毕业论文设计转向系统设计.doc

1 目 录 摘 要 .3 第一章 绪论 .4 1.1 汽车转向系统概述 .4 1.2 齿轮齿条式转向器概述 .10 1.3 液压助力转向器概述 .11 1.4 国内外发展情况 .13 1.5 本课题研究的目的和意义 .13 1.6 本文主要研究内容 .14 第二章 汽车主要参数的选择 .15 2.1 汽车主要尺寸的确定 .15 2.2 汽车质量参数的确定 .17 2.3 轮胎的选择 .18 第三章 转向系设计概述 .20 3.1 对转向系的要求 .20 3.2 转向操纵机构 .20 3.3 转向传动机构 .21 3.4 转向器 .21 3.5 转角及最小转弯半径 .22 第四章.转向系的主要性能参数 .24 4.1 转向系的效率 .24 4.2 传动比变化特性 .25 4.3 转向器传动副的传动间隙T .27 4.4 转向盘的总转动圈数 .28 第五章 机械式转向器方案分析及设计 .29 5.1 齿轮齿条式转向器 .29 5.2 其他转向器 .31 5.3 齿轮齿条式转向器布置和结构形式的选择 .32 5.4 数据的确定 .32 5. 5 设计计算过程 .33 5.6 齿轮轴的结构设计 .37 5.7 轴承的选择 .37 5.8 转向器的润滑方式和密封类型的选择 .38 5.动力转向机构设计 .38 5.1 对动力转向机构的要求 .38 5.2 动力转向机构布置方案 .38 5.3 液压式动力转向机构的计算 .40 5.4 动力转向的评价指标 .45 2 6. 转向传动机构设计 .47 6.1 转向传动机构原理 .47 6.2 转向传送机构的臂、杆与球销 .49 6.3 转向横拉杆及其端部 .49 6.4 杆件设计结果 .50 7.结论 .51 致谢 .51 3 摘 要 本课题的题目是转向系的设计。以齿轮齿条转向器的设计为中心，一是汽车总体构架 参数对汽车转向的影响；二是机械转向器的选择；三是齿轮和齿条的合理匹配，以满足 转向器的正确传动比和强度要求；四是动力转向机构设计；五是梯形结构设计。因此本 课题在考虑上述要求和因素的基础上研究利用转向盘的旋转带动传动机构的齿轮齿条转 向轴转向，通过万向节带动转向齿轮轴旋转，转向齿轮轴与转向齿条啮合，从而促使转 向齿条直线运动，实现转向。实现了转向器结构简单紧凑，轴向尺寸短，且零件数目少 的优点又能增加助力，从而实现了汽车转向的稳定性和灵敏性。在本文中主要进行了转 向器齿轮齿条的设计和对转向齿轮轴的校核，主要方法和理论采用汽车设计的经验参数 和大学所学机械设计的课程内容进行设计，其结果满足强度要求，安全可靠。 关键词：转向系；机械型转向器 ；齿轮齿条；液压式助力转向器 Abstract The title of this topic is the design of steering system. Rack and pinion steering gear to the design as the center, one vehicle parameters on the overall framework of the impact of vehicle steering; Second, the choice of mechanical steering; third rack gear and a reasonable match to meet the correct steering gear ratio and strength requirements; Fourth, power steering mechanism design; Fifth, the structural design of trapezoidal. Therefore, taking into account the above issues and factors that require study, based on the steering wheel rotary drive transmission shaft of the steering rack and pinion steering, through the universal joint drive shaft rotation gear