汽車電動助力轉向系統(tǒng)(EPS)的設計[12張cad圖紙+文檔全套資料]

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At present, in many high-end vehicles are installed by the EPS, therefore, the development of EPS has great practical significance and commercial value. EPS controlled by the controller, actuator and procedures. The controller controlled by the signal acquisition, SCM, and circuit sent signals. SCM is the core components of the system, signal acquisition circuit to the acquisition of torque and speed signals sent to deal with SCM. Then, SCM sent the control signals to the signal circuit, after, driving circuit driving motor rotation. Actuator controlled by motor, reducer, and electromagnetic clutch. It plays to the formation of auxiliary power, transmission and the role of interruption. The assistance program is a concrete manifestation of control. It is decided by the control strategies. Controller, procedures, operation each other are combination of a complete vehicle electric power steering system. After the system debugging, we need to come to the assistance of the curve. After analysis, there is a shocking when the speed changes from one state to another. In order to reduce the impact of shock, we need to increase the number of curve to reduce the rate shock, however, the rate must be small enough to neglect the impact of the frequency. Key words： electric power steering, SCM, power curve , DC motor, motor control 本科學生畢業(yè)設計（論文） 目錄 本科學生畢業(yè)設計（論文） 目錄 目 錄 中文摘要 Ⅰ ABSTRACT Ⅱ 緒論 1 1.1轉向系統(tǒng)的分類 1 1.2電動助力轉向系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.3 EPS的分類 2 1.3.1轉向軸助力式 2 1.3.2轉向小齒輪助力式 2 1.3.3轉向齒條助力式 3 1.4 電動助力轉向系統(tǒng)的優(yōu)點 3 1.5電動助力轉向系統(tǒng)的工作原理 4 2.系統(tǒng)設計 5 2.1電動助力轉向系統(tǒng)選型 5 2.2機械部分系統(tǒng)設計 5 2.2.1設計要求分析 5 2.2.2實現(xiàn)形式 5 2.3控制部分系統(tǒng)設計 7 2.4電動轉向系統(tǒng)總體設計 7 3.主要零部件選型 9 3.1主要機械部件選型 9 3.1.1直流電機選型 9 3.1.2電磁離合器的選型 11 3.1.3 轉矩傳感器選型 12 3.2 主要控制芯片的選型 14 3.2.1 單片機 14 3.2.2數(shù)模D/A轉換器及模數(shù)A/D轉換器 15 3.2.3 鎖存器 17 3.2.4 STK6855電機控制芯片 18 3.2.5 TL494電機調速芯片 19 3.2.6LM224放大器 19 3.2.7場效應管 20 3.2.8穩(wěn)壓芯片 20 3.2.9主要選購件列表 21 4．機械設計部分 22 4.1 減速機構設計 22 4.1.1 減速器結構設計 22 4.1.2 減速器齒輪齒圈設計 23 4.1.3 強度校核 26 4.2傳動錐齒輪設計 31 4.2.1外形尺寸設計 31 4.2.2錐齒輪校核 33 5.電路設計 35 5.1信號采集及A/D電路設計 35 5.2信號發(fā)送及D/A電路設計 36 5.3電機正反轉電路設計 37 5.4 電磁離合器驅動電路設計 39 5.5電源控制電路設計 40 5.6 總電路設計 40 6. 