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新型能源汽车关键零部件研发—汽车转向器的设计【优秀】【word+4张CAD图纸全套】【汽车车辆工程类】【毕设】

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新型能源汽车关键零部件研发—汽车转向器的设计【优秀】【word+4张CAD图纸全套】【汽车车辆工程类】【毕设】.rar

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关键词：: 新型能源汽车关键零部件研发转向器转向节车辆工程

资源描述：

新型能源汽车关键零部件研发

汽车转向器的设计

新型能源汽车关键零部件研发—汽车转向器的设计【优秀】【word+4张CAD图纸全套】【汽车车辆工程类】【毕业设计】

【带任务书6+开题报告+鉴定意见+评阅表+外文翻译】【36页@正文16300字】【详情如下】【需要咨询购买全套设计请加QQ1459919609】.bat

中期检查表.doc

任务书.doc

开题报告.doc

正文.doc

装配图.dwg

评阅表.doc

转向立柱.dwg

鉴定意见.doc

齿条.dwg

齿轮.dwg

湘潭大学

毕业论文（设计）任务书

论文（设计）题目：新能源汽车关键零部件研发

一、主要内容及基本要求

去相关企业现场调研参观考察和查阅相关文献资料，熟悉了解新能源汽车的发展现状，基本掌握电动空调、电动转向、电动制动器等电动化附件的原理，对其装置进行整体结构设计。

要求：

1、查阅相关资料，掌握本次设计和研究的具体内容；

2、设计参数，包括工作参数计算；

3、若干图纸；

4、撰写毕业设计说明书。

5、技术文献翻译，字数3000字以上。

二、重点研究的问题

新能源的关键零部件装置设计。

三、进度安排

序号各阶段完成的内容完成时间

1查阅资料、调研第1-2周

2开题报告、制订设计方案第3周

3方案（设计）第4-5周

4新能源的关键零部件装置设计第6-7周

5写出初稿，中期检查第8-9周

6修改，写出第二稿第10-11周

7写出正式稿第12-13周

8答辩第14周

四、应收集的资料及主要参考文献

陈文波. 我国新能源汽车的关键技术与发展瓶颈[J]. 交通标准化. 2011(19)

李钦军. 基于低碳经济背景下广州市新能源汽车产业发展政策研究[D]. 华南理工大学 2012

高铭泽. 中国新能源汽车产业研究[D]. 吉林大学 2013

薛冬美. 我国新能源汽车产业发展战略研究[D]. 山西财经大学 2011

Lopez-Baldovin MJ,Gutierrez-Martin C,Berbel J.Multicriteria and Multiperiod Programming for Scenario Analysis in Guadalquivir River Ir-rigated Farming. Journal of the Operational Research Society . 2006

摘要I

Abstract：II

第1章绪论- 1 -

1.1 本设计的研究背景- 1 -

1.2 课题研究目的与意义- 3 -

1.3 本设计的研究内容- 4 -

1.4 转向系统的要求- 4 -

第2章汽车主要参数的选择- 6 -

2.1 汽车参数- 6 -

2.2 基本要求- 7 -

第3章转向系分析- 8 -

3.1 转向操纵机构- 8 -

3.2 转向轴和转向管柱的结构设计- 8 -

3.3 转角及最小转弯半径- 10 -

第4章转向系的主要性能参数- 12 -

4.1 转向系的效率- 12 -

4.2 转向器角传动比的选择- 13 -

4.3 转向器传动副的传动间隙△t- 14 -

4.4 转向器传动副的间隙调整- 15 -

4.5 转向盘的总转动圈数- 16 -

第5章转向器设计与计算- 17 -

5.1 转向阻力矩- 17 -

5.2 汽车方向盘（转向盘）作用力- 17 -

5.3 角传动比与力传动比- 18 -

5.4 齿轮设计- 19 -

5.5 齿轮轴的设计- 23 -

第6章转向传动机构设计- 24 -

6.1 转向传动机构原理- 24 -

6.2 转向梯形的布置- 25 -

6.3 转向梯形机构尺寸的初步确定- 25 -

6.4 梯形校核- 25 -

6.5 转向传送机构的臂、杆与球销- 26 -

6.6 转向横拉杆及其端部- 27 -

6.7 杆件设计结果- 28 -

第7章其他零件的选择- 29 -

7.1六角螺栓的选择- 29 -

7.2弹簧的选择- 29 -

7.3垫圈的选择- 29 -

7.4油封的选择- 29 -

7.5滚动轴承的选择- 29 -

7.6推力轴承的选择- 29 -

结论- 30 -

参考文献- 31 -

致谢- 32 -

附录 I 译文- 33 -

附录II 英文原文- 43 -

新型能源汽车关键零部件研发—汽车转向器的设计

摘要：伴随着全球能源的日趋紧张，生态环境的日益恶化，有关于新能源汽车开发和应用的问题逐渐成为各国汽车产业积极开拓和创新的焦点。全球汽车产业格局正面临第四轮重构，未来的汽车产品将朝着高效、安全、节能、环保、零污染、零排放的方向迈进，“新能源汽车”这一概念也随之成为业界关注的重点，成为各国在汽车产业方面竞相研发的目标。

本课题的设计题目是汽车转向器的设计。在本设计中，我选取的车型是五菱荣光2011基本版，以齿轮齿条转向器的设计的主要设计中心，一是转向系的总述；二是转向器的选择；三是齿轮与齿条合理的匹配，以达到转向器的合理传动比和强度的要求；四是梯形结构设计与优化。本设计利用转向盘的旋转带动传动机构的转向轴转向，通过万向传动装置带动转向齿轮轴旋转，转向齿轮轴和转向齿条相啮合，从而促使转向齿条做直线的运动，实现汽车的转向。这样的设计实现了转向器结构简单，轴向尺寸小，而且零件数目也少，从而达到汽车转向的灵敏性和稳定性的要求。计算主要进行了转向器齿轮齿条的设计计算与校核和对转向齿轮轴的设计校核，主要是采用汽车设计的经验参数和大学里所学机械设计中课程内容和汽车设计、汽车构造的理论进行设计，其结果基本满足强度要求，安全可靠。

关键词：汽车，电动助力，转向机构，齿轮齿条，转向梯形

The research and development of new?energy vehicle?key parts— The design of?steering gear?of automobile

Abstract：With the global energy is becoming more tense, the deterioration of ecological environment, about the new energy vehicle development and application problems gradually become the focus of national automobile industry to actively explore and innovation point. The global auto industry pattern is facing the fourth round of reconstruction, automobile products of the future will be more efficient, safe, energy saving, environmental protection, zero pollution, zero emission direction, the concept of "new energy vehicle" has become the focus of attention in this industry, become the world automobile industry to develop in the aspect of target.

A design of this project is to design a vehicle steering system. In this design, I select models is the WuLing glory 2011 basic version, with rack and pinion steering main design center is designed, one is the overview of steering system; two is the choice of mechanical steering gear and the rack; three is a reasonable match, in order to achieve reasonable sensor dynamic steering ratio and strength requirements; four is a trapezoidal structure design and optimization. Steering wheel rotary drive transmission mechanism of the steering shaft steering using this design, drives a steering gear shaft to rotate through the universal driving device, steering gear shaft and the steering rack meshed, prompting the steering rack linear motion, to realize auto. This design realizes the steering device has the advantages of simple structure, small axial size, and the number of parts is small, so as to achieve steering sensitivity and stability requirements. The calculation includes the calculation and checking of the steering rack and pinion steering gear shaft design, mainly using the machine learning experience in automotive design parameters and design in the university curriculum content and the car design, automotive structure theory is designed, and the results meet the strength requirements, safe and reliable.

Keywords: Car,?Elektroprivreda, Steering gear,?Rack and Pinion,?Steering trapezium

第1章绪论

1.1 本设计的研究背景

汽车产业是推进我国国民经济快速发展的关键产业之一，是带动经济发展的龙头产业，可以说汽车工业是国民经济的支柱产业。汽车产业每增值 1 元，钢铁、水泥等上游产业和石化、汽车装饰等下游产业将分别增值 0.65 元和 2.63 元左右，并且该增长具有相对稳定性和持续性。中国汽车消费市场具有巨大的潜力：2009 年，我国汽车产、销量均突破 1000 万辆，超越美国成为了世界第一大汽车消费市场，2010 年汽车产、销量均超过 1800 万，中国卫冕汽车产、销第一大国。汽车产业的发展壮大对以内需主导的经济增长模式意义重大。

近几十年来，汽车制造业在国内得到了突飞猛进的发展，国内的各个自主品牌争先恐后的进行着科技的自主创新。近几年来，在许多国际车展中，国内的自主品牌也开始崭露头角，在汽车的创新、质量、制造工艺等方面得到了国内外的一致好评，但国内的汽车也还处于高速发展的阶段，与国外知名的汽车强国相比，还是有着很大的差异。

对于转向系统的定义，它是一套改变或者保持汽车行驶方向的机构，因此就要求它能对驾驶者的指令做到响应快、准、稳这三点，当在驾驶者松开方向盘的时候，应可以达到汽车自动回正的要求。

随着如今私家车越来越多，各式各样的档次的轿车进入了我们的生活中。快速且高效的生活节奏加上我们对高速度体验的向往，这就要求汽车车速的不断提高。但是由于汽车基数大而且交通越来越复杂，并且转向盘的操作频率是很高的，因此这就给我们的驾驶带来了极大的疲劳。

因此，快速发展汽车产业和不断增长的需求量以及对汽车更舒适安全的驾车体验要求，这就要求汽车转向系统能做到性能高而且成本低。

本课题以现在国产轿车最常用的齿轮齿条转向器为核心综合设计轿车转向机构。

1.1.1 国外研究现状

一些发达国家，对于新能源汽车产业非常重视，颁布了许多有利于新能源汽车产业发展的优惠政策，从而鼓励企业研发，刺激消费群体购买。新能源汽车产业是战略性新兴产业，国外一些发达国家正在努力地发展新能源汽车产业，从而使本国在国际新能源汽车市场中占有有利地位。

转向器是转向系的关键零件，电子技术在汽车中的广泛应用，使得转向装置的结构也发生了很大变化。从目前使用的普遍程度来看，主要的转向器类型有4种：有循环球式(BS型)、蜗杆销式(WP型)、蜗杆滚轮式(WR型)、齿条齿轮式(RP型)。这四种转向器，已经被广泛使用于汽车上。

据了解，在世界范围内，汽车循环球式转向器占45%左右，齿条齿轮式转向器占40%左右，蜗杆滚轮式转向器占10%左右，其它型式的转向器占5%。循环球式转向器一直在稳步发展。在西欧小客车中，齿条齿轮式转向器有很大的发展。日本汽车转向器的特点是循环球式转向器占的比重越来越大，日本装备不同类型发动机的各类型汽车，采用不同类型转向器，在公共汽车中使用的循环球式转向器，已由60年代的62.5%，发展到现今的100%了(蜗杆滚轮式转向器在公共汽车上已经被淘汰)。大、小型货车大都采用循环球式转向器，但齿条齿轮式转向器也有所发展。微型货车用循环球式转向器占65%，齿条齿轮式占35%。

在国外，循环球式转向器已经实现了专业化生产，同时以专业厂为主、大力进行研究与试验，大大提高了产品的质量和产量。在日本“精工”(NSK)公司的循环球式转向器就以成本低、质量好、产量大，逐步占领日本市场，并向全世界销售它的产品。德国ZF公司也作为一个大型转向器专业厂著称于世。它从1948年开始生产ZF型转向器，年产各种转向器200多万台。还有一些比较大的转向器生产厂，如美国德尔福公司SAGINAW分部；英国BURM#0；AN公司都是比较有名的专业厂家，都有很大的产量和销售面。专业化生产已成为一种趋势，只有走这条道路，才能使产品质量高、产量大、成本低，在市场上有竞争力。

齿轮齿条式转向器与循环球式转向器已成为当今汽车上主要使用的两种转向器；而蜗轮蜗杆式转向器与蜗杆销式转向器，正在逐步被淘汰或保留较小的地位。在小客车上发展转向器的观点各异，美国和日本重点发展循环球式转向器，比率都已达到或超过90％；西欧则重点发展齿轮齿条式转向器，比率超过50％，法国已高达95％。由于齿轮齿条式转向器的种种优点，在小型车上的应用(包括小客车、小型货车或客货两用车)得到突飞猛进的发展；而大型车辆则以循环球式转向器为主要结构。

1.1.2 国内研究现状

二十世纪八十年代，我国开始投入对新能源汽车的研究工作。新能源汽车产业是指将新能源汽车的研发、生产和运营系列化的行业，并且当今的形势下新能源汽车产业必将成为汽车产业的导向。1998年，政府相关部门组织清洁汽车行动，进行大规模的燃料替代计划，从而推动汽车能源的多样化。21 世纪初，我国开始加强对新能源汽车产业的发展，对混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车等新能源汽车进行投入研究。2001 年的“十五”、“863”科研项目中便包括了新能源汽车研究项目，与此同时混合动力汽车也逐渐地投入生产，并销售到市场中进行试用。在之后的五年中，我国对新能源汽车的研究有所突破并取得一定的成绩。2003 年至 2005 年，混合动力汽车逐渐被投入到武汉的公交车使用中。2006 年也成功地研发了混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车，2009 年颁布了《汽车产业调整振兴规划》，2010 年颁布了《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》。而这些政策的出台对于我国新能源汽车产业的蓬勃发展起到了巨大的推动作用。在经过十多年的努力后，我国在新能源汽车的研究领域取得了显著的成效，并持续稳步发展。

近几十年来，蜗杆扇形齿轮转向器是最常用的汽车转向机构，这种形式的转向器的优点在于，在蜗杆与扇形齿轮之间嵌入有钢珠，从而很大程度上减少了能量的损失，使得驾驶汽车时比较的省力，它之后又变型得来一种叫做循环球式转向器，这种转向器优点突出，后来在轿车上得到了广泛的使用。

随着机械技术的不断发展，从70年代开始，一种名为齿轮齿条转向器兴起了并在后来很长的一段的时间里广泛的应用，它的组成部分有转向盘、转向轴、转向节、传动轴、转向器、转向杆和转向轮等。其实齿轮齿条转向器早在一个世纪以前就已经有了，只不过那时不是很完善，零件加工还是很粗糙。直到后来的汽车工程师理论化的计算并设计制造出精度非常高并且操纵起来也很省力的齿轮齿条机构，从而就正式的用到了轿车上。它的基本构造和蜗杆扇形齿轮等其它类型的转向机构相比较，转向直拉杆和转向节臂都得到了省略，取而代之的是转向横拉杆和转向梯形，这也就使得它的构件少而简单，大大增加了机构的传动效率，从而带来了很好的操纵稳定性和舒适性。它的基本原理是当驾驶员转动方向盘时，转向器的齿轮与齿条会紧密啮合，将转向轴的旋转运动转变为齿条的左右水平运动，通过转向拉杆和梯形臂带动车轮向左向右转动，从而控制汽车的行驶方向。

再随着时代的更新，汽车转向器走进了一种叫蜗杆一扇形齿轮型式的时代，但是相比齿轮齿条转向器，后者还是有很多优点可以沿用，因此很多设计者任然执着于不断的完善齿轮一齿条转向机构。后来随着材料技术得到了跨越性的发展，大大提高了齿轮一齿条转向器制造材料以及制造工艺，从而转向系的性能得到进一步的提高，因此人们逐渐发现了齿轮齿条转向机构的潜力和优点，又开始重视这种转向，因此许多汽车制造厂商又开始选择这种转向机构；直到如今，许多的轿车转向器都坚持采用齿轮齿条转向系。而随着汽车逐渐的大众化，逐渐的步入人们的日常生活，一些动力转向省力机构也被加装到了齿轮齿条转向系上，从而进一步提升了这一转向机构的优越性。

