1、全套图纸扣扣 153893706- I -某乘用车转向小齿轮助力式转向系统设计摘 要电动助力转向系统(EPS) 是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的动力转向系统，齿轮助力式动力转向系统(P-EPS )的电动机和减速机构与小齿轮相连，直接驱动转向齿轮助力转向，具有重量轻、安装灵活、维修方便、控制容易等优点。本文以丰田卡罗拉车型作为参考对象。第一，在初步了解电动助力转向系统的基础上，按照对电动助力转向系统的性能要求，合理确定小齿轮助力式转向系统的总体结构方案，即机械部分和电子控制伺服系统。对转向系统的机械部分，即齿轮齿条式转向器进行设计计算，合理选择齿轮、齿条的参数，保证其机械部分满足性能要求，并利
2、用CATIA工具软件绘制齿轮齿条转向器的三维模型；第二，利用MATLAB工具软件，对断开式转向梯形进行优化，其目的是在在规定的转角范围内使实际的内轮转角尽量地接近对应的理想的内轮转角；第三，利用有限元分析软件ANSYS 对转向节进行强度分析，使转向节在越过不平路面、紧急制动、转向侧滑工况下满足强度要求。关键词：小齿轮助力式转向系统；三维建模；转向梯形；转向节全套图纸扣扣 153893706- II -Design of Pinion Electric Power SteeringSystemAbstractThe Electric Power Steering System, which is
3、 short for EPS, is a kind of power steering system which directly depends on the power provided by the motor. P-EPS connected with the motor and the reduction mechanism, directly drive the steering gear, which has the advantages of light weight, flexible installation, easing to repair, easy controll
4、ing and so on. This article is based on the reference object model Toyota Corolla, made by the FAW Toyota Automobile Co. Ltd. Firstly, on the basis of preliminary understanding of electric power steering system ,in accordance with the performance requirements for the electric power steering system,
5、reasonably determine the power steering system overall structure of the system.The mechanical part of the steering system, namely the gear rack type steering gear is designed and calculated, the mechanical part can meet the performance requirements, rack and pinion steering and rendering 3D model is
6、 to use the CATIA tool. Secondly, using the MATLAB tool software, the splitting Ackerman steering linkage optimization, the purpose is the corner within the prescribed scope of the inner wheel angle to close the corresponding ideal inner round corner; Thirdly, in order to analyze the strength of the
