毕业设计（论文）eps电子助力转向设计.docx

目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 转向系统概述1国内外的研究现状2本课题研究的目的和意义2第二章 电动助力转向机构32.1 电动助力转向机构的组成32.2 电动助力转向机构的工作原理3第三章 汽车参数、布置方案、减速和转向器机构选型43.1 汽车参数的确定43.2 电动助力转向机构的布置方案43.3 减速机构类型63.4 转向器类型6第四章 电动助力转向系统设计与计算84.1 电动机与电磁离合器的选型84.2 扭矩传感器的原理与结构设计94.3 蜗轮蜗杆减速器设计114.4 齿轮齿条机构的设计124.5 齿条间隙调整装置设计174.6 电动助力转向器控制策略研究18结论20致谢21参考文献22摘要近年来，电动助力转向机构（Electric Power Steering，缩写EPS）在乘用车上得到应用，并具有良好的发展前景。与液压助力转向机构（Hydraulic Power Steering，缩写HPS）相比，电动助力转向机构具有结构精巧、节能环保、安全舒适等优点。电动助力转向系统按照电动机布置位置的不同，可以分为：转向柱助力式(Column-assisttype EPS)、齿轮助力式(Pinion-assisttype EPS)、齿条助力式(Rackassisttype EPS)、直接助力式(Direct-drivetype EPS)四种。本文的主要内容：设计了C型电动助力转向器的蜗轮蜗杆减速机构、齿轮齿条转向器、壳体等结构。建立了C-EPS整套装备的三维模型，并绘制出其二维装配图和部分零件图。同时，选择了常规控制、回正控制、阻尼控制为一体的控制策略。常规控制为驾驶员提供转向助力；回正控制增加转向系统的回正能力；阻尼控制用来增强汽车行驶的稳定性。关键字：C型电动助力转向系统 助力特性 回正特性AbstractIn recent years, the electric power steering had been used in cars, and has good prospects for developing, Comparing with the hydraulic power steering, the electric power steering has the advantages of compactness, energy conservation, environmental protection, safe and comfortable. the Electric Power Steering system is different according to the position of the motor and can be divided into: column-assist type EPS, pinion-assist type EPS, rack-assist type EPS, direct-drive type EPS.The main content of this article: It designed the worm and worm wheel of the column-assist type electric power steering, the gear and rack of knuckle mechanism, shell and other mechanism. It had established a complete set of 3D model of the column-assist type electric power steering and drawed the assembly drawing and the parts drawing. Meanwhile, It selected a integrated strategy of conventional control, return-to-center control and damping Control. conventional control provides drivers with the driver steering, Return-to-center control increases the ability of steering system, Damping control is used to improve the stability of the car.key words： Column-assist type EPS Dynamical characteristics Return-to-center characteristics第一章 绪论 转向系统概述作为汽车的一个重要组成部分,汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成, 如何设计汽车的转向特性, 使汽车具有良好的操纵性能, 始终是各汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天, 针对更多不同水平的驾驶人群,汽车的操纵设计显得尤为重要。