汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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. 汽車電動助力轉(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)向傳動機(jī)構(gòu)組成。 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車的一個(gè)重要組成部分，其性能的好壞將直接影響到汽車的轉(zhuǎn)向特性、穩(wěn)定性、和行駛安全性。目前汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)主要有七大類：手動轉(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）、電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)（EPS）、四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)（4WS）、主動前輪轉(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)今汽車發(fā)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)。 1.1.1 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。 (4) 轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置共同工作時(shí)，由于運(yùn)動不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺動應(yīng)最小。 (5) 保證汽車有較高的機(jī)動性，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)動校核，保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動方向一致。 1.2 EPS的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 EPS與其他系統(tǒng)比較 對于電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(EPS)，電動機(jī)僅在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)才工作并消耗蓄電池能量；而對于常流式液壓動力轉(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。兩者比較，電動助力轉(zhuǎn)向的燃料消耗率僅為液壓動力轉(zhuǎn)向的16%～20%。 液壓動力轉(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，并對環(huán)境造成污染。當(dāng)發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障停止工作時(shí)，液壓泵也不工作，結(jié)果也會喪失助力效能，這就降低了工作可靠性。電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)不存在漏油的問題，只要蓄電池內(nèi)有電提供給電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，就能有助力作用，所以工作可靠。若液壓動力轉(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，在排除氣體之前會影響助力效果；而電動助力轉(zhuǎn)向僅在電動機(jī)工作時(shí)有輕微的噪聲。 電動助力轉(zhuǎn)向與液壓動力轉(zhuǎn)向比較，轉(zhuǎn)動轉(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)量比液壓動力轉(zhuǎn)向約輕20%~25%以及汽車上容易布置等優(yōu)點(diǎn)。 1.2.2 EPS的特點(diǎn) (1）EPS節(jié)能環(huán)保。 由于發(fā)動機(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)為動力元件，可獨(dú)立于發(fā)動機(jī)工作，EPS幾乎不直接消耗發(fā)動機(jī)燃油。EPS不存在液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的燃油泄漏問題，EPS通過電子控制，對環(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)純液壓動力轉(zhuǎn)向系大多采用固定放大倍數(shù)，工作驅(qū)動力大，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，得到最佳的回正性，從而改善汽車的操縱穩(wěn)定性和舒適性。 (6）動力性。 EPS系統(tǒng)可隨車速的高低主動分配轉(zhuǎn)向力，不直接消耗發(fā)動機(jī)功率，只在轉(zhuǎn)向時(shí)才起助力作用，保障發(fā)動機(jī)充足動力。（不像HPS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） 1.2.3 EPS在國內(nèi)外的應(yīng)用狀況 國外EPS的發(fā)展之路： 因?yàn)槲⑿娃I車上狹小的發(fā)動機(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原件比較少，重量輕，裝配方便，比較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發(fā)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在日本得到迅速發(fā)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)力度比較大，所選擇的產(chǎn)品類型也有所不同。日本起初選擇了技術(shù)相對成熟的有刷電機(jī)。 有刷電機(jī)比較成熟，在汽車上的應(yīng)用較廣，比如雨刷、車窗等部分，稍作改進(jìn)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。而歐美則選擇了難度較大的無刷電機(jī)，但是電子控制系統(tǒng)比較復(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)發(fā)展看，有刷電機(jī)存在一定弊端，比如電機(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的發(fā)展現(xiàn)狀： 我國汽車電子行業(yè)的總體發(fā)展相對滯后，但是，隨著汽車對環(huán)保、節(jié)能和安全性要求的進(jìn)一步提高，代表著現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向的EPS電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已被我國列為高新科技產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目之一，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)供應(yīng)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；供應(yīng)商所提供的EPS系統(tǒng)還未達(dá)到產(chǎn)品級的要求，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)可這一臺階了，相信很快就可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。