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JX16-22 【JX16-22】四轮转向汽车用转向系统结构设计与3D建模二维+三维+论文

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【JX16-22】四轮转向汽车用转向系统结构设计与3D建模（二维+三维+论文）,JX16-22,【JX16-22】四轮转向汽车用转向系统结构设计与3D建模二维+三维+论文

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摘要本文主要研究了四轮转向传动系统的基本结构和工作原理，并对四轮转向传动路线进行了简要分析。以此为理论基础，以某汽车的相关参数设计了四轮转向转向器。包括前轮转向器的设计计算，后轮转向执行器的设计，齿条等强度的计算。四轮转向传动系主要是通过车速传感器、前轮转角传感器、前轮转速传感器、方向盘转角传感器、后轮转角传感器、后轮转速传感器，发送信号到四轮转向控制器内，信号经过处理，得出后轮所需的转角大小及方向，控制执行器完成转向。此系统可以改善车辆低速的转向灵活性和高速时的操纵稳定性，使汽车在转向时响应快，转向能力强，直线行驶稳定。前轮转向器是四轮转向的基础部件，是电机助力的齿轮齿条转向器。后轮执行器是驱动后轮转向的主要部件。通过对前轮转向器和后轮执行器的设计，为四轮转向技术整体设计提供了基础。关键词 四轮转向，齿轮齿条电动助力转向器，后轮转向执行器AbstractThis paper mainly studies is the four-wheel steering transmission system the basic structure and working principle, and the four-wheel steering transmission routes are briefly analyzed. This theory, with a car related parameters of the four-wheel steering transmission system was designed. Including front wheel steering gear design calculation, rear wheel actuator design strength calculation, rack .Four-wheel steering transmission system is primarily through speed sensor, front wheel Angle sensor, front wheel speed sensor, steering wheel Angle sensor, rear Angle sensor, rear Lord Angle sensor, rear vice, rotational speed sensor sends a signal to the four-wheel steering controller inside, signal through processing, draw the rear required corner size and direction, control actuator finish turning. This system can improve vehicle speed steering flexibility and high speed control stability of, make cars in steering response quickly, steering capability is strong, run straight stability. Front wheel steering gear is the basic components, four-wheel steering motor hydraulically rack-and pinion steering gear Rear actuators are drive rear wheel steering the major components. Through