基于大众捷达轿车转向系的设计

第1章绪论1.1汽车转向系统简介当汽车转弯或遇到障碍物而不得不改变方向时，汽车的转向系统当时就会启动。在操作过程中，方向盘之间相互影响，如偏离角、转向角等，是影响方向盘传递的转向的主要因素，各机构之间相互影响，完成转向操作。转向系统基本上由转向机构、传动机构和转向器以及其他主要部件组成。转向系的设计是汽车设计的一个组成部分，汽车的稳定性、安全性和操控性都取决于转向系统。目前大多数汽车中使用最广泛、最流行的转向系统是HPS、ECHPS、EPS和其他一些主要类别。电动助力转向系统符合现代社会的发展趋势，节能环保，操作灵活简单，采用可变助力转向技术可以适合不同的工况，国家对电动助力转向系统的研究一直很热门。1.1.1转向系的设计要求(1)能保持汽车直线行驶能力。(2)确保汽车的机动性，操作省力。(3)降低事故带来的伤害的装置。(4)应拥有调整间隙的机构。(5)减小转向轮对转向盘的反冲作用。(6)确定瞬时转向中心的位置，在乘用车转向过程中，所有车轮不得发生因结构导致的侧滑，保证基于转向中心做旋转运动。能有效减少导致轮胎磨损，获得更好的稳定性。(7)转向盘以同比例角度转动带动转向轮。1.2转向助力系统选择线控转向系统是继EPS后发展起来的一类转向系统，取消转向盘与转向轮之间的机械连接部分，彻底摆脱了传统转向系统的固有的框架。完全由电能实现转向，提高了汽车的驾驶方便性，可惜技术并不成熟，大多停留在概念车型。机械式转向系统需要使用大直径的转向盘来获得足够转向扭矩，比较占空间，虽然具有结构简单、工作可靠性高、成本低廉的优点。但是如今除了在对操控性能要求不高的极少部分车型上使用，已经很少被采用。液压助力转向系统借助液压泵产生的压力来实现车轮转向助力，改善了汽车的转向轻便性和操纵稳定性。液压助力转向系统的工作介质是油，任何部位液体泄露将导致液压不足，失去部分转向助力效能。对于电动助力转向机构(EPS)，依靠电动机驱动转向机构，结构更简单、零件数量大大减少、增强了可靠性，决了长期存在的液压油泄漏和效率低的问题。电动助力转向机构还具有整体结构相对紧凑、空间尺寸小、质量轻、易与布置等等优点。采用电力驱动的转向系统符合当今世界的发展潮流，节能环保、操作灵活轻巧、并且采用可变力转向的技术能够适合各种工况。考虑到以上因素最终采用电动助力转向机构完成本次设计。1.3EPS的特点及发展现状1.3.1EPS的特点(1)EPS的节能和环境保护。电池为EPS的动力部件提供动力,EPS几乎不产生任何污染；EPS的燃料消耗相比于液压动力转向系统，只有其成本的五分之一左右。(2)EPS易于安装。将EPS的主要部件集成在一起，易于组装，与液压动力转向器相比，零部件的数量大大减少，组装过程简化，节省更多时间成本。(3)EPS效率高。EPS的效率很高，可以达到90%或更高。(4)对EPS路径有良好的理解。EPS发展比较成熟，通过使用EPS控制器软件来补偿EPS系统的延迟，可以使汽车在不同速度下获得正确的转向支持。(5)自动返回特性。通过使用EPS控制器软件，可以实现最佳的直线行驶，从而提高汽车的操控稳定性和舒适性。(6)动态性。EPS系统在行驶时充当动力转向系统，根据车速自动改变动力转向量，并由电池提供充足的电机动力。1.3.2EPS在国内外的应用状况国外EPS的发展之路：在国外，ECE系统首先在小型客车上开发。小货车的发动机舱空间狭窄，需要更多的空间来提供更好的体验，传统的液压动力支持系统难以满足，而原厂的EPS部件数量少，易于组装，重量轻，更适合安装在小货车上。