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宝马3系2016款328i xDrive M运动型四轮转向传动系统设计（含CATIA三维图）
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题目宝马3系2016款328IXDRIVEM运动型四轮转向传动系统设计学院专业学号学生姓名指导教师I摘要本文主要介绍了四轮转向传动系统的发展以及它的总体结构和实现原理，并对转向系统动力传递过程和路径进行了简单阐述。根据以上所说理论技术为指导,参考宝马3系2016款328IXDRIVEM运动型的主要相关参数，严格按照设计程序，设计出了汽车四轮转向系统。本文主要设计了前轮转向器主要部件并对其计算校核，后轮转向执行器,齿轮齿条等并校核。四轮转向传动系其前、后轮转角主要是由车速传感器、方向盘转角传感器、前轮转角传感器、后轮转角传感器、前轮转速传感器、后轮转速传感器感应到车速、转向盘转角等一系列物理信号，然后发送至四轮转向系统ECU内,信号经过计算处理,以电信号的形式传至前、后伺服电动机，最终实现前、后轮所需的方向及转角大小。该系统很大程度上改善了车辆在低速时的转向灵活性和高速时的操纵稳定性，使车辆在转向时响应快,转向性能好，直线行驶稳定性高。前轮转向器是整个四轮转向机构的基础部分,设计为电动助力的齿轮齿条式转向器。后轮转向的主要执行部件是后轮执行器。综合前轮转向器和后轮执行器的设计，使得四轮转向系统总成的设计得以实现。关键词四轮转向系统；电动助力转向器；后轮转向执行器IIABSTRACTTHISPAPERDESCRIBESTHEDEVELOPMENTOFFOURWHEELSTEERINGDRIVESYSTEMASWELLASITSOVERALLSTRUCTUREANDBASICWORKINGPRINCIPLEOFTHEPOWERSTEERINGSYSTEMANDASIMPLETRANSFERPROCESSDESCRIBEDACCORDINGTOTHEABOVEMENTIONEDTHEORYANDTECHNOLOGYASAGUIDE,REFERTOTHEMAINPARAMETERSOFAMOTORVEHICLE,INSTRICTACCORDANCEWITHTHEDESIGNPROGRAMTODESIGNAVEHICLEFOURWHEELSTEERINGSYSTEMHERETHEMAINDESIGNOFTHESTEERINGWHEELANDTHEMAINPARTOFITSCALCULATIONCHECKOFTHEREARWHEELSTEERINGACTUATORS,RACKANDPINIONANDCHECKEDFOURWHEELSTEERINGDRIVETRAINTHEIRFRONTANDREARWHEELANGLESENSORISMAINLYINDUCEDBYTHEVEHICLESPEED,STEERINGWHEELANGLESENSOR,WHEELANGLESENSOR,WHEELANGLESENSOR,WHEELSPEEDSENSOR,REARWHEELSPEEDSENSORTOTHEVEHICLESPEED,STEERINGWHEELANGLEANDASERIESOFPHYSICALSIGNALS,ANDTHENSENTTOTHEFOURWHEELSTEERINGSYSTEMWITHINTHEECU,SIGNALTHROUGHCALCULATIONPROCESSINGELECTRICALSIGNALSTRANSMITTEDINTHEFORMOFFRONT,REARSERVOMOTOR,PRIORTOTHEFINALIMPLEMENTATION,THEREARWHEELSINTHEDESIREDDIRECTIONANDANGLEOFROTATIONTHESYSTEMGREATLYIMPROVETHEHANDLINGANDSTABILITYOFTHEVEHICLESPEEDANDSTEERINGAGILITYATLOWSPEEDSWHEN,INTHEVEHICLESTEERINGFASTRESPONSE,STEERINGPERFORMANCE,HIGHSTRAIGHTRUNNINGSTABILITYFRONTWHEELSTEERINGISAFUNDAMENTALPARTOFTHEWHOLEFOURWHEELSTEERINGMECHANISM,DESIGNEDFORELECTRICPOWERRACKANDPINIONSTEERINGGEARTHEMAINEXECUTIONUNITISREARWHEELSTEERINGACTUATORSINTEGRATEDFRONTANDIIIREARWHEELSTEERINGACTUATORDESIGN,THEOVERALLFOURWHEELSTEERINGSYSTEMDESIGNCANBEACHIEVEDKEYWORDSFOURWHEELSTEERINGSYSTEMELECTRICPOWERSTEERINGREARWHEELSTEERINGACTUATORI目录1绪论111四轮转向系统的介绍112四轮转向系统转向特性分析1121汽车内外轮转角1122后轮随动特性2123后轮控制方式3124四