某车型齿轮齿条式转向器的设计.pdf

XXX大学本科生毕业设计（论文）某车型齿轮齿条式转向器的设计学生姓名:_学 号:_班 級:_专 业:_指导教师:_目 录摘 要.3ABSTRACT.4第1章绪 论.51.I 课题研究背景.51.2 电动助力转向系统的研究现状.71.3 课题的研究意义.91.4 课题的设计任务.10第2章 主要设计参数的确定.1 02.1 电动助力转向系统的分析.102.1.1 电动助力转向系统的工作原理.102.1.2 电动助力转向系统的类型.112.2 助力电动机的选择.122.2.1 电动机的概述.122.3 电磁离合器的选择.122.4 扭矩传感器的选择.13第3章 电动助力转向系统减速机构的设计.1 53.1 减速机构的分析及布置形式的确定.153.2 蜗轮蜗杆材料的选择.173.3 蜗轮蜗杆传动的设计.173.3.1 设计要求.173.3.2 选择蜗杆传动类型.183.3.3 蜗杆模数及分度圆直径的确定.183.3.4 蜗杆与蜗轮的主要参数及几何尺寸的确定.203.3.5 蜗轮齿根弯曲疲劳强度的校核.22第4章 齿轮齿条式转向器的设计.2 44.1 齿轮齿条式转向器的概述.244.1.1 齿条的概述.244.1.2 齿轮的概述.244.2 齿轮齿条材料的选择与参数的确定.254.2.1 材料的选择.254.2.2 计算许用应.254.2.3 初步确定齿轮的基本参数的主要尺寸.264.2.4 确定齿轮传动主要参数的几何尺寸.274.2.5 齿轮强度校核.284.3 轴设计与轴承的选择.304.3.1 轴的设计.304.3.2 轴的校核.314.3.3 轴承的选取.32第5章EPS电动转向器动力学模型.3 35.1 机械转向系统数学模型.3325.2 EPS电动转向器系统模型的建立.345.3 系统控制的目标.375.4 EPS系统的控制策略.375.5 系统的控制模式.39第6章齿轮齿条式转向器仿真与分析.4 16.1 MATLAB/Simulink仿真平台的介绍.416.2 系统仿真参数取值.416.3 机械转向系统仿真与研究.426.3.1 机械转向系统的Simulink模型.426.3.2 汽车机械转向系统在阶跃输入时不同参数下的仿真研究.446.3.3 不同参数对系统性能影响的仿真分析.536.4 EPS转向系统仿真与研究.536.4.1 EPS 系统的 Simulink 模型.536.4.2 EPS系统加入PID控制的Simulink模型.556.5 不同系统的比较仿真与分析.61结 论.6 7参考文献.6 8致 谢.6 9摘 要电动助力转向系统就是在机械转向系统中,用电池作为能源,电动机为动,以 转向盘的转速和转矩以及车速为输入信号,通过电子控制装置,协助人力转向,并获 得最佳转向特性的伺服系统。EPS汽车转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定 性,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。电动助力转向系统主要由减速机构和转向机构组成,减速机构把电动机的输出经 过减速增扭传递到动辅助单元,实现助力。由于蜗轮蜗杆传动比大,传动平稳噪声 低故减速机构选为蜗轮蜗杆式。由于齿轮齿条式转向器,传动平稳,结构简单故转向 机构选为齿轮齿条式。本文设计研究了电动助力转向系统,对其工作原理做了阐述,并进行了选型。同 时对齿轮齿条式转向器的结构进行分析,并对其重要零件进行了设计计算与强度校核。通过仿真和研究初步证明所建立数学模型的正确性和设计控制器的相对合理性。对转向系统分别建立了机械转向系统、EPS系统和基于PID控制的EPS系统,并应用 MATLABSimulink进行仿真,并达到了预计的设想和要求。3关键字:转向器;设计;齿轮;轴;校核;仿真ABSTRACTElectric power steering system is in mechanical steering system,use battery as energy,motor as a driving force,the steering dish speed and torque and speed of the input signal,through the electronic control unit,to help the human steering,and get the best to force characteristics of servo system.EPS