1、本科毕业论文（20届）电动搬运车转向控制实验台设计所在学院专业班级机械设计制造及其自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要随着物流仓储业的发展，电动搬运车的需求量也在增加。转向环节是搬运车辆的重要组成部分，也是衡量搬运车辆的性能指标之一。现代电瓶类搬运车普遍采用电动助力转向和电动液压助力转向。本此毕业设计的最终目的是利用电动助力转向技术设计一个转向系统实验台，模拟电动搬运车的转向系统，进行实验研究。转向系统和驱动系统是该实验台的主要部分。其中，转向系统由动力系统、传动系统和执行系统组成。其工作原理为动力系统作为动力源，输出转矩和转矩。传动系统将转速和转矩传递给执行系统。最后，由执行系统
2、完成转向。驱动系统则由动力系统和传动系统组成，它的作用是驱动转向轮转动。本论文的主要工作和内容有1介绍了转向系统的研究背景、现状和发展趋势。2研究了电动助力转向系统的工作原理，完成了转向系统总体方案的设计。3分析了各种动力系统的特点，决定选取电机作为动力系统。同时对各类电机的性能进行了比较，最后选择直流无刷电机作为助力电机，选择驱动用电机为转向轮转动提供所需的动力。4分析了各种传动系统的特点，选取了齿轮传动和蜗轮蜗杆传动形式，对传动系统中的零件进行了理论分析和设计计算。5完成了实验台的结构设计。关键词电动助力转向；驱动系统；传动系统；实验台。IIABSTRACTWITHTHEDEVELOPME
3、NTOFLOGISTICSANDWAREHOUSING,THEDEMANDOFELECTRICTRANSPORTATIONVEHICLESISALSOINCREASESTEERINGSYSTEMISANIMPORTANTPARTOFTHEELECTRICPALLETTRUCK,ANDALSOONEOFTHESTANDARDSVALUINGITSQUALITYNOWADAYS,ELECTRICPALLETTRUCKSCOMMONLYUSEDELECTRICPOWERSTEERINGANDELECTRICHYDRAULICPOWERSTEERINGTECHNOLOGYTHEPURPOSEOFTHI
4、SPAPERISUSINGELECTRICPOWERSTEERINGTECHNOLOGYTODESIGNASTEERINGEXPERIMENTTABLEBYSIMULATINGTHESTEERINGSYSTEMOFTHEELECTRICPALLETTRUCK,WECANDOTHEEXPERIMENTALRESEARCHTHESTEERINGSYSTEMANDTHEDRIVESYSTEMARETHEMAINPARTOFTHISEXPERIMENTTABLETHESTEERINGSYSTEMINCLUDESPOWERSYSTEMS,TRANSMISSIONSYSTEMSANDEXECUTIONSY
5、STEMTHEPOWERSYSTEMSWORKASPOWERSOURCE,OUTPUTTINGTHESPEEDANDTHETORQUETHEN,TRANSMISSIONSYSTEMSDELIVERTHESPEEDANDTHETORQUETOTHEEXECUTIONSYSTEMATLAST,THEEXECUTIONSYSTEMFINISHESTHESTEERINGCOURSETHEDRIVESYSTEMCONTAINSPOWERSYSTEMANDTRANSMISSIONSYSTEMTHEFUNCTIONISDRIVINGTHEWHEELROTATINGTHEMAINWORKSANDCONTENT
6、SINTHISPAPERCONTAINFIVEPARTSASFOLLOWS1THEBACKGROUND,THEPRESENTSITUATIONANDTHEDEVELOPMENTTRENDOFSTEERINGSYSTEMAREINTRODUCED2THEWORKPRINCIPLEOFSTEERINGSYSTEMISANALYZED,ANDTHEOVERALLPROGRAMOFSTEERINGSYSTEMISFINISHED3THECHARACTERISTICOFVARIOUSPOWERSYSTEMSISANALYZED,ANDTHEMOTORSARECHOSEASTHEPOWERSYSTEMSA
