某中型轿车电动助力转向系统设计

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摘要电动助力转向系统（EPS）是汽车电子化发展的成果之一。作为一种新型的动力转向系统，它首次出现在日本，越来越多的国家在汽车制造业中关注它。EPS是一种动力转向系统，它直接辅助电机扭矩。电动助力转向系统（EPS）由于便于控制，反应灵敏，助力可控等诸多优点是当下主流的转向助力系统。论文以全新第八代凯美瑞2.0e精英版轿车的转向系统为例，提出对动力转向传动机构的设计要求，通过利用机械原理和机械设计的理论和方法完成了EPS机械部分结构及（转向横拉杆直径、主动齿轮轴和传动齿轮）参数的设计，并且对转向齿轮和齿轮轴的力学性能进行了校核，使其达到了实际的设计使用要求。电动助力转向系统（EPS）由于便于控制，反应灵敏，助力可控等诸多优点是当下主流的转向助力系统。论文以全新第八代凯美瑞2.0e精英版轿车的转向系统为例，提出对动力转向传动机构的设计要求，通过利用机械原理和机械设计的理论和方法完成了EPS机械部分结构及（转向横拉杆直径、主动齿轮轴和传动齿轮）参数的设计，并且对转向齿轮和齿轮轴的力学性能进行了校核，使其达到了实际的设计使用要求。关键词：EPS，转向器，转向轴，校核

AbstractElectricpowersteering(EPS)isoneoftheachievementsofautomotiveelectronicdevelopment.Asanewtypeofpowersteeringsystem,itfirstappearedinJapan,andmoreandmorecountriesarepayingattentiontoitintheautomotiveindustry.TheEPSisapowersteeringsystemthatdirectlyassiststhemotortorqueandismainlycomposedofatorquesensor,aspeedsensor,amotorandaspeedreductionmechanism,andanelectroniccontrolunit(ECU).Theelectricpowersteeringsystem(EPS)isthecurrentmainstreamsteeringassistsystembecauseofitseasycontrol,responsiveness,andcontrollability.Takingthesteeringsystemoftheneweighth-generationCamry2.0eelitesedanasanexample,thepaperputsforwardthedesignrequirementsforthepowersteeringtransmissionmechanism.Throughthetheoryandmethodofmechanicalprincipleandmechanicaldesign,theEPSmechanicalpartstructureandthesteeringtierodarecompleted.Theparametersofthediameter,drivegearshaftandtransmissiongeararedesigned,andthemechanicalpropertiesofthesteeringgearandthegearshaftarecheckedtomeettheactualdesignrequirements.Theelectricpowersteeringsystem(EPS)isthecurrentmainstreamsteeringassistsystembecauseofitseasycontrol,responsiveness,andcontrollability.Takingthesteeringsystemoftheneweighth-generationCamry2.0eelitesedanasanexample,thepaperputsforwardthedesignrequirementsforthepowersteeringtransmissionmechanism.Throughthetheoryandmethodofmechanicalprincipleandmechanicaldesign,theEPSmechanicalpartstructureandthesteeringtierodarecompleted.Thedesignoftheparametersofthediameter,thedrivegearshaftandthetransmissiongear,andthemechanicalpropertiesofthesteeringgearandthegearshaftarecheckedtomeettheactualdesignrequirements.Keywords:EPS,steeringgear,steeringshaft,check

目录1.绪论 .绪论转向系统作为汽车最为重要的几大组成部分之一，对于汽车的操控性来说起着非常重要的作用。由于最初的转向系统没有转向助力装置，因此转向时驾驶人需要对转向盘施加很大的扭矩才能引导汽车的转向，这给操纵汽车的驾驶员带来了更大的体力消耗。但是经过许多年的发展，汽车的转向系统已经越来越完善，EPS电动助力转向系统就是当下最先进的转向系统之一。本文选题为基于某中型轿车的电动助力转向系统设计，论文的侧重点是系统机械部分结构和参数的设计，本文不涉及线路和ECU的控制策略等方面。例如本文第二章进行的EPS减速机构的设计，第四、第五和第六章转向小齿轮，转向横拉杆还有转向轴的参数设计和校核。由于本文转向系统的设计采用EPS电动助力的方式，因此对电机安装位置、EPS减速机构设计等方面都做了较为详细的设计，并且通过计算为系统匹配了电机，选定了助力电机的型号。除此之外，本文对转向系统传动机构和操纵机构的布置也提出了明确的方案，设计了转向横拉杆及其端部连接的方式选择了使用的连接的标准零件。最后根据参考的车型全新第八代凯美瑞2.0e精英版的整车参数，设计并且校核了传动小齿轮和主动齿轮轴。在进行本文的设计时，有部分内容参数是查阅了中国知网和广东工业大学图书馆中的专业文献才确定的，例如在电机的匹配这一小节中，为了计算电机的额定功率，需要知道转向时转向盘的转速，还需要知道驾驶员作用在转向盘上使EPS系统开始助力的最小力矩，这两个参数都是从检索到的相关文献中查得的。除了这两点之外，本文还有许多地方是通过检索大量文献来确定的。由于本文在设计的时候进行了大量的文献检索，提升了整个设计的合理性和设计水平。1.1转向系统综述转向系统是任意车辆都不能少的系统，甚至最早期的马车也不例外。在最早期的马车上，前后轮对通常安装在简单的横梁上。前轴绕其中心的垂直轴线枢转，并连接到马被利用的轴上。因此，通过拉动缰绳鼓励马在所需方向上转动，从而实现转向。在非常早期的机动车辆上，最初使用相同的枢转轴，通常具有用于手动转向的某种形式的舵柄。然而，这被发现产生了危险的不稳定布置，因为其轴中的马提供了稳定的力矩。在尝试了许多技术解决方案后，设计者很快就采用了现代车辆上使用的阿克曼联动装置。这个装置允许两个前轮围绕它们自己的单独轴线枢转，并且使得内轮比外部转动更多，使得两个轮子具有共同的转动中心。该机构的几何布置包括一定程度的脚轮，这使得车轮倾向于自然地返回到中心或直线前进位置，从而使系统定向稳定。舵柄很快就让位于方向盘，并且使用各种机构将转向连杆连接到方向盘。几十年来整体机制几乎没有变化，直到引入动力转向系统才取得重大进展。线控式SBW液压助力式HPS机械式MS线控式SBW液压助力式HPS机械式MS电动助力式电动助力式EPS主动电业液压助力主动电业液压助力式APS电液助力式EHPS图1-1汽车转向系统发展示意图传统的转向系统没有助力装置，全部由机械元件组成，驾驶员发出的扭矩经传动机构传递到转向器时，会消耗掉一部分能量，由剩下的能量驱动转向器，进而操纵汽车的转向。由于整个系统中没有液压或者电器元件，所以传统机械助力转向系统构成比较单一，可靠性比较高。同时系统的缺点也非常明显，由于转向的能量来源于人力，转向过程上非常费力，这意味着汽车的重量就不能设计的太大，限制了汽车的设计。图1-2机械式转向系统液压助力转向系统是紧随其后设计出来的新的系统，又有两种不同的方案。两者的主要区别是内部压力状态的不同。其具体结构如图：图1-3液压助力式转向系统液压助力转向系统的工作原理大概是利用压力差作为动力，来给转向系统助力。液压助力转向系统与前者相比，降低了驾驶员在转弯时的操纵难度，基本解决了当时汽车转向困难的问题。但是其缺点也比较多。第一：由于只要发动机工作，液压系统就会工作，且液压系统的能量来自于发动机，这样就产生了更多的功耗，降低了能量利用效率。