毕业设计（论文）-汽车电动助力转向器设计

题目名称：JT-1电动车电动助力转向器研制任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求）根据现有哈飞百利轿车无助力转向功能的结构，为其设计一套电动助力转向机构，要求机构能够实现在转向轴上进行助力，尽量做到结构简单，加工制作成本低。具体时间结点要求为：2012年12月19日开题。2012年12月19日~20XX年2月25日按要求完成假期毕业设计任务，进行方案论证。20XX年2月25日~20XX年3月10日毕业实习，填写《实习日志》。20XX年3月10日~20XX年4月20日撰写设计说明书。接受中期检查。20XX年4月21日~20XX年5月20日完成论文初稿，预答辩。20XX年5月21日~20XX年5月30日：修改预答辩中发现的问题，准备答辩。20XX年6月1日~20XX年6月5日：答辩。其中：参考文献篇数：说明书字数：图纸张数：10篇以上6000字以上折合A0图纸3张，其中至少1张装配图专业负责人意见签名：年月日汽车电动助力转向器设计摘要汽车电动助力转向系统是现代汽车中比较常规的配置，由电动助力机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护了环境。另外，还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。正是有了这些优点，电动助力转向系统作为一种新的转向技术，将挑战大家都非常熟知的液压转向系统。文章依据“哈飞百利”轿车转向系统的参数，进行了转向助力装置总体结构的论证和部分零部件的设计及强度校核。关键词汽车；转向轴；电动助力。全套图纸加V信153893706或扣3346389411

ThedesignofautoelectricpowersteeringgearAbstractTheautomobileelectricpowersteeringsystemiscommoninmoderncars,providedbytheelectricpowersteeringmachinedirectly,eliminatingthehydraulicpowersteeringpowerrequiredbythesystemsteeringbeltwheeloilpump,hose,hydraulicoil,conveyorbeltandinstalledontheengine,notonlysaveenergy,butalsoprotecttheenvironment.Inaddition,butalsohassimpleadjustment,flexibleassemblyandinmanycircumstancescanprovidethecharacteristicsofthepowersteering.Preciselybecauseoftheseadvantages,thesystemasanewsteeringtechnologyofelectricpowersteering,willchallengeallveryfamiliar,hashalfacenturyhistoryofthehydraulicsteeringsystem.Articlebasedon"HafeiGabriel"carsteeringsystemparameters,theoverallstructureofthesteeringdevicedemonstrationandsomepartsofthedesignandstrengthcheck.Keywordsautomobile;Steeringshaft;Electricpower..目录摘要Abstract1前言 11.1电动助力转向系统简介 11.2EPS的特点及发展现状 11.2.1EPS与液压动力转向系统比较 11.2.2EPS的特点 11.2.3EPS在国内外的应用状况 21.3课题的研究意义 32电动助力转向系统的总体组成 42.1电动助力转向系统工作原理及类型 42.1.1电动助力转向系统工作原理 42.1.2电动助力转向系统的类型 42.2电动式EPS主要构件 62.2.1扭矩传感器 62.2.2车速传感器 62.2.3电动机 62.2.4电磁离合器 72.2.5减速机构 72.2.6电子控制单元ECU 73电动助力转向器的设计 93.1选择蜗轮蜗杆类型、材料和精度等级 93.2按齿面接触疲劳强度设计 93.2.1确定所需参数 93.2.2设计计算 103.3主要几何尺寸计算 113.4估算转向系正逆效率 12结论 13参考文献 14致谢 15-前言电动助力转向系统简介电动助力转向系统（ElectricPowerSteering，简称EPS）是一种依靠电机直接提供辅助转矩的动力转向系统，与传统的液压助力转向系统HPS（HydraulicPowerSteering）相比，EPS系统有许多优点。