畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)

題目名稱：JT-1電動(dòng)車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器研制任務(wù)內(nèi)容（包括內(nèi)容、計(jì)劃、時(shí)間安排、完成工作量與水平具體要求）根據(jù)現(xiàn)有哈飛百利轎車無(wú)助力轉(zhuǎn)向功能的結(jié)構(gòu)，為其設(shè)計(jì)一套電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，要求機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)在轉(zhuǎn)向軸上進(jìn)行助力，盡量做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制作成本低。具體時(shí)間結(jié)點(diǎn)要求為：2012年12月19日開題。2012年12月19日~20XX年2月25日按要求完成假期畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)，進(jìn)行方案論證。20XX年2月25日~20XX年3月10日畢業(yè)實(shí)習(xí)，填寫《實(shí)習(xí)日志》。20XX年3月10日~20XX年4月20日撰寫設(shè)計(jì)說明書。接受中期檢查。20XX年4月21日~20XX年5月20日完成論文初稿，預(yù)答辯。20XX年5月21日~20XX年5月30日：修改預(yù)答辯中發(fā)現(xiàn)的問題，準(zhǔn)備答辯。20XX年6月1日~20XX年6月5日：答辯。其中：參考文獻(xiàn)篇數(shù)：說明書字?jǐn)?shù)：圖紙張數(shù)：10篇以上6000字以上折合A0圖紙3張，其中至少1張裝配圖專業(yè)負(fù)責(zé)人意見簽名：年月日汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)摘要汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是現(xiàn)代汽車中比較常規(guī)的配置，由電動(dòng)助力機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，省去了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓油、傳送帶和裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上的皮帶輪，既節(jié)省能量，又保護(hù)了環(huán)境。另外，還具有調(diào)整簡(jiǎn)單、裝配靈活以及在多種狀況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點(diǎn)。正是有了這些優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為一種新的轉(zhuǎn)向技術(shù)，將挑戰(zhàn)大家都非常熟知的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。文章依據(jù)“哈飛百利”轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的參數(shù)，進(jìn)行了轉(zhuǎn)向助力裝置總體結(jié)構(gòu)的論證和部分零部件的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核。關(guān)鍵詞汽車；轉(zhuǎn)向軸；電動(dòng)助力。全套圖紙加V信153893706或扣3346389411

ThedesignofautoelectricpowersteeringgearAbstractTheautomobileelectricpowersteeringsystemiscommoninmoderncars,providedbytheelectricpowersteeringmachinedirectly,eliminatingthehydraulicpowersteeringpowerrequiredbythesystemsteeringbeltwheeloilpump,hose,hydraulicoil,conveyorbeltandinstalledontheengine,notonlysaveenergy,butalsoprotecttheenvironment.Inaddition,butalsohassimpleadjustment,flexibleassemblyandinmanycircumstancescanprovidethecharacteristicsofthepowersteering.Preciselybecauseoftheseadvantages,thesystemasanewsteeringtechnologyofelectricpowersteering,willchallengeallveryfamiliar,hashalfacenturyhistoryofthehydraulicsteeringsystem.Articlebasedon"HafeiGabriel"carsteeringsystemparameters,theoverallstructureofthesteeringdevicedemonstrationandsomepartsofthedesignandstrengthcheck.Keywordsautomobile;Steeringshaft;Electricpower..