马自达2轿车电动助力转向机构的设计【含CAD图纸、说明书】
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压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985目 录摘 要IIIAbstractIV1 绪 论11.1 助力转向系统的种类11.2 EPS系统国内的现状及趋势11.3 EPS的分类11.3.1 转向轴助力式11.3.2 转向小齿轮助力式21.3.3 转向齿条助力式21.4 电动助力转向系统的优点21.5 电动助力转向系统的工作原理32 EPS方案设计42.1 电动助力转向系统型号选择42.2 机械部分系统方案设计42.2.1 机械部分设计要求分析42.2.2 机械式转向器方案分析42.2.3 齿轮齿条式转向器布置和结构形式的选择62.2.4 转向梯形结构方案72.3 控制部分系统方案设计72.3.1 控制部分性能要求72.3.2 控制部分方案设计93 齿轮齿条式转向器设计103.1 整车性能参数103.2 齿轮齿条式转向器的设计和计算103.2.1 齿轮齿条转向器计算载荷的确定103.2.2 转向器基本部件设计133.2.3 齿轮轴和齿条的材料选择及强度校核183.2.4 齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析213.2.5 齿轮齿条传动受力分析223.2.6 间隙调整弹簧的设计计算223.2.7 齿轮轴轴承的校核243.2.8 键的计算254 EPS的关键部件和控制策略264.1 EPS的关键部件选型264.1.1 电动机264.1.2 电磁离合器264.1.3 减速机构274.1.4 扭矩传感器274.1.5 电流传感器284.2 EPS的电流控制294.3 助力控制294.4 阻尼控制304.5 回正控制305 结论31参考文献32致谢33IX 摘要汽车电动助力转向机构的设计摘 要电动助力转向系统是在传统机械转向和液压助力转向之后的升级。其发展前景广阔,技术可提升空间巨大。本文是对马自达2车型的电动助力转向机构的设计,首先是对EPS(电动助力转向系统)的发展现状及前景、电动助力和转向机构进行介绍,最终设计选择了转向轴助力型齿轮齿条式转向机构,对齿轮齿条进行了强度计算校核,并通过CAD绘制了齿轮、齿条及装配图。关键词:汽车;电动助力转向系统;转向轴助力;齿轮齿条;计算XI AbstractDesign of Automobile Electric Power Steering MechanismAbstractThe electric power steering system is upgraded after the traditional mechanical steering and hydraulic power steering. Its development prospects are broad, and technology can enhance the space.This article is the design of the electric power steering mechanism of the Mazda 2 model. First, it introduces the development status and Prospect of EPS, the electric power and the steering mechanism. Finally, the steering gear rack type steering mechanism is designed and selected, the strength calculation is checked for the gear and rack, and the gear and rack are drawn through CAD. And assembly drawings.Keywords: automobile;EPS, Automobile; electric power steering system; steering shaft assist; rack and pinion; calculation. 绪论1 绪 论在汽车工业的稳步发展下,人们在追求舒适性的同时更加注重驾驶的操控性,传统汽车转向系统逐渐被时代淘汰,电动助力转向逐渐被市场认可走上时代的舞台1。1.1 助力转向系统的种类在各种助力转向系统中,液压助力、电控液压助力、电子助力是目前应用较为广泛的3种转向系统。