1. 研究目的与意义（文献综述）

汽车转向系统是一套使汽车行驶方向发生变化或者恢复原行驶方向的专设机构，从而保证车辆能够根据驾驶者的意图转向行驶。汽车转向系统在汽车上是一个至关重要的总成，在决定汽车主动安全性方面起着重要角色。至于怎样设计转向系统并设定其转向性能，同时确保较好的操纵性能，是目前国内外汽车制造商和研究机构的重要科研方向之一。由于相比于传统设计往往在原型机生产出来之后才暴露设计缺陷，虚拟设计的可视化程度高，可以随时修改设计参数并生成计算结果，只要虚拟模型满足技术要求，实际产品往往也能满足设计需求，进而减小研发周期，本次电动工程车转向系统的开发采用虚拟设计。

目前，汽车转向系统可分为机械转向系和动力转向系（power steering，ps）两大类型^[16]。机械转向系由转向传动机构，操纵机构以及转向器三部分组成^[16]。机械转向器需要驾驶员手力转动方向盘，并且只借助手力经转向器和转向传动系统使转向轮偏转。与机械转向系相比，动力转向系统增设动力系统，可由发动机提供转向加力，从而减小驾驶员需要提供的手力，减轻驾驶人操纵转向盘的劳动强度，使得转向操纵灵活轻便。并且使汽车工程师更灵活地选择转向器结构形式，还能吸收行驶时路面对前轮的冲击力。而动力转向装置包括液压式和电动式（eps）两类^[16]。液力式ps由发动机带动的液压泵提供动力，而电子控制器根据传感器输入的信号，通过电磁阀调整助力机构液压，从而实现最优转向动力控制^[12]。液压式动力转向的控制性，可靠性和响应性优异，主要应用于大型商用车辆上。电动助力转向采用电动机提供转向助力，一共分为转向轴助力式（c-eps）,小齿轮助力式（p-eps）,和齿条助力式（r-eps）三种^[10]。电动助力转向(eps)的助力来源于电机，ecu接收到相应传感器探测到的车速和转向参数，来控制电动机所提供的转矩及其方向，再经过电磁离合器和加速机构输出与行驶工况匹配的转向力。电动助力转向的能量利用率高并且易于安装，其在相对质量较小的车辆上应用不断增加，目前已经有50%以上的日本产轿车采用eps^[5]。与液力式电动助力转向系统相比，电动助力转向的优点包括有效降低油耗，质量轻，便于安装，良好的工作特性，使用和维护方便，较短的研发和生产周期^[10]。然而，eps目前还有一些问题亟待解决：需要在更大的程度上提高电动机性能，使得电动机和eps有最优的匹配，从而优化eps转向动力特性，解决车辆低速行驶的转向操纵轻便性以及高速行驶的路感问题。此外，由于现有的转向助力系统存在控制精度不足的缺点，eps控制器还需要进一步添加转向角，横向加速度，前轴载荷分配等多种变量作为控制参数^[10]。

2. 研究的基本内容与方案

本课题研究的基本内容为设计电动工程车转向系统，主要内容包括了解汽车转向系统国内外发展现状，掌握汽车转向系统的分类及构造，完成前后轮转向系统形式选择以及主要参数确定，编写设计计算说明书，最后完成CATIA 建模，绘制转向系统装配图以及零件图。

转向系统的安装对象为一隧道维护车辆,在管网系统中可实行双向点对点有人驾驶。 管网空间狭小，地下道路宽度1350mm左右，高度大概3米。需要满足满载质量不超过1500kg（总共可以搭载4位乘客（假设每位乘客质量为75kg），外加550kg的货物质量），总体尺寸不超过2m (长)x 1.30m (宽) x 2.5m (高)，最小转弯直径不超过7m。 此外，转向系统设计需要满足以下目标^[16]：

