汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計目 錄摘 要Abstract1 緒論11.1 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類11.2 EPS 系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀11.3 EPS 的分類11.3.1 轉(zhuǎn)向軸助力式11.3.2 轉(zhuǎn)向小齒輪助力式21.3.3 轉(zhuǎn)向齒條助力式21.4 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點 31.5 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理32 EPS方案設(shè)計52.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選型52.2 機(jī)械部分系統(tǒng)方案設(shè)計52.2.1 機(jī)械部分設(shè)計要求分析52.2.2 機(jī)械式轉(zhuǎn)向器方案分析52.2.3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器布置和結(jié)構(gòu)形式的選擇72.2.4 轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)方案分析82.3 控制部分系統(tǒng)方案設(shè)計82.3.1 控制部分性能要求分析82.3.2 控制部分方案設(shè)計103 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計12汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計3.1 整車性能參數(shù)123.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計和計算123.2.1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器計算載荷的確定123.2.2 轉(zhuǎn)向器基本部件設(shè)計153.2.3 齒輪軸和齒條的材料選擇及強(qiáng)度校核213.2.4 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向橫拉桿的運動分析243.2.5 齒輪齒條傳動受力分析253.2.6 間隙調(diào)整彈簧的設(shè)計計算253.2.7 齒輪軸軸承的校核273.2.8 鍵的計算284 EPS的關(guān)鍵部件和控制策略294.1 EPS 的關(guān)鍵部件選型294.1.1 電動機(jī)294.1.2 電磁離合器294.1.3 減速機(jī)構(gòu)304.1.4 扭矩傳感器304.1.5 電流傳感器314.2 EPS 的電流控制314.3 助力控制324.4 阻尼控制324.5 回正控制335 EPS電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計345.1 微控制器的選擇345.2 硬件電路總體框架345.3 電機(jī)控制電路設(shè)計355.3.1 H 橋上側(cè)橋臂 MOSFET 功率管驅(qū)動電路設(shè)計355.3.2 橋臂的功率 MOSFET 管驅(qū)動電路365.4 蓄電池倍壓工作電源37汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計5.5 電機(jī)驅(qū)動電路臺架試驗376 結(jié)論39致謝40參考文獻(xiàn)41汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計I摘 要電動助力轉(zhuǎn)向 (Electric Power Steering,簡稱 EPS)系統(tǒng),是繼液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)后出現(xiàn)的一種新型動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),具有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢,它不僅能節(jié)約能源,提高安全性,還有利于環(huán)境保護(hù),是一項緊扣現(xiàn)代汽車發(fā)展主題的高新技術(shù),是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS) 可解決小型汽車轉(zhuǎn)向輕便性和靈敏性的矛盾, 使駕駛員在汽車低速行駛時獲得較大助力, 高速行駛時獲得較強(qiáng)的路感。由ECU根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號控制電動機(jī)離合器, 使電動機(jī)在不需要助力時停止工作, 降低了能量消耗，該系統(tǒng)能滿足不同車速下獲得不同助力特性的要求。本論文為汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計,首先對EPS的發(fā)展歷程、發(fā)展現(xiàn)狀、原理、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了闡述，然后確定了以齒輪齒條式轉(zhuǎn)向為例進(jìn)行設(shè)計，對齒輪、齒條、轉(zhuǎn)向器等進(jìn)行了設(shè)計與計算，并對齒輪齒條的齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行校核，最后利用AUTOCAD軟件繪制了齒輪、齒條及裝配圖。關(guān)鍵詞：汽車,電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向器，齒輪齒條,計算汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計IIAbstractElectric Power Steering（EPS）System is a new type steering system, which can save energy, improve vehicle safety, and benefit environment protection. Its a new-high-tech that follows modern vehicle development topic closely. EPS is much superior to hydraulic power steering system. It will be the inevitable developing direction for automobile power steering.The electric power steering (EPS) system can solve the contradiction between steering handiness and delicacy that exists in small type of cars. It enable the driver to obtain stronger road sense when drive in high speed and bigger assist when drive in slow speed. According to by ECU to dish torque signal control motor clutch, make the motor when in need not stop working, reduce boost of energy consumption, this system can satisfy different speeds get different dynamical characteristics requirement.The thesis is for the design of auto electric power steering. First, it discussed development history, EPS development present situation, the principle, and the structure. Then determine rack and pinion type steering with design. Design and calculate steering gear and rack, and test rack and pinion gear surface contact strength and tooth root bending strength.Finally, maked the pinion and rack and assembly drawing by using AUTOCAD software.Keywords: automobile，EPS, steering gear, rack and pinion,calculate汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計11.