EPS系統(tǒng)是未來動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢。 1.3 本課題的研究意義 隨著科技的發(fā)展和人們生活水平及環(huán)保意識的提高，汽車轉(zhuǎn)向助力肯定會向更輕便、更節(jié)能、更安全的方向發(fā)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?，F(xiàn)存的汽車，大部分都是傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，甚至沒有助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能提供比其更安全、更舒適的轉(zhuǎn)向操控性和節(jié)能效果。本課題對該系統(tǒng)的進(jìn)行了深入的研究，并將其應(yīng)用于實(shí)踐，這對于推動該系統(tǒng)的發(fā)展和最終的產(chǎn)品化應(yīng)用，對于推動機(jī)械、傳感器技術(shù)和電子器件制造等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對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)化發(fā)展具有十分重要的意義。 在可預(yù)見的將來，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車領(lǐng)域必定會有廣泛的應(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)，并對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了分析比較。還闡述了EPS的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r。 第2章 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體組成 2.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)理及類型 近年來，電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在乘用車上得到應(yīng)用，并有良好的發(fā)展前景。電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，除去應(yīng)當(dāng)滿足對液壓式動力轉(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)，電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)應(yīng)迅速反應(yīng)，制止轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動；在過載使用條件下有過載保護(hù)功能等。 2.1.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)理 電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由機(jī)械轉(zhuǎn)向器與電動助力部分相結(jié)合構(gòu)成。電動助力部分包括電動機(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 電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意圖 目前用于乘用車的電動助力轉(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)動以外，還有增扭、降速作用。轉(zhuǎn)向過程中，電動機(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。在車速達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)，離合器分離，并暫時(shí)停止電動機(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)電動機(jī)發(fā)生故障時(shí)，離合器也自動分離。離合器分離后再行轉(zhuǎn)向時(shí)，可不必因帶動電動機(jī)而消耗駕駛員體力。單片式電磁離合器包括主動輪、從動軸、壓盤、磁化線圈和滑環(huán)等。 1.主動輪 2.磁化線圈 3.壓盤 4.花鍵 5.從動軸 6軸承 7滑環(huán) 8電動機(jī) 圖2-2 電磁離合器工作原理簡圖 其工作原理如圖所示，裝有磁化線圈2的主動輪1與電動機(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，于是主動輪產(chǎn)生電磁吸力，將壓盤3吸到主動輪上，然后電動機(jī)的動力經(jīng)主動輪、壓盤及壓盤轂上的花鍵傳給從動軸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，以至于達(dá)到無需助力的程度，此時(shí)可設(shè)定：達(dá)到此車速時(shí)，電磁離合器停止工作。還有，在電動機(jī)停止工作以后，電磁離合器在控制器的控制下也要分離或者自動分離。此后，在進(jìn)行再進(jìn)行轉(zhuǎn)向?qū)⒉淮嬖谥ψ饔?，直至電動機(jī)恢復(fù)工作為止。 電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的工作原理如下： 當(dāng)駕駛員對轉(zhuǎn)向盤施力并轉(zhuǎn)動轉(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)向軸的相對轉(zhuǎn)動角位移信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺髦量刂破?，在同一時(shí)刻車速信號也傳至控制器。根據(jù)以上兩信號，控制器確定電動機(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機(jī)電流的實(shí)際值進(jìn)行比較后生成一個(gè)差值信號，同時(shí)將此信號送往電動機(jī)驅(qū)動電路，該電路驅(qū)動電動機(jī)，并向電動機(jī)提供控制電流，完成助力轉(zhuǎn)向作用。 2.1.