shift, steering rack and steering gear shaft meshing, thereby encouraging steering rack linear motion to achieve steering. Simple structure to achieve the steering tight, short axial dimension, and the number of parts can increase the advantages of less power in order to achieve the vehicle steering stability and sensitivity. In this article a major design 4 steering rack and pinion steering gear shaft and the check, the main methods and theoretical experience in the use of automotive design parameters and the University of mechanical design school curriculum design and the results meet the strength requirements, safe and reliable. Keywords: steering; mechanical type steering gear; gear rack; hydraulic power steering 第一章 绪论 1.1 汽车转向系统概述 转向系统是汽车底盘的重要组成部分，转向系统性能的好坏直接影响到汽车行驶的 安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性，它对于确保车辆的行驶安全、减少交通事故以及保 护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。随着现代汽车技术的迅速 发展，汽车转向系统已从纯机械式转向系统、液压助力转向系（HPS）、电控液压助力转 向系统（EHPS），发展到利用现代电子和控制技术的电动助力转向系统（EPS）及线控转 向系统（SBW）。 按转向力能源的不同，可将转向系分为机械转向系和动力转向系。 机械转向系的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，由转向操纵机构(方向盘)、 转向器、转向传动机构三大部分组成。其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动 机构的直线运动(严格讲是近似直线运动)的机构，是转向系的核心部件 2。 动力转向系除具有以上三大部件外，其最主要的动力来源是转向助力装置。由于转 向助力装置最常用的是一套液压系统，因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐， 它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电机和地线的作用。 通常，对转向系的主要要求是: (1) 保证汽车有较高的机动性，在有限的场地面积内，具有迅速和小半径转弯的能 力，同时操作轻便; (2) 汽车转向时，全部车轮应绕一个瞬时转向中心旋转，不应有侧滑; (3) 传给转向盘的反冲要尽可能的小; (4) 转向后，转向盘应自动回正，并应使汽车保持在稳定的直线行驶状态; 5 (5) 发生车祸时，当转向盘和转向轴由于车架和车身变形一起后移时，转向系统最 好有保护机构防止伤及乘员 1.1.1 机械式转向系统 汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向轮 来完成的。机械式转向系统工作过程为：驾驶员对转向盘施加的转向力矩通过转向轴输 入转向器，减速传动装置的转向器中有1、2 级减速传动副，经转向器放大后的力矩和减 速后的运动传到转向横拉杆，再传给固定于转向节上的转向节臂，使转向节和它所支承 的转向轮偏转，从而实现汽车的转向。