一、课程介绍
《转向系统设计方法》是面向车辆工程专业开设的专业教育课程选修课。本课程从转向系统的基本功能出发，首先对转向系统参数对汽车转向性能影响进行了理论分析，在此基础上引出了转向系统的设计要求，然后逐个分析了这些要求的实现，并将这些整车层次的要求与对总成和部件的要求建立起了联系。之后讲解了总成和关键部件设计中的主要问题。另外本课程也讲解了典型汽车电控转向系统的基本原理与设计方法、电控转向系统可靠性设计技术。本课程的教学目的是使授课了解和掌握汽车转向系统设计的基本概念、理论、流程和方法。本课程的教学目标是培养授课对象应用所学解决汽车转向系统设计中各层次问题的能力，并通过分组的课题讨论和课程实验培养授课对象的团队合作精神和组织实施能力。
Introduction
‘Steering System Design Methods’ is an optional course of professional education for the vehicle engineering. This course is based on the basic performance of steering system. First, This course will do theoretical analysis about the influence of steering system parameters on automobile steering performance, then put forward design requirements for steering system, analyze the way to achieve these requirements individually, and make requirements for vehicle and requirements for assemblies and components into integration; Second, this course will have a presentation about the main issues occurring in the design of assembly and key component; Third, the course also explains the basic principles, design methods and reliability designing techniques associated with the development of typical electronic controlled steering systems.
The purpose of this course is to make students have a good understanding of the basic concepts, theories, processes and methods used in the steering system developing. The goal of this course is to develop the ability of the target students to solve the problems at all levels of the design of the car steering system, and to develop the teamwork spirit and organizational implementation ability of the target students through group discussion and course experiments.
课程基本信息
课程名称 |
转向系统设计方法 |
课程编码 |
422063 |
英文名称 |
Steering System Design Methods |
||
课程学时 |
28 |
课程学分 |
1.5 |
课程类别 |
专业教育课程 |
课程性质 |
选修课 |
开课学期 |
第7学期 |
课内实验学时 |
4 |
适用专业 |
车辆工程 |
||
开课单位 |
汽车仿真与控制国家重点实验室 |
||
选用教材 |
暂无 |
