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电动车前转向系统设计毕业论文第1章 绪论1.1 课题背景内燃机汽车经过120多年的发展和壮大，在安全、节能、环保、舒适、和廉价等方面取得了重大发展。但是，内燃机汽车的发展也正面临着可持续发展能源的挑战，大气环保和地球温室效应（变暖）的挑战，以及噪声方面的限制等。据英国石油公司最近发布的BP世界能源统计2009，全球原油剩余探明储量按照2008年的年开采速度计算，还可以开采42年。这意味着，到本世纪中叶，以电动汽车为代表的新能源车将毫无悬念地成为全球汽车工业的主导产品。为了提高电动车的灵活性，四轮独立转向系统能够更好的来实现。1.1.1 电动汽车概述电动汽车（Electric Vehicle）是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。一般采用高效率充电电池，或燃料电池为动力源1。电动汽车由底盘、车身、蓄电池组、电动机、控制器和辅助设施蓄电池六部分组成。由于电动机具有良好的牵引特性，因此蓄电池汽车的传动系统不需要离合器和变速器。车速控制由控制器通过调速系统改变电动机的转速即可实现。图1-1 用单一蓄电池作为电源的EV图1-2 装有辅助电源的EV1.1.2 电动汽车的优点及意义电动汽车的发展将集中考虑能源、环保和交通成为可能，而且他对促进高科技的发展、新型工业的兴起以及经济的发展将产生深远的影响。它有内燃机汽车不能比拟的优点。首先，从环保角度来看，电动汽车是零排放的市区交通工具，即使计入发电厂增加的排气，总量上看，它也将使空气污染大大减少。此外，电动汽车使用电池储存的电能，没有内燃机工作时的机械噪声，所以，他能有效的控制城市的噪声污染。其次，从能源角度来看，电动汽车将使能源的利用多元化（例如可使用各种可再生能源）和高效化，改善能源结构，达到能源的可靠、均衡和无污染的利用的目的。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。因此开发电动汽车具有重要的能源战略意义。再次，在改善交通安全和道路使用方面，电动汽车更容易实现智能化。1.2 电动汽车的发展追溯电动汽车的起源，最早可到1881年。它比内燃机汽车还早一些，但内燃机车后来居上，在性能、机动性和重量上远远超过了电动汽车，电动汽车在20世纪20年代达到鼎盛后就一蹶不振，成为“电瓶车”式的辅助车辆。在20世纪初蒸汽汽车、电动汽车和内燃机汽车基本是三足鼎立，在汽车保有量中，蒸汽汽车占40%，电动汽车占38%，而内燃汽车仅占22%，美国是最早使用电动汽车作为运输车辆的国家之一，1915年美国电动汽车产量曾达到过年产5000辆的最高峰。有很多电动汽车一直到第二次世界大战期间仍在使用。但到20世纪60年代电动汽车的保有量仅占汽车总量的2%。随着现代水力发电、核能发电、风力发电和太阳能的利用，为人们提供了巨大的能源。各种高能蓄电池和高效率的电机不断研发出来，使人们把目光转向了电动汽车，电动车辆可以是人们摆脱对石油燃料的依赖和实现“零污染”和“超低污染”的排放，为电动车的“东山再起”创造了有利条件。因此各国和各大汽车公司都重视了电动汽车的研究、开发和试制。从20世纪70年代起，新一代电动汽车脱颖而出，出现了各种各样高性能的电动汽车。1.2.1 国内外四轮独立驱动的发展现状内燃机汽车经过120多年的发展和壮大，在安全、节能、环保、舒适、和廉价等方面取得了重大发展。但是，内燃机汽车的发展也正面临着可持续发展能源的挑战，大气环保和地球温室效应（变暖）的挑战，以及噪声方面的限制等。据英国石油公司最近发布的BP世界能源统计2009，全球原油剩余探明储量按照2008年的年开采速度计算，还可以开采42年。这意味着，到本世纪中叶，以电动汽车为代表的新能源车将毫无悬念地成为全球汽车工业的主导产品。美国在1993年对汽车能源的可持续发展发布了PNGY计划，在美国三大汽车公司的分工、合作的实施下，先后推出了以燃料电池汽车、高性能发动机、混合动力汽车和车辆轻量化等新能源、新技术和新材料为主要开发、创新方向的多种新概念车。在欧洲有由“欧盟”提出的能源和电动车辆的研究计划。日本由于本国石油资源匮乏。早在20世纪70年代就注意了电动车辆的研究和开发，组织的各大汽车公司先后研发了多种EV、FCEV和HEV，在世界上处于领先地位。在我国，为实现能源保障，改善大气环境，提高我国汽车正业的核心竞争力，国家和企业大力发展电动汽车产业。目前，电动汽车重大专项已在多个关键单元技术、系统集成技术以及整车技术上取得了重大的进展。