汽车电动助力转向机构的设计

汽车电动助力转向机构的设计目 录摘 要Abstract1 绪论11.1 助力转向系统的分类11.2 EPS 系统国内外发展研究现状11.3 EPS 的分类11.3.1 转向轴助力式11.3.2 转向小齿轮助力式21.3.3 转向齿条助力式21.4 电动助力转向系统的优点 31.5 电动助力转向系统的工作原理32 EPS方案设计52.1 电动助力转向系统选型52.2 机械部分系统方案设计52.2.1 机械部分设计要求分析52.2.2 机械式转向器方案分析52.2.3 齿轮齿条式转向器布置和结构形式的选择72.2.4 转向梯形结构方案分析82.3 控制部分系统方案设计82.3.1 控制部分性能要求分析82.3.2 控制部分方案设计103 齿轮齿条式转向器设计12汽车电动助力转向机构的设计3.1 整车性能参数123.2 齿轮齿条式转向器的设计和计算123.2.1 齿轮齿条转向器计算载荷的确定123.2.2 转向器基本部件设计153.2.3 齿轮轴和齿条的材料选择及强度校核213.2.4 齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析243.2.5 齿轮齿条传动受力分析253.2.6 间隙调整弹簧的设计计算253.2.7 齿轮轴轴承的校核273.2.8 键的计算284 EPS的关键部件和控制策略294.1 EPS 的关键部件选型294.1.1 电动机294.1.2 电磁离合器294.1.3 减速机构304.1.4 扭矩传感器304.1.5 电流传感器314.2 EPS 的电流控制314.3 助力控制324.4 阻尼控制324.5 回正控制335 EPS电机驱动电路的设计345.1 微控制器的选择345.2 硬件电路总体框架345.3 电机控制电路设计355.3.1 H 桥上侧桥臂 MOSFET 功率管驱动电路设计355.3.2 桥臂的功率 MOSFET 管驱动电路365.4 蓄电池倍压工作电源37汽车电动助力转向机构的设计5.5 电机驱动电路台架试验376 结论39致谢40参考文献41汽车电动助力转向机构的设计I摘 要电动助力转向 (Electric Power Steering,简称 EPS)系统,是继液压助力转向系统后出现的一种新型动力转向系统,具有液压助力转向系统无法比拟的优势,它不仅能节约能源,提高安全性,还有利于环境保护,是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术,是汽车转向系统发展的必然趋势。电动助力转向系统(EPS) 可解决小型汽车转向轻便性和灵敏性的矛盾, 使驾驶员在汽车低速行驶时获得较大助力, 高速行驶时获得较强的路感。由ECU根据转向盘转矩信号控制电动机离合器, 使电动机在不需要助力时停止工作, 降低了能量消耗，该系统能满足不同车速下获得不同助力特性的要求。本论文为汽车电动助力转向机构的设计,首先对EPS的发展历程、发展现状、原理、结构等进行了阐述，然后确定了以齿轮齿条式转向为例进行设计，对齿轮、齿条、转向器等进行了设计与计算，并对齿轮齿条的齿面接触强度和齿根弯曲强度进行校核，最后利用AUTOCAD软件绘制了齿轮、齿条及装配图。关键词：汽车,电动助力转向系统，转向器，齿轮齿条,计算汽车电动助力转向机构的设计IIAbstractElectric Power Steering（EPS）System is a new type steering system, which can save energy, improve vehicle safety, and benefit environment protection. Its a new-high-tech that follows modern vehicle development topic closely. EPS is much superior to hydraulic power steering system. It will be the inevitable developing direction for automobile power steering.The electric power steering (EPS) system can solve the contradiction between steering handiness and delicacy that exists in small type of cars. It enable the driver to obtain stronger road sense when drive in high speed and bigger assist when drive in slow