汽车电动助力转向系统的设计.pdf

目录摘要.IAbstract.II第1章绪论.11.1 汽车转向系统简介.11.1.1 转向系的设计要求.11.2 EPS的特点及发展现状.21.2.1 EPS与其他系统比较.21.2.2 EPS 的特点.21.2.3 EPS在国内外的成川状况.31.3 本课题的研究意义.4第2章 电动助力转向系统的总体组成.52.1 电动助力转向系统的机理及类型.52.1.1 电动助力转向系统的机理.52.1.2 电动助力转向系统的类型.72.2 电动助力转向系统的关键部件.92.2.1 扭矩传感器.92.2.2 车速传感器.92.2.3 电动机.92.2.4 减速机构.102.2.5 电子控制单元.102.3 电动助力转向的助力特性.11第3章 电动助力转向系统的设计.123.1 对动转向机构的要求.123.2 齿轮齿条转向器的设计与计算.123.2.1 转向系计算载荷的确定.133.2.2 齿轮齿条式转向器的设计.143.2.3 齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析.223.2.4 齿轮齿条传动受分析.243.2.5 齿轮轴的强度校核.24第4章 转向传动机构的优化设计.294.1 结构与布置.294.2 用解析法求内、外轮转角关系.304.3 转向传动机构的优化设计.324.3.I 目标函数的建立.324.3.2 设计变量与约束条件.334.4 研究结论.36结论.37致谢.39参考文献.40附录1.41附录2.46 ._ .全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计摘要汽车转向系统可按转向的能源不同分为机械转向系统和动转向系统两 类。汽车电动助力转向系统是种新型的汽车动转向系统,与传统液压转 向系统相比,采川电动机直接提供助力,具有多方面优越性。近年来已有很 多中高档汽车配备了动转向系统装置,EPS研究也成为汽车业的热门课题 之一,具有重要研究价值和巨大潜在应川前景。在本文中重点进行齿轮齿条转向器的设计计算和对转向齿轮轴的校核,及转向传动机构的优化设计。主要方法和理论采用汽车设计的经验参数和大 学所学机械设计的课程内容进行设计,并做了归纳和总结。关键词 转向系统;电动助力转向系统;齿轮齿条转向器;优化设计 1 ._ 全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计AbstractThe steering system can be divided into mechanical energy and power steering system.Electric power steering system is a new type of vehicle power steering system,compared with traditional hydraulic steering systems,directly with the motor power,has many advantages.In recent years,many in the luxury car have been equipped with a power steering system device,EPS studies have become a hot topic in automotive industry,great research value and great potential applications.This article focus on the design of the rack and pinion steering gear shaft calculation and verification,and optimization of steering linkage.The main methods and theories of experience with automotive design parameters and the university curriculum in mechanical design to design,and made and summarized.Key words Steering System；Electric Power Steering；Rack and pinion steering；Optimization全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计第1章绪论1.1 汽车转向系统简介汽车转向系是川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。它由转向操纵机构、转向器和转 向传动机构组成。转向系统作为汽车的个重要组成部分,其性能的好坏将直接影响到汽 车的转向特性、稳定性、和行驶安全性。目前汽车转向技术主要有七大类: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)o转向系统市场上以HPS、ECHPS、EPS应 川为主。电动助力转向具有节约燃料、有利于环境、可变转向、易实现产 品模块化等优点,是项紧扣当今汽车发展主题的新技术,他是目前国内转 向技术的研究热点。1.1.1 转向系的设计要求(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,并降低汽车的行驶稳定性。