开题答辩 - 副本.doc

上海电机学院
毕业设计（论文）开题报告

课题名称 管柱式电动助力转向系统的
布置与结构设计

学 院 汽车学院
专 业 车辆工程
班 级 BQ0904
学 号 091008210428
姓 名 张凯
指导教师 刘杰

定稿日期： 2013 年 03月04 日

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管柱式电动助力转向系统的布置与结构设计

摘要：在汽车的电动助力转向系统中，CEPS系统因其工作环境好，电装置(包括电机、ECU、转矩传感器)无须特别的防水和隔热措施，可以相对降低系统的成本，因而成为目前汽车市场上使用广泛的助力转向方式。本文将通过对CEPS 的基本结构和工作原理的介绍，主要阐述CEPS 布置时的注意事项及相应的策略，以实现在对其他零件影响最小的情况下对CEPS系统的布置与结构进行优化设计，从而能够解决CEPS系统在工作中所存在的空间狭小和噪音等问题。
关键词：汽车，CEPS系统，结构与布置，系统总成设计。
1 文献综述
近年来，随着我国经济的持续发展，人民生活水平不断提高，轿车渐渐走入平常百姓家中，成为代步的工具，而随着汽车保有量的增加以及由此带来的一系列问题，使得“安全、节能、环保”成为未来汽车发展的三大主题。而当前轿车中得到广泛应用的液压动力转向系统，由于存在浪费燃料、易漏油、高速行驶时路感差等缺点，已经越来越不能满足汽车发展的要求了。为了解决上述问题，1988年2月日本铃木公司开发出电动助力转向系统【1】，它主要是由转矩传感器、车速传感器、ECU、电动机和减速机构组成。其工作原理是：当转向轴转动时，转矩传感器把输入轴和输出轴之间扭杆的变形量转变成电信号传给ECU，ECU依据转矩传感器和车速传感器的信号决定助力电流的大小和电机的旋转方向，电机在ECU指令下产生合适的转矩，电机转矩经减速机构增扭之后，在转向轴上与转向盘力矩进行叠加，共同驱动前轮转向【2】。相比于液压动力转向系统，EPS具有以下优点：降低了燃油消耗，增强了转向跟随性，改善了转向回正特性，提供可变的转向助力，采用“绿色能源”，适应现代汽车的要求，系统结构简单，占用空间小，布置方便，性能优越；是一项紧扣汽车发展主题的高新技术，所以一经出现就受到高度重视【3】。不断有工程师对其进行更深层次的研究，取得了丰硕的成果，也使得这项技术更加趋于完善。国外一些工程师从90年代就已经开始对EPS进行研究了，随着半导体技术的发展，对于这种电子系统的开发周期和成本都大幅下降。与国外相比，国内的EPS研究起步较晚，昌河北斗星和广州本田飞度开创了国内汽车产品装配EPS系统的先河。国内外学者对EPS技术研究主要集中在以下几个方面：
1．EPS控制策略研究；R．McCann和L．R．Pujuraf等讨论了汽车高速行驶时，湿滑路面和电动机参数变化对系统鲁棒稳定性的影响，通过引入横摆角速度和侧向加速度反馈控制，实现了汽车的稳定行驶。M．Kurishige等提供了一种消除在常规控制器中因提高助力增益而导致静态转向时转向抖振方法，基于特定频率上的阻尼来抑制振动，后来还提出了一种减小电动机电流波动的控制方法。H．J．Kim和J．B．Songt对转向手力进行闭环控制，给出转向手力参考值与转角、车速之间的关系，并研究了减少手力、增加回正性能的EPAS控制方法。S．C．Yun等通过仿真方法以转角增益为考虑指标，确定合理的控制策略及此控制策略下中间位置的转向回正性能和转向力矩相位滞后曲线。M．Parmar和J．Y．Hung讨论了EPAS的最优控制方法，提出了不需扭矩传感器下的EPAS系统控制方法。
2．EPS对汽车性能影响的研究；唐新蓬和杨树分析和推导出了具有不同控制方式的EPS系统的传递函数定性地说明了EPS系统的控制方式和结构参数对汽车转向盘角阶跃输入下的稳态、瞬态和频率响应特性的影响。进而将EPS系统模型与多自由度汽车动力学仿真软件相结合，讨论了EPS系统对汽车转向盘力特性的影响，提出并验证了将EPS系统比例控制系数设计成随车速和侧向加速度递减的函数来改善转向盘力特性的方法。任卫群等采用多体系统动力学与计算机辅助控制系统设计相结合的方法，分析电动助力转向系统对汽车操纵稳定性的影响，以Matlab／Simulink软件为支撑建立EPS系统控制模型，研究其助力特性和控制策略。Y．G．Liao采用由MATLAB构建的EPS系统模型和由ADAMS构建的汽车多体系统动力学模型进行联合仿真，考察了装有EPS系统的汽车在有单侧路面不平时的响应。