程序設計 42 6.1 電動轉向系統(tǒng)的助力曲線 42 6.2程序的前期數(shù)學處理 43 6.3 程序框圖 46 6.4程序 48 6.5程序結果驗證 54 6.6 助力曲線分析 58 參考文獻 59 三、論文提綱 1.緒論 2.系統(tǒng)設計 2.1電動助力轉向系統(tǒng)選型 2.2機械部分系統(tǒng)設計 2.3控制部分系統(tǒng)設計 2.4電動轉向系統(tǒng)總體設計 3.主要零部件選型 3.1主要機械部件選型 3.2 主要控制芯片的選型 4．機械設計部分 4.1 減速機構設計 4.2傳動錐齒輪設計 5.電路設計 6. 程序設計 參考文獻 II 本科學生畢業(yè)設計（論文） 緒論 緒論 隨著近年來電子控制技術的成熟和成本的降低,電動助力轉向系(EPS)統(tǒng)越來越受到人們的重視, 并以其具有傳統(tǒng)動力轉向系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點, 迅速邁向了應用領域, 部分取代了液壓動力轉向系統(tǒng)(Hydraulic Power Steering, 簡稱HPS) 。電子控制技術在汽車動力轉向系統(tǒng)中的應用, 使汽車的駕駛性能達到令人滿意的程度。電動助力轉向系統(tǒng)(EPS) 在汽車低速行駛轉向時減輕轉向力使轉向輕便、靈活；在汽車高速行駛轉向時,適當加重轉向力,從而提高了高速行駛時的操縱穩(wěn)定性, 增強了“路感”。不僅如此,EPS的能耗是HPS能耗的1 /3以下,且前者比后者使整車油耗下降可達3%～5%, 因而, EPS將成為汽車傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)理想的升級換代產品。 1.1轉向系統(tǒng)的分類 由于助力轉向系統(tǒng)具有轉向輕便和響應性好等優(yōu)點，已經在汽車上廣泛使用。 目前汽車配置的助力轉向系統(tǒng)可分為以下3類。 1) 機械式液壓助力轉向系統(tǒng) 機械式液壓助力轉向系統(tǒng)在汽車上的應用最為廣泛，系統(tǒng)的核心部件是機械液壓泵。液壓泵通過傳動皮帶由發(fā)動機驅動， 屬于固定助力效果的助力轉向系統(tǒng)。具有明顯的缺點，轉向系統(tǒng)的助力效果在車速較低時能夠起到很好的作用，但是當車速不斷升高時，固定的助力效果會使轉向盤過于靈敏，不利于駕駛者對方向進行控制。 2)電子液壓助力轉向系統(tǒng) 電子液壓助力轉向系統(tǒng)是機械式液壓助力的改進， 通過電子控制技術在助力轉向系統(tǒng)上增加了車速感應式轉向功能，以實現(xiàn)車輛低速行駛時助力力矩大和高速行駛時助力力矩小的效果，但是結構太復雜，而且液壓系統(tǒng)由于液體的慣性和可壓縮性，導致轉向滯后影響操作。再者，液壓油也對環(huán)境造成污染。能量損耗很大。 3)電動助力轉向系統(tǒng)(EPS) EPS是在機械轉向系統(tǒng)的基礎上，將最新的電力電子技術和高性能的電機控制技術應用于汽車轉向系統(tǒng)之中，根據(jù)作用在轉向盤上的轉矩信號和車速信號，通過電子控制裝置使電機產生相應大小和方向的輔助力，協(xié)助駕駛員進行轉向操作，并獲得最佳轉向特性的伺服系統(tǒng),EPS能顯著改善汽車動態(tài)性能和靜態(tài)性能，提高行駛中駕駛員的舒適性和安全性，減少環(huán)境的污染。因此，該系統(tǒng)一經提出，就受到許多大汽車公司的重視，并進行開發(fā)和研究。 1.2電動助力轉向系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 自1953年美國通用汽車公司在別克轎車上使用液壓動力轉向系統(tǒng)以來, HPS給汽車帶來了巨大的變化,幾十年來的技術革新使液壓動力轉向技術發(fā)展異常迅速, 出現(xiàn)了電控式液壓助力轉向系統(tǒng)(Electric Hydraulic Power Steering,簡稱EHPS) 。1988年3月，日木鈴木公司開發(fā)出一種全新的電子控制式EPS，真正擺脫了液壓動力轉向系統(tǒng)的束縛。首先在其Cervo車上裝備EPS , 隨后又應用在Alto汽車上；1993年，本田汽車公司首次將EPS裝備于大批量生產的、在國際市場上同法拉利和波爾舍競爭的愛克NSX跑車。TRW公司繼推出EHPS后也迅速推出了技術上比較成熟的帶傳動EPS和轉向柱助力式EPS,并裝配在Ford Fiesta和Mazda 323F等車上, 此后EPS技術便得到了飛速的發(fā)展，如本田最新推出的Insight轎車上就是其中的—例。在國外, EPS已進入批量生產階段, 并成為汽車零部件的高新技術產品。 我國動力轉向系統(tǒng)目前絕大部分采用機械轉向或液壓助力轉向,EPS的研究開發(fā)目前還處于起步階段, 其產品在2002年才有國內企業(yè)進行研制開發(fā)。目前已經知道的有13家企業(yè)和科研院校正在研制中，其中南摩股份有限公司(生產轉向柱式的EPS產品)在2003年開始進入小批量生產階段，在昌河公司產的愛迪爾轎車、南京菲亞特公司生產的新雅途轎車上使用。吉利汽車集團開發(fā)的具有自主知識產權的EPS產品也已經裝備其吉利豪情等系列轎車上。 1.3 EPS的分類 目前電動助力轉向系統(tǒng)總共分為3類：轉向軸助力式，轉向小齒輪式，轉向齒條式。 