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机械毕业设计车辆工程

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CL01-125@吉利微型车转向系设计,机械毕业设计车辆工程

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1 第 1 章 绪 论 1.1 汽车转向系 设计的目的及意义 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。 汽车是在一个世纪前出现的，大规模的汽车制造可以远溯到 1911 年 1。相关技术的发展及二次世界大战中的技术更新促进了汽车工业的发展和进步。今天，汽车工业在世界上大部分国家的经济中起到了中心作用。 1999 年，全球轿车的总产量大约为3866 万辆，比 1998 年增加大约 2.2%； 2000 年世界汽车产量达到 5733 万辆，比 1999年增长 2.8%，创历史新记录。汽车生产大国日本在 1999 年生产了 810 万辆汽车，比1998 年增 加了 0.6%。由于中国及其他亚洲国家汽车市场的扩大，这种增长趋势还会持续下去。 1992-2001 年的 10 年里，我国汽车产量平均年增长 15%，是同期世界汽车年均增长率的 10 倍。然而这种增长也具有负面影响，那就是会导致空气污染和其他负面的社会和环保问题。 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，通常根据机械式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。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就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，在机械转向系统基础上增加了液压助力系统它是建立在机械系统的基础之上的，额外增加了一个液压系统HPS(hydraulic power steering)，一般有油泵、 V 形带轮、油管、供油装置、助力装置和控制阀。 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nts 2 的新功能是液力支持转向的运动，因此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，转向系统中愈来愈多的采用电子器件。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 ECHPS2。 EHPS 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便捷的操纵汽车。 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，使操纵轻便性和稳定性达到最合适的平衡状态。 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 ”。 EHPS 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 EHPS 都与传统的 HPS 一样存在液压油泄漏问题。 上世纪 50 年代，通用汽车公司推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 3。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 3。 1.2 汽车转向系统现状 改革开放以来，我国汽车工业发展迅猛。作为汽车关键部件之一的转向系统也得到了相 应的发展，基本已形成了专业化、系列化生产的局面。有资料显示，国外有很多国家的转向器厂，都已发展成大规模生产的专业厂，年产超过百万台，垄断了转向器的产生，并且销售点遍布了世界。 现代汽车转向系统应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 4。还应该充分考虑安全性、nts 3 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。随着国际经济形势的恶化，石油危机造成经济衰减，汽车生产愈来愈重经济性，因此，要设计成本、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。人类逐渐意识到全球变暖的问题，从而需要改进燃烧效率，并且对具有环保、节能型特点的产品需求不断增加。