汽车电动助力转向器设计.doc
- 文档编号:24612
- 上传时间:2023-04-28
- 格式:DOC
- 页数:46
- 大小:3.87MB
汽车电动助力转向器设计.doc
《汽车电动助力转向器设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《汽车电动助力转向器设计.doc(46页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
汽车设计课程设计(论文)
题目:
汽车电动助力转向器设计
学院:
机械与动力工程学院
专业班级:
车辆10-3班
学号:
311004001826
姓名:
于文化
指导教师:
周龙
教师职称:
讲师
起止时间:
2014.2-2014.3
学院:
机械学院教研室(系别):
车辆工程
学号
311004001826
姓名
于文化
专业班级
车辆10-3班
课程设计(论文)题目
汽车电动助力转向器设计
课程设计(论文)任务
设计要求:
1、对电动助力转向器合理设计
2、设计说明书不少于1万字
3、图纸:
A1和A3图纸各一张
工作量:
1.对EPS的发展历程、发展现状、原理、结构等进行了阐述
2.确定了以齿轮齿条式转向为例进行设计,对齿轮、齿条、转向器等进行了设计与计算
3.对齿轮齿条的齿面接触强度和齿根弯曲强度进行校核
4.利用AUTOCAD软件绘制了齿轮、齿条及装配图
指导教师评语及成绩
成绩:
指导教师签字:
年月日
汽车电动助力转向器的设计
目录
摘要……………………………………………………………………………………Ⅰ
1绪论…………………………………………………………………………………1
1.1助力转向系统的分类…………………………………………………………1
1.2EPS系统国内外发展研究现状……………………………………………………1
1.3EPS的分类…………………………………………………………………………1
1.3.1转向轴助力式………………………………………………………………1
1.3.2转向小齿轮助力式…………………………………………………………2
1.3.3转向齿条助力式……………………………………………………………2
1.4电动助力转向系统的优点…………………………………………………3
1.5电动助力转向系统的工作原理…………………………………………………3
2EPS方案设计…………………………………………………………………………5
2.1电动助力转向系统选型…………………………………………………………5
2.2机械部分系统方案设计…………………………………………………………5
2.2.1机械部分设计要求分析……………………………………………………5
2.2.2机械式转向器方案分析……………………………………………………5
2.2.3齿轮齿条式转向器布置和结构形式的选择………………………………7
2.2.4转向梯形结构方案分析……………………………………………………8
2.3控制部分系统方案设计…………………………………………………………8
2.3.1控制部分性能要求分析……………………………………………………8
2.3.2控制部分方案设计…………………………………………………………10
3齿轮齿条式转向器设计………………………………………………………………12
3.1整车性能参数……………………………………………………………………12
3.2齿轮齿条式转向器的设计和计算………………………………………………12
3.2.1齿轮齿条转向器计算载荷的确定…………………………………………12
3.2.2转向器基本部件设计………………………………………………………15
3.2.3齿轮轴和齿条的材料选择及强度校核……………………………………21
3.2.4齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析…………………………………24
3.2.5齿轮齿条传动受力分析……………………………………………………25
3.2.6间隙调整弹簧的设计计算…………………………………………………25
3.2.7齿轮轴轴承的校核…………………………………………………………27
3.2.8键的计算……………………………………………………………………28
4EPS的关键部件和控制策略…………………………………………………………29
4.1EPS的关键部件选型……………………………………………………………29
