下載原文可修改文字和底色顏色查看原文某中型轎車電動助力轉向系統設計

摘要電動助力轉向系統（EPS）是汽車電子化發展的成果之一。作為一種新型的動力轉向系統，它首次出現在日本，越來越多的國家在汽車制造業中關注它。EPS是一種動力轉向系統，它直接輔助電機扭矩。電動助力轉向系統（EPS）由于便于控制，反應靈敏，助力可控等諸多優點是當下主流的轉向助力系統。論文以全新第八代凱美瑞2.0e精英版轎車的轉向系統為例，提出對動力轉向傳動機構的設計要求，通過利用機械原理和機械設計的理論和方法完成了EPS機械部分結構及（轉向橫拉桿直徑、主動齒輪軸和傳動齒輪）參數的設計，并且對轉向齒輪和齒輪軸的力學性能進行了校核，使其達到了實際的設計使用要求。電動助力轉向系統（EPS）由于便于控制，反應靈敏，助力可控等諸多優點是當下主流的轉向助力系統。論文以全新第八代凱美瑞2.0e精英版轎車的轉向系統為例，提出對動力轉向傳動機構的設計要求，通過利用機械原理和機械設計的理論和方法完成了EPS機械部分結構及（轉向橫拉桿直徑、主動齒輪軸和傳動齒輪）參數的設計，并且對轉向齒輪和齒輪軸的力學性能進行了校核，使其達到了實際的設計使用要求。關鍵詞：EPS，轉向器，轉向軸，校核

AbstractElectricpowersteering(EPS)isoneoftheachievementsofautomotiveelectronicdevelopment.Asanewtypeofpowersteeringsystem,itfirstappearedinJapan,andmoreandmorecountriesarepayingattentiontoitintheautomotiveindustry.TheEPSisapowersteeringsystemthatdirectlyassiststhemotortorqueandismainlycomposedofatorquesensor,aspeedsensor,amotorandaspeedreductionmechanism,andanelectroniccontrolunit(ECU).Theelectricpowersteeringsystem(EPS)isthecurrentmainstreamsteeringassistsystembecauseofitseasycontrol,responsiveness,andcontrollability.Takingthesteeringsystemoftheneweighth-generationCamry2.0eelitesedanasanexample,thepaperputsforwardthedesignrequirementsforthepowersteeringtransmissionmechanism.Throughthetheoryandmethodofmechanicalprincipleandmechanicaldesign,theEPSmechanicalpartstructureandthesteeringtierodarecompleted.Theparametersofthediameter,drivegearshaftandtransmissiongeararedesigned,andthemechanicalpropertiesofthesteeringgearandthegearshaftarecheckedtomeettheactualdesignrequirements.Theelectricpowersteeringsystem(EPS)isthecurrentmainstreamsteeringassistsystembecauseofitseasycontrol,responsiveness,andcontrollability.Takingthesteeringsystemoftheneweighth-generationCamry2.0eelitesedanasanexample,thepaperputsforwardthedesignrequirementsforthepowersteeringtransmissionmechanism.Throughthetheoryandmethodofmechanicalprincipleandmechanicaldesign,theEPSmechanicalpartstructureandthesteeringtierodarecompleted.Thedesignoftheparametersofthediameter,thedrivegearshaftandthetransmissiongear,andthemechanicalpropertiesofthesteeringgearandthegearshaftarecheckedtomeettheactualdesignrequirements.Keywords:EPS,steeringgear,steeringshaft,check

