汽车转向机构设计

目 录中文摘要、关键词1英文摘要、关键词2引言 3第1章 轿车转向系统总述41.1轿车转向系统概述4转向系统的结构简介4轿车转向系统的发展概况41.2 轿车转向系统的要求5第2章 转向系的主要性能参数72.1转向系的效率7转向器的正效率7 转向器的逆效率82.2 传动比变化特性92.2.1 转向系传动比92.2.2 力传动比与转向系角传动比的关系92.2.3 转向器角传动比的选择102.3 转向器传动副的传动间隙102.4 转向盘的总转动圈数11第3章 轿车转向器设计123.1 转向器的方案分析123.1.1 机械转向器123.1.2 转向控制阀123.1.3 转向系压力流量类型选择133.1.4 液压泵的选择143.2 齿轮齿条式液压动力转向机构设计143.2.1 齿轮齿条式转向器结构分析143.2.3 参考数据的确定203.2.4 转向轮侧偏角计算213.2.5转向器参数选取213.2.6选择齿轮齿条材料223.2.7强度校核223.2.8齿轮齿条的基本参数如下表所示233.3 齿轮轴的结构设计233.4 轴承的选择233.5 转向器的润滑方式和密封类型的选择243.6 动力转向机构布置方案分析24第4章转向传动机构设计264.1 转向传动机构原理264.2 转向传送机构的臂、杆与球销274.3 转向横拉杆及其端部28第5章转向梯形机构优化305.1 转向梯形机构概述305.2 整体式转向梯形结构方案分析305.3 整体式转向梯形机构优化分析315.4 整体式转向梯形机构优化设计345.4.1 优化方法介绍345.4.2 优化设计计算35结论37致谢38参考文献39轿车转向机构设计摘要：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，一是轿车转向系统总述；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：轿车转向系齿轮齿条设计转向梯形Cars Steering Mechanism DesignAbstract：The title of this topic is the design of steering system. Rack and pinion steering gear to the design as the center, first are cars steering system overview; Second, Cars steering system performance parameters; 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 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: Car; Steerin; Mechanical Type Steering Gear and Gear Rack; Steering Trapezoidal引 言改革开放以来，中国的汽车工业有着飞速的发展，据中国汽车工业协会统计，截至2006年10月底，轿车累计销量超过300万辆，达到304万辆，同比增长40%。2006年11月的北京车展，自主品牌：奇瑞、吉利、长城、中兴、众泰、比亚迪、双环、中顺、力帆、华普、长安、哈飞、华晨等自主品牌纷纷亮相，在国际汽车盛宴中崭露头角，无论从参展规模还是产品所展示的品质和技术含量上，都不得不令人折服，但和国外有着近百年发展历史的国外汽车工业相比，我们的自主品牌汽车在行车性能和舒适体验方面仍有差距。汽车工业是国民经济的支柱产业，代表着一个国家的综合国力，汽车工业随着机械和电子技术的发展而不断前进。到今天，汽车已经不是单纯机械意义上的汽车了，它是机械、电子、材料等学科的综合产物。汽车转向系也随着汽车工业的发展历经了长时间的演变。转向系是用来保持或者改变汽车行使方向的机构，转向系统应准确，快速、平稳地响应驾驶员的转向指令，转向行使后或受到外界扰动时，在驾驶员松开方向盘的状态下，应保证汽车自动返回稳定的直线行使状态。随着私家车的越来越普遍，各式各样的高中低档轿车进入了人们的生活中。快节奏高效率的生活加上们对高速体验的不断追求，也要求着车速的不断提高。由于汽车保有量的增加和社会活生活汽车化而造成交通错综复杂，使转向盘的操作频率增大，这要求减轻驾驶疲劳。