汽車轉(zhuǎn)向器液壓助力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 中 北 大 學(xué) 信 息 商 務(wù) 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告學(xué) 生 姓 名：劉子軒學(xué) 號(hào)：1301034118系 名：機(jī)械工程系專 業(yè)：車輛工程設(shè) 計(jì) 題 目： 汽車轉(zhuǎn)向器液壓助力系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師:張翼 2017年3 月3日 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開(kāi) 題 報(bào) 告1文獻(xiàn)綜述：(1) 選題背景 汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能是汽車的主要性能之一，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能直接影響到汽車的操縱穩(wěn)定性，它對(duì)于確保車輛的安全行駛、減少交通事故以及保護(hù)駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件起著重要的作用。本次課題設(shè)計(jì)主要總數(shù)國(guó)內(nèi)外轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究發(fā)展，介紹各轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理及其關(guān)鍵技術(shù)并提出汽車轉(zhuǎn)向系的發(fā)展趨勢(shì)，合理地設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使汽

2、車具有良好的操縱性能。這始終是設(shè)計(jì)人員的重要研究課題，在車輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天，針對(duì)更多不同水平的駕駛?cè)巳?，汽車的易操縱性設(shè)計(jì)顯得尤為重要。電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱EPS),根據(jù)動(dòng)力源不同又可分為液壓式電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（液壓式EPS，又作EHPS）和電動(dòng)式電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（電動(dòng)式EPS）。EHPS是在傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)了控制液體流量的電磁閥、車速傳感器和電子控制單元等裝置構(gòu)成的，電子控制單元根據(jù)檢測(cè)到的車速信號(hào)，控制電磁閥的開(kāi)度，使轉(zhuǎn)向動(dòng)力放大倍率實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，從而滿足高、低速時(shí)的轉(zhuǎn)向助力要求。(2)課題研究意義隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展以及人們對(duì)

3、于舒適、安全性能要求的不斷提高，對(duì)轉(zhuǎn)向器的安全性及操作穩(wěn)定性的要求也進(jìn)一步提高。本次設(shè)計(jì)通過(guò)分析轉(zhuǎn)向器的功能要求，結(jié)合轉(zhuǎn)向器的布置設(shè)計(jì)，比較各類型的轉(zhuǎn)向器的優(yōu)缺點(diǎn)設(shè)計(jì)一款轉(zhuǎn)向器。根據(jù)一些指定的參數(shù)結(jié)合汽車設(shè)計(jì)和其他相關(guān)書籍中關(guān)于轉(zhuǎn)向器的理論知識(shí)，給出優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量的選擇范圍使設(shè)計(jì)出的轉(zhuǎn)向器液壓助力器符合使用要求。作為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，轉(zhuǎn)向器對(duì)汽車的操縱穩(wěn)定性和駕駛員的安全駕駛有這直接的影響。特別是在車輛高速化，車流密集化的今天，汽車轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)極為重要。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其達(dá)到汽車總體設(shè)計(jì)的要求，以達(dá)到對(duì)汽車的機(jī)構(gòu)整體優(yōu)化，更好地提高相應(yīng)性能，達(dá)到更高水平。

4、通過(guò)此次設(shè)計(jì)提高自身實(shí)習(xí)運(yùn)用有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)、查圖表、畫圖規(guī)范等有關(guān)資料文獻(xiàn)的能力，從而進(jìn)一步培養(yǎng)自身識(shí)圖、辯圖，運(yùn)算和編寫技術(shù)文件等基本技能。通過(guò)汽車轉(zhuǎn)向器液壓助力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計(jì)思想，鞏固和加強(qiáng)所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，加強(qiáng)機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算和編寫技術(shù)文件等的基本功能，從事汽車設(shè)計(jì)方面的工作奠定良好的基礎(chǔ)。 （3）國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀5汽車轉(zhuǎn)向器機(jī)構(gòu)涉及整車的操縱性、穩(wěn)定性和安全性，它的質(zhì)量也反映了車輛的質(zhì)量，是直接關(guān)系到車輛性能的關(guān)鍵部件。汽車轉(zhuǎn)向動(dòng)力的來(lái)源由以前的人轉(zhuǎn)變?yōu)槿肆右簤褐?。液壓助力系統(tǒng)HPS（HydraulicPowerSteering）是在機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)液