speed. According to by ECU to dish torque signal control motor clutch, make the motor when in need not stop working, reduce boost of energy consumption, this system can satisfy different speeds get different dynamical characteristics requirement.The thesis is for the design of auto electric power steering. First, it discussed development history, EPS development present situation, the principle, and the structure. Then determine rack and pinion type steering with design. Design and calculate steering gear and rack, and test rack and pinion gear surface contact strength and tooth root bending strength.Finally, maked the pinion and rack and assembly drawing by using AUTOCAD software.Keywords: automobile，EPS, steering gear, rack and pinion,calculate汽车电动助力转向机构的设计11.绪论随着汽车技术的发展，人们逐渐追求安全、舒适、轻便的驾驶环境，汽车转向系统由普通转向系统向动力转向系统发展。1.1 助力转向系统的分类助力转向系统按照提供动力的形式大致可以分为 3 类：液压助力转向系统（Hydraulic Powered Steering, HPS)，电动液压转向系统（Electrically Hydraulic Powered Steering, EHPS)，电动助力转向系统（Electric Power Steering, EPS)。1.2 EPS系统国内外发展研究现状在国外，从1979年开始研究电动助力转向系统，至今已有30多年的历史。1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，并装在其生产的 Cervo 车上，随后又配备在 Alto 上。此后，其应用范围从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。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 公司，英国的 Lucas 公司，德国的 ZF 公司，都研制出了各自的 EPS。在国外，EPS 已经进入了批量生产阶段。在国内，EPS 技术大多还处于实验室开发研究阶段，部分科研院所已经进入了装车实验。国内的清华大学早在1992年就开始了 EPS 研究。2002年，经调查发现国内至少13家企业和科研院所正在研制中，如清华大学、吉林大学、江苏大学、同济大学以及南摩股份有限公司等。目前21个国内汽车厂家的43种品种均可装配 EPS 产品，其中六个厂家8个车型具有装配 EPS 的潜力，其中有重庆长安的奥拓、羚羊，吉利的美日、豪情，奇瑞的 QQ，天津丰田的威驰，悦达起亚的千里马，东南汽车的菱帅，广州本田的飞度等。1.3 EPS的分类电动助力转向系统按照电动机布置位置的不同，可以分为：转向轴助力式(Column-assisttype EPS)、齿轮助力式(Pinion-assisttype EPS)、齿条助力式(Rackassisttype EPS)3 种。1.3.1 转向轴助力式汽车电动助力转向机构的设计2转向轴助力式电动助力转向器(C-EPS)的助力电机固定在转向柱的一侧，通过减速增扭机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向(图1-1)。这种形式的电动助力转向系统结构简单紧凑、易于安装。现在多数 EPS 就是采用这种形式。此外，C-EPS的助力提供装置可以设计成适用于各种转向柱，如固定式转向柱、斜度可调式转向柱以及其它形式的转向柱。但由于助力电机安装在驾驶舱内，受到空间布置和噪声的影响，电机的体积较小，输出扭矩不大，一般只用在小型及紧凑型车辆上。图1-1 C-EPS1.3.2 转向小齿轮助力式齿轮助力式电动助力转向器(PEPS)的助力电机和减速增扭机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮实现助力转向(图1-2)。