【《管柱式电动助力转向系统相关尺寸和方案设计案例分析》4200字】

管柱式电动助力转向系统相关尺寸和方案设计案例分析1.1引言作为整个汽车领域中起到中流砥柱作用的主流汽车子系统的电动助力转向系统，随着电子技术的不断提高、线路集成化不断完善和大数据物联网的不断发展，电子产品更新换代的迅速影响着整个EPS系统的更新换代和研发周期，从而能够直接影响到整个汽车行业的市场发展趋势。本文将以某型日产尼桑天籁汽车为基础，通过对转向管柱的各个参数之间的关系进行分析，在CAITA建模软件中建立3D模型时进入软件中的进行参数命名操作建立个参数之间的联系，实现对软件进行二次开发的目的。这样，在建立三维模型时将模型的参数赋予一定的关系，能够让各个参数达到牵一发而动全身的效果，从而在设计各个零部件的环节能够做到事半功倍，提高效率。因此，在确定整个车辆参数之后，与之匹配的管柱式电动助力转向系统的参数也能够随之确定，从而得到最总的总成模型及装配模型。1.2C-EPS管柱的整体设计及匹配理论基础为了使C型电动助力转向系统的设计能够具有实际的意义，那么其设计应当满足基于整车转向性能的要求和可靠性的要求这两点。而我们对于转向管柱的开发是不能盲目的，应当遵循整个汽车行业的零部件开发的步骤，也就是说应当首先确定性能目标，随后针对本设计进行系统性的计算及各部件参数的选定，最后就第一章所积累的疲劳强度理论对零部件进行强度校核。在整个的设计过程中，我们可以轻松的发现电动助力转向柱作为整个转向系统的重要性。而在以往的机械设计的经验中，我们可以得出一个这样的结论：任何的部件与部件的性能和几何参数之间必然存在一定的关联，各个参数之间并不是孤立存在的。如此一来，在本次的设计过程中只要我们能够把握住零部件内部的参数之间的关联性，如按照性能的划分对部件长度、直径进行按比例划分、扭杆的参数设计、蜗轮蜗杆的参数设计等等；零部件之间的参数关联性，如助力电动机的选型、传感器的选型、ECU模块的选型等等。因此，只要做好这些尺寸之间的关联设计，那我们的设计工作将达到事半功倍的效果，更能保证设计的准确性。同时可以保证所设计的零件在整个电动助力转向系统中能够与其他零件有效的配合起来，正常的发挥转向系的作用。需要说明的是，在本次的方案布置和分析中的助力电动机、传感器、ECU模块均需要根据车辆参数进行选型，而C型电动助力转向柱柱体、扭杆及蜗轮蜗杆减速机构则需要尺寸参数设计。1.3转向管柱柱体外形与尺寸参数在进行C型电动助力转向系统的转向管柱柱体的外形结构尺寸设计时，我们不仅需要考虑到整个总成中各个部分之间的配合，还需要对管柱总成的模态、径向刚度、车内布置以及整体的遂行性等诸多因素。根据转向柱的工作需要，即担负传递扭矩；安装与本文对应的传感器、扭杆和蜗轮蜗杆减速机构；搭载电子控制单元、电机以及连接中间轴的任务。由于其功能的复杂性和其地位的重要性，本节将转向管柱分解开来，即分为上柱体、外套筒、传感器安装柱和下柱体四部分。对此，下文将对上述各部分分别进行结构尺寸设计介绍。1.3.1管柱上柱体相关参数首先，转向管柱上柱体的作用主要是连接管柱内柱体、安装管柱上轴承、安装组合开关以及连接方向盘。因此在管柱上柱体的设计中，我们采用外花键和螺纹主要目的是为了能够包含多个安装点、方便方向盘的固定和输入扭矩。根据上文中所述，管柱上柱体主要参数如图2-1，建立管柱上柱体各主要参数间关联性关系如表2-1。