机动车转向系统EPS设计(论文资料)

1、/*汽车转向系统EPS设计电助力转向系统(Electric Power Steering system)作为转向助力新的研究方向，因为具有节能、环保、占用空间小、反应灵敏等优点受到广大汽车公司和科 研人员的青睐。毋庸置疑，电助力在不久的将来将会完全取代传统的液压转向系统。汽车转向系统的应用按先后顺序可以分为：机械转向系统、液压助力转向系统、电 子控液压助力转向系统、电助力转向系统等。本文研究的是齿条助力式转向装置。其以齿轮齿条转向器的设计为核心，主要包括转向操纵机构设计、齿轮齿条传动设计、转向梯形机构设计和控制系统的硬件 选择等。电助力转向系统工作过程中，当驾驶员转动方向盘时，扭矩传感器和车速

2、 传感器会将信息传输给控制器，使其发出命令控制电机的正反转和输出力矩的大 小。从而使驾驶员可以轻松地驾驶汽车和增加汽车的转向灵敏性。关键词 电助力 转向系统 齿轮齿条 自动控制业设计外文摘要Title The desig n of automotive steeri ng systemAbstractElectric po wer steeri ng is a new po wer steeri ng tech no logy for vehicles. Merit such as en ergy con servati on , en vir onmen tal p rotect ion ,

3、 fast react ion and small foot print that the person has accepts the respectively big automobiles of company and the reserchers favour .Needless to say,home and abroad developing trend is to use electric power-assistanee to change to the hydraulic p ressure po wer-assista nee verge nee substituti ng

4、 traditi on in future.Automotive steering system application can be divided into Mechanical steering. Hydraulic power steering,Electro ni cally con trolled hydraulic steeri ng system Electro nic Po wer SystemThis paper studies the steeri ng rack po wer device, the desig n of the steeri ng gear and r

5、ack as th core, mainly in clud ing the desig n of steeri ng mecha ni sm, gear and rack tran smissi on desig n, the design of steering trapezoidal mechanism and control system hardware selection, etc. The work ing p rocess of the electric po wer steeri ng system, the driver turned the steeri ng wheel

6、, the torque sensor and speed sensor will transfer the information to the controller, make it a comma nd con trol and revers ing and the size of the out put torque of the motor. So that the driver can easily drive a car and in crease automobile steeri ng sen sitivity.Key Words Electric Power Steerin

7、g System Gear and Rack Automatic control1引言1.1汽车转向系统简介1.2汽车转向系统的设计思路1.3 EPS的研究意义2 EPS控制装置的硬件分析2.1汽车电助力转向系统的机理以及类别10122.2电助力转向机构的主要元件3电助力转向系统的设计3.1动力转向机构的性能要求123.2齿轮齿条转向器的设计计算123.3转向横拉杆的运动分析233.4转向器传动受力分析2425264转向传动机构优化设计 4.1传动机构的结构与装配4.2利用解析法求解出内外轮转角的关系274.3 建立目标函数295控制系统设计305.1电助力转向系统的助力特性305.2 EPS

8、电助力电动机的选择315.3控制系统框图设计3234致谢36参考文献371引言1.1汽车转向系统简介汽车转向系统，顾名思义是为了能够使车辆按照驾驶员的意愿向左或者向右转弯或者直线行驶。转向装置有很多种，也一直在经历一个循序渐进不断更新不 断创新的过程。从发明家本茨发明汽车的初期，转向系统知识最简单的形式来转 向，其机构为单纯的扶把式，没有助力，所以笨重，费力，以及行驶状态不稳定。从在原始的雏形开始，各国人士不断创新改革，到现在为止，汽车转向系统的应 用按先后顺序可以分为：机械转向装置、液压助力转向装置、电子控液压助力转向系统、电助力转向系统、四轮转向系统、主动前轮转向系统和线控转向系统目前市场

9、大部分中低档轿车采用的液压式转向器， 当然电控的也很常见，所 以在该种系统的转向器技术的发展如今已经遇到了瓶颈。随着人们对乘车舒适， 节能，安全，稳定的期望，电控液压式转向系统逐渐取代了先前的版本，但随着 科技的进步，越来越多的科学家期待有路感的转向系统问世， 所以流量阀式液压 助力转向器出现了，在不同车速下，驾驶员手握方向盘，感觉到了路感的存在，助力特性曲线描述的就是“路感”，但是美中不足的是这种液压式转向器依然存 在很多缺陷，电机，液压泵，转向器，流量阀等等转向器在发动机旁的布置问题 又出现了，还有就是液压油的泄漏问题越来越的突出尖锐。电助力EPS(Electro nicPo wer st

