转向系统设计(含全套CAD图纸).doc

第一章 前 言1.1 四轮农用车的发展前景 中国改革开放以来，在农村实行家庭联产承包责任制的改革，使农村的经济空前的活跃。农村的货运量和人口的流动量急剧增加，加快运输机械化成为农村经济发展的迫切需要，正是这一市场的需要使具有中国特色的运输机械-农用运输车应运而生。它解决了农村运输的急需，填补了村际，乡际，城镇及城乡结合部运输网络的空白，活跃了农村经济，为农村富裕劳动力找了一条出路，从而使数以万计的农民走上了小康之路！ 四轮农用运输车的竞争对手是轻型汽车。与汽车相比，四轮农用运输车有许多优点。入世后农用运输车没有受到多大冲击，因为它是中国特色的产业，符合国情，在国外几乎没人搞过。但是我们不能回避汽车与四轮农用运输车在市场的竞争，四轮农用运输车利用比较底的生产成本和微利经营的生产方式并引进先进的汽车技术，坚持“三低一高”的特色，注重产品质量，使之与在汽车行业的竞争中得以提高。 随着党和国家提出的的开发西部的政策落实，也给农用运输车厂商带来了无限商机使农用运输车的开发有广阔的前景， 另一方面，我国有近 13 亿人口，特别是 9 亿以上的农村人口收入水平相对较低，需求量最大的是低档次的汽车。由于它比较适合中国国情，预计在未来的 515 年里，农用车在我国农村仍然具有广阔的发展前景。近年来农用车保有量增加很快，因此对柴油的需求很大。 农用车制造工艺简单，价格便宜，其中三轮车价格在 40007000 元/辆，四轮车价格在 11.5 万元/辆，购车农户一般半年左右即可收回 10000 元投资。另外，农用车的养路费为每月每吨 70 元，是汽车的 30，使用成本为同吨位汽车的 1/3 到 1/2。公路快速建设也促进了农用车的发展。旧中国，全 4 6国公路仅 1310 km，而到 1997 年底，已达 1.22610 km，目前全国 98的乡和 80的村都通了公路，使得农用车有用武之地。公安车管部门 1993 年制定了 ， 关于农用运输车道路交通管理的规定 在不损害管理大局的前提下，大幅度减少农用车的各种费用，免交车辆增容费。因此，在近十几年里我国农用车得到快速发展。1980 年全国农用车产销量不足万辆，1992 年产销量达到 113 万辆，首次超过当年汽车产销量（106.2 万辆）。1998 年农用车产销量达到 270 万辆，而同期汽车产销量为 163 万辆。 我们要开发的农用运输车要采用设计理念，多进行优化设计，使产品新颖化，品种多样化以适应多种需要。 首先农用运输车既然为农民服务，那么就必须立足于“农”字，需对农村市场有意的深入了解。及农村的道路，农民的使用水品和购买能力和分析研究！ 另外，过去研制一味的迎合用户“多拉快跑”的心理，盲目的加大强化车辆的部件是不可取的。农产品的开发研制该大则大，该小则小，不仅产品的档次要拉开，产品开发的大小两个方向也要拉开！1.2 前桥和转向系组成和设计步骤 前桥通过悬架与车架或承载式车身相联，两侧安装着从动午轮，用以在车架或承载式车身与车轮之间传递铅垂力、纵向力和横向力。从动桥还要承受和传递制动力矩。从动桥按与其匹配的悬架结构的不同，也可分为非断开式与断开式两种。从动桥按与之匹配的悬架结构不同可分为非断开式与断开式两种。由于农用车要求价廉，所以多采用非断开式前桥。非断开式的前桥主要有前梁，转向节和转向主销组成。