EPS的发展现状21.4 EPS的优点21.4.1 提高操纵轻便性和高速稳定性21.4.2 节能环保31.4.3 提供可变的转向助力特性使用范围广 31.4.4 提高主动安全性31.5 EPS的发展趋势31.5.1 转向器与电动机31.5.2 控制理论41.5.3 自动转向与全电动转向系统42 电动助力系统的总体结构6 2.1 电动助力系统的工作原理62.2 电动助力系统的结构62.2.1 机械式转向器72.2.2 助力电机72.2.3 传感器82.2.4 减速机构93 电动助力系统的外拉杆二维结构设计103.1 球头销103.2 左转向拉杆接头 113.3 左外拉杆组合114 电动助力系统的外拉杆三维结构设计134.1 球销134.2 左转向拉杆接头134.3 装配图135 总结与展望155.1 本文总结155.2 本文展望15参考文献16致 谢18IV1 绪论1.1 概述 当代汽车已经从最开始的机械式转向、液压助力转向（Hydraulic Power Steering，HPS）更新到电动助力转向（Electrical Power Steering，EPS）技术。当微电子控制技术在汽车方面的广泛使用，并在世界节能环保两大主题的发展，EPS 的优点越来越突显，变为转向技术研究的热点和重点内容。早在 20世纪80 年代，国外就能够成功做出 EPS 并且装车使用。根据美国天合（TRW）公司的预测：到达21世纪10年代，全球范围内电动助力转向器的装车率将超过 30%1。我们国家对于EPS 的研究开始比较晚，但现在已经有十多家大学和科学研究单位正在进行EPS技术的研究，而且已经取得了比较不错的成果。EPS 的助力性能、传感器、电动机和 ECU 等核心技术也已经取得了突破性的成果。1.2 国外EPS的发展现状 现在每一家大型的汽车生产公司都陆续研发出了各自的EPS系统。日本的小型轿车是最先在汽车上使用EPS系统的。在20世纪80年代末日本铃木公司最开始将EPS安装到它的汽车上，之后还把EPS安装到了Alto车上2。从此以后，EPS系统发展非常快速。日本大发汽车、日本三菱汽车、本田汽车、NSK和Koyo、美国的Delphi、TRW、德国的ZF、英国的Lucas都陆续的开发了各自的电动助力转向系统3。就像日本大发汽车在它生产的Mira车上就装备了电动助力转向系统EPS，日本三菱汽车也同样在它生产的Minica车上也装备了电动助力转向系统，日本本田汽车的Accord车当前也己经选择装电动助力转向系统，它的S2000汽车上的助力转向系统同样青睐于选择电动助力转向系统。TRW公司从20世纪末就已经在投入大量人力、物力和财力用于电动助力转向系统的开发。他们最先是想要开发出转向柱助力式电动助力转向系统用于客车上，现在小齿轮助力式电动助力转向系统开发也己取得了成功。20年代末他们的己经将EPS系统安装到了轿车上，如Ford、Mazda 323F和Fiesta等。Mercedes Benz与Siemens Automotive两家公司合作一起投资6500万英镑用于开发EPS，年产300万套，成为全球EPS制造商。他们计划开发出适用于汽车前桥负荷超过1200KG的电动助力转向系统，所以货车在不久的将来也可能成为电动助力转向系统的装备目标4。 经过了几十年的研究发展EPS的技术越来越完善。EPS系统使用的范围也从一开始的在微型车上使用发展到在高级轿车，商务车上使用，辅助的方式也从速度比较低向所有速度情况都能使用的方向发展。比如日本初期的EPS系统只能够帮助汽车在低速或停车时转向，逐渐的研究出能够在高速行驶的过程中增强汽车驾驶员的操纵稳定性。就是有了这样的一些优点，在整个世界范围的汽车行业中，EPS系统的每一年的使用增量达到一百几十万台。依照对美国TRW公司的统计数据进行分析之后表明，全世界范围内电动转向器和电液转向器使用的数量会越来越多，当42V的电动助力系统的研究成功，那么电动助力转向系统就有可能被运用到大型豪华车上。 电动助力转向技术有着十分广阔的进步前景。