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哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒論
隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對汽車轉(zhuǎn)向操縱性能得要求也日益提高。為了保證車輛在任何工況下轉(zhuǎn)動方向盤時，都有較理想的操縱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向輕便性，即使在停車情況下轉(zhuǎn)動方向盤也能輕便靈敏，而高速行駛時又不會感到輕飄不穩(wěn)，人們對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了不斷地改進(jìn)。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從簡單的純機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到機(jī)械液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，到電控液壓動力轉(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）等幾個階段。
汽車操縱穩(wěn)定性是指汽車確切地響應(yīng)操縱輸入與抵抗外界擾動的能力，其中操縱性指汽車系統(tǒng)作為隨動系統(tǒng)，對駕駛員轉(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)擾動的能力，兩方面難以皆然分開，統(tǒng)稱操縱穩(wěn)定性。
按轉(zhuǎn)向動力能源不同，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可分為機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩大類。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)向傳動機(jī)構(gòu)三部分組成。汽車轉(zhuǎn)向器作為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要零部件，其性能的好壞直接影響到汽車行駛的安全性和可靠性。汽車動力轉(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)動機(jī)動力作為轉(zhuǎn)向能源。在正常的情況下，汽車轉(zhuǎn)向所需的力大部分由發(fā)動機(jī)通過轉(zhuǎn)向加力裝置提供，只有一小部分由駕駛員提供。但在動力轉(zhuǎn)向?qū)嵭r，駕駛員仍能通過機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)汽車的轉(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)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，但仍然無法徹底解決液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的固有缺陷。此外，傳統(tǒng)液壓動力轉(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，不能再對其進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。因此傳統(tǒng)液壓動力轉(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)安汽車低速轉(zhuǎn)向力小時設(shè)計(jì)，則高速行駛時轉(zhuǎn)向力往往過小、即“路感”差，甚至感覺汽車發(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，低速時須轉(zhuǎn)向力往往過大。
汽車電子化是當(dāng)前汽車技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。繼電子技術(shù)在發(fā)動機(jī)、變速器、制動器和懸架等系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用之后，EPS在轎車和輕型汽車領(lǐng)域正逐步取代傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并向更大型轎車和商務(wù)客車方向發(fā)展，它已成為世界汽車技術(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。
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS），是繼液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)后產(chǎn)生的一種動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是世界汽車技術(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)液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不同的另一種動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它直接依靠電動機(jī)提供輔助扭矩，通過控制電動機(jī)電流的幅值和方向，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器電動助力的要求，這種系統(tǒng)是汽車在低速時能減輕操縱力，從而提高操縱的輕便型；而當(dāng)汽車在告訴行駛時，電子控制系統(tǒng)保證提供最優(yōu)控制傳動比和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向手感，從而提高高速行駛時的操縱穩(wěn)定性。因此它可以較好地解決液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所不能解決的矛盾。目前，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有代替液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的趨勢。
1.1 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)
目前，液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車上得到了廣泛應(yīng)用，它能明顯降低轉(zhuǎn)向盤的操舵力，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)。為了克服液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的確定，采用電機(jī)助力的電動助力系統(tǒng)（EPS）成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由控制單元和動力單元組成，控制單元根據(jù)車速信號、扭矩傳感器信號確定轉(zhuǎn)向助力扭矩值，并向動力單元發(fā)送相應(yīng)的控制信號，通過動力單元對電機(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、并可吸收路面對前輪產(chǎn)生的沖擊等優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)50年代以來在各國汽車上開始普遍應(yīng)用。20世紀(jì)80年代開始研究的汽車上以電能為動力的電動助力轉(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)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，液壓泵始終處于工作狀態(tài)，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使整個發(fā)動機(jī)燃油消耗量增加了3％～5％，而EPS以蓄電池為能源，以電機(jī)為動力元件，可獨(dú)立于發(fā)動機(jī)工作，EPS幾乎不直接消耗發(fā)動機(jī)燃油。EPS不存在液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的燃油泄漏問題，EPS通過電子控制，對環(huán)境幾乎沒有污染，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，與液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比減少了許多元件，沒有液壓系統(tǒng)所需要的油泵、油管、壓力流量控制閥、儲油罐等，元件數(shù)目少，裝配方便，節(jié)約時間。
