轿车前轮主动转向执行机构的设计【全套CAD图纸+毕业论文答辩资料】

需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 毕  业  设  计（论  文）  设计（论文）题目： 轿车前轮主动转向执行机构的设计                                              学    院   名    称：           机械工程学院               专             业：             车辆工程                 班             级：            车辆 121 班                姓             名：    *   学   号：   *        需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 指    导    教   师：    *   职   称：    *             定稿日期  ：     2016 年  1 月  20 日需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 诚  信  承  诺  我谨在此承诺：本人所写的毕业论文 轿车前轮主动转向执行机构的设计 均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。  承诺人（签名）：         年     月     日  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 中文摘要    摘  要  轿车前轮主动转向系统可以 在任何速度下 都能 确保 为 车辆提供 较为 理想的操控效果 ， 主动转向 装置 不仅 能 满足车辆在低速 状态下大转角 的需 求 ， 而且 可以 在轿车高速 行驶状态下得到 较高的 安全性 能，提高了司机 在驾驶汽车时候的灵活性 安全性，而且相比于传统的 轿车 机械 转向器，主动转向系统 有着 更加可靠、 安全 ，故障率更低 的 完美优势 。  本文 以现有常规 的 主动转向系统装置为 参考 设计 基础，借鉴现今优秀 的 主动转向系统的 原理和市场 在售 汽车的相关数据，重新 对 齿轮齿条式转向器 以 及相匹配的主动转向系统机械部分 进行 详细的设计 ，并对设计中 重要部件 进行强度 的 校核。设计的主要内容包括： 轿车 转向系统 主 参数的确定，齿轮齿条转向器的设计， 双行星排 主动转向控制器的设计 。 其中主动转向 器 的设计 是设计中的难点， 它是 采用 两 列行星齿轮机构来实现 叠加 的 主动转向控制，最后分别运用   软件进行二维工程图纸和 三维实体 的绘制。  关键词 ： 主动转向控制；前轮；齿轮齿条；行星齿轮  英文摘要  in in of a to  is on of of of of  of of of is in to  AD  D & 3    录    录  1 绪  论  . 1 向系统综述  . 1 向系统的功能  . 2 动转向系统特点  . 2 动转向研究现状  . 4 外研究 现状  . 4 内研究现状  . 4 章小结  . 5 2 转 向系统主要参数的确定  . 6 向盘的直径  . 6 向盘回转的总圈数  . 6 向系的效率  . 6 向系的传动比  . 7 向时加在转向盘上的力  . 7 齿轮最大转矩  . 8 向系的角传动比  . 8 向器的角传动比  . 9 章小结  . 9 3 主动转向执行机构的设计  . 10 轮齿条式转向器的设计计算  . 10 轮齿条结构的几何设计  . 10 轮齿条设计及校核  . 11 动转向控制器几何结构设计  . 16 动转向控制器行星齿轮设计计算  . 18 动转向控制器行星齿轮可行性设计  . 24 动转向控制器蜗轮蜗杆设计计算  . 27 轮蜗杆传动比的确定  . 27 轮蜗杆的设计计算  . 29 4 主动转向执行机构三维模型绘制  . 35 行机构三维建模  . 35 章小节  . 37 目   录    论  . 38 致  谢  . 39 参考文献  . 40 附  录  . 42 1 绪  论  1 1 绪  论  从 18 世纪 60 年代，法国人 纽芬兰制成了世界上第一辆蒸汽机 驱动的三辆汽车到现在，从整个汽车转向系统的发展历史我们可以看到 ， 汽车 的 主动转向技术已渐渐成为 今后车辆 转向技术发展的主要趋势 1。  