某车型齿轮齿条式转向器的设计说明书

1XXX大学本科生毕业设计（论文）某车型齿轮齿条式转向器的设计学生姓名_学号_班级_专业_指导教师_2017年1月2目录摘要3ABSTRACT4第1章绪论511课题研究背景512电动助力转向系统的研究现状713课题的研究意义914课题的设计任务10第2章主要设计参数的确定1021电动助力转向系统的分析10211电动助力转向系统的工作原理10212电动助力转向系统的类型1122助力电动机的选择12221电动机的概述1223电磁离合器的选择1224扭矩传感器的选择13第3章电动助力转向系统减速机构的设计1431减速机构的分析及布置形式的确定1432蜗轮蜗杆材料的选择1733蜗轮蜗杆传动的设计17331设计要求17332选择蜗杆传动类型17333蜗杆模数及分度圆直径的确定18334蜗杆与蜗轮的主要参数及几何尺寸的确定19335蜗轮齿根弯曲疲劳强度的校核21第4章齿轮齿条式转向器的设计2441齿轮齿条式转向器的概述24411齿条的概述24412齿轮的概述2442齿轮齿条材料的选择与参数的确定24421材料的选择24422计算许用应力25423初步确定齿轮的基本参数的主要尺寸26424确定齿轮传动主要参数的几何尺寸27425齿轮强度校核2843轴设计与轴承的选择30431轴的设计30432轴的校核30433轴承的选取31第5章EPS电动转向器动力学模型3251机械转向系统数学模型32352EPS电动转向器系统模型的建立3353系统控制的目标3754EPS系统的控制策略3755系统的控制模式39第6章齿轮齿条式转向器仿真与分析4061MATLAB/SIMULINK仿真平台的介绍4062系统仿真参数取值4163机械转向系统仿真与研究42631机械转向系统的SIMULINK模型42632汽车机械转向系统在阶跃输入时不同参数下的仿真研究44633不同参数对系统性能影响的仿真分析5264EPS转向系统仿真与研究52641EPS系统的SIMULINK模型52642EPS系统加入PID控制的SIMULINK模型5465不同系统的比较仿真与分析60结论66参考文献67致谢68摘要电动助力转向系统就是在机械转向系统中,用电池作为能源,电动机为动力,以转向盘的转速和转矩以及车速为输入信号,通过电子控制装置,协助人力转向,并获得最佳转向力特性的伺服系统。EPS汽车转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性,对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。电动助力转向系统主要由减速机构和转向机构组成，减速机构把电动机的输出经过减速增扭传递到动力辅助单元，实现助力。由于蜗轮蜗杆传动比大，传动平稳噪声低故减速机构选为蜗轮蜗杆式。由于齿轮齿条式转向器，传动平稳，结构简单故转向机构选为齿轮齿条式。本文设计研究了电动助力转向系统，对其工作原理做了阐述，并进行了选型。同时对齿轮齿条式转向器的结构进行分析，并对其重要零件进行了设计计算与强度校核。通过仿真和研究初步证明所建立数学模型的正确性和设计控制器的相对合理性。对转向系统分别建立了机械转向系统、EPS系统和基于PID控制的EPS系统，并应用MATLABSIMULINK进行仿真，并达到了预计的设想和要求。4关键字转向器；设计；齿轮；轴；校核；仿真ABSTRACTELECTRICPOWERSTEERINGSYSTEMISINMECHANICALSTEERINGSYSTEM,USEBATTERYASENERGY,MOTORASADRIVINGFORCE,THESTEERINGDISHSPEEDANDTORQUEANDSPEEDOFTHEINPUTSIGNAL,THROUGHTHEELECTRONICCONTROLUNIT,TOHELPTHEHUMANSTEERING,ANDGETTHEBESTTOFORCECHARACTERISTICSOFSERVOSYSTEMEPSAUTOMOBILESTEERINGSYSTEMPERFORMANCEDIRECTLYINFLUENCETOTHECARSSTEERINGSTABILITY,TOENSURETHATTHEVEHICLESSAFETYDRIVING,REDUCETHENUMBEROFTRAFFICACCIDENTSANDPROTECTINGTHEPERSONALSAFETYOFTHEDRIVER,IMPROVETHEWORKINGCONDITIONSOFTHEDRIVERPLAYSANIMPORTANTROLEELECTRICPOWERSTEERINGSYSTEMMAINLYCONSISTSOFDECELERATIONINSTITUTIONSANDSTEERINGMECHANISMCOMPOSITION,SLOWINGINSTITUTIONSTOINCREASETHEOUTPUTAFTERSLOWINGMOTORRELAYTOTHEPOWERAUXILIARYUNITSTWISTED,REALIZETHEPOWERBECAUSEWORMTRANSMISSIONLARGEANDSTABLETRANSMISSIONLOWNOISESOSLOWINSTITUTIONSELECTEDWORMTYPEBECAUSERACKANDPINIONSTEERINGGEARCOMPONENTWITHSIMPLESTRUCTURE,STABLETRANSMISSION,ISSTEERINGMECHANISMSELECTEDFORRACKANDPINIONTYPETHEPAPERPRESENTSTHEDESIGNOFELECTRICPOWERSTEERINGSYSTEMWASSTUDIED,MEANWHILETOTHESTRUCTUREOFRACKANDPINIONSTEERINGGEARCOMPONENTAREANALYZED,ANDTHEIMPORTANTPARTSOFTHEDESIGNCALCULATIONANDSTRENGTHCHECK5THECORRECTNESSOFTHEMATHEMATICALMODELANDTHERATIONALITYOFTHECONTROLLERAREPROVEDBYSIMULATIONANDRESEARCHTHEMECHANICALSTEERINGSYSTEM,EPSSYSTEMANDEPSSYSTEMBASEDONPIDCONTROLAREESTABLISHED,ANDTHESIMULATIONISCARRIEDOUTWITHMATLABSIMULINKKEYWORDSSTEERINGGEARDESIGNGEARAXISCHECKING；SIMULATION第1章绪论11课题研究背景汽车在行驶过程中，经常需要改变行驶的方向，称为转向。轮式汽车行驶是通过转向轮一般是前轮相对于汽车纵向轴线偏转一定的角度来实现的。汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专用机构。其作用是使汽车在行驶过程中能按照驾驶员的操纵要求而适时地改变其行驶方向，并在受到路面传来的偶然冲击及汽车意外偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶。因此，转向系统的性能直接影响着操纵稳定性和安全性。按转向动力能源不同，汽车转向系统可分为机械式转向系统和动力转向系统两大类。机械式转向系统是以人的体力为转向能源的，其中所有的传力件都是机械的，它主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成。汽车转向器作为汽车转向系统的重要零部件，其性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性和可靠性。汽车动力转向系统是在机械转向系的基础上增设了一套转向加力装置所构成的转向系如液压动力转向系统中的转向油罐、油泵、控制阀、动力缸等，它兼用驾驶员的体力和发动机动力作为转向能源。在正常的情况下，汽车转向所需的力大部分由发动机通过转向加力装置提供，只有一小部分由驾驶员提供。但在动力转向失效时，驾驶员仍能通过机械转向系统实现汽车的转向操纵。长期以来，汽车转向系统一直存在着“轻”与“灵”的矛盾。为缓和这一矛盾，过去人们常将转向器设计成可变速比，在转向盘小转角时以“灵”为主，在转向盘大转角时以“轻”为6主。但“灵”的范围只在转向盘中间位置附近，仅对高速行驶有意义，并且传动比不能随车速变化，所以不能根本解决这一矛盾。随着动力转向系统的产生，液压动力转向系统HPS以其具有的转向操纵灵活、轻便，设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大，并可吸收路面对前轮产生的冲击等优点，自20世纪50年代以来，在各国汽车上得到普遍采用。但传统的液压动力转向系统需消耗一定的能量，增加了汽车的燃油消耗量，液压动力转向系统所引起的燃油消耗量约占整车燃油消耗量的约30。随着电子技术的发展，电子控制式机械液压动力转向系统EHPS应运而生，该系统在某些性能方面优于传统的液压动力转向系统，但仍然无法根除液压动力转向系统的固有缺憾。此外，传统液压动力转向系统在选定参数完成设计之后，转向系统的性能就确定了，不能再对其进行调节与控制。因此，传统液压动力转向系统协调转向力与操纵“路感”的关系困难。低速转向力小时，高速行驶时转向力往往过轻、“路感”差，甚至感觉汽车发“飘”，从而影响操纵稳定性而按高速性能要求设计转向系统时，低速时转向力往往过大。电动助力转向系统ELECTRICPOWERSTEERINGSYSTEM，简称EPS，是继液压动力转向系统后产生的一种新的动力转向系统。电动助力转向系统由电机提供助力，助力大小由电控单元ECU实时调节与控制，可以较好地解决上述液压动力转向系统所不能解决的矛盾。目前，电动助力转向系统有代替液压动力转向系统的趋势。电动助力转向系统（EPS,ELECTRICPOWERSTEERING）是未来转向系统的发展方向。该系统由电动助力机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护了环境。另外，还具有调整简单、装配灵活以及在多种工况下都能提供转向助力的特点。正是有了这些优点，电动助力转向系统作为一种新的转向技术，将挑战大家都非常熟知的、已具有50多年历史的液压转向系统。电动助力转向系统是于20世纪80年代中期提出来的。该技术发展最快、应用较成熟的当属TRW转向系统和DELPHISAGIAW（萨吉诺）转向系统，而DELPHISAGIAW（萨吉诺）转向系统又代表着转向系统发展的前沿。