【正文】 1 第 1 章 緒 論 汽車轉(zhuǎn)向系 設(shè)計的目的及意義 汽車在行駛過程中，為了適應(yīng)各種道路情況和行駛條件，經(jīng)常需要改變行駛方向或修正行駛方向，如轉(zhuǎn)向、超車和避讓等。因此，轉(zhuǎn)向系對汽車行駛的適應(yīng)性、安全性都具有重要的意義，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能直接影響著汽車的操縱穩(wěn)定性。 如何設(shè)計汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使汽車具有良好的操縱性能，始終是各汽車廠家和科研機構(gòu)的重要課題。特別是在車輛高速 化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天，針對更多不同的駕駛?cè)巳?，汽車的操縱性設(shè)計顯得尤為重要。 全套圖紙，加 153893706 汽車是在一個世紀(jì)前出現(xiàn)的，大規(guī)模的汽車制造可以遠溯到 1911 年 [1]。相關(guān)技術(shù)的發(fā)展及二次世界大戰(zhàn)中的技術(shù)更新促進了汽車工業(yè)的發(fā)展和進步。今天，汽車工業(yè)在世界上大部分國家的經(jīng)濟中起到了中心作用。 1999 年，全球轎車的總產(chǎn)量大約為3866 萬輛，比 1998 年增加大約 %； 20xx 年世界汽車產(chǎn)量達到 5733 萬輛，比 1999年增長 %，創(chuàng)歷史新記錄。汽車生產(chǎn)大國日本在 1999 年生產(chǎn)了 810 萬輛汽車，比1998 年增加了 %。由于中國及其他亞洲國家汽車市場的擴大，這種增長趨勢還會持續(xù)下去。 199220xx 年的 10 年里，我國汽車產(chǎn)量平均年增長 15%，是同期世界汽車 年均增長率的 10 倍。然而這種增長也具有負面影響，那就是會導(dǎo)致空氣污染和其他負面的社會和環(huán)保問題。 2 對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)品的需求隨著汽車化的提高而發(fā)生著變化。最初駕駛員們只希望比較容易地操縱轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而后則追求在高速行駛時的穩(wěn)定性、舒適性和良好的操縱感。傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是機械系統(tǒng)，汽車的轉(zhuǎn)向運動是由駕駛員操縱方向盤，通過轉(zhuǎn)向器和一系列的桿件傳遞到轉(zhuǎn)向車輪而實現(xiàn)的。普通的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建立在機械轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上，通常根據(jù)機械式轉(zhuǎn)向器形式可以分為：齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式。常用的有兩種是齒輪齒條式和循環(huán)球式 (用于需要較大的轉(zhuǎn)向力時 )。這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是我們最常見的，目前大部分低端轎車采用的就是齒輪齒條式機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 從上世紀(jì)四十年代起，為減輕駕駛員體力負擔(dān)，在機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了液壓助力系統(tǒng)它是建立在機械系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的，額外增加了一個液壓系統(tǒng)HPS(hydraulic power steering)，一般有油泵、 V 形帶輪、油管、供油裝置、助力裝置和控制閥。由于其工作可靠、技術(shù)成熟至今仍被廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在實際中應(yīng)用的最多，根據(jù)控制閥形式有轉(zhuǎn)閥式和滑閥式之分。這個助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最重要的新功能是液力 支持轉(zhuǎn)向的運動，因此可以減少駕駛員作用在方向盤上的力。 近年來，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中愈來愈多的采用電子器件。相應(yīng)的就出現(xiàn)了電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電液助力轉(zhuǎn)向可以分為兩大類：電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) EHPS、電控液壓助力轉(zhuǎn)向 ECHPS[2]。 EHPS 是在液壓助力系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其特點是原來有發(fā)動機帶動的液壓助力泵改由電機驅(qū)動，取代了由發(fā)動機驅(qū)動的方式，節(jié)省了燃油消耗 。 ECHPS 是在傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了電控裝置構(gòu)成的。電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性可根據(jù)轉(zhuǎn)向速率、車速等參數(shù)設(shè)計為可變助力 特性，使駕駛員能夠更輕松便捷的操縱汽車。 