汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第1章緒論1.1汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介汽車轉(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(shí)，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。它由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車的一個(gè)重要組成局部，其性能的好壞將直接影響到汽車的轉(zhuǎn)向特性、穩(wěn)定性、和行駛平安性。目前汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)主要有七大類：手動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)〔MS〕、液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)〔HPS〕、電控液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)〔ECHPS〕、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)〔EPS〕、四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)〔4WS〕、主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向技術(shù)〔AFS〕和線控轉(zhuǎn)向技術(shù)〔SBW〕。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場上以HPS、ECHPS、EPS應(yīng)用為主。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向具有節(jié)約燃料、有利于環(huán)境、可變力轉(zhuǎn)向、易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模塊化等優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)緊扣當(dāng)今汽車開展主題的新技術(shù)，他是目前國內(nèi)轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究熱點(diǎn)。轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)要求(1)汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，全部車輪應(yīng)繞瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應(yīng)有側(cè)滑。不滿足這項(xiàng)要求會(huì)加速輪胎磨損，并降低汽車的行駛穩(wěn)定性。(2)汽車轉(zhuǎn)型行駛后，在駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤的條件下，轉(zhuǎn)向輪能自動(dòng)返回到直線行駛位置，并穩(wěn)定行駛。(3)汽車在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪都不得產(chǎn)生共振，轉(zhuǎn)向盤沒有擺動(dòng)。(4)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置共同工作時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺動(dòng)應(yīng)最小。(5)保證汽車有較高的機(jī)動(dòng)性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力。(6)操縱輕便。(7)轉(zhuǎn)向輪碰撞到障礙物以后，傳給轉(zhuǎn)向盤的反沖力要盡可能小。(8)轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)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)在車禍中，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤由于車架或車身變形而共同后移時(shí)，轉(zhuǎn)向系應(yīng)有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。(10)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核，保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。1.2EPS的特點(diǎn)及開展現(xiàn)狀EPS與其他系統(tǒng)比擬對(duì)于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(EPS)，電動(dòng)機(jī)僅在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)才工作并消耗蓄電池能量；而對(duì)于常流式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，因液壓泵處于長期工作狀態(tài)和內(nèi)泄漏等原因要消耗較多的能量。兩者比擬，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的燃料消耗率僅為液壓動(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，油壓將建立不起來，不僅失去助力效能，并對(duì)環(huán)境造成污染。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障停止工作時(shí)，液壓泵也不工作，結(jié)果也會(huì)喪失助力效能，這就降低了工作可靠性。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)不存在漏油的問題，只要蓄電池內(nèi)有電提供給電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，就能有助力作用，所以工作可靠。假設(shè)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的油路進(jìn)入空氣或者貯油罐油面過低，工作時(shí)將產(chǎn)生較大噪聲，在排除氣體之前會(huì)影響助力效果；而電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向僅在電動(dòng)機(jī)工作時(shí)有輕微的噪聲。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向與液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向比擬，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)僅需克服轉(zhuǎn)向器的摩擦阻力，不存在回位彈簧阻力和反映路感的油壓阻力。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向還有整體結(jié)構(gòu)緊湊、部件少、占用的空間尺寸小、質(zhì)量比液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向約輕20%~25%以及汽車上容易布置等優(yōu)點(diǎn)。EPS的特點(diǎn)(1〕EPS節(jié)能環(huán)保。