the front wheel steering gear and rear actuator is designed for four-wheel steering technology integral design provides the basis.Key words Four-wheel steering gear rack of electric power steering gear, rear wheel actuators目录摘要IAbstractII目录III第一章绪论- 1 -第二章 设计方案选择- 6 -2.1 各传感器位置确定- 6 -2.2 转向机构的设计要求- 7 -2.3 转向梯形设计- 8 -2.4 本章小结- 9 -第三章 齿轮齿条电动助力转向器设计计算- 10 -3.1 转向器的效率- 10 -3.2 转向器正效率+- 10 -3.3 转向器逆效率- 11 -3.4 传动比的变化特性- 11 -3.4.1力传动比与角传动比的关系- 12 -3.5 参数选择- 14 -3.5.1转向轮侧偏角计算- 14 -3.6 转向系载荷确定- 15 -3.7 转向器的主要元件设计- 16 -3.7.1选择齿轮齿条材料- 16 -3.7.2齿轮齿条基本参数- 18 -3.7.3转向横拉杆及其端部- 18 -3.7.4齿条调整- 19 -3.8 齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析- 21 -3.9 齿轮齿条传动受力分析- 22 -3.10 弹簧的设计计算- 26 -3.11 齿轮轴轴承的校核- 28 -3.12 电机选择- 29 -3.12.1助力转矩的计算- 29 -3.12.2电动机参数的选择和计算- 29 -3.13 本章小结- 30 -第四章 后轮转向执行器设计计算- 31 -4.1 执行器结构设计- 31 -4.2 齿条设计计算- 31 -4.3 回位弹簧的设计计算- 31 -4.4 电机选择- 33 -4.4.1助力转矩的计算- 33 -4.4.2电动机参数的选择和计算- 33 -4.5 本章小结- 34 -结论- 35 -致谢- 36 -参考文献- 37 -IV第一章 绪论四轮转向控制技术就是在汽车行驶转向时通过引入一定的后轮转向来增强汽车在高速行驶或在侧向风力作用时的操纵稳定性、行驶安全性及改善低速时汽车的机动灵活性。我们知道普通汽车的转向是靠驾驶员转动方向盘，从而带动前轮的转动来实现的，前轮为转向轮。前轮转动后，车身方向跟着改变，无转向的后轮与车身的行进方向产生差距，产生偏离角，从而发生弯力，产生转向。由此可见，传统的前轮转向汽车有低速时转向响应慢，回转半径大，转向不灵活；高速时方向稳定性差等缺点。经过二十余年的研究，4WS技术已趋于成熟，日本的日产公司、马自达公司、丰田公司，美国的福特公司、通用公司的汽车产品上都有装用4WS系统。我国开展汽车四轮转向技术研究相对较晚，80年代末和90年代初开始有文章探讨4WS问题，90年代末，上海交通大学、浙江大学开始进行4WS控制方法的研究。近年来，由于电子控制技术的快速发展，以及国内愈趋紧张的交通状况，四轮转向控制技术越来越被汽车厂商及各高校重视，在2003年和2005年海峡连杆机构学术研讨会上台北科技大学代表分享了后轮转向机构设计以及四轮转向控制防侧滑等理论成果。通过对目前四轮转向技术的研究，我参照已有车型的参数设计了四轮转向的前轮转向器和后轮转向执行器，为国内四轮转向技术的发展提供基础。【技术说明】后轮转向与前轮主要有两个不同的相位转角，当车速较低时后轮与前轮转向相反称为逆向位转角如图（1-1），当车速较高时后轮与前轮转向相同称为同相位转角如图（1-2）。 （a）2WS （b）4WS 图（1-1） 4WS低速时逆向位转向 （a）2WS （b）4WS图（1-2）4WS高速时同向位转向四轮转向系统的控制目标主要包括：1.减小侧向加速度响应和横摆角速度响应的滞后；2.减小汽车的侧偏角；3.增强汽车的行进稳定性；4.改善低速范围汽车的操纵性；5.改善汽车的转向响应性能；6.抵制由汽车自身参数变化因素对汽车转向响应特性的影响，并保持所期望的汽车转向响应特性；后轮主动转向主要采用以下几种控制模式：1.定前后轮转向比转向系统；2.前轮参数控制后轮转向（前馈型）3.前后轮转向比是前轮转角函数的四轮转向系统；4.前后轮转向比是车速函数的四轮转向系统；5.