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汽车动力转向系设计说明书 中文摘要为了减轻驾驶员转动方向盘的操作力利用动力产生辅助动力的装置称为转向动力机构现代汽车都采用动力转向辅助系统使驾驶员的转向操作变得方便省力本文主要介绍了齿轮齿条式动力转向器的设计计算以及结构设计对转向系的要求转向系的主要参数动力转向系的要求动力转向的组成和工作原理以及动力转向系布置方案的选择和确定等作了详细的介绍并且对所需要的辅助油泵作了计算和选择关键字齿轮齿条式动力转向设计计算AbstractIn order to reduce the driver turned the steering wheel operating force the use of power auxiliary power produced the device is called to the motor It made the driver change direction conveniently and save his labouring This text mostly introduced the design and the count of the integery type of circulating rack and pinion steering along with the design of structure And it particularly introduced the need of steering system the main parameters of steering system the need of power steering system the make-up and the principle of power steering system and how to select and ascertain the established scheme of power steering systemIt is emphasized the design and the count also reckon and select the pumpKeywords Rack and pinion steeringpower steeringdesign and count目 录 中文摘 要Abstract II前 言1第一章 转向系统设计方案论证211 转向系的概述212 动力转向系统概述413 齿轮齿条式转向器与其它型式转向器的比较614 电控液压动力转向系统的工作特性7第二章 齿轮齿条转向器设计及校核1021 齿轮齿条转向器种类的选择1022 前轴负荷的确定1223 转向系的主要性能参数计算1324齿轮齿条转向器的计算及校核16第三章 电控液压动力转向系统的设计及验证2531 EHPS系统设计方案选择2532 EHPS系统的设计计算2833 动力转向系统方案校核36第四章 毕业设计结论与小结39致 谢40参考文献41前 言本次毕业设计在高晓宏老师的指导下进行主要内容是齿轮齿条式的设计及其计算转向系的主要性能参数选择与确定电子液压式动力转向系统的设计老师在三月初向我介绍了我将要完成的任务并提供了大量的资料我自己也借了很多参考书籍来学习并且在网上杂志上查阅了大量的相关文献我的课题是小排量汽车转向系设计在今后的二个多月的时间里我要完成的任务有1由给定条件确定基本参数然后由基本参数确定动力转向器的其他主要参数 2进行方案论证设计算机械结构设计方案校验等3绘制转向系装配图以及其零件图4编写设计说明书5进行相关技术文献资料翻译6分析总结撰写毕业设计说明书本次设计要达到以下要求1 在考虑安全可靠动力性经济性良好又具备舒适方便高效的基础上尽量利用成熟的主要零部件并考虑其通用性以减少投产准备工作量以此提高经济效益并方便用户维修2 