某商用車轉向系的設計及轉向梯形的優(yōu)化本科畢業(yè)設計

1、沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文）摘 要汽車的轉向系在汽車的各大系統(tǒng)中保持著重要的地位，它不僅關系著汽車轉向性能的好壞。而且也影響著乘客乘車的舒適性。由于汽車技術的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，人們已經逐漸的認識到了轉向性能的好壞對一輛汽車而言是多么重要。因此，本次畢業(yè)設計從汽車轉向輕便性和操縱靈敏性的角度出發(fā)，對變速比循環(huán)球式轉向器進行了研究設計。主要是對變速比齒扇、齒條進行設計計算及強度校核，對轉向梯形進行優(yōu)化設計。關鍵詞：變速比；循環(huán)球；轉向器；轉向梯形；優(yōu)化設計a commercial vehicle steering system design and optimization of

2、steering trapezoidalabstractthe steering system plays a important part in the whole system of automobile, it is not only related to the steering performance of a car. but also affects passengers ride comfort. because of the rapid development of automotive technology an improvement of people's li

3、ving standard, people have gradually realized to the performance of a car is of great importance. therefore, this graduation design from cars steering portability and steering response,we do a research to the recirculating ball steering gear.it mostly contains the design calculation and strength che

4、ck of variable-speed ratio and gear sector and has a optimization of steering trapezium.keywords: variable-speed ratio；recirculation；steering box；ackerman steering linkage ；optimization符 號 表t螺桿螺距mm摩擦角°r齒扇節(jié)圓半徑mm轉向阻力nm齒扇模數r鋼球半徑mm壓力角°轉向阻力距n.m最大速比e齒槽寬mm最小速比d鋼球中心距mm最小工作半徑mm螺母內徑mm最大工作半徑mmd鋼球直徑mm

5、轉向器的角傳動比n鋼球數量齒扇的嚙合半徑mmw工作鋼球圈數偏心輪的滾動節(jié)圓半徑mm齒輪變位系數轉向搖臂軸總轉角°轉向盤半徑m轉向器的正效率l軸距mm轉向器的逆效率t搖臂軸上力矩n.m蝸桿的螺線導程角°轉向搖臂軸扭轉應力mpaiii 目 錄1概述11.1轉向操縱機構的組成11.2轉向傳動機構21.3轉向器22轉向系設計方案的論證42.1汽車轉向系的設計要求42.2轉向器的分類及結構組成42.2.1 循環(huán)球式轉向器的優(yōu)缺點62.2.2 齒輪齒條式轉向器的傳動副為齒輪與齒條62.2.3蝸桿滾輪式轉向器由蝸桿和滾輪組成72.2.4 蝸桿指銷式轉向器分固定銷和旋轉銷式轉向器72.3循

6、環(huán)球式轉向器的工作原理72.4機械式轉向器的方案分析82.4.1循環(huán)球式轉向器的方案分析82.5防傷安全機構方案分析93變速比循環(huán)球式轉向器的設計原理及方案論證113.1變速比循環(huán)球式轉向器的設計113.2變傳動比轉向器的方案論證124轉向器的主要性能參數144.1轉向器的效率144.1.1轉向器的正效率144.1.2轉向器逆效率154.2傳動比的變化特性164.2.1轉向系傳動比164.2.2力傳動比與轉向系角傳動比的關系164.2.3轉向系的角傳動比i174.2.4轉向器角傳動比及其變化規(guī)律184.3 轉向器的傳動間隙特性194.3.1轉向器的傳動間隙194.3.2設計傳動間隙特性204.

7、3.3轉向盤的總轉動圈數215轉向器的結構形式選擇及設計計算225.1轉向器的結構選擇225.1.1主要尺寸參數的選擇225.1.2螺桿-鋼球-螺母傳動副的設計265.1.3齒條、齒扇傳動副285.2轉向器計算載荷的確定305.2.1.轉向阻力距m305.2.2.方向盤的操縱力315.3循環(huán)球零件的強度設計315.3.1滾球與滾道間的正壓力n315.3.2鋼球與滾道的接觸應力325.3.3螺桿軸承的承載能力的計算325.3.4方向盤回轉圈數的計算335.3.5轉向搖臂軸扭轉應力的計算345.3.6轉向傳動機構的臂、桿與球頭銷的強度校核346轉向梯形及轉向梯形的優(yōu)化376.1概述376.2斷開式

8、轉向梯形的優(yōu)缺點376.3整體式轉向梯形的優(yōu)缺點386.4方案分析396.5轉向梯形的優(yōu)化設計原理396.6優(yōu)化設計的方法與結果426.6.1基本解析關系式426.6.2 轉向梯形程序優(yōu)化結果457典型零件的加工工藝分析477.1非圓齒扇的加工工藝分析478利用catia繪制零件圖和裝配圖488.1運用catia繪制循環(huán)球式轉向器實體零件圖488.1.1螺桿的繪制488.2其他零件的繪制548.2.1螺母的繪制558.2.2齒扇的繪制568.2.3軸承的繪制578.2.4螺釘的繪制578.2.5螺桿外端上蓋的繪制588.2.6轉向器上蓋的繪制588.2.7轉向器側蓋的繪制598.2.8轉向器殼

9、體的繪制598.3循環(huán)球式轉向器的整體裝配圖598.4轉向梯形的繪制618.4.1轉向橫拉桿的繪制618.4.2轉向梯形臂的繪制61總 結62參考文獻63致 謝64附錄 參數表65附錄 轉向梯形的優(yōu)化設計程序66前 言自1886年誕生第一輛汽車以來，汽車工業(yè)經歷了100年的發(fā)展過程。由于社會需要的不斷增長和科學技術發(fā)展的推動，汽車設計日臻精巧，其運輸生產率和各項性能都有很大的提高。因此，現代汽車已成為世界各國國民經濟和社會生活中不可缺少的一種運輸工具。汽車工業(yè)的規(guī)模和其產品的質量也成為衡量一個國家技術水平的重要標志之一。汽車的轉向系在汽車的各大系統(tǒng)中保持著重要的地位，它不僅關系著汽車轉向性能的

