哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文）摘要本文主要研究了四轮转向传动系统的基本结构和工作原理，并对四轮转向传动路线进行了简要分析。以此为理论基础，以某汽车的相关参数设计了四轮转向转向器。包括前轮转向器的设计计算，后轮转向执行器的设计，齿条等强度的计算。四轮转向传动系主要是通过车速传感器、前轮转角传感器、前轮转速传感器、方向盘转角传感器、后轮转角传感器、后轮转速传感器，发送信号到四轮转向控制器内，信号经过处理，得出后轮所需的转角大小及方向，控制执行器完成转向。此系统可以改善车辆低速的转向灵活性和高速时的操纵稳定性，使汽车在转向时响应快，转向能力强，直线行驶稳定。前轮转向器是四轮转向的基础部件，是电机助力的齿轮齿条转向器。后轮执行器是驱动后轮转向的主要部件。通过对前轮转向器和后轮执行器的设计，为四轮转向技术整体设计提供了基础。关键词 四轮转向，齿轮齿条电动助力转向器，后轮转向执行器Abstract This paper mainly studies is the four-wheel steering transmission system the basic structure and working principle, and the four-wheel steering transmission routes are briefly analyzed. This theory, with a car related parameters of the four-wheel steering transmission system was designed. Including front wheel steering gear design calculation, rear wheel actuator design strength calculation, rack .Four-wheel steering transmission system is primarily through speed sensor, front wheel Angle sensor, front wheel speed sensor, steering wheel Angle sensor, rear Angle sensor, rear Lord Angle sensor, rear vice, rotational speed sensor sends a signal to the four-wheel steering controller inside, signal through processing, draw the rear required corner size and direction, control actuator finish turning. This system can improve vehicle speed steering flexibility and high speed control stability of, make cars in steering response quickly, steering capability is strong, run straight stability. Front wheel steering gear is the basic components, four-wheel steering motor hydraulically rack-and pinion steering gear Rear actuators are drive rear wheel steering the major components. Through the front wheel steering gear and rear actuator is designed for four-wheel steering technology integral design provides the basis.Key words Four-wheel steering gear rack of electric power steering gear, rear wheel actuators目录摘要IAbstractII目录III第一章 绪论- 1 -第二章 设计方案选择- 7 -2.1 各传感器位置确定- 7 -2.2 转向机构的设计要求- 8 -2.3 转向梯形设计- 9 -2.4 本章小结- 11 -第三章 齿轮齿条电动助力转向器设计计算- 11 -3.1 转向器的效率- 11 -3.2 转向器正效率+- 11 -3.3 转向器逆效率- 12 -3.4 传动比的变化特性- 13 -3.4.1力传动比与角传动比的关系- 14 -3.5 参数选择- 16 -3.5.1转向轮侧偏角计算- 17 -3.6 转向系载荷确定- 18 -3.7 转向器的主要元件设计- 21 -3.7.1选择齿轮齿条材料- 21 -3.7.2齿轮齿条基本参数- 23 -3.7.3转向横拉杆及其端部- 24 -3.7.4齿条调整- 25 -3.8 齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析- 26 -3.9 齿轮齿条传动受力分析- 27 -3.10 