毕业设计（论文）-主动前轮转向系统的设计与研究.doc

本 科 毕 业 论 文（设 计）题目（中文）： 主动前轮转向系统的设计与研究 （英文）： afss design and research 学 院 信息与机电工程学院 年级专业 06机械中德 学生姓名 学 号 指导教师 完 成 日 期 2010年 4 月1上海师范大学本科毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），题目主动前轮转向的设计与研究是本人在指导教师的指导下，进行研究工作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。除此之外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本人完全意识到本声明应承担的法律责任。 作者签名： 日期： 年 月 日上海师范大学本科毕业论文（设计）选题登记表学生姓名学号060144759专业机械中德学 院信息与机电指导教师姓名/职称题 目主动前轮转向系统的设计与研究本选题的意义及国内外发展简况：转向系统是控制汽车行驶路线和方向的重要装置，性能影响到车辆的操控和稳定性。主动前轮转向技术（active front steering system，简称afs）在方向盘和齿轮齿条转向器之间的转向柱上加入了一套双行星齿轮机构，用来给前轮提供叠加转角，从而实现可变传动比的功能。它为车辆行驶灵敏性、舒适性和安全性设定了新标准，代表了转向技术发展的趋势。本文分析了主动前轮转向的机械转向主要构件双行星齿轮机构的工作原理和模式，并且设计了一个主动前轮转向系统结构，通过一套行星齿轮机构和电机实现主动转向。设计了理想的传动比特性曲线，并对三个特殊车况时主动前轮转向系统工作情况进行了研究。并指出通过与其他控制系统一起实现底盘一体化集成控制将是主动转向技术未来的方向。研究内容：（1） 主动前轮转向的优点（2） 普通机械转向结构的特点（3） 主动前轮转向工作原理工作方法（4） 在电子部分发生故障后的处理办法（5） 发生故障后机械部分的工作（6） 主动前轮转向未来的可能和发展研究方法、手段及步骤：(1) 查阅相关的书籍资料，了解现今普通转向系统，主动前轮转向系统的组成、工作和发展方向。(2) 对于机械部分进行设计计算绘图(3) 演算设计的机械，普通工作和故障时的工作情况(4) 在技术人员的指导下，更好的改进设计，总结实践经验。(5) 学习了解德国先进转向技术主要参考文献：徐石安 汽车构造-底盘工程 清华大学出版社工程材料实用手册 第1卷 结构钢 不锈钢 中国标准出版社时间进度：本研究自1月31日开始，预计用7周完成1、 第一周到第三周：论文选题，制定论文的研究方向，列出提纲2、 第四周到第八周：收集资料，写出论文初稿3、 第九周到第十周：根据老师要求修改论文，对文章进行修改及完善4、 第十一周到第十二周：编排格式，最后定稿学生 （签名） 年 月 日指导教师意见： 指导教师 （签名） 年 月 日专业负责人意见： 专业负责人 （签名） 年 月 日 注：本表与毕业论文（设计）一起存档，保存期为四年。19上海师范大学毕业论文（设计）指导记录表学院： 信息与机电学院 专业机械中德指导教师柳晖学生姓名学号060144759毕业论文（设计）题目主动前轮转向系统的设计与研究日期指导内容存在问题与进一步改进意见教师签名学生签名注：本表由指导教师根据毕业论文（设计）指导工作方案和实际指导情况填写，在指导工作完成后交学院存档，保存期四年。摘要转向系统是控制汽车行驶路线和方向的重要装置，性能影响到车辆的操控和稳定性。主动前轮转向技术（active front steering system，简称afs）在方向盘和齿轮齿条转向器之间的转向柱上加入了一套双行星齿轮机构，用来给前轮提供叠加转角，从而实现可变传动比的功能。它为车辆行驶灵敏性、舒适性和安全性设定了新标准，代表了转向技术发展的趋势。