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中 北 大 學(xué) 信 息 商 務(wù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計開題報告 學(xué) 生 姓 名： 劉子軒 學(xué) 號： 1301034118 系 名： 機(jī)械工程系 專 業(yè)： 車輛工程 設(shè) 計 題 目： 汽車轉(zhuǎn)向器液壓助力系統(tǒng)設(shè)計 指導(dǎo)教師: 張翼 2017年3 月3日  畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 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)計主要總數(shù)國內(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，合理地設(shè)計轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使汽車具有良好的操縱性能。這始終是設(shè)計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，針對更多不同水平的駕駛?cè)巳?，汽車的易操縱性設(shè)計顯得尤為重要。電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(簡稱EPS),根據(jù)動力源不同又可分為液壓式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（液壓式EPS，又作EHPS）和電動式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（電動式EPS）。EHPS是在傳統(tǒng)的液壓動力轉(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)檢測到的車速信號，控制電磁閥的開度，使轉(zhuǎn)向動力放大倍率實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，從而滿足高、低速時的轉(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)展以及人們對于舒適、安全性能要求的不斷提高，對轉(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)計通過分析轉(zhuǎn)向器的功能要求，結(jié)合轉(zhuǎn)向器的布置設(shè)計，比較各類型的轉(zhuǎn)向器的優(yōu)缺點(diǎn)設(shè)計一款轉(zhuǎn)向器。根據(jù)一些指定的參數(shù)結(jié)合《汽車設(shè)計》和其他相關(guān)書籍中關(guān)于轉(zhuǎn)向器的理論知識，給出優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計變量的選擇范圍使設(shè)計出的轉(zhuǎn)向器液壓助力器符合使用要求。作為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個重要組成部分，轉(zhuǎn)向器對汽車的操縱穩(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)計極為重要。通過對轉(zhuǎn)向器的優(yōu)化設(shè)計，使其達(dá)到汽車總體設(shè)計的要求，以達(dá)到對汽車的機(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。通過此次設(shè)計提高自身實習(xí)運(yùn)用有關(guān)機(jī)械設(shè)計手冊、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)自身識圖、辯圖，運(yùn)算和編寫技術(shù)文件等基本技能。通過汽車轉(zhuǎn)向器液壓助力系統(tǒng)的設(shè)計，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的設(shè)計思想，鞏固和加強(qiáng)所學(xué)的專業(yè)知識，加強(qiáng)機(jī)械設(shè)計計算和編寫技術(shù)文件等的基本 功能，從事汽車設(shè)計方面的工作奠定良好的基礎(chǔ)。 （3）國內(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)向動力的來源由以前的人轉(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)上增加了一個液壓系統(tǒng)而成。該液壓系統(tǒng)一般與發(fā)動機(jī)相連當(dāng)發(fā)動機(jī)啟動的時候，一部分發(fā)動機(jī)能量提供汽車前進(jìn)的動能，另外一部分則為液壓系統(tǒng)提供動力。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，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的一種助力方式，它誕生于1902年，由英國人Frederick W. Lanchester發(fā)明，而最早的商品化應(yīng)用則推遲到了半個世紀(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型傳動皮帶、儲油罐等等。這種助力方式是將一部分發(fā)動機(jī)動力輸出轉(zhuǎn)化成液壓泵壓力，對轉(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，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，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)動機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為油液的壓力。[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)動機(jī)驅(qū)動，轉(zhuǎn)向動力充沛，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)動機(jī)動力來驅(qū)動油泵，能耗比較高，所以車輛的行駛動力無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)動機(jī)動力，所以人們在機(jī)械液壓助力的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)出了更節(jié)省能耗的電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 這套系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向油泵不再由發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動，而是由電動機(jī)來驅(qū)動，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機(jī)驅(qū)動，同時助力力度可變。車速傳感器監(jiān)控車速，電控單元獲取數(shù)據(jù)后通過控制轉(zhuǎn)向控制閥的開啟程度改變油液壓力，從而實現(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。不過引入了很多電子單元，其制造、維修成本也會相應(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。 電動助力：[12] EPS就是英文Electric Power Steering的縮寫，即電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動助力機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，省去了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓油、傳送帶和裝于發(fā)動機(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，轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)矩的大小，將電壓信號輸送到電子控制單元，電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到的轉(zhuǎn)距電壓信號、轉(zhuǎn)動方向和車速信號等，向電動機(jī)控制器發(fā)出指令，使電動機(jī)輸出相應(yīng)大小和方向的轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生輔助動力。