因此，可以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发生。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。 随着汽车电子技术的迅猛发展，人们对汽车转向操纵性能的要求也日益提高。汽车转向系统已从传统机械转向、液压助力转向（ Hydraulic Power Steering）、电控液压助力转向（ Electric Hydraulic Power），发展到电动助力转向系统（ Electric Power Steering），最终还将过渡到线控转向系统（ Steer By Wire）。 在早期的汽车上，转向机械非常简单，主要由一级齿轮传动机构和转向拉杆等构成。其基本功能是将驾驶员的手动旋转操作转变 为转向拉杆的左右移动，从而带动车轮转动，实现汽车的转向。随着汽车技术的发展，出现了更为复杂的机械式转向机构。 机械转向机械中的一个重要性能参数是传动效率。因转向器结构的不同，转向效率也有较大的差别。一般应要求正效率高而逆效率适当。若逆效率太低，则 “路感 ”差，且不能保证车轮自动回正。有关资料介绍正、逆效率之差最好保持在 10%左右。 对于机械式转向机构不断提高转向器的传动效率已成为产品竞争的重要方面，它对转向轻便性影响极大。另一个影响转向轻便性的参数是转向系统的角传动比，其中转向器传动比是系统传动比的主要构成部 分。转向的轻便性要求系统具有较大的传动比，同时方向盘旋转圈数不宜太多。 现在国外变速比转向器正进入完全成熟的阶段，可以看出它是解决汽车转向轻便性的一个最廉价而有效的措施。我们要想减小转向时的操舵力，提高传动效率和提高传动比效果是相同的，但传动效率每提高一个百分之二、三，在结构和工艺上都要付出巨大的努力，然而若使两端的传动比高出中间位置 20%，或者 50%，都是比较容易办到的，而部件的制造成本增加甚少。此外，转向系统的刚性对操纵稳定性和前轮摆振的问题也是一个很重要的指标。一般来说，转向操纵的不灵敏区是自由行程和 低刚度区造成。为了缩小不灵敏区，一是限制自由行程，一般认为自由行程超过方向盘转角 是不能允许的，其次是增大系统刚度。为此，欧洲一些国家已经取消了纵拉杆内的弹盖，日本也在淘汰这种结构。 nts 4 随着车辆载重的增加以及人们对车辆操纵性能要求的提高，简单的机械式转向系统已经无法满足需要，动力转向系统应运而生，它能在驾驶员转动方向盘的同时提供助力，动力转向系统分为液压转向系统和电动转向系统两种。其中液压转向系统是目前使用最为广泛的转向系统。 液压转向系统在机械系统的基础上增加了液压系统，包括液压泵、 形带轮、油管、供油装置 、助力装置和控制阀。它借助于汽车发动机的动力驱动液压泵、空气压缩机和发电机等，以液力、气力或电力增大驾驶员操纵前轮转向的力量，使驾驶员可以轻便灵活地操纵汽车转向，减轻了劳动强度，提高了行驶安全性。 液压助力转向系统从发明到现在已经有了大约半个世纪的历史，可以说是一种比较完善的系统，由于其工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。它由液压泵作为动力源，经油管道控制阀向动力液压缸供油，通过活塞杆带动转向机构动作，可通过改变缸径及油压的大小来改变助力的大小，由此达到转向助力的作用。传统液压式动力转向系统一般按液流的形式 可以分为：常流式和常压式两种类型，也可以根据控制阀形式分为转阀式和滑阀式。 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 EPS 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。 nts 5 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 46kg 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 EPS 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 EPS，距离 EPS 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nts 6 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 微型车 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（ EPS）技术发展趋势可归结为： （ 1）电力驱动技术： EPS 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： EPS 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 EPS 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nts 7 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） EPS 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。 