10、eeri ngsystem )是在纯机械转向机构的前提下，设计加装了扭矩和车速等信号传感器、电子控制单元和转向助力装置等2。所以电助力式转向器弥补了上述的不足，而且节能环保，易于线性控制，所以现在很多研究 人员把目光转向了电助力式转向机，瞬时其成为了国际汽车工业转向系统新的研 究主题，且这种系统也正在慢慢实现整车量产状态。1.1.1 EPS在国内外的发展状况 国外EPS发展之路:谈到国际上EPS转向助力系统的发展，地处亚洲的日本和美国最具有代表性 和发言权。日本研究EPS系统最早的国家，其初衷是因为在微型车上布置液压式 助力系统比较困难，空间狭小，液压泵等装置无法布置，而电动式零件、体积小,

11、易于布置安装，所以在微型车上开发研究出了 EPS先进技术，并成功应用在了铃木CERV（汽车上，如今在我国比较常见的奥拓汽车应用的就是日本的这种转向系 统。另外，日本是一个十分注重资源节约的国家， 正是由于EPS相比于HPS具有 突出的节油优点，所以日本国家政策也是相当倾向于扶持其研发制作的。随着时间的检验，EPS技术在日本迅速发展起来。欧美等国出于节能环保的 目的，也相继开发和研究EPS系统，且目前此项技术已经相对成熟。 但是美国走 了不同于日本的EPS开发道路，研制基于无刷直流电动机的EPS系统，因为其控 制器的硬件和软件调剂比较复杂，所以经历了多年的努力才试制完成。对于电助 力的两种不同电

12、动机，我们会发现有刷电机的不足之处， 如转子转动噪声大，电 刷磨损严重，使用寿命短，以及具有严峻挑战的电子干扰等。国内EPS发展之路:中国由于历史原因，解放以前的旧中国还主要是以轻工业为主， 没有大型的 重工业基地，更别说汽车的研发制造了，解放初期，我国的汽车工业严重滞后, 基本上式从外国进口或者委托国外厂家制造。 第一代红旗轿车是引进德国汽车的 基础上吸收改进和更新，产出了第一代红旗 CA771,其转向器当然也只是普通的MS转向器，所以对于中国老说，汽车整车性能的更新换代是任重道远的。中国EPS东方汽车制造厂也是在八九十年代开始生产液压式转向系统的轿车。随着中国综 合国力和高新技术不断实现质

13、的飞越，现如今比亚迪的唐和宋部分使用了 转向助力稳定系统。但其适用性和日本、美国等发达国家还有一定的差距。 近年 来，国人对晴天白云，绿水蓝天的诉求越来越强烈，所以汽车工业节能环保的技 术成为国家重点推广的新主题，所以我相信EPS转向系统在中国自主研发制造的 轿车上会得到颠覆性的普及。1.1.2 EPS与其它汽车转向系统的对比常流量阀液压泵助力转向器由于只是提供单一的动力转向扭矩，是一种非线 性助力工作方式，汽车只要启动工作后，液压泵就持续不断的转动输送液压能。以现代人的眼光审视，其是非常不合理的；流量阀式液压泵虽然具有助力特性, 但助力效果不理想，且故障频发；电控液压助力转向装置助力效果显著

14、， 尽管依然没有摆脱掉液压式助力的一些弊端，可他毋庸置疑就是EPS转向系统产生的 雏形，电助力转向系统在其基础上应运而生。液压助力转向装置以油为工作介质， 因为工作介质易泄露，系统不易保压，若液压助力转向系统的油管进入空气或液压油不足， 液压泵工作时将会产生较高的噪 音，且影响助力效果；而EPS仅仅在电机工作时产生轻微噪音，且污染环境。但是电助力系统的燃油消耗量仅为通状态下液压式的20% y以下，且占用底盘空间少，模块化安装，易拆装和维修，不存在液体泄漏。EPS进行助力工作时，因为 不具有限位弹簧和油压阻力的干扰，所以转动方向盘时的摩擦阻力相比于液压式 要小一些，另外，EPS装置没有供油泵、流

15、量阀和各种管路，所以整体结构相对 小些和更加轻便一些，但更为突出的优点是其助力特性灵敏可靠， 可变助力在较 广泛的区域调节，“路感”十足，既增加了驾驶安全性，又在一定程度上使汽车 向更智能的方向迈进一部。1.1.3 EPS转向系统的特点(1) EPS节能环保，其以空心电机为原动件，通过电子控制单元控制电机，对 环境几乎零污染。(2)装配简单便捷，其集成度高，易于布置，没有油泵、油管路、流量阀、储 油罐的制约。(3)EPS高效率，液压式的一般为 60%-70% 但EPS可达到90%(4)具有良好的路感。(5)主动回程性好(因为不存在液压泵工作介质的阻力和回位弹簧的回程反力) 。1.2汽车转向系统

