汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)畢業(yè)論文

哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文〔設(shè)計〕-PAGEIV-帕薩特轉(zhuǎn)向系的優(yōu)化設(shè)計摘要汽車在行駛過程中，需按駕駛員的意志經(jīng)常改變其行駛方向，即所謂汽車轉(zhuǎn)向。就輪式汽車而言，實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的方法是駕駛員通過一套專設(shè)的機(jī)構(gòu)，使汽車轉(zhuǎn)向橋上的車輪相對于汽車縱軸線偏轉(zhuǎn)一定角度。因此汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功用是保證汽車能按駕駛員的意志而進(jìn)行轉(zhuǎn)向行駛。目前在所有前置-前輪驅(qū)動轎車上采用的都是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，一些前置-后輪驅(qū)動轎車也采用這種轉(zhuǎn)向器。而電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是目前乘用車最為廣泛使用的助力形式。故本文以動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的齒輪齒條式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為主要研究對象。本文以帕薩特車型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對象，設(shè)計的主要內(nèi)容是：首先分析了本課題研究的目的和意義，分析了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理和類型，并對其關(guān)鍵部件進(jìn)行解釋說明，分析了其助力特性。然后重點進(jìn)行了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計計算，確定了轉(zhuǎn)向系計算載荷，分析了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計要求，并對關(guān)鍵部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計轉(zhuǎn)向系中轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行三維建模，繪制了轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)及主要零部件的工程圖，在此基礎(chǔ)上使用ADAMS軟件對轉(zhuǎn)向系進(jìn)行優(yōu)化。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計；轉(zhuǎn)向阻力；轉(zhuǎn)向器

OptimizationdesignofPassatsteeringsystemAbstractCarinmotiontheprocess,theyaresubjecttochangeitsdriverwilloftentraveldirection,theso-calledsteering.Forwheeledvehicles,thesteeringmethodistorealizethedriverthroughadedicatedagency,makingthecarsteeringaxleonthewheelwithrespecttothelongitudinalaxisofthedeflectionanglecar.Therefore,thefunctionofsteeringsystemistoensurethatcarscanbecarriedoutaccordingtothewillofthedriver'ssteeringwith.Presentinallfront-wheeldrivecarsareusedinrackandpinionsteering,someofthefront-rear-wheeldrivesedanalsousedthissteering.TheEPSsystemiscurrentlythemostwidelyusedpowerpassengerform.Therefore,inthispaper,powersteeringrackandpinionpowersteeringsystemasthemainobjectofstudy.

Inthispaper,Passatcarsteeringsystemisregardedastheresearchobject:Firstitanalyzesthepurposeandsignificanceofthisresearchandsummarizesthesteeringsystemcharacteristics.Secondlyitanalyzestheworkingprincipleandthetypesystem,andmakeexplanationofitskeycomponent,andanalyzesitscharacteristic.Thenwecalculatedthestructureparametersofthesystemdesignofsteering.Attheendofeachcomponentsofthethree-dimensionalentitymodeling.Drawthesteeringsystem,thesteeringsystem,andthemaincomponentsoftheengineeringdrawings.Theoptimizationdesignofsteeringtrapezoid,giveouttheoptimizationresults,andmakeanalysisandverification.Keywords:Steeringsystem;optimaldesign;Steeringresistance;Steeringgear目錄TOC\o"1-2"\h\z\t"標(biāo)題3,3"摘要 I第1章緒論 11.1本課題研究的意義和目的 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.3本課題主要研究內(nèi)容 4第2章帕薩特電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計計算 5電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理 52.1.1電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理 5電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)構(gòu)組成及特點介紹 62.2齒輪齒條轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)及工作原理 10齒輪齒條轉(zhuǎn)向器設(shè)計 12轉(zhuǎn)向系阻力計算 13齒輪軸及齒條設(shè)計 15轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計 17齒輪軸校核 20助力系統(tǒng)的助力特性分析 22轉(zhuǎn)向盤目標(biāo)手力的分析 22電動助力轉(zhuǎn)向的助力特性 23本章小結(jié) 23第3章轉(zhuǎn)向系的三維實體建模 25轉(zhuǎn)向系傳動部分三維建模 25轉(zhuǎn)向系操縱機(jī)構(gòu) 27本章小結(jié) 29第4章ADAMS優(yōu)化轉(zhuǎn)向梯形 30轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化的要求 30轉(zhuǎn)向前束角的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù) 31轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化 324.3.1ADAMS/Insight優(yōu)化 32轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)懸架模型建立 32靈敏度分析 334.5ADAMS/ViewEvaluation優(yōu)化 34優(yōu)化前后結(jié)果比照 34本章小結(jié) 35結(jié)論 37致謝 38參考文獻(xiàn) 39哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文〔設(shè)計〕-PAGE4-第1章緒論1.1本課題研究的意義和目的汽車在行駛過程中，為了適應(yīng)各種道路情況和行駛條件，經(jīng)常需要改變或修正行駛方向。它對汽車的操縱穩(wěn)定性有重要的影響，因此，對于一部汽車來說，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計尤為重要。如何設(shè)計汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使汽車具有良好的操縱性能，始終是各汽車廠家和科研機(jī)構(gòu)的重要課題。特別是在車輛高速化、駕駛?cè)藛T多樣化、車流密集化的今天，汽車的操縱穩(wěn)定性設(shè)計顯得尤為重要[1]。汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是一個較為復(fù)雜的空間機(jī)構(gòu)，是通過對左右轉(zhuǎn)向車輪不同角度之間的合理匹配來保證車輛沿著設(shè)想的軌跡運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。對汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計要求能保證汽車有高的機(jī)動性；在轉(zhuǎn)向盤和各轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角間應(yīng)保證在運(yùn)動學(xué)和力學(xué)關(guān)系的協(xié)調(diào)；同時，轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)與懸架轉(zhuǎn)向裝置的運(yùn)動干預(yù)應(yīng)最小。本次設(shè)計帕薩特轉(zhuǎn)向系，在保證以上要求的同時，采用當(dāng)前較為流行的仿真技術(shù)，能降低工程制造的測試費(fèi)用，在產(chǎn)品制造出來之前，就可以發(fā)現(xiàn)并更正設(shè)計錯誤，完善設(shè)計方案，在產(chǎn)品開發(fā)過程中，減少所需的物理樣機(jī)的數(shù)量。同時能夠分析動力學(xué)特性，用軟件在理論上分析汽車行駛時，轉(zhuǎn)向時如何動作以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中各轉(zhuǎn)向機(jī)關(guān)鍵部件的受力情況，對整個系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)分析和仿真模擬，分析各部件最正確運(yùn)行狀態(tài)的條件以及如何改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并使整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，滿足帕薩特車型的設(shè)計要求。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀改革開放以來，我國汽車工業(yè)得到長足發(fā)展。作為汽車關(guān)鍵部位的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也得到迅猛發(fā)展，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已由純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系向助力式轉(zhuǎn)向系發(fā)展。助力式轉(zhuǎn)向系由于轉(zhuǎn)向操縱輕便靈活，能夠吸收路面對車輪沖擊等優(yōu)點已在汽車制造業(yè)中被普遍采用。

