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汽车电动助力转向特性分析摘要：汽车电动助力转向系统(Electric Power Steering System简称EPS)是近年来发展起来的种新型动力转向系统，具有节能、质量轻、安全、环保等一系列优点，正逐步取代传统的液压助力转向系统，成为未来汽车转向系统的发展方向，其出现并迅速成为世界汽车技术研究的热点。
汽车转向系统的发展经历了从简单的纯机械转向系统、液压助力转向系统，电控液压助力转向系统，到更为节能、操纵性能更好的电动助力转向系统这几个阶段。
本文论述了EPS的特点、工作原理、结构组成、国内外的研究现状，通过对EPS各组成部分和汽车转向系统的分析出了EPS性能评价指标，并对三种助力特性曲线的特点进行了分析和比较。
EPS系统作为今后汽车转向系统的发展方向，这给EPS带来了更加广阔的应用前景。
关键词：电动助力转向；特性；发展Electric Power Steering Characteristics were AnalyzedAbstract ：EPS is a new type of automobile steering system，which has the advantages of saving fuel，light，safety and producing less pollution. EPS is taking the place of HPS gradually and becoming the trend of steering system. It is rapidly become the hotspots in the research of automobile technology of the world.The developing process of steering system has experienced several phases from the simple Mechanical Steering System, Mechanical-Hydraulic Steering System to Electric-Hydraulic Steering System，till the Electric Power Steering System(EPS) with lower energy consumption and higher performance.The article discusses the characteristics of EPS，working principle，composition and the research status of domestic and abroad. Through the analysis of components of EPS system and the steering system, then the state function of the combination system model was deduced and the model for simulation was built in this paper. Given the EPS performance evaluation，analysis and compare the three types of assist characteristic，and then design a new type of assist curve in order to reduce the steering force which based on the parameters of a certain type of car. EPS has a great use in future.Keyword: Electric power steering Characteristic Development目录1 绪论 (1)1.1研究的目的和意义 (1)1.2国内外发展状况 (3)1.2.1国外发展状况 (3)1.2.2 国内发展状况 (4)2转向系统的概述 (6)2.1转向系统的发展过程 (6)2.1.1机械式转向系统 (6)2.1.2液压式助力转向系统(HPS) (7)2.1.3电液式助力转向系统(EHPS) (8)2.2电动助力转向系统 (10)2.2.1电动助力转向系统的结构 (10)2.2.2电动助力转向系统的工作原理 (11)2.2.3电动助力转向系统的类型 (13)2.2.4电动助力转向的关键技术 (14)2.2.5电动助力转向系统的优点 (15)3 电动助力转向系统受力与性能分析 (17)3.1电动助力转向系统受力 (17)3.2 理想转向盘力矩的研究 (18)3.3电动助力转向系统性能的主要评价指标 (19)3.3.1 转向回正能力评价 (19)3.3.2 转向轻便性评价 (19)3.3.3 转向盘中间位置操纵稳定性评价 (20)3.3.4 转向盘振动评价 (20)3.3.5 转向路感及路感强度 (21)4 电动助力转向助力特性研究 (22)4.1助力特性曲线定义 (22)4.2转向助力特性曲线设计概述 (22)4.3电动助力特性曲线类型 (23)4.3.1直线型 (24)4.3.2折线型 (25)4.3.3曲线型 (25)4.4不同助力特性曲线参数的影响 (26)5 结论与发展 (29)5.1结论 (29)5.2发展 (29)参考文献 (30)1绪论随着我国经济的持续发展，人民生活水平不断提高，汽车渐渐走入人们生活中，成为现代步伐的工具，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。
转向性能的名词解释转向性能是指车辆执行转向操作时所表现出的各项性能指标。
它是评估车辆操控性能和安全性能的重要标准之一。
良好的转向性能是保证车辆行驶稳定性和操控响应性的关键因素之一。
一、导言车辆的转向性能对于驾驶者而言非常重要。
它直接影响了车辆在转弯、躲避障碍物和紧急情况下的稳定性和响应能力。
因此，了解和理解转向性能对于驾驶者和汽车制造商都非常关键。
二、操控稳定性操控稳定性是转向性能的一个重要方面。
它主要表现为在高速行驶和紧急变道等情况下，车辆的稳定性和可控性。
优秀的操控稳定性意味着车辆能够准确地执行驾驶者的指令，同时保持车辆的平衡和稳定。
这种稳定性不仅影响驾驶者的行驶舒适感，还直接关系到行车安全。
通过先进的悬挂系统和动态稳定控制系统，车辆可以获得更好的操控稳定性。
三、转向灵敏度转向灵敏度是指驾驶者转动方向盘时，车辆执行转向操作的速度和程度。
一个理想的转向灵敏度是指车辆能够以快速、精确的方式响应驾驶者的转向指令。
然而，并非所有车辆的转向灵敏度都相同。
某些车辆可能需要更大的转向角度才能实现同样的转弯半径，而其他一些车辆则具备更敏锐的转向反应。
对于普通驾驶者来说，适度的转向灵敏度更受欢迎，因为它可以更好地与驾驶者的操作匹配，提供更好的操控体验。
四、回正能力回正能力是车辆完成转向操作后自动返回直线行驶状态的能力。
良好的回正能力意味着车辆能够迅速回到原始的行驶方向，而不需要驾驶者过多的修正。
这对于长时间连续转向操作非常重要，例如在高速公路上长时间保持车道时。
强大的回正能力既可以提高操控稳定性，又可以减轻驾驶者的驾驶负担。
五、转弯半径转弯半径是指车辆转弯时所形成的半径。
它取决于车辆的转向性能和悬挂系统的设计。
较小的转弯半径可以使车辆更容易穿越狭窄的弯道或转弯空间。
车辆的转弯半径还与车辆类型和尺寸有关。
越大的车辆通常具有较大的转弯半径，而小型车辆则更容易实现更小的转弯半径。
六、操纵力度操纵力度指的是驾驶者在转动方向盘时所需的力量。
汽车操纵稳定性的研究与评价随着汽车工业的不断发展，汽车性能得到了显著提升。
汽车操纵稳定性作为衡量汽车性能的重要指标之一，直接影响着驾驶者的操控感受和行车安全。
因此，对汽车操纵稳定性进行深入研究，提高其评价水平，对于提升汽车产品竞争力具有重要意义。
汽车操纵稳定性研究主要涉及车辆动力学、控制理论、机械系统等多个领域，其目的是在各种行驶条件下，保证汽车具有良好的操控性能和稳定性。
然而，目前汽车操纵稳定性研究仍存在一定的问题，如评价标准不统测试条件不完善等，制约了其发展。