16、的设计思路汽车助力转向系统是在司机开始扭转转向时闭合离合器和空心电机输出助力,固然应用动力转扭矩由转向器和转向传动机构传递动能使两前转向轮转弯行驶。向装置的汽车必须要装备有动力器件， 依靠此来减轻驾驶员的手力。以下为我们 研究转向系统时应提出的设计思路(1)力求避免产生侧滑，且前转向轮转弯弧线过一定点。在设定的转向轮阻力范围以下,方向盘应具有回正特性。(6)轮胎动平衡在误差允许范围内,避免转向装置和悬架装置干涉,汽车要具有较高的行驶灵敏性,操纵轻便灵敏。方向盘不会“发抖”空间上进行合理的布置。小转弯机动性灵敏。(7) 前转向轮剧烈撞击时，冲击力传至方向盘的破坏力尽可能小 (逆效率低)。(8)

17、转向横拉杆端部与转向摇臂连接件球头应具有磨损补偿装置。(9) 车辆高速前行撞击使钣金严重变形时， 方向盘立即下移减轻驾驶员受伤程 度。(10)方向盘转动方向和两转向前轮摆动方向一致。1.3 EPS的研究意义现今国内的轿车，绝大部分还是液压式助力转向，无论是常流式还是流量阀式液压泵，但无疑的是电助力系统比其具有更突出的节能、环保和轻便，以及给 驾驶带来前所未有的“路感”。众所周知，如今能源危机愈演愈烈，我国是人口 大国，资源的匮乏始终是摆脱不掉的噩梦，所以新能源是新世界中国的发展主题, 电能比原油更加经济和节能，所以转向装置以电为动力源是合理和明智的。另外, 智能化是我们始终追求的目标，利用软件

18、编程来实现不同转速和车速工况下的助 力效果，更个性和智能。本课题对该EPS转向系统作了深入的调查研究，这不仅 可以激励和推动转向系统的研发和最终批量化生产，而且也可以鼓励和引导相关 的机械制造业、电子元件领域走向更宽广的舞台。在将来，相信电助力在汽车工业得到空前的应用和普及。本章小结后介绍了汽车转系统的定义，设计思路，EPS单片机驱动控制的特点及应用,EPS系统在国内外的展状况以及EPS的研究意义。ts|£2O4J會丞'LDPnr21 1)«sgpHT3L5LDPRrGB_tJkrENtH_&OLTP V11CX&.M&內F-绘誉梵SPRT丸

19、 ELMRI齿縱aSlDPRI首SSftS. £LD£MaUlUPFHS.mLUPRTELDcHtISLDPflT弹喝4出严匕iS.StDPftT嘶圉£ SLDHtrit片 ；2.SL0PArTa 杆-B!4-SLPPfl'-KfK SLDPflT(42 .泌 StPPRT科 Z.StDPRT址生S iJ iSlDPRT惊fc屋.SLORTJsiEia 4 SLOT呵Ei趣1*=332SE.±谢5崗»F.4!W£.SLDPRrSLWRTLSLWRT&lDPKTSlDPRT&LDASMSLDPRTft叩吋FW.w

20、fa卿：Lr>b嚐吐盖火"b«bEscai®(jibQ3.evb童亡SMOS.Btb=RBfeTf.R.Fhb7g>。"込$509*«zb1114510220口qql1145102202017/3/1 10:012017/3/L lOiOiMi<2017/3/L 1002Miic2015/3/2 14:5WP2017/3/L 10:00Mic2017/3/L 10:00Mic2017/3/1 10i03Mic 开题报吿-TgS 任务书如B尸期检莹上g曷 3-D printiing Ths industrial rev”*S 1

21、-1字业设计（诒玄律籃表S机就L2,前期工作材料封面dgS外立翻潘TtJC2 EPS控制装置的硬件分析汽车转向系统控制器的作用是采集车速和扭矩信息以及将其传递不同的命 令给电机和离合器，协调助力转向的特性，完成转向系统的助力作用。2.1汽车电助力转向系统的机理以及类别电助力转向系统拥有广阔的应用前景是毋庸置疑的,具有液压助力不可超越的优点，同时由于自身机械结构紧凑简单， 采用单片机驱动控制，其应当满足以F要求：故障诊断和LED灯报警功能；良好的抗震及抗干扰能力；当出现过载工 作时应有过载保护电路；逆效率尽可能的低，使前转向轮转至方向盘的反冲击力 小；方向盘的软件消抖功能等等4。2.1.1电助力

22、系统的机理电助力转向系统的单片机控制器元器件框图如下图2-1所示，包括控制单元P87C591单片机,车速和扭矩传感器，传递和终止动力的电磁离合器，滚珠丝杠 式减速机构，永磁式直流电机，齿轮齿条转向器等。图2-1电助力转向机构示意图其工作原理是：汽车司机转动方向盘进行转弯行驶时，车速、扭矩检测信 号的传感器测量各自的电信号，当扭矩电压不等于 2.5V时，采集车速信号，否 则指令循环检测电压信号；根据车速信号控制电子离合器的闭合和断开， 离合器闭合时电动机的动能才能转至齿条实现助力作用，在此设定车速小于45KM/h时, 电磁离合器处于工作状态，一旦车速超过这一设定值，即使电动机还在供能，但由于离合