1.2 EPS系统国内的现状及趋势自2012年以来,我国关于电动助力转向系统的研究设计便一直处于高速发展阶段,国内生厂商在满足国内刚需的前提下,出口数额也不断呈上升趋势。以此发展速度,未来五年我国电动助力转向机构的发展将迎来新的机遇2。与此同时,随着人们对汽车驾驶品质的追求也必然会导致一些新技术的诞生。但是,目前来看,电动助力转向系统的研发设计很大一部分关键技术还是依赖于国外,国内的制造工艺任然达不到国际的先进水平,在核心技术这一块亟待加强,由数量上领先推进到质量上领先4。1.3 EPS的分类1.3.1 转向轴助力式转向系统如图1.1所示,根据电动机安装位置的不同,转向轴助力式是将电动机固定在转向柱上,在经过减速机构将转向力传递至转向盘上5。目前市面上小型轿车大多是运用转向轴助力式,其被市场认可的主要优势在于:质量小,安装起来方便简易,成本相对较小,可适用的转向柱范围广。但是因为受到其自身安装空间限制,转向轴助力式一般安装于驾驶舱内,导致其体积设计偏小,从而导致转向助力偏小,助力表现平平,与此同时,在驾驶舱内的设计短板令其噪声相对较大,大大降低了汽车内乘员对乘坐舒适度的感官评价。图1.1 转向轴助力式转向系统1.3.2 转向小齿轮助力式转向系统如图1.2所示,大多用于中型汽车的小齿轮助力式助力转向系统传递转向力的方式是借助电机和减速机构以及小齿轮之间的相互连接来实现的。这样的优点便是电机不必安装在驾驶舱内,电机可以选择大型电机,助力大小能够得到保证,同时噪声也被大大削弱。图1.2转向小齿轮助力式转向系统1.3.3 转向齿条助力式如图1.3所示,转向齿条助力式提供助力的方式比较直接,电机与减速器对齿条直接进行助力输出。这一类型的助力方式因为其电机安装的可选性范围广,可安装于齿条上多数位置,所以可选用较大的电机提供强劲的助力输出。图1.3 转向齿条助力式转向系统1.4 电动助力转向系统的优点(1)传统的液压助力,能量的消耗大。同时,助力不能做到随叫随到,也不能随停随关的缺陷会令油泵的使用寿命缩短从而增加成本6。电动助力却能够弥补液压助力的不足,助力灵敏,闲时自动切断助力,大大减少了不必要的能量损失,节约成本。 (2)电动助力转向可适用的路况范围远大于传统助力转向,降低劣质路面对驾驶者操控转向盘的干预。同时,电动助力转向系统可满足驾驶员对驾驶汽车所要求的稳定性和操控感,大大提升驾驶者的驾驶乐趣。1.5 转向轴助力式转向系统的工作原理如图1.4所示,转向轴助力转向系统的系统结构主要是由电动机、蓄电池、转角和扭矩传感器、转向轴、转向盘、控制单元等主要零部件组成。图1.4 转向轴助力式转向系统结构示意图运行机理:汽车在行驶过程中,ECU(电子控制单元)会接收到由传感器感应到的汽车行驶状态形成的电子信号,电子信号经过ECU处理后再输出到电机,再由电动机对ECU输出的控制信号进行接收从而实现对助力大小进行调节。32 ESP方案设计2 EPS方案设计2.1 电动助力转向系统型号选择第一章中的转向轴式电动助力转向系统尽管提供的助力相对较小,但在装配方面却显得更加便捷。此外,本次设计主要是针对马自达2,此款车型空间较小,而空间问题是设计电动助力要考虑的侧重点。转向轴式对空间比较小的马自达2相对更加合适。综上,选择转向轴助力式。2.2 机械部分系统方案设计转向模块、传动模块和转向盘操纵模块是构成转向系统的三大主要模块,模块与模块间单独工作的同时相互协调配合来实现转向系统的正常功能。2.2.1 机械部分设计要求分析转向系统在汽车上具有非常重要的地位,汽车行驶方向的调节和维持全部依赖汽车转向系统,同时转向系统还要令转向轮之间的角度存在一定的关系。转向系统应实现以下六个功能4:(1) 汽车过弯应具备较强的稳定性,车轮不应发生滑移(2) 驾驶员在转动转向盘后,转向盘在不受外力的情况下 ,转向的车轮应该具备回到直线行驶方向的功能。(3) 汽车转向轮应具备稳定性,不允许产生自振。(4) 转向轮在碰撞物体后,传递给转向盘的作用力要尽量削弱。 (5) 转弯应具备灵活性,在转弯时能做到迅速转弯 (6)操控简便、轻巧。 2.2.2 机械式转向器方案分析齿轮齿条式和循环球式是当下汽车使用率较高的两种机械转向器,二者各具特点,适用范围也不尽相同。(1)齿轮齿条式优势:传动比高;齿轮与齿轮间没有缝隙;车轮转动角是可调的;结构明了简单,装配起来较为简单,成本较低。劣势:传动效率高的同时导致其逆效率也增大;较差路况行驶时转向盘上路感强烈,驾驶舒适性较差。如图2.1所示是齿轮齿条式转向器的四种输入输出形式:中间输入,两端出(图2.1a);侧面输入,两端出(图2.1b);侧面输入,中间出(图2.1c);侧面输入,一端出8(图2.1d)。图2.1 齿轮齿条式转向器的形式 如图2.2所示是根据转向器相对于前轴的位置分为四个种类:转向器前置,后置梯形;转向器后置,前置梯形;转向器前置,后置梯形;转向器前置,前置梯形。