5、壓系統(tǒng)而成。該液壓系統(tǒng)一般與發(fā)動(dòng)機(jī)相連當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候，一部分發(fā)動(dòng)機(jī)能量提供汽車前進(jìn)的動(dòng)能，另外一部分則為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。由于其工作可靠、技術(shù)成熟至今仍被廣泛應(yīng)用。6這種助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要的特點(diǎn)是液壓力支持轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，減小駕駛者作用在方向盤上的力，改善了汽車轉(zhuǎn)向的輕便性和汽車運(yùn)行的穩(wěn)定性。機(jī)械液壓助力：7機(jī)械液壓助力是我們最常見(jiàn)的一種助力方式，它誕生于1902年，由英國(guó)人Frederick W. Lanchester發(fā)明，而最早的商品化應(yīng)用則推遲到了半個(gè)世紀(jì)之后，1951年克萊斯勒把成熟的液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)應(yīng)用在了Imperial車系上。由于技術(shù)成熟可靠，而且成本低廉，得以被廣泛普及。 機(jī)械液壓

6、助力系統(tǒng)的主要組成部分有液壓泵、油管、壓力流體控制閥、V型傳動(dòng)皮帶、儲(chǔ)油罐等等。這種助力方式是將一部分發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)化成液壓泵壓力，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)施加輔助作用力，從而使輪胎轉(zhuǎn)向。 根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)液流方式的不同可以分為常壓式液壓助力和常流式液壓助力。常壓式液壓助力系統(tǒng)的特點(diǎn)是無(wú)論方向盤處于正中位置還是轉(zhuǎn)向位置、方向盤保持靜止還是在轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)管路中的油液總是保持高壓狀態(tài)；而常流式液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向油泵雖然始終工作，但液壓助力系統(tǒng)不工作時(shí)，油泵處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，管路的負(fù)荷要比常壓式小，現(xiàn)在大多數(shù)液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)都采用常流式?？梢钥吹?，不管哪種方式，轉(zhuǎn)向油泵都是必備部件，它可以將輸入的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為油液

7、的壓力。8機(jī)械液壓助力優(yōu)缺點(diǎn)： 機(jī)械液壓助力的方向盤與轉(zhuǎn)向輪之間全部是機(jī)械部件連接，操控精準(zhǔn)，路感直接，信息反饋豐富；液壓泵由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)向動(dòng)力充沛，大小車輛都適用；技術(shù)成熟，可靠性高，平均制造成本低。 由于依靠發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)油泵，能耗比較高，所以車輛的行駛動(dòng)力無(wú)形中就被消耗了一部分；液壓系統(tǒng)的管路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，各種控制油液的閥門數(shù)量繁多，后期的保養(yǎng)維護(hù)需要成本；整套油路經(jīng)常保持高壓狀態(tài)，使用壽命也會(huì)受到影響，這些都是機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點(diǎn)所在。9電子液壓助力：由于機(jī)械液壓助力需要大幅消耗發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，所以人們?cè)跈C(jī)械液壓助力的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出了更節(jié)省能耗的電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 這

8、套系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向油泵不再由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，而是由電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，并且在之前的基礎(chǔ)上加裝了電控系統(tǒng)，使得轉(zhuǎn)向輔助力的大小不光與轉(zhuǎn)向角度有關(guān)，還與車速相關(guān)。機(jī)械結(jié)構(gòu)上增加了液壓反應(yīng)裝置和液流分配閥，新增的電控系統(tǒng)包括車速傳感器、電磁閥、轉(zhuǎn)向ECU等。10電子液壓助力的原理與機(jī)械液壓助力基本相同，不同的是油泵由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)助力力度可變。車速傳感器監(jiān)控車速，電控單元獲取數(shù)據(jù)后通過(guò)控制轉(zhuǎn)向控制閥的開(kāi)啟程度改變油液壓力，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力力度的大小調(diào)節(jié)。11電子液壓助力擁有機(jī)械液壓助力的大部分優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還降低了能耗，反應(yīng)也更加靈敏，轉(zhuǎn)向助力大小也能根據(jù)轉(zhuǎn)角、車速等參數(shù)自行調(diào)節(jié)，更加人性化。不過(guò)引入了很多電子單

9、元，其制造、維修成本也會(huì)相應(yīng)增加，使用穩(wěn)定性也不如機(jī)械液壓式的牢靠，隨著技術(shù)的不斷成熟，這些缺點(diǎn)正在被逐漸克服，電子液壓助力已為很多家用車型選擇。電動(dòng)助力：12EPS就是英文Electric Power Steering的縮寫，即電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動(dòng)助力機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，省去了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓油、傳送帶和裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上的皮帶輪，既節(jié)省能量，又保護(hù)了環(huán)境。另外，還具有調(diào)整簡(jiǎn)單、裝配靈活以及在多種狀況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點(diǎn)。正是有了這些優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為一種新的轉(zhuǎn)向技術(shù)，將挑戰(zhàn)大家都非常熟知的、已具有50

