GWHF型汽車電動助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)設(shè)計摘 要近年來，中國的國家經(jīng)濟(jì)實力得到了快速發(fā)展，人民的生活水平普遍提高,所以汽車正成為我們生活的必須品。車輛在行駛過程中隨時都要變向，而這就是通過轉(zhuǎn)向器實現(xiàn)的，可以說，轉(zhuǎn)向器對汽車來說相當(dāng)于人的傳出神經(jīng)，是其決定著車該如何行駛，對于一個駕駛員來說，轉(zhuǎn)向操作是否省力、輕便、可靠極為重要，試想每次轉(zhuǎn)向都要使出很大的勁，那樣一個駕駛員開車將會很痛苦，而且行駛很不安全。GWHF型汽車屬于SUV，一種運動型多用途車，近年來SUV成為最受追捧的車型。目前現(xiàn)有的SUV車輛上所采用的轉(zhuǎn)向器多是無助力或液壓助力，機(jī)械式轉(zhuǎn)向器因其無法兼顧操縱省力和轉(zhuǎn)向靈敏這兩個互相矛盾的要求，其遲早將會被徹底淘汰。且電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電力而不是液壓，與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比較省略了許多元件。而且無“寄生損失”和液體泄漏損失。電動式動力轉(zhuǎn)向器的傳動效率較高，返回性能較好，且節(jié)省能源、易于裝車、操作舒適，引起了各國汽車界的重視。本設(shè)計主要是對現(xiàn)有的液壓循環(huán)球轉(zhuǎn)向器進(jìn)行改進(jìn)，使其實現(xiàn)電助力，并進(jìn)行計算。關(guān)鍵詞：汽車；電動助力轉(zhuǎn)向器；轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)設(shè)計 The type of GWHF automotive electric power steering structural designAbstract We can see the car everywhere in our daily life which is used to instead walking, The more and more get the favor of people。With Chinas national economic strength of rapid development，peoples living standards have common improve ，so people to the performance requirements of car is higher and higher also。Vehicles in the course of driving at any time and place may need to change direction，and this is through the steering gear to realize。We can say, steering gear is equivalent to the people of car efferent nerve, is its decision a car how to driving, for a pilot, it turned to the operation is energy, light, reliable is very important, just think every time to all want to use a lot of trouble, so a drivers will be very pain, and it was not safe to drive. GWHF type car belongs to the SUV, a sport utility vehicle, in recent years to become the most SUV more popular models. At present the existing SUV vehicle used by the steering gear is no power or hydraulic power, mechanical steering gear because it could not give consideration to the effortless manipulation and sensitive to the two conflicting requirements, it will be completely eliminated sooner or later. And electric power steering system not only power hydraulic, and hydraulic steering system compared omitted many components. And there are no "parasitic loss" and liquid leakage loss. Electric power steering gear transmission efficiency is higher, return to good performance, and save energy, easy to load, operation and comfortable, caused all countries aware of its accomplishments and attention. This design is mainly to the existing hydraulic steering gear ball improve circulation, make its realization electric power, and to calculate. Keywords: Car ; Electric Power Steering ; steering structure design 目 錄摘要Abstract1緒論11.1選題背景11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3本設(shè)計的目的及意義22 轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)方案分析33 轉(zhuǎn)向器各個參數(shù)的選擇與確定53.1轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù)53.1.1 轉(zhuǎn)向器的效率53.1.2轉(zhuǎn)向器的角傳動比i53.2主要尺寸參數(shù)的選擇64轉(zhuǎn)向器傳動副尺寸設(shè)計與選定94.1螺桿、鋼球和螺母傳動副設(shè)計94.1.1鋼球中心距D及螺母內(nèi)徑D2的確定94.1.2鋼球數(shù)目的確定104.1.3滾道截面104.1.4接觸角114.1.5導(dǎo)管內(nèi)徑d1的確定114.2齒條、齒扇傳動副設(shè)計114.3 各軸承的選擇125軸的設(shè)計計算及校核135.1轉(zhuǎn)向搖臂軸（即齒形齒扇軸）的設(shè)計計算135.1.1漸開線花鍵的設(shè)計計算135.2.2變厚齒形齒扇的計算145.3.3齒扇齒的應(yīng)力校核155.2螺桿軸設(shè)計計算及主要零件的校核155.2.1軸的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計165.2.2鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力校核165.3各個零件材料的選用176轉(zhuǎn)向器助力部分設(shè)計186.1助力電機(jī)的選定186.2助力部分機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計207用SolidWorks進(jìn)行轉(zhuǎn)向器三維設(shè)計217.1 轉(zhuǎn)向器零件的繪制217.2轉(zhuǎn)向器的裝配247.3轉(zhuǎn)向器爆炸圖的生成268結(jié)論28參考文獻(xiàn)附錄致謝GWHF型汽車液壓改電動助力轉(zhuǎn)向器設(shè)計1緒論1.1選題背景近年來SUV在中國市場日趨火爆，國人也不再唯“小車”是瞻，而各大汽車公司也紛紛針對中國市場設(shè)計制造最適合的SUV。汽車轉(zhuǎn)向器是汽車上不可或缺的部件，它是用來改變車輛轉(zhuǎn)彎或保持汽車行使方向以及對車輛進(jìn)行回正的結(jié)構(gòu)。隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，市場上的汽車將會越來越多，從而造成交通擁堵，使駕駛員必須時時刻刻操縱轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向，這就要求設(shè)計者拿出能減輕駕駛疲勞的汽車。所以，無論是為滿足快速增長的轎車市場還是為給駕車者更舒適更安全的的駕車體驗，都需要一種高性能、低成本的大眾化的轎車轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)。本設(shè)計主要是對循環(huán)球轉(zhuǎn)向器進(jìn)行改進(jìn)并進(jìn)行三維造型，以SolidWorks為基礎(chǔ)，結(jié)合所學(xué)書本知識及所搜索的網(wǎng)絡(luò)資料，分析轉(zhuǎn)向器的工作原理，各個零件的具體作用，運用SolidWorks軟件對其進(jìn)行了零件的繪制和工程圖、爆炸圖、裝配圖的生成。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于現(xiàn)有的液壓動力轉(zhuǎn)向器存在著浪費能源等缺陷,各大汽車公司一直試圖使用其他動力轉(zhuǎn)向來代替液壓動力轉(zhuǎn)向。在過去的幾十年中,由于電子技術(shù)的快速發(fā)展,使得電動助力成為可能。許多汽車公司紛紛對電助力轉(zhuǎn)向進(jìn)行了投資,使得EPS得以應(yīng)運而生,日本的小型汽車是最早裝備電動助力系統(tǒng)的。在20世紀(jì)80年代,日本鈴木公司首次在Alto汽車上裝備電助力轉(zhuǎn)向器。在這之后,電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)得到了快速廣泛的發(fā)展，尤其是在以美國為首的發(fā)達(dá)國家。經(jīng)過近些年的發(fā)展, EPS的各項性能都得到了提高與完善,其應(yīng)用范圍也越來越廣,近年來，本田雅閣和一汽大眾速騰等這些汽車上已經(jīng)安裝上了電助力轉(zhuǎn)向器。從整個世界來看,EPS的應(yīng)用正以驚人的速度增加著?？梢灶A(yù)知，EPS將會快速普及小型汽車市場,并逐步向其他車型滲透。就我國來看,早在2000年國家就曾指出要將EPS列為汽車零部件的高科技和新型產(chǎn)品。隨后,EPS步入了快速發(fā)展的軌道, 但由于國內(nèi)的EPS起步還是比較晚，目前很少應(yīng)用到實際生產(chǎn)中。由于EPS具有的巨大優(yōu)勢，受到了國內(nèi)許多專家、學(xué)者和企業(yè)的看重。不僅如此,國內(nèi)許多大學(xué)在這方面也做了一系列的研究工作,取得了一定的進(jìn)展,但在實際應(yīng)用中很難達(dá)到預(yù)期的要求，因而還有待進(jìn)一步的改進(jìn)。1.3本設(shè)計的目的及意義本設(shè)計旨在設(shè)計出能讓GWHF汽車實現(xiàn)電助力轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向器。并用于鍛煉個人的設(shè)計及繪圖能力。轉(zhuǎn)向器是汽車中對安全影響最大的部件，駕駛員控制汽車行駛的實際意義就是駕駛員控制轉(zhuǎn)向器來改變行駛方向。汽車的轉(zhuǎn)向和制動都是汽車安全首要考慮的。而操作轉(zhuǎn)向是否省力，轉(zhuǎn)向靈敏與否將成為評價轉(zhuǎn)向器優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)，本設(shè)計主要是對循環(huán)球轉(zhuǎn)向器進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，使其能夠?qū)崿F(xiàn)電動助力。機(jī)械式轉(zhuǎn)向器操縱起來很費力，并且轉(zhuǎn)向不靈敏。