汽車自動駕駛裝置中方向盤轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u29775汽車自動駕駛裝置中方向盤轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計案例 1315591.1方向盤轉(zhuǎn)向裝置任務(wù)分析 1143861.2方向盤轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計計算 2101521.2.3轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)軸計算 4213941.2.4聯(lián)軸器的選擇 5230711.2.5減速機選定 6317541.2.6傳感器的選擇 71.1方向盤轉(zhuǎn)向裝置任務(wù)分析因為汽車駕駛過程中需要方向盤經(jīng)常順/逆時針轉(zhuǎn)動以調(diào)整汽車行駛方向，或者汽車需要轉(zhuǎn)向或調(diào)頭時需要方向盤有較大角度的轉(zhuǎn)動，因此方向盤轉(zhuǎn)向裝置需要有較高的靈敏度、較頻繁的轉(zhuǎn)動和較大的轉(zhuǎn)動角度。設(shè)計方案如下，方向盤轉(zhuǎn)向裝置如圖3-1所示，方向盤轉(zhuǎn)向裝置整體模仿三葉片電風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，三個扇葉位置可調(diào)以適應(yīng)于不同種類汽車的方向盤，扇葉底部有環(huán)形卡槽與方向盤輪輻相固連從而實現(xiàn)裝置整體與方向盤的連接。方向盤轉(zhuǎn)向裝置由伺服電機為動力源經(jīng)由減速機減速后通過聯(lián)軸器與執(zhí)行機構(gòu)主軸相連控制方向盤轉(zhuǎn)動?？刂葡到y(tǒng)通過方向盤下安裝的汽車方向盤轉(zhuǎn)角傳感器來檢測方向盤的轉(zhuǎn)動情況，實現(xiàn)對伺服電機的控制。圖3-1方向盤轉(zhuǎn)向裝置裝配圖Figure3-1Steering

