摘 要

电动助力转向系统是在原本的机械转向系统上附加上一个电机输出电能转化为机械能实现助力作用。很大程度上是依靠电子控制装置，将电能转化为机械能来帮助驾驶员完成转向任务，以此获得转向轻便性。电动助力转向系统是由控制部分，执行部分和程序三部分组成。电动助力转向系统是一种目前正在大力研究与发展并逐步完善成熟的转向系统。助力转向的意义在于能够显著提高汽车的各项性能，提升驾驶员在行驶过程中的乘坐舒适性和驾驶舒适性，并能适当减轻环境污染。不仅制造成本低，减少能源的消耗，而且在环境污染方面也大大减轻，并且能够保证车辆行驶过程中在各种工况下都能提供助力转向，大大提升了行驶安全性，装配简单，操纵轻便，提升了行驶稳定性。

电动助力转向系统是一种集机械传动与电机助力于一体的汽车转向系统。

本文主要涉及别克英朗7152型汽车电动助力转向系统的研究，包括方向盘，转向轴，齿轮齿条转向器的设计与校核等并利用CATIA和CAD软件进行工程制图工作。

关键词：电动助力转向系统；转向轴；齿轮齿条转向器；

Abstract

The electric power steering system adds a motor output power to the mechanical energy on the original mechanical steering system to assist the power. To a large extent, it relies on electronic control devices to transform electrical energy into mechanical energy to help drivers complete their steering tasks, so as to obtain steering portability. It mainly uses electronic control devices to help drivers turn to get the best steering force characteristics. The electric power steering system uses the power generated by the motor to assist the driver in the power steering. The electric power steering system consists of three parts: control part, execution part and procedure. Automotive electric power steering system is a new system that helps drivers turn to the forefront of technology. The significance of the power steering is that it can significantly improve the performance of the car, improve the driver's ride comfort and driving comfort in the course of driving, and reduce the environmental pollution properly. Electric power steering system is a trend in the future development of vehicle steering system. Not only is the cost of the manufacturing low, the energy consumption is reduced, but also the environmental pollution is greatly reduced, and it can guarantee the power steering in all the working conditions, which greatly improves the driving safety, the assembly is simple, the manipulation is light, and the stability of the driving is improved.

Electric power steering system is a vehicle steering system that combines mechanical transmission and motor assistance.

This paper mainly deals with the research on the electric power steering system of Buick 7152 type automobile, including the design and checking of the steering wheel, the steering axis, the gear and rack steering gear and the drawing of the three-dimensional and two-dimensional maps using the software of CATIA and CAD.

Key words: electric power steering system; rack and pinion steering gear;

目录

摘 要 I

第1章 绪论 1

1.1转向系统简介 1

1.1.1 转向系的设计要求 1

1.2 EPS的特点及发展现状 2

1.2.1 EPS的特点 2

1.3本课题的研究目的及意义 2

1.4 本章小结 3

第2章 电动助力转向系统的组成 4

2.1电动助力转向系统的机理及类型 4

2.1.1电动助力转向系统的类型 5

2.2电动助力转向系统的各主要组成部件部件及其选型 7

2.3电动助力转向特性 10

2.4 本章小结 11

第3章 电动助力转向系设计方案选定 12

3.1 车辆相关数据及设计要求 12

3.2转向轴的设计和校核 12

3.2.1 转向轴的设计 12

3.2.2 转向轴的校核 14

3.3齿轮齿条式转向器的设计 16

3.3.1转向轮侧偏角计算 16

3.3.2 转向器转向阻力矩的计算 17

3.3.3 计算转向器的角传动比和力传动比 18

3.3.4齿轮齿条的设计 20

3.3.5转向横拉杆的运动分析介绍 26

3.3.6齿轮齿条传动受力分析 27

3.3.7齿轮轴的强度校核 28

3.4 本章小结 30

第4章 结 论 31

参考文献 32

附录A 33

附录B 35

致 谢 37

第1章 绪论

1.1转向系统简介

汽车的转向是汽车根据驾驶者操纵手中的方向盘按照自己的想法改变汽车行驶方向的过程。在车轮式汽车的情况下，为了使汽车能够转变行驶方向是通过一个特定的机构，那就是汽车转向轴（一般情形下位于前桥）的前桥上的车轮相对于车辆的纵向轴线以与方向盘转动角度成一定比例的角度偏转。 当车辆在路面上沿着直线行驶时，方向盘通常受到路面各种摩擦力的影响，并自行发生偏转以改变原本的直线行驶方向。驾驶员也可以利用这种操纵机构使汽车恢复到原来的行驶方向。这种能够改变或恢复驾驶时行驶方向的特定机构被称之为汽车转向系统。

机械转向系统是依靠驾驶员的人力作为转向能源，并且转向力的各传递部件都是机械的。转向系统是组成汽车的几大系统之一，并且对于汽车的行驶安全性和舒适性稳定性起着至关重要的作用。随着近些年来转向系统技术的不断完善和发展，电动助力转向系统(简称EPS：Electric Power Steering)拥有着许多传统机械转向系统所不具备的优点，因此电动助力转向系统在如今的市场中被广泛的运用，正在逐步的撼动传统转向系统的地位。

1.1.1 转向系的设计要求

（1）保证汽车具有高的机动性.