她是一个于20世纪50年代把液压助力转向系统推向市场的，从此以后，DELPHI转向发展了技术更加成熟的液压助力系统，使大部分的商用汽车和约50的轿车装备有该系统。现在,DELPHI转向系统又领导了汽车转向系统的一次新革命电动助力转向系统。电动助力转向系统符合现代汽车机电一体化的设计思想，该系统由转向传感装置、车速传感器、助力机械装置、提供转向助力电机及微电脑控制单元组成。该系统工作时，转向传感器检测到转向轴上转动力矩和转向盘位置两个信号，与7车速传感器测得的车速信号一起不断地输入微电脑控制单元，该控制单元通过数据分析以决定转向方向和所需的最佳助力值，然后发出相应的指令给控制器，从而驱动电机，通过助力装置实现汽车的转向。通过精确的控制算法，可任意改变电机的转矩大小，使传动机构获得所需的任意助力值。12电动助力转向系统的研究现状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,电动助力转向技术如雨后春笋般得到迅速发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司,美国的DELPHI汽车系统公司、TRW公司,德国的ZF公司,都相继研制出各自的EPS。比如大发汽车公司在其MI2RA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EPS,S2000轿车的动力转向也将倾向于选择EPSDELPHI汽车系统公司已经为大众的POLO、欧宝的318I以及菲亚特的PUNTO开发出EPS。TRW从1998年开始,便投入了大量人力、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EPS开发也已获成功。1999年3月,他们的EPS已经装备在轿车上,如FORDFIESTA和MAZDA323F等。MERCEDESOBENZ和SIEMENSAUTOMOTIVE两大公司共同投资6500万英镑用于开发EPS,他们的目标是到2002年装车,年产300万套,成为全球EPS制造商。他们计划开发出适用于汽车前桥负荷超过1200KG的EPS，因此货车也将可能成为EPS的装备目标。而我国在2002年才开始研制开发汽车EPS产品,目前已经知道的有13家企业和科研院校正在研制中。其中南摩股份有限公司生产转向柱式的EPS产品在2003年开始进入小批量生产阶段,其他厂家和科研院校均在开发阶段中。EPS当前已经较多应用在排量在13L16L含MMPV微型多功能车的各类轻型轿车上,其性能已经得到广泛的认可。随着直流电机性能的提高和42V电源在汽车组件上的应用,其应用范围将进一步扩宽,并逐渐向微型车、轻型车和中型车扩展。另外EPS的控制信号将不再仅仅依靠车速与扭矩,而是根据转向角、转向速度、横向加速度、前轴重力等多种信号进行与汽车特性相吻合的综合控制,以获得更好的转向路感。未来的EPS将朝着电子四轮转向的方向发展,并与电子悬架统一协调控制。电动助力转向系统将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统，能显著改善汽车动态性能和静态性能、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、减少环境的污染等。因此，该系统一经提出，就受到许多大汽车公司的重视，并进行开发和研究，未来的转向系统中电动助力转向将成为转向系统主流，与其它转向系统8相比，该系统突出的优势体现在（1）降低了燃油消耗。液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停地流动，浪费了部分能量。相反电动助力转向系统（EPS）仅在需要转向操作时才需要电机提供的能量，该能量可以来自蓄电池，也可来自发动机。而且,能量的消耗与转向盘的转向及当前的车速有关。当转向盘不转向时，电机不工作，需要转向时，电机在控制模块的作用下开始工作,输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向力矩，而且，该系统在汽车原地转向时输出最大转向力矩，随着汽车速度的改变，输出的力矩也跟随改变。该系统真正实现了“按需供能“，是真正的“按需供能型“（ONDEMAND）系统。汽车在较冷的冬季起动时，传统的液压系统反应缓慢，直至液压油预热后才能正常工作。由于电动助力转向系统设计时不依赖于发动机而且没有液压油管，对冷天气不敏感，系统即使在40时也能工作，所以提供了快速的冷起动。由于该系统没有起动时的预热，节省了能量。不使用液压泵，避免了发动机的寄生能量损失，提高了燃油经济性，装有电动助力转向系统的车辆和装有液压助力转向系统的车辆对比实验表明，在不转向情况下，装有电动助力转向系统的国辆燃油消耗降低25，在使用转向情况下，燃油消耗降低了553。（2）增强了转向跟随性。在电动助力转向系统中，电动助力机与助力机构直接相连可以使其能量直接用于车轮的转向。该系统利用惯性减振器的作用，使车轮的反转和转向前轮摆振大大减水4。因此转向系统的抗扰动能力大大增强和液压助力转向系统相比，旋转力矩产生于电机，没有液压助力系统的转向迟滞效应，增强了转向车轮对转向盘的跟随性能。（3）改善了转向回正特性。直到今天，动力转向系统性能的发展已经到了极限,电动助力转向系统的回正特性改变了这一切。当驾驶员使转向盘转动一角度后松开时，该系统能够自动调整使车轮回到正中。