1.3 设计的主要内容 根据题目 确定转向器的结构形式，并进行转向器及转向梯形的结构设计，转向器的结构强度校核 ，及相应的转向传动机构、转向操纵机构的布置。 nts 8 第 2 章 转向系的方案设计 2.1 汽车转向系的功用和设计要求 汽车在行驶过程中，为了适应各种道路情况和行驶条件，经常需要经常改变行驶方向。改变行驶方向的方法是通过转向轮（一般是前轮）相对于汽车纵轴线偏转一定角度实现的 5。汽车在直线行驶时，转向轮也往往受到路 面侧向干扰力的作用自动偏转而改变行驶方向。因此，驾驶员需要通过一套机构随时改变或恢复汽车行驶方向。该套专设机构既为汽车的转向系统。 汽车转向系的作用是保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶中，保证各转向轮之间有协调的转角关系。保证汽车在行驶中能按驾驶员的操纵要求，适时地改变行驶方向，并能在受到路面干扰偏离行驶方向时，与行驶系配合，共同保持汽车稳定地直线行驶。转向系对汽车行驶的适应性、安全性都具有重要的意义。 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。不满组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的位置，并稳定行驶。 （ 3）汽车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自振，转向盘没有摆动。 （ 4）转向传动机构和悬架导向装置共同作用时，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，保证转向轮与转向盘转动方向一致。 （ 11）方向盘左置。 （ 12）不得装用全动力转向机构。 （ 13）当汽车前行向左或向右转弯时，转向盘向左向右的回转角和转向力不能有nts 9 显著的差别。 （ 14）转向器应有合适的角传动比，既能使转向省力，减轻驾驶员的劳动强度，又能使驾驶员转动转向盘时，转向轮应立即获得相应的偏转角，且转向盘转动的总圈数不能太多。 2.2 主要参数的确定 根据 指导教师给出的题目及设计要求，将选用 吉利熊猫 2010 款 1.3L 型的数据作为本次设计的基础数据，主要参数为： 整车质量： 985kg 最小转弯直径： 9.5m 最小转弯半径： 4.75m 车长： 3598mm 车宽： 1630mm 车高： 1465mm 轴距： 2340mm 最小离地间隙： 121mm 最大功率： 63/6000 kw/rpm 最大扭矩： 110/5200 Nm/rpm 前轮胎规格： 165/60R14 后轮胎规格： 165/60R14 前 /后轮距： 1420/1410mm 最高车速 ： 145km/h 2.3 转向器形式的选择 汽车行驶过程中，经常需要改变行驶方向，即所谓的转向，这就需要有一套能够按照司机意志使汽车转向的机构，它将司机转动方向盘的动作转变为车轮的偏转动作。 汽车的转向系根据其转向能源的不同，可分为机械式转向系和动力式转向系。 2.3.1 机械转向系组成及其功用 机械式转向系是依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转向器和一系列的杆件传递到转向轮使其偏转的，其中所有传 力件都是机械的。汽车转向时，驾驶员作用于转向盘上的力经转向柱传至转向器，将转向力放大后，再通过转向传动机构的传递，推动转向轮偏转，使汽车改变行驶方向。 普通的转向系统建立在机械转向的基础上，机械转向系由转向操纵机构、转向器、转向传动机构三大部分组成 6。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。机械式转向系根据机械式转向器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、蜗杆指销式转向器等。转向传动机构的功用是将转向器输出的力传给转向 轮，且使二转向轮偏转角按一定的关系变化，以实现汽车顺利转向。转向传动机构的功用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，并使两轮向轮偏转角nts 10 按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。