10、好壞，而且也影響著乘客的舒適性。由于汽車技術的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，人們已經逐漸的認識到了轉向性能的好壞對于一輛汽車而言是多么的重要。因此，轉向系的設計在其它各大系統(tǒng)的設計中也就顯得尤為重要，將來隨著汽車技術的發(fā)展，汽車的轉向性能也要求的越來越高。近年來隨著我國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，作為汽車的重要安全件汽車轉向器的生產水平有了很大的提高。駕駛員對汽車轉向性能的要求也有了進一步的提高，要求轉向更輕便、操縱更靈敏。要想從根本上解決這兩個問題只有安裝動力轉向器。因此，除重型汽車和高檔轎車早已安裝動力轉向器外，近年來在中型貨車、豪華客車及中檔轎車上都已開始安裝動力轉向器。隨著動力轉向器技術水平的

11、提高、生產規(guī)模的擴大和市場的需要，其它一些車型也必將陸續(xù)安裝動力轉向器。ix 1概述汽車在行駛過程中，需按駕駛員的意志經常改變其行駛方向，即所謂汽車轉向。就輪式汽車而言，實現汽車轉向的方法是駕駛員通過一套專設的機構，使汽車轉向橋上的車輪相對于汽車縱軸線偏轉一定角度。在汽車直線行駛時，轉向輪往往也會受到路面?zhèn)认蚋蓴_力的作用，自動偏轉而改變行駛方向。此時，駕駛員也可以利用這套機構使轉向輪向相反的方向偏轉，從而使汽車恢復原來的行駛方向。這一套用來改變或恢復汽車行駛方向的專設機構，稱為汽車轉向系統(tǒng)。因此，汽車轉向系統(tǒng)的功用是保證汽車能按駕駛員的意志而進行轉向行駛。它由轉向操縱機構、轉向器和轉向傳動機構

12、組成。1.1轉向操縱機構的組成轉向操縱機構包括轉向盤、轉向軸、轉向管柱。有時為了布置方便，減小由于裝置位置誤差及部件相對運動所引起的附加載荷，提高汽車正面碰撞的安全性以及便于拆裝，在轉向軸與轉向器的輸入端之間安裝轉向萬向節(jié)，如圖所示。采用柔性萬向節(jié)可減少傳至轉向軸上的振動，但柔性萬向節(jié)如過短，則會影響轉向系的剛度。采用動力轉向時，還應有轉向動力系統(tǒng)。但對于中高級以下的轎車和前軸負荷不超過3噸的載貨汽車，則多數采用機械轉向系統(tǒng)而無動力轉向裝置。圖1.1轉向操縱機構1.2轉向傳動機構轉向傳動機構包括轉向搖臂、轉向縱拉桿、轉向節(jié)臂、轉向梯形臂以及轉向橫拉桿等。轉向傳動機構用于把轉向器輸出的力和運動傳

13、給左、右轉向節(jié)并使左右轉向輪按一定關系進行偏轉。圖1.2轉向傳動機構1.3轉向器 機械轉向器是將駕駛員對轉向盤的轉動變?yōu)檗D向搖臂的擺動（或齒條沿轉向車軸軸向的移動），并按一定的角傳動比和力傳動比進行傳遞的機構。 機械轉向器與動力系統(tǒng)相結合，構成動力轉向系統(tǒng)。高級轎車和重型載貨汽車為了使轉向方便，多采用這種動力轉向系統(tǒng)。采用液壓式動力轉向時，由于也題的阻尼作用，吸收了路面上的沖擊載荷，故可采用可逆程度大、正效率又高的轉向器結構。 為了避免汽車在撞車時駕駛員受到轉向盤的傷害，除了在轉向盤中間可安裝安全氣囊外，還可在轉向系中裝置防傷裝置。為了緩和來自路面的沖擊。衰減轉向輪的擺振和轉向機構的振動，有的

14、還裝有轉向減震器。 多數兩軸及三軸汽車僅用前輪轉向；為了提高操縱穩(wěn)定性和機動性，某些現代轎車采用全四輪轉向；多軸汽車根據對機動性的要求，有時要增加轉向輪的數目，直至采用全輪轉向。 圖1.3轉向系簡圖2轉向系設計方案的論證2.1汽車轉向系的設計要求轉向系是用來保持或改變汽車行駛方向的機構，在汽車轉向行駛中保證各轉向輪之間有協(xié)調的轉角關系。對轉向系提出的要求有：（1）汽車轉彎行駛時，全部車輪應繞瞬時轉向中心旋轉，任何車輪不應有側滑。不滿足這項要求會加速輪胎磨損，并降低汽車的行駛穩(wěn)定性。（2）汽車轉向行駛后，在駕駛員松開轉向盤的條件下，轉向輪能自動返回到直線行駛位置，并穩(wěn)定行駛。（3）汽車在任何行駛