第二：由于助力大小取决于液压差大小，因此助力大小不可调，就导致会出现提供的助力和需要的助力大小不匹配的情况，使汽车的操纵稳定性下降。第三：液压系统本身存在着漏油以及噪声过大的情况，降低了驾驶员的乘坐舒适性，同时漏油也会造成环境的污染的问题。电液助力转向系统是应用较为广泛的系统，其在发动机效率，空间效率和环境兼容性方面具有许多优于传统液压动力转向系统的优点。它的基本组成如下图所示：图1-4电液助力转向系统该系统的不同之处在于，除了保留原有的一些结构，还增加了许多传感器和电控元件，并且更换了动力源，增设了一个专门驱动液压泵的电动机。可以看出，相较液压助力转向系统，电液助力转向系统利用电机提供能量降低了发动机的功耗，而且其依赖于传感器，控制器等电控装置，可以根据不同情况输出不同大小的助力，提高了驾驶过程的操纵稳定性。不过该系统仍然有许多缺点，例如漏油，维修比较困难。在原有装置上增加了电控装置，系统更加复杂，成本也相应更高。电动助力转向系统是当下最先进的转向助力系统之一。由于其研究时间长，因此也更加成熟。和原来的转向助力系统相比，它不但消耗更低，安全性、稳定性也最高。而近年来随着科学技术的发展，电子元件的价格也在逐渐降低，从而电动助力转向系统的成本也在逐步降低，因此该技术应用空间还很广泛。其工作原理如下：当汽车转向时，转矩传感器把相对角位移转换为电信号传递给ECU，ECU根据接收到的电信号传递来的信息来决定电机的工作状态，从而精准而且同步控制电机的旋向和助力的大小。它可以轻松做到在不同转向情况时提供不同的助力效果，保证汽车在转向行驶时能够比较灵敏而且不会脱离控制。汽车线控转向系统由三个主要系统以及其余辅助系统组成，其结构和原理图如下：图1-5线控转向系统工作原理SBW系统由两个由电子控制单元（ECU）控制的电机组成。一个电机位于方向盘中，提高了驾驶员的转向感，另一个电机处于转向连杆中，提高了车辆的机动性和稳定性。此外，主动前轮转向（AFS）系统可以添加到SBW系统。AFS减少了实际和估计的车辆横摆率之间的差异。来自方向盘的最新信息使驾驶员能够通过轮胎力识别道路状况，轮胎力应反馈给方向盘。此外，可以通过自动调整扭矩一起使用与车辆和电动机相关的若干控制算法，该自动调整扭矩被反馈到方向盘。这样做的优点有：第一提高了汽车的安全性，由于机械元件的减少从而降低了汽车发生碰撞时驾驶员受到伤害的可能。第二增强了可操纵性，ECU可控制方向盘力矩电机给方向盘施加一个反作用的力，这个反作用的力能提高驾驶员感知路面状态的能力，从而提高汽车的操纵性。第三提升了驾驶体验感，由于该系统没有很多的刚度的连接，路面凹凸导致的震动等不会影响到方向盘。1.2论文研究内容及意义本文在第八代凯美瑞2.0e精英版整车参数的基础上，设计了一套电动助力转向系统。主要设计内容包括转向传动机构以及电动转向助力系统的布置形式、电动助力系统电机的匹配以及转向器、转向横拉杆、转向轴的参数设计校核等。本文的设计思路如第7页流程图所示。本文在第一章简单介绍了论文的框架和设计思路，详细叙述了转向系统的发展沿革，并详细介绍了发展史中应用较为广泛的几种转向系统的结构和工作原理。对这几种常见的转向系统做了较为全面的评价，对它们的优点和缺点都做了基本的论述。第二章开始进行本文的设计工作。首先面临的是转向器的选择，转向器有三种常用的类型，最终选定质量更轻、转向更矫捷的齿轮齿条式转向器。并且确定了转向器的输出形式。接着是转向操纵机构的设计，对于这部分内容，本文主要提出了关于安全性方面的设计要求，例如转向盘和转向轴的形式、使用的材料及相关安全装置的布置方式等。然后是转向传动机构的设计。传动机构的布置方式有四种，本文选择了可以使得传动机构的布置更为紧凑，横拉杆摆角更小，更不易产生运动干涉的一种方案。最后是电动助力转向系统的设计，这部分主要进行了电器布置的设计和减速机构的设计，最终选择的助力方式为转向轴直接助力。接下来又设计了EPS中连接电动机和转向轴的减速机构。决定采用常用的蜗轮蜗杆结构，作出了减速机构的结构简图并且确定了减速机构的传动比，对整个机构的传力方式做出了具体的描述。在第三章进行了主要参数的设计计算。在设计之前在官方网站查到了参考车型的具体参数，如轴距、整车质量等，接着根据这些基本参数，计算得出转向系统的其它基本参数，包括整车参数以及转向盘的直径、转向系的传动比等。确定了所有基本的参数之后，为了后期进行齿轮轴的校核，需要根据数据为电动助力转向系统匹配电机，因此通过计算确定了电机所需的额定功率及转矩等，从而根据电机额定参数选择了电机型号，最终采用90zw02型的永磁直流无刷电机。