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汽车电控液压动力转向系统设计【汽车类】【4张CAD图纸】【优秀】

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汽车电控液压动力转向系统设计

46页 21000字数+说明书+4张CAD图纸【详情如下】

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摘　　要

电控液压动力转向系统可解决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。

本次设计主要完成电控液压动力转向系统的液压部分和机械部分的设计。在设计中将车速信号和转向盘角速度信号引入液压转向系统，电子控制单元根据车速传感器和转向盘转角传感器检测的车速信号和转向信号，计算出电动机的对应的转速，对电动机转速进行控制，电动机驱动油泵,控制电动机转速从而控制油泵的泵油量，改变助力的大小。

文中一开始阐述了电控液压动力转向系统设计的目的和意义、发展状况以及应用前景。接着分析论述了总体设计方案，进行了液压动力系统、机械转向器等主要部件的方案分析和选择。

关键词:动力转向；液压动力转向；助力转向；可变助力特性；电控液压动力转向；

Abstract

Electronically controlled hydraulic power steering system(EPHS) to solve the car and light sensitivity of the contradictions so that the driver in the car at low speed on a larger

power, high-speed movements were strong sense of direction.

The main design completed electronically controlled hydraulic power steering system of hydraulic and mechanical parts of the designation.In this designation, speed signals and Zhuanxiang Pan angular velocity signal are introduced to the hydraulic steering system. According to the detected speed signal and the corner signal of Zhuanxiang Pan,electronic control units detect speed signals and the corner signal of Zhuanxiang Pan by the speed sensor type of assistance, and then calculate the corresponding rotational of motor,and control the rotational speed of motor,then control the oil flow of pump,in order to meet therequirements to light the requirements of handling and stability .

When expounded the start of a hydraulic power steering electronic control system design the purpose and significance of the development situation and prospects. And then analysis and choice its hydraulic power systems, mechanical steering gear and other major components of the programme.

Keyword: Power Steering;Hydraulic Power Steering; Auxiliary Force; VariablePower Characteristics; Electronically Controlled Hydraulic Power steering

目　　录

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1研究本课题的目的和意义1

1.2汽车转向技术现状与发展趋势1

1.2.1机械转向系统1

1.2.2液压动力转向系统2

1.2.3电控液压动力转向系统2

1.2.4电动助力转向系统2

1.2.5线控转向系统3

1.3汽车电控液压动力转向系统组成、3

1.4汽车电子控制转向技术的发展概况与前景4

1.4.1电子控制动力转向系统的发展概况4

1.4.2电子控制动力转向系统的发展趋势6

1.5本次设计的主要内容7

第2章动力转向系统的设计方案分析8

2.1动力转向系统8

2.2液压动力转向系统8

2.3电控动力转向系统11

2.3.1液压式电子控制动力转向系统12

2.3.2电动式电子控制动力转向系统12

2.4动力转向系统设计方案分析12

2.5本章小结14

第3章液压动力系统的设计15

3.1动力缸的类型及安装方式15

3.2动力缸的主要零件的结构和材料15

3.3动力缸的密封装置16

3.4动力缸的缓冲装置16

3.5动力缸的设计计算16

3.5.1动力缸的主要几何尺寸的计算和选型16

3.5.2动力缸的结构参数的计算选型18

3.5.3动力缸的性能参数的计算20

3.5.4动力缸油口直径的计算21

3.5.5缸底厚度的计算21

3.5.6活塞杆直径的强度校核21

3.6油泵的计算与选型22

3.6.1油泵的最高供油压力的计算22

3.6.2油泵最大供油量的计算22

3.6.3油泵的选型23

3.6.4与油泵匹配的电动机的计算选择23

3.7油箱与油管的计算与选型23

3.7.1油箱容积的计算23

3.7.2油管内径的计算24

3.8换向阀的选型24

3.8.1换向阀24

3.8.2滑阀式换向阀24

3.8.3换向机能25

3.8.4滑阀机能25

3.8.5直流电磁铁和交流电磁铁27

3.8.6干式、油浸式、湿式电磁铁27

3.9电控动力转向系统所用传感器的选择28

3.9.1车速传感器25

3.9.2转角传感器25

3.10本章小结26

第4章机械转向器方案分析与设计计算27

4.1机械转向器方案分析27

4.1.1齿轮齿条式转向器27

4.1.2循环球式转向器29

4.1.3蜗杆滚轮式转向器31

4.1.4蜗杆指销式转向器31

4.1.5机械转向器的确定34

4.2齿轮齿条式转向器设计与计算31

4.2.1选择齿轮齿条材料及精度等级32

4.2.2主要尺寸计算33

4.2.3齿轮强度校核34

4.2.4齿条的设计计算36

4.3本章小结36

第5章电控动力转向系统的变助力方法分析37

5.1液压式电子控制动力转向系统37

5.1.1流量控制式EPS37

5.1.2反力控制式EPS38

5.1.3 阀灵敏度控制式EPS38

5.2电动式电子控制动力转向系统38

5.3本章小结38

结论40

参考文献42

致谢43

第1章绪　　论

1.1研究本课题的目的和意义

汽车转向系统是用来改变汽车行驶方向的专设机构的总称。其功用是保证汽车能按驾驶员的意愿进行直线或转向行驶。

本设计根据汽车转向系统的工作过程和工作要求，设计一套汽车电控液压动力转向系统，此电动助力转向系统采用电动机带动油泵，根据车速信号、转向盘转速信号控制转向油泵的泵油量，达到变助力的转向。

本设计所设计的汽车电控液压动力转向系统，可以为汽车设计研制一种助力转向系统提供一种途径，对生产实际具有一定的实用价值和应用前景。

1.2汽车转向技术现状与发展趋势

目前我国生产的商用车和轿车上采用的大多是电控液压动力转向系统，它是比较成熟和应用广泛的转向系统。

尽管电控液压动力装置从一定程度上缓解了传统的液压转向中轻便性和路感之间的矛盾，然而它还是没有从根本上解决液压动力转向系统存在的不足，随着汽车微电子技术的发展，汽车燃油节能的要求以及全球性倡导环保，其在布置，安装，密封性，操纵灵敏度，能量消耗，磨损与噪声等方面的不足已越来越明显，转向系统向着电动助力转向系统发展。1.3汽车电控液压动力转向系统组成

电控液压转向动力系统克服了传统的液压转向助力系统的缺点。它所采用的液压泵不再靠发动机皮带直接驱动，而是采用一个电动泵，它所有的工作的状态都是由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态。简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动电子液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向盘省力；汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动电子液压泵以较低的速度运转，在不至于影响高速打转向的需要的同时，节省一部分发动机功率。

动力转向系统兼用驾驶员体力和发动机（或电动机）的动力为转向能源的转向系统，它是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的。其中属于转向加力装置的部件是：转向油泵5、转向油管4、转向油罐6以及位于整体式转向器10内部的转向控制阀及转向动力缸等。当驾驶员转动转向盘1时，转向摇臂9摆动，通过转向直拉杆8、转向节臂7，使转向轮偏转，从而改变汽车的行使方向。当然，在汽车迈向全面线控转向之前，电动转向系统是“中站”，是第一步，当汽车装有电动转向系统时，其中的转向电动机将接受一系列传感器信号，例如转向控制、动态稳定控制等，最后机械的部分一个一个消失，逐渐变成了全面线控转向。

1.5本次设计的主要内容

本设计主要内容是对汽车电控液压动力转向系统的液压部分和机械部分进行设计，首先确定液压动力转向系统的组成与系统设计方案，然后进行液压动力系统的设计计算与液压元件的计算选型再进行齿轮齿条转向器的设计计算。并对车速传感器，转向盘转角传感器、电动机等部件计算选型。同时用总布置草图表达主要部件的装配和重要工作装置的布置；最后通过正确的计算，完成部件设计选型，达到工艺合理、加工容易、成本低、可靠性高的设计要求，并附之以总装配图、零件图，清楚表达设计。

结论

电控液压动力转向系统是在液压动力转向系统的基础上发展起来的，将电动机与液压泵、齿轮齿条式转向器、转向控制阀、电控单元等集成在一起的一种转向技术。这种转向技术主动安全性好，通过少的能源消耗，少的能量供应以及减少液压系统的流量实现保护环境的目的。

本次设计的电控液压动力转向系统是由直流电动机带动电动泵工作，可根据转向需求提供不同的转向力，满足汽车对转向系统的要求，在发动机怠速时，电动泵提供较大的流量，而在高速时，按转向要求，使其流量有所下降，亦即在低速行驶时，驾驶员需较小的转向操纵力就能灵活的进行转向，而在高速转向时，使操纵力逐渐增大，优化了转向操纵，提高了驾驶员舒适性和转向灵活性，又克服了转向“发飘”的感觉，使驾驶员操纵时有显著的“路感”，保证在高速行驶时的稳定性和安全感。

