電控電動式齒輪齒條四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+文檔資料】

- I -電控電動式齒輪齒條四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)利用行駛中的某些信息來控制后輪的轉(zhuǎn)角輸入，主要目的是增強(qiáng)汽車高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性，提高汽車低速行駛時(shí)的操縱靈活性。文中介紹了四種類型的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，為控制前后輪的協(xié)調(diào)偏轉(zhuǎn)，提供了七種控制策略。根據(jù)已有的研究，設(shè)計(jì)了一種電控電動式的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，對其主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹?；诘幕緟?shù)，設(shè)計(jì)了齒輪齒條式的前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)?；诎⒖寺D(zhuǎn)向原理，運(yùn)用Matlab優(yōu)化工具箱對所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化。 本文建立了線型二自由度四輪轉(zhuǎn)向汽車模型，推導(dǎo)出其運(yùn)動微分方程?；谇昂筠D(zhuǎn)角比例轉(zhuǎn)向的控制策略，借助 Matlab/Simulink 對四輪轉(zhuǎn)向和前輪轉(zhuǎn)向汽車進(jìn)行了運(yùn)動仿真。關(guān)鍵詞：四輪轉(zhuǎn)向；轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化；運(yùn)動仿真- II -目 錄摘 要 .IAbstract.II第 1 章 緒論 11.1 本課題研究的目的和意義 11.1.1 四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)原理簡介 .11.1.2 研究的目的和意義 .11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀概述 21.2.1 國外研究現(xiàn)狀 .21.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 .41.3 本文主要研究內(nèi)容 4第 2 章 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 62.1 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型 62.2 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制類型 72.3 整車布置的設(shè)計(jì) 82.4 本章小結(jié) 9第 3 章 轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì) 103.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)車輛主要參數(shù) 103.2 前輪轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì) 103.2.1 轉(zhuǎn)向系計(jì)算載荷的確定 .103.2.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì) .113.2.3 間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .143.3 后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 153.3.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì) .153.3.2 直流電動機(jī)的選擇 .163.3.3 減速器的設(shè)計(jì) .173.3.4 聯(lián)軸器的選擇 .223.3.5 傳感器的選擇 .223.4 裝配圖的繪制 243.5 本章小結(jié) 25第 4 章 轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計(jì) 264.1 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)方案選擇 264.2 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 27- III -4.2.1 建立轉(zhuǎn)向梯形的數(shù)學(xué)模型 .274.2.2 優(yōu)化轉(zhuǎn)向梯形的數(shù)學(xué)模型 .294.3 轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算 324.3.1 球頭銷的設(shè)計(jì) .324.3.2 轉(zhuǎn)向橫拉桿的設(shè)計(jì) .324.4 電機(jī)的控制 344.5 本章小結(jié) 34第 5 章 四輪運(yùn)動模型的建立及仿真 355.1 四輪轉(zhuǎn)向汽車模型的建立 355.2 四輪轉(zhuǎn)向汽車運(yùn)動關(guān)系的推導(dǎo) 375.2.1 汽車橫擺角速度與前輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系 .375.2.2 汽車質(zhì)心側(cè)偏角與前輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系 .385.2.3 汽車側(cè)向加速度與前輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系 .395.3 四輪轉(zhuǎn)向汽車的運(yùn)動仿真 405.3.1 時(shí)域響應(yīng)特性 .405.3.2 頻域響應(yīng)特性 .435.4 本章小結(jié) 45結(jié)論 46致 謝 47參考文獻(xiàn) 48- 1 -第 1 章 緒論1.1 本課題研究的目的和意義1.1.1 四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)原理簡介伴隨著社會的進(jìn)步、先進(jìn)科技的發(fā)展，道路安全問題引起了人們更高的關(guān)注，為了確保汽車的行駛安全，操縱穩(wěn)定性獲得越來越高的重視。汽車四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)是一種可以使前后輪同時(shí)改變方向的技術(shù)，后輪可以獨(dú)立進(jìn)行轉(zhuǎn)向。這種轉(zhuǎn)向方式的作用示意圖如圖 1-1 所示。前輪轉(zhuǎn)向 同向轉(zhuǎn)向反向轉(zhuǎn)向ooo圖 1-1 前輪轉(zhuǎn)向與四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的示意圖與前輪轉(zhuǎn)向汽車相比，四輪轉(zhuǎn)向汽車有如下優(yōu)點(diǎn) [1]：（1）汽車在低速行駛轉(zhuǎn)向并且方向盤轉(zhuǎn)向角度很大時(shí)，后輪相對于前輪反向轉(zhuǎn)向，可以減小汽車的轉(zhuǎn)彎半徑，提高汽車的機(jī)動性。（2）汽車高速行駛轉(zhuǎn)彎時(shí)，后輪與前輪同向轉(zhuǎn)向，能按照駕駛者的意圖迅速改變汽車行駛軌跡，而車身又不致產(chǎn)生過大的擺動，減少了擺尾產(chǎn)生的可能性，使駕駛者更容易控制汽車的姿態(tài)。 （3）減輕了汽車行駛時(shí)的輪胎磨損。1.1.2 研究的目的和意義汽車的操縱穩(wěn)定性是評價(jià)汽車主動安全性能的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，是汽車行駛安全的重要保障，在高速行駛時(shí)汽車安全行駛受操縱穩(wěn)定性的重要影響。因此，轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)在整車設(shè)計(jì)中顯得非常重要。另外，如何選擇轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)形式及優(yōu)化轉(zhuǎn)向梯形的尺寸，使其滿足阿克曼轉(zhuǎn)向原理，是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。- 2 -通過查詢資料與設(shè)計(jì)的過程，掌握產(chǎn)品的基本設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)過程，可以鞏固所學(xué)的專業(yè)理論知識，加深對汽車安全性、操縱穩(wěn)定性的理解，提高通過理論知識解決實(shí)際問題的能力。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀概述4WS 作為汽車新技術(shù)，目前在各國的應(yīng)用都不是很廣泛。日本雖然在 4WS的研究上做了很多的工作，也取得了很大的成果，但是就日本每年生產(chǎn)的千萬輛汽車而言，安裝 4WS 的只是很小一部分，仍然不能大規(guī)模地使用。其一是4WS 在很多方面尚不是很成熟，其二是成本較高。盡管如此，4WS 技術(shù)在改善汽車操縱穩(wěn)定性和增強(qiáng)汽車的安全性能上具有很明顯的效果?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外學(xué)者對于四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究，主要是針對以下性能目標(biāo)：（1）保持汽車質(zhì)心側(cè)偏角基本為零。 （2）改善橫擺角速度和側(cè)向加速度的動力學(xué)響應(yīng)性能。 （3）實(shí)現(xiàn)所希望的轉(zhuǎn)向特性。（4）增加對工況變化的抗干擾能力。 （5）提高汽車的轉(zhuǎn)向操縱穩(wěn)定性和主動安全性。1.2.1 國外研究現(xiàn)狀四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)可以追溯到 20 世紀(jì) 60 年代，在 1962 年日本汽車工程協(xié)會技術(shù)會議上，一名工程師研究發(fā)現(xiàn)： 通過使用四輪轉(zhuǎn)向的方法，汽車的操縱穩(wěn)定性可以獲得很大的提高。在 70 年代末，本田和馬自達(dá)汽車公司開始研究和開發(fā)四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)。到 80 年代末，四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開始進(jìn)入應(yīng)用階段。1990 年，日產(chǎn)、馬自達(dá)、本田三家汽車公司推出了幾款采用四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轎車。1991 年，日本三菱和美國克萊斯勒也推出了四輪轉(zhuǎn)向車型 [2]。隨著先進(jìn)汽車動力學(xué)控制技術(shù)的發(fā)展，四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)源于對工況下的汽車操縱穩(wěn)定性和主動安全性的研究。相對于傳統(tǒng)前輪轉(zhuǎn)向汽車，四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還將根據(jù)汽車當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)信息對后輪轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，以提高汽車的操縱穩(wěn)定性和主動安全性。四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)按照其發(fā)展可以大致歸納為下面三個(gè)階段 [3]：（1）20 世紀(jì)初至 20 世紀(jì) 60 年代這一階段主要是四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的萌芽和初步應(yīng)用。1907 年，日本政府頒- 3 -發(fā)了第一個(gè)關(guān)于四輪轉(zhuǎn)向的專利證書 [4]，它是利用一根軸將前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)直接連接，從而實(shí)現(xiàn)后輪轉(zhuǎn)向。當(dāng)車輛低速行駛時(shí)，通過后輪相對于前輪的反向轉(zhuǎn)向，能夠減小低速時(shí)車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，使其具有更好的機(jī)動性。這可以算是四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)最初的應(yīng)用實(shí)例了。（2）20 世紀(jì) 60 年代后期至 20 世紀(jì) 90 年代初 直到 1962 年，在日本汽車工程協(xié)會的技術(shù)會議上提出后輪主動轉(zhuǎn)向的概念，才開始了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車動力學(xué)研究。這一階段，研究人員開始認(rèn)識到四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)對于提高汽車高速時(shí)的操縱穩(wěn)定性具有重要意義。 日本學(xué)者 Furukawa 通過一系列研究得出重要結(jié)論：在高車速范圍內(nèi)，應(yīng)用后輪與前輪的同向轉(zhuǎn)向可以減小汽車質(zhì)心側(cè)偏角，從而減小側(cè)向加速度響應(yīng)的相位滯后，表明主動控制后輪轉(zhuǎn)向可以在很大程度上改善汽車的操縱穩(wěn)定性[5]。 1985 年，Nissan 公司在實(shí)車上應(yīng)用了世界上第一套四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，應(yīng)用在該公司開發(fā)的一種高性能主動控制懸架上,并于 1987 年和 1989 年相繼開發(fā)出HICAS II 和 SUPER HICAS，其后輪轉(zhuǎn)向作用機(jī)理都是采用一套液壓泵和液壓系統(tǒng)來主動控制后輪的轉(zhuǎn)向角度，比較明顯地改善了汽車在高車速范圍內(nèi)的操縱穩(wěn)定性 [4]。 （3）20 世紀(jì) 90 年代至今 這一階段，隨著電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以及現(xiàn)代控制理論的融入，主要是汽車底盤的綜合集成控制的研究。研究人員開始從“行駛工況—駕駛員—車輛”的閉環(huán)系統(tǒng)出發(fā)，綜合研究汽車的縱向、側(cè)向和垂向的動力學(xué)控制，使得四輪四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)更加成熟。 