【正文】 蘭州工業(yè)高等專科學校畢業(yè)設計說明 書 1 1 汽車發(fā)展是概括 汽車發(fā)展史概括 自第一輛汽車 1886年問世至今一百多年時間內，汽車工業(yè)從無到有，迅猛發(fā)展，產量大幅度增加，技術日新月異。目前全世界汽車的保有量已經超過 5億輛，年產量近 5000萬輛，主要的汽車生產國家是：日本、美國、德國、法國、原蘇聯(lián)、意大利、英國等國家，其中美國和日本的汽車產量約占全世界汽車產量的 50％，歐洲各國總計占 30％。汽車工業(yè)突飛猛進，技術日新月異的同時，汽車類型也在不斷的細分。如今，汽車可分為：轎車、客車、貨車、牽引汽車、特種用途汽車等種類。其中，轎車又可分為：微型轎車、普通級轎車、中級轎車、中高級轎車和高級轎車 5種。當今社會，完全可以由一個國家的汽車工業(yè)發(fā)展水平來衡量其經濟發(fā)展和國民生活水平。因此，不斷提高我國的汽車設計制造水平，能大大推動我過經濟發(fā)展，提高我國的國際地位。 中國轎車工業(yè)發(fā)展現(xiàn)況 目前，中國轎車在中國汽車工業(yè)發(fā)展的基礎上，已經開始起步并不斷發(fā)展，轎車已經在逐步進入中國家庭，并且希望在不久的將來，將會是一種家家有轎車的狀況。但是，相對與國際轎車的設計制造水平而言，中國的轎車生產水平與國際最高水平還差很大一截。當前的國產轎車，絕大部分是中外合資或技術引進，這對于一個文化源遠流長的國家來講，顯然 是不合理的現(xiàn)況。要不斷提高我國的轎車制造水平，加快腳步趕上國際水平，就需要加大力度普及全民素質教育，政府鼓勵扶持轎車設計領域的人們不斷進行技術創(chuàng)新，加大投資；并需要一段較長的時間。 轎車曾經是權利與地位的象征，如今也不例外，不同的是當今社會，轎車同時也是財富的象征，生活水平提高的一個真實寫照。所以，有這么一個情況存在，就是人人都想擁有自己的轎車，而且，隨著人類生活步調的加快，也可以說是人人都需要一部汽車。但就目前中國的經濟發(fā)展水平而言，能買得起轎車的家庭在全國來講根本占不上比例。針對目前中國經濟發(fā)展水平現(xiàn)狀 ，綜合中國國民的消費觀念，加大微型轎車的市場占有量，能更好的滿足廣大國民的消費需求，同時也能很好的刺激消費，推動中國轎車工業(yè)的進一步發(fā)展。 微型轎車體積小，整車結構簡單，發(fā)動機工作容積小，成本低，符合眾多家庭的購買能力，因而深受廣大消費者的歡迎。要使微型轎車能進駐中國的每一個家庭，能為廣大國民接受并購買，一方面要求極力降低轎車的生產成本，使之符合國民的購買能力；另一方面又要求微型轎車在架構簡單，成本低廉的基礎上，要能達到一定的使用性能要求，因為誰也不希望自己的轎車問題百出；同時，還要考慮當今世人最關注的環(huán)保 問題，即排放要符合環(huán)保要求。綜合這考慮這 3個方面而設計制造出來的轎車，才稱得上是一部合格的轎車，才會被人們所接受。 汽車轉向系統(tǒng)設計技術發(fā)展概括 汽車設計技術的不斷研究、發(fā)展，汽車轉向系統(tǒng)設計技術也在不斷的創(chuàng)新，提高。從以前的機械設轉向系統(tǒng)，發(fā)展到今天的動力轉向系統(tǒng)；從以前的結構簡單的轉向系統(tǒng)，發(fā)展到今天的復雜，高效的轉向系統(tǒng)；從以前的兩輪轉向發(fā)展到今天的四輪轉向；從以前的一體結構發(fā)展到今天的分段組合結構； 轉向器種類多樣化，分為齒輪齒條式、循環(huán)球式、球面蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式等數(shù)種。其中轎車一般都使用齒輪齒條式轉向器。 