本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書1摘 要轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車的重要組成部分，也是決定汽車主動(dòng)安全性的關(guān)鍵總成，它的質(zhì)量嚴(yán)重影響汽車的操縱穩(wěn)定性。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車轉(zhuǎn)向器也在不斷的得到改進(jìn)，電子轉(zhuǎn)向器已開始應(yīng)用，同時(shí)廣泛地被世界各國(guó)汽車及汽車零部件生產(chǎn)廠商所采用。而在機(jī)械式轉(zhuǎn)向器中，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器由于其自身的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各級(jí)各類汽車上。本次設(shè)計(jì)主要對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先對(duì)轉(zhuǎn)向器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，此轉(zhuǎn)向器選用的是側(cè)面輸入，兩端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。其優(yōu)點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊；殼體由鋁合金或鎂合金壓鑄而成，故質(zhì)量比較??；傳動(dòng)效率高達(dá) 90%；齒輪齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙后，可利用裝在齒條背部、靠近小齒輪的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧自動(dòng)消除齒間間隙，在提高系統(tǒng)剛度的同時(shí)也可防止工作時(shí)產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用體積?。粵]有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿，可以增大轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；制造成本低。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；EPS；橫拉桿；設(shè)計(jì)；校核本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書2ABSTRACTSteering system is an important part of automobile, and also a key assembly to determine the active safety of automobile. Its quality seriously affects the handling stability of automobile. With the development of automotive industry, automotive steering gear has been constantly improved. Electronic steering gear has been applied and widely used by automotive and automotive parts manufacturers all over the world. In mechanical steering, rack-and-pinion steering gear is widely used in all kinds of automobiles because of its own characteristics. This design mainly carries on the design to the electric power steering system. Firstly, the structure of the steering gear is designed. The steering gear is a rack-and-pinion steering gear with side input and output at both ends. Its advantages are as follows: simple structure and compact; shell made of aluminum alloy or magnesium alloy die-casting, so its quality is relatively small; transmission efficiency is as high as 90%; after the gap between the rack and gear due to wear occurs, the gap between the rack and gear can be automatically eliminated by the spring which can be adjusted by the pressure installed on the back of the rack and near the pinion, so as to improve the stiffness of the system and prevent impact and noise while working. Sound; Steering device occupies small volume; without steering rocker arm and straightening rod, steering wheel angle can be increased; low manufacturing cost. Keywords: steering system; EPS; horizontal tie rod; design; verification.本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書目 錄摘 要 .1ABSTRACT 2第 1 章 緒 論 .11.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的簡(jiǎn)介 .11.2 課題研究的目的 11.3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn) .11.3.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的優(yōu)點(diǎn) .11.3.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的特點(diǎn) 21.4 EPS 轉(zhuǎn)向器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .21.5 研究的方法及技術(shù)路線 .31.5.1 研究方法 41.5.2 研究技術(shù)路線 .41.6 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 .4第 2 章 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 52.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類 .52.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理 .62.3 EPS 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要零部件的方案確定 .92.3.1 扭力傳感器與車速傳感器 92.3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī) .92.3.3 減速執(zhí)行機(jī)構(gòu) 102.3.4 ECU 控制單元 10第 3 章 轉(zhuǎn)向器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 103.1 轉(zhuǎn)向器類型的選擇 103.2 計(jì)算載荷的確定 113.2.1 轉(zhuǎn)向力矩的計(jì)算 .113.2.2 轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比的計(jì)算 .11本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書3.2.3 作用在轉(zhuǎn)向盤上的力 .133.2.4 轉(zhuǎn)向橫拉桿的計(jì)算 .133.2.5 主動(dòng)齒輪軸的計(jì)算 .133.3 齒輪齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算 143.3.