本文的后半部分，主要进行的是参数的设计和接触强度的校核。首先在第四章中，设计了齿轮齿条式转向器的转向小齿轮，设计过程完全依据机械设计的步骤来进行，设计完成后又对转向小齿轮进行了强度校核，结果显示满足使用要求。第五章对转向横拉杆进行了参数设计，确定了转向横拉杆的直径。除此之外，对横拉杆接头的连接件也做了相关设计，选择内外球头作为端部的连接件，这样设计的好处有摩擦比较小，能量损失比较少。第六章进行了齿轮轴的设计和校核，先根据安装和功能的需要，对齿轮轴各轴段的参数进行了初步设计，然后代入电机参数对齿轮轴的危险截面进行了强度校核，结果显示齿轮轴满足使用的要求。以上就是本文的设计内容。本文的设计建立在其他人的经验之上，许多同类的设计论文为本文设计思路提供了很多灵感，相关的设计标准书籍为本文提供了标准的参照。本文按照系统的设计方法逐步进行设计，最终设计成果达到了预期标准，为转向系统的设计积累了设计经验，具有一定的借鉴意义。结论齿轮轴的结构参数设计及校核传动机构的参数设计（转向横拉杆齿轮齿条转向器的设计校核转向系统结构设计（转向器、传动机构结论齿轮轴的结构参数设计及校核传动机构的参数设计（转向横拉杆齿轮齿条转向器的设计校核转向系统结构设计（转向器、传动机构、EPS）转向系统参数的确定（传动比、转向系效率）及电机的匹配论文框架、转向系统简介及发展历史2.动力转向系统结构设计在设计动力转向系统时，为了后期的参数设计，需要先确定它的结构、助力方式、传动方案的布置等。因此本章先进行结构方面的设计，包括EPS减速机构的设计等。2.1转向器转向器是转向系统中的重要组成部分。转向器能够分为很多种类，目前应用比较普遍的有以下三种。下面是这三种转向器的介绍：（1）循环球式循环球式转向器是一个非常经典的结构。是被普遍用于国内外汽车的结构形式。结构上循环球转向系统通常具有双速传动对。其工作原理为利用小钢球在螺母和螺栓在旋转过程中的相对运动，将螺母和螺杆之间的摩擦方式转换为滚动，这样就大大减少了运动过程中的阻力。但是对于中型轿车来说，前轴载荷质量并不大，阻力的减少就并没有特别大的效果，而且由于其逆效率也高，路面冲击力带来的震动更容易传递到转向轴，这样就降低了驾驶员的舒适感。（2）蜗杆曲柄销式蜗杆曲轴转向器的优点有效率高，操作轻。分段转向轴的使用有利于车辆的整体布局和维护并改善车辆安全性。这也有助于大规模生产转向器。循环球式转向器有以下特点：传动效率高（高达90％至95％），自动回程效果好，操作轻便，磨损小，寿命长。然而，由于反向传动效率低并且来自路面的冲击容易地传递回方向盘，因此产生“手动”感，并且方向盘可能摇晃或颤动。这种转向器常用在具有高转向功率的卡车上。（3）齿轮齿条式它是最普遍的转向器，也是本文采用的转向器形式。它的优势是结构不复杂，体积不大，成本不高，转向又矫捷。轻型汽车普遍采用这种转向器。齿轮齿条式转向器的输出形式根据不同的使用需求和布置需求，可以分为如图2-1所示四种形式：：表2-1四种形式符号输入位置输出位置a中间两端b侧面两端c侧面中间d侧面单端图2-1齿轮齿条式转向器布置方式本文采用c方式的形式。这种形式的优点有：与齿条相连的左右拉杆更长，从齿条两头增长到齿条中间，这样车轮在承受路面冲击而振动的时候，转向横拉杆摆动的角度小，可以有效减少车轮振动时转向系和其他位置的运动干涉，所需的空间就更少。另外齿轮和齿条都采用斜齿的，齿轮和齿条轴线间的角度可以根据需要来调整，满足更加丰富的设计要求。2.2转向操纵机构转向操纵机构的组成如图2-2所示。由于其离驾驶员位置很近，为了降低发生车祸时驾驶员受到的冲击，转向柱等可以做成具有吸收冲击力作用的结构。图2-2转向操纵机构的组成（图中：1-转向器；2-万向节；3-传动轴；4-方向盘；）2.2.1转向盘转向盘由轮缘、轮辐和轮毂组成。轮辐的辐条根数有几种不同的选择。转向盘的设计不仅要考虑驾驶员的手感，还要考虑碰撞时的安全性。现在的转向盘大多采用两层结构，里边的骨架材料采用金属，外边用相对柔软的橡胶或者皮革。这样在发生碰撞时骨架可以吸收碰撞能量，而外层的皮革又能在驾驶时防止打滑。另外，出于安全性的考虑，很多汽车把安全气囊装在转向盘中，大大提高了碰撞安全性，降低了事故伤亡率，为驾驶人的安全增加了一层新的保障。其结构如图2-3所示。图2-3转向盘（图中1-轮圈；2-轮辐；3-轮毂）2.1.2转向轴转向轴具有着传递转矩的作用。转向柱管包裹着转向轴。转向柱管一边安装在车身上，一边连接转向盘，起到支撑作用。