汽车转向系统毕业论文

汽车转向系统毕业论文

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哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）

帕萨特转向系的优化设计

摘要

汽车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓汽车转向。就轮式汽车而言，实现汽车转向的方法是驾驶员通过一套专设的机构，使汽车转向桥上的车轮相对于汽车纵轴线偏转一定角度。因此汽车转向系统的功用是保证汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶。

目前在所有前置-前轮驱动轿车上采用的都是齿轮齿条式转向器，一些前置-后轮驱动轿车也采用这种转向器。而电动助力转向系统是目前乘用车最为广泛使用的助力形式。故本文以动力转向系统中的齿轮齿条式电动助力转向系统为主要研究对象。

本文以帕萨特车型的转向系统为研究对象，设计的主要内容是：首先分析了本课题研究的目的和意义，分析了电动助力转向系统的工作原理和类型，并对其关键部件进行解释说明，分析了其助力特性。然后重点进行了转向系统的结构参数设计计算，确定了转向系计算载荷，分析了转向系统的设计要求，并对关键部件进行了结构设计。设计转向系中转向器和转向传动机构，并进行三维建模，绘制了转向传动系统、转向操纵系统及主要零部件的工程图，在此基础上使用ADAMS软件对转向系进行优化。

关键词：转向系统；优化设计；转向阻力；转向器

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Optimization design of Passat steering

system

Abstract

Car in motion the process, they are subject to change its driver will often travel direction, the so-called steering. For wheeled vehicles, the steering method is to realize the driver through a dedicated agency, making the car steering axle on the wheel with respect to the longitudinal axis of the deflection angle car. Therefore, the function of steering system is to ensure that cars can be carried out according to the will of the driver's steering with.

Present in all front - wheel drive cars are used in rack and pinion steering, some of the front - rear-wheel drive sedan also used this steering. The EPS system is currently the most widely used power passenger form. Therefore, in this paper, power steering rack and pinion power steering system as the main object of study.

In this paper, Passat car steering system is regarded as the research object: First it analyzes the purpose and significance of this research and summarizes the steering system characteristics. Secondly it analyzes the working principle and the type system, and make explanation of its key component, and analyzes its characteristic. Then we calculated the structure parameters of the system design of steering. At the end of each components of the three-dimensional entity modeling. Draw the steering system, the steering system, and the main components of the engineering drawings. The optimization design of steering trapezoid, give out the optimization results, and make analysis and verification.

Key words: Steering system; optimal design; Steering resistance;Steering gear

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目录

摘要.................................................................................................................................................... I 第1章绪论 .. (1)

1.1 本课题研究的意义和目的 (1)

1.2 国内外研究现状 (1)

1.3 本课题主要研究内容 (4)

第2章帕萨特电动助力转向系统设计计算 (5)

2.1电动助力转向系统的结构及工作原理 (5)

2.1.1 电动助力转向系统工作原理 (5)

2.1.2电动助力转向系统机构组成及特点介绍 (6)

2.2 齿轮齿条转向器结构及工作原理 (10)

2.4齿轮齿条转向器设计 (12)

2.4.1转向系阻力计算 (13)

2.4.2齿轮轴及齿条设计 (15)

2.5转向传动机构设计 (17)

2.6齿轮轴校核 (20)

2.7助力系统的助力特性分析 (22)

2.7.1转向盘目标手力的分析 (22)

2.7.2电动助力转向的助力特性 (23)

2.8本章小结 (23)

第3章转向系的三维实体建模 (25)

3.1转向系传动部分三维建模 (25)

3.2转向系操纵机构 (27)

3.3本章小结 (29)

第4章ADAMS优化转向梯形 (30)

4.1转向梯形的优化的要求 (30)

4.2转向前束角的优化目标函数 (31)

4.3转向梯形的优化 (32)

4.3.1 ADAMS/Insight优化 (32)

4.3.2转向传动机构悬架模型建立 (32)

4.4灵敏度分析 (33)

4.5 ADAMS/View Evaluation优化 (34)

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4.6优化前后结果对比 (34)

4.7本章小结 (35)

结论 (37)

致谢 (38)

参考文献 (39)

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第1章绪论

1.1 本课题研究的意义和目的

汽车在行驶过程中，为了适应各种道路情况和行驶条件，经常需要改变或修正行驶方向。它对汽车的操纵稳定性有重要的影响，因此，对于一部汽车来说，转向机构的设计尤为重要。如何设计汽车的转向系统，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车厂家和科研机构的重要课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员多样化、车流密集化的今天，汽车的操纵稳定性设计显得尤为重要[1]。

汽车转向机构是一个较为复杂的空间机构，是通过对左右转向车轮不同角度之间的合理匹配来保证车辆沿着设想的轨迹运动的机构。对汽车转向系统的设计要求能保证汽车有高的机动性；在转向盘和各转向轮的转角间应保证在运动学和力学关系的协调；同时，转向传动机构与悬架转向装置的运动干涉应最小。本次设计帕萨特转向系，在保证以上要求的同时，采用当前较为流行的仿真技术，能降低工程制造的测试费用，在产品制造出来之前，就可以发现并更正设计错误，完善设计方案，在产品开发过程中，减少所需的物理样机的数量。同时能够分析动力学特性，用软件在理论上分析汽车行驶时，转向时如何动作以及转向系统中各转向机关键部件的受力情况，对整个系统进行动态分析和仿真模拟，分析各部件最佳运行状态的条件以及如何改善转向系统，并使整个转向系统结构更加紧凑，满足帕萨特车型的设计要求。

