汽车齿轮齿条式转向器设计(底盘零部件设计-齿轮齿条转向器)

Posted 2023-05-31

篇首语：任何业绩的质变都来自于量变的积累。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了汽车齿轮齿条式转向器设计(底盘零部件设计-齿轮齿条转向器)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

汽车齿轮齿条式转向器设计(底盘零部件设计-齿轮齿条转向器)

写在前面

随着现在手里做的项目进入EP2装车阶段，开始对前期零部件做的工作做一些归纳，现在分享一些内容，先从我比较熟悉的转向器入手。

首先说明一点，这篇乃至整个底盘零部件设计所讲的东西，都是整车生产或设计单位做的相关工作，细化到比较细的齿轮等零部件参数的设计，抱歉我还是不清楚。

1.1 系统匹配开发

从VTS到SSTS，再到零部件CTS，整车及系统性能要求对零部件本身的参数，功能等性能也作出规定，零部件参数随之确定。

1.1.1 确定转向器尺寸的整车硬点

对于常见的转向系统来讲，

通过人机工程布置的方向盘硬点，转向管柱倾角，传动轴布置，再根据KC分析确定转向器硬点。从模型中拿到各个点坐标后，我们可以将转向器简化为由输入轴中心线、齿条中心线、转向拉杆中心线、转向器安装面等组成模型，如图所示：

这里需要说明一下，齿轮齿条夹角在前面确定转向管柱力传动特性的时候已基本确定，同时还需要确定的是转向器输入轴与转向器齿条之间的距离，按目前遇到的产品，这个值主要在15~20mm之间，当然这个值在选定供应商之后，尽快与供应商确定修正。

1.1.2 确定转向器行程

悬架硬点（包含转向拉杆内点外点）确定以后，VTS中有个目标值就是最小转弯直径，实车测试方法见《GB T 12540-2009 汽车最小转变直径、最小转弯通道圆直径和外摆值测量方法》，前期设计阶段一般采用计算和模拟的方法，目前来看，基本所有的计算方法都比实测值偏小一些，采用ADAMS仿真后的值比实测值又普遍大些。

根据上文的经验，可以按照设计目标值要求设定转向器行程。（本章节讲转向器，前面如何设置内外轮转角关系，前束曲线都先不提了）。

需要提到一点就是，确定转弯直径目标后，转向拉杆外点决定的转向节臂长度，对转向行程有很大影响，转向节臂越长，所需要的齿条行程越大，所需要的齿条输出力也就越小。

齿条行程当然不能无限制的加大，除整车硬点限制转向器的尺寸外，转向齿条的结构也受齿轮齿条啮合点的限制，体现到硬点上就是转向器输入轴小齿轮中心点的Y值（关于硬点对于转向器参数的影响，以后有机会好好说一说），如下图所示：

齿条单侧行程等于上图中两个位置小齿轮啮合点的Y值之差，齿条端部结构有球头螺接机构，有齿条与转向器壳体的密封结构，另此处结构有一部分尺寸由于工艺的问题，存在热处理不到位的情况，因此极限位置小齿轮啮合点不能与齿条端部结构区域重叠。上面不知道我说明白没有。（这个尺寸供应商会提醒你的，也不用太担心。哈哈！）

1.1.3 确定转向器线角比

上面我们确定了转向器齿条的行程，接下来就是转向器线角比了。线角比的定义是什么呢？转向器输入轴转一圈，齿条移动的长度，这是个长度与转的比值（mm/rev），想找更专业的解释去百度一下吧。这里有一个关键的参数，就是转向器输入轴输入角度总角度，通过转向管柱，其实它反映的就是方向盘的总圈数，近几年，通过接触的车型不断更新，各主机厂也逐渐把原来3圈以上的方向盘总圈数慢慢降到了3圈以下，新出的车没有人再杠杠地把方向盘圈数往三圈以上整了。手里有些汇总，请参考下：

从上面看，遇到的3圈以上的已经不多了，当然你要是拿出MPV一些车型来抬杠……好吧你赢！

转向器的线角传动比从供应商那边怎么设置呢，直接看公式吧：

i=πmz/cosγ

其中：m-小齿轮模数；z-小齿轮齿数；γ-齿条倾角。看清楚了，里面是没有输入轴齿轮螺旋角什么事的，我在年轻的时候也推导过这个公式，遇到了不少想通过这个公式挑战我的人（还是我十分敬仰的人你说可气不可气），说这个公式肯定有问题，线角传动比怎么能跟齿轮螺旋角没关系呢。具体的过程我已经不记得了，不过再说这个公式有问题的人请自己推导一下，提醒一下，转向器齿轮齿条夹角，齿轮螺旋角，齿条倾角这三个角度是有一定关系的，具体可以看看刘惟信的《汽车设计》，里面有论证，以后请不要再取笑我，因为丢人的不是我。