一、从动桥结构形式 1、非断开式转向从动桥 2、合纵臂式后支持桥 一般多采用非断开式转向从动桥。二、从动桥设计 1、转向从动桥主要零件尺寸的确定，前梁，工字型断面，可采用常规设 计，也可采用计算机程序可靠性优化设计。 2、零件工作应力的计算 （1）在制动工况下的前梁应力计算 （2）在最大侧压力工况下的应力计算 （3）转向节在制动和侧滑工况下的应力计算 （4）主销和转向衬套在制动和侧滑工况下的应力计算 （5）转向节推力轴承和止推垫片的计算三、转向系设计 1、转向器方案分析 2、转向器主要性能参数设计 3、转向梯形的优化设计第二章 概述2.1 前桥简介 从动桥即非驱动桥，又称从动车桥。它通过悬架与车架或承载式车身相联，两侧安装着从动车轮，用以在车架或承载式车身与车轮之间传递铅垂力、纵向力和横向力。从动桥还要承受和传递制动力矩。 根据从动车轮能否转向，从动桥分为转向桥与非转向桥。一般汽车多以前桥为转向桥。为提高操纵稳定性和机动性，有些轿车采用全四轮转向。多轴汽车除前轮转向外，根据对机动性的要求，有时采用两根以上的转向桥直至全轮转向。 一般载货汽车采用前置发动机后桥驱动的布置形式，故其前桥为转向从动桥。轿车多采用前置发动机前桥驱动，越野汽车均为全轮驱动，故它们的前桥既是转向桥又是驱动桥，称为转向驱动桥。 从动桥按与其匹配的悬架结构的不同，也可分为非断开式与断开式两种。与非独立悬架相匹配的非断开式从动桥是一根支承于左、右从动车轮上的刚性整体横梁，当又是转向桥时，则其两端经转向主销与转向节相联。断开式从动桥与独立悬架相匹配。 非断开式转向从动桥主要由前梁、转向节及转向主销组成。转向节利用主销与前梁铰接并经一对轮毂轴承支承着车轮的轮毂，以达到车轮转向的目的。在左转向节的上耳处安装着转向节臂，后者与转向直拉杆相连；而在转向节的下耳处则装着与转向横拉杆相连接的转向梯形臂。有的将转向节臂与梯形臂连成一体并安装在转向节的下耳处以简化结构。转向节的销孔内压入带有润滑油槽的青铜衬套以减小磨损。为使转向轻便，在转向节上耳与前梁拳部之间装有调整垫片以调整其间隙。带有螺纹的楔形锁销将主销固定在前梁拳部的孔内，使之不能转动。2.2 前桥各参数对汽车稳定性的作用与影响 为了保持汽车直线行驶的稳定性、转向轻便性及汽车转向后使前轮具有 1自动回正的性能，转向桥的主销在汽车的纵向和横向平而内都有一定倾角。在纵向平面内，主销上部向后倾斜一个 角，称为主销后倾角。在横向平面内，主销上部向内倾斜一个角，称为主销内倾角。 主销后倾使主销轴线与路面的交点位于轮胎接地中心之前，该距离称为后倾拖距。当直线行驶的汽车的转向轮偶然受到外力作用而稍有偏转时，汽车就偏离直线行驶而有所转向，这时引起的离心力使路面对车轮作用着一阻碍其侧滑的侧向反力，使车轮产生绕主销旋转的回正力矩，从而保证了汽车具有较好的直线行驶稳定性。此力矩称稳定力矩。稳定力矩也不宜过大，否则在汽车转向时为了克服此稳定力矩需在方向盘上施加更大的力，导致方向盘沉重。后倾角通常在 3 以内。现代轿车采用低压宽断面斜交轮胎，具有较大的弹性回正力矩，故主销后倾角就可以减小到接近于零，甚至为负值。但在采用子午线轮胎时，由于轮胎的拖距较小，则需选用较大的后倾角。 主销内倾也是为了保证汽车直线行驶的稳定性并使转向轻便。主销内倾使主销轴线与路面的交点至车轮中心平面的距离即主销偏移距减小，从而可减小转向时需加在方向盘上的力，使转向轻便，同时也可减小转向轮传到方向盘上的冲击力。