1、哈尔滨理工大学学士学位论文- I -齿轮齿条式转向器设计摘 要该设计在对齿轮齿条式转向器的结构及工作原理进行分析的基础上，完成齿轮齿条动力总成的设计。包括齿轮齿条式转向器、转向助力装置、动力缸、转向控制阀总成及齿轮、齿条、动力缸等零件的设计，同时还进行了相关校核工作。经校核计算及理论分析，该齿轮齿条式转向器动力总成能够满足相关规范及工作要求。对于只用前桥转向的三轴汽车，由于中轮和后轮的轴线总是平行的，故不存在理想的转向中心。计算转弯半径时，可以用一根与中、后轮轴线等距离的平行线作为假想的与原三轴汽车相当的双轴汽车的后轮轴线。对于用第一、第三两车桥转向的三轴汽车，可以第二桥车轮轴线为基线，分别利
2、用上式求出第一桥和第三桥两侧车轮偏转角之间的理想关系式，作为设计上述两车桥的转向梯形的依据。动力转向系除具有以上三大部件外，其最主要的动力来源是转向助力装置。由于转向助力装置最常用的是一套液压系统，因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐，它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电机和地线的作用 1。关键词：转向器；齿轮齿条；设计哈尔滨理工大学学士学位论文- II -AbstractThe steering assembly with rack and pinion was designed based on the analyse of the structure and working
3、 principle of steering gear.The design included some assemblys,suah as steering gear,power steering gear,steering control valve.The design included some element too,such as rack,pinion,power steering cylinder,verifications were done at the same time.The steering gear could work and meet the related
4、standards.Mechanical steering system is the energy source of manpower, all-edge pieces are mechanical, to manipulation by the institutions (steering wheel), the steering gear, transmission mechanism to three major components. Redirector is the manipulation of the rotary motion into linear motion dri
5、ve mechanism (strictly speaking is similar to linear motion), is the shift of the core components.Power steering in addition to these three components, its main power source is the power steering device. The power steering devices most commonly used is a hydraulic system, and there is inseparable fr
6、om the pump, tubing, valves, piston and storage tanks, each equivalent circuit system of batteries, wires, switches, motors and the role of ground.Redirector (also often called to the machine), is completed by the otary motion to linear motion (or approximate linear motion), a group of gears, but ls