3．EPS建模方面的研究；EPS模型的精确性和仿真性是进行整车仿真计算的基础。米奇克经过严密推到，得到了作用在转向主销的转向力矩统表达式，将某些车速下的转向力矩表达式进行简化得到了低速、快速曲线行驶条件下的转向力矩表达式。他在模型中考虑了前轮定位参数如主销内倾、后倾及前束等对转向力矩的影响，但是没有考虑汽车动态运行对车轮载荷的影响，不能得出车速对转向力矩的影响。郭孔辉提出了汽车的稳态转向特性的转向回正力矩模型，综合考虑侧倾转向、干涉转向与变形转向，结合轮胎的半经验模型，给出以主销穿地点为中心的转向回正力矩表达式，但没有考虑车速对转向力矩的具体影响，不能用来分析转向力矩与车速之间的关系。其他相关文献在建模分析时不是考虑因素不全面，模型过于简单就是使用条件有限，只限于某种工况或汽车操纵动力学或轮胎力学而没有综合考虑得到转向力矩的分析模型。根据转向梯形机构的多体动力学分析，前轴左右轮转角是不等的。这与上述文献模型推倒的假设是相反的。
4．EPS硬件结构的研究；电动助力转向系统的基本组成包括扭矩传感器、车速传感器、控制元件、电动机和减速增扭机构等。扭矩传感器的功能是测量驾驶员转向力矩大小与方向，以及转向盘转角的大小和方向，精确、可靠、低成本的扭矩传感器是决定EPS能否占领市场的关键因素之一。扭矩传感器主要有三种形式：摆动杆式、双行星齿轮式和扭杆式。非接触式扭矩传感器中有一对磁极环，当输入轴与输出轴之间发生相对扭转位移时，磁极环之间的空气间隙发生变化，从而引起电磁感应系数变化。这种传感器虽然体积小，精度高，但成本较高。当前主要是研究的非接触式传感器包括光电式传感器、电容式传感器、磁致伸缩式传感器等。电动机的功能是根据电子控制单元(ECU)的指令输出适宜的驱动扭矩，是EPS的动力源和关键部件之一。大多采用无刷永磁式直流电动机，不仅要低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻、还要可靠性高，易控制等。电机驱动电路可以保证电动机良好运行。对比常用的PWM控制直流电机的优缺点，上、下管均采用N沟道MOS管，上管常通或常闭，下管由PWM逻辑电平控制的设计方案，切实可行，可靠性高。系统控制器(ECU)通过控制PWM输出脉冲占空比的方式来决定电动机电枢两端的电压，从而控制助力电流的大小【4】。
对于电动助力转向系统来说，根据电动机布置位置的不同可以分为：转向助力式（CEPS）、齿轮助力式(PEPS)、齿条助力式(PEPS)3种。转向柱助力式电动助力转向系统的电动机固定在转向柱一侧，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴辅助转向；齿轮助力式电动助力转向系统的电动机和减速机构与小齿轮相连接，直接驱动齿轮助力转向；齿条助力式电动助力转向系统的电动机和减速机构则直接驱动齿条提供助力【5】。在伴随着电动助力转向系统得到巨大发展的同时， CEPS作为EPS中的一种，又以能够更好地降低能量消耗、实现了车速感应型助力特性、易实现产品的模块化，而且很适合装备在小型轿车上等特点，在当前的汽车市场上得到了广泛的应用。因为CEPS的电动机是固定在转向柱上的，并通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴进行助力，所以电子控制单元ECU可以集成在转向柱上，这使得连接线束更短，装配工序更简单；使得电机和减速机构在驾驶室内的布置空间得以保证，使EPS系统更容易布置，更容易替代原有的液压助力转向系统。但是因为电动机安装位置距驾驶员近，所以要求电机的噪音一定要小；电机的扭矩波动容易传到转向盘上，使驾驶员的手感变坏，因此要求电机的扭矩波动也一定要小【6】。与EPS系统中的另一个系统类型——REPS相比，CEPS输出助力相对较小，但EPS与可变速比齿条相结合使得CEPS也有望运用到中型车辆上。但CEPS也有一个缺点：减速机构和转矩传感器安装在转向柱上，有限的空间可能会影响碰撞能量的吸收。这就要求设计新的结构去满足碰撞法规等一系列的要求。

