汽车电控液压动力转向系统设计

汽车电控液压动力转向系统设计,汽车,液压,动力,转向,系统,设计 黑龙江工程学院本科生毕业设计 摘　　要 电控液压动力转向系统可解决汽车转向轻便性和灵敏性的矛盾,使驾驶员在汽车低速行驶时获得较大助力,高速行驶时获得较强的路感。 本次设计主要完成电控液压动力转向系统的液压部分和机械部分的设计。在设计中将车速信号和转向盘角速度信号引入液压转向系统，电子控制单元根据车速传感器和转向盘转角传感器检测的车速信号和转向信号，计算出电动机的对应的转速，对电动机转速进行控制，电动机驱动油泵,控制电动机转速从而控制油泵的泵油量，改变助力的大小。 文中一开始阐述了电控液压动力转向系统设计的目的和意义、发展状况以及应用前景。接着分析论述了总体设计方案，进行了液压动力系统、机械转向器等主要部件的方案分析和选择。 关键词:动力转向；液压动力转向；助力转向；可变助力特性；电控液压动力转向； ABSTRACT Electronically controlled hydraulic power steering system(EPHS) to solve the car and light sensitivity of the contradictions so that the driver in the car at low speed on a larger power, high-speed movements were strong sense of direction. The main design completed electronically controlled hydraulic power steering system of hydraulic and mechanical parts of the designation.In this designation, speed signals and Zhuanxiang Pan angular velocity signal are introduced to the hydraulic steering system. According to the detected speed signal and the corner signal of Zhuanxiang Pan,electronic control units detect speed signals and the corner signal of Zhuanxiang Pan by the speed sensor type of assistance, and then calculate the corresponding rotational of motor,and control the rotational speed of motor,then control the oil flow of pump,in order to meet therequirements to light the requirements of handling and stability . When expounded the start of a hydraulic power steering electronic control system design the purpose and significance of the development situation and prospects. And then analysis and choice its hydraulic power systems, mechanical steering gear and other major components of the programme. Keyword: Power Steering;Hydraulic Power Steering; Auxiliary Force; VariablePower Characteristics; Electronically Controlled Hydraulic Power steering II 目　　录 摘要 I ABSTRACT II 第1章 绪论 1 1.1研究本课题的目的和意义 1 1.2汽车转向技术现状与发展趋势 1 1.2.1机械转向系统 1 1.2.2液压动力转向系统 2 1.2.3电控液压动力转向系统 2 1.2.4电动助力转向系统 2 1.2.5线控转向系统 3 1.3汽车电控液压动力转向系统组成、 3 1.4汽车电子控制转向技术的发展概况与前景 4 1.4.1电子控制动力转向系统的发展概况 4 1.4.2电子控制动力转向系统的发展趋势 6 1.5本次设计的主要内容 7 第2章 动力转向系统的设计方案分析 8 2.1动力转向系统 8 2.2液压动力转向系统 8 2.3电控动力转向系统 11 2.3.1液压式电子控制动力转向系统 12 2.3.2电动式电子控制动力转向系统 12 2.4动力转向系统设计方案分析 12 2.5本章小结 14 第3章 液压动力系统的设计 15 3.1动力缸的类型及安装方式 15 3.2动力缸的主要零件的结构和材料 15 3.3动力缸的密封装置 16 3.4动力缸的缓冲装置 16 3.5动力缸的设计计算 16 3.5.1动力缸的主要几何尺寸的计算和选型 16 3.5.2动力缸的结构参数的计算选型 18 3.5.3动力缸的性能参数的计算 20 3.5.4动力缸油口直径的计算 21 3.5.5缸底厚度的计算 21 3.5.6活塞杆直径的强度校核 