小型客車轉向系統(tǒng)畢業(yè)設計

1、（2014 屆）本科畢業(yè)設計（論文）資料 題 目 名 稱： HN6531小型旅游客車轉向系的 設計 學 院（部）： 機械工程學院 專 業(yè)： 機械設計制造及自動化 學 生 姓 名： 徐德成 班 級：機設1007 學號 10405701332 指導教師姓名： 周明 職稱 副教授 最終評定成績： 湖南工業(yè)大學教務處2014 屆本科畢業(yè)設計（論文）資料第一部分 本科畢業(yè)設計（論文）（2014 屆）本科畢業(yè)設計（論文）題 目 名 稱： HN6531小型旅游客車轉向系的設計 學 院（部）： 機械工程學院 專 業(yè)： 機械設計制造及自動化 學 生 姓 名： 徐德成 班 級：機設1007 學號 10405701

2、332 指導教師姓名： 周明 職稱 副教授 最終評定成績 2014 年 5 月 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文）湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)論文（設計）誠信聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設計），題目HN6531小型旅游客車轉向系的設計是本人在指導教師的指導下，進行研究工作所取得的成果。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文章以明確方式注明。除此之外，本論文（設計）不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。本人完全意識到本聲明應承擔的責任。作者簽名：日期： 年 月 日摘要隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，作為汽車的關鍵部位轉向系統(tǒng)也得到大浪淘沙式的發(fā)展，從純機械轉向系統(tǒng)發(fā)展到助力式轉向系統(tǒng)

3、。本文對小型旅游客車轉向系統(tǒng)進行設計。本文以轉向系的性能參數要求、轉向梯形的設計布置、以及循環(huán)球式轉向器的設計計算為主線，對轉向系統(tǒng)進行設計校核，系統(tǒng)的闡述轉向系統(tǒng)的組成構造，性能要求。全文首先介紹轉向系的組成構造、要求及轉向系的選?。蝗缓笫寝D向系性能參數的確定，主要以轉向系正（逆）效率，轉向系力（角）傳動比，轉向器的角傳動比以及轉向系的嚙合特性為主；其次介紹轉向傳動機構，以轉向梯形的設計為主線并介紹轉向傳動結構的組成；最后對循環(huán)球式轉向器的設計校核。由于轉向系統(tǒng)對于行駛安全性至關重要，轉向系設計已成為汽車行業(yè)的一個關鍵課題，轉向器與轉向梯形的設計也在不斷的完善、創(chuàng)新。關鍵詞：循環(huán)球轉向器，轉

4、向梯形，轉向系正效率，嚙合特性ABSTRACTWith the rapid development of automobile industry, it as a key part of the automobile steering system has also been developed mighty wave crashing on shore type. From a purely mechanical steering system to the development of power system. This paper carriers on the design to t

5、he small tourist bus steering system.In this paper, the performance parameters of steering system requirement, design of steering trapezoid arrangement, as well as the recirculating ball type steering gear design as the main line, of the design and check of the steering system, the steering system s

6、tructure system, performance requirement. This paper first introduces the structure, steering system requirements is selected. Then determine the performance parameters of steering system, mainly in the steering system is (inverse) efficiency, steering force (angle) transmission ratio, mainly engagi

7、ng characteristics angular gear ratio and steering trapezoid, as the main line and the steering transmission structure; finally to design for the recirculating ball type.Due to the steering system for driving safety is essential, steering system design has become a key topic of automobile industry a

8、nd the steering trapezium design are constantly improving, innovation change.Keywords: recirculating ball steering gear, steering, steering system is efficiency, meshing characteristics目 錄第1章緒論11.1 轉向系的發(fā)展與現狀11.1.1 機械式轉向系統(tǒng)11.1.2 液壓助力式轉向系統(tǒng)11.1.3 電液助力式轉向系統(tǒng)11.1.4 電動助力式轉向系統(tǒng)21.1.5 線控轉向系統(tǒng)21.2 轉向系發(fā)展趨勢3第2章 轉

9、向系統(tǒng)的組成與要求42.1 轉向系的組成42.1.1 機械轉向系統(tǒng)42.1.2 動力轉向系統(tǒng)42.2轉向系的基本要求5第3章 轉向系選取73.1轉向操縱機構73.2轉向傳動機構73.3轉向器73.3.1轉向器的傳動效率及可逆程度83.3.2轉向器角傳動比iw83.3.3轉向器傳動間歇93.4動力轉向系統(tǒng)93.4.1液壓助力式轉向系統(tǒng)93.4.2電液助力式轉向系統(tǒng)93.4.3電動助力式轉向系統(tǒng)9第4章 轉向系統(tǒng)主要性能參數確定104.1轉向系效率104.1.1轉向系正效率+104.1.2轉向系逆效率-104.2轉向系傳動比114.2.1轉向系力傳動比ip114.2.2轉向系角傳動比iw0114.

