1、1毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化电动搬运车转向控制实验台设计（机械部分）1研究背景及意义近几年来，随着物流仓储业的飞快发展，企业的技术改造投入加大，老库房的改造和新库房的建立大量增加，各个城市超市的数量急剧增加。这使得各种类型的搬运、装卸、堆垛、牵引的工业车辆的市场需求量也大量增加，如手动托盘搬运车、手动叉车、电动托盘搬运车、半电动和全电动叉车、电动堆高机及电动牵引车等。由于这些工业车辆产品要进入车间、库房、超市等，因此不仅要求车辆结构轻巧，无污染、低噪音，同时对车辆的性能和搬运效率也提出了更高的要求1。转向环节是搬运车辆的性能指标之一，转向系统的类型主要包括机械转向、液压助力转向和电
2、动助力转向。现代电瓶类搬运车普遍采用电动助力转向（EPS）和电动液压助力转向（EHPS）。EPS是在EHPS的基础上发展起来的，其结构简单，零件数量大大减少，纯粹依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构，增强了可靠性。针对搬运车复杂的工作环境，良好的转向系统能够很大的提高搬运车的工作效率，减轻工作人员的劳动强度，保证驾驶员的人身安全。目前基于转向控制系统的研究基本上应用于汽车领域，针对电动车转向控制系统的研究除了上文中提到的一些技术，也非常少。本课题的目的是结合目前国内电动搬运车转向系统的技术现状，结合指导教师的科研经验，利用电动助力转向（EPS）技术完成转向实验台的设计。2液压助力转向系统（H
3、PS）21HPS的组成、工作原理及分类液压常流式动力转向系统的组成如图1所示，转向液压泵2安装在发动机上，由曲轴通过皮带驱动。转向油箱1通过油管和管接头分别与转向液压泵2和转向控制阀联接。车辆的转向系统由方向盘、转向轴、转向摇臂、转向纵拉杆、转向节臂、转向梯形臂以及转向横拉杆等构成2。HPS一般根据液流的形式分为常流式和常压式两种。常流式是指汽车在行驶中，当转向盘保持不动时，控制阀中的滑阀在中间位置时油路保持畅通，使油液由油罐被吸入油泵，又被油泵排出，经控制阀回到油罐，始终处于一种常流的循环状态。2常压式是指当汽车在行驶中，无论转向盘转动与否，整个液压系统都一直保持高压状态。当汽车转向时，方向
4、盘通过转向摇臂带动控制阀中的滑阀进行移动，使高压油进入动力缸的一腔，以推动动力缸活塞起加力作用。1转向油箱2转向液压泵3转向油管4转向中间轴5转向轴6方向盘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液压助力转向系统22HPS的性能特点及研究现状HPS在汽车上的革命性应用，极大地解放了驾驶者的劳动力，提高了汽车运行时的稳定性和转向灵敏性、轻便性。但它也存在着以下诸多的不足1在车辆设计制造完成后，车辆转向的助力特性不能改变。2低速转弯时，方向较沉，又因液压泵的压力很大，易损害助力系统再因液压系统必须在发动机的带动下保持高压工作状态，浪费了能量。3存在着液压油泄
5、漏和异响问题3。HPS系统自上世纪50年代发展以来，其技术已日趋成熟，得到广泛应用，至2000年其利用率已接近85。3电动液压助力转向系统（EHPS）31EHPS的组成及工作原理在传统液压助力转向系统的基础上,增加电子控制部分对系统流量或转阀的相关参数进行调节,改变助力转向系统的助力特性,达到随车速的提高降低系统的助力,可以提高汽车高速时的操纵性能和路感。EHPS系统结构如图2所示由如下4部分组成1机械转向系统，主要包括转向3盘，转向柱，扭杆，齿轮齿条；2电动液压助力部分，包括助力缸和转向阀；3液压能量供给部分，包括电动机，液压泵和限压阀；4电子控制单元ECU和车速传感器，转向盘转速传感器。当