automobile steering system performance directly influence to the ears steering stability,to ensure that the vehicles safety driving,reduce the number of traffic accidents and protecting the personal safety of the driver,improve the working conditions of the driver plays an important role.Electric power steering system mainly consists of deceleration institutions and steering mechanism composition,slowing institutions to increase the output after slowing motor relay to the power auxiliary units twisted,realize the power.Because worm transmission large and stable transmission low noise so slow institutions elected worm type.Because rack-and pinion steering gear-component with simple structure,stable transmission,is steering mechanism selected fbr rack-and pinion type.The paper presents the design of electric power steering system was studied,Meanwhile to the structure of rack-and pinion steering gear-component are analyzed,and the important parts of the design calculation and strength check.4The correctness of the mathematical model and the rationality of the controller are proved by simulation and research.The mechanical steering system,EPS system and EPS system based on PID control are established,and the simulation is carried out with MATLABWSimulink.Keywords:steering gear;Design;Gear;Axis;Checking；Simulation第1章绪 论1.I 课题研究背景汽车在行驶过程中,经常需要改变行驶的方向,称为转向。轮式汽车行驶是通过 转向轮（一般是前轮）相对于汽车纵向轴线偏转一定的角度来实现的。汽车转向系统是 用于改变或保持汽车行驶方向的专用机构。其作用是使汽车在行驶过程中能按照驾驶 员的操纵要求而适时地改变其行驶方向,并在受到路面传来的偶然冲击及汽车意外偏 离行驶方向时,能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶。因此,转向系统的性 能直接影响着操纵稳定性和安全性。按转向动力能源不同,汽车转向系统可分为机械 式转向系统和动转向系统两大类。机械式转向系统是以人的体力为转向能源的,其 中所有的传件都是机械的,它主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分 组成。汽车转向器作为汽车转向系统的重要零部件,其性能的好坏直接影响到汽车行 驶的安全性和可靠性。汽车动转向系统是在机械转向系的基础上增设了一套转向加 装置所构成的转向系（如液压动转向系统中的转向油罐、油泵、控制阀、动缸等），它兼用驾驶员的体力和发动机动力作为转向能源。在正常的情况下,汽车转向所需的 大部分由发动机通过转向加力装置提供,只有一小部分由驾驶员提供。但在动转 向失效时,驾驶员仍能通过机械转向系统实现汽车的转向操纵。长期以来,汽车转向 系统一直存在着“轻”与“灵”的矛盾。