出于碰撞安全的考虑，转向柱管需要有吸能的作用，因此可以在转向柱管上增加支架和其他装置，当发生碰撞时，通过支架和其他装置的形变，吸收碰撞的能量。当汽车发生正面碰撞情况时，由于车身的变形会导致转向轴和转向盘向后方运动，而人体在惯性力的作用下又要往前冲，在这种情况下司机的胸部和头部会碰撞到转向盘上而受伤。现代汽车除在转向盘处安装安全气囊外，还在转向操纵系统如转向盘、转向轴和转向管柱上采取防伤的被动安全措施。国外有关法则还规定：汽车以48.3km/h速度同障碍物正面相撞时，转向轴和转向管柱上部相对于车身未变形部分的位置的最大位移量不得超过127mm；或者试验用人体模型与转向盘的作用力，在两者的运动速度为6.7m/s时，不应越过11.35kN。吸收能量的方法可使有关转向零件在撞击时产生弹性变形、塑性变形或摩擦来实现。2.3转向传动机构转向传动机构的作用是利用转向器传递来的扭矩驱动车轮转动，另外还要保证在转向过程中车轮的滑动很小。其组成结构有转向节臂，转向横拉杆、万向节等。另外为了配合独立式悬架，转向桥及转向系的梯形都需要做成断开式的，因此本文设计采用断开式梯形结构。根据底盘悬架的安装情况不同，齿轮齿条式转向器在汽车上的放置形式有以下几种（图5-2）：表2-2放置形式符号转向器位置梯形位置a前轴后方后置梯形b前轴后方前置梯形c前轴前方后置梯形d前轴前方前置梯形图2-4转向器的四种布置形式本文采用的是b的形式，如图所示：梯形机构放置在前面。这样做的优点有布置更加紧凑，占用空间更少，不容易发生运动交叉。图2-5选定的转向传动机构2.4电动转向助力系统电动转向助力系统由四部分组成，分别为提供动力的电动机，收集信息的传感器、接受信息并发出指令的ECU和传递动力的离合器及减速机构。EPS系统具有以下两个功能。首先，它可以减少转向扭矩并呈现各种转向感。转向扭矩（或驾驶员扭矩）定义为在转动方向盘时驾驶员经历（或驾驶员应用于转向柱）的扭矩。当来自EPS系统的适当辅助扭矩以与驾驶员的转向方向相同的方向施加时，驾驶员转向所需的转向扭矩量可以显着减轻。另外，调节辅助扭矩的特性允许驾驶员体验各种转向感觉。其次，EPS系统可以在转向时提高方向盘的返回中心性能。当方向盘转弯然后在转弯期间释放时，它通过道路上施加在轮胎上的所谓的自对准扭矩返回到中心位置。由于该扭矩随着车辆速度而增加，因此在高车速下，方向盘可能表现出过度的过冲和随后的振荡。EPS系统可以通过提供主动阻尼能力来消除这种现象，从而增强可回收性特征。其基本原理为：当汽车转向时，ECU依据接收到的电信号以来决定电机的工作状态，从而精准而且实时控制电机的旋转方向和助力的大小。它可以轻松做到在不同转向情况时提供不同的助力效果，保证汽车在转向行驶时能够比较灵敏而且不会脱离控制。本节主要进行减速机构的设计和电机安装位置的确定。图2-6转向轴助力式转向系统2.4.1助力方式的确定直接助力式电动转向系统可以分为以下3种。如图2-7所示：从左至右分别为转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式。图2-7直接助力式电动转向系统的类型=1\*GB3①转向轴助力式：它的系统特点是直接驱动转向轴实施助力。它的ECU一般装在驾驶人的座位下，电机距离驾驶人比较近，产生的震动噪声通过转向操纵机构和仪表盘向外辐射，对驾驶人的舒适性有严重的影响。但是这种方案可以占用的空间最小，因此本文采用这种方案。=2\*GB3②齿轮助力式：动力直接传递给齿轮轴，所以这种布置方案能够提供最大的转向助力作用。=3\*GB3③齿条助力式：动力直接输出在齿条上，这种布置方案传递力的性能好，传递过程中损失的能量比较小。由于本文设计是基于中型轿车，而该中型轿车前轴的负荷并不大，因此不采用这种助力方案。2.4.2减速机构的设计减速机构的作用除了帮助整个系统减速，还有增加扭矩的作用。常用的减速机构有两种，分别为差动轮系减速机构和蜗轮蜗杆减速机构。前者的灵敏度更高，工作时更加平稳，反应时间更短，但是结构复杂，利用程度低。后者灵敏度较差，但是能够提高更高的减速比（通常能达到1：13~1：20），而且其结构不复杂，占用空间更小，寿命更长，噪声更小，因此本文选择其作为电动助力转向系统的减速机构。蜗轮蜗杆机构简图如图所示：选取传动比ig图2-8减速机构简图设计的传动机构如图所示：图2-9减速机构结构简图（图中：1-电动机；2-联轴器；3-蜗轮蜗杆机构；4-联轴器；5-小齿轮轴）具体传力方式为：电机轴与蜗杆通过联轴器相连，当电机启动，蜗杆带动涡轮旋转，而涡轮固定在转向轴上，转向轴与小齿轮轴通过联轴器连接，从而带动齿轮轴，为转向提供动力。2.5本章小结本章确定了设计使用齿轮齿条式转向器并从其四种输出方式中选择了最为合适的一种。确定了转向轴助力的助力形式并且确定了减速机构的传动比为16，为接下来的设计提供了结构模型以及基本数据。

