汽车转向系统EPS设计毕业论文.docx

本 科 毕 业 设 计（论文）汽车转向系统EPS设计毕业论文目 录1 引言11.1汽车转向系统简介11.2汽车转向系统的设计思路31.3 EPS的研究意义42 EPS控制装置的硬件分析52.1汽车电助力转向系统的机理以及类别52.2 电助力转向机构的主要元件83 电助力转向系统的设计113.1 动力转向机构的性能要求113.2 齿轮齿条转向器的设计计算113.3 转向横拉杆的运动分析9213.4 转向器传动受力分析224 转向传动机构优化设计244.1传动机构的结构与装配244.2 利用解析法求解出内外轮转角的关系254.3 建立目标函数275 控制系统设计295.1 电助力转向系统的助力特性295.2 EPS电助力电动机的选择305.3 控制系统框图设计31结 论32致谢34参 考 文 献351 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1目前市场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（Electronic Power steering system）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，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CERVO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的飞越，现如今比亚迪的唐和宋部分使用了EPS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，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，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。固然应用动力转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3 （1）力求避免产生侧滑，且前转向轮转弯弧线过一定点。 （2）在设定的转向轮阻力范围以下，方向盘应具有回正特性。 （3）轮胎动平衡在误差允许范围内，方向盘不会“发抖”。 （4）避免转向装置和悬架装置干涉，空间上进行合理的布置。 （5）汽车要具有较高的行驶灵敏性，小转弯机动性灵敏。 （6）操纵轻便灵敏。 （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）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。2 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，其应当满足以下要求：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PWM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。1.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） (b) (c)图2-3 EPS转向系统的类型 （1）转向助力式：该转向机构的电动机布置在方向盘下方，减速机构采用蜗轮蜗杆式。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；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，还有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。 （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，直流电机、减速机构（涡轮蜗杆式）、电磁离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；进一步降低了噪音，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动机的转角防止扭矩攒动。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 P87C591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。2.2.4 车速传感器 车速传感器有磁感应式和霍尔效应式两种，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值。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：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（Nmm）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。Nmm (3-1) f综合滑动摩擦因数,取0.7；转向轴负荷，已知为9800N；P轮胎压力（MPa）；代入，计算作用在方向盘上的切向力Fh：N (3-2)转向摇臂长（mm）；原地转向阻力矩（Nmm）；转向节臂长（mm）；为转向盘直径,取350mm；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=1625.4=406.4mm梯形臂长度=Dsw0.8/2= 406.40.8/2=162.6mm （3-3）取=160mm轮胎直径的计算RT：=406.4+0.55225=530.2mm （3-4） 取=530mm转向横拉杆直径的确定：mmmaMdR578.31021614.316.03474433=-tp （3-5）=;因此取=15mm初步估算主动齿轮轴的直径： （3-6）=140MPa所以取=18mm上述计算只是初步对所研究的转向系载荷的确定。