緒論隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸追求安全、舒適、輕便的駕駛環(huán)境，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由普通轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展。1.1 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照提供動力的形式大致可以分為 3 類：液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic Powered Steering, HPS)，電動液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electrically Hydraulic Powered Steering, EHPS)，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering, EPS)。1.2 EPS系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀在國外，從1979年開始研究電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，至今已有30多年的歷史。1988年日本鈴木公司首次開發(fā)出一種全新的電子控制式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并裝在其生產(chǎn)的 Cervo 車上，隨后又配備在 Alto 上。此后，其應(yīng)用范圍從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展。日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司，美國的Delphi 公司，英國的 Lucas 公司，德國的 ZF 公司，都研制出了各自的 EPS。在國外，EPS 已經(jīng)進(jìn)入了批量生產(chǎn)階段。在國內(nèi)，EPS 技術(shù)大多還處于實驗室開發(fā)研究階段，部分科研院所已經(jīng)進(jìn)入了裝車實驗。國內(nèi)的清華大學(xué)早在1992年就開始了 EPS 研究。2002年，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)國內(nèi)至少13家企業(yè)和科研院所正在研制中，如清華大學(xué)、吉林大學(xué)、江蘇大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)以及南摩股份有限公司等。目前21個國內(nèi)汽車廠家的43種品種均可裝配 EPS 產(chǎn)品，其中六個廠家8個車型具有裝配 EPS 的潛力，其中有重慶長安的奧拓、羚羊，吉利的美日、豪情，奇瑞的 QQ，天津豐田的威馳，悅達(dá)起亞的千里馬，東南汽車的菱帥，廣州本田的飛度等。1.3 EPS的分類電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照電動機(jī)布置位置的不同，可以分為：轉(zhuǎn)向軸助力式(Column-assisttype EPS)、齒輪助力式(Pinion-assisttype EPS)、齒條助力式(Rackassisttype EPS)3 種。1.3.1 轉(zhuǎn)向軸助力式汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計2轉(zhuǎn)向軸助力式電動助力轉(zhuǎn)向器(C-EPS)的助力電機(jī)固定在轉(zhuǎn)向柱的一側(cè)，通過減速增扭機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸助力轉(zhuǎn)向(圖1-1)。這種形式的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于安裝?，F(xiàn)在多數(shù) EPS 就是采用這種形式。此外，C-EPS的助力提供裝置可以設(shè)計成適用于各種轉(zhuǎn)向柱，如固定式轉(zhuǎn)向柱、斜度可調(diào)式轉(zhuǎn)向柱以及其它形式的轉(zhuǎn)向柱。但由于助力電機(jī)安裝在駕駛艙內(nèi)，受到空間布置和噪聲的影響，電機(jī)的體積較小，輸出扭矩不大，一般只用在小型及緊湊型車輛上。圖1-1 C-EPS1.3.2 轉(zhuǎn)向小齒輪助力式齒輪助力式電動助力轉(zhuǎn)向器(PEPS)的助力電機(jī)和減速增扭機(jī)構(gòu)與小齒輪相連，直接驅(qū)動齒輪實現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向(圖1-2)。由于助力電機(jī)不是安裝在乘客艙內(nèi)，因此可以使用較大的電機(jī)以獲得較高的助力扭矩，而不必?fù)?dān)心電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量太大產(chǎn)生的噪聲。該類型轉(zhuǎn)向器可用于中型車輛，以提供較大的助力。圖1-2 P-EPS1.3.3 轉(zhuǎn)向齒條助力式齒條助力式電動助力轉(zhuǎn)向器(R-EPS)的助力電機(jī)和減速增扭機(jī)構(gòu)則直接驅(qū)動齒條提供助力(圖 1-3)。由于助力電機(jī)安裝于齒條上的位置比較自由，因此在汽車的底盤布置時非常方便。同時，同 CEPS 和 P-EPS 相比，可以提供更大的助力值，所以一般用于大型車輛上。汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計3圖1-3 R-EPS1.4 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點 1（1）液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的油泵，不轉(zhuǎn)向時也工作，加大了能量消耗。而 EPS 系統(tǒng)只在轉(zhuǎn)向時電動機(jī)才提供助力，因而能減少能量消耗，并能在各種行駛工況下提供最佳的轉(zhuǎn)向助力。（2）減小了由于路面不平所引起的對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的干擾，改善了汽車的轉(zhuǎn)向性能，減輕了汽車低速行駛時的轉(zhuǎn)向操縱力，提高了汽車高速行駛時的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，進(jìn)而提高汽車的主動安全性。（3）由于不需要加注液壓油和安裝液壓油管，所以系統(tǒng)的安裝簡便，自由度大，而且成本低，無漏油故障的發(fā)生，它比常規(guī)的液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)具有更好的通用性。