汽车操纵稳定性对于保证驾驶安全具有重要意义。
在行驶过程中，车辆受到外部干扰或自身惯性力的影响，容易导致车身失稳，从而引发交通事故。
良好的汽车操纵稳定性通过有效抑制车身晃动、调整轮胎磨损，为驾驶者提供稳定的操控感，降低交通事故风险。
影响汽车操纵稳定性的因素主要包括以下几个方面：（1）车辆动力学性能：车辆的加速、减速、转弯等动力学性能直接影响驾驶者的操控感受和行车安全。
（2）轮胎性能：轮胎的抓地力、摩擦系数等性能对车辆的操控性和稳定性具有重要影响。
（3）悬挂系统：悬挂系统的设计直接影响车辆的侧倾、振动等特性，从而影响操纵稳定性。
（4）驾驶者的操控技巧：驾驶者的预判、反应速度、操控技巧等直接影响车辆的操纵稳定性。
为提高汽车操纵稳定性，需要采取相应的控制策略。
其中，最重要的是采取主动控制策略，包括：（1）防抱死制动系统（ABS）：通过调节制动压力，防止轮胎抱死，提高制动过程中的稳定性。
（2）电子稳定系统（ESP）：通过传感器实时监测车辆状态，对过度转向或不足转向进行纠正，保证车辆稳定行驶。
（3）四轮驱动（4WD）：通过将驱动力分配到四个轮胎上，提高车辆的加速性能和操控稳定性。
汽车操纵稳定性的评价主要从以下几个方面进行：（1）侧向稳定性：评价车辆在侧向受力情况下的稳定性。
（2）纵向稳定性：评价车辆在纵向受力情况下的稳定性。
（3）横向稳定性：评价车辆在横向受力情况下的稳定性。
汽车操纵稳定性实验指导书(总10页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--汽车操纵稳定性实验指导书课程编号：课程名称：实验一汽车转向轻便性实验一、实验目的汽车的转向轻便性和操纵稳定性是现代汽车重要的使用性能，通过对实验了解和掌握测试系统的安装调试、基本实验方法并学会数据处理和运用理论知识对汽车操纵稳定性研究、评价。
以培养学生解决实际工程问题的能力。
二、实验的主要内容了解测试系统的组成和测试原理，汽车转向轻便性实验的数据的实时采集和处理。
测定汽车在低速大转角时的转向轻便性，与操纵稳定性其他试验项目一起，共同评价汽车的操纵稳定性。
采集测量变量及参数方向盘转角；方向盘力矩；方向盘直径。
三、实验设备和工具1．测量仪器汽车方向盘转角——力矩传感器汽车操纵稳定性数据采集和分析仪2．实验车辆小型客车一辆3．标明试验路径的标桩16个。
四、实验原理测定汽车在道路上进行转向行驶时，驾驶员作用在方向盘上的力矩和方向盘转角的变化关系评价汽车的转向操纵性能五、验方法和步骤1．实验准备试验场地应为干燥、平坦而清洁的水泥或柏油路面。
任意方向上的坡度不大于2％。
在试验场地上，用明显颜色画出双纽线路径（图1），双纽线轨迹的极坐标方程为：轨迹上任意点的曲率半径R为：当Ψ=0°时，双纽线顶点的曲率半径为最小值，即双纫线的最小曲率半径（m）应按试验汽车的最小转弯半径（m）乘以倍，并圆整到比此乘积大的一个整数来确定。
并据此画出双纽线，在双纽线最宽处、顶点和中点（即结点）的路径两侧共放置16个标桩（图1）。
标桩与试验路径中心线的距离，按汽车的轴距确：定，当试验汽车轴距大于时，为车宽一半加50cm，当试验汽车轴距小于或等于2m时，为车宽一半加30cm。
图1 双纽线路径示意图2．试验方法2．1接通仪器电源，使之预热到正常工作温度。
2．2汽车以低速直线滑行，驾驶员松开方向盘，停车后，记录方向盘中间位置及方向盘力矩零线。
转向系性能参数一、转向器的效率功率P 1从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率称为正效率，用符号η+表示，η+=(P 1—P 2)／P l ；反之称为逆效率，用符号η-表示，η- =(P 3—P 2)／P 3。
式中，P 2为转向器中的摩擦功率；P 3为作用在转向摇臂轴上的功率。
为了保证转向时驾驶员转动转向盘轻便，要求正效率高。
为了保证汽车转向后转向轮和转向盘能自动返回到直线行驶位置，又需要有一定的逆效率。
为了减轻在不平路面上行驶时驾驶员的疲劳，车轮与路面之间的作用力传至转向盘上要尽可能小，防止打手又要求此逆效率尽可能低。
