蓄电池小车转向机构的设计

湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计 蓄电池小车转向机构的设计DESIGN OF ELECTRIC VEHICLE STEERING MECHANISM 学生姓名： 王杰学 号： 200841930120年级专业及班级： 2008级汽车服务工程(1)班指导老师及职称： 岳大军 教授湖南长沙提交日期：2012 年 5 月湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计诚 信 声 明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 年 月 日目 录 摘要4关键词41 前言42 轿车转向系统概述及原理42.1 转向系统的结构简介42.2 轿车转向系统的发展概况42.3 轿车转向系统的要求：42.4转向传动机构原理43 国内外电动汽车研究现状43.1 国内研究状况分析43.2 国外研究状况分析43.2.1美国研究状分析43.2.2日本研究状况分析43.3.3欧洲研究状况分析44 转向机构的设计4 4.1 转向器的方案分析44.1.1 机械转向器44.1.2 转向控制阀44.1.3 转向系压力流量类型选择44.1.4 液压泵的选择44.2 齿轮齿条式液压动力转向机构设计44.2.1 齿轮齿条式转向器结构分析44.2.2 参考数据的确定44.23 转向轮侧偏角计算44.2.4 转向器参数选取44.2.5 选择齿轮齿条材料44.2.6 强度校核44.2.7 齿轮齿条的基本参数如下表所示44.3 齿轮轴的结构设计44.4 轴承的选择44.5 转向器的润滑方式和密封类型的选择44.6 动力转向机构布置方案分析45 蓄电池的选择46. 结论4参考文献4致谢4附图4 蓄电池小车转向机构的设计摘 要：针对以蓄电池为能源的电动汽车的特点，对蓄电池小车设计要求与方法进行了阐述，基于人机工程学的理论，采用现代计算机辅助设计的方法，运用UG,CAD等软件，优化设计了电动汽车转向机构。本文的设计理念就是要环保，其次就是休闲。本文有两个主题，其一是蓄电池小车，其次是转向机构的设计。关键词：蓄电池小车；转向机构；环保，计算机辅助设计Design of Electric Vehicle Steering Mechanism Student: Wang JieTutor: Yue Dajun(Orient Science & Technology College, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)Abstract: According to the characteristics of the electric vehicle which is powered by battery ，this paper described design requirements and methods of micro electric vehicles On the basis of the theory of ergonomics，taking advantage of the computer aided design methods ,using the software, such as UG,CAD, optimized the design of the electric vehicle steering mechanism. The philosophy of this paper is environmental-friendly and recreational. The two theme of this paper is vehicle powered by battery and the design of steering mechanism. Key words: electric vehicle; steering mechanism; environmentally-friendly; computer aided design1 前言随着现代汽车工业的高速发展，人们对生活档次的追求不断升级，汽车已不再是简单的交通，出行和运输的工具，而是身份地位的象征。许多大排量的车，高档的跑车，越野车，轿跑车，旅行车，V8,V12,W12等具有超强马力，大功率的车成为了人们盲目追求的对象，殊不知这些大排量的高档车型，对世界的环境带来了难以承受的负荷。危害着大气层，危害着空气质量，危害着我们的气候，危害着人们的身心健康。为了减少大功率的车危害我们的环境，故此设计小型的家庭休闲小车，既方便我们出行，又环保，为环境保护做出我们的贡献。