6、驾驶员转动转向盘时，电子控制单元依据车速和转向盘转速信号，计算并控制电机的转速，使电机驱动的液压泵的输出流量发生改变，从而改变助力大小。当汽车在低速转向行驶等一些需要大转矩工况下，提供大助力，保证转向轻便。当汽车在高速转向行驶等一些只要很小转矩的工况下，提供小助力，保证转向手感，达到在不降低转向平顺性和路感的情况下减轻驾驶员转向操纵力的目的4。1转向盘2转向阀3扭杆4进、出油管路5限压阀6电动机7液压泵8储油罐9转向节臂10液压动力缸11齿轮齿条转向器12车轮13转速传感器14车速传感器图2EHPS系统结构图32EHPS的性能特点1电动液压动力转向系统是在原有的液压式动力转向系统上发展起来的，
7、原系统可以利用，不需要更改布置。2低速时转向效果不变，高速时可以自动根据车速逐步减小助力，增大路感，提高车辆行驶稳定性。3采用电动机驱动油泵可以节省能量。4具有失效保护功能，电子元件失灵后仍可依靠原转向系统安全工作。电动液压动力转向系统在传统液压动力转向系统的基础上有了较大改进，但液压装置的存在使得该系统仍有难以克服的缺点，如存在渗油的问题，不便于安装维修及检测等。虽然如此，由于EHPS技术较为成熟，可以实现整车电控系统一体化，作为传统液压动力转向系统和电动助力转向系统的过渡技术，在一定时期内还有市场空间，并且还将继续得到改进和发展5。433EHPS的应用及研究现状文献6研究了一种恒压变量泵，
8、通过流量自动调节来满足不同数量矫形缸的工作需要。上海大众P0LO轿车装备了TRY/天台公司生产的电控液压动力转向系统，国内引进生产的中高级轿车、中级轿车、经济型轿车都没有采用EPHS，POLO轿车在转向系统方面处于领先地位7。文献8介绍了林肯CONTINENTAL1988可变助力转向系统，JOHNBAXTER等9介绍了BISHOP公司推出的电控可变助力转向器。4电动助力转向系统（EPS）41EPS基本结构、工作原理及分类EPS是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统,其系统框图如图3所示。不同类型的EPS基本原理是相同的扭矩传感器与转向轴小齿轮轴连接一起,当转向轴转动时,扭矩传感器开始工作
9、,把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动位移变成电信号传给ECU,ECU根据车速传感器和扭矩传感器的信号决定电动机的旋转方向和助力电流的大小,从而完成实时控制助力转向。因此它可以很容易地实现在车速不同时提供电动机不同的助力效果,保证汽车在低速行驶时轻便灵活,高速行驶时稳定可靠。因此EPS转向特性的设置具有较高的自由度。图3电动助力转向系统框图根据电动机布置位置不同,EPS可分为转向柱助力式、齿轮助力式、齿条助力式3种,如图4所示。转向柱助力式EPS的电动机固定在转向柱一侧,通过减速机构与转向轴相连,直接驱动转向轴助力转向。齿轮助力式EPS的电动机和减速机构与小齿轮相连,直接驱动齿轮助力转向
10、。齿条助力式EPS的电动机和减速机构则直接驱动齿条提供助5力10。图4EPS电动机助力位置布置型式42EPS的性能特点1降低了燃油消耗。电动转向系统仅在需要转向操作时才需要电机提供的能量,该能量既可以来自蓄电池,也可以来自发电机。而且,能量的消耗与转向盘的转向及当前的车速有关。当转向盘不转向时,电机不工作需要转向时,电机在控制单元的作用下开始工作,输出相应大小及方向的转矩以产生助力。2提供可变转向力矩。电动转向系统提供的转向助力不仅与转向盘提供的力矩大小有关,而且与汽车的状态有很大关系。电机提供的力大小即转向机构获得的力的大小,不仅与转向盘传递的力矩有关,也与车速有关,能在不同的车速时提供不同
