摘 要

电动助力转向系统就是在机械转向系统中,用电池作为能源, 电动机为动力, 以转向盘的转速和转矩以及车速为输入信号, 通过电子控制装置, 协助人力转向, 并获得最佳转向力特性的伺服系统。EPS汽车转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性, 对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。

电动助力转向系统主要由减速机构和转向机构组成，减速机构把电动机的输出经过减速增扭传递到动力辅助单元，实现助力。由于蜗轮蜗杆传动比大，传动平稳，噪声低，故减速机构选为蜗轮蜗杆式。由于齿轮齿条式转向器，传动平稳，结构简单故转向机构选为齿轮齿条式。

本文设计研究了电动助力转向系统，对其工作原理做了阐述，对蜗轮蜗杆减速器中的蜗轮与蜗杆做了详细的设计计算，并进行了选型。同时对齿轮齿条式转向器的结构进行分析，并对其重要零件进行了设计计算与强度校核。最后，在CATIA中进行三维建模，并用ABAQUS/CAE对齿轮齿条式转向器进行有限元分析。

关键词：助力转向；齿轮齿条；Abaqus/CAE有限元分析；

Abstract

The electric power steering system is based on the mechanical steering system. The battery is used as the energy source and the electric motor is used as the power. The steering wheel rotation speed and the torque and the vehicle speed are the input signals. The electronic control device assists the manpower steering and obtains the optimal steering force characteristics. Servo system. The performance of the EPS car steering system directly affects the steering stability of the car, and plays an important role in ensuring the safe driving of the vehicle, reducing traffic accidents, protecting the personal safety of the driver, and improving the working conditions of the driver.

The electric power steering system is mainly composed of a deceleration mechanism and a steering mechanism. The deceleration mechanism transmits the output of the motor through a deceleration increasing torque to a power assisting unit to achieve power assistance. Due to the large worm gear ratio and smooth transmission noise, the reduction mechanism was selected as a worm gear. Due to the rack and pinion steering gear, the transmission is stable and the structure is simple. Therefore, the steering mechanism is selected as a rack and pinion type.

This article designed and researched the electric power steering system and elaborated its working principle. The worm gear and worm gear in the worm gear reducer were designed and calculated in detail and selected. At the same time, the structure of the rack and pinion steering gear is analyzed, and the design and calculation of its important parts and the strength check are carried out. Finally, three-dimensional modeling was performed in CATIA, and ABAQUS/CAE was used for the finite element analysis of the rack and pinion steering gear.

Key Words： Power steering; electric motor; Abaqus/CAE finite element analysis;

