文献综述-齿轮齿条转向器设计

引言汽车转向系统是用来改变汽车行驶方向的专设机构的总称，其功用是保证汽车能按驾驶员的意愿进行直线或转向行驶。近年来，随着汽车保有量不断增加，由此造成交通情况错综复杂，使得驾驶员转向盘的操作频率增加，这就要减轻驾驶疲劳，提高操纵的轻便型和灵活性，因此对动力转向系统的要求也越来越高[1]。转向系统发展至今，汽车转向系统先后经历了传统机械转向系统（MS）、液压助力和动力转向系统（HPS）、电控液压动力转向系统（EHPS）、电动助力转向系统(EPS)以及线控转向系统(SPW)。本文分别介绍了这5种转向系统。一、传统机械转向系统（MS）机械转向系统以驾驶员体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的[2]。图1所示为一种机械转向系统的组成和布置示意图。图1机械转向系统的组成和布置示意图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—梯形臂11—转向横拉杆13—右转向节机械转向系统主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。转向操纵机构是驾驶员操纵转向器工作的机构，包括从方向盘到转向器输入端的零部件。转向器是把方向盘传来的转矩按一定传动比放大并输出的增力装置。转向传动机构是把转向器输出的力矩传递给转向车轮的机构，包括从转向摇臂到转向车轮的零部件。当汽车需要改变行驶方向时，驾驶员通过转动方向盘，转向力矩经由转向轴、转向器、直拉杆、横拉杆和梯形臂等机件使转向节偏转，实现汽车方向的改变。传统机械转向系统的优点是结构简单、工作可靠、生产成本低。其缺点也非常明显:①随着汽车速度的提高和汽车质量的增大，转向操纵难度增大，转向越来越费力。②是其传动比是固定的，即角传递特性无法改变，导致汽车的转向响应特性无法控制，传动比无法随汽车转向过程中的车速、侧向加速度等参数的变化而进行补偿，驾驶员必须在转向之前就对汽车的转向响应特性进行一定的操作补偿，这样无形中增加了驾驶员的精神和体力负担[3]。二、液压助力和动力转向系统（HPS）液压助力转向系统(HPS)是在传统机械转向系统基础上额外加装了一套液压助力系统，其系统结构如图2所示[4]。有一个转向助力泵(动力来源于发动机)，油经助力泵成高压油，再经分配阀分到转向机的尺条动力缸中的左或右动力缸，推动活塞助力工作。图2液压助力转向系统示意图1—转向盘2—转向轴3—转向油管4—转向中轴5—转向油泵6—转向油罐7—转向减震器8—转向直拉杆9—整体式转向器10—转向摇臂11—转向横拉杆12—转向节臂汽车装备液压动力转向系统有如下优点:①减小驾驶员的疲劳强度动力转向可以减小作用在转向盘上的力，提高转向轻便性。②提高转向灵敏度。可自由地根据操纵稳定性要求选择转向器传动比，不会受到转向力的制约③衰减道路冲击，提高行驶安全性液压系统的阻尼作用可以衰减道路不平度对转向盘的冲击;另一方面，当发生爆胎时，液压动力转向可以使驾驶员较容易把握转向盘。同时液压动力转向系统也有不足:①选定参数完成设计之后，不能调节与控制助力特性因此协调轻便性与路感的关系困难。②不管汽车转不转向，只要发动机工作，液压助力泵就会在发动机带动下工作，额外消耗发动机的能量。③存在渗油与维护问题，提高了保修成本，泄漏的液压油会对环境造成污染[5]。三、电控液压助力转向系统（EHPS）随着人们对汽车经济性、环保性、安全性的日益重视,为了克服液压动力转向系统的不足,人们在液压动力转向系统的基础上,加装了电控系统，从而改善了使用性能。它是目前常见的转向助力系统，在大、中、小型乘用车上广泛使用[6]，结构如图3所示。图3电控液压动力转向系统（电动油泵式）1—电控单元2—电动机3—油泵4—转向盘5—液压动力转向器6—蓄电池图3为电动泵式电控液压动力转向系统，是目前使用较多的电控液压动力转向。该系统采用直流电动机代替发动机驱动油泵，电动机由蓄电池供电控制器根据车速信号转向盘转速信号控制电动机转速，从而控制油泵的流量，达到变助力转向的目的。相比较液压助力系统，其优点为：①这在一定程度上降低了发动机的负荷，从而降低了燃油消耗。②电子控制助力转向系统中的电动机在不需要提供助力时只有很小的电流通过，只有在需要提供助力时才会提高通过的电流，这样可以避免消耗不必要的电能。③在低速和高速行驶时都能有良好的助力效果[7]。电控液压动力转向系统在传统的液压动力转向系统的基础上有了一定的改进，但液压装置的存在，使得该系统仍有难以克服的缺点，如:还存在渗油问题;零件增加，管路复杂，不便于安装维修及检测等。另外，虽然实现了车速感应型变助力特性，但是在原有液压系统的基础上又增加了电子系统，使系统更加复杂，成本增加。