充分采用引进的车型的先进技术和先进结构并确保各选用总成零部件的技术水平达 到或接近国内先进水平以提高整车性能增强本系列车型在国内外市场的竞争力3 考虑系列化设计在基本车型基础上通过局部改动能派生成系列产品4 设计时还考虑能装配成各种型专用车的可能性5 遵循三化原则贯彻有关国家标准和汽车行业标准以及汽车技术法规6 运行安全排放和噪声应符合国内及国际相应法规的要求以确保行车的安全和降低对 环境的污染11 转向系的概述 转向系是通过对左右转向车轮不同转角之间的合理匹配来保证汽车能沿着设想的轨迹运动的机构它由转向操纵机构转向器和转向传动机构组成转向操纵机构转向器是转向系中最重要的部件作用是增大转向盘传到转向传动机构的力改变力的传递方向转向器按结构形式可分为多种类型目前较常用的有循环球式蜗杆曲柄指销式等如果按照助力形式又可以分为机械式无助力和动力式有助力两种其中又可以分为液压动力式电动助力式电液助力式等转向传动机构转向传动机构和动力系统结合构成动力转向系统为了使转向轻便现在的汽车多采用动力转向系统4 对转向系的要求转向系应满足下述要求保证汽车具有高的机动性内外转向轮转角间的匹配应保证当汽车转弯行驶时全部车轮绕同一瞬时转向中心旋转各车轮只有滚动而无侧滑在转向盘和各转向轮的转角间应保证在运动学关系和力学关系方面的协调操纵轻便转向时加在转向盘上的切向力对轿车不应大于150200N对中型货车不应大于360N对重型货车不应大于450N否则应考虑动力转向转向盘的回转圈数要少转向后转向盘应能自动回正并能使汽车保持在稳定的直线行驶工况当转向轮受到地面冲击时转向系传递到转向盘上的反向冲击要小转向传动机构与悬架导向装置的干涉应最小转向器和转向传动机构因磨损产生间隙时应能调整而消除之12 动力转向系统概述1动力转向系统的定义及组成动力转向系统是将发动机输出的部分机械能转化为压力能或电能并在驾驶员控制下对转向传动机构或转向器中某一传动件施加辅助作用力使转向轮偏摆以实现汽车转向的一系列装置2对动力转向系的要求1既要保证转向轻便胜利又要能够很好的反馈地面作用力即路感2在转向结束时转向盘能平顺地自动回正使车轮回到直线行驶的位置上3当动力转向系统发生故障时转向系统仍能依靠人力进行转向4在保证转向性能的前提下尽可能降低转向的动力消耗3汽车上装置动力转向系统的目的汽车转向时要求操纵轻便即以较小的转向盘操纵力获得较大的转向力矩同时又要求转向灵敏即以较小的转向盘转向角获得较大的转向角使用机械转向装置可以实现汽车转向当转向轴负荷较大时仅靠驾驶员的体力作为转向能源则难以顺利转向动力转向系统减轻了驾驶员操纵转向盘的作用力转向能源来自驾驶员的体力和发动机 或电动机 其中发动机 或电动机 占主要部分通过转向加力装置提供正常情况下驾驶员能轻松地控制转向图1-2 汽车急转弯时的转向力特性曲线4动力转向系统分类目前轿车上配置的助力转向系统大致分为三类机械液压助力转向系统电子液压助力转向系统和电动助力转向系统机械式液压动力转向系统机械式的液压动力转向系统一般由液压泵油管压力流量控制阀体V型传动皮带储油罐等部件构成液压泵靠发动机皮带直接驱动无论车是否转向这套系统都要工作而且在大转向车速上浪费了能量驾驶这类车尤其是低速转弯时觉得方向比较沉发动机也比较费力气又由于液压泵的压力较低时需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力在一定程度很大也比较容易损害助力系统电液压助力转向系统主要由储油罐助力转向控制单元电动泵转向机助力转向传感器等构成其中助力转向控制单元和电动泵是一个整体结构电子液压转向助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动力来自于蓄电池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同时节省一部分发动机功率电子液压助力转向系统是目前采用较为普遍的助力转向系统电动助力转向系统电动助力转向系统 