汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

第1章緒論

1.1汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡(jiǎn)介

汽車(chē)轉(zhuǎn)向系是用來(lái)保持或者改變汽車(chē)行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車(chē)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(chē)的一個(gè)重要組成部分，其性能的好壞將直接影響到汽車(chē)

的轉(zhuǎn)向特性、穩(wěn)定性,和行駛安全性。目前汽車(chē)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)(ECHFS)、

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)(EPS)、四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)(4幃)、主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向技術(shù)(AFS)

和線控轉(zhuǎn)向技術(shù)(SBV')O轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場(chǎng)上以HPSxECIIPSvEPS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(chē)發(fā)展主題的新技術(shù)，他是目前國(guó)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(chē)轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，全部車(chē)輪應(yīng)繞瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車(chē)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(chē)的行駛穩(wěn)定性。

(2)汽車(chē)轉(zhuǎn)型行駛后，在駕駛員松開(kāi)轉(zhuǎn)向盤(pán)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(chē)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(pán)沒(méi)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(chē)輪產(chǎn)生

的擺動(dòng)應(yīng)最小。

(5)保證汽車(chē)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(pán)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(chē)禍中，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤(pán)由于車(chē)架或車(chē)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(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。

1.2EPS的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1EPS與其他系統(tǒng)比較

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(chē)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(zhǎng)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向的燃料消耗率僅

為液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向的16舟?20機(jī)

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(lái)，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(wèn)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。若液壓動(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(guò)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)向比較，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)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喧25%

以及汽車(chē)上容易布置等優(yōu)點(diǎn)。

1.2.2EPS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(wèn)題，EPS通過(guò)電子控制，對(duì)環(huán)境幾乎沒(méi)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(méi)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(chē)在各種車(chē)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(guò)

EPS控制器的軟件加以補(bǔ)償，是汽車(chē)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(jiǎn)單，不僅操作簡(jiǎn)便，還可以通過(guò)調(diào)整EPS控制器的軟件，得

到最佳的回正性，從而改善汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性和舒適性。

(6)動(dòng)力性。

EPS系統(tǒng)可隨車(chē)速的高低主動(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。(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)

1.2.3EPS在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用狀況

國(guó)外EPS的發(fā)展之路：

因?yàn)槲⑿娃I車(chē)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(lái)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(chē)

上安裝。因此在國(guó)外，EPS系統(tǒng)首先是在微型轎車(chē)上發(fā)展起來(lái)的。

上世紀(jì)80年代初期，日本鈴木公司首次在其Cervo轎車(chē)上安裝了EPS系

統(tǒng)，隨后還應(yīng)用在其Alto車(chē)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(guó)的汽車(chē)公司也相繼對(duì)EPS進(jìn)行了開(kāi)發(fā)和研究。雖然

比日本晚了十年時(shí)間，但是歐美國(guó)家的開(kāi)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(duì)成熟的有刷電機(jī)。

有刷電機(jī)比較成熟，在汽車(chē)上的應(yīng)用較廣，比如雨刷、車(chē)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(kāi)始

產(chǎn)業(yè)化，主要裝配在微型車(chē)上。而歐美則選擇了難度較大的無(wú)刷電機(jī)，但是

電子控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，延長(zhǎng)了研發(fā)周期。直到90年代中期歐美才開(kāi)始量產(chǎn)。

從長(zhǎng)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(wèn)題。因此，日本現(xiàn)在國(guó)內(nèi)裝配的EPS也逐漸轉(zhuǎn)

向無(wú)刷電機(jī)了。

國(guó)內(nèi)EPS的發(fā)展現(xiàn)狀：

我國(guó)汽車(chē)電子行業(yè)的總體發(fā)展相對(duì)滯后，但是，隨著汽車(chē)對(duì)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(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向的EPS電動(dòng)助

力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已被我國(guó)列為高新科技產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目之一，國(guó)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(lái)講目前國(guó)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(jí)的要求，且類型單一，還不能滿足整車(chē)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(chē)廠批量裝車(chē)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(lái)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

