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轉(zhuǎn)向柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘 要
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，用電池作為能源，電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，以轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩以及車速為輸入信號(hào)，通過電子控制裝置，協(xié)助人力轉(zhuǎn)向，并獲得最佳轉(zhuǎn)向力特性的伺服系統(tǒng)。其通常是在機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、電子控制單元(ECU)、直流電機(jī)等裝置構(gòu)成。
本文設(shè)計(jì)研究了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，對(duì)其工作原理做了闡述，根據(jù)設(shè)計(jì)要求提出本次設(shè)計(jì)的方案類型；隨后，對(duì)蝸輪蝸桿減速器中的蝸輪與蝸桿做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算；對(duì)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并對(duì)其重要零件進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算與強(qiáng)度校核；最后，最后通過AutoCAD制圖軟件繪制了裝配圖和各主要零部件的零件圖。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向，渦輪蝸桿，齒輪齒條，設(shè)計(jì)
Abstract
Electric power steering system is in the mechanical steering system, using batteries as energy, motor as power, steering wheel speed and torque and speed as input signal, through electronic control device to help human steering, and obtain the best steering force characteristics of the servo system. It is usually made up of a steering torque sensor, a speed sensor, an electronic control unit (ECU) and a DC motor on the basis of a mechanical steering system.
This paper designs and studies the electric power steering system, expounds its working principle, and puts forward the design scheme according to the design requirements. Then, the worm and worm gear in the worm gear reducer is designed and calculated in detail, the structure of the gear and rack type steering gear is analyzed, and its important parts are carried out. Finally, the assembly drawing and the parts drawing of the main parts are plotted through the AutoCAD drawing software.
Key words: EPS, Turbine worm, Rack and pinion, Design
目 錄
摘 要 1
Abstract 2
第1章 緒 論 4
1.1研究背景及意義 4
1.2 EPS國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4
1.3 EPS發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 5
1.4 研究的主要內(nèi)容 6
第2章 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及參數(shù)確定 7
2.1設(shè)計(jì)要求 7
2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析 7
2.2.1 工作原理 7
2.2.2 類型 9
2.3 助力電動(dòng)機(jī)選擇 11
2.3.1 電動(dòng)機(jī)概述 12
2.3.2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算 12
2.4 電磁離合器選擇 13
2.5 扭矩傳感器選擇 13
第3章 減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
3.1布置形式的確定 15
3.2 蝸輪蝸桿材料的選擇 15
3.3 蝸輪蝸桿主要參數(shù)計(jì)算 15
3.3.1 設(shè)計(jì)要求 15
3.3.2 選擇蝸桿傳動(dòng)類型 16
3.3.3 蝸桿模數(shù)及分度圓直徑的確定 16
3.3.4蝸輪與蝸桿幾何尺寸的確定 17
3.4 蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核 18
3.5軸的設(shè)計(jì)與軸承選擇 19
3.5.1軸的概述 20
3.5.2 轉(zhuǎn)向軸的設(shè)計(jì) 20
3.5.3 轉(zhuǎn)向軸的校核 22
3.5.4 蝸桿軸的設(shè)計(jì) 23
3.5.5 蝸桿軸的校核 24
3.5.6 軸承的選取 26
3.5.7 軸承的校核 26
第4章 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì) 29
4.1齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器概述 29
4.1.1 齒條概述 29
4.1.2 齒輪概述 29
4.1.3 設(shè)計(jì)要求 29
4.2材料選擇與參數(shù)確定 29
4.2.1 材料選擇 29
4.2.2 計(jì)算許用應(yīng)力 29
4.2.3基本參數(shù)計(jì)算 30
4.2.4幾何尺寸計(jì)算 31
4.2.5 齒輪強(qiáng)度校核 32
4.3 軸的設(shè)計(jì)與軸承選擇 33
4.3.1 軸的設(shè)計(jì) 33
4.3.2 軸的校核 34
4.3.3 軸承的選取 35
總 結(jié) 36
參考文獻(xiàn) 37
致 謝 38
40
第1章 緒 論
1.1研究背景及意義