目錄摘要Abstract1前言 11.1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡(jiǎn)介 11.2EPS的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀 11.2.1EPS與液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)比較 11.2.2EPS的特點(diǎn) 11.2.3EPS在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用狀況 21.3課題的研究意義 32電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體組成 42.1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理及類型 42.1.1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理 42.1.2電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型 42.2電動(dòng)式EPS主要構(gòu)件 62.2.1扭矩傳感器 62.2.2車速傳感器 62.2.3電動(dòng)機(jī) 62.2.4電磁離合器 72.2.5減速機(jī)構(gòu) 72.2.6電子控制單元ECU 73電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì) 93.1選擇蝸輪蝸桿類型、材料和精度等級(jí) 93.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 93.2.1確定所需參數(shù) 93.2.2設(shè)計(jì)計(jì)算 103.3主要幾何尺寸計(jì)算 113.4估算轉(zhuǎn)向系正逆效率 12結(jié)論 13參考文獻(xiàn) 14致謝 15-前言電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡(jiǎn)介電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ElectricPowerSteering，簡(jiǎn)稱EPS）是一種依靠電機(jī)直接提供輔助轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)HPS（HydraulicPowerSteering）相比，EPS系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)。EPS主要由扭矩傳感器、車速傳感器、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和電子控制單元（ECU）等組成，如圖1-1所示。[1]圖1-1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀EPS與液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)比較對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(EPS)來(lái)說，電動(dòng)機(jī)只在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)工作并且消耗蓄電池能量；相對(duì)于常流式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，由于液壓泵處于長(zhǎng)期工作狀態(tài)和內(nèi)泄漏等要消耗更多的能量。兩者相比較，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的燃料消耗率僅是液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向的16%～20%。液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的工作介質(zhì)是油，任何部位出現(xiàn)漏油狀況，油壓將無(wú)法建立起來(lái)，不僅失去助力功效，對(duì)環(huán)境也會(huì)造成污染。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障而停止工作時(shí)，液壓泵也不工作，結(jié)果也會(huì)喪失助力功效，這樣降低了工作可靠性。而電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)不存在漏油問題，只要蓄電池內(nèi)有電，可以提供給電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，就會(huì)有助力作用，因而工作可靠。如果液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)油路進(jìn)入空氣或貯油罐中油面過低，工作時(shí)將產(chǎn)生較大噪聲，不排除氣體會(huì)影響助力效果；電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向只在電動(dòng)機(jī)工作時(shí)有很小的噪聲。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向與液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向相比較，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)只需克服轉(zhuǎn)向器的摩擦阻力，沒有回位彈簧阻力或反映路感的油壓阻力。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向整體結(jié)構(gòu)緊湊部件少且占用的空間尺寸小，質(zhì)量比液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向約輕20%~25%，在汽車上更容易布置。[2]EPS的特點(diǎn)(1）EPS節(jié)能環(huán)保發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，液壓泵一直處于工作狀態(tài)，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗增加了3%~5%,而EPS以蓄電池作為能源，以電機(jī)為動(dòng)力元件，可與發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)立工作，EPS幾乎沒有直接消耗發(fā)動(dòng)機(jī)燃油。