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(shí)的提高，汽車(chē)轉(zhuǎn)向助力肯定

會(huì)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?/p>

車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了講究。現(xiàn)存的汽車(chē)，大部分都是傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),

甚至沒(méi)有助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能提供比其更安全、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)的發(fā)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)的發(fā)展，對(duì)于提高我國(guó)汽車(chē)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(jiàn)的將來(lái)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車(chē)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(chē)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)行了分析比較。還闡述了EPS的國(guó)內(nèi)外發(fā)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(lái)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在乘用車(chē)上得到應(yīng)用，并有良好的發(fā)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(chē)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)

迅速反應(yīng)，制止轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)；在過(guò)載使用條件下有過(guò)載保護(hù)功能等。

2.1.1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)助力部分相結(jié)合構(gòu)成。電動(dòng)助力部分

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2T）

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(chē)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(lái)傳遞來(lái)自轉(zhuǎn)向盤(pán)的力矩與運(yùn)動(dòng)以外，還有增扭、降速作用。轉(zhuǎn)

向過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)將來(lái)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(chē)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(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)分離。離合器分離后再行轉(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(pán)、

磁化線圈和滑環(huán)等。

主動(dòng)輪2.磁化線圈3.壓盤(pán)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(jiǎn)圖

其工作原理如圖所示，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(lái)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(pán)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(pán)及壓盤(pán)轂上的花

鍵傳給從動(dòng)軸5,實(shí)現(xiàn)助力作用。

汽車(chē)以較高車(chē)速轉(zhuǎn)向行駛，作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力矩將減小，以至于達(dá)到

無(wú)需助力的程度，此時(shí)可設(shè)定：達(dá)到此車(chē)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，電磁窗合器在控制器的控制下也要分離或者自動(dòng)分

離。此后，在進(jìn)行再進(jìn)行轉(zhuǎn)向?qū)⒉淮嬖谥ψ饔茫敝岭妱?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(pán)施力并轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)，位于轉(zhuǎn)向盤(pán)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(chē)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(lái)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)行比較后生成一個(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。

2.1.2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)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23EPS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(pán)下方，并經(jīng)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸連接（圖2-3a）o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(guò)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(chē)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(kāi)，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(pán)

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(lái)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(pán)，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(guò)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，工作條件比較差對(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(chē)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(pán)；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。

⑶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(pán)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(lái)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(guò)減速機(jī)構(gòu)增扭，沒(méi)有經(jīng)過(guò)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(lái)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)增加制造難度與成本；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(chē)上不是十分突出的問(wèn)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(chē)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。

2.2.1扭矩傳感器

扭矩傳感器檢測(cè)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(dòng)軸。扭轉(zhuǎn)桿田轉(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。

2.2.2車(chē)速傳感器

車(chē)速傳感器的功能是測(cè)量汽車(chē)的行駛速度。目前，轎車(chē)EPS控制器一般都從

整車(chē)CAN總線中提取車(chē)速信號(hào)。

2.2.3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(guò)轉(zhuǎn)角傳

感器檢測(cè)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)

2.2.4減速機(jī)構(gòu)

減速機(jī)構(gòu)采用滾珠式成速齒輪機(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(guò)滾珠及蝸桿傳到齒條軸上。滾珠在機(jī)構(gòu)內(nèi)部經(jīng)過(guò)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(chē)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還有安全保護(hù)和自我

診斷的功能，ECU通過(guò)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(chē)

行駛速度Va的變化而變化，并將這種助力特性稱之為車(chē)速感應(yīng)型。圖2-6示

出的車(chē)速感應(yīng)型助力特性曲線表明，助力既是作用到轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力矩的函數(shù),

同時(shí)也是車(chē)速的函數(shù)。

i卜

?30

-6.0

圖2-6車(chē)速感應(yīng)型助力特性

當(dāng)車(chē)速Va二0時(shí)，相當(dāng)于汽車(chē)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(chē)速Va不斷升高，助力特性曲線的位置也

