eps电动助力转向机构培训教材

目录摘要ABSTRACT1绪论111引言112动力转向系统的发展历程113汽车EPS国内外研究现状314问题的提出和研究的意义42汽车EPS的总体组成621汽车EPS概述6211汽车EPS的组成机构6212汽车EPS的工作原理8213汽车EPS的特点9214汽车EPS的分类1022汽车EPS组成部件的选取11221电动机11222转向角速度传感器11223转向控制单元113汽车EPS的设计1331转向器的介绍1332齿轮齿条式转向器的设计与计算15321转向器角传动比的计算15322转向系计算载荷的确定16323转向系杆件尺寸18324齿轮齿条式转向器的设计计算1933齿轮齿条转向器的受力分析与计算2634齿轮轴的设计计算校核2735齿轮齿条转向器的强度校核29351齿轮接触疲劳极限校核29352齿轮弯曲疲劳强度校核304其他部件设计3241防伤安全机构方案分析与设计3242转向盘3443间隙调整的设计计算3644齿轮轴轴承的校核385结论39致谢40参考文献41摘要电动助力转向ELECTRICPOWERSTEERING,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ABSTRACTELECTRICPOWERSTEERING（EPS）SYSTEMISANEWTYPESTEERINGSYSTEM,WHICHCANSAVEENERGY,IMPROVEVEHICLESAFETY,ANDBENEFITENVIRONMENTPROTECTIONITSANEWHIGHTECHTHATFOLLOWSMODERNVEHICLEDEVELOPMENTTOPICCLOSELYEPSISMUCHSUPERIORTOHYDRAULICPOWERSTEERINGSYSTEMITWILLBETHEINEVITABLEDEVELOPINGDIRECTIONFORAUTOMOBILEPOWERSTEERINGTHEELECTRICPOWERSTEERINGEPSSYSTEMCANSOLVETHECONTRADICTIONBETWEENSTEERINGHANDINESSANDDELICACYTHATEXISTSINSMALLTYPEOFCARSITENABLETHEDRIVERTOOBTAINSTRONGERROADSENSEWHENDRIVEINHIGHSPEEDANDBIGGERASSISTWHENDRIVEINSLOWSPEEDACCORDINGTOBYECUTODISHTORQUESIGNALCONTROLMOTORCLUTCH,MAKETHEMOTORWHENINNEEDNOTSTOPWORKING,REDUCEBOOSTOFENERGYCONSUMPTION,THISSYSTEMCANSATISFYDIFFERENTSPEEDSGETDIFFERENTDYNAMICALCHARACTERISTICSREQUIREMENTTHETHESISISFORTHEDESIGNOFAUTOELECTRICPOWERSTEERINGFIRST,ITDISCUSSEDDEVELOPMENTHISTORY,EPSDEVELOPMENTPRESENTSITUATION,THEPRINCIPLE,ANDTHESTRUCTURETHENDETERMINERACKANDPINIONTYPESTEERINGWITHDESIGNDESIGNANDCALCULATESTEERINGGEARANDRACK,ANDTESTRACKANDPINIONGEARSURFACECONTACTSTRENGTHANDTOOTHROOTBENDINGSTRENGTHFINALLY,MAKEDTHEPINIONANDRACKANDASSEMBLYDRAWINGBYUSINGAUTOCADSOFTWAREKEYWORDSAUTOMOBILE，EPS,STEERINGGEAR,RACKANDPINION,CALCULATE1绪论11引言转向系统是保证车辆行驶的主要车辆子系统之一，其性能直接关系到车辆的舒适性和安全性。良好的操纵稳定性和驾驶感觉是转向系统追求的目标。回正力矩保证了汽车操纵稳定性，但增加了驾驶员的转向阻力，尤其是大型车辆的低俗转向时，驾驶员的工作强度较高，不利于驾驶舒适性。为了改善这个矛盾，起初通过增大转向系中的减速比，但这样会使转向变得十分迟钝，满足不了转向灵敏度的要求，为了解决转向系“轻”与“灵”的矛盾，采用了动力转向系1。上个世纪50年代开始出现了助力转向系统，在此后的二、三十年中，转向系统经历了机械式、液压式、电控液压式等几个阶段，由于传统的动力转向系统有结构复杂、功率消耗大、易泄漏、转向助力不易控制等缺点，汽车工程师一直在寻求一种更好的助力方式，以期获得较强的路感、较轻的操纵力、较好的回正稳定性、较高的抗干扰能力和较快的响应性。到了上世纪80年代，人们开始研究电动助力转向（ELECTRICPOWERSTEERING，简称EPS）系统。