隨著汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，人們對(duì)于汽車功能的要求變得越來越高，EPS系統(tǒng)也迎來了巨大的市場(chǎng)需求，許多廠商都以EPS系統(tǒng)作為一個(gè)賣點(diǎn)，來吸引顧客買車。所謂電動(dòng)轉(zhuǎn)向( EPS) ，就是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，用電池作為能源，電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，以轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩以及車速為輸入信號(hào)，通過電子控制裝置，協(xié)助人力轉(zhuǎn)向，并獲得最佳轉(zhuǎn)向力特性的伺服系統(tǒng)。EPS汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能直接影響到汽車的操縱穩(wěn)定性，對(duì)于確保車輛的安全行駛、減少交通事故以及保護(hù)駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件起著重要的作用。特別是EPS用電動(dòng)機(jī)直接提供助力，助力大小由電子控制單元（ECU）控制。它能在汽車低速行駛轉(zhuǎn)向時(shí)減輕轉(zhuǎn)向力使轉(zhuǎn)向輕便、靈活；在汽車高速行駛轉(zhuǎn)向時(shí)，適當(dāng)加重轉(zhuǎn)向力，從而提高了高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性，增強(qiáng)了路感。不僅如此，EPS的能耗是HPS能耗的1 /3以下， 且前者比后者使整車油耗下降可達(dá)3% - 5%，因而，它能節(jié)約燃料，提高主動(dòng)安全性，且有利于環(huán)保。對(duì)于確保車輛的安全行駛、減少交通事故、保護(hù)駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件及節(jié)能起著重要的作用。
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用電池作為能源，電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，以轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、車速為輸入信號(hào)，通過電子控制裝置，協(xié)助人力轉(zhuǎn)向，并獲得最佳轉(zhuǎn)向力特性的伺服機(jī)構(gòu)，在低速行駛轉(zhuǎn)向時(shí)，輕便、靈活；在高速行駛轉(zhuǎn)向時(shí)，穩(wěn)定性好。所以對(duì)于確保車輛的安全行駛、減少交通事故、保護(hù)駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件及節(jié)能起著重要的作用。
畢業(yè)設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用本專業(yè)所學(xué)的各理論和專業(yè)知識(shí)，使之初步掌握汽車設(shè)計(jì)的一般規(guī)律和常用方法，樹立正確的設(shè)計(jì)思路，提高分析和解決實(shí)際問題的能力，為以后的工作打下基礎(chǔ)。
1.2 EPS國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1988 年2 月日本鈴木公司首次在其Cervo 車上裝備EPS , 隨后還用在了其Alto 車上。在此之后, 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)如雨后春筍般得到迅速發(fā)展。日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司, 美國的Delphi 汽車系統(tǒng)公司、TRW公司, 德國的ZF 公司, 都相繼研制出各自的EPS。比如: 大發(fā)汽車公司在其Mi2ra 車上裝備了EPS , 三菱汽車公司則在其Minica 車上裝備了EPS ; 本田汽車公司的Accord 車目前已經(jīng)選裝EPS , S2000 轎車的動(dòng)力轉(zhuǎn)向也將傾向于選擇EPS ;Delphi 汽車系統(tǒng)公司已經(jīng)為大眾的Polo 、歐寶的318i以及菲亞特的Punto 開發(fā)出EPS 。
TRW從1998 年開始, 便投入了大量人力、物力和財(cái)力用于EPS 的開發(fā)。他們最初針對(duì)客車開發(fā)出轉(zhuǎn)向柱助力式EPS , 如今小齒輪助力式EPS 開發(fā)也已獲成功。1999 年3 月, 他們的EPS 已經(jīng)裝備在轎車上, 如Ford Fiesta 和Mazda 323F 等 。Mercedes OBenz 和Siemens Automotive 兩大公司共同投資6 500 萬英鎊用于開發(fā)EPS , 他們的目標(biāo)是到2002 年裝車, 年產(chǎn)300 萬套, 成為全球EPS 制造商。他們計(jì)劃開發(fā)出適用于汽車前橋負(fù)荷超過1200kg的EPS，因此貨車也將可能成為EPS的裝備目標(biāo)。而我國在2002 年才開始研制開發(fā)汽車EPS 產(chǎn)品, 目前已經(jīng)知道的有13 家企業(yè)和科研院校正在研制中。其中南摩股份有限公司( 生產(chǎn)轉(zhuǎn)向柱式的EPS 產(chǎn)品) 在2003 年開始進(jìn)入小批量生產(chǎn)階段, 其他廠家和科研院校均在開發(fā)階段中。
經(jīng)過20 幾年的發(fā)展, EPS 技術(shù)日趨完善。其應(yīng)用范圍已經(jīng)從最初的微型轎車向更大型轎車和商用客車方向發(fā)展, 如本田的Accord 和菲亞特的Punto 等中型轎車已經(jīng)安裝EPS ,本田甚至還在其Acura NSX賽車上裝備了EPS 。EPS 的助力型式也從低速范圍助力型向全速范圍力型發(fā)展, 并且其控制形式與功能也進(jìn)一步加強(qiáng)。日本早期的EPS 僅僅在低速和停車時(shí)提供助力, 高速時(shí)EPS 將停止工作。新一代的EPS 則不僅在低速和停車時(shí)提供助力, 而且還能在高速時(shí)提高汽車的操縱穩(wěn)定性。如鈴木公司裝備在Wagon R + 車上的EPS 是一個(gè)負(fù)載-路面-車速感應(yīng)型助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 。由Delphi 為Punto 車開發(fā)的EPS 屬全速范圍助力型, 并且首次設(shè)置了兩個(gè)開關(guān), 其中一個(gè)用于郊區(qū), 另一個(gè)用于市區(qū)和停車。當(dāng)車速大于70km/ h 后, 這兩種開關(guān)設(shè)置的程序則是一樣的, 以保證汽車在高速時(shí)有合適的路感。這樣即使汽車行駛到高速公路時(shí)駕駛員忘記切換開關(guān)也不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。市區(qū)型開關(guān)還與油門相關(guān),使得在踩油門加速和松油門減速時(shí), 轉(zhuǎn)向更平滑。隨著直流電機(jī)性能的改進(jìn), EPS 助力能力的提高, 其應(yīng)用范圍將進(jìn)一步拓寬, 現(xiàn)在3 升級(jí)的運(yùn)動(dòng)型跑車也有安裝EPS。EPS 代表未來動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向, 將作為標(biāo)準(zhǔn)件裝備到汽車上, 并將在動(dòng)力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。據(jù)TRW公司預(yù)測(cè), 到2010 年全世界生產(chǎn)的每3 輛轎車中就有1 輛裝備EPS。特別是低排放汽車(LEV) 、混合動(dòng)力汽車(HEV) 、燃料電池汽車( FCEV) 、電動(dòng)汽車(EV) 四大EV 汽車將構(gòu)成未來汽車發(fā)展的主體，這給EPS 帶來了更加廣闊的應(yīng)用前景。
