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哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒論
隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展,人們對(duì)汽車轉(zhuǎn)向操縱性能得要求也日益提高。為了保證車輛在任何工況下轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí),都有較理想的操縱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向輕便性,即使在停車情況下轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)也能輕便靈敏,而高速行駛時(shí)又不會(huì)感到輕飄不穩(wěn),人們對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了不斷地改進(jìn)。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單的純機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到機(jī)械液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),到電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),直到更為節(jié)能、操縱性能更好的電子控制式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)等幾個(gè)階段。
汽車操縱穩(wěn)定性是指汽車確切地響應(yīng)操縱輸入與抵抗外界擾動(dòng)的能力,其中操縱性指汽車系統(tǒng)作為隨動(dòng)系統(tǒng),對(duì)駕駛員轉(zhuǎn)向輸入產(chǎn)生跟隨響應(yīng)的能力;穩(wěn)定性指抵抗外界路面或陣風(fēng)擾動(dòng)的能力,兩方面難以皆然分開(kāi),統(tǒng)稱操縱穩(wěn)定性。
按轉(zhuǎn)向動(dòng)力能源不同,汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可分為機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩大類。機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是以人的體力為轉(zhuǎn)向能源的,其中所有的傳動(dòng)件都是機(jī)械的,它主要由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三部分組成。汽車轉(zhuǎn)向器作為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要零部件,其性能的好壞直接影響到汽車行駛的安全性和可靠性。汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系的基礎(chǔ)上增設(shè)了一套轉(zhuǎn)向加力裝置所構(gòu)成的轉(zhuǎn)向系,它兼用駕駛員的體力和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力作為轉(zhuǎn)向能源。在正常的情況下,汽車轉(zhuǎn)向所需的力大部分由發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)向加力裝置提供,只有一小部分由駕駛員提供。但在動(dòng)力轉(zhuǎn)向?qū)嵭r(shí),駕駛員仍能通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向操縱。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展,電子控制式機(jī)械—液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,該系統(tǒng)在某些性能方面優(yōu)于傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),但仍然無(wú)法徹底解決液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的固有缺陷。此外,傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在選定參數(shù)完成設(shè)計(jì)之后,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能就確定了,不能再對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。因此傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向力與操縱“路感”的關(guān)系比較困難。當(dāng)安汽車低速轉(zhuǎn)向力小時(shí)設(shè)計(jì),則高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向力往往過(guò)小、即“路感”差,甚至感覺(jué)汽車發(fā)“飄”,從而影響操縱穩(wěn)定性,而按高速性能要求設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí),低速時(shí)須轉(zhuǎn)向力往往過(guò)大。
汽車電子化是當(dāng)前汽車技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。繼電子技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、制動(dòng)器和懸架等系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用之后,EPS在轎車和輕型汽車領(lǐng)域正逐步取代傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并向更大型轎車和商務(wù)客車方向發(fā)展,它已成為世界汽車技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)和前沿技術(shù)之一,具有廣泛的應(yīng)用前景。
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS),是繼液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)后產(chǎn)生的一種動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),是世界汽車技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)和前沿技術(shù)之一,它屬于與傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不同的另一種動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它直接依靠電動(dòng)機(jī)提供輔助扭矩,通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)電流的幅值和方向,從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器電動(dòng)助力的要求,這種系統(tǒng)是汽車在低速時(shí)能減輕操縱力,從而提高操縱的輕便型;而當(dāng)汽車在告訴行駛時(shí),電子控制系統(tǒng)保證提供最優(yōu)控制傳動(dòng)比和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向手感,從而提高高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性。因此它可以較好地解決液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所不能解決的矛盾。目前,電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有代替液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的趨勢(shì)。
1.1 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)
目前,液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車上得到了廣泛應(yīng)用,它能明顯降低轉(zhuǎn)向盤(pán)的操舵力,但存在工作效率低、體積大、液壓油易泄露污染環(huán)境等缺點(diǎn)。為了克服液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的確定,采用電機(jī)助力的電動(dòng)助力系統(tǒng)(EPS)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由控制單元和動(dòng)力單元組成,控制單元根據(jù)車速信號(hào)、扭矩傳感器信號(hào)確定轉(zhuǎn)向助力扭矩值,并向動(dòng)力單元發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào),通過(guò)動(dòng)力單元對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的助力控制。