电动车的发展史比燃油汽车更长，世界上第一辆机动车就是电动汽车。后来，由于油汽车技术的迅速发展，而电动汽车在能源技术和行驶里程的研制上长期未能取得突破，直到石油危机以及人类对自然环境的日益关注，电动汽车才再度成为技术发展的热点。但是蓄电池技术瓶颈依旧未得到解决，如何在现有技术下开发出合适的电动汽车，一直是困扰科技工作者的难题。就目前看来，铅酸蓄电池技术仍然是最为成熟的，我院师生对已有电动汽车工程理论的研究成果进行梳理和总结，形成比较系统的理论体系，以铅酸蓄电池为微型电动汽车能源，根据其具有的结构简单、操作方便、运转平稳安静等特点及低转矩、低功率、低速度、充电时间长等局限性，基于人机工程学理伦设计出非常适合家庭休闲用小轿车。2 轿车转向系统概述及原理2.1 转向系统的结构简介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。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。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1。2.2 轿车转向系统的发展概况早期的轿车转向是用舵柄或横杆(即一种两端带有手柄的水平杆)进行操纵，转向比是1:1，因而汽车转向时的操作是很吃力的。后来，带有齿轮减速比的转向机构很快被推广使用，但是，这种机构的方向盘不象舵柄或横杆要置放在汽车中线的位置，而是要置放在汽车的左边或右边，这样触发了方向盘位置的争论。这场争论旷日持久，导致了今天的汽车分成了两大类方向盘装置法：一类以美国，中国，俄罗斯等世界上大多数国家和地区采用的左置方向盘，实行右上左下的汽车行驶规则；另一类以英国及英联邦，日本等少数国家和地区采用的右置方向盘，实行右下左上的汽车行驶规则。几十年来，各种汽车都使用蜗杆扇形齿轮转向器，现在的循环球式转向器也是这种转向器的一种变型，轿车也经常使用。在这种转向器中，蜗杆与扇形齿轮之间嵌入了钢珠，大大降低了摩擦力，使汽车的转向操纵变得比较轻松。从70年代起轿车兴起了齿轮齿条转向机构，它由方向盘、方向轴、方向节、转动轴、转向器、转向传动杆和转向轮(前轮)等组成。方向盘操纵转向器内的齿轮转动，齿轮与齿条紧密啮合，推动齿条左移动或右移动，带动转向轮摆动，从而改变轿车行驶的方向。这种转向机构与蜗杆扇形齿轮等其它类型的转向机构比较，省略了转向摇臂和转向主拉杆，具有构件简单，传动效率高的优点。而且它的逆传动效率也高，在车辆行驶时可以保证偏转车轮的自动回正，驾驶者的路感性强。其实，齿轮齿条转向机构早在一世纪前的汽车萌芽发展阶段已经有了，只是那时还不完善，机件加工粗糙。1905年通用汽车卡迪拉克部的工程师将齿轮齿条转向器的设计理论化，并加工成精度很高，操纵灵活的齿轮齿条转向器，正式应用在轿车上。后来，汽车转向器的型式被蜗杆一扇形齿轮型式所垄断，但许多人仍然继续完善齿轮一齿条转向机构。由于近代材料科学的发展，大大提高了齿轮一齿条转向机构的安全可靠系数，人们再次重视这种转向机构的简单实用性，由于它具有构件少质量轻，成本低的优点，受到汽车制造商的青睐，现在大多数的轿车转向器都采用齿轮一齿条型。现代轿车马力大、速度快，为了操纵的轻便和灵敏，中高档次的轿车转向器都加装了转向动力装置，又称为液压动力转向器。它具有工作无噪声，灵触度高体积小，能够吸收来自不平路面的冲击力，在现代轿车上得到十分广泛的应用。2.3 轿车转向系统的要求轿车转弯行驶时，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。轿车转向行驶时，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2。轿车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自振，转向盘没有摆动。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。保证轿车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。操纵轻便。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。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。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。进行运动校核，保证转向轮与转向盘转动方向一致。正确设计转向梯形机构，可以使第一项要求得到保证。转向系中设置有转向减振器时，能够防止转向轮产生自振，同时又能使传到转向盘上的反冲力明显降低。