车辆工程毕业设计（论文）液压式四轮转向系统设计【全套图纸】

黑龙江工程学院本科生毕业设计I摘要四轮转向是指汽车的后轮也和前轮一样具有一定的转向功能，不仅可以与前轮同方向转向，也可以与前轮反方向转向。四轮转向汽车的环保性和节能性与现代汽车的设计理念相吻合，它适应汽车未来发展的趋势，存在广阔的发展前景。本文对液压式四轮转向系统进行了研究，主要工作如下：对课题进行了文献检索，查看了相关资料；对国内外四轮转向汽车的研究现状进行了详细的介绍，明确了设计的基本内容及需解决的主要问题；对四轮转向系统进行了分析，包括受力分析和运动学分析；设计了三种四轮转向汽车的转向液压系统方案，经过对比分析，选定其中一种作为最终的液压式四轮转向系统方案；确定该方案中液压系统的参数；对该方案中液压系统的液压缸进行设计和计算；对该方案中液压系统的液压元件进行选取。全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706关键词：四轮转向；系统分析；液压系统；液压缸；液压元件黑龙江工程学院本科生毕业设计II黑龙江工程学院本科生毕业设计IIIABSTRACTFour-wheel steering refers to the rear car and has some of the same front steering function, can not only with front wheel steering, also can in opposite direction with front wheel steering. Four-wheel steering the environment protection and energy conservation car with modern car design idea coincide, it to adapt to automobile future development trends, existing broad development prospects. Based on the hydraulic four-wheel steering system and main work is as follows: On issues of literature retrieval, examined the related material; To domestic and international research status of four-wheel steering cars were introduced in detail, has been clear about the design of the basic content and the main problems need to be solved; For four-wheel steering system is analyzed, including stress analysis and kinematics analysis; Design three four-wheel steering automobile steering hydraulic system scheme, through comparative analysis, select one as the final the hydraulic four-wheel steering system solution; To determine this scheme hydraulic system parameters; For this scheme of the hydraulic cylinder hydraulic system design and calculation; For this scheme of the hydraulic system for selecting hydraulic element. Key words: Four-wheel steering; System analysis; Hydraulic system; The hydraulic cylinder; Hydraulic components 黑龙江工程学院本科生毕业设计目录摘要.IABSTRACT.II第 1 章 绪论.11.1 选题的背景及目的.11.2 国内外研究现状.11.3 设计的基本内容.51.4 设计解决的主要问题.6第 2 章 四轮转向汽车转向系统分析.72.1 前轮转向汽车与四轮转向汽车车轮运动学分析对比.72.1.1 前轮转向汽车车轮运动学分析.72.1.2 四轮转向汽车车轮运动学分析.72.2 四轮转向汽车受力分析.92.3 本章小结.10第 3 章 四轮转向汽车转向液压系统方案的确定.113.1 四轮转向汽车转向液压系统方案一.113.2 四轮转向汽车转向液压系统方案二.123.3 四轮转向汽车转向液压系统方案三.133.4 四轮转向汽车转向液压系统方案的确定.143.5 本章小结.15第 4 章 转向液压缸的设计与计算.164.1 设计的主要技术指标和要求.164.2 转向液压缸的主要尺寸的确定.164.2.1 转向液压缸内径及活塞杆直径的确定.164.2.2 转向液压缸外径及缸筒壁厚的确定.184.2.3 转向液压缸导向长度、活塞宽度和导向套滑动面长度的确定.184.2.4 转向液压缸所受压力的确定.184.2.5 转向液压缸最大流量和最大速度的确定.19黑龙江工程学院本科生毕业设计4.2.6 液压缸缸筒底部厚度的确定.194.2.7 液压缸活塞往复运动时的速度之比的确定.204.2.8 液压缸活塞行程时间的确定.204.2.9 液压缸所做的功和功率的确定.214.3 液压缸强度的校核.214.3.1 缸筒壁厚强度校核.214.3.2 活塞杆强度校核.224.4 本章小结.22第 5 