(2)汽车转型行驶后,在驾驶员松开转向盘的条件下,转向轮能自动返冋到 直线行驶位置,并稳定行驶。(3)汽车在任何行驶状态下,转向轮都不得产生共振,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,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,具有迅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,传给转向盘的反冲要尽可能小。(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。-4-全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计(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,保证转向轮与转向盘转动方向一致。1.2 EPS的特点及发展现状1.2.1 EPS与其他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工作并消耗蓄电 池能量;而对于常流式液压动转向机构,因液压泵处于长期工作状态和内 泄漏等原因要消耗较多的能量。两者比较,电动助力转向的燃料消耗率仅为 液压动转向的16%20%。液压动转向机构的工作介质是油,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的问题,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。若液压动转向机构的油路进入空 气或者贮油罐油面过低,工作时将产生较大噪声,在排除气体之前会影响助 效果;而电动助力转向仅在电动机工作时有轻微的噪声。电动助力转向与液压动转向比较,转动转向盘时仅需克服转向器的摩 擦阻,不存在冋位弹簧阻和反映路感的油压阻。电动助力转向还有整 体结构紧凑、部件少、占川的空间尺寸小、质量比液压动转向约轻20%25%以及汽车上容易布置等优点。1.2.2 EPS的特点(1)EPS节能环保。由于发动机运转时,液压泵始终处于工作状态,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 转向系统的燃油泄漏问题,EPS通过电子控制,对环境几乎没有污染。-1-全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计(2)EPS装配方便。EPS的主要部件可以集成在起,易于布置,与液压动转向相比减少了 许多原件,没有液压系统所需要的油泵、油管、压流量控制阀、储油罐等,原件数目少,装配方便,节约时间。(3)EPS效率高。液压动转向系统效率一般在60%70%,而EPS得效率较高,可高达90%以上。(4)EPS路感好。传统纯液压动转向系大多采川固定放大倍数,工作驱动力大,但却不 能实现汽车在各种车速下驾驶时的轻便性和路感。而EPS系统的滞后性可以 通过EPS控制器的软件加以补偿,是汽车在各种速度下都能得到满意的转向 助力。(5)EPS回正性好。EPS系统结构简单,不仅操作简便,还可以通过调整EPS控制器的软件,得到最隹的冋正性,从而改善汽车的操纵稳定性和舒适性。(6)动性。EPS系统可随车速的高低主动分配转向,不直接消耗发动机功率,只在 转向时起助力作用,保障发动机充足动。(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,降低了使川寿命)1.2.3 EPS在国内外的应用状况国外EPS的发展之路:因为微型轿车上狭小的发动机舱空间给液压助力转向系统的安装带来了 很大的麻烦,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。因此在国外,EPS系统首先是在微型轿车上发展起来的。上世纪80年代初期,巳本铃木公司首次在其Cervo轿车上安装了 EPS系 统,随后还应川在其Alto车上。此后,EPS在巳本得到迅速发展。出于节能 环保的考虑,欧、美等国的汽车公司也相继对EPS进行了开发和研究。虽然 比巳本晩了十年时间,但是欧美国家的开发度比较大,所选择的产品类型 也有所不同。巳本起初选择了技术相对成熟的有刷电机。有刷电机比较成熟,在汽车上的应用较广,比如雨刷、车窗等部分,稍-2-全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计作改进就适应了 EPS的要求,因此研发周期较短,上世纪80年代末期就开始 产业化,主要装配在微型车上。而欧美则选择了难度较大的无刷电机,但是 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,比如电机产生的噪声较难克服,磨 损较严重,存在电磁干扰等问题。因此,巳本现在国内装配的EPS也逐渐转 向无刷电机了。国内EPS的发展现状:我国汽车电子行业的总体发展相对滞后,但是,随着汽车对环保、节能 和安全性要求的进步提高,代表着现代汽车转向系统的发展方向的EPS电 动助力转向系统已被我国列为高新科技产业项目之一,国内各大院校、科研 机构和企业在进行EPS技术的研究,也有少数供取商能批量提供转向轴式的 EPS系统。但总的来讲目前国内EPS技术还不成熟;供应商所提供的EPS系统 还未达到产品级的要求,且类型单,还不能满足整车厂需要。