汽车转向系设计

第七章转向系设计第七章转向系设计本章主要学习：（1）转向系的设计要求；（2）机械式转向器方案分析；（3）转向系主要性能参数；（4）动力转向机构；（5）转向梯形机构方案及整体式转向梯形机构优化设计。第七章转向系设计•第一节概述•第二节机械式转向器方案分析•第三节转向系主要性能参数•第四节动力转向机构•第五节转向梯形第一节概述汽车转向系的功用：汽车转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构。在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。汽车转向系的形式和组成：汽车转向机构分为机械转向和动力转向两种形式。机械转向主要是由转向盘、转向器和转向传动机构等组成，动力转向还包括动力系统。机械转向是依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转向器和转向传动机构使转向轮偏转。动力转向是在机械转向的基础上，加装动力系统，并借助此系统来减轻驾驶员的手力。动力转向包括液压式动力转向和电控式动力转向。液压式动力转向已在汽车上广泛应用。近年来，电控动力转向已得到较快发展。汽车转向系动画演示转向系的设计要求：1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转。2）转向轮具有自动回正能力。3）在行驶状态下，转向轮不得产生自振，转向盘没有摆动。4）转向传动机构和悬架导向装置产生的运动不协调，应使车轮产生的摆动最小。5）转向灵敏，最小转弯直径小。6）操纵轻便。7）转向轮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中应有间隙调整机构。9）转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。10）转向盘转动方向与汽车行驶方向的改变相一致。正确设计转向梯形机构，可以保证汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转。转向轮的自动回正能力决定于转向轮的定位参数和转向器逆效率的大小。合理确定转向轮的定位参数，正确选择转向器的形式，可以保证汽车具有良好的自动回正能力。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。为了使汽车具有良好的机动性能，必须使转向轮有尽可能大的转角，其最小转弯半径能达到汽车轴距的2~2.5倍。转向操纵的轻便性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。轿车货车机械转向50~100N250N动力转向20~50N120N轿车转向盘从中间位置转到第一端的圈数不得超过2.0圈，货车则要求不超过3.0圈。第二节机械式转向器方案分析一、机械式转向器方案分析1.齿轮齿条式齿轮齿条式转向器的主要优点是：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是：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。图7-1自动消除间隙装置根据机械式转向器结构特点齿轮齿条式转向器循环球式转向器蜗杆滚轮式转向器蜗杆指销式转向器等根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式：中间输入，两端输也（图7-2a）；侧面输入，两端输出（图7-2b）；侧面输入，中间输出（图7-2c）；侧面输入，一端输出（图7-2d）。采用侧面输入、中间输出方案时，由于拉杆长度增加，车轮上、下跳动时位杆摆角减小，有利于减少车轮上、下跳动时转向系与悬架系的运动干涉。而采用两侧输出方案时，容易与悬架系统导向机构产生运动干涉。侧面输入、一端输出的齿轮齿条式转向器，常用在平头微型货车上。采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条式转向器，重合度增加，运转平稳，冲击与工作噪声均下降。图7-2齿轮齿条式转向器的四种形式齿条断面形状有圆形、V形和Y形三种。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。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，见图7-3。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.循环球式循环球式转向器由螺杆和螺母共同形成的螺旋槽内装有钢球构成的传动副，以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成，如图7-4所示。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。图7-4循环球式转向器图7-5循环球式转向器的间隙调整机构3.蜗杆滚轮式、蜗杆指销式蜗杆滚轮式转向器由蜗杆和滚轮啮合而构成。主要优点是：结构简单；制造容易；强度比较高、工作可靠、寿命长；逆效率低。主要缺点是：正效率低；调整啮合间隙比较困难；传动比不能变化。蜗杆指销式转向器有固定销式和旋转销式两种形式。根据销子数量不同，又有单销和双销之分。蜗杆指销式转向器的优点是：传动比可以做成不变的或者变化的；工作面间隙调整容易。固定销式转向器的结构简单、制造容易。但销子的工作部位磨损快、工作效率低。旋转销式转向器的效率高、磨损慢，但结构复杂。要求摇臂轴有较大的转角时，应采用双销式结构。双销式转向器的结构复杂、尺寸和质量大，并且对两主销间的位置精度、螺纹槽的形状及尺寸精度等要求高。此外，传动比的变化特性和传动间隙特性的变化受限制。蜗杆滚轮式和蜗杆指销式转向器应用较少。二、防伤安全机构方案分析计算有关资料分析表明：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。转向盘、转向管柱等有关零件在撞击是产生塑性变形、弹性变形或是利用摩擦等来吸收冲击能量，能防止或者减轻驾驶员受伤。在汽车发生正面碰撞时，转向传动轴采用了万向节连接，并且布置合理，便可防止转向盘向驾驶室内移动，危及驾驶员安全。如图7-6所示。图7-7所示在轿车上应用的防伤安全机构。转向轴分为两段，上转向轴的下端与下转向轴上端通过两个圆头圆柱销相连。在受到一定数值的轴向力时，上、下转向轴能自动脱开，以保证驾驶员的安全。图7-6防伤转向传动轴简图图7-7防伤转向轴简图联轴套管吸收冲击能量机构图7-8所示为联轴套管吸收冲击能量机构，位于两万向节之间的转向传动轴，是由套管1和轴3组成。汽车发生正面冲撞时，轴向力达到一定值以后，塑料销钉2被剪断，套管与轴产生相对移动，存在其间的塑料能增大摩擦阻力吸收冲击能量。此外，转向传动轴长度缩短，减小了转向盘向驾驶员一侧的移动量，起到保护驾驶员的作用。这种防伤机构结构简单，制造容易，只要合理选取销钉数量与直径，便能保证它可靠地工作和吸收冲击能量。图7-8安全联轴套管1—套管2—塑料销钉3—轴第三节转向系主要性能参数一、转向器的效率功率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。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。1.转向器的正效率η+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η+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式中，a0为蜗杆（或螺杆）的螺线导程角；ρ为摩擦角，ρ=arctanf；f为磨擦因数。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。)tan(tan00aa（7-1）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式（7-1）和式（7-2）表明：增加导程角a0，正、逆效率均增大。受η-增大的影响，a0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。00tan)tan(aa（7-2）二、传动比的变化特性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。转向系的力传动比:转向系的角传动比: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:kkkwdddtddtdi//00iiii0ii0ipipppwdddtddtdi//kpkpkpdddtddtdi//hWpFFi/2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）代入后得到如果忽略磨擦损失，根据能量地恒原理，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。aMFrW（7-3）swhhDMF2（7-4）hWpFFi/2aMDMihswrp（7-5）02iddMMkhr（7-6）aDiiswp20（7-7）pi0i3.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。4.转向器角传动比及其变化规律式（7-7）表明，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。由的定义可知：对于一定的转向盘角速度，转向轮偏转角速度与转向器角度传动比在反比。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。kpddi/120//LLddikpddii/0i0i0i下面介绍齿轮齿条转向器变速比工作原理根据相互啮合齿轮的基圆齿距必须相等，即pb1=pb2。其中齿轮基圆齿距pb1=πm1co