某中型轎車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）是汽車(chē)電子化發(fā)展的成果之一。作為一種新型的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它首次出現(xiàn)在日本，越來(lái)越多的國(guó)家在汽車(chē)制造業(yè)中關(guān)注它。EPS是一種動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它直接輔助電機(jī)扭矩。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）由于便于控制，反應(yīng)靈敏，助力可控等諸多優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)下主流的轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)。論文以全新第八代凱美瑞2.0e精英版轎車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例，提出對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，通過(guò)利用機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)的理論和方法完成了EPS機(jī)械部分結(jié)構(gòu)及（轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑、主動(dòng)齒輪軸和傳動(dòng)齒輪）參數(shù)的設(shè)計(jì)，并且對(duì)轉(zhuǎn)向齒輪和齒輪軸的力學(xué)性能進(jìn)行了校核，使其達(dá)到了實(shí)際的設(shè)計(jì)使用要求。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）由于便于控制，反應(yīng)靈敏，助力可控等諸多優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)下主流的轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)。論文以全新第八代凱美瑞2.0e精英版轎車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例，提出對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，通過(guò)利用機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)的理論和方法完成了EPS機(jī)械部分結(jié)構(gòu)及（轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑、主動(dòng)齒輪軸和傳動(dòng)齒輪）參數(shù)的設(shè)計(jì)，并且對(duì)轉(zhuǎn)向齒輪和齒輪軸的力學(xué)性能進(jìn)行了校核，使其達(dá)到了實(shí)際的設(shè)計(jì)使用要求。關(guān)鍵詞：EPS，轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向軸，校核

AbstractElectricpowersteering(EPS)isoneoftheachievementsofautomotiveelectronicdevelopment.Asanewtypeofpowersteeringsystem,itfirstappearedinJapan,andmoreandmorecountriesarepayingattentiontoitintheautomotiveindustry.TheEPSisapowersteeringsystemthatdirectlyassiststhemotortorqueandismainlycomposedofatorquesensor,aspeedsensor,amotorandaspeedreductionmechanism,andanelectroniccontrolunit(ECU).Theelectricpowersteeringsystem(EPS)isthecurrentmainstreamsteeringassistsystembecauseofitseasycontrol,responsiveness,andcontrollability.Takingthesteeringsystemoftheneweighth-generationCamry2.0eelitesedanasanexample,thepaperputsforwardthedesignrequirementsforthepowersteeringtransmissionmechanism.Throughthetheoryandmethodofmechanicalprincipleandmechanicaldesign,theEPSmechanicalpartstructureandthesteeringtierodarecompleted.Theparametersofthediameter,drivegearshaftandtransmissiongeararedesigned,andthemechanicalpropertiesofthesteeringgearandthegearshaftarecheckedtomeettheactualdesignrequirements.Theelectricpowersteeringsystem(EPS)isthecurrentmainstreamsteeringassistsystembecauseofitseasycontrol,responsiveness,andcontrollability.Takingthesteeringsystemoftheneweighth-generationCamry2.0eelitesedanasanexample,thepaperputsforwardthedesignrequirementsforthepowersteeringtransmissionmechanism.Throughthetheoryandmethodofmechanicalprincipleandmechanicaldesign,theEPSmechanicalpartstructureandthesteeringtierodarecompleted.Thedesignoftheparametersofthediameter,thedrivegearshaftandthetransmissiongear,andthemechanicalpropertiesofthesteeringgearandthegearshaftarecheckedtomeettheactualdesignrequirements.Keywords:EPS,steeringgear,steeringshaft,check

目錄1.緒論 .緒論轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車(chē)最為重要的幾大組成部分之一，對(duì)于汽車(chē)的操控性來(lái)說(shuō)起著非常重要的作用。由于最初的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒(méi)有轉(zhuǎn)向助力裝置，因此轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛?cè)诵枰獙?duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)施加很大的扭矩才能引導(dǎo)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向，這給操縱汽車(chē)的駕駛員帶來(lái)了更大的體力消耗。但是經(jīng)過(guò)許多年的發(fā)展，汽車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越完善，EPS電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是當(dāng)下最先進(jìn)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之一。本文選題為基于某中型轎車(chē)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)，論文的側(cè)重點(diǎn)是系統(tǒng)機(jī)械部分結(jié)構(gòu)和參數(shù)的設(shè)計(jì)，本文不涉及線路和ECU的控制策略等方面。例如本文第二章進(jìn)行的EPS減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，第四、第五和第六章轉(zhuǎn)向小齒輪，轉(zhuǎn)向橫拉桿還有轉(zhuǎn)向軸的參數(shù)設(shè)計(jì)和校核。由于本文轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用EPS電動(dòng)助力的方式，因此對(duì)電機(jī)安裝位置、EPS減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面都做了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并且通過(guò)計(jì)算為系統(tǒng)匹配了電機(jī)，選定了助力電機(jī)的型號(hào)。