最早 的 汽车上使用的转向系统为 机械 式 转向， 到后来 发展到现 在 常用在 实车上的液压 方式 的 助力转向 方式 、以及 基于电动 电机传动理论的 助力转向 形式 ， 另外还包含 未在实车上 进行 应用的线控转 向 方式 。 基于 以上几种助力转向方式，逐渐发展起来一种 主动转向 系统 。 主动前轮转向技术是通过对汽车前轮转向角的调节，改变前轮转向的作用力和力矩分布，从而提高车辆的操纵稳定性，这样，特别是在特殊的粘合系数道路行驶和在强侧风或路面不平时，车辆不需要制动系统以及车辆驱动系统参与，仅通过主动前轮转向执行装置的介入就能较好的改善车辆的操控性和稳定性，另外主动转向控制系统还可针对具体的情况，对驾驶员的转向误操作进行适当 的 修正 2,3。  轿车主动转向系统 继续沿用了 传统转向系统中的基础 的机械构件，包括方向盘、转向中间轴 、齿轮和 齿条 啮合 的 转向机构以 等相关的 机构 。独创的方面在于在传统的方向盘之后 的结构中 ，增加 了一种新的转向 控制器，即轿车的主动转向 执行 机构 ，该 机械结构 包含 着一套双排行星齿轮 构件 结构 。由于 存在 伺服控制电机的存在，该机构能 更加 方便地与其他 类型 的 控制 系统进行集成控制，为后来 的 汽车 在转弯 方面的集成 系统 理论原理 控制奠定了良好的基础 4。  向系统综述  下面介绍三种基础的机械转向器形式 。  1、 蜗杆转向器  曲柄销的转向装置是由一个蜗杆传动的。该蜗杆具有梯形 形式 的 螺纹，并在曲柄上 设置一个 手指销，曲柄和转向摇臂轴被 零件所连接 成 到 一个整体中。转向时，转向 轮通过锥形螺旋蜗杆嵌在周围的电弧运动的转向臂轴侧的旋转手指侧槽 。这种转向装置通常用在一个 需要较大 转向 动力 来实现转向的 卡车上面 。   2、 循环球式转向器  1 绪  论  2 这种转向装置是通过增加一组齿轮机构，实现转向盘的减速，然后将使转向盘的圆周运动转变变为蜗轮蜗杆的不同方向的旋转运动，再通过 其他一些较为复杂 的机械方式进行转换运动形式，最后转换成为 直线运动， 最后由 执行的横拉杆进行 最终 的转向 控制 。这种机构比较古老，目前大部分 的 现有的 轿车已经不再 继续 的 使用。目前较新的机构是闭式丝杠形式， 因此 这种机构 才 被命名为 滚珠循环球式 。  3、 齿轮齿条式转向器  它是最普通的转向装置之一。基本结构是一对小齿轮和一个机架 所组成的 ，这是与彼此啮合。 当 我们将 欲 转向轴 所 连接的小齿轮进行旋转 运动 的时候 ， 与 他 相啮合的 另一根 齿条 便 转化为直线的运动。齿条 连接转向设置 的 横拉 转向杆 ，进而带动汽车 的前方 转向轮 进行 转向 运动 。所以，这是一种最简单的转向器  14,18。   向系统 的 功能  轿车 转向系统是将驾驶员的转向操作转化为对转向轮的控制上，其功能是将转向盘 所 接受 到 的 的旋转运动转 变为 转向拉杆的水平运动，实现轿车的 转向轮 的 转向。  动转向系 统特点  自从 第一台 的 汽车的发明 到现在 ，转向盘的驱动装置通常是固定 连接 在一起的的，转向盘和前轮 之间 的 转向角 度 的比例总是 一成 不变的。如果 汽车 转向方式采 用于直接转向方式，驾驶者在 低速状态下 通过 比较 急 的 弯 道 时就需要旋转方向盘 很大的 大角度 来保证 转弯的正确性 ，但在 汽车高速 行驶的过程中 ，转向盘 的 微妙的动作就会 和明显的 影响到驾驶 的 稳定性；因此，传统的转向系统必须权衡安全性和舒适性 21,22,23。  本文 设计的 一种 包含 有 双行星齿轮机构的主动转向系统， 主要 包括 一左一右 两侧的行星齿轮、 还有 一个公共动力传动的行星齿轮、 用于 输入 转向动力的 转向轮左侧的驱动太阳齿轮，转向盘上的转向盘输入是通过行星齿轮传动的行星齿轮副右侧，而右侧的行星齿轮具有 2 个转向舒适度的自由度，一个是转向轮角度的行星传动机构，另一个是由伺服电机叠加转角输入。 汽车以 高速状态行驶在路上时 ， 由 伺服电机驱动的大齿圈 的 转动方向与转向盘 所 转动方向 恰好 相反， 器 转向 与转向盘运动相互叠加后 减少了 了实际的转向角度， 汽车 的 转向执行 过程会变得更加间接 和 沉稳，大大 的 提高了汽车在高速 状态 行使下的 行驶 稳定性 能 和安全性 能 。  