15、狀態(tài)下，轉向輪都不得產生振動，轉向盤沒有擺動。（4）轉向傳動機構和懸架導向裝置共同工作時，由于運動不協(xié)調使車輪產生的擺動應最小。（5）保證汽車有較高的機動性，具有迅速和小轉彎行駛能力。（6）操縱輕便。（7）轉向輪碰撞到障礙物以后，傳給轉向盤的反沖力要盡可能小。（8）轉向器和轉向傳動機構的球頭處，有消除因磨損而產生間隙的調整機構。（9）在車禍中，當轉向軸和轉向盤由于車架或車身變形而共同后移時，轉向系應有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。（10）進行運動校核，保證轉向輪與轉向盤轉動方向一致。2.2轉向器的分類及結構組成轉向系可按轉向能源的不同分為機械轉向系和動力轉向系兩大類。機械轉向系由轉向操縱

16、機構、轉向器和轉向傳動機構三大部分組成，其一般布置情況如圖所示。需要轉向時，駕駛員對轉向盤1施加一個轉向力矩。該力矩通過對轉向軸2、轉向萬向節(jié)3、和轉向傳動軸4輸入轉向器5.從轉向盤到轉向傳動軸這一系列部件和零件即屬于轉向軸操縱機構。作為減速傳動機構裝置的轉向器中有1-2級減速傳動副。經轉向器放大后的力距和減速后的運動傳到轉向搖臂6，再通過轉向直拉桿7傳給傳給固定于左轉向節(jié)上的轉向節(jié)臂8，使左轉向節(jié)和它所支撐的左轉向輪偏轉。為使右轉向節(jié)13及其所承受的右轉向輪隨之偏轉相應角度，設置了由固定在左、右轉向節(jié)上的梯形臂10和12，兩端與梯形臂做球鉸鏈的轉向橫拉桿11組成的轉向梯形。 圖2.1 機械轉

17、向系示意圖動力轉向系是兼用駕駛員體力和發(fā)動機動力為轉向能源的轉向系。在正常的情況下，汽車轉向所需能量，只有一小部分由駕駛員提供，而大部分是有發(fā)動機通過轉向加力裝置提供的。但在轉向加力裝置失效時，一般還應當能由駕駛員獨立承擔汽車轉向任務。因此，動力轉向系是在機械轉向系的基礎上加設一套轉向加力裝置而形成的。圖2.2為一種液壓式動力轉向系的組成和液壓轉向加力裝置的管路布置示意圖。其中屬于轉向加力裝置的部件是：轉向罐9、轉向油泵10、轉向控制閥11和轉向動力缸12.當駕駛員逆時針轉動轉向盤1時，轉向搖臂4推動轉向直拉桿5后移。直拉桿的推力作用于轉向節(jié)臂6，并依次傳到梯形臂7和轉向橫拉桿8，使之右移。與

18、此同時，轉向直拉桿還帶動轉向控制閥11中的滑閥，使轉向動力缸12的右腔接通轉向油泵10的出油口，右腔接通液壓壓力為零的轉向油罐。于是轉向動力缸13的活塞所受向右的液壓作用力便經推桿施加在橫拉桿8上。這樣，為了克服地面作用于轉向輪上的轉向阻力距，駕駛員需要加于轉向盤上的轉向力矩，比用機械轉向系時所需的小的。 圖2.2動力轉向系示意圖近年來，電動，電控動力轉向器已經得到較快發(fā)展，但是目前還不可能運用在貨車上。轉向器可按傳動副的結構形式分類。目前在汽車上廣泛使用的有齒輪齒條式、循環(huán)球球齒條式、循環(huán)球曲柄指銷式和蝸桿曲柄指銷式等幾種形式。2.2.1 循環(huán)球式轉向器的優(yōu)缺點1優(yōu)點：在螺桿和螺母之間因為有

19、可以循環(huán)流動的鋼球，將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，因而傳動效率可達到7585。在結構和工藝上采取措施，包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度和螺桿、螺母上的螺旋槽經淬火和磨削加工，使之有足夠的硬度和耐磨損性能，可保證有足夠的使用壽命。轉向器的傳動比可以變化。工作平穩(wěn)可靠。螺母齒條和齒扇之間的間隙調整工作容易進行。2缺點：逆效率高，結構復雜，制造困難，制造精度要求高。2.2.2 齒輪齒條式轉向器的傳動副為齒輪與齒條1優(yōu)點：結構簡單，緊湊，傳動效率高達90%。齒輪、齒條磨損出現間隙后，利用裝在齒條背部靠近主動小齒輪處的壓緊力可調節(jié)的彈簧，可自動消除齒間間隙提高轉向系統(tǒng)的剛度，防止工作時產生的沖擊和噪

20、聲。轉向器占用體積小，沒有轉向搖臂和直拉桿，轉向輪轉角增大，成本低。2缺點：因逆效率高（60%70%），汽車在不平路面行駛時，轉向輪與路面之間的沖擊力大部分傳至轉向盤，即反沖。反沖現象使駕駛員精神緊張，難以準確控制汽車的行駛方向，轉向盤突然轉動時會造成打手，對駕駛員造成傷害。2.2.3蝸桿滾輪式轉向器由蝸桿和滾輪組成1優(yōu)點：結構簡單，制造容易。因滾輪的齒面和蝸桿上的螺紋成面接觸，所以有比較高的強度。工作可靠，磨損小，壽命長，逆效率低。2缺點：正效率低，工作齒面磨損后，調整嚙合間隙比較困難。轉向器的傳動比不能變化。2.2.4 蝸桿指銷式轉向器分固定銷和旋轉銷式轉向器1優(yōu)點：轉向器的傳動比可以做成

