电动车前轮及前转向系统设计

I 摘要 近年来，随着全球汽车工业重心向中国市场转移，电动汽车的产业化进程明显加快。特别是随着我国电动汽车的制造体系逐步建立，自主创新能力得到较大提升，国内许多企业已 经 开始涉足与电动汽车相关的电池、发动机等关键零部件的研制和生产，技术水平与国际先进水平的差距正在缩小 。 首先对汽车转向系进行概述，二是作设计前期数据准备，三是转向器形式的选择以及初定各个参数，四是对齿轮齿条式转向器的主要部件进行受力分析与数据校核，五是对整体式转向梯形机构的设计以及验算，并根据梯形数据对转向传动机构作尺寸设计。 关键词 电 动汽车；四轮独立转向；转向系；齿轮齿条转向器 n of to of s of in of s as of an of a of of a of of to an 录 录 摘要 . I . 录 . 1 章 绪论 . 2 题背景 . 2 电动汽车概述 . 2 电动汽车的优点及意义 . 3 动汽车的发展 . 3 国内外四轮独立驱动的发展现状 . 4 汽车转向装置的设计趋势 . 5 转向系统的发展趋势 . 5 研究内容 . 6 第 2 章 转向系统 . 7 汽车转向系统概述 . 7 机械式转向系统 . 8 液压助力转向系统（ . 8 电控液压助力转向系统（ . 9 电动助力转向系统（ . 10 线控转向系统（ . 12 转向操纵机构 . 13 转向传动机构 . 13 转向器 . 13 转角及最小转弯半径 . 14 本章小结 . 14 第 3 章 转向器总体方案初步设计 . 15 转向器的分类及设计选择 . 15 齿轮齿条式转向器的基本设计 . 16 齿轮齿条式转向器的结构选择 . 16 齿轮齿条式转向器的布置形式 . 17 设计目标参数表以及对应的转向轮偏角计算 . 18 转向器参数选取与计算 . 20 齿轮轴的结构设计 . 22 转向器材料及其他零件选择 . 23 步进电机的选取 . 23 步距角的选择 . 24 静力矩的选择 . 24 . 流的选择 24 矩与功率换算 . 24 第 4 章 齿轮齿条转向器数据校核 . 29 条的强度计算 . 29 条受力分析 . 29 条齿部弯曲强度的计算 . 30 齿轮的强度计算 . 31 面接触疲劳强度计算 . 31 轮齿根弯曲疲劳强度计算 . 34 4. 3 齿轮轴强度校核 . 35 的受力分析 . 35 断危险剖面 . 36 的弯扭合成强度校核 . 37 的疲劳强度安全系数校核 . 37 第 5 章 转向梯形机构的设计 . 39 向梯形机构概述 . 39 向传动机构的设计 . 40 向传送机构的臂、杆与球销 . 40 向横拉杆 尺寸参数 . 40 第 6 章 基于 齿轮齿条式转向系统的三维建模 . 42 件简介 . 42 轮齿条式转向系统的主要部件 维设计 . 42 结论 . 47 参考文献 . 48 致谢 . 49 附录 1 开题报告 . 50 附录 2 文献综述 . 58 附录 3 外文翻译 . 1 2 第 1 章 绪论 课题背景 内燃机汽车经过 120 多年的发展和壮大，在安全、节能、环保、舒适、和廉价等方面取得了重大发展。但是，内燃机汽车的发展也正面临着可持续发展能源的挑战，大气环保和地球温室效应（变暖）的挑战，以及噪声方面的限制等。 据英国石油公司最近发布的 界能源统计 2009，全球原油剩余探明储量按照 2008 年的年开采速度计算，还可以开采 42 年。这意味着，到本世纪中叶，以电动汽车为代表的新能源车将毫无悬念地成为全球汽车工业的主导产品。为了提高电动车的 灵活性，四轮独立转向系统能够更好的来实现。 电动汽车概述 电动汽车（ 指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。一般采用高效率充电电池，或燃料电池为动力源 1。 电动汽车由底盘、车身、蓄电池组、电动机、 控制器 和辅助设施蓄电池六部分组成。由于电动机具有良好的牵引特性，因此蓄电池汽车的传动系统不需要 离合器 和 变速器 。车速控制由控制器通过调速系统改变电动机的转速即可实现。 图 1单一蓄电池作为电源的 1 章 绪论 3 图 1装有辅助电源的 电动汽车的优点及意义 电动汽车的发展将集中考虑能源、环保和交通成为可能，而且他对促进高科技 的发展、新型工业的兴起以及经济的发展将产生深远的影响。它有内燃机汽车不能比拟的优点。 首先，从环保角度来看，电动汽车是零排放的市区交通工具，即使计入发电厂增加的排气，总量上看，它也将使空气污染大大减少。此外，电动汽车使用电池储存的电能，没有内燃机工作时的机械噪声，所以，他能有效的控制城市的噪声污染。 其次，从能源角度来看，电动汽车将使能源的利用多元化（例如可使用各种可再生能源）和高效化，改善能源结构，达到能源的可靠、均衡和无污染的利用的目的。 