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某商用車整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計
本科畢業(yè)論文(設(shè)計)
開 題 報 告
論文題目
某商用車整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計
班 級
姓 名
院(系)
導(dǎo) 師
開題時間
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1.課題研究的目的和意義
作為汽車的一個重要組成部分,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來保持或改變汽車行駛方向的機構(gòu),在汽車轉(zhuǎn)向行駛時,它能保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動方向必須與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動方向保持一致,因此必須對轉(zhuǎn)向垂臂的位置、轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的構(gòu)成等進行運動學(xué)校核。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是決定汽車主動安全性的關(guān)鍵總成,如何設(shè)計汽車的轉(zhuǎn)向特性,使汽車具有良好的操縱性能,始終是各汽車生產(chǎn)廠家和科研機構(gòu)的重要研究課題。特別是在車輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天,針對更多不同水平的駕駛?cè)巳?,汽車的操縱設(shè)計顯得尤為重要[1]。
近年來,隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展,汽車上廣泛使用各類助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。乘用車負載較小,對速度性能要求較高,通常采用齒輪齒條式EPS 以及EHPS 轉(zhuǎn)向系統(tǒng);而由于前輪載荷較大、電機功率以及加工工藝方面的因素制約,商用車通常采用循環(huán)球式HPS系統(tǒng)提供助力[2]。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完全是靠液壓力驅(qū)動,在方向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機械連接,被液壓管路、液壓閥、液壓執(zhí)行器所取代。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動時,方向盤控制閥輸出與轉(zhuǎn)向輪擺動速度成比例的液體流量,液體再流入到轉(zhuǎn)向液壓缸工作腔內(nèi),由液壓缸推動車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向器需要獨立液壓動力源,通常利用定量泵直接供油[3]。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在駕駛員的控制下,借助于汽車發(fā)動機帶動液壓泵產(chǎn)生的壓力來實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性是由轉(zhuǎn)向伺服轉(zhuǎn)閥及油泵供油量決定的。當(dāng)一個轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)設(shè)計定型后,閥口和扭桿的參數(shù)固定,對于常流量系統(tǒng),其助力特性是固定的。在設(shè)計液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時,若保證汽車在泊車時提供足夠的助力,就必然導(dǎo)致在高速時助力過大,失去路感[4]。其主要缺點是無法根據(jù)車速對助力特性進行調(diào)節(jié),由發(fā)動機帶動的液壓泵一直處于工作狀態(tài),液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使整個發(fā)動機燃油消耗量增加了3%~5%,對油耗影響較大[5]。
本課題內(nèi)容包含總體方案設(shè)計、參數(shù)計算、三維建模、有限元分析等。通過本次課題設(shè)計,對液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行設(shè)計計算,對轉(zhuǎn)向梯形進行優(yōu)化,建立轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向梯形完整的三維模型,達到綜合運用所學(xué)知識,分析和解決實際工程問題,鍛煉創(chuàng)造能力的目的,并切實掌握和鍛煉設(shè)計能力和分析方法。
2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
2.1 商用車整體發(fā)展趨勢
卡車由于運輸成本低、效率高,逐漸成為公路運輸?shù)氖走x,因此卡車的研發(fā)和生產(chǎn)成為汽車生產(chǎn)廠家競爭的一個焦點。隨著社會經(jīng)濟、物流產(chǎn)業(yè)和公路交通運輸業(yè)的迅猛發(fā)展,商用車在國民經(jīng)濟中的作用愈顯重要。目前,世界知名商用車制造商,如歐洲的奔馳、斯堪尼亞、沃爾沃、曼、雷諾,北美的Navistar,亞洲的五十鈴、日野等公司,其產(chǎn)品整體性能上與我國的東風(fēng)、一汽、中國重汽、北汽福田、陜汽等公司相比處于較高的技術(shù)水平。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人們對卡車的要求越來越高,汽車生產(chǎn)商對卡車研發(fā)的投入也越來越大,卡車的發(fā)展呈現(xiàn)以下的趨勢[6]:
(1)低油耗
由于國際能源危機,降低油耗成為各式車輛的重要發(fā)展目標(biāo),而卡車耗油量較多,因此降低油耗成為卡車發(fā)展的重要方向。降低油耗的方法主要有:一是減輕汽車重量;二是改進發(fā)動機,改善燃油在發(fā)動機中的燃燒,三是提高傳動裝置的效率,減少功率損失。
(2)大噸位、大功率、高時效
隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展,貨運量越來越大,要求卡車的噸位也越來越大。且用載重量大的車輛運輸,其成本比載重量小的車輛運輸要低,沃爾沃公司的FHl6系列卡車裝備了660PS 發(fā)動機。
(3)主動安全性的提高