21、變化的或者不可變的。指銷蝸桿間工作面磨損后，間隙調整工作容易進行。固定式結構簡單，容易制造。旋轉式效率高，磨損慢。2.缺點：固定式因銷子不能自轉，其工作部位基本不變，磨損快。旋轉式結構復雜，不易加工。根據要求本設計選循環(huán)球式轉向器做為轉向系的轉向器。2.3循環(huán)球式轉向器的工作原理工作原理如圖2.1所示，循環(huán)球式轉向器由兩個傳動副組成，一個是螺桿螺母傳動副；一個是齒條齒扇式傳動副。轉向器主要由螺桿3、轉向螺母4、剛球5、轉向臂軸20及外殼1組成。轉向桿3兩端裝有一對圓柱滾子軸承2，軸承外圈分別裝在殼體1和上蓋10的軸承孔中，殼體和上蓋間裝有調整墊片9，用來調整軸承的預緊力。轉向螺母4與導管7形成

22、兩個循環(huán)軌道，共有48顆鋼球，在轉動方向盤時，由螺桿螺母傳動副產生的阻力為鋼球的滾動摩擦，操作就輕便的多。轉向螺母上的齒條轉向搖臂上的齒扇相嚙合。螺桿的轉動將帶動螺母的軸向移動，螺母上的齒條將帶動齒扇轉動。由于齒扇和搖臂軸也是一體的，所以齒扇的轉動，裝在搖臂軸上的轉向臂也隨之擺動。 2.4機械式轉向器的方案分析2.4.1循環(huán)球式轉向器的方案分析 循環(huán)球式轉向器有螺桿和螺母共同形成的螺旋槽內裝有鋼球構成的傳動副，以及螺母上齒條與搖臂軸上齒扇構成的傳動副組成。如圖2.3所示：圖2.3循環(huán)球式轉向器循環(huán)球式轉向器的優(yōu)點是：在螺桿和螺母之間因為有可以循環(huán)流動的鋼球將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，因而傳動效率可

23、達到75%85%;在結構和工藝上采取措施，包括提高制造精度，改善工作表面粗糙和螺桿、螺母上的螺旋槽經淬火和磨削加工，使之有足夠的硬度和耐磨損性能，可保證有足夠的使用壽命；轉向器的傳動比可以變化；工作平穩(wěn)可靠；齒條和齒扇之間的間隙調整工作容易進行（圖2.4）；適合用來做整體式動力轉向器。圖2.4循環(huán)球式轉向器的間隙調整結構 循環(huán)球式轉向器的主要缺點是：逆效率高，結構復雜，制造困難，制造精度要求高。 循環(huán)球式轉向器主要用于貨車和客車上。2.5防傷安全機構方案分析 根據交通事故統(tǒng)計資料和對汽車碰撞試驗結果的分析表明：當汽車發(fā)生正面碰撞時，由于車身和車架的變形會導致轉向軸和轉向盤的后移，而人體在慣性力

24、的作用下又要往外沖，在這種情況下司機的胸部和頭部會碰撞到轉向盤上而受傷?，F代汽車除在轉向盤處安裝安全氣囊外。還在轉向操縱系統(tǒng)加轉向盤。轉向軸和轉向管柱上采取放傷的被動安全措施。國外有關法則還規(guī)定：汽車以48.3km/h速度同障礙物正面碰撞時，轉向軸和轉向管柱上部相對于車身未變形部分的位置的最大位移量不得超過127mm;或者試驗用人體模型與轉向盤的接觸力，在它們之間的相對速度為6.7km/h時，不應越過11123n.為此，需要在轉向系中設計并安裝能防止或者減輕駕駛員受傷的機構。如在轉向系中，使有關零件在撞擊時產生塑性變形、彈性變形或是利用摩擦等來吸收沖擊能量。當轉向傳動軸中采用萬向節(jié)連接的結構時

25、，只要布置合理，即可在汽車正面碰撞時防止轉向軸等向乘客艙或駕駛室內移動，如圖2.5所示。這種結構雖然不能吸收碰撞能量，但其結構簡單，只要萬向節(jié)連接的兩軸之間存在夾角，正面撞車后轉向傳動軸和轉向盤就處在圖中雙點劃線的位置，轉向盤沒有后移便不會危及駕駛員安全。轉向軸上設置有萬向節(jié)不僅能提高安全性，而且有利于使轉向盤和轉向器在汽車上得到合理的布置，提高了操縱方便性并且拆裝容易。 圖2.5防傷轉向傳動軸簡圖圖2.6所示為乘用車上應用的防傷安全機構，其結構簡單，制造容易。轉向軸分為兩斷，上轉向軸的下端經彎曲成形后其軸線與主軸軸線之間偏移一段距離，其端面與焊有兩個圓頭圓柱銷的緊固板焊接，兩圓柱銷的中心線對

26、稱于轉向軸的主軸線。下轉向軸呈t字形，其上端與一個壓鑄件相連，壓鑄件上鑄有兩孔，孔內壓入橡膠套與塑料襯套后再與上轉向軸呈倒鉤狀連接，構成安全轉向軸。該軸在使用過程中除傳遞轉矩外，在受到一定數值的軸向力時，上、下轉向軸能自動脫開，如圖2.6（b）所示，以確保駕駛員安全。圖2.6采取了防傷安全措施轉向軸轉向圖 3變速比循環(huán)球式轉向器的設計原理及方案論證3.1變速比循環(huán)球式轉向器的設計普通的循環(huán)球式轉向器，當齒扇轉角加大時，方向盤的阻力也增加，操縱變得沉重。為了克服這個現象，要求采用較大的轉向器角傳動比來減輕方向盤大轉角時的轉向力。從汽車高速行駛的操縱穩(wěn)定性出發(fā)，要求轉向器的角傳動比小一點。因為汽車