7、o to a slowdown in the transmission of the device. History, there have been various forms of redirector Xu, a more commonly used rack-and worm that crank pins, recycling the ball - rack-tooth fans, circulating that the ball crank the first and the third form of the deformation, and worm wheel is a r
8、are even.Key words：Steering gearrack ； pinion；design 哈尔滨理工大学学士学位论文- III -目 录摘要IAbstract .II第 1 章 绪论 11.1 引言 .11.2 齿轮齿条式动力转向器的工作原理 .41.2.1 齿轮齿条转向器工作原理 41.2.2 动力转向系统的工作原理 4第 2 章 转向器的整体结构设计方案 82.1 动力转向器的整体结构及附属机构 .82.2 转向器结构方案分析 .102.3 液压动力转向特点分析 .102.3.1 液压动力转向系统 132.3.2 常流式液压动力转向系统 132.3.3 常流式液压助力转向系
9、统的结构布置方案 142.3.4 转向油罐与转向油泵 16第 3 章 转向器结构方案的确定和具体设计 203.1 转向器结构确定 .203.1.1 阿克曼几何学 203.1.2 最小转弯半径 minR213.1.3 转向系的效率 223.1.4 转向系的角传动比与力传动比 233.2 齿轮齿条传动副设计 .253.2.1 变传动比齿轮齿条的原理分析 253.2.2 斜齿圆柱齿轮的设计 263.2.3 传动副传动方案的设计 273.2.4 齿条的设计 273.3 动力缸结构设计 .283.3.1 作用力的计算 283.3.2 动力缸尺寸计算 29结 论 31致 谢 32参考文献 33附 录 34
10、哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -全套图纸，加 153893706哈尔滨理工大学学士学位论文1第 1 章 绪论1.1 引言汽车行驶时要经常改变行驶方向，这就需要有一套能够按照驾驶需要使汽车转向的机构，它将司机转动方向盘的动作转变为车轮（通常是前轮）的偏转动作。这套机构就是汽车的转向系。转向系通过对左、右车轮不同转角的合理匹配来保证汽车沿着设想的轨迹运动 3。按转向力能源的不同，可将转向系分为机械转向系和动力转向系。机械转向系的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，由转向操纵机构（方向盘） 、转向器、转向传动机构三大部分组成。其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动（严格讲是
11、近似直线运动）的机构，是转向系的核心部件。动力转向系除具有以上三大部件外，其最主要的动力来源是转向助力装置。由于转向助力装置最常用的是一套液压系统，因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐，它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电机和地线的作用 1。转向器（也常称为转向机） ，是完成由旋转运动到直线运动（或近似直线运动）的一组齿轮机构，同时也是转向系中的减速传动装置。历史上曾出现过许多种形式的转向器，目前较常用的有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球齿条齿扇式、循环球曲柄指销式、蜗杆滚轮式等。其中第二、第四种分别是第一、第三种的变形形式，而蜗杆滚轮式则更是少见 2。齿轮齿条传动方式的最大特
12、点是刚性大，结构紧凑重量轻，且成本低。由于这种方式容易由车轮将反作用力传至转向盘，所以具有对路面状态反应灵敏的优点，但同时也容易产生打手和摆振等现象。齿轮与齿条直接啮合，将齿轮的旋转运动转化为齿条的直线运动，使转向拉杆横向拉动车轮产生偏转。齿轮并非单纯的平齿轮，而是特殊的螺旋形状，这是为了尽量减小齿轮与齿条之间的啮合间隙，使转向盘的微小转动能够传递到车轮，提高操作的灵敏性，也就是我们通常所说的减小方向盘的旷量。不过齿轮啮合过紧也并非好事，它使得转动转向盘时的操作力过大，人会感到吃力。正是为了改善这些问题，才使动力式齿轮齿条转向器得到广泛应用 2。动力转向器是利用外部动力协助司机轻便操作转向盘的