为缓和这矛盾,过去人们常将转向器设计 成可变速比,在转向盘小转角时以“灵”为主,在转向盘大转角时以“轻”为主。但 5“灵”的范围只在转向盘中间位置附近,仅对高速行驶有意义,并且传动比不能随车 速变化,所以不能根本解决这矛盾。随着动转向系统的产生,液压动转向系统(HPS)以其具有的转向操纵灵活、轻便,设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增 大,并可吸收路面对前轮产生的冲击等优点,自20世纪50年代以来,在各国汽车上 得到普遍采用。但传统的液压动转向系统需消耗一定的能量,增加了汽车的燃油消 耗量,液压动转向系统所引起的燃油消耗量约占整车燃油消耗量的约30%。随着电 子技术的发展,电子控制式机械液压动转向系统(EHPS)应运而生,该系统在某些 性能方面优于传统的液压动转向系统,但仍然无法根除液压动转向系统的固有缺 憾。此外,传统液压动转向系统在选定参数完成设计之后,转向系统的性能就确定 了,不能再对其进行调节与控制。因此,传统液压动转向系统协调转向力与操纵“路 感”的关系困难。低速转向小时,高速行驶时转向力往往过轻、“路感”差,甚至感 觉汽车发“飘”,从而影响操纵稳定性;而按高速性能要求设计转向系统时,低速时转 向往往过大。电动助力转向系统(Electric Power Steering System,简称EPS),是继液压动转 向系统后产生的种新的动转向系统。电动助力转向系统由电机提供助力,助力大 小由电控单元(ECU)实时调节与控制,可以较好地解决上述液压动转向系统所不能解 决的矛盾。目前,电动助力转向系统有代替液压动转向系统的趋势。电动助力转向系统(EPS,Electric Power Steering)是未来转向系统的发展方向。该系统由电动助力机直接提供转向助力,省去了液压动转向系统所必需的动转向 油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮,既节省能量,又保护了环境。另外,还具有调整简单、装配灵活以及在多种工况下都能提供转向助力的特点。正是 有了这些优点,电动助力转向系统作为种新的转向技术,将挑战大家都非常熟知的、已具有50多年历史的液压转向系统。电动助力转向系统是于20世纪80年代中期提出来的。该技术发展最快、应用较 成熟的当属TRW转向系统和Delphi Sagiaw(萨吉诺)转向系统,而Delphi Sagiaw(萨 吉诺)转向系统又代表着转向系统发展的前沿。她是个于20世纪50年代把液压助 转向系统推向市场的,从此以后,Delphi转向发展了技术更加成熟的液压助力系统,使大部分的商用汽车和约50%的轿车装备有该系统。现在,Delphi转向系统又领导了汽 车转向系统的一次新革命电动助力转向系统。电动助力转向系统符合现代汽车机电一体化的设计思想,该系统由转向传感装置、车速传感器、助力机械装置、提供转向助力电机及微电脑控制单元组成。该系统工作时,转向传感器检测到转向轴上转动矩和转向盘位置两个信号,与 6车速传感器测得的车速信号起不断地输入微电脑控制单元,该控制单元通过数据分 析以决定转向方向和所需的最佳助力值,然后发出相应的指令给控制器,从而驱动电 机,通过助力装置实现汽车的转向。通过精确的控制算法,可任意改变电机的转矩大 小,使传动机构获得所需的任意助力值。1.2 电动助力转向系统的研究现状1988年2月日本铃木公司首次在其Cerv。车上装备EPS,随后还用在了其Alto 车上。在此之后,电动助力转向技术如雨后春笋般得到迅速发展。日本的大发汽车公 司、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EPS。比如:大发汽车公司在其Mi2ra车上装备了 EPS,三菱汽车公司则在其Minica车上装备了 EPS;本田汽车公司的Accord车目 前已经选装EPS,S2000轿车的动转向也将倾向于选择EPS;Delphi汽车系统公 司已经为大众的Polo、欧宝的318i以及菲亚特的Punto开发出EPS TRW从1998年开始,便投入了大量人力、物力和财用于EPS的开发。他们 最初针对客车开发出转向柱助力式EPS,如今小齿轮助力式EPS开发也已获成功。1999年3月,他们的EPS已经装备在轿车上,如Ford Fiesta和Mazda 323F等。Mercedes OBenz和Siemens Automotive两大公司共同投资6500万英镑用于开发 EPS,他们的目标是到2002年装车,年产300万套,成为全球EPS制造商。