毕业设计论文电控电动式齿轮齿条四轮转向系统设计.docx

《毕业设计论文电控电动式齿轮齿条四轮转向系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文电控电动式齿轮齿条四轮转向系统设计.docx（50页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、电控电动式齿轮齿条四轮转向系统设计摘要四轮转向系统利用行驶中的某些信息来控制后轮的转角输入，主要目的是增强汽车高速行驶时的操纵稳定性，提高汽车低速行驶时的操纵灵活性。文中介绍了四种类型的四轮转向系统，为控制前后轮的协调偏转，提供了七种控制策略。根据已有的研究，设计了一种电控电动式的四轮转向系统，对其主要结构进行了介绍。基于的基本参数，设计了齿轮齿条式的前轮转向机构和后轮转向机构。基于阿克曼转向原理,运用MaUab优化工具箱对所设计的转向梯形机构进行尺寸优化。本文建立了线型二自由度四轮转向汽车模型，推导出其运动微分方程。基于前后转角比例转向的控制策略，借助MatIab/Simu1ink对四轮转向

2、和前轮转向汽车进行了运动仿真。关键词：四轮转向；转向系设计；转向梯形优化；运动仿真摘要IAbstract错误!未定义书签。第1章绪论11.1 本课题研究的目的和意义11.1.1 四轮转向技术原理简介11.1.2 研究的目的和意义11.2 国内外研究现状概述21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状41.3 本文主要研究内容4第2章转向系统的整体设计62.1 四轮转向系统的类型62.2 四轮转向系统的控制类型72.3 整车布置的设计82.4 本章小结9第3章转向器的设计103.1 设计目标车辆主要参数103.2 前轮转向器的设计103.2.1 转向系计算载荷的确定103.2.2 齿轮齿

3、条式转向器的设计113.2.3 间隙调整机构的设计143.3 后轮转向机构的设计153.3.1 齿轮齿条式转向器的设计153.3.2 直流电动机的选择173.3.3 减速器的设计173.3.4 联轴器的选择223.3.5 传感器的选择233.4 装配图的绘制243.5 本章小结25第4章转向梯形的优化设计264.1 转向梯形机构方案选择264.2 转向梯形机构的优化设计274.2.1 建立转向梯形的数学模型274.2.2 优化转向梯形的数学模型294.3 转向传动机构强度计算324.3.1 球头销的设计324.3.2 转向横拉杆的设计324.4 电机的控制344.5 本章小结34第5章四轮运动

4、模型的建立及仿真355.1 四轮转向汽车模型的建立355.2 四轮转向汽车运动关系的推导375.2.1 汽车横摆角速度与前轮转角的关系375.2.2 汽车质心侧偏角与前轮转角的关系385.2.3 汽车侧向加速度与前轮转角的关系395.3 四轮转向汽车的运动仿真405.3.1 时域响应特性405.3.2 频域响应特性435.4 本章小结45结论46致谢错误!未定义书签。参考文献47第1章绪论1.1 本课题研究的目的和意义1.1.1 四轮转向技术原理简介伴随着社会的进步、先进科技的发展，道路安全问题引起了人们更高的关注，为了确保汽车的行驶安全，操纵稳定性获得越来越高的重视。汽车四轮转向技术是一种可

5、以使前后轮同时改变方向的技术，后轮可以独立进行转向。这种转向方式的作用示意图如图1-1所示。图前轮转向与四轮转向技术的示意图与前轮转向汽车相比，四轮转向汽车有如下优点：（1）汽车在低速行驶转向并且方向盘转向角度很大时，后轮相对于前轮反向转向，可以减小汽车的转弯半径，提高汽车的机动性。（2）汽车高速行驶转弯时，后轮与前轮同向转向，能按照驾驶者的意图迅速改变汽车行驶轨迹，而车身又不致产生过大的摆动，减少了摆尾产生的可能性，使驾驶者更容易控制汽车的姿态。（3）减轻了汽车行驶时的轮胎磨损。1.1.2 研究的目的和意义汽车的操纵稳定性是评价汽车主动安全性能的重要标准之一，是汽车行驶安全的重要保障，在高速