通过多方面查找资料、亲自调研、询问老师等并结合汽车电控液压动力转向系统的设计要求，先后完成了以下工作：详细论述了汽车转向技术现状与发展趋势、汽车电控液压动力转向系统的组成及功用，确定动力转向系统的设计方案，因为要达到变助力转向的目的，所以采用电动油泵式电控液压动力转向系统，通过控制电动机转速，从而控制泵油量，最终达到变助力转向。综合考虑转向轻便性、转向灵敏性，所以选择电磁阀作为控制转向阀，电子控制单元根据车速信号和转向盘转角信号控制电磁阀阀针的开闭，从而控制液压油流向，以控制是否助力。根据液压缸的工作载荷所计算出的压力和流量，由此选择单活塞杆双作用车辆用液压缸，根据计算得出的油泵的最大供油量和额定压力选择中低压定量叶片泵，根据油泵的压力和流量计算出驱动油泵所用的电动机的功率，由此选用直流调速电机自通风式他励自流电动机驱动液压泵。根据换向阀的结构，以及其工作原理满足转向时的换向迅速、灵敏等要求，选择三位四通O型滑阀机能的电磁换向阀。电磁铁采用干式直流电磁铁。此种换向阀换向时间短，使用寿命长，价格便宜，制造维修方便。

