【毕业论文】汽车四轮转向传动系统设计【2014年汽车机械专业答辩资料】

哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） I 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 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） II Abstract This 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 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） III 全套 资料 ， 扣扣 414951605 目录 摘要 .I Abstract . II 目录 . III 第一章 绪论 . - 1 - 第二章 设计方案选择 . - 7 - 2.1 各传感器位置确定 . - 7 - 2.2 转向机构的设计要求 . - 8 - 2.3 转向梯形设计 . - 9 - 2.4 本章小结 . - 11 - 第三章 齿轮齿条电动助力转向器设计计算 . - 11 - 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） IV 3.1 转向器的效率 . - 11 - 3.2 转向器正效率 + . - 11 - 3.3 转向器逆效率 - . - 12 - 3.4 传动比的变化特性 . - 13 - 3.4.1 力传动比与角传动比的关系 . - 14 - 3.5 参数选择 . - 16 - 3.5.1 转向轮侧偏角计算 . - 17 - 3.6 转向系载荷确定 . - 18 - 3.7 转向器的主要元件设计 . - 21 - 3.7.1 选择齿轮齿条材料 . - 21 - 3.7.2 齿轮齿条基本参数 . - 23 - 3.7.3 转向横拉杆及其端部 . - 24 - 3.7.4 齿条调整 . - 25 - 3.8 齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析 . - 26 - 3.9 齿轮齿条传动受力分析 . - 27 - 3.10 弹簧的设计计算 . - 32 - 3.11 齿轮轴轴承的校核 . - 35 - 3.12 电机选择 . - 36 - 3.12.1 助力转矩的计算 . - 36 - 3.12.2 电动机参数的选择和计算 . - 37 - 3.13 本章小结 . - 38 - 第四章 后轮转向执行器设计计算 . - 39 - 4.1 执行器结构设计 . - 39 - 4.2 齿条设计计算 . - 40 - 4.3 回位弹簧的设计计算 . - 40 - 4.4 电机选择 . - 42 - 4.4.1 助力转矩的计算 . - 42 - 4.4.2 电动机参数的选择和计算 . - 42 - 4.5 本章小结 . - 43 - 结论 . - 44 - 致谢 . - 45 - 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） V 参考文献 . - 46 - 附录 . - 47 - 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 1 - 第一章 绪论 四轮转向（ Four Wheel Steer）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）。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 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； 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 3 - 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 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 4 - 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（ Electric Control Unit,简称 ECU）转矩传感器（ Torque Sensor），前轮角度传感器（ Rotation Speed sensor）电动机（ Motor）、转向盘（ Steering Wheel）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 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 5 - 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 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 6 - 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。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 7 - 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） 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 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 8 - 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。 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 错误 !未找到引用源。 0.025 错误 !未找到引 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 9 - 用源。 0.190KN 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 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 （ 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 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 10 - 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： 错误 !未找到引用源。 - 错误 !未找到引用源。 = 错误 !未找到引用源。 （ 2.2） 前轮与后轮反向转向转角关系： 错误 !未找到引用源。 + 错误 !未找到引用源。 = 错误 !未找到引用源。 （ 2.3） 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 11 - 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 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 P1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， +=(P1 P2) Pl；反之称为逆效率，用符号 -表示， - =(P3 P2) P3。式中， P2为转向器中的摩擦功率； P3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、 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 12 - 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 )tan(tan00 （ 3.1） 式中， 错误 !