1.2 课题研究目的与意义

科技的进步和国际经济形势的变化对汽车乃至汽车转向器的生产和发展都产生了巨大的影响。尤其自西方国家实行石油禁运以来，世界经济形势遭受了巨大的冲击。而伴随着能源危机问题的日益突显，汽车工业得到发展方向也发生了很大变化。从汽车设计、制造到各总成部件的生产都随着能源危机的发生而变化，具体表现在能源消耗、材料消耗、操纵轻便等各个方面。

由于齿轮齿条式转向器的种种优点，其在小型车上的应用(包括小客车、小型货车或客货两用车)得到迅猛的发展，因此对于齿轮齿条转向器的研究就显得十分之必要。

1.3 本设计的研究内容

随着我国汽车工业的不断发展，汽车产品的设计、分析、实验、技术等都日益受到重视。题目所涉及到的知识都是有关于汽车机械设计的知识，所要求完成的零件的结构、设计、方法都具有很高的实用性，并且在相当长远的未来也是适用的。这些知识对于从事汽车技术工作的人都是很需要的，是他们进行工作和继续学习的基础。

本次设计的课题的设计目标参数来源于五菱荣光2011基本版汽车，设计此车的转向器。根据该车型对于市场的定位及对制造成本的考虑，同时参考同类车型的转向系统，将该车的转向系统设计为一款电动助力转向系统，对转向系统进行简单分析，并进行转向器零件设计、工艺性及尺寸公差等级分析，同时按以下几个方面对转向器及零部件进行设计方案论证：1、对所选的转向器总成进行剖析；2、利用所学的知识对总成中的零部件进行力学分析和分析；3、对分析中发现的不合理的设计进行改进。