現(xiàn)代電液動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要通過車速傳感器將車速傳遞給電子元件，或微型計算機系統(tǒng)，控制電液轉(zhuǎn)換裝置改變動力轉(zhuǎn)向的助力特性，使駕駛員的轉(zhuǎn)向手力根據(jù)車速和行駛條件變化而改變，即在低速行駛或轉(zhuǎn)急彎時能以很小的轉(zhuǎn)向手力進行操作，在高速行駛時能以稍重的轉(zhuǎn)向手力進行穩(wěn)定操作，使操縱輕便性和穩(wěn)定性達到最合適的平衡狀態(tài)。 為了保證轉(zhuǎn)向輕便性，要求增大轉(zhuǎn)向器的傳動比。但是，增大角傳動比雖然可以減小轉(zhuǎn)向盤上的手力，但同時也造成汽車對操縱的反應(yīng)減慢，甚至有可能導(dǎo)致駕駛員沒有能力來轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤進 行緊急避障等轉(zhuǎn)向操作，即不夠 “靈 ”。 EHPS 相比傳統(tǒng) HPS 降低了能源損耗。但電液動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，不論 ECHPS 還是 EHPS 都與傳統(tǒng)的 HPS 一樣存在液壓油泄漏問題。 上世紀(jì) 50 年代，通用汽車公司推出循環(huán)球式液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。上世紀(jì) 80 年代出現(xiàn)的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為動力轉(zhuǎn)向器增添了品種，歐洲汽車制造商在研究配有電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車比較早，日本的 KOYO、 NSK、 HONDA 及美國的 DELPHI 等公司也開發(fā)了多種類型的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng) [3]?，F(xiàn)在人們更加關(guān)注具有節(jié)能、環(huán)保特點的產(chǎn)品，因此 3 也可預(yù)測從液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn) 變過程會在將來很快的發(fā)生。 因現(xiàn)代汽車發(fā)動機功率在不斷增大，行車速度也不斷提高，對于兩輪轉(zhuǎn)向的汽車在高速行駛時將使其操縱穩(wěn)定性變差。從 20 世紀(jì) 80 年代末四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已進入實用階段，不僅保證了汽車低速行駛的轉(zhuǎn)向靈活，也保證了汽車高速行駛的操縱穩(wěn)定性 [3]。 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)現(xiàn)狀 改革開放以來，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅猛。作為汽車關(guān)鍵部件之一的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也得到了相應(yīng)的發(fā)展，基本已形成了專業(yè)化、系列化生產(chǎn)的局面。有資料顯示，國外有很多國家的轉(zhuǎn)向器廠，都已發(fā)展成大規(guī)模生產(chǎn)的專業(yè)廠，年產(chǎn)超過百萬臺，壟斷了轉(zhuǎn)向器的產(chǎn)生，并 且銷售點遍布了世界。 現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)汽車高速行駛的需要，從操縱輕便性、穩(wěn)定性及安全行駛的角度，汽車制造廣泛使用更先進的工藝方法，使用變速比轉(zhuǎn)向器、高剛性轉(zhuǎn)向器?！白兯俦群透邉傂?”是目前世界上生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)的方向 [4]。還應(yīng)該充分考慮安全性、輕便性。隨著汽車車速的提高，駕駛員和乘客的安全非常重要，目前國內(nèi)外在許多汽車上已普遍增設(shè)能量吸收裝置，如防碰撞安全轉(zhuǎn)向柱、安全帶、安全氣囊等，并逐步推廣。從人類工程學(xué)的角度考慮操縱的輕便性，已逐步采用可調(diào)整的轉(zhuǎn)向管柱和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。隨著國際經(jīng)濟形勢的惡化，石油危 機造成經(jīng)濟衰減，汽車生產(chǎn)愈來愈重經(jīng)濟性，因此，要設(shè)計成本、低油耗的汽車和低成本、合理化生產(chǎn)線，盡量實現(xiàn)大批量專業(yè)化生產(chǎn)。對零部件生產(chǎn)，特別是轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)，更表現(xiàn)突出。人類逐漸意識到全球變暖的問題，從而需要改進燃燒效率，并且對具有環(huán)保、節(jié)能型特點的產(chǎn)品需求不斷增加。因此，可以預(yù)測從液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變過程會在將來很快發(fā)生。未來汽車的轉(zhuǎn)向器裝置，必定是以電腦化為唯一的發(fā)展途徑。 隨著汽車電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對汽車轉(zhuǎn)向操縱性能的要求也日益提高。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已從傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向、液壓助力轉(zhuǎn)向（ Hydraulic Power Steering）、電控液壓助力轉(zhuǎn)向（ Electric Hydraulic Power），發(fā)展到電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ Electric Power Steering），最終還將過渡到線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ Steer By Wire）。 