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某乘用車(chē)轉(zhuǎn)向小齒輪助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 開(kāi) 題 報(bào) 告 論文題目 某乘用車(chē)轉(zhuǎn)向小齒輪助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì) 班 級(jí) 姓 名 院（系） 導(dǎo) 師 開(kāi)題時(shí)間 - 1 - 1．課題研究的目的和意義 2013年中國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)國(guó)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇引導(dǎo)了汽車(chē)技術(shù)的迅速發(fā)展，電動(dòng)助力系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保、高度的控制性、高性能化、組件少，節(jié)省裝配時(shí)間、重量輕、成本低效益高、易與汽車(chē)其它電子控制系統(tǒng)集成和不需要特殊保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）代表未來(lái)動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向，將作為標(biāo)準(zhǔn)件裝備到汽車(chē)上，并將在動(dòng)力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)重要地位。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加信號(hào)傳感器裝置、電子控制裝置和轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)等構(gòu)成的。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能著眼點(diǎn)是使用電力驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在不同的駕駛條件下為駕駛?cè)藛T提供適宜的輔助力。系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：電子控制單元（ECU）、車(chē)速傳感器和扭矩傳感器、伺服電動(dòng)機(jī)、變速機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向柱總成等 [1]。隨著生活水平和消費(fèi)水平的提高，人們對(duì)汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為其重要的影響因素已成為現(xiàn)代汽車(chē)研究的重要課題。 通過(guò)對(duì)本課題的研究，了解電動(dòng)助力系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的主要方向：改進(jìn)控制系統(tǒng)性能和降低控制系統(tǒng)的制造成本，未來(lái)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還將向著電子四輪轉(zhuǎn)向的方向發(fā)展，并與電子懸架統(tǒng)一、協(xié)調(diào)控制，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與汽車(chē)上的其它控制單元的通訊聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的集約化。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展的總體趨勢(shì)本質(zhì)而言并沒(méi)有大幅度的改變電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本框架結(jié)構(gòu)，其機(jī)械部分的比重都比較大。放眼將來(lái)，電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將向著更純粹的電子化和智能化的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展[2]。 本論文研究目的在于對(duì)小齒輪助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、三維建模、有限元分析等，以達(dá)到綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，分析解決實(shí)際工程問(wèn)題，鍛煉創(chuàng)造能力的目的。 2．國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀[3] 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是于 20 世紀(jì) 80 年代中期提出來(lái)的。世界各主要汽車(chē)生產(chǎn)國(guó)對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)均進(jìn)行了深入的研究與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。 EPS 系統(tǒng)最先在日本獲得實(shí)際應(yīng)用。日本鈴木公司于 1988 年首次在其生產(chǎn)的 Cervo 車(chē)上裝備了 EPS系統(tǒng)，隨后用在 Alto 車(chē)上。此后，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。日本的大發(fā)汽車(chē)公司、三菱汽車(chē)公司、本田汽車(chē)公司、美國(guó)的 Delphi 汽車(chē)公司、TRW 公司，德國(guó)的 ZF 公司，都相繼研制出各自的 EPS系統(tǒng)。其中技術(shù)發(fā)展最快、應(yīng)用較為成熟的當(dāng)屬 TRW 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和 Delphi Saginaw(薩吉諾)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而Delphi Saginaw(薩吉諾)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又代表著電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的前沿。TRW 公司從 1998 年開(kāi)始便投入大量的人力、物力用于 EPS 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。