参考文献

[1] 李仲生．机械设计基础[M]．5版．北京：高等教育出版社，2006，112-189．

[2] 王望予. 汽车设计[M]．4版．北京：机械工业出版社，2004，21-214．

[3] 陈家瑞.汽车构造[M]．3版．北京：机械工业出版社，2009，87-115．

[4] 余志生.汽车理论[M]．5版．北京：机械工业出版社，2011，56-238．

[5] 余志生. 汽车理论[M]．5版．北京：中国测量出版社，2011，116-140．

[6] 吴宗泽.机械设计实用手册. [M]．北京：化学工业出版社，2008，67-223．

[7] 刘鸿文．材料力学[M]．5版．北京：高等教育出版社，2010，71-94．

[8] 祖业发.工程制图[M]．重庆：重庆大学出版社，2001，97-137．

[9] 徐灏.机械设计课程设计手册[M]．北京：机械工业出版社，12004，56-88．

[10] 吴宗泽. 机械设计课程设计[M]．4版．北京：高等教育出版社，2012，24-120．

[11] 王隆太.机械CAD/CAM技术[M]．3版．北京：机械工业出版社，2010，187-294．

[12] 王宝玺．汽车制造工艺学[M]．3版．北京：机械工业出版社，2007， 43-122．

[13] 陈文波. 我国新能源汽车的关键技术与发展瓶颈[J]．交通标准化．2011(19)，1-15

[14] 李钦军. 基于低碳经济背景下广州市新能源汽车产业发展政策研究[J] ．华南理工大学．2012 ，1-9

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内容简介：: 湘潭大学机械工程学院毕业论文（设计）工作中期检查表系机械工程专业机械设计制造及其自动化班级二班姓名张旭学号2010500434指导教师朱石沙指导教师职称教授题目名称新能源汽车关键零部件研发题目来源科研企业其它课题名称齿轮齿条转向器的设计题目性质工程设计理论研究科学实验软件开发综合应用其它资料情况1、选题是否有变化有否2、设计任务书有否3、文献综述是否完成完成未完成4、外文翻译完成未完成由学生填写通过老师的指导，选定了课题的方向和名称，查阅相关文献后根据课题设计要求完成了相关设计零件尺寸的计算、校核。目前正在练习相关的软件进行制图。由老师填写工作进度预测（按照任务书中时间计划）提前完成按计划完成拖后完成无法完成工作态度（学生对毕业论文的认真程度、纪律及出勤情况）：认真较认真一般不认真质量评价（学生前期已完成的工作的质量情况）优良中差存在的问题与建议：指导教师（签名）：年月日建议检查结果：通过限期整改缓答辩系意见：签名：年月日注：1、该表由指导教师和学生填写。2、此表作为附件装入毕业设计（论文）资料袋存档。湘潭大学毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目：新能源汽车关键零部件研发学号： 2010500434 姓名：张旭专业：机械设计制造及其自动化指导教师：朱石沙系主任：刘柏希一、主要内容及基本要求去相关企业现场调研参观考察和查阅相关文献资料，熟悉了解新能源汽车的发展现状，基本掌握电动空调、电动转向、电动制动器等电动化附件的原理，对其装置进行整体结构设计。要求： 1、查阅相关资料，掌握本次设计和研究的具体内容； 2、设计参数，包括工作参数计算； 3、若干图纸； 4、撰写毕业设计说明书。 5、技术文献翻译，字数3000字以上。二、重点研究的问题新能源的关键零部件装置设计。三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1查阅资料、调研第1-2周2开题报告、制订设计方案第3周3方案（设计）第4-5周4新能源的关键零部件装置设计第6-7周5写出初稿，中期检查第8-9周6修改，写出第二稿第10-11周7写出正式稿第12-13周8答辩第14周四、应收集的资料及主要参考文献陈文波. 我国新能源汽车的关键技术与发展瓶颈J. 交通标准化. 2011(19) 李钦军. 基于低碳经济背景下广州市新能源汽车产业发展政策研究D. 华南理工大学 2012 高铭泽. 中国新能源汽车产业研究D. 吉林大学 2013 薛冬美. 我国新能源汽车产业发展战略研究D. 山西财经大学 2011 Lopez-Baldovin MJ,Gutierrez-Martin C,Berbel J.Multicriteria and Multiperiod Programming for Scenario Analysis in Guadalquivir River Ir-rigated Farming. Journal of the Operational Research Society . 2006 湘潭大学机械工程学院本科毕业设计（论文）开题报告题目新型能源汽车关键零部件研发姓名张旭学号2010500434专业机械设计制造及其自动化班级二班指导教师朱石沙职称教授填写时间2014年3月20日 2014年3月说明1根据湘潭大学毕业设计(论文)工作管理规定，学生必须撰写毕业设计（论文）开题报告，由指导教师签署意见，系主任批准后实施。2开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。3毕业设计(论文)开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。4本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，应不少于2000字。5开题报告检查原则上在第24周完成，各系完成毕业设计开题检查后，应写一份开题情况总结报告。6. 填写说明：(1) 课题性质：可填写A工程设计；B论文；C. 工程技术研究；E.其它。(2) 课题来源：可填写A自然科学基金与部、省、市级以上科研课题；B企、事业单位委托课题；C校级基金课题；D自拟课题。(3) 除自拟课题外，其它课题必须要填写课题的名称。(4) 参考文献不能少于10篇。(5) 填写内容的字体大小为小四，表格所留空不够可增页。本科毕业设计(论文)开题报告学生姓名张旭学号2010500434专业机械设计制造及其自动化指导教师朱石沙职称教授所在系机械系课题名称新型能源汽车关键零部件研发一、选题的依据、课题的意义及国内外基本研究情况选题的依据：汽车产业的发展对于促进全球经济发展，方便人们出行方面的作用和价值是不能低估的，但与此同时，汽车的迅速普及产生了一系列的负面效应，诸如能源、环保等方面的问题，汽车排放的二氧化碳量急剧增加，加速了地球变暖趋势。传统汽车尾气排放包含多种有害污染物，如一氧化碳、碳氢化合物、含铅化合物、氮氧化物，这些有害污染物的危害不仅对环境有严重的负面影响，也影响人的健康安全；各个国家和地区都面临着汽车尾气排放带来的恶劣影响：我国环保部门称在各大中型城市空气污染中开始呈现出煤烟型和汽车尾气型双重污染的特点，治理城市空气污染问题迫在眉睫，不容忽视；美国环境保护署 2008 年底调查结果显示，在空气质量不达标的 46 座城市中，空气污染大部分来源于供暖设施产生的烟尘以及汽车、电厂排放的废气。随着全世界范围内汽车保有量的大幅提升，汽车污染物排放已俨然成为城市空气污染的主要污染源。另一方面，在全球范围内交通运输设备的石油需求量占总需求量的约 60%，在我国，汽车的石油需求量也占总需求量约 35%，然而石油生产相对集中，我国原油对外依存度达到 50%，美国 60% 以上的原油消费来自进口。对于那些严重依赖石油进口的国家来说是一个潜在的危机，出于能源安全、环境保护和经济长远发展的角度考虑，要加快我国汽车产业的转型升级，改变其粗放的经济增长方式，就迫切需要降低对石油的依赖。国际能源署最新预测，2020 年我国的能源需求总量将达到 4550 亿吨标准煤。国际原油价格由于受到国际经济和政治局势等多重因素影响涨跌不稳，在 2008 年，国际石油价格一度达到每桶 147 美元，带动煤炭、天然气价格大幅度上升。随着美国金融危机造成全球经济动荡，世界经济发展步伐明显放缓，发达国家加大新能源的投入，促使全球发展新能源的步伐加快。进入21世纪来，全球性的生态环境和气候变化成为人类社会面临的最大挑战，发展低碳经济，大力推广利用新能源，将成为减缓气候变化与实现可持续发展的重要途径。党的十七大报告首次把“建设生态文明”明确列为我们党的奋斗目标，同时也是全面建设小康社会的新要求，即要“建设生态文明，基本形成节约能源资源和保护生态环境的产业结构、增长方式、消费模式”，使“循环经济形成较大规模、可再生能源比重显著上升，主要污染物排放得到有效控制，生态环境明显改善”。我国继 2005 年颁布可再生能源法，并在2006年1月生效后，2007年9月国务院又审议通过了可再生能源中长期发展规划，规划到 2010 年，可再生能源消费量将达到能源消费总量的 10%，到 2020 年将达到 15%。一些省市制定和实施了适合当地的新能源和可再生能源发展规划和促进措施，取得了显著成效。如，长三角地区的新能源产业迅速崛起，促使我国成为全球第一大光伏电池生产国；2003 年 4 月，科技部正式批准保定为全国第一个新能源设备产业基地；上海市在我国率先探索绿色电力机制；2009年年初，四部委决定在北京、上海、重庆等 13 个城市开展节能与新能源汽车示范推广试点工作。鼓励试点城市率先在公交、出租、公务、环卫和邮政等公共服务领域推广使用节能与新能源汽车。伴随着全球能源日趋紧张，生态环境日益恶化的趋势，有关新能源汽车的开发与应用问题逐渐发展成为各国汽车产业积极探索和创新的焦点所在。经历了前三轮重构的全球汽车产业格局正面临第四轮重构，未来的汽车产品将向高效、安全、节能、环保、零污染、零排放方向迈进，“新能源汽车”这一概念也随之荣升为业界关注重点，成为各国在汽车产业方面竞相研发的动力和目标。汽车产业是推动我国国民经济迅速发展的关键产业之一，因其相关产业范围广、前向和后向产业众多而成为带动经济发展的龙头产业。汽车产业每增值 1 元，给钢铁、水泥、玻璃等上游产业和石化、汽车装饰、维修等下游产业带来的增加值分别为 0.65 元和 2.63 元，并且增长具有相对稳定性和可持续性。中国汽车消费市场潜力巨大：2009 年，我国汽车产、销量均突破 1000 万辆，超越美国成为了世界第一大汽车消费市场，2010 年汽车产销量均超过 1800 万，中国卫冕汽车产销第一大国。汽车产业的发展壮大对于形成以内需主导的经济增长模式具有重大意义。但是，随着汽车使用量逐步上升，能源紧缺和环境污染问题愈加严重，也成为了制约传统汽车工业发展的瓶颈：不仅全世界范围内石油价格高企，而且石油燃料的燃烧造成严重环境污染，给传统汽车工业的发展带来巨大的环境压力。除此以外，汽车使用带来的石油燃烧量的提高增大了中国对石油进口的依赖性，使得中国在石油进口价与量上受制于人。而作为汽车体系的生力军，新能源汽车符合节能减排的要求，是对传统燃油汽车的合适补充。当前，新能源汽车技术已经趋于成熟，具备了进行量产的条件。日本丰田混合动力汽车 prius 自从面向市场以来，累计在全球售出 200 万辆,这说明新能源汽车技术已经相对成熟、市场潜力大。新能源汽车研发受到了愈来愈多的关注，开发和使用新能源汽车已经成为未来汽车工业发展的方向。各级政府、各大汽车厂商、消费者和环保组织对新能源汽车的发展前景已经形成了基本共识：新能源汽车将是石油紧缺时代汽车业发展的最终方向。认清中国汽车产业的发展现状，调整汽车产业发展战略重点，为新能源汽车产业的形成和发展铺平道路，以期望中国新能源汽车行业关键技术的掌握和自主品牌的创造，提升产业的核心竞争力，实现汽车产业在国际领域的弯道超车，这些都成为了摆在中国汽车产业面前的紧要课题。我国在新能源汽车领域的研究始于 1986 年的国家“863”计划，因为我国新能源汽车研发相对较晚，对于国外技术引进也是近几年开始，所以新能源汽车在中国没有形成产业规模，理论界研究也相对较少，对新能源汽车进行研发探讨并不多见。课题的意义：（1）有利于推动国家经济发展方式的转变，促进“两型社会”建设从 21 世纪以来，全球面临环境与资源问题异常严峻，同时中国经济快速增长与环境资源的矛盾日益尖锐，在根本上没有改变粗放型经济增长方式，经济、社会发展存在结构性的矛盾。根据国家部署，转变经济增长方式、调整经济结构、创新经济发展模式、加快新能源、新材料等战略新兴产业的发展将成为今后经济工作中主要方向和任务。新能源汽车产业的发展降低了中国对石油的依赖，减少二氧化碳排放，促进节能和环保。除此之外，在发展新能源汽车产业同时也能促进下游行业转型，进而推动经济发展方式转变，促进低碳经济发展。（2）增强中国新能源汽车产业在全球汽车产业中的竞争力汽车产业对国家经济的发展起到重要作用，并且涉及到的领域和企业相对广泛。因此，汽车产业发展情况不仅体现了一个国家综合国力的强弱，还对其他产业发展有很大带动作用。由于受到产业结构不合理、自主开发能力薄弱、技术水平不高等一系列问题制约，中国不是汽车生产及出口强国。所以，对中国新能源汽车产业发展研究，可以缩小中国和世界汽车先进技术差距，进入世界汽车产业强国，提高中国汽车产业竞争力，从而带动中国经济高速发展。（3）中国新能源汽车产业发展研究，丰富了低碳经济学理论对新能源汽车产业的研究，不仅适合低碳经济的发展方向，而且可以促进中国产业调整，同时在发展新能源汽车产业的经验中，中国可以得到如何发展新兴产业及相关产业的一些经验。新能源汽车产业的理论基础其中产业结构理论，包括产业关联，产业优化，产业区域等一些理论。这些都是产业经济学，可持续发展经济。（4）中国新能源汽车产业发展研究，强调了产业竞争的重要性通过对哈佛的迈克尔波特教授提出的“国家竞争优势”来分析中国新能源汽车产业处于什么样的竞争位置，从而更好的提高中国新能源汽车产业竞争能力，使得中国新能源汽车产业更好更快发展。通过对中国新能源汽车产业发展的研究，发现问题，从而提出一些解决问题的对策，完善中国新能源汽车产业发展，增强中国新能源汽车产业竞争力，从而使其在世界处于重要地位，加快中国经济的发展。国内外基本研究情况：二十世纪八十年代，我国对新能源汽车开始投入研究工作，新能源汽车产业是指从事新能源汽车的研发、生产和运营的行业，在现在的形势下新能源汽车产业将会成为汽车产业的导向。在 1998 年年末，有相关部门组织了清洁汽车行动，开始了大规模的燃料替代计划，来推动汽车能源的多样性。21 世纪初，我国开始计划加强新能源汽车产业的发展，对混合动力汽车，纯电动汽车、燃料电池汽车等一系列的新能源汽车投入研究。2001 年得“十五”、“863“科研项目中包括了新能源汽车的研究项目，与此同时混合动力汽车逐渐投入少量生产和销售到市场中试用。随后的五年中，我国对新能源汽车的研究有所成绩，在 2003 年和 2005 年混合动力汽车被投入到武汉的公交车使用中。在 2006 年混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车陆续的研发出来，2009 年颁布了汽车产业调整振兴规划，2010 年颁布了关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定。这些政策的出台对我国新能源汽车产业的发展起到了推动的作用。经过十余年的努力，我国新能源汽车的研究有显著的成效，新能源汽车产业在稳步发展。国外一些发达国家，对新能源汽车产业非常重视，颁布许多有利于新能源汽车产业发展的优惠政策，鼓励企业研发，刺激消费群体购买。新能源汽车产业是战略性新兴产业，国外一些发达国家正在努力地发展新能源汽车产业，从而使本国在国际新能源汽车市场中占有有利地位。目前国际上大多数替代燃料为生物燃料和乙醇，美国的研究目标是不断提高可再生资源的利用率，例如乙醇等，对生物乙醇汽车为主要研究对象，在燃料技术方面，美国也是以燃料乙醇为主要的替代能源，因此，近几年，美国的燃料乙醇的产量和消费量都不断地在上升。2007 年 1 月 24 日，美国政府颁布了相应节能政策，提出在未来十年内，希望对汽油的用量降低两成。2008 年 12 月，为了深入对锂离子电池的研究，在阿冈实验室的大力支持下，近有十四家美国电池和先进材料企业，组成了研究联盟，扩大研发及生产实力。美国把充电式电动汽车的研究作为核心，重新塑造汽车产业，鼓励经济的发展。在新能源汽车产业研发中，美国政府投资近 149 亿的美元到新能源汽车产业基础研究中，这些基础研究包括动力电池研究和主要键零部件研究等；除此之外，美国政府还不断出台对消费者群体购买新能源汽车的补贴政策、完善基础设施，从而来推广充电式混合动力汽车的使用。在美国市场中，混合动力汽车的购买来量从 2005 年的 1.2%，到 2011 年提升到2.9%，在这些年中，混合37动力汽车的消费量一直稳步上升，没有衰退。美国在肯达基州设立了实验室和电池制造业联盟，其目的是为了使锂电池更好的发挥作用，提高充电的能力和电池使用的持久性，这样就可以提高混合动力汽车的综合性能。日本研发新能源汽车的时间比较早，从世界范围来看，日本是最早发展电动汽车的国家之一。日本是一个国土小，能源供给量不足，石油几乎都是要依靠进口的，但是，日本人口密集，工业发展快，环境污染大，因此，日本非常的重视新能源汽车产业的发展。早在20世纪60年代的时候，日本就开始对新能源汽车进行研究，从1965年开始，日本就将混合动力汽车列入了国家科研项目，一直到现在已经有了不小的成绩。近些年，在全球都面临着环境污染严重和能源数量不足的背景下，日本也深知这种形势的严峻，因此，日本汽车产业的技术面临着巨大的变革，用新能源汽车代替传统的燃料汽车。由于，日本新能源汽车发展的时间比较长，其混合动力汽车的技术已经相对成熟，市场上也有一定的需求量，进入了推广阶段，目前，日本的混合动力汽车已经形成了产业化。以混合动力汽车为基础，日本正在努力的发展燃料电池汽车和生物燃料汽车。在接下来的发展中，日本将会以燃料电池汽车为主要的发展对象。2003年国土交通省，成立了“促进燃料电池汽车实用化项目研讨会”，这个研讨会的核心是独立行政法人交通安全环境研究。2005年3月，制定了日天然气为汽车燃料的燃料电池汽车生产安全标准和环境标准，对国内的两家生产燃料电池汽车的厂商进行了认证，这一标准在全球第一次被提出。2007年，日本开始推广对生物燃料的生产，不断提高对生物燃料的生产能力，预计2011年日本生产生物燃料可达到5 千万升。日本在达到可以大量生产生物燃料之后，预计到2016年将会投资2090 亿日元开发以天然气为原料的一些相应技术。日本为了推行新能源汽车，对低排放的环保型汽车制定实施“绿色税制”。日本新能源汽车的销量可嘉，例如日本丰田、本田公司生产的新能源不仅在国内市场上的具有一定销量，在国际市场也占有一席之地。日本对新能源汽车产业的投入大，收获多，在政府的各方面努力中，日本新能源汽车产业会稳步发展。欧洲各个国家对节能减排有着高度重视，尤其是对生物燃料的开发与应用。在全球清洁柴油乘用车方面，欧洲发展最好也最为迅速，这主要归结于欧洲汽车厂商在柴油发动机上占有巨大的技术优势。当前，在乘用车总销量中，柴油汽车业销量已经超过一半；2003 年，欧盟发表了欧洲未来氢能图景，以及制订了欧盟氢能发展路线图；2007 年初，欧盟委员会颁发 “新欧洲能源政策”，其目标是到 2020 年，要大量的减少温室效应气体排放量，将排放量控制到 1990 年的 20%以下；在能源消耗中尽量降低不可再生能源的比例，提高可再生能源比例，使可在再生能源消耗量提高到总能源消耗量的 20%，与此同时，在今后 7 年中，欧盟能源领域研究及开发的预算将提高到 50。欧洲为了推动新能源汽车的开发和消费，除欧盟委员会制定相应政策之外，欧洲各国政府也根据本国情况出台大量的鼓励政策和措施，从而发展新能源汽车产业。我国发展新能源汽车产业的时间比较短，与全世界相比仍然有一定的差距，在比较分析我国新能源汽车产业与国外新能源汽车产业的过程中，可以进一步看清楚我国新能源汽车产业的形势，取其精华，去其糟粕，更有利于我国新能源汽车产业的研究与发展。技术创新是新能源汽车产业得以发展的主要因素。国外在技术创新中，更加注重的是宏观方面，即整个新能源汽车产业的整体研究，对如何提升整个产业竞争力水平和整体创新能力的强弱研究较多；与国外的新能源汽车产业技术相不，我国更注重的是微观方面，更加关注的是企业的技术创新能力强弱。将对技术创新能力研究的主体由大到小的不同，将其分为四个方面，即国家方面、区域方面、产业方面和企业方面。由图4.1可知，在研究文献方面，我国对企业方面研究的相关文献达到了20101篇，而国外仅有922篇，在其他的三个方面，国外的研究都多于国内的研究。由此可见，我国对新能源汽车产业的技术创新研究主要是针对各个企业，即每个企业的技术创新现状、问题的研究，而国外对新能源汽车产业的技术创新研究主要是针对国家、区域和产业整体方面的。在21世纪初，我国在技术创新领域中有所突破，根据每年研究的重点词汇可知，我国对创新技术的研究主要集中在中小企业。国内外对汽车这个支柱产业的研究较多，有许多学者都转向了对新能源汽车产业的研究，并取得的一些成绩，但是对新能源汽车产业的整体性研究还是很缺乏，属于新兴领域，值得研究。经过对热门词汇的统计，如表4.1可知，新能源汽车产业的研究偏向于新能源汽车的技术方面的研究，如电池技术、驱动体统控制等。从2010年开始，已经有对节能、政策和汽车产业方面的研究，但是对新能源汽车产业技术创新管理的关注度依然不足。国外汽车产业起步较早，传统内燃机汽车的发展已经进入了成熟期，因此，很多国外发达国家将汽车产业的研究转向对新能源汽车产业的研究；中国在汽车产业方面较国外发达国家相比就有一定的差距，因此，在战略性新兴产业新能源汽车产业的发展有些滞后，虽然，近些年发展的速度很快，但是相比较而言还是有一定的距离，有待继续发展。首先，政府的政策扶持的路线有所不同。中国政府在新能源汽车产业的研究所提出的政策主要是针对新能源汽车本身的，很少涉及到对基础设施、零部件等相关的研究。在出台的补贴政策中，主要都是针对购买环节的一些补贴优惠补贴政策，并没有对建设加电站的企业和一些生产相关零部件的企业进行相应的鼓励政策，对新能源汽车产业的基础设施的标准还没有推出。与日本相比较，日本政府不仅对新能源汽车本身的发展提出了相应政策，对其零部件的生产企业和基础设施方面的建设都有相关的扶持政策，使得新能源汽车产业形成产业化，例如，在2006年对燃料电池相关技术开发投入了199亿元的支持；试验费用的通入为33亿元；从2006开始到2009年，对新能源汽车产业相关设备开发的企业也都有税收方面的补贴。其次，鼓励消费者购买新能源汽车的方式也不同。我国对消费群体的鼓励主要是财政的补贴政策，还没有推出其他的政策，而在美国，除了相应的财政补贴外，还有相应的抵税政策。2005年用能源法案中的抵税政策取代了“绿色能源补贴办法”，其中法案规定，每个混合动力汽车生产商累计销售台数超过6万后，购车者没有减税优惠；累计销售量到3万辆后，消费者可以享受50%的减税优惠；在累计销售量超过4.5万辆之后，消费者仅可以享受25%的减税优惠。