所以，无论是为满足快速增长的轿车市场还是为给驾车者更舒适更安全的的驾车体验，都需要一种高性能、低成本的大众化的轿车转向结构。本课题以现在国产轿车最常采用的齿轮齿条液压动力转向器为核心综合设计轿车转向机构。第1章 轿车转向系统总述1.1 轿车转向系统概述在转向技术方面轿车和普通汽车一样，只是由于轿车的体型小，质量轻，在安装空间和转向特性方面与大车有着一定的不同，但轿车的转向系统和通常汽车在转向原理，转向要求和转向效果上都是基本相通的。1.1.1 转向系统的结构简介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。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。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。1.1.2 轿车转向系统的发展概况早期的轿车转向是用舵柄或横杆(即一种两端带有手柄的水平杆)进行操纵，转向比是1:1，因而汽车转向时的操作是很吃力的。后来，带有齿轮减速比的转向机构很快被推广使用，但是，这种机构的方向盘不象舵柄或横杆要置放在汽车中线的位置，而是要置放在汽车的左边或右边，这样触发了方向盘位置的争论。这场争论旷日持久，导致了今天的汽车分成了两大类方向盘装置法：一类以美国，中国，俄罗斯等世界上大多数国家和地区采用的左置方向盘，实行右上左下的汽车行驶规则；另一类以英国及英联邦，日本等少数国家和地区采用的右置方向盘，实行右下左上的汽车行驶规则。几十年来，各种汽车都使用蜗杆扇形齿轮转向器，现在的循环球式转向器也是这种转向器的一种变型，轿车也经常使用。在这种转向器中，蜗杆与扇形齿轮之间嵌入了钢珠，大大降低了摩擦力，使汽车的转向操纵变得比较轻松。从70年代起轿车兴起了齿轮齿条转向机构，它由方向盘、方向轴、方向节、转动轴、转向器、转向传动杆和转向轮(前轮)等组成。方向盘操纵转向器内的齿轮转动，齿轮与齿条紧密啮合，推动齿条左移动或右移动，带动转向轮摆动，从而改变轿车行驶的方向。这种转向机构与蜗杆扇形齿轮等其它类型的转向机构比较，省略了转向摇臂和转向主拉杆，具有构件简单，传动效率高的优点。而且它的逆传动效率也高，在车辆行驶时可以保证偏转车轮的自动回正，驾驶者的路感性强。其实，齿轮齿条转向机构早在一世纪前的汽车萌芽发展阶段已经有了，只是那时还不完善，机件加工粗糙。1905年通用汽车卡迪拉克部的工程师将齿轮齿条转向器的设计理论化，并加工成精度很高，操纵灵活的齿轮齿条转向器，正式应用在轿车上。后来，汽车转向器的型式被蜗杆一扇形齿轮型式所垄断，但许多人仍然继续完善齿轮一齿条转向机构。由于近代材料科学的发展，大大提高了齿轮一齿条转向机构的安全可靠系数，人们再次重视这种转向机构的简单实用性，由于它具有构件少质量轻，成本低的优点，受到汽车制造商的青睐，现在大多数的轿车转向器都采用齿轮一齿条型。现代轿车马力大、速度快，为了操纵的轻便和灵敏，中高档次的轿车转向器都加装了转向动力装置，又称为液压动力转向器。它具有工作无噪声，灵触度高体积小，能够吸收来自不平路面的冲击力，在现代轿车上得到十分广泛的应用。1.2 轿车转向系统的要求1、轿车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。2、轿车转向行驶时，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶。3、轿车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自振，转向盘没有摆动。4、转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小。5、保证轿车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。6、操纵轻便。7、转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小。8、转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。9、在车祸中，当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。10、进行运动校核，保证转向轮与转向盘转动方向一致。正确设计转向梯形机构，可以使第一项要求得到保证。