通过确定好的方向盘圈数和齿条行程我们能向供应商输入一个线角比，但这个值供应商是要通过自己的齿轮加工系列参数中选取再修正的，从供应商返回的线角比，计算方向盘圈数是否满足要求。

对了，还有另外一件事情，用ADAMS做仿真分析，转向系统的转向器输入轴是有一个齿轮齿条的减速比需要设置，不是大事却总容易忘掉，如下图所示，Reduction Ratio中设置值为（2*π/线角比）。

1.1.4 确定齿条输出力

最近一直头疼的事情是，客户反复在追问你是怎么给我定齿条最大输出力的，你怎么证明你的值可信。我是一直用客户的实验数据不断修正计算的安全系数的，如果觉得计算不靠谱，供应商会根据他们经验，根据你提供给他的最大前轴荷给你一个建议值，这个值一般是最大设计前轴荷质量的0.8-0.9倍，可以与我们前面计算的值相互验证。

1.1.5 确定转向器助力形式

根据不同最大前轴设计载荷，会有不同的助力形式，现在根据实车转向节臂长度不同，整车制造水平不同，供应商能力不同，往往按照齿条输出力给的助力形式要求也不一样，大概给个建议如下：

涉及到转向器助力相关的就是P-EPS\\DP-EPS\\R-EPS了，如下图：

P-EPS

DP-EPS

R-EPS

选定助力形式，需要确定就是助力机构的减速比了，对于后期算电机转速和扭矩都有用。

1.1.6 确定电机参数

电机的选择一般针对电机的转速-扭矩曲线，校核方法一般是指定几个典型工况，比如原地转向工况、低速转向工况、高速转向工况，根据不同工况不同的方向盘转速及扭矩，推算所需电机扭矩及转速，例如下图为某项目DP-EPS电机的匹配工况：

根据上表可以得到需求电机的转速-扭矩曲线：

最终要求选取的电机转速-扭矩曲线全部在上图中蓝色线的上方。当然，现在供应商的工况及考核方法越来越复杂，目的也是为了在前期匹配过程中减少后期助力不满足要求的风险。

1.1.7 确定助力特性

转向器的助力特性目前供应商有自己成熟的一套方法，主机厂的主要工作是跟踪转向器的整车标定，根据主观或者客观的评价方法确定供应商的助力策略是否满足开发要求。

不过需要提一下最基本的助力要求，在车速提高时，同样的方向盘操作力，对应的转向助力是降低，这话说的比较白话，就是这么个意思吧，具体可以看下图：

八点六线或者六点六线，都见过。

1.1.8 齿轮齿条夹角

根据悬架硬点及转向传动力矩波动设定。11-22度的夹角都见过。如下图红色框。

1.1.8 转向输入轴长度

与转向器上面第一个万向节叉的中心点到转向器齿轮齿条啮合齿条中心的距离有关。这个值一般不宜设置过长，其长度设定跟输入轴与节叉的配合结构、节叉尺寸、转向器内部结构都有关系。如上图蓝色框。

1.1.9 齿条直径

根据齿条输出力设定，22-30mm的都见过。

1.1.10 断开点长度

可以理解为转向齿条的长度，根据转向拉杆内点确定。最近我收到供应商反馈，转向器齿条内点跨距不宜做的太长，900mm就不小了。

1.1.11 转向器拉杆长度

根据悬架硬点确定，转向拉杆尺寸需要CAE分析。

转向拉杆与转向节臂的夹角，最大值不要大于150°，容易形成死点。

1.1.12 转向系统扭杆刚度

这个最好去问问性能，他们分析用得着。

1.1.13 助力结构电子插件的型号和定义

这个找供应商要来就行，主要跟电子电器以及整车控制配接用的。

1.1.14 球头夹角校核

a.转向器内点球头夹角一般在25-28，别做到最大，这个在前期硬点设计的时候就考虑。

b.转向拉杆外点球头夹角有全圆和椭圆两种（下图），最后用模型求出球头轴线的包络再做校核。

c. 根据球头定义与转向节的配合关系。

1.1.15 安装点及拆装

安装点拆装的空间得校核，起码不能让自己把自己挡住，我以前做过一个转向器输入轴挡住转向器安装点的失败案例。

1.1.16 输入轴花键的配合方式

异形孔还是花键配合，是否有周向定位。

1.1.17 转向内部一些参数

多为供应商根据自己成熟的尺寸齿条模数来做，拿过来检查下就好。

1.1.18 CAD设计

转向器的设计布置，之前做了一个CAD的设计list，也不够全面，拿去看看吧。

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