【温馨提示】 购买原稿文件请充值后自助下载。
[全部文件] 那张截图中的文件为本资料所有内容，下载后即可获得。
预览截图请勿抄袭，原稿文件完整清晰，无水印，可编辑。
有疑问可以咨询QQ：414951605或1304139763
摘 要
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。
本文主要介绍汽车转向系的组成和作用，在对大量资料分析研究的基础上，提出运输车用循环球转向器的性能指标和机构方案。并且采用相关数据进行机械式转向机构的设计，对各种机械转向器的利弊进行分析，进行循环球转向器的总体和零部件CAD设计。
关键词:驾驶；转向系统；转向器；设计；计算
ABSTRACT
In the process of travelling, steering is the most basic movement. We operate and control the automobile through the steering wheel, thus to achieve our intention of driving. On the modern automobile, the steering system is one of the most basic systems, it is also a essential unit which affect the automobile’s initiative secure. How to design the steering characteristic of automobile, enable the automobile to have good handling quality, which is always an important topic to various automobiles factory and the scientific research institution. Especially at the time of coming to high speed, drivers becoming personnel amateur, stream of vehicles crowded today, in view of the different crowd of driving, the design of automobile appears especially importantly.
This article mainly introduc automobile steering composition and function system, and uses the correlate data to carry on the design which based on mechanical type rotation gear, carriy on the analysis to each kind of mechanical diverter advantages, designs the corresponding steering gear. Analysising the advantages and defect of different kind of streeing machinery,and carry on designing the whole and part on cad roof.
Key words:Drive; Steering System; Diverter; Design; Calculate
目 录
摘要...............................................................................................….......................…Ⅰ
Abstract.......................................................................….........................................Ⅱ
第 1 章 绪 论......................……………………............….…..... .....…...........1
1.1 引言..............................……………………............….…..... .....…...............1
1.2 国内外研究现状……………………………………………….………..…..2
1.3 设计研究的主要内容……………………………………….………..……..6
第 2 章 转向机构方案分析.....................…………................... ... ................7
2.1 齿轮齿条式转向器…………………………………………... .……………7
2.2 循环球式转向器…………………………………………... .………………9
2.3 蜗杆滚轮式转向器…………………………………………...…..…...….. 10
2.4 蜗杆指销式转向器………………………………………………..…..…...11
2.5 转向盘的尺寸及布置……………………………………………..……….11
2.6 转向轴的防伤安全措施…………………………………………..……….11
2.7 转向机构方案确定………………………………………………..……….12
2.8 本章小结…………………………………………………………..……….12
第 3 章 转向机构的参数分析与确定..………......................................…13
3.1 转向系计算载荷的确定................................................................…...........13