由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，液壓泵始終處于工作狀態(tài)，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量增加了3%~5%,而EPS以蓄電池為能源，以電機(jī)為動(dòng)力元件，可獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)工作，EPS幾乎不直接消耗發(fā)動(dòng)機(jī)燃油。EPS不存在液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的燃油泄漏問題，EPS通過電子控制，對(duì)環(huán)境幾乎沒有污染。(2〕EPS裝配方便。EPS的主要部件可以集成在一起，易于布置，與液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向相比減少了許多原件，沒有液壓系統(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)效率一般在60%~70%，而EPS得效率較高，可高達(dá)90%以上。(4〕EPS路感好。傳統(tǒng)純液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系大多采用固定放大倍數(shù)，工作驅(qū)動(dòng)力大，但卻不能實(shí)現(xiàn)汽車在各種車速下駕駛時(shí)的輕便性和路感。而EPS系統(tǒng)的滯后性可以通過EPS控制器的軟件加以補(bǔ)償，是汽車在各種速度下都能得到滿意的轉(zhuǎn)向助力。(5〕EPS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，得到最正確的回正性，從而改善汽車的操縱穩(wěn)定性和舒適性。(6〕動(dòng)力性。EPS系統(tǒng)可隨車速的上下主動(dòng)分配轉(zhuǎn)向力，不直接消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率，只在轉(zhuǎn)向時(shí)才起助力作用，保障發(fā)動(dòng)機(jī)充足動(dòng)力?！膊幌馠PS液壓系統(tǒng)，即使在不轉(zhuǎn)向時(shí)，油泵也一直運(yùn)轉(zhuǎn)處于工作狀態(tài)，降低了使用壽命〕1.2.3EPS在國內(nèi)外的應(yīng)用狀況國外EPS的開展之路：因?yàn)槲⑿娃I車上狹小的發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間給液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安裝帶來了很大的麻煩，而EPS原件比擬少，重量輕，裝配方便，比擬適合在微型轎車上安裝。因此在國外，EPS系統(tǒng)首先是在微型轎車上開展起來的。上世紀(jì)80年代初期，日本鈴木公司首次在其Cervo轎車上安裝了EPS系統(tǒng)，隨后還應(yīng)用在其Alto車上。此后，EPS在日本得到迅速開展。出于節(jié)能環(huán)保的考慮，歐、美等國的汽車公司也相繼對(duì)EPS進(jìn)行了開發(fā)和研究。雖然比日本晚了十年時(shí)間，但是歐美國家的開發(fā)力度比擬大，所選擇的產(chǎn)品類型也有所不同。日本起初選擇了技術(shù)相對(duì)成熟的有刷電機(jī)。有刷電機(jī)比擬成熟，在汽車上的應(yīng)用較廣，比方雨刷、車窗等局部，稍作改良就適應(yīng)了EPS的要求，因此研發(fā)周期較短，上世紀(jì)80年代末期就開始產(chǎn)業(yè)化，主要裝配在微型車上。而歐美那么選擇了難度較大的無刷電機(jī)，但是電子控制系統(tǒng)比擬復(fù)雜，延長了研發(fā)周期。直到90年代中期歐美才開始量產(chǎn)。從長遠(yuǎn)開展看，有刷電機(jī)存在一定弊端，比方電機(jī)產(chǎn)生的噪聲較難克服，磨損較嚴(yán)重，存在電磁干擾等問題。因此，日本現(xiàn)在國內(nèi)裝配的EPS也逐漸轉(zhuǎn)向無刷電機(jī)了。國內(nèi)EPS的開展現(xiàn)狀：我國汽車電子行業(yè)的總體開展相對(duì)滯后，但是，隨著汽車對(duì)環(huán)保、節(jié)能和平安性要求的進(jìn)一步提高，代表著現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開展方向的EPS電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已被我國列為高新科技產(chǎn)業(yè)工程之一，國內(nèi)各大院校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)在進(jìn)行EPS技術(shù)的研究，也有少數(shù)供給商能批量提供轉(zhuǎn)向軸式的EPS系統(tǒng)。但總的來講目前國內(nèi)EPS技術(shù)還不成熟；供給商所提供的EPS系統(tǒng)還未到達(dá)產(chǎn)品級(jí)的要求，且類型單一，還不能滿足整車廠需要。據(jù)悉，自主品牌研發(fā)的EPS系統(tǒng)離產(chǎn)業(yè)化就差整車廠批量裝車認(rèn)可這一臺(tái)階了，相信很快就可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。EPS系統(tǒng)是未來動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個(gè)開展趨勢。1.3本課題的研究意義隨著科技的開展和人們生活水平及環(huán)保意識(shí)的提高，汽車轉(zhuǎn)向助力肯定會(huì)向更輕便、更節(jié)能、更平安的方向開展，而本課題正是沿著這個(gè)方向?qū)ζ嚨霓D(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了研究。現(xiàn)存的汽車，大局部都是傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，甚至沒有助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能提供比其更平安、更舒適的轉(zhuǎn)向操控性和節(jié)能效果。本課題對(duì)該系統(tǒng)的進(jìn)行了深入的研究，并將其應(yīng)用于實(shí)踐，這對(duì)于推動(dòng)該系統(tǒng)的開展和最終的產(chǎn)品化應(yīng)用，對(duì)于推動(dòng)機(jī)械、傳感器技術(shù)和電子器件制造等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的開展，對(duì)于提高我國汽車電子化水平和加快轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化開展具有十分重要的意義。在可預(yù)見的將來，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車領(lǐng)域必定會(huì)有廣泛的應(yīng)用。本章小結(jié)這一章介紹了現(xiàn)在應(yīng)用的汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)，并對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了分析比擬。還闡述了EPS的國內(nèi)外開展?fàn)顩r。第2章電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體組成2.1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)理及類型近年來，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在乘用車上得到應(yīng)用，并有良好的開展前景。