13、装置。随着最近汽车发动机功率的增大和扁平轮胎的普遍使用，使车重和转向阻力都加大了，因此动力转向机构越来越普及。值得注意的是，转向助力不应是不变的，因为在高速行驶时，轮胎的横向阻力小，转向盘变得轻飘，很难捕捉路面的感觉，也容易造成转向过于灵敏而使汽车不易控制。所以在高速哈尔滨理工大学学士学位论文2时要适当减低动力，但这种变化必须平顺过度。汽车动力转向器均采用液压作动力源，液压式动力转向装置重量轻，结构紧凑，也无须润滑，油液的阻尼作用还可以吸收路面冲击力，有利于改善转向操作感觉，但液体流 量的增加会加重泵的负荷，需要保持怠速旋转的机构，并且产品结构复杂，对加工精度和密封的要求相对较高 1。目前，轿
14、车普遍采用的都是齿轮齿条式转向器，其基本组成如下图 1-1 所示。图 1-1 为桑塔纳轿车转向器组成图捷达轿车转向器的安装及布置如下图所示，其转向器通过两个 U 形支架和橡胶管支承并固定在副车架上，两个转向横拉杆分别通过球头销与转向齿条的两端相连。如下图 1-2 所示。哈尔滨理工大学学士学位论文3图 1-2 为捷达轿车转向器的安装及布置如下图有些轿车转向齿条的动力不是两端输出，而是中间输出，如下图 1-3所示。图 1-3 为中间输出的齿轮齿条式转向器哈尔滨理工大学学士学位论文41.2 齿轮齿条式动力转向器的工作原理齿轮齿条动力转向器主要是由齿轮齿条转向器工作原理和动力转向系统的工作原理等构成。
15、1.2.1 齿轮齿条转向器工作原理齿轮齿条式转向器中作为传动副主动件的转向齿轮安装在壳体中，与水平布置的转向齿条啮合。弹簧通过压块将齿条压靠在转向齿轮上，以保证无间隙啮合。弹簧的预紧力可用调整螺钉调整。工作时，转向齿条的中部与转向拉杆托架联接，转向左.右横拉杆与转向节臂相连。当转动转向盘时，转向齿轮转动，使与之啮合的转向齿条沿轴向移动，从而使左右横拉杆带动左右转向节转动，使转向轮偏转，实现汽车转向 6，如图 1-4 所示。图 1-4 为齿轮齿条转向器工作原理1机械转向器 2梯形臂 3转向轴 4转向器5转向器动力缸 6转向控制阀 7油泵 8油箱1.2.2 动力转向系统的工作原理动力转向系统是在机
16、械式转向系统的基础上加一套动力辅助装置组成的。如图 15 所示。哈尔滨理工大学学士学位论文5图 1-5 动力转向器工作原1油泵 2油流向控制阀 3软管 4控制阀 5.6管路 7动力缸8齿条活塞 9齿条轴 10软管 11储理油罐 12卸压阀转向油泵 1 安装在发动机上，由曲轴通过皮带驱动并向外输出液压油。储油罐 1 有进、出油管接头，通过油管分别与转向油泵和转向控制阀 4 联接。转向控制阀用以改变油路。机械转向器和缸体形成左右两个工作腔，它们分别通过油道和转向控制阀联接。 当汽车直线行驶时，转向控制阀 2 将转向油泵 1 泵出来的工作液与油罐相通，转向油泵处于卸荷状态，动力转向器不起助力作用。当
17、汽车需要向右转向时，驾驶员向右转动转向盘，转向控制阀将转向油泵泵出来的工作液与右腔接通，将左腔与油罐接通，在油压的作用下，活塞向下移动，通过传动结构使左、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 7。为了实现汽车智能化以及保护环境,实现汽车各个系统的全电动化(即所谓的 X2By2Wire,其中 X 代表转向、制动等)是必要的,这个过程被称为“第五次浪潮” 。然后再把所有系统的信息通过总线连接到一个中央控制器,这个中央控制器根据接收的信息判断汽车的运行状态,统一协调,控制汽车的运动而最终实现汽车的智能化。最终有可能把道路上行驶的汽车都连接到一个交通控制中心,由这个交通控制中心统一
18、指挥每辆汽车的运行,从而实现交通的智能化。做到这一点。后来,把电子技术引进了转向系统,由控制单元根据情况来控制电动机,驱动转向油泵运转,就形成了电子控制的液压助力转向系统(Electro2Hydraulic Power Steering,简称为 EHPS),它符合当代节能与环哈尔滨理工大学学士学位论文6保的要求,因为传统的液压助力转向系统中转向油泵不停地运转,但真正转向的时间却不多,这样存在很大的寄生损失;在 EHPS 中,正常转向时,驾驶员转向动作不快,其电动机可以低速运转;当需要快速转向时,电动机加速,以提供足够的液压油;不需要转向动作的时候,可以让电机停转或低速运转,从而大大节约能量。进