除此之外，本文對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)的布置也提出了明確的方案，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向橫拉桿及其端部連接的方式選擇了使用的連接的標(biāo)準(zhǔn)零件。最后根據(jù)參考的車(chē)型全新第八代凱美瑞2.0e精英版的整車(chē)參數(shù)，設(shè)計(jì)并且校核了傳動(dòng)小齒輪和主動(dòng)齒輪軸。在進(jìn)行本文的設(shè)計(jì)時(shí)，有部分內(nèi)容參數(shù)是查閱了中國(guó)知網(wǎng)和廣東工業(yè)大學(xué)圖書(shū)館中的專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn)才確定的，例如在電機(jī)的匹配這一小節(jié)中，為了計(jì)算電機(jī)的額定功率，需要知道轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)速，還需要知道駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上使EPS系統(tǒng)開(kāi)始助力的最小力矩，這兩個(gè)參數(shù)都是從檢索到的相關(guān)文獻(xiàn)中查得的。除了這兩點(diǎn)之外，本文還有許多地方是通過(guò)檢索大量文獻(xiàn)來(lái)確定的。由于本文在設(shè)計(jì)的時(shí)候進(jìn)行了大量的文獻(xiàn)檢索，提升了整個(gè)設(shè)計(jì)的合理性和設(shè)計(jì)水平。1.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜述轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是任意車(chē)輛都不能少的系統(tǒng)，甚至最早期的馬車(chē)也不例外。在最早期的馬車(chē)上，前后輪對(duì)通常安裝在簡(jiǎn)單的橫梁上。前軸繞其中心的垂直軸線樞轉(zhuǎn)，并連接到馬被利用的軸上。因此，通過(guò)拉動(dòng)韁繩鼓勵(lì)馬在所需方向上轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。在非常早期的機(jī)動(dòng)車(chē)輛上，最初使用相同的樞轉(zhuǎn)軸，通常具有用于手動(dòng)轉(zhuǎn)向的某種形式的舵柄。然而，這被發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了危險(xiǎn)的不穩(wěn)定布置，因?yàn)槠漭S中的馬提供了穩(wěn)定的力矩。在嘗試了許多技術(shù)解決方案后，設(shè)計(jì)者很快就采用了現(xiàn)代車(chē)輛上使用的阿克曼聯(lián)動(dòng)裝置。這個(gè)裝置允許兩個(gè)前輪圍繞它們自己的單獨(dú)軸線樞轉(zhuǎn)，并且使得內(nèi)輪比外部轉(zhuǎn)動(dòng)更多，使得兩個(gè)輪子具有共同的轉(zhuǎn)動(dòng)中心。該機(jī)構(gòu)的幾何布置包括一定程度的腳輪，這使得車(chē)輪傾向于自然地返回到中心或直線前進(jìn)位置，從而使系統(tǒng)定向穩(wěn)定。舵柄很快就讓位于方向盤(pán)，并且使用各種機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)向連桿連接到方向盤(pán)。幾十年來(lái)整體機(jī)制幾乎沒(méi)有變化，直到引入動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)才取得重大進(jìn)展。線控式SBW液壓助力式HPS機(jī)械式MS線控式SBW液壓助力式HPS機(jī)械式MS電動(dòng)助力式電動(dòng)助力式EPS主動(dòng)電業(yè)液壓助力主動(dòng)電業(yè)液壓助力式APS電液助力式EHPS圖1-1汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展示意圖傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒(méi)有助力裝置，全部由機(jī)械元件組成，駕駛員發(fā)出的扭矩經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞到轉(zhuǎn)向器時(shí)，會(huì)消耗掉一部分能量，由剩下的能量驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向器，進(jìn)而操縱汽車(chē)的轉(zhuǎn)向。由于整個(gè)系統(tǒng)中沒(méi)有液壓或者電器元件，所以傳統(tǒng)機(jī)械助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)構(gòu)成比較單一，可靠性比較高。同時(shí)系統(tǒng)的缺點(diǎn)也非常明顯，由于轉(zhuǎn)向的能量來(lái)源于人力，轉(zhuǎn)向過(guò)程上非常費(fèi)力，這意味著汽車(chē)的重量就不能設(shè)計(jì)的太大，限制了汽車(chē)的設(shè)計(jì)。圖1-2機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是緊隨其后設(shè)計(jì)出來(lái)的新的系統(tǒng)，又有兩種不同的方案。兩者的主要區(qū)別是內(nèi)部壓力狀態(tài)的不同。其具體結(jié)構(gòu)如圖：圖1-3液壓助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理大概是利用壓力差作為動(dòng)力，來(lái)給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與前者相比，降低了駕駛員在轉(zhuǎn)彎時(shí)的操縱難度，基本解決了當(dāng)時(shí)汽車(chē)轉(zhuǎn)向困難的問(wèn)題。但是其缺點(diǎn)也比較多。第一：由于只要發(fā)動(dòng)機(jī)工作，液壓系統(tǒng)就會(huì)工作，且液壓系統(tǒng)的能量來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)，這樣就產(chǎn)生了更多的功耗，降低了能量利用效率。第二：由于助力大小取決于液壓差大小，因此助力大小不可調(diào)，就導(dǎo)致會(huì)出現(xiàn)提供的助力和需要的助力大小不匹配的情況，使汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性下降。第三：液壓系統(tǒng)本身存在著漏油以及噪聲過(guò)大的情況，降低了駕駛員的乘坐舒適性，同時(shí)漏油也會(huì)造成環(huán)境的污染的問(wèn)題。電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是應(yīng)用較為廣泛的系統(tǒng)，其在發(fā)動(dòng)機(jī)效率，空間效率和環(huán)境兼容性方面具有許多優(yōu)于傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。它的基本組成如下圖所示：圖1-4電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)該系統(tǒng)的不同之處在于，除了保留原有的一些結(jié)構(gòu)，還增加了許多傳感器和電控元件，并且更換了動(dòng)力源，增設(shè)了一個(gè)專(zhuān)門(mén)驅(qū)動(dòng)液壓泵的電動(dòng)機(jī)。可以看出，相較液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)利用電機(jī)提供能量降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的功耗，而且其依賴(lài)于傳感器，控制器等電控裝置，可以根據(jù)不同情況輸出不同大小的助力，提高了駕駛過(guò)程的操縱穩(wěn)定性。不過(guò)該系統(tǒng)仍然有許多缺點(diǎn)，例如漏油，維修比較困難。在原有裝置上增加了電控裝置，系統(tǒng)更加復(fù)雜，成本也相應(yīng)更高。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是當(dāng)下最先進(jìn)的轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)之一。由于其研究時(shí)間長(zhǎng)，因此也更加成熟。和原來(lái)的轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)相比，它不但消耗更低，安全性、穩(wěn)定性也最高。