蘭州工業(yè)高等?？茖W校畢業(yè)設計說明 書 2 轉向軸及轉向管柱由以前的整體式發(fā)展到今天的分段吸能式，能減少汽車出險時傳給方向盤的沖擊，有效保護駕駛員的生命安全。 總之，相比從前，今天的轉向系統(tǒng)有操縱輕便、結構復雜、工作安全可靠、分段吸能、多輪轉向、智能化不斷提高等特點。 微型轎車轉向系統(tǒng)及其與整車的關系 微型汽車體積小，可謂小巧玲瓏，適合在中小城市及城鄉(xiāng)使用，適合 3口人家使用，是現(xiàn)在轎車發(fā)展的一個重要分支，深受廣大城鄉(xiāng)居民的歡迎。微型轎車成本低，售價不高，既符合中國小康家庭的購買能力，又符合中國當前的經濟發(fā)展水平。轉向系統(tǒng)作為微型轎車的一個重要組成部分，其設計制造水平及其成本，對轎車整車性能和成本的影響很大。提高轉向系統(tǒng)的設計水平，能提高微型轎車的整車性能；降低轉向系統(tǒng)的制造成本，能有效降低微型轎車的生產成本。 微型轎車轉向系統(tǒng)要求結構簡單、操縱輕便、安全可靠、有自動回正功能并要求造價低，加在轉向盤上的力不 許超過 200N，轉向圈數(shù)不超過 。轎車一般使用齒輪齒條式轉向器，并采取與汽車前進方向垂直的橫向布置方案，轉向節(jié)臂與轉向橋做成一體，直接通過轉向橫拉桿與轉向器連接，結構非常簡單緊湊。齒輪齒條式轉向器的傳動副為齒輪與齒條，其結構簡單、布置方便、制造容易、成本低，但轉向傳動比較小，且齒條沿其長度方向磨損不均勻，故廣泛用于微型汽車和轎車上。齒輪齒條式轉向器的工作效率一般是 70％～ 80％。為保證轉向器的工作效率，工作壽命和工作平穩(wěn)、安全可靠，齒輪齒條一般采用斜齒的型式。齒輪齒條材料當選用硬度大，耐磨性好的鋼，并 進行必要的工藝處理，達到工作性能要求。 總之，微型轎車轉向系統(tǒng)的設計，不但要求采用現(xiàn)代設計技術，使其使用性能符合國際標準，而且在成本方面，要力求降低成本，從而降低整車的生產成本，使廣大消費者有能力購買。 蘭州工業(yè)高等?？茖W校畢業(yè)設計說明 書 3 2 轉向系技術的最新發(fā)展 電動助力轉向系統(tǒng)技術 汽車的轉向，通過汽車轉向系統(tǒng)來完成。 汽車轉向性能是汽車的主要性能之一 ,轉向系統(tǒng)的性能直接影響到汽車的操縱穩(wěn)定性 ,它對于確保車輛的安全行駛、少交通事故以及保護駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件起著重要的作用。 依據(jù)提供轉向能源的不同，汽車轉向系統(tǒng)可以分為機械轉向系統(tǒng)和動力轉向系統(tǒng)兩大類。機械轉向系統(tǒng)以駕駛員的體力為轉向能源，系統(tǒng)的所有傳力部件都是機械的，可靠性高，受外界干擾較小。但是由于受駕駛員自身力量的限制，機械轉向系統(tǒng)輸出的轉向力矩相對較小，因而其應用范圍受到限制。動力轉向系統(tǒng)是在機械轉向系統(tǒng)的基礎上加設一套轉向助力裝置而形成的，其轉向能源少量依靠駕駛員體力，大部分由助力裝置來提供。動力轉向系統(tǒng)中應用的助力裝置 主要有液壓助力系統(tǒng)、電控液壓助力系統(tǒng)和電動轉向系統(tǒng)。目前，絕大多數(shù)商用汽車和約 50％的轎車都采用動力轉向系統(tǒng)，微型轎車也開始安裝動力轉向裝置。液壓助力轉向系統(tǒng)從發(fā)明到現(xiàn)在已經有了大約半個世紀的歷史，可以說是一種較為完善的系統(tǒng)。電控液壓助力裝置，并沒有從根本上解決液壓助力裝置存在的不足。