他们计 划开发出适用于汽车前桥负荷超过!200kg的EPS,因此货车也将可能成为EPS的装 备目标。而我国在2002年开始研制开发汽车EPS产品,目前已经知道的有13家 企业和科研院校正在研制中。其中南摩股份有限公司（生产转向柱式的EPS产品）在 2003年开始进入小批量生产阶段,其他厂家和科研院校均在开发阶段中。EPS当前已经较多应用在排量在1.3L-1.6L（含MMPV微型多功能车）的各类轻 型轿车上,其性能已经得到广泛的认可。随着直流电机性能的提高和42V电源在汽车组 件上的应用,其应用范围将进步扩宽,并逐渐向微型车、轻型车和中型车扩展。另外 EPS的控制信号将不再仅仅依靠车速与扭矩,而是根据转向角、转向速度、横向加速 度、前轴重力等多种信号进行与汽车特性相吻合的综合控制,以获得更好的转向路感。未来的EPS将朝着电子四轮转向的方向发展,并与电子悬架统协调控制。电动助力转向系统将最新的电电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转 向系统,能显著改善汽车动态性能和静态性能、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、减少环境的污染等。因此,该系统经提出,就受到许多大汽车公司的重视,并进行 开发和研究,未来的转向系统中电动助力转向将成为转向系统主流,与其它转向系统 相比,该系统突出的优势体现在:7（1）降低了燃油消耗。液压动转向系统需要发动机带动液压油泵,使液压油不 停地流动,浪费了部分能量。相反电动助力转向系统（EPS）仅在需要转向操作时 需耍电机提供的能量,该能量可以来自蓄电池,也可来自发动机。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 机在控制模块的作用下开始工作,输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向矩,而 且,该系统在汽车原地转向时输出最大转向力矩,随着汽车速度的改变,输出的矩 也跟随改变。该系统真正实现了“按需供能”,是真正的”按需供能型”（on-demand）系 统。汽车在较冷的冬季起动时,传统的液压系统反应缓慢,直至液压油预热后才能正 常工作。由于电动助力转向系统设计时不依赖于发动机而且没有液压油管,寸冷天气 不敏感,系统即使在-40时也能工作,所以提供了快速的冷起动。由于该系统没有起 动时的预热,节省了能量。不使用液压泵,避免了发动机的寄生能量损失,提高了燃 油经济性,装有电动助力转向系统的车辆和装有液压助力转向系统的车辆对比实验表 明,在不转向情况下,装有电动助力转向系统的国辆燃油消耗降低2.5%,在使用转向 情况下,燃油消耗降低了5.5%3。（2）增强了转向跟随性。在电动助力转向系统中,电动助力机与助力机构直接相 连可以使其能量直接用于车轮的转向。该系统利用惯性减振器的作用,使车轮的反转 和转向前轮摆振大大减水4。因此转向系统的抗扰动能力大大增强和液压助力转向系 统相比,旋转矩产生于电机,没有液压助力系统的转向迟滞效应,增强了转向车轮 对转向盘的跟随性能。（3）改善了转向冋正特性。直到今天,动转向系统性能的发展已经到了极限,电动助力转向系统的冋正特性改变了这一切。当驾驶员使转向盘转动角度后松开时,该系统能够自动调整使车轮冋到正中。该系统还可以让工程师们利用软件在最大限度 内调整设计参数以获得最佳的冋正特性5。从最低车速到最高车速,可得到簇冋正 特性曲线。通过灵活的软件编程,容易得到电机在不同车速及不同车况下的转矩特性,这种转矩特性使得该系统能显著地提高转向能力,提供了与车辆动态性能相机匹配的 转向冋正特性。而在传统的液压控制系统中,要改善这种特性必须改造底盘的机械结 构,实现起来有一定困难。（4）提高了操纵稳定性。通过对汽车在高速行驶时过度转向的方法测试汽车的稳 定特性。采用该方法,给正在高速行驶（100km/h）的汽车个过度的转角迫使它侧倾,在短时间的自冋正过程中,由于采用了微电脑控制,使得汽车具有更高的稳定性,驾 驶员有更舒适的感觉。（5）提供可变的转向助力。电动助力转向系统的转向力来自于电机。通过软件编 8程和硬件控制,可得到覆盖整个车速的可变转向6。可变转向力的大小取决于转向 矩和车速。无论是停车,低速或高速行驶时,它都能提供可靠的,可控性好的感觉,而且更易于车场操作。对于传统的液压系统,可变转向矩获得非常困难而且费用很高,要想获得可变 转向矩,必须增加额外的控制器和其它硬件。