主销内倾使前轮转向时不仅有绕主销的转动，而且伴随有车轮轴及前横梁向上的移动，而当松开方向盘时，所储存的上升位能使转向轮自动回正，保证汽车作直线行驶。内倾角一般为 5 8 ；主销偏移距一股为 3040mm。轻型客车、轻型货车及装有动力转向的汽车可选择较大的主销内倾角及后倾角，以提高其转向车轮的自动回正性能。但内倾角也不宜过大，即主销偏移距不宜过小，否则在转向过程中车轮绕主销偏转时，随着滚动将伴随着沿路面的滑动，从而增加轮胎与路面间的摩擦阻力，使转向变得很沉重。为了克服因左、右前轮制动力不等而导致汽车制动时跑偏，近年来出现主销偏移距为负值的汽车。 前轮定位除上述主销后倾角、主销内倾角外，还有车轮外倾角及前束，共 4 项参数。车轮外倾指转向轮在安装时，其轮胎中心平面不是垂直于地面，而是向外倾斜一个角度 ，称为车轮外倾角。此角约为 0.5 1.5 ，一般为 1左右。它可以避免汽车重载时车轮产生负外倾即内倾，同时也与拱形路而相适应。由于车轮外倾使轮胎接地点向内缩，缩小了主销偏移距，从而使转向轻便并改善了制动时的方向稳定性。 前束的作用是为了消除汽车在行驶中因车轮外倾导致的车轮前端向外张 2开的不利影响具有外倾角的车轮在滚动时犹如滚锥，因此当汽车向前行驶时，左右两前轮的前端会向外张开，为此在车轮安装时，可使汽车两前轮的中心平面不平行，且左右轮前面轮缘间的距离 A 小于后面轮缘间的距离 B，以使车轮在每一瞬时的滚动方向是向着正前方。前束即B-A，一般汽车约为35mm，可通过改变转向横拉杆的长度来调整。设定前束的名义值时，应考虑转向梯形中的弹性和间隙等因素。 在汽车的设计、制造、装配调整和使用中必须注意防止可能引起的转向车轮的摆振，它是指汽车行驶时转向轮绕主销不断摆动的现象，它将破坏汽车的正常行驶。转向车轮的摆振有自激振动与受迫振动两种类型。前者是由于轮胎侧向变形中的迟滞特性的影响，使系统在一个振动周期中路面作用于轮胎的力对系统作正功，即外界对系统输入能量。如果后者的值大于系统内阻尼消耗的能量，则系统将作增幅振动直至能量达到动平衡状态。这时系统将在某一振幅下持续振动，形成摆振。其振动频率大致接近系统的固有频率而与车轮转速并不一致，且会在较宽的车速范围内发生。通常在低速行驶时发生的摆振往往属于自摄振动型。当转向车轮及转向系统受到周期性扰动的激励，例如车轮失衡、端面跳动、轮胎的几何和机械特性不均匀以及运动学上的干涉等，在车轮转动下都会构成周期性的扰动。在扰动力周期性的持续作用下，便会发生受迫振动。当扰动的激励频率与系统的固有频率一致时便发生共振。其特点是转向轮摆振频率与车轮转速一致，而且一般都有明显的共振车速，共振范围较窄35km/h。通常在高速行驶时发生的摆振往往属于受迫振动型。 转向轮摆振的发生原因及影响因素复杂，既有结构设计的原因和制造方面的因素如车轮失衡、轮胎的机械特性、系统的刚度与阻尼、转向轮的定位角以及陀螺效应的强弱等；又有装配调整方面的影响，如前桥转向系统各个环节间的间隙影响系统的刚度和摩擦系数影响阻尼等。合理地选择这些有关参数、优化它们之间的匹配，精心地制造和装配调整，就能有效地控制前轮摆振的发生。在设计中提高转向器总成与转向拉杆系统的刚度及悬架的纵向刚度，提高轮胎的侧向刚度，在转向拉杆系中设置横向减震器以增加阻尼等，都是控制前轮摆振发生的一些有效措施。 