本设计还介绍了目前常用的电控动力转向系统的改变助力大小的方法，及变助力的过程，同时叙述了转向系统的发展趋势，从而使汽车转向系统完全符合转向灵敏性、轻便性等要求。

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内容简介：: 黑龙江工程学院本科生毕业设计摘要电控液压动力转向系统可解决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。本次设计主要完成电控液压动力转向系统的液压部分和机械部分的设计。在设计中将车速信号和转向盘角速度信号引入液压转向系统，电子控制单元根据车速传感器和转向盘转角传感器检测的车速信号和转向信号，计算出电动机的对应的转速，对电动机转速进行控制，电动机驱动油泵,控制电动机转速从而控制油泵的泵油量，改变助力的大小。文中一开始阐述了电控液压动力转向系统设计的目的和意义、发展状况以及应用前景。接着分析论述了总体设计方案，进行了液压动力系统、机械转向器等主要部件的方案分析和选择。关键词:动力转向；液压动力转向；助力转向；可变助力特性；电控液压动力转向；黑龙江工程学院本科生毕业设计IABSTRACTElectronically controlled hydraulic power steering system(EPHS) to solve the car and light sensitivity of the contradictions so that the driver in the car at low speed on a larger power, high-speed movements were strong sense of direction.The main design completed electronically controlled hydraulic power steering system of hydraulic and mechanical parts of the designation.In this designation, speed signals and Zhuanxiang Pan angular velocity signal are introduced to the hydraulic steering system. According to the detected speed signal and the corner signal of Zhuanxiang Pan,electronic control units detect speed signals and the corner signal of Zhuanxiang Pan by the speed sensor type of assistance, and then calculate the corresponding rotational of motor,and control the rotational speed of motor,then control the oil flow of pump,in order to meet therequirements to light the requirements of handling and stability .When expounded the start of a hydraulic power steering electronic control system design the purpose and significance of the development situation and prospects. And then analysis and choice its hydraulic power systems, mechanical steering gear and other major components of the programme.Keyword: Power Steering;Hydraulic Power Steering; Auxiliary Force; VariablePower Characteristics; Electronically Controlled Hydraulic Power steering黑龙江工程学院本科生毕业设计目录摘要 IABSTRACT II第 1 章绪论 11.1 研究本课题的目的和意义11.2 汽车转向技术现状与发展趋势11.2.1 机械转向系统11.2.2 液压动力转向系统21.2.3 电控液压动力转向系统21.2.4 电动助力转向系统21.2.5 线控转向系统31.3 汽车电控液压动力转向系统组成、31.4 汽车电子控制转向技术的发展概况与前景41.4.1 电子控制动力转向系统的发展概况41.4.2 电子控制动力转向系统的发展趋势61.5 本次设计的主要内容7第 2 章动力转向系统的设计方案分析 82.1 动力转向系统82.2 液压动力转向系统82.3 电控动力转向系统112.3.1 液压式电子控制动力转向系统122.3.2 电动式电子控制动力转向系统122.4 动力转向系统设计方案分析122.5 本章小结14第 3 章液压动力系统的设计153.1 动力缸的类型及安装方式153.2 动力缸的主要零件的结构和材料153.3 动力缸的密封装置16黑龙江工程学院本科生毕业设计3.4 动力缸的缓冲装置163.5 动力缸的设计计算163.5.1 动力缸的主要几何尺寸的计算和选型163.5.2 动力缸的结构参数的计算选型183.5.3 动力缸的性能参数的计算203.5.4 动力缸油口直径的计算 21d3.5.5 缸底厚度的计算 21h3.5.6 活塞杆直径的强度校核213.6 油泵的计算与选型223.6.1 油泵的最高供油压力的计算22pp3.6.2 油泵最大供油量的计算 22pq3.6.3 油泵的选型233.6.4 与油泵匹配的电动机的计算选择233.7 油箱与油管的计算与选型233.7.1 油箱容积的计算23V3.7.2 油管内径的计算 24d3.8 换向阀的选型243.8.1 换向阀243.8.2 滑阀式换向阀243.8.3 换向机能253.8.4 滑阀机能253.8.5 直流电磁铁和交流电磁铁273.8.6 干式、油浸式、湿式电磁铁273.9 电控动力转向系统所用传感器的选择283.9.1 车速传感器253.9.2 转角传感器253.10 本章小结26第 4 章机械转向器方案分析与设计计算274.1 机械转向器方案分析274.1.1 齿轮齿条式转向器27黑龙江工程学院本科生毕业设计4.1.2 循环球式转向器294.1.3 蜗杆滚轮式转向器314.1.4 蜗杆指销式转向器314.1.5 机械转向器的确定344.2 齿轮齿条式转向器设计与计算314.2.1 选择齿轮齿条材料及精度等级324.2.2 主要尺寸计算334.2.3 齿轮强度校核344.2.4 齿条的设计计算364.3 本章小结36第 5 章电控动力转向系统的变助力方法分析375.1 液压式电子控制动力转向系统375.1.1 流量控制式 EPS375.1.2 反力控制式 EPS385.1.3 阀灵敏度控制式 EPS385.2 电动式电子控制动力转向系统385.3 本章小结38结论40参考文献42致谢43黑龙江工程学院本科生毕业设计0第 1 章绪论1.1 研究本课题的目的和意义汽车转向系统是用来改变汽车行驶方向的专设机构的总称。其功用是保证汽车能按驾驶员的意愿进行直线或转向行驶。本设计根据汽车转向系统的工作过程和工作要求，设计一套汽车电控液压动力转向系统，此电动助力转向系统采用电动机带动油泵，根据车速信号、转向盘转速信号控制转向油泵的泵油量，达到变助力的转向。本设计所设计的汽车电控液压动力转向系统，可以为汽车设计研制一种助力转向系统提供一种途径，对生产实际具有一定的实用价值和应用前景。1.2 汽车转向技术现状与发展趋势目前我国生产的商用车和轿车上采用的大多是电控液压动力转向系统，它是比较成熟和应用广泛的转向系统。尽管电控液压动力装置从一定程度上缓解了传统的液压转向中轻便性和路感之间的矛盾，然而它还是没有从根本上解决液压动力转向系统存在的不足，随着汽车微电子技术的发展，汽车燃油节能的要求以及全球性倡导环保，其在布置，安装，密封性，操纵灵敏度，能量消耗，磨损与噪声等方面的不足已越来越明显，转向系统向着电动助力转向系统发展。汽车驾驶员通过转向系统来控制汽车的运动方向，转向系统设计的好坏直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶的舒适性。转向系统根据转向动力的来源可分为机械转向系统和动力转向系统。动力转向系统又分为液压动力转向系统、电控液压动力转向系统、电动助力转向系统、线控转向系统。1.2.1 机械转向系统机械转向系统的转向力全部来自驾驶员的手力。机械转向系统结构简单，性能可靠，但转向盘操纵费力。另外，为解决机械转向系统“轻”和“灵”的问题，转向器还常设计成可变速比。在转向盘小转角度范围内，速比小，解决转向灵活性的问题；在转向盘大转角范围内，速比大，解决转向轻便性的问题。黑龙江工程学院本科生毕业设计11.2.2 液压动力转向系统液压动力转向系统（ Hydraulic Power Steering System-HPS）一般由储液罐、油泵、油管、转向控制阀、助力油缸及机械转向系统组件等组成，转向控制阀有滑阀式和转阀式两种结构。转向控制阀根据转向盘转动方向和力矩大小控制通向助力油缸的油压大小，从而控制助力大小。虽然液压转向系统可提供转向助力，但却存在很多缺点：油泵由发动机驱动，持续工作，能量消耗多；液压油泄漏、橡胶管污染环境；助力特性与控制阀结构有关，系统一旦定型，助力特性便不能改变；助力和车速无关，不能协调转向轻便性和路感的矛盾；系统元件较多，所占空间大；低温助力性能不好。1.2.3 电控液压动力转向系统随着人们对汽车经济性、环保性、安全性的日益重视以及小排量轿车的发展，人们开始对液压动力转向系统存在的不足进行改进，并开发出一些新型电控液压动力转向系（Electric Hydraulic Power Steering-EHPS），其主要改进措施是将车速信号引入液压转向系统，得到车速感应型助力特性，并增加了控制器和执行机构。