美國 GM 公司在其很多車型上應(yīng)用了 Delphi 公司研發(fā)的 QuadraSteerTM 的四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)，其后輪電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括了車輪定位傳感器、車速傳感器和中央電子控制模塊。系統(tǒng)以電子控制的形式對后輪轉(zhuǎn)向進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，根據(jù)車速的不同對后輪轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制以達(dá)到低速時(shí)反向轉(zhuǎn)向和高速時(shí)同向轉(zhuǎn)向，并與汽車的底盤控制系統(tǒng)一體化，可以在控制面板上選擇開啟或者關(guān)閉四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。隨著汽車動力學(xué)和控制理論的發(fā)展，各種現(xiàn)代控制理論開始被逐漸應(yīng)用于四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究中，國外具有代表性的一些研究進(jìn)展如下：Inoue 和 Sugasawa [5]提出了一種綜合前饋和反饋控制的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，選擇最優(yōu)的控制系統(tǒng)常量，把對轉(zhuǎn)向輸入響應(yīng)的控制和對抗外部干擾的穩(wěn)定性控制分開，實(shí)現(xiàn)了兩者的相互獨(dú)立。 - 4 -Lee [6]對四輪轉(zhuǎn)向汽車在高速時(shí)的換道行駛進(jìn)行了分析，對比了在換道行駛過程中，有經(jīng)驗(yàn)駕駛員的操縱轉(zhuǎn)向和四輪轉(zhuǎn)向汽車的最優(yōu)化控制轉(zhuǎn)向，研究了駕駛員操縱四輪轉(zhuǎn)向汽車的主觀感受。 Cho 和 Kim [7]文章中討論了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了兩種新的反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。所設(shè)計(jì)的第一個(gè)系統(tǒng)以最大穩(wěn)定性為目的，第二個(gè)系統(tǒng)用來仿效最優(yōu)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)。Higuchi 和 Saitoh [8]應(yīng)用最優(yōu)控制理論提出了一種以減小質(zhì)心側(cè)偏角為目標(biāo)的方向盤前饋加狀態(tài)反饋的四輪主動轉(zhuǎn)向控制律。1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對汽車四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究起步較晚，涉及到的相關(guān)論文如下：吉林大學(xué)的郭孔輝 [9]基于二自由度模型對四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行了探討，研究了輪胎側(cè)偏特性對于四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響。武漢大學(xué)的巫世晶 [10]對四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的非線性控制進(jìn)行了研究，基于遺傳算法，設(shè)計(jì)了汽車四輪轉(zhuǎn)向的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，得到比較理想的控制效果。天津大學(xué) [11]對四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的非線性控制進(jìn)行了研究，探討了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生隨機(jī)時(shí)滯的參數(shù)區(qū)域。。1.3 本文主要研究內(nèi)容本文選取為主體設(shè)計(jì)對象，設(shè)計(jì)一種汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并對汽車的運(yùn)動進(jìn)行仿真，其中關(guān)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，偏重于轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)。所謂轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)，就是將轉(zhuǎn)向器輸出的力和運(yùn)動傳給轉(zhuǎn)向節(jié)，使左右轉(zhuǎn)向輪按一定關(guān)系偏轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。電機(jī)的控制策略等不在研究范圍內(nèi)。整車的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電控電動式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，本論文研究的主要內(nèi)容如下：（1）設(shè)計(jì)前轉(zhuǎn)向橋的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，選擇合適的轉(zhuǎn)向器類型，進(jìn)行轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)計(jì)算，確定主要零件的規(guī)格等。（2）設(shè)計(jì)后轉(zhuǎn)向橋的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，選擇合適的轉(zhuǎn)向器類型，合理選擇驅(qū)動電機(jī)，設(shè)計(jì)減速機(jī)構(gòu)。（3）基于阿克曼轉(zhuǎn)向原理，對與獨(dú)立懸架配用的雙梯形轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的尺寸進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。- 5 -（4）利用 Pro/E 實(shí)現(xiàn)零件三維建模，畫出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的裝配圖。（5）利用 Ansys Workbench 對部分零件進(jìn)行強(qiáng)度分析。（6）建立線型二自由度的四輪轉(zhuǎn)向汽車運(yùn)動模型，基于前后輪比例轉(zhuǎn)向的控制策略，用 Matlab/Simulink 進(jìn)行運(yùn)動仿真。- 6 -第 2 章 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系是用來保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。在乘用車上，駕駛員必須按照保持汽車行駛路線不至偏離過多的標(biāo)準(zhǔn)來不斷地調(diào)整方向盤轉(zhuǎn)動。因此，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的任務(wù)是以盡可能明確的關(guān)系將轉(zhuǎn)向盤角度轉(zhuǎn)換為車輪轉(zhuǎn)向角，并將有關(guān)車輛運(yùn)動狀態(tài)的反饋回傳給方向盤。2.1 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型實(shí)現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向的重點(diǎn)在于如何將轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動量傳遞到前后轉(zhuǎn)向輪，并為轉(zhuǎn)向輪提供驅(qū)動力使其發(fā)生協(xié)調(diào)的偏轉(zhuǎn)。根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動量傳遞路徑以及轉(zhuǎn)向輪驅(qū)動力來源的不同，將四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為以下四類： （1）機(jī)械式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 機(jī)械式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) [2]由前輪轉(zhuǎn)向器、中央傳動軸和后輪轉(zhuǎn)向器三部分組成。前輪使用齒輪齒條式的液壓動力轉(zhuǎn)向器，后輪采用機(jī)械式轉(zhuǎn)向器，通過中心傳動軸驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)向器。同時(shí)，后輪橫拉桿形成轉(zhuǎn)向聯(lián)動裝置。當(dāng)方向盤小角度轉(zhuǎn)動時(shí)，前后輪同向偏轉(zhuǎn)，隨著方向盤轉(zhuǎn)角的增大，后輪轉(zhuǎn)角逐漸減小、回正，然后反向偏轉(zhuǎn)。（2）液壓式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)電組合控制液壓驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) [2]主要由前輪轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向角度傳輸軸、電子傳感器和控制單元、轉(zhuǎn)向油泵、后輪轉(zhuǎn)向器等組成。后輪的偏轉(zhuǎn)方向由車速傳感器控制，偏轉(zhuǎn)角度則由機(jī)械式轉(zhuǎn)向角度傳輸軸控制，因此稱為機(jī)電組合控制系統(tǒng)。前輪轉(zhuǎn)向器和后輪轉(zhuǎn)向器分別由獨(dú)立的液壓系統(tǒng)驅(qū)動，轉(zhuǎn)向油泵需要進(jìn)行改裝，以便為前后液壓系統(tǒng)提供液壓動力。后輪轉(zhuǎn)向器通過兩根橫拉桿與后輪連接，并且組成轉(zhuǎn)向聯(lián)動裝置。（3）電控-液壓驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 電控-液壓驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與機(jī)電組合液壓驅(qū)動方式相似， 區(qū)別在于后輪的偏轉(zhuǎn)方向和偏轉(zhuǎn)角度由傳感器和控制單元控制，前輪轉(zhuǎn)向器和后輪轉(zhuǎn)向器之間沒有任何機(jī)械傳動裝置，后輪液壓驅(qū)動裝置用油管與轉(zhuǎn)向油泵連接。（4）電控-電動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 電控-電動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) [2]的特點(diǎn)是后輪轉(zhuǎn)向采用電動機(jī)驅(qū)動，電動機(jī)通過- 7 -傳感器由四輪轉(zhuǎn)向控制單元操縱。前輪轉(zhuǎn)向器和后輪轉(zhuǎn)向器之間既沒有機(jī)械傳動裝置，也沒有機(jī)械連接裝置，結(jié)構(gòu)簡單、裝車重量更輕、制造成本更低、整體布置更加方便靈活。同時(shí)，后輪轉(zhuǎn)向的控制更加方便，能夠獲得更加精確和復(fù)雜的轉(zhuǎn)向特性。2.2 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制類型按照控制方式的不同，郭孔輝將汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為以下七種類型 [12]：（1）定前后輪轉(zhuǎn)向比四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1985 年 Sano[13]等用線性模型研究四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過選擇前、后輪轉(zhuǎn)向角之比使穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時(shí)側(cè)偏角 λ 等于零。 λ 值為正時(shí)，表明前、后轉(zhuǎn)動方向相同； λ 值為負(fù)時(shí)，表明前、后轉(zhuǎn)動方向相反。低速時(shí)， λ 應(yīng)為負(fù)值，這可以減小轉(zhuǎn)彎半徑，以提高汽車的操縱穩(wěn)定性；高速時(shí)， λ 應(yīng)為正值，可縮短側(cè)向加速度響應(yīng)時(shí)間，但其增益大幅度減小。（2）前后輪轉(zhuǎn)向比是前輪轉(zhuǎn)角函數(shù)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且效果良好，同時(shí)具有同相位及反相位轉(zhuǎn)向功能 [14]。缺陷是在高速行駛且前輪轉(zhuǎn)角較大時(shí)，將會使操縱穩(wěn)定性惡化。這是它沒有得到廣泛應(yīng)用的原因。（3）前后輪轉(zhuǎn)向比是車速函數(shù)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1986 年 Shibahata、Takiguch [15]等人也先后設(shè)計(jì)了前后輪轉(zhuǎn)向比是車速函數(shù)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這類系統(tǒng)采用微機(jī)控制，前后輪轉(zhuǎn)向比為車速和前輪轉(zhuǎn)角的函數(shù)。其計(jì)算前后輪轉(zhuǎn)向比的基本著眼點(diǎn)同定前后輪轉(zhuǎn)向比四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一致的，都是使汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時(shí)的側(cè)偏角為零。（4）具有一階滯后的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)前幾類四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以有效地改善汽車轉(zhuǎn)向的穩(wěn)態(tài)特性，但卻使橫擺角速度和側(cè)向加速度到達(dá)穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間有所延長。具有一階滯后的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的著眼點(diǎn)是，既改善汽車的穩(wěn)態(tài)特性，又不犧牲瞬態(tài)響應(yīng)的時(shí)間特性。