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某商用車整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))
開(kāi) 題 報(bào) 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(jì)
班 級(jí)
姓 名
院(系)
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開(kāi)題時(shí)間
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1.課題研究的目的和意義
作為汽車的一個(gè)重要組成部分,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來(lái)保持或改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu),在汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí),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(dòng)方向必須與轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向保持一致,因此必須對(duì)轉(zhuǎn)向垂臂的位置、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的構(gòu)成等進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)校核。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是決定汽車主動(dòng)安全性的關(guān)鍵總成,如何設(shè)計(jì)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(jī)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(duì)更多不同水平的駕駛?cè)巳?,汽車的操縱設(shè)計(jì)顯得尤為重要[1]。
近年來(lái),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(fù)載較小,對(duì)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(jī)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(dòng),在方向盤(pán)和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)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(dòng)時(shí),方向盤(pán)控制閥輸出與轉(zhuǎn)向輪擺動(dòng)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(dòng)車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向器需要獨(dú)立液壓動(dòng)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(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵產(chǎn)生的壓力來(lái)實(shí)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(gè)轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)設(shè)計(jì)定型后,閥口和扭桿的參數(shù)固定,對(duì)于常流量系統(tǒng),其助力特性是固定的。在設(shè)計(jì)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí),若保證汽車在泊車時(shí)提供足夠的助力,就必然導(dǎo)致在高速時(shí)助力過(guò)大,失去路感[4]。其主要缺點(diǎn)是無(wú)法根據(jù)車速對(duì)助力特性進(jìn)行調(diào)節(jié),由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的液壓泵一直處于工作狀態(tài),液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量增加了3%~5%,對(duì)油耗影響較大[5]。
本課題內(nèi)容包含總體方案設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、三維建模、有限元分析等。通過(guò)本次課題設(shè)計(jì),對(duì)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,對(duì)轉(zhuǎn)向梯形進(jìn)行優(yōu)化,建立轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向梯形完整的三維模型,達(dá)到綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題,鍛煉創(chuàng)造能力的目的,并切實(shí)掌握和鍛煉設(shè)計(jì)能力和分析方法。
2.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
2.1 商用車整體發(fā)展趨勢(shì)
卡車由于運(yùn)輸成本低、效率高,逐漸成為公路運(yùn)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(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)焦點(diǎn)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)、物流產(chǎn)業(yè)和公路交通運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展,商用車在國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(guó)的東風(fēng)、一汽、中國(guó)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(duì)卡車的要求越來(lái)越高,汽車生產(chǎn)商對(duì)卡車研發(fā)的投入也越來(lái)越大,卡車的發(fā)展呈現(xiàn)以下的趨勢(shì)[6]:
(1)低油耗
由于國(guó)際能源危機(jī),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(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī),改善燃油在發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒,三是提高傳動(dòng)裝置的效率,減少功率損失。
(2)大噸位、大功率、高時(shí)效
隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,貨運(yùn)量越來(lái)越大,要求卡車的噸位也越來(lái)越大。且用載重量大的車輛運(yùn)輸,其成本比載重量小的車輛運(yùn)輸要低,沃爾沃公司的FHl6系列卡車裝備了660PS 發(fā)動(dòng)機(jī)。
(3)主動(dòng)安全性的提高
汽車安全性能逐漸成為人們重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題,因?yàn)樗苯雨P(guān)系到人身財(cái)產(chǎn)的安全。提高卡車的安全性主要包括兩個(gè)方面:一是主動(dòng)安全性,即如何避免發(fā)生事故;二是被動(dòng)安全性,即如何減少事故對(duì)人員的傷害。汽車的主動(dòng)安全性不斷成為車輛安全性的研究重點(diǎn)。國(guó)外已采用制動(dòng)防抱死系統(tǒng)(ABS)、驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)(TCS)、電子控制制動(dòng)系統(tǒng)(EBS)、翻車警告系統(tǒng)以及輪胎自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并開(kāi)始選裝電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP),如德國(guó)奔馳公司在Actros車型上就裝用ESP
作為標(biāo)準(zhǔn)配置。國(guó)產(chǎn)商用車已開(kāi)始安裝ABS和TCS等裝置,其核心零部件國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口并存,但缺乏匹配設(shè)計(jì)能力。
(4)操縱駕駛更方便、更輕松舒適