章 液压元件的选取.235.1 液压泵的选择.235.1.1 计算液压泵的最大工作压力.235.1.2 计算液压泵的最大流量.235.1.3 液压泵规格的选择.235.1.4 计算液压泵的驱动功率并选择电动机.245.2 液压执行元件的选择.245.2.1 液压缸的选择.245.2.2 液压马达的选择.245.3 液压控制阀的选择.255.4 液压辅助元件的选择.255.4.1 油箱的选择.255.4.2 油管和油管接头的选择.255.4.3 蓄能器的选择.265.4.4 液压工作介质、过滤器和压力表的选择.275.5 本章小结.27结论.28参考文献.29致谢.30附录 A.31附录 B.37黑龙江工程学院本科生毕业设计1第 1 章 绪论1.1 选题的背景及目的随着汽车技术的发展，汽车行驶速度的提高及道路行使密度的增大，作为实现主动安全性的方法之一的四轮转向技术日益受到重视。四轮转向的主要优点是在转向时能够保持重心偏角基本为零，极大地改善了横摆角速度和侧向加速度的瞬态性能指标。另外低速时能够减小汽车的转弯半径，使汽车在低速行使时更加灵活，而且还能独立地控制汽车的运动轨迹与姿态，使方向角与姿态角重合，提高汽车的侧向稳定性；高速行驶时同相位转向，方向盘到后轮产生转弯力的时间相对滞后，使车身方向与实际行驶方向的偏差减小，从而具有较好的稳定感。近几年，载货车和专用作业车的吨位逐渐增大，有的总重量已超过 30t，汽车车轴由两轴增加多轴，因而工程机械操纵的灵活性和稳定性要求显得越来越重要。在电子技术不断提高，控制理论不断完善的前提下，开展四轮转向技术的研究已是众多汽车厂商能否占有市场的关键。四轮转向技术是未来重型汽车转向灵活性的发展趋势，在高速发展的现代化社会，高的机械效率和低的能量消耗在汽车设计中具有很重要的地位。四轮转向汽车与现代化的设计理念相吻合，即它的环保性和节能性，它适应汽车发展的趋势，存在广阔的市场前景。本课题旨在对汽车四轮转向系统的组成和结构原理进行简单介绍，结合发展现状，给出电液控制式四轮转向液压系统的设计过程，为设计开发四轮转向系统提供参考依据。1.2 国内外研究现状所谓四轮转向，即 4WS(4 Wheel Steering)，是指后轮也和前轮一样具有一定的转向功能，不仅可以与前轮同方向转向，也可以与前轮反方向转向。其主要目的是增强轿车在高速行驶或在侧向风力作用下的操纵稳定性，改善低速时的操纵轻便性，在轿车高速行驶时便于由个车道向另一个车道的移动调整，以减少调头时的转弯半径。汽车的四轮转向系统在 20 世纪 80 年代中期开始发展，四轮转向主要有两种方式：当后轮转向与前轮转向方向相同时称为同向位转向；当后轮转向与前轮转向方向相反时称为逆向位转向。四轮转向技术目前被很多公司所采用，其中大多应用在了大型车辆上，也有一些 SUV 以及跑车具有四轮转向的功能。配备四轮转向之后，车辆可以减少转弯半径、提高低速行驶时的机动性以及高速行驶时的操纵性和可控制能力。我们以黑龙江工程学院本科生毕业设计2德尔福公司的 OUADRASTEER 四轮转向系统为例对四轮转向进行介绍，它也是目前最为先进的四轮转向系统之一。OUADRASTEER 是在传统的前轮转向基础上增加了一个电动盾轮转向系统。系统有四个主要部件前轮定位传感器、可转向的整体准双曲面后轴、电动机驱动的执行器以及一个控制单元。前轮定位传感器和车辆速度传感器连续不断地向控制单元报告数据，控制单元根据报告的数据确定后轮合适的角度。通过计算，决定正确的操作阶段。该系统有三种主要运行方式：负相、中相、正相。低速行驶时后轮转弯方向与前轮相反，这就是负相。中速行驶时，后轮笔直而保持中相。高速行驶时。后轮处于正相，和前轮转弯方向相同。在低速行驶时，负相拖曳操纵，尾部跟随车辆的真实轨迹，比两轮转向更紧密。这使得在城市交通中的驾驶更容易。低速操纵时，如倒车上船板或野营带拖车停车时，OUADRASTEER 将使操纵更容易。倒拖车时。负相极大地改进拖车对转向动作的反应，更容易使车辆就 QUADRASTEER 提高了车辆的高速行驶平稳性。高速行驶时后轮和前轮的转向相同，有助于减少车辆侧滑或扭摆，对平衡车辆在超车、变道、或躲避不平路面时的反应均有帮助。此外，OUADRASTEER 和四轮驱动系统也可以完全兼容，并能提高四轮驱动系统的性能，根据制造厂商的要求，既能由驾驶员选择，又能实现全自动化。比如，使用选择界面，驾驶员就能调节不同驾驶条件下后轮转向的性能。选择模式包括一个一般驾驶，个拖车拖运，个两轮转向。如果四轮转向系统损坏的话。QUADRSEER 系统还可控制回到正常两轮转向模式。4WD 可以兼容 4WS，但是功能不同，但是有重合，起到的作用，设计的目的也不是很相同，4WS 是对车的状态的调整，还具有减少侧风对车身的影响。近几年国内外都在积极开展四轮转向技术。从英国利兰公司 1934 年开始生产四轴载货汽车算起，至今已有 60 多年的历史。然而在一些工业发达国家却由于法规方面的原因，在相当长的时间内一直不允许使用四轴车，在这方面较为典型的例子是原联邦德国和美国。因此也就限制了四轴汽车的发展。但是由于四轴汽车比三轴和两轴汽车装载质量大，有利于改善交通拥挤状况，1985 年原联邦德国巴特勒研究所建议将四轴汽车作为改善交通流量的载货汽车,1989 年本茨公司生产了 1320 辆四轴汽车，具有 90 年代先进水平。四轴汽车的转向灵活性差，于是有了双前轴转向汽车。进入20 世纪 90 年代，电子技术的高速发展和微电脑在汽车上应用日趋成熟，使汽车开始进入智能化阶段。1985 年日产汽车公司推出世界上第一套用于轿车的四轮转向系统（电子控制液压工作式） ，并把它命名为“高性能主动悬挂” 。同时本系统增加了滞后控制，即让后轮转向时间比前轮稍微延迟一些。这种控制方法的应用避免了后轮和前轮在同一时间内做同相位转向时后轮防碍车身旋转的情况，消除了转弯开始时汽车偏黑龙江工程学院本科生毕业设计3摆的滞后，得到自然的转向反应性。 “高性能主动悬挂”是四轮转向系统控制方法的一次突破。