纯电动小型自卸车转向系统设计

武汉理工大学毕业设计（论文）1摘要汽车在行驶的过程中，需要按照驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓的汽车转向。汽车的转向系统是一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专用机构，本文的研究内容是纯电动小型自卸车转向系统设计。本文针对的是 与独立悬架相匹配的断开式两轮转向机构。利用相关汽车设计和连杆机构运动学的知识，首先对汽车总体参数进行设计，在此基础上，对转向器、转向传动机构进行选择，接着再对转向器和转向传动机构（主要是转向梯形）进行设计，最后，利用 AUTOCAD 完成转向梯形和转向器的设计图纸。本次设计采用齿轮齿条式电动助力转向器，断开式转向梯形。关键字：转向系统，转向器，齿轮齿条，电动助力，转向梯形武汉理工大学毕业设计（论文）2AbstractIn the process of driving car, need according to the drivers will often change their driving direction, the so-called automobile steering. The car turned to the system is a set to change or to restore car driving direction of special institutions, this paper the research content is pure electric small tipper steering system design.This paper aims at is the and independent suspension of broken open type to match the two rounds of steering mechanism. Using relevant car design and linkage mechanism of the knowledge of the kinematics, first of automobile design general parameters, and on this basis, the steering gear, steering transmission mechanism choice, then again for steering gear and steering transmission mechanism (mainly steering trapezoidal) to carry on the design, the last, by using AUTOCAD completed the design of steering trapezoid and steering gear drawings. This design USES the super-modulus gear type electric power steering gear, steering trapezoid broken off.Keywords: Steering system, Steering gear, Rack and pinion, JLEPS, Steering trapezium武汉理工大学毕业设计（论文）31 绪论在汽车行驶中，转向运动是最基本的运动。我们通过方向盘来操纵和控制汽车的行驶方向，从而实现自己的行驶意图。在现代汽车上，转向系统是必不可少的最基本的系统之一，它也是决定汽车主动安全性的关键总成，如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车厂家和科研机构的重要课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同的驾驶人群，汽车的操纵性设计显得尤为重要。汽车转向系统是用来改变和恢复汽车行驶方向的专设机构，其功用就是保证汽车能够按驾驶员的意志而进行转向行驶。1.1 对转向系的要求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。2）汽车转向行驶时，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。3）汽车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自振，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。6）操纵轻便。7) 转向轮碰撞到占该物以后，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的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。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上海的防伤装置。10) 进行运动校核，保证转向轮与转向盘转动方向一致。1.2 转向操纵机构转向操纵机构包括转向盘，转向轴，转向管柱。有时为了布置方便，减小由于装置位置误差及部件相对运动所引起的附加载荷，提高汽车正面碰撞的安全性以及便于拆装，在转向轴与转向器的输入端之间安装转向万向节，如图 1-1。