轉向系統
關注創建者：Jachaussloef 創建時間：2016-02-24
轉向系統的視頻教程
利用在環技術（XiL）優化轉向系統 —— 從虛擬測試到真實性能表現
在現代汽車研發中，轉向系統對于車輛的安全、性能以及用戶體驗起著至關重要的作用。工程師們在集成線控轉向等前沿技術的同時，必須確保轉向系統具備精確的操控性和靈敏的響應能力。 在這場60分鐘的免費網絡研討會上，來自 VI-grade 的專家將展示在環技術（XiL，包括模型在環、軟件在環和硬件在環）如何實現虛擬測試、加速研發進程并優化轉向系統的性能。
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轉向系統的實例教程
用來改變或保持汽車行駛或倒退方向的一系列裝置稱為汽車轉向系統(steering system)。汽車轉向系統的功能就是按照駕駛員的意愿控制汽車的行駛方向。汽車轉向系統對汽車的行駛安全至關重要，因此汽車轉向系統的零件都稱為保安件。汽車轉向系統和制動系統都是汽車安全必須要重視的兩個系統。
汽車轉向系統分為兩大類:機械轉向系統和動力轉向系統。
完全靠駕駛員手力操縱的轉向系統稱為機械轉向系統。
借助動力來操縱的轉向系統稱為動力轉向系統。動力轉向系統又可分為液壓動力轉向系統和電動助力動力轉向系統，以及氣壓動力轉向系統。
簡介
機械轉向系以駕駛員的體力作為轉向能源，其中所有傳力件都是機械的。機械轉向系由轉向操縱機構、轉向器和轉向傳動機
轉向系統
構三大部分組成。
轉向操縱機構
轉向操縱機構由方向盤、轉向軸、轉向管柱等組成，它的作用是將駕駛員轉動轉向盤的操縱力傳給轉向器。
轉向器
轉向器(也常稱為轉向機)是完成由旋轉運動到直線運動(或近似直線運動)的一組齒輪機構，同時也是轉向系中的減速傳動裝置。較常用的有齒輪齒條式、循環球曲柄指銷式、蝸桿曲柄指銷式、循環球-齒條齒扇式、蝸桿滾輪式等。我們主要介紹前幾種。
1)齒輪齒條式轉向器
齒輪齒條式轉向器分兩端輸出式和中間(或單端)輸出式兩種。
兩端輸出的齒輪齒條式轉向器如圖4所示，作為傳動副主動件的轉向齒輪軸11通過軸承12和13安裝在轉向器殼體5中，其上端通過花鍵與萬向節叉10和轉向軸連接。與轉向齒輪嚙合的轉向齒條4水平布置，兩端通過球頭座3與轉向橫拉桿1相連。彈簧7通過壓塊9將齒條壓靠在齒輪上，保證無間隙嚙合。彈簧的預緊力可用調整螺塞6調整。當轉動轉向盤時，轉向器齒輪11轉動，使與之嚙合的齒條4沿軸向移動，從而使左右橫拉桿帶動轉向節左右轉動，使轉向車輪偏轉，從而實現汽車轉向。
展開 齒輪齒條式轉向系統
汽車轉向系統的功能就是按照駕駛人的意愿控制汽車的行駛方向。齒輪齒條式轉向系統（圖 19-1） 是現代轎車采用最多的轉向系統。齒輪齒條式轉向器（轉向機） 通過殼體兩端的螺栓固定在副車架上。其基本結構是一對相互嚙合的小齒輪和齒條。轉向軸帶動小齒輪旋轉時，齒條便做直線運動。借助橫拉桿推動或拉動轉向節，使前輪實現轉向。
轉向系統的工作原理
轉向盤與轉向柱相連，因此當駕駛人轉動轉向盤時，轉向柱便跟著轉動。通過轉向節和轉向中間軸，轉向力矩傳遞至轉向器的輸入軸。輸入軸的轉動被齒輪齒條式轉向器轉換為往復運動或直線運動，推動或拉動轉向桿系及轉向節，使轉向輪（前輪） 偏轉一定角度。齒輪齒條式轉向系統的工作原理如圖 19-2 所示。轉向器是將旋轉運動轉化為直線運動（或近似直線運動） 的一組齒輪齒條傳動機構，同時起到減速增矩作用。
轉向管柱
轉向柱總成的結構如圖 19-3 所示。可調式轉向柱能調節轉向柱的傾斜度和伸縮量（即轉向盤高度），方便駕駛人調節至合適的駕駛姿勢。一旦發生撞擊，轉向盤、轉向管柱和防撞管會一起偏向儀表板。此時，防撞管會擠壓是轉向管柱，并通過潰縮機構吸收碰撞能量，保護駕駛人。
如圖 19-4 所示，轉向柱的支架靠兩個螺栓固定在模塊橫梁上，而轉向柱安裝支架用螺栓安裝在模塊橫梁上，同時轉向柱的支架也用螺栓固定在安裝支架上。因此，轉向柱的兩個安裝點相距較遠，具有較寬的基部空間，有利于保持轉向柱的穩定。
液壓助力轉向系統