當(dāng)汽車高速轉(zhuǎn)向時(shí)，后輪的轉(zhuǎn)動比前輪轉(zhuǎn)動遲延一定的時(shí)間，當(dāng)橫擺角速度或側(cè)向加速度到達(dá)穩(wěn)態(tài)值時(shí)后輪才開始轉(zhuǎn)動，后輪轉(zhuǎn)動時(shí)汽車的穩(wěn)態(tài)側(cè)偏角減小，并對其超調(diào)量等瞬態(tài)特性也有一定程度的改善。（5）具有反相特性的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)Nissan 公司的 Takaaki Eguchi 等在設(shè)計(jì)超 HICAS 系統(tǒng) [16]時(shí)對具有反相特性的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了研究。其設(shè)計(jì)的著眼點(diǎn)在于同時(shí)改善汽車轉(zhuǎn)向的穩(wěn)態(tài)特- 8 -性和瞬態(tài)特性。當(dāng)汽車高速轉(zhuǎn)向時(shí)，后輪先向與前輪轉(zhuǎn)向方向相反的方向轉(zhuǎn)動，這樣橫擺角速度和側(cè)向加速度動態(tài)響應(yīng)加快，二者很快到達(dá)穩(wěn)態(tài)值，這時(shí)后輪再向相反方向轉(zhuǎn)動，以改善車輛的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性，改善汽車的方向特性。（6）具有最優(yōu)控制特性的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)當(dāng)附加了后輪轉(zhuǎn)角之后，車輛本身的橫擺角速度穩(wěn)態(tài)增益和側(cè)向加速度增益，隨車速和前輪轉(zhuǎn)角發(fā)生了較大幅度的變化，這就增加了駕駛的難度，同時(shí)在高速時(shí)也增加了駕駛員的疲勞程度。于是研究人員開始著眼于橫擺角速度穩(wěn)態(tài)增益和側(cè)向加速度穩(wěn)態(tài)增益與 2WS 系統(tǒng)相同的 4WS 系統(tǒng)的研究。（7）具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)汽車運(yùn)動特性是非線性或隨機(jī)性變化的，要在這樣的條件下實(shí)現(xiàn)更為有效的控制，控制系統(tǒng)應(yīng)具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力，即隨著被控對象的變化而改變控制器的結(jié)構(gòu)或參數(shù)，改變控制規(guī)律。通常采用的控制方法有自適應(yīng)控制、魯棒控制 [17][18]、H ∞控制 [19]和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制 [20]等幾種控制方法。2.3 整車布置的設(shè)計(jì)電控電動式 4WS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、布置容易、控制效果好。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)在汽車中的廣泛應(yīng)用，電控電動式 4WS 系統(tǒng)將是四輪轉(zhuǎn)向汽車的發(fā)展趨勢。因此，本設(shè)計(jì)選擇電控電動式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其總體布置示意圖如圖 2-1 所示。E C U1275681 01 19341 21.前輪 2.前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 3.前輪轉(zhuǎn)角傳感器 4.方向盤 5.車速傳感器 6.橫擺角速度傳感器 7.電控單元 8.直流電動機(jī) 9.減速器 10.后輪轉(zhuǎn)角傳感器 11.后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 12.后輪圖 2-1 四輪轉(zhuǎn)向汽車整體布置示意圖傳感器的功用是在汽車行駛時(shí)檢測運(yùn)動物理量，并將物理量轉(zhuǎn)換成電信號，輸入到 ECU 中，供 ECU 按照控制策略進(jìn)行分析、計(jì)算。轉(zhuǎn)角傳感器裝在前、- 9 -后輪轉(zhuǎn)向齒輪軸的靠近齒輪的一側(cè)，可以檢測前、后齒輪軸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)角，通過角傳動比求得前后輪的瞬時(shí)轉(zhuǎn)角。車速傳感器安裝在變速箱上，檢測汽車的前進(jìn)速度，轉(zhuǎn)換成脈沖信號然后輸出到 ECU。車輛橫擺角速度傳感器安裝在汽車質(zhì)心處的車身上，檢測汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)的橫擺角速度，以電信號的形式輸入ECU，ECU 輸出控制指令，實(shí)時(shí)控制汽車的轉(zhuǎn)向運(yùn)動，保證汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性 [21]。ECU 是 4WS 系統(tǒng)的核心，其功用是根據(jù)制定的控制方案，按照編制的程序?qū)Ω鞣N傳感器輸入信號進(jìn)行分析、計(jì)算、處理，輸出一定的控制信號指令，驅(qū)動電動機(jī)動作。電動機(jī)采用直流電動機(jī)，其功用是根據(jù) ECU 的指令輸出合適的扭矩和轉(zhuǎn)角，驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)向器，控制后輪的轉(zhuǎn)向，是后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的驅(qū)動、執(zhí)行元件。減速機(jī)構(gòu)的功用是降低直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速，增大電動機(jī)傳遞給轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩，常見的類型有行星齒輪機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。此處選擇蝸輪蝸桿減速器。后輪轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)可以選擇傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)形式，也可根據(jù)汽車后懸結(jié)構(gòu)和行駛轉(zhuǎn)向要求，設(shè)計(jì)特定結(jié)構(gòu)形式的后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。此處選擇傳統(tǒng)的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。2.4 本章小結(jié)本章對當(dāng)前提出的多種典型四輪轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的進(jìn)行了分析，將其分為四大類，并分別介紹了各自的特點(diǎn)。四輪轉(zhuǎn)向汽車的控制策略是今后的研究重點(diǎn)，文中將四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照控制方式分為七類，并分別做了介紹。在分類的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，繪制其整體布置示意圖，對其重要組成部分進(jìn)行了說明。- 10 -轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向器是保證能夠汽車按駕駛員的意志進(jìn)行轉(zhuǎn)向行駛的重要部件，可以增大轉(zhuǎn)向盤傳到轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的力和改變力的傳遞方向，同時(shí)可以在汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)實(shí)現(xiàn)路面情況對駕駛員的反饋，有助于駕駛員及時(shí)調(diào)整方向盤。3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)車輛主要參數(shù)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向器之前，首先要整理出目標(biāo)車輛的整車參數(shù)，如表 2-1 所示。表 3-1 整車主要參數(shù)參數(shù)名稱 數(shù)值 參數(shù)名稱 數(shù)值長(mm) 4629 軸距(mm) 2807寬(mm) 1880 空車質(zhì)量(kg) 1865高(mm) 1653 滿載質(zhì)量(kg) 2305前輪距(mm) 1617 前軸負(fù)荷率 45%后輪距(mm) 1613 輪胎規(guī)格 235/65 R173.2 前輪轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器有四種類型，分別是齒輪齒條式、循環(huán)球式轉(zhuǎn)、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器廣泛應(yīng)用于乘用車，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、質(zhì)量較小、傳動效率高、能夠自動消除齒間間隙、制造成本低等優(yōu)點(diǎn) [22]。因此，本章選擇設(shè)計(jì)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。3.2.1 轉(zhuǎn)向系計(jì)算載荷的確定為了保證行駛安全，組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。欲驗(yàn)算轉(zhuǎn)向系零件的強(qiáng)度，需首先確定作用在各零件上的力。利用半經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩 MR1(N·mm)，即(3-1)31R1Gfp?- 11 -式中 f ——前輪輪胎和地面間的滑動摩擦因數(shù)，f= 0.7；G1 ——前輪轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷(N)，根據(jù)前軸負(fù)荷率可以求得 G1=10120N；p ——前輪輪胎氣壓(MPa)，由輪胎壓力表可以可知，前輪胎壓為2.5bar，即 0.25MPa。將數(shù)據(jù)代入，得 MR1=475091.82 N·mm。作用在方向盤上的手力為(3-2)R1hsw2FDi???式中 Dsw——轉(zhuǎn)向盤直徑，在 380～550mm 系列內(nèi)選取，此處 Dsw=400mm；iw ——轉(zhuǎn)向器角傳動比，對于乘用車，i w 在 17～25 內(nèi)選取，此處iw=18；η+ ——轉(zhuǎn)向器正效率，此處 η+=90%。代入數(shù)據(jù)，得 Fh=146.63N，滿足規(guī)定要求。轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向力矩 TZ1 為swZ1=2936.NmhD???3.2.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪大多采用斜齒圓柱齒輪。主動小齒輪選用16MnCr5 材料制造，齒條采用 20Cr 制造，為減輕質(zhì)量，殼體用鋁合金壓鑄 [23]。1．主動齒輪軸的計(jì)算(3-3)Z136[]Td???式中 TZ1 ——轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向力矩(N·mm) ；[τ] ——材料的許用切應(yīng)力，此處[τ]=55MPa。代入數(shù)據(jù),求得 ,取 。13.95md?20d?2．齒輪的設(shè)計(jì)齒輪模數(shù)取值范圍躲在 2～3mm 之間。主動小齒輪齒數(shù)多數(shù)在 5～7 個(gè)齒范圍變化，壓力角取 20°，齒輪螺旋角取值范圍多為 9°～15°。齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪達(dá)到最到偏轉(zhuǎn)角時(shí)，相應(yīng)的齒條移動行程應(yīng)達(dá)到的值來確定。- 12 -取齒輪模數(shù) mn1=3，齒輪齒數(shù) z1=7，齒輪壓力角 α1=20°，齒輪螺旋角 β 1取為 14°、左旋。為了防止齒輪根切，對進(jìn)行變位處理，選擇變位系數(shù)x1=0.46。故斜齒圓柱齒輪直徑根據(jù)公式n12.6mzdcos??取齒寬系數(shù) φ d=1.2，則齒條寬度 b2=φ dd1=25.97mm，圓整取 b2=30mm，則齒輪齒寬 b1=b2+10=40mm。利用 Pro/E，做出齒輪軸的三維零件圖，如圖 3-1 所示。圖 3-1 前輪轉(zhuǎn)向器齒輪軸3．齒條的設(shè)計(jì)齒條是金屬殼體內(nèi)來回滑動的、加工有齒形的金屬條。轉(zhuǎn)向器殼體安裝在前橫梁或者前圍板的固定位置上。齒條代替梯形轉(zhuǎn)向桿系的搖桿和轉(zhuǎn)向搖臂，并保證轉(zhuǎn)向橫拉桿在適當(dāng)?shù)母叨?，以使它們與懸架的下擺臂平行。齒條可以相當(dāng)于直拉桿。導(dǎo)向座將齒條固定支持的轉(zhuǎn)向器殼體上，齒條的橫向運(yùn)動拉動或推動轉(zhuǎn)向橫拉桿，使轉(zhuǎn)向輪發(fā)生轉(zhuǎn)動。相互嚙合的齒輪齒距 p1=πmn1cosα1 齒條齒距 p2=πmn2cosα2 必須相等，則齒條上帶齒的部分 mn2=3mm，α 2=20°，變位系數(shù) x2=-0.46。齒條的螺旋角 β2=24°。乘用車轉(zhuǎn)向盤從中間位置轉(zhuǎn)到每一端的圈數(shù)不得超過 2.0 圈，結(jié)合目標(biāo)車型的參數(shù)，確定轉(zhuǎn)向盤從一端轉(zhuǎn)到另一端的總?cè)?shù)為 3 圈，則齒條的行程為n113=204coszL??取齒條的行程為 L1=240mm。齒條直徑可根據(jù)齒條的受力以及齒條的寬度進(jìn)行初步估算，選取齒條的直徑 d2=34mm。- 13 -目標(biāo)車型的前輪輪距是 1617mm，則根據(jù)整車的布置情況及轉(zhuǎn)向系的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)齒條的長度 L2=770mm。利用 Pro/E，做出齒條的三維零件圖，如圖 3-2 所示。圖 3-2 前輪轉(zhuǎn)向器齒條4．強(qiáng)度校核根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》 [23]可知，齒輪齒條的許用接觸應(yīng)力為(3-4)HminN[]=ZS?式中 σHmin1、σ Hmin2——齒輪齒條的接觸疲勞強(qiáng)度極限，σHmin1=1500MPa，σ Hmin2=1500MPa；ZN1、 ZN2 ——齒輪、齒條的壽命系數(shù)，Z N1=1.4、Z N2=1.5；SH1、S H2 ——接觸強(qiáng)度計(jì)算的安全系數(shù)，S H1=1.3，S H2=1.3。