图2.2 齿轮齿条式转向器的布置形式 齿条断面可以大致分成三种形状,分别是:圆形、V、Y形。(2)循环球式如图2.3所示,循环求球式转向器的传动副相对复杂,其螺旋槽内的高强度钢珠和螺母与摇臂的上齿条、上齿扇是循环球传动副的重要组成。 图2.3 循环球式转向器优点:灵活易调节的转向传动比;传动效率得到强化;齿条、扇间的缝隙没有限制固定,可调节;相对于齿轮齿条式循环球运转起来更加稳定。 缺陷:同齿轮齿条式,循环球式转向器的逆效率依然偏高,并且其自身结构更加复杂多样,生产精度要求高。适用范围偏向于于大型车辆。 相比较而言,齿轮齿条式转向器因为其简单明了的结构,较高的传动效率,制造精度要求相对较低,安装难度小而被广泛运用在小型车上,而我们要设计的马自达2属于紧凑型车辆,齿轮齿条式更加符合要设计的要求10。因此,本次设计选用齿轮齿条式转向器作为马自达2轿车转向机构的转向器。2.2.3 齿轮齿条式转向器布置和结构形式的选择当发动机位置比较低或者当转向桥不仅作为转向桥工作时,为了防止汽车行驶给转向机构带来的不良影响,一般我们在前桥的前面安装转向梯形,此时横拉杆与梯形臂和水平面的交角小于90度。由于马自达2轿车是发动机前置前轮驱动的车型,所以采用如图2.4所示的形式:转向梯形前置。 图2.4 转向梯形前置此外,考虑到马自达2轿车发动机位置及驱动轮的特殊性,我们最终选择如图2.5所示的由侧面输入再由两端输出的齿轮齿条式转向机构。 图2.5 齿轮齿条位置布置2.2.4 转向梯形结构方案一般市面上的转向梯形可分为两种:整体式、断开式。但是由于马自达2轿车的悬架设计为独立悬架,而转向梯形的选择往往涉及到汽车悬架选用的方式。因此我们在选取转向梯形时要考虑到马自达2轿车的特殊性,最终在选取转向梯形上我们倾向于断开式转向梯形6。2.3 控制部分系统方案设计2.3.1 控制部分性能要求电动助力转向系统除了需要满足汽车对转向系的所有性能标准,还必须符合一定的特殊要求:(1)良好的助力性转向盘上的力是驾驶员输出来操控汽车行驶方向的力。EPS的设计有一条最基本的要求:在低速行驶时要具备转向的灵活轻便性、在高速行驶时要具备行车的稳定性和驾驶员操控转向盘的稳重性。在较低的行车速度和低侧向力行驶条件下,汽车内转向盘上的力应适中,汽车外的转向轮也应该具备合理的转角变化范围,同时,也应该拥有较好的自动回正性能。在较高行车速度和低侧向力的行驶条件下,汽车应该长久具备保持直线稳定行驶的性能和横摆响应的性能12。转向盘上的力应该设置在一个合理稳定的数值范围,并且能够长久维持在这个范围,驾驶员操控起来不可过于轻巧也不可过度沉重;对电动助力系统的选择应该是选择能够根据行车速度的变化来调整输出电动助力从而进一步控制转向盘上操作力性能的并且能较为明显地提升汽车在高速行驶中驾驶员感受到转向盘上力的品质。所以,EPS的助力特性曲线是根据车速变化而变化的曲线,如图2.6所示。图2.6助力特性曲线(2)良好的操纵稳定性转向系统的好坏是影响行车安全与否的重要因素之一。汽车行驶的稳定性一般是指汽车在行驶中,在遭遇突发情况,受到外界力的影响而导致汽车转向轮角度发生变化,汽车行驶的原定轨道突然改变,此时转向系统应具备令转向轮在短时间内恢复直线行驶角度而让不稳定的汽车再次回归正常行驶的能力12。一直以来,转向系所需求的灵活与稳重是相互矛盾的。在不同行驶情况下,我们对操纵稳定性的定义是不同的。转向力的大小关系着驾驶人员驾驶车辆的舒适程度,较小的转向力可以令驾驶人员感受到灵活轻便的转向盘操纵感,舒适度大大提升。但是如果转向力一味地求小,就会导致驾驶人员路感的缺失。传统的助力转向因为不能根据行车速度的变化对转向助力进行实时调整,因此平衡转向力和路感二者之间的关系非常困难,尤其在汽车高速行驶中,如果供应很大的转向助力,会令驾驶员无法感知路面,从而感到汽车发飘,无法实现操控的稳定性,危及车内人员的安全。然而EPS的助力不同于传统助力,EPS的助力来源于电动机,电动机供应助力的强弱是由行车电脑根据汽车的实际行驶速度进行实时的调控。EPS能够依据不同的行驶车速,设定专门的控制算法,智能地减小或者吸收摆振、使车辆具备较好的稳定性,从而解决上面提到的问题。(3)具有良好的回正特性驾驶员在转动转向盘后,令转向轮回正的力矩是使车辆回到直线行驶位的主要力矩之一。因为EPS的微电子技术:利用软件来调节控制电动机提供回正力矩的大小,在最大的限度内设计参数从而获得较好的回正特性。既要杜绝低速行驶时回转力矩不足,也要避免高速行驶中,回转力矩的过度。应使得回正处于受控的状态。(4)具有在版故障诊断功能(5)碰撞能量吸收功能汽车发生碰撞后,EPS应该能够避免转向盘对驾驶人员造成二次伤害,因此EPS必须具备安全吸能缓冲的装置,而不能将碰撞后的力直接传导至驾驶人员13。