wheel

steering

device

with

drawing1—基體2—連桿3—直流電機4—聯(lián)軸器5—轉(zhuǎn)向裝置6—減速機1.2方向盤轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計計算1.2.1方向盤轉(zhuǎn)向力計算汽車方向盤轉(zhuǎn)向力根據(jù)汽車靜止和運動狀態(tài)不同而不同，分為汽車在靜止時轉(zhuǎn)動方向盤所需的力（簡稱“靜態(tài)手力”）以及車輛在行駛過程中轉(zhuǎn)動方向盤所需的力（簡稱“動態(tài)手力”）。常見的車輛專業(yè)相關(guān)教材中通常用以下公式描述車輛在靜止時汽車的轉(zhuǎn)向阻力矩：Tw=μ33式中：G1μ輪胎和路面的摩擦因數(shù)，一般取為0.7；P輪胎氣壓，一般取為250KPa;此時，需要轉(zhuǎn)向盤提供的轉(zhuǎn)矩為：T?=Twi式中：iw0η+轉(zhuǎn)向系正效率， η+一般在70％～85％，這里取汽車在行駛過程中，輪胎在滾動時受到摩擦為滾動摩擦。由于滾動摩擦的摩擦力小于靜摩擦的摩擦力，因此不難推測，動態(tài)手力會遠小于靜態(tài)手力。根據(jù)轎車無助力轉(zhuǎn)向時，轎車的前載荷為1.5噸時測得的數(shù)據(jù)顯示靜態(tài)手力為30Nm而動態(tài)手力則不到1Nm。因此汽車轉(zhuǎn)向盤，所需最大力矩為靜態(tài)力矩30Nm。1.2.2驅(qū)動電機選擇因為考慮到汽車行駛過程中方向盤需要經(jīng)常順時針或逆時針轉(zhuǎn)動以調(diào)整汽車行駛狀態(tài)及車身位置，因此要求驅(qū)動電機經(jīng)常正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)或甚至是經(jīng)常啟動或停止。因此對電機的要求書啟、制動，正反轉(zhuǎn)頻繁。由于直流電動機具有良好的啟動性能和速度控制，因此選擇直流電動機。由于伺服電機是由伺服系統(tǒng)控制，其輸出大小可以控制位置、方向、狀態(tài)等被控對象，可使控制速度、位置精度十分準(zhǔn)確，因此選用直流伺服電動機。并且由于無刷電機比有刷電機體積小，所以響應(yīng)快，轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，扭矩穩(wěn)定，因此方向盤轉(zhuǎn)向裝置所用驅(qū)動電機最終選型為無刷結(jié)構(gòu)的永磁式直流伺服電機。由于電動機轉(zhuǎn)速過高，而直接輸出的轉(zhuǎn)矩較小，因此應(yīng)經(jīng)減速機減速并加大扭矩，因此，電動機的額定輸出轉(zhuǎn)矩為：Te=TamaxG式中:G為減速機構(gòu)的減速比,此處取G=10；方向盤在緊急情況時的轉(zhuǎn)動速度一般取n?ne=由式（3-3）和（3-4）可得到電動機的額定功率：Pe=T電動機的型號由電動機的額定輸出轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速和額定功率計算值選擇。電機型號如表3-1所示。表3-1永磁直流電機性能參數(shù)Table3-1PermanentmagnetDCmotorperformanceparameters型號功率負載轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩電流電壓110ZYT56200w600r/min1.18N·m5A24V1.2.3轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)軸計算1.2.1.1最小直徑預(yù)估根據(jù)設(shè)計方案，轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)軸設(shè)計的參數(shù)如表3-2所示。表3-2轉(zhuǎn)軸設(shè)計參數(shù)Table3-2Shaftdesignparameters功率轉(zhuǎn)速扭矩材料許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力鍵槽400W100r/min40Cr2轉(zhuǎn)軸最小直徑： dmin≥A3式中：P—軸傳遞的功率，KW；n—工作機的轉(zhuǎn)速，r/min;A—由許用應(yīng)力確定的系數(shù)，此處依扭轉(zhuǎn)強度取A=110。由于轉(zhuǎn)軸需要設(shè)置個2鍵槽，軸徑增大15%： dmin=1.2.1.2初步確定軸的直徑和長度轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)軸的示意圖如圖3-2所示。圖3-2方向盤轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)軸Figure3-2Steeringwheelsteeringdeviceshaft轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)軸各軸段參數(shù)如表3-3所示。表3-3轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)軸各軸端數(shù)據(jù)Table3-3Dataofeachshaftendofthesteeringshaft軸段ⅠⅡ直徑2026長度130201.2.1.3轉(zhuǎn)軸的彎矩計算靠近方向盤一端軸受力F1=30N，靠近減速機一端軸受力為F2=10N；方向盤一端距離兩段軸截面的距離L1M=F1?1.2.1.4轉(zhuǎn)軸的扭矩計算轉(zhuǎn)軸受來自方向盤的最大扭矩T1=30000Nmm，受來自減速機的最大扭矩T2=49000NT=T1+1.2.1.5轉(zhuǎn)軸的強度校核根據(jù)第三強度理論，軸的彎扭合成強度為：σca式中：σcaM—軸所受的彎矩；T—軸所受的扭矩；α—折合系數(shù)，此處扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取α≈0.6；W—軸的抗彎截面系數(shù)，mm3,此處截面為圓截面，W=π查閱資料，40cr的許用彎曲應(yīng)力為70MPa,大于59.3MPa，所以轉(zhuǎn)軸強度滿足要求。1.2.4聯(lián)軸器的選擇在方向盤轉(zhuǎn)向裝置中，需要用兩個聯(lián)軸器將電動機與轉(zhuǎn)軸進行連接，這兩個聯(lián)軸器分別用于連接直流電機和減速器的高速軸，用于連接減速器的低速軸和旋轉(zhuǎn)軸。對于前者，由于所連接軸的轉(zhuǎn)速較高，應(yīng)選擇具有較低慣性矩的撓性聯(lián)軸器，以減少啟動載荷并減輕沖擊。此處前置聯(lián)軸器選擇彈性柱銷聯(lián)軸器。表3-4高速軸聯(lián)軸器基本參數(shù)Table3-4Basicparametersofhigh-speedshaftcoupling聯(lián)軸器型號LX1彈性柱銷聯(lián)軸器主動端：Y型軸孔，A型鍵槽d2L1從動端：J型軸孔，A型鍵槽dL2對于后者，由于連接軸的轉(zhuǎn)速較低，傳遞的扭矩較大；同時應(yīng)選用剛性聯(lián)軸器以保證兩軸的安裝精度，此處選擇凸緣聯(lián)軸器。 表3-5低速軸聯(lián)軸器基本參數(shù)Table3-5Basic

