摘 要

线控转向系统通过借助线缆操纵电机从而完成转向，提高了驾驶舒适性以及紧急情况下的驾驶安全性。由于采用电控，线控转向系统更容易与其他线控系统集成，是实现自动驾驶汽车的重要基础。

本文主要内容有：对线控转向系统的基本组成结构与工作原理进行了简要地介绍；对转向系统转向执行电机、离合器的选型，蜗轮蜗杆减速机构、齿轮齿条转向机构等的设计；使用CATIA绘制了转向系统各零部件的三维图以及部分二维图并进行了运动学仿真；使用MATLAB/Simulink和CarSim联合建模对转向系统进行了动力学仿真；借助Ansys Workbench对转向器的齿轮轴进行了静力学仿真分析。

关键词：线控转向；结构设计；仿真分析

Abstract

The steering by wire system controls the motor by means of cable to complete steering, which improves driving comfort and driving safety in emergency. Because of the use of electronic control, steer by wire system is easier to integrate with other wire control systems, which is an important foundation for realizing automatic driving vehicle.

The major contents of this paper are as follows: the elementary structure and working principle of the steer by wire system are briefly introduced; the design and selection of the steering executive motor, clutch, worm and worm reducer, gear rack steering mechanism, etc. of the steering system are introduced; the three-dimensional drawings and some two-dimensional part drawings of the steering system are drawn with CATIA and the kinematic simulation is carried out; the dynamic simulation of the steering system is carried out by the model combined MATLAB/Simulink and CarSim, and the static simulation analysis of gear shaft of steering gear is carried out by using the ANSYS Workbench.

Key Words：Steer-by-wire；structure design；simulation analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 转向系统发展概述 1

1.1.1 机械转向系统 1

1.1.2 液压助力转向系统 1

1.1.3 电液助力转向系统 1

1.1.4 电动助力转向系统 2

1.1.5 线控转向系统 2

1.2 线控转向系统国内外研究发展概述 2

1.2.1 国外概述 2

1.2.2 国内概述 3

1.3 研究背景与意义 3

1.4 任务车型参数 3

1.5 主要内容 3

第2章 线控转向系统组成结构与工作原理 5

2.1 组成结构与工作原理 5

2.2 典型布置 5

2.3 关键技术 6

2.3.1 传感器技术 6

2.3.2 总线技术 6

2.3.3 电源技术 6

2.3.4 容错 6

2.4 常见转向器类型 7

2.4.1 齿轮齿条式转向器 7

2.4.2 循环球式转向器 7

2.4.3 蜗杆滚轮式转向器 7

2.4.4 蜗杆指销式转向器 8

第3章 转向系统设计计算 9

3.1 主要参数确定 9

3.2 电机型号确定 9

3.2.1 转向执行电机的类型 9

3.1.2 电机参数确定 9

3.3 离合器型号确定 10

3.4 蜗轮蜗杆减速机构设计 10

3.4.1 蜗杆传动的特点 10

3.4.2 蜗杆参数计算 11

3.5 齿轮齿条转向机构设计 13

3.5.1 齿轮传动的特点 13

3.5.2 齿轮齿条式转向机构的线角传动比 14

3.5.3 齿轮齿条参数计算 15

3.6 齿轮齿条间隙装置设计 17

第4章 仿真分析 19

4.1 运动学仿真 20

4.2 动力学仿真 21

4.2.1 转向系统微分方程建立 21

4.2.2 仿真模型搭建 21

4.3 CAE分析 25

第5章 总结与展望 29

5.1 总结 29

5.2 展望 29

参考文献 30

致谢 32

第1章 绪论

1.1 转向系统发展概述

自汽车诞生伊始，转向系统的发展就从未间断过。大体上可以分为机械、液压助力、电液助力、电动助力转向系统，以及最新一代甚至最热门的线控转向。与以往的机械系统不同的是，线控转向从方向盘到转向执行机构之间的机械结构已经被电控单元取代，摆脱了机械限制。

1.1.1 机械转向系统

尽管传统的机械转向系统发展历史十分悠久，但始终都存在着“轻”和“灵”的冲突。为了提高转向的轻便性，就需要使力传动比增大来使驾驶员对转向盘的手力减小。但根据力传动比与角传动比的计算公式能够看出，这就意味着角传动比的同时增大，使得相同激励下转向轮转角的响应速度变得缓慢，增加了驾驶员的操纵时间，降低了转向的灵敏性，导致有可能因驾驶员难以及时操作紧急避障而发生事故。为了处理冲突问题，变传动比转向器的设计理念应运而生。高速行驶处于直行状态下的车辆转向盘转角偏转角度小，且角度变化的幅度不能过大，此时传动比过小会使得转向轮响应过快，稍不注意就就可能导致危险发生。而当转向盘转角较大时，可适当减小角传动比^[1]。

1.1.2 液压助力转向系统

液压助力与传统机械的差别不大，前者在后者的结构基础上仅仅加装了液压驱动的助力装置，但液压式使得转向的轻便性得到显著提高，极大地减轻了驾驶员的负担。这种结构设计巧妙地缓和了轻便与灵敏的矛盾，从而在不降低轻便性的同时减小转向传动比。其优点包括降低了驾驶疲劳度，提高了驾驶的安全性。但其助力的特性在设计时便已固定。调整不方便。助力机构的油泵与发动机直接相连，因而为保持油液高压，系统需要长期运转在能耗较大的工作状态下。漏油，污染环境，导致维修护理的成本增加。

1.1.3 电液助力转向系统