3、效率高 液壓動力轉(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)純液壓動力轉(zhuǎn)向系大多采用固定放大倍數(shù)，工作驅(qū)動力大，但卻不能實(shí)現(xiàn)汽車在各種車速下駕駛時的輕便性和路感。而EPS系統(tǒng)的滯后特性可以通過EPS控制器的軟件加以補(bǔ)償，使汽車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)簡單，不僅操作簡便，還可以通過調(diào)整EPS控制器的軟件，得到最佳的回正性，從而改善汽車操縱的穩(wěn)定性和舒適性。
由此可見，EPS和HIP相比，是一項(xiàng)緊扣現(xiàn)代汽車時代發(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 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀
目前國外的研究主要集中于細(xì)節(jié)上對助力特性,操縱性能等的進(jìn)一步優(yōu)化，考慮的影響因素比國內(nèi)多,并且設(shè)計(jì)出了操作模擬器對EPS 的控制策略進(jìn)行評估。在對控制策略的研究上國外側(cè)重于選擇基于PID 的補(bǔ)償和回正控制策略,對于單獨(dú)使用的模糊控制,H∞控制也有研究,暫時還未見對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究。
國外的研究通常都是在基于PID 的回正補(bǔ)償控制基礎(chǔ)上對回正性能進(jìn)一步優(yōu)化,控制把持、轉(zhuǎn)向、加載過程中的電流擾動,以及在特殊的路面條件下對汽車的操控等。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)向力矩的波動和噪聲。這種新的控制器是基于對電壓波動的估計(jì)和補(bǔ)償,包括2個模塊。一個模塊是估計(jì)由于電池電壓等的改變引起的電壓波動,另一個模塊補(bǔ)償為電機(jī)提供的電壓以消除電壓的波動。
從整體上來講國內(nèi)近年來對于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,并通過實(shí)驗(yàn)和分析不斷地完善和改進(jìn),但是在對于細(xì)節(jié)的優(yōu)化上距離國外還有相當(dāng)?shù)牟罹?而且目前國內(nèi)除了吉利汽車,還尚未自主知識產(chǎn)權(quán)的EPS ,距離EPS 的批量化生產(chǎn)也還有很長的一段路要走。
1.3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
電動助力轉(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)用范圍將會進(jìn)一步拓展，將作為標(biāo)準(zhǔn)件裝備在汽車上，并將在動力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。目前，在全世界汽車行業(yè)中，電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)每年正以9%—10%的增長速度發(fā)展，年增長量以130萬—150萬套，估計(jì)直2005年，該產(chǎn)品的產(chǎn)量將由目前的150萬套增長到800萬套，2006年達(dá)到1140萬套。按此速度發(fā)展，用不了幾年的時間，電動轉(zhuǎn)向?qū)耆碱I(lǐng)轎車市場。
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，電動機(jī)本身的性能及其與電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配都將影響到轉(zhuǎn)向操縱力、轉(zhuǎn)向路感等問題，因此進(jìn)一步改善電動機(jī)的性能是下一步努力的一個主要方向。
第三，未來的EPS將向電子四輪轉(zhuǎn)向的方向發(fā)展，并于通過總線技術(shù)電子懸架。發(fā)動機(jī)電子控制等一起統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制汽車的運(yùn)動。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，今后電動助力轉(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，才能滿足更高檔車的使用要求，只有降低成本才能在大多數(shù)汽車上得到廣泛應(yīng)用。
對于我國來說，由于在這方面和國外的差距很大，所以在今后相當(dāng)長的一段間內(nèi)，仍須集中精力解決好傳感器、電動機(jī)和電子控制器ECU等方面的研究開發(fā)工作。
1.4 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理及
EPS的機(jī)械部分有多種型式，其中較常見的是齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，助力裝置則由電動機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的液壓缸，電動機(jī)從汽車蓄電池中獲得電源。根據(jù)電動機(jī)驅(qū)動部位的不同，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。但無論是哪一種形式的電動助力轉(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，輸出軸通過傳動機(jī)構(gòu)帶動轉(zhuǎn)向拉桿使車輪轉(zhuǎn)向。輸出軸除通過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時，給輸入軸輸入了角位移?，輸入軸和輸出軸之間的相對角位移是扭桿受扭，扭矩傳感器將扭桿所受到的扭矩m轉(zhuǎn)化為電壓信號輸入控制裝置并控制電機(jī)的助力和方向。與此同時，車速傳感器檢測到的車速信號也輸入控制裝置，在車速低于設(shè)定值時，離合器接合，系統(tǒng)提供助力；在車速超過設(shè)定值（30—40km/h）時，停止對電機(jī)提供，系統(tǒng)不提供助力，同時，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，降低震動和噪聲，常在電機(jī)轉(zhuǎn)子周緣開設(shè)斜槽或不對稱環(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 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選型
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、齒輪助力式、齒條助力式3種。
