四轮汽车的转向机构设计（有全套图纸） .pdf

本科毕业设计 论文 通过答辩 1 四轮汽车的转向机构设计四轮汽车的转向机构设计 摘要 摘要 本文刚开始介绍了汽车的发展历史 以及它发展的现状 然后指出本文有要研 究的内容是汽车的转向机构设计 首先要确定转向机构设计的方案 同时通过不同的 转向机构组成部分的组合 设计出一种新的汽车转向机构 在转向机构中采用循环球 式转向器使滑动摩擦转变为滚动摩擦 从而具有较高的传动效率 同时使用寿命还大 大增强 但它也有制造困难 机构复杂等缺点 本文重点设计了循环球式转向器 并对转向器零件强度 刚度进行了校核 同时 还对转向系计算载荷进行确定 同样也对所设计的转向机构进行了分析和研究 同时 还提出了转向系容易出的一般故障及解决方法 关键词关键词 转向系 转向机构 循环球式转向器 本科毕业设计 论文 通过答辩 2 thethe designdesign ofof automobileautomobile steeringsteering systemsystem abstract this paper firstly introduced the development of automobile then automobile steering system was pointed out the content of this paper in order to design the automobile steering machine so many datas should be lookupped the new automobile steering machine designed in this paper is a combination of all kinds of parts because of used the cycle ball steering gear the automobile steering machine has very high of efficiency although it is not easy to manufacture and very precious the focus of this paper is the design of the cycle ball steering gear as well as steering gear parts strength and stiffness calculated cooperation with the standard of course the analyse of the automobile steering machine is also introduced in this paper as well as some troubles of automobile steering machine and the methods to solve these troubles keywordskeywords automobile steering machine cycle ball steering gear 本科毕业设计 论文 通过答辩 3 前言前言 从第一辆汽车发明到现在以来 它已经走过了风风雨雨的一百多年 从卡尔 本茨 造出的第一辆三轮汽车开始每小时18公里的速度到现在从零加速到一百只要三秒多 钟 由此可见汽车的发展是巨大的 通用 福特 丰田和本田等这些著名的公司现在 已经成为大家耳熟能详的名字 如今汽车的发展更是日新月异 一个多世纪以来 世 界汽车业已如同一棵树木一样从幼苗长成了参天大树 汽车的各项技术也像树木一样 已从树干发展到枝叶 在安全性方面 自1902年美国贝克工程师在纽约汽车竞赛中最 早使用汽车安全带到现在 汽车的主动安全装置包括自动防抱死装置abs 电子眼 全 球定位系统gps等 被动安全装置包括安全带 安全气囊 安全气帘等 在发动机方面 从最初的单缸到多缸 从化油器到燃油电子喷射 从往复式到转子式 随着科技的进 步 各种新的技术还会源源不断地应用到汽车上 包括最新发展的油 电混合动力技术 和燃料电池技术 进入21世纪后 轿车主体发展趋势将是系列化 轻量化 小型化 电子化 柴油化 现在由于环境的因素 对汽车的环保要求也越来越高 为此近年来汽车业界一直 在致力于开发油 电混合动力车和氢燃料电池车 其中较为领先的有日本丰田和本田 美国通用及戴 克集团等 氢燃料电池被称为 零污染 电池 