纯机械式转向系统根据转向器形式可以分为：齿 轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。 纯机械式转向系统为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘，需占用较 大的空间，整个机构笨拙，特别是对转向阻力较大的重型汽车，实现转向难度很大，这 就大大限制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉，目前该类转向系统除 在一些转向操纵力不大、对操控性能要求不高的农用车上使用外已很少被采用。 1.1.2 液压助力转向系统（HPS） 装配机械式转向系统的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重， 为解决这个问题，美国GM 公司在20 世纪50 年代率先在轿车上采用了液压助力转向系统。 该系统是建立在机械系统的基础之上，额外增加了一个液压系统。液压转向系统是由液 压和机械等两部分组成，它是以液压油做动力传递介质，通过液压泵产生动力来推动机 械转向器，从而实现转向。液压助力转向系统一般由机械转向器、液压泵、油管、分配 阀、动力缸、溢流阀和限压阀、油缸等部件组成。为确保系统安全，在液压泵上装有限 压阀和溢流阀。其分配阀、转向器和动力缸置于一个整体，分配阀和主动齿轮轴装在一 起（阀芯与齿轮轴垂直布置），阀芯上有控制槽，阀芯通过转向轴上的拨叉拨动。转向 轴用销钉与阀中的弹性扭杆相接，该扭杆起到阀的中心定位作用。在齿条的一端装有活 塞，并位于动力缸之中，齿条左端与转向横拉杆相接。转向盘转动时，转向轴（连主动 齿轮轴）带动阀芯相对滑套运动，使油液通道发生变化，液压油从油泵排出，经控制阀 流向动力缸的一侧，推动活塞带动齿条运动，通过横拉杆使车轮偏转而转向。 6 液压助力转向系统是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机带动液压泵产生的压力 来实现车轮转向。由于液压转向可以减少驾驶员手动转向力矩，从而改善了汽车的转向 轻便性和操纵稳定性。为保证汽车原地转向或者低速转向时的轻便性，液压泵的排量是 以发动机怠速时的流量来确定。汽车起动之后，无论车子是否转向，系统都要处于工作 状态，而且在大转向车速较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力，所 以在一定程度上浪费了发动机动力资源。并且转向系统还存在低温工作性能差等缺点。 1.1.3 电控液压助力转向系统（EHPS） 由于液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性， 因此，在1983年日本Koyo 公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统 （EHPS）。EHPS 是在液压助力系统基础上发起来的，在传统的液压助力转向系统的基础 上增设了电控装置，其特点是原来由发动机带动的液压助力泵改由电机驱动，取代了由 发动机驱动的方式，节省了燃油消耗；具有失效保护系统，电子元件失灵后仍可依靠原 转向系统安全工作；低速时转向效果不变，高速时可以自动根据车速逐步减小助力，增 大路感，提高车辆行使稳定性。电控液压助力转向系统是将液压助力转向与电子控制技 术相结合的机电一体化产品。一般由电气和机械两部分组成，电气部分由车速传感器、 转角传感器和电控单元ECU 组成；机械部分包括齿轮齿条转向器、控制阀、管路和电动 泵。其中电动泵的工作状态由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算 出的最理想状态。简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动液压泵以高速运转输 出较大功率，使驾驶员打方向省力；汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动液压泵以较 低的速度运转，在不至影响高速打转向的需要的同时，节省一部分发动机功率。 