1.3.1轉向軸助力式 轉向軸助力式電動助力轉向系統(tǒng)是將轉向助力部分安裝在轉向軸管上，輔助力矩由助力電機經過減速機構和傳動機構傳遞到轉向軸上，從而實現(xiàn)助力效果。這種助力方式在結構上安裝很方便，但其助力較小，一般用于小型汽車上。結構如圖1-1(a)所示。 1.3.2轉向小齒輪助力式 轉向小齒輪助力式電動助力轉向系統(tǒng)是將輔助機構安裝在轉向小齒輪上，輔助力矩由助力電機發(fā)出后經過減速系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)直接作用在轉向小齒輪上。這種結構的助力方式能夠提供較大的輔助力矩，適合用于需要較大助力的中型車上。但由于結構方面的原因，使得安裝不是很方便。結構如圖1-1(b)所示。 1.3.3轉向齒條助力式 轉向齒條助力式電動助力轉向系統(tǒng)是將輔助部分安裝在轉向齒條上，輔助力矩由輔助電機發(fā)出后經過減速和傳動機構作用在齒條上以達到助力的目的。齒條助力方式能夠提供很大的轉向助力力矩，適合用于轉向力矩較大的大型車上。但其安裝和結構很復雜。結構如圖1-1(c)所示。 (a) (b) (c) 圖 1-1 電動助力轉向系統(tǒng)的類型 1.4 電動助力轉向系統(tǒng)的優(yōu)點 1)EPS系統(tǒng)只有在乘用車轉向時提供助力，因此能減少能量消耗，即降低油耗(液壓助力轉向系統(tǒng)的油泵在乘用車不轉向時也工作，能量消耗大)，并能在各種行駛工況下提供最佳的轉向助力。 2)減小由于路面不平所引起的對轉向系統(tǒng)的干擾，改善乘用車的轉向性能，減小低速行駛時的轉向操縱力，提高高速行駛時的轉向穩(wěn)定性，從而提高乘用車的主動安全性。 3)由于不需要加注液壓油和安裝液壓油管，所以EPS系統(tǒng)無漏油故障。 4)EPS控制系統(tǒng)的結構簡單，質量小(比液壓助力轉向控制系統(tǒng)輕25％)，安裝和維修方便，且成本低。 5)EPS系統(tǒng)比液壓助力轉向系統(tǒng)具有更好的通用性，能夠移植到不同的承用車上。 6)因為EPS系統(tǒng)無需液壓油，因此不會污染環(huán)境，與環(huán)境的兼容性很好，適合用于在市區(qū)的車輛。 7) EPS 系統(tǒng)能夠提供不同路面的“路感”，因此提高了行駛的安全性和穩(wěn)定性，提高了駕駛的樂趣。 1.5電動助力轉向系統(tǒng)的工作原理 EPS系統(tǒng)如圖1-2 所示, 系統(tǒng)的控制核心為89C51單片機。當汽車點火開關閉合時, 單片機上電后對EPS系統(tǒng)進行自檢,自檢通過后, 閉合繼電器和離合器,EPS 系統(tǒng)便開始工作。駕駛員操縱方向盤轉向, 扭矩傳感器檢測到方向盤的扭矩和轉動方向, 車速傳感器檢測到車速信號, 這些信號經過輸入接口電路處理后送至89C51單片機相應端口,單片機根據(jù)方向盤扭矩、轉動方向和車速等數(shù)據(jù),并依據(jù)系統(tǒng)助力特性, 確定助力電流的大小和方向,通過89C51單片機的輸出口發(fā)出電流指令和相應的轉向控制端口發(fā)出轉向命令,通過驅動電路及H橋電路驅動直流電動機進行轉向。如EPS系統(tǒng)工作出現(xiàn)異常,單片機將驅動EPS燈發(fā)亮進行報警提示, 同時斷開電磁離合器退出電動助力工作模式, 轉為人工手動助力模式。 電動助力轉向系統(tǒng)主要是通過單片機來控制電機的電流大小以及電池離合器的閉合與斷開來實現(xiàn)對轉向系的助力。電機電流的大小主要受到轉矩信號和車速信號的影響，當車速一定，轉矩信號所代表的轉矩值較低時，流經電機的電流較小，電機助力較小，反之，則流過電機的電流較大，電機助力較大。當轉矩一定時，車速越大，流經電機的電流越小，助力越小。車速越低，流經電機的電流越大，助力越大。當車速大于某個值或者轉向力矩小于某個值時，電磁離合器斷開，系統(tǒng)停止工作。 圖1-2 電動助力轉向系統(tǒng)工作原理圖 59 本科學生畢業(yè)設計（論文） 第二章 本科學生畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)設計 2.系統(tǒng)設計 2.1電動助力轉向系統(tǒng)選型 如我們前面緒論中講到，電動助力轉向系統(tǒng)分為轉向軸式、轉向小齒輪式、轉向齒條式。本次設計中，我們選擇轉向軸式的助力方式。 轉向軸式電動助力轉向系統(tǒng)雖然提供的助力沒有其它兩種方式提供的助力大，但在安裝方面要方便的多。再者，這次設計的電動助力轉向系統(tǒng)主要是針對經濟型轎車來進行開發(fā)的，其空間相對較小，空間問題是我們要考慮的重點問題。轉向軸式對空間緊湊的經濟型轎車很適合。 2.2機械部分系統(tǒng)設計 2.2.1設計要求分析 機械部分是電動助力轉向系統(tǒng)的執(zhí)行部分，ECU發(fā)出的控制指令最終都要由它來完成。根據(jù)轉向系統(tǒng)的要求，在滿足傳統(tǒng)的轉向系的要求之外，還要求機械部分必須具有以下性能： 1） 反應靈敏，因為汽車的轉向是一個動態(tài)的過程，如果轉向操作的滯后性太大，會造成很大的轉向誤差，使轉向失真，影響行駛的安全。 2） 傳動的可逆性，汽車轉向系統(tǒng)要求在不同的路面上有不同的路感，由于我們在傳統(tǒng)的機械齒輪齒條轉向系的基礎上添加了助力部分，有可能使轉向系統(tǒng)的“路感”變差。