由于助力电机不是安装在乘客舱内，因此可以使用较大的电机以获得较高的助力扭矩，而不必担心电机转动惯量太大产生的噪声。该类型转向器可用于中型车辆，以提供较大的助力。图1-2 P-EPS1.3.3 转向齿条助力式齿条助力式电动助力转向器(R-EPS)的助力电机和减速增扭机构则直接驱动齿条提供助力(图 1-3)。由于助力电机安装于齿条上的位置比较自由，因此在汽车的底盘布置时非常方便。同时，同 CEPS 和 P-EPS 相比，可以提供更大的助力值，所以一般用于大型车辆上。汽车电动助力转向机构的设计3图1-3 R-EPS1.4 电动助力转向系统的优点 1（1）液压转向助力系统的油泵，不转向时也工作，加大了能量消耗。而 EPS 系统只在转向时电动机才提供助力，因而能减少能量消耗，并能在各种行驶工况下提供最佳的转向助力。（2）减小了由于路面不平所引起的对转向系统的干扰，改善了汽车的转向性能，减轻了汽车低速行驶时的转向操纵力，提高了汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。（3）由于不需要加注液压油和安装液压油管，所以系统的安装简便，自由度大，而且成本低，无漏油故障的发生，它比常规的液压转向助力系统具有更好的通用性。1.5 电动助力转向系统的工作原理电动助力转向系统主要由机械转向系统、转矩传感器、车速传感器、控制单元（ECU） 、离合器、助力电动机及减速机构等组成。系统结构示意图如图1-4。图1-4 EPS 结构示意图工作原理：汽车在运行过程中，扭矩传感器、车速传感器会产生各自的电信号，汽车电动助力转向机构的设计4这些信号经过滤波、信号电平调整后传给 ECU，ECU 经过分析处理后输出控制信号给电机驱动模块，实现对助力电机扭矩控制 2。汽车电动助力转向机构的设计52 EPS方案设计2.1 电动助力转向系统选型绪论中已经提到转向轴式电动助力转向系统虽然提供的助力没有其它两种方式提供的助力大，但在安装方面要方便的多。再者，这次设计的电动助力转向系统主要是针对经济型轿车来进行开发的，其空间相对较小，空间问题是要考虑的重点问题。转向轴式对空间紧凑的经济型轿车很适合。综合以上原因，选择转向轴助力式。2.2 机械部分系统方案设计机械转向系统由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。2.2.1 机械部分设计要求分析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。转向系应满足如下基本要求 4：（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。（2）汽车在转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮有自动回正作用。（3）汽车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自振。（4）保证汽车有较高的机动性，具有迅速和小转弯能力。（5）转向轮碰到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小。（6）操纵轻便。（7）转向器和转向机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。2.2.2 机械式转向器方案分析目前汽车上广泛使用的是齿轮齿条式及循环球式。（1）齿轮齿条式齿轮齿条式转向器的主要优点是结构简单、紧凑、体积小、质量轻；传动效率高达90%；可自动消除齿间间隙；没有转向摇臂和直拉杆，转向轮转角可以增大；制造成本低。汽车电动助力转向机构的设计6齿轮齿条式转向器的主要缺点是：逆效率高达60%70%。因此，汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间的冲击力，大部分能传至转向盘。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 4：中间输入，两端输出（图2-1a） ；侧面输入，两端输出（图2-1b） ；侧面输入，中间输出（图2-1c） ；侧面输入，一端输出（图2-1d） 。图2-1 齿轮齿条式转向器的形式 根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，在汽车上有四种布置形式：转向器位于前轴后方，后置梯形；转向器位于前轴后方，前置梯形；转向器位于前轴前方，后置梯形；转向器位于前轴前方，前置梯形，见图2-2。图2-2 齿轮齿条式转向器的布置形式 汽车电动助力转向机构的设计7齿条断面有圆形、V 形和 Y 形三种。