新的控制理论不断地与四轮转向技术相结合，例如自适应控制，模糊控制，最优控制，神经网络控制以及模糊神经网络控制，使得四轮转向技术设计理念模块化，智能化。日产汽车公司之四轮转向系统(HICAS)(Irie，1989；Furukawa，1989)利用后轮先中立再同相位转向之车辆重心侧滑角控制方法，此四轮转向系统包括：侦测车速及方向盘转动量之传感器、接受车速及方向盘转动量之输入以计算后轮转角大小之控制器、液压系统及安全装置。当控制器接受车速及方向盘转动量之输入时，会立即经控制器计算出后轮所需之转角后，传送讯号至液压系统，进而推动后轮至所要求之转角。日产汽车公司之后又研发出利用后轮先逆向立转向再同相位转向之四轮转向系统(SUPERIdlCAS)(Egudli，1989)。此四轮转向系统系利用控制器接受车速传感器及方向盘转角传感器之讯号来计算出后轮所需之转角，继而使液压系统推动后轮转向，而此四轮转向车辆之后轮转角最多只可达到 1 度。此四轮转向系统亦配有安全装置，当四轮转向车辆因液压系统或控制器发生故障时，安全装置会令后轮恢复至中立转向，使车辆回复至一般前轮转向车辆之操作，以免造成行车之危险。从 20 世纪初(1907 年)，日本政府颁发第一个关于四轮转向的专利证书开始，对于汽车四轮转向的研究一直伴随着汽车工业的发展而进行着。二战期间，美国的一些军用车辆和工程车辆上采用一种前、后轮逆相位偏转的简单机械式四轮转向系统，以适应恶劣的路况，改善汽车低速转向时的机动性能。1962 年，在日本汽车工程协会的技术会议上，提出了后轮主动转向的四轮转向技术，开始了现代四轮转向系统的研究。在 70 年代末，本田和马自达积极投入到四轮转向的开发。1985 年，日本的尼桑在客车上应用了世界上第一例实用的四轮转向系统，应用在一种车型的高性能主动控制悬架上。随着对四轮转向这一领域研究的不断进展，出现了多种不同结构形式、不同控制策略的实用四轮转向系统。一般来说，四轮转向汽车在转向过程中，根据不同的行驶条件，前、后轮转向角之间应遵循一定的规律。目前，典型四轮转向汽车的后轮偏转规律是：(1)逆相位转向在低速行驶或者方向盘转角较大时，前、后轮实现逆相位转向，即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相反，且偏转角度随方向盘转角增大而在一定范围内增大(后轮最大转向角一般为 5左右)。这种转向方式可改善汽车低速时的操纵轻便性，减小汽车的转弯半径，提高汽车的机动灵活性。便于汽车掉头转弯、避障行驶、进出车库和停车场。(2)同相位转向黑龙江工程学院本科生毕业设计4在中、高速行驶或方向盘转角较小时，前、后轮实现同相位转向，即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相同(后轮最大转角一般为 1左右)。使汽车车身的横摆角速度大大减小，可减小汽车车身发生动态侧偏的倾向，保证汽车在高速超车、进出高速公路、高架引桥及立交桥时，处于不足转向状态。现在，有许多四轮转向汽车把改善汽车操纵性能的重点放在提高汽车高速行驶的操纵稳定性上，而不过分要求汽车在低速行驶时的转向机动灵活性。其工作特点是低速时汽车只采用前轮转向，只在汽车行驶速度达到一定数值后(如 50kmh)，后轮才参与转向，进行同相位四轮转向。与普通的前轮转向汽车相比，四轮转向汽车具有如下特点：优越性：(1)转向操作的响应加快，准确性提高；(2)转向操作的机动灵活性和行驶稳定性提高；(3)抗侧向干扰的稳定性好；(4)超车时，变换车道更容易，减小了汽车产生摆尾和侧滑的可能性。不足性：(1)低速转向时，汽车尾部容易碰到障碍物；(2)实现理想控制的技术难度大；(3)转向系统结构复杂、成本高；(4)转向过程中，阿克曼定理难保证。进入上世纪九十年代，随着电子工业的发展，使得电子技术广泛应用于提高车辆总体性能上，尤其是改善车辆操纵稳定性方面，加上现代控制理论的应用，以及计算机模拟仿真技术的融入，使得 4WS 发展更加成熟、应用更为广泛在工程机械领域，由于工程车辆行走条件以及自身总体布置等要求，需要的车辆行驶速度可以很低，但转向的功能要求很高，所以普通两轮转向车辆难以实现。由于四轮转向车辆的转弯半径明显小于前轮转向车辆(最高时可以缩小一半)，使工程车辆在狭窄场地具有良好的通过性。四轮转向已在从国外引进的工程车辆上得到实际应用，如美国 CMI Terex 的四履带水泥摊铺机 SF-3004 和美国 Case 公司的 560 挖沟机等。其转向系统主要采用SAUER 公司提供的电液转向系(EHPS)。基本的转向系由先导阀和电液转向组合阀块组成，组合阀块控制输出到转向缸的油流与先导阀的输人油流成正例。此系统还可用控制手柄实现电子信号输入，以及加入微控制器实现电子信号输入。电液转向系的优点：很高的转向压力只需要较小的转向液压缸；辅助阀的低压可以降低系统的噪声；当泵失效时可以实现手动紧急制动；降低车辆的侧偏加速度：微控制器可以实现无转向漂流，可变转向比，自动转向，以及 CAN 总线接口等。纵观工黑龙江工程学院本科生毕业设计5程机械的发展，在技术上大致经历了三次革命：柴油机的出现、液压技术的广泛应用以及电子技术，尤其是计算机技术的广泛应用。要使工程机械高效节能，就要对发动机和传动系统进行控制，合理分配功率，使其处于最佳工况；为了减轻驾驶员劳动强度和改善操纵性能，需要采用自动控制，实现工程机械自动化；要完成高技能的作业，就需要智能化；为了提高安全性，需要安全控制，进行运行状态监视，故障自动报警；随着建设领域的扩展，为了避免人员到达无法及不易接近的场所及作业环境十分恶劣的地方去作业，需要采用远距离遥控和无人驾驶技术。这一切都说明了工程机械当前的主要问题是控制问题。要解决控制问题，必须引人具有良好控制性能和信息处理能力的电子技术、传感器技术和电液控制技术以及相应的软件控制技术为一体的先进的控制器。