7110轿车转向总成设计.docx
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7110轿车转向总成设计
摘要
转向机学名为转向器,它是转向系中最重要的部件。
作用是:
增大转向盘传到转向传动机构的力和改变力的传递方向。
目前的轿车转向分为前转向﹙2ws﹚和四轮转向﹙4ws﹚转向器。
按结构形式可分为多种类型。
目前常用的有齿轮齿条式、蜗杆曲柄销式和循环球式。
其中齿轮齿条式优点是结构简单,成本低廉,转向灵敏,刚性大,体积小,可直接带动横拉杆。
在汽车上得到广泛应用。
但由于这种方式容易由车轮将反作用力传至转向盘,所以具有对路面状态反应灵敏的优点,同时也容易产生打手和摆振等现象。
为此我研究如何解决这些缺陷。
初步设想现代轿车马力大、速度快,为了操纵的轻便和灵敏,需加装了转向动力装置,又称为液压动力转向器。
它具有工作无噪声,灵触度高体积小,能够吸收来自不平路面的冲击力。
论文详细的介绍了汽车电控式液压助力转向系的组成,工作原理,以及设计过程,同时对系统及器件的选择,检测,关键部件的校核及注意事项也进行了说明。
关键词汽车;齿轮齿条转向器;组成;原理;设计
Abstract
Machineknownasthesteeringgeartoschool,whichisinlinetothemostimportantparts.Roleisto:
increasethesteeringwheeltospreadandtransmissionofpowertochangethedirectionoftransmission.Atpresentthecartomoveintotheformer(2ws)andfour-wheelsteering(4ws)steeringgear.Accordingtothestructurecanbedividedintomanytypes.Atpresent,therearecommonlyusedrackandpinion,wormandcrankpin-ballcircle.Rackandpinionwhichistheadvantageofsimplestructure,low-costandsensitiveto,rigid,smallsize,canbedirectlycross-bar.Inthecaronthewidelyused.However,inthiswaywillbeeasierbythereactionwheelsteeringwheelcanbespread,sohasthestateoftheroadresponsiveadvantages,butalsopronetoshimmyandhatchetman,andotherphenomena.TothatendIhavetostudyhowtoaddressthesedeficiencies.Theinitialideaofamodernhigh-poweredcars,fast,inordertomanipulatethelightandsensitivetotheneedtoinstallthepowerplant,alsoknownashydraulicpowersteeringgear.Itistheworkofnon-noise,high-lingTouchsmallsize,canbeabsorbedfromtheimpactoftheunevenpavement.
Papersdetailthecarelectronicallycontrolledhydraulicpowersteeringsystemcomponents,workingprinciple,aswellasthedesignprocess,whilethechoiceofsystemsanddevices,testingthekeycomponentsofthecheckandnotealsodescribed
Keywords:
vehicle;torackandpinionsteering;composition;principle;Design
摘要...................................................ⅠAbstract....................................................Ⅱ
第一章绪论..................................................1
