汽车四轮转向传动系统设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 O 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） 摘 要 本文 主要 研究 了 四 轮 转 向传 动 系统 的 基 本结 构 和工 作 原理 ，并 对 四轮 转向 传 动路 线 进行 了 简要 分 析 。以 此为 理论 基 础 ，以 某汽 车 的相 关 参 数设 计 了四 轮 转 向转 向 器。包 括 前轮 转 向 器的 设计 计算 ，后轮 转 向 执行 器的 设计 ，齿条 等 强 度的 计 算。 四轮 转 向传 动 系主 要 是通 过 车 速传 感 器 、前 轮 转 角传 感 器、 前 轮转 速传 感器 、方 向 盘 转角 传 感 器、 后 轮转 角 传感 器 、后 轮 转 速传 感 器， 发 送信 号 到四 轮 转 向控 制 器内 ，信号 经过 处 理，得出 后 轮 所需 的 转角 大 小及 方 向 ，控 制执 行 器完 成 转向 。此系 统 可以 改 善车 辆 低速 的 转向 灵 活性 和 高速 时 的操 纵稳 定性 ，使 汽车 在 转 向时 响 应 快，转向 能 力 强，直线 行 驶 稳定 。前 轮 转向 器 是四 轮 转 向的 基 础部 件 ，是 电 机助 力 的齿 轮 齿条 转 向 器。后 轮 执行 器 是驱 动 后轮 转 向的 主 要 部件 。通过 对前 轮 转向 器 和后 轮执 行 器的 设计 ，为 四 轮转 向 技术 整 体 设计 提 供了 基 础 。 关 键 词 四 轮 转 向， 齿 轮齿 条 电动 助 力转 向 器 ，后 轮 转 向执 行器 I 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 O 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 ， 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 O 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） 目 录 摘 要 目 录 第 一 章 绪 论 第 二 章 设 计方 案 选择 各 传 感器 位 置 确定 转 向 机构 的 设 计要 求 转 向 梯形 设 计 本 章 小结 第 三 章 齿 轮齿 条 电动 助 力 转向 器 设计 计 算 转 向 器的 效 率 转 向 器正 效 率 转 向 器逆 效 率 传 动 比的 变 化 特性 力传 动 比 与角 传 动 比的 关 系 参 数 选择 转向 轮 侧 偏角 计 算 转 向 系载 荷 确 定 转 向 器的 主 要 元件 设 计 选择 齿 轮 齿条 材 料 齿轮 齿 条 基本 参 数 转向 横 拉 杆及 其 端 部 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 O 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） 齿条 调 整 齿 轮齿 条 转 向器 转 向横 拉 杆的 运 动 分析 齿 轮 齿条 传 动 受力 分 析 弹簧 的 设计 计 算 齿轮 轴 轴承 的 校核 电机 选择 助 力转 矩的 计算 电 动 机参 数 的选 择 和计 算 本章 小结 第 四 章 后 轮转 向 执行 器 设计 计 算 执 行 器结 构 设 计 齿 条 设计 计 算 回 位 弹簧 的 设 计计 算 电 机 选择 助力 转 矩 的计 算 电动 机 参 数的 选 择 和计 算 本 章 小结 结 论 致 谢 参 考 文献 附 录 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 O 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） 第 一 章 绪 论 四 轮转 向 （ ） 控制 技 术就 是 在汽 车 行 驶转 向 时通 过 引 入 一定 的 后轮 转 向 来增 强 汽车 在 高速 行 驶 或在 侧 向风 力 作 用时 的 操纵 稳 定 性 、行 驶 安全 性 及改 善 低速 时 汽车 的 机动 灵 活性 。