摘 要

转向系统作为底盘的重要一部分，影响着汽车的操纵稳定性，行驶安全性以及乘员乘坐的舒适性，因而，对于转向系统的设计和研究有着重要的意义。

本文基于纯电动6100公交客车，设计一套能使驾驶员在低速行驶时使转向轻便，而在车辆高速行驶转向时，具有一定的转向“路感”，为了满足这一条件，对转向器进行选型计算，对转向梯形进行设计优化。

本文首先介绍了转向系统的发展历史，然后对目前的助力转向系统进行分析比较，最后选择电动液压助力转向系统作为6100公交客车的转向系统，并对电动液压助力转向系统的研究现状进行的介绍。

对于转向系统的设计，首先通过转向助力的大小对转向器的结构尺寸进行了设计，然后又对转向阀的结构进行的设计，并通过液压油的压力对液压泵和电机进行了选择。最后对转向梯形进行了设计优化并进行了仿真和纠正，最终设计的结果满足转向助力的要求。

关键词：转向系统选型；整体式转向器；转向梯形；CATIA仿真

Abstract

As an important part of the chassis, steering system affects the vehicle's handling stability, driving safety and passenger comfort. Therefore, it is of great significance for the design and research of steering system.

Based on the pure electric 6100 bus, this paper designs a set of steering gear which can make the driver turn lightly at low speed, and has a certain steering "road sense" when the vehicle steers at high speed. In order to satisfy this condition, the steering gear is selected and calculated, and the steering trapezium is optimized.

This paper first introduces the development history of steering system, then makes analysis and comparison of the current power steering system, finally chooses the electric hydraulic power steering system as the steering system of 6100 bus, and introduces the research status of the electric hydraulic power steering system.

For the design of steering system, firstly, the structure size of steering gear is designed by the size of steering power, then the structure of steering valve is designed, and the hydraulic pump and motor are selected by the pressure of hydraulic oil.Next, design and simulate the steering trapezoid. The final design results meet the requirements of steering power, and the turning diameter is within the allowable turning diameter of the bus.

Key words: steering system selection；integral steering gear；steering trapezium；CATIA simulatio

目 录

第1章 绪论1

1.1概述1

1.2转向系统的发展历史1

1.3国内外研究现状3

1.3.1国外研究概况3

1.3.2国内研究概况3

1.4设计的目的与意义4

1.4.1设计的目的4

1.4.2设计的意义4

1.5设计的主要任务4

1.6客车动力转向系统的选型与设计安排5

第2章 整体式动力转向器的选型与设计6

2.1转向器的选型与设计计算6

2.1.1循环球式转向器的设计计算6

2.2循环球式转向器零件强度校核9

2.2.1钢球与滚道之间的接触应力9

2.2.2齿的弯曲应力10

2.2.3齿的接触应力11

2.3分配阀的选型与设计11

2.3.1分配阀的工作原理12

2.3.2管路内径的选择13

第3章 助力液压泵和电机的选型与计算14

第4章 转向梯形的选型与设计计算16

4.1转向梯形的选型16

4.2转向梯形的设计计算16

4.3转向梯形的运动学仿真16

第5章 结论20

5.1全文工作总结20

5.2设计存在的不足20

参考文献21

致谢22

第1章 绪论

1.1概述

在汽车行驶过程中，根据驾驶人的意向改变或保持汽车的行驶方向，即汽车转向，转向系统可分为机械转向系统和动力转向系统。其中机械转向系统是完全依靠驾驶人的体力来作为转向动力的来源，其结构包括以转向操纵机构，转向器以及转向传动机构^[1]。而使用驾驶人的体力和发动机或电动机的动力共同作为转向动力来源的转向系统称为动力转向系统。其结构是由机械转向系统的结构加上一套助力装置而成。目前在市场上较为常用的转向器可分为齿轮齿条式、循环球-齿条齿扇式和循环球-曲柄指销式等，转向传动机构则是将转向器输出的运动和力通过摇臂臂、转向拉杆传到转向节臂，转向节臂使转向节和转向轮按一定的变化关系偏转一定的角度，从而实现转向。

对转向系统的设计一般提出如下要求：

（1）当汽车转弯时，转向轮和从动轮应全部绕瞬时转向中心旋转。

（2）汽车转向后，当驾驶员松开转向盘，转向轮能自动回正。

（3）在任何行驶条件下，转向轮都不应产生自振，转向盘不能有摆动。

（4）由于转向传动机构和悬架导向机构运动产生的不协调应使车轮的摆动最小。
（5）在保证转弯直径满足行业标准的情况下，尽可能减小转弯直径。
（6）操纵轻便。
（7）当转向轮受到冲击时，传递到转向盘上的力要尽可能小，即转向器逆效率要小。
（8）转向系统应有防伤装置，发生车祸时，能尽量减少驾驶员所受到的损伤，。
（9）在对转向系统进行运动校核时，应使转向轮与转向盘的转向保持一致^[2]。

