摘 要

伴随着全球能源短缺和环境污染问题的日益突出，零排放、高效率、可再生能源等成为了新能源客车未来前进的方向。作为一种新型清洁能源，燃料电池经过半个多世纪的发展和研究，技术趋向于成熟，在客车领域的应用空前飞速，受到各国政府的密切关注和相关政策的大力支持。燃料电池客车凭借能量利用率高、环境友好、续航里程长等优势成为新能源客车未来发展的方向，也是技术竞争的制高点。本课题以燃料电池客车为背景，设计客车的转向系统。此次设计采用电动助力转向系统（EPS）的方案，传统客车大多采用液压助力转向系，相比之下电动助力转向系统有效地节约能源，提高驾驶的安全性，利于环境的可持续性发展，并解决了汽车转向轻便型和灵敏性的矛盾^[1]。本论文首先对EPS的发展历史和现状进行阐述，介绍EPS的基本结构和工作原理，根据基本设计参数完成电动助力转向系统相关机构的选型，然后对齿轮齿条式转向器进行设计计算和校核，最后对整个转向系统进行优化设计，完成整个系统的设计。

关键词：燃料电池客车;电动助力转向系统;齿轮齿条转向器;转向传动机构;蜗轮蜗杆减速机构

Abstract

With the increasing global energy shortage and environmental pollution problems, zero-emission, high-efficiency and renewable energy have become the future direction of new energy buses. As a new type of clean energy, after more than half a century of development and research, the technology of fuel cells has matured. The application in the field of passenger cars is unprecedentedly rapid and has been closely watched by governments of all countries and supported by related policies. Fuel cell buses have become the future development direction of new energy buses and the commanding heights of technological competition by virtue of high energy utilization, environmental friendliness and long mileage. This topic uses the fuel cell bus as a background to design the steering system of the passenger car. The design of the electric power steering system (EPS) was adopted in this project. Most of the traditional passenger cars use hydraulic power steering system. Compared to the hydraulic power steering system, the electric power steering system saves energy, improves driving safety, and facilitates the sustainable development of the environment and solve the contradiction between the car's steering light and sensitive. This paper first elaborates on the history and status quo of the development of EPS, introduces the basic structure and working principle of EPS, completes the selection of the relevant mechanism of the electric power steering system according to the basic design parameters, and then designs and calculates the Rack and Pinion Gearbox. Finally optimized the entire steering system design, complete the design of the entire system.

Keywords: fuel cell passenger car; electric power steering system; Rack and Pinion Gearbox; steering transmission mechanism; worm gear reduction mechanism

