汽车前轮转向控制系统毕业论文(编辑修改稿)

汽车前轮转向控制系统毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

以实现独立于驾驶员的转向干预。 在低速时，电动机的作用与驾驶者转动转向盘的方向一致，转向传动比增大，可以减少驾驶者对转向力的需求。 在高速时，电动机的运转方向与驾驶者转动转向盘方向相反，这就减少了前轮的转向角度，转向传动比减小，转向稳定性提高。 根据附加转角叠加方式的不同，可将主动前轮转向分为机械式（机械叠加转向系统）和电子式（线控转向系统）。 线控转向系统 (Steer by Wire system，简称 SBW 系统 )是指用通讯网络连接各部件，取消了转向盘和转向轮之间的机械连接（传动轴等）。 驾驶员转动转 向盘时，控制器 ECU 根据转向盘转角、转矩传感器和车速传感器等测得的信号，向转向电机发出控制信号，使转向电机进行位置闭环控制和电流闭环控制，以实现预期的前轮转角。 同时， ECU 还根据转向盘回正力矩的要求控制转向盘的转矩反 11 馈到电机实现期望的回正力矩。 优点是 :取消了转向盘和转向轮之间的机械连接，占据空间小，便于布置，并可消除碰撞时转向器后移对驾驶员的伤害，路面的冲击也不会直接传到驾驶员手上。 缺点是：由于取消了机械连接，当系统出现故障时（例如断电）司机无法操纵转向，致使转向失灵发生事故。 机械式叠加转向是以目前 的转向系统为基础，将单自由度传动改变为 2 个自由度传动，即：方向盘转动为一个自由度，输出主要转角，另一个自由度由电机控制（主动控制），输出附加转角，实际输出的转角＝方向盘转角＋附加转角。 宝马和 ZF公司联合开发的 AFS系统为代表的机械式主动转向系统 ,通过行星齿轮机械结构增加一个输入自由度从而实现附加转向 ,目前已装配于宝马 5 系的轿车上 ,韩国的 MANDO、美国的 TRW、日本的 JTEKT 公司也有类似产品。 该系统除传统的转向机械构件外 ,主要包括两大核心部件 :一是一套双行星齿轮机构 ,通过叠加转向实现变传动比功 能，二是 Servtronic 液力伺服转向系统 ,用于实现转向助力功能。 驾驶员的输入包括力矩输入和角输入两部分 ,共同传递给扭杆 ,其中的力矩输入由液力伺服机构根据车速和转向角度进行助力控制 ,而角输入则通过由伺服电机驱动的双行星齿轮机构进行转向角叠加 ,经过叠加后的总转向角才是传递给齿轮齿条转向机构的最终转角。 与常规转向系统的显著差别在于，宝马主动转向系统不仅能够对转向力矩进行调节，而且还可以对转向角度进行调整 ,使其与当前的车速达到完美匹配。 本论文主要研究内容是双行星齿轮机构在汽车主动前轮转向系统上的应用。 12 第二章 汽车转向系统的理论分析 167。 转向器的转动效率 转向器的输出功率与输入功率之比称为转向器传动效率。 在功率由转向轴输入，由转向摇臂输出的情况下求得的传动效率称为正效率，而传动方向与上述相反时求得的效率则称为逆效率。 逆效率很高的转向器很容易将经转向传动机构传来的路面反力传到转向轴和转向盘上，故称为可逆式转向器。 可逆式转向器有利于汽车转向结束后转向轮和转向盘自动回正，但也能将坏路面对车轮的冲击力传到转向盘，发生“打手”情况。 逆效率很低的转向器称为不可逆式转向器。 不平道路对转 向轮的冲击载荷输入到这种转向器，即由其中各传动零件（主要是传动副）承受，而不会传到转向盘上。 路面作用于转向轮上的回正力矩同样也不能传到转向盘。 这就使得转向轮自动回正成为不可能。 此外，道路的转向阻力矩也不能反馈到转向盘，使得驾驶员不能得到路面反馈信息（所谓丧失“路感”），无法据以调节转向力矩。 通常，由转向盘至转向轮的效率即转向系的正效率的平均值为 ～ ；当向上述相反方向传递力时逆效率的平均值为 ～。 转向操纵及传动机构的效率用于评价在这些机构中的摩擦损失，其中转向轮转向主销等的摩擦损 失约为转向系总损失的 40%～ 50%，而拉杆球销的摩擦损失约为转向系总损失的 10%～ 15%。 167。 转向系的转动比变化特性 （ 1）角传动比 转向盘转角的增量  与同侧转向节转角的相应增量  之比，称为转向系的角传动比 w0i。 转向盘转角的增量  与转向摇臂轴转角的相应增量  之比，称为转向器的角传动比 wi。 转向摇臂轴转角的增量  与同侧转向节转角的相应增量 之比，称为转向传动机构的角传动比 `iw。 现代汽车转向传动机构的角传动比多在 ～ ，即近似为 1。 故研究转向系的角传动比时，为简化起见往往只研究转向器的角传动比及其变化规律即可。 （ 2）力传动比 13 转向传动机构的力传动比 `pi 等于转向车轮的 转向阻力矩 rT 与转向摇臂的力矩 T之比值。 `pi 与转向传动机构的结构布置型式及其杆件所处的转向位置有关。 ：当转向阻力矩 rT 一定时，增大力传动比 `pi ， pi 就能减小作用在转向盘上的切向力 hF ，使操纵轻便。 （ 3）传动器角传动比的变化规律 转向器的角传动比 wi 是一个重要参数，它影响着汽车的许多转向性能。 由于增大转向器角传动比可以增大力传动比，因此转向器的角传动比不仅对转向灵敏性和稳定性有直接影响，而且也影响着汽车的操纵轻便性。 考虑到 `iw ≈ 1，可以看出：转向轮的转角与转向器的角传动比 wi 成反比。 wi 增大会使在同一转向盘转角下的转向轮转角变小，使转向操纵时间变长，汽车转向灵敏性降低。 因此转向“轻便性”与“灵敏性 ”是产品设计中遇到的一对矛盾。 采用可变角传动比的转向器可协调对“轻便性”和“灵敏性”的要求。 而转向器角传动比的变化规律又因转向器的结构型式和参数的不同而异。 转向器的角传动比 wi 随转向盘转角  的变化特性有不变和可变之分。 167。 转向器的传动间隙特性 转向器的传动间隙是指转向器传动副之间的间隙。 该间隙  随转向盘转角 的改变而改变。 通常将这种变化关系称为转向器的传动间隙特性。 研究该传动间隙特性的意义在于它对汽车直线行驶时的稳定性和转向器的寿命都有直接影响。 当转向盘处于中间位置即汽车作直线行驶时，如果转向器有传动间隙则将使转向轮在该间隙范围内偏离直线行驶位置而失去稳定性。 为防止这种情况发生，要求当转向盘处于中间位置时转向器的传动副为无隙啮合。 这一要求应在汽车使用的全部时间内得到保证。 汽车多直行行驶，因此转向器传动副在中间部位的磨损量大于其两端。 为了保证转向器传动副磨损最大的中间部位能通过调整来消除因磨损而形成的间隙，调整后当转动转向 盘时又不致于使转向器传动副在其他啮合部位卡住。 为此应使传动间隙从中间部位到两端逐渐增大，并在端部达到其最大值（旷量转角约为。 30~20 ），以利于对间隙的调整及提高转向器的使用寿命。 不 14 同结构的转向器其传动间隙特性亦不同。 15 第三章 奥迪动态转向系统 167。 汽车的转向系统 机械转向系统简介 机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。 机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。 （ 1）转向操纵机构 转向操纵机构由方向盘、转向 轴、转向管柱等组成，它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。 （ 2）转向器 转向器（也常称为转向机是完成由旋转运动到直线运动（或近似直线运动）的一组齿轮机构，同时也是转向系中的减速传动装置。 目前较常用的有齿轮齿条式、循环球曲柄指销式、蜗杆曲柄指销式、循环球 齿条齿扇式、蜗杆滚轮式等。 我们主要介绍前几种。 1） 齿轮齿条式转向器 齿轮齿条式转向器分两端输出式和中间（或单端）输出式两种。 两端输出的齿轮齿条式转向器如图 13 所示，作为传动副主动件的转向齿轮轴 11 通过轴承 12 和 13 安装在转向器壳体 5 中，其上端 通过花键与万向节叉 10 和转向轴连接。 与转向齿轮啮合的转向齿条 4 水平布置，两端通过球头座 3与转向横拉杆 1 相连。 弹簧 7 通过压块 9 将齿条压靠在齿轮上，保证无间隙啮合。 弹簧的预紧力可用调整螺塞 6调整。 当转动转向盘时，转向器齿轮 11 转动，使与之啮合的齿条 4 沿轴向移动，从而使左右横拉杆带动转向节左右转动，使转向车轮偏转，从而实现汽车转向。 另一种是中间输出的齿轮齿条式转向器，其结构及工作原理与两端输出的齿轮齿条式转向器基本相同，不同之处在于它在转向齿条的中部用螺栓 6 与左右转向横拉杆 7相连。 在单端输出的齿轮齿条式转向器上， 齿条的一端通过内外托架与转向横拉杆相连。 16 11.调整螺塞 图 13 两端输出的齿轮齿条式转向器 2）循环球式转向器 循环球式转向器是目前国内外应用最广泛的结构型式之一，一般有两级传动副，第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿扇传动副。 为了减少转向螺杆转向螺母之间的摩擦，二者的螺纹并不直接接触，其间装有多个钢球，以实 现滚动摩擦。 转向螺杆和螺母上都加工出断面轮廓为两段或三段不同心圆弧组成的近似半圆的螺旋槽。 二者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面的螺旋管状通道。 螺母侧面有两对通孔，可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内。 转向螺母外有两根钢球导管，每根导管的两端分别插入螺母侧面的一对通孔中。 导管内也装满了钢球。 