【机械毕业设计】汽车四轮转向传动系统设计【包含全套CAD图纸】 .pdf

generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 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 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） ii abstract t h i s p a p e r m a i n l y s t u d i e s i s t h e f o u r - w h e e l s t e e r i n g t r a n s m i s s i o n s y s t e m t h e b a s i c s t r u c t u r e a n d w o r k i n g p r i n c i p l e , a n d t h e f o u r - w h e e l s t e e r i n g t r a n s m i s s i o n r o u t e s a r e b r i e f l y a n a l y z e d . t h i s t h e o r y , w i t h a c a r r e l a t e d p a r a m e t e r s o f t h e f o u r - w h e e l s t e e r i n g t r a n s m i s s i o n s y s t e m w a s d e s i g n e d . i n c l u d i n g f r o n t w h e e l s t e e r i n g g e a r d e s i g n c a l c u l a t i o n , r e a r w h e e l a c t u a t o r d e s i g n s t r e n g t h c a l c u l a t i o n , r a c k . f o u r - w h e e l s t e e r i n g t r a n s m i s s i o n s y s t e m i s p r i m a r i l y t h r o u g h s p e e d s e n s o r , f r o n t w h e e l a n g l e s e n s o r , f r o n t w h e e l s p e e d s e n s o r , s t e e r i n g w h e e l a n g l e s e n s o r , r e a r a n g l e s e n s o r , r e a r l o r d a n g l e s e n s o r , r e a r v i c e , r o t a t i o n a l s p e e d s e n s o r s e n d s a s i g n a l t o t h e f o u r - w h e e l s t e e r i n g c o n t r o l l e r i n s i d e , s i g n a l t h r o u g h p r o c e s s i n g , d r a w t h e r e a r r e q u i r e d c o r n e r s i z e a n d d i r e c t i o n , c o n t r o l a c t u a t o r f i n i s h t u r n i n g . t h i s s y s t e m c a n i m p r o v e v e h i c l e s p e e d s t e e r i n g f l e x i b i l i t y a n d h i g h s p e e d c o n t r o l s t a b i l i t y o f , m a k e c a r s i n s t e e r i n g r e s p o n s e q u i c k l y , s t e e r i n g c a p a b i l i t y i s s t r o n g , r u n s t r a i g h t s t a b i l i t y . f r o n t w h e e l s t e e r i n g g e a r i s t h e b a s i c c o m p o n e n t s , f o u r - w h e e l s t e e r i n g m o t o r h y d r a u l i c a l l y r a c k - a n d p i n i o n s t e e r i n g g e a r r e a r a c t u a t o r s a r e d r i v e r e a r w h e e l s t e e r i n g t h e m a j o r c o m p o n e n t s . t h r o u g h t h e f r o n t w h e e l s t e e r i n g g e a r a n d r e a r a c t u a t o r i s d e s i g n e d f o r f o u r - w h e e l s t e e r i n g t e c h n o l o g y i n t e g r a l d e s i g n p r o v i d e s t h e b a s i s . k e y w o r d s f o u r - w h e e l s t e e r i n g g e a r r a c k o f e l e c t r i c p o w e r s t e e r i n g g e a r , r e a r w h e e l a c t u a t o r s generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） iii 目录 摘要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i a b s t r a c t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i i 目录 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i i i 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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 第三章 齿轮齿条电动助力转向器设计计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 3 . 1 转向器的效率. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 3 . 2 转向器正效率+. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 3 . 3 转向器逆效率-. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 3 . 4 传动比的变化特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 3 . 4 . 1 力传动比与角传动比的关系. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 3 . 5 参数选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 3 . 5 . 1 转向轮侧偏角计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 3 . 6 转向系载荷确定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 3 . 7 转向器的主要元件设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 3 . 7 . 1 选择齿轮齿条材料 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 3 . 7 . 2 齿轮齿条基本参数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 3 . 7 . 3 转向横拉杆及其端部 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） iv 3 . 7 . 4 齿条调整. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 3 . 8 齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 3 . 9 齿轮齿条传动受力分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 3 . 1 0 弹簧的设计计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 3 . 1 1 齿轮轴轴承的校核 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 3 . 1 2 电机选择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 3 . 1 2 . 1 助力转矩的计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 3 . 1 2 . 2 电动机参数的选择和计算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 3 . 1 3 本章小结 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 第四章 后轮转向执行器设计计算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 4 . 1 执行器结构设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 4 . 2 齿条设计计算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 4 . 3 回位弹簧的设计计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 4 . 4 电机选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 4 . 