弹簧的设计计算- 32 -3.11 齿轮轴轴承的校核- 35 -3.12 电机选择- 36 -3.12.1助力转矩的计算- 36 -3.12.2电动机参数的选择和计算- 37 -3.13 本章小结- 38 -第四章 后轮转向执行器设计计算- 39 -4.1 执行器结构设计- 39 -4.2 齿条设计计算- 40 -4.3 回位弹簧的设计计算- 40 -4.4 电机选择- 42 -4.4.1助力转矩的计算- 42 -4.4.2电动机参数的选择和计算- 42 -4.5 本章小结- 43 -结论- 44 -致谢- 45 -参考文献- 46 -附录- 47 -IV第一章 绪论 四轮转向（Four Wheel Steer）控制技术就是在汽车行驶转向时通过引入一定的后轮转向来增强汽车在高速行驶或在侧向风力作用时的操纵稳定性、行驶安全性及改善低速时汽车的机动灵活性。我们知道普通汽车的转向是靠驾驶员转动方向盘，从而带动前轮的转动来实现的，前轮为转向轮。前轮转动后，车身方向跟着改变，无转向的后轮与车身的行进方向产生差距，产生偏离角，从而发生弯力，产生转向。由此可见，传统的前轮转向汽车有低速时转向响应慢，回转半径大，转向不灵活；高速时方向稳定性差等缺点。经过二十余年的研究，4WS技术已趋于成熟，日本的日产公司、马自达公司、丰田公司，美国的福特公司、通用公司的汽车产品上都有装用4WS系统。我国开展汽车四轮转向技术研究相对较晚，80年代末和90年代初开始有文章探讨4WS问题，90年代末，上海交通大学、浙江大学开始进行4WS控制方法的研究。近年来，由于电子控制技术的快速发展，以及国内愈趋紧张的交通状况，四轮转向控制技术越来越被汽车厂商及各高校重视，在2003年和2005年海峡连杆机构学术研讨会上台北科技大学代表分享了后轮转向机构设计以及四轮转向控制防侧滑等理论成果。通过对目前四轮转向技术的研究，我参照已有车型的参数设计了四轮转向的前轮转向器和后轮转向执行器，为国内四轮转向技术的发展提供基础。【技术说明】 后轮转向与前轮主要有两个不同的相位转角，当车速较低时后轮与前轮转向相反称为逆向位转角如图（1-1），当车速较高时后轮与前轮转向相同称为同相位转角如图（1-2）。 （a）2WS （b）4WS 图（1-1） 4WS低速时逆向位转向 （a）2WS （b）4WS图（1-2）4WS高速时同向位转向四轮转向系统的控制目标主要包括：1.减小侧向加速度响应和横摆角速度响应的滞后；2.减小汽车的侧偏角；3.增强汽车的行进稳定性；4.改善低速范围汽车的操纵性；5.改善汽车的转向响应性能；6.抵制由汽车自身参数变化因素对汽车转向响应特性的影响，并保持所期望的汽车转向响应特性；后轮主动转向主要采用以下几种控制模式：1.定前后轮转向比转向系统；2.前轮参数控制后轮转向（前馈型）3.前后轮转向比是前轮转角函数的四轮转向系统；4.前后轮转向比是车速函数的四轮转向系统；5.具有反相特性的四轮转向系统；6.具有最优来控制的四轮转向系统；7.具有自学习、自适应能力的四轮转向系统。四轮转向系统的控制方法：前馈加反馈控制即前轮转向角比例前馈加横摆角速度比例反馈控制，控制后轮转向，并且使汽车质心处的侧偏角始终为零。本设计采用具有自学习、自适应能力的控制策略，的四轮转向技术。主要工作形式是四轮转向控制器收集各传感器输入的信号，通过处理信号，确定后轮所需的转角大小及方向，将蓄电池电压输送到后轮转向执行器完成转向如图（1-3）。1- 车速传感器2-方向盘转角传感器3-后轮转速传感器4-执行器电源输入端 5-后轮转向执行器6-后轮转角传感器7-四轮转向控制单元8-前轮转角传感器 图（1-3）四轮转向示意图四轮转向的工作特性：当车速低于29km/h时，如果转向盘转动，后轮会立即开始向与前轮相反的方向转动，在车速为零时，后轮最大转角是6度。后轮转角减小程度随车速变化，在车速为29km/h时后轮转角几乎是零。当车速为29km/h时，转向盘在最初200转角内后轮转向与前轮方向一致。在这个车速范围内，转向盘转角大于200时后轮会转向相反的方向。当车速提高到96km/h，并且转向盘转角是100时，那么后轮将会向前轮的方向转动约1。在这个车速下，如果转向盘转动500，后轮将会向前轮相反方向转动大约1【设计说明】 由于本项技术的特殊性，和时间关系，只对前轮电动助力转向转向器，和后轮转向执行器进行了设计。对于悬架系统和和后轮转向梯形只是提出了设计方向。（前悬架可以采用双叉臂式悬架，后悬架系统可以采用多连杆式悬架，现有车型-宝马七系，后轮转向梯形可采用双梯形，使用两套机构进行切换。）前轮齿轮齿条转向器采用空心电机驱动螺杆助力系统，此系统具有节能、环保、高效、安全等诸多优点，其整体结构如图（1-4）所示。图（1-4）前轮转向器由电子控制单元（Electric Control Unit,简称ECU）转矩传感器（ Torque Sensor），前轮角度传感器（ Rotation Speed sensor）电动机（Motor）、转向盘（Steering Wheel）等组成。当驾驶员转动方向盘时，电动助力转向系统开始工作，转向盘角度和扭矩传感器把方向盘的输入信号（转向力矩和旋转角度），以电压信号的形式送至ECU。与此同时ECU读取汽车的车的车速信号以及车辆发动机的转速信号。ECU根据转向力矩大小和方向、发动机或电动机转速、车速、方向盘转角、方向盘转速等信号，判断是否需要助力及助力的大小和方向。若需要助力，则依据预先设计的助力特性曲线计算出必要的助力力