毕业设计（论文）-Jz100型整体式液压动力转向器设计（全套图纸）

摘 要本论文基于整体式液压动力转向器设计，以循环球式转向器设计为主线，综合了液压动力的分析，对Jz100型货车的转向器进行设计。转向系作为现代车辆的重要系统之一，其主要作用是保证车辆按驾驶员设想的轨迹运动。转向器作为转向系最为重要的组成部分，其性能的好坏不仅直接影响转向灵敏度，而且对车辆的安全性也有重要影响。随着汽车工业的发展，汽车转向器也在不断的得到改进，过去采用循环球转向器和循环球变比转向器只能相对的解决转向轻便性和操纵灵敏性问题, 要想从根本上解决这两个问题只有安装动力转向器。因此, 除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开始安装动力转向器。随着动力转向器技术水平的提高、生产规模的扩大和市场的需要, 其它一些车型也必将陆续安装动力转向器。首先，简要介绍了汽车行业现在的情况和未来的发展趋势。其次，对转向器进行了结构分析，确定了转向器设计的整体方案。根据汽车转向器设计手册和相关经验公式进行了必要的计算。最后，完成了转向器的整体结构设计。 关键词：整体式液压动力转向器；液体压力；结构分析。全套图纸加153893706IAbstractIn this paper, based on the overall hydraulic power steering device design, the main line of the recirculating ball type steering device, the analysis of the hydraulic power, the design of the steering gear of the Jz100 type truck. Steering system as one of the important systems of modern vehicles, its main role is to ensure that the vehicle according to the trajectory of the drivers track. As the most important part of the steering system, the performance of the steering system not only has a direct impact on the sensitivity, but also has an important influence on the safety of the vehicle. With the development of automobile industry, automobile steering gear is continuously improved, past the recirculating ball steering devices and recirculating ball ratio steering gear can only be relative solve steering portability and sensitivity control problem, want to fundamentally solve the two problems only with the installation of power steering gear. Therefore, in addition to heavy vehicles and luxury cars have been installed power steering gear, in recent years in the medium truck, luxury cars and mid-range cars have begun to install power steering gear. With the improvement of power steering technology, production scale and the markets need, some other models will also be installed power steering gear. Firstly, the present situation and future development trend of the automobile industry are introduced briefly.Secondly, the structure of the steering gear is analyzed, and the overall scheme of the design of the steering gear is determined. According to the automobile steering gear design manual and relevant empirical formula for the calculation of the necessary.Finally, the overall structure of the steering gear is