2.3.2 控制部分方案设计EPS的工作运转原理:EPS会在发动机启动后开始运行,EPS会根据传感器对汽车的行驶速度和转向机构上的转矩实时地进行监测,而这些结果又通过电子信号的形式发出至ECU。这样便可以判断转向盘所处的实时位置,接着再根据转向盘是逆时转动或是顺时转动又或是在中间位置来输出相应的信号控制电机,实现满足不同需求的助力。在断开点火开关后,EPS即停止运行。 齿轮齿条式转向器设计3 齿轮齿条式转向器设计3.1 整车性能参数本次设计以马自达2轿车为模型,该款轿车采用发动机前置前轮驱动的方式,其基本参数如表3.1所示:表3.1马自达2车型基本参数名称数值单位轴距L2500mm前轮距L11490mm后轮距L21475mm最小转弯半径Rmin4940mm车长3900mm车宽1695mm车高1525mm整车整备质量1095kg前轮负荷率60%载客数5人轮胎规格前轮175/65 R15 后轮175/65 R153.2 齿轮齿条式转向器的设计和计算3.2.1 齿轮齿条转向器计算载荷的确定(1)转向器的设计中,转向系统各零部件的设计必须达到一定的强度。对于强度的校核需要考虑胎压、路面等综合因素对转向机构上作用力的影响。实际测量这些力是不现实的,为此我们选用了半经验公式来计算汽车在柏油或者水泥路面的原转向阻力矩(Nmm),即412878.50 (3-1)式中,f为轮胎和路面间的摩擦因数,一般取0.7;G1为转向轴负荷(N); P为轮胎气压(MPa)。该车整车整备质量为1095kg,所载人数为6人,每人质量约60kg;前置前驱转向轴负荷率为60%故G1=(1095+606)9.860%=8555.4NP取0.2MPa(2)转向器角传动比的计算图3.1 转向器转角关系图 (3-2) 式中:L马自达2轿车轴距:2500mm;R马自达2轿车最小转弯半径:4940mm。 (3-3)42.12。式中:B马自达2轿车前轮轮距,1490mm。设计取方向盘总圈数为3,则 (3-4)式中:马自达2转向盘转动角,3360;马自达2转向轮转动角,+=72.62。(3)作用在转向盘上的手力作用在转向盘上的手力为 N (3-5)式中:转向摇臂长;转向节臂长;转向盘直径,设计为350mm;转向器角传动比;转向器正效率,90%。和无需代入对于马自达2轿车,在计算载荷的时候我们选用式(3-5)求出来的力的最大值来代入计算。(4)转向盘扭力矩Tz (3-6)式中:转向盘上的手力:176.29N;马自达2轿车转向盘直:350mm。(5)梯形臂长度L2的计算前轮轮胎规格为前轮175/65 R15,则轮辋直径=15in=1525.4=381mm。梯形臂长度152.4,取。(6)轮胎直径的计算轮胎直径,取。(7)横拉杆的直径的计算mm (3-7)取式中:原地转向阻力矩,412878.50N.mm;前轮距1490mm;许用应力为216MPa。(8)主动齿轮轴的计算: (3-8)取 式中:方向盘扭矩,30850.75 Nmm;许用切应力为140MPa。3.2.2 转向器基本部件设计(1)技术参数:表3.3 技术参数表名称数值单位传动比(线、角)47.6mm/rad 齿轮的模数(法向)2.5转向盘圈数3齿条行程160mm(2)齿轮齿条上的齿应与壳体的齿啮合准确。直齿和斜齿均可作为齿轮齿条的齿,一般不作过多要求。但如考虑转向稳定性和动力性,则应该倾向于斜齿所以斜齿圆柱齿轮更加适用于齿轮齿条转向器齿轮的选用齿。斜齿圆柱齿轮模数选用范围在2-3mm。主动小齿轮的齿数在5-7个变化范围内,齿轮螺旋角在9-15度间选择,压力角的选值为200。综上,选择以下参数值齿轮模数mn1=2.5,齿轮齿数z1=6,齿轮压力角1=200,齿轮螺旋角取为150 螺旋方式选择左旋,齿轮轴总长L=160mm,故斜齿圆柱齿轮直径根据公式d1=mn1z1/cos=15.53mm (3-9)取齿宽系数,则齿条宽度 (3-10)圆整取 ,则取齿轮齿宽。表3.3 齿轮轴的尺寸设计参数序号项目符号尺寸参数(mm)1长1602齿数63齿宽304模数(法向)2.55角度156方向向左旋(3)齿条齿条替代梯形转向杆系的摇杆与摇臂,并且能够确保在一定高度的时候横拉杆能和悬架的下摆臂保持平行。前轮转向需要齿条的横向运动来带动横拉杆的运动,同时还必须满足齿轮齿距和齿条齿距的大小应该等同。即满足: 齿条模数取2.5,代入计算得出齿条压力角=200,齿条的总长度L=735mm,齿条行程为160mm,直径D=30mm。表3.4 齿条的尺寸设计参数序号项目名称符号尺寸参数()1长7352直径303齿数214模数(法向)2.5(4)转向横拉杆及其端部转向横拉杆与梯形转向杆系的相似。球头销通过螺纹与齿条连接。当这些球头销依制造厂的规范拧紧时,在球头销上就作用了一个预载荷。防尘套夹在转向器两侧的壳体和转向横拉杆上,这些防尘套阻止杂物进入球销和齿条中。