7、TTHESAMETIME,THEPERFORMANCEOFVARIOUSMOTORSISALSOCOMPAREDATLAST,ABRUSHLESSDCMOTORISCHOSEASTHESTEERINGASSISTEDMOTORANDADRIVEMOTORISCHOSETOPROVIDENECESSARYPOWERTOMAKETHEWHEELROTATING4THECHARACTERISTICOFTHETRANSMISSIONSYSTEMSISANALYZED,GEARDRIVESANDWORMDRIVESAREUSEDINTHESESYSTEMSTHEN,ATHEORETICALANALYSI
8、SISALSOMADEANDCALCULATIONONPARTSOFTRANSMISSIONSYSTEMSISDESIGNED5THESTRUCTUREOFTHEEXPERIMENTTABLEISALSODESIGNEDKEYWORDSELECTRICPOWERSTEERINGPOWERSYSTEMTRANSMISSIONSYSTEMEXPERIMENTTABLEIII目录摘要I目录III1绪论111研究背景及意义112国内外研究现状1121液压助力转向系统1122电动液压助力转向系统3123电动助力转向系统5124线控转向系统713车辆转向系统的发展趋势914本设计的内容及方法92实验台运动
9、方案设计1121转向系统总体方案设计11211转向系统总体结构的类型11212具体设计方案1222驱动系统总体方案设计13221驱动系统的总体结构13222具体设计方案1323实验台动力系统的设计14231常用动力系统及其特点14232具体设计方案1524实验台传动系统的设计15241传动系统设计应注意的问题16242常用的传动机构形式16243转向系统的传动具体设计方案16244驱动系统的传动具体设计方案1725实验台执行系统的设计19251执行系统的设计要求19252具体设计方案19IV3实验台的零部件设计2131转向系统的传动设计计算21311齿轮传动设计计算21312蜗轮蜗杆传动设计计
10、算27313输入轴设计计算32314传动轴设计计算35315输出轴设计计算3932驱动系统的传动设计计算42321齿轮传动设计计算42322输入轴设计计算46323输出轴设计计算494其他零部件设计5341电机选型53411助力电机的选型55412驱动电机的选型5542实验台结构件的设计56421实验台结构件的设计要求56422具体设计方案565结论及展望6051结论6052存在的问题及展望60参考文献61附录错误未定义书签。11绪论11研究背景及意义近几年来，随着物流仓储业的飞快发展，企业的技术改造投入加大，老库房的改造和新库房的建立大量增加，各个城市超市的数量急剧增加。这使得各种类型的搬运
11、、装卸、堆垛、牵引的工业车辆的市场需求量也大量增加，如手动托盘搬运、手动叉车、电动托盘搬运车、半电动和全电动叉车、电动堆高机及电动牵引车等。由于这些工业车辆产品要进入车间、库房、超市等，因此不仅要求车辆结构轻巧，无污染、低噪音，同时对车辆的性能和搬运的效率也提出了更高的要求1。转向环节是搬运车辆的性能指标之一，转向系统的类型主要包括机械转向、液压助力转向和电动助力转向。现代电瓶类搬运车普遍采用电动助力转向（ELECTRICPOWERSTEERING）和电动液压助力转向（ELECTRICHYDRAULICPOWERSTEERING）。EPS是在EHPS的基础上发展起来的，其结构简单，零件数量大大
12、减少，纯粹依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构，增强了可靠性2。转向系统是电动搬运车的重要组成部分，其性能直接关系到电动搬运车的操纵稳定性和舒适性。针对搬运车复杂的工作环境，良好的转向系统能够很大的提高搬运车的工作效率，减轻工作人员的劳动强度，保证驾驶员的人身安全。目前基于转向控制系统的研究基本上应用于汽车领域，针对电动车转向控制系统的研究除了上文中提到的一些技术，也非常少。本课题的目的是结合目前国内电动搬运车转向系统的技术现状，利用电动助力转向（EPS）技术完成转向试验台的设计。12国内外研究现状关于汽车领域的转向系统研究经历了机械转向系统、液压助力转向系统、电动液压助力转向系统、电动助力