由氢和氧发生反应产生 能量 副产品只有水 目前 氢的来源一般是天然气和沼气 此外 可以通过电解水 将氢和氧分离而提取氢 而电能则可以通过煤燃烧或核反应堆来产生 汽车通常是由发动机 车身 电气设备 底盘等四部分组成 发动机是使供入其 中的燃料燃烧而发出动力 也就是为汽车提供动力 车身是驾驶员工作地场所 也是 装载乘客和货物地场所 车身应为驾驶员提供方便地操作条件 以及为乘客提供舒适 安全地环境或保证货物完好无损 电气设备由电源组 发动机起动系和点火系 汽车 照明和信号装置组成 此外 在现代汽车上愈来愈多地装用了各种电子设备 微处理 机 中央计算机系统及各种人工智能装置等 显著提高了汽车的性能 底盘它包括传 动系 行驶系 转向系 制动装置 转向系作为汽车底盘的组成部分之一 由此可以看出那它的作用是显而易见的 在本文的以下内容中将重点介绍汽车转向系的组成 设计以及它的分析 图1为汽车的 一个基本转向机构 本科毕业设计 论文 通过答辩 4 图 1 汽车转向机构 本科毕业设计 论文 通过答辩 5 目录 第 1 章 绪论 1 第 2 章 转向系的的参数设计 4 第 2 1 节 转向器的效率 4 第 2 2 节 转向系传动比及其变化特性 6 第 2 3 节 转向系计算载荷的确定 7 第 3 章 循环球式转向器的设计 8 第 3 1 节 主要尺寸参数的选择 8 第 3 2 节 循环球式转向器零件强度计算 11 第 4 章 车辆转向机构设计和分析 15 第 4 1 节 车辆转向机构设计 15 第 4 2 车辆转向机构分析 18 第 5 章 汽车转向系统各部分结构和作用 22 第 5 1 节 悬架配用的转向传动机构以及作用 22 第 5 2 节 助力转向器 25 第 6 章 汽车转向系统常见故障分析及处理方法 28 第 7 章 结论 30 参考文献 31 致谢 32 本科毕业设计 论文 通过答辩 6 第第 1 1 章章 绪论 转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构 在汽车转向行驶时 保证各转 向轮之间有协调的转角关系 转向系一般由转向操纵机构 转向器和转向机构三部分组成 操纵机构就是所谓 的方向盘 当转动方向盘时 转向轴和蜗杆随着转动 滚动与蜗杆啮合上下移动 使 转向摇臂摆动 推动直拉杆前后移动 于是转动节以转向主销为中心 带动一侧前轮 偏转 达到控制车辆转向的目的 转向器又分为传统纯机械式和助力式 目前使用较多的是机械式转向器 不过近 年来电动 电控动力转向器已得到较快发展 不久的将来可以转入商品装车使用 电 控动力转向可以实现在各种行驶条件下转动转向盘的力都轻便 机械转向系依靠驾驶员的手力转动转向盘 经转向器和转向传动机构使转向轮偏 转 有些汽车还装有防伤机构和转向减振器 采用动力转向的汽车还装有动力系统 并借助此系统来减轻驾驶员的手力 对转向系提出的要求有 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 不满足这项要求会加速轮胎磨损 并降低汽车的行驶稳定性 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 具有迅速和小转弯行驶能力 6 操纵轻便 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 10 进行运动校核 保证转向盘与转向轮转动方向一致 正确设计转向梯形机构 可以使第一项要求得到保证 转向系中设置有转向减振 本科毕业设计 论文 通过答辩 7 器时 能够防止转向轮产生自振 同时又能使传到转向盘上的反冲力明显降低 为了 使汽车具有良好的机动性能 必须使转向轮有尽可能大的转角 并要达到按前外轮车 轮轨迹计算 其最小转弯半径能达到汽车轴距的2 2 5倍 通常用转向时驾驶员作用 在转向盘上的切向力大小和转向盘转动圈数多少两项指标来评价操纵轻便性 没有装 置动力转向的轿车 在行驶中转向 此力应为50 100n 有动力转向时 此力在20 50n 当货车从直线行驶状态 以10km h速度在柏油或水泥的水平路段上转入沿半径为12m 的圆周行驶 且路面干燥 若转向系内没有装动力转向器 上述切向力不得超过250n 有动力转向器时 不得超过120n 轿车转向盘从中间位置转到每一端的圈数不得超过2 0圈 货车则要求不超过3 0圈 1 本科毕业设计 论文 通过答辩 8 第第 2 2 章章 转向系的的参数设计 第第 2 12 1 节节 转向器的效率 功率p1从转向轴输入 