捷達(dá)轎車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)【含CAD高清圖紙和文檔】

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緒論隨著現(xiàn)代汽車(chē)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱性能得要求也日益提高。為了保證車(chē)輛在任何工況下轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，都有較理想的操縱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向輕便性，即使在停車(chē)情況下轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)也能輕便靈敏，而高速行駛時(shí)又不會(huì)感到輕飄不穩(wěn)，人們對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了不斷地改進(jìn)。汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單的純機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到機(jī)械液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，到電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，直到更為節(jié)能、操縱性能更好的電子控制式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）等幾個(gè)階段。汽車(chē)操縱穩(wěn)定性是指汽車(chē)確切地響應(yīng)操縱輸入與抵抗外界擾動(dòng)的能力，其中操縱性指汽車(chē)系統(tǒng)作為隨動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)駕駛員轉(zhuǎn)向輸入產(chǎn)生跟隨響應(yīng)的能力；穩(wěn)定性指抵抗外界路面或陣風(fēng)擾動(dòng)的能力，兩方面難以皆然分開(kāi)，統(tǒng)稱(chēng)操縱穩(wěn)定性。按轉(zhuǎn)向動(dòng)力能源不同，汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可分為機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩大類(lèi)。機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是以人的體力為轉(zhuǎn)向能源的，其中所有的傳動(dòng)件都是機(jī)械的，它主要由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三部分組成。汽車(chē)轉(zhuǎn)向器作為汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要零部件，其性能的好壞直接影響到汽車(chē)行駛的安全性和可靠性。汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系的基礎(chǔ)上增設(shè)了一套轉(zhuǎn)向加力裝置所構(gòu)成的轉(zhuǎn)向系，它兼用駕駛員的體力和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力作為轉(zhuǎn)向能源。在正常的情況下，汽車(chē)轉(zhuǎn)向所需的力大部分由發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)向加力裝置提供，只有一小部分由駕駛員提供。但在動(dòng)力轉(zhuǎn)向?qū)嵭r(shí)，駕駛員仍能通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向操縱。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子控制式機(jī)械液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，該系統(tǒng)在某些性能方面優(yōu)于傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，但仍然無(wú)法徹底解決液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的固有缺陷。此外，傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在選定參數(shù)完成設(shè)計(jì)之后，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能就確定了，不能再對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。因此傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向力與操縱“路感”的關(guān)系比較困難。當(dāng)安汽車(chē)低速轉(zhuǎn)向力小時(shí)設(shè)計(jì)，則高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向力往往過(guò)小、即“路感”差，甚至感覺(jué)汽車(chē)發(fā)“飄”，從而影響操縱穩(wěn)定性，而按高速性能要求設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)，低速時(shí)須轉(zhuǎn)向力往往過(guò)大。汽車(chē)電子化是當(dāng)前汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。繼電子技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、制動(dòng)器和懸架等系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用之后，EPS在轎車(chē)和輕型汽車(chē)領(lǐng)域正逐步取代傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并向更大型轎車(chē)和商務(wù)客車(chē)方向發(fā)展，它已成為世界汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)和前沿技術(shù)之一，具有廣泛的應(yīng)用前景。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS），是繼液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)后產(chǎn)生的一種動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是世界汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)和前沿技術(shù)之一，它屬于與傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不同的另一種動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它直接依靠電動(dòng)機(jī)提供輔助扭矩，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)電流的幅值和方向，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器電動(dòng)助力的要求，這種系統(tǒng)是汽車(chē)在低速時(shí)能減輕操縱力，從而提高操縱的輕便型；而當(dāng)汽車(chē)在告訴行駛時(shí)，電子控制系統(tǒng)保證提供最優(yōu)控制傳動(dòng)比和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向手感，從而提高高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性。因此它可以較好地解決液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所不能解決的矛盾。目前，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有代替液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的趨勢(shì)。