引言
汽车各个性能中最重要的就是汽车的转向性能，它是人类和车辆之间的链接中介，汽车操作稳定性的好处主要是由汽车转向系统的优劣来决定的，所以就必须非常好的设计汽车转向系统，而这个问题也一直在各个国家的汽车生产厂家所重点关注的地方。
以前汽车刚刚出现的时候，我们的汽车转向系统还仅仅是纯机械式操作装向系统，结构比较简单但是操作比较费力。驾驶员通过转动方向盘，然后带动一系列的执行机构把所需要的动作传递到汽车的转向系统的执行机构，最终的效果就是改变了汽车的前进方向。在现如今汽车转向中，驾驶员需要付出很大的力气。在20世纪四十年代左右，X的通用公司开始研发液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering System，简称HPS)，这种新型的系统能够使驾驶员的操作力变得很小，但是汽车的转向灵敏性却得到了很大的的增强，由于液压助力转向系统在工作时可靠性高，技术成熟的特点，所以到现在仍然有很多的汽车生产厂家在使用这种系统。
随着上世纪半导体和二极管的飞速发展，电子元器件开始在汽车的转向系统中出现的原来越多，从以前的电动液压助力转向系统(Electric Hydraulic Power Steering System，简称EHPS)，到如今的电动助力转向系统(Electric Power Steering System，简称EPS)。和相对传统的汽车转向操作系统相比（例如液压助力转向系统），电子转向系统有更好的可靠性，更高的效率，更少的耗能以及对环境更友好的特点。
汽车线性转向系统的发展：现在汽车转向系统的发展主要的任务是减轻驾驶员的开场强度和汽车的主动安全性为出发点，使更多的驾驶员能够得到舒适的体验，而这对于购车者无疑有着巨大的吸引力。
（1）生产成本。半导体器件和集成电路的成本不断降低，但是芯片的计算能力和稳定性却有了大大的提升，这将使得汽车线性转向系统能够在未来的几年再汽车上实现。
（2）实现条件。现在汽车方面的专家估计42V的电源将在未来的几年应用到汽车的上面，由此各种汽车相关的传感器的灵敏度和精度将得到很大的提高。各种新型技术的应用将会变得更加的成熟。这都为它们将来的应用创造了好的条件。
（3）现代汽车的发展趋势。低排放汽车（LEV）、电动汽车（EV）、燃料电池汽车（FCEV）、混合动力汽车（HEV）等4大EV汽车类型是全世界未来各个生产厂家的追求目标。汽车辅助驾驶技术和未来的无需驾驶员的汽车将是最近二十年汽车发展的新技术和方向，这将带来更加广阔的应用前景。
1线控转向系统设计方案
1.1英菲尼迪Q50线控转向系统相关数据
驱动形式：，发动机的驱动形式是前置后驱；
汽车的总体重量：1425kg；汽车能够承受的最大载荷：前轴750kg，后轴675kg
汽车发动机在最大工作时的输出效率：155kw/5500rpm，发动机能够输送到传动轴的最大扭矩：150Nm/1500–3500rpm
轴距：2898mm；轮胎：245/40 R19。
1.2线控转向系统的结构
汽车线控转向系统的三大部分分别是对应于驾驶员的方向盘模块、中央处理器电控单元和相关的转向执行机构。四轮线控转向、前轮线控转向和后轮线控转向是目前为止最可靠的三种汽车线性控制转向系统。
1.2.1转向盘模块
转向盘模块包括汽车上面的司机手握的方向盘、汽车方向盘的转角传感器、转矩传感器和转向盘回正电机。而这个模块的的原理就是当驾驶员操作方向盘的时候，转角传感器将转角信息输送到中央处理器。中央处理器把接收到的信号进行分析和计算，然后控制执行机构带动汽车车辆转动相应的角度。
1.2.2转向执行模块
转向执行模块主要包括安装在汽车车辆上的车轮转动角度的测量传感器，控制器和有关汽车车轮。转向执行机构的大致工作顺序是转角传感器将转角信息输送到中央处理器。中央处理器把接收到的信号进行分析和计算，然后控制执行机构带动汽车车辆转动相应的角度。