由于動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)向操縱靈活、輕便、并可吸收路面對(duì)前輪產(chǎn)生的沖擊等優(yōu)點(diǎn),自20世紀(jì)50年代以來(lái)在各國(guó)汽車上開(kāi)始普遍應(yīng)用。20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究的汽車上以電能為動(dòng)力的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比,它具有更為突出的優(yōu)點(diǎn):
1、節(jié)能環(huán)保 由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),液壓泵始終處于工作狀態(tài),液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量增加了3%~5%,而EPS以蓄電池為能源,以電機(jī)為動(dòng)力元件,可獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)工作,EPS幾乎不直接消耗發(fā)動(dòng)機(jī)燃油。EPS不存在液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的燃油泄漏問(wèn)題,EPS通過(guò)電子控制,對(duì)環(huán)境幾乎沒(méi)有污染,更降低了油耗。
2、安裝方便 EPS的主要部件可以配集成在一起,易于布置,與液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比減少了許多元件,沒(méi)有液壓系統(tǒng)所需要的油泵、油管、壓力流量控制閥、儲(chǔ)油罐等,元件數(shù)目少,裝配方便,節(jié)約時(shí)間。
3、效率高 液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)效率一般在60%-70%,而EPS的效率較高,可高達(dá)90%以上。
4、路感好 傳統(tǒng)純液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系大多采用固定放大倍數(shù),工作驅(qū)動(dòng)力大,但卻不能實(shí)現(xiàn)汽車在各種車速下駕駛時(shí)的輕便性和路感。而EPS系統(tǒng)的滯后特性可以通過(guò)EPS控制器的軟件加以補(bǔ)償,使汽車在各種速度下都能得到滿意的轉(zhuǎn)向助力。
5、回正性好 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不僅操作簡(jiǎn)便,還可以通過(guò)調(diào)整EPS控制器的軟件,得到最佳的回正性,從而改善汽車操縱的穩(wěn)定性和舒適性。
由此可見(jiàn),EPS和HIP相比,是一項(xiàng)緊扣現(xiàn)代汽車時(shí)代發(fā)展主題的高興技術(shù),必將逐步取代現(xiàn)有的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
1.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀
目前國(guó)外的研究主要集中于細(xì)節(jié)上對(duì)助力特性,操縱性能等的進(jìn)一步優(yōu)化,考慮的影響因素比國(guó)內(nèi)多,并且設(shè)計(jì)出了操作模擬器對(duì)EPS 的控制策略進(jìn)行評(píng)估。在對(duì)控制策略的研究上國(guó)外側(cè)重于選擇基于PID 的補(bǔ)償和回正控制策略,對(duì)于單獨(dú)使用的模糊控制,H∞控制也有研究,暫時(shí)還未見(jiàn)對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究。
國(guó)外的研究通常都是在基于PID 的回正補(bǔ)償控制基礎(chǔ)上對(duì)回正性能進(jìn)一步優(yōu)化,控制把持、轉(zhuǎn)向、加載過(guò)程中的電流擾動(dòng),以及在特殊的路面條件下對(duì)汽車的操控等。例如三菱公司提出的一種新的EPS控制策略將在低附著的路面上提供更高的轉(zhuǎn)向盤(pán)回正性和路感。這種方法是只有當(dāng)轉(zhuǎn)向軸上的反應(yīng)力矩達(dá)到預(yù)定力矩時(shí)才提高回正性,采用了2種控制策略:第1種策略是基于轉(zhuǎn)向角反饋,而第2種是基于估計(jì)校正力矩反饋。而三菱公司的另外一種新的電機(jī)電流控制策略是基于對(duì)干擾電壓的估計(jì)和補(bǔ)償 ,在仍然使用普通的微處理器的情況下,電機(jī)的電流波動(dòng)也可得到顯著的減少,從而減少了不必要的轉(zhuǎn)向力矩的波動(dòng)和噪聲。這種新的控制器是基于對(duì)電壓波動(dòng)的估計(jì)和補(bǔ)償,包括2個(gè)模塊。一個(gè)模塊是估計(jì)由于電池電壓等的改變引起的電壓波動(dòng),另一個(gè)模塊補(bǔ)償為電機(jī)提供的電壓以消除電壓的波動(dòng)。
從整體上來(lái)講國(guó)內(nèi)近年來(lái)對(duì)于EPS 的研究發(fā)展很快,尤其是在控制策略的研究上,已經(jīng)將不同的控制方法引入ECU 中,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析不斷地完善和改進(jìn),但是在對(duì)于細(xì)節(jié)的優(yōu)化上距離國(guó)外還有相當(dāng)?shù)牟罹?而且目前國(guó)內(nèi)除了吉利汽車,還尚未自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EPS ,距離EPS 的批量化生產(chǎn)也還有很長(zhǎng)的一段路要走。
1.3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一項(xiàng)綜合了現(xiàn)代控制技術(shù)、機(jī)電一體化及現(xiàn)代化電子技術(shù)等技術(shù)的高新技術(shù),與傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向相比有許多優(yōu)點(diǎn),其發(fā)展前景非常好。
首先,EPS的應(yīng)用范圍將會(huì)進(jìn)一步拓展,將作為標(biāo)準(zhǔn)件裝備在汽車上,并將在動(dòng)力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。目前,在全世界汽車行業(yè)中,電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)每年正以9%—10%的增長(zhǎng)速度發(fā)展,年增長(zhǎng)量以130萬(wàn)—150萬(wàn)套,估計(jì)直2005年,該產(chǎn)品的產(chǎn)量將由目前的150萬(wàn)套增長(zhǎng)到800萬(wàn)套,2006年達(dá)到1140萬(wàn)套。按此速度發(fā)展,用不了幾年的時(shí)間,電動(dòng)轉(zhuǎn)向?qū)?huì)完全占領(lǐng)轎車市場(chǎng)。
其次,盡管EPS已達(dá)到了其最初的設(shè)計(jì)目的,但仍然存在一些急待解決的問(wèn)題,比如提高現(xiàn)在應(yīng)用的EPS系統(tǒng)性能的可靠性、降低生產(chǎn)的成本等,另外,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(wèn)題,因此進(jìn)一步改善電動(dòng)機(jī)的性能是下一步努力的一個(gè)主要方向。
第三,未來(lái)的EPS將向電子四輪轉(zhuǎn)向的方向發(fā)展,并于通過(guò)總線技術(shù)電子懸架。發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制等一起統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制汽車的運(yùn)動(dòng)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,今后有可能取消轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械部分而采用所謂的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
概括地說(shuō),今后電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向主要是:改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能、提高系統(tǒng)可靠性和降低控制系統(tǒng)的制造成本。只有進(jìn)一步改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能,才能滿足更高檔車的使用要求,只有降低成本才能在大多數(shù)汽車上得到廣泛應(yīng)用。
對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō),由于在這方面和國(guó)外的差距很大,所以在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段間內(nèi),仍須集中精力解決好傳感器、電動(dòng)機(jī)和電子控制器ECU等方面的研究開(kāi)發(fā)工作。
1.4 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理及