据悉,自主 品牌研发的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 快就可以实现量产。EPS系统是未来动转向系统的个发展趋势。1.3本课题的研究意义随着科技的发展和人们生活水平及环保意识的提高,汽车转向助力肯定 会向更轻便、更节能、更安全的方向发展,而本课题正是沿着这个方向对汽 车的转向系统进行了研究。现存的汽车,大部分都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、更舒适的转 向操控性和节能效果。本课题对该系统的进行了深入的研究,并将其应川于 实践,这对于推动该系统的发展和最终的产品化应用,对于推动机械、传感 器技术和电子器件制造等相关产业的发展,对于提高我国汽车电子化水平和 加快转向系统产业化发展具有十分重要的意义。在可预见的将来,电动助力转向系统在汽车领域必定会有广泛的应川。本章小结这一章介绍了现在应川的汽车转向技术,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。还阐述了 EPS的国内外发展状况。全套设计图纸加:36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计第2章电动助力转向系统的总体组成2.1 电动助力转向系统的机理及类型近年来,电动助力转向机构在乘川车上得到应川,并有良好的发展前景。电动助力转向机构,除去应当满足对液压式动转向机构机构的些相似要 求以外,同时还应当满足:具有故障自诊断和报警功能;有良好的抗振动和 抗干扰能力等;当地面与车轮之间有反向冲击力作川时,电动助力转向机构 应迅速反应,制止转向盘转动;在过载使用条件下有过载保护功能等。2.1.1 电动助力转向系统的机理电动助力转向机构由机械转向器与电动助力部分相结合构成。电动助力 部分包括电动机、电池、传感器和控制器（ECU）及线束,有的还有减速机构 和电磁离合器等（图2-1）-4-全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计目前用于乘用车的电动助力转向机构的转向器,均采用齿轮齿条式转向 器。其功能除用来传递来自转向盘的矩与运动以外,还有增扭、降速作用。转向过程中,电动机将来自蓄电池的电能转变为机械能向转向系输出而构成 转向助力矩,并完成助力作用。与电动机连接的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。装在减速机构附近的 离合器(通常为电磁离合器)是为了保证电动助力转向机构只在预先设定的 行驶速度范围内工作。在车速达到某设定值时,离合器分离,并暂时停止 电动机的助力作用。与此同时,转向机构也暂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,可不必因 带动电动机而消耗驾驶员体力。单片式电磁离合器包括主动轮、从动轴、压 盘、磁化线圈和滑环等。全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计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如图所示,装有磁化线圈2的主动轮1与电动机轴固定连接,来自控制器的控制电流经滑环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,然后电动机的动经主动轮、压盘及压盘毂上的花 键传给从动轴5,实现助力作用。汽车以较高车速转向行驶,作川在转向盘上的力矩将减小,以至于达到 无需助力的程度,此时可设定:达到此车速时,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的控制下也要分离或者自动分 离。此后,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。电动助力转向机构的工作原理如下:当驾驶员对转向盘施并转动转向盘时,位于转向盘下方与转向轴连接 的转矩传感器将经扭杆弹簧连接在起的上、下转向轴的相对转动角位移信 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。根据以上 两信号,控制器确定电动机的旋转方向和助力转矩的大小。之后,控制器将 输出的数字量经D/A转换器,转换为模拟量,并将其输入电流控制电路。电 流控制电路将来自微机的电流命令值同电动机电流的实际值进行比较后生成 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,并全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计向电动机提供控制电流,完成助力转向作用。2.1.2电动助力转向系统的类型EPS系统依据电动机布置位置的不同可分为转向轴助力式、小齿轮助力 式、齿条助力式三个基本类型(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系统的类型(1)转向轴助力式 转向轴助力式电动助力转向机构的电动机布置在靠 近转向盘下方,并经蜗轮蜗杆机构与转向轴连接(图2-3a)。