汽车电动助力转向系统的设计（DOC41）

1、- 汽车电动助力转向系统的设计第1章 绪论1.1 汽车转向系统简介汽车转向系是用用来保持或者者改变汽车行行驶方向的机机构，在汽车车转向行驶时时，保证各转转向轮之间有有协调的转角角关系。它由由转向操纵机机构、转向器器和转向传动动机构组成。 转向系统作为为汽车的一个个重要组成部部分，其性能能的好坏将直直接影响到汽汽车的转向特特性、稳定性性、和行驶安安全性。目前前汽车转向技技术主要有七七大类：手动动转向技术（MMS）、液压压助力转向技技术（HPSS）、电控液液压助力转向向技术（ECCHPS）、电电动助力转向向技术（EPPS）、四轮轮转向技术（44WS）、主主动前轮转向向技术（AFFS）和线控控转向技

2、术（SSBW）。转转向系统市场场上以HPSS、ECHPPS、EPSS应用为主。电电动助力转向向具有节约燃燃料、有利于于环境、可变变力转向、易易实现产品模模块化等优点点，是一项紧紧扣当今汽车车发展主题的的新技术，他他是目前国内内转向技术的的研究热点。1.1.1 转向系的设设计要求(1) 汽车转转弯行驶时，全全部车轮应绕绕瞬时转向中中心旋转，任任何车轮不应应有侧滑。不不满足这项要要求会加速轮轮胎磨损，并并降低汽车的的行驶稳定性性。(2) 汽车转转型行驶后，在在驾驶员松开开转向盘的条条件下，转向向轮能自动返返回到直线行行驶位置，并并稳定行驶。(3) 汽车在在任何行驶状状态下，转向向轮都不得产产生共振

3、，转转向盘没有摆摆动。(4) 转向传传动机构和悬悬架导向装置置共同工作时时，由于运动动不协调使车车轮产生的摆摆动应最小。(5) 保证汽汽车有较高的的机动性，具具有迅速和小小转弯行驶能能力。(6) 操纵轻轻便。(7) 转向轮轮碰撞到障碍碍物以后，传传给转向盘的的反冲力要尽尽可能小。(8) 转向器器和转向传动动机构的球头头处，有消除除因磨损而产产生间隙的调调整机构。(9) 在车祸祸中，当转向向轴和转向盘盘由于车架或或车身变形而而共同后移时时，转向系应应有能使驾驶驶员免遭或减减轻伤害的防防伤装置。(10) 进行行运动校核，保保证转向轮与与转向盘转动动方向一致。1.2 EPPS的特点及及发展现状1.2

4、.1 EPS与其其他系统比较较对于电动助力转转向机构(EEPS)，电电动机仅在汽汽车转向时才才工作并消耗耗蓄电池能量量；而对于常常流式液压动动力转向机构构，因液压泵泵处于长期工工作状态和内内泄漏等原因因要消耗较多多的能量。两两者比较，电电动助力转向向的燃料消耗耗率仅为液压压动力转向的的16%220%。 液压动力转向向机构的工作作介质是油，任任何部位出现现漏油，油压压将建立不起起来，不仅失失去助力效能能，并对环境境造成污染。当当发动机出现现故障停止工工作时，液压压泵也不工作作，结果也会会丧失助力效效能，这就降降低了工作可可靠性。电动动助力转向机机构不存在漏漏油的问题，只只要蓄电池内内有电提供给给

5、电动助力转转向机构，就就能有助力作作用，所以工工作可靠。若若液压动力转转向机构的油油路进入空气气或者贮油罐罐油面过低，工工作时将产生生较大噪声，在在排除气体之之前会影响助助力效果；而而电动助力转转向仅在电动动机工作时有有轻微的噪声声。 电动助力转向向与液压动力力转向比较，转转动转向盘时时仅需克服转转向器的摩擦擦阻力，不存存在回位弹簧簧阻力和反映映路感的油压压阻力。电动动助力转向还还有整体结构构紧凑、部件件少、占用的的空间尺寸小小、质量比液液压动力转向向约轻20%25%以以及汽车上容容易布置等优优点。1.2.2 EPS的特特点(1）EPS节节能环保。由于发动机运转转时，液压泵泵始终处于工工作状态

6、，液液压转向系统统使整个发动动机燃油消耗耗量增加了33%5%,而EPS以以蓄电池为能能源，以电机机为动力元件件，可独立于于发动机工作作，EPS几几乎不直接消消耗发动机燃燃油。EPSS不存在液压压动力转向系系统的燃油泄泄漏问题，EEPS通过电电子控制，对对环境几乎没没有污染。(2）EPS装装配方便。EPS的主要部部件可以集成成在一起，易易于布置，与与液压动力转转向相比减少少了许多原件件，没有液压压系统所需要要的油泵、油油管、压力流流量控制阀、储储油罐等，原原件数目少，装装配方便，节节约时间。(3）EPS效效率高。液压动力转向系系统效率一般般在60%70%，而而EPS得效效率较高，可可高达90%以

7、上。(4）EPS路路感好。传统纯液压动力力转向系大多多采用固定放放大倍数，工工作驱动力大大，但却不能能实现汽车在在各种车速下下驾驶时的轻轻便性和路感感。而EPSS系统的滞后后性可以通过过EPS控制制器的软件加加以补偿，是是汽车在各种种速度下都能能得到满意的的转向助力。(5）EPS回回正性好。EPS系统结构构简单，不仅仅操作简便，还还可以通过调调整EPS控控制器的软件件，得到最佳佳的回正性，从从而改善汽车车的操纵稳定定性和舒适性性。(6）动力性。EPS系统可随随车速的高低低主动分配转转向力，不直直接消耗发动动机功率，只只在转向时才才起助力作用用，保障发动动机充足动力力。（不像HHPS液压系系统，