EPS不存在燃油泄漏問題的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由電子控制的EPS，幾乎對(duì)環(huán)境沒有污染。(2）EPS裝配方便EPS的主要部件可集成在一起，方便布置，和液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向相比減少了很多原件，不需要液壓系統(tǒng)所需要的油泵、油管、壓力流量控制閥、儲(chǔ)油罐等，原件數(shù)目少，裝配方便，節(jié)約時(shí)間。(3）EPS效率高液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)效率通常在60%~70%，而EPS的效率較高，可高達(dá)90%以上。(4）EPS路感好純傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系多采用固定放大倍數(shù)，主要是工作驅(qū)動(dòng)力大，但不能實(shí)現(xiàn)汽車在不同車速下行駛時(shí)的輕便性和路感。EPS系統(tǒng)的滯后性可通過EPS控制器的軟件來(lái)補(bǔ)償，使汽車在不同速度下都可得到滿意的轉(zhuǎn)向助力。(5）EPS回正性好EPS系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，不但操作簡(jiǎn)便，還可以通過EPS控制器的軟件調(diào)整，從而得到最佳的回正性，以提高汽車的操縱穩(wěn)定性和舒適性。(6）動(dòng)力性EPS系統(tǒng)可主動(dòng)按照車速的高低分配轉(zhuǎn)向力，不用直接消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率，只有在轉(zhuǎn)向時(shí)才起到助力作用，可以保障發(fā)動(dòng)機(jī)充足的動(dòng)力。（而HPS液壓系統(tǒng)，即使在不轉(zhuǎn)向時(shí)，油泵一直運(yùn)轉(zhuǎn)且處于工作狀態(tài)，減少了使用壽命）。[2]EPS在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用狀況(1)國(guó)外EPS的發(fā)展之路：裝配有機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車，在停車和低速行駛時(shí)駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱負(fù)荷過于沉重，為解決這個(gè)問題，美國(guó)通用公司在20世紀(jì)50年代在轎車上率先采用了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。然而，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不能兼顧車輛在低速時(shí)的輕便轉(zhuǎn)向和高速時(shí)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)向，所以1983年日本KoYo公司推出了有車速感應(yīng)功能的電子控制液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這種新型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可隨著車速的提高而提供逐步減小的轉(zhuǎn)向助力，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，不能克服液壓系統(tǒng)本身所具有的很多缺點(diǎn)，是介于液壓助力轉(zhuǎn)向和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向兩者之間的過渡產(chǎn)品。1988年，日本鈴木公司首先在牡鹿牌汽車上配備了由Koyo公司研發(fā)出的轉(zhuǎn)向柱助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；1990年，日本本田公司也在NSX跑車上采用了獨(dú)立研發(fā)的齒條助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，從那時(shí)起，推出了汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向應(yīng)用的歷史。[3](2)國(guó)內(nèi)EPS的發(fā)展現(xiàn)狀：我國(guó)汽車電子行業(yè)的整體發(fā)展相對(duì)滯后，然而隨著對(duì)汽車環(huán)保、節(jié)能和安全性要求的進(jìn)一步提高，能代表現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展方向的EPS電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在我國(guó)已經(jīng)被列為高新科技產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目，國(guó)內(nèi)高校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)也在研究EPS技術(shù)，有一些供應(yīng)商可以批量提供轉(zhuǎn)向軸類型的EPS系統(tǒng)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)實(shí)際安裝EPS汽車已經(jīng)達(dá)到15%，主要是昌河北斗星、哈飛百利等，轎車主要有廣州本田飛渡、上海大眾途安、長(zhǎng)安雨燕、一汽天津花冠3．