而液壓動力轉(zhuǎn)向需要耗費液壓油，存在油液損失。而EPS則可以很好的克服以上缺點的，因而有必要研制出這種傳動效率高且轉(zhuǎn)向靈敏的轉(zhuǎn)向器。2 轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)方案分析轉(zhuǎn)向器又名轉(zhuǎn)向機(jī)、方向機(jī)，它是轉(zhuǎn)向系中最重要的部件，是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展和工作中扮演一個相當(dāng)重要的角色。具體的定義為：用于使汽車在運行過程中隨機(jī)改變運行路線和方向的裝置。汽車轉(zhuǎn)向器根據(jù)轉(zhuǎn)向的能源不同可以分為機(jī)械轉(zhuǎn)向（無助力）和動力轉(zhuǎn)向兩大類。機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能量完全由司機(jī)通過一系列的機(jī)械設(shè)備提供,轉(zhuǎn)向施加力的大小由司機(jī)作用在方向盤上的力控制；動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能量則是由兩部分構(gòu)成，其一是由開車的駕駛員手上使勁來提供，另一部分則是由助力結(jié)構(gòu)來提供。按結(jié)構(gòu)形式又可將轉(zhuǎn)向器分為齒輪齒條式、蝸桿曲柄指銷式、循環(huán)球-齒條齒扇式、循環(huán)球曲柄指銷式、蝸桿滾輪式等。到目前為止,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了機(jī)械轉(zhuǎn)向、液壓助力轉(zhuǎn)向、電液助力轉(zhuǎn)向和電動助力轉(zhuǎn)向等幾個階段，接下來還可能會向著線控動力轉(zhuǎn)向發(fā)展。隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展以及人們對于舒適、安全性能要求的不斷提高,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展。在中國，EPS還很少被用在汽車上，尤其是中大型汽車。以前在在一些科幻電影中出現(xiàn)的無人飛機(jī)、無人駕駛汽車,現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)實，當(dāng)然只是用于國防等重要領(lǐng)域。當(dāng)下，擺在我們眼前的難題是如何把所有車型的轉(zhuǎn)向不靈敏這一重大難點攻克，發(fā)展和研究EPS已刻不容緩。EPS工作原理可表示如下: 現(xiàn)今，GWHF型車所用的轉(zhuǎn)向器都是采用循環(huán)球式，而現(xiàn)在市場上較常見的的電助力轉(zhuǎn)向器電機(jī)布置情況有以下3種： 管柱助力式 小齒輪助力式 齒條助力式圖2-1 常見電助力轉(zhuǎn)向器顯然以上三種電動助力結(jié)構(gòu)并不適合于循環(huán)球助力式轉(zhuǎn)向器，一般來說，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的電機(jī)輸出軸是通過電磁離合器與渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)連接，而渦輪安裝在一段與螺桿軸通過聯(lián)軸器連接的軸上。 本次設(shè)計擬采用EPS系統(tǒng)如圖2-2所示。圖2-2循環(huán)球式EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖3 轉(zhuǎn)向器各個參數(shù)的選擇與確定3.1轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù)3.1.1 轉(zhuǎn)向器的效率轉(zhuǎn)向器的正效率是指功率從轉(zhuǎn)向軸輸入，經(jīng)轉(zhuǎn)向搖臂軸輸出所求得的效率，用符號表示，；反之則稱為逆效率，用符號表示，。式中為轉(zhuǎn)向器中的摩擦功率；為轉(zhuǎn)向搖臂軸上的功率。為了確保轉(zhuǎn)向時滿足轉(zhuǎn)向輕便的這一特點, 要求其高,為了滿足車輛轉(zhuǎn)完方向后可以自己回到直線行駛這一狀態(tài),需要有一定的。一般地，我們將逆效率取得盡可能低。對于循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，如果我們忽略軸承和其他地方的摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，其可用式（3-1）計算，可用式（3-2）計算。 （3-1） 其中，為螺桿的螺線導(dǎo)程角(取8)：為摩擦角，；為摩擦因數(shù)。取為8；取0.03，； （3-2）式（3-1）和（3-2）表明：增加，則、均增大。受增大的影響，不宜取得過大。一般地，導(dǎo)程角必須大于磨擦角。3.1.2轉(zhuǎn)向器的角傳動比i對同一路面,阻力一定，傳到轉(zhuǎn)向器處的阻力矩就一定，即同一條件下，可以通過減少角傳動比來減少開車人員需要輸出的并作用在轉(zhuǎn)向方面的勁力，繼而達(dá)到操縱輕便的目標(biāo)。但i加大后，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的變化感應(yīng)將會變得遲鈍，使轉(zhuǎn)彎所需要的時間增加，因而汽車將不太靈敏度； 所以“輕”和“靈”構(gòu)成了一對矛盾。根據(jù)轉(zhuǎn)向操縱的需要，所以i在直線行駛位置附近有較小值，轉(zhuǎn)向比較“靈”；在兩端有較大值，轉(zhuǎn)向比較“輕”。所以i變化的情況將是中間低兩端高這一情況，如圖3-1所示。3-1 所選汽車i變化特性曲線3.2主要尺寸參數(shù)的選擇通過互聯(lián)網(wǎng)可以查到GWHF型汽車各種型號的主要技術(shù)參數(shù)，本設(shè)計中選擇哈弗09款銳意版2.0的幾種為設(shè)計參考。其具體數(shù)據(jù)見下表3-2。