电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜 都能充分利用，大大提高其经济效益。 因此开发电动汽车具有重要的能源战略意义。 再次，在改善交通安全和道路使用方面，电动汽车更容易实现智能化。 电动汽车的发展 追溯电动汽车的起源，最早可到 1881 年。它比内燃机汽车还早一些，但内燃机车后来居上，在性能、机动性和重量上远远超过了电动汽车，电动汽车在 20世纪 20年代达到鼎盛后就一蹶不振，成为 “电瓶车 ”式的辅助车辆。 在 20 世纪初蒸汽汽车、电动汽车和内燃机汽车基本是三足鼎立，在汽车保有量中，蒸汽汽车占 40%，电动汽车占 38%，而内燃汽车仅占 22%，美国是最早 使用电动汽车作为运输车辆的国家之一， 1915 年美国电动汽车 4 产量曾达到过年产 5000 辆的最高峰。有很多电动汽车一直到第二次世界大战期间仍在使用。但到 20 世纪 60 年代电动汽车的保有量仅占汽车总量的2%。 随着现代水力发电、核能发电、风力发电和太阳能的利用，为人们提供了巨大的能源。各种高能蓄电池和高效率的电机不断研发出来，使人们把目光转向了电动汽车，电动车辆可以是人们摆脱对石油燃料的依赖和实现 “零污染 ”和 “超低污染 ”的排放，为电动车的 “东山再起 ”创造了有利条件。因此各国和各大汽车公司都重视了电动汽车的研究、开发和 试制。从 20 世纪 70年代起，新一代电动汽车脱颖而出，出现了各种各样高性能的电动汽车。 国内外四轮独立驱动的发展现状 内燃机汽车经过 120 多年的发展和壮大，在安全、节能、环保、舒适、和廉价等方面取得了重大发展。但是，内燃机汽车的发展也正面临着可持续发展能源的挑战，大气环保和地球温室效应（变暖）的挑战，以及噪声方面的限制等。 据英国石油公司最近发布的 界能源统计 2009，全球原油剩余探明储量按照 2008 年的年开采速度计算，还可以开采 42 年。这意味着，到本世纪中叶，以电动汽车为代表的新能源车 将毫无悬念地成为全球汽车工业的主导产品。 美国在 1993 年对汽车能源的可持续发展发布了 划，在美国三大汽车公司的分工、合作的实施下，先后推出了以燃料电池汽车、高性能发动机、混合动力汽车和车辆轻量化等新能源、新技术和新材料为主要开发、创新方向的多种新概念车。在欧洲有由 “ 欧盟 ” 提出的能源和电动车辆的研究计划。日本由于本国石油资源匮乏。早在 20 世纪 70 年代就注意了电动车辆的研究和开发，组织的各大汽车公司先后研发了多种 世界上处于领先地位。 在我国，为实现能源保障，改善大气环境，提高 我国汽车正业的核心竞争力，国家和企业大力发展电动汽车产业。目前，电动汽车重大专项已在多个关键单元技术、系统集成技术以及整车技术上取得了重大的进展。 独立悬架轮毂驱动电动汽车以驱动方式简洁、动力传递效率高、可以做第 1 章 绪论 5 到 “ 零排放 ” 等优点充分展现了电动汽车的优势，它采用装在驱动轮当中的四个独立的轮毂电动机来驱动车辆的运动。在这种结构中，驱动轮可以单独控制，也可以整体控制，这样就为改善汽车的动力性、稳定及安全性提供了更大的发展潜力。另外这种驱动系统可以采用体积和功率较小的电动机及驱动器件，省略了其他驱动结构形式复杂的传 动变速部件，这种既有利于汽车的总体布置又有利于保证离地间隙。 本课题所研发电动汽车采用同步电机驱动齿轮齿条转向器，调节四轮摆角以达到四轮独立转向，低速转向时前后异向转向，以减小转弯半径，高速行驶时前后同向转向，为了增大转弯半径。采用编程控制系统 汽车转向装置的设计趋势 2 1. 适应汽车高速行驶的需要 从操纵轻便性、稳定性及安全行驶的角度，汽车制造广泛使用更先进的工艺方法，使用变速比转向器、高刚性转向器。“变速比和高刚性”是目前世界上生产的转向器结构的方向。 2. 充分考虑安全性、轻便性 随着汽车车速的提高，驾驶员和乘客的安全非常重要，目前国内外在许多汽车上已普遍增设能量吸收装置，如防碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊等，并逐步推广。从人类工程学的角度考虑操纵的轻便性，已逐步采用可调整的转向管柱和动力转向系统。 3. 低成本、低油耗、大批量专业化生产 随着国际经济形势的恶化，石油危机造成经济衰退，汽车生产愈来愈重视经济性，因此，要设计低成本、低油耗的汽车和低成本、合理化生产线，尽量实现大批量专业化生产。对零部件生产，特别是转向器的生产，更表现突出。 4. 汽车转向器装置的电脑化 未来汽车的转向器装置，必定是以电脑化为唯一的发展途径。 转向系统的发展趋势 美 国和德国开发的电动汽车大多采用交流感应电机，主要优点是价格较 6 低、效率高、重量轻，但启动转矩小。