开题报告-汽车转向系统的设计与分析.doc

中 北 大 学毕业设计开题报告 学 生 姓 名：学 号：学 院：机械与动力工程学院专 业：车辆工程设计题目：汽车转向系统的设计与分析指导教师:2017年 3 月 10 日毕 业 设 计 开 题 报 告1. 选题依据:文献综述 一、 选题目的和意义 转向系统是汽车的主要子系统之一,其性能直接关系到汽车的操纵稳定性和舒适性,对于确保行车安全、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。近年来，随着社会生活的汽车化，汽车的保有量不断增加，由此造成交通情况错综复杂，使得驾驶员转向盘的操作频率增大，这就需要减轻驾驶疲劳，提高操纵的轻便性和灵活性，因此对动力转向系统的要求也越来越高。 转向系统是汽车底盘的重要组成部分，转向系统性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性，它对于确保车辆的行驶安全、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作用。随着现代汽车技术的迅速发展，汽车转向系统已从纯机械式转向系统、液压助力转向系统（HPS）、电控液压助力转向系统（EHPS），发展到利用现代电子和控制技术的电动助力转向系统（EPS）及线控转向系统（S B W ）。 二、国内外研究现状的概述 1. 国外研究现状的概述 作为汽车的一个重要组成部分，汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总 成，如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的操纵设计显得尤为重要。汽车转向系统经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统3个基本发展阶段机械式的转向系统，采用纯粹的机械解决方案，为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘，因此占用的空间很大，整个机构显得比较笨拙，驾驶员负担较重，特别是重型汽车转向阻力较大，单纯靠驾驶员的转向力很难实现转向，这就大大限制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉，目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使用。 自1953 年通用汽车公司在凯迪莱克和别克轿车上首次批量使用液压动力转向系统（HPS）以来, 液压动力转向系统给汽车带来了巨大的变化:人不再需要靠大直径的转向盘来产生足够的转向力矩, 转向盘的减小, 使得驾驶室变得宽敞起来, 座椅布置也变得更为舒适了;液压动力转向系统在降低了转向操纵力的同时, 也使转向变得更为灵敏。随着技术的发展,液压动力转向系统在体积、价格和所消耗的功率等方面都取得了惊人的进步。今天,液压动力转向系统几乎成为销售轿车的标准装备。 电动助力转向（EPS）在日本最先获得实际应用，1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，并装在其生产的Cervo车上，随后又配备在Alto上。此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的Delphi公司，英国的Lucas公司，德国的ZF公司，都研制出了各自的电动助力转向系统。电动助力转系系统的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期开发的EPS仅低速和停车时提供助力，高速时EPS将停止工作。新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。随着电子技术的发展，EPS技术日趋完善，并且其成本大幅度降低，为此其应用范围将越来越大。 2. 国内研究现状的概述 我国汽车转向系统的发展经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统3个基本阶段，线控转向系统为其发展趋势。由于在降低油耗以及提升安全性方面的优势，电动助力转向系统（EPS）在乘用车市场每年正以9%-10%的增长速度发展，而商用车也逐渐从液压助力过渡到电液助力转向。对于乘用车市场来说，目前外方独资或合资企业占据了EPS约81%的市场，国内本土企业仅有大约9%，因此对于国内企业这是一片全新的市场。