轻卡纯电动厢式运输车转向系统结构设计开题报告

1 选题概述

1.1 研究背景

早在一百多年前的19世纪后半叶，也就是1873年，英国人Robert Davidson就制造了世界上最早的可供使用的电动汽车。这比德国人Gottlieb Daimler和Karl Benz发明汽油发动机汽车还要早十年以上。Davidson发明的电动汽车是一辆载货汽车，其电池是使用铁、锌、汞合金与硫酸反应的一次电池。其后从1880年开始，汽车上便应用了可以充放电的二次电池。从一次电池的一次能源到二次电池的可再生能源，这对于电动汽车而言，是一次重大的技术变革，因此使得电动汽车的需求量逐渐扩大。然而由于内燃机的不断发展，使得内燃机汽车的市场迅速扩大，该类汽车的技术也不断发展，逐渐满足了人们的需求；而电动汽车仍然存在技术和经济性能上的不足，其发展陷入了瓶颈期。对于电动汽车而言，电池是其发展的首要关键。目前对于电池的研究主要有三大难点要求：低成本要求、高容量要求及高安全要求，虽然这三个要求较难全部满足，但是电能源相较于传统能源来说噪音低且无污染，现如今我国的大气污染严重，环保要求成为了各大企业的首要考虑指标，因此纯电动汽车的研究发展必将成为未来的大众趋势。

随着我国运输行业的发展，汽车的使用量也逐年上升，转向系统作为汽车四大系统之一，对于汽车的行驶安全来说至关重要。一个好的转向系统能够使驾驶员在驾驶汽车的同时获得较好的身心体验。因此对于转向系统的研究，也成为了现代技术革新和社会发展的热点。传统的转向系统是机械转向系统，汽车方向盘是由驾驶员控制的，通过一系列方向盘机械配件以实现汽车的转向。该系统的主要优点是结构比较简单，且成本较低；然而随着汽车的不断发展，使得该种转向系统的操作难度加大，并且在转向的时候更加费力。另外存在许多其他缺点，所以这种系统逐渐被淘汰。20世纪50年代，液压动力转向系统逐渐在汽车中应用，该转向系统的主要特点是依靠液体的压力来帮助司机，从而减少司机对方向盘的作用力，从而改善了转向的轻便性和自动运行的稳定性。但与此同时，也存在一些不可避免的缺陷。近年来随着电子技术的发展和广泛应用，转向系统也慢慢使用越来越多的电子设备，因此相应出现了电液助力转向系统（EHPS）。由于仍是一种液压机构，它依然存在着油液漏出的问题，并且更为复杂、昂贵。为了避免这些问题，电动助力转向系统（EPS）在其基础上发展了起来。它取消了EHPS的液压油泵、液压管路和液压油缸等配件，纯粹依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构。随着转向技术不断发展，线控动力式转向系统应运而生。该系统更加智能化，也使得行车更加安全，使驾驶员感受更加舒适；然而该系统成本较大，涉及的零部件没有大批量生产，技术上仍然存在某些不足，所以并没有投入大批量生产应用。

1.2 研究目的及意义

1.2.1 研究目的

本次选题的针对对象是轻卡纯电动厢式运输车，并针对该运输车进行转向系统的结构设计。随着科学技术的发展，能源问题已经成为全人类都面临的严峻挑战，汽车作为石油使用最多的一员正在往更清洁更环保的方向发展。其中纯电动汽车的零排放零污染的特点备受市场的追捧，为了响应全球可持续发展战略的号召，纯电动汽车必将成为未来发展的一大趋势。而转向系统在经过了这么多年的发展之后，现在普遍运用电动助力式转向系统，在传统的机械式转向系统之上，主要添加了传感器设备、电子控制的相关设备以及转向助力机构。此次课题主要是为了研究其中一种投入实际生产应用的纯电动汽车，并思考如何选择并设计其转向系统，通过对转向系统的设计，了解到目前国内外转向系统的研究现状以及存在的问题。例如，目前应用比较广泛并且具有较好的研究前景的转向系统是电动助力转向系统，但是该种系统也存在许多问题。其能够提供的助力有限，当车身变得很重时，转向系统需要较大的驱动力，而电动助力式无法满足；且系统的助力电机也存在一些问题，转向时出现的火花，需要经常维护，系统的效率不够高等。通过本次课题研究，能够深入了解到这些问题产生的原因，以及可能存在的一些解决方法；思考如何能够在实际生产应用中改善或者解决这些问题。

1.2.2 研究意义

从个人层面上来讲，通过此次设计可以提升自己的文献检索能力，以及快速辨别有效文献和无关文献的能力；通过对文献的检索自主学习国内外纯电动汽车以及转向系统的发展现状，激发了自己的学习兴趣；能够有效提炼总结知识，为以后进行更深层次的研究打下了坚实的基础。并且通过对转向系统的设计，可以让自己更加熟悉课程学习中学到过的一些知识，“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”；将课本的知识重新温习一遍，能够获得一些新的感悟以及灵感；提升了自己的自主创新能力以及对课本知识总结概括并进行运用的应用能力；通过自我思考以及探究，通过对各种软件的深入学习，不仅拓宽了自己的知识面，而且强化了职业技能，这些都可以让自己的专业知识更加扎实，为以后的工作打下了坚实的基础。