我们 知 道普 通 汽车 的 转向 是 靠驾 驶 员转 动 方向 盘 ，从 而带 动 前轮 的 转 动来 实 现 的 ，前 轮 为转 向轮 。前 轮 转 动后 ， 车身 方 向跟 着 改变 ， 无 转向 的 后轮 与 车身 的 行 进方 向 产生 差 距， 产 生 偏离 角 ，从 而 发生 弯力 ，产 生 转向 。由 此 可 见，传统 的 前 轮转 向 汽 车有 低 速时 转 向响 应 慢，回 转 半 径大 ，转 向 不灵 活 ；高速 时 方向 稳 定性 差 等 缺点。 经 过二 十 余年 的 研究 ， 技 术 已 趋于 成 熟 ，日 本 的 日产 公 司 、马 自 达 公司、 丰 田 公司 ，美国 的 福 特公 司 、通 用公 司的 汽 车 产品 上 都 有装 用 系统 。我 国 开展 汽 车 四轮 转 向技 术 研究 相 对 较晚 ， 年 代末 和 年代 初 开始 有 文章 探 讨 问 题， 年 代末 ，上 海 交 通大 学 、 浙江 大学 开 始进 行 控 制 方 法 的 研究 。近年 来 ，由 于电 子 控制 技 术 的快 速 发展 ，以 及 国内 愈 趋紧 张 的交 通 状 况， 四 轮转 向 控制 技 术越 来 越被 汽 车 厂商 及 各高 校 重视 ， 在 年 和 年海 峡 连杆 机 构学 术 研讨 会 上 台北 科 技大 学 代表 分 享 了后 轮 转向 机 构 设 计以 及 四轮 转 向控 制 防 侧滑 等 理 论成 果 。通 过对 目 前 四轮 转 向 技术 的 研 究 ， 我参 照 已有 车 型的 参 数设 计 了 四轮 转 向的 前 轮转 向 器 和后 轮 转向 执 行 器 ， 为国 内 四轮 转 向技 术 的 发展 提 供基 础 。 【 技 术说 明 】 后轮 转 向与 前 轮主 要有 两 个不 同 的相 位转 角 ，当车 速 较 低时 后 轮与 前 轮转 向 相反 称 为逆 向 位转 角 如 图（ ），当 车速 较 高 时后 轮 与前 轮 转向 相 同 称为 同 相 位转 角 如图 （ ）。 - 1 - 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 O 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） （） （ ） 图（） 低速 时逆向位 转向 （） （） 图（） 高 速时同向 位转向 四 轮转 向 系统 的 控 制目 标 主要 包 括 ： 减小 侧 向加 速 度响 应 和 横摆 角 速度 响 应的 滞 后； 减小 汽 车的 侧 偏角 ； 增 强汽 车 的行 进 稳定 性 ； - 2 - 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 O 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） 改善 低 速 范围 汽 车的 操 纵性 ； 改善 汽 车的 转 向 响应 性 能； 抵制 由 汽 车自 身 参数 变 化因 素 对汽 车 转向 响 应 特性 的 影响 ，并 保 持所 期望 的 汽车 转 向响 应 特性 ； 后 轮主 动 转 向主 要 采用 以 下几 种 控 制模 式 ： 定前 后 轮转 向 比转 向 系 统； 前轮 参 数控 制 后轮 转 向 （前 馈 型 ） 前后 轮 转向 比 是前 轮 转 角函 数 的四 轮 转向 系 统； 前后 轮 转 向比 是 车速 函 数 的四 轮 转向 系 统； 具有 反 相 特性 的 四轮 转 向系 统 ； 具有 最 优 来控 制 的四 轮 转向 系 统 ； 具 有自 学 习、 自适 应 能 力的 四 轮 转向 系 统。 四 轮转 向 系统 的 控制 方 法 ：前馈 加 反馈 控 制 即前 轮 转向 角 比例 前 馈加 横 摆角 速 度比 例 反馈 控 制， 控 制 后轮 转 向 ，并 且 使汽 车 质心 处 的 侧偏 角 始终 为 零。 本 设 计采 用 具有 自 学习 、自 适 应能 力 的控 制 策略 ，的 四 轮转 向 技 术。