Разработка электромеханического усилителя руля для автомобиля Шевроле Нива (дипломный проект)

Дипломный проект на тему "Разработка электромеханического усилителя руля для автомобиля Шевроле Нива"


В проекте предложена модернизация электромеханического усилите-ля рулевого управления автомобиля «Шевроле-Нива». Предлагаемая си-стема отличается повышенной надежностью и простотой конструкции.
Проект содержит: патентные исследования, анализ существующих кон-струкций и технических решений, описание предлагаемой конструкции элек-тромеханического усилителя, прочностные расчёты деталей, технологический процесс монтажа рулевой колонки с ЭУР, инструкцию по технике безопасно-сти водителя автомобиля, расчёт себестоимости изготовления электроусили-теля, расчёт основных технико-экономических показателей производства.
В первом разделе проекта представлен обзор конструкций электроуси-лителей рулевого управления и датчиков крутящего момента. На основании данного обзора предложена модернизация ЭУР, предназначенного для авто-мобиля «Шевроле-Нива».
Во втором разделе проекта производится описание принципа работы модернизированного электроусилителя рулевого управления, производятся необходимые инженерно-технические расчеты элементов предлагаемой кон-струкции.
В третьем разделе проекта проводится разработка технологического процесса монтажа на автомобиль рулевой колонки с электроусилителем, раз-рабатывается монтажная схема подключения ЭУР к бортовой сети автомоби-ля
В четвертом разделе разработаны мероприятия по охране труда и эко-логической безопасности, позволяющие сделать эксплуатационный процесс более безопасным для здоровья человека. Произведены необходимые расчеты инженерных систем, а также лимитированы нормы выбросов вредных веществ автомобилем.
В пятом разделе проводится расчет экономической эффективности внед-рения разработанного ЭУР и расчет общей экономической эффективности проекта.



Содержание
Аннотация
Введение...
1. Обзор конструкций рулевых механизмов и усилителей рулевого управления автомобилей
1.1Анализ конструкций червячных рулевых механизмов
1.2 Анализ конструкций усилителей рулевого управления
1.3 Устройство и принцип работы электроусилителя рулевого управ-ления автомобилей ВАЗ...
1.4 Патентный обзор конструкций электроусилителей рулевого управления
1.5 Выводы по разделу...
2. Разработка электроусилителя рулевого управления...
2.1 Устройство и принцип работы модернизированного электроусилителя...
2.2 Расчет параметров проектируемого электроусилителя руля
2.3 Расчеты на прочность деталей электроусилителя руля
2.4 Выводы по разделу...
3. Технология монтажа эур на автомобиль
3.1 Общее описание и работа системы
3.2 Схема подключения ЭУР к бортовой сети автомобиля
4. Безопасность жизнедеятельности
4.1 Инструкция по охране труда для водителей автомобиля «Шевроле-Нива»
4.2 Экологическая безопасность
4.3 Пожарная безопасность
5. Экономическое обоснование проекта
5.1 Сравнительная оценка рулевого управления базового и модернизированного автомобилей
5.2 Расчет себестоимости проектируемого усилителя ру-ля...
5.3 Экономическая эффективность применения электроусилителя ру-левого управления
Общие выводы.......................................................................72
Литература............................................................................73
Содержание







1.3 Устройство и принцип работы электроусилителя рулевого управления автомобилей ВАЗ
На заводы ОАО «АвтоВАЗ» и СП «GM-АвтоВАЗ» поставляется элек-тромеханический усилитель рулевого управления, который является сов-местной разработкой АО ''Авиаагрегат" (г. Махачкала) и НПК(О) "Энер-гия" (г. Воронеж) – авторское свидетельство РФ No 2158692 [8].
Электроусилитель руля автомобиля, структурная схема которого по-казана на рисунке 1.8, состоит из датчика момента 11, измеряющего при-ложенный к рулю 14 момент и формирующего соответствующие выход-ные сигналы, датчика скорости 2 автомобиля, измеряющего скорость дви-жения автомобиля и формирующего соответствующие выходные сигналы, электродвигателя 10, связанного с рулем 14 через червячный редуктор 12, датчика положения ротора ДПР 9, регистрирующего положение ротора относительно статора и формирующего соответствующие выходные сиг-налы, датчика режима работы автомобиля 1, регистрирующего режим ра-боты автомобиля и обеспечивающего соответствующий выходной сигнал, блока управления электродвигателем, включающего в себя формировате-ли 3, 4, процессор 5, драйверы ключей 6, 3-х фазный мостовой инвертор, реле 8 и формирующего силовые сигналы на обмотках электродвигателя с учетом сигналов датчиков момента 11, скорости автомобиля 2, датчика положения ротора 9, датчика режима работы автомобиля 1.

