1、-1-汽车电动助力转向系统的设计第 1 章 绪论1.1 汽车转向系统简介汽车转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。它由转向操纵机构、转向器和转向传动机构组成。转向系统作为汽车的一个重要组成部分，其性能的好坏将直接影响到汽车的转向特性、稳定性、和行驶安全性。目前汽车转向技术主要有七大类：手动转向技术（MS） 、液压助力转向技术（HPS） 、电控液压助力转向技术（ECHPS） 、电动助力转向技术（EPS） 、四轮转向技术（4WS） 、主动前轮转向技术（AFS）和线控转向技术（SBW） 。转向系统市场上以 HPS、ECHPS、EPS 应用为主
2、。电动助力转向具有节约燃料、有利于环境、可变力转向、易实现产品模块化等优点，是一项紧扣当今汽车发展主题的新技术，他是目前国内转向技术的研究热点。1.1.1 转向系的设计要求(1) 汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。(2) 汽车转型行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶。(3) 汽车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生共振，转向盘没有摆动。(4) 转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小。(5) 保证汽车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶
3、能力。(6) 操纵轻便。(7) 转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小。(8) 转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。(9) 在车祸中，当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。(10) 进行运动校核，保证转向轮与转向盘转动方向一致。-2-1.2 EPS 的特点及发展现状1.2.1 EPS 与其他系统比较对于电动助力转向机构(EPS)，电动机仅在汽车转向时才工作并消耗蓄电池能量；而对于常流式液压动力转向机构，因液压泵处于长期工作状态和内泄漏等原因要消耗较多的能量。两者比较，电动助力转向的燃料消耗率仅为液
4、压动力转向的 16%20%。液压动力转向机构的工作介质是油，任何部位出现漏油，油压将建立不起来，不仅失去助力效能，并对环境造成污染。当发动机出现故障停止工作时，液压泵也不工作，结果也会丧失助力效能，这就降低了工作可靠性。电动助力转向机构不存在漏油的问题，只要蓄电池内有电提供给电动助力转向机构，就能有助力作用，所以工作可靠。若液压动力转向机构的油路进入空气或者贮油罐油面过低，工作时将产生较大噪声，在排除气体之前会影响助力效果；而电动助力转向仅在电动机工作时有轻微的噪声。电动助力转向与液压动力转向比较，转动转向盘时仅需克服转向器的摩擦阻力，不存在回位弹簧阻力和反映路感的油压阻力。电动助力转向还有整
5、体结构紧凑、部件少、占用的空间尺寸小、质量比液压动力转向约轻 20%25%以及汽车上容易布置等优点。1.2.2 EPS 的特点(1）EPS 节能环保。由于发动机运转时，液压泵始终处于工作状态，液压转向系统使整个发动机燃油消耗量增加了3%5%,而 EPS 以蓄电池为能源，以电机为动力元件，可独立于发动机工作，EPS 几乎不直接消耗发动机燃油。EPS 不存在液压动力转向系统的燃油泄漏问题，EPS 通过电子控制，对环境几乎没有污染。(2）EPS 装配方便。EPS 的主要部件可以集成在一起，易于布置，与液压动力转向相比减少了许多原件，没有液压系统所需要的油泵、油管、压力流量控制阀、储油罐等，原件数目少