19、一步的发展就是电动助力转向系统(ElectricPower2Assisted Steering,简称为 EPAS)。转矩传感器 1 检测驾驶员作用在转向盘上的转矩,控制单元 2 根据转矩的大小以及其他信号(包括车速等)控制电动机 4 通过减速机构 3 驱动转向系统实现助力。在 1988 年 2 月,这种转向系统首先装在 Suzuki Corvo 上。由于线控转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连接,可以腾出空间以安装其他零部件,可以根据不同国家的法规需要,灵活地把转向盘由左置改为右置,反过来也一样。线控转向的概念早就提出,德国奔驰公司在 1990 年开始了前轮线控转向的研究;欧洲 Brite
20、2EuRam 涉及车辆安全相关的容错系统进行研究,并制作了线控转向的样机作为代表,证明这种概念的可行性;德国凯撒斯劳滕(Kaiserslautern)大学和奔驰公司联合开发的样机,在实验室的测试结果表明样机能够同时容许一个执行器(包括微机)故障和一个传感器故障;日本 Koyo 也开发了线控转向系统,但为了保证系统的安全,仍然保留了转向盘与转向轮之间的机械部分,但通过离合器连接,当线控转向失效时把离合器结合回复到机械转向。如图 16 所示。哈尔滨理工大学学士学位论文7图 1-6 为 mazda6 型轿车动力转向系统示意图哈尔滨理工大学学士学位论文8第 2 章 转向器的整体结构设计方案2.1 动力
21、转向器的整体结构及附属机构齿轮齿条式动力转向器由主动小齿轮、齿条活塞转向控制阀、动力缸体等部分组成，如图 2-1 所示。1 2 3 4 5图 2-1 齿轮齿条动力转向器示意图1活塞齿条 2活塞 3动力缸体 4转向控制阀 5主动齿轮（1）机械式齿轮齿条式转向器主要由小齿轮、齿条、消除间隙机构及壳体等组成其中小齿轮与齿条作无间隙啮合并形成齿轮齿条传动副。（2）动力转向装置机械转向器、转向分配阀、转向动力缸及软管等组成。转向分配阀是根据转向盘的操纵方向、转角范围与力矩大小来改变液压动力的传递路线与通道面积的大小，有滑阀式（阀以轴向移动来控制油路）与转阀式（阀以旋转来控制油路）之分，本设计选用转阀式控
22、制；转向动力缸是动力转向的加力机构，它借助于液压及活塞对机械转向器起助力作用 1。（3）转向分配阀、转向动力缸与机械转向器组合到一起成为一个整体的结构，称为整体式动力转向器。本设计主要是针对机械式齿轮齿条转向器部分进行设计，即齿轮齿条传动副的设计 8。2 个微控制器(C)和 2 个反馈转矩电动机组成具有容错功能的操纵装置,每个电动机提供一半的反馈转矩;当其中一个电动机失效后,另一个电动机就提供全部的转矩;转向控制单元也有 2 个微控制器组哈尔滨理工大学学士学位论文9成,具有容错功能;转向装置具有 3 个微控制器分别控制 3 个电动机驱动车轮转到需要的角度;此外转向系统中有多个传感器,也具有容错
23、功能。这 3个部分通过 TTP/C 总线进行通信,TTP/C 总线具有 2 条通道,从而也能够实现容错功能。汽车智能化一直是人们追求的目标,线控转向系统的转向控制单元可以接受汽车上其他传感器的信号,这样它就可以知道整个汽车的运动状态;当出现紧急或意外情况的时候,线控转向系统就能够在驾驶员做出反应之前开始采取相应的动作以避免意外事故的发生。当汽车以巡航速度在公路上行驶时,配合其他导航系统和识别系统,可以自动驾驶。为了实现汽车智能化以及保护环境,实现汽车各个系统的全电动化(即所谓的 X2By2Wire,其中 X 代表转向、制动等)是必要的,这个过程被称为“第五次浪潮” 。然后再把所有系统的信息通过
24、总线连接到一个中央控制器,这个中央控制器根据接收的信息判断汽车的运行状态,统一协调,控制汽车的运动而最终实现汽车的智能化。最终有可能把道路上行驶的汽车都连接到一个交通控制中心,由这个交通控制中心统一指挥每辆汽车的运行,从而实现交通的智能化。由于线控转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连接,可以腾出空间以安装其他零部件,可以根据不同国家的法规需要,灵活地把转向盘由左置改为右置,反过来也一样。线控转向的概念早就提出,德国奔驰公司在 1990 年开始了前轮线控转向的研究;欧洲 Brite2EuRam 涉及车辆安全相关的容错系统进行研究,并制作了线控转向的样机作为代表,证明这种概念的可行性;德国凯撒