1.2.3电控单元
电控单元对通过汽车的的CAN总线接受到的信号进行分析和处理，从而计算和判断汽车当前的行驶状态，最后发出相应的指令，控制相关的执行电极配合相应的工作，保障汽车在相应的工作条件下都有比较理想的响应，减少驾驶员在驾驶汽车的强度。电控单元换能够对驾驶员相关的指令和动作进行相关的判断，得到的相关指令和驾驶员的需要的指令进行一定的比对。当驾驶员发出命令操作时，汽车行驶在非稳定状态时，线控转向系统会自动筛选掉驾驶员不相干的指令，强行介入转向操作，汽车的转向系统会自动进行稳定控制，以最佳的的方式方法驾驶汽车，使汽车能最快回到稳定的驾驶状态。
1.3线控转向系统的工作原理
汽车线控转向系统的工作原理就是安装在汽车上的方向盘转件传感器将检测相关的数据以及汽车在行驶中的各种有关信号进行汽车上的通信协议传输到电控单元的中央处理器，然后，中央处理器会对这些信号进行综合分析和处理，使用自己内部已有的控制相关的控制策略，向转向执行机构发出相应的指令，最后进行汽车的转向行驶操作。与此同时，中央处理器会根据相关的信号例如转向盘转角、车轮转角等信号去模拟所谓的“路感”。
2传动比的计算
2.1汽车方向盘
2.1.1转向系的效率
转向轴输入的功率记为P1，经过汽车上的摇臂轴然后输出，经过计算得到的效率称为汽车的转向系的正效率，用符号表示；相反的反方向计算得到逆效率，用符号表示。
从汽车传动轴上输出的的效率由各个系统的效率进行相乘以后得到的，汽车进行传递运动的机构的的效率和最后起到改变汽车行驶状态的转向器的效率以及向操纵机构决定。
改变汽车行驶状态的转向器的效率又分为两个不同的种类，有正效率和逆效率的两种截然相反的效果。
=（P1—P2）/P1
式中P2—汽车传递到最后的转向器的摩擦得到的效率。
相反，汽车上改变汽车行驶方向的轴功率（P3—P2）与转向摇臂轴输功率P3之比，这两个数值进行相关的数值计算之后，然后进行相除，就得到一个结果，改结果就是转向器的逆效率：
=（P3—P2）/P3
汽车驾驶员想要改变汽车的驾驶方向时，就需要转动方向盘，如果正效率比较大的话，最终消耗的汽车转向器的效率就会比较小，汽车的操作就越简单方便。汽车转向系统转向器正效率是由多个因素共同起作用的。比如汽车上的改变行驶方向的转向器的重量和一些制造的结构参数。
如果汽车转向系统正向传递的功率比较大，那么它的正效率也会相应的变大，一般情况的汽车生产厂家都会保证这个数值比较大，因为这样的话汽车上的驾驶员就会感受轻松。为了保证汽车转向系统转向后转向轮和方向盘两个都能够回到最初的直线行驶位置，所以就必须存在相当的逆效率。
逆效率表示汽车转向系统转向器的可逆性。根据逆效率值的大小，汽车转向系统转向器主要有三种类型，分别为可逆式、极限可逆式与不可逆式。
汽车可逆式转向器的逆效率相对于其他两种的高出许多，这种转向器可以传递回来尽可能多的力。最后汽车驾驶员对于道路状况的感受就会非常的好，能够掌握汽车前方的道路良好状态。但是汽车行驶在坑坑洼洼的道路上时，会有一些他们之间相互作用的力。最终传递到汽车的方向盘上，容易产生“打手”现象，同时汽车的转向轮非常容易发生摆振的现象。
2.1.2转向系的角传动比和力传动比
1）角传动比
汽车用来改变汽车行驶方向的方向盘的转角相对原来的改变量与转向摇臂从上一个状态到下一个状态的改不量之比；当对这两个数值进行计算得到的结果就是汽车转向系的传动比。
显然，
式中—转向齿轮比；
—转向齿轮比；
—转向传递执行机构的的角传动比；
—方向盘改变的量值；
—转向摇臂轴最后的角度增益；
—同侧转向角度的增益。
2)力传动比
汽车前方能够转向的汽车车轮受到的转向力与汽车在转弯时汽车的转向摇臂受到的力之和就是汽车的转向系统的力传动比的概念。与汽车转向系统的结构布置形式有着密切的联系。