21 3.6油泵的计算与选型 22 3.6.1油泵的最高供油压力的计算 22 3.6.2油泵最大供油量的计算 22 3.6.3油泵的选型 23 3.6.4与油泵匹配的电动机的计算选择 23 3.7油箱与油管的计算与选型 23 3.7.1油箱容积的计算 23 3.7.2油管内径的计算 24 3.8换向阀的选型 24 3.8.1换向阀 24 3.8.2滑阀式换向阀 24 3.8.3换向机能 25 3.8.4滑阀机能 25 3.8.5直流电磁铁和交流电磁铁 27 3.8.6干式、油浸式、湿式电磁铁 27 3.9电控动力转向系统所用传感器的选择 28 3.9.1车速传感器 25 3.9.2转角传感器 25 3.10本章小结 26 第4章 机械转向器方案分析与设计计算 27 4.1机械转向器方案分析 27 4.1.1齿轮齿条式转向器 27 4.1.2循环球式转向器 29 4.1.3蜗杆滚轮式转向器 31 4.1.4蜗杆指销式转向器 31 4.1.5机械转向器的确定 34 4.2齿轮齿条式转向器设计与计算 31 4.2.1选择齿轮齿条材料及精度等级 32 4.2.2主要尺寸计算 33 4.2.3齿轮强度校核 34 4.2.4齿条的设计计算 36 4.3本章小结 36 第5章 电控动力转向系统的变助力方法分析 37 5.1液压式电子控制动力转向系统 37 5.1.1流量控制式EPS 37 5.1.2反力控制式EPS 38 5.1.3 阀灵敏度控制式EPS 38 5.2电动式电子控制动力转向系统 38 5.3本章小结 38 结论 40 参考文献 42 致谢 43 第1章 绪　　论 1.1研究本课题的目的和意义 汽车转向系统是用来改变汽车行驶方向的专设机构的总称。其功用是保证汽车能按驾驶员的意愿进行直线或转向行驶。 本设计根据汽车转向系统的工作过程和工作要求，设计一套汽车电控液压动力转向系统，此电动助力转向系统采用电动机带动油泵，根据车速信号、转向盘转速信号控制转向油泵的泵油量，达到变助力的转向。 本设计所设计的汽车电控液压动力转向系统，可以为汽车设计研制一种助力转向系统提供一种途径，对生产实际具有一定的实用价值和应用前景。 1.2汽车转向技术现状与发展趋势 目前我国生产的商用车和轿车上采用的大多是电控液压动力转向系统，它是比较成熟和应用广泛的转向系统。 尽管电控液压动力装置从一定程度上缓解了传统的液压转向中轻便性和路感之间的矛盾，然而它还是没有从根本上解决液压动力转向系统存在的不足，随着汽车微电子技术的发展，汽车燃油节能的要求以及全球性倡导环保，其在布置，安装，密封性，操纵灵敏度，能量消耗，磨损与噪声等方面的不足已越来越明显，转向系统向着电动助力转向系统发展。 汽车驾驶员通过转向系统来控制汽车的运动方向，转向系统设计的好坏直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶的舒适性。转向系统根据转向动力的来源可分为机械转向系统和动力转向系统。动力转向系统又分为液压动力转向系统、电控液压动力转向系统、电动助力转向系统、线控转向系统。 1.2.1机械转向系统 机械转向系统的转向力全部来自驾驶员的手力。机械转向系统结构简单，性能可靠，但转向盘操纵费力。另外，为解决机械转向系统“轻”和“灵”的问题，转向器还常设计成可变速比。在转向盘小转角度范围内，速比小，解决转向灵活性的问题；在转向盘大转角范围内，速比大，解决转向轻便性的问题。 1.2.2液压动力转向系统 液压动力转向系统（ Hydraulic Power Steering System-HPS）一般由储液罐、油泵、油管、转向控制阀、助力油缸及机械转向系统组件等组成，转向控制阀有滑阀式和转阀式两种结构。转向控制阀根据转向盘转动方向和力矩大小控制通向助力油缸的油压大小，从而控制助力大小。虽然液压转向系统可提供转向助力，但却存在很多缺点：油泵由发动机驱动，持续工作，能量消耗多；液压油泄漏、橡胶管污染环境；助力特性与控制阀结构有关，系统一旦定型，助力特性便不能改变；助力和车速无关，不能协调转向轻便性和路感的矛盾；系统元件较多，所占空间大；低温助力性能不好。 1.2.3电控液压动力转向系统 随着人们对汽车经济性、环保性、安全性的日益重视以及小排量轿车的发展，人们开始对液压动力转向系统存在的不足进行改进，并开发出一些新型电控液压动力转向系（Electric Hydraulic Power Steering-EHPS），其主要改进措施是将车速信号引入液压转向系统，得到车速感应型助力特性，并增加了控制器和执行机构。控制器根据车速信号改变电液转换装置的助力特性，助力较小，以满足路感和操纵稳定性的要求。电控液压动力转向系统虽然实现了车速感应型助但由于仍然采用液压系统，液压系统本身的缺点依然难以克服，同时在液压系统的基础上增加了传感器和控制器，使整个系统成本增加。 1.2.4电动助力转向系统 电动助力转向系统（Electric Power Steering System-EPS）是一种新型的、很有发展前途的动力转向系统。电动助力转向系统完全取消了液压组件，整个系统由转向盘转矩传感器、车速传感器、控制器、助力电机及其减速机构等组成。其基本工作原理是：驾驶员转动转向盘时，转矩传感器检测转向盘上的转矩大小和方向，控制器根据转向盘转矩的大小进行助力控制。转向盘转矩越大，助力电机提供的助力转矩也越大，从而解决了转向轻便性的问题。同时，控制器根据车速的高低来控制路感。车速变高时，控制助力适当减少，从而保证了高速转向时驾驶员有合适的路感，提高了驾驶的安全性和稳定性。另外，为综合改善汽车转向系统的性能，有的电动助力转向系统还进行阻尼控制和回正控制。 