6、，装配方便，节约时间。(3）EPS 效率高。液压动力转向系统效率一般在60%70%，而 EPS 得效率较高，可高达90%以上。-3-(4）EPS 路感好。传统纯液压动力转向系大多采用固定放大倍数，工作驱动力大，但却不能实现汽车在各种车速下驾驶时的轻便性和路感。而 EPS 系统的滞后性可以通过EPS 控制器的软件加以补偿，是汽车在各种速度下都能得到满意的转向助力。(5）EPS 回正性好。EPS 系统结构简单，不仅操作简便，还可以通过调整 EPS 控制器的软件，得到最佳的回正性，从而改善汽车的操纵稳定性和舒适性。(6）动力性。EPS 系统可随车速的高低主动分配转向力，不直接消耗发动机功率，只在转向
7、时才起助力作用，保障发动机充足动力。 （不像 HPS 液压系统，即使在不转向时，油泵也一直运转处于工作状态，降低了使用寿命）1.2.3 EPS 在国内外的应用状况国外 EPS 的发展之路：因为微型轿车上狭小的发动机舱空间给液压助力转向系统的安装带来了很大的麻烦，而 EPS 原件比较少，重量轻，装配方便，比较适合在微型轿车上安装。因此在国外，EPS 系统首先是在微型轿车上发展起来的。上世纪80年代初期，日本铃木公司首次在其 Cervo 轿车上安装了 EPS 系统，随后还应用在其 Alto 车上。此后，EPS 在日本得到迅速发展。出于节能环保的考虑，欧、美等国的汽车公司也相继对 EPS 进行了开发
8、和研究。虽然比日本晚了十年时间，但是欧美国家的开发力度比较大，所选择的产品类型也有所不同。日本起初选择了技术相对成熟的有刷电机。有刷电机比较成熟，在汽车上的应用较广，比如雨刷、车窗等部分，稍作改进就适应了 EPS 的要求，因此研发周期较短，上世纪80年代末期就开始产业化，主要装配在微型车上。而欧美则选择了难度较大的无刷电机，但是电子控制系统比较复杂，延长了研发周期。直到90年代中期欧美才开始量产。从长远发展看，有刷电机存在一定弊端，比如电机产生的噪声较难克服，磨损较严重，存在电磁干扰等问题。因此，日本现在国内装配的 EPS 也逐渐转向无刷电机了。国内 EPS 的发展现状：我国汽车电子行业的总体
9、发展相对滞后，但是，随着汽车对环保、节能和安全性要求的进一步提高，代表着现代汽车转向系统的发展方向的 EPS 电动助-4-力转向系统已被我国列为高新科技产业项目之一，国内各大院校、科研机构和企业在进行 EPS 技术的研究，也有少数供应商能批量提供转向轴式的 EPS 系统。但总的来讲目前国内 EPS 技术还不成熟；供应商所提供的 EPS 系统还未达到产品级的要求，且类型单一，还不能满足整车厂需要。据悉，自主品牌研发的EPS 系统离产业化就差整车厂批量装车认可这一台阶了，相信很快就可以实现量产。EPS 系统是未来动力转向系统的一个发展趋势。1.3 本课题的研究意义随着科技的发展和人们生活水平及环保
10、意识的提高，汽车转向助力肯定会向更轻便、更节能、更安全的方向发展，而本课题正是沿着这个方向对汽车的转向系统进行了研究。现存的汽车，大部分都是传统液压助力转向系统，甚至没有助力转向系统，电动助力转向系统能提供比其更安全、更舒适的转向操控性和节能效果。本课题对该系统的进行了深入的研究，并将其应用于实践，这对于推动该系统的发展和最终的产品化应用，对于推动机械、传感器技术和电子器件制造等相关产业的发展，对于提高我国汽车电子化水平和加快转向系统产业化发展具有十分重要的意义。在可预见的将来，电动助力转向系统在汽车领域必定会有广泛的应用。本章小结这一章介绍了现在应用的汽车转向技术，并对电动助力转向系统和液压