因此，在設計的時候必須要考慮到轉向路感的問題。作用在車輪上的力，必須部分的傳遞到方向盤上。 3） 噪聲低，我們添加的助力部分距離駕駛員很近，如果噪聲太大對駕駛員的駕駛會造成很大的影響。再者，過大的震動會通過轉向軸傳遞到轉向盤，使轉向盤產生強烈的震動，影響駕駛的安全性和駕駛樂趣。 2.2.2實現(xiàn)形式 電動助力轉向系統(tǒng)機械部分主要由轉矩傳感器、直流電機、減速機構、電磁離合器、傳動錐齒輪組成。 為了直接的測量駕駛員作用在轉向軸上的轉向力矩，我們將轉向軸分斷，分別接在轉矩傳感器的兩端。聯(lián)接方式如圖2-1通過這樣測出來的轉矩與駕駛員作用在方向盤上的轉矩值最為接近，而且這樣設計在實現(xiàn)與安裝方面也比較的容易。精確的轉矩測量對電機的電流控制極為重要，使得系統(tǒng)的控制性能得到改善。 圖2-1 轉矩傳感器的連接方式 輔助電機主要為電動助力轉向系統(tǒng)提供助力力矩，通過減速機構減速增矩，然后由電磁離合器控制助力力矩的接通，最后，由一對錐齒輪傳遞到轉向軸上。其機械部分系統(tǒng)圖如圖2-2 圖2-2 電動助力轉向系統(tǒng)機械部分系統(tǒng)圖 通過這種方式將轉向力矩傳遞到轉向軸上使結構比較緊湊，所需要的傳動部件比較少，因此傳動效率高，噪聲小，而且轉向傳動也比較靈敏。并且當輔助電機不工作時，電磁離合器斷開，系統(tǒng)進入純機械轉向。當系統(tǒng)工作時，由于減速機構采用可逆?zhèn)鲃?，作用在轉向輪上的力能夠部分的傳到轉向盤上，保證了不同工況下有不同的路感。 2.3控制部分系統(tǒng)設計 控制部分是電動轉向系統(tǒng)的核心部分，它對車速傳感器傳來的車速信號和轉矩傳感器傳來的轉矩信號進行計算，最后向驅動部分發(fā)出指令?？刂撇糠种饕蓡纹瑱C、A/D、D/A和一些控制電路組成。如圖2-3 圖2-3 控制部分系統(tǒng)圖 轉矩傳感器采用電壓輸出，經過A/D轉化成數(shù)字信號由單片機進行處理，車速信號采用脈沖信號，直接接在單片機上進行計數(shù)，計算。兩個信號經過處理后，單片機發(fā)出指令（數(shù)字信號）經D/A轉換后驅動控制電路，最后由功率模塊驅動電機和電磁離合器。電機電流的大小由單片機控制。 2.4電動轉向系統(tǒng)總體設計 將機械部分與控制部分結合起來就夠成了完整的電動助力轉向系統(tǒng)，如附圖1所示。由圖可知，控制部分對轉向操作進行實時監(jiān)控，機械部分將監(jiān)控后的執(zhí)行結果傳達到轉向操作中，因此，從某中角度來看，這兩部分一起夠成了一個“監(jiān)測—控制—執(zhí)行—監(jiān)測”這樣的一個閉環(huán)系統(tǒng)。如果系統(tǒng)助力不夠，機械部分施加在轉向軸上的轉向力矩較小，因此，駕駛員施加的轉向力矩增大，轉矩傳感器測量的力矩值增大，從而使得電機電流增大，輔助力矩增大。這樣對誤差起到了修正的作用。由于系統(tǒng)的工作頻率很高，從而提高了轉向助力的隨動性。 助力減小---轉向力矩增大---傳感器輸出增大---電機電流加大---助力增加 助力增加---轉向力矩減小---傳感器輸出減小---電機電流減小---助力減小 在系統(tǒng)中，電機作為動力源輸出動力，電磁離合器所起的作用相當于一個開關，它控制著力矩的通斷。由于電機的轉速很高，大約在3000r/min，因此需要一個減速機構起到減速增矩的作用。它們都受到控制部分的操作，統(tǒng)稱為執(zhí)行機構。單片機及其它控制驅動電路統(tǒng)稱為控制部分。兩個部分的相互配合使得系統(tǒng)功能得以實現(xiàn)。 本科學生畢業(yè)設計（論文） 主要零部件選型 3.主要零部件選型 3.1主要機械部件選型 3.1.1直流電機選型 電機是把電能轉換為機械能的裝置，廣泛的說，所有依靠電能工作的動力源都是電機。電機的運動形態(tài)可以是直線的也可以是旋轉的，還可以是震動的，無論如何運動，都是因為電機能夠產生電磁力。從供電形式上電機可分為交流電機和直流電機，本此設計采用的電機為直流旋轉式電機。它由轉子和定子兩大部分組成。 所選電機型號：10DK230-12 外形： 圖3-1 電機外形圖 電機性能參數(shù)： 型號 電壓V 功率W 空載參數(shù) 負載參數(shù) 轉速R/min 電流A 轉速R/min 轉矩KG.cm 電流A 10DK230-12 12 220 3300 7.0 3000 9.0 30 表3-1 電機性能參數(shù)表 電機外形尺寸： 圖3-2 電機外形尺寸 電機特性曲線 圖3-3 電機特性曲線 由電機特性曲線可知，電機轉矩與電流近視成正比，轉速增加，電流減小，轉矩減小。而電機轉矩與電流的關系為： (3-1) 由圖可知，當轉矩T＝8Kg.cm＝0.8NM時，電機電流I＝10A。由此可以計算出所選電機的T-I函數(shù)： (3-2) 直流電機的特性決定了在低速時，電機的轉矩輸出很大，這正好適合于汽車原地轉向的要求。剛開始轉向的時候，由于靜摩擦力的緣故使得轉向力需求很大，因此轉矩傳感器測量到的轉矩也很大，ECU控制電路對電機輸出大電流，電機輸出很大的力矩，因此，使轉向輕便。當轉向力要求不大時，轉矩傳感器測量到的轉矩很小，ECU控制電路對電機輸出小電流，這時電機提供較小的電流和較快的轉速，使轉向輕便靈敏。由直流電機的特性圖我們很清楚的知道，要控制電機的輸出轉矩，只需要控制流過電機的電流，而電流控制對于采用單片機的控制系統(tǒng)來說相對比較簡單。 