圆形断面制造简单；V 形和 Y 形节约材料，质量小而且位于齿条下面的两斜面与齿条托坐接触，可以用来防止齿条绕轴线转动。（2）循环球式循环球式转向器由螺杆和螺母共同形成的螺旋槽内装有钢球构成的传动副，以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成 3，如图2-3所示。图2-3 循环球式转向器循环球式转向器的优点是：传动效率可达到75%85%；转向器的传动比可以变化；工作平稳可靠；齿条和齿扇之间的间隙调整容易；适合用来做整体式动力转向器。 循环球式转向器的主要缺点是：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。循环球式转向器主要用于货车和客车上。 由于齿轮齿条式转向器与循环球式转向器相比 4：结构简单，传动效率高，操纵轻便，质量轻；且不需要转向摇臂和转向直拉杆，使转向传动机构得以简化。针对本次设计，应该选用齿轮齿条式转向器。2.2.3 齿轮齿条式转向器布置和结构形式的选择在前桥仅为转向桥的情况下，由转向横拉杆和左、右梯形臂组成的转向梯形一般布置在前桥之后。当转向轮处于与汽车直线行驶相应的中立位置时，梯形臂与横拉杆在与道路平行的平面(水平面)内的交角90。在发动机位置较低或转向桥兼充驱动桥的情况下，为避免运动干涉，往往将转汽车电动助力转向机构的设计8向梯形布置在前桥之前，此时上述交角90。本次设计是发动机前置前轮驱动，故采用如图2-4所示的布置形式。图2-4 转向梯形前置同时考虑到发动机前置前驱故采用如图2-5所示的侧面输入两端输出的结构形式。图 2-5 齿轮齿条位置布置2.2.4 转向梯形结构方案分析转向梯形有整体式和断开式两种。选择该转向梯形的方案时与悬架采用何种方案有关 4。考虑到本次设计中采用独立悬架，故设计中采用断开式转向梯形。2.3 控制部分系统方案设计2.3.1 控制部分性能要求分析电动助力转向系统除必须满足车辆对转向系统的一切性能要求外，还应满足控制、控制系统、传感器等性能要求，具体有以下几点 11：（1）具有良好的转向助力特性转向盘力是驾驶者输入转向盘用以操纵汽车的力。EPS 的基本目标是提高汽车停车泊位和低速行驶时的转向轻便性，高速行驶时的操纵稳定性 6。在低车速、低侧向加速度行驶工况下，汽车应具有适度的转向盘力与转向盘转角，还应有良好的回正性能。在高车速和低侧向加速度范围内，汽车应具有良好的横摆角速度频率响应特性，直线行驶能力和回正性能。转向盘力的大小要适度，特别是随着车速的提高，转向盘力不宜过轻而要保持一定的数值；采用随行驶车速而改变转向盘操作力特性的电动助力转向系统，可以显著地改善高速行驶时转向盘力的品质。因此，EPS系统的助力特性曲线是一族随车速变化的曲线，如图 2-6。汽车电动助力转向机构的设计9图 2-6 助力特性曲线（2）应具有良好的操纵稳定性汽车行驶稳定性的影响因素很多，转向系统是其重要影响因素之一。所谓稳定性主要是指汽车在行驶过程中，当突然受到外界横向力作用而发生自动转向等不稳定现象时，转向系统应该具有使车辆在相当短的时间内迅速地回复正常行驶状态的能力。转向系一直存在着轻与灵的矛盾，在不同的工况下，对操作稳定性要求的侧重面是不一样的。一般转向力与路感是相互制约的，转向力小意味着转向轻便，能减小驾驶员的体力消耗；但转向力过小，就缺乏路感。传统液压助力转向由于不能对助力进行实时调节与控制。所以协调转向力和路感的关系困难，特别是汽车高速行驶时，仍然会提供较大助力，使驾驶员缺乏路感，甚至感觉汽车发飙，影响操纵稳定性，危机汽车高速行驶时的安全。由于 EPS 由电机提供助力，助力大小由电控单元（ECU）实时调节与控制。EPS 可以根据车速不同工况，制定不同的控制策略，自动地削弱或吸收摆振、维持转向盘具有良好的稳定感的能力，较好地解决上述矛盾。（3）应具有良好的跟随性EPS 是一种电子控制电动助力转向伺服系统，跟随性问题十分重要 78。所谓跟随性问题是指当转向盘有转向输入时，系统中的各个元件（如电机等）及其他相关元件（如车轮等）均具有快速、协调和准确的响应性或跟随性。例如，当在方向盘上输入一个偏转角位移时，下部输出轴要在直流电机的带动下，按照给定的输入角位移稳定、准确、快速地跟踪上输入偏转角的位移。（4）具有良好的回正特性汽车电动助力转向机构的设计10驾驶员转向时，回正力矩是使转向车轮自动返回到直线行驶位置的主要恢复力矩之一。电动助力转向系统电动机通过减速机构作用到转向机构上，电动机和转向机构中不仅存在着摩擦损失转矩，还有弹性和间隙。如果轮胎的回正力矩比总的摩擦损失力矩小，转向盘将不可能恢复到中间位置，汽车将偏离预期的行驶路线，直到驾驶员通过转向盘用力使它返回到中间位置。而在高速行驶时，为此，需要在常规转向的基础上增加回正控制功能。