25、斯劳滕(Kaiserslautern)大学和奔驰公司联合开发的样机,在实验室的测试结果表明样机能够同时容许一个执行器(包括微机)故障和一个传感器故障;日本 Koyo 也开发了线控转向系统,但为了保证系统的安全,仍然保留了转向盘与转向轮之间的机械部分,但通过离合器连接,当线控转向失效时把离合器结合回复到机械转向。在 2000 年 9 月的法兰克福卡车展览会上,奔驰与ZF 展示了自己的线控转向系统。此外美国的 Delphi 也开发了线控转向系统。2002 年 11 月在德国慕尼黑举行的 TTA 组织的论坛上,展出了 Audi S8的线控转向系统,道路识别系统将路线轨迹的信息通过 TTP 总线传给计
26、算机,计算机控制汽车的转向系统沿着道路行驶,驾驶员可以随时对线控转向系统进行纠正。现在,Hypercar、BMW、Daimler Chrysler 等公司把转向盘去掉,而在驾驶员身边放置一个操纵杆(即所谓的 Sidestick Steer2By2Wire),并在他们的概念车上进行试验,这样具有更多优点:(1)提高了安全性。首先,在汽车的正面碰撞中,转向盘、转向柱和踏板是造成驾驶员伤害的 3 个主要部件,取消了转向盘和转向柱自然就减少了由此造成的伤害;其次,使用操纵杆后就不需要前后调整座位,这样在设计车厢时就已经知道驾驶员的位置,设计就更具有针对性。同样由于安全哈尔滨理工大学学士学位论文10气囊
27、可以布置在仪表板上,安全气囊与驾驶员的距离增大,当撞车时,安全气囊就可以张得更大,增强了对驾驶员的保护。(2)降低成本。因为采用了操纵杆,省去了座位的调节装置,装配更加容易。线控转向要达到实用至少还存在以下 2 个问题: 一是硬件方面的原因,即什么时候生产出能够支持时间触发架构的电子产品,这些设备的可靠性如何,以及这些产品怎样与现在广泛采用的 CAN 产品共同工作,如何在保证转向系统安全性和可靠性的基础上降低成本也是一个重要问题;二是“软件”方面的原因,现行欧洲和中国标准出于可靠性和安全性的考虑,不允许采用线控转向系统,而且线控转向的采用也涉及事故的法律责任问题。如果采用操纵杆式的线控转向系统
28、,还涉及驾驶员的适应等问题。总之,线控转向系统在保持了传统的 EPAS 节能、环保等优点的基础上,克服了其固有的缺点,把转向系统又向前推进了一大步。线控转向系统的研制成功将为实现汽车智能化驾驶提供技术支持。2.2 转向器结构方案分析转向器主要由小齿轮、齿条、消除间隙机构及容纳上述各件的壳体等组成。其中小齿轮与齿条无间隙啮合并形成齿轮齿条传动副。工作时转向盘带动小齿轮作旋转运动，便推齿条作直线运动，在改变啮合副运动方向的同时增大了传动比。在齿条齿与小齿轮啮合处的背部，设置消除间隙机构。该机构由预紧弹簧、托座等零件组成，再齿轮与齿条之间因磨损出现间隙时能自动取消此间隙。为保证转向器据有良好的工作性
29、能，转向器的设计应尽量满足下列要求 9：（1）运动学上应保持转向轮转角和驾驶员转向盘的转角之间保持一定的比例关系，即随动作用；（2）在转小转向时作用在转向盘上的手力的同时，还应当有合适的“路感” ，即能及时地将地面对转向阻力的影响反映到转向盘上，使作用在转向盘上的手力随转向阻力的增大而增大；（3）工作安全可靠，即使一旦动力转向系统失灵，司机仍能够操纵转向盘使汽车转向；（4）密封性良好；（5）工作没有噪声和震动；（6）工作灵敏，转动转向盘后，系统内的压力很快能增长到最高值。哈尔滨理工大学学士学位论文112.3 液压动力转向特点分析液压式动力转向系统是以液体的压力作动力完成转向加力动作的，工作介质
30、多为油液。与气压式动力相比较，工作压力高。动力缸尺寸小、结构紧凑、质量小；由于油液具有不可压缩性，液压式灵敏度高、系统刚性好；油液的阻尼作用可以吸收路面冲击；助力装置也无须润滑。缺点是结构复杂，对加工精度和密封性要求高。汽车转向性能是汽车的主要性能之一,转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性,它对于确保车辆的安全行驶、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。为了提高转向性能,目前普遍采用了动力转向系统。液压助力转向系统是最早采用的动力转向系统形式,电子技术和电气技术的应用使得转向系统发生了革命性的变化,出现了电动液压助力转向系统、电动助力转向系统和线控电动转
31、向系统。电动助力转向系统能够满足当前节能与环保的要求,并给汽车的设计与制造带来了新的空间;目前又出现了研究线控电动转向系统的趋势,它是在转向盘和转向轮之间不再采用机械连接,彻底摆脱传统转向系统所固有的限制,在给驾驶员带来方便的同时也提高了汽车的安全性。传统的液压助力转向系统一般是由发动机驱动转向油泵提供液压油,由转向控制阀来控制液压油的作用以实现助力。但这种转向系统的助力特性与汽车的实际要求不一致,因为汽车不同速度行驶时对助力特性的要求不同,而传统的液压助力转向系统无法做到这一点。后来,把电子技术引进了转向系统,由控制单元根据情况来控制电动机,驱动转向油泵运转,就形成了电子控制的液压助力转向系