3.1.2電磁離合器的選型 電磁離合器的主要作用是控制輔助電機發(fā)出的輔助力矩的通斷。目前，電磁離合器主要有摩擦片式和牙嵌式兩種。按照不通電時電磁離合器的開閉情況又分為常開式和常閉式兩種。摩擦片式電磁離合器又分為干式和濕式兩種。不管干式還是濕式，摩擦片都存在相對滑動的情況，不適合用于轉向系統(tǒng)中。因為如果發(fā)生相對滑動會使傳動滯后，造成失真，使轉向靈敏度下降。汽車大部分的時間時速都超過40Km/h，而大于此速度是不需要助力的，因此離合器應該斷開。為了滿足轉向靈敏和電機不助力時斷開助力部分的要求，此次設計選用牙嵌常開式電磁離合器。代號為：DLY3 電磁離合器安裝尺寸如圖3-4和表3-2 圖3-4 電磁離合器外形安裝尺寸圖 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 φ φ φ 82 58 42 36 35 75 82 3-φ4.5 3-φ10 20 h e L L L L a/(°) δ 22.8+0.2 6 55 42 6 8 45 0.3 表3-2 電磁離合器的安裝尺寸 在安裝時要注意間隙δ的調整，δ過大則反應滯后，過小，電磁離合器不容易斷開。 電磁離合器的工作原理為： 當電磁離合器斷電時，兩牙嵌片在彈簧力的作用下分開，斷開動力專遞；通電后，感應線圈產生磁場，吸引銜鐵使牙嵌片相互結合，從而傳遞了動力。斷電后，彈簧又將兩牙嵌片分開斷開動力。在傳動過程中，線圈不產生轉動，支撐在軸承外圈上面，軸承內圈轉動，實現(xiàn)主動件的旋轉的傳遞。 3.1.3 轉矩傳感器選型 轉矩傳感器用來監(jiān)測駕駛員作用在方向盤上的轉向力矩，為單片機的計算提供依據(jù)。 目前，國內外現(xiàn)有的EPS系統(tǒng)采用的轉矩傳感主要有以下形式： 1)光電式，LUCAS公司有該類型的產品，清華大學也進行了這方面的研究、并做出了樣件，前者結構比較復雜，對加工工藝要求較高，后者對前者進行了改進，但是存在溫度漂移和繞線的問題。 2)電位計式，BI公司和NSK公司都有該類型的產品，前者集成了轉矩、轉角測量，后者采用滑套機構將轉角差變換為電位計擺臂擺動，實現(xiàn)轉矩測量。該類型的傳感器都屬于接觸式，存在磨損，降低了其性能 3)電感式，KOYO公司和NSK公司都有該類型的產品，該類型傳感器具有較高的精度，很好地實現(xiàn)了非接觸測量，并且線性好，非常適合EPS系統(tǒng)使用。 電感式轉矩傳感器的結構圖如圖3-5所示 圖3-5 電感式轉矩傳感器的結構圖 電感式轉矩傳感器主要有輸入軸、扭桿、檢測環(huán)、檢測線圈、補償線圈、輸出軸、殼體組成。當輸入軸有轉矩輸入時，扭桿發(fā)生變形，檢測環(huán)齒輪正對面積發(fā)生變化，輸入力矩越大，扭桿變形越大，正對面積變化越大。其工作過程如下圖所示 圖3-6 電感式轉矩傳感器工作過程框圖 本次設計采用電感式轉矩傳感器，其型號為：0170MS 50R 具體的安裝尺寸見圖3-7和表3-3 量程NM A(mm) B(mm) C(mm) D(mm) E(mm) F(mm) G(mm) -50--50 108 38 58 19g6 30 32 44 H(mm) I(mm) J(mm) K(mm) L(mm) N(mm) 軸向力N 徑向力N 19 5 22 15 可調 可調 200 50 表3-3 轉矩傳感器安裝尺寸表 圖3-7 轉矩傳感器外形及安裝尺寸 其安裝方式為與轉向軸串接。0170MS系列具有很好的動態(tài)監(jiān)測性能，響應快，能夠準確迅速的測量出轉向力矩。其輸出電壓為0-5V，當轉矩為0時輸出2.5V電壓，轉矩為-50Nm時輸出電壓為0，轉矩為50Nm時輸出電壓為5V，其輸入--輸出曲線如圖3-6所示 圖3-8 轉矩傳感器輸入輸出曲線 車速信號由ABS中取出，為一脈沖信號，再這不做討論。 3.2 主要控制芯片的選型 3.2.1 單片機 單片微型計算機(簡稱單片機)，是將計算機基本部分微型化，使之集成在一塊芯片上，片內含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定時器、中斷控制、系統(tǒng)時鐘及總線等。單片機體積小，功耗低，功能強，較多的應用在控制領域。在汽車電動助力轉向系統(tǒng)中，單片機主要對轉矩信號和車速信號進行計算，判斷汽車運行工況后，對電機發(fā)出指令，使電機發(fā)出相應的輔助力矩。單片機有4位、8位、16位、32位的，它們同時存在與市場。運算頻率有6MHz、12MHz、24MHz、32MHz和40MHz的。為了節(jié)約成本，并且兼顧到運算數(shù)度，我們選擇8位24MHz的51系列的單片機89C51。它有豐富的指令系統(tǒng)，編程開發(fā)非常方便，運算速度快，用在轉向系統(tǒng)中隨動性好。89C51的工作電為5V，因此，需要另配標準恒定電源，盡量減小電壓波動，使單片機工作穩(wěn)定。89C51單片機的封裝圖如圖3-9所示： 圖3-9 AT89C51單片機的引腳圖 由于單片機的內容很多，應用領域也相當廣泛，具體功能在這里不做具體介紹，請參看《單片微型計算機與接口技術》。在汽車電動助力轉向系統(tǒng)中的應用參看電路設計和程序設計部分。 3.2.2數(shù)模D/A轉換器及模數(shù)A/D轉換器 1)A/D轉換器 模數(shù)轉換器是將模擬信號轉換為數(shù)字信號的器件。