1、汽 车 转 向 系 统 EPS 设 计电助力转向系统（Electric Power Steering system）作为转向助力新的研究方向，因为具有节能、环保、占用空间小、反应灵敏等优点受到广大汽车公司和科研人员的青睐。毋庸置疑，电助力在不久的将来将会完全取代传统的液压转向系统。汽车转向系统的应用按先后顺序可以分为：机械转向系统、液压助力转向系统、电子控液压助力转向系统、电助力转向系统等。 本文研究的是齿条助力式转向装置。其以齿轮齿条转向器的设计为核心，主要包括转向操纵机构设计、齿轮齿条传动设计、转向梯形机构设计和控制系统的硬件选择等。电助力转向系统工作过程中，当驾驶员转动方向盘时，扭矩传感
2、器和车速传感器会将信息传输给控制器，使其发出命令控制电机的正反转和输出力矩的大小。从而使驾驶员可以轻松地驾驶汽车和增加汽车的转向灵敏性。关键词 电助力 转向系统 齿轮齿条 自动控制毕 业 设 计 外 文 摘 要Title The design of automotive steering systemAbstractElectric power steering is a new power steering technology for vehicles. Merit such as energy conservation , environmental protection，fast re
3、action and small footprint that the person has accepts the respectively big automobiles of company and the reserchers favour .Needless to say,home and abroad developing trend is to use electric power-assistance to change to the hydraulic pressure power-assistance vergence substituting tradition in f
4、uture.Automotive steering system application can be divided into：Mechanical steering，Hydraulic power steering，Electronically controlled hydraulic steering system，Electronic Power System。This paper studies the steering rack power device, the design of the steering gear and rack as the core, mainly in
5、cluding the design of steering mechanism, gear and rack transmission design, the design of steering trapezoidal mechanism and control system hardware selection, etc. The working process of the electric power steering system, the driver turned the steering wheel, the torque sensor and speed sensor wi
6、ll transfer the information to the controller, make it a command control and reversing and the size of the output torque of the motor. So that the driver can easily drive a car and increase automobile steering sensitivity.Key Words Electric Power Steering System Gear and Rack Automatic control本 科 毕