designed.Key phrase:Integral hydraulic power steering gear; fluid pressure; structural analysis.1目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 汽车转向器的发展21.3 我国汽车发展与国外的差距31.4 我国汽车液压转向器工业的发展前景41.5 毕业设计的要求及设计内容41.5.1 设计要求41.5.2 设计的主要内容4第2章 转器主要参数、原理和方案的选定62.1 转向器的主要性能参数62.1.1转向器的效率62.1.2转向系的角传动比与力传动比82.1.3转向系的传动间隙特性122.1.4转向系的刚度132.1.5转向盘的总转动圈数142.1.6转向盘自由行程152.2 整体式液压动力转向器工作原理152.2.1转阀式液压动力转向器工作原理162.2.2方向盘处于某一转角时172.2.3助力装置的随动作用172.2.4转向后方向盘回位的工作状况172.2.5保证直线行驶稳定的情况172.2.6液压助力装置失效时的工作情况172.3 方案的选择182.3.1转向器的设计分类182.3.2液压动力转向机构布置方案202.3.3转向分配阀的选择222.4 转向器方案分析222.5 防伤安全机构方案分析232.6 本章小结25第3章 主要结构的设计和校核263.1 转向系计算载荷的确定263.2 螺杆、钢球和螺母传动副283.2.1钢球中心距、螺杆外径和螺母内径283.2.2钢球直径和数量283.2.3滚道截面293.2.4接触角293.2.5螺距和螺线导程角303.2.6工作钢球圈数303.2.7导管内径303.3 齿条齿扇传动副的设计323.4 零件强度校核363.4.1 钢球与滚道之间的接触应力363.4.2 齿的弯曲应力383.4.3 转向摇臂轴直径的确定383.5 扭杆的设计413.6 动力缸的计算433.6.1 动力缸径的计算433.6.2 螺母行程的计算443.6.3 动力缸缸筒壁厚的计算443.7 本章小结47第4章 阀口结构的优化484.1 简单阀口的转阀484.2 短切口转阀504.3 本章小结52第5章 液压回路的设计535.1 转向油泵的选择535.2 转向油罐545.3 本章小结55总结56致谢58参考文献59第1章 绪论1.1 课题研究背景和意义伴随着人们生活水平的不断提高，汽车在人们的日常生活中正变得越来越必不可缺少。2014年，我国汽车产销量双双实现世界第一，汽车保有量将近1.54亿辆。转向系作为现代车辆的重要系统之一，其主要作用是保证车辆按驾驶员设想的轨迹运动。转向器作为转向系最为重要的组成部分，其性能的好坏不仅直接影响转向灵敏度，而且对车辆的安全性也有重要影响。而伴随着我国农村购买能力的提高以及对安全高效运输工具的需求，低速货车在最近几年发展尤为迅速。但是，由于低速货车是从早期的四轮农用车发展而来，设计理念及制造工艺相对比较粗糙，车辆的整体性能相对不完善，加之驾驶员的驾驶水平参差不齐，以及低速货车长期处于重载、恶劣路况等相对复杂的驾驶操纵环境下,使得车辆的操作稳定性显得尤为重要。转向系统作为直接控制汽车的行动方向的系统，其性能的恶劣直接影响汽车的操纵稳定性。汽车的操作稳定性包含两方面的内容：操作性和稳定性。汽车操稳性主要影响汽车行驶安全性和操作复杂程度，随着汽车行驶速度的不断提高，为了保证行驶的安全性，汽车操作稳定性得到越来越多的关注，已经成为汽车性能优劣的重要标志之一。针对分析汽车转向系统对低速货车操作稳定性的影响就成为了众研究单位和汽车厂商一致追求的目标。汽车转向器作为转向系统中能够精确传递驾驶员意志的关键部件，其性能好坏会直接影响整个转向系统的执行能力。可以说，一个合格的转向器是汽车拥有良好转向性能的前提。目前，动力转向系统主要有液压助力转向系统、电动助力转向系统、电液助力转向系统和线性控制转向系统等。由于各自性能和特点的不同，各类动力转向系统的发展情形和使用范围都不尽相同，而液压助力转向系统由于具备输出力大、转向平稳、安全性能高等优点，已经成为中大型吨位货车的最佳选择。整体式动力转向作为目前市场上最为主要的助力转向器，它将机械转向器，转向动力缸和转向控制阀整合到一起，大大减小转向系统所占的空间，方便转向系统在汽车上的布置。机械转向器和缸体形成左右两个工作腔，它们分别通过油道和转向控制阀相连。整体式液压转向器通过控制油压的大小实现汽车的转动。液压系统工作时无噪音，工作滞后时间短，而且能吸收来自不平路面的冲击。因此，液压动力转向器已在各类各级汽车上获得广泛应用。因此，本课题以Jz100型商用货车为基础，将循环球式转向器为研究对象，阐述整体式液压动力转向器的设计过程。1.2 汽车转向器的发展据了解，在世界范围内，汽车循环球式转向器占45左右，齿条齿轮式转向器占40左右，蜗杆滚轮式转向器占10左右，其它型式的转向器占5。循环球式转向器一直在稳步发展。在西欧小客车中，齿条齿轮式转向器有很大的发展。日本汽车转向器的特点是循环球式转向器占的比重越来越大，日本装备不同类型发动机的各类型汽车，采用不同类型转向器，在公共汽车中使用的循环球式转向器，已由60年代的625，发展到现今的100了(蜗杆滚轮式转向器在公共汽车上已经被淘汰)。大、小型货车大都采用循环球式转向器，但齿条齿轮式转向器也有所发展。