仓储式运输车电动助力转向系统的设计【2张图/14900字】【优秀机械毕业设计论文】

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关键词：: 仓储运输车电动助力转向系统设计优秀优良机械毕业设计论文

资源描述：

文档包括:
说明书一份,38页,14900字左右.
任务书一份.

图纸共2张:
A0-系统总体结构图.dwg
A3-圆柱齿轮.dwg

摘要
汽车电动助力转向(EPS)系统是近些年来出现的新型动力转向系统。与传统的动力转向相比较，汽车电动助力转向系统(EPS)结构简单、成本低、灵活性好、能充分的满足汽车转向性能的要求，在转向操作的舒适性、安全性和节能、环保等方面显示出显著的优越性。
本文以海斯特HYSTERB60Z型仓储叉车（踏板式堆垛机）为研究对象，明晰这种仓储叉车电动助力转向系统特点，分别介绍各部分结构特点以及工作原理，之后根据所需技术指标来进行这类仓储运输车辆电动助力转向系统的设计，包括转向系统总体结构设计、助力电机主要技术指标的设计、减速装置的设计等。
关键词仓储运输车辆；电动助力转向器；结构设计

Abstract
Electric power steering (EPS) system is the emergence of new power steering system types in recent years .Comparing with traditional power steering, electric power steering system (EPS) has simple structure, low cost, flexible function, and able to fully meet the requirements of the automotive steering performance.It also show the significant superiority in the steering operation comfort, security, and energy-saving, environmental protection and other aspects .
This article’s research object is HYSTERB60Z-type warehouse forklift (pedal stacker), clear the warehouse forklift electric power steering system features, describes the characteristics and structure of each part works, according to the required specification for this kind of warehouse and transportation vehicles, electric power steering system design, including the steering system architecture design, power motor main specification design, deceleration device design, etc.
Key words Warehouse and transportation vehicles；EPS；Structure design

目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1 引言 1
1.2 国内外研究状况和发展方向 2
1.3 课题研究的目的、意义 2
1.4 课题研究主要内容 3
本章小结 3
第2章结构特点及工作原理 4
2.1 典型汽车EPS及工作原理 4
2.2 仓储运输车辆EPS结构及工作原理 5
本章小结 6
第3章助力电机主要指标的设计 7
3.1 转向阻力矩的计算 7
3.2 所需电机提供的助力力矩 8
3.3 助力电机的选择 9
本章小结 10
第4章减速装置的设计 11
4.1 减速装置类型及选用 11
4.2 行星齿轮减速机构的选配 11
4.3 减速齿轮的设计与校核 12
4.3.1 传动比的确定 12
4.3.2 齿轮主要参数的选择 12
4.3.3 齿轮设计与校核 13
本章小结 15
第5章转矩转角传感器的设计 16
5.1 转矩转角传感器的发展 16
5.2 转矩转角传感器的类型及选用 17
5.3 转矩转角传感器总体结构设计 17
5.3.1 工作原理 17
5.3.2 信号圆盘参数 20
5.3.3 影响信号输出的因素 22
5.3.4 扭杆弹簧的设计 23
5.4 转矩转角信号的检测 31
5.4.1 检测原理 31
5.4.2 转矩信号的采集和测量 31
本章小结 34
结论 35
致谢 36
参考文献 37
附录1 39
附录2 42

毕业设计（论文）题目：仓储式运输车电动助力转向系统的设计

立题的目的和意义：了解仓储运输车辆电动转向助力系统的基本原理、结构型式及其特点，进行仓储运输车辆电动转向助力系统的设计，包括转向系统总体结构设计、助力电机主要指标的设计、减速装置的设计等。通过该论文工作，能够培养学生运用所学的专业理论知识独立进行工程设计的能力，提高专业理论水平和实际动手能力。同时培养学生的文献检索与综述的能力、独立工作能力以及撰写科技论文的方法等。

技术要求与主要内容：
技术要求：整车整备质量(kg)：1000
载荷总质量(Kg)：1500
最高车速/(km/h)：6
转向轮直径(m)：0.2
转向轮宽度(m)：0.075
工作内容：1、查找相关资料，调查国内外仓储运输车辆电动助力转向系统的研究现状
2、进行仓储运输车辆电动转向助力系统的分析和设计
3、进行仓储运输车辆电动转向助力系统性能的核算
4、撰写论文。
5、图纸：A0 2张论文字数：12000字以上。

进度安排：
1、2010．10．11-10．15 确定毕业设计题目，查找并阅读相关文献，学习相关知识；
2、2010．10．16-10．22 综述国内、外研究现状，对课题进行方案论证，完成开题；
3、2010．10．23-10．31 进行总体方案设计，给出各部分具体的主要参数；
4、2010．11．01-11．26 进行设计方案的性能核算，完成中期检查；
5、2010．11．27-12．16 系统性能核算及设计方案优化，确定最终方案，完成结题检查；
6、2010．12．17-12．27 绘制图纸，提交设计分析总结报告，撰写论文并准备答辩。

仓储式运输车电动助力转向系统的设计[汽车]