1.2 国内外研究现状

改革开放以来，我国汽车工业得到长足发展。作为汽车关键部位的转向系统也得到迅猛发展，转向系统已由纯机械式转向系向助力式转向系发展。助力式转向系由于转向操纵轻便灵活，能够吸收路面对车轮冲击等优点已在汽车制造业中被普遍采用。

汽车转向系经历100多年的发展历史，经历了机械式转向系统——液压助力式转向系统——电液助力式转向系统——电动助力式转向系统——线控转向系统。其中助力式转向系统得到了广泛的使用。

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几种转向系统简介

1.机械式转向系统

机械式转向系统应用较多，现在所有的转向系统都要求有机械转向系统以保证转向的安全可靠性。机械式转向系统以人力为动力来源，所有传递力的零件都是机械的，它由转向操纵机构、转向器和转向传动机构组成。

转向系的力传动比和角传动比成反比关系。当力传动比大时，转向省力，转向轻便性好但是转向灵敏性就变差；当角传动比大时，转向灵敏性好了，但转向需要很大的力，转向轻便性达不到要求。因此机械式转向系在同时满足转向轻便性和转向灵敏性的要求是十分有限的，这也制约了机械式转向系的发展。随着转向系的发展，出现了助力式转向系统，这在一定程度上缓解了转向轻便性和灵敏性这一矛盾。

2.液压助力式转向系统

液压助力式转向系统是在机械转向系统的基础上增加液压系统发展起来的。它以发动机的动力作为油泵的能量来源，用液压力增加驾驶员的操纵力。因此可以在一定程度上减小转向系的力传动比，增大角传动比，从而缓解转向“轻”与“灵”的矛盾。

随着社会经济的不断发展，人们对速度的要求越来越高，汽车速度也在不断的提高，液压助力式转向系的不足开始显现出来。汽车在高速运行或者低速运行和停车时，很难保证驾驶员有适度的手感；同时汽车的燃油经济性变差；停车时无法提高助力等都制约了其发展。

3.电液助力式转向系统

电液助力式转向系统在液压系统的基础上，用电机取代发动机驱动油泵的方式发展而来的。它通过电磁阀控制助力油压随车速变化而变化，在汽车低速或急转弯时转向轻便；在高速行驶时有较好的手感。

目前电液助力式转向系统在轿车上得到了广泛的运用。但是它结构更加复杂，价格更昂贵，同时并没有克服液压助力式转向系统效率低、能耗大等缺点。

4.电动助力式转向系统

作为新一代转向系统，电动助力式转向系统将电子技术和车辆机械技术良好地结合起来。它采用电力取代了液压系统提供助力，系统更加简化、性能也更加优良。该系统需要扭矩传感器、转角传感器、车速传感器、电机、减速器以及电子处理单元ECU组成。电机运转及提供扭矩大小都有ECU控制。

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电动助力式转向系统拥有控制简单、响应快、方便改善助力大小及转向路感；零部件少、工作可靠、容易检修调整；低温环境下工作性能优良等优点。电动助力式转向系统的一系列优点都标志着其有广阔的发展前景。但是也有一些不足制约着其发展，例如：目前还缺乏该系统的成熟理论，一旦设计不合理将严重威胁到汽车安全和人生财产安全。

5.线控转向系统

在20世纪50年代，美国TRW公司对线控转向系统提出了大胆的设想，将转向盘和转向车轮之间的机械连接用控制信号取代。

20世纪60年代末，德国的Kasselmann公司也设计了类似于TRW公司设想的主动转向系统。

1900年，德国奔驰公司将线控转向系统运用到其概念车F400-Carving 上。目前已有线控转向系统上市，而Daimier-Chrysler公司开发的线控转向系统被列为2000年汽车十大创新技术之一。

我国也涉足线控转向系统研究领域，清华大学、同济大学以及湖南大学都对线控转向技术进行研究。2004年同济大学研究的“春晖三号”就运用了线控转向技术。

随着转向技术的发展，转向装置也发生了很大变化。目前主流的转向器有4种：蜗杆指销式、蜗杆滚轮式、循环球式及齿轮齿条式。

目前在世界汽车市场上，循环球转向器占有45%的市场，齿轮齿条式也占有40%左右的份额，其它类型的转向器占15%。齿轮齿条式转向器在西欧小客车上获得较大发展。在日美循环球式转向器使用比重越来越大，在日本，公共汽车使用的循环球式转向器已经发展到现在的100%。大、小型货车也大多采用循环球式转向器。

现今不同类型的转向器的使用情况大致如下：

1.齿轮齿条式转向器和循环球式转向器已成为当今汽车使用的主流转向器。其它类型的转向器正在逐渐被淘汰。

2.在小客车上，日美主要发展循环球式转向器，其市场也超过90%；而在西欧则大力发展齿轮齿条式转向器，比重也超过50%，法国则高达95%。

3.齿轮齿条式转向器在小型车上得到迅猛发展；而大型车则主要以循环球式转向器为主。

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1.3 本课题主要研究内容

本设计围绕帕萨特这款车型进行其转向系从无到有的结构设计，首先计算转向系中主要零件的参数，并建立三维模型，使用ADAMS软件进行转向系转向梯形优化，以确保转向系有良好的性能，并且可以完善设计方案。最终对转向系转配图和其中的主要部件进行工程制图。

1.参考相关文献，熟知对汽车转向系的基本要求，确定转向系设计的目标。

2.了解电动助力转向系统类型，结构及工作原理。

3.收集车型数据，对转向系统进行具体的设计和计算，完成重要部件的结构设计，并校核主要零件强度。

4.使用CATIA软件对转向系进行三维建模。

5.使用ADAMS软件进行转向系转向梯形进行优化。

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