表3-1 各類汽車循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的齒扇齒模數(shù)齒扇齒模數(shù)mmm3.03.54.04.55.06.06.5乘用車發(fā)動機(jī)排量mL500100018001600200020002200前軸負(fù)荷/N3500380047007350700090008300110001000011000商用車前軸負(fù)荷N300050004500750055001850070001950090002400017000370002300044000最大裝載kg350100025002700350060008000表3-2哈弗 09款 H3銳意版2.0汽車的主要技術(shù)參數(shù)哈弗 09款 H3銳意版 2.0系列：豪華型精英型天窗版最高時速(km/h)：160160160長(mm)：465046504650寬(mm)：180018001800高(mm)：181018101810軸距(mm)：270027002700前輪距(mm)：151515151515后輪距(mm)：152015201520最小離地間隙(mm)：180180180整備質(zhì)量(Kg)：172017201720排量(L)：2.02.02.0最大馬力(Ps)：122122122最大功率-功率值(kW)：909090最大功率轉(zhuǎn)速(rpm)：525052505250最大扭矩(N/m)170170170最大扭矩-轉(zhuǎn)速(rpm)：2500-30002500-30002500-3000驅(qū)動方式：前置后驅(qū)前置后驅(qū)前置后驅(qū)前輪胎規(guī)格：235/65 R17235/65 R17235/65 R17后輪胎規(guī)格：235/65 R17235/65 R17235/65 R17通過查閱汽車設(shè)計方面的教材，對循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計規(guī)范如表3-1和表3-3。汽車的軸荷分配：質(zhì)量分配為兩軸各承擔(dān)的空車重量。一般軸荷分配是希望滿載時每個輪胎的負(fù)荷大致相等。對后軸為單胎的汽車，希望前后軸的軸荷各為50%， GWHF型汽車后輪為單胎，其整備質(zhì)量為1720kg，所以前軸載荷為860kg。 GWHF型汽車屬于乘用車，根據(jù)其車輛的發(fā)動機(jī)排量為2000ml，前軸載荷為860kg，查表（3-1）可選齒扇齒模數(shù)為4.0。根據(jù)表（3-3）選取對應(yīng)的參數(shù)為： 鋼球直徑：6.350mm 螺距：9.525mm 工作圈數(shù)：1.5螺桿外徑：25mm 環(huán)流行數(shù)：2 螺母長度：46mm齒扇齒數(shù)：5 齒扇壓力角：2230 切削角：630鋼球中心距：25mm 齒扇寬：28mm 搖臂軸外徑：30mm表3-3 循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的主要參數(shù)參數(shù)數(shù)值齒扇模數(shù)/mm3.03.54.04.55.06.06.5搖臂軸直徑/mm22263032323538404245鋼球中心距/mm202325252830323540螺桿外徑/mm2023252528293438鋼球直徑/mm5.5565.5566.3506.3507.1447.1448.000螺距/mm7.9388.7319.5259.52510.00010.00011.000工作圈數(shù)1.51.52.52.5環(huán)流行數(shù)2螺母長度/mm41455246475856596272788082齒扇齒數(shù)355齒扇整圓齒數(shù)121313131415齒扇壓力角22302730切削角630630730齒扇寬/mm2225252725283028-3230343835384轉(zhuǎn)向器傳動副尺寸設(shè)計與選定 4.1螺桿、鋼球和螺母傳動副設(shè)計圖4-1 螺桿、鋼球和螺母傳動副為了形成螺母上的循環(huán)軌道，在螺母上與其齒條相反的一側(cè)表面（通常為上表面）需鉆孔與螺母的螺旋滾道打通以形成一個環(huán)路滾道的兩個導(dǎo)孔，并分別插入鋼球?qū)Ч艿膬啥藢?dǎo)管。鋼球?qū)Ч苁怯射摪鍥_壓成具有半圓截面的滾道，然后對接成導(dǎo)管，并經(jīng)氰化處理使之耐磨。插入螺母螺旋滾道兩個導(dǎo)孔的鋼球的兩個導(dǎo)管的中心線應(yīng)與螺母螺旋滾道的中心線相切。由3.3節(jié)的查詢結(jié)果可知：鋼球直徑d=6.350mm螺距t=9.525mm螺桿外徑D1=25mm螺旋線導(dǎo)程角之前已取0=8一個環(huán)路中的鋼球圈數(shù)W=1.5b=t-d=9.525-6.350=3.175,其中b>2.5mm滿足要求。4.1.1鋼球中心距D及螺母內(nèi)徑D2的確定鋼球中心距D是指螺桿兩側(cè)鋼球中心間的距離，它是一個基本尺寸，直接影響轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)尺寸和強度。在保證滿足所需的強度條件下，應(yīng)將將D值盡可能取小些。螺桿外徑D1、螺母內(nèi)徑D2及鋼球直徑d等對鋼球中心距D的大小都有影響。查表3-3可得，螺桿外徑D1為25mm，鋼球中心距D=26mm，由上圖結(jié)構(gòu)關(guān)系可知，為避免摩擦，應(yīng)使,一般。所以可得出取D2=27mm，顯然滿足結(jié)構(gòu)D2>D1的要求。4.1.2鋼球數(shù)目的確定對鋼球的直徑滿足大直徑的鋼球其承載能力大，但同時螺桿和螺母傳動副和轉(zhuǎn)向器的尺寸也隨之增大增大。鋼球的直徑d應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，一般應(yīng)參考同類型汽車的轉(zhuǎn)向器尺寸選取d，同時，鋼球數(shù)量也影響承載能力，增多鋼球能提高承載能力，但會使鋼球流動的性能變差，進(jìn)而使傳動效率變低。經(jīng)驗表明在每個環(huán)路中n以不大于60為好。鋼球數(shù)目（不包含環(huán)流管中）可有下式確定：式中 D鋼球中心距（D=26mm）；W個環(huán)路中的鋼球工作圈數(shù)， W=1.5；d-鋼球直徑（d=6.350mm）；螺線導(dǎo)程角（=8）。4.1.3滾道截面滾道有單圓弧、四段圓弧和橢圓等截面形式。