0、一汽大眾奧迪及鄭州日產(chǎn)MPV旅行車等。但一般來(lái)講目前國(guó)內(nèi)EPS技術(shù)還不成熟；由供應(yīng)商所提供的EPS系統(tǒng)還沒有達(dá)到要求的產(chǎn)品級(jí)，類型單一，還不能夠滿足整車廠的需要。[3]課題的研究意義電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)把最新的電力電子技術(shù)與高性能的電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可以大大提高汽車動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能，提高行駛過程中駕駛員的舒適性和安全性，并且減少環(huán)境的污染等。該系統(tǒng)提出后，就受到了許多大的汽車公司的重視，并進(jìn)行研究和開發(fā)，在未來(lái)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中主流將是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體組成電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理及類型近年來(lái)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)被應(yīng)用在乘用車上，并具有良好的發(fā)展前景。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，去除應(yīng)當(dāng)滿足一些對(duì)液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的相似要求，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)滿足：具備故障自診斷和報(bào)警功能；具有良好的抗振動(dòng)和抗干擾能力等；在地面和車輪之間有反向沖擊力作用時(shí)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)要快速反應(yīng)，停止轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)；過載條件下使用有過載保護(hù)功能等。[4]電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了電機(jī)減速器的總成、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器和電子控制單元，如圖2-1所示。轉(zhuǎn)向軸上有轉(zhuǎn)矩傳感器與減速機(jī)構(gòu)，并且電動(dòng)機(jī)通過花鍵來(lái)驅(qū)動(dòng)減速器。在轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)最下端是普通的轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。電子控制單元依據(jù)從電子車速表（或者ABS控制器）獲得的車速信號(hào)和轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出信號(hào)，從而判斷駕駛員的操縱意圖，進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)的電流大小和方向，使之能輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩可通過減速器直接作用在轉(zhuǎn)向軸上。駕駛員轉(zhuǎn)向操舵的力矩和電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的助力矩一起克服轉(zhuǎn)向阻力矩，使車輪產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。車速低，電動(dòng)機(jī)助力較大，轉(zhuǎn)向操縱比較輕便；車速高，電動(dòng)機(jī)助力相應(yīng)減少，會(huì)產(chǎn)生阻力矩，從而使轉(zhuǎn)向操縱變得沉重。[5]圖2-1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意圖電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型EPS系統(tǒng)基于電動(dòng)機(jī)布置的位置不同可劃分為轉(zhuǎn)向軸助力式、小齒輪助力式和齒條助力式三種基本類型，如圖2-2所示。[6]轉(zhuǎn)向軸助力式轉(zhuǎn)向軸助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)將電動(dòng)機(jī)布置在靠近轉(zhuǎn)向盤的下方，并且經(jīng)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向軸進(jìn)行連接（圖2-2a）。這種布置方案的特點(diǎn)是：由于轉(zhuǎn)向軸助力式的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)布置于駕駛室，因而有良好的工作條件；借助于電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)減速機(jī)構(gòu)后增大傳到轉(zhuǎn)向軸，因此電動(dòng)機(jī)輸出助力轉(zhuǎn)矩相對(duì)較小，并且電動(dòng)機(jī)尺寸小，有利于在布置在汽車和降低質(zhì)量；電動(dòng)機(jī)、電磁離合器、轉(zhuǎn)矩傳感器、減速機(jī)構(gòu)等作為一個(gè)整體，結(jié)構(gòu)緊湊，這些部件和轉(zhuǎn)向器分開，所以拆裝和維修工作較為容易的進(jìn)行；轉(zhuǎn)向器可以采用一般典型結(jié)構(gòu)的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器；由于電動(dòng)機(jī)距離駕駛員和轉(zhuǎn)向盤比較近，所以電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的工作噪聲和振動(dòng)可直接影響駕駛員；電動(dòng)機(jī)輸出的助力轉(zhuǎn)矩的作用由轉(zhuǎn)向軸等零件承受，要使其強(qiáng)度足夠大，有必要增大受載件的尺寸；雖然電動(dòng)機(jī)的尺寸不大，由于布置方案的電動(dòng)機(jī)距離方向盤較近，為了駕駛員腿部的動(dòng)作不受影響，所以在布置時(shí)還存在有一定的困難。