27、直線行駛時，轉向器處于中間位置及微小轉角的工況，如角傳動比大會使路感被削弱，這是汽車高速行駛時操縱穩(wěn)定性變壞的主要原因之一。為了解決這個矛盾，設計了變速比循環(huán)球式轉向器。變速比循環(huán)球式轉向器的速比 =r （3.1）t螺桿螺距 r齒扇節(jié)圓半徑要想得到速比的變化，只要變化r。非圓齒輪式螺母齒條滾動節(jié)線1與非圓齒扇滾動節(jié)曲線2相嚙合。當曲線4沿螺桿軸連續(xù)均勻轉動，則曲線2繞其轉動中心o進行轉動。曲線2在搖臂軸±4°范圍內進行快速勻速轉動，在±（4°20°）做勻減速轉動，在±20°之后慢速勻速轉動。從曲線2看出，其工作半徑成折線變化

28、，因而轉向器速比也成折線由小到大變化。在給定螺桿螺距t，齒扇模數m和，最大速比i和最小速比i之后，首先求出在大工作半徑r和最小工作半徑，計算出任意工作半徑r隨搖臂軸轉角的函數關系式r=r（），在根據r=r（）推出齒條位移x和齒扇轉角的關系式x=x（）。選擇適當的齒條齒形作為工具，使刀具在位移x和齒扇毛坯的轉角按著x=x（）的運動規(guī)律做成齒扇并保證齒扇滿足強度要求。這種轉向器的速比增加幅度在15%19%，并需要專門的輔助機構在梳齒機上加工。該轉向器適用于輕型以下的各類汽車上。常見的循環(huán)球-齒條齒扇式轉向器的角傳動比為i= （3.2） 即其角傳動比i與齒扇的捏合半徑r成正比，與螺桿后螺母的螺距t成

29、反比。而螺距t因結構原因不可以變化，故只有使齒扇嚙合半徑r成為可變的才能得到可變的角傳動比i。即應使轉向搖臂軸離開中間位置以后，能隨其轉角的變化而使齒扇與齒條嚙合的工作半徑也發(fā)生相應的改變，以得到可變的角傳動比。而這種嚙合半徑能隨搖臂軸轉角的變化而變化的齒扇稱為變速齒扇。變速齒扇是變速齒輪的一部分。 偏心輪為變速齒輪的一種。其嚙合半徑在其最大值r與最小值r之間變化。可根據預先選定的轉向器角傳動比的最大值i和最小值i算出r和r。本車預先選定轉向器角傳動比最大值i為24，最小值i為22。r= it/2=24×10/2×3.14=38.216 r= it/2=22×10

30、/2×3.14=35.032 偏心輪的滾動節(jié)圓半徑可用下式求出 =mm （3.3）式中為 轉向搖臂軸總轉角的一半，=360×2.5/24=38°=1/2=19°3.2變傳動比轉向器的方案論證轉向器傳動比有轉向系的角傳動比i和轉向系的力傳動比i組成，而轉向系的角傳動比i又由轉向器的角傳動比i和轉向機構的角傳動比所組成。轉向系傳動機構的角傳動比可以近似的用轉向節(jié)臂長l與搖臂長l之比來表示，即： = ，l和l的比值大約在0.851.1之間，可粗略的認為其比值為1。在現代汽車結構中，i。故研究轉向系的傳動特性，只需研究轉向器的角傳動比及其變化的規(guī)律即可。增加轉向

31、傳動機構的傳動比，可以減少轉向力，在汽車慢行行駛及停車時是有利的，但這樣會降低操縱靈活性，對于高速行駛不利，為了解決這一矛盾，目前裝置輔助動力轉向機構的車輛，一般使用固定的傳動比形式的轉向器，而一般機械手動轉向汽車通常使用能夠改變傳動比的轉向器。 4轉向器的主要性能參數4.1轉向器的效率功率p從轉向軸輸入，經轉向搖臂軸輸出所求得的效率稱為正效率，用符號表示，=（p-p）p；反之稱為逆效率，用符號表示，=（p-p）p。式中，p為轉向器中的摩擦功率；p為作用在轉向搖臂軸上的功率。為了保證轉向時駕駛員轉動轉向盤輕便，要求正效率高。為了保證汽車轉向后轉向輪和轉向盤能自動返回到直線行駛位置，又需要有一定

32、的逆效率。為了減輕在不平路面上行駛時駕駛員的疲勞，車輪與路面之間的作用力傳至轉向盤上要盡可能小，防止打手又要求此逆效率盡可能低。4.1.1轉向器的正效率 影響轉向器正效率的因素有：轉向器的類型、結構特點、結構參數和制造質量等。1.轉向器類型、結構特點與效率 在前述四種轉向器中，齒輪齒條式、循環(huán)球式轉向器的正效率比較高，而蝸桿指銷式特別是固定銷和蝸桿滾輪式轉向器的正效率要明顯的低些。 同一類型轉向器，因結構不同效率也不一樣。蝸桿滾輪式轉向器的滾輪與支持軸之間的軸承可以選用滾針軸承、圓柱滾子軸承和球軸承等三種結構之一。第一種結構除滾輪與滾針之問有摩擦損失外，滾輪側翼與墊片之間還存在滑動摩擦損失，故

33、這種轉向器的效率僅有54。另外兩種結構的轉向器效率，根據試驗結果分別為70和75。 轉向搖臂軸軸承的形式對效率也有影響，用滾針軸承比用滑動軸承可使正或逆效率提高約l0。2.轉向器的結構參數與效率 如果忽略軸承和其它地方的摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，對于蝸桿和螺桿類轉向器，其效率可用下式計算 = =tan9°/tan(9°+0.869°)=0.9103 （4.1）式中，為蝸桿(或螺桿)的螺線導程角；為摩擦角, =arctanf=arctan0.015=0.869°，；f為摩擦因數 f=0.015。4.1.2轉向器逆效率 根據逆效率大小小同，轉向器又有

