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哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）—開題報(bào)告
本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
開 題 報(bào) 告
論文題目
某乘用車齒條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)
班 級
1001202
姓 名
郭興川
院（系）
汽車工程學(xué)院
導(dǎo) 師
劉濤
開題時(shí)間
2013年12月23日
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1．課題研究的目的和意義
汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為整車構(gòu)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(diǎn)。汽車轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向器可分為齒輪齒條轉(zhuǎn)向器、蝸桿曲柄銷式轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。齒輪齒條轉(zhuǎn)向器作為最常見的一種轉(zhuǎn)向器，具有如下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，工作可靠，使用壽命長，自動回正力強(qiáng)，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(zhuǎn)動阻力小，轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)矩傳遞性能較好，其正效率與逆效率都很高，屬于可逆式轉(zhuǎn)向器，并可安裝轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)。
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(guān)注,傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)的崛起，包括液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已得到了廣泛的研究[1].
傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點(diǎn)非常明顯，它轉(zhuǎn)向操縱難度增大，轉(zhuǎn)向費(fèi)力，其傳動比是固定的，即角傳遞特性無法改變，導(dǎo)致汽車的轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性無法控制，傳動比無法隨汽車轉(zhuǎn)向過程中的車速、側(cè)向加速度等參數(shù)的變化而進(jìn)行補(bǔ)償，駕駛員必須在轉(zhuǎn)向之前就對汽車的轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性進(jìn)行一定的操作補(bǔ)償，這樣無形中增加了駕駛員的精神和體力負(fù)擔(dān)[1]。
助力系統(tǒng)分為液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在使用中具有許多優(yōu)點(diǎn)：
液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過液壓力作用來推動傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向運(yùn)動，從而減輕了駕駛員的勞動強(qiáng)度，解決了傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)隨著汽車質(zhì)量越大轉(zhuǎn)向越費(fèi)力的問題，在一定程度上解決了傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于轉(zhuǎn)向器傳動比固定而造成的轉(zhuǎn)向“輕便”與“靈敏”之間的矛盾。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作可靠、技術(shù)成熟，能提供大的轉(zhuǎn)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(yīng)用[2]。
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)很多：一是系統(tǒng)助力矩的大小由電子控制單元實(shí)時(shí)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(zhuǎn)向助力特性，保證汽車在低速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向輕便靈活，高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定可靠，可以很好地解決汽車轉(zhuǎn)向時(shí)輕與靈的矛盾；二是該系統(tǒng)只在轉(zhuǎn)向時(shí)電動機(jī)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(jié)構(gòu)更緊湊，質(zhì)量更輕，而且徹底根除了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電液助力轉(zhuǎn)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(jī)提供助力，而電動機(jī)由蓄電池供電，因此該系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)熄火或出現(xiàn)故障時(shí)也能提供助力[2]。
汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在經(jīng)歷了長足的發(fā)展后已得到了整個(gè)汽車行業(yè)的認(rèn)可和應(yīng)用，在GB7258-2004 中專門規(guī)定：車輛轉(zhuǎn)向軸最大設(shè)計(jì)軸荷大于4 000 kg時(shí)，必須采用轉(zhuǎn)向助力裝置。由此可見，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要性和必要性[3]。
綜上所述，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢，而齒輪齒條轉(zhuǎn)向器是最常用、優(yōu)點(diǎn)突出的轉(zhuǎn)向器，齒條助力式轉(zhuǎn)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(shí)降低了齒數(shù)比即降低了轉(zhuǎn)動慣量，可以提供優(yōu)良轉(zhuǎn)向特性。所以對齒條助力式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀
至今，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 4 個(gè)發(fā)展階段，未來則可能向線控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展。目前汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正處在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的過渡階段。
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是20世紀(jì)80年代初期提出來的，并首先在微型轎車上得到了應(yīng)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(zhuǎn)向柱助力式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，隨后還用在了其Alto車上；1990年，日本Honda公司也在運(yùn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)，從此揭開了電動助力轉(zhuǎn)向在汽車上應(yīng)用的歷史[1]。
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，EPS技術(shù)日趨完善。其應(yīng)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(shí)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(jìn)一步加強(qiáng)。日本早期的EPS僅僅在低速和停車時(shí)提供助力，還能在高速時(shí)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(gè)負(fù)載—路面—車速感應(yīng)型的助力轉(zhuǎn)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(shè)置了兩個(gè)開關(guān)，其中一個(gè)用于郊區(qū)，另一個(gè)用于市區(qū)和停車。當(dāng)車速大于70km/h后，則不同開關(guān)所執(zhí)行設(shè)置的程序是一樣的，以保證高速時(shí)有合適的路感。市區(qū)型還和油門有關(guān)，使得在踩油門加速和踩油門減速時(shí)，轉(zhuǎn)向更平滑。
美國的Delphi汽車公司最新推出的電子伺服前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，取消了駕駛員和汽車前輪的機(jī)械連接，取消了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向軸和齒輪齒條等機(jī)械結(jié)構(gòu)，而由轉(zhuǎn)矩傳感器、速度傳感器、控制器、電動機(jī)和減速機(jī)構(gòu)等組成。但它仍采用轉(zhuǎn)向盤（必要時(shí)也可改用操縱手柄），通過電動機(jī)向駕駛員提供路面反饋。該轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)零件在很大程度上依賴進(jìn)口，幾個(gè)主要的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供應(yīng)商有TRW，JTEKT，Delphi，ZF Lenksysteme，Thyssenkrupp Automotive，他們各自在不同的轉(zhuǎn)向產(chǎn)品領(lǐng)域中成為領(lǐng)導(dǎo)廠商[4]。
在汽車電子技術(shù)快速發(fā)展得市場狀況下，未來轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向，將作為標(biāo)準(zhǔn)件裝備到汽車上，并將在助力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，特別是電動汽車將構(gòu)成未來汽車發(fā)展的主體，這給EPS帶來了更加廣闊的應(yīng)用前景。