全世界的各大汽车公司都非常的青睐EPS。1.3 国内EPS的发展现状 随着时代的发展人们对于使用汽车要环保、节能和安全性的要求越来越高，EPS作为象征着当代汽车转向系统的研究方向，它会发展的越来越快。 国家发改委最新修订的产业结构调整指导目录（2011年版）在2011年6月1日就开始实施了。跟上一版（2005年版）进行对比，新的指导方案做出了很大的调整在与汽车相关的产业方面。当中汽车产业的优惠程度的政策“支持类”中增加了电动助力转向系统，这说明EPS在未来的发展过程中会获得国家相关部门的全力支持。 因为掌握着先进的技术，国外生产EPS系统的公司将会不断增快在中国生产EPS的脚步。美国有很多汽车生产公司向美国天合汽车集团（TRW）提交了购买EPS的需求，在2012年就已经实现了EPS的全面的大批量生产。日本精工在中国也将加大对EPS系统的研究开发力度。同一时间，国内的部分大学、相关技术研究机构和企业都加强了对EPS系统的研究开发的强度，部分有实力的EPS生产公司仍然关注着主机配套市场，希望对产品进行产业化的发展。为了打破国外公司的对于EPS的垄断，SAIC组建了中国首家EPS研究院将加快电动助力转向系统先进技术的研发；株洲易力达机电有限公司也成功研究开发出技术难度更难的P-EPS产品；PCM通过收购美国通用公司旗下Nexteer汽车转向系统业务，可能得到EPS的核心技术。 国内的许多高校也进行了EPS相关的理论研究，一段时间后，商务用车EPS的市场化与商品化将会在我国出现。1.4 EPS的优点1.4.1 提高操纵轻便性和高速稳定性低速时转向轻松操作，高速时能够稳定操作这是汽车转向系统的最基础的要求5。最初的低速型EPS在车速在超过设定值时会停止提供转向力，如今正在研究的是全速型的EPS系统，在不同的车速情况下都能提供最佳的辅助转向力，当汽车处于停车或者低速转动时，使驾驶员能轻易转动方向；当汽车处于高速运动时提供优良的稳定性，给予驾驶员良好的路感。但是液压辅助转向系统HPS，当汽车处于高速行驶时会提供比较大的辅助转向力，使驾驶员操作方向盘时没有感觉，影响驾驶员行车的稳定性6。1.4.2 节能环保 液压辅助转向系统系统中，发动机直接驱使转向油泵进行运作，发动机开始转动，转向油泵就会进行工作7。而EPS系统是利用电动机来提供辅助转向力，发动机和蓄电池都能够驱动电动机工作，发动机的功率在汽车不进行变相时是不会被消耗的，所以就会减少燃料的使用。对比试验表明：装备EPS的汽车其燃料消耗量比装备HPS的汽车降低了5.5%8。EPS系统还减少HPS系统中的转向油罐、油管等，重量变轻，结构变得紧凑；消耗和泄漏液压油的问题也得到了解决，环境的污染问题也降低了。EPS中可回收能够再次利用的组件比HPS要多出10个百分点达到了95个百分点。1.4.3 提供可变的转向助力特性使用范围广 为了满足对不同类型的汽车辅助转向力的要求，使EPS能够迅速的对不同类型的汽车匹配，使EPS系统拥有许多类型的辅助转向力功能，所以EPS系统能够非常轻松的变换汽车转向辅助动力特征在使用的程序中，因此减少了电动助力转向系统产品的研究开发的时间。EPS提供的转向助力的大小是随着开车的速度、改变方向的快慢、路面平坦情况等的变化进行随时的调整，为了能够让驾驶员持续的拥有非常好的操作功能和转向路感，但液压转向系统中变换辅助转向力的大小十分的困难而且所需要的费用非常多，需要补添另外的控制器和一些另外的硬件。1.4.4 提高主动安全性 一部分，削弱了转向系统在路面坎坷时汽车行驶所带来的振动和撞击，电动机含有弹簧能够进行保护；另一部分，ECU拥有自我故障诊断和安全保护功能，当传感器或者执行器被检测到发生了异常，就会取消转向力，ECU同步开展故障自我诊断分析。另外，EPS拥有集成度高、安装修缮便利等优点。1.5 EPS的发展趋势1.5.1 转向器与电动机 EPS系统拥有构造简洁、传递力的功能好的齿轮齿条式转向器，由于它的输出力矩比较小不能够被中型、重型汽车的EPS所使用；如果使用变传动比，则当汽车处于高速行驶时转向的路感就会被削弱。