而近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子元件的價(jià)格也在逐漸降低，從而電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的成本也在逐步降低，因此該技術(shù)應(yīng)用空間還很廣泛。其工作原理如下：當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器把相對(duì)角位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞給ECU，ECU根據(jù)接收到的電信號(hào)傳遞來(lái)的信息來(lái)決定電機(jī)的工作狀態(tài)，從而精準(zhǔn)而且同步控制電機(jī)的旋向和助力的大小。它可以輕松做到在不同轉(zhuǎn)向情況時(shí)提供不同的助力效果，保證汽車(chē)在轉(zhuǎn)向行駛時(shí)能夠比較靈敏而且不會(huì)脫離控制。汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由三個(gè)主要系統(tǒng)以及其余輔助系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)和原理圖如下：圖1-5線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理SBW系統(tǒng)由兩個(gè)由電子控制單元（ECU）控制的電機(jī)組成。一個(gè)電機(jī)位于方向盤(pán)中，提高了駕駛員的轉(zhuǎn)向感，另一個(gè)電機(jī)處于轉(zhuǎn)向連桿中，提高了車(chē)輛的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性。此外，主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向（AFS）系統(tǒng)可以添加到SBW系統(tǒng)。AFS減少了實(shí)際和估計(jì)的車(chē)輛橫擺率之間的差異。來(lái)自方向盤(pán)的最新信息使駕駛員能夠通過(guò)輪胎力識(shí)別道路狀況，輪胎力應(yīng)反饋給方向盤(pán)。此外，可以通過(guò)自動(dòng)調(diào)整扭矩一起使用與車(chē)輛和電動(dòng)機(jī)相關(guān)的若干控制算法，該自動(dòng)調(diào)整扭矩被反饋到方向盤(pán)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)有：第一提高了汽車(chē)的安全性，由于機(jī)械元件的減少?gòu)亩档土似?chē)發(fā)生碰撞時(shí)駕駛員受到傷害的可能。第二增強(qiáng)了可操縱性，ECU可控制方向盤(pán)力矩電機(jī)給方向盤(pán)施加一個(gè)反作用的力，這個(gè)反作用的力能提高駕駛員感知路面狀態(tài)的能力，從而提高汽車(chē)的操縱性。第三提升了駕駛體驗(yàn)感，由于該系統(tǒng)沒(méi)有很多的剛度的連接，路面凹凸導(dǎo)致的震動(dòng)等不會(huì)影響到方向盤(pán)。1.2論文研究?jī)?nèi)容及意義本文在第八代凱美瑞2.0e精英版整車(chē)參數(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的布置形式、電動(dòng)助力系統(tǒng)電機(jī)的匹配以及轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向軸的參數(shù)設(shè)計(jì)校核等。本文的設(shè)計(jì)思路如第7頁(yè)流程圖所示。本文在第一章簡(jiǎn)單介紹了論文的框架和設(shè)計(jì)思路，詳細(xì)敘述了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展沿革，并詳細(xì)介紹了發(fā)展史中應(yīng)用較為廣泛的幾種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。對(duì)這幾種常見(jiàn)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)做了較為全面的評(píng)價(jià)，對(duì)它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都做了基本的論述。第二章開(kāi)始進(jìn)行本文的設(shè)計(jì)工作。首先面臨的是轉(zhuǎn)向器的選擇，轉(zhuǎn)向器有三種常用的類(lèi)型，最終選定質(zhì)量更輕、轉(zhuǎn)向更矯捷的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。并且確定了轉(zhuǎn)向器的輸出形式。接著是轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)于這部分內(nèi)容，本文主要提出了關(guān)于安全性方面的設(shè)計(jì)要求，例如轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向軸的形式、使用的材料及相關(guān)安全裝置的布置方式等。然后是轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置方式有四種，本文選擇了可以使得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置更為緊湊，橫拉桿擺角更小，更不易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉的一種方案。最后是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這部分主要進(jìn)行了電器布置的設(shè)計(jì)和減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最終選擇的助力方式為轉(zhuǎn)向軸直接助力。接下來(lái)又設(shè)計(jì)了EPS中連接電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)向軸的減速機(jī)構(gòu)。決定采用常用的蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，作出了減速機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖并且確定了減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的傳力方式做出了具體的描述。在第三章進(jìn)行了主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算。在設(shè)計(jì)之前在官方網(wǎng)站查到了參考車(chē)型的具體參數(shù)，如軸距、整車(chē)質(zhì)量等，接著根據(jù)這些基本參數(shù)，計(jì)算得出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的其它基本參數(shù)，包括整車(chē)參數(shù)以及轉(zhuǎn)向盤(pán)的直徑、轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)比等。確定了所有基本的參數(shù)之后，為了后期進(jìn)行齒輪軸的校核，需要根據(jù)數(shù)據(jù)為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配電機(jī)，因此通過(guò)計(jì)算確定了電機(jī)所需的額定功率及轉(zhuǎn)矩等，從而根據(jù)電機(jī)額定參數(shù)選擇了電機(jī)型號(hào)，最終采用90zw02型的永磁直流無(wú)刷電機(jī)。本文的后半部分，主要進(jìn)行的是參數(shù)的設(shè)計(jì)和接觸強(qiáng)度的校核。首先在第四章中，設(shè)計(jì)了齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向小齒輪，設(shè)計(jì)過(guò)程完全依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的步驟來(lái)進(jìn)行，設(shè)計(jì)完成后又對(duì)轉(zhuǎn)向小齒輪進(jìn)行了強(qiáng)度校核，結(jié)果顯示滿足使用要求。第五章對(duì)轉(zhuǎn)向橫拉桿進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)，確定了轉(zhuǎn)向橫拉桿的直徑。除此之外，對(duì)橫拉桿接頭的連接件也做了相關(guān)設(shè)計(jì)，選擇內(nèi)外球頭作為端部的連接件，這樣設(shè)計(jì)的好處有摩擦比較小，能量損失比較少。第六章進(jìn)行了齒輪軸的設(shè)計(jì)和校核，先根據(jù)安裝和功能的需要，對(duì)齒輪軸各軸段的參數(shù)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，然后代入電機(jī)參數(shù)對(duì)齒輪軸的危險(xiǎn)截面進(jìn)行了強(qiáng)度校核，結(jié)果顯示齒輪軸滿足使用的要求。