基于四轮转向的发展方向，目前国内外的公司对于四轮转向机构的控制主要采用的是数字控制，这是鉴于数字控制的很多优点：程序化控制，控制器按照所设计的控制规律进行运算和数字信息的处理，主要通过程序(即软件)来实现，若改变控制规律只需改变软件，而不必改变系统的硬件结构：控制精度高，在模拟控制系统中，控制器的精度由元件的精度而定，数字控制器精度由字长决定；稳定性好；软件复用，在模拟系统中，需用相同的硬件环境实现，数字控制器是程序控制，只需要设计和编写实现其模型的子程序模块，即可方便地实现多个功能的环节。目前各个厂家大多采用的是 PLC、单片机应用于四轮转向控制器中，功能基本能够实现，相比较之下。信号处理能力较强的数字信号处理器(DSP)各方面均性能优于以上三种处理器。DSP(Digital Signal Processor)是新世纪数字化革命的核心。它是一种独特的微处理器，具有可编程性，且实时运行速度远远超过通用微处理器。强大的数据处理能力和高速的运行速度，是 DSP 最值得称道的两大特色。DSP 芯片是一种特别适合进行数字信号处理的微处理器。它强调运算处理的实时性，因此除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制功能外，主要针对实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统和数据流程上做了很大的改动。它具有灵活、精确、可靠性好、体积小、功耗低和易于大规模集成等优点。1.3 设计的基本内容1确定四轮转向液压系统方案2各液压回路的设计3绘制液压系统图4绘制压力控制回路图5绘制流量控制回路图黑龙江工程学院本科生毕业设计66绘制方向控制回路图1.4 设计解决的主要问题1. 四轮转向汽车的系统分析2. 通过各种方案的对比确定四轮转向液压系统的最优方案3. 转向液压缸的设计4. 液压系统的液压元件的选取5. 绘制液压系统图及相应液压回路图 黑龙江工程学院本科生毕业设计7第 2 章 四轮转向汽车转向系统分析2.1 前轮转向汽车与四轮转向汽车车轮运动学分析对比2.1.1 前轮转向汽车车轮运动学分析图 2.1前轮转向示意图如图 2.1 所示，O 点就是该车辆的转向轴线或转向中心。从转向轴线 O 到车辆的纵向对称面的距离为 R，称为车辆转弯半径。如图中所示，轮式车辆转向时内外导向轮对于车辆本身是不相等的，即 a 和 b，这两个角的对应关系如式 （2.1）LNMctgb （2.2）LNctg式中M两侧主销中心距离；L前后轮距；由上式可以得出当内轮转为时，外轮转角 （2.3）LMctgarcctgb2.1.2 四轮转向汽车车轮运动学分析如图 2.2 所示，如果前桥主销之间距离等于后轮两主销之间的距离时，即1M2M （2.4）21MMM黑龙江工程学院本科生毕业设计8图 2.2四轮转向示意图则有： （2.5）1111LMctgctgb （2.6）2222LMctgctgb （2.7）1221LLctgctg式中、两侧主销中心距离；1M2M、后轮到转向中心线的轴向距离；1L2L当前、后桥两主销之间的距离不相等时，时，要满足通过各个车M221LLL轮几何轴线的垂直平面都应相交于同一条直线上，则 （2.8）LMMctgctg1212由上式可得：与的差值越大，与也越大。而当转向轮偏角较大时，1M2M12前后轮的瞬时转向中心就不会重合，其差值随着与差值的增大而增大，使机械在1M2M转向半径较小时，转向轮产生一定的滑移。因此应尽量减小与的差值，最好相1M2M等。在此选择二者相等，由此可得： （2.9）21黑龙江工程学院本科生毕业设计9 （2.10）LMctgarcctgb21 （2.11）21bb 2.2 四轮转向汽车受力分析图2.3四轮转向汽车车体受力分析图车辆在行驶中的受力如图2.3所示。图中x，y为车体坐标；X，Y为路面坐标；上面为车体俯视图；左下角为车体侧面；右下角为车轮路面对轮胎的横向力和，yfFyrF纵向力是和，垂直方向的力是和。这里下标f和r分别代指前后轮。车体xfFxrFzfFzrF的动力学方程为： （2.12）rVVmFFFFxyrxrryrfxffyfsincossincos （2.13）rVVmFFFFyxryrryrfyffxfsincossincos （2.14）rIFFLFFLzrxrryrrfxffyffsincossincos式中车身质量；m黑龙江工程学院本科生毕业设计10、车身沿x，y轴速度；xVyVr车身旋转角速度；、一前后轮转角；fr、一车身质点到前后轮的距离；fLrL转动惯量；zI当车辆在原地转向时，其系统质心不动；故和以及r均为0，此时系统可简xVyV化为一单自由度的模型。动力学方程为： （2.15） niizzFMdtdaJ1即： （2.16）21MMaJz式中 转动惯量；zJ 转角加速度；a转向力矩；1M摩阻力距；2M2.3 本章小结本章对四轮转向汽车转向系统进行了分析，对比了前轮转向汽车与四轮转向汽车车轮运动学分析，并对四轮转向汽车进行了受力分析。黑龙江工程学院本科生毕业设计11第章 四轮转向汽车转向液压系统方案的确定3.1 四轮转向汽车转向液压系统方案一图 3.1四轮转向汽车转向液压系统图如图 3.1 所示，四轮转向汽车转向液压系统方案一的结构组成和工作原理如下:结构组成：油箱、过滤器、液压泵、电动机、先导型电磁溢流阀、调速阀、压力表、压力表开关、蓄能器（以上均使用一个） 、两个三位四通电液比例换向阀、八个单向阀、四个同步阀、四个液压缸。工作原理：同步阀和一对转向液压缸组成前、后轮转向执行机构，通过两个电液比例换向阀控制前、后轮转向执行机构实现车轮转向，前、后轮转向机构用同步阀来实现两个转向液压油缸的同步。当电液比例换向阀位于左位时，液压泵供油经电液比例换向阀、分流阀向两个液压缸无杆腔输入等量的油液，两液压缸的活塞杆同步向外伸出，有杆腔的油液经单向阀及电液比例换向阀流回油箱；当电液比例换向阀右位工作时，液压泵供油经电液比例换向阀，分流阀向液压缸有杆腔输入等量的油液，两液压缸的活塞杆同步向内缩回，无杆腔的油液经单向阀及电液比例换向阀流回油箱。