代入數(shù)據(jù)，求得[σ] H1=1615.38MPa，[σ ]H2=1730.7MPa，因此齒輪齒條的許用接觸應(yīng)力[σ ]H=min{[σ]H1，[ σ]H2}=1615.38MPa。由機(jī)械工程手冊查得，齒輪的使用系數(shù) KA=1.35，齒輪的動載系數(shù)KV=1.05，齒輪齒向載荷分布系數(shù) Kβ=1.35，齒輪齒間載荷分配系數(shù) Kα=1.0，因此動載荷系數(shù)AV1.5876????齒輪齒條的接觸應(yīng)力(3-5)HEεβEHεβ21 1=ZZt ZKFKTuubdbd???式中 ZE ——材料的彈性系數(shù)，取 ZE=189 ；MPaZH ——節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，取 ZH=2.4；Zε ——重合度系數(shù)，取 Zε=0.94；Zβ ——螺旋角系數(shù)，取 Zβ=0.98；u ——傳動比，齒輪齒條傳動的傳動比 u→∞，所以(u+1)/ u≈1。代入數(shù)據(jù)，求得 σH=1082.34MPa=9Lz?取齒條的行程為 L3=100mm。根據(jù)齒條的受力以及寬度進(jìn)行對齒條的直徑估算，選取 d4=34mm。目標(biāo)車型的后輪輪距是 1617mm，則根據(jù)整車的布置情況及轉(zhuǎn)向系的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)齒條的長度 L4=770mm。利用 Pro/E，做出齒條的三維零件圖，如圖 3-5 所示。- 17 -圖 3-5 后輪轉(zhuǎn)向器齒條3.3.2 直流電動機(jī)的選擇后輪發(fā)生轉(zhuǎn)向的動力由電動機(jī)提供，采用無刷永磁式直流電動機(jī)，其功能是根據(jù) ECU 的指令產(chǎn)生相應(yīng)的輸出扭矩。電動機(jī)是影響四輪轉(zhuǎn)向汽車性能的主要因素之一，不僅要求低轉(zhuǎn)速大扭矩、波動小、轉(zhuǎn)動慣量小、尺寸小、質(zhì)量輕，而且要求可靠性高、控制性能好。目標(biāo)車型的電源電壓為 12V，選擇合適的直流電動機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)如表3-2 所示 [24]。表 3-2 直流電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目 規(guī)格 項(xiàng)目 規(guī)格激磁方式 永磁鐵激磁式 旋轉(zhuǎn)方向 雙向額定電壓 V DC12 外殼類型 全封閉額定扭矩(N·m) 1.2 表面處理 鍍鋅及壓鑄鋁外殼額定電流 A 30 最大電流 35A額定轉(zhuǎn)速(r/min) 1200 連接方式 平鍵3.3.3 減速器的設(shè)計(jì)蝸桿傳動是用來傳遞空間相互垂直的兩相錯(cuò)軸之間的運(yùn)動和動力的一種機(jī)械傳遞行駛。根據(jù)蝸桿形狀不同，蝸桿傳動分為圓柱蝸桿傳動、環(huán)面蝸桿傳動、錐蝸桿傳動，其中應(yīng)用最早、最廣泛的是圓柱蝸桿傳動。根據(jù)齒面形狀的不同，圓柱蝸桿傳動又分為普通圓柱蝸桿傳動和圓弧圓柱蝸桿傳動兩類。普通圓柱蝸桿傳動又分為阿基米德蝸桿(ZA 蝸桿)、漸開線蝸桿(ZI 蝸桿)、法向直廓蝸桿(ZN蝸桿)、錐面包絡(luò)圓柱蝸桿 (ZK 蝸桿) 。此處選擇用直線刀刃或圓盤刀具加工的普通圓柱蝸桿傳動減速器。蝸桿一般用碳素鋼或合金鋼制造，要求齒面光潔并具有較高的硬度，此處采用 45 號優(yōu)質(zhì)碳素鋼。常用的蝸輪材料有鑄造錫青銅、鑄造鋁青銅及灰鑄鐵。由于后輪轉(zhuǎn)向的不連續(xù)性，選擇鑄造鋁青銅，有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)價(jià)格便宜。- 18 -1．蝸輪蝸桿傳動的主要參數(shù)設(shè)計(jì)由于蝸桿主要受扭矩作用，所以根據(jù)電動機(jī)的額定扭矩初選蝸桿的分度圓直徑 d1(3-11)N316[]Td???式中 TN——電動機(jī)的額定扭矩，T N=1000N·mm；[τ]——45 號鋼的許用切應(yīng)力，[τ ]=25MPa。代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 d1≥5.88mm。蝸桿傳動的正確嚙合條件與齒條和齒輪傳動相同。因此，在中間平面上，蝸桿的軸面模數(shù) ma1、軸面壓力角 αa1 分別和蝸輪的端面模數(shù) mt2、端面壓力角αt2 相等，并均為標(biāo)準(zhǔn)值。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》查表得蝸桿軸面模數(shù) ma1 與分度圓直徑 d1 的搭配值，蝸桿的軸面模數(shù) ma1=2.5mm，分度圓直徑 d1=28mm，m a12 d1=175mm，蝸桿的軸面壓力角 αa1=20°。蝸輪的端面模數(shù) mt2=2.5mm，端面壓力角 αt2=20°。由于電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩 TN=1200N·mm，轉(zhuǎn)向器齒輪軸上的扭矩TZ2=39891.6N·mm，因此，減速器的傳動比(3-12)Z240i??考慮到可能出現(xiàn)的過載情況，選擇 i=42。此種情況下，轉(zhuǎn)向器齒輪軸上的最大扭矩可以達(dá)到 50000。根據(jù)傳動比，經(jīng)查詢推薦表確定蝸桿的頭數(shù)和蝸輪的齒數(shù)，蝸桿頭數(shù) z1=1，蝸輪的齒數(shù) z2=42。當(dāng)蝸桿的分度圓直徑 d1 和頭數(shù) z1 確定之后，蝸桿分度圓柱上的導(dǎo)程角 γ 就確定了，則(3-13)1arctn5.md???為了保證蝸桿傳動的正確嚙合，蝸輪輪齒與蝸桿的螺旋線方向相同，并且蝸輪分度圓柱上的螺旋角 β2 等于蝸桿分度圓柱上的導(dǎo)程角 γ。蝸桿傳動的標(biāo)準(zhǔn)中心距為(3-14)12()6.5ad??式中 d1 ——蝸桿的分度圓直徑(mm)；d2 ——蝸輪的分度圓直徑，d 2=mt2z2=105mm。- 19 -為了擴(kuò)大中心距，采用變位蝸桿傳動，只對蝸輪進(jìn)行變位，而蝸桿不變位。變位之后蝸桿的參數(shù)和尺寸保持不變，只是節(jié)圓不再與分度圓重合，而變位后的蝸輪，其節(jié)圓和分度圓卻仍然重合，只是其齒頂圓和齒根圓改變了。中心矩 a＇為(3-14)axm???式中 a ——標(biāo)準(zhǔn)中心距(mm)；x ——變位系數(shù)，此處 x=0.6；m——蝸輪蝸桿的模數(shù) (mm)。代入數(shù)據(jù)得，變位后的中心距 a＇=68mm，蝸輪的分度圓直徑dt2=108mm。利用 Pro/E，做出蝸輪和蝸桿的三維零件圖，如圖 3-6 所示。圖 3-6 蝸輪、蝸桿的三維圖2. 蝸桿傳動的受力分析和計(jì)算載荷根據(jù)蝸桿傳動的運(yùn)動狀態(tài)分析其受力情況，將蝸輪蝸桿之間的相互作用力分解成三個(gè)相互垂直的分力：圓周力 Ft、軸向力 Fa、和徑向力 Fr，如圖 3-7所示。由于蝸桿軸和蝸輪軸空間交錯(cuò)成 90°，所以在蝸桿和蝸輪的齒面間相互作用著 Ft1 與 Fa2 、F a1 與 Ft2 、F r1 與 Fr2 這樣三對大小相等方向相反的分力。即(3-15)1t1a2ta2r121-=-tnTdF????????式中 T1、T 2 ——蝸桿和蝸輪軸的轉(zhuǎn)矩， T1=1200N·mm，T 2=39891.6N·mm；d1、d 2 ——蝸桿和蝸輪的分度圓直徑，d 1=28mm，d 2=108mm；α ——壓力角， α=20°；- 20 -γ ——蝸桿分度圓柱上的導(dǎo)程角，γ =5.1°。代入數(shù)據(jù)，得 Ft1=-Fa2=85.7N，F(xiàn) t2=-Fa1=759.84N，F(xiàn) r1=-Fr2=275.56N。a1Ft2r1d2d2T?a2Ft1T?圖 3-7 蝸桿傳動的受力分析蝸輪傳動的計(jì)算載荷是名義載荷與載荷系數(shù) K 的乘積。(3-16)Av=?式中 KA——使用系數(shù)，取 KA=1.2；KV——動載荷系數(shù)，取 KV=1.0；Kβ——齒向載荷分布系數(shù)，取 Kβ=1.2。代入數(shù)據(jù)，得 K=1.44。蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核公式(3-17)2HEH19=[]TZd???式中 ZE——材料的彈性系數(shù)，對于青銅與鋼制蝸桿配對時(shí)，取 ；E=160MPaZ[σ]H——蝸輪材料的許用接觸應(yīng)力，[σ] H=250MPa。代入數(shù)據(jù)，得 σH=207MPa500MΩ3．車輛橫擺角速度傳感器目前一些配有電子穩(wěn)定程序系統(tǒng)的中高檔車輛上已經(jīng)使用了橫擺角速度傳感器（陀螺儀）來測量橫擺角速度 [26]，所以可以將此信號用來進(jìn)行四輪轉(zhuǎn)向的控制。陀螺儀一種用于測量物體在相對慣性空間轉(zhuǎn)角或角速度的裝置，可以用作車輛橫擺角速度傳感器。把均衡陀螺儀的外環(huán)固定在運(yùn)載器上并令內(nèi)環(huán)軸垂直于要測量角速率的軸。當(dāng)運(yùn)載器連同外環(huán)以角速度繞測量軸旋進(jìn)時(shí)，陀螺力矩將迫使內(nèi)環(huán)連同轉(zhuǎn)子一起相對運(yùn)載器旋進(jìn)。陀螺儀中有彈簧限制這個(gè)相對旋進(jìn)，而內(nèi)環(huán)的旋進(jìn)角正比于彈簧的變形量。由平衡時(shí)的內(nèi)環(huán)旋進(jìn)角即可求得陀螺力矩和運(yùn)載器的角速率。選擇某公司生產(chǎn)的數(shù)字陀螺儀 SCR1100-D04，具體參數(shù)如表 3-4 所示。表 3-4 橫擺角速度傳感器的參數(shù)項(xiàng)目 規(guī)格 項(xiàng)目 規(guī)格模擬電源電壓 3.0~3.6V 工作電流 26mA數(shù)字電源電壓 4.75~5.25V 角速度量程 +/-300°/s角速度軸數(shù) 單軸 工作溫度 -40~+125℃3.4 裝配圖的繪制利用 Pro/E 繪制各個(gè)零件的零件圖，并進(jìn)行裝配。裝配圖如圖 3-10 所示。(a) 前輪轉(zhuǎn)向裝配圖- 25 -(b) 后輪轉(zhuǎn)向裝配圖(c) 轉(zhuǎn)向系裝配圖圖 3-10 裝配圖3.5 本章小結(jié)本章設(shè)計(jì)了四輪轉(zhuǎn)向汽車的前軸、后軸轉(zhuǎn)向器，均為齒輪齒條式，對齒輪、齒條的強(qiáng)度進(jìn)行了校核。針對轉(zhuǎn)向器會出現(xiàn)的磨損間隙問題設(shè)計(jì)了自動消除間隙的裝置。由于后軸是由電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)向，所以，選擇了合適的直流電機(jī)，根據(jù)電機(jī)的參數(shù)及后輪轉(zhuǎn)向所需要的動力，設(shè)計(jì)了蝸輪蝸桿式的減速器，并對關(guān)鍵部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核及有限元分析。電機(jī)的控制需要傳感器提供汽車行駛的數(shù)據(jù)，所以選擇了轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器、橫擺角速度傳感器，并分別做了介紹。- 25 -轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車行駛安全至關(guān)重要的考慮因素。阿克曼轉(zhuǎn)向原理要求 [27]：汽車在直線行駛或轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，輪胎與地面之間不出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，而是處于純滾動狀態(tài)，此時(shí)所有車輪軸線應(yīng)交于同一點(diǎn)，車輪都應(yīng)繞同一瞬時(shí)中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動。4.1 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)方案選擇齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器是目前使用最多的一大類轉(zhuǎn)向器，不但適用于整體式轉(zhuǎn)向軸，而且適用于斷開式轉(zhuǎn)向軸。根據(jù)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向梯形相對于前軸位置的不同，與齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器配用的轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)有四種布置形式 [22]：（1）轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，后置梯形，如圖 4-1(a)所示。（2）轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，前置梯形，如圖 4-1(b)所示。（3）轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，后置梯形，如圖 4-1(c)所示。（4）轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，前置梯形，如圖 4-1(d)所示。行駛方向行駛方向行駛方向行駛方向（ a ）（ b ）（ c ）（ d ）圖 4-1 與齒輪齒條轉(zhuǎn)向器配用的轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)示意圖本設(shè)計(jì)中，參考目標(biāo)車型的設(shè)計(jì)，選擇轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)選擇轉(zhuǎn)向器位于軸的前方、前置梯形的布置形式。- 26 -4.2 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)4.2.1 建立轉(zhuǎn)向梯形的數(shù)學(xué)模型為了優(yōu)化設(shè)計(jì)的方便，可以忽略一些次要因素，作出如下假設(shè) [28]：①全部鉸接點(diǎn)是無間隙配合；②忽略輪胎側(cè)偏特性的影響；③所有桿件均為剛體；④直線行駛時(shí)梯形臂與車架上平面平行。1.理想的左右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的理想情況滿足阿克曼轉(zhuǎn)向原理，即如圖 4-2 所示的理想關(guān)系，同時(shí)可以得到式(4-1)。 1?10?2?20?fLr OfKrK圖 4-2 理想的四輪轉(zhuǎn)向示意圖(4-1)102cot-ttfrLK???????式中 α1、α 2 ——前、后轉(zhuǎn)向軸外轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角(°)；β10、β 20 ——前、后轉(zhuǎn)向軸內(nèi)轉(zhuǎn)向輪的理論轉(zhuǎn)角(°)；Kf 、K r ——前、后轉(zhuǎn)向軸左右兩主銷軸線的延長線與地面交點(diǎn)之間的距離(mm)；Lf 、L r ——前、后轉(zhuǎn)向軸到瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心的距離(mm)。