32、统(Electro2Hydraulic Power Steering,简称为 EHPS),它符合当代节能与环保的要求,因为传统的液压助力转向系统中转向油泵不停地运转,但真正转向的时间却不多,这样存在很大的寄生损失;在 EHPS 中,正常转向时,驾驶员转向动作不快,其电动机可以低速运转;当需要快速转向时,电动机加速,以提供足够的液压油;不需要转向动作的时候,可以让电机停转或低速运转,从而大大节约能量。进一步的发展就是电动助力转向系统(ElectricPower2Assisted Steering,简称为 EPAS)。转矩传感器 1 检测驾驶员作用在转向盘上的转矩,控制单元 2 根据转矩的大小以及
33、其他信号(包括车速等)控制电动机 4 通过减速机构 3 驱动转向系统实现助力。在 1988年 2 月,这种转向系统首先装在 Suzuki Corvo 上。近年来,EPAS 的开发已经在国内外形成一大热点,与传统的液压助力转向相比,它具有一系列的优点:(1)节能。试验表明,装有 EPAS 和机械转向系统的汽车油耗基本上没有差别。与传统的液压系统相比,在不转向情况下,装有 EPAS 的车辆燃油消耗降低了 215%,在使用转向情况下,降低了 55%。哈尔滨理工大学学士学位论文12(2)耐严寒。即使在-40的低温下,EPAS 也能够很好地工作,而传统的液压系统要等到液压油预热后才能正常工作,这也节省了
34、能量。(3)增强了随动性。在 EPAS 中,电动机产生助力转矩,通过适当的控制方法,可以消除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随动性能。(4)改善了回正特性。由于采用了微电子技术,利用软件控制电动机的动作,在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。从最低车速到最高车速,可得到一簇回正特性曲线,而传统的液压助力转向系统无法做到这一点。(5)提高了操纵稳定性。采用该方法,给正在高速行驶(100 km/h)的汽车一个过度的转角迫使它侧倾,在短时间的自回正过程中,由于采用了微电脑控制,使得汽车具有更高稳定性,驾驶员有更舒适的感觉。同时利用电机质量的惯性阻尼效应,可以使转向轴的颤动
35、和反冲降到最小。(6)有利于环保。首先,节能的本身就是环保;其次不使用液压油,避免了污染,采用电能作为能源,适应当前开发电动汽车的发展潮流;再次,重复利用率高,EPAS 中的 95%可以再回收利用,而传统的液压助力转向系统的回收利用率只有 85%;EPAS 还降低噪声,因为它没有转向油泵,而转向油泵是一个噪声源。(7)易于包装和装配。由于没有油泵、油管和发动机上的皮带轮,整个助力部分可以与转向柱或转向器做成一体,便于包装和装配;Fiat 公司生产的 Punto 采用了 Delphi 公司开发的 EPAS,装车时间减少了 80%左右;由于省去了装于发动机上皮带轮和油泵,留出的空间可以用于安装其他
36、部件。(8)易于维护与保养问题。EPAS 不象传统的液压助力转向系统存在软管漏油和油泵漏油等,实际上,液压油泵和软管的事故率占整个系统故障的53%;EPAS 具有自我诊断的功能,有助于维修。(9)易于调整。这包括两个方面:一是当车型变化时,对助力特性有不同的要求,EPAS 助力特性的调整在很大程度上可以通过软件实现,比如Delphi 的 EPAS 性能的调节可以现场进行,把笔记本电脑与 EPAS 的 ECU 相连,只需要 1 h 左右就可以完成调整工作;供应商的调整时间仅需要 7 d,因为转向控制阀的调整相当不容易。另一方面,EPAS 可以根据车辆的车速等运行状态,提供合理的效能指标。上述 P
37、unto 的 EPAS,提供了一个按钮,驾驶员可以根据情况进行选择,而传统的液压助力转向系统调整却相当不容易,需要数月。EPAS 的关键技术既有硬件方面也有软件方面,硬件是其骨架,软件是其灵魂。在硬件方面,高度可靠、价格便宜且精度又满足要求的转矩传感器是一项关键技术,因为在目前阶段,转矩传感器在各种 EPAS 中都是必须的,它不仅要在 EPAS 正常工作时能够准确测量驾驶员施加的转矩,而且在 EPAS 失效时也不因为驾驶员施加的转矩增大而损坏;另一项关键技术哈尔滨理工大学学士学位论文13就是提供助力的电动机,因为在不同的情况下转向盘的转动速度相差很大,电动机要能够实现助力,其转速范围也要很大,