最初針對(duì)客車(chē)轉(zhuǎn)向柱助力式 EPS 系統(tǒng)，其后的小齒輪助力式 EPS 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)也獲得成功。1999 年，TRW 公司的 EPS 系統(tǒng)已經(jīng)裝備在轎車(chē)上，如 Ford Fiesta 和 Mazda 323F 等。Delphi 汽車(chē)系統(tǒng)公司已經(jīng)為大眾的 Polo、歐寶 318i 以及菲亞特的 Punto 開(kāi)發(fā)出 EPS 系統(tǒng)。最近韓國(guó)的一些開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)也宣布獨(dú)立開(kāi)發(fā)出自己的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。應(yīng)該說(shuō)現(xiàn)今的 EPS 系統(tǒng)主要應(yīng)用對(duì)象是中小型轎車(chē)，但是最新的資料表明，Mercedes－Benz 和 Siemens Automotive 兩大公司共同投資開(kāi)發(fā)新的 EPS 系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠使用于汽車(chē)前橋負(fù)荷超過(guò) 1200kg 的車(chē)型，因此貨車(chē)也將可能成為 EPS 系統(tǒng)的裝備目標(biāo)。 經(jīng)過(guò)近 20 年的發(fā)展，EPS 技術(shù)日趨成熟。其應(yīng)用范圍已經(jīng)從最初的微型轎車(chē)向大型轎車(chē)和商用客車(chē)方向發(fā)展。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力方式也從低速范圍助力型向全速范圍助力型發(fā)展，并且其控制方式和功能也進(jìn)一步強(qiáng)化。 我國(guó)作為潛在的汽車(chē)消費(fèi)大國(guó)也同樣對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)給予了很大的關(guān)注。國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和一些汽車(chē)系統(tǒng)公司也在這方面作了很多工作。吉林大學(xué)對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的前景進(jìn)行了展望，對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了有益的探討清華大學(xué)、華中科技大學(xué)和江蘇大學(xué)等院校紛紛開(kāi)展了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模、動(dòng)態(tài)分析等工作；合肥工業(yè)大學(xué)、湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)校等院校也對(duì)汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。陜西、吉林、安徽等省都將電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為科技攻關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行研究。目前在國(guó)內(nèi)南方動(dòng)力據(jù)稱(chēng)已經(jīng)研制出電動(dòng)助力控制系統(tǒng)的樣機(jī)，并在進(jìn)行車(chē)試，在業(yè)界來(lái)講是一件振奮人心的消息。但是就目前而言，國(guó)內(nèi)的很多研究還緊緊是在定性的層次上，真正對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行具體的研制工作的機(jī)構(gòu)還很鮮聞。東南大學(xué)機(jī)械系是較早投入這方面研究的大學(xué)之一，目前已經(jīng)在具體工作的開(kāi)展過(guò)程中獲得了關(guān)于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作中的比較有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)和部分成果。 據(jù) TRW 公司預(yù)言，到 2010 年全世界生產(chǎn)的汽車(chē)中每三輛就有一輛裝備 EPS 系統(tǒng)，特別是低排放汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)四大汽車(chē)將構(gòu)成未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的主體，這給 EPS 系統(tǒng)的發(fā)展帶來(lái)了更加廣闊的應(yīng)用前景和巨大的商機(jī)。但是應(yīng)當(dāng)看到我國(guó)的基礎(chǔ)工業(yè)不是很發(fā)達(dá)，很多與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開(kāi)發(fā)相關(guān)的技術(shù)現(xiàn)況并不是很理想，要想在未來(lái)的世界汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中有一席之地不是一件很容易的事情?？上驳氖窃趪?guó)家的“十五”規(guī)劃中將電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研制工作作為一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容，規(guī)劃確定了“十五”的目標(biāo)是解決關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)成功新產(chǎn)品，主要研究?jī)?nèi)容是：傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、離合器技術(shù)和減速機(jī)構(gòu)等技術(shù)。國(guó)家政策的傾斜一定程度上可以解決目前國(guó)內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)經(jīng)費(fèi)不足的問(wèn)題，也必將提升電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)零部件性能，從而有助于我國(guó)自主的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)品的成功研制。 3. 本課題的研究?jī)?nèi)容及技術(shù)方案 本論文主要包括轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向梯形完整的三維實(shí)體模型，并繪制工程圖。 