图SEQ图\*ARABIC2-1转向柱上柱体相关几何参数示意图表2-SEQ表\*ARABIC1上柱体几何参数关系列表1.3.2管柱外套筒相关参数管柱的外套筒的主要作用是起到固定的作用。外套筒与总成支架安装在一起使整个的系统总成稳稳的安装的在汽车车架上，同时，外套筒还起到了保护与其装配的转向管柱的作用。在本节设计中应当注意整个安装柱在车架上的安装点位、与内部转向柱相配合的固定锁眼点位及该零件的总长。根据上文中所述，管柱外套筒主要参数如图2-2，建立管柱外套筒各主要参数间关联性关系如下2-2。图2-2管柱外套筒几何参数示意图表SEQ表\*ARABIC2-2外套筒几何参数关系列表参数项目相关关系外套筒总长管柱总长×39.68%外套筒外圆直径外套筒总长×23.00%外套筒内圆直径外套筒外圆直径-3外套筒前段长外套筒总长×14.68%外套筒前外圆直径外套筒前段长×123.78%外套筒前内圆直径外套筒前外圆直径-2锁孔长外套筒总长×11.65%锁孔宽锁孔长×73.23%1.3.3管柱传感器安装柱参数设计首先，电动助力转向管柱的传感器安装柱的主要作用就是安装扭矩转角传感器和中间轴承等重要零部件的。所以对于传感器安装柱的技术要求相对比较高，为了避免由于加工过程中的尺寸公差从而影响日后投入使用的扭矩转角传感器的精度，所要求的加工精度也相应的非常高。其次，电动助力转向柱的传感器安装柱的几何结构也是整个零部件中相对复杂的。最后，管柱传感器安装柱几何图如图2-3所示，相关的参数关系如表2-3所示。图2-SEQ图\*ARABIC3传感器安装柱几何参数图表2-SEQ表\*ARABIC3传感器安装柱相关参数关系表1.3.4管柱下柱体相关参数电动助力转向系统的转向管柱下柱体的作用主要是安装蜗轮蜗杆减速机构，前端连接扭杆的尾部并固定，安装相应的圆珠滚子轴承，连接传感器安装柱以及与转向中间轴采用花键连接。通过观察下柱体的平面图，我们不难看出下柱体既要连接前述的传感器安装柱，还需要安装扭杆同时传递扭矩，因此其结构也是相对比较复杂的。所以我们在设计过程中，对安装位置的设定的考虑以及定位基准的选取显得尤为重要。根据前文中所述，管柱下柱体主要参数如图2-4，建立管柱下柱体各主要参数间关联性关系如下表2-4。图2-SEQ图\*ARABIC4管柱下柱体几何参数示意图表2-SEQ表\*ARABIC4下柱体几何参数关系表1.4电机的参数与选型1.4.1助力电动机的选型简介众所周知，现如今民用汽车市场中所运用的电动助力转向系统（EPS）根据其助力电机的安装位置可分为如下三类：转向管柱式电动助力转向系统（C-EPS）、齿条式电动助力转向系统（R-EPS）、小齿轮式电动助力转向系统（P-EPS）。为了能够直观的展示其不同的类型，笔者将上述三类电动助力转向系统结构简图归纳如下，如图2-5所示。图2-SEQ图\*ARABIC5EPS系统的主要分类如此一来，我们通过图2-5不难发现，电动助力转向系统的分类就是根据助力电动机所在的相应位置而区分开来的。所以，本课题所设计的管柱式电动助力转向系统中的助力电机就是为转向管柱提供助力的电动机。由于其所处位置及工作环境，对其所需求的防水防尘等防护措施的要求相对不高，同时其输出扭矩的数值也并不大，所以相应的成本也有所节约。具体而言，我们将常规的电机分为直流电机和交流电机。但是，因为整车的主电源为直流的12V电源，因此我们在电机的选取上大都采用直流电动机，而直流电机又可以细分为直流有刷电机和直流无刷电机。