未来EPS技术研究开发的主要方向就会是循环式转向器，尽管它的结构比较繁杂，但是它能够适应未来中重型汽车市场的要求。随着发现稀土永磁相关的产品的磁性能十分的好这使稀土永磁同时运行电机得到了快速的发展，让电机变得结构简洁，运行性能好、质量小、工作效率高的一些优点。随着制造工艺的不断发展这使得在永磁材料与电子零部件的性能与价格的比重越拉越高，所以在不久的将来使用稀土永磁材料的电机会替换掉传统的电机，使电动助力转向系统能够更加深入的发展9。此外，随着电子设备被越来越多的使用到汽车上，如果蓄电池能够使用42V的，那么就能够让电动机在取得很高的输出功率的情况下只需要较小的输出电流，在改善EPS系统功能的情况下还能够减少能量的消耗和降低发热。 1.5.2 控制理论 电机辅助的电流控制一般是EPS系统辅助转向力特征的控制方案，随着汽车转向时的数据发生改变时，方向盘的转矩性能就会跟着变化。如果把最终转矩用方向盘的转矩来代替来控制，这样能够让驾驶员很轻便改变方向和舒适的开车 加快了对驾驶员转向的反应，更好的增强了驾驶的安全性10。汽车的有些部分具有相互之间的联系，比如转向系统和车身以及悬架就存在一定的联系，在汽车进行转向时车身横向摆动的角速度和车身的倾斜角度都对悬架的控制有着十分重要的联系，所以在设计时要全面的思考EPS和悬架的一起控制考虑非常重要。转向系统的好与坏是决定着汽车的操作水平的一个非常关键的内容。为了让驾驶员在驾驶时能够操作稳定，例如给予一定的转向性能与很好的动态响应特性，再设计参数时应该要以整车的有关的参数来进行设计转向系统的参数，一定要能够与整车的动态特性相对应才能够在一定范围得到保证11。1.5.3 自动转向与全电动转向系统 现在汽车产业的主导方向是无人驾驶汽车，未来汽车的电子设备的控制技术将会是为了符合无人驾驶汽车的自动化的重要内容，汽车的智能化在帮助转向方面将会发展的方向。由于当代通信技术与智能化交通系统的越来越好，那么自动转向系统功能就会更加强大。 全电动转向技术（也称线控转向，Steering-by-Wire，SBW）取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电能实现转向，如图1-1所示12。由方向盘总成、控制器和前轮变向机构等构成了全电动转向技术系统，方向盘总成是将收集的转向信号等输入到控制器中，控制器利用采集的信号：方向盘转角转矩、横摆角速度、车速、加速度和转向器位移等，然后对收集的数据分析，最后发送命令去指示转向电机和转向回正电机的操作，让驾驶员驾驶的非常舒适并且改变汽车方向。控制器还能够判断驾驶员的驾驶是否正确，驾驶员操作错误时自动进行驾驶，让汽车回到正确驾驶13。跟EPS作对比，在操作稳定性方面SBW更加好；在安全性能方面更好；转向功能的设计更加随意；驾驶的感觉也更加舒适。排量少、没有污染的燃料电池汽车将会是汽车的发展方向，SBW就是一个非常好的技术平台，它能够提供优良的技术并且它本身的发展前景也是十分的宽阔。 图1-1 全电动转向系统的结构示意图 2 电动助力系统的总体结构2.1 电动助力系统的工作原理相对于传统的机械转向系统，电动助力转向系统在它的基础上增添了传感器设备、电子控制设备和辅助转向结构等。每一种不同的驾驶状况下电动运行机构都会为驾驶员给予相应的辅助力。系统主要由电子控制单元（ECU）、扭矩传感器和车速传感器、电动机、离合器和转向柱总成等组成14。图2-1 电动助力系统的原理 电动助力系统的工作原理是：方向盘在驾驶员的操作下，传感器会收集驾驶员转动方向盘时的扭矩力、汽车速度、发动机转速等信息传递给ECU，ECU会对这些信息进行处理，查询辅助力表格，用来改变电流的方向与大小，进而改变电动机的电流大小方向，电动机经减速机构及离合器将扭矩传递给转向机构 减速结构和离合器会将电动机的扭矩递送给转向构件，如果转向机构出现问题，ECU系统将不会提供助力，从而使驾驶员更加舒适。行车不转向时，电动机不进行工作。