汽车电动助力转向系统的设计.docx

汽车电动助力转向系统设计第1章 绪论1.1 汽车转向系统介绍汽车转向系是用来保持或改变汽车行驶方向机构，在汽车转向行驶时，确保各转向轮之间有协调转角关系。它由转向操纵机构、转向器和转向传动机构组成。 转向系统作为汽车一个关键组成部分，其性能好坏将直接影响到汽车转向特征、稳定性、和行驶安全性。现在汽车转向技术关键有七大类：手动转向技术（MS）、液压助力转向技术（HPS）、电控液压助力转向技术（ECHPS）、电动助力转向技术（EPS）、四轮转向技术（4WS）、主动前轮转向技术（AFS）和线控转向技术（SBW）。转向系统市场上以HPS、ECHPS、EPS应用为主。电动助力转向含有节省燃料、有利于环境、可变力转向、易实现产品模块化等优点，是一项紧紧围绕当今汽车发展专题新技术，她是现在中国转向技术研究热点。1.1.1 转向系设计要求(1) 汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车行驶稳定性。(2) 汽车转型行驶后，在驾驶员松开转向盘条件下，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，转向轮全部不得产生共振，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，因为运动不协调使车轮产生摆动应最小。(5) 确保汽车有较高机动性，含有快速和小转弯行驶能力。(6) 操纵轻便。(7) 转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘反冲力要尽可能小。(8) 转向器和转向传动机构球头处，有消除因磨损而产生间隙调整机构。(9) 在车祸中，当转向轴和转向盘因为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防伤装置。(10) 进行运动校核，确保转向轮和转向盘转动方向一致。1.2 EPS特点及发展现实状况1.2.1 EPS和其它系统比较对于电动助力转向机构(EPS)，电动机仅在汽车转向时才工作并消耗蓄电池能量；而对于常流式液压动力转向机构，因液压泵处于长久工作状态和内泄漏等原因要消耗较多能量。二者比较，电动助力转向燃料消耗率仅为液压动力转向16%20%。 液压动力转向机构工作介质是油，任何部位出现漏油，油压将建立不起来，不仅失去助力效能，并对环境造成污染。当发动机出现故障停止工作时，液压泵也不工作，结果也会丧失助力效能，这就降低了工作可靠性。电动助力转向机构不存在漏油问题，只要蓄电池内有电提供给电动助力转向机构，就能有助力作用，所以工作可靠。若液压动力转向机构油路进入空气或贮油罐油面过低，工作时将产生较大噪声，在排除气体之前会影响助力效果；而电动助力转向仅在电动机工作时有轻微噪声。 电动助力转向和液压动力转向比较，转动转向盘时仅需克服转向器摩擦阻力，不存在回位弹簧阻力和反应路感油压阻力。电动助力转向还有整体结构紧凑、部件少、占用空间尺寸小、质量比液压动力转向约轻20%25%和汽车上轻易部署等优点。1.2.2 EPS特点(1）EPS节能环境保护。因为发动机运转时，液压泵一直处于工作状态，液压转向系统使整个发动机燃油消耗量增加了3%5%,而EPS以蓄电池为能源，以电机为动力元件，可独立于发动机工作，EPS几乎不直接消耗发动机燃油。EPS不存在液压动力转向系统燃油泄漏问题，EPS经过电子控制，对环境几乎没有污染。(2）EPS装配方便。EPS关键部件能够集成在一起，易于部署，和液压动力转向相比降低了很多原件，没有液压系统所需要油泵、油管、压力流量控制阀、储油罐等，原件数目少，装配方便，节省时间。(3）EPS效率高。液压动力转向系统效率通常在60%70%，而EPS得效率较高，可高达90%以上。(4）EPS路感好。