与液压动力转向系统和电控液压动力转向系统相比，电动助力转向系统具有很多优点： （1）可获得优化的助力特性，转向轻便，路感好，提高了操纵稳定性； （2）EPS 助力特性通过软件设置和修改，可以快速与车型匹配； （3）EPS 只在转向时电机才提供助力，可节能3%～5％； （4）结构紧凑，便于模块化安装； （5）对环境无污染； （6）低温工作性能好。 1.2.5线控转向系统 线控转向系统（Steering by Wire-SBW）是更新一代的汽车电子转向系统，线控转向系统与上述各类转向系统的根本区别就是取消了转向盘和转向轮之间的机械连接（也称柔性转向系统）。 线控转向系统的主要优点： （1）线控转向系统能消除转向干涉问题，为实现多功能全方位的自动控制，并为汽车动态控制系 统和汽车平顺性控制系统的集成控制提供了先决条件； （2）由于转向盘和转向轮之间是柔性连接，使转向系统在汽车上的布置更加灵活，转向盘的位置可以方便地布置在需要的位置； （3）舒适性得到提高。在刚性转向系统中，路面不平和转向轮的不平衡引起的冲击负荷会传递到转向盘，而线控转向系统没有这样的问题； （4）转向的回正力矩和转向传动比能通过软件进行调整。因此，可以使转向系统对任何目标和环境进行调整，而不需要对系统进行重新设计； （5）消除了撞车事故中转向柱后移伤害驾驶员的可能性，不必设置转向防伤机构； 1.3汽车电控液压动力转向系统组成 电控液压转向动力系统克服了传统的液压转向助力系统的缺点。它所采用的液压泵不再靠发动机皮带直接驱动，而是采用一个电动泵，它所有的工作的状态都是由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态。简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动电子液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向盘省力；汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动电子液压泵以较低的速度运转，在不至于影响高速打转向的需要的同时，节省一部分发动机功率。 动力转向系统兼用驾驶员体力和发动机（或电动机）的动力为转向能源的转向系统，它是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的。其中属于转向加力装置的部件是：转向油泵5、转向油管4、转向油罐6以及位于整体式转向器10内部的转向控制阀及转向动力缸等。当驾驶员转动转向盘1时，转向摇臂9摆动，通过转向直拉杆8、转向节臂7，使转向轮偏转，从而改变汽车的行使方向。 1.方向盘 2.转向轴 3.转向中间轴 4.转向油管 5.转向油泵 6.转向油罐 7.转向节臂 8.转向横拉杆 9.转向摇臂 10.整体式转向器 11.转向直拉杆 12.转向减振器 图1.1动力转向系统示意图 与此同时，转向器输入轴还带动转向器内部的转向控制阀转动，使转向动力缸产生液压作用力，帮助驾驶员转向操纵。 1.4汽车电子控制转向技术的发展概况与前景 随着电子技术的迅速发展，电子技术在汽车上的应用范围不断扩大。汽车转向系统已从简单的纯机械式转向系统、液压动力转向系统（Hydraulic Power Steering，简称HPS）、电动液压助力转向系统（Electric Hydraulic Power Steering，简称EHPS）发展到如今的更为节能及操纵性能更为优越的电动助力转向系统（Electrical Power Steering，简称EPS）。EHPS和EPS等助力系统在汽车上的采用，改善了汽车转向力的控制特性，降低了驾驶员的转向负担，然而汽车转向系统始终处于机械传动阶段，由于转向传动比固定，汽车转向特性随车速变化进行一定的操作补偿，从而控制汽车按其意愿行驶。 如果转向盘与转向轮通过控制信号连接，即采用电子转向系统，转向盘转角和汽车前轮转角之间关系（汽车转向的角传递特性）的设计就可以得到改善，从而降低驾驶员的操纵负担，改善人—车闭环系统性能。 1.4.1电子控制动力转向系统的发展概况 自1953年通用汽车公司在凯迪拉克和别克轿车上首次批量使用液压动力转向系统以来，液压动力转向系统给汽车的发展带来了巨大的变化，使驾驶员的转向操纵力大大降低，转向的灵敏性得到了提高。随着生产技术的发展，动力转向系统在体积、价格和所消耗的功率等方面都取得了惊人的进步。在20世纪80年代后期，又开发了变减速比、电控液压动力转向系统。但是动力转向系统的技术革新都是基于液压动力转向系统的，无法消除HPS系统在布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面的缺陷。直到1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，才真正摆脱了液压动力转向系统的束缚。 　　 此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的Delphi公司，英国的Lueas公司，德国的ZF公司，都研制出了各自的EPS。如大发汽车公司在其Mira车上装备了EPS，三菱汽车公司在其Minica车上装备了EPS，本田汽车公司在Accord车上装备了EPS。Delphi公司已经为大众的Polo、菲亚特Punto开发出EPS[2]。本田还在其AcuraNXS赛车上装备了EPS[3]。 　　 