電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計與分析

電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計與分析 摘要 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(ElectroHydraulic Power Steering System簡稱EHPS)是集液壓助力轉(zhuǎn)向和電動助力轉(zhuǎn)向的于一體，采用直流電機驅(qū)動液壓助力轉(zhuǎn)向油泵，就算轉(zhuǎn)向助力與發(fā)動機轉(zhuǎn)速無關(guān)，也可根據(jù)汽車的轉(zhuǎn)向需要提供動力，又發(fā)揮液壓驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)勢，由于有液壓系統(tǒng)的存在，提高了轉(zhuǎn)向平順感覺，衰減道路沖擊，提高了駕駛的舒適性和安全性。目前國內(nèi)外小型汽車上主要用的都是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向器式是將司機對轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動變?yōu)榛螨X條沿轉(zhuǎn)向車軸軸向的移動，并按照一定的角傳動比和力傳動比進行傳遞的機構(gòu)。其基本結(jié)構(gòu)是一對相互嚙合的小齒輪和齒條。轉(zhuǎn)向軸帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)時，齒條便做直線運動。有時，靠齒條來直接帶動橫拉桿，就可使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向。所以，這是一種最簡單的轉(zhuǎn)向器。它具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、質(zhì)量輕、剛度大、轉(zhuǎn)向靈敏、制造容易。成本低，正、逆效率都高一級便于布置等優(yōu)點，而且特別適合于在、燭式和麥弗遜式懸架配用，因此，目前它在轎車和微型、輕型貨車上得到了廣泛的應(yīng)用。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了簡單的設(shè)計，并對主要傳向機構(gòu)-齒輪齒條傳動機構(gòu)進行了詳細的設(shè)計與分析，在此基礎(chǔ)上，對其進行了優(yōu)化分析。關(guān)鍵詞：電動液壓助力轉(zhuǎn)向 直流電機 液壓系統(tǒng) 齒輪齒條Design and analysis of electro-hydraulic power steering system【Abstract】 Electro hydraulic power steering system(EHPS)，which uses DC motor to drive oil pump，sets the advantages of hydraulic power steering system and electric power steering system(EPS)inoneIt not only makes steering assist power have nothing to do with vehicle speed and provides assist power according to the steering requirements but also make full use of advantage of hydraulic driving system great energy densityDue to the existence of HPS steering feel is improved and the impact of the road attenuated SO that comfor of steering feel and safety are improvedRack and pinion steering gear steering gear type is the driver of the steering wheel or the rack into the rotation axial movement along the steering axle and gear ratio in accordance with a certain angle and the force transmission ratio for delivery institutions.Its basic structure is a pair of small gears meshing with each other and the rack. Rotating shaft driven pinion steering, the rack will do linear motion. Low cost, and inverse efficiency of all the advantages of a high level of ease of layout, but is especially good at, candle, and McPherson suspension with use, therefore, present it in the car and micro, light goods vehicle which has been widely aplied.Based on the previous research,combination of the electric power steering system and hydraulic steering system，make a simple design for the electric hydraulic power steering system ,then designed and analyzed in detail for the main spread to the body - gear rack mechanism,on this basis, has carried on the optimization analysis.【Key Words】：electro-hydraulic power steering DC motor hydraulic system rack and pinion目錄1 緒論61.1 汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介61.2 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理81.3 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀91.3.1電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國外研究進展91.3.2國內(nèi)發(fā)展電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所開展的工作101.4 本課題研究的目的和意義102 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體組成122.1 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機理及類型122.1.1 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機理122.1.2 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類122.2 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體框架142.3 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成部件的選取142.3.1 電動機152.3.2 齒輪泵152.3.3 轉(zhuǎn)向角速度傳感器162.3.4 轉(zhuǎn)向控制單元163 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計173.1 EHPS系統(tǒng)的設(shè)計方法173.2 轉(zhuǎn)向器的介紹183.3 齒輪齒條式式轉(zhuǎn)向器設(shè)計計算203.3.1參數(shù)選擇203.3.