经转向摇臂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为作用在转向摇臂轴上的功率 为了保证转向时驾驶员转 动转向盘轻便 要求正效率高 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 防止打手又要求此逆效率尽可能 低 1 理论计算 1转向器的正效率 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 循环球式转向器的正效率比较高 而蜗杆指 销式特别是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持 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 转向摇臂轴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 对于蜗杆和螺 杆类转向器 其效率可用下式计算 本科毕业设计 论文 通过答辩 9 tan tan 0 0 2 1 式 2 1 中 0 为蜗杆的螺线导程角 为摩擦角 arctanf f为摩擦因数 2 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 式 2 2 计算 0 0 tan tan 2 2 式 2 1 和式 2 2 表明 增加导程角 0 正 逆效率均增大 受 增大的影响 0 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 2 本文设计计算 1 由于本文采用循环球式转向器 设计计算如下 摩擦系数 f 可取值为 0 042 蜗杆的螺线导程角 取值为 10 所以摩擦角arctan2 4f 本科毕业设计 论文 通过答辩 10 也就是转向器的正效率 tantan10 80 tan tan 102 4 转向器的逆效率 tan tan 102 4 76 tantan10 第第 2 22 2 节节 转向系传动比及其变化特性 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 1 此轻型卡车的转向盘转动的总圈数定为 6 圈 2 转向器的角传动比i 取值为 25 3 转向盘直径 sw d为 400mm 4 车轮转臂a 50mm 5 转向节臂臂长 2 l 与摇臂长 1 l 之比 i 2 l l 值大约在 0 85 1 1 之间 所以可取 i 为 1 所以转向系的角传动比 2 0 1 25 l ii iii l 所以转向系的力传动比 0 400 25100 22 50 sw pw d ii a 本科毕业设计 论文 通过答辩 11 第第 2 32 3 节节 转向系计算载荷的确定 2 3 1 转向阻力矩 r m n mm 即 3 1 3 r gf m p 其中 f 为轮胎和路面的滑动摩擦因数 取 0 7 1 g为转向轴负荷 本车为 14216n p 为轮胎气压 取 0 8 a mp 所以 3 1 3 r gf m p 3 0 714216 442179 30 8 n mm 2 3 2 作用在方向盘上的手力为 1 2 2 r h sw l m f l di 转向节臂臂长 2 l 与摇臂长 1 l 之比 i 2 1 l l 值大约在 0 85 1 1 之间 所以可取 i 为 1 转向盘直径 sw d为 400mm 转向器的角传动比i 取值为 25 转向器的正效率 80 所以 1 2 2 r h sw l m f l di 2 442179 111 400 25 0 8 n 以上就是本文所设计的转向系的参数设计 本科毕业设计 论文 通过答辩 12 第第 3 3 章章 循环球式转向器的设计 转向器有很多种 包括齿轮齿条式 循环球式 助力转向器 本问所设计的是 循环球式转向器 它的传动效率比较高 第第 3 3 1 1 节节 主要尺寸参数的选择 3 1 1螺杆 钢球 螺母传动副 1 钢球中心距d 螺杆外径d 螺母内径d2 尺寸d dl d2如图3 1 1所示 钢球中心距是基本尺寸 螺杆外径d1 螺母内径d2 及钢球直径d对确定钢球中心距d的大小有影响 而d又对转向器结构尺寸和强度有影 响 在保证足够的强度条件下 尽可能将d值取小些 选取d值的规律是随着扇齿模数 的增大 钢球中心距d也相应增加 设计时先参考同类型汽车的参数进行初选 经强度 验算后 再进行修正 螺杆外径dl通常在20 