主 要工 作 形式 是 四轮 转 向控 制 器收 集 各 传感 器 输入 的 信号 ，通过 处 理 信号，确 定后 轮 所需 的 转角 大 小及 方 向 ，将蓄 电 池电 压 输送 到 后 轮转 向 执行 器 完成 转 向如 图 （ ）。 车速传感器 方向盘转角传感器 后轮转速传感器 执行器电 源输入端 后轮 - 3 - 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 O 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） 转向执行器 后轮转角传感器 四轮转向控制单元 前轮转角 传感器 图（）四轮转向示意 图 四 轮转 向 的工 作 特性 ： 当 车速 低 于 时 ，如 果 转向 盘转 动 ， 后轮 会 立 即 开始 向 与 前 轮 相 反的 方 向转 动 ，在 车速 为 零时 ，后 轮 最大 转 角 是 度 。后 轮 转角 减 小程 度 随 车速 变 化， 在 车 速为 时 后轮 转角 几 乎 是 零。 当 车 速 为 时 ，转 向 盘 在最 初 转角 内后 轮 转向 与 前轮 方 向一 致 。 在 这 个车 速范 围内 ，转向 盘 转 角大 于 时 后 轮会 转 向相 反 的方 向 。当 车速 提 高 到 ，并 且转 向 盘转 角 是 时 ，那 么后 轮 将会 向 前 轮的 方 向转 动 约 。 在 这个 车速 下 ， 如果 转 向 盘转 动 ， 后 轮将 会 向前 轮 相反 方 向 转 动大 约 【 设 计说 明 】 由于 本 项技 术 的特 殊 性 ，和 时间 关 系，只 对前 轮 电动 助 力 转向 转 向器 ，和 后 轮转 向 执行 器 进 行了 设 计。对于 悬 架系 统 和和 后 轮转 向 梯形 只 是提 出 了设 计 方 向。（ 前 悬架 可 以采 用 双叉 臂 式 悬架 ， 后悬 架系 统 可以 采 用 多 连杆 式 悬 架 ， 现有 车 型 宝马 七 系 ，后 轮 转向 梯 形可 采 用双 梯 形 ，使 用 两套 机 构进 行 切 换。） 前轮 齿 轮齿 条 转 向器 采 用空 心 电机 驱 动螺 杆 助力 系 统 ，此 系 统 具有 节 能、 环 保 、高 效 、安 全等 诸 多 优点 ， 其整 体结 构如 图（ ）所示 。 图（）前轮 转向器 由 电子 控制 单元 （ ， 简 称 ）转 矩 传感 器（ ）， 前 轮 角度 传 感 器（ ）电 动机 （ ）、 转 向 盘（ ）等 组成 。当 驾 驶员 转 动 方向 盘 时 ，电动 助 力 转向 系 统 开始 工 作，转 向 盘角 度 和 扭矩 传 感器 把 方 向盘 的 输入 信 号（转 向 力 矩和 - 4 - 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 O 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） 旋 转 角度）， 以电 压 信号 的 形式 送 至 。 与 此同 时 读取 汽 车 的车 的 车 速 信 号以 及 车辆 发 动机 的 转速 信 号 。 根 据转 向 力矩 大 小和 方向 、发 动机 或 电 动机 转 速 、车 速、方向 盘 转 角、方向 盘转 速 等信 号 ，判 断 是否 需 要 助力 及 助力 的 大小 和 方向 。若需 要 助 力，则 依据 预 先 设计 的 助力 特 性曲 线 计 算出 必 要的 助力 力矩 ，并 按照 一 定的 控 制 策略 和 算法 ，输出 相 应的 控 制信 号 给驱 动 电 路，由驱 动电 路 提供 相 应的 电 流给 助 力电 机 ，助 力电 机 输出 的 转矩 ，由 减 速机 构 放 大后 再 传送 给 转向 轴 起 助力 转 向的 作用 ，从 而 完成 转 向助 力 的功 能 。若 出 现故 障 或车 速 超出 设 定 值则 控 制助 力 电机 停 止输 出 ，系 统 不提 供助 力 ，系 统转 为 人工 手 动转 向 。由 于电 控 单元 可 以 采集 车 速、方向 盘的 转 矩和 转 角 信号，所 以 提供 的 助 力大 小 可以 根 据 控制 策 略调 整 。