内容简介：: 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）题目专业学号学生指导教师答辩日期哈工大华德学院哈工大华德学院毕业设计（论文）评语姓名：学号：专业：毕业设计（论文）题目：工作起止日期： _ 年 _ 月 _ 日起 _ 年 _ 月 _ 日止指导教师对毕业设计（论文）进行情况，完成质量及评分意见： _ 指导教师签字：指导教师职称：评阅人评阅意见： _ _ _ _ 评阅教师签字： _ 评阅教师职称： _ 答辩委员会评语： _ 根据毕业设计（论文）的材料和学生的答辩情况，答辩委员会作出如下评定：学生毕业设计（论文）答辩成绩评定为：对毕业设计（论文）的特殊评语： _ 答辩委员会主任（签字）：职称： _ 答辩委员会副主任（签字）：答辩委员会委员（签字）： _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 年月日哈工大华德学院毕业设计（论文）任务书姓名：龚锐院（系）：汽车工程系专业：交通运输（车辆工程）班号： 0793111 任务起至日期： 2010 年 10 月 12 日至 2010 年 12 月 28 日毕业设计（论文）题目：仓储式运输车电动助力转向系统的设计立题的目的和意义：了解仓储运输车辆电动转向助力系统的基本原理、结构型式及其特点，进行仓储运输车辆电动转向助力系统的设计，包括转向系统总体结构设计、助力电机主要指标的设计、减速装置的设计等。通过该论文工作，能够培养学生运用所学的专业理论知识独立进行工程设计的能力，提高专业理论水平和实际动手能力。同时培养学生的文献检索与综述的能力、独立工作能力以及撰写科技论文的方法等。技术要求与主要内容：技术要求：整车整备质量 ( 1000 载荷总质量 ( 1500 最高车速 /(km/h)： 6 转向轮直径 (m)：向轮宽度 (m)：作内容： 1、查找相关资料，调查国内外仓储运输车辆电动助力转向系统的研究现状 2、进行仓储运输车辆电动转向助力系统的分析和设计 3、进行仓储运输车辆电动转向助力系统性能的核算 4、撰写论文。 5、图纸：张论文字数： 12000 字以上。进度安排： 1、 2010 10 1115 确定毕业设计题目，查找并阅读相关文献，学习相关知识； 2、 2010 10 1622 综述国内、外研究现状，对课题进行方案论证，完成开题； 3、 2010 10 2331 进行总体方案设计，给出各部分具体的主要参数； 4、 2010 11 0126 进行设计方案的性能核算，完成中期检查； 5、 2010 11 2716 系统性能核算及设计方案优化，确定最终方案，完成结题检查； 6、 2010 12 1727 绘制图纸，提交设计分析总结报告，撰写论文并准备答辩。同组设计者及分工：无同组设计者指导教师签字 _ 年月日系（教研室）主任意见：系（教研室）主任签字 _ 年月日哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 1 章绪论言汽车自 19 世纪末诞生至今 100 余年的时间，汽车工业从无到有，以惊人的速度发展，在人类近代文明史写下了的重要篇章。汽车是数量最多、最普及、活动范围最广、运输量最大的现代化交通工具。可以断言，没有哪种机械产品像汽车那样队社会产生如此广泛而深远的影响。汽车，已从“没有马的马车”的雏形经过了无数的精心的雕琢而演化成精妙绝伦的高薪科技产品。近 20 年来，计算机技术、设计理论、测试技术、新型材料、工艺技术等诸方面的成就，不但改变了汽车的面貌，而且也是汽车产品的结构和性能焕然一新。汽车产品的现代化，首先是汽车操纵控制的电子化。在 80 年代初，电子设备还只占汽车成本的 2%，而现在，在一些先进的汽车上，这个指标已经超过了 15%。汽车上几乎每一个系统都可以采用电子装置改善性能和实现自动化。例如电子操纵的发动机点火系统、供油系统、电子驱动力调节系统（控自动变速器、制动力调节装置、防抱死制动系统（智能悬架、速度感应式转向系统（电控防撞系统、电控液压助力转向系统（电动助力转向系统（的应用大大的加强汽车的安全性、可靠性、经济性、舒适性、通过性、平顺性以及稳定性。近年来人们对仓储式运输车辆的可操作性、安全性、舒适性和可靠性提出了更高的要求，特别是在现在物流行业发展势头猛烈的情况下，研发出具有效率高，操作轻便、舒适，安全性好的仓储式运输车辆显得尤为重要。内外研究状况和发展方向电动转向助力最先应用在日本的微型轿车上， 1988 年 2 月铃木公司首先在上装备后还在上。此后，日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的车系统公司、司，德国的司，都相继研制出各自的过二十几年的发展，术日趋完善，其应用范围已经从最初的微型轿车向更大型轿车和商用车方向发展。国外的仓储式运输车辆现在处于成熟期，研发能力强，技术成熟、先进，并且具有节能环保、操作轻便、效率高等特点，零配件的标准化、通用化、系列化程度高，能满足多样化的需求。在电动助力转系系统的研究已经体现哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）实际的应用价值，在世界汽车汽车行业中，电动助力转向系统正以 9%到10%的增长速度发展，增长量达到 130 万 150 万套，按此速度发展，用不了几年时间，电动助力转向系统将完全占领轿车市场，并向向各种商用车扩展。但出于对潜在市场的保护，国外各研究开发电动助力转向系统的公司很少公开发表自己的具体研究内容和关键技术。我国仓储式运输车辆正处于发展期，基础相对国外比较薄弱，甚至个别品种还是空白。技术上“舶来品”占很大一部分，导致技术升级缓慢，企业研发能力尚且落后，不能满足多样化的需求。产品在驱动方式、能源环保方面与先进的国外制造商相比还存在相当大的差距。长期以来“企业规模小，产品品种少，生产效率低，研发能力弱”是困扰叉车企业的四大难题。近年来各国内各企业纷纷加强了与世界先进制造商的合作，进行了新技术和新机制的改革，对产业发展的促进作用明显。总体来看，国内仓储式运输车辆产业有很大的发展前景。题研究的目的、意义目前，我国经济总量在稳步提升，工业化程度也在逐步提高，现代物流产业的发展方兴未艾，仓储式运输车进入了新兴的，有高技术要求的物流领域。仓储式运输车辆产品具有装卸和搬运功能、机动灵活，能适应多变的装卸搬运要求，普遍适用于港口、车站、货场、车间、仓库、油田及机场等处，还可以进入船舱和集装箱进行作业，是机械化装卸、堆垛和短距离运输的高效设备。转向系统是车辆行驶操作稳定性和操作舒适性的最关键总成，所以对转向系统的研究显得尤为重要。良好的转向系统不仅仅对汽车的安全性有很大的提高，而且对改善汽车的舒适性、通过性、行使得平顺性、燃油的经济性、操纵的稳定性又十分重要的作用，所以优良的转向系统是汽车性能的评价的重要指标之一。如何设计汽车的转向特性，使得汽车具有良好的操纵性能，始终是我们车辆技术人员、各汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。特别是在现在物流行业发展势头猛烈的情况下，研发出具有效率高，操作轻便、舒适，安全性好的仓储式运输车辆显得尤为重要。