某商用車(chē)整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開(kāi) 題 報(bào) 告論文題目 某商用車(chē)整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì) 班 級(jí)姓 名 院（系）導(dǎo) 師開(kāi)題時(shí)間- 16 -1課題研究的目的和意義 作為汽車(chē)的一個(gè)重要組成部分，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來(lái)保持或改變汽車(chē)行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車(chē)轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，它能保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向必須與轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向保持一致，因此必須對(duì)轉(zhuǎn)向垂臂的位置、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的構(gòu)成等進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)校核。汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是決定汽車(chē)主動(dòng)安全性的關(guān)鍵總成，如何設(shè)計(jì)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向特性，使汽車(chē)具有良好的操縱性能，始終是各汽車(chē)生產(chǎn)廠家和科研機(jī)構(gòu)的重要研究課題。特別是在車(chē)輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車(chē)流密集化的今天，針對(duì)更多不同水平的駕駛?cè)巳?，汽?chē)的操縱設(shè)計(jì)顯得尤為重要1。近年來(lái)，隨著汽車(chē)技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車(chē)上廣泛使用各類(lèi)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。乘用車(chē)負(fù)載較小，對(duì)速度性能要求較高，通常采用齒輪齒條式EPS 以及EHPS 轉(zhuǎn)向系統(tǒng);而由于前輪載荷較大、電機(jī)功率以及加工工藝方面的因素制約，商用車(chē)通常采用循環(huán)球式HPS系統(tǒng)提供助力2。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完全是靠液壓力驅(qū)動(dòng)，在方向盤(pán)和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，被液壓管路、液壓閥、液壓執(zhí)行器所取代。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，方向盤(pán)控制閥輸出與轉(zhuǎn)向輪擺動(dòng)速度成比例的液體流量，液體再流入到轉(zhuǎn)向液壓缸工作腔內(nèi)，由液壓缸推動(dòng)車(chē)輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向器需要獨(dú)立液壓動(dòng)力源，通常利用定量泵直接供油3。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在駕駛員的控制下，借助于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵產(chǎn)生的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輪轉(zhuǎn)向。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性是由轉(zhuǎn)向伺服轉(zhuǎn)閥及油泵供油量決定的。當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)設(shè)計(jì)定型后，閥口和扭桿的參數(shù)固定，對(duì)于常流量系統(tǒng)，其助力特性是固定的。在設(shè)計(jì)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)，若保證汽車(chē)在泊車(chē)時(shí)提供足夠的助力，就必然導(dǎo)致在高速時(shí)助力過(guò)大，失去路感4。其主要缺點(diǎn)是無(wú)法根據(jù)車(chē)速對(duì)助力特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的液壓泵一直處于工作狀態(tài)，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量增加了35，對(duì)油耗影響較大5。本課題內(nèi)容包含總體方案設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、三維建模、有限元分析等。通過(guò)本次課題設(shè)計(jì)，對(duì)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)轉(zhuǎn)向梯形進(jìn)行優(yōu)化，建立轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向梯形完整的三維模型，達(dá)到綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題，鍛煉創(chuàng)造能力的目的，并切實(shí)掌握和鍛煉設(shè)計(jì)能力和分析方法。2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1 商用車(chē)整體發(fā)展趨勢(shì) 卡車(chē)由于運(yùn)輸成本低、效率高，逐漸成為公路運(yùn)輸?shù)氖走x，因此卡車(chē)的研發(fā)和生產(chǎn)成為汽車(chē)生產(chǎn)廠家競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)焦點(diǎn)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)、物流產(chǎn)業(yè)和公路交通運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，商用車(chē)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用愈顯重要。目前，世界知名商用車(chē)制造商，如歐洲的奔馳、斯堪尼亞、沃爾沃、曼、雷諾，北美的Navistar，亞洲的五十鈴、日野等公司，其產(chǎn)品整體性能上與我國(guó)的東風(fēng)、一汽、中國(guó)重汽、北汽福田、陜汽等公司相比處于較高的技術(shù)水平。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)卡車(chē)的要求越來(lái)越高，汽車(chē)生產(chǎn)商對(duì)卡車(chē)研發(fā)的投入也越來(lái)越大，卡車(chē)的發(fā)展呈現(xiàn)以下的趨勢(shì)6： （1）低油耗 由于國(guó)際能源危機(jī)，降低油耗成為各式車(chē)輛的重要發(fā)展目標(biāo)，而卡車(chē)耗油量較多，因此降低油耗成為卡車(chē)發(fā)展的重要方向。