液壓助力轉向系統使轉向操縱更加靈活、輕便，而且能吸收來自不平路面的沖擊。齒輪齒條式液壓助力轉向系統的結構如圖 19-5 所示。液壓助力轉向系統的特點在于通過發動機的傳動帶或電氣方式驅動轉向助力泵。從轉向助力泵輸出的轉向油流向轉向閥，轉向閥控制油壓并改變流向。
展開 寶馬汽車公司在其BMW Z22概念車上也應用了線控轉向控制系統及線控驅動技術,使轉向盤轉動角度范圍縮減到160度，這讓駕駛員在緊急轉向時輕松了很多。
國內在線控轉向方面的研究才剛起步，吉林大學、清華大學、同濟大學、北京理工大學等高校對線控技術進行了一些相關研究。隨著SBW研究關注度的提高，國內科研機構也紛紛開始重視，將人力和物力投入其中進行研究。同濟大學汽車學院研制出國內首輛裝備電子轉向系統的概念車——“春輝三號”，該車是國內首輛使用電子轉向技術的電動車。吉林大學宗魏宏、長富等人研究了對電控轉向系統的關鍵技術，并提出了主要問題以及其解決方法,為其他該方面的研究者提供了一個理論基礎。在控制策略方面，武漢理工大學劉永學等提出了相關的算法研究。
1.2 項目研究的科學意義
要使線控轉向技術真正實用化，必須對線控轉向系統動力學特性和駕駛員“路感”、轉向系統控制策略、電機的動態控制算法和系統節能策略等核心理論及技術進行深入研究，并對汽車穩定性能進行分析和評價。本項目的研究將為SBW系統開發提供理論依據，開發具有自主知識產權的國產實用的SBW系統，從而，有利于提高我國汽車技術水平和掌握汽車核心技術。可以肯定線控轉向系統對現代汽車的性能產生了正向的影響，甚至可能帶來一場汽車控制思想的革命。
該項目研究具有以下科學意義：
（1）基于節能設計的線控轉向系統，有效降低系統能耗，提高汽車系統可靠性和經濟性。從系統結構動力學和控制兩個方面，以轉向系統能量消耗最低和系統穩定性為綜合目標，研究基于節能設計理論和方法設計轉向裝置結構參數和控制策略，實現同等駕駛工況下采用節能設計的轉向系統能耗更低，提高轉向系統及整車的能量使用效率。
（2）駕駛員路感的節能設計，優化駕駛員的路感，降低路感電機能耗，同時為駕駛員提供個性化的、更符合習慣的“路感”。
展開 目前汽車的NVH性能越來越受到汽車廠商的重視，而轉向系的振動與噪聲是駕駛員可以直接感知到的敏感因素，且近年來越來越受到消費者的關注，是影響整車NVH水平的重要部分。
模態分析是確定設計結構或機械零部件的振動特性，得到結構固有頻率和振型的過程。轉向系統模態是否滿足設計目標是決定轉向系統振動舒適性的關鍵因素之一，通過目前已有車型的反饋數據發現，轉向系統因焊接質量不合格和性能衰減的問題導致轉向系統振動舒適性下降嚴重，本文通過Altair拓撲優化模塊對轉向系統進行焊縫優化，找出關鍵焊縫，在實際焊接過程中控制關鍵焊縫的焊接質量，以此達到控制轉向系統性能衰減的因素。
1有限元模型建立
轉向系統由多個子系統組成，其整體剛度是轉向柱、安裝支架和儀表板橫梁集中體現的。轉向系統各部件之間主要通過焊縫和螺栓連接，所以焊縫的焊接質量對轉向系統性能的影響是至關重要的。為了縮減優化計算量，本文僅在單獨轉向系統中進行分析和優化，具體如圖1所示。
展開 轉向系統一般分為轉向操縱機構和轉向傳動機構。通常轉向系統的強度校核針對的是轉向傳動機構。轉向傳動機構指的是轉向搖臂、轉向直拉桿、轉向節臂、梯形臂和轉向橫拉桿等。
轉向結構
轉向縱拉桿一般要求小質量大剛度，通常縱拉桿應為直拉桿，但是考慮到布置要求，多數情況下縱拉桿為彎桿，這樣使得縱拉桿縱向剛度降低。
直拉桿一般按照壓桿穩定性校核
彎拉桿應計算彎曲應力和拉壓應力，合成后校核強度
常用工況
按原地阻力距計算，分為原地轉向，左右轉向工況。
極限工況
按轉向輪限位，轉向器輸出最大轉矩計算，分為左右轉向工況。
一般根據設計參數，利用材料力學公式，可以計算得到轉向縱拉桿的危險截面應力。理論計算結果如下所示。
理論計算
通常有限元的分析結果中的危險截面處的應力值要大于理論計算，這是因為理論計算忽略了桿的彎曲變形等因素，其應力相比仿真會小些。
來源：有限元探索