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)要求 .143.3.2 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器部件設(shè)計(jì) .143.4 轉(zhuǎn)向器的材料選擇及強(qiáng)度校核 15第 4 章 齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 184.1 轉(zhuǎn)向器的受力分析 .184.2 齒輪軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 184.3 齒輪軸的強(qiáng)度校核 20第 5 章 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)間隙的調(diào)整與確定 235.1 選擇材料 .235.2 計(jì)算彈簧絲直徑 235.3 穩(wěn)定性驗(yàn)算 .24第 6 章 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)附件的選擇 266.1 軸承的選擇 .266.2 潤(rùn)滑方式的確定 266.3 密封結(jié)構(gòu)的確定 27第 7 章 EPS 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn) .28結(jié) 論 .33參考文獻(xiàn) .35致 謝 .36本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書1第 1 章 緒 論1.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的簡(jiǎn)介近年來各國(guó)政府都從資金、技術(shù)方面大力發(fā)展汽車工業(yè)，使其發(fā)展速度明顯比其它工業(yè)要快的多，因此汽車工業(yè)迅速成為一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志。改革開放以來，我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展迅猛。作為汽車關(guān)鍵部件之一的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也得到了相應(yīng)的發(fā)展，基本已形成了專業(yè)化、系列化生產(chǎn)的局面。有資料顯示，國(guó)外有很多國(guó)家的轉(zhuǎn)向器廠，都已發(fā)展成大規(guī)模生產(chǎn)的專業(yè)廠，年產(chǎn)超過百萬臺(tái)，壟斷了轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)，并且銷售點(diǎn)遍布了全世界。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車的一個(gè)重要組成部分，其性能的好壞將直接影響到汽車的轉(zhuǎn)向特性、穩(wěn)定性、和行駛安全性。目前汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)主要有七大類：手動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)（MS） 、液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)（HPS） 、電控液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)（ECHPS） 、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)（EPS） 、四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)（4WS） 、主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向技術(shù)（AFS）和線控轉(zhuǎn)向技術(shù)（SBW） 。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場(chǎng)上以 HPS、ECHPS、EPS 應(yīng)用為主。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向具有節(jié)約燃料、有利于環(huán)境、可變力轉(zhuǎn)向、易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模塊化等優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)緊扣當(dāng)今汽車發(fā)展主題的新技術(shù)，他是目前國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究熱點(diǎn)。1.2 課題研究的目的隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)于汽車的需求越來越高，同時(shí)對(duì)于汽車的安全性及舒適性的要求也越來越高，為了適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，滿足人們的使用要求，轉(zhuǎn)向器也在不斷地發(fā)展。在現(xiàn)代汽車上，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是必不可少的最基本的系統(tǒng)之一，也是決定汽車主動(dòng)安全性的關(guān)鍵總成，汽車的轉(zhuǎn)向特性，保持汽車具備較好的操縱性能，始終是汽車檢測(cè)技術(shù)當(dāng)中的一個(gè)重要課題。特別是在車輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天，汽車轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)工作顯得尤為重要。1.3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)1.3.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的優(yōu)點(diǎn)對(duì)于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(EPS)，電動(dòng)機(jī)僅在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)才工作并消耗蓄電池能量；而對(duì)于常流式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，因液壓泵處于長(zhǎng)期工作狀態(tài)和內(nèi)泄漏等原因要消耗較多的能量。兩者比較，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的燃料消耗率僅為液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向的16%～20%。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書2液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的工作介質(zhì)是油，任何部位出現(xiàn)漏油，油壓將建立不起來，不僅失去助力效能，并對(duì)環(huán)境造成污染。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障停止工作時(shí)，液壓泵也不工作，結(jié)果也會(huì)喪失助力效能，這就降低了工作可靠性。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)不存在漏油的問題，只要蓄電池內(nèi)有電提供給電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，就能有助力作用，所以工作可靠。若液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的油路進(jìn)入空氣或者貯油罐油面過低，工作時(shí)將產(chǎn)生較大噪聲，在排除氣體之前會(huì)影響助力效果；而電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向僅在電動(dòng)機(jī)工作時(shí)有輕微的噪聲。