1.1电控液压式助力转向系统的特点.......................1
1.2电控液压式助力转向系统的国内外分析................2
第二章电控液压式助力转向系统..............................4
2.1汽车电控液压式助力转向系统简介.....................4
2.2系统的结构及其工作原理............................4
第三章哈飞路宝7110轿车转向系统............................6
3.1机械转向器......................................6
3.1.1机械转向器的作用............................6
3.1.2机械转向器的分类..........................6
3.1.3机械转向器的选择..........................6
3.1.4机械转向器参数的确定........................8
3.2液压泵...........................................9
3.2.1液压泵的分类...............................9
3.2.2所选液压泵的特性...........................9
3.2.3液压泵参数的确定..........................10
3.3驱动电动机......................................10
3.3.1电动机参数的确定..........................103.3.2所选电动机的特性.........................11
3.4车速传感器....................................12
3.5ECU控制器.....................................12
第四章电控液压式助力转向系统的控制方法..................14
4.1电控液压式助力转向系统的动力学方程.................14
4.2电控液压式助力转向系统对转向路感的影响...........14
4.2.1路感强度定义................................15
4.3目标电流的控制策略...............................154.3.1目标电流的确定..............................16
4.3.2电动机电流的PDI控制........................16
结论.........................................................19
致谢.........................................................20
参考文献....................................................21
附录1.......................................................22
附录2.......................................................25
第一章绪论
1.1电控液压式助力转向系统的特点
由于动力转向系统具有转向操纵灵活、轻便、并可吸收路面对前轮产生的冲击等优点,自20世纪50年代以来在各国汽车上开始普遍应用。
现今液压助力转向器(HPS)是以内燃机作为动力的汽车助力转向器的主流。
但是传统的HPS需要持续的能量消耗,降低了汽车的燃油经济性。
同时其复杂的液压系统具有助力特性不可调整、污染环境、维修不便等缺点。
20世纪80年代开始研究的汽车上的电能为动力的电控液压式助力转向系统(EHPS)。
和HPS相比,它具有更为突出的优点:
l:
EHPS能在各种行驶工况下提供最佳助力,减少由路面不平所引起的对转向系统的扰动,改善汽车的转向特性,减少汽车低速行驶时的转向操纵力,提高汽车高速行驶时的转向稳定性,进而提高汽车的主动安全性。
并且可通过设置不同的转向手力特性来满足不同对象使用的需要。
2:
提高了汽车的燃油经济性。
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。
相反电动转向系的EHPS需要转向操作时才需要电机提供的能量,是真正的“按需供能型”(ondemand)系统。