7、业 设 计 （ 论 文 ） 第 I 页 共 I 页目 录1 引言 11.1 汽车转向系统简介 11.2 汽车转向系统的设计思路 31.3 EPS 的研究意义 42 EPS 控制装置的硬件分析 52.1 汽车电助力转向系统的机理以及类别 52.2 电助力转向机构的主要元件 .83 电助力转向系统的设计 .113.1 动力转向机构的性能要求 113.2 齿轮齿条转向器的设计计算 .113.3 转向横拉杆的运动分析 9213.4 转向器传动受力分析 224 转向传动机构优化设计 .244.1 传动机构的结构与装配 .244.2 利用解析法求解出内外轮转角的关系 .254.3 建立目标函数 27本 科
8、 毕 业 设 计 （ 论 文 ）5 控制系统设计 .295.1 电助力转向系统的助力特性 295.2 EPS 电助力电动机的选择 .305.3 控制系统框图设计 .31结 论 .32致谢 .34参 考 文 献 35本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 1 页 共 35 页1 引言1.1汽车转向系统简介汽车转向系统，顾名思义是为了能够使车辆按照驾驶员的意愿向左或者向右转弯或者直线行驶。转向装置有很多种，也一直在经历一个循序渐进不断更新不断创新的过程。从发明家本茨发明汽车的初期，转向系统知识最简单的形式来转向，其机构为单纯的扶把式，没有助力，所以笨重，费力，以及行驶状态不稳定。从在原始的雏形
9、开始，各国人士不断创新改革，到现在为止，汽车转向系统的应用按先后顺序可以分为：机械转向装置、液压助力转向装置、电子控液压助力转向系统、电助力转向系统、四轮转向系统、主动前轮转向系统和线控转向系统 1目前市场大部分中低档轿车采用的液压式转向器，当然电控的也很常见，所以在该种系统的转向器技术的发展如今已经遇到了瓶颈。随着人们对乘车舒适，节能，安全，稳定的期望，电控液压式转向系统逐渐取代了先前的版本，但随着科技的进步，越来越多的科学家期待有路感的转向系统问世，所以流量阀式液压助力转向器出现了，在不同车速下，驾驶员手握方向盘，感觉到了路感的存在，助力特性曲线描述的就是“路感” ，但是美中不足的是这种液
10、压式转向器依然存在很多缺陷，电机，液压泵，转向器，流量阀等等转向器在发动机旁的布置问题又出现了，还有就是液压油的泄漏问题越来越的突出尖锐。电助力 EPS（Electronic Power steering system）是在纯机械转向机构的前提下，设计加装了扭矩和车速等信号传感器、电子控制单元和转向助力装置等 2。所以电助力式转向器弥补了上述的不足，而且节能环保，易于线性控制，所以现在很多研究人员把目光转向了电助力式转向机，瞬时其成为了国际汽车工业转向系统新的研究主题，且这种系统也正在慢慢实现整车量产状态。1.1.1 EPS在国内外的发展状况国外 EPS 发展之路：谈到国际上 EPS 转向助力
11、系统的发展，地处亚洲的日本和美国最具有代表性本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 2 页 共 35 页和发言权。日本研究 EPS 系统最早的国家，其初衷是因为在微型车上布置液压式助力系统比较困难，空间狭小，液压泵等装置无法布置，而电动式零件、体积小，易于布置安装，所以在微型车上开发研究出了 EPS 先进技术，并成功应用在了铃木 CERVO 汽车上，如今在我国比较常见的奥拓汽车应用的就是日本的这种转向系统。另外，日本是一个十分注重资源节约的国家，正是由于 EPS 相比于 HPS 具有突出的节油优点，所以日本国家政策也是相当倾向于扶持其研发制作的。随着时间的检验，EPS 技术在日本迅速发展起
12、来。欧美等国出于节能环保的目的，也相继开发和研究 EPS 系统，且目前此项技术已经相对成熟。但是美国走了不同于日本的 EPS 开发道路，研制基于无刷直流电动机的 EPS 系统，因为其控制器的硬件和软件调剂比较复杂，所以经历了多年的努力才试制完成。对于电助力的两种不同电动机，我们会发现有刷电机的不足之处，如转子转动噪声大，电刷磨损严重，使用寿命短，以及具有严峻挑战的电子干扰等。国内 EPS 发展之路：中国由于历史原因，解放以前的旧中国还主要是以轻工业为主，没有大型的重工业基地，更别说汽车的研发制造了，解放初期，我国的汽车工业严重滞后，基本上式从外国进口或者委托国外厂家制造。第一代红旗轿车是引进德