20世纪80年代初，更加节约能源和保护环境的EPS受到日本注意，EPS在日本发展迅速，在欧洲、美国等国家，汽车公司也对EPS进行了开发和研究。国内EPS的发展状况：国内汽车EPS电动助力转向系统开始落后于日本和欧美国家，直到2000年左右，国内厂家才开始逐步进入EPS领域，但随着环保、节能和安全要求的不断提高，EPS已逐渐成为汽车转向系统市场的主要组成部分。面对国外企业的压力，国内EPS产业发展缓慢，直到近年来中国新能源汽车产业的快速发展，促使中国的EPS保持了较高的繁荣度。1.4本课题的研究意义本专题着重讨论汽车转向器的原因是随着科学技术的进步，人们生活水平的提高，以及人们环保意识的增强，汽车转向器无疑将变得更轻，更节能，更安全，汽车转向器的研究方向清晰而明了，电动助力转向系统可以提供更安全、更舒适的转向，并节省能源。随着该系统的初步研究，EPS对中国动力转向行业的发展具有重要意义，在不久的将来，电动助力转向系统将在中国的汽车行业得到广泛应用。1.5本章小结本章介绍了目前的汽车转向技术，分析并比较了电动助力转向与其他一些动力转向系统，选择电动助力转向作为主要的设计方向，并介绍了EPS的国内外发展状况。第2章电动助力转向系统的构成2.1电动助力转向系统概述近年来，电动助力转向系统在汽车上得到了应用，具有多方面优越性，技术成熟且极具潜力。电动助力转向系统（EPS）和其他助力转向系统相比较，EPS耗用电能较少，汽车经济性高，并且占用空间较少，安装方便。2.1.1电动助力转向系统的结构及原理EPS结构组成如图（3-1）：图2-1EPS组成部件ECU决定EPS的辅助量，并通过电子控制使转向力的大小与驾驶时的车速相匹配。例如，在45公里/小时时，ECU发出一个电信号，发动机被命令停止，电磁离合器被停用，而人的手能够完全控制转向。这是因为在高速时，几乎不需要援助，而在低速时则相反。因此，在设计过程中，我们考虑在低速时增加EPS的辅助能力，以减少驾驶员的负担；在中速和高速时，几乎不需要EPS的辅助，驾驶员的路感是考虑的重点。EPS主体由机械转向器和电力驱动部分有机结合组成。组成如图3-1图2-2EPS示意图EPS的转向机构一般是齿轮齿条式转向系统。该系统不仅可以增加扭矩和降低速度，而且还能传递来自方向盘的扭矩和运动。在转向过程中，电动机将电池的电能转换为转向系统的机械能，产生转向扭矩，完成动力辅助系统的功能。与电机相连的齿轮传动装置是一个蜗轮蜗杆减速机构或一个滚珠螺杆减速机构或一个行星齿轮减速机构，其功能也是为了控制速度的快慢。离合器的作用是确保系统在一定速度内平稳运行。如果车速过快，超过了离合器所能接收的速度，此时电动机停止工作。与此同时，转向采用机械转向形式运行。当电动机意外不工作时，离合器会主动断开电动机和减速机构的连接。此时驾驶员转动方向盘，不需要驾驶员的能量来操作电机。单板电磁离合器应包括一个主动轮、一个传动轴、一个压板、一个磁化线圈和一个滑环。在更高的速度下，施加在方向盘上的扭矩会降低到不需要辅助系统的水平，而且电磁离合器可以被设置为在这些速度下不再工作。当发动机停止运转时，电磁离合器也应在控制下脱离或自动脱离。然后，动力转向系统将无法工作，直到发动机再次运转。2.1.2电动助力转向系统的分类与选择电动助力转向系统大致可分为以下三类：图2-3EPS系统的类型(1)转向轴助力系统：该系统类型的电动机位于方向盘的下部，通过一个蜗轮与转向轴连接（图3-3a）。