2 选题背景及其意义
电动助力转向系统已经在许多车型上有所应用，尤其是日本小型车市场。1988年，EPS首次推向市场，当时Koyo推出了一种小型车使用的管柱式电动助力转向系统，转向轴与一个直流电机驱动的辅助助力机构组成一体式结构，主要是为了解决小型车无法安装液压助力转向系统问题。 目前像日本的NSK（精工）公司、KOYO（光洋）公司、美国的TRW公司、DELPHI（德尔福）公司、德国的ZF（采埃孚）公司等国外知名的转向器生产公司都在大力发展EPS的生产。全球每年生产的乘用车中EPS装车率超过30%，欧、美、日新生产的乘用车中EPS装车率已超过30%，其中，日本的轿车EPS装车率已超过50%【7】。 国外市场EPS的最新发展趋势已强烈的表明电动转向的发展已形成一股潮流，将会成为未来动力转向系统的主流和技术革新的目标。
在国内，我国自1998年开始研究EPS以来，只有少数企业能自主研制针对低端乘用车的EPS产品，EPS的控制稳定性和可靠性还不理想，难与国外产品竞争，能满足中高档乘用车要求的自主技术EPS产品尚处于空白状态，自主研发EPS控制和系统集成关键技术刻不容缓。2009年我国生产的乘用车中EPS装车率为21.2%，其中，自主品牌的市场份额仅为9.5%。2010年我国乘用车产量为1375.8万辆，其中装配EPS的汽车达278万辆，占乘用车总数的20.2%，其中，自主品牌EPS为34.2万套，占当年EPS装车总数的12.3%。 2010年我国乘用车产量为1375.8万辆，其中装配EPS的汽车达278万辆，占乘用车总数的20.2%，其中，自主品牌EPS为34.2万套，占当年EPS装车总数的12.3%【8】。目前，国内中高档乘用车用EPS全部依赖进口，主要原因是国内EPS在可靠性、关键元器件制造、智能化集成控制等关键技术方面没有取得突破，无法在高端产品上与国外公司竞争。
虽然我国对EPS 的研究起步较晚且技术落后，但目前已有十多家高等院校和科研单位正在进行该项技术的研究，并已取得了一定的进展，EPS 的助力特性、电动机、传感器和ECU 等关键技术也有了较大的突破。如吉林大学、北京理工大学、江苏大学、清华大学、同济大学、合肥工业大学等多家单位开展了EPS系统的技术开发工作，这主要包括有：EPS控制策略的研究、EPS试验台开发、EPS国家标准的制订等。而且国内已经有多家零部件厂能批量提供EPS关键部件，如南方航空动力机械公司、哈尔滨航天科技等多家单位能够批量提供CEPS样机，但其控制策略与国外成熟样机相比还不够完善；国内的EPS 中多以CEPS 为主;虽然CEPS 结构紧凑，但其主要零部件: 电机、ECU、减速机构都集成布置在转向管柱上，而转向管柱区域的空间原本局促，且涉及驾驶员踏板区域，属于客户高关注度区域，所以其布置仍存在一定的挑战。，所以布置CEPS 时，必须首先满足转向管柱本身的位置要求; 其次还需满足以下技术要求。空间要求: 一般C-EPS 需要和周边零件保持最小10 ～ 15 mm 左右间隙，此数值需要视各自厂家零件质量及安装精度决定。上下方向：C-EPS 模块下方是驾驶员脚操作空间，所以C-EPS 模块位置不能太低; 同时CEPS上方为转向管柱、风道、IP 其他零件，所以其位置也不能太高。前后方向：CEPS 前后位置需要考虑方向管柱的溃缩行程，同时需要考虑防火墙碰撞入侵的空间要求。左右方向：沿汽车行驶方向，转向管柱右侧为空调箱模块; 左侧视不同车型，模块不一。所以需要根据不同的平台环境数据，确定CEPS 电机、ECU 的位置，以保证足够的空间布置CEPS 的子模块。安装要求: 需保证安装工具的空间要求，方便安装。售后维修要求: 除需要考虑CEPS 本身，还需要考虑因安装EPS，而对周边零件的维修性产生的影响，需要提高售后维修的便利性【9】。故本课题是对CEPS的布置需要根据不同项目的需求，综合考虑及平衡这些因素，选择合适的布置方案。