转向传动机构根据悬架的分类可分为与非独立悬架配用的转向传动机构和与独立悬架配用的转向传动机构两大类，转向传动机构的杆系根据布置可分为前置 式和后置式。有些汽车在转向传动机构中装有转向减振器，用来衰减转向轮的摆振和缓和来自路面的冲击载荷。从转向盘到转向传动轴这一系列零部件属于转向操纵机构。包 括：转向盘、转向管柱、转向轴、上万向节、下万向节和传动轴。 2.3.2 动力转向系组成及其功用 动力转向系统是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系。重型汽车或装有超低压胎的轿车转向时阻力较大，为了减轻驾驶员的疲劳强度，改善转向系统的技术性能，采用动力转向装置。动力转向装置按动力能源分为液压式和气压式，按动力缸、控制阀及转向器的相对位置分为整体式、半整体式、转向加力器，转向加力装置主要包括转向油泵、转向油罐、转向控制阀和转向动力缸 7。采用动力转向的汽车转向时，所需的能量在正常情况下，只有小部分是驾驶 员提供的体能，而大部分是发动机驱动转向油泵旋转，将发动机输出的部分机械能转化为压力能，并在驾驶员控制下，对转向传动装置或转向器中某一传动件施加不同方向的随动渐进压力，从而实现转向。但是在转向加力装置失效时，一般还应当能由驾驶员独立承担汽车转向任务。因此，动力转向系是早机械转向系的基础上加设一套转向加力装置而形成的。采用动力转向装置的汽车，不仅使汽车入库等复杂情况下的操作容易，而且在高速行驶状态下，能对动力加以限制，使转向不会过轻，增加了安全性。 2.3.3 转向系统选择 对于中高级以下的轿车和前轴负荷不超过 3t 的载货汽车，则多数仅采用机械转向系而无动力转向装置。汽车转向时，驾驶员作用于转向盘的力经转向拄传至转向器，将转向力放大后，再通过转向传动机构的传递，推动转向轮偏转，使汽车改变行驶方向。机械式转向系完全由驾驶员的力量实现转向，结构简单、工作可靠、路感好。 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。动力转向系不仅使汽车入库等复杂情况下的操作容易，而且在高速行驶状态下，能对动力加以限制，使转向不会过轻，增加了安全性。动力转向机是利用外部动力协助司机轻便操作转向盘的装置。随着最近汽车发动机马力 的增大和扁平轮胎的普遍使用，使车重和转向阻力都加大了，因此动力转向机构越来越普及。值得注意的是，转向助力不应是不变的，因为在高速行驶时，轮胎的横向阻力小，转向盘变得轻飘，很难捕捉路面的感觉，也容易造成转向过于灵敏而使汽车不易控制。 本 次 设计为 微 型汽车，采用机械式转向器。 nts 11 2.4 机械式转向器 类型的选择 根据所采用的转向传动副的不同，转向器的结构型式有多种。常见的有齿轮齿条式、循环球式、球面蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等 8。 对转向器结构型式的选择，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、小型轿车以及前轴轴荷小于 1.2t 的客车、货车，多采用齿轮齿条式转向器。球面蜗杆滚轮式转向器曾广泛用于轻型和中型汽车上，循环球式转向器则是当前广泛使用的一种结构，高级轿车和轻型及以上的客车、货车均多采用。据了解，在世界范围内，汽车循环球式转向器占 45%左右，齿轮齿条式转向器占 40%左右，蜗杆滚轮式转向器占 10%左右，其它型式的转向器占 5%。 2.4.1 齿轮齿条式转向器 齿轮齿条转向器由于转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向 横拉杆做成一体的齿条组成。与其他形式的转向器比较，齿轮齿条转向器最主要的优点是：结构简单、紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器的质量比较小；转向器占用的体积小；没有转向摇臂和直拉杆，所以转向轮转角可以增大，制造成本低。 其结构如图 2.1。 1-调整螺塞 2-罩盖 3-压簧 4-压簧垫块 5-转向齿条 6-齿轮轴 7-球轴承 8-转向器壳体 9-转向齿轮 10-滚柱轴承 11-转向横拉杆 12-拉杆支架 13-转向节 图 2.1 齿轮齿条式转向器 齿轮齿条转向器的主要缺点是 ：因逆效率高 60%-70%面上行驶时，发生在转向轮nts 12 与路面之间冲击力的大部分能传至转向盘产生反冲，反冲现象会使驾驶员精神紧张，并难以准确控制汽车行驶方向，转向盘突然转动又会造成打手，同时对驾驶员造成伤害。 