采用柔性万向节可减少传至转向轴上的振动，但柔性万向节如果过软，则会影响转向系的刚度。采用动力转向时，武汉理工大学毕业设计（论文）4还应有转向动力系统。但对于中级以下的轿车和前轴负荷不超过 3t 的载货汽车，则多数仅在用机械转向系统而无动力转向装置。图 1-1 转向操纵机构Fig.1-1 the control mechanism of steering1-转向万向节；2-转向传动轴；3- 转向管柱； 4-转向轴；5-转向盘1-steering universal shaft; 2-steering propeller ; 3-steering column ; 4-steering axis; 5-steering wheel1.3 转向传动机构转向传动机构包括转向臂、转向纵拉杆、转向节臂、转向梯形臂以及转向横拉杆等。（见图 1-2）转向传动机构用于把转向器输出的力和运动传给左、右转向节并使左、右转向轮按一定关系进行偏转。图 1-2 转向传动机构Fig 1-2 the transmission system of steering1-转向摇臂；2-转向纵拉杆；3- 转向节臂； 4-转向梯形臂；5-转向横拉杆1-steering rocker; 2- Steering rod; 3-steering arm;4-pitman arm;5-tie-rod武汉理工大学毕业设计（论文）51.4 转向器机械转向器是将司机对转向盘的转动变为转向摇臂的摆动（或齿条沿转向车轴轴向的移动） ，并按一定的角转动比和力转动比进行传递的机构。机械转向器与动力系统相结合，构成动力转向系统。高级轿车和重型载货汽车为了使转向轻便，多采用这种动力转向系统。采用液力式动力转向时，由于液体的阻尼作用，吸收了路面上的冲击载荷，故可采用可逆程度大、正效率又高的转向器结构。为了避免汽车在撞车时司机受到的转向盘的伤害，除了在转向盘中间可安装安全气囊外，还可在转向系中设置防伤装置。为了缓和来自路面的冲击、衰减转向轮的摆振和转向机构的震动，有的还装有转向减振器。多数两轴及三轴汽车仅用前轮转向；为了提高操纵稳定性和机动性，某些现代轿车采用全四轮转向；多轴汽车根据对机动性的要求，有时要增加转向轮的数目，制止采用全轮转向 。1.5 转角及最小转弯半径汽车的机动性，常用最小转弯半径来衡量，但汽车的高机动性则应由两个条件保证。即首先应使左、右转向轮处于最大转角时前外轮的转弯值在汽车轴距的 22.5 倍范围内；其次，应这样选择转向系的角传动比，即由转向盘处于中间的位置向左或右旋转至极限位置的总旋转全书，对轿车应不超过 1.8 圈，对货车不应超过 3.0 圈。两轴汽车在转向时，若不考虑轮胎的侧向偏离，则为了满足上述对转向系的第(2)条要求，其内、外转向轮理想的转角关系如图 1-3 所示，由下式决定：(1-1)LKBDCOioctt式中： 外转向轮转角；o内转向轮转角；iK两转向主销中心线与地面交点间的距离；L轴距内、外转向轮转角的合理匹配是由转向梯形来保证。武汉理工大学毕业设计（论文）6图 1-3 理想的内、外转向轮转角间的关系Fig 1-3 Relations between ideal inside and outside steering wheel corner汽车的最小转弯半径 与其内、外转向轮在最大转角 与 、轴距 L、主销距Rmin maxiaoK 及转向轮的转臂 a 等尺寸有关。在转向过程中除内、外转向轮的转角外，其他参数是不变的。最小转弯半径是指汽车在转向轮处于最大转角的条件下以低速转弯时前外轮与地面接触点的轨迹构成圆周的半径。可按下式计算：(1-2)aLomxins通常 为 3540，为了减小 值， 值有时可达到 45maxi Riai操纵轻便型的要求是通过合理地选择转向系的角传动比、力传动比和传动效率来达到。对转向后转向盘或转向轮能自动回正的要求和对汽车直线行驶稳动性的要求则主要是通过合理的选择主销后倾角和内倾角，消除转向器传动间隙以及选用可逆式转向器来达到。但要使传递到转向盘上的反向冲击小，则转向器的逆效率有不宜太高。至于对转向系的最后两条要求则主要是通过合理地选择结构以及结构布置来解决。转向器及其纵拉杆与紧固件的称重，约为中级以及上轿车、载货汽车底盘干重的1.0% 1.4%；小排量以及下轿车干重的 1.5%2.0%。转向器的结构型式队汽车的自身质量影响较小。武汉理工大学毕业设计（论文）72. 机械式转向器方案分析2.1 齿轮齿条式转向器齿轮齿条式转向器由与转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。与其他形式的转向器比较，齿轮齿条式转向器最主要的优点是：结构简单、紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器的质量比较小；传动效率高达 90%；齿轮与齿条之间因磨损出现间隙以后，利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧。能自动消除齿间间隙，这不仅可以提高转向系统的刚度。还可以防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用的体积小；没有转向摇臂和直拉杆，所以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：因逆效率高，汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间冲击力的大部分能传至转向盘，称之为反冲。