电动助力转向系统可以实时地在不同的车速下为汽车转向提供不同的助力，使驾驶员在驾驶车辆时低速轻巧灵便，高速时平稳。它的工作原理如图2-1所示。2.2 电动助力系统的结构 在传统的机械转向系统上添加一套电机伺服系统所形成的动力转向系统就是我们所知道的EPS系统，如图2-1所示。EPS系统由机械转向机构，辅助给力电机，减速构件，转矩检测装置，车速感应装置及控制器等主要组件构成。其工作基本思路是：辅助给力电机的最终电流和最终转矩是由电动助力转向系统的电子设备依据转矩感应装置和车速感应装置所提供的数据决定的，并且控制辅助给力电机的参照电流由最终电流确定，为了要对辅助给力电机的工作电流进行控制，则要控制电子设备的功率转变电路，进而能够主动控制电动助力转向系统的辅助给力转矩。控制的最终效果是要达到使电动助力转向系统拥有更好的辅助给力功能与操纵的稳定性。接下来就对电动助力转向系统的各个机构进行说明。2.2.1 机械式转向器 由于转向器结构的不同，机械式转向器拥有以下4种类型，一是齿轮齿条式转向器；二是循环球式转向器；三是蜗杆滚轮式转向器；四是蜗杆指销式转向器15。齿轮齿条式转向器因为它具有结构简洁，紧凑、传递的效率非常高的一些优点，所以被主要使用在微型车、普及型中级车、以及中高级轿车上面，载重量不大、有一些货车与客车前轮使用单独的悬架也是使用齿轮齿条转向器因为齿轮齿条式转向器已经在轿车上得到了广泛的使用，因此，齿轮齿条式转向器通常会作为EPS系统所采用的机械式转向器，齿轮齿条式转向器具有反效率较高的缺点，所以当转向轮与路面撞击时，大部分的冲击力会传到方向盘，造成反冲，让驾驶员感觉失控，不能够安全的控制行车方向，但是电动助力转向系统中，使用好的算法去控制，能够有效的解决齿轮齿条式转向器反效率较高的缺点，减少路面对转动轮的冲击力。2.2.2 助力电机 电动助力转向系统能够飞快的替代液压动力转向系统十分关键的技术就是电动机的技术。20世纪80年代高能量的永磁材料得到利用，使得电动机设计师有机会设计出体积小、重量轻、性能高的电动机，这种电动机使得电动助力转向实现商业化成为可能16。由于EPS对于辅助动力电机有着十分高的标准，包括在功率、功能、尺寸等。在轿车上的电源一般都是使用12V的蓄电池。跟据车的型号与制造的厂商不同，蓄电池能提供的最大电流通常是75-80A。所以电机的最大输出功率为900W。由于最大功率的限制，EPS系统只有通过不断的提高每一个元件的效率，才能够去取的所要的输出功率能够根据转向阻力在300W500W之间进行变化，转向轴所承受的负荷决定着转向阻力的大小。助力电机不仅要满足功率要求，还应该要去满足转向系统需要的一些另外特定要求，如: 1)平滑性，即驾驶员在驾驶过程中不会感受到电动机输出时波动所带来的冲击感觉。 2)电动机拥有的转动惯量应该要十分小。 3)防止转向失控。在没有助力的时候，驾驶员能够通过自己来控制转向。 现在，日本通常使用的是直流有刷永磁电机，有刷电机因为含有机械换向机构，可依赖性差，控制算法也非常简单;欧美一般使用直流无刷电机，由电子换向装置取代机械电刷的直流无刷电机可靠性高 通过含有电子换向设备的直流无刷电机来代替机械电刷，可靠性能高，由于它的算法比较繁杂，输出转矩时非常容易产生波动。 EPS的辅助动力电机在选择配备永磁无刷电机时，为了降低扭矩波动，通常会对电机做改动，在转子的外圆表面上弄条斜槽。2.2.3 传感器 1)转矩传感器 在使用方向盘的时候，转矩传递感应器会依照输入的转矩的大小去形成对应的电压，EPS就能够通过这个信号来检测操作力的大小。目前平常使用的是下面三种传感器:一时应力测量传感器，二是扭矩或角度测量传感器，三是涡流式传感器17。以上这三种传感器在感应转向扭矩时都能够测量到非常小的角度，所量的精度也非常高。因为最后那种测量传感器的价格十分的高与加工和安装的要求也十分的严格，由于第一种应力测量传感器的测量精度很高，成本很低，又能够非常适用于测量EPS系统的转矩的要求，于是本论文就选择应力测量传感器AM2012用于EPS系统的转矩传感器。 