高速行驶时，轮胎的侧向力较大，为防止回正超调，则利用电机的转矩对系统的阻尼作用，使回正处于受控状态。由于在 EPS 中采用了微电子技术，利用软件控制电动机的动作，在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。从最低车速到最高车速，可得到一族回正特性曲线，而传统的液压助力转向系统是无法做到这一点的。（5）适合的转向路感对于 EPS 来说，其助力大小可根据不同车速、通过软件的方式来控制电机电流来实现实时调节与控制，通过采用优良的控制策略，来调整转向路感，获得满意的转向轻便性和操纵稳定性，并保证驾驶员有足够的路感，实现路感的优化。（6）具有在版故障诊断功能（7）EPS 系统应具有碰撞能量吸收功能对于 EPS 系统，当汽车发生正面冲撞时，转向盘的压迫是导致驾驶员受伤的一个主要原因，因此要求 EPS 系统转向操纵机构必须设置各种缓冲式的安全装置。2.3.2 控制部分方案设计EPS 具体的工作流程是 5：当车辆点火开关接通，发动机开始运转后，电动助力转向系统的 ECU 发出指令使电源继电器和故障保护继电器闭合，让整个 EPS 系统启动，EPS 程序一直监控车速传感器与转矩传感器输入的车速和转向盘转矩信号，其中，转向盘转矩信号体现了转向盘的转矩大小及该时刻转向盘的转向和位置，从而能够判断转向盘是顺时针转动还是逆时针转动还是在中间位置保持不动，由车速与转矩信号实时输出相应的控制电流驱动电机，实现不同大小不同方向的助力，当点火开关断开时，EPS 系统停止工作。汽车电动助力转向机构的设计11图 2-7 EPS 系统工作流程图电动助力转向系统主要部件有：转矩传感器、车速传感器、电流传感器、电动机与减速机构、电子控制单元（ECU)。转矩传感器一般安装在转向小齿轮轴上，有的与电动机集成制造成一体；车速传感器安装在变速器输出轴上；电流传感器安装在电动机里；电子控制单元安装在转向器上方或者安装在驾驶员左侧的仪表盘背板上；电动机与减速机构集成制造在一起，一般根据不同的要求安装在转向柱、转向小齿轮或者转向齿条上。在小型车辆上，电机是通过齿轮箱与转向柱连接，而在中型汽车上，电机则是通过法兰交叉或纵向安装在齿条上，并通过齿轮箱操作。本次设计中，由于所选用的车型是小型车，故将电动机与减速机构集成通过齿轮箱安装在转向柱上。汽车电动助力转向机构的设计123 齿轮齿条式转向器设计3.1 整车性能参数本次设计以某微型轿车为模型，采用前置前驱的驱动方式，其基本参数如表 3-1 所示：表 3-1 某微型车基本参数名称 数值 单位轴距 L 2500 mm前轮距 L1 1490 mm后轮距 L2 1475 mm最小转弯半径 Rmin 4940 mm车长 3900 mm车宽 1695 mm车高 1525 mm整车整备质量 1095 kg前轮负荷率 60%载客数 5 人轮胎规格 前轮 175/65 R15 后轮 175/65 R153.2 齿轮齿条式转向器的设计和计算3.2.1 齿轮齿条转向器计算载荷的确定（1）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 4。精确地计算这些力是困难的，为此推荐用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或者混泥土路面上的原转向阻力矩 (N mm)，即 rM412878.50 （3-1）pGfMr312.04857.3汽车电动助力转向机构的设计13式中，f 为轮胎和路面间的滑动摩擦因数，一般取 0.7；G 1为转向轴负荷（N)； P 为轮胎气压（MPa)。该车整车整备质量为 1095kg，所载人数为 6 人，每人质量约 60kg；前置前驱转向轴负荷率为 60%故 G1=（1095+60 6) 9.8 60%=8555.4NP 取 0.2MPa（2）转向器角传动比 的计算wi图 3-1 转向器转角关系图（3-2）51.0492sinRL5.30式中：L汽车轴距，2500mm；R汽车最小转弯半径，4940mm。（3-3） 904.150.3cos492costan BRL42.12。 式中：L汽车轴距，2500mm；R汽车最小转弯半径，4940mm；B前轮轮距，1490mm。设计取方向盘总圈数为 3，则汽车电动助力转向机构的设计14（3-87.1462.30KWwi4） 式中：转向盘转角（速度） ，3360；w转向轮转角（速度） ，+=72.62。K（3）作用在转向盘上的手力作用在转向盘上的手力为N （3-5） 29.176%08.1435221 wSWRhiDLMF式中：转向摇臂长；1L转向节臂长；2转向盘直径，设计为 350mm；SWD转向器角传动比；wi转向器正效率，90%。因齿轮齿条式转向传动机构无转向摇臂和转向节臂，故 和 不代入数值。