但在电动助力转向系统中,可变转向 力矩通常写入控制模块中,通过对软件的重新编写就可获得,并且所需费用很小。（6）采用“绿色能源”,适应现代汽车的要求。电动助力转向系统应用”最干净”的 电力作为能源,完全取缔了液压装置,不存在液压助力转向系统中液态油的泄漏问题,可以说该系统顺应了”绿色化”的时代趋势。该系统由于它没有液压油,没有软管、油 泵和密封件,避免了污染。而液压转向系统油管使用的聚合物不能冋收,易对环境造 成污染。（7）系统结构简单,占用空间小,布置方便,性能优越。由于该系统具有良好的 模块化设计,所以不需要对不同的系统重新进行设计、试验、加工等,不但节省了费用,也为设计不同的系统提供了极大的灵活性,而且更易于生产线装配。由于没有油泵、油管和发动机上的皮带轮,使得工程师们设计该系统时有更大的余地,而且该系统的 控制模块可以和齿轮齿条设计在起或单独设计,发动机部件的空间利用率极高7。该系统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它部件。许多 消费者在买车时非常关心车辆的维护与保养问题。装有电动助力转向系统的汽车没有 油泵,没有软管连接,可以减少许多忧虑。实际上,传统的液压转向系统中,液压油 泵和软管的事故率占整个系统故障的53%,如软管漏油和油泵漏油等8。（8）生产线装配性好。电动助力转向系统没有液压系统所需要的油泵、油管、流 量控制阀、储油罐等部件,零件数目大大减少,减少了装配的工作量,节省了装配时 间,提高了装配效率。电动助力转向系统自20世纪80年代中期初提出以来,作为今后汽车转向系统的发 展方向,必将取代现有的机械转向系统、液压助力转向系统和电控制液压助力转向系 统。1.3 课题的研究意义随着汽车行业的蓬勃发展,人们对于汽车功能的要求变得越来越高,EPS系统也 迎来了巨大的市场需求,许多厂商都以EPS系统作为个卖点,来吸引顾客买车。所 谓电动转向（EPS）,就是在机械转向系统中,用电池作为能源,电动机为动,以转 向盘的转速和转矩以及车速为输入信号,通过电子控制装置,协助人力转向,并获得 最佳转向特性的伺服系统。EPS汽车转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性,9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。特别是EPS用电动机直接提供助力,助力大小由电子控制 单元(ECU)控制。它能在汽车低速行驶转向时减轻转向使转向轻便、灵活;在汽 车高速行驶转向时,适当加重转向,从而提高了高速行驶时的操纵稳定性,增强了 路感。不仅如此,EPS的能耗是HPS能耗的1/3以下,且前者比后者使整车油耗下降可 达3%-5%,因而,它能节约燃料,提高主动安全性,且有利于环保。1.4 课题的设计任务1.明确设计要求,进行工况分析,拟定总体方案;2.计算和确定系统的主要参数;3.利用PRO/E需绘制出三维零件图、书写设计说明书;4、利用abaqus等仿真软件进行其性能仿真分析。第2章主要设计参数的确定2.1 电动助力转向系统的分析2.1.I 电动助力转向系统的工作原理EPS主要由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元(ECU)、电动机和减速机构 组成。其主要工作原理是:汽车在转向时,扭矩传感器会“感觉”到转向盘的力矩和 拟转动的方向。这些信号会通过数据总线发给电子控制单元,电控单元会根据传动 矩、拟转的方向和车辆速度等数据信号,向电动机控制器发出动作指令。电动机就会 根据具体的需要输出相应大小的转动矩以产生助动,从而实现了助力转向的实时 控制。如果不转向,则本套系统处于休眠状态等待调用。由于它不转向时不工作,所 以也节省了能源。10方向盘电控 単元图2.1 EPS结构系统图2.1.2 电动助力转向系统的类型EPS的类型通常可以按其电动机的减速机构的形式不同或电动机的布置位置不同 进行分类。EPS系统一般都有减速机构,电动机转矩输出经过减速机构减速增矩对EPS进行 助力。根据汽车上转向器结构形式不同,EPS可分为:循环球螺母式、蜗轮蜗杆式、齿 轮齿条式三种。循环球螺母式EPS电动机力矩的传递路线为:电动机循环球螺母齿 轮条。蜗轮蜗杆式EPS电动机力矩的传递路线为:电动机蜗轮齿轮条。齿轮齿条式 EPS的电动机力矩的传递路线为:电动机一行星齿轮副另设齿轮齿条。根据电动机布置位置不同,EPS可分为:转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式 三种,如图2.2所示。