3.2 转向器的效率………………………………………………………..…….14
3.2.1 转向器的正效率.........……………………………………………...15
3.2.2 转向器的逆效率.........……………………………………………...16
3.3 传动比的变化特性.………...................................................................…...16
3.3.1 转向系传动比……………...........................................................….16
3.3.2 传动比与转向系角传动比的关系................................................…17
3.3.3 转向系的角传动比.…………...........................................…........…18
3.3.4 转向器角传动比及其变化规律…………………………………....18
3.4 转向器传动副的传动间隙.........................….................................…....19
3.4.1 转向器传动间隙特性……………………………………………....19
3.4.2 传动间隙特性的确定………………………………………..…..…20
3.5 转向盘的总转动圈数………………………………………………..…….22
3.6 本章小结……………………………………………………………..…….22
第 4 章 转向机构设计………………………………………….…… ..…….23
4.1 主要尺寸参数的选择........................................................................….......23
4.1.1 螺杆、钢球、螺母传动副…………………………………..……..23
4.1.2 钢球直径及数量………………………………………..…….. 23
4.1.3 滚道截面……………………………………………………..……..24
4.1.4 接触角………….…………………………………………...…….24
4.1.5 螺距和螺距导程角…………………………………………...….24
4.1.6 工作钢球圈数…………….………………………………..……25
4.2 齿条、齿扇传动副设计……………………………...................................28
4.3 滚珠螺旋传动……………………………………………………..……….32
4.3.1 工作原理与结构…………………………………………………....33
4.3.2 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法……………....34
4.4 单螺母预紧原理（偏置导程法）...………………………………………35
4.5 转向摇臂直径的确定………………………………………………..…….35
4.6 转向传送机构的臂、杆与球销…………………………………..……….36
4.7 本章小结…………………………………………………………..……….37
第 5 章 转向机构强度计算…………………………………………… …. .38
5.1 钢球与滚道的强度计算…………………………………………………...38
5.2 齿轮强度计算……………………………………………………………...39
5.3 轴的强度计算..............................................…………………….…………40
5.3.1 转向横拉杆稳定安全系数………………………………………....40
5.3.2 转向节臂弯曲强度验算……………………………………….…...40
5.3.3 转向摇臂弯曲强度验算……………………………………………41
5.4 本章小结…………………………………………………………………...41
结论................................... ....................................................................................…42
参考文献................... ……………………………………………………………...43
致谢............................. ……………………………………………………………..44
附录.......................................................................................................................... 45
第1章 绪 论
1.1 引言
汽车在行驶过程中，为了适应各种道路情况和行驶条件，经常需要改变行驶方向或修正行驶方向，如转向、超车和避让等。因此，转向系对汽车行驶的适应性、安全性都具有重要的意义，转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性。如何设计汽车的转向系统，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。
对转向系统产品的需求随着汽车化的提高而发生着变化。最初驾驶员们只希望比较容易地操纵转向系统，而后则追求在高速行驶时的稳定性、舒适性和良好的操纵感。传统的汽车转向系统是机械系统，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车轮而实现的。普通的转向系统建立在机械转向的基础上，通丸根据机械式转向器形式可以分为齿轮齿条式、循环式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。常用的有两种是齿轮齿条式和循环球式（用于需要较大的转向力时）。这种转向系统是我们最常见的，目前大部分低端轿车采用的是齿轮齿条式机械转向系统。
