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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

OptimizationdesignofPassatsteeringsystem

Abstract

Carinmotiontheprocess,theyaresubjecttochangeitsdriverwilloftentraveldirection,theso-calledsteering.Forwheeledvehicles,thesteeringmethodistorealizethedriverthroughadedicatedagency,makingthecarsteeringaxleonthewheelwithrespecttothelongitudinalaxisofthedeflectionanglecar.Therefore,thefunctionofsteeringsystemistoensurethatcarscanbecarriedoutaccordingtothewillofthedriver'ssteeringwith.

Presentinallfront-wheeldrivecarsareusedinrackandpinionsteering,someofthefront-rear-wheeldrivesedanalsousedthissteering.TheEPSsystemiscurrentlythemostwidelyusedpowerpassengerform.Therefore,inthispaper,powersteeringrackandpinionpowersteeringsystemasthemainobjectofstudy.

Inthispaper,Passatcarsteeringsystemisregardedastheresearchobject:

Firstitanalyzesthepurposeandsignificanceofthisresearchandsummarizesthesteeringsystemcharacteristics.Secondlyitanalyzestheworkingprincipleandthetypesystem,andmakeexplanationofitskeycomponent,andanalyzesitscharacteristic.Thenwecalculatedthestructureparametersofthesystemdesignofsteering.Attheendofeachcomponentsofthethree-dimensionalentitymodeling.Drawthesteeringsystem,thesteeringsystem,andthemaincomponentsoftheengineeringdrawings.Theoptimizationdesignofsteeringtrapezoid,giveouttheoptimizationresults,andmakeanalysisandverification.

Keywords:

Steeringsystem;optimaldesign;Steeringresistance;Steeringgear

-IV-

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

4.3.1ADAMS/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

4.5ADAMS/ViewEvaluation优化 34

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

哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）

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。

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。

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。

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。

第2章帕萨特电动助力转向系统设计计算

2.1电动助力转向系统的结构及工作原理

电动助力转向系统（ElectricPowerSteering，缩写EPS）是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统，与传统的液压助力转向系统HPS（HydraulicPowerSteering）相比，EPS系统具有很多优点。

EPS主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元（ECU）等组成。

2.1.1电动助力转向系统工作原理

图2-1电动助力转向系统结构图

电助力转向系统的工作原理如下：

首先，转矩传感器测出驾驶员施加在转向盘上的操纵力矩，车速传感器测出车辆当前的行驶速度，然后将这两个信号传递给ECU；ECU根据内置的控制策略，计算出理想的目标助力力矩，转化为电流指令给电机；然后，电机产生的助力力矩经减速机构放大作用在机械式转向系统上，和驾驶员的操纵力矩一起克服转向阻力矩，实现车辆的转向。

2.1.2电动助力转向系统机构组成及特点介绍

液压助力转向系统已发展了半个多世纪，其技术已相当成熟。

但随着汽车微电子技术的发展，对汽车节能性和环保性要求不断提高，该系统存在的耗能、对环境可能造成的污染等固有不足已越来越明显，不能完全满足时代发展的要求。

　　电动助力转向系统将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统，能显著改善汽车动态性能和静态性能、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、减少环境的污染等。

因此，该系统一经提出，就受到许多大汽车公司的重视，并进行开发和研究，未来的转向系统中电动助力转向将成为转向系统主流，与其它转向系统相比，该系统突出的优势体现在：

　　1.降低了燃油消耗。

液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停地流动，浪费了部分能量。

相反电动助力转向系统（EPS）仅在需要转向操作时才需要电机提供的能量，该能量可以来自蓄电池，也可来自发动机。

而且,能量的消耗与转向盘的转向及当前的车速有关。

当转向盘不转向时，电机不工作，需要转向时，电机在控制模块的作用下开始工作,输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向力矩，而且，该系统在汽车原地转向时输出最大转向力矩，随着汽车速度的改变，输出的力矩也跟随改变。