1L2对于给定的汽车，用式（3-5）计算出来的作用力是最大值。因此，可以用此值作为计算载荷。（4）转向盘扭力矩 Tz（3-6） mNDFTSWhZ .7530829.176式中：转向盘上的手力，176.29N；h转向盘直径，设计为 350mm。SWD（5）梯形臂长度 L2 的计算前轮轮胎规格为前轮 175/65 R15，则轮辋直径 =15in=15 25.4=381mm。LWR汽车电动助力转向机构的设计15梯形臂长度 152.4，取 。2/8.0312/8.02LWRmL1502（6）轮胎直径的计算轮胎直径 ，取 。LT 7.4935.5. RT（7）转向横拉杆直径的计算：mm （3-7）0.216490.871 MdR取 m0in式中：原地转向阻力矩，412878.50N.mm；R前轮距 1490mm；1L材料许用应力 216MPa。（8）主动齿轮轴的计算：（3-8mMnd 4.10140857.36max1632）取 15min式中：方向盘扭矩，30850.75 Nmm；nM材料许用切应力，140MPa。3.2.2 转向器基本部件设计（1）技术参数：表 3-2 技术参数表名称 数值 单位线角传动比 47.6 mm/rad 齿轮法向模数 2.5方向盘总圈数 3齿条行程 160 mm汽车电动助力转向机构的设计16汽车电动助力转向机构的设计17（2）齿轮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互连接。因此，转向盘的旋转使齿条横向移动以操作前轮。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。故齿轮齿条式转向器的齿轮多采用斜齿圆柱齿轮。齿轮的模数取值范围在 2-3mm 之间。主动小齿轮齿数在 5-7 个范围变化，压力角取值 200，齿轮螺旋角多为 90-150。 取齿轮模数 mn1=2.5，齿轮齿数 z1=6，齿轮压力角 1=200，齿轮螺旋角取为150、左旋，齿轮轴总长 L=160mm，故斜齿圆柱齿轮直径根据公式 d1=mn1z1/cos=15.53mm （3-9）取齿宽系数 ，.2则齿条宽度 （3-mbd63.185.110） 圆整取 ，则取齿轮齿宽 。m20b021表 3-3 齿轮轴的尺寸设计参数序号 项目 符号 尺寸参数(mm)1 总长 L1602 齿宽 1B303 齿数 Z64 法向模数 1Mn2.55 螺旋角 156 螺旋方向 左旋（3）齿条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，并保汽车电动助力转向机构的设计18证转向横拉杆在适当的高度以使他们与悬架的下摆臂平行。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上。齿条的横向运动拉动或推动转向横拉杆，使前轮转向。相互啮合的齿轮的齿距 和齿条的齿距11cosnmP必须相等。22cosnmP即： 21cosn取齿条的模数： =2.5，计算出齿条的压力角为： =200，2 2取齿条的总厂 L 为 735mm，直径 30mm，齿条行程为 160mm。表 3-4 齿条的尺寸设计参数序号 项目 符号 尺寸参数( )m1 总长 L7352 直径 303 齿数 2Z214 法向模数 Mn2.5（4）转向横拉杆及其端部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和齿条中。转向横拉杆端部与外端用螺纹连接。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。表 3-5 转向横拉杆及接头的尺寸设计参数序号 项目 符号 尺寸参数（mm)1 横拉杆总长 aL2572 横拉杆直径 103 螺纹长度 M484 外接头总长 WL100汽车电动助力转向机构的设计195 球头销总长 QXL526 球头销螺纹公称直径 qxdM8 17 外接头螺纹公称直径 wM10 18 内接头总长 NL609 内接头螺纹公称直径 ndM12 1（5）齿条调整一个齿条导向座安装在齿条光滑的一面。齿条导向座和壳体螺纹连接的调整螺塞之间连有一个弹簧。此调节螺塞由锁紧螺母固定。齿条导向座的调节使齿轮、齿条之间有一定的预紧力，此预紧力会影响转向冲击、噪声和反馈。图 3-2 自动消除间隙装置 表 3-6 齿条调整装置的尺寸设计参数序号 项目 符号 尺寸参数（mm)1 导向座外径 L402 导向座高度 1B303 弹簧总圈数 n6.54 弹簧节距 t8.25汽车电动助力转向机构的设计205 弹簧外径 D306 弹簧安装高度 2H377 螺塞螺纹公称直径 sdM44 28 螺塞高度 s 309 锁止螺塞高度 sH1010 转向器壳体总长/高 kL/600/15011 转向器壳体内/外径 wn40/56（6）齿轮齿条的综合分析设计及计算转向器转向盘的单位转角增量与齿条位移增量的反比定义为齿轮齿条转向器的线角传动比。