微型货车用循环球式转向器占65，齿条齿轮式占35。在国外，循环球式转向器实现了专业化生产，同时以专业厂为主、大力进行试验和研究，大大提高了产品的产量和质量。在日本“精工”(NSK)公司的循环球式转向器就以成本低、质量好、产量大，逐步占领日本市场，并向全世界销售它的产品。德国ZF公司也作为一个大型转向器专业厂著称于世。它从1948年开始生产ZF型转向器，年产各种转向器200多万台。还有一些比较大的转向器生产厂，如美国德尔福公司SAGINAW分部；英国AN公司是比较有名的专业厂家，有很大的产量和销售面。专业化生产已成为一种趋势，只有走这条道路，才能使产品质量高、产量大、成本低，在市场上有竞争力。 从发展趋势上看，国外整体式转向器发展较快，而整体式转向器中转阀结构是目前发展的方向。由于动力转向系统还是新的结构，各国的生产厂家都正在组织力量，大力开展试验研究工作，提高使用性能、减小总成体积、降低生产成本、保证产品质量稳定，以便逐步推广和普及。随着科学技术的发展，国际经济形势的变化对汽车乃至汽车转向器的生产都有很大影响。特别是西方国家实行石油禁运以来，世界经济形势受冲击很大。随着能源危机的发展，汽车工业首当其冲，其发展方向有很大变化。从汽车设计、制造到各总成部件的生产都随着能源危机的发生而变化，表现在能源消耗、材料消耗、操纵轻便等各个方面。我国加入WTO，给汽车工业带来新的机遇，也带来挑战，国产汽车及零部件将会得到进一步发展。我国的转向器生产，除早期投产的解放牌汽车用蜗杆滚轮式转向器，东风汽车用蜗杆肖式转向器之外，其它大部分车型都采用循环球式结构，并都具有一定的生产经验。目前解放、东风也都在积极发展循环球式转向器，并已在第二代换型车上普遍采用了循环球式转向器。由此看出，我国的转向器也在向大量生产循环球式转向器发展。随着我国汽车工业的迅猛发展，汽车转向器的生产水平也有了很大提高。在汽车转向器生产行业里，70年代推广了循环球转向器，80年代开发它推广了循环球变传动比转向器。对提高我国汽车转向轻便性水平起了很大的推动作用。到了90年代，驾驶员对汽车转向性能的要求有了进一步的提高，要求转向更轻便、操纵更灵敏。过去采用循环球转向器和循环球变比转向器只能相对的解决转向轻便性和操纵灵敏性问题，要想从根本上解决这两个问题只有安装动力转向器。因此，除重型汽车各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开始安装动力转向器。随着动力转向器技术水平的提高、生产规模的扩大和市场的需要，其它一些车型也必将陆续安装动力转向器。目前国内这些车型和国外同类汽车的发展趋势一样，都采用了整体式动力转向器。除轿车全部采用了齿轮齿条整体式动力转向器外，其它车型大都采用循环球整体式动力转向器。在这些转向器中，其控制阀也由过去广泛采用的滑阀式结构几乎全部改为转阀式结构。1.3 我国汽车发展与国外差距工业发展水平的不断提高，工业产品更新速度加快，对汽车性能的要求越来越高，尽管改革开放以来，汽车工业有了较大发展，但无论是数量还是质量仍满足不了国内市场的需要。造成产需矛盾突出的原因，一是专业化、标准化程度低，我国国内的汽车生产商的专业化水平相对国外来说较落后，各种国内汽车品牌的汽车都有各自的标准，标准化程度低，使对汽车零部件的生产造成一定的困难。二是设计和工艺技术落后，如汽车的主要部件，发动机、ECU、传感器等都需要从国外进口回来，而在国内只需要负责汽车的组装，自主生产的能力相对国外来说较落后。加之生产效率不高、周期长。1.4 我国汽车液压转向器工业的发展前景据中国产业调研网发布的2015年中国汽车转向器市场现状调查与未来发展趋势趋势报告显示，我国生产的汽车以配套安装液压助力循环球转向器及液压助力齿轮齿条转向器为主。目前国内市场上有140 余家转向系统零部件生产厂商，专业生产转向器的厂商有30 余家，年产量达20 万台以上的厂商有10 余家。目前我国转向器行业企业生产的产品种类齐全，已形成一定规模并达到较高水平，并向经济规模型、科技创新型方向迈进。根据汽车工业协会统计，2014年末，我国汽车转向行业产能约为3600 万台（套），总销售额约350 亿元。1.5 毕业设计的要求及设计内容1.5.1 设计要求（1）设计整体式液压转向器总装图，零号图一张；（2）完成转向器其余零部件的设计。2或3号图若干张；（3）撰写毕业论文：1000012000字。1.5.2 设计的主要内容 本论文主要是对Jz100型整体式液压动力转向器结构和设计进行了研究3和探讨，所做的工作主要有以下几个方面：（1）介绍了转向器在当前社会上发展状况，以这些情况为主要思路，设计出转向器的结构形式；（2）根据整体式转向器的结构形式，选出整体式转向器的零部件形式，然后根据整体式转向器的工艺性能要求设计出整体式转向器的所有构件；（3）对整体式转向器进行分析、调整。以得到符合实际生产要求的整体式转向器。5第2章 转向器主要参数、原理和方案的选定2.1 转向系的主要性能参数转向器的主要性能参数有转向器的效率、转向器的角传动比与力传动比、转向器传动副的传动间隙特性、转向器的刚度以及转向盘的总转动圈数。2.1.1转向器的效率转向器的输出功率与输入功率之比，称为转向器的传动效率。转向器的效率又有正效率与逆效率之分。转向摇臂轴输出的功率()与转向轴输入功率之比，称为转向器的正效率： (2-1)式中转向器的摩擦功率。