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本科畢業(yè)論文(設(shè)計)
開 題 報 告
論文題目
某乘用車齒條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計
班 級
姓 名
院(系)
導(dǎo) 師
開題時間
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1.課題研究的目的和意義
汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為整車構(gòu)造中重要的系統(tǒng)之一,一直是全世界汽車行業(yè)研究的重點。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的好壞直接影響到汽車的駕駛舒適性、安全性和能耗,甚至影響到環(huán)境 。
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向器可分為齒輪齒條轉(zhuǎn)向器、蝸桿曲柄銷式轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。齒輪齒條轉(zhuǎn)向器作為最常見的一種轉(zhuǎn)向器,具有如下優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單,制造方便,工作可靠,使用壽命長,自動回正力強(qiáng),傳動方式是齒輪齒條直接嚙合,操縱靈敏度非常高,滑動和轉(zhuǎn)動阻力小,轉(zhuǎn)向輕便,轉(zhuǎn)矩傳遞性能較好,其正效率與逆效率都很高,屬于可逆式轉(zhuǎn)向器,并可安裝轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)。
隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展,人們對于汽車的要求也逐漸提高,汽車的操縱穩(wěn)定性日益受到廣泛的關(guān)注,傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車已經(jīng)不能滿足人們的需求,取而代之的是助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的崛起,包括液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已得到了廣泛的研究[1].
傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點非常明顯,它轉(zhuǎn)向操縱難度增大,轉(zhuǎn)向費力,其傳動比是固定的,即角傳遞特性無法改變,導(dǎo)致汽車的轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性無法控制,傳動比無法隨汽車轉(zhuǎn)向過程中的車速、側(cè)向加速度等參數(shù)的變化而進(jìn)行補(bǔ)償,駕駛員必須在轉(zhuǎn)向之前就對汽車的轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性進(jìn)行一定的操作補(bǔ)償,這樣無形中增加了駕駛員的精神和體力負(fù)擔(dān)[1]。
助力系統(tǒng)分為液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),在使用中具有許多優(yōu)點:
液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過液壓力作用來推動傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向運動,從而減輕了駕駛員的勞動強(qiáng)度,解決了傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)隨著汽車質(zhì)量越大轉(zhuǎn)向越費力的問題,在一定程度上解決了傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于轉(zhuǎn)向器傳動比固定而造成的轉(zhuǎn)向“輕便”與“靈敏”之間的矛盾。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作可靠、技術(shù)成熟,能提供大的轉(zhuǎn)向助力,目前在部分乘用車、絕大部分商用車特別是中重型車輛上廣泛應(yīng)用[2]。
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點很多:一是系統(tǒng)助力矩的大小由電子控制單元實時調(diào)節(jié)和控制,能夠在各種行駛工況下提供最佳的助力,有效改善汽車的轉(zhuǎn)向助力特性,保證汽車在低速行駛時轉(zhuǎn)向輕便靈活,高速行駛時轉(zhuǎn)向穩(wěn)定可靠,可以很好地解決汽車轉(zhuǎn)向時輕與靈的矛盾;二是該系統(tǒng)只在轉(zhuǎn)向時電動機(jī)才提供助力,因而能減少能量消耗;三是該系統(tǒng)取消了液壓裝置,使得其結(jié)構(gòu)更緊湊,質(zhì)量更輕,而且徹底根除了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中液壓油泄漏的問題,可大大降低保修成本,減小對環(huán)境的污染;四是該系統(tǒng)由于直接由電動機(jī)提供助力,而電動機(jī)由蓄電池供電,因此該系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)熄火或出現(xiàn)故障時也能提供助力[2]。
汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在經(jīng)歷了長足的發(fā)展后已得到了整個汽車行業(yè)的認(rèn)可和應(yīng)用,在GB7258-2004 中專門規(guī)定:車輛轉(zhuǎn)向軸最大設(shè)計軸荷大于4 000 kg時,必須采用轉(zhuǎn)向助力裝置。由此可見,助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要性和必要性[3]。
綜上所述,助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢,而齒輪齒條轉(zhuǎn)向器是最常用、優(yōu)點突出的轉(zhuǎn)向器,齒條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力單元可靈活固定于齒條各處,方便整車布置,同時降低了齒數(shù)比即降低了轉(zhuǎn)動慣量,可以提供優(yōu)良轉(zhuǎn)向特性。所以對齒條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究意義重大。
2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
2.1助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀
至今,汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 4 個發(fā)展階段,未來則可能向線控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展。目前汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正處在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的過渡階段。