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的進(jìn)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?cè)耸孢m性要求且低成本的助力電動機(jī)。此外，如何設(shè)計(jì)合理的控制策略以保證電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性以及可靠性，保證駕駛?cè)双@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(shí)現(xiàn)整車綜合控制，是今后研究的重點(diǎn)，而更多的先進(jìn)控制策略，如人工智能控制方法等，將應(yīng)用于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制中[5]。
2.2 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器有循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器、蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器、齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器等。在全球汽車廠家中，汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占市場份額接近一半，齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器占市場份額接近百分之四十，蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器占市場份額超過百分之十，其它轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向器，大、中型貨車也大部分使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，微型貨車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器大約百分之六十五左右，齒條齒輪式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向器使用比重已經(jīng)超過一半，有些國家甚至達(dá)到百分之九十以上。 國外對汽車轉(zhuǎn)向器進(jìn)行了大力研發(fā)和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了汽車轉(zhuǎn)向器專業(yè)化設(shè)計(jì)、制造、加工和生產(chǎn)，大大提高了轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量和效益。在日本NSK公司的轉(zhuǎn)向器就以質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的優(yōu)勢占領(lǐng)了本國市場，并逐步銷售全世界。德國ZF轉(zhuǎn)向器公司是一個(gè)專門生產(chǎn)轉(zhuǎn)向器的大公司，從上世紀(jì)五十年代開始生產(chǎn)轉(zhuǎn)向器到現(xiàn)在每年生產(chǎn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器生產(chǎn)公司，每年都會生產(chǎn)許多各種型號的轉(zhuǎn)向器。國外轉(zhuǎn)向器專業(yè)化設(shè)計(jì)、制造、加工和生產(chǎn)已成為一種趨勢，能夠使轉(zhuǎn)向器質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，快速占領(lǐng)國際市場[6-7]。
2.2.2國內(nèi)情況
在我國汽車使用的轉(zhuǎn)向器中，上世紀(jì)解放汽車和東風(fēng)汽車使用蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向器，現(xiàn)在解放汽車和東風(fēng)汽車也已經(jīng)開始使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，其它汽車大都使用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。由于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在小型車上具有很多其他轉(zhuǎn)向器無可替代的優(yōu)點(diǎn)，我國也在大量生產(chǎn)齒輪齒條式轉(zhuǎn)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(tuán)公司在中日合作的項(xiàng)目上使用的就是齒輪齒條式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器。雖然國內(nèi)齒輪齒條式轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)，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(shù)方案
3.1對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）對轉(zhuǎn)向系方案進(jìn)行選擇，包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向梯形的方案選擇；（2）確定轉(zhuǎn)向系的主要參數(shù)，對轉(zhuǎn)向系的主要參數(shù)——傳動比和計(jì)算載荷等進(jìn)行計(jì)算；（3）設(shè)計(jì)齒輪齒條轉(zhuǎn)向器：確定齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的輸出形式和整車布置，對其工作原理進(jìn)行研究，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),包括速比計(jì)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(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向梯形：分析轉(zhuǎn)向梯形的理論特性，確定轉(zhuǎn)向梯形的布置形式，對轉(zhuǎn)向梯形的尺寸進(jìn)行初步確認(rèn)，最后對梯形進(jìn)行校核。
3.2 對轉(zhuǎn)向梯形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)
對轉(zhuǎn)向梯形數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推導(dǎo)，分析理想的左右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系和實(shí)際的左右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系，對優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件進(jìn)行確定，最后對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析并進(jìn)行虛擬樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證分析[8].
3.3三維建模
用Catia建立轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向梯形完整的三維實(shí)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(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行建模和計(jì)算分析,并通過假設(shè)改進(jìn)方案對比,找到進(jìn)一步優(yōu)化方法[9]。
4. 本設(shè)計(jì)的特色
（1）在轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化設(shè)計(jì)中，進(jìn)行虛擬樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證分析，建立了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)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(jié)果的有效性進(jìn)行驗(yàn)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(shí)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(shè)計(jì)中的高級CAE工具之一。
5. 進(jìn)度安排
第1~3周：搜集資料，撰寫開題報(bào)告；
第4~8周：確定總體方案，進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算；
第9~11周：對轉(zhuǎn)向梯形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；
第12~15周：三維實(shí)體建模，繪制二維工程圖；
第16~17周：撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文；
第18周：準(zhǔn)備答辯。
6. 參考文獻(xiàn)
[1]丁志剛、宋洪烈：汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展簡述 福建工程學(xué)院機(jī)電及自動化工程系碩士學(xué)位論文 2012.12
[2]黃安華、卜憲衛(wèi)：淺談汽車的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析 客車技術(shù)與研究期刊 2010.10
[4]萬福新、陳惠卿：汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其對油品的要求 中國汽車工程學(xué)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(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展趨勢 拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車期刊 2011.02
[6]陳益良：齒輪齒條式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器參數(shù)化設(shè)計(jì)分析與研究 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2013.02
[8]高東升：汽車轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計(jì) 汽車技術(shù)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(zhuǎn)向系有限元分析 科學(xué)與技術(shù)期刊 2011.05
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