盡管EPS 已達(dá)到了其最初的設(shè)計(jì)目的, 但仍然存在一些問題需要解決, 其中, 進(jìn)一步改善電動(dòng)機(jī)的性能是關(guān)鍵問題。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的性能是影響控制系統(tǒng)性能的主要因素, 電動(dòng)機(jī)本身的性能及其與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配都將影響到轉(zhuǎn)向操縱力、轉(zhuǎn)向路感等問題。概括地說, 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向主要為: 改進(jìn)控制系統(tǒng)性能和降低控制系統(tǒng)的制造成本。只有進(jìn)一步改進(jìn)控制系統(tǒng)性能, 才能滿足更高檔轎車的使用要求。另外, EPS 的控制信號(hào)將不再僅僅依靠車速與扭矩, 而是根據(jù)轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度、前軸重力等多種信號(hào)進(jìn)行與汽車特性相吻合的綜合控制, 以獲得更好的轉(zhuǎn)向路感。未來的EPS 將朝著電子四輪轉(zhuǎn)向的方向發(fā)展, 并與電子懸架統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。
1.3 EPS發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)
（1）國際市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)
20世紀(jì)8O年代，日本鈴木公司首次開發(fā)出電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electrical Power Steering，簡(jiǎn)稱EPS)，在此之后，日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司及本田汽車公司均研制出適合各自車型的EPS。日本精工已成為世界最大的EPS生產(chǎn)廠，占全球的3O%，日本光洋2006年已達(dá)到800萬套，日本豐田從2003年開始批量生產(chǎn)P-EPS，年產(chǎn)已上100萬套，美國的Delphi公司、TRW 公司已經(jīng)成功開發(fā)出EPS系統(tǒng)，大大促進(jìn)了EPS技術(shù)的發(fā)展。經(jīng)過近20年的發(fā)展，EPS技術(shù)日趨完善，其應(yīng)用范圍從最初的微型轎車配套向負(fù)荷較大的中、高檔型轎車配套發(fā)展。
國外生產(chǎn)的中低檔小型、微型汽車大都備配了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器，在部分中檔轎車和高級(jí)轎車上已經(jīng)得到應(yīng)用，在中型車輛和重型車輛的應(yīng)用也已處于研究階段。2006年EPS的市場(chǎng)占有率已達(dá)到3O%。
（2）國內(nèi)市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)
2006年，國內(nèi)汽車產(chǎn)銷均超過500萬，目前國內(nèi)開發(fā)的EPS主要針對(duì)1．6排量以下的中小型汽車，而1．6排量以下的汽車約占7O 左右，因此市場(chǎng)潛力巨大。當(dāng)前國內(nèi)實(shí)際安裝EPS的汽車已達(dá)到15%，主要是昌河北斗星、哈飛路寶等，轎車有廣州本田飛渡、上海大眾途安、長(zhǎng)安雨燕、一汽天津花冠3．0、一汽大眾開迪及鄭州日產(chǎn)MPV旅行車，這些廠家都在尋求國產(chǎn)化合作伙伴。批量安裝國產(chǎn)EPS的車型有：愛迪爾車、新雅圖轎車及吉利轎車；小批安裝國產(chǎn)EPS的車型有天津夏利、雙環(huán)S6“小貴族”汽車；正在試裝EPS的車型有：天津夏利X121轎車、福瑞達(dá)面包車、奇瑞QQ轎車及楊子皮卡等車型。一汽轎車也準(zhǔn)備安裝國產(chǎn)電動(dòng)轉(zhuǎn)向器，正在尋求有實(shí)力的合作伙伴。重慶長(zhǎng)安鈴木、長(zhǎng)安福特準(zhǔn)備在其生產(chǎn)的新車型中試裝電動(dòng)轉(zhuǎn)向器。
研制EPS的廠家和科研院所已有好幾十家，其中科研院所有清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、天津大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)及重慶大學(xué)等。傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向器廠家有湖北恒隆、南京標(biāo)準(zhǔn)件廠、杭州萬向集團(tuán)、重慶馳騁、天津津豐、浙江萬達(dá)、浙江雙輝劍、杭州世寶、躍進(jìn)汽車轉(zhuǎn)向器公司及豫北光洋等廠家。但由于EPS為機(jī)電一體的高科技產(chǎn)品，傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向器廠家缺乏控制器開發(fā)方面的電子專家；而科研院所重于理論研究，缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和批生產(chǎn)建線的能力，因而EPS研制進(jìn)展較慢。
1.4 研究的主要內(nèi)容
（1）查閱資料，對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析；
（2）通過參數(shù)計(jì)算，對(duì)助力電機(jī)、扭轉(zhuǎn)傳感器及電磁離合器進(jìn)行選??；
（3）確定蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)的布置形式，進(jìn)而對(duì)其主要參數(shù)和幾何尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、校核；
（4）齒輪齒條轉(zhuǎn)向器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
第2章 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及參數(shù)確定
2.1設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)一轉(zhuǎn)向柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，要求如下：
（1）轉(zhuǎn)向器為齒輪齒條式，減速機(jī)構(gòu)為蝸輪蝸桿；
（2）前軸載荷：600kg；
（3）齒條力：5500N；
（4）轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比：15；
（5）轉(zhuǎn)向盤半徑：200mm；
（6）蝸輪蝸桿減速機(jī)：蝸桿轉(zhuǎn)速1200r/min、扭矩1750N?mm、傳動(dòng)比30。
2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析
2.2.1 工作原理
電動(dòng)式EPS通常是在機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、電子控制單元(ECU)、直流電機(jī)等裝置構(gòu)成，其組成如圖2.1所示。
圖2.1 EPS結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖
電動(dòng)式EPS以直流電動(dòng)機(jī)作為助力源,電子控制單元根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向參數(shù)控制電動(dòng)機(jī)通電電流強(qiáng)度,調(diào)節(jié)加力電動(dòng)機(jī)工作力矩,進(jìn)而控制轉(zhuǎn)向助力強(qiáng)度。
電動(dòng)式EPS的助力作用受電腦控制,在低速轉(zhuǎn)向時(shí)的助力作用最強(qiáng),隨著車速的升高助力作用逐漸減弱;當(dāng)車速達(dá)到42~52KM/H時(shí)電腦停止向電動(dòng)機(jī)供電,并使電磁離合器分離,轉(zhuǎn)向變?yōu)橥耆神{駛員人力操縱。
由此看出,電動(dòng)式EPS在低速轉(zhuǎn)向時(shí),可獲得比較輕便的轉(zhuǎn)向特性;而在高速轉(zhuǎn)向時(shí),則可獲得完全的轉(zhuǎn)向“路感”,具有優(yōu)越的控制特性。
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由機(jī)械轉(zhuǎn)向器與電動(dòng)助力部分相結(jié)合構(gòu)成。電動(dòng)助力部分包括電動(dòng)機(jī)、電池、傳感器和控制器（ECU）及線束，有的還有減速機(jī)構(gòu)和電磁離合器等（圖2.2）
圖2.2 EPS示意圖
目前用于乘用車的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向器，均采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。其功能除用來傳遞來自轉(zhuǎn)向盤的力矩與運(yùn)動(dòng)以外，還有增扭、降速作用。轉(zhuǎn)向過程中，電動(dòng)機(jī)將來自蓄電池的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能向轉(zhuǎn)向系輸出而構(gòu)成轉(zhuǎn)向助力矩，并完成助力作用。與電動(dòng)機(jī)連接的減速機(jī)構(gòu)有蝸輪蝸桿、滾珠螺桿螺母或行星齒輪機(jī)構(gòu)等，其作用也是降速、增扭。裝在減速機(jī)構(gòu)附近的離合器（通常為電磁離合器）是為了保證電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)只在預(yù)先設(shè)定的行駛速度范圍內(nèi)工作。在車速達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)，離合器分離，并暫時(shí)停止電動(dòng)機(jī)的助力作用。與此同時(shí)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也暫時(shí)轉(zhuǎn)為機(jī)械式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，離合器也自動(dòng)分離。離合器分離后再行轉(zhuǎn)向時(shí)，可不必因帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)而消耗駕駛員體力。單片式電磁離合器包括主動(dòng)輪、從動(dòng)軸、壓盤、磁化線圈和滑環(huán)等。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖：
圖2.2 EPS結(jié)構(gòu)系統(tǒng)原理圖
2.2.2 類型
EPS的類型通?？梢园雌潆妱?dòng)機(jī)的減速機(jī)構(gòu)的形式不同或電動(dòng)機(jī)的布置位置不同進(jìn)行分類。
EPS系統(tǒng)一般都有減速機(jī)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)減速增矩對(duì)EPS進(jìn)行助力。根據(jù)汽車上轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)形式不同，EPS可分為:循環(huán)球螺母式(圖2.3)、蝸輪蝸桿式(圖2.4)、齒輪齒條式(圖2.5)三種。循環(huán)球螺母式EPS電動(dòng)機(jī)力矩的傳遞路線為:電動(dòng)機(jī)—循環(huán)球螺母—齒輪條。蝸輪蝸桿式EPS電動(dòng)機(jī)力矩的傳遞路線為:電動(dòng)機(jī)—蝸輪一齒輪條。齒輪齒條式EPS的電動(dòng)機(jī)力矩的傳遞路線為:電動(dòng)機(jī)—行星齒輪副—另設(shè)齒輪—齒條。
1-力矩傳感器 1-電磁離合器
2-循環(huán)球螺母 2-電動(dòng)機(jī)
3-功率放大器 3-扭矩傳感器
4-電控單元 4-轉(zhuǎn)向軸
5-齒條 5-蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)
6-轉(zhuǎn)向盤 6-齒輪齒條機(jī)構(gòu)
7-電動(dòng)機(jī)
8-轉(zhuǎn)向減速機(jī)構(gòu)
圖2.3 循環(huán)球螺母式 圖2.4 蝸輪蝸桿式
1-扭矩傳感器 2-轉(zhuǎn)接盤 3-電動(dòng)機(jī)4-電磁離合器5-齒輪齒條機(jī)構(gòu)
圖2.5 齒輪齒條式
根據(jù)電動(dòng)機(jī)布置位置不同，EPS可分為:轉(zhuǎn)向軸式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（C-EPS：Column-EPS）、齒輪軸式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（P-EPS:Pinion-EPS）及齒條軸式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（R-EPS：Rack-EPS）[10]。
轉(zhuǎn)向軸助力式EPS的電動(dòng)機(jī)固定在轉(zhuǎn)向軸的一側(cè)，通過減速機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸助力轉(zhuǎn)向，如圖2.6所示。
圖2.6 轉(zhuǎn)向軸助力式EPS
齒輪助力式EPS的電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)與小齒輪相連，直接驅(qū)動(dòng)齒輪助力轉(zhuǎn)向，如圖2.7所示。與轉(zhuǎn)向軸助力式相比，可以提供較大的轉(zhuǎn)向力，適用于中型車[11]。其助力控制特性方面增加了難度。
圖2.7 齒輪助力式EPS
齒條助力式EPS的電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)齒條提供助力，如圖2.8所示。與轉(zhuǎn)向器小齒輪助力式相比，齒條助力式可以提供更大的轉(zhuǎn)向力，適用于大型車。對(duì)原有的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有較大的改變。
圖2.8 齒條助力式EPS
本次設(shè)計(jì)要求為轉(zhuǎn)向柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，即轉(zhuǎn)向軸助力式EPS，且減速機(jī)類型為蝸輪蝸桿式。
2.3 助力電動(dòng)機(jī)選擇
2.3.1 電動(dòng)機(jī)概述
助力電動(dòng)機(jī)是EPS 系統(tǒng)的動(dòng)力源, 它根據(jù)ECU 輸出的控制指令, 在不同的工況下輸出不同的助力轉(zhuǎn)矩, 對(duì)整個(gè)EPS 性能影響很大, 因此需要具備良好的動(dòng)態(tài)特性、調(diào)速特性和隨動(dòng)特性并易于控制, 而且要求輸出波動(dòng)小、低轉(zhuǎn)大轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、尺寸小質(zhì)量輕等, 因此, 常采用無刷式永磁直流電動(dòng)機(jī)。為改善操縱感、降低噪音和減少振動(dòng), 在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外表面開出斜槽或螺旋槽, 而改變定子磁鐵的中心處或端部厚度, 將定子磁鐵設(shè)計(jì)成不等厚。