Electronic Power Steering 简称EPS它利用电动机产生的动力协助驾车者进行动力转向EPS的构成不同的车尽管结构部件不一样但大体是雷同一般是由转向传感器电子控制单元电动机减速器机械转向器以及畜电池电源所构成汽车在转向时转向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等数据信号向电动机控制器发出动作指令从而电动机就会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩从而产生了助力转向在电子控制单元控制下汽车能容易地实现可变助力功能即在车速较低的时候助力能量大方向盘轻车速高时助力能量小方向盘重这样给安全行车带来好处如果不转向则本套系统就不工作处于休眠状态等待调用一般高档轿车使用这样的助力转向系统的比较多13 齿轮齿条式转向器与其它型式转向器的比较齿轮齿条转向器以齿轮和齿条传动作为传动机构适合与麦弗逊式独立悬架配用齿轮齿条式转向器的结构简单结构简单紧凑无转向摇臂和转向直拉杆质量轻刚性大因而制作容易成本低便于布置正逆效率均高为了防止和缓和方向冲击传给方向盘应装有能吸振的减振器或者在小齿轮和转向轴之间装橡胶联轴节这种转向器近年来在轿车和微型货车上得到较广泛的应用本次设计选择使用齿轮齿条转向器图1-3 齿轮齿条转向器循环球式转向器的传动效率高工作平稳可靠螺杆和螺母上的螺旋槽经淬火和磨削加工后既耐磨而寿命又长但循环球式转向器结构较为复杂对主要零件的加工精度要求较高但目前在SUVMPV等车型上仍得到广泛的应用蜗杆滚轮式转向器主要由蜗杆和滚轮相啮合而构成滚轮的齿面和蜗杆上的螺纹齿呈面接触强度比较高制造简单工作可靠磨损较小寿命较长当要求摇臂轴有较大转角时蜗杆直径要做的大些因而转向器的外形尺寸和质量都将相应增加这种转向器曾在轻型和中型汽车上广泛使用过蜗杆指销式转向器能够根据使用要求将角传动比作成不变或可变的摇臂轴转角较大时可以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这种转向器制造较复杂曾在一些小排量的轿车上直至重型汽车上采用过目前应用较少14 电控液压动力转向系统的工作特性图1-4 动力转向控制系统图1-5 POLO轿车电动液压助力转向系统示意图从广泛意义上讲电控液压助力转向系统分为2种一种是为了实现车速感应式转向功能而在机械液压助力转向系统的基础上增加了控制液体流量的电磁阀车速传感器以及转向控制单元等转向控制单元根据车速信号控制电磁阀从而通过控制液体流量实现了助力作用随车速的变化另一种助力转向系统是用由电动机驱动的液压泵代替了机械液压助力转向系统中的机械液压泵而且增加了车速传感器转向角速度传感器以及转向控制单元等部件从性能上讲采用电动液压泵的电控液压助力转向系统具有更好的性能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本次设计采用流量控制式工作过程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转向控制单元根据车辆的行驶速度和转向角度等输入信号计算出理想的输出信号然后控制电动机输出适当的功率电控液压助力转向系统中的电动液压泵工作通过液压油为转向机提供助力当汽车高速行驶时转向控制单元控制电动机输出较小的功率这样驾驶者在操纵转向盘时就比较稳定也就实现了车速感应式转向2系统组成电控液压助力转向系统简称为EHPAS Electro-Hydraulic Power Assist Steering 系统部件主要包括电动机液压泵转向机转向角速度传感器转向控制单元EHPAS警告灯以及助力油储液罐等其中转向控制单元和电动机及液压泵通常安装在一起1 