摘 要

本文主要关于转向系统的设计，基于奥迪A3的车型参数，来进行设计及其优化。主要有转向器的设计与选择、齿轮齿条的设计、转向梯形的设计等等。

论文主要研究了转向梯形的优化设计，其中对转向梯形的设计依靠MATLAB进行了优化。通过MATLAB进行绘图把各种状态下的曲线进行对比，先得出最佳的转向梯形底角以及梯形臂的长度。但是这种是整体式转向梯形，，再依据MATLAB进行转向器和转向前桥之间的距离w优化设计。

研究结果表明，转向梯形臂应该在132mma180mm，转向梯形的底角应该在72.4°80°作为首要的约束，然后在这个方位内取值画图，最终的到在转向底角为75.14°，梯形臂长度为146.25和转向底角77.16°，梯形臂长度168.75，符合要求；再通过对w的优化得到在w=175的时候，转向特性曲线最接近理想的状态。

关键词：转向系统；转向器；转向梯形；控制策略

Abstract
This article mainly focuses on the design of the steering system and the design and optimization based on the AUDI A3's model parameters. The design and selection of steering gears, the design of gear racks, the design of steering trapezoids and so on.
The paper mainly studies the optimal design of the steering trapezoid. The design of the steering trapezium is optimized by MATLAB. Drawing through MATLAB compares the curves in various states to find the optimal steering trapezoidal corner and trapezoidal arm length. However, this is an integral steering trapezoid, and the distance w between the steering gear and the steering front axle is optimized based on MATLAB.
The research results show that the steering trapezoid arm should be 132mm ≤ a ≤ 180mm, the base angle of the steering trapezoid should be the first constraint at 72.4° ≤ θ ≤ 80°, and then draw the value in this position, and finally to the bottom corner At 75.14°, the trapezoidal arm length is 146.25 and the steering base angle is 77.16, and the length of the trapezoidal arm is 168.75, which meets the requirements. By the optimization of w, when w=175, the steering characteristic curve is closest to the ideal state.
Key words: steering system; steering gear; steering trapezoid; control strategy