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計與計算203.3.3轉(zhuǎn)向系計算載荷的確定20 3.3.4 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計21 3.4 本章小結(jié)364 EHPS 系統(tǒng)電動機控制策略的研究174.1 永磁無刷直流電機的工作原理374.2 EHPS 永磁無刷直流電機的結(jié)構(gòu)374.3 電機的驅(qū)動電路及續(xù)流原理374.4 EHPS 系統(tǒng)無刷直流電機控制策略分析384.4.1 換相控制原理384.4.2 調(diào)速控制原理394.5 數(shù)字 PID 控制的實現(xiàn)404.5.1 電流的檢測和計算404.5.2 速度的檢測和計算404.5.3 雙閉環(huán)系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能414.6 本章小結(jié)415 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的優(yōu)化分析435.1 結(jié)構(gòu)與布置435.2 用解析法求內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系435.3 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計455.3.1 目標(biāo)函數(shù)的建立455.3.2 設(shè)計變量與約束條件465.4 本章小結(jié)486 總結(jié)48致 謝49參考文獻511 緒論1.1汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介 Francis WDavis在1920年發(fā)明了第一個助力轉(zhuǎn)向單元，1951年被應(yīng)用在乘用車上。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，市場上目前有幾種不同的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。最常用的是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HPS)，最近微型車越來越多采用的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)以及僅僅出現(xiàn)在概念車上的線控轉(zhuǎn)向系(SteeringByWire)。在I-IPS系統(tǒng)向EPS發(fā)展的過程中，出現(xiàn)了在現(xiàn)有成熟的HPS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上借助用電機代替發(fā)動機驅(qū)動轉(zhuǎn)向油泵工作的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，即電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EHPS)。以上四種助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點如下：液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是利用發(fā)動機帶動轉(zhuǎn)向油泵工作，油泵的流量隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加而增加，液壓油流入其中的一個缸，另一個缸則有一部分液壓油回流，利用助力缸兩腔之間產(chǎn)生了壓力差，從而產(chǎn)生助力。對于車輛來說，HPS系統(tǒng)存在三個方面的不足：HPS系統(tǒng)是按轉(zhuǎn)向阻力最大的泊車工況設(shè)計的，而汽車高速行駛時轉(zhuǎn)向阻力顯著下降，需要操縱力變小，易出現(xiàn)駕駛員路感下降的現(xiàn)象，降低高速行駛操縱仕能；95以上的汽車行駛里程是直線行駛，直線行駛時不需要轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作，而HPS系統(tǒng)的油泵始終在發(fā)動機驅(qū)動下輸出液壓能，白白消耗能量。另外，HPS系統(tǒng)主要是按照克服低速泊車時的最大轉(zhuǎn)向阻力，保證輕便轉(zhuǎn)向設(shè)計的。低速泊車時發(fā)動機轉(zhuǎn)速在500-一800rmin范圍，而當(dāng)汽車中、高速行駛時，發(fā)動機以怠速的3-一8倍轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，但此時，所需要的轉(zhuǎn)向阻力下降，發(fā)動機卻驅(qū)動油泵高速運轉(zhuǎn)，輸出流量數(shù)倍于泊車工況，輸出液壓能遠遠超出需要，浪費了許多能量。HPS系統(tǒng)由發(fā)動機驅(qū)動油泵提供動力，液壓管路會引起振動噪聲以及響應(yīng)滯后等動力學(xué)問題。電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上使用電機代替發(fā)動機驅(qū)動轉(zhuǎn)向油泵工作。它通過ECU控制電機轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)速越高，油泵的流量和壓力越大，提供的助力就越大。這樣通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速就可以實現(xiàn)可變助力。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則是取消了液壓部分，由獨立于發(fā)動機的蓄電池提供動力帶動電機，根據(jù)不同行駛條件通過ECU傳送給電動機一個合適的電流以產(chǎn)生適合工況的轉(zhuǎn)向助力。目前EPS是最節(jié)能的，但是目前使用的是有刷直流電機，壽命相對較短，僅僅適用于輕型轎車，并且由于其取消了液壓部分，在轉(zhuǎn)向感覺平順以及衰減道路沖擊方面存在不足。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消方向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機械連接，用電能實現(xiàn)全動力轉(zhuǎn)向，但現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)出于可靠性和安全性的考慮，不允許采用全動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，所以沒有批量生產(chǎn)。駕駛一輛車實際上是一個閉環(huán)系統(tǒng)，駕駛員是控制器而轉(zhuǎn)向單元是激勵。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換到車輪轉(zhuǎn)角，此操作改變了車輛的行進方向。作為主要的參考，駕駛員采用視覺信息將車?？吭诼愤叄{駛員也通過轉(zhuǎn)向盤反饋的橫向加速度和橫擺力偶矩來保證轉(zhuǎn)向是按照要求來實現(xiàn)。 LSegel在1960年代研究了反饋轉(zhuǎn)矩并且發(fā)現(xiàn)橫向加速度和轉(zhuǎn)向盤力矩的關(guān)系在安全停車時扮演了重要的角色。這項工作在1970年代由FJaksch，在1980年代由FJAdams和ICDNorman繼續(xù)研究下去。車輛制造商今天采用他們研究的結(jié)論去設(shè)計助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。擁有轉(zhuǎn)向盤力矩和橫向加速度的內(nèi)在的具體的關(guān)系對于駕駛員來說變得很重要，可以使得反饋到駕駛員的路感連續(xù)不斷。圖11所示為橫向加速度和轉(zhuǎn)向盤力矩的關(guān)系。注意到轉(zhuǎn)向盤力矩在橫向加速度較低時的陡坡，這是用來保證在方向盤中心位置剛近時有個很好的反饋力矩。