汽車轉向器液壓助力系統(tǒng)設計-開題報告.doc
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中 北 大 學 信 息 商 務 學 院 畢業(yè)設計開題報告 學 生 姓 名: 劉子軒 學 號: 1301034118 系 名: 機械工程系 專 業(yè): 車輛工程 設 計 題 目: 汽車轉向器液壓助力系統(tǒng)設計 指導教師: 張翼 2017年3 月3日 畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告 1.文獻綜述: (1) 選題背景 汽車的轉向系統(tǒng)的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、減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。本次課題設計主要總數(shù)國內外轉向系統(tǒng)的研究發(fā)展,介紹各轉向系統(tǒng)的結構原理及其關鍵技術并提出汽車轉向系的發(fā)展趨勢,合理地設計轉向系統(tǒng),使汽車具有良好的操縱性能。這始終是設計人員的重要研究課題,在車輛高速化、駕駛人員非職業(yè)化、車流密集化的今天,針對更多不同水平的駕駛人群,汽車的易操縱性設計顯得尤為重要。電子控制動力轉向系統(tǒng)(簡稱EPS),根據(jù)動力源不同又可分為液壓式電子控制動力轉向系統(tǒng)(液壓式EPS,又作EHPS)和電動式電子控制動力轉向系統(tǒng)(電動式EPS)。EHPS是在傳統(tǒng)的液壓動力轉向系統(tǒng)的基礎上增設了控制液體流量的電磁閥、車速傳感器和電子控制單元等裝置構成的,電子控制單元根據(jù)檢測到的車速信號,控制電磁閥的開度,使轉向動力放大倍率實現(xiàn)連續(xù)可調,從而滿足高、低速時的轉向助力要求。 (2)課題研究意義 隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展以及人們對于舒適、安全性能要求的不斷提高,對轉向器的安全性及操作穩(wěn)定性的要求也進一步提高。本次設計通過分析轉向器的功能要求,結合轉向器的布置設計,比較各類型的轉向器的優(yōu)缺點設計一款轉向器。根據(jù)一些指定的參數(shù)結合《汽車設計》和其他相關書籍中關于轉向器的理論知識,給出優(yōu)化設計的目標函數(shù)和設計變量的選擇范圍使設計出的轉向器液壓助力器符合使用要求。作為汽車轉向系統(tǒng)的一個重要組成部分,轉向器對汽車的操縱穩(wěn)定性和駕駛員的安全駕駛有這直接的影響。特別是在車輛高速化,車流密集化的今天,汽車轉向器的設計極為重要。通過對轉向器的優(yōu)化設計,使其達到汽車總體設計的要求,以達到對汽車的機構整體優(yōu)化,更好地提高相應性能,達到更高水平。通過此次設計提高自身實習運用有關機械設計手冊、查圖表、畫圖規(guī)范等有關資料文獻的能力,從而進一步培養(yǎng)自身識圖、辯圖,運算和編寫技術文件等基本技能。通過汽車轉向器液壓助力系統(tǒng)的設計,培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的設計思想,鞏固和加強所學的專業(yè)知識,加強機械設計計算和編寫技術文件等的基本 功能,從事汽車設計方面的工作奠定良好的基礎。 (3)國內外研究現(xiàn)狀[5] 汽車轉向器機構涉及整車的操縱性、穩(wěn)定性和安全性,它的質量也反映了車輛的質量,是直接關系到車輛性能的關鍵部件。汽車轉向動力的來源由以前的人轉變?yōu)槿肆右簤褐?。液壓助力系統(tǒng)HPS(HydraulicPowerSteering)是在機械式轉向系統(tǒng)的基礎上增加了一個液壓系統(tǒng)而成。該液壓系統(tǒng)一般與發(fā)動機相連當發(fā)動機啟動的時候,一部分發(fā)動機能量提供汽車前進的動能,另外一部分則為液壓系統(tǒng)提供動力。