转向轴助力式EPS的电动机固定在转向柱侧,通过减速机构 与转向轴相近,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 齿轮相近,直接驱动齿轮助力转向。齿条助力式EPS的电动机和减速机构则直接驱动 齿条提供助力。11图2.2电动机布置位置不同的EPS的类型2.2 助力电动机的选择2.2.1 电动机的概述助力电动机是EPS系统的动力源,它根据ECU输出的控制指令,在不同的工况下 输出不同的助力转矩,对整个EPS性能影响很大,因此需要具备良好的动态特性、调 速特性和随动特性并易于控制,而且要求输出波动小、低转大转矩、转动惯量小、尺 寸小质量轻等,因此,常采用无刷式永磁直流电动机。为改善操纵感、降低噪音和减 少振动,在电动机转子外表面开出斜槽或螺旋槽,而改变定子磁铁的中心处或端部厚 度,将定子磁铁设计成不等厚。名称修改日期型大小漢齿轮,dwg2017/4/18 17:15AutoCAD 图形90 KB9齿轮轴,dwg2017/2/7 23:08AutoCAD 图形89 KB”齿条.dwg2017/4/18 17:19AutoCAD 图形89 KB区电动转向系统布置圏,dwg2017/2/7 23:46AutoCAD 图形515 KBW车型齿轮齿条式转向器的设计开覇告.doc2017/9/19 13:00Microsoft Office.61 KB1醐莫鈿謝造釦潮向險燧ffi书.doc2017/4/26 23:11Microsoft Office.3,344 KB|段臓据杆底!器,dwg2017/2/7 23:12AutoCAD 图形131 KBS转向諜配图(2).dwg2017/4/26 22:35AutoCAD 图形125 KBS转向説地图dwg2017/4/18 17:02AutoCAD 图形131 KB2.3 电磁离合器的选择电动式EPS转向助力般都是工作在个设定的范围。当车速低于某设定值时,系统提供转向助力,保证转向的轻便性;当车速高于某设定值时,系统提供阻尼控 12制,保证转向的稳定性;而当车速处于两个设定值之间时,电动机停止工作,系统处 于Stand状态,此时为了不使电动机和电磁离合器的惯性影响转向系统的工作,离合器 应及时分离,以切断辅助动。另外,当EPS系统发生故障时,离合器应自动分离,此时仍可利用手动控制转向,保障系统的安全性。EPS系统中电磁离合器应用较多的为单片干式电磁离合器,其工作原理如图所示图2.3电磁离合器离合器类型干式单片电磁式额定电压（V）12v额定传递扭矩152V绕阻（Q）19.5/20 c2.4 扭矩传感器的选择扭矩传感器的功能是测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小与方向,以及转向盘 的大小和方向。目前采用较多的是在转向轴位置加以扭杆,通过测量扭杆的变形得到 扭矩。另外也有采用非接触式扭距传感器。图2.4所示的非接触式扭矩传感器屮有一对 磁极环,其原理是:当输入轴与输出轴之间发生相对扭转位移时,磁极环之间的空气 间隙发生变化,从而引起电磁感应系数变化。非接触式扭矩传感器的优点是体积小精 度高,缺点是成本高。13线圏图2.4非接触式扭距传感器扭矩传感器额定电压5V额定输出电压2.5最大阻抗2.18+0.66详细D=W=G图=纸:三二1爸爸五四六3231885406顫闕 靠辑资科男19岁 7月13日（公历）巨蟹座 属虎2,丄 b4r會,匚。吗殲椰子树与穿心莲的空间全套资料低拾10快起14第3章电动助力转向系统减速机构的设计3.1 减速机构的分析及布置形式的确定电动助动转向系统的机构部分是该系统不可缺少的重要组成部分,其减速机构把 电动机的输出,经过减速增扭传递到动辅助单元,实现助力。L转向控制单元-金2.扭矩传感器3.减速机构4.驱动电机險轴承hjUSUU JJ 也 i 输出轴蜗杆r涡轮16蜗轮图3.1减速机构因此,减速机构的设计是EPS系统的关键技术之一。目前常用的减速机构有多种 结构形式,主要分为蜗轮蜗杆式、行星齿轮式和循环球螺母式等三种。而我选用了蜗 轮蜗杆式减速机构。采用蜗轮蜗杆减速机构,见图3.1,其传动机构有如下两大优点:（1）实现大的传动比。在动传动中,一般传动比i=580;在分度机构或手动机 构的传动中,传动比可达300;若只传递运动,传动比可达1000由于传动比大,零件 数目又少,因而结构很紧凑。