[1]a)轉(zhuǎn)向軸助力式b)齒輪助力式c）齒條助力式圖2-2EPS系統(tǒng)的類型齒輪助力式齒輪助力式電動(dòng)助力的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)設(shè)置在和轉(zhuǎn)向器主動(dòng)齒輪進(jìn)行連接的位置（圖2-2b），并通過驅(qū)動(dòng)主動(dòng)齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)助力作用。這種布置方案的特點(diǎn)是：電動(dòng)機(jī)布置在轉(zhuǎn)向器上部、地板下方，工作條件惡劣且對(duì)密封要求比較高；基于電動(dòng)機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向軸助力式相同的原因，因而電動(dòng)機(jī)尺寸比較小，加上減速機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)矩傳感器等結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小，這些有利于布置在整車上和質(zhì)量減??；布置于轉(zhuǎn)向器主動(dòng)齒輪以上的轉(zhuǎn)向軸等零部件，不用承受電動(dòng)機(jī)輸出的助力轉(zhuǎn)矩的作用，所以尺寸可以比較小；電動(dòng)機(jī)距離駕駛員較遠(yuǎn)，其動(dòng)作噪聲對(duì)駕駛員影響較小，但是震動(dòng)仍會(huì)傳到轉(zhuǎn)向盤；電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、電磁離合器、轉(zhuǎn)矩傳感器等和轉(zhuǎn)向器的主動(dòng)齒輪裝在一個(gè)總成中，拆裝時(shí)因相互影響會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的困難；轉(zhuǎn)向器和典型的轉(zhuǎn)向器不通用，所以需要單獨(dú)設(shè)計(jì)和制造。[1]齒條助力式齒條助力式的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)其電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)等布置于齒條處（圖2-2c），并且直接驅(qū)動(dòng)齒條來(lái)實(shí)現(xiàn)助力。這種布置方案的特點(diǎn)是：電動(dòng)機(jī)設(shè)置在地板下方，相比來(lái)說，工作噪聲和振動(dòng)對(duì)駕駛員的影響較??；電動(dòng)機(jī)減速機(jī)構(gòu)等不會(huì)占據(jù)轉(zhuǎn)向盤和地板之間的空間，所以有利于布置轉(zhuǎn)向軸，它們不會(huì)使駕駛員腿部動(dòng)作受到干擾；轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向器的主動(dòng)齒輪都不承受電動(dòng)機(jī)助力轉(zhuǎn)矩的作用，所以它們的尺寸較??；電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)等在地板下方工作，條件比較差，要求良好的密封；由電動(dòng)機(jī)輸出的助力轉(zhuǎn)矩僅經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)增扭，并沒有經(jīng)過轉(zhuǎn)向器，所以有必要增大電動(dòng)機(jī)輸出的助力轉(zhuǎn)矩，由此才能起到良好的助力效果，這些直接造成電動(dòng)機(jī)體積變大、質(zhì)量增加；轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)和典型的相差較多，所以必須單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造；若采取滾珠螺桿螺母的減速機(jī)構(gòu)，會(huì)給制造增加難度與成本；轉(zhuǎn)向器、電動(dòng)機(jī)占用的空間雖然大，但在一些前軸負(fù)荷較大，前部空間相比寬松的乘用車上應(yīng)用不是十分突出的問題。[1]電動(dòng)式EPS主要構(gòu)件扭矩傳感器轉(zhuǎn)矩傳感器是用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的大小和方向，是EPS控制信號(hào)之一，轉(zhuǎn)矩傳感器主要形式有接觸式和非接觸式兩種。通常使用的接觸式（電位計(jì)式）傳感器有擺臂式、扭桿式和雙排行星齒輪式三種，而非接觸式扭矩傳感器主要有磁電式和光電式兩種。傳感器將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)傳輸給電子控制單元ECU，便于使電子控制單元ECU調(diào)整電動(dòng)機(jī)力矩的大小，如圖2-3所示。[7]1軸套2線圈3線軸套（磁性材料）4扭桿5輸入軸圖2-3非接觸式扭矩傳感器該設(shè)計(jì)采用的是非接觸式扭矩傳感器，它的輸入軸和輸出軸通過扭桿連接，輸入軸上有花鍵，在輸出軸上有鍵槽。扭桿受到方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，發(fā)生扭轉(zhuǎn)，在輸入軸上的花鍵與輸出軸上鍵槽兩者的相對(duì)位置就會(huì)改變。