EPS的機(jī)械部分有多種型式,其中較常見(jiàn)的是齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),助力裝置則由電動(dòng)機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的液壓缸,電動(dòng)機(jī)從汽車蓄電池中獲得電源。根據(jù)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部位的不同,EPS分為轉(zhuǎn)向軸助力式、轉(zhuǎn)向器小齒輪助力式和齒條助力式三中。典型的電動(dòng)助力機(jī)構(gòu)為轉(zhuǎn)向軸助力式,即助力電機(jī)被固定在轉(zhuǎn)向軸上,從電動(dòng)機(jī)輸出軸上輸出的助力矩經(jīng)減速及離合機(jī)構(gòu)傳遞到轉(zhuǎn)向軸。但無(wú)論是哪一種形式的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),其構(gòu)成和工作原理都是大致相同的。
EPS的轉(zhuǎn)向合奏由靠扭桿相連的輸入軸和輸出軸組成,輸出軸通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向拉桿使車輪轉(zhuǎn)向。輸出軸除通過(guò)扭桿與輸入軸相連外,還經(jīng)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)—離合器與助力電機(jī)相連。駕駛者在操作方向盤(pán)時(shí),給輸入軸輸入了角位移?,輸入軸和輸出軸之間的相對(duì)角位移是扭桿受扭,扭矩傳感器將扭桿所受到的扭矩m轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸入控制裝置并控制電機(jī)的助力和方向。與此同時(shí),車速傳感器檢測(cè)到的車速信號(hào)也輸入控制裝置,在車速低于設(shè)定值時(shí),離合器接合,系統(tǒng)提供助力;在車速超過(guò)設(shè)定值(30—40km/h)時(shí),停止對(duì)電機(jī)提供,系統(tǒng)不提供助力,同時(shí),離合器切斷,以避免轉(zhuǎn)向系統(tǒng)受電機(jī)慣性力矩的影響。
EPS多采用永磁直流電機(jī)。為了改善電機(jī)的操作穩(wěn)定性,降低震動(dòng)和噪聲,常在電機(jī)轉(zhuǎn)子周緣開(kāi)設(shè)斜槽或不對(duì)稱環(huán)槽。扭矩傳感器采用由雙電位器構(gòu)成的電橋,電位器的轉(zhuǎn)動(dòng)由扭桿和相應(yīng)的機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)。
EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-1
圖1-1 EPS結(jié)構(gòu)示意圖
第2章 EPS方案設(shè)計(jì)
2.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選型
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照電動(dòng)機(jī)布置位置的不同,可以分為:轉(zhuǎn)向軸助力式、齒輪助力式、齒條助力式3種。
轉(zhuǎn)向軸助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器(C-EPS)的助力電機(jī)固定在轉(zhuǎn)向柱的一側(cè),通過(guò)減速增扭機(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。這種形式的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、易于安裝。現(xiàn)在多數(shù)EPS就是采用這種形式。此外,C-EPS的助力提供裝置可以設(shè)計(jì)成適用于各種轉(zhuǎn)向柱,如固定式轉(zhuǎn)向柱、斜度可調(diào)式轉(zhuǎn)向柱以及其它形式的轉(zhuǎn)向柱。但由于助力電機(jī)安裝在駕駛艙內(nèi),受到空間布置和噪聲的影響,電機(jī)的體積較小,輸出扭矩不大,一般只用在小型及緊湊型車輛上。
齒輪助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器(P—EPS)的助力電機(jī)和減速增扭機(jī)構(gòu)與小齒輪相連,直接驅(qū)動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。由于助力電機(jī)不是安裝在乘客艙內(nèi),因此可以使用較大的電機(jī)以獲得較高的助力扭矩,而不必?fù)?dān)心電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量太大產(chǎn)生的噪聲。該類型轉(zhuǎn)向器可用于中型車輛,以提供較大的助力。
齒條助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器(R-EPS)的助力電機(jī)和減速增扭機(jī)構(gòu)則直接驅(qū)動(dòng)齒條提供助力。由于助力電機(jī)安裝于齒條上的位置比較自由,因此在汽車的底盤(pán)布置時(shí)非常方便。同時(shí),同C—EPS和P-EPS相比,可以提供更大的助力值,所以一般用于大型車輛上。
轉(zhuǎn)向軸式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然提供的助力沒(méi)有其它兩種方式提供的助力大,但在安裝方面要方便的多。再者,這次設(shè)計(jì)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要是針對(duì)轎車來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的,轎車空間相對(duì)較小,空間問(wèn)題是我們要考慮的重點(diǎn)問(wèn)題。轉(zhuǎn)向軸式對(duì)空間緊湊的經(jīng)濟(jì)型轎車很適合。所以我選擇轉(zhuǎn)向軸助力式(C-EPS)。
2.2 機(jī)械部分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。
2.2.1 設(shè)計(jì)要求
轉(zhuǎn)向系是用來(lái)保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu),在汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí),保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。
轉(zhuǎn)向系應(yīng)滿足如下基本要求:
(1)保證汽車有較高的機(jī)動(dòng)性,在有限的場(chǎng)地面積內(nèi),具有迅速小轉(zhuǎn)彎的能力;
(2)內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角間的匹配硬保證當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí),全部車輪繞同一瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn),任何車輪只有滾動(dòng)而無(wú)側(cè)滑;
(3)當(dāng)轉(zhuǎn)向輪收到地面沖擊時(shí),轉(zhuǎn)向系傳到轉(zhuǎn)向盤(pán)的逆向沖擊要??;
(4)汽車在任何行駛狀態(tài)下,轉(zhuǎn)向輪都不得產(chǎn)生自激振動(dòng),轉(zhuǎn)向盤(pán)沒(méi)有擺動(dòng);
(5)操縱輕便:轉(zhuǎn)向時(shí)加在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力,對(duì)轎車不應(yīng)超過(guò)150—200N,對(duì)中型貨車不應(yīng)超過(guò)360N,對(duì)重型貨車不應(yīng)超過(guò)450N,否則應(yīng)考慮動(dòng)力轉(zhuǎn)向;同時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)的回轉(zhuǎn)圈數(shù)要少;
(6)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置的運(yùn)動(dòng)干涉應(yīng)最??;
(7)轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向盤(pán)應(yīng)自動(dòng)匯整,并能使汽車保持在穩(wěn)定的直線行駛狀態(tài);
(8)轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的球頭處,有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu);
(9)當(dāng)汽車發(fā)生碰撞轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向軸由于車架或車身變形而共同后移時(shí),轉(zhuǎn)向系應(yīng)有能使駕駛?cè)嗣庠饣驕p輕傷害的防傷裝置;
(10)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核,保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。
2.2.2 機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)形式及比較