该系统还可以让工程师们利用软件在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性5。从最低车速到最高车速，可得到一簇回正特性曲线。通过灵活的软件编程，容易得到电机在不同车速及不同车况下的转矩特性，这种转矩特性使得该系统能显著地提高转向能力，提供了与车辆动态性能相机匹配的转向回正特性。而在传统的液压控制系统中，要改善这种特性必须改造底盘的机械结构，实现起来有一定困难。（4）提高了操纵稳定性。通过对汽车在高速行驶时过度转向的方法测试汽车的稳定特性。采用该方法，给正在高速行驶（100KM/H）的汽车一个过度的转角迫使它侧倾，在短时间的自回正过程中，由于采用了微电脑控制，使得汽车具有更高的稳定性，驾驶员有更舒适的感觉。9（5）提供可变的转向助力。电动助力转向系统的转向力来自于电机。通过软件编程和硬件控制，可得到覆盖整个车速的可变转向力6。可变转向力的大小取决于转向力矩和车速。无论是停车，低速或高速行驶时，它都能提供可靠的，可控性好的感觉，而且更易于车场操作。对于传统的液压系统，可变转向力矩获得非常困难而且费用很高，要想获得可变转向力矩，必须增加额外的控制器和其它硬件。但在电动助力转向系统中，可变转向力矩通常写入控制模块中，通过对软件的重新编写就可获得，并且所需费用很小。（6）采用“绿色能源“，适应现代汽车的要求。电动助力转向系统应用“最干净“的电力作为能源，完全取缔了液压装置，不存在液压助力转向系统中液态油的泄漏问题，可以说该系统顺应了“绿色化“的时代趋势。该系统由于它没有液压油，没有软管、油泵和密封件，避免了污染。而液压转向系统油管使用的聚合物不能回收，易对环境造成污染。（7）系统结构简单，占用空间小，布置方便，性能优越。由于该系统具有良好的模块化设计，所以不需要对不同的系统重新进行设计、试验、加工等,不但节省了费用，也为设计不同的系统提供了极大的灵活性，而且更易于生产线装配。由于没有油泵、油管和发动机上的皮带轮，使得工程师们设计该系统时有更大的余地，而且该系统的控制模块可以和齿轮齿条设计在一起或单独设计，发动机部件的空间利用率极高7。该系统省去了装于发动机上皮带轮和油泵，留出的空间可以用于安装其它部件。许多消费者在买车时非常关心车辆的维护与保养问题。装有电动助力转向系统的汽车没有油泵，没有软管连接，可以减少许多忧虑。实际上，传统的液压转向系统中，液压油泵和软管的事故率占整个系统故障的53，如软管漏油和油泵漏油等8。（8）生产线装配性好。电动助力转向系统没有液压系统所需要的油泵、油管、流量控制阀、储油罐等部件，零件数目大大减少，减少了装配的工作量，节省了装配时间，提高了装配效率。电动助力转向系统自20世纪80年代中期初提出以来，作为今后汽车转向系统的发展方向，必将取代现有的机械转向系统、液压助力转向系统和电控制液压助力转向系统。13课题的研究意义随着汽车行业的蓬勃发展，人们对于汽车功能的要求变得越来越高，EPS系统也迎来了巨大的市场需求，许多厂商都以EPS系统作为一个卖点，来吸引顾客买车。所谓电动转向EPS,就是在机械转向系统中,用电池作为能源,电动机为动力,以转向盘的转速和转矩以及车速为输入信号,通过电子控制装置,协助人力转向,并获10得最佳转向力特性的伺服系统。EPS汽车转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性,对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。特别是EPS用电动机直接提供助力，助力大小由电子控制单元（ECU）控制。它能在汽车低速行驶转向时减轻转向力使转向轻便、灵活在汽车高速行驶转向时,适当加重转向力,从而提高了高速行驶时的操纵稳定性,增强了路感。不仅如此,EPS的能耗是HPS能耗的1/3以下,且前者比后者使整车油耗下降可达35,因而,它能节约燃料，提高主动安全性，且有利于环保。14课题的设计任务1明确设计要求，进行工况分析，拟定总体方案；2计算和确定系统的主要参数；3利用PRO/E需绘制出三维零件图、书写设计说明书4、利用ABAQUS等仿真软件进行其性能仿真分析。第2章主要设计参数的确定21电动助力转向系统的分析211电动助力转向系统的工作原理EPS主要由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元ECU、电动机和减速机构组成。其主要工作原理是汽车在转向时,扭矩传感器会“感觉”到转向盘的力矩和拟转动的方向。这些信号会通过数据总线发给电子控制单元,电控单元会根据传动力矩、拟转的方向和车辆速度等数据信号,向电动机控制器发出动作指令。电动机就会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩以产生助动力,从而实现了助力转向的实时控制。如果不转向,则本套系统处于休眠状态等待调用。由于它不转向时不工作,所以也节省了能源。11图21EPS结构系统图212电动助力转向系统的类型EPS的类型通常可以按其电动机的减速机构的形式不同或电动机的布置位置不同进行分类。EPS系统一般都有减速机构，电动机转矩输出经过减速机构减速增矩对EPS进行助力。根据汽车上转向器结构形式不同，EPS可分为循环球螺母式、蜗轮蜗杆式、齿轮齿条式三种。循环球螺母式EPS电动机力矩的传递路线为电动机循环球螺母齿轮条。