因电动助力转向系统与传统的液压助力转向系统相比，不仅较好地解决了转向轻便和转向灵敏的矛盾，而且具有效率高、耗能少、“路感”好、回正性好、对环境污染小、节省空间、节省动力等许多优点，还能提高车辆行驶安全性和舒适性，它可以方便地实现在不同车速下提供不同的助力效果，保哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）车辆在低速转向行驶时轻便灵活，高速转向行驶时稳定可靠，呈现出汽车的一大发展趋势。而且研究与开发电动助力转向系统，是与车辆发展中的安全、环保、节能三大主题相吻合的，因而具有一定的现实和长远意义。题研究主要内容本论文研究的仓储式运输车辆电动助力转向系统，是为了满足人们对现代物流货物运输车驾驶轻便高效与舒适的要求而产生的。基本原理是通过传感器探测司机在转向操作时方向盘产生的扭矩或转角的大小和方向，并将所需信息转化成数字信号输入控制单元，再由控制单元对这些信号进行运算后得到一个与行驶工况相适应的力矩，最后发出指令驱动电动机工作，电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力。本文以仓储叉车（踏板式堆垛机）为研究对象，明晰这种仓储叉车电动助力转向系统特点，分别介绍各部分结构特点以及工作原理，之后根据所需技术指标来进行这类仓储运输车辆电动助力转向系统的设计，包括转向系统总体结构设计、助力电机主要技术指标的设计、减速装置的设计等。本章小结本章是对汽车电动助力转向系统以及仓储运输车国内外发展现状进行介绍，并概述了本课题所要做的工作。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 2 章结构特点及工作原理型汽车工作原理典型汽车电动转向系统主要有四部分构成：机械转向系统（方向盘、转向柱等）、转矩转角传感器、转向助力机构（助力电机、离合器、减速传动机构）及电子控制单元（称助力电机在需要转向助力的情况下工作，当驾驶员操纵方向盘进行转向时，转矩传感器根据转矩转角的大小产生相应的电压信号，据传感器检测到的转矩转角电压信号，给出指令来控制出入电机的电流，从而产生所需的转向助力转矩。图 1一个典型的转向柱式阻力转向系统结构模型。它主要由图 1型汽车电动助力转向系统简图助力电机、减速机构、车速传感器、转矩传感器等组成。控制单元根据各传感器的出入信号确定电机的助力转矩，并驱动控制电路控制电机。根据图 1动助力转向系统工作时，转向传感装置检测到转向轴上的转动力矩及其转动方向，与车速传感器检测得到的车速信号一起不断地被输送到为控制单元，该控制器通过对数据进行分析，以决定转向方向和所需要的最佳助力值，然后发出相应的指令给驱动电路，从而驱动助力电机通过助哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）装置实现转向。通过精确的控制算法，可以任意改变电机转矩大小，使转向机构获得所需要的助力值。转矩转角传感器的功能是测量驾驶员作用在转向盘的转矩与方向，转矩测量系统比较复杂且成本较高，所以精确、可靠、低成本的转矩转角是键技术之一。储运输车辆构及工作原理本文研究的海斯特个系统无离合器和齿轮齿条转向机构。图 2海斯特叉车外形。图 2斯特（叉车哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 2斯特（叉车操纵形式如图 2车型是利用活动手柄左右旋转一定角度来控制车辆的转向，该结构的特点是转向手柄直接控制的转向轮的转向活动。与传统汽车电动助力转向系统相比，该车型的转向操作是采用转动手柄来实现，当转动手柄绕销上下转动时来调节手柄操纵角度，当左右转动时则对车辆转向进行控制。该车的转向轴直接连接转向轮进行转向，且采用的是独轮转向形式。其工作原理为，当操纵者转动转向手柄，转向手柄带动转向输入轴转过一定角度，再有扭矩转角传感器测量并将获得的转矩转角信号输入电控单元（收到信号后通过通过计算与分析，再将控制信号输入给助力电机，助力电机根据信号指令输出一定的转矩和转速，输出的转矩和转速经由减速机构进行减速增扭后直接作用于转向轴上，转向轴的转动传给转向轮，即可控制转向轮转向，实现转向的助力控制。本章小结本章介绍了本课题所研究的仓储运输车电动助力转向系统的总体结构，并与普通汽车电动助力转向系统进行简单对比，最后对其工作原理进行阐述。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 3 章助力电机主要指标的设计向阻力矩的计算叉车转向时，必须要克服转向阻力矩。根据本文研究的型特点，其转向阻力矩与许多因素有关：转向轮的垂直符合、轮胎的构造和尺寸、道路情况、行驶速度等。该车作业时，经常需要作原地转向。在原地转向时，阻力矩最大，一般为行驶时转向的 2 3 倍。为了保证叉车在最不利的情况下转向，通常都以叉车原地转向时的阻力矩作为计算力矩。由于该车转向系统特殊，由转向轴直接驱动转向轮转向，与常规转向系统相比，无转向主销等结构，因此计算转向阻力矩按车轮的滑动摩擦阻力矩来计算。该车型的车轮为实心橡胶轮胎，因此在这里按实心轮胎来计算转向阻力矩，实心轮胎的触地面积不是充气轮胎的椭圆，而是边长为 B 和 H 的矩形图（ 3实心轮胎的滑动摩擦阻力矩可按以下的简化方法计算。假定触底面积上的压力均匀分布，在矩形的长边方向 (轮宽方向 )每一半触地面积上的合力作用点至触地面积中心的距离为，则滑动摩擦阻力矩为 0(3装有实心轮胎的叉车原地转向时的总阻力矩为： 10转(3 m 式中实心轮胎的滑动摩擦系数，； G 叉车转向轮的垂直负荷，按满载时计算，根据技术资料 G=675615N； B 实心轮胎的宽度， B=75 效率 = 40 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 3气轮胎和实心轮胎触地面积因此，需要的转向力矩为 m 需电机提供的助力力矩根据推荐值，转向盘操纵力不应大于 3050N，在 10N 以下则转向很轻便，考虑到该车型的构造特点与应用环境的特殊性，作用在转向手柄上的力本设计取用 00 该手柄能绕活动销上下转动来对叉车进行操纵如图 3示，根据常规操纵特点，当转向手柄在 45时其操作力最大（操作力在该角度满足时大于该角度操作时都满足）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 3向手柄结构图图 3向手柄受力简图根据技术资料和手柄尺寸得到其受力情况如图 3示 00(3=20N 4208400N m 因此作用在转向轴上需要的最大助力转矩为 0=m (3力电机的选择电动机是电动助力转向系统的重要部件，电动机必须具有高的可靠性、高功率输出、低噪声和振动、转矩损失少、尺寸小、重量轻以及具有良好的动态特性。本系统选用小型永磁直流电机作为制系统的助力电动机，它具有运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点。电动机的功用是根据控制器的指令产生相应的转矩输出，为了增强转向操纵时驾驶员的“手感”并降低噪声和振动，该电机在结构上进行了一些改动，在电动机的转子工作表面开设斜槽或改变磁铁的中心处或端部的厚度。