夏利N3+两厢轿车液压动力转向器设计.docx
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夏利N3+两厢轿车液压动力转向器设计
夏利N3+两厢轿车液压动力转向器设计
摘要……………………………………………………………………………………………?
Abstract…………………………………………………………………………………?
第1章绪论……………………………………………………………………………1
1.1课题研究的目的及意义………………………………………………………………1
1.2汽车转向器研究的发展及趋势概况…………………………………………………1
1.3不同类型转向系统的结构及特点……………………………………………………4
1.3.1传统机械转向系统……………………………………………………………4
1.3.2液压助力转向系统（HPS）………………………………………………………4
1.3.3电控液压助力转向系统（EHPS）……………………………………………5
1.3.4电动助力转向系统（EPS）………………………………………………………6
1.3.5线控转向系统（SBW）…………………………………………………………7
1.4转向器设计要求………………………………………………………………………7
1.5设计主要内容…………………………………………………………………………8第2章液压动力转向器方案分析及确定……………………………………………9
2.1转向器结构优缺点分析和选择……………………………………………………9
2.1.1齿轮齿条式转向器………………………………………………………………9
2.1.2循环球式转向器………………………………………………………………10
2.1.3蜗杆滚轮式转向器……………………………………………………………11
2.1.4蜗杆指销式……………………………………………………………………11
2.2齿轮齿条式动力转向器结构…………………………………………………………11
2.3液压动力转向器工作原理及过程……………………………………………………12
2.3.1工作原理………………………………………………………………………12
2.3.2工作过程………………………………………………………………………13
2.4转向系主要性能参数………………………………………………………………15
2.4.1转向系的效率…………………………………………………………………15
2.4.2转向系传动比…………………………………………………………………16
2.4.3转向器的传动副的间隙特性…………………………………………………17
2.4.4转向系的刚度…………………………………………………………………18
2.4.5转向盘的总转动圈数…………………………………………………………18
2.5本章小结………………………………………………………………………………19第3章液压转向器的设计计算…………………………………………………………20
3.1转向系计算载荷的确定………………………………………………………………20
3.2齿轮齿条式转向器的设计……………………………………………………………21
3.2.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数………………………………………21
3.2.2按齿面接触硬度设计…………………………………………………………21
3.2.3按齿根抗弯强度设计…………………………………………………………23
3.2.4几何尺寸计算…………………………………………………………………25
3.3液压式动力转向机构的计算…………………………………………………………26
3.3.1动力缸尺寸的计算……………………………………………………………26
3.3.2活塞行程S的计算…………………………………………………………26
3.3.3分配阀的回位弹簧…………………………………………………………27
3.3.4动力转向器的评价指标………………………………………………………27
3.4本章小结………………………………………………………………………………28结论……………………………………………………………………………………………29参考文献……………………………………………………………………………………30致谢……………………………………………………………………………………………31附录……………………………………………………………………………………………32
第1章绪论
1.1课题研究的目的及意义
随着社会经济的进步以及人民生活水平的提高，汽车已经慢慢的走进了人们的生活当中，它从以前简单的代步工具慢慢升级成为一种生活的品质，人们不再满足于简单的行驶，而更关注驾驶乐趣对于汽车的安全性、稳定性、操纵性等更高要求。
而人们除了从外观及内饰等反面了解汽车外，最能直接体验驾驶乐趣的就是拥有一个良好、先进的转向系统，一个先进的转向系统带给驾驶者更多的是驾驶的乐趣而不是负担。
同时，转向系又是底盘的重要组成部分，其好坏优劣会直接关系到汽车的驾驶舒适性，安全性和操纵稳定性，从而影响人们的生命及财产的安全。
同时就我国的国情而言，汽车工业己成为我国的支柱产业，为了提高汽车的产品质量，保证汽车行驶的安全性，操纵稳定性，发展我国的汽车工业，这就要求汽车转向器综合性能就成为汽车安全性能的一个重要项目。
汽车转向器属于对行驶安全影响较大的零部件，在汽车系统中占据了一个重要的位置，其规模和质量已成为衡量汽车工业发展水平的重要标志之一。
在重型汽车、大型客车等载重量较大的汽车中，通常用动力转向器来操纵汽车行驶方向。
由于动力转向系统有着传统机械式转向系统无法比拟的优点，例如:
转向轻便灵敏，回位性能及手感良好，极大的减轻了汽车驾驶员的工作强度，特别适用于汽车在高速行驶时的转向。
因此目前国内外生产的汽车越来越多地配置了动力转向系统。
而液压动力转向器具有无噪声、灵敏度高、体积小、能够吸收来自不平路面的压力等优点，因此在现代汽车上得到了十分广泛的应用。
1.2汽车转向器研究的发展及趋势概况
随着科技的迅猛发展以及汽车的逐步普及，人们对汽车的操纵性、安全性，稳定性等方面的性能已经有了更进一步的要求，对转向系统产品的需求也随着汽车化的提高而发生着变化。
最初驾驶员们只希望比较容易地操纵转向系统，而后则追求在高速行驶时的稳定性、舒适性和良好的操纵感。
在早期的汽车上，转向机械非常简单，主要由一级齿轮传动机构和转向拉杆等构成。
其基本功能是将驾驶员的手动旋转操作转变为转向拉杆的左右移动，从而带动车轮转动，实现汽车的转向，随着汽车技术的进步又出现了更为复杂些的机械式转向器，这时的转向器是通过驾驶员转动方向盘，并通过一系列的杆件传递到转向车轮上来实现转向的，而着种传统的转向器又分为四种
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形式，分别为:
齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。
其中齿轮齿条式和循环球式应用比较广泛，在1923年，美国底特律的亨利?