38、响应快,而且在堵转时也要能够提供助力作用,对于大型的车辆,甚至要求电动机能够提供与转动方向相反的助力转矩。所以电动机也是限制 EPAS 在大型车辆上应用的主要原因之一。汽车采用动力转向以后，使汽车转向系统的转向性能有很大改进，如使用安全可靠、转向灵敏、操纵轻便、有道路感觉、能自动保持直线行驶、保证车轮自动回正、系统有良好的随动作用等 10。2.3.1 液压动力转向系统其特点是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，系统工作管路中总是保持高压。如图 22 所示。图 2-2 为常压式液压助力装置示意图2.3.2 常流式液压动力转向系统其特点是转向油泵始终处于工作状态，
39、但液压助力系统不工作时，基本处于空转状态。多数汽车都采用常流式液压助力转向系统。如图 23所示。哈尔滨理工大学学士学位论文14图 2-3 为常流式液压助力转向系统的结构布置方案示意图2.3.3 常流式液压助力转向系统的结构布置方案机械转向器和转向动力缸设计成一体，并与转向控制阀组装在一起，这种三合一的部件称为整体式动力转向器。另一种方案是只将转向控制阀同机械转向器组合成一个部件，该部件称为半整体式动力转向器，转向动力缸则做成独立部件 12。第三种方案是将机械转向器作为独立部件，而将转向控制阀和转向动力缸组合成一个部件，称为转向加力器。对于机械系统而言,可以通过精心设计来实现系统的安全性和可靠性
40、,就像机械转向系统和助力转向系统一样,线控转向系统中转向盘与转向轮之间的机械连接不再存在,完全依靠电子和电气元件来工作,需要采用容错措施。容错技术的实现主要依靠冗余,即所设计的系统在功能上或者数量上有一定的冗余,在某个零部件出现故障时,其冗余部分就承担起相应的功能。容错技术是近二三十年来发展起来的新技术,采用容错技术可以设计高度可靠性的产品,并且已经取得了一些应用成果,这也为线控转向系统的开发创造了条件。线控转向系统的容错技术的研究方法主要有基于硬件结构的研究方法和基于解析冗余度的研究方法;硬件结构的可以用硬件冗余或者智能结构来实现,而解析冗余度则主要采用重构容错控制方法和鲁棒容错控制方法实现
41、;其中硬件冗余、重构容错控制方法和鲁棒容错控制方法实现都依赖于冗余;重构容错控制方法以故障的检测与诊断为基础,在检测到故障后,根据系统状态与故障的哈尔滨理工大学学士学位论文15严重程度来调整控制规律和重新配置硬件的功能以完成要求的任务;鲁棒容错控制方法是使设计的系统对故障不敏感,它不需要在线故障监测与诊断,但是却需要更多的冗余。考虑到成本因素,不希望有太多的冗余,但二重冗余是最少的冗余结构,在二重冗余中只能够采用重构容错控制方法,这样故障检测与诊断是实现系统容错功能的一项关键技术;在其中一个部件发生故障后,用重构容错控制方法重构系统(包括重新调整控制方法和分配硬件功能)的过程中,如何实现性能的
42、平稳过渡而不至于让驾驶员感到明显不适也是一个值得研究的问题;对于发生暂时性故障的部件,如何在故障消除以后重新集成到系统中也很重要。为了实现系统的容错功能,控制单元必须时刻监控各个零部件的工作状态,因此系统内部的通信就显得尤为重要;但是经过研究发现,现在常用的采用事件触发的通信系统,如广泛采用的 CAN,VAN,AUTOLAN 等等都不能够满足高度安全性的要求,而采用时间触发可以较好满足这个要求,这也是线控转向系统的另一项关键技术。时间触发系统和事件触发系统的工作原理大不相同。对时间触发系统来说,控制信号起源于时间进程;而在事件触发系统中,控制信号起源于事件的发生。时间触发通信具有较高的可预测性
43、和较为简便的及时测试功能。时间触发通信协议的典型代表是时间触发协议(Time2Triggered Protocol,简称 TTP),建立在这种协议基础之上的计算机架构称为时间触发架构(Time2Trig2gered Architecture,简称 TTA)。TTP 是一种用于分布式实时容错系统中电子模块之间进行实时通信的协议,TTP/C 的最初目的是为了满足 SAE 对 C 类电子应用的要求,现在的协议是针对与汽车、航天的电子设备以及工业控制的分布式容错系统。它的基本工作原理是基于时分多址的总线访问策略,即每一个节点都被分配了一个时间片,在这个时间片内,这个节点具有对总线的独占权,以发送消息。
