第七章转向系设计

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。形式和组成：汽车转向机构机械转向由转向盘、转向器和转向传动机构等组成。动力转向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。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每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一、机械式转向器方案分析1.齿轮齿条式优点：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；没有转向摇臂和直拉杆，转向轮转角可以增大；制造成本低。缺点：逆效率高（60%~70%）。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。自动消除间隙装置根据输入齿轮位置和输出特点不同，有四种形式：*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。齿轮齿条式转向器的四种形式侧面输入、中间输出方案由于拉杆长度增加，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。两侧输出方案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。齿条断面形状圆形圆形断面齿条制作工艺比较简单。V形Y形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。齿轮齿条式转向器广泛应用于各种级别的轿车上。装载量不大、前轮采用独立悬架的货车和客车上。齿轮齿条式转向器的四种布置形式根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，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。2.循环球式组成：螺旋槽内装有钢球的螺杆和螺母传动副，螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副。优点：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。缺点：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。应用：主要用于货车和客车上。循环球式转向器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。优点：结构简单；制造容易；强度比较高、工作可靠、寿命长；逆效率低。缺点：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。蜗杆指销式转向器优点：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）/P3P1—为作用在转向轴上的功率；P2—转向器中的磨擦功率；P3—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、结构特点与效率类型的影响齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高蜗杆指销式特别是固定销和蜗杆滚轮式转向器正效率明显低些。结构的影响蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支承轴之间的轴承可以选用滚针轴承、圆锥滚子轴承和球轴承。滚针轴承η+=54%（滚轮两侧与垫片间存在滑动摩擦损失）圆锥滚子轴承η+=70%球轴承η+=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，其效率计算式α0—蜗杆（或螺杆）的螺线导程角；ρ—摩擦角，ρ=arctanf；f—磨擦因数。转向器根据逆效率不同)tan(tan00aa可逆式极限可逆式不可逆式可逆式转向器:指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。（逆效率较高）特点：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。齿轮齿条式循环球式可逆式转向器不可逆式和极限可逆式转向器不可逆式转向器：指车轮受到的冲击力不能传到转向盘的转向器。特点：冲击力由转向传动机构的零件承受，这些零件容易损坏。不能保证车轮自动回正，驾驶员又缺乏路面感觉。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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二、传动比的变化特性1.转向系传动比转向系的传动比力传动比ip:轮胎接地面中心作用在两个转向轮上的合力2Fw与作用在转向盘上的手力Fh之比。角传动比iw0:转向盘转动角速度ωw与同侧转向节偏转角速度ωk之比。转向系的角传动比iω0kkkwdddtddtdi//0iii0hWpFFi/2角传动比iω0力传动比ip转向器角传动比iω转向传动机构角传动比iω′转向器的角传动比:转向盘转动角速度ωw与摇臂轴转动角速度ωp之比。转向传动机构的角传动比:摇臂轴转动角速度ωp与同侧转向节偏转角速度ωk之比。pppwdddtddtdi//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：a—主销偏移距。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：因得到aMFrWswhhDMF2aMDMihswrp(a)a↓→ip↑→转向轻便轿车a=0.4～0.6倍轮胎台面宽度货车a=40～60mmDsw按JB4505-86标准选取如果忽略磨擦损失，根据能量地恒原理，2Mr/Mh可用下式表示将式（b）代入式（a）得当a和Dsw不变时，力传动比ip↑→02iddMMkhraDiiswp20(b)转向越轻iw0↑→转向不灵敏。3.转向系的角传动比iw0转向传动机构角传动比汽车结构中，L2/L1=0.85~1.1，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iω及其变化规律即可。'00()iii4.转向器角传动比及其变化规律由于iw0≈iw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ip↑→Fh↓→转向操纵轻便。iw↑ωk↓→转向灵敏性降低kkkwdddtddtdi//0hWpFFi/2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齿轮基圆齿距pb1=πm1cosα1齿条基圆齿距pb2=πm2cosα2当齿轮具有标准模数m1和标准压力角α1与一个具有变模数m2、变压力角α2的齿条相啮合，并始终保持πm1cosa1=πm2cosa2时，它们就可以啮合运转。如果齿条中部（相当汽车直线行驶位置）齿的压力角最大，向两端逐渐减小（模数也随之减小）则主动齿轮啮合半径也减小，致使转向盘每转动某同一角度时，齿条行程也随之减小。因此，转向器的传动比是变化的。根据上述原理设计的齿轮齿条式转向器齿条压力角变化示例。位于齿条中部位置处的齿有较大压力角和齿轮有较大的节圆半径，而齿条齿有宽的齿根和浅斜的齿侧面；位于具条两端的齿，齿根减薄，齿有陡斜的齿侧面。齿条压力角变化简图a）齿条中部齿b）齿条两端齿齿条的m大，α大，iω小齿条的m小，α小，iω大选取角传动比变化规律时主要考虑转向轴负荷大小和