这种布置方案的 特点是:由于转向轴助力式电动助力转向的电动机布置在驾驶室内,所以有良好 的丄作条件;因电动机输出的助力转矩经过减速机构增大后传给转向轴,所 以电动机输出的助力转矩相对小些,电动机尺寸也小,这又有利于在车上布 置和减轻质量;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,上述部件又与转向器分开,故拆装与维修工作容易进行；转向器 仍然可以采川通川的典型结构齿轮齿条式转向器;电动机距驾驶员和转向盘 近,电动机的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 电动机输出的助力转矩的作川,为使其强度足够,必须增大受载件的尺寸;尽管电动机的尺寸不大,但因这种布置方案的电动机靠近方向盘,为了不影-7-全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计响驾驶员腿部的动作,在布置时仍然有一定的困难。(2)齿轮助力式 齿轮助力式电动助力转向机构的电动机布置在与转向器 主动齿轮相连接的位置(图2-3b),并通过驱动主动齿轮实现助力。这种布置 方案的特点是:电动机布置在地板下方、转向器上部,工作条件比较差对密封要求较高;电动机的助力转矩基于与转向轴助力式相同的原因可以小些,因而电动机尺 寸小,同时转矩传感器、减速机构等的结构紧凑、尺寸也小,这将有利于在 整车上的布置和减小质量;转向轴等位于转向器主动齿轮以上的零部件,不 承受电动机输出的助力转矩的作用,故尺寸可以小些;电动机距驾驶员远些,它的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、减速机构等与转向器主动齿轮装在个总成内,拆装 时会因相互影响而出现一定的困难;转向器与典型的转向器不能通用,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的电动机与减速机构等布 置在齿条处(图2-3c),并直接驱动齿条实现助力。这种布置方案的特点是:电动机位于地板下方,相比之下,工作噪声和振动对驾驶员的影响都小 些;电动机减速机构等不占据转向盘至地板这段空间,因而有利于转向轴的 布置,驾驶员腿部的动作不会受到它们的干扰;转向轴直至转向器主动齿轮 均不承受来自电动机的助力转矩作用,故他们的尺寸能小些;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；电动机输出的助力转 矩只经过减速机构增扭,没有经过转向器增扭,因而必须增大电动机输出的 助力转矩才能有良好的助力效果,随之而来的是电动机尺寸增大、质量增加;转向器结构与典型的相差很多,必须单独设计制造;采用滚珠螺杆螺母减速 机构时,会增加制造难度与成本;电动机、转向器占用的空间虽然大一些,但用于前轴负荷大,前部空间相对宽松一些的乘用车上不是十分突出的问题。2.2 电动助力转向系统的关键部件EPS主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元 ECU组成。全套设计图纸加:36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计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的关键部件之一。扭距传感器由分相器单元1、分相器单元2及扭杆组成（如图2-4）图2-4扭距传感器转子部分的分相器单元1固定于转向主轴,转子部分的分相器单元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 子控制单元根据两个分相器的相对位置决定对EPS电动机提供多少电压。2.2.2 车速传感器车速传感器的功能是测量汽车的行驶速度。目前,轿车EPS控制器一般 都从整车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（如图2-5）。将电动机和减速机构布置在齿条处,并直接驱动齿条实现助力。通过转 角传感器检测电动机的旋转角度防止扭矩波动。-9-全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计图2-5电动机结构2.2.4 减速机构减速机构采川滚珠式减速齿轮机构,将其固定在电动机的转子上。电动 机的转动传到减速机构,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)的功能是依据扭矩传感器和车速传感器的信号,进 行分析和计算后,发出指令,控制电动机的动作。此外,ECU还有安全保护和 自我诊断的功能,ECU通过采集电动机的电流、发动机转速等信号判断系统 作是否正常,一旦系统工作异常,电动助力被切断;同时ECU将进行故障诊断 分析,故障指示灯亮,并以故障所对应的模式闪烁。-10-全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计2.3 电动助力转向的助力特性电动助力转向的助力特性由软件设定。通常将助力特性曲线设计成随着汽车 行驶速度Va的变化而变化,并将这种助力特性称之为车速感应型。图2-6示 出的车速感应型助力特性曲线表明,助力既是作川到转向盘上的力矩的函数,同时也是车速的函数。V、堪tf整掲岳-8.0-6.0-4.0-2.0-0.8 0.8 2.0 4.0 转向盘矩/N-m(7,25)1!0km h1/，120km h1(7,11),230km h1/3035km h1(7,4),35 40km h1图2-6车速感应型助力特性当车速Va二0时,相当于汽车在原地转向,助力特性曲线的位置居其他各条曲 线之上,助力强度达到最大。