转向系中设置有转向减振器时，能够防止转向轮产生自振，同时又能使传到转向盘上的反冲力明显降低。为了使轿车车具有良好的机动性能，必须使转向轮有尽可能大的转角，并要达到按前外轮车轮轨迹计算，其最小转弯半径能达到轿车车轴距的22.5倍。通常用转向时驾驶员作用在转向盘上的切向力大小和转向盘转动圈数多少两项指标来评价操纵轻便性。没有装置动力转向的轿车，在行驶中转向，此力应为50100N；有动力转向时，此力在2050N。轿车转向盘从中间位置转到每一端的圈数不得超过2.0圈。第2章 转向系的主要性能参数2.1 转向系的效率功率从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率称为转向器的正效率，用符号表示，；反之称为逆效率，用符号表示。正效率计算公式： （2-1）逆效率计算公式： （2-2）式中，为作用在转向轴上的功率；为转向器中的磨擦功率；为作用在转向摇臂轴上的功率。正效率高，转向轻便；转向器应具有一定逆效率，以保证转向轮和转向盘的自动返回能力。但为了减小传至转向盘上的路面冲击力，防止打手，又要求此逆效率尽可能低。影响转向器正效率的因素有转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等。2.1.1 转向器的正效率影响转向器正效率的因素有转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等。1、转向器类型、结构特点与效率在四种转向器中，齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高，而蜗杆指销式特别是固定销和蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显的低些。同一类型转向器，因结构不同效率也不一样。如蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支持轴之间的轴承可以选用滚针轴承、圆锥滚子轴承和球轴承。选用滚针轴承时，除滚轮与滚针之间有摩擦损失外，滚轮侧翼与垫片之间还存在滑动摩擦损失，故这种轴向器的效率+仅有54%。另外两种结构的转向器效率分别为70%和75%。转向摇臂轴的轴承采用滚针轴承比采用滑动轴承可使正或逆效率提高约10%。2、转向器的结构参数与效率如果忽略轴承和其经地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于蜗杆类转向器，其效率可用下式计算 （2-3）式中，a0为蜗杆（或螺杆）的螺线导程角；为摩擦角，=arctanf；f为磨擦因数。2.1.2 转向器的逆效率根据逆效率不同，转向器有可逆式、极限可逆式和不可逆式之分。路面作用在车轮上的力，经过转向系可大部分传递到转向盘，这种逆效率较高的转向器属于可逆式。它能保证转向轮和转向盘自动回正，既可以减轻驾驶员的疲劳，又可以提高行驶安全性。但是，在不平路面上行驶时，传至转向盘上的车轮冲击力，易使驾驶员疲劳，影响安全行驾驶。属于可逆式的转向器有齿轮齿条式和循环球式转向器。不可逆式和极限可逆式转向器。不可逆式转向器，是指车轮受到的冲击力不能传到转向盘的转向器。该冲击力转向传动机构的零件承受，因而这些零件容易损坏。同时，它既不能保证车轮自动回正，驾驶员又缺乏路面感觉，因此，现代汽车不采用这种转向器。极限可逆式转向器介于可逆式与不可逆式转向器两者之间。在车轮受到冲击力作用时，此力只有较小一部分传至转向盘。如果忽略轴承和其它地方的磨擦损失，只考虑啮合副的磨擦损失，则逆效率可用下式计算 （2-4）式（2-3）和式（2-4）表明：增加导程角，正、逆效率均增大。受增大的影响，不宜取得过大。当导程角小于或等于磨擦角时，逆效率为负值或者为零，此时表明该转向器是不可逆式转向器。为此，导程角必须大于磨擦角。2.2 传动比变化特性2.2.1 转向系传动比转向系的传动比包括转向系的角传动比和转向系的力传动比iP。传动系的力传动比： （2-5）转向系的角传动比: （2-6）转向系的角传动比由转向器角传动比和转向传动机构角传动组成，即： （2-7）转向器的角传动比: （2-8）转向传动机构的角传动比: （2-9）2.2.2 力传动比与转向系角传动比的关系转向阻力与转向阻力矩的关系式： （2-10）作用在转向盘上的手力与作用在转向盘上的力矩的关系式： （2-11）将式（2-10）、式（2-11）代入 后得到： （2-12）如果忽略磨擦损失，根据能量守恒原理，2Mr/Mh可用下式表示 （2-13）将式（2-10）代入式（2-11）后得到： （2-14）当a和Dsw不变时，力传动比越大，虽然转向越轻，但也越大，表明转向不灵敏。