某车型齿轮齿条式转向器的设计.pdf
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1、XXX大学本科生毕业设计(论文)某车型齿轮齿条式转向器的设计学生姓名:_学 号:_班 級:_专 业:_指导教师:_目 录摘 要.3ABSTRACT.4第1章绪 论.51.I 课题研究背景.51.2 电动助力转向系统的研究现状.71.3 课题的研究意义.91.4 课题的设计任务.10第2章 主要设计参数的确定.1 02.1 电动助力转向系统的分析.102.1.1 电动助力转向系统的工作原理.102.1.2 电动助力转向系统的类型.112.2 助力电动机的选择.122.2.1 电动机的概述.122.3 电磁离合器的选择.122.4 扭矩传感器的选择.13第3章 电动助力转向系统减速机构的设计.1
2、53.1 减速机构的分析及布置形式的确定.153.2 蜗轮蜗杆材料的选择.173.3 蜗轮蜗杆传动的设计.173.3.1 设计要求.173.3.2 选择蜗杆传动类型.183.3.3 蜗杆模数及分度圆直径的确定.183.3.4 蜗杆与蜗轮的主要参数及几何尺寸的确定.203.3.5 蜗轮齿根弯曲疲劳强度的校核.22第4章 齿轮齿条式转向器的设计.2 44.1 齿轮齿条式转向器的概述.244.1.1 齿条的概述.244.1.2 齿轮的概述.244.2 齿轮齿条材料的选择与参数的确定.254.2.1 材料的选择.254.2.2 计算许用应.254.2.3 初步确定齿轮的基本参数的主要尺寸.264.2.
3、4 确定齿轮传动主要参数的几何尺寸.274.2.5 齿轮强度校核.284.3 轴设计与轴承的选择.304.3.1 轴的设计.304.3.2 轴的校核.314.3.3 轴承的选取.32第5章EPS电动转向器动力学模型.3 35.1 机械转向系统数学模型.3325.2 EPS电动转向器系统模型的建立.345.3 系统控制的目标.375.4 EPS系统的控制策略.375.5 系统的控制模式.39第6章齿轮齿条式转向器仿真与分析.4 16.1 MATLAB/Simulink仿真平台的介绍.416.2 系统仿真参数取值.416.3 机械转向系统仿真与研究.426.3.1 机械转向系统的Simulink模
4、型.426.3.2 汽车机械转向系统在阶跃输入时不同参数下的仿真研究.446.3.3 不同参数对系统性能影响的仿真分析.536.4 EPS转向系统仿真与研究.536.4.1 EPS 系统的 Simulink 模型.536.4.2 EPS系统加入PID控制的Simulink模型.556.5 不同系统的比较仿真与分析.61结 论.6 7参考文献.6 8致 谢.6 9摘 要电动助力转向系统就是在机械转向系统中,用电池作为能源,电动机为动,以 转向盘的转速和转矩以及车速为输入信号,通过电子控制装置,协助人力转向,并获 得最佳转向特性的伺服系统。EPS汽车转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定 性,对于
5、确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶 员的工作条件起着重要的作用。电动助力转向系统主要由减速机构和转向机构组成,减速机构把电动机的输出经 过减速增扭传递到动辅助单元,实现助力。由于蜗轮蜗杆传动比大,传动平稳噪声 低故减速机构选为蜗轮蜗杆式。由于齿轮齿条式转向器,传动平稳,结构简单故转向 机构选为齿轮齿条式。本文设计研究了电动助力转向系统,对其工作原理做了阐述,并进行了选型。同 时对齿轮齿条式转向器的结构进行分析,并对其重要零件进行了设计计算与强度校核。通过仿真和研究初步证明所建立数学模型的正确性和设计控制器的相对合理性。对转向系统分别建立了机械转向系统、EPS系统
6、和基于PID控制的EPS系统,并应用 MATLABSimulink进行仿真,并达到了预计的设想和要求。3关键字:转向器;设计;齿轮;轴;校核;仿真ABSTRACTElectric power steering system is in mechanical steering system,use battery as energy,motor as a driving force,the steering dish speed and torque and speed of the input signal,through the electronic control unit,to help
