汽车转向系统毕业论文 - 图文

哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计） 帕萨特转向系的优化设计

摘 要

汽车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓汽车转向。就轮式汽车而言，实现汽车转向的方法是驾驶员通过一套专设的机构，使汽车转向桥上的车轮相对于汽车纵轴线偏转一定角度。因此汽车转向系统的功用是保证汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶。

目前在所有前置-前轮驱动轿车上采用的都是齿轮齿条式转向器，一些前置-后轮驱动轿车也采用这种转向器。而电动助力转向系统是目前乘用车最为广泛使用的助力形式。故本文以动力转向系统中的齿轮齿条式电动助力转向系统为主要研究对象。

本文以帕萨特车型的转向系统为研究对象，设计的主要内容是：首先分析了本课题研究的目的和意义，分析了电动助力转向系统的工作原理和类型，并对其关键部件进行解释说明，分析了其助力特性。然后重点进行了转向系统的结构参数设计计算，确定了转向系计算载荷，分析了转向系统的设计要求，并对关键部件进行了结构设计。设计转向系中转向器和转向传动机构，并进行三维建模，绘制了转向传动系统、转向操纵系统及主要零部件的工程图，在此基础上使用ADAMS软件对转向系进行优化。

关键词：转向系统；优化设计；转向阻力；转向器

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哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）

Optimization design of Passat steering

system

Abstract

Car in motion the process, they are subject to change its driver will often travel direction, the so-called steering. For wheeled vehicles, the steering method is to realize the driver through a dedicated agency, making the car steering axle on the wheel with respect to the longitudinal axis of the deflection angle car. Therefore, the function of steering system is to ensure that cars can be carried out according to the will of the driver's steering with.

Present in all front - wheel drive cars are used in rack and pinion steering, some of the front - rear-wheel drive sedan also used this steering. The EPS system is currently the most widely used power passenger form. Therefore, in this paper, power steering rack and pinion power steering system as the main object of study. In this paper, Passat car steering system is regarded as the research object: First it analyzes the purpose and significance of this research and summarizes the steering system characteristics. Secondly it analyzes the working principle and the type system, and make explanation of its key component, and analyzes its characteristic. Then we calculated the structure parameters of the system design of steering. At the end of each components of the three-dimensional entity modeling. Draw the steering system, the steering system, and the main components of the engineering drawings. The optimization design of steering trapezoid, give out the optimization results, and make analysis and verification.

Key words: Steering system; optimal design; Steering resistance;Steering gear

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哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计） 目 录

摘 要 .................................................................................................................................................... I 第1章 绪论 ...................................................................................................................................... 1 1.1 本课题研究的意义和目的 ................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .................................................................................................................... 1 1.3 本课题主要研究内容 ........................................................................................................... 4 第2章 帕萨特电动助力转向系统设计计算 .............................................................................. 5 2.1电动助力转向系统的结构及工作原理 ................................................................................. 5 2.1.1 电动助力转向系统工作原理 ......................................................................................... 5 2.1.2 电动助力转向系统机构组成及特点介绍 .................................................................... 6 2.2 齿轮齿条转向器结构及工作原理 ...................................................................................... 10 2.4齿轮齿条转向器设计 ............................................................................................................. 12 2.4.1转向系阻力计算 .............................................................................................................. 13 2.4.2齿轮轴及齿条设计 .......................................................................................................... 15 2.5转向传动机构设计 ................................................................................................................. 17 2.6齿轮轴校核 .............................................................................................................................. 19 2.7助力系统的助力特性分析 .................................................................................................... 21 2.7.1转向盘目标手力的分析 ................................................................................................. 21 2.7.2电动助力转向的助力特性 ............................................................................................. 22 2.8本章小结 .................................................................................................................................. 22 第3章 转向系的三维实体建模 .................................................................................................... 23 3.1转向系传动部分三维建模 .................................................................................................... 23 3.2转向系操纵机构 ..................................................................................................................... 25 3.3本章小结 .................................................................................................................................. 27 第4章 ADAMS优化转向梯形 .................................................................................................... 28 4.1转向梯形的优化的要求 ........................................................................................................ 28 4.2转向前束角的优化目标函数 ................................................................................................ 29 4.3转向梯形的优化 ..................................................................................................................... 30 4.3.1 ADAMS/Insight优化 .......................................................................................................... 30 4.3.2转向传动机构悬架模型建立 ............................................................................................. 30 4.4灵敏度分析 .............................................................................................................................. 31

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哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计） 4.5 ADAMS/View Evaluation优化 ............................................................................................. 32 4.6优化前后结果对比 ................................................................................................................. 32 4.7本章小结 .................................................................................................................................. 33 结论 ..................................................................................................................................................... 34 致 谢 ................................................................................................................................................. 35 参考文献 ............................................................................................................................................. 36

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第1章 绪论

1.1 本课题研究的意义和目的

汽车在行驶过程中，为了适应各种道路情况和行驶条件，经常需要改变或修正行驶方向。它对汽车的操纵稳定性有重要的影响，因此，对于一部汽车来说，转向机构的设计尤为重要。如何设计汽车的转向系统，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车厂家和科研机构的重要课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员多样化、车流密集化的今天，汽车的操纵稳定性设计显得尤为重要[1]。

汽车转向机构是一个较为复杂的空间机构，是通过对左右转向车轮不同角度之间的合理匹配来保证车辆沿着设想的轨迹运动的机构。对汽车转向系统的设计要求能保证汽车有高的机动性；在转向盘和各转向轮的转角间应保证在运动学和力学关系的协调；同时，转向传动机构与悬架转向装置的运动干涉应最小。本次设计帕萨特转向系，在保证以上要求的同时，采用当前较为流行的仿真技术，能降低工程制造的测试费用，在产品制造出来之前，就可以发现并更正设计错误，完善设计方案，在产品开发过程中，减少所需的物理样机的数量。同时能够分析动力学特性，用软件在理论上分析汽车行驶时，转向时如何动作以及转向系统中各转向机关键部件的受力情况，对整个系统进行动态分析和仿真模拟，分析各部件最佳运行状态的条件以及如何改