13、国汽车的基础上吸收改进和更新，产出了第一代红旗 CA771，其转向器当然也只是普通的 MS 转向器，所以对于中国老说，汽车整车性能的更新换代是任重道远的。中国东方汽车制造厂也是在八九十年代开始生产液压式转向系统的轿车。随着中国综合国力和高新技术不断实现质的飞越，现如今比亚迪的唐和宋部分使用了 EPS 转向助力稳定系统。但其适用性和日本、美国等发达国家还有一定的差距。近年来，国人对晴天白云，绿水蓝天的诉求越来越强烈，所以汽车工业节能环保的技术成为国家重点推广的新主题，所以我相信 EPS 转向系统在中国自主研发制造的轿车上会得到颠覆性的普及。1.1.2 EPS与其它汽车转向系统的对比常流量阀液压泵
14、助力转向器由于只是提供单一的动力转向扭矩，是一种非本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 3 页 共 35 页线性助力工作方式，汽车只要启动工作后，液压泵就持续不断的转动输送液压能。以现代人的眼光审视，其是非常不合理的；流量阀式液压泵虽然具有助力特性，但助力效果不理想，且故障频发；电控液压助力转向装置助力效果显著，尽管依然没有摆脱掉液压式助力的一些弊端， 可他毋庸置疑就是 EPS 转向系统产生的雏形，电助力转向系统在其基础上应运而生。液压助力转向装置以油为工作介质，因为工作介质易泄露，系统不易保压，若液压助力转向系统的油管进入空气或液压油不足，液压泵工作时将会产生较高的噪音，且影响助力效果
15、；而 EPS 仅仅在电机工作时产生轻微噪音，且污染环境。但是电助力系统的燃油消耗量仅为通状态下液压式的 20%y 以下，且占用底盘空间少，模块化安装，易拆装和维修，不存在液体泄漏。EPS 进行助力工作时，因为不具有限位弹簧和油压阻力的干扰，所以转动方向盘时的摩擦阻力相比于液压式要小一些，另外，EPS 装置没有供油泵、流量阀和各种管路，所以整体结构相对小些和更加轻便一些，但更为突出的优点是其助力特性灵敏可靠，可变助力在较广泛的区域调节， “路感”十足，既增加了驾驶安全性，又在一定程度上使汽车向更智能的方向迈进一部。1.1.3 EPS转向系统的特点（1）EPS 节能环保，其以空心电机为原动件，通过
16、电子控制单元控制电机，对环境几乎零污染。（2）装配简单便捷，其集成度高，易于布置，没有油泵、油管路、流量阀、储油罐的制约。（3）EPS 高效率，液压式的一般为 60%-70%，但 EPS 可达到 90%。（4）具有良好的路感。（5）主动回程性好（因为不存在液压泵工作介质的阻力和回位弹簧的回程反力）。1.2汽车转向系统的设计思路本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 4 页 共 35 页汽车助力转向系统是在司机开始扭转转向时闭合离合器和空心电机输出助力，扭矩由转向器和转向传动机构传递动能使两前转向轮转弯行驶。固然应用动力转向装置的汽车必须要装备有动力器件，依靠此来减轻驾驶员的手力。以下为我们
17、研究转向系统时应提出的设计思路 3（1）力求避免产生侧滑，且前转向轮转弯弧线过一定点。（2）在设定的转向轮阻力范围以下，方向盘应具有回正特性。（3）轮胎动平衡在误差允许范围内，方向盘不会“发抖” 。（4）避免转向装置和悬架装置干涉，空间上进行合理的布置。（5）汽车要具有较高的行驶灵敏性，小转弯机动性灵敏。（6）操纵轻便灵敏。（7）前转向轮剧烈撞击时，冲击力传至方向盘的破坏力尽可能小（逆效率低） 。（8）转向横拉杆端部与转向摇臂连接件球头应具有磨损补偿装置。（9）车辆高速前行撞击使钣金严重变形时，方向盘立即下移减轻驾驶员受伤程度。（10）方向盘转动方向和两转向前轮摆动方向一致。1.3 EPS的研
