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某商用車整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計 本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 開 題 報 告 論文題目 某商用車整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計 班 級 姓 名 院（系） 導(dǎo) 師 開題時間 - 16 - 1．課題研究的目的和意義 作為汽車的一個重要組成部分，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來保持或改變汽車行駛方向的機構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛時，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)動方向必須與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動方向保持一致，因此必須對轉(zhuǎn)向垂臂的位置、轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的構(gòu)成等進行運動學(xué)校核。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是決定汽車主動安全性的關(guān)鍵總成，如何設(shè)計汽車的轉(zhuǎn)向特性，使汽車具有良好的操縱性能，始終是各汽車生產(chǎn)廠家和科研機構(gòu)的重要研究課題。特別是在車輛高速化、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)巳海嚨牟倏v設(shè)計顯得尤為重要[1]。 近年來，隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車上廣泛使用各類助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。乘用車負載較小，對速度性能要求較高，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、電機功率以及加工工藝方面的因素制約，商用車通常采用循環(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，在方向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機械連接，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)動時，方向盤控制閥輸出與轉(zhuǎn)向輪擺動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)，由液壓缸推動車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向器需要獨立液壓動力源，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，借助于汽車發(fā)動機帶動液壓泵產(chǎn)生的壓力來實現(xiàn)車輪轉(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)一個轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)設(shè)計定型后，閥口和扭桿的參數(shù)固定，對于常流量系統(tǒng)，其助力特性是固定的。在設(shè)計液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時，若保證汽車在泊車時提供足夠的助力，就必然導(dǎo)致在高速時助力過大，失去路感[4]。其主要缺點是無法根據(jù)車速對助力特性進行調(diào)節(jié)，由發(fā)動機帶動的液壓泵一直處于工作狀態(tài)，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使整個發(fā)動機燃油消耗量增加了3％～5％，對油耗影響較大[5]。 本課題內(nèi)容包含總體方案設(shè)計、參數(shù)計算、三維建模、有限元分析等。通過本次課題設(shè)計，對液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行設(shè)計計算，對轉(zhuǎn)向梯形進行優(yōu)化，建立轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向梯形完整的三維模型，達到綜合運用所學(xué)知識，分析和解決實際工程問題，鍛煉創(chuàng)造能力的目的，并切實掌握和鍛煉設(shè)計能力和分析方法。 2．國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2.1 商用車整體發(fā)展趨勢 卡車由于運輸成本低、效率高，逐漸成為公路運輸?shù)氖走x，因此卡車的研發(fā)和生產(chǎn)成為汽車生產(chǎn)廠家競爭的一個焦點。隨著社會經(jīng)濟、物流產(chǎn)業(yè)和公路交通運輸業(yè)的迅猛發(fā)展，商用車在國民經(jīng)濟中的作用愈顯重要。目前，世界知名商用車制造商，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的東風(fēng)、一汽、中國重汽、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)展以及人們對卡車的要求越來越高，汽車生產(chǎn)商對卡車研發(fā)的投入也越來越大，卡車的發(fā)展呈現(xiàn)以下的趨勢[6]： （1）低油耗 由于國際能源危機，降低油耗成為各式車輛的重要發(fā)展目標(biāo)，而卡車耗油量較多，因此降低油耗成為卡車發(fā)展的重要方向。降低油耗的方法主要有：一是減輕汽車重量；二是改進發(fā)動機，改善燃油在發(fā)動機中的燃燒，三是提高傳動裝置的效率，減少功率損失。 （2）大噸位、大功率、高時效 隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，貨運量越來越大，要求卡車的噸位也越來越大。且用載重量大的車輛運輸，其成本比載重量小的車輛運輸要低，沃爾沃公司的FHl6系列卡車裝備了660PS 發(fā)動機。 （3）主動安全性的提高 汽車安全性能逐漸成為人們重點關(guān)注的問題，因為它直接關(guān)系到人身財產(chǎn)的安全。提高卡車的安全性主要包括兩個方面：一是主動安全性，即如何避免發(fā)生事故；二是被動安全性，即如何減少事故對人員的傷害。汽車的主動安全性不斷成為車輛安全性的研究重點。國外已采用制動防抱死系統(tǒng)（ABS）、驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)（TCS）、電子控制制動系統(tǒng)（EBS）、翻車警告系統(tǒng)以及輪胎自動監(jiān)測系統(tǒng)，并開始選裝電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP），如德國奔馳公司在Actros車型上就裝用ESP 作為標(biāo)準(zhǔn)配置。國產(chǎn)商用車已開始安裝ABS和TCS等裝置，其核心零部件國產(chǎn)與進口并存，但缺乏匹配設(shè)計能力。 （4）操縱駕駛更方便、更輕松舒適 卡車駕駛的操縱勞動強度太大，長期駕駛?cè)菀灼?，而疲勞駕駛是導(dǎo)致交通事故的主要原因之一，因此提高卡車的操縱舒適性非常重要，國外商用車已開始使用電控機械式自動變速器（AMT），進一步提高車輛的換擋品質(zhì)和起步性，同時提高車輛的動力性與經(jīng)濟性。平順性和駕駛室舒適性方面，歐洲商用車已普遍采用空氣懸架，平順性和駕駛室舒適性已接近轎車水平。我國商用車在平順性、舒適性方面具有較大的提升空間。 2.2汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展趨勢 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展, 技術(shù)日趨完善。今后, 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將進一步成熟, 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將成為我們研究的努力方向。