6、行驶时汽车安全行驶受操纵稳定性的重要影响。因此，转向系的设计在整车设计中显得非常重要。另外，如何选择转向机构形式及优化转向梯形的尺寸，使其满足阿克曼转向原理，是一项非常重要的任务。通过查询资料与设计的过程，掌握产品的基本设计思路及设计过程，可以巩固所学的专业理论知识，加深对汽车安全性、操纵稳定性的理解，提高通过理论知识解决实际问题的能力。1.2 国内外研究现状概述4WS作为汽车新技术，目前在各国的应用都不是很广泛。日本虽然在4WS的研究上做了很多的工作，也取得了很大的成果，但是就日本每年生产的千万辆汽车而言，安装4WS的只是很小一部分，仍然不能大规模地使用。其一是4WS在很多方面尚不是很成熟，

7、其二是成本较高。尽管如此，4WS技术在改善汽车操纵稳定性和增强汽车的安全性能上具有很明显的效果。现阶段，国内外学者对于四轮转向系统的研究，主要是针对以下性能目标：（I）保持汽车质心侧偏角基本为零。（2）改善横摆角速度和侧向加速度的动力学响应性能。（3）实现所希望的转向特性。（4）增加对工况变化的抗干扰能力。（5）提高汽车的转向操纵稳定性和主动安全性。1.2.1 国外研究现状四轮转向技术可以追溯到20世纪60年代，在1962年日本汽车工程协会技术会议上，一名工程师研究发现：通过使用四轮转向的方法，汽车的操纵稳定性可以获得很大的提高。在70年代末，本田和马自达汽车公司开始研究和开发四轮转向技术。到

8、80年代末，四轮转向系统开始进入应用阶段。1990年，日产、马自达、本田三家汽车公司推出了几款采用四轮转向系统的轿车。1991年，日本三菱和美国克莱斯勒也推出了四轮转向车型。随着先进汽车动力学控制技术的发展，四轮转向技术源于对工况下的汽车操纵稳定性和主动安全性的研究。相对于传统前轮转向汽车，四轮转向系统还将根据汽车当前的运动状态信息对后轮转向进行控制，以提高汽车的操纵稳定性和主动安全性。四轮转向技术按照其发展可以大致归纳为下面三个阶段：(1) 20世纪初至20世纪60年代这一阶段主要是四轮转向技术的萌芽和初步应用。1907年，日本政府颁发了第一个关于四轮转向的专利证书，它是利用一根轴将前轮转向

9、机构和后轮转向机构直接连接，从而实现后轮转向。当车辆低速行驶时，通过后轮相对于前轮的反向转向，能够减小低速时车辆的转弯半径，使其具有更好的机动性。这可以算是四轮转向技术最初的应用实例了。(2) 20世纪60年代后期至20世纪90年代初直到1962年，在日本汽车工程协会的技术会议上提出后轮主动转向的概念，才开始了四轮转向系统的汽车动力学研究。这一阶段，研究人员开始认识到四轮转向技术对于提高汽车高速时的操纵稳定性具有重要意义。日本学者FUrUkaWa通过一系列研究得出重要结论：在高车速范围内，应用后轮与前轮的同向转向可以减小汽车质心侧偏角，从而减小侧向加速度响应的相位滞后，表明主动控制后轮转向可以

10、在很大程度上改善汽车的操纵稳定性。1985年，NiSSan公司在实车上应用了世界上第一套四轮转向系统，应用在该公司开发的一种高性能主动控制悬架上,并于1987年和1989年相继开发出HICASI1和SUPERHICAS,其后轮转向作用机理都是采用一套液压泵和液压系统来主动控制后轮的转向角度，比较明显地改善了汽车在高车速范围内的操纵稳定性。(3) 20世纪90年代至今这一阶段，随着电子技术的广泛应用，以及现代控制理论的融入，主要是汽车底盘的综合集成控制的研究。研究人员开始从“行驶工况一驾驶员一车辆”的闭环系统出发，综合研究汽车的纵向、侧向和垂向的动力学控制，使得四轮四轮转向技术更加成熟。美国GM