滿足上述兩個(gè)等式時(shí)，車輛的四輪轉(zhuǎn)向就滿足阿克曼轉(zhuǎn)向原理。- I -電控電動式齒輪齒條四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)利用行駛中的某些信息來控制后輪的轉(zhuǎn)角輸入，主要目的是增強(qiáng)汽車高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性，提高汽車低速行駛時(shí)的操縱靈活性。文中介紹了四種類型的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，為控制前后輪的協(xié)調(diào)偏轉(zhuǎn)，提供了七種控制策略。根據(jù)已有的研究，設(shè)計(jì)了一種電控電動式的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，對其主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹?；诘幕緟?shù)，設(shè)計(jì)了齒輪齒條式的前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)?；诎⒖寺D(zhuǎn)向原理，運(yùn)用Matlab優(yōu)化工具箱對所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化。 本文建立了線型二自由度四輪轉(zhuǎn)向汽車模型，推導(dǎo)出其運(yùn)動微分方程。基于前后轉(zhuǎn)角比例轉(zhuǎn)向的控制策略，借助 Matlab/Simulink 對四輪轉(zhuǎn)向和前輪轉(zhuǎn)向汽車進(jìn)行了運(yùn)動仿真。關(guān)鍵詞：四輪轉(zhuǎn)向；轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化；運(yùn)動仿真- II -目 錄摘 要 .IAbstract.II第 1 章 緒論 11.1 本課題研究的目的和意義 11.1.1 四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)原理簡介 .11.1.2 研究的目的和意義 .11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀概述 21.2.1 國外研究現(xiàn)狀 .21.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 .41.3 本文主要研究內(nèi)容 4第 2 章 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 62.1 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型 62.2 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制類型 72.3 整車布置的設(shè)計(jì) 82.4 本章小結(jié) 9第 3 章 轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì) 103.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)車輛主要參數(shù) 103.2 前輪轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì) 103.2.1 轉(zhuǎn)向系計(jì)算載荷的確定 .103.2.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì) .113.2.3 間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .143.3 后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 153.3.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì) .153.3.2 直流電動機(jī)的選擇 .163.3.3 減速器的設(shè)計(jì) .173.3.4 聯(lián)軸器的選擇 .223.3.5 傳感器的選擇 .223.4 裝配圖的繪制 243.5 本章小結(jié) 25第 4 章 轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計(jì) 264.1 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)方案選擇 264.2 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 27- III -4.2.1 建立轉(zhuǎn)向梯形的數(shù)學(xué)模型 .274.2.2 優(yōu)化轉(zhuǎn)向梯形的數(shù)學(xué)模型 .294.3 轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算 324.3.1 球頭銷的設(shè)計(jì) .324.3.2 轉(zhuǎn)向橫拉桿的設(shè)計(jì) .324.4 電機(jī)的控制 344.5 本章小結(jié) 34第 5 章 四輪運(yùn)動模型的建立及仿真 355.1 四輪轉(zhuǎn)向汽車模型的建立 355.2 四輪轉(zhuǎn)向汽車運(yùn)動關(guān)系的推導(dǎo) 375.2.1 汽車橫擺角速度與前輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系 .375.2.2 汽車質(zhì)心側(cè)偏角與前輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系 .385.2.3 汽車側(cè)向加速度與前輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系 .395.3 四輪轉(zhuǎn)向汽車的運(yùn)動仿真 405.3.1 時(shí)域響應(yīng)特性 .405.3.2 頻域響應(yīng)特性 .435.4 本章小結(jié) 45結(jié)論 46致 謝 47參考文獻(xiàn) 48- 1 -第 1 章 緒論1.1 本課題研究的目的和意義1.1.1 四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)原理簡介伴隨著社會的進(jìn)步、先進(jìn)科技的發(fā)展，道路安全問題引起了人們更高的關(guān)注，為了確保汽車的行駛安全，操縱穩(wěn)定性獲得越來越高的重視。汽車四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)是一種可以使前后輪同時(shí)改變方向的技術(shù)，后輪可以獨(dú)立進(jìn)行轉(zhuǎn)向。這種轉(zhuǎn)向方式的作用示意圖如圖 1-1 所示。前輪轉(zhuǎn)向 同向轉(zhuǎn)向反向轉(zhuǎn)向ooo圖 1-1 前輪轉(zhuǎn)向與四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的示意圖與前輪轉(zhuǎn)向汽車相比，四輪轉(zhuǎn)向汽車有如下優(yōu)點(diǎn) [1]：（1）汽車在低速行駛轉(zhuǎn)向并且方向盤轉(zhuǎn)向角度很大時(shí)，后輪相對于前輪反向轉(zhuǎn)向，可以減小汽車的轉(zhuǎn)彎半徑，提高汽車的機(jī)動性。（2）汽車高速行駛轉(zhuǎn)彎時(shí)，后輪與前輪同向轉(zhuǎn)向，能按照駕駛者的意圖迅速改變汽車行駛軌跡，而車身又不致產(chǎn)生過大的擺動，減少了擺尾產(chǎn)生的可能性，使駕駛者更容易控制汽車的姿態(tài)。 （3）減輕了汽車行駛時(shí)的輪胎磨損。1.1.2 研究的目的和意義汽車的操縱穩(wěn)定性是評價(jià)汽車主動安全性能的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，是汽車行駛安全的重要保障，在高速行駛時(shí)汽車安全行駛受操縱穩(wěn)定性的重要影響。因此，轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)在整車設(shè)計(jì)中顯得非常重要。另外，如何選擇轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)形式及優(yōu)化轉(zhuǎn)向梯形的尺寸，使其滿足阿克曼轉(zhuǎn)向原理，是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。- 2 -通過查詢資料與設(shè)計(jì)的過程，掌握產(chǎn)品的基本設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)過程，可以鞏固所學(xué)的專業(yè)理論知識，加深對汽車安全性、操縱穩(wěn)定性的理解，提高通過理論知識解決實(shí)際問題的能力。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀概述4WS 作為汽車新技術(shù)，目前在各國的應(yīng)用都不是很廣泛。日本雖然在 4WS的研究上做了很多的工作，也取得了很大的成果，但是就日本每年生產(chǎn)的千萬輛汽車而言，安裝 4WS 的只是很小一部分，仍然不能大規(guī)模地使用。其一是4WS 在很多方面尚不是很成熟，其二是成本較高。盡管如此，4WS 技術(shù)在改善汽車操縱穩(wěn)定性和增強(qiáng)汽車的安全性能上具有很明顯的效果?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外學(xué)者對于四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究，主要是針對以下性能目標(biāo)：（1）保持汽車質(zhì)心側(cè)偏角基本為零。 （2）改善橫擺角速度和側(cè)向加速度的動力學(xué)響應(yīng)性能。 （3）實(shí)現(xiàn)所希望的轉(zhuǎn)向特性。（4）增加對工況變化的抗干擾能力。 （5）提高汽車的轉(zhuǎn)向操縱穩(wěn)定性和主動安全性。1.2.1 國外研究現(xiàn)狀四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)可以追溯到 20 世紀(jì) 60 年代，在 1962 年日本汽車工程協(xié)會技術(shù)會議上，一名工程師研究發(fā)現(xiàn)： 通過使用四輪轉(zhuǎn)向的方法，汽車的操縱穩(wěn)定性可以獲得很大的提高。在 70 年代末，本田和馬自達(dá)汽車公司開始研究和開發(fā)四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)。到 80 年代末，四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開始進(jìn)入應(yīng)用階段。1990 年，日產(chǎn)、馬自達(dá)、本田三家汽車公司推出了幾款采用四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轎車。1991 年，日本三菱和美國克萊斯勒也推出了四輪轉(zhuǎn)向車型 [2]。隨著先進(jìn)汽車動力學(xué)控制技術(shù)的發(fā)展，四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)源于對工況下的汽車操縱穩(wěn)定性和主動安全性的研究。相對于傳統(tǒng)前輪轉(zhuǎn)向汽車，四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還將根據(jù)汽車當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)信息對后輪轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，以提高汽車的操縱穩(wěn)定性和主動安全性。四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)按照其發(fā)展可以大致歸納為下面三個(gè)階段 [3]：（1）20 世紀(jì)初至 20 世紀(jì) 60 年代這一階段主要是四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的萌芽和初步應(yīng)用。1907 年，日本政府頒- 3 -發(fā)了第一個(gè)關(guān)于四輪轉(zhuǎn)向的專利證書 [4]，它是利用一根軸將前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)直接連接，從而實(shí)現(xiàn)后輪轉(zhuǎn)向。當(dāng)車輛低速行駛時(shí)，通過后輪相對于前輪的反向轉(zhuǎn)向，能夠減小低速時(shí)車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，使其具有更好的機(jī)動性。這可以算是四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)最初的應(yīng)用實(shí)例了。（2）20 世紀(jì) 60 年代后期至 20 世紀(jì) 90 年代初 直到 1962 年，在日本汽車工程協(xié)會的技術(shù)會議上提出后輪主動轉(zhuǎn)向的概念，才開始了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車動力學(xué)研究。這一階段，研究人員開始認(rèn)識到四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)對于提高汽車高速時(shí)的操縱穩(wěn)定性具有重要意義。 日本學(xué)者 Furukawa 通過一系列研究得出重要結(jié)論：在高車速范圍內(nèi)，應(yīng)用后輪與前輪的同向轉(zhuǎn)向可以減小汽車質(zhì)心側(cè)偏角，從而減小側(cè)向加速度響應(yīng)的相位滯后，表明主動控制后輪轉(zhuǎn)向可以在很大程度上改善汽車的操縱穩(wěn)定性[5]。 1985 年，Nissan 公司在實(shí)車上應(yīng)用了世界上第一套四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，應(yīng)用在該公司開發(fā)的一種高性能主動控制懸架上,并于 1987 年和 1989 年相繼開發(fā)出HICAS II 和 SUPER HICAS，其后輪轉(zhuǎn)向作用機(jī)理都是采用一套液壓泵和液壓系統(tǒng)來主動控制后輪的轉(zhuǎn)向角度，比較明顯地改善了汽車在高車速范圍內(nèi)的操縱穩(wěn)定性 [4]。 （3）20 世紀(jì) 90 年代至今 這一階段，隨著電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以及現(xiàn)代控制理論的融入，主要是汽車底盤的綜合集成控制的研究。研究人員開始從“行駛工況—駕駛員—車輛”的閉環(huán)系統(tǒng)出發(fā)，綜合研究汽車的縱向、側(cè)向和垂向的動力學(xué)控制，使得四輪四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)更加成熟。 