根据车型特点，转向盘（即转向轴）的转速一般选取 n=15r/右，因此可以求得转向轴的转速 n=15r/ 转向轴所需助力功率为 5 0 2m a (3 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）速机构效率按渐行计算则所需助力电机的功率有渐行 (3式中行行星齿轮传动效率；渐渐开线圆柱齿轮传动。根据综合传动比的合理范围，转向轴的转速，合理选用电机。综合考虑电动机和传动装置尺寸、质量及价格因素等，为使传动装置结构紧凑，决定选用同步转速为 1000r/电动机。根据电动机的类型、容量和转速，由电动机产品目录选定电动机型号为流电动机，其有关参数如表 3示：表 3动机特性形式直流永磁电动机额定输出功率定转速 1000r/0A) 额定力矩定电流 30A 转动方向双向外壳类型全封闭电动机线圈最高工作温度 150 电动机转动惯量电动机电枢电阻电动机电枢电感电动机反电动势动机电磁转矩常熟本章小结本章根据的通过转向轮的阻力矩来对助力电机的指标进行设计。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 4 章减速装置的设计速装置类型及选用由电机输出的转速达到 1000r/使用转速为 15r/接减速传动比达到 =果直接进行减速会加大系统尺寸，使结构庞大，本设计将直接选配一个 16:1 行星齿轮现成产品，将行星齿轮与电机固联进行动力减速输出，之后再经过普通圆柱直齿轮的减速，将动力传递至转向轴。星齿轮减速机构的选配考虑到结构的尺寸和机构的各项综合性能，本设计选配涟恒列精密行星齿轮减速机图 4恒列精密行星齿轮减速机该行星减速机产品具有高精度、高钢性、高负载、高效率、高速比、高寿命、低惯性、低振动、低噪音、低温升、外观美、结构轻小、安装方便、精确定位等特点，适用于交流伺服马达、直流伺服马达、步进马达、液压马达的增速与减速传动。关于该产品的更多详细信息可参见产品说明书。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）速齿轮的设计与校核动比的确定电机动力经由行星齿轮减速机构输出后的转速 1610001 行 (4圆柱直齿轮的减速比为 nni 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 1 章绪论言汽车自 19 世纪末诞生至今 100 余年的时间，汽车工业从无到有，以惊人的速度发展，在人类近代文明史写下了的重要篇章。汽车是数量最多、最普及、活动范围最广、运输量最大的现代化交通工具。可以断言，没有哪种机械产品像汽车那样队社会产生如此广泛而深远的影响。汽车，已从“没有马的马车”的雏形经过了无数的精心的雕琢而演化成精妙绝伦的高薪科技产品。近 20 年来，计算机技术、设计理论、测试技术、新型材料、工艺技术等诸方面的成就，不但改变了汽车的面貌，而且也是汽车产品的结构和性能焕然一新。汽车产品的现代化，首先是汽车操纵控制的电子化。在 80 年代初，电子设备还只占汽车成本的 2%，而现在，在一些先进的汽车上，这个指标已经超过了 15%。汽车上几乎每一个系统都可以采用电子装置改善性能和实现自动化。例如电子操纵的发动机点火系统、供油系统、电子驱动力调节系统（控自动变速器、制动力调节装置、防抱死制动系统（智能悬架、速度感应式转向系统（电控防撞系统、电控液压助力转向系统（电动助力转向系统（的应用大大的加强汽车的安全性、可靠性、经济性、舒适性、通过性、平顺性以及稳定性。近年来人们对仓储式运输车辆的可操作性、安全性、舒适性和可靠性提出了更高的要求，特别是在现在物流行业发展势头猛烈的情况下，研发出具有效率高，操作轻便、舒适，安全性好的仓储式运输车辆显得尤为重要。内外研究状况和发展方向电动转向助力最先应用在日本的微型轿车上， 1988 年 2 月铃木公司首先在上装备后还在上。此后，日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的车系统公司、司，德国的司，都相继研制出各自的过二十几年的发展，术日趋完善，其应用范围已经从最初的微型轿车向更大型轿车和商用车方向发展。国外的仓储式运输车辆现在处于成熟期，研发能力强，技术成熟、先进，并且具有节能环保、操作轻便、效率高等特点，零配件的标准化、通用化、系列化程度高，能满足多样化的需求。在电动助力转系系统的研究已经体现哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）实际的应用价值，在世界汽车汽车行业中，电动助力转向系统正以 9%到10%的增长速度发展，增长量达到 130 万 150 万套，按此速度发展，用不了几年时间，电动助力转向系统将完全占领轿车市场，并向向各种商用车扩展。但出于对潜在市场的保护，国外各研究开发电动助力转向系统的公司很少公开发表自己的具体研究内容和关键技术。我国仓储式运输车辆正处于发展期，基础相对国外比较薄弱，甚至个别品种还是空白。技术上“舶来品”占很大一部分，导致技术升级缓慢，企业研发能力尚且落后，不能满足多样化的需求。产品在驱动方式、能源环保方面与先进的国外制造商相比还存在相当大的差距。长期以来“企业规模小，产品品种少，生产效率低，研发能力弱”是困扰叉车企业的四大难题。近年来各国内各企业纷纷加强了与世界先进制造商的合作，进行了新技术和新机制的改革，对产业发展的促进作用明显。总体来看，国内仓储式运输车辆产业有很大的发展前景。题研究的目的、意义目前，我国经济总量在稳步提升，工业化程度也在逐步提高，现代物流产业的发展方兴未艾，仓储式运输车进入了新兴的，有高技术要求的物流领域。仓储式运输车辆产品具有装卸和搬运功能、机动灵活，能适应多变的装卸搬运要求，普遍适用于港口、车站、货场、车间、仓库、油田及机场等处，还可以进入船舱和集装箱进行作业，是机械化装卸、堆垛和短距离运输的高效设备。转向系统是车辆行驶操作稳定性和操作舒适性的最关键总成，所以对转向系统的研究显得尤为重要。良好的转向系统不仅仅对汽车的安全性有很大的提高，而且对改善汽车的舒适性、通过性、行使得平顺性、燃油的经济性、操纵的稳定性又十分重要的作用，所以优良的转向系统是汽车性能的评价的重要指标之一。如何设计汽车的转向特性，使得汽车具有良好的操纵性能，始终是我们车辆技术人员、各汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。特别是在现在物流行业发展势头猛烈的情况下，研发出具有效率高，操作轻便、舒适，安全性好的仓储式运输车辆显得尤为重要。因电动助力转向系统与传统的液压助力转向系统相比，不仅较好地解决了转向轻便和转向灵敏的矛盾，而且具有效率高、耗能少、“路感”好、回正性好、对环境污染小、节省空间、节省动力等许多优点，还能提高车辆行驶安全性和舒适性，它可以方便地实现在不同车速下提供不同的助力效果，保哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）车辆在低速转向行驶时轻便灵活，高速转向行驶时稳定可靠，呈现出汽车的一大发展趋势。而且研究与开发电动助力转向系统，是与车辆发展中的安全、环保、节能三大主题相吻合的，因而具有一定的现实和长远意义。