反之，即转向轴输出的功率()与转向摇臂轴输入的功率之比，称为转向器的逆效率： (2-2)为了保证转向时驾驶员转动转向盘轻便，要求正效率高。为了保证汽车转向后转向轮和转向盘能自动返回到直线行驶位置，又需要有一定的逆效率。为了减轻在不平路面上行驶时驾驶员的疲劳，车轮与路面之间的作用力传至转向盘上要尽可能小，防止打手又要求此逆效率尽可能低。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、结构特点与正效率 在前述四种转向器中，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蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显的低些。11同一类型转向器，因结构不同其正效率也不一样。另外两种结构的转向器正效率，根据试验结果分别为70和75。转向摇臂轴轴承的形式对效率也有影响，用滚针轴承比用滑动轴承可使正逆效率提高约10。(2) 转向器的结构参数与正效率 如果忽略轴承和其他地方的摩擦损失而只考虑啮合副的摩擦，则其正效率为: （2-3） 式中 蜗杆或螺杆的螺线导程角； 摩擦角，； 摩擦系数。2、 转向器逆效率根据逆效率的大小，转向器可分为可逆式、极限可逆式与不可逆式三种。可逆式转向器的逆效率较高，这种转向器可将路面作用在转向轮上的大部分力传递到转向盘上，使司机的路感好。在汽车转向后也能保证转向轮与转向盘的自动回正，使转向轮行驶稳定。但在坏路面上，当转向轮上作用有侧向力时，转向轮受到的冲击大部分会传给转向盘，容易产生“打手”现象，同时转向轮容易产生摆振。因此，可逆式转向器宜用于良好路面上行驶的车辆。循环球式和齿轮齿条式转向器均属于这一类。不可逆式转向器不会将转向轮受到的冲击力传到转向盘上。由于它既使司机没有路感，又不能保证转向轮的自动回正，现代汽车已不采用。极限可逆式转向器介于上述两者之间。其逆效率较低，适用于在坏路面上行驶的汽车。当转向轮受到冲击力时，其中只有较小的一部分传给转向盘。如果忽略轴承和其他地方的摩擦损失而只考虑啮合副的摩擦，则蜗杆和7螺杆类转向器的逆效率为： （2-4）式中及见式（2-3）下的说明。式（2-4）、式（2-5）可见：增大导程角不仅能提高正效率，也会提高逆效率，故不宜取得过大。当时，逆效率0，这时转向器为不可逆式。因此应使，通常螺线的导程角取为810。2.1.2转向系的角传动比与力传动比（1）角传动比转向盘转角的增量与同侧转向节转角的相应增量之比，称为转向系的角传动比。转向盘转角的增量与相应的转向摇臂轴转角增量之比，称为转向器的角传动比。转向摇臂轴转角的增量与转向盘所在一侧的转向节相应的转角增量之比，称为转向传动机构的角传动比。它们之间的关系为： （2-5） （2-6） （2-7） 式中：转向系的角传动比; 转向器的角传动比； 转向传动机构的角传动比； 转向盘转角的增量； 转向摇臂轴转角的增量； 同侧转向节转角的相应增量。 9转向传动机构的布置，通常取其在中间位置时使转向摇臂及转向节臂均垂直于其转向纵拉杆，而在向左和向右转到底的位置时，应使转向摇臂与转向节臂分别与转向纵拉杆的交角相等。这时，转向传动机构的角传动比亦可取为： （2-8）式中 转向摇臂长； 转向节臂长。现代汽车转向传动机构的角传动比多在0.851.1，即近似为1。故研究转向系的角传动比时，为简化起见往往只研究转向器的角传动比及其变化规律即可。（2） 力传动比转向传动机构的力传动比等于转向车轮的转向阻力矩与转向摇臂的力矩之比值。与转向传动机构的结构布置型式及其杆件所处的转向位置有关。在最恶劣的转向条件下，例如在干而粗糙的转向轮支承面上做原地转向，转向车轮的转向阻力距由转向车轮相对于主销轴线的滚动阻力距、轮胎与地面接触部分的滑动摩擦力矩以及转向车轮的稳定力矩或自动回正力矩所形成的阻力距组成。即: (2-9) （2-10） (2-11) (2-12) 式中 转向轴的载荷； 滚动阻力的力臂，或主销偏移距。即由转向节主销轴线的延长11线与支撑面的交点至车轮中心平面与支承平面的交线的距离。通常货车的值为4060mm；轿车取0.40.6倍的台面宽度； 车轮的滚动阻力系数，计算时可取； 主销内倾角； 主销后倾角； 、内、外转向轮的平均转角； 附着系数，计算时取； 滑动摩擦力矩的力臂： （2-13） 、车轮的自由半径和静半径，计算时可近似地取在实际计算中常取转向传动机构的力传动比计算转向摇臂轴上的力矩,即： （2-14）式中 转向传动机构的效率，一般取则转向器在转向盘上的切向力，可由下式求得： （2-15）式中 转向器的力传动比； 转向盘的半径，根据车型不同可在范围内按国家标准系列选取； 转向器的正效率。 由（2-14）和（2-15）两式可见：当转向轮的转向阻力距一定时，增大转向传动机构的力传动比就能减小作用在转向盘上的切向力，使操纵轻便。13这里还应指出：当汽车在行驶过程中转向时，上述转向轮与地面间的滑动摩擦阻力距比汽车在原地转向时的要小许多倍，且与车速有关。（3） 转向器角传动比的变化规律转向器的角传动比是一个重要参数，它影响着汽车的许多转向性能。由于增大角传动比可以增大力传动比，因此转向器的角传动比不仅对转向灵敏度和稳定性有直接影响，而且也影响着汽车的操纵轻便性。由式（2-5）可以看出：转向轮转角与转向器的角传动比成反比。增大会使同一转向盘转角下的转向轮转角变小，使转向操纵时间变长，汽车转向灵敏性降低。