7、 the human steering,and get the best to force characteristics of servo system.EPS automobile steering system performance directly influence to the ears steering stability,to ensure that the vehicles safety driving,reduce the number of traffic accidents and protecting the personal safety of the drive
8、r,improve the working conditions of the driver plays an important role.Electric power steering system mainly consists of deceleration institutions and steering mechanism composition,slowing institutions to increase the output after slowing motor relay to the power auxiliary units twisted,realize the
9、 power.Because worm transmission large and stable transmission low noise so slow institutions elected worm type.Because rack-and pinion steering gear-component with simple structure,stable transmission,is steering mechanism selected fbr rack-and pinion type.The paper presents the design of electric
10、power steering system was studied,Meanwhile to the structure of rack-and pinion steering gear-component are analyzed,and the important parts of the design calculation and strength check.4The correctness of the mathematical model and the rationality of the controller are proved by simulation and rese
11、arch.The mechanical steering system,EPS system and EPS system based on PID control are established,and the simulation is carried out with MATLABWSimulink.Keywords:steering gear;Design;Gear;Axis;Checking;Simulation第1章绪 论1.I 课题研究背景汽车在行驶过程中,经常需要改变行驶的方向,称为转向。轮式汽车行驶是通过 转向轮(一般是前轮)相对于汽车纵向轴线偏转一定的角度来实现的。汽车转向
12、系统是 用于改变或保持汽车行驶方向的专用机构。其作用是使汽车在行驶过程中能按照驾驶 员的操纵要求而适时地改变其行驶方向,并在受到路面传来的偶然冲击及汽车意外偏 离行驶方向时,能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶。因此,转向系统的性 能直接影响着操纵稳定性和安全性。按转向动力能源不同,汽车转向系统可分为机械 式转向系统和动转向系统两大类。机械式转向系统是以人的体力为转向能源的,其 中所有的传件都是机械的,它主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分 组成。汽车转向器作为汽车转向系统的重要零部件,其性能的好坏直接影响到汽车行 驶的安全性和可靠性。汽车动转向系统是在机械转向系的基础上增设了一
13、套转向加 装置所构成的转向系(如液压动转向系统中的转向油罐、油泵、控制阀、动缸等),它兼用驾驶员的体力和发动机动力作为转向能源。在正常的情况下,汽车转向所需的 大部分由发动机通过转向加力装置提供,只有一小部分由驾驶员提供。但在动转 向失效时,驾驶员仍能通过机械转向系统实现汽车的转向操纵。长期以来,汽车转向 系统一直存在着“轻”与“灵”的矛盾。为缓和这矛盾,过去人们常将转向器设计 成可变速比,在转向盘小转角时以“灵”为主,在转向盘大转角时以“轻”为主。但 5“灵”的范围只在转向盘中间位置附近,仅对高速行驶有意义,并且传动比不能随车 速变化,所以不能根本解决这矛盾。随着动转向系统的产生,液压动转向