从上世纪四十年代起，为减轻驾驶员体力负担，在机械转向系基础上增加了液压助力系统。它是建立在机械转向器的基础之上的，额外增加了一个液压系统HPS（Hydraulic power steering），一般有油泵、油管、供油装置、除噪装置和控制阀。由于其工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。现在液压助力转向系统在实际中应用的最多，根据控制阀形式有转阀式和滑阀式之分。这个助力转向系统最重要的新功能是液力支持转向的运动，因止可以减少驾驶员作用在方向盘上的力。
近年来，随着电子技术的不断发展，转向系统中越来越多的采用电子元件。相应的就出现了电液助力转向系统。电液助力转向可以分为两大类：电动液压助力转向系统EHPS、电控液压助力转向ECHPS。ECHPS是在液压助力系统基础上发展起来的，其特点是原来有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。ECHPS是在传统的液压助力转向系统的基础上增加了电控装置构成的。电液助力转向系统的助力特性可根据转向速率、车速等参数设计为可变助力特性，使驾驶员能够更轻松的操纵汽车。 现代电液动力转向系统主要通过车速传感器将车速传递给电子元件，或微型计算机系统，控制电液转换装置改变动力转向的助力特性，使驾驶员的转向手力根据车速和行驶条件变化而改变，即在低速行驶或转急弯时能以很小的转向手力进行操作，在高速行驶时能以稍重的转向手力进行稳定操作，使操纵轻便和稳定性达到最合适的平稳状态。为了保证转向轻便性，要求增大转向器的传动比。但是，增大角传动比虽然可以减小转向盘上的手力，但同时也造成汽车对操纵的反应减慢，甚至有可能导致驾驶员没有能力来转动转向盘进行紧急避障等转向操作，即不够“灵”。 ECHPS相比传统HPS降低了能源损耗。但电液动力转向系统，不论ECHPS还是AHPS都与传统的HPS一样存在液压油泄漏问题。
上世纪50年代，通用汽车公司出循环球式液压动力转向系统。上世纪80年代出现的电动转向系统为动力转向器增添了品种，欧洲汽车制造商在研究配有电动转向系统的汽车比较早，日本的KOYO、NSK、HONDA及美国的DELPHI等公司也开发了多种类型的电动转向系统。现在人们更加关注具有节能、环保特点的产品，因此也可预测从液压转向系统到电动转向系统的转变过程会在将来很快的发生。
因现代汽车发动机功率在不断增大，行车速度也不断提高，对于两轮转向的汽车在高速行驶时将使其操纵稳定性变差。从20世纪80年代末四轮转向系统已进入实用阶段，不仅保证了汽车低速行驶的转向灵活，也保证了汽车高速行驶的操纵稳定性。
对转向系的主要设计要求如下。
（1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。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）汽车在任何行驶状态下，转向轮不得产生自振，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 ；
（6）操纵轻便。具有迅速和小转弯行驶能力；
（7）转向轮碰撞到障碍物以后，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伤害的防伤装置。
1.2国内外研究现状
随着液压动力转向系统在汽车上的日益普及，人们对操作时的轻便性和路感的要求也日益提高，然而液压动力转向系统却存在许多缺点：由于其本身的结构决定了其无法保证车辆在任何工况下转动转向盘实，都有较理想的操纵稳定性，即无法同时保证低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性；汽车的转向特性受驾驶员的驾驶技术的严重影响；转向传动比固定，使汽车转向响应特性随车速、侧向加速度等变化而变化，驾驶员必须提前针对汽车转向特性幅值和相位的变化进行一定的操作补偿，从而控制汽车按其意愿行驶。这样增加了驾驶员的操纵负担，也使汽车转向行驶中存在不安全隐患；而此后出现了电控液压助力系统，它在传统的液压动力转向系统的基础上增加了速度传感器，使汽车能够随着车速的变化自动调节操纵力的大小，在一定程度上缓和了传统的液压转向系统存在的问题。
目前我国生产的商用车和轿车上采用的大多是电控液压助力转向系统，它是比较成熟和应用广泛的转向系统。
电动助力转向系统是现在汽车转向系统的发展方向，其工作原理是：EPS系统的ECU对来自转向盘转矩传感器和车速传感器的信号进行分析处理后，控制电机产生适当的助力转矩，协助驾驶员完成转向操作。
近几年来，随着电子技术的发展，大幅度降低ECHPS的成本已成为可能，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汽车系统公司、TRW公司及德国的ZF公司都相继研制出EPS。到目前为止，EPS系统在轻微型。
电动助力转向系统主要是在机械式转向系统的基础上加上了传感器（包括车速传感器、转矩传感器和小齿轮位置传感器）、电子控制单元（ECU）、助力电机、电磁离合器和减速机构而构成。
电动助力转向系统可根据减速机构的不同分为蜗轮蜗杆式助力机构和差动轮系式的主力机构两种形式。差动轮系机构具有转向路感平滑稳定、转向灵敏性可调，更适合前轴负载小且对高速操纵性能要求较高的轿车上，而蜗轮蜗杆机构具有助力大小可调整，适合前轴负载大、转向沉重、主要目的是降低转向力且对高速操纵性能要求不高的载货汽车上。
另外电动助力转向系统还可以根据电动机和减速机构位置的不同分为：轴助力式EPS（电机和减速装置装在转向传动轴上），转向小齿轮助力式（电机和减速装置装在输入小齿轮上），另端小齿轮助力式（电机和减速装置装在另端小齿轮上），齿条助力式（电机和减速装置套在齿条外侧）。