独立悬架轮毂驱动电动汽车以驱动方式简洁、动力传递效率高、可以做到“零排放”等优点充分展现了电动汽车的优势，它采用装在驱动轮当中的四个独立的轮毂电动机来驱动车辆的运动。在这种结构中，驱动轮可以单独控制，也可以整体控制，这样就为改善汽车的动力性、稳定及安全性提供了更大的发展潜力。另外这种驱动系统可以采用体积和功率较小的电动机及驱动器件，省略了其他驱动结构形式复杂的传动变速部件，这种既有利于汽车的总体布置又有利于保证离地间隙。本课题所研发电动汽车采用同步电机驱动齿轮齿条转向器，调节四轮摆角以达到四轮独立转向，低速转向时前后异向转向，以减小转弯半径，高速行驶时前后同向转向，为了增大转弯半径。采用编程控制系统1.2.2 汽车转向装置的设计趋势21. 适应汽车高速行驶的需要从操纵轻便性、稳定性及安全行驶的角度，汽车制造广泛使用更先进的工艺方法，使用变速比转向器、高刚性转向器。“变速比和高刚性”是目前世界上生产的转向器结构的方向。2. 充分考虑安全性、轻便性随着汽车车速的提高，驾驶员和乘客的安全非常重要，目前国内外在许多汽车上已普遍增设能量吸收装置，如防碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊等，并逐步推广。从人类工程学的角度考虑操纵的轻便性，已逐步采用可调整的转向管柱和动力转向系统。3. 低成本、低油耗、大批量专业化生产随着国际经济形势的恶化，石油危机造成经济衰退，汽车生产愈来愈重视经济性，因此，要设计低成本、低油耗的汽车和低成本、合理化生产线，尽量实现大批量专业化生产。对零部件生产，特别是转向器的生产，更表现突出。4. 汽车转向器装置的电脑化未来汽车的转向器装置，必定是以电脑化为唯一的发展途径。1.2.3 转向系统的发展趋势美国和德国开发的电动汽车大多采用交流感应电机，主要优点是价格较低、效率高、重量轻，但启动转矩小。日本研制的电动汽车几乎全部使用永磁无刷电机，其主要优点是效率可以比交流感应电机高6个百分点，但价格较贵，永磁材料一般仅耐热120以下。开关磁阻电机结构较新，优点是结构简单、可靠、成本较低、起动性能好，没有大的冲击电流，它兼有交流感应电机变频调速和直流电机调速的优点，缺点是噪声较大，但仍有一定改进余地3。转向装置是为实现汽车的转弯而设置的，由转向机、方向盘、转向机构和转向轮等组成。作用在方向盘上的控制力，通过转向机和转向机构使转向轮偏转一定的角度，实现汽车的转向。多数电动汽车为前轮转向，工业中用的电动叉车常常采用后轮转向。电动汽车的转向装置有机械转向、液压转向和液压助力转向等类型。1.3 研究内容本章主要介绍了电动汽车的发展背景和未来趋势以及转向系统的现状和独立转向的优点。电动汽车拥有环保，改善能源结构以及易于实现交通智能化等诸多优点，因此必将成为未来交通运输的主要工具。独立转向系统驱动方式简洁、动力传递效率高、可以做到“零排放”等优点充分展现了电动汽车的优势，采用体积和功率较小的电动机及驱动器件，省略了其他驱动结构形式复杂的传动变速部件，这种既有利于汽车的总体布置又有利于保证离地间隙，使电动汽车成为将来出行工具的佼佼者。5第2章 转向系统设计第2章 转向系统2.1汽车转向系统概述4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（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（SBW）。按转向力能源的不同，可将转向系分为机械转向系和动力转向系。机械转向系的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，由转向操纵机构(方向盘)、转向器、转向传动机构三大部分组成。其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动(严格讲是近似直线运动)的机构，是转向系的核心部件2。 动力转向系除具有以上三大部件外，其最主要的动力来源是转向助力装置。由于转向助力装置最常用的是一套液压系统，因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐，它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电机和地线的作用。通常，对转向系的主要要求是:(1) 保证汽车有较高的机动性，在有限的场地面积内，具有迅速和小半径转弯的能力，同时操作轻便；(2) 汽车转向时，全部车轮应绕一个瞬时转向中心旋转，不应有侧滑；(3) 传给转向盘的反冲要尽可能的小；(4) 转向后，转向盘应自动回正，并应使汽车保持在稳定的直线行驶状态；(5) 发生车祸时，当转向盘和转向轴由于车架和车身变形一起后移时，转向系统最好有保护机构防止伤及乘员。