10、2.3轉向器角傳動比i114.2.4轉向傳動機構角速度i'w114.3轉向系力傳動比與角傳動比的關系114.4轉向傳動系傳動比的計算124.4.1轉向阻力矩Mr計算124.4.2轉向系力傳動比ip及角傳動比i計算134.5轉向系傳動副的嚙合間隙特性134.5.1轉向器的嚙合特性134.5.2轉向盤自由行程144.5.3轉向盤總回轉圈數n的計算14第5章 轉向傳動機構設計155.1轉向梯形方案分析155.1.1整體式轉向梯形155.1.2斷開式轉向梯形155.1.3轉向梯形機構尺寸確定165.1.4轉向梯形的優(yōu)化175.2縱拉桿185.2.1縱拉桿強度校核185.3橫拉桿19第6章 循環(huán)

11、球式轉向器設計206.1轉向系計算載荷的確定206.1.1循環(huán)球式轉向器216.2主要尺寸參數選取216.2.1鋼球中心距D226.2.2螺桿內外徑選取226.2.3工作鋼球圈數W236.2.4鋼球直徑與數量的選取236.2.5滾道截面246.2.6接觸角246.2.7螺距P與倒程角0256.3轉向器計算和校核256.3.1鋼球滾道間接觸應力256.3.2齒扇齒的彎曲應力w26第7章 動力轉向系統(tǒng)277.1液壓缸設計277.1.1液壓缸作用力F277.1.2液壓缸內徑D277.1.3液壓缸長度277.1.4活塞運動速度277.2轉向油泵287.3管路系統(tǒng)287.3.1流速287.3.2硬管28

12、7.3.3軟管297.3.4油箱29結論30參考文獻31致謝3232第1章 緒論1.1 轉向系的發(fā)展與現狀改革開放以來，我國汽車工業(yè)得到長足發(fā)展。作為汽車關鍵部位的轉向系統(tǒng)也得到迅猛發(fā)展，轉向系統(tǒng)已由純機械式轉向系向助力式轉向系發(fā)展。助力式轉向系由于轉向操縱輕便靈活，能夠吸收路面對車輪沖擊等優(yōu)點已在汽車制造業(yè)中被普遍采用。汽車轉向系經歷100多年的發(fā)展歷史，經歷了機械式轉向系統(tǒng)液壓助力式轉向系統(tǒng)電液助力式轉向系統(tǒng)電動助力式轉向系統(tǒng)線控轉向系統(tǒng)。其中助力式轉向系統(tǒng)得到了廣泛的使用。1.1.1 機械式轉向系統(tǒng)機械式轉向系統(tǒng)應用較多，現在所有的轉向系統(tǒng)都要求有機械轉向系統(tǒng)以保證轉向的安全可靠性。機械

13、式轉向系統(tǒng)以人力為動力來源，所有傳遞力的零件都是機械的，它由轉向操縱機構、轉向器和轉向傳動機構組成。轉向系的力傳動比和角傳動比成反比關系。當力傳動比大時，轉向省力，轉向輕便性好但是轉向靈敏性就變差；當角傳動比大時，轉向靈敏性好了，但轉向需要很大的力，轉向輕便性達不到要求。因此機械式轉向系在同時滿足轉向輕便性和轉向靈敏性的要求是十分有限的，這也制約了機械式轉向系的發(fā)展。隨著轉向系的發(fā)展，出現了助力式轉向系統(tǒng)，這在一定程度上緩解了轉向輕便性和靈敏性這一矛盾。1.1.2 液壓助力式轉向系統(tǒng)液壓助力式轉向系統(tǒng)是在機械轉向系統(tǒng)的基礎上增加液壓系統(tǒng)發(fā)展起來的。它以發(fā)動機的動力作為油泵的能量來源，用液壓力增

14、加駕駛員的操縱力。因此可以在一定程度上減小轉向系的力傳動比，增大角傳動比，從而緩解轉向“輕”與“靈”的矛盾。隨著社會經濟的不斷發(fā)展，人們對速度的要求越來越高，汽車速度也在不斷的提高，液壓助力式轉向系的不足開始顯現出來。汽車在高速運行或者低速運行和停車時，很難保證駕駛員有適度的手感；同時汽車的燃油經濟性變差；停車時無法提高助力等都制約了其發(fā)展。1.1.3 電液助力式轉向系統(tǒng)電液助力式轉向系統(tǒng)在液壓系統(tǒng)的基礎上，用電機取代發(fā)動機驅動油泵的方式發(fā)展而來的。它通過電磁閥控制助力油壓隨車速變化而變化，在汽車低速或急轉彎時轉向輕便；在高速行駛時有較好的手感。目前電液助力式轉向系統(tǒng)在轎車上得到了廣泛的運用。

15、但是它結構更加復雜，價格更昂貴，同時并沒有克服液壓助力式轉向系統(tǒng)效率低、能耗大等缺點。1.1.4 電動助力式轉向系統(tǒng)作為新一代轉向系統(tǒng)，電動助力式轉向系統(tǒng)將電子技術和車輛機械技術良好地結合起來。它采用電力取代了液壓系統(tǒng)提供助力，系統(tǒng)更加簡化、性能也更加優(yōu)良。該系統(tǒng)需要扭矩傳感器、轉角傳感器、車速傳感器、電機、減速器以及電子處理單元ECU組成。電機運轉及提供扭矩大小都有ECU控制。電動助力式轉向系統(tǒng)擁有控制簡單、響應快、方便改善助力大小及轉向路感；零部件少、工作可靠、容易檢修調整；低溫環(huán)境下工作性能優(yōu)良等優(yōu)點。電動助力式轉向系統(tǒng)的一系列優(yōu)點都標志著其有廣闊的發(fā)展前景1。但是也有一些不足制約著其發(fā)