在早期的汽車上，轉(zhuǎn)向機械非常簡單，主要由一級齒輪傳動機構(gòu)和轉(zhuǎn)向拉桿等構(gòu)成。其基本功能是將駕駛員的手動旋轉(zhuǎn)操作轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)向拉桿的左右移動，從而帶動車輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了更為復(fù)雜的機械式轉(zhuǎn)向機構(gòu)。 機械轉(zhuǎn)向機械中的一個重要性能參數(shù)是傳動效率。 因轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)的不同，轉(zhuǎn)向效率也有較大的差別。一般應(yīng)要求正效率高而逆效率適當(dāng)。若逆效率太低，則 “路感 ”差，且不能保證車輪自動回正。有關(guān)資料介紹正、逆效率之差最好保持在 10%左右。 對于機械式轉(zhuǎn)向機構(gòu)不斷提高轉(zhuǎn)向器的傳動效率已成為產(chǎn)品競爭的重要方面，它 4 對轉(zhuǎn)向輕便性影響極大。另一個影響轉(zhuǎn)向輕便性的參數(shù)是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動比，其中轉(zhuǎn)向器傳動比是系統(tǒng)傳動比的主要構(gòu)成部分。轉(zhuǎn)向的輕便性要求系統(tǒng)具有較大的傳動比，同時方向盤旋轉(zhuǎn)圈數(shù)不宜太多。 現(xiàn)在國外變速比轉(zhuǎn)向器正進入完全成熟的階段，可以看出它是解決汽車轉(zhuǎn)向輕便性的一個最廉 價而有效的措施。我們要想減小轉(zhuǎn)向時的操舵力，提高傳動效率和提高傳動比效果是相同的，但傳動效率每提高一個百分之二、三，在結(jié)構(gòu)和工藝上都要付出巨大的努力，然而若使兩端的傳動比高出中間位置 20%，或者 50%，都是比較容易辦到的，而部件的制造成本增加甚少。此外，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛性對操縱穩(wěn)定性和前輪擺振的問題也是一個很重要的指標(biāo)。一般來說，轉(zhuǎn)向操縱的不靈敏區(qū)是自由行程和低剛度區(qū)造成。為了縮小不靈敏區(qū)，一是限制自由行程，一般認為自由行程超過方向盤轉(zhuǎn)角 是不能允許的，其次是增大系統(tǒng)剛度。為此，歐洲一些國家已經(jīng)取消了縱拉桿內(nèi)的彈蓋，日本也在淘汰這種結(jié)構(gòu)。 隨著車輛載重的增加以及人們對車輛操縱性能要求的提高，簡單的機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足需要，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)運而生，它能在駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤的同時提供助力，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩種。其中液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是目前使用最為廣泛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在機械系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了液壓系統(tǒng)，包括液壓泵、 形帶輪、油管、供油裝置、助力裝置和控制閥。它借助于汽車發(fā)動機的動力驅(qū)動液壓泵、空氣壓縮機和發(fā)電機等，以液力、氣力或電力增大駕駛員操縱前輪轉(zhuǎn)向的力量，使駕駛員可以輕便靈活地操縱汽 車轉(zhuǎn)向，減輕了勞動強度，提高了行駛安全性。 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從發(fā)明到現(xiàn)在已經(jīng)有了大約半個世紀(jì)的歷史，可以說是一種比較完善的系統(tǒng)，由于其工作可靠、技術(shù)成熟至今仍被廣泛應(yīng)用。它由液壓泵作為動力源，經(jīng)油管道控制閥向動力液壓缸供油，通過活塞桿帶動轉(zhuǎn)向機構(gòu)動作，可通過改變缸徑及油壓的大小來改變助力的大小，由此達到轉(zhuǎn)向助力的作用。傳統(tǒng)液壓式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般按液流的形式可以分為：常流式和常壓式兩種類型，也可以根據(jù)控制閥形式分為轉(zhuǎn)閥式和滑閥式。 隨著液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車上的日益普及，人們對操作時的輕便性和路感的要求也日益 提高，然而液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)卻存在許多缺點：由于其本身的結(jié)構(gòu)決定了其無法保證車輛在任何工況下轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤實，都有較理想的操縱穩(wěn)定性，即無法同時保證低速時的轉(zhuǎn)向輕便性和高速時的操縱穩(wěn)定性；汽車的轉(zhuǎn)向特性受駕駛員的駕駛技術(shù)的嚴(yán)重影響；轉(zhuǎn)向傳動比固定，使汽車轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性隨車速、側(cè)向加速度等變化而變化，駕駛員必須提前針對汽車轉(zhuǎn)向特性幅值和相位的變化進行一定的操作補償，從而 5 控制汽車按其意愿行駛。