為了獲得橫向加速度和轉(zhuǎn)向盤力矩之間的具體的關(guān)系，助力轉(zhuǎn)向的傳動比和前輪懸掛的布置形式一起被用于研究。但是這種助力轉(zhuǎn)向的傳動比是根據(jù)不同的要求折衷處理的。正常的駕駛要求轉(zhuǎn)向盤的力矩是02Nm。助力轉(zhuǎn)向單元最重要的特征是駕駛員作用的力矩和由助力單元提供的輔助力矩之間的關(guān)系，通常叫做助力曲線。助力曲線表明了助力轉(zhuǎn)向單元的穩(wěn)態(tài)特性。穩(wěn)態(tài)特性的形狀是關(guān)于助力大小和路感關(guān)系的折衷。折衷處理的原因是由系統(tǒng)的固有特性決定的，即車輛應(yīng)用于不同的駕駛工況。圖12中表示了三種不同的駕駛工況：高速公路駕駛，城市駕駛和泊車，得出不同的駕駛工況下特性曲線，轉(zhuǎn)向盤力矩和載荷的穩(wěn)態(tài)的特征關(guān)系。高速路面城市路面怠速負荷壓力（Mpa）轉(zhuǎn)向盤力矩（Nm）轉(zhuǎn)向盤力矩橫向加速度 圖1.1橫向加速度和轉(zhuǎn)向盤力矩的關(guān)系 圖12不同工況下的特性圖由于助力曲線的形狀，駕駛員作用的力矩和助力矩之間的平衡隨著作用力矩的大小而改變。在圖14中，助力矩和駕駛員作用的力矩之間的關(guān)系作為總力矩的一個因素顯示出來了，見方程1-1。 （1-1）如圖13所示，在力矩較小的時候，駕駛員作用的力矩起著主導(dǎo)作用以保證良好的路感。在力矩較大的時候，助力矩是增加的，這也導(dǎo)致了較小的路面的觸覺干涉。但是，在低速轉(zhuǎn)向的時候這不是很關(guān)鍵。在圖14中，路面擾動采用在兩個不同的工作點的正弦曲線輸入來模擬。擾動在兩個工作點處都保持固定值?？梢钥吹?，觸覺反饋的改變?nèi)Q于哪一個工作點的擾動先開始。在之前的論述中，比較大的力矩區(qū)域在泊車和低速城市駕駛時給著駕駛員助力而觸覺反饋不重要。不幸的是，高性能駕駛在較高的區(qū)域里減輕轉(zhuǎn)向盤力矩的要求。這表明，在較大的轉(zhuǎn)向盤力矩的工作點時駕駛員不能夠感到路感，無觸覺反饋。轉(zhuǎn)向盤力矩（Nm）負荷壓力（Mpa）力分布轉(zhuǎn)向盤力矩（Nm）圖13轉(zhuǎn)向盤力矩和助力矩之間的力矩分配與 圖14兩個不同的工作點時 轉(zhuǎn)向盤力矩的關(guān)系 干擾力的傳播1.2電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理1-轉(zhuǎn)向齒輪；2-閥套；3-活塞；4-彈簧；5-擋片；6-閥芯；7-油泵；8-電磁閥；9-儲油罐；10-安全閥；11-鋼球；12-轉(zhuǎn)向助力缸；P-進油環(huán)槽；Q-反力腔（a） 控制閥結(jié)構(gòu)；（b）工作原理圖1.5 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理圖 1.5 為一種反力控制式液壓助力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)及原理圖。閥芯 6 的下部裝有由彈簧 4、活塞 3 和鋼球 11 組成的反力機構(gòu)。活塞 3 可相對閥芯 6 軸向移動，但二者不可相對轉(zhuǎn)動。活塞 3 的下端及閥套 2 的上端有 V 型槽，鋼球 11 置于 V型槽中。這樣，活塞 3 上的軸向力對閥芯 6 和閥套 2 的相對轉(zhuǎn)動起阻礙作用。反力機構(gòu)位于反力腔 Q 中，而在進油環(huán)槽 P 和反力腔 Q 的通道上安裝有電磁閥 8。該系統(tǒng)的工作過程為：轉(zhuǎn)向電控單元(圖中未繪出)根據(jù)采集到的車速信號，對電磁閥電流進行控制，以改變反作用腔中的油壓，從而使閥芯附加的轉(zhuǎn)動阻力產(chǎn)生變化，獲得所需要的路感。汽車行駛速度低時，流經(jīng)電磁閥線圈的電流大，反力腔與進油腔間的通道被堵塞，反力腔中無法建立油壓，這與普通液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相同，轉(zhuǎn)向操舵力較小。隨著車速的增加，流過電磁閥線圈的電流減小，反作用腔與進油腔之間的節(jié)流面積增大，油液的壓力損失減小，反作用腔中壓力升高，轉(zhuǎn)動閥芯的阻力增大，轉(zhuǎn)向操舵力增加。 1.3 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國外研究進展國外汽車公司對EHPS系統(tǒng)的研究已有20多年歷史。1989年，歐洲H公司首先在液壓動力汽車中使用電子單元作為第一代EHPS系統(tǒng)。由于人們對EHPS系統(tǒng)節(jié)能的要求日益強烈，到了90年代，該系統(tǒng)發(fā)展到第代，一個獨立的電子控制單元(ECU)首次產(chǎn)生。該系統(tǒng)對電機的速度進行控制，當(dāng)沒有轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，減少液壓油流量，從而降低能耗。隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展，由KOYO，71州推出了第三代EHPS系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了ECU與無刷電機，提高了電機的效率，并根據(jù)轉(zhuǎn)向角速度傳感器和車速傳感器的信號，使得對電機速度的控制更加精確。由此，進一步降低了能耗，同時在轉(zhuǎn)向輕便性和路感方面能夠很好地調(diào)和，另外，無刷電機的采用使得轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性大大改善。在EHPS系統(tǒng)發(fā)展的20多年歷程中，國外學(xué)者對該系統(tǒng)的性能與能耗方面也進行了大量研究。Hirotsug Yamaguchi等采用在常流量系統(tǒng)的高壓油路和低壓回路之間加上一個旁通電磁閥，電控單元控制電磁閥的可變閥口大小來控制流量，從而使流向轉(zhuǎn)閥的流量得到調(diào)節(jié)。該方法雖然提高了駕駛的路感，卻急劇降低了轉(zhuǎn)向系剛度，高速時低剛度會引起從方向盤傳動到車輪的運動滯后和損失。1995年同本ToyodaMachine Works公司研制了一種低能耗的電液動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在非轉(zhuǎn)向情況下停止動力泵的工作，轉(zhuǎn)向時根據(jù)轉(zhuǎn)向情況提供動力。上述功能主要依靠一個中位閉式伺服換向閥，一個附加的壓力檢測裝置，一個蓄能器及一個電控單元來控制，動力泵由一個附加的電動機帶動。通過減壓閥根據(jù)泵的出口壓力來控制泵的流量控制閥，從而降低動力泵在非轉(zhuǎn)向時的輸出轉(zhuǎn)矩，來達到節(jié)能的目的。實現(xiàn)表明，這種動力泵比傳統(tǒng)的動力泵在非轉(zhuǎn)向工況下節(jié)能30。但是泵的流量特性不理想，沒有能夠轉(zhuǎn)向時根據(jù)車速情況提供流量的問題。1996年日本ToyodaMachine Works公司的Yos”haru Inaguma等人研發(fā)了一種用于電液動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)。這一技術(shù)用于中位閉式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過一個有著特殊結(jié)構(gòu)的壓力檢測裝置和一個電控單元，控制泵的動力電機在非轉(zhuǎn)向情況下以很低的速度轉(zhuǎn)動，達到節(jié)能的目的，此時產(chǎn)生的少量流量從液壓元件的間隙中泄漏掉。為進一步提高能源利用率，KeqiSuzuki等設(shè)計了基于閉心伺服閥的EHPS系統(tǒng)，通過對中位開式和中位閉式EHPS進行仿真分析，得出開式系統(tǒng)具有傳統(tǒng)液壓助力所擁有的手感好、變助力及改造容易等優(yōu)點，但節(jié)能效果不如閉式系統(tǒng)；而閉式系統(tǒng)輸出流量變化大，手感較差，且由于增加了蓄能器使得系統(tǒng)的復(fù)雜性增加。Vladimk V Kokotovic等提出采用自適應(yīng)控制方法對電機進行控制，同時將車速、車輛側(cè)向加速度及偏移速度等車輛狀態(tài)參數(shù)考慮進去，采用多參數(shù)綜合反饋控制提高車輛操縱性能，實現(xiàn)對助力的精確控制，該方法由于增加了過多控制參數(shù)，導(dǎo)致實現(xiàn)比較困難，同時增加了成本。