传统纯液压动力转向系大多采取固定放大倍数，工作驱动力大，但却不能实现汽车在多种车速下驾驶时轻便性和路感。而EPS系统滞后性能够经过EPS控制器软件加以赔偿，是汽车在多种速度下全部能得到满意转向助力。(5）EPS回正性好。EPS系统结构简单，不仅操作简便，还能够经过调整EPS控制器软件，得到最好回正性，从而改善汽车操纵稳定性和舒适性。(6）动力性。EPS系统可随车速高低主动分配转向力，不直接消耗发动机功率，只在转向时才起助力作用，保障发动机充足动力。（不像HPS液压系统，即使在不转向时，油泵也一直运转处于工作状态，降低了使用寿命）1.2.3 EPS在中国外应用情况国外EPS发展之路：因为微型轿车上狭小发动机舱空间给液压助力转向系统安装带来了很大麻烦，而EPS原件比较少，重量轻，装配方便，比较适合在微型轿车上安装。所以在国外，EPS系统首先是在微型轿车上发展起来。上世纪80年代早期，日本铃木企业首次在其Cervo轿车上安装了EPS系统，随即还应用在其Alto车上。以后，EPS在日本得到快速发展。出于节能环境保护考虑，欧、美等国汽车企业也相继对EPS进行了开发和研究。即使比日本晚了十年时间，不过欧美国家开发力度比较大，所选择产品类型也有所不一样。日本起初选择了技术相对成熟有刷电机。有刷电机比较成熟，在汽车上应用较广，比如雨刷、车窗等部分，稍作改善就适应了EPS要求，所以研发周期较短，上世纪80年代末期就开始产业化，关键装配在微型车上。而欧美则选择了难度较大无刷电机，不过电子控制系统比较复杂，延长了研发周期。直到90年代中期欧美才开始量产。从长远发展看，有刷电机存在一定弊端，比如电机产生噪声较难克服，磨损较严重，存在电磁干扰等问题。所以，日本现在中国装配EPS也逐步转向无刷电机了。中国EPS发展现实状况：中国汽车电子行业总体发展相对滞后，不过，伴随汽车对环境保护、节能和安全性要求深入提升，代表着现代汽车转向系统发展方向EPS电动助力转向系统已被中国列为高新科技产业项目之一，中国各大院校、科研机构和企业在进行EPS技术研究，也有少数供给商能批量提供转向轴式EPS系统。但总来讲现在中国EPS技术还不成熟；供给商所提供EPS系统还未达成产品级要求，且类型单一，还不能满足整车厂需要。据悉，自主品牌研发EPS系统离产业化就差整车厂批量装车认可这一台阶了，相信很快就能够实现量产。EPS系统是未来动力转向系统一个发展趋势。1.3 本课题研究意义 伴随科技发展和大家生活水平及环境保护意识提升，汽车转向助力肯定会向更轻便、更节能、更安全方向发展，而本课题正是沿着这个方向对汽车转向系统进行了研究。现存汽车，大部分全部是传统液压助力转向系统，甚至没有助力转向系统，电动助力转向系统能提供比其更安全、更舒适转向操控性和节能效果。本课题对该系统进行了深入研究，并将其应用于实践，这对于推进该系统发展和最终产品化应用，对于推进机械、传感器技术和电子器件制造等相关产业发展，对于提升中国汽车电子化水平和加紧转向系统产业化发展含有十分关键意义。在可预见未来，电动助力转向系统在汽车领域肯定会有广泛应用。本章小结这一章介绍了现在应用汽车转向技术，并对电动助力转向系统和液压助力转向系统进行了分析比较。还叙述了EPS中国外发展情况。第2章 电动助力转向系统总体组成2.1 电动助力转向系统机理及类型多年来，电动助力转向机构在乘用车上得到应用，并有良好发展前景。电动助力转向机构，除去应该满足对液压式动力转向机构机构部分相同要求以外，同时还应该满足：含有故障自诊疗和报警功效；有良好抗振动和抗干扰能力等；当地面和车轮之间有反向冲击力作用时，电动助力转向机构应快速反应，阻止转向盘转动；在过载使用条件下有过载保护功效等。2.1.1 电动助力转向系统机理电动助力转向机构由机械转向器和电动助力部分相结合组成。电动助力部分包含电动机、电池、传感器和控制器（ECU）及线束，有还有减速机构和电磁离合器等（图2-1）图2-1 电动助力转向机构示意图现在用于乘用车电动助力转向机构转向器，均采取齿轮齿条式转向器。