隨著汽車微電子技術發(fā)展，汽車燃油節(jié)能的要求以及全球倡導環(huán)保，其固有的不足已經越來越明顯，不能完全滿足時代發(fā)展的要求。 電動助力轉向系統(tǒng) ( Electric Power2Assisted Steering ,簡稱為 EPAS)使用 電動機的動力幫助駕駛員進行轉向。該系統(tǒng)將最新的電力電子技術和高性能的電機控制技術應用于汽車轉向系統(tǒng)，能夠顯著改善汽車的動態(tài)性能和靜態(tài)性能，提高汽車行駛中駕駛員的舒適性和安全性，減少環(huán)境污染等。 Lucas公司稱到，在汽車轉向時，使用和不使用電動轉向系統(tǒng)時，就像人在白天和夜晚走路一樣。目前，美國德爾福屬下的 Saginaw、TRW和日本本田、 Koyo及德國 ZF等幾家大公司都在競相推出自己的電動轉向系統(tǒng)，發(fā)展前景十分看好。 電動助力轉向系統(tǒng)的組成 根據(jù)電機驅動部位不同，電動轉向系統(tǒng)可分為轉向軸驅動型、小 齒輪軸驅動型和齒條軸驅動型。無論何種類型，電動轉向系統(tǒng)一般都由轉向傳感器、車速傳感器、微電腦控制單元、電機和離合器及助力機構等部分組成。其中轉向軸驅動型（圖 1 ）電動轉向系統(tǒng)的主要部件及其功能如下： 蘭州工業(yè)高等專科學校畢業(yè)設計說明 書 4 圖 11 轉向軸驅動型電動轉向系統(tǒng)的組成 1 轉向傳感器 用于檢測轉向盤的轉向情況，由力矩傳感器和旋轉傳感器組成。力矩傳感器感知轉向盤的轉向力矩大小，旋轉速度傳感器感知轉向盤的旋轉速度，并把感知到的這兩個信號傳遞到微電腦控制單元。 轉矩傳感器采用電位計式傳感器。它輸出兩個彼此獨立的電壓信號 :主信號和副信號 ,控制單元用副信號來檢查主信號是否正確。電動助力轉向系統(tǒng)的轉矩傳感器主要有三種形式 : 擺動桿式、雙行星齒輪式和扭桿式。擺動桿式是通過測量由轉向器小齒輪軸反作用力矩引起的擺桿位移量得到轉向力矩的。雙行星齒輪式是通過測量與扭桿相連的兩套行星齒輪的相對位移得到轉向力矩信號值 , 扭桿位于轉向輸入軸和輸出軸之間 ,行星齒輪機構也兼起減速傳動機構的作用。扭桿式是通過扭桿直接測量輸入軸和輸出軸的相對位移 , 從而測得轉向力矩。 圖 2 為扭桿式傳感器結構圖。轉矩傳感器感應部分包括兩個線圈和一個滑套 (鐵芯 )。軸助力式轉向系統(tǒng)的轉向軸從中間斷開 ,上段為輸入軸 ,下段為輸出軸 , 輸入軸與輸出軸之間用扭桿連接。傳感器滑 套被套在輸出軸外 ,固定在扭桿上的導向銷插入傳感器滑套的斜槽中 ,導向銷既可隨輸出軸一同轉動 , 也能沿傳感器滑套的斜槽作上下移動。當?shù)缆纷枇^小 ,轉動轉向盤后 ,滑套和轉向輸出軸一同轉動 ,滑套不作上下運動 。當?shù)缆纷枇^高時 ,轉向力矩增大 ,扭桿發(fā)生扭轉 ,輸入軸和輸出軸的轉角不同 , 相應的導向銷和滑套的轉角也不同 ,導向銷將迫使滑套上下移動。這時滑套 (鐵芯 ) 外圍的兩個線圈可檢測到運動的大小和方向 ,從而獲得轉矩的大小和方向。 蘭州工業(yè)高等?？茖W校畢業(yè)設計說明 書 5 圖 12 扭桿式傳感器結構圖 2．車速傳感器 用于檢測汽車的型式速度，并進行自診斷，把檢測到的信號送入微電腦控制單元。 3．微電腦控制單元 它是整個控制系統(tǒng)的核心，完成對各個傳感器輸入信號的處理，依據(jù)控制規(guī)則計算出所需要的參數(shù)值，通過驅動電路，實現(xiàn)對電機的控制。 電動助力轉向系統(tǒng)的控制電路核心是 8 位單片機 , 帶有 A/D 轉換器和 PWM單元，如圖 3。轉矩、轉向角信號和車速經過接口電路被輸入到單片機 , 單片機根據(jù)這些信號計算出最優(yōu)化的助力轉矩 ,然后把已計算出來的值作為電流命令值輸入到電流控制電路。