毕业设计（论文）-汽车转向梯形设计.doc

汽车转向梯形设计摘要: 车辆一般都是依靠转向车轮偏转一个角度来实现转弯或曲线行驶,转向时的基本要求是保证所有车轮滚动而不发生滑动,这一要求通常设计平面四杆机构来达到。工程上传统的设计都是采用图解转向梯形的方法,这种方法需要按经验数据选择机构的各几何参数,然后作图校核该梯形机构在运动过程中转向轮的转角偏差是否大于允许偏差,若大于允许偏差,则重新选择或调整几何参数,再作图校核,直至转角偏差小于允许偏差为止。这实际上是一种试凑的方法,带有较大的盲目性,工作量大。计算机的发展应用,解析法得到较好的应用,但是传统的图解法仍有它直观、方便的优点,仍然被工程设计人员广泛采用。本文介绍一种简单高效的实用解析图解设计方法,通过事先设定内、外转向轮实际特性曲线与理论特性的交点位笠来控制转角偏差的方法,选择转向梯形机构参数,可以大大减少作图次数,提高工作效率,减小转角误差4。关键词：转向梯形，解析图解设，转角偏差Car steering trapezoidal designAbstracts: Vehicles are generally steering wheel deflection angle rely on to achieve a turn or curve driving , The basic requirement is to ensure that all steering wheels rolling without slippage occurs , This requirement is usually designed to achieve planar four agencies . Traditional design methods are based on the projects steering trapezoid graphic , This method requires the data selection means according to the experience of the geometric parameters , Then check the trapezoid body mapping steering wheel angle deviation during exercise is greater than the allowable deviation , If more than the allowable deviation , Re-select or adjust the geometrical parameters , Then plotted check until the corner until the deviation is less than the allowable deviation . This is actually a trial and error approach With larger blindness and Workload . Computer application development, analytical method to get a better application , However, it is still the traditional graphical method intuitive and convenient advantages , Is still widely used engineering staff. This paper describes a simple and efficient method for practical analytical Graphic Design , Methods By setting the inner and outer steering wheel actual characteristic curve and the theoretical properties of the corner of the intersection to control the position deviation Mikasa , Select the steering linkage parameters, can greatly reduce the number of mapping, improve efficiency, reduce the angular error.Key word: Steering trapezoid, Analytical Graphic Design, Angular deviation.