目錄1.緒論 .緒論轉向系統作為汽車最為重要的幾大組成部分之一，對于汽車的操控性來說起著非常重要的作用。由于最初的轉向系統沒有轉向助力裝置，因此轉向時駕駛人需要對轉向盤施加很大的扭矩才能引導汽車的轉向，這給操縱汽車的駕駛員帶來了更大的體力消耗。但是經過許多年的發展，汽車的轉向系統已經越來越完善，EPS電動助力轉向系統就是當下最先進的轉向系統之一。本文選題為基于某中型轎車的電動助力轉向系統設計，論文的側重點是系統機械部分結構和參數的設計，本文不涉及線路和ECU的控制策略等方面。例如本文第二章進行的EPS減速機構的設計，第四、第五和第六章轉向小齒輪，轉向橫拉桿還有轉向軸的參數設計和校核。由于本文轉向系統的設計采用EPS電動助力的方式，因此對電機安裝位置、EPS減速機構設計等方面都做了較為詳細的設計，并且通過計算為系統匹配了電機，選定了助力電機的型號。除此之外，本文對轉向系統傳動機構和操縱機構的布置也提出了明確的方案，設計了轉向橫拉桿及其端部連接的方式選擇了使用的連接的標準零件。最后根據參考的車型全新第八代凱美瑞2.0e精英版的整車參數，設計并且校核了傳動小齒輪和主動齒輪軸。在進行本文的設計時，有部分內容參數是查閱了中國知網和廣東工業大學圖書館中的專業文獻才確定的，例如在電機的匹配這一小節中，為了計算電機的額定功率，需要知道轉向時轉向盤的轉速，還需要知道駕駛員作用在轉向盤上使EPS系統開始助力的最小力矩，這兩個參數都是從檢索到的相關文獻中查得的。除了這兩點之外，本文還有許多地方是通過檢索大量文獻來確定的。由于本文在設計的時候進行了大量的文獻檢索，提升了整個設計的合理性和設計水平。1.1轉向系統綜述轉向系統是任意車輛都不能少的系統，甚至最早期的馬車也不例外。在最早期的馬車上，前后輪對通常安裝在簡單的橫梁上。前軸繞其中心的垂直軸線樞轉，并連接到馬被利用的軸上。因此，通過拉動韁繩鼓勵馬在所需方向上轉動，從而實現轉向。在非常早期的機動車輛上，最初使用相同的樞轉軸，通常具有用于手動轉向的某種形式的舵柄。然而，這被發現產生了危險的不穩定布置，因為其軸中的馬提供了穩定的力矩。在嘗試了許多技術解決方案后，設計者很快就采用了現代車輛上使用的阿克曼聯動裝置。這個裝置允許兩個前輪圍繞它們自己的單獨軸線樞轉，并且使得內輪比外部轉動更多，使得兩個輪子具有共同的轉動中心。該機構的幾何布置包括一定程度的腳輪，這使得車輪傾向于自然地返回到中心或直線前進位置，從而使系統定向穩定。舵柄很快就讓位于方向盤，并且使用各種機構將轉向連桿連接到方向盤。幾十年來整體機制幾乎沒有變化，直到引入動力轉向系統才取得重大進展。線控式SBW液壓助力式HPS機械式MS線控式SBW液壓助力式HPS機械式MS電動助力式電動助力式EPS主動電業液壓助力主動電業液壓助力式APS電液助力式EHPS圖1-1汽車轉向系統發展示意圖傳統的轉向系統沒有助力裝置，全部由機械元件組成，駕駛員發出的扭矩經傳動機構傳遞到轉向器時，會消耗掉一部分能量，由剩下的能量驅動轉向器，進而操縱汽車的轉向。由于整個系統中沒有液壓或者電器元件，所以傳統機械助力轉向系統構成比較單一，可靠性比較高。同時系統的缺點也非常明顯，由于轉向的能量來源于人力，轉向過程上非常費力，這意味著汽車的重量就不能設計的太大，限制了汽車的設計。圖1-2機械式轉向系統液壓助力轉向系統是緊隨其后設計出來的新的系統，又有兩種不同的方案。兩者的主要區別是內部壓力狀態的不同。其具體結構如圖：圖1-3液壓助力式轉向系統液壓助力轉向系統的工作原理大概是利用壓力差作為動力，來給轉向系統助力。液壓助力轉向系統與前者相比，降低了駕駛員在轉彎時的操縱難度，基本解決了當時汽車轉向困難的問題。但是其缺點也比較多。第一：由于只要發動機工作，液壓系統就會工作，且液壓系統的能量來自于發動機，這樣就產生了更多的功耗，降低了能量利用效率。