四支点电动车转向系统设计与优化

论文总字数：20368字

摘 要

关键词：转向系统 齿轮齿条 梯形结构 MATLAB

Abstract：In the modern science and technology development, transportation is also very developed. In today, the car is very powerful force of people, can be said to have been to people can not leave the car of the times. As the traditional energy has become less and less and the situation of environmental pollution is becoming more and more serious, the research of the automobile has become more and more inclined to the electric. In the research and development of electric vehicle, the steering performance of electric vehicle is particularly important to the safety performance of the vehicle. The purpose of this paper is to design and optimize the steering system of the four point electric vehicle. In this design, the steering system is taken as the EPS electric power steering system, that is, the electric power steering system. Steering device adopts the rack and pinion steering gear, suspension with non independent suspension, after using SOLIDWORKS software on the steering system of design and 3D modeling, of key parts, gear type steering pinion gear device for strength analysis. Then the steering trapezoid mechanism is designed, and the MATLAB software is used to optimize it.

Keywords：steering system，Rack and pinion，Ladder structure，MATLAB

目录

1、 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3论文研究内容及方法 3

1.4论文组织结构 3

2、车体总体传动系大致设计 4

2.1传动系的作用与组成 4

2.2传动系的种类和组成 4

2.3传动系的布置形式 4

3、转向系统方案分析 6

3.1电动式动力转向方案分析及原理 6

3.1.1电动式动力转向系统结构和工作原理 6

3.1.2电动式动力转向系统的布置方案 6

3.2 转向操纵机构的布置和分析 7

3.2.1方向盘 7

3.2.2 转向柱 7

3.3 转向器结构形式的选择和分析 7

3.3.1转向器的功用 7

3.3.2 结构形式的选择 8

3.4转向传动机构方案的选择和分析 9

3.4.1转向传动机构的功用 9

3.4.2转向传动机构的类型 9

4、转向系统的主要性能参数 14

4.1 转向系的效率 14

4.1.1 转向系的正效率 14

4.1.2 转向器的逆效率 14

4.2传动比的变化特性 15

4.2.1 转向系传动比 15

4.3转向器的传动间隙特性 16

4.4转向系的刚度 17

4.5转向盘的转动的总圈数 17

5、转向系统的设计和计算 18

5.1转向器的设计和计算 18

5.1.1 对齿轮齿条参数的选择 18

5.1.2 强度校核 18

4.2 动力转向机构的设计和参数的确定 19

4.2.1 转矩传感器 19

4.2.2 车速传感器 19

4.2.3直流电动机 19

4.2.4电磁离合器 20

4.2.5 减速机构 20

4.2.6电子控制单元ECU 20

5、转向梯形机构的设计 21

5.1 转向梯形机构概述 21

5.2 整体式转向梯形机构方案分析 21

5.3 整体式转向梯形机构数学模型分析 21

5.4梯形机构优化设计 24

6、总结与展望 25

6.1工作总结 25

6.2展望 25

致谢 26

四支点电动车转向系统设计与优化

1. 绪论

1.1研究背景与意义

在科技如此发达的现代，人们都在适应一种快节奏的生活方式，而在这种大的世界生活背景之下，在交通运输方面，人们自然离不开汽车这一工具。然而，由于过去的那么长时间内人类没有意识到太多的情况下已经使传统的能源消耗了太多，而且环境也污染得比较严重，于是，随着传统形式的能源日益被消耗，电动汽车（EV）的研究已越来越引起人们的重视[^[1]][^[2]]，这就是电动汽车产生的必然背景。

在一整辆汽车中，其包含了许多个系统，其中，转向系统是一个非常重要的环节。通过对各种交通事故成因的研究发现，车辆转向系统的稳定性是一个很重要的因素[^[3]]。因此，对汽车转向系统的设计与优化显得格外重要。让转向轮发生转动从而使汽车完成转向的这一全套机构被称之为汽车转向系，它的技术状况的好坏将会直接影响到行车的行驶安全性。转向系是由转向装置与转向传动机构这两部分组成，在动力转向系统中，还配备有转向助力装置[^[4]]。汽车转向系可以分成好几类。按照转向力的来源不同，可以将它分成为机械式转向系、液压式动力转向系和电动式动力转向系[^[5]]。