其功效除用来传输来自转向盘力矩和运动以外，还有增扭、降速作用。转向过程中，电动机未来自蓄电池电能转变为机械能向转向系输出而组成转向助力矩，并完成助力作用。和电动机连接减速机构有蜗轮蜗杆、滚珠螺杆螺母或行星齿轮机构等，其作用也是降速、增扭。装在减速机构周围离合器（通常为电磁离合器）是为了确保电动助力转向机构只在预先设定行驶速度范围内工作。在车速达成某一设定值时，离合器分离，并临时停止电动机助力作用。和此同时，转向机构也临时转为机械式转向机构。当电动机发生故障时，离合器也自动分离。离合器分离后再行转向时，可无须因带动电动机而消耗驾驶员体力。单片式电磁离合器包含主动轮、从动轴、压盘、磁化线圈和滑环等。 1.主动轮 2.磁化线圈 3.压盘 4.花键 5.从动轴 6轴承 7滑环 8电动机图2-2 电磁离合器工作原理简图其工作原理图所表示，装有磁化线圈2主动轮1和电动机轴固定连接，来自控制器控制电流经滑环7输入磁化线圈，于是主动轮产生电磁吸力，将压盘3吸到主动轮上，然后电动机动力经主动轮、压盘及压盘毂上花键传给从动轴5，实现助力作用。汽车以较高车速转向行驶，作用在转向盘上力矩将减小，以至于达成无需助力程度，此时可设定：达成此车速时，电磁离合器停止工作。还有，在电动机停止工作以后，电磁离合器在控制器控制下也要分离或自动分离。以后，在进行再进行转向将不存在助力作用，直至电动机恢复工作为止。电动助力转向机构工作原理以下：当驾驶员对转向盘施力并转动转向盘时，在转向盘下方和转向轴连接转矩传感器将经扭杆弹簧连接在一起上、下转向轴相对转动角位移信号转变为电信号传至控制器，在同一时刻车速信号也传至控制器。依据以上两信号，控制器确定电动机旋转方向和助力转矩大小。以后，控制器将输出数字量经D/A转换器，转换为模拟量，并将其输入电流控制电路。电流控制电路未来自微机电流命令值同电动机电流实际值进行比较后生成一个差值信号，同时将此信号送往电动机驱动电路，该电路驱动电动机，并向电动机提供控制电流，完成助力转向作用。 2.1.2 电动助力转向系统类型EPS系统依据电动机部署位置不一样可分为转向轴助力式、小齿轮助力式、齿条助力式三个基础类型（图2-3） a） b) c)a) 转向轴助力式 b) 齿轮助力式 c） 齿条助力式图2-3 EPS系统类型(1) 转向轴助力式 转向轴助力式电动助力转向机构电动机部署在靠近转向盘下方，并经蜗轮蜗杆机构和转向轴连接（图2-3a）。这种部署方案特点是：因为转向轴助力式电动助力转向电动机部署在驾驶室内，所以有良好工作条件；因电动机输出助力转矩经过减速机构增大后传给转向轴，所以电动机输出助力转矩相对小些，电动机尺寸也小，这又有利于在车上部署和减轻质量；电动机、转矩传感器、减速机构、电磁离合器等装为一体是结构紧凑，上述部件又和转向器分开，故拆装和维修工作轻易进行；转向器仍然能够采取通用经典结构齿轮齿条式转向器；电动机距驾驶员和转向盘近，电动机工作噪声和振动直接影响驾驶员；转向轴等零件也要承受来自电动机输出助力转矩作用，为使其强度足够，必需增大受载件尺寸；尽管电动机尺寸不大，但因这种部署方案电动机靠近方向盘，为了不影响驾驶员腿部动作，在部署时仍然有一定困难。(2)齿轮助力式 齿轮助力式电动助力转向机构电动机部署在和转向器主动齿轮相连接位置（图2-3b），并经过驱动主动齿轮实现助力。这种部署方案特点是：电动机部署在地板下方、转向器上部，工作条件比较差对密封要求较高；电动机助力转矩基于和转向轴助力式相同原因能够小些，所以电动机尺寸小，同时转矩传感器、减速机构等结构紧凑、尺寸也小，这将有利于在整车上部署和减小质量；转向轴等在转向器主动齿轮以上零部件，不承受电动机输出助力转矩作用，故尺寸能够小些；电动机距驾驶员远些，它动作噪声对驾驶员影响不大，但震动仍然会传到转向盘；电动机、转矩传感器、电磁离合器、减速机构等和转向器主动齿轮装在一个总成内，拆装时会因相互影响而出现一定困难；转向器和经典转向器不能通用，需要单独设计、制造。