第二：由于助力大小取決于液壓差大小，因此助力大小不可調，就導致會出現提供的助力和需要的助力大小不匹配的情況，使汽車的操縱穩定性下降。第三：液壓系統本身存在著漏油以及噪聲過大的情況，降低了駕駛員的乘坐舒適性，同時漏油也會造成環境的污染的問題。電液助力轉向系統是應用較為廣泛的系統，其在發動機效率，空間效率和環境兼容性方面具有許多優于傳統液壓動力轉向系統的優點。它的基本組成如下圖所示：圖1-4電液助力轉向系統該系統的不同之處在于，除了保留原有的一些結構，還增加了許多傳感器和電控元件，并且更換了動力源，增設了一個專門驅動液壓泵的電動機?？梢钥闯?，相較液壓助力轉向系統，電液助力轉向系統利用電機提供能量降低了發動機的功耗，而且其依賴于傳感器，控制器等電控裝置，可以根據不同情況輸出不同大小的助力，提高了駕駛過程的操縱穩定性。不過該系統仍然有許多缺點，例如漏油，維修比較困難。在原有裝置上增加了電控裝置，系統更加復雜，成本也相應更高。電動助力轉向系統是當下最先進的轉向助力系統之一。由于其研究時間長，因此也更加成熟。和原來的轉向助力系統相比，它不但消耗更低，安全性、穩定性也最高。而近年來隨著科學技術的發展，電子元件的價格也在逐漸降低，從而電動助力轉向系統的成本也在逐步降低，因此該技術應用空間還很廣泛。其工作原理如下：當汽車轉向時，轉矩傳感器把相對角位移轉換為電信號傳遞給ECU，ECU根據接收到的電信號傳遞來的信息來決定電機的工作狀態，從而精準而且同步控制電機的旋向和助力的大小。它可以輕松做到在不同轉向情況時提供不同的助力效果，保證汽車在轉向行駛時能夠比較靈敏而且不會脫離控制。汽車線控轉向系統由三個主要系統以及其余輔助系統組成，其結構和原理圖如下：圖1-5線控轉向系統工作原理SBW系統由兩個由電子控制單元（ECU）控制的電機組成。一個電機位于方向盤中，提高了駕駛員的轉向感，另一個電機處于轉向連桿中，提高了車輛的機動性和穩定性。此外，主動前輪轉向（AFS）系統可以添加到SBW系統。AFS減少了實際和估計的車輛橫擺率之間的差異。來自方向盤的最新信息使駕駛員能夠通過輪胎力識別道路狀況，輪胎力應反饋給方向盤。此外，可以通過自動調整扭矩一起使用與車輛和電動機相關的若干控制算法，該自動調整扭矩被反饋到方向盤。這樣做的優點有：第一提高了汽車的安全性，由于機械元件的減少從而降低了汽車發生碰撞時駕駛員受到傷害的可能。第二增強了可操縱性，ECU可控制方向盤力矩電機給方向盤施加一個反作用的力，這個反作用的力能提高駕駛員感知路面狀態的能力，從而提高汽車的操縱性。第三提升了駕駛體驗感，由于該系統沒有很多的剛度的連接，路面凹凸導致的震動等不會影響到方向盤。1.2論文研究內容及意義本文在第八代凱美瑞2.0e精英版整車參數的基礎上，設計了一套電動助力轉向系統。主要設計內容包括轉向傳動機構以及電動轉向助力系統的布置形式、電動助力系統電機的匹配以及轉向器、轉向橫拉桿、轉向軸的參數設計校核等。本文的設計思路如第7頁流程圖所示。本文在第一章簡單介紹了論文的框架和設計思路，詳細敘述了轉向系統的發展沿革，并詳細介紹了發展史中應用較為廣泛的幾種轉向系統的結構和工作原理。對這幾種常見的轉向系統做了較為全面的評價，對它們的優點和缺點都做了基本的論述。第二章開始進行本文的設計工作。首先面臨的是轉向器的選擇，轉向器有三種常用的類型，最終選定質量更輕、轉向更矯捷的齒輪齒條式轉向器。并且確定了轉向器的輸出形式。接著是轉向操縱機構的設計，對于這部分內容，本文主要提出了關于安全性方面的設計要求，例如轉向盤和轉向軸的形式、使用的材料及相關安全裝置的布置方式等。然后是轉向傳動機構的設計。傳動機構的布置方式有四種，本文選擇了可以使得傳動機構的布置更為緊湊，橫拉桿擺角更小，更不易產生運動干涉的一種方案。最后是電動助力轉向系統的設計，這部分主要進行了電器布置的設計和減速機構的設計，最終選擇的助力方式為轉向軸直接助力。接下來又設計了EPS中連接電動機和轉向軸的減速機構。決定采用常用的蝸輪蝸桿結構，作出了減速機構的結構簡圖并且確定了減速機構的傳動比，對整個機構的傳力方式做出了具體的描述。在第三章進行了主要參數的設計計算。在設計之前在官方網站查到了參考車型的具體參數，如軸距、整車質量等，接著根據這些基本參數，計算得出轉向系統的其它基本參數，包括整車參數以及轉向盤的直徑、轉向系的傳動比等。確定了所有基本的參數之后，為了后期進行齒輪軸的校核，需要根據數據為電動助力轉向系統匹配電機，因此通過計算確定了電機所需的額定功率及轉矩等，從而根據電機額定參數選擇了電機型號，最終采用90zw02型的永磁直流無刷電機。