4.1.1电动机………………………………………………………………………29
4.1.2电磁离合器…………………………………………………………………29
4.1.3减速机构……………………………………………………………………30
4.1.4扭矩传感器…………………………………………………………………30
4.1.5电流传感器…………………………………………………………………31
4.2EPS的电流控制…………………………………………………………………31
4.3助力控制…………………………………………………………………………32
4.4阻尼控制…………………………………………………………………………32
4.5回正控制…………………………………………………………………………33
5EPS电机驱动电路的设计……………………………………………………………34
5.1微控制器的选择…………………………………………………………………34
5.2硬件电路总体框架………………………………………………………………34
5.3电机控制电路设计………………………………………………………………35
5.3.1H桥上侧桥臂MOSFET功率管驱动电路设计………………………………35
5.3.2桥臂的功率MOSFET管驱动电路…………………………………………36
5.4蓄电池倍压工作电源……………………………………………………………37
5.5电机驱动电路台架试验…………………………………………………………37
6结论……………………………………………………………………………………39
致谢………………………………………………………………………………………40参考文献…………………………………………………………………………………41
摘要
电动助力转向(ElectricPowerSteering,简称EPS)系统,是继液压助力转向系统后出现的一种新型动力转向系统,具有液压助力转向系统无法比拟的优势,它不仅能节约能源,提高安全性,还有利于环境保护,是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术,是汽车转向系统发展的必然趋势。
电动助力转向系统(EPS)可解决小型汽车转向轻便性和灵敏性的矛盾,使驾驶员在汽车低速行驶时获得较大助力,高速行驶时获得较强的路感。
由ECU根据转向盘转矩信号控制电动机离合器,使电动机在不需要助力时停止工作,降低了能量消耗,该系统能满足不同车速下获得不同助力特性的要求。
本论文为汽车电动助力转向机构的设计,首先对EPS的发展历程、发展现状、原理、结构等进行了阐述,然后确定了以齿轮齿条式转向为例进行设计,对齿轮、齿条、转向器等进行了设计与计算,并对齿轮齿条的齿面接触强度和齿根弯曲强度进行校核,最后利用AUTOCAD软件绘制了齿轮、齿条及装配图。
关键词:
汽车,电动助力转向系统,转向器,齿轮齿条,计算
1.绪论
随着汽车技术的发展,人们逐渐追求安全、舒适、轻便的驾驶环境,汽车转向系统由普通转向系统向动力转向系统发展。
1.1助力转向系统的分类
助力转向系统按照提供动力的形式大致可以分为3类:
液压助力转向系统(HydraulicPoweredSteering,HPS),电动液压转向系统(ElectricallyHydraulicPoweredSteering,EHPS),电动助力转向系统(ElectricPowerSteering,EPS)。
1.2EPS系统国内外发展研究现状
在国外,从1979年开始研究电动助力转向系统,至今已有30多年的历史。
1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统,并装在其生产的Cervo车上,随后又配备在Alto上。
此后,其应用范围从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。
日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司,美国的Delphi公司,英国的Lucas公司,德国的ZF公司,都研制出了各自的EPS。
在国外,EPS已经进入了批量生产阶段。
在国内,EPS技术大多还处于实验室开发研究阶段,部分科研院所已经进入了装车实验。
国内的清华大学早在1992年就开始了EPS研究。
2002年,经调查发现国内至少13家企业和科研院所正在研制中,如清华大学、吉林大学、江苏大学、同济大学以及南摩股份有限公司等。
