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电动助力转向系统设计详解:环保节能的关键技术
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更新于2024-06-27
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本文档深入探讨了汽车电动助力转向系统的设计,涵盖了汽车转向系统的概述、设计要求以及电动助力转向(EPS)的特点和发展现状。在第一章“绪论”中,首先介绍了汽车转向系统的基本构成和功能,它是汽车行驶方向控制的关键部分,直接影响汽车的操控性能和安全性。主要的转向技术类型包括手动、液压、电控液压、电动助力、四轮转向、主动前轮转向和线控转向。 设计要求方面,电动助力转向系统需确保在行驶中车辆稳定,无侧滑,且转向轮能自动回正。在不同行驶状态下,避免共振和转向盘摆动,同时提高汽车的机动性和操纵轻便性。此外,还强调了碰撞保护、运动校核以及在事故中的安全防护措施。 章节的重点在于电动助力转向(EPS)技术,它与传统的液压动力转向相比,具有显著优势。EPS仅在需要时才消耗电力,相较于常流式液压系统,其燃料消耗率更低,约为液压系统的16%~20%,更为节能。另外,电动助力转向无需使用油液,避免了漏油问题和环境污染,同时也提高了在发动机故障时的可靠性,因为液压泵不会受到影响。 当前,电动助力转向系统因其环保、节能和易于模块化等特性,已经成为国内汽车行业的研究热点。随着技术的发展,EPS正朝着更智能、响应更快的方向进化,以适应现代汽车对舒适性、燃油经济性和驾驶体验的更高要求。 总结来说,这份41页的文档详细讨论了汽车电动助力转向系统的设计原理、技术特点以及它在现代汽车工程中的重要地位,展示了其在节能减排和提升驾驶体验方面的巨大潜力。
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-12-
第 3 章 电动助力转向系统的设计
3.1 对动力转向机构的要求
(1)运动学上应保持转向轮转角和驾驶员转动转向盘的转角之间保持一定
的比例关系。
(2)随着转向轮阻力的增大(或减小),作用在转向盘上的手力必须增大
(或减小),称之为“路感”。
(3)当作用在转向盘上的切向力
kNF
h
190.0~025.0�
时(因汽车形式不同
而异),动力转向器就开始工作。
(4)转向后,转向盘应自动回正,并使汽车保持在稳定的直线行驶状态。
(5)工作灵敏。
(6)动力转向失灵时,仍能用机械系统操纵车轮转向。
3.2 齿轮齿条转向器的设计与计算
齿轮齿条转向器最主要的优点是:结构简单、价格低廉、质量轻、刚性
好、使用可靠;传动效率高达90%;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:中间输入,两端输出(图3-1a);侧面输入,两端
输出(图3-1b);侧面输入,中间输出(图3-1c);侧面输入,一端输出图(图
3-1d)。
图3-1 齿轮齿条式转向器的四种形式
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87414867/bgd.jpg)
-13-
3.2.1 转向系计算载荷的确定
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
转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内摩
擦阻力等。
精确地计算出这些力是困难的。为此用足够精确的半经验公式来计算汽
车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩MR(N·mm)。
2.347215
24.0
8100
3
7.0
3
3
3
1
���
P
G
f
M
R
N·mm (3-1)
式中 f——轮胎和路面间的滑动摩擦因数;
1
G
——转向轴负荷,单位为N;
P——轮胎气压,单位为MPa。
作用在转向盘上的手力F
h
为:
5.122
9.018350
2.3472152
2
2
1
�
��
�
�
�
�
�
�
iDL
ML
F
SW
R
h
N (3-2)
式中
1
L
——转向摇臂长, 单位为 mm;
R
M
——原地转向阻力矩, 单位为 N·mm
2
L
——转向节臂长, 单位为 mm;
SW
D
——为转向盘直径,单位为 mm;
�
i
——转向器角传动比;
�
�
——转向器正效率。
因齿轮齿条式转向传动机构无转向摇臂,故 L1、L2 不代入数值。对给定
的汽车,用上式计算出来的作用力是最大值。因此,可以用此值作为计算载
荷。
梯形臂长度的计算
2
L
:
轮辋直径
LW
R
= 16in=16×25.4=406.4mm
梯形臂长度
2
L
=
LW
R
×0.8/2= 406.4×0.8/2=162.6mm (3-3)
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87414867/bge.jpg)
-14-
取
2
L
=160mm
轮胎直径的计算 R
T
:
20555.0 ���
LWT
RR
=406.4+0.55×225=530.2mm (3-4)
取
T
R
=530mm
转向横拉杆直径的确定:
(3-5)
a
=
2
L
;
mNMMPa
R
��� 2.347;216][
�
因此取
min
d
=15mm
初步估算主动齿轮轴的直径:
(3-6)
][
�
=140MPa
所以取
min
d
=18mm
上述的计算只是初步对所研究的转向系载荷的确定。
3.2.2 齿轮齿条式转向器的设计
(一) EPS 系统齿轮齿条转向器的主要元件
(1)齿条是在金属壳体内来回滑动的,加工有齿形的金属条。转向器壳体
是安装在前横梁或前围板的固定位置上的。齿条代替梯形转向杆系的摇杆和
转向摇臂,并保证转向横拉杆在适当的高度以使他们与悬架下摆臂平行。齿
条可以比作是梯形转向杆系的转向直拉杆。导向座将齿条支持在转向器壳体
上。齿条的横向运动拉动或推动转向横拉杆,使前轮转向。
表 3-1 齿条的尺寸设计参数
序号
项目
符号
尺寸参数(
mm
)
1
总长
L
730
2
直径
�
25
3
齿数
2
Z
20
� �
mmm
a
M
d
R
578.310
21614.316.0
2.34744
3
3
��
��
�
��
�
��
� �
mmm
M
d
n
935.8
14014.3
16.05.12216
16
3
3
max
�
�
��
��
��
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87414867/bgf.jpg)
-15-
4
法向模数
2
Mn
3
(2)齿轮是一只切有齿形的轴。它安装在转向器壳体上并使其齿与齿条上
的齿相啮合。齿轮齿条上的齿可以是直齿也可以是斜齿。齿轮轴上端与转向
柱内的转向轴相连。因此,转向盘的旋转使齿条横向移动以操纵前轮。齿轮
轴由安装在转向器壳体上的球轴承支承。
斜齿的弯曲增加了一对啮合齿轮参与啮合的齿数。相对直齿而言,斜齿
的运转趋于平稳,并能传递更大的动力。
表 3-2 齿轮轴的尺寸设计参数
序号
项目
符号
尺寸参数(mm)
1
总长
L
198
2
齿宽
1
B
60
3
齿数
1
Z
6
4
法向模数
1
Mn
3
5
螺旋角
�
14°
6
螺旋方向
左旋
(3)转向横拉杆及其端部
1.横拉杆 2.锁紧螺母 3.外接头壳体 4.球头销 5.六角开槽螺母
6.球碗 7.端盖 8.梯形臂 9.开口销
图 3-2 转向横拉杆外接头
转向横拉杆与梯形转向杆系的相似。球头销通过螺纹与齿条连接。当这些球
头销依制造厂的规范拧紧时,在球头销上就作用了一个预载荷。防尘套夹在
转向器两侧的壳体和转向横拉杆上,这些防尘套阻止杂物进入球销及齿条中。
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