EPS主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元（ECU）等组成，如图1-1所示。[1]图1-1电动助力转向系统EPS的特点及发展现状EPS与液压动力转向系统比较对电动助力转向机构(EPS)来说，电动机只在汽车转向时工作并且消耗蓄电池能量；相对于常流式液压动力转向机构，由于液压泵处于长期工作状态和内泄漏等要消耗更多的能量。两者相比较，电动助力转向的燃料消耗率仅是液压动力转向的16%～20%。液压动力转向机构的工作介质是油，任何部位出现漏油状况，油压将无法建立起来，不仅失去助力功效，对环境也会造成污染。当发动机出现故障而停止工作时，液压泵也不工作，结果也会丧失助力功效，这样降低了工作可靠性。而电动助力转向机构不存在漏油问题，只要蓄电池内有电，可以提供给电动助力转向机构，就会有助力作用，因而工作可靠。如果液压动力转向机构油路进入空气或贮油罐中油面过低，工作时将产生较大噪声，不排除气体会影响助力效果；电动助力转向只在电动机工作时有很小的噪声。电动助力转向与液压动力转向相比较，转动转向盘时只需克服转向器的摩擦阻力，没有回位弹簧阻力或反映路感的油压阻力。电动助力转向整体结构紧凑部件少且占用的空间尺寸小，质量比液压动力转向约轻20%~25%，在汽车上更容易布置。[2]EPS的特点(1）EPS节能环保发动机在运转时，液压泵一直处于工作状态，液压转向系统使整个发动机燃油消耗增加了3%~5%,而EPS以蓄电池作为能源，以电机为动力元件，可与发动机独立工作，EPS几乎没有直接消耗发动机燃油。EPS不存在燃油泄漏问题的液压动力转向系统，由电子控制的EPS，几乎对环境没有污染。(2）EPS装配方便EPS的主要部件可集成在一起，方便布置，和液压动力转向相比减少了很多原件，不需要液压系统所需要的油泵、油管、压力流量控制阀、储油罐等，原件数目少，装配方便，节约时间。(3）EPS效率高液压动力转向系统效率通常在60%~70%，而EPS的效率较高，可高达90%以上。(4）EPS路感好纯传统液压动力转向系多采用固定放大倍数，主要是工作驱动力大，但不能实现汽车在不同车速下行驶时的轻便性和路感。EPS系统的滞后性可通过EPS控制器的软件来补偿，使汽车在不同速度下都可得到满意的转向助力。(5）EPS回正性好EPS系统具有结构简单的特点，不但操作简便，还可以通过EPS控制器的软件调整，从而得到最佳的回正性，以提高汽车的操纵稳定性和舒适性。(6）动力性EPS系统可主动按照车速的高低分配转向力，不用直接消耗发动机功率，只有在转向时才起到助力作用，可以保障发动机充足的动力。（而HPS液压系统，即使在不转向时，油泵一直运转且处于工作状态，减少了使用寿命）。[2]EPS在国内外的应用状况(1)国外EPS的发展之路：装配有机械式转向系统的汽车，在停车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负荷过于沉重，为解决这个问题，美国通用公司在20世纪50年代在轿车上率先采用了液压助力转向系统。然而，液压助力转向系统不能兼顾车辆在低速时的轻便转向和高速时的稳定转向，所以1983年日本KoYo公司推出了有车速感应功能的电子控制液压助力转向系统。这种新型的转向系统可随着车速的提高而提供逐步减小的转向助力，但结构复杂、成本较高，不能克服液压系统本身所具有的很多缺点，是介于液压助力转向和电动助力转向两者之间的过渡产品。1988年，日本铃木公司首先在牡鹿牌汽车上配备了由Koyo公司研发出的转向柱助力式电动助力转向系统；1990年，日本本田公司也在NSX跑车上采用了独立研发的齿条助力式电动助力转向系统，从那时起，推出了汽车电动助力转向应用的历史。