汽車轉(zhuǎn)向系經(jīng)歷100多年的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)——液壓助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)——電液助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)——電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)——線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其中助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)得到了廣泛的使用。

幾種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介1.機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用較多，現(xiàn)在所有的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都要求有機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以保證轉(zhuǎn)向的安全可靠性。機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以人力為動力來源，所有傳遞力的零件都是機(jī)械的，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)向系的力傳動比和角傳動比成反比關(guān)系。當(dāng)力傳動比大時，轉(zhuǎn)向省力，轉(zhuǎn)向輕便性好但是轉(zhuǎn)向靈敏性就變差；當(dāng)角傳動比大時，轉(zhuǎn)向靈敏性好了，但轉(zhuǎn)向需要很大的力，轉(zhuǎn)向輕便性達(dá)不到要求。因此機(jī)械式轉(zhuǎn)向系在同時滿足轉(zhuǎn)向輕便性和轉(zhuǎn)向靈敏性的要求是十分有限的，這也制約了機(jī)械式轉(zhuǎn)向系的發(fā)展。隨著轉(zhuǎn)向系的發(fā)展，出現(xiàn)了助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這在一定程度上緩解了轉(zhuǎn)向輕便性和靈敏性這一矛盾。

2.液壓助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

液壓助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加液壓系統(tǒng)發(fā)展起來的。它以發(fā)動機(jī)的動力作為油泵的能量來源，用液壓力增加駕駛員的操縱力。因此可以在一定程度上減小轉(zhuǎn)向系的力傳動比，增大角傳動比，從而緩解轉(zhuǎn)向“輕”與“靈”的矛盾。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對速度的要求越來越高，汽車速度也在不斷的提高，液壓助力式轉(zhuǎn)向系的不足開始顯現(xiàn)出來。汽車在高速運(yùn)行或者低速運(yùn)行和停車時，很難保證駕駛員有適度的手感；同時汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性變差；停車時無法提高助力等都制約了其發(fā)展。

3.電液助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

電液助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，用電機(jī)取代發(fā)動機(jī)驅(qū)動油泵的方式發(fā)展而來的。它通過電磁閥控制助力油壓隨車速變化而變化，在汽車低速或急轉(zhuǎn)彎時轉(zhuǎn)向輕便；在高速行駛時有較好的手感。

目前電液助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在轎車上得到了廣泛的運(yùn)用。但是它結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，價格更昂貴，同時并沒有克服液壓助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)效率低、能耗大等缺點。

4.電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

作為新一代轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將電子技術(shù)和車輛機(jī)械技術(shù)良好地結(jié)合起來。它采用電力取代了液壓系統(tǒng)提供助力，系統(tǒng)更加簡化、性能也更加優(yōu)良。該系統(tǒng)需要扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器、電機(jī)、減速器以及電子處理單元ECU組成。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)及提供扭矩大小都有ECU控制。

電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)擁有控制簡單、響應(yīng)快、方便改善助力大小及轉(zhuǎn)向路感；零部件少、工作可靠、容易檢修調(diào)整；低溫環(huán)境下工作性能優(yōu)良等優(yōu)點。電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一系列優(yōu)點都標(biāo)志著其有廣闊的發(fā)展前景。但是也有一些不足制約著其發(fā)展，例如：目前還缺乏該系統(tǒng)的成熟理論，一旦設(shè)計不合理將嚴(yán)重威脅到汽車安全和人生財產(chǎn)安全。

5.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

在20世紀(jì)50年代，美國TRW公司對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提出了大膽的設(shè)想，將轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向車輪之間的機(jī)械連接用控制信號取代。