3.转向系统主要参数的设计3.1转向系统设计基础参数本设计参考第八代凯美瑞2.0E精英版参数进行设计，根据在官方网站查到的参数，确定本设计的基础参数如下表：表3-1转向系统设计基础参数表参数名称数值轴距(mm)2825整车整备质量(kg)1530承载质量(kg)380前后配重50%最高车速(km/h)2023.1.1转向盘的直径转向盘直径根据GB-4505-1986的要求：取Dsw=3.1.2转向盘回转总圈数转向盘转动的总圈数对汽车的操控性有着巨大的影响。按照汽车设计指导书的要求，对于轻型轿车，总圈数不能大于3.6。取3.5圈。3.1.3转向系的效率转向系的效率η0由转向器的效率η和传动机构的效率ηη0转向器的正效率：η+逆效率：η−其中：表3-2公式中各符号的意义符号名称P作用在转向盘上的功率P转向器中的摩擦功率P作用在转向摇臂轴上的功率对于齿轮齿条式，为了简化计算，只计算齿轮齿条的摩擦损失，忽略其他因素导致的消耗，因此用下式来计算：η+η−其中：α0为蜗杆的导程角，α0ρ为摩擦角f为摩擦系数，查得f=0.3~0.5因此：ρ=η3.1.4转向系的传动比（1）iwiw是转向器的角传动比，对于轿车来说，i取iw（2）Fℎ出于操纵性的考虑，转向时驾驶人转动方向盘不能过于吃力，对轿车而言这个力的大小在150~200N范围内。作用在方向盘上的手力Fℎ=2其中：符号名称M转向阻力矩L转向摇臂长L转向节臂长转向传动机构角传动比iw'=取iwMRMRG1其中：f是摩擦系数，取f=0.7；m载m载P为轮胎气压，取c为汽车的前转向轴轴荷系数，前轴轴荷系数c=50%。代入数据计算得：GMF（3）小齿轮最大转矩当汽车停止运动时，小齿轮转矩最大:T1（4）转向系的角传动比转向系的角传动比为iw'和iw03.2助力电机的设计3.2.1电机选型EPS系统的动力来源于电动机，因此电动机提供动力的大小将影响整个系统的工作情况。电机按照电源的类型可以分为直流和交流两种。按照结构又可以分为：直流，同步和异步电机。由于EPS系统所需要的能量并不是很大，而且布置空间有限，因此电机类型选择简易便携的永磁无刷直流电动机。除此之外，直流电动机可以根据汽车运行速度设置不同的转速，可以更加准确的提供转向时的助力。3.2.2电机额定参数的设计（1）额定转矩EPS系统正常工作需要足够的动力，电机额定输出转矩需要满足下式：TTLig假设驾驶员手力矩Td大于3NmT式中η为减速机构的效率；由于采用蜗轮蜗杆减速机构，效率η=90%，代入数据得：T因此选择电动机转矩要大于1.85Nm。（2）额定功率从国内外相关研究文献中查得，轿车选择电机功率对应的方向盘转速为：n因此电机额定功率为P代入数据：P因此所选电动机的额定功率要大于258w。（3）额定电压永磁无刷直流电动机可以分为大型、中型和小型。相应的电压大小也不同，分别为320V，72V和48V，由于本文设计车辆类型为轿车，因此选择电压为48V的电机。3.2.3电机型号的选取根据设计要求，最终选定额定电压4.8V、额定功率400w的90zw02型电机，其具体参数如下：表3-2选定的电机参数电机型号额定功率额定电压额定转矩额定转速90zw02400w48V22000（rpm）3.3本章小结本章进行了动力转向系统主要参数的计算。其中有转向系传动比以及小齿轮最大转矩等。并且依据整车参数，确定了电机的型号。具体结果如下表：表3-3设计参数参数名称数值转向盘的直径380mm转向盘的回转总圈数3.5圈转向系的效率η83.45%转向系的角传动比i18方向盘上的手力F156小齿轮的最大转矩T29.6选定的电机型号90zw02