汽車不轉(zhuǎn)向時，電子控制單元不向電動機(jī)控制器發(fā)出指令，電動機(jī)不工作。 技術(shù)優(yōu)勢：[13] 1、節(jié)能環(huán)保 由于發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，液壓泵始終處于工作狀態(tài)，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使整個發(fā)動機(jī)燃油消耗量增加了3％～5％，而EPS以蓄電池為能源，以電機(jī)為動力元件，可獨(dú)立于發(fā)動機(jī)工作，EPS幾乎不直接消耗發(fā)動機(jī)燃油。EPS不存在液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的燃油泄漏問題，EPS通過電子控制，對環(huán)境幾乎沒有污染，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，與液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比減少了許多元件，沒有液壓系統(tǒng)所需要的油泵、油管、壓力流量控制閥、儲油罐等，元件數(shù)目少，裝配方便，節(jié)約時間。[14] 3、效率高 液壓動力轉(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)純液壓動力轉(zhuǎn)向系大多采用固定放大倍數(shù)，工作驅(qū)動力大，但卻不能實現(xiàn)汽車在各種車速下駕駛時的輕便性和路感。而EPS系統(tǒng)的滯后特性可以通過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)簡單，不僅操作簡便，還可以通過調(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，確定轉(zhuǎn)向助力的大小和方向，并驅(qū)動電機(jī)輔助轉(zhuǎn)向操作。 參考文獻(xiàn)： [1] 過學(xué)迅主編.汽車設(shè)計．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，2004 [2]宋云，陳全世，王霄峰．輕型電動客車車身一車架的有限元結(jié)構(gòu)分析及實驗研究．汽車技術(shù)，1997．10 [3] 濮良貴 紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計.北京：高等教育出版社，2006 [4] 陳家瑞.汽車構(gòu)造（下冊）.北京：人民交通出版社，2008 [5] 秦秀文等. 62 聯(lián)體后橋的傳動路線及優(yōu)化方案［J］. 農(nóng)業(yè)裝備 與車輛工程，2009，（6）． [6] Lqbal Husain(美）. 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[10] 熱處理手冊編委會.熱處理手冊北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001：89~98 [11] 鐘毅芳.吳昌林，唐增寶主編.機(jī)械設(shè)計.華中科技大學(xué)出版社，2001.2：1~280 [12] 劉鴻文.材料力學(xué).高等教育，2004：46~51 [13] 王知行，劉延榮.機(jī)械原理.北京高等教育出版社，2000,2： 1～82 [14] 孟少農(nóng)主編.機(jī)械加工工藝手冊.機(jī)械工業(yè)出版社，2002：320~326 [15] 劉品.劉麗華.互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ).哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002,1(2)：1~112 ２． 本課題要研究或解決的問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)鍵問題 此次設(shè)計主要按照時間節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行研究。大致分為以下幾點(diǎn)： 1.根據(jù)不同材料的性能，對總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案設(shè)計分析： 目前主要研究整體式液壓動力轉(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)向動力缸設(shè)計成一體，組成整體式動力轉(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)動可以通過扭桿帶動轉(zhuǎn)向齒輪轉(zhuǎn)動。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)向動力缸的左右兩個工作腔。轉(zhuǎn)向齒條與轉(zhuǎn)向動力缸內(nèi)的活塞制成一體，活塞將轉(zhuǎn)向動力缸分隔為左右兩個工作腔。轉(zhuǎn)向動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配合，二者可以相對轉(zhuǎn)動。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間隙，在閥芯的不同縱槽上開有三個等間隔的徑向通孔，用以流通液壓油，此油道通向轉(zhuǎn)向油罐。 2.掌握總成的總體布置及性能參數(shù)的選擇 3.計算液壓助力系統(tǒng)受力的各種分析包括強(qiáng)度計算和校核等 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)的模型通過大型結(jié)構(gòu)通用有限元軟件建立有限元模型，對該系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)、強(qiáng)度、剛度以、疲勞壽命分析。此課題主要的研究內(nèi)容為： （1）探索研究建模方法，特別是對影響模型準(zhǔn)確度的典型連接方式： 對結(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，對其進(jìn)行簡化，略去了不影響整體計算精度的倒圓、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，并對分析結(jié)果進(jìn)行評價。 （3）對液壓助力系統(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?zāi)B(tài)進(jìn)行對比分析，驗證液壓助力系統(tǒng)有限元模型的準(zhǔn)確度，并對其動態(tài)特性進(jìn)行評價。 （4）對液壓助力系統(tǒng)進(jìn)行破壞分析研究，并對破壞結(jié)果進(jìn)行分析來評價液壓助力系統(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)果并加以評價。 三、研究進(jìn)程安排 2017年 2月13日～3月 3 日:查閱相關(guān)資料，進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計的準(zhǔn)備工作，編寫開題報告，進(jìn)行開題答辯； 3月 3 日～4月14日:進(jìn)行齒輪－齒條式轉(zhuǎn)向器的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案設(shè)計; 4月15日～5月19日:完成零件的選型設(shè)計；進(jìn)行分配閥和加力油缸設(shè)計； 5月20日～6月10日:設(shè)計說明書與圖紙的整理、修改與打??； 6月11日～6月15日:論文答辯。  畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告 指導(dǎo)教師意見： 指導(dǎo)教師： 年 月 日 所在系審查意見： 系主任： 年 月 日  畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告 指導(dǎo)教師意見： 指導(dǎo)教師： 年 月 日 所在系審查意見： 系主任： 年 月 日