装有电动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、装有电动转向系统的车辆燃泊消耗降低2.5%;在使用转向情况下,燃油消耗降低了5.5%。
3:
增强了转向跟随性。
在EHPS中,电动机与助力机构直接相连以使其能量直接用于车轮的转向。
这样增加了系统的转动惯量,电机部分的阻尼也使得车轮的反转和转向前轮摆振大大减小。
因此转向系统的抗扰动能力大大增强。
和HPS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。
4:
该系统由电动机直接提供转向助力,在停车时,也可获得最大的向动力。
同时省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管液压油、密封件、传送带和装于发动机上的皮带轮等,其零件比HPS大大减少,因而其质量更轻、结构更紧凑,在安装位置的选择方面也更容易,装配自动化程度更高,维修更简单。
5:
EHPS没有液压回路,不存在渗油的问题,减少了对环境的污染。
同时由于液压油在低温时的粘度很大,存在低温时必须有个加温的过程,而HEPS可以在零下40℃很好的工作,基本上不存在受温度影响的问题。
6:
在未来10一巧年推出的纯电动汽车或者燃料电池汽车等汽车上由于没有的传统意义上的内燃机,因此必须考虑安装EHPS.
7:
电动转向还可有各种安全保护措施和故障自诊断功能。
使用可靠,维修方便。
由此可见,EHPS和HPS相比,是一项紧扣现代汽车时代发展主题的高新技术,必将逐步取代现有的机械转向系统、液压助力转向系统和电控液压助力转向系统。
1.2电控式液压助力转向系统的国内外分析
电控液压式转向系统是20世纪80年代初期提出来的。
1988年2月日本铃木公司首次在其Cervo车上装备EHPS,随后还用在了其Alt。
车上。
在此之后,EHPS技术得到迅速发展。
日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司、光洋公司,英国的CHERWLL公司、卢卡斯公司,美国的Delpi汽车系统公司、TRW公司、德国的西门子公司、ZF公司,都相继研制出自己的EHPS.比如,大发汽车公司在其Mira车上装备了EHPS,三菱汽车公司则在其Minica车上装备了EHPS;本田汽车公司的Accord车目前已经选装了EHPS,52000轿车的动力转向系统也将倾向于选择EPS;Delpi汽车系统公司已经为大众的Pol。
、欧宝的3181、以及菲亚特的Punt。
开发出EHPS。
TRW从1998年开始,便投入了大量的人力、物力和财力用于EPS的开发。
他们最初针对客车开发出转向柱助力式EHPS,如今小齿轮助力式的EHPS开发也已获得成功。
1999年3月,他们的EHPS已经装备在轿车上,如FordFiesta和Mazda323F等。
MerCedeS一Benz和SiemensAutomotive两大公司共同投资6500万英镑用于该技术的开发。
他们计划开发出前桥负荷在12O0kg的EHPS,因此货车也将可能成为EHPS的装备目标。
经过20几年的发展,特别是现代电子技术的发展,EPS技术已日趋完善,己经从实验室走向市场。
其应用范围已经从最初的微型轿车向更大型轿车和商用客车方向发展。
如本田的Accord、菲亚特的Punto等中型轿车已经安装了EPS.本田甚至在其AcuraNSX赛车上装备EPS。
同时EPS的助力形式也从低速范围内助力向全速范围内助力发展,并且其控制形式和功能也进一步加强。
日本早期的EHPS仅仅在低速和停车时提供助力,高速时EHPS将停止工作。
新一代的EHPS不仅在低速和停车时提供助力,还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。
如铃木公司装备在wagonR+车上的EHPS是一个负载一路面一车速感应型的助力转向系统。
Delpi为Punto车开发的EHPS属于全速范围助力型,并且首次设置了两个开关,其中一个用于郊区,另一个用于市区和停车。
当车速大于7Okm/h后,这不同开关所执行设置的程序是一样的,已保证高速时有合适的路感。
市区型还和油门有关,使得在踩油门加速和松油门减速时,转向更平滑。
美国的De1Pi汽车公司最新推出的电子伺服前轮转向控制系统,取消了驾驶员和汽车前轮的机械连接,取消了传统的转向柱、转向轴和齿轮齿条等,而由速度传感器、转矩传感器、控制器、电动机和减速机构等组成。
但它仍采用转向盘(必要时也可改用操纵手柄),通过电动机向驾驶员提供路面反馈。