在電動助力轉向系統(tǒng)中，轉矩傳感器輸出的信號為電壓模擬信號，不能直接輸入單片機內進行處理，因此必須經過模數(shù)轉換，將模擬信號轉換為數(shù)字信號，再輸入單片機中進行處理計算。在本次設計中我們選擇ADC0809模數(shù)轉換芯片，它具有體積小，轉換快等優(yōu)點，還能根據(jù)輸入模擬電壓的最大值進行調整。芯片的封裝結構如圖3-10所示，它有8個模擬電壓輸入端口，能夠對8路信號進行轉換，當Vref＋接5V電壓，Vref－接地時，可對0—5V的電壓信號進行轉換，轉換器全“1”輸出就代表輸入端口的輸入電壓時5V，全“0”輸出時代表輸入電壓為0。0—7路的輸入端口由ADDA、ADDB、ADDC進行選中，000代表選中0口，001代表輸入1口，111代表輸入7口。ALE為地址鎖存有效信號，START信號用于啟動A/D轉換。EOC為轉換完成信號，啟動轉換后 EOC變成低電平，轉換完成后EOC變?yōu)楦唠娖剑诵盘柨梢韵騿纹瑱C提出中斷申請。EO為輸出允許信號，高電平時，信號從D0—D7口輸出。 由于車數(shù)信號為脈沖信號不需要轉換，因此在這里不作討論 圖3-10 ADC0809模數(shù)轉換器引腳圖 2)D/A數(shù)模轉換器 車數(shù)信號和轉矩信號經過單片機處理以后，單片機輸出的信號為數(shù)字信號，不能直接驅動外部電路，因此需要數(shù)模轉換，本次設計采用DAC1210數(shù)模轉換芯片。1210是12為的數(shù)字轉換芯片，器引腳圖如圖3-11所示 圖3-11 DAC1210引腳圖 DI0—DI11為數(shù)據(jù)的輸入端，OUT1、OUT2為數(shù)據(jù)的輸出端，當輸入數(shù)字為全“1”時，OUT1輸出電流最大，輸入全“0”時，OUT1輸出電流最小。OUT1與OUT2之和為一常數(shù)，當需要輸出模擬電壓時，需要外接運算放大器進行I/V轉換。WR1、WR2控制芯片高位和低位的輸入，CS為芯片的片選信號，CS為高時，芯片被選中。信號的高8位與低4位分時輸入，先輸入高8位，再輸入低4位。輸入高位與低位的區(qū)別信號由BYTE1與BYTE2來控制，BYTE1位為高時，輸入高8位，BYTE1位為低時輸入低4位。 3.2.3 鎖存器 由于單片機的工作頻率非常高，發(fā)出的信號為瞬時信號，若要將信號長期的保持在某種狀態(tài)，則要用到鎖存器。本次設計采用74ls373鎖存芯片，其性能較穩(wěn)定，工作可靠，外接5V電源，輸出端輸出信號電壓高達2.5V無需放大，可直接使用。74ls373的引腳圖如圖所示 圖3-12 鎖存器74ls373引腳圖 Vcc接5V電源 D0—D7接信號輸入 O0—O7接信號輸出 LE、OE作為兩個邏輯控制端 GND接地 芯片使用的電源必須穩(wěn)定，以免芯片工作發(fā)生振蕩而影響輸出。 下面表3-4是74ls373的真值表 Dn LE On H H L H L H L L X L L On X X H Z* 表3-4 74ls373真值表 由真值表我們可以看出 LE為高電位的時候，輸出On隨著輸入Dn變化 LE為低電平的時候，輸出On保持原來的狀態(tài)，從而將瞬時信號變?yōu)榱顺掷m(xù)信號。因此，再控制過程中，我們可以先給LE高電平，Dn給我們需要的電平，然后將LE變?yōu)榈停馆敵鲦i住。 3.2.4 STK6855電機控制芯片 STK6855芯片是用著電機正反轉控制的專業(yè)混合厚膜IC芯片。它能夠由從正反轉信號端子輸入的信號來控制電機的正反轉，利用PWM控制端來實現(xiàn)電機的脈沖調速，需要外加的器件少，使用方便。其部分引腳圖如圖所示： 圖3-13 STK6855部分引腳圖 其中A、B為轉向控制信號輸入端，PWM為脈沖調速端 端口6，7接12V電源，4，5，6，9作為輸出端口 表3-5為A、B端口的真值表 A B 正轉 H L 反轉 L H 停止1(禁止) H H 停止2(制動) L L 表3-5 STK6855正反轉真值表 3.2.5 TL494電機調速芯片 TL494 是電機脈沖控制的調速芯片，它的輸入信號為電壓信號，輸出信號為站空比不同的脈沖信號。通過調節(jié)脈沖信號的站空比來調節(jié)電機的轉速。從而節(jié)約能源。但是，這里由一個問題值得我們注意。TL494所發(fā)出的脈沖信號的周期必須比直流電機的電器周期要小很多，如果這兩個周期相差不大，會造成電機的抖動。 3.2.6LM224放大器 LM224放大器主要實現(xiàn)電壓信號的放大與電流信號與電壓信號的轉換。由于數(shù)模轉化器輸出的信號為弱電流信號，而我們需要的信號為強電壓信號，因此要用到運算放大器。LM224是工業(yè)運算放大器，它工作穩(wěn)定，工作溫度高，適合用于汽車電子當中。 圖3-14為LM224的引腳圖 LM224 共有4個集成運放組成，可同時完成4路信號的放大。每路運算相互獨立，互不相干。 圖3-14 LM224引腳圖 3.2.7場效應管 場效應管在此次設計中主要是用來搭建電機正反轉控制的H橋式電路。它是通過電壓控制電流的半導體器件，通過柵級電壓的調節(jié)來控制流過源級與漏級的電流，從而達到控制流過電機電流的目的。 本次設計選用場效應管的型號為IRFP150A 其封裝圖如圖所示： 圖3-15 IRFP150A封裝圖 它允許通過的最大電流為43A，而我們設計的系統(tǒng)最大電流為30A，因此，所選擇的場效應管符合要求。