汽车转向系统经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统3个基本发展阶段。机械式的转向系统, 由于采用纯粹的机械解决方案, 为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘, 这样一来,占用驾驶室的空间很大, 整个机构显得比较笨拙, 驾驶员负担较重, 特别是重型汽车由于转向阻力较大,单纯靠驾驶员的转向力很难实现转向, 这就大大限制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉, 目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使用。1953 年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统, 此后该技术迅速发展, 使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。80 年代后期, 又出现了变减速比的液压动力转向系统。在接下来的数年内, 动力转向系统的技术革新差不多都是基于液压转向系统, 比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统( Variable Displacement Power Steering Pump) 和电动液压助力转向( Electric Hydraulic Power Steering, 简称EHPS) 系统。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下, 泵的流量会相应地减少, 从而有利于减少不必要的功耗。电动液压转向系统采用电动机驱动转向泵, 由于电机的转速可调, 可以即时关闭, 所以也能够起到降低功耗的功效。液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞, 布置更方便, 降低了转向操纵力, 也使转向系统更为灵敏。由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力, 目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面存在不足6。电动助力系统EPS 在日本最先获得实际应用, 1988 年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统, 并装在其生产的Cervo 车上, 随后又配备在Alto上12。此后, 电动助力转向技术得到迅速发展, 其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司,美国的Delphi公司,英国的Lucas 公司,德国的ZF公司,都研制出了各自的EPS。EPS的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展,并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期开发的EPS仅低速和停车时提供助力,高速时EPS将停止工作。新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力,而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。随着电子技术的发展,EPS技术日趋完善,并且其成本大幅度降低,为此其应用范围将越来越大。对转向系统的要求主要概括为转向的灵敏性和操纵的轻便性。高的转向灵敏性，要求转向器具有小的传动比，以小的转向盘转角迅速转向；好的操纵轻便性，则要求转向器具有大的传动比，这样才能以较小的转向盘操纵力获得较大的转向力矩。