38mm范围内变化 设计时应根据转向轴 负荷的不同来选定 螺母内径d2应大于dl 一般要求d2 dl 5 10 d 图3 1 螺母 钢球传动副 2 钢球直径d及数量n 本科毕业设计 论文 通过答辩 13 钢球直径尺寸d取得大 能提高承载能力 同时螺杆和螺母传动机构和转向器的 尺寸也随之增大 钢球直径应符合国家标准 一般常在7 9mm范围内选用 增加钢球数量n 能提高承载能力 但使钢球流动性变坏 从而使传动效率降低 因为钢球本身有误差 所以共同参加工作的钢球数量并不是全部钢球数 经验证明 每个环路中的钢球数以不超过60粒为好 为保证尽可能多的钢球都承载 应分组装配 每个环路中的钢球数可用下式计算 cos 0 dwdw n dd 3 1 式 3 1 中 d为钢球中心距 w为一个环路中的钢球工作圈数 n为不包括环流导 管中的钢球数 0为螺线导程角 常取 0 5 8 则cos 0 1 3 滚道截面 当螺杆和螺母各由两条圆弧组成 形成四段圆弧滚道截面时 见图7 20 钢球 与滚道有四点接触 传动时轴向间隙最小 可满足转向盘自由行程小的要求 图中滚 道与钢球之间的间隙 除用来贮存润滑油之外 还能贮存磨损杂质 为了减少摩擦 螺杆和螺母沟槽的半径r2应大于钢球半径d 2 一般取r2 0 51 0 53 d 图3 2四段圆弧滚道截面 4 接触角 钢球与螺杆滚道接触点的正压力方向与螺杆滚道法面轴线间的夹角称为接触角 如图7 20所示 角多取为45 以使轴向力和径向力分配均匀 本科毕业设计 论文 通过答辩 14 5 螺距p和螺旋线导程角 0 转向盘转动 角 对应螺母移动的距离s为 2 p s 3 2 式 3 2 中 p为螺纹螺距 与此同时 齿扇节圆转过的弧长等于s 相应摇臂轴转过 角 其间关系可表示如下 sr 3 3 式 3 3 中 r为齿扇节圆半径 联立式 3 2 式 3 3 得 p p rr 2 将 对 求导得循环球式转向器角传 动比iw为 2 w rr i p 3 4 由式 3 4 可知 螺距p影响转向器角传动比的值 在螺距不变的条件下 钢球直 径d越大 图7 19中的尺寸b越小 要求2 5bpdmm 螺距p一般在12 18mm内 选取 前已述及导程角 0 对转向器传动效率有影响 此处不再赘述 6 工作钢球圈数w 多数情况下 转向器用两个环路 而每个环路的工作钢球圈数w又与接触强度有 关 增加工作钢球圈数 参加工作的钢球增多 能降低接触应力 提高承载能力 但 钢球受力不均匀 螺杆增长而使刚度降低 工作钢球圈数有1 5和2 5圈两种 7 本文设计计算 根据此设计轻卡的基本参数查设计手册计算分析得循环球式转向器主要参数如表 3 1 1 本科毕业设计 论文 通过答辩 15 表 3 1 1循环球式转向器主要参数表 1 齿扇模数 mm4 02 摇臂直径 mm30 3 刚 球 中 心 距 mm 254 螺杆外径 mm25 5 刚球直径 mm6 3506 螺母内径 mm27 5 7 螺距 mm9 5258 工作圈数 1 5 9 环流行数 210 螺母长度 mm46 11 齿扇齿数 511 齿扇整圆齿数 13 12 齿扇压力角 22 30 13 切削交 6 30 14 齿扇宽 mm2514 每个环路中钢 球数 19 第第 3 23 2 节节 循环球式转向器零件强度计算 3 2 1 钢球与滚道之间的接触应力 用下式计算钢球与滚道之间的接触应力 3 2 2 2 2 2 3 rr rref k 也就是 3 2 21 bc kne dr 3 5 式 3 5 中 k为系数 2 1 1 2arr 1 1 1 2brr r2为滚道截面半径 r为钢球半径 rl为螺杆外半径 本科毕业设计 论文 通过答辩 16 e为材料弹性模量 等于 62 2 1 10 n mm f3为钢球与螺杆之间的正压力 可用下式计算 coscos 0 2 3 n f f 3 6 式 3 6 中 0 为螺杆螺线导程角 为接触角 n为参与工作的钢球数 f2为作用在螺杆上的轴向力 见图3 1 3 sincos hsw f r n nl 3 7 当接触表面硬度为58 64hrc时 许用接触应力 2500n mm 2 图3 1 3 螺杆受力简图 所以可以根据公式 3 5 3 6 3 7 计算出刚球与滚道之间的接触应力 式 3 5 中 取 c r 为刚球直径 6 350mm 取 b d为螺杆外径 25mm k 为系数 根据 2 25 2 3 3026 350 0 03 2 2 3 302 256 350 cb cb drd a b r dd 由 1 查表取 k 为 1 