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。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(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輛上。
齒輪助力式電動助力轉(zhuǎn)向器(P—EPS)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(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。
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。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C—EPS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。
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(jì)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要是針對轎車來進(jìn)行開發(fā)的，轎車空間相對較小，空間問題是我們要考慮的重點(diǎn)問題。轉(zhuǎn)向軸式對空間緊湊的經(jīng)濟(jì)型轎車很適合。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：
（1）保證汽車有較高的機(jī)動性，在有限的場地面積內(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)汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，全部車輪繞同一瞬時轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車輪只有滾動而無側(cè)滑；
（3）當(dāng)轉(zhuǎn)向輪收到地面沖擊時，轉(zhuǎn)向系傳到轉(zhuǎn)向盤的逆向沖擊要??；
（4）汽車在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪都不得產(chǎn)生自激振動，轉(zhuǎn)向盤沒有擺動；
（5）操縱輕便：轉(zhuǎn)向時加在轉(zhuǎn)向盤上的力，對轎車不應(yīng)超過150—200N，對中型貨車不應(yīng)超過360N，對重型貨車不應(yīng)超過450N，否則應(yīng)考慮動力轉(zhuǎn)向；同時轉(zhuǎn)向盤的回轉(zhuǎn)圈數(shù)要少；
（6）轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置的運(yùn)動干涉應(yīng)最小；
（7）轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向盤應(yīng)自動匯整，并能使汽車保持在穩(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)汽車發(fā)生碰撞轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向軸由于車架或車身變形而共同后移時，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)動校核，保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動方向一致。
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。
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(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。
(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，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(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：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。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(yùn)動干涉，往往將轉(zhuǎn)向梯形布置在前橋之前，此時上述交角＜90。
本次設(shè)計(jì)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
2.3 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(diǎn)：
（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。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。
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(shí)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，甚至感覺汽車有飄的感覺，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(shí)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。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
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(jì)參數(shù)以獲得最佳的回正特性。從最低車速到最高車速，可得到一組回正特性曲線，而傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是無法做到這一點(diǎn)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(shí)現(xiàn)實(shí)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(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(jì)
EPS具體的工作流程是：當(dāng)車輛點(diǎn)火開關(guān)接通，發(fā)動機(jī)開始運(yùn)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(shí)時輸出相應(yīng)的控制電流驅(qū)動電機(jī)，實(shí)現(xiàn)不同大小不同方向的助力，當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)斷開時，EPS系統(tǒng)停止工作。
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(jì)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。
第3章 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)
3.1 整車性能參數(shù)
本次設(shè)計(jì)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
2472
mm
前輪距L1
1429
mm
后輪距L2
1422
mm
最小轉(zhuǎn)彎半徑Rmin
10600
mm
車長
4415
mm
車寬
1674
mm
車高
1415
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 R15