本文的后半部分，主要進行的是參數的設計和接觸強度的校核。首先在第四章中，設計了齒輪齒條式轉向器的轉向小齒輪，設計過程完全依據機械設計的步驟來進行，設計完成后又對轉向小齒輪進行了強度校核，結果顯示滿足使用要求。第五章對轉向橫拉桿進行了參數設計，確定了轉向橫拉桿的直徑。除此之外，對橫拉桿接頭的連接件也做了相關設計，選擇內外球頭作為端部的連接件，這樣設計的好處有摩擦比較小，能量損失比較少。第六章進行了齒輪軸的設計和校核，先根據安裝和功能的需要，對齒輪軸各軸段的參數進行了初步設計，然后代入電機參數對齒輪軸的危險截面進行了強度校核，結果顯示齒輪軸滿足使用的要求。以上就是本文的設計內容。本文的設計建立在其他人的經驗之上，許多同類的設計論文為本文設計思路提供了很多靈感，相關的設計標準書籍為本文提供了標準的參照。本文按照系統的設計方法逐步進行設計，最終設計成果達到了預期標準，為轉向系統的設計積累了設計經驗，具有一定的借鑒意義。結論齒輪軸的結構參數設計及校核傳動機構的參數設計（轉向橫拉桿齒輪齒條轉向器的設計校核轉向系統結構設計（轉向器、傳動機構結論齒輪軸的結構參數設計及校核傳動機構的參數設計（轉向橫拉桿齒輪齒條轉向器的設計校核轉向系統結構設計（轉向器、傳動機構、EPS）轉向系統參數的確定（傳動比、轉向系效率）及電機的匹配論文框架、轉向系統簡介及發展歷史2.動力轉向系統結構設計在設計動力轉向系統時，為了后期的參數設計，需要先確定它的結構、助力方式、傳動方案的布置等。因此本章先進行結構方面的設計，包括EPS減速機構的設計等。2.1轉向器轉向器是轉向系統中的重要組成部分。轉向器能夠分為很多種類，目前應用比較普遍的有以下三種。下面是這三種轉向器的介紹：（1）循環球式循環球式轉向器是一個非常經典的結構。是被普遍用于國內外汽車的結構形式。結構上循環球轉向系統通常具有雙速傳動對。其工作原理為利用小鋼球在螺母和螺栓在旋轉過程中的相對運動，將螺母和螺桿之間的摩擦方式轉換為滾動，這樣就大大減少了運動過程中的阻力。但是對于中型轎車來說，前軸載荷質量并不大，阻力的減少就并沒有特別大的效果，而且由于其逆效率也高，路面沖擊力帶來的震動更容易傳遞到轉向軸，這樣就降低了駕駛員的舒適感。（2）蝸桿曲柄銷式蝸桿曲軸轉向器的優點有效率高，操作輕。分段轉向軸的使用有利于車輛的整體布局和維護并改善車輛安全性。這也有助于大規模生產轉向器。循環球式轉向器有以下特點：傳動效率高（高達90％至95％），自動回程效果好，操作輕便，磨損小，壽命長。然而，由于反向傳動效率低并且來自路面的沖擊容易地傳遞回方向盤，因此產生“手動”感，并且方向盤可能搖晃或顫動。這種轉向器常用在具有高轉向功率的卡車上。（3）齒輪齒條式它是最普遍的轉向器，也是本文采用的轉向器形式。它的優勢是結構不復雜，體積不大，成本不高，轉向又矯捷。輕型汽車普遍采用這種轉向器。齒輪齒條式轉向器的輸出形式根據不同的使用需求和布置需求，可以分為如圖2-1所示四種形式：：表2-1四種形式符號輸入位置輸出位置a中間兩端b側面兩端c側面中間d側面單端圖2-1齒輪齒條式轉向器布置方式本文采用c方式的形式。這種形式的優點有：與齒條相連的左右拉桿更長，從齒條兩頭增長到齒條中間，這樣車輪在承受路面沖擊而振動的時候，轉向橫拉桿擺動的角度小，可以有效減少車輪振動時轉向系和其他位置的運動干涉，所需的空間就更少。另外齒輪和齒條都采用斜齒的，齒輪和齒條軸線間的角度可以根據需要來調整，滿足更加豐富的設計要求。2.2轉向操縱機構轉向操縱機構的組成如圖2-2所示。由于其離駕駛員位置很近，為了降低發生車禍時駕駛員受到的沖擊，轉向柱等可以做成具有吸收沖擊力作用的結構。圖2-2轉向操縱機構的組成（圖中：1-轉向器；2-萬向節；3-傳動軸；4-方向盤；）2.2.1轉向盤轉向盤由輪緣、輪輻和輪轂組成。輪輻的輻條根數有幾種不同的選擇。轉向盤的設計不僅要考慮駕駛員的手感，還要考慮碰撞時的安全性?，F在的轉向盤大多采用兩層結構，里邊的骨架材料采用金屬，外邊用相對柔軟的橡膠或者皮革。這樣在發生碰撞時骨架可以吸收碰撞能量，而外層的皮革又能在駕駛時防止打滑。另外，出于安全性的考慮，很多汽車把安全氣囊裝在轉向盤中，大大提高了碰撞安全性，降低了事故傷亡率，為駕駛人的安全增加了一層新的保障。其結構如圖2-3所示。圖2-3轉向盤（圖中1-輪圈；2-輪輻；3-輪轂）2.1.2轉向軸轉向軸具有著傳遞轉矩的作用。轉向柱管包裹著轉向軸。轉向柱管一邊安裝在車身上，一邊連接轉向盤，起到支撐作用。