在欧洲，除了这些政策之外，还有一个新的标准为CO2的排放量，对CO2的排放量的多少而给予相应的奖惩，欧盟提出，对CO2排放量超标的轿车将给予惩罚，惩罚程度按超标比例递增。最后，新能源汽车发展的类型的不同。中国新能源汽车产业是几种新能源汽车类型一起研发，齐头并进，而在美国主要研究的是燃料电池汽车，日本主要研究混合动力汽车，而欧洲则是把生物能源汽车作为主要的研究对象。主要原因有一下几点：第一，发展新能源汽车产业的基础和目的有所不同，我国新能源汽车产业研究的基础比较薄弱，主要走的是从引进到学习再到引进的一个路线，技术创新较国外发达国家来比有很大的差距，因此，我国对新能源汽车进行全面的研究，从而在今后的战略性新兴产业中占有一席之地，摆脱汽车产业的窘境。而美日欧等强国对新能源汽车产业的研究不仅是为了节约能源和环保的角度出发，而是要为了巩固其汽车产业的领先地位。第二，新能源汽车产业政策的惯性。我国政府在新能源汽车产业采用的是三纵三横的研发格局，是混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车这三种车的整车技术；然而，国外的研究方式则是与中国的不同，例如，1970年欧盟开始通过ECEW5 法规来控制轻型汽油汽车和曲轴箱的排放污染物；从1992年开始，欧到欧排放标准的实施，促进了欧盟对传统燃料汽车的节能和减轻污染技术的研究，这种产业政策形成的惯性在短时间是没有办法改变。第三，新能源汽车的发展方向的不同，由于中国是齐头并进的发展战略，因此，在中期及长期的发展如何、方向如何还需要证明，这与国外发展新能源汽车产业长时间发展和目标较明确是不同的。从技术创新的比较中看，我国对新能源汽车产业的技术研究较为单一，只是对汽车本身相关技术的研究，而不是扩展到整个新能源汽车产业的层面上，没有一个统筹规划的方向，使得我国新能源汽车产业没有达到整体提高，因此，我国对新能源汽车产业的发展应该将其他配套设施及零部件的研究重视起来，注重整个产业链的发展。国外对新能源汽车产业的发展所提出的各种政策并不是一成不变的，而是随着全球的发展趋势而时时改变的，根据产业发展的不同阶段进行相应的调整，国外政策的主要目标是由政府调节慢慢向市场调节过度，使市场成为一个调节的关键因素，形成完整的供求关系，而不是仅仅的依赖于政府所提出的各种政策。因此，我国政府应该提出一些比较灵活的政策，根据我国发展的阶段性特征，制定分阶段、分类别的发展规划。二、研究内容、预计达到的目标、关键技术、技术指标、完成课题的方案和主要措施研究内容：（1）电动助力转向系统的总体设计。对系统的工作原理进行了研究，并对系统的结构和组成元件进行了细致、深入的研究。（2）EPS系统的设计方法和转向器的设计。介绍了电动助力转向系统的设计和计算方法。对齿轮齿条式转向器进行了具体的设计和计算，根据任务要求完成了齿轮轴和齿条的部分计算。（3）电动助力转向系统控制器的研究。简单的介绍了电动助力转向系统控制器组成和工作原理。（4）转向传动机构的优化设计。与齿轮齿条式转向器配用的转向传动机构的优化设计。介绍了转向传动机构的优化设计方法，研究了其可行性，给出了优化设计的目标函数和设计变量的选择范围。预计达到的目标：（1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。（2）汽车转型行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶。（3）汽车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生共振，转向盘没有摆动。（4）转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小。（5）保证汽车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。（6）操纵轻便。（7）转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小。（8）转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。（9）在车祸中，当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。（10）进行运动校核，保证转向轮与转向盘转动方向一致。关键技术：电动助力转向系统主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元ECU组成。（1）扭矩传感器：扭矩传感器检测扭转变形，并将其转变为电子信号并输出至电子控制单元，是电动助力转向系统的关键部件之一。扭转传感器由分相器单元1、分相器单元2及扭杆组成（如图2-4）。转子部分的分相器单元1固定于转向主轴，转子部分的分相器单元2固定于转向传动轴。扭转杆扭转后，使两个分相器单元产生一个相对角度，电子控制单元根据两个分相器的相对位置决定对EPS电动机提供多少电压。（2）车速传感器：车速传感器的功能是测量汽车的行驶速度。目前，轿车EPS控制器一般都从整车CAN总线中提取车速信号。（3）电动机：电动机由转角传感器、定子及转子组成（如图2-5）。将电动机和减速机构布置在齿条处实现助力。通过转角传感器检测电动机的旋转角度防止扭转波动。（4）减速机构减速机构采用滚珠式减速齿轮机构，将其固定在电动机的转子上。电动机的转动传到减速机构，经过滚珠及蜗杆传到齿条轴上。滚珠在机构内部经过导向进行循环。（5）电子控制单元电子控制单元（ECU）的功能是依据扭矩传感器和车速传感器的信号，进行分析和计算后，发出指令，控制电动机的动作。此外，ECU还有安全保护和自我诊断的功能，ECU通过采集电动机的电流、发动机转速等信号判断系统工作是否正常，一旦系统工作异常，电动助力被切断：同时ECU将进行故障诊断分析，故障指示灯亮，并以故障所对应的模式闪烁。技术指标：（1）运动学上应保持转向轮转角和驾驶员转动转向盘转角之间保持一定的比例关系。（2）随着转向轮阻力的增大（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”。（3）当作用在转向盘上的切向力Fh0.0250.190KN时（因汽车形式不同而异，动力转向器就开始工作。（4）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。（5）工作灵敏。（6）动力转向失灵时，仍能用机械系统操纵车轮转向。完成课题的方案和主要措施：本课题的研究需要查阅大量的资料，我可以去相关企业现场调研参观考察，到图书馆查阅与本课题相关的书籍和期刊，还可以上网浏览最新的有关本课题的文献资料，再加上PLC模拟软件和新型能源汽车关键零部件的仿真，设计出符合设计要求的新型能源汽车关键零部件。三、主要特色及工作进度主要特色：（1）仅在汽车转向时才工作并消耗蓄电池能量。（2）EPS节能环保。（3）EPS原件数目少，装配方便，节约时间。（4）液压动力转向系统效率一般在6070，而EPS的效率较高，可达到90以上。工作进度：查阅资料、调研第1-2周开题报告、制订设计方案第3周方案（设计）第4-5周新能源的关键零部件装置设计第6-7周写出初稿，中期检查第8-9周修改，写出第二稿第10-11周写出正式稿第12-13周答辩第14周四、主要参考文献（按作者、文章名、刊物名、刊期及页码列出）1 陈文波. 我国新能源汽车的关键技术与发展瓶颈J. 交通标准化. 2011（19）2 李钦军. 基于低碳经济背景下广州市新能源汽车产业发展政策研究D. 华南理工大学, 20123 高铭泽. 中国新能源汽车产业研究D. 吉林大学, 20134 薛冬美. 我国新能源汽车产业发展战略研究D. 山西财经大学, 20115张辉，唐厚军.汽车电动助力转向系统设计.上海交通大学，20076 吴浩. 电动助力转向控制策略研究及整车操纵稳定性的客观评价.北京理工大学博士学位论文.2007:6-15 7 王望予. 汽车设计.第四版.机械工业出版社，20108 郭新华. 汽车构造.第二版.高等教育出版社，20089 王黎钦，陈铁铭.机械设计.第四版. 哈尔滨工业大学出版社，2008 10余志生，汽车理论.第五版 .机械工业出版社，201011王连明，宋宝玉.机械设计课程设计.第四版.哈尔滨工业大学出版社，201012张昌华.电动助力转向系统的研究与设计.武汉理工大学，2004 13张镇锋.汽车电动助力转向器电控单元（ECU）的研究.武汉理工大学，2007 14李书龙.汽车电动助力转向系统的研究与开发.东南大学，2004 15钱瑞明.汽车转向传动机构的类型分析与优化设计.东南大学，2005 16杜军.电动助力转向系统的研究.天津大学，200617刘敏，田超，高为.汽车电动助力转向系统的开发与设计.燕山大学，200818冯樱，肖生发，罗永革.汽车电子控制式电动助力转向系统的发展.湖北汽车工业学院，2001 19 Lopez-Baldovin MJ,Gutierrez-Martin C,Berbel J.Multicriteria and Multiperiod Programming for Scenario Analysis in Guadalquivir River Ir-rigated Farming. Journal of the Operational Research Society . 2006指导教师意见指导教师签名：年月日系意见系主任签名：年月日院意见教学院长签名：年月日II湘潭大学毕业设计说明书题目：新型能源汽车关键零部件研发汽车转向器的设计学院：机械工程学院专业：机械设计制造及其自动化学号： 2010500434 姓名：张旭指导教师：朱石沙教授完成日期： 2014年5月25日 - 32 -目录摘要IAbstract：II第1章绪论- 1 -1.1 本设计的研究背景- 1 -1.2 课题研究目的与意义- 3 -1.3 本设计的研究内容- 4 -1.4 转向系统的要求- 4 -第2章汽车主要参数的选择- 6 -2.1 汽车参数- 6 -2.2 基本要求- 7 -第3章转向系分析- 8 -3.1 转向操纵机构- 8 -3.2 转向轴和转向管柱的结构设计- 8 -3.3 转角及最小转弯半径- 10 -第4章转向系的主要性能参数- 12 -4.1 转向系的效率- 12 -4.2 转向器角传动比的选择- 13 -4.3 转向器传动副的传动间隙t- 14 -4.4 转向器传动副的间隙调整- 15 -4.5 转向盘的总转动圈数- 16 -第5章转向器设计与计算- 17 -5.1 转向阻力矩- 17 -5.2 汽车方向盘（转向盘）作用力- 17 -5.3 角传动比与力传动比- 18 -5.4 齿轮设计- 19 -5.5 齿轮轴的设计- 23 -第6章转向传动机构设计- 24 -6.1 转向传动机构原理- 24 -6.2 转向梯形的布置- 25 -6.3 转向梯形机构尺寸的初步确定- 25 -6.4 梯形校核- 25 -6.5 转向传送机构的臂、杆与球销- 26 -6.6 转向横拉杆及其端部- 27 -6.7 杆件设计结果- 28 -第7章其他零件的选择- 29 -7.1六角螺栓的选择- 29 -7.2弹簧的选择- 29 -7.3垫圈的选择- 29 -7.4油封的选择- 29 -7.5滚动轴承的选择- 29 -7.6推力轴承的选择- 29 -结论- 30 -参考文献- 31 -致谢- 32 -附录 I 译文- 33 -附录II 英文原文- 43 -新型能源汽车关键零部件研发汽车转向器的设计摘要：伴随着全球能源的日趋紧张，生态环境的日益恶化，有关于新能源汽车开发和应用的问题逐渐成为各国汽车产业积极开拓和创新的焦点。全球汽车产业格局正面临第四轮重构，未来的汽车产品将朝着高效、安全、节能、环保、零污染、零排放的方向迈进，“新能源汽车”这一概念也随之成为业界关注的重点，成为各国在汽车产业方面竞相研发的目标。本课题的设计题目是汽车转向器的设计。在本设计中，我选取的车型是五菱荣光2011基本版，以齿轮齿条转向器的设计的主要设计中心，一是转向系的总述；二是转向器的选择；三是齿轮与齿条合理的匹配，以达到转向器的合理传动比和强度的要求；四是梯形结构设计与优化。本设计利用转向盘的旋转带动传动机构的转向轴转向，通过万向传动装置带动转向齿轮轴旋转，转向齿轮轴和转向齿条相啮合，从而促使转向齿条做直线的运动，实现汽车的转向。这样的设计实现了转向器结构简单，轴向尺寸小，而且零件数目也少，从而达到汽车转向的灵敏性和稳定性的要求。计算主要进行了转向器齿轮齿条的设计计算与校核和对转向齿轮轴的设计校核，主要是采用汽车设计的经验参数和大学里所学机械设计中课程内容和汽车设计、汽车构造的理论进行设计，其结果基本满足强度要求，安全可靠。关键词：汽车，电动助力，转向机构，齿轮齿条，转向梯形The research and development of newenergy vehiclekey parts The design ofsteering gearof automobileAbstract：With the global energy is becoming more tense, the deterioration of ecological environment, about the new energy vehicle development and application problems gradually become the focus of national automobile industry to actively explore and innovation point. The global auto industry pattern is facing the fourth round of reconstruction, automobile products of the future will be more efficient, safe, energy saving, environmental protection, zero pollution, zero emission direction, the concept of new energy vehicle has become the focus of attention in this industry, become the world automobile industry to develop in the aspect of target. A design of this project is to design a vehicle steering system. In this design, I select models is the WuLing glory 2011 basic version, with rack and pinion steering main design center is designed, one is the overview of steering system; two is the choice of mechanical steering gear and the rack; three is a reasonable match, in order to achieve reasonable sensor dynamic steering ratio and strength requirements; four is a trapezoidal structure design and optimization. Steering wheel rotary drive transmission mechanism of the steering shaft steering using this design, drives a steering gear shaft to rotate through the universal driving device, steering gear shaft and the steering rack meshed, prompting the steering rack linear motion, to realize auto. This design realizes the steering device has the advantages of simple structure, small axial size, and the number of parts is small, so as to achieve steering sensitivity and stability requirements. The calculation includes the calculation and checking of the steering rack and pinion steering gear shaft design, mainly using the machine learning experience in automotive design parameters and design in the university curriculum content and the car design, automotive structure theory is designed, and the results meet the strength requirements, safe and reliable.Keywords: Car,Elektroprivreda, Steering gear,Rack and Pinion,Steering trapezium- 57 -第1章绪论1.1 本设计的研究背景汽车产业是推进我国国民经济快速发展的关键产业之一，是带动经济发展的龙头产业，可以说汽车工业是国民经济的支柱产业。汽车产业每增值 1 元，钢铁、水泥等上游产业和石化、汽车装饰等下游产业将分别增值 0.65 元和 2.63 元左右，并且该增长具有相对稳定性和持续性。中国汽车消费市场具有巨大的潜力：2009 年，我国汽车产、销量均突破 1000 万辆，超越美国成为了世界第一大汽车消费市场，2010 年汽车产、销量均超过 1800 万，中国卫冕汽车产、销第一大国。汽车产业的发展壮大对以内需主导的经济增长模式意义重大。近几十年来，汽车制造业在国内得到了突飞猛进的发展，国内的各个自主品牌争先恐后的进行着科技的自主创新。近几年来，在许多国际车展中，国内的自主品牌也开始崭露头角，在汽车的创新、质量、制造工艺等方面得到了国内外的一致好评，但国内的汽车也还处于高速发展的阶段，与国外知名的汽车强国相比，还是有着很大的差异。对于转向系统的定义，它是一套改变或者保持汽车行驶方向的机构，因此就要求它能对驾驶者的指令做到响应快、准、稳这三点，当在驾驶者松开方向盘的时候，应可以达到汽车自动回正的要求。随着如今私家车越来越多，各式各样的档次的轿车进入了我们的生活中。快速且高效的生活节奏加上我们对高速度体验的向往，这就要求汽车车速的不断提高。但是由于汽车基数大而且交通越来越复杂，并且转向盘的操作频率是很高的，因此这就给我们的驾驶带来了极大的疲劳。因此，快速发展汽车产业和不断增长的需求量以及对汽车更舒适安全的驾车体验要求，这就要求汽车转向系统能做到性能高而且成本低。本课题以现在国产轿车最常用的齿轮齿条转向器为核心综合设计轿车转向机构。1.1.1 国外研究现状一些发达国家，对于新能源汽车产业非常重视，颁布了许多有利于新能源汽车产业发展的优惠政策，从而鼓励企业研发，刺激消费群体购买。新能源汽车产业是战略性新兴产业，国外一些发达国家正在努力地发展新能源汽车产业，从而使本国在国际新能源汽车市场中占有有利地位。转向器是转向系的关键零件，电子技术在汽车中的广泛应用，使得转向装置的结构也发生了很大变化。从目前使用的普遍程度来看，主要的转向器类型有4种：有循环球式(BS型)、蜗杆销式(WP型)、蜗杆滚轮式(WR型)、齿条齿轮式(RP型)。这四种转向器，已经被广泛使用于汽车上。据了解，在世界范围内，汽车循环球式转向器占45%左右，齿条齿轮式转向器占40%左右，蜗杆滚轮式转向器占10%左右，其它型式的转向器占5%。循环球式转向器一直在稳步发展。在西欧小客车中，齿条齿轮式转向器有很大的发展。日本汽车转向器的特点是循环球式转向器占的比重越来越大，日本装备不同类型发动机的各类型汽车，采用不同类型转向器，在公共汽车中使用的循环球式转向器，已由60年代的62.5%，发展到现今的100%了(蜗杆滚轮式转向器在公共汽车上已经被淘汰)。大、小型货车大都采用循环球式转向器，但齿条齿轮式转向器也有所发展。微型货车用循环球式转向器占65%，齿条齿轮式占35%。在国外，循环球式转向器已经实现了专业化生产，同时以专业厂为主、大力进行研究与试验，大大提高了产品的质量和产量。在日本“精工”(NSK)公司的循环球式转向器就以成本低、质量好、产量大，逐步占领日本市场，并向全世界销售它的产品。德国ZF公司也作为一个大型转向器专业厂著称于世。它从1948年开始生产ZF型转向器，年产各种转向器200多万台。还有一些比较大的转向器生产厂，如美国德尔福公司SAGINAW分部；英国BURM#0；AN公司都是比较有名的专业厂家，都有很大的产量和销售面。专业化生产已成为一种趋势，只有走这条道路，才能使产品质量高、产量大、成本低，在市场上有竞争力。齿轮齿条式转向器与循环球式转向器已成为当今汽车上主要使用的两种转向器；而蜗轮蜗杆式转向器与蜗杆销式转向器，正在逐步被淘汰或保留较小的地位。在小客车上发展转向器的观点各异，美国和日本重点发展循环球式转向器，比率都已达到或超过90；西欧则重点发展齿轮齿条式转向器，比率超过50，法国已高达95。由于齿轮齿条式转向器的种种优点，在小型车上的应用(包括小客车、小型货车或客货两用车)得到突飞猛进的发展；而大型车辆则以循环球式转向器为主要结构。1.1.2 国内研究现状二十世纪八十年代，我国开始投入对新能源汽车的研究工作。新能源汽车产业是指将新能源汽车的研发、生产和运营系列化的行业，并且当今的形势下新能源汽车产业必将成为汽车产业的导向。1998年，政府相关部门组织清洁汽车行动，进行大规模的燃料替代计划，从而推动汽车能源的多样化。21 世纪初，我国开始加强对新能源汽车产业的发展，对混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车等新能源汽车进行投入研究。2001 年的“十五”、“863”科研项目中便包括了新能源汽车研究项目，与此同时混合动力汽车也逐渐地投入生产，并销售到市场中进行试用。在之后的五年中，我国对新能源汽车的研究有所突破并取得一定的成绩。2003 年至 2005 年，混合动力汽车逐渐被投入到武汉的公交车使用中。