控制器根据车速信号改变电液转换装置的助力特性，助力较小，以满足路感和操纵稳定性的要求。电控液压动力转向系统虽然实现了车速感应型助但由于仍然采用液压系统，液压系统本身的缺点依然难以克服，同时在液压系统的基础上增加了传感器和控制器，使整个系统成本增加。1.2.4 电动助力转向系统电动助力转向系统（Electric Power Steering System-EPS）是一种新型的、很有发展前途的动力转向系统。电动助力转向系统完全取消了液压组件，整个系统由转向盘转矩传感器、车速传感器、控制器、助力电机及其减速机构等组成。其基本工作原理是：驾驶员转动转向盘时，转矩传感器检测转向盘上的转矩大小和方向，控制器根据转向盘转矩的大小进行助力控制。转向盘转矩越大，助力电机提供的助力转矩也越大，从而解决了转向轻便性的问题。同时，控制器根据车速的高低来控制路感。车速变高时，控制助力适当减少，从而保证了高速转向时驾驶员有合适的路感，提高了驾驶的安全性和稳定性。另外，为综合改善汽车转向系统的性能，有的电动助力转向系统还进行阻尼控制和回正控制。与液压动力转向系统和电控液压动力转向系统相比，电动助力转向系统具有很多优点：（1）可获得优化的助力特性，转向轻便，路感好，提高了操纵稳定性；黑龙江工程学院本科生毕业设计2（2）EPS 助力特性通过软件设置和修改，可以快速与车型匹配；（3）EPS 只在转向时电机才提供助力，可节能3%5；（4）结构紧凑，便于模块化安装；（5）对环境无污染；（6）低温工作性能好。1.2.5 线控转向系统线控转向系统（Steering by Wire-SBW）是更新一代的汽车电子转向系统，线控转向系统与上述各类转向系统的根本区别就是取消了转向盘和转向轮之间的机械连接（也称柔性转向系统）。线控转向系统的主要优点：（1）线控转向系统能消除转向干涉问题，为实现多功能全方位的自动控制，并为汽车动态控制系统和汽车平顺性控制系统的集成控制提供了先决条件；（2）由于转向盘和转向轮之间是柔性连接，使转向系统在汽车上的布置更加灵活，转向盘的位置可以方便地布置在需要的位置；（3）舒适性得到提高。在刚性转向系统中，路面不平和转向轮的不平衡引起的冲击负荷会传递到转向盘，而线控转向系统没有这样的问题；（4）转向的回正力矩和转向传动比能通过软件进行调整。因此，可以使转向系统对任何目标和环境进行调整，而不需要对系统进行重新设计；（5）消除了撞车事故中转向柱后移伤害驾驶员的可能性，不必设置转向防伤机构；1.3 汽车电控液压动力转向系统组成电控液压转向动力系统克服了传统的液压转向助力系统的缺点。它所采用的液压泵不再靠发动机皮带直接驱动，而是采用一个电动泵，它所有的工作的状态都是由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态。简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动电子液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向盘省力；汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动电子液压泵以较低的速度运转，在不至于影响高速打转向的需要的同时，节省一部分发动机功率。动力转向系统兼用驾驶员体力和发动机（或电动机）的动力为转向能源的转向系统，它是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的。其中属于转向加力装置的部件是：转向油泵 5、转向油管 4、转向油罐 6 以及位于整体式转向器 10 内黑龙江工程学院本科生毕业设计3部的转向控制阀及转向动力缸等。当驾驶员转动转向盘 1 时，转向摇臂 9 摆动，通过转向直拉杆 8、转向节臂 7，使转向轮偏转，从而改变汽车的行使方向。1.方向盘 2.转向轴 3.转向中间轴 4.转向油管 5.转向油泵 6.转向油罐 7.转向节臂 8.转向横拉杆 9.转向摇臂 10.整体式转向器 11.转向直拉杆 12.转向减振器图 1.1 动力转向系统示意图与此同时，转向器输入轴还带动转向器内部的转向控制阀转动，使转向动力缸产生液压作用力，帮助驾驶员转向操纵。1.4 汽车电子控制转向技术的发展概况与前景随着电子技术的迅速发展，电子技术在汽车上的应用范围不断扩大。汽车转向系统已从简单的纯机械式转向系统、液压动力转向系统（Hydraulic Power Steering，简称 HPS）、电动液压助力转向系统（Electric Hydraulic Power Steering，简称 EHPS）发展到如今的更为节能及操纵性能更为优越的电动助力转向系统（Electrical Power Steering，简称 EPS）。EHPS 和 EPS 等助力系统在汽车上的采用，改善了汽车转向力的控制特性，降低了驾驶员的转向负担，然而汽车转向系统始终处于机械传动阶段，由于转向传动比固定，汽车转向特性随车速变化进行一定的操作补偿，从而控制汽车按其意愿行驶。如果转向盘与转向轮通过控制信号连接，即采用电子转向系统，转向盘转角和汽车前轮转角之间关系（汽车转向的角传递特性）的设计就可以得到改善，从而降低驾驶员的操纵负担，改善人车闭环系统性能。黑龙江工程学院本科生毕业设计41.4.1 电子控制动力转向系统的发展概况自 1953 年通用汽车公司在凯迪拉克和别克轿车上首次批量使用液压动力转向系统以来，液压动力转向系统给汽车的发展带来了巨大的变化，使驾驶员的转向操纵力大大降低，转向的灵敏性得到了提高。随着生产技术的发展，动力转向系统在体积、价格和所消耗的功率等方面都取得了惊人的进步。在 20 世纪 80 年代后期，又开发了变减速比、电控液压动力转向系统。但是动力转向系统的技术革新都是基于液压动力转向系统的，无法消除 HPS 系统在布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面的缺陷。直到 1988 年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，才真正摆脱了液压动力转向系统的束缚。此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。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 公司，英国的 Lueas 公司，德国的 ZF 公司，都研制出了各自的 EPS。如大发汽车公司在其 Mira 车上装备了 EPS，三菱汽车公司在其 Minica 车上装备了 EPS，本田汽车公司在 Accord 车上装备了 EPS。Delphi 公司已经为大众的 Polo、菲亚特 Punto开发出 EPS2。本田还在其 AcuraNXS 赛车上装备了 EPS3。 EPS 的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期开发的 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 则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。如日本铃木公司装备在 WagonR+车上的 EPS 是一个负载-路面-车速感应型助力转向系统4。由 Delphi 公司为 Funte 车开发的 EPS 为全范围助力型，并且设置了两个开关，其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。当车速大于 70km/h 后，这两种开关设置的程序则是一样的，以保证汽车在高速时有合适的路感，这样即使汽车行驶到高速公路时驾驶员忘记切换开关也不会发生危险。市区型开关还与油门有关，使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更平滑。随着电子技术的发展，EPS 技术日趋完善，并且其成本大幅度降低，为此其应用范围将越来越大。早在 20 世纪 60 年代末，德国 Kasselmann 等试图将转向盘与转向车轮之间通过导线连接（即电子转向系统），但由于当时电子和控制技术的制约，电子转向系统一直无法在实车上实现。奔驰公司于 1990 年开始了前轮电子转向系统的深入研发，并将其开发的电子转向系统应用于概念车 F400Carving 上。世界其他各大汽车厂家、研发机构（包括 Daimler-Chrysler、宝马、ZF、DELPHI、TRW 等）以及日本的光洋（Koyo）精工技术研究所、日本国立大学、本田汽车公司等也先后对汽车电子转向黑龙江工程学院本科生毕业设计5系统做了深入研究。目前许多汽车公司开发了自己的电子转向系统，一些国际著名汽车生产商已在其概念车上安装了该系统。目前由于汽车供电系统的因素，转向电动机难以提供较大功率，现阶段电子转向系统的研究以及近期的应用对象主要针对轿车。要在重型载货汽车上应用，还必须采用液压执行机构。随着蓄电池技术的发展和 42V 电子设备在汽车上的应用，全电子转向系统将应用到中型和重型车上。目前，42V 电源已经在一些概念车上得到应用，通用的“自主魔力”和 Bertone 的“FILO”都采用了 42V 电源。国内动力转向器目前还处于机械液压动力转向阶段，对于电动助力转向系统，清华大学、北京理工大学、华南理工大学等高校开展了系统结构方案设计和系统建模及动力分析等研究，但目前还没有实用的电动助力转向系统和电子转向系统。1.4.2 电子控制动力转向系统的发展趋势电动助力转向系统经过十几年的发展，在降低自重、减少生产成本，控制系统发热、电流消耗、内部摩擦，整车进行匹配获得合理的助力特性以及保证良好的路感方面取得了重大进步。电动助力转向系统在操纵舒适性和安全性、节能等方面充分显示了其优越性，如今已在轻型车和轿车上得到应用并具有良好的工作性能。随着直流电机性能的改进，其应用范围将越来越广。据 TRW 公司预测，到 2010 年，全世界生产的每 3 辆轿车中就有 1 辆装备 EPS，特别是低排放汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车、电动汽车将构成未来汽车发展的主体，这给电子控制转向系统带来了更加广阔的应用前景。