2.2.3 转向器角传动比的选择转向器角传动比可以设计成减小、增大或保持不变的。影响选取角传动比变化规律的主要因素是转向轴负荷大小和对汽车机动能力的要求。若转向轴负荷小或采用动力转向的汽车，不存在转向沉重问题，应取较小的转向器角传动比，以提高汽车的机动能力。若转向轴负荷大，汽车低速急转弯时的操纵轻便性问题突出，应选用大些的转向器角传动比。汽车以较高车速转向行驶时，要求转向轮反应灵敏，转向器角传动比应当小些。汽车高速直线行驶时，转向盘在中间位置的转向器角传动比不宜过小。否则转向过分敏感，使驾驶员精确控制转向轮的运动有困难。转向器角传动比变化曲线应选用大致呈中间小两端大些的下凹形曲线，如图2.1所示。图2.1转向器角传动比变化特性曲线2.3 转向器传动副的传动间隙t传动间隙是指各种转向器中传动副之间的间隙。该间隙随转向盘转角的大小不同而改变，并把这种变化关系称为转向器传动副传动间隙特性（图2.2）。研究该特性的意义在于它与直线行驶的稳定性和转向器的使用寿命有关。传动副的传动间隙在转向盘处于中间及其附近位置时要极小，最好无间隙。若转向器传动副存在传动间隙，一旦转向轮受到侧向力作用，车轮将偏离原行驶位置，使汽车失去稳定。传动副在中间及其附近位置因使用频繁，磨损速度要比两端快。在中间附近位置因磨损造成的间隙过大时，必须经调整消除该处间隙。图2.2 转向器传动副传动间隙特性转向器传动副传动间隙特性 图中曲线1表明转向器在磨损前的间隙变化特性；曲线2表明使用并磨损后的间隙变化特性，并且在中间位置处已出现较大间隙；曲线3表明调整后并消除中间位置处间隙的转向器传动间隙变化特性。2.4 转向盘的总转动圈数转向盘从一个极端位置转到另一个极端位置时所转过的圈数称为转向盘的总转动圈数。它与转向轮的最大转角及转向系的角传动比有关，并影响转向的操纵轻便性和灵敏性。轿车转向盘的总转动圈数较少，一般约在3.6圈以内。第3章 轿车转向器设计3.1 转向器的方案分析转向器是整个转向系统的核心部分，转向器的设计也就是整个转向系统的关键所在。3.1.1 机械转向器根据所采用的转向传动副的不同，转向器的结构型式有多种。常见的有齿轮齿条式、循环球式、球面蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等齿轮齿条式转向器的齿轮齿条直接啮合，可安装助力机构。齿轮齿条式转向器的正逆效率都很高，属于可逆式转向器。其自动回正能力强。齿轮齿条式转向器结构简单（不需要转向摇臂和横拉杆等）、加工方便、工作可靠、使用寿命长、用需要调整齿轮齿条的间隙。循环球式转向器的第一级传动副是螺杆螺母传动副。第二级是齿条齿扇传动副或滑块曲柄销传动副。循环球式转向器的正效率很高（最高可达90%95%），操作轻便，使用寿命长。但逆向效率也较高，可将地面对转向轮的冲击传给转向盘。指销式转向器的传动副以转向蜗杆为主动件，装在摇臂轴曲柄端的指销为从动件。转向蜗杆转动时，与之啮合的指指销即绕转向摇臂轴轴线沿圆弧线运动，并带动转向摇臂转动。对转向其结构形式的选择，主要是根据汽车的类型、前轴负荷、使用条件等来决定，并要考虑其效率特性、角传动比变化特性等对使用条件的适应性以及转向器的其他性能、寿命、制造工艺等。中、小型轿车以及前轴负荷小于1.2t的客车、货车，多采用齿轮齿条式转向器。齿轮齿条式转向器安装助力机构方便且转向器结构简单，适合于轿车。故本设计选用齿轮齿条式转向器。3.1.2 转向控制阀转向控制阀按阀体的运动方向分为，滑阀式和转阀式两种。阀体沿轴向移动来控制油液流量的控制阀，称为滑阀式转向控制阀。滑阀的特点是靠阀体的移动控制油液流量，需较大运动空间。而阀体沿轴转动来控制油液流量的控制阀，称为转阀式控制阀。转阀的特点是靠阀体转动控制油液流量。体积小，加工要求精度高。图3.1 转阀结构图轿车体积小，且质量不高，对转向力要求也不是太高，由于轿车本身是高精度产品，故本设计选用转阀式转向控制阀，如图3.1。3.1.3 转向系压力流量类型选择液压动力转向系按系统内部的压力状态分，有常压式和常流式两种。常压式液压动力转向系在汽车直线行驶，转向盘保持中立位置时，转向控制阀经常处于关闭位置。