目前汽車上廣泛使用的是齒輪齒條式及循環(huán)球式。
(1)齒輪齒條式
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、體積小、質(zhì)量輕;傳動(dòng)效率高達(dá)90%;可自動(dòng)消除齒間間隙;沒(méi)有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿,轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角可以增大;制造成本低。
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是:逆效率高達(dá)60%—70%。因此,汽車在不平路面上行駛時(shí),發(fā)生在轉(zhuǎn)向輪與路面之間的沖擊力,大部分能傳至轉(zhuǎn)向盤(pán)。
根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點(diǎn)不同,齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式:中間輸入,兩端輸出(圖2-1a);側(cè)面輸入,兩端輸出(圖2-1b);側(cè)面輸入,中間輸出(圖2-1c);側(cè)面輸入,一端輸出(圖2-1d)。
(a) (b)
(c) (d)
圖2-1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的形式
根據(jù)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向梯形相對(duì)前軸位置的不同,在汽車上有四種布置形式:轉(zhuǎn)向器位于前軸后方,后置梯形;轉(zhuǎn)向器位于前軸后方,前置梯形;轉(zhuǎn)向器位于前軸前方,后置梯形;轉(zhuǎn)向器位于前軸前方,前置梯形,見(jiàn)圖2-2。
(a) (b)
(c) (d)
圖2-2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的布置形式
齒條斷面有圓形、V形和Y形三種。圓形斷面制造簡(jiǎn)單;V形和Y形節(jié)約材料,質(zhì)量小而且位于齒條下面的兩斜面與齒條托坐接觸,可以用來(lái)防止齒條繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
(2)循環(huán)球式
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由螺桿和螺母共同形成的螺旋槽內(nèi)裝有鋼球構(gòu)成的傳動(dòng)副,以及螺母上齒條與搖臂軸上齒扇構(gòu)成的傳動(dòng)副組成,如圖2-3所示。
圖2-3 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)是:傳動(dòng)效率可達(dá)到75%-85%;轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比可以變化;工作平穩(wěn)可靠;齒條和齒扇之間的間隙調(diào)整容易;適合用來(lái)做整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是:逆效率高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造困難,制造精度要求高。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要用于貨車和客車上。
由于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器與循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器相比:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,傳動(dòng)效率高,操縱輕便,質(zhì)量輕;且不需要轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向直拉桿,使轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)得以簡(jiǎn)化。所以我選用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。
2.2.3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器布置和結(jié)構(gòu)形式的選擇
在前橋僅為轉(zhuǎn)向橋的情況下,由轉(zhuǎn)向橫拉桿和左、右梯形臂組成的轉(zhuǎn)向梯形一般布置在前橋之后。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪處于與汽車直線行駛相應(yīng)的中立位置時(shí),梯形臂與橫拉桿在與道路平行的平面(水平面)內(nèi)的交角>90。
在發(fā)動(dòng)機(jī)位置較低或轉(zhuǎn)向橋兼充驅(qū)動(dòng)橋的情況下,為避免運(yùn)動(dòng)干涉,往往將轉(zhuǎn)向梯形布置在前橋之前,此時(shí)上述交角<90。
本次設(shè)計(jì)是發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng),故采用如圖2-4所示的布置形式。
圖2-4 轉(zhuǎn)向梯形前置
同時(shí)考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)故采用如圖2-5所示的側(cè)面輸入兩端輸出的結(jié)構(gòu)形式。
圖2-5 齒輪齒條位置布置
2.3 控制部分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
2.3.1 控制部分性能要求分析
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)除必須滿足車輛對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一切性能要求外,還應(yīng)滿足控制、控制系統(tǒng)、傳感器等性能要求,具體有以下幾點(diǎn):
(1)具有良好的轉(zhuǎn)向助力特性
轉(zhuǎn)向盤(pán)力是駕駛者輸入轉(zhuǎn)向盤(pán)用以操縱汽車的力。EPS的基本目標(biāo)是提高汽車停車泊位和低速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性,高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性。在低車速、低側(cè)向加速度行駛工況下,汽車應(yīng)具有適度的轉(zhuǎn)向盤(pán)力與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角,還應(yīng)有良好的回正性能。在高車速和低側(cè)向加速度范圍內(nèi),汽車應(yīng)具有良好的橫擺角速度頻率響應(yīng)特性,直線行駛能力和回正性能。轉(zhuǎn)向盤(pán)力的大小要適度,特別是隨著車速的提高,轉(zhuǎn)向盤(pán)力不宜過(guò)輕而要保持一定的數(shù)值;采用隨行駛車速而改變轉(zhuǎn)向盤(pán)操作力特性的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),可以顯著地改善高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)力的品質(zhì)。因此,EPS系統(tǒng)的助力特性曲線是一族隨車速變化的曲線,如圖2-6。
圖2-6助力特性曲線
(2)應(yīng)具有良好的操縱穩(wěn)定性
所謂穩(wěn)定性主要是指汽車在行駛過(guò)程中,當(dāng)突然受到外界橫向力作用而發(fā)生自動(dòng)轉(zhuǎn)向等不穩(wěn)定現(xiàn)象時(shí),轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)該具有使車輛在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)迅速地回復(fù)正常行駛狀態(tài)的能力。
轉(zhuǎn)向系一直存在著輕與靈的矛盾,在不同的工況下,對(duì)操縱穩(wěn)定性要求的側(cè)重面是不一樣的。一般轉(zhuǎn)向力與路感是相互制約的,轉(zhuǎn)向力小意味著轉(zhuǎn)向輕便,能減小駕駛員的體力消耗;但轉(zhuǎn)向力過(guò)小,就缺乏路感。傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向由于不能對(duì)助力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制,所以協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向力和路感的關(guān)系困難,特別是汽車高速行駛時(shí),仍然會(huì)提供較大助力,使駕駛員缺乏路感,甚至感覺(jué)汽車有飄的感覺(jué),影響操縱穩(wěn)定性,危機(jī)汽車高速行駛時(shí)的安全。由于EPS由電機(jī)提供助力,助力大小由電控單元(ECU)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制。EPS可以根據(jù)車速不同工況,制定不同的控制策略,自動(dòng)地削弱或吸收擺振、維持轉(zhuǎn)向盤(pán)具有良好的穩(wěn)定感的能力,較好地解決上述矛盾。
(3) 應(yīng)具有良好的跟隨性