假设齿轮有足够的啮合长度，且齿轮在齿条上滚动而齿条不动的啮合情况，当齿轮啮合一周时，齿轮中心线由 O-O 位置移动到 O-O位置，如图 3-3 示。图 3-3 齿条啮合长度计算图这时可以知道 AB=d，齿轮在齿条上移动了 AC 距离： cossdABC式中：齿轮安装角， （ 0） ；汽车电动助力转向机构的设计21齿轮分度圆直径（mm） 。d齿轮在垂直于齿条中心线 MM 的方向上移动了 BC 距离：；在齿条实际工作中是运动的，齿轮只是绕轴承中心线转动，sinidABC并不移动。只能是齿条沿其轴线移动，可见 BC 在实际工作中不存在，从中可知：；在齿轮转动一周，齿条实际移动距离 AD 为：rDta。rdAtansico式中：齿条倾角（ 0） 。rAD 就是齿轮齿条式转向器的线角传动比，即（3-11） rrddi costansico将设计数据： ； ； ； 代入上式，得mi/6.475.2n61zcos/1zmdn=8.31140。r齿条的齿数计算 Z2（3-2cosnmL12） 式中：齿条行程，160mm；L齿条模数，2.5；2nm齿条压力角， =200。2将数据代入（3-12）式，得 Z2=21.68，取整数值 Z2=21。汽车电动助力转向机构的设计223.2.3 齿轮轴和齿条的材料选择及强度校核表 3-7 齿轮轴和齿条的设计计算设计计算和说明 计算结果选择齿轮材料、热处理方式及计算许用应力选择材料及热处理方式小齿轮 16MnCr5 渗碳淬火，齿面硬度 56-62HRC齿条 45 钢 表面淬火，齿面硬度 56-56HRC 确定许用应力；HminNlSZFminNSTlYF(a)确定 和lili； MPaH150limMPaH1302lim； F42li F75li(b)计算应力循环次数 N，确定寿命系数 、 。NZY2711 106.2308160tanN32.Z2NY(c)计算许用应力取 ,1minHS4.inF=inNl1ZMPa19803250=Hmin2l2S76.应力修正系数 TY=FminN1Sl1FMPa14.607.245=Fin2STli2F .3.37MPaH150lim32liF41limPa752li7106.N3Z21NYMPaH9801H762MPaF14.6071F.532汽车电动助力转向机构的设计23初步确定齿轮的基本参数和主要尺寸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选择齿轮传动精度等级选用 7 级精度 初选参数初选 =6 =21 =1.2 4.1tK51Z2d=0.7 =0.89Y按当量齿数 7.5cos/7cs/33V6.51FS初步计算齿轮模数 nm转矩 176.290.175=30.85 =308501TNm闭式硬齿面传动，按齿根弯曲疲劳强度设计。321cosFSdtnt YZKm= 3214.60756.89.5084.12=2.205 确定载荷系数 K=1，由 , /100=0.000648,A smnzmtt /018.cos1061vZ=1；对称布置，取 =1.06；取 =1.3，则VK=111.061.3=1.378KA修正法向模数=2.205 =2.1933tntm34.178圆整为标准值，取 =2.5nm斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合传动7 级精度465101TmN=1.378K=2.5nm汽车电动助力转向机构的设计24确定齿轮传动主要参数和几何尺寸 分度圆直径 d= =15.53cos11zmdn56.2m 齿顶圆直径 1ad=15.53+2hda21Xnhan=15.53+22.5(1+0)=20.53m齿根圆直径 fd=15.53-2ffhd21XnChan=15.53-22.51.25=9.28齿宽 b=1.215.53=18.6361dm因为相互啮合齿轮的基圆齿距必须相等，即 。