8、即使在在不转向时，油油泵也一直运运转处于工作作状态，降低低了使用寿命命）1.2.3 EPS在国国内外的应用用状况国外EPS的发发展之路：因为微型轿车上上狭小的发动动机舱空间给给液压助力转转向系统的安安装带来了很很大的麻烦，而而EPS原件件比较少，重重量轻，装配配方便，比较较适合在微型型轿车上安装装。因此在国国外，EPSS系统首先是是在微型轿车车上发展起来来的。上世纪80年代代初期，日本本铃木公司首首次在其Ceervo轿车车上安装了EEPS系统，随随后还应用在在其Altoo车上。此后后，EPS在在日本得到迅迅速发展。出出于节能环保保的考虑，欧欧、美等国的的汽车公司也也相继对EPPS进行了开开发和

9、研究。虽虽然比日本晚晚了十年时间间，但是欧美美国家的开发发力度比较大大，所选择的的产品类型也也有所不同。日日本起初选择择了技术相对对成熟的有刷刷电机。有刷电机比较成成熟，在汽车车上的应用较较广，比如雨雨刷、车窗等等部分，稍作作改进就适应应了EPS的的要求，因此此研发周期较较短，上世纪纪80年代末末期就开始产产业化，主要要装配在微型型车上。而欧欧美则选择了了难度较大的的无刷电机，但但是电子控制制系统比较复复杂，延长了了研发周期。直直到90年代代中期欧美才才开始量产。从从长远发展看看，有刷电机机存在一定弊弊端，比如电电机产生的噪噪声较难克服服，磨损较严严重，存在电电磁干扰等问问题。因此，日日本现在

10、国内内装配的EPPS也逐渐转转向无刷电机机了。国内EPS的发发展现状：我国汽车电子行行业的总体发发展相对滞后后，但是，随随着汽车对环环保、节能和和安全性要求求的进一步提提高，代表着着现代汽车转转向系统的发发展方向的EEPS电动助助力转向系统统已被我国列列为高新科技技产业项目之之一，国内各各大院校、科科研机构和企企业在进行EEPS技术的的研究，也有有少数供应商商能批量提供供转向轴式的的EPS系统统。但总的来来讲目前国内内EPS技术术还不成熟；供应商所提提供的EPSS系统还未达达到产品级的的要求，且类类型单一，还还不能满足整整车厂需要。据据悉，自主品品牌研发的EEPS系统离离产业化就差差整车厂批量

11、量装车认可这这一台阶了，相相信很快就可可以实现量产产。EPS系系统是未来动动力转向系统统的一个发展展趋势。1.3 本课课题的研究意意义 随着科科技的发展和和人们生活水水平及环保意意识的提高，汽汽车转向助力力肯定会向更更轻便、更节节能、更安全全的方向发展展，而本课题题正是沿着这这个方向对汽汽车的转向系系统进行了研研究。现存的的汽车，大部部分都是传统统液压助力转转向系统，甚甚至没有助力力转向系统，电电动助力转向向系统能提供供比其更安全全、更舒适的的转向操控性性和节能效果果。本课题对对该系统的进进行了深入的的研究，并将将其应用于实实践，这对于于推动该系统统的发展和最最终的产品化化应用，对于于推动机械

12、、传传感器技术和和电子器件制制造等相关产产业的发展，对对于提高我国国汽车电子化化水平和加快快转向系统产产业化发展具具有十分重要要的意义。在可预见的将来来，电动助力力转向系统在在汽车领域必必定会有广泛泛的应用。本章小结这一章介绍了现现在应用的汽汽车转向技术术，并对电动动助力转向系系统和液压助助力转向系统统进行了分析析比较。还阐阐述了EPSS的国内外发发展状况。第2章 电动动助力转向系系统的总体组组成2.1 电动动助力转向系系统的机理及及类型近年来，电动助助力转向机构构在乘用车上上得到应用，并并有良好的发发展前景。电电动助力转向向机构，除去去应当满足对对液压式动力力转向机构机机构的一些相相似要求以

13、外外，同时还应应当满足：具具有故障自诊诊断和报警功功能；有良好好的抗振动和和抗干扰能力力等；当地面面与车轮之间间有反向冲击击力作用时，电电动助力转向向机构应迅速速反应，制止止转向盘转动动；在过载使使用条件下有有过载保护功功能等。2.1.1 电动助力转转向系统的机机理电动助力转向机机构由机械转转向器与电动动助力部分相相结合构成。电电动助力部分分包括电动机机、电池、传传感器和控制制器（ECUU）及线束，有有的还有减速速机构和电磁磁离合器等（图图2-1）图2-1 电动动助力转向机机构示意图目前用于乘用车车的电动助力力转向机构的的转向器，均均采用齿轮齿齿条式转向器器。其功能除除用来传递来来自转向盘的的