8 本科毕业设计 论文 通过答辩 17 e 为材料弹性模量 等于 5 2 1 10 mpa 式 3 7 中 h f为作用在转向盘上的手力 111n sw r 为方向盘半径 200mm 为螺旋线导程角取 0 6 为刚球与滚道间的接触角为 0 3 n为参与工作的刚球数 3 14 25 1 5 19 cos6 350 dwdw n dd l为刚球接触点至螺杆中心线之距离为 10 90mm 所以 111 200 sincos19 10 9 sin6 cos3 hsw f r n nl 1027 n 故 3 2 21 bc kne dr 3 52 21 1 8001027 2 1 10 3384 6 3503 302 a mp 强度校核 由于当刚球与滚道的接触表面的硬度为 hrc58 64 时 许用接触应力 j 可取为 3000 3500 mpa 取 j 3500 a mp 所以 j 故刚球与滚道之间的接触应力强度满足要求 3 2 2 循环球式转向器零件强度校核 齿的弯曲应力 w 用下式计算齿扇齿的弯曲应力 6 2 fh w bs 3 8 式 3 8 中 f为作用在齿扇上的圆周力 h为齿扇的齿高 b为齿扇的齿宽 本科毕业设计 论文 通过答辩 18 s为基圆齿厚 许用弯曲应力为 w 540n mm 2 螺杆和螺母用20crmnti钢制造 表面渗碳 前轴负荷不大的汽车 渗碳层深度在0 8 1 2mm 前轴负荷大的汽车 渗碳层深度在1 05 1 45mm 表面硬度为58 63hrc 此外 应根据材料力学提供的公式 对接触应力进行验算 所以 2 66 111 12 35 483 25 11 37 w s fh mpa b 许用弯曲应力 540 w mpa 齿的弯曲应力满足要求 所以此循环球式转向器零件强度满足要求 本科毕业设计 论文 通过答辩 19 第第 4 4 章章 车辆转向机构设计和分析 第第 4 4 1 1 节节 车辆转向机构设计 车辆前轮转向机构为一个两摇杆长度相等的的双摇杆机构 见图 4 1 和图 4 2 其中 min r代表车辆转弯最小半径 h 代表车辆轴距 l 代表车辆车距 两支点间的距离 l1 l3 代表摇杆的长度 l2 代表连杆长度 1 1 代表车辆直线行驶时两摇杆的转角 代表车辆车辆处于最小转弯半径时 与两摇杆固联的两前轮轴的摆角 当车辆转 向时 与两摇杆固联的两前轮的摆角 不相等 两前轮轴线的延长线相交与 p 点 如 p 点的运动轨迹能落在两后轮轴线的延长线上 则整个车身可以看作是绕 p 点转动 4 个车轮都能在地面上做纯滚动 这样可以降低车胎因为和地面滑动而造成的损伤 下面我们将探讨如何设计该双摇杆机构 使得车辆在转向时 两前轮轴线焦点 p 的运 动轨迹能落在两后轮轴线的延长线上 或者尽量接近两后轮轴线的延长线 图 4 1 车辆前轮转向机构 本科毕业设计 论文 通过答辩 20 图 4 2 车辆前轮转向机构极限位置 4 1 1 本文车辆转机构设计 利用优化设计的方法 在给定车辆技术参数 最小转弯半径 min r 轴距 h 轮距 l 的变动范围内连续取值 通过设计确定相应摇杆 1 l 2 l的长度 优化的目的是确 定这样一组参数 使得两前轮轴线的延长线交点 p 的运动轨迹与两后轮轴线的延长线 偏离最小 设计过程如下 从分析便利考虑 将缺点摇杆 1 l 2 l长度转为确定摇杆 l1 长度和摇杆转角 1 参看 图 4 1 有 2cos 211 lll 4 1 当车辆处于最小转弯半径时 与两摇杆固联的两前轮轴的摆角 与车辆技术参 数的关系 min arcsin h r 4 2 arctan 22 min h rhl 4 3 本科毕业设计 论文 通过答辩 21 当车辆处于图 4 1 图 4 2 所示位置时 摇杆转角 1122 的数学表达式 2 2 cos 1 1 ll ar l 4 4 0 180 11 4 5 21 4 6 21 4 7 确定 b2 c2 的坐标 见图 4 2 1 1 cos 22 sin 22 xl b yl b 4 8 cos 212 sin 212 xll c yl c 4 9 按照四杆机构要求 2211 b cbcl 故有 22 0 22222 xxyxl ccbb 即 22 20 2222211 xxyxll cos bcbc 4 10 参看图 4 2 依据连杆 22 b c 与摇杆 2 c d的斜率相等 列出方程式 摇杆 2 c d的斜率 2 1 2 yc k xl c 4 11 连杆 22 b c 的斜率 22 2 22 yy bc k xx bc 