目录

第1章 绪 论 1

1.1 汽车的发展趋势 1

1.2 电动助力转向系统的发展现状与趋势 1

1.3 电动助力转向系统的目的和意义 2

1.4 研究的主要内容 2

第2章 对电动助力转向系统基本参数的确定 3

2.1 电动助力转向系统基本情况的介绍 3

2.1.1 电动助力转向系统构成分析及其工作过程 3

2.2 电动机的相关介绍及其计算 6

2.2.1 电动机的基本介绍 6

2.2.2 电动机的参数计算 6

第3章 对EPS系统减速构造的分析和计算 9

3.1对减速机构的基本介绍及其类型的选定 9

3.2 对减速机构材料的说明 10

3.3关于蜗杆部分的分析、设计及校核 10

3.3.1 基本目的 10

3.3.2 对蜗杆工作形式的分析选择 10

3.3.3 对蜗杆具体参数的分析计算 11

3.3.4 对蜗轮蜗杆外形尺寸的分析计算 12

3.4 对蜗轮的受力计算以及其校验 14

3.5 本章小结 15

第4章 对减速机构轴及轴承的确定 16

4.1 关于轴的简要说明 16

4.2 关于转向轴的分析计算 16

4.2.1 转向轴参数的确定 16

4.2.2 关于转向轴的受力计算 18

4.3 关于蜗杆轴的参数确定及分析 21

4.3.1 对蜗杆轴数据的计算 21

4.3.2 对蜗杆轴上键的计算说明 21

4.3.3 关于蜗杆轴的受力计算 22

4.4 对轴承的计算说明与确定 24

4.4.1 关于轴承的介绍与确定 24

4.4.2 对轴承的受力分析及计算 24

4.5 本章小结 26

第5章 关于齿轮齿条式转向器的说明及其参数的确定 26

5.1对齿轮齿条式转向器的简要说明 26

5.1.1 关于齿条的说明 26

5.1.2 关于齿轮的说明 26

5.1.3 设计要求 26

5.2 对齿轮齿条的分析确定及相关计算 27

5.2.1 关于齿轮齿条材料的确定 27

5.2.2 对齿轮齿条受力的计算 27

5.2.3 关于齿轮的数据计算 28

5.2.4 对齿轮外形尺寸的计算 29

5.2.5 关于齿轮的受力分析及校验 30

5.3 关于轴的参数确定 32

5.3.1 对轴的计算分析 32

5.3.2 对轴受力计算分析 32

5.3.3 对两个轴承确定 33

5.3 在ABAQUS／CAE软件下进行的齿轮齿条有限元分析 34

5.4 本章小结 37

结 论 38

致 谢 40

第1章 绪 论

1.1 汽车的发展趋势

世界汽车产业从十九世纪八十年代第一辆汽车诞生到现在，已经走过了一段漫长而又辉煌的历程。1920年开始，汽车产业规模迅速扩大，全球汽车生产销售年年猛增，尤其是在二战中汽车技术的进一步革新大大的推动了汽车产业的快速发展。到如今，汽车产业已经成为了世界上规模最大、最重要的产业之一，世界上很多国家的支柱产业已经成为了汽车产业，一个国家的整体实力很大程度上与汽车工业的发展处于一个相当的地位。如今，我们国家实力越来越强大的同时，汽车行业发展同样迅速，连续多年产销位居全球第一。然而，汽车行业这样的工业飞速发展的同时不可避免地会产生了一些诸如污染，能源消耗等问题。随着人们对汽车行业的重视，自动驾驶、电动汽车等将成为未来汽车发展的重要方向。

1.2 电动助力转向系统的发展现状与趋势

EPS在日本最先获得了实际应用，1988 年2 月， EPS在铃木公司Cervo 车上第一次向世人展示了它无与伦比的作用, 随后在Alto 车上也采用了。在这之后，EPS技术进入到了一个飞速发展的阶段。世界上众多发达国家的汽车公司相继将眼光投向电动助力转向系统，相继开发出了其自己的EPS。其中著名的有美国的天合汽车集团、德尔福汽车系统公司、日本的三菱汽车、本田汽车公司、大发汽车以及德国的采埃孚公司等。许多公司都在自家的轿车上装配了EPS，例如: 三菱汽车公司的Minica 车型; 大发汽车公司的Mi2ra 车型 , 本田汽车公司的Accord 车型等等。

天合汽车公司从1998 年开始, 在意识到了EPS 的重要性后，投入了大量的资金以及人力物力在EPS的开发上。相继在客车转向柱助力式EPS以及后面的小齿轮助力式EPS上取得了很好的突破。到1999 年3 月,天合公司的的EPS 已经出现在了众多轿车上, 比如Mazda 323F 、Ford Fiesta等 。为了成为全球EPS 制造商，西门子和梅赛德斯奔驰两大公司共同斥巨资用于联合开发EPS ，以便能在汽车EPS市场上分一杯羹。前桥负荷较大的车型是他们计划开发的对象，同时EPS也有可能应用于货车上。然而我们国家一直到2002 年才慢慢走上研发EPS的道路, 目前为止，主要有13 家科研院校和企业在大力研究EPS。但是大多数都处于最初的开发阶段，市场上基本看不到，仅有南摩股份有限公司的转向柱式EPS在2003 年开始进行了小批量生产。

EPS的性能是毋庸置疑的，但目前主要还是应用在一些小排量的轻型轿车上。不过，随着EPS技术的进步， 其控制信号从单一的车速、扭矩，增加到了转向角、横向加速度等多种信号的共同控制，使得EPS能得到更加精确的信号，能做出更加准确的反映。同时４２V电源的应用和电机技术的进步，使得系统能提供的助力将进一步增大，一些轻型车和中型车也将会成为EPS的应用对象。

1.3 电动助力转向系统的目的和意义

随着整个行业的发展，人们生活水平的提高，汽车开始走向普通大众的家中，使得人们对于汽车要求逐渐升高，EPS系统也成了人们衡量一辆车的重要标准， EPS系统在广大的市场需求中也占有一席之地。所谓电动转向( EPS) , 就是通过电子控制装置，以车速以及转向盘的转速和转矩作为信息，用电动机作为辅助动力，在传统的机械转向系统的基础上,通过增加转向时的力矩辅助人力进行转向。EPS能在汽车高速运行转向时, 加大转向阻力, 增强了驾驶员对路面的感知， 从而提高了汽车的操纵稳定性；在汽车低速运行转向时，减小转向阻力，使得转向操作更加轻便、灵活 。从而，可以看出，在保护驾驶员的人身安全、减少交通事故以及确保车辆的安全行驶方面，EPS都起着重要的作用，同时也直接影响了汽车的操纵稳定性。

1.4 研究的主要内容

1、确定电动助力转向系统的布置形式。

2、电动机、电磁离合器、扭矩传感器的选取。

3、设计蜗轮蜗杆减速机构。

4、设计齿轮齿条式转向器。

第2章 对电动助力转向系统基本参数的确定

2.1 电动助力转向系统基本情况的介绍

2.1.1 电动助力转向系统构成分析及其工作过程

　　EPS是一个非常复杂的系统，总的来说，其构成主要有ECU、车速，扭矩传感器、电机和减速机构。它的工作过程大致如下：扭矩传感器检测到方向盘处传来的力矩以及方向，然后将信号传送至ECU，ECU通过分析发出命令，使电机根据需要输出相应的转矩产生辅助动力，实现动力转向的实时控制。不转向的时候, EPS将处于休眠状态，同时使得汽车能耗也会有所降低。

图2.1 EPS构成图