降低油耗的方法主要有：一是減輕汽車(chē)重量；二是改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，改善燃油在發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒，三是提高傳動(dòng)裝置的效率，減少功率損失。 （2）大噸位、大功率、高時(shí)效 隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，貨運(yùn)量越來(lái)越大，要求卡車(chē)的噸位也越來(lái)越大。且用載重量大的車(chē)輛運(yùn)輸，其成本比載重量小的車(chē)輛運(yùn)輸要低，沃爾沃公司的FHl6系列卡車(chē)裝備了660PS 發(fā)動(dòng)機(jī)。 （3）主動(dòng)安全性的提高 汽車(chē)安全性能逐漸成為人們重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到人身財(cái)產(chǎn)的安全。提高卡車(chē)的安全性主要包括兩個(gè)方面：一是主動(dòng)安全性，即如何避免發(fā)生事故；二是被動(dòng)安全性，即如何減少事故對(duì)人員的傷害。汽車(chē)的主動(dòng)安全性不斷成為車(chē)輛安全性的研究重點(diǎn)。國(guó)外已采用制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）、驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)（TCS）、電子控制制動(dòng)系統(tǒng)（EBS）、翻車(chē)警告系統(tǒng)以及輪胎自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并開(kāi)始選裝電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP），如德國(guó)奔馳公司在Actros車(chē)型上就裝用ESP作為標(biāo)準(zhǔn)配置。國(guó)產(chǎn)商用車(chē)已開(kāi)始安裝ABS和TCS等裝置，其核心零部件國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口并存，但缺乏匹配設(shè)計(jì)能力。 （4）操縱駕駛更方便、更輕松舒適卡車(chē)駕駛的操縱勞動(dòng)強(qiáng)度太大，長(zhǎng)期駕駛?cè)菀灼冢隈{駛是導(dǎo)致交通事故的主要原因之一，因此提高卡車(chē)的操縱舒適性非常重要，國(guó)外商用車(chē)已開(kāi)始使用電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT），進(jìn)一步提高車(chē)輛的換擋品質(zhì)和起步性，同時(shí)提高車(chē)輛的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性。平順性和駕駛室舒適性方面，歐洲商用車(chē)已普遍采用空氣懸架，平順性和駕駛室舒適性已接近轎車(chē)水平。我國(guó)商用車(chē)在平順性、舒適性方面具有較大的提升空間。2.2汽車(chē)轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展, 技術(shù)日趨完善。今后, 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將進(jìn)一步成熟, 線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將成為我們研究的努力方向。具體來(lái)說(shuō), 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步發(fā)展7: ( 1) 傳感器技術(shù) 性能完善的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要采集轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩信號(hào)、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速信號(hào)、電機(jī)電壓信號(hào)、電機(jī)電流信號(hào)等。目前, 傳感器的成本是制約電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)迅速市場(chǎng)化的主要因素, 因此, 設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)適合電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的性?xún)r(jià)比較高的傳感器是未來(lái)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。 ( 2) 控制策略的研究 控制策略是影響助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一, 也是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。目前, 國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都在探討將先進(jìn)的控制理論應(yīng)用于助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究, 如魯棒控制理論、模糊控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論和自適應(yīng)控制理論等。今后, 控制策略研究的重點(diǎn)主要集中在如何抑制電機(jī)的力矩波動(dòng)、如何獲得較好的路感、如何抑制路面干擾和傳感器的噪聲等方面, 以進(jìn)一步優(yōu)化和改善助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。 ( 3) 助力電機(jī)的研究 助力電機(jī)是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行元件,助力電機(jī)的特性直接影響到控制的難易程度和駕駛員的手感。目前, 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)普遍采用成本較低的直流有刷電機(jī)。由于直流無(wú)刷電機(jī)采用電子換向, 減少了換向時(shí)的火花, 不需要經(jīng)常維護(hù)以及具有較高的效率和功率密度等優(yōu)點(diǎn)而受到越來(lái)越多的關(guān)注。因此, 開(kāi)發(fā)適合助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的低成本的直流無(wú)刷電機(jī)是今后助力電機(jī)的研究方向。2.3液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展8 1953年通用汽車(chē)公司首次使用了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，此后該技術(shù)迅速發(fā)展，使得動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在體積、功率消耗和價(jià)格等方面都取得了很大的進(jìn)步。 80年代后期，又出現(xiàn)了變減速比的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在接下來(lái)的數(shù)年內(nèi)，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)革新差不多都是基于液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，比較有代表性的是變流量泵液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Variable Displacement Power Steering Pump)和電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向(Electric Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱(chēng)EHPS)系統(tǒng)。