14、系统(HPS)以其具有的转向操纵灵活、轻便,设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增 大,并可吸收路面对前轮产生的冲击等优点,自20世纪50年代以来,在各国汽车上 得到普遍采用。但传统的液压动转向系统需消耗一定的能量,增加了汽车的燃油消 耗量,液压动转向系统所引起的燃油消耗量约占整车燃油消耗量的约30%。随着电 子技术的发展,电子控制式机械液压动转向系统(EHPS)应运而生,该系统在某些 性能方面优于传统的液压动转向系统,但仍然无法根除液压动转向系统的固有缺 憾。此外,传统液压动转向系统在选定参数完成设计之后,转向系统的性能就确定 了,不能再对其进行调节与控制。因此,传统液压动转向系统协调转向
15、力与操纵“路 感”的关系困难。低速转向小时,高速行驶时转向力往往过轻、“路感”差,甚至感 觉汽车发“飘”,从而影响操纵稳定性;而按高速性能要求设计转向系统时,低速时转 向往往过大。电动助力转向系统(Electric Power Steering System,简称EPS),是继液压动转 向系统后产生的种新的动转向系统。电动助力转向系统由电机提供助力,助力大 小由电控单元(ECU)实时调节与控制,可以较好地解决上述液压动转向系统所不能解 决的矛盾。目前,电动助力转向系统有代替液压动转向系统的趋势。电动助力转向系统(EPS,Electric Power Steering)是未来转向系统的发展方向。
16、该系统由电动助力机直接提供转向助力,省去了液压动转向系统所必需的动转向 油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮,既节省能量,又保护了环境。另外,还具有调整简单、装配灵活以及在多种工况下都能提供转向助力的特点。正是 有了这些优点,电动助力转向系统作为种新的转向技术,将挑战大家都非常熟知的、已具有50多年历史的液压转向系统。电动助力转向系统是于20世纪80年代中期提出来的。该技术发展最快、应用较 成熟的当属TRW转向系统和Delphi Sagiaw(萨吉诺)转向系统,而Delphi Sagiaw(萨 吉诺)转向系统又代表着转向系统发展的前沿。她是个于20世纪50年代把液压助 转向系统推向
17、市场的,从此以后,Delphi转向发展了技术更加成熟的液压助力系统,使大部分的商用汽车和约50%的轿车装备有该系统。现在,Delphi转向系统又领导了汽 车转向系统的一次新革命电动助力转向系统。电动助力转向系统符合现代汽车机电一体化的设计思想,该系统由转向传感装置、车速传感器、助力机械装置、提供转向助力电机及微电脑控制单元组成。该系统工作时,转向传感器检测到转向轴上转动矩和转向盘位置两个信号,与 6车速传感器测得的车速信号起不断地输入微电脑控制单元,该控制单元通过数据分 析以决定转向方向和所需的最佳助力值,然后发出相应的指令给控制器,从而驱动电 机,通过助力装置实现汽车的转向。通过精确的控制算
18、法,可任意改变电机的转矩大 小,使传动机构获得所需的任意助力值。1.2 电动助力转向系统的研究现状1988年2月日本铃木公司首次在其Cerv。车上装备EPS,随后还用在了其Alto 车上。在此之后,电动助力转向技术如雨后春笋般得到迅速发展。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汽车系统公司、TRW公司,德国 的ZF公司,都相继研制出各自的EPS。比如:大发汽车公司在其Mi2ra车上装备了 EPS,三菱汽车公司则在其Minica车上装备了 EPS;本田汽车公司的Accord车目 前已经选装EPS,S2000轿车的动转向也将倾向于选择EPS;Delphi汽车系统公 司
19、已经为大众的Polo、欧宝的318i以及菲亚特的Punto开发出EPS TRW从1998年开始,便投入了大量人力、物力和财用于EPS的开发。他们 最初针对客车开发出转向柱助力式EPS,如今小齿轮助力式EPS开发也已获成功。1999年3月,他们的EPS已经装备在轿车上,如Ford Fiesta和Mazda 323F等。Mercedes OBenz和Siemens Automotive两大公司共同投资6500万英镑用于开发 EPS,他们的目标是到2002年装车,年产300万套,成为全球EPS制造商。他们计 划开发出适用于汽车前桥负荷超过!200kg的EPS,因此货车也将可能成为EPS的装 备目标。