美國 GM 公司在其很多車型上應(yīng)用了 Delphi 公司研發(fā)的 QuadraSteerTM 的四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)，其后輪電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括了車輪定位傳感器、車速傳感器和中央電子控制模塊。系統(tǒng)以電子控制的形式對后輪轉(zhuǎn)向進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，根據(jù)車速的不同對后輪轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制以達(dá)到低速時(shí)反向轉(zhuǎn)向和高速時(shí)同向轉(zhuǎn)向，并與汽車的底盤控制系統(tǒng)一體化，可以在控制面板上選擇開啟或者關(guān)閉四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。隨著汽車動力學(xué)和控制理論的發(fā)展，各種現(xiàn)代控制理論開始被逐漸應(yīng)用于四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究中，國外具有代表性的一些研究進(jìn)展如下：Inoue 和 Sugasawa [5]提出了一種綜合前饋和反饋控制的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，選擇最優(yōu)的控制系統(tǒng)常量，把對轉(zhuǎn)向輸入響應(yīng)的控制和對抗外部干擾的穩(wěn)定性控制分開，實(shí)現(xiàn)了兩者的相互獨(dú)立。 - 4 -Lee [6]對四輪轉(zhuǎn)向汽車在高速時(shí)的換道行駛進(jìn)行了分析，對比了在換道行駛過程中，有經(jīng)驗(yàn)駕駛員的操縱轉(zhuǎn)向和四輪轉(zhuǎn)向汽車的最優(yōu)化控制轉(zhuǎn)向，研究了駕駛員操縱四輪轉(zhuǎn)向汽車的主觀感受。 Cho 和 Kim [7]文章中討論了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了兩種新的反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。所設(shè)計(jì)的第一個(gè)系統(tǒng)以最大穩(wěn)定性為目的，第二個(gè)系統(tǒng)用來仿效最優(yōu)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)。Higuchi 和 Saitoh [8]應(yīng)用最優(yōu)控制理論提出了一種以減小質(zhì)心側(cè)偏角為目標(biāo)的方向盤前饋加狀態(tài)反饋的四輪主動轉(zhuǎn)向控制律。1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對汽車四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究起步較晚，涉及到的相關(guān)論文如下：吉林大學(xué)的郭孔輝 [9]基于二自由度模型對四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行了探討，研究了輪胎側(cè)偏特性對于四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響。武漢大學(xué)的巫世晶 [10]對四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的非線性控制進(jìn)行了研究，基于遺傳算法，設(shè)計(jì)了汽車四輪轉(zhuǎn)向的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，得到比較理想的控制效果。天津大學(xué) [11]對四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的非線性控制進(jìn)行了研究，探討了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生隨機(jī)時(shí)滯的參數(shù)區(qū)域。。1.3 本文主要研究內(nèi)容本文選取為主體設(shè)計(jì)對象，設(shè)計(jì)一種汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并對汽車的運(yùn)動進(jìn)行仿真，其中關(guān)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，偏重于轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)。所謂轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)，就是將轉(zhuǎn)向器輸出的力和運(yùn)動傳給轉(zhuǎn)向節(jié)，使左右轉(zhuǎn)向輪按一定關(guān)系偏轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。電機(jī)的控制策略等不在研究范圍內(nèi)。整車的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電控電動式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，本論文研究的主要內(nèi)容如下：（1）設(shè)計(jì)前轉(zhuǎn)向橋的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，選擇合適的轉(zhuǎn)向器類型，進(jìn)行轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)計(jì)算，確定主要零件的規(guī)格等。（2）設(shè)計(jì)后轉(zhuǎn)向橋的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，選擇合適的轉(zhuǎn)向器類型，合理選擇驅(qū)動電機(jī)，設(shè)計(jì)減速機(jī)構(gòu)。（3）基于阿克曼轉(zhuǎn)向原理，對與獨(dú)立懸架配用的雙梯形轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的尺寸進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。- 5 -（4）利用 Pro/E 實(shí)現(xiàn)零件三維建模，畫出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的裝配圖。（5）利用 Ansys Workbench 對部分零件進(jìn)行強(qiáng)度分析。（6）建立線型二自由度的四輪轉(zhuǎn)向汽車運(yùn)動模型，基于前后輪比例轉(zhuǎn)向的控制策略，用 Matlab/Simulink 進(jìn)行運(yùn)動仿真。- 6 -第 2 章 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系是用來保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。在乘用車上，駕駛員必須按照保持汽車行駛路線不至偏離過多的標(biāo)準(zhǔn)來不斷地調(diào)整方向盤轉(zhuǎn)動。因此，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的任務(wù)是以盡可能明確的關(guān)系將轉(zhuǎn)向盤角度轉(zhuǎn)換為車輪轉(zhuǎn)向角，并將有關(guān)車輛運(yùn)動狀態(tài)的反饋回傳給方向盤。2.1 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型實(shí)現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向的重點(diǎn)在于如何將轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動量傳遞到前后轉(zhuǎn)向輪，并為轉(zhuǎn)向輪提供驅(qū)動力使其發(fā)生協(xié)調(diào)的偏轉(zhuǎn)。根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動量傳遞路徑以及轉(zhuǎn)向輪驅(qū)動力來源的不同，將四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為以下四類： （1）機(jī)械式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 機(jī)械式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) [2]由前輪轉(zhuǎn)向器、中央傳動軸和后輪轉(zhuǎn)向器三部分組成。前輪使用齒輪齒條式的液壓動力轉(zhuǎn)向器，后輪采用機(jī)械式轉(zhuǎn)向器，通過中心傳動軸驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)向器。同時(shí)，后輪橫拉桿形成轉(zhuǎn)向聯(lián)動裝置。當(dāng)方向盤小角度轉(zhuǎn)動時(shí)，前后輪同向偏轉(zhuǎn)，隨著方向盤轉(zhuǎn)角的增大，后輪轉(zhuǎn)角逐漸減小、回正，然后反向偏轉(zhuǎn)。（2）液壓式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)電組合控制液壓驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) [2]主要由前輪轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向角度傳輸軸、電子傳感器和控制單元、轉(zhuǎn)向油泵、后輪轉(zhuǎn)向器等組成。后輪的偏轉(zhuǎn)方向由車速傳感器控制，偏轉(zhuǎn)角度則由機(jī)械式轉(zhuǎn)向角度傳輸軸控制，因此稱為機(jī)電組合控制系統(tǒng)。前輪轉(zhuǎn)向器和后輪轉(zhuǎn)向器分別由獨(dú)立的液壓系統(tǒng)驅(qū)動，轉(zhuǎn)向油泵需要進(jìn)行改裝，以便為前后液壓系統(tǒng)提供液壓動力。后輪轉(zhuǎn)向器通過兩根橫拉桿與后輪連接，并且組成轉(zhuǎn)向聯(lián)動裝置。（3）電控-液壓驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 電控-液壓驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與機(jī)電組合液壓驅(qū)動方式相似， 區(qū)別在于后輪的偏轉(zhuǎn)方向和偏轉(zhuǎn)角度由傳感器和控制單元控制，前輪轉(zhuǎn)向器和后輪轉(zhuǎn)向器之間沒有任何機(jī)械傳動裝置，后輪液壓驅(qū)動裝置用油管與轉(zhuǎn)向油泵連接。（4）電控-電動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 電控-電動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) [2]的特點(diǎn)是后輪轉(zhuǎn)向采用電動機(jī)驅(qū)動，電動機(jī)通過- 7 -傳感器由四輪轉(zhuǎn)向控制單元操縱。前輪轉(zhuǎn)向器和后輪轉(zhuǎn)向器之間既沒有機(jī)械傳動裝置，也沒有機(jī)械連接裝置，結(jié)構(gòu)簡單、裝車重量更輕、制造成本更低、整體布置更加方便靈活。同時(shí)，后輪轉(zhuǎn)向的控制更加方便，能夠獲得更加精確和復(fù)雜的轉(zhuǎn)向特性。2.2 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制類型按照控制方式的不同，郭孔輝將汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為以下七種類型 [12]：（1）定前后輪轉(zhuǎn)向比四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1985 年 Sano[13]等用線性模型研究四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過選擇前、后輪轉(zhuǎn)向角之比使穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時(shí)側(cè)偏角 λ 等于零。 λ 值為正時(shí)，表明前、后轉(zhuǎn)動方向相同； λ 值為負(fù)時(shí)，表明前、后轉(zhuǎn)動方向相反。低速時(shí)， λ 應(yīng)為負(fù)值，這可以減小轉(zhuǎn)彎半徑，以提高汽車的操縱穩(wěn)定性；高速時(shí)， λ 應(yīng)為正值，可縮短側(cè)向加速度響應(yīng)時(shí)間，但其增益大幅度減小。（2）前后輪轉(zhuǎn)向比是前輪轉(zhuǎn)角函數(shù)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且效果良好，同時(shí)具有同相位及反相位轉(zhuǎn)向功能 [14]。缺陷是在高速行駛且前輪轉(zhuǎn)角較大時(shí)，將會使操縱穩(wěn)定性惡化。這是它沒有得到廣泛應(yīng)用的原因。（3）前后輪轉(zhuǎn)向比是車速函數(shù)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1986 年 Shibahata、Takiguch [15]等人也先后設(shè)計(jì)了前后輪轉(zhuǎn)向比是車速函數(shù)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這類系統(tǒng)采用微機(jī)控制，前后輪轉(zhuǎn)向比為車速和前輪轉(zhuǎn)角的函數(shù)。其計(jì)算前后輪轉(zhuǎn)向比的基本著眼點(diǎn)同定前后輪轉(zhuǎn)向比四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一致的，都是使汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時(shí)的側(cè)偏角為零。（4）具有一階滯后的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)前幾類四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以有效地改善汽車轉(zhuǎn)向的穩(wěn)態(tài)特性，但卻使橫擺角速度和側(cè)向加速度到達(dá)穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間有所延長。具有一階滯后的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的著眼點(diǎn)是，既改善汽車的穩(wěn)態(tài)特性，又不犧牲瞬態(tài)響應(yīng)的時(shí)間特性。