善转向系统，并使整个转向系统结构更加紧凑，满足帕萨特车型的设计要求。

1.2 国内外研究现状

改革开放以来，我国汽车工业得到长足发展。作为汽车关键部位的转向

系统也得到迅猛发展，转向系统已由纯机械式转向系向助力式转向系发展。助力式转向系由于转向操纵轻便灵活，能够吸收路面对车轮冲击等优点已在汽车制造业中被普遍采用。

汽车转向系经历100多年的发展历史，经历了机械式转向系统——液压助力式转向系统——电液助力式转向系统——电动助力式转向系统——线控转向系统。其中助力式转向系统得到了广泛的使用。

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几种转向系统简介 1.机械式转向系统

机械式转向系统应用较多，现在所有的转向系统都要求有机械转向系统以保证转向的安全可靠性。机械式转向系统以人力为动力来源，所有传递力的零件都是机械的，它由转向操纵机构、转向器和转向传动机构组成。 转向系的力传动比和角传动比成反比关系。当力传动比大时，转向省力，转向轻便性好但是转向灵敏性就变差；当角传动比大时，转向灵敏性好了，但转向需要很大的力，转向轻便性达不到要求。因此机械式转向系在同时满足转向轻便性和转向灵敏性的要求是十分有限的，这也制约了机械式转向系的发展。随着转向系的发展，出现了助力式转向系统，这在一定程度上缓解了转向轻便性和灵敏性这一矛盾。

2.液压助力式转向系统 液压助力式转向系统是在机械转向系统的基础上增加液压系统发展起来的。它以发动机的动力作为油泵的能量来源，用液压力增加驾驶员的操纵力。因此可以在一定程度上减小转向系的力传动比，增大角传动比，从而缓解转向“轻”与“灵”的矛盾。

随着社会经济的不断发展，人们对速度的要求越来越高，汽车速度也在不断的提高，液压助力式转向系的不足开始显现出来。汽车在高速运行或者低速运行和停车时，很难保证驾驶员有适度的手感；同时汽车的燃油经济性变差；停车时无法提高助力等都制约了其发展。

3.电液助力式转向系统 电液助力式转向系统在液压系统的基础上，用电机取代发动机驱动油泵的方式发展而来的。它通过电磁阀控制助力油压随车速变化而变化，在汽车低速或急转弯时转向轻便；在高速行驶时有较好的手感。

目前电液助力式转向系统在轿车上得到了广泛的运用。但是它结构更加复杂，价格更昂贵，同时并没有克服液压助力式转向系统效率低、能耗大等缺点。

4.电动助力式转向系统

作为新一代转向系统，电动助力式转向系统将电子技术和车辆机械技术良好地结合起来。它采用电力取代了液压系统提供助力，系统更加简化、性能也更加优良。该系统需要扭矩传感器、转角传感器、车速传感器、电机、减速器以及电子处理单元ECU组成。电机运转及提供扭矩大小都有ECU控制。

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电动助力式转向系统拥有控制简单、响应快、方便改善助力大小及转向路感；零部件少、工作可靠、容易检修调整；低温环境下工作性能优良等优点。电动助力式转向系统的一系列优点都标志着其有广阔的发展前景。但是也有一些不足制约着其发展，例如：目前还缺乏该系统的成熟理论，一旦设计不合理将严重威胁到汽车安全和人生财产安全。

5.线控转向系统

在20世纪50年代，美国TRW公司对线控转向系统提出了大胆的设想，将转向盘和转向车轮之间的机械连接用控制信号取代。

20世纪60年代末，德国的Kasselmann公司也设计了类似于TRW公司设想的主动转向系统。

1900年，德国奔驰公司将线控转向系统运用到其概念车F400-Carving上。目前已有线控转向系统上市，而Daimier-Chrysler公司开发的线控转向系统被列为2000年汽车十大创新技术之一。

我国也涉足线控转向系统研究领域，清华大学、同济大学以及湖南大学都对线控转向技术进行研究。2004年同济大学研究的“春晖三号”就运用了线控转向技术。

随着转向技术的发展，转向装置也发生了很大变化。目前主流的转向器有4种：蜗杆指销式、蜗杆滚轮式、循环球式及齿轮齿条式。

目前在世界汽车市场上，循环球转向器占有45%的市场，齿轮齿条式也占有40%左右的份额，其它类型的转向器占15%。齿轮齿条式转向器在西欧小客车上获得较大发展。在日美循环球式转向器使用比重越来越大，在日本，公共汽车使用的循环球式转向器已经发展到现在的100%。大、小型货车也大多采用循环球式转向器。

现今不同类型的转向器的使用情况大致如下：

1.齿轮齿条式转向器和循环球式转向器已成为当今汽车使用的主流转向器。其它类型的转向器正在逐渐被淘汰。

2.在小客车上，日美主要发展循环球式转向器，其市场也超过90%；而在西欧则大力发展齿轮齿条式转向器，比重也超过50%，法国则高达95%。

3.齿轮齿条式转向器在小型车上得到迅猛发展；而大型车则主要以循环球式转向器为主。

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1.3 本课题主要研究内容

本设计围绕帕萨特这款车型进行其转向系从无到有的结构设计，首先计算转向系中主要零件的参数，并建立三维模型，使用ADAMS软件进行转向系转向梯形优化，以确保转向系有良好的性能，并且可以完善设计方案。最终对转向系转配图和其中的主要部件进行工程制图。

1.参考相关文献，熟知对汽车转向系的基本要求，确定转向系设计的目标。

2.了解电动助力转向系统类型，结构及工作原理。

3.收集车型数据，对转向系统进行具体的设计和计算，完成重要部件的结构设计，并校核主要零件强度。

4.使用CATIA软件对转向系进行三维建模。

5.使用ADAMS软件进行转向系转向梯形进行优化。

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第2章 帕萨特电动助力转向系统设计计算

2.1电动助力转向系统的结构及工作原理

电动助力转向系统（Electric Power Steering，缩写EPS）是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统，与传统的液压助力转向系统HPS（Hydraulic Power Steering）相比，EPS系统具有很多优点。EPS主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元（ECU）等组成。