从社会层面上来讲，目前国内外对于纯电动汽车转向系统的研究仍然有待创新。通过对该方面知识的提取及总结，通过对纯电动汽车转向系统的设计，能够激发自我创新能力，在一些系统结构构造和控制策略方面或许存在某些独到的见解，通过自己的设计以及分析，发现问题然后解决问题；将现存问题可视化，并思考如何改善，为国内外现存研究贡献自己的一份绵薄之力。

1.3国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

（1） 纯电动汽车研究现状

西方国家的经济发展程度较高，其对电动汽车的研究和发展进度也比较快，目前西方大部分发达国家已经将电动汽车的整体使用性能列为汽车制造企业核心竞争力的重要指标，由此可见电动汽车的研发对当今时代的汽车行业有多大的意义。美国是探索商品化纯电动汽车较早的国家。通用汽车公司1996年开始生产EV-1型纯电动汽车,该车采用铅酸蓄电池和交流感应电机,最高车速128km/h。欧洲主要汽车厂商一直在纯电动汽车的研发方面保持持续的投入力度。法国雷诺和标志雪铁龙公司长期从事纯电动汽车的研究和开发工作,早在90年代初就实现了纯电动汽车的批量生产^[1]。

（2） 转向系统研究现状

1988年日本KOYO公司最先将EPS投入了汽车的批量生产，随后由于高可靠性和环保性能，EPS被越来越多的汽车采用。日本的KOYO、NSK等公司已经形成了系列的成熟商品化的EPS，并被大量用于微型车和轿车上。美国DELPHI汽车系统公司推出了EoSteer^TM系统，采用一体化设计，增强了燃油经济性，缩短了系统响应时间，同时增强了转向装置的独立性和安全性，即使在发动机怠速状态下也可实现动力转向。其系统已经被德国大众汽车公司和意大利菲亚特汽车公司采用。德国ZF集团与Bosch公司建立“ZF转向器技术股份有限公司”，利用合资双方在各自领域的优势合作开发生产出了Servolectric系统。该系统作为核心应用于德国宝马汽车公司的主动转向系统(ActiveSteering System)上，很好地解决了低速时的灵活性与高速时的稳定性。能够依据驾驶条件自动调节车辆转向传动比。英国卢卡斯(LUCAS)公司以及美国 TRW公司等也分别推出了自己的产品^[2]。

1.3.2 国内研究现状

（1） 纯电动汽车研究现状

虽然我国在纯电动汽车的研发上起步较晚，但是在研究成果上并不落后于西方国家，21世纪以来，我国在纯电动汽车的发展和应用上取得了很大的突破，研究出了先进的电力能源供应技术，为纯电动汽车的全面制造和应用起了一个好开头。国内以官、产、学、研四位一体的方式,联合攻关,以“三纵三横”的发展模式,力争在电动汽车关键单元技术、系统集成技术及整车技术上取得突破,促进电动汽车研发体系和机制的形成以及商业化模式的探索^[3]。

（2）转向系统研究现状

在中国，1992年清华大学开始涉及EPS的相关研究工作，随后吉林大学、武汉理工大学、华中科技大学等院校和科研单位纷纷展开了EPS的研究，并取得了一定的进展。中国南方航空动力机械公司的DFL系列已进入小批量生产，吉利汽车集团开发的具有自主知识产权的EPS产品也已经装备到其吉利豪情等系列轿车上^[2]。

2 设计概述

2.1 设计主要内容

本设计的主要内容包括以下几个方面：

（1）转向系统结构总体方案设计；

根据国内外转向系统研究现状，本次结构设计选用电动助力转向机构。而对于轻卡运输车来说，装载货物后车身加重，为了获得更好的助力和驾驶体验，选择使用齿条助力式电动助力转向器（R-EPS）。

（2）总成结构和零部件的三维设计；

该机构的主要零部件设计有转向盘、输入轴、万向节、减速机构、齿轮齿条转向器、转向臂、转向横拉杆、车轮等。

（3）转向系统仿真分析；

（4）编写相关计算程序；

（5）翻译与专业有关的英文资料；

（6）中文专业文献检索；

（7）撰写毕业设计（论文）。

2.2设计目标

根据设计主要内容，设计目标如下：

（1）选定转向系统结构总体设计方案

根据设计要求，联系实际情况，选定最合适的转向系统类型。参考此类型的转向系统的结构，进行结构设计。

（2）完成总成结构以及零部件的设计

参考实际车型的相关数据，参照相关教材进行总成结构以及零部件的设计计算。数据计算完成后，在catia上绘制出三维模型。

（3）对该转向系统进行仿真分析

绘制完成三维模型，进行装配得到转向系统的三维结构，运用ansys模拟现实受力情况对该系统进行仿真分析。

（4）编写出相关调试程序

根据仿真分析结果，分析设计中存在的问题，提出改进设想，确定自变量，编写调试程序进行调试，得到相关量的改变情况。分析设计内容并对其优化。

（5）查阅国内外相关书籍资料

毕业设计文献检索不少于15篇，其中5篇外文，文献检索每篇不少于200字；翻译与本专业相关的外文资料不少于2万印刷字符，翻译成中文不少于5000字；论文报告展示板1份。

（6）编写设计说明书

毕业论文不少于1万字。

2.3 拟采用的技术方案及措施

根据设计要求，以及国家标准设计出该转向系统的结构数据，应用catia进行三维建模，然后根据实际情况在ansys中进行仿真分析，最后进行校验是否符合标准和要求，如果不满足则继续进行优化，直到符合标准。