这种安排有以下特点。工作环境良好；电机的传输损失较低，电机的体积也较小，便于安装在车辆上，减轻质量；电机、扭矩传感器、减速器、电磁离合器等都位于驾驶室内。作为一个整体安装。发动机、扭矩传感器、减速器、电磁离合器等。电动机的位置离驾驶员较近，噪声明显，容易影响驾驶员的精神。转向轴受电机输出扭矩的影响，因此需要增加受载部件的尺寸，以使其具有足够的强度；虽然电机的尺寸较小，转矩也够大，但在这种布局下，电机与方向盘的距离很近，为了不影响司机腿部的运动，还是造成了一些困难。(2)齿轮助力式系统：该系统的电动机位于齿轮轴与齿条轴连接位置附件（图3-3b），通过主动齿轮的运动实现动力传递。这种安排有以下特点。电机位于转向轴底部靠近汽车底盘，工作条件相对较差，增加了密封要求；从电机获得扭矩可能较低，原因与转向轴型电机不同，因为没有经过转向器增加扭矩，直接助力齿轮，导致电机尺寸增大；由于安装位置远离地板又不靠近底盘，所以不利于维修拆卸。转向轴和转向器上面的其他部件承受作用力小，故尺寸可以较小；该系统工作时对驾驶员影响不大，驾驶体验感得到提高，但是电机工作震动依然会传递到驾驶员手上。齿条轴助力式系统：在电动助力转向中，电机和齿轮减速器位于小齿轮处（图3-3c），直接驱动小齿轮来提供动力。这种安排有以下特点：电动机在地板下，故电动机减速器也在地板以下，所以减少了对驾驶员的噪音和振动影响；为了达到良好的动力效果，应当增加电动机输出扭矩，同时电机的尺寸和质量也会增加。转向器主动传动轴处不受电动机动力的扭矩影响，该位置部件尺寸可减少；转向器的设计与一般的转向器有很大的不同，制造过程十分复杂；由于电动机远离转向轴，因此对该系统的维修工作容易进行。本次设计采用齿条助力式转向器（图3-3c）通过滚珠式减速机构直接助力齿条。2.4本章小结本章主要是对电动助力转向系统的构成部分进行了拆分讲解，对该系统的原理进行了简要说明，对三种电机分布位置的优缺点进行了说明，并且完成了对该系统电动机以及减速机构的方案确定。第3章转向系统总体分析3.1转向系的性能参数分析3.1.1转向器效率分析必须考虑正负效率，应对复杂的城市道路以及对驾驶体验的更高要求。从转向盘传递到车轮功率比称为正效率，而如果转向系统由于干扰而受到反作用，那么将车轮传回到转向盘反馈功率称为反效率。正效率分析在不考虑转向系摩擦力的情况下：（2-1）逆效率分析不可逆式逆效率：轮胎传回方向盘的反作用力很小，不易被驾驶员感知，可以忽略。可逆式逆效率：轮胎传回方向盘的反作用力明显，利于驾驶员对路况的掌握，但不宜太大，否者不利于掌控方向极限可逆式逆效率：逆效率居中，优势明显，兼具二者有点，目前来看是转向系统设计的最优选着。理想无摩擦效率为：（2-2）——摩擦系数，，取；——摩擦角，；——蜗杆（螺杆）导程角；3.1.2传动比的变化特性力传动比与角传动比，即车轮受力与方向盘作用于驾驶者力之比。，即转向盘转动角度与转向轮转动角度之比。根据转向盘直径，驾驶员作用在方向盘上力为：（2-3）——转向盘力矩角传动比（2-4）角传动比（2-5）L1、L2——梯形臂长度变传动比转向变速比转向器：相互啮合的基圆齿必须相等。具有标准模数和标准压力角的齿轮，与具有变模数和变压力角的齿条处于啮合状态，并且齿轮齿条保持。3.2转向梯形3.2.1转向梯形概述汽车的前桥、左右转向节臂和转向横拉杆组成的梯形称之为转向梯形。其作用就是保证转向时左右车轮按一定的比例转过一个角度，该角度与车轮最小转弯半径相关。