扭轉(zhuǎn)桿的扭轉(zhuǎn)量等于花鍵與鍵槽之間的相對(duì)位移改變量，花鍵上的磁感強(qiáng)度因此改變，變化的磁感強(qiáng)度，通過線圈轉(zhuǎn)化成為電壓信號(hào)。檢測(cè)電路使信號(hào)的高頻部分濾波，只有扭矩信號(hào)被部分放大。[8]在工作中，即使扭桿斷裂，扭矩傳感器仍然能夠正常檢測(cè)出扭轉(zhuǎn)角度，避免發(fā)生事故。非接觸式扭矩傳感器因?yàn)椴捎梅墙佑|的工作方式，所以可靠性高、壽命長(zhǎng)，不容易易受到磨損、延時(shí)更小、受軸向偏移和軸的偏轉(zhuǎn)的影響更小，所以現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于轎車和輕型車，成為EPS傳感器的主流產(chǎn)品。車速傳感器車速傳感器的是作用是測(cè)量汽車的行駛速度。現(xiàn)階段，轎車EPS控制器通常從整車CAN總線中獲取車速信號(hào)。[8]電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的作用是根據(jù)ECU的信號(hào)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向力矩，它是EPS的動(dòng)力源。通常采用無(wú)刷永磁直流式電動(dòng)機(jī)，因?yàn)闊o(wú)刷永磁式直流電動(dòng)機(jī)的效率具備較高、無(wú)激磁損耗、體積較小等特點(diǎn)?；诳刂葡到y(tǒng)需要根據(jù)不同的工況而產(chǎn)生不同的助力轉(zhuǎn)矩，要求具有良好動(dòng)態(tài)特性且容易控制，以上都要求助力電機(jī)具有線性的調(diào)速特性和機(jī)械特性。除此之外，還要求電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)要波動(dòng)小、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)矩慣性量小和質(zhì)量輕、尺寸小、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)。在電動(dòng)機(jī)的選擇上也要與阻力矩、蓄電池電壓、減速比等相匹配。[9]電磁離合器電磁離合器保證電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向只在預(yù)定范圍內(nèi)起作用，對(duì)電動(dòng)機(jī)起保護(hù)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(shí)，離合器便自動(dòng)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，離合器還能消除電動(dòng)機(jī)的慣性對(duì)轉(zhuǎn)向的影響。為了減少與不加轉(zhuǎn)向助力時(shí)候駕駛車輛感覺的差別，離合器不僅具有滯后輸出特性，同時(shí)還有半離合狀態(tài)區(qū)域。[10]電動(dòng)EPS多采用單片干式電磁離合器,包括主動(dòng)輪、從動(dòng)軸、壓盤、磁化線圈和滑環(huán)等，如圖2-4所示。1.主動(dòng)輪2.磁化線圈3.壓盤4.花鍵5.從動(dòng)軸6軸承7滑環(huán)8電動(dòng)機(jī)圖2-4電磁離合器工作原理見簡(jiǎn)圖當(dāng)扭矩傳感器的電流通過滑環(huán)進(jìn)入電磁離合器線圈時(shí)，主動(dòng)輪產(chǎn)生電磁吸力，帶花鍵的壓板被吸引與主動(dòng)輪壓緊，于是電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過軸、主動(dòng)輪、壓板、花鍵、從動(dòng)軸傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電動(dòng)式EPS一般都設(shè)定一個(gè)工作范圍。如當(dāng)車速達(dá)到45km/h時(shí)，就不需要輔助動(dòng)力轉(zhuǎn)向，這時(shí)電動(dòng)機(jī)就停止工作。為了不使電動(dòng)機(jī)和電磁離合器的慣性影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作，離合器應(yīng)及時(shí)分離，以切斷輔助動(dòng)力。此外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，離合器會(huì)自動(dòng)分離，這時(shí)仍可以利用手動(dòng)控制轉(zhuǎn)向。減速機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)是電動(dòng)式EPS不可缺少的部件。目前實(shí)用的減速機(jī)構(gòu)有多重組合方式，一般采用蝸輪蝸桿與轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)組合式，也有的采用兩級(jí)行星齒輪與傳動(dòng)齒輪組合式。為了抑制噪聲和提高耐久性，減速機(jī)構(gòu)中的齒輪有的采用特殊齒形，有的采用樹脂材料制成。本次設(shè)計(jì)采用蝸輪蝸桿與轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)組合式減速機(jī)構(gòu)。電子控制單元ECU電子控制單元ECU：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電腦，根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器信號(hào)和車速傳感器信號(hào)，進(jìn)行邏輯分析和計(jì)算后，發(fā)出指令，控制電動(dòng)機(jī)和電磁離合器的動(dòng)作。