14、力矩与运动动以外，还有有增扭、降速速作用。转向向过程中，电电动机将来自自蓄电池的电电能转变为机机械能向转向向系输出而构构成转向助力力矩，并完成成助力作用。与与电动机连接接的减速机构构有蜗轮蜗杆杆、滚珠螺杆杆螺母或行星星齿轮机构等等，其作用也也是降速、增增扭。装在减减速机构附近近的离合器（通通常为电磁离离合器）是为为了保证电动动助力转向机机构只在预先先设定的行驶驶速度范围内内工作。在车车速达到某一一设定值时，离离合器分离，并并暂时停止电电动机的助力力作用。与此此同时，转向向机构也暂时时转为机械式式转向机构。当当电动机发生生故障时，离离合器也自动动分离。离合合器分离后再再行转向时，可可不必因带动动

15、电动机而消消耗驾驶员体体力。单片式式电磁离合器器包括主动轮轮、从动轴、压压盘、磁化线线圈和滑环等等。 1.主动轮 2.磁化线线圈 3.压压盘 4.花花键 5.从动轴 66轴承 7滑滑环 8电动动机图2-2 电磁磁离合器工作作原理简图其工作原理如图图所示，装有有磁化线圈22的主动轮11与电动机轴轴固定连接，来来自控制器的的控制电流经经滑环7输入入磁化线圈，于于是主动轮产产生电磁吸力力，将压盘33吸到主动轮轮上，然后电电动机的动力力经主动轮、压压盘及压盘毂毂上的花键传传给从动轴55，实现助力力作用。汽车以较高车速速转向行驶，作作用在转向盘盘上的力矩将将减小，以至至于达到无需需助力的程度度，此时可设

16、设定：达到此此车速时，电电磁离合器停停止工作。还还有，在电动动机停止工作作以后，电磁磁离合器在控控制器的控制制下也要分离离或者自动分分离。此后，在在进行再进行行转向将不存存在助力作用用，直至电动动机恢复工作作为止。电动助力转向机机构的工作原原理如下：当驾驶员对转向向盘施力并转转动转向盘时时，位于转向向盘下方与转转向轴连接的的转矩传感器器将经扭杆弹弹簧连接在一一起的上、下下转向轴的相相对转动角位位移信号转变变为电信号传传至控制器，在在同一时刻车车速信号也传传至控制器。根根据以上两信信号，控制器器确定电动机机的旋转方向向和助力转矩矩的大小。之之后，控制器器将输出的数数字量经D/A转换器，转转换为模

17、拟量量，并将其输输入电流控制制电路。电流流控制电路将将来自微机的的电流命令值值同电动机电电流的实际值值进行比较后后生成一个差差值信号，同同时将此信号号送往电动机机驱动电路，该该电路驱动电电动机，并向向电动机提供供控制电流，完完成助力转向向作用。 2.1.2 电动助力转转向系统的类类型EPS系统依据据电动机布置置位置的不同同可分为转向向轴助力式、小小齿轮助力式式、齿条助力力式三个基本本类型（图22-3） a） b) c)a) 转向轴助助力式 bb) 齿轮助助力式 cc） 齿条助助力式图2-3 EPPS系统的类类型(1) 转向轴轴助力式 转转向轴助力式式电动助力转转向机构的电电动机布置在在靠近转向

18、盘盘下方，并经经蜗轮蜗杆机机构与转向轴轴连接（图22-3a）。这这种布置方案案的特点是：由于转向轴助力力式电动助力力转向的电动动机布置在驾驾驶室内，所所以有良好的的工作条件；因电动机输输出的助力转转矩经过减速速机构增大后后传给转向轴轴，所以电动动机输出的助助力转矩相对对小些，电动动机尺寸也小小，这又有利利于在车上布布置和减轻质质量；电动机机、转矩传感感器、减速机机构、电磁离离合器等装为为一体是结构构紧凑，上述述部件又与转转向器分开，故故拆装与维修修工作容易进进行；转向器器仍然可以采采用通用的典典型结构齿轮轮齿条式转向向器；电动机机距驾驶员和和转向盘近，电电动机的工作作噪声和振动动直接影响驾驾驶

19、员；转向向轴等零件也也要承受来自自电动机输出出的助力转矩矩的作用，为为使其强度足足够，必须增增大受载件的的尺寸；尽管管电动机的尺尺寸不大，但但因这种布置置方案的电动动机靠近方向向盘，为了不不影响驾驶员员腿部的动作作，在布置时时仍然有一定定的困难。(2)齿轮助力力式 齿轮助助力式电动助助力转向机构构的电动机布布置在与转向向器主动齿轮轮相连接的位位置（图2-3b），并并通过驱动主主动齿轮实现现助力。这种种布置方案的的特点是：电动机布置在地地板下方、转转向器上部，工工作条件比较较差对密封要要求较高；电电动机的助力力转矩基于与与转向轴助力力式相同的原原因可以小些些，因而电动动机尺寸小，同同时转矩传感感

20、器、减速机机构等的结构构紧凑、尺寸寸也小，这将将有利于在整整车上的布置置和减小质量量；转向轴等等位于转向器器主动齿轮以以上的零部件件，不承受电电动机输出的的助力转矩的的作用，故尺尺寸可以小些些；电动机距距驾驶员远些些，它的动作作噪声对驾驶驶员影响不大大，但震动仍仍然会传到转转向盘；电动动机、转矩传传感器、电磁磁离合器、减减速机构等与与转向器主动动齿轮装在一一个总成内，拆拆装时会因相相互影响而出出现一定的困困难；转向器器与典型的转转向器不能通通用，需要单单独设计、制制造。(3)齿条助力力式 齿条助力式式电动助力转转向机构的电电动机与减速速机构等布置置在齿条处（图图2-3c），并直接驱动齿条实现助