Рисунок 1.8 – Структурная схема электроусилителя
Компоновка электроусилителя показана на рисунке 1.9. Датчик мо-мента размещен внутри корпуса электроусилителя и состоит из индуктив-ной катушки 1, перфорированных электропроводящих цилиндров 2 и 3 и торсионного вала 4. Торсионный вал 4 является упругим элементом, рабо-тающим на скручивание и служит для преобразования момента, прило-женного к рулю, в угловое перемещение цилиндров 2 и 3 относительно друг друга. Угловое перемещение регистрируется посредством измерения параметров катушки. Электродвигатель состоит из зубчатого безобмоточ-ного ротора 5 и зубчатого статора 6 с обмотками 7. Внутри электродвига-теля установлен датчик положения ротора, состоящий из перфорирован-ного диска 8 и смещенных на 120 электрических градусов датчиков 9. Вал ротора соединен шлицевым соединением с червяком 10 редуктора 11. Вращающий момент электродвигателя передается червяком 10 на зубча-тое колесо 11 редуктора и далее на торсионный вал 4 и рулевую колонку 12.


Рисунок 1.9 – Компоновка электроусилителя (базовый вариант)

Электродвигатель выполняется трехфазным с числом зубцов на ста-торе - 12, на роторе - 8. Зубцовая зона выполнена с разной шириной ко-ронок зубцов статора 13 и ротора 14: для зубцов статора - bz1 = (0,31...0,35)t2, зубцов ротора - bz2 = (0,41...0,44)t2. На роторе выполнен скос зубцов ротора относительно зубцов статора на величину β= (0,075....0,15)t2.
Основной алгоритм работы электроусилителя подчинен реализации характеристик, показанных на рисунке 1.10 и связывающих момент на ру-ле Mp с требуемым моментом компенсации Mk, который должен быть обеспечен электроусилителем, при разных значениях скорости движения автомобиля.
По мере роста момента на руле Mp увеличивается момент компенса-ции Mk со стороны электроусилителя. В то же время при увеличении ско-рости движения автомобиля эффективность работы электроусилителя должна быть снижена в соответствии с заданной характеристикой, то есть необходимый момент компенсации Mk снижается. Это связано с тем, что наибольшие усилия к рулю прикладываются водителем при неподвижном автомобиле и во время движения с малой скоростью.