以上就是本文的設(shè)計(jì)內(nèi)容。本文的設(shè)計(jì)建立在其他人的經(jīng)驗(yàn)之上，許多同類(lèi)的設(shè)計(jì)論文為本文設(shè)計(jì)思路提供了很多靈感，相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)書(shū)籍為本文提供了標(biāo)準(zhǔn)的參照。本文按照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法逐步進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)成果達(dá)到了預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)積累了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，具有一定的借鑒意義。結(jié)論齒輪軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及校核傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)（轉(zhuǎn)向橫拉桿齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)校核轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（轉(zhuǎn)向器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)論齒輪軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及校核傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)（轉(zhuǎn)向橫拉桿齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)校核轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（轉(zhuǎn)向器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、EPS）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)的確定（傳動(dòng)比、轉(zhuǎn)向系效率）及電機(jī)的匹配論文框架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡(jiǎn)介及發(fā)展歷史2.動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)，為了后期的參數(shù)設(shè)計(jì)，需要先確定它的結(jié)構(gòu)、助力方式、傳動(dòng)方案的布置等。因此本章先進(jìn)行結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)，包括EPS減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。2.1轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要組成部分。轉(zhuǎn)向器能夠分為很多種類(lèi)，目前應(yīng)用比較普遍的有以下三種。下面是這三種轉(zhuǎn)向器的介紹：（1）循環(huán)球式循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器是一個(gè)非常經(jīng)典的結(jié)構(gòu)。是被普遍用于國(guó)內(nèi)外汽車(chē)的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)上循環(huán)球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通常具有雙速傳動(dòng)對(duì)。其工作原理為利用小鋼球在螺母和螺栓在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將螺母和螺桿之間的摩擦方式轉(zhuǎn)換為滾動(dòng)，這樣就大大減少了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的阻力。但是對(duì)于中型轎車(chē)來(lái)說(shuō)，前軸載荷質(zhì)量并不大，阻力的減少就并沒(méi)有特別大的效果，而且由于其逆效率也高，路面沖擊力帶來(lái)的震動(dòng)更容易傳遞到轉(zhuǎn)向軸，這樣就降低了駕駛員的舒適感。（2）蝸桿曲柄銷(xiāo)式蝸桿曲軸轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)有效率高，操作輕。分段轉(zhuǎn)向軸的使用有利于車(chē)輛的整體布局和維護(hù)并改善車(chē)輛安全性。這也有助于大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)向器。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器有以下特點(diǎn)：傳動(dòng)效率高（高達(dá)90％至95％），自動(dòng)回程效果好，操作輕便，磨損小，壽命長(zhǎng)。然而，由于反向傳動(dòng)效率低并且來(lái)自路面的沖擊容易地傳遞回方向盤(pán)，因此產(chǎn)生“手動(dòng)”感，并且方向盤(pán)可能搖晃或顫動(dòng)。這種轉(zhuǎn)向器常用在具有高轉(zhuǎn)向功率的卡車(chē)上。（3）齒輪齒條式它是最普遍的轉(zhuǎn)向器，也是本文采用的轉(zhuǎn)向器形式。它的優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，體積不大，成本不高，轉(zhuǎn)向又矯捷。輕型汽車(chē)普遍采用這種轉(zhuǎn)向器。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的輸出形式根據(jù)不同的使用需求和布置需求，可以分為如圖2-1所示四種形式：：表2-1四種形式符號(hào)輸入位置輸出位置a中間兩端b側(cè)面兩端c側(cè)面中間d側(cè)面單端圖2-1齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器布置方式本文采用c方式的形式。這種形式的優(yōu)點(diǎn)有：與齒條相連的左右拉桿更長(zhǎng)，從齒條兩頭增長(zhǎng)到齒條中間，這樣車(chē)輪在承受路面沖擊而振動(dòng)的時(shí)候，轉(zhuǎn)向橫拉桿擺動(dòng)的角度小，可以有效減少車(chē)輪振動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向系和其他位置的運(yùn)動(dòng)干涉，所需的空間就更少。另外齒輪和齒條都采用斜齒的，齒輪和齒條軸線間的角度可以根據(jù)需要來(lái)調(diào)整，滿足更加豐富的設(shè)計(jì)要求。2.2轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)的組成如圖2-2所示。由于其離駕駛員位置很近，為了降低發(fā)生車(chē)禍時(shí)駕駛員受到的沖擊，轉(zhuǎn)向柱等可以做成具有吸收沖擊力作用的結(jié)構(gòu)。圖2-2轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)的組成（圖中：1-轉(zhuǎn)向器；2-萬(wàn)向節(jié)；3-傳動(dòng)軸；4-方向盤(pán)；）2.2.1轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)向盤(pán)由輪緣、輪輻和輪轂組成。輪輻的輻條根數(shù)有幾種不同的選擇。轉(zhuǎn)向盤(pán)的設(shè)計(jì)不僅要考慮駕駛員的手感，還要考慮碰撞時(shí)的安全性?，F(xiàn)在的轉(zhuǎn)向盤(pán)大多采用兩層結(jié)構(gòu)，里邊的骨架材料采用金屬，外邊用相對(duì)柔軟的橡膠或者皮革。這樣在發(fā)生碰撞時(shí)骨架可以吸收碰撞能量，而外層的皮革又能在駕駛時(shí)防止打滑。另外，出于安全性的考慮，很多汽車(chē)把安全氣囊裝在轉(zhuǎn)向盤(pán)中，大大提高了碰撞安全性，降低了事故傷亡率，為駕駛?cè)说陌踩黾恿艘粚有碌谋Ｕ稀Ｆ浣Y(jié)構(gòu)如圖2-3所示。圖2-3轉(zhuǎn)向盤(pán)（圖中1-輪圈；2-輪輻；3-輪轂）2.1.2轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向軸具有著傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。轉(zhuǎn)向柱管包裹著轉(zhuǎn)向軸。轉(zhuǎn)向柱管一邊安裝在車(chē)身上，一邊連接轉(zhuǎn)向盤(pán)，起到支撐作用。