電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)案例綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u507電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)案例綜述 1129601.1起亞K3參數(shù)表 1114891.2齒輪齒條轉(zhuǎn)向器計(jì)算軸荷的確定 115341.2.1汽車原地轉(zhuǎn)向阻力矩 176111.2.2轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比的選取 2156751.2.3轉(zhuǎn)向盤手力的計(jì)算 2314321.3齒輪齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算 3157211.1.1齒輪齒條的參數(shù)選擇 3218501.1.2齒輪的設(shè)計(jì) 3145811.1.3齒條的設(shè)計(jì) 5274021.4齒輪齒條的強(qiáng)度校核 6247131.4.1齒輪的疲勞強(qiáng)度校核 6136971.4.2齒輪接觸疲勞強(qiáng)度校核 71.1起亞K3參數(shù)表在對(duì)起亞K3進(jìn)行EPS的設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證設(shè)計(jì)的合理性與準(zhǔn)確性，起亞K3的汽車參數(shù)如表3-1所示：表3-1起亞K3參數(shù)表汽車整備質(zhì)量：1230kg前/后輪距：1555mm/1568mm輪胎規(guī)格：225/45R17前/后軸荷：860kg/780kg最小轉(zhuǎn)彎只直徑：1060mm方向盤直徑：400mm扭桿旋轉(zhuǎn)剛度：84.33N/m方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.0012kg/m2轉(zhuǎn)向柱粘性阻尼系數(shù)：0.261N·s/m電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)：0.04N·m/A電機(jī)剛性系數(shù)：125N/mm電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.00018kg/m21.2齒輪齒條轉(zhuǎn)向器計(jì)算軸荷的確定1.2.1汽車原地轉(zhuǎn)向阻力矩為了安全的駕駛，每個(gè)構(gòu)成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的部件都要滿足各自相應(yīng)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。要想明確轉(zhuǎn)向器各部件的強(qiáng)度，首先要確認(rèn)對(duì)各個(gè)部件起作用的力量。影響這種力量的主要原因是輪胎的氣壓、有旋轉(zhuǎn)軸的負(fù)載和路面的阻力等，為了轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪，需要克服包括車輪的穩(wěn)定阻力、轉(zhuǎn)向輪需要繞主銷旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的阻力、轉(zhuǎn)向系中各類內(nèi)摩擦的阻力和輪胎變形阻力等阻力因素。由于很難準(zhǔn)確地計(jì)算出這些復(fù)雜的力，為此經(jīng)過一系列的查找書籍與文獻(xiàn)REF_Ref1435\r\h[5]，汽車的轉(zhuǎn)向阻力矩公式Mr為：（3-1）在公式中，f表示的是汽車的車輪與地面之間產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦阻力因數(shù)；在綜合各種路面工況下通常為其賦值0.7；G1表示的是汽車轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷；p表示的是汽車的胎壓，為0.22MPa。由參數(shù)表可得G1=860×9.8=8428N將以上參數(shù)代入可得：（3-2）經(jīng)過以上計(jì)算，汽車原地轉(zhuǎn)向阻力矩為384901.8N。1.2.2轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比的選取轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比在設(shè)計(jì)的過程中有著重要的作用，對(duì)于汽車的轉(zhuǎn)向性能這一模塊中，數(shù)據(jù)的稍微變化就能帶來極大不同的設(shè)計(jì)結(jié)果。為了增大力傳動(dòng)比，可以選擇較大的角傳動(dòng)比進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比不僅對(duì)轉(zhuǎn)向靈敏性和穩(wěn)定性有直接的影響，而且也影響著汽車的操縱輕便性。現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比一般來講取iw為14~22，本次設(shè)計(jì)將選取角傳動(dòng)比i1.2.3轉(zhuǎn)向盤手力的計(jì)算輪胎與地面之間的轉(zhuǎn)向阻力Fw和作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向阻力距M（3-3）公式中a是主銷偏移距，根據(jù)車型參數(shù)取值為90。作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力可用下式表示：（3-4）公式中Mh為作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩；Dsw從地面作用在汽車兩個(gè)的輪向輪上的合力2Fw與作用在方向盤上的手力Fh之比為力傳動(dòng)比（3-5）將式（3-4）、式（3-5）代入上式后得到：（3-6）將摩擦所造的損失忽略掉，可得到新的關(guān)系式：（3-7）由式(3-7)和式(3-8)得：（3-8）綜合以上公式可得：經(jīng)過以上的計(jì)算，輸入轉(zhuǎn)向盤的力為118.79N。1.3齒輪齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算1.1.1齒輪齒條的參數(shù)選擇齒輪齒條的模數(shù)通常的選擇范圍為2~ 3mm。對(duì)于主動(dòng)小齒輪的齒數(shù)也有一定的規(guī)定范圍，通常的情況是5~7個(gè)，它們的壓力角一般取標(biāo)準(zhǔn)值α=20°，齒輪的螺旋角β取值范圍則在9°~15°之間REF_Ref1853\r\h[6]。在本文的設(shè)計(jì)中，首先根據(jù)基本參數(shù)的選擇范圍進(jìn)行選取，然后進(jìn)行設(shè)計(jì)，之后對(duì)其材料強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，使得其滿足所需求的安全標(biāo)準(zhǔn)。