在EPS系统研究伊始，因为成本高，难以投入商业生产，在实验室阶段停留了许多年。但是随着控制元件成本大幅度降低，以及人们对于环保问题关注程度的不断上升，使EPS系统这个集环保、节能、安全、舒适为一体的高科技产品的实际应用成为可能。目前，EPS正在快速发展中。TRW公司估计到2010年，全世界乘用车的动力转向系统中，EPS将占1/3，二千EPS现在产量正以130150万套/年的速度增加，按此增长速度发展下去，EPS将很快完全占领轿车市场，并向微型车、轻型车、中型车扩展23。12动力转向系统的发展历程动力转向经历了常规液压动力转向系统、电子控制液压动力转向系统、电动助力转向系统三个发展阶段4。（1）常规液压动力转向系统HPS（HYDRAULICPOWERSTEERING，HPS）这类动力转向系统是靠方向盘转动时带动扭杆直接改变液压系统油路的通道面积来提供可变的助力，助力的大小与车速的高低没有关系，只与转向角度有关。转向盘转过的角度越大，液压系统提供的助力越大。HPS一般有转向油罐、转向油泵、液压管路、机械转向系统组成，有分离式、组合式和整体式三种结构。其中分离式装置在结构紧凑、位置狭窄的轻型载货汽车和轿车上有所采用，组合式主要用于安装位置较宽松的大型货车和公共汽车上，整体式在高级轿车上应用广泛。整体式动力转向系统又分为滑阀式和转阀式两种类型。其中滑阀式装置结构简单，制造工艺要求较低，且易于布置，便于操纵但不能调整转向特性。而转阀式装置结构复杂，难于加工，但可按照用户要求调整转向系统的转向特性，且工作可靠、结构紧凑、工作压力高，代表着整体式动力转向系统的发展方向。HPS面临的问题HPS因其固有的转向噪声使得转向舒适性降低；转向油泵由发动机持续驱动，即使没有转向动作也消耗能量；HPS最大的缺陷是转向助力特性不可调，高速和低速时助力特性相同。虽然后来出现了变传动比的液压动力转向系统，但因为传动比变化范围较小，仍然不能满足需求。（2）电子控制式液压动力转向系统（ELECTRONICHYDRAULICPOWERSTEERING，EHPS）为了获得理想的汽车操纵稳定性，要求转向性能可动态地适应汽车行驶状态的变化。理想情况下，汽车在原地转向时要求转向尽量轻便；而在汽车以不同的速度运行时，能实时提供相应的转向助力以克服该运行速度下的转向阻力，并使驾驶员既能轻便地操纵方向盘，又有足够的路感。满足上述条件的是车速感应式动力转向系统，即电子控制液压动力转向系统。丰田于1973年首先开发了车速感应式转向系统，本田和五十铃也分别于1980年和1982年相继开发了类似装置，德国的ZF公司开发了SERVOTRONIC和SERVOCOM型电子控制的液压动力转向系统。EHPS一般由机械装置和电气装置两部分组成。机械装置包括转向器（包括控制阀、压力腔及助力缸）、油泵及管路。电气部分则由车速传感器、电子控制单元ECU及电磁阀组成。它通过传感器把汽车运行中的各种非电量信号，如车速转变为电信号，由ECU判别汽车的运行状态，以此来控制电磁阀线圈的电流，进而控制动力转向系统中压力油的流量，再由液压油控制执行机构进行转向运作。EHPS按照控制方式可分为流量控制式、反力控制式和阀灵敏度可调式。流量控制式是通过检测车速的大小，调节向动力转向装置提供压力油液的流量，从而控制转向力。反力控制式是利用车速的大小控制反力室油压，改变压力油输入输出的增益幅度以控制转向力。阀灵敏度可调式是根据车速操纵电磁阀，直接改变转向控制阀的油压增益（阀灵敏度）以控制油压。EHPS存在油泵持续工作造成多余能量消耗，整个液压系统占用空间大、容易泄漏、噪声大等缺点；而且增加的车速检测控制装置及阀的结构较HPS复杂，致使成本较高，目前主要应用于高级轿车及运动型车辆上。（3）电动助力转向系统（ELECTRICPOWERASSISTEDSTEERINGEPAS或EPS）电动助力转向系统是在传统机械转向基础上，增加信号传感器装置、电子控制装置和转向助力机构等构成的。电动助力转向系统的主要功能是使用电力驱动执行机构，实现在不同驾驶条件下为驾驶员提供适宜的辅助力。与HPS相比，除节省能源外，由于取消了液压系统而提高了环保性能，很好的解决了由于液压传动带来的种种弊端；电动助力转向系统很容易实现在不同的车速下，实时的为汽车转向提供不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠。整套系统有转向器生产厂家一起提供给整车生产厂家，可以直接安装；对不同车型、不同工况以及不同驾驶员所需的不同转向助力特性通过软件修改，方便快捷。完整的EPS系统还包括了故障诊断与安全保护系统。当发生故障时，能停止助力，自动恢复到手动控制方式，并发出警报信号，显示所记忆的异常内容，如扭矩传感器本身异常、车速传感器异常、电动机工作异常以及蓄电池异常等等。13EPS的国内外研究现状EPS系统是20世纪80年代初期提出来的。1988年2月日本铃木公司首次在其CERVO车上装备EPS，随后还用在了其ALTO车上。