而在商用车市场中，大多国内企业仍以液压助力转向为主，电液助力转向的发展给国内企业带来的新的挑战。因此在这样的趋势下，无论是在传统市场还是在新兴市场，对于国内转向系统的企业而言都需要更加关注同行、技术与市场的变化。 三、相关理论 尽管现代汽车转向系的结构形式多种多样，但都包括转向操纵机构、转向器和转向传动机构三个基本组成部分。 转向操纵机构是驾驶员操纵转向器的工作机构，主要由转向盘、转向轴、转向管柱等组成。 转向器是将转向盘的转动变为转向摇臂的摆动或齿条轴的直线往复运动，并对转向操纵力进行放大的机构。转向器一般固定在汽车车架或车身上，转向操纵力通过转向器后一般还会改变传动方向。汽车转向系按转向动力源的不同，分为机械转向系和动力转向系两大类。机械转向系是以驾驶员的体力(手力)作为转向动力的转向系，其中所有传力件都是机械的。动力转向系是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向动力的转向系。 转向传动机构是将转向器输出的力和运动传给车轮(转向节)，并使左右车轮按照一定关系进行偏转的机构。 至今，汽车转向系统经历了传统机械转向系统、液压助力转向系统、电液助力转向系统和电动助力转向系统 5个发展阶段。目前汽车转向系统正处在液压助力转向系统、电液助力转向系统向电动助力转向系统发展的过渡阶段【1】。 （1）传统机械转向系统 传统机械转向系统（MS）主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构 3 部分组成。转向操纵机构是驾驶员操纵转向器工作的机构，包括从方向盘到转向器输入端的零部件。转向器是把方向盘传来的转矩按一定传动比放大并输出的增力装置,转向器最早采用的是蜗轮蜗杆式，以后陆续出现了螺杆螺母式、齿轮齿条式、循环球式等形式。转向传动机构是把转向器输出的力矩传递给转向车轮的机构，包括从转向摇臂到转向车轮的零部件【2】。当汽车需要改变行驶方向时，驾驶员通过转动方向盘，转向力矩经由转向轴、转向器、直拉杆、横拉杆和梯形臂等机件使转向节偏转，实现汽车方向的改变。 传统机械转向系统的优点是结构简单、工作可靠、生产成本低。其缺点也非常明显：随着汽车速度的提高和汽车质量的增大，转向操纵难度增大，转向越来越费力。是其传动比是固定的，即角传递特性无法改变，导致汽车的转向响应特性无法控制，传动比无法随汽车转向过程中的车速、侧向加速度等参数的变化而进行补偿，驾驶员必须在转向之前就对汽车的转向响应特性进行一定的操作补偿，这样无形中增加了驾驶员的精神和体力负担【2】。 (2)液压助力转向系统 液压助力式转向系统在机械式转向系统的基础上增加了液压助力系统，借助汽车发动机的动力驱动油泵，以液力增加驾驶员操纵前轮转向的力量。液压动力式转向系统由于可以减少一定的转向器传动比， 在一定程度上缓解了“轻”和“灵”的矛盾【3】。 传统液压助力式转向系统一般按流液的形式可分为常流式和常压式 2 种类型。 随着高速公路的不断延伸和汽车速度的不断提高，传统液压助力式转向系统的缺点逐渐显现，即：由该系统的结构所决定，很难保证汽车在停车或低速与高速行驶时同时具有适度的转向手感。同时，采用液压助力式转向系统的车燃油经济性较差和发动机停止运转时该系统不能提供助力、维修成本较高等，都限制了它的发展。 (3)电液助力转向系统 电液助力转向系统的转向助力特性在工作时可以改变。它主要有 2 种类型：电控液压助力转向系统(ECHPS)和电动液压助力转向系统(EHPS)。目前汽车上应最多的是电动液压助力转自系统。 电控液压助力转向系统（ECHPS）是在液压助力转向系统基础上增加了控制液体流量的电磁阀、转矩传感器、车速传感器以及转向控制单元等元件。理想情况下，汽车在原地转向时要求转向尽量轻便，在汽车以不同的速度运行时，能实时提供相应的转向助力以克服该运行速度下的转向阻力，使驾驶员既能轻便地操纵方向盘，又有足够的路感。 电动液压助力转向系统（EHPS）也是在液压助力转向系统基础上发展起来的。其特点是将原来由发动机驱动的液压助力泵改由电动机驱动，并且增加了车速传感器、转向角速度传感器以及转向控制单元等电控装置。该系统的液压储油罐、油泵、电动机和转向控制单元都集成在电动机油泵组内。工作时转向控制单元根据汽车的行驶速度和方向盘转向角度等输入信号计算出理想的输出信号，控制电动机输出适当的功率，驱动液压助力泵工作。通过液压油为转向器提供助力【4】。 (4) 电动助力转向系统(EPAS或EPS) EPS系统最早是由日本的铃木汽车公司于1988年2月开发的,装备于Cervo的微型轿车【5】,随后还安装在Alto上。 1993年,本田汽车公司是世界上第一个把EPS作为标准装备配置在高级运动跑车AcuraNSX的汽车生产商。随后,日本大发的Mira和三菱的Minica都相应安装了EPS系统。此后,电动助力转向技术得到了迅速发展,日本的NSK、美国的DELPHI,TRW,英国的Lucas以及德国的ZF等,都相继研制出了各自的EPS系统。菲亚特和雷诺等首先采用电动助力转向技术的公司在A,B,C级轿车的转向柱上安装了助力电动机,两家公司都有约70%车型采用了转向柱助力型EPS。Ford和GM公司选择了TRW公司提供的一种过渡技术,即电动液压转向技术。大众汽车公司则在其PQ 35GOLF平台上采用了ZF公司提供的复杂的双小齿轮助力型EPS。 清华大学对EPS控制系统的基本助力控制、回正控制和阻尼控制进行了研究设计了基于PID算法的控制策略【6】。吉林大学、北京理工大学就EPS系统的匹配设计,转向性能的客观评价进行了研究【7】【8】。江苏大学对EPS系统稳定性分析,回正控制算法等进行了研究【9】【10】。华中科技大学在转向力矩、路感等方面进行了研究【11】。天津大学对EPS系统的助力特性及系统稳定性条件等方面进行了研究【12】。 (5) 线控动力转向系统 随着动力转向技术的发展，线控动力转向系统(Steering By Wire，简称 SBW)是随着汽车电子技术发展的最新成果而成长起来的一种全新转向系统。它通过电线传递信号，控制执行机构动作来取代传统转向系统的机械传动和机械连接，助力矩由主控制器在相应参数进行解算之后，向转向执行电动机下达指令，由转向助力电动机提供。 SBW 取消了转向盘和转向轮之间的机械连接装置，改由方向盘模块、转向执行模块和主控制器 ECU，3 个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助模块组成。它是由一个实时总线结构（例如 CAN，TTP 或 Flex Ray）连接到设备【13】。可以很方便的和其他系统集成、统一协调控制。系统工作时，传感器检测驾驶员的转向数据，然后通过数据总线将信号传递给车上的 ECU，并从转向控制系统获得反馈命令【14】。转向控制系统也从转向操纵机构获得驾驶员的转向指令，并从转向系统获得车轮情况，从而指挥整个转向系统的运动。转向系统控制车轮转到需要的角度，并将车轮的转角和转动转矩反馈到系统的其余部分，比如转向操纵机构，以使驾驶员获得路感，这种路感的大小可以根据不同的情况由转向控制系统控制。该转向系统具有许多优点【15】：消除转向干涉问题；去掉了原来转向系统各个模块之间的刚性机械连接，大大方便了系统的总布置；舒适性提高；可以个性化地适合特定的驾驶者和驾驶环境，与转向有关的驾驶行为都可以通过软件来实现；消除了撞车事故中转向柱伤害驾驶员的可能性，不必设置转向防伤机构；驾驶员腿部活动空间增加，出入更方便。 四、研究内容 本课题以长安福特-新蒙迪欧为参考车型，以机械式转向器为主的转向系统进行设计。 参考文献 1 舒华,姚国平.汽车新技术M.北京:国防工业出版社,2005. 2 朱华.汽车电动助力转向系统及其研究现状J.汽车零部件,2009,3 (6): 76-78. 3王望予.汽车设计M.第3版.北京:机械工业出版社,2001.4 周淑辉,李幼德等. 汽车电子控制转向技术的发展趋势J.汽车电器,2006 (11) :1-3. 5NAKAYAMA T,SUDA E.ThePresentandFutureofElectricPowerSteeringJ.Int.JofVehicleDesign,1994,15(3,4,5):243 254.6 黄安华,卜宪卫.浅谈汽车的转向系统J.AutomobilParts,2010,1(1):81-82. 7林逸,施国标,邹常丰.电动助力转向系统转向性能的客观评价J.农业机械学报,2003,34(4):4 7.8施国标,林逸,邹常丰,等.电动助力转向系统匹配设计的研究J.公路交通科技,2003,20(5):125 128.9何仁,徐建平.电动助力转向系统稳定性分析J.江苏大学学报(自然科学版),2004,25(4):294 297.10徐建平,何仁,苗立东,等.电动助力转向系统回正控制算法研究J.汽车工程,2004,26(5):557 559.11叶耿,杨家军,刘照,等.汽车电动式动力转向系统转向路感研究J.华中科技大学学报(自然科学版),2002,30