20世紀(jì)60年代末，德國的Kasselmann公司也設(shè)計了類似于TRW公司設(shè)想的主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。1900年，德國奔馳公司將線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)用到其概念車F400-Carving上。目前已有線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上市，而Daimier-Chrysler公司開發(fā)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)被列為2000年汽車十大創(chuàng)新技術(shù)之一。

我國也涉足線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究領(lǐng)域，清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)以及湖南大學(xué)都對線控轉(zhuǎn)向技術(shù)進(jìn)行研究。2004年同濟(jì)大學(xué)研究的“春暉三號”就運(yùn)用了線控轉(zhuǎn)向技術(shù)。

隨著轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)向裝置也發(fā)生了很大變化。目前主流的轉(zhuǎn)向器有4種：蝸桿指銷式、蝸桿滾輪式、循環(huán)球式及齒輪齒條式。

目前在世界汽車市場上，循環(huán)球轉(zhuǎn)向器占有45%的市場，齒輪齒條式也占有40%左右的份額，其它類型的轉(zhuǎn)向器占15%。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在西歐小客車上獲得較大發(fā)展。在日美循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器使用比重越來越大，在日本，公共汽車使用的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在的100%。大、小型貨車也大多采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。

現(xiàn)今不同類型的轉(zhuǎn)向器的使用情況大致如下：

1.齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器已成為當(dāng)今汽車使用的主流轉(zhuǎn)向器。其它類型的轉(zhuǎn)向器正在逐漸被淘汰。

2.在小客車上，日美主要發(fā)展循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，其市場也超過90%；而在西歐則大力發(fā)展齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，比重也超過50%，法國則高達(dá)95%。

3.齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在小型車上得到迅猛發(fā)展；而大型車則主要以循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器為主。1.3本課題主要研究內(nèi)容本設(shè)計圍繞帕薩特這款車型進(jìn)行其轉(zhuǎn)向系從無到有的結(jié)構(gòu)設(shè)計，首先計算轉(zhuǎn)向系中主要零件的參數(shù)，并建立三維模型，使用ADAMS軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)向系轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化，以確保轉(zhuǎn)向系有良好的性能，并且可以完善設(shè)計方案。最終對轉(zhuǎn)向系轉(zhuǎn)配圖和其中的主要部件進(jìn)行工程制圖。1.參考相關(guān)文獻(xiàn)，熟知對汽車轉(zhuǎn)向系的基本要求，確定轉(zhuǎn)向系設(shè)計的目標(biāo)。2.了解電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型，結(jié)構(gòu)及工作原理。3.收集車型數(shù)據(jù)，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行具體的設(shè)計和計算，完成重要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并校核主要零件強(qiáng)度。4.使用CATIA軟件對轉(zhuǎn)向系進(jìn)行三維建模。5.使用ADAMS軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)向系轉(zhuǎn)向梯形進(jìn)行優(yōu)化。第2章帕薩特電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計計算2.1電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)〔ElectricPowerSteering，縮寫EPS〕是一種直接依靠電機(jī)提供輔助扭矩的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)HPS〔HydraulicPowerSteering〕相比，EPS系統(tǒng)具有很多優(yōu)點。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〕等組成。2.1.1電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理圖2-1電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理如下：首先，\t"://baike.baidu/view/_blank"轉(zhuǎn)矩傳感器測出駕駛員施加在\t"://baike.baidu/view/_blank"轉(zhuǎn)向盤上的操縱力矩，車速傳感器測出車輛當(dāng)前的行駛速度，然后將這兩個信號傳遞給ECU；ECU根據(jù)內(nèi)置的控制策略，計算出理想的目標(biāo)助力力矩，轉(zhuǎn)化為電流指令給電機(jī)；然后，電機(jī)產(chǎn)生的助力力矩經(jīng)減速機(jī)構(gòu)放大作用在機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上，和駕駛員的操縱力矩一起克服轉(zhuǎn)向阻力矩，實現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。2.1.2電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)構(gòu)組成及特點介紹液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已發(fā)展了半個多世紀(jì)，其技術(shù)已相當(dāng)成熟。但隨著汽車微電子技術(shù)的發(fā)展，對汽車節(jié)能性和環(huán)保性要求不斷提高，該系統(tǒng)存在的耗能、對環(huán)境可能造成的污染等固有不足已越來越明顯，不能完全滿足時代發(fā)展的要求。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將最新的電力電子技術(shù)和高性能的電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能顯著改善汽車動態(tài)性能和靜態(tài)性能、提高行駛中駕駛員的舒適性和安全性、減少環(huán)境的污染等。因此，該系統(tǒng)一經(jīng)提出，就受到許多大汽車公司的重視，并進(jìn)行開發(fā)和研究，未來的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中電動助力轉(zhuǎn)向?qū)⒊蔀檗D(zhuǎn)向系統(tǒng)主流，與其它轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)突出的優(yōu)勢表達(dá)在：