EPS的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期开发的EPS仅仅在低速和停车时提供助力，高速时EPS将停止工作。新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。如日本铃木公司装备在WagonR+车上的EPS是一个负载-路面-车速感应型助力转向系统[4]。由Delphi公司为Funte车开发的EPS为全范围助力型，并且设置了两个开关，其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。当车速大于70km/h后，这两种开关设置的程序则是一样的，以保证汽车在高速时有合适的路感，这样即使汽车行驶到高速公路时驾驶员忘记切换开关也不会发生危险。市区型开关还与油门有关，使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更平滑。 　　 随着电子技术的发展，EPS技术日趋完善，并且其成本大幅度降低，为此其应用范围将越来越大。 早在20世纪60年代末，德国Kasselmann等试图将转向盘与转向车轮之间通过导线连接（即电子转向系统），但由于当时电子和控制技术的制约，电子转向系统一直无法在实车上实现。奔驰公司于1990年开始了前轮电子转向系统的深入研发，并将其开发的电子转向系统应用于概念车F400Carving上。世界其他各大汽车厂家、研发机构（包括Daimler-Chrysler、宝马、ZF、DELPHI、TRW等）以及日本的光洋（Koyo）精工技术研究所、日本国立大学、本田汽车公司等也先后对汽车电子转向系统做了深入研究。目前许多汽车公司开发了自己的电子转向系统，一些国际著名汽车生产商已在其概念车上安装了该系统。 　 目前由于汽车供电系统的因素，转向电动机难以提供较大功率，现阶段电子转向系统的研究以及近期的应用对象主要针对轿车。要在重型载货汽车上应用，还必须采用液压执行机构。随着蓄电池技术的发展和42V电子设备在汽车上的应用，全电子转向系统将应用到中型和重型车上。目前，42V电源已经在一些概念车上得到应用，通用的“自主魔力”和Bertone的“FILO”都采用了42V电源。 　　 国内动力转向器目前还处于机械—液压动力转向阶段，对于电动助力转向系统，清华大学、北京理工大学、华南理工大学等高校开展了系统结构方案设计和系统建模及动力分析等研究，但目前还没有实用的电动助力转向系统和电子转向系统。 1.4.2电子控制动力转向系统的发展趋势 电动助力转向系统经过十几年的发展，在降低自重、减少生产成本，控制系统发热、电流消耗、内部摩擦，整车进行匹配获得合理的助力特性以及保证良好的路感方面取得了重大进步。电动助力转向系统在操纵舒适性和安全性、节能等方面充分显示了其优越性，如今已在轻型车和轿车上得到应用并具有良好的工作性能。随着直流电机性能的改进，其应用范围将越来越广。据TRW公司预测，到2010年，全世界生产的每3辆轿车中就有1辆装备EPS，特别是低排放汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车、电动汽车将构成未来汽车发展的主体，这给电子控制转向系统带来了更加广阔的应用前景。　　 尽管目前在欧洲汽车法规中要求驾驶员与转向车轮之间必须有机械连接，电子转向系统还不允许在欧洲上市。但只要生产商能够有足够的证据表明电子转向系统的安全可靠性，它得到上市许可还是完全可能的。电子控制转向系统的最终发展趋势在以下几个方面。 1、改善控制系统性能、减小控制单元和驱动单元的体积及降低控制系统的制造成本，使之更好地与不同档次汽车相适应。如改进电动机控制技术，消除由于电动机惯性大、摩擦力所带来的转向路感不足等缺点，使电动助力转向系统也能应用于重型载货汽车上。　　 2、实现电动助力转向系统控制单元与汽车上其他控制单元的通讯联系，以实现整车电子控制系统一体化。 3、将根据车速、转矩、转向角、转向速度、横向加速度、前轴重力等多种信号进行与汽车特性相吻合的综合控制，以获得更好的转向路感。 4、提高系统的可靠性。这应从提高系统各部件的可靠性入手，如采用非接触式转矩传感器。　　 5、提高系统的安全性。采用取消转向盘的SBWS系统后，驾驶室有更大的空间用于布置被动安全部件，减少了危险发生时对乘员的伤害。　　 电动转向技术由于其技术先进，性能优越，未来必将取代其他动力转向技术，成为动力转向技术的主流。线控动力转向系统将是动力转向系统的发展方向，是未来汽车对安全性、操纵稳定性和舒适性的更高要求，有着很好的发展前景。　　 当然，在汽车迈向全面线控转向之前，电动转向系统是“中站”，是第一步，当汽车装有电动转向系统时，其中的转向电动机将接受一系列传感器信号，例如转向控制、动态稳定控制等，最后机械的部分一个一个消失，逐渐变成了全面线控转向。 1.5本次设计的主要内容 本设计主要内容是对汽车电控液压动力转向系统的液压部分和机械部分进行设计，首先确定液压动力转向系统的组成与系统设计方案，然后进行液压动力系统的设计计算与液压元件的计算选型再进行齿轮齿条转向器的设计计算。并对车速传感器，转向盘转角传感器、电动机等部件计算选型。同时用总布置草图表达主要部件的装配和重要工作装置的布置；最后通过正确的计算，完成部件设计选型，达到工艺合理、加工容易、成本低、可靠性高的设计要求，并附之以总装配图、零件图，清楚表达设计。 第2章液压动力转向系统的设计方案 2.1动力转向系统 汽车转向系统可按转向的能源不同分为机械转向系统和动力转向系统两类（见图2.1）。