||
主要参考书 |
1. 王宵峰. 汽车悬架与转向系统设计. 北京：清华大学出版社，2015.12 2. 日本自动车技术会编. 中国汽车工程学会组译．汽车工程手册5－底盘设计篇．北京：北京理工大学出版社，2010.12 |
||
制定人 |
张建伟 |
制定时间 |
2019年3月 |
二、教学大纲
1、教学目标
1.1 教学目标
本课程的教学目标是使学生了解和掌握汽车转向系统设计的基本概念、理论、流程和方法；培养学生解决汽车转向系统设计中各层次问题的能力；同时培养其团队合作精神与解决具体问题时的组织能力。
本课程的教学目标如下：
1.掌握转向系统设计的基本原理与方法；综合应用多种分析与设计方法，分析与解决转向系统设计的复杂工程问题；设计满足功能、性能等特定要求的系统、部件。具体教学目标包括：
（1）使学生理解转向系统功能和设计中的基本问题，了解转向系统的型式与特点；
（2）使学生了解底盘集成开发给转向系统设计带来的特点，并以性能逐层分解为线索，掌握转向系统设计中总布置参数、性能参数、总成参数和关键部件参数的内容，了解主要特性参数的测试方法；
（3）使学生理解转向系统参数对汽车性能的影响，掌握转向系统参数对汽车性能影响的结论；
（4）使学生掌握转向系统总成部件的设计和系统特性控制的思路；
（5）使学生了解齿条转向器和循环球式转向器的液压和电动助力系统的组成、结构、发展现状和趋势、基本控制策略，理解工作原理、对汽车性能改善的原理，掌握电动和液压助力系统的设计思路；
（6）使学生了解四轮转向和主动转向系统的型式、结构、发展现状与趋势，理解它们改善汽车性能的基本原理，掌握它们的工作原理和基本控制原理；
（7）使学生了解变传动比转向系统的型式、结构、发展现状与趋势，理解它们改善汽车性能的基本原理，掌握它们的工作原理和基本控制原理；
（8）使学生了解电控转向系统可靠性设计的基本概念和基本方法，理解基本原理。
2. 在解决课程教学中的复杂工程问题时发挥团队合作精神，并具备一定的组织能力。具体教学目标包括：
（1）在课程实验教学环节，通过分组实施、课前方案设计、临时组长负责本次实验实施、组织实施效果评价等方式，锻炼学生对具体实验题目的组织实施能力；
（2）在课程实验教学环节，通过设置多人协作才能完成的题目、分组实施、角色互换、组内相互评价等方式，锻炼学生在解决具体问题时的团队合作精神。
1.2 教学目标与毕业要求指标点对应关系
表1 教学目标与毕业要求指标点对应关系
教学目标 |
毕业要求指标点（二级） |
教学目标1：掌握转向系统设计的基本原理与方法；综合应用多种分析与设计方法，分析与解决转向系统设计的复杂工程问题；设计满足功能、性能等特定要求的系统、部件。 |
3.1能够提出车辆工程领域复杂工程问题的解决方案，设计满足功能、性能等特定要求的系统、部件或工艺流程。 |
教学目标2：在解决课程教学中的复杂工程问题时发挥团队合作精神，并具备一定的组织能力。 |
9.2在车辆工程领域中充分发挥团队合作精神，并能针对具体问题体现一定的组织能力。 |
2、教学要求
教师要积极备课，认真准备实验；在课堂内进行大纲解读，使学生清楚本课程具体的课程目标，通过该课程的学习应掌握的知识和获得的能力；对课程内容要融会贯通，切忌照本（幕）宣科。注重知识的拓展，并在课堂上加强思政教育。
通过理论知识教学，结合典型实例分析，充分利用多媒体动画教学使学生掌握理论知识，具备分析问题解决问题的能力。通过实验教学培养学生动手操作能力，了解实验过程，具备工程实践基础。
成绩评价体系标准真实、严谨、公平、公正、公开，能促使学生学习的积极性。
3、预备知识或先修课程要求
先修课程：《汽车理论》。
4、教学方式
表2 教学方法与教学目标对应关系
教学方法 |
教学目标 |
采用理论教学与实践教学相结合的方法。理论部分以课堂讲授为主，配以适当的讨论，采用多媒体授课。实践部分包括实验方案设计、实验实施、数据分析与实验报告撰写环节，分小组开展，教师指导。 |
教学目标1：掌握转向系统设计的基本原理与方法；综合应用多种分析与设计方法，分析与解决转向系统设计的复杂工程问题；设计满足功能、性能等特定要求的系统、部件。 |
在课程实验教学环节，通过分组实施、课前方案设计、临时组长负责本次实验实施、组织实施效果评价等方式，锻炼学生对具体实验题目的组织实施能力；通过设置多人协作才能完成的题目、分组实施、角色互换、组内相互评价等方式，锻炼学生在解决具体问题时的团队合作精神。 |