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· 專業領域模塊：
o Adams/Car：汽車行業專屬，快速搭建整車、懸架、轉向、制動系統模型，適配新能源汽車電池包、電驅動總成仿真。
Adams/Machinery：機械傳動專用，覆蓋齒輪、軸承、皮帶、鏈條等傳動部件的剛柔耦合仿真。
o
o Adams/Flex：柔性體分析模塊，結合有限元法模擬部件彈性變形，適配精密機械、航空結構的振動與應力分析。
、自動轉向技術、自適應巡航控制系統、泊車輔助系統（ PLA）、 ABS/ASR/ESP集成控制系統、 自適應巡航控制系統(ACC)、 胎壓監控系統(TPMS)、可調阻尼控制系統（ ADC）、車道偏離和駕駛警示系統 、自動緊急制動系統（ AEB）、電子駐車（ APB）、輪轂電機；傳動系統；轉向系統；制動系統；行駛系統；底盤部件加工工藝設備與材料。
8、汽車底盤系統：底盤集成、底盤線控系統、自動轉向技術、 自適應巡航控制系統、 泊車輔助系統（ PLA）、 ABS/ASR/ESP集成控制系統、 自適應巡航控制系統(ACC)、 胎壓監控系統(TPMS)、可調阻尼控制系統（ ADC）、車道偏離和駕駛警示系統 、自動緊急制動系統（ AEB）、電子駐車（ APB）、輪轂電機；傳動系統；轉向系統；制動系統；行駛系統；底盤部件加工工藝設備與材料。
新能源與電子電氣架構(EV & EE Architecture)
三電系統：電池管理系統(BMS)、電機控制器、電動控制系統、線控制動/轉向系統。
電子電氣架構：Zone-based架構、高壓配電單元。
11:40-12:25 | 熱力耦合仿真在汽車電子助力轉向(EPS)電控單元(SCU)可靠性中的應用
演講嘉賓：汪兵兵｜博世華域轉向系統有限公司 硬件仿真主管
致力于通過仿真對轉向系統電磁、EMC、電子散熱、可靠性進行正向設計，具有十二年的仿真工程經驗。目前主要負責BHSS電子電氣硬件相關的仿真工作，帶領團隊解決熱可靠性、EMC可靠性問題。
<p>?</p><p>球頭銷總成是汽車轉向系統和懸掛系統的一個重要部件，裝在轉向拉桿或控制臂上，與轉向和懸掛部件連接。它主要由球座、卡箍、防塵罩、壓板和球銷組成，其中最關鍵的零件為防塵罩，其性能影響到車輛的安全性和操縱性。防塵罩材料為橡膠，在使用過程中會發生很大的彈性變形。
大眾汽車推進自動轉向發展
大眾汽車希望在開發先進的電動助力轉向（EPS）系統的過程中，跟上快速變化的汽車行業格局以及向自動駕駛的發展步伐。該公司依靠Ansys軟件快速了解EPS性能和安全性，以滿足需求閾值，同時進一步提高該品牌聞名遐邇的精確性、響應性處理能力。通過本文了解大眾汽車和Ansys如何攜手利用全新的汽車工作流程滿足電動助力轉向需求。
Westerberg說：“我們與Ansys的合作幫助我們從自動化轉向閉環自主系統，這不僅減少了人工干預，而且還提高了一致性。通過將Ansys仿真技術融入實時控制系統，我們可確保維護關鍵質量指標（例如壓延過程的電極厚度與密度），最大限度減少浪費。”
如今，Ansys Twin Builder軟件還在幫助制造商應對巨大的復雜安全挑戰。
單獨懸架系統平跳仿真沒有問題，加入轉向系統后就出問題，錯誤日志如下
Reading in property files...
Reading of property files completed.
Setting up assembly for analysis of loadcase: 'parallel_travel'...
（組委會）陸亮（組委會）138（組委會）1821（組委會）9172（組委會）
參展范圍：
1.車輛及零部件：高速動車組；動車檢測車；內燃機車；城市軌道交通車輛（地鐵、輕軌、單軌列車）、現代有軌電車；中低速及高速磁懸浮列車；PRT（個人捷運列車）；真空運輸系統；各類新型運輸系統及貨運機車等；轉向架、制動系統、車體、車門、連接系統、車鉤、通風系統、照明系統、鎖閉系統、輪對、潤滑系統；復合材料