具有反相特性的四轮转向系统；6.具有最优来控制的四轮转向系统；7.具有自学习、自适应能力的四轮转向系统。四轮转向系统的控制方法：前馈加反馈控制即前轮转向角比例前馈加横摆角速度比例反馈控制，控制后轮转向，并且使汽车质心处的侧偏角始终为零。本设计采用具有自学习、自适应能力的控制策略，的四轮转向技术。主要工作形式是四轮转向控制器收集各传感器输入的信号，通过处理信号，确定后轮所需的转角大小及方向，将蓄电池电压输送到后轮转向执行器完成转向如图（1-3）。1- 车速传感器2-方向盘转角传感器3-后轮转速传感器4-执行器电源输入端 5-后轮转向执行器6-后轮转角传感器7-四轮转向控制单元8-前轮转角传感器 图（1-3）四轮转向示意图四轮转向的工作特性：当车速低于29km/h时，如果转向盘转动，后轮会立即开始向与前轮相反的方向转动，在车速为零时，后轮最大转角是6度。后轮转角减小程度随车速变化，在车速为29km/h时后轮转角几乎是零。当车速为29km/h时，转向盘在最初200转角内后轮转向与前轮方向一致。在这个车速范围内，转向盘转角大于200时后轮会转向相反的方向。当车速提高到96km/h，并且转向盘转角是100时，那么后轮将会向前轮的方向转动约1。在这个车速下，如果转向盘转动500，后轮将会向前轮相反方向转动大约1【设计说明】由于本项技术的特殊性，和时间关系，只对前轮电动助力转向转向器，和后轮转向执行器进行了设计。对于悬架系统和和后轮转向梯形只是提出了设计方向。（前悬架可以采用双叉臂式悬架，后悬架系统可以采用多连杆式悬架，现有车型-宝马七系，后轮转向梯形可采用双梯形，使用两套机构进行切换。）前轮齿轮齿条转向器采用空心电机驱动螺杆助力系统，此系统具有节能、环保、高效、安全等诸多优点，其整体结构如图（1-4）所示。图（1-4）前轮转向器由电子控制单元转矩传感器，前轮角度传感器电动机、转向盘等组成。当驾驶员转动方向盘时，电动助力转向系统开始工作，转向盘角度和扭矩传感器把方向盘的输入信号（转向力矩和旋转角度），以电压信号的形式送至ECU。与此同时ECU读取汽车的车的车速信号以及车辆发动机的转速信号。ECU根据转向力矩大小和方向、发动机或电动机转速、车速、方向盘转角、方向盘转速等信号，判断是否需要助力及助力的大小和方向。若需要助力，则依据预先设计的助力特性曲线计算出必要的助力力矩，并按照一定的控制策略和算法，输出相应的控制信号给驱动电路，由驱动电路提供相应的电流给助力电机，助力电机输出的转矩，由减速机构放大后再传送给转向轴起助力转向的作用，从而完成转向助力的功能。若出现故障或车速超出设定值则控制助力电机停止输出，系统不提供助力，系统转为人工手动转向。由于电控单元可以采集车速、方向盘的转矩和转角信号，所以EPS提供的助力大小可以根据控制策略调整。后轮转向执行器如图（1-5）所示。 1- 转向轴螺杆2-后轮转角传感器3-定子4-执行器壳体5-回位弹簧6-换向器7-电刷8-转子9-循环球螺杆图（1-5）后轮执行器执行器包含一个通过循环球螺杆机构驱动转向齿条的电动机。转向横拉杆是从转向执行器连接到后轮转向节臂和转向节处，执行器内的回位弹簧在点火开关断开，或四轮转向系统失效时将后轮推回直线行驶位置。一个后轮转角传感器安装在后轮转向执行器内。通过对前轮转向器和后轮转向执行器的设计，为四轮转向整体设计提供了基础。- 35 -第二章 设计方案选择2.1 各传感器位置确定1车速传感器：安装在变速内。车速传感器将与车速相关的电压信号送到四轮转向系统电子控制模块，这个车速信号也被送到自动变速器内的电子控制模块。2前/后轮转速传感器：安装在车轮轮毂上，前/后轮转速传感器将前/后轮转速电压信号送到四轮转向系统电子控制模块，这个车轮转速信号也被送到ABS电子控制模块。3前轮转角传感器：前轮转角传感器安装在前轮电机内这个传感器含有一个随循环球螺杆旋转的脉冲环，电子霍尔传感元件直接安装在脉冲环上部，如图（2-1）当安装在转子上的“转角传感器检测凸台”随转子旋转时，套在转子上的转角传感器的霍尔传感元件向电子控制模块发出脉冲数字电压信号，显示转角。图（2-1）4.后轮转角传感器：后轮转角传感器安装后轮执行器电机内,此传感器与前轮转角传感器相似，如上图，当安装在转子上的“转角传感器检测凸台”随转子旋转时，套在转子上的转角传感器的霍尔传感元件向电子控制模块发出脉冲数字电压信号，显示后轮转角。5.