出于碰撞安全的考慮，轉向柱管需要有吸能的作用，因此可以在轉向柱管上增加支架和其他裝置，當發生碰撞時，通過支架和其他裝置的形變，吸收碰撞的能量。當汽車發生正面碰撞情況時，由于車身的變形會導致轉向軸和轉向盤向后方運動，而人體在慣性力的作用下又要往前沖，在這種情況下司機的胸部和頭部會碰撞到轉向盤上而受傷?，F代汽車除在轉向盤處安裝安全氣囊外，還在轉向操縱系統如轉向盤、轉向軸和轉向管柱上采取防傷的被動安全措施。國外有關法則還規定：汽車以48.3km/h速度同障礙物正面相撞時，轉向軸和轉向管柱上部相對于車身未變形部分的位置的最大位移量不得超過127mm；或者試驗用人體模型與轉向盤的作用力，在兩者的運動速度為6.7m/s時，不應越過11.35kN。吸收能量的方法可使有關轉向零件在撞擊時產生彈性變形、塑性變形或摩擦來實現。2.3轉向傳動機構轉向傳動機構的作用是利用轉向器傳遞來的扭矩驅動車輪轉動，另外還要保證在轉向過程中車輪的滑動很小。其組成結構有轉向節臂，轉向橫拉桿、萬向節等。另外為了配合獨立式懸架，轉向橋及轉向系的梯形都需要做成斷開式的，因此本文設計采用斷開式梯形結構。根據底盤懸架的安裝情況不同，齒輪齒條式轉向器在汽車上的放置形式有以下幾種（圖5-2）：表2-2放置形式符號轉向器位置梯形位置a前軸后方后置梯形b前軸后方前置梯形c前軸前方后置梯形d前軸前方前置梯形圖2-4轉向器的四種布置形式本文采用的是b的形式，如圖所示：梯形機構放置在前面。這樣做的優點有布置更加緊湊，占用空間更少，不容易發生運動交叉。圖2-5選定的轉向傳動機構2.4電動轉向助力系統電動轉向助力系統由四部分組成，分別為提供動力的電動機，收集信息的傳感器、接受信息并發出指令的ECU和傳遞動力的離合器及減速機構。EPS系統具有以下兩個功能。首先，它可以減少轉向扭矩并呈現各種轉向感。轉向扭矩（或駕駛員扭矩）定義為在轉動方向盤時駕駛員經歷（或駕駛員應用于轉向柱）的扭矩。當來自EPS系統的適當輔助扭矩以與駕駛員的轉向方向相同的方向施加時，駕駛員轉向所需的轉向扭矩量可以顯著減輕。另外，調節輔助扭矩的特性允許駕駛員體驗各種轉向感覺。其次，EPS系統可以在轉向時提高方向盤的返回中心性能。當方向盤轉彎然后在轉彎期間釋放時，它通過道路上施加在輪胎上的所謂的自對準扭矩返回到中心位置。由于該扭矩隨著車輛速度而增加，因此在高車速下，方向盤可能表現出過度的過沖和隨后的振蕩。EPS系統可以通過提供主動阻尼能力來消除這種現象，從而增強可回收性特征。其基本原理為：當汽車轉向時，ECU依據接收到的電信號以來決定電機的工作狀態，從而精準而且實時控制電機的旋轉方向和助力的大小。它可以輕松做到在不同轉向情況時提供不同的助力效果，保證汽車在轉向行駛時能夠比較靈敏而且不會脫離控制。本節主要進行減速機構的設計和電機安裝位置的確定。圖2-6轉向軸助力式轉向系統2.4.1助力方式的確定直接助力式電動轉向系統可以分為以下3種。如圖2-7所示：從左至右分別為轉向軸助力式、齒輪助力式、齒條助力式。圖2-7直接助力式電動轉向系統的類型=1\*GB3①轉向軸助力式：它的系統特點是直接驅動轉向軸實施助力。它的ECU一般裝在駕駛人的座位下，電機距離駕駛人比較近，產生的震動噪聲通過轉向操縱機構和儀表盤向外輻射，對駕駛人的舒適性有嚴重的影響。但是這種方案可以占用的空間最小，因此本文采用這種方案。=2\*GB3②齒輪助力式：動力直接傳遞給齒輪軸，所以這種布置方案能夠提供最大的轉向助力作用。=3\*GB3③齒條助力式：動力直接輸出在齒條上，這種布置方案傳遞力的性能好，傳遞過程中損失的能量比較小。由于本文設計是基于中型轎車，而該中型轎車前軸的負荷并不大，因此不采用這種助力方案。2.4.2減速機構的設計減速機構的作用除了幫助整個系統減速，還有增加扭矩的作用。常用的減速機構有兩種，分別為差動輪系減速機構和蝸輪蝸桿減速機構。前者的靈敏度更高，工作時更加平穩，反應時間更短，但是結構復雜，利用程度低。后者靈敏度較差，但是能夠提高更高的減速比（通常能達到1：13~1：20），而且其結構不復雜，占用空間更小，壽命更長，噪聲更小，因此本文選擇其作為電動助力轉向系統的減速機構。蝸輪蝸桿機構簡圖如圖所示：選取傳動比ig圖2-8減速機構簡圖設計的傳動機構如圖所示：圖2-9減速機構結構簡圖（圖中：1-電動機；2-聯軸器；3-蝸輪蝸桿機構；4-聯軸器；5-小齒輪軸）具體傳力方式為：電機軸與蝸桿通過聯軸器相連，當電機啟動，蝸桿帶動渦輪旋轉，而渦輪固定在轉向軸上，轉向軸與小齒輪軸通過聯軸器連接，從而帶動齒輪軸，為轉向提供動力。2.5本章小結本章確定了設計使用齒輪齒條式轉向器并從其四種輸出方式中選擇了最為合適的一種。確定了轉向軸助力的助力形式并且確定了減速機構的傳動比為16，為接下來的設計提供了結構模型以及基本數據。