44、在时间片 S1 内,节点 1 占用总线,发送消息,而节点 2、3 无权利用总线发送消息,只能接收消息。同理在时间片 S2、S3 内,节点 2、3 分别占用总线,发送消息。这样就能够保证在任一个节点发生故障时,其信息会及时发出而得到相应的处理。使汽车转向系统的转向性能有很大改进，如使用安全可靠、转向灵敏、操纵轻便、有道路感觉、能自动保持直线行驶、保证车轮自动回正、系统有良好的随动作用等。如图 24 所示。哈尔滨理工大学学士学位论文16图 2-4 为桑塔纳 2000 轿车整体式动力转向系油路简图2.3.4 转向油罐与转向油泵转向油罐和油泵是实现动力转向的必备部件，桑塔纳 2000 轿车的布置如下图
45、 2-5 所示。图 2-5 桑塔纳 2000 轿车的动力转向系布置示意图哈尔滨理工大学学士学位论文17转向油罐的作用是储存、滤清并冷却液压助力转向系统的工作油液。如下图 2-6 所示。图 2-6 为转向油罐示意图转向油泵是液压助力转向系统的供能装置，其作用是将输入的机械能转换为液压能输出。转向油泵的结构形式有齿轮式、叶片式、转子式、柱塞式等，其中外啮合齿轮式转向油泵应用最多 13。对于机械系统而言,可以通过精心设计来实现系统的安全性和可靠性,就像机械转向系统和助力转向系统一样,线控转向系统中转向盘与转向轮之间的机械连接不再存在,完全依靠电子和电气元件来工作,需要采用容错措施。容错技术的实现主要
46、依靠冗余,即所设计的系统在功能上或者数量上有一定的冗余,在某个零部件出现故障时,其冗余部分就承担起相应的功能。容错技术是近二三十年来发展起来的新技术,采用容错技术可以设计高度可靠性的产品,并且已经取得了一些应用成果,这也为线控转向系统的开发创造了条件。线控转向系统的容错技术的研究方法主要有基于硬件结构的研究方法和基于解析冗余度的研究方法;硬件结构的可以用硬件冗余或者智能结构来实现,而解析冗余度则主要采用重构容错控制方法和鲁棒容错控制方法实现;其中硬件冗余、重构容错控制方法和鲁棒容错控制方法实现都依赖于冗余;重构容错控制方法以故障的检测与诊断为基础,在检测到故障后,根据系统状态与故障的严重程度来
47、调整控制规律和重新配置哈尔滨理工大学学士学位论文18硬件的功能以完成要求的任务;鲁棒容错控制方法是使设计的系统对故障不敏感,它不需要在线故障监测与诊断,但是却需要更多的冗余。考虑到成本因素,不希望有太多的冗余,但二重冗余是最少的冗余结构,在二重冗余中只能够采用重构容错控制方法,这样故障检测与诊断是实现系统容错功能的一项关键技术;在其中一个部件发生故障后,用重构容错控制方法重构系统(包括重新调整控制方法和分配硬件功能)的过程中,如何实现性能的平稳过渡而不至于让驾驶员感到明显不适也是一个值得研究的问题;对于发生暂时性故障的部件,如何在故障消除以后重新集成到系统中也很重要。为了实现系统的容错功能,控
48、制单元必须时刻监控各个零部件的工作状态,因此系统内部的通信就显得尤为重要;但是经过研究发现,现在常用的采用事件触发的通信系统,如广泛采用的 CAN,VAN,AUTOLAN 等等都不能够满足高度安全性的要求,而采用时间触发可以较好满足这个要求,这也是线控转向系统的另一项关键技术。时间触发系统和事件触发系统的工作原理大不相同。对时间触发系统来说,控制信号起源于时间进程;而在事件触发系统中,控制信号起源于事件的发生。时间触发通信具有较高的可预测性和较为简便的及时测试功能。时间触发通信协议的典型代表是时间触发协议(Time2Triggered Protocol,简称 TTP),建立在这种协议基础之上的
49、计算机架构称为时间触发架构(Time2Trig2gered Architecture,简称 TTA)。TTP 是一种用于分布式实时容错系统中电子模块之间进行实时通信的协议,TTP/C 的最初目的是为了满足 SAE 对 C 类电子应用的要求,现在的协议是针对与汽车、航天的电子设备以及工业控制的分布式容错系统。它的基本工作原理是基于时分多址的总线访问策略,即每一个节点都被分配了一个时间片,在这个时间片内,这个节点具有对总线的独占权,以发送消息。在时间片 S1 内,节点 1 占用总线,发送消息,而节点 2、3 无权利用总线发送消息,只能接收消息。同理在时间片 S2、S3 内,节点 2、3 分别占用总线,发送消息。这样就能够保证在任一个节点发生故障时,其信息会及时发出而得到相应的处理。除了 TTP/C 外,FlexRay 是另一种新的更具有灵活性的通信协议,它也是采用了时间触发的通信方式。这包括两个方面:一是当车型变化时,对助力特性有不同的要求,EPAS助力特性的调整在很大程度上可以通过软件实现,比如 Delphi 的 EPAS 性能的调节可以现场进行,把笔记本电脑与 EPAS 的 ECU 相连,