目 录1绪论11.1研究背景和开发意义 11.2课题来源及内容11.2.1课题来源11.2.2研究内容11.3转向系统的现状及发展趋势21.3.1纯机械式转向系统21.3.2 液压助力转向系统21.3.3 汽车电动助力转向系统(EPS)31.3.4 线控转向系统61.3.5 汽车转向技术的发展趋势72 简述汽车转向系统82.1转向系统的定义82.2转向系统的作用及要求82.3 转向系统的组成82.4 轿车对转向系统的要求112.5 汽车转向梯形的结构，分类及作用113 汽车转向梯形结构的解析图解设计方法143.1总体设计方案143.2转向理论特性143.3转向梯形的图解设计及其转角误差153.4实际特性曲线的分析173.5转向梯形参数的确定183.6设计方法举例204 了解零部件材料及制造，热处理工艺274.1材料274.2 制造274.3 热处理工艺285 主要零部件的载荷与计算工况的分析计算10305.1零件的载荷与计算工况的理论概述305.2梯形臂的强度计算315.3转向横拉杆的强度计算32结论与展望33参考文献34致谢35I太原工业学院毕业设计1绪论1.1研究背景和开发意义 10汽车转向梯形机构按结构形式可分为整体式和断开式2种。断开式转向系统又分为:对称杆式、中间臂式、齿轮齿条拉杆式等,多用于独立悬架形式的汽车;整体式转向系统多用于转向轴为整体刚性轴、悬架形式为非独立悬架的汽车。断开式转向系的主要优点是:与转向轮采用独立悬架相配合,能够保证一侧车轮上、下跳动时不会影响另一侧车轮。其缺点是:杆系和球头增多,结构复杂,制造成本高,调整转向轮定位困难。因此,现代汽车多采用断开式转向梯形机构。其设计原则为:（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。（2）汽车转向行驶后，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)操纵轻便,汽车在任何行驶状态下,转向轮不得产生自振。（4)悬架导向机构和转向传动机构同时工作时,运动不协调量应最小。（5)保证汽车有较高的机动性并有最小的转弯半径。1.2课题来源及内容1.2.1课题来源 本课题来源于太原工业学院毕业设计课题组。1.2.2研究内容 通过调研和查阅相关资料文献，掌握汽车转向梯形主要用途和工作原理。应用所学相关基础知识和专业知识，分析转向梯形结构、载荷，对主要受力件强度进行计算分析，应用CAD三维造型或二维设计技术完成课题总成和关键零件结构设计和计算说明书，按照学校要求编写毕业设计论文。（1）掌握汽车转向梯形的结构及工作原理，绘制结构简图和原理简图。（2）了解零部件材料及制造、热处理工艺。（3）了解汽车转向梯形的失效模式。（4）制作汽车转向梯形的装配总图。（5）对汽车转向梯形及关键零件结构进行计算分析，重点是对失效件的分析。（6）编写毕业设计论文，总结设计取到的效果与体会，提出自己的论点和改进建议等。1.3转向系统的现状及发展趋势1.3.1纯机械式转向系统机械式的转向系统, 由于采用纯粹的机械解决方案, 为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘, 这样一来, 占用驾驶室的空间很大, 整个机构显得比较笨拙, 驾驶员负担较重, 特别是重型汽车由于转向阻力较大,单纯靠驾驶员的转向力很难实现转向, 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, 目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使用。1.3.2 液压助力转向系统1953 年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统, 此后该技术迅速发展, 使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。80 年代后期, 又出现了变减速比的液压动力转向系统。在接下来的数年内, 动力转向系统的技术革新差不多都是基于液压转向系统, 比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统( Variable Displacement Power Steering Pump) 和电动液压助力转向( Electric Hydraulic PowerSteering, 简称EHPS) 系统。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下, 泵的流量会相应地减少, 从而有利于减少不必要的功耗。电动液压转向系统采用电动机驱动转向泵, 由于电机的转速可调, 可以即时关闭, 所以也能够起到降低功耗的功效。 