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是20世紀(jì)80年代初期提出來的,并首先在微型轎車上得到了應(yīng)用。1988年2月日本鈴木公司首次在其Carvo車上裝備了Koyo公司研發(fā)的轉(zhuǎn)向柱助力式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),隨后還用在了其Alto車上;1990年,日本Honda公司也在運動型轎車NSX上采用了自主研發(fā)的齒條助力式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),從此揭開了電動助力轉(zhuǎn)向在汽車上應(yīng)用的歷史[1]。
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展,EPS技術(shù)日趨完善。其應(yīng)用范圍已經(jīng)從最初的微型轎車向更大型轎車和商用客車方向發(fā)展。同時EPS的助力形式也從低速范圍向全速范圍內(nèi)助力發(fā)展,并且其控制形式和功能也將進(jìn)一步加強(qiáng)。日本早期的EPS僅僅在低速和停車時提供助力,還能在高速時提高汽車的操縱穩(wěn)定性。如鈴木公司裝備的Wagon R+車上的EPS系統(tǒng)是一個負(fù)載—路面—車速感應(yīng)型的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。Delphi為Punto車開發(fā)的EPS屬于全速范圍助力型,并且首次設(shè)置了兩個開關(guān),其中一個用于郊區(qū),另一個用于市區(qū)和停車。當(dāng)車速大于70km/h后,則不同開關(guān)所執(zhí)行設(shè)置的程序是一樣的,以保證高速時有合適的路感。市區(qū)型還和油門有關(guān),使得在踩油門加速和踩油門減速時,轉(zhuǎn)向更平滑。
美國的Delphi汽車公司最新推出的電子伺服前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng),取消了駕駛員和汽車前輪的機(jī)械連接,取消了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向軸和齒輪齒條等機(jī)械結(jié)構(gòu),而由轉(zhuǎn)矩傳感器、速度傳感器、控制器、電動機(jī)和減速機(jī)構(gòu)等組成。但它仍采用轉(zhuǎn)向盤(必要時也可改用操縱手柄),通過電動機(jī)向駕駛員提供路面反饋。該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以說代表了EPS目前發(fā)展得最高水平[1-2]。
目前,助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零件在很大程度上依賴進(jìn)口,幾個主要的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供應(yīng)商有TRW,JTEKT,Delphi,ZF Lenksysteme,Thyssenkrupp Automotive,他們各自在不同的轉(zhuǎn)向產(chǎn)品領(lǐng)域中成為領(lǐng)導(dǎo)廠商[4]。
在汽車電子技術(shù)快速發(fā)展得市場狀況下,未來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢以EPS系統(tǒng)的市場前景最為看好。2008年日本新上市的乘用車中約70%裝配了EPS,歐洲市場約為50%,北美市場約為25%,而我國則不足10%。EPS代表未來助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向,將作為標(biāo)準(zhǔn)件裝備到汽車上,并將在助力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位,特別是電動汽車將構(gòu)成未來汽車發(fā)展的主體,這給EPS帶來了更加廣闊的應(yīng)用前景。
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展,一方面需要開發(fā)可靠性高、成本低的傳感器,另一方面需要開發(fā)滿足助力要求、駕駛?cè)耸孢m性要求且低成本的助力電動機(jī)。此外,如何設(shè)計合理的控制策略以保證電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性以及可靠性,保證駕駛?cè)双@得良好的路感,使系統(tǒng)能與整車上其他控制子系統(tǒng)相互通信協(xié)調(diào)工作以實現(xiàn)整車綜合控制,是今后研究的重點,而更多的先進(jìn)控制策略,如人工智能控制方法等,將應(yīng)用于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制中[5]。
2.2 轉(zhuǎn)向器國內(nèi)外現(xiàn)狀
2.2.1 國外情況
現(xiàn)代汽車中常用的轉(zhuǎn)向器有循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器、蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器、齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器等。在全球汽車廠家中,汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占市場份額接近一半,齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器占市場份額接近百分之四十,蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器占市場份額超過百分之十,其它轉(zhuǎn)向器在市場上基本消失。美國和日本都非常重視使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器,它們使用的比重都已超過百分之九十。日本的公共汽車基本全部使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器,大、中型貨車也大部分使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器,微型貨車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器大約百分之六十五左右,齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器的使用已經(jīng)超過百分三十五。而歐洲對齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的使用和發(fā)展非常重視,在中、小、微型客車中,齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器使用比重已經(jīng)超過一半,有些國家甚至達(dá)到百分之九十以上。 國外對汽車轉(zhuǎn)向器進(jìn)行了大力研發(fā)和設(shè)計,實現(xiàn)了汽車轉(zhuǎn)向器專業(yè)化設(shè)計、制造、加工和生產(chǎn),大大提高了轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量和效益。在日本NSK公司的轉(zhuǎn)向器就以質(zhì)優(yōu)價廉的優(yōu)勢占領(lǐng)了本國市場,并逐步銷售全世界。德國ZF轉(zhuǎn)向器公司是一個專門生產(chǎn)轉(zhuǎn)向器的大公司,從上世紀(jì)五十年代開始生產(chǎn)轉(zhuǎn)向器到現(xiàn)在每年生產(chǎn)轉(zhuǎn)向器幾百萬臺。另外美國德爾福公司,英國BURMAN公司都是非常著名的轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)公司,每年都會生產(chǎn)許多各種型號的轉(zhuǎn)向器。國外轉(zhuǎn)向器專業(yè)化設(shè)計、制造、加工和生產(chǎn)已成為一種趨勢,能夠使轉(zhuǎn)向器質(zhì)優(yōu)價廉,實現(xiàn)大批量生產(chǎn),快速占領(lǐng)國際市場[6-7]。