1）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)：所設(shè)計(jì)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體上包括兩大部分。其一是機(jī)械部分；其二是控制部分。 機(jī)械部分主要是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元、傳動(dòng)單元和執(zhí)行單元。具體而言主要包括扭矩傳感器、車(chē)速傳感器、離合器、轉(zhuǎn)向柱總成以及伺服電機(jī)等?？刂撇糠种饕遣杉瘉?lái)自傳感器感測(cè)到的外部信號(hào)，進(jìn)行必要的運(yùn)算處理發(fā)出控制指令，為轉(zhuǎn)向提供輔助力。本論文對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。 扭矩傳感器：這種傳感器的功能是測(cè)量作用于轉(zhuǎn)向盤(pán)的力矩的大小和方向。扭矩傳感器信號(hào)是 EPAS 最重要的輸入控制信號(hào)，扭矩傳感器要求精確可靠、抗干擾能力強(qiáng)。扭矩傳感器選擇：電位器式扭矩傳感器、電磁式扭矩傳感器、光電式扭矩傳感器。 車(chē)速傳感器：利用電磁感應(yīng)的原理設(shè)計(jì)而成，是一種非接觸式的傳感器。在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中所起作用是把車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送入電子控制單元。車(chē)速傳感器選擇：電磁車(chē)速傳感器、光電車(chē)速傳感器、霍爾車(chē)速傳感器。 電動(dòng)機(jī)：電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)控制指令執(zhí)行功能。電動(dòng)機(jī)的選擇直接關(guān)系到系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)和控制效果。電動(dòng)機(jī)的選擇為直流伺服電動(dòng)機(jī)。 電磁離合器：電磁離合器的作用是傳遞電動(dòng)機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩，電磁離合器安裝在電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)之間。電磁離合器的設(shè)置是為了使電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)快速的結(jié)合和分離。 減速機(jī)構(gòu)：減速機(jī)構(gòu)的作用是降低電動(dòng)機(jī)的輸出軸的轉(zhuǎn)速，從而將電動(dòng)機(jī)輸出軸的輸出轉(zhuǎn)矩放大后作用于轉(zhuǎn)向輸出軸。減速機(jī)構(gòu)主要有兩種形式：雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)和蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)。雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)采用了雙行星齒輪和傳動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)組合式。因?yàn)槭嵌嗉?jí)減速，可提供較大的助力扭矩。為了降低噪聲和提高使用壽命，減速機(jī)構(gòu)部分采用樹(shù)脂材料齒輪。雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)因?yàn)榭商峁┹^大的助力，通常用在小齒輪助力式和齒條助力式系統(tǒng)。 2） 基于MATLAB的轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計(jì) 1.轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化模型的建立 2.轉(zhuǎn)向梯形數(shù)學(xué)模型的建立 3.建立約束條件 4.利用MATLAB軟件編程優(yōu)化及結(jié)果分析：利用優(yōu)化工具箱中的Lsqnonlin函數(shù)求優(yōu)化解程序。 4. 本設(shè)計(jì)的特色 1）本設(shè)計(jì)建立在對(duì)小齒輪電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)深入分析基礎(chǔ)上，利用仿真和實(shí)驗(yàn)手段總結(jié)其他特性，這也是文獻(xiàn)中所欠缺的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，將對(duì)實(shí)際電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性意義； 2）本設(shè)計(jì)建立在MATLAB仿真平臺(tái)上，而且可以充分利用實(shí)驗(yàn)室條件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。 5. 進(jìn)度安排 第1周至第3周：搜集資料，撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告； 第4周至第8周：確定總體方案，進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算； 第9周至第11周：對(duì)轉(zhuǎn)向梯形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 第12周至第15周：三維實(shí)體建模，繪制二維工程圖； 第16周至17周： 撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。 第18周：準(zhǔn)備答辯。 6. 參考文獻(xiàn) [1] 謝剛：汽車(chē)電動(dòng)助力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制技術(shù)研究 四川大學(xué)博士學(xué)位論文 2006.9 [2] 李書(shū)龍：汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā) 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 2008.9 [3] 陳麗：基于ADAMS的汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向分析 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 2005.5 [4] 楊俊智，楊文興，周強(qiáng) 基于MATLAB的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的優(yōu)化研究 Vol.45. No.2 2013.1 開(kāi)題報(bào)告檢查組意見(jiàn)： 組長(zhǎng)（簽字）： 年 月 日 - 7 -