1.5 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、控制單元（ECU） 、離合器、助力電動機(jī)及減速機(jī)構(gòu)等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-4。圖1-4 EPS 結(jié)構(gòu)示意圖工作原理：汽車在運行過程中，扭矩傳感器、車速傳感器會產(chǎn)生各自的電信號，汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計4這些信號經(jīng)過濾波、信號電平調(diào)整后傳給 ECU，ECU 經(jīng)過分析處理后輸出控制信號給電機(jī)驅(qū)動模塊，實現(xiàn)對助力電機(jī)扭矩控制 2。汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計52 EPS方案設(shè)計2.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選型緒論中已經(jīng)提到轉(zhuǎn)向軸式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然提供的助力沒有其它兩種方式提供的助力大，但在安裝方面要方便的多。再者，這次設(shè)計的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要是針對經(jīng)濟(jì)型轎車來進(jìn)行開發(fā)的，其空間相對較小，空間問題是要考慮的重點問題。轉(zhuǎn)向軸式對空間緊湊的經(jīng)濟(jì)型轎車很適合。綜合以上原因，選擇轉(zhuǎn)向軸助力式。2.2 機(jī)械部分系統(tǒng)方案設(shè)計機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)三大部分組成。2.2.1 機(jī)械部分設(shè)計要求分析轉(zhuǎn)向系是用來保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛時，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。轉(zhuǎn)向系應(yīng)滿足如下基本要求 4：（1）汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，全部車輪應(yīng)繞瞬時轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應(yīng)有側(cè)滑。（2）汽車在轉(zhuǎn)向行駛后，在駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤的條件下，轉(zhuǎn)向輪有自動回正作用。（3）汽車在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪都不得產(chǎn)生自振。（4）保證汽車有較高的機(jī)動性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎能力。（5）轉(zhuǎn)向輪碰到障礙物以后，傳給轉(zhuǎn)向盤的反沖力要盡可能小。（6）操縱輕便。（7）轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的球頭處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)。2.2.2 機(jī)械式轉(zhuǎn)向器方案分析目前汽車上廣泛使用的是齒輪齒條式及循環(huán)球式。（1）齒輪齒條式齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、體積小、質(zhì)量輕；傳動效率高達(dá)90%；可自動消除齒間間隙；沒有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角可以增大；制造成本低。汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計6齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要缺點是：逆效率高達(dá)60%70%。因此，汽車在不平路面上行駛時，發(fā)生在轉(zhuǎn)向輪與路面之間的沖擊力，大部分能傳至轉(zhuǎn)向盤。根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式 4：中間輸入，兩端輸出（圖2-1a） ；側(cè)面輸入，兩端輸出（圖2-1b） ；側(cè)面輸入，中間輸出（圖2-1c） ；側(cè)面輸入，一端輸出（圖2-1d） 。圖2-1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的形式 根據(jù)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向梯形相對前軸位置的不同，在汽車上有四種布置形式：轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，后置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，前置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，后置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，前置梯形，見圖2-2。圖2-2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的布置形式 汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計7齒條斷面有圓形、V 形和 Y 形三種。圓形斷面制造簡單；V 形和 Y 形節(jié)約材料，質(zhì)量小而且位于齒條下面的兩斜面與齒條托坐接觸，可以用來防止齒條繞軸線轉(zhuǎn)動。（2）循環(huán)球式循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由螺桿和螺母共同形成的螺旋槽內(nèi)裝有鋼球構(gòu)成的傳動副，以及螺母上齒條與搖臂軸上齒扇構(gòu)成的傳動副組成 3，如圖2-3所示。圖2-3 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點是：傳動效率可達(dá)到75%85%；轉(zhuǎn)向器的傳動比可以變化；工作平穩(wěn)可靠；齒條和齒扇之間的間隙調(diào)整容易；適合用來做整體式動力轉(zhuǎn)向器。 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要缺點是：逆效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，制造精度要求高。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要用于貨車和客車上。 由于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器與循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器相比 4：結(jié)構(gòu)簡單，傳動效率高，操縱輕便，質(zhì)量輕；且不需要轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向直拉桿，使轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)得以簡化。針對本次設(shè)計，應(yīng)該選用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。2.2.3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器布置和結(jié)構(gòu)形式的選擇在前橋僅為轉(zhuǎn)向橋的情況下，由轉(zhuǎn)向橫拉桿和左、右梯形臂組成的轉(zhuǎn)向梯形一般布置在前橋之后。