为了使轿车车具有良好的机动性能，必须使转向轮有尽可能大的转角，并要达到按前外轮车轮轨迹计算，其最小转弯半径能达到轿车车轴距的22.5倍。通常用转向时驾驶员作用在转向盘上的切向力大小和转向盘转动圈数多少两项指标来评价操纵轻便性。没有装置动力转向的轿车，在行驶中转向，此力应为50100N；有动力转向时，此力在2050N。轿车转向盘从中间位置转到每一端的圈数不得超过2.0圈5。2.4 转向传动机构原理图1 转向中心的不同轨迹圆Fig1 Different track circle of steeing center 如上图所示：转向传动机构的任务是将转向器输出端的摆动转变为左、右转向车轮绕其转向主销的偏转，并使它们偏转到绕同一瞬时转向中心的不同轨迹圆上，实现车轮无滑动地滚动转向。为了使左、右转向车轮偏转角之间的关系能满足这一汽车转向运动学的要求，则要由转向传动机构中的转向梯形机构的精确设计来保证3。由于一般齿轮齿条式转向器与左右横拉杆铰接，而左右横拉杆一般直接与转向节下节臂铰接，所以在这里我假定把左右梯形臂转变为转向节的一部分。根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，齿轮齿条式转向器在汽车上有四种布置形式：转向器位于前轴后方，后置梯形；转向器位于前轴后方，前置梯形；转向器位于前轴前方，后置梯形；转向器位于前轴前方，前置梯形，见图4.2。图2 梯形配置Fig2 Ladder-shaped equipment 如采用上图a方案配置方法，原理结果如下图 图3 齿轮齿条转向系的转向原理Fig3 Steering principle of gear rack steering system 阿克曼定律6，如图所示： 图4 阿克曼定律Fig4 Ackerman principle 前桥的转向拉杆臂的延长线，必须跟（前轮接地点与后轮轴线中点）连线互相平行，这样才能按照转向轨道行驶： 图5 转向轨迹Fig5 Steering track 否则转向轨道相交，轮胎不能按指定的轨迹方向滚动，会发生移动，摩胎现象，产生异响.图6 转向轨迹相交Fig6 Intersection of the steering track 3 国内外电动汽车研究现状国内外电动汽车发展从动力技术上来说，目前主要分为三种类型：纯电动汽车、燃料电池汽车和混合动力汽车。纯电动汽车完全由二次电池（蓄电池）提供动力；燃料电池汽车以燃料电池作为动力源，利用燃料和氧化剂在催化剂作用下直接经电化学反应产生电能；混合动力汽车则采用内燃机和电动机两种动力，将内燃机与储能器件通过先进控制系统相结合。近年来，随着环境污染和能源危机的加剧，世界各国在电动汽车的研发布局中，出现了三者并驾齐驱的局面，电动汽车正朝产业化方向一步步迈进8。国内电动汽车的研究始于20世纪60年代，但当时的研究开发都是零散和小规模的，投入也很少。自1980年开始，我国开始掀起电动汽车的研究高潮，电动汽车被国家列为“八五”、“九五”科技攻关项目。国内一些科研院所和生产企业相继开始研究电动汽车，并取得了一些成果。如清华大学研制的16座电动中巴车，东风汽车公司研制的电动轿车，华南理工大学研制的轻型电动客车，远望集团公司研制的电动大客车，长江动力公司研制的电动双层大客车等都具有一定的水平，但与国外先进电动汽车相比还有一定差距。近几年，我国电动汽车的研究开发工作进入全面发展阶段，电动汽车市场已出入端倪。2001年9月30日，科技部组织召开了“十五”国家“863”计划电动汽车重大专项可行性论证会，会议研究通过了电动车专项可行性研究报告，标志着电动汽车专项正式启动，这对我国汽车产业发展有重大战略意义。专项确立了“三纵三横”的研发布局，其中“三纵”是指燃料电动汽车、混合动力汽车、纯电动汽车三种整车技术，“三横”指多能源动力总成系统、驱动电机、动力电池三种关键技术。2006年国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020年）分别将“低能耗与新能源汽车”和“氢燃料电池技术”列入优先主题和前沿技术；2007年发布实施新能源汽车生产准入管理规则，将电动汽车正式纳入国家汽车新产品公告管理；2008年北京奥运会应用了500多辆自主研发的电动汽车，发挥了大规模的示范作用。目前，中国已经初步建立了电动汽车的法规、标准与管理体系，为电动汽车的产业化、商业化发展奠定了基础9。2009年1月，国务院通过汽车产业调整和振兴规划，明确实施新能源汽车战略，推动纯电动汽车、充电式混合动力汽车及其关键零部件的产业化，提出“三年内形成50万辆纯电动、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车产能，新能源汽车销量占乘用车销售总量的5%左右”的目标。