2.4.2 循环球式转向器 循环球式转向器 由齿轮机构将来自转向盘的旋转力进行减速，使转向盘的旋转运动变为涡轮蜗杆的旋转运动，滚珠螺杆和螺母夹着钢球啮合，因而滚珠螺杆的旋转运动变为直线运动，螺母再与扇形齿轮啮合，直线运动再次变为旋转运动，使连杆臂摇动，连杆臂再使连动拉杆和横拉杆做直线运动，改变车轮的方向。 其结 构如图 2.2。 1-螺母 2-弹簧垫圈 3-转向螺母 4-转向器壳体密封垫圈 5-转向器壳体底盖 6-转向器壳体 7-导管夹 8-加油（通气）螺塞 9-钢球导管 10-球轴承 11、 23-油封 12-转向螺杆 13-钢球 14-调整垫片 15-螺栓 16-调整垫圈 17-侧盖 18-调整螺钉 19-锁紧螺母 20、 22-滚针轴承 21-齿扇轴（摇臂轴） 图 2.2 循环球式转向器 循环球式转向器的主要优点：在螺杆和螺母之间因为有可以循环流动的钢球，将滑动摩擦 转变为滚动摩擦，因而传动效率可达到 75 80；在结构和工艺上采取措nts 13 施后，包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度和螺杆、螺母上的螺旋槽经淬火和磨削加工，使之有足够的硬度和耐磨损性能，可保证有足够的使用寿命；转向器的传动比可以变化；工作平稳可靠；齿条与齿扇之间的间隙调整工作容易进行；适合用来做整体式动力转向器。循环球式转向器的主要缺点：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。 2.4.3 蜗杆滚轮式转向器 蜗杆滚轮式转向器由蜗杆和滚轮啮合而构成。蜗杆滚轮式转向器的主要优点是：结构简单；制造容易；因 为滚轮的齿面和蜗杆上的螺纹呈面接触，所以有比较高的强度，工作可靠，磨损小，寿命长；逆效率低。蜗杆滚轮式转向器的主要缺点是：正效率低；工作齿面磨损后，调整啮合间隙比较困难；转向器的传动比不能变化。 蜗杆指销式转向器根据其销子能否自转分为固定销式蜗杆指销式转向器和旋转销式转向器。根据销子数量不同，又分为单销和双销之分。蜗杆指销式转向器的优点是：转向器的传动比可以做成不变的或者变化的；指销和蜗杆之间的工作面磨损后，调整间隙工作容易进行。固定销蜗杆指销式转向器的结构简单、制造容易；但是因销子不能自转，销子的工作部位 基本保持不变，所以磨损快、工作效率低。旋转销式转向器的效率高、磨损慢，但结构复杂。 转向器是转向系中的减速增扭转动装置 9，其功用是增大转向盘传动转向节的力并改变力的传递方向。曾经出现过的转向器结构型式很多，但有些已趋于淘汰。现代汽车的转向器已演变定型，中型和重型汽车多采用循环球式转向器，小型车多采用齿轮齿条式转向器。在循环球式转向器中，输入转向圈与输出的转向摇臂摆角是成正比的；在齿轮齿条式转向器中，输入转向圈数与输出的齿条位移是成正比的。目前大部分低端轿车采用的就是齿轮齿条式机械转向系统，本 次 为 微型 车转 向器设计，故采用齿轮齿条式转向器。 2.5 本章小结 本章主要讲述转向系统的各种形式， 根据选用的参数 采用机械式转向系统。 并 在机械式转向系统中进行转向器的选择，对比分析各种转向器的 优缺点 ， 最终 选择齿轮齿条转向器。 nts 14 第 3 章 机械式转向系总体设计 3.1 转向系的主要性能参数 转向系的主要性能参数有转向系的效率、传动比的变化特性、转向器传动副的传动间隙特性、转向盘的总转动圈数以及转向盘的自由行程。 3.1.1 转向系的效率 功率 p 从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率为正效率，用符 号 +表示，反之称为逆效率，用符号 -表示，为了保证转向时驾驶员转动转向盘轻便，要求正效率高 10；为了保证汽车转向后转向轮和转向盘能自动返回直线行驶位置，又需要有一定的逆效率。 转向器的正效率与转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等有关。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鼓动销和蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显低一些。齿轮齿条式转向器的正效率可达 90%，循环球式转向器的传动副为滚动摩擦，摩擦损失小，其正效率可达 85%，球面蜗杆滚轮式转向器正效率可达 77%-82%，蜗杆指销式转向器和蜗杆滚轮式转向器的传动副存在较大滑动摩擦，正效率 68%-75%比较低。同一类型转向器，因结构不同效率也不一样。 逆效率表示转向器的可逆性。根据逆效率值的大小，转向器又可分为可逆式、极限可逆式与不可逆试三种。 可逆式转向器的逆效率较高，这种转向器可将路面作用在车轮上的大部分力传递到转向盘上，使司机的路感好。在汽车转向后也能保证转向轮与转向盘的自动回正，使转向轮行驶稳定。