[3](2)国内EPS的发展现状：我国汽车电子行业的整体发展相对滞后，然而随着对汽车环保、节能和安全性要求的进一步提高，能代表现代汽车转向系统发展方向的EPS电动助力转向系统，在我国已经被列为高新科技产业项目，国内高校、科研机构和企业也在研究EPS技术，有一些供应商可以批量提供转向轴类型的EPS系统。当前国内实际安装EPS汽车已经达到15%，主要是昌河北斗星、哈飞百利等，轿车主要有广州本田飞渡、上海大众途安、长安雨燕、一汽天津花冠3．0、一汽大众奥迪及郑州日产MPV旅行车等。但一般来讲目前国内EPS技术还不成熟；由供应商所提供的EPS系统还没有达到要求的产品级，类型单一，还不能够满足整车厂的需要。[3]课题的研究意义电动助力转向系统把最新的电力电子技术与高性能的电机控制技术应用在汽车转向系统，可以大大提高汽车动态性能和静态性能，提高行驶过程中驾驶员的舒适性和安全性，并且减少环境的污染等。该系统提出后，就受到了许多大的汽车公司的重视，并进行研究和开发，在未来的转向系统中主流将是电动助力转向。电动助力转向系统的总体组成电动助力转向系统工作原理及类型近年来，电动助力转向机构被应用在乘用车上，并具有良好的发展前景。电动助力转向机构，去除应当满足一些对液压式动力转向机构的相似要求，同时还应当满足：具备故障自诊断和报警功能；具有良好的抗振动和抗干扰能力等；在地面和车轮之间有反向冲击力作用时，电动助力转向机构要快速反应，停止转向盘转动；过载条件下使用有过载保护功能等。[4]电动助力转向系统工作原理电动助力转向系统在机械转向系统的基础上增加了电机减速器的总成、转向盘转矩传感器和电子控制单元，如图2-1所示。转向轴上有转矩传感器与减速机构，并且电动机通过花键来驱动减速器。在转向操作机构最下端是普通的转向器、转向传动机构。电子控制单元依据从电子车速表（或者ABS控制器）获得的车速信号和转矩传感器的输出信号，从而判断驾驶员的操纵意图，进而控制电动机的电流大小和方向，使之能输出相应的转矩。电动机产生转矩可通过减速器直接作用在转向轴上。驾驶员转向操舵的力矩和电动机产生的助力矩一起克服转向阻力矩，使车轮产生偏转。车速低，电动机助力较大，转向操纵比较轻便；车速高，电动机助力相应减少，会产生阻力矩，从而使转向操纵变得沉重。[5]图2-1电动助力转向机构示意图电动助力转向系统的类型EPS系统基于电动机布置的位置不同可划分为转向轴助力式、小齿轮助力式和齿条助力式三种基本类型，如图2-2所示。[6]转向轴助力式转向轴助力式电动助力转向机构将电动机布置在靠近转向盘的下方，并且经蜗轮蜗杆机构和转向轴进行连接（图2-2a）。这种布置方案的特点是：由于转向轴助力式的电动助力转向电动机布置于驾驶室，因而有良好的工作条件；借助于电动机输出转矩经减速机构后增大传到转向轴，因此电动机输出助力转矩相对较小，并且电动机尺寸小，有利于在布置在汽车和降低质量；电动机、电磁离合器、转矩传感器、减速机构等作为一个整体，结构紧凑，这些部件和转向器分开，所以拆装和维修工作较为容易的进行；转向器可以采用一般典型结构的齿轮齿条式转向器；由于电动机距离驾驶员和转向盘比较近，所以电动机产生的工作噪声和振动可直接影响驾驶员；电动机输出的助力转矩的作用由转向轴等零件承受，要使其强度足够大，有必要增大受载件的尺寸；虽然电动机的尺寸不大，由于布置方案的电动机距离方向盘较近，为了驾驶员腿部的动作不受影响，所以在布置时还存在有一定的困难。[1]a)转向轴助力式b)齿轮助力式c）齿条助力式图2-2EPS系统的类型齿轮助力式齿轮助力式电动助力的转向机构电动机设置在和转向器主动齿轮进行连接的位置（图2-2b），并通过驱动主动齿轮来实现助力作用。这种布置方案的特点是：电动机布置在转向器上部、地板下方，工作条件恶劣且对密封要求比较高；基于电动机的助力转矩和转向轴助力式相同的原因，因而电动机尺寸比较小，加上减速机构、转矩传感器等结构紧凑、尺寸小，这些有利于布置在整车上和质量减小；布置于转向器主动齿轮以上的转向轴等零部件，不用承受电动机输出的助力转矩的作用，所以尺寸可以比较小；电动机距离驾驶员较远，其动作噪声对驾驶员影响较小，但是震动仍会传到转向盘；电动机、减速机构、电磁离合器、转矩传感器等和转向器的主动齿轮装在一个总成中，拆装时因相互影响会出现相应的困难；转向器和典型的转向器不通用，所以需要单独设计和制造。[1]齿条助力式齿条助力式的电动助力转向机构其电动机和减速机构等布置于齿条处（图2-2c），并且直接驱动齿条来实现助力。