Рисунок 1.10 – Связь крутящего момента вала и момента компенсации
При возникновении момента на руле Mp, превышающего заданный минималь-ный момент Mmin, блок управления электродвигателем вырабатывает силовой управляющий сигнал, приложенный к обмоткам электродвигателя, для создания на рулевой колонке требуемого компенсирующего момента Mk в соответствии с харак-теристиками. При этом величина сигнала на обмотке формируется с учетом сигнала датчика скорости автомобиля, а также сигналов датчика положения ротора и датчи-ка момента на руле Mp. Для защиты аккумулятора от разряда электроусилитель не включается при неработающем двигателе автомобиля. Для этого в блок управления введен сигнал датчика режима работы автомобиля. Электроусилитель выполняется реверсивным в соответствии с требуемыми характеристиками. Приведенные харак-теристики реализуются с помощью программного обеспечения процессора (см. ри-сунок 1.7).
Датчик положения имеет наиболее простое исполнение в виде сдвину-тых друг относительно друга на 120 электрических градусов трех датчи-ков на основе эффекта Холла и перфорированного цилиндра с числом перфораций, равным числу зубцов ротора, в данном случае - 8. При вра-щении ротора датчик положения выдает три сигнала d-A, d-B и d-C, сдви-нутые также на 120 электрических градусов или 1/3 периода.
В соответствии с сигналами ДПР блоком управления подается сило-вой управляющий сигнал на обмотку и по фазным катушкам протекает ток. Причем при работе в области малых частот вращения двигателя ток в фазную катушку подается в положении для данной фазы "зубец-паз", а от-ключается в положении "зубец-зубец". Таким образом, длительность токо-вого импульса составляет 180 электрических градусов или 1/2 периода, форма импульса - прямоугольная. По мере роста частоты вращения кру-тизна фронтов фазного тока уменьшается. Для обеспечения при указанной форме импульса тока, минимального уровня пульсаций момента на валу электродвигателя и, соответственно, на руле специально сформирована геометрия зубцовой зоны. Ширина коронки зубцов статора - bz1 = (0,31. ..0,35)t2, ротора - bz2 = (0,41...0,44)t2. Помимо минимального уровня пуль-саций выполнение зубцов с разной шириной коронок обеспечивает такую зависимость момента от угла, у которой производная момента по углу в зонах включения ("зубец-паз") и отключения тока ("зубец-зубец") наименьшая по абсолютному значению. Это обеспечивает снижение чув-ствительности пульсаций момента как к неточности включения и отключе-ния тока в указанных положениях ротора, так и к заваливанию нарастаю-щего и спадающего фронтов тока по мере увеличения частоты вращения. Положительное влияние на снижение пульсаций имеет выполнение взаим-ного скоса зубцов статора и ротора на величину β= (0,075...0,15)t2.
Для снижения акустического шума, вызванного деформациями стато-ра электродвигателя от действия магнитных сжимающих сил, предлагается применить конструкцию магнитопровода статора повышенной жесткости за счет увеличения порядка деформаций: с число зубцов на статоре - 12, на роторе - 8.
Таким образом, выполнение электродвигателя в трехфазном варианте с предложенными размерами коронок зубцов статора и ротора, а также применение скоса зубцов позволяет обеспечить низкий уровень пульсаций момента электродвигателя и, тем самым, высокое качество работы элект-роусилителя в целом. При этом следует отметить, что для обеспечения низкого уровня пульсаций момента в предлагаемом техническом решении достаточно применения датчика положения ротора простейшей конструк-ции. Кроме того, не требуется использования датчика скорости вращения электродвигателя для построения системы управления, демпфирующей пульсации момента на руле с помощью соответствующей обратной связи.
Однако в ходе эксплуатации автомобилей, оснащенных ЭУР рассмот-ренной конструкции, было выявлено несколько случаев отказов усилителя, иногда приводивших к аварии. Причиной отказов является исчезновение сигнала, поступающего с датчика крутящего момента рулевого вала при повороте руля. Поэтому необходимо провести патентный поиск техниче-ских решений, способствующих повышению эксплуатационной надежно-сти электроусилителя, а также упрощению конструкции и повышению тех-нологичности.
1.4 Патентный обзор конструкций электроусилителей рулевого управления
Известен электроусилитель рулевого управления (ЭУР), встраивае-мый в рулевую колонку автомобиля по а.с. РФ No 2216473 [9] (рисунок 1.11), который содержит корпус 1, датчик момента в составе торсиона 2 и измерителя 3 угла скручивания торсиона, вал, состоящий из входного ва-ла 4 и выходного вала 5, электромеханизм компенсирующего момента в составе электродвигателя 6 с полым ротором 7, связанным с выходным валом 5 и установленным на двух подшипниках 8, 9. Выходной вал 5 охвачен установленным на нем полым ротором 7. Корпус 1 выполнен со-стоящим из двух объемов 10, 11 с разновеликими радиальными размера-ми относительно оси рулевого вала. В первом объеме 10, являющимся корпусом электродвигателя 6, размещаются частично входной вал 4 с по-лым участком 12, торсион 2 и частично выходной вал 5 с полым участком 13, на котором закреплен охватывающий его ротор 7, а во втором объеме 11 - измеритель 3 угла скручивания торсиона 2 и, частично, входной и вы-ходной валы 4, 5. Первый объем 10 содержит две торцевые стенки 14, 15. сверху, как правило, содержащие продольные цилиндрические участки 16, 17 с основаниями в виде сегмента круга, как наиболее оптимальные по га-баритным размерам.
Торсион 2 размещается в полых участках 12, 13 входного и выходно-го валов 4, 5. При парковке или во время движения автомобиля при пово-роте входного вала 4 скручивается торсион 2. Угол скручивания торсиона 2 определяется измерителем 3 угла скручивания торсиона 2. Сигнал о ве-личине скручивания, а также другие сигналы, например, о скорости дви-жения автомобиля и т.д. передаются в блок управления (не показан) элект-роусилителя рулевого управления, который, при необходимости, включа-ет и выключает электромеханизм компенсирующего момента, помогая, та-ким образом, вращению выходного вала 5.