尽管目前在欧洲汽车法规中要求驾驶员与转向车轮之间必须有机械连接，电子转向系统还不允许在欧洲上市。但只要生产商能够有足够的证据表明电子转向系统的安全可靠性，它得到上市许可还是完全可能的。电子控制转向系统的最终发展趋势在以下几个方面。1、改善控制系统性能、减小控制单元和驱动单元的体积及降低控制系统的制造成本，使之更好地与不同档次汽车相适应。如改进电动机控制技术，消除由于电动机惯性大、摩擦力所带来的转向路感不足等缺点，使电动助力转向系统也能应用于重型载货汽车上。2、实现电动助力转向系统控制单元与汽车上其他控制单元的通讯联系，以实现整车电子控制系统一体化。 3、将根据车速、转矩、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。4、提高系统的可靠性。这应从提高系统各部件的可靠性入手，如采用非接触式黑龙江工程学院本科生毕业设计6转矩传感器。5、提高系统的安全性。采用取消转向盘的 SBWS 系统后，驾驶室有更大的空间用于布置被动安全部件，减少了危险发生时对乘员的伤害。电动转向技术由于其技术先进，性能优越，未来必将取代其他动力转向技术，成为动力转向技术的主流。线控动力转向系统将是动力转向系统的发展方向，是未来汽车对安全性、操纵稳定性和舒适性的更高要求，有着很好的发展前景。当然，在汽车迈向全面线控转向之前，电动转向系统是“中站”，是第一步，当汽车装有电动转向系统时，其中的转向电动机将接受一系列传感器信号，例如转向控制、动态稳定控制等，最后机械的部分一个一个消失，逐渐变成了全面线控转向。1.5 本次设计的主要内容本设计主要内容是对汽车电控液压动力转向系统的液压部分和机械部分进行设计，首先确定液压动力转向系统的组成与系统设计方案，然后进行液压动力系统的设计计算与液压元件的计算选型再进行齿轮齿条转向器的设计计算。并对车速传感器，转向盘转角传感器、电动机等部件计算选型。同时用总布置草图表达主要部件的装配和重要工作装置的布置；最后通过正确的计算，完成部件设计选型，达到工艺合理、加工容易、成本低、可靠性高的设计要求，并附之以总装配图、零件图，清楚表达设计。黑龙江工程学院本科生毕业设计7第 2 章液压动力转向系统的设计方案2.1 动力转向系统汽车转向系统可按转向的能源不同分为机械转向系统和动力转向系统两类（见图 2.1）。机械转向系统是依靠驾驶员操纵转向盘的转向力来实现车轮转向；动力转向系统则是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机产生的液体压力或电动机驱动力来实现车轮转向。所以动力转向系统也称为转向动力放大装置。动力转向系统由于使转向操纵灵活、轻便，在设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大，能吸收路面对前轮产生的冲击等优点，因此已在各国的汽车制造中普遍采用。图 2.1 转向系统的分类2.2 液压动力转向系统液压动力转向系统是在机械式转向系统的基础上加一套动力转向装置而成的，一般组成如图2.2所示。汽车转向系统机械式转向系统动力转向系统电子伺服转向循环球式齿轮齿条式液压动力转向电控动力转向电控液压动力转向（EPHS）电动助力转向(EPS)黑龙江工程学院本科生毕业设计8l.转向操纵机构 2.转向控制阀 3.机械转向器与转向动力缸总成 4.转向传动结构 5.转向油罐6.转向油泵 R.转向动力缸右腔 L.转向动力缸左腔图2.2 液压动力转向系统示意图当汽车直线行驶时，转向控制阀将转向液压泵泵出来的工作液与油罐接通，转向液压泵处于卸荷状态，动力转向器不起助力作用。汽车向右转向时，驾驶员向右转动转向盘，转向控制阀将转向液压泵泵出来的工作液与 R 腔接通，将 L 腔与油罐接通，在油压的作用下，活塞向下移动，通过转向传动机构 4 使左、右轮向右偏转，从而实现右转向，向左转向时，情况与上述相反。液压动力转向系统按系统内部的压力状态分，有常压式和常流式两种。常压式液压动力转向系示意图见图 2.3。在汽车直线行使，转向盘保持中立位置时，转向控制阀经常处于关闭位置。转向油泵输出的压力油充入储能器。当储能器压力增长到规定值后，油泵即自动卸荷空转，从而储能器压力压力得以限制在该规定值以下。当转动转向盘时，机械转向器即通过转向摇臂等杆件使转向控制阀转入开启位置。此时储能器中的压力油即流入转向动力缸。动力缸输出的液压作用力，作用在转向传动机构上，以助机械转向器输出力之不足。转向盘一停止运动，转向控制阀便随之回复到关闭位置。于是，转向加力作用终止。由此可见，无论转向盘处于中立位置还是转向位置，也无论转向盘保持静止还是运动状态，该系统工作管路中总是保持高压。黑龙江工程学院本科生毕业设计9图 2.3 常压式液压动力转向系统示意图常流式液压动力转向系统示意图见图 2.4。不转向时，转向控制阀保持开启。转向动力缸的活塞两边的工作腔，由于都与低压回油管路相通而不起作用。转向油泵输出的油液流入转向控制阀，又由此流回转向油罐。因转向控制阀的节流阻力很小，故油泵输出压力也很低，油泵实际上处于空转状态。当驾驶员转动转向盘，通过机械转向器使转向控制阀处于与某一转弯方向相应的工作位置时，转向动力缸的相应工作腔方与回路管路隔绝，转而与油泵输出管路相通，而动力缸的另一腔则仍然通回油管路。地面转向阻力竟转向传动机构传动转向动力缸的推杆和活塞上，形成比转向控制阀节流阻力高得多的油泵输出管路阻力。于是转向油泵输出压力急剧升高，直到足以推动转向动力缸活塞为止。转向盘停止转动后，转向控制阀随即回复到中立位置，使动力缸停止工作。图 2.4 常流式液压动力转向系统示意图黑龙江工程学院本科生毕业设计10上述两种液压动力转向系统相比较，常压式的优点在于有储能器积蓄液压能，可以使用流量较小的转向油泵，而且还可以在油泵不运转的情况下保持一定的转向加力能力，使汽车有可能续驶一定距离。这一点对重型汽车而言尤为重要。常流式的优点则是结构简单，油泵寿命长，泄漏较少，消耗功率也较少。因此，目前只有少数重型汽车采用常压式液压动力转向系统，而常流式液压动力转向系统则广泛应用于各种汽车。2.3 电控动力转向系统电子控制技术在汽车动力转向系统的应用，使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。电子控制动力转向系统在低速行驶时可使转向轻便、灵活；当汽车在中高速区域转向时，又能保证提供最优的动力放大倍率和稳定的转向手感，从而提高了高速行驶的操纵稳定性。电子控制动力转向系统（简称 EPS-Electronic Control Power Steering），根据动力源不同又可分为液压式电子控制动力转向系统（液压式 EPS）和电动式电子控制动力转向系统（电动式 EPS）。2.3.1 液压式电子控制动力转向系统液压式 EPS 是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元等，电子控制单元根据检测到的车速信号，控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求。根据控制方式的不同，液压式电子控制动力转向系统又可分为流量控制式、反力控制式和阀灵敏度控制式三种形式。2.3.2 电动式电子控制动力转向系统液压式动力转向系统由于工作压力和工作灵敏度较高，外廓尺寸较小，因而获得了广泛的应用。在采用气压制动或空气悬架的大型车辆上，也有采用气压动力转向的。但这类动力转向系统的共同缺点是结构复杂、消耗功率大，容易产生泄漏，转向力不易有效控制等。近年来随着微机在汽车上的广泛应用，出现了电动式电子控制动力转向系统，简称电动式 EPS。电动式 EPS 是利用直流电动机作为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速等信号，控制电动机扭矩的大小和方向。电动机的扭矩由电磁离合器通过减速机构减速增扭后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。黑龙江工程学院本科生毕业设计112.4 动力转向系统设计方案分析电子控制动力转向系统能减轻低速行驶时驾驶员转向操纵力，提高车辆高速行驶时的稳定性，同时又提高了燃油经济性，与液压动力转向系统相比，电控动力转向系统可节油3-4。传统的液压动力转向系统由于由发动机带动转向油泵，不管在不转向或转向时都要消耗发动机部分动力，浪费能源，所以本设计采用电动油泵式电控液压动力转向系统，即在转向时由电动机泵驱动油泵，在汽车不转向时不消耗动力，因此能节约能源。其次，一般液压动力转向所使用的转向油泵的流量是根据发动机怠速时能使动力转向系统产生足够的转向速度所需的供应量来确定，当提高发动机转速时其供油量也不断增加，但由于动力转向系统要求转向油泵的流量如图2.5所示货车用转向泵流量特性曲线轿车用转向泵流量特性曲线流量（L/r）转速（r/min）图2.5转向泵流量特性曲线图亦即要求随着发动机转速的提高所要求转向油泵的流量保持不变或下降。因此，在高速时转向油泵内大部分泵流量通过溢流阀返回，在转向油泵内循环，造成转向油泵发热，更重要是造成能源浪费，不符合汽车节能要求。因此本设计采用电控液压动力转向系统。电控液压动力转向系统由车速传感器、转角传感器、控制单元、油泵、直流电动机、电磁阀、动力缸、齿轮和齿条等组成。其中直流电动机、油泵和储油罐制成一体称为电动油泵总成。本次设计采用直流电机驱动油泵，电子控制单元根据车速信号和转向盘转角信号，控制电磁阀的开闭状态和电动机的转速，决定是否助力和助力的大小。车速低、转向黑龙江工程学院本科生毕业设计12角度大时油泵泵油量大，油压高，转向省力；车速高、转向角速度小时，油泵泵油量小，油压低，转向安全性高，不发飘。工作原理图见图2.6。车速传感器方向盘转角传感器蓄电池电动机齿条控制单元储油罐数据线电源线低压回油管高压进油管液压泵电磁阀图2.6 电控液压动力转向系统工作原理图采用此种方案时用于转向系统的助力大小是可变的。当车辆在一定的车速范围内（车速较低）行驶或者停止时，转向助力较大，转动转向盘比较轻松；车辆高速行驶时，转向助力较小，转动转向盘比较费力，安全性能提高，同时还可以减少燃料消耗。并且用电动机驱动液压泵，减少助力系统工作时对发动机转速直接的机械干涉。