蜗轮蜗杆式EPS电动机力矩的传递路线为电动机蜗轮一齿轮条。齿轮齿条式EPS的电动机力矩的传递路线为电动机行星齿轮副另设齿轮齿条。根据电动机布置位置不同，EPS可分为转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式三种，如图22所示。转向轴助力式EPS的电动机固定在转向柱一侧，通过减速机构与转向轴相近，直接驱动转向轴助力转向。齿轮助力式EPS的电动机和减速机构与小齿轮相近，直接驱动齿轮助力转向。齿条助力式EPS的电动机和减速机构则直接驱动齿条提供助力。12图22电动机布置位置不同的EPS的类型22助力电动机的选择221电动机的概述助力电动机是EPS系统的动力源,它根据ECU输出的控制指令,在不同的工况下输出不同的助力转矩,对整个EPS性能影响很大,因此需要具备良好的动态特性、调速特性和随动特性并易于控制,而且要求输出波动小、低转大转矩、转动惯量小、尺寸小质量轻等,因此,常采用无刷式永磁直流电动机。为改善操纵感、降低噪音和减少振动,在电动机转子外表面开出斜槽或螺旋槽,而改变定子磁铁的中心处或端部厚度,将定子磁铁设计成不等厚。23电磁离合器的选择电动式EPS转向助力一般都是工作在一个设定的范围。当车速低于某一设定值时，系统提供转向助力，保证转向的轻便性当车速高于某一设定值时，系统提供阻尼控13制，保证转向的稳定性；而当车速处于两个设定值之间时，电动机停止工作，系统处于STAND状态，此时为了不使电动机和电磁离合器的惯性影响转向系统的工作，离合器应及时分离，以切断辅助动力。另外，当EPS系统发生故障时，离合器应自动分离，此时仍可利用手动控制转向，保障系统的安全性。EPS系统中电磁离合器应用较多的为单片干式电磁离合器，其工作原理如图所示图23电磁离合器离合器类型干式单片电磁式额定电压（V）12V额定传递扭矩15/12V绕阻（）195/20C24扭矩传感器的选择扭矩传感器的功能是测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小与方向，以及转向盘的大小和方向。目前采用较多的是在转向轴位置加以扭杆，通过测量扭杆的变形得到扭矩。另外也有采用非接触式扭距传感器。图24所示的非接触式扭矩传感器中有一对磁极环，其原理是当输入轴与输出轴之间发生相对扭转位移时，磁极环之间的空气间隙发生变化，从而引起电磁感应系数变化。非接触式扭矩传感器的优点是体积小精度高，缺点是成本高。14图24非接触式扭距传感器扭矩传感器额定电压5V额定输出电压25最大阻抗218066详细DWG图纸三二1爸爸五四0六全套资料低拾10快起15第3章电动助力转向系统减速机构的设计31减速机构的分析及布置形式的确定电动助动转向系统的机构部分是该系统不可缺少的重要组成部分，其减速机构把电动机的输出，经过减速增扭传递到动力辅助单元，实现助力。1617图31减速机构因此，减速机构的设计是EPS系统的关键技术之一。目前常用的减速机构有多种结构形式，主要分为蜗轮蜗杆式、行星齿轮式和循环球螺母式等三种。而我选用了蜗轮蜗杆式减速机构。采用蜗轮蜗杆减速机构，见图31，其传动机构有如下两大优点（1）实现大的传动比。在动力传动中，一般传动比I580在分度机构或手动机构的传动中，传动比可达300；若只传递运动，传动比可达1000由于传动比大，零件数目又少，因而结构很紧凑。（2）在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它的蜗轮是逐渐进入啮合逐渐退出啮合的，同时啮合的齿对数较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪音低。32蜗轮蜗杆材料的选择考虑到蜗杆传动传递的功率不大，速度只是中等，故蜗杆用45号钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗轮螺旋面要求淬火并且调质处理，硬度为4555HRC。蜗轮用铸锡磷青铜ZCUSN10PB，金属模铸造。这种材料耐磨性好，但价格较高，用于滑动速度3M/S的重要传动。为了尽量节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而SV轮芯用铸铁HT150制造。为了防止变形，常对蜗轮进行时效处理。33蜗轮蜗杆传动的设计331设计要求普通圆柱蜗杆闭式传动（用于EPS系统中电机输出到转向轴），蜗杆转速181210R/MIN，扭矩1760NMM，传动比I30双侧工作，工作载荷较稳定，冲击1N1T不大。要求寿命为5年（按每年365天，每天8小时），则使用寿命5365814600HHL332选择蜗杆传动类型根据GB1008588的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI）。传动比I介于580之间，由表31可确定蜗杆头数1。1Z表31蜗杆头数蜗轮齿数推荐值1Z2传动比IZ1/Z25871615323083蜗杆头数Z16421涡轮齿数Z23048286430643083单头蜗杆传动的传动比大，但效率低，发热量大，易自锁。不过，蜗杆头数过多，导程角大，制造困难。蜗轮的齿数I。当传递动力时，为保证传动平稳性，1Z2应不少于28。但过过大将使蜗轮尺寸增大，蜗杆跨距随之增大，降低蜗杆的刚2Z2度，影响啮合精度。通常取2880，一般不大于100。