液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞, 布置更方便, 降低了转向操纵力, 也使转向系统更为灵敏。由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力, 目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面存在不足。1.3.3 汽车电动助力转向系统(EPS) EPS 在日本最先获得实际应用, 且得到迅速发展, 其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司, 美国的Delphi公司,德国的ZF 公司, 都研制出了各自的EPS。 EPS 的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展,日本早期开发的EPS仅低速和停车时提供助力, 高速时EPS 将停止工作。新一代的EPS 则不仅在低速和停车时提供助力, 而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。（1） 电动助力转向系统的结构图1.1 电动助力转向系统的结构 电动助力转向系统是在传统机械转向机构的基础上发展起来的。系统通常由转矩传感器、车速 传感器、电子控制器、电动机、电磁离合器和减速机构等组成, 其结构示意如图1.1（2）电动助力转向系统工作原理图1.2 电动助力转向系统的工作流程图汽车处于起动或者低速行驶状态时, 操纵转向盘转向, 装在转向柱上的转矩传感器不断检测作用于转向柱扭杆上的扭矩, 并将此信号与车速信号同时输入电子控制器, 处理器对输入信号进行运算处理, 确定助力扭矩的大小和方向, 从而控制电动机的电流和转向, 电动机经离合器及减速机构将转矩传递给牵引前轮转向的横拉杆, 最终起到为驾驶人员提供辅助转向力的功效；工作流程图见图1.2。电动助力转向系统很容易实现在不同的车速下实时的为汽车转向提供不同的助力效果, 保证汽车在低速行驶时轻便灵活, 高速行驶时稳定可靠。（3）电动助力转向系统的主要部件 转矩传感器用于检测作用于转向盘上的扭矩信号的大小与方向, 由力矩传感器和旋转速度传感器组成。力矩传感器感知转向盘的转向力矩大小, 旋转传感器感知转向盘的旋转速度, 并把感知的这两个信号传递到电子控制单元。目前采用较多的转矩传感器是扭杆式电位计传感器。车速传感器用于检测汽车的行驶速度, 并进行自诊断,把检测到的信号送入电子控制单元。常采用电磁感应式传感器, 安装在汽车变速器输出轴上。电动机电动助力转向系统的动力源, 通常采用无刷永磁式直流电动机, 其功能是根据电子控制单元( ECU) 的指令产生相应的输出扭矩。电动机是影响EPS 性能的主要因素之一, 不仅要求低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻,而且要求可靠性高、控制性能好。电子控制单元它是整个控制系统的核心, 完成对各个传感器输入信号的处理, 依据控制规则计算出所需的参数值, 通过驱动电路, 实现对电机的控制电磁离合器对于动力的工作范围限定在某一速度区域内。如果超过规定速度, 电动机停转, 且离合器分离, 不再起传递动力的作用。在不加助力的情况下, 离合器可以清除电动机惯性的影响。同时, 在系统发生故障时, 因离合器分离, 又可以恢复手动控制转向。减速机构用来增大电动机的输出扭矩。主要有两种形式: 蜗轮蜗杆减速机构和双行星齿轮减速机构。前者主要用于转向轴助力式转向系统, 后者主要用于齿轮助力式和齿条助力式转向系统.（4）电动助力转向系统的优点电动助力转向系统是一项采用现代控制方法的高新技术, 与传统液压动力转向相比, 它具有下述优点:电动机和减速机构安装在转向柱或在转向系内, 所占空间小, 零部件结构简单、安装方便, 维护费用低;以电动机为动力, 不需要转向油泵、油管及控制阀等液压元件, 也不会耗用发动机的功率和发生液压油泄漏和损耗, 电动机只在需要时才启动, 耗用电能较少, 提高了汽车经济性;低速停车入库时转向助力器对转向力的降低非常显著;更好地吸收道路上的任何颠簸并能灵敏反映路面信息, 改善汽车的转向特性, 灵敏度高。1.3.4 线控转向系统 图1.3 ZF公司开发的线性转向系统 线控转向系统( Steering by Wire-SBW) 是更新一代的汽车电子转向系统, 线控转向系统与上述各类转向系统的根本区别就是取消了转向盘和转向轮之间的机械连接。图1.4所示为ZF公司开发的线控转向系统。该系统具有2 个电机:路感电机和驱动电机。路感电机安装在转向柱上, 控制器根据汽车转向工况控制路感电机产生合适的转矩, 向驾驶员提供模拟路面信息。