后 轮 转向 执行 器 如 图（ ） 所示 转向轴螺杆 后 轮转角传感器 定子 执行器壳体 回位 弹簧 换向器 电刷 转子 循 环球螺杆 图（）后 轮执行器 执 行 器包 含 一个 通 过循 环 球螺 杆 机构 驱 动 转向 齿 条的 电 动机 。转 向 横拉 杆是 从 转 向 执 行器 连 接到 后轮 转 向节 臂 和转 向节 处 ，执 行器 内 的回 位 弹簧 在 点火 开 关 断开，或四 轮 转 向系 统 失效 时 将 后轮 推 回直 线 行 驶位 置 。一 个 后轮 转角 - 5 - 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 O 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） 传 感 器安 装 在后 轮 转向 执 行器 内 。通 过 对前 轮 转向 器 和 后轮 转 向执 行 器 的设 计 ， 为四 轮 转向 整 体设 计 提供 了 基 础。 - 6 - 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 O 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） 第 二 章 设 计方 案 选择 各 传 感器 位 置 确定 车 速传 感 器 ：安 装在 变速 内 。 车速 传 感 器将 与 车速 相 关 的电 压 信号 送 到 四 轮转 向 系统 电 子 控制 模 块，这个 车 速信 号 也被 送 到自 动 变 速器内 的 电 子控 制 模 块。 前 后轮 转 速传 感 器：安装 在车 轮 轮毂 上 ，前 后 轮转 速 传 感器 将 前 后轮 转 速电 压 信号 送到 四 轮转 向 系统 电 子控 制模 块 ，这个 车 轮 转速 信 号也 被 送到 电子 控制 模 块。 前 轮转 角 传 感器 ： 前轮 转 角传 感 器 安装 在 前轮 电 机内 这 个传 感 器含 有 一 个 随 循环 球 螺杆 旋 转的 脉 冲环 ， 电子 霍 尔 传感 元 件直 接 安 装在 脉 冲环 上 部， 如 图 （ ） 图 （） 当 安装 在 转子 上 的“ 转角 传 感 器检 测 凸 台”随 转子 旋 转 时，套在 转子 上 的转 - 7 - 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 O 哈尔滨工业大学华德应用技 术学院（论文） 角 传 感器 的 霍尔 传 感元 件 向 电子 控 制模 块 发出 脉 冲数 字 电压 信 号 ，显 示 转 角 。 后轮 转 角传 感 器： 后 轮转 角 传 感器 安 装后 轮 执行 器 电 机内， 此 传 感器 与 前 轮 转角 传 感器 相 似，如上 图 ，当 安 装在 转 子 上的“转 角 传 感器 检 测 凸台 ”随 转 子 旋转 时，套 在 转子 上 的转 角 传感 器 的 霍尔 传 感元 件 向电 子 控 制模 块 发出 脉 冲数 字 电压 信 号， 显 示 后轮 转 角 。 方向 盘 转角 传 感器 ：安装 在 组合 开 关下 方 的转 向 柱 上。转角 传 感器 采 用霍 尔 效应 原理 结构 ，转 角传 感 器检 测 转 向盘 的 转动 方 向、转 动 速 度和 转 动 角度。 转 向 盘转 动 时， 转角 传 感器 向 电 子控 制 模块 传 送 前轮 转 动的 信 号 。 转向 力 矩传 感 器：安 装在 小 齿 轮内，转向 力 矩 传感 器 根据 小 齿轮 杆 的 旋转 情 况 ，检 测出 转 向力 的 大小 并输 送 至控 制 单元 。如 图 （ ） 图 （） 转 向 机构 的 设 计要 求 运 动学 上 应保 持 转 向轮 转 角和 驾 驶员 转 动方 向 盘 的转 角 之间 保 持一 定 的 比 例 关系 。 随 着转 向 轮阻 力 增大（或 减 小 ），作用 在 转向 盘 上的 手 力必 须 增 大（ 或减 小）， 称之 为 “ 路感 ” - 8 - 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 O 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） 当作 用 在转 向 盘上 的切 向 力 时， 动 力转 向器 就应 开 始 工 作。 