机械转向系统是依靠驾驶员操纵转向盘的转向力来实现车轮转向；动力转向系统则是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机产生的液体压力或电动机驱动力来实现车轮转向。所以动力转向系统也称为转向动力放大装置。动力转向系统由于使转向操纵灵活、轻便，在设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大，能吸收路面对前汽车 转向系统 机械式转向系统 动力转向系统 电子伺服转向 循环球式 齿轮齿条式 液压动力转向 电控动力转向 电控液压动力转向（EPHS） 电动助力转向(EPS) 轮产生的冲击等优点，因此已在各国的汽车制造中普遍采用。 图2.1 转向系统的分类 2.2液压动力转向系统 液压动力转向系统是在机械式转向系统的基础上加一套动力转向装置而成的，一般组成如图2.2所示。 l.转向操纵机构 2.转向控制阀 3.机械转向器与 转向动力缸总成4.转向传动结构 5.转向油罐 6.转向油泵R.转向动力缸右腔L.转向动力缸左腔 图2.2 液压动力转向系统示意图 当汽车直线行驶时，转向控制阀将转向液压泵泵出来的工作液与油罐接通，转向液压泵处于卸荷状态，动力转向器不起助力作用。汽车向右转向时，驾驶员向右转动转向盘，转向控制阀将转向液压泵泵出来的工作液与R腔接通，将L腔与油罐接通，在油压的作用下，活塞向下移动，通过转向传动机构4使左、右轮向右偏转，从而实现右转向，向左转向时，情况与上述相反。 液压动力转向系统按系统内部的压力状态分，有常压式和常流式两种。 常压式液压动力转向系示意图见图2.3。在汽车直线行使，转向盘保持中立位置时，转向控制阀经常处于关闭位置。转向油泵输出的压力油充入储能器。当储能器压力增长到规定值后，油泵即自动卸荷空转，从而储能器压力压力得以限制在该规定值以下。当转动转向盘时，机械转向器即通过转向摇臂等杆件使转向控制阀转入开启位置。此时储能器中的压力油即流入转向动力缸。动力缸输出的液压作用力，作用在转向传动机构上，以助机械转向器输出力之不足。转向盘一停止运动，转向控制阀便随之回复到关闭位置。于是，转向加力作用终止。 由此可见，无论转向盘处于中立位置还是转向位置，也无论转向盘保持静止还是运动状态，该系统工作管路中总是保持高压。 图2.3常压式液压动力转向系统示意图 常流式液压动力转向系统示意图见图2.4。不转向时，转向控制阀保持开启。转向动力缸的活塞两边的工作腔，由于都与低压回油管路相通而不起作用。转向油泵输出的油液流入转向控制阀，又由此流回转向油罐。因转向控制阀的节流阻力很小，故油泵输出压力也很低，油泵实际上处于空转状态。当驾驶员转动转向盘，通过机械转向器使转向控制阀处于与某一转弯方向相应的工作位置时，转向动力缸的相应工作腔方与回路管路隔绝，转而与油泵输出管路相通，而动力缸的另一腔则仍然通回油管路。地面转向阻力竟转向传动机构传动转向动力缸的推杆和活塞上，形成比转向控制阀节流阻力高得多的油泵输出管路阻力。于是转向油泵输出压力急剧升高，直到足以推动转向动力缸活塞为止。转向盘停止转动后，转向控制阀随即回复到中立位置，使动力 缸停止工作。 图2.4 常流式液压动力转向系统示意图 上述两种液压动力转向系统相比较，常压式的优点在于有储能器积蓄液压能，可以使用流量较小的转向油泵，而且还可以在油泵不运转的情况下保持一定的转向加力能力，使汽车有可能续驶一定距离。这一点对重型汽车而言尤为重要。常流式的优点则是结构简单，油泵寿命长，泄漏较少，消耗功率也较少。因此，目前只有少数重型汽车采用常压式液压动力转向系统，而常流式液压动力转向系统则广泛应用于各种汽车。 2.3电控动力转向系统 电子控制技术在汽车动力转向系统的应用，使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。电子控制动力转向系统在低速行驶时可使转向轻便、灵活；当汽车在中高速区域转向时，又能保证提供最优的动力放大倍率和稳定的转向手感，从而提高了高速行驶的操纵稳定性。电子控制动力转向系统（简称EPS-Electronic Control Power Steering），根据动力源不同又可分为液压式电子控制动力转向系统（液压式EPS）和电动式电子控制动力转向系统（电动式EPS）。 2.3.1液压式电子控制动力转向系统 液压式EPS是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元等，电子控制单元根据检测到的车速信号，控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求。根据控制方式的不同，液压式电子控制动力转向系统又可分为流量控制式、反力控制式和阀灵敏度控制式三种形式。 2.3.2电动式电子控制动力转向系统 液压式动力转向系统由于工作压力和工作灵敏度较高，外廓尺寸较小，因而获得了广泛的应用。在采用气压制动或空气悬架的大型车辆上，也有采用气压动力转向的。但这类动力转向系统的共同缺点是结构复杂、消耗功率大，容易产生泄漏，转向力不易有效控制等。近年来随着微机在汽车上的广泛应用，出现了电动式电子控制动力转向系统，简称电动式EPS。电动式EPS是利用直流电动机作为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速等信号，控制电动机扭矩的大小和方向。电动机的扭矩由电磁离合器通过减速机构减速增扭后，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。 2.4动力转向系统设计方案分析 电子控制动力转向系统能减轻低速行驶时驾驶员转向操纵力，提高车辆高速行驶时的稳定性，同时又提高了燃油经济性，与液压动力转向系统相比，电控动力转向系统可节油3％-4％。 