汽车设计转向

第七章转向系设计§7-1概述§7-2机械转向器方案分析§7-3转向系主要性能参数§7-4机械转向器设计计算§7-5动力转向机构§7-6转向梯形§7-7转向减震器§7-8转向系结构元件现在应用最广泛的是哪两种转向器？各应用于什么场合？转向防伤机构的要求是什么？主要采用什么措施？如何选择转向器的间隙特性和传动比特性？断开式转向梯形断开点选择的原则是什么？整体式转向梯形断的优化参数和优化目标是什么？本章重点转向系的功用及组成汽车行驶方向的改变是由驾驶员通过操纵转向系来改变转向轮(一般是前轮)的偏转角度实现的。转向系不仅可以改变汽车的行驶方向，使其按驾驶员规定的方向行驶，而且还可以克服由于路面侧向干扰力使车轮自行产生的转向，恢复汽车原来的行驶方向。汽车转向系组成一般由转向操纵机构、转向器、转向传动机构三部分组成，但随着转向系的类型不同，其结构组成又有所差异。7-1概述•转向系设计要求：1)汽车转弯行驶时，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。------------转向梯形2)汽车转向行驶后，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。----------------转向轮定位3)汽车在任何行驶状态下，转向轮不得产生自振，转向盘没有摆动。---------转向减震器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)保证汽车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。Rmin=2-2.5L•转向系设计要求：6)操纵轻便。Fh和n（见下页）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。防打手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。间隙调整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。防伤机构10)进行运动校核，保证转向盘与转向轮转动方向一致。7作用在转向盘上的切向力：轿车原地转向≤150～200N货车原地转向≤500N货车8字转向≤60N（20Km/h）方向盘转角轿车、轻货车：3～4圈中、重货车：4～6圈§7-2机械转向器方案分析转向系的类型汽车转向系根据其转向能源的不同，可以分为机械转向系和动力转向系两大类型。（1）机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，又称为人力转向系。（2）动力转向系结构组成动力转向系兼用驾驶员的体力和发动机动力作为转向能源，并且以发动机动力作为主要能源。动力转向系是在机械转向系基础上加设一套转向加力装置而成的转向加力装置包括转向油罐、转向油泵、转向控制阀和转向动力缸等。转向油泵由发动机驱动，以产生高压油液。10一、机械式转向器方案分析比较内容循环球蜗杆滚轮蜗杆指销式齿轮齿条式死销活销η+高低低较高高η-高低较高较高高Iω可变基本不变可变可变可变磨损慢慢快较快较慢调整易难易易易可靠性可靠可靠较差较可靠可靠11一、机械式转向器方案分析比较内容循环球蜗杆滚轮蜗杆指销式齿轮齿条式死销活销结构复杂简单简单较复杂简单制造困难易易较难易制造精度高不高不高变Iω高变Iω高可否用动力转向可困难困难困难可以质量居中居中双销重单销轻轻12用途：1.齿轮齿条式：广泛用于微型、普通、中高级轿车，部分前悬独立的货车、客车2.循环球式：广泛用于货车、客车3.蜗杆滚轮式：濒临淘汰4.蜗轮指销式：淘汰1、齿轮齿条式转向器•齿轮齿条式转向器的主要优点：•结构简单、紧凑、体积小、质量轻；传动效率高达90%；•可自动消除齿间间隙(图7-1所示)；•没有转向摇臂和直拉杆，转向轮转角可以增大；•制造成本低。•齿轮齿条式转向器的主要缺点：•逆效率高（60%~70%）。因此，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。齿轮齿条式转向器的几种形式中间输入，两端输出侧面输入，两端输出侧面输入，中间输出侧面输入，一端输出齿条的翻转力矩转向拉杆施加的在齿条上使其沿齿条轴向转动的力矩侧面输入，中间输出F从上面看受力图从前面看齿条断面形状圆形V形Y形减磨垫片齿条齿轮托座•圆形断面齿条制作工艺比较简单。•V形和Y形断面齿条与圆形断面比较，消耗的材料少，故质量小。可防止齿条旋转。齿形：采用斜齿，重合度大，运转平稳，可以设计齿轮齿条转向器的滑磨率，减低逆效率而防止打手；齿轮轴线还可以倾斜以利于布置，广泛采用。齿条倾角安装角根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，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。齿轮齿条式转向器广泛应用于微型、普通级、中级和中高级轿车上。装载量不大、前轮采用独立悬架的货车和客车也用齿轮齿条式转向器。图7-3齿轮齿条式转向器的四种布置形式2、循环球式转向器第一级是螺杆螺母，之间有钢球，将滑动摩擦变为滚动摩擦。第二级是齿条齿扇，齿扇是变齿厚的，类似于直齿锥齿轮的轮齿，以利于调整间隙。寿命长，效率高。与图7－8对照看循环球式转向器的优点是：传动效率可达到75%-85%；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容易；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。循环球式转向器主要用于货车和客车上。要求GBll557—1998防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定3技术要求3．