摘 要

转向系统是车辆中与驾驶员直接联系的操纵系统，驾驶员的驾驶体验与车辆的主动安全与该系统的操控性息息相关。电控化已经是转向系统的必然方向。电动助力转向系统的核心在于助力电机及其控制系统，电机的发展对EPS系统的普及有着重大的推进作用，电机的种类多种多样，无刷直流电机在EPS领域有着极大的优势。本文主要对EPS电动助力转向系统工作原理简要阐述、系统选型、基于无刷直流电机（BLDCM）对电动助力转向系统的助力电机及其减速机构进行匹配设计，对蜗轮蜗杆进行详细计算校核以及对壳体进行简单的Ansys仿真分析及优化设计。

关键词：电动助力转向；无刷电机；减速机构设计；壳体仿真

Abstract

Steering system is a direct contact between the vehicle and the pilot system, the driver's driving experience and the vehicle's active safety is closely related to the control of the system. Electronic control is the inevitable direction of the steering system. The core of the electric power steering system lies in the booster motor and its control system, the development of the motor has a significant propulsive effect on the popularization of EPS system, the types of motor are various, and the brushless DC motor has a great advantage in the field of EPs. This paper mainly introduces the working principle of EPS electric power steering system, the system selection, the matching design of the electric power steering system based on brushless DC Motor (BLDCM), the detailed calculation and check of worm gear and the simple ANSYS simulation analysis and optimization design of the shell.

Key Words：Electric Power Steering system ；BLDC；Design of deceleration mechanism ；Simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 转向系统的发展历史 1

1.2 EPS电动助力转向系统的意义 1

第2章 EPS系统及助力电机的选型 3

2.1 EPS电动助力转向的选型 3

2.1.1电动助力转向系统的工作原理 3

2.1.2系统的结构分析及选型 3

2.2 助力电机的分类与选型 3

2.2.1助力电机的发展历史 3

2.2.2助力电机的分类及选型 4

第3章 转向系统参数设计 5

3.1 转向系统基本参数设计 5

3.2 助力电机的选择 6

3.3 减速机构选型与参数设计 7

3.3.1蜗轮蜗杆材料的选择 7

3.3.2设计要求 7

3.3.3蜗轮蜗杆参数设计 7

3.3.4蜗轮齿根弯曲强度校核 9

3.3.5润滑方式选择 11

第4章 蜗杆轴结构设计与校核 12

4.1蜗杆轴结构设计 12

4.2蜗杆轴校核 13

4.3蜗杆轴承选型 14

4.4蜗杆轴承校核 14

第5章 转向轴部分设计 17

5.1轴径的初步估算 17

5.2扭杆结构设计 17

5.2.1扭杆基本结构参数设计 18

5.2.2扭杆销选择及抗剪强度校核 18

5.3 输入轴结构设计与部分校核 19

5.3.1输入轴结构设计 19

5.3.2输入轴花键强度校核 19

第6章 壳体简单仿真及优化 21

结 论 24

参考文献 25

附 录A 26

附A1：蜗轮蜗杆参数计算编程 26

附A2：电机助力随驾驶员手力变化曲线编程 26

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 转向系统的发展历史

转向系统的起源历史悠久，最早应用于四轮马车，比汽车的存在历史还要久远很多，在以马为动力的车辆上，前和后对轮子通常安装在简单的梁轴上。前轴围绕垂直轴线在其中心枢转，并且附接到马牵引的轴上。因此，通过在绳上的拉动来促使马沿所需方向转动来实现转向。在非常早期的机动车辆上，最初使用相同的枢转轴，通常具有用于手动转向的某种形式的舵柄。然而，这种布置是不稳定的很容易发生危险，因为在其轴中的马提供了稳定力矩。许多技术解决方案被尝试过，现代车辆上使用的阿克曼转向梯形机构很快被采用。这允许两个前轮围绕它们自己的单独的轴线枢转，并且用于内轮比外轮更多地转动，使得两个轮具有共同的转动中心。机构的几何布置包括一定程度的后倾角，其使得轮倾向于自然地返回到中央或直线向前位置，从而使系统定向稳定。

舵杆很快就让位给方向盘，并且使用各种机构将转向连杆连接到方向盘。 几十年来整体机制几乎没有变化，并且在引入动力转向之前没有发生重大进展。 动力转向的初步形式在19世纪被用于蒸汽驱动的车辆，但是直到第二次世界大战之后，它在家用车上才变得很普通，作为1951年克莱斯勒皇冠帝国的标准特征出现。 四轮转向现在可以在一些车型看到，但这仍然是一个不寻常的布置^[1]。

总体来讲，转向系统的发展可以概括为以下五个阶段：(1) 机械转向系统（MS）；(2) 液压助力转向系统（HPS）；(3)电液助力转向系统（EHPS）；(4) 电动助力转向系统（EPS）；(5)线控助力转向系统（SBW）。转向系统的发展是不断趋于智能环保的过程，是不断提高驾驶员操作体验的过程，是顺应底盘电控化的过程。目前电动助力转向已经广泛应用于乘用类车辆，线控助力以及四轮转向在一些概念车型和少数高端车型中也有应用^[2]。

1.2 EPS电动助力转向系统的意义

EPS 主要由扭矩传感器、VS、ECU、电动机和减速机构组成^[7]。系统能耗低、结构简单、有利于转向系统的通用开发近年来被广泛应用于乘用车辆，EPS系统减少了液压系统，更是巧妙地解决了传统HPS的液压油泄露问题，它还有利于底盘电控化的发展，对提高驾驶体验及车辆安全性能有着重要意义^[4]。相比传统机械转向和液压转向，EPS有着其得天独厚的优势，相比线控四轮转向，EPS在控制系统方面更简单，成本优势明显。正是由于EPS的在现代车辆上的重要意义，我国将其与ABS、电动空调作为新能源汽车发展的“小三电”，这更加凸显了政府对EPS的重视以及其重要地位。

第2章 EPS系统及助力电机的选型