逐漸降低，直至車(chē)速怕達(dá)到最高車(chē)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C

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)行了分析對(duì)比。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(guò)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(pán)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(pán)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(pán)上的切向力時(shí)（因汽車(chē)形式不同而異），動(dòng)力轉(zhuǎn)向

器就開(kāi)始工作。

（4）轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向盤(pán)應(yīng)自動(dòng)回正，并使汽車(chē)保持在穩(wěn)定的直線行駛狀態(tài)。

（5）工作靈敏。

（6）動(dòng)力轉(zhuǎn)向失靈時(shí)，仍能用機(jī)械系統(tǒng)操縱車(chē)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(jiǎn)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-la）；側(cè)面輸入，兩端輸出

（圖3Tb）；側(cè)面輸入，中間輸出（圖3Tc）；側(cè)面輸入，一端輸出圖（圖

3-ld）o

圖3T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(dòng)轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力，包括

轉(zhuǎn)向輪繞主銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力、車(chē)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(lái)計(jì)算汽

車(chē)在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩MR(N-mm)。

?f印0.7IO。'……小]

=——J-------=347215.2N?mm(3-1)

3,P3V0.24

式中f——輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)；

一一轉(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(pán)上的手力Fh為:

_2x347215.2=i22

5N(3-2)

L2Dswij]+350x18x0.9

式中L1----轉(zhuǎn)向搖臂長(zhǎng)，單位為mm；

MR——原地轉(zhuǎn)向阻力矩，單位為N?mm

L2----轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)，單位為mm；

一一為轉(zhuǎn)向盤(pán)直徑，單位為mm；

"一一轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比；

〃+一—轉(zhuǎn)向器正效率。

因齒輪齒條式轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)轉(zhuǎn)向搖臂，故L1.L2不代入數(shù)值。對(duì)給定

的汽車(chē)，用上式計(jì)算出來(lái)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(zhǎng)度的計(jì)算：

輪棚直徑R/w=16in=16X25.4=406.4mm

梯形臂長(zhǎng)度a二RLWX0.8/2=406.4X0.8/2=162.6mm(3-3)

取L2=160mm

輪胎直徑的計(jì)算RT:

Rr=Rlw+0.55x205=406.4+0.55X225=530.2mm(3-4)

取/?f=530mm

轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑的確定:

4也4x347.2

x10=3.578，〃，〃

C17T\T\

0.16x3.14x216(3-5)

a=L2;[b=216MPa;MR=347.2N，〃

因止匕取4n加=15mm

初步估算主動(dòng)齒輪軸的直徑:

16x122.5x0.16

m=8.935m/n

3.14x140(3-6)

|r]=140MPa

所以取4面=18mm

上述的計(jì)算只是初步對(duì)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)

(-)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(lái)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)句桿系的轉(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37齒條的尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)

序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)尺寸參數(shù)(〃〃〃)

1總長(zhǎng)L730

2直徑①25

3齒數(shù)Z220

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(pán)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)項(xiàng)目符號(hào)尺寸參數(shù)(mm)

1總長(zhǎng)L198

2齒寬B\60

3齒數(shù)46

4法向模數(shù)Mnx3

5螺旋角P14°

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(xiāo)5.六角開(kāi)槽螺母

6.球碗7.端蓋8.梯形臂9.開(kāi)口銷(xiāo)

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(xiāo)通過(guò)螺紋與齒條連接。當(dāng)這

些球頭銷(xiāo)依制造廠的規(guī)范擰緊時(shí)，在球頭銷(xiāo)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(xiāo)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(jiàn)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(pán)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、噪聲及反饋（見(jiàn)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)量小；位于齒下

面的兩斜面與齒條托座接觸，可用來(lái)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(chē)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)。

（二）轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)從鎖點(diǎn)向鎖點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，每只前輪大約從其

正前方開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)30°,因而前輪從左到右總共轉(zhuǎn)動(dòng)大約60°。若傳動(dòng)比是1:1,