2.1.1 电动助力转向系统工作原理

图2-1 电动助力转向系统结构图

电助力转向系统的工作原理如下：首先，转矩传感器测出驾驶员施加在转向盘上的操纵力矩，车速传感器测出车辆当前的行驶速度，然后将这两个信号传递给ECU；ECU根据内置的控制策略，计算出理想的目标助力力矩，转化为电流指令给电机；然后，电机产生的助力力矩经减速机构放大作用在机械式转向系统上，和驾驶员的操纵力矩一起克服转向阻力矩，实现车辆的

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转向。

2.1.2 电动助力转向系统机构组成及特点介绍

液压助力转向系统已发展了半个多世纪，其技术已相当成熟。但随着汽车微电子技术的发展，对汽车节能性和环保性要求不断提高，该系统存在的耗能、对环境可能造成的污染等固有不足已越来越明显，不能完全满足时代发展的要求。

电动助力转向系统将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统，能显著改善汽车动态性能和静态性能、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、减少环境的污染等。因此，该系统一经提出，就受到许多大汽车公司的重视，并进行开发和研究，未来的转向系统中电动助力转向将成为转向系统主流，与其它转向系统相比，该系统突出的优势体现在： 1.降低了燃油消耗。

液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停地流动，浪费了部分能量。相反电动助力转向系统（EPS）仅在需要转向操作时才需要电机提供的能量，该能量可以来自蓄电池，也可来自发动机。而且,能量的消耗与转向盘的转向及当前的车速有关。当转向盘不转向时，电机不工作，需要转向时，电机在控制模块的作用下开始工作,输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向力矩，而且，该系统在汽车原地转向时输出最大转向力矩，随着汽车速度的改变，输出的力矩也跟随改变。该系统真正实现了\按需供能\，是真正的\按需供能型\（on-demand）系统。汽车在较冷的冬季起动时，传统的液压系统反应缓慢，直至液压油预热后才能正常工作。由于电动助力转向系统设计时不依赖于发动机而且没有液压油管，对冷天气不敏感，系统即使在-40℃时也能工作，所以提供了快速的冷起动。由于该系统没有起动时的预热，节省了能量。不使用液压泵，避免了发动机的寄生能量损失，提高了燃油经济性，装有电动助力转向系统的车辆和装有液压助力转向系统的车辆对比实验表明，在不转向情况下，装有电动助力转向系统的国辆燃油消耗降低2.5%，在使用转向情况下，燃油消耗降低了5.5%。 2.增强了转向跟随性。

在电动助力转向系统中，电动助力机与助力机构直接相连可以使其能量直接用于车轮的转向。该系统利用惯性减振器的作用，使车轮的反转和转向前轮摆振大大减水。因此转向系统的抗扰动能力大大增强和液压助力转向系

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统相比，旋转力矩产生于电机，没有液压助力系统的转向迟滞效应，增强了转向车轮对转向盘的跟随性能。 3.改善了转向回正特性。

直到今天，动力转向系统性能的发展已经到了极限,电动助力转向系统的回正特性改变了这一切。当驾驶员使转向盘转动一角度后松开时，该系统能够自动调整使车轮回到正中。该系统还可以让工程师们利用软件在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。从最低车速到最高车速，可得到一簇回正特性曲线。通过灵活的软件编程，容易得到电机在不同车速及不同车况下的转矩特性，这种转矩特性使得该系统能显著地提高转向能力，提供了与车辆动态性能相机匹配的转向回正特性。而在传统的液压控制系统中，要改善这种特性必须改造底盘的机械结构，实现起来有一定困难。 4.提高了操纵稳定性。

通过对汽车在高速行驶时过度转向的方法测试汽车的稳定特性。采用该方法，给正在高速行驶（100km/h）的汽车一个过度的转角迫使它侧倾，在短时间的自回正过程中，由于采用了微电脑控制，使得汽车具有更高的稳定性，驾驶员有更舒适的感觉。 5.提供可变的转向助力。

电动助力转向系统的转向力来自于电机。通过软件编程和硬件控制，可得到覆盖整个车速的可变转向力。可变转向力的大小取决于转向力矩和车速。无论是停车，低速或高速行驶时，它都能提供可靠的，可控性好的感觉，而且更易于车场操作。

对于传统的液压系统，可变转向力矩获得非常困难而且费用很高，要想获得可变转向力矩，必须增加额外的控制器和其它硬件。但在电动助力转向系统中，可变转向力矩通常写入控制模块中，通过对软件的重新编写就可获得，并且所需费用很小。

6.采用\绿色能源\，适应现代汽车的要求。

电动助力转向系统应用\最干净\的电力作为能源，完全取缔了液压装置，不存在液压助力转向系统中液态油的泄漏问题，可以说该系统顺应了\绿色化\的时代趋势。该系统由于它没有液压油，没有软管、油泵和密封件，避免了污染。而液压转向系统油管使用的聚合物不能回收，易对环境造成污染。

7.系统结构简单，占用空间小，布置方便，性能优越。

由于该系统具有良好的模块化设计，所以不需要对不同的系统重新进行设计、试验、加工等,不但节省了费用，也为设计不同的系统提供了极大的灵

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活性，而且更易于生产线装配。由于没有油泵、油管和发动机上的皮带轮，使得工程师们设计该系统时有更大的余地，而且该系统的控制模块可以和齿轮齿条设计在一起或单独设计，发动机部件的空间利用率极高。该系统省去了装于发动机上皮带轮和油泵，留出的空间可以用于安装其它部件。许多消费者在买车时非常关心车辆的维护与保养问题。装有电动助力转向系统的汽车没有油泵，没有软管连接，可以减少许多忧虑。实际上，传统的液压转向系统中，液压油泵和软管的事故率占整个系统故障的53%，如软管漏油和油泵漏油等。