當(dāng)汽車高速轉(zhuǎn)向時(shí)，后輪的轉(zhuǎn)動比前輪轉(zhuǎn)動遲延一定的時(shí)間，當(dāng)橫擺角速度或側(cè)向加速度到達(dá)穩(wěn)態(tài)值時(shí)后輪才開始轉(zhuǎn)動，后輪轉(zhuǎn)動時(shí)汽車的穩(wěn)態(tài)側(cè)偏角減小，并對其超調(diào)量等瞬態(tài)特性也有一定程度的改善。（5）具有反相特性的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)Nissan 公司的 Takaaki Eguchi 等在設(shè)計(jì)超 HICAS 系統(tǒng) [16]時(shí)對具有反相特性的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了研究。其設(shè)計(jì)的著眼點(diǎn)在于同時(shí)改善汽車轉(zhuǎn)向的穩(wěn)態(tài)特- 8 -性和瞬態(tài)特性。當(dāng)汽車高速轉(zhuǎn)向時(shí)，后輪先向與前輪轉(zhuǎn)向方向相反的方向轉(zhuǎn)動，這樣橫擺角速度和側(cè)向加速度動態(tài)響應(yīng)加快，二者很快到達(dá)穩(wěn)態(tài)值，這時(shí)后輪再向相反方向轉(zhuǎn)動，以改善車輛的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性，改善汽車的方向特性。（6）具有最優(yōu)控制特性的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)當(dāng)附加了后輪轉(zhuǎn)角之后，車輛本身的橫擺角速度穩(wěn)態(tài)增益和側(cè)向加速度增益，隨車速和前輪轉(zhuǎn)角發(fā)生了較大幅度的變化，這就增加了駕駛的難度，同時(shí)在高速時(shí)也增加了駕駛員的疲勞程度。于是研究人員開始著眼于橫擺角速度穩(wěn)態(tài)增益和側(cè)向加速度穩(wěn)態(tài)增益與 2WS 系統(tǒng)相同的 4WS 系統(tǒng)的研究。（7）具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)汽車運(yùn)動特性是非線性或隨機(jī)性變化的，要在這樣的條件下實(shí)現(xiàn)更為有效的控制，控制系統(tǒng)應(yīng)具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力，即隨著被控對象的變化而改變控制器的結(jié)構(gòu)或參數(shù)，改變控制規(guī)律。通常采用的控制方法有自適應(yīng)控制、魯棒控制 [17][18]、H ∞控制 [19]和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制 [20]等幾種控制方法。2.3 整車布置的設(shè)計(jì)電控電動式 4WS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、布置容易、控制效果好。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)在汽車中的廣泛應(yīng)用，電控電動式 4WS 系統(tǒng)將是四輪轉(zhuǎn)向汽車的發(fā)展趨勢。因此，本設(shè)計(jì)選擇電控電動式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其總體布置示意圖如圖 2-1 所示。E C U1275681 01 19341 21.前輪 2.前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 3.前輪轉(zhuǎn)角傳感器 4.方向盤 5.車速傳感器 6.橫擺角速度傳感器 7.電控單元 8.直流電動機(jī) 9.減速器 10.后輪轉(zhuǎn)角傳感器 11.后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 12.后輪圖 2-1 四輪轉(zhuǎn)向汽車整體布置示意圖傳感器的功用是在汽車行駛時(shí)檢測運(yùn)動物理量，并將物理量轉(zhuǎn)換成電信號，輸入到 ECU 中，供 ECU 按照控制策略進(jìn)行分析、計(jì)算。轉(zhuǎn)角傳感器裝在前、- 9 -后輪轉(zhuǎn)向齒輪軸的靠近齒輪的一側(cè)，可以檢測前、后齒輪軸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)角，通過角傳動比求得前后輪的瞬時(shí)轉(zhuǎn)角。車速傳感器安裝在變速箱上，檢測汽車的前進(jìn)速度，轉(zhuǎn)換成脈沖信號然后輸出到 ECU。車輛橫擺角速度傳感器安裝在汽車質(zhì)心處的車身上，檢測汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)的橫擺角速度，以電信號的形式輸入ECU，ECU 輸出控制指令，實(shí)時(shí)控制汽車的轉(zhuǎn)向運(yùn)動，保證汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性 [21]。ECU 是 4WS 系統(tǒng)的核心，其功用是根據(jù)制定的控制方案，按照編制的程序?qū)Ω鞣N傳感器輸入信號進(jìn)行分析、計(jì)算、處理，輸出一定的控制信號指令，驅(qū)動電動機(jī)動作。電動機(jī)采用直流電動機(jī)，其功用是根據(jù) ECU 的指令輸出合適的扭矩和轉(zhuǎn)角，驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)向器，控制后輪的轉(zhuǎn)向，是后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的驅(qū)動、執(zhí)行元件。減速機(jī)構(gòu)的功用是降低直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速，增大電動機(jī)傳遞給轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩，常見的類型有行星齒輪機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。此處選擇蝸輪蝸桿減速器。后輪轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)可以選擇傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)形式，也可根據(jù)汽車后懸結(jié)構(gòu)和行駛轉(zhuǎn)向要求，設(shè)計(jì)特定結(jié)構(gòu)形式的后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。此處選擇傳統(tǒng)的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。2.4 本章小結(jié)本章對當(dāng)前提出的多種典型四輪轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的進(jìn)行了分析，將其分為四大類，并分別介紹了各自的特點(diǎn)。四輪轉(zhuǎn)向汽車的控制策略是今后的研究重點(diǎn)，文中將四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照控制方式分為七類，并分別做了介紹。在分類的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，繪制其整體布置示意圖，對其重要組成部分進(jìn)行了說明。- 10 -轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向器是保證能夠汽車按駕駛員的意志進(jìn)行轉(zhuǎn)向行駛的重要部件，可以增大轉(zhuǎn)向盤傳到轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的力和改變力的傳遞方向，同時(shí)可以在汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)實(shí)現(xiàn)路面情況對駕駛員的反饋，有助于駕駛員及時(shí)調(diào)整方向盤。3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)車輛主要參數(shù)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向器之前，首先要整理出目標(biāo)車輛的整車參數(shù)，如表 2-1 所示。表 3-1 整車主要參數(shù)參數(shù)名稱 數(shù)值 參數(shù)名稱 數(shù)值長(mm) 4629 軸距(mm) 2807寬(mm) 1880 空車質(zhì)量(kg) 1865高(mm) 1653 滿載質(zhì)量(kg) 2305前輪距(mm) 1617 前軸負(fù)荷率 45%后輪距(mm) 1613 輪胎規(guī)格 235/65 R173.2 前輪轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器有四種類型，分別是齒輪齒條式、循環(huán)球式轉(zhuǎn)、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器廣泛應(yīng)用于乘用車，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、質(zhì)量較小、傳動效率高、能夠自動消除齒間間隙、制造成本低等優(yōu)點(diǎn) [22]。因此，本章選擇設(shè)計(jì)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。3.2.1 轉(zhuǎn)向系計(jì)算載荷的確定為了保證行駛安全，組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。欲驗(yàn)算轉(zhuǎn)向系零件的強(qiáng)度，需首先確定作用在各零件上的力。利用半經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩 MR1(N·mm)，即(3-1)31R1Gfp?- 11 -式中 f ——前輪輪胎和地面間的滑動摩擦因數(shù)，f= 0.7；G1 ——前輪轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷(N)，根據(jù)前軸負(fù)荷率可以求得 G1=10120N；p ——前輪輪胎氣壓(MPa)，由輪胎壓力表可以可知，前輪胎壓為2.5bar，即 0.25MPa。將數(shù)據(jù)代入，得 MR1=475091.82 N·mm。作用在方向盤上的手力為(3-2)R1hsw2FDi???式中 Dsw——轉(zhuǎn)向盤直徑，在 380～550mm 系列內(nèi)選取，此處 Dsw=400mm；iw ——轉(zhuǎn)向器角傳動比，對于乘用車，i w 在 17～25 內(nèi)選取，此處iw=18；η+ ——轉(zhuǎn)向器正效率，此處 η+=90%。代入數(shù)據(jù)，得 Fh=146.63N，滿足規(guī)定要求。轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向力矩 TZ1 為swZ1=2936.NmhD???3.2.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪大多采用斜齒圓柱齒輪。主動小齒輪選用16MnCr5 材料制造，齒條采用 20Cr 制造，為減輕質(zhì)量，殼體用鋁合金壓鑄 [23]。1．主動齒輪軸的計(jì)算(3-3)Z136[]Td???式中 TZ1 ——轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向力矩(N·mm) ；[τ] ——材料的許用切應(yīng)力，此處[τ]=55MPa。代入數(shù)據(jù),求得 ,取 。13.95md?20d?2．齒輪的設(shè)計(jì)齒輪模數(shù)取值范圍躲在 2～3mm 之間。主動小齒輪齒數(shù)多數(shù)在 5～7 個(gè)齒范圍變化，壓力角取 20°，齒輪螺旋角取值范圍多為 9°～15°。齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪達(dá)到最到偏轉(zhuǎn)角時(shí)，相應(yīng)的齒條移動行程應(yīng)達(dá)到的值來確定。- 12 -取齒輪模數(shù) mn1=3，齒輪齒數(shù) z1=7，齒輪壓力角 α1=20°，齒輪螺旋角 β 1取為 14°、左旋。為了防止齒輪根切，對進(jìn)行變位處理，選擇變位系數(shù)x1=0.46。故斜齒圓柱齒輪直徑根據(jù)公式n12.6mzdcos??取齒寬系數(shù) φ d=1.2，則齒條寬度 b2=φ dd1=25.97mm，圓整取 b2=30mm，則齒輪齒寬 b1=b2+10=40mm。利用 Pro/E，做出齒輪軸的三維零件圖，如圖 3-1 所示。圖 3-1 前輪轉(zhuǎn)向器齒輪軸3．齒條的設(shè)計(jì)齒條是金屬殼體內(nèi)來回滑動的、加工有齒形的金屬條。轉(zhuǎn)向器殼體安裝在前橫梁或者前圍板的固定位置上。齒條代替梯形轉(zhuǎn)向桿系的搖桿和轉(zhuǎn)向搖臂，并保證轉(zhuǎn)向橫拉桿在適當(dāng)?shù)母叨?，以使它們與懸架的下擺臂平行。齒條可以相當(dāng)于直拉桿。導(dǎo)向座將齒條固定支持的轉(zhuǎn)向器殼體上，齒條的橫向運(yùn)動拉動或推動轉(zhuǎn)向橫拉桿，使轉(zhuǎn)向輪發(fā)生轉(zhuǎn)動。相互嚙合的齒輪齒距 p1=πmn1cosα1 齒條齒距 p2=πmn2cosα2 必須相等，則齒條上帶齒的部分 mn2=3mm，α 2=20°，變位系數(shù) x2=-0.46。齒條的螺旋角 β2=24°。乘用車轉(zhuǎn)向盤從中間位置轉(zhuǎn)到每一端的圈數(shù)不得超過 2.0 圈，結(jié)合目標(biāo)車型的參數(shù)，確定轉(zhuǎn)向盤從一端轉(zhuǎn)到另一端的總?cè)?shù)為 3 圈，則齒條的行程為n113=204coszL??取齒條的行程為 L1=240mm。齒條直徑可根據(jù)齒條的受力以及齒條的寬度進(jìn)行初步估算，選取齒條的直徑 d2=34mm。- 13 -目標(biāo)車型的前輪輪距是 1617mm，則根據(jù)整車的布置情況及轉(zhuǎn)向系的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)齒條的長度 L2=770mm。利用 Pro/E，做出齒條的三維零件圖，如圖 3-2 所示。圖 3-2 前輪轉(zhuǎn)向器齒條4．強(qiáng)度校核根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》 [23]可知，齒輪齒條的許用接觸應(yīng)力為(3-4)HminN[]=ZS?式中 σHmin1、σ Hmin2——齒輪齒條的接觸疲勞強(qiáng)度極限，σHmin1=1500MPa，σ Hmin2=1500MPa；ZN1、 ZN2 ——齒輪、齒條的壽命系數(shù)，Z N1=1.4、Z N2=1.5；SH1、S H2 ——接觸強(qiáng)度計(jì)算的安全系數(shù)，S H1=1.3，S H2=1.3。代入數(shù)據(jù)，求得[σ] H1=1615.38MPa，[σ ]H2=1730.7MPa，因此齒輪齒條的許用接觸應(yīng)力[σ ]H=min{[σ]H1，[ σ]H2}=1615.38MPa。