传统的液压动力转向系统由于由发动机带动转向油泵，不管在不转向或转向时都要消耗发动机部分动力，浪费能源，所以本设计采用电动油泵式电控液压动力转向系统，即在转向时由电动机泵驱动油泵，在汽车不转向时不消耗动力，因此能节约能源。其次，一般液压动力转向所使用的转向油泵的流量是根据发动机怠速时能使动力转向系统产生足够的转向速度所需的供应量来确定，当提高发动机转速时其供油量也不断增加，但由于动力转向系统要求转向油泵的流量如图2.5所示 货车用转向泵流量特性曲线 轿车用转向泵流量特性曲线 流量（L/r） 转速（r/min） 图2.5转向泵流量特性曲线图 亦即要求随着发动机转速的提高所要求转向油泵的流量保持不变或下降。因此，在高速时转向油泵内大部分泵流量通过溢流阀返回，在转向油泵内循环，造成转向油泵发热，更重要是造成能源浪费，不符合汽车节能要求。因此本设计采用电控液压动力转向系统。 电控液压动力转向系统由车速传感器、转角传感器、控制单元、油泵、直流电动机、电磁阀、动力缸、齿轮和齿条等组成。其中直流电动机、油泵和储油罐制成一体称为电动油泵总成。 本次设计采用直流电机驱动油泵，电子控制单元根据车速信号和转向盘转角信号，控制电磁阀的开闭状态和电动机的转速，决定是否助力和助力的大小。车速低、转向角度大时油泵泵油量大，油压高，转向省力；车速高、转向角速度小时，油泵泵油量小，油压低，转向安全性高，不发飘。工作原理图见图2.6。 车速传感器 方向盘转角传感器 蓄电池 电动机 齿条 控制单元 储油罐 数据线 电源线 低压回油管 高压进油管 液压泵 电磁阀 图2.6 电控液压动力转向系统工作原理图 采用此种方案时用于转向系统的助力大小是可变的。当车辆在一定的车速范围内（车速较低）行驶或者停止时，转向助力较大，转动转向盘比较轻松；车辆高速行驶时，转向助力较小，转动转向盘比较费力，安全性能提高，同时还可以减少燃料消耗。并且用电动机驱动液压泵，减少助力系统工作时对发动机转速直接的机械干涉。 2.5本章小结 本章介绍动力转向系统的组成和分类，详细介绍了电控动力转向系统的分类，其包括液压式电子控制动力转向系统和电动式动力转向系统，详细说明本次设计的液压式电子控制动力转向系统。并确定了动力转向系统的设计方案，阐述了其组成部分，并以框图的形式描述了电控液压动力转向系统的工作原理。即电子控制单元根据车速信号和转向盘转角信号，控制电磁阀阀针的开闭，从而控制是否实行助力转向；控制单元根据不同信号，计算出液压泵电动机对应的转速，对液压泵电动机转速进行控制，进而控制泵的流量，也就控制了在不同工况下转向助力的大小。 第3章 液压动力系统的设计 汽车电控液压动力转向系统主要由动力转向器和液压系统组成，液压系统所采用的油泵、油缸、液压阀等液压系统元件均为高度标准化、系列化与通用化且由专业化液压件厂集中生产供应；因此在设计中只需要进行液压元件计算选型。其主要内容包括动力缸的直径与行程、液压泵工作压力、流量、以及各种相关控制阀的选型等。 3.1动力缸的类型 根据液压设计手册和工作要求。本次设计选择单杆双作用活塞式液压缸。 3.2动力缸的主要零件的结构和材料 （1）缸体的材料 动力缸缸体的常用材料为20、35、45号无缝钢管。因20号钢的力学性能略低，且不能调质，应用较少。当缸筒与缸底、缸头、管接头或耳轴等件需焊接时，则应采用焊接性能较好地35钢，粗加工后调质。 一般情况下，工作压力时使用铸铁，在时使用无缝钢管，在时使用铸钢或锻钢。因此本次设计中缸体材料选择铸铁HT200。 （2）缸盖的材料 动力缸的缸盖可选用35、45号锻缸或ZG25、ZG45铸缸或HT200、HT300、HT350铸铁等材料。本设计中缸盖本身是活塞杆的导向套，所以缸盖材料选用铸铁HT200。 （3）缸体端部联接型式 采用法兰联接，该结构简单、加工与拆卸方便，应用广泛。 （4）活塞的材料 活塞常用材料为耐磨铸铁、灰铸铁、钢及铝合金等。本设计中活塞材料选择铸铁HT200。 （5）活塞与缸体的密封结构 活塞与缸体之间既有相对运动又需要使动力缸两腔之间不漏油，因此在结构上应慎重考虑。本设计中采用活塞环密封。 3.3动力缸的密封装置 本设计采用O形密封圈密封，用橡胶和塑料制成的密封圈有各种不同的端面形式，密封圈用在缸筒和活塞之间、缸盖和活塞杆之间、活塞和活塞杆之间、缸筒和缸盖之间，以防止泄漏。它结构简单，制造容易，磨损后有自动补偿能力，性能可靠。在工作时，活塞杆要外伸出动力缸，很容易把赃物带入动力缸，使油液受污染，使密封件磨损，因此常需要在活塞杆密封处增添防尘圈，并放在向着活塞杆外伸的一段。 3.4动力缸的缓冲装置 动力缸中缓冲装置的工作原理，是利用活塞或缸筒在其走向行程终端时在活塞和缸筒之间封住一部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出，产生很大的阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度，达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。 本设计采用锥形恒节流面积的缓冲装置。 3.5动力缸的设计计算 动力缸是液压系统执行元件。通常油缸分为活塞式和浮拄式两类。活塞式均为单向作用，其缸体长度大而伸缩长度小、使用油压低（一般不超过）。浮拄式为多级伸缩式油缸，一般有～个伸缩节，其结构紧凑，并具有短而粗、伸缩长度大、使用油压高（可达）,易于安装布置等优点。浮拄式油缸又分为单向作用式与双向作用式。 