韓國的Se-hyun Rhyu，Yong-Kyoun Kim，JunHyukChoi and Jill Hur在2007年分析了用于42V車輛上的EHPS系統(tǒng)電動泵的發(fā)展?fàn)顩r，并采用等效磁路方法分析并設(shè)計了永磁同步電動機，該電機通過了實驗驗證。1.3.2國內(nèi)發(fā)展電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所開展的工作由于EHPS系統(tǒng)涉及電子、機械、液壓等諸多領(lǐng)域，面臨的難題較多，再加上國外對此方面的技術(shù)非常保密，故國內(nèi)對該系統(tǒng)的研究還處于探索階段，主要是高校在進行一些探討。其中清華大學(xué)為完成863燃料電池大客車項目，而開發(fā)的第一代電動轉(zhuǎn)向油泵并己成功地應(yīng)用于863燃料電池大客車項目的數(shù)輛試驗樣車上，但在一些關(guān)鍵技術(shù)上還沒突破性進展，總體性能還不理想。其他高校和科研機構(gòu)進行了一些研究，1998年同濟大學(xué)的周俊龍對動力轉(zhuǎn)向器電液伺服控制系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)進行了分析，并結(jié)合響應(yīng)曲線給出了不同參變量下的具體響應(yīng)數(shù)據(jù)，從而找出了影響系統(tǒng)響應(yīng)性能的重要參數(shù)，指出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要獲得滿意的瞬態(tài)響應(yīng)曲線，阻尼比最好在0.3-0.7之間。北京航空航天大學(xué)的高峰等對EHPS進行了初步匹計算，得出了轉(zhuǎn)閥參數(shù)對操舵力特性的影響。同濟大學(xué)的周名等對電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機理進行了研究，得出EHPS比HPS具有更好的轉(zhuǎn)向手感和節(jié)能效果。南京工程學(xué)院羅紹新等對EHPS設(shè)計了基于ARM芯片的控制器并進行了相關(guān)的試驗驗證。江蘇大學(xué)的耿國慶等對電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計方法進行了研究，對系統(tǒng)各部件的參數(shù)進行了定量的分析。天津大學(xué)的許陽坡對EHPS系統(tǒng)的控制算法與實現(xiàn)進行了研究，得出一種根據(jù)轉(zhuǎn)向盤角速度和車速控制電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)助力的控制算法，并進行了相關(guān)的試驗驗證。以上研究只是對EHPS系統(tǒng)的部分特性和系統(tǒng)匹配進行了分析或采用簡單的控制方法對助力特性進行粗略實現(xiàn)，并沒有在全面分析系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，采用先進的控制方法進行精確的控制。此外還有一些廠家對EHPS項目處于探索階段，如浙江恒隆萬安泵業(yè)有限公司成立了電機、油泵技術(shù)研究所，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)將向電磁閥控制的液壓助力和由電機驅(qū)動的電動液壓助力方向發(fā)展，但目前尚未有成熟的技術(shù)產(chǎn)品投向市場。EHPS的優(yōu)點以及它不斷擴大的市場正使得國內(nèi)的專家學(xué)者以及相關(guān)企業(yè)對EHPS系統(tǒng)產(chǎn)生越來越濃厚的興趣，已經(jīng)成為國內(nèi)汽車技術(shù)發(fā)展的另一熱點。從國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r來看，近幾年轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究比較集中在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)節(jié)能、電動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的改進和實用化、人車系統(tǒng)的各種分析和研究等問題上。1.4本課題研究的目的和意義當(dāng)今汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢是節(jié)能、安全和環(huán)保。隨著助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車上的廣泛應(yīng)用，如何提高助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作性能、減少系統(tǒng)的能耗己成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問題。本課題通過對電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向特性分析和控制策略的研究，為開發(fā)研制電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供相關(guān)知識和技術(shù)儲備。在這基礎(chǔ)上，進行了臺架試驗來驗證助力特性的合理性和控制策略的可行性，進而為研制適合轎車的電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的樣機奠定基礎(chǔ)。所研究的電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：EHPS系統(tǒng)通過ECU控制直流電機轉(zhuǎn)速來帶動電動泵工作，可根據(jù)轉(zhuǎn)向需求提供不同的助力，改變了傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)單一助力特性的缺點。EHPS系統(tǒng)采用液壓提供助力，使助力比較平滑，手感好，解決了現(xiàn)有電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中存在的方向盤擺振問題。對于以前的HPS可以經(jīng)過相對簡單的改裝即可成為EHPS系統(tǒng)，適用于各種車型，而且比HPS更節(jié)能、省油。所以，EHPS能提供比其它轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更安全、更舒適的轉(zhuǎn)向操控性的同時還具有較好的節(jié)能效果?？梢岳矛F(xiàn)有的，成熟的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上借助先進的控制技術(shù)可以兼顧液壓助力和電動助力兩者的優(yōu)點。因此，開發(fā)電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有很好的發(fā)展前景。2 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體組成2.1 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機理及類型2.1.1 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機理EHPS 的工作原理如圖2.1所示。當(dāng)汽車直線行駛時，方向盤不動，液壓泵以低速運轉(zhuǎn)，大部分工作油經(jīng)轉(zhuǎn)向閥流回油罐，小部分經(jīng)液控閥直接流回油罐；當(dāng)駕駛員開始轉(zhuǎn)動方向盤時，電子控制單元根據(jù)檢測到的車速、轉(zhuǎn)角以及電動機的反饋信號等，判斷汽車的轉(zhuǎn)向狀態(tài)，向驅(qū)動單元發(fā)出控制命令，使電動機產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)速并驅(qū)動液壓泵，進而輸出相應(yīng)流量和壓力的高壓油。壓力油經(jīng)轉(zhuǎn)閥進入齒條上的液壓缸，并推動活塞以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)牧?