故取3022Z333蜗杆模数及分度圆直径的确定蜗杆头数1蜗轮301Z2因载荷平稳载荷系数K1113之间取故K12表32锡青铜蜗轮许用接触应力H锡青铜制造的蜗轮，其值可查表2。蜗杆齿面硬度蜗轮材料铸造方法适用的滑动速度V/MSS145HRC45HRC19ZCUSN10PB1砂型金属型1225150220180268ZCUSN5PB5ZN5砂型金属型1012113128135140MK21D2THZ502（31）M123696021D268305M1715304经查表33可知M25Q112281D表33普通圆柱蜗杆传动的基本尺寸和参数模数M/MM分度圆直径D/MM1直径系数Q蜗杆头数MD/21MM3模数M/MM分度圆直径D/MM1直径系数Q蜗杆头数MD/M21M31181800011880126981,2,43175201600013125631121777814445125224179201356378751,2,4403220125001,2,451280100001,2,4,6537616281750017168100125001,2,464001890001,2,47281401750018960224112001,2,4,68967171001,2,4710028140001,2,41129090001,2,4,69000235517750114210112112001,2,4112002022489601,2,41401601600011600028112001,2,4,61759072001,2,414062355140001,2,4221911289601,2,4175002545180001281140112001,2,4218752888891,2,427812520016000131250355112701,2,4,635211270001,2,42867245142861,2,4447514087501,2,43584031556177781556180112501,2,44608031578751,2,4504162501562515600040100001,2,4,664014070001,2,45600050125001,2,480016080001,2,4640004711774011136224112001,2,4896004080001,2,410002031515750112600050100001,2,4,6125018072001,2,411250063126001,2,4157520080001,2,41250005901800012250280112001,2,41750005079361,2,419856363100001,2,4,6250025400160001250000334蜗杆与蜗轮的主要参数及几何尺寸的确定蜗杆蜗杆分度圆直径281D齿顶圆直径MQ2251122331AMQ24251122422FD齿顶高M251AH齿根高12M122531FH顶隙C02M024250521蜗轮分度圆柱的导程角RARCTANARCTAN51QZ12中心距AMQ251123051522Z蜗杆齿宽（11006）M1B2Z110006302532132B蜗轮蜗轮分度圆直径MZ2530752D齿顶圆直径DMZ225302802A齿根圆直径DMZ24253024692F齿顶高HM252A齿根高H12M32F蜗轮齿宽Z3时B075121AD07533247522B202335蜗轮齿根弯曲疲劳强度的校核YY（32FMDKT21532AFBF）Y螺旋角影响系数,Y1；BB140Y蜗轮齿形系数，按当量齿数ZZ/COS查取；2AFV23蜗轮的许用弯曲应力，单位为MPA。Y11094B1405Z3035914403VCOS3经查表34可知，Y2522AF表34齿形系数及应力修正系数FAYFAYZ17181920212223242526272829YAF2972912852827627226926526226257255253YAS1521531541551561571575158159159516161162Z303540455060708090100150200YAF252245242352322282242222221821421220623YAS1625165167168171731751771781791831865197应力循环次数N6011460035332000HLJN260302寿命系数K085N96/由表35查得40MPAK0F0NF0854034表35蜗轮的基本许用弯曲应力F0灰铸铁蜗轮材料铸锡磷青铜ZCU5NLOP1铸锡铅锌青铜ZCUSN5PB5ZN5铸造铝铁青铜ZCUALLOFE3HT150HT200铸造方法砂模铸造金属模制造砂模铸造金属模铸造砂模铸造金属模铸造砂模铸造单侧工410N作G4056263280904048双侧工4作G2940222657642834YY（33FMDKT21532AFB）25209643139F578690024第4章齿轮齿条式转向器的设计41齿轮齿条式转向器的概述411齿条的概述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衡。齿条可以比作是梯形转向直拉杆。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。