具體來說, 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要從以下幾個方面進一步發(fā)展[7]: ( 1) 傳感器技術(shù) 性能完善的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速信號、電機電壓信號、電機電流信號等。目前, 傳感器的成本是制約電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)迅速市場化的主要因素, 因此, 設(shè)計和開發(fā)適合電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的性價比較高的傳感器是未來技術(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, 也是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。目前, 國內(nèi)外許多學(xué)者都在探討將先進的控制理論應(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主要集中在如何抑制電機的力矩波動、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, 以進一步優(yōu)化和改善助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性。 ( 3) 助力電機的研究 助力電機是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行元件,助力電機的特性直接影響到控制的難易程度和駕駛員的手感。目前, 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)普遍采用成本較低的直流有刷電機。由于直流無刷電機采用電子換向, 減少了換向時的火花, 不需要經(jīng)常維護以及具有較高的效率和功率密度等優(yōu)點而受到越來越多的關(guān)注。因此, 開發(fā)適合助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的低成本的直流無刷電機是今后助力電機的研究方向。 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，使得動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在體積、功率消耗和價格等方面都取得了很大的進步。 80年代后期，又出現(xiàn)了變減速比的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在接下來的數(shù)年內(nèi)，動力轉(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力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Variable Displacement Power Steering Pump)和電動液壓助力轉(zhuǎn)向(Electric Hydraulic Power Steering，簡稱EHPS)系統(tǒng)。變流量泵助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車處于比較高的行駛速度或者不需要轉(zhuǎn)向的情況下，泵的流量會相應(yīng)地減少，從而有利于減少不必要的功耗。電動液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)向泵，由于電機的轉(zhuǎn)速可調(diào)，可以即時關(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、大部分商用車特別是重型車輛上廣泛應(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. 本課題的研究內(nèi)容及技術(shù)方案 本論文主要研究某商用車整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計計算該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并對轉(zhuǎn)向梯形進行優(yōu)化設(shè)計。目前研究人員針對乘用車齒輪齒條式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( EPS ) 、電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( EHPS) 的動態(tài)特性已經(jīng)做了大量的研究，而針對商用車整體式液壓助力轉(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)入手再進行對液壓助力轉(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，掌握商用車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計要領(lǐng)以及注意事項； 2.查閱國內(nèi)外商用車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究論文，了解國內(nèi)外商用車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究動態(tài)，并將現(xiàn)有理論應(yīng)用于本次畢業(yè)設(shè)計中，對本次畢業(yè)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)進行深入探討； 3.總結(jié)本次設(shè)計經(jīng)驗，建立整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計模型；利用MATLAB/SIMULINK、CATIA等軟件建立轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向梯形的三維實體模型，并進行相關(guān)有限元分析。 4. 本設(shè)計的特色 1）本設(shè)計建立在對汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的全面了解的基礎(chǔ)上，對商用車整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行三維建模、有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，將對實際商用車整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計具有指導(dǎo)意義和參考價值。 2）由于前輪載荷較大、電機功率以及加工工藝方面的因素制約，商用車通常采用整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供助力，但其仍存在無法根據(jù)車速對助力特性進行調(diào)節(jié)的缺點，故本設(shè)計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對實際具有指導(dǎo)意義。 3）本設(shè)計建立在MATLAB/SIMULINK仿真平臺和CATIA三維建?；A(chǔ)上，給設(shè)計帶來極大的簡便和科學(xué)性。 5. 進度安排 第1~3周：搜集資料，撰寫開題報告； 第4~8周：確定總體方案，進行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計計算； 第9~11周：對轉(zhuǎn)向梯形進行優(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 [1] 王常友，董愛杰： 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 2007.04 [2] 施國標(biāo),申榮衛(wèi),林逸.：電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模與仿真技術(shù).吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2007,37(1):31~36. 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