马尔斯（HenryManes）为了减少蜗轮副和滚轮轴之间的接触摩擦力，在两者之间接触处放置滚珠支承，这就出现了滚珠蜗轮转向器。
这种形式的转向器就成为现在大家所熟知的循环球式转向器，它目前仍很广泛地在汽车上应用。
所谓“现代”齿轮齿条式转向器，是奔驰（Benz）于1885年首先采用的。
这种形式的转向器同样也使用在1905年的凯迪拉克（Cadillac）和1911一1920年间制造的许多其它形式的汽车上。
据了解，在全世界范围内，汽车循环球式转向器占45%左右，有继续发展之势;齿条齿轮式转向器在40%左右;蜗杆滚轮式转向器占10%左右;其它型式的转向器占5%。
所以可以说循环球式转向器在稳步发展。
而西欧小客车中，齿条齿轮式转向器有很大的发展。
日本汽车转向器的特点是循环球式转向器占的比重越来越大，日本装用不同类型发动机的各类型汽车，采用不同类型转向器，在公共汽车中因使用循环球式转向器，由60年代占总数的62.5%发展到现今的100%了（蜗杆滚轮式转向器在公共汽车上已经淘汰）。
大、小型货车中，也大都采用循环球式转向器;但齿条齿轮式转向器有所发展;微型货车用循环球式转向器占65%，齿条齿轮式占35%。
20世纪初汽车已经是一个沉重而又高速疾驶的车辆，充气轮胎代替了实心车轮。
由于转向柱直接与转向节连接，所以转动车轮是很费劲的。
即使是一个健壮的驾驶员，要控制转向仍然是很劳累的事情。
因此，汽车常常冲出路外，于是要降低转向力的问题就变得比较迫切了。
为了转向轻便，工程师设计了在方向盘和转向节之间装置齿轮减速机构。
从那时起，转向机构一直就是这样沿用下来。
汽车转向虽然采用了转向器，但转向的操纵仍非轻松的事当汽车重量增大、转向费劲时驾驶员要求能有更好的办法来解决，这才重新推广了一种已经大约有3/4个世纪的动力辅助转向器。
从上世纪四十年代起，为减轻驾驶员体力负担，在机械转向系统基础上增加了液压助力系统它是建立在机械系统的基础之上的，额外增加了一个液压系统HPS（hydraulicpowersteering），一般有油泵、V形带轮、油管、供油装置、助力装置和控制阀。
它具有工作无噪声，其灵触度高、体积小，能够吸收来自不平路面的冲击力等方面的优点并且其工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。
现在液压助力转向系统在实际中应用的最多。
在当时这个助力转向系统最重要的新功能是液力支持转向的运动，因此可以减少驾驶员作用在方向盘上的力。
随着轿车车速的不断提高，传统的液压动力转向暴露出一个致命的缺点，即若要保证汽车在停车或低速掉头时转向轻便的话，汽车在高速行驶时就会感到有“发飘”的感觉:
反之，若要保证汽车在高速行驶时操纵有适度感的话，那么当其要停车或低速
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掉头时就会感到转向太重，两者不能兼顾，这是由传统液压动力转向的结构所决定的。
由于动力转向在轿车上的日益普及，对其性能上的要求已不再是单纯的为了减轻操作强度，而是要求其在低速掉头时保证转向轻便性的同时又能保证高速行驶时的操纵稳定性。
近年来，随着电子技术的不断发展，转向系统中愈来愈多的采用电子器件。
相应的就出现了电液助力转向系统。
电液助力转向可以分为两大类:
电动液压助力转向系统EHPS、电控液压助力转向ECHPS[2]。
EHPS是在液压助力系统基础上发展起来的，其特点是原来有发动机带动的液压助力泵改由电机驱动，取代了由发动机驱动的方式，节省了燃油消耗。
ECHPS是在传统的液压助力转向系统的基础上增加了电控装置构成的。
国外在汽车动力转向器的研究和开发方面进行得比较早，进行了大量的研究，已经成功地开发出了电动式动力转向器，并在越来越多的轿车和轻型车辆上成功使用。
该装置优于普通的动力转向器，在不同车速下可通过转向电脑ECU自动调节转向盘的操作力，在低速行驶或车辆就位时，驾驶员只需用较小的操作力就能灵活进行转向;而在高速行驶时，则自动控制使操作力逐渐增大，实现操纵的稳定性。
当然，在目前的技术水准下它仍然存在某些不足，如助力较小等，目前仍处在发展阶段。
和液压动力转向器相比，电动转向器具有许多优点，如:
效率高，路感好、符合环保要求等，它是转向器未来发展趋势。
20世纪末，随着汽车技术的不断发展，电子控制技术也在汽车上得到逐步广泛应用。
现代汽车转向操纵系统的主动安全装置，有电子控制四轮转向系统（4WS）、电子控制动力转向系统（EPS）等。
电子控制四轮转向系统（4WS）:
传统的前轮转向系统。
为了使所有车轮处于纯滚动而无滑动，要求全部车轮都绕同一个瞬时转向中心做圆周运动，转向的同一时刻，每个车轮的转向半径都是不同的。