驱动电机安装在齿条上, 汽车的转向阻力完全由驱动电机来克服, 转向盘只是作为转向系统的一个转角信号输入装置。线控转向系统能够提高汽车被动安全性, 有利于汽车设计制造, 并能大大提高汽车的乘坐舒适性。但是由于转向盘和转向柱之间无机械连接, 生成让驾驶员能够感知汽车实际行驶状态和路面状况的“路感”比较困难; 且电子器件的可靠性难以保证。所以线控转向系统目前处于研究阶段, 只配备在一些概念汽车上。1.3.5 汽车转向技术的发展趋势 助力转向系统经过几十年的发展, 技术日趋完善。今后, 电动助力转向系统将进一步成熟, 线控转向系统将成为我们研究的努力方向。具体来说, 转向系统主要从以下几个方面进一步发展:（1）传感器技术性能完善的电动助力转向系统需要采集转向盘转角信号、转向盘转矩信号、转向盘转速信号、电机电压信号、电机电流信号等。目前, 传感器的成本是制约电动助力转向系统迅速市场化的主要因素, 因此, 设计和开发适合电动助力转向系统使用的性价比较高的传感器是未来技术发展的关键。 （2）控制策略的研究控制策略是影响助力转向系统性能的关键因素之一, 也是电动助力转向系统的核心技术之一。目前, 国内外许多学者都在探讨将先进的控制理论应用于助力转向系统的研究, 如鲁棒控制理论、模糊控制理论、神经网络控制理论和自适应控制理论等。今后, 控制策略研究的重点主要集中在如何抑制电机的力矩波动、如何获得较好的路感、如何抑制路面干扰和传感器的噪声等方面, 以进一步优化和改善助力转向系统的动态性能和稳定性。（3） 助力电机的研究助力电机是电动助力转向系统的执行元件,助力电机的特性直接影响到控制的难易程度和驾驶员的手感。目前, 电动助力转向系统普遍采用成本较低的直流有刷电机。由于直流无刷电机采用电子换向, 减少了换向时的火花, 不需要经常维护以及具有较高的效率和功率密度等优点而受到越来越多的关注。因此, 开发适合助力转向系统使用的低成本的直流无刷电机是今后助力电机的研究方向。2 简述汽车转向系统2.1转向系统的定义10汽车在行驶过程中，在驾驶员操纵下，需要经常改变行驶方向。汽车行驶方向的改变，是通过转向轮（一般是前轮）在路面上偏转一定角度来实现的，用来控制转向轮偏转的一整套机构，称为汽车转向系统。2.2转向系统的作用及要求10汽车转向系是用来改变和恢复汽车行驶方向的。驾驶员通过操纵方向盘，使汽车转向轮相对于汽车纵轴线偏转一定角度，以使汽车转向。在汽车直线行驶时，转向轮常会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向。驾驶员利用转向系统使转向轮相反偏转，恢复原来的行驶方向。转向系统是用来改变汽车的行驶方向和保持汽车只想行驶的机构，对转向时车轮的正确运动和汽车的安全行驶影响很大。为此汽车转向系统应满足下列要求：（1）工作可靠。转向系统对汽车的行驶安全性影响很大，因此各零件要有足够的强度，刚度和使用寿命。（2）操纵轻便。汽车转向时，作用在方向盘的力要小；方向盘回转圈数要少，汽车直线行驶时方向盘要稳定，无抖动和摆振现象。（3）汽车转向时，要求车轮纯滚动而无滑动。（4）汽车转向受到冲击时，方向盘上的感觉应最小，又要保证驾驶员有正确的道路感觉。（5）转向系统的调整应简单易行。2.3 转向系统的组成10汽车转向系统一般由转向传动机构、转向器和转向操纵机构三部分组成。采用动力转向车轮，如高级小客车或重型货（客）汽车，另有助力系统。 图2.1 转向系统的组成一般汽车转向系统示意图如图2.1所示。方向盘、转向轴、啮合传动副（蜗杆，齿扇）等总称为转向器。转向齿臂、转向纵拉杆、转 向节臂，左右梯形臂和转向横拉杆总称为转向传动机构。前轴，左右梯形臂和转向横拉杆组成转向梯形，其作用是保证转向时左右转向轮的偏转角具有一定的相互关系，实现转向轮转向时做纯滚动而无滑动。汽车转向时，驾驶员转动方向盘，通过转向轴带动互相啮合的蜗杆和齿扇，经过转向垂壁，转向纵拉杆和转向节臂，使左转向节及左转向轮绕主销偏转，并通过梯形臂，转向横拉杆使右转向节及右转向轮向同一方向偏转，实现汽车转向。在汽车行驶过程中转向系统大部分处于经常受力的状态，还受到路面通过转向轮传来的振动与冲击。为了保证汽车的安全运转，转向系统各零件必须有足够的强度，刚度，耐磨并方便维护，调整。按使用的能源不同分为机械转向系统和动力转向系统两大类。机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。机械转向系统由转向操纵机构，转向器和转向传动机构三大部分组成，转向传动机构具有一定的传动比，并将运动平面改为。图2.2 机械转向示意图2对于重型汽车和车速较高的高级小客车光靠转向器所提供的有限传动比，往往满足不了转向轻便和灵敏两个方面的要求。