(3)齿条助力式 齿条助力式电动助力转向机构电动机和减速机构等部署在齿条处（图2-3c），并直接驱动齿条实现助力。这种部署方案特点是：电动机在地板下方，相比之下，工作噪声和振动对驾驶员影响全部小些；电动机减速机构等不占据转向盘至地板这段空间，所以有利于转向轴部署，驾驶员腿部动作不会受到它们干扰；转向轴直至转向器主动齿轮均不承受来自电动机助力转矩作用，故她们尺寸能小些；电动机、减速机构等工作在地板下方，条件较差，对密封要求良好；电动机输出助力转矩只经过减速机构增扭，没有经过转向器增扭，所以必需增大电动机输出助力转矩才能有良好助力效果，随之而来是电动机尺寸增大、质量增加；转向器结构和经典相差很多，必需单独设计制造；采取滚珠螺杆螺母减速机构时，会增加制造难度和成本；电动机、转向器占用空间即使大部分，但用于前轴负荷大，前部空间相对宽松部分乘用车上不是十分突出问题。2.2 电动助力转向系统关键部件EPS关键由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元ECU组成。2.2.1 扭矩传感器扭矩传感器检测扭转杆扭转变形，并将其转变为电子信号并输出至电子控制单元，是电动助力转向系统关键部件之一。扭距传感器由分相器单元1、分相器单元2及扭杆组成（图2-4）。图2-4 扭距传感器转子部分分相器单元1固定于转向主轴，转子部分分相器单元2固定于转向传动轴。扭转杆扭转后，使两个分相器单元产生一个相对角度，电子控制单元依据两个分相器相对位置决定对EPS电动机提供多少电压。2.2.2 车速传感器车速传感器功效是测量汽车行驶速度。现在，轿车EPS控制器通常全部从整车CAN总线中提取车速信号。2.2.3 电动机电动机由转角传感器、定子及转子组成（图2-5）。将电动机和减速机构部署在齿条处，并直接驱动齿条实现助力。经过转角传感器检测电动机旋转角度预防扭矩波动。图2-5 电动机结构2.2.4 减速机构减速机构采取滚珠式减速齿轮机构，将其固定在电动机转子上。电动机转动传到减速机构，经过滚珠及蜗杆传到齿条轴上。滚珠在机构内部经过导向进行循环。2.2.5 电子控制单元电子控制单元（ECU）功效是依据扭矩传感器和车速传感器信号，进行分析和计算后，发出指令，控制电动机动作。另外，ECU还有安全保护和自我诊疗功效，ECU经过采集电动机电流、发动机转速等信号判定系统工作是否正常，一旦系统工作异常，电动助力被切断；同时ECU将进行故障诊疗分析，故障指示灯亮，并以故障所对应模式闪烁。2.3 电动助力转向助力特征电动助力转向助力特征由软件设定。通常将助力特征曲线设计成伴随汽车行驶速度Va改变而改变，并将这种助力特征称之为车速感应型。图2-6示出车速感应型助力特征曲线表明，助力既是作用到转向盘上力矩函数，同时也是车速函数。图2-6 车速感应型助力特征当车速Va=0时，相当于汽车在原地转向，助力特征曲线位置居其它各条曲线之上，助力强度达成最大。伴随车速Va不停升高，助力特征曲线位置也逐步降低，直至车速Va达成最高车速Vamax为止，此时助力强度已为最小，而路感强度达成最大。本章小结本章关键是介绍了电动助力转向机构组成、工作原理，和对电动助力转向三种部署形式进行了分析对比。还有分析了电动助力转向系统各关键部件结构及工作过程和助力特征。第3章 电动助力转向系统设计3.1 对动力转向机构要求 （1）运动学上应保持转向轮转角和驾驶员转动转向盘转角之间保持一定百分比关系。 （2）伴随转向轮阻力增大（或减小），作用在转向盘上手力必需增大（或减小），称之为“路感”。 （3）看成用在转向盘上切向力时（因汽车形式不一样而异），动力转向器就开始工作。 （4）转向后，转向盘应自动回正，并使汽车保持在稳定直线行驶状态。 （5）工作灵敏。 （6）动力转向失灵时，仍能用机械系统操纵车轮转向。