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，除去應(yīng)當(dāng)滿足對(duì)液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)的一些相似要求以外，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)滿足：具有故障自診斷和報(bào)警功能；有良好的抗振動(dòng)和抗干擾能力等；當(dāng)?shù)孛媾c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)應(yīng)迅速反響，制止轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)；在過載使用條件下有過載保護(hù)功能等。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)理電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由機(jī)械轉(zhuǎn)向器與電動(dòng)助力局部相結(jié)合構(gòu)成。電動(dòng)助力局部包括電動(dòng)機(jī)、電池、傳感器和控制器〔ECU〕及線束，有的還有減速機(jī)構(gòu)和電磁離合器等〔圖2-1〕圖2-1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意圖目前用于乘用車的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向器，均采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。其功能除用來傳遞來自轉(zhuǎn)向盤的力矩與運(yùn)動(dòng)以外，還有增扭、降速作用。轉(zhuǎn)向過程中，電動(dòng)機(jī)將來自蓄電池的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能向轉(zhuǎn)向系輸出而構(gòu)成轉(zhuǎn)向助力矩，并完成助力作用。與電動(dòng)機(jī)連接的減速機(jī)構(gòu)有蝸輪蝸桿、滾珠螺桿螺母或行星齒輪機(jī)構(gòu)等，其作用也是降速、增扭。裝在減速機(jī)構(gòu)附近的離合器〔通常為電磁離合器〕是為了保證電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)只在預(yù)先設(shè)定的行駛速度范圍內(nèi)工作。在車速到達(dá)某一設(shè)定值時(shí)，離合器別離，并暫時(shí)停止電動(dòng)機(jī)的助力作用。與此同時(shí)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也暫時(shí)轉(zhuǎn)為機(jī)械式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，離合器也自動(dòng)別離。離合器別離后再行轉(zhuǎn)向時(shí)，可不必因帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)而消耗駕駛員體力。單片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。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2-2電磁離合器工作原理簡圖其工作原理如下圖，裝有磁化線圈2的主動(dòng)輪1與電動(dòng)機(jī)軸固定連接，來自控制器的控制電流經(jīng)滑環(huán)7輸入磁化線圈，于是主動(dòng)輪產(chǎn)生電磁吸力，將壓盤3吸到主動(dòng)輪上，然后電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)主動(dòng)輪、壓盤及壓盤轂上的花鍵傳給從動(dòng)軸5，實(shí)現(xiàn)助力作用。汽車以較高車速轉(zhuǎn)向行駛，作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩將減小，以至于到達(dá)無需助力的程度，此時(shí)可設(shè)定：到達(dá)此車速時(shí)，電磁離合器停止工作。還有，在電動(dòng)機(jī)停止工作以后，電磁離合器在控制器的控制下也要?jiǎng)e離或者自動(dòng)別離。此后，在進(jìn)行再進(jìn)行轉(zhuǎn)向?qū)⒉淮嬖谥ψ饔?，直至電?dòng)機(jī)恢復(fù)工作為止。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的工作原理如下：當(dāng)駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤施力并轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，位于轉(zhuǎn)向盤下方與轉(zhuǎn)向軸連接的轉(zhuǎn)矩傳感器將經(jīng)扭桿彈簧連接在一起的上、下轉(zhuǎn)向軸的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)傳至控制器，在同一時(shí)刻車速信號(hào)也傳至控制器。根據(jù)以上兩信號(hào)，控制器確定電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和助力轉(zhuǎn)矩的大小。之后，控制器將輸出的數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為模擬量，并將其輸入電流控制電路。電流控制電路將來自微機(jī)的電流命令值同電動(dòng)機(jī)電流的實(shí)際值進(jìn)行比擬后生成一個(gè)差值信號(hào)，同時(shí)將此信號(hào)送往電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，該電路驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，并向電動(dòng)機(jī)提供控制電流，完成助力轉(zhuǎn)向作用。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型EPS系統(tǒng)依據(jù)電動(dòng)機(jī)布置位置的不同可分為轉(zhuǎn)向軸助力式、小齒輪助力式、齒條助力式三個(gè)根本類型〔圖2-3〕a〕b)c)a)轉(zhuǎn)向軸助力式b)齒輪助力式c〕齒條助力式圖2-3EPS系統(tǒng)的類型(1)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)的電動(dòng)機(jī)布置在靠近轉(zhuǎn)向盤下方，并經(jīng)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸連接〔圖2-3a〕。這種布置方案的特點(diǎn)是：由于轉(zhuǎn)向軸助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的電動(dòng)機(jī)布置在駕駛室內(nèi)，所以有良好的工作條件；因電動(dòng)機(jī)輸出的助力轉(zhuǎn)矩經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)增大后傳給轉(zhuǎn)向軸，所以電動(dòng)機(jī)輸出的助力轉(zhuǎn)矩相對(duì)小些，電動(dòng)機(jī)尺寸也小，這又有利于在車上布置和減輕質(zhì)量；電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器、減速機(jī)構(gòu)、電磁離合器等裝為一體是結(jié)構(gòu)緊湊，上述部件又與轉(zhuǎn)向器分開，故拆裝與維修工作容易進(jìn)行；轉(zhuǎn)向器仍然可以采用通用的典型結(jié)構(gòu)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器；電動(dòng)機(jī)距駕駛員和轉(zhuǎn)向盤近，電動(dòng)機(jī)的工作噪聲和振動(dòng)直接影響駕駛員；轉(zhuǎn)向軸等零件也要承受來自電動(dòng)機(jī)輸出的助力轉(zhuǎn)矩的作用，為使其強(qiáng)度足夠，必須增大受載件的尺寸；盡管電動(dòng)機(jī)的尺寸不大，但因這種布置方案的電動(dòng)機(jī)靠近方向盤，為了不影響駕駛員腿部的動(dòng)作，在布置時(shí)仍然有一定的困難。