2009年2月，科技部、财政部、发改委和工信部联合召开节能和新能源汽车示范推广试点工作会议，共同启动“十城千辆”工程，计划用3年左右时间，每年发展10个城市，每个城市推出1000辆新能源汽车开展示范运行，涉及公交、出租、公务、市政、邮政等领域，力争使全国新能源汽车的运营规模到2012年占到汽车市场份额的10%。2010年6月，财政部、科技部、工信部和发改委联合出台关于开展私人购买新能源汽车补贴试点的通知，对上海、长春、深圳、杭州、合肥五城市私人购买插电式混合动力乘用车和纯电动乘用车给予一次性补贴，最高补贴金额分别达到5万元和6万元。随着示范运行的持续深入，企业对电动汽车的研发和产业化投入显著增强，产业化步伐不断加快。为了争取政府的资源和政策倾斜以及“十城千辆”电动汽车示范应用工程的诱人订单，国内各大汽车厂商争先恐后地组建产业联盟，一汽、东风、上汽、长安、奇瑞、比亚迪等都已制定了电动汽车产品研发和产业化规划。与此同时，电池、电机等电动汽车关键零部件的产业化全面跟进，生产配套能力显著增强。经过不懈的努力，我国汽车研发呈现较好的发展局面，各大汽车厂商也通过积极投入人力、物力研发电动汽车，取得了较好的成绩。虽然电动汽车呈现良好的发展状态，但是无论国内还是国外在电动汽车发展方面还存在一定的问题。从国内外电动汽车研发进展来看，许多没有完全解决的技术问题影响了电动汽车的整体性能，如驱动系统、电池供电系统等。从三种类型电动汽车的技术特点看，阻碍纯电动汽车、燃料电池汽车和混合动力汽车产业化发展的主要原因也有所不同。其中最大的技术障碍是纯电动汽车的动力蓄电池，燃料电池汽车的燃料电池，以及混合动力汽车的动力复合系统的优化配置与控制。从环保节能角度看，电动汽车的节能减排具有相对性，并没有完全达到所设想的理念。我国电动汽车发展所存在的问题：技术方面与国外还有一定的差距，技术瓶颈有待突破。我国电动汽车发展较国外而言，发展还是比较缓慢的，这几年我国电动汽车研发领域是以孤军奋战，各自为政的模式开展，这造成了社会资源的极大浪费，而且不利于攻克关键技术。汽车研发重点方向不明确，有的观点认为传统燃料汽车与电动汽车同步研发，坚持两条腿走路，有的观点认为应该把精力和资金放在电动汽车研发上。这造成了目标的不统一，制度的不完善。发展电动汽车的配套设施不够完善，大规模基础配套设施需要系统的筹划和巨额投资。电能并不是一次能源，我国电源结构以火电为主，电动汽车所用的能源实质上来自煤炭，同时间接也产生温室气体排放，也会造成资源危机，这就违背了电动汽车的理念零排放、无污染、低能耗。所以，电动汽车的环保效益并不明显。国外电动汽车发展所存在的问题：日本目前还面临一些技术难题，而在日本普及程度最好的新能源汽车就是油电式混合动力汽车，如果改成插电式混合动力汽车就会有成本和重量的增加，还有纯电动汽车存在电池成本问题、性能问题、行驶距离问题等，这些难题都需要加以解决。美国电动汽车发展面临一些挑战：电池及其他相关技术尚未达到商业化的要求，美国不拥有高能电池所必需一些重金属和稀土元素，如铬、镍和锂等，这就有可能使美国从石油进口依赖走向对其他物资的进口依赖。电动汽车带来新的安全和污染问题。还有汽车更新换代的速率相对较低。3.1 国内研究状况分析国内电动汽车的研究始于20世纪60年代，但当时的研究开发都是零散和小规模的，投入也很少。自1980年开始，我国开始掀起电动汽车的研究高潮，电动汽车被国家列为“八五”、“九五”科技攻关项目。国内一些科研院所和生产企业相继开始研究电动汽车，并取得了一些成果。如清华大学研制的16座电动中巴车，东风汽车公司研制的电动轿车，华南理工大学研制的轻型电动客车，远望集团公司研制的电动大客车，长江动力公司研制的电动双层大客车等都具有一定的水平，但与国外先进电动汽车相比还有一定差距10。近几年，我国电动汽车的研究开发工作进入全面发展阶段，电动汽车市场已出入端倪。2001年9月30日，科技部组织召开了“十五”国家“863”计划电动汽车重大专项可行性论证会，会议研究通过了电动车专项可行性研究报告，标志着电动汽车专项正式启动，这对我国汽车产业发展有重大战略意义。专项确立了“三纵三横”的研发布局，其中“三纵”是指燃料电动汽车、混合动力汽车、纯电动汽车三种整车技术，“三横”指多能源动力总成系统、驱动电机、动力电池三种关键技术。2006年国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020年）分别将“低能耗与新能源汽车”和“氢燃料电池技术”列入优先主题和前沿技术；2007年发布实施新能源汽车生产准入管理规则，将电动汽车正式纳入国家汽车新产品公告管理；2008年北京奥运会应用了500多辆自主研发的电动汽车，发挥了大规模的示范作用。目前，中国已经初步建立了电动汽车的法规、标准与管理体系，为电动汽车的产业化、商业化发展奠定了基础。