7、 steering knuckle using finite element analysis software ANSYS, the steering knuckle over the uneven road, emergency brake, sideslip and composite conditions meet the strength requirements. Key Words：P-EPS, Three Dimensional Modeling, Steering Trapezoid, Steering Knuckle全套图纸扣扣 153893706- III -目 录摘 要
8、 .IAbstract.II第 1 章 绪论 11.1 本课题研究的目的和意义 11.2 国内外研究现状概述 11.3 本课题主要研究内容及技术方案 3第 2 章 转向系统总体方案设计 52.1 电动助力转向系统概述 52.1.1 电动助力转向系统的基本原理和工作特点 .52.2 电动助力转向系统分类 62.2.1 转向轴助力式转向系统 .62.2.2 小齿轮助力式转向系统 .62.2.3 齿条助力式转向系统 .62.3 小齿轮助力式转向系统总体设计方案 72.3.1 小齿轮助力式 EPS 总体结构方案 72.4 齿轮齿条转向器的设计计算 72.4.1 转向系计算载荷的确定 .72.4.2 E
9、PS 系统齿轮齿条转向器的主要元件 92.4.3 EPS 系统转向传动比 112.4.4 齿轮齿条式转向器的设计要求 .112.4.5 齿轮轴和齿条的设计计算 .112.5 本章小结 12第 3 章 断开式转向梯形优化设计 143.1 转向系统的结构模型 143.2 理想的左右轮转角关系 153.3 用解析法求实际的内外轮转角关系 7.153.4 转向传动机构优化设计 173.4.1 目标函数的建立 .173.4.2 设计变量与约束条件 .193.5 本章小结 20全套图纸扣扣 153893706- IV -第 4 章 转向节有限元分析 214.1 转向节概述 214.2 有限元法和 ANSY
10、S 分析软件 .214.2.1 有限元法概述 .214.2.2 ANSYS 软件介绍 224.2.3 ANSYS Workbench 简介 234.3 转向节强度分析 244.3.1 越过不平路面工况 264.3.2 紧急制动工况 284.3.3 转向侧滑工况 304.4 本章小节 .32结论 33致 谢 34参考文献 35哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -1第 1 章 绪论1.1 本课题研究的目的和意义2013 年中国已经成为世界上最大的汽车产销国，市场竞争的日益加剧引导了汽车技术的迅速发展，电动助力系统具有节能环保、高度的控制性、高性能化、组件少，节省装配时间、重量轻、成本低效益高、
11、易与汽车其它电子控制系统集成和不需要特殊保养等优点。电动助力转向系统（EPS）代表未来动力转向技术的发展方向，将作为标准件装备到汽车上，并将在动力转向领域占据重要地位。 电动助力转向系统是在传统机械转向机构基础上，增加信号传感器装置、电子控制装置和转向助力机构等构成的。电动助力转向系统的功能着眼点是使用电力驱动执行机构实现在不同的驾驶条件下为驾驶人员提供适宜的辅助力。系统主要由以下几个部分组成：电子控制单元（ECU） 、车速传感器和扭矩传感器、伺服电动机、变速机构和转向柱总成等 1。随着生活水平和消费水平的提高，人们对汽车的操纵稳定性的要求也越来越高，转向系统作为其重要的影响因素已成为现代汽车
12、研究的重要课题。通过对本课题的研究，了解电动助力系统未来发展的主要方向：改进控制系统性能和降低控制系统的制造成本，未来的电动助力转向系统还将向着电子四轮转向的方向发展，并与电子悬架统一、协调控制，从而实现电动助力转向系统与汽车上的其它控制单元的通讯联系，实现控制系统的集约化。电动助力转向系统的发展的总体趋势本质而言并没有大幅度的改变电动助力转向系统的基本框架结构，其机械部分的比重都比较大。放眼将来，电动转向系统将向着更纯粹的电子化和智能化的动力转向系统发展 2。 本论文研究目的在于对小齿轮助力式转向系统进行总体方案设计、参数计算、三维建模、有限元分析等，以达到综合应用所学知识，分析解决实际工程
13、问题，锻炼创造能力的目的。1.2 国内外研究现状概述电动助力转向系统是于 20 世纪 80 年代中期提出来的。世界各主要汽车生产国对电动助力转向系统均进行了深入的研究与系统开发设计。 哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -2EPS 系统最先在日本获得实际应用。日本铃木公司于 1988 年首次在其生产的 Cervo 车上装备了 EPS 系统，随后用在 Alto 车上。此后，电动助力转向技术得到了迅速的发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司、美国的 Delphi 汽车公司、TRW 公司，德国的 ZF 公司，都相继研制出各自的 EPS 系统。其中技术发展最快、应用较为成熟的当属 TR