方向盘转角传感器：安装在组合开关下方的转向柱上。转角传感器采用霍尔效应原理结构，转角传感器检测转向盘的转动方向、转动速度和转动角度。转向盘转动时，转角传感器向电子控制模块传送前轮转动的信号。6.转向力矩传感器：安装在小齿轮内，转向力矩传感器根据小齿轮杆的旋转情况，检测出转向力的大小并输送至控制单元。如图（2-2） 图（2-2）2.2 转向机构的设计要求1运动学上应保持转向轮转角和驾驶员转动方向盘的转角之间保持一定的比例关系。2随着转向轮阻力增大（或减小），作用在转向盘上的手力必须增大（或减小），称之为“路感”。3当作用在转向盘上的切向力时，动力转向器就应开始工作。4转向后，转向盘应自动回正，并使汽车保持在稳定的直线行驶状态。5工作灵敏，即转向盘转动后，系统内压力能很快增长到最大值。6转向失灵时，仍能用机械系统操纵车轮转向。2.3 转向梯形设计阿克曼原理：汽车在行驶（直线行驶和转弯行驶）过程中，每个车轮的运动轨迹，都必须完全符合它的自然运动轨迹，从而保证轮胎与地面间处于纯滚动而无滑移现象。两轮转向汽车阿克曼原理如图（2-3） 转角关系 （2.1）图（2-3）L:前后轮轴距 K:两轮转向主销距离但实际上的转向中心O不再后轮延长线上，这时汽车将产生侧倾力，将导致重心偏移即重心测偏角。通过四轮转向技术，后轮微小的转角（3）来控制车辆转弯时的侧倾角，使重心侧偏角减小为零。这样车辆在高速行驶时能迅速改变车道，车身又不致产生大的摆动，减少了产生摆尾的可能性，同时也改善了前轮转向不足的问题。四轮转向汽车阿克曼原理如图（2-4）转角关系图（2-4）前轮与后轮同向转向转角关系： （2.2）前轮与后轮反向转向转角关系： （2.3）2.4 本章小结本章对四轮转向的具体结构做了详细介绍，并且对此结构的转向梯形进行分析，对前轮转向器和后轮执行器的设计提供了基础。第三章 齿轮齿条电动助力转向器设计计算3.1 转向器的效率功率从转向轴输入，经转向轴输出所求得的效率称为正效率，用符号表示，；反之称为逆效率，用符号表示，。式中，为转向器中的摩擦功率；为作用在转向轴上的功率。为了保证转向时驾驶员转动转向盘轻便，要求转向器传递正效率高。为了保证汽车转向后转向轮和转向盘能自动返回到直线行驶位置，又需要有一定的逆效率。为了减轻在不平路面上行驶时驾驶员的疲劳，车轮与路面之间的作用力传至转向盘上要尽可能小，防止打手又要求逆效率尽可能低。3.2 转向器正效率+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、结构特点与效率 在前述四种转向器中，齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高，而蜗杆指销式的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撑轴之间的轴承可以选用滚针轴承、圆锥滚子轴承和球轴承等三种结构之一。第一种结构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，故这种转向器的效率仅有54。另外两种结构的转向器效率，根据试验结果分别为70和75。转向轴承的形式对效率也有影响，用滚针轴承比用滑动轴承可使正或逆效率提高约10。转向器的结构参数与效率，如果忽略轴承和其它地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于螺杆类转向器，其效率可用下式计算 （3.1）式中，为螺杆的螺线导程角；为摩擦角，；f为摩擦因数。3.3 转向器逆效率-根据逆效率大小不同，转向器又有可逆式、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。它能保证转向后，转向轮和转向盘自动回正。这既减轻了驾驶员的疲劳，又提高了行驶安全性。但是，在不平路面上行驶时，车轮受到的冲击力，能大部分传至转向盘，造成驾驶员“打手”，使之精神状态紧张，如果长时间在不平路面上行驶，易使驾驶员疲劳，影响安全驾驶。属于可逆式的转向器有齿轮齿条式和循环球式转向器。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。该冲击力由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上述两者之间。