10、多年歷史的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。駕駛員在操縱方向盤進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)矩的大小，將電壓信號(hào)輸送到電子控制單元，電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)距電壓信號(hào)、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和車速信號(hào)等，向電動(dòng)機(jī)控制器發(fā)出指令，使電動(dòng)機(jī)輸出相應(yīng)大小和方向的轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生輔助動(dòng)力。汽車不轉(zhuǎn)向時(shí)，電子控制單元不向電動(dòng)機(jī)控制器發(fā)出指令，電動(dòng)機(jī)不工作。技術(shù)優(yōu)勢(shì)：131、節(jié)能環(huán)保 由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，液壓泵始終處于工作狀態(tài)，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量增加了35，而EPS以蓄電池為能源，以電機(jī)為動(dòng)力元件，可獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)工作，EPS幾乎不直接消耗發(fā)動(dòng)機(jī)燃油。EPS不存在液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的燃油泄漏問(wèn)題

11、，EPS通過(guò)電子控制，對(duì)環(huán)境幾乎沒(méi)有污染，更降低了油耗。2、安裝方便 EPS的主要部件可以配集成在一起，易于布置，與液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比減少了許多元件，沒(méi)有液壓系統(tǒng)所需要的油泵、油管、壓力流量控制閥、儲(chǔ)油罐等，元件數(shù)目少，裝配方便，節(jié)約時(shí)間。143、效率高 液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)效率一般在60%70%，而EPS的效率較高，可高達(dá)90以上。4、路感好 傳統(tǒng)純液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系大多采用固定放大倍數(shù)，工作驅(qū)動(dòng)力大，但卻不能實(shí)現(xiàn)汽車在各種車速下駕駛時(shí)的輕便性和路感。而EPS系統(tǒng)的滯后特性可以通過(guò)EPS控制器的軟件加以補(bǔ)償，使汽車在各種速度下都能得到滿意的轉(zhuǎn)向助力。5、回正性好 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅操作簡(jiǎn)便，

12、還可以通過(guò)調(diào)整EPS控制器的軟件，得到最佳的回正性，從而改善汽車操縱的穩(wěn)定性和舒適性。15主要結(jié)構(gòu)：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向傳感裝置、車速傳感器、助力機(jī)械裝置、提供轉(zhuǎn)向助力電機(jī)及微電腦控制單元組成。工作原理：微電腦控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)向傳感裝置和車速傳感器傳出的信號(hào)，確定轉(zhuǎn)向助力的大小和方向，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)輔助轉(zhuǎn)向操作。參考文獻(xiàn)：1 過(guò)學(xué)迅主編.汽車設(shè)計(jì)北京：人民交通出版社，2005 1 劉鴻文.材料力學(xué)-4版.北京：高等教育出版社，20042宋云，陳全世，王霄峰輕型電動(dòng)客車車身一車架的有限元結(jié)構(gòu)分析及實(shí)驗(yàn)研究汽車技術(shù)，199710 3 濮良貴 紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社，20064 陳家瑞.

13、汽車構(gòu)造（下冊(cè)）.北京：人民交通出版社，2008 5 秦秀文等. 62 聯(lián)體后橋的傳動(dòng)路線及優(yōu)化方案J. 農(nóng)業(yè)裝備 與車輛工程，2009，（6） 6 Lqbal Husain(美）. Electric Vehicles: Desigedition 機(jī)械工業(yè)出版社 .7高云凱，張榮榮，彭和東，王青海微型電動(dòng)轎車車身骨架結(jié)構(gòu)分析J汽車工程，8Robert D.Cook,Macheal E. Plesha FiniElement Analysis 西安交通大學(xué)出版社.9 曾向陽(yáng).謝國(guó)明，王學(xué)平,等.UGNX基礎(chǔ)及應(yīng)用教程.北京:電子工業(yè)出版社，2003.10 熱處理手冊(cè)編委會(huì).熱處理手冊(cè)北京:機(jī)械工

14、業(yè)出版社，2001：899811 鐘毅芳.吳昌林，唐增寶主編.機(jī)械設(shè)計(jì).華中科技大學(xué)出版社，2001.2：128012 劉鴻文.材料力學(xué).高等教育，2004：465113 王知行，劉延榮.機(jī)械原理.北京高等教育出版社，2000,2： 18214 孟少農(nóng)主編.機(jī)械加工工藝手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社，2002：32032615 劉品.劉麗華.互換性與測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ).哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002,1(2)：1112 本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）： 一、 本課題有待解決的主要關(guān)鍵問(wèn)題 此次設(shè)計(jì)主要按照時(shí)間節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行研究。大致分為以下幾點(diǎn)： 1.根據(jù)不同材料的性能，對(duì)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)