日本研制的电动汽车几乎全部使用永磁无刷电机，其主要优点是效率可以比交流感应电机高 6个百分点，但价格较贵，永磁材料一般仅耐热 120 以下。开关磁阻电机结构较新，优点是结构简单、可靠、成本较低、起动性能好，没有大的冲击电流，它兼有交流感应电机变频调速和直流电机调速的优点，缺点是噪声较大，但仍有一定改进余地 3。 转向装置是 为实现汽车的转弯而设置的，由转向机、方向盘、转向机构和转向轮等组成。作用在方向盘上的控制力，通过转向机和转向机构使转向轮偏转一定的角度，实现汽车的转向。多数电动汽车为前轮转向，工业中用的电动叉车常常采用后轮转向。电动汽车的转向装置有机械转向、液压转向和液压助力转向等类型。 研究内容 本章主要介绍了电动汽车的发展背景 和 未来趋势 以及转向系统的现状和独立转向的优点 。电动汽车拥有环保，改善能源结构以及易于实现交通智能化等诸多优点，因此必将成为未来交通运输的主要工具。 独立转向系统驱动方式简洁、动力传递效率高 、可以做到“零排放”等优点充分展现了电动汽车的优势，采用体积和功率较小的电动机及驱动器件，省略了其他驱动结构形式复杂的传动变速部件，这种既有利于汽车的总体布置又有利于保证离地间隙，使电动汽车成为将来出行工具的佼佼者。第 2章 转向系统设计 7 第 2 章 转向系统 车转向系统概述 4 转向系统是汽车底盘的重要组成部分，转向系统性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性，它对于确保车辆的行驶安全、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。随着现代汽车技术的迅速发展，汽车转向系统已 从纯机械式转向系统、液压助力转向系（ 电控液压助力转向系统（ 发展到利用现代电子和控制技术的电动助力转向系统（ 线控转向系统（ 按转向力能源的不同，可将转向系分为机械转向系和动力转向系。 机械转向系的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，由转向操纵机构 (方向盘 )、转向器、转向传动机构三大部分组成。其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动 (严格讲是近似直线运动 )的机构，是转向系的核心部件 2。 动力转向系除具有以上三大部件外，其最主要的动力来源是转向助力装置。由于转向助力装置最常用的是一套液压系统，因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐，它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电机和地线的作用。 通常，对转向系的主要要求是 : (1) 保证汽车有较高的机动性，在有限的场地面积内，具有迅速和小半径转弯的能力，同时操作轻便； (2) 汽车转向时，全部车轮应绕一个瞬时转向中心旋转，不应有侧滑； (3) 传给转向盘的反冲要尽可能的小； (4) 转向后，转向盘应自动回正，并应使汽车保持在稳定的直线行驶状态； (5) 发生车祸时，当转向盘和转向轴由于车架和车身变形 一起后移时，转向系统最好有保护机构防止伤及乘员。 8 机械式转向系统 汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向轮来完成的。机械式转向系统工作过程为：驾驶员对转向盘施加的转向力矩通过转向轴输入转向器，减速传动装置的转向器中有 1、 2 级减速传动副，经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆，再传给固定于转向节上的转向节臂，使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而实现汽车的转向。纯机械式转向系统根据转向器形式可以分为：齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。 纯机 械式转向系统为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘，需占用较大的空间，整个机构笨拙，特别是对转向阻力较大的重型汽车，实现转向难度很大，这就大大限制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉，目前该类转向系统除在一些转向操纵力不大、对操控性能要求不高的农用车上使用外已很少被采用。 