2.2.2國內(nèi)情況
在我國汽車使用的轉(zhuǎn)向器中,上世紀(jì)解放汽車和東風(fēng)汽車使用蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向器,現(xiàn)在解放汽車和東風(fēng)汽車也已經(jīng)開始使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器,其它汽車大都使用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。由于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在小型車上具有很多其他轉(zhuǎn)向器無可替代的優(yōu)點,我國也在大量生產(chǎn)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器并在小型貨車及家庭轎車使用中得到飛速發(fā)展。例如我國第一汽車集團(tuán)公司在中日合作的項目上使用的就是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。還有其他本田、奧迪、桑塔納、夏利等轎車,以及南京依維柯、柳州五菱等小型貨車,均使用的是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。雖然國內(nèi)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有一定發(fā)展,但生產(chǎn)效率低,成本高。只有專業(yè)化設(shè)計,流水線生產(chǎn),才能提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,在國內(nèi)外市場上占有一席之地[6-7]。
3. 本課題的研究內(nèi)容及技術(shù)方案
3.1對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計計算
(1)對轉(zhuǎn)向系方案進(jìn)行選擇,包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向梯形的方案選擇;(2)確定轉(zhuǎn)向系的主要參數(shù),對轉(zhuǎn)向系的主要參數(shù)——傳動比和計算載荷等進(jìn)行計算;(3)設(shè)計齒輪齒條轉(zhuǎn)向器:確定齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的輸出形式和整車布置,對其工作原理進(jìn)行研究,對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,包括速比計算、螺旋角對其影響的分析、齒條齒面形狀分析、軸承選擇;(4)設(shè)計轉(zhuǎn)向梯形:分析轉(zhuǎn)向梯形的理論特性,確定轉(zhuǎn)向梯形的布置形式,對轉(zhuǎn)向梯形的尺寸進(jìn)行初步確認(rèn),最后對梯形進(jìn)行校核。
3.2 對轉(zhuǎn)向梯形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計
對轉(zhuǎn)向梯形數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推導(dǎo),分析理想的左右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系和實際的左右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系,對優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件進(jìn)行確定,最后對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析并進(jìn)行虛擬樣機(jī)試驗驗證分析[8].
3.3三維建模
用Catia建立轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向梯形完整的三維實體模型,并用CAD繪制工程圖。
3.4 有限元分析
基于有限元分析軟件ANSYS對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行建模和計算分析,并通過假設(shè)改進(jìn)方案對比,找到進(jìn)一步優(yōu)化方法[9]。
4. 本設(shè)計的特色
(1)在轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化設(shè)計中,進(jìn)行虛擬樣機(jī)試驗驗證分析,建立了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型,系統(tǒng)尺寸、位置參數(shù)采用優(yōu)化后的參數(shù),對優(yōu)化結(jié)果的有效性進(jìn)行驗證。
(2)在有限元分析中,采用有限元分析軟件ANSYS,它能與多數(shù)CAD軟件接口,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換,如Creo, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等, 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAE工具之一。
5. 進(jìn)度安排
第1~3周:搜集資料,撰寫開題報告;
第4~8周:確定總體方案,進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計計算;
第9~11周:對轉(zhuǎn)向梯形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計;
第12~15周:三維實體建模,繪制二維工程圖;
第16~17周:撰寫畢業(yè)設(shè)計論文;
第18周:準(zhǔn)備答辯。
6. 參考文獻(xiàn)
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[2]黃安華、卜憲衛(wèi):淺談汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程期刊 2010.01
[3]萬科:汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析 客車技術(shù)與研究期刊 2010.10
[4]萬福新、陳惠卿:汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其對油品的要求 中國汽車工程學(xué)會燃料與潤滑油分會第13屆年會論文集 2008.10
[5]胡愛軍、呂寶占:汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展趨勢 拖拉機(jī)與農(nóng)用運輸車期刊 2011.02
[6]陳益良:齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器簡介 汽車與配件期刊 2006.06
[7]王國營:汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器參數(shù)化設(shè)計分析與研究 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2013.02
[8]高東升:汽車轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計 汽車技術(shù)期刊 2006.01
[9]侯范曉、黎先飛、唐毅:基于ANSYS的某仿真駕駛模擬器轉(zhuǎn)向系有限元分析 科學(xué)與技術(shù)期刊 2011.05
開題報告檢查組意見:
組長(簽字):
年 月 日
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