转向横拉杆端部与外端用螺纹连接。这些端部与梯形转向杆系的相似。侧面螺母将横拉杆外端与横拉杆锁紧。表3.5 转向横拉杆及接头的尺寸设计参数序号项目符号尺寸参数(mm)1横拉杆总长2572横拉杆直径103螺纹长度484外接头总长1005球头销总长526球头销螺纹公称直径M817外接头螺纹公称直径M1018内接头总长609内接头螺纹公称直径M121(5)齿条调整一个齿条导向座安装在齿条光滑的一面。齿条导向座和壳体螺纹连接的调整螺塞之间连有一个弹簧。此调节螺塞由锁紧螺母固定。齿条导向座的调节使齿轮、齿条之间有一定的预紧力,此预紧力会影响转向冲击、噪声和反馈。图3.2 自动消除间隙装置 表3.6 齿条调整装置的尺寸设计参数序号项目符号尺寸参数(mm)1导向座外径402导向座高度303弹簧总圈数6.54弹簧节距8.255弹簧外径306弹簧安装高度377螺塞螺纹公称直径M4428螺塞高度309锁止螺塞高度1010转向器壳体总长/高600/15011转向器壳体内/外径40/56(6)齿轮齿条的综合分析设计及计算转向器转向盘的单位转角增量与齿条位移增量的反比定义为齿轮齿条转向器的线角传动比。假设齿轮有足够的啮合长度,且齿轮在齿条上滚动而齿条不动的啮合情况,当齿轮啮合一周时,齿轮中心线由O-O位置移动到O-O位置,如图3.3所示。图3.3 齿条啮合长度计算图这时可以知道AB=d,齿轮在齿条上移动了AC距离:式中:齿轮安装角齿轮分度圆直径。齿轮在垂直于齿条中心线MM的方向上移动了BC距离:;在齿条实际工作中是运动的,齿轮只是绕轴承中心线转动,并不移动。只能是齿条沿其轴线移动,可见BC在实际工作中不存在,从中可知:;在齿轮转动一周,齿条实际移动距离AD为:。式中:齿条倾角。AD就是齿轮齿条式转向器的线角传动比,即 (3-11)将设计数据:;代入上式,得=8.31140。齿条的齿数计算Z2 (3-12)式中:齿条行程,160mm;齿条模数,2.5;齿条压力角,200。将数据代入(3-12)式,得Z2=21.68,取整数值Z2=21。3.2.3 齿轮轴和齿条的材料选择及强度校核表3.7 齿轮轴和齿条的设计计算设计计算和说明计算结果选择齿轮材料、热处理方式及计算许用应力选择材料及热处理方式小齿轮16MnCr5 渗碳淬火,齿面硬度56-62HRC齿条 45钢 表面淬火,齿面硬度56-56HRC 确定许用应力; (a)确定和; ; (b)计算应力循环次数N,确定寿命系数、。 (c)计算许用应力取,=应力修正系数=初步确定齿轮的基本参数和主要尺寸选择齿轮类型根据齿轮传动的工作条件,选用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合传动方案选择齿轮传动精度等级选用7级精度 初选参数初选 =6 =21 =1.2 =0.7 =0.89按当量齿数初步计算齿轮模数 转矩176.290.175=30.85=30850闭式硬齿面传动,按齿根弯曲疲劳强度设计。=2.205 确定载荷系数=1,由, /100=0.000648,=1;对称布置,取=1.06;取=1.3,则=111.061.3=1.378修正法向模数=2.205=2.193圆整为标准值,取=2.5确定齿轮传动主要参数和几何尺寸 分度圆直径=15.53 齿顶圆直径=15.53+2=15.53+22.5(1+0)=20.53齿根圆直径=15.53-2=15.53-22.51.25=9.28齿宽=1.215.53=18.636因为相互啮合齿轮的基圆齿距必须相等,即。齿轮法面基圆齿距为齿条法面基圆齿距为取齿条法向模数为=2.5 齿条齿顶高=2.5(1+0)=2.5齿条齿根高=2.5(1+0.25-0)=3.125法面齿距=3.925校核齿面接触疲劳强度查表得,=189.8;查图得,=2.45取=0.8,=0.985所以 =189.82.450.80.985=1512.8斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合传动7级精度46510=1.378=2.5=15.53=20.53=9.28取=20=2.5=3.125=3.925齿面接触疲劳强度满足要求3.2.4 齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析图3.3 转向横拉杆的运动分析简图当转向盘从锁点向锁点转动,每只前轮大约从其正前方开始转动30,因而前轮从左到右总共转动约60。当转向轮右转30,即梯形臂或转向节由绕圆心转至时,齿条左端点移至的距离为30=150cos30=129.904=150-129.904=20.09630=75 =304.34=304.3-75=229.3=305-229.3=75.7同理计算转向轮左转30,转向节由绕圆心转至时,齿条左端点E移至的距离为=75 =304.34=75+304.3-305=74.3齿轮齿条啮合长度应大于即 =75.7+74.3=150取L=160。