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3.5 转向梯形的选择 ··························································································· 39 3.5.1 整体式转向梯形 ·················································································· 39 3.5.2 断开式转向梯形 ·················································································· 40 第4章 转向系的设计计算 ························································································ 42 4.1 转向器的结构型式选择及其设计计算 ······················································· 42 4.1.1 螺杆—钢球—螺母传动副的设计 ······················································ 42 4.1.2 齿条、齿扇传动副的设计 ·································································· 46 4.1.3 循环球式转向器零件强度计算 ·························································· 52 4.2 整体式转向梯形结构优化设计 ··································································· 55 4.3转向系结构元件 ······························································································ 61 结 论 ·························································································································· 64 致 谢 ·························································································· 错误！未定义书签。 参考文献 ······················································································································ 65 附录 ······························································································ 错误！未定义书签。
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第1章 绪 论
1.1 转向系概述
汽车转向系统是用来改变汽车行驶方向的专设机构的总称。
汽车转向系统的功用是保证汽车能按驾驶员的意愿进行直线或转向行驶。
对转向系提出的要求有：
1）汽车转弯行驶时，理想情况下全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。否则会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性；
2）汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶；
3）汽车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自振，转向盘没有摆动； 4）转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小；
5） 保证汽车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力； 6） 操纵轻便；
7） 转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小； 8） 转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构；
9） 在车祸中，当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置；
10） 进行运动校核，保证转向轮与转向盘转动方向一致。
1.2 汽车转向系统的现状及发展趋势
作为汽车的一个重要组成部分, 汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成, 如何设计汽车的转向特性, 使汽车具有良好的操纵性能, 始终是各汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天, 针对更多不同水平的驾驶人群, 汽车的操纵设计显得尤为重要。汽车转向系统经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统3 个基本发展阶段。
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1.纯机械式转向系统
机械式的转向系统, 由于采用纯粹的机械解决方案, 为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘, 这样一来, 占用驾驶室的空间很大, 整个机构显得比较笨拙, 驾驶员负担较重, 特别是重型汽车由于转向阻力较大,单纯靠驾驶员的转向力很难实现转向, 这就大大限制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉, 目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使用。 2 液压助力转向系统
1953 年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统, 此后该技术迅速发展, 使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。80 年代后期, 又出现了变减速比的液压动力转向系统。在接下来的数年内, 动力转向系统的技术革新差不多都是基于液压转向系统, 比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统( Variable Displacement Power Steering Pump) 和电动液压助力转向( Electric Hydraulic PowerSteering, 简称EHPS) 系统。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下, 泵的流量会相应地减少, 从而有利于减少不必要的功耗。电动液压转向系统采用电动机驱动转向泵, 由于电机的转速可调, 可以即时关闭, 所以也能够起到降低功耗的功效。液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞, 布置更方便, 降低了转向操纵力, 也使转向系统更为灵敏。由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力, 目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面存在不足。 3 汽车电动助力转向系统(EPS)
EPS 在日本最先获得实际应用, 1988 年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统, 并装在其生产的Cervo 车上, 随后又配备在Alto 上。此后, 电动助力转向技术得到迅速发展, 其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司, 美国的Delphi公司, 英国的Lucas 公司, 德国的ZF 公司, 都研制出了各自的EPS。EPS 的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展, 并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期开发的EPS 仅低速和停车时提供助力, 高速时EPS 将停止工作。新一代的EPS 则不仅在低速和停车时提供助力, 而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。
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随着电子技术的发展, EPS 技术日趋完善, 并且其成本大幅度降低, 为此其应用范围将越来越大。 4 线控转向系统
线控转向系统( Steering by Wire-SBW) 是更新一代的汽车电子转向系统, 线控转向系统与上述各类转向系统的根本区别就是取消了转向盘和转向轮之间的机械连接。该系统具有2 个电机:路感电机和驱动电机。路感电机安装在转向柱上, 控制器根据汽车转向工况控制路感电机产生合适的转矩, 向驾驶员提供模拟路面信息。驱动电机安装在齿条上, 汽车的转向阻力完全由驱动电机来克服, 转向盘只是作为转向系统的一个转角信号输入装置。线控转向系统能够提高汽车被动安全性, 有利于汽车设计制造, 并能大大提高汽车的乘坐舒适性。但是由于转向盘和转向柱之间无机械连接, 生成让驾驶员能够感知汽车实际行驶状态和路面状况的“路感”比较困难; 且电子器件的可靠性难以保证。所以线控转向系统目前处于研究阶段, 只配备在一些概念汽车上。汽车转向技术的发展趋势助力转向系统经过几十年的发展, 技术日趋完善。今后, 电动助力转向系统将进一步成熟, 线控转向系统将成为我们研究的努力方向。具体来说, 转向系统主要从以下几个方面进一步发展:
( 1) 传感器技术
性能完善的电动助力转向系统需要采集转向盘转角信号、转向盘转矩信号、转向盘转速信号、电机电压信号、电机电流信号等。目前, 传感器的成本是制约电动助力转向系统迅速市场化的主要因素, 因此, 设计和开发适合电动助力转向系统使用的性价比较高的传感器是未来技术发展的关键。 ( 2) 控制策略的研究
控制策略是影响助力转向系统性能的关键因素之一, 也是电动助力转向系统的核心技术之一。目前, 国内外许多学者都在探讨将先进的控制理论应用于助力转向系统的研究, 如鲁棒控制理论、模糊控制理论、神经网络控制理论和自适应控制理论等。今后, 控制策略研究的重点主要集中在如何抑制电机的力矩波动、如何获得较好的路感、如何抑制路面干扰和传感器的噪声等方面, 以进一步优化和改善助力转向系统的动态性能和稳定性。 ( 3) 助力电机的研究
助力电机是电动助力转向系统的执行元件,助力电机的特性直接影响到
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控制的难易程度和驾驶员的手感。目前, 电动助力转向系统普遍采用成本较低的直流有刷电机。由于直流无刷电机采用电子换向, 减少了换向时的火花, 不需要经常维护以及具有较高的效率和功率密度等优点而受到越来越多的关注。因此, 开发适合助力转向系统使用的低成本的直流无刷电机是今后助力电机的研究方向。 5 结束语
纯机械式转向系统结构简单、工作可靠、造价低廉, 目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使用;液压助力转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力, 在重型车辆上广泛应用; EPS 以其特有的优越性而得到青睐, 它代表着未来动力转向技术的发展方向, EPS 将作为标准配置装备到汽车上, 未来一段时间在动力转向领域占据主导地位; 而HBW 由于有利于提高汽车被动安全性、有利于汽车设计制造、有利于提高汽车乘坐舒适性和汽车操控稳定性等原因, 将成为动力转向系统的发展方向。