3.2 国外研究状况分析在美国、日本、欧洲等发达国家，由于新技术发展的推动和政府对汽车排放越来越苛刻，各大汽车公司投入了大量的人力、物力和财力用于电动汽车的开发，不断推出自己的新产品。为了促进电动汽车的发展，有关国家分别制定了一系列政策，如对电动汽车购买者的优惠政策，对燃油汽车使用者的限制政策，还有对科研经费的投入和优惠政策等，这些政策都对电动汽车的发展有很大的促进作用。 3.2.1 美国研究状况分析 美国电动汽车的研究和开发，得到了来自法律、政府的资金和科研力量的支持。1976年7月，美国国会通过电动汽车和复合汽车的研究开发和样车试用法令，以立法、政府资助和财政补贴等手段加速发展电动汽车。1990年，加利福尼亚州在为防止大气污染而制定的限制法规中规定：到1998年，“零污染”汽车的销售额要占新车销售额的2%；到2000年，“零污染”汽车的销售额要占新车销售额的5%；到2003年，“零污染”汽车的销售额要占新车销售额的10%。随后，美国东部的10个州也都通过了相应的法规。法规的强力推行，促进了电动车小批量、商业化生产和实践应用。此后，美国还出台了一系列鼓励开发生产电动汽车的政策。这些因素加快了美国电动汽车产业化的进程。美国三大汽车公司在1991年签订协议，合作研究电动汽车车用先进电池，成立先进电池联合体，同年7月美国电力研究院参加了美国先进电池联合体，1992年，美国电力研究院、克莱斯勒公司与南加州爱迪生公司共同开发50辆电动货车。统计数据表明，美国1995年有190家电动汽车生产企业，共有电动汽车2000多辆。福特汽车公司投资1.5亿英镑开发电动汽车，1993年研制成功，分赴美国各地进行试运行，采用480个钠硫单位电池，取代原来的铅酸蓄电池。福特公司还在德国投资3500万美元，成立欧洲研究中心，从事环保车的开发和研究，福特公司研制的燃料电池轿车P2000是以氢为燃料的电动汽车，它是用“质子交换膜”燃料电池。通用公司1990年在洛杉矶展出“冲击”牌电动轿车，1994年生产50辆。通用公司欧洲分公司还建立了一个全球代用燃料推进中心（GAPC），从事汽车燃料电池技术的开发和研究，他们在Opel Vauxhall Zafira轿车上装上燃料电池，采用甲醇作为燃料。戴姆勒克莱斯勒汽车公司成功利用燃料电池技术，制成首辆可驾驶的零污染环保汽车“NECAR4”。该车在充电后可连续行驶450Km，最高时速可达145Km。出于成本和技术可行性的考虑，美国政府似乎逐渐将重心从清洁能源和燃料电池汽车转向充电式混合动力汽车和纯电动汽车。在奥巴马的倡导下，联邦政府为推进充电式混合动力汽车计划出台了一系列强力的措施，并斥资140亿美元支持动力电池、关键零部件的研发和生产，支持充电基础设施建设以及消费者购车补贴和政府采购。美国政府还设立了一个总额为250亿美元的基金，以低息贷款方式支持厂商在节能和新能源汽车领域的研发和生产。美国政府的新能源政策，进一步明确了研发汽车新产品的方向和目标。预计到2012年，美国联邦政府购车中一半是充电式混合动力汽车或纯电动汽车。到2015年，美国本土将有100万辆混合动力汽车投入使用。3.2.2 日本研究状况分析从世界范围电动汽车产业化发展现状看，日本是最早开始发展电动汽车的国家之一。日本国土狭小，石油资源匮乏，几乎完全依赖进口，油价很高。同时，日本工业发达，人口密度很大，城市污染严重。因此，日本政府特别重视电动汽车的研究和开发，很早就对电动汽车的发展做出了具体的布置和计划。日本政府将电动汽车、插电式混合动力汽车、清洁动力车、混合汽车、天然动力车都定义为新的下一代汽车。日本政府对购买环保车的消费者给予补贴，从日本政府对环保车的优惠政策来看，可以享受优惠政策的车型已经超过160种，占现在所有销售车型的80%以上。1991年通产省制动了“第3届电动汽车普及计划”，用于推动电动汽车的普及和应用。1996年，日本通产省制定的电动汽车购买鼓励政策规定，电动汽车的购买者和租赁企业将获得相当于电动汽车与普通燃油汽车价格之差50%的补贴。自1998年开始，由日本环境厅提供给地方政府和私人企业的另一项电动汽车购买津贴的补贴额，分别达到了车辆成本的50%和25%。此外，在日本凡购买电动汽车的用户可减免汽车购置税、固定资产税、特别土地保护税等。优惠政策实施后，日本新能源汽车的销量现在出现了回升的势头，尤其是丰田的混合动力型汽车普瑞斯供不应求，年销量在百万辆以上。日本也通过法规刺激市场对电动汽车的需求，这主要体现在实施严格的车辆排放标准和制定严格的排放法规。东京电力公司1988年联合日本电池公司共同开发“Iza”电动汽车，体现了当时最新技术水平：空载量1573Kg，装有288V镍镉电池，4台直流无刷电机，输出功率为100KW，最高车速176Km/h，每次充电后可以40Km/h行驶548Km。