电控液压转向系统的工作原理：在汽车直线行驶时，方向盘不转动，电动泵以很低 的速度运转，大部分工作油经过转向阀流回储油罐，少部分经液控阀然后流回储油罐； 当驾驶员开始转动方向盘时，ECU根据检测到的转角、车速以及电动机转速的反馈信号等， 判断汽车的转向状态，决定提供助力大小，向驱动单元发出控制指令，使电动机产生相 应的转速以驱动油泵，进而输出相应流量和压力的高压油。高压油经转向控制阀进入齿 条上的动力缸，推动活塞以产生适当的助力，协助驾驶员进行转向操作，从而获得理想 的转向效果。 7 电控液压助力转向系统在传统液压动力转向系统的基础上有了较大的改进，但液压 装置的存在，使得该系统仍有难以克服如渗油、不便于安装维修及检测等问题。电控液 压助力转向系统是传统液压助力转向系统向电动助力转向系统的过渡。 1.1.4 电动助力转向系统（EPS） 1988年日本Suzuki公司首先在小型轿车Cervo 上配备了Koyo 公司研发的转向柱助力 式电动助力转向系统。1990 年日本Honda 公司也在运动型轿车NSX 上采用了自主研发的 齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。EPS 是 在EHPS 的基础上发展起来的, 它取消EHPS 的液压油泵、油管、油缸和密封圈等部件,完 全依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构, 其结构简单、零件数量大大减少、可靠 性增强, 解决了长期以来一直存在的液压管路泄漏和效率低下的问题。电动助力转向系 统在本田飞度、思域以及丰田新皇冠、奔驰新A-class等车型上纷纷被采用。 1.1.4.1 电动助力转向系统构成 电动助力转向系统一般是由转矩（转向）传感器、电子控制单元ECU、电动机、电磁 离合器以及减速机构组成。 1.1.4.2 电动助力转向系统工作原理 电动助力转向系统的工作过程其工作过程为：扭矩传感器检测驾驶员打方向盘的扭 矩，然后根据这个扭矩给控制单元一个信号。同时控制单元也会收到来自方向盘位置传 感器的信号，这个传感器一般是和扭矩传感器装在一起的（有些传感器已经将这2 个功 能集成为一体）。扭矩和方向盘位置信息经过控制单元处理，连同传入控制单元的车速 信号，根据预先设计好的程序产生助力指令。该指令传到电机，由电机产生扭矩传到助 力机构上去，这里的齿轮机构则起到增大扭矩的作用。这样，助力扭矩就传到了转向柱 并最终完成了助力转向。 8 1.1.4.3 电动助力转向系统特点 (1)节约了能源消耗。 与传统的液压助力转向系统相比，没有系统要求的常运转转 向油泵，且电动机只是在需要转向时才接通电源，所以动力消耗和燃油消耗均可降到最 低。还消除了由于转向油泵带来的噪音污染。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，再加上存在管流损失等因素，浪费了部分能量。相反EPS 仅 在需要转向操作时才需要向电机提供的能量。而且，EPS系统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。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，在各种行驶条件下可节能 80%左右。 (2)改善了转向回正特性。 当驾驶员转动方向盘一角度然后松开时，EPS 系统能够 自动调整使车轮回到正中。同时还可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。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， 这些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 现起来很困难。 (3)提高了操纵稳定性。 转向系统是影响汽车操纵稳定性的重要因素之一。传统液 压动力转向由于不能很好地对助力进行实时调节与控制，所以协调转向力与路感的能力 较差，特别是汽车高速行驶时，仍然会提供较大助力，使驾驶员缺乏路感，甚至感觉汽 车发飘，从而影响操纵稳定性。但EPS是由电动机提供助力，助力大小由电子控制单元 （ECU）根据车速、方向盘输入扭矩等信号进行实时调节与控制，可以很好地解决这个矛 盾。 (4)安全可靠。 EPS 系统控制单元ECU 具有故障自诊断功能，当ECU 检测到某一组 件工作异常，如各传感器、电磁离合器、电动机、电源系统及汽车点火系统等，便会立 即控制电磁离合器分离停止助力，并显示出相应的故障代码，转为手动转向，按普通转 向控制方式进行工作，确保了行车的安全。 9 1.1.5 线控转向系统（SBW） 在车辆高速化、驾驶人员大众化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人 群，汽车的易操纵性设计显得尤为重要。线控转向系统（Steering-By-Wire Systerm， 简称SBW）的发展，正是满足这种客观需求。它是继EPS 后发展起来的新一代转向系统， 具有比EPS 操纵稳定性更好的特点，它取消转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电 能实现转向，彻底摆脱传统转向系统所固有的限制，提高了汽车的安全性和驾驶的方便 性。 1.1.5.1 线控转向系统的构成 SBW 系统一般由转向盘模块、转向执行模块和主控制器ECU、自动防故障系统以及电 源等模块组成。转向盘模块包括路感电机和转向盘转角传感器等，转向盘模块向驾驶员 提供合适的转向感觉（ 也称为路感） 并为前轮转角提供参考信号。转向执行模块包括 转向电机、齿条位移传感器等, 实现两个功能: 跟踪参考前轮转角、向转向盘模块反馈 轮胎所受外力的信息以反馈车辆行驶状态。主控制器控制转向盘模块和转向执行模块的 协调工作。 1.1.5.2 线控转向系统的工作原理 当转向盘转动时, 转向传感器和转向角传感器检测到驾驶员转矩和转向盘的转角并 转变成电信号输入到ECU, ECU 根据车速传感器和安装在转向传动机构上的位移传感器的 信号来控制转矩反馈电动机的旋转方向,并根据转向力模拟,生成反馈转矩, 控制转向电 动机的旋转方向、转矩大小和旋转角度,通过机械转向装置控制转向轮的转向位置，使汽 车沿着驾驶员期望的轨迹行驶。 1.1.5.3 线控转向系统特点 （1） 取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接，通过软件协调它们之间的运动关 系，因而消除了机械约束和转向干涉问题，可以根据车速和驾驶员喜好由程序根据汽车 的行驶工况实时设置传动比。 （2）去掉了原来转向系统各个模块之间的刚性机械连接，采用柔性连接，使转向系 10 统在汽车上的布置更加灵活，转向盘的位置可以方便地布置在需要的位置。 （3） 提高了汽车的操纵性。由于可以实现传动比的任意设置，并针对不同的车速， 转向状况进行参数补偿，从而提高了汽车的操纵性。 （4） 改善驾驶员的“路感”。由于转向盘和转向轮之间无机械连接， 驾驶员“路感”通过模拟生成。使得在回正力矩控制方面可以从信号中提出最能够反映 汽车实际行驶状态和路面状况的信息，作为转向盘回正力矩的控制变量，使转向盘仅仅 向驾驶员提供有用信息，从而为驾驶员提供更为真实的“路感”。 （5）减少了机构部件数量，而减少了从执行机构到转向车轮之间的传递过程，使系 统惯性、系统摩擦和传动部件之间的总间隙都得以降低，从而使系统的响应速度和响应 的准确性得以提高。 1.2 齿轮齿条式转向器概述 1.2.1 齿轮齿条式转向器结构及工作原理 齿轮齿条式转向器分两端输出式和中间（或单端）输出式两种。 11 图 1-1 1.转向横拉杆 2.防尘套 3.球头座 4.转向齿条 5.转向器壳体 6.调整螺塞 7.压紧弹簧 8.锁紧螺母 9.压块 10.万向节 11.转向齿轮轴 12.向心球轴承 13.滚针轴承 两端输出的齿轮齿条式转向器如图 1-1 所示，作为传动副主动件的转向齿轮轴 11 通 过轴承 12 和 13 安装在转向器壳体 5 中，其上端通过花键与万向节叉 10 和转向轴连接。 与转向齿轮啮合的转向齿条 4 水平布置，两端通过球头座 3 与转向横拉杆 1 相连。弹簧 7 通过压块 9 将齿条压靠在齿轮上，保证无间隙啮合。 弹簧的预紧力可用调整螺塞 6 调 整。当转动转向盘时，转向器齿轮 11 转动，使与之啮合的齿条 4 沿轴向移动，从而使左 右横拉杆带动转向节左右转动，使转向车轮偏转，从而实现汽车转向。 