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。它的逆效率较低，在不平路面上行驶时，驾驶员并不十分紧张，同时转向传动机构的零件所承受的冲击力也比不可逆式转向器要小。如果忽略轴承和其它地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，则逆效率可用下式计算 （3.2） 式(3.1)和式(3.2)表明：增加导程角，正、逆效率均增大。受增大的影响不宜取得过大。当导程角小于或等于摩擦角时，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，导程角必须大于摩擦角。通常螺线导程角选在810之间。3.4 传动比的变化特性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从轮胎接地面中心作用在两个转向轮上的合力与作用在转向盘上的手力之比，称为力传动比，即 （3.3）转向盘转动角速度与同侧转向节偏转角速度之比，称为转向系角传动比，即；式中，为转向盘转角增量；为转向节转角增量；为时间增量。它又由转向器角传动比和转向传动机构角传动比所组成，即。转向盘角速度w与摇臂轴转动角速度之比，称为转向器角传动比, 即。式中，为摇臂轴转角增量。此定义适用于除齿轮齿条式之外的转向器。摇臂轴转动角速度与同侧转向节偏转角速度之比，称为转向传动机构的角传动比，即。3.4.1力传动比与角传动比的关系轮胎与地面之间的转向阻力和作用在转向节上的转向阻力矩之间有如下关系 （3.4）式中，a为主销偏移距，指从转向节主销轴线的延长线与支承平面的交点至车轮中心平面与支承平面交线间的距离。作用在转向盘上的手力可用下式表示 （3.5）式中，作用在转向盘上的力矩； 为转向盘直径。将式(3.4)、式(3.5)代入式（3.3）得到 （3.6）分析式(3.6)可知，当主销偏移距a小时，力传动比应取大些才能保证转向轻便。通常轿车的a值在0.40.6倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取，而货车的d值在4060mm范围内选取。转向盘直径根据车型不同在JB450586转向盘尺寸标准中规定的系列内选取。如果忽略摩擦损失，根据能量守恒原理，2可用下式表示 （3.7）将式(3.7)代人式(3.6)后得到 （3.8）当和不变时，力传动比越大，虽然转向越轻，但也越大，表明转向不灵敏。根据相互啮合齿轮的基圆齿距必须相等，即。其中齿轮基圆齿距，齿条基圆齿距。由上述两式可知：当齿轮具有标准模数和标准压力角与一个具有变模数、变压力角的齿条相啮合，并始终保持时，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。随转向盘转角变化，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因素，主要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，在转向盘全转角范围内，驾驶员不存在转向沉重问题。装用动力转向的汽车，因转向阻力矩由动力装置克服，所以在上述两种情况下，均应取较小的转向器角传动比并能减少转向盘转动的总圈数，以提高汽车的机动能力。转向盘在中间位置的转向器角传动比不宜过小。过小则在汽车高速直线行驶时，对转向盘转角过分敏感和使反冲效应加大，使驾驶员精确控制转向轮的运动有困难。直行位置的转向器角传动比不宜低于1516。3.5 参数选择1.本系统车型为前置前驱 2.部分参数选取国内已有车型前/后轮距K 1540/1540(mm) 轴距L 2578(mm)轮胎型号 205/55 R16整备质量 1405(kg)允许总质量M 800(kg)前/后轴载荷 1000/1000(kg)方形盘直径 400(mm)齿条有效行程 150(mm)最小转弯半径R 6000(mm)齿轮齿条转向器正效率 90%表3.1项目转向小齿轮转向齿条模数2.52.5齿数628法相压力角2020螺旋角/齿倾角14080变位系数00齿顶高系数11顶隙系数0.250.253.5.1转向轮侧偏角计算说明：此四轮转向技术为主动转向技术，后轮微小转角（3）考虑当后轮执行器失灵时，汽车按二轮转向技术行驶，所以转向轮侧偏角按二轮转向汽车方法计算如图（3-1）。 （3.9） （3.10） 3.6 转向系载荷确定为了保证行驶安全，组成转向系的各零件应有足够的强度。欲验算转向系零件强度，需首先确定作用在各零件上的力。线角传动比 (3.11)方向盘转动圈数 (3.12)角传动比 (3.13)原地转向阻力距的计算： (3.14)f 轮胎和路面间的滑动摩擦因数G 转向前轮负荷。单位为NP 轮胎气压，单位为MPa作用在转向盘上的手力 (3.15)原地转向阻力矩转向盘直径转向器角传动比转向器正效率主销偏移距a 作用在转向盘上的力矩 力转动比 轮辋直径 梯形臂长度 ，取162mm轮胎直径 取632mm 齿宽系数 齿条宽度 圆整取则取齿轮齿宽 3.7 转向器的主要元件设计3.7.1选择齿轮齿条材料小齿轮：齿轮通常选用国内常用、性能优良的20CrMnTi合金钢，热处理采用表面渗碳淬火工艺，齿面硬度为HRc5863。齿轮是一只切有齿形的轴。它安装在转向器壳体上并使其齿与齿条上的齿相啮合。齿轮齿条上的齿选用斜齿。斜齿的弯曲增加了一对啮合齿轮参与啮合的齿数。相对直齿而言，斜齿的运转趋于平稳，并能传递更大的动力齿轮轴上端与转向柱内的转向轴相连。因此，转向盘的旋转使齿条横向移动以操纵前轮。齿轮轴由安装在转向器壳体上的球轴承支承。表（3-2）齿轮轴的设计参数项目符号尺寸参数（mm）总长165齿宽30齿数6法向模数Mn2.5螺旋角140旋向左旋齿条：选用与20CrMnTi具有较好匹配性的40Cr作为啮合副，齿条热处理采用高频淬火工艺，表面硬度HRc5056。齿条是在金属壳体内来回滑动的，加工有齿形的金属条。转向器壳体是安装在前横梁或前围板的固定位置上的。齿条代替梯形转向杆系的摇杆和转向摇臂，并保证转向横拉杆在适当的高度以使他们与悬架下摆臂平行。齿条可以比作是梯形转向杆系的转向直拉杆。导向座将齿条支撑在转向器壳体上。齿条的横向运动拉动或推动转向横拉杆，使前轮转向 （图3.4.1）（图3.1）表（3-3）齿条尺寸设计参数项目符号尺寸参数(mm)总长763直径30齿数283.7.2齿轮齿条基本参数齿轮：分度圆直径 d1=MnZ1COS=2.56COS14=15.46mm 齿顶高 ha=mnhan*+Xn1.215.4618.55mm 齿顶圆直径 da1=d+2ha15.4622.520.46mm齿根高 hf=mnhan*-Xn+cn*2.5(1-00.25)3.125mm齿根圆直径 df=d1-2hf=15.46-2mnhan*-Xn+cn* =15.46-22.5(1-00.25)9.21mm齿条：齿顶高 ha=mnhan*+Xn2.5(1=0)2.5mm 齿根高 hf=mnhan*-Xn+cn* 2.5(1-00.25)3.125mmhan*齿顶高系数取1cn*顶隙系数取0.253.7.3转向横拉杆及其端部 转向横拉杆与梯形转向杆系的相似。球头销通过螺纹与齿条连接。当这些球头销按制造厂的规范拧紧时，在球头销上产生了一个预载荷。防尘套夹在转向器两侧的壳体和转向横拉杆上，防尘套阻止杂物进入球销及齿条中。转向横拉杆端部与外端用螺纹联接。这些端部与梯形转向杆系的相似。侧面螺母将横拉杆外端与横拉杆锁紧如图（3-2）。1 横拉杆 2锁紧螺母 3外接头壳体 4球头销 5六角开槽螺母6球碗 7端盖 8梯形臂 9开口槽图（3-2）表（3-4）横拉杆尺寸项目符号尺寸参数（mm）横拉杆总长La376螺纹长度LM62外接球头总长LOX68外接头螺纹公称直径dwM121.5横拉杆直径La183.7.4齿条调整一个齿条导向座安装在齿条光滑的一面。齿条导向座和与壳体螺纹连接的调节螺塞之间连有一个弹簧。调节螺塞由锁紧螺母固定。齿条导向座的调节使齿轮、齿条间有一定预紧力，预紧力会影响转向冲击、噪声及反馈。表（3-5）导向座项目符号尺寸参数（mm）导向座外径L338导向座高度B140弹簧总高度HS19弹簧外径DS26螺塞螺纹公称直径L48螺塞高度HS28转向传动比：当转向盘从锁点向锁点转动，每只前轮大约从其正前方开始转动30，因而前轮从左到右总共转动大约60。若传动比是1:1，转向盘旋转1，前轮将转向1，转向盘向任一方向转动30将使前轮从锁点转向锁点。这种传动比过于小，因为转向盘最轻微的运动将会使车辆突然改变方向。转向角传动比必须使前轮转动同样角度时需要更大的转向盘转角。19.19:1的传动比较为合理。在这样的传动比下，转向盘每转动19.19，前轮转向1。为了计算传动比，可将锁点到锁点过程中转向盘转角的度数除以此时转向轮转角的度数。