14、W 转向系统和 Delphi Saginaw(萨吉诺 )转向系统，而 Delphi Saginaw(萨吉诺)转向系统又代表着电动转向系统发展的前沿。TRW 公司从 1998 年开始便投入大量的人力、物力用于 EPS 系统的开发。最初针对客车转向柱助力式 EPS 系统，其后的小齿轮助力式 EPS 系统开发也获得成功。 1999 年， TRW 公司的 EPS 系统已经装备在轿车上，如 Ford Fiesta 和 Mazda 323F 等。 Delphi 汽车系统公司已经为大众的 Polo、欧宝 318i 以及菲亚特的 Punto 开发出 EPS 系统。最近韩国的一些开发机构也宣布独立开发出自己的电
15、动助力转向系统。应该说现今的 EPS 系统主要应用对象是中小型轿车，但是最新的资料表明，MercedesBenz 和 Siemens Automotive 两大公司共同投资开发新的 EPS 系统，该系统能够使用于汽车前桥负荷超过 1200kg 的车型，因此货车也将可能成为 EPS 系统的装备目标。 经过近 20 年的发展， EPS 技术日趋成熟。其应用范围已经从最初的微型轿车向大型轿车和商用客车方向发展。电动助力转向系统的助力方式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制方式和功能也进一步强化。 我国作为潜在的汽车消费大国也同样对电动助力转向系统的研究与开发给予了很大的关注。国内的一些
16、大学、研究机构和一些汽车系统公司也在这方面作了很多工作。吉林大学对电动助力转向系统的前景进行了展望，对电动助力转向系统的控制策略进行了有益的探讨清华大学、华中科技大学和江苏大学等院校纷纷开展了电动助力转向系统的建模、动态分析等工作；合肥工业大学、湖北汽车工业学校等院校也对汽车电动助力转向系统进行了仿真分析。陕西、吉林、安徽等省都将电动助力转向系统作为科技攻关项目进行研究。目前在国内南方动力据称已经研制出电动助力控制系统的样机，并在进行车试，在业界来讲是一件振奋人心的消息。但是就目前而言，国内的很多研究还紧紧是在定性的层次上，真正对系统进行具体的研制工作的机构还很鲜闻。东南大学机械系是较早投入这
17、方面研究的大学之一，目前已经在具体工作的开展过程中获得了关于电动助力转向系统设计开发工作中的比较有价值的经验和部分成果。 EPS 系统的具有广阔的应用前景和巨大的商机。但是应当看到我国的基础工业不是很发达，很多与电动助力转向系统开发相关的技术现况并不是很理想，哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -3要想在未来的世界汽车电动助力转向系统中有一席之地不是一件很容易的事情。可喜的是在国家的“十五”规划中将电动助力转向系统的研制工作作为一个重要的研究内容，规划确定了“十五”的目标是解决关键技术，开发成功新产品，主要研究内容是：传感器技术、控制技术、电机技术、离合器技术和减速机构等技术。国家政策的倾斜
18、一定程度上可以解决目前国内的一些研究机构经费不足的问题，也必将提升电动助力转向系统相关零部件性能，从而有助于我国自主的电动助力转向系统产品的成功研制。 1.3 本课题主要研究内容及技术方案本论文主要包括转向系统的总体设计、转向梯形的优化设计和转向器、转向梯形完整 三维实体模型，并绘制工程图。转向系统的总体设计：所设计的电动助力转向系统总体上包括两大部分。其一是机械部分；其二是控制部分。 机械部分主要是转向系统的数据采集单元、传动单元和执行单元。具体而言主要包括扭矩传感器、车速传感器、离合器、转向柱总成以及伺服电机等。控制部分主要是采集来自传感器感测到的外部信号，进行必要的运算处理发出控制指令，
19、为转向提供辅助力。本论文对机械部分进行总体设计。扭矩传感器：这种传感器的功能是测量作用于转向盘的力矩的大小和方向。扭矩传感器信号是 EPAS 最重要的输入控制信号，扭矩传感器要求精确可靠、抗干扰能力强。扭矩传感器选择：电位器式扭矩传感器、电磁式扭矩传感器、光电式扭矩传感器。车速传感器：利用电磁感应的原理设计而成，是一种非接触式的传感器。在电动助力转向控制系统中所起作用是把车轮的运动状态转变为电信号送入电子控制单元。车速传感器选择：电磁车速传感器、光电车速传感器、霍尔车速传感器。电动机：电动机是电动助力转向系统的关键部件之一，担负着系统控制指令执行功能。电动机的选择直接关系到系统的调节品质和控制