1.2 转向系统的发展历史

自汽车诞生以来，转向系统经历了如下的发展：

机械转向系统→液压助力转向系统→电动液压助力转向系统和电动助力转向系统→线控转向系统。

机械转向系统其传力件全部为机械的，完全依靠纯人力来驱动各种机械结构，其结构简单，工作可靠，价格便宜，但操作时费力，驾驶员的负担重，使整车稳定性、精确性、安全性变坏。

1902年，英国人Frederick W.Lanchester首次发明了机械液压助力，但直到1954年，汽车上才首次使用了液压助力转向系统（HPS），机械液压助力转向系统结构由转向器、液压泵、液压油管路、流量控制阀、储油罐等部件组成，将驾驶者的体力和发动机的动力全部作为转向能源的来源，转向器作为核心部件放大了驾驶员作用于方向盘上的手力，并改变力的传递方向，液压泵由发动机来驱动旋转，能产生一定压力的液压油，液压油通过分配阀进入到一侧的动力缸来推动活塞进行助力。机械液压助力转向价格低廉，安全性和可靠性高，操纵轻便，转向动力充沛。但由于液压系统需要时刻保持液压油的压力，所以其能量消耗比较高，相比于机械转向系统，能耗增加3%-5%,同时液压系统存在液压油泄漏的问题，污染环境，容易损坏转向系统其它部件，由于液压油受温度的影响，在低温条件下工作时其性能比较差，而且机械液压助力转向系统最大的缺点在于其转向助力特性是一定的，发动机的转速影响着液压泵产生液压油的流量的大小。当车速增加时，相应发动机转速变快， 其驱动的液压泵的流量也会相应的变大，则产生的助力也会变大，其结果是，汽车在高速行驶时，出现转向“发飘”，使路感变坏，导致转向时操纵不稳定。如果仍要满足汽车在高速行驶时具有一定的“路感”，那就需要减小助力特性，但其会相应的产生另外一个问题，在低速时转弯的转向助力不够，人所耗费的能量增加，起不到转向助力的作用。

1983年，电动液压助力转向系统(EHPS)被研制出来。电动液压助力转向系统是在传统的液压助力转向系统上发展起来的，在结构上它是以电动机代替了传统的发动机来带动液压泵来对液压油进行加压，同时增加了电控单元，电控单元通过收集汽车行驶中的各种转向信号来对电动机的转速进行控制，使得转向时的助力大小与行驶的车速和转向时的转角都有关系，这样在汽车怠速和低速行驶时通过增加电动机的转速来增加转向泵的流量，相应的转向助力就会增加，使得驾驶员在低速时转向轻便。当车速增加时，电动机的转速则减小，转向泵的的流量会相应的减少，产生的助力也会相应的减小，这样使得转向系统在汽车高速行驶时具有一定的“路感”，所以，电动液压助力转向系统解决了液压助力转向系统转向特性无法调节的问题，而且由于不需要一直保持液压油的压力，能耗较低，反应较灵敏^[3]，但由于液压泵和分配阀的存在，一样存在液压油的泄漏问题，后期的维护成本较高。

1988年，电动助力转向系统（EPS）首次被安装到了汽车上，其助力原理是通过电动机来产生助力，摆脱了传统的液压油加压方式，驾驶人在进行转向时，转矩传感器检测到转向盘的转向和转矩的大小，同时将产生的电压信号传输到电控单元，电控单元根据转矩传感器检测到的转向盘的转距和转向以及车速等信号，向助力电机的控制器发出指令，使电动机产生相应大小和方向的转矩，从而产生辅助动力。同时电动助力转向系统能够产生不同的助力特性，低速时可增加电动机的转向助力，使转向轻便，高速时减少电动机助力，可以增加路感，防止转向盘“发飘”，电动助力转向系统的优势主要表现在：节能环保，提高燃油经济性；装配方便，所占用的空间也比较少；路感好，回正性好。但由于电压和电流的限制，辅助动力小，不适用于大型的商用车使用。

随着科技的发展，出现了有别于以往转向系统的新的转向机构，线控转向系统（SBW）。线控转向系统突破了传统的转向系统基本由转向操纵机构、转向器和转向传动机构组成这一限制，通过方向盘控制模块、转向执行模块和微控制器的协同工作达到转向的目的。方向盘控制模块的功能主要是通过转矩传感器检测到的信号来判断驾驶人的转向意图，同时将信号传递给微控制器，微控制器结合收到的信号和车速信号并反馈给方向盘控制模块一个回正力矩，使得驾驶员在转向时能够产生一定的“路感”。但是这种“路感”是开发者通过千万次的试验数据而形成的“经验路感”。转向执行机构是根据微控制器的控制命令来驱动转向电机，从而完成转向动作。同时转角传感器又将检测到的转角信号反馈给微控制器，形成一个闭环控制系统。微控制器的功能是接收检测到信号同时发出处理后的控制信号。同时可以通过对转向策略的软件编程控制来任意设置传动比^[4]。