但实际上，汽车转向时若仅前轮转向，车身的前进方向与车身的中心线不一致，由于离心力的作用，将使后轮侧偏，导致车轮横摆。
而且车速越高，后轮侧偏越大，结果使车轮转向在高速时的操纵稳定性明显降低。
电子控制四轮转向系统则是在前轮转向的同时，主动地控制后轮也进行适当转向（一般最大为50）。
后轮相对于前轮的转向，分为同向转向（后轮与前轮的转动方向一致）和逆向转向（后轮与前轮的转动方向相反）。
由于汽车在拐急弯时，通常以低速行驶，而在直道或较平缓的弯道上时，通常以高速行驶。
因此，采用电子控制四轮转向系统的汽车，电子控制单元（ECU）根据多个传感器提供的数据，计算出后轮距目标转角的差值，再向步进电机发出指令使后轮偏转。
低速行驶时，依据方向盘的转角值使后轮逆向转向，以减小转弯半径;中速行驶时，可减少后轮转动，以减轻转向操纵的不自然感觉;而
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在高速行驶时，可使后轮实现同向转向，减少甚至基本避免车身横摆，提高转向的稳定性。
四轮转向系统自1978年在马自达?
卡配拉轿车上最初试用以来，世界各大汽车公司已分别研究多种四轮转向装置，并已批量生产。
动力转向系统日益广泛的被采用，不仅在重型汽车L必须采用，在高级轿车上采用的也较多，就是在中型汽车上也逐渐推广。
主要是从减轻驾驶员疲劳，提高操纵轻便性和稳定性出发。
虽然带来成本较高和结构复杂等问题，但由于它的优点明显，还是得到很快的发展。
而从国内角度来说近年来对于EPS的研究发展很快，尤其是在控制策略的研究上，已经将不同的控制方法引如ECU中，并通过实验和分析不断地完善和改进，但是在对于细节的优化上距离国外还有相当的差距，而且目前国内除了吉利汽车，还尚未自主知识产权的EPS，距离EPS的批量化生产也还有一段路要走
从发展趋势上看，国外整体式转向器发展较快而整体式转向器中转阀结构是目前发展的方向。
由寸动力转向系统还是新的结构，各国的生产厂家都正在组织力量，大力开展试验研究工作，提高使用性能、减小总成体积、降低生产成本、使之产品质量稳定。
以便逐步推广和普及。
1.3不同类型转向系统的结构及特点
1.3.1传统机械转向系统
汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向轮来完成的。
机械式转向系统工作过程为:
驾驶员对转向盘施加的转向力矩通过转向轴输入转向器，减速传动装置的转向器中有1、2级减速传动副，经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆，再传给固定于转向节上的转向节臂，使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而实现汽车的转向。
纯机械式转向系统根据转向器形式可以分为:
齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。
纯机械式转向系统为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘，需占用较大的空间，整个机构笨拙，，特别是对转向阻力较大的重型汽车，实现转向难度很大，这就大大限制了其使用范围。
但因结构简单、工作可靠、造价低廉，目前该类转向系统除在一些转向操纵力不大、对操控性能要求不高的农用车上使用外已很少被采用。
1.3.2液压助力转向系统（HPS）
装配机械式转向系统的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重，为解决这个问题，美国GM公司在20世纪50年代率先在轿车上采用了液压助力转向系统。
该系统是建立在机械系统的基础之上，额外增加了一个液压系统。
液压转向系统是由液压和机械等两部分组成，它是以液压油做动力传递介质，通过液压泵产
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生动力来推动机械转向器，从而实现转向。
液压助力转向系统一般由机械转向器、液压泵、油管、分配阀、动力缸、溢流阀和限压阀、油缸等部件组成。
为确保系统安全，在液压泵上装有限压阀和溢流阀。
其分配阀、转向器和动力缸置于一个整体，分配阀和主动齿轮轴装在一起（阀芯与齿轮轴垂直布置），阀芯上有控制槽，阀芯通过转向轴上的拨叉拨动。
转向轴用销钉与阀中的弹性扭杆相接，该扭杆起到阀的中心定位作用。
在齿条的一端装有活塞，并位于动力缸之中，齿条左端与转向横拉杆相接。
转向盘转动时，转向轴（连主动齿轮轴）带动阀芯相对滑套运动，使油液通道发生变化，液压油从油泵排出，经控制阀流向动力缸的一侧，推动活塞带动齿条运动，通过横拉杆使车轮偏转而转向。