目录

第1章 绪论 1

1.1汽 车 转 向 系 统 的 概 要 1

1.2公 交 车 转 向 系 统 的 演 变 1

1.3 E P S简介及在全球发展的演化 2

1.3.1 EPS简要介绍 2

1.3.2 E P S的优 势 2

1.3.3 E P S的发 展 与演 变 3

1.4文 章 研 究 意 义 及 相 关 内 容 概 述 3

第2章 EPS及其零部件的简介 5

2.1 EPS系统概述 5

2.1.1 EPS系 统 的 基 本 运 作 原 理 5

2.1.2 电动助力转向系统的类型 5

2.2 助力电动机的选择 6

2.2.1 电 动 机 的 简 介 6

2.2.2 电 机 相 关 参 数 的 选 择 7

2.3 电磁离合器的选择 8

2.4 扭 矩 传 感 器 的 简 介 8

第3章E P S 减 速 机 构 参 数 的 设 计 10

3.1 减速机构的简单介绍及布置方案的确定 10

3.2 蜗 轮 蜗 杆材 料 的 选 择 10

3.3 普通圆柱蜗杆传动的主要参数确定及几何尺寸计算 11

3.3.1 设 计 要 求 11

3.3.2 蜗杆传动种类的确定 11

3.3.3 蜗杆模数及分度圆直径的确定 11

3.3.4 蜗杆与蜗轮的主要参数及几何尺寸的确定 13

3.4 蜗轮齿根弯曲疲劳强度的校核 14

3.5 蜗杆轴的设计及校核 15

3.5.1 蜗杆轴的设计 15

3.5.2 蜗 杆 轴 键 的 参 数 设 定 16

3.5.3 蜗 杆 轴 的 校 核 17

第4章 齿轮齿条式转向器的设计 20

4.1 齿轮齿条式转向器的概述 20

4.1.1 齿轮和齿条的概述 20

4.1.2 设计要求 20

4.2 齿轮齿条材料的选择与参数的确定 20

4.2.1材料的选择 20

4.2.2 计算许用应力 21

4.2.3 初步确定齿轮的基本参数的主要尺寸 22

4.2.4 确定齿轮传动主要参数的几何尺寸 23

4.2.5 齿轮强度校核 24

4.3 齿轮轴的参数设计与校核 24

4.3.1 轴的基本参数的设计与计算 24

4.3.2 轴的校核 25

第5章 转向传动机构的布置形式 27

5.1转向传动机构的作用 27

5.2 与不同悬架配用的转向传动机构 27

5.2.1 与非独立悬架配用的转向传动机构 27

5.2.2 与独立悬架配用的转向传动机构 29

5.3 转向节 29

5.3.1 主销后倾角 30

5.3.2 主销内倾角 30

参考文献 31

第1章 绪论

1.1汽 车 转 向 系 统 的 概 要

司机在操纵汽车时，汽车不可能一直处于直线行驶的态势。需要根据复杂的路面状况转变行驶的方向，所以说转向是汽车重要的一项操纵性能。司机的体力通过转向系统中各个组织传递到车轮上，使车轮相对于地面垂直线发生了偏转。车辆在跑动时，车轮受到路面阻力的影响，让汽车远离了之前的驾驶方向，此时司机可以通过操作转向操纵机构，使转向车轮回归到原来的行驶方向。转向系统包含着机械、动力转向系统两个较大的种类。机械转向，由名称可联想而知，即以司机的手臂力量作为转向的能源，该系统里的各个部件采用机械式的连接^[2]，由于转向所需的能源必须由司机本身提供，所以转向轻便性较差，而且零部件之间的磨损较为严重，降低其使用寿命，同时也对环境造成一定的污染。在机械转向系统之上附加助力装置，即为动力转向系统，以司机作用在转向盘上的力与助力为转向能源，实现轻便的转向，给司机良好的驾驶体验并减少了环境的污染。动力转向系统中，助力装置提供了大部分转向所需的力，但在助力系统出现了故障之时，机械转向系统仍需要能起作用，使驾驶员完成转向，这就对动力转向系统的可靠性提出了较高的要求。

1.2公 交 车 转 向 系 统 的 演 变

公交客车在我们的生活实际中很常见，是一类普遍适用的交通工具。机械转向系统的整体架构不会太复杂，比较简约，方便设计，而且有着较为稳妥的性能，但转向力来自于驾驶员的体力，给驾驶员的操作带来了很大的不便。长期以来，“ 轻 ”与“ 灵 ”的矛盾都是客车转向系发展中需要考虑的问题，为了带来一定的改观，可以通过增大转向器角传动比，但减少了驾驶员在方向盘上手力的同时，也使得客车对转向操作的灵敏度下降，于是我们把转向系改进为采用变速比的型式，司机施加的力矩较小以操纵的灵敏性为主导，在施加的力矩较大时以替驾驶员省力为主，但由于传动比不能随车速的变化而变化，不能从根本解决“轻”与“灵”的矛盾问题。液压动力转向系统即在传统的机械转向系统的基础上加上液压动力装置，虽然为转向提供了助力，使转向较为轻便，但存在能量消耗较大、液压泄露污染环境、助力与车速没有相关联、不能解决转向轻便性和路感之间的矛盾等缺点。随着环保意识的逐渐增强，人们在传统液压动力转向系统的基础上增加了电子控制单元和执行元件，即电控液压动力转向系统，成功将助力与车速联系起来，但始终存在液压系统本身的缺陷，而且系统成本较高，所以它的经济实用性较低，虽然目前在客车上使用的较宽泛，但仍需改良。EPS是在机械转向系统的基础上加以用电池作为能源，电动机进行驱动，它有着十分良好的、可变的助力特性，转向轻便、路感好，使驾驶员有了更好的驾驶体验^[3]。汽车不转向时，电动机停止工作；汽车转向时，电动机工作并按车速的变化提供相应的助力力矩，做到汽车按照需求提供助力的功能，减少了能量的损耗。

本课题以燃料电池公交客车为设计背景，综上所述，本次转向系统设计采用电动助力转向系统。

1.3 E P S简介及在全球发展的演化

1.3.1EPS简要介绍

电动助力转向系统（Electric Power Steering，缩写EPS），它的助力力矩来自于电动机，在不同的行驶状况下，EPS能控制电动机提供相应的助力力矩。EPS系统通过感知车辆行驶的速度与司机施加的力矩，通过借用传感器将这些数值转换为相应的信号，来感知与识辨，并给出相对应的助力矩。EPS的工作原理为：扭矩传感器和转向轴相结合，转向轴转动时，转矩传感器会将输入轴和输出轴在扭矩作用下产生的相对转角位移转化为电信号，传给ECU，ECU综合这些传至而来的信号，接合路面情势，给电机的旋向与助力矩的大小做确定 ^[4]，从而实现根据车速和工况控制助力的大小。

1.3.2 E P S的优 势

1.燃油消耗低，节能环保：EPS根据车速与转向盘力矩为信号，通过ECU的转化，成为驱动电机的指令，让电机能按照路况和转弯操作的需求供应能量，节约了能源；且系统没有油泵、动力缸、水压缸等部件，减少了发动机能量的损失以及对环境的污染。