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪處于與汽車直線行駛相應(yīng)的中立位置時，梯形臂與橫拉桿在與道路平行的平面(水平面)內(nèi)的交角90。在發(fā)動機(jī)位置較低或轉(zhuǎn)向橋兼充驅(qū)動橋的情況下，為避免運動干涉，往往將轉(zhuǎn)汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計8向梯形布置在前橋之前，此時上述交角90。本次設(shè)計是發(fā)動機(jī)前置前輪驅(qū)動，故采用如圖2-4所示的布置形式。圖2-4 轉(zhuǎn)向梯形前置同時考慮到發(fā)動機(jī)前置前驅(qū)故采用如圖2-5所示的側(cè)面輸入兩端輸出的結(jié)構(gòu)形式。圖 2-5 齒輪齒條位置布置2.2.4 轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)方案分析轉(zhuǎn)向梯形有整體式和斷開式兩種。選擇該轉(zhuǎn)向梯形的方案時與懸架采用何種方案有關(guān) 4?？紤]到本次設(shè)計中采用獨立懸架，故設(shè)計中采用斷開式轉(zhuǎn)向梯形。2.3 控制部分系統(tǒng)方案設(shè)計2.3.1 控制部分性能要求分析電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)除必須滿足車輛對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一切性能要求外，還應(yīng)滿足控制、控制系統(tǒng)、傳感器等性能要求，具體有以下幾點 11：（1）具有良好的轉(zhuǎn)向助力特性轉(zhuǎn)向盤力是駕駛者輸入轉(zhuǎn)向盤用以操縱汽車的力。EPS 的基本目標(biāo)是提高汽車停車泊位和低速行駛時的轉(zhuǎn)向輕便性，高速行駛時的操縱穩(wěn)定性 6。在低車速、低側(cè)向加速度行駛工況下，汽車應(yīng)具有適度的轉(zhuǎn)向盤力與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，還應(yīng)有良好的回正性能。在高車速和低側(cè)向加速度范圍內(nèi)，汽車應(yīng)具有良好的橫擺角速度頻率響應(yīng)特性，直線行駛能力和回正性能。轉(zhuǎn)向盤力的大小要適度，特別是隨著車速的提高，轉(zhuǎn)向盤力不宜過輕而要保持一定的數(shù)值；采用隨行駛車速而改變轉(zhuǎn)向盤操作力特性的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可以顯著地改善高速行駛時轉(zhuǎn)向盤力的品質(zhì)。因此，EPS系統(tǒng)的助力特性曲線是一族隨車速變化的曲線，如圖 2-6。汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計9圖 2-6 助力特性曲線（2）應(yīng)具有良好的操縱穩(wěn)定性汽車行駛穩(wěn)定性的影響因素很多，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是其重要影響因素之一。所謂穩(wěn)定性主要是指汽車在行駛過程中，當(dāng)突然受到外界橫向力作用而發(fā)生自動轉(zhuǎn)向等不穩(wěn)定現(xiàn)象時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)該具有使車輛在相當(dāng)短的時間內(nèi)迅速地回復(fù)正常行駛狀態(tài)的能力。轉(zhuǎn)向系一直存在著輕與靈的矛盾，在不同的工況下，對操作穩(wěn)定性要求的側(cè)重面是不一樣的。一般轉(zhuǎn)向力與路感是相互制約的，轉(zhuǎn)向力小意味著轉(zhuǎn)向輕便，能減小駕駛員的體力消耗；但轉(zhuǎn)向力過小，就缺乏路感。傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向由于不能對助力進(jìn)行實時調(diào)節(jié)與控制。所以協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向力和路感的關(guān)系困難，特別是汽車高速行駛時，仍然會提供較大助力，使駕駛員缺乏路感，甚至感覺汽車發(fā)飆，影響操縱穩(wěn)定性，危機(jī)汽車高速行駛時的安全。由于 EPS 由電機(jī)提供助力，助力大小由電控單元（ECU）實時調(diào)節(jié)與控制。EPS 可以根據(jù)車速不同工況，制定不同的控制策略，自動地削弱或吸收擺振、維持轉(zhuǎn)向盤具有良好的穩(wěn)定感的能力，較好地解決上述矛盾。（3）應(yīng)具有良好的跟隨性EPS 是一種電子控制電動助力轉(zhuǎn)向伺服系統(tǒng)，跟隨性問題十分重要 78。所謂跟隨性問題是指當(dāng)轉(zhuǎn)向盤有轉(zhuǎn)向輸入時，系統(tǒng)中的各個元件（如電機(jī)等）及其他相關(guān)元件（如車輪等）均具有快速、協(xié)調(diào)和準(zhǔn)確的響應(yīng)性或跟隨性。例如，當(dāng)在方向盤上輸入一個偏轉(zhuǎn)角位移時，下部輸出軸要在直流電機(jī)的帶動下，按照給定的輸入角位移穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速地跟蹤上輸入偏轉(zhuǎn)角的位移。（4）具有良好的回正特性汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計10駕駛員轉(zhuǎn)向時，回正力矩是使轉(zhuǎn)向車輪自動返回到直線行駛位置的主要恢復(fù)力矩之一。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電動機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)作用到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，電動機(jī)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中不僅存在著摩擦損失轉(zhuǎn)矩，還有彈性和間隙。如果輪胎的回正力矩比總的摩擦損失力矩小，轉(zhuǎn)向盤將不可能恢復(fù)到中間位置，汽車將偏離預(yù)期的行駛路線，直到駕駛員通過轉(zhuǎn)向盤用力使它返回到中間位置。而在高速行駛時，為此，需要在常規(guī)轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上增加回正控制功能。高速行駛時，輪胎的側(cè)向力較大，為防止回正超調(diào)，則利用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩對系統(tǒng)的阻尼作用，使回正處于受控狀態(tài)。由于在 EPS 中采用了微電子技術(shù)，利用軟件控制電動機(jī)的動作，在最大限度內(nèi)調(diào)整設(shè)計參數(shù)以獲得最佳的回正特性。從最低車速到最高車速，可得到一族回正特性曲線，而傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是無法做到這一點的。（5）適合的轉(zhuǎn)向路感對于 EPS 來說，其助力大小可根據(jù)不同車速、通過軟件的方式來控制電機(jī)電流來實現(xiàn)實時調(diào)節(jié)與控制，通過采用優(yōu)良的控制策略，來調(diào)整轉(zhuǎn)向路感，獲得滿意的轉(zhuǎn)向輕便性和操縱穩(wěn)定性，并保證駕駛員有足夠的路感，實現(xiàn)路感的優(yōu)化。（6）具有在版故障診斷功能（7）EPS 系統(tǒng)應(yīng)具有碰撞能量吸收功能對于 EPS 系統(tǒng)，當(dāng)汽車發(fā)生正面沖撞時，轉(zhuǎn)向盤的壓迫是導(dǎo)致駕駛員受傷的一個主要原因，因此要求 EPS 系統(tǒng)轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)必須設(shè)置各種緩沖式的安全裝置。