日本公司成功研制薄而轻的镍镉电池，用一组超薄电极配以高浓度溶液，散热性能好、质量轻、充电时间短，6min可充至40%的额定容量，15min完全充满。该电池已在日产公司的未来型电动汽车（FEV）上使用，该车一次充电后，能以72Km/h的速度行驶160Km。19761991年日本大发公司生产各种电动汽车6253辆，成为拥有电动面包车生产线的惟一厂家，1993年已生产和销售1300辆电动面包车。目前，日本新能源汽车的研发重点是混合动力汽车。日本是国际上在混合动力汽车技术方面最成熟的国家。日本混合动力汽车已形成产业化，目前，丰田、本田、日本等日本厂商的混合动力汽车不仅在国内热销，在国际市场上也令其他国家厂商望其项背。日本业界普遍认为，锂离子电池作为未来的主流技术路线不容置疑，锂离子电池将在今年开始逐步取代镍氢电池。日本主要的汽车和电池企业纷纷投资建设车载锂离子动力电池生产线。据日本汽车研究院预计，按照日本现在在混合动力车的普及程度推算，到2020年混合动力车将在日本国内将有360万辆。如果高性能锂电池在近几年得到更多的推广，到2020年，混合动力车与可能进一步到达720万辆。3.3.3 欧洲研究状况分析欧洲历来重视节能和减排。欧盟委员会于2007年公布了“新欧洲能源政策”，其目标是2020年将温室效应气体排放降低20%，将可再生能源的比例提高到20%，同时将今后5年欧盟能源领域的研究开发预算提高50%。在替代燃料开发应用的发展方向上，生物燃料和氢燃料是重点。在亚洲、欧洲竞争对手对电动汽车热情日益高涨的情况下，欧洲汽车厂商没有固守自己的观念。宝马、奥迪相继推出混合动力汽车，主要面向北美市场。除欧盟委员会外，欧盟各国政府也根据本国情况制定了大量政策和措施，推动电动汽车的开发和消费。德国政府积极倡导电动汽车，早在1994年，德国技术研究部就对电动汽车人开发补助了1.5亿马克。以后进一步对在吕根岛的新一代电动汽车试验进行了补助，对电动汽车给予超价补贴、低息贷款及减税等优惠。早在1972年，德国欧宝公司就开始研制电动汽车。1981年与ABB公司合作改装电动轿车。20世80年代初期，奔驰生产电动大客车。1997年9月，在法国克福汽车展览会上推出一款燃料电池电动汽车，该车在奔驰A级轿车基础上改装而成，装有燃料转换装置，可使用甲醇为燃料。此外，奔驰也与美国著名电动汽车企业特拉斯建立了合作伙伴关系，双方将携手研发电动版斯玛特微车型。2009年8月19日，德国政府颁布了国家电动汽车发展计划，目标是到2020年使德国拥有100万辆电动汽车。德国政府希望借助这项计划突破诸多技术和基础设施瓶颈，使德国超过日本人成为电动汽车市场的领军者。法国电力供应充沛并且多用核能和水力发电，发电源清洁，电价也比较低。法国政府在政策上支持鼓励开发电动汽车和充分利用电力资源，而且为电动汽车的发展提供资助。法国政府、法国电力公司、雪铁龙汽车公司和雷诺汽车公司签署协议，共同开发和推广电动汽车，并合资组建了电动汽车电池公司，由萨夫特(SAFT)公司承担电动汽车高能电池的研究和开发，以及电池的租赁和维修等工作。1990年，J-5和C-25电动货车投入生产，1995年，标致106和雪铁龙AX电动车投入生产。法国政府还与汽车制造商签订协议，在20个城市推广使用电动汽车。目前，法国已有10余个城市运行电动汽车，且具有比较完善的充电站等服务设施，政府机关则带头使用电动汽车。法国政府为了推广电动汽车的使用，还采取了“企业购买电动汽车的第一年可以免税”的政策。同时，电动汽车生产厂家每生产一辆电动汽车，法国电力公司将提供1万法郎的补助，以扩大电力的使用范围。目前，法国电动汽车的普及程度和保有量都位居世界前列。英国是当今世界拥有较先进的电动汽车生产技术和电动汽车使用最广泛的国家，该国使用电动汽车的历史已有50年之久。英国政府投资2000多万英镑用于支持电动汽车的开发，实行多项电动汽车使用优惠政策，例如免收牌照税、养路费，夜间充电只收50%的电费等。英国国际汽车设计公司（IAO）从1979年开始研制电动汽车。1991年克罗德里蓄电池公司投资建立电动汽车生产集团，研制成MOL C3型混合驱动电动汽车，行程130Km。英国新能源汽车研发推广的重点是氢燃料汽车，政府对轻生产、氢能燃料汽车研制、燃料电池的研发进行直接投入。其他国家和地区如瑞士、瑞典、丹麦、奥地利、捷克、匈牙利、俄罗斯、澳大利亚、墨西哥等都已开展和研制电动汽车。4 转向机构的设计4.1 转向器的方案分析转向器是整个转向系统的核心部分，转向器的设计也就是整个转向系统的关键所在。4.1.1 机械转向器根据所采用的转向传动副的不同，转向器的结构型式有多种。常见的有齿轮齿条式、循环球式、球面蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等11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%），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12。