(2)齒輪助力式齒輪助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)布置在與轉(zhuǎn)向器主動(dòng)齒輪相連接的位置〔圖2-3b〕，并通過驅(qū)動(dòng)主動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)助力。這種布置方案的特點(diǎn)是：電動(dòng)機(jī)布置在地板下方、轉(zhuǎn)向器上部，工作條件比擬差對(duì)密封要求較高；電動(dòng)機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩基于與轉(zhuǎn)向軸助力式相同的原因可以小些，因而電動(dòng)機(jī)尺寸小，同時(shí)轉(zhuǎn)矩傳感器、減速機(jī)構(gòu)等的結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸也小，這將有利于在整車上的布置和減小質(zhì)量；轉(zhuǎn)向軸等位于轉(zhuǎn)向器主動(dòng)齒輪以上的零部件，不承受電動(dòng)機(jī)輸出的助力轉(zhuǎn)矩的作用，故尺寸可以小些；電動(dòng)機(jī)距駕駛員遠(yuǎn)些，它的動(dòng)作噪聲對(duì)駕駛員影響不大，但震動(dòng)仍然會(huì)傳到轉(zhuǎn)向盤；電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)等與轉(zhuǎn)向器主動(dòng)齒輪裝在一個(gè)總成內(nèi)，拆裝時(shí)會(huì)因相互影響而出現(xiàn)一定的困難；轉(zhuǎn)向器與典型的轉(zhuǎn)向器不能通用，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)、制造。(3)齒條助力式齒條助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)構(gòu)等布置在齒條處〔圖2-3c〕，并直接驅(qū)動(dòng)齒條實(shí)現(xiàn)助力。這種布置方案的特點(diǎn)是：電動(dòng)機(jī)位于地板下方，相比之下，工作噪聲和振動(dòng)對(duì)駕駛員的影響都小些；電動(dòng)機(jī)減速機(jī)構(gòu)等不占據(jù)轉(zhuǎn)向盤至地板這段空間，因而有利于轉(zhuǎn)向軸的布置，駕駛員腿部的動(dòng)作不會(huì)受到它們的干擾；轉(zhuǎn)向軸直至轉(zhuǎn)向器主動(dòng)齒輪均不承受來自電動(dòng)機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩作用，故他們的尺寸能小些；電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)等工作在地板下方，條件較差，對(duì)密封要求良好；電動(dòng)機(jī)輸出的助力轉(zhuǎn)矩只經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)增扭，沒有經(jīng)過轉(zhuǎn)向器增扭，因而必須增大電動(dòng)機(jī)輸出的助力轉(zhuǎn)矩才能有良好的助力效果，隨之而來的是電動(dòng)機(jī)尺寸增大、質(zhì)量增加；轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)與典型的相差很多，必須單獨(dú)設(shè)計(jì)制造；采用滾珠螺桿螺母減速機(jī)構(gòu)時(shí)，會(huì)增加制造難度與本錢；電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向器占用的空間雖然大一些，但用于前軸負(fù)荷大，前部空間相對(duì)寬松一些的乘用車上不是十分突出的問題。2.2電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵部件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組成。扭矩傳感器扭矩傳感器檢測扭轉(zhuǎn)桿扭轉(zhuǎn)變形，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘?hào)并輸出至電子控制單元，是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。扭距傳感器由分相器單元1、分相器單元2及扭桿組成〔如圖2-4〕。圖2-4扭距傳感器轉(zhuǎn)子局部的分相器單元1固定于轉(zhuǎn)向主軸，轉(zhuǎn)子局部的分相器單元2固定于轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸。扭轉(zhuǎn)桿扭轉(zhuǎn)后，使兩個(gè)分相器單元產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)角度，電子控制單元根據(jù)兩個(gè)分相器的相對(duì)位置決定對(duì)EPS電動(dòng)機(jī)提供多少電壓。車速傳感器車速傳感器的功能是測量汽車的行駛速度。目前，轎車EPS控制器一般都從整車CAN總線中提取車速信號(hào)。電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)由轉(zhuǎn)角傳感器、定子及轉(zhuǎn)子組成〔如圖2-5〕。將電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)布置在齒條處，并直接驅(qū)動(dòng)齒條實(shí)現(xiàn)助力。通過轉(zhuǎn)角傳感器檢測電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度防止扭矩波動(dòng)。圖2-5電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)采用滾珠式減速齒輪機(jī)構(gòu)，將其固定在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)傳到減速機(jī)構(gòu)，經(jīng)過滾珠及蝸桿傳到齒條軸上。滾珠在機(jī)構(gòu)內(nèi)部經(jīng)過導(dǎo)向進(jìn)行循環(huán)。電子控制單元電子控制單元〔ECU〕的功能是依據(jù)扭矩傳感器和車速傳感器的信號(hào)，進(jìn)行分析和計(jì)算后，發(fā)出指令，控制電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作。此外，ECU還有平安保護(hù)和自我診斷的功能，ECU通過采集電動(dòng)機(jī)的電流、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等信號(hào)判斷系統(tǒng)工作是否正常，一旦系統(tǒng)工作異常，電動(dòng)助力被切斷；同時(shí)ECU將進(jìn)行故障診斷分析，故障指示燈亮，并以故障所對(duì)應(yīng)的模式閃爍。