在此之后，EPS技术得到迅速发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司、光洋公司、卢卡斯公司、美国的DELPHI汽车系统公司、TRW公司、德国的西门子公司、ZF公司，都相继研制出自己的EPS。比如，大发汽车公司在其MIRA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车目前已经选装了EPS，DELPHI汽车系统公司已经为大众的POLO、欧宝的318I和菲亚特的PUNTO开发出EPS。TRW从1998年开始，便投入了大量的人力、物力和财力用于EPS的开发，他们最初针对客车开发出转向柱助力式EPS，如今小齿轮助力式的EPS开发也已获得成功。1999年3月，他们的EPS已经装备在轿车上，如FORDFIESTA和MAZDA323E等。MERCEDESBENZ和SIEMENSAUTOMOTIVE两大公司共同投资6500万英镑用于该技术的开发，他们计划开发出前桥负荷在1200KG的EPS，因此货车也将可能成为EPS的装备目标5。经过20多年的发展，特别是现代电子技术的发展，EPS技术已日趋完善，其应用范围已经从最初的微型轿车向更大型轿车和商用车辆方向发展，如本田的ACCORD，菲亚特的PUNTO等中型轿车。同时EPS的助力形式也从低速范围内助力向全速范围内助力发展，并且其控制形式和功能也进一步加强。早期的EPS仅仅在低速和停车时提供助力，高速时EPS将停止工作。新一代的EPS不仅在低速和停车时提供助力，还能在高速时提高汽车的操纵稳定性，如铃木公司装备在WAGONR车上的EPS系统是一个负载路面车速感应型助力转向系统。DELPHI为PUNTO车开发的EPS属于全速范围助力型，转向轻便性和操纵稳定性更好。相比之下，国内对EPS的研究起步较晚。1992年清华大学进行了探索性的研究。其后的几年，同济大学、吉林大学、北京理工大学和华中科技大学等高校相继开展了研究。国内汽车厂商起步较晚，但开发速度很快，在轿车EPS开发上已有显著成果。吉利汽车已经开发出有自主知识产权的轿车EPS系统，并在吉利豪情上使用。荆州恒隆也与清华大学联合创建EPS实验室投入研究，有实验车辆生产。相比乘用车辆EPS研究的快速发展和商业化进程，商用车辆EPS的发展比较缓慢。北京理工大学机械与车辆工程学院的林逸等人在北京市奥运科委项目的支持下，开发的电动客车采用了电动助力转向系统，前轴轴荷达到6180KG，率先在国内开展了商用车辆EPS的研究。东风商用车公司也进行了DF3型商用车辆EPS的研究，已进入整车试验阶段。燃油型商用车辆EPS系统还没有出现。EPS在国内外轿车商业化进程发展很快，理论研究上夜逐渐深入。张钟光指出在一定范围内选择不同的比例增益、积分增益和微分增益，可以是幅频特性和相频特性发生变化，达到了优化转向系统助力作用、控制助力稳态误差和提高响应灵敏度的目的6。何仁等的研究表明，对于一个设计定型的电动助力转向系统，各机构部件的许多参数很难改变，可以采用改变电子控制单元中助力增益的方法来使系统稳定工作，即在控制器设计中采用较小的助力增益7。TAKAYUKIKIFUKU等针对EPS在大型车辆上无法使用的原因之一，即大型车辆上使用的大功率电机由于其本身大的惯量而和摩擦，会使得驾驶员的路感减少、车轮回正缓慢，提出了两种解决方法，即减少电机的摩擦力矩和补偿电机的惯量和摩擦的损失，这两种方法已在实验室得到验证。14问题的提出和研究的意义随着电力电子技术、控制技术的发展和人们对车辆安全性、舒适性的更高要求，EPS取代传统的动力转向系统HPS已经成为必然。近几年来，国内有许多单位先后开展了轿车EPS的研究工作，取得了一定的成绩，但与国际先进水平依然存在很大的差距。对于商用车辆EPS国内还处于初步研究阶段，由于商用车辆的“路感”、“转向灵敏性和轻便性的关系”、“回正特性”、“悬架特性”等方面与轿车有较大的不同，因此商用车辆EPS在理论特性上和系统配置、控制方法上不同于轿车，进行商用车辆EPS的研究是非常必要的。我国汽车业已开始重视商用车辆的安全性，新出的国家标准已将ABS作为商用车辆的标准配置，这对EPS的应用具有较大的推进作用，特别是我国商用车辆大都是自主品牌，会给EPS的应用带来了更加广阔的应用前景。2汽车EPS的总体组成21汽车EPS概述211汽车EPS的组成机构（1）助力电动机汽车上一般使用直流电源，所以作为EPS中的电动机一般采用直流电动机。电动机是EPS的直接动力源，根据控制单元ECU的指令输出适当的辅助转矩，要求其具有低转速大转矩、尺寸小、质量轻、转动惯量小、可靠性高、容易控制等性能。汽车EPS属于中小功率范围，利用用磁式电动机可提供足够的功率，因此EPS采用大多永磁式直流电动机。（2）减速机构与离合器EPS的减速机构与电动机联合使用，起降低转速、增加扭矩作用。减速机构常采用蜗轮蜗杆机构和行星齿轮机构。EPS也配备有离合器，安装在减速机构与主力电动机之间，保证EPS只在预先设定的车速行驶范围内起到作用。