20、效果。电动机的选择为直流伺服电动机。电磁离合器：电磁离合器的作用是传递电动机的助力转矩，电磁离合器安装在电动机和减速机构之间。电磁离合器的设置是为了使电动机和减速机构快速的结合和分离。减速机构：减速机构的作用是降低电动机的输出轴的转速，从而将电动机哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -4输出轴的输出转矩放大后作用于转向输出轴。减速机构主要有两种形式：双行星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构。基于 MATLAB 的转向梯形的优化设计(1)转向梯形机构优化模型的建立(2)转向梯形数学模型的建立(3)建立约束条件(4)利用 MATLAB 软件编程优化及结果分析。 哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）-
21、-5转向系统总体方案设计2.1 电动助力转向系统概述2.1.1 电动助力转向系统的基本原理和工作特点电动助力转向系统（简称 EPS）一般由机械式转向器 (轿车多为齿轮齿条式)和电子控制伺服系统等组成。该系统由传感器(转向扭矩传感器、转向角位移传感器、车速传感器),控制器(控制单元、电机驱动单元)和执行机构( 电机及减速器)等构成。电机的能源来自车载蓄电池. 控制器根据各传感器的信号,按照一定的控制策略和车辆工作状态,发出控制指令,仅在车辆进行转向和回正时,把电流输送给电机,实施助力和回正等控制。减速器把电机所产生的动力 ,经过降速增矩后传递给转向器 3。原理简图见图 2-1。图 2-1 EPS
22、 原理图电动助力转向系统就有一系列的特点：（1）节约了能源消耗；（2）对环境无污染；（3）增强了转向跟随性；（4）提供可变的转向助力；哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -6（5）采用“绿色能源” ，适应现代汽车的要求。2.2 电动助力转向系统分类根据电动机驱动部位的不同,将电动助力转向系统分为三类:转向轴助力式(C-EPS)、转向器小齿轮助力式 (P-EPS)和齿条助力式(R-EPS)。2.2.1 转向轴助力式转向系统转向轴助力式转向系统(C-EPS )由转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构组成一体, 安装在转向柱上。其特点是结构紧凑、所测取的转矩信号与控制直流电机助力的响应性较好，这
23、种类型一般在轿车上使用。2.2.2 小齿轮助力式转向系统小齿轮助力式转向系统（P-EPS ) 的转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构仍为一体,只是整体安装在转向小齿轮处,直接给小齿轮助力,可获得较大的转向力。该型式可使各部件布置更方便,但当转向盘与转向器之间装有万向传动装置时,转矩信号的取得与助力车轮部分不在同一直线上, 其助力控制特性难以保证。本论文研究的内容即为该系统。2.2.3 齿条助力式转向系统齿条助力式转向系统(R-EPS)的转矩传感器单独地安装在小齿轮处 ,电动机与转向助力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处, 用以给齿条助力。该类型又根据减速传动机构的不同可分为两种:一种是电动
24、机做成中空的,齿条从中穿过,电动机动力经一对斜齿轮和螺杆螺母传动副以及与螺母制成一体的铰接块传给齿条. 这种结构是第一代电动助力转向系统 ,由于电动机位于齿条壳体内,结构复杂、价格高、维修也很困难。另一种是电动机与齿条的壳体相互独立,电动机动力经另一小齿轮传给齿条,由于易于制造和维修,成本低,己取代了第一代产品。因为齿条由一个独立的齿轮驱动,可给系统较大的助力 ,主要用于重型汽车。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -72.3 小齿轮助力式转向系统总体设计方案2.3.1 小齿轮助力式 EPS 总体结构方案小齿轮助力式转向系统由驱动电机与离合器、控制器、驱动器、扭矩传感器、减速机构、防碰撞转向