EPS是一種電子控制電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向伺服系統(tǒng),跟隨性問(wèn)題十分重要。所謂跟隨性問(wèn)題是指當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)有轉(zhuǎn)向輸入時(shí),系統(tǒng)中的各個(gè)元件(如電機(jī)等)及其他相關(guān)元件(如車輪等)均具有快速、協(xié)調(diào)和準(zhǔn)確的響應(yīng)性或跟隨性。例如,當(dāng)在方向盤(pán)上輸入一個(gè)偏轉(zhuǎn)角位移時(shí),下部輸出軸要在直流電機(jī)的帶動(dòng)下,按照給定的輸入角位移穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速地跟蹤上輸入偏轉(zhuǎn)角的位移。
(4) 具有良好的回正特性
駕駛員轉(zhuǎn)向時(shí),回正力矩是使轉(zhuǎn)向車輪自動(dòng)返回到直線行駛位置的主要恢復(fù)力矩之一。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)作用到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上,電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中不僅存在著摩擦損失轉(zhuǎn)矩,還有彈性和間隙。如果輪胎的回正力矩比總的摩擦損失力矩小,轉(zhuǎn)向盤(pán)將不可能恢復(fù)到中間位置,汽車將偏離預(yù)期的行駛路線,直到駕駛員通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)用力使它返回到中間位置。而在高速行駛時(shí),為此,需要在常規(guī)轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上增加回正控制功能。高速行駛時(shí),輪胎的側(cè)向力較大,為防止回正超調(diào),則利用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩對(duì)系統(tǒng)的阻尼作用,使回正處于受控狀態(tài)。
由于在EPS中采用了微電子技術(shù),利用軟件控制電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作,在最大限度內(nèi)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)以獲得最佳的回正特性。從最低車速到最高車速,可得到一組回正特性曲線,而傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是無(wú)法做到這一點(diǎn)的。
(5)適合的轉(zhuǎn)向路感
對(duì)于EPS來(lái)說(shuō),其助力大小可根據(jù)不同車速、通過(guò)軟件的方式來(lái)控制電機(jī)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制,通過(guò)采用優(yōu)良的控制策略,來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)向路感,獲得滿意的轉(zhuǎn)向輕便性和操縱穩(wěn)定性,并保證駕駛員有足夠的路感,實(shí)現(xiàn)路感的優(yōu)化。
(6)具有在版故障診斷功能
(7)EPS系統(tǒng)應(yīng)具有碰撞能量吸收功能
對(duì)于EPS系統(tǒng),當(dāng)汽車發(fā)生正面沖撞時(shí),轉(zhuǎn)向盤(pán)的壓迫是導(dǎo)致駕駛員受傷的一個(gè)主要原因,因此要求EPS系統(tǒng)轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)必須設(shè)置各種緩沖式的安全裝置。
2.3.2 控制部分方案設(shè)計(jì)
EPS具體的工作流程是:當(dāng)車輛點(diǎn)火開(kāi)關(guān)接通,發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)后,電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的ECU發(fā)出指令使電源繼電器和故障保護(hù)繼電器閉合,讓整個(gè)EPS系統(tǒng)啟動(dòng),EPS程序一直監(jiān)控車速傳感器與轉(zhuǎn)矩傳感器輸入的車速和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩信號(hào),其中,轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩信號(hào)體現(xiàn)了轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)矩大小及該時(shí)刻轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)向和位置,從而能夠判斷轉(zhuǎn)向盤(pán)是順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)還是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)還是在中間位置保持不動(dòng),由車速與轉(zhuǎn)矩信號(hào)實(shí)時(shí)輸出相應(yīng)的控制電流驅(qū)動(dòng)電機(jī),實(shí)現(xiàn)不同大小不同方向的助力,當(dāng)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí),EPS系統(tǒng)停止工作。
圖2-7 EPS系統(tǒng)工作流程圖
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要部件有:轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、電流傳感器、電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)構(gòu)、電子控制單元(ECU)。轉(zhuǎn)矩傳感器一般安裝在轉(zhuǎn)向小齒輪軸上,有的與電動(dòng)機(jī)集成制造成一體;車速傳感器安裝在變速器輸出軸上;電流傳感器安裝在電動(dòng)機(jī)里;電子控制單元安裝在轉(zhuǎn)向器上方或者安裝在駕駛員左側(cè)的儀表盤(pán)背板上;電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)構(gòu)集成制造在一起,一般根據(jù)不同的要求安裝在轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向小齒輪或者轉(zhuǎn)向齒條上。在小型車輛上,電機(jī)是通過(guò)齒輪箱與轉(zhuǎn)向柱連接,而在中型汽車上,電機(jī)則是通過(guò)法蘭交叉或縱向安裝在齒條上,并通過(guò)齒輪箱操作。本次設(shè)計(jì)中,由于所選用的車型是小型車,故將電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)構(gòu)集成通過(guò)齒輪箱安裝在轉(zhuǎn)向柱上。
第3章 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)
3.1 整車性能參數(shù)
本次設(shè)計(jì)以某微型轎車為模型,采用前置前驅(qū)的驅(qū)動(dòng)方式,其基本參數(shù)如表3-1所示:
表3-1 某微型車基本參數(shù)
名稱
數(shù)值
單位
軸距L
2472
mm
前輪距L1
1429
mm
后輪距L2
1422
mm
最小轉(zhuǎn)彎半徑Rmin
10600
mm
車長(zhǎng)
4415
mm
車寬
1674
mm
車高
1415
mm
整車整備質(zhì)量
1095
kg
前輪負(fù)荷率
60%
載客數(shù)
5
人
輪胎規(guī)格
前輪175/65 R15
后輪175/65 R15
3.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)和計(jì)算
3.2.1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器計(jì)算載荷的確定
(1)為了保證行駛安全,組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。欲驗(yàn)算轉(zhuǎn)向系零件的強(qiáng)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(fù)荷,路面阻力和輪胎氣壓等。為轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力,包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)算這些力是困難的,為此推薦用足夠精確的半經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算汽車在瀝青或者混泥土路面上的原轉(zhuǎn)向阻力矩(Nmm),即
412878.50 (3-1)
式中,f為輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù),一般取0.7;G1為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷(N); P為輪胎氣壓(MPa)。