优点由于电子控制助力转向系统采用了电动机代替发动机驱动机械液压泵这在一定程度上降低了发动机的负荷从而降低了燃油消耗由于采用了转向控制单元在系统出现故障时可以使用故障诊断仪辅助故障的检修2 缺点虽然采用了电能作为动力源但是仍然保留有液压动力传递系统因此电控液压助力转向系统仍然具有一些机械液压助力转向系统缺点例如系统结构复杂以及液压管路有泄漏的可能等问题电控液压助力转向带有液压管路和储油罐等系统不能实现模块化设计各部件在车身上的布置仍然有一定的局限性第二章 齿轮齿条转向器设计及校核21 齿轮齿条转向器种类的选择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两端输出图2-1a侧面输入两端输出图2-1b侧面输入中间输出 图2-1c 侧面输入一端输出 图2-1d 图2-1齿轮齿条转向系采用侧面输入中间输出方案时由图22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连接因此两拉杆与齿条同时向左或向右移动为此在转向器壳体上开有轴向的长槽从而降低了它的强度图2-2采用两端输出方案时由于转向拉杆长度受限制容易与悬架系统导向机构产生运动干涉但其结构简单制造方便且成本低等特点常用于小型车辆上采用侧面输入一端输出的齿轮齿条式转向器常用在平头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力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噪声均降低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因为斜齿工作时有轴向力作用所以转向器应该采用推力轴承是轴承寿命降低还有斜齿轮的滑磨比较大事它的缺点根据对四种不同类型转向器的对比选择选用侧面输入两端输出的齿轮齿条转向器齿条断面形状有圆形图23V形图24和Y形图25三种圆形断面齿条的制作工艺比较简单V形和Y形断面齿条与圆形断面比较消耗的材料少约节约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形的断面齿条的齿宽可以做的宽一些因而强度得到增加在齿条与托座之间通常装有碱性材料如聚四氟乙烯做的垫片以减少滑动摩擦当车轮跳动转向或转向器工作时如在齿条上作用有能使齿条旋转的力矩时应选用V形和Y形断面齿条用来防止因齿条旋转而破坏齿条齿轮的齿不能正确啮合的情况出现图2-4 图2-5 根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同齿轮齿条式转向器在汽车上有四种布置形式转向器位于前轴后方后置梯形转向器位于前轴后方前置梯形转向器位于前轴前方后置梯形转向器位于前轴前方前置梯形如图2-6图2-622 前轴负荷的确定对于轿车汽车总质量 整备质量 驾驶员及乘员质量 行李质量表210知汽车载质量利用系数选取 12由公式 得 1536kg 3 轮胎的选择由汽车设计表220根据条件初选轮胎规格为17560R14胎宽 胎厚与胎宽的百分比为-6 即胎厚 1轮毂直径 1汽车方向盘转向盘转向盘的直径有一系列尺寸选用大的直径尺寸时会使驾驶员进出驾驶室感到困难若选用小的直径尺寸转向时驾驶员要施加较大的力量老师给定的尺寸mm则由作用方向盘上的力矩得作用在方向盘上的力2转向阻力矩1式中-滑动摩擦系数一般取-轮胎气压P 045Mpa-前轴载荷G 8595N 则2771Nm3转向系的效率 功率P1从转向轴输入经转向摇臂轴输出所求得的效率称为正效率用符号表示反之称为逆效率用符号-表示 转向系的效率0由转向器的效率和转向操纵及传动机构的效率 决定 