出于碰撞安全的考慮，轉(zhuǎn)向柱管需要有吸能的作用，因此可以在轉(zhuǎn)向柱管上增加支架和其他裝置，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，通過(guò)支架和其他裝置的形變，吸收碰撞的能量。當(dāng)汽車(chē)發(fā)生正面碰撞情況時(shí)，由于車(chē)身的變形會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤(pán)向后方運(yùn)動(dòng)，而人體在慣性力的作用下又要往前沖，在這種情況下司機(jī)的胸部和頭部會(huì)碰撞到轉(zhuǎn)向盤(pán)上而受傷。現(xiàn)代汽車(chē)除在轉(zhuǎn)向盤(pán)處安裝安全氣囊外，還在轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)如轉(zhuǎn)向盤(pán)、轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向管柱上采取防傷的被動(dòng)安全措施。國(guó)外有關(guān)法則還規(guī)定：汽車(chē)以48.3km/h速度同障礙物正面相撞時(shí)，轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向管柱上部相對(duì)于車(chē)身未變形部分的位置的最大位移量不得超過(guò)127mm；或者試驗(yàn)用人體模型與轉(zhuǎn)向盤(pán)的作用力，在兩者的運(yùn)動(dòng)速度為6.7m/s時(shí)，不應(yīng)越過(guò)11.35kN。吸收能量的方法可使有關(guān)轉(zhuǎn)向零件在撞擊時(shí)產(chǎn)生彈性變形、塑性變形或摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.3轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是利用轉(zhuǎn)向器傳遞來(lái)的扭矩驅(qū)動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，另外還要保證在轉(zhuǎn)向過(guò)程中車(chē)輪的滑動(dòng)很小。其組成結(jié)構(gòu)有轉(zhuǎn)向節(jié)臂，轉(zhuǎn)向橫拉桿、萬(wàn)向節(jié)等。另外為了配合獨(dú)立式懸架，轉(zhuǎn)向橋及轉(zhuǎn)向系的梯形都需要做成斷開(kāi)式的，因此本文設(shè)計(jì)采用斷開(kāi)式梯形結(jié)構(gòu)。根據(jù)底盤(pán)懸架的安裝情況不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在汽車(chē)上的放置形式有以下幾種（圖5-2）：表2-2放置形式符號(hào)轉(zhuǎn)向器位置梯形位置a前軸后方后置梯形b前軸后方前置梯形c前軸前方后置梯形d前軸前方前置梯形圖2-4轉(zhuǎn)向器的四種布置形式本文采用的是b的形式，如圖所示：梯形機(jī)構(gòu)放置在前面。這樣做的優(yōu)點(diǎn)有布置更加緊湊，占用空間更少，不容易發(fā)生運(yùn)動(dòng)交叉。圖2-5選定的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2.4電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)由四部分組成，分別為提供動(dòng)力的電動(dòng)機(jī)，收集信息的傳感器、接受信息并發(fā)出指令的ECU和傳遞動(dòng)力的離合器及減速機(jī)構(gòu)。EPS系統(tǒng)具有以下兩個(gè)功能。首先，它可以減少轉(zhuǎn)向扭矩并呈現(xiàn)各種轉(zhuǎn)向感。轉(zhuǎn)向扭矩（或駕駛員扭矩）定義為在轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)駕駛員經(jīng)歷（或駕駛員應(yīng)用于轉(zhuǎn)向柱）的扭矩。當(dāng)來(lái)自EPS系統(tǒng)的適當(dāng)輔助扭矩以與駕駛員的轉(zhuǎn)向方向相同的方向施加時(shí)，駕駛員轉(zhuǎn)向所需的轉(zhuǎn)向扭矩量可以顯著減輕。另外，調(diào)節(jié)輔助扭矩的特性允許駕駛員體驗(yàn)各種轉(zhuǎn)向感覺(jué)。其次，EPS系統(tǒng)可以在轉(zhuǎn)向時(shí)提高方向盤(pán)的返回中心性能。當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)彎然后在轉(zhuǎn)彎期間釋放時(shí)，它通過(guò)道路上施加在輪胎上的所謂的自對(duì)準(zhǔn)扭矩返回到中心位置。由于該扭矩隨著車(chē)輛速度而增加，因此在高車(chē)速下，方向盤(pán)可能表現(xiàn)出過(guò)度的過(guò)沖和隨后的振蕩。EPS系統(tǒng)可以通過(guò)提供主動(dòng)阻尼能力來(lái)消除這種現(xiàn)象，從而增強(qiáng)可回收性特征。其基本原理為：當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)，ECU依據(jù)接收到的電信號(hào)以來(lái)決定電機(jī)的工作狀態(tài)，從而精準(zhǔn)而且實(shí)時(shí)控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和助力的大小。它可以輕松做到在不同轉(zhuǎn)向情況時(shí)提供不同的助力效果，保證汽車(chē)在轉(zhuǎn)向行駛時(shí)能夠比較靈敏而且不會(huì)脫離控制。本節(jié)主要進(jìn)行減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和電機(jī)安裝位置的確定。圖2-6轉(zhuǎn)向軸助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)2.4.1助力方式的確定直接助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以分為以下3種。如圖2-7所示：從左至右分別為轉(zhuǎn)向軸助力式、齒輪助力式、齒條助力式。圖2-7直接助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類(lèi)型=1\*GB3①轉(zhuǎn)向軸助力式：它的系統(tǒng)特點(diǎn)是直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸實(shí)施助力。它的ECU一般裝在駕駛?cè)说淖幌?，電機(jī)距離駕駛?cè)吮容^近，產(chǎn)生的震動(dòng)噪聲通過(guò)轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)和儀表盤(pán)向外輻射，對(duì)駕駛?cè)说氖孢m性有嚴(yán)重的影響。但是這種方案可以占用的空間最小，因此本文采用這種方案。=2\*GB3②齒輪助力式：動(dòng)力直接傳遞給齒輪軸，所以這種布置方案能夠提供最大的轉(zhuǎn)向助力作用。=3\*GB3③齒條助力式：動(dòng)力直接輸出在齒條上，這種布置方案?jìng)鬟f力的性能好，傳遞過(guò)程中損失的能量比較小。由于本文設(shè)計(jì)是基于中型轎車(chē)，而該中型轎車(chē)前軸的負(fù)荷并不大，因此不采用這種助力方案。2.4.2減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)減速機(jī)構(gòu)的作用除了幫助整個(gè)系統(tǒng)減速，還有增加扭矩的作用。常用的減速機(jī)構(gòu)有兩種，分別為差動(dòng)輪系減速機(jī)構(gòu)和蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)。前者的靈敏度更高，工作時(shí)更加平穩(wěn)，反應(yīng)時(shí)間更短，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用程度低。后者靈敏度較差，但是能夠提高更高的減速比（通常能達(dá)到1：13~1：20），而且其結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，占用空間更小，壽命更長(zhǎng)，噪聲更小，因此本文選擇其作為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的減速機(jī)構(gòu)。蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖所示：選取傳動(dòng)比ig圖2-8減速機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖設(shè)計(jì)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖所示：圖2-9減速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（圖中：1-電動(dòng)機(jī)；2-聯(lián)軸器；3-蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)；4-聯(lián)軸器；5-小齒輪軸）具體傳力方式為：電機(jī)軸與蝸桿通過(guò)聯(lián)軸器相連，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)，蝸桿帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，而渦輪固定在轉(zhuǎn)向軸上，轉(zhuǎn)向軸與小齒輪軸通過(guò)聯(lián)軸器連接，從而帶動(dòng)齒輪軸，為轉(zhuǎn)向提供動(dòng)力。2.5本章小結(jié)本章確定了設(shè)計(jì)使用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器并從其四種輸出方式中選擇了最為合適的一種。確定了轉(zhuǎn)向軸助力的助力形式并且確定了減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為16，為接下來(lái)的設(shè)計(jì)提供了結(jié)構(gòu)模型以及基本數(shù)據(jù)。