转向系统需要的一般性功能：

1. 它能够遵循司机的想法准确地改变汽车的行驶方向，同时在汽车开动的过程中，不会因为地面的干扰使得汽车偏离直线行驶位置或者是使车轮发生摆动。
2. 在汽车发生转向的时候，应该保证让全部的车轮旋转所绕的中心是同一点，不能有任何车轮发生滑动摩擦[^[6]]。
3. 要使驾驶员操纵起来感觉轻便、舒适。操作方向盘时需要的力要小，向左和向右的转向力差值也要小；方向盘旋转的总圈数要合适[^[7]]；转向轮要在汽车转弯之后有自己回正的能力；转向车轮在碰到障碍物时反馈传给方向盘的反馈力要尽量让它小；最后还要保证驾驶员能有正确的路感。
4. 当发生车祸的时候，在转向轴和方向盘因为车体发生形变而一起被挤压往后移时，转向系统应该有可以让司机避免或是降低受伤性的防伤装置。

汽车的转向系统可以根据转向时提供力量的东西上的区别而分成机械转向系和动力转向系两类。机械转向系中所有的传动环节都是机械式的，其要使汽车发生转弯需要完全凭借司机在操作方向盘时产生的转向力；而动力转向系转向时需要力量的来源则是同时凭借着司机提供的人力以及发动机提供的动力[^[8]]。在该系统中，驾驶员可以比较灵活，轻便地操纵吨位相对较大的汽车转向，并能很大程度地减轻劳动强度，同时还提高了一定的行使安全性能。

在动力转向系出现以来，由于液压式动力转向系在进行转弯操作时简单、方便，在对车辆进行设计的过程中对转向器的类型的确定可以更加灵活，并在吸收路面给前轮的冲击力上具有一定优势，从上个世纪中开始，其在世界各地的汽车设计中得到广泛应用。但是由于传统的液压式动力转向系对油的耗用特别大，其耗油约占所有汽车耗油中的，而且这一缺陷一直没有办法得到有效的解决，故人们一直在寻求另外的能够弥补这一缺陷的动力转向系统。

而伴随着电气科学的快速发展，电控液压式动力转向系统随之而来，这类新系统在一些特性与功能上明显比过去的液压式动力转向系统要强，但却同样不能解决液压式动力转向系中耗油方面的问题。另外，一旦结束了对液压式动力转向系的设计，就相当于已经结束了其转向系统中各项参数的设计与改变，无法再对其进行变化或是控制。所以，过去的液压式动力转向系的对转向力的协调性和操作“路感”之间的关系很难得到解决，这使得汽车在操作的平稳性能上受到了很大的影响。

电动式动力转向系（Electric Power Steering System,简称EPS）是在液压式动力转向系产生之后新出现的一类转向系统[^[9]]。电动式动力转向系通过助力电机为汽车提供需要实现转向的助力，其力值的大小通过电子控制单元（ECU）进行控制和调节。该系统可以完美地克服在上述液压式转向系中的问题。

电动式动力转向系的好处如下：

1、节能环保。由很多资料可以得出，EPS的耗油量只占液压式助力转向系统的百分之十，全车的耗油量可以减少百分之五。

2、改善整车性能。可以让驾驶员在各种车速和工况条件中具有最好的转向力以及完美的路感，使汽车在高速行驶条件下更加平稳，使汽车的自身回复性和方向盘上克服摆动震动的性能得以提升。

3、通用性强，满足汽车的未来发展走向。对各种汽车的型号都可以在不怎么对其原有硬件进行改动的同时，利用软件优化其转向特性以使汽车满足人们要求。

4、模块化、轻量化。将所有的机构结构进行作为一个系统来进行设计，消除了很多原本显得比较笨拙的装置，使得空间布局更好、车辆变得更轻。

5、高可靠性、维修方便。电动式动力转向系统中零部件的数量较少，不会出现液压式动力转向中经常发生的漏油的情况，减少了发生意外的概率，安装、使用和维修更加方便。

6、成本低，竞争力强。与液压式动力转向系统相比，系统中的总成数目与零部件数目都有变少，若批量生产可以减少成本。

1.2国内外研究现状

目前，电动汽车这一行业在全球范围内得到很快速的发展。而在这一行业发展最好的应该是美国，其所占的全球电动汽车市场比例应该也是最大的。在美国，研究电动汽车产业的主要的大型公司是通用，福特和克莱斯特。曾经，他们想要研究制造出纯电动类的汽车，然而最后发现蓄电池这一方面的问题无法得到很好的解决，于是后来他们将目标转移到了燃料电池类的电动汽车，并在这一方面取得了极大的成果。

而在电动汽车行业中，最先投入研究的国家之一就有日本，世界上第一辆锂电子电池电动汽车就是由日本公司所提出。其对电动汽车的研究进行得也比较深入，无论在纯电动方面还是在混合动力方面，均做出了不少成果。