（1）车辆转弯时，所有车轮绕瞬时转向中心旋转，各个车辆无侧滑。

（2）汽车转向后，松开转向盘，转向轮自动回正，保持行驶稳定。

（3）车辆行驶时，转向盘无自振及摆动。

（4）尽可能减小转向传动系统与悬架导向装置共同工作时的运动不协调引起的车轮摆动。

（5）进行运动校核，保证转向盘和转向轮转动方向一致^[16]。

对于项目方案，本次设计的电动工程车由于需要在狭窄的隧道内工作，转向半径非常小，需要采用四轮转向系统，并且四轮转向系统需要和导向机构协调配合，转向节上需要连接导向机构。对于有人驾驶模式驾驶员控制方案选择，目前暂时有2种方案，第一种方案包含转向柱，主要包括设计转向盘，转向柱管，转向传动轴将手力传递给齿轮齿条转向器，并由转向电机助力。对于方案二，转向柱取消，转向盘与转向器没有连接，由转角传感器采集方向盘转角并发送信号到控制器，由控制器控制转向电机的转动，从而实现线控转向。对于方案一，主要优点就是转向系统能为驾驶员提供一部分路感，使得方向盘有回正的趋势，并且手力的加持可以减少转向电机功率的要求。但是考虑到工程车本身的尺寸非常小，转向柱管和转向盘占用的相对空间可能会比较大。对于方案二，虽然驾驶员没有路感的反馈，但是转向柱的去除节省了大量空间，方便了动力系统等其他机构的布置，尤其是在狭窄的隧道条件下，对空间布置考虑的重要性大于对路感的需求。但是，关于有人驾驶模式，我们还需要考虑断电的情况，此时线控转向系统完全无法工作来实现车轮偏转.针对这一点，给出了以下解决方案：在电控系统出故障的时候，工程车由其他同型号的工程车在隧道内牵引，由导向装置辅助故障工程车在牵引状态下在隧道内转向，出隧道后用起重装置吊上拖车，运往修理厂诊断维修。需要驾驶员转动方向盘来控制被拖曳的情况下工程车的转向。

对于总体方案，目前总共有3种方案可供选择。方案一采用线控四轮转向系统，主要由转向控制模块，转向电机，以及转向传动机构组成。四个车轮可以自由独立偏转，各个车轮之间无机械连接，也就是说需要有4个转向执行机构控制每个车轮转向协调，每一个车轮的偏转角要满足延长线交于同一转向中心。其转向传动机构为齿轮齿条式，由直流伺服电机驱动。由于齿轮齿条有较高的逆效率，为防止路面的冲击力损坏转向电动机，需要在转向电机和转向传动机构中间增加布置涡轮蜗杆减速器，实现减速增距的功能。其示意图如下。

图1.1，方案1系统总体示意图

图1.2，方案1转向执行机构示意图

对于方案2，其与方案一相似的地方就是均采用线控四轮独立转向，四个车轮分别属于四个相同的独立转向模块，整个转向系统由四个独立的转向模块，控制单元，轮胎转角传感器，方向盘转角传感器，和车速传感器组成。转向时，方向盘转角传感器，车速传感器，四个车轮转角传感器将信号传入控制单元，控制单元把控制信号分别输入四个转向电机，电机通过减速器把动力传给滚珠丝杠，丝杠把电机旋转运动转化为直线运动，而丝杠螺母和2个仅能平动的转向拉杠连接，拉杆再带动转向臂上的车轮偏转，实现转向。整个转向系统结构如图1.3 所示，各轮转向模块由电机，减速器，丝杠螺母，滚珠丝杠，丝杠拉杆，转向横拉杆和转向节，传感器组成。

图1.3 方案2转向模块结构图

对于方案3，其综合考虑了电动助力转向和线控转向的方案，是我和苏贝贝，李力，章超等负责转向系统设计的同学经过激烈讨论后最终得到的方案。其结构如下，前后轮均采用齿轮齿条式转向器，并且都采用小齿轮轴助力式，即通过安装在齿轮轴上的减速器将电动机产生的助力传递给齿轮轴。并且由铰接转向器齿条的转向横拉杆连接转向节臂，从而实现四轮偏转。在转向系统的前轮部分，方向盘和转向器之间有转向柱的存在，包括转向盘，转向柱管，转向传动轴。转向传动轴末端通过减速器与电动机连接，通过小齿轮把转向力传递到齿条上。 此外，该转向系统还配备了ECU和方向盘转角传感器以及车速传感器。在电控系统正常工作的情况下，由转角传感器检测到方向盘转角信号并将其输入ECU，同时输入ECU的还有车速信号，ECU计算出前后四车轮各自需要的偏转角，在将控制信号输入前后轴转向电机，从而控制四轮转向。当电控系统无法正常工作或处于断电的情况下，手力通过转向盘，转向柱管和转向传动轴直接驱动齿轮齿条转向器，从而实现转向。整个转向系统方案如下图1.4所示。