可见上述两个要求是相互矛盾的，因此，在实际设计过程中，一般规定，当转向轮达到最大设计转角时，转向盘总转数不宜超过5圈，而转向盘操纵力最大不超过250N。为了满足以上要求，除尽量减轻自重，选择最佳轴向分配；提高转向系统传动效率；减小主销后倾角；选择最佳的转向器速比曲线等措施外，通常都采用助力转向方式。尤其对中、重型车，由于轴荷重，助力转向几乎是唯一的选择。近年来，随着对小轿车舒适性要求的提高，助力转向的应用比较普遍。国内外的研究现状美国、德国、日本、韩国等零部件企业已经开始研发并生产出EPS产品，经过二十多年的发展，国外的EPS技术日趋成熟。国内EPS起步较晚，技术成熟且能实现批量供应的内资生产企业较少。1998年日本铃木公司首次在其Cervo车上装备了电动式动力转向系统，此后，电动式动力转向技术得到了快速的发展。最具代表性的有美国的Delphi，英国的Lucas德国的ZF和发源地日本的NSK等,都相继研制出了各自的EPS系统。1991年本田公司的YasuoShinizu和ToshitakeKawai提出了EPS控制系统的助力控制、回正控制、阻尼控制等概念和硬件实现的方法。1993年，本田是世界上第一个把EPS作为标准装备配置在高级运动跑车AcuraNSXd的汽车生产商。菲亚特和雷诺等首先采用电动助力转向技术的公司A,B,C级轿车的转向柱上安装了助力电动机。Ford和GM公司选择了TRW公司提供的电动液压转向技术。大众汽车公司则在其PQ35GOLF平台上采用了ZF公司提供的复杂的双小齿轮助力型EPS.在国外，EPS系统的应用范围正从最初的微型车向高级轿车、商用车上发展，助力形式从低速范围向全速范围助力型方向发展。新型42V蓄电池设备的出现和现代汽车电子技术的发展将加快EPS在轻中型商用车上应用的步伐。目前，已经有国外企业开始为皮卡供应EPS系统，以提高商用车的转向性能和燃油性能12。本课题研究的目的和意义随着汽车对环保、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发展方向的EPS将会得到快速发展。但是，由于国内汽车电子行业的总体发展相对滞后，而EPS在国内的应用时间又不长，因此EPS的国内装配率较低。转向柱式电动助力转向系统(C-EPS)结构简单、紧凑，制造成本较低，工艺相对简单，后期的维护和保养也更加简单。因此，国内的EPS中多以C-EPS为主。本课题针对适用于中级轿车的C-EPS系统，为国产汽车电动助力转向方面的设计研发进行一定的探讨.第二章 电动助力转向机构2.1 电动助力转向机构的组成电动助力转向机构由电动助力部分与机械转向器相结合而成。其中电动助力部分主要包括电动机、扭矩传感器、车速传感器、电控单元（ECU）及线束，有的还包括电磁离合器，机械转向部分主要包括减速机构和转向器。其结构如图2-1所示6。图2-1 电动助力转向机构的组成2.2 电动助力转向机构的工作原理当驾驶员对转向盘施力并转动转向盘时，经扭杆连接在一起的上、下转向轴发生相对转动角位移。位于方向盘下方且与转向轴连接的扭矩传感器，检测到转动角位移电信号，转变成电信号并传至控制器，同时控制器接收到来自车速传感器的车速信号。根据以上两个信号，控制器即可确定此工况下电机的旋转方向及助力扭矩的大小。然后，控制器将输出的数字量通过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的电流实际值进行比较，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。电动机转动产生扭矩，带动转向器，从而实现助力转向的作用6。 第三章 汽车参数、布置方案、减速和转向器机构选型3.1 汽车参数的确定本次毕业设计选择的针对车型是奥迪A4L 1.8T AT设计参数：表3-1 设计汽车参数轴距L/mm2869前轮距(mm)1564后轮距(mm)1550内转向轮最大转角max/°45整备质量m0/kg1610轮胎225/55 R16轮胎压力P/MPa最小转弯半径R/mm5850方向盘直径 DSW/mm380方向盘总圈数N53.2 电动助力转向机构的布置方案3.2.1 转向轴助力式（Column type EPS 简称C-EPS） 图3-1 转向轴助力式1-电机 2-转向轴 3-减速机构 4-转向器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，并经蜗轮蜗杆与转向轴连接，如图3-1所示。