该系统真正实现了"按需供能"，是真正的"按需供能型"（on-demand）系统。

汽车在较冷的冬季起动时，传统的液压系统反应缓慢，直至液压油预热后才能正常工作。

由于电动助力转向系统设计时不依赖于发动机而且没有液压油管，对冷天气不敏感，系统即使在-40℃时也能工作，所以提供了快速的冷起动。

由于该系统没有起动时的预热，节省了能量。

不使用液压泵，避免了发动机的寄生能量损失，提高了燃油经济性，装有电动助力转向系统的车辆和装有液压助力转向系统的车辆对比实验表明，在不转向情况下，装有电动助力转向系统的国辆燃油消耗降低2.5%，在使用转向情况下，燃油消耗降低了5.5%。

　2.增强了转向跟随性。

在电动助力转向系统中，电动助力机与助力机构直接相连可以使其能量直接用于车轮的转向。

该系统利用惯性减振器的作用，使车轮的反转和转向前轮摆振大大减水。

因此转向系统的抗扰动能力大大增强和液压助力转向系统相比，旋转力矩产生于电机，没有液压助力系统的转向迟滞效应，增强了转向车轮对转向盘的跟随性能。

　　3.改善了转向回正特性。

直到今天，动力转向系统性能的发展已经到了极限,电动助力转向系统的回正特性改变了这一切。

当驾驶员使转向盘转动一角度后松开时，该系统能够自动调整使车轮回到正中。

该系统还可以让工程师们利用软件在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。

从最低车速到最高车速，可得到一簇回正特性曲线。

通过灵活的软件编程，容易得到电机在不同车速及不同车况下的转矩特性，这种转矩特性使得该系统能显著地提高转向能力，提供了与车辆动态性能相机匹配的转向回正特性。

而在传统的液压控制系统中，要改善这种特性必须改造底盘的机械结构，实现起来有一定困难。

　　4.提高了操纵稳定性。

通过对汽车在高速行驶时过度转向的方法测试汽车的稳定特性。

采用该方法，给正在高速行驶（100km/h）的汽车一个过度的转角迫使它侧倾，在短时间的自回正过程中，由于采用了微电脑控制，使得汽车具有更高的稳定性，驾驶员有更舒适的感觉。