4 12 由于 12 kk 故有 222 222 cbc cbc yyy xlxx 4 13 本科毕业设计 论文 通过答辩 22 式 4 10 4 13 是含有两个未知量 1 l 和 1 的方程组 故当给定最小转弯半径 rmin 轴距 h 轮距 l 时 将它们分别代入 4 2 4 9 并连列求解方程组 4 10 和 4 13 即可求出相应的摇杆长度 l1 和 l2 长度 本文计算 在这篇文章 取最小转弯半径 rmin 3200mm 轴距 h 1500mm 轮距 l 1800mm 将他 们分别代入 4 2 4 9 式 并联立求解方程组 4 10 和 4 13 可得 1 l 和 2 l 但要考虑实际情况 所以在这里我们先确定 1 l 的长度令 1 l 300mm 所以利用以上公式 可以求出摇杆转角 1 69 84 l2 843 25mm 27 95 40 17 第第 4 24 2 车辆转向机构分析 给出一组车辆技术参数 最小转弯半径 min r 轴距 轮距 摇杆 1 l 即可得到一 个转向机构 运行该机构就可以得到两前轮轴线交点 p 的运动轨迹 并可以观察 p 点 的运动轨迹和两后轮轴线的延长线接近的程度 从而比较转向机构转动性能的优劣 下面我们定性的分析一组车辆技术参数对转向性能的影响 2 1 最小半径 rmin 3200mm 轴距 h 1500mm 轮距 l 1800mm 摇杆 1 l 的长度依次取 200mm 300mm 400mm 时两前轮轴线交点 p 运动轨迹的变化 见表 4 1 1 表表 4 14 1 两前轮轴线交点 p 运动轨迹的变化表 分析表 4 1 1 比较轴距 h 和 y 坐标值 可以定性的认为摇杆 1 l 取值越小 其 p 点的 本科毕业设计 论文 通过答辩 23 运动轨迹越接近后两轮轴线的延长线 对于其它的情况 我们也可以分析一下 2 最 小 半 径 min r 3200mm 轴 距 h 1500mm 摇 杆 1 l 200mm 轮 距 l 取 850mm 1050mm 1250mm 时 p 点的运动轨迹的变化见表 4 1 2 通过分析表 4 1 2 比较轴距 h 和 y 坐标值 可以定性的认为轮距 l 越小 其 p 点 的运动轨迹就会越接近后两轮轴线的延长线 3 轴 距 h 1500mm 轮 距 l 850mm 摇 杆 1 l 200mm 最 小 转 弯 半 径 依 次 取 2600mm 3200mm 2800mm 时两前轮交点 p 运动轨迹的变化见表 4 1 3 通过对表 4 1 3 的分析 比较轴距 h 和 y 坐标值 可以定性的认为最小转弯半径取 值越大 其 p 点的 运动轨迹就越接近后两轮轴线的延长线 表表 4 24 2 两前轮轴线交点 p 运动轨迹的变化表 本科毕业设计 论文 通过答辩 24 表表 4 34 3 两前轮轴线交点 p 运动轨迹的变化表 4 最小转弯半径 min r 3800mm 轮距 l 850mm 摇杆 1 l 200mm 轴距 h 依次取 1200mm 1500mm 1800mm 时两前轮轴线交点 p 的运动轨迹的变化见表 4 1 4 通过对表 4 1 4 的分析 比较车辆轴距 h 与 y 坐标值 可以定性的认为轴距 h 越小 其 p 点的运动轨迹就越接近两后轮轴线的延长线 表表 4 44 4 两前轮轴线交点 p 运动轨迹的变化表 1 结论 由此可以看出 车辆转向机构处于最小转弯半径位置时 两前轮轴线延长线交点 本科毕业设计 论文 通过答辩 25 的运动轨迹可以落在两后轮轴线延长线上 从而 4 个轮子都能在地面上做纯滚动 而 车辆前轮转向机构处于其他位置时 两前轮轴线延长线交点的运动轨迹不能落在两后 轮轴线延长线上 但是可以通过合适的选择车辆技术参数 使得两前轮延长线交点的 运动轨迹落在两后轮轴线延长线上 那么 4 个轮子在地面上就可以做近似的纯滚动 摇杆长度不同 可以得到不同的双摇杆机构 通过观察该机构两前轮轴线延长线 交点 p 的运动轨迹与两后轮轴线延长线接近程度来判断转向机构运动性能的优劣 车辆前轮转向机构的运动转动性能 应该尽可能的缩小摇杆长度 缩小轴距及轮 距 加大最小转弯半径 本科毕业设计 论文 通过答辩 26 第第 5 5 章章 汽车转向系统各部分结构和作用 第第 5 5 1 1 节节 悬架配用的转向传动机构以及作用 5 1 1 非独立悬架配用的转向传动机构以及作用 3 汽车转向时 要使各车轮都只滚动不滑动 各车轮必须围绕一个中心点 o 转动 如图 5 1 1 所示 显然这个中心要落在后轴中心线的延长线上 