1.1 汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)目前，液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車(chē)上得到了廣泛應(yīng)用，它能明顯降低轉(zhuǎn)向盤(pán)的操舵力，但存在工作效率低、體積大、液壓油易泄露污染環(huán)境等缺點(diǎn)。為了克服液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的確定，采用電機(jī)助力的電動(dòng)助力系統(tǒng)（EPS）成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由控制單元和動(dòng)力單元組成，控制單元根據(jù)車(chē)速信號(hào)、扭矩傳感器信號(hào)確定轉(zhuǎn)向助力扭矩值，并向動(dòng)力單元發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)，通過(guò)動(dòng)力單元對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的助力控制。由于動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)向操縱靈活、輕便、并可吸收路面對(duì)前輪產(chǎn)生的沖擊等優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)50年代以來(lái)在各國(guó)汽車(chē)上開(kāi)始普遍應(yīng)用。20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究的汽車(chē)上以電能為動(dòng)力的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，它具有更為突出的優(yōu)點(diǎn)：1、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35，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(wèn)題，EPS通過(guò)電子控制，對(duì)環(huán)境幾乎沒(méi)有污染，更降低了油耗。 2、安裝方便 EPS的主要部件可以配集成在一起，易于布置，與液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比減少了許多元件，沒(méi)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，元件數(shù)目少，裝配方便，節(jié)約時(shí)間。 3、效率高 液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)效率一般在60%-70%，而EPS的效率較高，可高達(dá)90以上。4、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(chē)在各種車(chē)速下駕駛時(shí)的輕便性和路感。而EPS系統(tǒng)的滯后特性可以通過(guò)EPS控制器的軟件加以補(bǔ)償，使汽車(chē)在各種速度下都能得到滿意的轉(zhuǎn)向助力。 5、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(guò)調(diào)整EPS控制器的軟件，得到最佳的回正性，從而改善汽車(chē)操縱的穩(wěn)定性和舒適性。由此可見(jiàn)，EPS和HIP相比，是一項(xiàng)緊扣現(xiàn)代汽車(chē)時(shí)代發(fā)展主題的高興技術(shù)，必將逐步取代現(xiàn)有的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。1.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀目前國(guó)外的研究主要集中于細(xì)節(jié)上對(duì)助力特性,操縱性能等的進(jìn)一步優(yōu)化，考慮的影響因素比國(guó)內(nèi)多,并且設(shè)計(jì)出了操作模擬器對(duì)EPS 的控制策略進(jìn)行評(píng)估。在對(duì)控制策略的研究上國(guó)外側(cè)重于選擇基于PID 的補(bǔ)償和回正控制策略,對(duì)于單獨(dú)使用的模糊控制,H控制也有研究,暫時(shí)還未見(jiàn)對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究。國(guó)外的研究通常都是在基于PID 的回正補(bǔ)償控制基礎(chǔ)上對(duì)回正性能進(jìn)一步優(yōu)化,控制把持、轉(zhuǎn)向、加載過(guò)程中的電流擾動(dòng),以及在特殊的路面條件下對(duì)汽車(chē)的操控等。例如三菱公司提出的一種新的EPS控制策略將在低附著的路面上提供更高的轉(zhuǎn)向盤(pán)回正性和路感。這種方法是只有當(dāng)轉(zhuǎn)向軸上的反應(yīng)力矩達(dá)到預(yù)定力矩時(shí)才提高回正性,采用了2種控制策略:第1種策略是基于轉(zhuǎn)向角反饋,而第2種是基于估計(jì)校正力矩反饋。而三菱公司的另外一種新的電機(jī)電流控制策略是基于對(duì)干擾電壓的估計(jì)和補(bǔ)償 ,在仍然使用普通的微處理器的情況下,電機(jī)的電流波動(dòng)也可得到顯著的減少,從而減少了不必要的轉(zhuǎn)向力矩的波動(dòng)和噪聲。這種新的控制器是基于對(duì)電壓波動(dòng)的估計(jì)和補(bǔ)償,包括2個(gè)模塊。一個(gè)模塊是估計(jì)由于電池電壓等的改變引起的電壓波動(dòng),另一個(gè)模塊補(bǔ)償為電機(jī)提供的電壓以消除電壓的波動(dòng)。從整體上來(lái)講國(guó)內(nèi)近年來(lái)對(duì)于EPS 的研究發(fā)展很快,尤其是在控制策略的研究上,已經(jīng)將不同的控制方法引入ECU 中,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析不斷地完善和改進(jìn),但是在對(duì)于細(xì)節(jié)的優(yōu)化上距離國(guó)外還有相當(dāng)?shù)牟罹?而且目前國(guó)內(nèi)除了吉利汽車(chē),還尚未自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EPS ,距離EPS 的批量化生產(chǎn)也還有很長(zhǎng)的一段路要走。1.3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一項(xiàng)綜合了現(xiàn)代控制技術(shù)、機(jī)電一體化及現(xiàn)代化電子技術(shù)等技術(shù)的高新技術(shù)，與傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向相比有許多優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展前景非常好。首先，EPS的應(yīng)用范圍將會(huì)進(jìn)一步拓展，將作為標(biāo)準(zhǔn)件裝備在汽車(chē)上，并將在動(dòng)力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。目前，在全世界汽車(chē)行業(yè)中，電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)每年正以9%10%的增長(zhǎng)速度發(fā)展，年增長(zhǎng)量以130萬(wàn)150萬(wàn)套，估計(jì)直2005年，該產(chǎn)品的產(chǎn)量將由目前的150萬(wàn)套增長(zhǎng)到800萬(wàn)套，2006年達(dá)到1140萬(wàn)套。按此速度發(fā)展，用不了幾年的時(shí)間，電動(dòng)轉(zhuǎn)向?qū)?huì)完全占領(lǐng)轎車(chē)市場(chǎng)。其次，盡管EPS已達(dá)到了其最初的設(shè)計(jì)目的，但仍然存在一些急待解決的問(wèn)題，比如提高現(xiàn)在應(yīng)用的EPS系統(tǒng)性能的可靠性、降低生產(chǎn)的成本等，另外，電動(dòng)機(jī)本身的性能及其與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配都將影響到轉(zhuǎn)向操縱力、轉(zhuǎn)向路感等問(wèn)題，因此進(jìn)一步改善電動(dòng)機(jī)的性能是下一步努力的一個(gè)主要方向。第三，未來(lái)的EPS將向電子四輪轉(zhuǎn)向的方向發(fā)展，并于通過(guò)總線技術(shù)電子懸架。