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畢業(yè)設計（論文）開題報告
設計（論文）題目:轎車前輪主動轉向系統(tǒng)機械結構設計
院 系 名 稱:汽車與交通工程學院
專 業(yè) 班 級: 車輛工程07-3
學 生 姓 名: 郭天辰
導 師 姓 名: 田芳
開 題 時 間: 2011-03-02
指導委員會審查意見：
簽字： 年 月 日
畢業(yè)設計（論文）開題報告
學生姓名
郭天辰
系部
汽車與交通工程學院
專業(yè)、班級
車輛07-3班
指導教師姓名
田芳
職稱
實驗員
從事
專業(yè)
汽車運用技術
是否外聘
□是□否
題目名稱
轎車前輪主動轉向系統(tǒng)機械結構設計
一、課題研究現狀、選題目的和意義
汽車上用來改變或恢復其行駛方向的專設機構稱為汽車轉向系統(tǒng)。汽車的轉向系統(tǒng)是用來改變汽車行駛方向和保持汽車直線行駛的機構，轉向操縱機構主要由轉向盤、轉向軸、轉向管柱等組成。轉向器將轉向盤的轉動變?yōu)檗D向搖臂的擺動或齒條軸的直線往復運動，并對轉向操縱力進行放大的機構。轉向器一般固定在汽車車架或車身上，轉向操縱力通過轉向器后一般還會改變傳動方向。在汽車轉向行駛時，保證各轉向輪之間有協調的轉角關系，機械轉向系依靠駕駛員的手力轉動轉向盤，經轉向器和轉向傳動機構使轉向輪偏轉。轉向器屬于汽車系統(tǒng)中的關鍵部件，它在汽車系統(tǒng)中占有重要位置，因而它的發(fā)展同時也反映了汽車工業(yè)的發(fā)展，它的規(guī)模和質量也成為了衡量汽車工業(yè)發(fā)展水平的重要標志之一。
作為汽車的一個重要組成部分，汽車轉向系統(tǒng)是決定汽車主動安全性的關鍵總成，如何設計汽車的轉向特性，使汽車具有良好的操縱性能，始終是各汽車生產廠家和科研機構的重要研究課題。特別是在車輛高速化、駕駛人員非職業(yè)化、車流密集化的今天，針對更多不同水平的駕駛人群，汽車的操縱設計顯得尤為重要。
前輪主動轉向系統(tǒng)與其控制技術的有機結合有效的提高了汽車行駛的安全性和穩(wěn)定性，極大地提高了汽車的使用性能，二者相輔相成，缺一不可。本次設計主要是通過對主動轉向特性的分析，熟悉主動轉向系統(tǒng)控制器的工作原理，設計轎車前輪主動轉向系統(tǒng)機械結構，并對其部分零件進行有效性的校核，完成轉向系統(tǒng)的機械部分的設計。
自從汽車發(fā)明以來，駕駛轉向的傳動裝置通常都是固定的，方向盤與前輪的轉向角度比始終一成不變。如果采用直接轉向，駕駛者在過急彎時就不需要大幅轉動方向盤，但是在高速行駛時，方向盤細微的動作都將會影響到行駛穩(wěn)定性；反過來說，轉向系統(tǒng)越是間接，車輛在高速公路上的行駛穩(wěn)定性就越高，但是必須犧牲過彎時的操控性。所以，傳統(tǒng)的轉向系統(tǒng)都必須在安全性與舒適性之間做出權衡。
而主動轉向系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)中的機械構件，包括轉向盤、轉向柱、齒輪齒條轉向機以及轉向橫拉桿等。其最大特點就是在轉向盤和齒輪齒條轉向機之間的轉向柱上集成了一套雙行星齒輪機構，用于向轉向輪提供疊加轉向角。主動轉向系統(tǒng)通過一組雙行星齒輪機構實現了獨立于駕駛員的轉向疊加功能，完美地解決了低速時轉向靈活輕便與高速時保持方向穩(wěn)定性的矛盾，并在此基礎上通過轉向干預來防止極限工況下車輛轉向過多的趨勢，進一步提高了車輛的穩(wěn)定性。同時，該系統(tǒng)能方便地與其他動力學控制系統(tǒng)進行集成控制，為今后汽車底盤一體化控制奠定了良好的基礎。