2.3.2 控制部分方案設(shè)計EPS 具體的工作流程是 5：當(dāng)車輛點火開關(guān)接通，發(fā)動機(jī)開始運轉(zhuǎn)后，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的 ECU 發(fā)出指令使電源繼電器和故障保護(hù)繼電器閉合，讓整個 EPS 系統(tǒng)啟動，EPS 程序一直監(jiān)控車速傳感器與轉(zhuǎn)矩傳感器輸入的車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號，其中，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號體現(xiàn)了轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩大小及該時刻轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向和位置，從而能夠判斷轉(zhuǎn)向盤是順時針轉(zhuǎn)動還是逆時針轉(zhuǎn)動還是在中間位置保持不動，由車速與轉(zhuǎn)矩信號實時輸出相應(yīng)的控制電流驅(qū)動電機(jī)，實現(xiàn)不同大小不同方向的助力，當(dāng)點火開關(guān)斷開時，EPS 系統(tǒng)停止工作。汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計11圖 2-7 EPS 系統(tǒng)工作流程圖電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要部件有：轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、電流傳感器、電動機(jī)與減速機(jī)構(gòu)、電子控制單元（ECU)。轉(zhuǎn)矩傳感器一般安裝在轉(zhuǎn)向小齒輪軸上，有的與電動機(jī)集成制造成一體；車速傳感器安裝在變速器輸出軸上；電流傳感器安裝在電動機(jī)里；電子控制單元安裝在轉(zhuǎn)向器上方或者安裝在駕駛員左側(cè)的儀表盤背板上；電動機(jī)與減速機(jī)構(gòu)集成制造在一起，一般根據(jù)不同的要求安裝在轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向小齒輪或者轉(zhuǎn)向齒條上。在小型車輛上，電機(jī)是通過齒輪箱與轉(zhuǎn)向柱連接，而在中型汽車上，電機(jī)則是通過法蘭交叉或縱向安裝在齒條上，并通過齒輪箱操作。本次設(shè)計中，由于所選用的車型是小型車，故將電動機(jī)與減速機(jī)構(gòu)集成通過齒輪箱安裝在轉(zhuǎn)向柱上。汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計123 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計3.1 整車性能參數(shù)本次設(shè)計以某微型轎車為模型，采用前置前驅(qū)的驅(qū)動方式，其基本參數(shù)如表 3-1 所示：表 3-1 某微型車基本參數(shù)名稱 數(shù)值 單位軸距 L 2500 mm前輪距 L1 1490 mm后輪距 L2 1475 mm最小轉(zhuǎn)彎半徑 Rmin 4940 mm車長 3900 mm車寬 1695 mm車高 1525 mm整車整備質(zhì)量 1095 kg前輪負(fù)荷率 60%載客數(shù) 5 人輪胎規(guī)格 前輪 175/65 R15 后輪 175/65 R153.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計和計算3.2.1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器計算載荷的確定（1）為了保證行駛安全，組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。欲驗算轉(zhuǎn)向系零件的強(qiáng)度，需首先確定作用在各零件上的力。影響這些力的主要因素有轉(zhuǎn)向軸的負(fù)荷，路面阻力和輪胎氣壓等。為轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力，包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動的阻力、車輪穩(wěn)定阻力、輪胎變形阻力和轉(zhuǎn)向系中的內(nèi)摩擦阻力等 4。精確地計算這些力是困難的，為此推薦用足夠精確的半經(jīng)驗公式來計算汽車在瀝青或者混泥土路面上的原轉(zhuǎn)向阻力矩 (N mm)，即 rM412878.50 （3-1）pGfMr312.04857.3汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計13式中，f 為輪胎和路面間的滑動摩擦因數(shù)，一般取 0.7；G 1為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷（N)； P 為輪胎氣壓（MPa)。該車整車整備質(zhì)量為 1095kg，所載人數(shù)為 6 人，每人質(zhì)量約 60kg；前置前驅(qū)轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷率為 60%故 G1=（1095+60 6) 9.8 60%=8555.4NP 取 0.2MPa（2）轉(zhuǎn)向器角傳動比 的計算wi圖 3-1 轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)角關(guān)系圖（3-2）51.0492sinRL5.30式中：L汽車軸距，2500mm；R汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑，4940mm。（3-3） 904.150.3cos492costan BRL42.12。 式中：L汽車軸距，2500mm；R汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑，4940mm；B前輪輪距，1490mm。設(shè)計取方向盤總?cè)?shù)為 3，則汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計14（3-87.1462.30KWwi4） 式中：轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角（速度） ，3360；w轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角（速度） ，+=72.62。K（3）作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力為N （3-5） 29.176%08.1435221 wSWRhiDLMF式中：轉(zhuǎn)向搖臂長；1L轉(zhuǎn)向節(jié)臂長；2轉(zhuǎn)向盤直徑，設(shè)計為 350mm；SWD轉(zhuǎn)向器角傳動比；wi轉(zhuǎn)向器正效率，90%。因齒輪齒條式轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)無轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向節(jié)臂，故 和 不代入數(shù)值。1L2對于給定的汽車，用式（3-5）計算出來的作用力是最大值。因此，可以用此值作為計算載荷。（4）轉(zhuǎn)向盤扭力矩 Tz（3-6） mNDFTSWhZ .7530829.176式中：轉(zhuǎn)向盤上的手力，176.29N；h轉(zhuǎn)向盤直徑，設(shè)計為 350mm。SWD（5）梯形臂長度 L2 的計算前輪輪胎規(guī)格為前輪 175/65 R15，則輪輞直徑 =15in=15 25.4=381mm。LWR汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計15梯形臂長度 152.4，取 。