8.生产线装配性好。

电动助力转向系统没有液压系统所需要的油泵、油管、流量控制阀、储油罐等部件，零件数目大大减少，减少了装配的工作量，节省了装配时间，提高了装配效率。

电动助力转向系统自20世纪80年代中期初提出以来，作为今后汽车转向系统的发展方向，必将取代现有的机械转向系统、液压助力转向系统和电控制液压助力转向系统。

EPS系统依据电动机布置位置的不同可分为转向轴助力式、小齿轮助力式、齿条助力式三个基本类型。EPS系统的类型如图2-2所示：

1.转向轴助力式 转向轴助力式电动助力转向机构的电动机布置在靠近转向盘下方，并经蜗轮蜗杆机构与转向轴连接（图2-2a）。这种布置方案的特点是：

由于转向轴助力式电动助力转向的电动机布置在驾驶室内，所以有良好的工作条件；因电动机输出的助力转矩经过减速机构增大后传给转向轴，所以电动机输出的助力转矩相对小些，电动机尺寸也小，这又有利于在车上布置和减轻质量；电动机、转矩传感器、减速机构、电磁离合器等装为一体是结构紧凑，上述部件又与转向器分开，故拆装与维修工作容易进行；转向器仍然可以采用通用的典型结构齿轮齿条式转向器；电动机距驾驶员和转向盘近，电动机的工作噪声和振动直接影响驾驶员；转向轴等零件也要承受来自电动机输出的助力转矩的作用，为使其强度足够，必须增大受载件的尺寸；尽管电动机的尺寸不大，但因这种布置方案的电动机靠近方向盘，为了不影响驾驶员腿部的动作，在布置时仍然有一定的困难。

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a) 转向轴助力式 b) 齿轮助力式 c） 齿条助力式

图2-2 EPS系统的类型

2.齿轮助力式 齿轮助力式电动助力转向机构的电动机布置在与转向器主动齿轮相连接的位置（图2-2b），并通过驱动主动齿轮实现助力。这种布置方案的特点是：

电动机布置在地板下方、转向器上部，工作条件比较差对密封要求较高；电动机的助力转矩基于与转向轴助力式相同的原因可以小些，因而电动机尺寸小，同时转矩传感器、减速机构等的结构紧凑、尺寸也小，这将有利于在整车上的布置和减小质量；转向轴等位于转向器主动齿轮以上的零部件，不承受电动机输出的助力转矩的作用，故尺寸可以小些；电动机距驾驶员远些，它的动作噪声对驾驶员影响不大，但震动仍然会传到转向盘；电动机、转矩传感器、电磁离合器、减速机构等与转向器主动齿轮装在一个总成内，拆装时会因相互影响而出现一定的困难；转向器与典型的转向器不能通用，需要单独设计、制造。

3.齿条助力式 齿条助力式电动助力转向机构的电动机与减速机构等布

置在齿条处（图2-2c），并直接驱动齿条实现助力。这种布置方案的特点是：

电动机位于地板下方，相比之下，工作噪声和振动对驾驶员的影响都小些；电动机减速机构等不占据转向盘至地板这段空间，因而有利于转向轴的

布置，驾驶员腿部的动作不会受到它们的干扰；转向轴直至转向器主动齿轮均不承受来自电动机的助力转矩作用，故他们的尺寸能小些；电动机、减速机构等工作在地板下方，条件较差，对密封要求良好；电动机输出的助力转矩只经过减速机构增扭，没有经过转向器增扭，因而必须增大电动机输出的

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助力转矩才能有良好的助力效果，随之而来的是电动机尺寸增大、质量增加；转向器结构与典型的相差很多，必须单独设计制造；采用滚珠螺杆螺母减速机构时，会增加制造难度与成本；电动机、转向器占用的空间虽然大一些，但用于前轴负荷大，前部空间相对宽松一些的乘用车上不是十分突出的问题[9]。

2.2 齿轮齿条转向器结构及工作原理

2.2.1 齿轮齿条式动力转向器结构

齿轮齿条式动力转向器的的主要结构如图2-3所示。

图2-3 转向器结构图

齿轮齿条式动力转向器的主要作用是：

1.使车辆按照驾驶员的意图进行转向，并增大来自方向盘的转矩使之可以克服车轮与地面间的转向阻力矩；

2.提供额外的电动助力。

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2.2.2 齿轮齿条式动力转向器工作原理

齿轮齿条式动力转向器动力传递路线

齿轮齿条式动力转向器的扭矩传递路线如图2-4所示。 齿轮齿条式动力转向器液压油流动路线如图2-5所示.

图2-4 扭矩传递路线

图2-5 电动助力传动路线

2.3转向系统设计要求

1.转向传动比 当转向盘从锁点向锁点转动，每只前轮大约从其正前方开始转动30°，因而前轮从左到右总共转动大约60°[15]。若传动比是1:1，转向盘旋转1°，前轮将转向1°，转向盘向任一方向转动30°将使其前轮从锁点转向锁点。这种传动比过于小，因而转向盘最轻微的运动将会使车辆突然改变方向。转向角传动比必须使前轮转动同样角度时需要更大的转向盘转角。对乘用车，推荐转向器角传动比在17～25范围内选取；对商用车，在23～32范围内选取，这里选传动比为18:1。即在这样的传动比下，转向盘每转动18°，前轮转向1°。

2.齿轮齿条式转向器的设计要求 齿轮齿条式转向器的齿轮多数采用斜

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齿圆柱齿轮。齿轮模数取值范围多在2～3mm之间。主动小齿轮齿数多数在5～7个齿范围变化，压力角取20°，齿轮螺旋角取值范围多为9°～15°。齿条齿数应根据转向轮达到最大偏转角时，相应的齿条移动行程应达到的值来确定。变速比的齿条压力角，对现有结构在12°～35°范围内变化。此外，设计时应验算齿轮的抗弯强度和接触强度[12]。

