汽车转向器液压助力系统设计--开题报告

汽车转向器液压助力系统设计--开题报告本文简介：中北大学信息商务学院毕业设计开题报告学生姓名：刘子轩学号：1301034118系名：机械工程系专业：车辆工程设计题目：汽车转向器液压助力系统设计指导教师:张翼2017年3月3日毕业设计开题报告1．文献综述：(1)选题背景汽车的转向系统的性能是汽车的主要性能之一，转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定

汽车转向器液压助力系统设计--开题报告本文内容：

中

北

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学

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毕业设计开题报告

学

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名：

刘子轩

学

号：

1301034118

系

名：

机械工程系

专

业：

车辆工程

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题

目：

汽车转向器液压助力系统设计

指导教师:

张翼

2017年3

月3日

毕

业

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计

开

题

报

告

1．文献综述：

(1)

选题背景

汽车的转向系统的性能是汽车的主要性能之一，转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性，它对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。本次课题设计主要总数国内外转向系统的研究发展，介绍各转向系统的结构原理及其关键技术并提出汽车转向系的发展趋势，合理地设计转向系统，使汽车具有良好的操纵性能。这始终是设计人员的重要研究课题，在车辆高速化、驾驶人员非职业化、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。电子控制动力转向系统(简称EPS),根据动力源不同又可分为液压式电子控制动力转向系统（液压式EPS，又作EHPS）和电动式电子控制动力转向系统（电动式EPS）。EHPS是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元等装置构成的，电子控制单元根据检测到的车速信号，控制电磁阀的开度，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求。

(2)课题研究意义

随着汽车工业的飞速发展以及人们对于舒适、安全性能要求的不断提高，对转向器的安全性及操作稳定性的要求也进一步提高。本次设计通过分析转向器的功能要求，结合转向器的布置设计，比较各类型的转向器的优缺点设计一款转向器。根据一些指定的参数结合《汽车设计》和其他相关书籍中关于转向器的理论知识，给出优化设计的目标函数和设计变量的选择范围使设计出的转向器液压助力器符合使用要求。作为汽车转向系统的一个重要组成部分，转向器对汽车的操纵稳定性和驾驶员的安全驾驶有这直接的影响。特别是在车辆高速化，车流密集化的今天，汽车转向器的设计极为重要。通过对转向器的优化设计，使其达到汽车总体设计的要求，以达到对汽车的机构整体优化，更好地提高相应性能，达到更高水平。通过此次设计提高自身实习运用有关机械设计手册、查图表、画图规范等有关资料文献的能力，从而进一步培养自身识图、辩图，运算和编写技术文件等基本技能。通过汽车转向器液压助力系统的设计，培养理论联系实际的设计思想，巩固和加强所学的专业知识，加强机械设计计算和编写技术文件等的基本

功能，从事汽车设计方面的工作奠定良好的基础。

（3）国内外研究现状[5]

汽车转向器机构涉及整车的操纵性、稳定性和安全性，它的质量也反映了车辆的质量，是直接关系到车辆性能的关键部件。汽车转向动力的来源由以前的人转变为人力加液压助力。液压助力系统HPS（HydraulicPowerSteering）是在机械式转向系统的基础上增加了一个液压系统而成。该液压系统一般与发动机相连当发动机启动的时候，一部分发动机能量提供汽车前进的动能，另外一部分则为液压系统提供动力。由于其工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。[6]这种助力转向系统主要的特点是液压力支持转向运动，减小驾驶者作用在方向盘上的力，改善了汽车转向的轻便性和汽车运行的稳定性。

机械液压助力：[7]

机械液压助力是我们最常见的一种助力方式，它诞生于1902年，由英国人Frederick

W.

Lanchester发明，而最早的商品化应用则推迟到了半个世纪之后，1951年克莱斯勒把成熟的液压转向助力系统应用在了Imperial车系上。由于技术成熟可靠，而且成本低廉，得以被广泛普及。

机械液压助力系统的主要组成部分有液压泵、油管、压力流体控制阀、V型传动皮带、储油罐等等。这种助力方式是将一部分发动机动力输出转化成液压泵压力，对转向系统施加辅助作用力，从而使轮胎转向。

根据系统内液流方式的不同可以分为常压式液压助力和常流式液压助力。常压式液压助力系统的特点是无论方向盘处于正中位置还是转向位置、方向盘保持静止还是在转动，系统管路中的油液总是保持高压状态；而常流式液压转向助力系统的转向油泵虽然始终工作，但液压助力系统不工作时，油泵处于空转状态，管路的负荷要比常压式小，现在大多数液压转向助力系统都采用常流式。可以看到，不管哪种方式，转向油泵都是必备部件，它可以将输入的发动机机械能转化为油液的压力。[8]

机械液压助力优缺点：

机械液压助力的方向盘与转向轮之间全部是机械部件连接，操控精准，路感直接，信息反馈丰富；液压泵由发动机驱动，转向动力充沛，大小车辆都适用；技术成熟，可靠性高，平均制造成本低。