题研究主要内容本论文研究的仓储式运输车辆电动助力转向系统，是为了满足人们对现代物流货物运输车驾驶轻便高效与舒适的要求而产生的。基本原理是通过传感器探测司机在转向操作时方向盘产生的扭矩或转角的大小和方向，并将所需信息转化成数字信号输入控制单元，再由控制单元对这些信号进行运算后得到一个与行驶工况相适应的力矩，最后发出指令驱动电动机工作，电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力。本文以仓储叉车（踏板式堆垛机）为研究对象，明晰这种仓储叉车电动助力转向系统特点，分别介绍各部分结构特点以及工作原理，之后根据所需技术指标来进行这类仓储运输车辆电动助力转向系统的设计，包括转向系统总体结构设计、助力电机主要技术指标的设计、减速装置的设计等。本章小结本章是对汽车电动助力转向系统以及仓储运输车国内外发展现状进行介绍，并概述了本课题所要做的工作。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 2 章结构特点及工作原理型汽车工作原理典型汽车电动转向系统主要有四部分构成：机械转向系统（方向盘、转向柱等）、转矩转角传感器、转向助力机构（助力电机、离合器、减速传动机构）及电子控制单元（称助力电机在需要转向助力的情况下工作，当驾驶员操纵方向盘进行转向时，转矩传感器根据转矩转角的大小产生相应的电压信号，据传感器检测到的转矩转角电压信号，给出指令来控制出入电机的电流，从而产生所需的转向助力转矩。图 1一个典型的转向柱式阻力转向系统结构模型。它主要由图 1型汽车电动助力转向系统简图助力电机、减速机构、车速传感器、转矩传感器等组成。控制单元根据各传感器的出入信号确定电机的助力转矩，并驱动控制电路控制电机。根据图 1动助力转向系统工作时，转向传感装置检测到转向轴上的转动力矩及其转动方向，与车速传感器检测得到的车速信号一起不断地被输送到为控制单元，该控制器通过对数据进行分析，以决定转向方向和所需要的最佳助力值，然后发出相应的指令给驱动电路，从而驱动助力电机通过助哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）装置实现转向。通过精确的控制算法，可以任意改变电机转矩大小，使转向机构获得所需要的助力值。转矩转角传感器的功能是测量驾驶员作用在转向盘的转矩与方向，转矩测量系统比较复杂且成本较高，所以精确、可靠、低成本的转矩转角是键技术之一。储运输车辆构及工作原理本文研究的海斯特个系统无离合器和齿轮齿条转向机构。图 2海斯特叉车外形。图 2斯特（叉车哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 2斯特（叉车操纵形式如图 2车型是利用活动手柄左右旋转一定角度来控制车辆的转向，该结构的特点是转向手柄直接控制的转向轮的转向活动。与传统汽车电动助力转向系统相比，该车型的转向操作是采用转动手柄来实现，当转动手柄绕销上下转动时来调节手柄操纵角度，当左右转动时则对车辆转向进行控制。该车的转向轴直接连接转向轮进行转向，且采用的是独轮转向形式。其工作原理为，当操纵者转动转向手柄，转向手柄带动转向输入轴转过一定角度，再有扭矩转角传感器测量并将获得的转矩转角信号输入电控单元（收到信号后通过通过计算与分析，再将控制信号输入给助力电机，助力电机根据信号指令输出一定的转矩和转速，输出的转矩和转速经由减速机构进行减速增扭后直接作用于转向轴上，转向轴的转动传给转向轮，即可控制转向轮转向，实现转向的助力控制。本章小结本章介绍了本课题所研究的仓储运输车电动助力转向系统的总体结构，并与普通汽车电动助力转向系统进行简单对比，最后对其工作原理进行阐述。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 3 章助力电机主要指标的设计向阻力矩的计算叉车转向时，必须要克服转向阻力矩。根据本文研究的型特点，其转向阻力矩与许多因素有关：转向轮的垂直符合、轮胎的构造和尺寸、道路情况、行驶速度等。该车作业时，经常需要作原地转向。在原地转向时，阻力矩最大，一般为行驶时转向的 2 3 倍。为了保证叉车在最不利的情况下转向，通常都以叉车原地转向时的阻力矩作为计算力矩。由于该车转向系统特殊，由转向轴直接驱动转向轮转向，与常规转向系统相比，无转向主销等结构，因此计算转向阻力矩按车轮的滑动摩擦阻力矩来计算。该车型的车轮为实心橡胶轮胎，因此在这里按实心轮胎来计算转向阻力矩，实心轮胎的触地面积不是充气轮胎的椭圆，而是边长为 B 和 H 的矩形图（ 3实心轮胎的滑动摩擦阻力矩可按以下的简化方法计算。假定触底面积上的压力均匀分布，在矩形的长边方向 (轮宽方向 )每一半触地面积上的合力作用点至触地面积中心的距离为，则滑动摩擦阻力矩为 0(3装有实心轮胎的叉车原地转向时的总阻力矩为： 10转(3 m 式中实心轮胎的滑动摩擦系数，； G 叉车转向轮的垂直负荷，按满载时计算，根据技术资料 G=675615N； B 实心轮胎的宽度， B=75 效率 = 40 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 3气轮胎和实心轮胎触地面积因此，需要的转向力矩为 m 需电机提供的助力力矩根据推荐值，转向盘操纵力不应大于 3050N，在 10N 以下则转向很轻便，考虑到该车型的构造特点与应用环境的特殊性，作用在转向手柄上的力本设计取用 00 该手柄能绕活动销上下转动来对叉车进行操纵如图 3示，根据常规操纵特点，当转向手柄在 45时其操作力最大（操作力在该角度满足时大于该角度操作时都满足）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 3向手柄结构图图 3向手柄受力简图根据技术资料和手柄尺寸得到其受力情况如图 3示 00(3=20N 4208400N m 因此作用在转向轴上需要的最大助力转矩为 0=m (3力电机的选择电动机是电动助力转向系统的重要部件，电动机必须具有高的可靠性、高功率输出、低噪声和振动、转矩损失少、尺寸小、重量轻以及具有良好的动态特性。本系统选用小型永磁直流电机作为制系统的助力电动机，它具有运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点。电动机的功用是根据控制器的指令产生相应的转矩输出，为了增强转向操纵时驾驶员的“手感”并降低噪声和振动，该电机在结构上进行了一些改动，在电动机的转子工作表面开设斜槽或改变磁铁的中心处或端部的厚度。根据车型特点，转向盘（即转向轴）的转速一般选取 n=15r/右，因此可以求得转向轴的转速 n=15r/ 转向轴所需助力功率为 5 0 2m a (3 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）速机构效率按渐行计算则所需助力电机的功率有渐行 (3式中行行星齿轮传动效率；渐渐开线圆柱齿轮传动。根据综合传动比的合理范围，转向轴的转速，合理选用电机。综合考虑电动机和传动装置尺寸、质量及价格因素等，为使传动装置结构紧凑，决定选用同步转速为 1000r/电动机。