1.降低了燃油消耗。液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要發(fā)動機(jī)帶動液壓油泵，使液壓油不停地流動，浪費(fèi)了部分能量。相反電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)〔EPS〕僅在需要轉(zhuǎn)向操作時才需要電機(jī)提供的能量，該能量可以來自蓄電池，也可來自發(fā)動機(jī)。而且,能量的消耗與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向及當(dāng)前的車速有關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤不轉(zhuǎn)向時，電機(jī)不工作，需要轉(zhuǎn)向時，電機(jī)在控制模塊的作用下開始工作,輸出相應(yīng)大小及方向的轉(zhuǎn)矩以產(chǎn)生助動轉(zhuǎn)向力矩，而且，該系統(tǒng)在汽車原地轉(zhuǎn)向時輸出最大轉(zhuǎn)向力矩，隨著汽車速度的改變，輸出的力矩也跟隨改變。該系統(tǒng)真正實現(xiàn)了"按需供能"，是真正的"按需供能型"〔on-demand〕系統(tǒng)。汽車在較冷的冬季起動時，傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)反應(yīng)緩慢，直至液壓油預(yù)熱后才能正常工作。由于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計時不依賴于發(fā)動機(jī)而且沒有液壓油管，對冷天氣不敏感，系統(tǒng)即使在-40℃時也能工作，所以提供了快速的冷起動。由于該系統(tǒng)沒有起動時的預(yù)熱，節(jié)省了能量。不使用液壓泵，防止了發(fā)動機(jī)的寄生能量損失，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，裝有電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛和裝有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛比照實驗說明，在不轉(zhuǎn)向情況下，裝有電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的國輛燃油消耗降低2.5%，在使用轉(zhuǎn)向情況下，燃油消耗降低了5.5%。

2.增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向跟隨性。在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電動助力機(jī)與助力機(jī)構(gòu)直接相連可以使其能量直接用于車輪的轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)利用慣性減振器的作用，使車輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振大大減水。因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗擾動能力大大增強(qiáng)和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生于電機(jī)，沒有液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應(yīng)，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向車輪對轉(zhuǎn)向盤的跟隨性能。

3.改善了轉(zhuǎn)向回正特性。直到今天，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的發(fā)展已經(jīng)到了極限,電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正特性改變了這一切。當(dāng)駕駛員使轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動一角度后松開時，該系統(tǒng)能夠自動調(diào)整使車輪回到正中。該系統(tǒng)還可以讓工程師們利用軟件在最大限度內(nèi)調(diào)整設(shè)計參數(shù)以獲得最正確的回正特性。從最低車速到最高車速，可得到一簇回正特性曲線。通過靈活的軟件編程，容易得到電機(jī)在不同車速及不同車況下的轉(zhuǎn)矩特性，這種轉(zhuǎn)矩特性使得該系統(tǒng)能顯著地提高轉(zhuǎn)向能力，提供了與車輛動態(tài)性能相機(jī)匹配的轉(zhuǎn)向回正特性。而在傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)中，要改善這種特性必須改造底盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)起來有一定困難。

4.提高了操縱穩(wěn)定性。通過對汽車在高速行駛時過度轉(zhuǎn)向的方法測試汽車的穩(wěn)定特性。采用該方法，給正在高速行駛〔100km/h〕的汽車一個過度的轉(zhuǎn)角迫使它側(cè)傾，在短時間的自回正過程中，由于采用了微電腦控制，使得汽車具有更高的穩(wěn)定性，駕駛員有更舒適的感覺。

5.提供可變的轉(zhuǎn)向助力。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向力來自于電機(jī)。通過軟件編程和硬件控制，可得到覆蓋整個車速的可變轉(zhuǎn)向力。可變轉(zhuǎn)向力的大小取決于轉(zhuǎn)向力矩和車速。無論是停車，低速或高速行駛時，它都能提供可靠的，可控性好的感覺，而且更易于車場操作。

對于傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，可變轉(zhuǎn)向力矩獲得非常困難而且費(fèi)用很高，要想獲得可變轉(zhuǎn)向力矩，必須增加額外的控制器和其它硬件。但在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，可變轉(zhuǎn)向力矩通常寫入控制模塊中，通過對軟件的重新編寫就可獲得，并且所需費(fèi)用很小。

6.采用"綠色能源"，適應(yīng)現(xiàn)代汽車的要求。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用"最干凈"的電力作為能源，完全取締了液壓裝置，不存在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中液態(tài)油的泄漏問題，可以說該系統(tǒng)順應(yīng)了"綠色化"的時代趨勢。該系統(tǒng)由于它沒有液壓油，沒有軟管、油泵和密封件，防止了污染。而液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油管使用的聚合物不能回收，易對環(huán)境造成污染。7.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，布置方便，性能優(yōu)越。由于該系統(tǒng)具有良好的模塊化設(shè)計，所以不需要對不同的系統(tǒng)重新進(jìn)行設(shè)計、試驗、加工等,不但節(jié)省了費(fèi)用，也為設(shè)計不同的系統(tǒng)提供了極大的靈活性，而且更易于生產(chǎn)線裝配。由于沒有油泵、油管和發(fā)動機(jī)上的皮帶輪，使得工程師們設(shè)計該系統(tǒng)時有更大的余地，而且該系統(tǒng)的控制模塊可以和齒輪齒條設(shè)計在一起或單獨設(shè)計，發(fā)動機(jī)部件的空間利用率極高。該系統(tǒng)省去了裝于發(fā)動機(jī)上皮帶輪和油泵，留出的空間可以用于安裝其它部件。許多消費(fèi)者在買車時非常關(guān)心車輛的維護(hù)與保養(yǎng)問題。裝有電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車沒有油泵，沒有軟管連接，可以減少許多憂慮。實際上，傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，液壓油泵和軟管的事故率占整個系統(tǒng)故障的53%，如軟管漏油和油泵漏油等。