21、力。这种布置方案的特点是：电动机位于地板板下方，相比比之下，工作作噪声和振动动对驾驶员的的影响都小些些；电动机减减速机构等不不占据转向盘盘至地板这段段空间，因而而有利于转向向轴的布置，驾驾驶员腿部的的动作不会受受到它们的干干扰；转向轴轴直至转向器器主动齿轮均均不承受来自自电动机的助助力转矩作用用，故他们的的尺寸能小些些；电动机、减减速机构等工工作在地板下下方，条件较较差，对密封封要求良好；电动机输出出的助力转矩矩只经过减速速机构增扭，没没有经过转向向器增扭，因因而必须增大大电动机输出出的助力转矩矩才能有良好好的助力效果果，随之而来来的是电动机机尺寸增大、质质量增加；转转向器结构与与典型的相差差

22、很多，必须须单独设计制制造；采用滚滚珠螺杆螺母母减速机构时时，会增加制制造难度与成成本；电动机机、转向器占占用的空间虽虽然大一些，但但用于前轴负负荷大，前部部空间相对宽宽松一些的乘乘用车上不是是十分突出的的问题。2.2 电动动助力转向系系统的关键部部件EPS主要由扭扭矩传感器、车车速传感器、电电动机、减速速机构和电子子控制单元EECU组成。2.2.1 扭矩传感器器扭矩传感器检测测扭转杆扭转转变形，并将将其转变为电电子信号并输输出至电子控控制单元，是是电动助力转转向系统的关关键部件之一一。扭距传感感器由分相器器单元1、分分相器单元22及扭杆组成成（如图2-4）。图2-4 扭距距传感器转子部分的分

23、相相器单元1固固定于转向主主轴，转子部分的分分相器单元22固定于转向向传动轴。扭扭转杆扭转后后，使两个分分相器单元产产生一个相对对角度，电子子控制单元根根据两个分相相器的相对位位置决定对EEPS电动机机提供多少电电压。2.2.2 车速传感器器车速传感器的功功能是测量汽汽车的行驶速速度。目前，轿轿车EPS控控制器一般都都从整车CAAN总线中提提取车速信号号。2.2.3 电动机电动机由转角传传感器、定子子及转子组成成（如图2-5）。将电动机和减速速机构布置在在齿条处，并并直接驱动齿齿条实现助力力。通过转角角传感器检测测电动机的旋旋转角度防止止扭矩波动。图2-5 电动动机结构2.2.4 减速机构减速

24、机构采用滚滚珠式减速齿齿轮机构，将将其固定在电电动机的转子子上。电动机机的转动传到到减速机构，经经过滚珠及蜗蜗杆传到齿条条轴上。滚珠珠在机构内部部经过导向进进行循环。2.2.5 电子控制单单元电子控制单元（EECU）的功功能是依据扭扭矩传感器和和车速传感器器的信号，进进行分析和计计算后，发出出指令，控制制电动机的动动作。此外，EECU还有安安全保护和自自我诊断的功功能，ECUU通过采集电电动机的电流流、发动机转转速等信号判判断系统工作作是否正常，一一旦系统工作作异常，电动动助力被切断断；同时ECCU将进行故故障诊断分析析，故障指示示灯亮，并以以故障所对应应的模式闪烁烁。2.3 电动动助力转向的

25、的助力特性电动助力转向的的助力特性由由软件设定。通通常将助力特特性曲线设计计成随着汽车车行驶速度VVa的变化而而变化，并将将这种助力特特性称之为车车速感应型。图图2-6示出出的车速感应应型助力特性性曲线表明，助助力既是作用用到转向盘上上的力矩的函函数，同时也也是车速的函函数。图2-6 车速速感应型助力力特性当车速Va=00时，相当于于汽车在原地地转向，助力力特性曲线的的位置居其他他各条曲线之之上，助力强强度达到最大大。随着车速速Va不断升升高，助力特特性曲线的位位置也逐渐降降低，直至车车速Va达到到最高车速VVamax为为止，此时的的助力强度已已为最小，而而路感强度达达到最大。本章小结本章主要

26、是介绍绍了电动助力力转向机构的的组成、工作作原理，以及及对电动助力力转向的三种种布置形式进进行了分析对对比。还有分分析了电动助助力转向系统统各主要部件件的结构及工工作过程和助助力特性。第第3章 电电动助力转向向系统的设计计3.1 对动动力转向机构构的要求 （1）运动动学上应保持持转向轮转角角和驾驶员转转动转向盘的的转角之间保保持一定的比比例关系。 （2）随着着转向轮阻力力的增大（或或减小），作作用在转向盘盘上的手力必必须增大（或或减小），称称之为“路感感”。 （3）当作作用在转向盘盘上的切向力力时（因汽车车形式不同而而异），动力力转向器就开开始工作。 （4）转向向后，转向盘盘应自动回正正，并使

27、汽车车保持在稳定定的直线行驶驶状态。 （5）工作作灵敏。 （6）动力力转向失灵时时，仍能用机机械系统操纵纵车轮转向。3.2 齿轮轮齿条转向器器的设计与计计算齿轮齿条转向器器最主要的优优点是：结构构简单、价格格低廉、质量量轻、刚性好好、使用可靠靠；传动效率率高达90%；根据输入入齿轮位置和和输出特点不不同，齿轮齿齿条式转向器器有四种形式式：中间输入入，两端输出出（图3-11a）；侧面面输入，两端端输出（图33-1b）；侧面输入，中中间输出（图图3-1c）；侧面输入，一一端输出图（图图3-1d）。图3-1 齿轮轮齿条式转向器的四四种形式3.2.1 转向系计算算载荷的确定定为了保证行驶安安全，组成转