parameters

of

low

speed

shaft

coupling聯(lián)軸器型號GY2型凸緣聯(lián)軸器主動端：J型軸孔，A型鍵槽d1L1從動端：Y型軸孔，A型鍵槽dL21.2.5減速機選定考慮到電機轉(zhuǎn)速過高，輸出扭矩小，因此需要減速機構(gòu)減速，扭矩增大后才能驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸。上文在選擇驅(qū)動電機時，減速機構(gòu)的減速比應(yīng)為10。與蝸輪相比，齒輪傳動傳動比恒定，傳動平穩(wěn)，應(yīng)用范圍廣；預(yù)期壽命長；高效率；結(jié)構(gòu)緊湊。另外，蝸輪蝸桿傳動效率低，因此減速機選用齒輪傳動。與直齒輪相比，斜齒輪為每對齒輪逐漸嚙合，沒有嚙合沖擊現(xiàn)象，運轉(zhuǎn)相對平穩(wěn)，更容易保證恒定的傳動比。又因為該方向盤轉(zhuǎn)向裝置整體無較大載荷，所以相比之下減速機的傳動方式選擇斜齒輪傳動更佳。表3-6減速機參數(shù)Table3-6Reducer

parameter型號輸出轉(zhuǎn)速輸出轉(zhuǎn)矩徑向負荷RF87ZYT110M4/10.31/M171r/min49Nm4320N圖3-3減速機三維圖Figure3-3Three-dimensionalview

of

reducer1.2.6傳感器的選擇1.2.6.1傳感器應(yīng)用目的方向盤轉(zhuǎn)向裝置需要時刻清楚方向盤的轉(zhuǎn)動角度，因此需要一角位移傳感器來測量方向盤的轉(zhuǎn)動角度。由于很多時候汽車方向盤的轉(zhuǎn)動角度并不是很大，因此需要一款高精度的角位移傳感器。1.2.6.2傳感器選擇分析常見的位移檢測元件包括：電感式傳感器、電容式傳感器、電感式同步器、光電編碼器等。其中，光電編碼器只能測試角位移，其他類型的傳感器包括線位移傳感器和角位移傳感器。電感式傳感器其測量范圍有限，因此無法選在此處應(yīng)用。電容式傳感器也因為測量范圍小，無法滿足方向盤在大角度轉(zhuǎn)向時的測量要求，因此此處也不采用。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器與光柵、磁柵傳感器和光電編碼器的測量范圍都局限于0°~360°之間，而汽車方向盤打滿則需2.5或3圈，因此常見的傳感器均無法滿足該方向盤轉(zhuǎn)向裝置的測量要求。此外，在汽車應(yīng)用中，由于光電傳感器的可靠性等問題，此類產(chǎn)品很少使用。因此，有必要使用專為測量汽車方向盤角度而設(shè)計的方向盤角度傳感器。方向盤轉(zhuǎn)角傳感器采用機械式三檔結(jié)構(gòu)，測量轉(zhuǎn)向角和圈數(shù)。大齒輪隨飛