2.3.2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算
根據(jù)任務(wù)書上的基本參數(shù)可知
式中 f——輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)；
——轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷，單位為N；
P——輪胎氣壓，單位為；
——原地轉(zhuǎn)向阻力矩；
作用在轉(zhuǎn)向盤的手力矩為
式中 ——轉(zhuǎn)向搖臂長(zhǎng), 單位為mm；
——原地轉(zhuǎn)向阻力矩, 單位為N·mm
——轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng), 單位為mm；
——為轉(zhuǎn)向盤直徑,單位為mm；
Iw——轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比；
η+——轉(zhuǎn)向器正效率；
因齒輪齒條式轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)無轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向節(jié)臂，故、不代入數(shù)值。
從而可知，人所需用的轉(zhuǎn)矩為
T=Fh=92.1200=18419.7N·mm
設(shè)此力矩完全由電動(dòng)機(jī)提供可得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。
蝸桿=1 蝸輪 =30
T2==T1300.7
故選電動(dòng)機(jī)為：無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)。
額定電壓（V）12
額定扭矩（N.m）1.76
額定電流（A）30
額定轉(zhuǎn)速（V/min）1210
最大外形尺寸（mm）60115
根據(jù)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩可知蝸輪
T2=1.761000300.7=36.96N.m
2.4 電磁離合器選擇
電動(dòng)式EPS轉(zhuǎn)向助力一般都是工作在一個(gè)設(shè)定的范圍。當(dāng)車速低于某一設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)向助力，保證轉(zhuǎn)向的輕便性; 當(dāng)車速高于某一設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)提供阻尼控制，保證轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性；而當(dāng)車速處于兩個(gè)設(shè)定值之間時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止工作，系統(tǒng)處于Standy狀態(tài)，此時(shí)為了不使電動(dòng)機(jī)和電磁離合器的慣性影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作，離合器應(yīng)及時(shí)分離，以切斷輔助動(dòng)力。另外，當(dāng)EPS系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，離合器應(yīng)自動(dòng)分離，此時(shí)仍可利用手動(dòng)控制轉(zhuǎn)向，保障系統(tǒng)的安全性。
EPS系統(tǒng)中電磁離合器應(yīng)用較多的為單片干式電磁離合器，其工作原理如圖所示：
圖2.9 電磁離合器
離合器 類型 干式單片電磁式
額定電壓（V）12v
額定傳遞扭矩15/12v
繞阻（）19.5/20 c
2.5 扭矩傳感器選擇
扭矩傳感器的功能是測(cè)量駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩大小與方向，以及轉(zhuǎn)向盤的大小和方向。目前采用較多的是在轉(zhuǎn)向軸位置加以扭桿，通過測(cè)量扭桿的變形得到扭矩。另外也有采用非接觸式扭距傳感器。圖2.10所示的非接觸式扭矩傳感器中有一對(duì)磁極環(huán)，其原理是：當(dāng)輸入軸與輸出軸之間發(fā)生相對(duì)扭轉(zhuǎn)位移時(shí)，磁極環(huán)之間的空氣間隙發(fā)生變化，從而引起電磁感應(yīng)系數(shù)變化。非接觸式扭矩傳感器的優(yōu)點(diǎn)是體積小精度高，缺點(diǎn)是成本高。
圖2.10 非接觸式扭距傳感器
扭矩傳感器
額定電壓 5V
額定輸出電壓 2.5
最大阻抗 2.180.66
第3章 減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1布置形式的確定
電動(dòng)助動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)部分是該系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分，其減速機(jī)構(gòu)把電動(dòng)機(jī)的輸出，經(jīng)過減速增扭傳遞到動(dòng)力輔助單元，實(shí)現(xiàn)助力。因此，減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是EPS系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前常用的減速機(jī)構(gòu)有多種結(jié)構(gòu)形式，主要分為蝸輪蝸桿式、行星齒輪式和循環(huán)球螺母式等三種。而我選用了蝸輪蝸桿式減速機(jī)構(gòu)。
采用蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，見圖3.1，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有如下兩大優(yōu)點(diǎn)：
（1）實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比。在動(dòng)力傳動(dòng)中，一般傳動(dòng)比i=5~80;在分度機(jī)構(gòu)或手動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)中，傳動(dòng)比可達(dá)300；若只傳遞運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)比可達(dá)1000由于傳動(dòng)比大，零件數(shù)目又少，因而結(jié)構(gòu)很緊湊。
（2）在蝸桿傳動(dòng)中，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它的蝸輪是逐漸進(jìn)入嚙合逐漸退出嚙合的，同時(shí)嚙合的齒對(duì)數(shù)較多，故沖擊載荷小，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪音低。
圖3.1 減速機(jī)構(gòu)
3.2 蝸輪蝸桿材料的選擇
考慮到蝸桿傳動(dòng)傳遞的功率不大，速度只是中等，故蝸桿用45號(hào)鋼；因希望效率高些，耐磨性好些，故蝸輪螺旋面要求淬火并且調(diào)質(zhì)處理，硬度為45~55HRC。蝸輪用鑄錫磷青銅ZcuSn10Pb，金屬模鑄造。這種材料耐磨性好，但價(jià)格較高，用于滑動(dòng)速度3m/s的重要傳動(dòng)。為了盡量節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用鑄鐵HT150制造。為了防止變形，常對(duì)蝸輪進(jìn)行時(shí)效處理。
3.3 蝸輪蝸桿主要參數(shù)計(jì)算
3.3.1 設(shè)計(jì)要求
普通圓柱蝸桿閉式傳動(dòng)（用于EPS系統(tǒng)中電機(jī)輸出到轉(zhuǎn)向軸），蝸桿轉(zhuǎn)速=1200r/min，扭矩=1750N·mm，傳動(dòng)比i=30.雙側(cè)工作，工作載荷較穩(wěn)定，沖擊不大。要求壽命為5年（按每年365天，每天8小時(shí)），則使用壽命=53658=14600h
3.3.2 選擇蝸桿傳動(dòng)類型
根據(jù)GB10085-88的推薦，采用漸開線蝸桿（ZI）。傳動(dòng)比i介于5~80之間，由表3.1可確定蝸桿頭數(shù)=1。
表3.1 蝸桿頭數(shù) 蝸輪齒數(shù)推薦值
傳動(dòng)比i=z1/z2
5~8
7~16
15~32
30~83
蝸桿頭數(shù)z1
6
4
2
1
渦輪齒數(shù)z2
30~48
28~64
30~64
30~83
單頭蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)比大，但效率低，發(fā)熱量大，易自鎖。不過，蝸桿頭數(shù)過多，導(dǎo)程角大，制造困難。蝸輪的齒數(shù)=i。當(dāng)傳遞動(dòng)力時(shí)，為保證傳動(dòng)平穩(wěn)性，應(yīng)不少于28。但過過大將使蝸輪尺寸增大，蝸桿跨距隨之增大，降低蝸桿的剛度，影響嚙合精度。通常取=28~80，一般不大于100。故取=30
3.3.3 蝸桿模數(shù)及分度圓直徑的確定
蝸桿頭數(shù)=1 蝸輪=30
因載荷平穩(wěn)載荷系數(shù)K=1.1—1.3之間取
故K=1.2
表3.2 錫青銅蝸輪許用接觸應(yīng)力[]
蝸輪材料
鑄造方法
適用的滑動(dòng)速度V/(m.s)
蝸桿齒面硬度
45HRC
>45HRC
ZCuSn10Pb1
砂型
金屬型
12
25
150
220
180
268
ZCuSn5Pb5Zn5
砂型
金屬型
10
12
113
128
135
140
MK () （3.1）
M1.236960()
M171.5304
經(jīng)查表3.3可知m=2.5 q=11.2 =28
表3.3 普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的基本尺寸和參數(shù)
模數(shù)m/mm
分度圓直徑d/mm
直徑系數(shù)q
蝸桿頭數(shù)
Md/mm
模 數(shù)
m/mm
分度圓直徑d/mm
直徑系數(shù)q
蝸桿頭數(shù)
Md/mm
1
18
18.000
1
18
6.3
(80)
12.698
1,2,4
3175
1.25
20
16.000
1
31.25
112
17.778
1
4445
22.4
17.920
1
35
8
(63)
7.875
1,2,4
4032
1.6
20
12.500
1,2,4
51.2
80
10.000
1,2,4,6
5376
28
17.500
1
71.68
(100)
12.500
1,2,4
6400
2
(18)
9.000
1,2,4
72
140
17.500
1
8960
22.4
11.200
1,2,4,6
89.6
10
(71)
7.100
1,2,4
7100
(28)
14.000
1,2,4
112
90
9.000
1,2,4,6
9000
35.5
17.750
1
142
(112)
11.200
1,2,4
11200
2.5
(22.4)
8.960
1,2,4
140
160
16.000
1
16000
28
11.200
1,2,4,6
175
12.5
(90)
7.200
1,2,4
14062
(35.5)
14.000
1,2,4
221.9
112
8.960
1,2,4
17500
45
18.000
1
281
(140)
11.200
1,2,4
21875
3.15
(28)
8.889
1,2,4
278
200
16.000
1
31250
35.5
11.270
1,2,4,6
352
16
(112)
7.000
1,2,4
28672
45
14.286
1,2,4
447.5
140
8.750
1,2,4
35840
56
17.778
1
556
(180)
11.250
1,2,4
46080
4
(31.5)
7.875
1,2,4
504
250
15.625
1
56000
40
10.000
1,2,4,6
640
20
(140)
7.000
1,2,4
56000
(50)
12.500
1,2,4
800
160
8.000
1,2,4
64000
71
17.740
1
1136
(224)
11.200
1,2,4
89600
5
(40)
8.000
1,2,4
1000
315
15.750
1
126000
50
10.000
1,2,4,6
1250
25
(180)
7.200
1,2,4
112500
(63)
12.600
1,2,4
1575
200
8.000
1,2,4
125000
90
18.000
1
2250
(280)
11.200
1,2,4
175000
6.3
(50)
7.936
1,2,4
1985
400
16.000
1
250000
63
10.000
1,2,4,6
2500
3.3.4蝸輪與蝸桿幾何尺寸的確定
（1）蝸桿
蝸桿分度圓直徑
=2.8
齒頂圓直徑
=m(q+2)= 2.5(11.2+2) =33
=m(q-2.4) =2.5(11.2-2.4) =22
齒頂高
=m=2.5
齒根高
=1.2m=1.22.5=3
頂隙
C=0.2m=0.242.5=0.5
蝸輪分度圓柱的導(dǎo)程角
r=arctan=arctan5.1
中心距
a=m(q+) = 2.5(11.2+30) =51.5
蝸桿齒寬
（11+0.06）m
(11+0.00630)2.5
32
=32
（2）蝸輪
蝸輪分度圓直徑
=mz=2.530=75
齒頂圓直徑
d=m(z+2) =2.5(30+2) =80
齒根圓直徑
d=m(z-2.4) =2.5(30-2.4) =69
齒頂高
h=m=2.5
齒根高
h=1.2m=3
蝸輪齒寬
z3時(shí) b0.75
0.7533
24.75
b=20
3.4 蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核
=YY[] （3.2）
Y ——螺旋角影響系數(shù),Y=1-；
Y ——蝸輪齒形系數(shù)，按當(dāng)量齒數(shù)z=z/cos查取；
[]——蝸輪的許用彎曲應(yīng)力，單位為MPa。
Y=1-=1-=0.94
z==30.35914403
經(jīng)查表3-4可知，Y=2.52
表3.4 齒形系數(shù)及應(yīng)力修正系數(shù)
z
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
Y
2.97
2.91
2.85
2.8
2.76
2.72
2.69
2.65
2.62
2.6
2.57
2.55
2.53
Y
1.52
1.53
1.54
1.55
1.56
1.57
1.575
1.58
1.59
1.595
1.6
1.61
1.62
z
30
35
40
45
50
60
70
80
90
100
150
200
Y
2.52
2.45
2.4
2.35
2.32
2.28
2.24
2.22
2.2
2.18
2.14
2.12
2.06
Y
1.625
1.65
1.67
1.68
1.7
1.73
1.75
1.77
1.78
1.79
1.83
1.865
1.97