2/8.0312/8.02LWRmL1502（6）輪胎直徑的計算輪胎直徑 ，取 。LT 7.4935.5. RT（7）轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑的計算：mm （3-7）0.216490.871 MdR取 m0in式中：原地轉(zhuǎn)向阻力矩，412878.50N.mm；R前輪距 1490mm；1L材料許用應(yīng)力 216MPa。（8）主動齒輪軸的計算：（3-8mMnd 4.10140857.36max1632）取 15min式中：方向盤扭矩，30850.75 Nmm；nM材料許用切應(yīng)力，140MPa。3.2.2 轉(zhuǎn)向器基本部件設(shè)計（1）技術(shù)參數(shù)：表 3-2 技術(shù)參數(shù)表名稱 數(shù)值 單位線角傳動比 47.6 mm/rad 齒輪法向模數(shù) 2.5方向盤總?cè)?shù) 3齒條行程 160 mm汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計16汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計17（2）齒輪齒輪是一只切有齒形的軸。它安裝在轉(zhuǎn)向器殼體上并使其齒與齒條上的齒相嚙合。齒輪齒條上的齒可以是直齒也可以是斜齒。齒輪軸上端與轉(zhuǎn)向柱內(nèi)的轉(zhuǎn)向軸相互連接。因此，轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)使齒條橫向移動以操作前輪。齒輪軸由安裝在轉(zhuǎn)向器殼體上的球軸承支承。斜齒的彎曲增加了一對嚙合齒輪參與嚙合的齒數(shù)。相對直齒而言，斜齒的運轉(zhuǎn)趨于平穩(wěn)，并能傳遞更大的動力。故齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪多采用斜齒圓柱齒輪。齒輪的模數(shù)取值范圍在 2-3mm 之間。主動小齒輪齒數(shù)在 5-7 個范圍變化，壓力角取值 200，齒輪螺旋角多為 90-150。 取齒輪模數(shù) mn1=2.5，齒輪齒數(shù) z1=6，齒輪壓力角 1=200，齒輪螺旋角取為150、左旋，齒輪軸總長 L=160mm，故斜齒圓柱齒輪直徑根據(jù)公式 d1=mn1z1/cos=15.53mm （3-9）取齒寬系數(shù) ，.2則齒條寬度 （3-mbd63.185.110） 圓整取 ，則取齒輪齒寬 。m20b021表 3-3 齒輪軸的尺寸設(shè)計參數(shù)序號 項目 符號 尺寸參數(shù)(mm)1 總長 L1602 齒寬 1B303 齒數(shù) Z64 法向模數(shù) 1Mn2.55 螺旋角 156 螺旋方向 左旋（3）齒條齒條是在金屬殼體內(nèi)來回滑動的，加工有齒形的金屬條。轉(zhuǎn)向器殼體是安裝在前橫梁或前圍板的固定位置上的。齒條代替梯形轉(zhuǎn)向桿系的搖桿和轉(zhuǎn)向搖臂，并保汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計18證轉(zhuǎn)向橫拉桿在適當(dāng)?shù)母叨纫允顾麄兣c懸架的下擺臂平行。齒條可以比作是梯形轉(zhuǎn)向桿系的轉(zhuǎn)向直拉桿。導(dǎo)向座將齒條支持在轉(zhuǎn)向器殼體上。齒條的橫向運動拉動或推動轉(zhuǎn)向橫拉桿，使前輪轉(zhuǎn)向。相互嚙合的齒輪的齒距 和齒條的齒距11cosnmP必須相等。22cosnmP即： 21cosn取齒條的模數(shù)： =2.5，計算出齒條的壓力角為： =200，2 2取齒條的總廠 L 為 735mm，直徑 30mm，齒條行程為 160mm。表 3-4 齒條的尺寸設(shè)計參數(shù)序號 項目 符號 尺寸參數(shù)( )m1 總長 L7352 直徑 303 齒數(shù) 2Z214 法向模數(shù) Mn2.5（4）轉(zhuǎn)向橫拉桿及其端部轉(zhuǎn)向橫拉桿與梯形轉(zhuǎn)向桿系的相似。球頭銷通過螺紋與齒條連接。當(dāng)這些球頭銷依制造廠的規(guī)范擰緊時，在球頭銷上就作用了一個預(yù)載荷。防塵套夾在轉(zhuǎn)向器兩側(cè)的殼體和轉(zhuǎn)向橫拉桿上，這些防塵套阻止雜物進(jìn)入球銷和齒條中。轉(zhuǎn)向橫拉桿端部與外端用螺紋連接。這些端部與梯形轉(zhuǎn)向桿系的相似。側(cè)面螺母將橫拉桿外端與橫拉桿鎖緊。表 3-5 轉(zhuǎn)向橫拉桿及接頭的尺寸設(shè)計參數(shù)序號 項目 符號 尺寸參數(shù)（mm)1 橫拉桿總長 aL2572 橫拉桿直徑 103 螺紋長度 M484 外接頭總長 WL100汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計195 球頭銷總長 QXL526 球頭銷螺紋公稱直徑 qxdM8 17 外接頭螺紋公稱直徑 wM10 18 內(nèi)接頭總長 NL609 內(nèi)接頭螺紋公稱直徑 ndM12 1（5）齒條調(diào)整一個齒條導(dǎo)向座安裝在齒條光滑的一面。齒條導(dǎo)向座和殼體螺紋連接的調(diào)整螺塞之間連有一個彈簧。此調(diào)節(jié)螺塞由鎖緊螺母固定。齒條導(dǎo)向座的調(diào)節(jié)使齒輪、齒條之間有一定的預(yù)緊力，此預(yù)緊力會影響轉(zhuǎn)向沖擊、噪聲和反饋。圖 3-2 自動消除間隙裝置 表 3-6 齒條調(diào)整裝置的尺寸設(shè)計參數(shù)序號 項目 符號 尺寸參數(shù)（mm)1 導(dǎo)向座外徑 L402 導(dǎo)向座高度 1B303 彈簧總?cè)?shù) n6.54 彈簧節(jié)距 t8.25汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計205 彈簧外徑 D306 彈簧安裝高度 2H377 螺塞螺紋公稱直徑 sdM44 28 螺塞高度 s 309 鎖止螺塞高度 sH1010 轉(zhuǎn)向器殼體總長/高 kL/600/15011 轉(zhuǎn)向器殼體內(nèi)/外徑 wn40/56（6）齒輪齒條的綜合分析設(shè)計及計算轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向盤的單位轉(zhuǎn)角增量與齒條位移增量的反比定義為齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的線角傳動比。假設(shè)齒輪有足夠的嚙合長度，且齒輪在齒條上滾動而齒條不動的嚙合情況，當(dāng)齒輪嚙合一周時，齒輪中心線由 O-O 位置移動到 O-O位置，如圖 3-3 示。圖 3-3 齒條嚙合長度計算圖這時可以知道 AB=d，齒輪在齒條上移動了 AC 距離： cossdABC式中：齒輪安裝角， （ 0） ；汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計21齒輪分度圓直徑（mm） 。d齒輪在垂直于齒條中心線 MM 的方向上移動了 BC 距離：；在齒條實際工作中是運動的，齒輪只是繞軸承中心線轉(zhuǎn)動，sinidABC并不移動。只能是齒條沿其軸線移動，可見 BC 在實際工作中不存在，從中可知：；在齒輪轉(zhuǎn)動一周，齒條實際移動距離 AD 為：rDta。rdAtansico式中：齒條傾角（ 0） 。rAD 就是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的線角傳動比，即（3-11） rrddi costansico將設(shè)計數(shù)據(jù)： ； ； ； 代入上式，得mi/6.475.2n61zcos/1zmdn=8.31140。r齒條的齒數(shù)計算 Z2（3-2cosnmL12） 式中：齒條行程，160mm；L齒條模數(shù)，2.5；2nm齒條壓力角， =200。2將數(shù)據(jù)代入（3-12）式，得 Z2=21.68，取整數(shù)值 Z2=21。汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計223.2.3 齒輪軸和齒條的材料選擇及強(qiáng)度校核表 3-7 齒輪軸和齒條的設(shè)計計算設(shè)計計算和說明 計算結(jié)果選擇齒輪材料、熱處理方式及計算許用應(yīng)力選擇材料及熱處理方式小齒輪 16MnCr5 滲碳淬火，齒面硬度 56-62HRC齒條 45 鋼 表面淬火，齒面硬度 56-56HRC 確定許用應(yīng)力；HminNlSZFminNSTlYF(a)確定 和lili； MPaH150limMPaH1302lim； F42li F75li(b)計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N，確定壽命系數(shù) 、 。NZY2711 106.2308160tanN32.Z2NY(c)計算許用應(yīng)力取 ,1minHS4.inF=inNl1ZMPa19803250=Hmin2l2S76.應(yīng)力修正系數(shù) TY=FminN1Sl1FMPa14.607.245=Fin2STli2F .3.37MPaH150lim32liF41limPa752li7106.N3Z21NYMPaH9801H762MPaF14.6071F.532汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計23初步確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸選擇齒輪類型根據(jù)齒輪傳動的工作條件，選用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動方案選擇齒輪傳動精度等級選用 7 級精度 初選參數(shù)初選 =6 =21 =1.2 4.1tK51Z2d=0.7 =0.89Y按當(dāng)量齒數(shù) 7.5cos/7cs/33V6.51FS初步計算齒輪模數(shù) nm轉(zhuǎn)矩 176.290.175=30.85 =308501TNm閉式硬齒面?zhèn)鲃樱待X根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計。321cosFSdtnt YZKm= 3214.60756.89.5084.12=2.205 確定載荷系數(shù) K=1，由 , /100=0.000648,A smnzmtt /018.cos1061vZ=1；對稱布置，取 =1.06；取 =1.3，則VK=111.061.3=1.378KA修正法向模數(shù)=2.205 =2.1933tntm34.178圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，取 =2.5nm斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動7 級精度465101TmN=1.378K=2.5nm汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計24確定齒輪傳動主要參數(shù)和幾何尺寸 分度圓直徑 d= =15.53cos11zmdn56.2m 齒頂圓直徑 1ad=15.53+2hda21Xnhan=15.53+22.5(1+0)=20.53m齒根圓直徑 fd=15.53-2ffhd21XnChan=15.53-22.51.25=9.28齒寬 b=1.215.53=18.6361dm因為相互嚙合齒輪的基圓齒距必須相等，即 。21bP齒輪法面基圓齒距為 11cosnbP齒條法面基圓齒距為 22m取齒條法向模數(shù)為 =2.5n 齒條齒頂高 2ha=2.5(1+0)=2.5Xmhan2 m齒條齒根高 2f=2.5(1+0.25-0)=3.125Cnanf 2法面齒距 2S=3.925nnmXta/2校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度12HEHubdKTZ=15.531dm=20.531ad=9.281fdm取 =202b=2.52ham=3.1252fh=3.9252nSm汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計25查表得， =189.8 ；查圖得， =2.45EZMPaHZ取 =0.8， = =0.985cos所以 =189.82.450.80.985H 125.320817Pa=1512.8 2HMPaMPaH8.152齒面接觸疲勞強(qiáng)度滿足要求3.2.4 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向橫拉桿的運動分析圖 3-3 轉(zhuǎn)向橫拉桿的運動分析簡圖當(dāng)轉(zhuǎn)向盤從鎖點向鎖點轉(zhuǎn)動，每只前輪大約從其正前方開始轉(zhuǎn)動 30，因而前輪從左到右總共轉(zhuǎn)動約 60。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪右轉(zhuǎn) 30，即梯形臂或轉(zhuǎn)向節(jié)由 繞圓心OC轉(zhuǎn)至 時，齒條左端點 移至 的距離為OAEA1l30=150cos30=129.904cosDm=150-129.904=20.096OC30=75sinAm BE305ADC= =304.342EA 2296.m=304.3-75=229.3CA=305-229.3=75.7Al1汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計26同理計算轉(zhuǎn)向輪左轉(zhuǎn) 30，轉(zhuǎn)向節(jié)由 繞圓心 轉(zhuǎn)至 時，齒條左端點 EOCOB移至 的距離為BE2l=75 DAmB=304.34222096.35EB m=75+304.3-305=74.3Cl2齒輪齒條嚙合長度應(yīng)大于 21l即 =75.7+74.3=15021lLm取 L=160 。m3.2.5 齒輪齒條傳動受力分析若略去齒面間的摩擦力，則作用于節(jié)點 P 的法向力 Fn 可分解為徑向力 Fr 和分力 F，分力 F 又可分解為圓周力 Ft 和軸向力 Fa。=230851/15.53=3973.01/2dTt=1497.1315cos/20tan8.397cosantr N=1064.58N15t0.tF3.2.6 間隙調(diào)整彈簧的設(shè)計計算設(shè)計要求：設(shè)計一圓柱形壓縮螺旋彈簧，載荷平穩(wěn)，要求 =1400N 時，maxF0.1d汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計28(6) 幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸的確定 彈簧外徑 D=D2+d=25+5=30mm彈簧內(nèi)徑 D1=D2-d=25-5=20mm(7) 彈簧工作圖 s=1.25 =1.25765=956.25MPa彈簧的極限載荷 Flim= =3.1452956.25/(841.4)=1670NCKs8彈簧的安裝載荷 Fmin=0.9Fmax=0.91400=1260N彈簧剛度 Cs=Gd/(8C3n)=800005/(8434.46)=175.17N/mm安裝變形量 min=Fmin/Cs=1260/175.17=7.19mm最大變形量 max=Fmax/Cs=1400/175.17=7.99mm極限變形量 lim=Flim/Cs=1670/175.17=9.53mm安裝高度 H1=H0- min=44.29-7.19=37.10mm工作高度 H2=H0- max=44.29-7.99=36.3mm極限高度 H3=H0- lim=44.29-9.53=34.76mm3.2.7 齒輪軸軸承的校核校核 30203 圓錐滾子軸承，軸承間距 60mm,軸承極限轉(zhuǎn)速 n=9000r/min,采用脂潤滑，預(yù)期壽命 Lh =12000h初步計算當(dāng)量動負(fù)荷=0.711e13.4975806RAFX=0.56,暫選一近似中間值 Y=1.5。