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本科畢業(yè)論文（設計） 開 題 報 告 論文題目 某乘用車齒條助力式轉向系統(tǒng)設計 班 級 姓 名 院（系） 導 師 開題時間 - 16 - 1．課題研究的目的和意義 汽車轉向系統(tǒng)作為整車構造中重要的系統(tǒng)之一，一直是全世界汽車行業(yè)研究的重點。汽車轉向系統(tǒng)的好壞直接影響到汽車的駕駛舒適性、安全性和能耗，甚至影響到環(huán)境 。 轉向系統(tǒng)轉向器可分為齒輪齒條轉向器、蝸桿曲柄銷式轉向器和循環(huán)球式轉向器。齒輪齒條轉向器作為最常見的一種轉向器，具有如下優(yōu)點：結構簡單，制造方便，工作可靠，使用壽命長，自動回正力強，傳動方式是齒輪齒條直接嚙合，操縱靈敏度非常高，滑動和轉動阻力小，轉向輕便，轉矩傳遞性能較好，其正效率與逆效率都很高，屬于可逆式轉向器，并可安裝轉向助力機構。 隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展,人們對于汽車的要求也逐漸提高,汽車的操縱穩(wěn)定性日益受到廣泛的關注,傳統(tǒng)機械轉向系統(tǒng)的汽車已經(jīng)不能滿足人們的需求，取而代之的是助力轉向系統(tǒng)的崛起，包括液壓助力轉向系統(tǒng)、電液助力轉向系統(tǒng)和電動助力轉向系統(tǒng)，助力轉向系統(tǒng)已得到了廣泛的研究[1]. 傳統(tǒng)機械轉向系統(tǒng)的缺點非常明顯，它轉向操縱難度增大，轉向費力，其傳動比是固定的，即角傳遞特性無法改變，導致汽車的轉向響應特性無法控制，傳動比無法隨汽車轉向過程中的車速、側向加速度等參數(shù)的變化而進行補償，駕駛員必須在轉向之前就對汽車的轉向響應特性進行一定的操作補償，這樣無形中增加了駕駛員的精神和體力負擔[1]。 助力系統(tǒng)分為液壓助力轉向系統(tǒng)、電液助力轉向系統(tǒng)和電動助力轉向系統(tǒng)，在使用中具有許多優(yōu)點： 液壓助力轉向系統(tǒng)和電液助力轉向系統(tǒng)通過液壓力作用來推動傳統(tǒng)機械轉向機構的轉向運動，從而減輕了駕駛員的勞動強度，解決了傳統(tǒng)機械轉向系統(tǒng)隨著汽車質(zhì)量越大轉向越費力的問題，在一定程度上解決了傳統(tǒng)機械轉向系統(tǒng)由于轉向器傳動比固定而造成的轉向“輕便”與“靈敏”之間的矛盾。液壓助力轉向系統(tǒng)工作可靠、技術成熟，能提供大的轉向助力，目前在部分乘用車、絕大部分商用車特別是中重型車輛上廣泛應用[2]。 電動助力轉向系統(tǒng)的優(yōu)點很多：一是系統(tǒng)助力矩的大小由電子控制單元實時調(diào)節(jié)和控制，能夠在各種行駛工況下提供最佳的助力，有效改善汽車的轉向助力特性，保證汽車在低速行駛時轉向輕便靈活，高速行駛時轉向穩(wěn)定可靠，可以很好地解決汽車轉向時輕與靈的矛盾；二是該系統(tǒng)只在轉向時電動機才提供助力，因而能減少能量消耗；三是該系統(tǒng)取消了液壓裝置，使得其結構更緊湊，質(zhì)量更輕，而且徹底根除了液壓助力轉向系統(tǒng)和電液助力轉向系統(tǒng)中液壓油泄漏的問題，可大大降低保修成本，減小對環(huán)境的污染；四是該系統(tǒng)由于直接由電動機提供助力，而電動機由蓄電池供電，因此該系統(tǒng)在發(fā)動機熄火或出現(xiàn)故障時也能提供助力[2]。 汽車助力轉向系統(tǒng)在經(jīng)歷了長足的發(fā)展后已得到了整個汽車行業(yè)的認可和應用，在GB7258-2004 中專門規(guī)定：車輛轉向軸最大設計軸荷大于4 000 kg時，必須采用轉向助力裝置。