3.EPS系统齿轮齿条转向器的安装齿轮齿条式转向器可安在前横梁上或发动机后部的前围板上。橡胶隔振套包在转向器外，并固定在横梁上或前围板上。齿轮齿条转向器的正确安装高度，使转向横拉杆和悬架下摆臂可平行安置。齿轮齿条式转向系统中磨擦点的数目减少了，因此这种系统轻便紧凑。大多数承载式车身的前轮驱动汽车用齿轮齿条式转向机构。由于齿条直接连着梯形臂，这种转向机构可提供好的路感[13]。

4.主动小齿轮选用16MnCr5或15CrNi6材料制造，而齿条常采用45钢制造。为减轻质量，壳体用铝合金压铸[14]。

2.3.1对动力转向机构的要求

1.运动学上应保持转向轮转角和驾驶员转动转向盘的转角之间保持一定的比例关系。

2.随着转向轮阻力的增大（或减小），作用在转向盘上的手力必须增大（或减小），称之为“路感”。

3.当作用在转向盘上的切向力Fh? 0.025~0.190kN时（因汽车形式不同而异），动力转向器就开始工作。

4.转向后，转向盘应自动回正，并使汽车保持在稳定的直线行驶状态。 5.工作灵敏。

6.动力转向失灵时，仍能用机械系统操纵车轮转向[11]。

2.4齿轮齿条转向器设计

齿轮齿条转向器最主要的优点是：结构简单、价格低廉、质量轻、刚性好、使用可靠；传动效率高达90%[20]；根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式[10]。齿轮齿条式转向器的四种类型如图2-6所示：中间输入，两端输出（图2-6a）；侧面输入，两端输出（图2-6b）；侧面输入，中间输出（图2-6c）；侧面输入，一端输出图（图2-6d）。

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图2-6齿轮齿条式转向器的四种形式

帕萨特车型数据如表2-7所示。

表2-7帕萨特车型数据

整车质量 轮胎自由直径 1400kg 632mm 2803mm 前轴荷 840kg 200kPa 1498mm 轮胎气压 前轮距 轴距 2.4.1转向系阻力计算

根据车型数据，为了保证行驶安全，组成转向系的各零件应有足够的强度。欲验算转向系零件的强度，需首先确定作用在各零件上的力。影响这些力的主要因素有转向轴的负荷、路面阻力和轮胎气压等。为转动转向轮要克服的阻力，包括转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内摩擦阻力等。

精确地计算出这些力是困难的。为此用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩。

fG13 （2-1） MR?3pMR?382987.30N?mm

式中 f ——轮胎和路面间的滑动摩擦因数； G1——转向轴负荷； p——轮胎气压。 作用在转向盘上的手力为：

Fh?2L1MR （2-2）

L2DSWi??- 13 -

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Fh=118.21N

式中L1——转向摇臂长，单位为mm； MR——原地转向阻力矩； L2——转向节臂长； DSW——为转向盘直径； i?——转向器角传动比； ?——转向器正效率。

因齿轮齿条式转向传动机构无转向摇臂，故L1 、L2不代入数值。对给定的汽车，用上式计算出来的作用力是最大值。因此，可以用此值作为计算载荷。梯形臂长度的计算：

轮辋直径 RLW=16in=406.4mm

梯形臂长度 L2?0.R8LW 2 L2=152.6mm 取 L2=150mm

RT?RLW?0.55?205 轮胎直径

RT=540.3mm 取RT=540mm 转向横拉杆直径 d?34MR （2-3） a????a?L2；???=216MPa；MR=347.2 N·m

d? 12.534mm 取d=16mm

初步估算主动齿轮轴的直径：

d?316Mnmax???? （2-4）

d?26.928mm 取d=30mm

上述的计算只是初步对所研究的转向系载荷的确定。转向传动机构初选参数如表2-8所示。

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表2-8 转向传动机构初选参数

序号 1 2 3 4 参数名称 数值 序号 5 6 7 8 参数名称 轮胎直径（mm） 横拉杆直径（mm） 齿轮轴直径(mm) 转向器角传动比 数值 540 16 30 18 阻力矩（N·mm） 382987.30 转向盘手力（N） 轮辋直径（mm） 梯形臂长度（mm） 118.21 406.4 150 2.4.2齿轮轴及齿条设计

齿轮轴是一只切有齿形的轴。它安装在转向器壳体上并使其齿与齿条上的齿相啮合。齿轮齿条上的齿可以是直齿也可以是斜齿。齿轮轴上端与转向柱内的转向轴相连。因此，转向盘的旋转使齿条横向移动以操纵前轮。齿轮轴由安装在转向器壳体上的球轴承支承[16]。

小齿轮选用16MnCr5，渗碳淬火，齿面硬度56-62HRC。

齿条选用45钢，表面淬火，齿面硬度52-56HRC。 齿轮轴轮齿模数：

齿轮齿条式转向器所用的齿轮传动方式为闭式硬齿传动，选择根据齿根弯曲疲劳强度设计计算，采用简化公式初算：

mn?Am3T1YsaYFa （2-5） 2?dz1[?F]式中Am——查《机械设计》表12.17，取Am =1.32；

T1 ——转向齿轮分度圆转向力矩，由T1 =FhDsw/2=23642N·mm

ψd——齿宽系数，查《简明机械零件设计使用手册》表10.21，取

0.9

Z1——转向齿轮齿数；

[σF]——齿面弯曲许用应力，初步计算时，对于轮齿双向受力，有

[σF]=σFlim，则[σF1]= σFlim1=425MPa，[σF2]=σFlim2=375MPa；

Ysa——应力修正系数，查《机械设计》图12.22得Ysa1 =1.68，Ysa2 =1.97；

YFa——齿形系数，YFa2=2.06，查《机械设计》图12.21得YFa1 =2.41，

这里应对齿轮和齿条进行比较，取

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YYYYYYsaFa[?]?max{sa1Fa1[?,sa2Fa2}?0.0108 FF1][?F2]代入数据，计算得mn=2.34，取mn=2.5.