關于場效應管的性能特性在這里不作敘述。 3.2.8穩(wěn)壓芯片 車載電源是一個不穩(wěn)定的電源，而我們設計的系統(tǒng)中控制芯片較多，而芯片的工作電壓波動要有嚴格的控制，以使其穩(wěn)定工作。某些場合要求12V電壓，某些場合要求5V電壓，因此，我們必須通過電路來實現(xiàn)12V和5V的恒定電壓。12V電壓我們可以通過選用7812芯片來得到，5V電壓可以通過7805芯片來得到。其封裝結構如圖3-16所示 圖3-16 7812/7805的封裝結構 它共有三個端口，其中一端接電源，一段接輸出，一段接地。一般情況需要并聯(lián)一個斬波電容來減小波動。 3.2.9主要選購件列表 名稱 型號 名稱 型號 電機 10DK230-12 模數(shù)轉換器 ADC0809 電磁離合器 DLY3 鎖存器 74ls373 轉矩傳感器 0170MS 50R 電機控制芯片 STK6855 單片機 AT89C51 電機調速芯片 TL494 數(shù)模轉換器 DAC1210 放大器 LM224 場效應管 IRFP150A 5V穩(wěn)壓芯片 7805 12V穩(wěn)壓芯片 7812 表3-6 主要選購件列表 本科學生畢業(yè)設計（論文） 機械設計 4．機械設計部分 4.1 減速機構設計 4.1.1 減速器結構設計 目前減速器的結構形式有很多種，最常見的有圓柱外嚙合齒輪傳動減速、圓柱內嚙合齒輪傳動減速、渦輪蝸桿減速、行星輪系減速等。其見圖如圖4-1 圖4-1各種減速傳動機構簡圖 圓柱外嚙合傳動方式傳動可靠，剛度大，但其結構尺寸過大，用在電動助力轉向系統(tǒng)當中不方便安裝，圓柱內嚙合傳動也存在尺寸大的問題，也不適合用于電動轉向系統(tǒng)當中。 渦輪蝸桿傳動能以小的尺寸實現(xiàn)較大的傳動比，但是它只能進行單向傳動。運動可以由蝸桿傳遞給渦輪，而不能由渦輪傳遞給蝸桿。由于轉向系統(tǒng)要求不同的路況有不同的路感，地面作用在車輪上的力必須部分的傳遞到轉向盤上，因此，要求減速機構必須可逆。而渦輪蝸桿是不可逆的，因此不適合用在轉向系當中。 行星輪系減速機構也能實現(xiàn)小尺寸，大傳動比，并且其傳動可逆，因此，可以運用在電動助力轉向系統(tǒng)當中。但是單級的行星輪系傳動比還是太小，若將傳動比做的太大，則尺寸較大，因此，本次設計采用雙級行星輪系減速。第二級利用第一級的行星輪輸出作為輸入，以第二級行星輪的輸出作為輸出。其原理簡圖如圖4-2所示： 圖4-2 雙級行星輪系減速機構簡圖 電機的動力從第一級的太陽輪輸入，然后，經第一級行星輪減速后傳到第二級的太陽輪，又經第二級的行星輪減速后輸出。我們假設第一級的傳動比為i1，第二級的傳動比為i2，則整個減速機構的傳動比為i＝i1*i2。 在本此設計中，我們選擇的電機的轉速為3000r/min，而方向盤的轉速大概在50r/min。因此，要求助力部分的總減速比為60。按照這個傳動比做出來的減速機構結構很大，因此我們設計的減速器的傳動比為30，在轉向軸與助力部分銜接處錐齒輪傳動的傳動比為2，這樣我們就保證了助力部分的總傳動比為60。 4.1.2 減速器齒輪齒圈設計 雙級行星輪系中，所有的齒輪都為直齒圓柱齒輪，齒圈也為直齒圓柱齒圈。由于設計的安全性要求較高，而減速器的結構又不能太大，因此做減速器齒輪的材料要求較高，每一級的行星輪系的主動輪（太陽輪）選用滲碳或者碳氮共滲合金鋼，其余零件選用調質合金鋼。 1） 齒數(shù)的確定 要實現(xiàn)兩級行星輪系的傳動比為30，則每一級的傳動比為5.5。兩級為30.25，與理論要求的非常接近。符合要求。 下圖為雙級行星輪系減速機構的示意圖 3 圖4-3 雙級行星輪系加速機構示意圖 由于兩級結構一樣，因此，只需要計算其中一級。 由轉化輪系的傳動比計算公式有： （4-1） 已知 ＝5.5 帶入計算有＝－4.5 所以Z2＝4.5Z1 取Z1＝20則Z2＝90 （4-2） 計算得Z3＝35 初取模數(shù)m＝0.8 壓力角取標準值α＝20° d＝m*Z （4-3） 因此有d1＝16；d2＝72；d3＝28 齒輪寬度取為15 2） 幾何尺寸計算 計算公式表如下： 名稱 代號 計算公式 模數(shù) 取標準值0.8 壓力角 ＝20° 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 全齒高 頂隙 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒距 齒厚 表4-1 齒輪計算公式表 計算結果如下表 1 2 3 0.8 0.8 0.8 20 20 20 16 72 28 0.8 0.8 0.8 1 1 1 1.8 1.8 1.8 0.2 0.2 0.2 17.6 70.4 29.6 14 74 26 2.512 2.512 2.512 1.256 1.256 1.256 表4-2 齒輪參數(shù)表 4.1.3 強度校核 根據(jù)雙級行星輪系的結構，第二級行星輪系所受的力最大，在第二級行星輪系中，太陽輪的尺寸最小，因此，只需校核的二級太陽輪。 齒輪失效形式雖然多種多樣，但在某一具體使用場合這些失效形式并不同時發(fā)生。齒輪究竟產生那種失效，最要取決于齒輪材料得齒面硬度和具體工作條件。在一般得閉式齒輪傳動中，齒輪得主要失效形式式齒面疲勞點蝕和齒根彎曲疲勞折斷，所以目前應用最普遍也是最成熟得設計準則是，針對齒面點蝕和齒根彎曲疲勞折斷進行齒面疲勞強度及齒根彎曲疲勞強度計算。 