23、器已经将主动轴和电机轴断开， 所以此时电机失去助力作用。根据预先 设定的程序，进行PW脉宽调制，计算占空比，驱动电动机实现正反转和输出力 矩的大小。下图2-2为单片式电磁离合器，包括通过联轴器和电动机轴连接的主动轮1,镶嵌在主动轮的电磁线圈2,利用摩擦力传动动能的压盘3,压盘和从动轴5 通过花键4传动，采用有刷直流式电动机 8,轴承采用滚珠球轴承6。电磁离合器工作原理：电磁离合器的功用是连接两传动件， 电动机主轴和离 合器的主动轮固定装配在一起，主动轮内装有放置线圈的支撑，线圈和其紧紧缠 绕在一起，主动轮和压盘同轴心布置。当接线柱触点通电时，电磁线圈通电，使 主动轮和压盘紧紧的贴合在一起，通过

24、花键连接的压盘和从动轴，使从动轴向下 一级传递动能来发挥转向助力效果。在不同车速情况下，电磁离合器的工作情况是不同的。比如在速度超过 45KM/h时，电磁离合器会自动脱开，停止传递动力。当转向系统自诊断系统判 断出故障时，离合器也会停止工作，防止破坏转向装置。1o1.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I图2-2电磁离合器工作原理图EPS转向机构的工作原理:只有在指定的速度范围内EPS才可以发挥助力作用，司机旋转方向盘时，位 于转向机齿条处的扭杆式检测器件，将产生错动的角位移信号转变成电子助力信号传输给控制器。同时将车速信号和扭矩信号经过处理后传送至控制器，控制器根

25、据系统嵌入的数据指令确定要输出的转动方向和扭矩大小，经过DA模数转换 输出模拟信号，通过电流控制电路控制直流电动机进行动作， 此时电磁离合器闭 合，传递动力，实现助力转向系统的功能。2.1.2电助力转向系统的类别装有电动助力的转向系统，在研发设计时可以由三种安装选择方式。如在 转向操纵机构的转向轴特定部位上安装，还可以设计在齿轮齿条转向器的齿轮旁边或者水平布置在转向器壳体上。 如下图2-3所示，分别代表了截然不同的设计 方案，各有各自的优点和缺陷。具体设计时应当根据具体车型和不同的性能要求 进行综合考虑和加以选择。(a)(1) 转向助力式：该转向机构的电动机布置在方向盘下方，减速机构米用 蜗轮

26、蜗杆式。该布置方案特点是具有良好的工作条件， 因为电机输出的转向助力 扭矩通过减速机构提高后传递给转向轴，因此电机整体会变的相对更加的紧凑； 直流电动机、减速机构集成在一起，占用车体空间小，基本不会干涉其他零部件 的布置和装配，且拆卸与维护工作等操作简便，给维修人员带来了很多便利条件;还有但是电机距离驾驶员和方向盘较近，所以电机的噪声和震动会干扰驾驶员,就是方向盘下方的空间可能会制约腿部的活动空间；转向轴也要承受电机传递的 转矩，在设计转向轴时应当充分考虑其危险截面的受力情况。、电磁离'(2) 齿轮助力式：这种转向机构比转向式助力电动机对驾驶员的干扰小些, 因为布置在下转向轴的下方部位

27、，直流电机、减速机构(涡轮蜗杆式) 合器和转向器主动齿轮配合在一起， 转子的噪声由底板相隔，很小的分贝传递到 车厢内，且不占用驾驶员空间；因其在底板下方，所以需要尽可能做到防尘、密 封;直流电机的力矩不经过上下转向轴，所以转向轴只传递来自方向盘的转向力矩，所以转向轴受力不会太大。更重要的是这种布置方案的逆效率低， 当轮胎受 到撞击时，阻力矩传至主动齿轮处时，转向助力系统会阻止其继续增加力矩消除 反冲力。虽然如此，但是噪音，震动对驾驶员还是有一定影响的。(3) 齿条助力式：这种结构相对来说复杂一些，电动机采用的是空心直流电 机，而且其与转向器壳体是一个整体， 减速机构是滚珠丝杠式，丝杠是齿条的一