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使结构紧凑，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；转向轴等零部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；尽管电动机尺寸不大，但因这种布置方案的电动机靠近转向盘，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6。3.2.2 齿轮助力式(Pinion type EPS 简称P-EPS) 图3-2 齿轮助力式1-电机 2-转向轴 3-减速机构 4-转向器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的位置，如图3-2所示，并通过驱动主动小齿轮实现助力。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作用，故尺寸可以小些；电动机距驾驶员远些，它的工作噪声对驾驶员影响不大，但振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不能通用，需要单独设计、制造6。3.2.3 齿条助力式(Rack type EPS,简称R-EPS) 图3-3 齿条助力式1-电机 2-转向轴 3-转向器 4-减速机构齿条助力式电动助力转向机构的电动机和减速机构等布置在齿条处，如图3-3所示，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，故它们的尺寸能小些；电动机、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转向器相差很多，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上十分突出的问题6。本次设计中采用转向轴助力式电动助力转向机构。3.3 减速机构类型减速机构用来增大电动机的输出转矩，主要有两种形式：双行星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构。为了抑制噪声和提高耐久性，减速机构中的齿轮有的采用树脂材料制成，有的采用特殊齿形6。3.3.1 双行星齿轮减速机构按照太阳轮和齿圈之间的行星齿轮组数的不同，行星齿轮机构可以分为单行星齿轮式和双行星齿轮式两种。 双行星齿轮机构在太阳轮和齿圈之间有两组互相啮合的行星齿轮，其外面一组行星齿轮和齿圈啮合，里面一组行星齿轮和太阳轮啮合。它与单行星齿轮机构在其它条件相同的情况下相比，齿圈可以得到反向传动6。3.3.2 蜗轮蜗杆式减速机构蜗轮蜗杆减速机构基本结构主要由传动零件蜗轮蜗杆、轴、轴承、箱体及其附件所构成。可分为有三大基本结构部：箱体、蜗轮蜗杆、轴承与轴组合。箱体是蜗轮蜗杆减速机中所有配件的基座，是支承固定轴系部件、保证传动配件正确相对位置并支撑作用在减速机上荷载的重要配件。蜗轮蜗杆主要作用传递两交错轴之间的运动和动力，轴承与轴主要作用是动力传递、运转并提高效率。与双行星齿轮减速机构相比，它具有以下特点：机械结构紧凑、体积外形轻巧、小型高效；热交换性能好、散热快；安装简易、灵活轻捷、性能优越、易于维护检修；运行平稳、噪音小、经久耐用；使用性强、安全可靠性大等。根据以上比较，本次设计中采用蜗轮蜗杆式减速机构6。3.4 转向器类型转向器主要作用是增大来自转向盘的转矩，使之达到足以克服转向轮与路面之间的转向力矩；降低转向传动轴的转速，并使转向摇臂轴转动，带动摇臂摆动使其末端获得所需要的位移，或将转向传动轴的转动，转换成齿条的直线运动而获得所需要的位移。转向器结构型式有多种，主要包括齿轮齿条式、循环球式、球面蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等。 对转向器结构型式的选择，主要是根据汽车类型、前轴负荷、使用条件等来决定，并要考虑其效率特性、角传动比变化特性等对使用条件的适应性以及转向器的其他性能、寿命、制造工艺等6。 3.4.1 齿轮齿条式转向器 齿轮齿条式转向器由与转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。其主要优点是：结构简单、紧凑，占用空间小，制造容易；壳体由铝合金或镁合金压铸而成，故质量比较小；传动效率高达90%；齿轮齿条之间有间隙调整装置，在提高系统刚度的同时也可防止工作时产生冲击和噪声；没有转向摇臂和直拉杆，可以增大转向轮转角。其主要缺点有：逆效率高，汽车在不平路面行驶时，可能会出现打手现象；转向传动比较小，且齿条沿其长度方向磨损不均匀6。齿轮齿条式转向器广泛应用于微型、普通级、中级和中高级轿车上。