16、展，例如：目前還缺乏該系統(tǒng)的成熟理論，一旦設計不合理將嚴重威脅到汽車安全和人生財產安全。1.1.5 線控轉向系統(tǒng)在20世紀50年代，美國TRW公司對線控轉向系統(tǒng)提出了大膽的設想，將轉向盤和轉向車輪之間的機械連接用控制信號取代1。20世紀60年代末，德國的Kasselmann公司也設計了類似于TRW公司設想的主動轉向系統(tǒng)1。1900年，德國奔馳公司將線控轉向系統(tǒng)運用到其概念車F400-Carving上1。目前已有線控轉向系統(tǒng)上市，而Daimier-Chrysler公司開發(fā)的線控轉向系統(tǒng)被列為2000年汽車十大創(chuàng)新技術之一1。我國也涉足線控轉向系統(tǒng)研究領域，清華大學、同濟大學以及湖南大學都對線控轉

17、向技術進行研究。2004年同濟大學研究的“春暉三號”就運用了線控轉向技術。隨著轉向技術的發(fā)展，轉向裝置也發(fā)生了很大變化。目前主流的轉向器有4種：蝸桿指銷式、蝸桿滾輪式、循環(huán)球式及齒輪齒條式。目前在世界汽車市場上，循環(huán)球轉向器占有45%的市場，齒輪齒條式也占有40%左右的份額，其它類型的轉向器占15%。齒輪齒條式轉向器在西歐小客車上獲得較大發(fā)展。在日美循環(huán)球式轉向器使用比重越來越大，在日本，公共汽車使用的循環(huán)球式轉向器已經發(fā)展到現在的100%。大、小型貨車也大多采用循環(huán)球式轉向器。現今不同類型的轉向器的使用情況大致如下：(1)齒輪齒條式轉向器和循環(huán)球式轉向器已成為當今汽車使用的主流轉向器。其它類

18、型的轉向器正在逐漸被淘汰。(2)在小客車上，日美主要發(fā)展循環(huán)球式轉向器，其市場也超過90%；而在西歐則大力發(fā)展齒輪齒條式轉向器，比重也超過50%，法國則高達95%。(3)齒輪齒條式轉向器在小型車上得到迅猛發(fā)展；而大型車則主要以循環(huán)球式轉向器為主。1.2 轉向系發(fā)展趨勢未來汽車以低排量、綠色能源為主體，這給電動助力式轉向系統(tǒng)和線控轉向系統(tǒng)提供了廣闊的發(fā)展前景1。目前，電動助力式轉向系統(tǒng)已經在部分車型上得到應用，由于價格較貴主要運用在高檔車上，但是技術還是比較成熟。轉向系的不斷發(fā)展成熟，轉向裝置也在不斷更新變化以適應未來汽車轉向需求，現代汽車轉向裝置向以下趨勢發(fā)展：1.能滿足汽車高速行駛的需求2.

19、需要足夠的輕便性和行駛安全性3.低油耗，低成本，能夠大批量生產4.轉向裝置電腦化隨著科學技術的發(fā)展，社會經濟形式的變化以及能源危機的到來，汽車工業(yè)作為社會經濟的一支重要組成部分必然會受到沖擊，其發(fā)展方向定會產生巨大變化。轉向系統(tǒng)作為汽車的關鍵部件之一，無論從設計還是制造都會發(fā)生變化。轉向系變化的主要表現形式在能耗和轉向輕便性方面，這對于我國汽車工業(yè)既是挑戰(zhàn)更是機遇。它將會使我國汽車工業(yè)得到進一步的發(fā)展。第2章 轉向系統(tǒng)的組成與要求2.1 轉向系的組成轉向系是改變汽車行駛方向和保持汽車的直線行駛，保證汽車按照駕駛員的意志進行轉向2。車輛轉向的方式不同，轉向系的組成與原理也是不相同的。2.1.1

20、機械轉向系統(tǒng)機械轉向系統(tǒng)由轉向操縱機構、轉向傳動機構和轉向器組成。駕駛員直接操縱的部分叫做轉向操縱結構，它包括轉向盤、轉向軸以及帶萬向節(jié)的傳動軸。機械轉向器是一個用來解決轉向阻力矩很大，但是駕駛員操縱手力小的矛盾的一個降速增扭的機構。轉向傳動機構是傳遞轉向器輸出力與運動的機構，使轉向輪偏轉。它由轉向搖臂、縱拉桿、轉向節(jié)臂、橫拉桿和轉向梯形組成。1-轉向盤 2-轉向軸 3-轉向萬向節(jié) 4-轉向傳動軸 5-轉向器 6-轉向搖臂 7-轉向直拉桿 8-轉向節(jié)臂 9-左轉向節(jié) 10、12-梯形臂 11-轉向橫拉桿 13-右轉向節(jié)圖2.1 機械轉向系示意圖2.1.2 動力轉向系統(tǒng)動力轉向系統(tǒng)是在機械轉向系