3.2.5 齿轮齿条传动受力分析若略去齿面间的摩擦力,则作用于节点P的法向力Fn可分解为径向力Fr和分力F,分力F又可分解为圆周力Ft和轴向力Fa。=230851/15.53=3973.0=1497.13=1064.58N3.2.6 间隙调整弹簧的设计计算设计要求:设计一圆柱形压缩螺旋弹簧,载荷平稳,要求=1400N时,10mm,弹簧总的工作次数小于,弹簧中要能宽松地穿过一根直径为18mm的轴;弹簧两端固定;外径,自由高度。(1) 选择材料 由弹簧工作条件可知,对材料无特殊要求,选用C组碳素弹簧钢丝。因弹簧的工作次数小于,载荷性质属类,。(2) 计算弹簧丝直径表3.8 弹簧丝直径的计算计算项目计算依据和内容计算结果选择旋绕比估初算弹簧丝直径计算曲度系数计算弹簧丝的许用切应力计算弹簧丝直径取=4按30mm、18mm,取=6.25=1.404=0.45=0.451700=765=5.129取=4=1.404=765取=5计算弹簧圈数和弹簧的自由高度表3.9 弹簧圈数和自由高度的计算计算项目计算依据和内容计算结果工作圈数总圈数节距自由高度=4.46各端死圈取1,故,则,取=4.468.25+1.55=44.29=4.46=6.5=8.25=44.29(4) 稳定性验算 高径比b=H0/D2=44.29/25=1.770.1d(6) 几何参数和结构尺寸的确定 弹簧外径 D=D2+d=25+5=30mm弹簧内径 D1=D2-d=25-5=20mm(7) 弹簧工作图 s=1.25=1.25765=956.25MPa弹簧的极限载荷 Flim=3.1452956.25/(841.4)=1670N弹簧的安装载荷 Fmin=0.9Fmax=0.91400=1260N弹簧刚度 Cs=Gd/(8C3n)=800005/(8434.46)=175.17N/mm安装变形量 min=Fmin/Cs=1260/175.17=7.19mm最大变形量 max=Fmax/Cs=1400/175.17=7.99mm极限变形量 lim=Flim/Cs=1670/175.17=9.53mm安装高度 H1=H0-min=44.29-7.19=37.10mm工作高度 H2=H0-max=44.29-7.99=36.3mm极限高度 H3=H0-lim=44.29-9.53=34.76mm3.2.7 齿轮轴轴承的校核校核30203圆锥滚子轴承,轴承间距60mm,轴承极限转速n=9000r/min,采用脂润滑,预期寿命Lh=12000h初步计算当量动负荷=0.711eX=0.56,暂选一近似中间值Y=1.5。另查表得fp=1.2P=fp(XFR+YFA)=1.2(0.56698.5+1.5432.3)=1247.53N计算轴承应有的基本额定动负荷Cr查表得,ft=1,又=3Cr=初选轴承型号 查机械工程及自动化简明设计手册,选择6202轴承,Cr=7.65KN,其基本额定静负荷Cor=3.72KN验算并确定轴承型号 FA/Cor=432.3/3720=0.116,e为0.30,轴向载荷系数Y应为1.45 计算当量动载荷Pr=fp(XFR+YFA)=1.2(0.56149735/60+1.45432)=1338.5N 验算6204轴承的寿命Lh= 12000h即高于预期寿命,能满足要求。上轴承选择比下轴承稍大的型号6203,同样满足要求。3.2.8 键的计算p= p=120MPa式中:T传递的转矩,单位为Nmm;D轴的直径,单位为mm;L键的接触长度,单位为mm;K键与轮毂接触高度,Kh/2,单位为mm;许用挤压应力,单位为MPa。选用A型键 ,公称尺寸bh=55;键的接触长度L应该大于15mm,则L15+6=21mm;圆头普通平键(A型)的尺寸参考GB1096-79;键和键槽的断面尺寸参考GB1095-79。 ESP的关键部件和控制策略4 EPS的关键部件和控制策略4.1 EPS的关键部件选型4.1.1 电动机电动机是构成电动助力转向机构的重要部分之一,电动机的好坏决定着电动助力转向机构的助力性能的优劣。电动机输出转矩的大小是通过ECU根据行车速度的大小计算处理后输出信号来确定的,因此输出的助力大多具备较好易控性和动态特性,因此我们在选用电动机的时候要注重电动机必须具有线性的调速特性9。此外,对于电动机的性能要求还需要包括:小转动惯量、小尺寸、低转速高功率、抗外界干扰等特性。本次设计选用的电动机型号是无刷永磁直流电动机,该款电动机的特点是:结构简单、体积小、具备线性调速特性和线性机械特性、输出转矩大、转动惯量小。