18、究意义现今国内的轿车，绝大部分还是液压式助力转向，无论是常流式还是流量阀式液压泵，但无疑的是电助力系统比其具有更突出的节能、环保和轻便，以及给驾驶带来前所未有的“路感” 。众所周知，如今能源危机愈演愈烈，我国是人口大国，资源的匮乏始终是摆脱不掉的噩梦，所以新能源是新世界中国的发展主题，电能比原油更加经济和节能，所以转向装置以电为动力源是合理和明智的。另外，智能化是我们始终追求的目标，利用软件编程来实现不同转速和车速工况下的助力效果，更个性和智能。本课题对该 EPS 转向系统作了深入的本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 5 页 共 35 页调查研究，这不仅可以激励和推动转向系统的研发和最
19、终批量化生产，而且也可以鼓励和引导相关的机械制造业、电子元件领域走向更宽广的舞台。在将来，相信电助力在汽车工业得到空前的应用和普及。本章小结后介绍了汽车转系统的定义，设计思路，EPS 单片机驱动控制的特点及应用，EPS 系统在国内外的展状况以及 EPS 的研究意义。本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 6 页 共 35 页2 EPS控制装置的硬件分析本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 7 页 共 35 页汽车转向系统控制器的作用是采集车速和扭矩信息以及将其传递不同的命令给电机和离合器,协调助力转向的特性,完成转向系统的助力作用。2.1汽车电助力转向系统的机理以及类别电助力转向系统
20、拥有广阔的应用前景是毋庸置疑的，具有液压助力不可超越的优点，同时由于自身机械结构紧凑简单，采用单片机驱动控制，其应当满足以下要求：故障诊断和 LED 灯报警功能；良好的抗震及抗干扰能力；当出现过载工作时应有过载保护电路；逆效率尽可能的低，使前转向轮转至方向盘的反冲击力小；方向盘的软件消抖功能等等 4。2.1.1 电助力系统的机理电助力转向系统的单片机控制器元器件框图如下图 2-1 所示，包括控制单元 P87C591 单片机,车速和扭矩传感器，传递和终止动力的电磁离合器，滚珠丝杠式减速机构，永磁式直流电机，齿轮齿条转向器等。图 2-1 电助力转向机构示意图其工作原理是：汽车司机转动方向盘进行转弯
21、行驶时，车速、扭矩检测信号的传感器测量各自的电信号，当扭矩电压不等于 2.5V 时，采集车速信号，否本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 8 页 共 35 页则指令循环检测电压信号；根据车速信号控制电子离合器的闭合和断开，离合器闭合时电动机的动能才能转至齿条实现助力作用，在此设定车速小于 45KM/h时，电磁离合器处于工作状态，一旦车速超过这一设定值，即使电动机还在供能，但由于离合器已经将主动轴和电机轴断开，所以此时电机失去助力作用。根据预先设定的程序，进行 PWM 脉宽调制，计算占空比，驱动电动机实现正反转和输出力矩的大小。下图 2-2 为单片式电磁离合器，包括通过联轴器和电动机轴连接
22、的主动轮1，镶嵌在主动轮的电磁线圈 2，利用摩擦力传动动能的压盘 3，压盘和从动轴5 通过花键 4 传动，采用有刷直流式电动机 8，轴承采用滚珠球轴承 6。电磁离合器工作原理：电磁离合器的功用是连接两传动件，电动机主轴和离合器的主动轮固定装配在一起，主动轮内装有放置线圈的支撑，线圈和其紧紧缠绕在一起，主动轮和压盘同轴心布置。当接线柱触点通电时，电磁线圈通电，使主动轮和压盘紧紧的贴合在一起，通过花键连接的压盘和从动轴，使从动轴向下一级传递动能来发挥转向助力效果。在不同车速情况下，电磁离合器的工作情况是不同的。比如在速度超过45KM/h 时，电磁离合器会自动脱开，停止传递动力。当转向系统自诊断系统
23、判断出故障时，离合器也会停止工作，防止破坏转向装置。本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 9 页 共 35 页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图EPS 转向机构的工作原理：只有在指定的速度范围内 EPS 才可以发挥助力作用，司机旋转方向盘时，位于转向机齿条处的扭杆式检测器件，将产生错动的角位移信号转变成电子助力信号传输给控制器。同时将车速信号和扭矩信号经过处理后传送至控制器，控制器根据系统嵌入的数据指令确定要输出的转动方向和扭矩大小，经过 DA 模数转换输出模拟信号，通过电流控制电路控制直流电动机进行动