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型 EPS系統(tǒng)依據(jù)電動機(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)基本類型（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2-3 EPS系統(tǒng)的類型 (1) 轉(zhuǎn)向軸助力式 轉(zhuǎn)向軸助力式電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的電動機(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)向軸助力式電動助力轉(zhuǎn)向的電動機(jī)布置在駕駛室內(nèi)，所以有良好的工作條件；因電動機(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，所以電動機(jī)輸出的助力轉(zhuǎn)矩相對小些，電動機(jī)尺寸也小，這又有利于在車上布置和減輕質(zhì)量；電動機(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；電動機(jī)距駕駛員和轉(zhuǎn)向盤近，電動機(jī)的工作噪聲和振動直接影響駕駛員；轉(zhuǎn)向軸等零件也要承受來自電動機(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；盡管電動機(jī)的尺寸不大，但因這種布置方案的電動機(jī)靠近方向盤，為了不影響駕駛員腿部的動作，在布置時(shí)仍然有一定的困難。 (2)齒輪助力式 齒輪助力式電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的電動機(jī)布置在與轉(zhuǎn)向器主動齒輪相連接的位置（圖2-3b），并通過驅(qū)動主動齒輪實(shí)現(xiàn)助力。這種布置方案的特點(diǎn)是： 電動機(jī)布置在地板下方、轉(zhuǎn)向器上部，工作條件比較差對密封要求較高；電動機(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)向器主動齒輪以上的零部件，不承受電動機(jī)輸出的助力轉(zhuǎn)矩的作用，故尺寸可以小些；電動機(jī)距駕駛員遠(yuǎn)些，它的動作噪聲對駕駛員影響不大，但震動仍然會傳到轉(zhuǎn)向盤；電動機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)等與轉(zhuǎn)向器主動齒輪裝在一個(gè)總成內(nèi)，拆裝時(shí)會因相互影響而出現(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 齒條助力式電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的電動機(jī)與減速機(jī)構(gòu)等布置在齒條處（圖2-3c），并直接驅(qū)動齒條實(shí)現(xiàn)助力。這種布置方案的特點(diǎn)是： 電動機(jī)位于地板下方，相比之下，工作噪聲和振動對駕駛員的影響都小些；電動機(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，駕駛員腿部的動作不會受到它們的干擾；轉(zhuǎn)向軸直至轉(zhuǎn)向器主動齒輪均不承受來自電動機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩作用，故他們的尺寸能小些；電動機(jī)、減速機(jī)構(gòu)等工作在地板下方，條件較差，對密封要求良好；電動機(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)，會增加制造難度與成本；電動機(jī)、轉(zhuǎn)向器占用的空間雖然大一些，但用于前軸負(fù)荷大，前部空間相對寬松一些的乘用車上不是十分突出的問題。 2.2 電動助力轉(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、電動機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和電子控制單元ECU組成。 2.2.1 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)殡娮有盘柌⑤敵鲋岭娮涌刂茊卧?，是電動助力轉(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)子部分的分相器單元1固定于轉(zhuǎn)向主軸，轉(zhuǎn)子部分的分相器單元2固定于轉(zhuǎn)向傳動軸。扭轉(zhuǎn)桿扭轉(zhuǎn)后，使兩個(gè)分相器單元產(chǎn)生一個(gè)相對角度，電子控制單元根據(jù)兩個(gè)分相器的相對位置決定對EPS電動機(jī)提供多少電壓。 2.2.2 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。 2.2.3 電動機(jī) 電動機(jī)由轉(zhuǎn)角傳感器、定子及轉(zhuǎn)子組成（如圖2-5）。 將電動機(jī)和減速機(jī)構(gòu)布置在齒條處，并直接驅(qū)動齒條實(shí)現(xiàn)助力。通過轉(zhuǎn)角傳感器檢測電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度防止扭矩波動。 圖2-5 電動機(jī)結(jié)構(gòu) 2.2.4 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)，將其固定在電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上。電動機(jī)的轉(zhuǎn)動傳到減速機(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)。 2.2.5 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，進(jìn)行分析和計(jì)算后，發(fā)出指令，控制電動機(jī)的動作。此外，ECU還有安全保護(hù)和自我診斷的功能，ECU通過采集電動機(jī)的電流、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等信號判斷系統(tǒng)工作是否正常，一旦系統(tǒng)工作異常，電動助力被切斷；同時(shí)ECU將進(jìn)行故障診斷分析，故障指示燈亮，并以故障所對應(yīng)的模式閃爍。 2.3 電動助力轉(zhuǎn)向的助力特性 電動助力轉(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)型助力特性曲線表明，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)度達(dá)到最大。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達(dá)到最高車速Vamax為止，此時(shí)的助力強(qiáng)度已為最小，而路感強(qiáng)度達(dá)到最大。 本章小結(jié) 本章主要是介紹了電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的組成、工作原理，以及對電動助力轉(zhuǎn)向的三種布置形式進(jìn)行了分析對比。還有分析了電動助力轉(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 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1 對動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的要求 （1）運(yùn)動學(xué)上應(yīng)保持轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角和駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角之間保持一定的比例關(guān)系。 （2）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?。?，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），動力轉(zhuǎn)向器就開始工作。 （4）轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向盤應(yīng)自動回正，并使汽車保持在穩(wěn)定的直線行駛狀態(tài)。 （5）工作靈敏。 （6）動力轉(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 3.2.1 轉(zhuǎn)向系計(jì)算載荷的確定 為了保證行駛安全，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)動轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力，包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動的阻力、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(Nmm)。 Nmm (3-1) 式中 f——輪胎和路面間的滑動摩擦因數(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Nmm ——轉(zhuǎn)向節(jié)臂長, 單位為mm； ——為轉(zhuǎn)向盤直徑,單位為mm； ——轉(zhuǎn)向器角傳動比； ——轉(zhuǎn)向器正效率。 因齒輪齒條式轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)無轉(zhuǎn)向搖臂，故L1、L2不代入數(shù)值。對給定的汽車，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=1625.4=406.4mm 梯形臂長度=0.8/2= 406.40.8/2=162.6mm （3-3） 取=160mm 輪胎直徑的計(jì)算RT： =406.4+0.55225=530.2mm （3-4） 取=530mm 轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑的確定： （3-5） =; 因此取=15mm 初步估算主動齒輪軸的直徑： （3-6） =140MPa 所以取=18mm 上述的計(jì)算只是初步對所研究的轉(zhuǎn)向系載荷的確定。 3.2.2 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)動拉動或推動轉(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 項(xiàng)目 符號 尺寸參數(shù)() 1 總長 730 2 直徑 25 3 齒數(shù) 20 4 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嚙合齒輪參與嚙合的齒數(shù)。相對直齒而言，斜齒的運(yùn)轉(zhuǎn)趨于平穩(wěn)，并能傳遞更大的動力。 表3-2 齒輪軸的尺寸設(shè)計(jì)參數(shù) 序號 項(xiàng)目 符號 尺寸參數(shù)(mm) 1 總長 198 2 齒寬 60 3 齒數(shù) 6 4 法向模數(shù) 3 5 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規(guī)范擰緊時(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)向反饋是由前輪遇到不平路面而引起的轉(zhuǎn)向盤的運(yùn)動。 （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)緊力會影響轉(zhuǎn)向沖擊、噪聲及反饋（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較，消耗的材料少，約節(jié)省20%,故質(zhì)量??；位于齒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。在齒條與托座之間裝有用減磨材料（聚四氟乙烯）做的墊片，以減少滑動摩擦。當(dāng)車輪跳動、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)。 （二） 轉(zhuǎn)向傳動比 當(dāng)轉(zhuǎn)向盤從鎖點(diǎn)向鎖點(diǎn)轉(zhuǎn)動，每只前輪大約從其正前方開始轉(zhuǎn)動30，因而前輪從左到右總共轉(zhuǎn)動大約60。若傳動比是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30將使其前輪從鎖點(diǎn)轉(zhuǎn)向鎖點(diǎn)。這種傳動比過于小，因而轉(zhuǎn)向盤最輕微的運(yùn)動將會使車輛突然改變方向。轉(zhuǎn)向角傳動比必須使前輪轉(zhuǎn)動同樣角度時(shí)需要更大的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。對乘用車，推薦轉(zhuǎn)向器角傳動比在17～25范圍內(nèi)選??；對商用車，在23～32范圍內(nèi)選取，這里選傳動比為18:1。即在這樣的傳動比下，轉(zhuǎn)向盤每轉(zhuǎn)動18，前輪轉(zhuǎn)向1。 （三） EPS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)向輪達(dá)到最大偏轉(zhuǎn)角時(shí)，相應(yīng)的齒條移動行程應(yīng)達(dá)到的值來確定。變速比的齒條壓力角，對現(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。 （五） 齒輪軸和齒條的設(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 表面淬火，齒面硬度52-56HRC (2) 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)、。 （3-7） 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.初步確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸 (1) 選擇齒輪類型 根據(jù)齒輪傳動的工作條件，選用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動方案 (2) 選擇齒輪傳動精度等級 選用7級精度 (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?，按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)。 （3-13） =2.309 (5) 確定載荷系數(shù) ，由, 0.000696,；對稱布置，??