轮转向的工作特性413设计说明414小结52设计方案选择621各传感器的功用及安装位置622前转向系设计要求723转向梯形设计824小结93齿轮齿条式电动助力转向器设计1031转向器的传动效率10311转向器正效率10312转向器逆效率1132传动比的特性11II33力传动比与角传动比的关系1234汽车参数选择13341转向轮侧偏角计算1435转向系载荷确定1536转向器的主要元件设计16361齿轮齿条式前转向系16362齿轮齿条基本参数17363转向横拉杆及其端部18364齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析19365齿轮齿条传动受力校核19366齿轮轴轴承的校核2237电机选择23371助力转矩的计算23372电动机额定参数的选择2438小结244后轮转向执行器设计计算2541执行器结构设计2542齿条设计2543回位弹簧的设计计算2544电机选择27441助力转矩的计算27III442电动机参数的选择和计算2745小结27结论29致谢30参考文献31附录3211绪论11四轮转向系统的介绍四轮转向（FOURWHEELSTEER）控制系统是提高汽车操纵稳定性的重要组成因素，在汽车转向时引入合适的后轮转向来提高汽车在低速时的机动灵活性及在侧向风力作用和高速行驶时的安全性、操纵稳定性。20世纪80年代中期，日本尼桑公司首次上市了四轮转向汽车。四轮转向系统是利用后轮主动转向配合前轮转向有目的改变车辆行驶路线。主要目的是减小汽车转向时的车厢侧倾，低速转向时减小转向半径，提高机动性；中高速直行或并线时提高汽车操纵稳定性。我们都知道在日常生活中所见到的大部分汽车的转向都是通过驾驶员操纵转动方向盘由前轮转动来实现的，所以前轮为转向轮。车身方向随着前轮转动而跟着改变，由于后轮无转向能力导致与车身的移动方向产生一定差距，从而产生了偏离角，产生弯力，实现转向。由此可见，一般的前轮转向汽车在转向时存在一些无法克服的缺点，比如低速转向响应慢，转向半径大，故而不灵活；高速转向时易发生侧滑，操纵稳定性差等缺点。想要真正克服或减少这些缺点，只有引用四轮转向（4WS）技术。经过三十余年的研究和发展，4WS技术已相对成熟，全球几家知名汽车制造公司都引入了这项新技术。我国的汽车工业开始的晚，相对德国，日本，美国来说汽车制造技术比较落后，像四轮转向这种新技术的研发应用就会滞后，直到80年代末和90年代初才开始有文章研究4WS问题，90年代末，浙江大学、上海交通大学才开始在4WS控制策略和实现模式上进行研究。近年来，随着电子控制技术的飞快发展，以及国内日趋紧张的交通状况，汽车厂商及各高校越来越重视四轮转向技术的发展1。汽车在行驶过程中，转向是汽车满足驾驶员使用时最基本的要求之一。驾驶员通过操纵转向盘来控制汽车的行驶方向。转向系统的性能好坏直接影响着驾驶员对该汽车操纵性能的评价，并且对汽车的主动安全性有较大影响。12四轮转向系统转向特性分析121汽车内外轮转角汽车以理想低速转弯行驶时，由于车速极低可看作为零，故汽车离心力忽略不计，2在这种情况下，会有一个中心点，各车轮绕该点转向。但在实际情况中，汽车转弯行驶时会产生离心力，由作用力与反作用力原理可知会有一个向心力与此离心力相平衡。所以汽车相对于理想转弯轨迹会向内有所偏转2。122后轮随动特性工作原理后轮的转向方向与前轮转动方向存在两种模式。异向偏转当车速较低且转向盘转角很大时后轮与前轮转向相反，并且随着转向盘转角的增大后轮转角要相应增大，但要保持在一定的范围内，如图11；同向偏转当车速较高时转向盘转角较小后轮与前轮转向相同，相比两轮转向汽车来说，4WS汽车可以减小汽车的横摆角速度和横摆角度，提高汽车在高速行驶工况下的操纵稳定性，如图12。（A）2WS（B）4WS3图114WS低速时异向偏转（A）2WS（B）4WS图124WS高速时同向偏转123后轮控制方式1开发四轮转向这项技术的主要目的包括1减小横摆角速度响应的滞后和缩短侧向加速度响应时间；2改善汽车低速时的操纵性，提高机动性；3缩短汽车的转向响应时间；4减小汽车的侧偏角；5增强汽车的行驶稳定性；2四轮转向中后轮主动转向的控制模式主要有以下几种1前后轮转向角度成固定比值的后轮转向控制系统；2后轮转向由前轮参数决定型系统（前反馈型）；43前后轮转向比具有一定函数关系的四轮转向系统；4前后轮转向角的比值和车速有特定函数关系的四轮转向系统；5植入汽车操控数据，时时计算分析的最优化控制四轮转向系统；6具有自动适应、自动学习能力的记忆化芯片控制的四轮转向系统。四轮转向系统的工作形式为前馈加反馈控制横摆角速度比例反馈加前轮转向角比例前馈控制，进而操纵后轮转向，并且使汽车质心位置的侧偏角一直为零。本设计采用前馈加反馈控制的四轮转向技术。其工作原理是各传感器输入的信号统一传到四轮转向控制器中，通过对信号的处理，计算并得出后轮所需的转角大小及方向，最后控制蓄电池把电压输送到后轮转向执行器中完成转向如图13。1前轮转向控制单元2车轮转速传感器3前轮转向执行器4步进电动机5后轮转向执行器6后轮转速传感器7四轮转向控制单元8后轮转向控制单元9横摆角速度传感器10转向盘转速传感器11转向盘转矩传感器图13四轮转向图124四轮转向的工作特性当车速比35KM/H低时，如果转动转向盘，后轮会立刻向与前轮相反的方向转动，当汽车静止不动时，后轮最大可以转动5度。