教学目标2：在解决课程教学中的复杂工程问题时发挥团队合作精神，并具备一定的组织能力。 |
5、实验环境和设备
EPS原地转向实验台；笔记本电脑；转向盘力矩与转角测量系统；数据采集系统；通用电控转向快速原型控制器及工具软件；基于CAN总线的数据监视、标定与记录软件。
6、课程教学内容及学时分配
6.1教学内容及学时分配
第一章 绪论（1学时）
转向系统的功能（理解）
转向系统的型式和特点（了解）
转向系统设计的基本问题（理解）
教学安排（了解）
教学重点与难点：
重点：转向系统的功能和设计中的基本问题。
第二章 转向系统参数的内容与测试（1学时）
2.1 底盘集成开发给转向系统设计带来的特点（了解）
2.2 转向系统参数的内容（掌握）
2.3 汽车转向系统参数的测试方法（了解）
教学重点与难点：
重点：转向系统参数的内容及其分解测试方法。
第三章 转向系统参数对汽车性能的影响与设计（6学时）
3.1 转向传动机构的设计（1学时，掌握）
3.2 汽车转向性能的含义、内容与评价（1学时，了解）
3.3 对汽车转向盘角输入特性的影响（2学时，理解）
3.4 对汽车转向盘力输入特性的影响（1学时，理解）
3.5 对汽车转向盘操持特性的影响（1学时，理解）
教学重点与难点：
重点：转向传动机构设计，特别是独立悬架转向梯形断开点位置对悬架K&C特性中C特性的影响；转向系统参数对汽车性能的影响，包括对汽车转向盘角输入特性的影响、对汽车转向盘力输入特性的影响、对汽车转向盘操持特性的影响。
难点：转向系统设计对汽车转向性能的影响。
第四章 总成部件设计与系统特性控制（7学时）
4.1 循环球式转向器（2学时，掌握）
4.2 齿条式转向器（2学时，掌握）
4.3 转向输入机构中万向节的应用设计（1学时，理解）
4.4 各种拉杆及连接臂（1学时，了解）
以下5部分共计1课时
4.5 转向传动机构的分析与设计（理解）
4.6 转向系统的刚度分析与控制（理解）
4.7 转向系统的摩擦分析与控制（理解）
4.8 转向系统的间隙分析与控制（理解）
4.9 转向柱防伤机构的设计（了解）
教学重点与难点：
重点：循环球式转向器的工作原理、设计与选配要点；齿条式转向器的的工作原理、设计与选配要点；转向输入机构中万向节的应用设计要点；各种拉杆及连接臂的设计要点；转向传动机构的分析方法与设计要点；转向系统刚度、摩擦、间隙特性的分析与控制要点；转向柱防伤机构的设计要点。
难点：循环球式转向器与齿条式转向的设计与选配要点，理解它们相互的不可替代性。
第五章 助力转向系统（4学时）
5.1液压助力系统（2学时）
1）组成与结构（齿条转向器、循环球转向器）（了解）
2）工作原理（齿条转向器、循环球转向器）（理解）
3）阀特性的设计（齿条转向器）（理解）
5.2电动助力（2学时）
型式、组成与结构（了解）
发展现状与趋势（了解）
工作原理（理解）
改善汽车性能的原理与基本控制策略（理解）
教学重点与难点：
重点：齿条转向器和循环球式转向器的液压和电动助力系统型式、结构与工作原理；助力特性设计的原理；电动助力转向改善汽车性能原理与基本控制策略。
难点：电动和液压助力系统助力特性的设计原理；电动助力转向改善汽车性能的原理与基本控制策略。
第六章 四轮转向与主动转向（2学时）
6.1四轮转向系统（1学时）
1）四轮转向的型式、结构与工作原理（了解）
2）四轮转向改善汽车性能的基本原理（理解）
6.2主动转向系统（1学时）
1）改善汽车性能的原理与基本逻辑（理解）
2）发展现状与趋势（了解）
3）系统组成与结构（了解）
4）工作原理与控制原理（掌握）
教学重点与难点：
重点：四轮转向和主动转向系统的结构与工作原理；四轮转向和主动转向系统改善汽车性能的基本原理；四轮转向和主动转向系统改善汽车性能的基本控制逻辑。
难点：四轮转向和主动转向系统改善汽车性能的基本原理；四轮转向和主动转向系统改善汽车性能的基本控制逻辑。
第七章 变传动比转向系统分析与设计（2学时）
7.1改善汽车性能的基本原理（0.5学时，掌握）
7.2变传动比的策略（0.5学时，掌握）
7.3发展现状与趋势（0.25学时，掌握）
7.4系统组成与结构（0.25学时，掌握）
7.5工作原理与控制原理（0.5学时，掌握）
教学重点与难点：
重点：变传动比转向系统的型式、结构与工作原理；线控转向系统变传动比设计原理与逻辑。