断开式与整体式是两种市面上的主要工作形式。以安全性能为首要目标，设计转向梯形。3.2.2转向梯形的设计根据原始数据，该车型最小转弯半径，轮胎型号205/60R16可知：表3-1轮胎数据轮胎参数断面高度轮辋直径断面宽度外径转向轮转角计算：主销偏移距取轮胎胎面宽度的倍，值范围为82-123mm，选取。方向盘的直径根据车型不同在330~600mm的系列内选取。此次设计选取=350mm。图3-1汽车转向简图此轻型车的轴距L为2655mm，最小转弯半径为5500mm。分析如(2-1)所示。由其关系式（2-6）得内外转向轮转角关系与两主销中心距K有关（2-7）可得内侧转向轮转角最大值3.3基本设计参数结合原始参数和本章计算所得制表表3-2本章主要参数项目参数1220kg最小转弯半径前轮距=后轮距前轴满载内侧转向车轮最大转角外侧转向车轮最大转角3.4本章小结本节主要讲解了转向系的性能参数和对转向梯形相关参数的计算，并将计算所得参数和该车型原始数据合并，方便后边齿轮齿条计算直接引用。

第4章转向系统的设计4.1对动力转向机构的要求(1)当方向盘受到切向力时（取决于汽车的形状），动力转向被激活(2)随着转向阻力的增加（或减少），手握方向盘的力量也会增加（或减少），称为"路感"。(3)保持车轮转向角和方向盘转角之间的角传动比。(4)转向后，为保持汽车稳定的直线，方向盘必须具有自动回正能力。(5)灵敏度能满足对复杂路况转向要求。(6)电动助力部分和机械转向部分必要时单独工作，不互相影响。4.2齿轮齿条转向器的设计与计算根据输入齿轮输入位置和齿条输出方式不同，齿轮齿条式转向器分为四种形式：中间输入，两端输出（图4-1a）；侧面输入，两端输出（图4-1b）；侧面输入，中间输出（图4-1c）；侧面输入，一端输出图（图4-1d）[13]。本次设计考虑到电机布置位置，结合电动机齿条助力式方案，采用侧面输入，两端输出（图4-1b）图4-1齿轮齿条式转向器的布置形式4.2.1转向系计算载荷的确定转向系的载荷计算主要集中与对齿轮齿条转向器的受力力分析和校核，这些脆弱而精密的传动部分对于转向系的性能和寿命有着至关重要的作用。根据这些力对齿轮齿条转向器的强度和刚度计算，以便采取更加经济有效的结构方案。一般方法是用经验公式完成这些力的初步计算。(4-1)式中：——车辆原地转向阻力()；——前轴载荷，为整备质量（1220kg）的58%取707.6kg；——摩擦系数，标准路面为0.7；——轮胎气压()，取值区间，取。代入下式计算：转向器角传动比：（4-2）由表2-2可知：，内轮，外侧，转向盘可转动圈数，取整：作用在方向盘上的力（4-3）——转向节臂，齿轮齿条转向器在计算时取1；——转向盘直径，考虑到驾驶员的驾驶空间有限取；——正效率，车辆实际行驶过程中，由于内外环境因素，效率低于理论值取梯形臂计算：梯形臂长度=×0.8/2=406.4×0.8/2=162.6mm取整：取160mm轮胎直径的计算：由表2-1数据计算：（4-4）转向横拉杆直径的确定：（4-5）圆整，得——梯形臂长度；——转向横拉杆许用应力，查机械设计，初步估算主动齿轮轴的直径：由以下经验公式计算可得：——许用应力，查表得，——转向盘最大力矩，。所以取=18mm4.2.2齿轮齿条式转向器的设计（1）齿条齿条轴齿条部分与齿轮啮合，该部分对轮齿条强度、加工精度、寿命等要求高。远离齿的一端加工为与滚珠式减速机构相连接的螺杆，加工要求相对较低，为减轻重量，齿条断面为V型。