在材料的選擇過程中，齒輪的材料常見的有調(diào)質(zhì)鋼、滲氮鋼和40。齒條現(xiàn)在多采用S45C中碳鋼或者SCM440鉻鉬合金鋼。在對(duì)轉(zhuǎn)向器殼體的材料選擇上，目前大多都是選擇鋁合金材質(zhì)，它不僅能夠能夠降低殼體的重量，還能保證齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的正常運(yùn)作。1.1.2齒輪的設(shè)計(jì)從目前轉(zhuǎn)向器的效率來看，斜齒圓柱齒輪具有良好的優(yōu)勢特征。本次齒輪的設(shè)計(jì)中是采用斜齒圓柱齒輪來進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證了齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)嚙合。通過對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)與汽車設(shè)計(jì)等參考書的翻閱，確定了本次所設(shè)計(jì)的齒輪參數(shù)。如表3-2所示：表3-2齒輪參數(shù)模數(shù)m：2.5法向齒頂高系數(shù)?an小齒輪齒數(shù)z：6個(gè)法向頂系系數(shù)cn壓力角α：20°變位系數(shù)xn螺旋角β：12°嚙合角αwt根據(jù)以上的參數(shù)表可計(jì)算斜齒圓柱齒輪的各個(gè)幾何尺寸，通過其標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算公式REF_Ref1945\r\h[7]可得出：齒頂高：齒根高：全齒高：分度圓直徑：齒頂圓直徑：齒根圓直徑：法面壓力角：端面壓力角：基圓直徑：齒距：齒寬：法面齒厚：經(jīng)過以上對(duì)齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算后，通過NX這個(gè)軟件對(duì)齒輪軸進(jìn)行了三維的繪制，如圖3-1所示：圖3-1齒輪軸1.1.3齒條的設(shè)計(jì)齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)通常是依靠主動(dòng)小齒輪來驅(qū)動(dòng)齒條進(jìn)行工作，為了確保齒輪齒條能正確的嚙合，齒輪的法面基圓齒距P1與齒條的法面基圓齒距P2必要保證其相一致。根據(jù)法面基圓齒距公式：（3-9）可得齒條的參數(shù)如表3-3所示：表3-3齒條參數(shù)模數(shù)：2.5變位系數(shù)：-0.4壓力角：20°嚙合角αwt螺旋角：12°法向齒頂高系數(shù)?an將以上參數(shù)代入設(shè)計(jì)計(jì)算可得：端面模數(shù)：端面齒距：法面齒距：齒條的行程為能轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的總?cè)?shù)與轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比的乘積，其關(guān)系表示是如：將以上所得的參數(shù)帶入到齒條的齒數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算公式中：經(jīng)過機(jī)械設(shè)計(jì)中齒輪的標(biāo)準(zhǔn)齒數(shù)的查閱后，最終確定齒條的齒數(shù)為24個(gè)。齒條其他參數(shù)計(jì)算：齒條寬b2的取值為30mm，即：b2=20mm則齒輪寬重新取值：b1=b2+10=40mm，即：b1=40mm經(jīng)過以上的計(jì)算，確定的齒條的各項(xiàng)參數(shù)，通過使用NX這個(gè)軟件對(duì)齒條進(jìn)行三維的零件設(shè)計(jì)，如圖3-2所示：圖3-2齒條1.4齒輪齒條的強(qiáng)度校核1.4.1齒輪的疲勞強(qiáng)度校核通過上文齒輪齒條的制作材料來看，本文將齒輪的材料選定為40，需要其經(jīng)過一定的滲碳并經(jīng)過熱處理使其硬度達(dá)到220~260HBS。應(yīng)滿足齒輪的精度要求，本文將選取7級(jí)精度來進(jìn)行設(shè)計(jì)REF_Ref2637\r\h[8]。由于齒輪的材料已確定使用40，因此本次的設(shè)計(jì)將齒條的材料選取為45鋼，使得其能與齒輪匹配形成嚙合副。齒條的材料也要經(jīng)過熱處理使其表面的硬度達(dá)到56~80HRC。通過應(yīng)力校核計(jì)算公式：（3-10）在式中，K表示的是計(jì)算負(fù)荷系數(shù)；YF表示的是斜齒齒形系數(shù)，按照所設(shè)計(jì)的齒輪取值為2.8；YS表示的是齒輪齒根的應(yīng)力修正系數(shù)，取值為1.5；表示的是螺旋角系數(shù)，取值為0.9；表示的是齒輪重合度系數(shù)，取值為1.2；b表示的是齒輪齒寬，取值為40mm。（3-11）在式中，KA表示的是齒輪的利用系數(shù)，取值為1；KV表示的是齒輪的動(dòng)載荷系數(shù)，取值為1.2；表示的是齒輪的齒向載荷分布系數(shù)，取值為1.09；表示的是齒輪的齒間載荷分配系數(shù)；取值為1.15。把以上的參數(shù)代入式（3-11）可得：（3-12）綜合以上參數(shù)，將式（3-12）代入式（3-10）中求得齒輪所受應(yīng)力：本次設(shè)計(jì)的齒輪材料使用的是40，依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)中的手冊(cè)查詢得出：齒輪的齒根彎曲疲勞極限；彎曲疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)；彎曲疲勞強(qiáng)度的最小安全系數(shù)。通過齒輪的許用應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算公式，可得到：根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果得出，滿足了齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。1.4.2齒輪接觸疲勞強(qiáng)度校核在對(duì)齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度校核時(shí)，通過查閱設(shè)計(jì)資料，找到關(guān)于齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核公式為：(3-13)在公式中，ZH表示的是節(jié)點(diǎn)范圍系數(shù)，取值為2.1；ZE表示的是選取材料的彈性系數(shù)，取值為188；表示的是螺旋角的系數(shù)，取值為0.99；u表示的是齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比，為；表示的是齒輪的重合度系數(shù)，為0.881；d表示分度圓直徑，為15.335。將以上的參數(shù)數(shù)據(jù)帶入到式（3-13）