1）齒面接觸疲勞強度校核 計算公式 （4-4） （4-5） 符號說明 ----許用接觸應力 MPa K-------載荷系數(shù) 取K＝1 b--------齒輪寬度 b＝15 u ----- u＝1.75 T-------輸入力矩 電機的輸出轉矩T1＝0.882Nm，經過第一級減速后輸入到第二級的太陽輪的轉矩為T＝4.851Nm d1 ---------------- 小齒輪分度圓直徑 d＝17.6 ------疲勞應力極限 可由圖4-4查出 太陽輪采用滲碳合金鋼，查圖后得到＝1500MPa 圖4-4 實驗齒輪的接觸疲勞極限 ------接觸疲勞強度最小安全系數(shù)，一般傳動取1—1.1，重要傳動取1.25—1.6，本次設計取為1.5 --------接觸疲勞強度壽命系數(shù) 由圖4-5可以查出 在查詢之前先計算應力循環(huán)次數(shù)： （4-6） a--------齒輪每轉一圈時，齒輪同一側的嚙合次數(shù) n--------齒輪轉速r/min t--------齒輪總的工作小時數(shù) h 取a＝2， 經第一級減速后第二級得太陽輪轉速n＝545.45， 工作壽命取為20年，每年360天，每天工作8小時，計算后有t＝57600h 帶入公式（4-6）中計算有N＝3.8×109 查圖4-5 疲勞強度壽命系數(shù)圖可得 =0.89 圖4-5接觸疲勞壽命系數(shù)圖 由公式（4-5）可以計算出＝890MPa 由公式（4-4）可以計算出 ＝669.73MPa < 符合要求 2） 齒根彎曲疲勞強度計算 齒根彎曲疲勞強度計算針對輪齒折斷失效。 計算公式 （4-7） (4-8) 參數(shù)說明： K-------過載系數(shù) K＝1 T-------輸入力矩 T＝4.851 b-------齒寬 b＝15 m--------模數(shù) m＝0.8 Z1-------太陽輪齒數(shù) Z1＝20 ------外齒輪齒形系數(shù) 由圖4-6查可查出＝2.72 圖4-6 外齒輪齒形系數(shù) -------應力修正系數(shù) 由圖4-7可查處＝1.56 圖4-7 外齒輪應力修正系數(shù) ---------許用應力 ---------實驗齒輪的齒根彎曲疲勞極限 由圖4-8可查出 ＝920MPa 圖4-8實驗齒輪的齒根彎曲疲勞極限 ---------彎曲疲勞強度的最小安全系數(shù)，一般傳動取1.25，重要傳動取1.6---2，本次設計取1.8 -----------彎曲疲勞強度的壽命系數(shù)，根據(jù)應力循環(huán)次數(shù)由圖4-9可以查出。應力循環(huán)次數(shù)在上面已經計算過N＝3.8×109 圖4-9 彎曲疲勞強度壽命系數(shù)圖 由公式（4-8）計算＝434.4MPa 由公式（4-7）計算＝107.918MPa < 符合條件 4.2傳動錐齒輪設計 4.2.1外形尺寸設計 在助力部分和轉向軸的銜接處，由于運動的傳遞方向改變了90°，因此要用到錐齒輪，錐齒輪傳動比為2，在傳動中也起到了減速增矩的作用。 1） 錐齒輪正確嚙合的條件 2）連續(xù)傳動條件 直齒錐齒輪連續(xù)傳動的條件為重合度大于1。重合度按其當量直齒圓柱齒輪傳動的重合度計算。 3） 傳動比 （4-9） 當交角 時 （4-10） 4） 齒數(shù)計算 由于＝2， ＝64° ＝26° m＝0.9 Z1＝60 Z2＝2 Z1＝120 ＝54，＝108 5） 幾何尺寸計算表 名稱 代號 計算公式 模數(shù) m 以大端模數(shù)為準，取標準值0.9 傳動比 i 分度圓錐角 δ 分度圓直徑 d 齒頂高 齒根高 全齒高 h 頂隙 c 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 錐距 R 齒寬 b 16 表4-3 錐齒輪參數(shù)計算表 計算結果如下表 1 2 m 0.9 0.9 δ 26° 64° d 54 108 0.9 0.9 1.08 1.08 h 1.98 1.98 c 0.18 0.18 55.618 108.79 52.058 107.053 R 55.596 b 16 16 表4-4錐齒輪計算結果表 4.2.2錐齒輪校核 由于直齒圓錐齒輪沿齒寬方向截面大小不等，故強度計算比較復雜。為了簡化，近視認為一對直齒圓錐齒輪傳動與其齒寬中點處的一對當量直齒圓柱齒輪傳動強度相等，這對當量直齒圓柱齒輪的分度圓半徑為兩錐齒輪齒寬中點處背錐母線長度，模數(shù)為齒寬中點模數(shù)，齒寬與錐齒輪的齒寬相等。 1） 齒面接觸疲勞強度計算公式 （4-11） K-------載荷系數(shù)，一般取1.2—1.8。本次設計取K＝1.5 ------小齒輪大端分度圓直徑 u-------齒數(shù)比 u＝2 b-------齒寬 b＝16 -----齒寬系數(shù) ＝0.3 T------輸入轉矩 T＝26.42Nm ---許用應力，根據(jù)直齒圓柱齒輪的許用應力的計算方法 材料采用滲碳合金鋼，并且保證一定的滲碳層厚度，查圖4－4得到＝1650MPa， ?。?.5 接觸疲勞壽命系數(shù)查圖4-5有＝0.89，其中應力循環(huán)次數(shù)與上面設計的圓柱齒輪相同。 計算有： ＝979MPa ＝777.41MPa< 疲勞強度符合要求。 2）