转 向后 ， 转向 盘应 自 动回 正 ， 并使 汽 车 保持 在 稳定 的 直线 行 驶 状态 。 工 作灵 敏 ， 即转 向盘 转动 后 ， 系统 内 压 力能 很 快增 长 到最 大 值 。 转 向失 灵 时 ，仍 能 用机 械 系统 操 纵车 轮 转 向。 转 向 梯形 设 计 阿 克 曼原 理 ：汽 车 在行 驶（ 直 线行 驶 和转 弯 行驶 ）过 程 中 ，每 个车 轮 的 运动 轨 迹 ，都 必须 完 全 符 合它 的自 然 运动 轨迹 ，从 而 保证 轮 胎与 地 面 间处 于 纯滚 动 而无 滑移 现象 。 两 轮转 向 汽车 阿 克 曼原 理 如图 （ ） 转 角 关 系 （ ） 图（）：前后轮轴 距 ：两轮转向 主销距离 但 实际 上 的转 向 中心 不 再后 轮 延 长线 上，这时 汽 车 将产 生 侧 倾力，将 导致 - 9 - 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 O 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） 重 心偏 移 即重 心 测偏 角 。通过 四 轮转 向 技术 ，后 轮微 小的 转角 （ ） 来 控 制 车辆 转 弯时 的 侧倾 角 ，使 重心 侧 偏角 减 小为 零 。这 样 车辆 在 高速 行 驶时 能 迅速 改变 车道 ，车身 又 不致 产生 大 的摆 动 ，减少 了 产生 摆 尾的 可 能性 ，同 时 也改 善 了前 轮 转 向不 足 的问 题 。 四 轮转 向 汽车 阿 克 曼原 理 如图 （ ） 转 角 关 系 图 （） 前 轮与 后 轮同 向 转 向转 角 关系 ： - = （ ） 前 轮 与后 轮 反向 转 向转 角 关系 ： + = （ ） - 10 - 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 O 本 章 小结 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） 本 章对 四 轮 转向 的 具体 结 构做 了 详 细介 绍，并 且 对此 结 构的 转 向 梯形 进 行分 析 ， 对前 轮 转向 器 和后 轮 执行 器 的设 计 提供 了 基 第 三 章 齿 轮 齿条 电 动助 力 转 向器 设 计计 算 转 向 器的 效 率 功 率 从 转 向轴 输入 ， 经 转向 轴 输出 所 求得 的 效 率称 为 正效 率 ， 用符 号 表 示， （ ） ；反 之 称为 逆 效 率，用 符号 表示， （ ） 。式 中 ， 为 转 向器 中 的 摩擦 功 率 ； 为 作用 在 转 向轴 上 的 功率 。 为 了 保 证 转向 时 驾驶 员 转动 转 向盘 轻 便 ，要求 转 向器 传 递 正效 率 高 。为 了 保 证汽 车 转向 后 转向 轮 和转 向 盘 能自 动 返回 到 直线 行 驶位 置 ，又 需要 有 一定 的 逆效 率 。为 了 减轻 在 不平 路 面上 行 驶时 驾 驶员 的 疲劳 ，车轮 与 路面 之 间的 作 用力 传 至转 向 盘上 要 尽可 能 小 ，防 止 打 手又 要 求逆 效率 尽 可 能低 。 转 向 器正 效 率 影响 转 向 器正 效 率的 因 素有 ：转 向 器的 类型 、结 构 特 点、结构 参数 和 制造 质 量 等。转 向器 类 型、结 构 特 点与 效 率 在 前 述四 种 转向 器 中，齿 轮 齿 条式、 - 11 - 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 O 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） 循 环球 式 转向 器 的 正效 率 比较 高 ，而 蜗 杆 指销 式 的 固定 销 和蜗 杆 滚轮 式 转向 器 的正 效 率要 明 显的 低 些 。 同 一类 型转 向器 ，因结 构 不同 效 率 也不 一 样。如蜗 杆 滚 轮 式 转 向器