汽車安全性能逐漸成為人們重點關(guān)注的問題,因為它直接關(guān)系到人身財產(chǎn)的安全。提高卡車的安全性主要包括兩個方面:一是主動安全性,即如何避免發(fā)生事故;二是被動安全性,即如何減少事故對人員的傷害。汽車的主動安全性不斷成為車輛安全性的研究重點。國外已采用制動防抱死系統(tǒng)(ABS)、驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)(TCS)、電子控制制動系統(tǒng)(EBS)、翻車警告系統(tǒng)以及輪胎自動監(jiān)測系統(tǒng),并開始選裝電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP),如德國奔馳公司在Actros車型上就裝用ESP
作為標(biāo)準(zhǔn)配置。國產(chǎn)商用車已開始安裝ABS和TCS等裝置,其核心零部件國產(chǎn)與進口并存,但缺乏匹配設(shè)計能力。
(4)操縱駕駛更方便、更輕松舒適
卡車駕駛的操縱勞動強度太大,長期駕駛?cè)菀灼?,而疲勞駕駛是導(dǎo)致交通事故的主要原因之一,因此提高卡車的操縱舒適性非常重要,國外商用車已開始使用電控機械式自動變速器(AMT),進一步提高車輛的換擋品質(zhì)和起步性,同時提高車輛的動力性與經(jīng)濟性。平順性和駕駛室舒適性方面,歐洲商用車已普遍采用空氣懸架,平順性和駕駛室舒適性已接近轎車水平。我國商用車在平順性、舒適性方面具有較大的提升空間。?
2.2汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展趨勢
助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展, 技術(shù)日趨完善。今后, 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將進一步成熟, 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將成為我們研究的努力方向。具體來說, 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要從以下幾個方面進一步發(fā)展[7]:
( 1) 傳感器技術(shù)
性能完善的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速信號、電機電壓信號、電機電流信號等。目前, 傳感器的成本是制約電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)迅速市場化的主要因素, 因此, 設(shè)計和開發(fā)適合電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的性價比較高的傳感器是未來技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。
( 2) 控制策略的研究
控制策略是影響助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一, 也是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。目前, 國內(nèi)外許多學(xué)者都在探討將先進的控制理論應(yīng)用于助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究, 如魯棒控制理論、模糊控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論和自適應(yīng)控制理論等。今后, 控制策略研究的重點主要集中在如何抑制電機的力矩波動、如何獲得較好的路感、如何抑制路面干擾和傳感器的噪聲等方面, 以進一步優(yōu)化和改善助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性。
( 3) 助力電機的研究
助力電機是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行元件,助力電機的特性直接影響到控制的難易程度和駕駛員的手感。目前, 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)普遍采用成本較低的直流有刷電機。由于直流無刷電機采用電子換向, 減少了換向時的火花, 不需要經(jīng)常維護以及具有較高的效率和功率密度等優(yōu)點而受到越來越多的關(guān)注。因此, 開發(fā)適合助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的低成本的直流無刷電機是今后助力電機的研究方向。
2.3液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展[8]
1953年通用汽車公司首次使用了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),此后該技術(shù)迅速發(fā)展,使得動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在體積、功率消耗和價格等方面都取得了很大的進步。
80年代后期,又出現(xiàn)了變減速比的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在接下來的數(shù)年內(nèi),動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)革新差不多都是基于液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng),比較有代表性的是變流量泵液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Variable Displacement Power Steering Pump)和電動液壓助力轉(zhuǎn)向(Electric Hydraulic Power Steering,簡稱EHPS)系統(tǒng)。變流量泵助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車處于比較高的行駛速度或者不需要轉(zhuǎn)向的情況下,泵的流量會相應(yīng)地減少,從而有利于減少不必要的功耗。電動液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)向泵,由于電機的轉(zhuǎn)速可調(diào),可以即時關(guān)閉,所以也能夠起到降低功耗的功效[9]。
液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使駕駛室變得寬敞,布置更方便,降低了轉(zhuǎn)向操縱力,也使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更為靈敏。由于該類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)成熟、能提供大的轉(zhuǎn)向操縱助力,目前在部分乘用車、大部分商用車特別是重型車輛上廣泛應(yīng)用。但是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在系統(tǒng)布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面存在不足[10]。