11、公司在其很多车型上应用了De1phi公司研发的QUadraSteerTM的四轮转向技术，其后轮电动转向系统包括了车轮定位传感器、车速传感器和中央电子控制模块。系统以电子控制的形式对后轮转向进行实时控制，根据车速的不同对后轮转向进行控制以达到低速时反向转向和高速时同向转向，并与汽车的底盘控制系统一体化，可以在控制面板上选择开启或者关闭四轮转向系统。随着汽车动力学和控制理论的发展，各种现代控制理论开始被逐渐应用于四轮转向系统的研究中，国外具有代表性的一些研究进展如下：Inoue和Sugasawa提出了一种综合前馈和反馈控制的四轮转向系统，选择最优的控制系统常量，把对转向输入响应的控制和对抗外部干扰

12、的稳定性控制分开，实现了两者的相互独立。1ee对四轮转向汽车在高速时的换道行驶进行了分析，对比了在换道行驶过程中，有经验驾驶员的操纵转向和四轮转向汽车的最优化控制转向，研究了驾驶员操纵四轮转向汽车的主观感受。Cho和Kim文章中讨论了四轮转向系统的最优化设计，提出了两种新的反馈控制系统的设计方案。所设计的第一个系统以最大稳定性为目的，第二个系统用来仿效最优的四轮转向系统的响应。HigUChi和Saitoh应用最优控制理论提出了一种以减小质心侧偏角为目标的方向盘前馈加状态反馈的四轮主动转向控制律。1.2.2 国内研究现状国内对汽车四轮转向技术的研究起步较晚，涉及到的相关论文如下：吉林大学的郭孔辉

13、基于二自由度模型对四轮转向系统的控制方法进行了探讨，研究了轮胎侧偏特性对于四轮转向系统的影响。武汉大学的巫世晶【1。】对四轮转向系统的非线性控制进行了研究，基于遗传算法，设计了汽车四轮转向的模糊神经网络控制器，得到比较理想的控制效果。天津大学网对四轮转向系统的非线性控制进行了研究，探讨了四轮转向系统发生随机时滞的参数区域。13本文主要研究内容本文选取为主体设计对象，设计一种汽车四轮转向系统，并对汽车的运动进行仿真，其中关于转向系统的设计，偏重于转向传动机构。所谓转向传动机构，就是将转向器输出的力和运动传给转向节，使左右转向轮按一定关系偏转的机构。电机的控制策略等不在研究范围内。整车的四轮转向系

14、统采用电控电动式四轮转向系统，本论文研究的主要内容如下：（1）设计前转向桥的转向机构，选择合适的转向器类型，进行转向器的设计计算，确定主要零件的规格等。（2）设计后转向桥的转向机构，选择合适的转向器类型，合理选择驱动电机，设计减速机构。（3）基于阿克曼转向原理，对与独立悬架配用的双梯形转向传动机构的尺寸进行优化计算。（4）利用Pro/E实现零件三维建模，画出转向系统的装配图。（5）利用AnsysWorkbench对部分零件进行强度分析。（6）建立线型二自由度的四轮转向汽车运动模型，基于前后轮比例转向的控制策略，用Mat1ab/Simu1ink进行运动仿真。第2章转向系统的整体设计转向系是用来保

15、持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。在乘用车上，驾驶员必须按照保持汽车行驶路线不至偏离过多的标准来不断地调整方向盘转动。因此，转向系统的任务是以尽可能明确的关系将转向盘角度转换为车轮转向角，并将有关车辆运动状态的反馈回传给方向盘。2.1四轮转向系统的类型实现四轮转向的重点在于如何将转向盘的转动量传递到前后转向轮，并为转向轮提供驱动力使其发生协调的偏转。根据转向盘转动量传递路径以及转向轮驱动力来源的不同，将四轮转向系统分为以下四类：（1）机械式四轮转向系统机械式四轮转向系统由前轮转向器、中央传动轴和后轮转向器三部分组成。前轮使用齿轮齿条式的液压动力转向器，后轮采用机械式转向器，通过中心传动轴驱动后轮转向器。同时，后轮横拉杆形成转向联动装置。当方向盘小角度转动时，前后轮同向偏转，随着方向盘转角的增大，后轮转角逐渐减小、回正，然后反向偏转。（2）液压式四轮转向系统机电组合控制液压驱动四轮转向系统主要由前轮转向器、转向角度传输轴、电子传感器和控制单元、转向油泵、后轮转向器等组成。后轮的偏转方向由车速传感器控制，偏转角度则由机械式转向角度传