4.齿轮齿条式转向器的设计校核4.1齿轮齿条初始参数选取按照相关标准取法向模数mn取齿数Z1由于齿数Z1变位系数xmin=ℎa∗取螺旋角β=12°。取压力角αn转向盘从中间到单一方向能转过的最大角度φ=×1.75×360°=315°。齿条齿数待定。法向齿顶高系数ℎan法向顶隙系数cn齿轮精度8级。4.2齿轮齿条设计及校核转向器内齿轮根据其工作情况，主要会出现轮齿折断的破坏情况，所以按按接触疲劳强度校核。（1）选取材料齿轮采用硬齿面设计，主动小齿轮取60HRC，淬火处理；齿条采用45钢，表面硬度取58HRC。（2）齿轮最大转矩T（3）初取载荷系数K根据齿轮齿面材质及载荷情况，在K'=1.6～1.8（4）选取齿宽系数ϕd及取ϕ由ϕa当Z→∞，→∞则≈0。（5）初取重合度系数Yε'初取螺旋角β=12°，εa由式Yε得Yε'初取Yε'（6）初取齿数，,齿形系数及应力修正系数取=8，待定。由Zv得当量齿数计算变位系数得xYFa1=2.45YSa1=1.65（7）确定[]得σσ（由于双向运转，数值需要×0.7）由σF1齿轮失效概率≤1/100，按照可靠度设计，取SFminYST为应力修正系数，取齿轮工作寿命为5年（300天/年），单班（8h）；应力循环次数=60nγ；γ为每转一圈，同一齿面啮合次数；n为转速；Lℎ为齿轮工作寿命则γ=1；n取大致为1.75/2r/s=0.875r/s。则N=60×52.5×1×12000≈3.87×取Y得σσ（8）按齿根弯曲疲劳应力YY（9）计算m由式：m（4-5）代入YFa1YSa1即YFa2得m取mn（10）齿轮尺寸确定分度圆直径d：d=齿宽b：b=取b2=20mm,使用系数KA，取（11）计算载荷系数K=1\*GB3①动载系数KV齿轮旋转的线速度：v=π查得K=2\*GB3②齿向载荷分布系数Kβ端面重合度εα纵向重合度ε由ε=根据齿轮材料及精度查得Kα=1.42所以K=K＞,所以mn数值需要再确定(12)验算齿根疲劳强度仍取m可以满足齿根疲劳强度，因此m（13）检验查取ZZZS其中：表4-1公式中参数的意义符号名称数值Z弹性系数189.8Z节点区域系数2.4Z接触疲劳寿命系数0.98S安全系数1由Zε得Z螺旋角系数计算[]σH代入以上数据σHlim1=σH1=（14）检验齿面σσ计算结果：σσH的最小值和σH相比，（15）齿条参数的设计转向盘回转总圈数一半为1.75圈，因此齿条行程：l'd1齿条齿数Z2l'p将上式代入4-10得：Z因此：Z取齿条齿数：Z2齿条长：l≥取齿条长：l=230mm4.3本章小结本章用机械设计的方法确定了齿轮齿条式转向器的具体参数，先选定了小齿轮的材料，然后选取了传动小齿轮的齿数。通过设计计算得出小齿轮的模数、齿宽。随后确定了齿条的齿数、齿条最小长度等参数。设计之后，校核了传动小齿轮的强度，结果表明满足设计要求。具体设计的参数如下表所示：表4-1齿轮齿条设计参数序号名称符号齿轮齿条1齿数z8282分度圆直径（mm）d20.45-3变位系数χ0.529-4模数m2.5-5压力角α20°20°6螺旋角β12°12°7齿宽b3020

5.转向传动机构参数设计5.1梯形臂长和梯形底角汽车转弯时，转向传动机构如果完全对称布置，就会导致两转向轮不能围绕同一圆心转向，势必会产生相对滑移，不利于汽车转向时的操控。为了使汽车转向时避免出现上述情况，转向时转向轮的情况应如图5-1所示，两转向轮以o点为中心点做圆周运动，对两轮的转角有：cot其中：α为外转向轮转角；β为内转向轮转角；K是两主销延长线至地面交点间的距离（根据汽车整体布置方案确定）；图5-1理想的转向特性曲线图在进行转向梯形机构的设计时，梯形底角θ和梯形臂长m没有具体的设计标准，需要配合整车悬架和底盘的布置，因此可以初步根据经验选定梯形臂长m和梯形底角θ。横拉杆轴向力F式中FQ是纵拉杆对转向节上臂的施加的力，Fl是纵拉杆作用力力臂；l从公式中我们可以看出来，梯形臂长度越长，横拉杆轴向力越小，因此在设计时可以适当选取较长的梯形臂长度。但是梯形臂太长会导致传动机构的布置困难，因此梯形臂长度要适中。梯形底角受较多因素影响，很难设计的比较完美。其大小一般为70%−80%。5.2转向梯形机构校核在设计转向梯形结构的初始参数后，还有对设计的初始数据进行优化。针对转向梯形机构的校核方法有很多种，最为基础的是图解法，通过人工作图的方法来校核梯形结构。图解法的步骤非常繁琐，需要通过大量的作图来得到数据，因此难免产生较大的误差。相比图解法，利用计算机来进行优化不但方便快捷，而且准确性更高，梯形结构优化更加合理。利用计算机进行梯形结构的优化这一操作可以通过MATLAB软件来实现。其基本原理是这样的：根据汽车的转向特性，将车辆转弯时的基本参数，例如内外轮的转向角，轴距等作为变量输入，将他们之间的运动关系变成约束，然后就会生成目标函数的M文件。接着运行程序并分析图像就可以得出最优解，从而设计出最为合适的梯形臂长和梯形底角。其目标函数的程序详见附录A。5.3转向横拉杆及其端部的设计拉杆和转向节臂在内球接头和外球接头处连接。