20、而我国在2002年开始研制开发汽车EPS产品,目前已经知道的有13家 企业和科研院校正在研制中。其中南摩股份有限公司(生产转向柱式的EPS产品)在 2003年开始进入小批量生产阶段,其他厂家和科研院校均在开发阶段中。EPS当前已经较多应用在排量在1.3L-1.6L(含MMPV微型多功能车)的各类轻 型轿车上,其性能已经得到广泛的认可。随着直流电机性能的提高和42V电源在汽车组 件上的应用,其应用范围将进步扩宽,并逐渐向微型车、轻型车和中型车扩展。另外 EPS的控制信号将不再仅仅依靠车速与扭矩,而是根据转向角、转向速度、横向加速 度、前轴重力等多种信号进行与汽车特性相吻合的综合控制,以获得更好的
21、转向路感。未来的EPS将朝着电子四轮转向的方向发展,并与电子悬架统协调控制。电动助力转向系统将最新的电电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转 向系统,能显著改善汽车动态性能和静态性能、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、减少环境的污染等。因此,该系统经提出,就受到许多大汽车公司的重视,并进行 开发和研究,未来的转向系统中电动助力转向将成为转向系统主流,与其它转向系统 相比,该系统突出的优势体现在:7(1)降低了燃油消耗。液压动转向系统需要发动机带动液压油泵,使液压油不 停地流动,浪费了部分能量。相反电动助力转向系统(EPS)仅在需要转向操作时 需耍电机提供的能量,该能量可以来自蓄电池,也可来
22、自发动机。而且,能量的消耗与 转向盘的转向及当前的车速有关。当转向盘不转向时,电机不工作,需要转向时,电 机在控制模块的作用下开始工作,输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向矩,而 且,该系统在汽车原地转向时输出最大转向力矩,随着汽车速度的改变,输出的矩 也跟随改变。该系统真正实现了“按需供能”,是真正的”按需供能型”(on-demand)系 统。汽车在较冷的冬季起动时,传统的液压系统反应缓慢,直至液压油预热后才能正 常工作。由于电动助力转向系统设计时不依赖于发动机而且没有液压油管,寸冷天气 不敏感,系统即使在-40时也能工作,所以提供了快速的冷起动。由于该系统没有起 动时的预热,节省了能量。
23、不使用液压泵,避免了发动机的寄生能量损失,提高了燃 油经济性,装有电动助力转向系统的车辆和装有液压助力转向系统的车辆对比实验表 明,在不转向情况下,装有电动助力转向系统的国辆燃油消耗降低2.5%,在使用转向 情况下,燃油消耗降低了5.5%3。(2)增强了转向跟随性。在电动助力转向系统中,电动助力机与助力机构直接相 连可以使其能量直接用于车轮的转向。该系统利用惯性减振器的作用,使车轮的反转 和转向前轮摆振大大减水4。因此转向系统的抗扰动能力大大增强和液压助力转向系 统相比,旋转矩产生于电机,没有液压助力系统的转向迟滞效应,增强了转向车轮 对转向盘的跟随性能。(3)改善了转向冋正特性。直到今天,动
24、转向系统性能的发展已经到了极限,电动助力转向系统的冋正特性改变了这一切。当驾驶员使转向盘转动角度后松开时,该系统能够自动调整使车轮冋到正中。该系统还可以让工程师们利用软件在最大限度 内调整设计参数以获得最佳的冋正特性5。从最低车速到最高车速,可得到簇冋正 特性曲线。通过灵活的软件编程,容易得到电机在不同车速及不同车况下的转矩特性,这种转矩特性使得该系统能显著地提高转向能力,提供了与车辆动态性能相机匹配的 转向冋正特性。而在传统的液压控制系统中,要改善这种特性必须改造底盘的机械结 构,实现起来有一定困难。(4)提高了操纵稳定性。通过对汽车在高速行驶时过度转向的方法测试汽车的稳 定特性。采用该方法
25、,给正在高速行驶(100km/h)的汽车个过度的转角迫使它侧倾,在短时间的自冋正过程中,由于采用了微电脑控制,使得汽车具有更高的稳定性,驾 驶员有更舒适的感觉。(5)提供可变的转向助力。电动助力转向系统的转向力来自于电机。通过软件编 8程和硬件控制,可得到覆盖整个车速的可变转向6。可变转向力的大小取决于转向 矩和车速。无论是停车,低速或高速行驶时,它都能提供可靠的,可控性好的感觉,而且更易于车场操作。对于传统的液压系统,可变转向矩获得非常困难而且费用很高,要想获得可变 转向矩,必须增加额外的控制器和其它硬件。但在电动助力转向系统中,可变转向 力矩通常写入控制模块中,通过对软件的重新编写就可获得
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