該車整車整備質(zhì)量為1095kg,所載人數(shù)為6人,每人質(zhì)量約60kg;前置前驅(qū)轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷率為60%
故G1=(1095+606)9.860%=8555.4N
P取0.2MPa。
(2)轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比的計(jì)算
圖3-1 轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)角關(guān)系圖
(3-2)
式中:L—汽車軸距,2472mm;
R—汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑,10600mm。
38.12。
式中:L—汽車軸距,2472mm;
R—汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑,10600mm;
B—前輪輪距,1429mm。
設(shè)計(jì)取方向盤(pán)總?cè)?shù)為3.5,則
(3-4)
式中:—轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角(速度),3×360。;
—轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角(速度),α+β=72.62。
(3)作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力
作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力為
N (3-5)
式中:—轉(zhuǎn)向搖臂長(zhǎng);
—轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng);
—轉(zhuǎn)向盤(pán)直徑,設(shè)計(jì)為360mm;
—轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比;
—轉(zhuǎn)向器正效率,90%。
因齒輪齒條式轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向節(jié)臂,故和不代入數(shù)值。
對(duì)于給定的汽車,用式(3-5)計(jì)算出來(lái)的作用力是最大值。因此,可以用此值作為計(jì)算載荷。
(4)轉(zhuǎn)向盤(pán)扭力矩Tz
(3-6)
式中:—轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力,171.40N;
—轉(zhuǎn)向盤(pán)直徑,設(shè)計(jì)為360mm。
(5)梯形臂長(zhǎng)度L2的計(jì)算
前輪輪胎規(guī)格為前輪185/60 R14,則輪輞直徑=14in=1425.4=355.6mm。
梯形臂長(zhǎng)度142.24,取L=140mm。
(6)輪胎直徑的計(jì)算
輪胎直徑,取。
(7)轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑的計(jì)算:
mm (3-7)
式中:—原地轉(zhuǎn)向阻力矩,412878.50N.mm;
—前輪距1429mm;
[σ]—材料許用應(yīng)力216MPa;
取。
(8)主動(dòng)齒輪軸的計(jì)算:
(3-8)
式中:—方向盤(pán)扭矩,30852 N.mm;
[τ]—材料許用切應(yīng)力,140MPa;
取
3.2.2 轉(zhuǎn)向器基本部件設(shè)計(jì)
(1)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3-2
表3-2 技術(shù)參數(shù)表
名稱
數(shù)值
單位
線角傳動(dòng)比
47.6
mm/rad
齒輪法向模數(shù)
2.5
方向盤(pán)總?cè)?shù)
3
齒條行程
160
mm
(2)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)向軸相互連接。因此,轉(zhuǎn)向盤(pán)的旋轉(zhuǎn)使齒條橫向移動(dòng)以操作前輪。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(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)趨于平穩(wěn),并能傳遞更大的動(dòng)力。故齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪多采用斜齒圓柱齒輪。齒輪的模數(shù)取值范圍在2-3mm之間。主動(dòng)小齒輪齒數(shù)在5-7個(gè)范圍變化,壓力角取值20o,齒輪螺旋角多為9°-15°。
取齒輪模數(shù)mn1=2.5,齒輪齒數(shù)z1=6,齒輪壓力角α1=20°,齒輪螺旋角取為15°、左旋,齒輪軸總長(zhǎng)L=160mm,
故斜齒圓柱齒輪直徑根據(jù)公式
d1=mn1z1/cosβ=15.53mm (3-9)
取齒寬系數(shù),
則齒條寬度 (3-10)
圓整取 ,則取齒輪齒寬。
表3-3 齒輪軸的尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
尺寸參數(shù)(mm)
1
總長(zhǎng)
160
2
齒寬
30
3
齒數(shù)
6
4
法向模數(shù)
2.5
5
螺旋角
15°
6
螺旋方向
左旋
(3)齒條
齒條是在金屬殼體內(nèi)來(lái)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懸架的下擺臂平行。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(yùn)動(dòng)拉動(dòng)或推動(dòng)轉(zhuǎn)向橫拉桿,使前輪轉(zhuǎn)向。相互嚙合的齒輪的齒距和齒條的齒距必須相等。
即:
取齒條的模數(shù):=2.5,計(jì)算出齒條的壓力角為:=20°,
取齒條的總廠L為735mm,直徑30mm,齒條行程為160mm。
表3-4 齒條的尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
尺寸參數(shù)()
1
總長(zhǎng)
735
2
直徑
30
3
齒數(shù)
21
4
法向模數(shù)
2.5
(4)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(guò)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(shí),在球頭銷上就作用了一個(gè)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(jìn)入球銷和齒條中。
轉(zhuǎn)向橫拉桿端部與外端用螺紋連接。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。
表3-5 轉(zhuǎn)向橫拉桿及接頭的尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
尺寸參數(shù)(mm)
1
橫拉桿總長(zhǎng)
257
2
橫拉桿直徑
10
3
螺紋長(zhǎng)度
48
4
外接頭總長(zhǎng)
100
5
球頭銷總長(zhǎng)
52
6
球頭銷螺紋公稱直徑
M81
7
外接頭螺紋公稱直徑
M101
8
內(nèi)接頭總長(zhǎng)
60
9
內(nèi)接頭螺紋公稱直徑
M121
(5)齒條調(diào)整
一個(gè)齒條導(dǎo)向座安裝在齒條光滑的一面。齒條導(dǎo)向座和殼體螺紋連接的調(diào)整螺塞之間連有一個(gè)彈簧。此調(diào)節(jié)螺塞由鎖緊螺母固定。齒條導(dǎo)向座的調(diào)節(jié)使齒輪、齒條之間有一定的預(yù)緊力,此預(yù)緊力會(huì)影響轉(zhuǎn)向沖擊、噪聲和反饋。
圖3-2 自動(dòng)消除間隙裝置
表3-6 齒條調(diào)整裝置的尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
尺寸參數(shù)(mm)
1
導(dǎo)向座外徑
40
2
導(dǎo)向座高度
30
3
彈簧總?cè)?shù)
6.5
4
彈簧節(jié)距
8.25
5
彈簧外徑
30
6
彈簧安裝高度
37
7
螺塞螺紋公稱直徑
M442
8
螺塞高度
30
9
鎖止螺塞高度
10
10
轉(zhuǎn)向器殼體總長(zhǎng)/高
600/150
11
轉(zhuǎn)向器殼體內(nèi)/外徑
40/56
(6)齒輪齒條的綜合分析設(shè)計(jì)及計(jì)算
轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向盤(pán)的單位轉(zhuǎn)角增量與齒條位移增量的反比定義為齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的線角傳動(dòng)比。
假設(shè)齒輪有足夠的嚙合長(zhǎng)度,且齒輪在齒條上滾動(dòng)而齒條不動(dòng)的嚙合情況,當(dāng)齒輪嚙合一周時(shí),齒輪中心線由O-O位置移動(dòng)到O‘-O’位置,如圖3-3示。
這時(shí)可以知道AB=πd,齒輪在齒條上移動(dòng)了AC距離:
式中:—齒輪安裝角,(°);
—齒輪分度圓直徑(mm)。
齒輪在垂直于齒條中心線MM的方向上移動(dòng)了BC距離:;在齒條實(shí)際工作中是運(yùn)動(dòng)的,齒輪只是繞軸承中心線轉(zhuǎn)動(dòng),并不移動(dòng)。只能是齒條沿其軸線移動(dòng),可見(jiàn)BC在實(shí)際工作中不存在,從中可知:;在齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周,齒條實(shí)際移動(dòng)距離AD為:。