28、部分结构，虽然这种装置不存在电磁离合器，但结构是非常缜密的，很多零部件 都不标准，需要单独设计制造，且工艺要求严格，增加了制造成本。但其喜人的特点是已经使转向系统的逆效率降低到了极点，大概30%左右。且转向器位于前 桥半轴正后方，与悬架，元宝梁下摆臂结构之间的间隙很大，不存在干涉；进 步降低了噪音，因为转向器壳体本身就具有隔离噪声的作用；距离方向盘更远, 加之助力的性能，方向盘的的防抖效果更佳显著。2.2电助力转向机构的主要元件2.2.1 电动机空心电动机由定子、转子和转角传感器组成（如图2-4），空心电机经过滚珠丝杠式减速增扭机构将动能直接传递到齿条上,发挥其助力特性。通过转角传感器检测出电

29、动机的转角防止扭矩攒动。ft齿条轴带磁体转子转角传感器 检测凸台线圈图2-4电动机结构图2.2.2减速机构减速机构顾名思义,目的是降速和放大电动机的扭矩。齿条助力式转向器利用的是滚珠丝杠式减速,丝杠与和主动齿轮啮合的齿条做成一个整体，所以齿条就相当于“转子”。2.2.3 P 87C591 单片机单片机就相当于控制器的中枢神经， 将车速和扭矩传感器测得的电压信号分析对比，比对助力特性函数关系输出相应的电流，经过整流电路和DA模数转换 命令电动机动作。单片机内部设置有看门狗定时器，可以高频率的监测系统运行 情况，并自诊断系统故障，同时打开故障灯，生成错误报告。224车速传感器车速传感器有磁感应式和

30、霍尔效应式两种，前者通过借助磁性线圈读取速度信号，后者利用安装在轮毂上的齿行盘传感器获得速度数据。2.2.2.扭矩传感器扭矩传感器如图所示由扭转杆，输入输出轴，分相器单元1、2组成。扭矩 值和扭转杆转角之间存在等价关系，输入轴和输出轴在传递扭矩过程中，由于产 生微小变形，分相器单元利用磁感幸运输出电压信号， 在控制算法函数输出扭矩转向主轴（输入轴）扭转杆*1分相器单元2 （定子部分）小齿轮轴 （鬍出轴）值。F丿"分相器单元1 （转子部分 一分相器单元2 （转子部分）图2-5扭距传感器本章小结本章主要介绍了电助力转向系统的机理以及类别，EPS单片机驱动控制器硬 件的简单介绍。3电助力转

31、向系统的设计转向装置的机械机构主要包括三部分：转向操作机构 齿轮齿条机构和转向 梯形机构组成。转向系统的设计计算是对各自机构的分层设计和互相的匹配校核 计算。3.1动力转向机构的性能要求(1) 路面阻力变化时，反映在方向盘上的扭矩必须同时增加或减少。(2) 驾驶员打完转向松开方向盘时，方向盘主动回正的回程系数满足设计要求。(3) 动力反映灵敏(4) 当助力失灵时，机械转向系统可以独立工作。3.2齿轮齿条转向器的设计计算齿轮齿条式转向器与其他形式的转向器相比，其突出的优点是质量轻，紧凑，正效率高达百分之九十，没有转向梯形机构，所以转向轮转角增大。但由于 采用斜齿轮齿条啮合传动，所以逆效率在百分之

32、六十左右，壳体采用铝镁合金压 住而成。根据动力传递方式的不同，齿轮齿条式转向器分为如下图3-1所示的四 种布置方式:1冲说入两威出弘胞曹竝人申直拚岀图3-1齿轮齿条式转向器的四种形式3.2.1转向系统设计计算为了保证汽车行驶安全，转向助力装置的零件通过受力分析进行计算校核,使其满足强度要求。转向阻力矩 MR（N- mm没有非常准确的计算公式，因为影 响阻力矩的因素众多且复杂（道路具体情况、四轮轮胎气压、轮胎品牌的差异以 及不同车型的传动机构的不同参数等等），下式为工程技术人员在多年的工作经验中总结出来的经验公式。f综合滑动摩擦因数二遡 347N mm3 V 0.23(3-1),取0.7 ；Gi

33、 转向轴负荷，已知为9800N;P轮胎压力（MPa ；代入Mr，计算作用在方向盘上的切向力Fh：Fh” 濟 34.7NL2 DSWi(3-2)L1 转向摇臂长（mm；Mr 原地转向阻力矩（N- mmL2 转向节臂长（mm；Dsw 为转向盘直径,取350mmi 转向器角传动比；转向器正效率。已知齿轮齿条式转向传动机构没有转向梯形机构，故L1、L2不需要代入数值。对绅宝D50,用以上公式计算出来的是最大值，所以可用此值作为计算载荷。梯形臂长度L2计算:轮辋直径 DSw= 16in=16 X 25.4=406.4mm梯形臂长度 L2 =DSwX 0.8/2= 406.4 X 0.8/2=162.6m