轉(zhuǎn)向盤(pán)旋轉(zhuǎn)1°,前輪將轉(zhuǎn)向1°,轉(zhuǎn)向盤(pán)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(guò)于小，因而轉(zhuǎn)向盤(pán)最輕微的運(yùn)動(dòng)將會(huì)使車(chē)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)向講轉(zhuǎn)

角。對(duì)乘用車(chē)，推薦轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比在17?25范圍內(nèi)選取；對(duì)商用車(chē)，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(pán)每

轉(zhuǎn)動(dòng)18°,前輪轉(zhuǎn)向1°o

（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(dòng)機(jī)后部的前圍板上（見(jiàn)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(chē)身的前輪驅(qū)動(dòng)汽車(chē)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(pán)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

1fcT所加固。

圓Z視圖

圖3-4轉(zhuǎn)向器的安裝位置

(四)齒倫齒條式轉(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?3nmi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)向掄達(dá)到最大偏轉(zhuǎn)角時(shí)，相應(yīng)的齒條移動(dòng)行程應(yīng)達(dá)到的值

來(lái)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。

(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56-62IIRC

(2)大齒輪45鋼表面淬火，齒面硬度52-56HRC

(3)確定許用應(yīng)力

9〃]二

sHmin

YSTYN

Bnin

a)確定。，碗和0Vlim

%而i=1500MPaaWIim2=1300MPt/

=425MPacrflim2=375MPa

b)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N,確定壽命系數(shù)

N1=60〃叫,=60x1x18x(10x8x300)=2.59x1()7=M(3-7)

式中n----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);

Lh---齒輪的工作壽命(h)；

z,Vi=i.32rvi=i=rv

c)計(jì)算許用應(yīng)力

取S〃min=1,S「min=14

叫'否|=1500XL32=198()MP。

"〃』=

Q1

“Hmin(3-8)

b'limzZw=1300xl32=1716MPa

(^1=

2S][min1

(3-9)

應(yīng)力修正系數(shù)%=2

“1-a^limlYSTYNl425X2X1

I%]]一T=-----------=607.14MPa

,Fmin1.4(3-10)

[CTF2]=*?YSTYN2=375x2x1=535

S「min1.4(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(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(=1.4夕=20。Z,=6Z2=20①〃=0.8必=().7匕=0.89

按當(dāng)量齒數(shù)Zy=Z/cos3B=6/cos320°=7.23

丫⑹=5.6

(4)初步計(jì)算齒輪模數(shù)也

轉(zhuǎn)矩7；=Rasx/=0.175x2(X)=35N?=35(XX)N?nvn(3-12)

閉式硬齒面?zhèn)鲃?dòng)，按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

(3-13)

J2X1.4X35000X心20。x0.7x0.895.6

"V0.8x62607.14

=2.309〃〃“

(5)確定載荷系數(shù)K

,由，

0.000696,；對(duì)稱布置，取；

取兒=1.3

則K=K、??K??陌=1x1xl.06x1.3=1.378

(6)修正法向模數(shù)

1

m“==2.396x,137%4=2.297(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1

"i“z、2.5x6-

d.=——=-----r=16mHi(3-15)

cos夕cos20

(2)齒頂圓直徑以

4=4+2九=16+2/n,(*+X〃)=16+2*2.5(1+0)=21mm(3-16)

(3)齒根圓直徑4

de=4-2%=16-2/%(〃二+C-X〃)=16-2X2.5X1.25=9.75mw(3-17)

(4)齒寬b

b==0.8x16=12.8/2V77(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之"如〃"|esq

齒條法面基圓齒距為％=加"〃2cos%

取齒條法向模數(shù)為〃兒=2.5

(5)齒條齒頂高%

=〃?”(/喙+X〃)=2.5x(l+0)=2.5〃〃%(3-19)

(6)齒條齒根高〃/2

hf2=加怠+C-X*=2.5x(l+0.25-0)=3.125mm(3-20)

(7)法面齒距S

Sll2=(乃/2+2X〃tan?,)〃?”=39mm(3-21)

