【《汽车自动驾驶装置中方向盘转向装置设计案例》3100字】

汽车自动驾驶装置中方向盘转向装置设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u29775汽车自动驾驶装置中方向盘转向装置设计案例 1315591.1方向盘转向装置任务分析 1143861.2方向盘转向装置设计计算 2101521.2.3转向装置转轴计算 4213941.2.4联轴器的选择 5230711.2.5减速机选定 6317541.2.6传感器的选择 71.1方向盘转向装置任务分析因为汽车驾驶过程中需要方向盘经常顺/逆时针转动以调整汽车行驶方向，或者汽车需要转向或调头时需要方向盘有较大角度的转动，因此方向盘转向装置需要有较高的灵敏度、较频繁的转动和较大的转动角度。设计方案如下，方向盘转向装置如图3-1所示，方向盘转向装置整体模仿三叶片电风扇的结构进行设计，三个扇叶位置可调以适应于不同种类汽车的方向盘，扇叶底部有环形卡槽与方向盘轮辐相固连从而实现装置整体与方向盘的连接。方向盘转向装置由伺服电机为动力源经由减速机减速后通过联轴器与执行机构主轴相连控制方向盘转动。控制系统通过方向盘下安装的汽车方向盘转角传感器来检测方向盘的转动情况，实现对伺服电机的控制。图3-1方向盘转向装置装配图Figure3-1Steering

wheel

steering

device

with

drawing1—基体2—连杆3—直流电机4—联轴器5—转向装置6—减速机1.2方向盘转向装置设计计算1.2.1方向盘转向力计算汽车方向盘转向力根据汽车静止和运动状态不同而不同，分为汽车在静止时转动方向盘所需的力（简称“静态手力”）以及车辆在行驶过程中转动方向盘所需的力（简称“动态手力”）。常见的车辆专业相关教材中通常用以下公式描述车辆在静止时汽车的转向阻力矩：Tw=μ33式中：G1μ轮胎和路面的摩擦因数，一般取为0.7；P轮胎气压，一般取为250KPa;此时，需要转向盘提供的转矩为：Tℎ=Twi式中：iw0η+转向系正效率， η+一般在70％～85％，这里取汽车在行驶过程中，轮胎在滚动时受到摩擦为滚动摩擦。由于滚动摩擦的摩擦力小于静摩擦的摩擦力，因此不难推测，动态手力会远小于静态手力。根据轿车无助力转向时，轿车的前载荷为1.5吨时测得的数据显示静态手力为30Nm而动态手力则不到1Nm。因此汽车转向盘，所需最大力矩为静态力矩30Nm。1.2.2驱动电机选择因为考虑到汽车行驶过程中方向盘需要经常顺时针或逆时针转动以调整汽车行驶状态及车身位置，因此要求驱动电机经常正转或反转或甚至是经常启动或停止。因此对电机的要求书启、制动，正反转频繁。由于直流电动机具有良好的启动性能和速度控制，因此选择直流电动机。由于伺服电机是由伺服系统控制，其输出大小可以控制位置、方向、状态等被控对象，可使控制速度、位置精度十分准确，因此选用直流伺服电动机。并且由于无刷电机比有刷电机体积小，所以响应快，转速高，转动平稳，扭矩稳定，因此方向盘转向装置所用驱动电机最终选型为无刷结构的永磁式直流伺服电机。由于电动机转速过高，而直接输出的转矩较小，因此应经减速机减速并加大扭矩，因此，电动机的额定输出转矩为：Te=TamaxG式中:G为减速机构的减速比,此处取G=10；方向盘在紧急情况时的转动速度一般取nℎne=由式（3-3）和（3-4）可得到电动机的额定功率：Pe=T电动机的型号由电动机的额定输出转矩、额定转速和额定功率计算值选择。电机型号如表3-1所示。表3-1永磁直流电机性能参数Table3-1PermanentmagnetDCmotorperformanceparameters型号功率负载转速转矩电流电压110ZYT56200w600r/min1.18N·m5A24V1.2.3转向装置转轴计算1.2.1.1最小直径预估根据设计方案，转向装置转轴设计的参数如表3-2所示。表3-2转轴设计参数Table3-2Shaftdesignparameters功率转速扭矩材料许用扭转切应力键槽400W100r/min40Cr2转轴最小直径： dmin≥A3式中：P—轴传递的功率，KW；n—工作机的转速，r/min;A—由许用应力确定的系数，此处依扭转强度取A=110。由于转轴需要设置个2键槽，轴径增大15%： dmin=1.2.1.2初步确定轴的直径和长度转向装置转轴的示意图如图3-2所示。图3-2方向盘转向装置转轴Figure3-2Steeringwheelsteeringdeviceshaft转向装置转轴各轴段参数如表3-3所示。表3-3转向装置转轴各轴端数据Table3-3Dataofeachshaftendofthesteeringshaft轴段ⅠⅡ直径2026长度130201.2.1.3转轴的弯矩计算靠近方向盘一端轴受力F1=30N，靠近减速机一端轴受力为F2=10N；方向盘一端距离两段轴截面的距离L1M=F1∙1.2.1.4转轴的扭矩计算转轴受来自方向盘的最大扭矩T1=30000Nmm，受来自减速机的最大扭矩T2=49000NT=T1+1.2.1.5转轴的强度校核根据第三强度理论，轴的弯扭合成强度为：σca式中：σcaM—轴所受的弯矩；T—轴所受的扭矩；α—折合系数，此处扭转切应力为脉动循环变应力，取α≈0.6；W—轴的抗弯截面系数，mm3,此处截面为圆截面，W=π查阅资料，40cr的许用弯曲应力为70MPa,大于59.3MPa，所以转轴强度满足要求。1.2.4联轴器的选择在方向盘转向装置中，需要用两个联轴器将电动机与转轴进行连接，这两个联轴器分别用于连接直流电机和减速器的高速轴，用于连接减速器的低速轴和旋转轴。对于前者，由于所连接轴的转速较高，应选择具有较低惯性矩的挠性联轴器，以减少启动载荷并减轻冲击。此处前置联轴器选择弹性柱销联轴器。表3-4高速轴联轴器基本参数Table3-4Basicparametersofhigh-speedshaftcoupling联轴器型号LX1弹性柱销联轴器主动端：Y型轴孔，A型键槽d2L1从动端：J型轴孔，A型键槽dL2对于后者，由于连接轴的转速较低，传递的扭矩较大；同时应选用刚性联轴器以保证两轴的安装精度，此处选择凸缘联轴器。 表3-5低速轴联轴器基本参数Table3-5Basic