3.轉向系統主要參數的設計3.1轉向系統設計基礎參數本設計參考第八代凱美瑞2.0E精英版參數進行設計，根據在官方網站查到的參數，確定本設計的基礎參數如下表：表3-1轉向系統設計基礎參數表參數名稱數值軸距(mm)2825整車整備質量(kg)1530承載質量(kg)380前后配重50%最高車速(km/h)2023.1.1轉向盤的直徑轉向盤直徑根據GB-4505-1986的要求：取Dsw=3.1.2轉向盤回轉總圈數轉向盤轉動的總圈數對汽車的操控性有著巨大的影響。按照汽車設計指導書的要求，對于輕型轎車，總圈數不能大于3.6。取3.5圈。3.1.3轉向系的效率轉向系的效率η0由轉向器的效率η和傳動機構的效率ηη0轉向器的正效率：η+逆效率：η?其中：表3-2公式中各符號的意義符號名稱P作用在轉向盤上的功率P轉向器中的摩擦功率P作用在轉向搖臂軸上的功率對于齒輪齒條式，為了簡化計算，只計算齒輪齒條的摩擦損失，忽略其他因素導致的消耗，因此用下式來計算：η+η?其中：α0為蝸桿的導程角，α0ρ為摩擦角f為摩擦系數，查得f=0.3~0.5因此：ρ=η3.1.4轉向系的傳動比（1）iwiw是轉向器的角傳動比，對于轎車來說，i取iw（2）F?出于操縱性的考慮，轉向時駕駛人轉動方向盤不能過于吃力，對轎車而言這個力的大小在150~200N范圍內。作用在方向盤上的手力F?=2其中：符號名稱M轉向阻力矩L轉向搖臂長L轉向節臂長轉向傳動機構角傳動比iw'=取iwMRMRG1其中：f是摩擦系數，取f=0.7；m載m載P為輪胎氣壓，取c為汽車的前轉向軸軸荷系數，前軸軸荷系數c=50%。代入數據計算得：GMF（3）小齒輪最大轉矩當汽車停止運動時，小齒輪轉矩最大:T1（4）轉向系的角傳動比轉向系的角傳動比為iw'和iw03.2助力電機的設計3.2.1電機選型EPS系統的動力來源于電動機，因此電動機提供動力的大小將影響整個系統的工作情況。電機按照電源的類型可以分為直流和交流兩種。按照結構又可以分為：直流，同步和異步電機。由于EPS系統所需要的能量并不是很大，而且布置空間有限，因此電機類型選擇簡易便攜的永磁無刷直流電動機。除此之外，直流電動機可以根據汽車運行速度設置不同的轉速，可以更加準確的提供轉向時的助力。3.2.2電機額定參數的設計（1）額定轉矩EPS系統正常工作需要足夠的動力，電機額定輸出轉矩需要滿足下式：TTLig假設駕駛員手力矩Td大于3NmT式中η為減速機構的效率；由于采用蝸輪蝸桿減速機構，效率η=90%，代入數據得：T因此選擇電動機轉矩要大于1.85Nm。（2）額定功率從國內外相關研究文獻中查得，轎車選擇電機功率對應的方向盤轉速為：n因此電機額定功率為P代入數據：P因此所選電動機的額定功率要大于258w。（3）額定電壓永磁無刷直流電動機可以分為大型、中型和小型。相應的電壓大小也不同，分別為320V，72V和48V，由于本文設計車輛類型為轎車，因此選擇電壓為48V的電機。3.2.3電機型號的選取根據設計要求，最終選定額定電壓4.8V、額定功率400w的90zw02型電機，其具體參數如下：表3-2選定的電機參數電機型號額定功率額定電壓額定轉矩額定轉速90zw02400w48V22000（rpm）3.3本章小結本章進行了動力轉向系統主要參數的計算。其中有轉向系傳動比以及小齒輪最大轉矩等。并且依據整車參數，確定了電機的型號。具體結果如下表：表3-3設計參數參數名稱數值轉向盤的直徑380mm轉向盤的回轉總圈數3.5圈轉向系的效率η83.45%轉向系的角傳動比i18方向盤上的手力F156小齒輪的最大轉矩T29.6選定的電機型號90zw02