11、助力转向系统进行了分析比较。还阐述了 EPS 的国内外发展状况。-5-第 2 章 电动助力转向系统的总体组成2.1 电动助力转向系统的机理及类型近年来，电动助力转向机构在乘用车上得到应用，并有良好的发展前景。电动助力转向机构，除去应当满足对液压式动力转向机构机构的一些相似要求以外，同时还应当满足：具有故障自诊断和报警功能；有良好的抗振动和抗干扰能力等；当地面与车轮之间有反向冲击力作用时，电动助力转向机构应迅速反应，制止转向盘转动；在过载使用条件下有过载保护功能等。2.1.1 电动助力转向系统的机理电动助力转向机构由机械转向器与电动助力部分相结合构成。电动助力部分包括电动机、电池、传感器和控制器
12、（ECU）及线束，有的还有减速机构和电磁离合器等（图 2-1）ECU转 角电 流 电 动 机 转 矩 传 感 器转 矩车 速 减 速 机 构齿 轮 齿 条 式 转 向 器离 合 器图 2-1 电动助力转向机构示意图目前用于乘用车的电动助力转向机构的转向器，均采用齿轮齿条式转向器。其功能除用来传递来自转向盘的力矩与运动以外，还有增扭、降速作用。转向-6-过程中，电动机将来自蓄电池的电能转变为机械能向转向系输出而构成转向助力矩，并完成助力作用。与电动机连接的减速机构有蜗轮蜗杆、滚珠螺杆螺母或行星齿轮机构等，其作用也是降速、增扭。装在减速机构附近的离合器（通常为电磁离合器）是为了保证电动助力转向机构
13、只在预先设定的行驶速度范围内工作。在车速达到某一设定值时，离合器分离，并暂时停止电动机的助力作用。与此同时，转向机构也暂时转为机械式转向机构。当电动机发生故障时，离合器也自动分离。离合器分离后再行转向时，可不必因带动电动机而消耗驾驶员体力。单片式电磁离合器包括主动轮、从动轴、压盘、磁化线圈和滑环等。1.主动轮 2.磁化线圈 3.压盘 4.花键 5.从动轴 6 轴承 7 滑环 8 电动机图 2-2 电磁离合器工作原理简图其工作原理如图所示，装有磁化线圈 2 的主动轮 1 与电动机轴固定连接，来自控制器的控制电流经滑环 7 输入磁化线圈，于是主动轮产生电磁吸力，将压盘 3 吸到主动轮上，然后电动机
14、的动力经主动轮、压盘及压盘毂上的花键传给从动轴 5，实现助力作用。汽车以较高车速转向行驶，作用在转向盘上的力矩将减小，以至于达到无需助力的程度，此时可设定：达到此车速时，电磁离合器停止工作。还有，在电动机停止工作以后，电磁离合器在控制器的控制下也要分离或者自动分离。-7-此后，在进行再进行转向将不存在助力作用，直至电动机恢复工作为止。电动助力转向机构的工作原理如下：当驾驶员对转向盘施力并转动转向盘时，位于转向盘下方与转向轴连接的转矩传感器将经扭杆弹簧连接在一起的上、下转向轴的相对转动角位移信号转变为电信号传至控制器，在同一时刻车速信号也传至控制器。根据以上两信号，控制器确定电动机的旋转方向和助
15、力转矩的大小。之后，控制器将输出的数字量经 D/A 转换器，转换为模拟量，并将其输入电流控制电路。电流控制电路将来自微机的电流命令值同电动机电流的实际值进行比较后生成一个差值信号，同时将此信号送往电动机驱动电路，该电路驱动电动机，并向电动机提供控制电流，完成助力转向作用。 2.1.2 电动助力转向系统的类型EPS 系统依据电动机布置位置的不同可分为转向轴助力式、小齿轮助力式、齿条助力式三个基本类型（图 2-3）a） b) c)a) 转向轴助力式 b) 齿轮助力式 c） 齿条助力式图 2-3 EPS 系统的类型(1) 转向轴助力式 转向轴助力式电动助力转向机构的电动机布置在靠近转向盘下方，并经蜗
16、轮蜗杆机构与转向轴连接（图 2-3a） 。这种布置方案的特点是：由于转向轴助力式电动助力转向的电动机布置在驾驶室内，所以有良好的-8-工作条件；因电动机输出的助力转矩经过减速机构增大后传给转向轴，所以电动机输出的助力转矩相对小些，电动机尺寸也小，这又有利于在车上布置和减轻质量；电动机、转矩传感器、减速机构、电磁离合器等装为一体是结构紧凑，上述部件又与转向器分开，故拆装与维修工作容易进行；转向器仍然可以采用通用的典型结构齿轮齿条式转向器；电动机距驾驶员和转向盘近，电动机的工作噪声和振动直接影响驾驶员；转向轴等零件也要承受来自电动机输出的助力转矩的作用，为使其强度足够，必须增大受载件的尺寸；尽管电