由此可見，助力轉向系統(tǒng)在汽車轉向系統(tǒng)中的重要性和必要性[3]。 綜上所述，助力轉向系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢，而齒輪齒條轉向器是最常用、優(yōu)點突出的轉向器，齒條助力式轉向系統(tǒng)的助力單元可靈活固定于齒條各處，方便整車布置，同時降低了齒數(shù)比即降低了轉動慣量，可以提供優(yōu)良轉向特性。所以對齒條助力式轉向系統(tǒng)的研究意義重大。 2．國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2.1助力式轉向系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀 至今，汽車轉向系統(tǒng)經(jīng)歷了傳統(tǒng)機械轉向系統(tǒng)、液壓助力轉向系統(tǒng)、電液助力轉向系統(tǒng)和電動助力轉向系統(tǒng) 4 個發(fā)展階段，未來則可能向線控動力轉向系統(tǒng)發(fā)展。目前汽車轉向系統(tǒng)正處在液壓助力轉向系統(tǒng)、電液助力轉向系統(tǒng)向電動助力轉向系統(tǒng)發(fā)展的過渡階段。 電動助力轉向系統(tǒng)是20世紀80年代初期提出來的，并首先在微型轎車上得到了應用。1988年2月日本鈴木公司首次在其Carvo車上裝備了Koyo公司研發(fā)的轉向柱助力式電動助力轉向系統(tǒng)，隨后還用在了其Alto車上；1990年，日本Honda公司也在運動型轎車NSX上采用了自主研發(fā)的齒條助力式電動助力轉向系統(tǒng)，從此揭開了電動助力轉向在汽車上應用的歷史[1]。 隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展，EPS技術日趨完善。其應用范圍已經(jīng)從最初的微型轎車向更大型轎車和商用客車方向發(fā)展。同時EPS的助力形式也從低速范圍向全速范圍內(nèi)助力發(fā)展，并且其控制形式和功能也將進一步加強。日本早期的EPS僅僅在低速和停車時提供助力，還能在高速時提高汽車的操縱穩(wěn)定性。如鈴木公司裝備的Wagon R+車上的EPS系統(tǒng)是一個負載—路面—車速感應型的助力轉向系統(tǒng)。Delphi為Punto車開發(fā)的EPS屬于全速范圍助力型，并且首次設置了兩個開關，其中一個用于郊區(qū)，另一個用于市區(qū)和停車。當車速大于70km/h后，則不同開關所執(zhí)行設置的程序是一樣的，以保證高速時有合適的路感。市區(qū)型還和油門有關，使得在踩油門加速和踩油門減速時，轉向更平滑。 美國的Delphi汽車公司最新推出的電子伺服前輪轉向控制系統(tǒng)，取消了駕駛員和汽車前輪的機械連接，取消了傳統(tǒng)的轉向柱、轉向軸和齒輪齒條等機械結構，而由轉矩傳感器、速度傳感器、控制器、電動機和減速機構等組成。但它仍采用轉向盤（必要時也可改用操縱手柄），通過電動機向駕駛員提供路面反饋。該轉向系統(tǒng)可以說代表了EPS目前發(fā)展得最高水平[1-2]。 目前，助力轉向系統(tǒng)零件在很大程度上依賴進口，幾個主要的轉向系統(tǒng)供應商有TRW，JTEKT，Delphi，ZF Lenksysteme，Thyssenkrupp Automotive，他們各自在不同的轉向產(chǎn)品領域中成為領導廠商[4]。 在汽車電子技術快速發(fā)展得市場狀況下，未來轉向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢以EPS系統(tǒng)的市場前景最為看好。