液压助力转向系统（ 装配机械式转向系统的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重，为解决这个问题，美国 司在 20 世纪 50 年代率先在轿车上采用了液压助力转向系统。该系统是建立在机 械系统的基础之上，额外增加了一个液压系统。液压转向系统是由液压和机械等两部分组成，它是以液压油做动力传递介质，通过液压泵产生动力来推动机械转向器，从而实现转向。液压助力转向系统一般由机械转向器、液压泵、油管、分配阀、动力缸、溢流阀和限压阀、油缸等部件组成。为确保系统安全，在液压泵上装有限压阀和溢流阀。其分配阀、转向器和动力缸置于一个整体，分配阀和主动齿轮轴装在一起（阀芯与齿轮轴垂直布置），阀芯上有控制槽，阀芯通过转向轴上的拨叉拨动。转向轴用销钉与阀中的弹性扭杆相接，该扭杆起到阀的中心定位作用。在齿条的一端装 有活塞，并位于动力缸之中，齿条左端与转向横拉杆相接。转向盘转动时，转向轴（连主动齿轮轴）带动阀芯相对滑套运动，使油液通道发生变化，液压油从油泵排出，经控制阀流向动力缸的一侧，推动活塞带动齿条运动，通过横拉杆使车轮偏转而转向。 液压助力转向系统是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机带动液压泵第 2章 转向系统设计 9 产生的压力来实现车轮转向。由于液压转向可以减少驾驶员手动转向力矩，从而改善了汽车的转向轻便性和操纵稳定性。为保证汽车原地转向或者低速转向时的轻便性，液压泵的排量是以发动机怠速时的流量来确定。汽车起动之后，无论车子是否转向，系 统都要处于工作状态，而且在大转向车速较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力，所以在一定程度上浪费了发动机动力资源。并且转向系统还存在低温工作性能差等缺点。 电控液压助力转向系统（ 由于液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性，因此，在 1983年日本 司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统（ 在液压助力系统基础上发起来的，在传统的液压助力转向系统的基础上增设了电控装置，其特点是原来由发动机带动的液压助力泵改由 电机驱动，取代了由发动机驱动的方式，节省了燃油消耗；具有失效保护系统，电子元件失灵后仍可依靠原转向系统安全工作；低速时转向效果不变，高速时可以自动根据车速逐步减小助力，增大路感，提高车辆行使稳定性。电控液压助力转向系统是将液压助力转向与电子控制技术相结合的机电一体化产品。一般由电气和机械两部分组成，电气部分由车速传感器、转角传感器和电控单元 成；机械部分包括齿轮齿条转向器、控制阀、管路和电动泵。其中电动泵的工作状态由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态。简单地说，在低速大 转向时，电子控制单元驱动液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向省力；汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动液压泵以较低的速度运转，在不至影响高速打转向的需要的同时，节省一部分发动机功率。 电控液压转向系统的工作原理：在汽车直线行驶时，方向盘不转动，电动泵以很低的速度运转，大部分工作油经过转向阀流回储油罐，少部分经液控阀然后流回储油罐；当驾驶员开始转动方向盘时， 速以及电动机转速的反馈信号等，判断汽车的转向状态，决定提供助力大小，向驱动单元发出控制指令，使电动机产生相应的转速以驱动油 泵，进而输出相应流量和压力的高压油。高压油经转向控制阀进入齿条上的动力缸， 10 推动活塞以产生适当的助力，协助驾驶员进行转向操作，从而获得理想的转向效果。 电控液压助力转向系统在传统液压动力转向系统的基础上有了较大的改进，但液压装置的存在，使得该系统仍有难以克服如渗油、不便于安装维修及检测等问题。电控液压助力转向系统是传统液压助力转向系统向电动助力转向系统的过渡。 动助力转向系统（ 1988年日本 配备了 司研发的转向柱助力式电动助力转向系统。 1990 年日本 司也在运动型轿车 采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。 在 基础上发展起来的 , 它取消 液压油泵、油管、油缸和密封圈等部件 ,完全依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构 , 其结构简单、零件数量大大减少、可靠性增强 , 解决了长期以来一直存在的液压管路泄漏和效率低下的问题。