3 第三章 从动桥的结构形式3.1 总述 各种车型的非断开式转向从动桥的结构型式基本相同，如图 11 所示。作为主要零件的前梁是用中碳钢或中碳合金钢的，其两端各有一呈拳形的加粗部分为安装主销的前梁拳部；为提高其抗弯强度，其较长的中间部分采用工字形断面并相对两端向下偏移一定距离，以降低发动机从而降低传动系的安装位置以及传动轴万向节的夹角。为提高其抗扭强度，两端与拳部相接的部分采用方形断面，而靠近两端使拳部与中间部分相联接的向下弯曲部分则采用两种断面逐渐过渡的形状。中间部分的两侧还要锻造出钢板弹簧支座的加宽文承面。 有的汽车的转向从动桥的前梁采用组合式结构，即由其采用无缝钢管的中间部分与采用模锻成形的两端拳形部分组焊而成。这种组合式前梁适于批量不太大的生产并可省去大型缎造设备。 转向节多用中碳合金钢模级成整体式结构。有些大型汽车的转向节，由于其尺寸过大，也有采用组焊式结构的，即其轮轴部分是经压配并焊接上去的。 主销的几种结构型式如下图所示，其中比较常用的是a，b两种。 （a） b c d 图 3-1 主销结构形式 （a）圆柱实心型 b 圆柱空心型 c 上，下端为直径不等的圆柱，中间 4 为锥体的主销 d下部圆柱比上部细的主销 转向节推力轴承承受作用于汽车前梁上的重力，为减小摩擦使转向轻便可采用滚动轴承，例如推力球轴承、推力圆锥滚子轴承或圆锥波子轴承等。也有采用青铜止推垫片的。 主销上、下轴承承受较大的径向力，多采用滑动轴承，也有采用滚针轴承的结构。后者的效率高，转向阻力小，且可延长使用寿命。3.2 农用车从动桥 本设计为农用自卸车的转向前桥，因此应该本着耐用经济的思想进行方案的选择，为了降低生产成本，又在结构上满足要求的情况下应尽量简单。 转向前桥有断开式和非断开式两种。断开式前桥与独立悬架相配合，结构比较复杂但性能比较好，多用于轿车等以载人为主的高级车辆。非断开式又称整体式，它与非独立悬架配合。它的结构简单，承载能力大，这种形式再现在汽车上得到广泛应用。因此本次设计就采用了非断开式从动桥。 转向从动桥的主要零件有前梁，转向节，主销，注销上下轴承及转向节衬套，转向节推力轴承。前梁采用中间部分为无缝钢管与两端拳部组焊的形式。主销采用结构简单的实心的圆柱形如上图 a 所示。 另外为了保证汽车转弯行驶时所有车轮能绕一个转向瞬时转向中心，在不同的圆周上作无滑动的纯滚动，本次设计有进行了转向梯形的优化设计。本方案转向梯形布置在前轴之后，进行梯形的最佳参数和强度计算。 5 第四章 转向系的结构形式4.1 概述 汽车在行驶过程中，经常需要改变方向。就轮式汽车而言，改变行驶方向的方法是，驾驶员通过一套专设的机构，使汽车的转向桥上的车轮相对于汽车纵轴线偏转一定角度。此时路面作用于转向轮上的向后的反力就有了垂直与车轮的分量并成为汽车作曲线运动的向心力。在汽车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而干扰行驶方向。此时，驾驶员也可以利用这一套机构使转向轮向相反的方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。这?惶子美锤谋浠蚧指雌敌惺环较虻淖杌辜闯谱髌档淖蛳怠?转向系可按转向能源的不同分为机械转向系和动力转向系两大类。在现代汽车结构中，常用机械式转向系。机械式转向系依靠驾驶员的手力转动方向盘，经过转向器和转向传动机构使转向轮偏转。