主動轉向系統(tǒng)的的雙行星齒輪機構包括左右左右兩副行星齒輪機構，公用一個行星架進行動力傳遞，左側的主動太陽輪與轉向盤相連，將轉向盤上輸入的轉向角經由行星架傳遞給右側的行星齒輪副，而右側的行星齒輪具有兩個轉向舒服自由度，一個是行星架傳遞的轉向盤轉角，另一個是由伺服電機疊加轉角輸入。右側的太陽輪作為輸出軸，其輸出的轉向角度是由轉向盤轉向角度與伺服電動驅動的行星架轉動方向與轉向盤相同，增加了后者的實際轉向角度，高速時，伺服電動機電機驅動的行星架與轉向盤轉向相反，疊加后減少了實際的轉向角度，轉向過程變得更為間接，提高了汽車的穩(wěn)定性和安全性。轉動車輪所用的力量，并不是由電動機決定，而是由獨立的轉向助力系統(tǒng)與傳統(tǒng)的轉向裝置一同決定的。主動式轉向系統(tǒng)的其他組成部件還包括判定當前駕駛條件和駕駛者指令的獨立控制單元和多個傳感器。
主動前輪轉向系統(tǒng)隨著汽車技術的發(fā)展受到國內外的重視，同濟大學和北京科技大學都對主動前輪轉向系統(tǒng)有著深入的研究，隨著汽車技術的發(fā)展和人們對于汽車安全性能要求的提高，會有更多的技術運用到主動前輪轉向系統(tǒng)當中來。在國外，上世紀60年代就已經開始了對主動轉向系統(tǒng)的研究，而近幾年這項技術才從理論階段應用于實車上。比較典型的就是德國寶馬公司和ZF公司開發(fā)的一套主動前輪系統(tǒng)，此系統(tǒng)已經裝備于部分寶馬3系和5系車之上。寶馬的轉向系統(tǒng)主要是主動轉向控制器通過對駕駛員輸入的方向盤轉角的疊加/減的控制實現轉向傳動比的改變的。低速時，電動馬達的作用與駕駛者轉動方向盤的方向一致，可以減少對轉向力的需求。一直行駛至中速狀態(tài)之前，它將提供比傳統(tǒng)轎車更直接的轉向傳動比，轉向操作保持輕松省力。在高速時電動馬達的運轉方向與駕駛者轉動方向盤方向相反，這就減少了前輪轉向角度，使轉向更直接。此系統(tǒng)完美地解決了汽車低速轉向輕便與高速轉向穩(wěn)重的矛盾，有效地抑制側向干擾，提高了整車穩(wěn)定性。
此套主動轉向系統(tǒng)可以根據車速變化而不斷改變轉向系統(tǒng)中主動齒輪與被動齒條的傳動比。通常一般轎車的轉向傳動比是16:1和18:1之間，例如50km/h時，當轉動方向盤10度時，前輪即可轉動1度，而普通轎車需要轉動16-18度才能讓前輪轉動1度。反之，在高速時，例如，當車速達到200km/h時，帶有主動轉向系統(tǒng)的汽車轉動方向盤20度才能讓前輪轉動1度。
除了可變傳動比設計外，穩(wěn)定性控制功能是寶馬主動轉向系統(tǒng)最大的特點。危險工況下該系統(tǒng)通過獨立于駕駛員的轉向干預來穩(wěn)定車輛，通過主動改變駕駛員給定的轉向盤轉角使得車輛響應盡可能與理想的車輛響應特性相一致。主動轉向系統(tǒng)還有很重要的一點就是更安全，這一點主要體現在車輛高速行駛中的突然轉向。例如在公路上高速行駛時突然變線以超越另一輛車然后回到車道時，或者高速行駛中突然發(fā)現前方有障礙物需要急轉彎時，很容易出現轉向不足或者轉向過度，車輛將偏離自己預定的方向，可能失去控制。在這種情況下，通常寶馬車系的主動轉向系統(tǒng)通過干預制動過程控制車輛的穩(wěn)定，行車速度將大幅度降低，增加能量的損耗。而主動式轉向系統(tǒng)從轉向一開始就會判斷轉向后出現的情況，通過電子控制的機械調控器自動修正轉向角度，干預降低偏航情況的發(fā)生。而此系統(tǒng)不必像在其他車輛中那樣干預駕駛，保證車輛行駛的平穩(wěn)性。
本設計通過整合已有的的設計，通過努力，閱讀大量的文獻，掌握轉向系統(tǒng)機械部分設計的基本步驟和要求，以及制圖的步驟和規(guī)則，掌握轉向系統(tǒng)機械部分的相關設計方法，以及進一步更扎實汽車設計基本知識，學會使用CAD進行基本二維制圖，同時提高分析問題和解決問題的能力。轉向系統(tǒng)機械部分的設計有利于提高汽車的整體性能，同時提高我們綜合運用知識的能力和技能。通過課題的設計，積累相關理論知識，通過設計還可以系統(tǒng)的培養(yǎng)工程文化素養(yǎng)，有利于未來的發(fā)展。