2.1.1 机械式转向系统汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向轮来完成的。机械式转向系统工作过程为：驾驶员对转向盘施加的转向力矩通过转向轴输入转向器，减速传动装置的转向器中有1、2 级减速传动副，经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆，再传给固定于转向节上的转向节臂，使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而实现汽车的转向。纯机械式转向系统根据转向器形式可以分为：齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。纯机械式转向系统为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘，需占用较大的空间，整个机构笨拙，特别是对转向阻力较大的重型汽车，实现转向难度很大，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，目前该类转向系统除在一些转向操纵力不大、对操控性能要求不高的农用车上使用外已很少被采用。2.1.2 液压助力转向系统（HPS）装配机械式转向系统的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重，为解决这个问题，美国GM 公司在20 世纪50 年代率先在轿车上采用了液压助力转向系统。该系统是建立在机械系统的基础之上，额外增加了一个液压系统。液压转向系统是由液压和机械等两部分组成，它是以液压油做动力传递介质，通过液压泵产生动力来推动机械转向器，从而实现转向。液压助力转向系统一般由机械转向器、液压泵、油管、分配阀、动力缸、溢流阀和限压阀、油缸等部件组成。为确保系统安全，在液压泵上装有限压阀和溢流阀。其分配阀、转向器和动力缸置于一个整体，分配阀和主动齿轮轴装在一起（阀芯与齿轮轴垂直布置），阀芯上有控制槽，阀芯通过转向轴上的拨叉拨动。转向轴用销钉与阀中的弹性扭杆相接，该扭杆起到阀的中心定位作用。在齿条的一端装有活塞，并位于动力缸之中，齿条左端与转向横拉杆相接。转向盘转动时，转向轴（连主动齿轮轴）带动阀芯相对滑套运动，使油液通道发生变化，液压油从油泵排出，经控制阀流向动力缸的一侧，推动活塞带动齿条运动，通过横拉杆使车轮偏转而转向。液压助力转向系统是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机带动液压泵产生的压力来实现车轮转向。由于液压转向可以减少驾驶员手动转向力矩，从而改善了汽车的转向轻便性和操纵稳定性。为保证汽车原地转向或者低速转向时的轻便性，液压泵的排量是以发动机怠速时的流量来确定。汽车起动之后，无论车子是否转向，系统都要处于工作状态，而且在大转向车速较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力，所以在一定程度上浪费了发动机动力资源。并且转向系统还存在低温工作性能差等缺点。2.1.3 电控液压助力转向系统（EHPS）由于液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性，因此，在1983年日本Koyo 公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统（EHPS）。EHPS 是在液压助力系统基础上发起来的，在传统的液压助力转向系统的基础上增设了电控装置，其特点是原来由发动机带动的液压助力泵改由电机驱动，取代了由发动机驱动的方式，节省了燃油消耗；具有失效保护系统，电子元件失灵后仍可依靠原转向系统安全工作；低速时转向效果不变，高速时可以自动根据车速逐步减小助力，增大路感，提高车辆行使稳定性。电控液压助力转向系统是将液压助力转向与电子控制技术相结合的机电一体化产品。一般由电气和机械两部分组成，电气部分由车速传感器、转角传感器和电控单元ECU 组成；机械部分包括齿轮齿条转向器、控制阀、管路和电动泵。其中电动泵的工作状态由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态。简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向省力；汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动液压泵以较低的速度运转，在不至影响高速打转向的需要的同时，节省一部分发动机功率。