25412齿轮的概述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撑。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，斜齿的运转趋于平衡，并能传递更大的动力。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。42齿轮齿条材料的选择与参数的确定421材料的选择主动小齿轮选用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。故小齿轮16MNCR5渗碳淬火，齿面硬度5662HRC。大齿轮45钢表面淬火，齿面硬度5656HRC。422计算许用应力HMINNLSZ式中接触疲劳极限强度LIZN接触疲劳寿命系数齿面接触疲劳强度安全系数HMINSFINNSTLYF式中弯曲疲劳极限强度LIM齿面弯曲疲劳强度安全系数FINS26YN弯曲疲劳寿命系数A确定和LIMHLIFMPA150LIH32LIMF41LIPAF3752LIMB计算应力循环次数N，确定寿命系数、。NZY2711106281060TANN32Z2NYC计算许用应力取,1MINHS4INFINNL1ZMPA19803250HMIN2L2S76应力修正系数TYFMINN1SL1FMPA14607245FIN2STL2F33423初步确定齿轮的基本参数的主要尺寸根据齿轮传动的工作条件，选用斜齿圆柱齿轮与斜齿条啮合传动。选择齿轮传动精度等级为7级精度。初选K14B14Z7Z1012传动比1412Y089Y07DB27Z17COS17COS1415MIN33由于Z7Z10均小于1512发生根切故对其进行变位X0551MIN57X0332I0TANT0375112684COSTAN14T22056TINVTANINV0054855624T21ZXNNNTY107NCOSTYM21907252365TNYXY08807018N321COSFFDZKTS321607165894COS94221195NM25424确定齿轮传动主要参数的几何尺寸主动齿轮分度圆直径180314COS7521ZMDN节圆直径D197081UA63齿顶圆直径201821NANAAYXHMHD2818032（1055018）252488齿根圆直径2031821NANFFXCHMHD18032（1025055）251453齿顶高42531805YXNHMANA齿根高FD722C全齿高HHH5175FA齿宽BD121803216361因为相互啮合齿轮的基圆齿矩必须相等既PP1B2齿轮法面基圆齿矩为PMCOS1B1N齿条法面基圆齿矩为PMCOS222取齿条法相模数为M252N从动齿轮（齿条）节圆U141970827592D1齿条齿顶高875210352YXNHMANA齿条齿根高32CF法面齿矩S（2XTAN）M45252NNN425齿轮强度校核ZZZZHEUBDKT12式中ZH节点区域系数ZE弹性系数29Z重合度系数Z螺旋角系数B齿宽K载荷修正系数5620TTANTAN/COSTAN20/COS140375112684TN143BZHTTBCOSI/COSZ24335620N14320318DZTAN0318044414TAN7818832COS14107107Z34Z09787644950714071Z0985COS由表41可知Z1898EMPA表41弹性影响系数EZ配对齿轮材料灰铸铁球墨铸铁铸铁锻钢夹布胶木弹性模量/MPA齿轮材料11841017341020241020640785410锻钢1620181418891898564铸钢161018051880球墨铸铁15661739灰铸铁143730H4103862194985074321117083902MPA齿面接触疲劳强度满足要求。齿根弯曲疲劳强度计算。025075/02507095YAFBSAFNTYMK式中K载荷修正系数；载荷作用于齿顶时的齿形系数；FAY载荷作用于齿顶时的应力修正系数；S弯曲强度计算的重合度系数；Y弯曲强度计算的尺寸系数。BF5219084392063136F齿根弯曲疲劳强度满足要求43轴设计与轴承的选择431轴的设计97115MMD3NPC34015取最小轴径D12MM第一轴段轴径12，轴长12第二轴段轴径2488，轴长35第三轴段轴径20，轴长22第四轴段轴径16，轴长15第五轴段轴径14，轴长1031432轴的校核4099833611TF12DT308698951374COS/20TAN834COS/TAN1T9T（1）绘制轴受力简图（图A）（2）绘制垂直弯矩图（图B）轴承支反力574949461306547254789132012LFDRARAV689537RAVRB计算弯矩截面C右侧弯矩1462870549362LFMRAV截面C左侧弯矩93157RAV3绘制水平弯矩图（图C）轴承支反力91682048364092TRBHAF截面C处的弯矩57916804LMRAH4绘制合成弯矩图（图D）5378962116222468CVC1976504970135H5绘制转矩图（图E）326绘制当量弯矩图（图F）转矩产生扭剪应力按脉动循环变化，取A06,截面C处的当量弯矩为5981369062153789222ATMCEC（7）校核危险截面C的强度MPADECB241033强度足够433轴承的选取轴承1深沟球轴承6004轴承2滚针轴承NA490133图41轴的受力图和弯矩图第5章EPS电动转向器动力学模型51机械转向系统数学模型首先对汽车机械转向系统的结构和动力学性能进行分析，通常机械转向系统采用齿轮齿条式机械转向系统，模型如图25所示。