中间输出的齿轮齿条式转向器如图 1-2 所示，其结构及工作原理与两端输出的齿轮齿 条式转向器基本相同，不同之处在于它在转向齿条的中部用螺栓 6 与左右转向横拉杆 7 相连。在单端输出的齿轮齿条式转向器上，齿条的一端通过内外托架与转向横拉杆相连。 图 1-2 1.万向节叉 2.转向齿轮轴 3.调整螺母 4.向心球轴承 5.滚针轴承 6.固定螺栓 7.转向横拉杆 8.转向器 壳体 9.防尘套 10.转向齿条 11.调整螺塞 12.锁紧螺母 13.压紧弹簧 14.压块 1.2.2 齿轮齿条式转向器功能特点 (1)构造筒单,结构轻巧。由于齿轮箱小,齿条本身具有传动杆系的作用,因此,它不需耍循 环球式转向器上所使用的拉杆(2)因齿轮和齿条直接啮合,操纵灵敏性非常高。(3)滑动和 转动阻力小,转矩传递性能较好,因此,转向力非常轻。(4)转向机构总成完全封闭,可免于 维护。 12 1.3 液压助力转向器概述 兼用驾驶员体力和发动机(或电机)的动力为转向能源的转向系统，它是在机械转向 系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的。其中属于转向加力装置的部件是： 转向油泵 5、转向油管 4、转向油罐 6 以及位于整体式转向器 10 内部的转向控制阀及转 向动力缸等。 图 1-3 1. 方向盘 2.转向轴 3.转向中间轴 4.转向油管 5.转向油泵 6.转向油罐 7.转向节臂 8.转向横拉杆 9.转向摇臂 10.整体式转向器 11.转向直拉杆 12.转向减振器 13 图 1-4 当驾驶员转动转向盘 1 时，转向摇臂 9 摆动，通过转向直拉杆 11、横拉杆 8、转向 节臂 7，使转向轮偏转，从而改变汽车的行驶方向。与此同时，转向器输入轴还带动转向 器内部的转向控制阀转动，使转向动力缸产生液压作用力，帮助驾驶员转向操纵。这样， 为了克服地面作用于转向轮上的转向阻力矩，驾驶员需要加于转向盘上的转向力矩，比 用机械转向系统时所需的转向力矩小得多。 在直线行驶时，方向盘处于中间位置，方向盘辐条处于水平位置，阀芯和阀套之间也处于中间位 置，所有控制口接通，液压油毫无阻碍地流经转向阀返回到储油罐。方向盘转动时，转 向轴带动阀芯相对于阀套运动，由于阀的控制边口位置的变化，液压油将进入转向器的 油缸内，推动活塞运动而产生推力。在齿条与小齿轮啮合位置的背面装有由弹簧压紧的 压力块，通过调节螺钉来改变弹簧的预紧力，可消除齿轮齿条啮合的间隙。当向右转动 方向盘时，转向力矩使得弹性扭力杆扭转，并且转向管柱的转角要比转向机小齿轮转得 多一点，这就使得右边旋转柱塞阀芯下移，使得进油通道开大；左边旋转柱塞阀芯上移， 关闭进油通道，此时左右旋转柱塞阀芯分别打开和关闭各自的回油通道。根据右边旋转 柱塞阀芯进油通道开度大小，来控制流入工作缸左边的液压油的流量和油压。工作缸左 边的液压油推动转向机活塞向右运动，起到助力作用。转向机活塞移动距离的大小，则 14 取决于施加在转向盘上转向力矩的大小。转向机工作缸右边的液压油在转向机活塞的作 用下，通过打开的回油环槽返回到储油罐中。 当向左转动方向盘时，情况与向右转动方向盘时相反。 动力转向器的阀孔同时也具有节流阻尼的作用，不需要象机械转向器那样另外加转 向避振器。在转向回正时，通过阀的阻尼力来防止转向回正速度过快，增加转向回正的 舒适性，或者通过阻尼作用减小汽车直线行驶时由于路面的不平对前轮的冲击引起方向 盘的抖动和打手，提高其保持直线行驶的能力。 1.4 国内外发展情况 1.5 本课题研究的目的和意义 改革开放以来，我国汽车工业发展迅猛。作为汽车关键部件之一的转向系统也得到了 相应的发展，基本已形成了专业化、系列化生产的局面。有资料显示，国外有很多国家 的转向器厂，都已发展成大规模生产的专业厂，年产超过百万台，垄断了转向器的生产， 并且销售点遍布了全世界。 由于汽车转向器属于汽车系统中的关键部件，它在汽车系统中占有重要位置，因而它 的发展同时也反映了汽车工业的发展，它的规模和质量也成为了衡量汽车工业发展水平 的重要标志之一。随着汽车高速化和超低扁平胎的通用化，过去采用循环球转向器和循 环球变传动比转向器只能相对地解决转向轻便性和操纵灵便性的问题，要想从跟本上解 决这两个问题只有安装动力转向器。