15、分析： 目前主要研究整體式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的各分布結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)向控制閥、齒輪齒條式轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸設(shè)計(jì)成一體，組成整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。該轉(zhuǎn)向器的控制閥為轉(zhuǎn)閥式結(jié)構(gòu)。扭桿的一端通過(guò)花鍵與轉(zhuǎn)向齒輪連接，扭桿的另一端與轉(zhuǎn)閥的閥心用銷子連接，閥心又與轉(zhuǎn)向軸的末端固定在一起。轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)動(dòng)可以通過(guò)扭桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)向齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)閥的閥心外圈與閥體相配合，閥心和閥體構(gòu)成控制閥，置于轉(zhuǎn)向器殼體內(nèi)。轉(zhuǎn)向器殼體上有油孔分別通向轉(zhuǎn)向液壓泵、轉(zhuǎn)向油罐以及轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的左右兩個(gè)工作腔。轉(zhuǎn)向齒條與轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸內(nèi)的活塞制成一體，活塞將轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸分隔為左右兩個(gè)工作腔。轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸上有油管通向轉(zhuǎn)向器殼體內(nèi)的控制閥。 轉(zhuǎn)向控制閥主要由閥體、閥芯及扭桿

16、組成?？刂崎y體呈圓筒形，其表面上制有三道較寬且深的油環(huán)槽和四道較窄淺的密封環(huán)槽。各油環(huán)槽的底部開(kāi)有與內(nèi)壁相通的油孔，中間油環(huán)槽的油孔是進(jìn)油通道，與轉(zhuǎn)向液壓泵相通；兩側(cè)油環(huán)槽的油孔，分別與轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的左腔、右腔相通。密封環(huán)槽用于安裝密封圈組件。在閥體的內(nèi)表面，與左腔、右腔相通的油孔處制有六條不貫通的縱槽，形成六道槽肩。閥芯也制成圓筒形， 其外表面與閥體滑動(dòng)配合，二者可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。閥芯與閥體配合間隙很小，配合精度很高，二者組成偶件，不可更換。閥芯表面上也制有六條不貫通的縱槽，形成六道槽肩，分別與閥體的槽肩和縱槽配合形成液體流動(dòng)間隙，在閥芯的不同縱槽上開(kāi)有三個(gè)等間隔的徑向通孔，用以流通液壓油，此油道

17、通向轉(zhuǎn)向油罐。 2.掌握總成的總體布置及性能參數(shù)的選擇 3.計(jì)算液壓助力系統(tǒng)受力的各種分析包括強(qiáng)度計(jì)算和校核等 二、本課題采用的研究手段（途徑） 本課題主要針對(duì)某微型車助力轉(zhuǎn)向器進(jìn)行結(jié)構(gòu)研究，首先采用Pro/E軟件建立液壓助力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模型通過(guò)大型結(jié)構(gòu)通用有限元軟件建立有限元模型，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)、強(qiáng)度、剛度以、疲勞壽命分析。此課題主要的研究?jī)?nèi)容為：（1）探索研究建模方法，特別是對(duì)影響模型準(zhǔn)確度的典型連接方式：對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)。根據(jù)該車液壓助力系統(tǒng)的幾何模型，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，略去了不影響整體計(jì)算精度的倒圓、倒角、小孔等；考慮到模擬的精度以及模型的建模時(shí)間，選取可行的焊點(diǎn)模擬方式應(yīng)用到液壓助力系統(tǒng)的模型中，建立液壓助力系統(tǒng)的分析模型。（2）根據(jù)車輛實(shí)際受力情況，利用上述液壓助力系統(tǒng)模型進(jìn)行液壓助力系統(tǒng)的抗彎和抗扭剛度分析，靜強(qiáng)度分析、疲勞分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。（3）對(duì)液壓助力系統(tǒng)進(jìn)行有限元模態(tài)分析，求得液壓助力系統(tǒng)的固有頻率和振型。并通過(guò)液壓助力系統(tǒng)的理論模態(tài)與同類型的液壓助力系統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證液壓助力系統(tǒng)有限元模型的準(zhǔn)確度，并對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。 （4）對(duì)液壓助力系統(tǒng)進(jìn)行破壞分析研究，并對(duì)破壞結(jié)果進(jìn)行分析來(lái)評(píng)價(jià)液壓助力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性。（5）進(jìn)行液壓助力系統(tǒng)優(yōu)化，分析優(yōu)化后的結(jié)果并加以評(píng)價(jià)。三、研究進(jìn)程安排 2017年 2月13日