某乘用车齿条助力式转向系统设计-带答辩PPT【三维CATIA模型】【含CAD图纸】
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三维CATIA模型
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哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告 本科毕业论文（设计）开 题 报 告论文题目 某乘用车齿条助力式转向系统设计 班 级 1001202 姓 名 郭兴川 院（系） 汽车工程学院 导 师 刘涛 开题时间 2013年12月23日 - 16 -1课题研究的目的和意义汽车转向系统作为整车构造中重要的系统之一，一直是全世界汽车行业研究的重点。汽车转向系统的好坏直接影响到汽车的驾驶舒适性、安全性和能耗，甚至影响到环境 。转向系统转向器可分为齿轮齿条转向器、蜗杆曲柄销式转向器和循环球式转向器。齿轮齿条转向器作为最常见的一种转向器，具有如下优点：结构简单，制造方便，工作可靠，使用寿命长，自动回正力强，传动方式是齿轮齿条直接啮合，操纵灵敏度非常高，滑动和转动阻力小，转向轻便，转矩传递性能较好，其正效率与逆效率都很高，属于可逆式转向器，并可安装转向助力机构。随着汽车工业的飞速发展,人们对于汽车的要求也逐渐提高,汽车的操纵稳定性日益受到广泛的关注,传统机械转向系统的汽车已经不能满足人们的需求，取而代之的是助力转向系统的崛起，包括液压助力转向系统、电液助力转向系统和电动助力转向系统，助力转向系统已得到了广泛的研究1.传统机械转向系统的缺点非常明显，它转向操纵难度增大，转向费力，其传动比是固定的，即角传递特性无法改变，导致汽车的转向响应特性无法控制，传动比无法随汽车转向过程中的车速、侧向加速度等参数的变化而进行补偿，驾驶员必须在转向之前就对汽车的转向响应特性进行一定的操作补偿，这样无形中增加了驾驶员的精神和体力负担1。助力系统分为液压助力转向系统、电液助力转向系统和电动助力转向系统，在使用中具有许多优点：液压助力转向系统和电液助力转向系统通过液压力作用来推动传统机械转向机构的转向运动，从而减轻了驾驶员的劳动强度，解决了传统机械转向系统随着汽车质量越大转向越费力的问题，在一定程度上解决了传统机械转向系统由于转向器传动比固定而造成的转向“轻便”与“灵敏”之间的矛盾。液压助力转向系统工作可靠、技术成熟，能提供大的转向助力，目前在部分乘用车、绝大部分商用车特别是中重型车辆上广泛应用2。 电动助力转向系统的优点很多：一是系统助力矩的大小由电子控制单元实时调节和控制，能够在各种行驶工况下提供最佳的助力，有效改善汽车的转向助力特性，保证汽车在低速行驶时转向轻便灵活，高速行驶时转向稳定可靠，可以很好地解决汽车转向时轻与灵的矛盾；二是该系统只在转向时电动机才提供助力，因而能减少能量消耗；三是该系统取消了液压装置，使得其结构更紧凑，质量更轻，而且彻底根除了液压助力转向系统和电液助力转向系统中液压油泄漏的问题，可大大降低保修成本，减小对环境的污染；四是该系统由于直接由电动机提供助力，而电动机由蓄电池供电，因此该系统在发动机熄火或出现故障时也能提供助力2。汽车助力转向系统在经历了长足的发展后已得到了整个汽车行业的认可和应用，在GB7258-2004 中专门规定：车辆转向轴最大设计轴荷大于4 000 kg时，必须采用转向助力装置。由此可见，助力转向系统在汽车转向系统中的重要性和必要性3。综上所述，助力转向系统具有明显优势，而齿轮齿条转向器是最常用、优点突出的转向器，齿条助力式转向系统的助力单元可灵活固定于齿条各处，方便整车布置，同时降低了齿数比即降低了转动惯量，可以提供优良转向特性。所以对齿条助力式转向系统的研究意义重大。 2国内外研究现状2.1助力式转向系统国内外现状至今，汽车转向系统经历了传统机械转向系统、液压助力转向系统、电液助力转向系统和电动助力转向系统 4 个发展阶段，未来则可能向线控动力转向系统发展。目前汽车转向系统正处在液压助力转向系统、电液助力转向系统向电动助力转向系统发展的过渡阶段。电动助力转向系统是20世纪80年代初期提出来的，并首先在微型轿车上得到了应用。1988年2月日本铃木公司首次在其Carvo车上装备了Koyo公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统，随后还用在了其Alto车上；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1。随着现代电子技术的发展，EPS技术日趋完善。其应用范围已经从最初的微型轿车向更大型轿车和商用客车方向发展。同时EPS的助力形式也从低速范围向全速范围内助力发展，并且其控制形式和功能也将进一步加强。日本早期的EPS仅仅在低速和停车时提供助力，还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。如铃木公司装备的Wagon R+车上的EPS系统是一个负载路面车速感应型的助力转向系统。Delphi为Punto车开发的EPS属于全速范围助力型，并且首次设置了两个开关，其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。当车速大于70km/h后，则不同开关所执行设置的程序是一样的，以保证高速时有合适的路感。市区型还和油门有关，使得在踩油门加速和踩油门减速时，转向更平滑。美国的Delphi汽车公司最新推出的电子伺服前轮转向控制系统，取消了驾驶员和汽车前轮的机械连接，取消了传统的转向柱、转向轴和齿轮齿条等机械结构，而由转矩传感器、速度传感器、控制器、电动机和减速机构等组成。但它仍采用转向盘（必要时也可改用操纵手柄），通过电动机向驾驶员提供路面反馈。该转向系统可以说代表了EPS目前发展得最高水平1-2。目前，助力转向系统零件在很大程度上依赖进口，几个主要的转向系统供应商有TRW，JTEKT，Delphi，ZF Lenksysteme，Thyssenkrupp Automotive，他们各自在不同的转向产品领域中成为领导厂商4。在汽车电子技术快速发展得市场状况下，未来转向系统的发展趋势以EPS系统的市场前景最为看好。2008年日本新上市的乘用车中约70%装配了EPS，欧洲市场约为50%，北美市场约为25%，而我国则不足10%。EPS代表未来助力转向技术的发展方向，将作为标准件装备到汽车上，并将在助力转向领域占据主导地位，特别是电动汽车将构成未来汽车发展的主体，这给EPS带来了更加广阔的应用前景。电动助力转向系统的进一步发展，一方面需要开发可靠性高、成本低的传感器，另一方面需要开发满足助力要求、驾驶人舒适性要求且低成本的助力电动机。此外，如何设计合理的控制策略以保证电动助力转向系统的动态性能、稳定性以及可靠性，保证驾驶人获得良好的路感，使系统能与整车上其他控制子系统相互通信协调工作以实现整车综合控制，是今后研究的重点，而更多的先进控制策略，如人工智能控制方法等，将应用于电动助力转向系统的控制中5。2.2 转向器国内外现状 2.2.1 国外情况现代汽车中常用的转向器有循环球式转向器、蜗杆曲柄指销式转向器、齿轮齿条式转向器等。在全球汽车厂家中，汽车循环球式转向器占市场份额接近一半，齿条齿轮式转向器占市场份额接近百分之四十，蜗杆曲柄指销式转向器占市场份额超过百分之十，其它转向器在市场上基本消失。美国和日本都非常重视使用循环球式转向器，它们使用的比重都已超过百分之九十。日本的公共汽车基本全部使用循环球式转向器，大、中型货车也大部分使用循环球式转向器，微型货车循环球式转向器大约百分之六十五左右，齿条齿轮式转向器的使用已经超过百分三十五。而欧洲对齿轮齿条式转向器的使用和发展非常重视，在中、小、微型客车中，齿条齿轮式转向器使用比重已经超过一半，有些国家甚至达到百分之九十以上。 国外对汽车转向器进行了大力研发和设计，实现了汽车转向器专业化设计、制造、加工和生产，大大提高了转向器的质量和效益。在日本NSK公司的转向器就以质优价廉的优势占领了本国市场，并逐步销售全世界。德国ZF转向器公司是一个专门生产转向器的大公司，从上世纪五十年代开始生产转向器到现在每年生产转向器几百万台。另外美国德尔福公司，英国BURMAN公司都是非常著名的转向器生产公司，每年都会生产许多各种型号的转向器。国外转向器专业化设计、制造、加工和生产已成为一种趋势，能够使转向器质优价廉，实现大批量生产，快速占领国际市场6-7。 2.2.2国内情况 在我国汽车使用的转向器中，上世纪解放汽车和东风汽车使用蜗杆曲柄指销式转向器转向器，现在解放汽车和东风汽车也已经开始使用循环球式转向器，其它汽车大都使用齿轮齿条式转向器和循环球式转向器。由于齿轮齿条式转向器在小型车上具有很多其他转向器无可替代的优点，我国也在大量生产齿轮齿条式转向器并在小型货车及家庭轿车使用中得到飞速发展。例如我国第一汽车集团公司在中日合作的项目上使用的就是齿轮齿条式转向器。还有其他本田、奥迪、桑塔纳、夏利等轿车，以及南京依维柯、柳州五菱等小型货车，均使用的是齿轮齿条式转向器。虽然国内齿轮齿条式转向器有一定发展，但生产效率低，成本高。只有专业化设计，流水线生产，才能提高生产效率，降低生产成本，在国内外市场上占有一席之地6-7。 3. 本课题的研究内容及技术方案 3.1对转向系统进行设计计算 （1）对转向系方案进行选择，包括转向盘、转向轴、转向器、转向梯形的方案选择；（2）确定转向系的主要参数，对转向系的主要参数传动比和计算载荷等进行计算；（3）设计齿轮齿条转向器：确定齿轮齿条转向器的输出形式和整车布置，对其工作原理进行研究，对其结构进行设计,包括速比计算、螺旋角对其影响的分析、齿条齿面形状分析、轴承选择；（4）设计转向梯形：分析转向梯形的理论特性，确定转向梯形的布置形式，对转向梯形的尺寸进行初步确认，最后对梯形进行校核。 3.2 对转向梯形进行优化设计对转向梯形数学模型进行推导，分析理想的左右转向轮转角关系和实际的左右转向轮转角的关系，对优化目标函数和约束条件进行确定，最后对优化结果进行分析并进行虚拟样机试验验证分析8. 3.3三维建模用Catia建立转向器、转向梯形完整的三维实体模型，并用CAD绘制工程图。 3.4 有限元分析基于有限元分析软件ANSYS对转向系统进行建模和计算分析,并通过假设改进方案对比,找到进一步优化方法9。4. 本设计的特色 （1）在转向梯形优化设计中，进行虚拟样机试验验证分析，建立了转向系统的虚拟样机模型，系统尺寸、位置参数采用优化后的参数，对优化结果的有效性进行验证。 （2）在有限元分析中，采用有限元分析软件ANSYS，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAE工具之一。5. 进度安排 第13周：搜集资料，撰写开题报告； 第48周：确定总体方案，进行转向系统设计计算； 第911周：对转向梯形进行优化设计； 第1215周：三维实体建模，绘制二维工程图； 第1617周：撰写毕业设计论文； 第18周：准备答辩。 6. 参考文献1丁志刚、宋洪烈：汽车转向系统发展简述 福建工程学院机电及自动化工程系硕士学位论文 2012.122黄安华、卜宪卫：浅谈汽车的转向系统 农业装备与车辆工程期刊 2010.013万科：汽车助力转向系统及其相关标准分析 客车技术与研究期刊 2010.104万福新、陈惠卿：汽车助力转向系统及其对油品的要求 中国汽车工程学会燃料与润滑油分会第13
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