则转向齿轮分度圆直径d1=18.63mm, 齿宽b=16.74mm. 齿顶圆直径da1：

d1?d1?2ha d1?24.25mm

齿根圆直径df1：

df1?d1?2hf df1=20.33mm

齿条齿根高hf1：

h*C*f1?mn(han?n?Xn) hf1=1.96mm

齿轮齿顶高ha1 ：

hm*?C*a1?n(hann?Xn) ha1?2.81mm

齿轮轴参数汇总见表2-9

表2-9齿轮轴数据汇总 序号 项目 尺寸参数(mm) 1 总长 85 2 齿宽 16.74 3 齿数 7 4 法向模数 2.5 5 螺旋角 20° 6 压力角 20° 7 螺旋方向 左旋 8 齿顶圆直径 24.25 9 齿根圆直径 20.33 10 齿条齿根高 1.96 11 齿轮齿顶高 2.81 齿条的极限行程：

齿条齿轮安装采用交错轴安装，正确啮合条件为：

齿轮齿条模数mn=2.5 齿轮齿条压力角=20° 二者法向齿距相等

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(2-6) (2-7)(2-8)

(2-9)

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因为端面齿距pt?pn/cos? ，齿条行程与齿轮转过弧长之比为：

s2pt2pn2/cos?2cos?1??? s1pt1pn1/cos?1cos?2于是s2?s1cos?1?167.45mm ，则齿条单向极限行程为smax?83mm cos?2齿条端面齿距pt2?pn2/cos?2?8mm

齿条齿数z2?s2/pt2?21.53取23。则齿条最大啮合行程=184.56mm. 齿条参数汇总见表2-10：

表2-10齿条参数汇总 序号 1 2 3 4 5 6 7 项目 总长 直径 齿数 法向模数 压力角 螺旋方式 齿条端面齿距 尺寸参数(mm) 550 22 23 2.5 20° 右旋 8 2.5转向传动机构设计

为了让汽车转向轻便、灵活和精准，转向轴的内外转向轮转角的比例要

有一定的范围，这样来达到汽车转弯时做纯滚动运动，而在齿轮齿条转向系中，我们通常用转向梯形来实现。

图 2-11 转向中心的不同轨迹圆

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1，转向传动机构原理

将转向器齿轮齿条中齿条的水平直线运动转变成转向轮的偏转，这就是转向传动机构的基本作用，如上图2-11所示。而为了实现转向轮尽可能的做纯滚动运动，需要让两转向轮绕一个共同的瞬时转向中心转动，而为了达到这个要求，就需要对转向梯形机构进行精确的设计。

图2-12 齿轮齿条式转向器转向原理简图

我们都知道齿轮齿条式转向器没有转向节臂和直拉杆，它的齿条左右两侧是直接铰链转向横拉杆的，转向横拉杆在铰接梯形臂，所以我们在这里把转向梯形臂作为转向节一部分。

2，转向梯形机构尺寸的初步确定

转向梯形的基本尺寸主要有梯形臂长（用m表示）和梯行底角（用θ表示）。汽车的布置空间确定梯形臂长度，它也影响到横拉杆轴向力受力大小。

根据经验公式，横拉杆轴向力

FS?FQl1?FQ （2-10） l'msinθ式中FQ——作用于转向节上臂的力，一般情况FQ=0.5G1；

G1——前轴负荷；

l ——纵拉杆轴向力作用力臂；

l’——横拉杆轴向力FS的作用力臂。

由上式可以得出，梯形臂长度需要适当，其长度不能太短，也不能太长，由于当其他参数保持不变时，横拉杆轴向力和梯形臂长m是成反比关系，随着m减小FS增大。如果梯形臂太长，则布置起来会非常困难。

3，转向传送机构的臂、杆与球销

通常情况下，转向传动机构的杆件选取20、30或35号钢制造，这些材料的特点主要是质量小、强度好。各元件的连接形式选择球形铰接。球形铰接有这样一个优点就是可以防止由于磨损产生的间隙。球形铰接通常是采用

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弹簧把球头与衬垫压紧。并且需要润滑和防尘罩。

衬垫与球销最通常的材料是合金钢18MnTi，20CrN，或12CrNi3A，并且渗碳淬火处理，深度1.5～3.0mm，硬度达到HRC 56～63。球形铰接的壳体通常使用钢35或40制造。

4，转向横拉杆设计

转向横拉杆与梯形转向杆系的相似。球头销通过螺纹与齿条连接。当这些球头销依制造厂的规范拧紧时，在球头销上就作用了一个预载荷。防尘套夹在转向器两侧的壳体和转向横拉杆上，这些防尘套阻止杂物进入球销及齿条中[18]。

转向横拉杆端部与外端用螺纹联接。这些端部与梯形转向杆系的相似。侧面螺母将横拉杆外端与横拉杆锁紧[19]。

横拉杆的接头位于横拉杆的两端,主要作用是传递扭矩,使梯形臂转动。零件有一个螺纹孔，主要作用是连接横拉杆。还有一个内螺纹孔，主要作用是连接梯形臂。

转向横拉杆及接头的尺寸设计参数如表2-13所示

表2-13转向横拉杆及接头的尺寸汇总

序号 1 2 3 4 5 6 7 项目 横拉杆总长 横拉杆直径 螺纹长度 外接头总长 球头销总长 球头销螺纹公称直径 外接头螺纹工程直径 尺寸参数（mm） 255 16 50 124.5 62 M10?1 M12?1.5 2.6齿轮轴校核