在这类汽车上广泛采用助理装置，加装助力装置的转向系统称为动力转向。机械转向示意图如图2.2.动力转向系统除了如图2.2所示的主要零件外，还必须附加液压泵，流体贮存箱，软管及转向辅助装置或动力转向器。由于现代汽车的发动机功率在不断增加，行驶速度也不断提高，两轮转向汽车在高速时，相对于一定的方向盘转角增量，车身的横摆角速度和横向加速度的增量也加大，从而使汽车在高速时的操纵稳定性变差。现代汽车采用四轮转向系统，不仅能保证汽车低速行驶的转向灵活，而且也能保证汽车高速行驶时的稳定性。转向操纵机构包括转向盘、转向轴、转向管柱。有时为了方便布置，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方便拆装，在转向轴与转向器的输入端之间安装转向万向节，如图2.3所示。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。9 1转向万向节；2传动轴；3转向管柱；4转向轴；5转向盘图2.3 转向操纵机构12.4 轿车对转向系统的要求10因为转向系统的结构和性能对轿车行驶安全至关重要，对驾驶员的劳动强度影响很大，尤其对车速较高，道路环境复杂的城市用轿车，转向系统必须具备良好的操纵性和稳定性。所谓操纵性是指轿车转向系统能够准确按照驾驶员的指令进行转向的能力；稳定性是指轿车转向系统受外界各种干扰后，能够保持稳定或恢复原来行驶方向的能力。对于操纵性来讲，要求轿车转向系统在轿车转向时，车轮应有正确的转向运动规律，且操纵轻便灵敏。对于稳定性来讲，轿车转向系统应具有自动回正功能。轿车转向系统必须安全可靠，因此它的整体设计精巧，结构紧凑，选材优质，零部件制造都有足够的强度和刚度。轿车方向盘造型美观，触摸舒适。2.5 汽车转向梯形的结构，分类及作用3,6,7,10汽车转向系统能保证在汽车转向时 ，各个车轮都做纯滚动，而不发生滑转式拖磨。这就要求所有车轮的轴线都应该相交于一点。此交点就是瞬时（对应于方向盘的各个位置）中心，称为汽车的转向中心（如图2.4）。即当汽车转弯时，如果转向轮的内轮和外轮偏转同一角度，则两车轮的轴线分别交于和（如图2.5）。由于前后轿车轮的瞬时转动中心不一致，结果会造成行驶阻力增加，转向困难，轮胎磨损和油耗增加。为避免这种情况，使转向顺利，只有使所有车轮都围绕同一点滚动才能实现。图2.5 转向角示意图图2.4 轿车转向时理想转向轮偏转关系转向梯形(如图2.6)机构的分类及布置型式：转向梯形机构按转向轮的悬架型式，分为整体式梯形结构，它与非独立悬架配用；分段式梯形结构，它与独立悬架配用。图2.6 转向梯形的示意图2汽车转向梯形的布置型式：梯形机构布置在前桥之前为前置式。为了保证汽车的行驶安全，梯形机构一般布置在前桥之后，并使横拉杆的高度不低于前桥的高度，以免障碍物撞击转向横拉杆。东风EQ1090等型汽车都采用后置梯形机构。前置式梯形机构应用较少，只有在发动机位置很低，或者由于前桥驱动，梯形臂和横拉杆难于布置时才采用，如北京吉普车，丰田TOYOTA邓型汽车。 汽车设计者是利用转向梯形机构来实现偏转角关系。奥迪100型，天津夏利，上海桑塔纳，富康等常见轿车行驶系统都是采用前置前驱动的总布置结构，前桥并无明显的前轴梁，而是依靠刚性很强的车身来承担前桥负荷的。为了工作可靠，往往在前桥上加装了横向稳定杆，并与车身一起与转向拉杆，左右梯形臂组成了转向梯形结构。内外转向轮偏转角之间的关系在整体式前桥上，是由转向梯形结构来近似保证的。转向梯形由固定在左右转向节上的梯形臂与连接两节臂的横拉杆组成。作为汽车的一个重要组成部分, 汽车转向系统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, 始终是各汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。汽车转向系统经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统3个基本发展阶段。3 汽车转向梯形结构的解析图解设计方法93.1总体设计方案通过事先设定内、外转向轮实际曲线与理论特性曲线的交点位置来控制偏转角偏差，选择合适的梯形结构参数，减少作图次数，提高工作效率，减小转交偏差。3.2转向理论特性 机动车辆或装卸搬运车辆的转向大多数都是采用的双轴线式转向方式,见图3.1。为了满足纯滚动条件,转向时所有车轮必须以不同的半径围绕同一转向中心滚动,各个车轮的轴线交于瞬时转向中心O点,为此,两个转向轮偏转的角度不同,但是两个转角之间满足确定的几何关系: (3.1)式中：外轮转角;内轮转角;M转向轴两主销中心距;L车辆前后轴轴距。为了满足运动学上的这一几何关系,一般都是通过设计转向梯形机构来实现的。