2.3電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的助力特性電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的助力特性由軟件設(shè)定。通常將助力特性曲線設(shè)計(jì)成隨著汽車行駛速度Va的變化而變化，并將這種助力特性稱之為車速感應(yīng)型。圖2-6示出的車速感應(yīng)型助力特性曲線說明，助力既是作用到轉(zhuǎn)向盤上的力矩的函數(shù)，同時(shí)也是車速的函數(shù)。圖2-6車速感應(yīng)型助力特性當(dāng)車速Va=0時(shí)，相當(dāng)于汽車在原地轉(zhuǎn)向，助力特性曲線的位置居其他各條曲線之上，助力強(qiáng)度到達(dá)最大。隨著車速Va不斷升高，助力特性曲線的位置也逐漸降低，直至車速Va到達(dá)最高車速Vamax為止，此時(shí)的助力強(qiáng)度已為最小，而路感強(qiáng)度到達(dá)最大。本章小結(jié)本章主要是介紹了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的組成、工作原理，以及對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的三種布置形式進(jìn)行了分析比照。還有分析了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各主要部件的結(jié)構(gòu)及工作過程和助力特性。第3章電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的要求〔1〕運(yùn)動(dòng)學(xué)上應(yīng)保持轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角和駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角之間保持一定的比例關(guān)系?！?〕隨著轉(zhuǎn)向輪阻力的增大〔或減小〕，作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力必須增大〔或減小〕，稱之為“路感”。〔3〕當(dāng)作用在轉(zhuǎn)向盤上的切向力時(shí)〔因汽車形式不同而異〕，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器就開始工作?！?〕轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向盤應(yīng)自動(dòng)回正，并使汽車保持在穩(wěn)定的直線行駛狀態(tài)?！?〕工作靈敏?！?〕動(dòng)力轉(zhuǎn)向失靈時(shí)，仍能用機(jī)械系統(tǒng)操縱車輪轉(zhuǎn)向。3.2齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)與計(jì)算齒輪齒條轉(zhuǎn)向器最主要的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、質(zhì)量輕、剛性好、使用可靠；傳動(dòng)效率高達(dá)90%；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3-1a〕；側(cè)面輸入，兩端輸出〔圖3-1b〕；側(cè)面輸入，中間輸出〔圖3-1c〕；側(cè)面輸入，一端輸出圖〔圖3-1d〕。圖3-1齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的四種形式轉(zhuǎn)向系計(jì)算載荷確實(shí)定為了保證行駛平安，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(dòng)轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力，包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)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)算出這些力是困難的。為此用足夠精確的半經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩MR(N·mm)。N·mm(3-1)式中f——輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)；——轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷，單位為N；P——輪胎氣壓，單位為MPa。作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力Fh為：N(3-2)式中——轉(zhuǎn)向搖臂長,單位為mm；——原地轉(zhuǎn)向阻力矩,單位為N·mm——轉(zhuǎn)向節(jié)臂長,單位為mm；——為轉(zhuǎn)向盤直徑,單位為mm；——轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比；——轉(zhuǎn)向器正效率。因齒輪齒條式轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)無轉(zhuǎn)向搖臂，故L1、L2不代入數(shù)值。對(duì)給定的汽車，用上式計(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。梯形臂長度的計(jì)算：輪輞直徑=16in=16×25.4=406.4mm梯形臂長度=×0.8/2=406.4×0.8/2=162.6mm〔3-3〕取=160mm輪胎直徑的計(jì)算RT：=406.4+0.55×225=530.2mm〔3-4〕取=530mm轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑確實(shí)定：〔3-5〕=;因此取=15mm初步估算主動(dòng)齒輪軸的直徑：〔3-6〕=140MPa所以取=18mm上述的計(jì)算只是初步對(duì)所研究的轉(zhuǎn)向系載荷確實(shí)定。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)(一)EPS系統(tǒng)齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的主要元件〔1)齒條是在金屬殼體內(nèi)來回滑動(dòng)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(dòng)拉動(dòng)或推動(dòng)轉(zhuǎn)向橫拉桿，使前輪轉(zhuǎn)向。表3-1齒條的尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)序號(hào)工程符號(hào)尺寸參數(shù)()1總長7302直徑253齒數(shù)204法向模數(shù)3〔2)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)向軸相連。因此，轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)使齒條橫向移動(dòng)以操縱前輪。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(duì)嚙合齒輪參與嚙合的齒數(shù)。相對(duì)直齒而言，斜齒的運(yùn)轉(zhuǎn)趨于平穩(wěn)，并能傳遞更大的動(dòng)力。表3-2齒輪軸的尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)序號(hào)工程符號(hào)尺寸參數(shù)(mm)1總長1982齒寬603齒數(shù)64法向模數(shù)35螺旋角14°6螺旋方向左旋〔3)轉(zhuǎn)向橫拉桿及其端部1.橫拉桿2.鎖緊螺母3.外接頭殼體4.球頭銷5.六角開槽螺母6.