（2）在蜗杆传动中,由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿,它的蜗轮是逐渐进入啮合 逐渐退出啮合的,同时啮合的齿对数较多,故冲击载荷小,传动平稳,噪音低。3.2 蜗轮蜗杆材料的选择考虑到蜗杆传动传递的功率不大,速度只是中等,故蜗杆用45号钢;因希望效率 高些,耐磨性好些,故蜗轮螺旋面要求淬火并且调质处理,硬度为4555HRC。蜗轮 用铸锡磷青铜ZcuSnlOPb,金属模铸造。这种材料耐磨性好,但价格较高,用于滑动 速度匕之3m/s的重要传动。为了尽量节约贵重的有色金属,仅齿圈用青铜制造,而轮 芯用铸铁HT150制造。为了防止变形,常对蜗轮进行时效处理。3.3 蜗轮蜗杆传动的设计3.3.I 设计要求普通圆柱蜗杆闭式传动（用于EPS系统中电机输出到转向轴）,蜗杆转速 17i=1210r/min,扭矩7=1760N mm,传动比i=30.双侧工作,工作载荷较稳定,冲击 不大。要求寿命为5年（按每年365天,每天8小时）,则使用寿命=5x365x8=14600h3.3.2 选择蜗杆传动类型根据GB10085-88的推荐,采用渐开线蜗杆（ZI）。传动比i介于580之间,由表3.1可确 定蜗杆头数Z=L表3.1蜗杆头数Z1蜗轮齿数Z推荐值传动比i=zl/z25871615 32383蜗杆头数zl6421涡轮齿数z234828 64364383单头蜗杆传动的传动比大,但效率低,发热量大,易自锁。不过,蜗杆头数过多,导程角大,制造困难。蜗轮的齿数Z1=iZ2。当传递动时,为保证传动平稳性,Z2应 不少于28。但过Z过大将使蜗轮尺寸增大,蜗杆跨距随之增大,降低蜗杆的刚度,影 响啮合精度。通常取=Z22880,Z2一般不大于10。故取Z2=303.3.3 蜗杆模数及分度圆直径的确定蜗杆头数Z1=l蜗轮Zz=30因载荷平稳载荷系数K=l.1-1.3之间取故 K=1.2表3.2锡青铜蜗轮许用接触应锡青铜制造的蜗 轮，其值可 查表2。蜗轮材料铸造 方法适用的滑动速度V（m.s-i）蜗杆齿面硬度45HRC18ZCuSnlOPbl砂型 金属 型1225150220180268ZCuSn5Pb5Zn5砂型 金属 型101.2X36960()1 30 x268M 4 2171.5304经查表 3.3 可知 m=2.5 q=11.2&=28表3.3普通圆柱蜗杆传动的基本尺寸和参数模数 m/mm分度圆 直径d/mm直径系数q蜗杆头 数2M dV3mm模数 m/mm分度 圆直 径d/mm直径系数q蜗杆头数M 2 d/m3 m11818.0001186.3(80)12.6981,2,431751.252016.000131.2511217.7781444522.417.9201358(63)7.8751,2,440321.62012.50012451.28010.0001,2,4,653762817.500171.68(100)12.5001,2,464002(18)9.0001247214017.5001896022.411.2001,2,4,689.610(71)7.1001,2,47100(28)14.0001,2,4112909.0001,2,4,6900035.517.7501142(112)11.2001,2,411200192.5(22.4)8.9601,2,414016016.0001160002811.2001,2,4,617512.5(90)7.2001,2,414062(35.5)14.0001,2,4221.91128.9601,2,4175004518.0001281(140)11.2001,2,4218753.15(28)8.8891,2,427820016.00013125035.511.2701,2,4,635216(112)7.0001,2,4286724514.2861,2,4447.51408.7501,2,4358405617.7781556(180)11.2501,2,4460804(31.5)7.8751,2,450425015.6251560004010.0001,2,4,664020(140)7.0001,2,456000(50)12.5001,2,48001608.0001,2,4640007117.74011136(224)11.2001,2,4896005(40)8.0001,2,4100031515.75011260005010.0001,2,4,6125025(180)7.2001,2,4112500(63)12.6001,2,415752008.0001,2,41250009018.00012250(280)11.2001,2,41750006.3(50)7.9361,2,4198540016.00012500006310.0001,2,4,625003.3.4 蜗杆与蜗轮的主要参数及几何尺寸的确定蜗杆蜗杆分度圆直径4=2.8齿顶圆直径%=m(q+2)=2.5(11.2+2)=33dfl=m(q-2.4)=2.5(11.2-2.4)=22齿顶高%=m=2.5齿根高人=1.2m=l.2 x 2.5=3顶隙C=0.2m=0.24x2.5=0.520蜗轮分度圆柱的导程角Z I L 1。