该转向系统可以说代表了EPS目前发展的最高水平。
相比之下,国内的EHPS的研究起步较晚。
1992年清华大学的学生在导师的指导下进行了探索性的研究。
其后的几年,同济大学、吉林大学、华中科技大学相继开展了这方面的研究,取得了一些进展。
估计在今后的几年,会有更多的公司和科研所投入到EHPS的研究行列中来。
第二章电控式液压助力转向系统
2.1汽车电控式液压助力转向系统简介
电控液压助力转向系统具有随车速调节的可变助力特性,可改善驾驶员的转向路感.通过对转向器转阀的分析,建立了转向器模型以及分流式的模型,采用简化算式对转向器及分流式操舵力特性曲线进行了分析.通过改变转阀的预开隙、转阀的坡口半径、转向器扭杆刚度及电磁阀阀芯节流口形状等参数,分析了的影响参数.计算结果表明分流式操舵力特性主要取决于转向器转阀的结构参数,并且和电磁阀阀芯开口有一定关系
2.2系统的结构及其工作原理
图2-1电控液压式助力转向器组成框图
图2一1为齿轮一齿条式EHPS系统的结构简图,它在EHPS系统中很有代表性,后面我们的分析大都以此为模型展开。
从图上可以看出,所谓的EHPS系统就是在原机械转向系统的基础上,增加了车速传感器、转矩转角传感器、电子控制器、电动机及其传动机构,直接利用电动机驱动转向轴提供助力转矩。
转矩转角传感器测量转矩与方向盘转角大小并和车速信号一起送入电子控制器。
控制器根据得到的信号判断是否助力以及助力的方向。
若需要助力,则依照既定的控制策略计算电机助力转矩的大小并输出相应控制信号给驱动电路。
后者提供相应的电压或者电流给电动机。
电动机输出的转矩通过传动机构驱动转向轴转动从而实现助力作用。
在此可以看到,正是由于有了电子控制器,较传统的HPS,EPS的助力大小可以根据控制策略调整。
这给设计性能优异的助力转向统提供了可能。
一个好的控制策略可以使驾驶员的作用力大小适当、路感良好并使转向系统响应快速、阻尼特性好。
第三章哈飞路宝7110轿车转向系统
3.1机械转向器
3.1.1机械转向器的作用
机械转向系以人的体力作为转向动力,其中所有传力件都是机械机构,它由转向操纵机构,转向器和转向传动机构三大部分组成。
机械转向系也因汽车采用的悬架不同而分为两种:
与独立悬架配用的转向系和与非独立悬架配用的转向系。
在转向时,驾驶员转动转向盘,通过转向轴,安全联轴节带动转向齿轮转动,齿轮使齿条轴向移动,带动拉杆移动,使车轮偏转,实现转向。
3.1.2机械转向器的分类
机械转向器的分类为:
齿轮齿条式,循环球式,涡轮蜗杆式。
齿轮齿条式优点是结构简单,成本低廉,转向灵敏,刚性大,体积小,可直接带动横拉杆。
在汽车上得到广泛应用。
但由于这种方式容易由车轮将反作用力传至转向盘,所以具有对路面状态反应灵敏的优点,同时也容易产生打手和摆振等现象。
循环球式转向器的优点是:
传动效率可达到75%~85%;转向器的传动比可以变化;工作平稳可靠;齿条和齿扇之间的间隙调整容易;适合用来做整体式动力转向器。
循环球式转向器的主要缺点是:
逆效率高,结构复杂,制造困难,制造精度要求高。
蜗杆滚轮式转向器由蜗杆和滚轮啮合而构成。
主要优点是:
结构简单;制造容易;强度比较高、工作可靠、寿命长;逆效率低。
主要缺点是:
正效率低;调整啮合间隙比较困难;传动比不能变化
3.1.3机械转向器的选择
齿轮齿条式转向器的主要优点是:
结构简单、紧凑、体积小、质量轻;传动效率高达90%;可自动消除齿间间隙(图3-1所示);没有转向摇臂和直拉杆,转向轮转角可以增大;制造成本低。
齿轮齿条式转向器的主要缺点是:
逆效率高(60%~70%)。
因此,汽车在不平路面上行驶时,发生在转向轮与路面之间的冲击力,大部分能传至转向盘。
图3-1自动消除间隙装置
根据输入齿轮位置和输出特点不同,齿轮齿条式转向器有四种形式:
中间输入,两端输也(图3-2a);侧面输入,两端输出(图3-2b);侧面输入,中间输出(图3-2c);侧面输入,一端输出(图3-2d)。
图3-2齿轮齿条式转向器的四种形式
采用侧面输入、中间输出方案时,由于拉杆长度增加,车轮上、下跳动时位杆摆角减小,有利于减少车轮上、下跳动时转向系与悬架系的运动干涉。
而采用两侧输出方案时,容易与悬架系统导向机构产生运动干涉。
侧面输入、一端输出的齿轮齿条式转向器,常用在平头微型货车上。
采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条式转向器,重合度增加,运转平稳,冲击与工作噪声均下降。
齿条断面形状有圆形、V形和Y形三种。
圆形断面齿条制作工艺比较简单。
V形和Y形断面齿条与圆形断面比较,消耗的材料少,故质量小。