卡車駕駛的操縱勞動(dòng)強(qiáng)度太大,長(zhǎng)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(guó)外商用車已開(kāi)始使用電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT),進(jìn)一步提高車輛的換擋品質(zhì)和起步性,同時(shí)提高車輛的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)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(guó)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(shì)
助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展, 技術(shù)日趨完善。今后, 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將進(jìn)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(lái)說(shuō), 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步發(fā)展[7]:
( 1) 傳感器技術(shù)
性能完善的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要采集轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩信號(hào)、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速信號(hào)、電機(jī)電壓信號(hào)、電機(jī)電流信號(hào)等。目前, 傳感器的成本是制約電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)迅速市場(chǎng)化的主要因素, 因此, 設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)適合電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的性價(jià)比較高的傳感器是未來(lái)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。目前, 國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都在探討將先進(jìn)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(diǎn)主要集中在如何抑制電機(jī)的力矩波動(dòng)、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(jìn)一步優(yōu)化和改善助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。
( 3) 助力電機(jī)的研究
助力電機(jī)是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行元件,助力電機(jī)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)普遍采用成本較低的直流有刷電機(jī)。由于直流無(wú)刷電機(jī)采用電子換向, 減少了換向時(shí)的火花, 不需要經(jīng)常維護(hù)以及具有較高的效率和功率密度等優(yōu)點(diǎn)而受到越來(lái)越多的關(guān)注。因此, 開(kāi)發(fā)適合助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的低成本的直流無(wú)刷電機(jī)是今后助力電機(jī)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(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在體積、功率消耗和價(jià)格等方面都取得了很大的進(jìn)步。
80年代后期,又出現(xiàn)了變減速比的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在接下來(lái)的數(shù)年內(nèi),動(dòng)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(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Variable Displacement Power Steering Pump)和電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向(Electric Hydraulic Power Steering,簡(jiǎn)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(huì)相應(yīng)地減少,從而有利于減少不必要的功耗。電動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向泵,由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào),可以即時(shí)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?jī)?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(jì),設(shè)計(jì)計(jì)算該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并對(duì)轉(zhuǎn)向梯形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前研究人員針對(duì)乘用車齒輪齒條式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( EPS ) 、電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( EHPS) 的動(dòng)態(tài)特性已經(jīng)做了大量的研究,而針對(duì)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(jìn)行對(duì)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(jì)要領(lǐng)以及注意事項(xiàng);
2.查閱國(guó)內(nèi)外商用車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究論文,了解國(guó)內(nèi)外商用車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究動(dòng)態(tài),并將現(xiàn)有理論應(yīng)用于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中,對(duì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入探討;
3.總結(jié)本次設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),建立整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)體模型,并進(jìn)行相關(guān)有限元分析。
4. 本設(shè)計(jì)的特色
1)本設(shè)計(jì)建立在對(duì)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的全面了解的基礎(chǔ)上,對(duì)商用車整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行三維建模、有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),將對(duì)實(shí)際商用車整體式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。
2)由于前輪載荷較大、電機(jī)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(wú)法根據(jù)車速對(duì)助力特性進(jìn)行調(diào)節(jié)的缺點(diǎn),故本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)實(shí)際具有指導(dǎo)意義。
3)本設(shè)計(jì)建立在MATLAB/SIMULINK仿真平臺(tái)和CATIA三維建?;A(chǔ)上,給設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的簡(jiǎn)便和科學(xué)性。
5. 進(jìn)度安排
第1~3周:搜集資料,撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告;
第4~8周:確定總體方案,進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算;
第9~11周:對(duì)轉(zhuǎn)向梯形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);
第12~15周:三維實(shí)體建模,繪制二維工程圖;
第16~17周:撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文;
第18周:準(zhǔn)備答辯。
6. 參考文獻(xiàn)
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