由于其工作可靠、技術成熟至今仍被廣泛應用。[6]這種助力轉向系統(tǒng)主要的特點是液壓力支持轉向運動,減小駕駛者作用在方向盤上的力,改善了汽車轉向的輕便性和汽車運行的穩(wěn)定性。 機械液壓助力:[7] 機械液壓助力是我們最常見的一種助力方式,它誕生于1902年,由英國人Frederick W. Lanchester發(fā)明,而最早的商品化應用則推遲到了半個世紀之后,1951年克萊斯勒把成熟的液壓轉向助力系統(tǒng)應用在了Imperial車系上。由于技術成熟可靠,而且成本低廉,得以被廣泛普及。 機械液壓助力系統(tǒng)的主要組成部分有液壓泵、油管、壓力流體控制閥、V型傳動皮帶、儲油罐等等。這種助力方式是將一部分發(fā)動機動力輸出轉化成液壓泵壓力,對轉向系統(tǒng)施加輔助作用力,從而使輪胎轉向。 根據(jù)系統(tǒng)內液流方式的不同可以分為常壓式液壓助力和常流式液壓助力。常壓式液壓助力系統(tǒng)的特點是無論方向盤處于正中位置還是轉向位置、方向盤保持靜止還是在轉動,系統(tǒng)管路中的油液總是保持高壓狀態(tài);而常流式液壓轉向助力系統(tǒng)的轉向油泵雖然始終工作,但液壓助力系統(tǒng)不工作時,油泵處于空轉狀態(tài),管路的負荷要比常壓式小,現(xiàn)在大多數(shù)液壓轉向助力系統(tǒng)都采用常流式??梢钥吹剑还苣姆N方式,轉向油泵都是必備部件,它可以將輸入的發(fā)動機機械能轉化為油液的壓力。[8] 機械液壓助力優(yōu)缺點: 機械液壓助力的方向盤與轉向輪之間全部是機械部件連接,操控精準,路感直接,信息反饋豐富;液壓泵由發(fā)動機驅動,轉向動力充沛,大小車輛都適用;技術成熟,可靠性高,平均制造成本低。 由于依靠發(fā)動機動力來驅動油泵,能耗比較高,所以車輛的行駛動力無形中就被消耗了一部分;液壓系統(tǒng)的管路結構非常復雜,各種控制油液的閥門數(shù)量繁多,后期的保養(yǎng)維護需要成本;整套油路經(jīng)常保持高壓狀態(tài),使用壽命也會受到影響,這些都是機械液壓助力轉向系統(tǒng)的缺點所在。[9] 電子液壓助力: 由于機械液壓助力需要大幅消耗發(fā)動機動力,所以人們在機械液壓助力的基礎上進行改進,開發(fā)出了更節(jié)省能耗的電子液壓助力轉向系統(tǒng)。 這套系統(tǒng)的轉向油泵不再由發(fā)動機直接驅動,而是由電動機來驅動,并且在之前的基礎上加裝了電控系統(tǒng),使得轉向輔助力的大小不光與轉向角度有關,還與車速相關。機械結構上增加了液壓反應裝置和液流分配閥,新增的電控系統(tǒng)包括車速傳感器、電磁閥、轉向ECU等。[10] 電子液壓助力的原理與機械液壓助力基本相同,不同的是油泵由電動機驅動,同時助力力度可變。車速傳感器監(jiān)控車速,電控單元獲取數(shù)據(jù)后通過控制轉向控制閥的開啟程度改變油液壓力,從而實現(xiàn)轉向助力力度的大小調節(jié)。[11] 電子液壓助力擁有機械液壓助力的大部分優(yōu)點,同時還降低了能耗,反應也更加靈敏,轉向助力大小也能根據(jù)轉角、車速等參數(shù)自行調節(jié),更加人性化。不過引入了很多電子單元,其制造、維修成本也會相應增加,使用穩(wěn)定性也不如機械液壓式的牢靠,隨著技術的不斷成熟,這些缺點正在被逐漸克服,電子液壓助力已為很多家用車型選擇。 電動助力:[12] EPS就是英文Electric Power Steering的縮寫,即電動助力轉向系統(tǒng)。電動助力轉向系統(tǒng)是汽車轉向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動助力機直接提供轉向助力,省去了液壓動力轉向系統(tǒng)所必需的動力轉向油泵、軟管、液壓油、傳送帶和裝于發(fā)動機上的皮帶輪,既節(jié)省能量,又保護了環(huán)境。另外,還具有調整簡單、裝配靈活以及在多種狀況下都能提供轉向助力的特點。