（2）内，外转向轮转向时转动的角度应确保车辆在转弯时，所有车轮都绕同一个瞬时转弯中心转动，并且不会发生侧滑现象。

（3）操纵轻便。

（4）保证方向盘与方向盘转角之间的存在一定的运动学和力学关系。

（5）转向后转向盘能自动回正。

（6）转向轮遇到在行驶时遭遇到障碍后，从转向轮传递给转向盘的反向冲击应当尽可能力很小。

（7）转向传动机构与悬架导向机构二者之间应减量避免产生运动干涉。

（8）应尽量减小转向器和转向传动机构之间因磨损而产生的间隙。

1.2 EPS的特点及发展现状

1.2.1 EPS的特点

（1）适应性强，可根据不同型号选用和定制电动助力转向管柱和控制器。

（2）结构紧凑。所用空间小，能降低噪声。

（3）汽车低速行驶时转向轻便，高速时转向稳定性好，性能良好。

（4）可靠性高，提高安全性和轻便性。

（5）具有自诊断和安全控制功能。

（6）只有驾驶员在进行转向操作时电动机才会提供电力助力，减少能量损耗。

1.2.2 EPS发展现状

早在上世纪末期，国内外便在发展探索和研究电动助力，花费了不少的人力和物力，并且已经取得十分丰硕的成果，主要在轿车上得到了应用。近些年来，电动助力转向技术的研究正在逐步完善和成熟，不少的汽车上都配备有电动助力转向，且数量正在呈现上升趋势。从现阶段电动助力转向系统研究与实施应用的发展趋势来看，未来的汽车的转向控制信号也会不仅仅依赖于汽车的车速和扭矩信号。正好与之相反，依赖的将会是与汽车转向特性相一致的各种信号，如转向时车轮转过的转向角，转向速度，横向加速度以及前轴重力等等，以此来获得更好的转向舒适度。经过近些年国内外研究人员的不懈努力，EPS技术正在逐步成熟和完善，不仅仅是应用在最初的微型车上并且还朝着普通轿车和商用乘用车上发展。由于国内的各种车型在使用中需要考虑的实际情况和使用特殊性，因此国外的EPS和国产汽车在相匹配与实际使用方面存在许多问题。从开始研究电动助力转向到现在，目前还没有与国内汽车相匹配的并且拥有自主知识产权的EPS。目前我国掌握的有关电动助力转向技术数据比较少，还处在研究阶段。电动助力转向系统在未来一定会是动力转向系统发展的大方向。

1.3本课题的研究目的及意义

转向系统是汽车行驶系统中的不可或缺的组成。随着现如今科学技术的大力发展以及人类对于环境保护意识的提高，在对汽车的环保和节能方面的要求也日渐提高，如果依旧采取传统的液压动力转向，则系统的能源消耗和环境污染等方面的问题也日益突出，已经无法满足现今时代发展的需求。EPS汽车转向系统对汽车的操纵稳定性有着直接的影响，并对汽车的安全驾驶起着一定的保护作用。能够有效程度减少交通事故，对驾驶员以及乘客的安全起着至关重要的保护作用，并能够改善驾驶员的工作条件。EPS可以降低汽车在低转速转弯时所需的转向力，使转向更加轻便;当汽车以较高速度行驶转向时，适时提高转向力，从而增加高速转向的行驶操纵稳定性并相应提高驾驶员的道路感。 不仅如此，EPS能耗还不到HPS能耗的三分之一，前者使整车燃料消耗量比后者降低3％-5％。此外，EPS能够节省不少燃料，提高操纵稳定性和主动行驶安全性，并且在环境保护方面有良好的作用。 本次设计的课题将沿着这个方向对车辆电动助力转向系统进行研究，并通过适当的综合控制方法设计出合适的助力转向系统。要想进一步深入的研究EPS，必须以提高汽车转向系统的操纵稳定性和路面感觉为前提。电动助力转向系统在现代汽车转向系统中应用的越来越多，发展EPS是大势所趋。我们理应当加大力度来进行对电动助力转向系统的研究。

1.4 本章小结

本章主要介绍了转向系统的各个组成部分和各部件设计所需的要求，以及电动助力转向系统的性能特点，优点和国内外对其研究发展的现状，并相对简略的介绍了本课题别克英朗7152型电动助力转向系统研究的意义。