34、m(3-3)取 L2=160mm轮胎直径的计算RT:RtDsw 0.55 205=406.4+0.55 X 225=530.2mm(3-4)取 Rt =530mm转向横拉杆直径的确定:d 3 4MR0.16t 3.47 216 10 3m 3.578mm(3-5)a = L2； 216MPa;MR 347N m因此取dmin =15mm初步估算主动齿轮轴的直径:d6MnmaxJ16 122.5 Em 8.935mmV*3.14 140(3-6)=140MPa所以取dmin =18mm上述计算只是初步对所研究的转向系载荷的确定。322齿轮齿条转向器设计 （一）EPS转向系统齿轮齿条转向器的主要元

35、件（1）齿条内置在转向器壳体内，输入端与转向主动齿轮啮合，输出的两端分别 通过螺纹连接转向横拉杆。齿条既是空心电机的（转子），又取代转向梯形结构, 优化了系统结构。齿条在转向器壳体内，在导向环的支撑下左右移动，为了防止 齿条转动，在齿条的背面装有间隙 V型支撑架。表3-1齿条设计参数序号项目符号尺寸参数（mm）1长度L7282直径253齿数Z2284法向模数Mn23（2）齿轮轴是转向机的主动件，在壳体上由滚珠球轴承支撑。万向节连接，一端与齿条相互啮合，齿轮可以设计成斜齿轮的齿形，因为斜齿轮比直齿轮重合度高，所以传动平稳可靠，承载能力强，传动效率高，所以设计时采用螺旋角为 14°的 斜

36、齿。表3-2齿轮轴的尺寸设计参数序号项目符号尺寸参数（mm）长度142齿宽Bi425 =3 :谷4 =£ " ' 1 Kt1 II12齿数法向模数螺旋角14螺向左旋(3)转向横拉杆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简称拉杆，是汽车转向装置的重要零件，是将齿条的横向滑移运动转变为横拉杆的摇杆摆动。运动的轨迹直接影响前转向轮的使用年限， 方向盘操纵的稳定性，和驾驶的舒适度。独立式悬架式汽车一般转向梯形机构被转向横 拉杆代替，除了传递运动以外，还具有吸收反向冲击的作用，作用在

37、转向轮的路 面冲击力首先影响拉杆的运动，所以拉杆的强度的刚度一定要满足要求， 避免折 弯和断裂。如上图所示，锁紧螺母是紧固横拉杆和外球头壳体的作用，需要一定的预紧力锁死两者，防止转动和攒动。(4)齿条间隙调整机构，主动齿轮和转向齿条之间因为长时间的啮合传动，齿 形的磨损是不可避免的，所以在齿轮齿条转向器中必须装有自动消除间隙装置, 其原理是根据装在齿条齿形背面、接近主动小齿轮处的预紧力可调的弹簧实现主动补偿齿间间隙。(见图3-3 )。ISfI I 斗Pt图3-3齿条间隙调整装置齿条采用45号钢制造，其上切制的齿形和供减速机构的丝杠制成一体。齿条断面的齿行有圆形，V形和丫形三种。后两种形状齿形相

38、比与前一种，切下来 的废料少，齿条强度高。在齿条的背面有齿条导向运动装置， 因为齿条在运动过 程中，是不允许其相对轴线摆动的，另外当轮胎受到路面冲击时传至齿条处， 由 于导向装置的作用，不仅消除摆动，也是驾驶员免遭“打手” 。当前转向轮遇到 不平整路面发生震动、转弯或电机工作状态时，齿条两端作用有能使齿条转动的 扭矩时，应当使用V型和丫型式的齿条。导向装置的“ V''形装置处也附有聚 四氟乙烯做的垫片。（二）转向器传动比 在转向系统中角传动比的实质是车轮转动方向和方向盘转 动的比例。如转向轮左转动2度，方向盘向左转动10度，则角传动比为1/5，传动比也称为角速度比或速比。轿车转

39、向轮向左或向右大概转向35度，而方向盘一般是三圈的行程，及向左或向右转动540度，所以传动比大概为18。对于 家用轿车，角传动比推荐在1725度范围内选定；商用车，角传动比在 2332 度范围内选择。由于家用乘用车的转向轮阻力矩不是很大， 所以我们选定传动比 为18度。（三）EPS转向系统齿轮齿条转向器的装配：齿轮齿条转向器安装在前车身地板 旁边，机舱围板上安装有固定转向机的支架，在此位置的围板应该做加固处理, 转向器的壳体上有支架的卡槽，在壳体的两端布置。在装配是应注意转向机与下 三角臂平行布置，以及安装高度应按说明书准确布置。 在支座卡槽处，设计有橡 胶隔振套，目的是防止发动机本身的剧烈抖