转向器的效率又有正效率和逆效率-之分转向摇臂轴输出的功率P1-P2与转向轴输入功率P1之比称为转向器的正效率 P1-P2P1 式中 P2转向器的摩擦功率 反之经转向轴输出的功率P3-P2与转向摇臂轴输入的功率P3之比称为转向器的逆效率 - P3-P2P3 正效率愈大转动转向轮时转向器的摩擦损失就愈小转向操纵就愈容易转向器的结构类型结构特点结构参数和制造质量等是影响转向器正效率的主要因素为了保证转向时驾驶员转动转向盘轻便要求正效率高为了保证汽车转向后转向轮和转向盘能自动返回到直线行驶位置又需要有一定的逆效率为了减轻在不平路面上行驶时驾驶员的疲劳车轮与路面之间的作用力传至转向盘上要尽可能小防止打手这又要求此逆效率尽可能低逆效率表示转向器的可逆性根据逆效率值的大小转向器又可分为可逆式极限可逆式与不可逆式三种可逆式转向器的逆效率较高这种转向器将路面作用在转向轮上的反力很容易的传递到转向盘上使司机的路感好在汽车转向后也能保证转向轮与转向盘的自动回正使转向轮行驶平稳但在坏路面上当转向轮上作用有侧向力时转向轮受到的冲击大部分会传给转向盘容易产生打手现象同时转向轮容易产生摆振因此可逆式转向器宜用于在良好路面上行驶的汽车目前主要应用于轿车客车和货车上齿轮齿条式和循环球式转向器均属于这一类不可逆式转向器不会将转向轮受到的冲击力传到转向盘由于他既使司机没有路感又不能保证转向轮的自动回正现代汽车已不采用极限可逆式转向器其反向传力性能介于可逆式和不可逆式之间接近于不可逆式驾驶员有一定路感能实现转向轮自动回正当路面冲击力很大时才能部分地传到转向盘其逆效率较低适用于在坏路面上行驶的汽车目前主要应用于越野车和矿用自卸汽车当转向轮受到冲击力时其中只有较小的一部分传递给转向盘4转向系的角传动比和力传动比转向系的传动比由转向系的角传动比和转向系的力传动比组成从轮胎接触地面中心作用在两个转向轮上的合力2与作用在方向盘上的手力之比称为力传动比i 方向盘的转角和驾驶员同侧的转向轮转角之比称为转向系角传动比i它又由转向器传动比i转向传动装置角传动比i所组成力传动比与转向系角传动比的关系i 而和作用在转向节上的转向阻力矩有以下关系作用在方向盘上的手力可由下式表示则i 若忽略磨擦损失则由此式中a车轮节臂由式可知力传动比与和有关愈小愈大转向愈轻便由以上过程可计算出结果如下角传动比则2217 力传动比式中a 50mm则 68124齿轮齿条转向器的计算及校核1齿轮参数的选择齿轮模数值取值为m 主动齿轮齿数为z 6压力角取 20齿轮螺旋角为 齿条齿数应根据转向轮达到的值来确定齿轮的转速为n 10rmin齿轮传动力矩25转向器每天工作8小时使用期限不低于5年主动小齿轮选用20MnCr5材料制造并经渗碳淬火而齿条常采用45号钢或41Cr4制造并经高频淬火表面硬度均应在56HRC以上为减轻质量壳体用铝合金压铸2齿轮几何尺寸确定齿顶高 ha 齿根高 hf 齿高 h ha hf 分度圆直径 d mzcos 齿顶圆直径 da d2ha 齿根圆直径 df d-2hf 基圆直径 法向齿厚为端面齿厚为分度圆直径与齿条运动速度的关系 d 60000vn10001ms齿距 p m 314齿轮中心到齿条基准线距离 H d2xm 3齿根弯曲疲劳强度计算1齿轮精度等级材料及参数的选择1由于转向器齿轮转速低是一般的机械故选择8级精度2齿轮模数值取值为m 主动齿轮齿数为z 6压力角取 203主动小齿轮选用20MnCr5或15CrNi6材料制造并经渗碳淬火硬度在56-62HRC之间取值60HRC4齿轮螺旋角初选为 2齿轮的齿根弯曲强度设计 1试取K 2斜齿轮的转矩 T 25Nm 3取齿宽系数 4齿轮齿数 5复合齿形系数 6许用弯曲应力 07 07920 644N 为齿轮材料的弯曲疲劳强度的基本值试取 mm7圆周速度 d mm b d 取b mm8计算载荷系数1 查表得 使用系数 12 根据和8级精度查表得3 查表得齿向载荷分布系数4 查表得齿间载荷分布系数5 