2.5 本章小结本章介绍动力转向系统的组成和分类，详细介绍了电控动力转向系统的分类，其包括液压式电子控制动力转向系统和电动式动力转向系统，详细说明本次设计的液压式电子控制动力转向系统。并确定了动力转向系统的设计方案，阐述了其组成部分，并以框图的形式描述了电控液压动力转向系统的工作原理。即电子控制单元根据车速信号和转向盘转角信号，控制电磁阀阀针的开闭，从而控制是否实行助力转向；控制单元根据不同信号，计算出液压泵电动机对应的转速，对液压泵电动机转速进行控制，进而控制泵的流量，也就控制了在不同工况下转向助力的大小。黑龙江工程学院本科生毕业设计13第 3 章液压动力系统的设计汽车电控液压动力转向系统主要由动力转向器和液压系统组成，液压系统所采用的油泵、油缸、液压阀等液压系统元件均为高度标准化、系列化与通用化且由专业化液压件厂集中生产供应；因此在设计中只需要进行液压元件计算选型。其主要内容包括动力缸的直径与行程、液压泵工作压力、流量、以及各种相关控制阀的选型等。3.1 动力缸的类型根据液压设计手册和工作要求。本次设计选择单杆双作用活塞式液压缸。3.2 动力缸的主要零件的结构和材料（1）缸体的材料动力缸缸体的常用材料为 20、35、45 号无缝钢管。因 20 号钢的力学性能略低，且不能调质，应用较少。当缸筒与缸底、缸头、管接头或耳轴等件需焊接时，则应采用焊接性能较好地 35 钢，粗加工后调质。一般情况下，工作压力时使用铸铁，在时使用无5100 10pPa5200 10pPa缝钢管，在时使用铸钢或锻钢。因此本次设计中缸体材料选择铸铁5200 10pPaHT200。（2）缸盖的材料动力缸的缸盖可选用 35、45 号锻缸或 ZG25、ZG45 铸缸或HT200、HT300、HT350 铸铁等材料。本设计中缸盖本身是活塞杆的导向套，所以缸盖材料选用铸铁 HT200。（3）缸体端部联接型式采用法兰联接，该结构简单、加工与拆卸方便，应用广泛。（4）活塞的材料活塞常用材料为耐磨铸铁、灰铸铁、钢及铝合金等。本设计中活塞材料选择铸铁HT200。（5）活塞与缸体的密封结构活塞与缸体之间既有相对运动又需要使动力缸两腔之间不漏油，因此在结构上应黑龙江工程学院本科生毕业设计14慎重考虑。本设计中采用活塞环密封。3.3 动力缸的密封装置本设计采用 O 形密封圈密封，用橡胶和塑料制成的密封圈有各种不同的端面形式，密封圈用在缸筒和活塞之间、缸盖和活塞杆之间、活塞和活塞杆之间、缸筒和缸盖之间，以防止泄漏。它结构简单，制造容易，磨损后有自动补偿能力，性能可靠。在工作时，活塞杆要外伸出动力缸，很容易把赃物带入动力缸，使油液受污染，使密封件磨损，因此常需要在活塞杆密封处增添防尘圈，并放在向着活塞杆外伸的一段。3.4 动力缸的缓冲装置动力缸中缓冲装置的工作原理，是利用活塞或缸筒在其走向行程终端时在活塞和缸筒之间封住一部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出，产生很大的阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度，达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。本设计采用锥形恒节流面积的缓冲装置。3.5 动力缸的设计计算动力缸是液压系统执行元件。通常油缸分为活塞式和浮拄式两类。活塞式均为单向作用，其缸体长度大而伸缩长度小、使用油压低（一般不超过）。浮拄式14MPa为多级伸缩式油缸，一般有个伸缩节，其结构紧凑，并具有短而粗、伸缩长度25大、使用油压高（可达）,易于安装布置等优点。浮拄式油缸又分为单向作用35MPa式与双向作用式。 3.5.1 动力缸的主要几何尺寸的计算和选型 1、初选动力缸的工作压力动力缸是液压系统执行元件。工作压力是确定执行元件结构参数的主要依据。它的大小影响执行元件的尺寸和成本，乃至整个系统的性能，工作压力选得高，执行元件和系统的结构紧凑，但对元件的强度，刚度及密封要求高，且要采用较高压力的液压泵。反之，如果工作压力选得低，就会增大执行元件及整个系统的尺寸，使结构变得庞大，所以应根据实际情况选取适当的工作压力，执行元件工作压力可以根据总负载值选取，见表 3.2。表 3.2 按负载选择执行元件的工作压力负载 (kN)50黑龙江工程学院本科生毕业设计15工作压力(MPa)0.81.21.52.53.04.04.05.05.0根据负载由表 3.2 选取动力缸的工作压力。MPaP0 . 12、动力缸的主要几何尺寸的计算动力缸的主要几何尺寸，包括动力缸的内径、活塞杆直径和动力缸行程等。Dds(1)动力缸内径和活塞杆直径的计算Dd动力缸的计算主要依据所需的最大作用力以及最大工作行程来确定的。根据maxF液压系统中动力缸的工作特点，则：42maxdpF pFdmax4（3.1）式中：系统效率，通常按；8 . 0液压系统额定工作压力（MPa），p由式（3.1）可知：mmpFD9 .398 . 0100 . 114. 31000446max根据液压设计手册，将动力缸内径圆整为标准系列直径;40Dmm活塞杆直径；将活塞杆直径圆整为标准系列直径.0.5522.4dDmm25dmm对有低速运动要求的系统，需对动力缸缸有效工作面积进行验算，即应保证 minminvqA （3.2）黑龙江工程学院本科生毕业设计16式中：A动力缸工作腔的有效工作面积；minq控制动力缸速度的流量阀最小稳定流量，从液压阀产品样本上查得；minv动力缸要求达到的最低工作速度。 322minmin0.05 10510qAcmcmv（3.3）动力缸工作腔的有效工作面积222222()(42.5 )7.6544ADdcmcm可见上述不等式满足，动力缸能达到所需低速。(2)动力缸行程和活塞宽度的计算sB根据液压元件选用手册和转向器工作情况计算选择活塞最大行程100Lmm活塞宽度 (0.6B 1.0)0.6526DDmm则动力缸行程 10(0.5s 0.6)156DBLmm取为标准值 160smm(3)动力缸工作时所需流量的计算q223330.045/ min6.28 10/ min6.28 / min44qAvD vmmL(4)动力缸的选型根据上述计算的和值,参照液压元件及选用手册，选用双活塞杆双作用等速缸，Ld其型号为选用 CG250-25MPa40/25-160A10/02CGDMA。3.5.2 动力缸的结构参数的计算选型动力缸的结构参数，主要包括缸筒壁厚、缸体外径的计算等。1、缸筒壁厚的计算及外径强度的校核 2 yp D（3.4）式中动力缸缸筒壁厚（）；m黑龙江工程学院本科生毕业设计17 试验压力（），；ypMPa1.5ypp动力缸内径（）；Dm缸体材料的许用应力（）； MPa bn缸体材料的抗拉强度（）；bMPa安全系数，一般取。n5n 铸铁 60MPa由式（3.4）计算得动力缸缸筒壁厚 5mm当时，按下式校验强度，即0.08D0.3maxmax2 3pDP 63661.2 1040 10260 103 1 10 30.41 10 m式中缸体材料的许用应力，取 ()MPa 60MPa最高工作压力 maxp()Pa试验压力，工作压力时，yp()MPa16MPa1.5yLPP1LPMPa液压缸缸筒厚度 ( )m液压缸内径 D( )m外径强度满足设计要求黑龙江工程学院本科生毕业设计182、缸体外径的计算1D 12DD（3.5）式中缸体外径（）；则1Dm由式（3.5）计算得 1250DDmm3.5.3 动力缸的性能参数的计算主要包括动力缸的推力、油口直径、缸底厚度等。1、动力缸的输出力双杆活塞式动力缸的推（或拉）力 F 310 pAF（3.6）式中双杆活塞式动力缸推力（）;FKN工作压力（）;pMPa动力缸的作用面积（）A2m)(422dDA活塞直径（）；Dm活塞杆直径（）。dm由式（3.6）计算得 3223101(0.040.025 ) 100.7654Fp AKN 2、动力缸的输出速度双杆活塞式动力缸活塞缩入时的速度 60vqvA（3.7）式中双杆活塞动力缸的输出速度（）；v/ minm黑龙江工程学院本科生毕业设计19进入（或流出）动力缸的流量（）；vq3/ms活塞作用面积（）A2m22()4ADd活塞直径（）；Dm活塞杆直径（）。dm由式（3.7）计算得活塞的缩入速度 608.2/ minvqvmA3.5.4 动力缸油口直径的计算d0.13dD 30.13 40 108.2 536.66 10 m取7dmm式中动力缸油口直径 d()mm动力缸内径 D( )m动力缸最大输出速度 (min)m油口液流速度 ()m s3.5.5 缸底厚度的计算h0.443 yhDp30.443 40 101.5 1 6032.81 10 m式中缸底厚度 h( )m动力缸内径 D( )m试验压力 yp()MPa黑龙江工程学院本科生毕业设计20缸底材料的许用应力 ()MPa3.5.6 活塞杆直径的强度校核 214 Fdd （3.8）式中活塞杆直径（）；dm 动力缸负载（KN）；F 活塞杆材料许用应力，铸铁； 60MPa 空心活塞杆孔径，对实心杆。1d10d 由式（3.8）计算得 21142515 Fdmmdmm 活塞杆直径强度满足要求。3.6 油泵的计算与选型根据结构和原理的不同，油泵通常可分为齿轮泵、柱塞泵、叶片泵等。齿轮泵多为外啮合式，在相同体积下齿轮泵比柱塞泵流量大但油压低。柱塞泵最大特点是油压高（油压范围 1635MPa），且在最低转速下仍能产生全油压。叶片泵有单作用（变量泵）和双作用（定量泵）两大类，在液压系统中得到了广泛的应用。叶片泵输出流量均匀、脉动小、躁声小，但结构较复杂、吸油特性不太好、对油液中的污染也比较敏感。常用叶片泵为系列叶片泵。根据工况要求选择双作用叶片泵。YB3.6.1 油泵的最高供油压力的计算pp pppp1（3.9）式中：油泵最大工作压力；pp执行元件最大工作压力；1p进油管路中的压力损失，初算时可取，本设计取p0.20.5MPa0.5MPa黑龙江工程学院本科生毕业设计21MpaMPapppp5 . 7)5 . 00 . 7(1泵的额定压力应满足 nppnpp)6 . 125. 1 (在本设计中 MPapppn38. 925. 13.6.2 油泵最大供油量的计算pq max)( qKqLp（3.10）式中：油泵的最大流量；pq同时工作的各执行元件所需流量之和的最大值；max)( q系统泄漏系数，一般取，现取LK1 . 