3.5.1动力缸的主要几何尺寸的计算和选型 1、初选动力缸的工作压力 动力缸是液压系统执行元件。工作压力是确定执行元件结构参数的主要依据。它的大小影响执行元件的尺寸和成本，乃至整个系统的性能，工作压力选得高，执行元件和系统的结构紧凑，但对元件的强度，刚度及密封要求高，且要采用较高压力的液压泵。反之，如果工作压力选得低，就会增大执行元件及整个系统的尺寸，使结构变得庞大，所以应根据实际情况选取适当的工作压力，执行元件工作压力可以根据总负载值选取，见表3.2。 表3.2 按负载选择执行元件的工作压力 负载 (kN) <10 10~20 20~30 30~50 >50 工作压力(MPa) 0.8~1.2 1.5~2.5 3.0~4.0 4.0~5.0 >5.0 根据负载由表3.2选取动力缸的工作压力。 2、动力缸的主要几何尺寸的计算 动力缸的主要几何尺寸，包括动力缸的内径、活塞杆直径和动力缸行程等。 (1)动力缸内径和活塞杆直径的计算 动力缸的计算主要依据所需的最大作用力以及最大工作行程来确定的。根据液压系统中动力缸的工作特点，则： （3.1） 式中：——系统效率，通常按； ——液压系统额定工作压力（MPa）， 由式（3.1）可知： 根据液压设计手册，将动力缸内径圆整为标准系列直径; 活塞杆直径；将活塞杆直径圆整为标准系列直径. 对有低速运动要求的系统，需对动力缸缸有效工作面积进行验算，即应保证 （3.2） 式中：A—动力缸工作腔的有效工作面积；—控制动力缸速度的流量阀最小稳定流量，从液压阀产品样本上查得；—动力缸要求达到的最低工作速度。 （3.3） 动力缸工作腔的有效工作面积 可见上述不等式满足，动力缸能达到所需低速。 (2)动力缸行程和活塞宽度的计算 根据液压元件选用手册和转向器工作情况计算选择活塞最大行程 活塞宽度 ～ 则动力缸行程 ~ 取为标准值 (3)动力缸工作时所需流量的计算 (4)动力缸的选型 根据上述计算的和值,参照液压元件及选用手册，选用双活塞杆双作用等速缸，其型号为选用CG250-25MPa40/25-160A10/02CGDMA。 3.5.2动力缸的结构参数的计算选型 动力缸的结构参数，主要包括缸筒壁厚、缸体外径的计算等。 1、缸筒壁厚的计算及外径强度的校核 （3.4） 式中—动力缸缸筒壁厚（）； —试验压力（），； —动力缸内径（）； —缸体材料的许用应力（）； —缸体材料的抗拉强度（）； —安全系数，一般取。 铸铁 由式（3.4）计算得动力缸缸筒壁厚 当～时，按下式校验强度，即 式中 ——缸体材料的许用应力 ，取 ——最高工作压力 ——试验压力，工作压力≤ 时，， ——液压缸缸筒厚度 ——液压缸内径 外径强度满足设计要求 2、缸体外径的计算 （3.5） 式中—缸体外径（）；则 由式（3.5）计算得 3.5.3动力缸的性能参数的计算 主要包括动力缸的推力、油口直径、缸底厚度等。 1、动力缸的输出力 双杆活塞式动力缸的推（或拉）力 （3.6） 式中 —双杆活塞式动力缸推力（）; —工作压力（）; —动力缸的作用面积（） —活塞直径（）； —活塞杆直径（）。 由式（3.6）计算得 2、动力缸的输出速度 双杆活塞式动力缸活塞缩入时的速度 （3.7） 式中—双杆活塞动力缸的输出速度（）； —进入（或流出）动力缸的流量（）； —活塞作用面积（） —活塞直径（）； —活塞杆直径（）。 由式（3.7）计算得活塞的缩入速度 3.5.4动力缸油口直径的计算 取 式中 ——动力缸油口直径 ——动力缸内径 ——动力缸最大输出速度 ——油口液流速度 3.5.5缸底厚度的计算 式中 ——缸底厚度 ——动力缸内径 ——试验压力 ——缸底材料的许用应力 3.5.6活塞杆直径的强度校核 （3.8） 式中—活塞杆直径（）； —动力缸负载（KN）； —活塞杆材料许用应力，铸铁； —空心活塞杆孔径，对实心杆。 由式（3.8）计算得 活塞杆直径强度满足要求。 3.6油泵的计算与选型 根据结构和原理的不同，油泵通常可分为齿轮泵、柱塞泵、叶片泵等。齿轮泵多为外啮合式，在相同体积下齿轮泵比柱塞泵流量大但油压低。柱塞泵最大特点是油压高（油压范围16～35MPa），且在最低转速下仍能产生全油压。叶片泵有单作用（变量泵）和双作用（定量泵）两大类，在液压系统中得到了广泛的应用。叶片泵输出流量均匀、脉动小、躁声小，但结构较复杂、吸油特性不太好、对油液中的污染也比较敏感。常用叶片泵为系列叶片泵。根据工况要求选择双作用叶片泵。 3.6.1油泵的最高供油压力的计算 （3.9） 式中：——油泵最大工作压力； ——执行元件最大工作压力； ——进油管路中的压力损失，初算时可取~，本设计取 泵的额定压力应满足 在本设计中 3.6.2油泵最大供油量的计算 （3.10） 式中：——油泵的最大流量； ——同时工作的各执行元件所需流量之和的最大值； ——系统泄漏系数，一般取~，现取 3.6.3油泵的选型 根据上述计算和的值，查阅液压元件及选用手册，选择型号的中低压定量叶片泵 该泵的基本参数为：每转排量，泵的额定压力，转速 3.6.4与油泵匹配的电动机的计算选择 在整个工作循环中，泵的压力和流量在较多时间内皆达到最大工作值时，驱动泵的电动机功率为 （3.11） 式中：—油泵的总效率， 根据电动机选型及应用手册和电动机功率选择直流调速电机自通风式他励自流电动机 该电机低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻、可靠性高、抗干扰能力强。 3.7油箱与油管的计算与选型 3.7.1油箱容积的计算 油箱容量与系统的流量有关，一般容量可取最大流量的3～5倍。