，幫助駕駛員進行轉(zhuǎn)向操縱，從而獲得較好的轉(zhuǎn)向效果。助力特性曲線可以通過軟件來調(diào)節(jié)，所以該系統(tǒng)可以應(yīng)用于多種車型。在電子控制單元中，還有安全保護措施和故障診斷功能。當(dāng)電動機電流過大或溫度過高時，系統(tǒng)將會限制或者切斷電流，避免發(fā)生故障；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)仍可依靠機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)向操作，同時顯示并存儲故障代碼。1.動力缸 2.轉(zhuǎn)向閥 3.ECU 4.電機5.液壓泵 6.液控閥 7.限壓閥圖2.1電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理圖EHPS 系統(tǒng)以下特點：一是結(jié)構(gòu)緊湊，主要部件都可以組合在一起，具有良好的模塊化設(shè)計，所以整體外形尺寸比傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)小，質(zhì)量輕，這就為整車的布置帶來了很大的方便；二是節(jié)能，實際行駛過程中能節(jié)約燃油0.2L/100km；三是根據(jù)車型和轉(zhuǎn)向工況的不同，提供不同的助力，有舒適的轉(zhuǎn)向路感。2.1.2 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類由于助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有響應(yīng)性好、轉(zhuǎn)向輕便等優(yōu)點，已經(jīng)在汽車上得到廣泛使用。但，固定助力效果的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有明顯的不足，雖然這種系統(tǒng)的助力效果在車速低時能夠起到很好的作用，但當(dāng)車速不斷升高時，固定的助力效果會使轉(zhuǎn)向盤過于靈敏，不利于駕駛者對方向進行控制?；谶@種原因，設(shè)計人員通過電子控制技術(shù)在助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上增加了車速感應(yīng)式的轉(zhuǎn)向功能，以實現(xiàn)車輛低速行駛時助力力矩大和高速行駛時助力力矩小的效果，這就出現(xiàn)了電子控制助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在此需要說明的是，有些車型配置的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并不是通過感應(yīng)車速來改變助力力矩的大小，而是通過感應(yīng)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速來改變助力力矩的大小，但是這種助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用較少。隨著人們對車輛舒適性能和安全性能要求的不斷提高，目前的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)不僅僅具有車速感應(yīng)式轉(zhuǎn)向功能，例如有些車型還具有“一般轉(zhuǎn)向模式”和“運動轉(zhuǎn)向模式”，并可以在2種轉(zhuǎn)向模式之間自由切換。從廣泛意義上講，電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為2種。一種是為了實現(xiàn)車速感應(yīng)式轉(zhuǎn)向功能，而在機械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了控制液體流量的電磁閥、轉(zhuǎn)向控制單元以及車速傳感器等，轉(zhuǎn)向控制單元根據(jù)車速信號控制電磁閥，從而實現(xiàn)了通過控制液體流量來使助力作用隨車速的變化而變化。另一種助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用由電動機驅(qū)動的液壓泵代替了機械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的機械液壓泵，而且增加了車速傳感器、轉(zhuǎn)向角速度傳感器和轉(zhuǎn)向控制單元等部件。通過比較，采用電動液壓泵的電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有更好的性能。電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)閥的不同可分為中位開式和中位閉式。中位開式工作系統(tǒng)的組成如圖2.2所示。轉(zhuǎn)向閥中位有預(yù)開量，不轉(zhuǎn)向時，來自轉(zhuǎn)向液壓泵的液壓油經(jīng)過槽和槽脊之間的間隙(預(yù)開口),閥芯上的徑向孔流回油箱，因此也被稱為常流式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向液壓泵通常由發(fā)動機驅(qū)動(亦可由電動機驅(qū)動)。中位開式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，液壓泵壽命長和轉(zhuǎn)向手感好。1. 內(nèi)燃機；2. 液壓泵；3. 液壓缸；4. 車輪；5. 轉(zhuǎn)閥；6. 流量調(diào)節(jié)閥；7. 溢流閥圖2.2中位開式EHPS系統(tǒng)中位閉式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖2.3所示。當(dāng)方向盤處于不轉(zhuǎn)向的中間位置時，轉(zhuǎn)向閥的進出油口關(guān)閉。液壓回路中裝有蓄能器，當(dāng)蓄能器中的壓力低于某一時，卸荷閥關(guān)閉，液壓泵向蓄能器供油;當(dāng)蓄能器中的壓力達幾到另一較高值時，卸荷閥打開，液壓泵停止向蓄能器供油、由于蓄能器中總保持一定的工作壓力，所以也被稱為常壓式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)。中位閉式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于，在非轉(zhuǎn)向工況下，系統(tǒng)幾乎不消耗原電動機的能量，在液壓泵不運轉(zhuǎn)的倩況下，系統(tǒng)保持一定的轉(zhuǎn)向能力。但是中位閉式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)轉(zhuǎn)向流量和壓力由蓄能器提供，在各種工況下輸出不容易調(diào)整，轉(zhuǎn)向助力不能隨轉(zhuǎn)向負荷做出相應(yīng)的變化，降低了駕駛的可靠性和舒適性。另外，它的密封和結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，所以目前車輛中常用的仍是傳統(tǒng)的中位開式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)。 1. 壓力繼電器；2. 電動機；3. 液壓泵；4. 蓄能器；5. 液壓缸；6. 車輪；7. 轉(zhuǎn)向閥；8. 單向閥；9. 卸荷閥；10. 內(nèi)燃機；11. 溢流閥；圖2.3 EHPS中位閉式系統(tǒng)2.2 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體框架采用電動泵式的EHPS系統(tǒng)一般由電氣裝置和機械裝置兩部分組成，電氣部分由車速傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器和電子控制單元ECU組成；機械裝置由齒輪齒條轉(zhuǎn)向器（包括轉(zhuǎn)子閥和助力缸）、控制閥及管路、電動泵組成。而比較先進的電動泵把齒輪泵（或葉片泵）、ECU、低慣量、高功率的直流電機和油罐集成在一起，構(gòu)成集成的電動泵，使得整個總成結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量變得更輕，安裝的柔性也大大增強。