3.2 齿轮齿条转向器设计和计算齿轮齿条转向器最关键优点是：结构简单、价格低廉、质量轻、刚性好、使用可靠；传动效率高达90%；依据输入齿轮位置和输出特点不一样，齿轮齿条式转向器有四种形式：中间输入，两端输出（图3-1a）；侧面输入，两端输出（图3-1b）；侧面输入，中间输出（图3-1c）；侧面输入，一端输出图（图3-1d）。图3-1 齿轮齿条式转向器四种形式3.2.1 转向系计算载荷确实定为了确保行驶安全，组成转向系各零件应有足够强度。欲验算转向系零件强度，需首先确定作用在各零件上力。影响这些力关键原因有转向轴负荷、路面阻力和轮胎气压等。为转动转向轮要克服阻力，包含转向轮绕主销转动阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中内摩擦阻力等。正确地计算出这些力是困难。为此用足够正确半经验公式来计算汽车在沥青或混凝土路面上原地转向阻力矩MR(Nmm)。 Nmm (3-1)式中 f轮胎和路面间滑动摩擦因数；转向轴负荷，单位为N；P轮胎气压，单位为MPa。作用在转向盘上手力Fh为： N (3-2)式中 转向摇臂长, 单位为mm；原地转向阻力矩, 单位为Nmm转向节臂长, 单位为mm；为转向盘直径,单位为mm；转向器角传动比；转向器正效率。因齿轮齿条式转向传动机构无转向摇臂，故L1、L2不代入数值。对给定汽车，用上式计算出来作用力是最大值。所以，能够用此值作为计算载荷。梯形臂长度计算：轮辋直径= 16in=1625.4=406.4mm梯形臂长度=0.8/2= 406.40.8/2=162.6mm （3-3）取=160mm轮胎直径计算RT：=406.4+0.55225=530.2mm （3-4） 取=530mm转向横拉杆直径确实定： （3-5）=;所以取=15mm初步估算主动齿轮轴直径： （3-6） =140MPa所以取=18mm上述计算只是初步对所研究转向系载荷确实定。3.2.2 齿轮齿条式转向器设计(一) EPS系统齿轮齿条转向器关键元件 （1)齿条是在金属壳体内往返滑动，加工有齿形金属条。转向器壳体是安装在前横梁或前围板固定位置上。齿条替换梯形转向杆系摇杆和转向摇臂，并确保转向横拉杆在合适高度以使她们和悬架下摆臂平行。齿条能够比作是梯形转向杆系转向直拉杆。导向座将齿条支持在转向器壳体上。齿条横向运动拉动或推进转向横拉杆，使前轮转向。表3-1 齿条尺寸设计参数序号项目符号尺寸参数()1总长7302直径253齿数204法向模数3 （2)齿轮是一只切有齿形轴。它安装在转向器壳体上并使其齿和齿条上齿相啮合。齿轮齿条上齿能够是直齿也能够是斜齿。齿轮轴上端和转向柱内转向轴相连。所以，转向盘旋转使齿条横向移动以操纵前轮。齿轮轴由安装在转向器壳体上球轴承支承。斜齿弯曲增加了一对啮合齿轮参与啮合齿数。相对直齿而言，斜齿运转趋于平稳，并能传输更大动力。表3-2 齿轮轴尺寸设计参数序号项目符号尺寸参数(mm)1总长1982齿宽603齿数64法向模数35螺旋角 146螺旋方向左旋 （3)转向横拉杆及其端部 1.横拉杆 2.锁紧螺母3.外接头壳体4.球头销5.六角开槽螺母6.球碗7.端盖 8.梯形臂 9.开口销 图3-2转向横拉杆外接头转向横拉杆和梯形转向杆系相同。球头销经过螺纹和齿条连接。当这些球头销依制造厂规范拧紧时，在球头销上就作用了一个预载荷。防尘套夹在转向器两侧壳体和转向横拉杆上，这些防尘套阻止杂物进入球销及齿条中。转向横拉杆端部和外端用螺纹联接。这些端部和梯形转向杆系相同。侧面螺母将横拉杆外端和横拉杆锁紧（见图3-2）。注：转向反馈是由前轮碰到不平路面而引发转向盘运动。 （4)齿条调整 一个齿条导向座安装在齿条光滑一面。齿条导向座1和和壳体螺纹连接调整螺塞3之间连有一个弹簧2。此调整螺塞由锁紧螺母固定4。齿条导向座调整使齿轮、齿条间有一定预紧力，此预紧力会影响转向冲击、噪声及反馈（见图3-3）。 