13、转向系统和线控转向系统。机械转向系统因对驾驶员的体力消耗太大，已逐步被淘汰，这里就不做分析。121液压助力转向系统液压助力转向（HYDRAULICPOWERSTEERING）系统的结构如图1所示，曲轴通过皮带传动，最终可以驱动安装在发动机上的转向液压泵。转向油箱通过油管2和管接头分别与转向液压泵和转向控制阀联接。其中转向系统的机械部分由方向盘、转向轴、转向摇臂、转向纵拉杆、转向节臂、转向梯形臂以及转向横拉杆等构成3。图1液压助力转向系统3HPS一般根据液流的形式分为常流式和常压式两种，如图2和图3所示。图2常流式液压助力转向系统43图3常压式液压助力转向系统4常流式是指汽车在行驶中，当转向盘保
14、持不动时，控制阀中的滑阀在中间位置时油路保持畅通，使油液由油罐被吸入油泵，又被油泵排出，经控制阀回到油罐，始终处于一种常流的循环状态4。常压式是指当汽车在行驶中，无论转向盘转动与否，整个液压系统都一直保持高压状态。当汽车转向时，方向盘通过转向摇臂带动控制阀中的滑阀进行移动，使高压油进入动力缸的一腔，以推动动力缸活塞起加力作用4。相比于传统的纯机械转向，HPS已广泛应用于车辆中。它不仅可以节省驾驶员的体力，而且增加了车辆在行驶过程中的稳定性和转向灵敏性、轻便性。但同时，它也存在着以下诸多的不足1在车辆设计制造完成后，车辆转向的助力特性不能改变4。2低速转弯时，方向较沉，又因液压泵的压力很大，易损
15、害助力系统再因液压系统必须在发动机的带动下保持高压工作状态，浪费了能量4。3存在着液压油泄漏和异响问题4。HPS系统自上世纪50年代发展以来，其技术已日趋成熟，得到广泛应用，至2000年其利用率已接近85。122电动液压助力转向系统相比于传统的液压助力转向系统，电动液压助力转向（ELECTRICHYDRAULICPOWERSTEERING）系统增加了传感器和电子控制部分。传感器可以将车辆的行驶速度和转向角速度传递给电子控制部分，通过分析后，可以实现对车辆转向系统的助力特性的调节。EHPS系统结构如图4所示由如下4部分组成1机械转向系统，主要4包括转向盘，转向柱，扭杆，齿轮齿条；2电动液压助力部
16、分，包括助力缸和转向阀；3液压能量供给部分，包括电动机，液压泵和限压阀；4电子控制单元ECU和车速传感器，转向盘转速传感器5。车辆转向时，电子控制单元根据传感器接收的车速和转向盘转速信号，计算并控制电机的转速。转向液压泵是由电机驱动的，其输出流量随电机转速的变化而变化，从而改变助力的大小。这样就确保了汽车在低速行驶时，获得大助力，使转向轻便；汽车在高速行驶时，获得小助力，使驾驶员有良好的转向手感。1转向盘2转向阀3扭杆4进、出油管路5限压阀6电动机7液压泵8储油罐9转向节臂10液压动力缸11齿轮齿条转向器12车轮13转速传感器14车速传感器图4EHPS系统结构图5电动液压助力转向系统具有下列特
17、点1电动液压助力转向系统是在原有的液压式动力转向系统上发展起来的，原系统可以利用，不需要更改布置6。2低速时转向效果不变，高速时可以自动根据车速逐步减小助力，增大路感，提高车辆行驶稳定性6。3采用电动机驱动油泵可以节省能量6。4具有失效保护功能，电子元件失灵后仍可依靠原转向系统安全工作6。电动液压转向系统和传统的液压转向系统相比，在结构和性能方面都有了很大的改进。但该系统仍然有着液压装置共有的问题，如存在渗油的问题，不便于安装维修及检测等6。尽管如此，EHPS技术已经实现了车辆的电控系统一体化，作为传统液压动力转向系统和电动助力转向系统的过渡技术，目前还是有一定的市场空间和使用价值，而且仍具有
18、进一步发展和改进的潜力6。5文献7研究了一种恒压变量泵，通过流量自动调节来满足不同数量矫形缸的工作需要。上海大众POLO轿车装备了TRY/天台公司生产的电控液压动力转向系统，国内引进生产的中高级轿车、中级轿车、经济型轿车都没有采用EPHS，POLO轿车在转向系统方面处于领先地位8。文献9介绍了林肯CONTINENTAL1988可变助力转向系统，JOHNBAXTER等10介绍了BISHOP公司推出的电控可变助力转向器。123电动助力转向系统电动助力转向（ELECTRICPOWERSTEERING）系统由电机提供辅助扭矩，作为转向的动力，其系统结构如图5所示。当车辆转向时，驾驶员通过施加扭矩，使转
19、向轴开始转动。在扭杆的作用下，输入轴和输出轴会产生相对的转动位移。这时，扭矩传感器将产生的相对转动位移转变成电信号传给电子控制单元，后者对车速传感器和扭矩传感器的信号进行分析，最后决定电动机的旋转方向和助力电流的大小。因此它可以根据车速的不同来控制电动机，使它提供不同的转向助力。和上文提到的几种转向系统相比，EPS同样可以保证汽车在低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠。图5电动助力转向系统框图11根据电动机布置位置不同，EPS可分为转向柱助力式、齿轮助力式、齿条助力式3种，如图6所示。转向柱助力式EPS的电动机固定在转向柱一侧，6通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向。齿轮助力式E