球碗7.端蓋8.梯形臂9.開口銷圖3-2轉(zhuǎn)向橫拉桿外接頭轉(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標(biāo)準(zhǔn)擰緊時(shí)，在球頭銷上就作用了一個(gè)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)入球銷及齒條中。轉(zhuǎn)向橫拉桿端部與外端用螺紋聯(lián)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〔見圖3-2〕。注：轉(zhuǎn)向反響是由前輪遇到不平路面而引起的轉(zhuǎn)向盤的運(yùn)動(dòng)。〔4)齒條調(diào)整一個(gè)齒條導(dǎo)向座安裝在齒條光滑的一面。齒條導(dǎo)向座1和與殼體螺紋連接的調(diào)節(jié)螺塞3之間連有一個(gè)彈簧2。此調(diào)節(jié)螺塞由鎖緊螺母固定4。齒條導(dǎo)向座的調(diào)節(jié)使齒輪、齒條間有一定預(yù)緊力，此預(yù)緊力會(huì)影響轉(zhuǎn)向沖擊、噪聲及反響〔見圖3-3〕。圖3-3齒條間隙調(diào)整裝置齒條斷面形狀有圓形、V形和Y形三種，本設(shè)計(jì)采用V形斷面，V形和Y形斷面齒條與圓形斷面比擬，消耗的材料少，約節(jié)省20%,故質(zhì)量?。晃挥邶X下面的兩斜面與齒條托座接觸，可用來防止齒條繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。在齒條與托座之間裝有用減磨材料〔聚四氟乙烯〕做的墊片，以減少滑動(dòng)摩擦。當(dāng)車輪跳動(dòng)、轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向器工作時(shí)，如在齒條上作用有能使齒條旋轉(zhuǎn)的力矩時(shí)，V形斷面齒條能防止因齒條旋轉(zhuǎn)而破壞齒輪、齒條的齒不能正確嚙合的情況出現(xiàn)?！捕侈D(zhuǎn)向傳動(dòng)比當(dāng)轉(zhuǎn)向盤從鎖點(diǎn)向鎖點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，每只前輪大約從其正前方開始轉(zhuǎn)動(dòng)30°，因而前輪從左到右總共轉(zhuǎn)動(dòng)大約60°。假設(shè)傳動(dòng)比是1:1，轉(zhuǎn)向盤旋轉(zhuǎn)1°，前輪將轉(zhuǎn)向1°，轉(zhuǎn)向盤向任一方向轉(zhuǎn)動(dòng)30°將使其前輪從鎖點(diǎn)轉(zhuǎn)向鎖點(diǎn)。這種傳動(dòng)比過于小，因而轉(zhuǎn)向盤最輕微的運(yùn)動(dòng)將會(huì)使車輛突然改變方向。轉(zhuǎn)向角傳動(dòng)比必須使前輪轉(zhuǎn)動(dòng)同樣角度時(shí)需要更大的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。對(duì)乘用車，推薦轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比在17～25范圍內(nèi)選?。粚?duì)商用車，在23～32范圍內(nèi)選取，這里選傳動(dòng)比為18:1。即在這樣的傳動(dòng)比下，轉(zhuǎn)向盤每轉(zhuǎn)動(dòng)18°，前輪轉(zhuǎn)向1°?！踩矱PS系統(tǒng)齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的安裝齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器可安在前橫梁上或發(fā)動(dòng)機(jī)后部的前圍板上〔見圖3-4〕。橡膠隔振套包在轉(zhuǎn)向器外，并固定在橫梁上或前圍板上。齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的正確安裝高度，使轉(zhuǎn)向橫拉桿和懸架下擺臂可平行安置。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中磨擦點(diǎn)的數(shù)目減少了，因此這種系統(tǒng)輕便緊湊。大多數(shù)承載式車身的前輪驅(qū)動(dòng)汽車用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。由于齒條直接連著梯形臂，這種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可提供好的路感。在轉(zhuǎn)向器與支承托架之間裝有大的橡膠隔振墊，這些襯墊有助于減少路面的噪聲、振動(dòng)從轉(zhuǎn)向器傳到底盤和客艙。齒輪齒條轉(zhuǎn)向器裝在前橫梁上或前圍板上。轉(zhuǎn)向器的正確安裝對(duì)保證轉(zhuǎn)向橫拉桿與懸架下擺臂的平行關(guān)系有重要作用。為保持轉(zhuǎn)向器處在正確的位置，在轉(zhuǎn)向器安裝的位置處，前圍板有所加固。圖3-4轉(zhuǎn)向器的安裝位置〔四〕齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)要求齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪多數(shù)采用斜齒圓柱齒輪。齒輪模數(shù)取值范圍多在2～3mm之間。主動(dòng)小齒輪齒數(shù)多數(shù)在5～7個(gè)齒范圍變化，壓力角取20°，齒輪螺旋角取值范圍多為9°～15°。齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪到達(dá)最大偏轉(zhuǎn)角時(shí)，相應(yīng)的齒條移動(dòng)行程應(yīng)到達(dá)的值來確定。變速比的齒條壓力角，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在12°～35°范圍內(nèi)變化。此外，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算齒輪的抗彎強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度。主動(dòng)小齒輪選用16MnCr5或15CrNi6材料制造，而齒條常采用45鋼制造。為減輕質(zhì)量，殼體用鋁合金壓鑄?！参濉除X輪軸和齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算1.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大齒輪45鋼外表淬火，齒面硬度52-56HRC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)、?！?-7〕式中——齒輪轉(zhuǎn)速〔r/min〕；——齒輪轉(zhuǎn)一周，同一側(cè)齒面嚙合的次數(shù)；——齒輪的工作壽命〔h〕；c)計(jì)算許用應(yīng)力取,〔3-8〕〔3-9〕應(yīng)力修正系數(shù)〔3-10〕〔3-11〕2.初步確定齒輪的根本參數(shù)和主要尺寸(1)選擇齒輪類型根據(jù)齒輪傳動(dòng)的工作條件，選用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動(dòng)方案(2)選擇齒輪傳動(dòng)精度等級(jí)選用7級(jí)精度(3)初選參數(shù)初選按當(dāng)量齒數(shù)(4)初步計(jì)算齒輪模數(shù)轉(zhuǎn)矩〔3-12〕閉式硬齒面?zhèn)鲃?dòng)，按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)?！?-13〕=2.309(5)確定載荷系數(shù)，由,0.000696,；對(duì)稱布置，取；取那么(6)修正法向模數(shù)〔3-14〕圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，取3.