电控液压转向系统的工作原理：在汽车直线行驶时，方向盘不转动，电动泵以很低的速度运转，大部分工作油经过转向阀流回储油罐，少部分经液控阀然后流回储油罐；当驾驶员开始转动方向盘时，ECU根据检测到的转角、车速以及电动机转速的反馈信号等，判断汽车的转向状态，决定提供助力大小，向驱动单元发出控制指令，使电动机产生相应的转速以驱动油泵，进而输出相应流量和压力的高压油。高压油经转向控制阀进入齿条上的动力缸，推动活塞以产生适当的助力，协助驾驶员进行转向操作，从而获得理想的转向效果。电控液压助力转向系统在传统液压动力转向系统的基础上有了较大的改进，但液压装置的存在，使得该系统仍有难以克服如渗油、不便于安装维修及检测等问题。电控液压助力转向系统是传统液压助力转向系统向电动助力转向系统的过渡。2.1.4 电动助力转向系统（EPS）1988年日本Suzuki公司首先在小型轿车Cervo 上配备了Koyo 公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统。1990 年日本Honda 公司也在运动型轿车NSX 上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。EPS 是在EHPS 的基础上发展起来的, 它取消EHPS 的液压油泵、油管、油缸和密封圈等部件,完全依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构, 其结构简单、零件数量大大减少、可靠性增强, 解决了长期以来一直存在的液压管路泄漏和效率低下的问题。电动助力转向系统在本田飞度、思域以及丰田新皇冠、奔驰新A-class等车型上纷纷被采用。2.1.4.1 电动助力转向系统构成电动助力转向系统一般是由转矩（转向）传感器、电子控制单元ECU、电动机、电磁离合器以及减速机构组成。2.1.4.2 电动助力转向系统工作原理电动助力转向系统的工作过程其工作过程为：扭矩传感器检测驾驶员打方向盘的扭矩，然后根据这个扭矩给控制单元一个信号。同时控制单元也会收到来自方向盘位置传感器的信号，这个传感器一般是和扭矩传感器装在一起的（有些传感器已经将这2 个功能集成为一体）。扭矩和方向盘位置信息经过控制单元处理，连同传入控制单元的车速信号，根据预先设计好的程序产生助力指令。该指令传到电机，由电机产生扭矩传到助力机构上去，这里的齿轮机构则起到增大扭矩的作用。这样，助力扭矩就传到了转向柱并最终完成了助力转向。2.1.4.3 电动助力转向系统特点(1)节约了能源消耗。 与传统的液压助力转向系统相比，没有系统要求的常运转转向油泵，且电动机只是在需要转向时才接通电源，所以动力消耗和燃油消耗均可降到最低。还消除了由于转向油泵带来的噪音污染。液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停地流动，再加上存在管流损失等因素，浪费了部分能量。相反EPS 仅在需要转向操作时才需要向电机提供的能量。而且，EPS系统能量的消耗与转向盘的转向及当前的车速有关。当转向盘不转向时，电机不工作；需要转向时，电机在控制模块的作用下开始工作，输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向力矩。该系统真正实现了“按需供能”，是真正的“按需供能型”（on-demand）系统，在各种行驶条件下可节能80%左右。(2)改善了转向回正特性。 当驾驶员转动方向盘一角度然后松开时，EPS 系统能够自动调整使车轮回到正中。同时还可利用软件在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。通过灵活的软件编程，容易得到电机在不同车速及不同车况下的转矩特性，这些转矩特性使得该系统能显著地提高转向能力，提供了与车辆动态性能相匹配的转向回正特性。而在传统的液压控制系统中，要改善这种特性必须改造底盘的机械结构，实现起来很困难。(3)提高了操纵稳定性。 转向系统是影响汽车操纵稳定性的重要因素之一。传统液压动力转向由于不能很好地对助力进行实时调节与控制，所以协调转向力与路感的能力较差，特别是汽车高速行驶时，仍然会提供较大助力，使驾驶员缺乏路感，甚至感觉汽车发飘，从而影响操纵稳定性。但EPS是由电动机提供助力，助力大小由电子控制单元（ECU）根据车速、方向盘输入扭矩等信号进行实时调节与控制，可以很好地解决这个矛盾。(4)安全可靠。 