先黑龙江工程学院本科生毕业设计12导型电磁溢流阀设定系统的供油压力(基本可以保证在工作状态下，保持泵的出口压力恒定)。当方向盘发出转向指令后经过电位传感器向控制器输入电压信号，控制器经过计算、分析，向电液比例换向阀组施加电信号，电信号经过放大，控制电液比例换向阀的开口，通过电液比例换向阀来控制流入转向液压缸的流量与阀的开口成正比，从而控制转向液压缸活塞杆的伸长量，间接达到控制各个转向轮的偏转角度的目的。为了提高控制精度，四个转向轮上均装有非接触式霍尔效应传感器，并通过传感器把各轮的实际转角反馈给控制器，控制器再经过计算、分析，重新发出指令信号，纠正希望转角与实际转角的偏差。3.2 四轮转向汽车转向液压系统方案二图 3.2四轮转向汽车转向液压系统图如图 3.2 所示，四轮转向汽车转向液压系统方案二的结构组成和工作原理如下:结构组成：油箱、过滤器、液压泵、电动机、先导型电磁溢流阀、调速阀、压力表、压力表开关、蓄能器（以上均使用一个） 、两个三位四通电液比例换向阀、两个同步阀、四个二位三通换向阀、四个平衡阀、四个液压缸。工作原理：同步阀和一对转向液压缸组成前、后轮转向执行机构，通过两个电液比例换向阀控制前、后轮转向执行机构实现车轮转向，前、后轮转向机构用同步阀来实现两个转向液压油缸的同步。当电液比例换向阀位于左位时，液压泵供油经电液比黑龙江工程学院本科生毕业设计13例换向阀、同步阀和平衡阀向两个液压缸无杆腔输入等量的油液，两液压缸的活塞杆同步向外伸出，有杆腔的油经二位三通换向阀和电液比例换向阀流回油箱；当电液比例换向阀右位工作时，液压泵供油经电液比例换向阀、分流集流阀（同步阀）和平衡阀向液压缸有杆腔输入等量的油液，两液压缸的活塞杆同步向内缩回，无杆腔的油经二位三通换向阀和电液比例换向阀流回油箱。当系统中转向执行机构出现不同步的时候，运行较快的液压缸排除的油会通过二位三通换向阀向另一相连的液压缸补油，纠正同步阀产生的同步误差。平衡阀起平衡支撑的作用。先导型电磁溢流阀设定系统的供油压力(基本可以保证在工作状态下，保持泵的出口压力恒定)。当方向盘发出转向指令后经过电位传感器向控制器输入电压信号，控制器经过计算、分析，向电液比例换向阀组施加电信号，电信号控制经过放大控制比例阀的开口，同时泵经溢流阀向系统提供恒压油流，通过电液比例换向阀组来控制流入转向液压缸的流量与阀的开口成正比，从而控制转向液压油缸活塞杆的伸长量，间接达到控制各个转向轮的偏转角度的目的。为了提高控制精度，四个转向轮上均装有非接触式霍尔效应传感器，并通过传感器把各轮的实际转角反馈给控制器，控制器再经过计算、分析，重新发出指令信号，纠正希望转角与实际转角的偏差。3.3 四轮转向汽车转向液压系统方案三图 3.3四轮转向汽车转向液压系统图黑龙江工程学院本科生毕业设计14如图 3.3 所示，四轮转向汽车转向液压系统方案三的结构组成和工作原理如下:结构组成：油箱、过滤器、液压泵、电动机、先导型电磁溢流阀、调速阀、压力表、压力表开关、蓄能器（以上均使用一个） 、两个三位四通电液比例换向阀、四个同步液压马达、八个单向阀、两个溢流阀、四个二位四通换向阀、四个液压缸。工作原理：两个同步马达、两个二位四通换向阀和两个转向液压缸组成前、后轮转向执行机构，通过两个电液比例换向阀控制前、后轮转向执行机构实现车轮转向，前、后轮转向机构用同步马达来实现两个转向液压油缸的同步。当电液比例换向阀位于右位时，液压泵供油经电液比例换向阀、两个同步液压马达和两个二位四通换向阀向两个液压缸无杆腔输入等量的油液，两液压缸的活塞杆同步向外伸出，有杆腔的油液经二位四通换向阀和电液比例换向阀流回油箱；当电液比例换向阀左位工作时，液压泵供油经电液比例换向阀、两个同步液压马达和两个二位四通换向阀向液压缸有杆腔输入等量的油液，两液压缸的活塞杆同步向内缩回，无杆腔的油液经二位四通换向阀和电液比例换向阀流回油箱。当系统中转向执行机构出现不同步时，运行较快的液压缸多余的油经单向阀和溢流阀流回油箱；当由于某只液压缸运行较慢致使它所在的油路发生真空时，由它所连接的单向阀经油箱吸油对其所在的油路进行补油。先导型电磁溢流阀设定系统的供油压力(基本可以保证在工作状态下，保持泵的出口压力恒定)。当方向盘发出转向指令后经过电位传感器向控制器输入电压信号，控制器经过计算、分析，向电液比例换向阀组施加电信号，电信号控制经过放大控制比例阀的开口，同时泵经先导型电磁溢流阀向系统提供恒压油流，通过电液比例换向阀组来控制流入转向液压缸的流量与阀的开口成正比，从而控制转向液压缸活塞杆的伸长量，间接达到控制各个转向轮的偏转角度的目的。为了提高控制精度，四个转向轮上均装有非接触式霍尔效应传感器，并通过传感器把各轮的实际转角反馈给控制器，控制器再经过计算、分析，重新发出指令信号，纠正希望转角与实际转角的偏差。3.4 四轮转向汽车转向液压系统方案的确定上述三个方案中，方案一中，分流阀和一对转向液压油缸组成前、后轮转向执行机构，通过两个流量比例控制阀控制前、后轮转向执行机构实现车轮转向，前、后轮转向机构用分流阀来实现两个转向液压油缸的同步。本文使用的转向执行机构采用单活塞杆转向液压油缸，单活塞杆转向液压油缸有杆腔和无杆腔的面积不相等，因此单活塞杆双作用油缸在伸出和缩进时工作特性不一致。方案一中同步阀首先在两个转向液压油缸之间分配流量，确保转向液压油缸在静态时同步，当四轮转向汽车在运动过程中转向时，车轮负载会发生变化且同步阀响应速度比较慢，执行机构动态性能不理想，较容易产生同步误差。方案二与方案三作比较，由于方案三中有四只二位四通换黑龙江工程学院本科生毕业设计15向阀，他们可以改变四个转向液压缸油液的流动方向，使四只液压缸活塞杆既可以同时同步运行，也可以根据需要各自运行，可以使汽车实现纵向行驶、横向行驶、纵向45 度行驶、横向 45 度行驶等多种行驶方式，所以方案三的转向方式更多、实用性更强、控制精度更高、响应速度更快，所以最终选定方案三作为本次设计的液压式四轮转向系统方案。