但在坏路面上，当转向轮上作用有侧向力时，转向轮受到的冲击大部分会传给转向盘，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，这又要求此逆效率尽可能低。因此，可逆式转向器宜用于在良好路面上行驶的车辆。循环球式和齿轮齿条式转向器均属于这一类。本文设计齿轮齿条转向器逆效率为 60 -70 。 不可逆式转向器不会将转向轮受到的冲击力传到转向盘上。由于它既使司机没有路感，又不能保证转向轮的自动回正，现代汽车已不采用。 极限可逆式转向器介于上述两者之间。其逆效率较低，适用于在坏路面上行驶的汽车。当转向轮受到冲击力时，其中只有较小的一部分传给转向盘。 nts 15 通常，由转向盘至转向轮的效率即转向系 的正效率 的平均值为 67%-82%；当向上述相反方向传递力时逆效率的平均值为 58%-63%。 3.1.2 转向系传动比 转向系的传动比包括转向系的角传动比owi和转向系的力传动比pi。 从轮胎接地面中心作用在两个转向轮上的合力 2WF与作用在转向盘上的手力hF之 比，称为力传动比。转向盘角速度w与同侧转向节偏转角速度kw之比，称为转向系角传动比。 转向盘角速度w与同侧转向节偏转角速度kw之比，称为转向系角传动比0wi，即 0/ww k k kw d d t di w d d t d （ 3.1） 式中： d 转向盘转角增量； kd转向节转角增量； dt 时间增量。 0wi又由转向器角传动比wi和转向传动机构角传动比 wi所组成，即 wo w wi i i（ 3.2） 式中：wi转向器的角传动比； wi转向传动机构的角传动比。 现代汽车转向传动机构的角传动比多在 0.85-1.1 之间，即近似于 1。现代汽车转向器的角传动比也常采用不变的数值：轿车取wi=14-22；货车取wi=20-25。本次设计wi取15。 0w w wi i i=1 15=15 转向传动机构的力传动比与转向传动机构的结构布置型式及其杆件所处的转向位置有关。 pi=0 /2w swi D a 75 （ 3.3） 式（ 3.3）中： a 主销偏移距，取值在 40-60mm，取 40mm； nts 16 swD转向盘直径，取 400mm。 3.1.3 转向器的传动副的间隙特性 转向器的传动间隙是指转向器传动副之间的间隙 11。该间隙随转向盘转角的改变而改变。通常将这种变化关系称为转向器的传动间隙特性。研究该传动间隙特性的意义在于它对汽车直线行驶时的稳定性和 转向器的寿命都有直接影响。 当转向盘处于中间位置即汽车作直线行驶时，如果转向器有传动间隙则将使转向轮在该间隙范围内偏离直线行驶位置而失去稳定性。为防止这种情况发生，要求当转向盘处于中间位置时转向器的传动副为无隙啮合。这一要求应在汽车使用的全部时间内得到保证。汽车多直行行驶，因此转向器传动副在中间部位的磨损量大于其两端。为了保证转向器传动副磨损最大的中间部位能通过调整来消除因磨损而形成的间隙，调整后当转动转向盘时又不致于使转向器传动副在其他啮合部位卡住。为此应使传动间隙从中间部位到两端逐渐增大，并在端部达到其 最大值，如图 3.1，利于间隙的调整及提高转向器的使用寿命。不同结构的转向器其传动间隙特性亦不同。 图 3.1 转向器传动副传动间隙特性 循环球式转向器的齿条齿扇传动副的传动间隙特性，可通过将齿扇齿做成不同厚度来获取必要的传动间隙，既将中间齿设计成正常齿厚，从靠近中间齿的两侧齿到离开中间齿最远的齿，其厚度依次递减。齿轮齿条式转向器转向传动副的主动件是一斜齿圆柱小齿轮，它和装在外壳中的从动件 齿条相啮合，齿轮齿条式转向器是依靠齿条背部靠近主动小齿轮处装置的可调节压力的弹簧来消除齿轮齿条传动副的齿间间隙的。球 面蜗杆滚轮式转向器的传动副是球面蜗杆及滚轮，球面蜗杆滚轮式转向器利用轴向移动摇臂以改变滚轮与蜗杆中心距的方法来调整传动间隙。蜗杆指销式转向器nts 17 的传动副为圆柱蜗杆及指销，双销型由于其结构复杂，尺寸及质量也较大，且对两指销间的位置精度、蜗杆上螺纹槽的形状及尺寸精度要求较高，角传动比的变化特性及传动间隙特性的变化也受到限制，因此应用上多为齿轮齿条和循环球式转向器所取代。本次设计中为使汽车保持一定的稳定性，要求传动副的传动间隙在转向盘处于及其附近位置时要极小，一般在 10 15。 3.1.4 转向盘的总转动圈数 转向 盘从一个极端位置转到另一个极端位置时所转过的圈数称为转向盘的总转动圈数。它与转向轮的最大转角及转向系的角传动比有关，并影响转向的操纵轻便性和灵敏性。轿车转向盘的总转动圈数较少，一般约在 3.6 圈以内；货车一般不宜超过 6圈。 单从转向操纵的灵敏性而言，最好是转向盘和转向节的运动能同步开始并同步终止。然而，这在实际上是不可能实现的。因为在整个转向系统中，各传动件之间都必然存在着装配间隙，而且这些间隙将随着零件的磨损而增大。