20、PS的电动机和减速机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮助力转向。齿条助力式EPS的电动机和减速机构则直接驱动齿条提供助力11。图6EPS电动机助力位置布置型式11电动助力转向系统的优势有1降低了燃油消耗。电动转向系统仅在车辆转向时才需要电机提供的能量。而且，所消耗的能量取决于转向盘的转向角度及当前的车速。当转向盘不转动时，电机不工作12。2提供可变转向力矩。上文已提到，该转向系统会根据驾驶员施加到转向盘的扭矩和目前汽车的行驶状态，来控制电机提供的转向助力的大小12。3改善了转向路感。在该转向系统中，电动机与助力机构采取直接相连的结构，这样可以使电机提供的能量直接用于车轮转向。该系统还配有减震装置，很
21、大程度的减小了行驶过程中车轮的摆动，因此转向系统的抗扰动能力大大增强12。4“绿色能源”适应现代工业汽车的要求。之前的动力转向系统都因为具有液压装置而存在油液泄露等问题。电动转向系统采用电力作为转向能源，完全取消了液压装置，因此可以说电动转向系统顺应了“绿色化”的时代趋势12。电动助力转向最先应用在日本的微型轿车上。1988年2月日本铃木公司首次在其CERVO车上装备EPS，随后还用在了其ALTO车上。在此之后，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EPS11。TRW针对客车开发出转向柱助力式EPS，如今小
22、齿轮助力式EPS开发也7已获成功。1999年3月，他们的EPS已经装备在轿车上，如FORDFIESTA和MAZDA323F等10。美国DELPHI汽车系统公司推出了EOSTEERTM系统，采用一体化设计，增强了燃油经济性，缩短了系统响应时间，同时增强了转向装置的独立性和安全性，即使在发动机怠速状态下也可实现动力转向13。在中国，1992年清华大学开始涉及EPS的相关研究工作，随后吉林大学、武汉理工大学、华中科技大学等院校和科研单位纷纷展开了EPS的研究，并取得了一定的进展。中国南方航空动力机械公司的DFL系列已进入小批量生产，吉利汽车集团开发的具有自主知识产权的EPS产品也已经装备其吉利豪情等
23、系列轿车上13。此外，浙江杭叉采用DC他励、AC交流控制器、EHPS动力转向等先进技术，外观造型与现代轿车相媲美的新一代叉车，已经陆续投放市场14。文献15,16构建了一种柱类电动助力转向（EPSTT）系统，它能够减小司机的转向扭矩，实现不同的转向操纵感，提高回正性能。124线控转向系统如图7所示，线控转向（STEERBYWIRE）系统的总体结构分为三部分转向盘总成、控制器和前轮转向总成。其中转向盘系统包括转向盘、转矩传感器、转向角传感器、转矩反馈电动机和机械传动装置；电子控制系统包括车速传感器，也可以增加横摆角速度传感器、加速度传感器和电子控制单元以提高车辆的操纵稳定性；转向系统包括角位移传
24、感器、转向电动机、齿轮齿条转向机构和其他机械转向装置等（见图7）17。线控转向系统的特点如下1由于转向盘和转向轮之间没有机械连接部分，信息的传输完全依靠总线，所以线控转向又称为柔性转向。这样可以避免出现转向干涉问题，有利于促进转向系统集成化设计的发展17。2之前的转向系统由于存在很多机械连接结构，不方便组装和维修。柔性转向去掉了原来转向系统各个功能模块之间的刚性机械连接，大大方便了系统的总布置17。3提高了驾驶的舒适度。柔性系统避免了刚性系统在转向时，因路面不平、转向轮不平衡等而影响驾驶操作的问题17。4由于该系统去掉了很多机械连接结构，故降低了发生事故时驾驶员受伤的可能性17。85增加驾驶员
25、腿部活动空间，出入更方便自由17。图7线控助力转向系统17在2001年的第71届日内瓦国际汽车展览会上意大利的BERTONE汽车设计及开发公司展示了新型概念车“FILO”。“FILO”采用了“DRIVEBYWIRE”系统，所有的驾驶动作都通过信号传递18。德国奔驰公司在1900年开始了前轮线控转向的研究，并将它开发的线控转向系统应用于概念车F400CARVING上。日本KOYO也开发了线控转向系统。意大利雪铁龙越野车CCROSSER，戴克概念车R129，都采用了线控转向系统18。福特和沃尔沃等汽车公司、博世等线控公司和CHALMERS、VIENNA等大学联合发起了“BRITEEURAMXBYW