電流控制電路把來自單片機的電流命令值同電機電流的實際值進行比較 ,并產生一個差值信號。該差值信號被送往電機驅動電路 ,該電路可驅動動力裝置并向電機提供控制電流。當車速超過設定值時 ,離合器被切斷 ,減速傳動機構與電動機脫離 , 接著電動機停機。 控制單元還具有失效保護和故障自診斷功能。當由電池電壓過低檢查電路、時鐘監(jiān)督電路和其它檢查電路 (硬件 ) 或由微型計算機檢測出一個故障時 , 微型計算機將記錄下故障類型 , 點亮儀表板上的故障燈 ,同時控制器上的故障代碼顯示燈點亮。 此時 ,電動機的電流被中斷 , 離合器斷開 ,系統(tǒng)轉入人工轉向狀態(tài)。 蘭州工業(yè)高等?？茖W校畢業(yè)設計說明 書 6 圖 13 控制電路框圖 4．電動機和離合器 電動機采用永磁直流電動機。在電動機設計時 , 應著重考慮如何提高路感、降低噪音和振動。比如在電機轉子周緣開設不對稱或螺旋狀的環(huán)槽、靠特殊形狀的定子產生不均勻磁場等都可改善電動機的性能。離合器采用電磁式離合器 ,其由控制單元根據(jù)車速的快慢來控制。當車速在設定車速以上時 ,電磁離合器切斷 , 電動機不再提供助力 , 此時 , 系統(tǒng)不受電動機慣性力矩的影響 ,轉入人工轉向狀態(tài)；在設定車速之下 ,電磁離合器接合 , 轉入助力轉向狀態(tài)。為了改善轉向特性 , 離合器設計時要讓它具有一定的滯后特性。 5．助力機構 使電機產生的旋轉力矩轉化為橫拉桿的軸向力，由橫拉桿作往復運動使車輪左右擺動，實現(xiàn)汽車轉向。 轉向軸驅動型電動轉向系統(tǒng)的工作原理 轉向傳感器感知轉向盤的轉向力矩和旋轉速度，同時把信號輸入到微電腦控制單元。車速傳感器采集的汽車行駛速度信號也輸入微電腦控制單元。微電腦控制單元一方面根據(jù)輸入的轉向盤力矩、旋轉速度和汽車行駛速度信號值，得到最佳轉向特性。并計算輸出數(shù)據(jù)；另一方面依據(jù)從各個傳感器傳來的信號，檢測轉向狀況并決定采用何種控制模式。同時將輸出的數(shù)據(jù)和控制模式開關信號輸入到功率單元驅動電機。電機產生的旋轉力矩通過助力機構轉化為橫拉桿的軸向力，通過橫拉桿作往復運動使轉向車輪左右擺動，實現(xiàn)汽車轉向。 電動轉向系統(tǒng)的特點 與其他轉 向系統(tǒng)相比，電動轉向系統(tǒng)有其自身獨特的特點和優(yōu)勢。正因為如此，該系統(tǒng)自 20 世紀 90年代初出現(xiàn)以來，便受到了許多大的汽車公司的重視，并競相進行開發(fā)和研究，使其成了汽車電子控制系統(tǒng)中的一個新的亮點。該系統(tǒng)的特點體現(xiàn)在： 1．降低了燃油消耗 液壓轉向系統(tǒng)需要發(fā)動機帶動液壓油泵，使液壓油不停地流動，因而浪費了部分能量。相反，電動轉向系統(tǒng)僅在需要轉向操作時才需要電機提供的能量，該能量既可以來蘭州工業(yè)高等?？茖W校畢業(yè)設計說明 書 7 自蓄電池，也可以來自發(fā)電機。而且，能量的消耗與轉向盤的轉向及當前的車速有關：當轉向盤不轉向時，電機不工作；需要轉向時，電機在控制單元的作用下開始工作，輸出相應大小及方向的轉矩以產生助力。不僅如此，電動轉向系統(tǒng)還能夠 在汽車原地轉向時輸出最大轉向力矩，并且輸出的最大轉向力矩隨著汽車行駛速度的改變而改變，從而實現(xiàn)了“按需供能”，是真正的“按需供能型”轉向系統(tǒng)。 2．提供可變轉向力矩 機械轉向和液壓助力轉向時，轉向機構所獲得的轉向力矩與轉向盤提供的力矩成正比，與汽車的狀態(tài)無關。電動轉向系統(tǒng)提供的轉向助力不僅與轉向 盤提供的力矩大小有