1.计算支撑反力 在垂直面上

FAy?Fr?FBy?579.2N

在水平面上

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FBx?FtL1/(L1?L2)?920.17N

FAx?Ft?FBx?1226.9N

2.画弯矩图

在水平面上，a-a剖面左侧、右侧

MaH1?MaHr?FAx.L1?36807N?mm 在垂直面上，a-a剖面左侧

MaV1?FAy?L1?17376N?mm a- a剖面右侧

MaVr?FAy?L2?10096.8N?mm

扭矩T?23640N

合成弯矩，a-a剖面左侧

Ma1?MAv12?MaH12?40702.34N?mm

a- a剖面右侧

Mar?MAvr2?MaHr2?38166.75N?mm

转矩T?23640N 3.判断危险剖面

显然，a-a截面左侧合成弯矩最大，扭矩为T，该截面左侧可能是危险剖面。

4.轴的弯扭合成强度校核

由《机械设计》查得[?]?[??1]?90MPa,[?0]b?150MPa

??a-a截面左侧

[??1]?0.6 [?0]b

M2?(?T)2?e??68.61MPa<[?]

W5.轴的疲劳强度安全系数校核

查《机械设计》表3.2得

查《机械设计》329页附录表1，得K??3.5 K??2.10

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由图3.11查得???0.84,???0.82 轴经磨削加工，查得质量系数

M弯曲应力?b??64MPa

W应力幅?a??b?64MPa 平均应力切应力?T?

，则

T?18.65MPa WT平均应力与应力幅为?a??m?9.33MPa

安全系数

S????1K??1.84

????a????m??1?12.02

S??K?????a????mS?S?S??S?22S??1.82

查得许用安全系数[S]?1.3~1.5,显然S?[S],故a-a截面安全。

2.7助力系统的助力特性分析

2.7.1转向盘目标手力的分析

对于空满载质量变化不大的乘用车，低速行驶时转向盘输入转矩不高于5N.m，则认为转向轻便；而高速行驶时转向盘输入转矩不低于7.5N.m，则认为转向稳定。

本次设计中，方向盘的直径定为400mm，则在低速行驶中，人手对方向盘施加的力大小为25N，高速行驶时，人手对方向盘施加的力大小为37.5N，如图2-14所示

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图2-14转向手力图像

根据条件：助力+手力≥阻力，通过调整转向助力电机的转速参数和转向器的相关参数，使得转向助力电机提供的助力和手力能够克服转向阻力。

2.7.2电动助力转向的助力特性

电动助力转向的助力特性由软件设定。通常将助力特性曲线设计成随着汽车行驶速度Va的变化而变化，并将这种助力特性称之为车速感应型。助力既是作用到转向盘上的力矩的函数，同时也是车速的函数[19]。

当车速Va?0时，相当于汽车在原地转向，助力特性曲线的位置居其他各条曲线之上，助力强度达到最大。随着车速Va不断升高，助力特性曲线的位置也逐渐降低，直至车速Va达到最高车速Vamax为止，此时的助力强度已为最小，而路感强度达到最大[6]。

2.8本章小结

本章是电动助力转向系统的设计，主要内容如下： 1，对电动助力转向系统中的齿轮齿条转向器的主要元件进行的详细的介绍，并且给出了一些参考的转向系参数，对主要元件进行结构设计。

2，根据已知条件，对电动助力转向系统中的齿轮齿条式转向器进行了齿轮轴和齿条的设计。计算结果如表2-9和表2-10所示

3，由已确定的数据计算了转向盘手力，根据转向盘的目标手力进行了简单的助力系统助力特性的分析。

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第3章 转向系的三维实体建模

3.1转向系传动部分三维建模

转向系传动部分主要零件主要包括左右转向横拉杆、左右球头万向节。主要操作包括零件图中的拉伸、凸台、凹槽、拔模斜度、倒角等基本操作。最终如图3-1，图3-2所示

图3-1转向横拉杆 图3-2球头

图3-3球头连件

另外传动机构需要有防尘措施，所以左右都要添加防尘罩，如图3-3。

图3-3球头防尘罩

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防尘罩建立需要在平面图中建立直线与曲线，在三维图中生成旋转体，然后在左右两端添加凸台。

完成上述零件的建模后，便可以在装配模块下完成上述部分的装配图，如图3-4 所示

图3-4部分传动机构装配图

转向器部分三维建模：

转向器部分包括齿轮轴，齿条，这两部分主要使用凸台、凹槽、齿轮生成器等功能，齿条三维建模结果如图3-5，图3-6所示

图3-5齿条 图3-6齿轮轴

这两个零件装配在一起如图3-7所示

图3-7齿轮轴齿条装配图

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该部分完成后，可以完成转向系传动部分的装配图，如图3-8所示

图3-8转向系统传动机构装配图

3.2转向系操纵机构

转向系操纵包括方向盘，转向管柱，万向节等，方向盘不是主要零件，所以不做仔细设计。结果如图3-9、图3-10、图3-11、图3-12、图3-13所示

图3-9上管柱 图3-10下管柱

图3-11上管柱万向节 图3-12下管柱上端万向节

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图3-13下管柱下端万向节

完成上述零件之后，通过约束各零件配合位置可完成转向系统操纵机构装配图，如图3-14所示

图3-14转向系统操纵机构装配图

根据以上转向系统各部分结构，通过约束，生成转向系统装配图，如图3-15

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图3-15转向系统装配图

3.3本章小结

本章对齿轮助力式转向系统进行了CATIA软件的三维建模

1.对转向系统传动机构部分零件进行了三维建模设计，并生成了转向系统传动机构装配图和二维图。

2.对转向系统操纵部分零件进行了三维建模，并生成了转向系统操纵部分的装配图和二维图。

3.完成转向系统的总装配图，生成部分零件的二维图。

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第4章 ADAMS优化转向梯形

4.1转向梯形的优化的要求

汽车转向时，外轮比内轮的转弯半径大，为了减少前轮的磨损和动力损耗，左右车轮的转向角必须有一个合理的关系。对转向梯形的优化实际上就是寻找一个能够准确反映转向系符合阿克曼特性的指标来展开对转向梯形的优化，本次

以转向前束角作为优化目标函数。

车轮转向角必须满足阿克曼原理，即在汽车前轮定位都等于零、车轮为刚性的前提下，整个转向过程中所有车轮必须围绕同一瞬时中心转动，可以减少车轮的磨损，如图4-1所示。

图4-1阿克曼原理示意图

由公式

cotθo?cotθi?K (4-1) L- 28 -

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式中 ——两侧主销轴线与地面交点间的距离； ——汽车轴距 ——外轮转角 ——内轮转角

4.2转向前束角的优化目标函数

根据转向前束角的计算公式

(TD?2?2E)?T2D2?4?8E?4E2?4D2?4T2E (4-2) ???arctan2(D?T)

其中

D?tan??tan? E?tan?tan?