式中:—齒條傾角(°)。
AD就是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的線角傳動(dòng)比,即
(3-11)
將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù):;;;代入上式,得
=8.3114°。
齒條的齒數(shù)計(jì)算z2
(3-12)
式中:—齒條行程,160mm;
—齒條模數(shù),2.5;
—齒條壓力角,=20°。
將數(shù)據(jù)代入(3-12)式,得=21.68,取整數(shù)值=21。
圖3-3 齒條嚙合長(zhǎng)度計(jì)算圖
3.2.3 齒輪軸和齒條的材料選擇及強(qiáng)度校核
3-7 齒輪軸和齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算
設(shè)計(jì)計(jì)算和說(shuō)明
計(jì)算結(jié)果
⑴選擇齒輪材料、熱處理方式及計(jì)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
齒條 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(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)
=
=
⑵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(dòng)的工作條件,選用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動(dòng)方案
②選擇齒輪傳動(dòng)精度等級(jí)
選用7級(jí)精度
③ 初選參數(shù)
初選 =6 =21 =1.2
=0.7 =0.89
按當(dāng)量齒數(shù)
④初步計(jì)算齒輪模數(shù)
轉(zhuǎn)矩176.29×0.175=30.85=30850
閉式硬齒面?zhèn)鲃?dòng),按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)。
=
=2.205
⑤ 確定載荷系數(shù)
=1,由, /100=0.000648,=1;對(duì)稱布置,取=1.06;取=1.3,則=1×1×1.06×1.3=1.378
⑥修正法向模數(shù)
=2.205×=2.193
圓整為標(biāo)準(zhǔn)值,取=2.5
⑶確定齒輪傳動(dòng)主要參數(shù)和幾何尺寸
① 分度圓直徑
==15.53
② 齒頂圓直徑
=15.53+2
=15.53+2×2.5(1+0)=20.53
③齒根圓直徑
=15.53-2
=15.53-2×2.5×1.25=9.28
④齒寬
=1.2×15.53=18.636
因?yàn)橄嗷Ш淆X輪的基圓齒距必須相等,即。
齒輪法面基圓齒距為
齒條法面基圓齒距為
取齒條法向模數(shù)為=2.5
⑤ 齒條齒頂高
=2.5×(1+0)=2.5
⑥齒條齒根高
=2.5(1+0.25-0)=3.125
⑦法面齒距
=3.925
⑷校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度
查表得,=189.8;查圖得,=2.45
取=0.8,==0.985
所以 =189.8×2.45×0.8×0.985
×
=1512.8
斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動(dòng)
7級(jí)精度
46510
=1.378
=2.5
=15.53
=20.53
=9.28
取=20
=2.5
=3.125
=3.925
齒面接觸疲勞強(qiáng)度滿足要求
3.2.4 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向橫拉桿的運(yùn)動(dòng)分析
圖3-3 轉(zhuǎn)向橫拉桿的運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖
如圖3-3,當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)從鎖點(diǎn)向鎖點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng),每只前輪大約從其正前方開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)30°,因而前輪從左到右總共轉(zhuǎn)動(dòng)約60°。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪右轉(zhuǎn)30°,即梯形臂或轉(zhuǎn)向節(jié)由繞圓心轉(zhuǎn)至?xí)r,齒條左端點(diǎn)移至的距離為
30°=140×cos30°=121.24
=140-121.24=18.86
30°=70
==304.42
=304.42-70=234.42
=305-234.42=70.58
同理計(jì)算轉(zhuǎn)向輪左轉(zhuǎn)30°,轉(zhuǎn)向節(jié)由繞圓心轉(zhuǎn)至?xí)r,齒條左端點(diǎn)E移至的距離為
=70
=304.42
=70+304.42-305=69.42
齒輪齒條嚙合長(zhǎng)度應(yīng)大于
即 =70.58+69.42=140
取L=160。
3.2.5 齒輪齒條傳動(dòng)受力分析
若略去齒面間的摩擦力,則作用于節(jié)點(diǎn)P的法向力Fn可分解為徑向力Fr和分力F,分力F又可分解為圓周力Ft和軸向力Fa。
=2×30851/15.53=3973.08
=1497.13
=1064.58N
3.2.6 間隙調(diào)整彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算
設(shè)計(jì)要求:設(shè)計(jì)一圓柱形壓縮螺旋彈簧,載荷平穩(wěn),要求=1400N時(shí),<10mm,彈簧總的工作次數(shù)小于,彈簧中要能寬松地穿過(guò)一根直徑為φ18mm的軸;彈簧兩端固定;外徑,自由高度。
(1) 選擇材料
由彈簧工作條件可知,對(duì)材料無(wú)特殊要求,選用C組碳素彈簧鋼絲。因彈簧的工作次數(shù)小于,載荷性質(zhì)屬Ⅱ類,。
(2) 計(jì)算彈簧絲直徑
表3-8 彈簧絲直徑的計(jì)算
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算依據(jù)和內(nèi)容
計(jì)算結(jié)果
①選擇旋繞比
②估
③初算彈簧絲直徑
④計(jì)算曲度系數(shù)
⑤計(jì)算彈簧絲的許用切應(yīng)力
⑥計(jì)算彈簧絲直徑
取=4
按30mm、18mm,取
=6.25
=1.404
=0.45=0.45×1700=765
==5.129
取=4
=1.404
[τ]=765
取=5
(3) 計(jì)算彈簧圈數(shù)和彈簧的自由高度
表3-9 彈簧圈數(shù)和自由高度的計(jì)算
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算依據(jù)和內(nèi)容
計(jì)算結(jié)果
①工作圈數(shù)
②總?cè)?shù)
③節(jié)距
④自由高度
==4.46
各端死圈取1,故
,
則,取
=4.46×8.25+1.5×5=44.29
=4.46
=6.5
=8.25
=44.29
(4) 穩(wěn)定性驗(yàn)算
高徑比b=H0/D2=44.29/25=1.77<5.3,滿足穩(wěn)定性要求。
(5) 檢查δ及δ1
鄰圈間隙 δ=t-d=8.25-5=3.25mm
彈簧單圈的最大變形量 λmax/n=8/4.46=1.79mm
故在最大載荷作用下仍留有間隙δ1 ,δ1=3.25-1.79=1.46>0.1d
(6) 幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸的確定
彈簧外徑 D=D2+d=25+5=30mm
彈簧內(nèi)徑 D1=D2-d=25-5=20mm
(7) 彈簧工作圖
τs=1.25[τ]=1.25×765=956.25MPa
彈簧的極限載荷
Flim==3.14×52×956.25/(8×4×1.4)=1670N
彈簧的安裝載荷
Fmin=0.9Fmax=0.9×1400=1260N
彈簧剛度 Cs=Gd/(8C3n)=80000×5/(8×43×4.46)=175.17N/mm
安裝變形量 λmin=Fmin/Cs=1260/175.17=7.19mm
最大變形量 λmax=Fmax/Cs=1400/175.17=7.99mm
極限變形量 λlim=Flim/Cs=1670/175.17=9.53mm
安裝高度 H1=H0-λmin=44.29-7.19=37.10mm
工作高度 H2=H0-λmax=44.29-7.99=36.3mm
極限高度 H3=H0-λlim=44.29-9.53=34.76mm
3.2.7 齒輪軸軸承的校核
校核30203圓錐滾子軸承,軸承間距60mm,軸承極限轉(zhuǎn)速n=9000r/min,采用脂潤(rùn)滑,預(yù)期壽命L′h=12000h
⑴初步計(jì)算當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷
=0.711>e
X=0.56,暫選一近似中間值Y=1.5。另查表得fp=1.2
P′=fp(XFR+YFA)=1.2×(0.56×698.5+1.5×432.3)=1247.53N
⑵計(jì)算軸承應(yīng)有的基本額定動(dòng)負(fù)荷C′r
查表得,ft=1,又ε=3
C′r=
⑶初選軸承型號(hào)