电动助力转向系统在本田飞度、思域以及丰田新皇冠、奔驰新 电动助力转向系统构成 电动助 力转向系统一般是由转矩（转向）传感器、电子控制单元 动机、电磁离合器以及减速机构组成。 电动助力转向系统工作原理 电动助力转向系统的工作过程其工作过程为：扭矩传感器检测驾驶员打方向盘的扭矩，然后根据这个扭矩给控制单元一个信号。同时控制单元也会收到来自方向盘位置传感器的信号，这个传感器一般是和扭矩传感器装在一起的（有些传感器已经将这 2 个功能集成为一体）。扭矩和方向盘位置信息经过控制单元处理，连同传入控制单元的车速信号，根据预先设计好的程序产生助力指令。该指令传到电机，由电机产生扭 矩传到助力机构上去，这里的齿轮机构则起到增大扭矩的作用。这样，助力扭矩就传到了转向柱并最终完成了助力转向。 第 2章 转向系统设计 11 动助力转向系统特点 (1)节约了能源消耗。 与传统的液压助力转向系统相比，没有系统要求的常运转转向油泵，且电动机只是在需要转向时才接通电源，所以动力消耗和燃油消耗均可降到最低。还消除了由于转向油泵带来的噪音污染。液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停地流动，再加上存在管流损失等因素，浪费了部分能量。相反 在需要转向操作时才需要向电机提供的能量。而且， 的转向及当前的车速有关。当转向盘不转向时，电机不工作；需要转向时，电机在控制模块的作用下开始工作，输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向力矩。该系统真正实现了“按需供能”，是真正的“按需供能型”（ 统，在各种行驶条件下可节能 80%左右。 (2)改善了转向回正特性。 当驾驶员转动方向盘一角度然后松开时， 统能够自动调整使车轮回到正中。同时还可利用软件在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。通过灵活的软件编程，容易得到电机在不同车速及不同车况下的转矩特性，这些转矩特性使得该系 统能显著地提高转向能力，提供了与车辆动态性能相匹配的转向回正特性。而在传统的液压控制系统中，要改善这种特性必须改造底盘的机械结构，实现起来很困难。 (3)提高了操纵稳定性。 转向系统是影响汽车操纵稳定性的重要因素之一。传统液压动力转向由于不能很好地对助力进行实时调节与控制，所以协调转向力与路感的能力较差，特别是汽车高速行驶时，仍然会提供较大助力，使驾驶员缺乏路感，甚至感觉汽车发飘，从而影响操纵稳定性。但 力大小由电子控制单元（ 据车速、方向盘输入扭矩等信号进行实时调节与控制 ，可以很好地解决这个矛盾。 (4)安全可靠。 统控制单元 有故障自诊断功能，当 测到某一组件工作异常，如各传感器、电磁离合器、电动机、电源系统及汽车点火系统等，便会立即控制电磁离合器分离停止助力，并显示出相应的故障代码，转为手动转向，按普通转向控制方式进行工作，确保了行车的安全。 12 线控转向系统（ 在车辆高速化、驾驶人员大众化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的易操纵性设计显得尤为重要。线控转向系统（ 称 发展，正是满足这种客观需求。它是继 发展起来的新一代转向系统，具有比 纵稳定性更好的特点，它取消转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电能实现转向，彻底摆脱传统转向系统所固有的限制，提高了汽车的安全性和驾驶的方便性。 线控转向系统的构成 统一般由转向盘模块、转向执行模块和主控制器 动防故障系统以及电源等模块组成。转向盘模块包括路感电机和转向盘转角传感器等，转向盘模块向驾驶员提供合适的转向感觉（ 也称为路感） 并为前轮转角提供参考信号。转向 执行模块包括转向电机、齿条位移传感器等 , 实现两个功能 : 跟踪参考前轮转角、向转向盘模块反馈轮胎所受外力的信息以反馈车辆行驶状态。主控制器控制转向盘模块和转向执行模块的协调工作。 线控转向系统的工作原理 当转向盘转动时 , 转向传感器和转向角传感器检测到驾驶员转矩和转向盘的转角并转变成电信号输入到 据车速传感器和安装在转向传动机构上的位移传感器的信号来控制转矩反馈电动机的旋转方向 ,并根据转向力模拟 ,生成反馈转矩 , 控制转向电动机的旋转方向、转矩大小和旋转角度 ,通过机械转向装 置控制转向轮的转向位置，使汽车沿着驾驶员期望的轨迹行驶。 线控转向系统特点 （ 1） 取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接，通过软件协调它们之间的运动关系，因而消除了机械约束和转向干涉问题，可以根据车速和驾驶员喜好由程序根据汽车的行驶工况实时设置传动比。 （ 2）去掉了原来转向系统各个模块之间的刚性机械连接，采用柔性连接，使转向系统在汽车上的布置更加灵活，转向盘的位置可以方便地布置在需要的位置。 （ 3） 提高了汽车的操纵性。由于可以实现传动比的任意设置，并针对第 2章 转向系统设计 13 不同的车速，转向状况进行参数补偿， 从而提高了汽车的操纵性。 （ 4） 改善驾驶员的“路感”。由于转向盘和转向轮之间无机械连接， 驾驶员“路感”通过模拟生成。使得在回正力矩控制方面可以从信号中提出最能够反映汽车实际行驶状态和路面状况的信息，作为转向盘回正力矩的控制变量，使转向盘仅仅向驾驶员提供有用信息，从而为驾驶员提供更为真实的“路感”。 （ 5）减少了机构部件数量，而减少了从执行机构到转向车轮之间的传递过程，使系统惯性、系统摩擦和传动部件之间的总间隙都得以降低，从而使系统的响应速度和响应的准确性得以提高。 转向操纵机构 转向操纵机构包 括转向盘、转向轴、转向管柱、马盘及传感器。有时为了布置方便，减小由于装配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，。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，还应有转向动力系统。 转向传动机构 转向传动机构用于把转向器输出的力和运动传给转向节并使转向轮按一定关系进行偏转。 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 14 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 。 转角及最小转弯半径 5 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 2范围内；其次，应这样选择转向系的角传动比。 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 3示，由下式决定： c o tc o t（ 2 式中 0 外转向轮转角； 内转向轮转角； K 两转向主销中心线与地面交点间的距离； L 轴距 本章小结 本章通过对转向系统各部分进行介绍，讲述转向系统设计的参考依据和实现目标，对所设计内容做出简单概括。第 3章 转向器总体方案初步设计 15 第 3 章 转向器总体方案初步设计 向器的分类及设计选择 转向器是转向系中的重要部分，其主要作用有三个方面：一是增大来自转向盘的转矩，使之达到足以克服转向轮与地面之间的转向阻力矩；二是减低转向传动轴的转速，并带动摇臂轴移动使其达到所需要的位置；三是使转向盘的转动方向与转向轮转动方向协调一致。 按照转向能源不同，可以将汽车转向系统分为机械转向系统和动力转向系统 两大类。根据机械转向器的结果特点，可分为齿轮齿条式转向器、循环球式转向器、蜗杆滚轮式转向器和蜗杆指销式转向器等。 齿轮齿条式转向器的齿轮齿条直接啮合，可安装助力机构。齿轮齿条式转向器的正逆效率都很高，属于可逆式转向器。其自动回正能力强。齿轮齿条式转向器结构简单（不需要转向摇臂和横拉杆等）、加工方便、工作可靠、使用寿命长、用需要调整齿轮齿条的间隙。 循环球式转向器的第一级传动副是螺杆螺母传动副。第二级是齿条齿扇传动副或滑块曲柄销传动副。循环球式转向器的正效率很高（最高可达90% 95%） 4，操作轻便，使用 寿命长。但逆向效率也较高，可将地面对转向轮的冲击传给转向盘。 指销式转向器的传动副以转向蜗杆为主动件，装在摇臂轴曲柄端的指销为从动件。转向蜗杆转动时，与之啮合的指指销即绕转向摇臂轴轴线沿圆弧线运动，并带动转向摇臂转动。 对转向其结构形式的选择，主要是根据汽车的类型、前轴负荷、使用条件等来决定，并要考虑其效率特性、角传动比变化特性等对使用条件的适应性以及转向器的其他性能、寿命、制造工艺等。中、小型轿车以及前轴负荷小于 客车、货车，多采用齿轮齿条式转向器。齿轮齿条式转向器安装助力机构方便且转向器结构简单 ，适合于轿车。故本设计选用齿轮齿条式转向器。 16 轮齿条式转向器的基本设计 轮齿条式转向器的结构选择 入输出形式选择 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 3：中间输入，两端输出（图 3侧面输入，两端输出（图 3侧面输入，中间输出（图 3侧面输入，一端输出（图 3 图 3轮齿条式转向器的四种形式 采用侧面输入，中间输出方案时，与齿条相连的左、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，两拉杆会与齿条同时向左或右移动，为此在转向器壳体上