2.3 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成部件的選取電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡稱為EHPS，系統(tǒng)部件主要包括電動機、液壓泵、轉(zhuǎn)向機、轉(zhuǎn)向角速度傳感器、轉(zhuǎn)向控制單元、EHPS警告燈以及助力油儲液罐等，其中轉(zhuǎn)向控制單元和電動機及液壓泵通常安裝在一起。ECU發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號車速信號齒輪泵角速度信號1. 轉(zhuǎn)角傳感器；2. 動力轉(zhuǎn)向傳動裝置；3. 儲油罐；4. 限壓閥；圖2.4 EHPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖2.3.1 電動機 電動機分為無刷和有刷電動機，通常采用免維護無碳刷式電動機。這種電動機利用電子方式實現(xiàn)整流，而且沒有碳刷的磨損，因此具有很好的可靠性和較長的使用壽命。當(dāng)不需要提供轉(zhuǎn)向助力時，電動機在很小的電流驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，這樣當(dāng)需要較大的轉(zhuǎn)向助力時，電動機就可以立即提高轉(zhuǎn)速來提供所需要的助力。2.3.2 齒輪泵電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所用的齒輪泵為外嚙合齒輪泵，主要由主動齒輪、從動齒輪、泵體、泵蓋等組成。齒輪泵靠兩端的密封面密封，主動齒輪和從動齒輪各自由兩端軸承支撐。泵體、泵蓋和齒輪的各個齒間槽形成密封的工作空間。電機驅(qū)動主動齒輪，主動齒輪靠嚙合帶動從動齒輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)兩齒逐漸分開，工作空間的容積逐漸增大，形成部分真空，儲油罐內(nèi)的液壓油在大氣壓作用下，經(jīng)進口被吸入，吸入的液壓油沿泵體被齒輪擠壓推入高壓油腔。當(dāng)主動、從動齒輪不斷旋轉(zhuǎn)時，泵便能不斷吸入和排出液壓油，提供助力。外嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕，造價低、工作可靠，較葉輪泵容積效率和機械效率都要高。圖2.5為齒輪泵的結(jié)構(gòu)簡圖。圖2.5齒輪泵的結(jié)構(gòu)簡圖2.3.3 轉(zhuǎn)向角速度傳感器 通常是霍爾式傳感器，內(nèi)置于轉(zhuǎn)向盤內(nèi)或轉(zhuǎn)向機內(nèi)，持續(xù)監(jiān)控轉(zhuǎn)動角速度，以作為轉(zhuǎn)向控制單元控制助力的參考依據(jù)。例如，當(dāng)車輛高速行駛時，在車速感應(yīng)式轉(zhuǎn)向功能的作用下，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的助力作用會減小，但是行駛中有可能出現(xiàn)需要緊急轉(zhuǎn)向的突發(fā)情況。當(dāng)駕駛者猛打轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)向角速度傳感器會感知這一變化并會向轉(zhuǎn)向控制單元發(fā)出信號，轉(zhuǎn)向控制單元控制電動機的轉(zhuǎn)速迅速提高，助力作用會瞬間增大，以便車輛順利的完成轉(zhuǎn)向動作。在拆卸和安裝轉(zhuǎn)向角速度傳感器時，應(yīng)注意將轉(zhuǎn)向盤置于正中間位置。2.3.4 轉(zhuǎn)向控制單元轉(zhuǎn)向控制單元具有接收和處理各個傳感器信號、輸出執(zhí)行信號和監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)等功能。轉(zhuǎn)向控制單元接收來自發(fā)動機控制單元的車速信號或發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號，以及來自轉(zhuǎn)向角速度傳感器的角速度信號，然后計算出理想的控制電流輸出給電動機，來控制助力力矩的大小和方向。當(dāng)系統(tǒng)存在故障時，轉(zhuǎn)向控制單元會存儲故障碼并點亮儀表板上的EHPAS警告燈或EPAS警告燈。當(dāng)監(jiān)測到系統(tǒng)內(nèi)電動機等部件出現(xiàn)故障時，轉(zhuǎn)向控制單元會切斷助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，此時的機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍然正常。為了保護電動機等部件，轉(zhuǎn)向控制單元在適當(dāng)?shù)臅r候會起動臨界狀態(tài)控制程序。例如當(dāng)轉(zhuǎn)向機轉(zhuǎn)動至極限位置時，由于此時助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電動機不能轉(zhuǎn)動，所以通過電動機的電流就會達到最大值，為了避免持續(xù)大電流導(dǎo)致電動機和控制單元損壞，所以當(dāng)較大電流通過連續(xù)30 s后，轉(zhuǎn)向控制單元就會控制電流逐漸減小。當(dāng)這種狀態(tài)消失后，轉(zhuǎn)向控制單元就會根據(jù)需要控制電流逐漸增大直到達到正常工作電流值。3 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計3.1 EHPS系統(tǒng)的設(shè)計方法在研究電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，對該系統(tǒng)的設(shè)計方法做了探討。汽車的最大轉(zhuǎn)向力矩發(fā)生在汽車原地轉(zhuǎn)向時，助力轉(zhuǎn)向必須滿足此時轉(zhuǎn)向輕便性的要求。汽車原地轉(zhuǎn)向阻力矩Tw（Nm）為 （3-1）式中 f輪胎和路面間的滑動摩擦因數(shù)；一般取f=0.7；轉(zhuǎn)向軸負荷，單位為N；P輪胎氣壓，單位為。此公式是經(jīng)驗公式。為安全起見，取安全系數(shù)為1.52。此時，轉(zhuǎn)向盤所需轉(zhuǎn)矩Th（Nm）為 （3-2）式中 轉(zhuǎn)向系角傳動比，一般情況下，輕型車為1523；轉(zhuǎn)向系正效率，對齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，一般為70%85%。根據(jù)推薦值，轉(zhuǎn)向盤操縱力不應(yīng)大于3050N,在10N 以下則轉(zhuǎn)向很輕便。因此，駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩Th0（Nm）為 （3-3）式中 Fh0作用在轉(zhuǎn)向盤上的力（N）；Dh轉(zhuǎn)向盤直徑（m）。所以，最大助力轉(zhuǎn)矩Tamax（Nm）為：由此可以得到齒條上的最大作用力F（N）為：F=Tamax/rg式中 rg 小齒輪半徑（m）。根據(jù)液壓泵的壓力標(biāo)準(zhǔn)系列，初步選定需要的最高工作壓力Pmax（MPa），并計算出助力缸活塞實際作用面積為S= F / Pmax由式上式得到助力缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的初步值。根據(jù)現(xiàn)有的助力缸內(nèi)徑和活塞桿直徑常用系列值來，進一步確定合適內(nèi)徑和直徑。在確定了轉(zhuǎn)向器的相關(guān)參數(shù)后，下面根據(jù)這些參數(shù)設(shè)計出符合要求的電動泵的相關(guān)參數(shù)。對于油泵，一般要求當(dāng)油泵輸出最大流量時，要能夠滿足求方向盤轉(zhuǎn)速不低于1r/s，轎車最大取1.5r/s。近年來，國內(nèi)普遍采用1.25r/s 計算。則活塞速度為： （3-4）式中 d1小齒輪直徑（mm）。轉(zhuǎn)向器所需的流量一般由動力缸活塞的有效作用面積和最大轉(zhuǎn)向速度決定。它可以近似為動力缸容積隨時間變化的函數(shù)加上傳動裝置及轉(zhuǎn)向器內(nèi)的泄流量Q2 (泄流量一般取0.9L/min)。