2006 年也成功地研发了混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车，2009 年颁布了汽车产业调整振兴规划，2010 年颁布了关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定。而这些政策的出台对于我国新能源汽车产业的蓬勃发展起到了巨大的推动作用。在经过十多年的努力后，我国在新能源汽车的研究领域取得了显著的成效，并持续稳步发展。近几十年来，蜗杆扇形齿轮转向器是最常用的汽车转向机构，这种形式的转向器的优点在于，在蜗杆与扇形齿轮之间嵌入有钢珠，从而很大程度上减少了能量的损失，使得驾驶汽车时比较的省力，它之后又变型得来一种叫做循环球式转向器，这种转向器优点突出，后来在轿车上得到了广泛的使用。随着机械技术的不断发展，从70年代开始，一种名为齿轮齿条转向器兴起了并在后来很长的一段的时间里广泛的应用，它的组成部分有转向盘、转向轴、转向节、传动轴、转向器、转向杆和转向轮等。其实齿轮齿条转向器早在一个世纪以前就已经有了，只不过那时不是很完善，零件加工还是很粗糙。直到后来的汽车工程师理论化的计算并设计制造出精度非常高并且操纵起来也很省力的齿轮齿条机构，从而就正式的用到了轿车上。它的基本构造和蜗杆扇形齿轮等其它类型的转向机构相比较，转向直拉杆和转向节臂都得到了省略，取而代之的是转向横拉杆和转向梯形，这也就使得它的构件少而简单，大大增加了机构的传动效率，从而带来了很好的操纵稳定性和舒适性。它的基本原理是当驾驶员转动方向盘时，转向器的齿轮与齿条会紧密啮合，将转向轴的旋转运动转变为齿条的左右水平运动，通过转向拉杆和梯形臂带动车轮向左向右转动，从而控制汽车的行驶方向。再随着时代的更新，汽车转向器走进了一种叫蜗杆一扇形齿轮型式的时代，但是相比齿轮齿条转向器，后者还是有很多优点可以沿用，因此很多设计者任然执着于不断的完善齿轮一齿条转向机构。后来随着材料技术得到了跨越性的发展，大大提高了齿轮一齿条转向器制造材料以及制造工艺，从而转向系的性能得到进一步的提高，因此人们逐渐发现了齿轮齿条转向机构的潜力和优点，又开始重视这种转向，因此许多汽车制造厂商又开始选择这种转向机构；直到如今，许多的轿车转向器都坚持采用齿轮齿条转向系。而随着汽车逐渐的大众化，逐渐的步入人们的日常生活，一些动力转向省力机构也被加装到了齿轮齿条转向系上，从而进一步提升了这一转向机构的优越性。1.2 课题研究目的与意义科技的进步和国际经济形势的变化对汽车乃至汽车转向器的生产和发展都产生了巨大的影响。尤其自西方国家实行石油禁运以来，世界经济形势遭受了巨大的冲击。而伴随着能源危机问题的日益突显，汽车工业得到发展方向也发生了很大变化。从汽车设计、制造到各总成部件的生产都随着能源危机的发生而变化，具体表现在能源消耗、材料消耗、操纵轻便等各个方面。由于齿轮齿条式转向器的种种优点，其在小型车上的应用(包括小客车、小型货车或客货两用车)得到迅猛的发展，因此对于齿轮齿条转向器的研究就显得十分之必要。1.3 本设计的研究内容随着我国汽车工业的不断发展，汽车产品的设计、分析、实验、技术等都日益受到重视。题目所涉及到的知识都是有关于汽车机械设计的知识，所要求完成的零件的结构、设计、方法都具有很高的实用性，并且在相当长远的未来也是适用的。这些知识对于从事汽车技术工作的人都是很需要的，是他们进行工作和继续学习的基础。本次设计的课题的设计目标参数来源于五菱荣光2011基本版汽车，设计此车的转向器。根据该车型对于市场的定位及对制造成本的考虑，同时参考同类车型的转向系统，将该车的转向系统设计为一款电动助力转向系统，对转向系统进行简单分析，并进行转向器零件设计、工艺性及尺寸公差等级分析，同时按以下几个方面对转向器及零部件进行设计方案论证：1、对所选的转向器总成进行剖析；2、利用所学的知识对总成中的零部件进行力学分析和分析；3、对分析中发现的不合理的设计进行改进。1.4 转向系统的要求1、车辆转弯时，所有的车轮不能够出现现象侧滑。否则汽车的轮胎会因为滑动而产生很快的磨损，从而影响汽车行车安全。 2、当车辆转完后，驾驶员松开方向盘转向行驶时，转向轮具有自动回正的功能，并稳定行驶。3、车辆在行驶过程中，两个转向轮不能出现自振的现象，否则会影响车辆的稳定性。4、车辆在行驶过程中，当悬架导向装置和转向传动机构同时工作的时候，车轮应该尽可能小的摆动。5、汽车应该满足小转弯行驶的要求，这就要求汽车有很高的灵活性。6、操纵轻便。 7、驾驶员在驾驶车辆的时候应该尽可能做到不打手的状态。8、齿轮传动副要有间隙调整的机构，来调整因摩擦而产生的间隙。9、汽车的转向盘和转向轴应能满足当车辆发生车祸时减轻伤害的要求。转向梯形机构的设计和优化，可以满足第一项的要求。为了防止转向轮的自振，我们在转向系里装有减震器，同时这个减震器也能降低转向盘反力，从而减轻驾驶疲劳。在对汽车转向系设计的过程中，往往尽可能的最大转向轮转角（一般要求是轿车轴距的2到2.5倍），这样就可以满足车辆的灵活性。转向的轻便也是评价转向系性能的重要指标，通常情况下，驾驶员需要的转向手力和转向锁需要的总圈数来满足转向轻便性。一般来说，轿车转向盘总圈数不能超过4.0圈，需要的转向手力不能超过50到100N。第2章汽车主要参数的选择2.1 汽车参数基本资料五菱荣光 2011款基本型生产厂商上汽通用五菱所属五菱荣光车体结构客车级别微面上市时间2011尺寸/重量/容积车身质量1150 kg轴距2700 mm轮距1386/1408mm（前/后）全车长度3995 mm车身宽度1620mm车身高度1900mm总质量1750kg油箱容积45L标准座位数8引擎参数标准引擎L2Y标准变速器5档手动排放标准国4最小转弯直径10.4m最大功率61.5kw最大扭矩112Nm燃油系统多点电喷标准排量1206ml最高时速130km/h转向/悬挂/轮胎/转向盘驱动方式中置后驱制动方式盘式/鼓式（前/后）转向器型式齿轮齿条机械式悬挂方式独立悬架/纵置钢板弹簧（前/后）轮胎气压3.0轮胎175/70 R14最大转角45前后分配45:55转向盘直径38cm2.2 基本要求1、汽车在转弯行驶过程中，应该转向敏捷。2、汽车在转弯行驶过程中需要在转向盘上的作用力应该小于200N。3、转向器的传动副间应有间隙调整机构。4、转向系的角传动比在23-32之间，正效率在60%以上，逆效率在50%以上。 5、转向盘和转向轴要有防止伤害的机构。第3章转向系分析3.1 转向操纵机构转向盘、转向轴、转向管柱是转向操纵机构的最主要组成部分。为了满足转向盘和转向轴有防伤害机构以及便于布置和便于拆装，从而降低部件的相对磨损带来的额外负载，我们在这里用到了柔性转向万向节，将它加装在转向轴和转向器输入一端，如图3-1。它能减轻转向轴的振动，且柔性万向节需要有一定的强度，否则会直接降低转向系统的强度。图3-1转向操纵机构1-转向万向节；2-转向传动轴；3-转向管柱；4-转向轴；5-转向盘3.2 转向轴和转向管柱的结构设计转向轴起到的是把转向盘和转向器连接起来，并传递转向力矩的作用。转向管柱是套于转向轴的外面，是安装转向盘的支柱。转向轴和转向器的蜗杆之间一般采用花键连接，这样将转向盘的转向运动转为转向器的水平直线运动。随着科技的不断发展，如今出现了一种整体式转向轴，它就要求在转向轴和转向器之间有一个弹性体连接轴，此不见机构能降低安装误差，还能一定程度上的减小对驾驶员的方向盘反力。为了满足操作方便，转向轴通常装成大约35度50度左右，按照需求，有些汽车还安装能够适当调节角度的机构。低碳钢是最常用的转向轴制造材料，并且其直径要求能够承受转向盘200N的转向力多带来的力矩。近年来，为了满足汽车在撞车时驾驶员的安全，在转向盘受到冲击时，应该有能减轻冲击的装置。达到这一要求的办法有很多种，通常采用转向盘缓冲装置来达到。转向轴最重要的组成部分是轴和管，用一小齿连接在一起，当发生碰撞时，转向盘在轴向力的作用下，轴缩至管中；在这个过程中，滑动产生的摩擦力，可以一定程度上吸收冲击的能量。相似的，我们把转向柱管设计为双层的套管，当发生碰撞时，它同样能缓冲一部分的冲击，从而来保护驾驶员。另外，转向柱管的支撑托架也吸收部分冲击，降低对驾驶员的伤害。3.2.1 转向轴上半轴计算依据转向系设计的要求，选择使用35号钢做为转向轴的材料。加在转向盘上的最大力为200N，转向盘直径是380mm。则转向扭矩为：Fr20038076000Nmm查材料力学知识可知： (3-1)查35号钢的许用剪应力值为： Mpa得转向轴上半轴的直径：选取d20mm。3.2.2 转向轴下半轴设计计算因为转向轴要求是一个主动安全装置，所以设计为分开的上轴和管形状的下转，以方便上下配合便，转向轴长度根据汽车车身的各装配约束来确定。管的外径取 D23mm，取管的内径d20mm，计算强度。 (3-2) 符合强度条件。3.2.3 塑料销强度校核根据材料力学，塑料销材料选取聚砜，查得其极限破坏强度值为105.8124.4MPa；取塑料销承受转向盘力矩为76Nm，上转向轴直径为10mm；塑料销直径为d5mm。所以塑料销所受剪应力：符合强度条件。 (3-3)3.3 转角及最小转弯半径汽车参数里，汽车的最小转弯半径是及其重要的参数之一，它体现出该车的灵活性，通常为满足这个灵活性需做到下面的要求：一是汽车最小转弯半径应该在该车轴距的2到2.5倍这个范围，二是作用于方向盘的手力不应该大于200N.假设汽车转弯车轮做纯滚动，要满足上述对转向系的第(2)条要求，其内、外转向轮理想转向角关系如图3-3示，由下式决定：（3-4）式中：外转向轮转角；内转向轮转角； K两转向主销中心线与地面交点间的距离； L汽车二轴的轴距。转向梯形保证内、外转向轮转角的合理。图3-3理想的内、外转向轮转角间的关系根据公式可知影响到汽车的最小转弯半径的因素主要有最大转角与、主销距K、轴距L以及转向轮的转臂a等。在汽车转弯的过程中，除了内、外转向轮的转角以外，剩下的参数是固定的。最小转弯半径的定义是指汽车在转向轮处于最大转角的前提下以低速转弯时前外轮与地面接触点的轨迹构成圆周的半径。可按下式计算： (3-5)一般情况为3540，为了减小值，值有时可达到45。为了满足汽车转弯后方向盘能够自动回正，需要有合理的主销内倾角和主销后倾角。但是如果要使传递到方向盘上的反向冲击小一些，则转向器的逆效率值不能太高。而对转向系统的最后两条要求可以通过合理地选择结构和其结构布置来满足。第4章转向系的主要性能参数4.1 转向系的效率转向器正效率是指：通过转向轴输入的功率经过传动所得到的输出的效率，反之则为逆效率，其中功率、正效率、逆效率分别用、表示。正效率公式：（4-1）逆效率公式：（4-2）上式中，是作用于转向轴上的功率；是转向器中的磨擦功率；是作用在转向摇臂轴上的功率。正效率高，则转向轻。但是转向器也应该具有一定逆效率，来确保转向轮和转向盘的自动回正。而为了减轻传至转向盘上的冲击力，避免打手现象的发生，又要求逆效率尽可能低。转向器的类型和结构以及参数是影响转向器效率的主要因素。4.1.1 转向器的正效率1、转向器的类型、结构对转向器效率的影响一般而言，在最常用的四种转向器中，正效率较高的是循环球式转向器、齿轮齿条式，而蜗杆指销式转向器的正效率较低。在转向器类型相同的前提下，不一样的结构会有不同效率。例如蜗杆滚轮式转向器的滚轮轴，若选用滚针轴承时，由于滚轮和滚针之间以及和垫片间的摩擦，消耗了一部分能量，导致这种轴向器的正效率仅有54%。而用圆锥滚子轴承该转向器效率达到70%。转向摇臂轴的轴承选择滚针轴承比选择滑动轴承逆效率能提高约10%。2、转向器的结构参数对转向器效率的影响如果只单纯的考虑啮合的摩擦损失，不考虑轴承的摩擦损耗，对于蜗杆类的转向器，转向器正效率值用下式表示：（4-3）其中，a0是螺杆的螺线导程角；是摩擦角，=arctanf，f是磨擦因数。4.1.2 转向器的逆效率可逆式、极限可逆式和不可逆式是目前三种最常见的转向。它们的主要区别就在于逆效率的大小。地面反力通过车轮转向器转向轴可以大部分地传到转向盘的这种逆效率较高的转向器则为可逆式。它符合汽车转弯后自动回正的要求，它大大减轻了驾驶员驾驶汽车的劳动强度，从而也间接地提高了行车安全性。但是，它也有些不好的地方就是当汽车行驶在凹凸不平的路面时，方向盘传给驾驶员的反力较大，给驾驶员驾驶带来了一定的疲劳，也影响到驾驶车辆的舒适性。齿轮齿条式转向器和循环球式的转向器都属于可逆式的转向器。定义地面给车轮的冲击力不会通过转向器传到转向盘的转向器称为不可逆式的转向器。这些冲击力都由转向传动机构的零件来承受，所以这些零件非常易损坏。而且它既不能满足汽车转弯后自动回正的要求，而且给驾驶员反馈的路感不强，因此，现在的汽车一般放弃了不可逆式的转向器。地面给车轮的反力则介于可逆式与不可逆式转向器两者之间的这种转向器就是极限可逆式转向器。这种转向器有一定的路感，但是又不是很清晰，有一定的转向盘反力，这个力也不小，因此，这类转向器一般不怎么使用。如果这里我们只考虑啮合的摩擦，不考虑轴承的磨损，逆效率可以表示为：（4-4）结合上面的式（4-3）和式（4-4），我们可以得出下面的结论：如果其他参数不变，增大导程角，正、逆效率都会增大，这样会使得汽车的性能降低，所以导程角不应取得过大。但是如导程角小于或等于磨擦角时，会导致其逆效率为负值或者为零，这就使得该转向器变成了不可逆式转向器。因此，就要求导程角大于磨擦角。4.2 转向器角传动比的选择转向器角传动比可以是减小、增大或保持不变的。影响转向角的选取的主要因素有两点：一是转向轴负载的大小，二是设计者对汽车性能的要求。一般情况，转向轴的载荷很小的汽车以及有助力转向的汽车是不会有转向重的情况的，这个时候，我们在选取转向器角传动比的时候可以考虑一个较小的值，来提高汽车的性能。相反，在遇到轴荷很大的汽车，为了满足低速转弯时操纵轻便，这个时候我们选取转向器的角传动比就应该大一些，从而减轻驾驶员的劳动强度，增加驾驶便利。当汽车低速转向行驶，由于车轮和地面的摩擦较大，这个时候为了减轻驾驶劳动强度，我们要考虑把转向器的转向比设计的不能过大。相反，当汽车高速行驶转弯时，由于速度快，转弯时会产生过转的假像，这个时候，为了让转向更容易控制，我们需要吧转向器的角传动比设计的不能太小，从而让驾驶员路感更好，驾驶更安全。如果说汽车转向系统有助力转向机构，这个时候上述所说的两种情况均不存在了，因此，为了车辆具有更好的灵活性，我们就可以把转向器的角传动比设计得小一些，从而减少转向盘总的圈数。由汽车理论查得，转向器角传动比特性曲线，如图4-1所示。由图我们可以看出，曲线呈现出中间小两边大的形状，因此我们设计时应该把方向盘处于中间位置是的角传动比设计的小些，随着方向盘逐渐离开中间位置时，转向器的角传动比也随之设计的大一些。图4-1 转向器角传动比变化特性曲线4.3 转向器传动副的传动间隙t传动间隙是指转向器中齿轮齿条间的间隙。随着转向盘转角的变化，该间隙也会变化大小不同而不同，我们把这种变化特性称为转向器传动副传动间隙特性（图4-2）。根据特性图我们可以看出，转向盘在正中及其左右附近位置的时候，传动间隙几乎为零，最好做到没有间隙。当转向器啮合副存在较大的间隙的时候，车轮会受到一个侧向力，使得车轮出现偏离行驶方向，这就影响到汽车的稳定性和行车安全。我们都知道，方向盘在中间以及其左右附近位置的使用频率是最高的，所以齿轮齿条中间位置的啮合最多，该处的磨损也就最大，当这个地方出现较大的间隙，我们就需要调整齿轮副的间隙了。图4-2 转向器传动副传动间隙特性在分析上面的图的曲线1我们可以看出，新的转向器的间隙变化趋势，曲线2我们可以看出磨损后的间隙变化，中间位置明显有了较大的间隙，；再看曲线3我们可以看到调整过后的间隙变化趋势，中间位置间隙有几乎为零了。4.4 转向器传动副的间隙调整转向器的主动件是转向小齿轮。水平布置的转向齿条通过斜齿与其啮合，并且在转向齿条的背面装有具有一定预紧力的压簧和垫块。在该弹簧的弹力作用之下，该齿条被压簧和垫块紧紧的压在转向小齿轮上，从而确保齿轮齿条间的间隙满足要求。而调整螺塞可以直接调整压簧的预紧力。该压簧的主要作用有三点：一是使得齿轮齿条间的间隙满足了要求；二是它还是一个弹性的支承，这样当齿轮齿条运动时，产生的振动就会被吸收掉，从而减缓冲击；三是当转向器用了一段时间磨损后，齿轮齿条间会出现间隙，这个弹簧压块组成的机构就可以来调整这个啮合间隙，重新达到要求，如图4-3所示。参照机械设计手册具体的调整方法如下：1. 转动小齿轮使得齿条位于中间位置。2. 用专用工具（套筒和扭力扳手）调整螺栓到7-15Nm之间，再退30到40。3. 固定螺栓不动，拧紧锁紧螺母；用专用工具以一定的速度（通常是在10-15r/min间）转动小齿轮，如果转动平顺即可。图4-3 齿轮齿条转向器的调整4.5 转向盘的总转动圈数在汽车转向系设计的过程中，我们还需要考虑转向盘的总转动圈数。转向盘从左边极限位置到右边极限位置所需转的总圈数则为转向盘的总圈数。通常情况，影响转向盘总圈数的因素有其二：一是转向轮的最大转角，二是转向系的角传动大小，转向盘总圈数不宜过大也不宜过小，否则会影响汽车行驶的灵活性或者操纵的便利。一般情况，轿车转向盘总圈数在3.6圈以内。第5章转向器设计与计算5.1 转向阻力矩因为汽车转向系统与汽车的行驶安全息息相关，这就要求转向系的各零件都应该有足够的强度和刚度。因此，我们首先需要先计算出作用在各零件上的作用力。而转向轴的负荷，轮胎气压和地面阻力等是影响这些作用力的主要因素。当驾驶员转动转向盘的时候，转向轮绕主销转动的阻力、转向系中的内摩擦阻力、轮胎变形阻力和车轮稳定阻力等是需要克服的主要阻力这里我们根据半经验公式来计算汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力距,即式中：-滑动摩擦系数，一般取.-轮胎气压据原始数据=3.0-前轴载荷据原始数据=17500.4510=7875N 则 =297700Nm (5-1) 5.2 汽车方向盘（转向盘）作用力汽车转向盘的直径是有一系列尺寸要求的，尺寸过大过小都会影响驾驶员操作便利性。如果选用方向盘直径太大，驾驶员驾驶车辆的时候就会感觉空间不足，影响操作，而且进出驾驶室的时候也不方便。相反，如果方向盘直径选择得过小，转向所需的转向力就会比较大，从而增加驾驶劳动强度。据原始数据380mm，参见手册，作用在方向盘上的手力为：（5-2）式中 :转向摇臂长, 单位为mm；原地转向阻力矩, 单位为Nmm 转向节臂长, 单位为mm；为转向盘直径,单位为mm； Iw转向器角传动比； +转向器正效率。根据上面叙述过的齿轮齿条式转向传动机构的机构我们知道，它是没有转向摇臂和转向节臂的，所以、不代入数值。因此作用在方向盘上的力矩为（5-3）5.3 角传动比与力传动比转向系的角传动比与转向系的力传动比二者共同组成了转向系的传动比，我们可以分别用、表示力传动比i是指：两个转向轮受到的地面作用力的合力2F与驾驶员作用在方向盘上的手力的比值。即： i= （5-4）转向系角传动比是指：驾驶员操纵方向盘的旋转角比上和驾驶员一侧的转向轮的旋转角得到的比值。它又可以分为转向传动装置角传动比（i）和转向器传动比(i)。而和作用在转向节上的转向阻力矩二者关系可以表示为（5-5）且作用在方向盘上的手力可表示为（5-6）则 i= （5-7）若忽略磨擦损失则（5-8）因此有（5-9）式中a车轮节臂由式可知，影响力传动比的因素有和；其他因素不变的情况下，越小，则越大，转向越轻便。根据上面的推到过程，我们可以计算出角传动比和力传动比：）角传动比（5-10）则=27.20 在2532之间符合要求。）力传动比（5-11）查汽车设计，一般情况，乘用车的主销偏移距值在轮胎胎面宽度的0.40.6倍尺寸范围内选取，此处选0.5，则上式中a=0.5则 5.4 齿轮设计5.4.1 齿轮参数的选择根据机械设计基础可知，齿轮齿条转向器的齿轮一般是采用斜齿轮，而且齿轮模数在之间，主动小齿轮齿数取58个齿，压力角通常情况，螺旋角在之间取。因此本次的设计取我们选取的参数如下：模数，小齿轮齿数z=8 压力角齿轮螺旋角为=15右旋，而通过查机械设计基础可以知道标准齿最少根切齿数，因此，本次设计采用变为齿轮。精度等级采用8级。查表得：齿顶高系数取1,顶隙系数为0.25，变位系数取0.7.主动小齿轮选用20CrMnTi材料制造并经渗碳淬火，而齿条常采用 45号钢或41Cr4制造并经高频淬火，表面硬度均应在56HRC以上。为减轻质量，壳体用铝合金压铸。5.4.2 齿轮几何尺寸的确定齿顶高 ha = 取2.625mm齿根高 hf 齿高 h = ha+ hf =分度圆直径 d =齿顶圆直径 da =d+2ha =齿根圆直径 df =d-2hf =法向齿厚为端面齿厚为端面模数齿距 p=m=3.14159265 齿宽 b1= d= 取b2=mm 5.4.3 齿条的设计根据齿轮齿条的啮合特点:首先齿轮齿条的模数相等，其次压力角也要相等。因此,齿条模数m=,压力角齿条断面形状选取圆形 D=24mm 且采用标准斜齿变位系数选取齿数z42，螺旋角齿条总长取231.25mm分度圆直径 d = 齿顶圆直径 da =d+2ha = 齿根圆直径 df =d-2hf =法向齿厚为端面齿厚为计算结果如表5-1所示。名称符号公式齿轮齿条齿数z.842变位系数，.0.70法向模数.2.52.5端面模数2.5882.588螺旋角.齿高h42分度圆直径d2323齿顶圆直径2817.5齿根圆直径2015法向齿厚5.2013.925端面齿厚5.3384.013齿距p8.0608.060齿宽b 4020表5-1 齿轮齿条计算结果5.4.4 齿轮强度计算 1、齿轮精度等级、材料及参数的选择考虑到转向器小齿轮在运动时它的转速不会很高，因此等级精度采用8级。而齿轮模数值取值为m=，主动齿轮齿数为z=8，压力角取=20齿轮螺旋角选为=这些都是已知.主动小齿轮的材料采用20CrMnTi制造并渗碳淬火回火，其硬度达到56-62HRC之间，取值60HRC，查机械设计基础可知接触疲劳极限弯曲疲劳极限=850MPa 2、齿轮的齿根弯曲强度校核。根据经验公式来校核。（5-12）（1）由机械设计基础表11-3我们选载荷系数k=1.3（2）斜齿轮的转矩 T=21.89Nm （3）由机械设计基础表11-6这里选取齿宽系数（4）齿轮齿数（5）复合齿形系数 =（由当量齿数查机械设计基础图11-8和11-9得齿形系数= 2.21 应力修正系数= 1.5 )（6）因齿轮两面工作，许用弯曲应力=0.7=0.7850=595N/ 为齿轮材料的弯曲疲劳强度的基本值。试取=mm(7) 计算载荷系数由机械设计手册查得 1）齿轮使用系数=12）根据和8级精度，查表得齿轮动载系数 3）齿向载荷分布系数4）齿间载荷分布系数则载荷系数 5）修正值计算模数，故前取mm不变，弯曲强度符合要求。3、齿面接触疲劳强度校核依据经验公式，校核公式为（5-13）（）许用接触应力查表得查得，安全系数（5-14）（）查机械设计基础表11-4得弹性系数（）查表得区域系数（）螺旋角系数（5-15）（）重合度系数（5-16）MPa1650MPa齿面接触疲劳强度，满足设计要求。5.5 齿轮轴的设计由于主动小齿轮选用20CrMnTi材料制造并经渗碳淬火回火，因此轴的材料也选用20CrMnTi材料制造并经渗碳淬火回火。