EPS 系统控制单元ECU 具有故障自诊断功能，当ECU 检测到某一组件工作异常，如各传感器、电磁离合器、电动机、电源系统及汽车点火系统等，便会立即控制电磁离合器分离停止助力，并显示出相应的故障代码，转为手动转向，按普通转向控制方式进行工作，确保了行车的安全。2.1.5 线控转向系统（SBW）在车辆高速化、驾驶人员大众化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的易操纵性设计显得尤为重要。线控转向系统（Steering-By-Wire Systerm，简称SBW）的发展，正是满足这种客观需求。它是继EPS 后发展起来的新一代转向系统，具有比EPS 操纵稳定性更好的特点，它取消转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电能实现转向，彻底摆脱传统转向系统所固有的限制，提高了汽车的安全性和驾驶的方便性。2.1.5.1 线控转向系统的构成SBW 系统一般由转向盘模块、转向执行模块和主控制器ECU、自动防故障系统以及电源等模块组成。转向盘模块包括路感电机和转向盘转角传感器等，转向盘模块向驾驶员提供合适的转向感觉（ 也称为路感） 并为前轮转角提供参考信号。转向执行模块包括转向电机、齿条位移传感器等, 实现两个功能: 跟踪参考前轮转角、向转向盘模块反馈轮胎所受外力的信息以反馈车辆行驶状态。主控制器控制转向盘模块和转向执行模块的协调工作。2.1.5.2 线控转向系统的工作原理当转向盘转动时, 转向传感器和转向角传感器检测到驾驶员转矩和转向盘的转角并转变成电信号输入到ECU, ECU 根据车速传感器和安装在转向传动机构上的位移传感器的信号来控制转矩反馈电动机的旋转方向,并根据转向力模拟,生成反馈转矩, 控制转向电动机的旋转方向、转矩大小和旋转角度,通过机械转向装置控制转向轮的转向位置，使汽车沿着驾驶员期望的轨迹行驶。2.1.5.3 线控转向系统特点（1） 取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接，通过软件协调它们之间的运动关系，因而消除了机械约束和转向干涉问题，可以根据车速和驾驶员喜好由程序根据汽车的行驶工况实时设置传动比。（2）去掉了原来转向系统各个模块之间的刚性机械连接，采用柔性连接，使转向系统在汽车上的布置更加灵活，转向盘的位置可以方便地布置在需要的位置。（3） 提高了汽车的操纵性。由于可以实现传动比的任意设置，并针对不同的车速，转向状况进行参数补偿，从而提高了汽车的操纵性。（4） 改善驾驶员的“路感”。由于转向盘和转向轮之间无机械连接，驾驶员“路感”通过模拟生成。使得在回正力矩控制方面可以从信号中提出最能够反映汽车实际行驶状态和路面状况的信息，作为转向盘回正力矩的控制变量，使转向盘仅仅向驾驶员提供有用信息，从而为驾驶员提供更为真实的“路感”。（5）减少了机构部件数量，而减少了从执行机构到转向车轮之间的传递过程，使系统惯性、系统摩擦和传动部件之间的总间隙都得以降低，从而使系统的响应速度和响应的准确性得以提高。2.2 转向操纵机构转向操纵机构包括转向盘、转向轴、转向管柱、马盘及传感器。有时为了布置方便，减小由于装配位置误差及部件相对运动所引起的附加载荷，提高汽车正面碰撞的安全性以及便于拆装，在转向轴与转向器的输入端之间安装转向万向节，。采用柔性万向节可减少传至转向轴上的振动，但柔性万向节如果过软，则会影响转向系的刚度。采用动力转向时，还应有转向动力系统。2.3 转向传动机构转向传动机构用于把转向器输出的力和运动传给转向节并使转向轮按一定关系进行偏转。2.4 转向器机械转向器是将司机对转向盘的转动变为转向摇臂的摆动（或齿条沿转向车轴轴向的移动），并按一定的角转动比和力转动比进行传递的机构。机械转向器与动力系统相结合，构成动力转向系统。高级轿车和重型载货汽车为了使转向轻便，多采用这种动力转向系统。采用液力式动力转向时，由于液体的阻尼作用，吸收了路面上的冲击载荷，故可采用可逆程度大、正效率又高的转向器结构。为了避免汽车在撞车时司机受到的转向盘的伤害，除了在转向盘中间可安装安全气囊外，还可在转向系中设置防伤装置。为了缓和来自路面的冲击、衰减转向轮的摆振和转向机构的震动，有的还装有转向减振器。多数两轴及三轴汽车仅用前轮转向；为了提高操纵稳定性和机动性，某些现代轿车采用全四轮转向；多轴汽车根据对机动性的要求，有时要增加转向轮的数目，制止采用全轮转向 。2.5 转角及最小转弯半径5汽车的机动性，常用最小转弯半径来衡量，但汽车的高机动性则应由两个条件保证。即首先应使左、右转向轮处于最大转角时前外轮的转弯值在汽车轴距的22.5倍范围内；其次，应这样选择转向系的角传动比。