液压助力转向系统是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机带动液压泵产生的压力来实现车轮转向。
由于液压转向可以减少驾驶员手动转向力矩，从而改善了汽车的转向轻便性和操纵稳定性。
为保证汽车原地转向或者低速转向时的轻便性，液压泵的排量是以发动机怠速时的流量来确定。
汽车起动之后，无论车子是否转向，系统都要处于工作状态，而且在大转向车速较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力，所以在一定程度上浪费了发动机动力资源。
并且转向系统还存在低温工作性能差等缺点。
1.3.3电控液压助力转向系统（EHPS）
由于液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性，因此，在1983年日本Koyo公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统（EHPS）。
EHPS是在液压助力系统基础上发展起来的，在传统的液压助力转向系统的基础上增设了电控装置，其特点是原来由发动机带动的液压助力泵改由电机驱动，取代了由发动机驱动的方式，节省了燃油消耗;具有失效保护系统，电子元件失灵后仍可依靠原转向系统安全工作;低速时转向效果不变，高速时可以自动根据车速逐步减小助力，增大路感，提高车辆行使稳定性。
电控液压助力转向系统是将液压助力转向与电子控制技术相结合的机电一体化产品。
一般由电气和机械2部分组成，电气部分由车速传感器、转角传感器和电控单元ECU组成;机械部分包括齿轮齿条转向器、控制阀、管路和电动泵。
其中电动泵的工作状态由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态。
简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向省力;汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动液压泵以较低的速度运转，在不至于影响高速打转向的需要的同时，节省一部分发动机功率。
电控液压转向系统的工作原理:
在汽车直线行驶时，方向盘不转动，电动泵以很低的速度运转，大部分工作油经过转向阀流回储油罐，少部分经液控阀然后流回储油罐;当驾驶员开始转动方向盘时，ECU根据检测到的转角、车速以
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及电动机转速的反馈信号等，判断汽车的转向状态，决定提供助力大小，向驱动单元发出控制指令，使电动机产生相应的转速以驱动油泵，进而输出相应流量和压力的高压油。
高压油经转向控制阀进入齿条上的动力缸，推动活塞以产生适当的助力，协助驾驶员进行转向操作，从而获得理想的转向效果。
电控液压助力转向系统在传统液压动力转向系统的基础上有了较大的改进，但液压装置的存在，使得该系统仍有难以克服如渗油、不便于安装维修及检测等问题。
电控液压助力转向系统是传统液压助力转向系统向电动助力转向系统的过渡。
1.3.4电动助力转向系统（EPS）
1988年日本Suzuki公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统。
1990年日本Honda公司也在运动型轿车NSX上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。
EPS是在EHPS的基础上发展起来的,它取消EHPS的液压油泵、油管、油缸和密封圈等部件,完全依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构,其结构简单、零件数量大大减少、可靠性增强,解决了长期以来一直存在的液压管路泄漏和效率低下的问题。
电动助力转向系统在本田飞度、思域以及丰田新皇冠、奔驰新A-class等车型上纷纷被采用。
电动助力转向系统的构电动助力转向系统一般是由转矩（转向）传感器、电子控制单元ECU、电动机、电磁离合器以及减速机构组成。
其工作过程为:
扭矩传感器检测驾驶员打方向盘的扭矩，然后根据这个扭矩给控制单元一个信号。
同时控制单元也会收到来自方向盘位置传感器的信号，这个传感器一般是和扭矩传感器装在一起的（有些传感器已经将这2个功能集成为一体）。
扭矩和方向盘位置信息经过控制单元处理，连同传入控制单元的车速信号，根据预先设计好的程序产生助力指令。
该指令传到电机，由电机产生扭矩传到助力机构上去，这里的齿轮机构则起到增大扭矩的作用。
这样，助力扭矩就传到了转向柱并最终完成了助力转向。
节约了能源消耗与传统的液压助力转向系统相比，没有系统要求的常运转转向油泵，且电动机只是在需要转向时才接通电源，所以动力消耗和燃油消耗均可降到最低。