修正值计算模数故前取mm不变3 1许用接触应力 查表得由图得安全系数2查表得弹性系数3查表得区域系数4重合度系数5螺旋角系数MPa1650MPa由以上计算可知齿轮满足齿面接触疲劳强度即以上设计满足设计要求4齿条的设计根据齿轮齿条的啮合特点齿轮的分度圆永远与其节圆相重合而齿条的中线只有当标准齿轮正确安装时才与其节圆相重合齿轮与齿条的啮合角永远等于压力角因此齿条模数m 压力角齿条断面形状选取圆形选取齿数z28螺旋角端面模数端面压力角法面齿距端面齿距齿顶高系数法面顶隙系数齿顶高齿根高齿高 h ha hf 法面齿厚端面齿厚5齿轮轴的设计由于齿轮的基圆直径14412数值较小若齿轮与轴之间采用键连接必将对轴和齿轮的强度大大降低因此将其设计为齿轮轴由于主动小齿轮选用20MnCr5材料制造并经渗碳淬火因此轴的材料也选用20MnCr5材料制造并经渗碳淬火查表得20MnCr5材料的硬度为60HRC抗拉强度极限屈服极限弯曲疲劳极限剪切疲劳极限转速n 10rmin根据公式5 忽略磨损根据能量守衡作用在齿轮齿条上的阻力矩为Mr 2832Nm作用在齿轮上的轴向力为F 1264KN作用在齿轮上的切向力为F 3474KN弯曲疲劳强度校核3474314277MPa 抗拉强度校核满载时的阻力矩为Mr 2832Nm齿轮轴的最小直径为d 10mm在此截面上的轴向抗拉强度为 12643145 100MPa 1100Mpa本设计选择齿轮轴直径最小处D 10 mm6其他零件的选择1六角螺栓的选择 根据GB5780-2000 选取螺纹规格d M62弹簧的选择根据 GB1358-93选择代号为Y1的冷卷压缩弹簧总圈数 n1 12有效圈数 n 10材料直径 d 5节距 t 10自由高度取105弹簧中径 D 42弹簧内径 弹簧外径 具体的数据如下图3垫圈的选择根据GB848-85选择相配合的螺纹规格为d 8具体数据如下图4油封的选择根据JBZQ4606-86和轴径选取毡圈油封主要参数如下油 封 滚针轴承5滚动轴承的选择 根据GBT5801-1994选取滚针承的型号为NKI 1012主要参数如右上图6推力轴承的选择根据选取推力轴承的型号为51102主要参数如下图 7 止推螺母参数的确定如下图电控液压动力转向系统的设计及验证当今汽车技术的发展趋势是节能安全和环保近年来随着助力转向系统在车辆上的广泛应用如何提高助力转向系统的工作性能减少系统的能耗已经成为人们日益关注的问题电子控制助力转向系统主要有两大类即电动助力转向系统EPSElectric Power Steering31 EHPS系统设计方案选择 采用电动泵式的EHPS系统一般由电气装置和机械装置两部分组成如图所示电气部分由车速传感器转角传感器和电子控制单元ECU组成机械装置包括齿轮齿条转向器包括转子阀和助力缸控制阀及管路电动泵电动泵把齿轮泵或叶片泵ECU低惯量高功率的直流电机和油管集成在一起构成集成的电动泵使得整个总成结构紧凑质量变得更轻安装的柔性也大大增强图3-1 EHPS系统结构简图图3-2 日产蓝鸟汽车流量控制式动力转向系统动力转向油罐2转向管柱3转向角速度传感器4ECU5转向角速度传感器增幅器6旁通流量控制阀7电磁线圈8转向齿轮联动机构9油泵 流量控制式液压动力转向系统是根据车速传感器信号调节液压动力转向装置中油液的输入输出流量和压力来控制液压助力的大小一般是在液压动力转向系统上再增加流量控制电磁阀车速传感器电子控制单元和控制开关等元件电磁阀安装在转向油泵和转向机体含有转向动力缸之间的油路中根据车速传感器和控制开关等信号电控单元向电磁阀发出控制信号改变电磁阀的开度调整通向转向动力缸的流量汽车原地转向时电磁阀的开度最大进入动力缸的油液流量最大以减少驾驶员的体力消耗高速转向时电控电源使电磁阀的开度减小进入动力缸的油液流量较小转向助力较小确保驾驶员有很好的路感使转向灵敏性和轻便性得到很好的兼顾EHPS的工作原理如图3-3所示