24、作，此时电磁离合器闭合，传递动力，实现助力转向系统的功能。2.1.2 电助力转向系统的类别装有电动助力的转向系统，在研发设计时可以由三种安装选择方式。如在转向操纵机构的转向轴特定部位上安装，还可以设计在齿轮齿条转向器的齿轮旁边或者水平布置在转向器壳体上。如下图 2-3 所示，分别代表了截然不同的设计方案，各有各自的优点和缺陷。具体设计时应当根据具体车型和不同的性能要求进行综合考虑和加以选择。（a） (b) (c)本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 10 页 共 35 页图 2-3 EPS 转向系统的类型（1）转向助力式：该转向机构的电动机布置在方向盘下方，减速机构采用蜗轮蜗杆式。该布置
25、方案特点是具有良好的工作条件，因为电机输出的转向助力扭矩通过减速机构提高后传递给转向轴，因此电机整体会变的相对更加的紧凑；直流电动机、减速机构集成在一起，占用车体空间小，基本不会干涉其他零部件的布置和装配，且拆卸与维护工作等操作简便，给维修人员带来了很多便利条件；但是电机距离驾驶员和方向盘较近，所以电机的噪声和震动会干扰驾驶员，还有就是方向盘下方的空间可能会制约腿部的活动空间；转向轴也要承受电机传递的转矩，在设计转向轴时应当充分考虑其危险截面的受力情况。（2）齿轮助力式：这种转向机构比转向式助力电动机对驾驶员的干扰小些，因为布置在下转向轴的下方部位，直流电机、减速机构（涡轮蜗杆式） 、电磁离合
26、器和转向器主动齿轮配合在一起，转子的噪声由底板相隔，很小的分贝传递到车厢内，且不占用驾驶员空间；因其在底板下方，所以需要尽可能做到防尘、密封；直流电机的力矩不经过上下转向轴，所以转向轴只传递来自方向盘的转向力矩，所以转向轴受力不会太大。更重要的是这种布置方案的逆效率低，当轮胎受到撞击时，阻力矩传至主动齿轮处时，转向助力系统会阻止其继续增加力矩消除反冲力。虽然如此，但是噪音，震动对驾驶员还是有一定影响的。（3）齿条助力式：这种结构相对来说复杂一些，电动机采用的是空心直流电机，而且其与转向器壳体是一个整体，减速机构是滚珠丝杠式，丝杠是齿条的一部分结构，虽然这种装置不存在电磁离合器，但结构是非常缜密
27、的，很多零部件都不标准，需要单独设计制造，且工艺要求严格，增加了制造成本。但其喜人的特点是已经使转向系统的逆效率降低到了极点，大概 30%左右。且转向器位于前桥半轴正后方，与悬架，元宝梁下摆臂结构之间的间隙很大，不存在干涉；进一步降低了噪音，因为转向器壳体本身就具有隔离噪声的作用；距离方向盘更远，加之助力的性能，方向盘的的防抖效果更佳显著。2.2 电助力转向机构的主要元件2.2.1 电动机本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 11 页 共 35 页空心电动机由定子、转子和转角传感器组成（如图 2-4） ，空心电机经过滚珠丝杠式减速增扭机构将动能直接传递到齿条上，发挥其助力特性。通过转角传
28、感器检测出电动机的转角防止扭矩攒动。图 2-4 电动机结构图2.2.2 减速机构减速机构顾名思义，目的是降速和放大电动机的扭矩。齿条助力式转向器利用的是滚珠丝杠式减速，丝杠与和主动齿轮啮合的齿条做成一个整体，所以齿条就相当于“转子” 。2.2.3 P87C591单片机单片机就相当于控制器的中枢神经，将车速和扭矩传感器测得的电压信号分析对比，比对助力特性函数关系输出相应的电流，经过整流电路和 DA 模数转换命令电动机动作。单片机内部设置有看门狗定时器，可以高频率的监测系统运行情况，并自诊断系统故障，同时打开故障灯，生成错误报告。2.2.4 车速传感器本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 1