4.校核齒面接觸疲勞速度

_\2K1\u±\

°H=Z7HZ7EZ7^Z7八---—(]

查表，得

查圖，得

取Ze=0.8,Z?=y/cosfi=0.969

所以

2x1.378x2^960^]

cr=189.8x2.45x().8x0.969xxMPa=l6776MPa<[cr

H20xl621“2」

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(dòng)分析

當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)從鎖點(diǎn)向鎖點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，每只前輪大約從其正前方開(kāi)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

OD=OAcos30°=160xcos30°=l38.564mm

DC=OC-OD=\60-138.564=21.436irvn

AD=04sin30°=80ram

ff

AA=DCAEA=CE=BEB=340加72AC=AD

22

A'EA=yjAE}-AA-=7340-21.436=339.3nvn

CEA=AE.—A'C=339.3-80=259.32〃〃〃

/,=CE-CE.=340-259.32=80.7/raw

1

至的距離為

DB=DA^mmDC=BB,

,22

BEli=小BE：-=7340-21.436=339.3nv?i

rr

/2=EE8=CB+BEn-CE=80+339.3-340=79.3twn

齒輪齒條嚙合長(zhǎng)度應(yīng)大于L+k

即L>1\+/2=80.7+79.3=160/m2

取L=200nm

3.2.4齒輪齒條傳動(dòng)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。

E=2T、/&=2X35000/16=4375N

工=耳tana”/cos夕=4375tan20°/cosl4°=1641.12N

Fa=Fttanp=4375tan14°=1090.8N

3.2.5齒輪軸的強(qiáng)度校核

1.軸的受力分析

(1)畫(huà)軸的受力簡(jiǎn)圖C

(2)計(jì)算支承反力

在垂直面上

3"39X1641+M8932N

匕《==

?V/I.+/,478

尸的="「兀”1641-932=709N

在水平面上

F4375

FRAH=FW寸=—=2\875N

(3)畫(huà)彎矩圖

在水平面上，a-a剖面左側(cè)、右側(cè)

MaH=M'=R.?-Z.=2187.5x39=85312.5N?加力

在垂直面上，a-a剖面左側(cè)

M:lV=FRAV-/)=932x39=36348N?nmi

a-a剖面右側(cè)

M'w=FRBV[=709X39=27651N?mm

合成彎矩，a-a剖面左側(cè)

Ma==J8531252+363482=927329N.mm

a-a剖面右側(cè)

M：=飛M*+M：j=V85312.52+276512=8968L7N?mm

(4)畫(huà)轉(zhuǎn)矩圖

轉(zhuǎn)矩T=3?d/2=4375X16/2=46636.4N?mm

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(mén),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，，

a-/。（）］〃=60/100=0.60

a-a截面左側(cè)

就34x24.73，3

Wx----=-----------=1484.8mm

3232

J805642+(0.6x466364)2

MPa=57AMPa<[a]

1484.8

4.軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核

查得。力=650MPa,—=300MPa,r_,=155MPa；

Wc=0.2,—0.1?

a-a截面左側(cè)

.3

W=——=2W=2x1484.8=29696〃加③

116

查得K0=2.10,后=1.72；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)B=1.0O則

彎曲應(yīng)力竺=80564=54.3MPa

W1484.8

應(yīng)力幅(Ja=%=X.3MPa

平均應(yīng)力%n=°

r=—=466364MPa=15.7MPa

切應(yīng)力?