取 根据液压设计手册油箱容积取标准值 3.7.2油管内径的计算 由 即： （3.12） 式中：——油泵理论流量，(L/min)； ——管路中油的流速；低压管路中油的流速。 则： 油管内径 根据管路计算结果选用（HG4-406-66）一层钢丝编织低压胶管。液压油冬季选用HJ-20号机械油，夏季HJ-30号机械油。 3.8阀类元件的选型 3.8.1换向阀 换向阀是利用阀芯和阀体间相对位置的不同来变换不同管路间的通断关系，实现接通、切断，或改变液流的方向的阀类。它的用途很广，种类也很多。 对换向阀性能的主要要求是： 1）油液流经换向阀时的压力损失要小(一般0.3MPa)； 2）互不相通的油口间的泄漏小； 3）换向可靠、迅速且平稳无冲击。 换向阀按阀的结构形式、操纵方式、工作位置数和控制的通道数的不同，可分为各种不同的类型。     按阀的结构形式有：滑阀式、转阀式、球阀式、锥阀式。     按阀的操纵方式有：手动式、机动式、电磁式、液动式、电液动式、气动式。 按阀的工作位置数和控制的通道数有：二位二通阀、二位三通阀、二位四通阀、三位四通阀、三位五通阀等。 1、滑阀式换向阀 阀的结构： 阀体：有多级沉割槽的圆柱孔；阀芯：有多段环行槽的圆柱体。 此种换向阀具有工作可靠、压力损失小、 内泄漏小、 换向时间与复位时间短、 使用寿命长等优点，并且在本次设计中要求换向阀的换向时间短，压力损失小，从而使转向轻便、灵敏，  所以按阀的结构形式选择滑阀式换向阀。其满足在不同工况下转向灵敏、迅速的工作要求。 按控制方式换向阀分为电磁换向阀、液动换向阀、电液换向阀、机动换向阀、手动换向阀。其中电磁换向阀可以使操作轻便，容易实现自动化操作，应用广泛，并且阀灵敏度高，满足转向迅速的要求。 电磁换向阀是利用电磁铁推力，推动阀心运动以控制液流方向的。由阀体、阀心、弹簧、电磁铁等组成。电磁换向阀只是采用电磁铁来操纵滑阀阀芯运动，而阀芯的结构及型式可以是各种各样的，所以电磁滑阀可以是二位二通、二位三通、二位四通、三位四通和三位五通等多种型式。 3.8.2 溢流阀 溢流阀是压力控制阀的一种，主要控制执行机构输出力或输出转矩的大小，并组确定液压泵及整个液压系统的工作负载，在过载时起到保护系统的作用。 本设计根据系统压力和流量选用DBDSGK10直动式溢流阀，其压力范围：2.5～63Mpa;额定流量：330L/min;公称直径：6～30mm。直动式溢流阀制造精度要求不高，成本低，阻力小。动作比较灵敏，压力超调量较小，但达到稳定过程较长。 3.8.3节流阀 节流阀是根据执行机构运动速度的要求供给所需的流量。且用以限定转向油泵的最大流量。 本设计选用MG6G1.2节流阀。 3.9电控动力转向系统所用传感器的选择 3.9.1车速传感器 车速传感器是通过检测变速器输出轴转速，向电子控制器提供汽车行驶速度电信号。常用的车速传感器有磁感应式、光电式、霍尔效应式、磁阻式等多种类型。其中霍尔效应式车速传感器应用广泛。 本设计采用霍尔效应式车速传感器。 3.9.2转角传感器 转角传感器是检测转向盘转动的角度和方向。常用转角传感器为光电式，磁电式两种。前者的成本低，但受温度与磨损影响易发生漂移、使用寿命较低，需要对制造精度和扭杆刚度进行折中。后者的体积小，精度高，抗干扰能力强、刚度相对较高，易实现绝对转角和角速度的测量。价格昂贵，制造维修复杂。 因此本设计采用光电式转角传感器，安装于转向盘的转轴上，用于向电子控制单元输送转向盘的转动方向和转动角度信号。 3.10本章小结 本章主要是进行动力转向系统的液压动力部分的设计，其中包括转向动力缸的选型、其主要零件的结构、材料的选择以及动力缸的设计计算、转向油泵的计算与选型、油箱与油管的计算设计以及各种控制阀、传感器的选择等。 对活塞杆直径和缸筒壁厚的外径进行强度校核，校核后其强度满足要求。 第4章 机械转向器方案分析与设计计算 机械式转向器应用比较多，根据它们的结构特点不同，可分为齿轮齿条式转向器、循环球式转向器、蜗杆滚轮式转向器和蜗杆指销式转向器等。 4.1机械转向器方案分析 4.1.1齿轮齿条式转向器 齿轮齿条式转向器由与转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。与其它形式转向器比较，齿轮齿条式转向器最主要的优点是：结构简单、紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器的质量比较小；传动效率高达90％；齿轮与齿条之间因磨损出现间隙后，利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧，可自动消除齿间间隙，如图4.1所示，这不仅可以提高转向系统的刚度，还可以防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用的体积小；没有转向摇臂和直拉杆，所以转向轮转角可以增大；制造成本低。 图4.1 自动消除间隙装置 齿轮齿条式转向器的主要缺点是： 因逆效率高(60％～70％)，汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间的冲击力，大部分能传至转向盘，称之为反冲。反冲现象会使驾驶员精神紧张，并难以准确控制汽车行驶方向，转向盘突然转动又会造成打手，对驾驶员造成伤害。 根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式：中间输入，两端输出(图4.2a)；侧面输入，两端输出(图4.2b)；侧面输入，中间输出(图4.2c)；侧面输入，一端输出(图4.2d)。 图4.2 齿轮齿条转向器的四种形式