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向與液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向比較，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)僅需克服轉(zhuǎn)向器的摩擦阻力，不存在回位彈簧阻力和反映路感的油壓阻力。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向還有整體結(jié)構(gòu)緊湊、部件少、占用的空間尺寸小、質(zhì)量比液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向約輕 20%~25%以及汽車上容易布置等優(yōu)點(diǎn)。1.3.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的特點(diǎn)(1）EPS 節(jié)能環(huán)保。由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，液壓泵始終處于工作狀態(tài)，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量增加了3%~5%,而 EPS 以蓄電池為能源，以電機(jī)為動(dòng)力元件，可獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)工作，EPS 幾乎不直接消耗發(fā)動(dòng)機(jī)燃油。EPS 不存在液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的燃油泄漏問題，EPS 通過電子控制，對(duì)環(huán)境幾乎沒有污染。(2）EPS 裝配方便。EPS 的主要部件可以集成在一起，易于布置，與液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向相比減少了許多原件，沒有液壓系統(tǒng)所需要的油泵、油管、壓力流量控制閥、儲(chǔ)油罐等，原件數(shù)目少，裝配方便，節(jié)約時(shí)間。(3）EPS 效率高。液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)效率一般在60%~70%，而 EPS 得效率較高，可高達(dá)90%以上。(4）EPS 路感好。傳統(tǒng)純液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系大多采用固定放大倍數(shù)，工作驅(qū)動(dòng)力大，但卻不能實(shí)現(xiàn)汽車在各種車速下駕駛時(shí)的輕便性和路感。而 EPS 系統(tǒng)的滯后性可以通過 EPS 控制器的軟件加以補(bǔ)償，是汽車在各種速度下都能得到滿意的轉(zhuǎn)向助力。(5）EPS 回正性好。EPS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅操作簡(jiǎn)便，還可以通過調(diào)整 EPS 控制器的軟件，得到最佳的回正性，從而改善汽車的操縱穩(wěn)定性和舒適性。(6）動(dòng)力性。EPS 系統(tǒng)可隨車速的高低主動(dòng)分配轉(zhuǎn)向力，不直接消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率，只在轉(zhuǎn)向時(shí)才起助力作用，保障發(fā)動(dòng)機(jī)充足動(dòng)力。 （不像 HPS 液壓系統(tǒng)，即使在不轉(zhuǎn)向時(shí)，油泵也一直運(yùn)轉(zhuǎn)處于工作狀態(tài)，降低了使用壽命）1.4 EPS 轉(zhuǎn)向器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀汽車能夠?qū)崿F(xiàn)在道路上行駛轉(zhuǎn)彎，主要靠改變方向的轉(zhuǎn)向器實(shí)現(xiàn)的，但是如何本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書3降低轉(zhuǎn)向過程中動(dòng)力的損失，還有減少燃油的消耗這是進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮的問題，同時(shí)對(duì)于購(gòu)車的人來說，這也是他們選擇汽車的主要性能指標(biāo)。隨著社會(huì)的發(fā)展，近幾年以來人民大眾經(jīng)濟(jì)都好起來，對(duì)汽車的舒適性方面和動(dòng)力性方面等要求非常高。21 世紀(jì)以來，微電子技術(shù)的發(fā)展及機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)在人們生活當(dāng)中隨處可見，汽車行業(yè)的發(fā)展，主要是向著多元化和工業(yè)化的方向發(fā)展，其中轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)在汽車中具有非常重要的位置。目前汽車對(duì)車速和轉(zhuǎn)向的要求方面很高，所以轉(zhuǎn)向器的使用對(duì)性能將會(huì)有十分重要的影響。因?yàn)槲⑿娃I車上狹小的發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間給液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安裝帶來了很大的麻煩，而 EPS 原件比較少，重量輕，裝配方便，比較適合在微型轎車上安裝。因此在國(guó)外，EPS 系統(tǒng)首先是在微型轎車上發(fā)展起來的。上世紀(jì)80年代初期，日本鈴木公司首次在其 Cervo 轎車上安裝了 EPS 系統(tǒng)，隨后還應(yīng)用在其 Alto 車上。此后，EPS 在日本得到迅速發(fā)展。出于節(jié)能環(huán)保的考慮，歐、美等國(guó)的汽車公司也相繼對(duì) EPS 進(jìn)行了開發(fā)和研究。雖然比日本晚了十年時(shí)間，但是歐美國(guó)家的開發(fā)力度比較大，所選擇的產(chǎn)品類型也有所不同。日本起初選擇了技術(shù)相對(duì)成熟的有刷電機(jī)。有刷電機(jī)比較成熟，在汽車上的應(yīng)用較廣，比如雨刷、車窗等部分，稍作改進(jìn)就適應(yīng)了 EPS 的要求，因此研發(fā)周期較短，上世紀(jì)80年代末期就開始產(chǎn)業(yè)化，主要裝配在微型車上。而歐美則選擇了難度較大的無刷電機(jī)，但是電子控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，延長(zhǎng)了研發(fā)周期。直到90年代中期歐美才開始量產(chǎn)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展看，有刷電機(jī)存在一定弊端，比如電機(jī)產(chǎn)生的噪聲較難克服，磨損較嚴(yán)重，存在電磁干擾等問題。因此，日本現(xiàn)在國(guó)內(nèi)裝配的 EPS 也逐漸轉(zhuǎn)向無刷電機(jī)了。我國(guó)汽車電子行業(yè)的總體發(fā)展相對(duì)滯后，但是，隨著汽車對(duì)環(huán)保、節(jié)能和安全性要求的進(jìn)一步提高，代表著現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向的 EPS 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已被我國(guó)列為高新科技產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目之一，國(guó)內(nèi)各大院校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)在進(jìn)行 EPS 技術(shù)的研究，也有少數(shù)供應(yīng)商能批量提供轉(zhuǎn)向軸式的 EPS 系統(tǒng)。但總的來講目前國(guó)內(nèi) EPS技術(shù)還不成熟；供應(yīng)商所提供的 EPS 系統(tǒng)還未達(dá)到產(chǎn)品級(jí)的要求，且類型單一，還不能滿足整車廠需要。據(jù)悉，自主品牌研發(fā)的 EPS 系統(tǒng)離產(chǎn)業(yè)化就差整車廠批量裝車認(rèn)可這一臺(tái)階了，相信很快就可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。EPS 系統(tǒng)是未來動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書4趨勢(shì)。1.5 研究的方法及技術(shù)路線1.5.1 研究方法（1）通過查閱相關(guān)資料，掌握電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要參數(shù)。