图3-3齿条间隙调整装置 齿条断面形状有圆形、V形和Y形三种，本设计采取V形断面，V形和Y形断面齿条和圆形断面比较，消耗材料少，约节省20%,故质量小；在齿下面两斜面和齿条托座接触，可用来预防齿条绕轴线转动。在齿条和托座之间装有用减磨材料（聚四氟乙烯）做垫片，以降低滑动摩擦。当车轮跳动、转向或转向器工作时，如在齿条上作用有能使齿条旋转力矩时，V形断面齿条能预防因齿条旋转而破坏齿轮、齿条齿不能正确啮合情况出现。 （二） 转向传动比 当转向盘从锁点向锁点转动，每只前轮大约从其正前方开始转动30，因以前轮从左到右总共转动大约60。若传动比是1:1，转向盘旋转1，前轮将转向1，转向盘向任一方向转动30将使其前轮从锁点转向锁点。这种传动比过于小，所以转向盘最轻微运动将会使车辆忽然改变方向。转向角传动比必需使前轮转动一样角度时需要更大转向盘转角。对乘用车，推荐转向器角传动比在1725范围内选择；对商用车，在2332范围内选择，这里选传动比为18:1。即在这么传动比下，转向盘每转动18，前轮转向1。（三） EPS系统齿轮齿条转向器安装 齿轮齿条式转向器可安在前横梁上或发动机后部前围板上（见图3-4）。橡胶隔振套包在转向器外，并固定在横梁上或前围板上。齿轮齿条转向器正确安装高度，使转向横拉杆和悬架下摆臂可平行安置。齿轮齿条式转向系统中磨擦点数目降低了，所以这种系统轻便紧凑。大多数承载式车身前轮驱动汽车用齿轮齿条式转向机构。因为齿条直接连着梯形臂，这种转向机构可提供好路感。在转向器和支承托架之间装有大橡胶隔振垫，这些衬垫有利于降低路面噪声、振动从转向器传到底盘和客舱。齿轮齿条转向器装在前横梁上或前围板上。转向器正确安装对确保转向横拉杆和悬架下摆臂平行关系相关键作用。为保持转向器处于正确位置，在转向器安装位置处，前围板有所加固。图3-4 转向器安装位置（四） 齿轮齿条式转向器设计要求 齿轮齿条式转向器齿轮多数采取斜齿圆柱齿轮。齿轮模数取值范围多在23mm之间。主动小齿轮齿数多数在57个齿范围改变，压力角取20，齿轮螺旋角取值范围多为915。齿条齿数应依据转向轮达成最大偏转角时，对应齿条移动行程应达成值来确定。变速比齿条压力角，对现有结构在1235范围内改变。另外，设计时应验算齿轮抗弯强度和接触强度。主动小齿轮选择16MnCr5或15CrNi6材料制造，而齿条常采取45钢制造。为减轻质量，壳体用铝合金压铸。（五） 齿轮轴和齿条设计计算1.选择齿轮材料、热处理方法及计算许用应力(1) 选择材料及热处理方法小齿轮16MnCr5 渗碳淬火，齿面硬度56-62HRC大齿轮 45钢 表面淬火，齿面硬度52-56HRC(2) 确定许用应力 a)确定和 b)计算应力循环次数N，确定寿命系数、。 （3-7）式中 齿轮转速（r/min）； 齿轮转一周，同一侧齿面啮合次数； 齿轮工作寿命（h）； c)计算许用应力取, （3-8） （3-9）应力修正系数 （3-10） （3-11）2.初步确定齿轮基础参数和关键尺寸(1) 选择齿轮类型依据齿轮传动工作条件，选择斜齿圆柱齿轮和斜齿齿条啮合传动方案(2) 选择齿轮传动精度等级选择7级精度(3) 初选参数初选 按当量齿数(4) 初步计算齿轮模数转矩 （3-12）闭式硬齿面传动，按齿根弯曲疲惫强度设计。 （3-13）=2.309(5) 确定载荷系数，由,0.000696,；对称部署，取；取则(6) 修正法向模数 （3-14）圆整为标准值，取3.确定齿轮传动关键参数和几何尺寸(1) 分度圆直径 （3-15）(2) 齿顶圆直径 =16+22.5(1+0)=21 （3-16）(3) 齿根圆直径 =16-22.51.25=9.75 （3-17）(4) 齿宽b （3-18）因为相互啮合齿轮基圆齿距必需相等，即。齿轮法面基圆齿距为齿条法面基圆齿距为取齿条法向模数为(5) 齿条齿顶高 （3-19）(6) 齿条齿根高 （3-20）(7) 法面齿距 （3-21）4.