目前應(yīng)用較廣泛的是四段圓弧滾道截面，如圖4-2所示：圖4-2 四段圓弧滾道截面圖中滾道與鋼球之間的間隙，除用來貯存潤滑油之外，還能貯存磨損雜質(zhì)。為了減小摩擦，螺桿和螺母溝槽的半徑R2應(yīng)大于鋼球半徑d/2，一般取R2=(0.51-0.53)d。本設(shè)計取滾道半徑為3.37mm,符合相應(yīng)的要求。螺桿滾道應(yīng)倒角，用來避免滾道尖角處被嚙出毛刺而劃傷鋼球后降低傳動效率。4.1.4接觸角鋼球與螺桿軌道接觸點的正壓力方向與螺桿軌道道法向截面軸線間的夾角稱為，如圖4-2所示。一般取為45，以使軸向力和徑向力分配均勻。4.1.5導(dǎo)管內(nèi)徑d1的確定容納鋼球且鋼球在其內(nèi)部流動的導(dǎo)管內(nèi)徑d1=d+e，式中e為鋼球直徑d與導(dǎo)管內(nèi)徑之間的間隙。e不易過大，否則鋼球流經(jīng)導(dǎo)管時球心偏離導(dǎo)管中心線的距離增大，并使流動阻力增大。一般e在0.40.8之間取值，導(dǎo)管壁厚取為1mm。取e=0.6，則導(dǎo)管內(nèi)徑d1=6.95mm，導(dǎo)管外徑為8.95mm。4.2齒條、齒扇傳動副設(shè)計齒扇有5個齒，它與搖臂軸為一體。齒扇的齒厚沿齒長方向是變化的，這樣即可通過軸向移動搖臂軸來調(diào)節(jié)齒扇與齒條的嚙合間隙。轉(zhuǎn)向器通常是工作于中間位置，因此齒條、齒扇的中間齒的磨損最為厲害。為了消除中間齒磨損后產(chǎn)生的間隙而又不致在轉(zhuǎn)彎時使兩端齒卡住，則應(yīng)增大兩端齒嚙合時的齒側(cè)間隙。齒側(cè)間隙的改變可通過設(shè)計使齒扇各齒具有不同的齒厚來達(dá)到。即齒扇由中間齒向兩端齒的齒厚是逐漸減小的。為此可在齒扇的切齒過程中使毛坯繞工藝中心轉(zhuǎn)動，如圖4-3所示，相對于搖臂軸的中心有距離為的偏心。這樣加工的齒扇在齒條的嚙合中由中間齒轉(zhuǎn)向兩端的齒時，齒側(cè)間隙也逐漸加大，可表達(dá)為 式中徑向間隙；嚙合角；齒扇的分度圓半徑；搖臂軸的轉(zhuǎn)角。圖4-3 齒側(cè)間隙情況齒側(cè)間隙能夠適應(yīng)消除中間齒最大磨損量所形成的間隙的需要。一般是將齒條(一般有4個齒)兩側(cè)的齒槽寬制成比中間齒槽大0.200.30mm即可。查表3-4有：齒扇模數(shù)m=4.0mm，齒扇齒數(shù)Z=5，齒扇壓力角2230，切削角：630，齒扇寬：28mm ，螺母長度：46mm。4.3 各軸承的選擇螺桿和搖臂軸都是通過軸承支撐在轉(zhuǎn)向器的殼體上，其中螺桿既受到軸向力又受到徑向力，其中徑向受載荷較大，查閱機(jī)械設(shè)計可知，選擇深溝球軸承能滿足要求，且價格便宜，故本次設(shè)計選取深溝球軸承。螺桿軸應(yīng)留有階梯來固定軸承，因而與軸承配合處軸徑為20mm。綜合考慮各種條件故選取軸承型號為6204。搖臂軸由殼體內(nèi)的滾針軸承和端蓋中的襯套支撐。直徑為30mm，選用RNA4905滾針軸承可滿足要求。5軸的設(shè)計計算及校核5.1轉(zhuǎn)向搖臂軸（即齒形齒扇軸）的設(shè)計計算為保證行駛安全，組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強度。要驗算轉(zhuǎn)向系零件的強度，需首先確定作用在各零件上的力。查閱汽車設(shè)計方面的知識可知，汽車在混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩Mr滿足： 式中為轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑，查表3-3，可知=30mm；為扭轉(zhuǎn)強度極限，取值為200MPa，k為安全系數(shù)，可取2.53.5。取k=3.5 軸結(jié)構(gòu)如圖5-1所示圖5-1 搖臂軸結(jié)構(gòu)簡圖軸伸出殼體的部分制成錐形漸開線花鍵，并使用螺母緊固，這樣可以保證轉(zhuǎn)向搖臂能緊緊壓靠到軸上，使之聯(lián)結(jié)緊固、無間隙、工作可靠，花鍵的加工工藝與齒輪相同；由于齒扇和齒條在工作時存在摩擦力，工作一段時間后會產(chǎn)生間隙，為使此間隙的調(diào)整工作容易進(jìn)行，故將齒扇設(shè)計成變厚齒扇。5.1.1漸開線花鍵的設(shè)計計算花鍵連接常根據(jù)被連接件的特點、尺寸、使用要求和工作條件，確定其類型、尺寸，然后進(jìn)行必要的強度校核計算。本軸的采用圓柱直齒漸開線花鍵，并選擇45花鍵，模數(shù)為m=1,齒數(shù)為Z=29，壓力角為45。漸開線花鍵幾何尺寸的計算 分度圓直徑D=mZ=129=29mm;基圓直徑Db=mZcos45=29x0.707=20.50mm;周 節(jié)P=m=3.141=3.14mm;內(nèi)花鍵大徑Dei=m(Z+1.2)=1(29+1.2)=30.2mm;外花鍵大徑Dee= m(Z+0.8)= 1(29+0.8)=29.8mm; 外花鍵小徑Die= m(Z-1.2) =1(29-1.2)=27.8mm；漸開線花鍵的校核計算漸開線花鍵連接強度可按擠壓、彎曲和剪切來計算。實踐證明，擠壓強度常是主要的。其計算過程如下：漸開線花鍵的平均直徑Dm=D=29mm;漸開線花鍵齒的工作高度hg=m=1mm；漸開線花鍵齒的工作長度lg=25mm；漸開線花鍵齒的彎曲應(yīng)力 由此可知，漸開線花鍵的設(shè)計滿足要求。5.2.2變厚齒形齒扇的計算變厚齒形齒扇的計算，如圖5-2所示，一般將中間剖面I-I定義為基準(zhǔn)平面。進(jìn)行變厚齒扇計算之前，必須確定的參數(shù)有：變厚齒扇的模數(shù)m，參考表3-3選??；法向壓力角0=22.5；齒頂高系數(shù)X1，一般取0.8或1.0；徑向間隙系數(shù)，取0.2；正圓齒數(shù)，在1215之間選?。积X扇寬度，一般在22mm28mm。首先根據(jù)汽車的前軸負(fù)荷G1=14140N，查表,選取齒扇的模數(shù)m=4mm。然后，由變厚齒扇的模數(shù)m=4mm,由第3章知識選擇確定轉(zhuǎn)向器的相關(guān)尺寸。