在转向盘转动过程的开始阶段，驾驶员对转向盘所施加的力矩很小，因为只是用来克服转向系统内部的摩 擦的，使各传动件运动到其间的间隙完全消失，故可以认为这个阶段是转向盘空转阶段。此后，才需要对转向盘施加更大的转向力矩，以克服经车轮传到转向节上的转向阻力矩，从而实现使各转向轮的偏转。转向盘在空转阶段中的角行程称为转向盘自由行程。转向盘自由行程对于缓冲路面冲击及避免使驾驶员过度紧张是有利的，但不宜过大，以免影响灵敏性。一般来说，转向盘从相应于汽车直线行驶的中间位置向任一方向的自由行程最好不超过 10 15。当零件磨损严重到使转向盘自由行程超过 25 30时，必须进行调整。 3.1.5 转向盘的选择 转向盘 即通常所说的方向盘。转向盘由轮缘、轮辐和轮毂组成。轮辐一般为三根辐条或四根辐条，也有用两根辐条的。转向盘轮毂孔具有细牙内花键，借此与转向轴连接。转向盘内部有金属制成的骨架，是用钢、铝合金或镁合金等材料制成，采用焊接或铸造等工艺制造。骨架的外侧一般包有柔软的合成橡胶或树脂，也有采用皮革包裹以及硬木制作的转向盘。转向盘外皮要求有某种程度的柔软度，这样可有良好的手感，而且能防止手心出汗时握转向盘打滑，还需要有耐热性，如图 3.2。 nts 18 1-轮缘 2-喇叭按纽 3-轮毂 4-轮辐 图 3.2 转向盘 转向盘的功能：转向盘位于司机的正前方，是碰撞时最可能伤害到司机的部件，因此需要转向盘具有很高的安全性，在司机撞在转向盘上时，骨架能够产生变形，吸收冲击能，减轻对司机的伤害。转向盘的惯性力矩也是很重要的，惯性力矩小，我们就会感到 “轮轻 ”，操做感良好，但同时也容易受到转向盘的反弹 (即 “打手 ”)的影响，为了设定适当的惯性力矩，就要调整骨架的材料或形状等。现在的转向盘与以前的看似没有太大变化，但实际上已经有了改进。由于转向助力装置的普及，转向盘外径变小了，而 手握处却变粗了，采用柔软材料，使操作感得到了改善。现在有越来越多的汽车在转向盘里安装了安全气囊，也使汽车的安全性大大提高了。 现在的转向盘与以前的看似没有太大变化，但实际上已经有了改进。由于转向助力装置的普及，转向盘外径变小了，而手握处却变粗了，采用柔软材料，使操作感得到了改善。 现在有越来越多的汽车在转向盘里安装了安全气囊，也使汽车的安全性大大提高了。转向盘的集电环：转向盘上有喇叭开关，必须时刻与车身电器线路相连，而旋转的转向盘与组合开关之间显然不能用导线直接相连，因此就必须采用集电环装置。集电 环好比环形的地铁轨道，喇叭开关的触点就象奔跑在轨道上的电车，时刻保持接通的状态。由于是机械接触，长时间使用触点会因磨损影响导电性，导致紧急时刻喇叭不鸣甚至气囊不工作。因此，最近装备气囊的汽车开始装用电缆盘，代替集电环。 转向盘的端子与组合开关的端子用电缆线连接，电缆盘将电线卷入盘内，类似于吸尘器的电线卷取机构，在转向盘旋转范围内，电线靠卷筒自由伸缩。这种装置大大提高了电器装置的可靠性 。 转向盘通过花键、螺母固定于转向柱上端，平时有转向盘中央盖板遮挡，根据国nts 19 家交通安全规定，转向盘布置于驾驶室左侧，便 于拓宽驾驶员左侧视野，有利安全行车。 方向盘直径有一系列尺寸。在选用大直径的方向盘时，会使驾驶员进出驾驶室感到困难，若是选用小直径方向盘，转向时则要求驾驶员施加较大的力量，从而使汽车难于操纵。选择方向盘直径与汽车类型有关，本次设计为微型车，方向盘直径选择为400mm。 3.2 机械式转向器总体布置 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：中间输入，两端输出， 如图 3.3（ a）；侧面输入，两端输出，如图 3.3（ b） ；侧面输入，中间输出，如图 3.3（ c）；侧面输入，一端输出如图 3.3（ d）。 （ a） 中间输入，两端输出 (b) 侧面输入，两端输出 （ c） 侧面输入，中间输出 （ d） 侧面输入，一端输出 图 3.3 齿轮齿条转向器的四种形式 转向减振器布置位置：转向减振器常水平的置于转向横拉杆附近，装于转向杆与车身或车架之间。可用于衰减转向车轮的摆振以及缓和来自路面的冲击载荷。 转向传动机构的杆系可布置在前轴之后，称为后置式。若发动机的位置很低，或前桥为驱动桥时，因杆件的布置有困难，也可布置在前轴之前，称为前置式。本文设计的转向传动机构为后置式。转向传动机构根据悬架的分类可分为与非独立悬架配 用的转向传动机构和与独立悬架配用的转向传动机构两大类。本文设计为与独立悬架配nts 20 用的转向传动机构。采用独立悬架时，与齿轮齿条转向器匹配的转向杆系结构更简单。如图 3.4 图 3.4 转向系布置形式 3.3 本章小结 本章主要介绍转向系统的性能参数，对机械式转向器的布置方案确定，简单说明转向器在汽车内的布置位置以及布置形式 。 nts 21 第 4 章 齿轮齿条 转向 器 的 结构 设计 4.1 转向器齿轮的设计 齿