34、可逆式、極限可逆式和不可逆式之分。 路面作用在車輪上的力，經過轉向系可大部分傳遞到轉向盤，這種逆效率較高的轉向器屬于可逆式。它能保證轉向后，轉向輪和轉向盤自動回正。這既減輕了駕駛員的疲勞，又提高了行駛安全性。但是，在不平路面上行駛時，車輪受到的沖擊力，能大部分傳至轉向盤，造成駕駛員“打手”，使之精神狀態(tài)緊張，如果長時間在不平路面上行駛，易使駕駛員疲勞，影響安全駕駛。屬于可逆式的轉向器有齒輪齒條式和循環(huán)球式轉向器。 不可逆式轉向器，是指車輪受到的沖擊力不能傳到轉向盤的轉向器。該沖擊力由轉向傳動機構的零件承受，困而這些零件容易損壞。同時，它既不能保證車輪自動回正，駕駛員又缺乏路面感覺，因此，現代汽

35、車不采用這種轉向器。 極限可逆式轉向器介于上述兩者之間。在車輪受到沖擊力作用時，此力只有較小一部分傳至轉向盤。它的逆效率較低，在水平路面上行駛時，駕駛員并不十分緊張，同時轉向傳動機構的零件所承受的沖擊力也比不可逆式轉向器要小。如果忽略軸承和其它地方的摩擦損失只考慮嚙合副的摩擦損失，則逆效率可用下式計算 = =tan(9°-0.869°)/tan9° （4.2）以上兩式表明：增加導程角，正、逆效率均增大。受增大的影響，不宜取得過大。當導程角小于或等于摩擦角時，逆效率為負值或者為零，此時表明該轉向器是不可逆式轉向器。為此，導程角必須大于摩擦角。通常螺線導程角選在8&#

36、176;10°之間。通常，由轉向盤至轉向輪的效率即轉向系的正效率的平均值為0.670.82；當向上述相反方向傳遞力時逆效率的平均值為0.580.63。轉向操縱機構及傳動機構的效率用于評價在這些機構中的摩擦損失，其中轉向輪轉向主銷等的摩擦損失約為轉向系總損失的40%50%，而拉桿球銷的摩擦損失約為轉向系總損失的10%15%.4.2傳動比的變化特性4.2.1轉向系傳動比 轉向系的傳動比包括轉向系的角傳動比i和轉向系的力傳動比i。從輪胎接地面中心作用在兩個轉向輪上的合力2f。與作用在轉向盤上的手力f之比，稱為力傳動比，即i=2ff。轉向盤角速度。與同側轉向節(jié)偏轉角速度之比，稱為轉向系角傳動

37、比i，即i= （4.3）式中d為轉向盤轉角增量；d為轉向節(jié)轉角增量；dt為時間增量。i又由轉向器角傳動比i。和轉向傳動機構角傳動比所組成，即i= i （4.4）轉向盤角速度與搖臂軸角速度之比，稱為轉向器角傳動比i，即i= （4.5）式中，d為搖臂軸轉角增量。此定義適用于除齒輪齒條式之外的轉向器。 搖臂軸角速度與同側轉向節(jié)偏轉角速度之比，稱為轉向傳動機構的角傳動比。= （4.6）4.2.2力傳動比與轉向系角傳動比的關系 輪胎與地面之間的轉向阻力f和作用在轉向節(jié)上的轉向阻力矩m之間有如下關系 f= （4.7）式中，a為主銷偏移距，指從轉向節(jié)主銷軸線的延長線與支承平面的交點至車輪中心平面與支承平面交

38、線間的距離。 作用在轉向盤上的手力f可用下式表示 f= （4.8） 式中，m為作用在轉向盤上的力矩；d為轉向盤直徑。 當主銷偏移距a小時，力傳動比i應取大些才能保證轉向輕便。通常乘用車的a值在0406倍輪胎的胎面寬度尺寸范圍內選取，而貨車的a值在4060mm范圍內選取。轉向盤直徑d對輕便性有影響，選用尺寸小些的轉向盤，雖然占用的空間少，但轉向時需對轉向盤施加以較大的力；而選用尺寸大些的轉向盤又會使駕駛員進、出駕駛室入座困難。根據車型不同，轉向盤直徑d在380550mm的標準系列內選取。本車選取轉向盤直徑為400mm. 如果忽略摩擦損失，根據能量守恒原理，2mm可用下式表示 =i （4.9） i

39、=4 i （4.10）當a和d不變時，力傳動比i越大，雖然轉向越輕，但i也越大，表明轉向不靈敏。4.2.3轉向系的角傳動比i 轉向傳動機構角傳動比，除用=表示以外，還可以近似地用轉向節(jié)臂臂長l與搖臂臂長l之比來表示，即ll。現代汽車結構中，l與l的比值大約在0.851.1之間，可近似認為其比值為1，則ii=由此可見，研究轉向系的傳動比特性，只需研究轉向器的角傳動比i及其變化規(guī)律即可。4.2.4轉向器角傳動比及其變化規(guī)律 轉向器的角傳動比i是一個重要的參數，它影響汽車的許多轉向性能。由于增大角傳動比可以增加力傳動比，因此轉向器的角傳動比不僅對轉向靈活性和穩(wěn)定性有直接影響，而且也影響汽車的操縱輕便