当汽车的车速达到或者超过某一定值、或者出现故障时，离合器自动分离，电动机停止给减速机构提供助力，这样EPS变换为手动转向，可以避免EPS受电动机惯性力矩影响。如图21所示为以电磁离合器，其主从部分借助磁力向减速机构传递运动。图21电磁离合器（3）扭矩传感器和车速传感器扭矩传感器是一种测量各种扭矩、转速以及机械功率的精密测量仪器，它采用应变片电测技术，在弹性轴上组成应变桥，提供弹性轴受扭的电信号，然后将所得的应变信号放大，经过电压频频的转换，就可以变成与扭应变成正比的频率信号。图22为一种非接触式扭矩传感器。图22非接触式扭矩传感器车速传感器测量汽车行驶的速度，是汽车计算机系统的输入装置，它把汽车运行中各种工况信息，如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等，转化成点信号输入给计算机，以是发动机处于最佳工作状态，如图23所示是一种车速传感器。图23车速传感器（4）控制单元（ECU）控制单元ECU是汽车EPS的核心部分，其主要功能是根据传感器所得的转矩信号和车速信号，进行逻辑分析与计算，然后发出指令，控制电动机和离合器的工作。此外，控制单元也应该有非常强的抗干扰能力，能够适应复杂的路面行驶环境；控制单元ECU中控制算法应该快速正确，同时进行实时控制，并有效地实现理想的助力规律与工作特性。212汽车EPS的工作原理汽车EPS是在传统机械转向系统的基础上，根据扭矩传感器和车速传感器作用在方向盘上的转矩信号和车速信号，通过ECU使电机产生相应大小和方向的辅助力，辅助驾驶人员进行汽车的转向，并且可获得最佳助力转向特性的伺服反馈系统8。汽车EPS是利用电动机产生的动力协助驾驶人员进行转向，不同汽车的EPS虽然结果部件不同，但是基本上由机械式转向装置、驱动电机、减速机构、电磁离合器、传感器及控制单元（ECU）等组成，符合现代汽车机电一体化的设计思想，如图24所示。图24EPS结构示意图工作原理电子控制单元（ECU）根据各传感器输出的信号决定电动机的转动方向和最佳助力转矩，向电动机和离合器发出控制信号，通过功率驱动电路控制直流电动机的转动，电动机的输出经过减速机构增扭后，驱动齿轮齿条机构，产生相应的转向助力9。其控制系统的基本结构如图25所示图25EPS结构框图213汽车EPS的特点EPS是继HPS后产生的一种新型的动力转向系统。HPS从应用至今已经研究发展了半个多世纪，其关键技术已相当成熟，但是在其他方面也存在明显的不足，比如耗能、对环境造成污染等，随着汽车微电子技术的发展，社会对汽车节能性和环保性要求不断的提高，HPS存在的耗能、对环境可能造成污染等就不能够完全满足社会发展的需要。EPS是将最新的电子技术和电机控制技术应用于汽车转向系统，能显著的改善汽车的转向性能、提高行驶中驾驶人员的舒适性和安全性、减少环境的污染等。因此，EPS一经提出，就受到各大汽车公司的重视，并对其进行了深入的研究和开发。未来的汽车转向系统中EPS将成为转向系统的主流，与HPS相比较，EPS具有如下几个非常明显的优势（1）EPS的应用能够提高汽车的主动安全性，并且可以通过设置不同的转向力特性满足不同用户的需要。EPS也能够在各种工作情况下给驾驶人员提供最佳的助力，减小因路面不平等状况引起的汽车扰动，改善汽车的转向特性，减小汽车在低速行驶时的转向操纵力，从而提高汽车高速行驶时的转向稳定性。（2）EPS效率高。EPS采用机械装置和电气装置连接，效率较高，有的可高达90以上；而HPS为机械装置和液压装置连接，效率较低，一般为6070。（3）节约能源。EPS仅在驾驶人员转向操作时才需要助力电机提供的能量，该能量可以来自蓄电池，也可来自发动机；而HPS则需要发动机带动液压油泵，让液压油不停地流动，浪费了部分的能量。因此，EPS能够减少汽车燃油的消耗，节约能源。（4）增强了转向跟随性。和HPS相比，EPS抗干扰能力大大增强，其旋转力矩产生于助力电机，没有HPS的转向迟滞效应，增强了转向车轮对转向盘的跟随性能。EPS中驱动电机与减速机构直接相连可以使其能量直接用于对车轮的转向，使车轮的反转和转向前轮摆振大大减小。（5）EPS生产线装配性好。HPS需要其相应的油泵、油管、流量控制阀、储油罐等装置，零件数目多，工人装配的工作量大，应用EPS能够节省装配时间，提高装配的效率。（6）EPS采用“绿色能源”，适应现代汽车发展的需要。EPS由于它没有液压油，没有软管、油泵和密封件等装置，避免了对环境的污染。EPS应用“最干净”的电力作为能源，不存在HPS中液态油的泄露问题，这样相应地也节约了能源和减少了环境污染。EPS可适用于各种汽车，目前主要用于轿车和轻型载货汽车；而对于环保型纯电动汽车，由于没有发动机，因此EPS为其最佳选择。214汽车EPS的分类电动助力转向系统按照电动机布置位置的不同，可以分为转向柱助力式COLUMNASSISTTYPEEPS、齿轮助力式PINIONASSISTTYPEEPS、齿条助力式RACKASSISTTYPEEPS、直接助力式DIRECTDRIVETYPEEPS四种。