Рисунок 1.11 − Электроусилитель рулевого управления, встраиваемый в рулевую колонку автомобиля
Технический результат заключается в снижении габаритных размеров электроусилителя рулевого управления для расширения его компоновоч-ных возможностей, повышении надежности работы и комфортности в ав-томобиле.
Известна конструкция датчика крутящего момента вала по а.с. РФ No 2244274 [10] (рисунок 1.12), который содержит торсионный вал 3, корпус 4, внутри которого размещен каркас 5 катушек индуктивности с обмотка-ми 6, 7 и экраны 8, 9 с перфорированными в них окнами 10, 11. Первая часть 1 вала и вторая часть 2 вала соединены торсионным валом 3, у об-ращенных друг к другу торцов частей вала 1, 2 установлены экраны 8, 9, выполненные в виде дисков. Первый экран 8 установлен на первой части 1 контролируемого вала посредством втулки 12, а второй экран 9 жестко закреплен на второй части 2 контролируемого вала, например, винтами 13. Окна 10 в рядах первого экрана 8 выполнены в два ряда со смещени-ем, как правило окна одного ряда расположены напротив межоконных пе-ремычек другого ряда. Ряд окон 11 второго экрана 9 захватывает по ши-рине оба ряда окон 10 первого экрана 8, наиболее предпочтителен вари-ант, когда ряд окон 11 охватывает оба ряда окон 10.
При отсутствии крутящего момента напротив каждого окна 11 второ-го экрана 9 симметрично устанавливают части окон 10 обоих рядов пер-вого экрана 8. При этом напротив каждой катушки индуктивности распо-ложение окон 10, 11 одинаково, соответственно равны длины просветов совместного окна напротив каждой катушки. В результате индуктивности катушек одинаковы и мостовая измерительная цепь переменного тока находится в состоянии баланса.
.
 
Рисунок 1.12 – Датчик крутящего момента вала по а.с. РФ No 2244274

При приложении между частями контролируемого вала 1, 2 крутяще-го момента окна 10, 11 экранов 8, 9 взаимно смещаются , длина просвета совместного окна напротив одной катушки увеличивается , а напротив другой уменьшается. Индуктивности катушек изменяются в противопо-ложных направлениях, что приводит к дисбалансу мостовой измеритель-ной цепи переменного тока и генерации сигнала, величина которого про-порциональна моменту скручивания. При этом, меняя конфигурацию окон 10, 11, можно получить различные виды характеристик выходного сигнала.
В случае приложения к контролируемому валу крутящего момента противоположного направления мостовая измерительная цепь разбалан-сируется и выходной сигнал оказывается сдвинутым по фазе на
180 электрических градусов. Таким образом, с помощью заявляемого устройства определяется направление и величина крутящего момента ва-ла.
В состав ЭУР, известного по а.с. РФ No 2278797 [11], входят корпус 1 (рисунок 1.13), входной 2 и выходной 3 валы, соединенные между собой посредством торсиона 4, который является чувствительным элементом датчика 5 момента, измеряющего приложенный к рулю момент и форми-рующего соответствующие выходные сигналы. Имеются также электро-двигатель 6, ротор которого установлен на выходном валу 3, управляе-мый источник питания трехфазной обмотки статора электродвигателя, датчик 7 положения ротора электродвигателя и блок управления.
Входы блока управления соединены с выходами датчика 5 момента и датчика 7 положения ротора электродвигателя 6, а выход подключен к управляющему входу источника питания. Электродвигатель 6 состоит из статора с магнитопроводом 8 и ротора 9, установленного на выходном валу 3 усилителя руля.
При появлении сигнала на датчике 5 момента блок управления элек-тродвигателем 6 вырабатывает силовой управляющий сигнал, приложен-ный к обмоткам электродвигателя 6, для создания на рулевом механизме требуемого компенсирующего момента. При этом величина сигнала на обмотке 12 формируется с учетом сигналов датчика 7 положения ротора. В блоке управления 6 в соответствии с сигналом задания формируется ток синусоидальной формы, который, протекая по обмоткам 12 статора 10, создает электромагнитный момент, приложенный непосредственно к выходному валу 3 усилителя руля.