3.2.2 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()1长度7282直径253齿数284法向模数3（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)1长度1422齿宽423齿数84法向模数35螺旋角 146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5。 （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）。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Y形三种。后两种形状齿形相比与前一种，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Y型式的齿条6。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。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,3mm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915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1235范围内变化。（五）齿轮、齿条的设计计算7 81.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a)确定齿形 值b)设应力循环次数为N，计算确定寿命系数、。 （3-7）式中 齿轮转速（r/min）；齿轮旋转一种的啮合次数；齿轮的工作寿命（h）；弯曲疲劳寿命系数；c)计算许用应力取,（弯曲疲劳强度在1.251.5范围内选取） （3-8） （3-9）应力修正系数 （3-10） （3-11）2、确定齿轮的基本参数和主要尺寸(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) 初选参数值初选按当量齿数(3) 初步计算齿轮模数转矩 （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）。 （3-13）=2.71(5) 确定载荷系数，由,0.000696,；对称布置，取；取则(6) 修正法向模数 （3-14）圆整为标准模数，取3.齿轮传动主要参数和几何尺寸(1) 分度圆直径 （3-15）(2) 齿顶圆直径=16+23(1+0)=29.3 （3-16）(3) 齿根圆直径=16-231.25=21.5 （3-17）(4) 齿宽b （3-18）计算两者齿距，即。齿轮法面基圆齿距齿条法面基圆齿距取齿条法向模数为(5) 齿条齿顶高 （3-19）(6) 齿条齿根高 （3-20）(7) 法面齿距 （3-21）4.齿面接触疲劳强度的校核查表，得查图，得取，所以=1677.6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9 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绕圆心转至时，齿条左端点移至的距离。35=160cos35=138.564=160-138.564=21.43635=80=339.3=339.3-80=259.32=340-259.32=80.73-4转向横拉杆的运动分析简图同理转向轮向相等角度时，转向节由绕圆心运动到至时，齿条左端点E移至的位移为=80=339.3=80+339.3-340=79.3齿轮齿条啮合长度应大于即 =80.7+79.3=160圆整取L=1703.4 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可分解为径向力和分力F，分力F又可分解为圆周力和轴向力。=250000/16=6250=2641.12=1090.8本章小结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4.1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。 转向器一般都是布置在如图所示半轴的前后方平行的地方，及避免了与发动机发生干涉，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对称装配7。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，梯形臂长和齿条轴线至梯形的底边装配长度h的参数。而转向拉杆可以由转向装置的参数以及该车参数K和转向器齿条中心距M来分析。以上为它们的关系式：由上式，确定拉杆L2 =335mm。 4.2 利用解析法求解出内外轮转角的关系 旋转方向盘时，齿条向左以及向右进行移动时，使得左右两侧的传动机构生成相互关联的运动，从而使左右两车轮获得一个关联的转角。现以汽车向左转弯分析，右轮为外侧车轮，外侧轮的杆动作如图4-2所示。齿条向右移动距离S，利用右拉杆带动右梯形臂结构，使其旋转图4-2外侧轮杆系动作情况 取梯形右侧底角顶点O作为原点，X,Y坐标系如图4-2所示，导出齿轮行程S和外侧轮转角的解析式： (4-2)由上式可知： (4-3)而内侧轮的运动如图4-3所示, 齿条向右移动了行程S等于向左移动的行程, 通过左侧拉杆拉动使左臂旋转过。