随着车速Va不断升高,助力特性曲线的位置也 逐渐降低,直至车速Va达到最高车速Vamax为止,此时的助力强度已为最小,而路感强度达到最大。本章小结本章主要是介绍了电动助力转向机构的组成、工作原理,以及对电动助 转向的三种布置形式进行了分析对比。还有分析了电动助力转向系统各主 要部件的结构及工作过程和助力特性。-11全套设计图纸加:36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计第3章电动助力转向系统的设计3.1 对动转向机构的要求（1）运动学上应保持转向轮转角和驾驶员转动转向盘的转角之间保持一定 的比例关系。（2）随着转向轮阻力的增大（或减小）,作川在转向盘上的手必须增大（或减小）,称之为“路感”。（3）当作用在转向盘上的切向力果85090左N时（因汽车形式不同而异）,动转向器就开始工作。（4）转向后,转向盘应自动冋正,并使汽车保持在稳定的直线行驶状态。（5）工作灵敏。（6）动转向失灵时,仍能用机械系统操纵车轮转向。3.2 齿轮齿条转向器的设计与计算齿轮齿条转向器最主要的优点是:结构简单、价格低廉、质量轻、刚性 好、使川可靠;传动效率高达90%;根据输入齿轮位置和输出特点不同,齿轮 齿条式转向器有四种形式:中间输入,两端输出（图3-la）;侧面输入,两端 输出（图3Tb）;侧面输入,中间输出（图3Tc）;侧面输入,一端输出图（图 3-ld）o-12-全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计图3-1齿轮齿条式转向器的四种形式3.2.I 转向系计算载荷的确定为了保证行驶安全,组成转向系的各零件应有足够的强度。欲验算转向 系零件的强度,需首先确定作川在各零件上的力。影响这些力的主要因素有 转向轴的负荷、路面阻和轮胎气压等。为转动转向轮要克服的阻,包括 转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻和转向系中的内摩 擦阻等。精确地计算出这些是困难的。为此用足够精确的半经验公式来计算汽 车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻矩MR(N mm)MR=桿=347215.2 N-mm(3-1)式中 f一轮胎和路面间的滑动摩擦因数;3转向轴负荷,单位为N；P轮胎气压,单位为MPa。作用在转向盘上的手屋为:2凡 二 2x347215.2 二22.5N SW +350 x18x0.9(3-2)式中 转向摇臂长,单位为mm；Mr-原地转向阻力矩,单位为N mm厶2-转向节臂长,单位为mm；Dsw-为转向盘宜径,单位为mm；-转向器角传动比;7+转向器正效率。因齿轮齿条式转向传动机构无转向摇臂,故、L2不代入数值。对给定 的汽车,用上式计算出来的作用是最大值。因此,可以用此值作为计算载 荷。梯形臂长度的计算:-13-全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计轮辆直径&卬=!6in=16X25.4=406.4mm梯形臂长度二X0.8/2=406.4X0.8/2=162.6mm(3-3)取2=160mm轮胎直径的计算Rt：Rt=Rlw+0.55x205=406.4+0.55X225=530.2mm(3-4)取=530mm转向横拉杆直径的确定:之/4%=|4x347.2l aV 0.16x3.14x216xl0-3m=3.578mm(3-5)a=L2;a=216尸q;MR=347.2 m因此取當由二15mm初步估算主动齿轮轴的直径:d 16x122.5x0.16-V 3.14x140m=8.935mm(3-6)r=140MPa所以取由二18mm上述的计算只是初步对所研究的转向系载荷的确定。322齿轮齿条式转向器的设计(一)EPS系统齿轮齿条转向器的主要元件(1)齿条是在金属壳体内来冋滑动的,加工有齿形的金属条。转向器壳体 是安装在前横梁或前围板的固定位置上的。齿条代替梯形转向杆系的摇杆和 转向摇臂,并保证转向横拉杆在适当的高度以使他们与悬架下摆臂平行。齿 条可以比作是梯形转向杆系的转向直拉杆。导向座将齿条支持在转向器壳体 齿条的横向运动拉动或推动转向横拉杆,使前轮转向。-14-全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计表37齿条的尺寸设计参数序号项目符号尺寸参数(相机)1总长L7302直径253齿数204法向模数Mil?3(2)齿轮是只切有齿形的轴。它安装在转向器壳体上并使其齿与齿条上 的齿相啮合。齿轮齿条上的齿可以是直齿也可以是斜齿。齿轮轴上端与转向 柱内的转向轴相连。因此,转向盘的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的球轴承支承。斜齿的弯曲增加了一对啮合齿轮参与啮合的齿数。相对直齿而言,斜齿 的运转趋于平稳,并能传递更大的动。表3-2齿轮轴的尺寸设计参数序号项目符号尺寸参数(mm)1总长L1982齿宽B_603齿数乙64法向模数Mnx35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-15-全套设计图纸加:36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计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与梯形转向杆系的相似。