因此，除了重型汽车和高档轿车早已安装动力转向 器外，近年来在中型货车、豪华客车及中档轿车上都已经开始安装动力转向器，随着动 力转向器的设计水平的提高、生产规模的扩大和市场的需要，其他的一些车型也必须陆 续安装动力转向器。液压助力型转向器的设计使汽车在低速行驶或车辆就位时，驾驶员 只需用较小的操作力就能灵活进行转向;而在高速行驶时，则自动控制，使操作力逐渐增 15 大，实现了稳定操纵。虽然这种转向器具有很多优点，在目前的技术水准下它仍然存在 某些不足之处，例如助力较小等;因此，目前液压式动力转向器仍然占据着很大的市场份 额，其性能也在不断地提高。对于液压助力型动力转向器的研究有着非常深远的意义。 因此本课题在考虑上述要求和因素的基础上研究利用转向盘的旋转带动传动机构的齿轮 齿条转向轴转向，通过万向节带动转向齿轮轴旋转，转向齿轮轴与转向齿条啮合，从而 促使转向齿条直线运动，实现转向。实现了转向器结构简单紧凑，轴向尺寸短，且零件 数目少的优点又能增加助力，从而实现了汽车转向的稳定性和灵敏性。 1.6 本文主要研究内容 16 第二章 汽车主要参数的选择 2.1 汽车主要尺寸的确定 汽车的主要尺寸参数包括轴距、轮距、总长、总宽、总高、前悬、后悬、接近角、 离去角、最小离地间隙等，如图 1-1 所示。 图 2-1 汽车的主要参数尺寸 2.1.1 轴距 L 轴距 L 的选择要考虑它对整车其他尺寸参数、质量参数和使用性能的影响。轴距短 一些，汽车总长、质量、最小转弯半径和纵向通过半径就小一些。但轴距过短也会带来 一系列问题，例如车厢长度不足或后悬过长；汽车行驶时其纵向角振动过大；汽车加速、 制动或上坡时轴荷转移过大而导致其制动性和操纵稳定性变坏；万向节传动的夹角过大 等。因此，在选择轴距时应综合考虑对有关方面的影响。当然，在满足所设计汽车的车 厢尺寸、轴荷分配、主要性能和整体布置等要求的前提下，将轴距设计得短一些为好。 2.1.1.1 普通车的轴距 轿车的轴距与其类型、用途、总长有密切关系。微型及普通级轿车要求制造成本低， 使用经济性好，机动灵活，因此汽车应轻而短，故轴距应取短一些；中高级轿车对乘坐 舒适性、行驶乎顺性和操纵稳定性要求高，故轴距应设计得长一些。轿车的轴距约为总 长的 5460。轴距与总长之比越大，则车厢的纵向乘坐空间就愈大，这对改善汽车 纵向角振动也有利。但若轴距与总长之比超过 62，则会使发动机、行李箱和备胎的布 置困难，外形的各部分比例也不协调。 表 2-1 提供的数据可供初选轴距时参考 17 表 2-1 各类汽车的轴距和轮距 车型 类别 轴距 L/mm 轮距 B/mm V1.0 20002200 11001380 1.0V1.6 21002540 11501500 1.6V2.5 25002860 13001500 2.54.0 29003900 15601620 城市客车 45005000客车 长途客车 50006500 17402050 汽车总质量 1.8 17002900 11501350 1.86.0 23003600 13001650 6.014.0 36005500 17002000 商用车 42 货车 14.0 45005600 18402000 2.1.2 前轮距 B1 和后轮距 B2 改变汽车轮距 B 会影响车厢或驾驶室内宽、汽车总宽、总质量、侧倾刚度、最小转 弯直径等因素发生变化、增大轮距则车厢内宽随之增加，并导致汽车的比功率、转矩指 标下降，机动性变坏。 受汽车总宽不得超过 2.5m 限制，轮距不宜过大。但在选定的前轮距 B1范围内，应能 布置下发动机、车架、前悬架和前轮，并保证前轮有足够的转向空间，同时转向杆系与 车架、车轮之间有足够的运动间隙。在确定后轮距 B2时，应考虑两纵梁之间的宽度、悬 架宽度和轮胎宽度以及它们之间应留有必要的间隙。 各类汽车的轮距可参考表 1-1 提供的数据进行初选。 2.1.3 外廓尺寸 汽车的外廓尺寸包括其总长、总宽、总高。它应根据汽车的类型、用途、承载员、 道路条件、结构选型与布置以及有关标准、法规限制等因素来确定。在满足使用要求的 前提下，应力求减小汽车的外廓尺寸，以减小汽车的质量，降低制造成本，提高汽车的 18 动力性、经济性和机动性。GB15891989 对汽车外廓尺寸界限作了规定。(附 1) 2.2 汽车质量参数的确定 汽车的质量参数包括整车整备质量 、载客量装载质量、质量系数、汽车总质量m0 ma、轴荷分配等。 