本文分析了主动前轮转向的机械转向主要构件双行星齿轮机构的工作原理和模式，并且设计了一个主动前轮转向系统结构，通过一套行星齿轮机构和电机实现主动转向。设计了理想的传动比特性曲线，并对三个特殊车况时主动前轮转向系统工作情况进行了研究。并指出通过与其他控制系统一起实现底盘一体化集成控制将是主动转向技术未来的方向。关键词：主动前轮转向，可变转向传动比，双行星齿轮系统abstractsteering system is an important component for lane changing control of wheeled vehicles. the active front steering system (afs) integrates a set of dual planetary gear mechanism on the steering column between the steering wheel and rack pinion redirector, using for providing the superposition angle to front wheel, thus realizing the variable steering ratio function. the afs system provides the vehicle with a new standard of driving agility, amenity and safety. it is the trend in development of the steering system. the operating principle and operating mode of dual planetary gears mechanism were analysed. active steering is realized with a planetary gear set and an angel assist motor. the curve of perfect variable steering ratio was designed. the circumstances of active steering in three special situations were analysed. it is the pointed out that using the system, together with other dynamics control system to realize integrated chassis control is the development trend of afs technology in the future.keywords: active front steering, variable steering ratio, dual planetary gears mechanism 目录上海师范大学本科毕业论文（设计）诚信声明 i上海师范大学本科毕业论文（设计）选题登记表 ii上海师范大学本科毕业论文（设计）指导记录表 中文摘要及关键词英文摘要及关键正文 1第一章 绪论1第二章 主动前轮转向系统的基本结构和工作原理3一、主动前轮转向系统的基本结构3二、主动前轮转向系统的工作原理4第三章 主动前轮转向系统的设计5一、前行星齿轮的设计5二、后行星齿轮的设计9三、其余部件的选用和介绍11第四章 几种不同工况下不同工作情况的研究与分析 12 一、当车速为0km/h时13 二、当车速为30km/h时13三、当车速为120km/h时14四、特殊和极限工况14第五章 总结与展望 16参考文献 18致谢19正文第一章 绪论汽车转向性能是汽车的主要性能之一，转向系统的性能会直接影响到汽车的操纵稳定性，对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。