3.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要參數(shù)的設(shè)計(jì)3.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)本設(shè)計(jì)參考第八代凱美瑞2.0E精英版參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)在官方網(wǎng)站查到的參數(shù)，確定本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)如下表：表3-1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)表參數(shù)名稱(chēng)數(shù)值軸距(mm)2825整車(chē)整備質(zhì)量(kg)1530承載質(zhì)量(kg)380前后配重50%最高車(chē)速(km/h)2023.1.1轉(zhuǎn)向盤(pán)的直徑轉(zhuǎn)向盤(pán)直徑根據(jù)GB-4505-1986的要求：取Dsw=3.1.2轉(zhuǎn)向盤(pán)回轉(zhuǎn)總?cè)?shù)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的總?cè)?shù)對(duì)汽車(chē)的操控性有著巨大的影響。按照汽車(chē)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)的要求，對(duì)于輕型轎車(chē)，總?cè)?shù)不能大于3.6。取3.5圈。3.1.3轉(zhuǎn)向系的效率轉(zhuǎn)向系的效率η0由轉(zhuǎn)向器的效率η和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率ηη0轉(zhuǎn)向器的正效率：η+逆效率：η?其中：表3-2公式中各符號(hào)的意義符號(hào)名稱(chēng)P作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的功率P轉(zhuǎn)向器中的摩擦功率P作用在轉(zhuǎn)向搖臂軸上的功率對(duì)于齒輪齒條式，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，只計(jì)算齒輪齒條的摩擦損失，忽略其他因素導(dǎo)致的消耗，因此用下式來(lái)計(jì)算：η+η?其中：α0為蝸桿的導(dǎo)程角，α0ρ為摩擦角f為摩擦系數(shù)，查得f=0.3~0.5因此：ρ=η3.1.4轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)比（1）iwiw是轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比，對(duì)于轎車(chē)來(lái)說(shuō)，i取iw（2）F?出于操縱性的考慮，轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛?cè)宿D(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)不能過(guò)于吃力，對(duì)轎車(chē)而言這個(gè)力的大小在150~200N范圍內(nèi)。作用在方向盤(pán)上的手力F?=2其中：符號(hào)名稱(chēng)M轉(zhuǎn)向阻力矩L轉(zhuǎn)向搖臂長(zhǎng)L轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)角傳動(dòng)比iw'=取iwMRMRG1其中：f是摩擦系數(shù)，取f=0.7；m載m載P為輪胎氣壓，取c為汽車(chē)的前轉(zhuǎn)向軸軸荷系數(shù)，前軸軸荷系數(shù)c=50%。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：GMF（3）小齒輪最大轉(zhuǎn)矩當(dāng)汽車(chē)停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，小齒輪轉(zhuǎn)矩最大:T1（4）轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比為iw'和iw03.2助力電機(jī)的設(shè)計(jì)3.2.1電機(jī)選型EPS系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源于電動(dòng)機(jī)，因此電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的大小將影響整個(gè)系統(tǒng)的工作情況。電機(jī)按照電源的類(lèi)型可以分為直流和交流兩種。按照結(jié)構(gòu)又可以分為：直流，同步和異步電機(jī)。由于EPS系統(tǒng)所需要的能量并不是很大，而且布置空間有限，因此電機(jī)類(lèi)型選擇簡(jiǎn)易便攜的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。除此之外，直流電動(dòng)機(jī)可以根據(jù)汽車(chē)運(yùn)行速度設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速，可以更加準(zhǔn)確的提供轉(zhuǎn)向時(shí)的助力。3.2.2電機(jī)額定參數(shù)的設(shè)計(jì)（1）額定轉(zhuǎn)矩EPS系統(tǒng)正常工作需要足夠的動(dòng)力，電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩需要滿足下式：TTLig假設(shè)駕駛員手力矩Td大于3NmT式中η為減速機(jī)構(gòu)的效率；由于采用蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，效率η=90%，代入數(shù)據(jù)得：T因此選擇電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩要大于1.85Nm。（2）額定功率從國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)中查得，轎車(chē)選擇電機(jī)功率對(duì)應(yīng)的方向盤(pán)轉(zhuǎn)速為：n因此電機(jī)額定功率為P代入數(shù)據(jù)：P因此所選電動(dòng)機(jī)的額定功率要大于258w。（3）額定電壓永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)可以分為大型、中型和小型。相應(yīng)的電壓大小也不同，分別為320V，72V和48V，由于本文設(shè)計(jì)車(chē)輛類(lèi)型為轎車(chē)，因此選擇電壓為48V的電機(jī)。3.2.3電機(jī)型號(hào)的選取根據(jù)設(shè)計(jì)要求，最終選定額定電壓4.8V、額定功率400w的90zw02型電機(jī)，其具體參數(shù)如下：表3-2選定的電機(jī)參數(shù)電機(jī)型號(hào)額定功率額定電壓額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)速90zw02400w48V22000（rpm）3.3本章小結(jié)本章進(jìn)行了動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要參數(shù)的計(jì)算。其中有轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比以及小齒輪最大轉(zhuǎn)矩等。并且依據(jù)整車(chē)參數(shù)，確定了電機(jī)的型號(hào)。具體結(jié)果如下表：表3-3設(shè)計(jì)參數(shù)參數(shù)名稱(chēng)數(shù)值轉(zhuǎn)向盤(pán)的直徑380mm轉(zhuǎn)向盤(pán)的回轉(zhuǎn)總?cè)?shù)3.5圈轉(zhuǎn)向系的效率η83.45%轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比i18方向盤(pán)上的手力F156小齒輪的最大轉(zhuǎn)矩T29.6選定的電機(jī)型號(hào)90zw02