3. 本課題的研究內(nèi)容及技術(shù)方案
本論文主要研究某商用車整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計,設(shè)計計算該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并對轉(zhuǎn)向梯形進行優(yōu)化設(shè)計。目前研究人員針對乘用車齒輪齒條式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( EPS ) 、電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( EHPS) 的動態(tài)特性已經(jīng)做了大量的研究,而針對商用車整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( HPS) 的研究甚少,本論文在總結(jié)現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上,從整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)入手再進行對液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化深入研究。本論文研究的主要內(nèi)容如下:
1.研究液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)原理,掌握商用車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計要領(lǐng)以及注意事項;
2.查閱國內(nèi)外商用車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究論文,了解國內(nèi)外商用車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究動態(tài),并將現(xiàn)有理論應(yīng)用于本次畢業(yè)設(shè)計中,對本次畢業(yè)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)進行深入探討;
3.總結(jié)本次設(shè)計經(jīng)驗,建立整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計模型;利用MATLAB/SIMULINK、CATIA等軟件建立轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向梯形的三維實體模型,并進行相關(guān)有限元分析。
4. 本設(shè)計的特色
1)本設(shè)計建立在對汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的全面了解的基礎(chǔ)上,對商用車整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行三維建模、有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,將對實際商用車整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計具有指導(dǎo)意義和參考價值。
2)由于前輪載荷較大、電機功率以及加工工藝方面的因素制約,商用車通常采用整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供助力,但其仍存在無法根據(jù)車速對助力特性進行調(diào)節(jié)的缺點,故本設(shè)計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對實際具有指導(dǎo)意義。
3)本設(shè)計建立在MATLAB/SIMULINK仿真平臺和CATIA三維建?;A(chǔ)上,給設(shè)計帶來極大的簡便和科學(xué)性。
5. 進度安排
第1~3周:搜集資料,撰寫開題報告;
第4~8周:確定總體方案,進行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計計算;
第9~11周:對轉(zhuǎn)向梯形進行優(yōu)化設(shè)計;
第12~15周:三維實體建模,繪制二維工程圖;
第16~17周:撰寫畢業(yè)設(shè)計論文;
第18周:準(zhǔn)備答辯。
6. 參考文獻
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[2] 施國標(biāo),?申榮衛(wèi),?林逸.:電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模與仿真技術(shù).?吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),?2007,?37(1):?31~36.
[3] 季學(xué)武, 陳奎元: 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展與節(jié)能. 世界汽車, 1999, 10: 7~10
[4] 廖抒華:動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性及其對汽車操縱穩(wěn)定性影響的試驗與仿真研究. [博士學(xué)位論文]. 長春:吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院, 2000
[5] 畢大寧:汽車轉(zhuǎn)閥式動力轉(zhuǎn)向器的設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,1998
[6] 孫營: 重型商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模及?整車動力學(xué)仿真研究 [博士學(xué)位論文].2011.08
[7] 解后循,高翔: 電控/電動液壓助力轉(zhuǎn)向控制技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報, 2007,38( 11) : 178 - 182.
[8] 江浩斌,史益朋,耿國慶,董家寅:商用車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模及整車轉(zhuǎn)向操縱性能仿真 江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212013
[9] 高翔.趙萬里.謝后循.張多:電控液壓助力轉(zhuǎn)向的建模和仿真[期刊論文]-拖拉機與農(nóng)用運輸車 2007(5)
[10] 石培吉,施國標(biāo),林逸: 轉(zhuǎn)閥式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模與仿真分析[J]. 機床與液壓, 2009,37( 2) : 37 - 38.
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