如何合理地设计转向系统，使汽车具有良好的操纵性能，始终是设计人员的重要研究课题。在汽车技术的发展过程中，转向技术经历了机械转向系统、液压助力转向系统、电控液压转向系统、电控的电动助力转向系统、主动转向系统和线控转向系统几个阶段。转向技术也由开始时的转向费力并且结构复杂发展到了驾驶员只需提供小部分的转向力，大部分由助力转向装置提供，且结构越来越精简。但是始终存着在一个问题，在传统转向系统或助力转向系统中，方向盘到前轮的传动比是一个严格固定的值。而此的设计会造成这样的缺陷：在汽车停车或者低速工况下驾驶员需要大幅度的转动方向盘，而在高速行驶时又不能是方向盘过于灵敏，不然车辆的稳定性和安全性会随之下降。由此主动前轮转向（active front steering - afs）应运而生。主动前轮转向的技术核心在于通过对前轮加入一个不依赖驾驶员转向盘输入的附加转角，通过叠加转向实现变传动比和对车辆稳定性的主动控制。变传动比：变传动比指根据驾驶条件增加或者减小前轮的转向角度，在低速时电机的作用与驾驶员转动方向盘的方向一致，使转向传动比相较于平时更小，以减小方向盘的转动圈数，提高转向灵敏度和车辆操控性；高速时电机的作用与驾驶员转动方向盘的方向相反，使转向传动比相较于平时更小，以减少前轮的转向度数，提高稳定性和安全性。主动前轮转向控制根据车速等情况选择合适的转向传动比，解决了行驶过程中转向灵敏度、车辆安全性和稳定性的矛盾。让驾驶更舒适、更灵活，最最重要的是更安全。稳定性控制：主动前轮转向可通过电子控制的机械控制器自动修正转向角度，干预偏航情况的发生增加车辆的稳定性。特别是在危急情况下，主动前轮转向会及时的修正有驾驶员操控的车轮位置，使车辆能更高速、高效的稳定驾驶。国外对于主动转向的研究在上世纪的60年代就开始了。2003年宝马公司在部分5系汽车上安装了由其与zf公司联合开发的主动前轮转向系统并成功上市。随着宝马5系新款不断推出，宝马公司的前轮主动转向技术也不断成熟。在宝马推出成功产品后，保时捷公司也在其997系列上装配了一款可变传动比系统。随后奔驰c级轿车与奥迪公司也相继推出各自的可变转向传动比系统。国内在主动前轮转向系统研究方面起步相对较晚，但是主动前轮转向系统的控制技术越来越受到重视，因为主动转向系统无论在当前还是今后都将是发展的一个方向，所以近些年国内科研单位和众多学者对于主动转向系统和主动转向系统的控制进行了不少的研究。本文着重对于主动前轮转向进行研究，根据宝马汽车前轮主动转向来设计一个行星齿轮机构的可变转向传动比转向，并设计几种特殊工况下的不同工作情况。第二章 主动前轮转向系统的基本结构与工作原理一、主动前轮转向系统的基本结构主动前轮转向系统（图2-1）保留了传统转向系统中的机械结构：方向盘、转向柱、齿轮齿条转向机构和转向横拉杆，但为了实现转向传动比的改变，在方向盘与齿轮齿条机构之间的转向柱上添加了一套行星齿轮机构和电子伺服转向系统，用它来提供叠加转向角。图2-1 主动前轮转向系统图2-2为双行星齿轮机构的简图。输入轴与方向盘连接，另一端与前太阳轮连接，前太阳轮、前行星轮、行星架、齿圈形成了行星齿轮传动；后太阳轮、后行星轮、行星架、齿圈也形成了行星齿轮传动（两个行星齿轮都为ngw型，即行星轮与内齿圈内啮合，太阳轮与行星轮外啮合）两个行星齿轮传动机构共用一个行星架进行力传递，传动比也相同，前齿圈被固定，输出轴的一端与后太阳轮连接，另一端与转向器连接。蜗杆由电机驱动，蜗杆与后齿圈外圈的涡轮啮合。1、输入轴 2、前太阳轮 3、前行星轮 4、前齿圈 5、行星轮6、蜗杆 7、后齿圈 8、后行星轮 9、后太阳轮 10、输出轴图2-1 双行星轮系传动简图二、主动前轮转向系统的工作原理（1）伺服电机不工作：即蜗轮固定不动，方向盘转角通过前太阳轮，前行星齿轮，行星架，后行星齿轮，后太阳轮输出。