转向柱助力式电动助力转向器CEPS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。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，CEPS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。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。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。齿条助力式电动助力转向器REPS的助力电机和减速增扭机构则直接驱动齿条提供助力。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PEPS相比，可以提供更大的助力值，所以一般用于大型车辆上。直接助力式电动助力转向器DEPS的助力电机和减速增扭机构同转向齿轮形成了一个独立的单元。它与CEPS比较相似，两者的主要区别是扭矩传感器的安装位置有所不同。通过优化电控单元ECU内部的算法，让电机向齿条直接提供转向助力可以获得良好的转向路感。22汽车EPS组成部件的选取221电动机电动机分为无刷和有刷电动机，通常采用免维护无碳刷式电动机。这种电动机利用电子方式实现整流，而且没有碳刷的磨损，因此具有很好的可靠性和较长的使用寿命。当不需要提供转向助力时，电动机在很小的电流驱动下转动，这样当需要较大的转向助力时，电动机就可以立即提高转速以提供所需要的助力。222转向角速度传感器通常是霍尔式传感器，内置于转向盘内或转向机内，持续监控转动角速度，以作为转向控制单元控制助力的参考依据。例如，当车辆高速行驶时，在车速感应式转向功能的作用下，助力转向系统提供的助力作用会减小，但是行驶中有可能出现需要紧急转向的突发情况。当驾驶者猛打转向盘时，转向角速度传感器会感知这一变化并会向转向控制单元发出信号，转向控制单元控制电动机的转速迅速提高，助力作用会瞬间增大，以便车辆顺利完成转向动作。在拆卸和安装转向角速度传感器时，应注意将转向盘置于正中间位置。223转向控制单元转向控制单元具有接收和处理各个传感器信号、输出执行信号以及监控系统工作状态等多种功能。转向控制单元接收来自发动机控制单元的车速信号或发动机转速信号，以及来自转向角速度传感器的角速度信号，并计算出理想的控制电流输出给电动机，以控制助力力矩的大小和方向10。当系统存在故障时，转向控制单元会存储故障码并点亮仪表板上的EHPAS警告灯或EPAS警告灯。当监测到系统内电动机等部件出现严重故障时，转向控制单元会切断助力转向系统，此时机械转向系统仍然正常。为了保护电动机等部件，转向控制单元在适当的时候会起动临界状态控制程序。例如当转向机转动至极限位置时，由于此时助力转向系统的电动机不能转动，所以通过电动机的电流就会达到最大值，为了避免持续大电流导致电动机和控制单元损坏，所以当较大电流连续通过30S后，转向控制单元就会控制电流逐渐减小。当这种状态消失后，转向控制单元就会根据需要控制电流逐渐增大，直到达到正常工作电流值。3汽车EPS的设计31转向器的介绍转向器是转向系统中的重要总成，其作用主要有三方面，一是增大来自转向盘的转矩，使之达到足以克服转向轮与路面之间的转向阻力矩；二是减低转向传动轴的转速，并使转向摇臂轴传动，带动要比摆动使其末端获得所需的位移，或者是将与其转向传动轴连接在一起的主动齿轮的传动，转换成齿条的直线运动而获得所需的位移；三是通过选取不统的螺（蜗）杆上的螺纹螺旋方向，达到使转向盘的转动方向与转向轮转动方向协调一致的目的。汽车工业发达的国家，早期主要是围绕减小转向器的摩擦阻力、提高效率和增大刚度等方面从事研究并开发出新产品。齿轮齿条式转向器很早便在奔驰汽车上得到应用，在1920年以前，许多牌号汽车都用这种转向器，因此这种转向器是应用最早的转向器之一，已有100多年的历史。早期使用的齿轮齿条式转向器，由一直齿圆柱齿轮与一直齿齿轮相啮合所组成，不仅运动平稳性不好，而且冲击和噪声都比较大。此外，小齿轮轴线与齿条轴线间的夹角只能是直角，很难满足总体布置要求。随着汽车工业的发展，其结构得到不断的完善。开发了斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的转向器，克服了采用直齿时所形成的缺点。如图31。图31齿轮齿条式转向器目前齿轮齿条式转向器在各级别轿车上都得到广泛应用，而且随着发动机前置前轮驱动轿车的生产不断扩大，齿轮齿条式转向器应用的前景将十分广阔，因为这会使转向干系变得简单。进入80年代初，我国生产的微型货车开始开始应用齿轮齿条式转向器，目前国产轿车绝大多数采用的都是这种形式转向器。齿轮齿条式转向器主要由小齿轮、齿条、消除间隙机构及容纳上述各件的壳体组成。其中小齿轮与齿条作无间隙啮合并形成齿轮齿条传动副。工作时，转向盘带动小齿轮作旋转运动，便推动齿条作直线运动，在改变啮合副运动方向的同时增大了传动比11。在齿条齿与小齿轮啮合处的背部，设置有消除间隙机构。