25、柱总成、转向中间轴总成等组成。系统采用蜗轮蜗杆减速机构，离合器与驱动电机一体化制造，装在减速机构一侧，当电动机发生故障时，离合器将自动分离。为了获得良好的动态特性，蜗轮采用尼龙材料制作。小齿轮助力式 EPS 系统主要由以下部件组成：（1）机械式齿轮齿条式转向器；（2）转向管柱总成、转向中间轴总成；（3）减速机构；（4）电控单元（控制器、电机驱动器）；（5）传感器（车速传感器、扭矩传感器、转向角位移传感器等）；（6）助力电机与离合器。2.4 齿轮齿条转向器的设计计算2.4.1 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
26、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 MR（Nmm ）：Nmm3310.792678.RfGMp式中 f 轮胎和地面间的滑动摩擦系数，取 f=0.7；G1 转向轴负荷(Nmm),取 G1=10902Nmm； 哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -8p轮胎气压（MPa）,取 p=0.179MPa。 作用在转向盘上的手力 Fh:126278.4.8m30159%R
27、SWwLMiD式中 L1 转向摇臂长（ mm）；M R 原地转向阻力矩 (Nmm)，M R=627826.3Nmm；L2 转向节臂长（ mm）；DS W 转向盘直径（mm），D SW=380mm； w 转向器角传动比， w =15；+ 转向器正效率， + =90%。 因齿轮齿条式转向传动机构无转向摇臂和转向节臂，故 L1、L 2 不带入数值。对给定的汽车，用上式计算出来的作用力是最大值，因此，可以使用此值作为计算载荷。梯形臂长度计算 L2：L2=Rlw 0.8/2=152.4mm式中 L2 梯形臂长度（ mm），取 L2=150mm；Rlw 轮毂直径（mm），取 Rlw=381mm。轮胎直径计
28、算 RT：RT=Rlw+0.55 205=381+0.55 205=493.75mm式中 R T轮胎直径（mm ），取 RT=500mm。转向横拉杆直径的确定： 34627.8m4.8100.1RMd式中 许用长度（ mm）， =L2； 许用应力（MPa），=216MPa ；d 转向横拉杆直径（mm），d=15mm。初步估算主动齿轮轴的直径： max 333 101624.85m.Mn 式中 许用应力（MPa），=140MPa ；d主动齿轮轴直径（mm），d=11.01mm。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -92.4.2 EPS 系统齿轮齿条转向器的主要元件(1) 齿条 齿条是在金属壳体
29、内来回滑动的，加工有齿形的金属条。转向器壳体是安装在前横梁或前围板的固定位置上的。齿条代替梯形转向杆系的摇杆和转向摇臂，并保证转向横拉杆在适当的高度以使他们与悬架下摆臂平行。导向座将齿条支持在转向器壳体上。齿条的横向运动拉动或推动转向横拉杆，使前轮转向。齿条参数见表 2-1。表 2-1 齿条的参数序号 项目 符号 尺寸参数(mm)1 总长 L 4202 直径 203 齿数 Z2 214 法向模数 Mn2 3(2) 齿轮齿轮是一只切有齿形的轴。它安装在转向器壳体上并使其齿与齿条上的齿相啮合。齿轮齿条上的齿可以是直齿也可以是斜齿。齿轮轴上端与转向柱内的转向轴相连。因此，转向盘的旋转使齿条横向移动以
30、操纵前轮。齿轮轴由安装在转向器壳体上的球轴承支承。斜齿的弯曲增加了一对啮合齿轮参与啮合的齿数。相对直齿而言，斜齿的运转趋于平稳，并能传递更大的动力。齿轮参数见表 2-2。表 2-2 齿轮轴的尺寸设计参数序号 项目 符号 尺寸参数(mm)1 总长 L 1232 齿宽 B1 253 齿数 Z1 74 法向模数 Mn1 35 螺旋角 146 螺旋方向 左旋哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -10(3) 转向横拉杆转向横拉杆的参数如表 2-3 所示，三维图如图 2-2 所示。表 2-3 转向横拉杆设计参数序号 项目 符号 尺寸参数 (mm)1 横拉杆总长 La 3002 横拉杆直径 la 14图
31、2-2 转向横拉杆三维图(4) 齿条调整一个齿条导向座安装在齿条光滑的一面。齿条导向座和与壳体螺纹连接的调节螺塞之间连有一个弹簧。此调节螺塞由锁紧螺母固定。齿条导向座的调节使齿轮、齿条间有一定预紧力，此预紧力会影响转向冲击、噪声及反馈。如图 2-3 所示。图 2-3 齿条调整机构哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -112.4.3 EPS 系统转向传动比当转向盘从锁点向锁点转动每只前轮大约从其正前方开始转 30，因而前轮从左到右总共转动大约 60。若传动比 1:1，转向盘旋转 1 ，前轮将转 1，转向盘向任一方向转动 30将使前轮从锁点转向锁点。这种传动比过于小，因为转向盘最轻微的运动将会使