未找到引用源。 为螺杆的螺线导程角； 错误 !未找到引用源。为摩擦角， 错误 !未找到引用源。 ； 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 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 13 - 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 00tantan ）（ （ 3.2） 式 (3.1)和式 (3.2)表明：增加导程角 错误 !未找到引用源。 ,正、逆效率均增大。受 -增大的影响 错误 !未找到引用源。 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 8 10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woi和转向系的力传动比pi从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 错误 !未找到引用源。 之比，称为力传动比，即 错误 !未找到引用源。 =2Fw 错误 !未找到引用源。 （ 3.3） 转向盘转动角速度 错误 !未找到引用源。 与同侧转向节偏转角速度 错误 !未找到引用源。 之比，称为转向系角传动比woi，即；kkkwwo dddtd dtdi 式中， 错误 !未找到引用源。 为转向盘转角增量； 错误 !未找到引用源。 为转向节转角增量； 错误 !未找到引用源。 为时间增量。它又由转向器角传动 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 14 - 比 错误 !未找到引用源。 和转向传动机构角传动比 错误 !未找到引用源。 所组成，即 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 。 转向盘角速度 错误 !未找到引用源。 与摇臂轴转动角速度 错误 !未找到引用源。 之比，称为转向器角传动比 错误 !未找到引用源。 , 即pppww dddtd dtdi 。 式中 ,错误 !未找到引用源。 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 错误 !未找到引用源。 与同侧转向节偏转角速度 错误 !未找到引用源。 之比，称为转向传动机构的角传动比 错误 !未找到引用源。 ，即kkkpkpw dddtd dtdi 。 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 错误 !未找到引用源。 和作用在转向节上的转向阻力矩 错误 !未找到引用源。 之间有如下关系 aMF rW （ 3.4） 式中， 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 错误 !未找到引用源。 可用下式表示 SWhh DMF 2 （ 3.5） 式中， 错误 !未找到引用源。 作用在转向盘上的力矩； 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 15 - 错误 !未找到引用源。 为转向盘直径。 将式 (3.4)、式 (3.5)代入式（ 3.3）得到 aMDMihswrP （ 3.6） 分析式 (3.6)可知，当主销偏移距 a小时，力传动比 错误 !未找到引用源。 应取大些才能保证转向轻便。通常轿车的 a 值在 0 4 0 6倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取，而货车的 d值 在 40 60mm范围内选取。转向盘直径 错误 !未找到引用源。 根据车型不同在 JB4505 86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错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 可用下式表示 wokhr iddMM 2 （ 3.7） 将式 (3.7)代人式 (3.6)后得到 aDii swwoP 2 （ 3.8） 当 错误 !未找到引用 源。 和 错误 !未找到引用源。 不变时，力传动比 错误 !未找到引用源。 越大，虽然转向越轻，但 错误 !未找到引用源。 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 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 。其中齿轮基圆齿距 错误 !未找到引用源。 ，齿条基圆齿距 错误 !未找到引用源。 。由上述两式可知：当齿轮具有标准模数 错误 !未找到引用源。 和标准压力角 错误 !未找到引用源。 与一个具有变模数 错误 !未找到引用源。 、变压力角 错误 !未找到引用源。 的齿条相啮合，并始终保持 错误 !未找到引用源。 时，它们就可以啮合运转。如果齿条中部 (相当汽车直线行 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 16 - 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 15 16。 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) 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 17 - 允许总质量 M 800(kg) 前 /后轴载荷 1000/1000(kg) 方形盘直径 错误 !未找到引用源。 400(mm) 齿条有效行程 错误 !未找到引用源。 150(mm) 最小转弯半径 R 6000(mm) 齿轮齿条转向器正效率 90 错误 !未找到引用源。 表 3.1 项目 转向小齿轮 转向齿条 模数 错误 !未找到引用源。 2.5 2.5 齿数 错误 !未找到引用源。/错误 !未找到引用源。 6 28 法相压力角 错误 !未找到引用源。 20 20 螺旋角 /齿倾角 错误 !未找到引用源。 140 80 变位系数 Xn 0 0 齿顶高系数 错误 !未找到引用源。 1 1 顶隙系数 错误 !未找到引用源。 0.25 0.25 3.5.1 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（ 错误 !未找到引用源。 ）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） 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 18 - 。 Sin 错误 !未找到引用源。 0.43 （ 3.9） 错误 !未找到引用源。 25.470 tan 错误 !未 找到引用源。 0.665 （ 3.10） 错误 !未找到引用源。 33.620 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 i 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 19 - i=错误 !未找到引用源。 47.58 (3.11) 方向盘转动圈数 n n=错误 !未找到引用源。 3.15 (3.12) 角 传动比 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 19.19 (3.13) 原地转向阻力距 错误 !未找到引用源。 的计算： 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 455557.72N.mm (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 N P 轮胎气压，单位为 MPa 作用在转向盘上的手力 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 131.89N (3.15) 错误 !