3 研究内容
3.1 学习了解CEPS助力转向系统的组成和工作原理
3.2 进行CEPS系统总体布置设计
3.3根据实际工况对驱动电机进行助力需求计算
3.4设计涡轮蜗杆减速机构，实现电机的助力机械连接
3.5 进行主要传感器位置设计，减速器和转向壳体结构设计
3.6 进行其他附件相关结构设计，布置和安全校核
3.7 绘制CEPS助力转向系统总成图，书写计算说明书
4 工作特色及其难点，拟采取的解决措施
4.1 工作特色及其难点
工作特色：
（1） 在不影响其他零件布置的情况下，对CEPS系统进行布置与结构的设计。
（2） 采用ZW1860A无刷电机对CEPS系统进行布置与结构设计。
（3） 对CEPS系统进行布置与结构设计时，也对蜗轮蜗杆和系统需求助力矩进行计算
工作难点：
（1） 在对CEPS系统进行布置与结构设计时，要保证车身发生碰撞时其整体的吸能效果和安全性不受影响。
（2） 在对CEPS系统进行布置与结构设计时，保证不会产生较大的噪音（如：左右换向时机械部件产生的接触噪音和电机本身的电磁高频噪音）。
（3） 对蜗轮蜗杆和系统需求助力矩所进行的计算，以及布置和安全校核；使CEPS系统不会对其他零部件的运动产生干涉。

4.2 拟采取的解决措施
计算和校核的难点采用相关软件进行解决，噪音方面的问题可以采用吸能涡轮和无刷电机，采用运动学仿真模拟。
5 论文工作量及预期进度
2012.12.24——2013.1.19：收集资料，学习了解EPS及CEPS的组成和工作原理，确定
设计系统总成方案。
2013.1.20——2013.3.8： 翻译有关外文资料及阅读技术文献，书写开题报告。
2013.3.9——2013.3.27： 对课题相关软件进行学习，学习电机相关知识。
2013.3.28——2013.4.8： 开展毕业设计或试验并完成论文综述和理论基础部分。
2013.4.9——2013.4.30： 进行系统总成布置和安全校核，完成考核表和指导手册，
上交论文初稿。
2013.5.1——2013.5.24： 完成毕业论文修改，定稿和答辩。

6 预期成果及其可能的创新点
预期成果：CEPS系统总成各零件图和装配总图，设计计算说明书
可能的创新点：本课题采用无刷电机对CEPS系统进行布置与结构设计，具有噪音小，瞬间输出扭矩大等特点，所设计出的动力转向系统结构新颖

参考文献：
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[21] Zeng Qun, Huang Juhua. The Development of Control Unit in Automotive Electric Power Steering System. 2009 Asia-Pacific Conference on Information Processing

指导教师意见

指导教师签名：

年 月 日

评议小组意见
1、论文选题：□有理论意义；□有工程背景；□有实用价值；□意义不大。
2、论文的难度：□偏高；□适当；□偏低。
3、论文的工作量：□偏大；□适当；□偏小。
4、设计或研究方案的可行性：□好；□较好；□一般；□不可行。
5、学生对文献资料及课题的了解程度：□好；□较好；□一般；□较差。
6、学生在论文选题报告中反映出的综合能力和表达能力：
□好；□较好；□一般；□较差。
7、学生在论文选题报告中反映出的创新能力：
□好；□较好；□一般；□较差。
8、对论文选题报告的总体评价：□好；□较好；□一般；□较差

（在相应的方块内作记号“√”）
二级学院所确定评议小组名单
（3-5人）

组长： 、

组员： 、 、 、

单位盖章 主管领导签名：

年 月 日
评议结论

评议小组组长签名：

评议小组组员签名：

年 月 日