（2）充分考慮已有電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)來確定電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)現(xiàn)有裝置的不足進(jìn)行分析。（3）對(duì)設(shè)計(jì)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行修改和優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)出能滿足要求的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。1.5.2 研究技術(shù)路線（1）根據(jù)題目和原始數(shù)據(jù)查看相關(guān)資料，了解當(dāng)今國(guó)內(nèi)外電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景，撰寫文獻(xiàn)綜述和開題報(bào)告。（2）根據(jù)產(chǎn)品功能和技術(shù)要求提出多種設(shè)計(jì)方案，對(duì)各種方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從中選擇較好的方案，再對(duì)所選擇的方案做進(jìn)一步的修改或優(yōu)化，最終確定總體設(shè)計(jì)方案。（3）具體設(shè)計(jì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置、工作裝置等。 （4）對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)中的重要零件進(jìn)行校核計(jì)算，如齒輪、軸、軸承等，保證設(shè)計(jì)的合理性和可行性。 ；（5）繪制零件圖、裝配圖，完成要求的圖紙量；（6）整理各項(xiàng)設(shè)計(jì)資料，撰寫論文。1.6 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求根據(jù)以上轉(zhuǎn)向器的主要功能，結(jié)合轉(zhuǎn)向器的使用狀態(tài)，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中主要有如下幾點(diǎn)要求：（1）轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)過程中要保證駕駛員操作力矩適中；（2）轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)要保證方向盤與齒輪齒條的匹配；（3）軸承的設(shè)計(jì)應(yīng)保證潤(rùn)滑，無異響；（4）設(shè)計(jì)中要考慮減震的設(shè)置，降低整車的噪音及 NVH 性能；（5）由于轉(zhuǎn)向器一直在使用，因此在設(shè)計(jì)中要考慮到使用耐久性；（6）由于轉(zhuǎn)向涉及要駕駛員及整車的安全性，因此要保證功能的可靠；本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書5（7）轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)要保證其耐久性與吸熱性。第 2 章 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)2.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類EPS 系統(tǒng)依據(jù)電動(dòng)機(jī)布置位置的不同可分為轉(zhuǎn)向軸助力式、小齒輪助力式、齒條助力式三個(gè)基本類型（圖 2-3）a） b) c)a) 轉(zhuǎn)向軸助力式 b) 齒輪助力式 c） 齒條助力式圖 2-3 EPS 系統(tǒng)的類型(1) 轉(zhuǎn)向軸助力式 轉(zhuǎn)向軸助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)布置在靠近轉(zhuǎn)向盤下方，并經(jīng)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸連接（圖 2-3a） 。這種布置方案的特點(diǎn)是：由于轉(zhuǎn)向軸助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的電動(dòng)機(jī)布置在駕駛室內(nèi)，所以有良好的工作條件；因電動(dòng)機(jī)輸出的助力轉(zhuǎn)矩經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)增大后傳給轉(zhuǎn)向軸，所以電動(dòng)機(jī)輸出的助力轉(zhuǎn)矩相對(duì)小些，電動(dòng)機(jī)尺寸也小，這又有利于在車上布置和減輕質(zhì)量；電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器、減速機(jī)構(gòu)、電磁離合器等裝為一體是結(jié)構(gòu)緊湊，上述部件又與轉(zhuǎn)向器分開，故拆裝與維修工作容易進(jìn)行；轉(zhuǎn)向器仍然可以采用通用的典型結(jié)構(gòu)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器；電動(dòng)機(jī)距駕駛員和轉(zhuǎn)向盤近，電動(dòng)機(jī)的工作噪聲和振動(dòng)直接影響駕駛員；轉(zhuǎn)向軸等零件也要承受來自電動(dòng)機(jī)輸出的助力轉(zhuǎn)矩的作用，為使其強(qiáng)度足夠，必須增大受載件的尺寸；盡管電動(dòng)機(jī)的尺寸不大，但因這種布置方案的電動(dòng)機(jī)靠近方向盤，為了不影響駕駛員腿部的動(dòng)作，在布置時(shí)仍然有一定的困難。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書6(2)齒輪助力式 齒輪助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)布置在與轉(zhuǎn)向器主動(dòng)齒輪相連接的位置（圖 2-3b） ，并通過驅(qū)動(dòng)主動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)助力。這種布置方案的特點(diǎn)是：電動(dòng)機(jī)布置在地板下方、轉(zhuǎn)向器上部，工作條件比較差對(duì)密封要求較高；電動(dòng)機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩基于與轉(zhuǎn)向軸助力式相同的原因可以小些，因而電動(dòng)機(jī)尺寸小，同時(shí)轉(zhuǎn)矩傳感器、減速機(jī)構(gòu)等的結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸也小，這將有利于在整車上的布置和減小質(zhì)量；轉(zhuǎn)向軸等位于轉(zhuǎn)向器主動(dòng)齒輪以上的零部件，不承受電動(dòng)機(jī)輸出的助力轉(zhuǎn)矩的作用，故尺寸可以小些；電動(dòng)機(jī)距駕駛員遠(yuǎn)些，它的動(dòng)作噪聲對(duì)駕駛員影響不大，但震動(dòng)仍然會(huì)傳到轉(zhuǎn)向盤；電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)等與轉(zhuǎn)向器主動(dòng)齒輪裝在一個(gè)總成內(nèi)，拆裝時(shí)會(huì)因相互影響而出現(xiàn)一定的困難；轉(zhuǎn)向器與典型的轉(zhuǎn)向器不能通用，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)、制造。(3)齒條助力式 齒條助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)構(gòu)等布置在齒條處（圖 2-3c） ，并直接驅(qū)動(dòng)齒條實(shí)現(xiàn)助力。