因此转向“轻便性”与“灵敏性”是产品设计中遇到的一对矛盾。采用可变角传动比的转向器可协调对“轻便性”和“灵敏性”的要求。而转向器角传动比的变化规律又因转向器的结构型式和参数的不同而异。图2-1给出了几种典型的转向器角传动比变化规律。由该图可见：转向器的角传动随转向盘转角的变化特性有不变（曲线3）和可变之分。后者又有多种变化规律。其中曲线1为转向盘在中间位置时，较小，向左、右转动时则逐步增大；曲线4则与之相反。曲线2为蜗杆双销式转向器的角传动比特性曲线，是周期重复的。曲线5则为蜗杆单销式转向器的角传动比特性曲线，这时转向器蜗杆在中间位置的螺距较小，而至两端则逐渐增大。应根据车型和使用条件的不同来合理选择及其变化特性。对于高速车辆来说转向盘处于中间位置时的转向器角传动比不宜过小，否则会在高速直线行驶时对转向盘的转角过分敏感。转向盘处于中间位置即汽车直行时的转向器角传动比不宜小于1516。15 图2-1 转向器角传动比的变化特性曲线对于轿车和轻型以下的货车，因前轴负荷不大，在转向盘的全转角范围内不存在转向沉重问题，而具有动力转向的车辆，其转向阻力距由动力装置克服，故在上述两种情况下均有可能选择较小的角传动比和减少转向盘转动的总圈数，以提高汽车的转向的灵敏性。其角传动比宜采用转向盘处于中间位置时具有较大值而在左、右两端具有较小值的变化特性，如图2-1曲线4及5所示。对于没有装动力转向的大客车和中型及以上的载货汽车，因转向轴负荷大，而转向传动机构的力传动比在转向过程中是变化的，使急转弯时的操纵轻便性问题显得十分突出，故转向器角传动的理想特性应当是中间小两端大的曲线，如图2-1的曲线1所示。现代汽车转向器的角传动比也常采用不变的数值：轿车取=1422；货车取=2025。汽车的转向车轴负荷较轻时，应选用较小值。2.1.3转向器的传动间隙特性转向器的传动间隙是指转向器传动副之间的间隙。该间隙随转向盘转角的改变而改变。通常将这种变化关系称为转向器的传动间隙特性。研究该传动间隙特性的意义在于它对汽车直线行驶时的稳定性和转向器的寿命都有直接影响。当转向盘处于中间位置即汽车做直线行驶时，如果转向器有传动间隙则11将使转向轮在该间隙范围内偏离直线行驶位置而失去稳定性。为防止这种情况发生，要求当转向盘处于中间位置时转向器的传动副为无隙啮合。这一要求应在汽车使用的全部时间内得到保证。汽车多直行行驶，因此转向器传动副在中间部位的磨损量大于其两端。为了保证转向器传动副磨损最大的中间部位能通过调整来消除因磨损而形成的间隙，调整后当转动转向盘时又不致于使转向器传动副在其他啮合部位卡住。为此应使传动间隙从中间部位到两端逐渐增大，并在端部达到其最大值（矿量转角约为2535），如图2-2所示，以利于对间隙的调整及提高转向器的使用寿命。不同结构的转向器其传动间隙特性亦不同。图2-2 转向器的传动间隙特性1转向器的径向矿量；2转向器的轴向矿量2.1.4转向系的刚度转向系的各零、部件尤其是一些杆件均具有一定的弹性，这就使得转向轮的实际转角要比司机转动转向盘并按转向系角传动比换算至转向轮的转角要小，这样就会有不足转向的趋势。转向系刚度对轮胎的侧偏刚度影响也很大。如果令为不考虑转向系刚度时的轮胎侧偏刚度，而为考虑转向系刚度时的轮胎侧偏刚度（称为等价刚度），则有以下关系：17 （2-16）式中 整个转向系的刚度； 拖后距（后倾拖距与轮胎拖距之和），见图2-3。图2-3 考虑转向刚度时的轮胎等价侧偏刚度前轮侧偏角； 前轮速度；侧偏后的前轮速度； 前轮的侧向反作用力由上式可见：当值很大时，即前轮的侧偏刚度近似为考虑转向系刚度时的轮胎侧偏刚度；当值很小时，前轮的侧偏刚度接近0。后者表明：转向系刚度不足会使前轮的侧偏刚度减小，并导致汽车不足转向倾向的加剧，这是汽车的转向灵敏性变差的原因。2.1.5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；货车一般不宜超过6圈。192.1.6转向盘自由行程转向盘在空转阶段中的角行程，称为转向盘自由行程。转向盘自由行程对于缓和路面冲击及避免使驾驶员过度紧张是有利的，但不宜过大，以免过分影响灵敏性。一般说来，转向盘从相应于汽车直线行驶的中间位置向任一方向的自由行程最好不超过1015。当零件磨损严重到十转向盘自由行程超过2535时，必须进行调整。造成转向盘自由行程过大的原因，主要有如下几个方面：(1)转向器蜗杆与滚轮(或齿扇、指销等)间隙过大；(2)转向传动装置松动；(3)转向传动装置的球铰链间隙过大(松动)；(4)前轮轴承或转向节主销与衬套配合不紧等。2.2 整体式液压动力转向器工作原理动力转向系统是在机械式转向系统的基础上加一套动力辅助装置组成的。如下图，转向油泵6安装在发动机上，由曲轴通过皮带驱动并向外输出液压油。转向油罐5有进、出油管接头，通过油管分别与转向油泵和转向控制阀2联接。转向控制阀用以改变油路。机械转向器和缸体形成左右两个工作腔，它们分别通过油道和转向控制阀联接。 当汽车直线行驶时，转向控制阀2将转向油泵6泵出来的工作液与油罐相通，转向油泵处于卸荷状态，动力转向器不起助力作用。当汽车需要向右转向时，驾驶员向右转动转向盘，转向控制阀将转向油泵出来的工作液与R腔接通，将L腔与油罐接通，在油压的作用下，活塞向下移动，通过传动结构使左、右轮向右偏转，从而实现右转向。向左转向时，情况与上述相反。19图2-4 液压动力转向系统示意图l.转向操纵机构2.