8.生產(chǎn)線裝配性好。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有液壓系統(tǒng)所需要的油泵、油管、流量控制閥、儲油罐等部件，零件數(shù)目大大減少，減少了裝配的工作量，節(jié)省了裝配時間，提高了裝配效率。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自20世紀(jì)80年代中期初提出以來，作為今后汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向，必將取代現(xiàn)有的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電控制液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。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、齒條助力式三個基本類型。EPS系統(tǒng)的類型如圖2-2所示：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2-2a〕。這種布置方案的特點是：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，在布置時仍然有一定的困難。a)轉(zhuǎn)向軸助力式b)齒輪助力式c〕齒條助力式圖2-2EPS系統(tǒng)的類型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2-2b〕，并通過驅(qū)動主動齒輪實現(xiàn)助力。這種布置方案的特點是：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總成內(nèi)，拆裝時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，需要單獨設(shè)計、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2-2c〕，并直接驅(qū)動齒條實現(xiàn)助力。這種布置方案的特點是：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，必須單獨設(shè)計制造；采用滾珠螺桿螺母減速機(jī)構(gòu)時，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[9]。2.2齒輪齒條轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)及工作原理2.2.1齒輪齒條式動力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)齒輪齒條式動力轉(zhuǎn)向器的的主要結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。圖2-3轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)圖齒輪齒條式動力轉(zhuǎn)向器的主要作用是：1.使車輛按照駕駛員的意圖進(jìn)行轉(zhuǎn)向，并增大來自方向盤的轉(zhuǎn)矩使之可以克服車輪與地面間的轉(zhuǎn)向阻力矩；2.提供額外的電動助力。2.2.2齒輪齒條式動力轉(zhuǎn)向器工作原理齒輪齒條式動力轉(zhuǎn)向器動力傳遞路線齒輪齒條式動力轉(zhuǎn)向器的扭矩傳遞路線如圖2-4所示。齒輪齒條式動力轉(zhuǎn)向器液壓油流動路線如圖2-5所示.圖2-4扭矩傳遞路線圖2-5電動助力傳動路線2.3轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計要求1.轉(zhuǎn)向傳動比當(dāng)轉(zhuǎn)向盤從鎖點向鎖點轉(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°[15]。假設(shè)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°將使其前輪從鎖點轉(zhuǎn)向鎖點。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?。粚ι逃密?，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°。2.齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計要求齒輪齒條式轉(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，相應(yīng)的齒條移動行程應(yīng)到達(dá)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)計時應(yīng)驗算齒輪的抗彎強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度[12]。3.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。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[13]。4.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[14]。2.3.1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〔或減小〕，稱之為“路感”。3.當(dāng)作用在轉(zhuǎn)向盤上的切向力FhkN時〔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，仍能用機(jī)械系統(tǒng)操縱車輪轉(zhuǎn)向[11]。2.4齒輪齒條轉(zhuǎn)向器設(shè)計齒輪齒條轉(zhuǎn)向器最主要的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、質(zhì)量輕、剛性好、使用可靠；傳動效率高達(dá)90%[20]；根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式[10]。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的四種類型如圖2-6所示：中間輸入，兩端輸出〔圖2-6a〕；側(cè)面輸入，兩端輸出〔圖2-6b〕；側(cè)面輸入，中間輸出〔圖2-6c〕；側(cè)面輸入，一端輸出圖〔圖2-6d〕。圖2-6齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的四種形式帕薩特車型數(shù)據(jù)如表2-7所示。表2-7帕薩特車型數(shù)據(jù)整車質(zhì)量1400kg前軸荷840kg輪胎自由直徑632mm輪胎氣壓200kPa軸距2803mm前輪距1498mm轉(zhuǎn)向系阻力計算根據(jù)車型數(shù)據(jù)，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。精確地計算出這些力是困難的。