28、转向系的各零零件应有足够够的强度。欲欲验算转向系系零件的强度度，需首先确确定作用在各各零件上的力力。影响这些些力的主要因因素有转向轴轴的负荷、路路面阻力和轮轮胎气压等。为为转动转向轮轮要克服的阻阻力，包括转转向轮绕主销销转动的阻力力、车轮稳定定阻力、轮胎胎变形阻力和和转向系中的的内摩擦阻力力等。精确地计算出这这些力是困难难的。为此用用足够精确的的半经验公式式来计算汽车车在沥青或者者混凝土路面面上的原地转转向阻力矩MMR(Nmmm)。 Nmm (3-1)式中 ff轮胎和和路面间的滑滑动摩擦因数数；转向轴负荷荷，单位为NN；P轮胎气压压，单位为MMPa。作用在转向盘上上的手力Fh为： NN (33

29、-2)式中 转向摇臂臂长, 单位位为mm；原地转向阻阻力矩, 单单位为Nmmm转向节臂长长, 单位为为mm；为转向盘直直径,单位为为mm；转向器角传传动比；转向器正效效率。因齿轮齿条式转转向传动机构构无转向摇臂臂，故L1、L2不代入数值值。对给定的的汽车，用上上式计算出来来的作用力是是最大值。因因此，可以用用此值作为计计算载荷。梯形臂长度的计计算：轮辋直径= 116in=11625.4=4066.4mm梯形臂长度=0.8/22= 4066.40.8/2=1162.6mmm （3-3）取=160mmm轮胎直径的计算算RT：=406.4+0.55225=530.22mm （33-4） 取取=530

30、mm转向横拉杆直径径的确定： （3-5）=;因此取=15mmm初步估算主动齿齿轮轴的直径径： （33-6） =1440MPa所以取=18mmm上述的计算只是是初步对所研研究的转向系系载荷的确定定。3.2.2 齿轮齿条式式转向器的设设计(一) EPPS系统齿轮轮齿条转向器器的主要元件件 （1)齿条条是在金属壳壳体内来回滑滑动的，加工工有齿形的金金属条。转向向器壳体是安安装在前横梁梁或前围板的的固定位置上上的。齿条代代替梯形转向向杆系的摇杆杆和转向摇臂臂，并保证转转向横拉杆在在适当的高度度以使他们与与悬架下摆臂臂平行。齿条条可以比作是是梯形转向杆杆系的转向直直拉杆。导向向座将齿条支支持在转向器器壳

31、体上。齿齿条的横向运运动拉动或推推动转向横拉拉杆，使前轮轮转向。表3-1 齿条条的尺寸设计计参数序号项目符号尺寸参数()1总长7302直径253齿数204法向模数3 （2)齿轮轮是一只切有有齿形的轴。它它安装在转向向器壳体上并并使其齿与齿齿条上的齿相相啮合。齿轮轮齿条上的齿齿可以是直齿齿也可以是斜斜齿。齿轮轴轴上端与转向向柱内的转向向轴相连。因因此，转向盘盘的旋转使齿齿条横向移动动以操纵前轮轮。齿轮轴由由安装在转向向器壳体上的的球轴承支承承。斜齿的弯曲增加加了一对啮合合齿轮参与啮啮合的齿数。相相对直齿而言言，斜齿的运运转趋于平稳稳，并能传递递更大的动力力。表3-2 齿轮轮轴的尺寸设设计参数序号

32、项目符号尺寸参数(mmm)1总长1982齿宽603齿数64法向模数35螺旋角 146螺旋方向左旋 （3)转向向横拉杆及其其端部 1.横拉杆 22.锁紧螺母母3.外接头头壳体4.球球头销5.六六角开槽螺母母6.球碗7.端端盖 8.梯梯形臂 9.开口销 图3-2转向向横拉杆外接接头转向横拉杆与梯梯形转向杆系系的相似。球球头销通过螺螺纹与齿条连连接。当这些些球头销依制制造厂的规范范拧紧时，在在球头销上就就作用了一个个预载荷。防防尘套夹在转转向器两侧的的壳体和转向向横拉杆上，这这些防尘套阻阻止杂物进入入球销及齿条条中。转向横拉杆端部部与外端用螺螺纹联接。这这些端部与梯梯形转向杆系系的相似。侧侧面螺母将

33、横横拉杆外端与与横拉杆锁紧紧（见图3-2）。注：转向反馈是是由前轮遇到到不平路面而而引起的转向向盘的运动。 （4)齿条条调整 一一个齿条导向向座安装在齿齿条光滑的一一面。齿条导导向座1和与与壳体螺纹连连接的调节螺螺塞3之间连连有一个弹簧簧2。此调节节螺塞由锁紧紧螺母固定44。齿条导向向座的调节使使齿轮、齿条条间有一定预预紧力，此预预紧力会影响响转向冲击、噪噪声及反馈（见见图3-3）。 图33-3齿条间隙调调整装置 齿条断面形形状有圆形、VV形和Y形三三种，本设计计采用V形断断面，V形和和Y形断面齿齿条与圆形断断面比较，消消耗的材料少少，约节省220%,故质质量小；位于于齿下面的两两斜面与齿条条