查表得：20CrMnTi材料的硬度为，抗拉强度极限，弯曲疲劳极限，剪切疲劳极限，根据公式5 （5-17）因此初选齿轮轴直径d=10mm忽略磨损，根据能量守衡，作用在齿轮齿条上的阻力矩为N.m，作用在齿轮上的轴向力为 N （5-18）作用在齿轮上的切向力为 N （5-19）弯曲疲劳强度校（5-20）剪切疲劳强度校核（5-21）符合强度要求，抗拉强度校核（5-22）符合强度要求。因此齿轮轴最小直径d取10mm符合要求。第6章转向传动机构设计为了让汽车转向轻便、灵活和精准，转向轴的内外转向轮转角的比例要有一定的范围，这样来达到汽车转弯时做纯滚动运动，而在齿轮齿条转向系中，我们通常用转向梯形来实现。图 6-1 转向中心的不同轨迹圆6.1 转向传动机构原理将转向器齿轮齿条中齿条的水平直线运动转变成转向轮的偏转，这就是转向传动机构的基本作用，如上图6-1所示。而为了实现转向轮尽可能的做纯滚动运动，需要让两转向轮绕一个共同的瞬时转向中心转动，而为了达到这个要求，就需要对转向梯形机构进行精确的设计。图6-2 齿轮齿条式转向器转向原理简图我们都知道齿轮齿条式转向器没有转向节臂和直拉杆，它的齿条左右两侧是直接铰链转向横拉杆的，转向横拉杆在铰接梯形臂，所以我们在这里把转向梯形臂作为转向节一部分。 6.2 转向梯形的布置一般而言，梯形机构布置在前轴的下后方，其高度离前轴的下表面大约16mm，太高将于前轴发生干涉，太低的话，容易撞到地面的障碍物。但是当于丹发动机安装位置很低的时候，安装就非常困难，这个时候梯形臂只能安装于前轴的前面，并且横拉杆就需要安装的高一些了。本课题的我们设计是把转向梯形置于前轴下后方，横拉杆置于前轴下表面以上16mm处。6.3 转向梯形机构尺寸的初步确定转向梯形的基本尺寸主要有梯形臂长（用m表示）和梯形底角（用表示）。汽车的布置空间确定梯形臂长度，它也影响到横拉杆轴向力受力大小。根据经验公式，横拉杆轴向力（6-1）式中，FQ是作用于转向节上臂的力，一般情况FQ=0.5G1 为前轴负荷）;是纵拉杆轴向力作用力臂；是横拉杆轴向力FS的作用力臂。由上式可以得出，梯形臂长度需要适当，其长度不能太短，也不能太长，由于当其他参数保持不变时，横拉杆轴向力和梯形臂长m是成反比关系，随着m减小FS增大。如果梯形臂太长，则布置起来会非常困难。查机械设计基础可知：汽车梯形臂的上梯形臂长度值m比上两主销中心距（用M表示）的比值应该在0.110.15范围内。在这里，我们初步选取的参数为m=204mm，M=1720mm，则mM=0.1186。通常情况下，对于梯形底角的选取，左右转向轮的两梯形臂延长线交点应该处于前轴以后轴距的23处左右。梯形底角通常情况在7080范围内。6.4 梯形校核通常采用图解法进行校核。1、按照初选的梯形尺寸作转向梯形图APQB，其中AB梯形下底，长度等于M、BQ为梯形臂长度等于m、梯形底角）。2、以A为圆心梯形臂长m为半径画弧1，3、再以B作为圆心以梯形臂长m为半径画弧2。4、用A点作为圆心，在AP线上做圆心角1、2、3，.，要求是每隔5圆心角分别为与弧1相交于一系列点，分别是P1、P2、P3，.，再分别以这些点为圆心，以PQ长为半径所画弧3与弧2相交于一系列点，分别是Q1、Q2、Q3.，将B点和Q1、Q2、Q3.各点相连线，测这些角度QBQ1，QBQ2，.，即为外轮转角1、2、3.。5、外轮转角和内轮转角的关系如表6.1。51015202530123456 表6-1 外轮转角和内轮转角的关系根据得到的内、外轮转角来画实际的特性曲线。用这条特性曲线与理论的特性曲线进行比较，得到若干组梯形臂长m和梯形转角，再反复重复上述的画发可以得到一系列的实际特性曲线，再进行比较，直到找出最接近理论曲线的特性曲线，这时所得出的m和，就是我们所求的梯形臂长和梯形底角。最后经过实际图解法，我们取梯形臂长m=204mm，M=1672mm，mM为0.1254，梯形底脚=76。6.5 转向传送机构的臂、杆与球销通常情况下，转向传动机构的杆件选取20、30或35号钢制造，这些材料的特点主要是质量小、强度好。各元件的连接形式选择球形铰接。球形铰接有这样一个优点就是可以防止由于磨损产生的间隙。球形铰接通常是采用弹簧把球头与衬垫压紧。并且需要润滑和防尘罩。衬垫与球销最通常的材料是合金钢18MnTi，20CrN，或12CrNi3A，并且渗碳淬火处理，深度1.53.0mm，硬度达到HRC 5663。球形铰接的壳体通常使用钢40或45制造。6.6 转向横拉杆及其端部横拉杆直径的计算（6-2）其中是原地方向盘阻力矩，为前轮距为材料许用应力这里我们取横拉杆直径d=15mm，长度取281mm 。通过螺纹将球头销与齿条连接，球头销需要按照制造厂的规范拧一个预紧力，在转向横拉杆上安装防尘套，防止了外界杂物。转向横拉杆端部与外端采也采用螺纹连接的形式，用螺母锁紧（图6-3）。图6-3转向横拉杆外接头1- 横拉杆 2-锁紧螺母3-外接头壳体 4-球头销 5-六角开槽螺母 6-球碗 7-端盖 8-梯形臂 9-开口销表6-2 转向横拉杆及接头的尺寸设计参数序号项目符号尺寸参数()1横拉杆总长2812横拉杆直径153螺纹长度604外接头总长1205球头销总长626球头销螺纹公称直径M1017外接头螺纹公称直径M121.58内接头总长65.39内接头螺纹公称直径M121.56.7杆件设计结果转向梯形臂/mm204转向横拉杆/mm281表6-3杆件设计结果第7章其他零件的选择7.1六角螺栓的选择根据GB/T 5780-2000 选取螺纹规格d=M6 7.2弹簧的选择根据GB/T 1358-93选择代号为Y3的冷卷压缩弹簧总圈数 n1=6有效圈数 n=4材料直径 d=5自由高度 31.1mm弹簧中径 D=25弹簧内径弹簧外径 7.3垫圈的选择根据GB/T 848-85,选择相配合的螺纹规格为d=8 7.4油封的选择根据JB/ZQ4606-86和轴径选取毡圈油封7.5滚动轴承的选择根据GB/T 5801-2006 选取滚针承的型号为NA49007.6推力轴承的选择根据选取推力轴承的型号为51205结论汽车如今已经大众化、家庭化，而越来越多的汽车保有量，让交通变得越来越复杂，在如此复杂的交通环境中，行车安全显得格外的需要，这就要求汽车不仅需要良好地操纵性能和舒适性，而与此比较更重要的是汽车的主动安全性，而作为控制汽车行驶方向的汽车转向系统就显得非常重要了。汽车转向系是用来改变或者保持汽车行驶方向的机构，它对汽车的安全行驶起着关键的作用。通过本次设计，我对汽车的转向系有了更清楚的理解，学到了很多的知识。本次我所选用的转向器是齿轮齿条式转向器，它适用于各种微型车和家庭用车，而我选取的车型是五菱荣光2011基本款。汽车已知的主要数据有轴距，整备质量等等。在设计之初，我查看了多本汽车和设计的书，如机械设计基础、汽车构造等等，大致了解了汽车转向器的基本结构和工作原理，并开始进行了方案论证和选择，最终确定了所选的转向器型式。接着再进行转向操纵机构的一些相关计算，大致确定转向操纵机构的构造和强度满足了要求。再接着进行了转向器的传动比的设计计算，结果计算，传动比确定了下来，也基本符合设计要求。再接着就是转向系效率的分析，基本满足了设计要求，达到了85%。接下来是最重要的环节，那就是转向器的设计，齿轮的设计，齿条的设计，参数的选择计算，包括强度的校核。最终确定了齿轮齿条的结构和具体的参数，为后来的作图部分打下了基础。由于我缺乏实际设计的经验，也缺乏对事物的拆装和分析。所以说本次设计虽然有所收货，有了最后的结果,但毕竟时间有限，理论知识也有限，本次的设计也存在很多点不足.第一点,由于本次设计只考虑了转向系本身的设计，并没有考虑与其他部分如悬架系统等的配合关系，所以那次设计出来的转向系统或许存在装配的问题。第二点,本次转向系统的设计重点是放在转向器这一部分的设计，所以说转向系的其他部分，比如转向操纵机构、转向传动机构等都缺乏细致的设计，因此会有一些细节的问题有待处理。第三点,由于时间限制,设计的经验也不足,本次设计过程中大多采用的是书里的经验公式，计算的结果和实际设计所需的要求可能存在一定的出入，许多细节问题没能考虑周到。还有很多不足之处就不逐一列出，通过本次设计使我对汽车设计有更加深刻理解，不仅锻炼了自己动手设计的能力，经过这次的设计也发现了自己的不足之处，希望自己日后的学习工作过程中不断的提高。参考文献1 李仲生机械设计基础M5版北京：高等教育出版社，2006，112-1892 王望予. 汽车设计M4版北京：机械工业出版社，2004，21-2143 陈家瑞.汽车构造M3版北京：机械工业出版社，2009，87-1154 余志生.汽车理论M5版北京：机械工业出版社，2011，56-2385 余志生. 汽车理论M5版北京：中国测量出版社，2011，116-1406 吴宗泽.机械设计实用手册. M北京：化学工业出版社，2008，67-2237 刘鸿文材料力学M5版北京：高等教育出版社，2010，71-948 祖业发.工程制图M重庆：重庆大学出版社，2001，97-1379 徐灏.机械设计课程设计手册M北京：机械工业出版社，12004，56-8810 吴宗泽. 机械设计课程设计M4版北京：高等教育出版社，2012，24-12011 王隆太.机械CAD/CAM技术M3版北京：机械工业出版社，2010，187-29412 王宝玺汽车制造工艺学M3版北京：机械工业出版社，2007， 43-12213 陈文波. 我国新能源汽车的关键技术与发展瓶颈J交通标准化2011(19)，1-15 14 李钦军. 基于低碳经济背景下广州市新能源汽车产业发展政策研究J 华南理工大学2012 ，1-9 致谢在这段毕业设计的时间里，在此需要特别地感谢朱石沙老师，他日复一日的细心讲解和指导，也让我的设计顺利了许多，而且他在指导的同时给予肯定和鼓励，让我对本次设计一直充满着信心。祝愿朱老师及家人身体健康，工作顺利。感谢湘潭大学机械工程学院提供给我如此良好的学习环境，感谢湘潭大学的老师们传授我知识，教育我如火如何做人。感谢老师们在大学期间对我在学习、工作、生活等方面的帮助和支持。通过这次毕业设计，让我从中学习到许多相关知识，同时让我们对大学以来所学过的知识得到了进一步的巩固，更重要的是让我们发现了自己知识的不足，我相信这对我们以后工作有非常大的帮助。最后特别感谢对本文提出宝贵建议意见，为本文评阅付出辛苦的各位专家、教授和老师们。附录 I 译文 (29)这个值是最大限度地相对于一个过渡概率的最小化。对于t，而不是相对于目标值的最小化A，同样是通过最小化达到相对率。事实上，对右边等式（29）进行简单的最小化，就得到力平衡方程 (30)即，朗之万方程没有随机力。这是合理的，因为随机力为零意味着式（30）是真实的平均值。因此，我们从上可得:（一）可以有一个变分泛函，其数量是一个变量，这是相对率的最小化；（二）这样的结果会保证最小平均力的平衡；（三）同时最小化所产生的运动方程及相关边界条件，代表了最有可能的耗散过程。最后声明基本上保证了在统计意义上，最有可能的动态过程的宏观观察。对于多变量的一般情况，可以简单地概括为式（29），（31）在人工智能的场变量的情况下，应改为积分的总和，通过功能性衍生物的偏导数。在式（31）耗散系数矩阵元素的国家司法研究所必须的两项指标的交换对称，如图所示的昂萨格29,30基于微观可逆性。5.2昂萨格的原理的应用：简单的例子考虑粘性时可压缩流体的运动方程便发生变化。在这种情况下，粘性耗散简单表示为： , （32）其中是粘度系数。在这个简单的例子中没有自由能量（时变）。因此，变分泛函，这应该是相对最小化，与不可压缩性条件（利用分部积分法，最大限度地减少关于w.r.t. 等价于下面最小化w.r.t.v）。可以通过使用拉格朗日乘子。完成一个简单的计算得到，（33）这导致斯托克斯方程，（34）我们已经确定了。本文推导了斯托克斯方程的粘性耗散最小化（与不可压缩性约束）最初是由亥姆霍兹 33 认为惯性效应可以包括要求动量平衡，在这种情况下，我们得到纳维-斯托克斯方程。（35）变化的边界条件也有（32），由切向粘性应力积分的表面（这里的下标N表示正常的组件的边界和的切向分量），且已忽略式（33）。这是动力边界条件关键问题，这是的运动方程解的条件。我们知道，无滑移边界条件一般是在液固界面规则。然而，作为固体壁面与流体都是由不同的分子间的相互作用，这是很自然的假设在液固界面存在一些相同形式摩擦，式（32）。这样的假设并不一定排除无滑移边界条件，但可以选择做一个限制。我们用一个离散的式（32）为适应粘性耗散的表达流固界面，，表示表面微分。由于表示相对（切向）的流体层和固体边界之间的速度，这正是我们所称的滑移速度。直接显示形式为擦耗散率在液固界面能。直接显示形式摩擦耗散率在液固界面能，（36）滑移系数为粘度/长度。因此，可以定义为滑移长度。防滑边界条件的接触，让。如果我们把式（36）和该表面滑动耗散项和切向粘性应力边界条件的式（32）相结合，我们得到的边界条件，（37）提出近两个世纪前称为边界条件37。值得注意的是，如果我们让滑移长度为零，从而得到无滑移边界条件，然后滑动速度必须为零以及为了等式左边（37）不偏离。因此，无滑移边界条件是一种限制的情况下式（37）。通过扩展昂萨格原理不混溶流体的流动的情况下（在这种情况下，必须包括一个免费的能量的时间变化项，从流体的流体和流体-固体界面的能量产生的），它已被证明，得到解决的经典问题的移动接触线38一个广义Navier边界条件。此外，由此产生的连续流体力学可以首次在分子动力学模拟到分子水平 40 定量协议流域预测产量。然而，由于滑移长度一般是在纳米尺度，无滑移边界条件可以作为一个很好的近似的宏观流动。从以上的昂萨格原理提出了一种运动的水动力方程的推导统一的框架以及相关的边界条件，虽然它并没有给相关的参数，这是特定于特定的模型的细节。6电流变流体动力学许多的ER流体应用涉及到流中高剪切速率。而ER的静态特性流体可以有效介电常数制定成功的研究ER流体的动态行为可以代表一个具有挑战性的课题。直接模拟涉及多个离散，电相互作用粒子将计算有限粒子数 41-47 ，因此难以适用于现实系统。宾汉流体 48 通常用于ER动态预测，其中动态剪切Couette流，引起的应力为例，是由下式给出，其中表示的粘度，剪切速率与阈值的剪应力超过类似流体的行为恢复。而Bingham模型清楚地捕捉到的ER动力学的重要元素，它没有考虑到经常观察到的剪切变稀行为和ER流变的电极配置的灵敏度（S）。下面我们描述两相连续模型为ER流体动力学模拟 49 。该模型产生自然的观察表明，电场作用下，固体颗粒相分离为两部分密列相，如图2所示的液相。在这个模型中的固体颗粒之间的电相互作用的基础上的处理（引起的）偶极相互作用，在弱电流变效应的限制有效。这是在相反的静态性能更精确的处理通过有效介电形式主义。通过对固体颗粒的数密度为场变量，我们推导运动方程通过使用昂萨格的变分原理。结果指出，在一个微弱的电流变效应对系统的实验结果吻合良好。特别是，它表明，剪切变稀行为的二动力可以采用平面避免，交替的电极配置，其中可能有积极的影响，ER流体的应用。6.1模型描述考虑相同尺寸的固体微球半径在我们的计算为5微米，介电常数=2.0，质量，悬浮油脂介电常数，粘度，密度。由于和之间的差异，在外部磁场的存在下，由式（1）得颗粒极化与感应偶极矩。在这里，表示的局部电场，这是外加电场的埃克斯特的总和，加上其他所有的诱导偶极场，在微球体的位置。后者的准确知识需要描述的诱导偶极子的空间分布，它代表了全球的自洽的解决问题的办法。为了方便模型的建立，我们首先假定点偶极子位于微球的中心。为了防止微球从重叠的空间，我们引入两个球我和J之间的斥力的相互作用势，分别坐落在和，如，（38）在S0选择一个合适的能量常数。除了规范的偶极-偶极相互作用，这种排斥作用的长期注意也影响了致密的胶体粘度（柱）相。第二，我们把集体的固体颗粒密度作为一个字段变量，其中表示的无量纲，当地的固体微球的体积分数。这对我们的模型组件用“S”组件。这显然不是一个实体，而是一个均质胶体（柱）相。我们将这种密集的粘度模型胶态相作为一个功能的，实验数据如下所示。你可以写下“S”组件的总能量，包括颗粒之间的相互作用的粒子和外部磁场之间的，作为一个功能的： (39)当（40）是偶极相互作用算子，和爱因斯坦求和约定之后在式（39），在重复指标意味着求和。一个F的变化相对于n导致，当（40a）是化学势的“S”组件。应当指出的是，在方程的右边第一两个术语（41a）可以被解释为，当。（41b）因为n是一个局部变量，这是一个n连续性方程，给出了， (42)当是“s”相速度，和是一个对流扩散电流密度。除了“s”组件，该模型由一个“”或液体、成分，连同耦合项的特征的两个组件之间的耗散耦合。在这里，我们首先给出完整的耦合运动方程的两相流模型。他们的推导，经由昂萨格变分原理将在下面的部分了。除连续性方程（42），耦合的运动方程“s”阶段和给出了相，（43），（44）与补充的不可压缩性条件。应该指出，表示密集的胶体相速度，包括液体和固体颗粒。因为两者都是可压缩的，因此。这是可以区分的平均速度的固体颗粒密度的差异，不可能为零。在式（43）中,是当地的质量密度的“s”阶段，和是在两个阶段的压力，从能量的功能所产生的力密度（39），和的两个组成部分 33 粘性应力。当仅仅是流体的粘度，我们使用胶体粘度的浓度依赖性，被赋予后来的。式（43）和式（44）中K是一个常数，特征的“s”和“”的组件之间的相对阻力密度，在线性近似。因此，如果我们只考虑斯托克斯的“s”的流体阻力，则。在式（43）和（44），两个关键的表达，和将被指定。这可以通过使用昂萨格原理，结合方程的形式。（43）和（44），如下所示。6.2推导了两相耦合的运动方程对“S”的ER流体成分，同时给出了变分泛函，（45）当，（46）和是率的二次函数，给出了1 /2的能量耗散率，（47）结合的约束，这可以通过使用拉格朗日乘子实现。在式（46），我们采用了集成的部件，以及最终要达到所期望的形式的不可压缩性条件。在式（47），是一个对流扩散电流耗散有关的摩擦系数。对流扩散的形式耗散可以简单地实现，获得，其中表示的漂移速度。作用于一个单一的微球的耗散力是。因此，力密度是由给出，和每单位体积的能量耗散率是考虑到1 / 2的因素直接导致公式的表达（47）。少的其他两个条款都是著名的粘性耗散和由两个部件之间的摩擦所造成的损耗,从变分泛函的最小化的速率导致所需的表达和斯托克斯方程的“s”组件。这是，, (48)和，（49）当。方程的右手侧的比较（49）和（43）导致的结论是。当惯性的影响是不可忽略的动量平衡方程，需要左边（49）是由PS与取代，而这正是式（43）。对于摩擦系数，我们提出的斯托克斯阻力的形式，其中值得注意的是，粘度的应用是有效的胶体粘度的“s”组件，图14“S”与固体颗粒的体积分数组成粘度变化。该曲线显示匹配的变化通过固体密度的整个范围。由于（硬核排斥）相互作用的不同的微球，将确定的“微球的漂移速度之间的部分。这种有效粘度已经广泛研究的理论和实验研究的课题。当固体颗粒密度小于，Pade逼近 50 可以用来表示粘度变化与。在最低阶，粘度可以写为。附近的随机密包，实验结果 51 呈指数发散：一口 0.6 /（）。为了掩护的较低和较高的两端的固体密度，我们相匹配的Pade逼近一低体积分数，和指数发散在更高的体积分数。图14显示匹配关系。方程（44），这是更简单的比式（43），的昂萨格原理几乎相同的应用程序会导致理想的结果。7. 模型预测与实验的比较上述方案的数值的解决方案由两个主要因素的ER流体动力学：这两个部分耦合的流体动力学，与电相互作用。几何中使用的是由两个板形成的通道，平行于XY平面，由距离Zo分离（= 650在计算）。通道充满电流变液。周期性边界条件在计算样本的边界沿x方向施加。沿Y方向的样本被视为一个粒子厚。一种防滑边界条件用于在液固界面。这是因为滑少量不会改变模型的主要结论。上板被假定为是移动沿着X方向恒定的速度，或与移动沿x方向的一些距离的增量在施加电场。7.1数值实现有关问题的电气元件，通过局部电场，方程（1）（与局部电场）。在这里埃克斯特,是拉普拉斯方程与解，与当地的有效介电常数从麦斯威尔加内特方程. (50)拉普拉斯方程可以通过指定的电极配置的解决，这可以是通常的恒电位在上、下板，或叉指电极（如下所示）。的初始配置需要被指定为启动过程。然后是由最初让埃克斯特在式（1）计算。一旦它得到的值，用于获得的新值，然后用公式（1）获得一个新的等等，直到达到一致性。几次迭代就够了。数值，我们解决二维问题（仅沿X和Z方向的变化）采用有限差分光谱分化沿x方向，和明确的时间。从一个随机的初始配置，我们首先将外部的潜在问题，并与当地的领域（因此）通过等式（1）得到如上所述是通过更新方程(42)、（48）。更新的是用于计算的通过等式（50），该过程被重复直到一致性。因此，从随机配置，很容易看到的形成链状列在“s”组件，当施加外部磁场（见下文）。这是直观的期望结果的外部磁场，所需要的能量。一个移动的上板的边界条件（或位移增量）分别应用，及耦合hydrodyan MIC方程（43）和（44），加上连续性方程（42），与不可压缩性条件求解。两个和边界条件的非滑移条件的切向分量在上部和下部的边界，和零的正常成分。从n边界条件的对流扩散电流密度正常的组成部分是零在固体边界。利用时步提出解决方案，在每一个时间步迭代的电气解决方案以确保一致性是实现在，我们得到的二动力学的时间演变.对纳维-斯托克斯方程的求解采用有限差分方法进行的，与压力泊松法是相对标准。7.2预测和实验验证图15（a），我们表明，施加在两个平行电极的电场，该模型可以再现二剪切弹性行为的一种静态屈服应力相关的临界应变，超出该流体的行为出现的 49 。剪切弹性柱的形成中所见到的镶嵌图15的结果。因此，这个模型可以恢复一些的静态特性，在对比的Bingham模型，例如。当顶板相对于底板产生Couette流恒定速度移动，由此产生的剪切力对顶板经历绘制的插图中，如图15（b）的时间函数。波动被看作反映列的再附着断裂。时间平均应力曲线如图15中的剪切速率的函数（B）。这种行为是非常相似的宾汉流体在低剪切速率下，外推的动态屈服应力比在图15中显示的静态屈服应力较低的30%。实验是在Poiseuille流的配置完成，具有不同的电极配置（见插图16和17）。通过将分子筛颗粒制备的ER流体（产品类型：3A 1 / 16，5的直径进行测定，通过公司，日本提供）与11.5 %的颗粒浓度为硅油。制备的ER流体烘烤120C一小时以除去水分。拉伸试验机（MTS目前10 /D框架规范）是用于ER效应测量，流量变化进行了图15（a）计算剪切应力的函数绘制应变（角）2 kVmm的电场下。细胞是由通过2a（y方向），具有周期性边界条件沿剪切方向的X促进柱形成的电场下，初始密度通过。插图显示断列在屈服点。在这里，红色（光）表示高氮蓝值（暗）一个较低的值。静态屈服应力为374 Pa，在这种情况下。（b）（平均值）计算动剪应力的Couette流条件下对同一细胞作为（一）。通过外推到零剪切速率，动态屈服应力是278pa插图显示应力波动在100秒-1的剪切速率。在这里，总体。零场剪切应力很小，因此所表现出来的行为可以被认为是对ER效应。图16。