未找到引用源。 原地转向阻力矩 错误 !未找到引用源。 转向盘直径 错误 !未找到引用源。 转向器角传动比 错误 !未找到引用源。 转向器正效率 主销偏移距 a a 0.5 205 102.5mm 作用在转向盘上的力矩 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 20 - 引用源。 错误 !未找到引用源。 26378N.mm 力转动比 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 =6.9 轮辋直径 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 16in 16 25.4 406.4mm 梯形臂长度 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 (0.8/2) 162.56mm 取 162mm 轮胎直径 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 55% 2 205 631.9mm 取 632mm 齿宽系数 错误 !未找到引用源。 =1.2 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 15.46mm 齿条宽度 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 . 错误 !未找到引用源。 1.2 15.46 18.55mm 圆整取 错误 !未找到引用源。 20mm 则取齿轮齿宽 错误 !未找到引用源。+10=20+10=30mm 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 21 - 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 HRc58 错误 !未找到引用源。 63/。 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 Mn 2.5 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 HRc50 错误 !未找到引用源。 56。 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 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 22 - 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 28 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 23 - 3.7.2 齿轮齿条基本参数 齿轮： 分度圆直径 错误 !未找到引用源。 15.46mm 齿顶高 错误 !未找到引用源。 1.2 15.46 18.55mm 齿顶圆直径 错误 !未找到引用源。 15.46 2 2.5 20.46mm 齿根高 错误 !未找到引用源。 2.5 (1-0 0.25) 3.125mm 齿根圆直径 错误 !未找到引用源。 =15.46-2 2.5(1-0 0.25) 9.21mm 齿条： 齿顶高 错误 !未找到引用源。 2.5 (1=0) 2.5mm 齿根高 错误 !未找到引用源。 2.5 (1-0 0.25) 3.125mm 错误 !未找到引用源。 齿顶高系数取 1 错误 !未找到引用源。 顶隙系数取 0.25 3.7.3 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）。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 24 - 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 376 螺纹长度 62 外接球头总长 68 外接头螺纹公称直径 M12 错误 !未找到引用源。 横拉杆直径 18 3.7.4 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 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 25 - 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 38 导向座高度 40 弹簧总高度 19 弹簧外径 26 螺塞螺纹公称直径 8 螺塞高度 28 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。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 26 - 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 错误 !未找到引用源。 ，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 错误 !未找到引用源。 OD = OACOS 错误 !未找到引用源。 162 错误 !未找到引用源。 DC = OC 错误 !未找到引用源。 齿轮齿条啮合长度应大于 错误 !未找到引用源。 A 错误 !未找到引用源。 A 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 27 - C 错误 !未找到引用源。 A 错误 !未找到引用源。 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 错误 !未找到引用源。 的距离为 错误 !未找到引用源。 DB=DA=68.46mm DC=B 错误 !未找到引用源。 B错误 !未找到引用源。 即 L 错误 ! 未 找 到 引 用 源 。 =95.3+94.74=190.04 mm 取 L=200mm 3.9 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 错误 !未找到引用源。 可分解为径向力 错误 !未找到引用源。 和分力 F，分力 F 又可分解为圆周力 错误 !未找到引用源。 和轴向力 错误 !未找到引用源。 。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 28 - 计算支承反力 在垂直面上 在水平面上 画弯矩图 在水平面上， a-a 剖面左侧、右侧 在垂直面上， a-a 剖面左侧 mmNlFM R A VaV 85.3 1 3 6 13915.8 0 41 a-a 剖面右侧 mmNlFM R B VaV 25.2 1 5 9 63975.5 5 32 合成弯矩， a-a 剖面左侧 mmNMMM aVaHa 5.772 4 285.313 6 122.705 8 9 2222 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 29 - a-a 剖面右侧 mmNMMM aVaHa 94.7381825.2159822.70589 2222 画转矩图 转矩 错误 !未找到引用源。 d/2 3619.96 10.82 39167.97N.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 M Pab 60 1 ， MPab 100 0 ， bb / 01 =60/100=0.6 a 错误 !未找到引用源。 截面左侧 333 38.99432 64.2132 mmdW 26.798.148497.391676.045.77242)( 2222 M P aM P aWTMe 轴的疲劳强度安全系数校核 查得 MPaB 650 , MPa3001 , MPa1551 ； 1.0,2.0 。 