在道路条件不好的时候，在路面上进行转弯的时候，汽车进行转向的车轮受到的阻力由几个部分组成；（1）改变行驶方向的车轮与轴线之间的滚动的阻力、（2）汽车车轮与地面接触面的摩擦力以及稳定力矩和阻力句形成的T3。即：
且
式中—转向轴的负荷，该设计中根据汽车设计理论并参考同类车型的汽车参数，的大小为750kg；
a—汽车在路面上行驶的摩擦力的力臂，或主销偏移距。在一般的情况下，用来运输货物的汽车的a值为20—40mm；用来承载乘客的汽车取0.4—0.6倍的胎面宽度；该设计中根据汽车设计理论并参考相同类型的汽车参数，选取a为15mm；
f—车轮的滚动阻力系数，计算时可取f=0.015；
—主销内倾角，该设计中根据汽车设计理论并参考同类车型的汽车参数，选取为；
—主销后倾角，该设计中根据汽车设计理论并参考同类车型的汽车参数，选取为；
—内、外转向轮的平均转角，该设计中根据汽车设计理论并参考同类车型的汽车参数，选取，；
—附着系数，计算时取=0.85~0.9，该设计中根据汽车设计理论并参考同类车型的汽车参数，选取=0.9；
—滑动摩擦力矩的力臂：
r、—车轮的自由半径和静半径，计算时可近似地取，该设计中根据汽车设计理论并参考同类车型的汽车参数，r=275mm，则=42.92mm。
经过计算得：
所以原地转向阻力矩
所以作用在横拉杆上的力为
在力传动比计算转向摇臂上的力矩
式中—汽车的转向系统传递能力的机构，一般取0.85~0.9。则汽车在转向时方向盘上的切线方向受到的力可由下士计算得出：
式中—汽车转向系统的转向力传动比；
—转向盘的半径，根据车型的不同在180~275mm范围内按国家标准系列选取；该设
计中根据汽车设计理论并参考同类车型的汽车参数，选取为175mm；
—转向器的正效率，该设计中根据汽车设计理论并参考同类车型的汽车参数，选取
为0.85。
汽车的方向盘直径有许多可供选项的尺寸。在选择较大的直径时，会影响到驾驶员进出汽车的驾驶舱，但是如果选择较小的直径尺寸，在汽车转向时，驾驶员则需要非常大的力量去操纵方向盘。参见手册取=350mm则
由作用方向盘上的力矩
得作用在方向盘上的力
2.2转向阻力矩
式中：f—滑动摩擦系数，一般取0.7；
P—轮胎气压；
—前轴载荷
则
2.3角传动比与力传动比
转向系角传动比有两个部分组成，第一是方向盘的转角，第二是驾驶员同侧的转向轮转角。
汽车转向系统力传递效率值与转向角度的传动比的关系
而和转向时转向节受到的相反作用力有如下的表达式
汽车驾驶员把自己力量作用到方向盘上的力可由下式表示
则
若忽略摩擦损失，则
由此
式中a—汽车转向系的车轮距离
由式可知，力传动比与、和有关，愈小，愈大，转向愈轻便。
根据相关的公式，通过电脑的计算得到如下公式：
1）角传动比
则
2）力传动比
式中
则
3转向盘模块设计
3.1回正电机的选择
轻型轿车，方向盘受到的回复力矩在2-3Nm，极限值是5Nm；在情况比较紧迫时，驾驶员的方向盘转速最大为1.5r/s，一般平均转速为：/s。
回max=5NM
，
取安全系数为1.4，算出T=1.4NM，W=630r/min,P=92w。
此处回正电机选用电动助力转向系统中的助力电机—直流无刷电机（24v，100w，3200r/min），并配有减速器。
3.2减速器的选择。
汽车减速器的功能是帮助汽车减速增加扭矩，电机的型号对汽车减速器的功能起着决定性的作用，同时也会关系到汽车转向系统的其他功能。减速器在选择时因素：从类型、体积以及减速比大小。
3.2.1减速机构类型选择
一般汽车厂家常用的减速器主要有行星齿轮传动、普通圆柱齿轮传动。但是有的汽车汽车厂家也会选择类似于这样蜗轮蜗杆传动结构。在这几种常用的汽车减速器当中，普通圆柱齿轮减速的整体占据空间最大，但是其效率又不高，所以不经常在汽车的转向系中使用。