3.2 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。
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)公式來計(jì)算汽車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+606)9.860%=8555.4N
P取0.2MPa。
（2）轉(zhuǎn)向器角傳動比的計(jì)算
圖3-1 轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)角關(guān)系圖
（3-2）
式中：L—汽車軸距，2472mm；
R—汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑，10600mm。
38.12。
式中：L—汽車軸距，2472mm；
R—汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑，10600mm；
B—前輪輪距，1429mm。
設(shè)計(jì)取方向盤總?cè)?shù)為3.5，則
（3-4）
式中：—轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角（速度），3×360。；
—轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角（速度），α+β=72.62。
（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）
式中：—轉(zhuǎn)向搖臂長；
—轉(zhuǎn)向節(jié)臂長；
—轉(zhuǎn)向盤直徑，設(shè)計(jì)為360mm；
—轉(zhuǎn)向器角傳動比；
—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。
對于給定的汽車，用式（3-5）計(jì)算出來的作用力是最大值。因此，可以用此值作為計(jì)算載荷。
（4）轉(zhuǎn)向盤扭力矩Tz
（3-6）
式中：—轉(zhuǎn)向盤上的手力，171.40N；
—轉(zhuǎn)向盤直徑，設(shè)計(jì)為360mm。
（5）梯形臂長度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；
[σ]—材料許用應(yīng)力216MPa；
取。
（8）主動齒輪軸的計(jì)算：
（3-8）
式中：—方向盤扭矩，30852 N.mm；
[τ]—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)見表3-2
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
（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(yùn)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20o，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α1=20°，齒輪螺旋角取為15°、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/cosβ=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
項(xiàng)目
符號
尺寸參數(shù)(mm)
1
總長
160
2
齒寬
30
3
齒數(shù)
6
4
法向模數(shù)
2.5
5
螺旋角
15°
6
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
項(xiàng)目
符號
尺寸參數(shù)()
1
總長
735
2
直徑
30
3
齒數(shù)
21
4
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(jì)參數(shù)
序號
項(xiàng)目
符號
尺寸參數(shù)（mm)
1
橫拉桿總長
257
2
橫拉桿直徑
10
3
螺紋長度
48
4
外接頭總長
100
5
球頭銷總長
52
6
球頭銷螺紋公稱直徑
M81
7
外接頭螺紋公稱直徑
M101
8
內(nèi)接頭總長
60
9
內(nèi)接頭螺紋公稱直徑
M121
（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(jì)參數(shù)
序號
項(xiàng)目
符號
尺寸參數(shù)（mm)
1
導(dǎo)向座外徑
40
2
導(dǎo)向座高度
30
3
彈簧總?cè)?shù)
6.5
4
彈簧節(jié)距
8.25
5
彈簧外徑
30
6
彈簧安裝高度
37
7
螺塞螺紋公稱直徑
M442
8
螺塞高度
30
9
鎖止螺塞高度
10
10
轉(zhuǎn)向器殼體總長/高
600/150
11
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。
這時可以知道AB=πd，齒輪在齒條上移動了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的方向上移動了BC距離：；在齒條實(shí)際工作中是運(yùn)動的，齒輪只是繞軸承中心線轉(zhuǎn)動，并不移動。只能是齒條沿其軸線移動，可見BC在實(shí)際工作中不存在，從中可知：；在齒輪轉(zhuǎn)動一周，齒條實(shí)際移動距離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)算和說明
計(jì)算結(jié)果
⑴選擇齒輪材料、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
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
② 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)
=
=
⑵初步確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸
①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
②選擇齒輪傳動精度等級
選用7級精度
③ 初選參數(shù)
初選 =6 =21 =1.2
=0.7 =0.89
按當(dāng)量齒數(shù)
④初步計(jì)算齒輪模數(shù)
轉(zhuǎn)矩176.29×0.175=30.85=30850
閉式硬齒面?zhèn)鲃?，按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)。
=
=2.205
⑤ 確定載荷系數(shù)
=1，由, /100=0.000648,=1；對稱布置，取=1.06；取=1.3，則=1×1×1.06×1.3=1.378
⑥修正法向模數(shù)
=2.205×=2.193
圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，取=2.5
⑶確定齒輪傳動主要參數(shù)和幾何尺寸
① 分度圓直徑
==15.53
② 齒頂圓直徑
=15.53+2
=15.53+2×2.5(1+0)=20.53
③齒根圓直徑
=15.53-2
=15.53-2×2.5×1.25=9.28
④齒寬
=1.2×15.53=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
⑤ 齒條齒頂高
=2.5×(1+0)=2.5
⑥齒條齒根高
=2.5(1+0.25-0)=3.125
⑦法面齒距
=3.925
⑷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 =189.8×2.45×0.8×0.985
×
=1512.8
斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動
7級精度
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)動分析