（时间平均）的压力差，由于电流变效应，绘制成的电极配置的剪切速率的函数（用一个1毫米的间隙中的插图所示）。符号和线条表示的实验和理论结果，分别。从底部到顶部：外加电场为1千伏/毫米，2千伏/毫米，3千伏/毫米和4千伏/毫米。在1伏千/毫米，压力差很小，在低剪切速率。这里，外形。图17。由于电流变效应压差，绘制成平面剪切速率的函数，交替的电极结构。符号和线条表示的实验和理论结果。从底部到顶部是电场等于1千伏/毫米，1.5千伏/毫米和2千伏/毫米。在计算中使用的参数值，在图2相同。0.05-150毫米/分钟通过由两个平行板的宽度为1厘米，形成狭窄，长4厘米，由一个1毫米的间隙分离。通过力传感器测量并与软件包记录在细胞的活塞力。由此产生的压力差对收缩的两端可从时间容易获得的平均力。直流电源（斯佩尔曼sl300）提供高电压施加到ER流体。在2.1节中提到，当电流变液具有一定的有限性，通常涉及的离子运输，那么这样的电导率将定义一个时间尺度T超出所施加的电压会明显的筛选，由于离子的迁移到电极。在这里，然而，在实验中ER流体运输时间通过电极区域的在0.04（最低）。这剪切速率比T=0.8 s组的ER颗粒的电导率较小的20倍。在图16中，可以看出，电场施加在两个平行板，有一个很明显的剪切变稀的高剪切速率下的行为。我们的模拟结果与定性一致提出。这里的剪切速率的实验流量为，其中D是两个电极之间的距离和计算出的速度分布和流量。有剪切变稀现象，因为它是将固体颗粒在一起形成柱的电场的事实，通过一个简单的解释，“附着力”列的形成必然是沿磁场方向Z。最初，当剪切速率小，剪切应力与剪切速率的增加，因为它需要更大的力量，在较短的时间内打破柱。然而，随着剪切速率的增加，稳态倾斜的柱如图15（a）更为明显。因此，粘附力减小的倾斜角度的余弦。这导致的剪切变稀的观察。实线是理论预测。可以看出，该协议是优秀的。作为理论的屈服应力遵循严格的的变化，实验结果被看作是在一般协议与这一趋势。另一种设计涉及使用间接电极（插页图17）意味着，所施加的电场可以剪切方向平行的一个重要组成部分。图17显示测量（符号）和计算（实线）的结果，对高剪切率4700/ s的剪切变稀效应不再出现，被视为是正确预测我们的连续模型没有可调参数。8结语对电流变效应的研究在一个阶段是对基础和应用方面的挑战。在基础科学方面，无论微观GER机制，以及一般的ER材料的不断改进，有待于进一步探索。在应用方面，主动的机械设备的潜力、从主动阻尼器ER离合器和制动器以及其他许多积极的的设备，仍然是商业上的实现。这样，考虑未来的研究能够为我们的ER中度外部电领域一方面分子尺度反应的理解提供一种令人兴奋的前景。附录II 英文原文 (29)is the quantity to be minimized if we want to maximize the probability of transition with respect to . For a small t , it is seen that instead of minimizing A with respect to the target state , the same is achieved by minimizing with respect to the rate . Indeed,if we carry out the simple minimization on the right hand side of Eq. (29), we obtain the force balance equation (30)i.e., the Langevin equation without the stochastic force term. Thisis reasonable, since the stochastic force has a zero mean, so Eq. (30) is true on average.Thus we learn from the above that(a) there can be a variational functional, of which the quantity A is the one-variable version, which should be minimized with respect to the rates;(b) the result of such minimization would guarantee the force balance on average; and(c) the minimization would also yield the equations of motion and the related boundary conditions, which represent the most probable course of a dissipative process. The last statement essentially guarantees that in the statistical sense, the most probable course will be the only dynamic course of action observed macroscopically. For the general case of multivariables, the variational functional can be simply generalized from Eq. (29) as，（31）where in the case of s being field variables, the summation should be replaced by integrals, and partial derivatives by functional derivatives. In Eq. (31) the dissipation coefficient matrix elements must be symmetric with respect to the interchange of the two indices, as shown by Onsager 29,30 based on microscopic reversibility.5.2. Application of the Onsager principle: Simple examples Consider the equation of motion for the viscous, incompressible fluid. In that case the viscous dissipation is simply given by （32）where is the viscosity coefficient. There is no free energy (time variation) term in this simple example. Hence the variational functional,which should be minimized with respectto, together with the incompressibility condition (by using the integration by parts, minimizing w.r.t. is equivalent to minimizing w.r.t.v, which is followed below). That can be accomplished by using the Lagrange multiplier . A simple calculation yields，（33）which leads to the Stokes equation，（34）where we have identified. This derivation of the Stokes equation from the minimization of viscous dissipation (with the incompressibility constraint) was first recognized by Helmholtz 33. The inertial effect can be included by requiring momentum balance, in which case we obtain the Navier-Stokes equation. （35）There is also a boundary term in the variation of (32), given by the surface integral of the tangential viscous stress (here the subscript n denotes the normal component to the boundary, and the tangential component), that has been neglected in Eq. (33). This brings into focus the issue of the hydrodynamic boundary condition(s), which is (are) necessary for the solution of the equations of motion. As we know, the non-slip boundary condition is generally the rule at the fluidsolid interface. However, as the solid wall and the fluid are all composed of molecules, albeit with different intermolecular interactions, it is natural to assume the existence of some friction at the fluidsolid interface, with the same form as Eq. (32). Such an assumption does not necessarily rule out the non-slip boundary condition, but may approach it as a limit. We use a discretized version of (32) in order to adapt the viscous dissipation expression to the fluidsolid boundary, with , whereis the surface differential. Since is the relative (tangential) velocity between the fluid layer and the solid boundary, it is precisely what we would call the slip velocity. That directly suggests the form of frictional dissipation rate at the fluid-solid interface to be, （36）where the slip coefficient has the dimension of viscosity/length. Hence a slip length may be defined as. The nonslip boundary condition is approached by letting .If we take the variation of (36) and combine this surface slip dissipation term with the tangential viscous stress obtained from the boundary term in the variation of (32), we obtain the boundary condition, （37）known as the Navier boundary condition 37, proposed nearly two centuries ago. It is noted that if we let the slip length approach zero so as to obtain the non-slip boundary condition, then the slip velocity must be zero as well in order for the left hand side of Eq. (37) not to diverge. Thus the non-slip boundary condition is a limiting case of Eq. (37). By extending the Onsager principle to the case of immiscible fluids flow (in which case one must include the free energy time variation term, arising from the fluid-fluid and fluidsolid interfacial energies), it has been shown that a generalized Navier boundary condition is obtained which resolves the classical problem of the moving contact line 38,39. Moreover, the resulting continuum hydrodynamics can yield for the first time predictions of flow fields in quantitative agreement with molecular dynamic simulations down to the molecular level 40. However, since the slip length is generally in the nanometer scale, the non-slip boundary condition can be regarded as an excellent approximation for macroscopic flows.It follows from the above that the Onsager principle offers a unified framework for the derivation of the hydrodynamic equations of motion as well as the associated boundary conditions, although it does not give the values for the relevant parameters, which are specific to the details of the particular model.6. Electrorheological fluid dynamicsMany of the ER fluid applications involve flows with moderate to high shear-rates. While the static characteristics of the ER fluids can be studied successfully with the effective dielectric constant formulation, the dynamic behavior of ER fluids can represent a challenging topic. A direct simulation involving a number of discrete, electrically interacting particles would be computationally limited by the particle number 41-47, hence difficult to apply to realistic systems. Bingham fluid 48 is often used for the prediction of ER dynamics, in which the dynamic shear stress induced by a Couette flow, for example, is given by the expression, where denotes viscosity, the shear rate, and the threshold shear stress beyond which the fluid-like behavior is recovered. While the Bingham model clearly captures an essential element of the ER dynamics, it fails to account for the often-observed shear thinning behavior and the sensitivity of ER rheology to electrode configuration(s). Below we describe a two-phase continuum model for the simulation of ER fluid dynamics 49. This model arises naturally from the observation that under an electric field, the solid particles phase - separate into two components - a dense column phase and a liquid phase as shown in Fig. 2. In this model the electrical interaction between the solid particles is treated on the basis of (induced) dipole-dipole interaction, valid in the limit of weak ER effect. This is in contrast to the more exact treatment of the static properties through the effective dielectric formalism. By regarding the number density of solid particles as a field variable, we shall derive the equations of motion by using the Onsager variational principle. Results obtained are noted to be in excellent agreement with the experiments on systems with a weak ER effect. In particular, it is shown that the shear-thinning behavior of ER dynamics may be avoided by using a planar, alternate-electrode configuration, which may have positive implications for ER fluid applications.6.1. Model descriptionConsider identically-sized solid microspheres of radius a (=5 mm in our calculations), dielectric constant (=10.0 in our calculations), and mass m (=g in our calculations) suspended in oil with dielectric constant (=2.0 in our calculations), viscosity (=10 cP in our calculations), and density (=in our calculations). Due to the difference between and, in the presence of an external field the solid particles will be polarized with an induced dipole moment as defined by Eq. (1). Here denotes the local electric field, which is the sum of the externally applied electrical field, plus the field from all the other induced dipoles, both at the position of the microsphere. The accurate knowledge of the latter requires a description of the induced dipole distribution in space, which represents the global self-consistent solution of the problem. To facilitate the construction of the model, we first assume that the point dipole is situated at the center of the microsphere. To prevent microspheres