难点：线控转向系统变传动比设计原理与逻辑。
第八章 电控转向系统的可靠性设计技术（1学时）
8.1电控转向系统可靠性的要求与标准（0.25学时，了解）
8.2电控转向系统可靠性设计的基本原理（0.25学时，理解）
8.3设计阶段的FMEA分析方法（0.25学时，了解）
8.4故障树分析方法（0.25学时，了解）
教学重点与难点：
重点：功能安全的概念及其对电控转向系统的要求。电控转向系统可靠性设计的基本概念、基本原理和基本方法。
难点：电控转向系统可靠性设计的基本原理与基本方法。
6.2教学内容与教学目标对应关系
表3 教学内容与教学目标对应关系
教学内容 |
教学目标 |
全部课程内容 |
教学目标1：掌握转向系统设计的基本原理与方法；综合应用多种分析与设计方法，分析与解决转向系统设计的复杂工程问题；设计满足功能、性能等特定要求的系统、部件。 |
课程实验部分 |
教学目标2：在解决课程教学中的复杂工程问题时发挥团队合作精神，并具备一定的组织能力。 |
7、实验项目内容、学时分配、实验小组
表4 实验项目一览表
实验项目 |
内容提要 |
实验 类型 |
学时 分配 |
主要仪器 设 备 |
实验 地点 |
考核形式 |
|
1 |
转向系统特性评价实验 |
1）讲解简易转向系统实验台的原理与操作，包括转向负载模拟原理、转向盘力矩和转角测量系统的原理、数据采集系统的操作方式； 2）转向系统特性讲解； 3）转向系统刚度特性实验； 4）转向系统摩擦特性实验。 |
综合性 |
2 |
1）简易转向系统实验台； 2）转向盘力矩与转角测量系统； 3）数据采集系统。 |
汽车仿真与控制国家重点实验室 |
实验报告 |
2 |
EPS控制策略开发实验 |
1）电动助力转向系统组成、工作原理、改善车辆性能基本原理讲解； 2）实验环境使用讲解； 3）力矩滤波策略开发实验； 4）基本助力策略开发实验； 5）阻尼控制策略开发实验（选作）。 |
2 |
1）简易转向系统实验台； 2）转向盘力矩与转角测量系统； 3）数据采集系统； 4）开发型的EPS控制器； 5）单片机下载器与集成开发环境软件。 |
汽车仿真与控制国家重点实验室 |
8、考核要求、考核方式及成绩评定标准
8.1考核方法
表5 考核方法与教学目标对应关系
考核方法 |
教学目标 |
1、针对学习效果进行考核。 2、包括课堂作业、课程作业、实验报告，各项成绩按比例计入最终成绩。 |
教学目标1：综合应用多种分析与设计方法，提出转向系统复杂工程问题的解决方案，设计满足功能、性能等特定要求的系统、部件。 |
1、针对团队合作效果和针对具体问题的组织能力进行考核。 2、考核内容为课程实验组织实施效果，各项成绩按比例计入最终成绩。 |
教学目标2：在车辆工程领域中充分发挥团队合作精神，并能针对具体问题体现一定的组织能力。 |
8.2考核内容与标准
（一）教学目标1的考核内容包括课程作业、课堂作业和课程实验报告，考核标准如下。
（1）课堂作业
课堂作业成绩的评定依据为5～8次的课堂作业，每次按10分制评定。课堂作业成绩评分依据如下表所示。
表6 课堂作业评分标准
教学目标 |
课堂作业评分标准（10分） |
|||
工整性（1分） |
完整性（4分） |
准确性（4分） |
创新性（1分） |
|
掌握转向系统设计的基本原理与方法；综合应用多种分析与设计方法，分析与解决转向系统设计的复杂工程问题；设计满足功能、性能等特定要求的系统、部件。 |
语言规范、字迹清楚。 |
包括全部答题要点，答案内容完整。 |
能够自觉应用转向系统设计的基本原理与方法，分析与回答题目；答案准确、论述清楚。 |
思路清晰、分析深入。 |
（2）课程作业
课程作业成绩的评定依据为2～4次的课程作业或论文，每次按10分制评定。课程作业成绩评分依据如下表所示。
表7 课程作业评分标准
教学目标 |
课程作业评分标准（10分） |
|||
工整性（2分） |
完整性（3分） |
准确性（3分） |
创新性（2分） |
|
掌握转向系统设计的基本原理与方法；综合应用多种分析与设计方法，分析与解决转向系统设计的复杂工程问题；设计满足功能、性能等特定要求的系统、部件。 |
行文规范、语言流畅。 |
对题目的各部分都进行了针对性的回答，论述过程完整。 |
能够自觉应用转向系统设计的基本原理与知识，使用适当的方法，分析与回答题目；结论正确、分析合理、论述清楚。 |