3.8 齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析图（3-3）当转向盘从锁点向锁点转动，每只前轮大约从其正前方开始转动30，因而前轮从左到右总共转动约60。当转向轮右转30，即梯形臂或转向节由OC绕圆心O转至时OA，齿条左端点E移至EA的距离为L1OD = OACOS30=162COS25=146.8mmDC = OC-OD=162-146.8=15.2mm齿轮齿条啮合长度应大于L1+L2=OAsin25+ODtan33=163.8mmAA=DC AEA=CE=BEB=200mm AC=ADAE=AEA2-AA2=2002-15.22=199.4mmCEA= AEA-AC=200-95.3=104.7mmL1=CE-CEA=200-104.7=95.3mm同理计算转向轮左转35，转向节由OC绕圆心O转至OB时，齿条左端点E移至BEB的距离为L2DB=DA=68.46mm DC=BBBEB=BEB2-BB2=2002-15.22=199.4mmL2=EEB=CB+BEB-CE=95.34+199.4-200=94.74mm即 LL1+L2=95.3+94.74=190.04 取L=200mm3.9 齿轮齿条传动受力分析轴的受力分析:若略去齿面间的摩擦力，则作用于节点P的法向力Fn可分解为径向力Fr和分力F，分力F又可分解为圆周力Ft和轴向力Fa。Ft=2T1d1=23916821.64=3619.96NFr=Fttanncos=3619.98tan20/tan14=1357.90NFa=FtTan=3619.98tan14=937.84计算支承反力在垂直面上FRAV=L2Fr1+Fa1d2L1+L2=391357.9+902.5610.8278=804.15NFRAV=Fr1-FRAV=1357.9-804.15=553.75N在水平面上FRAV=FRBH=Ft12=3619.982=1809.98N画弯矩图在水平面上，a-a剖面左侧、右侧MAH=MAH=FRAVL1=1809.9839=70589.22mm在垂直面上，a-a剖面左侧a-a剖面右侧合成弯矩，a-a剖面左侧a-a剖面右侧画转矩图转矩 T=Ft1 d/2 3619.9610.8239167.97N.mm 判断危险剖面显然，a-a截面左侧合成弯矩最大、扭矩为T，该截面左侧可能是危险剖面。.轴的弯扭合成强度校核由机械设计3查得，=60/100=0.6a-a截面左侧轴的疲劳强度安全系数校核查得, ,；。a-a截面左侧查得k=2.10k=1.72；由表查得绝对尺寸系数=0.91 =0.89 轴经磨削加工，查得质量系数=1.0。则弯曲应力b=MW=77242.45994.38= 77.7Mpa应力幅a=b=54.3MPa 平均应力 m=0 切应力T =TWT=39167.971988.76=19.69Mpa a=m=T2=19.692=9.845Mpa 安全系数查得许用安全系数S=1.31.5，显然SS，故a-a剖面安全。图（3-4）齿轮轴受力分析图3.10 弹簧的设计计算设计要求：圆柱形压缩螺旋弹簧，载荷平稳，要求时，弹簧总的工作次数小于，弹簧中要能宽松地穿过一根直径为21mm的轴；弹簧两端固定；外径，自由高度。选择材料：由弹簧工作条件可知，对材料无特殊要求，选用C组碳素弹簧钢丝。因弹簧的工作次数小于，载荷性质属II类，。计算弹簧丝直径表（3-6） 弹簧丝直径的计算计算项目计算依据和内容计算结果选择旋绕比估算初算弹簧丝直径计算曲度系数计算弹簧丝的许用切应力计算弹簧丝直径取=4按30mm、21mm,取=6=1.404=0.45=0.451700=765=1.61.40441000/765=4.3取=4=1.404=765取=4表（3-7） 弹簧圈数和自由高度的计算计算项目计算依据和内容计算结果工作圈数总圈数节距自由高度=4.43各端死圈取1，故,则,取=4.437.92+1.55=42.59=4.43=6.5=7.92=42.59稳定性验算 高径比 b=H0/D2=42.59/20=2.12950.1d几何参数和结构尺寸的确定 弹簧外径 D2= D +d=24+3=27mm弹簧内径 D1=D2-d=24-3=21mm弹簧的极限载荷 Flim=d2s8ck=3.1452956.25/(841.4)=1670N弹簧的安装载荷 Fmin=0.9Fmax=0.91411=1269.9N弹簧刚度 