汽车直线行驶时方向盘不转动泵以很低的速度运转大部分工作油经过转向阀流回油罐少部分经液控阀直接流回油罐当驾驶员开始转动方向盘时电子控制单元根据检测到的转角车速以及电动机的反馈信号等判断汽车的转向状态向驱动单元发出控制指令使电动机产生相应的转速以驱动泵进而输出相应流量和压力的高压油瞬时流量从ECU中储存的流量通用特性场中读取如图3-4所示压力油经转阀进入齿条上的液压缸推动活塞以产生适当的助力来协助驾驶员进行转向操纵从而获得理想的转向效果因为助力特性曲线可以通过软件来调节所以该系统可以适合多种车型在电子控制单元中还有安全保护措施和故障诊断功能当电动机电流过大或者温度过高时系统将会闲置或者切断电动机的电流避免故障的发生当系统发生故障如蓄电池电压过低转角传感器失效等时系统仍然可以依靠机械转向系统进行转向操纵同时显示并存储其故障代码图3-3 EHPS系统的原理图图3-4 体积流量的通用特性场EHPS系统有如下特点一是节能高速时最多能节约85的能源相对于传统的由发动机驱动泵的系统实际行驶过程中能节约燃油02L100Km二是结构紧凑主要部件电动机油泵和电子控制单元均可以组合在一起具有很好的模块化设计所以整体外形尺寸比传统液压助力转向系统要小质量要轻这就为整车布置带来了方便三是根据车型的不同和转向工况的不同提供不同的助力有舒适的转向路感32 EHPS系统的设计计算1动力缸的设计计算动力缸壳体采用ZL105铸造而成缸内表面应光洁粗糙度为Ra 032063硬度为HB241-285活塞采用优质碳素钢45活塞与缸筒之间的间隙采用橡胶密封圈在动力缸的计算中需确定其缸径Dc活塞行程S活塞杆直径d以及缸筒壁厚t1缸径尺寸Dc的计算 由上面可知转向系统要求动力缸所提供的动力为F 163N 动力缸的缸径尺寸Dc可由作用在活塞上的力的平衡计算得D P供油压力MPa 取P 13 MPad活塞杆直径F液压缸理论推力根据液压设计手册中推荐的活塞杆直径系列 初选d 30mmD 402 mm取D 50 mm 此时 d 符合 d 的范围2活塞的设计计算活塞的宽度一般为活塞外径的0610 倍 但本次设计采用一道密封环形在所选厚度满足强度的条件下可以放窄一点初取 b 7mm 设计草图如下图3-5活塞的外径配合一般采用的配合公差带外径和内径的同轴度公差不大于002端面与轴线的垂直度公差不大于004mm100mm 外表面的圆度和圆柱度一般不大于外径公差之半表面粗糙度视结构不同而各异材料用和活塞相同的材料453活塞行程的计算图3-6S 2e1 S1 B e1导向间隙 0506D S1 活塞杆行程 B 活塞宽度 S1 的取值可根据同类汽车的活塞杆行程 p缸内压力 取P 13MpaDc动力缸直径 50mmt动力缸壳体厚度n 安全系数 n 3550 取n 50壳体的屈服点 壳体采用铸造铝合金ZL105抗拉强度为500Mpa屈服点为160230Mpa t t取 t 10 mm 5 活塞杆的设计活塞杆的直径为 30mm 设转向轮的最大转角为20o则活塞杆的长度取为600mm活塞杆在导向套中移动一般采用的配合圆度和圆柱度公差不大于直径公差的一半 为了提高活塞杆的耐磨性和防锈性活塞杆的表面需进行镀铬处理 镀层厚003005 mm 并进行表面抛光 6 导向套的设计计算图3-7 导向套其中 S活塞工作行程 S 130mm D 动力缸直径 D 50mm取 H 20mm 取B 10mm导向套外圆与端盖孔的配合多为内孔与活塞杆的配合多为外圆与内孔的同轴度公差不大于003 圆度和圆柱度公差不大于直径公差的一半2油泵与油罐容积的计算和选择 1 油泵排量与油管容积的计算 6419 642 式中 油泵的计算排量 扭杆弹簧直径油泵的容积效率计算时一般取了0750 85根据同类汽车设计参数取 08漏泄系数005010根据同类汽车设计参数取 010转向盘转动的最大可能频率计算时对轿车取 15 17 对货车取 0512 