17、动机的尺寸不大，但因这种布置方案的电动机靠近方向盘，为了不影响驾驶员腿部的动作，在布置时仍然有一定的困难。(2)齿轮助力式 齿轮助力式电动助力转向机构的电动机布置在与转向器主动齿轮相连接的位置（图 2-3b） ，并通过驱动主动齿轮实现助力。这种布置方案的特点是：电动机布置在地板下方、转向器上部，工作条件比较差对密封要求较高；电动机的助力转矩基于与转向轴助力式相同的原因可以小些，因而电动机尺寸小，同时转矩传感器、减速机构等的结构紧凑、尺寸也小，这将有利于在整车上的布置和减小质量；转向轴等位于转向器主动齿轮以上的零部件，不承受电动机输出的助力转矩的作用，故尺寸可以小些；电动机距驾驶员远些，它的动作
18、噪声对驾驶员影响不大，但震动仍然会传到转向盘；电动机、转矩传感器、电磁离合器、减速机构等与转向器主动齿轮装在一个总成内，拆装时会因相互影响而出现一定的困难；转向器与典型的转向器不能通用，需要单独设计、制造。(3)齿条助力式 齿条助力式电动助力转向机构的电动机与减速机构等布置在齿条处（图 2-3c） ，并直接驱动齿条实现助力。这种布置方案的特点是：电动机位于地板下方，相比之下，工作噪声和振动对驾驶员的影响都小些；电动机减速机构等不占据转向盘至地板这段空间，因而有利于转向轴的布置，驾驶员腿部的动作不会受到它们的干扰；转向轴直至转向器主动齿轮均不承受来自电动机的助力转矩作用，故他们的尺寸能小些；电动
19、机、减速机构等工作在地板下方，条件较差，对密封要求良好；电动机输出的助力转矩只经过减速机构增扭，没有经过转向器增扭，因而必须增大电动机输出的助力转矩才能有良好的助力效果，随之而来的是电动机尺寸增大、质量增加；转向器结构与典型的相差很多，必须单独设计制造；采用滚珠螺杆螺母减速机构时，会增加制造难度与成本；电动机、转向器占用的空间虽然大一些，但用于前轴负荷大，前部空间相对宽松一些的乘用车上不是十分突出的问题。-9-2.2 电动助力转向系统的关键部件EPS 主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元ECU 组成。2.2.1 扭矩传感器扭矩传感器检测扭转杆扭转变形，并将其转变为电子信
20、号并输出至电子控制单元，是电动助力转向系统的关键部件之一。扭距传感器由分相器单元 1、分相器单元 2 及扭杆组成（如图 2-4） 。图 2-4 扭距传感器转子部分的分相器单元 1 固定于转向主轴，转子部分的分相器单元 2 固定于转向传动轴。扭转杆扭转后，使两个分相器单元产生一个相对角度，电子控制单元根据两个分相器的相对位置决定对 EPS 电动机提供多少电压。2.2.2 车速传感器车速传感器的功能是测量汽车的行驶速度。目前，轿车 EPS 控制器一般都从整车 CAN 总线中提取车速信号。2.2.3 电动机电动机由转角传感器、定子及转子组成（如图 2-5） 。将电动机和减速机构布置在齿条处，并直接驱
21、动齿条实现助力。通过转角-10-传感器检测电动机的旋转角度防止扭矩波动。图 2-5 电动机结构2.2.4 减速机构减速机构采用滚珠式减速齿轮机构，将其固定在电动机的转子上。电动机的转动传到减速机构，经过滚珠及蜗杆传到齿条轴上。滚珠在机构内部经过导向进行循环。2.2.5 电子控制单元电子控制单元（ECU）的功能是依据扭矩传感器和车速传感器的信号，进-11-行分析和计算后，发出指令，控制电动机的动作。此外，ECU还有安全保护和自我诊断的功能，ECU通过采集电动机的电流、发动机转速等信号判断系统工作是否正常，一旦系统工作异常，电动助力被切断；同时ECU将进行故障诊断分析，故障指示灯亮，并以故障所对应