装载量不大、前轮采用独立悬架的货车和客车也用齿轮齿条式转向器6。3.4.2 循环球式转向器 循环球式转向器由螺杆和螺母共同形成的螺旋槽内装有钢球构成的传动副，以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成。其优点是：传动效率高、工作平稳可靠；耐磨性好，寿命长；间隙调整工作容易进行；适合做整体式动力转向器。其主要缺点是，逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。现在循环球式转向器主要用于货车和客车上6。3.4.3 蜗杆滚轮式 蜗杆滚轮式转向器由蜗杆和滚轮啮合而构成。其主要优点是：结构简单；制造容易；强度较高、工作可靠、寿命长；逆效率低。其主要缺点是：正效率低；调整啮合间隙比较困难；传动比不能变化6。 蜗杆指销式 蜗杆指销式转向器有固定销式和旋转销式两种形式。根据销子数量不同，又有单销和双销之分。 蜗杆指销式转向器的特点：传动比可以做成不变的或者变化的；间隙调整容易；固定销式转向器的结构简单、制造容易。但销子的工作部位磨损快、工作效率低。旋转销式转向器的效率高、磨损慢，但结构复杂；要求摇臂轴有较大的转角时，应采用双销式结构。 蜗杆滚轮式和蜗杆指销式转向器应用较少。根据设计任务车型为中级车，选用齿轮齿条式转向器最为合适，并采用侧面输入两端输出，转向器位于前轴后方，后置梯形的结构形式6。第四章 电动助力转向系统设计与计算 4.1 电动机与电磁离合器的选型电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助扭矩，是EPS的关键部件之一。永磁直流电动机具有体积小、转矩大、力矩和电流成比例、伺服性能好、反应迅速、功率体积比大、功率重量比大、稳定性能好等优点，成为EPS动力源的首选。根据接近任务车型的C-EPS电动机参数，选取接近性能参数的电动机。表4-1是本次设计选用的电动机主要性能参数2。表4-1 选用电动机主要性能参数类型 永磁直流电动机额定输出额定转速 1500r/min/ DC12V 30A 额定转矩1Nm/30A 旋转方向双向外壳类型全封闭表面处理镀锌及压铸铝外壳允许最大电流35A电磁离合器保证电动助力只在预定的车速、电流范围内起作用。当车速、电流超过限定的最大值或转向系统发生故障时，离合器便自动切断电动机的电源，恢复手动控制转向。此外，在不助力的情况下，离合器还能消除电动机反转的惯性对转向的影响。图4-1是电磁离合器的结构示意图：图4-1 电磁离合器结构示意图表4-2是本次设计选用的电磁离合器主要性能参数。表4-2 选用电磁离合器主要性能参数类型离合器扭矩Nm 线圈(20°C时)励磁电压V12V容量W电流A电阻耐热等级F 最高旋转速度min-11500 衔铁吸引时间tas衔铁释放时间tars质量kg4.2 扭矩传感器的原理与结构设计4.2.1 扭矩传感器的类型器具有抗干扰能力强、稳定性好、精度高等优点，可以监测方向盘转动时产生的扭矩和方向，并将扭矩大小方向转化为数字信号输入EPS电控单元。EPS电控单元综合车速及扭矩数据进行运算，得到一个与行驶工况相适应的力矩，最后发出指令驱动电动机以适宜扭矩及方向工作，电动机的输出扭矩通过传动装置进行助力转向。扭矩传感器分为动态和静态两大类，其中动态扭矩传感器又可叫做转矩传感器、转矩转速传感器、非接触扭矩传感器、旋转扭矩传感器等。我们现在应用的扭矩传感器的产品类型有很多，其主要有金属电阻应变片式、电位计式、非接触式等。金属电阻应变片式扭矩传感器是在弹性轴上组成应变桥，给应变桥供电，当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，然后经过一系列转换即可测得该弹性轴受扭的大小。其过程将应变信号放大后，经过电压/频率转换，变成与扭应变成正比的频率信号。这种类型的产品应用非常多，在使用的时候要注意弹性轴的工作区域不应大于弹性区域的三分之一，供电电源最好采用稳压电源。电位计式扭矩传感器在早期应用非常多，它结构简单，主要由扭杆弹簧，转角-位移变换器、电位计等组成。电位计式扭矩传感器的扭杆弹簧作用是检测司机作用在方向盘上的扭矩，并将其转化成相应的转角值，然后通过转角-位移变换器将转角值变成滑动套的轴向位移，位移的变化使得电位计的电阻值发生改变，电阻的变化通过电位计转化为电压，然后通过对应关系，我们就知道了产生扭矩的大小。非接触式扭矩传感器的工作原理是当扭杆受到转动力矩作用时，它的输入轴和输出轴上的花键和键槽之间的相对位置发生改变，改变的位移量相当于扭杆的扭转量，在这过程当中，花键上的磁感应强度会随之发生改变，通过线圈的转换就可以得到电压信号。