40、性。由于考慮到從1，可以看出：轉向輪的轉角與轉向器的角傳動比i成反比。i增大會使在同一轉向盤轉角下的轉向輪轉角變小，使轉向操縱時間變長，汽車轉向靈活性降低。因此轉向的“輕便型”和“靈敏性”是產品設計中遇到的一對矛盾。采用可變角傳動比的轉向器可協(xié)調對“輕便型” 和“靈敏性”的要求。而轉向器角傳動比的變化規(guī)律又因轉向器的結構形式和參數的不同而異。如圖4.1給出了幾種典型的轉向器角傳動比變化規(guī)律。由該圖可見：轉向器的角傳動比i隨轉向盤轉角的變化特性有不變和可變之分。后者又有多種變化規(guī)律。其中曲線1為轉向盤在中間位置時，i較小，向左、右轉動時則逐步增大；曲線4則與之相反。曲線2為蝸桿單銷式轉向器的角傳

41、動比特性曲線，這時轉向器的蝸桿在中間位置的螺距較小，而至兩端則逐漸增大。應根據車型和使用條件的不同來合理選擇i及其變化特性。對高速車輛來說，轉向盤處于中間位置時的轉向器角傳動比i不宜過小，否則會在高速直線行駛時對轉向盤的傳動過分敏感。轉向盤處于中間位置即汽車直行時的轉向器傳動比不宜小于1516。 圖4.1轉向器角傳動比i的變化特性曲線對于轎車和輕型以下的貨車，因前軸負荷不大，在轉向盤的全轉角范圍內不存在轉向沉重問題，而具有動力轉向的車輛其轉向阻力矩由動力裝置克服，故在上述兩種情況下均有可能選擇較小的角傳動比和減少轉向盤轉動的總圈數，以提高汽車的轉向靈敏性。其角傳動比i宜采用轉向盤處于中間位置時

42、具有較大值而在左、右兩端具有較小值的變化特性，如圖4-1的曲線4及5所示： 對于沒有裝動力轉向的大客車和中型及以上的載貨汽車，因轉向軸負荷大，而轉向傳動機構的力傳動比在轉向過程中是變化的，使急轉彎時的操縱輕便性問題顯得十分突出，故轉向器角傳動比的理想特性應當是中間小兩端大的曲線，如圖4-1所示。 現代汽車轉向器的角傳動比也常采用不變的數值：轎車取i=1422；貨車取i=2025。汽車的轉向車軸負荷較輕時，應選用較小值。4.3 轉向器的傳動間隙特性4.3.1轉向器的傳動間隙轉向器的傳動間隙是指轉向器傳動副之間的間隙。該間隙8隨轉向盤轉角的大小不同而改變，通常將這種變化關系稱為轉向器的傳動間隙特性

43、。研究該傳動間隙特性的意義在于它對汽車直線行駛時的穩(wěn)定性和轉向器的壽命都有直接影響。 當轉向盤處于中間位置即汽車作直線行駛時，如果轉向器的傳動間隙則將使轉向輪在該間隙范圍內偏離直線行駛位置而失去穩(wěn)定性。為防止這種情況發(fā)生，要求當轉向盤處于中間位置時轉向器的傳動副為無間隙嚙合。這一要求應在汽車使用的全部時間內得到保證。汽車多直行行駛，因此轉向器傳動副在中間部位的磨損量大于其兩端。為了保證轉向器傳動副磨損最大的中間部位能通過調整來消除因磨損而形成的間隙。調整后，當轉動轉向盤時又不致于使轉向器傳動副在其他嚙合部位卡住。為此應使傳動間隙從中間部位到兩端逐漸增大，并在端部達到其最大值(曠量轉角約為25&

44、#176;35°)，如圖4.2所示，對間隙的調整及提高轉向器的使用壽命。不同結構的轉向器其傳動間隙特性亦不同。圖4.2 轉向器的傳動間隙特性4.3.2設計傳動間隙特性通常循環(huán)球式轉向器的齒條齒扇傳動副的傳動間隙特性，可用下述兩種方法獲得：1.正齒條法：把齒條兩側齒槽設計成比中間齒槽稍寬0.20.3mm,且使兩側齒槽的寬度相同，而齒扇的齒具有同樣的厚度。2.偏心齒扇法：齒條的齒槽設計成一樣寬，而齒扇的齒具有不同的厚度，并把中間位置齒設計成正常齒厚，從靠近中間齒的兩側齒到離開中間齒的最遠齒，其厚度依次遞減。 本設計采用修正齒條法來獲得傳動間隙特性。1.修正齒條： 中間的齒槽寬設計成標準的

45、齒槽寬e： e=m/2=×6.0/2=9.42mm根據汽車百科全書所述，為了保證有較好的嚙合間隙，修正齒條應將兩側的齒槽設計成比中間齒槽稍寬0.20.3mm,取0.3mm,則兩側的齒槽寬為：=e+0.3=9.42+0.3=9.72mm. 中間兩側對稱齒的齒寬s：、 為了使嚙合在中間位置無間隙，而使其在兩端間隙逐漸加大，則s設計成和相同，即s=9.72mm。 兩端對稱齒的齒寬 為了保證嚙合間隙在兩端的位置時最大，故設計成比s稍小，即=9.7mm2.非圓齒扇的齒寬、齒槽寬的設計：為使嚙合間隙在中間位置最小，最好為零，則設計成齒扇齒寬和齒條的中間齒槽齒寬相同，即齒扇的齒槽寬度為9.42mm

46、,齒條的齒槽寬度也設計成9.42mm。 循環(huán)球式轉向器的齒條齒扇傳動副的傳動間隙特性，可通過將齒扇齒做成不同厚度來獲取必要的傳動間隙。即將之間齒設計成正常厚度，從靠近中間齒的兩側齒到離開中間齒最遠的齒，其厚度依次遞減。4.3.3轉向盤的總轉動圈數轉向盤從一個極端位置轉到另一個極端位置時說轉過的圈數稱為轉向盤的總轉動圈數。它與轉向輪的最大轉角及轉向系的角傳動比有關，并影響轉向的操縱輕便性和靈敏性。轎車轉向盤的總轉動圈數較少，一般約在3.6圈以內；貨車一般不宜超過6圈。5轉向器的結構形式選擇及設計計算5.1轉向器的結構選擇5.1.1主要尺寸參數的選擇1.螺桿、鋼球、螺母傳動副根據前軸負荷1.76噸