確定齒輪傳動(dòng)主要參數(shù)和幾何尺寸(1)分度圓直徑〔3-15〕(2)齒頂圓直徑=16+2×2.5(1+0)=21〔3-16〕(3)齒根圓直徑=16-2×2.5×1.25=9.75〔3-17〕(4)齒寬b〔3-18〕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(5)齒條齒頂高〔3-19〕(6)齒條齒根高〔3-20〕法面齒距〔3-21〕4.校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度查表，得查圖，得取，所以=1677.6所以齒面接觸疲勞強(qiáng)度滿足要求。齒輪齒條轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向橫拉桿的運(yùn)動(dòng)分析當(dāng)轉(zhuǎn)向盤從鎖點(diǎn)向鎖點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，每只前輪大約從其正前方開始轉(zhuǎn)動(dòng)30°，因而前輪從左到右總共轉(zhuǎn)動(dòng)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°=160×cos30°=138.564=160-138.564=21.43630°=80==339.3=339.3-80=259.32=340-259.32=80.7圖3.4轉(zhuǎn)向橫拉桿的運(yùn)動(dòng)分析簡圖同理計(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=80=339.3=80+339.3-340=79.3齒輪齒條嚙合長度應(yīng)大于即=80.7+79.3=160取L=200齒輪齒條傳動(dòng)受力分析假設(shè)略去齒面間的摩擦力，那么作用于節(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。=2×35000/16=4375=1641.12=1090.8齒輪軸的強(qiáng)度校核1.軸的受力分析(1)畫軸的受力簡圖。(2)計(jì)算支承反力在垂直面上在水平面上(3)畫彎矩圖在水平面上，a-a剖面左側(cè)、右側(cè)在垂直面上，a-a剖面左側(cè)a-a剖面右側(cè)合成彎矩，a-a剖面左側(cè)a-a剖面右側(cè)(4)畫轉(zhuǎn)矩圖轉(zhuǎn)矩=4375×16/2=46636.42.判斷危險(xiǎn)剖面顯然，a-a截面左側(cè)合成彎矩最大、扭矩為T，該截面左側(cè)可能是危險(xiǎn)剖面。3.軸的彎扭合成強(qiáng)度校核由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[4]查得，，=60/100=0.6。a-a截面左側(cè)4.軸的疲勞強(qiáng)度平安系數(shù)校核查得,,；。a-a截面左側(cè)查得；由表查得絕對(duì)尺寸系數(shù)軸經(jīng)磨削加工，查得質(zhì)量系數(shù)β=1.0。那么彎曲應(yīng)力應(yīng)力幅平均應(yīng)力切應(yīng)力平安系數(shù)查得許用平安系數(shù)[S]=1.3～1.5，顯然S>[S]，故a-a剖面平安。圖3.3-6齒輪軸校核分析圖本章小結(jié)本章是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容如下：(1)介紹了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)方法，這種設(shè)計(jì)方法是有其可行性的，能夠設(shè)計(jì)出符合助力要求的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)方法在現(xiàn)實(shí)中是比擬適宜的。(2)對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的主要元件進(jìn)行的詳細(xì)的介紹，并且給出了一些參考的轉(zhuǎn)向系參數(shù)。(3)根據(jù)條件，對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器進(jìn)行了齒輪軸和齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算。第4章轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)4.1結(jié)構(gòu)與布置齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器因結(jié)構(gòu)簡單緊湊、制造工藝簡便等優(yōu)點(diǎn),既適用于整體式前軸,也適用于采用獨(dú)立懸架的斷開式前軸,被廣泛地應(yīng)用在轎車、輕型客貨車、微型汽車等車輛上。其中,與之配用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同傳統(tǒng)的整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)相比有其特殊之處。一般來說,這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大多如圖4-1所示。轉(zhuǎn)向軸1的末端與轉(zhuǎn)向器的齒輪軸2直接相連或通過萬向節(jié)軸相連,齒輪2與裝于同一殼體的齒條3嚙合,外殼那么固定于車身或車架上。齒條通過兩端的球鉸接頭與兩根分開的橫拉桿4、7相連,兩橫拉桿又通過球頭銷與左右車輪上的梯形臂5、6相連。因此,齒條3既是轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)件又是轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)中三段式橫拉桿的一局部。絕大多數(shù)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器都布置在軸前前方,這樣既可避讓開發(fā)動(dòng)機(jī)的下部,又便于與轉(zhuǎn)向軸下端連接。安裝時(shí),齒條軸線應(yīng)與汽車縱向?qū)ΨQ軸垂直,而且當(dāng)轉(zhuǎn)向器處于中立位置時(shí),齒條兩端球鉸中心應(yīng)對(duì)稱地處于汽車縱向?qū)ΨQ軸的兩側(cè)。1.轉(zhuǎn)向軸2.齒輪3.齒條4.左橫拉桿5.左梯形臂6.右梯形臂7.右橫拉桿圖4-1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖對(duì)于給定的汽車,其軸距L、主銷后傾角β以及左右兩主銷軸線延長線與地面交點(diǎn)之間的距離K均為定值。對(duì)于選定的轉(zhuǎn)向器,其齒條兩端球鉸中心距也為定值。因而在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí),需要確定的參數(shù)為梯形底角γ、梯形臂長以及齒條軸線到梯形底邊的安裝距離h。而橫拉桿長那么可由轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的上述參數(shù)以及的汽車參數(shù)K和轉(zhuǎn)向器參數(shù)M來確定。其關(guān)系式為：(4-1)4.2用解析法求內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí),齒條便向左或向右移動(dòng),使左右兩邊的桿系產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng),從而使左右車輪分別獲得一個(gè)轉(zhuǎn)角。以汽車左轉(zhuǎn)彎為例,此時(shí)右輪為外輪,外輪一側(cè)的桿系運(yùn)動(dòng)如圖4-2所示。