4.齒輪齒條式轉向器的設計校核4.1齒輪齒條初始參數選取按照相關標準取法向模數mn取齒數Z1由于齒數Z1變位系數xmin=?a?取螺旋角β=12°。取壓力角αn轉向盤從中間到單一方向能轉過的最大角度φ=×1.75×360°=315°。齒條齒數待定。法向齒頂高系數?an法向頂隙系數cn齒輪精度8級。4.2齒輪齒條設計及校核轉向器內齒輪根據其工作情況，主要會出現輪齒折斷的破壞情況，所以按按接觸疲勞強度校核。（1）選取材料齒輪采用硬齒面設計，主動小齒輪取60HRC，淬火處理；齒條采用45鋼，表面硬度取58HRC。（2）齒輪最大轉矩T（3）初取載荷系數K根據齒輪齒面材質及載荷情況，在K'=1.6～1.8（4）選取齒寬系數?d及取?由?a當Z→∞，→∞則≈0。（5）初取重合度系數Yε'初取螺旋角β=12°，εa由式Yε得Yε'初取Yε'（6）初取齒數，,齒形系數及應力修正系數取=8，待定。由Zv得當量齒數計算變位系數得xYFa1=2.45YSa1=1.65（7）確定[]得σσ（由于雙向運轉，數值需要×0.7）由σF1齒輪失效概率≤1/100，按照可靠度設計，取SFminYST為應力修正系數，取齒輪工作壽命為5年（300天/年），單班（8h）；應力循環次數=60nγ；γ為每轉一圈，同一齒面嚙合次數；n為轉速；L?為齒輪工作壽命則γ=1；n取大致為1.75/2r/s=0.875r/s。則N=60×52.5×1×12000≈3.87×取Y得σσ（8）按齒根彎曲疲勞應力YY（9）計算m由式：m（4-5）代入YFa1YSa1即YFa2得m取mn（10）齒輪尺寸確定分度圓直徑d：d=齒寬b：b=取b2=20mm,使用系數KA，?。?1）計算載荷系數K=1\*GB3①動載系數KV齒輪旋轉的線速度：v=π查得K=2\*GB3②齒向載荷分布系數Kβ端面重合度εα縱向重合度ε由ε=根據齒輪材料及精度查得Kα=1.42所以K=K＞,所以mn數值需要再確定(12)驗算齒根疲勞強度仍取m可以滿足齒根疲勞強度，因此m（13）檢驗查取ZZZS其中：表4-1公式中參數的意義符號名稱數值Z彈性系數189.8Z節點區域系數2.4Z接觸疲勞壽命系數0.98S安全系數1由Zε得Z螺旋角系數計算[]σH代入以上數據σHlim1=σH1=（14）檢驗齒面σσ計算結果：σσH的最小值和σH相比，（15）齒條參數的設計轉向盤回轉總圈數一半為1.75圈，因此齒條行程：l'd1齒條齒數Z2l'p將上式代入4-10得：Z因此：Z取齒條齒數：Z2齒條長：l≥取齒條長：l=230mm4.3本章小結本章用機械設計的方法確定了齒輪齒條式轉向器的具體參數，先選定了小齒輪的材料，然后選取了傳動小齒輪的齒數。通過設計計算得出小齒輪的模數、齒寬。隨后確定了齒條的齒數、齒條最小長度等參數。設計之后，校核了傳動小齒輪的強度，結果表明滿足設計要求。具體設計的參數如下表所示：表4-1齒輪齒條設計參數序號名稱符號齒輪齒條1齒數z8282分度圓直徑（mm）d20.45-3變位系數χ0.529-4模數m2.5-5壓力角α20°20°6螺旋角β12°12°7齒寬b3020

5.轉向傳動機構參數設計5.1梯形臂長和梯形底角汽車轉彎時，轉向傳動機構如果完全對稱布置，就會導致兩轉向輪不能圍繞同一圓心轉向，勢必會產生相對滑移，不利于汽車轉向時的操控。為了使汽車轉向時避免出現上述情況，轉向時轉向輪的情況應如圖5-1所示，兩轉向輪以o點為中心點做圓周運動，對兩輪的轉角有：cot其中：α為外轉向輪轉角；β為內轉向輪轉角；K是兩主銷延長線至地面交點間的距離（根據汽車整體布置方案確定）；圖5-1理想的轉向特性曲線圖在進行轉向梯形機構的設計時，梯形底角θ和梯形臂長m沒有具體的設計標準，需要配合整車懸架和底盤的布置，因此可以初步根據經驗選定梯形臂長m和梯形底角θ。橫拉桿軸向力F式中FQ是縱拉桿對轉向節上臂的施加的力，Fl是縱拉桿作用力力臂；l從公式中我們可以看出來，梯形臂長度越長，橫拉桿軸向力越小，因此在設計時可以適當選取較長的梯形臂長度。但是梯形臂太長會導致傳動機構的布置困難，因此梯形臂長度要適中。梯形底角受較多因素影響，很難設計的比較完美。其大小一般為70%?80%。5.2轉向梯形機構校核在設計轉向梯形結構的初始參數后，還有對設計的初始數據進行優化。針對轉向梯形機構的校核方法有很多種，最為基礎的是圖解法，通過人工作圖的方法來校核梯形結構。圖解法的步驟非常繁瑣，需要通過大量的作圖來得到數據，因此難免產生較大的誤差。相比圖解法，利用計算機來進行優化不但方便快捷，而且準確性更高，梯形結構優化更加合理。利用計算機進行梯形結構的優化這一操作可以通過MATLAB軟件來實現。其基本原理是這樣的：根據汽車的轉向特性，將車輛轉彎時的基本參數，例如內外輪的轉向角，軸距等作為變量輸入，將他們之間的運動關系變成約束，然后就會生成目標函數的M文件。接著運行程序并分析圖像就可以得出最優解，從而設計出最為合適的梯形臂長和梯形底角。其目標函數的程序詳見附錄A。5.3轉向橫拉桿及其端部的設計拉桿和轉向節臂在內球接頭和外球接頭處連接。