26、IRE计划”进行线控转向系统的实现以及可靠性方面的研究17。目前国内对该技术的研究主要集中在各高校同济大学利用DSPACE/AUTOBOX为四轮驱动电动汽车开发了线控转向试验台架以及四轮驱动、四轮转向电动汽车19。913车辆转向系统的发展趋势液压转向系统（包括电动液压助力转向系统）由于存在液压装置，不易于模块化设计和安装。油泵处于长时间不间断的工作状态，造成了能源的浪费，而且一般的装置还存在渗油的问题。随着电子技术的发展，有逐步被EPS取代的可能。当前EPS已在轿车上得到应用,其性能已得到人们的普遍认可。EPS因采用电力作为转向动力，更节能更环保，在今后的一段时间内仍将在动力转向领域占据主导地
27、位。对于SBW系统，虽然目前还只是在概念车上应用，但随着电子技术的不断发展，将有更大的市场竞争空间。14本设计的内容及方法根据搬运车的发展现状，完成电动搬运车转向系统机械部分的总体方案设计。按照该方案，完成相应的实验台机械结构设计，包括具体的机械结构部分的设计，进行具体零部件的选取。具体的内容如下1实验台总体方案设计结合目前国内电动搬运车转向系统的技术现状，利用电动助力转向（EPS）技术完成转向实验台的设计。该实验台由转向系统、驱动系统和实验台结构件三部分组成。选取电机作为转向的动力系统，输出转速和转矩。其中一个电机为转向系统提供助力，另一个作为驱动系统的电机。设计两个传动系统，由助力电机将转
28、速和转矩传递给转向轴，由驱动电机将转速和转矩传递给转向轮。最后，通过机械转向系统实现转向。本课题的最终目的是设计一个转向系统实验台，模拟电动搬运车的转向系统，进行实验研究。2实验台运动方案设计受力分析考虑到搬运车实际的工作情况（包括厂房的路面情况、电动搬运车自身的重量和最大的载重量），分析转向系统和驱动系统各个部件的受力情况。选取动力系统（电机）根据搬运车转向系统和驱动系统受力分析的结果选取电机，保证助力电机能在系统转向时提供足够的助力，驱动电机能够驱动转向轮转动。设计传动系统对于转向系统而言，根据所选用的电机的转速和转向系统预期实现的转向速度计算出减速器的速比。实际传动比的大小确定减速器的传
29、动方式。最后，完成减速器中的输入、输出轴的设计和齿轮、蜗轮、蜗杆的设10计。对于驱动系统而言，传动系统的作用是放大转矩，减小转速。所以在进行具体设计时，要确保该传动系统传递的功率能驱动转向轮转动。设计执行系统根据该系统预期的性能指标，合理设计转向轮和转向轴的衔接部分，使转向系统能够顺利完成转向。图8技术路线示意图3转向实验台结构件的设计根据上文设计的转向系统，设计实验台的具体结构件。这里要求转向系统和驱动系统在实验台上布局合理，并保证实验台能够实现加载等功能。4画装配图和零件图，完成设计说明书根据设计的转向实验台的具体结构，画出装配图和零件图，最终完成详细的设计说明书。整个流程如图8所示。11
30、2实验台运动方案设计21转向系统总体方案设计转向系统是该实验台的重要组成部分，也是实现实验台的主功能的部分。本节的内容是根据目前车辆的转向系统的结构，提出该实验台转向系统的总体设计方案。211转向系统总体结构的类型目前关于转向系统结构的研究多用于汽车领域，随着车辆转向技术的发展，转向结构的类型也发生了很大的变化。图9是各类车辆转向系统的基本结构。图9转向系统基本结构20对于转向系统有无动力装置，转向系统分为纯机械转向系统和助力转向系统。除去助力系统，一般的汽车转向系统可以分为三个部分转向操纵机构、转向器和转向传动机构20。转向操纵机构如图10所示，转向时驾驶员直接将力和力矩作用于方向盘上，从而
31、使转向轴发生扭转，对于无助力转向系统，它是转向动力的接收部分20。12图10转向操纵机构20对于有助力的转向系统，转向器可以提供一定的助力。同时，转向器还可以放大驾驶员提供的力，并改变力的传递方向。常见的形式有齿轮齿条式、循环球式、蜗杆曲柄指销式等，如图11、图12和图13所示20。图11齿轮齿条式20图12循环球式20图13蜗杆曲柄指销式20转向传动系统是从转向操纵杆到转向轮之间所有的机械结构的总称。它的作用是将转向器提供的力进一步传递到转向轮上，最终完成转向20。212具体设计方案结合上文提到的汽车转向系统的各种结构类型，可以将转向系统分为三个13部分转向动力系统、转向传动系统和转向执行系