电动助力转向系统主要的优点有：自由度高，助力特性可以灵活的依据转向时的车速、横向加速度、汽车重量、电池电压、车轮气压等产生不同的助力，且修改方便；结构简单，相交与液压助力转向系统少了液压泵、转阀、液压管道等复杂的液压机构，不仅节省了大量的空间，也减少了4—6kg的重量；节能，对于驾驶员来说，最大的优点就是ESP能相较于传统的液压助力式的转向系统提升约5%的燃油经济性。这是由于EPS只在转向时才工作，而液压转向系统不管需不需要助力都一直在运行，尤其在汽车高速行驶时，原本这时是最不需要转向助力的，而这时液压泵的功率消耗却是最大的；减振，EPS系统具有较高的惯性力矩，对于来自轮胎的外部干扰可起到缓冲振动的作用。在高速相较于液压转向系统减振25%-30%；环保，由于不存在液压油泄漏等问题使得EPS相较于液压转向更为环保。
从整体上来讲国内近年来对于ECHPS的研究发展很快，尤其是在控制策略的研究上，已经将不同的控制方法引如ECU中，并通过实验和分析不断地完善和改进，但是在对于细节的优化上距离国外还有相当的差距，而且目前国内除了吉利汽车，还尚未自主知识产权的ECHPS，距离ECHPS的批量化生产也还有一段路要走。
尽管电控液压助力装置从一定程度上缓解了传统的液压转向中轻便性和路感之间的矛盾，然而它还是没有从根本上解决HPS系统存在的不足，随着汽车微电子技术的发展，汽车燃油节能的要求以及全球性倡导环保，其在布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面的不足已越来越明显，转向系统向着电动助力转向系统发展。
动力转向系是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机产生的液压力或电动机驱动力来实现车论转向。由于采用动力转向可以减少驾驶员手动转向力矩，改善汽车的转向轻便性和汽车的操纵稳定性，因此在国外不仅在商用车上，而且在中高级轿车和轻型车上也逐渐普遍应用。动力转向系统主要有液压助力式、气动助力式和电动助力式等三种形式。其中液压助力转向系统由于其工作压力大，结构紧凑，而广泛应用。
液压助力转向器自五十年代发展以来，已日趋成熟，得到广泛应用，近几年主要是提高现机构的轻量化，简化结构；提升工作油压。用压铸铝代替铸铁的转向器壳体；用塑料油箱代替钢板冲压油箱；对于轻型车和轿车，用铝合金转向轴万向节等措施，这些均可减轻50%以上重量，其次，改进“路感”特性，为了满足高速直行位置附近“路感”效果，改变阀特性，使其静特性曲线的中间部位比较平坦。
传统的液压助力动力转向系统在多采用固定的放大倍率存在着一些缺点：如果所设计的固定放大倍率的动力转向系统是为了减少汽车在停车或低速行驶状态下转向盘的操舵力，则当汽车以高速行驶时，这一固定放大倍率会使转向盘的操舵力显得太小，高速行驶时“路感”差，不利于汽车的方向控制；反之，如果设计的固定放大倍率的动力转向系统是为了增加汽车在高速行驶时转向力，则当汽车低速行驶时，转向盘的力显得太大，破坏了低速状况下的操纵轻便性，为了解决这个问题，目前汽车界将电子控制技术应用在汽车动力转向系统中，使汽车转向性能达到令人满意的程度。迄今为止，电子控制液压动力转向系统已在轿车上获得应用。电子控制液压动力转向是在传统的液压助力转向基础上增设了控制液体流量的电磁阀，车速传感器和电子控制单元等。
现在，世界各国著名零件厂商正在大力研究开发一种新型的动力转向系统，即电子控制电动动力转向系统。电子控制电动动力转向系统是在机械转向系统的基础上，根据作用在转向盘上的转矩信号和车速信号，通过电子控制装置使电机产生相应大小和方向的辅助力，协助驾驶员进行转向操纵，并获得最佳转向特性的伺服系统。
电子控制电动动力转向系统（ECHPS）技术发展趋势可归结为以下几点。
（1）电力驱动技术：ECHPS系统中的电机要求端电压、转速较低、输出转矩相对较高、尺寸小。由于电机端电压低，而功率相对较高。所以电机电流较大，这给驱动单元的电子器件选择和电路设计带来一定困难。
（2）非接触式传感器技术：ECHPS系统中的转向盘转矩传感器要求结构简单、工作可靠、价格便宜，精度适中。考虑到可靠性问题，目前国外多采用非接触式。而接触式传感器应用较少。
（3）转向控制技术：由于ECHPS系统在原有的机械式转向系统中增加了电机和减速器，使得转向操纵机构的惯性增大，为此需引入惯性控制和阻力控制，避免在电机开始助力和结束助力时对转向操纵产生影响。同时，为获得更好的“路感”，必需根据汽车的行驶速度和转向状态确定合理的助力大小和方向。
（4）ECHPS系统与整车性能匹配：汽车本身是由各子系统组成的既相互联系又相互制约的有机整体，当汽车某个子系统改变时，整车性能也产生相应的变化。因此，必须对EPS系统与汽车上的其它子系统进行匹配，以利整车性能达到最优化。
随着电子技术和控制方法的进一步发展，有人提出了一个大胆的假设：即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，这就是线控转向系统。
线控电动转向系统的特点：提高了驾驶员的安全性，由于减少了转向柱等机械机构，使得驾驶员周围空间变大，正面碰撞时对驾驶员的伤害得到了大大的降低。另外同样安全气囊与驾驶员间的距离加大，使得安全气囊可以张得更大，以增加对驾驶员的保护；提高了汽车的操纵性，由于可以实现传动比的任意设置，并针对不同的车速，转向状况进行参数补偿，从而提高汽车的操纵性；提高汽车的全面智能化，线控转向系统可以和其它的设备如ABS、防碰撞、自动导航、自动驾驶等系统结合起来，最终实现汽车的全面智能化；改善驾驶员的路感，在SBW中路感由模拟生成，使得在回正力矩控制方面可以从信号中提出最能够反应汽车实际行驶状态和路面状况的信息，作为方向盘回正力矩的控制变量，使方向盘仅仅向驾驶员提供有用的信息，从而为驾驶员提供更为真实的“路感”。
线控转向系统还存在着可靠性的问题，目前欧洲汽车法规还要求驾驶员与转向车轮之间必须有机械连接，而闲空转向系统作为一个还不成熟的技术目前还不能有足够的证据证明其可靠性。其次，线控转向系统还需要在可靠性与成本之间做出较好的平衡；线控转向还将与其它的汽车电气系统通过CAN总线连接在中央控制器上，由中央控制器统一协调控制汽车的运用，从而实现汽车电气的一体化和智能化；
总之，线控转向在EPS的基础上，将转向系统的发展又推进了一步，它将为实现汽车智能化驾驶提供技术支持。
川公网安备: 51019002004831号