22、的模式闪烁。2.3 电动助力转向的助力特性电动助力转向的助力特性由软件设定。通常将助力特性曲线设计成随着汽车行驶速度 Va 的变化而变化，并将这种助力特性称之为车速感应型。图 2-6 示出的车速感应型助力特性曲线表明，助力既是作用到转向盘上的力矩的函数，同时也是车速的函数。电动机电流/A302010（ 7， 25）（ 7， 1）（ 7， 1）（ 7， ）（ ， 4）（ 7， 1） 0 1kmh-135 40kmh-120 3kmh-1 -10 2kmh-1 7.5-10.82.04.06.08.0-.-2.0-4.0-6.0-8.0转 向 盘 力 矩 /Nm图 2-6 车速感应型助力特性当车速
23、 Va=0 时，相当于汽车在原地转向，助力特性曲线的位置居其他各条曲线之上，助力强度达到最大。随着车速 Va 不断升高，助力特性曲线的位置也逐渐降低，直至车速 Va 达到最高车速 Vamax 为止，此时的助力强度已为最小，而路感强度达到最大。本章小结本章主要是介绍了电动助力转向机构的组成、工作原理，以及对电动助力转向的三种布置形式进行了分析对比。还有分析了电动助力转向系统各主要部件的结构及工作过程和助力特性。-12-第 3 章 电动助力转向系统的设计3.1 对动力转向机构的要求（1）运动学上应保持转向轮转角和驾驶员转动转向盘的转角之间保持一定的比例关系。（2）随着转向轮阻力的增大（或减小） ，
24、作用在转向盘上的手力必须增大（或减小） ，称之为“路感” 。（3）当作用在转向盘上的切向力 时（因汽车形式不同kNFh190.25.而异） ，动力转向器就开始工作。（4）转向后，转向盘应自动回正，并使汽车保持在稳定的直线行驶状态。（5）工作灵敏。（6）动力转向失灵时，仍能用机械系统操纵车轮转向。3.2 齿轮齿条转向器的设计与计算齿轮齿条转向器最主要的优点是：结构简单、价格低廉、质量轻、刚性好、使用可靠；传动效率高达90%；根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式：中间输入，两端输出（图3-1a） ；侧面输入，两端输出（图3-1b） ；侧面输入，中间输出（图3-1c） ；侧面输
25、入，一端输出图（图3-1d） 。图3-1 齿轮齿条式转向器的四种形式-13-3.2.1 转向系计算载荷的确定为了保证行驶安全，组成转向系的各零件应有足够的强度。欲验算转向系零件的强度，需首先确定作用在各零件上的力。影响这些力的主要因素有转向轴的负荷、路面阻力和轮胎气压等。为转动转向轮要克服的阻力，包括转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内摩擦阻力等。精确地计算出这些力是困难的。为此用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩MR(Nmm)。Nmm (3-1)2.347152.08731PGfMR式中 f轮胎和路面间的滑动摩擦因数；转向轴负荷，
26、单位为N；1GP轮胎气压，单位为MPa。作用在转向盘上的手力F h为：N (3-2)5.129.083547221iDLMFSWR式中 转向摇臂长, 单位为 mm；1L原地转向阻力矩, 单位为 NmmRM转向节臂长, 单位为 mm；2为转向盘直径,单位为 mm；SWD转向器角传动比；i转向器正效率。因齿轮齿条式转向传动机构无转向摇臂，故 L1、L2 不代入数值。对给定的汽车，用上式计算出来的作用力是最大值。因此，可以用此值作为计算载荷。梯形臂长度的计算 ：2L轮辋直径 = 16in=1625.4=406.4mmWR-14-梯形臂长度 = 0.8/2= 406.40.8/2=162.6mm （3