21、統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的。它是利用液壓或者控制電機等輔助動力使轉向系時更加輕便。正常情況下，轉向所需的能量大部分由輔助動力提供，極大的減小了駕駛員的操作強度。但是在輔助動力失效時，仍然可以由駕駛員獨立操縱轉向系統(tǒng)，提高行駛安全性。2.2轉向系的基本要求轉向系直接影響著車輛行駛安全性和穩(wěn)定性，根據轉向系的工作特點，對轉向系有以下要求：(1)轉向輪轉角和駕駛員轉動方向盤的轉角應保持一定的比例關系。(2)動力轉向系統(tǒng)失靈時，仍能用機械系統(tǒng)操縱車輪轉向。一切輔助動力系統(tǒng)都不能保證不出現故障，為保證行駛的穩(wěn)定性和安全性，仍需要安全性能更高的機械系統(tǒng)來操縱車輪轉向。(3)減輕駕駛員作用在轉向盤上的手力，同時還

22、應有路感，并隨轉向阻力增加而增大。在行駛過程中有一定的路感能使駕駛員知道行駛路面的情況，提高行駛安全性。(4)方向盤應能平穩(wěn)回位，保證汽車的直線行駛能力。(5)轉向系統(tǒng)應能在車輛轉彎時靈活平穩(wěn)地將扭力傳到前輪。(6)不允許路面不平引起的振動造成方向盤回跳或方向失控。(7)形成統(tǒng)一的轉向中心。車輛在轉向時都必須有一個轉向中心保證車輪做純滾動，不然不僅消耗功率，而且還加大輪胎的磨損。為達到以上要求，所有車輪的軸線都要交與一點O，這個交點O就是轉向中心2。圖2.2 汽車轉向輪內外輪轉角關系圖由圖2.2所示的幾何關系可知，車輛轉向時外輪偏角i大于內輪偏角0。內外輪偏轉角的理想關系式為：cot0-cot

23、i=KL (2.1)式中 K兩側主銷軸線延長線與地面交點間的距離 L車輛軸距目前所有車輛的轉向梯形都在車輪的偏轉角范圍內。第3章 轉向系選取3.1轉向操縱機構轉向操縱機構的功能是將轉向盤上的力傳遞到轉向器上。它由轉向盤、轉向軸、轉向管柱等組成3。為方便布置，減小裝置位置誤差及部件運動引起的附加載荷，提高汽車安全性，轉向軸與轉向器之間用萬向節(jié)連接，轉向管柱采用吸能管柱。由于采用的動力轉向系統(tǒng)，還有扭矩傳感器和轉角感應裝置。3.2轉向傳動機構轉向傳動機構由轉向臂，轉向節(jié)臂，轉向梯形臂，橫拉桿及縱拉桿的組成。它的作用是把轉向器輸出的力與運動傳遞到轉向輪并按一定的關系偏轉。3.3轉向器轉向器的功用是將

24、方向盤的轉動轉變?yōu)檗D向垂臂的擺動，以達到改變力方向及傳動比。從而通過轉向傳動機構操縱轉向輪。隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，轉向系也得到了大浪淘沙式的發(fā)展，而作為轉向系核心的轉向器也經歷了飛速的發(fā)展。有的轉向器已經逐漸被棄用，開始遭到淘汰；蝸桿滾輪式轉向器和蝸桿指銷式轉向器仍保留極小部分；而循環(huán)球式轉向器和齒輪齒條齒輪泵、式轉向器使用安全可靠、傳動效率高，并且具有一定的可逆性和要求的角傳動比，傳動間歇可調得到廣泛的使用。下面對這四種轉向器進行分析比較。表3.1 機械式轉向器的對比形式特點齒輪齒條式循環(huán)球式蝸桿滾輪式蝸桿指銷式死銷旋轉銷正效率+高（90%）高（75%-85%）低低較高逆效率-高（60%-

25、70%）高低較高較高iw可變可變不可變可變可變磨損慢慢慢快慢調整間隙容易容易困難容易容易工作可靠性可靠可靠可靠較差較差結構簡單復雜簡單簡單較復雜制造工藝容易困難容易容易容易制造精度不高高不高雙銷變速比時要求高用做整體式動力轉向可以可以困難困難困難質量輕居中居中單銷輕、雙銷重車輪轉角大小小小小3.3.1轉向器的傳動效率及可逆程度循環(huán)球式和齒輪齒條式的傳動正效率都高，傳動效率能夠達到80%以上。而球面蝸桿滾輪式和曲柄指銷式傳動磨損大，傳動效率相對較低。按照作用力的傳遞方式轉向器可以分為可逆式和不可逆式。1.可逆式轉向器的優(yōu)點：保證在汽車轉正后，轉向輪和方向盤自動回正，既減輕了駕駛員的疲勞，又提高了