21bP齿轮法面基圆齿距为 11cosnbP齿条法面基圆齿距为 22m取齿条法向模数为 =2.5n 齿条齿顶高 2ha=2.5(1+0)=2.5Xmhan2 m齿条齿根高 2f=2.5(1+0.25-0)=3.125Cnanf 2法面齿距 2S=3.925nnmXta/2校核齿面接触疲劳强度12HEHubdKTZ=15.531dm=20.531ad=9.281fdm取 =202b=2.52ham=3.1252fh=3.9252nSm汽车电动助力转向机构的设计25查表得， =189.8 ；查图得， =2.45EZMPaHZ取 =0.8， = =0.985cos所以 =189.82.450.80.985H 125.320817Pa=1512.8 2HMPaMPaH8.152齿面接触疲劳强度满足要求3.2.4 齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析图 3-3 转向横拉杆的运动分析简图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OC转至 时，齿条左端点 移至 的距离为OAEA1l30=150cos30=129.904cosDm=150-129.904=20.096OC30=75sinAm BE305ADC= =304.342EA 2296.m=304.3-75=229.3CA=305-229.3=75.7Al1汽车电动助力转向机构的设计26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 EOCOB移至 的距离为BE2l=75 DAmB=304.34222096.35EB m=75+304.3-305=74.3Cl2齿轮齿条啮合长度应大于 21l即 =75.7+74.3=15021lLm取 L=160 。m3.2.5 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。=230851/15.53=3973.01/2dTt=1497.1315cos/20tan8.397cosantr N=1064.58N15t0.tF3.2.6 间隙调整弹簧的设计计算设计要求：设计一圆柱形压缩螺旋弹簧，载荷平稳，要求 =1400N 时，maxF0.1d汽车电动助力转向机构的设计28(6) 几何参数和结构尺寸的确定 弹簧外径 D=D2+d=25+5=30mm弹簧内径 D1=D2-d=25-5=20mm(7) 弹簧工作图 s=1.25 =1.25765=956.25MPa弹簧的极限载荷 Flim= =3.1452956.25/(841.4)=1670NCKs8弹簧的安装载荷 Fmin=0.9Fmax=0.91400=1260N弹簧刚度 Cs=Gd/(8C3n)=800005/(8434.46)=175.17N/mm安装变形量 min=Fmin/Cs=1260/175.17=7.19mm最大变形量 max=Fmax/Cs=1400/175.17=7.99mm极限变形量 lim=Flim/Cs=1670/175.17=9.53mm安装高度 H1=H0- min=44.29-7.19=37.10mm工作高度 H2=H0- max=44.29-7.99=36.3mm极限高度 H3=H0- lim=44.29-9.53=34.76mm3.2.7 齿轮轴轴承的校核校核 30203 圆锥滚子轴承，轴承间距 60mm,轴承极限转速 n=9000r/min,采用脂润滑，预期寿命 Lh =12000h初步计算当量动负荷=0.711e13.4975806RAFX=0.56,暂选一近似中间值 Y=1.5。另查表得 fp=1.2P =fp(XFR+YFA)=1.2(0.56698.5+1.5432.3)=1247.53N计算轴承应有的基本额定动负荷 C r查表得, ft=1,又 =3Cr= LnfPht 6.27510563.1247066初选轴承型号查机械工程及自动化简明设计手册,选择 6202 轴承, Cr=7.65KN，其基本额定静负荷 Cor=3.72KN验算并确定轴承型号汽车电动助力转向机构的设计29 FA/Cor=432.3/3720=0.116,e 为 0.30,轴向载荷系数 Y 应为 1.45 计算当量动载荷Pr=fp(XFR+YFA)=1.2(0.56149735/60+1.45432)=1338.5N 验算 6204 轴承的寿命Lh= 12000hCfnrt 2079139657167即高于预期寿命，能满足要求。上轴承选择比下轴承稍大的型号 6203,同样满足要求。 3.2.8 键的计算p= p=120MPa2dlkTmK85.1205.21638式中：T传递的转矩，单位为 Nmm；D轴的直径，单位为 mm；L键的接触长度，单位为 mm；K键与轮毂接触高度， Kh/2 ,单位为 mm； 许用挤压应力，单位为 MPa。p选用 A 型键 ，公称尺寸 bh=55；键的接触长度 L 应该大于 15mm,则L 15+6=21mm； 圆头普通平键(A 型)的尺寸参考 GB1096-79；键和键槽的断面尺寸参考 GB1095-79。汽车电动助力转向机构的设计304 EPS的关键部件和控制策略4.1 EPS的关键部件选型4.1.1 电动机电动机根据 ECU 的指令输出适宜的转矩，一般采用无刷永磁直流电动机 9，无刷永磁电动机具有无激励损耗、效率较高、体积较小等特点。电机是 EPS 的