图4-3内轮一侧杆系运动情况取梯形左侧底角顶点O1为坐标原点,XY方向如图4-3所示, 则同样可导出齿条行程S与内轮转角的关系, 即: (4-4) (4-5)由公式(4-2)就可以求出任一外轮转角的齿条位移S, 再将S代入公式(4-5)就可求解出对应的内轮转角。将公式(4-2)和(4-5)联合起来便可建立起关于的函数,记作:除此之外, 还可以使用式(4-4)求出任一对应于内轮转角的行程位移S, 再将S代入公式(4-3)即可求出相应的外轮转角。将公式(4-4)和(4-5)结合起来可将表示为的函数, 记作:4.3 建立目标函数在不计轮胎侧滑的理想情况下, 假想转向轮纯滚动条件时内外两轮转角有如图4-4所示的理想的关系, 即: （ctg为余切符号） (4-6)式中 T主销后倾角时的导出轴距(tg为正切)L绅宝D50轴距2650mm;r轮毂滚动半径406mm;由 (4-6)将理想的内轮转角建立为的函数关系式, 即: (4-7)上式经过反函数运算也可以转换为以下公式的对应关系，即理想的外轮转角也可表示为的函数关系: (4-8)本章小结利用解析法求解出的梯形转向传动的内外轮转角间0和1间存在动态函数关系，齿条横向位移行程S之间也可建立函数关系。综上说明汽车转向系统的参数设计是相互关联的。5 控制系统设计5.1 电助力转向系统的助力特性 电助力转向系统的助力特性函数是由程序控制的。一般我们会将特性助力曲线设计为伴随着司机行车速度和作用在方向盘上扭矩的大小变化而变化，这样的助力特性称之为车速-扭矩感应型。如图5-1所示的电动机电流助力特性曲线指出了电动机输出的助力值既是方向盘力矩的函数，也是不同车速非线性曲线的函数。 从图中可以看出, EPS转向系统的助力特性是一个非线性函数。在制定的转向助力特性曲线线性图中，横坐标是司机作用在方向盘上的手力, 反映了方向盘扭矩大小,正负号代表着手力的正反两个方向。 纵坐标反映的是输入电动机的目标助力电流。当司机作用在方向盘上的扭转力在不工作的-1-+1区间, 即方向盘在自由行程内转动时, 电动机处于不工作状态，所以不起助力作用, 用来避免转向灵敏度过高;当施加在方向盘上的手力大于1.0时,即越过了死区。 电动机依据方向盘偏离正中方向线性的角度施加额外扭矩，助力部分产生的助力作用效果显著。行车速度越高, 电机的输入电流值和方向盘扭矩间的比例关系会越来越小, 确保系统在低速时施加高的助力转向作用,高速时减低输入的直流电,。而向左或向右转动方向盘时，助力特性曲线是对称的，这种助力方式会使驾驶员获得高质量的“路感”。图5-1 电动机电流助力特性5.2 EPS电助力电动机的选择针对电动助力转向系统，动力源电机的选择至关重要。助力电机要求结构紧凑，具有较大的功率质量比和扭矩惯量比，以及宽广和平衡的调速区间。因此我们不仅必须限制电机的外形尺寸，而且应用的电机应具有响应灵敏，可以承受一定的超负荷压力和具有高精度的传动精度。综上要求，采用永磁式直流电机可以满足使用要求。 为了增强系统的稳定性和使用寿命，我们首先选定无刷刷直流电动机来匹配系统。选择与EPS转向系统配合工作的无刷电机，不仅可以减少电机的设计尺寸，而且也减少了更换电刷的问题。5.2.1电动机额定转速的选择12一般情况下，在电机额定功率工作工况下，方向盘的转速在为60-70r/min范围内浮动，建议N1选取65 r/min，同时滚珠丝杠减速比在15-20范围内（选择I=16.5），我们可以根据实际值的大小来进行电机额定转速的选择，计算公式如下：N=N1*I=65*16.5=1072.05 r/min （5-1） 所以我们可以将以上电动机的额定转速选择为1072.5 r/min，将其圆整为1050r/min（圆整大小要在30范围内）。5.2.2 电动机输出功率的计算 电动机额定输出功率P的大小与额定转速和电机的输出力矩相互关联，计算公式如: （5-2）式中 N为电机的额定转速，M为电动机的额定转矩，其数值大小根据工厂的具体工艺能力。5.2.3 电动机外联尺寸的选择有刷直流电机的的外形尺寸除了要满足自身强度的要求外，壳体外形的几何参数对接也是非常重要的，所以厂家在进行新产品设计时，首先要与相关汽车公司进行三维装配图的对接，确保转向器与前桥，悬架等底盘机构不产生干涉11。5.3 控制系统框图设计 汽车行车速度和曲轴转速等物理信号在频率输人电路处理后,输出的脉冲电压分别传至定时器0和1的两个外部计数端口, 在由定时器T2采样得到的脉冲信号能够分别得到行车速度和曲轴转速的电压信号。这种系统还需要有保证转向稳定性的转向锁定电路、电动机端电压检测电路、电机故障自诊断电路、EPS转向报警灯驱动电路、电源转换电路、电动机的FET-H桥驱动电路、电磁离合器驱动电路等组成。 图5-3 EPS硬件控制方框图 当汽车点火开关处于on位置时,控制器即进行自我检测，检测无故障后， 闭合继电器和给电磁离合器通电使其工作。控制器运行状态下，扭矩传感器检测到司机作用在方向盘上的手力和转动矢量，然后根据车速传感器检测到的曲轴转速信号。将这些信号源分别传送到到各自的接口并根据系统的助力函数数据,导出电流的方向和大小， 通过脉宽调制接口发出电流脉冲和不停地对电动机、离合器、温度、扭矩进行检测, 一旦系统工作异常, 控制单元会利用转向驱动电路来驱动EPS故障灯瞬时开启闪烁报警灯，并与此同时断开电磁继电器，当离合器退出电动助力状态后，系统主动转入纯机械转向系统。结论 此次课程设计着实教会了我很多东西，不仅仅是做学问，还有就是做人。一人的能力是需要不断深刻反省自己的，并从中学会理解和领悟，不断找到自己存在缺陷的空间。 在张老师的耐心指导下，使我对此次的设计的过程有力清晰的思路。在毕设前期，我还简单的认为本科的毕业设计和专科差不多，不用太过在意就可以完成，可是在翻译5000字的外文时，我第一天连第一页都没有翻译完。而且我自己就感觉质量就不是很好。效率低是前期的最主要问题。我清楚的记得在3月中旬，当张老师要求我们在教务系统上提交开题报告时，我由于在准备研究生复试，两天的复试结束后我很匆