转向控制阀3.机械转向器与转向动力缸总成4.转向传动结构5.转向油罐6.转向油泵R.转向动力缸右腔L.转向动力缸左腔2.2.1 转阀式液压助力转向器工作原理汽车直线行驶时，阀芯与阀套的位置关系如图中所示。自泵来的液压油经阀芯与阀套间的间隙，流向动力缸两端，动力缸两端油压相等。驾驶员转动方向盘时，阀芯与阀套的相对位置发生改变，使得大部分或全部来自泵的液压油流入动力缸某一端，而另一端与回油管路接通，动力缸促进汽车左传或右转。图2-5液压动力原理示意图212.2.2方向盘处于某一转向角度时当方向盘停在某一位置不再继续转动时, 此时阀体随螺杆在油液和扭杆弹力的作用下沿方向盘旋转方向扭转一个角度, 使之与转阀相对角位移量减小, 动力缸左、右腔油压差减小, 但仍有助力作用。助力扭矩与车轮的回正力矩相平衡, 使车轮维持在某一转向位置。2.2.3助力装置的随动作用在转向过程中，若方向盘转动加快，弹性扭杆的扭转速度也加快，阀体和转阀相对错开的角位移量也迅速增大，动力缸左、右腔油压差也相应加大，前轮偏转速度加快。可见方向盘转动，前轮随之偏转； 方向盘转动快，前轮偏转快；方向盘停转, 前轮就停止偏转, 即处于平衡状态。这就是助力装置的随动作用。2.2.4转向后方向盘回位的工作情况当汽车转向后回位时，如果驾驶员放松方向盘，扭转的弹性扭杆回位，转阀回到中间位置，失去助力作用，此时转向轮在回正力矩作用下自动回位；若需要液压助力时，驾驶员可回转方向盘, 使助力器帮助转向轮回正。2.2.5保证直线行驶稳定的情况前轮直线行驶偶遇外界阻力发生偏转时，阻力矩通过转向传动机构、转向螺杆、螺杆与阀体的圆柱销作用在阀体上，使之与转阀产生相对角位移, 这样通向动力缸左、右腔油压不相等，产生助力作用, 通过循环球式传动副以及转向传动机构使前轮迅速向正。假设前轮突然遇到外界阻力向左偏转，阻力矩通过传动机构使阀体逆时针转动，阀体与转阀有相对角位移量，动力缸的左腔油压升高而右腔油压降低，产生助力作用，又通过传动机构使左偏的前轮迅速回正，保证了汽车直线行驶的稳定性。2.2.6液压助力装置失效时的工作情况一旦液压助力装置失效，该动力转向器即变成机械转向器。当汽车转向17时，阀芯下端有凸块，转过一定角度后, 通过螺杆上端转阀限位结构，带动螺杆旋转, 以保证汽车转向。不过方向盘的空行程加大，转向时有沉重感。2.3 方案的选择整体式动力转向器主要由三部分构成：1）机械式转向器；2）动力缸；3）转向分配阀。2.3.1转向器设计的分类转向器按结构形式可分为多种类型。历史上曾出现过许多种形式的转向器，目前较常用的有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、循环球曲柄指销式、蜗杆滚轮式等。其中第二、第四种分别是第一、第三种的变形形式，而蜗杆滚轮式则更少见。如果按照助力形式，又可以分为机械式（无助力），和动力式（有助力）两种，其中动力转向器又可以分为气压动力式、液压动力式、电动助力式、电液助力式等种类。1、 齿轮齿条式转向器它是一种最常见的转向器。其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条，由与转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。有时，靠齿条来直接带动横拉杆，就可使转向轮转向。所以，这是一种最简单的转向器。在汽车上得到广泛应用。与其它形式转向器比较，齿轮齿条式转向器最主要的优点是：结构简单、紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器的质量比较小；传动效率高达90；齿轮与齿条之间因磨损出现间隙后，利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧，可自动消除齿间间隙，这不仅可以提高转向系统的刚度，还可以防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用的体积小；没有转向摇臂和直拉杆，所以转向轮转角可以增大；制造成本低。23齿轮齿条式转向器的主要缺点是：因逆效率高(6070)，汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间的冲击力，大部分能传至转向盘，称之为反冲。反冲现象会使驾驶员精神紧张，并难以准确控制汽车行驶方向，转向盘突然转动又会造成打手，对驾驶员造成伤害。2、 蜗杆曲柄销式转向器它是以蜗杆为主动件，曲柄销为从动件的转向器。蜗杆具有梯形螺纹，手指状的锥形指销用轴承支承在曲柄上，曲柄与转向摇臂轴制成一体。转向时，通过转向盘转动蜗杆、嵌于蜗杆螺旋槽中的锥形指销一边自转，一边绕转向摇臂轴做圆弧运动，从而带动曲柄和转向垂臂摆动，再通过转向传动机构使转向轮偏转。这种转向器通常用于转向力较大的载货汽车上。3、 循环球式转向器循环球式：这种转向装置是由齿轮机构将来自转向盘的旋转力进行减速，使转向盘的旋转运动变为涡轮蜗杆的旋转运动，滚珠螺杆和螺母夹着钢球啮合，因而滚珠螺杆的旋转运动变为直线运动，螺母再与扇形齿轮啮合，直线运动再次变为旋转运动，使连杆臂摇动，连杆臂再使连动拉杆和横拉杆做直线运动，改变车轮的方向。 这是一种古典的机构，现代轿车已大多不再使用，但又被最新方式的助力转向装置所应用。