图51机械转向系统模型可得到如下运动方程HSRHSDHFBRXKTJXTRRSHFFXMRTTRKF上式为所建立的机械转向系统的动力学方程，其参数详见表5134表51机械转向系统采用的参数变量含义变量含义RX齿轮齿条的位移SK转向柱的刚度M转向横拉杆的质量R主动小齿轮半径RB转向横拉杆的阻尼系数DT方向盘扭矩H方向盘转角HF系统非线性特性J转向柱的转动惯量X系统非线性特性H转向柱的阻尼系数TK系统负载系数52EPS电动转向器系统模型的建立EPS系统是一个强耦合，非线性多变量系统，建立如图26所示的EPS系统模型。图52EPS系统模型为了建立EPS系统动力学方程，将图52所示的简化EPS模型分割成三个组件，这三个组件的主要运动变量分别是方向盘转角、齿条平移位移和电机转角。HRXM1方向盘转向轴组件运动方程如图52所示，为该部件受力分析，根据理论力学相关公式，根据受力分析可以的得到运动方程为35图53方向盘转向轴部件HSRHSDHFBRXKTJ2齿轮齿条运动方程如图54所示，为该部件受力分析。列如下运动方程为图54齿条部件XSRMSTRRSHFRGKFXBRKXM3电机运动方程如图55所示，为该部件受力分析。根据受力分析可以的得到运动方程为36图55电机组件MAMFBTJ电动机的等效电路如图56所示15图56电动机等效电路MEAAKVILRAMIT将上式拉式变换得如下式LSRKVSIMEAAITAM得到下式助力扭矩方程SRMARXGKT37扭矩传感器测量值SRHSRXKT以上式为所建立的EPS动力学方程，其参数详见表52表52EPS参数表变量含义变量含义M齿条齿轮的质量HJ转向柱的转动惯量RB齿轮齿条的阻尼系数SK转向柱的刚度MT电机输出扭矩HB转向柱的阻尼系数A电机阻力扭矩SR主动小齿轮半径R电机电枢电阻M助力电机转动角度L电机电枢电感J助力电机转动惯量AI电机电枢电流K助力电机刚度K电机扭矩常数MB助力电机的阻尼系数E电机的反电动势常数TRF转向横拉杆作用力AV电枢电压HF非线性特性XF非线性特性M非线性特性G助力电机传动比TK系统负载系数53系统控制的目标控制系统有如下具体目标1合适的助力。2抑制有害振动。3响应速度要快。4良好的路感。5尽量用最少的系统零部件。54EPS系统的控制策略我们考虑用PID控制策略，因为主要适用于车速和方向盘转角不大的情况。38在工程应用中，PID控制器是一种负反馈闭环控制，PID控制器通常与被控对象串联连接，作串联校正环节16。PID控制器结构改变灵活，比例与微分、积分的不同组合可以分别构成PD、PI和PID控制器。常规PID控制系统原理框图如图57所示图57PID控制系统图PID控制器的数学描述17TEDKTETKTUDIP或写成传递函数形式SSRUGDIP式中为比例系数、为积分系数、为微分系数。PKIKDK使用PID控制器有以下好处首先，PID应用范围广。其次，PID参数较易整定。第三，PID控制器可以在应用中不断的调整参数并改进。采用PID控制，对EPS系统进行闭环控制，由于算法中没有考虑采用积分环节，这是因为EPS系统是个有差系统，需要保持系统的静态误差，所以控制器中不能有积分环节。EPS系统PID控制结构如图57所示，给定方向盘扭矩，扭矩传感器则DT有相应的输出扭矩，PID控制器根据扭矩传感器输出的扭矩来确定助力电机电流的ST大小，并通过PWM脉冲宽度调制方式驱动电动机助力。39图58EPS系统PID控制结构图18若采用单纯的比例控制方式，则电动机的电压为SPTKU采用PD控制方式，则电动机电压为DTSDSP55系统的控制模式EPS控制模式主要有三种助力控制、回正控制和阻尼控制。一般说来，EPS最主要的功能是助力控制，有时还需要在在EPS中加入回正控制和阻尼控制。1助力控制助力控制是电动助力转向系统的最基本的控制模式，主要功能是在转向过程中，减轻驾驶员对方向盘的操纵力，并将电动机通过减速机构将转矩作用在转向轴上的基本控制模式。2回正控制回正控制能够改善方向盘的回正性能，更好地配合汽车的动态特性。当汽车在低速行驶过程中，回正力矩相对较小，当方向盘转动后能够回到中间位置时，ECU会使电动机的电流快速减小，使转向车轮快速回正。根据当时的方向盘转角和角速度，并发出相应的控制信号给电机，使电机提供相应的回正力矩。3阻尼控制阻尼控制的主要作用是在减小方向盘的抖动或消除转向车轮振动，是一种提高系统稳定性能和转向收敛性能的控制模式，阻尼控制模式框图如图33所示TD40图59阻尼控制模式框图41第6章齿轮齿条式转向器仿真与分析61MATLAB/SIMULINK仿真平台的介绍它为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，具有直观和灵活等特点。在MATLAB的命令窗口输入命令来对它进行仿真，通过SCOPE模块和它的画图模块，可以方便观察仿真结果20。简单的动态系统，我们能容易建立系统模型并分析系统模型中各模块之间的相关，以及模块的输入输出关系。对于比较复杂的系统，分析与设计系统，都会给我们带来诸多不便，而使用子系统及其封装技术则较好地解决这一问题。用户