為此用足夠精確的半經(jīng)驗公式來計算汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩?！?-1〕N?mm式中f——輪胎和路面間的滑動摩擦因數(shù)；——轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷；p——輪胎氣壓。作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力為：〔2-2〕=118.21N式中——轉(zhuǎn)向搖臂長，單位為mm；——原地轉(zhuǎn)向阻力矩；——轉(zhuǎn)向節(jié)臂長；——為轉(zhuǎn)向盤直徑；——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、不代入數(shù)值。對給定的汽車，用上式計算出來的作用力是最大值。因此，可以用此值作為計算載荷。梯形臂長度的計算：輪輞直徑=16梯形臂長度取=150mm輪胎直徑 取=540mm轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑〔2-3〕；=216MPa；=347.2N·m取=16mm初步估算主動齒輪軸的直徑：〔2-4〕取=30mm上述的計算只是初步對所研究的轉(zhuǎn)向系載荷確實定。轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)初選參數(shù)如表2-8所示。表2-8轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)初選參數(shù)序號參數(shù)名稱數(shù)值序號參數(shù)名稱數(shù)值1阻力矩〔N·mm〕5輪胎直徑〔mm〕5402轉(zhuǎn)向盤手力〔N〕6橫拉桿直徑〔mm〕163輪輞直徑〔mm〕7齒輪軸直徑(mm)304梯形臂長度〔mm〕1508轉(zhuǎn)向器角傳動比18齒輪軸及齒條設(shè)計齒輪軸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[16]。小齒輪選用16MnCr5，滲碳淬火，齒面硬度56-62HRC。齒條選用45鋼，外表淬火，齒面硬度52-56HRC。齒輪軸輪齒模數(shù)：齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器所用的齒輪傳動方式為閉式硬齒傳動，選擇根據(jù)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計計算，采用簡化公式初算：QUOTEmn≥Am3T1ψdz式中Am——查《機(jī)械設(shè)計》表12.17，取Am=QUOTEAm=；QUOTET1T1——轉(zhuǎn)向齒輪分度圓轉(zhuǎn)向力矩，由QUOTET1T1=FhDsw/2=23642QUOTET1=FhDsw2=29009.0QUOTET1=FhDswψd——齒寬系數(shù)，查《簡明機(jī)械零件設(shè)計使用手冊》表10.21，取Z1——轉(zhuǎn)向齒輪齒數(shù)；[σF]——齒面彎曲許用應(yīng)力，初步計算時，對于輪齒雙向受力，有[σF]=σFlim，則[σF1]=σFlim1=QUOTE[σF1]=σFlim1=425MPa，[σF2]=σFlim2=QUOTE[σF2Ysa——Ysa1=QUOTEYsa1=1.68，Ysa2=1.97；YFa——YFa1=QUOTEYFa1=2.41，YFa2=QUOTEYFa2=，這里應(yīng)對齒輪和齒條QUOTEYsaYFa[σF]代入數(shù)據(jù)，計算得mn=QUOTEmn≥2.34，取mn=QUOTEmn=2.5.則轉(zhuǎn)向齒輪分度圓直徑d1=18.63mm,齒寬b=.齒頂圓直徑：(2-6)mm齒根圓直徑：(2-7)=mm齒條齒根高：(2-8)=mm齒輪齒頂高：(2-9)mm齒輪軸參數(shù)匯總見表2-9表2-9齒輪軸數(shù)據(jù)匯總序號項目尺寸參數(shù)(mm)1總長852齒寬3齒數(shù)74法向模數(shù)5螺旋角20°6壓力角20°7螺旋方向左旋8齒頂圓直徑9齒根圓直徑10齒條齒根高11齒輪齒頂高齒條的極限行程：齒條齒輪安裝采用交錯軸安裝，正確嚙合條件為：齒輪齒條模數(shù)mn=齒輪齒條壓力角αn=20二者法向齒距相等p因為端面齒距QUOTEpt=pn/cosβ于是QUOTEs2=s1cosβ1cos齒條端面齒距QUOTEpt2=pn2/cos齒條齒數(shù)QUOTEz2=s2/pt2=取23。則齒條最大嚙合行程s齒條參數(shù)匯總見表2-10：表2-10齒條參數(shù)匯總序號項目尺寸參數(shù)(mm)1總長5502直徑223齒數(shù)234法向模數(shù)5壓力角20°6螺旋方式右旋7齒條端面齒距82.5轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計為了讓汽車轉(zhuǎn)向輕便、靈活和精準(zhǔn)，轉(zhuǎn)向軸的內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的比例要有一定的范圍，這樣來到達(dá)汽車轉(zhuǎn)彎時做純滾動運(yùn)動，而在齒輪齒條轉(zhuǎn)向系中，我們通常用轉(zhuǎn)向梯形來實現(xiàn)。圖2-11轉(zhuǎn)向中心的不同軌跡圓1，轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)原理將轉(zhuǎn)向器齒輪齒條中齒條的水平直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)，這就是轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的基本作用，如上圖2-11所示。而為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪盡可能的做純滾動運(yùn)動，需要讓兩轉(zhuǎn)向輪繞一個共同的瞬時轉(zhuǎn)向中心轉(zhuǎn)動，而為了到達(dá)這個要求，就需要對轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確的設(shè)計。圖2-12齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向原理簡圖我們都知道齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器沒有轉(zhuǎn)向節(jié)臂和直拉桿，它的齒條左右兩側(cè)是直接鉸鏈轉(zhuǎn)向橫拉桿的，轉(zhuǎn)向橫拉桿在鉸接梯形臂，所以我們在這里把轉(zhuǎn)向梯形臂作為轉(zhuǎn)向節(jié)一部分。2，轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)尺寸的初步確定轉(zhuǎn)向梯形的基本尺寸主要有梯形臂長〔用m表示〕和梯行底角〔用θ表示〕。汽車的布置空間確定梯形臂長度，它也影響到橫拉桿軸向力受力大小。根據(jù)經(jīng)驗公式，橫拉桿軸向力〔2-10〕式中FQ——作用于轉(zhuǎn)向節(jié)上臂的力，一般情況FQ=0.5G1；G1——前軸負(fù)荷；l——縱拉桿軸向力作用力臂；l’——橫拉桿軸向力FS的作用力臂。