； 取 則 (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+22.5(1+0)=21 （3-16） (3) 齒根圓直徑 =16-22.51.25=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） (7) 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。 3.2.3 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向橫拉桿的運(yùn)動分析 當(dāng)轉(zhuǎn)向盤從鎖點(diǎn)向鎖點(diǎn)轉(zhuǎn)動，每只前輪大約從其正前方開始轉(zhuǎn)動30，因而前輪從左到右總共轉(zhuǎn)動約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=160cos30=138.564 =160-138.564=21.436 30=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 3.2.4 齒輪齒條傳動受力分析 若略去齒面間的摩擦力，則作用于節(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。 =235000/16=4375 =1641.12 =1090.8 3.2.5 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 =437516/2=46636.4 2.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)度安全系數(shù)校核 查得, ,； 。 a-a截面左側(cè) 查得；由表查得絕對尺寸系數(shù) 軸經(jīng)磨削加工，查得質(zhì)量系數(shù)β=1.0。則 彎曲應(yīng)力 應(yīng)力幅 平均應(yīng)力 切應(yīng)力 安全系數(shù) 查得許用安全系數(shù)[S]=1.3～1.5，顯然S>[S]，故a-a剖面安全。 圖3.3-6 齒輪軸校核分析圖 本章小結(jié) 本章是電動助力轉(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助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)方法在現(xiàn)實(shí)中是比較合適的。 (2) 對電動助力轉(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)已知條件，對電動助力轉(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, 外殼則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)向器的傳動件又是轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)中三段式橫拉桿的一部分。 絕大多數(shù)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器都布置在軸前后方, 這樣既可避讓開發(fā)動機(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均為已知定值。對于選定的轉(zhuǎn)向器, 其齒條兩端球鉸中心距也為已知定值。因而在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向傳動機(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。而橫拉桿長則可由轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的上述參數(shù)以及已知的汽車參數(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)動轉(zhuǎn)向盤時(shí), 齒條便向左或向右移動,使左右兩邊的桿系產(chǎn)生不同的運(yùn)動, 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, 通過右橫拉桿推動右梯形臂, 使之轉(zhuǎn)過。 圖4-2外輪一側(cè)桿系運(yùn)動情況 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, 則可導(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)動則如圖4-3所示, 齒條右移了相同的行程S, 通過左橫拉桿拉動左梯形臂轉(zhuǎn)過。 圖4-3內(nèi)輪一側(cè)桿系運(yùn)動情況 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, 則同樣可導(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)向傳動機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 4.3.1 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、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 ③ 1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)角盡量地接近對應(yīng)的理想的內(nèi)或外輪轉(zhuǎn)角。為了綜合評價(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 4.3.2 設(shè)計(jì)變量與約束條件 對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的選擇則要結(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、輪輛或制動底板)發(fā)生干涉, 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涉部位的Y坐標(biāo)值 因，所以可知當(dāng)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： 所以當(dāng)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角。傳動角是指轉(zhuǎn)向梯形臂與橫拉桿所夾的銳角。隨著車輪轉(zhuǎn)角增大, 傳動角漸漸變小。而且對應(yīng)于同一齒條行程, 內(nèi)輪一側(cè)的傳動角總是比外輪一側(cè)的傳動角要小。由圖4-2可知： 由圖4-3可知: 最小傳動角發(fā)生在內(nèi)輪一側(cè), 當(dāng)達(dá)到最大值時(shí), 也達(dá)到最大值, 故此時(shí)為最小值。傳動角過小會造成有效分力過小,表現(xiàn)為轉(zhuǎn)向沉重或回正不良。對于一般平面連桿機(jī)構(gòu), 為了保證機(jī)構(gòu)傳動良好, 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對傳動角的影響較大, 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，操縱力會有所增大?？偟目磥?，只要、γ和h三者選配的恰當(dāng)，其差別是很小的。 