發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制等一起統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，今后有可能取消轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械部分而采用所謂的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。概括地說(shuō)，今后電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向主要是：改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能、提高系統(tǒng)可靠性和降低控制系統(tǒng)的制造成本。只有進(jìn)一步改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能，才能滿足更高檔車(chē)的使用要求，只有降低成本才能在大多數(shù)汽車(chē)上得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，由于在這方面和國(guó)外的差距很大，所以在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段間內(nèi)，仍須集中精力解決好傳感器、電動(dòng)機(jī)和電子控制器ECU等方面的研究開(kāi)發(fā)工作。1.4 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理及 EPS的機(jī)械部分有多種型式，其中較常見(jiàn)的是齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，助力裝置則由電動(dòng)機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的液壓缸，電動(dòng)機(jī)從汽車(chē)蓄電池中獲得電源。根據(jù)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部位的不同，EPS分為轉(zhuǎn)向軸助力式、轉(zhuǎn)向器小齒輪助力式和齒條助力式三中。典型的電動(dòng)助力機(jī)構(gòu)為轉(zhuǎn)向軸助力式，即助力電機(jī)被固定在轉(zhuǎn)向軸上，從電動(dòng)機(jī)輸出軸上輸出的助力矩經(jīng)減速及離合機(jī)構(gòu)傳遞到轉(zhuǎn)向軸。但無(wú)論是哪一種形式的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其構(gòu)成和工作原理都是大致相同的。EPS的轉(zhuǎn)向合奏由靠扭桿相連的輸入軸和輸出軸組成，輸出軸通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向拉桿使車(chē)輪轉(zhuǎn)向。輸出軸除通過(guò)扭桿與輸入軸相連外，還經(jīng)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)離合器與助力電機(jī)相連。駕駛者在操作方向盤(pán)時(shí)，給輸入軸輸入了角位移，輸入軸和輸出軸之間的相對(duì)角位移是扭桿受扭，扭矩傳感器將扭桿所受到的扭矩m轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸入控制裝置并控制電機(jī)的助力和方向。與此同時(shí)，車(chē)速傳感器檢測(cè)到的車(chē)速信號(hào)也輸入控制裝置，在車(chē)速低于設(shè)定值時(shí)，離合器接合，系統(tǒng)提供助力；在車(chē)速超過(guò)設(shè)定值（3040km/h）時(shí)，停止對(duì)電機(jī)提供，系統(tǒng)不提供助力，同時(shí)，離合器切斷，以避免轉(zhuǎn)向系統(tǒng)受電機(jī)慣性力矩的影響。EPS多采用永磁直流電機(jī)。為了改善電機(jī)的操作穩(wěn)定性，降低震動(dòng)和噪聲，常在電機(jī)轉(zhuǎn)子周緣開(kāi)設(shè)斜槽或不對(duì)稱(chēng)環(huán)槽。扭矩傳感器采用由雙電位器構(gòu)成的電橋，電位器的轉(zhuǎn)動(dòng)由扭桿和相應(yīng)的機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)。EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-1圖1-1 EPS結(jié)構(gòu)示意圖第2章 EPS方案設(shè)計(jì)2.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選型電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照電動(dòng)機(jī)布置位置的不同，可以分為：轉(zhuǎn)向軸助力式、齒輪助力式、齒條助力式3種。轉(zhuǎn)向軸助力式電動(dòng)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(guò)減速增扭機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸助力轉(zhuǎn)向。這種形式的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)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(chē)輛上。齒輪助力式電動(dòng)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(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。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(dòng)慣量太大產(chǎn)生的噪聲。該類(lèi)型轉(zhuǎn)向器可用于中型車(chē)輛，以提供較大的助力。齒條助力式電動(dòng)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(dòng)齒條提供助力。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(chē)的底盤(pán)布置時(shí)非常方便。同時(shí)，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(chē)輛上。轉(zhuǎn)向軸式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然提供的助力沒(méi)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(jì)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要是針對(duì)轎車(chē)來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，轎車(chē)空間相對(duì)較小，空間問(wèn)題是我們要考慮的重點(diǎn)問(wèn)題。轉(zhuǎn)向軸式對(duì)空間緊湊的經(jīng)濟(jì)型轎車(chē)很適合。所以我選擇轉(zhuǎn)向軸助力式(C-EPS)。2.2 機(jī)械部分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。 2.2.1 設(shè)計(jì)要求 轉(zhuǎn)向系是用來(lái)保持或者改變汽車(chē)行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車(chē)轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，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： （1）保證汽車(chē)有較高的機(jī)動(dòng)性，在有限的場(chǎng)地面積內(nèi)，具有迅速小轉(zhuǎn)彎的能力； （2）內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角間的匹配硬保證當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，全部車(chē)輪繞同一瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車(chē)輪只有滾動(dòng)而無(wú)側(cè)滑； （3）當(dāng)轉(zhuǎn)向輪收到地面沖擊時(shí)，轉(zhuǎn)向系傳到轉(zhuǎn)向盤(pán)的逆向沖擊要??