第2章 电动助力转向系统的组成

2.1电动助力转向系统的机理及类型

随着这些年科学技术的大力发展，电动助力转向系统被越来越多的应用在普通轿车和微型商用车上，发展的前景十分的广阔。电动助力转向机构的组成主要包括转矩传感器，车速传感器，电子控制单元（ECU），电动机以及减速机构等等。电动助力转向系统的工作原理是:当汽车按照驾驶员的意愿进行转弯时，传感器测得相对应的速度等数字信号，并将得到的数字信号将通过数据总线发送给电子控制单元。电机随后根据电子控制单元发出的信号输出相对应的转矩，经过减速机构输出动力，从而实现辅助转向轴进行转向的工作。如果直线行驶不需要进行转向操作时，系统将会处于停止工作状态，有效的节省了能量消耗。

图2.1 电动助力转向系组成部分

齿轮齿条式转向器被越来越多的应用于各车企乘用车电动助力转向系统中。 除了方向盘的转矩和运动之外，该功能还具有增加转矩和降低转速的作用。在汽车按照驾驶员意愿转向过程中，电动机将电能转换为机械能通过减速机构输出到转向轴形成转矩，辅助完成转向功能。一般情形下，与电机相连接的减速机构多为蜗轮蜗杆，滚珠螺杠螺母或行星齿轮机构，其功用是为了降速增矩。离合器（多用电磁离合器）一般是与减速机构相连接，作用在于保证电动转向器的工作范围在特定的行驶速度内。当车辆的行驶速度达到某一特定值时，离合器便会自动分离，并且电动机的输出电能作用也会相应地切断。当电机发生未知故障停止工作时，离合器会处于断开状态，确保行驶过程中的车辆稳定性。

图2.2电磁离合器图

上述是电磁离合器的工作原理示意图。电磁吸力由主动轮产生并且带有磁化线圈，压盘被吸到驱动轮上，然后电机输出的动力依次经过主动轮，压盘和压板盘上的花键传递给从动轴，辅助实现助力作用。

当汽车以较高的速度转向行驶时，此时作用在方向盘上的力矩将逐渐变小直至无需任何辅助实现助力转向。 此时可设定：当速度达到某特定值时，电磁离合器将不再进行工作。当电机停止工作时，电磁离合器也务必停止工作强制进行分离。随后的转向将不再进行助力作用，直到电机恢复使用。

2.1.1电动助力转向系统的类型

通常情形下可以参照电动机减速机构的不同形式以及电机不同的布置位置来将不同类型的电动助力转向系统进行划分。

电动助力转向系统可参照电机的不同布置位置将其分为三种:如下所示，转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式。

图2.3电动助力转向系统的类型

电动助力转向系统一般情况下都配备有减速机构，并且电机输出的转矩通过减速机构输出到转向轴进行减速增矩来实现帮助驾驶员使其转向操作轻便。根据汽车上不同结构形式的转向器，又可电动助力转向系统可以分为：循环球螺母式（图2.4），蜗轮蜗杆式（图2.5），齿轮齿条式（图2.6）三种。

图2.4循环球式转向器 图2.5 蜗杆曲柄销式转向器

图2.6齿轮齿条式转向器

2.2电动助力转向系统的各主要组成部件部件及其选型

组成电动助力转向系统的几个部分包括转向操纵机构、转向传动机构、转向器、电机、传感器、减速机构和电子控制单元ECU等。

1）电动机

电动机是一种能够输出电能并将电能转化为机械能的设备，通常是由转角传感器，定子和转子组成。本次设计的7152型电动助力转向系统的设计采用的类型是转向轴助力式，电机和减速机构与转向管柱相连接，通过电机输出电能转化为机械能并经过减速机构输出转矩到转向柱上，完成助力作用。电机是电动助力转向系统中的一个重要动力能量来源。它对EPS的整体性能具有很大的影响，因此它必须具备良好的调速特性，随动特性以及易于控制。不仅如此，电机还需要具有输出能量时波动小，转矩高，转动惯量尽可能小，体积小，质量轻等特点。由于需要的要求较多，因此无刷式永磁直流电动机成为首选，广泛被使用。电动机转子外表面通常做成斜槽或者螺旋槽以此来提高控制感，减少噪音和振动。定子磁体经常通过改变定子磁体中心或端部的厚度来设计成不等的厚度。由设计任务书上的公式有：

= （2.1）

式中 取摩擦系数f=0.7。

前轴满载895kg.

轮胎气压p=0.24MPa(一般为0.2~0.24MPa).

===391.241

作用在方向盘上的手力

= （2.2）

===143.0N

由于采用的是齿条齿轮式转向传动装置，因此没有转向摇臂，故不代入数值进行计算。对于已知的某一车型汽车，用上述公式计算得出的力是最大的。 因此可以使用该值作为计算载荷。

T=Fh （2.3）

T=Fh=143.0190=27170N·mm

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