中国对电动汽车的投入也是十分强大的，其仅次于美国，占据此类市场中第二多的比例。由于电动汽车这类技术是近代才开始发掘，所以中国在这方面的涉猎研究并没有落后世界太多，其在这一区域存在很大的潜力与可能性。

1.3论文研究内容及方法

本文任务是先初步设计一个电动汽车的总传动系，然后对该汽车的总转向系统进行详细地设计与计算，之后用solidworks软件对其进行三维建模，之后再通过该软件出图，并在之后对出的图纸进行修改。而在对系统进行设计的过程中，需要参考很多的文献以及书籍，然后设计出一个优化程序，通过这个程序对设计的数据进行分析比较，选择出最好的一组数据再对系统进行接下来的设计。

1.4论文组织结构

本文共七章，第一章绪论，介绍设计背景等；第二章对整车传动系进行大致设计；第三章对转向系统方案进行介绍与选择；第四章对转向系统参数进行介绍与计算；第五章对转向系统进行设计；第六章对转向梯形机构进行介绍与优化设计；第七章则是总结与展望。

2、车体总体传动系大致设计

2.1传动系的作用与组成

汽车传动系由前传动系（离合器、变速器、分动器）和后传动系（万向传动装置、主减速器和半轴）两部分组成[^[10]]。它的作用是将发动机发出的动力和运动传递给驱动轮，使路面对驱动轮产生一个驱动力，推动汽车行驶。

传动系可以让汽车具有加减速、向前或向后行驶、给予或停止动力、车轮之间存在速度差以及轮轴之间存在速度差等能力。它在和发动机一起协同配合的时候，可以使乘用车在不同的条件境况下还能以不错的状态行驶，这样便能得到更好的动力性与经济性。

2.2传动系的种类和组成

按能量传递方式的不同，传动系可分为机械式传动、液力式传动、液压式传动和电传动。本文中采取的传动系是电传动。

汽车行驶中需要克服各种阻力，这些阻力随着行驶情况的改变而改变，其变化数值可能是几倍甚至是几十倍。显然，欲使汽车正常行驶，驱动力必须随行驶情况的改变而变化。同时，还要求汽车能在不同的情况下具有合适的行驶速度；能倒向行驶；能平稳起步；能弯道行驶等。

活塞式内燃机虽然具有转速较高的特点，但转矩数值及变化范围小，且不能倒转，所以单靠发动机远远不能适应上述要求，无法使汽车正常行驶。因此，还需要设置传动系与发动机之间的协同配合，才能让乘用车在不同形式的工况境界中以不错的状态行驶。

2.3传动系的布置形式

汽车传动系的组成和其布置的方式，随发动机的类型、安装位置及汽车用途、驱动形式不同而变化。汽车驱动形式通常用全部车轮数×驱动车轮数来表示。如共有两根车桥四个车轮，后桥上的两个车轮为驱动轮，驱动形式则为4×2；如果四个轮子都是驱动轮，则表示为4×4.在本次设计中，我采用的是4×2的驱动形式。

1. 发动机前置前轮驱动（FF）。这种布置形式广泛使用在轻型级、中级乘用车上。它的优势是发动机和动力传动系统在空间中的安排比较靠近；因此不需要传动轴，可以让汽车的地板低一些，有利于提高人们乘坐时的舒适感；与后轮驱动的汽车相比较，车的前半身比较重，因此转向不足特性会比较好，在操纵汽车时的平稳性能好；向客货两用车转化较为容易。若将发动机安放在轴距以外的位置上，可以使汽车的轴距变短，以此来使车辆的机动性能得以提高；给汽车散热降温的器件也安放于汽车的前身，其降温能力更强，以此使对发动机的冷却得到更好的条件；又因为行李箱是处在车辆的后半身，而汽车的后半部分未被占据，所以行李箱可以得到的空间将会很大；又因为发动机、离合器、变速器距司机比较近，所以要对其进行操作比较简单；而且若将发动机打横，可以用圆柱齿轮来替换主减速器中的锥形齿轮，这样还可以降低制造和装配难度。由于有上述的这么多优势，近年来，越来越多的中级以上乘用车上开始采用这种布置方式。然而由于前轮是驱动轮，在其进行上坡时，大部分附着力附在后轮上，导致驱动轮上的力不足，从而降低了汽车的爬坡能力，而若坡道比较泥泞的时候，驱动轮更会因此而易打滑并由此导致汽车失去操纵稳定性；当后座无人时制动，后轮易抱死；前轮驱动兼转向使得结构复杂；轮胎易磨损。
2. 发动机前置后轮驱动（FR）。这是目前广泛用于中、高端乘用车的传统布置形式。其发动机、离合器与变速器连成一体放置在汽车的前半部分，并通过万向节传动轴和后驱动桥的主减速器相连。这种布置方案的主要优点是可以比较均匀地使汽车载荷分配到前后两轴上，对操作的顺利性、行驶的平稳性和延长轮胎寿命有利；因为驱动轮是后轮，在上坡的时候，因为附着在驱动轮上的力变大，所以可以增强其爬坡能力；有足够大的行李箱空间；又因为变速器和主减速器是分开的，所以可以较容易地进行拆装和维修；发动机的接近性良好。缺点是动力传动系统部件多，自身质量大；传动轴的存在使得地板难以降低；汽车的轴间距离以及总长度都会很长，整体质量比较大，并会由此影响到汽车的动力性与燃油经济性。
3. 发动机后置后轮驱动（RR）。其发动机、离合器、变速器及主减速器连成一体，不需要传动轴，这种布置方式常将发动机安放在轴距之外，与发动机前置后轮驱动方式相比，轴距可相应缩短，可减小整车的质量，让整车结构更加紧凑，机动性增强，但必须为后轮配置独立式悬架。缺点是高速时转向不稳定，有过度转向的倾向；操纵机构复杂；后座噪声大，后轮气压高，不利于人们乘坐时的舒适感。该布置形式曾用于微型乘用车，现在很少采用。