1．转向器的正效率η+影响转向器正效率的因素有：转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等。
(1)转向器类型、结构特点与效率 在前述四种转向器中，齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高，而蜗杆指销式特别是固定销和蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显的低些。
同一类型转向器，因结构不同效率也不一样。
如蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支持轴之间的轴承可以选用滚针轴承、圆锥滚子轴承和球轴承等三种结构之一。
第一种结构除滚轮与滚针之间有摩擦损失外，滚轮侧翼与垫片之间还存在滑动摩擦损失，故这种转向器的效率ly+仅有54％。
另外两种结构的转向器效率，根据试验结果分别为70％和75％。
转向摇臂轴轴承的形式对效率也有影响，用滚针轴承比用滑动轴承可使正或逆效率提高约10％。
(2)转向器的结构参数与效率 如果忽略轴承和其它地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于蜗杆和螺杆类转向器，其效率可用下式计算)tan(tan 00ρααη+=+ （7--1） 式中，αo 为蜗杆(或螺杆)的螺线导程角；ρ为摩擦角，ρ=arctanf ；f 为摩擦因数。
2．转向器逆效率η-根据逆效率大小不同，转向器又有可逆式、极限可逆式和不可逆式之分。
路面作用在车轮上的力，经过转向系可大部分传递到转向盘，这种逆效率较高的转向器属于可逆式。
第五章 汽车转向系设计转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。
机械转向系依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转向器和转向传动机构使转向轮偏转。
有些汽车还装有防伤机构和转向减振器。
采用动力转向的汽车还装有动力系统，并借助此系统来减轻驾驶员的手力。
对转向系提出的要求有：1)汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。
任何车轮不应有侧滑。
不满足2)汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶。
3)汽车在任何行驶状态下，转向轮不得产生自振，转向盘没有摆动。
4)转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小。
5)保证汽车有较高的机动性6)操纵轻便。
具有迅速和小转弯行驶能力。
7)转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小。
8)转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。
9)在车祸中，当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。
10)进行运动校核，保证转向盘与转向轮转动方向一致。
正确设计转向梯形机构，可以使第一项要求得到保证。
转向系中设置有转向减振器时，能够防止转向轮产生自振，同时又能使传到转向盘上的反冲力明显降低。
为了使汽车具有良好的机动性能，必须使转向轮有尽可能大的转角，并要达到按前外轮车轮轨迹计算，其最小转弯半径能达到汽车轴距的2～2.5倍。
通常用转向时驾驶员作用在转向盘上的切向力大小和转向盘转动圈数多少两项指标来评价操纵轻便性。
没有装置动力转向的轿车，在行驶中转向，此力应为50～100N ；有动力转向时，此力在20～50N 。
当货车从直线行驶状态，以 10km ／h 速度在柏油或水泥的水平路段上转入沿半径为12m 的圆周行驶，且路面干燥，若转向系内没有装动力转向器，上述切向力不得超过250N ；有动力转向器时，不得超过120N 。
轿车转向盘从中间位置转到每一端的圈数不得超过2.0圈，货车则要求不超过3.0圈。