圖5-2 變厚齒形齒扇的計算簡圖變厚齒扇的幾何尺寸，計算結(jié)果如下：變厚齒扇的模數(shù)m=4mm;變厚齒扇的法向壓力角0=22.5；整圓齒數(shù)為15；齒扇齒數(shù)為z=5；變位系數(shù)X1=ha*(Zmin-Z)/Zmin=1.118；分度圓直徑d=mz=415=60mm;分度圓齒厚S=pm/2=3.144/2=6.28mm;齒頂高 ha= X1m=14=4mm;齒根高 hf=( X1+c)=(0.8+0.2)4=4.8mm;齒頂圓直徑da=d+2ha=60+24=68mm;齒扇的結(jié)構(gòu)設(shè)計由于齒扇的齒頂圓直徑da=68mm<500mm，因此可采用鍛造毛坯；又齒扇的齒根圓直徑df=d-2hf=60-24.8=50.04mm，而齒扇的軸徑為30mm,二者相差不大，故可制成一體的齒輪軸，軸的材料必須與齒扇齒輪相同。5.3.3齒扇齒的應(yīng)力校核齒扇齒的受力情況如圖5-3所示。圖5-3 齒扇齒的受力簡圖齒扇齒的彎曲應(yīng)力可用下式計算式中：F作用在齒扇上的圓周力；F =N h齒扇的齒高； B齒扇的齒寬；B取 s基圓齒后。許用彎曲應(yīng)力為=540MPa由此可知，齒形齒扇的設(shè)計能夠滿足設(shè)計要求。5.2螺桿軸設(shè)計計算及主要零件的校核軸的結(jié)構(gòu)如圖5-4所示圖5-4 螺桿軸結(jié)構(gòu)簡圖5.2.1軸的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮軸向固定，內(nèi)側(cè)采用軸肩，又考慮角接觸球軸承的標(biāo)準(zhǔn)，故左右軸徑均取d=20mm；左端軸徑長度為14mm，以便將軸承可靠地固定在轉(zhuǎn)向螺桿軸上；為使汽車轉(zhuǎn)向螺桿軸中心與轉(zhuǎn)向萬節(jié)的中心能保持高度一致，二者的連接采用凸緣聯(lián)軸器連接。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)過3p角(即1.5圈)時，齒扇節(jié)圓應(yīng)轉(zhuǎn)過的弧長等于對應(yīng)螺母在螺桿上移動的距離S,此時，搖臂軸轉(zhuǎn)過0.25p角，與此同時，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)至最大轉(zhuǎn)角，則則螺桿螺紋滾道的有效工作長度L等于螺母在螺桿上移動的距離的2倍，即L=2S=247.1mm=94.2mm;在此條件下，應(yīng)盡量縮短滾道長度。但為安全計，在有效工作長度L之外的兩端各增加0.50.75圈滾道長度。因此，螺桿螺紋滾道的實際有效工作長度LL=L+2(0.50.75)d=94.2+2(0.50.75)6.35=100.55103.725mm;取整后取L=110mm；5.2.2鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力校核圖5-5 螺桿受力簡圖受力分析圖如圖5-5。作用在螺桿上的軸向力F2N鋼球與螺桿之間的正壓力F3 鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力可用下式計算表5-1 系數(shù)K與A/B的關(guān)系A(chǔ)/B1.00.90.80.70.60.50.40.3K0.3880.4000.4100.4400.4680.4900.5360.600A/B0.20.150.10.050.020.010.007K0.7160.8000.9701.2801.82.2713.202式中K系數(shù)，根據(jù)AB查表5-1求得，其中AB用下式計算： ； 螺桿與螺母滾道截面的圓弧半徑；螺桿外半徑；=12.5mm；鋼球半徑；A/B=0.9 因此，K取0.97；E材料彈性模量，； 而許用接觸應(yīng)力，顯然滿足的要求，即強度滿足要求。5.3各個零件材料的選用螺桿和螺母通常用20CrMnTi制造，表面滲碳。滲碳層深度在1.051.45mm。表面硬度為HRC5863。轉(zhuǎn)向器殼體采用球墨鑄鐵QT400-18制造。球體選用20CrMnTi制造。6轉(zhuǎn)向器助力部分設(shè)計6.1助力電機(jī)的選定汽車轉(zhuǎn)向正一步步想著駕駛輕松省力的方向發(fā)展，采用動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)很顯然滿足這樣的要求。本次選用電動助力類型為S-EPS（輸入軸助力式）。在S-EPS中，扭矩傳感器，直流電機(jī)，減速裝置和循環(huán)球機(jī)械轉(zhuǎn)向器通過裝在相應(yīng)殼體中然后用螺栓連接在一起。轉(zhuǎn)向傳動軸是獨立的，它與機(jī)械轉(zhuǎn)向器輸入軸通過聯(lián)軸器相連；而控制器與傳感器、電機(jī)是用電線連通實現(xiàn)相應(yīng)的控制。電機(jī)是通過控制單元的指令來提供適宜的扭矩，電動轉(zhuǎn)向所能匹配的電機(jī)有直流有刷電機(jī)和直流無刷電機(jī)兩種?，F(xiàn)在經(jīng)常使用的電機(jī)是的是直流的有刷式；但越來越多的EPS電機(jī)都采用無刷式。本設(shè)計選用直流無刷電機(jī)。圖6-1 EPS電機(jī)（直流無刷） 不同車型EPS選用電機(jī)情況可查表6-1。No.車型EPS類型前軸負(fù)荷（kg）轉(zhuǎn)向力矩（Nm）電機(jī)（實際功率W）1吉利、夏利C-EPS7509001202皮卡/1噸貨車S-EPS100012001703金杯海獅R-EPS140016002204獵豹S-EPS1000160022051.5升轎車R-EPS1000120017062.0升轎車R-EPS1200140022073.0升轎車DD-EPS1500170036082噸貨車S-EPS16001700360919座面包S-EPS16001700360103噸貨車S-EPS24002100410113軸軍車S-EPS35002500500表6-1 車型EPS選用電機(jī)參考表本次設(shè)計選用的車型屬于SUV，顯然與表3中第二種車型相仿，故電機(jī)實際功率選為170W, 目前國產(chǎn)EPS的無刷式電機(jī)系列如下：無刷電機(jī)No電壓V功率W最大電流A最大輸出扭矩Nm備注112160302.0212300403.0324300403.0表6-2 無刷電機(jī)型號查表6-2可知，本次所采用電機(jī)的參數(shù)如下：額定電壓：12V 最大電流：30A最大輸出扭矩：2 NM前軸轉(zhuǎn)向力矩：1200NM 由額定電壓和最大電流查有刷電機(jī)參數(shù)表可知，電機(jī)型號可選取為R22L33 A-08A。