27、-3）2LWR取 =160mm2轮胎直径的计算 RT：=406.4+0.55225=530.2mm （3-4）205.LW取 =530mmT转向横拉杆直径的确定：maMdR 578.310264.310743 （3-5）= ;2LNPR.7;6因此取 =15mmmind初步估算主动齿轮轴的直径：mMn 935.8140.36.52613max （3-6）=140MPa所以取 =18mmmind上述的计算只是初步对所研究的转向系载荷的确定。3.2.2 齿轮齿条式转向器的设计(一) EPS 系统齿轮齿条转向器的主要元件（1)齿条是在金属壳体内来回滑动的，加工有齿形的金属条。转向器壳体是-15-安装
28、在前横梁或前围板的固定位置上的。齿条代替梯形转向杆系的摇杆和转向摇臂，并保证转向横拉杆在适当的高度以使他们与悬架下摆臂平行。齿条可以比作是梯形转向杆系的转向直拉杆。导向座将齿条支持在转向器壳体上。齿条的横向运动拉动或推动转向横拉杆，使前轮转向。表 3-1 齿条的尺寸设计参数序号 项目 符号 尺寸参数( )m1 总长 L7302 直径 253 齿数 2Z204 法向模数 Mn3（2)齿轮是一只切有齿形的轴。它安装在转向器壳体上并使其齿与齿条上的齿相啮合。齿轮齿条上的齿可以是直齿也可以是斜齿。齿轮轴上端与转向柱内的转向轴相连。因此，转向盘的旋转使齿条横向移动以操纵前轮。齿轮轴由安装在转向器壳体上的
29、球轴承支承。斜齿的弯曲增加了一对啮合齿轮参与啮合的齿数。相对直齿而言，斜齿的运转趋于平稳，并能传递更大的动力。表 3-2 齿轮轴的尺寸设计参数序号 项目 符号 尺寸参数(mm)1 总长 L1982 齿宽 1B603 齿数 Z64 法向模数 Mn35 螺旋角 146 螺旋方向 左旋（3)转向横拉杆及其端部 -16-1.横拉杆 2.锁紧螺母 3.外接头壳体 4.球头销 5.六角开槽螺母6.球碗 7.端盖 8.梯形臂 9.开口销图 3-2 转向横拉杆外接头转向横拉杆与梯形转向杆系的相似。球头销通过螺纹与齿条连接。当这些球头销依制造厂的规范拧紧时，在球头销上就作用了一个预载荷。防尘套夹在转向器两侧的壳
30、体和转向横拉杆上，这些防尘套阻止杂物进入球销及齿条中。转向横拉杆端部与外端用螺纹联接。这些端部与梯形转向杆系的相似。侧面螺母将横拉杆外端与横拉杆锁紧（见图 3-2） 。注：转向反馈是由前轮遇到不平路面而引起的转向盘的运动。（4)齿条调整 一个齿条导向座安装在齿条光滑的一面。齿条导向座 1 和与壳体螺纹连接的调节螺塞 3 之间连有一个弹簧 2。此调节螺塞由锁紧螺母固定4。齿条导向座的调节使齿轮、齿条间有一定预紧力，此预紧力会影响转向冲击、噪声及反馈（见图 3-3） 。-17-图 3-3 齿条间隙调整装置齿条断面形状有圆形、V 形和 Y 形三种，本设计采用 V 形断面，V 形和 Y 形断面齿条与圆
31、形断面比较，消耗的材料少，约节省 20%,故质量小；位于齿下面的两斜面与齿条托座接触，可用来防止齿条绕轴线转动。在齿条与托座之间装有用减磨材料（聚四氟乙烯）做的垫片，以减少滑动摩擦。当车轮跳动、转向或转向器工作时，如在齿条上作用有能使齿条旋转的力矩时，V 形断面齿条能防止因齿条旋转而破坏齿轮、齿条的齿不能正确啮合的情况出现。 （二） 转向传动比 当转向盘从锁点向锁点转动，每只前轮大约从其正前方开始转动 30，因而前轮从左到右总共转动大约 60。若传动比是 1:1，转向盘旋转 1，前轮将转向 1，转向盘向任一方向转动 30将使其前轮从锁点转向锁点。这种传动比过于小，因而转向盘最轻微的运动将会使车
32、辆突然改变方向。转向角传动比必须使前轮转动同样角度时需要更大的转向盘转角。对乘用车，推荐转向器角传动比在 1725 范围内选取；对商用车，在 2332 范围内选取，这里选传动比为 18:1。即在这样的传动比下，转向盘每转动 18，前轮转向 1。（三） EPS 系统齿轮齿条转向器的安装 齿轮齿条式转向器可安在前横梁上或发动机后部的前围板上（见图 3-4） 。橡胶隔振套包在转向器外，并固定在横-18-梁上或前围板上。齿轮齿条转向器的正确安装高度，使转向横拉杆和悬架下摆臂可平行安置。齿轮齿条式转向系统中磨擦点的数目减少了，因此这种系统轻便紧凑。大多数承载式车身的前轮驱动汽车用齿轮齿条式转向机构。由于