a-a 截面左侧 33 76.1 9 8 838.9942216 mmWdW T 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 30 - 查得 错误 !未找到引用源。 ；由表查得绝对尺寸系数 错误 !未找到引用源。 轴经磨削加工，查得质量系数 =1.0。 则 弯曲应力 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 应力幅 错误 !未找到引用源 。 平均应力 错误 !未找到引用源。 切应力 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 安全系数 67.2102.07.7791.00.1 10.23001 maKS 14.801.0845.989.00.1 72.11551 maKS 64.114.867.1 14.867.1 2222 SSSSS 查得许用安全系数 S=1.3 1.5，显然 SS，故 a-a 剖面安全。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 31 - 图（ 3-4）齿轮轴受力分 析图 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 32 - 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 错误 !未找到引用源。=1000N 时， 错误 !未找到引用源。 弹簧总的工作次数小于 错误 !未找到引用 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 33 - 源。 ，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 mmD 30 ,自由高度 错误 !未找到引用源。 。 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 410 ，载荷性质属 类， B 45.0 。 计算弹簧丝直径 d 表 （ 3-6） 弹簧丝直径 d 的计算 计算项目 计算依据和内容 计算结果 选择旋绕比 C 估 算 2D 初算弹簧丝直径 d 计算曲度系数 K 计算弹簧丝的许用切应力 计算弹簧丝直径 d 取 C =4 按 D 30mm 、 1D 21mm, 取mmD 242 CDd /2 =6mm CCCK 61 5.044 14 =1.404 =0.45 B =0.451700=765 MPa /6.1 m a x KCFd =1.6 错误 !未找到引用源。 =4.3 mm 取 C =4 mmD 242 mmd 6 K =1.404 *+=765MPa 取 d =4mm 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 34 - 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 n 总圈数 1n 节距 t 自由高度0H )m a x8m a x/ ( 3CFGdn =34141188580000 =4.43 各端死圈取 1，故 5.621 nn tan2Dt , 则 mmt 92.76ta n20 ,取 6 dntH 5.10 =4.437.92+1.55=42.59 mm n =4.43 1n =6.5 t =7.92 mm 0H=42.59mm 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= 错误 ! 未 找 到 引 用 源 。=3.1452956.25/(841.4)=1670N 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 35 - 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=33.12mm 3.11 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 e0 .6 6 596.1 4 1 0 83.9 3 7 RAFF X=0.56,选近似中间值 Y=1.5。另查表得 fp=1.2 P=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 NLnfP htr 6.291310 120 00156012.13181060rC 3 66 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 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 36 - 承 ,Cr=12.8KN，其基本额定静负荷 错误 !未找到引用源。 =6.65KN 验算并确定轴承型号 FA/错误 !未找到引用源。 =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=错误 !未找到引用源。 (XFR+YFA)=1.2(0.56141143/75+1.6469)=1444N 验算 6204 轴承的寿命 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 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 455557.72N.mm 作用在转向盘上的力矩 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 26378N.mm 根据推荐值，转向盘操纵力不应大于 30 错误 !未找到引用源。 50N，在 10N以下则转向很轻便。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 37 - 40 (400/2)=8000N.mm 错误 !未找到引用源。 作用在转向盘上的力，取 40N 错误 !未找到引用源。 方向盘直径， 错误 !未找到引用源。=400mm 所以作用在转向轴上的最大助力转矩 错误 !未找到引用源。 26.378-8 18.378N.mm 3.12.2 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 18.378/17 1.08N.m G 减速器减速比 取 G=17 电动机的最大额定转速 错误 !未找到引用源。 72 17 1224r/min 错误 !未找到引用源。 方向盘转速 错误 !未找到引 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 38 - 用源。 r/ming 功率 错误 !未找 到引用源。 0.139kw 3.13 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。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 39 - 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 HRc50 错误 !未找到引用源。 56。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。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 40 - 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 错误 !未找到引用源。 次以上的变载荷，所以选择类弹簧 错误 !未找到引用源。 =360MPa。 G 切变模量 G=90000MPa 因 d=D/C, C取 7 估取 d=10mm 错误 !未找到引用源。 MPa K 曲度系数 K 错误 !未找到引用源。 1.2 最大工作载荷 错误 !未找到引用源。 N 弹簧 丝直径 d 错误 !未找到引用源。 1.6 错误 !未找到引用源。 1.6 错误 !未找到引用源。 11.6