近年来，电动、电控动力转向器已得到较快发展，不久的将来可以转入商品装车使用。
电控动力转向可以实现在各种行驶条件下转动转向盘的力都轻便。
5.1转向系主要性能参数及对汽车操纵稳定性的影响转向系的主要性能有转向系的效率、转向系的角传动比与力传动比、转向器传动副的传动间隙特性、转向系的刚度以及转向盘的总转动圈数。
5.1.1转向系的效率转向系的效率0η由转向器的效率η和转向操纵及传动机构的效率'η决定，即 '0ηηη⋅=转向器的效率η又有正效率+η和−η之分。
转向摇臂轴输出的功率（21P P −）与转向轴输入功率1P 之比，称为转向器的正效率：121P P P −=+η 式中2P ——转向器的摩擦功率。
反之，即转向轴输出的功率（23P P −）与转向摇臂轴输入的功率3P 之比，称为转向器的逆效率：323P P P −=−η 正效率越大，转动转向轮时转向器的摩擦损失就愈小，转向操纵就愈容易。
转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等是影响转向器正效率的主要因素。
循环球式转向器的传动副为滚动摩擦，摩擦损失小，其正效率+η可达85％；螺杆指销式和螺杆滚轮式转向器的传动副存在较大滑动摩擦，效率较低。
对于蜗杆和螺杆类转向器，如果忽略轴承和其他地方的摩擦损失而只考虑啮合副的摩擦，则其正效率+η为)tan(tan 00ρααη+=+ （5－6） 式中0α——蜗杆或螺杆的螺线倒程角；ρ——摩擦角，f arctan =ρ；f ——摩擦系数。
逆效率表示转向器的可逆性。
根据逆效率值的大小，转向器又可分为可逆式、极限可逆式与不可逆式三种。
可逆式转向器的逆效率较高，这种转向器可将路面作用在转向轮上的大部分力传递到转向盘上，使司机的路感好。
在汽车转向后也能保证转向轮与方向盘的自动回正，使转向轮行驶稳定。
但在坏路面上，当转向轮上作用有侧向力时，转向轮受到的冲击大部分会传给转向盘，容易产生“打手”现象，同时转向轮容易产生摆振。
因此，可逆式转向器宜用在良好路面上形式的车辆。
循环球式和齿轮齿条式转向器均属于这一类。
不可逆式转向器不会将转向轮受到的冲击力传到转向盘上。
由于它既使司机没有路感，又不能保证转向轮的自动回正，现代汽车已经不再采用。
极限可逆式转向器介于上述两者之间。
其逆效率较低，适用于在坏路面上行驶的车辆。
当转向轮受到冲击力时，其中只有较小的一部分传给转向盘。
如果忽略轴承和其他地方的摩擦损失而只考虑啮合副的摩擦，则蜗杆和螺杆类转向器的逆效率为0tan )tan(αραη−=− （5－7）式中0α及ρ见式（5－6）下的说明。
由式（5－6）、（5－7）可见：增大倒程角0α不仅能提高正效率，也会提高逆效率，故0α不宜取得过大。
当0α≤ρ时，逆效率−η≤0，这时转向器为不可逆式。
因此应使min 0α≥ρ，通常螺线的倒程角取为8°～10°。
通常，由转向盘至转向轮的效率即转向系的正效率+0η的平均值为0.67～0.82；当向上述相反方向传递力时逆效率−0η的平均值为0.58～0.63。
转向操纵及传动机构的效率'η用于评价在这些机构中的摩擦损失，其中转向轮转向主销等的摩擦损失约为转向系总损失的40％～50％，而拉杆球销的摩擦损失约为转向系总损失的10％～15％。
5.1.2转向系的角传动比与力传动比5.1.2.1角传动比转向盘转角的增量ϕ∆与同侧转向节转角的相应增量θ∆之比，称为转向系的角传动比w i 0。
转向盘转角的增量ϕ∆与转向摇臂轴转角的相应增量β∆之比，称为转向器的角传动比w i 。
转向摇臂轴转角的增量β∆与同侧转向节转角的相应增量θ∆之比，称为转向传动机构的角传动比'w i 。
它们之间的关系为θϕθββϕ∆∆=∆∆⋅∆∆=⋅='0w w w i i i （5－8） βϕ∆∆=w i （5－9） θβ∆∆='w i （5－10） 式中w i 0——转向系的角传动比；w i ——转向器的角传动比；'wi ——转向传动机构的角传动比； ϕ∆——转向盘转角的增量；β∆——转向摇臂轴转角的增量；θ∆ ——同侧转向节转角的相应增量。