2008年日本新上市的乘用車中約70%裝配了EPS，歐洲市場約為50%，北美市場約為25%，而我國則不足10%。EPS代表未來助力轉向技術的發(fā)展方向，將作為標準件裝備到汽車上，并將在助力轉向領域占據(jù)主導地位，特別是電動汽車將構成未來汽車發(fā)展的主體，這給EPS帶來了更加廣闊的應用前景。 電動助力轉向系統(tǒng)的進一步發(fā)展，一方面需要開發(fā)可靠性高、成本低的傳感器，另一方面需要開發(fā)滿足助力要求、駕駛人舒適性要求且低成本的助力電動機。此外，如何設計合理的控制策略以保證電動助力轉向系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性以及可靠性，保證駕駛人獲得良好的路感，使系統(tǒng)能與整車上其他控制子系統(tǒng)相互通信協(xié)調(diào)工作以實現(xiàn)整車綜合控制，是今后研究的重點，而更多的先進控制策略，如人工智能控制方法等，將應用于電動助力轉向系統(tǒng)的控制中[5]。 2.2 轉向器國內(nèi)外現(xiàn)狀 2.2.1 國外情況 現(xiàn)代汽車中常用的轉向器有循環(huán)球式轉向器、蝸桿曲柄指銷式轉向器、齒輪齒條式轉向器等。在全球汽車廠家中，汽車循環(huán)球式轉向器占市場份額接近一半，齒條齒輪式轉向器占市場份額接近百分之四十，蝸桿曲柄指銷式轉向器占市場份額超過百分之十，其它轉向器在市場上基本消失。美國和日本都非常重視使用循環(huán)球式轉向器，它們使用的比重都已超過百分之九十。日本的公共汽車基本全部使用循環(huán)球式轉向器，大、中型貨車也大部分使用循環(huán)球式轉向器，微型貨車循環(huán)球式轉向器大約百分之六十五左右，齒條齒輪式轉向器的使用已經(jīng)超過百分三十五。而歐洲對齒輪齒條式轉向器的使用和發(fā)展非常重視，在中、小、微型客車中，齒條齒輪式轉向器使用比重已經(jīng)超過一半，有些國家甚至達到百分之九十以上。 國外對汽車轉向器進行了大力研發(fā)和設計，實現(xiàn)了汽車轉向器專業(yè)化設計、制造、加工和生產(chǎn)，大大提高了轉向器的質(zhì)量和效益。在日本NSK公司的轉向器就以質(zhì)優(yōu)價廉的優(yōu)勢占領了本國市場，并逐步銷售全世界。德國ZF轉向器公司是一個專門生產(chǎn)轉向器的大公司，從上世紀五十年代開始生產(chǎn)轉向器到現(xiàn)在每年生產(chǎn)轉向器幾百萬臺。另外美國德爾福公司，英國BURMAN公司都是非常著名的轉向器生產(chǎn)公司，每年都會生產(chǎn)許多各種型號的轉向器。國外轉向器專業(yè)化設計、制造、加工和生產(chǎn)已成為一種趨勢，能夠使轉向器質(zhì)優(yōu)價廉，實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，快速占領國際市場[6-7]。 2.2.2國內(nèi)情況 在我國汽車使用的轉向器中，上世紀解放汽車和東風汽車使用蝸桿曲柄指銷式轉向器轉向器，現(xiàn)在解放汽車和東風汽車也已經(jīng)開始使用循環(huán)球式轉向器，其它汽車大都使用齒輪齒條式轉向器和循環(huán)球式轉向器。由于齒輪齒條式轉向器在小型車上具有很多其他轉向器無可替代的優(yōu)點，我國也在大量生產(chǎn)齒輪齒條式轉向器并在小型貨車及家庭轎車使用中得到飛速發(fā)展。例如我國第一汽車集團公司在中日合作的項目上使用的就是齒輪齒條式轉向器。還有其他本田、奧迪、桑塔納、夏利等轎車，以及南京依維柯、柳州五菱等小型貨車，均使用的是齒輪齒條式轉向器。雖然國內(nèi)齒輪齒條式轉向器有一定發(fā)展，但生產(chǎn)效率低，成本高。