摘 要

自动驾驶汽车和电动汽车成为如今汽车发展的新方向，其各系统相比于传统汽车都有了一些改变，而转向系统作为汽车的一部分必不可少。转向系统的设计对汽车能否正常行驶起着至关重要的作用。本文针对一种自动驾驶轻型电动靶车设计了其转向系统。选用了齿轮齿条式转向器和电动助力转向的方式，以满足该车自动驾驶和人工驾驶多种模式下的转向操作。设计了转向系统各部件的尺寸参数，选择了后置转向梯形并利用MATLAB对其进行优化，使用CATIA和CAD软件绘制了该转向系统的三维和二维模型，通过对建立的模型进行运动仿真保证正确的运动关系与内外转角关系，仿真结果表明该转向系统能够满足靶车的转向需求，实际内外转角与理想值较为接近，且在自动驾驶模式时，能够代替人力进行转向。

关键词：自动驾驶；电动助力；齿轮齿条转向器；运动仿真

Abstract

It has appeared several new directions of vehicle development, such as electric cars and self-driving cars. Compared with traditional cars, their various systems have changed a little, and steering system is indispensable as a part of the vehicle. The design of steering system plays an important role in the normal operation of a car. The pinion and rack steering gear and electric power steering are adopted to meet the requirements of the steering operation under various modes of autonomous driving and manual driving. The dimension parameters of each part of the steering system are designed, and the rear steering trapezoid is selected and optimized by MATLAB. CATIA and CAD software were used to draw the three and two dimensional models of the steering system, and the correct kinematic relationship and the relationship between internal and external rotation angles were guaranteed through the motion simulation of the established model. According to the results, the steering requirements of the target vehicle can be meet by the steering system, the external corners and actual internal are close to the ideal value, and it can replace the manual steering in the automatic driving mode.

Key Words：autonomous vehicles；electric power steering；Rack and pinion steering gear；motion simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 2

1.1 研究背景及意义 2

1.2 国内外研究现状 2

1.3 设计目标及要求 4

1.4 设计内容 4

第2章 确定转向系统的主要方案 5

2.1 汽车初始参数 5

2.2 转向系统相关部件的选择 5

第3章 转向电机的匹配选型 8

3.1 电动机概述 8

3.2 电动机相关参数的计算 8

3.3 电动机的选型 9

3.4 本章小结 10

第4章 减速机构的设计计算 11

4.1 蜗轮蜗杆减速器参数的计算 11

4.2 蜗轮的校核 13

4.3 蜗杆轴的设计 14

4.4 蜗杆轴的校核 15

4.5 蜗杆轴承的选取与校核 17

4.6 本章小结 18

第5章 转向轴的设计及其校核 19

5.1 上转向轴设计 19

5.2 下转向轴结构设计 20

5.3 转向轴的校核 20

5.4 转向轴万向节设计 22

5.5 本章小结 23

第6章 齿轮齿条转向器设计 24

6.1 转向器齿轮齿条设计 24

6.2 齿轮齿条的校核 26

6.3 齿轮轴的设计 26

6.4 齿轮轴校核 27

6.5 齿轮轴轴承选择 29

6.6 本章小结 30

第7章 转向传动机构设计及优化 31

7.1 转向传动机构设计 31

7.2 转向梯形的优化设计 32

7.3 本章小结 37

第8章 转向系统的CATIA建模 38

第9章 转向系统的运动仿真 40

结语 42

参考文献 43

附录 45

附1 参数计算代码 45

致谢 46

绪论

研究背景及意义

随着科学技术的提高，汽车产业发展迅速，汽车在全世界的数量大幅度提高。人们出行也越来越方便，但同时也带来了一些不好的影响，比如不可再生能源的快速消耗，汽车尾气的过度排放，交通拥堵，交通事故频发等等。针对这些问题，汽车产业技术也在不断发展，主动安全技术，辅助驾驶，汽车电动化等逐渐走进人们的视野。自动驾驶汽车作为一个新鲜的事物也引起了人们的关注，自动驾驶汽车可以给驾驶员带来更舒适的驾驶体验，极大程度的解放了驾驶员的双手，缓解驾驶疲劳。车身上安装的各种传感器、摄像头可以实时接收车辆自身的状况、道路情况以及行人障碍物等情况，并通过中央处理器的计算处理，做出加减速，刹车，转向等最佳的决策，并将电信号传递给执行器，达到控制汽车正常安全行驶的目的。