转向传动机构的布置，通常取其在中间位置时使转向摇臂及转向节臂均垂直于其转向纵拉杆，而在向右和向左转到底的位置时，应使转向摇臂与转向节臂分别与转向纵拉杆的交角相等。
这时，转向传动机构的角传动比亦可取为13'l l i w = （5－11） 式中1l ——转向摇臂长；3l ——转向节臂长。
现代汽车转向传动机构的角传动比多在0.85～1.1之间，即近似为1。
故研究转向系的角传动比时，为简化起见往往只研究转向器的角传动比及其变化规律即可。
5.1.2.2力传动比转向传动机构的力传动比'p i 等于转向车轮的转向阻力矩r T 与转向摇臂的力矩T 之比值。
'p i 与转向传动机构的结构布置型式及其杆件所处的转向位置有关。
对于图所示的非独立悬架汽车的转向传动机构来说，当转向轮由转向传动机构带动而转向且后者处于图示虚线位置时，其转向摇臂上的力矩为''31315.05.0R L r r m m l l T l l T T ⋅⋅+⋅= 转向传动机构的力传动比为'''13'2L R R r pm m m l l T T i +⋅== （5－12） 式中1l ，3l ，'L m ，'R m ——转向传动机构处于图所示的虚线位置时的有关计算用尺寸。
在最恶劣的转向条件下，例如在干而粗糙的转向轮支承面上作原地转向，转向车轮的转向阻力矩r T 由转向车轮相对于主销轴线的滚动阻力矩1T 、轮胎与地面接触部分的滑动摩擦力矩2T 以及转向车轮的稳定力矩或自动回正力矩所形成的阻力矩3T 组成。
即 321T T T T r ++= （5－13）且fa G T 11= （5－14）ϕx G T 12= （5－15）)]cos (cos )sin (sin [212113−−−−+++=ααγααβaG T （5－16）式中1G ——转向轴的载荷；a ——滚动阻力的力臂，或主销偏移距。
即由转向节主销轴线的延长线与支承平面的交点至车轮中心平面与支承平面的交线的距离。
通常货车的a 值为40～60mm ；轿车取0.4～0.6倍的胎面宽度。
f ——车轮的滚动阻力系数，计算时可取f ＝0.015；β——主销内倾角；γ——主销后倾角；−1α、−2α——内、外转向轮的平均转角； ϕ——附着系数，计算时可取85.0=ϕ～0.9；x ——滑动摩擦力矩2T 的力臂：225.0j r r x −= （5－17）r ，j r ——车轮的自由半径和静半径，计算时可近似地取j r ＝0.96r 。
在实际计算中常取转向传动机构的力传动比'p i 计算转向摇臂轴上的力矩T ''η⋅=p r i T T （5－18） 式中'η——转向传动机构的效率，一般取0.85～0.9。
则转向时在转向盘上的切向力可由下式求得+⋅⋅=ηh p h r i T F （5－19） 式中p i ——转向器的力传动比；h r ——转向盘的半径，根据车型不同可在180～275mm 范围内按国家标准系列选取； +η——转向器的正效率。
由以上两式可见：当转向阻力矩r T 一定时，增大力传动比'p i ，p i 就能减小作用在转向盘上的切向力h F ，使操纵轻便。
这里还应指出：当汽车在行驶过程中转向时，上述转向轮与地面间的滑动摩擦阻力矩2T 比汽车在原地转向时的要小许多倍，且与车速有关。
5.1.2.3转向器角传动比的变化规律转向器的角传动比w i 是一个重要参数，它影响着汽车的许多性能。
由于增大角传动比可以增大力传动比，因此转向器的角传动比不仅对转向灵敏性和稳定性有直接影响，而且也影响着汽车的操纵轻便性。
由式（5－8）并考虑到'w i ≈1，可以看出：转向轮的转角与转向器的角传动比w i 成反比。
w i 增大会使在同一转向盘转角下的转向轮转角变小，使转向操纵时间变长，汽车转向灵敏性降低。
因此转向“轻便性”和“灵敏性”是产品设计中遇到的一对矛盾。
采用可变角传动比的转向器可协调对“轻便性”和“灵敏性”的要求。
而转向器角传动比的变化规律又因转向器的结构型式和参数的不同而异。
图给出了几种典型的转向器角传动比变化规律。
由该图可见：转向器的角传动比w i 随转向盘转角ϕ的变化特性有不变（曲线3）和可变之分。
后者又有多种变化规律。
其中曲线一为转向盘在中间位置时，w i 较小，向左、右转动时则逐渐增大；曲线4则与之相反。