3.5 本章小结本章列出了四轮转向汽车液压系统的三种方案，并分别介绍了三种方案中液压系统的结构组成和工作原理，通过对四轮转向汽车转向液压系统的三种方案进行对比分析，最终选定方案三作为本次设计的液压式四轮转向系统方案。黑龙江工程学院本科生毕业设计16第章 转向液压缸的设计与计算4.1 设计的主要技术指标和要求1.车自重 17 吨，总重量 30 吨；2.液压缸行程 L=250mm、负载力 F=24000N、液压泵供油压力=20MPa。nP4.2 转向液压缸的主要尺寸的确定4.2.1 转向液压缸内径 D 及活塞杆直径 d 的确定（a）无杆腔进油 （b）有杆腔进油图 4.1 液压缸主要设计参数如图 4.1 所示可得：无杆腔为主工作腔 （4.1）mFAPAP/max2211有杆腔为主工作腔 （4.2）mFAPAP/max1221 （4.3）4/21DA （4.4）4/ )(222dDA式中主工作腔压力，Pa；1P 回油腔压力，Pa；2P 无杆腔活塞的有效面积，；1A2m液压缸有杆腔活塞的有效面积，；2A2mD、d液压缸活塞直径、活塞杆直径，m；黑龙江工程学院本科生毕业设计17液压缸的最大负载力，N；maxF液压缸机械效率，一般取=0.900.97；mm通常，液压缸以无杆腔作为主工作腔，即活塞杆受压工作，活塞面积为 （4.5）)(12211APFPAm表 4.1 按工作压力选取杆径比Dd工作压力/MPa5.05.07.07.0d/D0.50.550.620.700.7已知液压泵供油压力 P=20Mpa7.0Mpa，所以由表 4.1 可取 d/D=0.7则转向液压缸无杆腔直径 D 得： （4.6）22114PPFD假设回油口压力为零，可得： （4.7）mdDPF)(4221由上式可得转向液压缸内径 D：D=57mm （4.8）则活塞杆直径 d=0.7D=570.7=39.9mm （4.9）表 4.2 液压缸内径系列和活塞杆直径系列液压缸内径系列（GB/T2348-1993）/mm8、10、12、16、20、25、32、40、50、63、80、90、100、110、125、140、160、180、200、220、250、280、320、360活塞杆直径系列（GB/T2348-1993）/mm4、5、6、8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、32、36、40、45、50、56、63、70、80、90、100、110、125、140、160、180、200、220、250、280、320、360液压缸内径 D 和活塞杆直径 d 的最终确定值按上表就近圆整为标准值，以便选取标准缸或自行设计缸时采用标准的密封件，所以由表 4.2 可取转向液压缸内径 D=63mm 活塞杆直径 d=40mm黑龙江工程学院本科生毕业设计184.2.2 转向液压缸外径及缸筒壁厚的确定1D表 4.3 液压缸缸筒外径与缸筒内径和额定压力的关系缸筒内径 D额定压力/MPa40506380100125140材料工程液压缸缸筒外径1D162025325050505460606063.576768383959510210212112112112714614615215216816816816820454545已知额定压力 P=20 MPa，缸筒内径 D=63mm，所以由表 4.3 可知转向液压缸的缸筒外径可取 76，即=76mm1D1D则可知转向液压缸的缸筒壁厚 mmDD5 . 62637621（4.10） 由表 4.3 也可知所选尺寸的液压缸的材料是 45 钢4.2.3 转向液压缸导向长度 H、活塞宽度 B 和导向套滑动面长度 A 的确定转向液压缸导向长度 H44mm 初选 H=44mm26320250220DL转向液压缸活塞宽度 B=（0.61.0）D=（0.61.0）63 初取 B=50mm转向液压缸导向套滑动面长度 A=（0.61.6）D=（0.61.6）63初取 A=63mm4.2.4 转向液压缸所受压力的确定油液作用在单位面积上的压强 （4.11）AFP 式中F作用在活塞上的载荷，N；A活塞的有效工作面积，；2m其中 1.864406314. 3422222xdDAA3102m F=24000N所以 （4.12MPaxAFP29. 11086. 1240003黑龙江工程学院本科生毕业设计19）最高允许压力，也是动态试验压力，是液压缸在瞬间所能承受的极限压力。maxP各国规范通常规定为MPaP5 . 1max耐压试验压力，是检查液压缸质量时所需承受的试验压力，即在此压力下不tP出现变形、裂缝或破裂。各国规范多数规定为MPaPt5 . 1所以可知计算所得的液压缸所受的压力符合要求4.2.5 转向液压缸最大流量和最大速度的确定液压缸的最大流量 （4.13）maxmaxAvq式中液压缸的最大速度，；maxvsm液压缸的有效面积，；A2m其中 1.86 （4.144406314. 3422222xdDAA3102m）液压缸的最大流量可估算为第 5 章 5.1.2 中计算所得的液压泵的最大流量，maxqpq即=3.6或 0.06 maxqpqminLsm3310（4.15） 所以 （4.1603. 01086. 11006. 033maxmaxxxAqvsm）4.2.6 液压缸缸筒底部厚度的确定缸筒底部为平面时，其厚度可按照四周嵌入的圆盘强度公式进行近似的计算1 （4.17）ppD21433. 0式中筒内最大工作压力，MPa；p黑龙江工程学院本科生毕业设计20 筒底材料许用应力，MPa；=，为材料抗拉强度，n 为安全ppnbb系数，一般取 n=5；计算厚度外直径，m；2D其中筒内最大工作压力约等于液压泵供油压力，即 =20 MPanPp 由于液压缸的材料是 45 钢，查表知 45 钢的材料抗拉强度为 600 MPa，所以=600 MPa， 所以 = MPa （4.18bp1205600nb） mm （4.195 .512406322dDD）式中D、d液压缸活塞直径、活塞杆直径，m；所以 （4.20mmpDp10. 