永磁直流电机的参数如表4.1所示:表4.1 EPS电动机基本参数型式永磁式直流电动机额定时间S2 2分钟标称输出150W额定转速1200r/min/DC额定转矩1.2Nm/30A额定电流30A旋转方向正反转允许最大电流35A4.1.2 电磁离合器电磁离合器的功能是控制电动机提供的助力的有效输出范围。当系统出现故障或者行驶条件不在系统允许的控制范围内,电磁离合器便会停止电动机的助力输出,实现切断电动助力功能。本次电动助力转向机构的离合器采用干式电磁式离合器,干式电磁离合器主要功能特性是:滞后输出特性、可消除不助力条件下电机惯性对转向的影响。主要参数如表4.2所示。表4.2 电磁离合器基本参数型式干式单片电磁离合器额定时间连续功耗9.8W/12V 20C额定转矩1.47Nm/12V 20C线圈阻抗14.714.1.3 减速机构双行星齿轮和涡轮蜗杆减速机构是减速机构两种主要形式,减速机构在转向机构中的功能主要是提高电机输出到转向器的转矩从而提升助力。因为减速机构在电动助力转向系中的重要地位,所以我们在选择减速机构的时候需具备严格的要求:低噪音、高效率,转向对称性等。4.1.4 扭矩传感器扭矩传感器的作用是对转向盘转动方向与转动轮转角及力矩的实时监测,EPS能否输出正确精准的助力控制信号全依赖于扭矩传感器的精准感应和电信号输出。所以选择扭矩传感器的关键在于其本身是否精确可靠,同时制造成本也是考虑因素之一。扭矩传感器常见的形式分为接触式和非接触式。其中接触式和非接触式又可以细分为五种。二者相比较,接触式制造成本低,但是接触式对转角的测量不易完成同时其易磨损,寿命短。而非接触式相比较接触式其抗干扰能力强、对转角的测量较为容易,造型上体积小、制造精度高,但是在制造成本上也高于接触式扭矩传感器。在选择扭矩传感器时应结合EPS的性能需求来选择15。图4.1 扭矩传感器综合马自达2轿车车型以及我们的设计要求,最终选择非接触式扭矩传感器,如图4.1所示。其中花键在输入轴上,键槽在输出轴上二者通过扭杆相互联接。花键和键槽在扭杆受转向盘力矩影响后会发生位置偏移,位移改变量和扭杆的扭转量相等,随着相对位置的变化,花键的磁感强度应大小也跟着发生改变,这一变化被转化为电子信号,其中只有扭矩信号被传出,其他信号被过滤。非接触扭矩传感器的非接触工作方式使其相对于接触式扭矩传感器寿命更长,损耗小,可靠性高,延时误差小,不易受轴的偏移影响。此次设计我们选用被轿车和轻型车广泛应用的非接触式扭矩传感器。4.1.5 电流传感器因为闭环霍尔传感器具备电路形式简单、成本低、精度高、反应灵敏等优点,所以本次设计选择闭环霍尔传感器作为电流传感器。表4.3 电流传感器主要参数型式闭环霍尔电流传感器额定电流50A测量范围80A输出电流50mA精度0.8%/25摄氏度匝数比l:10004.2 EPS的电流控制EPS的上层控制器用来确定电动机的目标电流。根据EPS的特点,上层控制策略分为助力控制、回正控制和阻尼控制。由转矩传感器的和车速传感器的输出的的信号被控制器接收后,再由控制器对电动机确定目标电流,接着控制器会对电动机的电流Im进行控制,通过对电流的控制来实现助力矩的控制3。根据上述过程,电流控制的功能要求具体分为两点:(1)助力特性要求确定;(2)对助力特性能够做到实时跟踪。因此选用控制器共分为两层:一层根据助力特性及其补偿进行调节,另外一层用来控制电动机的电压来跟踪目标电流。4.3 助力控制助力控制是在转向角增大时为减轻转向盘的操纵力通过减速机构把电机转矩作用到机械转向系(转向轴、齿轮、齿条)上的一种基本控制模式。步骤如下:(1)车速信号的输入;(2)转向盘力矩的大小和方向信号输入;(3)根据信号,获得电动机要输出的目标电流;(4)由控制器控制输出力矩。EPS的性能由这一控制过程中的特性曲线来确定EPS的控制目标来决定。电动助力系统的助力特性曲线是一般性的车速感应形特性曲线。在转向盘不变的情况下输入力矩,根据车速不同调节力矩大小,车速越大力矩越小,反之相反,从而实现满足操控轻便型和路感稳重型的要求13。图4.2 直线性助力特性图4.4 阻尼控制阻尼控制仅注重汽车在高速直线行驶中遇到的问题。驾驶人员在驾驶过程中所说的飘主要是因为汽车高速行驶时转向过于灵敏,显得底盘轻。这样的转向机构会给车辆行驶带来风险为了避免这一问题,增加高速行驶时的稳定性和安全权,电动助力转向会进行阻尼控制,对转向时的助力进行减小控制,使转向盘变重,令驾驶员在汽车高速行驶时有稳重的手感。同时汽车在高速行驶时,外界干扰因素会对汽车造成巨大影响,路面对车轮的力矩会比低速行驶高出很多,为了减少横摆振动,通常我们也会采用阻尼控制;此外,汽车在高速行驶中转向不易回正,此时,也需要采用阻尼控制。阻尼控制进行时时,只需将电机输出的力矩降低为制动状态,电动机的阻尼状态便可以实现。