该机构由预紧弹簧、托座等零件组成，在齿轮与齿条齿之间因磨损出现间隙时能自动消除此间隙。在齿条与托座之间装有用减磨材料聚四氯乙烯制的垫片，齿条通过托座和转向器壳中的支承来支承。根据输入齿轮位置和输出特点，齿轮齿条式转向器有四种形式，即中间输入、两端输出；侧面输入、两端输出；侧面输入、中间输出；侧面输入、一端输出12。如图32。图32齿轮齿条式转向器输入输出形式A中间输入、两端输出；B侧面输入、两端输出；C侧面输入、中间输出；D侧面输入、一端输出；今后一段时间内，汽车主要采用的将是齿轮齿条式转向器和循环球式转向器。齿轮齿条式转向器优点结果简单、紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器的质量比较小；传动效率高达90；齿轮与齿条之间因磨损出现间隙以后，依靠装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧能自动消除齿间间隙；转向器占用的体积小；没有转向摇臂和直拉杆，所以转向轮转角可以增大，制造成本低。常装于前轮为独立悬架的轻型及微型车。缺点逆效率高，汽车在不平路面行驶时会出现汽车方向控制难度增加，还有可能出现打手现象。本文主要研究的是齿轮齿条式转向器，为了方便转向器的布置,选择以侧面输入、两端输出的输入输出形式。32齿轮齿条式转向器的设计与计算321转向器角传动比的计算SIN（31）式中L汽车轴距，2869MMR汽车最小转弯半径，5850MM将数据代入（31）式，得2970TAN（32）BRLCOS式中L汽车轴距，2869MMR汽车最小转弯半径，5850MMB前轮轮距，1564MM将数据代入（32）式，得4511角传动比33KWI式中W转向盘转角（速度），3360K转向轮转角（速度），7481将数据代入33式中，得IW1444322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13。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MRNMM。表31原地转向阻力矩MR的计算设计计算和说明计算结果3313079840578GFMRNMPA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；1P轮胎气压，单位为。MPAF079800N1GP0179MPA4057438RMN表32转向盘手力FH的计算设计计算和说明计算结果122405738169RHSWLMFNDI式中转向摇臂长,单位为MM；1原地转向阻力矩,单位为NMMR转向节臂长,单位为MM；2L为转向盘直径,单位为MM；SWDIW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和转向节臂，故、不代入数值。1L24057438RMMN400MMSWDIW1444901561NHF对给定的汽车，用上式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。转向盘扭力矩表33转向盘扭力矩设计计算和说明计算结果0515640312SHSWTFDNMA式中转向盘手力，单位N；为转向盘直径,单位为MM。SW31220STNMA1561NHF梯形臂长度的计算2L表34梯形臂长度L2的计算设计计算和说明计算结果轮辋直径16IN162544064MMLWR梯形臂长度08/2406408/221626MM,取160MM2L160MM2L轮胎直径的计算RT表35轮胎直径RT的计算设计计算和说明计算结果406405520551875MM205LWTR取520MM520MMTR323转向系杆件尺寸计算转向柱DZDZ（34）16TS式中选用45钢TS方向盘扭矩，31220NMM材料许用切应力，140MPA将数据代入（34）式，得DZ930MM转向横拉杆直径的计算D（35）41LMR式中MR原地转向阻力矩，4057438NMML1前轮距1564MM材料许用应力255MPA将数据代入（35）式，中D504MM324齿轮齿条式转向器的设计计算1EPS系统齿轮齿条转向器的主要元件1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上。齿条的横向运动拉动或推动转向横拉杆，使前轮转向图31）。图31齿条表36齿条的尺寸设计参数序号项目符号尺寸参数M1总长L7302直径253齿数2Z314法向模数MN252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37齿轮轴的尺寸设计参数序号项目符号尺寸参数MM1总长L1172齿宽1B303齿数Z64法向模数1MN255螺旋角146螺旋方向左旋2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11，转向盘旋转1，前轮将转向1，转向盘向任一方向转动30将使前轮从锁点转向锁点。