其額定轉(zhuǎn)速為4860rpm。本設(shè)計選用式的直流電機(jī)，其中連接采用電磁式離合器（見圖6-2），它用于連接電機(jī)和蝸桿軸，控制單元通過車速大小來控制離合器，這樣可以實現(xiàn)EPS在預(yù)先設(shè)定的車量行駛的速度范圍工作。圖6-2電磁離合器6.2助力部分機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計本設(shè)計主要包括以下零件：輸入軸、傳感器、螺桿、鋼球、轉(zhuǎn)向螺母、齒扇軸、蝸桿、蝸輪及其安裝軸、助力電機(jī)等。電機(jī)輸出軸通過渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)與螺桿一端通過電磁離合器接合，由于現(xiàn)在電機(jī)都已經(jīng)變頻，轉(zhuǎn)速可以很低而不至于燒壞電機(jī)，因而此減速機(jī)構(gòu)可以有一定的浮動。循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器中的蝸輪蝸桿的設(shè)計，是按照電機(jī)轉(zhuǎn)速與要求的轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)速相關(guān)的關(guān)系做的。它們的速比應(yīng)基本滿足轉(zhuǎn)向器6090 r/min 的要求，中重型車為下限，輕型車可以根據(jù)用戶要求相對提高。 與螺桿連接部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6-3圖6-3 轉(zhuǎn)向器齒扇螺母配合面剖視圖聯(lián)軸器選用凸緣式GY1型，具體尺寸由螺桿軸小徑16確定，渦輪軸左端連在聯(lián)軸器上，直接選為16，其上要安裝渦輪，右邊采用軸肩定位，從聯(lián)軸器出來留有余量，安裝時需用到套筒固定渦輪之后軸與滑塊配合，滑塊與傳感器配合，滑塊移動引起傳感器反映，反饋回EUC系統(tǒng)，進(jìn)而控制電機(jī)工作。渦輪軸另一端與輸入軸（與轉(zhuǎn)向盤相連的軸）相連。渦輪與蝸桿配合，蝸桿軸通過電磁離合器與電機(jī)相連。其中，渦輪蝸桿減速器的速比為60，模數(shù)為m=1，蝸桿頭數(shù)Z1=1，分度圓直徑d1=18mm，渦輪齒數(shù)為60。7用SolidWorks進(jìn)行轉(zhuǎn)向器三維設(shè)計7.1 轉(zhuǎn)向器零件的繪制1、螺桿的繪制 螺桿的螺距為9.525，采用四段圓弧滾道截面，經(jīng)過掃描處理即可繪制出三維圖形。2、導(dǎo)管鋼球?qū)Ч芤彩窃谥行木€中畫出輪廓，然后沿著輪廓位置進(jìn)行掃掠，最后得到鋼球?qū)Ч艿娜S圖形。3、螺母的繪制 螺母的內(nèi)孔繪制和螺桿一樣要采用掃描處理，齒條則是根據(jù)模數(shù)查用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)畫出一個齒，然后整列并采用拉伸切除獲得；螺母和齒條面相對的一面是和導(dǎo)管配合，應(yīng)留出導(dǎo)管軌道，采用拉伸切出可得到，為固定導(dǎo)管，采用導(dǎo)管扣固定，則螺母上應(yīng)有和導(dǎo)管扣配合的螺孔，需用異型孔向?qū)伞?、導(dǎo)管扣導(dǎo)管扣采用掃描生成，在掃描的基礎(chǔ)上切出三個螺釘空即可。5、間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)處T型槽螺栓 T型槽螺栓采用的公稱直徑選為M12，通過旋轉(zhuǎn)切出、陣列、拉伸切除等命令可繪制出。6、搖臂軸 搖臂軸根據(jù)齒輪模數(shù)先畫出齒輪，然后采用拉伸切除切除多余的部分，階梯軸采用拉伸即可實現(xiàn)。7、箱體 轉(zhuǎn)向器的箱體圖主要采用拉伸和拉伸切除命令，其具體尺寸是考慮到內(nèi)部的螺桿螺母和搖臂軸，留有適當(dāng)?shù)目臻g即可。7.2轉(zhuǎn)向器的裝配1、螺桿、鋼球和螺母傳動副的裝配2、齒條齒輪副的配合圖3、渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)配合圖4、總裝圖7.3轉(zhuǎn)向器爆炸圖的生成1、螺桿螺母傳動副爆炸視圖2、 轉(zhuǎn)向器機(jī)械部分裝配圖爆炸8結(jié)論電助力轉(zhuǎn)向器是汽車轉(zhuǎn)向器發(fā)展的必然趨勢，通過本次畢業(yè)設(shè)計，使我對轉(zhuǎn)向器有了深入的了解和認(rèn)識，雖然目前國內(nèi)SUV車型上所用的電動助力轉(zhuǎn)向器還很少，但我相信，短期內(nèi)肯定會把電助力轉(zhuǎn)向器應(yīng)用到SUV車上。作為一個機(jī)械設(shè)計的學(xué)生，我學(xué)習(xí)過機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、機(jī)械加工工藝、機(jī)械制圖以及互換性等專業(yè)知識，經(jīng)過本次設(shè)計，使我對這些專業(yè)知識有了進(jìn)一步的理解，作為一個設(shè)計人員，必須具備強大的工藝知識，對零部件的互換有自己深入的見解，同時還應(yīng)具有機(jī)械制圖的能力。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)并進(jìn)行方案分析，本次設(shè)計首先對現(xiàn)有的各種轉(zhuǎn)向器進(jìn)行了分析比較，然后對轉(zhuǎn)向進(jìn)行設(shè)計計算，還采用Solidworks三維軟件對設(shè)計的轉(zhuǎn)向器進(jìn)行了三維造型。完成本次設(shè)計，得到了一些有益的結(jié)論，但由于時間和條件的限制，認(rèn)為還有進(jìn)一步的工作要做。設(shè)計中沒有對轉(zhuǎn)向器進(jìn)行有限元分析，也沒能參觀到現(xiàn)有長城哈弗車轉(zhuǎn)向器的安放情況，因而轉(zhuǎn)向器殼體的設(shè)計沒能考慮到怎樣造型安放最合理。根據(jù)現(xiàn)行的汽車參數(shù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和參照相似類型車輛的技術(shù)狀況，本論文借用GWHF型汽車相關(guān)參數(shù)完成了初步的設(shè)計，達(dá)到了設(shè)計的目的。