26、行駛安全性。2.可逆式轉向器的缺點：在不平的道路上行駛時容易出現打手現象，使駕駛員疲勞，影響安全駕駛。3.不可逆式轉向器缺點：轉向傳動機構的零件容易損壞，轉向器不能保證車輪自動回正，駕駛員缺乏路面感覺。不可逆式轉向器承受沖擊載荷過大，零件容易損壞，駕駛員沒有路感，因此在汽車上基本不采用。而可逆式轉向器既不會造成轉向器零件過載，駕駛員又有路感、逆效率高、當車輪偏離中間位置后，車輪的穩(wěn)定力保證車輪和轉向盤的自動回正，減輕了駕駛員的疲勞強度，從而得到廣泛的運用。轉向器的傳動效率和可逆程度由轉向器的形式、結構以及幾何參數等決定。所有的車型都要求傳動效率高，達到操縱的輕便性。對于轉向器的可逆程度，不同的

27、車型有不同的要求。小型客車一般行駛路面狀況較好，路面沖擊不大，但要求有較高的機動性和輕便性，所以選擇可逆式的。綜合考慮選取循環(huán)球式轉向器。3.3.2轉向器角傳動比iw轉向器的角傳動比iw等于轉向盤轉角與轉向垂臂轉角比值。iw= （3.1）轉向器的角傳動比iw分為可變和不可變兩種。從操縱輕便性考慮，希望轉向器角傳動比iw大些比較好，而從機動性來講，又希望角傳動比iw小些好。要解決這對矛盾，通常采用可變角傳動比轉向器。對于小型旅游客車主要在公路上行駛，連續(xù)行駛時間長，急轉彎少，因此操縱輕便性成了主要的矛盾。轉向器角傳動比越大，作用在轉向盤上的力就越小，同時也減小了車輪傳遞給轉向盤的力。當轉向輪轉到

28、兩端極限位置時，轉向角應當小，以減小轉向盤的轉角，提高汽車機動性。為保證行駛安全要求轉向器角傳動比iw的變化規(guī)律，應該是中間大兩頭小。3.3.3轉向器傳動間歇轉向器傳動間歇反映嚙合特性，它影響汽車直線行駛穩(wěn)定性和轉向器壽命。汽車在大部分時間作直線行駛，因此轉向器傳動元件在直線行駛嚙合部位磨損嚴重，嚙合間歇增大，影響汽車行駛穩(wěn)定性。所以要求轉向器的傳動間歇可以自動調整。為保證中間部位磨損后，調為無間隙嚙合時，不發(fā)生卡死現象，要求設計轉向器傳動元件時，在汽車直線行駛部位為無間隙嚙合，向兩端逐漸增大間歇。3.4動力轉向系統(tǒng)為了提高操縱輕便性，減輕駕駛員疲勞，采用助力式轉向系統(tǒng)。助力式轉向系統(tǒng)可分為液

29、壓式、電液式、電動助力式等三種。3.4.1液壓助力式轉向系統(tǒng)液壓助力式轉向系統(tǒng)是在機械式轉向系統(tǒng)的基礎上增加液壓助力系統(tǒng)發(fā)展而來的。它以汽車發(fā)動機動力驅動油泵，用液壓力增加駕駛員操作前輪的力，在一定程度上解決了“輕”與“靈”的矛盾3.4.2電液助力式轉向系統(tǒng)電液助力式轉向系統(tǒng)又是在液壓助力式轉向系統(tǒng)上發(fā)展起來的，它用電機取代發(fā)動機驅動油泵。通過電磁閥使油壓隨車速變化而變化，在汽車低速行駛時更輕便，高速時也有好的手感。3.4.3電動助力式轉向系統(tǒng)電動助力式轉向系統(tǒng)是轉向系統(tǒng)發(fā)展中一項重要技術。它將電子技術與機械技術結合起來。具有制造簡單，響應快，性能優(yōu)良等優(yōu)點，在現代汽車中得到了廣泛的運用。綜合

30、比較以上三種轉向系統(tǒng)，液壓助力轉向系統(tǒng)解決了轉向“輕”與“靈“的問題，并且成本低，制造也容易，因此本型號小客車采用液壓助力式轉向系統(tǒng)。第4章 轉向系統(tǒng)主要性能參數確定4.1轉向系效率轉向系效率0由轉向器效率 和轉向操縱機構和轉向傳動機構效率的乘積0= · （4.1）轉向器效率0按力的不同來源又可分為正效率+與逆效率-。4.1.1轉向系正效率+轉向系正效率+為轉向搖臂輸出軸功率（P1-P2）與轉向輸入軸功率P1的比值。即：+=P1-P2/P1 （4.2）正效率越大，轉向器在轉向時摩擦損失就越小，轉向越輕便。轉向系的正效率+受許多因素影響，如轉向器類型、結構參數、制造精度等。對于循環(huán)球式

31、轉向器忽略軸承及其它地方的摩擦損失，只考慮螺桿，鋼珠之間的摩擦損失，根據能量守恒定律。其與轉向器結構參數的關系如下：+=tan0tan(0+) （4.3）式中：0為倒程角，為摩擦角。由于循環(huán)球式轉向器是可逆轉向器，因此要求摩擦角應小于螺桿螺旋角0。通常轉向盤到轉向輪傳遞正效率在0.670.82之間，取正效率+=0.75。又0在5°10°以后，逆效率增加速度大于正效率增加速度，所以0不宜大于5°10°，取0=5°40。由式（4.3）得=1°804.1.2轉向系逆效率-為保證汽車行駛安全性和平穩(wěn)性，提高駕駛員路面感覺，要求轉向系要有逆效率