這種布置方案的特點(diǎn)是：電動(dòng)機(jī)位于地板下方，相比之下，工作噪聲和振動(dòng)對(duì)駕駛員的影響都小些；電動(dòng)機(jī)減速機(jī)構(gòu)等不占據(jù)轉(zhuǎn)向盤至地板這段空間，因而有利于轉(zhuǎn)向軸的布置，駕駛員腿部的動(dòng)作不會(huì)受到它們的干擾；轉(zhuǎn)向軸直至轉(zhuǎn)向器主動(dòng)齒輪均不承受來自電動(dòng)機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩作用，故他們的尺寸能小些；電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)等工作在地板下方，條件較差，對(duì)密封要求良好；電動(dòng)機(jī)輸出的助力轉(zhuǎn)矩只經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)增扭，沒有經(jīng)過轉(zhuǎn)向器增扭，因而必須增大電動(dòng)機(jī)輸出的助力轉(zhuǎn)矩才能有良好的助力效果，隨之而來的是電動(dòng)機(jī)尺寸增大、質(zhì)量增加；轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)與典型的相差很多，必須單獨(dú)設(shè)計(jì)制造；采用滾珠螺桿螺母減速機(jī)構(gòu)時(shí)，會(huì)增加制造難度與成本；電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向器占用的空間雖然大一些，但用于前軸負(fù)荷大，前部空間相對(duì)寬松一些的乘用車上不是十分突出的問題。2.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由機(jī)械轉(zhuǎn)向器與電動(dòng)助力部分相結(jié)合構(gòu)成。電動(dòng)助力部分包括電動(dòng)機(jī)、電池、傳感器和控制器（ECU）及線束，有的還有減速機(jī)構(gòu)和電磁離合器等（圖 2-1）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書7ECU轉(zhuǎn) 角電 流 電 動(dòng) 機(jī) 轉(zhuǎn) 矩 傳 感 器轉(zhuǎn) 矩車 速 減 速 機(jī) 構(gòu)齒 輪 齒 條 式 轉(zhuǎn) 向 器離 合 器圖 2-1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意圖目前用于乘用車的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向器，均采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。其功能除用來傳遞來自轉(zhuǎn)向盤的力矩與運(yùn)動(dòng)以外，還有增扭、降速作用。轉(zhuǎn)向過程中，電動(dòng)機(jī)將來自蓄電池的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能向轉(zhuǎn)向系輸出而構(gòu)成轉(zhuǎn)向助力矩，并完成助力作用。與電動(dòng)機(jī)連接的減速機(jī)構(gòu)有蝸輪蝸桿、滾珠螺桿螺母或行星齒輪機(jī)構(gòu)等，其作用也是降速、增扭。裝在減速機(jī)構(gòu)附近的離合器（通常為電磁離合器）是為了保證電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)只在預(yù)先設(shè)定的行駛速度范圍內(nèi)工作。在車速達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)，離合器分離，并暫時(shí)停止電動(dòng)機(jī)的助力作用。與此同時(shí)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也暫時(shí)轉(zhuǎn)為機(jī)械式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，離合器也自動(dòng)分離。離合器分離后再行轉(zhuǎn)向時(shí)，可不必因帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)而消耗駕駛員體力。單片式電磁離合器包括主動(dòng)輪、從動(dòng)軸、壓盤、磁化線圈和滑環(huán)等。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書81.主動(dòng)輪 2.磁化線圈 3.壓盤 4.花鍵 5.從動(dòng)軸 6 軸承 7 滑環(huán) 8 電動(dòng)機(jī)圖 2-2 電磁離合器工作原理簡(jiǎn)圖其工作原理如圖所示，裝有磁化線圈 2 的主動(dòng)輪 1 與電動(dòng)機(jī)軸固定連接，來自控制器的控制電流經(jīng)滑環(huán) 7 輸入磁化線圈，于是主動(dòng)輪產(chǎn)生電磁吸力，將壓盤 3 吸到主動(dòng)輪上，然后電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)主動(dòng)輪、壓盤及壓盤轂上的花鍵傳給從動(dòng)軸 5，實(shí)現(xiàn)助力作用。汽車以較高車速轉(zhuǎn)向行駛，作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩將減小，以至于達(dá)到無需助力的程度，此時(shí)可設(shè)定：達(dá)到此車速時(shí)，電磁離合器停止工作。還有，在電動(dòng)機(jī)停止工作以后，電磁離合器在控制器的控制下也要分離或者自動(dòng)分離。此后，在進(jìn)行再進(jìn)行轉(zhuǎn)向?qū)⒉淮嬖谥ψ饔茫敝岭妱?dòng)機(jī)恢復(fù)工作為止。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的工作原理如下：當(dāng)駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤施力并轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，位于轉(zhuǎn)向盤下方與轉(zhuǎn)向軸連接的轉(zhuǎn)矩傳感器將經(jīng)扭桿彈簧連接在一起的上、下轉(zhuǎn)向軸的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)傳至控制器，在同一時(shí)刻車速信號(hào)也傳至控制器。根據(jù)以上兩信號(hào)，控制器確定電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和助力轉(zhuǎn)矩的大小。之后，控制器將輸出的數(shù)字量經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為模擬量，并將其輸入電流控制電路。電流控制電路將來自微機(jī)的電流命令值同電動(dòng)機(jī)電流的實(shí)際值進(jìn)行比較后生成一個(gè)差值信號(hào)，同時(shí)將此信號(hào)送往電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，該電路驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，并向電動(dòng)機(jī)提供控制電流，完成助力轉(zhuǎn)向作用。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書92.3 EPS 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要零部件的方案確定2.3.1 扭力傳感器與車速傳感器扭矩傳感器檢測(cè)扭轉(zhuǎn)桿扭轉(zhuǎn)變形，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘?hào)并輸出至電子控制單元，是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。扭距傳感器由分相器單元 1、分相器單元 2 及扭桿組成（如圖 2-4） 。圖 2-4 扭距傳感器轉(zhuǎn)子部分的分相器單元 1 固定于轉(zhuǎn)向主軸，轉(zhuǎn)子部分的分相器單元 2 固定于轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸。扭轉(zhuǎn)桿扭轉(zhuǎn)后，使兩個(gè)分相器單元產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)角度，電子控制單元根據(jù)兩個(gè)分相器的相對(duì)位置決定對(duì) EPS 電動(dòng)機(jī)提供多少電壓。車速傳感器的功能是測(cè)量汽車的行駛速度。目前，轎車 EPS 控制器一般都從整車CAN 總線中提取車速信號(hào)。2.3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)電動(dòng)機(jī)由轉(zhuǎn)角傳感器、定子及轉(zhuǎn)子組成（如圖 2-5） 。將電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)布置在齒條處，并直接驅(qū)動(dòng)齒條實(shí)現(xiàn)助力。通過轉(zhuǎn)角傳感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度防止扭矩波動(dòng)。