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
N==60114600=35332000
壽命系數(shù)
K==0.85
由表3.5查得 []=40MPa []=[]K
=0.8540 =34
表3.5 蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力[]
蝸輪材料
鑄錫磷青銅ZCu5nlOP1
鑄錫鉛鋅青銅ZCuSn5Pb5Zn5
鑄造鋁鐵青銅ZCuAlloFe3
灰鑄鐵
HT150
HT200
鑄造方法
砂模鑄造
金屬模制造
砂模鑄造
金屬模鑄造
砂模鑄造
金屬模鑄造
砂模鑄造
單側(cè)工作
40
56
26
32
80
90
40
48
雙側(cè)工作
29
40
22
26
57
64
28
34
=YY （3.3）
=2.520.964=31.39
<[]
3.5軸的設(shè)計(jì)與軸承選擇
3.5.1軸的概述
軸的主要功用是支承機(jī)器中的旋轉(zhuǎn)零件（如齒輪、帶輪、鏈輪、銑刀等），保證旋轉(zhuǎn)零件有確定的工作位置，并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。根據(jù)軸的受載情況不同，軸可以分為心軸，轉(zhuǎn)軸和傳動(dòng)軸。心軸是工作中只承受彎矩作用，不傳遞動(dòng)力的軸。根據(jù)心軸是否轉(zhuǎn)動(dòng)，心軸又分為固定心軸和轉(zhuǎn)動(dòng)心軸。轉(zhuǎn)動(dòng)心軸工作時(shí)，彎曲應(yīng)力一般是對(duì)稱循環(huán)變化的，而固定心軸工作時(shí)，其彎曲應(yīng)力的方向一般不變。轉(zhuǎn)軸既支撐轉(zhuǎn)動(dòng)零件又傳遞動(dòng)力，它是既承受彎矩又承受轉(zhuǎn)矩作用的軸。傳動(dòng)軸是只承受轉(zhuǎn)矩而不承受彎矩作用或彎曲作用很小的軸。
3.5.2 轉(zhuǎn)向軸的設(shè)計(jì)
由材料力學(xué)可知，實(shí)心圓軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為
==[] （3.4）
由此得軸的基本直徑的估算式
d=C （3.5）
式中 d ——軸的估算基本直徑（mm）
——軸的扭矩切應(yīng)力（MPa）
T ——軸傳遞的轉(zhuǎn)矩（N.mm）
P ——軸傳遞的功率（KW）
n ——軸的轉(zhuǎn)速（r/min）
W——軸的抗扭截面系數(shù)（mm）。對(duì)實(shí)心圓軸，W=d/160.2d
[]——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力（MPa）
C ——計(jì)算常數(shù)，取決于軸的材料及受載情況，見表3.6。
表3.6 軸常用材料的C值
軸的材料
Q235.20
Q275.35
45
40Cr.35SiMn
C
126-149
112-135
103-126
97-112
i==
30=
n=40r/min
P===0.155KW
轉(zhuǎn)向軸選用45鋼，正火處理，估計(jì)直徑d<100mm,由表4.2查的=600MPa，查表3.6，取C=118。
dC=118=18.53mm
表3.7 軸的常用材料及主要力學(xué)
材料及熱處理
毛坯直徑/mm
硬度
（HBS）
抗拉強(qiáng)度
屈服點(diǎn)
彎曲疲勞極限
應(yīng)用說明
MPa
Q235-A
430
235
175
用于不重要或載荷不大的軸
35正火
100
143-187
520
270
250
有好的塑性和適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，可做一般曲軸.轉(zhuǎn)軸等
35調(diào)質(zhì)
100
163-207
560
300
265
45正火
100
170-217
600
355
260
用于較重要的軸，應(yīng)用最廣泛
45調(diào)質(zhì)
200
217-225
650
360
270
40Cr調(diào)質(zhì)
25
241-286
980
785
480
用于載荷較大而無很大沖擊的重要的軸
100
735
540
350
>100-300
680
490
320
40MnB調(diào)質(zhì)
25
207
980
785
480
性能接近于40Cr，用于重要的軸
200
241-286
750
500
335
35CrMo調(diào)質(zhì)
100
207-269
735
540
350
用于重載荷的軸
20Cr滲碳淬火回火
15
表面50-60HRC
835
540
370
用于要求強(qiáng)度.韌性及耐磨性均較高的軸
60
635
390
280
第一軸段 軸徑為20，軸長(zhǎng)為38
第二軸段 放軸承軸徑為25，軸長(zhǎng)為16
第三軸段 軸徑為25，軸長(zhǎng)為12
第四軸段 軸徑為26，軸長(zhǎng)為38
第五軸段 軸徑為25，軸長(zhǎng)為12
第六軸段 放軸承軸徑為25，軸長(zhǎng)為18
3.5.3 轉(zhuǎn)向軸的校核
F=-F=125.71
F=-F=985.6
F=-F=358.729
(1) 繪制軸承受力簡(jiǎn)圖（圖a）
(2) 繪制垂直面彎矩圖（圖b）
軸承支反力：
F===118.142
F=F+F=-358.729+118.142=-240.587
截面C右側(cè)彎矩
M=F.=240.587=9262.5995
截面C左側(cè)彎矩
M=F.=118.142=4548.467
（3）繪制水平彎矩圖（圖C）
軸承支反力：
F=F===492.8
截面C處的彎矩：
M=F=492.8=18972.8
(4)繪制合成彎矩圖（圖d）
M===21113.09758
M===19510.39958
(5)繪制轉(zhuǎn)矩圖（圖e）
(6)繪制當(dāng)量彎矩圖（圖f）
轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的扭剪應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)變化，取a=0.16截面C處的當(dāng)量彎矩力
M===30619.24012
校核危險(xiǎn)截面C的強(qiáng)度
===9.34<55MPa
強(qiáng)度足夠
圖3.2 轉(zhuǎn)向軸的受力圖和彎矩圖
3.5.4 蝸桿軸的設(shè)計(jì)
蝸桿用45號(hào)鋼，正火處理硬度為170-217HBS。蝸桿軸的基本直徑估計(jì)<100mm由表3.7查得=600mm查表4.1取C=118
D=C=118=6.714mm
P===0.221KW
因蝸桿齒根圓直徑d大于軸徑d故選用車制蝸桿
軸徑d= d-(2—4)mm=22-(2—4)= 20—18mm
所求d為最小軸徑，因?yàn)樵撎庨_一鍵槽應(yīng)將該軸段直接增大3%—7%即d=6.7141.19=8mm
放軸承位置的軸徑定為20，退刀槽徑為20，退刀槽長(zhǎng)度為12，蝸桿齒寬為32。
選取A型鍵公稱尺寸bh=44
[]=120MPa
=[] （3.6）
l==1.833
式中 T——傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位N.mm
d——軸的直徑，單位mm
l——鍵的接觸長(zhǎng)度，單位mm
K——鍵與輪轂接觸高度，Kh/2,單位mm
——許用擠壓應(yīng)力，單位為MPa
故l=6,L=10
3.5.5 蝸桿軸的校核
F===125.71
F===985.6
F=Ftan=985.6tan20=358.729
(1) 繪制軸受力簡(jiǎn)圖（圖a）
(2) 繪制垂面彎矩圖（圖b）
軸承支反力
F===-11.09
F=F- F=358.729-11.09=347.639
計(jì)算彎矩：
截面C右側(cè)彎矩
M= F=247.639=1453.199
M= F=11.09=454.69
(3) 繪制水平面彎矩圖（圖c）
軸承支反力：
F=F===62.855