這樣增加了駕駛員的操縱負擔(dān)，也使汽車轉(zhuǎn)向行駛中存在不安全隱患；而此后出現(xiàn)了電控液壓助力系統(tǒng)，它在傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增 加了速度傳感器，使汽車能夠隨著車速的變化自動調(diào)節(jié)操縱力的大小，在一定程度上緩和了傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在的問題。 目前我國生產(chǎn)的商用車和轎車上采用的大多是電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它是比較成熟和應(yīng)用廣泛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是現(xiàn)在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向，其工作原理是： EPS 系統(tǒng)的ECU 對來自轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器和車速傳感器的信號進行分析處理后，控制電機產(chǎn)生適當(dāng)?shù)闹D(zhuǎn)矩，協(xié)助駕駛員完成轉(zhuǎn)向操作。 近幾年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，大幅度降低 EPS 的成本已成為可能，日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司、美 國的 Delphi 汽車系統(tǒng)公司、 TRW 公司及德國的 ZF 公司都相繼研制出 EPS。到目前為止， EPS 系統(tǒng)在輕微型。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要是在機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上了傳感器（包括車速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器和小齒輪位置傳感器）、電子控制單元（ ECU）、助力電機、電磁離合器和減速機構(gòu)而構(gòu)成。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可根據(jù)減速機構(gòu)的不同分為蝸輪蝸桿式助力機構(gòu)和差動輪系式的主力機構(gòu)兩種形式。差動輪系機構(gòu)具有轉(zhuǎn)向路感平滑穩(wěn)定、轉(zhuǎn)向靈敏性可調(diào)，更適合前軸負載小且對高速操縱性能要求較高的轎車上，而蝸輪蝸桿機構(gòu)具有助力大小可調(diào)整，適合前 軸負載大、轉(zhuǎn)向沉重、主要目的是降低轉(zhuǎn)向力且對高速操縱性能要求不高的載貨汽車上。 另外電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還可以根據(jù)電動機和減速機構(gòu)位置的不同分為：軸助力式EPS（電機和減速裝置裝在轉(zhuǎn)向傳動軸上），轉(zhuǎn)向小齒輪助力式（電機和減速裝置裝在輸入小齒輪上），另端小齒輪助力式（電機和減速裝置裝在另端小齒輪上），齒條助力式（電機和減速裝置套在齒條外側(cè)）。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要的優(yōu)點有：自由度高，助力特性可以靈活的依據(jù)轉(zhuǎn)向時的車速、橫向加速度、汽車重量、電池電壓、車輪氣壓等產(chǎn)生不同的助力，且修改方便；結(jié)構(gòu)簡單，相交與液壓助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)少了液壓泵、轉(zhuǎn)閥、液壓管道等復(fù)雜的液壓機構(gòu)，不僅節(jié)省了大量的空間，也減少了 4—6kg 的重量；節(jié)能，對于駕駛員來說，最大的優(yōu)點就是 ESP 能相較于傳統(tǒng)的液壓助力式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提升約 5%的燃油經(jīng)濟性。這是由于 EPS 只在轉(zhuǎn)向時才工作，而液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不管需不需要助力都一直在運行，尤其在汽車高速行駛時，原本這時是最不需要轉(zhuǎn)向助力的，而這時液壓泵的功率消耗卻是最大的；減振， EPS 系統(tǒng)具有較高的慣性力矩，對于來自輪胎的外部干擾可起到緩沖振 6 動的作用。在高速相較于液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)減振 25%30%；環(huán)保，由于不存在液壓油泄漏等 問題使得 EPS 相較于液壓轉(zhuǎn)向更為環(huán)保。 從整體上來講國內(nèi)近年來對于 EPS 的研究發(fā)展很快，尤其是在控制策略的研究上，已經(jīng)將不同的控制方法引如 ECU 中，并通過實驗和分析不斷地完善和改進，但是在對于細節(jié)的優(yōu)化上距離國外還有相當(dāng)?shù)牟罹?，而且目前國?nèi)除了吉利汽車，還尚未自主知識產(chǎn)權(quán)的 EPS，距離 EPS 的批量化生產(chǎn)也還有一段路要走。 盡管電控液壓助力裝置從一定程度上緩解了傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向中輕便性和路感之間的矛盾，然而它還是沒有從根本上解決 HPS 系統(tǒng)存在的不足，隨著汽車微電子技術(shù)的發(fā)展，汽車燃油節(jié)能的要求以及全球性倡導(dǎo)環(huán)保 ，其在布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