则优化目标函数为：

(TD?2?2E)?T2D2?4?8E?4E2?4D2?4T2E2（4-3)

f(x)???(?0)arctan2(D?T)?Xt?0?Xcmax取加权因子

?1.5 0??0?10??(?0)??1.0 10??0?20 (4-4)

??0.5 20??0??0max取加权因子后的优化目标函数为

(TD?2?2E)?T2D2?4?8E?4E2?4D2?4T2E (4-5)

f(x)???(?0)arctan2(D?T)?Xt?0?Xcmax考虑到优化的全面性和准确性[2]，本课题选用第三种方法，即以转向前

束角作为优化指标函数来完成对转向梯形的优化。

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4.3转向梯形的优化

4.3.1 ADAMS/Insight优化

确定参数后，进入Insight模块，进行平面模型的优化，结果如图4-2所示

图4-2Insight模块参数设置

4.3.2转向传动机构悬架模型建立

采用平面模型数学关系建立，结果如图4-3所示：

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图4-3转向传动机构悬架模型

4.4灵敏度分析

利用ADAMS/Insight分析转向梯形关键点，转向拉杆和转向节连接处。结果图5-4所示：

图4-4灵敏度分析

可以看出排名前三位的是左轮转向角OBJIECTIVE_uL、右轮转向角OBJIECTIVE_uR、转向节臂传动角OBJIECTIVE_chuandongjiao。最终确定优化变量为左轮转向角OBJIECTIVE_uL、右轮转向角OBJIECTIVE_uR、转

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向节臂传动角OBJIECTIVE_chuandongjiao。

4.5 ADAMS/View Evaluation优化

利用Design Evaluation对转向机构悬架模型进行最终的优化，优化的指标指定为转向前束角优化目标函数的最小值。优化变量为关键点的三维坐标。结果如如5-5-1所示：

图4-5转向前束角优化目标函数优化结果

4.6优化前后结果对比

选择作图参数并运行程序，等待一段时间后，结果如图4-6，图4-7，图4-8，图4-9所示。

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图4-6转向节臂传动角优化前后对比 图4-7转向前束角优化前后对比

图4-8左轮转向角优化前后对比 图4-9右轮转向角优化前后对比

优化结果对比见下表4-10：

表4-10优化结果展示

序号 1 2 3 4 [18]

优化变量 OBJECTIVE_fx tierod_knuckle_x tierod_knuckle_y tierod_knuckle_z 优化前数值 0.281442 159.96 617 2.13 优化后数值 0.168976 156.96 614 -2.875 可以看的出来目标函数OBJECTIVE_fx的值经过优化后减少了约40%，优化结果显著

。

4.7本章小结

本章主要利用ADAMS软件对转向系进行建模及分析，确定优化变量及优化参数，利用Adams/View和Adams/Insight两个模块完成了对转向前束角的优化[2]。

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结论

本课题根据帕萨特车型的参数，对帕萨特转向系统进行三维建模设计，通过CAD软件绘制二维图，使用AMADS软件对转向梯形进行优化。

本文的主要工作可以归纳如下几点：

1.对乘用车转向系统中的助力电机和转向器的结构和工作原理作了具体介绍，阐述了本次课题研究的目的及现实意义。

2.电动助力转向系统的总体设计。对EPS系统的工作原理进行了研究，并对EPS系统的结构和组成元件进行了细致的研究。。

3.对转向系统进行了具体的设计和计算，根据任务要求完成了重要部件的结构设计。

4.对驾驶员作用于转向盘的手力进行了计算分析,低速行驶中，人手对方向盘施加的力大小为25N，高速行驶时，人手对方向盘施加的力大小为37.5N。

5.利用以上设计得出的数据、结构型式，并绘制出了系统装配图。 7.绘制了转向系统完整的工程图。

6.用ADAMS软件对转向梯形进行了优化。

本设计只是设计的一个开始，由于认识深度和水平有限，本文对电动助力转向系统的研究还不完善，对于EPS系统的分析还有待更进一步的深入研究，还有更多的内容需要更进一步的学习。

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致 谢

我由衷的感谢周遐余老师在毕业设计这段时间里对我的帮助，在毕业设计选题、论文撰写过程中，周老师给予了我们很多宝贵的意见和指导，周老师是我们大学四年的班主任，不仅在毕业设计中帮助过我们，在平时的学习生活中，周老师丰富的经验，严谨清晰的思路，给我很多启示。还要特别感谢刘涛老师和崔胜民老师。他们的细心讲解和指导，让我的设计的方向更加正确，思路更加明确，也让我的态度更加认真和谨慎。

同时，还需要感谢帮助过我的同学们，我们同在一个公寓，每天都会相互交流探讨，在遇到设计困难的时候，我都会主动向同学请教，他们也会细心的指导我，包括软件绘图，当遇到一些操作不会的时候，同学也会积极的帮助我。虽然大家各自设计的课题都不一样，但是在这样一个积极的设计氛围里，有利于我们设计的进行。

最后，最要感谢的是我的父母，他们不仅提供给我衣食住行，同时还在背后默默的支持我们，给我鼓励和希望。

谢谢每一个关心和帮助我的人，谢谢！

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/40qw.html