自动驾驶汽车可以避免许多因驾驶疲劳，注意力不集中，操作失误等原因造成的交通事故。受到了广泛的关注和期待，要衡量一个国家的科技水平，制造力能力等多方面能力，其中汽车工业的发展水平，便是其中重要的衡量标准。虽然完全意义上的无人驾驶汽车还未走入普通人的日常生活，在许多方面还存在着难题亟待解决，但是可以看到在许多行业，无人驾驶车辆已经开始发挥作用。一些汽车辅助驾驶功能，比如自适应巡航，智能识别的自动制动，牵引力控制等等，极大的吸引消费者的眼球。自动驾驶车辆已经成为汽车行业未来发展的必然趋势。美国研究机构Navigant Research预测，2035年，亚太地区将占据全球无人驾驶汽车数量的一半，可以看出，无人驾驶汽车将是汽车行业发展的必然趋势^[1]。

而在自动驾驶汽车的研究进程中，转向系统的研究是必不可少的一环，正确的转向对于汽车的安全至关重要，车辆的安全行驶能否自主的进行转向控制也是自动驾驶能否实现的标志之一，计算机需要根据路况和各类传感器接收到的实时信息，准确的判断并计算发出转向的指令，若是带有方向盘的汽车，还需要将路面信息实时反馈给方向盘。因此转向系统的性能一定程度上决定着自动驾驶汽车的安全性。

国内外研究现状

国内的学者对自动驾驶的转向系统都有比较深入的研究，传统的电动助力转向系统要想完成独立转向的操作十分困难，李学鋆^[2]的研究设计一种车辆转向系统，能够分别满足手动驾驶和自动驾驶两种工况，并对此建立了数学模型，分析了仿真结果的稳定性和轨迹。董赛^[3]等人对EPS的研究，分析其能够实时调整转向助力矩，并建立了电动助力转向的模型和线性车辆动力学的模型，采用了模糊控制得出EPS能够提供助力，提高行驶的灵活性的结论。毕晓东^[4]对无人驾驶车辆的EPS系统，分析了其力学关系和系统组成并建立数学模型，分析了有刷和无刷直流电机的区别，通过PID控制对模型进行联合仿真，发现转向性能在采用模糊PID控制的情况下更好。李时雨^[5]介绍了线控转向系统和无人驾驶汽车转向系统的特点，作出了展望。王忠栋^[6]介绍了线控转向的基本原理和结构，及其上下层控制方法。丁宗恒^[7]研究了自动转向电动车的方案，建立了转向系统模型，介绍了自动驾驶控制系统。方润^[8]分析助力转向特性策略的三种曲线，提供了一种方法，来计算助力曲线的参数，该方法针对直线型，设计了一种EPS的控制策略方案。张乐^[9]分析了EPS的优势，工作原理和结构，认为电动助力转向可以提高主动安全性。詹斯雅^[10]根据某中型客车的实际需求，优化了其转向系统，设计了双行星齿轮机构的转向角度耦合装置，并对主动转向系统进行变传动比曲线设计，利用Simulink的仿真评估主动转向系统的性能。刘向丽^[11]建立了齿轮齿条式转向器的三维模型，利用ADAMS软件动力学仿真功能对该模型进行分析，还进行了碰撞分析和静力和模态分析，提供了可参考的转向器的疲劳寿命及力学性能方法。喻超^[12]使用MATLAB软件建立了整体式转向梯形的三维模型，分析内外轮转角关系变化随着梯形底角变化的影响，优化模型，并验证了优化结果的正确性，得出了提高转向精度，改善轮胎磨损的结论。