34、托座接触，可可用来防止齿齿条绕轴线转转动。在齿条条与托座之间间装有用减磨磨材料（聚四四氟乙烯）做做的垫片，以以减少滑动摩摩擦。当车轮轮跳动、转向向或转向器工工作时，如在在齿条上作用用有能使齿条条旋转的力矩矩时，V形断断面齿条能防防止因齿条旋旋转而破坏齿齿轮、齿条的的齿不能正确确啮合的情况况出现。 （二） 转向向传动比 当转向盘从从锁点向锁点点转动，每只只前轮大约从从其正前方开开始转动300，因而前前轮从左到右右总共转动大大约60。若若传动比是11:1，转向向盘旋转1，前轮将转转向1，转转向盘向任一一方向转动330将使其其前轮从锁点点转向锁点。这这种传动比过过于小，因而而转向盘最轻轻微的运动将将

35、会使车辆突突然改变方向向。转向角传传动比必须使使前轮转动同同样角度时需需要更大的转转向盘转角。对对乘用车，推推荐转向器角角传动比在11725范范围内选取；对商用车，在在23322范围内选取取，这里选传传动比为188:1。即在在这样的传动动比下，转向向盘每转动118，前轮轮转向1。（三） EPPS系统齿轮轮齿条转向器器的安装 齿轮齿条式式转向器可安安在前横梁上上或发动机后后部的前围板板上（见图33-4）。橡胶隔隔振套包在转转向器外，并并固定在横梁梁上或前围板板上。齿轮齿齿条转向器的的正确安装高高度，使转向向横拉杆和悬悬架下摆臂可可平行安置。齿齿轮齿条式转转向系统中磨磨擦点的数目目减少了，因因此这

36、种系统统轻便紧凑。大大多数承载式式车身的前轮轮驱动汽车用用齿轮齿条式式转向机构。由由于齿条直接接连着梯形臂臂，这种转向向机构可提供供好的路感。在转向器与支承承托架之间装装有大的橡胶胶隔振垫，这这些衬垫有助助于减少路面面的噪声、振振动从转向器器传到底盘和和客舱。齿轮轮齿条转向器器装在前横梁梁上或前围板板上。转向器器的正确安装装对保证转向向横拉杆与悬悬架下摆臂的的平行关系有有重要作用。为为保持转向器器处在正确的的位置，在转转向器安装的的位置处，前前围板有所加加固。图3-4 转向向器的安装位位置（四） 齿轮轮齿条式转向向器的设计要要求 齿轮齿条条式转向器的的齿轮多数采采用斜齿圆柱柱齿轮。齿轮轮模数取

37、值范范围多在23mm之间间。主动小齿齿轮齿数多数数在57个个齿范围变化化，压力角取取20，齿齿轮螺旋角取取值范围多为为9155。齿条齿齿数应根据转转向轮达到最最大偏转角时时，相应的齿齿条移动行程程应达到的值值来确定。变变速比的齿条条压力角，对对现有结构在在12335范围内内变化。此外外，设计时应应验算齿轮的的抗弯强度和和接触强度。主动小齿轮选用用16MnCCr5或155CrNi66材料制造，而而齿条常采用用45钢制造造。为减轻质质量，壳体用用铝合金压铸铸。（五） 齿轮轮轴和齿条的的设计计算1.选择齿轮材材料、热处理理方式及计算算许用应力(1) 选择材材料及热处理理方式小齿轮16MnnCr5 渗

38、渗碳淬火，齿齿面硬度566-62HRRC大齿轮 45钢钢 表面淬火火，齿面硬度度52-56HRRC确定许用应力 a)确定和 b)计算应力循循环次数N，确确定寿命系数数、。 （3-7）式中 齿轮轮转速（r/min）； 齿轮转一周周，同一侧齿齿面啮合的次次数； 齿轮的工作作寿命（h）； c)计算许用应应力取, （3-8） （33-9）应力修正系数 （3-110） （33-11）2.初步确定齿齿轮的基本参参数和主要尺尺寸(1) 选择齿齿轮类型根据齿轮传动的的工作条件，选选用斜齿圆柱柱齿轮与斜齿齿齿条啮合传传动方案(2) 选择齿齿轮传动精度度等级选用7级精度(3) 初选参参数初选 按当量齿数(4) 初

39、步计计算齿轮模数数转矩 （33-12）闭式硬齿面传动动，按齿根弯弯曲疲劳强度度设计。 （3-13）=2.309(5) 确定载载荷系数，由,0.0006996,；对称称布置，取；取则(6) 修正法法向模数 （3-14）圆整为标准值，取取3.确定齿轮传传动主要参数数和几何尺寸寸(1) 分度圆圆直径 （3-115）(2) 齿顶圆圆直径 =166+22.5(1+00)=21 （3-116）(3) 齿根圆圆直径 =16-222.51.25=9.75 （3-177）(4) 齿宽bb （3-188）因为相互啮合齿齿轮的基圆齿齿距必须相等等，即。齿轮法面基圆齿齿距为齿条法面基圆齿齿距为取齿条法向模数数为(5)

40、 齿条齿齿顶高 （3-119）(6) 齿条齿齿根高 （3-200）法面齿距 （3-221）4.校核齿面接接触疲劳强度度查表，得查图，得取，所以=1677.66所以齿面接触疲疲劳强度满足足要求。3.2.3 齿轮齿条转转向器转向横横拉杆的运动动分析当转向盘从锁点点向锁点转动动，每只前轮轮大约从其正正前方开始转转动30，因因而前轮从左左到右总共转转动约60。当转向轮轮右转30，即梯形臂臂或转向节由由绕圆心转至时，齿条条左端点移至至的距离为30=1600cos330=1338.5644=160-1338.5644=21.443630=80 =339.33=339.3-80=2559.32=340-25