两轴汽车在转向时，若不考虑轮胎的侧向偏离，则为了满足上述对转向系的第(2)条要求，其内、外转向轮理想的转角关系如图3-3所示，由下式决定： （2-1） 式中 外转向轮转角； 内转向轮转角； 两转向主销中心线与地面交点间的距离； 轴距2.6 本章小结 本章通过对转向系统各部分进行介绍，讲述转向系统设计的参考依据和实现目标，对所设计内容做出简单概括。51 第3章 转向器总体方案初步设计第3章 转向器总体方案初步设计3.1 转向器的分类及设计选择转向器是转向系中的重要部分，其主要作用有三个方面：一是增大来自转向盘的转矩，使之达到足以克服转向轮与地面之间的转向阻力矩；二是减低转向传动轴的转速，并带动摇臂轴移动使其达到所需要的位置；三是使转向盘的转动方向与转向轮转动方向协调一致。按照转向能源不同，可以将汽车转向系统分为机械转向系统和动力转向系统两大类。根据机械转向器的结果特点，可分为齿轮齿条式转向器、循环球式转向器、蜗杆滚轮式转向器和蜗杆指销式转向器等。齿轮齿条式转向器的齿轮齿条直接啮合，可安装助力机构。齿轮齿条式转向器的正逆效率都很高，属于可逆式转向器。其自动回正能力强。齿轮齿条式转向器结构简单（不需要转向摇臂和横拉杆等）、加工方便、工作可靠、使用寿命长、用需要调整齿轮齿条的间隙。循环球式转向器的第一级传动副是螺杆螺母传动副。第二级是齿条齿扇传动副或滑块曲柄销传动副。循环球式转向器的正效率很高（最高可达90%95%）4，操作轻便，使用寿命长。但逆向效率也较高，可将地面对转向轮的冲击传给转向盘。指销式转向器的传动副以转向蜗杆为主动件，装在摇臂轴曲柄端的指销为从动件。转向蜗杆转动时，与之啮合的指指销即绕转向摇臂轴轴线沿圆弧线运动，并带动转向摇臂转动。对转向其结构形式的选择，主要是根据汽车的类型、前轴负荷、使用条件等来决定，并要考虑其效率特性、角传动比变化特性等对使用条件的适应性以及转向器的其他性能、寿命、制造工艺等。中、小型轿车以及前轴负荷小于1.2t的客车、货车，多采用齿轮齿条式转向器。齿轮齿条式转向器安装助力机构方便且转向器结构简单，适合于轿车。故本设计选用齿轮齿条式转向器。3.2 齿轮齿条式转向器的基本设计3.2.1 齿轮齿条式转向器的结构选择3.2.1.1 输入输出形式选择根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式3：中间输入，两端输出（图3-1a）；侧面输入，两端输出（图3-1b）；侧面输入，中间输出（图3-1c）；侧面输入，一端输出（图3-1d）图3-1 齿轮齿条式转向器的四种形式采用侧面输入，中间输出方案时，与齿条相连的左、右拉杆延伸到接近汽车纵向对称平面附近。由于拉杆长度增加，车轮上、下跳动时拉杆摆角减小，有利于减少车轮上、下跳动时转向系与悬架系的运动干涉。拉杆与齿条用螺栓固定连接，因此，两拉杆会与齿条同时向左或右移动，为此在转向器壳体上开有轴向的长槽，从而降低了它的强度。采用两端输出方案时，由于转向拉杆长度受到限制，容易与悬架系统导向机构产生运动干涉。但其结构简单，节省材料的同时对转向精度较中间输出形式高。现代轿车一般使用两端输出形式。侧面输入，一端输出的齿轮齿条式转向器，常用在平头货车上。本设计采用的是侧面输入 两端输出式齿轮齿条转向器方案。3.2.1.2 齿轮形式选择采用齿轮齿条式转向器采用直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合，则运转平稳降低，冲击大，工作噪声增加。此外，齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角只能是直角，为此因与总体布置不适应而遭淘汰。采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条式转向器，重合度增加，运转平稳，冲击与工作噪声均下降，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满足总体设计的要求。因为斜齿工作时有轴向力作用，所以转向器应该采用角接触球轴承，使轴承寿命降低，还有斜齿轮的滑磨比较大是它的缺点。本设计采用斜齿轮式方案。3.2.1.3 齿条形式选择齿条断面形状有圆形、V形和Y形三种。圆形断面齿条的制作工艺比较简单。V形和Y形断面齿条与圆形断面比较，消耗的材料少，约节省20%，故质量小；位于齿下面的两斜面与齿条托座接触，可用来防止齿条绕轴线转动；Y形断面齿条的齿宽可以做得宽些，因而强度得到增加。在齿条与托座之间通常装有用减磨材料（如聚四氟乙烯）做的垫片，以减少滑动摩擦。当车轮跳动、转向或转向器工作时，如在齿条上作用有能使齿条旋转的力矩时，应选用V形和Y形断面齿条，用来防止因齿条旋转而破坏齿轮、齿条的齿不能正确啮合的情况出现。