29、2 页 共 35 页车速传感器有磁感应式和霍尔效应式两种，前者通过借助磁性线圈读取速度信号，后者利用安装在轮毂上的齿行盘传感器获得速度数据。2.2.2. 扭矩传感器扭矩传感器如图所示由扭转杆，输入输出轴，分相器单元 1、2 组成。扭矩值和扭转杆转角之间存在等价关系，输入轴和输出轴在传递扭矩过程中，由于产生微小变形，分相器单元利用磁感幸运输出电压信号，在控制算法函数输出扭矩值。图 2-5 扭距传感器本章小结本章主要介绍了电助力转向系统的机理以及类别，EPS 单片机驱动控制器硬件的简单介绍。本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 13 页 共 35 页3 电助力转向系统的设计转向装置的机械机构
30、主要包括三部分:转向操作机构齿轮齿条机构和转向梯形机构组成。转向系统的设计计算是对各自机构的分层设计和互相的匹配校核计算。3.1 动力转向机构的性能要求（1）路面阻力变化时，反映在方向盘上的扭矩必须同时增加或减少。（2）驾驶员打完转向松开方向盘时，方向盘主动回正的回程系数满足设计要求。（3）动力反映灵敏（4）当助力失灵时，机械转向系统可以独立工作。3.2 齿轮齿条转向器的设计计算齿轮齿条式转向器与其他形式的转向器相比，其突出的优点是质量轻，紧凑，正效率高达百分之九十，没有转向梯形机构，所以转向轮转角增大。但由本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 14 页 共 35 页于采用斜齿轮齿条啮合
31、传动，所以逆效率在百分之六十左右，壳体采用铝镁合金压住而成。根据动力传递方式的不同，齿轮齿条式转向器分为如下图 3-1 所示的四种布置方式：图3-1 齿轮齿条式转向器的四种形式3.2.1 转向系统设计计算为了保证汽车行驶安全，转向助力装置的零件通过受力分析进行计算校核，使其满足强度要求。转向阻力矩M R（Nmm）没有非常准确的计算公式，因为影响阻力矩的因素众多且复杂（道路具体情况、四轮轮胎气压、轮胎品牌的差异以及不同车型的传动机构的不同参数等等） ，下式为工程技术人员在多年的工作经验中总结出来的经验公式。Nmm (3-1)3472.098371PGfMR本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）
32、第 15 页 共 35 页f综合滑动摩擦因数,取0.7；转向轴负荷，已知为9800N；1GP轮胎压力（MPa） ；代入 ，计算作用在方向盘上的切向力F h：RMN (3-2)7.349.018/4221iDLSWh1转向摇臂长（mm） ；原地转向阻力矩（Nmm） ；RM转向节臂长（mm） ；2L为转向盘直径,取 350mm；SWD转向器角传动比；i转向器正效率。已知齿轮齿条式转向传动机构没有转向梯形机构，故 L1、L2 不需要代入数值。对绅宝 D50， ，用以上公式计算出来的是最大值，所以可用此值作为计算载荷。梯形臂长度 L2计算：轮辋直径 Dsw= 16in=1625.4=406.4mm梯形
33、臂长度 =Dsw0.8/2= 406.40.8/2=162.6mm （3-2L3）取 =160mm2本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 16 页 共 35 页轮胎直径的计算 RT：=406.4+0.55225=530.2mm （3-205.swD4）取 =530mmTR转向横拉杆直径的确定：（3-5）= ;a2LmNMPaR347;16因此取 =15mmmind初步估算主动齿轮轴的直径： mMdn 935.8140.36.52613max （3-6）=140MPa所以取 =18mmmind上述计算只是初步对所研究的转向系载荷的确定。3.2.2 齿轮齿条转向器设计(一) EPS 转向系统
34、齿轮齿条转向器的主要元件（1)齿条内置在转向器壳体内，输入端与转向主动齿轮啮合，输出的两端分别通过螺纹连接转向横拉杆。齿条既是空心电机的（转子） ，又取代转向梯形结构，优化了系统结构。齿条在转向器壳体内，在导向环的支撑下左右移动，为了防止齿条转动，在齿条的背面装有间隙 V 型支撑架。本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 17 页 共 35 页表 3-1 齿条设计参数序号 项目 符号 尺寸参数( )m1 长度 L7282 直径 253 齿数 2Z284 法向模数 2Mn3（2)齿轮轴是转向机的主动件，在壳体上由滚珠球轴承支撑。万向节连接，一端与齿条相互啮合，齿轮可以设计成斜齿轮的齿形，因为