41、59.32=80.7图3.4 转向向横拉杆的运运动分析简图图同理计算转向轮轮左转30，转向节由由绕圆心转至时，齿条条左端点E移移至的距离为为=80 =339.3=80+3399.3-3440=79.3齿轮齿条啮合长长度应大于即 =80.7+79.3=1600取L=2003.2.4 齿轮齿条传传动受力分析析若略去齿面间的的摩擦力，则则作用于节点点P的法向力力Fn可分解解为径向力FFr和分力FF，分力F又又可分解为圆圆周力Ft和和轴向力Faa。=2350000/16=4375=1641.112=1090.883.2.5 齿轮轴的强强度校核1.轴的受力分分析(1) 画轴的的受力简图。(2) 计算支支

42、承反力在垂直面上 在水平面上(3) 画弯矩矩图在水平面上，aa-a剖面左左侧、右侧在垂直面上，aa-a剖面左左侧a-a剖面右侧侧合成弯矩，a-a剖面左侧侧a-a剖面右侧侧(4) 画转矩矩图转矩 =437516/2=446636.42.判断危险剖剖面显然，a-a截截面左侧合成成弯矩最大、扭扭矩为T，该该截面左侧可可能是危险剖剖面。3.轴的弯扭合合成强度校核核由机械设计4查得，=60/1000=0.6。a-a截面左侧侧4.轴的疲劳强强度安全系数数校核查得, ,；。a-a截面左侧侧查得；由表查得得绝对尺寸系系数轴经磨削加工，查查得质量系数数=1.00。则弯曲应力 应力幅 平均应力 切应力 安全系数查

43、得许用安全系系数S=1.311.5，显然然SS，故a-aa剖面安全。图3.3-6 齿轮轴校核核分析图本章小结本章是电动助力力转向系统的的设计，主要要内容如下：(1) 介绍了了电动助力转转向系统的一一种设计方法法，这种设计计方法是有其其可行性的，能能够设计出符符合助力要求求的电动助力力转向系统，该该设计方法在在现实中是比比较合适的。(2) 对电动动助力转向系系统中的齿轮轮齿条转向器器的主要元件件进行的详细细的介绍，并并且给出了一一些参考的转转向系参数。(3) 根据已已知条件，对对电动助力转转向系统中的的齿轮齿条式式转向器进行行了齿轮轴和和齿条的设计计计算。第4章 转向向传动机构的的优化设计4.1

44、 结构构与布置齿轮齿条式转向向器因结构简简单紧凑、制制造工艺简便便等优点, 既适用于整整体式前轴,也适用于采采用独立悬架架的断开式前前轴, 被广泛地地应用在轿车车、轻型客货货车、微型汽汽车等车辆上上。其中, 与之配用的的转向传动机机构同传统的的整体式转向向梯形机构相相比有其特殊殊之处。一般来说, 这这种转向系统统的结构大多多如图4-11所示。转向向轴1的末端端与转向器的的齿轮轴2直直接相连或通通过万向节轴轴相连, 齿轮2与与装于同一壳壳体的齿条33啮合, 外壳则固固定于车身或或车架上。齿齿条通过两端端的球铰接头头与两根分开开的横拉杆44、7相连, 两横拉杆杆又通过球头头销与左右车车轮上的梯形形

45、臂5、6相相连。因此, 齿条3既既是转向器的的传动件又是是转向梯形机机构中三段式式横拉杆的一一部分。绝大多数齿轮齿齿条式转向器器都布置在轴轴前后方, 这样既可避避让开发动机机的下部, 又便于与转转向轴下端连连接。安装时时, 齿条轴线线应与汽车纵纵向对称轴垂垂直, 而且当转转向器处于中中立位置时, 齿条两端端球铰中心应应对称地处于于汽车纵向对对称轴的两侧侧。1.转向轴 22.齿轮 33.齿条 44.左横拉杆杆 5.左梯形臂 6.右梯形形臂 7.右右横拉杆图4-1转向系系统结构简图图对于给定的汽车车, 其轴距LL、主销后倾倾角以及左左右两主销轴轴线延长线与与地面交点之之间的距离KK均为已知定定值。

46、对于选选定的转向器器, 其齿条两两端球铰中心心距也为已知知定值。因而而在设计转向向传动机构时时, 需要确定定的参数为梯梯形底角、梯梯形臂长以及及齿条轴线到到梯形底边的的安装距离hh。而横拉杆杆长则可由转转向传动机构构的上述参数数以及已知的的汽车参数KK和转向器参参数M来确定定。其关系式式为： (4-1)4.2 用解解析法求内、外外轮转角关系系转动转向盘时, 齿条便向向左或向右移移动,使左右两边边的杆系产生生不同的运动动, 从而使左左右车轮分别别获得一个转转角。以汽车车左转弯为例例, 此时右轮轮为外轮, 外轮一侧的的杆系运动如如图4-2所所示。设齿条条向右移过某某一行程S, 通过右横横拉杆推动右

47、右梯形臂, 使之转过。图4-2外轮一一侧杆系运动动情况取梯形右底角顶顶点O为坐标标原点, X、Y轴方向向如图5-22所示, 则可导出出齿条行程SS与外轮转角角的关系： (4-2)另外，由图4-2可知： (4-3)而内轮一侧的运运动则如图44-3所示, 齿条右移移了相同的行行程S, 通过左横横拉杆拉动左左梯形臂转过过。图4-3内轮一一侧杆系运动动情况取梯形左底角顶顶点O1为坐坐标原点,X 、Y轴方向向如图5-33所示, 则同样可可导出齿条行行程S与内轮轮转角的关系系, 即: (4-4) (4-5)因此, 利用公公式(4-22)便可求出出对应于任一一外轮转角的的齿条行程SS, 再将S代代入公式(4