r=arctan L=arctan-5.lq 11.2中心距a=m(q+z2)=丄 x 2.5(11.2+30)=51.5蜗杆齿宽仇 之(11+0.06 z2)m仄 之(11+0.006x30)x2.5仇之324=32蜗轮蜗轮分度圆直径d2=mz=2.5 X 30=75齿顶圆直径dfl2=m(z 2+2)=2.5(30+2)=80齿根圆直径d/2=m(z2-2.4)=2.5(30-2.4)=69齿顶高h=m=2.5a2齿根高h f=1.2m=3蜗轮齿宽Z43 时 b2 Fmin425x2x11.4=607.14必Z 2=0屋 丫5T丫=375x2x1=535.7MPa Fmin 1.44.2.3初步确定齿轮的基本参数的主要尺寸根据齿轮传动的工作条件,选用斜齿圆柱齿轮与斜齿条啮合传动。选择齿轮传动 精度等级为7级精度。初选 K=1.4 B=14 Z、=7 Z2=10传动比=1.4 1.2 Y/0.89 Y=0.7Zmin=17cos 3=17xCos14 3=15由于Z=7 Z2=10均小于15发生根切故对其进行变位26XmmiXmm2丄0.33tana”tan20 tana t=-=-=0.375112684cos f3 cosl4a,=20.56inva t =-.-+inva=0.054855624t Z+Z2Y=厶土(/-1)=0、=a=21.9+0.7x2.5=23.65AY=X 2-Y=0.88-0.7=0.18 戶 KT cos 力 YpYeYFs _ 3 向 x 1.4 x 36960 x cos 14 x 0.7 x0.89x5.6 Z；%V 1.2x7?x607.1%2.1195加”=2.54.2.4 确定齿轮传动主要参数的几何尺寸主动齿轮分度圆直径 =吗=江=18.03cos cosl40节圆直径 d；=2=2x23.65=9.708+1 1.4+1齿顶圆直径 dal=d+2ha=18.03+2%(:+X“-A%)=18.03+2(1+0.55-0.18)2.5=24.88=d 2勺=18.03-2mHmm+C)齿根圆直径27=18.03-2(1+0.25-0.55)2.5=14.53齿顶高齿根高ha=mn(h：n+%-AY)=(1+0.55-0.18)2.5=3.425d/=2mn+C；一短)=(1+0.25-0.55)2.5=1.75全齿高 h=h/+h。=5.175齿宽 b=W xd=1.2x18.03=21.636因为相互啮合齿轮的基圆齿矩必须相等 既P6二P齿轮法面基圆齿矩为Pb万m“cos。1齿条法面基圆齿矩为取齿条法相模数为m.=2.5从动齿轮（齿条）节圆；=ud；=l.4X 19.708=27.59齿条齿顶高 mnfc+筋AY)=2.5(1+0.33-0.18)=2.875齿条齿根高 hf2=mn(C+-崩)=2.5(1+0.25-0.33)=2.3法面齿矩 S=(+2X tana“)m=4.5254.2.5 齿轮强度校核式中Zh节点区域系数Ze弹性系数Z广一重合度系数Z”螺旋角系数B-内宽28K载荷修正系数%=20.56tan a 尸tan an/cos(3=tan20%osl4=0.375112684月=13.14。Z h=Jcos/3b/sin at cos atZ/=a/2cos13.14/sin20.56 cos20.56=2.4338=0.318。dZ 1 tan 13=0.318x0.8x7x tan 14=0.4444=1.88-3.2(；+)cosl40=1.07Z=V 3 0 0.444)+=0.978764495Z 个 cos/3=0.985由表4.1可知Z石=189.8。q表4.1弹性影响系数Z石、弹性模量/MPa齿轮、材料、配对齿轮材料灰铸铁球墨铸铁铸铁锻钢夹布胶木11.8X10417.3X10420.2X10420.6X1040.785X 104锻钢162.0181.4188.9189.856.4铸钢161.0180.5188.0球墨铸铁156.6173.9灰铸铁143.7=2.43x0.978x0.985