这种传动比过于小，因为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。151的传动比较为合理。在这样的传动比下，转向盘每转动15，前轮转向1。为了计算传动比，可将锁点到锁点过程中转向盘转角的度数除以此时转向轮转角的度数。3EPS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32）。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32转向器的安装位置4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，压力角取20，齿轮螺旋角取值范围多为915。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1235范围内变化。此外，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。5齿轮轴和齿条的设计计算表38齿轮轴和齿条的设计计算设计计算和说明计算结果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齿轮材料40CR,CN共渗淬火、回火，表面硬度4353HRC齿条材料45钢，调质处理，表面硬度229286HBS2确定许用应力FMINNSTLYFA确定和LIHLIMPA150LIMH32LILIM8FPAF3752LIMB计算应力循环次数N，确定寿命系数、。NZY2711106208160TANN32Z25NNYC计算许用应力取,LIM10HS41MINFSLIN1NZMPA980325HMIN2L2S17610应力修正系数5TYFMINN1SL1F801257694MPAFIN2STLI2F37032初步确定齿轮的基本参数和主要尺寸MPAH150LIM32LIF41LIMPA752LI7106N3Z125NNYMPAH1980H7621769FMPA1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6200841TK1Z2D07089Y按当量齿数7684COS/S/33V128FS4初步计算齿轮模数NM转矩156101624976249761TNM闭式硬齿面传动，按齿根弯曲疲劳强度设计。321COSFSDTNTYZKM214607580894465223965确定载荷系数K135，由,AKSMNZMTT/015COS106/100000124,105；非对称布置，取1VZV112；取10K则1351051121015876KVA6修正法向模数2503FMPA斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合传动7级精度249761TMN1378K3NM239623833TNTKM34178圆整为标准值，取25NM3确定齿轮传动主要参数和几何尺寸141分度圆直径D11365COS4NMZD2齿顶圆直径1AD12852ANADHMHX152310203齿根圆直径FD18552FFHD21XNCHMAN1523125754齿宽B0815121D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11COSNBMP齿条法面基圆齿距为22取齿条法向模数为25N5齿条齿顶高2HA251025XMHAN2M6齿条齿根高2F25102503125CNANF27法面齿距2S151DM201ADM751FD取252M252HAM31252F47NNMXSTA2/24校核齿面接触疲劳强度12HEHUBDKTZ由表75，1898MPA由图715，215HZ取094，099COS所以1898245080985H2158764910/330MPA167482HMPA472NSMMPAH617齿面接触疲劳强度满足要求表39设计出的齿轮齿条转向器的齿轮齿条参数如下表名称符号公式齿轮齿条法向模数MN2525压力角200200齿数Z631分度圆直径DDMN1Z1/COS15变位系数XN1齿顶高HAHAHAMN53齿根高HFHF（HACXN）MN253齿顶圆直径DADAD2HA25齿根圆直径DFDFD2HF75螺旋角140140齿宽B253033齿轮齿条式转向器的受力分析与计算若略去齿面间的摩擦力，则作用与节点上的法向力FN可以分解为径向力FR和分力F，分力F又可以分为圆周力FT和轴向力FA。