912020 x51.5x433. 0433. 021）则初选 =10mm （4.211）4.2.7 液压缸活塞往复运动时的速度之比的确定液压缸活塞往复运动时的速度之比 （4.22222222212144dDDdDDAAvv）式中活塞杆伸出速度，；1vmin/m活塞杆缩回速度，；2vmin/mD液压缸活塞直径，；md活塞杆直径，；m黑龙江工程学院本科生毕业设计21所以 （4.2368. 1406363442222222222121dDDdDDAAvv）4.2.8 液压缸活塞行程时间的确定活塞杆伸出 （4.24321015xQSDt）活塞杆缩回 （4.253221015xQSdDt）式中Q流量，；minLS活塞行程，m；D缸筒直径，m；d活塞杆直径，m；其中 S=250mm Q =3.6minL所以 （4.26sxxxxxQSDt78. 0606 . 3102506314. 31510159232）（4.27sxxxxxQSdDt46. 0606 . 310250406314. 3151015922322）4.2.9 液压缸所做的功和功率的确定液压缸所做的功 （4.28FSW ）液压缸的功率 （4.29tWN ）黑龙江工程学院本科生毕业设计22式中F液压缸的负载力，N； S活塞行程，m； t活塞运动时间，s；其中 F=24000NS=250mm t=0.46+0.78=1.24s所以 （4.30JxxFSW600010250240003） （4.31WtWN71.483824. 16000）4.3 液压缸强度的校核4.3.1 缸筒壁厚强度校核由于10 所以缸筒壁厚按厚壁进行校核8 . 41363D （4.32 13 . 14 . 02yyPPD）式中 试验压力。当缸的额定压力16MPa 时，取=1.5；当yPnPyPnP16MPa 时，取=1.25；nPyPnPD缸筒内径；缸筒材料许用应力，=，为材料抗拉强度，n 为安全系 nbb数， 一般取 n=5；由于=20MPa16 MPa，所以取=1.25=1.2520=25 MPanPyPnP由于液压缸的材料是 45 钢，查表知 45 钢的材料抗拉强度为 600 MPa，所以=600 MPa， 所以= MPa b 1205600nb所以6.5= （4.33 29. 611.3x25-120 x254 . 012026313 . 14 . 02yyPPD）黑龙江工程学院本科生毕业设计23所以成立 13 . 14 . 02yyPPD所以缸筒壁厚强度符合要求4.3.2 活塞杆强度校核 （4.34 Fd4）式中 F活塞杆所受负载； 活塞杆材料许用应力，=，为材料抗拉强度，n 为安全系 nbb数，一般取 n=1.4； 由上面式子可知=428.57 MPa 4 . 1600nb所以 40=d （4.35 45. 857.42814. 32400044xxF）所以成立 Fd4所以活塞杆强度符合要求4.4 本章小结本章对转向液压缸进行了设计与计算，确定了转向液压缸的主要尺寸，包括转向液压缸内径 D 及活塞杆直径 d 的确定；转向液压缸外径及缸筒壁厚的确定；转向液压缸导向长度 H、活塞宽度 B 和导向套滑动面长度 A 的确定；液压缸缸筒底部厚度的确定；转向液压缸所受压力的确定；转向液压缸最大流量和最大速度的确定；液压缸活塞往复运动时的速度之比的确定；液压缸活塞行程时间的确定；液压缸所做的功和功率的确定。并对液压缸强度的校核，包括缸筒壁厚强度校核，活塞杆强度校核。第 5 章 液压元件的选取5.1 液压泵的选择黑龙江工程学院本科生毕业设计245.1.1 计算液压泵的最大工作压力pp （5.1）pppp1式中 液压缸的最大工作压力，MPa；1p 系统进油路上的总压力损失，可按经验进行估算，简单的系统取p=（0.20.5）Pa；p610已知=20MPa1PnP所以 =20 +0.5 =20.5 MPa （5.2pppp1）5.1.2 计算液压泵的最大流量pq由于所设计的液压系统有多个液压缸，所以液压泵的最大流量为 （5.3）maxqKqqvp式中系统所需流量，；pqminL K系统的泄漏系数，一般取 1.11.3； 同时动作的液压缸的最大流量，一般取 23 ；maxqminL 初取K=1.2 =3 或 0.05maxqminLsm3310 所以=1.23=3.6 或 0.06 （5.4maxqKqqvpminLsm3310）5.1.3 液压泵规格的选择为保证液压系统工作稳定，所选液压泵应有较大的最大功率、容积效率和总效率，根据液压泵的最大工作压力和最大流量，参考机械设计手册（第五版）第四卷 表21-5-4，最终系统液压泵选择为内啮合楔块式齿轮泵。5.1.4 计算液压泵的驱动功率并选择电动机由于工作循环中，液压泵的压力和流量比较恒定，所以液压泵的驱动功率应pP按下式计算黑龙江工程学院本科生毕业设计25 （5.5ppppqpP）式中 液压泵的最大流量，；pqminL液压泵的最大工作压力，MPa；pp液压泵的总效率，齿轮泵一般取 90%；p所以 82 W （5.6%906 . 35 .20 xqpPpppp）所以电动机初选为型号为 Y801-2 的三相异步电动机。5.2 液压执行元件的选择5.2.1 液压缸的选择根据第四章中对液压缸的设计与计算，并结合以往经验对液压缸结构及其各部件结构的选取如下：1.液压缸选为单活塞杆转向液压缸2.缸筒与缸盖的连接型式选用内螺纹连接3.缸筒材料选用 45 钢4.活塞结构形式选择整体式活塞5.活塞与活塞杆连接形式选择卡环连接6.活塞密封结构选择 O 型密封圈7.活塞材料选用 45 优质碳素钢8.活塞杆杆体选用实心杆9.活塞杆材料选用 45 优质碳素钢10.活塞杆导向套结构形式选用端盖式导向套11.活塞杆导向套材料选用灰铸铁12.活塞与活塞杆的密封件选用 O 型密封圈加挡圈13.