4.齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)校核4.1齒輪齒條初始參數(shù)選取按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)取法向模數(shù)mn取齒數(shù)Z1由于齒數(shù)Z1變位系數(shù)xmin=?a?取螺旋角β=12°。取壓力角αn轉(zhuǎn)向盤(pán)從中間到單一方向能轉(zhuǎn)過(guò)的最大角度φ=×1.75×360°=315°。齒條齒數(shù)待定。法向齒頂高系數(shù)?an法向頂隙系數(shù)cn齒輪精度8級(jí)。4.2齒輪齒條設(shè)計(jì)及校核轉(zhuǎn)向器內(nèi)齒輪根據(jù)其工作情況，主要會(huì)出現(xiàn)輪齒折斷的破壞情況，所以按按接觸疲勞強(qiáng)度校核。（1）選取材料齒輪采用硬齒面設(shè)計(jì)，主動(dòng)小齒輪取60HRC，淬火處理；齒條采用45鋼，表面硬度取58HRC。（2）齒輪最大轉(zhuǎn)矩T（3）初取載荷系數(shù)K根據(jù)齒輪齒面材質(zhì)及載荷情況，在K'=1.6～1.8（4）選取齒寬系數(shù)?d及取?由?a當(dāng)Z→∞，→∞則≈0。（5）初取重合度系數(shù)Yε'初取螺旋角β=12°，εa由式Y(jié)ε得Yε'初取Yε'（6）初取齒數(shù)，,齒形系數(shù)及應(yīng)力修正系數(shù)取=8，待定。由Zv得當(dāng)量齒數(shù)計(jì)算變位系數(shù)得xYFa1=2.45YSa1=1.65（7）確定[]得σσ（由于雙向運(yùn)轉(zhuǎn)，數(shù)值需要×0.7）由σF1齒輪失效概率≤1/100，按照可靠度設(shè)計(jì)，取SFminYST為應(yīng)力修正系數(shù)，取齒輪工作壽命為5年（300天/年），單班（8h）；應(yīng)力循環(huán)次數(shù)=60nγ；γ為每轉(zhuǎn)一圈，同一齒面嚙合次數(shù)；n為轉(zhuǎn)速；L?為齒輪工作壽命則γ=1；n取大致為1.75/2r/s=0.875r/s。則N=60×52.5×1×12000≈3.87×取Y得σσ（8）按齒根彎曲疲勞應(yīng)力YY（9）計(jì)算m由式：m（4-5）代入YFa1YSa1即YFa2得m取mn（10）齒輪尺寸確定分度圓直徑d：d=齒寬b：b=取b2=20mm,使用系數(shù)KA，?。?1）計(jì)算載荷系數(shù)K=1\*GB3①動(dòng)載系數(shù)KV齒輪旋轉(zhuǎn)的線速度：v=π查得K=2\*GB3②齒向載荷分布系數(shù)Kβ端面重合度εα縱向重合度ε由ε=根據(jù)齒輪材料及精度查得Kα=1.42所以K=K＞,所以mn數(shù)值需要再確定(12)驗(yàn)算齒根疲勞強(qiáng)度仍取m可以滿足齒根疲勞強(qiáng)度，因此m（13）檢驗(yàn)查取ZZZS其中：表4-1公式中參數(shù)的意義符號(hào)名稱(chēng)數(shù)值Z彈性系數(shù)189.8Z節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)2.4Z接觸疲勞壽命系數(shù)0.98S安全系數(shù)1由Zε得Z螺旋角系數(shù)計(jì)算[]σH代入以上數(shù)據(jù)σHlim1=σH1=（14）檢驗(yàn)齒面σσ計(jì)算結(jié)果：σσH的最小值和σH相比，（15）齒條參數(shù)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向盤(pán)回轉(zhuǎn)總?cè)?shù)一半為1.75圈，因此齒條行程：l'd1齒條齒數(shù)Z2l'p將上式代入4-10得：Z因此：Z取齒條齒數(shù)：Z2齒條長(zhǎng)：l≥取齒條長(zhǎng)：l=230mm4.3本章小結(jié)本章用機(jī)械設(shè)計(jì)的方法確定了齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的具體參數(shù)，先選定了小齒輪的材料，然后選取了傳動(dòng)小齒輪的齒數(shù)。通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算得出小齒輪的模數(shù)、齒寬。隨后確定了齒條的齒數(shù)、齒條最小長(zhǎng)度等參數(shù)。設(shè)計(jì)之后，校核了傳動(dòng)小齒輪的強(qiáng)度，結(jié)果表明滿足設(shè)計(jì)要求。具體設(shè)計(jì)的參數(shù)如下表所示：表4-1齒輪齒條設(shè)計(jì)參數(shù)序號(hào)名稱(chēng)符號(hào)齒輪齒條1齒數(shù)z8282分度圓直徑（mm）d20.45-3變位系數(shù)χ0.529-4模數(shù)m2.5-5壓力角α20°20°6螺旋角β12°12°7齒寬b3020

5.轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)5.1梯形臂長(zhǎng)和梯形底角汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如果完全對(duì)稱(chēng)布置，就會(huì)導(dǎo)致兩轉(zhuǎn)向輪不能?chē)@同一圓心轉(zhuǎn)向，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移，不利于汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)的操控。為了使汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)避免出現(xiàn)上述情況，轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向輪的情況應(yīng)如圖5-1所示，兩轉(zhuǎn)向輪以o點(diǎn)為中心點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，對(duì)兩輪的轉(zhuǎn)角有：cot其中：α為外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；β為內(nèi)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；K是兩主銷(xiāo)延長(zhǎng)線至地面交點(diǎn)間的距離（根據(jù)汽車(chē)整體布置方案確定）；圖5-1理想的轉(zhuǎn)向特性曲線圖在進(jìn)行轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，梯形底角θ和梯形臂長(zhǎng)m沒(méi)有具體的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，需要配合整車(chē)懸架和底盤(pán)的布置，因此可以初步根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定梯形臂長(zhǎng)m和梯形底角θ。橫拉桿軸向力F式中FQ是縱拉桿對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)上臂的施加的力，F(xiàn)l是縱拉桿作用力力臂；l從公式中我們可以看出來(lái)，梯形臂長(zhǎng)度越長(zhǎng)，橫拉桿軸向力越小，因此在設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)選取較長(zhǎng)的梯形臂長(zhǎng)度。但是梯形臂太長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置困難，因此梯形臂長(zhǎng)度要適中。梯形底角受較多因素影響，很難設(shè)計(jì)的比較完美。其大小一般為70%?80%。5.2轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)校核在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)的初始參數(shù)后，還有對(duì)設(shè)計(jì)的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的校核方法有很多種，最為基礎(chǔ)的是圖解法，通過(guò)人工作圖的方法來(lái)校核梯形結(jié)構(gòu)。圖解法的步驟非常繁瑣，需要通過(guò)大量的作圖來(lái)得到數(shù)據(jù)，因此難免產(chǎn)生較大的誤差。相比圖解法，利用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化不但方便快捷，而且準(zhǔn)確性更高，梯形結(jié)構(gòu)優(yōu)化更加合理。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行梯形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化這一操作可以通過(guò)MATLAB軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。