1 绪  论  3 系统 结构 简图 如图 1示：  图 1动转向系统  1条 机 构   2   3机   4向执行机构  表 1统初始 参数 表  参数名称  具体参数值  传动比  低速 状态 10:1；高速状态 20:1 轮胎型号  245/45 距  2700  风阻系数  车装备质量  1500  承载质量  350  前后配重   最高时速  240 /h 转向盘 极限位置转动 总圈数  小转弯直径  11m 转向盘直径  380  1 绪  论  4 动 转向研究现状  外研究 现 状  自 主动转向的概念提出以来， 这 么多年以来，国外的一些机构和学者对主动转向系统及其控制做了许许多多 的 研究， 并 且很多 学者 都 取得了丰硕的成果 。   计了一种 新型 的 转向 系统 方式 ，它是基于无源自适应非线性控制器 ， ，提高了对汽车转向轮的非线性影响。  车 轮胎滑移率、侧偏角与轮胎侧偏力 之 间的 相互 关系以及 各种不同 的 路面附着系数的 可知 性， 并 基于参考模型 ，开发 了一种非线性自适应控制的主动转 向系 统 ，并 证 明了其有效性 。  人基于横摆角速度反馈控制，探索转向车辆的侧向力和横摆力矩的关 系，建立理想的横摆角速度和偏航力矩 ， 证 明 该 控制改 善了车辆 的 转 向 稳 定性，但并没有 考 虑车辆 行 驶 状 态 。  人 通过对 二自由度车辆模型 进行 分析研究 ，同时考虑了 R 接横摆力矩和侧向力， 在此基础上 并进行了联合控制 。 结果验证了该控制对车辆操纵稳定性的影响 。  内研究 现状  相 对 于国外 学者 所开展 的 研究 ， 国内 的 机构 在 对 该 系 统 及其 转向 控制 理论 的 研究也 逐渐 蓬勃 开展 。  同济大学余卓平教授， 对系统的结构和工作原理 都 进行了 大量 的 研究 ， 分析了系统的角速度 相互关系， 功能，并对系统的其它功能进行了分析，验证了系统对 车辆操纵稳定性的影响 。  高晓杰在其 论文中 明确 的 提出了   联合控制的策 略 ， 这些都是 基于滑模 结构 相关 的 控制 理论进行 的进一步 研究的 。 在对双控制模型的性能进行深入分析的基础上，提出了协调控制理论，并在一些典型的道路条件下进 行了相应的实验结果，最后验证了所提出的控制策略的有效性是优越的 。  合肥工业大学王启东 研究系统和主动前轮转向系统威胁可调控制器，其威胁控制能充分发挥系统的作用，以及最小系统干扰 。  1 绪  论  5 章小结  本章是简单 的 综述 了 如今 传统转向器及新兴 的 主动转向系统的特点 及 现今国内外的主要 研究趋势 ， 并且 对 主动转向系统的 国内外 现状 进行 叙述， 并 详细 确定 了 本次设计 的 参考 性 数据，为 本文 接下来几个部分的 设计打好 基础 。2 转向系统 主要参数的 确定  6 2 转向系统主要参数的确定  向盘的直径  根据 车辆型号的可以选择 380 至 550 毫米的直径。  取=380 向盘 极限位置转动 总圈数  转向盘的圈数在与转向角的工作时，还与所需的转向盘转角有关。对于重型卡车和 汽车，由于转向灯的数量不同，方向盘和相应的线圈总数有不同的要求 。 重型载货 汽车 少于 6 圈， 对于 小型 车 少于   2。  取  。  向系的效率  0转 向 系 统 的 效 率 取 决 于 转 向 机 构 的 效 率 和 传 动 机 构 的 效 率，  即   0                            （ 2 转 向 器 的 效 率 有 正 效 率 和逆效率 。  正效率  121（ 2 逆效率  323（ 2 式中： 1P 转向盘上 被 作用 的功率；  2P 转向器中的 摩擦功率；  2 转向系统 主要参数的 确定  7 3P作用在转向摇臂轴上的功率 。  对于蜗杆和螺旋式转向机构， 如 果 仅 仅 考 虑 啮 合 副 的 摩 擦 损 失 ，轴承 所造成的 摩擦损失 可以不计 ， 并 通 过 以 下 公 式 计 算 出 轴 承 的 效 率：   0 02 00 （ 2 式中：0蜗杆或螺杆的导程角， 012；   摩擦角，  ；  f 摩擦系数，取 f = 则：                           = ct 2t an t  0 = 向系的传动比  向时加在转向盘上的力  对 轿 车 来 说 ， 驾 驶 员 加 在 转 向 盘 上 的 切 向 力 ， 应 小 于 150 200N。  