在本次设计中，我采用的是发动机前置后轮驱动（FR）方式。其大致的传动系统如下图所示：

图2.1 整车大体传动方案

3、转向系统方案分析

3.1电动式动力转向方案分析及原理

3.1.1电动式动力转向系统结构和工作原理

电动助力转向系统的工作原理是在传统机械式转向器的结构中，添加信号传感器、电子控制单元和转向助力机构等装置。下图所示为电动式动力转向系统简图。

图3.1 电动式动力转向系统简图

信号传感器主要由转矩传感器、车速传感器和转向角传感器组成。利用这三个传感器便可以知道汽车在任意时刻时方向盘上传递的转向力的大小，瞬时车速的大小以及汽车此时转向角的大小等信号。电子控制单元则主要由检测电路、微处理器和控制电路组成。检测电路把前面传递过来的各部分信号处理后输送给微处理器部分，然后其将会由此得出一个最合适的助力转矩的值，之后微处理器将会给控制电路发送一个电流指令，控制电路则将此指令发送给助力电机驱动电路中。转向助力机构则由助力电动机、电磁离合器及减速传动机构组成。一般选用直流电机做为助力电机，其根据不同的情况会从微处理器处得到不同的信号而产生不同的电流以得到最合适的助力。而助力则是通过减速传动机构传递到转向器处。电磁离合器是以确保系统安全的作用存于助力机构之中。其会在系统出现问题是切断助力电机与转向器之间的联系，使系统重新变为机械式转向状态。

3.1.2电动式动力转向系统的布置方案

电动式动力转向系统按电动机布置位置的不同分为转向轴助力式、齿轮助力式和齿条助力式三种。

1. 转向轴助力式 助力单元、控制器和传感器都集中于转向轴处（见图3.1左）。整个助力系统排布占据空间小，比较容易在各种情况的转向轴上进行安装。由于转向轴就在方向盘下面，其所在环境较之其他两类好很多，不需要太注重于防水和防温度过高。与其他电动式助力系统相比，它在转向系统这一方面只做了很小的一部分变化，因而其便于把过去的非助力式转向系统的车辆转变为此类EPS汽车。该类EPS所需的造价最少，性价比高，当前在市场中销售的大部分都是此类EPS；缺点是由于转向轴就在方向盘下面，其电机产生的噪音与振动都会有很大一部分直接传给驾驶员，而且其传动的总路线太长，期间造成的损失也很大，这导致其反应较慢。
2. 齿轮助力式 助力电机安装在转向齿轮轴上端（见图3.1中），具有结构紧凑的优点。与转向轴助力式对比而言，其可以在相等的质量下使系统具有更大的刚度。安装环境很差，位于驾驶室以外，离前桥很近，温差大，又经常受到外界尘土等物质的侵蚀，这要求其防水性和防高温的性能要特别高。
3. 齿条助力式 助力电机安装在转向器的齿条位置（见图3.1右）。这一类的助力系统综合特性最强，空间布置也很好，电动机可以直接给齿条提供力，效果十分不错，响应所需的时间也最少，助力电机产生的振动与声音大部分都无法传到司机那里；缺点是太贵了，而且设计安装较为繁杂。

图3.2 电动助力转向系统类型

在本次设计中，我选择了齿条助力式电机。

3.2 转向操纵机构的布置和分析

3.2.1方向盘

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