随着车速的变化后轮转角也不断改变，变化程度有ECU计算后得出。当车速为35KM/H时后轮转角处于临界位置其转角为零。当车速为35KM/H时，转向盘转角在180以内后轮与前轮转向方向相同。在035KM/H5内，转向盘转角大于180时后轮与前轮的转向方向相反。当车速增加到95KM/H，且转向盘转角是90时，后轮的转角约为1方向与前轮转向相同。如果在95KM/H时，转向盘转动460，后轮转角同样约为1，但方向却与前轮转向相反4。13设计说明由于该系统涉及的技术以及零件的复杂性，所以只设计了前轮电动助力转向系统和后轮转向执行器。对于悬架系统和和后轮转向梯形只是提出了设计方向。（前悬架可以采用双叉臂式悬架，后悬架系统可以采用多连杆式悬架，如现有的车型宝马七系，后轮转向梯形可采用双梯形，使用两套机构进行切换。）为了达到安全、高效、环保、节能的设计要求，前轮转向系统选用齿轮齿条式结构，助力系统为空心电机驱动的螺杆机构。其整体结构如图14所示。图14前轮转向器该转向系统由电子控制单元（简称ECU），前轮转角传感器，转矩传感器，转向盘，电动机等组成。当驾驶员转动方向盘时，电动助力转向系统开始工作，转向盘角度传感器和扭矩传感器把方向盘的输入信号转化为电压信号输送至ECU，同时，ECU也会接收汽车的发动机转速信号和车速信号。根据接收的信号计算并得出转向助力的大小和方向，并将计算结果转为电压信号，由蓄电池输送电压至转向助力电动机完成转向助力的功能。当系统出现故障不工作时，可以自动迅速转为人工手动转向。后轮转向执行器结6构如图15所示1转向轴螺杆2后轮转角传感器3定子4执行器壳体5回位弹簧6换向器7电刷8转子9循环球螺杆图15后轮执行器后轮执行器包含一个通过循环球螺杆机构驱动转向齿条的电动机。转向横拉杆是从转向执行器连接到后轮转向节臂和转向节处，当后轮转向执行器故障或在点火开关断开时执行器内的回位弹簧会将后轮推拉回至直线行驶位置，采用两轮转向。在后轮转向执行器内部安装有一个后轮转角传感器，以检测后轮转角将信息反馈到ECU。想要整体设计四轮转向系统，前后轮转向执行器的设计是重点5。14小结本章简要介绍了汽车转向时轮胎侧偏的原因，欲减小侧偏角，采用四轮转向技术可以取得显著的效果，以及四轮转向系统中包含的前轮转向器和后轮执行器的选取。该系统中后轮转向有两中类型，一是与前轮同向转向，二是异向转向。这两种类型后轮转向产生的效果完全相反，所以正确控制后轮的转向方向尤为重要。只有在后轮正7确转向的前提下，四轮转向系统才能发挥其最大作用，实现汽车精准转向3。当然，四轮转向技术的应用增加了汽车的制造成本，但其相对普通两轮转向汽车的优点还是很突出的。2设计方案选择21各传感器的功用及安装位置传感器的作用是检测收集转向盘转动时，各有关设备的运动物理量，并将物理信息转变为电信号，输送至ECU，在ECU中根据提前编号的程序计算分析，最后发出控制命令控制转向轮的转动实现转向。其中包括1转向盘转角传感器一般安装在转向盘下方的传动柱上。转角传感器将转向盘转动角度、线速度和转向方向等信息整合，把这些物理信号转变为电压信号传至电子控制模块，其工作原理同为霍尔效应原理。2前/后轮转速传感器一般安装在靠近车轮轮毂的位置上，车轮转速传感器将前/后轮转速的物理信号同样转变为电压信号输送至四轮转向系统的ECU中，另外，该信号也会传输到ABS的ECU模块中参与制动系统的调节。3车速传感器一般放置在变速箱内的输出轴上。车速传感器和其他传感器工作原理相似是把车速信号转变为电压信号输送至四轮转向系统的ECU中。4前轮转角传感器一般安装在前轮位置的步进空心电机内部，此传感器的构造与其他传感器稍有不同，它的内部含有一个脉冲环，在脉冲环上部安装有一个电子霍尔元件，而脉冲环随着循环球螺杆旋转，如图21所示。当传感器随转子旋转时，固定在转子上的霍尔元件接收物理脉冲信号，转化后，向ECU发出脉冲性质的数字电压信号，在ECU中计算出车轮所需转角。8图21前轮转角传感器5后轮转角传感器一般安装在后轮转向执行器的步进电机内部,如上图，此传感器与前轮转角传感器结构和工作原理极为相似。6转向力矩传感器一般安装在输出轴的小齿轮内部，转向力矩传感器通过采集小齿轮杆的旋转信息得出转向力的大小并转化为电信号传至ECU，如图22所示。图22转向力矩传感器安装位置图22前转向系设计要求四轮转向系统中前转向系的作用尤为重要，其承载着汽车的大部分转向，也是后轮转动角度的大小和方向的基础和根据。其设计要求1汽车转向系统应具有一定的回正性能。即汽车转向行驶后，在驾驶员不控制转向9盘的情况下，转向系统不能阻碍车轮回正。2工作灵敏。3汽车在任何行驶工况下，转向轮都必须平稳可靠不能产生任何方向的振动，转向盘也不能产生任何方向的摆动和摇动。4转向系统设计出来后必须进行运动校核，来确保转向轮转动方向与转向盘转动方向一致，且大小应保持一定的比例关系。5作用在转向盘上的手力必须随着转向轮阻力的变化而变化，且保持在一定的范围内。6当电动助力转向系统出现故障时，必须自动迅速的切换到机械系统操纵模式来控制车轮转向。7电动助力转向器工作的条件作用在转向盘上的切向力00250190KN的时候，开始工作且工作稳定可靠。23转向梯形设计阿克曼原理汽车在行驶（直线行驶和转弯行驶）过程中，每个车轮的运动轨迹，都必须完全符合它的自然运动轨迹，从而保证轮胎与地面间处于纯滚动而无滑移现象。