球头销通过螺纹与齿条连接。当这些球 头销依制造厂的规范拧紧时,在球头销上就作川了一个预载荷。防尘套夹在 转向器两侧的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。转向横拉杆端部与外端川螺纹联接。这些端部与梯形转向杆系的相似。侧面螺母将横拉杆外端与横拉杆锁紧（见图3-2）。注:转向反馈是由前轮遇到不平路面而引起的转向盘的运动。（4）齿条调整 一个齿条导向座安装在齿条光滑的一面。齿条导向座1和 与壳体螺纹连接的调节螺塞3之间连有一个弹簧2。此调节螺塞由锁紧螺母固 定4。齿条导向座的调节使齿轮、齿条间有一定预紧,此预紧会影响转向 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,本设计采川V形断面,V形和Y形 断面齿条与圆形断面比较,消耗的材料少,约节省20%,故质量小;位于齿下 面的两斜面与齿条托座接触,可川来防止齿条绕轴线转动。在齿条与托座之 间装有川减磨材料（聚四氟乙烯）做的垫片,以减少滑动摩擦。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的矩时,V形断面齿-16-全套设计图纸加:36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计条能防止因齿条旋转而破坏齿轮、齿条的齿不能正确啮合的情况出现。（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。,因而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,因而转向盘最轻微的运动将会使车辆突 然改变方向。转向角传动比必须使前轮转动同样角度时需要更大的转向盘转 角。对乘川车,推荐转向器角传动比在1725范围内选取;对商川车,在23 32范围内选取,这里选传动比为18:1。即在这样的传动比下,转向盘每转动 18,前轮转向!（三）EPS系统齿轮齿条转向器的安装 齿轮齿条式转向器可安在前横梁上 或发动机后部的前围板上（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。齿轮齿条转向器的正确安装高度,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的数目减少了,因此这种 系统轻便紧凑。大多数承载式车身的前轮驱动汽车用齿轮齿条式转向机构。由于齿条直接连着梯形臂,这种转向机构可提供好的路感。在转向器与支承托架之间装有大的橡胶隔振垫,这些衬垫有助于减少路 面的噪声、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。转向器的正确安装对保证转向横拉杆与悬架下摆臂的平行关系有 重要作川。为保持转向器处在正确的位置,在转向器安装的位置处,前围板 有所加固。-17-全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计圆Z视图图3-4转向器的安装位置(四)齿轮齿条式转向器的设计要求 齿轮齿条式转向器的齿轮多数采用斜齿圆柱齿轮。齿轮模数取值范围多在23mm之间。主动小齿轮齿数多数在 57个齿范围变化,压角取20。,齿轮螺旋角取值范围多为9。15。齿条齿数应根据转向轮达到最大偏转角时,相应的齿条移动行程应达到的值 来确定。变速比的齿条压角,对现有结构在1235。范围内变化。止匕外,设计时应验算齿轮的抗弯强度和接触强度。主动小齿轮选川16MnCr5或15CrNi6材料制造,而齿条常采川45钢制造。为减轻质量,壳体川铝合金压铸。(五)齿轮轴和齿条的设计计算1.选择齿轮材料、热处理方式及计算许川应(1)选择材料及热处理方式小齿轮!6MnCr5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-18-全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计(2)确定许用应匕“屋=尸 limYsT Yn Fmin)确定lim和limaHhmi=1500MPa叫ml=425尸Q=1300MPa ri nm zcrF1.?=375MPar iim zb)计算应循环次数N,确定寿命系数匕Yn。N.=60naLh=60 x1x18x(10 x8x300)=2.59 xlO7=N2(3-7)式中 n-齿轮转速(r/min)；“齿轮转一周,同一侧齿面啮合的次数;Lh齿轮的工作寿命(h)；Z.=1.32 YN1=1=YN2c)计算许川应取 S”min-1,S min-1d=啧 miZ.=150义132=1980M尸SHmin 1(3-8)2=%m2ZN2=1300 x1.32=1716MPqSHmin 1(3-9)应修正系数二2一 limlYsTYNl 425 X 2 X 1/cr Q刊-c-=-=607.14尸。Fmin 1.4(3-10)-19-全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计际21=依皂!375x2x11.4=535 MPa(3-11)2.初步确定齿轮的基本参数和主要尺寸(1)选择齿轮类型根据齿轮传动的工作条件,选川斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合传动方案(2)选择齿轮传动精度等级选川7级精度(3)初选参数初选K,=1.4=20。