32、。但是逆效率過大會產生方向盤打手現象且駕駛員容易疲勞，所以逆效率不能太大。因此轉向系要有一定的逆效率且不宜太大。不考慮其它摩擦損失（如軸承，聯(lián)接副之間的摩擦），逆效率可以計算得：-=tan（0-）tan（0）-=0.674.2轉向系傳動比轉向系傳動比i 由轉向系力傳動比ip和轉向系角傳動比i組成。4.2.1轉向系力傳動比ip從輪胎接地面中心作用在轉向輪的合力2Fw與作用在轉向盤上的手力Fh的比值，即：ip=2FwFh （4.4）4.2.2轉向系角傳動比iw0轉向盤角速度w與同側轉向節(jié)偏轉角k的比值，即：i0=wk （4.5）4.2.3轉向器角傳動比i轉向盤角速度w與搖臂角速度p的比值，即：i=

33、wp （4.6）4.2.4轉向傳動機構角速度i'w搖臂軸角速度p與同側轉向節(jié)偏角速度k的比值，即：iw'=pk （4.7）4.3轉向系力傳動比與角傳動比的關系轉向輪與地面的轉向阻力Fw和作用在轉向節(jié)臂的阻力矩Mr之間的關系可以下面的公式表示：Fw=Mra （4.8）a主銷偏移距作用在方向盤的手力Fh可如下表示：Fh=2MhDsw （4.9）Mh作用在轉向盤上的力矩Dsw轉向盤直徑由式（4.4），（4.8）,（4.9）可得到如下關系:ip=MrDswMha （4.10）忽略摩擦損失，根據能量守恒定律有：2MrMh=ddk=i0 （4.11）ip=i0Dsw2a （4.12）由式（

34、3.3.3），（3.3.4），（3.3.5）可得：i0=2aDswip （4.13）當a與Dsw一定時，i0與ip成正比變化的關系。力傳動比ip越大，角傳動比i0越大。力傳動比ip越大，轉向輕便性越好，但是角傳動比i0也越大，對于轉向靈敏性就變差。由式（4.13）可知，轉向系角傳動比i0與a有關，當a越大，i0也越大，轉向靈敏性也就變差，影響駕駛安全性。因此a一般取0.40.6倍輪胎寬度B，即：a=(0.40.6)B。4.4轉向傳動系傳動比的計算汽車在轉向時是否輕便，是以汽車轉向時駕駛員作用在方向盤上的最大手力Fh和方向盤回轉圈數n衡量的。只有轉向力矩Mz大于或等于轉向阻力矩Mr時，汽車才能轉

35、向。方向盤總的回轉圈數n由轉向輪的最大轉角和轉向系角傳動比i決定的。4.4.1轉向阻力矩Mr計算轉向阻力矩Mr由于影響因素很多，如前橋負荷、輪胎尺寸結構以及道路狀況等，并且隨著車速的增加而減小。很難準確的計算出來。通常情況下以汽車原地轉向的阻力矩作為轉向力矩。一般以下面的半經驗公式計算：Mr=3G13P kg·cm （4.14）式中 G1前橋負荷 N 輪胎與地面之間的滑動摩擦系數，一般取0.7 P輪胎氣壓 N/mm2滿載時，前橋負荷45%49%；空載時，51%56%，則G1=5300×51%×9.8=10046 N即 Mr=0.732646030.3=428949

36、 N·mm4.4.2轉向系力傳動比ip及角傳動比i計算輪胎選用215/75R17.5型號，寬度215mm，所以，a=0.4×215=86 mmFw=Mra=42894986=4988N取Fh=200 N,則ip=2FwFh=2×498886=49.88因此，轉向系角傳動比為i=2aDswip=2×86425×49.88=204.5轉向系傳動副的嚙合間隙特性4.5.1轉向器的嚙合特性嚙合間隙是指轉向器中傳動副之間的間隙。嚙合間隙又稱傳動間歇。它直接影響著汽車直線行駛的穩(wěn)定性和轉向器使用壽命。因為汽車大部分時間是做直線行駛，所以轉向器在汽車做直線行

37、駛的嚙合部分磨損嚴重，嚙合間隙會逐漸變大，影響汽車行駛的穩(wěn)定性。要求轉向器的傳動間隙可以自動調節(jié)。所以在轉向器傳動元件的設計上，要求汽車直線行駛的部位是沒有嚙合間隙的，向兩端逐漸增大間隙，保證中間磨損后可調節(jié)為無間隙嚙合的傳動兩端不會出現卡死的現象。 不同結構的轉向器的嚙合間隙特性也是不同的。如圖（4.1）所示為了有利于轉向器的使用壽命，傳動間歇也應從中間到兩端逐漸增大。圖4.1 轉向系傳動副傳動間隙特性曲線圖4.5.2轉向盤自由行程對于轉向操縱機構的靈敏度，希望轉向盤和轉向節(jié)能夠同步運動。但是是不可能實現的，在轉向系統(tǒng)中各個傳動部件之間存在配合間隙，并且間隙會隨著磨損而變大。在開始轉動階段，