这种布置方案的特点是：电动机设置在地板下方，相比来说，工作噪声和振动对驾驶员的影响较小；电动机减速机构等不会占据转向盘和地板之间的空间，所以有利于布置转向轴，它们不会使驾驶员腿部动作受到干扰；转向轴和转向器的主动齿轮都不承受电动机助力转矩的作用，所以它们的尺寸较小；电动机和减速机构等在地板下方工作，条件比较差，要求良好的密封；由电动机输出的助力转矩仅经过减速机构增扭，并没有经过转向器，所以有必要增大电动机输出的助力转矩，由此才能起到良好的助力效果，这些直接造成电动机体积变大、质量增加；转向器结构和典型的相差较多，所以必须单独进行设计制造；若采取滚珠螺杆螺母的减速机构，会给制造增加难度与成本；转向器、电动机占用的空间虽然大，但在一些前轴负荷较大，前部空间相比宽松的乘用车上应用不是十分突出的问题。[1]电动式EPS主要构件扭矩传感器转矩传感器是用来检测转向盘转矩的大小和方向，是EPS控制信号之一，转矩传感器主要形式有接触式和非接触式两种。通常使用的接触式（电位计式）传感器有摆臂式、扭杆式和双排行星齿轮式三种，而非接触式扭矩传感器主要有磁电式和光电式两种。传感器将转向系统的转矩信号传输给电子控制单元ECU，便于使电子控制单元ECU调整电动机力矩的大小，如图2-3所示。[7]1轴套2线圈3线轴套（磁性材料）4扭杆5输入轴图2-3非接触式扭矩传感器该设计采用的是非接触式扭矩传感器，它的输入轴和输出轴通过扭杆连接，输入轴上有花键，在输出轴上有键槽。扭杆受到方向盘的转动力矩，发生扭转，在输入轴上的花键与输出轴上键槽两者的相对位置就会改变。扭转杆的扭转量等于花键与键槽之间的相对位移改变量，花键上的磁感强度因此改变，变化的磁感强度，通过线圈转化成为电压信号。检测电路使信号的高频部分滤波，只有扭矩信号被部分放大。[8]在工作中，即使扭杆断裂，扭矩传感器仍然能够正常检测出扭转角度，避免发生事故。非接触式扭矩传感器因为采用非接触的工作方式，所以可靠性高、寿命长，不容易易受到磨损、延时更小、受轴向偏移和轴的偏转的影响更小，所以现在广泛应用于轿车和轻型车，成为EPS传感器的主流产品。车速传感器车速传感器的是作用是测量汽车的行驶速度。现阶段，轿车EPS控制器通常从整车CAN总线中获取车速信号。[8]电动机电动机的作用是根据ECU的信号输出相应的转向力矩，它是EPS的动力源。通常采用无刷永磁直流式电动机，因为无刷永磁式直流电动机的效率具备较高、无激磁损耗、体积较小等特点。基于控制系统需要根据不同的工况而产生不同的助力转矩，要求具有良好动态特性且容易控制，以上都要求助力电机具有线性的调速特性和机械特性。除此之外，还要求电动机在低速时要波动小、转矩大、转矩惯性量小和质量轻、尺寸小、抗干扰能力强、可靠性高等特点。在电动机的选择上也要与阻力矩、蓄电池电压、减速比等相匹配。[9]电磁离合器电磁离合器保证电动助力转向只在预定范围内起作用，对电动机起保护作用，当车速、电流超过限定的最大值或转向系统发生故障时，离合器便自动切断电动机的电源，恢复手动控制转向。此外，在不助力的情况下，离合器还能消除电动机的惯性对转向的影响。为了减少与不加转向助力时候驾驶车辆感觉的差别，离合器不仅具有滞后输出特性，同时还有半离合状态区域。[10]电动EPS多采用单片干式电磁离合器,包括主动轮、从动轴、压盘、磁化线圈和滑环等，如图2-4所示。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2-4电磁离合器工作原理见简图当扭矩传感器的电流通过滑环进入电磁离合器线圈时，主动轮产生电磁吸力，带花键的压板被吸引与主动轮压紧，于是电动机的动力经过轴、主动轮、压板、花键、从动轴传递给执行机构。电动式EPS一般都设定一个工作范围。如当车速达到45km/h时，就不需要辅助动力转向，这时电动机就停止工作。为了不使电动机和电磁离合器的惯性影响转向系统的工作，离合器应及时分离，以切断辅助动力。此外，当电动机发生故障时，离合器会自动分离，这时仍可以利用手动控制转向。减速机构减速机构是电动式EPS不可缺少的部件。目前实用的减速机构有多重组合方式，一般采用蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合式，也有的采用两级行星齿轮与传动齿轮组合式。为了抑制噪声和提高耐久性，减速机构中的齿轮有的采用特殊齿形，有的采用树脂材料制成。本次设计采用蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合式减速机构。