33、齿条直接连着梯形臂，这种转向机构可提供好的路感。在转向器与支承托架之间装有大的橡胶隔振垫，这些衬垫有助于减少路面的噪声、振动从转向器传到底盘和客舱。齿轮齿条转向器装在前横梁上或前围板上。转向器的正确安装对保证转向横拉杆与悬架下摆臂的平行关系有重要作用。为保持转向器处在正确的位置，在转向器安装的位置处，前围板有所加固。图 3-4 转向器的安装位置（四） 齿轮齿条式转向器的设计要求 齿轮齿条式转向器的齿轮多数采用斜齿圆柱齿轮。齿轮模数取值范围多在 23mm 之间。主动小齿轮齿数多数在-19-57 个齿范围变化，压力角取 20，齿轮螺旋角取值范围多为 915。齿条齿数应根据转向轮达到最大偏转角时，相
34、应的齿条移动行程应达到的值来确定。变速比的齿条压力角，对现有结构在 1235范围内变化。此外，设计时应验算齿轮的抗弯强度和接触强度。主动小齿轮选用 16MnCr5 或 15CrNi6 材料制造，而齿条常采用 45 钢制造。为减轻质量，壳体用铝合金压铸。（五） 齿轮轴和齿条的设计计算1.选择齿轮材料、热处理方式及计算许用应力(1) 选择材料及热处理方式小齿轮 16MnCr5 渗碳淬火，齿面硬度 56-62HRC大齿轮 45 钢 表面淬火，齿面硬度 52-56HRC(2) 确定许用应力HminNlSZFiTlYFa)确定 和limHliFMPaH150limPaH1302limF42F75b)计算
35、应力循环次数 N，确定寿命系数 、 。NZY（3-7）271 109.2308160NnaLh 式中 齿轮转速（r/min） ；n齿轮转一周，同一侧齿面啮合的次数；a齿轮的工作寿命（h） ；L32.1NZ21NYc)计算许用应力取 ,1minHS4.inF-20-（3-8）MPaH198032.150SZminNl1 （3-9）76.i2l2应力修正系数 STY（3-10）FminN1STl1FMPa14.607.245（3-11）.53.3YFin2Sl22.初步确定齿轮的基本参数和主要尺寸(1) 选择齿轮类型根据齿轮传动的工作条件，选用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合传动方案(2) 选择齿轮传动
36、精度等级选用 7 级精度(3) 初选参数初选 4.1tK2061Z208.d7.0Y89.按当量齿数 3.7cos/cs/33V6.51FSY(4) 初步计算齿轮模数 nm转矩 （3-mNfRasT 35020175.112）闭式硬齿面传动，按齿根弯曲疲劳强度设计。（3-13）321cosFSdtnt YZTKm-21-3214.607568.089.cos54.12=2.309m(5) 确定载荷系数 K，由 ,1AKsmnzvtt /.cos1060.000696, ；对称布置，取 ；0/1vZV 06.1K取 3.则 378.106.1KKVA(6) 修正法向模数（3-14）297.4.9
37、.233tntm圆整为标准值，取 n3.确定齿轮传动主要参数和几何尺寸(1) 分度圆直径 d（3-15）mzmn1620cos5.11(2) 齿顶圆直径 1a=16+22.5(1+0)=21 （3-)(62*1 nanaXhhd m16）(3) 齿根圆直径 f=16-22.51.25=9.75 （3-)(216*1 nanff XChmhd17）(4) 齿宽 b-22-（3-18）mdb8.126.01因为相互啮合齿轮的基圆齿距必须相等，即 。21bP齿轮法面基圆齿距为 11cosnbmP齿条法面基圆齿距为 22取齿条法向模数为 5.2n(5) 齿条齿顶高 ah（3-19）mXnhman 5.