其基本原理是這樣的：根據(jù)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向特性，將車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的基本參數(shù)，例如內(nèi)外輪的轉(zhuǎn)向角，軸距等作為變量輸入，將他們之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系變成約束，然后就會(huì)生成目標(biāo)函數(shù)的M文件。接著運(yùn)行程序并分析圖像就可以得出最優(yōu)解，從而設(shè)計(jì)出最為合適的梯形臂長(zhǎng)和梯形底角。其目標(biāo)函數(shù)的程序詳見(jiàn)附錄A。5.3轉(zhuǎn)向橫拉桿及其端部的設(shè)計(jì)拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂在內(nèi)球接頭和外球接頭處連接。內(nèi)外球頭主要由球銷(xiāo)和球珠組成。球碗由聚氨酯或聚縮醛制成，材料的自潤(rùn)滑性保證了低摩擦系數(shù)和良好的耐磨性。碗的工作表面刻有許多用于儲(chǔ)存油脂的儲(chǔ)油罐。在組裝過(guò)程中，球銷(xiāo)通過(guò)球的彈性被推入球中，然后將球銷(xiāo)和球放入接頭的孔中。最后，纏繞接頭并鉚接它。組裝后，錐形彈簧具有一定的預(yù)夾緊力，可以隨時(shí)補(bǔ)償摩擦引起的間隙。橫拉桿與齒條之間通過(guò)螺釘連接，利用緊固螺釘將橫拉桿橫向固定在齒條的中間位置。圖5-2橫拉桿端部以下是轉(zhuǎn)向橫拉桿及其端部連接件的設(shè)計(jì)參數(shù)表：表5-1橫拉桿包及其端部的設(shè)計(jì)序號(hào)名稱(chēng)符號(hào)參數(shù)1橫拉桿直徑（mm）?152螺紋長(zhǎng)度(mm)L603外接頭總長(zhǎng)(mm)L1204球頭銷(xiāo)總長(zhǎng)(mm)L625球頭銷(xiāo)螺紋公稱(chēng)直徑(mm)dM10×16外接頭螺紋公稱(chēng)直徑(mm)dM12×1.57內(nèi)接頭總長(zhǎng)(mm)L65.38內(nèi)接頭螺紋公稱(chēng)直徑(mm)dM16×1.59轉(zhuǎn)向梯形臂(mm)m2005.4本章小結(jié)本章主要進(jìn)行了轉(zhuǎn)向橫拉桿及其端部的設(shè)計(jì)，包括橫拉桿的直徑，橫拉桿接頭球頭銷(xiāo)的參數(shù)。另外提出了對(duì)于轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求。提出了一種相對(duì)傳統(tǒng)方法更加方便快捷的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的方法。

6.齒輪軸的設(shè)計(jì)及校核6.1齒輪軸的參數(shù)設(shè)計(jì)軸上主要尺寸的設(shè)計(jì)：第一段：由于齒輪軸需要通過(guò)聯(lián)軸器做到與減速機(jī)構(gòu)的連接，因此在第一段軸上應(yīng)開(kāi)有鍵槽，初步選取第一段軸的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1=55第二段：聯(lián)軸器需要軸肩定位，因此選取第二軸段的直徑為20.5mm，長(zhǎng)度為L(zhǎng)2第三段：傳動(dòng)小齒輪安裝在這段軸上，切齒輪齒寬b=30mm，因此第三段軸長(zhǎng)度應(yīng)略大于齒寬，取長(zhǎng)度為L(zhǎng)第四段：第四段軸的長(zhǎng)度需要考慮整體空間的布置，另外還需要預(yù)留給軸承端蓋密封的空隙，初步取軸長(zhǎng)L設(shè)計(jì)的小齒輪軸結(jié)構(gòu)及尺寸如下圖：聯(lián)軸器用對(duì)開(kāi)式平鍵聯(lián)軸器。為保證具有足夠的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，材料選用40Cr圖6-1齒輪軸結(jié)構(gòu)及參數(shù)6.2齒輪軸的校核齒輪軸的強(qiáng)度校核計(jì)算，要根據(jù)軸的受載和受力情況來(lái)選擇不同的計(jì)算公式。對(duì)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向軸來(lái)說(shuō)，主要起到傳遞扭矩的作用，因此按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件校核，其具體校核過(guò)程如下：軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：τ其中：表6-1式中參數(shù)的意義符號(hào)名稱(chēng)單位τ扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力MPaT軸所受到的扭矩N?mmW軸的抗扭截面系數(shù)mmP軸傳遞的功率Kwn軸的轉(zhuǎn)速r/mind截面處的直徑mmτ許用切應(yīng)力MPa變形得：d≥A其中A計(jì)算轉(zhuǎn)向軸上的功率和轉(zhuǎn)速：由電機(jī)參數(shù)可知，電機(jī)額定功率P=400W，電機(jī)轉(zhuǎn)速2000r/min，因此轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)速：n選定A0軸常用的幾種材料的τT和A表6-2軸常用的幾種材料的τT和A軸的材料Q235A、20Q275、354540Cτ15~2520`3525~4535~55A149~123135~112126~103112~97軸的選用材料為40Cr鋼，由表可知A0值范圍為112~97，由于齒輪軸為減速器的低速軸，沒(méi)有彎矩，因此考慮到齒輪軸需要雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，因此適當(dāng)選取A0取A代入式6-1得：d≥100由于軸徑最小的軸段開(kāi)有1個(gè)鍵槽，而且軸徑小于100mm，因此需要最小可用軸徑在原來(lái)基礎(chǔ)上再提高5%，即d≥14.7×105%=15.4mm所設(shè)計(jì)軸的直徑最小處軸徑d=16mm，因此滿足使用條件。6.3本章小結(jié)本章主要進(jìn)行了小齒輪軸的參數(shù)設(shè)計(jì)，各軸段的長(zhǎng)度和直徑等。設(shè)計(jì)完成后根據(jù)電機(jī)參數(shù)對(duì)齒輪軸進(jìn)行了強(qiáng)度校核，結(jié)果表明該齒輪軸滿足設(shè)計(jì)要求。

結(jié)論本文運(yùn)用了機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)的方法，對(duì)某中型轎車(chē)的電動(dòng)助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)，包括轉(zhuǎn)向齒輪軸、小齒輪、齒條及轉(zhuǎn)向橫拉桿等，并且校核了小齒輪和齒輪軸的強(qiáng)度，校核結(jié)果表明這些部件的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的要求。提出了對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法與步驟。對(duì)以后的研究者來(lái)說(shuō)具有一定參考的價(jià)值，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究來(lái)說(shuō)有著較為積極的意義。本文的設(shè)計(jì)建立在其他設(shè)計(jì)者的研究成果之上，但是與他們的研究成果來(lái)比，本文仍然有著較多的缺陷，部分內(nèi)容由于本人的水平限制未能詳盡敘述，例如EPS電機(jī)的控制策略、轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的具體過(guò)程等。除此之外，本文的設(shè)計(jì)過(guò)程沒(méi)有嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求，有一些地方引用了經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，對(duì)于設(shè)計(jì)結(jié)果來(lái)說(shuō)可能產(chǎn)生了較大的誤差，為了避免在以后的設(shè)計(jì)中產(chǎn)生較大誤差，我建議設(shè)計(jì)者應(yīng)按照嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。綜上所述，本畢業(yè)設(shè)計(jì)基本達(dá)到了題目的要求，但仍然存在著一定的缺陷，設(shè)計(jì)過(guò)程不夠規(guī)范，論文思路不夠清晰，望本文讀者能夠引以為戒。

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致謝本文的設(shè)計(jì)是在我的指導(dǎo)老師李毓