齿轮轴直接在轴上加工一个齿轮，形成一个齿轮轴以获得足够的强度刚度。从斜齿轮的特点可以看出，增加螺旋角可以改善齿轮比，增加运转的平稳性，从而增加使用寿命。斜齿轮的曲率增加了齿轮啮合齿数，传递更多的动力，运行更平稳。转向横拉杆图4-2转向横拉杆外接头横拉杆与外接头壳体通过螺纹联接。当这些球销按照制造商的规格被拧紧时，球销就会有预载。转向器两侧的壳体和转向器之间的交叉连接处应安装防尘套，以防止杂物进入转向器。齿条调整：通过转动锁紧螺母改变小齿轮与齿条之间的间隔，弹簧在此期间弹簧预紧力发生改变，进而改善齿轮齿条工作状态。（图4-3）为齿轮齿条装配图图4-3齿轮齿条装配图三种类型的齿条断面：圆形、V形和Y形。转向传动比当方向盘从中间位置转到极限位置，转向角比率应是这样的：需要更大的转向角才能使前轮转过相同的角度。对于乘用车，转向角比应选择在15和20之间。在这种情况下，比率为16:1，即在这个比率下，每16°的转向角，前轮就会转动1°。齿轮齿条转向器的安装：该转向器一般安装在前横梁上，转向器外部应套上保护套，起到防尘、保护精密零件的作用。齿轮齿条式转向器的设计要求：该转向器的小齿轮通常是斜齿轮。模数一般在2到3毫米之间。齿轮齿数一般较少，通常在6个左右。在本次的设计中，变传动比的齿条压力角变化不大，与之啮合的齿轮压力角一般大于9度并且小于15度，以保证高效的传动效率和齿轮齿条零部件寿命长久。齿轮轴和齿条的设计计算齿轮材料选取和许用应力的计算①选材②确定和b)（4-7）式中——齿轮转速（r/min）；——齿轮转一周，啮合的次数；c）应力计算取,（4-8）（4-9）（4-10）（4-11）（2）.初步确定齿轮的基本参数a.选择齿轮类型齿轮采用斜齿圆柱齿轮，与齿轮啮合的齿条为保持啮合状态一样加工为斜齿。b.选择齿轮传动精度等级7级精度c.齿轮预备参数初选按当量齿数d.首次计算模数在本设计中，选取转向器输入端施加的扭矩转矩（4-12）=2.31e.载荷系数的计算，由,对称布置，取；取f.（4-13）圆整为标准值，取（3）.确定齿轮传动主要参数和几何尺寸a.齿宽b（4-14）b.齿顶圆直径==21（4-16）c.齿根圆直径（4-17）d.e.模数根据传动比变化特性（4-18）齿轮为齿条为即，齿条模数为f.（4-19）g.（4-20）h.（4-21）（4）.校核齿面接触疲劳强度查机械设计表，查图，取，带入可得=1678.6齿强度合格。4.2.3齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析假设车轮从中间位置向左极限位置转动，齿条左端点到右端点的距离为，车轮从中间位置向右极限位置转动，齿条位移距离，那么为齿条理论最短长度。当车轮从中间位置向左极限位置转动图4-5转向横拉杆的运动分析简图同理当车轮从中间位置向右极限位置转动，=80=339.3=80+339.3-340理论齿条长度=80.7+79.3=160取L=2004.2.4齿轮齿条传动受力分析齿轮与齿条齿面摩擦很小，在受力分析时不予考虑。将作用点的力分解为沿轴向力，沿径向力。=2×20000/16=2500=937.8=623.34.2.5齿轮轴的强度校核(1).轴的受力分析①画轴的受力简图（见本章末）。②计算支承反力在垂直面上在水平面上③计算弯矩1在垂直面上，a-a剖面左侧a-a剖面右侧计算计算合成弯矩，a-a剖面左侧a-a剖面右侧计算④计算转矩转矩（2）.判断危险剖面经比对上述弯矩大小发现a-a截面左侧合成弯矩最大，该截面左侧可能是危险剖面。