由于依靠发动机动力来驱动油泵，能耗比较高，所以车辆的行驶动力无形中就被消耗了一部分；液压系统的管路结构非常复杂，各种控制油液的阀门数量繁多，后期的保养维护需要成本；整套油路经常保持高压状态，使用寿命也会受到影响，这些都是机械液压助力转向系统的缺点所在。[9]

电子液压助力：

由于机械液压助力需要大幅消耗发动机动力，所以人们在机械液压助力的基础上进行改进，开发出了更节省能耗的电子液压助力转向系统。

这套系统的转向油泵不再由发动机直接驱动，而是由电动机来驱动，并且在之前的基础上加装了电控系统，使得转向辅助力的大小不光与转向角度有关，还与车速相关。机械结构上增加了液压反应装置和液流分配阀，新增的电控系统包括车速传感器、电磁阀、转向ECU等。[10]

电子液压助力的原理与机械液压助力基本相同，不同的是油泵由电动机驱动，同时助力力度可变。车速传感器监控车速，电控单元获取数据后通过控制转向控制阀的开启程度改变油液压力，从而实现转向助力力度的大小调节。[11]

电子液压助力拥有机械液压助力的大部分优点，同时还降低了能耗，反应也更加灵敏，转向助力大小也能根据转角、车速等参数自行调节，更加人性化。不过引入了很多电子单元，其制造、维修成本也会相应增加，使用稳定性也不如机械液压式的牢靠，随着技术的不断成熟，这些缺点正在被逐渐克服，电子液压助力已为很多家用车型选择。

电动助力：[12]

EPS就是英文Electric

Power

Steering的缩写，即电动助力转向系统。电动助力转向系统是汽车转向系统的发展方向。该系统由电动助力机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护了环境。另外，还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。正是有了这些优点，电动助力转向系统作为一种新的转向技术，将挑战大家都非常熟知的、已具有50多年历史的液压转向系统。

驾驶员在操纵方向盘进行转向时，转矩传感器检测到转向盘的转向以及转矩的大小，将电压信号输送到电子控制单元，电子控制单元根据转矩传感器检测到的转距电压信号、转动方向和车速信号等，向电动机控制器发出指令，使电动机输出相应大小和方向的转向助力转矩，从而产生辅助动力。汽车不转向时，电子控制单元不向电动机控制器发出指令，电动机不工作。

技术优势：[13]

1、节能环保

由于发动机运转时，液压泵始终处于工作状态，液压转向系统使整个发动机燃油消耗量增加了3％～5％，而EPS以蓄电池为能源，以电机为动力元件，可独立于发动机工作，EPS几乎不直接消耗发动机燃油。EPS不存在液压动力转向系统的燃油泄漏问题，EPS通过电子控制，对环境几乎没有污染，更降低了油耗。

2、安装方便

EPS的主要部件可以配集成在一起，易于布置，与液压动力转向系统相比减少了许多元件，没有液压系统所需要的油泵、油管、压力流量控制阀、储油罐等，元件数目少，装配方便，节约时间。[14]

3、效率高

液压动力转向系统效率一般在60%～70%，而EPS的效率较高，可高达90％以上。

4、路感好

传统纯液压动力转向系大多采用固定放大倍数，工作驱动力大，但却不能实现汽车在各种车速下驾驶时的轻便性和路感。而EPS系统的滞后特性可以通过EPS控制器的软件加以补偿，使汽车在各种速度下都能得到满意的转向助力。

5、回正性好

EPS系统结构简单，不仅操作简便，还可以通过调整EPS控制器的软件，得到最佳的回正性，从而改善汽车操纵的稳定性和舒适性。[15]

主要结构：电动助力转向系统由转向传感装置、车速传感器、助力机械装置、提供转向助力电机及微电脑控制单元组成。

工作原理：微电脑控制单元根据转向传感装置和车速传感器传出的信号，确定转向助力的大小和方向，并驱动电机辅助转向操作。

参考文献：

[1]

过学迅主编.汽车设计．北京：人民交通出版社，2005

[1]

刘鸿文.材料力学-4版.北京：高等教育出版社，2004

[2]宋云，陈全世，王霄峰．轻型电动客车车身一车架的有限元结构分析及实验研究．汽车技术，1997．10

[3]

濮良贵

纪名刚.机械设计.北京：高等教育出版社，2006

[4]

陈家瑞.汽车构造（下册）.北京：人民交通出版社，2008

[5]

秦秀文等.

6×2

联体后桥的传动路线及优化方案［J］.

农业装备

与车辆工程，2009，（6）．

[6]

Lqbal

Husain(美）.

Electric

Vehicles:

Desigedition

机械工业出版社

.

[7]高云凯，张荣荣，彭和东，王青海．微型电动轿车车身骨架结构分析[J]．汽车工程，

[8]Robert

D.Cook,Macheal

E.

Plesha

FiniElement

Analysis

西安交通大学出版社.