它的原理相当于利用了螺母与螺栓在旋转过程中产生的相对移动，而在螺纹与螺纹之间夹入了钢球以减小阻力，所有钢球在一个首尾相连的封闭的螺旋曲线内滚动，循环球式故而得名。循环球式转向器的优点是：在螺杆和螺母之间因为有可以循环流动的钢球，将滑动摩擦变为滚动摩擦，因而传动效率可达到7585；在结构和工艺上采取措施，包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度和螺杆、螺母上的螺旋槽经淬火和磨削加工，使之有足够的硬度和耐磨损性能，可保19证有足够的使用寿命；转向器的传动比可以变化；工作平稳可靠；齿条和齿扇之间的间隙调整工作容易进行；适合用来做整体式动力转向器。循环球式转向器的主要缺点是：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。综上，整体式动力转向的机械部分选用循环球式转向器。2.3.2液压动力转向机构布置方案液压式动力转向机构是由分配阀、转向器、动力缸、液压泵、储油罐和油管等组成。根据分配阀、转向器和动力缸三者相互位置的不同，液压式动力机构可分为整体式、半整体式、转向加力器。机械转向器和转向动力缸设计成一体，并与转向控制阀组装在一起，这种三合一的部件称为整体式动力转向器（如图2-6）；结构紧凑、管路较短、易于布置；但拆装困难；主要零件（如：转向臂轴、转向臂球头销、纵拉杆等）都承受由加力油缸建立起来的载荷，所以必须加大其尺寸；对转向器的密封性能要求高。另一种方案是只将转向控制阀同机械转向器组合成一个部件，该部件称为半整体式动力转向器（如图2-7），转向动力缸则做成独立部件。第三种方案是将机械转向器作为独立部件，而将转向控制阀和转向动力缸组合成一个部件，称为转向加力器（如图2-8）。图2-6 整体式动力转向器25图2-7 半整体式动力转向器图2-8 转向加力器本次设计着重介绍循环球结构的整体转阀式动力转向器（ZJ100型整体式液压动力转向器）。212.3.3转向分配阀的选择分配阀有两种结构方案：分配阀中的阀与阀体以轴向移动方式来控制油路的称为滑阀式，以旋转运动来控制油路的称为转阀式。滑阀式分配阀结构简单，生产工艺性较好，易于布置，使用性能较好，曾得到广泛应用。转阀式与滑阀式比较，灵敏度高、密封件少而且结构较为先进。由于转阀是利用扭杆弹簧使转阀回位，所以结构复杂。转阀式分配阀在国内、外均得到广泛应用。因此，择转阀式分配阀作为整体式动力转向器的分配阀。2.4 转向器方案分析转阀式动力转向器属整体式动力转向器的一种, 是整体式动力转向器的最新结构, 代表着整体式动力转向器的发展方向。这种动力转向器的结构主要由机械部分和液压部分组成。其机械部分与循环球机械转向器基本一样, 由壳体、循环球螺杆螺母部分、齿条齿扇部分、侧盖及调整螺栓等组成。其液压部分由控制阀、油缸及活塞等主要件组成。在这种动力转向器中, 壳体是承受高压的, 最大工作压力已达15MPa, 壳体上部又作为油缸的缸筒。在控制阀部分, 阀体又作为转向器上盖用, 转向轴同时又作为转阀的阀芯, 二者之间是阀套。转向轴与螺杆由扭杆连接。螺母和齿条是一体的, 同时又起活塞的作用。齿扇与齿扇轴仍为一体, 同时又作为动力转向器输出力矩传力件, 所以比一般机械转向器齿扇轴直径加大。这类动力转向器中主要件的结构类似, 但不同动力转向器在结构上又各有特点。27图2-9整体式动力转向器示意图1-扭杆 2-阀芯 3-上盖 4-上盖防松螺母 5-阀体 6-密封环 7-转向螺杆 8-外壳 9-转向螺母10-阀套 11-隔套 12-螺杆轴承外圈 13-锁环 14-螺杆轴承 15-防尘盖 A-进油口 B-出油口C-进油道 D-回油道整体式动力转向器结构简图（图2-9），助力方式为扭杆转阀式。动力转向部分与循环球式机械转向器做成一体，扭杆1随转向盘和转向传动轴一起旋转，由扭杆的弹性控制转阀和转向助力油的流向，起动力转向作用。2.5 防伤安全机构方案分析根据交通事故统计资料和对汽车碰撞试验结果的分析表明：汽车正面碰撞时，转向盘、转向管柱是使驾驶员受伤的主要元件。因此，要求汽车在以48km/h的速度、正面同其他物体碰撞的试验中，转向管柱和转向轴在水平方29向的后移量不得大于127mm；在台架试验中，用人体模型的躯干以6.7m/s的速度碰撞转向盘时，作用在转向盘上的水平力不得超过11123N。为此，需要在转向系中设计并安装能防止或者减轻驾驶员受伤的机构。如在转向系中，使有关零件在撞击时产生塑性变形、弹性变形或是利用摩擦等来吸收冲击能量。当转向传动轴中采用万向节连接的结构时，只要布置合理，即可在汽车正面碰撞时防止转向轴等向乘客舱或驾驶室内移动，如图2-10。这种结构虽然不能吸收碰撞能量，但其结构简单，只要万向节连接的两轴之间存在夹角，正面撞车后转向传动轴和转向盘处在图中双点划线的位置，转向盘没有后移便不会危及驾驶员安全。转向轴上设置有万向节不仅能提高安全性，而且有利于使转向盘和转向器在汽车上得到合理布置，提高了操纵方便性并且拆装容易。图2-11所示为乘用车上应用的防伤安全机构，其结构最简单，制造容易。转向轴分为两段，上转向轴的下端经弯曲成形后，其轴线与主轴线之间偏移一段距离，其端面与焊有两个圆头圆柱销的紧固板焊接，两圆柱销的中心线对称于上转向轴的主轴线。下转向轴呈T字形，其上端与一个压铸件上铸有两孔，孔内压人橡胶套与塑料衬套后再与上转向轴呈倒钩状连接，构成安全转向轴。