作用于方向盘上的手力22 i h  （ 2 式中：  转向阻力矩；  a 主销偏移矩；  在 沥 青 路 面 或 者 混 凝 土 路 面 上 ， 原 地 转 向 阻 力 矩   转向系统 主要参数的 确定  8 式中：  f 轮 胎 和 路 面 间 的 滑 动 摩 擦 系 数， 取  转向阻力矩， N 1G 转向轴负荷， N， ；  载m汽车的满载质量  载m=(1500+580) =1900 ；  c 取 值 。  1G 19009 =p 轮胎气压，    则：               22 i h=中：  1L 为转向摇臂长；  2L 转向节臂 得 长度，转向传动比 '；比值大约在 间，近似认为 ' 为转向盘直径，80  为转向器角传动比 , 8；   为转向器正效率 , =  齿轮最大转矩  在 车辆 低速 或 停止状态下， 控制器不 工作 ，此时 同 于 机械式 齿轮齿条 机构 转向器 模式 ，转向盘与 转向 齿轮 是 由 刚性 结构 相 连接 。  则齿轮转矩                1T =21 hFm 向系的角传动比  转向系的角传动比   0（ 2 2 转向系统 主要参数的 确定  9 式中： 转向轴的转角增量，  s 齿条位移增量，  对 于 转 向 的 恒 定 传 动 比 的 转 向 器，旋转角度 为 ：  220                        （ 2 式中： r 齿轮分度圆的半径，21  1d 齿轮分度圆的直径；  102122 （ 2 向器的角传动比  乘 用 车 的 转 向 器 的 角 传 动 比 在 17 25 的 范 围 内 选 取，取 i =18。  章小结  本章主要内容 是 ，确定了基本的转向系统参数， 对 后面齿轮齿条，行星传动以及蜗轮蜗杆传动设计提供参数支撑。   3 主动转向执行机构的设计  10 3 主动转向执行机构的设计  轮齿条 转向器的设计  轮齿条结构的几何设计  主动小齿轮采用斜齿 面 圆柱 齿轮，  法 向 模 数   2 3间取值，  取          B/987)。  取 1Z =10。  由 于 齿 轮 设 计 避 免 根 切 的 最 小 齿 数 为 17 ，若 主 动 齿 轮 Z 只 能 采 用 变 位 齿 轮 方 案  变位系数          =； ，  则                  = 取 =12。  压力角 n20。  转向盘最大转角              211 60=315 齿条齿数待定。  主动小齿轮选用 20调质， 硬度 58  齿条选用 45#钢， 调质 。  壳体 采用 铝合 金 铸 造 。  齿轮精度初选 8 级。  法向齿顶高系数 * 齿轮 法向顶隙系数 * 3 主动转向执行机构的设计  11 轮齿条设计及校核  转向器 按 齿轮设计，按接触强度校核。  1、选取齿轮材料及热处理  对 于 传 动 齿 轮 采 用 硬 齿 面 设 计 ， 其 表 面 热 处 理 后 硬 度 均 应 56动小齿轮取 60调 质 处 理 ； 齿 条 材 料 采 用 45 钢 ， 表 面 硬 度 取 5 8 H R C ，淬火。  2、齿轮最大转矩                 1T = m 3、初取载荷系数 'K  斜齿轮 硬齿面， 'K =取 'K = 4、选取齿宽系数d及a取d= 由式    a=12 d（ 3 得对于齿条 Z ， 则d0。  5、 初 取 重 合 度 系 数 '  =12，a= 由式                          'Y =                   （ 3 得                               'Y=Y =取                         'Y=Y=、 齿数 1Z ， 2Z ,齿形系数动转向执行机构的设计  12 取 1Z =10 ， 2Z 待定。  由                           3（ 3 得当量齿数                    1于 齿轮不发生 根切的最小齿数 17，采用变位，  m in*m  a  取变位系数                   1、确定许用弯曲疲劳应力 F 得                       1=450 15=430 01双向运转，数值 0  由式                             1F = 3 设计 时 要求 齿轮失效 的 概率 小于百分之一 ， 因此 选取 取  定齿轮工作寿命为 5 年（ 300 天 /单班（ 8 小时 ）；  应力循环次数 N =60 n 为转速；=1； n 取大致为   r/s=r/s。  