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汽车电动助力转向系统的设计

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2020年4月19日
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汽车电动助力转向系统的设计
第1章 绪论
1.1 汽车转向系统简介
汽车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。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一个重要组成部分，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。当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）。转向系统市场上以HPS、ECHPS、EPS应用为主。电动助力转向具有节约燃料、有利于环境、可变力转向、易实现产品模块化等优点，是一项紧扣当今汽车发展主题的新技术，她是当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力转向的16%～20%。
液压动力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，不但失去助力效能，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，因此工作可靠。若液压动力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力效果；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力转向比较，转动转向盘时仅需克服转向器的摩擦阻力，不存在回位弹簧阻力和反映路感的油压阻力。电动助力转向还有整体结构紧凑、部件少、占用的空间尺寸小、质量比液压动力转向约轻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不存在液压动力转向系统的燃油泄漏问题，EPS经过电子控制，对环境几乎没有污染。
(2）EPS装配方便。
EPS的主要部件能够集成在一起，易于布置，与液压动力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、压力流量控制阀、储油罐等，原件数目少，装配方便，节约时间。
(3）EPS效率高。
液压动力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。
传统纯液压动力转向系大多采用固定放大倍数，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系统的滞后性能够经过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，不但操作简便，还能够经过调整EPS控制器的软件，得到最佳的回正性，从而改进汽车的操纵稳定性和舒适性。
(6）动力性。
EPS系统可随车速的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，保障发动机充分动力。（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，日本铃木公司首次在其Cervo轿车上安装了EPS系统，随后还应用在其Alto车上。此后，EPS在日本得到迅速发展。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。虽然比日本晚了十年时间，可是欧美国家的开发力度比较大，所选择的产品类型也有所不同。日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，可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，比如电机产生的噪声较难克服，磨损较严重，存在电磁干扰等问题。因此，日本现在国内装配的EPS也逐渐转向无刷电机了。
国内EPS的发展现状：
中国汽车电子行业的总体发展相对滞后，可是，随着汽车对环保、节能和安全性要求的进一步提高，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中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，也有少数供应商能批量提供转向轴式的EPS系统。但总的来讲当前国内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，且类型单一，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，相信很快就能够实现量产。EPS系统是未来动力转向系统的一个发展趋势。
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，并将其应用于实践，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，对于提高中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用。
本章小结
这一章介绍了现在应用的汽车转向技术，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。
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用车上得到应用，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力转向机构机构的一些相似要求以外，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用时，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）

图2-1 电动助力转向机构示意图
当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力矩与运动以外，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（一般为电磁离合器）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。在车速达到某一设定值时，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。

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，然后电动机的动力经主动轮、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，作用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力并转动转向盘时，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一起的上、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，因此有良好的工作条件；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，因此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；转向器依然能够采用通用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用，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，为了不影响驾驶员腿部的动作，在布置时依然有一定的困难。
(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），并经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能够小些，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，故尺寸能够小些；电动机距驾驶员远些，它的动作噪声对驾驶员影响不大，但震动依然会传到转向盘；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一个总成内，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，故她们的尺寸能小些；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。
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。当前，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。经过转角传感器检测电动机的旋转角度防止扭矩波动。

图2-5 电动机结构
2.2.4 减速机构
减速机构采用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。另外，ECU还有安全保护和自我诊断的功能，ECU经过采集电动机的电流、发动机转速等信号判断系统工作是否正常，一旦系统工作异常，电动助力被切断；同时ECU将进行故障诊断分析，故障指示灯亮，并以故障所对应的模式闪烁。
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。一般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，助力既是作用到转向盘上的力矩的函数，同时也是车速的函数。