内外球头主要由球销和球珠组成。球碗由聚氨酯或聚缩醛制成，材料的自润滑性保证了低摩擦系数和良好的耐磨性。碗的工作表面刻有许多用于储存油脂的储油罐。在组装过程中，球销通过球的弹性被推入球中，然后将球销和球放入接头的孔中。最后，缠绕接头并铆接它。组装后，锥形弹簧具有一定的预夹紧力，可以随时补偿摩擦引起的间隙。横拉杆与齿条之间通过螺钉连接，利用紧固螺钉将横拉杆横向固定在齿条的中间位置。图5-2横拉杆端部以下是转向横拉杆及其端部连接件的设计参数表：表5-1横拉杆包及其端部的设计序号名称符号参数1横拉杆直径（mm）∅152螺纹长度(mm)L603外接头总长(mm)L1204球头销总长(mm)L625球头销螺纹公称直径(mm)dM10×16外接头螺纹公称直径(mm)dM12×1.57内接头总长(mm)L65.38内接头螺纹公称直径(mm)dM16×1.59转向梯形臂(mm)m2005.4本章小结本章主要进行了转向横拉杆及其端部的设计，包括横拉杆的直径，横拉杆接头球头销的参数。另外提出了对于转向梯形机构设计的基本要求。提出了一种相对传统方法更加方便快捷的转向梯形机构设计和优化的方法。

6.齿轮轴的设计及校核6.1齿轮轴的参数设计轴上主要尺寸的设计：第一段：由于齿轮轴需要通过联轴器做到与减速机构的连接，因此在第一段轴上应开有键槽，初步选取第一段轴的长度为L1=55第二段：联轴器需要轴肩定位，因此选取第二轴段的直径为20.5mm，长度为L2第三段：传动小齿轮安装在这段轴上，切齿轮齿宽b=30mm，因此第三段轴长度应略大于齿宽，取长度为L第四段：第四段轴的长度需要考虑整体空间的布置，另外还需要预留给轴承端盖密封的空隙，初步取轴长L设计的小齿轮轴结构及尺寸如下图：联轴器用对开式平键联轴器。为保证具有足够的扭转强度，材料选用40Cr图6-1齿轮轴结构及参数6.2齿轮轴的校核齿轮轴的强度校核计算，要根据轴的受载和受力情况来选择不同的计算公式。对于转向系统的转向轴来说，主要起到传递扭矩的作用，因此按照扭转强度条件校核，其具体校核过程如下：轴的扭转强度条件为：τ其中：表6-1式中参数的意义符号名称单位τ扭转切应力MPaT轴所受到的扭矩N∙mmW轴的抗扭截面系数mmP轴传递的功率Kwn轴的转速r/mind截面处的直径mmτ许用切应力MPa变形得：d≥A其中A计算转向轴上的功率和转速：由电机参数可知，电机额定功率P=400W，电机转速2000r/min，因此转向轴的转速：n选定A0轴常用的几种材料的τT和A表6-2轴常用的几种材料的τT和A轴的材料Q235A、20Q275、354540Cτ15~2520`3525~4535~55A149~123135~112126~103112~97轴的选用材料为40Cr钢，由表可知A0值范围为112~97，由于齿轮轴为减速器的低速轴，没有弯矩，因此考虑到齿轮轴需要双向转动，因此适当选取A0取A代入式6-1得：d≥100由于轴径最小的轴段开有1个键槽，而且轴径小于100mm，因此需要最小可用轴径在原来基础上再提高5%，即d≥14.7×105%=15.4mm所设计轴的直径最小处轴径d=16mm，因此满足使用条件。6.3本章小结本章主要进行了小齿轮轴的参数设计，各轴段的长度和直径等。设计完成后根据电机参数对齿轮轴进行了强度校核，结果表明该齿轮轴满足设计要求。

结论本文运用了机械原理和机械设计的方法，对某中型轿车的电动助力式转向系统部分结构进行了参数化设计，包括转向齿轮轴、小齿轮、齿条及转向横拉杆等，并且校核了小齿轮和齿轮轴的强度，校核结果表明这些部件的设计达到了预期的要求。提出了对转向系统部分结构设计的方法与步骤。对以后的研究者来说具有一定参考的价值，对转向系统的研究来说有着较为积极的意义。本文的设计建立在其他设计者的研究成果之上，但是与他们的研究成果来比，本文仍然有着较多的缺陷，部分内容由于本人的水平限制未能详尽叙述，例如EPS电机的控制策略、转向梯形结构设计与优化的具体过程等。除此之外，本文的设计过程没有严格按照设计要求，有一些地方引用了经验参数，对于设计结果来说可能产生了较大的误差，为了避免在以后的设计中产生较大误差，我建议设计者应按照严格的设计规范来进行设计。综上所述，本毕业设计基本达到了题目的要求，但仍然存在着一定的缺陷，设计过程不够规范，论文思路不够清晰，望本文读者能够引以为戒。

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致谢本文的设计是在我的指导老师李毓