此时伺服电机输入电流为零，保证涡轮不动，此行星轮系传动比为1：1。（2）方向盘不动：即前太阳轮固定，此时可由伺服电机通过蜗轮，后齿圈，行星轮，后太阳轮传递出动力。这可使伺服电机主动的对前轮进行调节，对车辆的不稳定进行自动的补偿，提高车辆的稳定性。（3）通常情况：方向盘与伺服电机同时工作，此时输出的转角是由电机与方向盘的叠加转角，伺服电机可根据驾驶条件自动的进行车辆转向传动比的调节，从而增加或减小转向角度。伺服电机的主动控制是由车辆的各种传感器如：车速传感器、方向盘转角、横向加速传感器等给出的信号，经过ecu计算出所要叠加转向的角度，给伺服电机不同大小的电流来实现的。由此，可使前轮转向角根据驾驶员的意图和不同工况而发生连续的变化，达到提高车辆轻便性和驾驶稳定性的目的。第三章 主动前轮转向的设计一、前行星齿轮的设计（1）行星轮的配齿计算此系统的转向叠加系统由双行星轮系完成，两个行星轮都采用相同的2z-x（a）行星轮。一般的货车角传动比为1632，轿车的约为1220，而加入主动前轮转向系统后，希望达到的角传动比变化在1020。则设定转向器的固定传动比为中间值15。先对于前行星轮进行设计。根据2z-x行星齿轮传动的传动比公式式中为行星齿轮传动的特性参数，与传动比有关。值必须合理的选取太大或太小都是不合适的。若值太大，则可能使值过大或者过小。通常内齿轮b的尺寸受到了整个零件大小的限制，一般为了减小整个零件的尺寸不能过大。而中心轮a的尺寸又受到了最少齿数的限制，所以不能过小。现在考虑到行星轮要求尺寸小，且有一些冲击，则选取齿数=19和行星轮数目=3。传动比取为=5根据2z-x型传动的配齿比例关系式计算后可得：=19，=28.529，=76，经查表得出最接近的齿轮系的配齿齿数为=19，=29，=76（2）初步计算齿轮的主要参数齿轮材料和热处理选择：中心轮a行星轮c和齿圈b均采用40cr，表面淬火，齿面硬度4855hrc，查表得接触疲劳极限=1200mpa，弯曲疲劳极限=740mpa按抗弯强度的初算公式计算模数为 算式系数，对于直齿圆柱齿轮传动=12.1 啮合齿轮副中小齿轮的名义转矩 使用系数 综合系数 计算弯曲强度的行星轮载荷分布不均匀系数 小齿轮的齿形系数 小齿轮齿宽系数 齿轮副中小齿轮齿数 实验齿轮弯曲疲劳极限现取驾驶员施加在方向盘的力为普通转向系统的最大力大约为100n方向盘直径为35cm，忽略传动效率损失，则前行星轮太阳轮所受的扭矩为35n/m；取算式系数=12.1；取使用系数=1.6；取综合系数=1.1；查得行星轮间载荷分布不均匀系数=1.1，由公式可得=1+1.5（1.1-1）=1.15；查得齿形系数=2.1；查得齿宽系数=0.75。则齿轮的模数为取齿轮模数=1.5（3）几何尺寸计算求得模数之后可继续求得其他几何尺寸压力角取标准值分度圆直径查得齿顶高系数查得顶隙系数太阳轮a与行星轮c为外啮合，齿顶高行星轮c与齿圈b为外啮合，齿顶高齿根高全齿高齿顶圆直径齿根圆直径基圆直径（4）行星齿轮转动装配条件的验算接邻条件：几个行星轮之间不产生碰撞，必须保证它们齿顶之间在其连心线上有一定间隙，即两相邻顶圆半径之和应小于中心距。显然设计满足此条件同心条件：中心轮a，b与行星轮c的所有啮合齿轮副的实际中心距必须相等。计算后也满足安装条件：几个行星轮在中心轮均匀分布，而且每个行星轮能同时与两个中心轮啮合而没有错位。满足条件（5）行星齿轮传动的强度验算因此行星轮系采用硬齿面齿轮，其承载能力主要取决于齿根弯曲强度，故按齿面接触强度条件公式进行验算 区域系数，对于标准齿轮为2.5 弹性系数 齿宽 齿数比结果验算合格。行星轮与齿圈的验算结果也合格。二、 后行星轮设计后行星轮的几何尺寸与前行星齿轮相同，但后行星轮的齿圈要与电机相连，则需要一个涡轮蜗杆机构。要设计蜗轮蜗杆机构先要计算所需的外齿圈的传动范围。需要的总传动比变化范围为1020，现求得前行星轮的传动比约为5，而所需的双行星轮的传动比为0.672，则后行星轮所需变化的范围为0.130.4。