Рисунок 1.13 - Электромеханический усилитель руля автомобиля

Датчик крутящего момента вала 1, 2 (рисунок 1.14), известный по а.с. РФ No 2244907 [12], содержит торсионный вал 3, выполненный в виде втулки, на внешней цилиндрической поверхности которой жестко закреп-лен чувствительный элемент 4 в форме цилиндра из магнитоупругого ма-териала со спиральными прорезями 5, материал 6 между которыми обра-зует части витка спирали. Прорези 5 в одной половине цилиндра образу-ют угол +45 градусов с его образующей, а в другой половине -45 граду-сов. Соответственно материал 6 между прорезями образует части витка левовинтовой и правовинтовой спирали в разных половинах цилиндра. Торсионный вал 3 с чувствительным элементом 4 установлен концентриче-ски внутри двух цилиндрических катушек индуктивности 7, закрепленных на неподвижном относительно контролируемого вала 1, 2 корпусе 8. Кон-цы торсионного 3 и контролируемого 1, 2 валов крепятся между собой при помощи штифов 9.
На рисунке 1.14, б показан внешний вид цилиндра чувствительного элемента с контролируемым валом без корпуса и катушек индуктивности
На рисунке 1.14, в показан вариант исполнения , когда участок кон-тролируемого вала сам является торсионным валом, на котором жестко закреплен чувствительный элемент 4.
На рисунке 1.14, г показан вариант исполнения торсионного вала 3, выполненного из магнитоупругого материала в виде цилиндрической втулки со спиральными прорезями, который сам является чувствитель-ным элементом.
 
а) б)
 
в) г)
Рисунок 1.14 – Датчик крутящего момента вала
Выводы обмоток катушек индуктивности 7 могут быть в частном слу-чае включены в мостовую измерительную цепь переменного тока.
Устройство работает следующим образом. Аксиальные составляющие (вдоль оси чувствительного элемента) намагниченности от переменного тока в обмотках катушек индуктивности в левых и правых частях винто-вых спиралей 6 одинаковы и направлены в противоположные стороны. Импедансы катушек индуктивности 7 при этом одинаковы и мостовая схема находится в состоянии баланса. При приложении между частями 1 и 2 контролируемого вала крутящего момента в частях витков спиралей 6 возникают сдвиговые напряжения, которые изменяют аксиальную состав-ляющую намагниченности, причем в одной половине цилиндра 4 она уве-личивается, а в другой уменьшается. Это приводит к увеличению импедан-са в одной катушке и уменьшению его во второй, а значит к разбалансу мостовой измерительной цепи переменного тока и появлению в диагонали моста сигнала, величина которого пропорциональна крутящему моменту. В случае приложения крутящего момента противоположного направле-ния происходит также разбаланс мостовой измерительной цепи, а выход-ной сигнал оказывается сдвинутым по фазе на 180 градусов относительно предыдущего сигнала. Выполнение прорезей 5 под углом ±45 градусов к образующей цилиндра обеспечивает максимальную чувствительность ак-сиальной составляющей намагниченности к сдвиговым напряжениям, а именно изменение регистрируется цилиндрическими катушками индуктив-ности 7.
Известно, что если в магнитоупругом цилиндрическом стержне реали-зуются значительные сдвиговые крутильные напряжения в упругой обла-сти, то намагниченность его ориентируется в направлениях под углом ±45 градусов к образующей чувствительного элемента, поэтому максимальное изменение намагниченности при нагрузке будет реализовываться вдоль оси катушек индуктивности.
Технический результат заключается в упрощении конструкции, по-вышении технологичности датчика и повышении его эксплуатационной надежности.
1.5 Выводы по разделу
На основании анализа существующих конструкций рулевых механиз-мов и усилителей рулевого управления сделан вывод, что электроусили-тель, выпускаемый на АО ''Авиаагрегат" (г. Махачкала) и поставляемый на заводы ОАО «АвтоВАЗ» и СП «GM-АвтоВАЗ», нуждается в модерниза-ции.
По результатам патентного обзора было принято решение модерни-зировать конструкцию электроусилителя рулевого управления с использо-ванием технических решений, предложенных в описании к патенту РФ No 2244907









2. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОУСИЛИТЕЛЯ РУЛЕВОГО
УПРАВЛЕНИЯ
2.1 Устройство и принцип работы модернизированного
электроусилителя
В данном проекте предлагается использовать техническое решение, направленное на изменение конструкции датчика крутящего момента вала и связанное с ним изменение компоновки усилителя.
Основными элементами усилителя (рисунок 2.1) являются входной 1 и выходной 5 валы, датчик крутящего момента, электродвигатель 3 и чер-вячный редуктор, размещенные в общем корпусе 7.
Рисунок 2.1 – Электроусилитель рулевого управления:
1 – входной вал; 2 – катушка индуктивности; 3 – электродвигатель;
4 – торсион; 5 – выходной вал; 6 – колодка штырьевая; 7 – корпус;
8, 9 – крышки; 10 – гайка; 11, 13, 14, 15 – упорные кольца; 12 – упорная втулка; 16 – пружина; 17 – втулка; 18 – червячное колесо; 19 - шпонка;
20 – червяк; 21, 22 – болты, 23 - подшипник
Из рисунка 2.1 следует, что модернизированный усилитель более компактный, по сравнению со штатным. Это объясняется тем, что исполь-зование принципиально новой конструкции датчика крутящего момента позволило сместить электродвигатель и червячный редуктор влево, а сам датчик имеет меньшие размеры.
Основной отличительной особенностью данной конструкции является то, что чувствительный элемент (торсион) датчика крутящего момента вы-полнен не в виде валика, а в виде втулки 4, на внешней цилиндрической поверхности которой жестко закреплен чувствительный элемент 1
(рисунок 2.2) в форме цилиндра из магнитоупругого материала со спи-ральными прорезями, материал между которыми образует части витка спирали.