1不装人体模块的整备车辆以48.3～53.1km／h之间的车速正面撞击障碍壁时，转向柱管和转向轴的上端允许沿着平行于汽车纵向中心线的水平方向向后窜动，但其窜动量不得大于127mm（在动态下测量）。3．2人体模块以24.10+1.2km／h的速度水平撞击转向盘时，作用在转向盘上的水平力不得大于11123N。二、防伤安全机构方案分析计算措施I.减少转向盘、转向轴的后移II.采用吸能的转向盘、转向轴、转向柱管吸能方式吸能元件塑性弹性摩擦盘轴管柱有关资料分析表明：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。a、万向节连接转向轴不断开，不吸能。结构简单，利于布置，b、两段式防伤转向轴断开，吸能少。结构简单，但是效果可能不理想c、联轴套管塑料销钉铆接，轴向滑动管柱，不断开，吸能。其中2为注塑销钉。断开时长度缩短，塑料增大摩擦并吸能。撞后不断开。d、弹性联轴器断开，吸能。结构简单，制造容易，但是弹性垫片会降低转向系统的扭转刚度。弹性垫片e、网格状转向吸能管柱依靠管柱与套管的挤压来吸收冲击能量。设计时选择合适套管间的过盈量，满足所要求的压紧力。转向管柱套管一、转向器的效率1、含义：功率P1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η+表示；反之称为逆效率，用符号η－表示。正效率η+计算公式：η+=（P1-P2）/P1逆效率η－计算公式：η－=（P3-P2）/P3式中，P1为作用在转向轴上的功率；P2为转向器中的磨擦功率；P3为作用在转向摇臂轴上的功率。§7-3转向系主要性能参数292、正效率影响因素：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。转向器类型和结构特点循环球式螺杆螺母指销式70％螺杆螺母齿扇式75～85％齿轮齿条式螺旋齿80%斜齿75%蜗轮指销式固定销55％旋转销75％蜗杆滚轮式滚针轴承54%锥轴承70%滚珠轴承75％30蜗杆、螺杆类)(00121tgtgPPPα0—螺线导程角ρ—摩擦角，ρ=tg-1ff—摩擦系数α0η+313、逆效率：根据逆效率分类：•可逆式：逆效率较高，如循环球式、齿轮齿条式•不可逆式：α0≤ρ，η-≤0，现不采用•极限可逆式：介于以上二者之间•α0一般取8～10°α0η-00323)(tgtgPPP32逆效率影响汽车的使用性能正常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。33二、传动比的变化特性1、转向系传动比的组成：转向系传动比转向系角传动比转向器角传动比转向传动机构角传动比转向系力传动比角传动比力传动比//wwokkkiddtdddtd2wphFiF转向盘转动角速度同侧转向节偏转角速度不严格的讲，就是转向盘转角与转向轮转角之比转向盘手力两个转向轮阻力和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比组成，即转向器的角传动比:转向传动机构的角传动比:iii0ii0ipppwdddtddtdi//kpkpkpdddtddtdi//2.力传动比与转向系角传动比的关系转向阻力Fw与转向阻力矩Mr的关系式：作用在转向盘上的手力Fh与作用在转向盘上的力矩Mh的关系式：将式（7-3）、式（7-4）代入后得到aMFrW（7-3）swhhDMF2（7-4）hWpFFi/2aMDMihswrp（7-5）如果忽略磨擦损失，根据能量守恒原理，2Mr/Mh可用下式表示将式（7-6）代入式（7-5）后得到当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。02iddMMkhr（7-6）aDiiswp20（7-7）pi0i2.力传动比与转向系角传动比的关系3.转向系的角传动比转向传动机构角传动比可用表示以外，还可以近拟地用转向节臂臂长L2与摇臂臂长L1之比来表示，在汽车结构中，L2与L1的比值大约在0.85~1.1之间，可近似认为其比值为1则由此可见，研究转向系的传动比特性，只需研究转向器的角传动比及其变化规律即可。kpddi/120//LLddikpddii/00i4.转向器角传动比及其变化规律增大角传动比可以增加力传动比。当Fw一定时，增大力传动比能减小作用在转向盘上的手力Fh，使操纵轻便。同时，对于一定的转向盘角速度，转向轮偏转角速度与转向器角传动比成反比。角传动比增加后，转向轮偏转角速度对转向盘角速度的响应变得迟钝，汽车转向灵敏性降低，所以“轻”和“灵”构成一对矛盾。为解决这对矛盾，可采用变速比转向器。齿轮齿条式、循环球式、蜗式指销式转向器都可以制成变速比转向器。aDiiswp20kkkwdddtddtdi//0齿轮齿条变传动比的原理原理：互啮合齿轮的基圆齿距必须相等，即Pbl=Pb2齿轮基圆齿距Pbl=πmlcosα1齿条基圆齿距Pb2=πm2cosα2mlcosα1＝m2cosα2让齿轮具有标准模数m1和标准压力角a1，通过改变不同位置处齿条压力角α2和模数m2变来获得传动比。节圆•齿轮齿条式转向器齿条中部（转向盘中间位置）压力角最大，齿轮节圆半径大，转向时位移大，转向灵敏。中间小•两侧压力角逐渐变小（模数也逐渐减小），齿轮节圆半径小，转向时位移小，转向灵敏度下降，但转向轻便。两边大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。循环球式转向器iω=2πr/P措施：螺距P不变，齿扇啮合半径r变化转向系(器)的传动比的变化对转向轴荷较小，或者安装动力转向的车辆中间位置传动比大为了高速操纵的稳定性，因为过小会使车辆反应过于灵敏，很难操纵；传动比大导致路感差；两端小则为满足低速操纵灵敏性。转向器角传动比的选择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