只有專業(yè)化設計，流水線生產(chǎn)，才能提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，在國內(nèi)外市場上占有一席之地[6-7]。 3. 本課題的研究內(nèi)容及技術方案 3.1對轉向系統(tǒng)進行設計計算 （1）對轉向系方案進行選擇，包括轉向盤、轉向軸、轉向器、轉向梯形的方案選擇；（2）確定轉向系的主要參數(shù)，對轉向系的主要參數(shù)——傳動比和計算載荷等進行計算；（3）設計齒輪齒條轉向器：確定齒輪齒條轉向器的輸出形式和整車布置，對其工作原理進行研究，對其結構進行設計,包括速比計算、螺旋角對其影響的分析、齒條齒面形狀分析、軸承選擇；（4）設計轉向梯形：分析轉向梯形的理論特性，確定轉向梯形的布置形式，對轉向梯形的尺寸進行初步確認，最后對梯形進行校核。 3.2 對轉向梯形進行優(yōu)化設計 對轉向梯形數(shù)學模型進行推導，分析理想的左右轉向輪轉角關系和實際的左右轉向輪轉角的關系，對優(yōu)化目標函數(shù)和約束條件進行確定，最后對優(yōu)化結果進行分析并進行虛擬樣機試驗驗證分析[8]. 3.3三維建模 用Catia建立轉向器、轉向梯形完整的三維實體模型，并用CAD繪制工程圖。 3.4 有限元分析 基于有限元分析軟件ANSYS對轉向系統(tǒng)進行建模和計算分析,并通過假設改進方案對比,找到進一步優(yōu)化方法[9]。 4. 本設計的特色 （1）在轉向梯形優(yōu)化設計中，進行虛擬樣機試驗驗證分析，建立了轉向系統(tǒng)的虛擬樣機模型，系統(tǒng)尺寸、位置參數(shù)采用優(yōu)化后的參數(shù)，對優(yōu)化結果的有效性進行驗證。 （2）在有限元分析中，采用有限元分析軟件ANSYS，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Creo, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中的高級CAE工具之一。 5. 進度安排 第1~3周：搜集資料，撰寫開題報告； 第4~8周：確定總體方案，進行轉向系統(tǒng)設計計算； 第9~11周：對轉向梯形進行優(yōu)化設計； 第12~15周：三維實體建模，繪制二維工程圖； 第16~17周：撰寫畢業(yè)設計論文； 第18周：準備答辯。 6. 參考文獻 [1]丁志剛、宋洪烈：汽車轉向系統(tǒng)發(fā)展簡述 福建工程學院機電及自動化工程系碩士學位論文 2012.12 [2]黃安華、卜憲衛(wèi)：淺談汽車的轉向系統(tǒng) 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程期刊 2010.01 [3]萬科：汽車助力轉向系統(tǒng)及其相關標準分析 客車技術與研究期刊 2010.10 [4]萬福新、陳惠卿：汽車助力轉向系統(tǒng)及其對油品的要求 中國汽車工程學會燃料與潤滑油分會第13屆年會論文集 2008.10 [5]胡愛軍、呂寶占：汽車轉向系統(tǒng)發(fā)展趨勢 拖拉機與農(nóng)用運輸車期刊 2011.02 [6]陳益良：齒輪齒條式轉向器簡介 汽車與配件期刊 2006.06 [7]王國營：汽車齒輪齒條式轉向器參數(shù)化設計分析與研究 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 2013.02 [8]高東升：汽車轉向梯形的優(yōu)化設計 汽車技術期刊 2006.01 [9]侯范曉、黎先飛、唐毅：基于ANSYS的某仿真駕駛模擬器轉向系有限元分析 科學與技術期刊 2011.05 開題報告檢查組意見： 組長（簽字）： 年 月 日 - 7 -