四、电动助力转向系统(EPS)在过去几年中，汽车工业的发展加速了电动助力转向（EPS）的使用[8]。电动助力转向系统是以电动机的动力作为动力源，利用电子控制装置对转向传动机构施加辅助作用力，协助驾驶员操作，实现转向助力。EPS系统是在传统机械转向系统的基础上设计而成的，结构如图4所示。图4电动助力转向系统简图其工作原理为：汽车不转向时，电动机不工作。当驾驶员操纵转向盘转向时，安装在转向轴上的转矩和转角传感器将所检测到的转矩和转角的大小和方向信号输入给ECU。车速传感器、轴重传感器等也将各自检测到的信号输入给ECU。ECU根据这些信号，并结合所检测到的助力电动机的电流反馈信号，进行运算处理，确定电动机助力电流的大小和方向。该电流即为所需的助力转矩，由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，加在转向轴上使之得到一个与汽车行驶工况相适应的转向作用力。当ECU检测到异常信号时，立即断开电磁离合器，退出助力模式，同时点亮故障指示灯[9]。与传统的液压助力转向系统相比，EPS取消了复杂的液压系统，助力响应较快，且更为节能和环保，在操纵稳定性和安全性方面，也充分显示出了其优越性。但是，EPS提供的功率不足，现在的EPS只能用于小型车辆上[10]。近年来，随着电源电压提高到24V，甚至42V,EPS的应用范围越来越广泛。五、线控转向系统(SBW)线控转向系统以电线连接代替机械转向系统中转向盘和转向轮之间的机械连接，通过适当转向控制大大提高汽车操纵稳定性、舒适性等性能[11]。SBW系统的基本结构如图5所示图5SBW系统的基本结构图SBW系统主要包括转向操纵模块、转向执行模块、中央控制模块(ElectronicControlUnit,ECU)和故障容错模块等。SBW系统的基本原理是:当驾驶员转动方向盘时，传感器将转矩和转角等电信号通过总线传递给ECU，经过信号分析，ECU能够辨识驾驶员的转向意图，并发送控制信号给转向执行电机实现车轮转向。由于取消了方向盘与转向轮之间的机械连接，通过ECU中的智能控制算法，SBW系统可以根据汽车的不同工况实现转向系统的可变角传递特性和力传递性。当SBW系统出现故障时，故障容错模块将自动启动容错控制，保证汽车的基本转向功能，使汽车沿着驾驶员所期望的轨迹行驶[12]。SBW的优点如下：（1）取消转向柱、转向器后，有利于提高汽车碰撞安全性和整车主动安全性。（2）提高了整车设计自由度，便于操控系统布置。例如没有了机械连接，可以很容易把左舵驾驶换为右舵驾驶。（3）转动效率高，响应时间短。控制单元接收各种数据，可以在瞬时转向条件下，立刻提供转向动力，转动车轮。（4）改善驾驶特性，增强操纵性。基于车速、牵引力控制以及其它相关参数基础上的转向比率（转向盘转角和车轮转角的比值）不断变化，低速行驶时，转向比率低，可以减少转弯或停车时转向盘转动的角度；高速行驶时，转向比率变大，能够获得更好的直线行驶条件。总结本文对5种转向系统的结构、工作原理和特点都做了阐述，除了线控动力转向系统还在发展阶段，其它的转向系统技术都发展得很成熟了。其中EPS由于其自身的优点，现在已经逐步代替了其他转向系统（除了线控动力转向系统），它在降低油耗以及提升安全性方面的优势得以在乘用车市场飞速发展，同时商用车也逐渐从液压助力过渡到电液助力转向。但由于执行元件电动机的问题，EPS提供的功率不足，所以更广泛使用于小轿车上，重型车更多使用液压助力系统。随着现代智能化交通系统、电子技术、新型材料技术的不断更新，对EPS提出了更高的要求，无论是硬件开发还是软件控制策略方面，未来的EPS将具有高可靠性、低成本、低能耗的优点。线控转向作为下一代的转向系统，随着汽车智能化的发展，在未来的发展中克服可靠性和安全性问题，将会得到广泛应用。SBW系统消除了机械之间的联系,彻底摆脱了机械固件的限制，完全由电能实现转向，这大大提高了车辆的燃料利用率，因为只有在需要转向的时候，才有能量消耗。尽管线控动力转向系统现在不尽如人意，但SBW仍然是汽车转向系统的发展方向。目前一切先进的技术都是从最基本的事物演变过来的，虽然现在很多转向系统都是向着动力式的方向发展，但是很多先进的转向器装置都是在机械式转向器的基础上加了阻力装置，让驾驶员转向操纵更加省力、灵活，所以对于我们而言，要想清楚的了解转向器的结构以及工作原理，应该从最基本的机械式转向器进行研究与设计，只有清楚的了解机械式转向器的结构特点和工作原理，我们才能设计出让人满意的转向器产品。所以在本次的毕业设计选题中，我从机械转向器入手研究，认识并了解该转向器的结构特点和工作原理。

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