38、2)01(5.22 (6) 齿条齿根高 fh（3-20）nCanf 125.3)0.1(5.22 (7) 法面齿距 nS（3-21）mXnn9.3ta2/2 4.校核齿面接触疲劳强度 12HEHubdKTZ查表，得 MPaZE8.19查图，得 45.2H取 ，8.096.0cos所以-23-=1677.6MPaH 12620491.37896.0845.2189 2Ha所以齿面接触疲劳强度满足要求。3.2.3 齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析当转向盘从锁点向锁点转动，每只前轮大约从其正前方开始转动 30，因而前轮从左到右总共转动约 60。当转向轮右转 30，即梯形臂或转向节由绕圆心 转至 时
39、，齿条左端点 移至 的距离为OCOAEA1l30=160cos30=138.564cosDm=160-138.564=21.436C30=80inA BEA340ADC= =339.32E26.1=339.3-80=259.32C m=340-259.32=80.7Al1-24-图 3.4 转向横拉杆的运动分析简图同理计算转向轮左转 30，转向节由 绕圆心 转至 时，齿条左端OCOB点 E 移至 的距离为B2l=80 DABm=339.3222436.10Em=80+339.3-340=79.3ClBB2齿轮齿条啮合长度应大于 21l即 =80.7+79.3=160L取 L=200m3.2.4
40、 齿轮齿条传动受力分析若略去齿面间的摩擦力，则作用于节点 P 的法向力 Fn 可分解为径向力 Fr和分力 F，分力 F 又可分解为圆周力 Ft 和轴向力 Fa。=235000/16=43751/2dTtN=1641.1214cos/20tan4375cosantr N=1090.8tt-25-3.2.5 齿轮轴的强度校核1.轴的受力分析(1) 画轴的受力简图。(2) 计算支承反力在垂直面上NldFlarRAV 93278106439212 RAVrB在水平面上 NFtRBHA 5.21874321(3) 画弯矩图在水平面上，a-a 剖面左侧、右侧 mlFMRAHaH 5.831295.217在
41、垂直面上，a-a 剖面左侧 NlRAVa 6431a-a 剖面右侧 mlFBa 2751902合成弯矩，a-a 剖面左侧 NMaVHa 9.33648.851222a-a 剖面右侧 aa 7.175.222(4) 画转矩图转矩 =437516/2=46636.4/1dFTt mN2.判断危险剖面-26-显然，a-a 截面左侧合成弯矩最大、扭矩为 T，该截面左侧可能是危险剖面。3.轴的弯扭合成强度校核由机械设计 4查得 ， ，MPab601Pab10=60/100=0.6。/a-a 截面左侧 3338.1427.mdW4.57.8.60564)( 22 MPaTMe4.轴的疲劳强度安全系数校核查
42、得 , , ；PaB650Pa301a15。.,2.a-a 截面左侧 336.298.14216mWdT查得 ；由表查得绝对尺寸系数7.,10.2K轴经磨削加工，查得质量系数 =1.0。则，89弯曲应力 MPaMb3.548.140应力幅 aa35平均应力 m切应力 PaWT7.156.29Ma9.安全系数 39.20.35491.021 maKS-27-15.0.978.01251 maKS 3.25.3.22S查得许用安全系数S=1.31.5，显然 SS，故 a-a 剖面安全。-28-图 3.3-6 齿轮轴校核分析图本章小结本章是电动助力转向系统的设计，主要内容如下：(1) 介绍了电动助力
43、转向系统的一种设计方法，这种设计方法是有其可行性的，能够设计出符合助力要求的电动助力转向系统，该设计方法在现实中是比较合适的。(2) 对电动助力转向系统中的齿轮齿条转向器的主要元件进行的详细的介-29-绍，并且给出了一些参考的转向系参数。(3) 根据已知条件，对电动助力转向系统中的齿轮齿条式转向器进行了齿轮轴和齿条的设计计算。-30-第 4 章 转向传动机构的优化设计4.1 结构与布置齿轮齿条式转向器因结构简单紧凑、制造工艺简便等优点, 既适用于整体式前轴,也适用于采用独立悬架的断开式前轴, 被广泛地应用在轿车、轻型客货车、微型汽车等车辆上。其中, 与之配用的转向传动机构同传统的整体式转向梯形
44、机构相比有其特殊之处。一般来说, 这种转向系统的结构大多如图4-1所示。转向轴1的末端与转向器的齿轮轴2直接相连或通过万向节轴相连, 齿轮2与装于同一壳体的齿条3啮合, 外壳则固定于车身或车架上。齿条通过两端的球铰接头与两根分开的横拉杆4、7相连, 两横拉杆又通过球头销与左右车轮上的梯形臂5、6相连。因此, 齿条3既是转向器的传动件又是转向梯形机构中三段式横拉杆的一部分。绝大多数齿轮齿条式转向器都布置在轴前后方, 这样既可避让开发动机的下部, 又便于与转向轴下端连接。安装时, 齿条轴线应与汽车纵向对称轴垂直, 而且当转向器处于中立位置时, 齿条两端球铰中心应对称地处于汽车纵向对称轴的两侧。1.转向轴 2.齿轮 3.齿条 4.左横拉杆 5.左梯形臂 6.右梯形臂 7.右横拉杆图4-1转向系统结构简图对于给定的汽车, 其轴距L、主销后倾角以及左右两主销轴线延长线与地面交点之间的距离K均为已知定值。对于选定的转向器, 其齿条两端球铰中心距也为已知定值。因而在设计转向传动机构时, 需要确定的参数为梯形底角