另查表得 fp=1.2P =fp(XFR+YFA)=1.2(0.56698.5+1.5432.3)=1247.53N計算軸承應(yīng)有的基本額定動負(fù)荷 C r查表得, ft=1,又 =3Cr= LnfPht 6.27510563.1247066初選軸承型號查機(jī)械工程及自動化簡明設(shè)計手冊,選擇 6202 軸承, Cr=7.65KN，其基本額定靜負(fù)荷 Cor=3.72KN驗算并確定軸承型號汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計29 FA/Cor=432.3/3720=0.116,e 為 0.30,軸向載荷系數(shù) Y 應(yīng)為 1.45 計算當(dāng)量動載荷Pr=fp(XFR+YFA)=1.2(0.56149735/60+1.45432)=1338.5N 驗算 6204 軸承的壽命Lh= 12000hCfnrt 2079139657167即高于預(yù)期壽命，能滿足要求。上軸承選擇比下軸承稍大的型號 6203,同樣滿足要求。 3.2.8 鍵的計算p= p=120MPa2dlkTmK85.1205.21638式中：T傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為 Nmm；D軸的直徑，單位為 mm；L鍵的接觸長度，單位為 mm；K鍵與輪轂接觸高度， Kh/2 ,單位為 mm； 許用擠壓應(yīng)力，單位為 MPa。p選用 A 型鍵 ，公稱尺寸 bh=55；鍵的接觸長度 L 應(yīng)該大于 15mm,則L 15+6=21mm； 圓頭普通平鍵(A 型)的尺寸參考 GB1096-79；鍵和鍵槽的斷面尺寸參考 GB1095-79。汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計304 EPS的關(guān)鍵部件和控制策略4.1 EPS的關(guān)鍵部件選型4.1.1 電動機(jī)電動機(jī)根據(jù) ECU 的指令輸出適宜的轉(zhuǎn)矩，一般采用無刷永磁直流電動機(jī) 9，無刷永磁電動機(jī)具有無激勵損耗、效率較高、體積較小等特點。電機(jī)是 EPS 的關(guān)鍵部件之一，對 EPS 的性能有很大的影響。由于控制系統(tǒng)需要根據(jù)不同的工況產(chǎn)生不同的助力轉(zhuǎn)矩，具有良好的動態(tài)特性并容易控制，這些都要求助力電機(jī)具有線性的機(jī)械特性和調(diào)速特性。此外還要求電機(jī)低轉(zhuǎn)速大扭矩、波動小、轉(zhuǎn)動慣量小、尺寸小、質(zhì)量輕、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。我們采用的永磁直流電機(jī)，主要參數(shù)如下表：表 4-1 EPS 電動機(jī)基本參數(shù)型式 永磁式直流電動機(jī)額定時間 S2 2 分鐘標(biāo)稱輸出 150W額定轉(zhuǎn)速 1200r/min/DC額定轉(zhuǎn)矩 1.2Nm/30A額定電流 30A旋轉(zhuǎn)方向 正反轉(zhuǎn)允許最大電流 35A4.1.2 電磁離合器電磁離合器是保證電動助力只在預(yù)定的范圍內(nèi)起作用。當(dāng)車速、電流超過限定的最大值或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生故障時，離合器便自動地切斷電動機(jī)的電源，恢復(fù)手動控制轉(zhuǎn)向 10。此外，在不助力的情況下，離合器還能夠消除電動機(jī)的慣性對轉(zhuǎn)向的影響。為了減少與不需要轉(zhuǎn)向助力時駕駛車輛感覺的差別，離合器不僅具有滯后輸出的特性，同時還具有半離合器狀態(tài)區(qū)域。離合器采用干式電磁式離合器，主要參數(shù)見表 4-2。表 4-2 干式單片電磁離合器型式 干式單片電磁離合器汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計31額定時間 連續(xù)功耗 9.8W/12V 20C額定轉(zhuǎn)矩 1.47Nm/12V 20C線圈阻抗 14.714.1.3 減速機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)用來增大電動機(jī)傳遞給轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)矩。它主要有兩種形式：雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)和渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)。由于減速機(jī)構(gòu)對系統(tǒng)工作性能的影響較大，因此在降低噪聲、提高效率和左右轉(zhuǎn)向操作的對稱性方面對減速機(jī)構(gòu)提出了較高的要求。4.1.4 扭矩傳感器扭矩傳感器用以檢測轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的大小和方向，以及轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的大小和方向，它是 EPS 系統(tǒng)的控制信號之一。精確、可靠、低成本的扭距傳感器是決定 EPS 能否占領(lǐng)市場的關(guān)鍵因素之一。扭距傳感器主要有接觸式和非接觸式兩種。常用的接觸式（主要指電位計式）傳感器有擺臂式、雙排行星齒輪式和扭桿式三種類型，而非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器主要有光電式和磁電式兩種。前者的成本低，但受溫度和磨損影響易發(fā)生漂移、使用壽命較低。 ，需要對制造精度和扭桿剛度進(jìn)行折中，難以實現(xiàn)絕對轉(zhuǎn)角和角速度的測量。后者的體積小、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、剛度相對較高，易實現(xiàn)絕對轉(zhuǎn)角和角速度的測量，但是成本較高。因此扭矩傳感器類型的選取根據(jù)EPS 的性能要求綜合考慮。汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計32圖 4-1 扭矩傳感器我們選用非接觸式扭矩傳感器。如圖所示為非接觸式扭矩傳感器的典型結(jié)構(gòu)。輸入軸和輸出軸由扭桿連接起來，輸入軸上有花鍵，輸出軸上有鍵槽。當(dāng)扭桿受方向盤的轉(zhuǎn)動力矩作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，輸入軸上的花鍵和輸出軸上鍵槽之間的相對位置就被改變了?；ㄦI和鍵槽的相對位移改變量等于扭轉(zhuǎn)桿的扭轉(zhuǎn)量，使得花鍵上的磁感強(qiáng)度改變，磁感強(qiáng)度的變化，通過線圈轉(zhuǎn)化為電壓信號。信號的高頻部分由檢測電路濾波，僅有扭矩信號部分被放大。非接觸扭矩傳感器由于采用的是非接觸的工作方式，因而壽命長，可靠性高，不易受到磨損，有更小的延時，受軸的偏轉(zhuǎn)和軸向偏移的影響更小?，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于轎車和輕型車中，是 EPS 傳感器的主流產(chǎn)品。本次設(shè)計選用了德國 NCTE 公司生產(chǎn)的 Series 2000 系列的非接觸式扭矩傳感器。4.1.5 電流傳感器我們選用閉環(huán)霍爾傳感器，它的優(yōu)點是電路形式簡單、成本相對較低，精度和線性度較好，響應(yīng)時間較快，溫度漂移較小。表 4-3 電流傳感器主要參數(shù)型式 閉環(huán)霍爾電流傳感器額定電流 50A測量范圍 80A汽車電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計33輸出電流 50mA精度 0.8%/25 攝氏度匝數(shù)比 l:1000電源 士 15V4.2 EPS的電流控制EPS 的上層控制器用來確定電動機(jī)的目標(biāo)電流。根據(jù) EPAS 的特點，上層控制策略分為助力控制、回正控制和阻尼控制 12。EPS 的電流控制方式控制過程為：控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出 Th和車速傳感器的輸出 V 由助力特性確定電動機(jī)的目標(biāo)電流 Imo，然后電流控制器控制電動機(jī)的電流 Im，使電動機(jī)輸出目標(biāo)助力矩。因此 EPS 的控制要解決兩個問題：（1）確定助力特性;（2）跟蹤該助力特性。整個控制器可以分為上、下兩層，上層控制器用來根