2.2.1 整车整备质量 0 整车整备质量是指车上带有全部装备（包括随车工具、备胎等） ，加满燃料、水、但 没有装货和在人时的整车质量。 整车整备质量对汽车的制造成本和燃油经济型有影响。整车整备质量在设计阶段需 估算确定。在日常工作中，收集大量同类汽车各总成、部件和整车的有关质量数据，结 合新车设计的特点、工艺水平等初步估算各总成、部件的质量，再累计成整车整备质量。 乘用车和商用客车的整备质量，也可按每人所占汽车整备质量的统计平均值估计， 可参考表 2-2 表 1-2 乘用车和商用客车人均整备质量值 2 乘用车 人均整备质量 值 商用客车 人均整备质量 值 V1.0 0.150.16 1.0V1.6 0.170.24 1.6V2.5 0.210.29 10.0 0.0960.160 2.54.0 0.290.34 车辆总长 La/m 10.0 0.0650.130 2.2.2 汽车的载客量和装载质量 （1）汽车的载客量 乘用车的载客量包括驾驶员在内不超过 9 座，又称之为 M1 类汽 车，其他 M2、 M3 类汽车的座位数、乘员数及汽车的最大设计总质量见表 1-3。 （2）汽车的装载质量 me 汽车的载质量是指在硬质良好路面上行驶时所允许的额定 载质量。汽车在碎石路面上行驶时，载质量约为好的行驶路面的 7585。越野汽车 的载质量是指越野汽车行驶时或在土路上行驶的额定在质量。 商用货车载质量 me 的确定，首先应与企业商品规划符合，其次要考虑到汽车的用途 19 和使用条件。原则上，货流大、运距长或矿用自卸车应采用大吨位货车以利降低运输成 本，提高效率；对货源变化频繁、运距短的市内运输车，宜采用中、小吨位的货车比较 经济。 2.2.3 质量系数 0m 质量系数 是指汽车车载质量与整车整备质量的比值，即 = 。该系数反映了0me 汽车的设计水平和工艺水平， 值越大，说明该汽车的结构和制造工艺越先进。0m 2.2.4 汽车总质量 a 汽车总质量 是指装备齐全，并按规定装满客、货时的整车质量。 乘用车和商用客车的总质量 由整备质量 、乘员和驾驶员质量以及乘员的行李a0 质量三部分构成。其中，乘员和驾驶员每人质量按 65kg 计，于是 （1-nma650 2） 式中，n 为包括驾驶员在内的载客数； 为行李系数。 2.2.5 轴荷分配 汽车的轴荷分配是汽车的重要质量参数，它对汽车的牵引性、通过性、制动性、操 纵件和稳定性等主要使用性能以及轮胎的使用寿命都有很大的影响。因此，在总体设计 时应根据汽车的布置型式、使用条件及性能要求合理地选定其轴荷分配。汽车的布置型 式对轴荷分配影响较大，对轿车而言，前置发动机前轮驱动的轿车满载时的前轴负荷最 好在 55以上，以保证爬坡时有足够的附着力；前置发动机后轮驱动的轿车满载时的后 轴负荷一般不大于 52；后置发动机后轮驱动的轿车满载时后轴负荷最好不超过 59， 否则，会导致汽车具有过多转向特性而使操纵性变坏。 2.3 轮胎的选择 轮胎的尺寸和型号是进行汽车性能计算和绘制总布置图的重要原始数据之一，因此， 在总体设计开始阶段就应选定，而选择的依据是车型、使用条件、轮胎的静负荷、轮胎 的额定负荷以及汽车的行驶速度。当然还应考虑与动力传动系参数的匹配以及对整车 尺寸参数( 例如汽车的最小离地间隙、总高等)的影响 轮胎所承受的最大静负荷与轮胎额定负荷之比，称为轮胎负荷系数。大多数汽车的 轮胎负荷系数取为 0.91.0，以免超载。轿车、轻型客车及轻型货车的车速高、轮胎受动 20 负荷大，故它们的轮胎负荷系数应接近下限。 为了提高汽车的动力因数、降低汽车及其质心的高度、减小非簧载质量，对公路用 车在其轮胎负荷系数以及汽车离地间隙允许的范围内应尽量选取尺寸较小的轮胎。采用 高强度尼龙帘布轮胎可使轮胎的额定负荷大大提高，从而使轮胎直径尺寸也大为缩小。 例如装载员 4t 的载货汽车在 20 世纪 50 年代多用的 9.020 轮胎早己被 8.25 20，7.5020 至 8.2516 等更小尺寸的轮胎所取代。越野汽车为了提高在松软地面上的通 过能力常采用胎面较宽、直径较大、具有越野花纹的超低压轮胎。山区使用的汽车制动 频繁，制动鼓与轮辋之间的间隙应大一些，以便散热，故应采用轮辋尺寸较大的轮胎。 轿车都采用直径较小、面形状扁平的宽轮辋低压轮胎，以