Рисунок 2.2 – Рулевой вал в сборе
1 – чувствительный элемент усилителя; 2 – шпонка; 3 – вал выходной; 4 – вал входной; 5 – кольцо упорное; 6 – червячное колесо

Прорези в одной половине цилиндра образуют угол 45 градусов с его образующей, а в другой половине – минус 45 градусов. Соответствен-но материал между прорезями образует части витка левовинтовой и пра-вовинтовой спирали в разных половинах цилиндра.
Торсионный вал с чувствительным элементом установлен концентри-чески внутри двух цилиндрических катушек индуктивности 2
(рисунок 2.1), закрепленных на неподвижном относительно контролируе-мого вала 1 корпусе 7 с помощью колец крепления 11и упорной втулки 12.
Входной вал 1, через подшипник 32, кольцо 14 и упорное кольцо 52, поджат крышкой 9.
Выходной вал 5, через подшипник 32, кольцо 15, втулку 17 и пружи-ну 16, поджат крышкой 8, закреплен гайкой 10, которая закернена в двух местах, под углом 180 градусов.
Выводы 54 обмоток катушек индуктивности включены в мостовую измерительную цепь переменного тока.
Усилитель работает следующим образом. Аксиальные составляющие (вдоль оси чувствительного элемента) намагниченности от переменного тока в обмотках катушек индуктивности в левых и правых частях винто-вых спиралей одинаковы и направлены в противоположные стороны. Им-педансы катушек индуктивности 2 при этом одинаковы, и мостовая схема находится в состоянии баланса.
При приложении между входной 1 и выходной 5 частями контроли-руемого вала крутящего момента в частях витков спиралей возникают сдвиговые напряжения, которые изменяют аксиальную составляющую намагниченности, причем в одной половине цилиндра поз.4 она увеличи-вается, а в другой уменьшается. Это приводит к увеличению импеданса в одной катушке и уменьшению его во второй, а значит к разбалансу мосто-вой измерительной цепи переменного тока и появлению в диагонали моста сигнала, величина которого пропорциональна крутящему моменту.
В случае приложении крутящего момента противоположного направления происходит также разбаланс мостовой измерительной цепи, а выходной сигнал оказывается сдвинутым по фазе на 180 градусов отно-сительно предыдущего сигнала.
Сигнал с мостовой схемы поступает на контроллер управления элек-тродвигателем 3, который через муфту 62 и червяк 20 подает вращение на червячное колесо 18, закрепленное на валу 5 шпоночным соединением 19 и упорным кольцом 17. Вал 5 «доворачивается» до момента, когда мосто-вая схема приходит в состояние равновесия, и на электродвигатель пере-стает поступать управляющий сигнал.
2.2 Расчет параметров проектируемого электроусилителя руля
2.2.1Определение момента и усилия на рулевом колесе
Максимальный момент и силу на рулевом колесе определяем из условия поворота колес автомобиля с полной нагрузкой на дороге с высо-ким коэффициентом сцепления колес с дорожным покрытием.
Усилие на руле для легковых автомобилей [5,14]
(2.1)
где - полный момент сопротивления повороту колес, Н·м;
- радиус рулевого колеса, м; = 0,182 м;
- передаточное число рулевого механизма; = 12,6;
- КПД рулевого механизма; = 0,74.
- КПД привода рулевого механизма;   = 0,86.
(2.2)
где - момент сопротивления, связанный с сопротивлением повороту шины и дорожной среды, Н·м;
- момент сопротивления, связанный с качением колеса по сложной траектории, Н·м.

; (2.3)
где - нагрузка на 1 колесо, Н, ;
- коэффициент сцепления с дорогой, .
- площадь контакта отпечатка шины, м2;
= КПД поворотного узла,
Площадь отпечатка шины

Тогда момент сопротивления повороту

(2.4)
где   - коэффициент сопротивления качению, = 0,02...0,025.
  - длина цапфы колеса, м, = 0,081 м.
  - статический радиус шины, м, = 0,24 м.
  - угол наклона оси цапфы, рад., .
- угол наклона поворотного узла, рад., .