本设计采用圆形端面齿条。3.2.2 齿轮齿条式转向器的布置形式根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，在汽车上有四种布置形式： 1、转向器位于前轴后方，后置梯形（图3-2a）；2、转向器位于前轴后方，前置梯形（图3-2b）；3、转向器位于前轴前方，后置梯形（图3-2c）；4、转向器位于前轴前方，前置梯形（图3-2d）。图3.2 齿轮齿条式转向器的四种布置形式现阶段大多数轿车都采用第一种布置方式：转向器位于前轴后方，后置梯形，本设计也采用转向器位于前轴前方，后置梯形的布置方式。3.2.3 设计目标参数表以及对应的转向轮偏角计算1、设计目标参数表如表 3.1所示表3-1 汽车转向参数轮距（前/后）1385mm轴距2350mm满载质量1000kg满载轴荷分配：前/后540/460(kg)轮胎185/60 R15主销偏移距a100mm轮胎压力p/Mpa0.24Mpa 方向盘直径380mm2、转向轮侧偏角计算转向系统的性能从整车机动性着手，在最大转角时的最小转弯半径为轴距的2-2.5倍。此轻型车的轴距为2350mm，因此其半径在4.4-5.5m，并尽量取小值以保证良好的机动性，最小转弯半径R取5.1m 。据此，由图3-3得转向轮外轮最大转角 (3-1)式中a为主销偏移距，通常乘用车的a值在0.40.6倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取，而货车a值在40mm60mm范围内选取4，本设计为中型轿车，选取主销偏距为100mmL为汽车轴距。本设计轴距为L=2350mm图3-3转角图可以得到外轮最大转角 (3-2)于是得转向轮内轮转角3.2.4 转向器参数选取与计算齿轮齿条转向器的齿轮多数采用斜齿轮。按照汽车设计课程设计指导书4所指，齿轮模数多在之间，主动小齿轮齿数多数在个齿范围变化，压力角取，齿轮螺旋角的取值范围多为。齿条齿数应根据转向轮达到最大偏转角时，相应的齿条移动行程应达到的值来确定。变速比的齿轮压力角，对现有结构在范围内变化。此外，设计时应验算齿轮的抗弯强度和接触强度 。正确啮合条件：；根据设计的要求，齿轮齿条的主要参数见表3.2。表3-2 齿轮齿条的主要参数名称齿轮齿条齿数Z1031模数Mn2.52.5压力角螺旋角1= 2=-变位系数Xn0.650转向时需要克服的阻力，包括转向轮绕主销转动的阻力、转向轮稳定阻力（即转向轮的回正力矩）、轮胎变形阻力以及转向系中的内摩擦阻力矩。通常用以下的经验公式来计算汽车在沥青或混泥土路面上的原地转向阻力矩MR（Nmm）。 轮胎上的原地转动的阻力矩由经验公式得： (3-3)式中 轮胎和路面间的滑动摩擦因素，一般取0.73； 为转向轴负荷（N）；取前轴满载950Kg； 为轮胎气压（MPa）。取0.24MPa；所以 MR = 183358.4Nmm。方向盘转动圈数： (3-4)其中为初选传动比。取齿宽系数 （3-5）根据转向器本身结构特点以及中心距的要求，应合理选取齿轮轴的变位系数。对于齿轮齿条转向器中齿轮齿条结构特点，齿轮一般都采用斜齿轮，对于变位齿轮，为了避免齿顶过薄，而又能满足齿轮啮合的要求，一般齿轮的齿顶高系数取偏小值。据此，初步选定齿轮和齿条齿顶高系数；顶隙系数；齿轮的变位系数。其基本参数如表3-3所示。表3.3 齿轮齿条基本参数名称符号公式齿轮齿条齿数1031分度圆直径25.56变位系数0.65齿顶高4.1252.5齿根高1.53.125齿顶圆直径33.81齿根圆直径22.56齿轮中圆直径28.81螺旋角12（右旋）12齿宽32223.2.5 齿轮轴的结构设计本设计根据齿轮的尺寸，设计成齿轮轴形式，如图3.4所示。因为本设计采用斜齿轮结构，在传动的时候有轴向力存在。所以轴承方面选取角接触球轴承，齿轮轴与转向轴之间用万向节连接，所以齿轮轴轴端设计花键。图3-4 齿轮轴结构3.2.6 转向器材料及其他零件选择3.2.6.1 齿轮齿条材料选择小齿轮：齿轮通常选用国内常用、性能优良的20CrMnTi合金钢，热处理采用表面渗碳淬火工艺，齿面硬度为HRC5863。而齿条选用与20CrMnTi具有较好匹配性的40Cr作为啮合副，齿条热处理采用高频淬火工艺，表面硬度HRC5056。3.2.6.2 轴承的选择轴承1：角接触球轴承6203(GB/T276-1994) 轴承2：角接触球轴承 6201 (GB/T276-1994) 3.2.6.3 转向器的润滑方式和密封类型的选择转向器的润滑方式：人工定期润滑润滑脂：石墨钙基润滑脂（ZBE36002-88）中的ZG-S润滑脂。