38、駕駛員只需要克服轉向系內部摩擦損失，因此需要的轉向手力很小，這個階段稱為空載階段。之后才會需要很大的力來克服從車輪到轉向節(jié)的阻力矩而實現轉向?？蛰d階段的角行程稱為轉向盤的自由行程。自由行程雖然能在一定程度上緩和路面沖擊，但也不能太大，影響轉向靈敏度。一般情況自由行程在10°15°，當零件磨損以至于自由行程超過25°30°時就必須調整。4.5.3轉向盤總回轉圈數n的計算根據轉向系的整體設計以及客車參數，可以知道轉向輪的最大偏轉角wmax=36°和nmax=40°，以上已計算出i=20,可計算轉向盤總回轉圈數n。n=iwmax+nmax3

39、60=20×（36+40）360=4.2第5章 轉向傳動機構設計5.1轉向梯形方案分析轉向傳動機構的功能是將轉向器輸出的力與運動傳動轉向橋兩側的轉向節(jié)，使轉向輪偏轉，并使兩轉向輪偏角按一定關系變化，以保證汽車轉向時車輪與地面的相對滑動盡可能的小2。轉向傳動機構由縱拉桿、橫拉桿以及轉向節(jié)臂組成，并且要有足夠的強度和剛度來緩和沖擊，各球鏈接處能夠自動調節(jié)以消除零件磨損帶來的間隙。在轉向時要保證汽車能以某一個轉彎半徑行駛，需要保證內、外輪偏轉角i、0的關系正確。即要求所有轉向輪都以一個轉向中心做純滾動。轉向梯形在結構上有整體式和斷開式兩種，主要與前橋有關。5.1.1整體式轉向梯形整體式轉向

40、梯形結構簡單，制造成本低，前束調整容易；其缺點是一側轉向輪上下跳動，會對另一側轉向輪產生影響。整體式轉向梯形一般用在非獨立懸架上。整體式轉向梯形的橫拉桿可位于前軸后或者前軸前（稱為前置梯形）。圖5.1 整體式轉向梯形示意圖5.1.2斷開式轉向梯形轉向梯形的橫拉桿做成斷開的，稱為斷開式轉向梯形。其主要優(yōu)點是它與前輪采用獨立懸架配合。與整體式轉向梯形相比較，其桿系、球頭多，結構復雜，制造成本高，前束調整困難。圖5.2 斷開式轉向梯形圖由于整體式轉向梯形相對斷開式轉向梯形而言，其結構簡單，制造便宜，前束調整也更容易，因此選用整體式轉向梯形結構。5.1.3轉向梯形機構尺寸確定轉向梯形的參數由梯形底角度

41、，梯形臂長m及橫拉桿n。1.梯形底角度整體式轉向梯形底角度可由公式計算：=90°-arctan3K4L （5.1）可由式（5.1）計算得出，=90°-arctan3K4L=90°-arctan3×16554×311068°2.梯形臂長m梯形臂長m與主銷中心距K有如下關系：mK=0.110.15取m/K=0.12，則可得到梯形臂長度m=0.12K=0.12×1655=198.6mm，取m=200mm。3.橫拉桿長度根據梯形機構幾何關系,K=n+2mcos可計算出橫拉桿長度n：n=K-2mcos=1655-2×200&

42、#215;cos68°=1505mm，取n=1500mm。5.1.4轉向梯形的優(yōu)化1.按初選的梯形臂長和底角，畫出中間位置轉向梯形圖。2.然后按照內外轉角的關系，畫出實際特性圖。3.比較實際特性與理想特性。圖5.3 轉向梯形轉角特性圖 圖5.4 整體式轉向梯形校核圖由于轉向梯形的設計是一個反復的過程，所以需要對其進行優(yōu)化。由理想內外轉角的關系可知，如果自變量為0，則因變量i的期望值為i=arccotcot0-KL (5.2)轉向梯形的優(yōu)化設計：i'=-arcsinsin+0km2+l-2kmcos+0 -arccosk/m2cos-cos+0-cos2k/m2+l-2(k/m

43、)cos+0式中 k兩主銷延長線與地面交點的距離 m梯形臂長 m=asin 底角 評價設計優(yōu)劣的目標函數：fx=0i=100ii'0i-i0ii0i×100%式中 0加權因子0=1.5 0°<010°1.0 10°<020°0.5 20°<00max式中外輪最大轉角0max：0max=arcsinLDmin2-a轉向梯形優(yōu)化的約束條件：m-mmin0mmax-m0-min05.2縱拉桿縱拉桿是用來連接轉向垂臂和轉向杠桿的空心管。轉向縱拉桿的功能是將轉向搖臂傳遞來的力和運動傳遞給轉向節(jié)臂。它既受拉力也受壓力，因

44、此采用優(yōu)質特種鋼制造?？v拉桿做空間運動，為不發(fā)生運動干涉，采用球頭銷連接。圖5.4 縱拉桿5.2.1縱拉桿強度校核參考同類型小客車轉向傳動機構設計經驗，縱拉桿長度取l1=800mm，縱拉桿規(guī)格為42×8，許用應力=70150MPa，縱拉桿軸向力Q選為前橋負荷G1的一般，即Q=0.5G1=0.5×10046=5023N。則縱拉桿的拉（壓）應力，=QA=4QD2-d2=4×50233.14×（422-26²）=10.52MPa符合強度要求。5.3橫拉桿轉向橫拉桿是聯(lián)系左、右梯形臂并使其協(xié)調工作的連接桿，它在汽車行駛過程中反復承受拉力和壓力，采用剛強