这种传感器使用过程中不容易磨损，从而使用寿命比其他两种更长，同时它还具有可靠性高、延时小的优点，是目前汽车行业最主流的产品2710。根据上述比较，本设计中采用非接触式扭矩传感器。4.2.2 非接触扭矩传感器的结构与工作原理图4-2 非接触式扭矩传感器工作原理图非接触式扭矩传感器属于电感式传感器之一，其典型结构如图4-2所示。其中键齿段是输入轴的一部分，滤磁环（图4-3）与输出轴相固连。输入轴和输出轴通过扭杆连接起来。滤磁环开有两窗口圏，两窗口圏的窗口数量相同，但窗口圈1与窗口圏2之间有一个角度差，使两排窗口间周向错位，每窗口圈的窗口数量与键齿数量相等。窗口圈1与窗口圏2外分别套有线圈1、线圈2。滤磁环一般由铜、铝等非磁敏性材料制成，而转向轴则由铁等导磁材料制成。扭杆材料一般为弹簧钢2710。 当扭杆受方向盘的转动力矩作用发生扭转时，输入轴与输出轴有相对转角，就会引起键齿向滤磁环一个窗口圈的窗口靠近并逐渐覆盖，同时逐渐远离另一个窗口圏的窗口。这种变化将使导磁率发生变化，从而使得两线圈的磁感量产生相反的变化，感抗随之产生相反的变化2710。 图4-3 扭矩传感器结构示意图1-输出轴 2-花键 3-键齿 4-滤磁环 5-线圈 6-扭杆 7-销 用的扭矩传感器结构如图4-3所示。滤磁环与输出轴的连接采用紧套式。输出轴的轴向设有凹槽，较浅较宽，如图4-3所示，外周面周向设有一圈环状凹槽，较深较窄。滤磁环上冲压有四个压坑，与凹槽配合。安装时，滤磁环压坑顺着轴向凹槽套入输出轴，最后卡在周向凹槽上，与输入轴端部保持良好的周向与轴向固定。 输出轴的端部分别设有凸头、凹孔结构。凸头套入凹孔后，存在一定的间隙。当输入轴在方向盘的作用下发生转动时，刚开始凸头会在凹孔内发生转动，当完全转动到位后，输入轴上的扭矩会通过凸头凹孔结构传到输出轴上。这样的设计可以避免因驾驶员对方向盘转向力矩施加过大造成扭杆扭断的故障，同时限制键齿段在滤磁环内转过的角度。4.2.3 传感器器参数的选择基本尺寸参数选定如表4-3： 表4-3非接触式扭矩传感器基本尺寸参数项目尺寸参数键齿数8个每个窗口圈的窗口数8个两窗口圏间角度差22.5°键齿长×宽28mm×6mm单个窗口长×宽9mm×3mm滤磁环直径×厚度40mm×1.5mm键齿段齿根直径×齿高32扭杆长度50mm4.3 蜗轮蜗杆减速器设计 4.3.1 材料选择 蜗杆采用454555HRC。蜗轮材料采用ZCuSn10P1锡青铜,硬度为6365HRC，金属模铸造，查机械设计手册-第2卷表12-5得知基本需用应力为HP'=200 Mpa7。4.3.2 蜗轮蜗杆主要参数的确定 （1）确定z1、z2 取蜗杆头数z1=2，查机械设计表12-2知蜗杆蜗轮减速机构的传动在1532之间，现取传动比i=。则 z2= z1×i = 2×1=39 (4-1) （2）按齿面接触疲劳强度设计 作用在蜗轮上的转矩T2，按z1=2估取=0.9，根据电机参数知，蜗杆的输入功率为，转速为n=1500 rpm。则：T2=T1i=1Nm×× Nm (4-2)又蜗轮转速为： n2=n1/i=1500/19.5=77r/min (4-3)所以寿命系数为: ZN=8107N=810760thn2=810760×77×18000 (4-4)故许用应力为: HP= ZNHP'×Mpa (4-5)（3）确定载荷系数查机械设计手册-第2卷表，原动机工作平稳，工作机轻微冲击时使用系数KA，取KA=1.3。 （4）确定模数及蜗杆直径 弹性系数查机械设计手册得ZE=155MPa，故按蜗轮设计公式得：m2d1=9KAT2ZEHPZ22=9×××103×155153.4×392=137.83mm3 (4-6)查机械设计表12-1，并考虑参数匹配、尺寸大小，取m2d1=175mm3>mm3 时， 模数m=2.5mm，蜗杆分度圆直径d1=28mm，蜗杆头数z1=2，直径系数q=，涡轮齿数z2=39，d2=mz2=2.5×39=mm，变为系数。综上所述，蜗轮蜗杆减速器主要尺寸设计参数为： 表4-4 蜗轮蜗杆减速器主要尺寸设计参数项目符号参数传动比i模数m压力角20°导程角19°39'14''蜗杆直径系数q中心距a63mm导程PZ4.4 齿轮齿条机构的设计4.4.1 转向系计算载荷的确定（1）原地转向阻力矩MR 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（N·mm），即 = (4-7)前轴静负荷，；轮胎和地面间的滑动摩擦系数，一般在0.7左右；轮胎气压，。前轴载荷55%。