向油泵输出的压力油充入储能器。当储能器压力增长到规定值后，油泵即自动卸荷空转，从而储能器压力得以限制在该规定值以下。当转动转向盘时，机械转向器, 即通过转向摇臂等杆件使转向控制阀转入开启位置。此时储能器中的压力油即流入转向动力缸。动力缸输出的液压作用力，作用在转向传动机构上，以助机械转向器输出力之不足。转向盘一停止运动，转向控制阀便随之回复到关闭位置。于是，转向加力作用终止。由此可见，无论转向盘处于中立位置还是转向位置，也无论转向盘保持静止还是运动状态，该系统工作管路中总是保持高压。常流式液压动力转向系在汽车不转向时，转向控制阀, 保持开启。转向动力缸的活塞两边的工作腔，由于都与低压回油管路相通而不起作用。转向油泵. 输出的油液流入转向控制阀，又由此流回转向油罐。因转向控制阀的节流阻力很小，故油泵输出压力也很低，油泵实际上处于空转状态。当驾驶员转动转向盘，通过机械转向器使转向控制阀处于与某一转弯方向相应的工作位置时，转向动力缸的相应工作腔方与回油管路隔绝，转而与油泵输出管路相通，而动力缸的另一腔则仍然通回油管路。地面转向阻力经转向传动机构传到转向动力缸的推杆和活塞上，形成比转向控制阀节流阻力高得多的油泵输出管路阻力。于是转向油输出压力急剧升高，直到足以推动转向动力缸活塞为止。转向盘停止转动后，转向控制阀随即回复到中立位置，使动力缸停止工作。上述两种液压动力转向系相比较，常压式的优点在于有储能器积蓄液压能，可以使用流量较小的转向油泵，而且还可以在油泵不运转的情况下保持一定的转向加力能力，使汽车有可能续驶一定距离。这一点对重型汽车而言尤为重要。常流式的优点则是结构简单，油泵寿命长，漏泄较少，消耗功率也较少。因此，目前只有少数重型汽车采用常压式液压动力转向系，而常流式液压动力转向系则广泛应用于各种汽车。对于轿车而言本课题选择使用常流式液压动力转向系。3.1.4 液压泵的选择目前，动力转向液压泵大多数采用双作用式叶片泵。3.2 齿轮齿条式液压动力转向机构设计齿轮齿条式液压动力转向机构是在纯机械式齿轮齿条式转向向机构的基础上加上液动加力装置，辅助转向。3.2.1 齿轮齿条式转向器结构分析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。图3.2 两端输出式齿轮齿条转向器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上图所示，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下图所示，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3.3 中间输出式齿轮齿条转向器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压块明显可以看出使用两端输出的转向器较中间输出的转向器简单，且容易实现液动助力。故本课题选用两端输出。液动齿轮齿条转向器的功能实现。齿轮齿条式液压动力转向机构是在纯机械式齿轮齿条式转向向机构的基础上加上液动加力装置，辅助转向。加力装置主要包括液压泵，分配阀，管路还有助力缸等，如图3.4。图3.4 齿轮齿条式转向器爆炸图将转阀接口如图3.5所示连接输油管路图3.5 转阀油路连接液压助力转向器助力转向工作原理如图3.6所示。图3.6 液动齿轮齿条式转向系统工作原理图1、直线行驶轿车直线行驶时方向盘无偏转，动力缸左右两腔相通如图3.7所示，系统中只有极小克服流动阻力的油液压力，助力系统此时无助力。图3.7 直线行驶时油路工作状况2、右转向行驶轿车向右转向行驶时，转动方向盘顺时针方向转动-扭杆扭转变形-滑阀偏转-动力油缸左腔进入高压油，右腔与回油管路连通-转向轮偏转-转向齿轮与转向轴同向转动，如图3.8所示。图3.8 右转向行驶时油路工作状况3、左转向行驶轿车向左转向行驶时，转动方向盘-扭杆扭转变形-滑阀偏转-动力油缸右腔进入高压油，左腔与回油管路连通-转向轮偏转-转向齿轮与转向轴同向转动，如图3.9所示。图3.9 左转向行驶时油路工作状况4、动力转向装置的其它特性转向动力缸有随转向盘工作或停止的随动作用。当液压系统发生故障不能助力或助力降低，即发生助力失效时，驾驶员可以通过方向盘直接操作转向，只是此时操作力增大。