47、，查表5.1表5.1 循環(huán)球式轉向器齒扇模數齒扇齒模數mmm3.03.54.04.55.06.06.5乘用車發(fā)動機排量ml500100018001600200020002200前軸負荷n3500380047007350700090008300110001000011000商用車前軸負荷n30005000450075005500185007000195009000240017000370002300044000最大載質量kg350100025002700350060008000得齒扇模數6.0,最大載重量6000kg。根據齒扇模數，查表5.2表5.2 循環(huán)球式轉向器主要參數齒扇模數mm3.03.

48、54.04.55.06.06.5搖臂軸直徑mm22263032323538404245鋼球中心距mm202325252830323540螺桿外徑mm2023252528293438鋼球直徑mm5.5565.5566.3506.35071447.1448.000螺距mm7.9388.7319.5259.52510.00010.00011.000工作圈數1.51.52.52.5環(huán)流行數2螺母長度mm41455246475856596272788082齒扇齒數355齒扇整圓齒數121313131415齒扇壓力角22°3027°30切削角6°306°307

49、76;30齒扇寬mm2225252725283028-323034383538鋼球中心距=35mm,=34mm 螺母內徑應該大于=(5%10%)d=(5%10%)+=(5%10%)×35+34=35.7537.5mm 圖5.1螺桿、鋼球和螺母傳動副2.鋼球直徑d和數量n鋼球直徑尺寸d取得大，能提高承載能力，同時螺桿和螺母傳動機構和轉向器的尺寸也隨之增大。鋼球直徑應符合國家標準。增加鋼球數量n，能提高承載能力。但使鋼球流動性變壞，從而使傳動效率降低。因為鋼球本身有誤差，所以共同參加工作的鋼球數量并不是全部鋼球數量。經驗證明，每個環(huán)路中的鋼球數以不超過60粒為好。為保證盡可能多的鋼球都承

50、載，應分組裝配。每個環(huán)路中的鋼球數可以用下式計算n=34.34335 （5.1）式中，d為鋼球中心距；w為一個環(huán)路中的鋼球工作圈數；n為不包括環(huán)流導管中的鋼球數；為螺線導程角，cos1。3.滾道截面當螺桿和螺母各由兩條圓弧組成，形成四段圓弧滾道截面時，鋼球和滾道有四點接觸，傳動時軸向間隙最小，可滿足轉向盤自由行程小的要求。滾道與鋼球之間的間隙，除用來貯存潤滑油以外，還能貯存磨損雜質。為減少摩擦，螺桿和螺母溝槽的半徑r應大于鋼球半徑d/2,一般取r=（0.510.53）×d=（0.510.53）×8=4.084.24 取r=4.2.4.接觸角 鋼球與螺桿滾道接觸點的正壓力方向

51、與螺桿滾道法向截面軸線間的夾角稱為接觸角，如圖所示。角多取為45°，以使軸向力和徑向力分配均勻。5.螺距p和螺旋導程角 轉向盤轉動角，對應螺母移動的距離s為 s= （5.2） 式中p為螺紋螺距。 與此同時，齒扇節(jié)圓轉過的弧長等于s，響應搖臂軸轉過角，其間關系可表示如下 s=r （5.3） 式中r為齒扇節(jié)圓半徑。 將對求導，得循環(huán)球式轉向器角傳動比i為 i= （5.4）螺距p影響轉向器角傳動比的值。在螺距不變的條件下，鋼球直徑d越大，b越小，要求p-b2.5mm.螺距p一般在1218mm內取。取螺距為15mm.6.工作鋼球的圈數 工作鋼球的圈數w由接觸強度來決定。w增加，參加工作的鋼球

52、數量增多，能降低接觸應力，提高承載能力。一般有2.5、3和5圈的。 由于本設計的轉向器其承載能力不大，故取w=2.5即可。5.1.2螺桿-鋼球-螺母傳動副的設計 單圓弧滾道截面由半徑r的圓弧構成，形狀簡單。當螺桿承受軸向載荷時，螺桿與螺母之間產生軸向相對位移s，所以軸向定位不穩(wěn)定，增加了轉向盤的自由行程，這對動力轉向特別不利，因為它降低了分配閥的靈敏度，影響轉向性能。 橢圓滾道截面的螺桿滾道是橢圓的，螺母滾道截面是圓形的，鋼球在滾道中與滾道上的a、b、c三點接觸，因而被精確地定位在滾道的中心，以消除軸向位移，故這種滾道截面較為先進，但加工復雜。圖5.2循環(huán)球轉向器的橢圓滾道截面 四端圓弧滾道截面如圖5.3所示，螺桿和螺母的滾道截面各由兩條圓弧組成。它基本上能夠消除軸向定位不穩(wěn)定的缺點，受載后基本上能消除軸向位移。因滾道與鋼球之間有間隙，可用來存儲碎屑，較少磨損。由于四段圓弧滾道有以上的優(yōu)點且加工容易，故本設計的滾道截面采用四段圓弧滾道截面。圖5.3螺桿與螺母的螺旋滾道截面（a）四點接觸的滾道截面（b）兩點接觸的滾道截面 滾道圓弧半徑r2應大于鋼球半徑以減少摩擦，但不宜