密封件： 旋转轴唇形密封圈 FB 16 30 GB 1387119923.3 步进电机的选取进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。图3-5 步进电机3.3.1 步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。3. 3.2 静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。3. 3.3 电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。3. 3.4 力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： (3-6)式中 P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米 P=2fM/400(半步工作） (3-7) 式中 f每秒脉冲数（简称PPS) 。 步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。 保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45，电机的精度能否达到或接近0.45，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。步进电机选型有以下几个步骤：（1）步进电机转矩的选择 步进电机的保持转矩，近似于传统电机所称的“功率”。当然，有着本质的区别。步进电动机的物理结构，完全不同于交流、直流电机，电机的输出功率是可变的。通常根据需要的转矩大小(即所要带动物体的扭力大小)，来选择哪种型号的电机。大致说来，扭力在0.8N.m以下，选择20、28、35、39、42(电机的机身直径或方度，单位：mm);扭力在1N.m左右的，选择57电机较为合适。扭力在几个N.m或更大的情况下，就要选择86、110、130等规格的步进电机。（2）步过电机转速的选择对于电机的转速也要特别考虑。因为，电机的输出转矩，与转速成反比。就是说，步进电机在低速(每分钟几百转或更低转速，其输出转矩较大)，在高速旋转状态的转矩(1000转/分-9000转)就很小了。当然，有些工况环境需要高速电机，就要对步进电动机的线圈电阻、电感等指标进行衡量。（3）步进电机空载起动频率的选择步进电机空载起动频率，通常称为“空起频率”。这是选购电机比较重要的一项指标。如果要求在瞬间频繁启动、停止，并且，转速在1000转/分钟左右(或更高)，通常需要“加速启动”。如果需要直接启动达到高速运转，最好选择反应式或永磁电机。这些电机的“空起频率”都比较高。（4）步进电机的相数选择 步进电机的相数选择，这项内容，很多客户几乎没有什么重视，大多是随便购买。其实，不同相数的电机，工作效果是不同的。相数越多，步距角就能够做的比较小，工作时的振动就相对小一些。大多数场合，使用两相电机比较多。在高速大力矩的工作环境，选择三相步进电机是比较实用的。综上所述，本次设计中选取的步进电机是三相的。 转向系统的响应时间应尽量符合实际轿车的转向响应时间，驾驶员按照正常速度转动转向盘，使转向轮达到最大转角90的时间约2s，转向车轮的转向阻力矩由转向车轮相对于主销轴线的滚动阻力矩、轮胎与地面接触部分的摩擦阻力矩及转向车轮的稳定力矩或自动回正力矩所形成的阻力矩组成，本车转向轴中心延长线在车轮的中心面上，故， (3-8) (3-9) (3-10) (3-11)式中 转向轴的载荷； 附着系数， 0.850.9，对于本电动车，为 0.85； 滑动摩擦力矩的力臂， ； 车轮的自由半径，对于本电动车=324mm 滚动阻力的力臂或主销偏移距，即由转向节主销轴线的延长线与支承平面的交点至车轮中心平面支承平面的交线的距离，通常货车取4060mm，轿车取0.4-0.6倍胎面宽度，对于本电动车，由于转向轴中心延长线在车轮的中心面上，故=0，所以T=0； 主销内倾角， =8； 主销后倾角，=1（即悬架倾角)； 内转向轮的平均转角 外转向轮的平均转角。本电动车总车重，故 =2450N 步进电机的工作转速 在此转速下，要求电机的扭矩经减速器增大后能驱动转向轮转动。步进电机一般在较大范围内调速使用，其功率是变化的，一般只用力矩来衡量。力矩与功率的换算。所以，步进电机静力矩大约为125.73/15=8.38Nm，综上所述，以及查阅步进电机各种型号取静力矩8Nm。感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动