蜗轮蜗杆传动常用于EPS助力系统，这种机械式的结构在汽车内所消耗的地方很小，不会影响到其他机器正常使用。非常容易出现相关的问题，例如自锁、易磨损。正是存在这样的问题，所以本文也不采用这样的结构形式。现在汽车工业越来越求高精度、高效率，而行星齿轮正是具备这样的有点，所以应用的越来越普遍。因为这种结构在汽车的空间内所消耗的地方不大，同时它的重量也不大，但是还能够实现我们想要的效果和功能。所以本实验选择行星齿轮机构这样的装置。
3.2.2减速机构减速比选择
汽车的线性转向系统在相关的计算时需要考虑多个参数，其中一种就是汽车的减速器减速比，它对汽车的影响非常大。在进行参数设定时，需要综合考虑电机的性能指标和转向系的特点等等。所以本文选择减速比16:1的行星齿轮减速器。
3.3转向操纵机构的设计。
转向盘通过细牙内花键与转向轴连接，并且通过螺母固定轴向位置。汽车的方向盘主要有三大部分组成即轮缘、轮辐和轮毂。汽车上的车轮的轮辐通常情况下为三根或四根辐条。骨架外面通常情况下包有柔软的树脂，但是也有个别的情况包皮革的，这样可以保持方向盘具备良好的手感，而且可以防止手握转向盘打滑。
4转向执行模块设计
4.1转向执行电机的选择
4.1.1转向执行电机的额定力矩
在进行电机选择时，需要考虑几个因素，其中一个就是力矩的问题，电机额定转矩大于汽车转向输出力矩。一种常用的方法就是根据理论公式推到出原地转向阻力矩。还有一种不是特别常用的方法就是根据经验公式计算。
①理论公式：
其中，为转向执行电机额定力矩；
为作用在减速机构上的最大转向阻力矩（即原地转向阻力矩）；
为转向执行减速器传动比，此处因为不打算用到减速器，故=1；
i为转向系角传动比，此处采用了齿轮齿条式机械转向器，i=19；
为转向器传动效率，=0.9；
为传动系效率，=0.9。
此处；
其中，f为汽车的的轮胎表面与道路之间的系数，f=0.7；
为汽车转向时的转向负荷，=7550N；
P为轮胎气压，P=200kpa=0.2Mpa。
通过计算可得，转向执行电机额定力矩为
=19.97
②经验公式：
其中，为前轴荷（750kg)的一半;
r为小齿轮半径，r=15mm。
转向执行电机额定力矩：
=34.17
根据经验公式计算得出的最大扭矩必须要大于理论上得到的结果。这都是为了汽车转向系统的安全性。我们把依靠经验得到的相关数据作为汽车在改变方向时的电机的数据即：
4.1.2转向执行电机额定转速
汽车的转向系统之间进行的机械连接，已经在很大层度上不用了。开始使用纯电动的连接方式，但是相关的转速计算还是依靠以前相关公式方式去计算。并保障转向的轻便性。
依据X国家公路交通安全管理局（NHTSA）的相关数据，车辆上的操作员在进行相关的操作的时候，方向盘极限转速为1.5r/s(轿车），通常方向盘平均转速为：。
4.2齿轮齿条设计
斜齿轮是汽车上齿轮设计时最常用的一种形式，因为该种结构具有很多的额优点和好处。在斜齿轮的设计时，要注意一些相关的数据，模数通常要在2-3mm之间，主动小齿轮的齿数不能太大。一般它的选取会在5到7个齿。通常的压力角为，齿轮螺旋角的取值范围多为。齿条齿数的计算应依靠转向轮的极限偏转角和极限行程去确定。
汽车上的转向系统中的齿轮齿条有许多的物质可以选择来制作，但是在常见的材料中45钢是最常用的，而主动小齿会采用45Cr。有时为减轻齿轮齿条的重量，壳体会采用铝合金压铸。
正确啮合条件：；；
根据本文计算得到的相关结果数据，其他的一些参数如下表所示
所以
因此，此种方案设计不仅小齿轮在弯曲的极限寿命这个条件，而且满足小齿轮的齿面之间的相互作用力的寿命要求。故改方案完成符合相关的设计要求。
综上所述，齿轮齿条式转向器的设计满足设计的强度要求。
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