3 主动转向执行机构的设计  13 则                N =6012000710  取                        是                 1F = 450 =489  2F = 430 =467 、按齿根弯曲疲劳应力                     1 11489 = 2 22F 467 =、确定齿轮模数  由式                      )(co  0 03 212 Y               （ 3 代入上面两式 (1)(2)两者最大值                               0、确定主要参数  分度圆直径                   d =宽                    b =d1d =18.4                       2b =24 ， 1b =b +5 10 1b =30 用系数 取  11、定载荷系数 K  3 主动转向执行机构的设计  14 （ 1）动载系数               =6000011m/s 齿轮精度取为 9 级。   2）齿向载荷分布系数K（ 9 级精度，淬火钢）：  由式                     = a=面重合度             a=1Z +21Z ) , 2Z  =向重合度             = 1而                          K=K=              K = K K=                         K 'K  需重新计算 12、验算齿根疲劳强度  用准确值代入式                取 ，齿根疲劳强度足够。     3 主动转向执行机构的设计  15 13、验算齿面接触疲劳强度  弹性系数，查得   节点区域系数，查得  由式                     Z= )1(34 d                     （ 3 得                             Z=旋角系数ZZ= 用接触疲劳应力 H =S                          （ 3 式中：接触疲劳寿命系数，查得 安全系数，失效概率 1/100，取 1；  得                    1=1560 2=1540   1H =1529 2H =1509  14、验算齿面接触强度  H = ZZ Z 12 211 则 1 1 ；  故     H = =1492  H 1509 于 H 2H ，故接触强度足够。  对 于 方 向 盘 从 中 间 平 衡 位 置 到 两 侧 所 转 动 的 极 限 位 置 回 转 总 圈 数 为  。  3 主动转向执行机构的设计  16 故对于齿条行程  'l = 11 7 5 2. d                        （ 3 1d =                         （ 3 对于齿条，理论上  Z'l ；（t p=           （ 3 2Z 则                            2Z Z   因此， 36。  齿条长    l                         （ 3 即                       l 340    动转向控制器几何结构设计  控制器由 两组 行星齿轮 系统 组成， 如图 3示：  3 主动转向执行机构的设计  17 图 3制器简图  对 于 左 边 的 主 动 太 阳 轮 为 1 ， 行 星 轮 为 a 初 设 行 星 齿 轮 数 目() 为 =4 ； 大 齿 圈 c 固 定 在 转 向 柱 上 ， 系 杆 H ； 右 边 太 阳 轮 为 3 ， 齿 圈 b 内 齿 与 行 星 轮 a 啮 合；外齿与电机带动的  蜗杆 2 组成涡轮蜗杆传动 。  该系统中活动构件为 n =6；高副数目为 5；低副数目为 5，则系统机构的自由度为   F =3n P - 36 设转速 2n 方向向左：  3n=1113 32213 22 式中， 2n 方向向左时取 “ ”，反之则取 “+”。   其中，31 ；2Z 。  当 2n =0 时，3n= 1n ；  3 主动转向执行机构的设计  18 当 1n =0 时，3n=213 22 此时，转向角度由电机控制 。  