4.5 回正控制汽车在行驶中行驶速度不高于某一值时,由于转向轮自身存在主销后倾角和内倾角,转向轮具备自动回正的性能。随着车速的提高,回正转矩增大,而同时轮胎与地面的侧向附着系数却减小,两者综合作用使得回正性能提高14。驾驶员松开转向盘后,随着作用在转向盘上的力的减小,转向盘将在回正力矩的作用下回正。因此在设计转向机构时,对转向轮的回正设计要考虑两方面:(1)避免回正时的力矩过大,超出汽车高速直线行驶时中间的位置(2)避免回正力矩过小,汽车转向盘不足以回到中间位置。两种情况,助力过大可通过电动机阻尼控制来防止超调,助力过小则需要电动机补偿助力,从而提高回正能力。转向盘是否处于回正状态一般是根据转向盘上的转矩和方向来判断。综上,回正控制的主要内容包括:汽车在低速行驶时,电动助力转向系统系统会对H桥进行断路控制来实现方向回 结论5 结论电动助力转向系统的研究与发展是汽车工业上的进步,电动助力转向系统作为一种新兴的高质量技术当下也在日趋成熟。同时,电动助力转向系统所涉及的知识面覆盖范围广泛,既包含传统的机械技术,也包含新兴的电动技术和自动控制技术等智能领域的相关知识。因此,这门技术的发展还有很多的难关要突破,需要走的路还很长。本次设计主要是针对转向机构的机械系统和助力控制两个方面进行了设计与研究。其中对机械转向系统的研究是以马自达2轿车车型为参考车型,主要围绕着对机械转向系统整体方案的选择以及具体尺寸参数的设计进行研究。本次设计考虑到马自达2轿车车型的特殊性最终确定选择了齿轮齿条式转向器作为研究对象。在设计过程中对其重要部件:齿轮、齿条、键的结构进行了改进设计,并对其结果进行了强度校核。在动态方面对横拉杆进行了有效的运动分析并以此确定了齿条的行程、自动间隙调整弹簧、齿轮轴轴承等零部件。此外还验算了齿轮轴承的使用寿命。关于助力控制的设计研究不同于机械方面,电动助力更加注重功能分析,因此,本次设计重点对电动助力的几个重要元件进行了功能性分析。对机械转向和电动助力的逐一论述,再根据马自达2轿车车型的特殊性最终结合二者完成了对马自达2轿车电动助力转向系统进行的设计。 参考文献参考文献1毛彩云,吴暮春,柯松.汽车转向系统的发展J.汽车维修,2009,(4):44-462苗立东,何仁,徐建平,徐勇刚汽车电动转向技术发展综述J.长安大学报( 自然科学版),2016,24(1):79-843王锋.电动助力转向系统的控制策略研究D.镇江:江苏大学,2007.4李慧琪.汽车电动助力转向系统的现状与发展J.电脑与电信,2017,(2):86-87.5林逸,施国标.汽车电动助力转向系统的现状与发展J.公路交通科技,2015,18(3):81-82.6易爱斌汽车电动助力转向系统(EPS)技术分析与应用J.昌河科技,2014,(1):39-40.7申荣卫.汽车电动助力转向系统转向盘转矩直接控制策略J.吉林大学学报,2017,37(3):504-508.8陈龙.汽车电动助力转向系统特性及其与整车性能的匹配研究J.中国机械工程,2008,19(4):475-476.9王菊,左建令.汽车线控转向技术的研发现状与发展前景J.汽车研究与开发,2015,(5):30-31.10李璇君,辛季龄.基于后驱动技术的故障注入方法研究J.哈尔滨工业大学学报,2011,3(6):858862.11徐汉斌.电动转向器控制系统研究D.武汉理工大学,2007.12马水.汽车电动助力转向(EPS)系统技术研究D.河北工业大学,2011.13刘照,杨家军,廖道训,基于混合灵敏度方法的电动助力转向系统的控制J.中国机械工程,2013,14(10):874-878.14郑荣良,吴云峰,EPS系统H桥上管驱动电路的研究D.江苏镇江:江苏大学汽车与交通工程学院,2015.15王野.汽车电动助力转向(EPS)系统的研究与开发D.哈尔滨理工大学,2015. 致谢致谢在论文完成之际,我想对我论文的指导老师凌秀军老师表达真挚的感谢之情,从论文选题到论文不足之处的修改,再到论文的定稿,是凌老师给了我很多的指导与帮助。如果不是凌老师的悉心指导以及对我论文的不当之处耐心指正,我的论文必定是一篇不合格的论文。在这里还要感谢我的舍友以及我的各位同窗好友,在大学四年中你们在专业知识上给了我很多的帮助,让我在四年的本科学习中收获颇多。在我的论文上,你们也给予了我很多的建议和帮助,李尧太同学更是对我的论文中转向机构的选择给与了莫大地支持,你以自己全面的专业知识素养和独到的见解帮我从专业知识的瓶颈中走出来。本科四年匆匆而逝,但是我们的学习生涯却不会终止。大学四年教给我的不仅仅是知识,更是接下来人生路上学习新知识的方法和对待知识渴求的态度。最后,再次感谢我的指导老师凌秀军老师对我大学四年来的帮助,学生祝您身体安康,万事顺遂!
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