查《機(jī)械工程及自動(dòng)化簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)》,選擇6202軸承,Cr=7.65KN,其基本額定靜負(fù)荷Cor=3.72KN
⑷驗(yàn)算并確定軸承型號(hào)
① FA/Cor=432.3/3720=0.116,e為0.30,軸向載荷系數(shù)Y應(yīng)為1.45
② 計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷
Pr=fp(XFR+YFA)=1.2×(0.56×1497×35/60+1.45×432)=1338.5N
③ 驗(yàn)算6204軸承的壽命
Lh= >12000h
即高于預(yù)期壽命,能滿足要求。上軸承選擇比下軸承稍大的型號(hào)6203,同樣滿足要求。
3.2.8 鍵的計(jì)算
σp= [σp]=120MPa
式中:T—傳遞的轉(zhuǎn)矩,單位為N·mm;
D—軸的直徑,單位為mm;
L—鍵的接觸長(zhǎng)度,單位為mm;
K—鍵與輪轂接觸高度,K≈h/2,單位為mm;
[]—許用擠壓應(yīng)力,單位為MPa。
選用A型鍵 ,公稱尺寸b×h=5×5;鍵的接觸長(zhǎng)度L應(yīng)該大于15mm,則L≥15+6=21mm;圓頭普通平鍵(A型)的尺寸參考GB1096-79;鍵和鍵槽的斷面尺寸參考GB1095-79。
第4章 EPS的關(guān)鍵部件和控制策略
4.1 EPS的關(guān)鍵部件選型
4.1.1 電動(dòng)機(jī)
電動(dòng)機(jī)根據(jù)ECU的指令輸出適宜的轉(zhuǎn)矩,一般采用無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)[9],無(wú)刷永磁電動(dòng)機(jī)具有無(wú)激勵(lì)損耗、效率較高、體積較小等特點(diǎn)。電機(jī)是EPS的關(guān)鍵部件之一,對(duì)EPS的性能有很大的影響。由于控制系統(tǒng)需要根據(jù)不同的工況產(chǎn)生不同的助力轉(zhuǎn)矩,具有良好的動(dòng)態(tài)特性并容易控制,這些都要求助力電機(jī)具有線性的機(jī)械特性和調(diào)速特性。此外還要求電機(jī)低轉(zhuǎn)速大扭矩、波動(dòng)小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、尺寸小、質(zhì)量輕、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。我們采用的永磁直流電機(jī),主要參數(shù)如表4-1所示。
表4-1 EPS電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)
型式
永磁式直流電動(dòng)機(jī)
額定時(shí)間
S2 2分鐘
標(biāo)稱輸出
150W
額定轉(zhuǎn)速
1200r/min/DC
額定轉(zhuǎn)矩
1.2Nm/30A
額定電流
30A
旋轉(zhuǎn)方向
正反轉(zhuǎn)
允許最大電流
35A
4.1.2 電磁離合器
電磁離合器是保證電動(dòng)助力只在預(yù)定的范圍內(nèi)起作用。當(dāng)車速、電流超過(guò)限定的最大值或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),離合器便自動(dòng)地切斷電動(dòng)機(jī)的電源,恢復(fù)手動(dòng)控制轉(zhuǎn)向。此外,在不助力的情況下,離合器還能夠消除電動(dòng)機(jī)的慣性對(duì)轉(zhuǎn)向的影響。為了減少與不需要轉(zhuǎn)向助力時(shí)駕駛車輛感覺(jué)的差別,離合器不僅具有滯后輸出的特性,同時(shí)還具有半離合器狀態(tài)區(qū)域。離合器采用干式電磁式離合器,主要參數(shù)見(jiàn)表4-2。
表4-2 干式單片電磁離合器
型式
干式單片電磁離合器
額定時(shí)間
連續(xù)
功耗
9.8W/12V 20°C
額定轉(zhuǎn)矩
1.47Nm/12V 20°C
線圈阻抗
14.7±1
4.1.3 減速機(jī)構(gòu)
減速機(jī)構(gòu)用來(lái)增大電動(dòng)機(jī)傳遞給轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)矩。它主要有兩種形式:雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)和渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)。由于減速機(jī)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)工作性能的影響較大,因此在降低噪聲、提高效率和左右轉(zhuǎn)向操作的對(duì)稱性方面對(duì)減速機(jī)構(gòu)提出了較高的要求。
4.1.4 扭矩傳感器
扭矩傳感器用以檢測(cè)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩的大小和方向,以及轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的大小和方向,它是EPS系統(tǒng)的控制信號(hào)之一。精確、可靠、低成本的扭距傳感器是決定EPS能否占領(lǐng)市場(chǎng)的關(guān)鍵因素之一。扭距傳感器主要有接觸式和非接觸式兩種。常用的接觸式(主要指電位計(jì)式)傳感器有擺臂式、雙排行星齒輪式和扭桿式三種類型,而非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器主要有光電式和磁電式兩種。前者的成本低,但受溫度和磨損影響易發(fā)生漂移、使用壽命較低。,需要對(duì)制造精度和扭桿剛度進(jìn)行折中,難以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)轉(zhuǎn)角和角速度的測(cè)量。后者的體積小、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、剛度相對(duì)較高,易實(shí)現(xiàn)絕對(duì)轉(zhuǎn)角和角速度的測(cè)量,但是成本較高。因此扭矩傳感器類型的選取根據(jù)EPS的性能要求綜合考慮。
圖4-1 扭矩傳感器
我們選用非接觸式扭矩傳感器。如圖4-1所示為非接觸式扭矩傳感器的典型結(jié)構(gòu)。輸入軸和輸出軸由扭桿連接起來(lái),輸入軸上有花鍵,輸出軸上有鍵槽。當(dāng)扭桿受方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí),輸入軸上的花鍵和輸出軸上鍵槽之間的相對(duì)位置就被改變了?;ㄦI和鍵槽的相對(duì)位移改變量等于扭轉(zhuǎn)桿的扭轉(zhuǎn)量,使得花鍵上的磁感強(qiáng)度改變,磁感強(qiáng)度的變化,通過(guò)線圈轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。信號(hào)的高頻部分由檢測(cè)電路濾波,僅有扭矩信號(hào)部分被放大。非接觸扭矩傳感器由于采用的是非接觸的工作方式,因而壽命長(zhǎng),可靠性高,不易受到磨損,有更小的延時(shí),受軸的偏轉(zhuǎn)和軸向偏移的影響更小?,F(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于轎車和輕型車中,是EPS傳感器的主流產(chǎn)品。本次設(shè)計(jì)選用了德國(guó)NCTE公司生產(chǎn)的Series 2000系列的非接觸式扭矩傳感器。
4.1.5 電流傳感器
我們選用閉環(huán)霍爾傳感器,它的優(yōu)點(diǎn)是電路形式簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低,精度和線性度較好,響應(yīng)時(shí)間較快,溫度漂移較小。
表4-3 電流傳感器主要參數(shù)
型式
閉環(huán)霍爾電流傳感器
額定電流
50A
測(cè)量范圍
80A
輸出電流
50mA
精度
0.8%/25攝氏度
匝數(shù)比
l:1000
電源
士15V
4.2 EPS的電流控制
EPS的上層控制器用來(lái)確定電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流。根據(jù)EPAS的特點(diǎn),上層控制策略分為助力控制、回正控制和阻尼控制。
EPS的電流控制方式控制過(guò)程為:控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出Th和車速超過(guò)氣的輸出V由助力特性確定電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流Imo,然后電流控制器控制電動(dòng)機(jī)的電流Im,使電動(dòng)機(jī)輸出目標(biāo)助力矩。因此EPS的控制要解決兩個(gè)問(wèn)題:(1)確定助力特性;(2)跟蹤該助力特性。整個(gè)控制器可以分為上、下兩層,上層控制器用來(lái)根據(jù)基本助力特性及其補(bǔ)償調(diào)節(jié),進(jìn)行電動(dòng)機(jī)目標(biāo)電流的決策,下層控制器通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電壓,跟蹤目標(biāo)電流。
圖4-2 EPS的電流控制
4.3 助力控制
助力控制是在轉(zhuǎn)向過(guò)程(轉(zhuǎn)向角增大)中為減輕轉(zhuǎn)向盤(pán)的操縱力通過(guò)減速機(jī)構(gòu)把電機(jī)轉(zhuǎn)矩作用到機(jī)械轉(zhuǎn)向系(轉(zhuǎn)向軸、齒輪、齒條)上的一種基本控制模式。
步驟如下: