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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
設(shè)計(jì)（論文）題目:轎車(chē)前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
院 系 名 稱:汽車(chē)與交通工程學(xué)院
專 業(yè) 班 級(jí): 車(chē)輛工程07-3
學(xué) 生 姓 名: 郭天辰
導(dǎo) 師 姓 名: 田芳
開(kāi) 題 時(shí) 間: 2011-03-02
指導(dǎo)委員會(huì)審查意見(jiàn)：
簽字： 年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
學(xué)生姓名
郭天辰
系部
汽車(chē)與交通工程學(xué)院
專業(yè)、班級(jí)
車(chē)輛07-3班
指導(dǎo)教師姓名
田芳
職稱
實(shí)驗(yàn)員
從事
專業(yè)
汽車(chē)運(yùn)用技術(shù)
是否外聘
□是□否
題目名稱
轎車(chē)前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義
汽車(chē)上用來(lái)改變或恢復(fù)其行駛方向的專設(shè)機(jī)構(gòu)稱為汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。汽車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來(lái)改變汽車(chē)行駛方向和保持汽車(chē)直線行駛的機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)向盤(pán)、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向管柱等組成。轉(zhuǎn)向器將轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)檗D(zhuǎn)向搖臂的擺動(dòng)或齒條軸的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并對(duì)轉(zhuǎn)向操縱力進(jìn)行放大的機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)向器一般固定在汽車(chē)車(chē)架或車(chē)身上，轉(zhuǎn)向操縱力通過(guò)轉(zhuǎn)向器后一般還會(huì)改變傳動(dòng)方向。在汽車(chē)轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系，機(jī)械轉(zhuǎn)向系依靠駕駛員的手力轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)，經(jīng)轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)向器屬于汽車(chē)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，它在汽車(chē)系統(tǒng)中占有重要位置，因而它的發(fā)展同時(shí)也反映了汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，它的規(guī)模和質(zhì)量也成為了衡量汽車(chē)工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。
作為汽車(chē)的一個(gè)重要組成部分，汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是決定汽車(chē)主動(dòng)安全性的關(guān)鍵總成，如何設(shè)計(jì)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向特性，使汽車(chē)具有良好的操縱性能，始終是各汽車(chē)生產(chǎn)廠家和科研機(jī)構(gòu)的重要研究課題。特別是在車(chē)輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車(chē)流密集化的今天，針對(duì)更多不同水平的駕駛?cè)巳?，汽?chē)的操縱設(shè)計(jì)顯得尤為重要。
前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與其控制技術(shù)的有機(jī)結(jié)合有效的提高了汽車(chē)行駛的安全性和穩(wěn)定性，極大地提高了汽車(chē)的使用性能，二者相輔相成，缺一不可。本次設(shè)計(jì)主要是通過(guò)對(duì)主動(dòng)轉(zhuǎn)向特性的分析，熟悉主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的工作原理，設(shè)計(jì)轎車(chē)前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，并對(duì)其部分零件進(jìn)行有效性的校核，完成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械部分的設(shè)計(jì)。
自從汽車(chē)發(fā)明以來(lái)，駕駛轉(zhuǎn)向的傳動(dòng)裝置通常都是固定的，方向盤(pán)與前輪的轉(zhuǎn)向角度比始終一成不變。如果采用直接轉(zhuǎn)向，駕駛者在過(guò)急彎時(shí)就不需要大幅轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，但是在高速行駛時(shí)，方向盤(pán)細(xì)微的動(dòng)作都將會(huì)影響到行駛穩(wěn)定性；反過(guò)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)越是間接，車(chē)輛在高速公路上的行駛穩(wěn)定性就越高，但是必須犧牲過(guò)彎時(shí)的操控性。所以，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都必須在安全性與舒適性之間做出權(quán)衡。
而主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的機(jī)械構(gòu)件，包括轉(zhuǎn)向盤(pán)、轉(zhuǎn)向柱、齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)以及轉(zhuǎn)向橫拉桿等。其最大特點(diǎn)就是在轉(zhuǎn)向盤(pán)和齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)之間的轉(zhuǎn)向柱上集成了一套雙行星齒輪機(jī)構(gòu)，用于向轉(zhuǎn)向輪提供疊加轉(zhuǎn)向角。主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)一組雙行星齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立于駕駛員的轉(zhuǎn)向疊加功能，完美地解決了低速時(shí)轉(zhuǎn)向靈活輕便與高速時(shí)保持方向穩(wěn)定性的矛盾，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)轉(zhuǎn)向干預(yù)來(lái)防止極限工況下車(chē)輛轉(zhuǎn)向過(guò)多的趨勢(shì)，進(jìn)一步提高了車(chē)輛的穩(wěn)定性。同時(shí)，該系統(tǒng)能方便地與其他動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)進(jìn)行集成控制，為今后汽車(chē)底盤(pán)一體化控制奠定了良好的基礎(chǔ)。
主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的的雙行星齒輪機(jī)構(gòu)包括左右左右兩副行星齒輪機(jī)構(gòu)，公用一個(gè)行星架進(jìn)行動(dòng)力傳遞，左側(cè)的主動(dòng)太陽(yáng)輪與轉(zhuǎn)向盤(pán)相連，將轉(zhuǎn)向盤(pán)上輸入的轉(zhuǎn)向角經(jīng)由行星架傳遞給右側(cè)的行星齒輪副，而右側(cè)的行星齒輪具有兩個(gè)轉(zhuǎn)向舒服自由度，一個(gè)是行星架傳遞的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角，另一個(gè)是由伺服電機(jī)疊加轉(zhuǎn)角輸入。右側(cè)的太陽(yáng)輪作為輸出軸，其輸出的轉(zhuǎn)向角度是由轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)向角度與伺服電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的行星架轉(zhuǎn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)向盤(pán)相同，增加了后者的實(shí)際轉(zhuǎn)向角度，高速時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的行星架與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)向相反，疊加后減少了實(shí)際的轉(zhuǎn)向角度，轉(zhuǎn)向過(guò)程變得更為間接，提高了汽車(chē)的穩(wěn)定性和安全性。轉(zhuǎn)動(dòng)車(chē)輪所用的力量，并不是由電動(dòng)機(jī)決定，而是由獨(dú)立的轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向裝置一同決定的。主動(dòng)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的其他組成部件還包括判定當(dāng)前駕駛條件和駕駛者指令的獨(dú)立控制單元和多個(gè)傳感器。
主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)隨著汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展受到國(guó)內(nèi)外的重視，同濟(jì)大學(xué)和北京科技大學(xué)都對(duì)主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有著深入的研究，隨著汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)于汽車(chē)安全性能要求的提高，會(huì)有更多的技術(shù)運(yùn)用到主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)當(dāng)中來(lái)。在國(guó)外，上世紀(jì)60年代就已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究，而近幾年這項(xiàng)技術(shù)才從理論階段應(yīng)用于實(shí)車(chē)上。比較典型的就是德國(guó)寶馬公司和ZF公司開(kāi)發(fā)的一套主動(dòng)前輪系統(tǒng)，此系統(tǒng)已經(jīng)裝備于部分寶馬3系和5系車(chē)之上。寶馬的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要是主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器通過(guò)對(duì)駕駛員輸入的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的疊加/減的控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的改變的。低速時(shí)，電動(dòng)馬達(dá)的作用與駕駛者轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)的方向一致，可以減少對(duì)轉(zhuǎn)向力的需求。一直行駛至中速狀態(tài)之前，它將提供比傳統(tǒng)轎車(chē)更直接的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比，轉(zhuǎn)向操作保持輕松省力。在高速時(shí)電動(dòng)馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向與駕駛者轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)方向相反，這就減少了前輪轉(zhuǎn)向角度，使轉(zhuǎn)向更直接。此系統(tǒng)完美地解決了汽車(chē)低速轉(zhuǎn)向輕便與高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)重的矛盾，有效地抑制側(cè)向干擾，提高了整車(chē)穩(wěn)定性。
此套主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以根據(jù)車(chē)速變化而不斷改變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中主動(dòng)齒輪與被動(dòng)齒條的傳動(dòng)比。通常一般轎車(chē)的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比是16:1和18:1之間，例如50km/h時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)10度時(shí)，前輪即可轉(zhuǎn)動(dòng)1度，而普通轎車(chē)需要轉(zhuǎn)動(dòng)16-18度才能讓前輪轉(zhuǎn)動(dòng)1度。反之，在高速時(shí)，例如，當(dāng)車(chē)速達(dá)到200km/h時(shí)，帶有主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)20度才能讓前輪轉(zhuǎn)動(dòng)1度。
除了可變傳動(dòng)比設(shè)計(jì)外，穩(wěn)定性控制功能是寶馬主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的特點(diǎn)。危險(xiǎn)工況下該系統(tǒng)通過(guò)獨(dú)立于駕駛員的轉(zhuǎn)向干預(yù)來(lái)穩(wěn)定車(chē)輛，通過(guò)主動(dòng)改變駕駛員給定的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角使得車(chē)輛響應(yīng)盡可能與理想的車(chē)輛響應(yīng)特性相一致。主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還有很重要的一點(diǎn)就是更安全，這一點(diǎn)主要體現(xiàn)在車(chē)輛高速行駛中的突然轉(zhuǎn)向。例如在公路上高速行駛時(shí)突然變線以超越另一輛車(chē)然后回到車(chē)道時(shí)，或者高速行駛中突然發(fā)現(xiàn)前方有障礙物需要急轉(zhuǎn)彎時(shí)，很容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足或者轉(zhuǎn)向過(guò)度，車(chē)輛將偏離自己預(yù)定的方向，可能失去控制。在這種情況下，通常寶馬車(chē)系的主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)干預(yù)制動(dòng)過(guò)程控制車(chē)輛的穩(wěn)定，行車(chē)速度將大幅度降低，增加能量的損耗。而主動(dòng)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從轉(zhuǎn)向一開(kāi)始就會(huì)判斷轉(zhuǎn)向后出現(xiàn)的情況，通過(guò)電子控制的機(jī)械調(diào)控器自動(dòng)修正轉(zhuǎn)向角度，干預(yù)降低偏航情況的發(fā)生。而此系統(tǒng)不必像在其他車(chē)輛中那樣干預(yù)駕駛，保證車(chē)輛行駛的平穩(wěn)性。
本設(shè)計(jì)通過(guò)整合已有的的設(shè)計(jì)，通過(guò)努力，閱讀大量的文獻(xiàn)，掌握轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)的基本步驟和要求，以及制圖的步驟和規(guī)則，掌握轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械部分的相關(guān)設(shè)計(jì)方法，以及進(jìn)一步更扎實(shí)汽車(chē)設(shè)計(jì)基本知識(shí)，學(xué)會(huì)使用CAD進(jìn)行基本二維制圖，同時(shí)提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)有利于提高汽車(chē)的整體性能，同時(shí)提高我們綜合運(yùn)用知識(shí)的能力和技能。通過(guò)課題的設(shè)計(jì)，積累相關(guān)理論知識(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)還可以系統(tǒng)的培養(yǎng)工程文化素養(yǎng)，有利于未來(lái)的發(fā)展。
二、設(shè)計(jì)（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問(wèn)題
設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容：
1.現(xiàn)代汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡(jiǎn)述。蝸桿滾輪式，蝸桿指銷(xiāo)式，齒輪齒條式等。
2.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
3.主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的現(xiàn)狀及優(yōu)點(diǎn)。主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械部分基本結(jié)構(gòu)，工作原理等。
4.轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向器的計(jì)算設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)選擇等。
5.主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要性能參數(shù)的計(jì)算。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的效率，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比，剛度等
6.進(jìn)行相關(guān)零件的校核。
7.根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制CAD二維圖紙。
擬解決的主要問(wèn)題：
1.轉(zhuǎn)向系機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的選擇。
2.主要性能參數(shù)初選。
3.主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要性能參數(shù)計(jì)算。
4.相關(guān)零件的強(qiáng)度校核。
三、技術(shù)路線（研究方法）
轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)選擇
基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算
主要參數(shù)選擇
校核
編寫(xiě)說(shuō)明書(shū)并繪制CAD二維圖紙
根據(jù)題目查閱相關(guān)資料
否
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的效率
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)率與傳動(dòng)比
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)
四、進(jìn)度安排
1）調(diào)研、查閱參考資料，了解轉(zhuǎn)向器的功能、主要結(jié)構(gòu)。撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告。 第2周（3月1日～3月11日）
（2）開(kāi)題。第2周（3月11日）
（3）分析并確定轉(zhuǎn)向器的具體結(jié)構(gòu)形式，主要零部件及相互位置關(guān)系。根據(jù)給定的設(shè)計(jì)參數(shù)，按照有關(guān)的設(shè)計(jì)要求和順序進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)計(jì)算及其他有關(guān)參數(shù)的選配，針對(duì)給定的設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)選轉(zhuǎn)向器的總體方案。第3周（3月12日～3月20日）
（4）進(jìn)行轉(zhuǎn)向器零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算。第4～5周（3月21日～4月2日）
（5）完成部分設(shè)計(jì)圖紙，折合0# 圖紙1張，完成說(shuō)明書(shū)初稿。第6周～8周（4月3日～4月22日）
（6）中期檢查。第8周（4月22日）
（7）完成轉(zhuǎn)向器裝配圖、主要零件圖，完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第9~13周（4月23日～5月27日）
（8）設(shè)計(jì)及說(shuō)明書(shū)初稿提交。第13周（5月27日）
（9）畢業(yè)設(shè)計(jì)審核、修改。 第14～16周（5月28日～6月17日）
（10）畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。 第17周（6月18日～6月 20日）
五、參考文獻(xiàn)
[1] 蔣勵(lì),余卓平,高曉杰.寶馬主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)概述[J].汽車(chē)技術(shù),2006.4
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[3] 陳家瑞主編.汽車(chē)構(gòu)造[M]. 北京:人民交通出版社,2002.3
[4] 劉惟信主編.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2006
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[6] 李秀珍主編.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版,2005.1
[7] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),齒輪傳動(dòng)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.3
[8] 陳曉南,楊培林主編.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]. 北京:科學(xué)出版社,2007.2
[9] 張策主編,機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.9
[10] 饒振鋼編著.行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1994.6
六、備注
指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
簽字： 年 月 日