parameters

of

low

speed

shaft

coupling联轴器型号GY2型凸缘联轴器主动端：J型轴孔，A型键槽d1L1从动端：Y型轴孔，A型键槽dL21.2.5减速机选定考虑到电机转速过高，输出扭矩小，因此需要减速机构减速，扭矩增大后才能驱动转向轴。上文在选择驱动电机时，减速机构的减速比应为10。与蜗轮相比，齿轮传动传动比恒定，传动平稳，应用范围广；预期寿命长；高效率；结构紧凑。另外，蜗轮蜗杆传动效率低，因此减速机选用齿轮传动。与直齿轮相比，斜齿轮为每对齿轮逐渐啮合，没有啮合冲击现象，运转相对平稳，更容易保证恒定的传动比。又因为该方向盘转向装置整体无较大载荷，所以相比之下减速机的传动方式选择斜齿轮传动更佳。表3-6减速机参数Table3-6Reducer

parameter型号输出转速输出转矩径向负荷RF87ZYT110M4/10.31/M171r/min49Nm4320N图3-3减速机三维图Figure3-3Three-dimensionalview

of

reducer1.2.6传感器的选择1.2.6.1传感器应用目的方向盘转向装置需要时刻清楚方向盘的转动角度，因此需要一角位移传感器来测量方向盘的转动角度。由于很多时候汽车方向盘的转动角度并不是很大，因此需要一款高精度的角位移传感器。1.2.6.2传感器选择分析常见的位移检测元件包括：电感式传感器、电容式传感器、电感式同步器、光电编码器等。其中，光电编码器只能测试角位移，其他类型的传感器包括线位移传感器和角位移传感器。电感式传感器其测量范围有限，因此无法选在此处应用。电容式传感器也因为测量范围小，无法满足方向盘在大角度转向时的测量要求，因此此处也不采用。旋转式感应同步器与光栅、磁栅传感器和光电编码器的测量范围都局限于0°~360°之间，而汽车方向盘打满则需2.5或3圈，因此常见的传感器均无法满足该方向盘转向装置的测量要求。此外，在汽车应用中，由于光电传感器的可靠性等问题，此类产品很少使用。因此，有必要使用专为测量汽车方向盘角度而设计的方向盘角度传感器。方向盘转角传感器采用机械式三档结构，测量转向角和圈数。大齿轮随飞