11、的转向助力。3改善了转向路感。在电动转向系统中,电动机与助力机构直接相连可以使电机提供的能量直接用于车轮转向。该系统利用惯性减震器的作用,使车轮的反转和转向前轮摆振得以大大减小,因此转向系统的抗扰动能力大大增强。4“绿色能源”适应现代工业汽车的要求。由于电动转向系统应用“最干净”的电力作为转向能源,完全取消了液压装置,不存在液压助力转向系统中的液态油泄露问题,因此可以说电动转向系统顺应了“绿色化”的时代趋势11。43EPS的应用及研究现状电动助力转向最先应用在日本的微型轿车上。1988年2月日本铃木公司首次在其CERVO车上装备EPS,随后还用在了其ALTO车上。在此之后,日本的大发汽车公司、
12、三菱汽车公司、本田汽车公司,美国的DELPHI汽车系统公司、TRW公司,德国的ZF公司,都相继研制出各自的EPS10。TRW针对客车开发出转向柱助力式EPS,如今小齿轮助力式EPS开发也已获成6功。1999年3月,他们的EPS已经装备在轿车上,如FORDFIESTA和MAZDA323F等10。美国DELPHI汽车系统公司推出了EOSTEERTM系统，采用一体化设计，增强了燃油经济性，缩短了系统响应时间，同时增强了转向装置的独立性和安全性，即使在发动机怠速状态下也可实现动力转向12。在中国，1992年清华大学开始涉及EPS的相关研究工作，随后吉林大学、武汉理工大学、华中科技大学等院校和科研单位纷
13、纷展开了EPS的研究，并取得了一定的进展。中国南方航空动力机械公司的DFL系列已进入小批量生产，吉利汽车集团开发的具有自主知识产权的EPS产品也已经装备其吉利豪情等系列轿车上12。文献13,14构建了一种柱类电动助力转向（EPSTT）系统，它能够减小司机的转向扭矩，实现不同的转向操纵感，提高回正性能。5线控转向系统（SBW）51SBW的系统结构如图5所示，线控转向系统的总体结构分为三部分转向盘总成、控制器和前轮转向总成。其中转向盘系统包括转向盘、转矩传感器、转向角传感器、转矩反馈电动机和机械传动装置；电子控制系统包括车速传感器，也可以增加横摆角速度传感器、加速度传感器和电子控制单元以提高车辆的
14、操纵稳定性；转向系统包括角位移传感器、转向电动机、齿轮齿条转向机构和其他机械转向装置等（见图5）15。图5线控助力转向系统52SBW的特点1柔性转向能消除转向干涉问题，为实现多功能全方位的自动控制，以及汽车动态控制系统和汽车平顺性控制系统的系统集成提供了显著的先决条件。2对前轮驱动轿车，在安装发动机时需要考虑刚性转向轴占用空间，转向轴必须7依据汽车是左侧驾驶还是右侧驾驶安装在发动机附近，设计人员必须协调处理各种需要安排部件。而柔性转向去掉了原来转向系各个功能模块之间的刚性机械连接，大大方便了系统的总布置。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，可以回传到转向轴，而柔性系统
15、不会。4转向回正力矩能够通过软件依据驾驶员的要求进行调整。因此在不改变设计的情况下，可以个性化地适合特定的驾驶者和驾驶员环境，与转向有关的驾驶行为都可以通过软件来实现。5消除了碰撞事故中转向柱引起伤害驾驶员的可能性，不必设置转向防扭机构。6增加驾驶员腿部活动空间，出入更方便自由16。53SBW的应用及研究现状在2001年的第71届日内瓦国际汽车展览会上意大利的BERTONE汽车设计及开发公司展示了新型概念车“FILO”。“FILO”采用了“DRIVEBYWIRE”系统，所有的驾驶动作都通过信号传递16。德国奔驰公司在1900年开始了前轮线控转向的研究，并将它开发的线控转向系统应用于概念车F40