目前21个国内汽车厂家的43种品种均可装配EPS产品,其中六个厂家8个车型具有装配EPS的潜力,其中有重庆长安的奥拓、羚羊,吉利的美日、豪情,奇瑞的QQ,天津丰田的威驰,悦达起亚的千里马,东南汽车的菱帅,广州本田的飞度等。
1.3EPS的分类
电动助力转向系统按照电动机布置位置的不同,可以分为:
转向轴助力式(Column-assisttypeEPS)、齿轮助力式(Pinion-assisttypeEPS)、齿条助力式(Rack—assisttypeEPS)3种。
1.3.1转向轴助力式
转向轴助力式电动助力转向器(C-EPS)的助力电机固定在转向柱的一侧,通过减速增扭机构与转向轴相连,直接驱动转向轴助力转向(图1-1)。
这种形式的电动助力转向系统结构简单紧凑、易于安装。
现在多数EPS就是采用这种形式。
此外,C-EPS的助力提供装置可以设计成适用于各种转向柱,如固定式转向柱、斜度可调式转向柱以及其它形式的转向柱。
但由于助力电机安装在驾驶舱内,受到空间布置和噪声的影响,电机的体积较小,输出扭矩不大,一般只用在小型及紧凑型车辆上。
图1-1C-EPS
1.3.2转向小齿轮助力式
齿轮助力式电动助力转向器(P—EPS)的助力电机和减速增扭机构与小齿轮相连,直接驱动齿轮实现助力转向(图1-2)。
由于助力电机不是安装在乘客舱内,因此可以使用较大的电机以获得较高的助力扭矩,而不必担心电机转动惯量太大产生的噪声。
该类型转向器可用于中型车辆,以提供较大的助力。
图1-2P-EPS
1.3.3转向齿条助力式
齿条助力式电动助力转向器(R-EPS)的助力电机和减速增扭机构则直接驱动齿条提供助力(图1-3)。
由于助力电机安装于齿条上的位置比较自由,因此在汽车的底盘布置时非常方便。
同时,同C—EPS和P-EPS相比,可以提供更大的助力值,所以一般用于大型车辆上。
图1-3R-EPS
1.4电动助力转向系统的优点[1]
(1)液压转向助力系统的油泵,不转向时也工作,加大了能量消耗。
而EPS系统只在转向时电动机才提供助力,因而能减少能量消耗,并能在各种行驶工况下提供最佳的转向助力。
(2)减小了由于路面不平所引起的对转向系统的干扰,改善了汽车的转向性能,减轻了汽车低速行驶时的转向操纵力,提高了汽车高速行驶时的转向稳定性,进而提高汽车的主动安全性。
(3)由于不需要加注液压油和安装液压油管,所以系统的安装简便,自由度大,而且成本低,无漏油故障的发生,它比常规的液压转向助力系统具有更好的通用性。
1.5电动助力转向系统的工作原理
电动助力转向系统主要由机械转向系统、转矩传感器、车速传感器、控制单元(ECU)、离合器、助力电动机及减速机构等组成。
系统结构示意图如图1-4。
图1-4EPS结构示意图
工作原理:
汽车在运行过程中,扭矩传感器、车速传感器会产生各自的电信号,这些信号经过滤波、信号电平调整后传给ECU,ECU经过分析处理后输出控制信号给电机驱动模块,实现对助力电机扭矩控制[2]。
2EPS方案设计
2.1电动助力转向系统选型
绪论中已经提到转向轴式电动助力转向系统虽然提供的助力没有其它两种方式提供的助力大,但在安装方面要方便的多。
再者,这次设计的电动助力转向系统主要是针对经济型轿车来进行开发的,其空间相对较小,空间问题是要考虑的重点问题。
转向轴式对空间紧凑的经济型轿车很适合。
综合以上原因,选择转向轴助力式。
2.2机械部分系统方案设计
机械转向系统由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。
2.2.1机械部分设计要求分析
转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构,在汽车转向行驶时,保证各转向轮之间有协调的转角关系。
转向系应满足如下基本要求[4]:
(1)汽车转弯行驶时,全部车轮应绕瞬时转向中心旋转,任何车轮不应有侧滑。
(2)汽车在转向行驶后,在驾驶员松开转向盘的条件下,转向轮有自动回正作用。
(3)汽车在任何行驶状态下,转向轮都不得产生自振。
(4)保证汽车有较高的机动性,具有迅速和小转弯能力。
(5)转向轮碰到障碍物以后,传给转向盘的反冲力要尽可能小。
(6)操纵轻便。
(7)转向器和转向机构的球头处,有消除因磨损而产生间隙的调整机构。
2.2.2机械式转向器方案分析
目前汽车上广泛使用的是齿轮齿条式及循环球式。
(1)齿轮齿条式