　　5.提供可变的转向助力。

电动助力转向系统的转向力来自于电机。

通过软件编程和硬件控制，可得到覆盖整个车速的可变转向力。

可变转向力的大小取决于转向力矩和车速。

无论是停车，低速或高速行驶时，它都能提供可靠的，可控性好的感觉，而且更易于车场操作。

　　对于传统的液压系统，可变转向力矩获得非常困难而且费用很高，要想获得可变转向力矩，必须增加额外的控制器和其它硬件。

但在电动助力转向系统中，可变转向力矩通常写入控制模块中，通过对软件的重新编写就可获得，并且所需费用很小。

　　6.采用"绿色能源"，适应现代汽车的要求。

电动助力转向系统应用"最干净"的电力作为能源，完全取缔了液压装置，不存在液压助力转向系统中液态油的泄漏问题，可以说该系统顺应了"绿色化"的时代趋势。

该系统由于它没有液压油，没有软管、油泵和密封件，避免了污染。

而液压转向系统油管使用的聚合物不能回收，易对环境造成污染。

7.系统结构简单，占用空间小，布置方便，性能优越。

由于该系统具有良好的模块化设计，所以不需要对不同的系统重新进行设计、试验、加工等,不但节省了费用，也为设计不同的系统提供了极大的灵活性，而且更易于生产线装配。

由于没有油泵、油管和发动机上的皮带轮，使得工程师们设计该系统时有更大的余地，而且该系统的控制模块可以和齿轮齿条设计在一起或单独设计，发动机部件的空间利用率极高。

该系统省去了装于发动机上皮带轮和油泵，留出的空间可以用于安装其它部件。

许多消费者在买车时非常关心车辆的维护与保养问题。

装有电动助力转向系统的汽车没有油泵，没有软管连接，可以减少许多忧虑。

实际上，传统的液压转向系统中，液压油泵和软管的事故率占整个系统故障的53%，如软管漏油和油泵漏油等。

　　8.生产线装配性好。

电动助力转向系统没有液压系统所需要的油泵、油管、流量控制阀、储油罐等部件，零件数目大大减少，减少了装配的工作量，节省了装配时间，提高了装配效率。

　　电动助力转向系统自20世纪80年代中期初提出以来，作为今后汽车转向系统的发展方向，必将取代现有的机械转向系统、液压助力转向系统和电控制液压助力转向系统。

EPS系统依据电动机布置位置的不同可分为转向轴助力式、小齿轮助力式、齿条助力式三个基本类型。

EPS系统的类型如图2-2所示：

1.转向轴助力式转向轴助力式电动助力转向机构的电动机布置在靠近转向盘下方，并经蜗轮蜗杆机构与转向轴连接（图2-2a）。

这种布置方案的特点是：

由于转向轴助力式电动助力转向的电动机布置在驾驶室内，所以有良好的工作条件；因电动机输出的助力转矩经过减速机构增大后传给转向轴，所以电动机输出的助力转矩相对小些，电动机尺寸也小，这又有利于在车上布置和减轻质量；电动机、转矩传感器、减速机构、电磁离合器等装为一体是结构紧凑，上述部件又与转向器分开，故拆装与维修工作容易进行；转向器仍然可以采用通用的典型结构齿轮齿条式转向器；电动机距驾驶员和转向盘近，电动机的工作噪声和振动直接影响驾驶员；转向轴等零件也要承受来自电动机输出的助力转矩的作用，为使其强度足够，必须增大受载件的尺寸；尽管电动机的尺寸不大，但因这种布置方案的电动机靠近方向盘，为了不影响驾驶员腿部的动作，在布置时仍然有一定的困难。

a）转向轴助力式b）齿轮助力式c）齿条助力式

图2-2EPS系统的类型

2.齿轮助力式齿轮助力式电动助力转向机构的电动机布置在与转向器主动齿轮相连接的位置（图2-2b），并通过驱动主动齿轮实现助力。

这种布置方案的特点是：

电动机布置在地板下方、转向器上部，工作条件比较差对密封要求较高；电动机的助力转矩基于与转向轴助力式相同的原因可以小些，因而电动机尺寸小，同时转矩传感器、减速机构等的结构紧凑、尺寸也小，这将有利于在整车上的布置和减小质量；转向轴等位于转向器主动齿轮以上的零部件，不承受电动机输出的助力转矩的作用，故尺寸可以小些；电动机距驾驶员远些，它的动作噪声对驾驶员影响不大，但震动仍然会传到转向盘；电动机、转矩传感器、电磁离合器、减速机构等与转向器主动齿轮装在一个总成内，拆装时会因相互影响而出现一定的困难；转向器与典型的转向器不能通用，需要单独设计、制造。

3.齿条助力式齿条助力式电动助力转向机构的电动机与减速机构等布置在齿条处（图2-2c），并直接驱动齿条实现助力。

这种布置方案的特点是：

电动机位于地板下方，相比之下，工作噪声和振动对驾驶员的影响都小些；电动机减速机构等不占据转向盘至地板这段空间，因而有利于转向轴的布置，驾驶员腿部的动作不会受到它们的干扰；转向轴直至转向器主动齿轮均不承受来自电动机的助力转矩作用，故他们的尺寸能小些；电动机、减速机构等工作在地板下方，条件较差，对密封要求良好；电动机输出的助力转矩只经过减速机构增扭，没有经过转向器增扭，因而必须增大电动机输出的助力转矩才能有良好的助力效果，随之而来的是电动机尺寸增大、质量增加；转向器结构与典型的相差很多，必须单独设计制造；采用滚珠螺杆螺母减速机构时，会增加制造难度与成本；电动机、转向器占用的空间虽然大一些，但用于前轴负荷大，前部空间相对宽松一些的乘用车上不是十分突出的问题[9]。

2.2齿轮齿条转向器结构及工作原理

2.2.1齿轮齿条式动力转向器结构

齿轮齿条式动力转向器的的主要结构如图2-3所示。

图2-3转向器结构图

齿轮齿条式动力转向器的主要作用是：

1.使车辆按照驾驶员的意图进行转向，并增大来自方向盘的转矩使之可以克服车轮与地面间的转向阻力矩；

2.提供额外的电动助力。

2.2.2齿轮齿条式动力转向器工作原理

齿轮齿条式动力转向器动力传递路线

齿轮齿条式动力转向器的扭矩传递路线如图2-4所示。

齿轮齿条式动力转向器液压油流动路线如图2-5所示.

图2-4扭矩传递路线

图2-5电动助力传动路线

2.3转向系统设计要求

1.转向传动比当转向盘从锁点向锁点转动，每只前轮大约从其正前方开始转动30°，因而前轮从