思路清晰、分析深入，观点有一定独创性。 |
（3）课程实验报告
课程实验成绩包括课程实验报告成绩和课程实验组织实施成绩。组织实施成绩评定的是教学目标2，考核标准详见后文。实验报告成绩的评定依据是实验报告，采用10分制，评分依据如下表所示。
表8 课程实验报告评分标准
教学目标 |
课程实验报告评分标准（10分） |
|||
工整性（1分） |
完整性（4分） |
准确性（4分） |
创新性（1分） |
|
掌握转向系统设计的基本原理与方法；综合应用多种分析与设计方法，分析与解决转向系统设计的复杂工程问题；设计满足功能、性能等特定要求的系统、部件。 |
格式规范、行文规范、图表形式规范、语言流畅。 |
包含全部必要项目，各项目内容完整。 |
实验数据记录准确；数据处理计算完整、准确；数据图表准确、表达合理；结果可信、准确。 |
对实验结果进行合理、准确的误差分析，讨论实验工况与理论模型的差异，充分考虑相关因素。 |
（二）教学目标2的考核内容为课程实验组织实施效果，考核标准如下。
（1）课程实验组织实施效果
每次实验前，通过小组讨论的方式，推举小组行政组长， 然后采用自荐和讨论的方式确定各位同学的小组角色。组长负责协调组织整个小组完成实验前期准备（包括实验方案制定、实验前的数据准备、工具软件与设备使用学习等）、成员联络与沟通、小组成员实验安排等小组整体事宜；每位同学实验时成为小组的临时组长，负责本次实验的组织实施，并获取其实验报告的全部数据。每次实验后，临时组长需要检查实验数据的有效性。
每次实验完成后，① 本次实验组织者给参与实验的小组成员打分，作为此次实验中各成员的角色成绩，评价其角色任务完成的满意度，评分为5分制，评分标准见表9；② 实验指导人员对此组实验开展情况进行整体评价，作为对本次实验临时组长实验组织实施成绩，评分为10分制，评分标准见表10。
表9 临时组长给小组成员打分的标准
临时组长对小组成员角色完成满意度的评价（5分） |
|
等 级 |
评分要求 |
4~5分 |
很好地完成了所承担的角色；与团队其他成员协调很好。 |
3~4分 |
承担了个人的角色，但效果不好或熟练程度不佳，影响了实验的顺利实施；与团队其他成员沟通困难。 |
0~3分 |
未参与实验；未承担个人角色；或与团队成员沟通出现严重问题。 |
表10 对每次实验组织实施成绩的评分标准
教学目标 |
对每次实验组织实施效果的评价（10分） |
||||
实验组织 |
人员安全 |
设备安全 |
实验现场 |
熟练程度与效果 |
|
2分 |
2分 |
2分 |
1分 |
3分 |
|
在车辆工程领域中充分发挥团队合作精神，并能针对具体问题体现一定的组织能力。 |
实验有条不紊；成员分工明确、团队协助顺畅。 |
没有人员受伤的情况。 |
没有设备损坏的情况。 |
实验现场设备摆放、人员站位井井有条；实验后仪器、设备摆放到位，实验台整洁。 |
实验一：记录实验完成时间，作为评价依据。 |
实验二：由实验指导人员评价控制策略的开发效果，作为评价依据 |
|||||
8.3成绩评定
（1）课程考核成绩由课程作业成绩（30%）、课堂作业成绩（30%）、实验成绩（20%）和团队合作成绩（20%）四部分组成。最终课程考核成绩采用百分制，满分100分，60分为及格。最终课程考核成绩的计算公式如下。
课堂作业成绩（30%）+课程作业成绩（30%）+实验成绩（20%）+团队合作成绩（20%）=100%
（2）课堂作业成绩的评定依据为5~8次的课堂作业成绩，每次按10分制记载，期末采用加权累计的方法计分。
（3）课程作业成绩的评定依据为2～4次的课程作业或论文成绩，每次按10分制记载，期末采用加权累计的方法计分。
（4）实验成绩的评定依据为两次实验的实验报告成绩，每次按10分制记载，期末采用加权累计的方法计分。
（5）团队合作成绩的评定依据为两次课程实验的组织实施成绩，每次成绩按10分制记载，期末采用加权累计的方法计分。每次成绩中，实验指导人员对此名同学的实验组织评价（实验组织成绩）占比50%，小组其他成员给此名同学的角色成绩之和折算后占比50%。
9、备注
（1）可根据学科的发展，对教学内容进行适当的补充和删减；
（2）可根据实验条件的改善，更新实验项目与内容；
（3）将根据教学目标2的实施效果，完善教学活动，不断提高教学目标2对课堂教学与课程实验的渗透；
（4）采用多媒体教室授课。