4 . 1 助力转矩的计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 4 . 4 . 2 电动机参数的选择和计算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 4 . 5 本章小结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 结论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 致谢 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 附录 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 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（f o u r w h e e l s t e e r ）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，4 w s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 4 w s 系统。我 国开展汽车四轮转向技术研究相对较晚，8 0年代末和 9 0年代初开始有文章 探讨 4 w s 问题，9 0年代末，上海交通大学、浙江大学开始进行 4 w s 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 2 0 0 3 年和 2 0 0 5 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 ） 。 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 2 - （a ）2 w s （b ）4 w s 图（1 - 1 ） 4 w s低速时逆向位转向 （a ）2 w s （b ）4 w s 图（1 - 2 ）4 w s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； generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 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 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 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 2 9 k m / 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 2 9 k m / h 时后轮转角几乎是零。当车 速为 2 9 k m / h 时，转向盘在最初 2 0 0 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 2 0 0 时后轮会转向相反的方向。当车速 提高到 9 6 k m / h ，并且转向盘转角是 1 0 0 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 5 0 0 ，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（e l e c t r i c c o n t r o l u n i t , 简称 e c u ）转矩传感器（ t o r q u e s e n s o r ） ，前轮角度传感器（ r o t a t i o n s p e e d s e n s o r ）电动机（m o t o r ） 、 转向盘（s t e e r i n g w h e e l ）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 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 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 e c u 。与此同时 e c u读取汽车的车的车 速信号以及车辆发动机的转速信号。e c u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 e p s 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 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 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。 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 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 a b s 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 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 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” generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 9 - 3 当作用在转向盘上的切向力0 . 0 2 5 0 . 1 9 0 k n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 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 10 - 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 ） generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 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，+= ( p1p2) pl；反之称为逆效率，用符号-表示，- = ( p3p2) 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、 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 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5 4 。另外两种结构的转向器 效率，根据试验结果分别为7 0 和7 5 。 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1 0 。 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( tan 0 0 + = + （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 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 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 0 0 tan tan ）（ = （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8 1 0 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 wo i和转向系的力传动比 p i从轮胎 接地面中心作用在两个转向轮上的合力2 f w 与作用在转向盘上的手力之 比，称为力传动比，即 = 2 fw （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 wo i，即； kkk w wo d d dtd dtd i =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 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 14 - 构角传动比 所组成，即= 。 转向盘角速度与摇臂轴转动角速度之比，称为转向器角传动比, 即 ppp w w d d dtd dtd i =。 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 k k k p k p w d d dtd dtd i =。 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 a m f r w = （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可用下式表示 sw h h d m f 2 = （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 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 15 - am dm i h swr p = （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 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4 0 6 0 m m 范围内选取。转向盘直径 根据车型不同在 j b 4 5 0 5 8 6 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 wo kh r i d d m m = 2 （3 . 7 ） 将式( 3 . 7 ) 代人式( 3 . 6 ) 后得到 a di i swwo p 2 = （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 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 16 - 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1 5 1 6 。 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 1 5 4 0 / 1 5 4 0 ( m m ) 轴距 l 2 5 7 8 ( m m ) 轮胎型号 2 0 5 / 5 5 r 1 6 整备质量 1 4 0 5 ( k g ) 允许总质量 m 8 0 0 ( k g ) 前/ 后轴载荷 1 0 0 0 / 1 0 0