电子控制单元ECU电子控制单元ECU：转向系统的电脑，根据转矩传感器信号和车速传感器信号，进行逻辑分析和计算后，发出指令，控制电动机和电磁离合器的动作。此外，ECU还有安全保护和自我诊断功能，ECU通过采用电动机的电流、发电机的电压、发动机的工况等信号判断其系统工作状态是否正常，一旦系统发生异常，助力将自动取消，同时ECU将进行故障自诊断分析。ECU通常是一个8位单片机系统，也有采用数字信号处理器DPS作为控制单元。控制系统应该具有很强大的抗干扰性，以适应汽车多变的行驶环境。控制算法应快速正确，满足实时控制的要求，并能有效的实现理想的助力规律和特性。直接控制电动机的转矩力矩大小，以及时间长短。[11]电动助力转向器的设计哈飞百利等系列车型转向管柱参数如表3-1所示。表3-1转向管柱参数参数数值单位转向管柱手力＜6N·m输出力矩26.4N·m前轴负荷≤800Kg工作电压11-16V额定转矩1.6N·m额定电流30A选择蜗轮蜗杆类型、材料和精度等级1）类型选择选用阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）传动。2）材料选择蜗杆选用40Cr，表面淬火处理，查表5.5[6]，表面硬度为（40~55）HRC；涡轮选用ZCuSn10P1，金属模锻造。3）精度选择查表5.1[6]，选8级精度。按齿面接触疲劳强度设计由式（3-1），中心距a为(3-1)确定所需参数（1）估算传动比i12蜗杆的输入功率与减速器效率相乘等于涡轮的输出功率(3-2)已获参数T1=1.6Nm，T2=26.4Nm，得到公式(3-3)蜗杆头数与传动效率关系如表3-2所示。表3-2蜗杆头数与传动效率关系蜗杆头数1246传动效率0.7~0.80.8~0.860.86~0.910.90~0.92分别将传动效率带入式（3-3），如表3-3所示。表3-3蜗杆头数与传动比关系蜗杆头数1246传动比22~23.620~2219~2018~19查表5-3[6]，由蜗杆头数z1=2，传动比i=15~32，选取i12=21，z1=2（2）确定载荷系数K由表5-6[6]选取使用系数KA=1；由于转速不高，冲击不大，可取动载荷系数KV=1.1；因载荷较平稳，故取载荷分布系数Kβ=1；则K=KAKVKβ=1×1.1×1=1.1（3）材料系数系数对于青铜或铸铁蜗轮蜗杆配对时，取=160MPa（4）接触系数假设蜗杆分度圆直径和中心距a之比/a=0.4，查图5.12[6]，=2.75（5）确定许用接触应力蜗杆材料的基本许用应力：查表5.7[6]，=268MPa估算电动机转速(3-4)电动机效率估为0.8，得到蜗杆转速===1719r/min应力循环次数：=60×1×1719÷21×15×365×24=6.5，取N=25寿命系数：许用接触应力：=（0.669×268）=180MPa设计计算（1）计算中心距：a≥56mm，取a=125mm（2）初选模数、蜗杆分度圆直径、分度圆导程角根据a=125mm，i12=21查表5-2[6]，取m=5mm，=50mm，=，涡轮齿数=41，变位系数=-0.5（3）确定接触系数根据/a=50/125=0.4，查图5.12[6]，=2.74（4）计算滑动速度=4.59m/s（5）当量摩擦角查表5-10[6]，=（6）计算啮合效率=0.90（7）传动效率=（0.95~0.97）×0.90=0.855~0.873，取=0.86（8）验算齿面接触疲劳强度53.7MPa≤=180MPa原选参数满足齿面接触疲劳强度的要求。（9）蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算(3-5)将代入式(3-5)整理，得设计公式(3-6)由表5-9[6]取=56MPa，寿命系数=0.54=0.54×56=32MPa齿形系数，按蜗轮当量齿数及蜗轮变位系数=-0.5查图5.13[6]得，=3.04螺旋角系数=1-=0.92将数据代入设计公式得左边==1250右边=左边大于右边，原选参数满足蜗轮齿根弯曲疲劳强度要求。主要几何尺寸计算查表5-2[6]：=5mm,=50mm，=，2,=41，=-0.51)蜗杆①头数2②分度圆直径=50mm③齿顶圆直径mm④齿根圆直径mm⑤蜗杆的分度圆导程角=⑥蜗杆齿宽，取齿宽=55mm⑦蜗杆轴向齿距15.7mm⑧蜗杆轴向齿厚=7.85mm2）涡轮①齿数=41②变位系数=-0.5③验算传动比误差传动比