； （4）汽車(chē)在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪都不得產(chǎn)生自激振動(dòng)，轉(zhuǎn)向盤(pán)沒(méi)有擺動(dòng)； （5）操縱輕便：轉(zhuǎn)向時(shí)加在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力，對(duì)轎車(chē)不應(yīng)超過(guò)150200N，對(duì)中型貨車(chē)不應(yīng)超過(guò)360N，對(duì)重型貨車(chē)不應(yīng)超過(guò)450N，否則應(yīng)考慮動(dòng)力轉(zhuǎn)向；同時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)的回轉(zhuǎn)圈數(shù)要少； （6）轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置的運(yùn)動(dòng)干涉應(yīng)最小；（7）轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向盤(pán)應(yīng)自動(dòng)匯整，并能使汽車(chē)保持在穩(wěn)定的直線行駛狀態(tài)；（8）轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)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)；（9）當(dāng)汽車(chē)發(fā)生碰撞轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向軸由于車(chē)架或車(chē)身變形而共同后移時(shí)，轉(zhuǎn)向系應(yīng)有能使駕駛?cè)嗣庠饣驕p輕傷害的防傷裝置；（10）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核，保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。2.2.2 機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)形式及比較 目前汽車(chē)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、體積小、質(zhì)量輕；傳動(dòng)效率高達(dá)90%；可自動(dòng)消除齒間間隙；沒(méi)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。 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是：逆效率高達(dá)60%70%。因此，汽車(chē)在不平路面上行駛時(shí)，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(pán)。 根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點(diǎn)不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式：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）。 （a） （b） （c） （d） 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(duì)前軸位置的不同，在汽車(chē)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(jiàn)圖2-2。 (a) (b) (c) (d)圖2-2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的布置形式 齒條斷面有圓形、V形和Y形三種。圓形斷面制造簡(jiǎn)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(lái)防止齒條繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。 （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(dòng)副，以及螺母上齒條與搖臂軸上齒扇構(gòu)成的傳動(dòng)副組成，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(diǎn)是：傳動(dòng)效率可達(dá)到75%-85%；轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)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(lái)做整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)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(chē)和客車(chē)上。 由于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器與循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器相比：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)得以簡(jiǎn)化。所以我選用齒輪齒條式轉(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(chē)直線行駛相應(yīng)的中立位置時(shí)，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(dòng)機(jī)位置較低或轉(zhuǎn)向橋兼充驅(qū)動(dòng)橋的情況下，為避免運(yùn)動(dòng)干涉，往往將轉(zhuǎn)向梯形布置在前橋之前，此時(shí)上述交角90。 本次設(shè)計(jì)是發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)，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(shí)考慮到發(fā)動(dòng)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2.3 控制部分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.3.1 控制部分性能要求分析電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)除必須滿足車(chē)輛對(duì)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(diǎn)： （1）具有良好的轉(zhuǎn)向助力特性轉(zhuǎn)向盤(pán)力是駕駛者輸入轉(zhuǎn)向盤(pán)用以操縱汽車(chē)的力。EPS的基本目標(biāo)是提高汽車(chē)停車(chē)泊位和低速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性，高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性。在低車(chē)速、低側(cè)向加速度行駛工況下，汽車(chē)應(yīng)具有適度的轉(zhuǎn)向盤(pán)力與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角，還應(yīng)有良好的回正性能。在高車(chē)速和低側(cè)向加速度范圍內(nèi)，汽車(chē)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(pán)力的大小要適度，特別是隨著車(chē)速的提高，轉(zhuǎn)向盤(pán)力不宜過(guò)輕而要保持一定的數(shù)值；采用隨行駛車(chē)速而改變轉(zhuǎn)向盤(pán)操作力特性的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可以顯著地改善高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)力的品質(zhì)。因此，EPS系統(tǒng)的助力特性曲線是一族隨車(chē)速變化的曲線，如圖2-6。圖2-6助力特性曲線 （2）應(yīng)具有良好的操縱穩(wěn)定性所謂穩(wěn)定性主要是指汽車(chē)在行駛過(guò)程中，當(dāng)突然受到外界橫向力作用而發(fā)生自動(dòng)轉(zhuǎn)向等不穩(wěn)定現(xiàn)象時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)該具有使車(chē)輛在相當(dāng)短的時(shí)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(duì)操縱穩(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(guò)小，就缺乏路感。傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向由于不能對(duì)助力進(jìn)行實(shí)時(shí)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(chē)高速行駛時(shí)，仍然會(huì)提供較大助力，使駕駛員缺乏路感，甚至感覺(jué)汽車(chē)有飄的感覺(jué)，影響操縱穩(wěn)定性，危機(jī)汽車(chē)高速行駛時(shí)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(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制。EPS可以根據(jù)車(chē)速不同工況，制定不同的控制策略，自動(dòng)地削弱或吸收擺振、維持轉(zhuǎn)向盤(pán)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向伺服系統(tǒng)，跟隨性問(wèn)題十分重要。所謂跟隨性問(wèn)題是指當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)有轉(zhuǎn)向輸入時(shí)，系統(tǒng)中的各個(gè)元件（如電機(jī)等）及其他相關(guān)元件（如車(chē)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(pán)上輸入一個(gè)偏轉(zhuǎn)角位移時(shí)，下部輸出軸要在直流電機(jī)的帶動(dòng)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 駕駛員轉(zhuǎn)向時(shí)，回正力矩是使轉(zhuǎn)向車(chē)輪自動(dòng)返回到直線行駛位置的主要恢復(fù)力矩之一。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)作用到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，電動(dòng)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(pán)將不可能恢復(fù)到中間位置，汽車(chē)將偏離預(yù)期的行駛路線，直到駕駛員通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)用力使它返回到中間位置。而在高速行駛時(shí)，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(shí)，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(duì)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(dòng)機(jī)的動(dòng)作，在最大限度內(nèi)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)以獲得最佳的回正特性。從最低車(chē)速到最高車(chē)速，可得到一組回正特性曲線，而傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是無(wú)法做到這一點(diǎn)的。 （5）適合的轉(zhuǎn)向路感 對(duì)于EPS來(lái)說(shuō)，其助力大小可根據(jù)不同車(chē)速、通過(guò)軟件的方式來(lái)控制電機(jī)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制，通過(guò)采用優(yōu)良的控制策略，來(lái)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(shí)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(duì)于EPS系統(tǒng)，當(dāng)汽車(chē)發(fā)生正面沖撞時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)的壓迫是導(dǎo)致駕駛員受傷的一個(gè)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(jì) EPS具體的工作流程是：當(dāng)車(chē)輛點(diǎn)火開(kāi)關(guān)接通，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)后，電動(dòng)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(gè)EPS系統(tǒng)啟動(dòng)，EPS程序一直監(jiān)控車(chē)速傳感器與轉(zhuǎn)矩傳感器輸入的車(chē)速和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩信號(hào)，其中，轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩信號(hào)體現(xiàn)了轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)矩大小及該時(shí)刻轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)向和位置，從而能夠判斷轉(zhuǎn)向盤(pán)是順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)還是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)還是在中間位置保持不動(dòng)，由車(chē)速與轉(zhuǎn)矩信號(hào)實(shí)時(shí)輸出相應(yīng)的控制電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)不同大小不同方向的助力，當(dāng)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，EPS系統(tǒng)停止工作。圖2-7 EPS系統(tǒng)工作流程圖電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要部件有：轉(zhuǎn)矩傳感器、車(chē)速傳感器、電流傳感器、電動(dòng)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(dòng)機(jī)集成制造成一體；車(chē)速傳感器安裝在變速器輸出軸上；電流傳感器安裝在電動(dòng)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(pán)背板上；電動(dòng)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(chē)輛上，電機(jī)是通過(guò)齒輪箱與轉(zhuǎn)向柱連接，而在中型汽車(chē)上，電機(jī)則是通過(guò)法蘭交叉或縱向安裝在齒條上，并通過(guò)齒輪箱操作。本次設(shè)計(jì)中，由于所選用的車(chē)型是小型車(chē)，故將電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)構(gòu)集成通過(guò)齒輪箱安裝在轉(zhuǎn)向柱上。第3章 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)3.1 整車(chē)性能參數(shù) 本次設(shè)計(jì)以某微型轎車(chē)為模型，采用前置前驅(qū)的驅(qū)動(dòng)方式，其基本參數(shù)如表3-1所示： 表3-1 某微型車(chē)基本參數(shù)名稱(chēng)數(shù)值單位軸距L2472mm前輪距L11429mm后輪距L21422mm最小轉(zhuǎn)彎半徑Rmin10600mm車(chē)長(zhǎng)4415mm車(chē)寬1674mm車(chē)高1415mm整車(chē)整備質(zhì)量1095kg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(jì)和計(jì)算3.2.1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器計(jì)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(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(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力、車(chē)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。