图2-6 车速感应型助力特性
当车速Va=0时，相当于汽车在原地转向，助力特性曲线的位置居其它各条曲线之上，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，以及对电动助力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。第3章 电动助力转向系统的设计
3.1 对动力转向机构的要求
（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），作用在转向盘上的手力必须增大（或减小），称之为“路感”。
（3）当作用在转向盘上的切向力时（因汽车形式不同而异），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的直线行驶状态。
（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、使用可靠；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3-1a）；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 齿轮齿条式转向器的四种形式
3.2.1 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，需首先确定作用在各零件上的力。影响这些力的主要因素有转向轴的负荷、路面阻力和轮胎气压等。为转动转向轮要克服的阻力，包括转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内摩擦阻力等。
精确地计算出这些力是困难的。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力矩MR(N·mm)。
N·mm (3-1)
式中 f——轮胎和路面间的滑动摩擦因数；
——转向轴负荷，单位为N；
P——轮胎气压，单位为MPa。
作用在转向盘上的手力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N·mm
——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。对给定的汽车，用上式计算出来的作用力是最大值。因此，能够用此值作为计算载荷。
梯形臂长度的计算：
轮辋直径= 16in=16×25.4=406.4mm
梯形臂长度=×0.8/2= 406.4×0.8/2=162.6mm （3-3）
取=160mm
轮胎直径的计算RT：
=406.4+0.55×225=530.2mm （3-4）
取=530mm
转向横拉杆直径的确定：
（3-5）
=;
因此取=15mm
初步估算主动齿轮轴的直径：
（3-6）
=140MPa
因此取=18mm
上述的计算只是初步对所研究的转向系载荷的确定。
3.2.2 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回滑动的，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她们与悬架下摆臂平行。齿条能够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上。齿条的横向运动拉动或推动转向横拉杆，使前轮转向。
表3-1 齿条的尺寸设计参数
序号
项目
符号
尺寸参数()
1
总长

730
2
直径

25
3
齿数

20
4
法向模数

3
（2)齿轮是一只切有齿形的轴。它安装在转向器壳体上并使其齿与齿条上的齿相啮合。齿轮齿条上的齿能够是直齿也能够是斜齿。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，并能传递更大的动力。
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

198
2
齿宽

60
3
齿数

6
4
法向模数

3
5
螺旋角

14°
6
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
转向横拉杆与梯形转向杆系的相似。球头销经过螺纹与齿条连接。当这些球头销依制造厂的规范拧紧时，在球头销上就作用了一个预载荷。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用螺纹联接。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，本设计采用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，可用来防止齿条绕轴线转动。在齿条与托座之间装有用减磨材料（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力矩时，V形断面齿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。对乘用车，推荐转向器角传动比在17～25范围内选取；对商用车，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1°。
（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用。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。
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2～3mm之间。主动小齿轮齿数多数在5～7个齿范围变化，压力角取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。变速比的齿条压力角，对现有结构在12°～35°范围内变化。另外，设计时应验算齿轮的抗弯强度和接触强度。
主动小齿轮选用16MnCr5或15CrNi6材料制造，而齿条常采用45钢制造。为减轻质量，壳体用铝合金压铸。
（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用应力
(1) 选择材料及热处理方式
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，同一侧齿面啮合的次数；
——齿轮的工作寿命（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，选用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
选用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，按齿根弯曲疲劳强度设计。
（3-13）

=2.309
(5) 确定载荷系数
，由,
0.000696,；对称布置，取；
取
则
(6) 修正法向模数
（3-14）
圆整为标准值，取
3.确定齿轮传动主要参数和几何尺寸
(1) 分度圆直径
（3-15）
(2) 齿顶圆直径
=16+2×2.5(1+0)=21 （3-16）
(3) 齿根圆直径
=16-2×2.5×1.25=9.75 （3-17）
(4) 齿宽b
（3-18）
因为相互啮合齿轮的基圆齿距必须相等，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.校核齿面接触疲劳强度

查表，得
查图，得
取，
因此
=1677.6
因此齿面接触疲劳强度满足要求。
3.2.3 齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析
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°，因而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，齿条左端点移至的距离为
30°=160×cos30°=138.564
=160-138.564=21.436
30°=80

==339.3
=339.3-80=259.32
=340-259.32=80.7
图3.4 转向横拉杆的运动分析简图
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移至的距离为
=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=200
3.2.4 齿轮齿条传动受力分析
若略去齿面间的摩擦力，则作用于节点P的法向力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。
=2×35000/16=4375
=1641.12
=1090.8
3.2.5 齿轮轴的强度校核
1.轴的受力分析
(1) 画轴的受力简图。
(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 =4375×16/2=46636.4
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》[4]查得，，
=60/100=0.6。
a-a截面左侧

4.轴的疲劳强度安全系数校核
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β=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]=1.3～1.5，显然S>[S]，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的设计，主要内容如下：
(1) 介绍了电动助力转向系统的一种设计方法，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。
(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，而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。