还消除了由于转向油泵带来的噪音污染。
液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停地流动，再加上存在管流损失等因素，浪费了部分能量。
相反EPS仅在需要转向操作时才需零部件要向电机提供的能量。
而且，EPS系统能量的消耗与转向盘的转向及当前的车速有关。
当转向盘不转向时，电机不工作;需要转向时，电机在控制模块的作用下开始工作，输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向力矩。
该系统真正实现了“按需供能”，是真正的“按需供能型”（on-demand）系统，在各种行驶条件下可节能80%左右。
当驾驶员转动方向盘一角度然后松开时，EPS系统能够自动调整使车轮回到正中。
同时还可
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利用软件在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。
通过灵活的软件编程，容易得到电机在不同车速及不同车况下的转矩特性，这些转矩特性使得该系统能显著地提高转向能力，提供了与车辆动态性能相匹配的转向回正特性。
而在传统的液压控制系统中，要改善这种特性必须改造底盘的机械结构，实现起来很困难。
转向系统是影响汽车操纵稳定性的重要因素之一。
传统液压动力转向由于不能很好地对助力进行实时调节与控制，所以协调转向力与路感的能力较差，特别是汽车高速行驶时，仍然会提供较大助力，使驾驶员缺乏路感，甚至感觉汽车发飘，从而影响操纵稳定性。
但EPS是由电动机提供助力，助力大小由电子控制单元（ECU）根据车速、方向盘输入扭矩等信号进行实时调节与控制，可以很好地解决这个矛盾。
EPS系统控制单元ECU具有故障自诊断功能，当ECU检测到某一组件工作异常，如各传感器、电磁离合器、电动机、电源系统及汽车点火系统等，便会立即控制电磁离合器分离停止助力，转为手动转向，按普通转向控制方式进行工作，确保了行车的安全。
1.3.5线控转向系统（SBW）
在车辆高速化、驾驶人员大众化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的易操纵性设计显得尤为重要。
线控转向系统（Steering-By-WireSysterm，简称SBW）的发展，正是满足这种客观需求。
它是继EPS后发展起来的新一代转向系统，具有比EPS操纵稳定性更好的特点，它取消转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电能实现转向，彻底摆脱传统转向系统所固有的限制，提高了汽车的安全性和驾驶的方便性。
SBW系统一般由转向盘模块、转向执行模块和主控制器ECU、自动防故障系统以及电源等模块组成。
转向盘模块包括路感电机和转向盘转角传感器等，转向盘模块向驾驶员提供合适的转向感觉（也称为路感）并为前轮转角提供参考信号。
转向执行模块包括转向电机、齿条位移传感器等,实现2个功能:
跟踪参考前轮转角、向转向盘模块反馈轮胎所受外力的信息以反馈车辆行驶状态。
主控制器控制转向盘模块和转向执行模块的协调工作。
当转向盘转动时,转向传感器和转向角传感器检测到驾驶员转矩和转向盘的转角并转变成电信号输入到ECU,ECU根据车速传感器和安装在转向传动机构上的位移传感器的信号来控制转矩反馈电动机的旋转方向,并根据转向力模拟,生成反馈转矩,控制转向电动机的旋转方向、转矩大小和旋转角度,通过机械转向装置控制转向轮的转向位置，使汽车沿着驾驶员期望的轨迹行驶。
1.4转向器设计要求
汽车转向系的作用是保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶中，保证各转向轮之间有协调的转角关系。
保证汽车在行驶中能按驾驶员的操纵要求，适时地改变行驶方向，并能在受到路面干扰偏离行驶方向时，与行驶系配合，共同保持汽
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车稳定地直线行驶。
转向系对汽车行驶的适应性、安全性都具有重要的意义。
对转向系提出的要求有:
（1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。
不满组这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。
（2）汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的
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