前轴负荷：G1作用在转向节上的转向阻力矩：=Nmm（2）转向器角传动比iw 如图为理想内、外转向轮转角关系: 图4-4 内外轮理想转角关系sin=LR (4-8)式中，L为汽车轴距，R为汽车最小转弯半径，由任务参数知L=2869mm，R=5850mm。将数据代入上式得：=29°227， 又tan=LR×cos-B1 (4-9)式中，L为汽车轴距，R为汽车最小转弯半径，B1为前轮轮距，由任务参数知B1=1564mm。将数据代入上式，得：=39°1135。转向系角传动比 iw=wk (4-10)式中，w为转向盘角速度，k同侧转向节偏转角速度。 若将转向盘角速度及同侧转向节偏转角速度当作匀速，可近似得到： iw=wk =wtkt=wk式中w为方向盘转角，k为同侧转向节偏转角， w=n360°=5×360°=1800°，k=+=29°227+39°1135=68°3342故 iw=1800°68°3342=(3) 转向所需扭力矩Mh Mh= L1MRL2iw+ (4-11)式中，L1为转向摇臂长（mm）； MR为原地转向阻力矩（N·mm）； L2为转向节臂长（mm）； iw为转向器角传动比； +为转向器正效率。 由于齿轮齿条转向器无转向摇臂和转向节臂，故将L1L2视为1。齿轮齿条式转向器的正效率+可达70%80%。此处取+=75%。 将上述数据代入式3-5得：Mh= L1MRL2iw+=377249.526.25×75%=Nmm(4) 主动齿轮轴直径d的计算 d35Mh (4-12)式中： Mh为转向所需扭力矩，为材料许用切应力，=140MPa，故：d35Mh=35×19161.87140=mm4.4.2 齿轮和齿条的设计计算 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57个齿范围变化，压力角取20°。齿条齿数应根据转向轮达到最大偏转角时，相应的齿条移动行程应达到的值来确定。初选小齿轮的参数为：法向模数mn=mm，齿数z1=6，压力角=20°，螺旋角1=16°。由于齿轮与齿条的轴交角为6°，故齿条的螺旋角2=10°。所以小齿轮的分度圆直径为：d1=mnz1cos1=2.5×6cos16°mm (4-13)方向盘左右打满时行程是五圈，所以齿条齿数至少为：z2=314.4.3 齿轮齿条式转向器的材料选择及强度校核 （1）材料选择 主动小齿轮选用20MnCr5并经渗碳淬火；齿条采用45号钢，并经高频淬火，表面硬度均应在HRC56以上。 （2）强度校核 1）齿轮接触疲劳极限H校核： 查机械设计图11-13得： Hlim= 1500MPa, 取SHlim=1.3, ZN=1.4, Zw=1, 则齿轮齿面许用接触应力为：H=HlimZNZwSHlim =1500×1.4×11.3=1Mpa (4-14)齿面接触疲劳强度H：H=ZEZHZZ2KTZbd12u-1uH (4-15)由于存在轻微冲击，查出齿轮使用系数 KA； 齿轮为IT7级精度，查出齿轮动载系数 KV； 齿轮在轴承间对称布置，查出齿轮齿向载荷分布系数 K； 由于为斜齿轮，且精度较高，查出齿轮齿间载荷分配系数 K所以K= KA KV K KZE 为材料弹性系数，查得MPa ZH 为节点区域系数， ZH=4sin2=4sin40° Z 为重合度系数，查得Z=4-3=4-1.2493Z 为螺旋角系数，查得Z=cos=cos16°=u为齿轮传动比，查得u=4TZ即为转向所需扭力矩Mh根据机械设计取齿宽系数为d=1.2, 则齿宽为b2=dd1×=19.42mm, 所以取b2=20mm, b1=b2+(510)mm=2530mm, 取b1=30mm.将数据代入式3-7，得：H=189.8×2.4968×2×1.5593×19161.8720×15.602×4-14=MPaH=MPaH= 1615.38MPa故齿轮接触疲劳极限强度符合要求。 2）齿轮弯曲疲劳强度校核： 经查机械设计图11-12得： Flim=425MPa , 取SFlim= 1.6, YST=2, YN=1, 则齿轮许用弯曲应力为：F=FlimYSTYNSFlim=425×2×11.6齿轮的弯曲疲劳强度为：F=2KTZbmn1d1 YF YS YYYF 为外齿轮的齿形系数，YF=2.8 YS 为外齿轮齿根应力修正系数，YS=1.5 Y 为螺旋角系数，Y=0.9 Y 为重合度系数，YF=2KTZbmn1d1 YF YS YY=2×1.5993×19161.8720×2.5×15.6×××× MPaF= MPaF= 故齿轮弯曲疲劳强度极限符合要求。 综上所述，齿轮齿条机构的主要尺寸设计参数为： 表4-5齿轮齿条机构的主要尺寸设计参数项目符号尺寸参数法向模数mn压力角20°齿轮齿数z16