有些汽车装有防伤机构和转向减振装置。还有一些汽车的专门装有动力转向机构，并借助此机构来减轻驾驶员的手力，以降低驾驶员的劳累程度。对转向系的主要要求有：一、操纵轻便。转向时加在方向盘上的力对轿车不超过 200N，对中型货车不 超过 360N对中型货车不超过 450N方向盘的回转圈数要少。二、工作安全可靠。三、在转向后，方向盘有自动回正能力，能保持汽车有稳定的直线行驶能力。四、在前轮受到冲击时，转向系传递反向冲击到方向盘上要小。五、应尽量减小转向系统连接处的间隙，间隙应能自动补偿即调整，除了设 计应正确的选择导向轮的定位角外，转向盘在中间式的自由行程应当保 证直线行驶的稳定性和转向盘相对导向轮偏转角的灵敏度。4.2 转向器结构形式及选择 6一、类型 根据转向器所用传动副的不同，转向器有多种。常见的有循环球式球 面蜗杆蜗轮式、蜗杆曲柄销式和齿轮齿条式等。 转向器的结构形式，决定了其效率特性以及对角传动比变化特性的要 求。选用那种效率特性的转向器应有汽车用途来决定，并和转向系方案有 关。经常行驶在好路面上的轿车和市内用客车，可以采用正效率较高的、 可逆程度大的转向器。二、特点 效率高、工作可靠、平稳，蜗杆和螺母上的螺旋槽在淬火后经过磨削 加工，所以耐磨且寿命较长。齿扇和齿条啮合间隙的调整工作容易进行。 和其它形式转向器比较，其结构复杂，对主要零件加工精度要求较高。 蜗杆曲柄销 式转向器角传动比的变化特性和啮合间隙特性变化受限 制，不能完全满足设计者的意图。 齿轮齿条式转向器的结构简单，因此制造容易，成本低，正、逆效率 都高。为了防止和缓和反向冲击传给方向盘，必须选择较大的传动比，或 装有吸振装置的减振器。4.3 循环球式转向器结构及工作原理 循环球式转向器中一般有两级传动副。第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿扇传动副。 转向螺杆的轴颈支撑在两个圆锥滚子轴承上。轴承紧度可用调整垫片调整。转向螺母的下平面上加工成齿条，与齿扇轴内的齿扇部分相啮合。通过转向盘转动转向螺杆时，转向螺母不转动，只能轴向移动，并驱使齿扇轴转动。为了减小转向螺杆和转向螺母之间的摩擦，其间装有小钢球以实现滚动摩擦。二者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面轮廓的螺旋管状通道。转向螺母外有两根导管，两端分别插入螺母的一对通孔。导管内装满了钢球。两根导管和螺母内的螺旋管状通道组合成两条各自独立的封闭的钢球流道。转向器工作是两列钢球只是在各自封闭的流道内循环，而不脱出。 转向螺母上的齿条式倾斜的，因此与之啮合的齿应当是分度圆上的齿厚沿齿扇轴线按线性关系变化的变厚齿扇。因为循环球转向器的正传动效率很 7高，操作轻便，使用寿命长。经常用于各种汽车。 综上最后本次设计选定循环球式转向器。 8 第五章 转向桥的设计计算5.1 从动桥主要零件工作应力的计算 主要是计算前梁、转向节、主销、主销上下轴承即转向节衬套、转向节推力轴承或止推垫片等在制动和侧滑两种工况下的工作应力。绘制计算用简图时可忽略车轮的定位角，即认为主销内倾角、主销后倾角，车轮外倾角均为零，而左右转向节轴线重合且与主销轴线位于同一侧向垂直平面内。如下所示： 图 51 转向从动桥在制动和侧滑工况下的受力分析简图 1-制动工况下的弯矩图 2-侧滑工况下的弯矩图制