两种电机各有利弊，有刷电机技术比较成熟，结构简单，节约成本等优点；无刷电机则有使用寿命长，节省空间，响应迅速等优点。在实际设计中根据具体需要和要求，可以选取相应的助力电机。1.4.2助力电机主要参数在实际的应用和设计中，我们不但要根据相应的理论计算出的数据来选取电机，还需要考虑在日后使用中的损耗问题。其中包括外部导线的磨损，线束盒的连接损耗，内部的线圈绕阻的损耗和整个模块功率的损耗等等，在保证正常的技术要求的同时，还要最大限度的考虑其他外部损耗，做到效率最大化。在保证在不同的工作环境下的电压变化，助力电机的工作电压范围应当是9-16V。助力电机的额定转矩相关计算首先，应当计算整车的静态原地转向阻力矩Mr（1.1）式中：Mr--在路面上的原地转向阻力矩，N·mm；F--轮胎与地面接触时的滑动摩擦系数，一般取值为0.7；G1--前轴载荷，N；P--轮胎在最大载重时的气压，MPa。其次，计算静态原地转向阻力矩转化为转向器上的齿条力FF=Mr式中：L--前轴的转向节臂长度，m；δ--汽车车轮转角，º。最后，计算额定的输出扭矩MnMn=M式中：MnMhη+iwis助力电机转速计算公式如下：ωN>式中：ωNωsmax助力电机额定功率的计算通过对相关文献的学习以及对以往知识的积累，我们得出功率和扭矩及转速具有一定的相关性，即存在某种函数关系。公式如下：P=Mn式中：P为电机额定功率，W；ωN1.5蜗轮蜗杆减速机构的相关参数在日常的工业生产活动中，蜗轮蜗杆减速机构得到了非常广泛的应用。而蜗轮蜗杆在转向管柱中作为减速机构则扮演着非常重要的角色，不仅担负减速增矩的作用，还需要有较强耐磨性和降噪性。因此在本次设计中，经过查阅相关文献资料和教科书，我们首先对蜗轮蜗杆的材料进行选取，并决定拟采用ZI（渐开线蜗杆），材质为40Cr通过淬火提高硬度至HRC60-65；而为了满足噪音小，强耐磨的需求，蜗轮材料一般选用尼龙材质PA12。其实物图如图2-6所示。图2-SEQ图\*ARABIC6蜗轮蜗杆减速机构1.5.1蜗轮蜗杆主要参数选取效率η通过蜗轮蜗杆确定在实际工作中所输出的扭矩T，在整个确定过程中所用到的效率η一般取0.75-0.9。载荷系数K通过查阅相关文献和资料，由于工作状态比较稳定，所以选取载荷分布不均系数Kβ，选取使用系数KA，因转速不大，选取动载系数Kv；如前所述，便可以确定载荷系数K：K=KβKAKv(1.6)弹性影响系数ZE此系数是根据对蜗轮蜗杆选取的材料不同而选择的。接触系数Zρ此系数通过蜗杆的分度圆直径和中心距的比值，并对照文献[]中第253页许用接触应力[σH]通过查阅文献[26]第245页表中蜗轮的基本许用应力[σH]应先计算得出应力循环次数N，在计算出寿命系数KHN,最后便可以确定许用接触应力[σH]。N=60jn式中：n2Lhj--齿轮啮合的次数。KHN[σ着眼于整个电动助力转向系统来说，蜗轮蜗杆机构的传动比和机械效率对整个转向系统的转向性能有着重要影响。此时就一般的蜗轮蜗杆传动的设计来说，将传动比的范围设计在13：1～22：1；机械效率一般为0.75～0.9。1.5.2蜗轮蜗杆减速机构参数关系根据前文所述，在电动助力转向系统中的蜗轮蜗杆减速机构应当与助力电机的功率所匹配，蜗轮蜗杆传动比的选择取决于助力电机的功率大小。在完成前述步骤后，还应该根据转向管柱的整体尺寸来确定蜗轮蜗杆机构的尺寸。下面对蜗轮蜗杆中所涉及的其他参数进行表述，其几何尺寸图如图2-7所示，蜗轮蜗杆机构的设计参数如表2-6