根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同,在汽车上有四种布置形式:
转向器位于前轴后方,后置梯形;转向器位于前轴后方,前置梯形;转向器位于前轴前方,后置梯形;转向器位于前轴前方,前置梯形,见图3-3。
图3-3齿轮齿条式转向器的四种布置形式
齿轮齿条式转向器广泛应用于微型、普通级、中级和中高级轿车上。
装载量不大、前轮采用独立悬架的货车和客车也用齿轮齿条式转向器。
3.1.4机械转向器参数的确定
一、转向系计算载荷的确定
为了保证行驶安全,组成转向系的各零件应有.足够的强度。
欲验算转向系零件的强度,需首先确定作用在各零件上的力。
影响这些力的主要因素有转向轴的负荷、路面阻力和轮胎气压等。
为转动转向轮要克服的阻力,包括转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内摩擦阻力等。
精确地计算出这些力是困难的。
为此推荐用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩
(
)
(3-1)
式中,f为轮胎和路面间的滑动摩擦因数,一般取O.7;
为转向轴负荷(N);p为轮胎气压(
)。
作用在转向盘上的手力为
(3-2)
式中,
为转向摇臂长;
为转向节臂长;
为转向盘直径;
为转向器角传动比;
为转向器正效率。
对给定的汽车,用式(3-2)计算出来的作用力是最大值。
因此,可以用此值作为计算载荷。
然而,对于前轴负荷大的重型货车,用上式计算的力往往超过驾驶员生理上的可能,在此情况下对转向器和动力转向器动力缸以前零件的计算载荷,应取驾驶员作用在转向盘轮缘上的最大瞬时力,此力为700N。
二、齿轮齿条式转向器的设计
齿轮齿条式转向器的齿轮多数采用斜齿圆柱齿轮。
齿轮模数取值范围多在2~3mm之间。
主动小齿轮齿数多数在5~7个齿范围变化,压力角取20º,齿轮螺旋角取值范围多为9º~15º。
齿条齿数应根据转向轮达到最大偏转角时,相应的齿条移动行程应达到的值来确定。
变速比的齿条压力角,对现有结构在12º~35º范围内变化。
此外,设计时应验算齿轮的抗弯强度和接触强度。
主动小齿轮选用16MnCr5或15CrNi6材料制造,而齿条常采用45钢制造。
为减轻质量,壳体用铝合金压铸
3.2液压泵
3.2.1液压泵的分类
按照结构的形式的不同,液压泵可分为齿轮泵,叶片泵,柱塞式和螺杆式等类型;按照在单位时间内所输出油液体积能否调节,液压泵又分为定量式和变量式两类。
3.2.2所选液压泵的特性
叶片泵在机床,工程机械,船舶,压铸及治金设备中应用十分广泛。
和其他液压泵相比较,叶片泵具有结构紧凑,体积小,重量轻,流量均匀,运转平稳,噪声低等优点。
但也存在着结构比较复杂,吸油条件苛刻,工作转速有一定的限制,对油液污染比较敏感等缺点。
按照工作原理,叶片泵可分为单作用式和双作用式两种。
双作用式和单作用式性比,它的径向力是平衡的,受力情况比较好,应用较广。
3.2.3液压泵参数的确定
液压泵的压力参数分为工作压力和额定压力。
工作压力指液压泵出口处的实际压力值。
工作压力值取决于液压泵输出到系统中的液体在流动过程中所受的阻力。
阻力(负载)增大,则工作压力升高;反之则工作压力降低。
额定压力指液压泵在连续工作过程中允许达到的最高压力。
额定压力值的大小由液压泵零部件的结构强度和密封性来决定。
超过这个压力值,液压泵有可能发生机械或密封方面的损坏。
排量和流量
排量V 指在无泄漏情况下,液压泵转一转所能排出的油液体积。
可见,排量的大小只与液压泵中密封工作容腔的几何尺寸和个数有关。
排量的常用单位是(ml/r)。
理论流量qt指在无泄漏情况下,液压泵单位时间内输出的油液体。
其值等于泵的排量V和泵轴转数n的乘积
实际流量q指单位时间内液压泵实际输出油液体积。
由于工作过程中泵的出口压力不等于零,因而存在内部泄漏量Δq(泵的工作压力越高,泄漏量越大),使得泵的实际流量小于泵的理论流量,显然,当液压泵处于卸荷(非工作)状态时,这时输出的实际流量近似为理论流量。
额定流量qn 泵在额定转数和额定压力下输出的实际流量。
3.3驱动电动机
3.3.1电动机参数的确定
在汽车设计手册中我们可以找到关于前轮转向力的常用公式:
(3-3)
—作用在转向盘的力,N;
—原地转向阻力矩,N·㎜
—转向节臂长,㎜
R—转向盘半径,㎜
—转向角传动比
—转向器正效率
由于是采用前轮转向的公式来计算电机
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