反冲现象会使驾驶员精神紧张，并难以准确控制汽车行驶方向，转向盘突然转动又会造成打手，同时对驾驶员造成伤害。根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向起有四种形式：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。采用侧面输入，中间输出方案时，与齿条连的左，右拉杆延伸到接近汽车纵向对称平面附近。由于拉杆长度增加，车轮上、下跳动时拉杆摆角减小，有利于减少车轮上、下跳动时转向系与悬架系的运动干涉。拉杆与齿条用螺栓固定连接，因此，两拉杆那与齿条同时向左或右移动，为此在转向器壳体上开有轴向的长槽，从而降低了它的强度。采用两端输出方案时，由于转向拉杆长度受到限制，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，常用在平头货车上。容易齿轮齿条式转向器采用直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合，则运转平稳降低，冲击大，工作噪声增加。此外，齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角只能是直角，为此因与总体布置不适应而遭淘汰。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，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满足总体设计的要求。因为斜齿工作时有轴向力作用，所以转向器应该采用推力轴承，使轴承寿命降低，还有斜齿轮的滑磨比较大是它的缺点。齿条断面形状有圆形、V 形和 Y 形三种。圆形断面齿条的制作工艺比较简单。V 形和武汉理工大学毕业设计（论文）8Y 形断面齿条与圆形断面比较，消耗的材料少，约节省 20%，故质量小；位于齿下面的两斜面与齿条托座接触，可用来防止齿条绕轴线转动；Y 形断面齿条的齿宽可以做得宽些，因而强度得到增加。在齿条与托座之间通常装有用减磨材料（如聚四氟乙烯）做的垫片，以减少滑动摩擦。当车轮跳动、转向或转向器工作时，如在齿条上作用有能使齿条旋转的力矩时，应选用 V 形和 Y 形断面齿条，用来防止因齿条旋转而破坏齿轮、齿条的齿不能正确啮合的情况出现。为了防止齿条旋转，也有在转向器壳体上设计导向槽的，槽内嵌装导向块，并将拉杆、导向块与齿条固定在一起。齿条移动时导向块在导向槽内随之移动，齿条旋转时导向块可防止齿条旋转。要求这种结构的导向块与导向槽之间的配合要适当。配合过紧会为转向和转向轮回正带来困难，配合过松齿条仍能旋转，并伴有敲击噪声。根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，齿轮齿条式转向器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乘用车上。载质量不大，前轮采用独立悬架的货车和客车有些也用齿轮齿条式转向器。2.2 循环球式转向器循环球式转向器有螺杆和螺母共同形成的落选槽内装钢球构成的传动副，以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成，如图 2-1 所示。图 2-1 循环球式转向器示意图Fig 2-1Circulation-ball steering循环球式转向器的优点是：在螺杆和螺母之间因为有可以循环流动的钢球，将滑动摩擦转变为滚动摩擦，因而传动效率可以达到 75%85%；在结构和工艺上采取措施后，武汉理工大学毕业设计（论文）9包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度和螺杆、螺母上的螺旋槽经淬火和磨削加工，使之有足够的使用寿命；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工作容易进行， （图 2-2） ；适合用来做整体式动力转向器。图 2-2 循环球式转向器的间隙调整机构Fig 2-2 The gap adjusts the organizational structure of Recirculation-ball gears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商用车上。2.3 蜗杆滚轮式转向器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；因为滚轮的齿面和蜗杆上的螺纹呈面接触，所以有比较高的强度，工作可靠，磨损小，寿命长；逆效率低。蜗杆滚轮式转向器的主要缺点是：正效率低；工作齿面磨损以后，调整啮合间隙比较困难；转向器的传动比不能变化。这种转向器曾在汽车上广泛使用过。2.4 蜗杆指销式转向器蜗杆指销式转向器的销子如不能自转，称为固定销式蜗杆指销式转向器；销子除随同摇臂轴转动外，还能绕自身州县转动的，称为旋转销式转向器。根据销子数量不同，又有单销和双销之分。武汉理工大学毕业设计（论文）10蜗杆指销式转向器的优点是：转向器的传动比可以做成不变的或者变化的；指销和蜗杆之间的工作面磨损后，调整间隙工作容易进行。固定销蜗杆指销式转向器的结构简单、制造容易；但是因销子不能自转，销子的工作部位基本保持不变，所以磨损快、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，应该采用双销式结构。双销式转向器在直