32、统。考虑到本课题的最终目的是设计一个转向系统实验台，模拟电动搬运车的转向系统，进行实验研究。根据目前国内电动搬运车转向系统的技术现状，采用助力转向技术完成转向实验台的设计。本次设计的转向系统也包括转向动力系统、转向传动系统和转向执行系统，整个转向系统安装置于实验台架上。转向系统的总体结构如示意图14所示。图14转向系统总体结构示意图22驱动系统总体方案设计驱动系统也是该实验台的重要组成部分，其主要作用是驱动转向轮转动，辅助转向系统完成转向。本节的主要内容是确定该驱动系统的总体方案设计。221驱动系统的总体结构目前，在电动车的电力驱动系统中，电动机是它的核心部件。电动机与变速箱相连，经过变速后，
33、通过传动轴带动轮胎转动。222具体设计方案结合车辆的驱动系统的结构，可以将驱动系统分为三个部分动力系统、14传动系统以及与传动轴相连的车轮。本次设计的驱动系统预期的功能是驱动转向轮转动，同时也起到辅助转向系统完成转向的作用。该系统由动力系统和传动系统组成，整个驱动系统结构如示意图15所示。图15驱动系统总体结构示意图23实验台动力系统的设计对于没有任何助力装置的纯机械式转向系统，转向的动力源全部都来自驾驶员的人力；对于带有助力装置的转向系统，根据助力的来源不同可分为液压助力转向系统、电动液压助力转向系统、电动助力转向系统和线控转向系统。而前三种助力方式目前已得到了普遍的应用。231常用动力系统
34、及其特点1液压驱动系统该系统是利用液体的压力能传递能量，将原动机的机械能转化为液压能。其动力装置是液压泵，作用是为液压传动系统提供压力油。用液压装置作为转向系统的驱动元件，通常是将转向液压泵安装在发动机上，由曲轴通过皮带驱动转向系统的机械部分。用液压装置作为动力源有着如下的优势和劣势与电动机相比，在同等体积下，液压装置能产生更大的动力。而且，液压15装置工作平稳，换向冲击小。但是，液压传动有较多的能量损失（泄露损失、摩擦损失等），传动效率相对低。低速转弯时，液压泵的压力很大，易损害助力系统。因液压系统必须在发动机的带动下保持高压工作状态，浪费了能量。而且，存在着液压油泄漏问题，不环保21。2电
35、动驱动系统该系统是将原动机的电能转化为机械能。其动力装置为电机，电机工作时可以提供一定的功率和扭矩。用电动机作为转向系统的驱动元件，可以为转向提供一定的助力。它可以很容易地实现在车速不同时提供不同的助力效果,保证汽车在低速行驶时轻便灵活,高速行驶时稳定可靠。用电动机作为动力源有着如下的优势电动转向系统仅在需要转向操作时才需要电机提供的能量,因而降低了燃油消耗。由于电动转向系统应用“最干净”的电力作为转向能源,完全取消了液压装置,不存在液压助力转向系统中的液态油泄露问题12。3电动液压驱动系统该系统是将电动驱动与液压驱动结合起来，共同为转向系统提供助力。该系统采用电动机驱动油泵可以节省能量，而且
36、电子元件失灵后仍可依靠原转向系统安全工作。虽然，电动液压动力转向系统在传统液压动力转向系统的基础上有了较大改进，但液压装置仍然存在渗油的问题，不便于安装维修及检测等6。232具体设计方案现代电瓶类搬运车普遍采用电动助力，或者将电动机和液压系统结合起来为转向提供助力。通过上文分析得出，电动助力和液压驱动助力相比，有着诸多的优势，所以这里选择电动机来作为转向系统的动力装置。而对于驱动系统而言，考虑到其设计要求，这里同样选择电动机作为驱动系统的动力装置。因为这样不仅可以减小整个驱动系统的体积，而且能实现大功率高转速等工作特性。24实验台传动系统的设计本课题设计的转向系统能够实现转向轮绕轴转动并且完成
37、转向，这就需要两个独立的传动系统，从而将电机的转速和扭矩分别传递给执行机构。16241传动系统设计应注意的问题电动转向系统作为一种机电一体化装置，要求其传动机构满足以下几个方面1转动惯量小在不影响机械系统刚度的前提下，传动机构的质量和转动惯量应尽可能减小22。2刚度大大刚度对机械系统是有利的。这样，一方面电机的动力损失可以随之减小。另一方面，机构的固有频率随刚度的增加而增加，使之不易产生共振22。3阻尼合适机械系统产生振动时，系统的阻尼越大，其最大振幅就越小且衰减也越快，但大阻尼也会使系统的稳态误差增大、精度降低22。此外还要求摩擦小、间隙小和抗震性好22。242常用的传动机构形式在转向系统中