式(3.1)称为转称为转向理论特性。 图3.1 转向理论特性曲线图3.1 转向理论特性曲线 3.3转向梯形的图解设计及其转角误差转向梯形四杆机构中,固定件长度(两主销中心距)M是由车辆总体设计给出的,由对称性,两梯形臂长相等。因此,只有两个独立变量有待确定,一个是连杆(横拉杆)长度,一个是两摇杆(梯形臂)长度,这两个参数还可以转化为梯形底角及梯形臂长m,见图3.2。图3.2 转向实际曲线与理论曲线的关系通常设计是根据经验给出的和m的范围,初选和m值,然后用作图的方法作出所选机构在转向轮转角范围里(),内、外轮转角和的一组实际对应值,并将这组对应的转角按图3.2所示方法作出实际特性曲线GE,与理论特性GF比较,得到转角的偏差值,如果两条特性比较接近,小于允许偏差,则说明转向梯形几何参数合理,如果大于允许偏差,则须重新选择梯形参数,重复作图。工程上,单梯形转向机构转向轮的转角最大不超过,而转角偏差大不于。 3.4实际特性曲线的分析 转向梯形的图解法,为了达到转角误差的要求,常常需要重复作图多次。初选梯形参数之前,如果能分析出底角和梯形臂长m两个参数与转角误差之间的关系,使初选梯形机构的实际特性曲线与理论特性线相逼近,则通过一两次作图校核就能达到设计要求,大大提高工作效率。转向梯形的设计是给出两连架杆对应转角函数关系的四杆机构的设计问题,有无穷多的近似解,每一种解的误差不尽相同,其结果分三种情况(见图3.3):第一种情况,在最大转角最大范围内,实际特性曲线与理论特性线只有G点一个交点,两曲线相距较远,误差相对较大;第二种情况,两特性曲线在G点和的P点两处有交点,误差比第一种情况小;第三种情况,两特性曲线在G点和的K点两处有交点,显然,交点K取得合适,则转角误差比前两种情况均小。例如,转向梯形参数，如果初选参数,m/M=0.138,则实际特性曲线与理论特性将在有交点,有,最大转角误差，属第一种情况;如果初选参数，m/M=0.113，则交点，有,最大转角误差,属第三种情况。通过分析得出,第三种情况,实际特性曲线与理论特性比较接近,所设计的转向梯形机构,一般均能满足转角误差要求。图3.3 实际特性曲线与理论特性曲线的三种关系 3.5转向梯形参数的确定引入平面四杆机构的图解设计法，见图3.4设各杆长度:固定构件AD=M,是已确定的转向轴主销距；连架杆AB=CD=m为待定的转向臂长，连杆BC=n待定。建立图示坐标系,并设AB转向臂与x轴的夹角,CD转向臂与x轴的夹角,转向梯形底角，转向时内轮转角，外轮转角，则有 （3.2） 通过解析几何的方法可以得到转向梯形角位移方程式 （3.3） 图3.4 内外转向轮的偏转关系 令 ， (3.4) 代入（3.3）式得： （3.5）令 （3.6） 式（3.5）可以简化为： （3.7） 方程(3.7)只有两个未知数和,为了得到精确解,给出两连架杆对应的两对角位移和,由选取转向轮满足转向理论特性。关系式的两组内、外轮转角和分别代入式(3.2)计算和, 然后代入式(3.6)计算出对应的、和、系数,并建立方程组: （3.8）解得： （3.9）由式(3.4)得到连架杆(转向臂)及连杆(横拉杆)长 (3.10) 若所取那么,按上述方法所设计的转向梯形实际特性曲线,在范围内,必定与理论特性有两个交点,即满足转角关系的精确点。为确保车辆直线行驶,在设置一个精确点,点就是另一个精确点。点的选取要适当,取得过小,在接近时实际特性曲线将在反方向上偏离理论特性较大,将使转角误差增大,取较合适。底角的初选。当车身较长,M/L较小时,偏大取,例如M/L=0.33,取较理想;而当车身短,M/L较大时,偏小取,例如M/L=0.5,取能满足设计要求。底角的初选还可以用公式“”来确定。当用初选的底角及选定的精确点代入公式设计出的m/M不能满足工程设计范围要求,即0.11m/M0.15时,可以在第一次初选的角附近改变其值再作计算(见设计方法举例),其规律是:m/M值偏大,则减小;反之m/M值偏小或出现负值,则增加。 3.6设计方法举例现已知SXQ5610双轴洒水车车辆转向轴主销中心距M=1773，L=4500。内轮最大转角，,要求转角误差为例,转向梯形机构设计方法如下:为了控制所设计的转向梯形机构转角误差,在设计一个精确点,对应的由公式（3.1）计算,，显然也是一个精确点,确保车辆的直线行驶。先按公式“”初选底角,取。,然后分别运用公式(3.2)、(3.6)、(3.9)和公式(3.10)计算、a、b、m/M、n/M(计算数据见表3.1)表3.1 计算数据1底 角 计 算 参 数 m/M n/M-0.84800.5492-0.7689-3719.9176由于m/M的值是负值，所以不符合要求。