45、度冷拉鋼管制造2。1-接頭 2-橫拉桿 3-夾緊螺栓 4、8-彈簧 5-防塵墊 6-支撐塊 7-球頭銷 9-螺栓 10-限位銷圖5.5 橫拉桿橫拉桿直徑d由下式確定：d4Mrm (5.3)則可計算出橫拉桿直徑d4Mrm=4×428949200×3.14×216=3.56mm，取d=20mm。由于橫拉桿是空心鋼管做成的，選橫拉桿外徑d1=30mm，則其內徑為：d2=d12-d2=202-102=22mm。根據經驗轉向節(jié)臂l初選為，l=200mm,則橫拉桿軸向力：S=Qlmsin=5022×0.20.2×sin68°=5416N因為橫拉桿

46、受拉力和壓力，應此其正應力b:b=4Sd2=4×54163.14×102=69MPa<符合強度要求。第6章 循環(huán)球式轉向器設計6.1轉向系計算載荷的確定轉動轉向輪要克服的阻力，包括轉向輪繞主銷轉動的阻力、車輪穩(wěn)定阻力、輪胎變形阻力和轉向系內摩擦阻力等。要準確的計算出所有阻力幾乎是不可能的，因此采用一條半經驗公式來進行計算。在瀝青或混凝土路面上的原地轉向阻力矩：TR=f3G13P式中 f滑動摩擦因數，取0.7 G1轉向軸負荷 （N） P輪胎氣壓 （MPa）表6.1 轉向節(jié)原地轉向阻力矩 TR=f3G13P=0.731004630.3=428949 N·mmf滑

47、動摩擦因數f=0.7G1轉向軸負荷G1=10046 NP輪胎氣壓P=0.3MPa作用在轉向盤上的手力Fh的計算：Fh=2L1MrL2Dswi+ （6.1）式中 L1轉向搖臂長度 L2轉向節(jié)臂長度因為L1L2=i'，即L1L2近似等于1。由式（6.1）可以計算出轉向盤手力Fh，計算結果如表6.2所示表6.2 轉向盤手力FhFh=2L1MrL2Dswi+=Fh=2×428949425×20×0.75=134 NMr轉向阻力矩Mr=428949 NDsw轉向盤直徑Dsw=425mmi轉向器角傳動比i=20+轉向器正效率+=0.756.1.1循環(huán)球式轉向器循環(huán)球式

48、轉向器主要由螺桿、螺母、轉向器殼和鋼球組成。循環(huán)球是指將小鋼球放置在螺桿與螺母之間的密封管道內，將螺母螺桿的滑動摩擦轉化為螺桿與鋼球，鋼球與螺母之間的滾動摩擦，從而減小摩擦損失。當轉向盤轉動時，與轉向柱固定在一起的螺桿轉動起來推動螺母上下運動，螺母再通過齒輪驅動轉向搖臂往復搖動從而實現轉向。圖6.1 螺桿、鋼球、螺母傳動副6.2主要尺寸參數選取HN6531小型旅游客車的參數如表6.3所示表6.3 小型客車部分參數裝備質量G1（kg）2010前橋負荷（kg）1025軸距L（mm）3110前輪距（mm）1655后輪距（mm）1650輪胎壓強P（mpa）0.3輪胎規(guī)格215 75r17.5轉向盤直徑

49、Dsw（mm）4256.2.1鋼球中心距D鋼球中心距是指螺桿兩側鋼球中心間的距離。它是設計循環(huán)球轉向器的基本尺寸。影響D選取的因素:1.螺桿外徑D12.螺桿內徑D23.鋼球直徑鋼球中心距D的尺寸直接影響轉向器的尺寸，在保證強度和剛度的前提下，D應盡可能的小。鋼球中心距一般取20mm40mm，取D=25mm。6.2.2螺桿內外徑選取螺桿內外徑的選取條件為內外徑差值D2-D1為（510）%鋼球中心距。螺桿外徑D1通常在2038mm內，設計時按轉向軸負荷選取。螺母內徑D2應大于D1，一般D2-D1=（5%10%）D。根據表6-4，取D1=25mm，則D2=D1+10%D=27.5mm。表6.4 循環(huán)球轉向器的主要參數參數數 值齒扇模數3.03.54.04.55.06.06.5搖臂軸直徑22263032323842鋼球中心距20232528303540螺桿外徑20232528293438鋼球直徑5.5566.3506.3507.1448.000螺距7.9388.7319.52510.00011.000工作圈數1.52.52.5環(huán)流行數2齒扇齒數5齒扇整圓齒數1213141315齒扇壓力角22°30齒扇寬222525302834352527283238386.2.3工作鋼球圈數W大多數情況下，轉向器有兩個環(huán)路，其工作鋼球圈數W與接觸強度有關。增加工作鋼球圈數能降低接觸