文獻(xiàn)綜述-齒輪齒條轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)

引言汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來改變汽車行駛方向的專設(shè)機(jī)構(gòu)的總稱，其功用是保證汽車能按駕駛員的意愿進(jìn)行直線或轉(zhuǎn)向行駛。近年來，隨著汽車保有量不斷增加，由此造成交通情況錯綜復(fù)雜，使得駕駛員轉(zhuǎn)向盤的操作頻率增加，這就要減輕駕駛疲勞，提高操縱的輕便型和靈活性，因此對動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求也越來越高[1]。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展至今，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)先后經(jīng)歷了傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（MS）、液壓助力和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）、電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)以及線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(SPW)。本文分別介紹了這5種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。一、傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（MS）機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以駕駛員體力作為轉(zhuǎn)向能源，其中所有傳力件都是機(jī)械的[2]。圖1所示為一種機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和布置示意圖。圖1機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和布置示意圖1—轉(zhuǎn)向盤2—轉(zhuǎn)向軸3—轉(zhuǎn)向萬向節(jié)4—轉(zhuǎn)向傳動軸5—轉(zhuǎn)向器6—轉(zhuǎn)向搖臂7—轉(zhuǎn)向直拉桿8—轉(zhuǎn)向節(jié)臂9—左轉(zhuǎn)向節(jié)10、12—梯形臂11—轉(zhuǎn)向橫拉桿13—右轉(zhuǎn)向節(jié)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)三大部分組成。轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)是駕駛員操縱轉(zhuǎn)向器工作的機(jī)構(gòu)，包括從方向盤到轉(zhuǎn)向器輸入端的零部件。轉(zhuǎn)向器是把方向盤傳來的轉(zhuǎn)矩按一定傳動比放大并輸出的增力裝置。轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)是把轉(zhuǎn)向器輸出的力矩傳遞給轉(zhuǎn)向車輪的機(jī)構(gòu)，包括從轉(zhuǎn)向搖臂到轉(zhuǎn)向車輪的零部件。當(dāng)汽車需要改變行駛方向時，駕駛員通過轉(zhuǎn)動方向盤，轉(zhuǎn)向力矩經(jīng)由轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向器、直拉桿、橫拉桿和梯形臂等機(jī)件使轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)汽車方向的改變。傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、生產(chǎn)成本低。其缺點(diǎn)也非常明顯:①隨著汽車速度的提高和汽車質(zhì)量的增大，轉(zhuǎn)向操縱難度增大，轉(zhuǎn)向越來越費(fèi)力。②是其傳動比是固定的，即角傳遞特性無法改變，導(dǎo)致汽車的轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性無法控制，傳動比無法隨汽車轉(zhuǎn)向過程中的車速、側(cè)向加速度等參數(shù)的變化而進(jìn)行補(bǔ)償，駕駛員必須在轉(zhuǎn)向之前就對汽車的轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性進(jìn)行一定的操作補(bǔ)償，這樣無形中增加了駕駛員的精神和體力負(fù)擔(dān)[3]。二、液壓助力和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HPS)是在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上額外加裝了一套液壓助力系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示[4]。有一個轉(zhuǎn)向助力泵(動力來源于發(fā)動機(jī))，油經(jīng)助力泵成高壓油，再經(jīng)分配閥分到轉(zhuǎn)向機(jī)的尺條動力缸中的左或右動力缸，推動活塞助力工作。圖2液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖1—轉(zhuǎn)向盤2—轉(zhuǎn)向軸3—轉(zhuǎn)向油管4—轉(zhuǎn)向中軸5—轉(zhuǎn)向油泵6—轉(zhuǎn)向油罐7—轉(zhuǎn)向減震器8—轉(zhuǎn)向直拉桿9—整體式轉(zhuǎn)向器10—轉(zhuǎn)向搖臂11—轉(zhuǎn)向橫拉桿12—轉(zhuǎn)向節(jié)臂汽車裝備液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn):①減小駕駛員的疲勞強(qiáng)度動力轉(zhuǎn)向可以減小作用在轉(zhuǎn)向盤上的力，提高轉(zhuǎn)向輕便性。②提高轉(zhuǎn)向靈敏度。可自由地根據(jù)操縱穩(wěn)定性要求選擇轉(zhuǎn)向器傳動比，不會受到轉(zhuǎn)向力的制約③衰減道路沖擊，提高行駛安全性液壓系統(tǒng)的阻尼作用可以衰減道路不平度對轉(zhuǎn)向盤的沖擊;另一方面，當(dāng)發(fā)生爆胎時，液壓動力轉(zhuǎn)向可以使駕駛員較容易把握轉(zhuǎn)向盤。同時液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也有不足:①選定參數(shù)完成設(shè)計(jì)之后，不能調(diào)節(jié)與控制助力特性因此協(xié)調(diào)輕便性與路感的關(guān)系困難。