[9]

曾向阳.谢国明，王学平,等.UGNX基础及应用教程.北京:电子工业出版社，2003.

[10]

热处理手册编委会.热处理手册北京:机械工业出版社，2001：89~98

[11]

***芳.吴昌林，唐增宝主编.机械设计.华中科技大学出版社，2001.2：1~280

[12]

刘鸿文.材料力学.高等教育，2004：46~51

[13]

王知行，刘延荣.机械原理.北京高等教育出版社，2000,2：

1～82

[14]

孟少农主编.机械加工工艺手册.机械工业出版社，2002：320~326

[15]

刘品.刘丽华.互换性与测量技术基础.哈尔滨工业大学出版社，2002,1(2)：1~112

２．

本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

一、

本课题有待解决的主要关键问题

此次设计主要按照时间节点来进行研究。大致分为以下几点：

1.根据不同材料的性能，对总体结构进行方案设计分析：

目前主要研究整体式液压动力转向器的各分布结构。转向控制阀、齿轮齿条式转向、转向动力缸设计成一体，组成整体式动力转向器。该转向器的控制阀为转阀式结构。扭杆的一端通过花键与转向齿轮连接，扭杆的另一端与转阀的阀心用销子连接，阀心又与转向轴的末端固定在一起。转向轴的转动可以通过扭杆带动转向齿轮转动。转阀的阀心外圈与阀体相配合，阀心和阀体构成控制阀，置于转向器壳体内。转向器壳体上有油孔分别通向转向液压泵、转向油罐以及转向动力缸的左右两个工作腔。转向齿条与转向动力缸内的活塞制成一体，活塞将转向动力缸分隔为左右两个工作腔。转向动力缸上有油管通向转向器壳体内的控制阀。

转向控制阀主要由阀体、阀芯及扭杆组成。控制阀体呈圆筒形，其表面上制有三道较宽且深的油环槽和四道较窄浅的密封环槽。各油环槽的底部开有与内壁相通的油孔，中间油环槽的油孔是进油通道，与转向液压泵相通；两侧油环槽的油孔，分别与转向动力缸的左腔、右腔相通。密封环槽用于安装密封圈组件。在阀体的内表面，与左腔、右腔相通的油孔处制有六条不贯通的纵槽，形成六道槽肩。阀芯也制成圆筒形，

其外表面与阀体滑动配合，二者可以相对转动。阀芯与阀体配合间隙很小，配合精度很高，二者组成偶件，不可更换。阀芯表面上也制有六条不贯通的纵槽，形成六道槽肩，分别与阀体的槽肩和纵槽配合形成液体流动间隙，在阀芯的不同纵槽上开有三个等间隔的径向通孔，用以流通液压油，此油道通向转向油罐。

2.掌握总成的总体布置及性能参数的选择

3.计算液压助力系统受力的各种分析包括强度计算和校核等

二、本课题采用的研究手段（途径）

本课题主要针对某微型车助力转向器进行结构研究，首先采用Pro/E软件建立液压助力系统结构的模型通过大型结构通用有限元软件建立有限元模型，对该系统进行了模态、强度、刚度以、疲劳寿命分析。此课题主要的研究内容为：

（1）探索研究建模方法，特别是对影响模型准确度的典型连接方式：

对结构进行总结。根据该车液压助力系统的几何模型，对其进行简化，略去了不影响整体计算精度的倒圆、倒角、小孔等；考虑到模拟的精度以及模型的建模时间，选取可行的焊点模拟方式应用到液压助力系统的模型中，建立液压助力系统的分析模型。

（2）根据车辆实际受力情况，利用上述液压助力系统模型进行液压助力系统的抗弯和抗扭刚度分析，静强度分析、疲劳分析，并对分析结果进行评价。

（3）对液压助力系统进行有限元模态分析，求得液压助力系统的固有频率和振型。并通过液压助力系统的理论模态与同类型的液压助力系统的试验模态进行对比分析，验证液压助力系统有限元模型的准确度，并对其动态特性进行评价。

（4）对液压助力系统进行破坏分析研究，并对破坏结果进行分析来评价液压助力系统结构的合理性。

（5）进行液压助力系统优化，分析优化后的结果并加以评价。

三、研究进程安排

2017年

2月13日～3月

3

日:查阅相关资料，进行毕业设计的准备工作，编写开题报告，进行开题答辩；

3月

3

日～4月14日:进行齿轮－齿条式转向器的液压助力转向系统方案设计;

4月15日～5月19日:完成零件的选型设计；进行分配阀和加力油缸设计；

5月20日～6月10日:设计说明书与图纸的整理、修改与打印；

6月11日～6月15日:论文答辩。

毕

业

设

计

开

题

报

告

指导教师意见：

指导教师：*年*月*日

所在系审查意见：

系主任：*年*月*日

毕

业

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计

开

题

报

告

指导教师意见：

指导教师：*年*月*日

所在系审查意见：

系主任：*年*月*日