16、0CARVING上。日本KOYO也开发了线控转向系统。意大利BERTONE设计开发的概念车FILO，雪铁龙越野车CCROSSER，戴克概念车R129，都采用了线控转向系统16。福特和沃尔沃等汽车公司、博世等线控公司和CHALMERS、VIENNA等大学联合发起了“BRITEEURAMXBYWIRE计划”进行线控转向系统的实现以及可靠性方面的研究17。在欧目前国内对该技术的研究主要集中在各高校同济大学利用DSPACEAUTOBOX为四轮驱动电动汽车开发了线控转向试验台架以及四轮驱动、四轮转向电动汽车18。6转向系统的发展趋势液压转向系统（包括电控液压助力转向系统）由于存在液压装置，不易于模块化设
17、计和安装。油泵处于长时间不间断的工作状态，造成了能源的浪费。而且一般的装置还存在渗油的问题。随着电子技术的发展，有逐步被EPS取代的可能。当前EPS已在轿车上得到应用,其性能已得到人们的普遍认可。随着直流电机性能的改进,EPS助力能力的提高,其应用范围将进一步拓宽。EPS代表未来动力转向技术的发展方向,将作为标准件装备到汽车上,并将在动力转向领域占据主导地位。对于SBW系统，虽然目前还只是在概念车上应用，但随着电子产品成本的降低将有更大的产品竞争空间。8参考文献1金志号，徐翔电动叉车的现状及发展趋势J工程机械，20041037382张群生，周运金，覃群基于MATLABSIMULINK的液压常流
18、式动力转向系统特性分析J机床与液压，200871171193陈金根汽车转向系统百年演变及今后的发展方向J科学论坛，2004252534夏长高，陈松，贺建军，金永利电动液压助力转向系统的控制算法研究J拖拉机与农用运输车,2009373785王民电动液压动力转向控制技术J科技与经济,2007463646程飞，邓飞，吴健，欧家福，李玉琴，马田动力转向液压泵噪声分析研究J液压与气动，2008575777豪彦POLO轿车电控液压动力转向系统J汽车与配件，20022020218DUFFYJJLINCOLNCONTINENTALVARIABLEASSISTEDPOWERSTEERINGSYSTEMCSAEP
19、APER880707,19889JOHNBAXTER，GEOFFREYPDYERBISHOPVARIATRONICTMPOWERSTEERINGSYSTEMCSAEPAPER880708,198810林逸，施国标汽车电动助力转向技术的发展现状与趋势J公路交通科技，20016808711电动转向系统及其发展现状J汽车运用，2002891112胡烽，赵燕电动转向系统技术研究现状与展望J机械工程师，20062192113JEONGHOONSONG，KWANGSUCKBOO，HEUNGSEOBKIM，JONGILLEE，SUNYOUNGHONGMODELDEVELOPMENTANDCONTROLMET
20、HODOLOGYOFANEWELECTRICPOWERSTEERINGSYSTEMCPROCINSTNMECHENGRSVOL218PARTDJAUTOMOBILEENGINEERING，200496797514JIHOONKIM，JAEBOKSONGCONTROLLOGICFORANELECTRICPOWERSTEERINGSYSTEMUSINGASSISTMOTORCMECHATRONICS，2002444745915于蕾艳，林逸，施国标汽车线控转向技术概述J农业装备与车辆工程，200753616周鑫，刘洲辉汽车线控转向技术的分析与研究J北京汽车，200911417王菊，左建令汽车线控转向技术的研究现状及发展前景J汽车研究与开发，20055303518于蕾艳，林逸，施国标汽车线控转向技术概述J农业装备与车辆工程，2007536