由上式可以得出，梯形臂長度需要適當(dāng)，其長度不能太短，也不能太長，由于當(dāng)其他參數(shù)保持不變時，橫拉桿軸向力和梯形臂長m是成反比關(guān)系，隨著m減小FS增大。如果梯形臂太長，則布置起來會非常困難。3，轉(zhuǎn)向傳送機(jī)構(gòu)的臂、桿與球銷通常情況下，轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的桿件選取20、30或35號鋼制造，這些材料的特點主要是質(zhì)量小、強(qiáng)度好。各元件的連接形式選擇球形鉸接。球形鉸接有這樣一個優(yōu)點就是可以防止由于磨損產(chǎn)生的間隙。球形鉸接通常是采用彈簧把球頭與襯墊壓緊。并且需要潤滑和防塵罩。襯墊與球銷最通常的材料是合金鋼18MnTi，20CrN，或12CrNi3A，并且滲碳淬火處理，深度1.5～3.0mm，硬度到達(dá)HRC56～63。球形鉸接的殼體通常使用鋼35或40制造。4，轉(zhuǎn)向橫拉桿設(shè)計轉(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，在球頭銷上就作用了一個預(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[18]。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[19]。橫拉桿的接頭位于橫拉桿的兩端,主要作用是傳遞扭矩,使梯形臂轉(zhuǎn)動。零件有一個螺紋孔，主要作用是連接橫拉桿。還有一個內(nèi)螺紋孔，主要作用是連接梯形臂。轉(zhuǎn)向橫拉桿及接頭的尺寸設(shè)計參數(shù)如表2-13所示表2-13轉(zhuǎn)向橫拉桿及接頭的尺寸匯總序號項目尺寸參數(shù)〔mm〕1橫拉桿總長2552橫拉桿直徑163螺紋長度504外接頭總長5球頭銷總長626球頭銷螺紋公稱直徑M1017外接頭螺紋工程直徑M121.計算支撐反力在垂直面上在水平面上2.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剖面右側(cè)扭矩QUOTET=29009.05N合成彎矩，a-a剖面左側(cè)a剖面右側(cè)轉(zhuǎn)矩QUOTET=29009.05N3.判斷危險剖面顯然，a-a截面左側(cè)合成彎矩最大，扭矩為T，該截面左側(cè)可能是危險剖面。4.軸的彎扭合成強(qiáng)度校核由《機(jī)械設(shè)計》查得QUOTEσ=σ-1=90MPa,a-a截面左側(cè)W=5.軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核σψ查《機(jī)械設(shè)計》329頁附錄表1，得QUOTEKσ=3.5，KτQUOTEεσ=0.84，ετ軸經(jīng)磨削加工，查得質(zhì)量系數(shù)β=1.0，則彎曲應(yīng)力QUOTEσb=MW=應(yīng)力幅QUOTEσa=σb=79.6平均應(yīng)力σ切應(yīng)力QUOTEτT=TWT平均應(yīng)力與應(yīng)力幅為QUOTEτa=τm=安全系數(shù)查得許用安全系數(shù)QUOTES=1.3~1.5,顯然QUOTES>S,故a-a截面安全。助力系統(tǒng)的助力特性分析.1轉(zhuǎn)向盤目標(biāo)手力的分析，則認(rèn)為轉(zhuǎn)向輕便；而高速行駛時轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩不低于7.5N.m，則認(rèn)為轉(zhuǎn)向穩(wěn)定。本次設(shè)計中，方向盤的直徑定為400mm，則在低速行駛中，人手對方向盤施加的力大小為25N，高速行駛時，人手對方向盤施加的力大小為，如圖2-14所示圖2-14轉(zhuǎn)向手力圖像根據(jù)條件：助力+手力≥阻力，通過調(diào)整轉(zhuǎn)向助力電機(jī)的轉(zhuǎn)速參數(shù)和轉(zhuǎn)向器的相關(guān)參數(shù)，使得轉(zhuǎn)向助力電機(jī)提供的助力和手力能夠克服轉(zhuǎn)向阻力。.2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)計成隨著汽車行駛速度的變化而變化，并將這種助力特性稱之為車速感應(yīng)型。助力既是作用到轉(zhuǎn)向盤上的力矩的函數(shù)，同時也是車速的函數(shù)[19]。當(dāng)車速時，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。隨著車速不斷升高，助力特性曲線的位置也逐漸降低，直至車速到達(dá)最高車速為止，此時的助力強(qiáng)度已為最小，而路感強(qiáng)度到達(dá)最大[6]。本章小結(jié)本章是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計，主要內(nèi)容如下：1，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)，對主要元件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。2，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。計算結(jié)果如表2-9和表2-10所示3，由已確定的數(shù)據(jù)計算了轉(zhuǎn)向盤手力，根據(jù)轉(zhuǎn)向盤的目標(biāo)手力進(jìn)行了簡單的助力系統(tǒng)助力特性的分析。第3章轉(zhuǎn)向系的三維實體建模3.1轉(zhuǎn)向系傳動部分三維建模轉(zhuǎn)向系傳動部分主要零件主要包括左右轉(zhuǎn)向橫拉桿、左右球頭萬向節(jié)。主要操作包括零件圖中的拉伸、凸臺、凹槽、拔模斜度、倒角等基本操作。最終如圖3-1，圖3-2所示圖3-1轉(zhuǎn)向橫拉桿圖3-2球頭圖3-3球頭連件另外傳動機(jī)構(gòu)需要有防塵措施，所以左右都要添加防塵罩，如圖3-3。圖3-3球頭防塵罩防塵罩建立需要在平面圖中建立直線與曲線，在三維圖中生成旋轉(zhuǎn)體，然后在左右兩端添加凸臺。完成上述零件的建模后，便可以在裝配模塊下完成上述部分的裝配圖，如圖3-4所示圖3-4部分傳動機(jī)構(gòu)裝配圖轉(zhuǎn)向器部分三維建模：轉(zhuǎn)向器部分包括齒輪軸，齒條，這兩部分主要使用凸臺、凹槽、齒輪生成器等功能，齒條三維建模結(jié)果如圖3-5，圖3-6所示圖3-5齒條圖3-6齒輪軸這兩個零件裝配在一起如圖3-7所示圖3-7齒輪軸齒條裝配圖該部分完成后，可以完成轉(zhuǎn)向系傳動部分的裝配圖，如圖3-8所示圖3-8轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動機(jī)構(gòu)裝配圖轉(zhuǎn)向系操縱機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向系操縱包括方向盤，轉(zhuǎn)向管柱，萬向節(jié)等，方向盤不是主要零件，所以不做仔細(xì)設(shè)計。