40、动影响转向器的工作，且较少转向器 的工作噪声。齿轮齿条转向器因为结构紧凑，零部件数目比液压式，机械式的少 了很多，所以机械传动部分的磨损部分减少了。 齿条的两端车有螺纹，通过球铰 机构机构连接拉杆，使拉杆可以向任意转动。1转矩啊卜E2847$750Vo转向祸拉杆4»栓和塑、转由“门严声*博阿©«栓和*总成®W慈腔（讶®转向R图3-4转向器的安装位置（四）齿轮齿条转向器的设计要求在机械零件的设计和制造过程中，选用材料的性能不但要满足其工作条件, 具有良好的抗疲劳强度，而且材料要有较好的加工工艺，来达到提高生产率，缩 减成本和合理利用资源的能力。因

41、此小齿轮采用15CrNi6或16MnCr5材料，齿条 只进行横向运动，一般选用45号钢就满足使用的刚度和强度要求。壳体在底盘上 安装,重量对其德影响很大，所我们为了减轻重量壳体重量而采用压铸的铝镁合 金铸造而成。主动小齿轮选用斜齿圆柱齿轮。模数一般在2mm,2.5mm,3mr三个数值中选 择，由于齿轮承受的扭矩偏大，我们选用 3mm齿数多数在57个齿范围变化, 压力角取标准值20°,螺旋角取值范围浮动在9°15°之间。齿条齿数根据转 向轮达到最大偏转角时，对应的齿条移动行程S应达到的值来确定。齿条的齿行 应设计成变速比式，压力角在12°35°范

42、围内变化。（五）齿轮、齿条的设计计算 1.选择齿轮材料、热处理方式和计算齿轮齿条许用应力值 （1）选择材料及热处理方式（HRC洛氏硬度）齿轮16MnCr5渗碳淬火,齿面硬度48-55HRC齿条轮45钢表面淬火,齿面硬度48-55HRC（2）确定许用应力H lim ZNh sFminfFlim YNTYNSFmina）确定齿形 H limFlim 值H lim1 1500MPaH lim21300M PaFlim1 425MPa F lim 2375MPab）设应力循环次数为N,计算确定寿命系数Zn YnN160naLh 60118108 3002.59 107 N2(3-7)式中n 齿轮转速（

43、r/mi n）；a 齿轮旋转一种的啮合次数;Lh 齿轮的工作寿命（h）;Y NT 弯曲疲劳寿命系数;Zn1 1.32Yn11 Yn2C）计算许用应力取 SH min 1 , SF min1.4 （弯曲疲劳强度在1.251.5范围内选取）H1H lim1Z N1SHmin1980M Pa1(3-8)H 2】H lim2ZN2SHmin空心 1716M Pa1(3-9)应力修正系数YntF1F lim 1丫NT 丫 N1SFmin425 2 1607.14MPa1.4(3-10)F2Flim2YNTYN2 375 2 1535.7MPaSFmin1.4(3-11)2、确定齿轮的基本参数和主要尺寸(

44、1)选择齿轮类型为了增加齿轮传动的承受载荷的极限数值， 所以齿轮设计成斜齿圆柱齿轮,齿条与齿轮配合使用，因此选用齿轮齿条的斜齿啮合传动方案。(2)选择齿轮传动精度等级在机械设计(濮良贵版)书籍中标明了轻型汽车精度等级范围为58 级,在此我们选用7级精度。(3)初选参数值初选 Kt 1.420 Z18 Z2 20 d 0.8 Y 0.7 Y 0.89按当量齿数ZV Z/cos'6/cos3 207.23Yfs15.6(3)初步计算齿轮模数转矩 T1Ras f 0.25mn20050N m 50000N mm(3-12)齿根按弯曲疲劳强度设计计算(齿轮齿条为闭式硬齿面传动)mntl2KtT

45、1 cos2 YY YfsVVT(3-13)0.8 622 1.4 50000 cos2 140.7 0.895.6607.14=2.71 mm(5)确定载荷系数Kmnt Z1 口KA 1，由 Vt 60 10000.0116m/s,cosVZ1/1OO 0.000696, Kv1 ;对称布置，取K 1.06 ；取 K 1.3贝U K KA KV K K1 1 1.06 1.31.378修正法向模数mtmn mnt2.71 严了弘厶 2.297(3-14)圆整为标准模数，取mn 3mm3.齿轮传动主要参数和几何尺寸分度圆直径d1皿cos旦旦26.3mmcos14(3-15)齿顶圆直径d a1d

46、1d12ha25.2 2mn ( hanXn)=16+2X 3(1+0)=29.3 mm(3-16)齿根圆直径dfdf1 ch 2hf162 mn (hanCnX n) =16-2 X 3X 1.25=21.5 mm(3-17)齿宽bb dd10.82620.8mm(3-18)计算两者齿距，即Pb1Pb2o齿轮法面基圆齿距Pb1% cos齿条法面基圆齿距Pb2mn2 cos取齿条法向模数为mn2齿条齿顶高ha2ha2mn hanXn3 (10) 3mm(3-19)齿条齿根高hf2mn hanCn Xn3 (10.250)3.75mm(3-20)法面齿距Sn2Sn2/22Xn tan n mn