Полный момент сопротивления.

Тогда усилие на рулевом колесе


Максимальный момент на рулевом колесе.

Исходя из условия, что компенсирующий момент, развиваемый электроусилителем, должен быть рассчитан с некоторым запасом, прини-маем значение момента 35 Н·м.

2.3 Расчеты на прочность деталей электроусилителя руля
2.3.1 Расчет геометрии червячной передачи
Угол профиля червяка в осевом сечении α = 20°.
Выбираем число заходов червяка: Z1 - 2.
Из условий компоновки редуктора межосевое расстояние выбираем
равным 36 мм (aw — 36 мм).
При Z1 = 2 и aw = 36 мм по ГОСТ 2144-76 выбираем передаточное от-ношение червячной пары — i = 20.
Число зубьев червячного колеса [17,19]:
z2 = z1*i = 2·20 = 40 (2.5)
Модуль зацепления


  (2.6)
где aw - межосевое расстояние, мм; принимаем aw = 36 мм по ГОСТ 2144-76;
q - коэффициент диаметра червяка;
z2 - число зубьев червячного колеса; принимаем z2 = 40.
По ГОСТ 2144-76 в зависимости от межосевого расстояния и переда-точного отношения выбираем модуль m = 1,5.
По таблице сочетания модулей m и коэффициентов диаметра червяка выбираем q = 8.
Коэффициент высоты зуба в осевом сечении f0 принимаем равным 1.
Радиальный зазор принимаем с = 0,2т.
Диаметры делительные червяка и червячного колеса:

  (2.7)
Диаметры окружностей выступов червяка и червячного колеса:
da1=d1+2*f0*m=12=2*1*1,5=12мм (2.8)
da2 = (z2 + 2 f0) т = (40 +2 *1) 1,5 = 63мм. (2.9)
Диаметры окружностей впадин червяка и червячного колеса:
df1 = d1 -2,4т = 12-2,4*1,5 = 8,4мм ; (2.10)
df2=d2-2,4m=60-2,4*1,5=56,4мм (2.11)
Делительный угол подъема витка червяка:
, (2.12)
откуда
γ = 14°2'10".
Осевой шаг червяка:
ta=π*m = 3,14*1,5 = 4,71 мм. (2.13)
Ход винтовой линии витка:
S = ta*z2 =4,71*2 = 9,42 мм. (2.14)
Толщина зуба червячного колеса по начальной окружности (номи-нальная):
(2.15)
17. Толщина витка червяка по делительному цилиндру в осевом се-чении (номинальная):
. (2.16)
18. Высота витка червяка и высота зуба червячного колеса:
h1=h2=2f0*m+c=2*1*1,5+0,2*1,5=3,3мм. (2.17)
19. Нормальная хордальная высота витка червяка и головки зуба червячного колеса:




20. Длина нарезной части червяка при z1= 2:
(11 + 0,06 * z2) m= (11 + 0,06 * 40)1,5 = 20,1мм . (2.18)
Исходя из конструктивных соображений, принимаем b1 = 24 мм.
21. Ширина венца колеса при Z1 = 2:
b2 0,75da] = 0,75*15=11,25 мм. (2.19)
Принимаем b2=11 мм.
2.3.2 Расчет сил, действующих в зацеплении
Силы в червячном зацеплении изображены на рисунке 2.3
Окружное усилие на червяке F1 равно осевому усилию Fа2 на колесе, но противоположно направлено. Эти усилия рассчитываются по формуле [17,19]:
(2.20)
где T1 - вращающий момент на валу червяка, Нм;
d1 - делительный диаметр червяка, мм; d1 = 0,012 м.
Окружное усилие на колесе Р2 равно осевому усилию на червяке Ра1 и также противоположно по направлению. Усилия рассчитываются по формуле:
 (2.21)
где T2 - вращающий момент на валу колеса, Нм; из технических требо-ваний следует, что максимальный компенсирующий момент, разви-ваемый электроусилителем, равен 35 Нм, то есть T2= 35 Нм;
d1 - делительный диаметр колеса, мм; d2 = 0,06м. Радиальные усилия рассчитываются следующим образом:
 (2.22)
где а - угол зацепления, а = 20°.