則泵實際需要提供的最大流量Q1 (L/min)為：Q1 =（1.52）Q0 + Q2 （3-5）然后，對泵的結(jié)構(gòu)、泵腔的尺寸進行優(yōu)化設(shè)計，使之符合常用的排量系列中的值。在此基礎(chǔ)上，確定泵的最高轉(zhuǎn)速nmax（r/min），則泵的最高轉(zhuǎn)速可由最大流量和排量得出：nmax = Q1 / q （3-6）通過對以上參數(shù)的計算，可以得到所需要的液壓功率Py （W）為：Py = Q1 Pmax （3-7）泵的輸入扭矩Ti（Nm）為： （3-8）式中 m 泵與電機之間的機械效率，一般取（0.91）因為電動機和泵之間的扭矩傳遞損失很小，所以可以認(rèn)為扭矩值非常接近于根據(jù)提供足夠助力需求所計算得到的扭矩值。首先，取一個安全系數(shù)n（11.2）1，可以得到電動機的額定輸出扭矩Te，則電動機的額定功率Pe 為： （3-9）上述設(shè)計方法的是可行的，能夠設(shè)計出符合助力要求的電動液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該設(shè)計方法是比較合適的。3.2 轉(zhuǎn)向器的介紹轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要總成部分，其作用主要有以下三方面：一是增大來自轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩，使之達到足以克服轉(zhuǎn)向輪與路面之間的轉(zhuǎn)向阻力矩；二是減低轉(zhuǎn)向傳動軸的轉(zhuǎn)速，并使轉(zhuǎn)向搖臂軸傳動，帶動搖臂擺動使其末端獲得所需的位移，或者是將與其轉(zhuǎn)向傳動軸連接在一起的主動齒輪的傳動，轉(zhuǎn)換成齒條的直線運動而獲得所需的位移；三是通過選取不統(tǒng)的螺（蝸）桿上的螺紋螺旋方向，達到使轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動方向協(xié)調(diào)一致的目的。汽車工業(yè)發(fā)達的國家，早期主要是圍繞減小轉(zhuǎn)向器的摩擦阻力、提高效率和增大剛度等問題從事研究并開發(fā)出新產(chǎn)品。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器很早便在奔馳汽車上得到了應(yīng)用，在1920年以前，許多牌號汽車都用這種轉(zhuǎn)向器，因此這種轉(zhuǎn)向器是應(yīng)用最早的轉(zhuǎn)向器之一，已有100多年的歷史。早期使用的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，由一個直齒圓柱齒輪與一個直齒齒輪相嚙合組成，不僅運動平穩(wěn)性差，而且沖擊和噪聲又大。而且，小齒輪軸線與齒條軸線間的夾角只能是直角，很難滿足總體布置要求。隨著汽車工業(yè)在現(xiàn)在的不斷發(fā)展，其結(jié)構(gòu)得到不斷的完善。開發(fā)出了斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合的轉(zhuǎn)向器，克服了采用直齒時所形成的缺點。如圖3-1。圖3.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 目前齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在各級別轎車上都得到廣泛的應(yīng)用，而且隨著發(fā)動機前置前輪驅(qū)動轎車的生產(chǎn)不斷擴大，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器應(yīng)用的前景將十分廣闊，因為這會使轉(zhuǎn)向系變得特別簡單。進入80年代初，我國生產(chǎn)的微型貨車開始應(yīng)用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，目前國產(chǎn)轎車絕大多數(shù)采用的都是這種形式的轉(zhuǎn)向器。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器主要由小齒輪、齒條、消除間隙機構(gòu)及容納上述各件的殼體組成。其中小齒輪與齒條作無間隙嚙合并形成齒輪齒條傳動副。工作時，轉(zhuǎn)向盤帶動小齒輪作旋轉(zhuǎn)運動，便推動齒條作直線運動，在改變嚙合副運動方向的同時增大了傳動比。在齒條與小齒輪嚙合處的背部，設(shè)置有消除間隙機構(gòu)。該機構(gòu)由預(yù)緊彈簧、托座等零件組成，在齒輪與齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙時能自動消除此間隙。在齒條與托座之間裝有用減磨材料聚四氯乙烯制的墊片，齒條通過托座和轉(zhuǎn)向器殼中的支承來支承。根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式，即中間輸入、兩端輸出；側(cè)面輸入、兩端輸出；側(cè)面輸入、中間輸出；側(cè)面輸入、一端輸出。如圖3-2。a) 中間輸入、兩端輸出；b) 側(cè)面輸入、兩端輸出；c) 側(cè)面輸入、中間輸出；d) 側(cè)面輸入、一端輸出；圖 3.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器輸入輸出形式 今后一段時間內(nèi)，汽車主要采用的將是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。本文主要研究的是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。3.3齒輪齒條式式轉(zhuǎn)向器設(shè)計計算3.3.1 參數(shù)選擇由汽車類型齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪模數(shù)為：m=3mm，齒數(shù)為z=7，壓力角為=20，螺旋角=14齒條模數(shù):m=3mm,齒數(shù)為 z=21，壓力角=20，螺旋角為=14。3.3.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計與計算3.3.2.1 轉(zhuǎn)向系計算載荷的確定為了確保行駛安全，組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強度。欲驗算轉(zhuǎn)向系零件的強度，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比較困難的。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MR(Nmm)。表3-1 原地轉(zhuǎn)向阻力矩MR的計算設(shè)計計算和說明計算結(jié)果式中 f輪胎和路面間的滑動摩擦因數(shù)；轉(zhuǎn)向軸負荷，單位為N；P輪胎氣壓，單位為。f=0.7=10902.5Np=0.179=627826.2作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力Fh為：表3-2 轉(zhuǎn)向盤手力Fh的計算設(shè)計計算和說明計算結(jié)果 式中 轉(zhuǎn)向搖臂長, 單位為mm；原地轉(zhuǎn)向阻力矩, 單位為Nmm轉(zhuǎn)向節(jié)臂長, 單位為mm；為轉(zhuǎn)向盤直徑,單位為mm；Iw轉(zhuǎn)向器角傳動比；+轉(zhuǎn)向器正效率。因齒輪齒條式轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)無轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向節(jié)臂，故、不代入數(shù)值。=627826.2=380mmiw=15=90%=244.8N對于給定的汽車，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：表3-3 梯形臂長度L2的計算設(shè)計計算和說明計算結(jié)果輪輞直徑= 15in=1525.4=381mm梯形臂長度 =0.8/2=3810.8/2=152.4mm,取=150mm=150mm輪胎直徑的計算RT：表3-4 輪胎直徑RT的計算設(shè)計計算和說明計算結(jié)果=381+0.55205=493.75mm 取=500mm=500mm轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑的確定：表3-5 轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑的計算設(shè)計計算和說明計算結(jié)果=;取=18mm初步估算主動齒輪軸的直徑：表3-6 主動齒輪軸的計算設(shè)計計算和說明計算結(jié)果=140MPa取=16mm3.3.2.