目前，影响线控转向系统发展的主要因素是其可靠性和成本的限制，而且如果微控制器出现了问题，转向系统将彻底失灵，因为线控转向系统不像传统的转向系统那样，如果助力机构出现了问题，驾驶员还可以依靠机械装置进行转向，但线控转向系统没有转向传动装置，如果微控制器出现了问题，转向系统则完全失去了作用。

1.3国内外研究现状

1.3.1国外研究概况

20世纪80年代，国外学者研究由直流电动机驱动的液压助力转向系统已达到降低能耗的目的。

20世纪90年代，出现了系统专用的电控单元，降低了电动机的能耗。

进入21世纪，国外的学者们使用无刷直流电动机来驱动液压泵，同时使用车速和方向盘的角速度来控制电动机的转速，提高了控制的精确性。

1. E.PFEFFER等为了分析影响转向能耗的主要因素建立了系统能耗数学模型，并认为在影响能耗的众多因素中，转向系统在不工作时的液压油压力的降低占了很大比重^[5]。

对于商用车的电动液压助力转向系统，V.V.KOKOTOVIC 等对电动液压助力转向系统的主要部件和控制系统的数学建模方法进行了系统的介绍，同时对系统进行了仿真研究^[6]。J.GESSAT等对1KW以上的大功率轻型商务车的电动液压助力转向系统系列产品的技术参数和应用进行了介绍^[7]。R.MCCANN研究了某大型商用铰接车辆的电动液压助力转向系统，并对其控制策略进行了分析^[8]。

1.3.2国内研究概况

（1）系统助力特性

电动液压助力转向系统既要满足低速时转向轻便，高速时要有一定的“路感”，因此，国内学者提出了几种助力特性设计的研究方法

高峰等对分流式电动液压助力转向系统进行了分析研究。郭晓林等提出了等效液阻网络并进一步分析研究了典型液压助力转向系统助力特性。惠晓丹等在分析了多种助力特性曲线的特点后，提出了对助力转向系统采用直线型助力特性曲线的建议。赵金海提出了一种基于转向盘角速度的附加力矩的控制策略以满足对助力矩在紧急工况下的控制的要求。刘亚辉等提出了基于“路感”的转向助力特性的设计方法。石培吉等建立了涉及液流动态摩擦效应的液压管路的数学模型，提出了电动液压助力转向系统在各种工况下工作时的控制策略。何仁等研发了一种仿真试验平台，运用此试验平台研究了汽车在农村道路工况下行驶时，对转向系统能耗影响的主要因素。李强等通过分析研究得出，非转向工况下电机的怠速损失是影响转向系统能耗的主要因素，而在转向工况下，转向阀的功耗是最大的。

（2）电动液压泵控制技术

电动液压泵控制技术的研究主要为:对转向系统驱动电机目标转速的拟合和对于电机转速的控制方法。

（3）对于控制系统软硬件的研发

罗绍新等研发了一种基于ARM微处理器的电动液压助力转向系统，系统采集转向盘转动的角速度、转矩以及车速信号，通过PWM斩波信号来控制驱动电机的转速以及转向系统的助力大小。高发廷对中国重汽集团电动液压助力转向系统ECU的软、硬件进行了设计开发，质量接近国外产品水平^[9]。

1.4设计的目的及意义

1.4.1设计的目的

通过研究转向系统的发展历史，对比各类型转向系统的优缺点以及研究现有车型的转向系统，从而确定6100纯电动公交客车转向系统的选型及其设计方法，使得最终设计的转向系统能满足驾驶员低速及停车时转向轻便，高速行驶转向时具有一定的“手感”。

1.4.2设计的意义

目前，我国的燃油限制法规对于燃油消耗的限值愈发严格，因此，怎样降低单车的油耗成为各车企努力的方向，而电动液压助力转向系统相比于传统公交客车的液压助力转向能有效降低油耗，因此成为各车企研究降耗的一个方向。

另外，随着新能源汽车在我国的不断发展以及对于新能源汽车补贴政策的不断出台，未来新能源汽车必将得到长足的发展。作为新能源汽车重要的一部分结构，电动液压助力转向系统影响着整车的操纵稳定性和舒适性，未来必将占据很大的一部分市场，具有重要的研究意义，同时从中长期来看，电动转向系统是实现智能驾驶的必选。

1.5设计的主要任务

本次设计的主要内容为6100纯电动公交客车转向系统的设计

具体的设计内容如下：

（1）分析国内外的研究现状

（2）对转向器进行选型，对转向器的结构进行设计计算

（3）对分配阀各结构进行设计计算，并对其油道进行布置

（4）对液压泵和电机进行选型

（5）对转向梯形进行设计并优化

（6）对转向系统进行动力学仿真和校核

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