对于2z-x差动行星轮，当齿圈与行星架为输入太阳轮为输出时，其基本构构件转速之间的关系可以应用公式等式左边为输出构建的转速，右边两项分别为一个输入构件转速与另一个输入构件固定时，输出构件传动比的乘积。进一步可推得当齿圈b固定时，行星齿轮传动的传动比为0.2；当行星架x固定时，行星齿轮的传动比为0.8。假设行星架上的输入转速为n，齿圈上的输入转速为x，输出转速为n，假设齿圈旋转方向与行星架旋转方向一致，则现有两种情况，第一种想取得后行星轮传动比为0.13，第二种想取得后行星轮传动比为0.4，则（负号表示与假设方向相反）可见齿圈上叠加的转速在2倍方向盘转速左右，现假设方向盘上的最高转速为80r/min，则齿圈上的转速最高为172r/min。由于电机及蜗轮蜗杆系统转速要求不高，功率要求也不高，所以不做过多计算。下图3-1为设计完成的行星齿轮系图图图图图图三、 其余部件的选用和介绍ecu对于此行星轮系的控制还要取决于一些传感器所给出的信号，如车速传感器，侧向加速度传感器等等，此外还需要方向盘转角传感器。可选用光电式转角传感器，传感器的光敏三极管在遮光盘的作用下或者导通，或者截至，就给ecu转向器速度转角的信号。同时，传感器采用两套光电系统，根据给出信号的先后可以判断转向盘的旋转方向。此传感器可装在转向轴上。同时对于电机的工作情况也要进行检测。可用普通的ecu自诊断。当系统中出现故障，如电机不工作，车速传感器给出的信号不正常时。系统必须有一个安全措施，使得电机不会错误工作，导致车辆跑偏或者转向不正确。所以在电机连出的蜗杆上端有一个电磁插销，当系统正常工作时，电磁插销的电磁线圈上通直流电，电磁阀工作，使插销克服弹簧的力留在原位，当系统出现故障时ecu切断电磁阀的电流，弹簧使插销扎入蜗杆顶端的凹槽中，机械的令蜗杆停转，并在仪表板上出现警告灯，提醒驾驶员去车厂维修。而后行星轮齿圈的锁死只影响了行星轮系叠加转角的功能，转向系还可以像普通机械转向一样工作，控制汽车转向。本文设计的行星轮系配合的是普通的齿轮齿条转向器，但是afs系统还可以与液压助力转向或者电控助力转向结合，由前轮主动转向控制和改变转角，由助力转向系统改变转矩。更可提高汽车的驾驭性，以及安全可靠。第四章 几种不同工况下不同工作情况的研究与分析主动前轮转向在转向的过程之中应该随着路况的不同而产生不同的控制。因此，要有以下几个目标：1.随车变化的助力：虽然系统是辅助转向，但是改变了传动比也就适当起到了助力的作用。2.主动对车辆稳定新进行控制：可根据可变传动比来减少世纪车辆运动与期望的运动之间的差异，提高行驶稳定性。3.有适当的路感：过度的传动比变化可能会导致行驶时路感过差，所以车速高时不光要考虑稳定性，也要使驾驶员心中有数。4.快的响应速度：不仅仅是ecu或者是传感器控制器的速度，电机也必须在需要的时候就达到其应该达到的理想转速。上面的目标中很有可能存在着互相之间的冲突，所以要根据工况的不同而有不同的取舍，以求达到最好的控制状态。为了研究控制情况，以及对于车辆带来的改善，选取了三个特殊的时刻进行研究。这三个时刻分别为车速0km/h，30km/h，120km/h，这三个不同的车速分别代表了静止，低速和高速。理想转向传动比与汽车车速的关系如下根据设计初衷和实际车况，设定=10， =20， =30， =120则可以得到设计的理想公式图4-1为理想的车速和其传动比的简图图4-1 理想传动比一、当车速为0km/h当车辆为静止时，往往需要驾驶员大幅度快速的操纵方向盘，这增加了驾驶员的身体负担，此时设计传动比为最小，大约为10，这样在方向盘上驾驶员所要操纵的圈数就可比正常传动比时下降约三分之一，即原本需要三圈达到的转向角只要两圈就可以达到。但是传动比的下降，一定程度上使得转向所需要的力更大，且汽车在静止情况下，轮胎与地面的摩擦力最大，使得驾驶员操作汽车转向时要用较大的力。