32、车辆突然改变方向。转向角传动比必须使前轮转动同样角度时需要更大的转向盘转角。15:1 的传动比较为合理。在这样的传动比下，转向盘每转动 15，前轮转向 1。为了计算传动比，可将锁点到锁点过程中转向盘转角的度数除以此时转向轮转角的度数。2.4.4 齿轮齿条式转向器的设计要求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23 之间。主动小齿轮齿数多数在 57 个齿范围变化，压力角取 20，齿轮螺旋角取值范围多为 9 15。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1235范围内变化。主动小齿轮选用 16MnCr5 或
33、 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。2.4.5 齿轮轴和齿条的设计计算2.4.5.1 齿轮传动主要参数和几何尺寸(1)分度圆直径 d113721.64mcosnamz式中 mn齿轮法向模数，m n=3；z1 齿轮齿数，z 1=7；螺旋角（ ）， =14 。(2) 齿顶圆直径 da1 12.64221.643(10)27.64mnaanahhX式中 h *an齿顶高系数，h *an=1；哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -12Xn 变位系数，X n=0。(3)齿根圆直径 df *121.64221.6431027.64mnff nahmhCX
34、式中 C*n齿根高系数，C *n=1。(4)齿宽 b=0.821.64=17.312mm1db因为相互啮合齿轮的基圆齿距必须相等,即 Pb1=Pb2齿轮法面基圆齿距 11cosbnm齿条法面基圆齿距 22齿条法向模数mn2=3（1）齿条齿顶高 ha2 2310nahX式中 mn齿条法向模数，m n=3。（2）齿条齿根高 hf2 2 310mfnanC(3)法面齿距 Sn2 2/t4.7nnX2.5 本章小结通过计算得出齿轮齿条转向器的参数，建立齿轮齿条转向器的三维模型，为转向梯形优化、转向节有限元分析做准备，简图如图 2-4 所示。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -13图 2-4 转向器
35、简图哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -14断开式转向梯形优化设计转向梯形机构设计的主要目的之一就是保证汽车转弯行驶的内、外转向轮转角之间存在一定的比例关系，保证全部车轮绕一个瞬时转向中心行驶，使在不同圆周上运动的车轮，都作无滑动的纯滚动运动，从而减少轮胎与地面之间的滑动摩擦，延长轮胎使用寿命，提高行车安全性， 转向梯形机构对汽车转向性能、操作舒适性、轮胎寿命等方面都具有影响。为了实现上述作用，车轮的转向运动应该符合阿克曼几何学 45。3.1 转向系统的结构模型本课题选用丰田卡罗拉车型作为参考，转向系统采用齿轮齿条式转向器与麦弗逊独立悬挂相匹配的断开式转向梯形结构，其结构原理如图 3-1。
36、图 3-1 转向梯形结构图中 l1 梯形臂长度（mm），A O1=BO；l2 横拉杆长度（mm），AD=BC；M 齿条 E 的长度（ mm），M=420mm ；S齿条 E 的许用行程（mm），S 200mm；K 轮距（mm），K =1535mm；L 轴距（ mm），L =2600mm；车轮的滚动半径（ mm），=250mm ；主销后倾角（ ），根据最小转弯半径的要求，最大外轮转角=29.2 。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -153.2 理想的左右轮转角关系由转向基本要求可知，在不计轮胎侧偏时，实现转向轮纯滚动、无侧滑转向的条件是内、外轮转角具有如图所示的理想关系 6，以左转弯为例，LK