第4章 转向传动机构的优化设计
4.1 结构与布置
齿轮齿条式转向器因结构简单紧凑、制造工艺简便等优点, 既适用于整体式前轴,也适用于采用独立悬架的断开式前轴, 被广泛地应用在轿车、轻型客货车、微型汽车等车辆上。其中, 与之配用的转向传动机构同传统的整体式转向梯形机构相比有其特殊之处。
一般来说, 这种转向系统的结构大多如图4-1所示。转向轴1的末端与转向器的齿轮轴2直接相连或经过万向节轴相连, 齿轮2与装于同一壳体的齿条3啮合, 外壳则固定于车身或车架上。齿条经过两端的球铰接头与两根分开的横拉杆4、7相连, 两横拉杆又经过球头销与左右车轮上的梯形臂5、6相连。因此, 齿条3既是转向器的传动件又是转向梯形机构中三段式横拉杆的一部分。
绝大多数齿轮齿条式转向器都布置在轴前后方, 这样既可避让开发动机的下部, 又便于与转向轴下端连接。安装时, 齿条轴线应与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的两侧。

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
对于给定的汽车, 其轴距L、主销后倾角β以及左右两主销轴线延长线与地面交点之间的距离K均为已知定值。对于选定的转向器, 其齿条两端球铰中心距也为已知定值。因而在设计转向传动机构时, 需要确定的参数为梯形底角γ、梯形臂长以及齿条轴线到梯形底边的安装距离h。而横拉杆长则可由转向传动机构的上述参数以及已知的汽车参数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,使左右两边的杆系产生不同的运动, 从而使左右车轮分别获得一个转角。以汽车左转弯为例, 此时右轮为外轮, 外轮一侧的杆系运动如图4-2所示。设齿条向右移过某一行程S, 经过右横拉杆推动右梯形臂, 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轴方向如图5-2所示, 则可导出齿条行程S与外轮转角的关系：
(4-2)
另外，由图4-2可知：

∴ (4-3)
而内轮一侧的运动则如图4-3所示, 齿条右移了相同的行程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轴方向如图5-3所示, 则同样可导出齿条行程S与内轮转角的关系, 即:
(4-4)
(4-5)
因此, 利用公式(4-2)便可求出对应于任一外轮转角的齿条行程S, 再将S代入公式(4-5)即可求出相应的内轮转角。把公式(4-2)和(4-5)结合起来便可将表示为的函数,记作:

反之, 也可利用公式(4-4)求出对应于任一内轮转角的齿条行程S, 再将S代入公式(4-3)即可求出相应的外轮转角。将公式(4-4)和(4-5)结合起来可将表示为的函数, 记作:

4.3 转向传动机构的优化设计
4.3.1 目标函数的建立
众所周知, 在不计轮胎侧偏时, 实现转向轮纯滚动、无侧滑转向的条件是内、外轮转角具有如图4-4所示的理想的关系, 即:
(4-6)
式中 T——计及主销后倾角时的计算轴距
详细D=W=G图=纸：三 二 ③ 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)可将理想的内轮转角表示为的函数, 即:
(4-7)
反之, 取内轮转角为自变量时, 理想的外轮转角也可表示为的函数, 即:
(4-8)
而由转向梯形机构所提供的内、外实际转角关系为前述的θi=F(θ0)或 θ0=Φ(θi),因此, 转向梯形机构优化设计的目标就是要在规定的转角范围内使实际的内或外轮转角尽量地接近对应的理想的内或外轮转角。为了综合评价在全部转角范围内两者接近的精确程度, 并考虑到在最常使用的中小转角时希望两者尽量接近, 因此建议用两函数的加权均方根误差作为评价指标。即：
（4-9）
（4-10）
两式中的加权因子、为：

(4-9)、(4-10) 两式是等价的, 可根据具体情况任取其中之一作为极小化目标函数。

图4-4理想的内、外轮转交关系

4.3.2 设计变量与约束条件
对于给定的汽车和选定的转向器, 转向梯形机构尚有梯形臂长、底角γ和安装距离h三个设计变量。其中底角γ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的选择则要结合约束条件来考虑。
第一, 要保证梯形臂不与车轮上的零部件(如轮胎、轮辆或制动底板)发生干涉, 故要满足：

式中 Aoy——梯形臂球头销中心的Y坐标值（见图4-3）
Aymin——车轮上可能与梯形臂干涉部位的Y坐标值
因，因此可知当选定时的可取值上限为： (4-11)
第二, 要保证有足够的齿条行程来实现要求的最大转角。即有:

式中 Smax——最大转角或所对应的齿条行程
[S]——转向器的许用齿条行程
因
因此由公式(1)或(3)可知：

一般来说{ }内的数值很小, 故在估算齿条行程时可略去不计, 即可粗略地认为：

因此当选定时，的可取值范围为：