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計1. EPS系統(tǒng)齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的主要元件1) 齒條 齒條是在金屬殼體內(nèi)來回滑動的，加工有齒形的金屬條。轉(zhuǎn)向器殼體是安裝在前橫梁或前圍板的固定位置上的。齒條代替梯形轉(zhuǎn)向桿系的搖桿和轉(zhuǎn)向搖臂，并保證轉(zhuǎn)向橫拉桿在適當(dāng)?shù)母叨纫允顾麄兣c懸架下擺臂平行。齒條可以比作是梯形轉(zhuǎn)向桿系的轉(zhuǎn)向直拉桿。導(dǎo)向座將齒條支持在轉(zhuǎn)向器殼體上。齒條的橫向運動拉動或推動轉(zhuǎn)向橫拉桿，使前輪轉(zhuǎn)向(圖3.3）。圖3.3齒條表3-7 齒條的尺寸設(shè)計參數(shù)序號項目符號尺寸參數(shù)()1總長7672直徑303齒數(shù)214法向模數(shù)32) 齒輪 齒輪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。斜齒的彎曲增加了一對嚙合齒輪參與嚙合的齒數(shù)。相對直齒而言，斜齒的運轉(zhuǎn)趨于平穩(wěn)，并能傳遞更大的動力。表3-8 齒輪軸的尺寸設(shè)計參數(shù)序號項目符號尺寸參數(shù)(mm)1總長1302齒寬553齒數(shù)74法向模數(shù)35螺旋角146螺旋方向左旋3) 轉(zhuǎn)向橫拉桿及其端部 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規(guī)范擰緊時，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入球銷及齒條中。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（見圖3.4）。圖3.4轉(zhuǎn)向橫拉桿外接頭1-橫拉桿 2-鎖緊螺母3-外接頭殼體 4-球頭銷 5-六角開槽螺母 6-球碗 7-端蓋 8-梯形臂 9-開口銷表3-9 轉(zhuǎn)向橫拉桿及接頭的尺寸設(shè)計參數(shù)序號項目符號尺寸參數(shù)()1橫拉桿總長239.522橫拉桿直徑153螺紋長度604外接頭總長1205球頭銷總長626球頭銷螺紋公稱直徑M1017外接頭螺紋公稱直徑M121.58內(nèi)接頭總長65.39內(nèi)接頭螺紋公稱直徑M161.5圖3.5齒條間隙調(diào)整裝置4) 齒條調(diào)整 一個齒條導(dǎo)向座安裝在齒條光滑的一面。齒條導(dǎo)向座1和與殼體螺紋連接的調(diào)節(jié)螺塞3之間連有一個彈簧2。此調(diào)節(jié)螺塞由鎖緊螺母固定4。齒條導(dǎo)向座的調(diào)節(jié)使齒輪、齒條間有一定預(yù)緊力，此預(yù)緊力會影響轉(zhuǎn)向沖擊、噪聲及反饋（見圖3.5）。表3-10 齒條調(diào)整裝置的尺寸設(shè)計參數(shù)序號項目符號尺寸參數(shù)(mm)1導(dǎo)向座外徑402導(dǎo)向座高度293彈簧總?cè)?shù)6.434彈簧節(jié)距7.925彈簧外徑296彈簧工作高度34.597螺塞螺紋公稱直徑M4428螺塞高度289鎖止螺塞高度1010轉(zhuǎn)向器殼體總長/高615/146.511轉(zhuǎn)向器殼體內(nèi)/外徑40/562. 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。若傳動比是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將使前輪從鎖點轉(zhuǎn)向鎖點。這種傳動比過于小，因為轉(zhuǎn)向盤最輕微的運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。15:1的傳動比較為合理。在這樣的傳動比下，轉(zhuǎn)向盤每轉(zhuǎn)動15，前輪轉(zhuǎn)向1。為了計算傳動比，可將鎖點到鎖點過程中轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的度數(shù)除以此時轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的度數(shù)。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)動機后部的前圍板上（見圖3.6）。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)向機構(gòu)。由于齒條直接連著梯形臂，這種轉(zhuǎn)向機構(gòu)可提供好的路感。在轉(zhuǎn)向器與支承托架之間裝有大的橡膠隔振墊，這些襯墊有利于減少路面的噪聲、振動從轉(zhuǎn)向圖3.6 轉(zhuǎn)向器的安裝位置器傳到底盤和客艙。齒輪齒條轉(zhuǎn)向器裝在前橫梁上或前圍板上。轉(zhuǎn)向器的正確安裝對保證轉(zhuǎn)向橫拉桿與懸架下擺臂的平行關(guān)系有重要作用。為保持轉(zhuǎn)向器處在正確的位置，在轉(zhuǎn)向器安裝的位置處，前圍板有所加固。4. 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23mm之間。主動小齒輪齒數(shù)多數(shù)在57個齒范圍變化，壓力角取20，齒輪螺旋角取值范圍多為915。齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪達到最大偏轉(zhuǎn)角時，相應(yīng)的齒條移動行程應(yīng)達到的值來確定。變速比的齒條壓力角，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在1235范圍內(nèi)變化。此外，設(shè)計時應(yīng)驗算齒輪的抗彎強度和接觸強度。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。5. 齒輪軸和齒條的設(shè)計計算表3-11 齒輪軸和齒條的設(shè)計計算設(shè)計計算和說明計算結(jié)果1.選擇齒輪材料、熱處理方式及計算許用應(yīng)力(1) 選擇材料及熱處理方式小齒輪16MnCr5 滲碳淬火，齒面硬度56-62HRC大齒輪 45鋼 表面淬火，齒面硬度56-56HRC(2) 確定許用應(yīng)力a)確定和 b)計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，確定壽命系數(shù)、。 c)計算許用應(yīng)力取,=應(yīng)力修正系數(shù)=2.初步確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸(1) 選擇齒輪類型根據(jù)齒輪傳動的工作條件，選用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動方案(2) 選擇齒輪傳動精度等級選用7級精度(3) 初選參數(shù)初選 =7 =21 =0.8 =0.7 =0.89按當(dāng)量齒數(shù)(4) 初步計算齒輪模數(shù)轉(zhuǎn)矩290.70.16=46.51=39168閉式硬齒面?zhèn)鲃?，按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計。=2.474(5) 確定載荷系數(shù)=1，由,/100=0.000896,=1；對稱布置，取=1.06；取=1.3則=111.061.3=1.378(6) 修正法向模數(shù)=2.474=2.461mm圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，取=33.確定齒輪傳動主要參數(shù)和幾何尺寸(1) 分度圓直徑=21.64(2) 齒頂圓直徑=21