精確地計(jì)算這些力是困難的，為此推薦用足夠精確的半經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算汽車(chē)在瀝青或者混泥土路面上的原轉(zhuǎn)向阻力矩(Nmm)，即 412878.50 （3-1） 式中，f為輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，一般取0.7；G1為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷（N)； P為輪胎氣壓（MPa)。 該車(chē)整車(chē)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+606)9.860%=8555.4N P取0.2MPa。 （2）轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比的計(jì)算圖3-1 轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)角關(guān)系圖 （3-2） 式中：L汽車(chē)軸距，2472mm；R汽車(chē)最小轉(zhuǎn)彎半徑，10600mm。 38.12。 式中：L汽車(chē)軸距，2472mm；R汽車(chē)最小轉(zhuǎn)彎半徑，10600mm；B前輪輪距，1429mm。 設(shè)計(jì)取方向盤(pán)總?cè)?shù)為3.5，則 （3-4） 式中：轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角（速度），3360。；轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角（速度），+=72.62。 （3）作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力 作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力為 N （3-5） 式中：轉(zhuǎn)向搖臂長(zhǎng)；轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)；轉(zhuǎn)向盤(pán)直徑，設(shè)計(jì)為360mm；轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比；轉(zhuǎn)向器正效率，90%。 因齒輪齒條式轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向節(jié)臂，故和不代入數(shù)值。 對(duì)于給定的汽車(chē)，用式（3-5）計(jì)算出來(lái)的作用力是最大值。因此，可以用此值作為計(jì)算載荷。 （4）轉(zhuǎn)向盤(pán)扭力矩Tz （3-6） 式中：轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力，171.40N；轉(zhuǎn)向盤(pán)直徑，設(shè)計(jì)為360mm。 （5）梯形臂長(zhǎng)度L2的計(jì)算 前輪輪胎規(guī)格為前輪185/60 R14，則輪輞直徑=14in=1425.4=355.6mm。 梯形臂長(zhǎng)度142.24，取L=140mm。 （6）輪胎直徑的計(jì)算 輪胎直徑，取。 （7）轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑的計(jì)算： mm （3-7）式中：原地轉(zhuǎn)向阻力矩，412878.50N.mm；前輪距1429mm；材料許用應(yīng)力216MPa；取。 （8）主動(dòng)齒輪軸的計(jì)算： （3-8）式中：方向盤(pán)扭矩，30852 N.mm；材料許用切應(yīng)力，140MPa；取3.2.2 轉(zhuǎn)向器基本部件設(shè)計(jì) （1）技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3-2表3-2 技術(shù)參數(shù)表名稱(chēng)數(shù)值單位線角傳動(dòng)比47.6mm/rad 齒輪法向模數(shù)2.5方向盤(pán)總?cè)?shù)3齒條行程160mm （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(pán)的旋轉(zhuǎn)使齒條橫向移動(dòng)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(duì)嚙合齒輪參與嚙合的齒數(shù)。相對(duì)直齒而言，斜齒的運(yùn)轉(zhuǎn)趨于平穩(wěn)，并能傳遞更大的動(dòng)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(dòng)小齒輪齒數(shù)在5-7個(gè)范圍變化,壓力角取值20，齒輪螺旋角多為9-15。 取齒輪模數(shù)mn1=2.5，齒輪齒數(shù)z1=6，齒輪壓力角1=20，齒輪螺旋角取為15、左旋，齒輪軸總長(zhǎng)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)， 則齒條寬度 （3-10） 圓整取 ，則取齒輪齒寬。表3-3 齒輪軸的尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)尺寸參數(shù)(mm)1總長(zhǎng)1602齒寬303齒數(shù)64法向模數(shù)2.55螺旋角156螺旋方向左旋 （3）齒條 齒條是在金屬殼體內(nèi)來(lái)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(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和齒條的齒距必須相等。即： 取齒條的模數(shù)：=2.5，計(jì)算出齒條的壓力角為：=20，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(jì)參數(shù)序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)尺寸參數(shù)()1總長(zhǎng)7352直徑303齒數(shù)214法向模數(shù)2.5 （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(xiāo)通過(guò)螺紋與齒條連接。當(dāng)這些球頭銷(xiāo)依制造廠的規(guī)范擰緊時(shí)，在球頭銷(xiāo)上就作用了一個(gè)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(xiāo)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(jì)參數(shù)序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)尺寸參數(shù)（mm)1橫拉桿總長(zhǎng)2572橫拉桿直徑103螺紋長(zhǎng)度484外接頭總長(zhǎng)1005球頭銷(xiāo)總長(zhǎng)526球頭銷(xiāo)螺紋公稱(chēng)直徑M817外接頭螺紋公稱(chēng)直徑M1018內(nèi)接頭總長(zhǎng)609內(nèi)接頭螺紋公稱(chēng)直徑M121 （5）齒條調(diào)整 一個(gè)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(gè)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(huì)影響轉(zhuǎn)向沖擊、噪聲和反饋。圖3-2 自動(dòng)消除間隙裝置表3-6 齒條調(diào)整裝置的尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)尺寸參數(shù)（mm)1導(dǎo)向座外徑402導(dǎo)向座高度303彈簧總?cè)?shù)6.54彈簧節(jié)距8.255彈簧外徑306彈簧安裝高度377螺塞螺紋公稱(chēng)直徑M4428螺塞高度309鎖止螺塞高度1010轉(zhuǎn)向器殼體總長(zhǎng)/高600/15011轉(zhuǎn)向器殼體內(nèi)/外徑40/56 （6）齒輪齒條的綜合分析設(shè)計(jì)及計(jì)算轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向盤(pán)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(dòng)比。