齿轮齿条式转向器的主要优点是结构简单、紧凑、体积小、质量轻;传动效率高达90%;可自动消除齿间间隙;没有转向摇臂和直拉杆,转向轮转角可以增大;制造成本低。
齿轮齿条式转向器的主要缺点是:
逆效率高达60%—70%。
因此,汽车在不平路面上行驶时,发生在转向轮与路面之间的冲击力,大部分能传至转向盘。
根据输入齿轮位置和输出特点不同,齿轮齿条式转向器有四种形式[4]:
中间输入,两端输出(图2-1a);侧面输入,两端输出(图2-1b);侧面输入,中间输出(图2-1c);侧面输入,一端输出(图2-1d)。
图2-1齿轮齿条式转向器的形式
根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同,在汽车上有四种布置形式:
转向器位于前轴后方,后置梯形;转向器位于前轴后方,前置梯形;转向器位于前轴前方,后置梯形;转向器位于前轴前方,前置梯形,见图2-2。
图2-2齿轮齿条式转向器的布置形式
齿条断面有圆形、V形和Y形三种。
圆形断面制造简单;V形和Y形节约材料,质量小而且位于齿条下面的两斜面与齿条托坐接触,可以用来防止齿条绕轴线转动。
(2)循环球式
循环球式转向器由螺杆和螺母共同形成的螺旋槽内装有钢球构成的传动副,以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成[3],如图2-3所示。
图2-3循环球式转向器
循环球式转向器的优点是:
传动效率可达到75%~85%;转向器的传动比可以变化;工作平稳可靠;齿条和齿扇之间的间隙调整容易;适合用来做整体式动力转向器。
循环球式转向器的主要缺点是:
逆效率高,结构复杂,制造困难,制造精度要求高。
循环球式转向器主要用于货车和客车上。
由于齿轮齿条式转向器与循环球式转向器相比[4]:
结构简单,传动效率高,操纵轻便,质量轻;且不需要转向摇臂和转向直拉杆,使转向传动机构得以简化。
针对本次设计,应该选用齿轮齿条式转向器。
2.2.3齿轮齿条式转向器布置和结构形式的选择
在前桥仅为转向桥的情况下,由转向横拉杆和左、右梯形臂组成的转向梯形一般布置在前桥之后。
当转向轮处于与汽车直线行驶相应的中立位置时,梯形臂与横拉杆在与道路平行的平面(水平面)内的交角>90°。
在发动机位置较低或转向桥兼充驱动桥的情况下,为避免运动干涉,往往将转向梯形布置在前桥之前,此时上述交角<90°。
本次设计是发动机前置前轮驱动,故采用如图2-4所示的布置形式。
图2-4转向梯形前置
同时考虑到发动机前置前驱故采用如图2-5所示的侧面输入两端输出的结构形式。
图2-5齿轮齿条位置布置
2.2.4转向梯形结构方案分析
转向梯形有整体式和断开式两种。
选择该转向梯形的方案时与悬架采用何种方案有关[4]。
考虑到本次设计中采用独立悬架,故设计中采用断开式转向梯形。
2.3控制部分系统方案设计
2.3.1控制部分性能要求分析
电动助力转向系统除必须满足车辆对转向系统的一切性能要求外,还应满足控制、控制系统、传感器等性能要求,具体有以下几点[11]:
(1)具有良好的转向助力特性
转向盘力是驾驶者输入转向盘用以操纵汽车的力。
EPS的基本目标是提高汽车停车泊位和低速行驶时的转向轻便性,高速行驶时的操纵稳定性[6]。
在低车速、低侧向加速度行驶工况下,汽车应具有适度的转向盘力与转向盘转角,还应有良好的回正性能。
在高车速和低侧向加速度范围内,汽车应具有良好的横摆角速度频率响应特性,直线行驶能力和回正性能。
转向盘力的大小要适度,特别是随着车速的提高,转向盘力不宜过轻而要保持一定的数值;采用随行驶车速而改变转向盘操作力特性的电动助力转向系统,可以显著地改善高速行驶时转向盘力的品质。
因此,EPS系统的助力特性曲线是一族随车速变化的曲线,如图2-6。
图2-6助力特性曲线
(2)应具有良好的操纵稳定性
汽车行驶稳定性的影响因素很多,转向系统是其重要影响因素之一。
所谓稳定性主要是指汽车在行驶过程中,当突然受到外界横向力作用而发生自动转向等不稳定现象时,转向系统应该具有使车辆在相当短的时间内迅速地回复正常行驶状态的能力。
转向系一直存在着轻与灵的矛盾,在不同的工况下,对操作稳定性要求的侧重面是不一样的。
一般转向力与路感是相互制约的,转向力小意味着转向轻便,能减小驾驶员的体力消耗;但转向力过小,就缺乏路感。
传统液压助力转向由于不能对助力进行实时调节与控制。
所以协调转向力和路感的关系困难,特别是汽车高速行驶时,仍然会提供较大助力,使驾驶员缺乏路感,甚至感觉汽车发飙,影响操纵稳定性,危机汽车高速行驶时的安全。