该轴在使用过程中国除传递转矩外，在受到一定数值的轴向力时，上下转向轴能自动脱开，如图2-11b所示，以确保驾驶员安全。图2-10防伤转向传动轴简图 图2-11防伤转向轴简图19位于两万向节之间的转向传动轴，是由套管和轴组成。套管经过挤压处理后形成与两侧经铣削加工后所形成的轴断面形状与尺寸完全一致。装配后从两侧的孔中注入塑料，形成塑料销钉将套管与轴连接为一体。汽车与其他物体正面碰撞时，作用在套管与轴之间的轴向力使塑料销钉受到剪切作用，达到一定值以后剪断销钉，然后套管与轴相对移动，存在其间的塑料能增大摩擦阻力吸收冲击能量。此外，套管与轴相互压缩，长度缩短，可以减少转向盘向驾驶员一侧的移动量，起到保护驾驶员的作用。这种防伤机构的结构简单，制造容易，只要合理地选取铆钉数量与直径，便能保证它可靠地工作和吸收冲击能量。撞击后因套管与轴仍处于连接状态，所以汽车仍有可能转向行驶到不妨碍交通的路边。2.6 本章小结本章主要介绍了转向器评价的几个重要参数，对整体式液压转向器的工作原理进行了全面的介绍，并根据设计任务书给出的数据，选定了循环球机械转向器，转阀式控制装置作为本次设计的转向器方案。31第3章 主要结构的设计和校核3.1 转向系计算载荷的确定为了保证行驶安全，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数有转向轴的负荷，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。精确地计算这些力是困难的，为此推荐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距（），即 （3-1）式中，为轮胎和路面间的滑动摩擦因数，一般取0.7; 为转向轴负荷（）; 为轮胎气压().作用在转向盘上的手力为: （3-2）式中，转向摇臂长； 转向节臂长； 转向盘直径； 转向器角传动比； 转向器正效率.转向系载荷的具体计算见表3-1。表3-1 转向系载荷的计算33计算项目计算内容计算结果已知：满载时转向轴轴荷分配=4800kg, 轮胎气压=0.67转向轴负荷=g=48009.8=47000N=47000N轮胎和路面间的滑动摩擦因数一般取0.7转向阻力距=Nmm转向盘直径根据GB/T 5911-1986转向盘尺寸，选取=500mm=500mm初选转向器角转动比参考同类转向器，选取25球摩擦系数查机械设计，表4-1知：球摩擦与液体动力润滑相近。液体动力润滑：0.010.001取当量摩擦角计算项目计算内容计算结果33初选螺杆导程角通常导程角取，选取转向器正效率转向机构的角传动比通常转向机构的角传动比在0.851.1之间，选取作用在转向盘的切向力3.2 螺杆、钢球和螺母传动副3.2.1钢球中心距D、螺杆外径D1和螺母内径D2尺寸D、如图3-1所示。钢球中心距是基本尺寸。螺杆外径D1、螺母内径D2及钢球直径d对确定钢球中心距D的大小有影响，而D又对转向器结构尺寸和强度有影响。在保证足够的强度条件下，尽可能将D值取小些。选取D值的规律是:随着扇齿模数的增大，钢球中心距D也相应增加。螺杆外径通常在2038mm范围内变化，设计时应根据转向轴负荷的不同来选定。螺母内径应大于一般要求（510）D。图3-1 螺杆、钢球和螺母传动副3.2.2钢球直径d及数量n钢球直径尺寸d取得大，能提高承载能力，同时螺杆和螺母传动机构和转向器的尺寸也随之增大。钢球直径应符合国家标准，一般长在79mm范35围内选用。增加钢球数量n，能提高承载能力；但使钢球流动性变坏，从而使传动效率降低。因为钢球直径本身有误差，所以共同参加工作的钢球数量并不是全部钢球数。经验证明，每个环路中的钢球数以不超过60个为好。为保证尽可能多的钢球都承载，应分组装配。每个环路中的钢球数为： (3-3)式中， 钢球中心距； 个环路中的钢球工作数； 不包括环流导管中的钢球数； 螺线导程角，常取=58，故1。3.2.3滚道截面当螺杆和螺母各有两条圆弧组成，形成四段圆弧滚道截面时,见图3-2，钢球与滚道有四点接触,传动时轴向间隙最小，可满足转向盘自由行程小的要求。图中滚道与钢球之间的间隙，除用来贮存润滑油之外，还能贮存磨损杂质。为了减少摩擦，螺杆与螺母沟槽的半径应大于钢球半径，一般取=(0.510.53)d。图3-2 四段圆弧滚道截面3.2.4接触角钢球与螺杆滚道接触点的正压力方向与螺杆滚道法面轴线间的夹角称为接触角,如图3-2所示。角多取45,以使轴向力和径向力分配均匀。293.2.5螺距P和螺线导程角转向盘转动角,对应螺母移动的距为： （3-4）式中，螺纹螺距。与此同时,齿扇节圆转过的弧长等于s,相应摇臂转过角,其间关系可表示如下: （3-5）式中，r-齿扇节圆半径。联立式（3-4）、式（3-5）得： （3-6）将对求导得循环球式转向器角传动比为： （3-7）由式（3-7）可知,螺距影响转向器传动比的值。在螺距不变的条件下,钢球直径越大,图3.1中的尺寸越小,要求。螺距一般在1218mm内选取。3.2.6工作钢球圈数W多数情况下，转向器用两个环路，而每个环路的工作钢球圈数又与接触强度有关：增加工作钢球圈数，参加工作的钢球增多，能降低接触应力，提高承载能力；但钢球受力不均匀、螺杆增长而使刚度降低。工作钢球圈数有1.5和2.5圈两种。3.2.7导管内径容纳钢球而且钢球在其内部流动的导管,式中，为钢球直径37与导管内径之间的间隙。不易过大，否则钢球流经导管时球心偏离导管中心线的距