假設(shè)齒輪有足夠的嚙合長(zhǎng)度，且齒輪在齒條上滾動(dòng)而齒條不動(dòng)的嚙合情況，當(dāng)齒輪嚙合一周時(shí)，齒輪中心線由O-O位置移動(dòng)到O-O位置，如圖3-3示。 這時(shí)可以知道AB=d，齒輪在齒條上移動(dòng)了AC距離：式中：齒輪安裝角，（）；齒輪分度圓直徑（mm）。齒輪在垂直于齒條中心線MM的方向上移動(dòng)了BC距離：；在齒條實(shí)際工作中是運(yùn)動(dòng)的，齒輪只是繞軸承中心線轉(zhuǎn)動(dòng)，并不移動(dòng)。只能是齒條沿其軸線移動(dòng)，可見(jiàn)BC在實(shí)際工作中不存在，從中可知：；在齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，齒條實(shí)際移動(dòng)距離AD為：。式中：齒條傾角（）。AD就是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的線角傳動(dòng)比，即 （3-11） 將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：；代入上式，得=8.3114。 齒條的齒數(shù)計(jì)算z2 （3-12） 式中：齒條行程，160mm；齒條模數(shù)，2.5；齒條壓力角，=20。將數(shù)據(jù)代入（3-12）式，得=21.68，取整數(shù)值=21。圖3-3 齒條嚙合長(zhǎng)度計(jì)算圖3.2.3 齒輪軸和齒條的材料選擇及強(qiáng)度校核3-7 齒輪軸和齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算和說(shuō)明計(jì)算結(jié)果 選擇齒輪材料、熱處理方式及計(jì)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 ； (a)確定和 ； ； (b)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，確定壽命系數(shù)、。 (c)計(jì)算許用應(yīng)力 取, = = 應(yīng)力修正系數(shù) = = 初步確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸 選擇齒輪類(lèi)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 選擇齒輪傳動(dòng)精度等級(jí) 選用7級(jí)精度 初選參數(shù) 初選 =6 =21 =1.2 =0.7 =0.89 按當(dāng)量齒數(shù) 初步計(jì)算齒輪模數(shù) 轉(zhuǎn)矩176.290.175=30.85=30850閉式硬齒面?zhèn)鲃?dòng)，按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)。 =2.205 確定載荷系數(shù) =1，由, /100=0.000648,=1；對(duì)稱(chēng)布置，取=1.06；取=1.3，則=111.061.3=1.378 修正法向模數(shù) =2.205=2.193 圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，取=2.5 確定齒輪傳動(dòng)主要參數(shù)和幾何尺寸 分度圓直徑 =15.53 齒頂圓直徑 =15.53+2 =15.53+22.5(1+0)=20.53 齒根圓直徑 =15.53-2 =15.53-22.51.25=9.28 齒寬 =1.215.53=18.636 因?yàn)橄嗷Ш淆X輪的基圓齒距必須相等，即。 齒輪法面基圓齒距為 齒條法面基圓齒距為 取齒條法向模數(shù)為=2.5 齒條齒頂高 =2.5(1+0)=2.5 齒條齒根高 =2.5(1+0.25-0)=3.125 法面齒距 =3.925 校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度 查表得，=189.8；查圖得，=2.45 取=0.8，=0.985 所以 =189.82.450.80.985=1512.8斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動(dòng)7級(jí)精度46510=1.378=2.5=15.53=20.53=9.28取=20=2.5=3.125=3.925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(yùn)動(dòng)分析圖3-3 轉(zhuǎn)向橫拉桿的運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖如圖3-3，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)從鎖點(diǎn)向鎖點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，每只前輪大約從其正前方開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)30，因而前輪從左到右總共轉(zhuǎn)動(dòng)約60。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪右轉(zhuǎn)30，即梯形臂或轉(zhuǎn)向節(jié)由繞圓心轉(zhuǎn)至?xí)r，齒條左端點(diǎn)移至的距離為30=140cos30=121.24=140-121.24=18.8630=70 =304.42=304.42-70=234.42=305-234.42=70.58 同理計(jì)算轉(zhuǎn)向輪左轉(zhuǎn)30，轉(zhuǎn)向節(jié)由繞圓心轉(zhuǎn)至?xí)r，齒條左端點(diǎn)E移至的距離為=70 =304.42=70+304.42-305=69.42 齒輪齒條嚙合長(zhǎng)度應(yīng)大于 即 =70.58+69.42=140 取L=160。3.2.5 齒輪齒條傳動(dòng)受力分析若略去齒面間的摩擦力，則作用于節(jié)點(diǎn)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=3973.08=1497.13=1064.58N3.2.6 間隙調(diào)整彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算設(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=1400N時(shí)，10mm,彈簧總的工作次數(shù)小于，彈簧中要能寬松地穿過(guò)一根直徑為18mm的軸；彈簧兩端固定；外徑,自由高度。(1) 選擇材料 由彈簧工作條件可知，對(duì)材料無(wú)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，載荷性質(zhì)屬類(lèi)，。(2) 計(jì)算彈簧絲直徑表3-8 彈簧絲直徑的計(jì)算計(jì)算項(xiàng)目計(jì)算依據(jù)和內(nèi)容計(jì)算結(jié)果選擇旋繞比估初算彈簧絲直徑計(jì)算曲度系數(shù)計(jì)算彈簧絲的許用切應(yīng)力計(jì)算彈簧絲直徑取=4按30mm、18mm,取=6.25=1.404=0.45=0.451700=765=5.129取=4=1.404=765取=5(3) 計(jì)算彈簧圈數(shù)和彈簧的自由高度表3-9 彈簧圈數(shù)和自由高度的計(jì)算計(jì)算項(xiàng)目計(jì)算依據(jù)和內(nèi)容計(jì)算結(jié)果工作圈數(shù)總?cè)?shù)節(jié)距自由高度=4.46各端死圈取1，故,則,取=4.468.25+1.55=44.29=4.46=6.5=8.25=44.29(4) 穩(wěn)定性驗(yàn)算 高徑比b=H0/D2=44.29/25=1.770.1d(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)=1670N 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(rùn)滑，預(yù)期壽命Lh=12000h初步計(jì)算當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷=0.711e X=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(jì)算軸承應(yīng)有的基本額定動(dòng)負(fù)荷Cr 查表得,ft=1,又=3Cr=初選軸承型號(hào) 查機(jī)械工程及自動(dòng)化簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè),選擇6202軸承,Cr=7.65KN，其基本額定靜負(fù)荷Cor=3.72KN驗(yàn)算并確定軸承型號(hào) 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(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷Pr=fp(XFR+YFA)=1.2(0.56149735/60+1.45432)=1338.5N 驗(yàn)算6204軸承的壽命Lh= 12000h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(hào)6203,同樣滿足要求。