1LK1.32 . 1LKmin/54. 7min/28. 62 . 1)(maxLLqKqLp3.6.3 油泵的选型根据上述计算和的值，查阅液压元件及选用手册，选择型号的中pppq10YBD低压定量叶片泵该泵的基本参数为：每转排量，泵的额定压力，转速010/qml r10npMPa1000 / minHnr3.6.4 与油泵匹配的电动机的计算选择在整个工作循环中，泵的压力和流量在较多时间内皆达到最大工作值时，驱动泵的电动机功率为 pppqpP （3.11）式中：p油泵的总效率， 0.8p 9.38 7.541.470.8 60ppp qpkwkw 根据电动机选型及应用手册和电动机功率选择直流调速电机自通风式他231Z 黑龙江工程学院本科生毕业设计22励自流电动机该电机低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻、可靠性高、抗干扰能力强。3.7 油箱与油管的计算与选型3.7.1 油箱容积的计算V油箱容量与系统的流量有关，一般容量可取最大流量的 35 倍。取537.7pVqL根据液压设计手册油箱容积取标准值40VL3.7.2 油管内径的计算d由 3261046010Vdqp即： 103Vqdp（3.12）式中：油泵理论流量，(L/min)；pq 管路中油的流速；低压管路中油的流速。VsmV/1则：油管内径 mmd05.2610154. 73根据管路计算结果选用（HG4-406-66）一层钢丝编织低压胶管。液压油冬2030Q季选用 HJ-20 号机械油，夏季 HJ-30 号机械油。3.8 阀类元件的选型3.8.1 换向阀换向阀是利用阀芯和阀体间相对位置的不同来变换不同管路间的通断关系，实现接通、切断，或改变液流的方向的阀类。它的用途很广，种类也很多。对换向阀性能的主要要求是：黑龙江工程学院本科生毕业设计231）油液流经换向阀时的压力损失要小(一般 0.3MPa)；2）互不相通的油口间的泄漏小；3）换向可靠、迅速且平稳无冲击。换向阀按阀的结构形式、操纵方式、工作位置数和控制的通道数的不同，可分为各种不同的类型。按阀的结构形式有：滑阀式、转阀式、球阀式、锥阀式。按阀的操纵方式有：手动式、机动式、电磁式、液动式、电液动式、气动式。按阀的工作位置数和控制的通道数有：二位二通阀、二位三通阀、二位四通阀、三位四通阀、三位五通阀等。1、滑阀式换向阀阀的结构：阀体：有多级沉割槽的圆柱孔；阀芯：有多段环行槽的圆柱体。此种换向阀具有工作可靠、压力损失小、内泄漏小、换向时间与复位时间短、使用寿命长等优点，并且在本次设计中要求换向阀的换向时间短，压力损失小，从而使转向轻便、灵敏，所以按阀的结构形式选择滑阀式换向阀。其满足在不同工况下转向灵敏、迅速的工作要求。按控制方式换向阀分为电磁换向阀、液动换向阀、电液换向阀、机动换向阀、手动换向阀。其中电磁换向阀可以使操作轻便，容易实现自动化操作，应用广泛，并且阀灵敏度高，满足转向迅速的要求。电磁换向阀是利用电磁铁推力，推动阀心运动以控制液流方向的。由阀体、阀心、弹簧、电磁铁等组成。电磁换向阀只是采用电磁铁来操纵滑阀阀芯运动，而阀芯的结构及型式可以是各种各样的，所以电磁滑阀可以是二位二通、二位三通、二位四通、三位四通和三位五通等多种型式。3.8.2 溢流阀溢流阀是压力控制阀的一种，主要控制执行机构输出力或输出转矩的大小，并组确定液压泵及整个液压系统的工作负载，在过载时起到保护系统的作用。本设计根据系统压力和流量选用 DBDSGK10 直动式溢流阀，其压力范围：2.563Mpa;额定流量：330L/min;公称直径：630mm。直动式溢流阀制造精度要求不高，成本低，阻力小。动作比较灵敏，压力超调量较小，但达到稳定过程较长。3.8.3 节流阀节流阀是根据执行机构运动速度的要求供给所需的流量。且用以限定转向油泵的最大流量。黑龙江工程学院本科生毕业设计24本设计选用 MG6G1.2 节流阀。3.9 电控动力转向系统所用传感器的选择3.9.1 车速传感器车速传感器是通过检测变速器输出轴转速，向电子控制器提供汽车行驶速度电信号。常用的车速传感器有磁感应式、光电式、霍尔效应式、磁阻式等多种类型。其中霍尔效应式车速传感器应用广泛。本设计采用霍尔效应式车速传感器。3.9.2 转角传感器转角传感器是检测转向盘转动的角度和方向。常用转角传感器为光电式，磁电式两种。前者的成本低，但受温度与磨损影响易发生漂移、使用寿命较低，需要对制造精度和扭杆刚度进行折中。后者的体积小，精度高，抗干扰能力强、刚度相对较高，易实现绝对转角和角速度的测量。价格昂贵，制造维修复杂。因此本设计采用光电式转角传感器，安装于转向盘的转轴上，用于向电子控制单元输送转向盘的转动方向和转动角度信号。3.10 本章小结本章主要是进行动力转向系统的液压动力部分的设计，其中包括转向动力缸的选型、其主要零件的结构、材料的选择以及动力缸的设计计算、转向油泵的计算与选型、油箱与油管的计算设计以及各种控制阀、传感器的选择等。对活塞杆直径和缸筒壁厚的外径进行强度校核，校核后其强度满足要求。黑龙江工程学院本科生毕业设计25第 4 章机械转向器方案分析与设计计算机械式转向器应用比较多，根据它们的结构特点不同，可分为齿轮齿条式转向器、循环球式转向器、蜗杆滚轮式转向器和蜗杆指销式转向器等。4.1 机械转向器方案分析4.1.1 齿轮齿条式转向器齿轮齿条式转向器由与转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。与其它形式转向器比较，齿轮齿条式转向器最主要的优点是：结构简单、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后，利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧，可自动消除齿间间隙，如图4.1所示，这不仅可以提高转向系统的刚度，还可以防止工作时产生冲击和噪声；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。图4.1 自动消除间隙装置齿轮齿条式转向器的主要缺点是：因逆效率高(6070)，汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间的冲击力，大部分能传至转向盘，称之为反冲。反冲现象会使驾驶员精神紧张，并难以准确控制汽车行驶方向，转向盘突然转动又会造成打手，对驾驶员造成伤害。根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式：中间输入，黑龙江工程学院本科生毕业设计26两端输出(图4.2a)；侧面输入，两端输出(图4.2b)；侧面输入，中间输出(图4.2c)；侧面输入，一端输出(图4.2d)。图4.2 齿轮齿条转向器的四种形式采用侧面输入、中间输出方案时，由图4.3可见，与齿条固连的左、右拉杆延伸到接近汽车纵向对称平面附近。由于拉杆长度增加，车轮上、下跳动时拉杆摆角减小，有利于减少车轮上、下跳动时转向系与悬架系的运动干涉。拉杆与齿条用螺栓固定联接(图4.3)，因此，两拉杆与齿条同时向左或右移动，为此在转向器壳体上开有轴向方向的长槽，从而降低了它的强度。图 4.3 拉杆与齿条的联接采用两端输出方案时，由于转向拉杆长度受到限制，容易与悬架系统导向机构产生运动干涉。侧面输入、一端输出的齿轮齿条式转向器，常用在平头微型货车上。如果齿轮齿条式转向器采用直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合，则运转平稳性降低，冲击大，工作噪声增加。此外，齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角只能是直角，为此因黑龙江工程学院本科生毕业设计27与总体布置不适应而遭淘汰。采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条式转向器，重合度增加，运转平稳，冲击与工作噪声均下降，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满足总体设计的要求。齿条断面形状有圆形(图4.1)、V形(图4.4)和Y形(图4.5)三种。圆形断面齿条制作工艺比较简单。V形和Y形断面齿条与圆形断面比较，消耗的材料少，约节省20，故质量小；位于齿下面的两斜面与齿条托座接触，可用来防止齿条绕轴线转动；Y形断面齿条的齿宽可以做得宽些，因而强度得到增加；在齿条与托座之间通常装有用减摩材料(如聚四氟乙烯)做的垫片用来减少滑动摩擦。图 4.4 V 形断面齿条图 4.5 Y 形断面齿条齿轮齿条式转向器广泛应用于微型、普通级、中级和中高级轿车上，甚至在高级轿车上也有采用的。装载量不大、前轮采用独立悬架的货车和客车有些也用齿轮齿条式转向器。黑龙江工程学院本科生毕业设计284.1.2 循环球式转向器循环球式转向器由螺杆和螺母共同形成的螺旋槽内装有钢球构成的传动副，以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成，如图4.7所示。图 4.7 循环球式转向器循环球式转向器的优点是：在螺杆和螺母之间因为有可以循环流动的钢球，将滑动摩擦变为滚动摩擦，因而传动效率可达到7585；在结构和工艺上采取措施，包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度和螺杆、螺母上的螺旋槽经淬火和磨削加工，使之有足够的硬度和耐磨损性能，可保证有足够的使用寿命；转向器的传动比可以变化；工作平稳可靠；齿条和齿扇之间的间隙调整工作容易进行(图4.8)；适合用来做整体式动力转向器。图4.8循环球式转向器的间隙调整机构黑龙江工程学院本科生毕业设计29循环球式转向器的主要缺点是：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。循环球式转向器主要用于货车和客车上。4.1.3 蜗杆滚轮式转向器蜗杆滚轮式转向器由蜗杆和滚轮啮合而构成。其主要优点是：结构简单；制造容易；因为滚轮的齿面和蜗杆上的螺纹呈面接触，所以有比较高的强度，工作可靠，磨损小，寿命长；逆效率低。蜗杆滚轮式转向器的主要缺点是：正效率低；工作齿面磨损以后，调整啮合间隙比较困难；转向器的传动比不能变化。