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書10圖 2-5 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)2.3.3 減速執(zhí)行機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)采用滾珠式減速齒輪機(jī)構(gòu)，將其固定在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)傳到減速機(jī)構(gòu)，經(jīng)過滾珠及蝸桿傳到齒條軸上。滾珠在機(jī)構(gòu)內(nèi)部經(jīng)過導(dǎo)向進(jìn)行循環(huán)。2.3.4 ECU 控制單元電子控制單元（ECU）的功能是依據(jù)扭矩傳感器和車速傳感器的信號(hào)，進(jìn)行分析和計(jì)算后，發(fā)出指令，控制電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作。此外，ECU還有安全保護(hù)和自我診斷的功能，ECU通過采集電動(dòng)機(jī)的電流、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等信號(hào)判斷系統(tǒng)工作是否正常，一旦系統(tǒng)工作異常，電動(dòng)助力被切斷；同時(shí)ECU將進(jìn)行故障診斷分析，故障指示燈亮，并以故障所對(duì)應(yīng)的模式閃爍。第 3 章 轉(zhuǎn)向器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 轉(zhuǎn)向器類型的選擇汽車轉(zhuǎn)向系可按轉(zhuǎn)向能源的不同分為機(jī)械式轉(zhuǎn)向系和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系兩大類。汽車轉(zhuǎn)向器是用來保持或改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，還要保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。駕駛員通過操縱轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使汽車保持直線或轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，或者上述兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書11機(jī)械轉(zhuǎn)向系的能量來源是人力，所有傳力件都是機(jī)械的，由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。其中轉(zhuǎn)向器是將操縱機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)閭鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，是轉(zhuǎn)向系的核心部件。轉(zhuǎn)向器按結(jié)構(gòu)形式可分為多種類型。歷史上曾出現(xiàn)過許多種形式的轉(zhuǎn)向器，目前較常用的有齒輪齒條式、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。其中第二、第四種分別是第一、第三種的變形形式，而蝸桿滾輪式則更少見。如果按照助力形式，又可以分為機(jī)械式(無助力)，和動(dòng)力式(有助力)兩種，其中動(dòng)力轉(zhuǎn)向器又可以分為氣壓動(dòng)力式、液壓動(dòng)力式、電動(dòng)助力式、電液助力式等種類通過對(duì)不同形式的轉(zhuǎn)向器對(duì)比，最終選擇采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。3.2 計(jì)算載荷的確定為了保證行駛安全，組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。欲驗(yàn)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(dòng)轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力，包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)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。表 3.1 設(shè)計(jì)轎車的基本參數(shù)名稱 軸距 L 前輪距 L1 后輪距 L2 方向盤直徑數(shù)值 2750mm 1425mm 1435mm 380mm名稱 整車質(zhì)量 輪胎氣壓 轉(zhuǎn)彎半徑 最小離地間隙數(shù)值 1325kg 200KPa 5000mm 170mm3.2.1 轉(zhuǎn)向力矩的計(jì)算 m?N4.5931=2.0137.=1pGfMR(3.1)其中式中:f—輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，一般取 f=0.7；G1—轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷，G 1=10902.5N,單位為 N；P—輪胎氣壓，P=0.2MPa ,單位為 MPa。3.2.2 轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比的計(jì)算轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)比由轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比 iω和轉(zhuǎn)向系的力傳動(dòng)比 ip 組成．本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書12從輪胎接觸地面中心作用在兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪上的合力 2Fw 與作用在方向盤上的手力Fh 之比稱為力傳動(dòng)比 ip。方向盤的轉(zhuǎn)角和駕駛員同側(cè)的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角之比稱為轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比 iω.它又由轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比 io 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置角傳動(dòng)比 ip 所組成． 5.0=27sinRLαα=33.37°99975.0142537.33cos5000 2750costan ????????BRL??β=44.73° 1.6.7821.3605??KWi?式中:L—汽車軸距， L=2750,單位為 mm；R—汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑，R=5000,單位為 mm；B—前輪輪距，B=1425,單位為 mm；ωW—轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角（速度），ω W=1260°；ωK—轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角（速度），ω K=78.1°；iω—轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比,i ω=16.1。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書13圖 3.1 轉(zhuǎn)向原理圖3.2.3 作用在轉(zhuǎn)向盤上的力(3.2)式中:L1—轉(zhuǎn)向搖臂長(zhǎng)，單位為 mm；MR—原地轉(zhuǎn)向阻力矩， MR=593951.4N·mm；L2—轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)，單位為 mm；DSW—轉(zhuǎn)向盤直徑，D SW =380mm；iω—轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比，i ω=16.1；η+—轉(zhuǎn)向器正效率，η +=0.9。因齒輪齒條式轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)無轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向節(jié)臂，故 L1、L 2 不代入數(shù)值。NDLMFSWR 74.2159.0163852ih ??????