图1.4 方案3转向系统结构图

综合考虑上述三种方案，其中方案1和方案2均为线控四轮独立转向，四个车轮转向模块都由独立的转向电机，减速器，涡轮蜗杆，滚珠丝杠等转向传动机构组成，具有更好的操纵稳定性，由于转向盘和转向轮之间没有机械连接，彻底摆脱了传统转向系统的限制。但是其存在2个至关重要的问题，一是占用的空间很大，由于四轮都采用了独立的转向模块，过多的转向电机，减速器等转向传动装置会使得占用的体积急剧增大。考虑到该工程车是要在狭窄的隧道内工作，转向系统的体积要尽可能小，所以方案1和2的体积不大符合空间限制。并且方案1和方案2的四轮转向完全由ECU控制，在电控系统失效或断电的情况下驾驶员会完全丧失操纵车辆转向的能力，所以不予采用。方案3兼顾了线控转向和机械转向，但是也有一些问题，需要改良后再采用。与方案1和2相比，其前轮和后轮的齿轮齿条转向器以及转向横拉杆占用的空间比较小，并且只采用了2个转向电机，与方案1和2的四个电机相比成本降低了很多，这是一个优势。但是对于其配备的机械转向模式，由于增加了转向柱和相关转向传动轴，占用的空间可能过大，不符合小型工程车的尺寸要求，因此需要在原来的基础上去除机械转向的部分，即去除转向柱管，转向传动轴和相应的万向节，只保留方向盘和方向盘转角传感器。为了弥补电控系统失效后转向系统失效的缺点，拟采用如下解决方案，即当工程车在隧道内电控系统突发故障时，该故障车辆由其他其他正常运行的工程车提供牵引，由导向机构辅助车辆在隧道内的转向，脱出隧道后，将故障车起重到拖车上，运往修理厂诊断维修。

经过我和负责转向系统设计的三位其他同学的激烈讨论，将方案3进行了改进，最终选用了方案3的改良版。对于该改良版，其在方案三的基础上去除了机械转向装置，保留了线控转向模式，具有容易满足阿克曼几何关系以及操纵稳定性好优点。在电控系统正常工作的情况下，ECU通过方向盘转角传感器和车速传感器精准控制前后四个转向轮的转角，实现线控转向的功能。当在隧道内工作时，电控系统或者出现电力故障，线控系统失效，此时由其他工程车将该故障车牵引出隧道，出隧道后吊上拖车运往修理厂检修。对于空间布置方面的问题，可以通过转向梯形的优化设计来减小转向梯形各杆件的尺寸，并且可以通过选用强度更高的材料以及体积小功率大的电机来减小整个转向系统各部件的尺寸，可以满足空间布置方面的要求。

因此转向系统初步定为线控转向的形式，前后轮均采用齿轮齿条式转向器，并且都采用小齿轮轴助力式，即通过安装在齿轮轴上的减速器将电动机产生的助力传递给齿轮轴。并且由铰接转向器齿条的转向横拉杆连接转向节臂，从而实现四轮偏转。在转向系统的前轮部分，方向盘和转向器之间没有转向柱的存在，只在方向盘上安装了转角和角加速度传感器。在设计的具体步骤上，需要首先进行数据初选，包括;轮距，轴距，满载轴荷分配，总质量，轮胎型号，主销偏移距a,轮胎压力p,转向节臂长度，两主销延长线至地面交点间的距离，转向摇臂长。随后再确定转向轮侧偏角，选取转向器总传动比，转向传动机构的角传动比，力传动比。再根据初选的数据和转向传动机构各杆件之间需要满足的几何关系以及理想的阿克曼几何关系对转向传动机构的各杆件的尺寸和位置（转向器齿条，转向拉杆，转向梯形臂等）进行优化设计，使其占用的体积最小并且和其他系统不发生运动干涉。对于方向盘的设计，需要尽可能减小其直径来满足空间上的要求。最后完成3D建模和工程图绘制。

3. 研究计划与安排

8学期第2周：外文翻译，资料再收集

8学期第3周： 确定转向系统结构形式，转向器方案分析，转向梯形方案选择

8学期第4-5周： 设计原始数据初选，初选轮距，轴距，满载轴荷分配，总质量，轮胎型号，主销偏移距a,轮胎压力p，方向盘直径，转向节臂长度，两主销延长线至地面交点间的距离，转向摇臂长

4. 参考文献（12篇以上）

[1]genta a.,morello l..the automotivechassis volume 1:components design[m]. new york: springer press, 2009.

[2]genta a. morello l. the automotivechassis volume 2:system design[m].new york: springer press, 2009.

[3]heibing b. ersoy m. chassishandbook: fundamentals, driving dynamics, components ,mechatronics,perspectives[m]. wiesbaden: vieweg teubner, 2011.