②不管汽車轉(zhuǎn)不轉(zhuǎn)向，只要發(fā)動機(jī)工作，液壓助力泵就會在發(fā)動機(jī)帶動下工作，額外消耗發(fā)動機(jī)的能量。③存在滲油與維護(hù)問題，提高了保修成本，泄漏的液壓油會對環(huán)境造成污染[5]。三、電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）隨著人們對汽車經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、安全性的日益重視,為了克服液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的不足,人們在液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,加裝了電控系統(tǒng)，從而改善了使用性能。它是目前常見的轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)，在大、中、小型乘用車上廣泛使用[6]，結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（電動油泵式）1—電控單元2—電動機(jī)3—油泵4—轉(zhuǎn)向盤5—液壓動力轉(zhuǎn)向器6—蓄電池圖3為電動泵式電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是目前使用較多的電控液壓動力轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)采用直流電動機(jī)代替發(fā)動機(jī)驅(qū)動油泵，電動機(jī)由蓄電池供電控制器根據(jù)車速信號轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速信號控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制油泵的流量，達(dá)到變助力轉(zhuǎn)向的目的。相比較液壓助力系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)為：①這在一定程度上降低了發(fā)動機(jī)的負(fù)荷，從而降低了燃油消耗。②電子控制助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的電動機(jī)在不需要提供助力時只有很小的電流通過，只有在需要提供助力時才會提高通過的電流，這樣可以避免消耗不必要的電能。③在低速和高速行駛時都能有良好的助力效果[7]。電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上有了一定的改進(jìn)，但液壓裝置的存在，使得該系統(tǒng)仍有難以克服的缺點(diǎn)，如:還存在滲油問題;零件增加，管路復(fù)雜，不便于安裝維修及檢測等。另外，雖然實(shí)現(xiàn)了車速感應(yīng)型變助力特性，但是在原有液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上又增加了電子系統(tǒng)，使系統(tǒng)更加復(fù)雜，成本增加。四、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)在過去幾年中，汽車工業(yè)的發(fā)展加速了電動助力轉(zhuǎn)向（EPS）的使用[8]。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是以電動機(jī)的動力作為動力源，利用電子控制裝置對轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)施加輔助作用力，協(xié)助駕駛員操作，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力。EPS系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成的，結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡圖其工作原理為：汽車不轉(zhuǎn)向時，電動機(jī)不工作。當(dāng)駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向時，安裝在轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角傳感器將所檢測到的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角的大小和方向信號輸入給ECU。車速傳感器、軸重傳感器等也將各自檢測到的信號輸入給ECU。ECU根據(jù)這些信號，并結(jié)合所檢測到的助力電動機(jī)的電流反饋信號，進(jìn)行運(yùn)算處理，確定電動機(jī)助力電流的大小和方向。該電流即為所需的助力轉(zhuǎn)矩，由電磁離合器通過減速機(jī)構(gòu)減速增矩后，加在轉(zhuǎn)向軸上使之得到一個與汽車行駛工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。當(dāng)ECU檢測到異常信號時，立即斷開電磁離合器，退出助力模式，同時點(diǎn)亮故障指示燈[9]。與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，EPS取消了復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，助力響應(yīng)較快，且更為節(jié)能和環(huán)保，在操縱穩(wěn)定性和安全性方面，也充分顯示出了其優(yōu)越性。但是，EPS提供的功率不足，現(xiàn)在的EPS只能用于小型車輛上[10]。近年來，隨著電源電壓提高到24V，甚至42V,EPS的應(yīng)用范圍越來越廣泛。五、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(SBW)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以電線連接代替機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，通過適當(dāng)轉(zhuǎn)向控制大大提高汽車操縱穩(wěn)定性、舒適性等性能[11]。SBW系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示圖5SBW系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖SBW系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)向操縱模塊、轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊、中央控制模塊(ElectronicControlUnit,ECU)和故障容錯模塊等。