本章小結(jié) 本章介紹了與齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器配用的轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，介紹了該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，給出了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量的選取范圍。 結(jié)論 在道路上行駛的各種機(jī)動車輛中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是它們必備的一個(gè)重要組成部分。汽車的轉(zhuǎn)向系就是用來改變或保持汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，它由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向傳動裝置、轉(zhuǎn)向輪和專用機(jī)構(gòu)組成。汽車的轉(zhuǎn)向性能是汽車的主要性能之一，它能直接影響到汽車的操縱穩(wěn)定性，對于確保車輛的安全行駛、減少交通事故以及保護(hù)駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件起著重要的作用。 隨著時(shí)間的推移，高科技的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)械助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)慢慢地被電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所取代。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用全新的控制模式，最新的電子技術(shù)和高性能的電機(jī)控制技術(shù)，能夠根據(jù)車輛不同的行駛狀況調(diào)節(jié)助力，擁有更好的轉(zhuǎn)向操控性和節(jié)能效果。隨著車輛進(jìn)入家庭步伐的加快以及對節(jié)能、駕駛舒適性要求的提高，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將擁有非常廣闊的應(yīng)用前景。本文就是對汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)做了初步的研究，主要以電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對象。 本文采用理論研究和借鑒研究相結(jié)合的方法，對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了初步的理論研究和設(shè)計(jì)。 本論文完成的主要內(nèi)容如下： (1) 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的介紹。介紹了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，重點(diǎn)研究了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展前景及與其他轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的比較，總結(jié)出EPS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在將來，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車尤其是豪華轎車和貨車中必定會有廣泛的應(yīng)用。 (2) 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。對EPS系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了研究，并對EPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成元件進(jìn)行了細(xì)致、深入的研究。 (3) EPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)。介紹了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法。對齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)和計(jì)算，根據(jù)任務(wù)要求完成了齒輪軸和齒條的部分計(jì)算。 (4) 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的研究。簡單的介紹了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器組成和工作原理。 (5) 轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。與齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器配用的轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。介紹了轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，研究了其可行性，給出了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量的選擇范圍。 由于時(shí)間緊張和水平有限，對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究不是十分的完善，對于EPS系統(tǒng)的分析還有待更進(jìn)一步的深入研究，比如對EPS系統(tǒng)的仿真分析、電機(jī)的控制原理和EPS系統(tǒng)模型的建立等內(nèi)容。總之，這次的研究工作還只是對汽車的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)開了個(gè)頭，還有更多的內(nèi)容需要更進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。 致謝 參考文獻(xiàn) 1 吳浩.電動助力轉(zhuǎn)向控制策略研究及整車操縱穩(wěn)定性的客觀評價(jià).北京理工大學(xué)博士學(xué)位論文.2007:6-15 2 王望予.汽車設(shè)計(jì).第四版.機(jī)械工業(yè)出版社，2010 3 郭新華.汽車構(gòu)造.第二版.高等教育出版社，2008 4 王黎欽，陳鐵銘.機(jī)械設(shè)計(jì).第四版.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008 5 余志生，汽車?yán)碚?第五版.機(jī)械工業(yè)出版社，2010 6 王連明，宋寶玉.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì).第四版.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2010 7 張昌華.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì).武漢理工大學(xué)，2004 8 張鎮(zhèn)鋒.汽車電動助力轉(zhuǎn)向器電控單元(ECU)的研究. 武漢理工大學(xué)，2007 9 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