from overlapping in space, we introduce a repulsive interaction potential between any two spheres i and j, situated at and , respectively, as, （38）where is a suitably chosen energy constant. Besides regularizing the dipole-dipole interaction, this repulsive interaction term is noted to also affect the viscosity of the dense colloidal (column) phase. Second, we treat the solid particles collectively by regarding their density as a field variable, where denotes the dimensionless, local volume fraction of solid microspheres. This component of our model is denoted by the “s” component. It is obviously not a solid, but rather a homogenized colloidal (column) phase. We will model the viscosity of this dense colloidal phase as a function of, fitted to experimental data. This is shown below. One can write down the total energy for the “s” component, including the interaction between the particles and between the particles and the external field, as a functional of : (39)Where （40）is the dipole interaction operator, and the Einstein summation convention is followed in Eq. (39), where the repeated indices imply summation. A variation of F with respect to n leads to, where （40a）is the chemical potential for the “s” component. It should be noted that the first two terms on the right-hand side of Eq. (41a) may be interpreted as, where. （41b）Since n is a locally conserved variable, there is a continuity equation for n, given by, (42)where is the “s” phase velocity, and is a convective-diffusive current density. Besides the “s” component, the model consists of another“”, or liquid, component, together with a coupling term that characterizes the dissipative coupling between the two components. Here we first give the complete coupled equations of motion for the two-phase model. Their derivation via the Onsager variational principle will be given in the following section. Besides the continuity equation (42), the coupled equations of motion for the “s” phase and the “”phase are given by, （43）, （44）with the supplementary incompressibility conditions. It should probably be noted that denotes the velocity of the dense colloidal phase, which includes both liquid and solid particles. Since both are incompressible, hence. This is to be distinguished from the averaged velocity of the solid particle density, whose divergence would not be zero. In Eq. (43) is the local mass density of the “s” phase, and are the pressures in the two phases, is the force density arising from the energy functional (39), and are the viscous stresses of the two components 33. While is just the fluid viscosity, for we use the concentration-dependent colloidal viscosity, to be given later. In Eqs. (43) and (44) K is a constant which characterizes the relative drag force density between the “s” and “”components, in the linear approximation. Hence if we consider only the Stokes drag of the “s” phase by the fluid, thenIn Eqs. (43) and (44), the two crucial expressions, and,are to be specified. This can be done by using the Onsager principle, together with the forms of Eqs. (43) and (44), as shown below.6.2. Derivation of the two-phase coupled equations of motion For the “s” component of the ER fluid, the Onsager variational functional is given by, （45）Where, （46）and is a quadratic function of rates, given as 1=2 the energy dissipation rate, （47）together with the constraint of r , which can be implemented by using a Lagrange multiplier . In Eq. (46), we have used the integration by parts as well as the incompressibility condition to reach the final desired form. In Eq. (47), is a frictional coefficient related to the convective-diffusive currents dissipation. The form of the convective-diffusive dissipation can be simply obtained by realizing that, where denotes the drift velocity. The dissipative force acting on a single microsphere is. Hence the force density is given by, and the energy dissipation rate per unit volume is . Taking into account the factor of 1/2 leads directly to the expression shown in Eq. (47). The other two terms of are simply the well-known viscous dissipation and the dissipation caused by the friction between the two components. Minimization of the variational functional with respects to the rates . leads to the desired expression for and the Stokes equation for the “s” component. That is, (48)And, （49）where. A comparison of the right-hand sides of Eqs. (49) and (43) leads to the conclusion that. When the inertial effects are not negligible, momentum balance requires the left hand side of Eq. (49) be replaced by, which is precisely Eq. (43) For the frictional coefficient , we propose the Stokes drag form , where it is noted that the viscosity used is that of the effective colloidal viscosity of the “s” component,Fig. 14. The “s” component viscosity variation with the solid particles volume fraction. The curve shows the matched variation through the whole range of solid densities.owing to the (hard core repulsive) interaction between the different microspheres that would determine the drift velocity of a microsphere inside the “s” component. This effective viscosity has been a topic of extensive study both theoretically and experimentally. When the solid particle density is lower than , Pade approximants 50 can be used to represent viscosity variation with. In the lowest order, the viscosity can be written as . For near the random close pack fraction , experimental results 51 showed an exponential divergence: exp 0.6 /（） . In order to cover both the lower and higher ends of the solid density, we have matched the Pade approximation at a lower volume fraction, , and exponential divergence at higher volume fractions. Fig. 14 shows the matched relation. For Eq. (44), which is much simpler than Eq. (43), an almost identical application of the Onsager principle would lead to the desired result.7. Model predictions and comparison with experiments Numerical solution of the above scheme consists of two main elements that underlie the dynamics of ER fluids: coupled hydrodynamics of the two components, together with the electrical interactions. The geometry used is that of a channel formed by two plates, parallel to the xy plane, separated by a distance Z 0 (=650 mm in our calculations). The channel is filled with ER fluid. A periodic boundary condition is imposed on the calculational sample boundaries along the x direction. Along the y direction the sample is treated as one particle thick. A nonslip boundary condition is used at the fluidsolid interfaces. This is because the small amount of slip will not alter the main conclusions of the model. The upper plate is assumed to be either moving at a constant speed along the x direction, or moved with some incremental distance along the x direction after the electric field is applied.7.1. Numerical implementation The electrical element of the problem enters through the local electric field , and Eq. (1) (with the local electric field). , being the solution of the Laplace equation r N .E x/r D 0, with the local effective dielectric constant N obtained from the MaxwellGarnett equation. (50)The Laplace equation can be solved by specifying the electrode configuration, which can be either the usual condition of constant potentials at the upper and lower plates, or the interdigitated electrodes (shown below). An initial configuration of or needs to be specified in order to start the solution process. Then is calculated by initially letting E in Eq. (1). Once it is obtained, the values are used to obtain a new value for El , which is then used in Eq. (1) to obtain a new , etc, until consistency is achieved. A few iterations suffice. Numerically, we solve the 2D problem (variations only along x and z directions) by using finite difference with spectral differentiation along the x direction, and explicit in time. Starting from a random initial configuration of , we first apply the external potential to the problem, and with the local field (and thus through Eq. (1) obtained as described above, is updated through Eqs. (42) and (48). The updated is used to calculated through Eq. (50), and the process is iterated till consistency. Thus starting from a random configuration, it is easy to see the formation of chain-like columns in the s component when the external field is applied (see below). This is the intuitively desired consequence of an external field, as required by energetics. The boundary condition of a moving upper plate (or the incremental displacement) is then applied, and the coupled hydrodyanmic equations (43) and (44), together with the continuity equation (42), are solved with the incompressibility conditions. The boundary conditions for both and are the non-slip conditions for the tangential components at the upper and lower solid boundaries, and zero normal components. For n, the boundary condition is that the normal component of the convective-diffusive current density J be zero at the solid boundaries. By time-stepping forward the solution, at each time step iterating the electrical solution to insurethat consistency is achieved in, we obtain the time evolution of the ER dynamics. The solution of the NavierStokes equation is carried out by using the finite difference scheme, with the pressure-Poisson scheme that is relatively standard.7.2. Predictions and experimental verifications In Fig. 15(a), we show that for an electric field applied across two parallel electrodes, the model can reproduce the ER shear elastic behavior up to a critical strain associated with the static yield stress, beyond which the fluid behavior emerges 49. The shear elasticity is the result of column formation as seen in the inset to Fig. 15(a). Thus this dynamic model can recover

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