截面C處的彎矩
M= F=62.855=2577.005
(4) 繪制合成彎矩圖（圖d）
M===14484.29819N.mm
M===2616.8598
(5) 繪制轉(zhuǎn)矩圖（圖e）
(6) 繪制當(dāng)量彎矩圖（圖f）
轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的扭剪應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)變化，取=0.6，截面C處的當(dāng)量彎矩為
M====14522.74182
（7）校核危險(xiǎn)截面C的強(qiáng)度
== =4.04<55MPa
強(qiáng)度足夠
圖3.3 蝸桿軸的受力圖和彎矩圖
3.5.6 軸承的選取
球軸承的抗沖擊能力弱，極限轉(zhuǎn)速較高，價(jià)格便宜，故當(dāng)軸承的工作載荷較小.轉(zhuǎn)速較高.載荷較平穩(wěn)時(shí)，選用球軸承較為合適。滾子軸承的承載能力和抗沖擊能力較強(qiáng)，但極限轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)精度不如球軸承，適合于兩軸孔能嚴(yán)格對(duì)中，載荷較大或受沖擊載荷的中低速軸。根據(jù)載荷方向選擇軸承時(shí)，除只承受徑向或軸向載荷而分別選擇徑向接觸軸承和軸向接觸軸承之外，對(duì)于既有徑向載荷又有軸向載荷軸承來說，如以徑向載荷為主則可選用深溝球軸承；若徑向載荷和軸向載荷和軸向載荷均較大時(shí)，可選用向心角接觸軸承；而當(dāng)徑向載荷比軸向載荷大很多或要求軸向變形小時(shí)，可先用軸向接觸軸承和徑向接觸軸承組合形式，分別承受軸向和徑向載荷較為合理。故選軸承為7204AC對(duì)稱布置。
3.5.7 軸承的校核
軸傳送的轉(zhuǎn)矩
T=1.761000=1760N.mm
求軸上力
F===125.71429
F===985.6
F=Ftan=985.6tan20=358.7290629
根據(jù)豎直方向力的平衡公式以及合力矩為0，可知
F=F+F
-42F+84 F=0
F=179.36
F=179.36
表3.8 角接觸軸承的內(nèi)部軸向力F
軸承類型
角接觸球軸承
圓錐滾子軸承
70000C(=15)
70000AC(=25)
70000B(=40)
7000
F
eF
0.63F
1.14F
F/(2Y)
由表3.8可得：
70000AC軸承的內(nèi)部軸向力F=0.63F
F=0.63F=0.63179.36=112.9968
F=0.63F=0.63179.36=112.9968
計(jì)算軸向載荷F和F
因F+F=112.9968+985.6=1098.5968> F
故可判定軸承2為壓緊端，軸承1為放松端。兩端軸承的軸向載荷
F= F=112.9968
F=F+ F=1098.5968
求系數(shù)X和Y
F/ F==0.63
F/ F==6.125
F/ Fe時(shí)X=1，Y=0 而F/ F>e時(shí) X=0.41，Y=0.87
由表3.9可知載荷系數(shù) f=1.3
表3.9 載荷系數(shù)f
載荷性質(zhì)
及其舉例
f
無沖擊或輕微沖擊
電機(jī)，汽輪機(jī)，水泵，通風(fēng)機(jī)
1.0—1.2
中等沖擊振動(dòng)
車輛，機(jī)床，傳動(dòng)裝置，起重機(jī)，內(nèi)燃機(jī)，減速器
1.2—1.8
強(qiáng)大沖擊振動(dòng)
破碎機(jī)，軋鋼機(jī)，石油鉆機(jī)，振動(dòng)篩
1.8—3.0
P=f(xF+YF)=1.3(1179.36+0112.9968)=233.168
p= f(xF+YF)=1.3(0.41179.36+0.891098.5968)=1338.11
因p> P取p=p=1338.11N.球軸承=3
軸承C=14000N
L=（）=（）=15778.22h>14600h
故該對(duì)軸承滿足預(yù)期壽命要求。
第4章 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)
4.1齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器概述
4.1.1 齒條概述
齒條是在金屬殼體內(nèi)來回滑動(dòng)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懸架下擺臂平衡。齒條可以比作是梯形轉(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(yùn)動(dòng)拉動(dòng)或推動(dòng)轉(zhuǎn)向橫拉桿，使前輪轉(zhuǎn)向。
4.1.2 齒輪概述
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(dòng)以操縱前輪。齒輪軸由安裝在轉(zhuǎn)向器殼體上的球軸承支撐。斜齒的彎曲增加了一對(duì)嚙合齒輪參與嚙合的齒數(shù)。相對(duì)直齒而言，斜齒的運(yùn)轉(zhuǎn)趨于平衡，并能傳遞更大的動(dòng)力。
4.1.3 設(shè)計(jì)要求
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)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2～3mm之間。主動(dòng)小齒輪齒數(shù)多數(shù)在5～7個(gè)齒范圍變化，壓力角取20°，齒輪螺旋角取值范圍多為9°～15°。齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪達(dá)到最大偏轉(zhuǎn)角時(shí)，相應(yīng)的齒條移動(dòng)行程應(yīng)達(dá)到的值來確定。變速比的齒條壓力角，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在12°～35°范圍內(nèi)變化。此外，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算齒輪的抗彎強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度。
4.2材料選擇與參數(shù)確定
4.2.1 材料選擇
主動(dòng)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。故小齒輪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。
4.2.2 計(jì)算許用應(yīng)力
a)確定和
b)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，確定壽命系數(shù)、。
c)計(jì)算許用應(yīng)力
取,
應(yīng)力修正系數(shù)
4.2.3基本參數(shù)計(jì)算
根據(jù)齒輪傳動(dòng)的工作條件，選用斜齒圓柱齒輪與斜齒條嚙合傳動(dòng)。選擇齒輪傳動(dòng)精度等級(jí)為7級(jí)精度。
初選K=1.4 B=14 Z=7 Z=10
傳動(dòng)比=1.4 =1.2 Y=0.89 Y=0.7
Z=17cos=17cos14=15
由于Z=7 Z=10均小于15
發(fā)生根切故對(duì)其進(jìn)行變位
X==0.55
X==0.33
tant===0.375112684
=20.56
inv=tan+inv=0.054855624
Y=(-1)=0.7
=Ym=21.9+0.72.5=23.65
Y=X-Y=0.88-0.7=0.18
= (4.1)
2.1195
=2.5
4.2.4幾何尺寸計(jì)算
主動(dòng)齒輪
分度圓直徑 =18.03
節(jié)圓直徑 d===19.708
齒頂圓直徑
=18.03+2（1+0.55-0.18）2.5
=24.88
齒根圓直徑
=18.03-2（1+