此外，ECU還有安全保護(hù)和自我診斷功能，ECU通過采用電動(dòng)機(jī)的電流、發(fā)電機(jī)的電壓、發(fā)動(dòng)機(jī)的工況等信號(hào)判斷其系統(tǒng)工作狀態(tài)是否正常，一旦系統(tǒng)發(fā)生異常，助力將自動(dòng)取消，同時(shí)ECU將進(jìn)行故障自診斷分析。ECU通常是一個(gè)8位單片機(jī)系統(tǒng)，也有采用數(shù)字信號(hào)處理器DPS作為控制單元?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)該具有很強(qiáng)大的抗干擾性，以適應(yīng)汽車多變的行駛環(huán)境?？刂扑惴☉?yīng)快速正確，滿足實(shí)時(shí)控制的要求，并能有效的實(shí)現(xiàn)理想的助力規(guī)律和特性。直接控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩力矩大小，以及時(shí)間長(zhǎng)短。[11]電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)哈飛百利等系列車型轉(zhuǎn)向管柱參數(shù)如表3-1所示。表3-1轉(zhuǎn)向管柱參數(shù)參數(shù)數(shù)值單位轉(zhuǎn)向管柱手力＜6N·m輸出力矩26.4N·m前軸負(fù)荷≤800Kg工作電壓11-16V額定轉(zhuǎn)矩1.6N·m額定電流30A選擇蝸輪蝸桿類型、材料和精度等級(jí)1）類型選擇選用阿基米德蝸桿（ZA蝸桿）傳動(dòng)。2）材料選擇蝸桿選用40Cr，表面淬火處理，查表5.5[6]，表面硬度為（40~55）HRC；渦輪選用ZCuSn10P1，金屬模鍛造。3）精度選擇查表5.1[6]，選8級(jí)精度。按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)由式（3-1），中心距a為(3-1)確定所需參數(shù)（1）估算傳動(dòng)比i12蝸桿的輸入功率與減速器效率相乘等于渦輪的輸出功率(3-2)已獲參數(shù)T1=1.6Nm，T2=26.4Nm，得到公式(3-3)蝸桿頭數(shù)與傳動(dòng)效率關(guān)系如表3-2所示。表3-2蝸桿頭數(shù)與傳動(dòng)效率關(guān)系蝸桿頭數(shù)1246傳動(dòng)效率0.7~0.80.8~0.860.86~0.910.90~0.92分別將傳動(dòng)效率帶入式（3-3），如表3-3所示。表3-3蝸桿頭數(shù)與傳動(dòng)比關(guān)系蝸桿頭數(shù)1246傳動(dòng)比22~23.620~2219~2018~19查表5-3[6]，由蝸桿頭數(shù)z1=2，傳動(dòng)比i=15~32，選取i12=21，z1=2（2）確定載荷系數(shù)K由表5-6[6]選取使用系數(shù)KA=1；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載荷系數(shù)KV=1.1；因載荷較平穩(wěn)，故取載荷分布系數(shù)Kβ=1；則K=KAKVKβ=1×1.1×1=1.1（3）材料系數(shù)系數(shù)對(duì)于青銅或鑄鐵蝸輪蝸桿配對(duì)時(shí)，取=160MPa（4）接觸系數(shù)假設(shè)蝸桿分度圓直徑和中心距a之比/a=0.4，查圖5.12[6]，=2.75（5）確定許用接觸應(yīng)力蝸桿材料的基本許用應(yīng)力：查表5.7[6]，=268MPa估算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(3-4)電動(dòng)機(jī)效率估為0.8，得到蝸桿轉(zhuǎn)速===1719r/min應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：=60×1×1719÷21×15×365×24=6.5，取N=25壽命系數(shù)：許用接觸應(yīng)力：=（0.669×268）=180MPa設(shè)計(jì)計(jì)算（1）計(jì)算中心距：a≥56mm，取a=125mm（2）初選模數(shù)、蝸桿分度圓直徑、分度圓導(dǎo)程角根據(jù)a=125mm，i12=21查表5-2[6]，取m=5mm，=50mm，=，渦輪齒數(shù)=41，變位系數(shù)=-0.5（3）確定接觸系數(shù)根據(jù)/a=50/125=0.4，查圖5.12[6]，=2.74（4）計(jì)算滑動(dòng)速度=4.59m/s（5）當(dāng)量摩擦角查表5-10[6]，=（6）計(jì)算嚙合效率=0.90（7）傳動(dòng)效率=（0.95~0.97）×0.90=0.855~0.873，取=0.86（8）驗(yàn)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度53.7MPa≤=180MPa原選參數(shù)滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度的要求。（9）蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算(3-5)將代入式(3-5)整理，得設(shè)計(jì)公式(3-6)由表5-9[6]取=56MPa，壽命系數(shù)=0.54=0.54×56=32MPa齒形系數(shù)，按蝸輪當(dāng)量齒數(shù)及蝸輪變位系數(shù)=-0.5查圖5.13[6]得，=3.04螺旋角系數(shù)=1-=0.92將數(shù)據(jù)代入設(shè)計(jì)公式得左邊==1250右邊=左邊大于右邊，原選參數(shù)滿足蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度要求。主要幾何尺寸計(jì)算查表5-2[6]：=5mm,=50mm，=，2,=41，=-0.51)蝸桿①頭數(shù)2②分度圓直徑=50mm③齒頂圓直徑mm④齒根圓直徑mm⑤蝸桿的分度圓導(dǎo)程角=⑥蝸桿齒寬，取齒寬=55mm⑦蝸桿軸向齒距15.7mm⑧蝸桿軸向齒厚=7.85mm2）渦輪①齒數(shù)=41②變位系數(shù)=-0.5③驗(yàn)算傳動(dòng)比誤差傳動(dòng)比