受力分析如上图所示计算力如下FT2TZ/D1231220153803NFRFTTAN/COS14101NFAFTTAN7392N式中齿轮压力角，200齿轮螺旋角，1305935TZ转向盘扭力矩，31220NMMD1齿轮分度圆直径，15MM34齿轮轴的设计计算校核轴的尺寸如左图示对轴的强度进行校核经过分析得到在XY平面上，FR1“FR2“FR14101NFR1“（720）FAFR2“（720）024513在XZ平面上，FR1FR2FR1FR2FT3803N解得FR1FR219015NFR2“7972NFR1“6129N查得40CR的机械性能B750MPAS550MPA1350MPA1200MPA4050MPA由机械设计（第四版）查得1040B0161560MPA1B041B3075MPAB0171B52275MPASB14S770MPA1030B225MPA0141280MPAS070B525MPA对称循环疲劳极限1B041B3075MPA1030B225MPA脉动循环疲劳极限B0171B52275MPA0141280MPA等效系数0176575230120B06180弯曲应力幅A576784（01153）WM1709MPA平均应力幅M0扭转切应力25574（02153）758MPATZW扭转切应力幅和平均应力幅AM/2379MPA查得应力集中系数K195，K148，查得表面状态系数15，查得尺寸系数098，091安全系数设为无限寿命，KN1126917053MB1KSN1057MN12512SS所以轴的安全系数校核符合安全标准。35齿轮齿条转向器的强度校核351齿轮接触疲劳极限校核15经查机械设计手册得1500MPALIMH1LIS132【接触次数取8106次，由机械设计手册查得】NZLIM50132980HNMPAS机械设计手册查得齿轮使用系数135【原动机轻微冲击，工作机轻微冲击】AK齿轮动载系数105【齿轮IT7级精度】V齿轮齿向载荷分布系数112【非对称布置，齿宽系数D12】齿轮齿间载荷分配系数10【斜齿轮，未经表面硬化，经修齿】K1351051121015876KVA齿面接触疲劳强度校核（36）21ZHEHTUZBDA式中材料弹性系数，1898【由机械设计手册查得】EMPA节点区域系数，215【由机械设计手册查得】HZ重合度系数，094【计算1165，055，由机械设计手册查得】螺旋角系数，099【由机械设计手册查得】ZU齿轮传动比，20610/3将数据代入（36）式，得16748MPAH16748MPA1980MPAH所以齿轮接触疲劳极限强度符合要求。352齿轮弯曲疲劳强度校核经查机械设计手册得580MPALIMF105LIHSYN125【接触次数取8106次，由机械设计手册查得】LIM580147352FNYMPAS12ZFFSNKTBD（37）外齿轮的齿形系数28【由机械设计手册查得】FY外齿轮齿根应力修正系数15【由机械设计手册查得】S螺旋角系数089【由机械设计手册查得】重合度系数，07【由机械设计手册查得】Y122158763208159072358ZFFSNKTYMPABMD3584MPAPA所以齿轮弯曲疲劳强度极限符合要求。4其它部件设计41防伤安全机构方案分析与设计根据交通事故统计资料和对汽车碰撞试验结果的分析表明汽车正面碰撞时，转向盘、转向管柱是使驾驶员受伤的主要元件。因此，要求汽车在以48KMH的速度正面同其它物体碰撞的试验中，转向管柱和转向轴在水平方向的后移量不得大于127MM；在台架试验中，用人体模型的躯干以67MS的速度碰撞转向盘时，作用在转向盘上的水平力不得超过11123N，见GBLL5571998。为此，需要在转向系中设计并安装能防止或者减轻驾驶员受伤的机构16。如在转向系中，使有关零件在撞击时产生塑性变形、弹性变形或是利用摩擦等来吸收冲击能量。当转向传动轴中采用有万向节连接的结构时，只要布置合理，即可在汽车正面碰撞时防止转向轴等向乘客舱或驾驶室内移动。这种结构虽然不能吸收碰撞能量，但其结构简单，只要万向节连接的两轴之间存在夹角，正面撞车后转向传动轴和转向盘就处在图中双点划线的位置，转向盘没有后移便不会危及驾驶员安全。图41防伤安全机构图41所示在轿车上应用的防伤安全机构，其结构最简单，制造容易。转向轴分为两段，上转向轴的下端经弯曲成形后，其轴线与主轴轴线之间偏移一段距离，其端面与焊有两个圆头圆柱销的紧固板焊接，两圆柱销的中心线对称于上转向轴的主轴线。下转向轴呈T字形，其上端与一个压铸件相连，压铸件上铸有两孔，孔内压人橡胶套与塑料衬套后再与上转向轴呈倒钩状连接，构成安全转向轴。该轴在使用过程中除传递转矩外，在受到一定数值的轴向力时，上、下转向轴能自动脱开，如图图42B所示，以确保驾驶员安全。图42防伤转向轴A）弹性联轴器B）弹性垫片图43防伤机构图如图所示，汽车一旦出现严重的、破坏性碰撞事故，弹性垫片不仅有轴向变形，而且能撕裂直至断开，同时吸收了冲击能量，并允许上、下转向轴相对移动。这种防伤机构的结构简单、容易制造、成本低。但弹性垫片的存在会降低扭转刚度，对此必须采取结构措施施予以消除。这种结构工作的可靠性由弹性垫片的强度来决定。汽车发生碰撞事故时，凸缘斜面上产生的轴向力和径向力相等，其最大值由弹ZFJ性垫片的强度来决定，即有（41）12ZJOFATK实际断面宽度；OT垫片厚度；垫片帘布层数；考虑垫片不同时损坏的系数，取0851K考虑危险断面边缘的帘线完整性被破坏的系数，取080；2拉伸应力，55MPA11取9KN