两轮转向汽车阿克曼原理如图23。转角关系KLBACOT1（21）10图23L前后轮轴距K两轮转向主销距离但实际上的转向中心O并不在后轮延长线上，使得汽车产生侧倾力，将导致重心偏移即形成重心测偏角。通过四轮转向技术，后轮微小的转角3来控制车辆转弯时的侧倾角，使重心侧偏角减小为零。这样车辆在高速行驶时能迅速改变车道，车身又不致产生大的摆动，减少了产生摆尾的可能性，同时也改善了前轮转向不足的问题。四轮转向汽车阿克曼原理如图24。图24四轮转向系统阿克曼原理图转角关系包括1前轮与后轮同向转向转角关系KL21COTBTACOTBTA（22）112前轮与后轮反向转向转角关系KL21COTBTACOTBTA（23）24小结本章对各传感器的功用和工作原理进行了详细的介绍，并对其进行了精心布置，是每个传感器都各尽其职，准确可靠不间断的向四轮转向控制模块传输电信号，实现预期转向。本文欲设计成目前比较先进的具有自动学习能力的四轮转向系统。获取前轮转向信息，计算得出后轮转角大小和方向，所以简单运用了转向梯形的公式。通过本章的设计要求，为前转向器和后执行器的设计提供了基础。123齿轮齿条式电动助力转向器设计31转向器的传动效率转向器的传动效率转向器的输出功率与输入功率之比。驾驶员作用在转向盘上的功率由转向传动柱输入，经转向摇臂输出。在此情况下按照传动效率公式计算求得的效率为转向器正效率，当地面对转向车轮的功率为输入，经转向传动柱输出的情况下所求效率为逆效率。正效率用符号表示，；逆效率用符号表示，。为了使驾驶员在操纵转121/P323/P向盘时不至于用力过大，增加转向轻便度，所以要求转向系统传动的正效率要高。为了确保汽车在转向后，转向盘和转向轮能够在没有人为干涉的情况下主动回到直线行驶时的位置，逆效率又不能过小。但是，逆效率过大又会造成驾驶员在不平路面上行驶时产生过度紧张和疲劳的情况，并且把路面给车轮的作用力过滤太少，以致传到转向盘时出现打手现象，所以逆效率也不能太高6。311转向器正效率转向器类型、制造水平、结构特点和参数等对转向系统的传动正效率影响很大。蜗杆滚轮式和带有固定销的蜗杆指销式因其结构特点的局限性，转向传动正效率比较低，而齿轮齿条式和循环球式转向器的转向传动正效率就相对较高些。所以后两种转向机构的转向系统得到普遍应用7。类型相同的转向器，结构不同导致效率不同。如蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支撑轴之间的轴承可以选用滚针轴承、圆锥滚子轴承和球轴承等三种结构之一。第一种结构除滚轮与滚针之间有摩擦损失外，滚轮侧翼与垫片之间还存在滑动摩擦损失，故这种转向器的效率仅有54。其余两种结构的转向器效率，根据试验结果分别为70和75。转向轴承的形式对效率也有影响，用滚针轴承比用滑动轴承可使正或逆效率提高约10。转向器的结构参数与效率，如果忽略轴承和其它地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于螺杆类转向器，其效率可用下式（31）计算13TAN0（31）式中，为螺杆的螺线导程角；为摩擦角，；为摩擦因数。0FARCTN312转向器逆效率逆效率的分类根据其数值大小不同转向器被定义为可逆式、不可逆式和极限可逆式三种类型。路面给车轮的力大部分传给了转向盘，这样可以增加汽车的回正力矩，大大减轻了驾驶员的驾驶疲劳度。但是，当汽车在不平路面上长时间行驶时，作用在转向盘上的力会造成打手现象，使驾驶员过度紧张，增加了疲劳程度8。以上为可逆式转向盘特点。不可逆式转向盘即路面作用在车轮上的力不传给转向盘，全部由转向系中的各部件吸收，不会造成打手现象，但加剧了各传动部件的磨损，使可靠性降低，减少了使用寿命。如果忽略轴承和其它地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，则逆效率可用下式32计算320TAN）（式31和式32表明增加导程角，正、逆效率均增大。受增大的影响，不宜取得过大。当导程角小于或等于摩擦角时，逆效率为负值或者为零，此时表明0该转向器是不可逆式转向器。为此，导程角必须大于摩擦角。通常螺线导程角选在810之间。32传动比的特性转向系的传动比包括两种转向系的力传动比和转向系的角传动比。PI0I1力传动比地面输入给两个转向轮的合力比上传给转向盘的手力所得结WF2HF果为转向系力传动比。即（33）HWPI/2142角传动比转向盘转动角速度与同侧转向节偏转角速度的比值。即WK（34）KKKWODTI式中，为转向盘转角增量；为转向节转角增量；为时间增量。它又由转DKDT向器角传动比和转向传动机构角传动比所组,即WIWI（35）I0转向盘角速度与摇臂轴转动角速度之比，称为转向器角传动比,即WKWIPPWDTI（36）式中,为摇臂轴转角增量。此式除了齿轮齿条式转向器之外均可用。摇臂轴转动角速度与同侧转向节偏转角速度之比，称为转向传动机构的角传动比，即KKPKWDTI（37）33力传动比与角传动比的关系轮胎与地面之间的转向阻力和作用在转向节上的转向阻力矩之间有如下关系RM（38）AMFRW式中，为主销偏移距，指从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与支承平面交线间的距离。作用在转向盘上的手力可用下式表示HF（39）SWHDM215式中，作用在转向盘上的力矩；HM为转向盘直径。SWD将式38、式39代入式（33）得到（310）AMDIHSWRP分析式310可知，当主销偏移距A小时，力传动比应取大些才能保证转向轻便。通常轿车的A值在0406倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取，而货车的D值在4060范围内选取。转向盘直径根据车型不同在JB450586转向盘尺寸标准中MSWD规定的系列内选取。如果忽略摩擦损失，根据能量守恒原理，可用下式表示HRM2（311）WOKHRIDM2将式311代人式310后得到（312）ADISWOP2当和不变时，力传动比越大，虽然转向越轻，但也越大，表明转向不SWDPIWPI灵敏。根据相互啮合齿轮的基圆齿距必须相等，即。其中齿轮基圆齿距21BP，齿条基圆齿距。由上述两式可知当齿轮具有11COSMPB22COSMPB标准模数和标准压力角与一个具有变模数、变压力角的齿条相啮合，并始12终保持时，它们就可以啮合运转。如果齿条中部相当汽车直线21COS行驶位置齿的压力角最大，向两端逐渐减小模数也随之减小，则主动齿轮啮合半径也减小，致使转向盘转动某同一角度时，齿条行程也随之减小。因此，转向器的传动比是变化的。转向系传动比的设计主要根据转向轴负荷和汽车机动性的要求而设定，分为增大、减小和不变三种模式。转向系传动比应设计的大些可以满足驾驶员对汽车转向系统使用轻便的要求，避免转向沉重现象的出现，但是汽车的机动能力将有所下降；当汽车需要机动性要求时，汽车本身带有助力转向系统，转向时的阻力矩可用转向助力系统16克服，减少了转向盘转动圈数，增加了转向轴的负荷，这种情况下可选用小传动比设计9。转向盘的中间位置是常用状态，其传动比要稍微大些，不宜小于1516。因为汽车高速直行时，若传动比过大，汽车转向轮太过敏感使反冲效应加大，不利于驾驶员对汽车的精确控制。34汽车参数选择选用的车型参数表31宝马3系2016款328IXDRIVEM运动型的相关参数轴距L2578MM前/后轮距K1540/1540MM整备质量1560KG允许总质量M850KG前/后轴载荷1000/1000KG最小转弯半径R6000MM方向盘直径SWD400MM齿条有效行程1L150MM轮胎型号205/55R16齿轮齿条转向器正效率90前转向器总长1234MM表32齿轮齿条主要参数17项目转向小齿轮转向齿条模数NM2525齿数21Z628螺旋角/齿倾角148法相压力角2020齿顶高系数ANH11变位系数X00顶隙系数NC025025341转向轮侧偏角计算四轮转向系统旨在提高汽车转向效果为汽车主动转向技术，即人为可控转向技术。由于设计后轮转角较小（3），当汽车以较低车速转弯行驶时后轮转向作用可忽略，汽车按普通二轮转向系统转弯，即转向轮的侧偏角计算可根据两轮转向汽车结构计算，如图31。4306257RLSIN（313）取得254765014725COS60KCOSLTANR（314）取得336218图31两轮转向汽车转向示意图35转向系载荷确定为了确保安全驾驶，转向系的各零件应具有足够强度。想要验算转向系零件强度，首先必须要确定作用在各零件上的力。线传动比I3155847COS6213COSI2ZMN方向盘转动圈数N31615384701IL角传动比WI3171962347501360NIKW原地转向阻力距的计算RM318MNPGF7245180937319轮胎和路面间的滑动摩擦因数F转向前轮负荷。单位为GN轮胎气压，单位为PMPA作用在转向盘上的手力HF319NIDWSRH89130914752原地转向阻力矩RM转向盘直径SWD转向器角传动比I转向器正效率主销偏移距AA052051025MM作用在转向盘上的力矩HMMNDFSWH263784089132力转动比PI567AIHSRP轮辋直径LWRINLW4021梯形臂长度282LR16256MM取162MM轮胎直径TR205LWT6319MM取632MM齿宽系数21DMZMDN4615COS11齿条宽度2BBD821220圆整取则取齿轮齿宽MB20MB301202136转向器的主要元件设计361齿轮齿条式前转向系由一个金属管包裹着的齿轮齿条组，齿条的齿面突出在金属管外缘。小齿轮和转向轴连接在一起，当转动转向盘时，转向轴带动转向小齿轮转动，小齿轮和齿条啮合，从而带动齿条做横向运动，齿条和横拉杆连接进而使车轮绕主销旋转，完成转向。齿轮齿条式转向器属于可逆式转向系统，由于其结构简单、工作可靠寿命长、加工制造方便、自动回正力矩大、操纵灵敏度高、传递转矩性能好等优点被广泛使用。但是其传动比较小，在某些车辆上不适合。为了使转向系统能达到预期的使用寿命和良好的运转稳定性，设计时必须使齿轮齿条达到以下要求1齿面要硬，足以克服运转过程的磨损；2齿心要韧，在系统使用过程中，齿轮齿条难免会遇到冲击，所以基体必须具有足够的弯曲强度和韧性，才能避免齿轮变形和断裂。3具有良好的工艺性，加工制造方便，成本低。小齿轮材料一般使用20CRMNTI合金钢，采用表面渗碳淬火热处理工艺方法，齿面硬度要达到HRC5863。一般选用带有斜齿的齿轮齿条，其优点是在齿轮运转时斜齿的形状可以增加啮合的齿数。而且与带有直齿的齿轮相比，斜齿齿轮的运转更加平稳，具有传递大转矩的特性10。所以，前轮的操纵是通过转向盘的旋转使齿条横向移动造成的。齿轮轴由安装在转向器壳体上的球轴承支承，其参数见表3321表33齿轮轴的设计参数齿条材料选用40CR作为啮合副原因是与20CRMNTI具有较好的匹配性。然后采用高频淬火热处理工艺方法，使表面硬度达到HRC5258，满足工作要求。齿条是加工成带有齿形的金属条，它可以在金属壳体内做横向运动。转向器壳体固定在前横梁或前围板上。通过转向系统由齿条横向运动带动转向横拉杆，转向横拉杆连接前轮转向机构完成转向。其参数见表34表34齿条尺寸设计参数项目符号尺寸参数MM总长2L758直径30齿数2Z28362齿轮齿条基本参数齿轮参数分度圆直径MZMDN4615COS211齿顶高NANAXH项目符号尺寸参数（MM）总长1L171齿宽B30齿数1Z6法向模数NM25螺旋角1140旋向左旋221215461855M齿顶圆直径AAHD2115462252046齿根高NANFCXM25100253125M齿根圆直径2461521NANFFCXHHD154622510025921齿条参数齿顶高NANAXHM251025M齿根高NANFC25100253125齿顶高系数取1ANH顶隙系数取025C363转向横拉杆及其端部转向横拉杆与梯形转向杆系很相似，其参数见表35，球头销通过螺纹与齿条连接。当这些球头销按制造厂的规范拧紧时，在球头销上产生了一个预载荷。防尘套夹在转向器两侧的壳体和转向横拉杆上，防尘套阻止杂物进入球销及齿条中。转向横拉杆端部与外端用螺纹联接。这些端部与梯形转向杆系的相似。侧面螺母将横拉杆外端与横拉杆锁紧如图32。231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开口槽图32转向横拉杆图表35横拉杆尺寸项目符号尺寸参数（）M横拉杆总长AL376螺纹长度M62外接球头总长OX68外接头螺纹公称直径WDM12横拉杆直径LA1824364齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析图33转向横拉杆运动图如图33，当转向盘从锁点向锁点转动，每只前轮大约从其正前方开始转动30，因而前轮从左到右总共转动约60。当转向轮右转30，即梯形臂或转向节由OC绕圆心O转至时OA，齿条左端点E移至EA的距离为1LMAD814625COS1630COSC齿轮齿条啮合长度应大于MODAL8163TAN25SI21DAMBEA0ACE419222CA73950ML1421同理计算转向轮左转35，转向节由OC绕圆心O转至OB时，齿条左端点E移至的距离为BE2DA468BDC25MBEB41925022CL7032即取0419739521ML20365齿轮齿条传动受力校核受力分析时，齿轮与齿条间的摩擦力忽略不计，轴所受的力可分解为径向力FR和分力F，分力F又可分解为轴向力FA和圆周力FT。如图33图33齿轮轴受力分析图2392NM/21643619981/2DTFTN（319）NNTR913574COS/20TAN431COS/A（320）26NFTA839714TAN9836N（321）1计算支承反力在垂直面上NLDFARRAV158047839135212（322）FRAVRRBV531049351（323）在水平面上NFTRBHA91802361（324）画弯矩图在水平面上，AA剖面左侧、右侧MNLFMRAHAH27058939180（325）在垂直面上，AA剖面右侧LFRBVA251963752（326）AA剖面左侧MNLFMRAVA85316958041（327）27合成弯矩，AA剖面右侧MNMAVHA9473812519705822（328）AA剖面左侧NAVHA572483162705892（329）画转矩图转矩3619982164/239167972/1DFTTMN（330）2分析较危险的剖面很明显，AA截面的左侧所受弯矩最大，所以该截面左侧危险系数最大，可能为危险剖面11。3轴的弯扭合成强度校核由机械设计3查得，MPAB601PAB1006/1/01BAA截面左侧333894261MDW26791870457222MPATME4轴的疲劳强度安全系数校核查得,；PAB650PA301MA15。,228AA截面左侧337619834216MWDT查得,；由表查得绝对尺寸系数102K7,。轴经过磨削加工后，经查表得质量系数10。98则弯曲应力MPAWMB6873894572应力幅PABA6平均应力0M切应力MPAWT691719836TMA852安全系数672107910231MAKS148084590121MAS64867222S（331）29查得许用安全系数S1315，因为SS，故AA剖面安全。366齿轮轴轴承的校核校核轴承，轴承间距75,轴承转速15,预期寿命12000MNMI/RHL初步计算当量动负荷E06591378RAF,选近似中间值。另查表得560XY21PF120567055154689131812ARPFN计算轴承应有的基本额定动负荷,查表得,又RCTF3LNFPHTR62911056213806C6初选轴承型号查机械工程及自动化简明设计手册,选择6204轴承,812CR，其基本额定静负荷665KN0KN验算并确定轴承型号469/66500071,为027,轴向载荷系数应为160/CFAEY计算当量动载荷120567055164691444（332）PRARPYFXFN验算6204轴承的寿命即高于预期寿命，能满足要求。上轴承选择比下轴承稍大的型号6205,同样满足要求。37电机选择根据转向系统的工作要求，选用空心杯无刷直流电机。空心杯电动机以其独特的优点来满足转向系统的瞬时反转工况，这种新颖的转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，而且其重量、体积和转动惯量大幅降低，这对转子转动时自30身机械能损耗的降低有很大帮助，它本身的结构和运转原理很大程度上能胜任这种频繁反转的工作要求。最重要的是空心杯电机转子的独特结构最大限度的改善了其周转特性，它完美的控制和拖动特性也是铁芯电动机所不及的12。371助力转矩的计算汽车静止时转向阻力矩RMMNR7245作用在转向盘上的力矩HH638查相关材料知，转动转向盘时作用力不能大于3050，力的范围控制在10以N下才能满足转向轻便的设计要求。40400/2800020HHDFTMN作用在转向盘上的最大力，取400HF方向盘直径，400DHM所以作用在转向轴上的最大助力转矩为MAXTNMTHA3781260MX372电动机额定参数的选择使用空心电机驱动螺杆机构电动机额定输出转矩为MNGTAE08173MXG减速器传动比取G17电动机的最大额定转速IN/124RNHE方向盘转速HNMI/7电动机功率KWTPEE1390543138小结本章对前轮转向器主要构件进行了系统的设计，对转向器效率进行了简单介绍，综合考虑了正效率和逆效率对转向系统和驾驶性能的影响，由于逆效率过大或过小对驾驶感受和系统零件使用寿命有不利影响，所以选择合适的逆效率值对转向系统很重要。同时对转向系统在转向盘不同位置和不同车速时传动比大小进行了详细说明，汽车直线行驶即转向盘在中间位置时传动比要适当的小些以满足汽车稳定性的要求。同样，当车速比较高时也应小些为宜。通过对汽车参数的选择进而计算出汽车在转向行驶时的侧偏角。转向系统中主要受力部件为齿轮、齿条和轴承，本章分别对它们进行了材料选择和校核，以达到使用要求。电动助力齿轮齿条式转向系统中动力装置为空心杯电动机，其特点满足转向时频繁反转的要求，其额定参数也经计算得出。该种转向系统不仅体积小、反应迅速，而且具有制造成本低、冲击和噪声小等优点。4后轮转向执行器设计计算41执行器结构设计后轮转向执行器主要是一个私服电动机，如图41，该电动机利用循环球螺杆机构控制转向齿条，实现后轮转向。转向横拉杆的作用是当点火开关断开或四轮转向系统故障时，由执行器内的回位弹簧带动转向横拉杆将后轮拉回到直线行驶位置，一般安装在后轮转向节臂和转向节处。后轮转向执行器内装有两个后轮转角传感器，其作用是检测两侧车轮图41后轮转向图3242齿条设计后轮齿条选用与20CRMNTI具有较好匹配性的40CR作为啮合副，采用高频淬火的热处理工艺方法，表面硬度达到HRC5258。由于后轮轴荷与前轮相同为1000，KG所以齿条直径选择45,总长度为637，后轮转向执行器总长1238。满足设计MMM和使用要求13。43回位弹簧的设计计算执行器内安装有电动机，考虑到其他材料对电动机工作状况的影响，弹簧材料选用铜合金丝，因为铜合金有较好的防磁性，不会扰乱电动机内的磁场。弹簧承受载荷循环次数必须要达到次以上的变载荷要求，所以选择类弹簧36014。610MPAG切变模量G90000MPA因,C取7估取10DD/DM904BK曲度系数216504CK最大工作载荷NF278弹簧丝直径MCKKD613072816618取铜合金丝直径为12M表41弹簧丝直径的计算D计算项目计算依据和内容计算结果选择旋绕比C估算2D初算弹簧丝直径D计算曲度系数K取C7按D、D1，取M8065M802CD/2取C711MMD21KMPA36033计算弹簧丝的许用切应力计算弹簧丝直径D216504CKMPA3/61MAXFDM6130/278取MD12表42弹簧圈数和自由高度的计算计算项目计算依据和内容计算结果工作圈数N总圈数1节距T自由高度0H8/3MAXACFGDN5721903各端死圈取1，故3721N,TA2DT则,取M9606DNTH510443792155425953N731792TM42590H弹簧外径701080DD2M弹簧内径701060144电机选择所设计四轮转向系统后轮转向执行器选用步进电动机，它可以根据ECU传出的电压信号发出精准的转矩和转角，驱动后轮转向齿条，实现后轮主动转向。步进电动机34是一种性能优良的数字控制电动机，本身可以将数字化的电脉冲信号转换成自身的角位移。由于其控制性能好，适合于单片机控制，所以其应用非常广泛15。与传统的液压助力式转向系统相比，步进电动机的角位移与ECU传至的电压脉冲信号成线性关系，随动性好，转向时响应迅速，满足转向系统频繁启停、反转的工作特点。且其自身重量轻，体积小，适合在后轮执行器狭窄空间位置安装使用。但是步进电动机最大的优点还在于其具有一定的自锁和保持特定转矩的能力，提高了汽车的转向能力，缩短了转向响应时间，使汽车的操纵稳定性和低速机动性大大提高。