3.2.3 参考数据的确定表3.1 上海通用别克赛欧汽车转向参数轮距1440mm轴距2750mm满载轴荷分配：前/后877/1643(kg)轮胎175/60R14主销偏移距a50mm轮胎压力p/MPa0.45方向盘直径307mm最小转弯半径6.9m转向梯形臂200mm3.2.4 转向轮侧偏角计算图3.10 车轮位置简图 （3-1） （3-2）3.2.5 转向器参数选取齿轮齿条转向器的齿轮多采用斜齿轮，齿轮模数在之间，主动小齿轮齿数在之间，压力角取，螺旋角在之间。故取小齿轮，右旋，压力角，精度等级8级。转向节原地转向阻力矩： （3-3）方向盘转动圈数： （3-4）角传动比： （3-5）方向盘上的手力： （3-6）作用在转向盘上的操纵载荷:对轿车该力不应超过150200N，对货车不应超过500N。所以符合设计要求 （3-7）力传动比： （3-8）取齿宽系数 （3-9）齿条宽度圆整取，则取齿轮齿宽3.2.6 选择齿轮齿条材料小齿轮：齿轮通常选用国内常用、性能优良的20CrMnTi合金钢，热处理采用表面渗碳淬火工艺，齿面硬度为HRc5863。而齿条选用与20CrMnTi具有较好匹配性的40Cr作为啮合副，齿条热处理采用高频淬火工艺，表面硬度HRc5056。3.2.7 强度校核1、校核齿轮接触疲劳强度选取参数，按ME级质量要求取值 ， ； ， ， 故以 计算 （3-10）查得： ， ， ， ； ， ， ， 则， （3-11）齿轮接触疲劳强度合格。2、校核齿轮弯曲疲劳强度选取参数，按ME级质量要求取值； ； ； ； ； 故以 计算 ： （3-12）据齿数查表有：； ； ； 。则： （3-13）齿轮弯曲疲劳强度合格。3.2.8 齿轮齿条的基本参数如下表所示表3.2 齿轮齿条基本参数名称符号公式齿轮齿条齿数631分度圆直径15.2314变位系数1齿顶高52.5齿根高0.6253.125齿顶圆直径25.2314齿根圆直径13.9814齿轮中圆直径20.2314螺旋角10齿宽30203.3 齿轮轴的结构设计图3.11 齿轮轴的结构设计3.4 轴承的选择轴承1：深沟球轴承6004 (GB/T276-1994) 轴承2：滚针轴承 NA4901 (GB/T5801-1994) 3.5 转向器的润滑方式和密封类型的选择转向器的润滑方式：人工定期润滑润滑脂：石墨钙基润滑脂（ZBE36002-88）中的ZG-S润滑脂。密封件： 旋转轴唇形密封圈 FB 16 30 GB 1387119923.6 动力转向机构布置方案分析液压式动力转向因为油液工作压力高，动力缸尺寸小、质量小，结构紧凑，油液具有不可压缩性，灵敏度高以及油液的阻尼作用可吸收路面冲击等优点而被广泛应用。由分配阀、转向器、动力缸、液压泵、贮油罐和油管等组成液压式动力转向机构。根据分配阀、转向器和动力缸三者相互位置的不同，它分为整体式和分置式两类。后者按分配阀所在位置不同又分为：分配阀装在动力缸上的称为联阀式 (b)；分配阀装在转向器和动力缸之间的拉杆上称为连杆式 (c)；分配阀装在转向器上的称为半分置式。图3.12 动力转向机构布置方案图1分配阀 2转向器 3动力缸在分析比较上述几种不同动力转向机构布置方案时，常从结构上是否紧凑；转向器主要零件是否承受由动力缸建立起来的载荷；拆装转向器是否容易；管路，特别是软管的管路长短；转向轮在侧向力作用下是否容易引起转向轮摆振；能不能采用典型转向器等方面来做比较。例如整体式动力转向器，由于分配阀、转向器、动力缸三者装在一起，因而结构紧凑，管路也短。在转向轮受到侧向力作用时或者发动机的振动不会影响分配阀的振动，因而不能引起转向轮摆振。它的缺点是转向摇臂轴、摇臂等转向器主要零件，都要承受由动力缸所建立起来的载荷，因此必须加大它们的尺寸和质量，这对布置它们带来不利的影响。同时还不能采用典型转向器，拆装转向器时要比分置式的困难。除此之外，由于对转向器的密封性能要求高，这对转向器的设计，特别是重型汽车的转向器设计带来困难。对于轿车来说，由于空间本身限制，选用结构紧凑的整体型较为合适，且较短的管路也可以减少泄露，经济而又环保。第4章 转向传动机构设计4.1 转向传动机构原理图4.1 转向中心的不同轨迹圆如上图4.1所示：转向传动机构的任务是将转向器输出端的摆动转变为左、右转向车轮绕其转向主销的偏转，并使它们偏转到绕同一瞬时转向中心的不同轨迹圆上，实现车轮无滑动地滚动转向。为了使左、右转向车轮偏转角之间的关系能满足这一汽车转向运动学的要求，则要由转向传动机构中的转向梯形机构的精确设计来保证。由于一般齿轮齿条式转向器与左右横拉杆铰接，而左右横拉杆一般直接与转向节下节臂铰接，所以在这里我假定把左右梯形臂转变为转向节的一部分。