再令计算得：底 角 计 算 参 数 m/M n/M0.5176-0.86600.5226-0.790715.06-8.660.066400.9700表3.2 计算数据2因为m=117.7不在199266之间，所以不符合要求，继续取值，计算得：表3.3 计算数据3底 角 计 算 参 数 m/M n/M0.4838-88290.4958-0.81165.9417-3.750.16830.9190因为m=1773/5.9417=298266,所以不符合要求，继续取值计算得：表3.4 计算数据4底 角计 算 参 数 m/M n/M0.50076-0.87460.5092-0.80138.6848-5.21330.11510.9425综上所述时，m=204，符合要求。此时n=1671。用图解法校核该转向梯形。如图3.5.图3.5 实际特性曲线与理论曲线关系图图3.5 由图3.5可知，实际特性曲线与理论特性曲线近似重合，所以上述所得结果正确。随着内转向轮实际转向角的变化，外转向轮的理论转向角与实际转向角及它们的误差都会发生相应的变化，对其结果比较如下表（表3.5 理论与实际转向角的比较）表3.5 理论与实际转向角的比较（单位：度）内转向轮理论偏转角外转向轮理论偏转角外转向轮实际偏转角理论与实际外偏转角的误差00002017.640180.362219.239200.7162420.757210.2432622.244230.7562823.794240.2513025.714260.2863226.657270.3433428.058290.9423629.466300.5343830.837310.1634032.26432-0.2644535.6435-0.64由上述表格可知当内转向角变化时，外转向轮的实际转向角与理论转向角存在一定的差值，所以设计的关键是怎样尽可能的减少这个差值。4 了解零部件材料及制造，热处理工艺4.1材料要按零件的服役条件、常见失效形式，着眼零件的形状、结构、尺寸，从满足性能要求及经济性等角度出发合理选择材料；另外，还要考虑到材料有关的工艺性，包括铸、锻、焊、热处理、机械加工性能。热处理工艺性，如淬透性、淬硬性、回火脆性、畸变开裂倾向等，均与材质有关，选材时要充分考虑使零件便于热处理。如对于某些形状复杂的零件，为减少热处理畸变及避免开裂，需选择畸变开裂小的材料，或使用淬透性稍高的材料以便淬火冷却时采用较为缓和的冷却介质等。4.2 制造零件的制造过程：11铸铁件的制造过程：融化（冶炼）浇铸零件毛坯去应力退火粗加工热处理精加工成品。铸钢件的制造过程：冶炼浇注零件毛坯均匀化退火预备热处理机加工最终热处理成品。锻件、轧（拔）件可由冶金厂供料，主要产品的简要生产一般结构钢制造的机器零件大致的加工过程（或称工艺流程）可概括为：预备热处理 预备热处理 最终热处理（退火或正火） （调质 ）（调质热处理）毛坯【型材（落料）锻件】粗加工半精加工精加工成品 去应力退火 表面热处理热处理是通过加热、保温、冷却来改变零件内在的组织和性能工艺，达到满足零件的使用要求，属于热加工范畴；而机械加工主要是成形，达到零件的形状、尺寸、精度要求，属于冷加工范畴。他们两者之间存在着不可分割、密切相连的俄关系。要高效、经济、成功的制造产品零件，首先要安排一个合理的加工工艺，做到冷热加工各工序之间良好的衔接并密切配合；其次要考虑冷热加工之间的相互影响，根据所要求的性能、组织的不同，相应采用不同的热处理方法，使这些热处理工序正确、合理的穿插在机械加工的有关工序间。插入的预备热处理（退火或正火）一般安排在粗加工之前，主要目的是改善切削性能、消除毛坯制造时的内应力和不良组织。插入的调质处理（淬火+高温回火）可以作为预备热处理，一般安排在粗加工后、半精加工之前；也可以作为最终热处理，一般安排在半精加工和精加工之间。对于精度要求一般的零件，插入的去应力退火安排在粗加工后、精加工之前；对于精度要求较高的零件，去应力退火不仅安排在粗加工、半精加工之间，而且还增设在半精加工过程中。插入的最终热处理，安排在半精加工后、精加工前，如主要用于提高零件的强度和硬度的淬火、回火热处理，或主要用于提高表面强度、硬度、耐磨性、疲劳度的表面热处理（感应淬火、渗碳、渗氮等）4.3 热处理工艺机器零件热处理工艺选择的一般原则11,12（1）强度要求不高的碳钢零件，可以不进行热处理或仅仅做正火处理。铸钢件需进行正火处理。（2）按切削加工性的要求选择热处理工艺。低碳低合金结构钢采用正火预备热处理，如20GrMnTi采用等温证或工艺，可以获得较好的切削加工性和低的表面粗糙度。（3）要求较高强度和综合力学性能的零件，可以采用调制处理。调制处理既可作为预备热处理，也可作为最终热处理。