37、cot如图 3-2 所示。将理想的内轮转角 表示为外轮转角 的函数。 tan1artt0arc图 3-2 理想内外轮转角关系3.3 用解析法求实际的内外轮转角关系由转向梯形机构所提供的内、外轮实际转角关系可以根据几何关系来求解。当转动转向盘时，齿条便向左或右移动，使左右两边的杆系产生不同的运动，从而使左右车轮分别获得一个转角 7。以汽车左转弯为例，此时右轮为外轮，外轮一侧的杆系运动，如图所示。设齿条向右移过某一行程，通过右横拉杆推动右梯形臂，使之转过 。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -16图 3-3 左转弯外轮运动简图如图所示，取梯形右底角顶点 O 为坐标原点，X,Y 轴如图 3-3
38、所示，可导出齿条行程 S 和外轮转角 的关系。 221coscos12KMlel式中 e 齿条轴线到梯形底边的安装距（ mm）。另如图 3-3 所示有： 上式中， SMKe2arctn2112arcosl lSe1222arcosKMl lSe内轮转向的杆系运动如图 3-4 所示。齿条右移相同的行程 S，通过左横拉杆拉动左梯形臂转过 。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -17图 3-4 左转弯内轮转向简图取梯形左底角顶点 O 为坐标原点，X、Y 轴如图 3-4 所示，同样可求出齿条行程 S 与内轮转角 的关系 8。 221coscos1KMell221arcsarctn2KMSl lSle
39、3.4 转向传动机构优化设计3.4.1 目标函数的建立转向机构优化设计的目标就是要在规定的转角范围内使实际的内轮转角尽量地接近对应的理想的内轮转角，采用离散化方法 9，给出了优化设计目标函数为： ni aiiF120当 取得最小值时，即车轮转角与理想值最为接近，优化结果最理想。F可将 l1 为优化变量 x(1)， 为优化变量 x(2)。则上述优化目标的 M 文件可哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -18写成：K=1535;L=2600;thetamax=26.3;x(1)=input(输入初始点的第一个分量（臂长）);x(2)=input(输入初始点的第二个分量（底角度）);thetama
40、x=thetamax*pi/180;x(2)=x(2)*pi/180;alpha=linspace(0,thetamax,61);for i=1:61betae(i)=acot(cot(alpha(i) -(K/L);A(i)=2*x(1).2*sin(x(2)+alpha(i);B(i)=2*K*x(1)-2*x(1).2*cos(x(2)+alpha(i);C(i)=2*x(1).2-4*x(1).2*cos(x(2).2+4*K*x(1)*cos(x(2)-2*K*x(1)*cos(x(2)+alpha(i);theta(i)=2*acot(A(i)+sqrt(A(i).2+B(i).2
41、-C(i).2)/(B(i)+C(i);beta(i)=x(2)+theta(i)-pi;if alpha(i)=pi/18f(i)=1.5*abs(beta(i)-betae(i)elseif alpha(i)=pi/180;f(i)=abs(beta(i)-betae(i)elsef(i)=0.5*abs(beta(i)-betae(i)endendendplot(alpha,beta,alpha,betae);q=0;for i=1:61q=q+f(i);endm=q/60;哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -19display (m:);m3.4.2 设计变量与约束条件对于给定的丰
42、田卡罗拉汽车，其轴距 L、左右两主销轴线延长线与地面交点之间的距离 K 均为已知定值。对于选定的转向器，其齿条两端球铰中心距M 也为已知定值。转向系统中，需要确定的参数是横拉杆长 l2、梯形臂长 l2 以及齿条轴线到梯形底边的安装距 e 10。梯形底角 可由转向传动机构的上述参数以及已知的汽车参数 K 和转向器参数 M 来确定。 222cosin1KMelll底角可按经验公司选一个初始值 ，然后在增加或减小，进LK34art行优化搜索。L 1 及 e 的选择结合约束条件考虑。第一，要保证梯形臂不与车轮上的零部件发生干涉；第二，要保证有足够的齿条行程来实现要求的最大转角；第三，要保证有足够大的传