二、設計（論文）的基本內容、擬解決的主要問題
設計的基本內容：
1.現代汽車轉向系統(tǒng)簡述。蝸桿滾輪式，蝸桿指銷式，齒輪齒條式等。
2.轉向系統(tǒng)機械部分的結構特點。
3.主動轉向系統(tǒng)的現狀及優(yōu)點。主動轉向系統(tǒng)機械部分基本結構，工作原理等。
4.轉向操縱機構和轉向器的計算設計。轉向器的結構選擇等。
5.主動轉向系統(tǒng)機械結構主要性能參數的計算。轉向系統(tǒng)的效率，轉向系統(tǒng)的傳動比，剛度等
6.進行相關零件的校核。
7.根據計算結果，繪制CAD二維圖紙。
擬解決的主要問題：
1.轉向系機械結構形式的選擇。
2.主要性能參數初選。
3.主動轉向系統(tǒng)機械結構主要性能參數計算。
4.相關零件的強度校核。
三、技術路線（研究方法）
轉向器結構選擇
基礎數據計算
主要參數選擇
校核
編寫說明書并繪制CAD二維圖紙
根據題目查閱相關資料
否
轉向系統(tǒng)的效率
轉向系統(tǒng)的傳動率與傳動比
轉向系統(tǒng)的剛度
齒輪齒條式轉向器的設計
轉向操縱機構設計計算
主動轉向系統(tǒng)設計
四、進度安排
1）調研、查閱參考資料，了解轉向器的功能、主要結構。撰寫開題報告。 第2周（3月1日～3月11日）
（2）開題。第2周（3月11日）
（3）分析并確定轉向器的具體結構形式，主要零部件及相互位置關系。根據給定的設計參數，按照有關的設計要求和順序進行具體結構尺寸參數計算及其他有關參數的選配，針對給定的設計參數優(yōu)選轉向器的總體方案。第3周（3月12日～3月20日）
（4）進行轉向器零部件的設計計算。第4～5周（3月21日～4月2日）
（5）完成部分設計圖紙，折合0# 圖紙1張，完成說明書初稿。第6周～8周（4月3日～4月22日）
（6）中期檢查。第8周（4月22日）
（7）完成轉向器裝配圖、主要零件圖，完成設計說明書 第9~13周（4月23日～5月27日）
（8）設計及說明書初稿提交。第13周（5月27日）
（9）畢業(yè)設計審核、修改。 第14～16周（5月28日～6月17日）
（10）畢業(yè)設計答辯。 第17周（6月18日～6月 20日）
五、參考文獻
[1] 蔣勵,余卓平,高曉杰.寶馬主動轉向技術概述[J].汽車技術,2006.4
[2] 王望予主編.汽車設計,第四版[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2005
[3] 陳家瑞主編.汽車構造[M]. 北京:人民交通出版社,2002.3
[4] 劉惟信主編.汽車設計[M]. 北京:清華大學出版社,2006
[5] 機械設計手冊編委會.機械設計手冊,第3卷[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2004.8
[6] 李秀珍主編.機械設計基礎[M]. 北京:機械工業(yè)出版,2005.1
[7] 機械設計手冊編委會.機械設計手冊,齒輪傳動[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2007.3
[8] 陳曉南,楊培林主編.機械設計基礎[M]. 北京:科學出版社,2007.2
[9] 張策主編,機械原理與機械設計[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2004.9
[10] 饒振鋼編著.行星傳動機構設計[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,1994.6
六、備注
指導教師意見：
簽字： 年 月 日