SBW系統(tǒng)的基本原理是:當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤時，傳感器將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角等電信號通過總線傳遞給ECU，經(jīng)過信號分析，ECU能夠辨識駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖，并發(fā)送控制信號給轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)實(shí)現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向。由于取消了方向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，通過ECU中的智能控制算法，SBW系統(tǒng)可以根據(jù)汽車的不同工況實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可變角傳遞特性和力傳遞性。當(dāng)SBW系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，故障容錯模塊將自動啟動容錯控制，保證汽車的基本轉(zhuǎn)向功能，使汽車沿著駕駛員所期望的軌跡行駛[12]。SBW的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）取消轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向器后，有利于提高汽車碰撞安全性和整車主動安全性。（2）提高了整車設(shè)計(jì)自由度，便于操控系統(tǒng)布置。例如沒有了機(jī)械連接，可以很容易把左舵駕駛換為右舵駕駛。（3）轉(zhuǎn)動效率高，響應(yīng)時間短?？刂茊卧邮崭鞣N數(shù)據(jù)，可以在瞬時轉(zhuǎn)向條件下，立刻提供轉(zhuǎn)向動力，轉(zhuǎn)動車輪。（4）改善駕駛特性，增強(qiáng)操縱性?；谲囁?、牽引力控制以及其它相關(guān)參數(shù)基礎(chǔ)上的轉(zhuǎn)向比率（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和車輪轉(zhuǎn)角的比值）不斷變化，低速行駛時，轉(zhuǎn)向比率低，可以減少轉(zhuǎn)彎或停車時轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的角度；高速行駛時，轉(zhuǎn)向比率變大，能夠獲得更好的直線行駛條件?？偨Y(jié)本文對5種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和特點(diǎn)都做了闡述，除了線控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還在發(fā)展階段，其它的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)都發(fā)展得很成熟了。其中EPS由于其自身的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)逐步代替了其他轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（除了線控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)），它在降低油耗以及提升安全性方面的優(yōu)勢得以在乘用車市場飛速發(fā)展，同時商用車也逐漸從液壓助力過渡到電液助力轉(zhuǎn)向。但由于執(zhí)行元件電動機(jī)的問題，EPS提供的功率不足，所以更廣泛使用于小轎車上，重型車更多使用液壓助力系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代智能化交通系統(tǒng)、電子技術(shù)、新型材料技術(shù)的不斷更新，對EPS提出了更高的要求，無論是硬件開發(fā)還是軟件控制策略方面，未來的EPS將具有高可靠性、低成本、低能耗的優(yōu)點(diǎn)。線控轉(zhuǎn)向作為下一代的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，隨著汽車智能化的發(fā)展，在未來的發(fā)展中克服可靠性和安全性問題，將會得到廣泛應(yīng)用。SBW系統(tǒng)消除了機(jī)械之間的聯(lián)系,徹底擺脫了機(jī)械固件的限制，完全由電能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，這大大提高了車輛的燃料利用率，因?yàn)橹挥性谛枰D(zhuǎn)向的時候，才有能量消耗。盡管線控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)現(xiàn)在不盡如人意，但SBW仍然是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。目前一切先進(jìn)的技術(shù)都是從最基本的事物演變過來的，雖然現(xiàn)在很多轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都是向著動力式的方向發(fā)展，但是很多先進(jìn)的轉(zhuǎn)向器裝置都是在機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)上加了阻力裝置，讓駕駛員轉(zhuǎn)向操縱更加省力、靈活，所以對于我們而言，要想清楚的了解轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)以及工作原理，應(yīng)該從最基本的機(jī)械式轉(zhuǎn)向器進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，只有清楚的了解機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，我們才能設(shè)計(jì)出讓人滿意的轉(zhuǎn)向器產(chǎn)品。所以在本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)選題中，我從機(jī)械轉(zhuǎn)向器入手研究，認(rèn)識并了解該轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理。

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