（4）以整体淬火作为最终热处理常适用下列情况：整体强韧性要求较高的零件，可以采用低碳钢和低碳合金钢整体淬火；整体要求有一定强度的零件，同时又要兼顾一定的塑韧性，选择整体淬火并回火至适当硬度的最终热处理；整体要求较高强度、硬度和耐磨的零件，采用整体淬火的最终热处理获得较高的强度和硬度；局部淬火有困难的小零件及要求淬火表面较多的零件，为简化工序采用整体淬火，但对于承受较大冲击载荷的里零件，是否采用整体淬火要慎重考虑。（5）对于形状复杂、要求热处理的畸变量小，或要求整体高强度和高韧性及表面较高耐磨性的零件，可以采用等温淬火或分级淬火作为最终热处理。（6）仅仅表面层要求较高耐磨性和疲劳强度的零件，采用表面淬火作为最终热处理。（7）表面要求高耐磨性、高疲劳强度，心部要求高强韧性的动力机械零件，采用低碳合金钢，以渗氮淬火作为最终热处理。（8）要求高耐磨性和高疲劳强度的精密零件，或要求一定的耐腐蚀的另加，可以采用渗氮处理。（9）要求表面耐磨和高疲劳强度而承载较轻的零件，或形状复杂的精密零件、轻载零件、当采用其他热处理方法难以解决热处理畸变问题时，可以采用各种低温化学热处理工艺，如铁素体氮碳共渗、低温渗硫等。（10）为了减少最终热处理时的畸变，应在工艺过程中安排适当的去应力退火工序，以消除或减少前道加工中的残留应力。这对于形状复杂的渗氮或氮碳共渗零件显得尤为重要。连杆承受拉压疲劳的零件大多选用中碳合金结构钢或非调质钢。由于连杆有一定的力学性能要求，常用中碳合金结构钢进行调制及抛丸强化处理。有两种工艺过程：14,151）下料热模锻空冷正火清理、喷丸调制强化抛丸探伤机械加工成品。2）下料热模锻锻造余热淬火高温回火强化喷丸探伤机械加工成品。5 主要零部件的载荷与计算工况的分析计算105.1零件的载荷与计算工况的理论概述在汽车行驶过程中， 其零部件承受的载荷的大小和性质受着许多因素的影响，例如车轮与路面间的相互作用；司机对操纵机构的操纵力和操纵方式；发动机的工作工况等等。汽车传动系的零件与发动机的旋转部分，车轮以及整个汽车的质量构成一个多质量振动系统，在这个系统中在特定的条件下会产生共振而降低传动系的寿命。上述因素均使汽车零部件承受动载荷；而当汽车及发动机均处于静止状态时，汽车零部件则承受静载荷。有些动载荷的变化是有规律的，可用某个确定的时间函数来表达。有些动载荷的变化是无规律的，即 不的能用确定的时间函数来描述。变化无规律的动载荷又叫随机载荷。由于路面不平度是随机的，因此，因受不平的激励而在车轮上产生的进而作用到车桥，悬架，车架或车身上的动载荷也是随机的。随机载荷只能用统计的方法进行描述，载荷谱就是常用的描述方法。汽车的可靠性与其使用期间作用在零部件上的实际载荷有关。由于汽车的使用条件非常复杂，时间也不固定，有影响且变化的因素很多，致使在零件中的应力值会在很大范围内变动，甚至应力性质也会变化。因此，确定汽车零部件所承受的实际载荷要比确定其他机械产品的载荷复杂的多。而引起零件产生应力的力有些是恒定不变的（例如重力，零件装配时产生的预紧力或过盈力），有些是不定的（例如汽车起步和制动时产生的力，零件制造误差引起的力，工作工况改变而引起转矩及力的改变，行驶阻力引起的力等等）。汽车零部件的耐久性和寿命与该车在给定使用条件下所承受的持续重复加载力的大小和作用时间和次数有关。所谓持续重复加载力指在零部件使用期间持续重复加载1000次以上的动载荷，它又称为疲劳载荷。汽车的耐久性也与其零部件的结构刚度有关。因为刚度不足会使轴，支承和壳体等产生变形而破坏相配零件的正确相对位置，从而引起应力集中，降低零件的使用寿命。改善零件的表面加工质量，采用高质量的材料，采用各种表面强化工艺，防锈镀层，采用高质量的润滑材料和可靠的密封件，都是提高零部件的使用寿命的措施。采用何种措施取决于汽车的额外成本和生产规模和型式。汽车零部件在长期使用中会发生不同形式的损伤和破坏。当受到短时间的大的峰值载荷的作用并在其危险断面产生了超出屈服极限或强度极限的应力时，将会导致零件的断裂而失效，这种失效称为静强度失效，抵抗这种失效的能力称为静强度。在设计中为了校核零件的静强度，首先就要确定其危险断面及其所承受的最大载荷。有些零件是由于在动载荷长期重复加载下形成局部高应力区使较弱晶粒产生微观裂纹并继续发展成宏观裂纹而导致疲劳破坏的，这种动载荷可能是拉压弯扭载荷中的一种，也可能是其中某些载荷的符合载荷。而这种失效称为疲劳强度失效，抵抗这种失效的能力称为疲劳强度。接触强度是疲劳强度的一种，它表示在接触压应力和切应力的持续重复加载作用下，零件工作表面抵抗破换的能力。其失效称为接触强度失效。例如，相啮合齿轮的轮齿表面，轴承的钢珠与滚道表面在工作时都承受着接触应力，其失效的形式往往是接触强度失效。由上述可见，在设计中为了进行零部件的强度计算，首先要弄清楚载荷工况，破坏机理，以便采取相应的强度计算方法进行有效的设计。汽车的摩擦件还应具有耐磨性即抵抗磨损的能力。因为磨损将改变零件的尺寸和形状