由機(jī)械工程手冊查得，齒輪的使用系數(shù) KA=1.35，齒輪的動載系數(shù)KV=1.05，齒輪齒向載荷分布系數(shù) Kβ=1.35，齒輪齒間載荷分配系數(shù) Kα=1.0，因此動載荷系數(shù)AV1.5876????齒輪齒條的接觸應(yīng)力(3-5)HEεβEHεβ21 1=ZZt ZKFKTuubdbd???式中 ZE ——材料的彈性系數(shù)，取 ZE=189 ；MPaZH ——節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，取 ZH=2.4；Zε ——重合度系數(shù)，取 Zε=0.94；Zβ ——螺旋角系數(shù)，取 Zβ=0.98；u ——傳動比，齒輪齒條傳動的傳動比 u→∞，所以(u+1)/ u≈1。代入數(shù)據(jù)，求得 σH=1082.34MPa=9Lz?取齒條的行程為 L3=100mm。根據(jù)齒條的受力以及寬度進(jìn)行對齒條的直徑估算，選取 d4=34mm。目標(biāo)車型的后輪輪距是 1617mm，則根據(jù)整車的布置情況及轉(zhuǎn)向系的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)齒條的長度 L4=770mm。利用 Pro/E，做出齒條的三維零件圖，如圖 3-5 所示。- 17 -圖 3-5 后輪轉(zhuǎn)向器齒條3.3.2 直流電動機(jī)的選擇后輪發(fā)生轉(zhuǎn)向的動力由電動機(jī)提供，采用無刷永磁式直流電動機(jī)，其功能是根據(jù) ECU 的指令產(chǎn)生相應(yīng)的輸出扭矩。電動機(jī)是影響四輪轉(zhuǎn)向汽車性能的主要因素之一，不僅要求低轉(zhuǎn)速大扭矩、波動小、轉(zhuǎn)動慣量小、尺寸小、質(zhì)量輕，而且要求可靠性高、控制性能好。目標(biāo)車型的電源電壓為 12V，選擇合適的直流電動機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)如表3-2 所示 [24]。表 3-2 直流電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目 規(guī)格 項(xiàng)目 規(guī)格激磁方式 永磁鐵激磁式 旋轉(zhuǎn)方向 雙向額定電壓 V DC12 外殼類型 全封閉額定扭矩(N·m) 1.2 表面處理 鍍鋅及壓鑄鋁外殼額定電流 A 30 最大電流 35A額定轉(zhuǎn)速(r/min) 1200 連接方式 平鍵3.3.3 減速器的設(shè)計(jì)蝸桿傳動是用來傳遞空間相互垂直的兩相錯(cuò)軸之間的運(yùn)動和動力的一種機(jī)械傳遞行駛。根據(jù)蝸桿形狀不同，蝸桿傳動分為圓柱蝸桿傳動、環(huán)面蝸桿傳動、錐蝸桿傳動，其中應(yīng)用最早、最廣泛的是圓柱蝸桿傳動。根據(jù)齒面形狀的不同，圓柱蝸桿傳動又分為普通圓柱蝸桿傳動和圓弧圓柱蝸桿傳動兩類。普通圓柱蝸桿傳動又分為阿基米德蝸桿(ZA 蝸桿)、漸開線蝸桿(ZI 蝸桿)、法向直廓蝸桿(ZN蝸桿)、錐面包絡(luò)圓柱蝸桿 (ZK 蝸桿) 。此處選擇用直線刀刃或圓盤刀具加工的普通圓柱蝸桿傳動減速器。蝸桿一般用碳素鋼或合金鋼制造，要求齒面光潔并具有較高的硬度，此處采用 45 號優(yōu)質(zhì)碳素鋼。常用的蝸輪材料有鑄造錫青銅、鑄造鋁青銅及灰鑄鐵。由于后輪轉(zhuǎn)向的不連續(xù)性，選擇鑄造鋁青銅，有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)價(jià)格便宜。- 18 -1．蝸輪蝸桿傳動的主要參數(shù)設(shè)計(jì)由于蝸桿主要受扭矩作用，所以根據(jù)電動機(jī)的額定扭矩初選蝸桿的分度圓直徑 d1(3-11)N316[]Td???式中 TN——電動機(jī)的額定扭矩，T N=1000N·mm；[τ]——45 號鋼的許用切應(yīng)力，[τ ]=25MPa。代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 d1≥5.88mm。蝸桿傳動的正確嚙合條件與齒條和齒輪傳動相同。因此，在中間平面上，蝸桿的軸面模數(shù) ma1、軸面壓力角 αa1 分別和蝸輪的端面模數(shù) mt2、端面壓力角αt2 相等，并均為標(biāo)準(zhǔn)值。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》查表得蝸桿軸面模數(shù) ma1 與分度圓直徑 d1 的搭配值，蝸桿的軸面模數(shù) ma1=2.5mm，分度圓直徑 d1=28mm，m a12 d1=175mm，蝸桿的軸面壓力角 αa1=20°。蝸輪的端面模數(shù) mt2=2.5mm，端面壓力角 αt2=20°。由于電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩 TN=1200N·mm，轉(zhuǎn)向器齒輪軸上的扭矩TZ2=39891.6N·mm，因此，減速器的傳動比(3-12)Z240i??考慮到可能出現(xiàn)的過載情況，選擇 i=42。此種情況下，轉(zhuǎn)向器齒輪軸上的最大扭矩可以達(dá)到 50000。根據(jù)傳動比，經(jīng)查詢推薦表確定蝸桿的頭數(shù)和蝸輪的齒數(shù)，蝸桿頭數(shù) z1=1，蝸輪的齒數(shù) z2=42。當(dāng)蝸桿的分度圓直徑 d1 和頭數(shù) z1 確定之后，蝸桿分度圓柱上的導(dǎo)程角 γ 就確定了，則(3-13)1arctn5.md???為了保證蝸桿傳動的正確嚙合，蝸輪輪齒與蝸桿的螺旋線方向相同，并且蝸輪分度圓柱上的螺旋角 β2 等于蝸桿分度圓柱上的導(dǎo)程角 γ。蝸桿傳動的標(biāo)準(zhǔn)中心距為(3-14)12()6.5ad??式中 d1 ——蝸桿的分度圓直徑(mm)；d2 ——蝸輪的分度圓直徑，d 2=mt2z2=105mm。- 19 -為了擴(kuò)大中心距，采用變位蝸桿傳動，只對蝸輪進(jìn)行變位，而蝸桿不變位。變位之后蝸桿的參數(shù)和尺寸保持不變，只是節(jié)圓不再與分度圓重合，而變位后的蝸輪，其節(jié)圓和分度圓卻仍然重合，只是其齒頂圓和齒根圓改變了。中心矩 a＇為(3-14)axm???式中 a ——標(biāo)準(zhǔn)中心距(mm)；x ——變位系數(shù)，此處 x=0.6；m——蝸輪蝸桿的模數(shù) (mm)。代入數(shù)據(jù)得，變位后的中心距 a＇=68mm，蝸輪的分度圓直徑dt2=108mm。利用 Pro/E，做出蝸輪和蝸桿的三維零件圖，如圖 3-6 所示。圖 3-6 蝸輪、蝸桿的三維圖2. 蝸桿傳動的受力分析和計(jì)算載荷根據(jù)蝸桿傳動的運(yùn)動狀態(tài)分析其受力情況，將蝸輪蝸桿之間的相互作用力分解成三個(gè)相互垂直的分力：圓周力 Ft、軸向力 Fa、和徑向力 Fr，如圖 3-7所示。由于蝸桿軸和蝸輪軸空間交錯(cuò)成 90°，所以在蝸桿和蝸輪的齒面間相互作用著 Ft1 與 Fa2 、F a1 與 Ft2 、F r1 與 Fr2 這樣三對大小相等方向相反的分力。即(3-15)1t1a2ta2r121-=-tnTdF????????式中 T1、T 2 ——蝸桿和蝸輪軸的轉(zhuǎn)矩， T1=1200N·mm，T 2=39891.6N·mm；d1、d 2 ——蝸桿和蝸輪的分度圓直徑，d 1=28mm，d 2=108mm；α ——壓力角， α=20°；- 20 -γ ——蝸桿分度圓柱上的導(dǎo)程角，γ =5.1°。代入數(shù)據(jù)，得 Ft1=-Fa2=85.7N，F(xiàn) t2=-Fa1=759.84N，F(xiàn) r1=-Fr2=275.56N。a1Ft2r1d2d2T?a2Ft1T?圖 3-7 蝸桿傳動的受力分析蝸輪傳動的計(jì)算載荷是名義載荷與載荷系數(shù) K 的乘積。(3-16)Av=?式中 KA——使用系數(shù)，取 KA=1.2；KV——動載荷系數(shù)，取 KV=1.0；Kβ——齒向載荷分布系數(shù)，取 Kβ=1.2。代入數(shù)據(jù)，得 K=1.44。蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核公式(3-17)2HEH19=[]TZd???式中 ZE——材料的彈性系數(shù)，對于青銅與鋼制蝸桿配對時(shí)，取 ；E=160MPaZ[σ]H——蝸輪材料的許用接觸應(yīng)力，[σ] H=250MPa。代入數(shù)據(jù)，得 σH=207MPa500MΩ3．車輛橫擺角速度傳感器目前一些配有電子穩(wěn)定程序系統(tǒng)的中高檔車輛上已經(jīng)使用了橫擺角速度傳感器（陀螺儀）來測量橫擺角速度 [26]，所以可以將此信號用來進(jìn)行四輪轉(zhuǎn)向的控制。陀螺儀一種用于測量物體在相對慣性空間轉(zhuǎn)角或角速度的裝置，可以用作車輛橫擺角速度傳感器。把均衡陀螺儀的外環(huán)固定在運(yùn)載器上并令內(nèi)環(huán)軸垂直于要測量角速率的軸。當(dāng)運(yùn)載器連同外環(huán)以角速度繞測量軸旋進(jìn)時(shí)，陀螺力矩將迫使內(nèi)環(huán)連同轉(zhuǎn)子一起相對運(yùn)載器旋進(jìn)。陀螺儀中有彈簧限制這個(gè)相對旋進(jìn)，而內(nèi)環(huán)的旋進(jìn)角正比于彈簧的變形量。由平衡時(shí)的內(nèi)環(huán)旋進(jìn)角即可求得陀螺力矩和運(yùn)載器的角速率。選擇某公司生產(chǎn)的數(shù)字陀螺儀 SCR1100-D04，具體參數(shù)如表 3-4 所示。表 3-4 橫擺角速度傳感器的參數(shù)項(xiàng)目 規(guī)格 項(xiàng)目 規(guī)格模擬電源電壓 3.0~3.6V 工作電流 26mA數(shù)字電源電壓 4.75~5.25V 角速度量程 +/-300°/s角速度軸數(shù) 單軸 工作溫度 -40~+125℃3.4 裝配圖的繪制利用 Pro/E 繪制各個(gè)零件的零件圖，并進(jìn)行裝配。裝配圖如圖 3-10 所示。(a) 前輪轉(zhuǎn)向裝配圖- 25 -(b) 后輪轉(zhuǎn)向裝配圖(c) 轉(zhuǎn)向系裝配圖圖 3-10 裝配圖3.5 本章小結(jié)本章設(shè)計(jì)了四輪轉(zhuǎn)向汽車的前軸、后軸轉(zhuǎn)向器，均為齒輪齒條式，對齒輪、齒條的強(qiáng)度進(jìn)行了校核。針對轉(zhuǎn)向器會出現(xiàn)的磨損間隙問題設(shè)計(jì)了自動消除間隙的裝置。由于后軸是由電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)向，所以，選擇了合適的直流電機(jī)，根據(jù)電機(jī)的參數(shù)及后輪轉(zhuǎn)向所需要的動力，設(shè)計(jì)了蝸輪蝸桿式的減速器，并對關(guān)鍵部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核及有限元分析。電機(jī)的控制需要傳感器提供汽車行駛的數(shù)據(jù)，所以選擇了轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器、橫擺角速度傳感器，并分別做了介紹。- 25 -轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車行駛安全至關(guān)重要的考慮因素。阿克曼轉(zhuǎn)向原理要求 [27]：汽車在直線行駛或轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，輪胎與地面之間不出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，而是處于純滾動狀態(tài)，此時(shí)所有車輪軸線應(yīng)交于同一點(diǎn)，車輪都應(yīng)繞同一瞬時(shí)中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動。4.1 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)方案選擇齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器是目前使用最多的一大類轉(zhuǎn)向器，不但適用于整體式轉(zhuǎn)向軸，而且適用于斷開式轉(zhuǎn)向軸。根據(jù)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向梯形相對于前軸位置的不同，與齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器配用的轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)有四種布置形式 [22]：（1）轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，后置梯形，如圖 4-1(a)所示。（2）轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，前置梯形，如圖 4-1(b)所示。（3）轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，后置梯形，如圖 4-1(c)所示。（4）轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，前置梯形，如圖 4-1(d)所示。行駛方向行駛方向行駛方向行駛方向（ a ）（ b ）（ c ）（ d ）圖 4-1 與齒輪齒條轉(zhuǎn)向器配用的轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)示意圖本設(shè)計(jì)中，參考目標(biāo)車型的設(shè)計(jì)，選擇轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)選擇轉(zhuǎn)向器位于軸的前方、前置梯形的布置形式。- 26 -4.2 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)4.2.1 建立轉(zhuǎn)向梯形的數(shù)學(xué)模型為了優(yōu)化設(shè)計(jì)的方便，可以忽略一些次要因素，作出如下假設(shè) [28]：①全部鉸接點(diǎn)是無間隙配合；②忽略輪胎側(cè)偏特性的影響；③所有桿件均為剛體；④直線行駛時(shí)梯形臂與車架上平面平行。1.理想的左右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的理想情況滿足阿克曼轉(zhuǎn)向原理，即如圖 4-2 所示的理想關(guān)系，同時(shí)可以得到式(4-1)。 1?10?2?20?fLr OfKrK圖 4-2 理想的四輪轉(zhuǎn)向示意圖(4-1)102cot-ttfrLK???????式中 α1、α 2 ——前、后轉(zhuǎn)向軸外轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角(°)；β10、β 20 ——前、后轉(zhuǎn)向軸內(nèi)轉(zhuǎn)向輪的理論轉(zhuǎn)角(°)；Kf 、K r ——前、后轉(zhuǎn)向軸左右兩主銷軸線的延長線與地面交點(diǎn)之間的距離(mm)；Lf 、L r ——前、后轉(zhuǎn)向軸到瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心的距離(mm)。滿足上述兩個(gè)等式時(shí)，車輛的四輪轉(zhuǎn)向就滿足阿克曼轉(zhuǎn)向原理。