35、斜齿轮比直齿轮重合度高，所以传动平稳可靠,承载能力强,传动效率高，所以设计时采用螺旋角为14的斜齿。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 长度 L1422 齿宽 1B42本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 18 页 共 35 页3 齿数 1Z84 法向模数 1Mn35 螺旋角 146 螺向 左旋（3)转向横拉杆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 转向横拉杆外接头本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 19 页 共 35 页转向横拉杆简称拉杆,是汽车转向装置的重要
36、零件，是将齿条的横向滑移运动转变为横拉杆的摇杆摆动。运动的轨迹直接影响前转向轮的使用年限，方向盘操纵的稳定性，和驾驶的舒适度。独立式悬架式汽车一般转向梯形机构被转向横拉杆代替，除了传递运动以外，还具有吸收反向冲击的作用，作用在转向轮的路面冲击力首先影响拉杆的运动，所以拉杆的强度的刚度一定要满足要求，避免折弯和断裂。如上图所示，锁紧螺母是紧固横拉杆和外球头壳体的作用，需要一定的预紧力锁死两者，防止转动和攒动 5。（4)齿条间隙调整机构,主动齿轮和转向齿条之间因为长时间的啮合传动，齿形的磨损是不可避免的，所以在齿轮齿条转向器中必须装有自动消除间隙装置，其原理是根据装在齿条齿形背面、接近主动小齿轮处
37、的预紧力可调的弹簧实现主动补偿齿间间隙。 （见图 3-3） 。本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 20 页 共 35 页图 3-3 齿条间隙调整装置齿条采用 45 号钢制造，其上切制的齿形和供减速机构的丝杠制成一体。齿条断面的齿行有圆形，V 形和 Y 形三种。后两种形状齿形相比与前一种，切下来的废料少，齿条强度高。在齿条的背面有齿条导向运动装置，因为齿条在运动过程中，是不允许其相对轴线摆动的，另外当轮胎受到路面冲击时传至齿条处，由于导向装置的作用，不仅消除摆动，也是驾驶员免遭“打手” 。当前转向轮遇到不平整路面发生震动、转弯或电机工作状态时，齿条两端作用有能使齿条转动的扭矩时，应当使用
38、 V 型和 Y 型式的齿条 6。导向装置的“V” 形装置处也附有聚四氟乙烯做的垫片。（二）转向器传动比 在转向系统中角传动比的实质是车轮转动方向和方向盘转动的比例。如转向轮左转动 2 度，方向盘向左转动 10 度，则角传动比为1/5，传动比也称为角速度比或速比。轿车转向轮向左或向右大概转向 35 度，而方向盘一般是三圈的行程，及向左或向右转动 540 度，所以传动比大概为18。对于家用轿车，角传动比推荐在 1725 度范围内选定；商用车，角传动比在 2332 度范围内选择。由于家用乘用车的转向轮阻力矩不是很大，所以我们选定传动比为 18 度。（三）EPS 转向系统齿轮齿条转向器的装配:齿轮齿条
39、转向器安装在前车身地板旁边，机舱围板上安装有固定转向机的支架，在此位置的围板应该做加固处理，转向器的壳体上有支架的卡槽，在壳体的两端布置。在装配是应注意转向机与本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 21 页 共 35 页下三角臂平行布置，以及安装高度应按说明书准确布置。在支座卡槽处，设计有橡胶隔振套，目的是防止发动机本身的剧烈抖动影响转向器的工作，且较少转向器的工作噪声。齿轮齿条转向器因为结构紧凑，零部件数目比液压式，机械式的少了很多，所以机械传动部分的磨损部分减少了。齿条的两端车有螺纹，通过球铰机构机构连接拉杆，使拉杆可以向任意转动。图 3-4 转向器的安装位置（四）齿轮齿条转向器的设