441助力转矩的计算汽车静止时转向阻力矩RMMNPGMR724531所以作用在转向轴上的最大助力转矩AXTTRA645MX442电动机参数的选择和计算使用空心步进电机驱动螺杆电动机的额定输出转矩为MNGTAE8261745MXG减速器传动比取G17电动机的最大额定转速IN/7214RNE电动机功率KWTPEE09545小结后轮转向执行器是后轮转向的主要执行部件，也是四轮转向系统的重要组成部分。本章对后轮执行器的主要部件进行了详细设计，总的来说执行器的动力装置为精心选择的空心步进电动机，通过计算其工作时要求的各个额定参数，选用合适大小的电动35机，不仅可以提高动力传递效率，减少能耗还能很大程度上节约空间，使后轮转向执行器总成的结构更加紧凑，拆装维修时更加方便。36结论本文通过宝马3系2016款328IXDRIVEM运动型的车型对四轮转向这项新技术深度研究，对四轮转向系统总成的分析，掌握了四轮转向相对于两轮转向的优点，分析了其工作原理和各个部件之间相互协作共同发挥作用，从而设计出了符合四轮转向工作要求的前轮转向器和后轮转向执行器。为整个四轮转向技术的应用奠定了基础。1设计了具有电动助力的齿轮齿条式前轮转向器，此转向器能够为四轮转向系统提供更精确、更稳定的控制。前转向器是整个四轮转向系统设计的基础，汽车的转向大部分还靠前轮完成，后轮起到辅助作用。2后轮执行器也是应用目前使用最广泛的技术而设计的，满足四轮转向系统操纵性的控制要求。使后轮的转向达到预定要求，使转向更精确、更智能。本文因为我自身知识和能力有限，在一些方面还存在很多的不足，有待进一步研究。37致谢天下没有不散的筵席，虽然大四生活的多半时间还是呆在学校，但是论文致谢语写就的那一刻也真正标志着我与这所学校就此分别了，没有伤感，更多的是遗憾。过去的不能挽回，人应该大胆地向前面看，所以这段文字应该向它的标题一样充溢着感恩和致谢，感激四年来在我的成长路上扶持过我，指点过我的人。本文的议题是在和张福老师的交流后定下的，在后期的实习积累经验，到中期的修正和讨论，及最初的重复推敲，我希望能尽本人最大的努力，写出一篇具有理想意义的论文。首先要衷心感谢我的指导教师张福老师，您严谨的治学态度，开阔的思想，循循善诱的指导不断地给我很大的协助。当我对论文的思绪感到迷茫时，您为我理清思绪，指点我往一条比较清晰的思路上前进。在论文的不时修正中，我也努力做到及时积极的与张福老师交流，因为我觉得这样可以使我的论文愈加完善。在这里还要深深的和您说声抱歉，由于的我散漫和懒惰，令您费尽苦心。论文最终顺利完成，也是一波三折。在不时的完善和修正的过程中，也让我愈加懂得“一分耕耘一分收获”的道理。再次对您表示感谢，师恩伟大，无以报答。然后还要感谢一切在大学期间教授过我知识的老师，每位老师的悉心教诲都是我完成这篇论文的根基。最后真诚的感谢评阅论文的各位专家、教授，谢谢38参考文献1陈家瑞汽车构造下册M第三版北京机械工业出版社，201162余志生汽车理论M北京机械工业出版社，201413王望予汽车设计M第四版北京机械工业出版社，20114王黎钦机械设计M哈尔滨工业大学出版社，201032455孙仁云汽车电器与电子技术M哈尔滨工业大学出版社，20116闻邦椿现代机械设计实用手册M机械工业出版社，2015712177刘品机械精度设计与检测基础M哈尔滨工业大学出版社，201668郭保军四轮主动转向的鲁棒控制研究J中北大学，20159孙耀东汽车操纵稳定性控制优化研究J计算机仿真，201510胡国强汽车四轮转向的转向特性的研究J武汉理工大学，2012611王鹏基于最优控制及联合仿真的四轮转向研究J辽宁工业大学，201263912向丹电动助力转向系统控制策略机器仿真研究J控制工程，2013813吴文江电动转向控制系统跟随性研究J机械工程学报，200914姚永健四轮转向汽车的非线性模型及其动力方程J华南理工大学，201015黄金永传动轴制造M机械工业出版社，20172附录外文翻译1原文STEERINGBEHAVIORANDCONTROLTECHNOLOGY400FFOURWHEELSTEERINGAUTOMOBIIEABSTRACTTHISPAPERANALYSESTHECHARACTERISTICSOFCARFOURWHEELSTEERINGCONTROLTO,SUMMARIZESTHEPRINCIPLEOFCONSTRUCTIONFOURWHEELSTEERINGCARSINTRODUCEDTHEFOURWHEELSTEERINGSYSTEMCONTROLSTRATEGYPOINTSOUTTHEFOURWHEELSTEERINGSYSTEMCONTROLTECHNOLOGYFACESDIFFICULTIES,ANDPROSPECTSTHETRENDOFITSDEVELOPMENTKEYWORDSFOURWHEELSTEERINGSTEERINGCHARACTERISTICSWORKINGPRINCIPLECONTROLDEVELOPMENT1INTRODUCTIONWITHMODERNROADTRAFFICSYSTEMANDTHEDEVELOPMENTOFMODERNAUTOMOBILETECHNOLOGY,PEOPLEONTHECARSSTEERINGCONTROLPERFORMANCEANDDRI
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