4.1.2 转向控制阀转向控制阀按阀体的运动方向分为，滑阀式和转阀式两种。阀体沿轴向移动来控制油液流量的控制阀，称为滑阀式转向控制阀。滑阀的特点是靠阀体的移动控制油液流量，需较大运动空间。而阀体沿轴转动来控制油液流量的控制阀，称为转阀式控制阀。转阀的特点是靠阀体转动控制油液流量。体积小，加工要求精度高13。图7 转阀结构图Fig7 Rotating valve structure drawing轿车体积小，且质量不高，对转向力要求也不是太高，由于轿车本身是高精度产品，故本设计选用转阀式转向控制阀，如图3.1。4.1.3 转向系压力流量类型选择液压动力转向系按系统内部的压力状态分，有常压式和常流式两种14。常压式液压动力转向系在汽车直线行驶，转向盘保持中立位置时，转向控制阀经常处于关闭位置。向油泵输出的压力油充入储能器。当储能器压力增长到规定值后，油泵即自动卸荷空转，从而储能器压力得以限制在该规定值以下。当转动转向盘时，机械转向器, 即通过转向摇臂等杆件使转向控制阀转入开启位置。此时储能器中的压力油即流入转向动力缸。动力缸输出的液压作用力，作用在转向传动机构上，以助机械转向器输出力之不足。转向盘一停止运动，转向控制阀便随之回复到关闭位置。于是，转向加力作用终止。由此可见，无论转向盘处于中立位置还是转向位置，也无论转向盘保持静止还是运动状态，该系统工作管路中总是保持高压。常流式液压动力转向系在汽车不转向时，转向控制阀, 保持开启。转向动力缸的活塞两边的工作腔，由于都与低压回油管路相通而不起作用。转向油泵. 输出的油液流入转向控制阀，又由此流回转向油罐。因转向控制阀的节流阻力很小，故油泵输出压力也很低，油泵实际上处于空转状态。当驾驶员转动转向盘，通过机械转向器使转向控制阀处于与某一转弯方向相应的工作位置时，转向动力缸的相应工作腔方与回油管路隔绝，转而与油泵输出管路相通，而动力缸的另一腔则仍然通回油管路。地面转向阻力经转向传动机构传到转向动力缸的推杆和活塞上，形成比转向控制阀节流阻力高得多的油泵输出管路阻力。于是转向油输出压力急剧升高，直到足以推动转向动力缸活塞为止。转向盘停止转动后，转向控制阀随即回复到中立位置，使动力缸停止工作。上述两种液压动力转向系相比较，常压式的优点在于有储能器积蓄液压能，可以使用流量较小的转向油泵，而且还可以在油泵不运转的情况下保持一定的转向加力能力，使汽车有可能续驶一定距离。这一点对重型汽车而言尤为重要。常流式的优点则是结构简单，油泵寿命长，漏泄较少，消耗功率也较少。因此，目前只有少数重型汽车采用常压式液压动力转向系，而常流式液压动力转向系则广泛应用于各种汽车。对于轿车而言本课题选择使用常流式液压动力转向系。4.1.4 液压泵的选择目前，动力转向液压泵大多数采用双作用式叶片泵。4.2 齿轮齿条式液压动力转向机构设计齿轮齿条式液压动力转向机构是在纯机械式齿轮齿条式转向向机构的基础上加上液动加力装置，辅助转向。4.2.1 齿轮齿条式转向器结构分析齿轮齿条式转向器分两端输出式和中间（或单端）输出式两种15。1转向横拉杆 2防尘套 3球头座 4转向齿条 5转向器壳体 6调整螺塞 7压紧弹簧 8锁紧螺母 9压块 10万向节 11转向齿轮轴 12向心球轴承 13滚针轴承图8 两端输出式齿轮齿条转向器Fig8 Geear rack steering machine outputting from the two sides 两端输出的齿轮齿条式转向器如上图所示，作为传动副主动件的转向齿轮轴11通过轴承12和13安装在转向器壳体5中，其上端通过花键与万向节叉10和转向轴连接。与转向齿轮啮合的转向齿条4水平布置，两端通过球头座3与转向横拉杆1相连。弹簧7通过压块9将齿条压靠在齿轮上，保证无间隙啮合。弹簧的预紧力可用调整螺塞6调整。当转动转向盘时，转向器齿轮11转动，使与之啮合的齿条4沿轴向移动，从而使左右横拉杆带动转向节左右转动，使转向车轮偏转，从而实现汽车转向。中间输出的齿轮齿条式转向器如下图所示，其结构及工作原理与两端输出的齿轮齿条式转向器基本相同，不同之处在于它在转向齿条的中部用螺栓6与左右转向横拉杆7相连。在单端输出的齿轮齿条式转向器上，齿条的一端通过内外托架与转向横拉杆相连。 1万向节叉 2转向齿轮轴 3调整螺母 4向心球轴承 5滚针轴承 6固定螺栓 7转向横拉杆 8转向器壳体 9防尘套 10转向齿条 11调整螺塞 12锁紧螺母 13压紧弹簧 14压块图9 中间输出式齿轮齿条转向器Fig9 Gear rack steering machine outputting from the middle 明显可以看出使用两端输出的转向器较中间输出的转向器简单容易实现液动助力。