3.2.8 鍵的計(jì)算p= p=120MPa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(zhǎng)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。選用A型鍵 ，公稱(chēng)尺寸bh=55；鍵的接觸長(zhǎng)度L應(yīng)該大于15mm,則L15+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。第4章 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(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī)根據(jù)ECU的指令輸出適宜的轉(zhuǎn)矩，一般采用無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)9，無(wú)刷永磁電動(dòng)機(jī)具有無(wú)激勵(lì)損耗、效率較高、體積較小等特點(diǎn)。電機(jī)是EPS的關(guān)鍵部件之一，對(duì)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(dòng)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(dòng)小、轉(zhuǎn)動(dòng)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)如表4-1所示。表4-1 EPS電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)型式永磁式直流電動(dòng)機(jī)額定時(shí)間S2 2分鐘標(biāo)稱(chēng)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(dòng)助力只在預(yù)定的范圍內(nèi)起作用。當(dāng)車(chē)速、電流超過(guò)限定的最大值或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，離合器便自動(dòng)地切斷電動(dòng)機(jī)的電源，恢復(fù)手動(dòng)控制轉(zhuǎn)向。此外，在不助力的情況下，離合器還能夠消除電動(dòng)機(jī)的慣性對(duì)轉(zhuǎn)向的影響。為了減少與不需要轉(zhuǎn)向助力時(shí)駕駛車(chē)輛感覺(jué)的差別，離合器不僅具有滯后輸出的特性，同時(shí)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(jiàn)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額定時(shí)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(lái)增大電動(dòng)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(duì)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(duì)稱(chēng)性方面對(duì)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(cè)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩的大小和方向，以及轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的大小和方向，它是EPS系統(tǒng)的控制信號(hào)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(chǎng)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(jì)式）傳感器有擺臂式、雙排行星齒輪式和扭桿式三種類(lèi)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(duì)制造精度和扭桿剛度進(jìn)行折中，難以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)轉(zhuǎn)角和角速度的測(cè)量。后者的體積小、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、剛度相對(duì)較高，易實(shí)現(xiàn)絕對(duì)轉(zhuǎn)角和角速度的測(cè)量，但是成本較高。因此扭矩傳感器類(lèi)型的選取根據(jù)EPS的性能要求綜合考慮。圖4-1 扭矩傳感器我們選用非接觸式扭矩傳感器。如圖4-1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(lái)，輸入軸上有花鍵，輸出軸上有鍵槽。當(dāng)扭桿受方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，輸入軸上的花鍵和輸出軸上鍵槽之間的相對(duì)位置就被改變了?；ㄦI和鍵槽的相對(duì)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(guò)線圈轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。信號(hào)的高頻部分由檢測(cè)電路濾波，僅有扭矩信號(hào)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(zhǎng)，可靠性高，不易受到磨損，有更小的延時(shí)，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(chē)和輕型車(chē)中，是EPS傳感器的主流產(chǎn)品。本次設(shè)計(jì)選用了德國(guó)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(diǎn)是電路形式簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低，精度和線性度較好，響應(yīng)時(shí)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(cè)量范圍80A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(lái)確定電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流。根據(jù)EPAS的特點(diǎn)，上層控制策略分為助力控制、回正控制和阻尼控制。 EPS的電流控制方式控制過(guò)程為：控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出Th和車(chē)速超過(guò)氣的輸出V由助力特性確定電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流Imo,然后電流控制器控制電動(dòng)機(jī)的電流Im，使電動(dòng)機(jī)輸出目標(biāo)助力矩。因此EPS的控制要解決兩個(gè)問(wèn)題：（1）確定助力特性；（2）跟蹤該助力特性。整個(gè)控制器可以分為上、下兩層，上層控制器用來(lái)根據(jù)基本助力特性及其補(bǔ)償調(diào)節(jié)，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)目標(biāo)電流的決策，下層控制器通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電壓，跟蹤目標(biāo)電流。圖4-2 EPS的電流控制4.3 助力控制 助力控制是在轉(zhuǎn)向過(guò)程（轉(zhuǎn)向角增大）中為減輕轉(zhuǎn)向盤(pán)的操縱力通過(guò)減速機(jī)構(gòu)把電機(jī)轉(zhuǎn)矩作用到機(jī)械轉(zhuǎn)向系（轉(zhuǎn)向軸、齒輪、齒條）上的一種基本控制模式。步驟如下：