Cs=Gd/(8C3n)=800005/(8434.43)=176.35N/mm安装变形量 min=Fmin/Cs=1269.9/176.35=7.20mm最大变形量 max=Fmax/Cs=1411/176.35=8.00mm极限变形量 lim=Flim/Cs=1670/176.35=9.47mm安装高度 H1=H0-min=42.59-7.20=35.39mm工作高度 H2=H0-max=42.59-8=34.59mm极限高度 H3=H0-lim=42.59-9.47=33.12mm3.11 齿轮轴轴承的校核校核轴承，轴承间距75mm,轴承转速n=15r/min,预期寿命Lh=12000h初步计算当量动负荷X=0.56,选近似中间值Y=1.5。另查表得fp=1.2P=fp(XFR+YFA)=1.2(0.56705.5+1.5468.9)=1318.12N计算轴承应有的基本额定动负荷Cr查表得,ft=1,又=3初选轴承型号查机械工程及自动化简明设计手册,选择6204轴承,Cr=12.8KN，其基本额定静负荷cor=6.65KN验算并确定轴承型号FA/cor=469/6650=0.071,e为0.27,轴向载荷系数Y应为1.6 计算当量动载荷Pr=fp(XFR+YFA)=1.2(0.56141143/75+1.6469)=1444N 验算6204轴承的寿命Lh=16667n(ftcrpr)2=166671511280014443=773917h即高于预期寿命，能满足要求。上轴承选择比下轴承稍大的型号6205,同样满足要求。3.12 电机选择3.12.1助力转矩的计算 原地转向阻力矩 MR MR= 455557.72N.mm 作用在转向盘上的力矩Mh Mh=26378N.mm根据推荐值，转向盘操纵力不应大于3050N，在10N以下则转向很轻便。Th0=Fh0Dh240(400/2)=8000N.mmFh0作用在转向盘上的力，取40NDh方向盘直径，Dh=400mm所以作用在转向轴上的最大助力转矩Tamax Tamax=Mh-Th0 26.378-818.378N.mm3.12.2电动机参数的选择和计算采用空心电机驱动螺杆 电动机的额定输出转矩为Te=TamaxG18.378/171.08N.mG减速器减速比 取G=17电动机的最大额定转速 ne=nhG72171224r/minnh= 方向盘转速 nh=72 r/ming功率 pe=Tene9549= 0.139kw3.13 本章小结本章对前轮转向器进行了系统的设计，采用了齿轮齿条的结构，此结构简单、紧凑，传动效率高达90%；齿轮齿条之间因磨损出现间隙后，可利用装在齿条背部靠近小齿轮的压紧力可以调节的弹簧自动消除齿间间隙，在提高系统刚度的同时也可防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用体积小；没有转向摇臂和转向横拉杆，可以增大转向轮转角；制造成本低，转向助力方面采用了目前流行的新技术空心电机助力系统，此系统具有节能，反应迅速，冲击载荷小，传动平稳，噪声低等诸多优点。第四章 后轮转向执行器设计计算4.1 执行器结构设计执行器包含一个通过循环球螺杆机构驱动转向齿条的电动机。转向横拉杆是从转向执行器连接到后轮转向节臂和转向节处，执行器内的回位弹簧在点火开关断开，或四轮转向系统失效时将后轮推回直线行驶位置。一个后轮转角主传感器安装在后轮转向执行器内。4.2 齿条设计计算后轮齿条：选用与20CrMnTi具有较好匹配性的40Cr作为啮合副，齿条热处理采用高频淬火工艺，表面硬度HRc5056。由于后轮轴荷为900Kg与前轮相同，所以齿条直径选择30mm 总长为601mm。4.3 回位弹簧的设计计算安装在执行器内的电机考虑到电机的影响，材料选择铜合金丝，有较好的防磁性，弹簧承受载荷循环次数在106 次以上的变载荷，所以选择类弹簧=360MPa。 G切变模量 G=90000MPa因d=D/C, C取7 估取d=10mm b=0.4=900MPaK曲度系数 K=4c-14c-4+0.615c= 1.2最大工作载荷F2=2278N弹簧丝直径 d8kF2C= 1.6kF2C 1.61.222787360= 11.6mm取铜合金丝直径为12mm表（4.1）弹簧丝直径的计算计算项目计算依据和内容计算结果选择旋绕比估算初算弹簧丝直径计算曲度系数计算弹簧丝的许用切应力计算