根据电动机的类型、容量和转速，由电动机产品目录选定电动机型号为流电动机，其有关参数如表 3示：表 3动机特性形式直流永磁电动机额定输出功率定转速 1000r/0A) 额定力矩定电流 30A 转动方向双向外壳类型全封闭电动机线圈最高工作温度 150 电动机转动惯量电动机电枢电阻电动机电枢电感电动机反电动势动机电磁转矩常熟本章小结本章根据的通过转向轮的阻力矩来对助力电机的指标进行设计。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 4 章减速装置的设计速装置类型及选用由电机输出的转速达到 1000r/使用转速为 15r/接减速传动比达到 =果直接进行减速会加大系统尺寸，使结构庞大，本设计将直接选配一个 16:1 行星齿轮现成产品，将行星齿轮与电机固联进行动力减速输出，之后再经过普通圆柱直齿轮的减速，将动力传递至转向轴。星齿轮减速机构的选配考虑到结构的尺寸和机构的各项综合性能，本设计选配涟恒列精密行星齿轮减速机图 4恒列精密行星齿轮减速机该行星减速机产品具有高精度、高钢性、高负载、高效率、高速比、高寿命、低惯性、低振动、低噪音、低温升、外观美、结构轻小、安装方便、精确定位等特点，适用于交流伺服马达、直流伺服马达、步进马达、液压马达的增速与减速传动。关于该产品的更多详细信息可参见产品说明书。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）速齿轮的设计与校核动比的确定电机动力经由行星齿轮减速机构输出后的转速 1610001 行 (4圆柱直齿轮的减速比为轮主要参数的选择（ 1）模数 m 考虑到齿轮的应用环境中转速与噪声的要求，选取齿轮模数 m=2，（ 2）压力角压力角较小时，重合度较大，传动平稳，噪声较低；压力角较大时，可提高轮齿的抗弯强度和表面接触强度。国家规定的标准压力角为 20，所以普遍采用的压力角为 20 （ 3）齿宽 b 齿宽对齿轮传动的轴向尺寸、齿轮工作平稳性、齿轮强度和齿轮工作时受力的均匀程度等均有影响，选用较小的齿宽可以缩短变速器的轴向尺寸和减小质量。但齿宽减少使斜齿轮传动平稳的优点被削弱，齿轮的工作应力增加；选用较大的齿宽，工作时会因轴的变形导致齿轮倾斜，使齿轮沿齿宽方向受力不均匀并在齿宽方向磨损不均匀。根据推荐值选取 2， 0 （ 4）齿数 z 考虑该齿轮的传动比与使用环境，根据推荐值选用小齿轮的齿数 4,则 =107 （ 5）齿顶高 221 aa （ 6）齿根高 1 ff （ 7）齿高 1 尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 8）分度圆直径 d 4811 21422 (9）齿顶圆直径 52)2( 11 a 218)2( 22 a (10）齿根圆直径 43)11 f 2 0 9)22 f (11）中心距如图 4 4轮传动轮设计与校核 (1) 齿轮设计与计算齿轮的损坏形式主要有轮齿折断、齿面疲劳点蚀、齿轮端部破坏及齿面131)(21 21 尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）合等。为防止齿轮损坏需要对齿轮进行强度校核。 (2) 齿轮材料的选择原则 1）满足工作条件的要求不同的工作条件，对齿轮传动有不同的要求，故对齿轮材料亦有不同的要求。但是对于一般动力传输齿轮，要求其材料具有足够的强度和耐磨性，而且齿面硬，齿芯软。 2）合理选择材料配对如对硬度 350软齿面齿轮，为使两轮寿命接近，小齿轮材料硬度应略高于大齿轮，且使两轮硬度差在 30 50右。为提高抗胶合性能，大、小轮应采用不同钢号材料。 3）考虑加工、工艺及热处理工艺大尺寸的齿轮一般采用铸造的方法来制造毛坯，毛坯的材料可以选用铸钢或铸铁；中等或中等以下尺寸，并且要求较高的齿轮常采用锻造毛坯，其材料可选择锻钢制作。尺寸较小而又要求不高时，可选用圆钢作为毛坯。软齿面齿轮常用中碳钢或中碳合金钢，经过正火或调质处理以后，再进行切削加工即可；硬齿面齿轮（硬度 350采用低碳合金钢切齿后再表面渗碳淬火或中碳钢（或中碳合金钢）切齿后表面淬火，以获得齿面、齿芯韧的金相组织，为消除热处理对已切轮齿造成的齿面变形需进行磨齿。但若采用渗氮处理，其齿面变形小，可不磨齿，故可适用于内齿轮等无法磨齿的齿轮。传动比大，齿轮所受冲击载荷作用也大，所以抗弯强度要求比较高。大齿轮齿轮采用 40度为 4855齿轮采用 20度为 58603) 齿轮强度的校核 1）齿轮弯曲强度校核已知参数： 8,2 m 5,49 109 1T m, T N m 查齿形系数得：代入公式得： 292 3 31 w 292 3 32 w 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）于货车当计算载荷取变速器第一轴最大转距时，其许用应力应该小于250均小于 250以满足设计要求。 2）齿轮接触应力校核已知条件： 8,2,20 m， 107,24 21 c o o o 5 9 420c o 2 F N o s 28c o s nc o i o i nc o i nc o ss i o i o i nc o i nc o ss i 11 将已知数据代入公式得： M p 1(9 M p 1(9 9j，10j均小于 1900 以满足设计要求。本章小结本章对电动助力转向系统的减速机构进行总体设计。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 5章转矩转角传感器的设计转矩转角传感器是电动助力转向系统的关键技术之一，有必要对其进行全面的分析矩转角传感器的发展对言其主要传感器有接触式电阻转向传感器、非接触式光电转矩传感器以及新型磁阻式转向传感器传感器。目前感器的发展方向向着集成化、小型化、扩展温度范围、重型车用的方向发展。同时，基于传感技术的车辆电动转向系统故障诊断技术也得到了快速的发展。感器主要包括转矩传感器、车速传感器等。早期的矩传感器应用较多的为接触式传感器，例如电阻式转向传感器。这种传感器体积大，价格低，但是由于接触式结构使得工作时产生摩擦，容易磨损。非接触式转矩传感器使用了磁、光和感应技术，通过感应部件的转换，将驾驶员的转向操作变为以接受的电信号。随着公众对车辆驾驶安全性和舒适性要求的进一步提升，对车辆稳定性的控制也提出了更高的要求。单一的传感器将不能满足性能提高的需求，但是采用多种传感器会造成系统成本的提升和可靠性的隐患，因此，采用多功能集成传感器是今后发展的方向。如日本司最新开发的转矩转角集成传感器可实现对转矩和转角信号的同时检测。这种新型的传感器也代表了感器今后的发展方向。传感器的小型化既可减少占用的空间，还能降低能耗，使其更符合环保的要求。转矩传感器在统中起的关键作用是：探测驾驶员转向操作时方向盘的产生的转矩或转角的大小和方向，以转向转矩数据的形式反映出司机的转向操作，并把数据以信号的形式传输到电子控制单元中，然后据这个信号连同车速等信号来产生相应的助力，协助驾驶员转向。