2)转角传感器 方向盘中的转动角的大小通过转角传感器测量并传递给到电子控制设备中。本论文选用的是LWS4型磁阻式角度传感器。 3)车速传感器 用于检测汽车行驶速度的大小的传感器是车速传感器，车速传感器把车速转变为电信号输入到电子控制设备中。通常采用的车速传感器有两种:无源感应式车速传感器和有源车速传感器18。 因为有源转速传感器拥有许多的优点和研究的潜力，所以本论文选择有源转速传感器作为车速传感器。 4)电流传感器 辅助动力电机的电流需要进行记录和收集，所以本文选用双向专用电流传感器来进行采集，输入到电子控制设备中。2.2.4 减速机构减速的构成部分起减速增加扭矩力的作用。一般为蜗轮蜗杆式、双排行星齿轮式或球螺旋机构式。对于使用在EPS系统中的减速装置应该要结构紧凑。 3 电动助力系统的外拉杆二维结构设计 外拉杆的CAD二维图3.1 球头销 球头销经常因为球面磨损损坏，所以用下面的公式来验算接触应力： （3-1） 式中作用于球头的力 球头承载表面通过球心与垂直的投影面积 球销弯曲应力应满足： 球销根部 （3-2） 式中 作用于球头的力 球头悬臂部分的尺寸 弯曲截面系数 材料的屈服极限 安全系数，取1.5 球头销的CAD图如图3-1所示：图3-1 球头销3.2 左转向拉杆接头 外拉杆为弯杆，要计算弯曲应力与拉压应力。 以原地打转来计算阻力矩，按哥夫经验公式： (3-3) 式中轮胎与路面之间的摩擦系数 前轴负载 轮胎气压MPa 左转向拉杆接头的CAD图如图3-2所示：图3-2 左转向拉杆接头3.3 左外拉杆组合 将球头销与左外拉杆接头链接起来，在连接处上面和下面都装上防尘罩，防止灰尘进入连接处导致球面磨损。在上端要加上密封罩防止润滑油泄漏。组合图如图3-3所示：图3-3 左外拉杆组合 4 电动助力系统的外拉杆三维结构设计 外拉杆的Pro/E三维图4.1 球销 根据上文中的球头销的图3-1进行Pro/E的建模如图4-1所示：图4-1 球销4.2 左转向拉杆接头 由上面的图3-2进行Pro/E的三维建模如图4-2所示：图4-2 左转向拉杆接头4.3 装配图将上面的两个零件图进行装配形成的图和安装上防尘罩的Pro/E的装配图如图4-3所示：图4-3 装配图 5 总结与展望5.1 本文总结 汽车EPS系统是一个崭新的通过电来控制机器的伺服系统。它拥有相对于传统转向系统消耗能量少，污染少、控制性能好等许多优点，是当代汽车动力转向技术的研究重点。本文主要获得了如下成果：（1）对电动助力转向系统在我国的发展状况和外国的发展状况进行了了解，并对它的发展前景做出了描绘； （2）对电动助力转向系统的结构进行了了解与分析； （3）设计了电动助力转向系统的外拉杆，利用了Pro/E，CAD绘图软件完成了对外拉杆的二维设计与三维设计。5.2 本文展望 本文对EPS系统进行了初步的研究，但是还是仍然具有许多需要完善的地方和需要解决的问题。联系本论文，还有两个方面的问题需要在接下来进行解决： （1）进一步完善外拉杆结构的稳定性和可靠性。操纵稳定性始终是影响汽车驾驶的首要性能。因此，在外拉杆的结构设计上要做到更加的稳定。（2）继续开展大量试验工作，对试验数据进行分析处理。参考文献1 王锋. 电动助力转向系统的控制策略研究D. 镇江：江苏大学，2008，4.2 T. Nakayama，E. Suda. The present and future of electric power steering. lnt. J. of Vehicle Design，2004，15 (Nos 3/4/x) 243-254.3 刘照. 电动助力转向系统动力学分析与控制方法研究D. 湖北：华中科技大学机械学院，2004，8.4 K. Rogers，W. Kimberley. Turning to electric. Automotive Engineer. 2010，25，39-41.5 李慧琪，等. 汽车电动助力转向系统的现状与发展J. 电脑与电信， 2007（2）：86-87. 6 林逸，施国标 汽车电动助力转向系统的现