由于 行星轮 执行 机构 左右为 完全 对称， 故 只需要 设计一组即可 。   动转向控制器行星齿轮设计计算  齿轮采用斜齿圆柱齿轮，   =10，  初取模数  齿数 Z 17。  初取主动太阳齿数 1Z =18；行星轮齿数4。  1、选取齿轮材料及热处理方法  采 用 硬 齿 面 ， 大 小 齿 轮 均 采 用 合 金 渗 碳 钢 20 渗碳淬火 。  2、齿面硬度  太阳轮                       60 63星轮                       58 63、太阳轮转矩 1T  计算转矩                       1（ 3 式中：为输入轴转矩；  为行星轮数目；   为齿 数比；  且                                 =2p（ 3 3 主动转向执行机构的设计  19 式中 p 为内传动比， p = b 为大齿圈） 。  初设 太阳轮 的 齿数 1Z =17；行星轮齿数4。  对于太阳轮分度圆直径         n =36.5     行星轮                        大齿圈分度圆直径      1d +21.3 是 齿数                      1 =45 从而得出                         =行星轮数目                       则                       M   M 4、初取载荷系数 K              K =围内，取 K =、选取齿宽系数d及a取d=      由式                           a=d 12                     （ 3 得                                a=、初取重合度系数Y及螺旋角系数Y3 主动转向执行机构的设计  20 初设螺旋角                   =10，a=式                   Y=3 得            Y=            Y=、齿形修正系数                          3得                           19；25 由于217， 故， 变位 ，m in*m  a 1  1、确定许用弯曲疲劳应力 F 得                        1=460 222=420 94式                           1F =                      （ 3中：为应力修正系数，Y为弯曲疲劳应力寿命系数；  接触应力变化总次数            N =60转 一 圈 ， 同 一 齿 面 啮 合 次 数 ；  n 为转速， n 取大致为 1r/s；  为齿轮工作寿命；  3 主动转向执行机构的设计  21 假 定 齿 轮 工 作 寿 命 为 5 年 ， （ 每 年 300 个 工 作 日 ） 单 班 制 （ 8 小 时 ） ，  则                   1N =60060312000=810  012212000=710  可由                  1311 32211311 )(; Zn   计算得                          151弯曲疲劳寿命系数，取1 最小安全系数，失效概率低于 1/100，  可得                       1F =489 2F =446 、按齿根弯曲疲劳极限应力确定模数 2 22F  .5 1 58489  =                 （ 1）   222 .7 1 64446                   （ 2）  由式  )(co  0 03212 Y                   （ 3          得                           .5  10、确定主要参数   11 ()1 1 . 5 ( 1 4 1 0 )()2 2 c o s 2 c o s 1 0m Z Za d d 32.5 取整数    a =32 于计算 ）  由                      /a  （ 3 3 主动转向执行机构的设计  22 得   1b=12.8 取1b=12  一般                   &nb