并且左 右前轮也必 须以这个中心点 o 为圆心而转动 为了满足上述要求 左 右前轮的偏转角应满足如 下关系 图 5 1 车辆转角关系图 与非独立悬架配用的转向传动机构主要包括转向摇臂 2 转向直拉杆 3 转向节臂 4 和转向梯形 如图 5 1 2 所示 在前桥仅为转向桥的情况下 由转向横拉杆 6 和左 右梯形臂 5 组成的转向梯形一般布置在前桥之后 如图 5 2a 所示 当转向轮处于与汽 车直线行驶相应的中立位置时 梯形臂 5 与横拉杆 6 在与道路平行的平面 水平面 内 的交角 90 本科毕业设计 论文 通过答辩 27 在发动机位置较低或转向桥兼充驱动桥的情况下 为避免运动干涉 往往将转向 梯形布置在前桥之前 此时上述交角 90 如图 5 2b 所示 若转向摇臂不是在汽车纵 向平面内前后摆动 而是在与道路平行的平面向左右摇动 则可将转向直拉杆 3 横置 并借球头销直接带动转向横拉杆 6 从而推使两侧梯形臂转动 图 5 2 转向机构示意图 5 1 2 独立悬架配用的转向传动机构以及作用 当转向轮独立悬挂时 每个转向轮都需要相对于车架作独立运动 因而转向桥必 须是断开式的 与此相应 转向传动机构中的转向梯形也必须是断开式的 如图 5 1 3 所示 1 转向摇臂 2 转向直拉杆 3 左转向横拉杆 4 右转向横拉杆 5 左梯形臂 6 右梯形臂 7 摇杆 8 悬架左摆臂 9 悬架右摆臂 10 齿轮齿条式转向器 图 5 3 转向梯形示意图 转向直拉杆的作用是将转向摇臂传来的力和运动传给转向梯形臂 或转向节臂 本科毕业设计 论文 通过答辩 28 它所受的力既有拉力 也有压力 因此直拉杆都是采用优质特种钢材制造的 以保证 工作可靠 直拉杆的典型结构如图 5 1 4 所示 在转向轮偏转或因悬架弹性变形而相 对于车架跳动时 转向直拉杆与转向摇臂及转向节臂的相对运动都是空间运动 为了 不发生运动干涉 上述三者间的连接都采用球销 1 螺母 2 球头销 3 橡胶防尘垫 4 螺塞 5 球头座 6 压缩弹簧 7 弹簧座 8 油嘴 9 直拉杆 体 10 转向摇臂球头销 图 5 4 直拉杆典型机构图 随着车速的提高 现代汽车的转向轮有时会产生摆振 转向轮绕主销轴线往复摆 动 甚至引起整车车身的振动 这不仅影响汽车的稳定性 而且还影响汽车的舒适性 加剧前轮轮胎的磨损 在转向传动机构中设置转向减振器是克服转向轮摆振的有效措 施 转向减振器的一端与车身 或前桥 铰接 另一端与转向直拉杆 或转向器 铰 接 1 连接环衬套 2 连接环橡胶套 3 油缸 4 压缩阀总成 5 活塞及活塞杆总成 6 导向座 7 油封 8 挡圈 9 轴套及连接环总成10 橡胶储液缸 图 5 5 减震器图 本科毕业设计 论文 通过答辩 29 第第 5 5 2 2 节节 助力转向器 目前为了减轻转向时驾驶员作用到转向盘上的手力和提高行驶安全性 在有些汽 车上装设了动力转向机构 虽然本人这次设计中没有使用助力转向器 中级以上轿车 由于对其操纵轻便性的要求越来越高 采用或者可供选装动力转 向器的逐渐增多 转向轴轴载质量超过2 5t的货车可以采用动力转向 当超过4t时应 该采用动力转向 动力转向系统 兼用驾驶员体力和发动机 或电机 的动力为转向能源的转向系统 它是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的 其中属于转向加力装 置的部件是 如图5 2 1所示 转向油泵5 转向油管4 转向油罐6以及位于整体式转向器10内部的转向控制阀及 转向动力缸等 当驾驶员转动转向盘1时 转向摇臂9摆动 通过转向直拉杆11 横拉 杆8 转向节臂7 使转向轮偏转 从而改变汽车的行驶方向 1 方向盘 2 转向轴 3 转向中间轴 4 转向油管 5 转向油泵 6 转向油罐 7 转向节臂 8 转向横 拉杆 9 转向摇臂 10 整体式转向器 11 转向直拉杆 12 转向减振器 图 5 6 动力转向机构图 本科毕业设计 论文 通过答辩 30 与此同时 转向器输入轴还带动转向器内部的转向控制阀转动 使转向动力缸产 生液压作用力 帮助驾驶员转向操纵 这样 为了克服地面作用于转向轮上的转向阻 力矩 驾驶员需要加于转向盘上的转向力矩 比用机械转向系统时所需的转向力矩小 得多 当转子顺时针方向旋转时 叶片在离心力及高压油的作用下紧贴在定子的内表面 上 其工作容积开始由小变大 从吸油口吸进油液 而后工作容积由大变小 压缩油 液 经压油口向外供油 由于转子每旋转一周 每个工作腔都各自吸 压油两次 故 将这种型式的叶片泵称为双作用式叶片泵 