47、4.68mm(3-21)4.齿面接触疲劳强度的校核查表,得Ze查图,得Zh0.8,所以189.8MPaH22KT1 u 1HH189.8J MPa2.45ZJcos0.9692.45 0.8 0.969K 20 162因此齿面接触疲劳强度满足要求。3.3转向横拉杆的运动分析2.5=1677.6当方向盘从正中位置向一个方向转到行程末端时，前转向轮向单方向转向35°，所以转向转向行程大约70度10。当转向轮向右转动对应角度时，即梯形臂或转向节由OC绕圆心O转至OA时，齿条左端点 E移至EA的距离。OD OAcos35° =160X cos35° =138.564 mm

48、DC OC OD =160-138.564=21.436 mmAD OAsin 35° =80mmDC AEA CE BEB 340mm A C ADAAA Ea JaeA AA'2 = J340221.4362 =339.3 mmCEA A EA A C =339.3-80=259.32 mml1 CE CEa=340-259.32=80.7 mm同理转向轮向相等角度时，转向节由 OC绕圆心O运动到至OB时，齿条左 端点E移至Eb的位移为12DB DA=80mm DC BBBEb JbeBI2 EEb cb齿轮齿条啮合长度应大于l1BB 2BEbl2L 1iJ340221.

49、4362 =339.3 mmCE =80+3393340=79.3 mm12=80.7+79.3=160 mm圆整取L=170mm3.4转向器传动受力分析齿轮齿条传动，一是传动扭矩，而是转变运动方向，所以齿轮齿条的受力因 素对性能的影响很大。对于直齿圆柱齿轮的受力情况，因为他的齿行方向与齿轮 轴线平行，所有与轴线垂直的平面内情形完全相同，所以紧紧要考虑其端面就可 以替代整个齿轮11。因为齿轮存在一定宽度，其端面的线和点就可以替代整个齿 轮的面和线。该直齿轮上的基圆可以当成基圆圆柱，切于基圆的发生线可以当成 切于基圆圆柱的发生面。发生线和发生面做单纯的纯滚动运动时， 齿轮齿条的啮 合特点是同时进

50、行啮合传动和同时卸掉载荷。 若采用的是斜齿轮斜齿条，载荷是 逐渐进入啮合和逐渐退出啮合。所以采用斜齿轮的受力相对比较均匀，运动平稳, 传动效率高。对于斜齿轮传动的受力分析。若略去齿面间的摩擦因素，则节点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 。Ft2Ti/di=2X 50000/16=6250 N本章小结FrFaFt tan n / cos6250 tan20 /cos14 =2641.12 NFt tan2641 tan14 =1090.8 N本章是电助力转向系统的设计，以下为主要内容:介绍了电助力转向器的一种设计思路，且这种设计方法具有可行性，能够

51、设 计出符合助力要求的电助力转向系统，这种设计方法在转向系统上是比较合适的；根据已知条件，对电助力转向系统中的齿轮齿条转向器做了齿轮轴和齿条的设计计算。4转向传动机构优化设计转向器机发生干涉, 对称装配。i4.1传动机构的结构与装配很多齿轮齿条转向器都布置在半轴前后方，这种布局可以避免与机舱的布置发生冲突，又便于和下转向轴连接。安装时齿条轴中心线应与汽车纵向对称轴 垂直，而且当转向器在中立位置时，齿条两端球铰中心对称地处于汽车纵向对称 轴的两端。齿轮齿条转向器机构紧凑，质量轻，具有良好的制造工艺，所以不仅仅适合 于整体悬架，也适用于独立悬架，因此被广泛应用于轻型客货车， 袖珍和紧凑型 轿车。其

52、中，使用的齿轮齿条转向传动机构与整体转向梯形机构有很大的差异。在一般情况下，转向系统的结构主要用于如图4-1所示。通过万向接头连接 到转向齿轮轴的转向轴的端部，转向器壳被固定在底围板上。齿条的两端分别与 拉杆连接，并通过两个车轮的梯形臂周围连接到球头销。 因此，齿轮齿条转向器 的传动机构代替了传统的转向梯形机构。般都是布置在如图所示半轴的前后方平行的地方，及避免了与发动 有利于转向齿轮和转向操纵机构连接。 齿条轴安装时中心线应纵向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转向系结构简图对于绅宝D50,其轴距、主销后倾角以及左右主销轴线与地面交角间的距离K 均已为定值。对于选用的转向器，其齿条两端中心也为定值。在设计转向传动系 统时，要确定梯形底角丫，梯形臂长11和齿条轴线至梯形的底