转矩传感器是测量驾驶员作用在转向盘上力矩的大小和方向的，有的转矩传感器还能够测量转向盘转角大小和方向。本文所要研究的就是一种能集成转矩、转角及方向的转矩传感器。电动转向器中，转矩传感器是电动转向器中最重要的部件之一，是电动转向器的核心部件，集机电技术于一体，其性能的优劣直接影响到电动转向器的性能。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）般来讲，转矩测量系统比较复杂且成本较高，所以精确，可靠、低成本的转矩传感器是决定统能否占领市场的关键因素之一。感器的研究呈现两个发展趋势，一是从提供单一转矩信号和提供复合信号方向发展；二是从接触式向非接触式方向发展。矩转角传感器的类型及选用目前可供选用的类型有以下几种 1）电位计式扭矩传感器 2）金属电阻应变片的扭矩传感器 3）相位差扭矩传感器 4）光电式转矩传感器本论文选择使用一种集转矩传感器与转角传感器一体的感器，他是由日本司在 2004 年提出的一种非接触转矩、转角传感器，它是把转矩和转角集成在一起测量，这样输出的转矩信号可以提供给电动助力转向器。本文源于这一思想，设计一种能将扭矩、转角集成到一个结构上测量的传感器。矩转角传感器总体结构设计作原理本文采用的转矩 /转角传感器总成包括扭杆、信号圆盘、敏感元件和处理电路四部分组成，也将对该传感器的机械结构进行设计如图 5传感器机械部分结构外形图哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 5感器机械部分结构外形图如图 5扭矩 /转角传感器机械部分结构剖视图。 1 2 3 4 5 6 8 9 10感器组件 11图 5扭矩 /转角传感器机械部分结构剖视图根据图 5出轴 4 与扭杆 5 是通过钢销 11 连接固定在一起的，输出哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 8 与扭杆 5 之间是通过另一个钢销 9 连接固定。从外观看输出轴和输入轴并没有直接连接在一起，但内部却通过扭杆 5 相连接。信号圆盘 2 与信号圆盘 3 之间通过键（图中未标出）固定在输出轴 8 上，并且信号圆盘 2 与信号圆盘 3 之间没有相对转动，信号圆盘 1 通过键（图中未标出）固定在滚动村套 6 上。在输入轴加载扭矩，信号圆盘 1 跟随输入轴一起转动，信号转换成角度信号，信号圆盘 1 和信号圆盘 2 之间有相对转动，所以可以计算相对转角。信号圆盘 2 和信号圆盘 3 都固定在输出轴上，它们之间没有相对转动，但信号圆盘 3 要少一个齿，所以通过信号圆盘 2 和信号圆盘 3 可以计算出转向手柄转过的绝对转角。图 5扭杆和信号圆盘构成的转矩 /转角传感器外观示意图图 5矩 /转角传感器外观示意图在方向盘输入扭矩 T 的情况下，扭矩通过扭杆 2 直接传递到输出轴 8，扭杆 2 承受整个扭矩 T，在扭矩 T 作用下产生的剪切力的作用下，扭杆 2 输入端截面与输出端截面将会产生一个角口，口角表征扭矩 T 的大小。（ 5 式中 l 产生变形的扭杆当量长度； G 扭杆材料的剪切模量；哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） I 扭杆横截面的极惯性矩324 。号圆盘参数本课题中齿轮并不用于传动，其利用齿轮的最基本的物理构造，即齿与齿之间存在间隙。故在设计过程中，可以不考虑诸如啮合度、强度等传动因素。齿轮采用铁质材料，齿顶处存在的铁磁质对磁路有影响，齿根对磁路亦存在影响，但两者影响程度不同。空气相对磁导率约为 1，铸铁为 200 400；硅钢片为 7000 10000。齿参数：齿轮并不必须做成标准形，亦可以考虑矩形齿；但必须是直齿轮。受空间条件制约，其基本尺寸不宜过大。为符合国家标准，便于加工，本课题中信号盘 l 与信号盘 3 完全相同：取模数取 3=1 5，分度圆直径为 3=54数 3=36。便于电路处理，为保证信号盘 1与 3 之间在最大扭矩 T=50用下相位差不超过 10，即信号盘 1 与 3 之问的齿之间在扭矩 T 的作用下，不超过半个齿形的错位。扭杆的扭转刚度为（ 5 当取扭杆参数如下式： G =84000 d=8L=101 T =08400)108(643 设定试验扭矩值为，则有故 z=36 是可以满足要求的。为便于后续计算绝对转向角的大小，齿轮 3 比齿轮 1、 2 少一个齿，即是5， m= 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 5号圆盘 1、 2 基本尺寸厚度：保证齿轮厚度适中，与感器组件相适应。取 b=4图 5图 5R 传感器组件位置芯片 1、 2、 3分别于信号源圆盘 1、 2、 3对应在一个水平面上。材料：空气相对磁导率约为 1，铸铁为 200 400；硅钢片为 7000 10000。对于本课题而言，铸铁的相对磁导率已经满足要求，硅钢片相对成本较高。且在后续处理过程中，磁铁体对磁阻电阻的影响只表现在幅值上，对相对的改变没有影响。所以此处可以选择铸铁为信号圆盘材料，降低成本。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 5号圆盘 3 基本尺寸响信号输出的因素（ 1）扭杆当量长度扭杆的当量长度 L 越长，对整个系统而言，灵敏度越高。但是对于本课题而言，扭杆不宜过长，转向系统内空间不允许。且对于加工制造来说，会提高制造成本，故扭杆的基本尺寸如图 5示：图 5扭杆基本尺寸下一小节将单独对扭杆的基本模型进行设计与计算，以得出是否符合实际试验的结果。（ 2）齿数设信号圆盘 1、 2有在磁阻电阻灵敏度范围内，个系统灵敏度越高。但在最大加载力矩 T=20方便电路处理，就应使信号圆盘 1、 2之间相位差不超过一个周期，即 z2 。故齿数的选定应 2 式中 T 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）扭杆弹簧的设计扭杆弹簧是一种弹性机械零件，它跟其它类型弹簧一样，都是利用材料的弹性以及本身结构和总体布置的特点，把机械功或动能转变为变形能，或将变形能转交为机械能或动能，实现能量的转变。在各种机械设备和装备中，广泛利用它来起到缓冲和减振、能量储备或稳定作用。本课题中所涉及的扭杆弹簧是在传动轴中用以测量传动过程中的扭转大小，但它所承受的力矩要比以上所提及的要小得多。 1 扭杆弹簧的基本性能在设计扭杆弹簧时，应考虑它的基本性能和特点。扭杆弹簧的工作性能，由扭杆弹簧的特性线、扭杆弹簧的剐度和柔度、扭杆弹簧的自振频率和周期、受追振动时的振幅等几大方面所表示。（ 1）扭杆弹簧的特性线在各种车辆和机械设备中，常采用扭杆弹簧作为弹性元件。当扭杆弹簧受到扭矩作用时，就会产生扭转变形，其扭矩 T 与扭转变形角之间的函数关系称为扭杆弹簧的特性，而扭矩 T 与扭转变形角之间的关系曲线称为扭杆弹簧特性线。对钢制扭杆弹簧，由材料力学可知：扭杆弹簧的扭矩 T 与其扭转变形角关系为：，（ 5 或 ,（ 5 式中 L 扭杆弹簧的有效工作长度（扭杆弹簧的极惯性矩（用纵坐标轴表示扭杆 T，横坐标轴表示扭杆变形角，按式（ 5系，绘制的曲线图就是扭杆弹簧的特性曲线（图 5该特性曲线是线性的说明钢制扭杆弹簧的炭火特性是直线型。