設(shè)齒條向右移過某一行程S,通過右橫拉桿推動(dòng)右梯形臂,使之轉(zhuǎn)過。圖4-2外輪一側(cè)桿系運(yùn)動(dòng)情況取梯形右底角頂點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn),X、Y軸方向如圖5-2所示,那么可導(dǎo)出齒條行程S與外輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系：(4-2)另外，由圖4-2可知：∴(4-3)而內(nèi)輪一側(cè)的運(yùn)動(dòng)那么如圖4-3所示,齒條右移了相同的行程S,通過左橫拉桿拉動(dòng)左梯形臂轉(zhuǎn)過。圖4-3內(nèi)輪一側(cè)桿系運(yùn)動(dòng)情況取梯形左底角頂點(diǎn)O1為坐標(biāo)原點(diǎn),X、Y軸方向如圖5-3所示,那么同樣可導(dǎo)出齒條行程S與內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系,即:(4-4)(4-5)因此,利用公式(4-2)便可求出對(duì)應(yīng)于任一外輪轉(zhuǎn)角的齒條行程S,再將S代入公式(4-5)即可求出相應(yīng)的內(nèi)輪轉(zhuǎn)角。把公式(4-2)和(4-5)結(jié)合起來便可將表示為的函數(shù),記作:反之,也可利用公式(4-4)求出對(duì)應(yīng)于任一內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的齒條行程S,再將S代入公式(4-3)即可求出相應(yīng)的外輪轉(zhuǎn)角。將公式(4-4)和(4-5)結(jié)合起來可將表示為的函數(shù),記作:4.3轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)的建立眾所周知,在不計(jì)輪胎側(cè)偏時(shí),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪純滾動(dòng)、無側(cè)滑轉(zhuǎn)向的條件是內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角具有如圖4-4所示的理想的關(guān)系,即:(4-6)式中T——計(jì)及主銷后傾角時(shí)的計(jì)算軸距詳細(xì)D=W=G圖=紙：三二③1爸爸五四0六全套資料低拾10快起L——汽車軸距r——車輪滾動(dòng)半徑由式(4-6)可將理想的內(nèi)輪轉(zhuǎn)角表示為的函數(shù),即:(4-7)反之,取內(nèi)輪轉(zhuǎn)角為自變量時(shí),理想的外輪轉(zhuǎn)角也可表示為的函數(shù),即:(4-8)而由轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)所提供的內(nèi)、外實(shí)際轉(zhuǎn)角關(guān)系為前述的θi=F(θ0)或θ0=Φ(θi),因此,轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是要在規(guī)定的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)使實(shí)際的內(nèi)或外輪轉(zhuǎn)角盡量地接近對(duì)應(yīng)的理想的內(nèi)或外輪轉(zhuǎn)角。為了綜合評(píng)價(jià)在全部轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)兩者接近的精確程度,并考慮到在最常使用的中小轉(zhuǎn)角時(shí)希望兩者盡量接近,因此建議用兩函數(shù)的加權(quán)均方根誤差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。即：〔4-9〕〔4-10〕兩式中的加權(quán)因子、為：(4-9)、(4-10)兩式是等價(jià)的,可根據(jù)具體情況任取其中之一作為極小化目標(biāo)函數(shù)。圖4-4理想的內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)交關(guān)系設(shè)計(jì)變量與約束條件對(duì)于給定的汽車和選定的轉(zhuǎn)向器,轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)尚有梯形臂長、底角γ和安裝距離h三個(gè)設(shè)計(jì)變量。其中底角γ可按經(jīng)驗(yàn)公式先選一個(gè)初始值,然后再增加或減小,進(jìn)行優(yōu)化搜索。而及h的選擇那么要結(jié)合約束條件來考慮。第一,要保證梯形臂不與車輪上的零部件(如輪胎、輪輛或制動(dòng)底板)發(fā)生干預(yù),故要滿足：式中Aoy——梯形臂球頭銷中心的Y坐標(biāo)值〔見圖4-3〕Aymin——車輪上可能與梯形臂干預(yù)部位的Y坐標(biāo)值因，所以可知中選定時(shí)的可取值上限為：(4-11)第二,要保證有足夠的齒條行程來實(shí)現(xiàn)要求的最大轉(zhuǎn)角。即有:式中Smax——最大轉(zhuǎn)角或所對(duì)應(yīng)的齒條行程[S]——轉(zhuǎn)向器的許用齒條行程因所以由公式(1)或(3)可知：一般來說{}內(nèi)的數(shù)值很小,故在估算齒條行程時(shí)可略去不計(jì),即可粗略地認(rèn)為：所以中選定時(shí)，的可取值范圍為：〔4-12〕或〔4-13〕(4-12)式和(4-13)式是等價(jià)的，使用時(shí)可根據(jù)具體情況任取其中之一作為約束條件。第三，要保證有足夠大的傳動(dòng)角。傳動(dòng)角是指轉(zhuǎn)向梯形臂與橫拉桿所夾的銳角。隨著車輪轉(zhuǎn)角增大,傳動(dòng)角漸漸變小。而且對(duì)應(yīng)于同一齒條行程,內(nèi)輪一側(cè)的傳動(dòng)角總是比外輪一側(cè)的傳動(dòng)角要小。由圖4-2可知：由圖4-3可知:最小傳動(dòng)角發(fā)生在內(nèi)輪一側(cè),當(dāng)?shù)竭_(dá)最大值時(shí),也到達(dá)最大值,故此時(shí)為最小值。傳動(dòng)角過小會(huì)造成有效分力過小,表現(xiàn)為轉(zhuǎn)向沉重或回正不良。對(duì)于一般平面連桿機(jī)構(gòu),為了保證機(jī)構(gòu)傳動(dòng)良好,設(shè)計(jì)時(shí)通常應(yīng)使°,但一般后置式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的都偏小。這是由于汽車正常行駛中多用小轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向,約有80％以上的轉(zhuǎn)角在20°以內(nèi)即使是大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向,也是從小轉(zhuǎn)角開始,而且速度較低,所以取23°時(shí)的內(nèi)輪一側(cè)傳動(dòng)角作為控制參數(shù)。以°作為約束條件,這樣一般均能保證在°時(shí)°。轉(zhuǎn)向器安裝距離h對(duì)傳動(dòng)角的影響較大,h越小,占也小,可獲得較大的。在選擇h時(shí)應(yīng)充分注意到這一點(diǎn),但h過小會(huì)造成橫拉桿與齒條間夾角ζ過大。由圖4-2、圖4-3可知：為保證傳動(dòng)良好一般希望°,以此作為約束條件即要滿足聯(lián)立不等式：由此可解得：由于轉(zhuǎn)向器處于中立狀態(tài)時(shí)〔即〕，值較小，故可近似地認(rèn)為：于是可得h的取值范圍：＜h≤(4-14)4.4研究結(jié)論研究得到，對(duì)于同一，隨著γ增大，σi略有減小，但要求安裝距離h相應(yīng)地增大，同時(shí)ζmax也隨之加大。隨著的減小，也略有減小，不過小轉(zhuǎn)向力臂也小，操縱力會(huì)有所增