活塞杆的防尘圈选用 ASW 型防尘圈5.2.2 液压马达的选择根据液压系统的设计要求，并结合以往经验，液压马达选取：四只额定压力为 1625MPa、排量为 525mL、转速为1r黑龙江工程学院本科生毕业设计265004000r、输出转矩为 1764Nm、型号为 CM5，由天津液压机械集团公1min司生产的齿轮式液压马达。5.3 液压控制阀的选择由于最终选定方案三作为本次设计的液压式四轮转向系统方案，所以由图 3.3 可知，液压系统选择的液压控制阀有：一个先导型电磁溢流阀、一个调速阀、两个三位四通电液比例换向阀、两个溢流阀、四个二位四通换向阀。所选的液压控制阀均选择液压标准件控制阀。5.4 液压辅助元件的选择5.4.1 油箱的选择整体式油箱、两用油箱和独立邮箱是三种常见的类型，而独立油箱应用最为广泛，所以本液压系统选择独立油箱。油箱容量的经验公式为 （5.7pqV）式中V油箱的有效容积，L；液压泵的总额定流量，；pqminL经验系数，对低压系统，=24，对中压系统，=57，对中、高压或大功率系统，=612； 初取 =4 所以 43.6=14.4L （5.8pqV）表 5.1 液压泵站油箱公称容量系列（JB/T 7938-1999）液压泵站油箱公称量系列（JB/T 7938-1999）/L2.5 4.0 6.3 10 1625 40 63 100 160油箱的有效容积的最终确定值按上表就近圆整为标准值，所以由表 5.1 可知：液压系统可选择公称容量为 16L 的油箱。5.4.2 油管和油管接头的选择黑龙江工程学院本科生毕业设计27常用的油管有硬管和软管两类，一般尽量选用硬管，所以本液压系统选用钢管。管道内径及壁厚是管道的两个主要参数，计算公式如下 （5.9）vqd4 （5.10）bpdn2式中q通过油管的最大流量，；sm3油管中允许流量，；（由于系统所用的是高压管，所以 v 取sm2.5）油管内径，；油管壁厚，；管内最高工作压力，MPa； 管材抗压强度，MPa；（由于管材是 45 钢，所以=600 MPa）bb安全系数；（由于系统最高的工作压力为 20 MPa，大于 17.5 MPa，所以 n 取 4）所以 （5.11）mxxxvqd005. 05 . 214. 31006. 0443 （5.12）mxxxpdnb0003. 060024005. 0202表 5.2 液压系统用硬管外径系列（GB/T 2351-1993）液压系统用硬管外径系列（GB/T 2351-1993）/mm4、5、6、8、10、12、(14)、16、 （18） 、20、 （22） 、25、 （28） 、32、 （34） 、38、40、 （42） 、50 液压系统用硬管外径的最终确定值按上表就近圆整为标准值，所以由表 5.2 可知：液压系统可选择外径为 6mm 的钢制油管。油管接头选择卡套式接头。5.4.3 蓄能器的选择蓄能器的充气压力是蓄能器的重要参数，用于蓄能的充气压力在等温工作过程时黑龙江工程学院本科生毕业设计28按下式计算 （5.13）npp5 . 00式中充气压力，MPa；0p液压系统最高工作压力，MPa；np所以 =0.520=10 MPa （5.14npp5 . 00）蓄能器有弹簧加载、重力加载和气体加载三种类型，本系统选择气体加载式的隔离型皮囊式蓄能器。蓄能器的皮囊材质选择标准丁清橡胶。蓄能器的液压工作介质选择石油基液压液和水。5.4.4 液压工作介质、过滤器和压力表的选择由于本液压系统中包含伺服系统，对液压工作介质要求较高，所以本系统选择高粘度指数液压油。由于本液压系统用到电液比例阀，所以本系统中过滤器选择精过滤器，压力表选择电接点式压力表。5.5 本章小结本章对四轮转向汽车的液压系统的液压元件进行了选取，包括液压泵的选择、液压执行元件的选择、液压控制阀的选择和液压辅助元件的选择。黑龙江工程学院本科生毕业设计29结论随着汽车技术的发展，汽车行驶速度的提高及道路行使密度的增大，作为实现主动安全性的方法之一的四轮转向技术日益受到重视。本文着重对四轮转向汽车的转向液压系统进行了研究，本文所做工作及取得结论如下：1. 收集整理四轮转向汽车及四轮转向汽车转向液压系统相关资料，了解到四轮转向技术目前被很多公司所采用，其中大多应用在了大型车辆上，它适应汽车发展的趋势，存在广阔的发展前景。2. 对前轮转向汽车和四轮转向汽车进行了对比分析，凸显出四轮转向汽车的许多优点，如增强轿车在高速行驶或在侧向风力作用下的操纵稳定性，改善低速时的操纵轻便性，以及减少调头时的转弯半径等。3. 本文设计了三种四轮转向汽车的转向液压系统，通过对它们的响应速度、控制的准确性、同步精度、系统的复杂程度和系统的可行性等方面进行对比分析，最终选定方案三作为本次设计的液压式四轮转向系统方案。4. 本文对选定的四轮转向汽车的转向液压系统方案三中的转向液压缸进行了设计和计算，绘制了液压缸的装配图，并对液压元件进行了选取，它们都很匹配本液压系统的要求和需要，本液压系统具有很强的可行性。黑龙江工程学院本科生毕业设计30参考文献1黄滢.液压同步系统.北京:化学工业出版社,2010.2宋薇,程树珍.液压传动设计指南. 北京:化学工业出版社,2009.3邓英剑,刘志勇.液压与气压传动. 北京:国防工业出版社,2007.4张利平.液压与气压技术. 北京:化学工业出版社,2007.5刘彩志,陈思思.多轮转向汽车电液控制系统的研究与开发.交通科技,2002.6汪东明,陈南.电控电动式四轮转向系统的研究与发展.汽车电器,2004.7周名,余卓平,赵志国.动力转向技术的发展.汽车研究与开发,2004.8郭北涛,王淑莲等.电液比例速度系统的前馈模糊复合控制研究.沈阳建筑工程学院学报(自然科学版)，2002.9姚怀新,陈波.工程机械底盘理论.北京:人民交通出版社,2002.10张利平.液压控制系统及设计.北京:化工工业出版社,2006.11田志刚.多轮转向车辆转向原理与控制方法期刊论文-农业与技术,2009.12张慧萍,杨志刚.电控电动式 4WS 系统在现代汽车中的应用期刊论文-重庆交通大学学报（自然科学版）,2008.13高秀华,张春秋,李炎