本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書143.2.4 轉(zhuǎn)向橫拉桿的計(jì)算 ??4.678m10261.095.343????????aMdR(3.3)式中:a=L2；[σ]=216MPa MR=593.95N·m取 dmin=15mm3.2.5 主動(dòng)齒輪軸的計(jì)算 ?? m9.101406.25162max ????????Mn(3.4)式中：[τ]=140MPa取 dmin=18mm3.3 齒輪齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)要求齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器若用直齒圓柱齒輪則會(huì)使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性降低、沖擊大、噪聲增加。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪多數(shù)采用斜齒圓柱齒輪。齒輪模數(shù) m 的取值范圍多在 2-3mm之間，主動(dòng)小齒輪齒數(shù) z 多數(shù)在 5-7 個(gè)齒范圍變化，壓力角 α=20°，齒輪螺旋角 β的取值范圍多在 9-15°之間。齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪達(dá)到最大偏轉(zhuǎn)角時(shí)，相應(yīng)地齒條移動(dòng)行程應(yīng)達(dá)到的值來確定。變速比的齒條壓力角，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在 12-35°范圍內(nèi)變化。此外，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算齒輪的抗彎強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度。主動(dòng)小齒輪選用 16MnCr5 或 15CrNi6 材料制造，而齒條常采用 45 鋼制造。為減輕質(zhì)量，殼體用鋁合金壓鑄。3.3.2 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器部件設(shè)計(jì)1.齒輪 [10]： 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)向軸相連。因此，轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)使齒條橫向移動(dòng)已操縱前輪。齒輪軸由安裝在轉(zhuǎn)向器殼體上的球軸承支承。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書15(1)選擇齒輪類型根據(jù)齒輪傳動(dòng)的工作條件，選用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動(dòng)方案(2)選擇齒輪傳動(dòng)精度等級(jí)選用 7 級(jí)精度(3)初選參數(shù)如下表所示表 3.2 齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)名稱 計(jì)算公式 計(jì)算結(jié)果模數(shù) mn1 - mn1=2.5齒數(shù) Z1 - Z1=6壓力角 α1 - α1=20°螺旋角 β - β=10°斜齒圓柱齒輪直徑 d ?cos1zmdn?d=15.23mm2.齒條 [11]：齒條是在金屬殼體內(nèi)來回滑動(dòng)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，并保證轉(zhuǎn)向橫拉桿在適當(dāng)?shù)母叨纫允顾麄兣c懸架下擺臂平行。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(yùn)動(dòng)拉動(dòng)或推動(dòng)轉(zhuǎn)向橫拉桿，使前輪轉(zhuǎn)向。相互嚙合的齒輪的齒距 P1=πmn1cosα1 和齒條的齒距 P2=πmn2cosα2 必須相等。即 πmn1cosα1=πmn2cosα2計(jì)算出齒條的壓力角為：α 2=20° 5.90cos5.cos22 ?????????nmLZ(3.5)式中：L—齒條行程， 95mm；mn2—齒條模數(shù)，2.5；α2—齒條壓力角， α2=20°。?。篫 2=31本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書16齒輪直徑：d=m n1Z1/cosβ=15.23mm取齒寬系數(shù)：Ψ d=1.2齒寬：b=Ψ d×d=18.3mm所以齒條寬 b2 ?。?0mm，即：b 2=20mm齒輪寬：b 1=b2+10=30mm，即：b 1=30mm3.4 轉(zhuǎn)向器的材料選擇及強(qiáng)度校核1．選擇齒輪齒條材料、熱處理方式及計(jì)算許用應(yīng)力(1)選擇材料及熱處理方式齒輪：40Cr C-N 共滲淬火、回火 43—53HRC齒條：45 鋼 調(diào)質(zhì)處理 229—286HBS(2)確定許用應(yīng)力??limHNSZ??(3.6)liFTY(3.7)1)確定 σHlim 和 σFlim經(jīng)查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得：σHlim=1500MPaσFlim=300MPa2)確定壽命系數(shù) ZN、Y N 經(jīng)查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得：ZN=1.4（接觸次數(shù)取 8×106 次）YN=1（接觸次數(shù)取 8×106 次）3)計(jì)算許用應(yīng)力?。篠 Hlim=1，S Flim=1.4??MPa2104.15lim???HNSZ?(3.8) 經(jīng)查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得：應(yīng)力修正系數(shù)：Y ST=2本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書17?? MPa57.428.130lim???FNSTY?(3.9) 2.強(qiáng)度校核1)校核齒輪接觸疲勞強(qiáng)度:選取參數(shù)，按 ME 級(jí)質(zhì)量要求取值經(jīng)查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得:σHlim=1500MPaSHlim=1ZN=1.4（接觸次數(shù)取 8×106 次）??MPa2104.15lim???HS?(3.10)經(jīng)查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得：齒輪使用系數(shù)：K A=1.35齒輪動(dòng)載系數(shù)：K V=1.05齒輪齒向載荷分布系數(shù)：K β =1.12齒輪齒間載荷分配系數(shù)：K α=1.0K= KAKVKβKα=1.35×1.05×1.12×1.0=1.5876 (3.11)轉(zhuǎn)矩：TZ=Fh×L2=205×0.16=32.8N·m=32800 N·m m (3.12)齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核：??HZHBuKbdT???? ???121(3.13)式中：ZE—材料彈性系數(shù)， ZE =189.8(由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得)ZH—節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)， ZH =2.15(由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 》查得)Zτ—重合度系數(shù)，Z τ=0.94(計(jì)算 εα=1.165，ε β=0.55 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得)Zβ—螺旋角系數(shù)， Zβ=0.99(由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得)u—齒輪傳動(dòng)比，u =20:6=10/3本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書18得： MPa7.189645.13280769.0415.289 3??????H?σH =1896.7MPa≤ [σH]=2100 MPa 故齒輪接觸疲勞強(qiáng)度滿足要求。