这个缺陷使得传动比不能设计过小，否则对转向机构及驾驶员负担过重。若有助力转向机构则在一定程度上解决了一部分问题。二、当车速为30km/h 当车速低于30km/h时车辆慢速前进，当在普通城市中进行转弯操作或者紧急避让障碍物情况时，仍需要较小的转向比来灵敏的操纵汽车进行转弯，且此时汽车正在行驶，相对的，对于方向盘的扭矩输出要求就相对降低，汽车稳定性得到相当的提高。而当车速慢慢超过30km/h时，由于车速的提高，过小的转向传动比可能会导致转向过度，此时需要将传动比提高，提高在直线行驶时的稳定性，且确保汽车走线正确。而车速的提升使得整体汽车对于转向的敏感度提高，提高转向比也不会需要驾驶员过多的操作方向盘。理想控制中传动比随车速的提高而线性上升也较符合实际情况。三、当车速为120km/h此时车辆已经达到高速，对于稳定性的要求很高，所以使转向传动比达到最大，车辆转向响应增益减小，不会产生小方向盘转角就生成一个较大的侧向加速度，这样减轻了驾驶员的精神负担，也降低了错误操作的可能性。此理想传动比图可根据各种汽车的不同情况，对于，进行合适的调整。四、特殊和极限工况上述的情况是普通情况下的控制，而当在较高速的时候遇到危险情况，驾驶员采取紧急制动，此时为特殊工况。主动转向系统将独立于驾驶员对转向进行干预来稳定车辆，通过一定的横摆力矩补偿，使制动稳定性得到提高。在这种工况下由于左右轮上不同的制动力会产生绕车辆质心的横摆力矩，车辆会发生制动跑偏现象。esp系统通过调节制动力来使得左右车轮制动力尽量相等，但此程序是以减小制动减速度增加制动距离为代价的。而主动前轮转向是以调整相应的前轮转向角来实现方向的调节，以此补偿横摆角速度。在这一过程中，驾驶员无需对方向盘进行操作，并且保持了制动时方向的稳定，减小了制动的距离，与传统的esp相比可减小约10%的制动距离。与esp相比，前轮主动转向在此工况下具有这些优点：转向干预过程不易被驾驶员察觉，对于舒适性基本没有影响，而制动干预过程会有较大的制动减速度，会影响乘坐舒适性；其次，转向干预过程更为快速，因为干预通过伺服电机进行完成，不同的电流大小，不同的旋转方向，变化速度很快十分灵敏，而制动干预过程通过液压来完成，还需先建立油压，这有一定的过程；还有，转向干预相对于制动干预对于车速的影响较小，是汽车有较高的通过速度，降低了与其他车辆因避让不及而产生的碰撞隐患。然而通过前轮转向系统对于转向的干预只能适用在过多转向的情况下。因为在转向不足时汽车轮胎所受到的侧向力达到饱和，通过增大前轮转向角很难改变转向不足的趋势。而且受到转向机构机械的限制，前轮转角的改变量也有限，则转向干预稳定车辆的能力就弱于制动干预，也就是说在极限工况下单纯依靠主动前轮转向稳定汽车是很难实现的。因此可以说将多种底盘控制系统集成控制是主动前轮转向系统未来的发展方向之一。第五章 总结与展望一、总结 主动前轮转向系统通过双行星轮系实现了转向叠加的功能，提高了汽车的稳定性。 本文在阅读大量参考文献的基础上，首先对于主动前轮转向的机械结构工作原理进行了分析，设计了主动前轮转向的核心部件，双行星齿轮机构，设计了理想变传动比的图形，并对其进行了分析，对于特殊和极限工况下的工作情况也进行了分析。对于主动前轮转向系统的作用和性能进行了客观和主观的评价。 二、展望由于在极限工况下主动前轮转向的作用相对有限，则极限工况下不可单靠主动前轮转向来控制。可以通过纵向运动（驱动、制动）的控制产生的直接横摆力矩来影响，同时，还与车辆的悬架系统有着密切关系。所以未来的发展方向之一就是主动前轮转向系统与其他各系统的集成控制。通过集成控制，可以将各个系统对于操作稳定性的优势发挥出来，最大限度的发挥在极限工况下的稳定性。图5-1 主动前轮转向和制动集成控制系统算法框图此外，在前轮转向系统中若出现故障，只是对系统进行限制性设置，一旦检测到了不正常的信号即关闭各个执行器，实现纯机械化转向，但缺少对于失效模式的分析，可进行进一步研究。双行星齿轮机构的故障诊断等方