4.1.4 蜗杆指销式转向器蜗杆指销式转向器的销子若不能自转，称为固定销式蜗杆指销式转向器；销子除随同摇臂轴转动外，还能绕自身轴线转动的，称之为旋转销式转向器。根据销子数量不同，又有单销和双销之分。蜗杆指销式转向器的优点是：转向器的传动比可以做成不变的或者变化的；指销和蜗杆之间的工作面磨损后，调整间隙工作容易进行。固定销蜗杆指销式转向器的结构简单、制造容易。但是因销子不能自转，销子的工作部位基本保持不变，所以磨损快、工作效率低。旋转销式转向器的效率高、磨损慢，但结构复杂。要求摇臂轴有较大的转角时，应该采用双销式结构。双销式转向器在直线行驶区域附近，两个销子同时工作，可降低销子上的负荷，减少磨损。当一个销子脱离啮合状态时，另一个销子要承受全部作用力，而恰恰在此位置，作用力达到最大值，所以设计时要注意核算其强度。双销与单销蜗杆指销式转向器比较，结构复杂、尺寸和质量大，并且对两主销间的位置精度、蜗杆上螺纹槽的形状及尺寸精度等要求高。此外，传动比的变化特性和传动间隙特性的变化受限制。蜗杆指销式转向器应用较少。4.2 机械转向器方案确定综合上述各转向器的结构特点以及结合本次设计的要求，选择两端输出式齿轮齿条机械转向器作为动力转向器的一部分。其结构如图 4.9黑龙江工程学院本科生毕业设计30图 4.9 两端输出的齿轮齿条式转向器1.转向横拉杆 2.防尘套 3.球头座 4.转向齿条 5.转向器壳体 6.调整螺塞7.压紧弹簧 8.锁紧螺母 9.压块 10.万向节 11.转向齿轮轴 12.向心球轴承 13.滚针轴承4.3 齿轮齿条式转向器设计与计算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，齿轮螺旋020角取值范围多为。齿条齿数应根据转向轮达到最大偏转角时，相应的齿条移915动行程应达到的值来确定。变速比的齿条压力角，对现有结构在范围内变化。1235此外，设计时应验算齿轮的抗弯强度和接触强度。齿轮齿条式转向器的主动小齿轮可采用低碳合金钢如 20MnCr5、20MnCr4 或 15CrNi6(德国标准 DIN 17210)制造并经渗碳淬火；齿条可采用中碳钢或中碳合金钢如45 号钢或 41Cr4 钢(德国标准 DIN 17200)制造并经高频淬火，表面硬度均应在 HRC 56 以上。壳体常用铝合金压铸。4.3.1 选择齿轮齿条材料及精度等级根据齿轮传动手册选择齿轮材料为 20，渗碳淬火，硬度为 5863HRC；MnTiCr 选择 7 级精度。黑龙江工程学院本科生毕业设计314.3.2 主要尺寸计算齿数模数螺旋角和压力角1znm取， 17z 2nmmm1020端面模数: cos2/cos10/2.03tnmmmm 方向盘能转动圈17z 3.83213.8326.827zz端面压力角:/cos20.31tn（取）n20分度圆直径:11/cos14/cos1014.2ndm zmm齿顶高： *11()2aannnhhxmmm*1.0anh*22aannhhmmm齿根高： *11()1.252.5fannnnnhhcxmmmm*0.25nc *2()1.252.5fannnnhhcmmmm齿高： 1114.5afhhhmm 2224.5afhhhmm齿顶圆直径： 111214.22 218.2aaddhmm 齿根圆直径： 111214.22 2.59.2ffddhmm 齿距： 6.28nnpmmm6.37ttpmmm齿轮中心到齿条基准线距离： 17.12nndHx mmm基圆直径： 11cos14.2 cos20.3113.3obtddamm黑龙江工程学院本科生毕业设计32齿顶圆压力角： 111arccos43.05obataddd齿宽系数查表取值 d1.4 1.4dbd 19.88bmm端面重合度： *1114()cos1 (tantan)1.592sin2annaattthxza纵向重合度： sin0.55nbm齿厚： 3.192cosmsmm齿轮旋向为左旋 4.3.3 齿轮强度校核（1）齿面接触疲劳强度计算计算应力 11tHHEHF uz z z zbdu 2cos/sincos2.48hbz tantancosbt9.39b查表取Ez119.84(1)0.843zcos0.99z 在之间,取值AVHHKKKKK1.221.2NFh200黑龙江工程学院本科生毕业设计33mmNrFTh3800013112/2 38 10 /14.25352tFTdN方向盘能转动圈17z 3.83213.8326.827zz2121/3.857Uddzzlim96%0.96 15001440HHMPa53524.8572.48 0.84 0.99 119.81302.4214.2 17.08 3.857HMPa1440MPa接触疲劳强度满足需要（2）齿根弯曲疲劳强度计算计算应力： tFFaSaFnkFY Y Y Ybm 0.250.75/1/1.50.67aY 12a1/1200.947Y 查表取取1.6FaY/0.38fpnpm 27.302coscoshbzz1.5saY 2lim470/FN mm 0.7 470329FMPa=183 MPa 329MPatFFasaFnkFY Y Y Ybm齿根弯曲疲劳强度满足要求黑龙江工程学院本科生毕业设计344.3.4 齿条的设计计算齿条齿数：213.8326.827zz由转向系的传动比并参考同类车型确定齿条螺旋角：20.8i 210齿条长度根据齿轮圆周以及转向盘的转动圈数确定：3.83 2293rmm齿条旋向为右旋，材料选择MnTiCr20参照机械设计课本及相关资料，经校核齿条强度满足要求。在本次设计中，齿轮齿条式转向器采用中间输入、两端输出的形式，如图 4.10图 4.10 中间输入两端输出式齿轮齿条转向器齿条断面形状有圆形、V 形和 Y 形三种，圆形断面齿条制作工艺比较简单，加工制造容易，维修方便，所以本设计中选择圆形断面齿条。见图 4.1。4.4 本章小结本章首先进行机械转向器的方案分析与选择，其次对齿轮齿条式转向器进行设计计算。根据机械式转向器的不同结构特点，对其进行分类，比较其优缺点，并着重介绍了齿轮齿条式转向器的四种形式和齿条的断面形状等。本次设计选择中间输入、两端输出式的齿轮齿条机械转向器作为动力转向器的一部分，并且采用圆形断面齿条。选择齿轮齿条式机械转向器之后，对转向器的齿轮齿条进行设计计算，并按齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度对其进行校核，经校核其强度满足要求。黑龙江工程学院本科生毕业设计35第 5 章电控动力转向系统的变助力方法分析电子控制动力转向系统在设计时存在着一些矛盾：如果所设计的固定放大倍率的动力转向系统是为了减小汽车在停车或低速行驶状态下转动转向盘的力，则当汽车以高速行驶时，这一固定放大倍率的动力转向系统会使转动转向盘的力显得太小，不利于对高速行驶的汽车进行方向控制；反之，如果所设计的固定放大倍率的动力转向系统是为了增加汽车在高速行驶时的转向力，则当汽车停驶或低速行驶时，转动转向盘就会显得非常吃力。电子控制动力转向系统根据动力源的不同可分为液压式电子控制动力转向系统（液压式 EPS）和电动式电子控制动力转向系统（EPS）。5.1 液压式电子控制动力转向系统液压式 EPS 是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电控单元等。电控单元根据检测的车速信号，控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求。目前根据控制方式不同，可改变助力大小的液压式电子控制动力转向系统有如下三种方式：流量控制式、反力控制式和阀灵敏度控制式。5.1.1 流量控制式 EPS这是一种根据车速传感器信号调解动力转向装置供应的压力油液，改变油液的输入输出流量，以控制转向力的方法。优点是，在原来动力转向功能上再增加压力油液流量控制功能，从而可以降低价格，简化结构。缺点时，当流向动力转向机构的压力油液降低到极限值时，将改变转向控制部分的刚度，使其下降到接近转向刚度。这样，再低供给油量区域内，对于快速转向会产生压力油量不足，降低了适应性。目前丰田凌志轿车汽车采用流量控制式电控液压动力转向系统。该系统主要由车速传感器、电磁阀、整体式动力转向控制阀、动力转向液压泵和电控单元等组成。电控单元根据车速传感器的信号，控制电磁阀阀针的开启程度，从而控制转向动力缸活塞两侧油室的旁路液压油流量，来改变转向盘上的转向力。车速越高，流过电磁阀电磁线圈的平均电流越大，电磁阀阀针的开启程度越大，旁路液压油流量越大，而液压助力作用越小，使转动转向盘力也随之增加。黑龙江工程学院本科生毕业设计365.1.2 反力控制式 EPS反力控制式 EPS 时一种根据车速大小，控制反力室油压，从而改变输入、输出增益幅度以控制转向力的方法。它具有较大的选择转向力的自由度，转向刚度大，驾驶员能感受到路面的情况，可以获得稳定的操作手感等优点。缺点时结构复杂，价格较高。5.1.3 阀灵敏度控制式 EPS阀灵敏度控制式 EPS 根据车型控制电磁阀，直接改变动力转向控制阀的油压增益（阀灵敏度）来控制油压的，这种转向系统结构简单、部件少、价格便宜，而且具有较大的选择转向力的自由度，与反力控制式转向相比，转向刚度差，但可以最大限度地提高原来的弹性刚度来加以克服，从而获得自然的转向手感和良好的转向特性。本设计所设计的电控动力转向系统是流量控制式电子控制动力转向系统，控制油泵的流量，从而控制助力的大小。本设计采用电动机驱动油泵，电子控制单元根据车速信号和转向盘转角信号，控制电磁换向阀中油液的流向，从而决定是否助力。同时电子控制单元根据由传感器测得的车速和转向盘角速度信号，计算出液压泵电动机对应的转速，从而控制液压泵的流量，进而控制在不同工况下转向助力的大小。5.2 电动式电子控制动力转向系统电动式 EPS 是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的电动助力式转向系统。该系统仅需要控制电动机电流的方向和幅值，不需要复杂的控制机构。该系统利用微机控制，为转向系统提供了较高的自由度，同时还降低了成

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