校核齿面接触疲惫强度查表，得查图，得取，所以=1677.6所以齿面接触疲惫强度满足要求。3.2.3 齿轮齿条转向器转向横拉杆运动分析当转向盘从锁点向锁点转动，每只前轮大约从其正前方开始转动30，因以前轮从左到右总共转动约60。当转向轮右转30，即梯形臂或转向节由绕圆心转至时，齿条左端点移至距离为30=160cos30=138.564=160-138.564=21.43630=80 =339.3=339.3-80=259.32=340-259.32=80.7图3.4 转向横拉杆运动分析简图同理计算转向轮左转30，转向节由绕圆心转至时，齿条左端点E移至距离为=80 =339.3=80+339.3-340=79.3齿轮齿条啮合长度应大于即 =80.7+79.3=160取L=2003.2.4 齿轮齿条传动受力分析若略去齿面间摩擦力，则作用于节点P法向力Fn可分解为径向力Fr和分力F，分力F又可分解为圆周力Ft和轴向力Fa。=235000/16=4375=1641.12=1090.83.2.5 齿轮轴强度校核1.轴受力分析(1) 画轴受力简图。(2) 计算支承反力在垂直面上 在水平面上(3) 画弯矩图在水平面上，a-a剖面左侧、右侧在垂直面上，a-a剖面左侧a-a剖面右侧合成弯矩，a-a剖面左侧a-a剖面右侧(4) 画转矩图转矩 =437516/2=46636.42.判定危险剖面显然，a-a截面左侧合成弯矩最大、扭矩为T，该截面左侧可能是危险剖面。3.轴弯扭合成强度校核由机械设计4查得，=60/100=0.6。a-a截面左侧4.轴疲惫强度安全系数校核查得, ,；。a-a截面左侧查得；由表查得绝对尺寸系数轴经磨削加工，查得质量系数=1.0。则弯曲应力 应力幅 平均应力 切应力 安全系数查得许用安全系数S=1.31.5，显然SS，故a-a剖面安全。图3.3-6 齿轮轴校核分析图本章小结本章是电动助力转向系统设计，关键内容以下：(1) 介绍了电动助力转向系统一个设计方法，这种设计方法是有其可行性，能够设计出符合助力要求电动助力转向系统，该设计方法在现实中是比较适宜。(2) 对电动助力转向系统中齿轮齿条转向器关键元件进行具体介绍，而且给出了部分参考转向系参数。(3) 依据已知条件，对电动助力转向系统中齿轮齿条式转向器进行了齿轮轴和齿条设计计算。第4章 转向传动机构优化设计4.1 结构和部署齿轮齿条式转向器因结构简单紧凑、制造工艺简便等优点, 既适适用于整体式前轴,也适适用于采取独立悬架断开式前轴, 被广泛地应用在轿车、轻型客货车、微型汽车等车辆上。其中, 和之配用转向传动机构同传统整体式转向梯形机构相比有其特殊之处。通常来说, 这种转向系统结构大多图4-1所表示。转向轴1末端和转向器齿轮轴2直接相连或经过万向节轴相连, 齿轮2和装于同一壳体齿条3啮合, 外壳则固定于车身或车架上。齿条经过两端球铰接头和两根分开横拉杆4、7相连, 两横拉杆又经过球头销和左右车轮上梯形臂5、6相连。所以, 齿条3既是转向器传动件又是转向梯形机构中三段式横拉杆一部分。绝大多数齿轮齿条式转向器全部部署在轴前后方, 这么既可避让开发动机下部, 又便于和转向轴下端连接。安装时, 齿条轴线应和汽车纵向对称轴垂直, 而且当转向器处于中立位置时, 齿条两端球铰中心应对称地处于汽车纵向对称轴两侧。1.转向轴 2.齿轮 3.齿条 4.左横拉杆 5.左梯形臂 6.右梯形臂 7.右横拉杆图4-1转向系统结构简图对于给定汽车, 其轴距L、主销后倾角和左右两主销轴线延长线和地面交点之间距离K均为已知定值。对于选定转向器, 其齿条两端球铰中心距也为已知定值。所以在设计转向传动机构时, 需要确定参数为梯形底角、梯形臂长和齿条轴线到梯形底边安装距离h。而横拉杆长则可由转向传动机构上述参数和已知汽车参数K和转向器参数M来确定。其关系式为： (4-1)4.2 用解析法求内、外轮转角关系转动转向盘时, 齿条便向左或向右移动,使左右两边杆系产生不一样运动, 从而使左右车轮分别取得一个转角。