43、动角 。传动角 是指转向梯形臂与横拉杆所夹的锐角，随着车轮转角增大，传动角渐渐变小，而且对应于同一齿条行程，内轮一侧的传动角 总比外轮一侧的传动角 要小。当 达到最大时，为 最小值。转向器安装距离 e 对转动角的影响较大，e 越小，可获得较小的 。通过使用 MATLAB 工具软件，可以得到横拉杆断开点的位置，从而确定横拉杆的长度。转向梯形三维简图如图 3-5 所示。图 3-5 转向梯形三维简图哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -203.5 本章小结通过对断开式转向梯形的优化设计，确定梯形臂、梯形底角与横拉杆的断开点，合理确定内外轮转角的关系。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -21第
44、4 章 转向节有限元分析4.1 转向节概述转向节是汽车上的重要零件,它的主要功能是承载和转向,即支撑车体重量,传递转向力矩和承受前轮刹车制动力矩等。因此,对转向节的外形结构和机械性能有严格的要求。根据车型,转向节可分为重型汽车转向节、中型汽车转向节、轻型汽车转向节、微型汽车转向节、客车转向节和轿车转向节六大类;按所用的材料和制造方法分为锻钢转向节、铸铝转向节和铸铁转向节三种;按其形状特征分为长杆类转向节、中心孔类转向节和套管类转向节三种。长杆类转向节主要由杆部、法兰和枝权构成,一般多用于大中型汽车和大客车中;中心孔类转向节主要由基座、法兰和枝权构成,基座中心带孔,一般多用于前桥驱动的轿车当中;
45、套管类转向节主要由长杆、套管和法兰构成 12。本课题研究的转向节为中心孔类转向节,三维简图如图 4-1 所示。图 4-1 转向节三维简图4.2 有限元法和 ANSYS 分析软件4.2.1 有限元法概述汽车设计技术的发展已从早期的经验设计和科学实验结合的传统设计阶段进入到今天的计算机辅助设计(CAD)阶段,而且已将计算机辅助工程分析哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -22(CAE)引入到汽车设计的全过程,从初期的概念设计到中期的测试、新车的开发到车型改进、整车装备设计到零部件设计等,都可采用 CAE 技术缩短研发的流程、降低发开的费用、提高设计的质量。在汽车 CAD/CAE 技术中,有限元法
46、被证明是一种最为成功、应用最广泛的近似分析方法。在工程和机械结构分析中,对于复杂结构,很难通过材料力学、弹性力学等经典解析方法求得精确的解析解,其原因是这类方法基于较多的基本假设和简化条件,只限于求解一些简单问题。另一种方法是采用数值计算方法,尽可能保留问题的各种实际情况,寻求能满足工程精度要求的近似数值解。数值方法和数值解不仅能满足工程需求,还方便实现计算机计算,实际上已成为现代工程分析和设计的主要方法。在诸多数值方法中,有限元法就是一种重要的方法 10。有限元法诞生于 20 世纪中叶,它运用离散概念,把弹性连续体划分为一个由若干个有限单元组成的集合体,通过寻找一种与原连续体场问题的等价的泛
47、函变分形式,得到一组代数方程组,最后求解得数值解。随着计算机技术和计算方法的发展,有限元法已成为计算力学和计算工程科学领域里最为有效的计算方法,几乎适用于求解所有连续介质和场的问题。经过近 50 年的发展,有限元法的理论不仅日趋完善,而且已开发出了一批通用和专用的有限元分析软件,这就使它成为了结构分析中最为成功和最为广泛的分析方法。有限元法是将连续体理想化为有限个单元集合而成,这些单元仅在有限个节点上相连接,即用有限个单元的集合来代替原来具有无限个自由度的连续体。由于有限单元的分割和节点的配置非常灵活,它可适应于任意复杂的几何形状,处理不同的边界条件,使许多复杂的工程分析问题迎刃而解。有限元法
48、中的单元有各种类型,包括线、面和实体(也称为一维、二维和三维)等单元,节点一般都在这些单元边界上,单元之间通过节点连接,并承受一定载荷,这样就组成了有限单元集合体。在此基础上,对于每一单元假设一个简单的位移函数来近似模拟其位移分布规律,通过虚位移原理求得每个单元的平衡方程,即建立单元节点力和节点位移之间的关系。最后把所有单元的这种特性关系集合起来,就可建立整个物体的平衡方程组。考虑边界条件后解此方程组,求得节点位移,并计算出各单元的应力。4.2.2 ANSYS 软件介绍作为使用有限元法解决各类工程问题的人员来说,大型集成化通用软件的普及与推广,使他们不必自行编写软件而可以直接选择所需的有限元分析软哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- -23件。在近三四十年来,有限元软件市场列强争雄,不断分化与兼并,已形成ANSYS、MCS、ABAQUS 三大有限元软件公司,他们的产品ANSYS、NASTRAN 、ABAQUS 已经占有世界有限元软件市场 60%一 70%的份额,并不断扩大,形成了各有的特点和优势。以 ANSYS 为代表的工程数值模拟软