由于EPS由电机提供助力,助力大小由电控单元(ECU)实时调节与控制。
EPS可以根据车速不同工况,制定不同的控制策略,自动地削弱或吸收摆振、维持转向盘具有良好的稳定感的能力,较好地解决上述矛盾。
(3)应具有良好的跟随性
EPS是一种电子控制电动助力转向伺服系统,跟随性问题十分重要[7][8]。
所谓跟随性问题是指当转向盘有转向输入时,系统中的各个元件(如电机等)及其他相关元件(如车轮等)均具有快速、协调和准确的响应性或跟随性。
例如,当在方向盘上输入一个偏转角位移时,下部输出轴要在直流电机的带动下,按照给定的输入角位移稳定、准确、快速地跟踪上输入偏转角的位移。
(4)具有良好的回正特性
驾驶员转向时,回正力矩是使转向车轮自动返回到直线行驶位置的主要恢复力矩之一。
电动助力转向系统电动机通过减速机构作用到转向机构上,电动机和转向机构中不仅存在着摩擦损失转矩,还有弹性和间隙。
如果轮胎的回正力矩比总的摩擦损失力矩小,转向盘将不可能恢复到中间位置,汽车将偏离预期的行驶路线,直到驾驶员通过转向盘用力使它返回到中间位置。
而在高速行驶时,为此,需要在常规转向的基础上增加回正控制功能。
高速行驶时,轮胎的侧向力较大,为防止回正超调,则利用电机的转矩对系统的阻尼作用,使回正处于受控状态。
由于在EPS中采用了微电子技术,利用软件控制电动机的动作,在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。
从最低车速到最高车速,可得到一族回正特性曲线,而传统的液压助力转向系统是无法做到这一点的。
(5)适合的转向路感
对于EPS来说,其助力大小可根据不同车速、通过软件的方式来控制电机电流来实现实时调节与控制,通过采用优良的控制策略,来调整转向路感,获得满意的转向轻便性和操纵稳定性,并保证驾驶员有足够的路感,实现路感的优化。
(6)具有在版故障诊断功能
(7)EPS系统应具有碰撞能量吸收功能
对于EPS系统,当汽车发生正面冲撞时,转向盘的压迫是导致驾驶员受伤的一个主要原因,因此要求EPS系统转向操纵机构必须设置各种缓冲式的安全装置。
2.3.2控制部分方案设计
EPS具体的工作流程是[5]:
当车辆点火开关接通,发动机开始运转后,电动助力转向系统的ECU发出指令使电源继电器和故障保护继电器闭合,让整个EPS系统启动,EPS程序一直监控车速传感器与转矩传感器输入的车速和转向盘转矩信号,其中,转向盘转矩信号体现了转向盘的转矩大小及该时刻转向盘的转向和位置,从而能够判断转向盘是顺时针转动还是逆时针转动还是在中间位置保持不动,由车速与转矩信号实时输出相应的控制电流驱动电机,实现不同大小不同方向的助力,当点火开关断开时,EPS系统停止工作。
图2-7EPS系统工作流程图
电动助力转向系统主要部件有:
转矩传感器、车速传感器、电流传感器、电动机与减速机构、电子控制单元(ECU)。
转矩传感器一般安装在转向小齿轮轴上,有的与电动机集成制造成一体;车速传感器安装在变速器输出轴上;电流传感器安装在电动机里;电子控制单元安装在转向器上方或者安装在驾驶员左侧的仪表盘背板上;电动机与减速机构集成制造在一起,一般根据不同的要求安装在转向柱、转向小齿轮或者转向齿条上。
在小型车辆上,电机是通过齿轮箱与转向柱连接,而在中型汽车上,电机则是通过法兰交叉或纵向安装在齿条上,并通过齿轮箱操作。
本次设计中,由于所
选用的车型是小型车,故将电动机与减速机构集成通过齿轮箱安装在转向柱上。
3齿轮齿条式转向器设计
3.1整车性能参数
本次设计以某微型电动车为模型,采用前置前驱的驱动方式,其基本参数如表3-1所示:
表3-1园林电动拖拉机基本参数
名称
数值
单位
轴距L
1350
mm
前轮距L1
940
mm
后轮距L2
940
mm
最小转弯半径Rmin
2647
mm
车长
1870
mm
车宽
1166
mm
车高
1565
mm
整车整备质量
585
kg
前轮负荷率
60%
轮胎规格
前轮175/65R15后轮175/65R15
3.2齿轮齿条式转向器的设计和计算
3.2.1齿轮齿条转向器计算载荷的确定
(1)为了保证行驶安全,组成转向系的各零件应有足够的强度。
欲验算转向系零件的强度,需首先确定作用在各零件上的力。
影响这些力的主要因素有转向轴的负荷,路面阻力和轮胎气压等。
为转动转向轮要克服的阻力,包括转向
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 汽车 电动 助力 转向器 设计