正是有了這些優(yōu)點,電動助力轉向系統(tǒng)作為一種新的轉向技術,將挑戰(zhàn)大家都非常熟知的、已具有50多年歷史的液壓轉向系統(tǒng)。 駕駛員在操縱方向盤進行轉向時,轉矩傳感器檢測到轉向盤的轉向以及轉矩的大小,將電壓信號輸送到電子控制單元,電子控制單元根據(jù)轉矩傳感器檢測到的轉距電壓信號、轉動方向和車速信號等,向電動機控制器發(fā)出指令,使電動機輸出相應大小和方向的轉向助力轉矩,從而產(chǎn)生輔助動力。汽車不轉向時,電子控制單元不向電動機控制器發(fā)出指令,電動機不工作。 技術優(yōu)勢:[13] 1、節(jié)能環(huán)保 由于發(fā)動機運轉時,液壓泵始終處于工作狀態(tài),液壓轉向系統(tǒng)使整個發(fā)動機燃油消耗量增加了3%~5%,而EPS以蓄電池為能源,以電機為動力元件,可獨立于發(fā)動機工作,EPS幾乎不直接消耗發(fā)動機燃油。EPS不存在液壓動力轉向系統(tǒng)的燃油泄漏問題,EPS通過電子控制,對環(huán)境幾乎沒有污染,更降低了油耗。 2、安裝方便 EPS的主要部件可以配集成在一起,易于布置,與液壓動力轉向系統(tǒng)相比減少了許多元件,沒有液壓系統(tǒng)所需要的油泵、油管、壓力流量控制閥、儲油罐等,元件數(shù)目少,裝配方便,節(jié)約時間。[14] 3、效率高 液壓動力轉向系統(tǒng)效率一般在60%~70%,而EPS的效率較高,可高達90%以上。 4、路感好 傳統(tǒng)純液壓動力轉向系大多采用固定放大倍數(shù),工作驅動力大,但卻不能實現(xiàn)汽車在各種車速下駕駛時的輕便性和路感。而EPS系統(tǒng)的滯后特性可以通過EPS控制器的軟件加以補償,使汽車在各種速度下都能得到滿意的轉向助力。 5、回正性好 EPS系統(tǒng)結構簡單,不僅操作簡便,還可以通過調整EPS控制器的軟件,得到最佳的回正性,從而改善汽車操縱的穩(wěn)定性和舒適性。[15] 主要結構:電動助力轉向系統(tǒng)由轉向傳感裝置、車速傳感器、助力機械裝置、提供轉向助力電機及微電腦控制單元組成。 工作原理:微電腦控制單元根據(jù)轉向傳感裝置和車速傳感器傳出的信號,確定轉向助力的大小和方向,并驅動電機輔助轉向操作。 參考文獻: [1] 過學迅主編.汽車設計.北京:人民交通出版社,2005 [1] 劉鴻文.材料力學-4版.北京:高等教育出版社,2004 [2]宋云,陳全世,王霄峰.輕型電動客車車身一車架的有限元結構分析及實驗研究.汽車技術,1997.10 [3] 濮良貴 紀名剛.機械設計.北京:高等教育出版社,2006 [4] 陳家瑞.汽車構造(下冊).北京:人民交通出版社,2008 [5] 秦秀文等. 62 聯(lián)體后橋的傳動路線及優(yōu)化方案[J]. 農(nóng)業(yè)裝備 與車輛工程,2009,(6). 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[10] 熱處理手冊編委會.熱處理手冊北京:機械工業(yè)出版社,2001:89~98 [11] 鐘毅芳.吳昌林,唐增寶主編.機械設計.華中科技大學出版社,2001.2:1~280 [12] 劉鴻文.材料力學.高等教育,2004:46~51 [13] 王知行,劉延榮.機械原理.北京高等教育出版社,2000,2: 1~82 [14] 孟少農(nóng)主編.機械加工工藝手冊.機械工業(yè)出版社,2002:320~326 [15] 劉品.劉麗華.互換性與測量技術基礎.哈爾濱工業(yè)大學出版社,2002,1(2):1~112 2. 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段(途徑): 一、 本課題有待解決的主要關鍵問題 此次設計主要按照時間節(jié)點來進行研究。大致分為以下幾點: 1.根據(jù)不同材料的性能,對總體結構進行方案設計分析: 目前主要研究整體式液壓動力轉向器的各分布結構。轉向控制閥、齒輪齒條式轉向、轉向動力缸設計成一體,組成整體式動力轉向器。