=6 Z2=20 4=0.8 Ye=0.7=0.89 按、工且止数 Zv=Z/cos3)3=6/cos3 20=7.23fsi-5.6(4)初步计算齿轮模数?转矩q=Rsx/=0.175x200=35N加=35000N加加(3-12)闭式硬齿而传动,按齿根弯曲疲劳强度设计。2KtTf3YsY 丫尸,唸Z；分(3-13)_ J2x 1,4x35000 Xcos2 20X0,7x0,89 5.6-V 0.8x62 607.14=2.309m机(5)确定载荷系数K KA=1,由匕吸亿選160 X1000 X cos 廿-0.0116m/svZx7100=0.000696,Kv=l;对称布置,取K夕=1.06；取麓=1.3-20-全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计贝 K=K厶Kv K夕K=1x1x1.06x1.3=1.378(6)修正法向模数mn=mnt、2.396X31.378 2.297(3-14)圆整为标准值,取%=3加加3.确定齿轮传动主要参数和几何尺寸(1)分度圆直径4二也16-(3-15)cos。cos 20(2)齿顶圆直径叁14=4+2儿=16+2mn(lian+Xn)=16+2X2.5(1+0)=21 mm(3-16)(3)齿根圆直径打dfi=dr-2hf=16 2m(/4+C：X“)=16-2X2.5X 1.25=9.75 mm(3-17)(4)齿宽bb=I-0.8x16=12.8mm(3-18)因为相互啮合齿轮的基圆齿距必须相等,即=42。齿轮法面基圆齿距为皿。s%齿条法面基圆齿距为胸2。的取齿条法向模数为mn2=2.5(5)齿条齿顶高2-21-全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计ha2=mn(/z*n+Xn=2.5 x(1+0)=2.5mm(3-19)(6)齿条齿根高得2hf2=n1n(h：n+C；X)=2.5x(1+0.25-0)=3.125mm(3-20)法面齿距Sn2=(乃/2+2X tan an)mn=3.9mm(3-21)4.校核齿面接触疲劳强度J-72-查表,得=189.8W尸q查图,得=2.45取 Ze=0.8,Z尸=qcos/=0.969所以Oh-189.8X 2.45X0.8x0.969 x J2X1378 X 496 x-MPa=1677.6MPa +=80.7+79.3=160 mm取 L=200mm-23-全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计3.2.4 齿轮齿条传动受力分析若略去齿面间的摩擦,则作用于节点P的法向Fn可分解为径向Fr 和分力F,分力F又可分解为圆周Ft和轴向Fa。Ft=2T1/d12X 35000/16=4375 N=4 tan%/cos=4375 tan 20。/cos 14。=1641.12 NFa=Ft tan 3=4375 tan 14=1090.8 N3.2.5 齿轮轴的强度校核1.轴的受力分析(1)画轴的受简图。(2)计算支承反在垂直面上hFn+Fai y 39x1641+1091x8”Frav=-=-=932.+78Frbv=F-Frav=1641-932=709 N在水平面上F 4375Frah=Frbh=3二-二 2187.5N(3)画弯矩图在水平面上,a-a剖面左侧、右侧=M；h=Frah 1=2187.5x39=85312.5N 加加CLrL CLrL K/rL 1在垂直面上,a-a剖面左侧MaV=Frav41=932 x39=36348N 小加a-a剖面右侧Mw=几艘/=709 x39=27651N mmCL V Kd V Z-24-全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计合成弯矩,a-a剖面左侧Ma=MaH+Mav 85312+36348?=92732.9N-mm a-a剖面右侧M；=M 爲+M*=785312.52+276512=89681.7N,加机(4)画转矩图转矩=1,d/2=4375X16/2=46636.4N加2.判断危险剖面 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.轴的弯扭合成强度校核由机械设计查得=60M尸q,a0b=100MPa,a=0一 1/O。60/100二.6a-a截面左侧e 7vd3 7i X 24.733 3W 2-=-=1484.8mm 32 32Jm2+(aT)2(ye=-805642+(0.6x46636.4)1484.8-MPa=51AMPaS，故a-a剖面安全。-26-全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计本章小结本章是电动助力转向系统的设计,主要内容如下:(1)介绍了电动助力转向系统的种设计方法,这种设计方法是有其可行 性的,能够设计出符合助力要求的电动助力转向系统,该设计方法在现实中 是比较合适的。-27-全套设计图纸加:36396305(Q-Q)优秀机械类毕业设计(2)对电动助力转向系统中的齿轮齿条转向器的主要元件进行的详细的 介绍,并且给出了一些参考的转向系参数。(3)根据已知条件,对电动助力转向系统中的齿轮齿条式转向器进行了齿 轮轴和齿条的设计计算。-28-全套设计图纸加:36396305(