48、4-5)即可可求出相应的的内轮转角。把把公式(4-2)和(44-5)结合合起来便可将将表示为的函数数,记作:反之, 也可利利用公式(44-4)求出出对应于任一一内轮转角的的齿条行程SS, 再将S代代入公式(44-3)即可可求出相应的的外轮转角。将将公式(4-4)和(44-5)结合合起来可将表示为为的函数, 记作:4.3 转向向传动机构的的优化设计4.3.1 目标函数的的建立众所周知, 在在不计轮胎侧侧偏时, 实现转向向轮纯滚动、无无侧滑转向的的条件是内、外外轮转角具有有如图4-44所示的理想想的关系, 即: (44-6)式中 TT计及主主销后倾角时时的计算轴距距详细D=W=GG图=纸：三 二

49、1爸 爸 五 四 0 六全 套 资 料料 低 拾拾10快起 L汽车轴距距r车轮滚动动半径由式(4-6)可将理想的的内轮转角表表示为的函数数, 即: (44-7)反之, 取内轮轮转角为自变变量时, 理想的外外轮转角也可可表示为的函函数, 即: (4-8)而由转向梯形机机构所提供的的内、外实际际转角关系为为前述的ii=F(0)或 0=(i),因此, 转向梯形形机构优化设设计的目标就就是要在规定定的转角范围围内使实际的的内或外轮转转角尽量地接接近对应的理理想的内或外外轮转角。为为了综合评价价在全部转角角范围内两者者接近的精确确程度, 并考虑到到在最常使用用的中小转角角时希望两者者尽量接近, 因此建议

50、议用两函数的的加权均方根根误差作为评评价指标。即即： （4-9） （44-10）两式中的加权因因子、为：(4-9)、(4-10) 两式是等等价的, 可根据具具体情况任取取其中之一作作为极小化目目标函数。图4-4理想的的内、外轮转转交关系4.3.2 设计变量与与约束条件对于给定的汽车车和选定的转转向器, 转向梯形形机构尚有梯梯形臂长、底底角和安装距离离h三个设计计变量。其中中底角可按经验公公式先选一个个初始值,然后再增加加或减小, 进行优化搜搜索。而及hh的选择则要要结合约束条条件来考虑。第一, 要保证证梯形臂不与与车轮上的零零部件(如轮轮胎、轮辆或或制动底板)发生干涉, 故要满足足：式中 AA

51、oy梯梯形臂球头销销中心的Y坐坐标值（见图图4-3）Aymin车轮上可能能与梯形臂干干涉部位的YY坐标值因，所以可知当当选定时的可取取值上限为： (4-111) 第二二, 要保证有有足够的齿条条行程来实现现要求的最大大转角。即有有:式中 SSmax最大转角或或所对应的齿齿条行程S转向向器的许用齿齿条行程因所以由公式(11)或(3)可知：一般来说 内的数值值很小, 故在估算算齿条行程时时可略去不计计, 即可粗略略地认为：所以当选定时，的可可取值范围为为： （4-12） 或 （44-13）(4-12)式式和(4-113)式是等等价的，使用用时可根据具具体情况任取取其中之一作作为约束条件件。第三，要

52、保证有有足够大的传传动角。传动动角是指转向梯形形臂与横拉杆杆所夹的锐角角。随着车轮轮转角增大, 传动角渐渐渐变小。而而且对应于同同一齿条行程程, 内轮一侧侧的传动角总总是比外轮一一侧的传动角角要小。由图图4-2可知知：由图4-3可知知:最小传动角发生生在内轮一侧侧, 当达到最大值值时, 也达到最最大值, 故此时为最小小值。传动角角过小会造成成有效分力过过小,表现为转向向沉重或回正正不良。对于于一般平面连连杆机构, 为了保证机机构传动良好好, 设计时通通常应使, 但一般后后置式转向梯梯形机构的都都偏小。这是是由于汽车正正常行驶中多多用小转角转转向, 约有800以上的转转角在20以内即使是是大转角

53、转向向, 也是从小小转角开始, 而且速度度较低, 所以取223时的内内轮一侧传动动角作为控制制参数。以作为约束条条件, 这样一般般均能保证在在时。转向器安装距离离h对传动角角的影响较大大, h越小, 占也小, 可获得较较大的。在选选择h时应充充分注意到这这一点, 但h过小小会造成横拉拉杆与齿条间间夹角过大。由图图4-2、图图4-3可知知： 为保证传动良好好一般希望, 以此作为为约束条件即即要满足联立立不等式： 由此可解得：由于转向器处于于中立状态时时（即），值较小，故故可近似地认认为：于是可得h的取取值范围：h(4-14)4.4 研究究结论研究得到，对于于同一，随着着增大，i略有减小，但但要求安装距距离h相应地地增大，同时时max也也随之加大。随随着的减小，也略略有减小，不不过小转向力力臂也小，操操纵力会有所所增大。总的的看来，只要要、和h三三者选配的恰恰当，其差别别是很小的。本章小结本章介绍了与齿齿轮齿条式转转向器配用的的转向传动机机构的优化设设计，介绍了了