40、计要求 在机械零件的设计和制造过程中，选用材料的性能不但要满足其工作条件，具有良好的抗疲劳强度，而且材料要有较好的加工工艺，来达到提高生产率，缩减成本和合理利用资源的能力。因此小齿轮采用 15CrNi6 或 16MnCr5 材料，齿条只进行横向运动,一般选用 45 号钢就满足使用的刚度和强度要求。壳体在底盘上安装,重量对其德影响很大,所我们为了减轻重量壳体重量而采用压铸的铝镁合金铸造而成。主动小齿轮选用斜齿圆柱齿轮。模数一般在 2mm,2.5mm,3mm 三个数值中选本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 22 页 共 35 页择，由于齿轮承受的扭矩偏大，我们选用 3mm。齿数多数在 57
41、 个齿范围变化，压力角取标准值 20，螺旋角取值范围浮动在 915之间。齿条齿数根据转向轮达到最大偏转角时，对应的齿条移动行程 S 应达到的值来确定。齿条的齿行应设计成变速比式， ，压力角在 1235范围内变化。（五）齿轮、齿条的设计计算 7 81.选择齿轮材料、热处理方式和计算齿轮齿条许用应力值(1) 选择材料及热处理方式(HRC 洛氏硬度)齿轮 16MnCr5 渗碳淬火，齿面硬度 48-55HRC齿条轮 45 钢 表面淬火，齿面硬度 48-55HRC(2) 确定许用应力 HminNlSZFinNTlYFa)确定齿形 值limHliFMPaH150limPa1302liMF451limPaF
42、3752limb)设应力循环次数为 N，计算确定寿命系数 、 。NZY（3-7）271 1059.2308160NnaLh 式中 齿轮转速（r/min） ；n齿轮旋转一种的啮合次数；a本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 23 页 共 35 页齿轮的工作寿命（h） ；L弯曲疲劳寿命系数；NTY32.1NZ2NYc)计算许用应力取 , （弯曲疲劳强度在 1.251.5 范围内选取）1minHS4.inF（3-8）MPaH198032.150SZminNl1 （3-9）H761.inN2l2应力修正系数 NTY（3-10）FminN1Tl1SFMPa14.6074.25（3-11）F .35
43、.3YFinN2Tli22、确定齿轮的基本参数和主要尺寸(1) 选择齿轮类型为了增加齿轮传动的承受载荷的极限数值，所以齿轮设计成斜齿圆柱齿轮，齿条与齿轮配合使用，因此选用齿轮齿条的斜齿啮合传动方案。(2) 选择齿轮传动精度等级在机械设计（濮良贵版）书籍中标明了轻型汽车精度等级范围为 58 级，在此我们选用 7 级精度。本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 24 页 共 35 页(3) 初选参数值初选 4.1tK2081Z208.d7.0Y89.按当量齿数 3.cos/6cs/33V6.51FSY(3) 初步计算齿轮模数 nm转矩 （3-12）mNfsRT 50205.a1齿根按弯曲疲劳强
44、度设计计算（齿轮齿条为闭式硬齿面传动） 。（3-13）321cosFSdtnt YZTKm3214.607568.089.4cs54.12=2.71m(5) 确定载荷系数 K，由 ,1AKsmnzvtt /016.cos1060.000696, ；对称布置，取 ；0/1vZVK06.1K取 3.K则 378.106.1VA(6) 修正法向模数 nm本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 25 页 共 35 页（3-14）297.4137823 tntKm圆整为标准模数，取 n3.齿轮传动主要参数和几何尺寸(1) 分度圆直径 d（3-15）mzmn3.2614cos811(2) 齿顶圆直径 1ad=16+23(1+0)=29.3 （3-16）)(2.52*1 nanaXhmh m(3) 齿根圆直径 fd=16-231.25=21.5 （3-17）)(216*1 nanff XChh(4) 齿宽 b（3-18）mdb8.206.1计算两者齿距，即 。21bP齿轮法面基圆齿距 11cosnbm齿条法面基圆齿距 22nbP取齿条法向模数为 32n(5) 齿条齿顶高 2ah