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 5制扭杆弹簧的特性曲线（ 2）扭杆弹簧的扭转刚度与柔度扭杆弹簧单位变形所需的扭矩称为扭杆弹簧的扭转刚度，以表示：（ 5 显然，扭杆弹簧的扭转刚度就是扭杆弹簧特性线的斜率，即 T （图5由于扭杆弹簧的特性曲线是一条直线，所以扭杆弹簧的刚度是一个常数。扭杆弹簧单位扭矩产生的扭转变形 d ，称为扭杆弹簧的柔度，以（ 5 由式（ 5（ 5知：扭杆弹簧的刚度柔度互为倒数。扭杆弹簧的刚度与柔度是评定扭杆弹簧指令系统动力性能的重要参数，也是确定质量系统自振频率的主要参数。（ 3）扭杆弹簧的固有频率、阻尼和振幅对于一个扭杆弹簧质量系统，在没有任何扭矩左右时，由系统内部的内力左右，而引起质量系统振动的频率称为扭杆质量的固有频率。如图 5杆弹簧质量系统，在静止状态时，质量圆盘 A 在两个大小相等方向相反的内扭矩作用下，质量圆盘 A 出于平衡静止状态。 TKd 尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 5杆弹簧质量系统扭振当给系统一个瞬间作用扭矩时，破坏了系统的静止平衡状态，质量盘会在扭杆弹簧固有的内扭矩作用下，围绕平衡位置开始振动，这种扭转振动是依靠扭杆弹簧内部永久存在的固有扭矩作用，而不是依靠外扭矩的周期作用，所以它称为自由振动。从平衡位置到质量盘的最大偏离平衡位置角度偏移量称为自由振动的振幅。自由振动的频率就是系统的固有频率口 r，系统的固有频率与振幅无关，它与系统的扭杆弹簧的扭转刚度尼和系统的转动惯量 I 有关，在一般情况下，有阻尼和无阻尼固有频率数值比较接近，因此，对有无阻尼系统的固有频率均按下式估算： (5如考虑扭杆弹簧的转动惯量0I，则： 0r （ 5 当扭杆弹簧受到强烈振动时，为了检验这种受迫振动对扭杆弹片质量系统的影响，应计算该系统的固有频率，以便使受迫载荷的频率避开扭杆弹簧质量系统的固有频率。扭杆弹簧的强迫振动的振动频率与加载频率相同，当扭矩的频率接近系统的固有频率，系统将发生共振，其振幅迅速达到危险值，所以在设计过程中，要避免这种情况的发生。 2 圆断面扭杆弹簧及固定件设计本课题选用圆断面扭杆弹簧作为力矩传递件。圆断面扭杆弹簧结构分为三部分：工作直杆部分，过渡部分和两端连接部分。如图 5示。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 5扭杆弹簧结构简图（ 1）工作直杆部分设计除去两端钢销连接部分和两端过渡部分的长度，剩余直杆部分就是工作部分。长度用示。扭秆弹簧工作直杆部分为实心圆柱直杆。由于实心圆柱扭杆弹簧结构简单，占用空问小，加工方便等优点，所以本课题采用圆断面扭杆弹簧。根据材料力学可以推导出圆断面的工作直杆部分的结构形状参数和参数之间关系结果如下。极惯性矩 324 （ 5 扭转断面系数 163 （ 5 扭转变形角： 232 4 （ 5 扭转扭矩 T： 341632 （ 5 扭转切应力：（ 5 扭转刚度哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） r 324 （ 5 扭转变性能 U： 22 (5 扭转应力率：（ 5 式中 L 扭杆弹簧的有效工作长度； V 扭杆弹簧的有效工作体积； G 材料的剪切模数。由项目合作单位提出的偏转角偏转范围为 5，即扭杆在外加力矩的连接端面之间的偏转角不超过 5。对照目前已经装备于计式扭矩传感器的结构尺寸，以及以上参数，先试取 4d=8 （ 2）两端连接部分设计端部结构设计的主要任务是：确定端部连接形式、结构参数以及强度分析计算。对端部结构一般要求为： 1）具有可行传递强度储备； 2）保证扭杆弹簧只承受单一的纯扭转载荷； 3）保证扭杆弹簧在工作中不产生轴向移动。为了安装、固定、调整以及承受扭转载荷的需要，扭杆弹簧两端连接部分常采用钢销连接和多边形连接以及辅助加楔机构 (如螺栓、销等 )等。由于钢销便于控制和调整扭杆弹簧的安装角，所以目前扭杆弹簧端部连接固定部分常采用钢销连接结构，很少采用多边形连接结构。（ 3）过渡部分设计 1）结构设计由于端部连接段和工作段的等强度要求以及便于端部连接段的成型加工，通常两端直径比工作直径大。为了减少从工作杆直径到端部直径 (对于钢销端部连接其端部直径为钢销要径，对于多边形连接其端部直径为多边形内切直径 )过渡处的应力集中，采用了下列两种过渡方式。 (a) 锥形过渡形式哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） b) 圆弧过渡形式图 5扭杆弹簧过渡部分结构及等效长度计算简图对于锥形过渡，为了尽量减少应力集中，使应力集中系数趋近零，其圆锥角要求小于 30。，锥部与直秆部分过渡处用大于杆径的圆角半径相连接，使所有的锐边和钝边都得到圆化。对于圆弧过渡，为了减少应力集中，使应力集中系数趋近于零，其过渡半径要大于 3 5 倍 (平均 4 倍 )杆径。同样要求过渡圆弧与端部连接处要用大于 3 倍杆径来圆化。从减少应力集中的角度来看，过渡锥度越小或圆弧半径越大，越有利，但在总长度不变的条件下，势必工作长度减少，使扭杆弹簧刚度增加。所以在保证最小应力集中条件下，应使过渡圆弧半径小或锥度大。 2）锥形过渡部分的实际长度和工作等效长度由图 5a)几何关系推导出锥形过渡部分的实际长度 22 221 （ 5 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）中 : 为端部花键钢销工作部分直径； 2 锥形过渡部分的圆锥角。距端部直径面 x 处的直径 1221 )(L x （ 4 在扭矩 T 作用下，直径为长度为单元长度内的扭转角 d 为 d （ 4 在扭矩 T 作用下，锥形过渡部分实际长度为 10 40132 （ 5 将式（ 5入到式（ 5得到 323222214 332（ 5 432式 (5 (5较，当于直杆工作长度，所以可以看出锥形过渡部分与直径为 d，长度为扭杆弹簧具有相同的弹性，即工作等效长度 : 223222213 g （ 5 1 3232222 （ 5 322211131Q 锥形过渡部分工作长度系数。 3）圆弧过渡部分的实际长度和工作等效长度至于圆弧过渡部分的计算可以参照上式。本课题不采用圆弧过渡式，所以此处不详述。 4）扭杆弹簧有效工作长度扭杆弹簧全长括工作直径长度边过渡部分实际长度 12 和两端连接部分长度哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） H=3+11+中两端连接部分长度。扭杆弹簧在工作过程中，除两端钢销部分长度外，其过渡部分发发生扭转变形，参加工作，所以，在计算扭杆弹簧工作有效长度时，应考虑过渡部分的扭转变形作用。由于过渡段的扭转变形和直杆扭转变形计算方法不一样，所以应把过渡部分的扭

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