38、常用的传动机构形式有蜗轮蜗杆传动和齿轮传动。1齿轮传动齿轮机构依靠轮齿齿廓直接接触来传递空间任意轴间的运动和动力，而且传递功率范围大、传递效率高、传动比准确、使用寿命长和工作可靠。传动类型有直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮和直齿锥齿轮传动23。2蜗杆传动蜗轮蜗杆传动是用来传递空间交错轴之间的运动和动力的。这种传动机构的主要特点是传动平稳，啮合冲击小。而且，由于蜗杆的头数少，故可获得较大的传动比，且结构紧凑23。243转向系统的传动具体设计方案转向系统的传动机构作用是将电机的转速传递给转向轴，同时放大转矩，从而驱动转向轴实现转向。考虑到通过电机来带动转向轴转动时，转向轴的转角范围只有0180，所以需要
39、很大的减速比。将减速比初步定为1120，若要实现该传动，需要设计一个二级传动机构。选用齿轮传动和蜗杆传动作为传动零件，机构的布置形式见示意图16。该机构由一对斜齿轮、一对蜗轮蜗杆、三根轴（输入轴、传动轴和输出轴）以及减速器壳体组成。相比直齿圆柱齿轮传动，斜齿轮轮齿是先由一端进入啮合逐渐过渡到轮齿的另一端而最终退出啮合，其齿面上的接触线先是由短变长，再由长变短。因此，斜齿轮的轮齿在交替啮合时所受的载荷是逐渐加上，再逐渐卸掉的，所以传动比较平稳，冲击、振动和噪声较小23。基于上述优点，选择采用斜齿轮传动。而由于蜗轮蜗杆啮17合轮齿间的相对滑动速度较大，摩擦损失大，传动效率低。考虑到这一点，将齿轮传
40、动置于传动机构的高速级，初定传动比为12；将蜗轮蜗杆传动置于低速级，传动比初定为160。最终输出轴和输入轴成90角布置，最终的减速传动装置如图18所示。图16转向系统的传动示意图244驱动系统的传动具体设计方案驱动系统的传动机构的作用是将电机的功率传递给转向轮，同时放大转矩，从而驱动转向轮沿轴转动。考虑到该传动机构是作为一般的电机减速器使用，传动比不用取得很大，因此初定减速比为15。选取斜齿轮作为传动零件，传动机构的示意图如图17所示。该机构由一对斜齿轮、输入轴、输出轴以及减速器壳体组成。18图17驱动系统的传动示意图图18转向系统的传动装置1925实验台执行系统的设计转向执行系统包括转向轴、
41、转向轮以及它们之间连接的部件。251执行系统的设计要求转向系统的执行机构是实现其主要功能的关键部分，它应能快速的完成预期的动作，并且具有响应速度快、动态性能好、动静态精度高、动作灵敏度高等特点22。252具体设计方案由于转向轮要靠转向轴带动，从而完成转向，所以要设计一个零件将转向轮和转向轴连接起来。本设计采用一个支撑架来实现这种连接，如图19所示。支撑架的上板和转向轴的下端用键连键，使两者之间完成轴向定位。左侧板固定转轴左端轴承；右侧板相当于减速器的端盖，用螺钉将两者组装起来。执行系统各部分的结构如图20所示。图19支撑架结构图20图20执行系统结构图213实验台的零部件设计31转向系统的传动
42、设计计算本节内容包括齿轮传动设计计算、蜗轮蜗杆传动设计计算、输入轴设计计算、传动轴设计计算和输出轴设计计算五个部分。311齿轮传动设计计算1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1）选用斜齿圆柱齿轮传动。2）选用7级精度。3）材料选择。根据24常用齿轮材料及其力学特征表，选择小齿轮材料为40RC调质，硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。4）选小齿轮齿数201Z，大齿轮齿数402022Z。5选取螺旋角。初选螺旋角14。2按齿面接触疲劳强度设计，即213121HTEHTDDKTUZZDU（1）确定公式内的各计算值1试选TK16。2由表1得材料弹
43、性影响系数EZ1898MPA。表1弹性影响系数EZ24弹性模量MPAE/齿轮材料配对齿轮材料灰铸铁球墨铸铁铸钢锻钢夹布塑胶4108114103174102204106204107850锻钢1620181418891898564铸铁16141805188球墨铸铁156617393由图21得选取区域系数HZ2433。22图21区域系数HZ244由表2选取齿宽系数D1。表2圆柱齿轮的齿宽系数D24装置状况两支承相对于小齿轮做对称布置两支承相对于小齿轮做不对称布置小齿轮做悬臂布置D0914（1219）07115（11165）04065根据24标准圆柱齿轮传动的端面重合度图，查得1A074，2A082，