这样，两根导管和螺母内的螺旋管状通道组合成两条各自独立的封闭的钢球“流道”。 转向螺杆转动时，通过钢球将力传给转向螺母，螺母即沿轴向移动。 同时，在螺杆及螺母与钢球间的摩擦力偶作用下，所有钢球便在螺旋管状通道内滚动，形成 球流。 在转 向器工作时，两列钢球只是在各自的封闭流道内循环，不会脱出。 3）蜗杆曲柄指销式转向器 蜗杆曲柄指销式转向器的传动副（以转向蜗杆为主动件，其从动件是装在摇臂轴曲柄端部的指销。 转向蜗杆转动时，与之啮合的指销即绕摇臂轴轴 17 线沿圆弧运动，并带动摇臂轴转动。 （ 3）转向传动机构 转向传动机构的功用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，且使二转向轮偏转角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。 动力转向系统 使用机械转向装置可以实现汽车转向，当转向轴负荷 较大时，仅靠驾驶员的体力作为转向能源则难以顺利转向。 动力转向系统就是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的。 转向加力装置减轻了驾驶员操纵转向盘的作用力。 转向能源来自驾驶员的体力和发动机（或电动机），其中发动机（或电动机）占主要部分，通过转向加力装置提供。 正常情况下，驾驶员能轻松地控制转向。 但在转向加力装置失效时，就回到机械转向系统状态，一般来说还能由驾驶员独立承担汽车转向任务。 动力转向系统由于使转向操纵灵活、轻便，在设计汽车时 对转向器结 构形式的选择灵活性增大，能吸收路面对前轮产生的冲击等优点， 因此已在各国的汽车制造中普遍采用。 但是，具有固定放大倍率的动力转向系统的主要缺点是：如果所设计的固定放大倍率的动力转向系统是为了减小汽车在停车或低速行驶状态下转动转向盘的力，则当汽车以高速行驶时，这一固定放大倍率的动力转向系统会使转动转向盘的力显得太小，不利于对高速行驶的汽车进行方向控制；反之，如果所设计的固定放大倍率的动力转向系统是为了增加汽车在高速行驶时的转向力，则当汽车停驶或低速行驶时，转动转向盘就会显得非常吃力。 电子控制技术在汽车动力转向系统的应用，使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。 电子控制动力转 向系统在低速行驶时可使转向轻便、灵活；当汽车在中高速区域转向时，又能保证提供最优的动力放大倍率和稳定的转向手感，从而提高了高速行驶的操纵稳定性。 电子控制动力转向系统（简称 EPSElectronic Control Power Steering），根据动力源不同又可分为液压式电子控制动力转向系统（液压式 EPS）和电动式电子控制动力转向系统（电动式 EPS）。 液压式 EPS 是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器 18 和电子控制单元等，电子控制单元根据检测到的车速信号，控制电磁阀，使转 向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求。 电动式 EPS 是利用直流电动机作为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速等信号，控制电动机扭矩的大小和方向。 电动机的扭矩由电磁离合器通过减速机构减速增扭后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。 （ 1） 液压式动力转向系统 液压式动力转向系统属于转向加力装置的部件是：转向液压泵、转向油管、转向油罐 以及位于整体式转向器 内部的转向控制阀及转向动力缸等。 当驾驶员转动转向盘时，通过机械转向器使转向横拉杆移动，并带动转向节臂，使转向 轮偏转，从而改变汽车的行驶方向。 与此同时，转向器输入轴还带动转向器内部的转向控制阀转动，使转向动力缸产生液压作用力，帮助驾驶员转向操作。 由于有转向加力装置的作用，驾驶员只需比采用机械转向系统时小得多的转向力矩，就能使转向轮偏转。 液压动力转向系按系统内部的压力状态分，有常压式和常流式两种。 第一种为常压式液压动力转向系。 常压式液压动力转向系如图 14所示。 在汽车直线行驶，转向盘保持中立位置时，转向控制阀 5经常处于关闭位置。 转向油泵 3输出的压力油充入储能器 2。 当储能器压力增长到规定值后，油泵即自动卸荷空转，从而储 能器压力得以限制在该规定值以下。 当转动转向盘时，机械转向器 6即通过转向摇臂等杆件使转向控制阀转入开启位置。 此时储能器中的压力油即流入转向动力缸4。 动力缸输出的液压作用力，作用在转向传动机构上，以助机械转向器输出力之不。