1

WT2969.6

15.7

Ta~Tm~2~2MPa=7.9MPa

安全系數(shù)

3°°239

S。二吟二210=j”

———x54.3+0.2x0

做71.0x0.91

S=J.155

RK1.72__,

—TTa+▼Qni--------X7.9+0A.l1x0

ar

p￡t，〃1.0x0.89

ss》2.39x10.15℃

V2.392+10.152

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。

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)

中是比較合適的。

(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)已知條件，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C

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(jiǎn)單緊湊、制造工藝簡(jiǎn)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(kāi)式前軸，被廣泛地應(yīng)用在轎車(chē)、輕型

客貨車(chē)、微型汽車(chē)等車(chē)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(lái)說(shuō)，這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大多如圖4T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(guò)萬(wàn)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(chē)身或車(chē)架上。齒條通過(guò)兩端的球較接頭與兩根分開(kāi)的

橫拉桿4.7相連，兩橫拉桿又通過(guò)球頭銷(xiāo)與左右車(chē)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(kāi)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(chē)縱向?qū)ΨQ軸

垂直，而且當(dāng)轉(zhuǎn)向器處于中立位置時(shí)，齒條兩端球較中心應(yīng)對(duì)稱地處于汽車(chē)

縱向?qū)ΨQ軸的兩側(cè)。

0

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47轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

對(duì)于給定的汽車(chē)，其軸距L、主銷(xiāo)后傾角B以及左右兩主銷(xiāo)軸線延長(zhǎng)線與

地面交點(diǎn)之間的距離K均為已知定值。對(duì)于選定的轉(zhuǎn)向器，其齒條兩端球

校中心距也為已知定值。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Y、梯形臂長(zhǎng)以及齒條軸線到梯形底邊的安裝距離h。而橫

拉桿長(zhǎng)則可由轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的上述參數(shù)以及已知的汽車(chē)參數(shù)K和轉(zhuǎn)向

器參數(shù)M來(lái)確定。其關(guān)系式為:

一/1cos/)2+(4sin/-/1)2(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(pán)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(chē)掄分別獲得一個(gè)轉(zhuǎn)角。以汽車(chē)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(guò)某一行程S,通過(guò)

右橫拉桿推動(dòng)右梯形臂，使之轉(zhuǎn)過(guò)a。

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)。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：

S=-----------/icos(y+/7)一一[/2sin(y+%)一(4-2)

另外，由圖4-2可知：

a=°+°_y

2h

(p=arctg

K-M-2S

…心。心2/1?吟。岸

1

。瑪=/(甘—)2+/22

/；+(空-獷+八/；

2h

仇=arccos--------,—+arcti>((4-3)

2/"?-S)?+〃K-M-2S

而內(nèi)輪一側(cè)的運(yùn)動(dòng)則如圖4-3所示，齒條右移了相同的行程S,通過(guò)左橫

拉桿拉動(dòng)左梯形臂轉(zhuǎn)過(guò)，。

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)01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：

S=hcos(/sin(/-6I)-/?]2-"(4-4)

/o4-(K^——M^+5)2今+/72)-)/

2

人2h12fA

Oi=y-arcts-------------------arccos--------1—(4-5)

K-M+2SK-M.~

2/，V21+S)+//

因此，利用公式，：4-2)便可求出對(duì)應(yīng)于任一外輪轉(zhuǎn)角a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c把公式(4-2)和(4-5)結(jié)合起

來(lái)便可將。表示為&的函數(shù)，記作：

?=尸(%)

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)角仇。將公式(4-4)和(4-5)結(jié)合起

來(lái)可將a表示為。的函數(shù)，記作:

Oo=。(汾)

4.3轉(zhuǎn)向傳動(dòng)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(dòng)、無(wú)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：

K

etgOo-CtgOir=—(4-6)

式中T——計(jì)及主銷(xiāo)后傾角P時(shí)的計(jì)算軸距

T=L+>lg0

L——汽車(chē)軸距

r一一車(chē)輪滾動(dòng)半徑

由式(4-6)可將理想的內(nèi)輪轉(zhuǎn)角a表示為仇的函數(shù)，即：

a=f(a)=arcctg(ctgOc)--)(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a，也可表示為。的函

數(shù)，即：

8,=(p(Oi)=arcctg(ctgOi4--)(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()i=F(()0)或90=

①(0i),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：

I1”max

5=/⑷丁(4-9)

V%max。=1。,2。

(4-10)

%nax?=1。,2。

兩式中的加權(quán)因子、為：

1.5(0°<6>p<10°)