目 录

第一章绪论 1

1.1研究背景 1

1.2转向系统发展现状和分类 1

1.2.1机械式转向 1

1.2.2动力转向 2

1.2.3线控转向 4

1.2.4汽车转向系统的发展趋势 4

1.3研究目的 5

1.4转向自动操作系统国内外发展现状 5

本章小结 6

第二章 自动转向系统总体方案设计 7

2.1系统设计原则 7

2.2系统设计目标 7

2.3自动转向总体方案设计 7

2.3.1转向执行机构的设计 7

2.3.2转向执行机构的选择 8

2.3.3转向控制电路的选择 8

2.4转向器的选择及设计 10

2.4.2转向力矩的计算 10

2.5转向器总体方案的设计 11

2.5.1转向器类型的选择 11

2.5.2转向器输入输出形式 12

2.5.3齿轮齿条转向器齿轮齿条选择 13

2.5.4齿轮齿条转向器齿条断面形状 13

2.5.5齿轮齿条式转向器的转向梯形布置形式 13

2.6外转向轮最大转角计算 14

2.7转向器角传动比与力传动比的设计计算 15

2.7.1角传动比与里传动比的介绍 15

2.7.2角传动比的确定 15

本章小结 16

第三章齿轮齿条及转向操纵机构的设计 17

3.1齿轮齿条啮合传动的特点 17

3.2齿轮参数的选择 17

3.3齿轮轴的设计 22

3.3.1齿轮齿条受力分析 22

3.3.2齿轮轴最小直径的确定 23

3.3.3齿轮轴强度的校核 23

3.4间隙调整弹簧的设计计算 27

3.4.1弹簧的作用 27

3.4.2设计要求 27

3.5轴承的选择和润滑方式的确定 30

3.5.1初选轴承的选择 30

3.6转向操纵机构设计 30

转向操纵机构的部件及安全装置 31

1.转向盘 31

2.转向轴和转向柱管及其吸能装置 31

本章小结 32

第四章 转向梯形的设计 33

4.1软件介绍 33

4.2转向轮定位参数 33

4.3转向梯形的设计 35

4.3.1转向梯形的作用 35

4.3.2理想的内、外转向轮转角关系数学模型 36

4.3.3转向梯形的分类 37

4.4转向梯形的设计优化计算 37

本章小结 40

第五章 转向自动操作 41

5.1系统总体方案的设计 41

5.2转向控制策略 42

5.2.1PID控制算法介绍 42

5.2.2控制器设计 42

5.2.3转角传感器参数 43

5.2.4电机的设计 44

5.3传动机构的设计计算 45

5.3.1传动机构的选型 45

5.3.2蜗轮蜗杆的设计计算 45

本章小结 47

总结 47

参考文献 48

致谢 50

第一章绪论

1.1研究背景

汽车作为人们日常出行的常备工具，在人们的日常生活中占据着比较重要的角色。同时汽车行业在我国行业经济中占有的比例也比较大。随着人们生活水平的提高以及电子科技的发展，人们对汽车的追求不再是以往的四个轮子加几个沙发，“进而转到对安全性、舒适性的追求上了”。安全性有主动安全和被动安全。被动安全目前做的应该算是比较好了。例如安全气囊等等，目前被广泛应用到了车辆的设计中。主动安全方面有防抱死制动（ABS）、电子稳定程序（ESP）和全球底盘控制（GCC）。汽车转向系统作为汽车的一个重要的子系统，在主动安全方面可以发挥相当重要的作用。有相关统计，每年死于车祸的人数大概有12万左右，而且最近几年随着汽车保有量的增加又有了增长。人们对安性全的追求也会变的越来越高，例如现在有人会去选择购买德系的车的理由是认为德系车的安全性是比较好的。我认为如果转向自动操作系统出来之后可能汽车的安全性会更高，而且车祸的发生概率可能会降的更低。这在不久的未来会带来很大的商机。会是改变人类社会的一项设计。

1.2转向系统发展现状和分类

转向系统是汽车的主要子系统之一，其性能的好坏直接体现到汽车的舒适性、操纵稳定性以及驾驶员的驾驶体验，对于驾驶员来说，在汽车安全行车、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有着重要的作用。对于生产商来说，其影响着一个企业的直接销量和口碑。总的来说，转向系统是汽车行驶系统里面的一个较为重要系统，在汽车里面发挥着不可替代的作用。

汽车的转向系统的发展历程中，按大了分可以分为两种：机械式转向系统和助力式转向系统， 其中助力式转向又可以详细的划分为机械式转向系统、液压助力系统、电控液压助力系统等等。目前又出现了较为先进的线控转向系统，因为其技术要求较高，目前其主要在较为高端的汽车上面使用。

1.2.1机械式转向

机械式转向系统的转向动力仅由驾驶员提供。其内部的零件都是机械式的传力件，不能提供任何的转向动力。

下图1.1为某乘用车的机械式转向系统。其主要分为三个部分。从转向盘到下万向节是汽车转向系统的操纵部分；转向器单独为一部分；从转向直拉杆到右转向梯形臂为汽车的传动机构。当汽车驾驶员对转向盘1施加一个转向动作以后，转向盘受到了驾驶员施加的力，经过方向盘，该力形成了一个力矩，该力矩再依次通过转向操纵机构传递给转向器5。经过转向器5的增矩以后，力和运动又通过转向传动机构传递给汽车的两个转向轮。从图中我们可以看到转向节臂只有和转向左轮相连，为了使汽车转向盘的运动也可以传递到转向轮的右侧，我们设置了一个转向梯形，其主要由转向横拉杆11、和两个转向梯形臂10、12组成。

图 1.1机械式转向系统示意图

1-转向盘；2-转向轴；3-转向万向节；4-转向传动轴；5-转向器；6-转向摇臂；7-转向直拉杆；8-转向节臂；9-左转向节；10、12-转向梯形臂；11-转向横拉杆；13-右转向节

1.2.2动力转向

动力转向系统不同于机械转向系统的部分就是其的转向动力不仅仅来自于驾驶人体力，还有发动机或者电动机为转向系统转向的动力，而且可以说汽车转而绝大部分的动力来自于电动机通过传动装置加载在转向轴或者转向器上。但是我们需要考虑万一在转向加力装置出现故障的时候，汽车必须还能由驾驶者的操纵来实现汽车的转向任务。所以动力转向系统基本上都保留了机械转向的操纵部分，并且必要的时候，电机可以和转向轴或者转向器分离开，以免在动力部分出现故障的时候，反而成为驾驶员转向的累赘。可以来说这样的设计是比较合理的。可以这样说，动力转向和机械转向就是查了一个动力装置。动力转向系统按照动力来源的不同可以分为电动助力转向，液压助力转向等等。

下图为某公司生产的液压助力转向系统。该转向系统的动力装置的部件包括转向控制阀5、转向油缸9、转向液压泵10、转向动力缸12。当驾驶人转动转向盘1施加转向的动作的时候，转向盘1受到了力，经过转向盘形成了一个转向力矩，该转向力矩通过转向轴2将力和位移传递到机械转向器8，经过机械转向器8减速增扭的力和位移传递到转向摇臂7。在转向摇臂7的带动下，转向直拉杆6又带动转向控制阀5和转向横拉杆11的运动。转向阀5运动以后，左右管道中的油压不再平衡，其中一侧的油腔内的油压接近于0。油压高的一侧油进入到转向动力缸，转向动力缸的活塞由于受到了液压油的作用便推动横拉杆带动另外一侧车轮的转向动力腔，转向动力腔中的活塞又将力传递给了转向横拉杆，这样，就实现了液压提供一部分的动力了，便能够在驾驶员提供很小的动力的时候克服地面作用于转向轮上的转向力矩实现转向。

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