（3）轴的弯扭合成强度校核由《机械设计》[4]查得，，=60/100=0.6。a-a截面左侧（4）轴的疲劳强度安全系数校核查得,,；。a-a截面左侧查得；由表查得绝对尺寸系数轴经磨削加工，查得质量系数β=1.0。则切应力安全系数比对查许用安全系数[S]=1.3～1.5，经比对发现，由于S远远大于[S]，故a-a剖面非常安全。图4-6齿轮轴校核分析图4.3本章小结本章根据转向系统的设计要求，对齿轮齿条进行设计和计算，并完成齿轮轴的校核计算。第5章助力电机及其关键部件5.1齿条助力式转向器概述齿条助力式转向器响应最快，噪声与震动影响最小，在三种助力结构中，齿条助力式性能最好，缺点主要体现在成本较高和结构复杂。齿条式助力电机采用非接触式分相器扭矩传感器，电机采用无刷直流电机，电机转子、齿条螺杆部分以及减速机构固定在一起，与滚珠式减速机构相连接的转子只能转动不能轴向移动，电机转子的转动通过减速机构的滚珠传递到齿条螺杆上，带动螺杆轴向移动，实现助力功能。5.2电动助力转向系统的关键部件EPS主要由电动机、减速机构以及电气元件（扭矩传感器车速传感器、和电子控制单元ECU）组成。5.2.1扭矩传感器扭矩传感器是EPS的重要部件之一，由两个分相器单元和扭杆组成。（如图5-1所示）。图5-1扭距传感器转子部分第1阶段分动块与主转向轴相连，转子部分第2阶段分动块与转向驱动轴相连。方向盘转动带动扭转杆转动，电子控制单元根据扭杆旋转角度，确定要施加到EPS电机上的电压。5.2.2车速传感器车速传感器的用途是测量汽车车速。汽车ECU电控单元根据车速信号控制电机电流进而改变助力大小。5.2.3电动机电动机组成：线圈、定子、带磁体转子，转子与减速机构固定在一起。该机构采用齿条助力式布置方案，电动机通过减速机构直接驱动齿条实现助力。图5-2电动机结构5.2.4减速机构减速机构使用滚珠式减速机构。电机的旋转被传送到滚珠上，动力通过滚珠和蜗杆到达齿条实现助力作用。滚珠在减速齿轮机构内被引导，以确保机构内工作的正常运行。5.2.5电子控制单元电子控制单元（ECU）接收来自扭矩以及速度传感器的信号，提供命令以控制发动机的运行。动力转向特性曲线通常被设计成随着车辆在Va中行驶而变化，被称为速度敏感曲线。图5-3所示的对速度敏感的增益特性曲线显示，增益取决于方向盘扭矩和汽车实际速度。5.3电机参数由于是采用齿条式助力系统，所以没有电磁离合器部分。电机选型过程中，主要有如下几点要求：质量轻，尺寸小，低转速，大扭矩，同时，抗干扰能力尽量增强。参考市面上相似车型，选择如下表所示永磁式无刷直流电动机表5-1电动机主要参数电动机无刷永磁直流电机转速额定转矩10kg.cm/30A标称输出150W旋转方向正反转最大电流35A5.4电动助力转向的助力特性图5-3助力特性图当汽车在原地转向，电机电流在此刻为最大值，动力转向的强度也上升到最大。在某一车速范围内转向盘力矩大小呈线性变化，当汽车车速升高，电机电流在此刻开始降低，动力转向的强度逐渐降低。5.5本章小结本章着重介绍齿条助力系统的电机及其关键部件，简要分析了齿条助力电机工作原理。结论本次设计的助力系统是以电控助力系统的设计为核心。通过对电控助力系统的原理以及组成进行分析说明，该结构的优越性很强：电控助力系统对于路面信息的检测十分灵敏、相较于传统的液压转向助力系统等在提高汽车经济性方面作用大、同时电控助力转向系统所占空间小，结构简单，安装方便，维修成本低。并且电控助力转向系统