双作用叶片泵有两个吸油区和两个压油区 并且各自的中心角是对称的 所以作用在转子上的油压作用力互相平衡 因此 这种 油泵也称为卸荷式叶片泵 如图 5 2 2 所示 1 进油口 2 叶片 3 定子 4 出油口 5 转子 图 5 7 卸荷式叶片泵 汽车直线行驶时 阀芯与阀套的位置关系如图 5 2 3 中所示 自泵来的液压油经 阀芯与阀套间的间隙 流向动力缸两端 动力缸两端油压相等 驾驶员转动方向盘时 阀芯与阀套的相对位置发生改变 使得大部分或全部来自泵的液压油流入动力缸某一 端 而另一端与回油管路接通 动力缸促进汽车左传或右转 本科毕业设计 论文 通过答辩 31 图 5 8 阀套与阀芯的位置关系图 转向油泵是助力转向系统的动力源 转向油泵经转向控制阀向转向助力缸提供一 定压力和流量的工作油液 目前 转向油泵大多采用双作用式叶片泵 这种油泵有两 种结构型式 一种是潜没式转向油泵 另一种为非潜没式转向油泵 本图 5 2 4 所示 为潜没式油泵 它与贮液罐是一体的 即油泵潜没在贮液罐的油液中 非潜没式转向 油泵的贮液罐与转向油泵分开安装 用油管与转向油泵相连接 l 驱动轴 2 壳体 3 前配油盘 4 叶片 5 储油罐 6 定子 7 后配油盘 8 后盖 9 弹簧 10 管接头 11 柱塞 12 阀杆 13 钢球 14 转子 a 出油口 b 出油腔 c 进油腔 d 油道 h 主量孔 图 5 9 非潜式转向油泵图 本科毕业设计 论文 通过答辩 32 第第 6 6 章章 汽车转向系统常见故障分析及处理方法 在汽车行驶时 转向系经常发生各种故障 总结如下几点常见故障以及处理方 法 4 汽车转向系常见故障主要是 方向盘转动过大 操纵不稳定 前轮摆头 跑偏 转向沉重等 方向盘转运过大 操纵不稳定检查转向泵球头 主销和衬套 车轮轴 承等处磨损情况 如磨损严重或间隙超限 应调整修理 如无过大磨损或间隙时 则应检查 第一 转向器蜗轮蜗杆磨损情况 或间隙是否符合规定 如间隙过大应 调整 第二 转向装置连接部分的磨损情况 或是否调整得过松 第三 转向器安 装部位是否松动 第四 转向垂臂有松动 要先检查车轮的动平衡 轮胎装配是否正确 检查轮胎磨损是否均匀 检查平 衡块装配是否正确 应检查车轮轮辋有否变形 车轮有否横向偏摆或径向摆动 减震器有否松动或 磨损 转向横 直拉杆球节 或转向器装配有否松动 弹簧钢板的 u 形螺栓 中心 夹紧螺栓是否有松动或损坏 后倾角是否正确 轮胎气压是否正确 除按高速摆头检查项目中的内容外 特别要着重检查下列各顶 轮胎气压是否 正确 转向节轴承有否松动 转向横 直拉杆球节有否松动 转向器装配是否有松 动 弹簧钢板的 u 形螺栓 中心夹紧螺栓是否有松动或损坏 弹簧钢板是否发生残 余变形 3 汽车跑偏汽车行驶时跑偏 可检查下列各项 轮胎气压是否相等或轮胎 直径是否相等 车轮轴承是否一边过紧 弹簧钢板是否两边弹力不均或变形 前束 是否正确 外倾角是否相等 转向节臂 转向节有否变曲或变形 后桥轴管有否弯 曲 两边轴距是否相等 对于动力转向机构而言 它又有以下几个常见的故障 1 转向沉重 1 动力转向液压系统中有空气 排除的方法有拧松放气螺钉 使发动机在怠速状态 下工作 反复将方向盘左 右打到底 观察油泵储油室 直到没有气泡排除为止 拧 紧放气螺钉 2 动力转向液压缺油 排除的方法是检查油罐中油面高度 正常油面高度应该位于油 标尺上 下标记之间 加油后如果发现有泄露应该即使更换相关零件或送去修理 3 油泵溢流阀或限压阀卡死 排除的方法是检查 拆洗溢流阀使其正常工作 本科毕业设计 论文 通过答辩 33 4 油罐中滤芯堵塞 使油泵供油不足 排除的方法是检查更换滤芯 5 液压管路堵塞 排除的方法是检查 清洗 疏通堵塞的管路 2 左右转向轻重不同 1 液压油脏污使转向控制阀运动受到阻滞 排除的方法是更换液压油 排尽转向器中 的油 然后在怠转发动机使油面恢复正常 2 扭杆永久变形 失效或扭杆和轴套配合位置有误差 排除的方法是更换新的螺杆总 成 3 转向控制阀不平衡或磨损 排除的方法是检查并更换 3 其他一些故障以及排除的方法和前面所讲过的类似 本科毕业设计 论文 通过答辩 34 第第 7 7 章章 结论 本文主要讲述了汽车转向机构的设计 分析 同时还有各部分组成部分的选择 以及它们的作用 并且也讲述了一些汽车转向系常见的故障及排除的方法 由以上内容我们可以知道 汽车转向时 要使各车轮都只滚动不滑动 因为滑动 会加快轮胎的磨损 并且会降低汽车行驶的稳定性 而要让汽车在转向过程中做到纯 滚动而不滑动就