內外球頭主要由球銷和球珠組成。球碗由聚氨酯或聚縮醛制成，材料的自潤滑性保證了低摩擦系數和良好的耐磨性。碗的工作表面刻有許多用于儲存油脂的儲油罐。在組裝過程中，球銷通過球的彈性被推入球中，然后將球銷和球放入接頭的孔中。最后，纏繞接頭并鉚接它。組裝后，錐形彈簧具有一定的預夾緊力，可以隨時補償摩擦引起的間隙。橫拉桿與齒條之間通過螺釘連接，利用緊固螺釘將橫拉桿橫向固定在齒條的中間位置。圖5-2橫拉桿端部以下是轉向橫拉桿及其端部連接件的設計參數表：表5-1橫拉桿包及其端部的設計序號名稱符號參數1橫拉桿直徑（mm）?152螺紋長度(mm)L603外接頭總長(mm)L1204球頭銷總長(mm)L625球頭銷螺紋公稱直徑(mm)dM10×16外接頭螺紋公稱直徑(mm)dM12×1.57內接頭總長(mm)L65.38內接頭螺紋公稱直徑(mm)dM16×1.59轉向梯形臂(mm)m2005.4本章小結本章主要進行了轉向橫拉桿及其端部的設計，包括橫拉桿的直徑，橫拉桿接頭球頭銷的參數。另外提出了對于轉向梯形機構設計的基本要求。提出了一種相對傳統方法更加方便快捷的轉向梯形機構設計和優化的方法。

6.齒輪軸的設計及校核6.1齒輪軸的參數設計軸上主要尺寸的設計：第一段：由于齒輪軸需要通過聯軸器做到與減速機構的連接，因此在第一段軸上應開有鍵槽，初步選取第一段軸的長度為L1=55第二段：聯軸器需要軸肩定位，因此選取第二軸段的直徑為20.5mm，長度為L2第三段：傳動小齒輪安裝在這段軸上，切齒輪齒寬b=30mm，因此第三段軸長度應略大于齒寬，取長度為L第四段：第四段軸的長度需要考慮整體空間的布置，另外還需要預留給軸承端蓋密封的空隙，初步取軸長L設計的小齒輪軸結構及尺寸如下圖：聯軸器用對開式平鍵聯軸器。為保證具有足夠的扭轉強度，材料選用40Cr圖6-1齒輪軸結構及參數6.2齒輪軸的校核齒輪軸的強度校核計算，要根據軸的受載和受力情況來選擇不同的計算公式。對于轉向系統的轉向軸來說，主要起到傳遞扭矩的作用，因此按照扭轉強度條件校核，其具體校核過程如下：軸的扭轉強度條件為：τ其中：表6-1式中參數的意義符號名稱單位τ扭轉切應力MPaT軸所受到的扭矩N?mmW軸的抗扭截面系數mmP軸傳遞的功率Kwn軸的轉速r/mind截面處的直徑mmτ許用切應力MPa變形得：d≥A其中A計算轉向軸上的功率和轉速：由電機參數可知，電機額定功率P=400W，電機轉速2000r/min，因此轉向軸的轉速：n選定A0軸常用的幾種材料的τT和A表6-2軸常用的幾種材料的τT和A軸的材料Q235A、20Q275、354540Cτ15~2520`3525~4535~55A149~123135~112126~103112~97軸的選用材料為40Cr鋼，由表可知A0值范圍為112~97，由于齒輪軸為減速器的低速軸，沒有彎矩，因此考慮到齒輪軸需要雙向轉動，因此適當選取A0取A代入式6-1得：d≥100由于軸徑最小的軸段開有1個鍵槽，而且軸徑小于100mm，因此需要最小可用軸徑在原來基礎上再提高5%，即d≥14.7×105%=15.4mm所設計軸的直徑最小處軸徑d=16mm，因此滿足使用條件。6.3本章小結本章主要進行了小齒輪軸的參數設計，各軸段的長度和直徑等。設計完成后根據電機參數對齒輪軸進行了強度校核，結果表明該齒輪軸滿足設計要求。

結論本文運用了機械原理和機械設計的方法，對某中型轎車的電動助力式轉向系統部分結構進行了參數化設計，包括轉向齒輪軸、小齒輪、齒條及轉向橫拉桿等，并且校核了小齒輪和齒輪軸的強度，校核結果表明這些部件的設計達到了預期的要求。提出了對轉向系統部分結構設計的方法與步驟。對以后的研究者來說具有一定參考的價值，對轉向系統的研究來說有著較為積極的意義。本文的設計建立在其他設計者的研究成果之上，但是與他們的研究成果來比，本文仍然有著較多的缺陷，部分內容由于本人的水平限制未能詳盡敘述，例如EPS電機的控制策略、轉向梯形結構設計與優化的具體過程等。除此之外，本文的設計過程沒有嚴格按照設計要求，有一些地方引用了經驗參數，對于設計結果來說可能產生了較大的誤差，為了避免在以后的設計中產生較大誤差，我建議設計者應按照嚴格的設計規范來進行設計。綜上所述，本畢業設計基本達到了題目的要求，但仍然存在著一定的缺陷，設計過程不夠規范，論文思路不夠清晰，望本文讀者能夠引以為戒。

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致謝本文的設計是在我的指導老師李毓