故本课题选用两端输出16。液动齿轮齿条转向器的功能实现。齿轮齿条式液压动力转向机构是在纯机械式齿轮齿条式转向向机构的基础上加上液动加力装置，辅助转向。加力装置主要包括液压泵，分配阀，管路还有助力缸等，如图10图10 齿轮齿条式转向器爆炸图Fig10 Explotiion drawing of the gear rack term steering machine将转阀接口如图3.5所示连接输油管路图11 转阀油路连接Fig11 Oil connection of the rotary valve液压助力转向器助力转向工作原理如图3.6所示。图12 液动齿轮齿条式转向系统工作原理图Fig12 working principle of the hydraulic driving gear rack term steering systemA 直线行驶轿车直线行驶时方向盘无偏转，动力缸左右两腔相通如图3.7所示，系统中只有极小克服流动阻力的油液压力，助力系统此时无助力。图13 直线行驶时油路工作状况Fig13 Working condition of the oil when running in lineB 右转向行驶轿车向右转向行驶时，转动方向盘顺时针方向转动-扭杆扭转变形-滑阀偏转-动力油缸左腔进入高压油，右腔与回油管路连通-转向轮偏转-转向齿轮与转向轴同向转动，如图3.8所示。图14 右转向行驶时油路工作状况Fig14 Working condition of the oil when turnng right during runningC 左转向行驶轿车向左转向行驶时，转动方向盘-扭杆扭转变形-滑阀偏转-动力油缸右腔进入高压油，左腔与回油管路连通-转向轮偏转-转向齿轮与转向轴同向转动，如图3.9所示。图15 左转向行驶时油路工作状况Fig15 Working condition of the oil when turing left during runningD 动力转向装置的其它特性转向动力缸有随转向盘工作或停止的随动作用。当液压系统发生故障不能助力或助力降低，即发生助力失效时，驾驶员可以通过方向盘直接操作转向，只是此时操作力增大。4.2.2 参考数据的确定表1 上海通用别克赛欧汽车转向参数Table1 Steering parameter of the shanghai GM buick automotive 轮距1440mm轴距2750mm满载轴荷分配：前/后877/1643(kg)轮胎175/60R14主销偏移距a50mm轮胎压力p/MPa0.45方向盘直径307mm最小转弯半径6.9m转向梯形臂200mm4.23 转向轮侧偏角计算图16 车轮位置简图Fig16 Wheel position drawing （1） （2）4.2.4 转向器参数选取齿轮齿条转向器的齿轮多采用斜齿轮，齿轮模数在之间，主动小齿轮齿数在之间，压力角取，螺旋角在之间。故取小齿轮，右旋，压力角，精度等级8级。转向节原地转向阻力矩： （3）方向盘转动圈数： （4）角传动比： （5）方向盘上的手力： （6）作用在转向盘上的操纵载荷:对轿车该力不应超过150200N，对货车不应超过500N。所以符合设计要求 （7）力传动比： （8）取齿宽系数 （9）齿条宽度圆整取，则取齿轮齿宽4.2.5 选择齿轮齿条材料小齿轮：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。4.2.6 强度校核A 校核齿轮接触疲劳强度选取参数，按ME级质量要求取值 ， ； ， ， 故以 计算 （10）查得： ， ， ， ； ， ， ， 则， （11）齿轮接触疲劳强度合格。B 校核齿轮弯曲疲劳强度选取参数，按ME级质量要求取值； ； ； ； ； 故以 计算 ： （12）据齿数查表有：； ； ； 。则： （3-13）齿轮弯曲疲劳强度合格。4.2.7 齿轮齿条的基本参数如下表所示表2 齿轮齿条基本参数Table2 gear rack basic parameter名称符号公式齿轮齿条齿数631分度圆直径15.2314变位系数1齿顶高52.5齿根高0.6253.125齿顶圆直径25.2314齿根圆直径13.9814齿轮中圆直径20.2314螺旋角10齿宽30204.3 齿轮轴的结构设计图17 齿轮轴的结构设计Fig17 Gear axle structure design4.4 轴承的选择轴承1：深沟球轴承6004 (GB/T276-1994) 轴承2：滚针轴承 NA4901 (GB/T5801-1994) 4.5 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（ZBE3600