根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，齿轮齿条式转向器在汽车上有四种布置形式：转向器位于前轴后方，后置梯形；转向器位于前轴后方，前置梯形；转向器位于前轴前方，后置梯形；转向器位于前轴前方，前置梯形，见图4.2。图4.2 梯形配置本设计采用上图a方案配置方法，原理结果如下图图4.3 齿轮齿条转向系的转向原理4.2 转向传送机构的臂、杆与球销转向传动机构的杆件应选用刚性好、质量小的20、30或35号钢的无缝钢管制造，其沿长度方向的外形可根据总布置的需要确定。转向传动机构的各元件间采用球形铰接，球形铰接的主要特点是能够消除由于铰接处的表而磨损而产生的间隙，也能满足两铰接件间复杂的相对运动。在现代球形铰接的结构中均是用弹簧将球头与衬垫压紧。而且应采用有效结构措施保持住润滑材料及防止灰尘污物进入。球销与衬垫均采用低碳合金钢如12CrNi3A，18MnTi，或20CrN制造，工作表面经渗碳淬火处理，渗碳层深1.53.0mm，表面硬度HRC 5663。允许采用中碳钢40或45制造并经高频淬火处理，球销的过渡圆角处则用滚压工艺增强。球形铰接的壳体则用钢35或40制造。4.3 转向横拉杆及其端部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。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（图4.4）。图4.4 转向横拉杆外接头1横拉杆 2锁紧螺母 3外接头壳体 4球头销 5六角开槽螺母 6球碗 7端盖 8梯形臂 9开口销表4.1 转向横拉杆及接头的尺寸设计参数序号项目符号尺寸参数()1横拉杆总长2812横拉杆直径153螺纹长度604外接头总长1205球头销总长626球头销螺纹公称直径M1017外接头螺纹公称直径M121.58内接头总长65.39内接头螺纹公称直径M161.510转向梯形臂m200图4.5 转向传动设计效果简图第5章 转向梯形机构优化5.1 转向梯形机构概述转向梯形机构用来保证汽车转弯行驶时所有车轮能绕一个瞬时转向中心，在不同的圆周上做无滑动的纯滚动。设计转向梯形的主要任务之一是确定转向梯型的最佳参数和进行强度计算。一般转向梯形机构布置在前轴之后，但当发动机位置很低或前轴驱动时，也有位于前轴之前的。转向梯形有整体式和断开式两种，选择整体式或断开式转向梯形方案与悬架采用何种方案有联系。无论采用哪一种方案，必须正确选择转向梯形参数，做到汽车转弯时，保证全部车轮绕一个瞬时转向中心行驶，使在不同圆周上运动的车轮，作无滑动的纯滚动运动。同时，为达到总体布置要求的最小转弯直径值，转向轮应有足够大的转角。5.2 整体式转向梯形结构方案分析图5.1 整体式转向梯形1转向横拉杆 2转向梯形臂 3前轴整体式转向梯形是由转向横拉杆1，转向梯形臂2和汽车前轴3组成，如图5.1所示。其中梯形臂呈收缩状向后延伸。这种方案的优点是结构简单，调整前束容易，制造成本低；主要缺点是一侧转向轮上、下跳动时，会影响另一侧转向轮。当汽车前悬架采用非独立悬架时，应当采用整体式转向梯形。整体式转向梯形的横拉杆可位于前轴后或前轴前(称为前置梯形)。对于发动机位置低或前轮驱动汽车，常采用前置梯形。前置梯形的梯形臂必须向前外侧方向延伸，因而会与车轮或制动底板发生干涉，所以在布置上有困难。为了保护横拉杆免遭路面不平物的损伤，横拉杆的位置应尽可能布置得高些，至少不低于前轴高度。5.3 整体式转向梯形机构优化分析汽车转向行驶时，受弹性轮胎侧偏角的影响，所有车轮不是绕位于后轴沿长线上的点滚动，而是绕位于前轴和后轴之间的汽车内侧某一点滚动。此点位置与前轮和后轮的侧偏角大小有关。因影响轮胎侧偏角的因素很多，且难以精确确定，故下面是在忽略侧偏角影响的条件下，分析有关两轴汽车的转向问题。此时，两转向前轮轴线的延长线应交在后轴延长线上，如图52所示。设i、o分别为内、外转向车轮转角，L为汽车轴距，K为两主销中心线延长线到地面交点之间的距离。若要保证全部车轮绕一个瞬时转向中心行驶，则梯形机构应保证内、外转向车轮的转角有如下关系： （5-1）图5.2 理想的内、外车轮转角关系简图若自变角为o，则因变角i的期望值为: （5-2）现有转向梯形机构仅能近似满足上式关系。以图所示的后置梯形机构为例，在图上作辅助用虚线，利用余弦定理可推得转向梯形所给出的实际因变角为 （5-3）式中：m为梯形臂长；为梯形底角。