該轉向器的控制閥為轉閥式結構。扭桿的一端通過花鍵與轉向齒輪連接,扭桿的另一端與轉閥的閥心用銷子連接,閥心又與轉向軸的末端固定在一起。轉向軸的轉動可以通過扭桿帶動轉向齒輪轉動。轉閥的閥心外圈與閥體相配合,閥心和閥體構成控制閥,置于轉向器殼體內。轉向器殼體上有油孔分別通向轉向液壓泵、轉向油罐以及轉向動力缸的左右兩個工作腔。轉向齒條與轉向動力缸內的活塞制成一體,活塞將轉向動力缸分隔為左右兩個工作腔。轉向動力缸上有油管通向轉向器殼體內的控制閥。 轉向控制閥主要由閥體、閥芯及扭桿組成??刂崎y體呈圓筒形,其表面上制有三道較寬且深的油環(huán)槽和四道較窄淺的密封環(huán)槽。各油環(huán)槽的底部開有與內壁相通的油孔,中間油環(huán)槽的油孔是進油通道,與轉向液壓泵相通;兩側油環(huán)槽的油孔,分別與轉向動力缸的左腔、右腔相通。密封環(huán)槽用于安裝密封圈組件。在閥體的內表面,與左腔、右腔相通的油孔處制有六條不貫通的縱槽,形成六道槽肩。閥芯也制成圓筒形, 其外表面與閥體滑動配合,二者可以相對轉動。閥芯與閥體配合間隙很小,配合精度很高,二者組成偶件,不可更換。閥芯表面上也制有六條不貫通的縱槽,形成六道槽肩,分別與閥體的槽肩和縱槽配合形成液體流動間隙,在閥芯的不同縱槽上開有三個等間隔的徑向通孔,用以流通液壓油,此油道通向轉向油罐。 2.掌握總成的總體布置及性能參數(shù)的選擇 3.計算液壓助力系統(tǒng)受力的各種分析包括強度計算和校核等 二、本課題采用的研究手段(途徑) 本課題主要針對某微型車助力轉向器進行結構研究,首先采用Pro/E軟件建立液壓助力系統(tǒng)結構的模型通過大型結構通用有限元軟件建立有限元模型,對該系統(tǒng)進行了模態(tài)、強度、剛度以、疲勞壽命分析。此課題主要的研究內容為: (1)探索研究建模方法,特別是對影響模型準確度的典型連接方式: 對結構進行總結。根據(jù)該車液壓助力系統(tǒng)的幾何模型,對其進行簡化,略去了不影響整體計算精度的倒圓、倒角、小孔等;考慮到模擬的精度以及模型的建模時間,選取可行的焊點模擬方式應用到液壓助力系統(tǒng)的模型中,建立液壓助力系統(tǒng)的分析模型。 (2)根據(jù)車輛實際受力情況,利用上述液壓助力系統(tǒng)模型進行液壓助力系統(tǒng)的抗彎和抗扭剛度分析,靜強度分析、疲勞分析,并對分析結果進行評價。 (3)對液壓助力系統(tǒng)進行有限元模態(tài)分析,求得液壓助力系統(tǒng)的固有頻率和振型。并通過液壓助力系統(tǒng)的理論模態(tài)與同類型的液壓助力系統(tǒng)的試驗模態(tài)進行對比分析,驗證液壓助力系統(tǒng)有限元模型的準確度,并對其動態(tài)特性進行評價。 (4)對液壓助力系統(tǒng)進行破壞分析研究,并對破壞結果進行分析來評價液壓助力系統(tǒng)結構的合理性。 (5)進行液壓助力系統(tǒng)優(yōu)化,分析優(yōu)化后的結果并加以評價。 三、研究進程安排 2017年 2月13日~3月 3 日:查閱相關資料,進行畢業(yè)設計的準備工作,編寫開題報告,進行開題答辯; 3月 3 日~4月14日:進行齒輪-齒條式轉向器的液壓助力轉向系統(tǒng)方案設計; 4月15日~5月19日:完成零件的選型設計;進行分配閥和加力油缸設計; 5月20日~6月10日:設計說明書與圖紙的整理、修改與打??; 6月11日~6月15日:論文答辯。 畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告 指導教師意見: 指導教師: 年 月 日 所在系審查意見: 系主任: 年 月 日 畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告 指導教師意見: 指導教師: 年 月 日 所在系審查意見: 系主任: 年 月 日- 配套講稿:
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