Рисунок 2.3 – Схема сил, действующих в зацеплении
Зная передаточное отношение U червячной передачи найдем момент на червяке по формуле


Тогда силы по формулам (2.20 – 2.22) будут равны
Н;
Н;
Н.
2.3.3 Расчет реакций в опорах червячного вала
Реакции, действующие в опорах червячного вала изображены на рисунке 2.4
Расстояние между левой опорой и центром зацепления L1= 25,5 мм, расстояние между правой опорой и центром зацепления L2= 28,5 мм. Де-лительный диаметр червяка d1 = 12 мм.
Рассчитаем реакции опор. Правую опору, воспринимающую осевую силу Ра1 обозначим цифрой "2".
В плоскости XZ:

  (2.23)

Рисунок 2.4 – Схема реакций в опорах червячного вала
В плоскости YX:







2.3.4 Расчет зубьев червячного колеса на выносливость по напряжениям изгиба
Напряжение изгиба определяется по формуле
(2.24)
где - расчетное напряжение изгиба, МПа;
КF - коэффициент нагрузки;
- окружное усилие, Н.
- коэффициент формы зуба;
- допускаемое напряжение изгиба, МПа.
Величину F2 определяем по известному моменту на валу колеса по формуле:
= (2.25)
где T2 - максимальный момент на валу червячного колеса, Н·м;
d2 - делительный диаметр червячного колеса, мм.
=
Коэффициент КF учитывает неравномерность распределения нагруз-ки, динамичность, зависящую от скорости скольжения, изменение нагруз-ки по времени.
Для определения динамичности нагрузки найдем скорость скольжения по формуле:
(2.26)
где - окружная скорость червяка, вычисляемая по формуле:
= 0,5- = = 1,5 м/с;  (2.27)
- окружная скорость червячного колеса, вычисляемая по формуле:
= 0,5- = = 0,4 м/с;   (2.28)
где и - угловые скорости червяка и червячного колеса, рад/с.
Тогда
=1,55 м/с
По таблицам в зависимости от vs определяем коэффициент динамичности. Он находится в пределах 1...1,2. Принимаем Kv = 1,1 [18].

Тогда
FР2 = 1166,7-1,1 - 1283,37 Н.  (2.29)
Коэффициент формы зуба для червячного колеса зависит от эквива-лентного числа зубьев:
(2.30)
тогда Y = 2,2.
Вычисляем расчетное напряжение изгиба:
=
Полученное значение ниже допустимых изгибающих напряжений ма-териала, которое составляет 235 МПа.
Таким образом, прочность зацепления обеспечивается.
2.3.5 Расчет поджимной пружины
Пружина сжатия 16 (см. рисунок 2.1) служит для предохранения вы-ходного вала усилителя от осевых перемещений и воспринимает нагрузку, равную осевой силе червячного колеса Fа2 = 291,7 Н.

Исходные данные для расчета:
Рабочая нагрузка F2 = Fа2 = 291,7 Н.
Рабочий ход h = 5 мм.

Рисунок 2.5 – Расчетная схема пружины
В соответствии с ГОСТ 13764-86 по нагрузке принимаем класс
пружин 1, разряд 2. Изготовление пружины предусматриваем из пружин-ной стальной проволоки (ГОСТ 1071-81) из хромванадиевой стали 51 ХФА (ГОСТ 14959-79). Полагая, что диаметр проволоки пружины равен 3...5 мм, по ГОСТ 13764-86 принимаем допускаемое напряжение для про-волоки
[τ] = 700 МПа [18].
Определяем силы пружины при предварительной нагрузке F1 и силы при максимальной нагрузке F3.
F1 = 0,3· F2 = 0,3·291,7 = 88 H (2.31)
F3 = 1,3· F2 = 1,3·291,7 = 386 H (2.32)
Примем индекс пружины c = 8. Коэффициент влияния кривизны вит-ков
k = 1,17.
Определим диаметр проволоки пружины по формуле
. (2.33)
По ГОСТ 9389-75 принимаем d = 3,6 мм.
Средний диаметр пружины
D = c·d = 8·3,6 = 28,8 мм. (2.34)

Наружный диаметр пружины
D1 = D + d = 28,8 + 3,6 = 32,4 мм. (2.35)
Жесткость одного витка пружины
С1 = 104·d / c3 = 104·3,6 / 83 = 70,3 Н/мм. (2.36)
Жесткость пружины
. (2.37)
Число рабочих витков
n = C1 / C = 70,3 / 40,8 ≈ 2. (2.38)
Полное число витков
n1 = n + n2 , (2.39)
где n2 = 1,5...2 – число опорных витков.
n1 = 2 + 2 = 4
Максимальная деформация пружины
λ3 = F3 / C = 386 / 40,8 = 9,5 мм (2.40)
Максимальна