2)齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度校核：經(jīng)查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得：[σF]=428.57MPaSFlim=1.4YST=2YN=1(接觸次數(shù)取 8×106 次)?? MPa57.428.30lim???FST?(3.14)??FnZSdbKY????1(3.15)式中：YF—外齒輪的齒形系數(shù)，Y F =2.8(由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得)YS—外齒輪齒根應(yīng)力修正系數(shù)，Y S =1.5(由《 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得)Yβ—螺旋角系數(shù)， Yβ=0.9(由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得)Yτ—重合度系數(shù)，Y τ=0.75(由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得) 1F2dbmKTYnZS????MPa6.3245.308076.5.90.182 ????σF =332.6MPa≤ [σF]=428.57MPa 故齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度符合要求。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書19第 4 章 齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)齒輪軸指支承轉(zhuǎn)動(dòng)零件并與之一起回轉(zhuǎn)以傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩或彎矩的機(jī)械零件。一般為金屬圓桿狀，各段可以有不同的直徑。機(jī)器中作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零件就裝在軸上。4.1 轉(zhuǎn)向器的受力分析若略去齒面間的摩擦力，則作用與節(jié)點(diǎn)上的法向力 Fa 可以分解為徑向力 Fr 和分力 F，分力 F 又可以分為圓周力 Ft 和軸向力 Fa。受力分析如圖 4.2 所示：計(jì)算力如下：Ft=2TZ/d1=2×32800/15.23=4307.29N (4.1)Fr=Fttanα/cosβ=4307.29tan20°/cos10°=1591.1N (4.2)Fa=Fttanβ=4307.29tan10°=759.49N (4.3)式中：α—齒輪壓力角， α=20°；β—齒輪螺旋角， β=10°；TZ—轉(zhuǎn)向盤扭力矩，T Z =32800N·mm；d1—齒輪分度圓直徑，d 1=15.23mm。4.2 齒輪軸的設(shè)計(jì)計(jì)算經(jīng)過分析得到：圖 4.2 齒輪軸的受力分析圖在 XY 平面上， N91.521???rRF(4.4)0)27(3.)07(21 ????????RRaF在 XZ 平面上，本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書20???21RF(4.5)圖 4.3 受力分析圖 N29.430721?????FR解得： 65.121??R9.68??RF， 903??F本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書21圖 4.4 軸的彎矩扭矩圖圖 4.5 齒輪軸的力矩圖4.3 齒輪軸的強(qiáng)度校核查得 40Cr 的機(jī)械性能：σB=750MPaστ=550MPaσ-1=350MPa本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書22τ-1=200MPa[τ]=40～50MPa由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第四版）》查得：σ0=1.6σ-1=560MPaσsb=1.4σs=770MPaτs=0.70σB=525MPa對(duì)稱循環(huán)疲勞極限：σ-1b=0.41σB307.5MPaτ-1=0.30σB=225MPa脈動(dòng)循環(huán)疲勞極限：σ0b=1.7σ-1b=522.75MPaτ0=1.4τ-1=280MPa等效系數(shù)： 1765.075.2320b1- ???????(4.6).801??x(4.7)彎曲應(yīng)力幅： MPa6.15.037???Wa?(4.8)平均應(yīng)力幅：σm=0扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力： Pa3.48152.3???TZW?(4.9)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力和平均應(yīng)力幅：τa=τm= =24.3MPa (4.10)查得：應(yīng)力集中系數(shù)：K σ=1.95，K x=1.48； 表面狀態(tài)系數(shù)：β=1.5；本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書23尺寸系數(shù)：ε x=0.98， εσ=0.91；安全系數(shù)：設(shè)為無限壽命，K N=1 36.158.0791.??????maKbS?????(4.11)7.24.398.0514???xaNxx???(4.12)??SSx??.2?查得許用安全系數(shù)[S]=1.3 ，顯然 S≥[S]故軸的安全系數(shù)校核符合安全標(biāo)準(zhǔn)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書24第 5 章 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)間隙的調(diào)整與確定設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一圓柱形壓縮螺旋彈簧，載荷平穩(wěn)，要求 Fmax=205N 時(shí)，λmax＜10mm，彈簧總的工作次數(shù)小于 104，彈簧中要能寬松地穿過一根直徑為φ17.85mm 的軸，彈簧兩端固定，外徑 D≤30mm，自由高度 H0≤45mm。5.1 選擇材料由彈簧工作條件可知，對(duì)材料無特殊要求，選用 C 組碳素彈簧鋼絲。因彈簧的工作次數(shù)小于 104，載荷性質(zhì)屬 II 類，[τ]=0.45σ B。5.2 計(jì)算彈簧絲直徑1)選擇旋繞比 C取 C=4(查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得)2)估算 D2’按 D≤30mm、D 1＞16mm，取 D2’=24mm3)計(jì)算彈簧絲直徑 d’ m62??CDd(5.1)4)計(jì)算曲度系數(shù) K 40.15.4??(5.2)5)計(jì)算彈簧絲的許用應(yīng)力[τ][τ]=0.45σB=0.45×1700=765MPa (5.3)6)計(jì)算彈簧絲直徑 d ??m409.675240.16.6.1max ?????KCF(5.4)取 d=6mm1)工作圈數(shù) n本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書2543.18503max???CFGdn?(5.5)2)總?cè)?shù) n1各端絲圈取 1故 n1=n+2=6.53)節(jié)距 tT=πD2tanα (5.6)則 t=π×20×tan6°=7.92mm，取 α=6°4)自由高度 H0H0≈nt+1.5d=4.43×7.92+1.5×5=43.59mm (5.7)5.3 穩(wěn)定性驗(yàn)算高徑比 b： 3.5129.05.42＜??Db(5.8)故滿足穩(wěn)定性要求。鄰圈間隙 δ：δ=t-d=7.92-5=2.92mm (5.9)彈簧單圈的最大變形量： m81.43.max?n?(5.10)故在最大載荷作用下仍留有間隙 δ1：δ1=2.92-1.81=1.11＞0.1d (5.11)彈簧外徑 D：D=D2+d=24+5=29mm (5.12)彈簧內(nèi)徑 D1：D1= D2-d=24-5=19mm (5.13)τs=1.25[τ]=1.25×765=956.25MPa (5.14)彈簧的極限載荷 Flim： N16704.82591.32 ???CKdsiml??(5.15)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書26彈簧的安裝載荷 Fmin：Fmin=0.9Fmax=0.9×1411=1269.9N (5.16)彈簧剛度 Cs： mN35.1764.6803 ????nGds(5.17)安裝變形量 λmin： 20.735.169minisCF?(5.18)安裝高度 H1：H1= H0-λmin=42.59-7.20=35.39mm (5.19)工作高度 H2：H2= H0-λmax=42.59-8=34.59mm (5.20)極限高度 H3：H3= H0-λlim=42.59-9.47=33.12mm (5.21)