應(yīng)用AUTO CAD工程制圖軟件繪制了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的零件圖和裝配圖；分析計算并選取了設(shè)計過程中所需要的主要參數(shù)，最終完成了自己的循環(huán)球式EPS轉(zhuǎn)向器設(shè)計。通過此次對GWHF型汽車循環(huán)球式EPS轉(zhuǎn)向器的設(shè)計，初步掌握了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計的原則，同時鍛煉了自己綜合解決問題的能力。參考文獻(xiàn)1 王望予.汽車設(shè)計M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000. 2 陳家瑞.汽車構(gòu)造（下冊）M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.3 聞幫春.機(jī)械設(shè)計手冊M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.4 呂宏，王慧.機(jī)械設(shè)計M. 北京：北京大學(xué)出版社，20095 郭順生，李益兵，楊明忠.電動動力轉(zhuǎn)向器的發(fā)展與研究J.北京汽車，2001,04：1-26 張玉瑩.循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計的幾個問題J.二汽科技，1987,05：8-137 左建令，吳浩.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展及展望J.上海汽車，2005，01：37-398 王玉梅等.微型汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器齒扇設(shè)計參數(shù)分析J.長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005, 02:145-1479 楊占鵬. 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對汽車操縱穩(wěn)定性的影響J. 拖拉機(jī)與農(nóng)用運輸車，2008，02：85-8610 畢大寧，康富生，馬慧. 循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器的研制J. 汽車零部件，2012，01：52-5911 張輝，唐厚君.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計J.工業(yè)控制計算機(jī)，2007，10：68-7112 FAN Chang-sheng,GUO Yan-ling. 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Stuntz, Control and Steering Feel Issues in the Design of an Electric Power Steering System, Proceedings of the American Control Conference, 1998.附錄本次設(shè)計中選用的電機(jī)為深圳市力宇科技有限公司的WD(S)系列無刷直流電機(jī)，通過查閱有刷電機(jī)參數(shù)表，最終選取110WD-01型電機(jī)，電機(jī)的尺寸形狀如附圖1，電機(jī)技術(shù)規(guī)格如附表1。 附圖1 電機(jī)的尺寸形狀圖具體參數(shù)如下：D=95h8，D1=130，Lc=110，d=12，s=9，h1=3，h2=12， L2=2， b=4，LR=25，LL=139。型號額定功率(KW)額定轉(zhuǎn)矩(N.m)電壓（V）極對數(shù)110WDS-0114.8100-3002最大轉(zhuǎn)矩(N.m)額定轉(zhuǎn)速(r/min)編碼器反饋可選類型配套伺服驅(qū)動器最大轉(zhuǎn)矩(N.m)142000增量式1000線,增量式2500 線，增量式3600 線。MCBPLUS200-5/10- N-S-XXXX/EHCD14附表1 110WDS-01電機(jī)技術(shù)規(guī)格情況電磁離合器選用廣州電磁離合器廠的CE10S6AA型內(nèi)軸承式電磁離合器。其與軸徑為12的軸配合使用。致謝本次畢業(yè)設(shè)計能夠順利完成，離不開孟兆新教授的細(xì)心指導(dǎo)和種種鼓勵，沒有孟老師的數(shù)次講解，我的設(shè)計將無法完成。尤其在繪制零件圖和裝配圖時，由于本人水平有限且沒考慮到現(xiàn)實實際，導(dǎo)致圖紙出現(xiàn)了許多錯誤，是孟老師一次又一次的為我糾正錯誤，才得以把圖紙繪制出來。孟老師專業(yè)知識的雄厚和不怕辛苦對學(xué)生指導(dǎo)的認(rèn)真負(fù)責(zé)態(tài)度都使我深感佩服！在此向孟老師表示深深的感謝！在設(shè)計過程中，得到了郭艷玲老師給予的許多建議和幫助，在此表示感謝，謝謝郭老師的幫助和鼓勵！最后感謝東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計專業(yè)的全體老師，是你們花費了大量時間對我進(jìn)行栽培，我才能有基礎(chǔ)來進(jìn)行本次設(shè)計；是你們?yōu)槲掖蛳聢詫嵉幕A(chǔ)，我才能順利完成本次設(shè)計的所有內(nèi)容。32評審意見表畢業(yè)設(shè)計題目學(xué)生姓名專業(yè)班級指導(dǎo)教師評語:建議成績：指導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日評審意見表畢業(yè)設(shè)計題目學(xué)生姓名專業(yè)班級評閱人評語:建議成績：評閱人（姓名、職稱）: 年 月 日評審意見表畢業(yè)設(shè)計題目學(xué)生姓名專業(yè)班級評閱人評語:建議成績：評閱人（姓名、職稱）: 年 月 日答辯委員會意見: 答辯委員會(教師姓名、職稱)：畢業(yè)設(shè)計成績：