取 15 2油泵的选择动力转向系统采用的转向油泵的类型很多如齿轮泵叶片泵柱塞泵也有少量车型采用滚子油泵近年来国内外汽车采用叶片泵的越来越多当然仍有部分车型采用齿轮泵叶片式转向油泵之所以使用越来越广泛主要有以下几个方面原因尺寸小它比同样排量的齿轮泵尺寸小2030因此结构紧凑容易布置 工作压力高可以实现13-15Mpa容积效率高容易实现流量系列化一般为每分钟2546310121620和25L叶片泵一般分为单作用式叶片泵和双作用式叶片泵两大类前者多制成变量泵后者则为双作用泵而双作用泵可组成双级泵双作用泵双联泵与多联泵我设计的动力转向系统用的是双作用式叶片泵其工作原理及主要特点有叶片在转子的叶片槽内滑动由叶片定子转子和配流盘间密封腔容积的变化输出压力油每转每一密封腔吸排油各二次优点结构紧凑尺寸小自吸能力较好噪声低压力和流量脉动小价格较低缺点对油液清洁度要求较高抗污染能力比齿轮泵差转速范围受到一定的限制根据计算部分得到的流量由液压元件手册及工作情况选择叶片泵型号为YBD10其主要参数有排量10额定压力10额定转速1000最高转速2000rmin驱动功率22外形尺寸3油罐的确定转向油罐的功能主要是储存油液向油泵及系统供油散热降低油液的工作温度滤清油液杂质保证工作油液清洁度如典型转向油箱剖面图 转向油罐一般是单独安装也有直接安装在转向油泵上 油箱形状可根据安装位置而定般做成圆筒形油箱的高度般近似等于其内径 油箱内应装滤网滤网可用铜丝布滤网装在回油口上不要装在出油口上以免增加油泵的吸油阻力油箱的油平面应比油泵的入口高为降低油温油箱应装在风扇来风的通道上以保证油温低于70 oC油箱的容积不宜太小否则会使高压油中容易产生气泡从而影响动力转向的效果一般油箱容积可取油泵在溢流阀限制下最大排量U的15一203管路的设计动力转向系各元件的连接管路应尽量短拐弯要尽量少以减少沿程和局离力转向系的效率1油管内径的计算油管的内径d可按下式计算式中Q通过管道的最大流量即加力油缸所需工作油液的最大流量Lmin v允许流速ms推荐流速的许用值为油泵吸入管v10一15ms油泵排油管v2535ms回油管路v3ms短管或局部收缩处v50一55ms2油管的壁厚为保证油管有足够的强度管壁厚度按薄壁筒的强度计算公式进行计算式中p工作压力N d油管内径mm 许用应力N对钢管 式中抗拉强度 n安全系数 当p7Nmm2时n 8 pl 75 N时n6 p175 N 时n4 对铜管25N油管内径和壁厚算出以后即可根据液压手册管材品种规格表选择标准管径和壁厚油泵吸入管内径的计算 12965mm 12953 mm所以根据以上数据取油泵吸入管内径为 6 mm油泵排油管内径的计算 129411 mm 12348mm 所以根据以上数据取油泵排油管内径为4mm回油管路内径的计算 129375 mm所以根据以上数据取回油管路内径为 4mm短管或局部收缩处油管路内径的计算 1293mm 12928 mm所以根据以上数据取短管或局部收缩处油管路内径为 3 mm4电动机的功率的确定因为电动机和泵之间的扭矩传递损失很小所以可以认为扭矩值非常接近于根据提供足够助力需求所计算得到的扭矩值首先取一个安全系数n 112 可以得到电动机的额定输出扭矩则电动机的额定功率为 24KW33 动力转向系统方案校核1活塞杆的校核强度的计算由上面在计算缸径的时候得出活塞杆的直径为d 30mm现对活塞杆的强度进行校核活塞杆的材料采用的是优质碳素钢45由此可知其许用应力 MPa屈服应力 MPan 安全系数 n 355 根据要设计的货车取该安全系数为5活塞杆的强度计算其中F液压缸的载荷 d活塞杆的直径 所以活塞杆的强度可以达到2扭杆弹簧的校核由上面可知扭杆弹簧的理论钢度可达扭杠弹簧实际需要的钢度为方向盘驾驶员最大用的手力方向盘直径扭杆弹簧最大转动转角可见 且 n安全系数 由上面可知扭杆弹簧的最大剪应力为 扭杆弹簧的材料采用40Cr 合