摘 要

转向系统是汽车正常行驶状态下必不可少的部件，其性能也决定了汽车的可靠性、安全性及驾驶舒适性，随着技术的不断更新，转向系统的机械结构已经趋于成熟，伴随电子设备在汽车上逐步得到应用，电动助力转向系统的研究也得以深入，应用也更加广泛。^[1]汽车电动助力转向通过电机为转向器提供转向助力，并保证在车速不同的时候改变力矩的大小，以满足转向轻便与转向灵敏在不同车速下的需要。^[4]对比电动助力转向系统，电动助力转向系统则更加节能，在无助力需要的情况下不需要消耗额外的能量，并且电能作为清洁能源，能源消耗小，同时电动助力转向系统结构简单，质量轻便，显著提高汽车动态与静态性能，因此电动助力转向系统的研究也得到了广泛关注。^[6]

凯迪拉克ATS-L是美国通用汽车集团旗下的豪车品牌凯迪拉克的一款B级车，在这款车型当中，电动助力转向系统构成的主要部件有车速传感器、扭矩传感器、电子控制单元（Electronic Control Unit，简称ECU）、无刷直流电机以及减速机构等。根据车速、转向力矩等信号，通过所设定的程序对电机进行控制，实现电动助力转向。^[2]本内容包括对电动助力转向系统的组成与工作原理进行介绍、对减速机构与齿轮齿条进行设计计算与校核。

关键字：电动助力；减速器；转向器；校核

Abstract

Steering system is the normal running of the automobile state essential components, its performance also determines the automobile reliability, safety and driving comfort, with technology constantly updated to the mechanical structure of the system has become more and more mature, with electronic equipment in the car gradually applied to, the electric power steering system research and application is more and more extensive. The motor provides the power steering steering device for automobile electric power steering, and ensure the torque speed change in different size, to meet the needs of portable steering and steering sensitivity at different speeds. And hydraulic power steering system, compared, electric power steering system does not require engine to provide energy and electric energy as a clean energy, energy consumption is small, and the electric power steering system has the advantages of simple structure, light weight, improve vehicle dynamic and static characteristics, the electric power steering system research has also been widespread concern.

Cadillac ats-l is American General Motors Group's luxury car brand Cadillac,a B class car. In this car, the main components of electric power steering system with speed sensor and torque sensor, electronic control unit (electronic control unit, or simply an ECU), no brush DC motor and reducer. According to the vehicle speed and steering torque signal to control the motor through the program, implementation of electric power steering. The contents include the composition and working principle of electric power steering system was introduced, the design calculation and check of the retarding mechanism and the gear rack.

Key Words: electric power steering system; reducer; steering gear;analysis

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1汽车电子发展趋势 1

1.2汽车电动助力转向系统的发展与研究 1

1.3 汽车电动助力转向系统设计的目的及意义 5

1.4 本章小结 5

第二章 电动助力转向系统电气设备选择及参数确定 6

2.1 电动助力转向系统介绍 6

2.1.1电动助力转向系统的组成及工作原理 6

2.1.2电动助力转向系统的类型 6

2.1.3 利用ADAMS分析转向器工作过程所需的转向力变化 8

2.2 助力电机的选定 9

2.2.1 电动机介绍 9

2.2.2 电动机参数确定 9

2.3 方向盘扭矩传感器选择 10

2.4 车速传感器确定 11

2.5 电磁离合器选择 11

2.6 本章小结 12

第二章 电动助力转向系统减速机构的参数设计 13

3.1减速机构的选择与布置形式确定 13

3.2蜗轮蜗杆材料选择 13

3.3 涡轮蜗杆传动的主要参数及几何尺寸设计与校核 13

3.3.1蜗轮蜗杆设计要求 13

3.3.2确定蜗杆传动类型 14

3.3.3蜗杆模数及分度圆直径确定 14

3.3.4涡轮蜗杆的主要参数及几何尺寸确定 14

3.3.5蜗轮齿根接触疲劳强度的校核 16

3.4本章小结 17

第四章 减速系统轴与轴承的计算与校核 18

4.1轴的介绍 18

4.2转向轴的设计与校核 18

4.3蜗杆轴的设计与校核 21

4.4轴承的选定与校核 24

4.5本章小结 26

第五章 齿轮齿条转向器的设计计算 27

5.1齿轮齿条转向器的概述 27

5.1.1齿轮齿条转向器的介绍 27

5.1.2齿轮齿条转向器的设计要求 27

5.2齿轮齿条材料选择与参数确定 27

5.2.1齿轮齿条材料选择 27

5.2.2 主动齿轮轴直径的计算 27

5.2.3齿轮轴结构的强度校核 28

5.2.4 齿条参数设计 29

5.2.5 齿条结构的强度校核 30

5.2本章小结 32

第六章 利用MATLAB进行转向梯形优化 33

6.1转向梯形工作原理 33

6.2利用MATLAB进行转向梯形优化 34

6.2.1 整体式转向机构数学模型 34

6.2.2 利用MATLAB进行程序编写 35

6.3本章小结 36

参考文献 38

致谢 40

绪论

随着汽车工业的不断发展，技术人员对汽车的研究在满足人们基本驾驶需求的同时，也不断提高驾驶舒适性，朝着环境保护、节能方面发展。

1.1汽车电子发展趋势

在电子设备不断更新换代的今天，装载于汽车上的电子及电气设备系统的成本普遍占到了汽车整车的25%至30%。从制造厂与消费者购买重心可以看出，未来汽车电子将逐渐往系统化、高度集成化、智能化方向发展。这其中不仅仅是包括电动助力转向系统在内的操纵性的提升，还有汽车安全性的提高、节能减排与经济性的改善。^[3]

1.2汽车电动助力转向系统的发展与研究

电动助力转向系统由日本铃木公司于20世纪80年代首次开发，日本的三菱汽车公司、大发公司及本田汽车公司也紧随其后制造出适合各自车型的EPS。日本精工也因此成为世界当仁不让最大的EPS生产厂，占到了全球的30%，全球美国Delphi公司、TRW公司等其他公司也已经成功研制出自己的EPS系统，在市场需求与公司之间的研发竞争下，促进了EPS技术的飞速发展，经历了30多年的风雨历程，EPS技术不断地改进与优化，可靠性稳定性逐渐提高，应用范围也不再局限于于微型轿车，向负荷较大的中高档型轿车搭载发展，使其运用得到进一步推广。^[5]

目前2000万的产销已不再可望而不可即， 1.6排量以下的中小型汽车是国内开发的EPS系统的主要搭载车型，同时1.6排量以下的汽车约占70%左右，因此其市场发展可想而知，研究方向包括分析控制策略中的三个关键模块:助力计算模块、助力电机控制单元以及方向盘自动回正模块的作用。^[9]在建立电动助力转向系统的整车动力学模型时依靠虚拟样机软件、协调转向轻便性和路感之间的矛盾。人们对车用传感器不断研究,更新的主要原因是其目前要求使用环境较好，同时对成本与稳定性之间需要进行协调统一。