所设计的转向梯形给出的实际因变角，应尽可能接近理论上的期望值。其偏差在最常使用的中间位置附近小角范围内应尽量小，以减少高速行驶时轮胎的磨损；而在不经常使用且车速较低的最大转角时，可适当放宽要求。因此，再引入加权因子，构成评价设计优劣的目标函数为 （5-4）由以上可得： （5-5）式中：x为设计变量，；omax为外转向车轮最大转角，由图5-2得 （5-6）式中，Dmin为汽车最小转弯直径；a为主销偏移距。考虑到多数使用工况下转角o小于20，且10以内的小转角使用得更加频繁，因此取： （5-7）建立约束条件时应考虑到：设计变量m及过小时，会使横拉杆上的转向力过大；当m过大时，将使梯形布置困难，故对m的上、下限及对的下限应设置约束条件。因越大，梯形越接近矩形，值就越大，而优化过程是求的极小值，故可不必对的上限加以限制。综上所述，各设计变量的取值范围构成的约束条件为： （5-8）梯形臂长度m设计时常取在mmin=0.11K，mmax=0.15K。梯形底角min=70此外，由机械原理得知，四连杆机构的传动角不宜过小，通常取min40。如图5-2所示，转向梯形机构在汽车向右转弯至极限位置时达到最小值，故只考虑右转弯时min即可。利用该图所作的辅助用虚线及余弦定理，可推出最小传动角约束条件为： （5-9）式中：min为最小传动角。min=40，故由式可知，min为设计变量m及的函数。由式（5-6）、式（5-7）、式（5-8）和式（5-9）四项约束条件所形成的可行域，如图5-3所示的几种情况。图5-3b适用于要求min较大，而min可小些的车型；图5-3c适用于要求min较大，而min小些的车型；图5-3a适用介于图5-3b、c之间要求的车型。 图5.3 转向梯形机构优化设计的可行域5.4 整体式转向梯形机构优化设计5.4.1 优化方法介绍由上述数学模型可知，转向梯形机构的优化设计问题，是一个小型的约束非线性规划问题，可用复合形法来求解，不过，由于需要大量的复杂计算，而且优化值不能一步到达，所以很难用手工方法无法求得最优解。现代计算机的广泛灵活应用使转向梯形优化计算变的很容易，一般只需输入相应参数，再做略微调整，即能得到满意的最优解。常用的有MATLAB程序优化、excel比较优化、计算机语言编程求解、还有一些专用优化程序。MATLAB程序优化是基于MATLAB优化工具箱的“整体式转向梯形机构”的优化设计计算程序。利用该程序，用户可以交互式输入结构基本参数即可获得优化计算结果，并自动绘制出实际输出角和输出角期望值随输入角的变化曲线，以便用户分析、比较与选择。Excel比较较优化是利用excel强大的公式计算功能，通过表格输入已知数据，调整后得到的数据群求得数据，再通过对这些数据反复进行比较，最终得出最优解。计算机语言编程求解是临时用高级语言如C语言、VB等编程，求出最优解。虽然在许多资料中，都可以找到复合形法的计算程序框图，但对于非专业从事编程的工程技术人员来说，要用C语言或其它高级程序语言对某一具体设计问题编程进行计算，是极为不易的。本课题采用最后一种简单的优化方法，利用专门的转向梯形机构优化软件求解。它是一款专门用于转向梯形机构优化的软件，使用方便，数据直接，只需要通过文档框输入基本数据，然后进行比较优化。图5.4 程序启动界面5.4.2 优化设计计算通过表3.1得优化所需数据：轴距：L=2750mm轮距：K=1440mm主销偏移距：a=50mm转向梯形臂：m=200mm计算可得底边长：L-2*a=1340mm由以上数据可知：底边长：1340；两腰长：200；轮距：1440；轴距：2750。将上面的数据输入程序相应文本框。点击“开始、下一步”按钮。然后不断点击该按钮会发现转向梯形底边与顶边差不断增大，内轮转角误差平均值也不断变化。由式3-11，3-12可知转角都小于30度。所以我们只需关注30度以内的误差值变化，当向梯形底边与顶边差到160和170之间时发现误差平均值最小。再点击“微进”，这时仔细观察发现在转向梯形底边与顶边差为163左右时误差最小，此时我们将该值附近的都带入评价设计优劣函数图5.5 运行界面考虑到多数使用工况下转角o小于20，且10以内的小转角使用得更加频繁，因此取：带入程序输出数据：F(162)= 1.5*0.007+0.081*1+0.786*0.5=0.199F(163)=1.5*0.004+0.098*1+0.083*0.5