變流量泵助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車(chē)處于比較高的行駛速度或者不需要轉(zhuǎn)向的情況下，泵的流量會(huì)相應(yīng)地減少，從而有利于減少不必要的功耗。電動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向泵，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)，可以即時(shí)關(guān)閉，所以也能夠起到降低功耗的功效9。 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使駕駛室變得寬敞，布置更方便，降低了轉(zhuǎn)向操縱力，也使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更為靈敏。由于該類(lèi)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)成熟、能提供大的轉(zhuǎn)向操縱助力，目前在部分乘用車(chē)、大部分商用車(chē)特別是重型車(chē)輛上廣泛應(yīng)用。但是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在系統(tǒng)布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面存在不足10。3. 本課題的研究?jī)?nèi)容及技術(shù)方案 本論文主要研究某商用車(chē)整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)計(jì)算該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并對(duì)轉(zhuǎn)向梯形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前研究人員針對(duì)乘用車(chē)齒輪齒條式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( EPS ) 、電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( EHPS) 的動(dòng)態(tài)特性已經(jīng)做了大量的研究，而針對(duì)商用車(chē)整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( HPS) 的研究甚少，本論文在總結(jié)現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，從整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)入手再進(jìn)行對(duì)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化深入研究。本論文研究的主要內(nèi)容如下：1.研究液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)原理，掌握商用車(chē)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要領(lǐng)以及注意事項(xiàng)；2.查閱國(guó)內(nèi)外商用車(chē)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究論文，了解國(guó)內(nèi)外商用車(chē)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究動(dòng)態(tài)，并將現(xiàn)有理論應(yīng)用于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，對(duì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入探討；3.總結(jié)本次設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，建立整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型；利用MATLAB/SIMULINK、CATIA等軟件建立轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向梯形的三維實(shí)體模型，并進(jìn)行相關(guān)有限元分析。 4. 本設(shè)計(jì)的特色1）本設(shè)計(jì)建立在對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的全面了解的基礎(chǔ)上，對(duì)商用車(chē)整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行三維建模、有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將對(duì)實(shí)際商用車(chē)整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。2）由于前輪載荷較大、電機(jī)功率以及加工工藝方面的因素制約，商用車(chē)通常采用整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供助力，但其仍存在無(wú)法根據(jù)車(chē)速對(duì)助力特性進(jìn)行調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)，故本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)實(shí)際具有指導(dǎo)意義。3）本設(shè)計(jì)建立在MATLAB/SIMULINK仿真平臺(tái)和CATIA三維建模基礎(chǔ)上，給設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的簡(jiǎn)便和科學(xué)性。5. 進(jìn)度安排第13周：搜集資料，撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告；第48周：確定總體方案，進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算；第911周：對(duì)轉(zhuǎn)向梯形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；第1215周：三維實(shí)體建模，繪制二維工程圖；第1617周：撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文；第18周：準(zhǔn)備答辯。6. 參考文獻(xiàn)1 王常友，董愛(ài)杰： 汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 2007.042 施國(guó)標(biāo),申榮衛(wèi),林逸.：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模與仿真技術(shù).吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2007,37(1):3136.3 季學(xué)武, 陳奎元： 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