44、则56121。6根据24齿轮的接触疲劳强度极限图，查得小齿轮接触疲劳强度极限LIM1H600MPA,大齿轮的接触疲劳强度极限LIM2H550MPA。7应力循环系数取J1，所以HJLNN1160603000112000216910891008121016212NN8由图22查得接触疲劳寿命系数1HNK091,2HNK095。23图22接触疲劳寿命系数HVK249计算疲劳强度许用应力，取失效概率为1，安全系数S1，1LIM11/HHNHKS091600/1546MPA2LIM22/HHNH095550/15225MPA10计算许用接触应力MPAHHH2553422111计算小齿轮的转矩MMNNPT
45、4759830001880105951059551151（2）计算1）试算小齿轮分度圆MMDT12112553481894332235611475986123212计算圆周速度SMNDVT/75110006030009422143100060113计算齿数B及模数NTMMMDBTD121112111124MMZDMTNT5402014COS1211COS11MMMHNT215154025225215921511211/HB4计算纵向重合度586114TAN2013180TAN31801ZD5计算载荷系数K查24使用系数AK，得使用系数AK1；根据V36M/S,7级精度，由24动载系数图，查得动
46、载系数VK111；根据24接触疲劳强度计算用的齿向载荷分布系数表，插值查得HK1304；根据24弯曲强度计算的齿向载荷分布系数图，查得FK126；由表3查得HKFK12。故载荷系数AVFHKKKKK1111121304174。表3齿间载荷分配系数HK、FK24BFKTA/MMN/100MMN/100精度等级组56785级或更低经表面硬化的斜齿轮HK1011121441FK未经表面硬化的斜齿轮HK10111241FK6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径MMKKDDTT441161741121133117计算模数NMMMZDMN5602014COS4411COS113按齿轮弯曲疲劳强度设计2
47、13212COSFASANDFKTYYYMZ（1）确定公式内的各计算值251）计算载荷系数AVFFKKKKK1111121261682）根据纵向重合度1586，由图23查得螺旋角影响系数Y088。图23螺旋角影响系数Y243）计算当量齿数912114COS20COS3311ZZV834314COS40COS3321ZZV4）查取齿形系数由24齿形系数FAY及应力校正系数SAY表，查出1FAY272，2FAY241。5）查取应力校正系数由24齿形系数FAY及应力校正系数SAY表，查出1SAY157，2SAY168。6）由24齿轮的弯曲疲劳极限图，查得小齿轮弯曲极限强度1F500MPA，大齿轮2F
48、380MPA。7）由图24得弯曲疲劳寿命系数1FNK085，2FNK088。26图24弯曲疲劳疲劳寿命系数FNK248）计算弯曲疲劳许用应力取安全系数S14，MPASKFEFNF5730341500850111MPASKFEFNF86238413808801119）计算大、小齿轮11FASAFYY并加以比较111FASAFYY0140705730357172201695086238681412222FSAFAYY通过比较，得出大齿轮的数值大。（2）设计计算MMMN356056120101695014COS880475986812322对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算得法面模数NM大于齿根弯
49、曲疲劳强度计算得法面模数，取NM2MM，已可满足弯曲强度，但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度计算得的分度圆直径1D2359MM来计算应有的齿数，于是有27555214COS4411COS11NMDZ，取1Z20，则2ZU1Z22040。4几何尺寸计算（1）计算中心距MMMZZAN866114COS224020COS221将中心距圆整为62MM。（2）按圆整后的中心距修正螺旋角09148661224020ARCCOS2ARCCOS21AMZZN因值改变不多，故参数、K、HZ等不必修正。（3）计算大、小齿轮分度圆直径MMMZDN28410914COS220COS11MMMZDN48820914COS240COS22（4）计算齿轮宽度MMD