以汽车左转弯为例, 此时右轮为外轮, 外轮一侧杆系运动图4-2所表示。设齿条向右移过某一行程S, 经过右横拉杆推进右梯形臂, 使之转过。图4-2外轮一侧杆系运动情况取梯形右底角顶点O为坐标原点, X、Y轴方向图5-2所表示, 则可导出齿条行程S和外轮转角关系： (4-2)另外，由图4-2可知： (4-3)而内轮一侧运动则图4-3所表示, 齿条右移了相同行程S, 经过左横拉杆拉动左梯形臂转过。图4-3内轮一侧杆系运动情况取梯形左底角顶点O1为坐标原点,X 、Y轴方向图5-3所表示, 则一样可导出齿条行程S和内轮转角关系, 即: (4-4) (4-5)所以, 利用公式(4-2)便可求出对应于任一外轮转角齿条行程S, 再将S代入公式(4-5)即可求出对应内轮转角。把公式(4-2)和(4-5)结合起来便可将表示为函数,记作:反之, 也可利用公式(4-4)求出对应于任一内轮转角齿条行程S, 再将S代入公式(4-3)即可求出对应外轮转角。将公式(4-4)和(4-5)结合起来可将表示为函数, 记作:4.3 转向传动机构优化设计4.3.1 目标函数建立众所周知, 在不计轮胎侧偏时, 实现转向轮纯滚动、无侧滑转向条件是内、外轮转角含有图4-4所表示理想关系, 即: (4-6)式中 T计及主销后倾角时计算轴距具体D=W=G图=纸：三 二 1爸 爸 五 四 0 六全 套 资 料 低 拾10快起 L汽车轴距r车轮滚动半径由式(4-6)可将理想内轮转角表示为函数, 即: (4-7)反之, 取内轮转角为自变量时, 理想外轮转角也可表示为函数, 即: (4-8)而由转向梯形机构所提供内、外实际转角关系为前述i=F(0)或 0=(i),所以, 转向梯形机构优化设计目标就是要在要求转角范围内使实际内或外轮转角尽可能地靠近对应理想内或外轮转角。为了综合评价在全部转角范围内二者靠近正确程度, 并考虑到在最常使用中小转角时期望二者尽可能靠近, 所以提议用两函数加权均方根误差作为评价指标。即： （4-9） （4-10）两式中加权因子、为：(4-9)、(4-10) 两式是等价, 可依据具体情况任取其中之一作为极小化目标函数。图4-4理想内、外轮转交关系4.3.2 设计变量和约束条件对于给定汽车和选定转向器, 转向梯形机构还有梯形臂长、底角和安装距离h三个设计变量。其中底角可按经验公式先选一个初始值,然后再增加或减小, 进行优化搜索。而及h选择则要结合约束条件来考虑。第一, 要确保梯形臂不和车轮上零部件(如轮胎、轮辆或制动底板)发生干涉, 故要满足：式中 Aoy梯形臂球头销中心Y坐标值（见图4-3）Aymin车轮上可能和梯形臂干涉部位Y坐标值因，所以可知当选定时可取值上限为： (4-11) 第二, 要确保有足够齿条行程来实现要求最大转角。即有:式中 Smax最大转角或所对应齿条行程S转向器许用齿条行程因所以由公式(1)或(3)可知：通常来说 内数值很小, 故在估算齿条行程时可略去不计, 即可粗略地认为：所以当选定时，可取值范围为： （4-12） 或 （4-13）(4-12)式和(4-13)式是等价，使用时可依据具体情况任取其中之一作为约束条件。第三，要确保有足够大传动角。传动角是指转向梯形臂和横拉杆所夹锐角。伴随车轮转角增大, 传动角逐步变小。而且对应于同一齿条行程, 内轮一侧传动角总是比外轮一侧传动角要小。由图4-2可知：由图4-3可知:最小传动角发生在内轮一侧, 当达成最大值时, 也达成最大值, 故此时为最小值。传动角过小会造成有效分力过小,表现为转向沉重或回正不良。对于通常平面连杆机构, 为了确保机构传动良好, 设计时通常应使, 但通常后置式转向梯形机构全部偏小。这是因为汽车正常行驶中多用小转角转向, 约有80以上转角在20以内即使是大转角转向, 也是从小转角开始, 而且速度较低, 所以取23时内轮一侧传动角作为控制参数。以作为约束条件, 这么通常均能确保在时