圖3-3 轉(zhuǎn)向橫拉桿的運(yùn)動分析簡圖
如圖3-3，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤從鎖點(diǎn)向鎖點(diǎn)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)由繞圓心轉(zhuǎn)至?xí)r，齒條左端點(diǎn)移至的距離為
30°=140×cos30°=121.24
=140-121.24=18.86
30°=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
齒輪齒條嚙合長度應(yīng)大于
即 =70.58+69.42=140
取L=160。
3.2.5 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(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。
=2×30851/15.53=3973.08
=1497.13
=1064.58N
3.2.6 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，<10mm,彈簧總的工作次數(shù)小于，彈簧中要能寬松地穿過一根直徑為φ18mm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，載荷性質(zhì)屬Ⅱ類，。
(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
①選擇旋繞比
②估
③初算彈簧絲直徑
④計(jì)算曲度系數(shù)
⑤計(jì)算彈簧絲的許用切應(yīng)力
⑥計(jì)算彈簧絲直徑
取=4
按30mm、18mm,取
=6.25
=1.404
=0.45=0.45×1700=765
==5.129
取=4
=1.404
[τ]=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
①工作圈數(shù)
②總?cè)?shù)
③節(jié)距
④自由高度
==4.46
各端死圈取1，故
,
則,取
=4.46×8.25+1.5×5=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=1.77<5.3，滿足穩(wěn)定性要求。
(5) 檢查δ及δ1
鄰圈間隙 δ=t-d=8.25-5=3.25mm
彈簧單圈的最大變形量 λmax/n=8/4.46=1.79mm
故在最大載荷作用下仍留有間隙δ1 ，δ1=3.25-1.79=1.46>0.1d
(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
τs=1.25[τ]=1.25×765=956.25MPa
彈簧的極限載荷
Flim==3.14×52×956.25/(8×4×1.4)=1670N
彈簧的安裝載荷
Fmin=0.9Fmax=0.9×1400=1260N
彈簧剛度 Cs=Gd/(8C3n)=80000×5/(8×43×4.46)=175.17N/mm
安裝變形量 λmin=Fmin/Cs=1260/175.17=7.19mm
最大變形量 λmax=Fmax/Cs=1400/175.17=7.99mm
極限變形量 λlim=Flim/Cs=1670/175.17=9.53mm
安裝高度 H1=H0-λmin=44.29-7.19=37.10mm
工作高度 H2=H0-λmax=44.29-7.99=36.3mm
極限高度 H3=H0-λlim=44.29-9.53=34.76mm
3.2.7 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L′h=12000h
⑴初步計(jì)算當(dāng)量動負(fù)荷
=0.711>e
X=0.56,暫選一近似中間值Y=1.5。另查表得fp=1.2
P′=fp(XFR+YFA)=1.2×(0.56×698.5+1.5×432.3)=1247.53N
⑵計(jì)算軸承應(yīng)有的基本額定動負(fù)荷C′r
查表得,ft=1,又ε=3
C′r=
⑶初選軸承型號
查《機(jī)械工程及自動化簡明設(shè)計(jì)手冊》,選擇6202軸承,Cr=7.65KN，其基本額定靜負(fù)荷Cor=3.72KN
⑷驗(yàn)算并確定軸承型號
① FA/Cor=432.3/3720=0.116,e為0.30,軸向載荷系數(shù)Y應(yīng)為1.45
② 計(jì)算當(dāng)量動載荷
Pr=fp(XFR+YFA)=1.2×(0.56×1497×35/60+1.45×432)=1338.5N
③ 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6203,同樣滿足要求。
3.2.8 鍵的計(jì)算
σp= [σp]=120MPa
式中：T—傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為N·mm；
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，K≈h/2,單位為mm；
[]—許用擠壓應(yīng)力，單位為MPa。
選用A型鍵 ，公稱尺寸b×h=5×5；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。
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(diǎn)。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)如表4-1所示。
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
35A
4.1.2 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。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
額定時間
連續(xù)
功耗
9.8W/12V 20°C
額定轉(zhuǎn)矩
1.47Nm/12V 20°C
線圈阻抗
14.7±1
4.1.3 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(jì)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(shí)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(shí)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。
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，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(jì)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(diǎn)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
輸出電流
50mA
精度
0.8%/25攝氏度
匝數(shù)比
l:1000
電源
士15V
4.2 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(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和車速超過氣的輸出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，上層控制器用來根據(jù)基本助力特性及其補(bǔ)償調(diào)節(jié)，進(jìn)行電動機(jī)目標(biāo)電流的決策，下層控制器通過控制電動機(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)向過程（轉(zhuǎn)向角增大）中為減輕轉(zhuǎn)向盤的操縱力通過減速機(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：