結(jié)果如圖3-9、圖3-10、圖3-11、圖3-12、圖3-13所示圖3-9上管柱圖3-10下管柱圖3-11上管柱萬向節(jié)圖3-12下管柱上端萬向節(jié)圖3-13下管柱下端萬向節(jié)完成上述零件之后，通過約束各零件配合位置可完成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱機(jī)構(gòu)裝配圖，如圖3-14所示圖3-14轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱機(jī)構(gòu)裝配圖根據(jù)以上轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)，通過約束，生成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝配圖，如圖3-15圖3-15轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝配圖3.3本章小結(jié)本章對齒輪助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了CATIA軟件的三維建模1.對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動機(jī)構(gòu)部分零件進(jìn)行了三維建模設(shè)計，并生成了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動機(jī)構(gòu)裝配圖和二維圖。2.對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱部分零件進(jìn)行了三維建模，并生成了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱部分的裝配圖和二維圖。3.完成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總裝配圖，生成部分零件的二維圖。第4章ADAMS優(yōu)化轉(zhuǎn)向梯形4.1轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化的要求汽車轉(zhuǎn)向時，外輪比內(nèi)輪的轉(zhuǎn)彎半徑大，為了減少前輪的磨損和動力損耗，左右車輪的轉(zhuǎn)向角必須有一個合理的關(guān)系。對轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化實際上就是尋找一個能夠準(zhǔn)確反映轉(zhuǎn)向系符合阿克曼特性的指標(biāo)來展開對轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化，本次以轉(zhuǎn)向前束角作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。車輪轉(zhuǎn)向角必須滿足阿克曼原理，即在汽車前輪定位都等于零、車輪為剛性的前提下，整個轉(zhuǎn)向過程中所有車輪必須圍繞同一瞬時中心轉(zhuǎn)動，可以減少車輪的磨損，如圖4-1所示。圖4-1阿克曼原理示意圖由公式(4-1)式中K——兩側(cè)主銷軸線與地面交點間的距離；L——汽車軸距θ0——θi——4.2轉(zhuǎn)向前束角的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)根據(jù)轉(zhuǎn)向前束角的計算公式(4-2) 其中 QUOTED=tanα-tanβQUOTEE=tanαtanβT則優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：〔4-3)取加權(quán)因子(4-4)QUOTEωθo=1.5(4-5)考慮到優(yōu)化的全面性和準(zhǔn)確性[2]，本課題選用第三種方法，即以轉(zhuǎn)向前束角作為優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)來完成對轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化。4.3轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化4.3.1ADAMS/Insight優(yōu)化確定參數(shù)后，進(jìn)入Insight模塊，進(jìn)行平面模型的優(yōu)化，結(jié)果如圖4-2所示圖4-2Insight模塊參數(shù)設(shè)置4.3.2轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)懸架模型建立采用平面模型數(shù)學(xué)關(guān)系建立，結(jié)果如圖4-3所示：圖4-3轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)懸架模型4.4靈敏度分析利用ADAMS/Insight分析轉(zhuǎn)向梯形關(guān)鍵點，轉(zhuǎn)向拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)連接處。結(jié)果圖5-4所示：圖4-4靈敏度分析可以看出排名前三位的是左輪轉(zhuǎn)向角OBJIECTIVE_uL、右輪轉(zhuǎn)向角OBJIECTIVE_uR、轉(zhuǎn)向節(jié)臂傳動角OBJIECTIVE_chuandongjiao。最終確定優(yōu)化變量為左輪轉(zhuǎn)向角OBJIECTIVE_uL、右輪轉(zhuǎn)向角OBJIECTIVE_uR、轉(zhuǎn)向節(jié)臂傳動角OBJIECTIVE_chuandongjiao。4.5ADAMS/ViewEvaluation優(yōu)化利用DesignEvaluation對轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)懸架模型進(jìn)行最終的優(yōu)化，優(yōu)化的指標(biāo)指定為轉(zhuǎn)向前束角優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的最小值。優(yōu)化變量為關(guān)鍵點的三維坐標(biāo)。結(jié)果如如5-5-1所示：圖4-5轉(zhuǎn)向前束角優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化結(jié)果4.6優(yōu)化前后結(jié)果比照選擇作圖參數(shù)并運(yùn)行程序，等待一段時間后，結(jié)果如圖4-6，圖4-7，圖4-8，圖4-9所示。圖4-6轉(zhuǎn)向節(jié)臂傳動角優(yōu)化前后比照圖4-7轉(zhuǎn)向前束角優(yōu)化前后比照圖4-8左輪轉(zhuǎn)向角優(yōu)化前后比照圖4-9右輪轉(zhuǎn)向角優(yōu)化前后比照優(yōu)化結(jié)果比照見下表4-10：表4-10優(yōu)化結(jié)果展示序號優(yōu)化變量優(yōu)化前數(shù)值優(yōu)化后數(shù)值1OBJECTIVE_fx2tierod_knuckle_x3tierod_knuckle_y6176144tierod_knuckle_z可以看的出來目標(biāo)函數(shù)OBJECTIVE_fx的值經(jīng)過優(yōu)化后減少了約40%，優(yōu)化結(jié)果顯著[18]。4.7本章小結(jié)本章主要利用ADAMS軟件對轉(zhuǎn)向系進(jìn)行建模