液压助力循环球式转向器的设计

摘要汽车是一种性能要求高，负荷变化大的运输工具。转向系统作为汽车的关键部件之一，更需要了解和掌握。转向器作为转向系统中最重要的组成部件，对它进行深入的研究便显得意义重大。循环球式转向器主要由螺杆、螺母、钢球、转向器壳体等组成，具有较高的传动效率，操纵轻便，磨损较小，使用寿命长，近年来得到广泛使用。根据现用的国家标准并依据轻型汽车的循环球转向器数据，按照汽车设计的原则设计一款循环球转向器，完成二维图形和零件平面图的绘制，使其能够满足现代轿车的国家标准要求。关键词:循环球；转向器；设计；分析AbstractAutomobileisatransportmachinewithhigh-performanceandvariableloads.Steeringsystemisoneofthekeycomponentsforvehiclesandneedtobeunderstoodandgrasped.Asthemostimportantpartofsteeringsystem，steeringgearneedtobestudiedimportantly.Circulatingball-typesteeringgearcontainsscrew，nut，ball，steeringgearhousing，etc.IthasmanyAdvantages，suchashightransmissionefficiency，lightmanipulation，lesswearandlongservicelife，soastobewidelyusedinrecentyears.AccordingtocurrentnationalstandardsandtheballsteeringvehicledataofBJ2020，acycleballsteeringisdesignedbytheautomotiveprinciples，andsomethree-dimensionalgraphicsandrenderingpartsoftheplanarecompleted，soastomeetthenationalstandardsofModernutilityvehicle.Keywords:Circulatingball；Steeringgear；Design；Analysis31绪论1.1课题背景随着社会经济的进步以及人民生活水平的提高，汽车已经慢慢的走进了人们的生活当中，它从以前简单的代步工具慢慢升级成为一种生活的品质，人们不再满足于简单的行驶，而更关注驾驶乐趣对于汽车的安全性、稳定性、操纵性等更高要求。而人们除了从外观及内饰等反面了解汽车外，最能直接体验驾驶乐趣的就是拥有一个良好、先进的转向系统，一个先进的转向系统带给驾驶者更多的是驾驶的乐趣而不是负担。同时，转向系又是底盘的重要组成部分，其好坏优劣会直接关系到汽车的驾驶舒适性，安全性和操纵稳定性，从而影响人们的生命及财产的安全。同时就我国的国情而言，汽车工业己成为我国的支柱产业，为了提高汽车的产品质量，保证汽车行驶的安全性，操纵稳定性，发展我国的汽车工业，这就要求汽车转向器综合性能就成为汽车安全性能的一个重要项目。汽车转向器属于对行驶安全影响较大的零部件，在汽车系统中占据了一个重要的位置，其规模和质量已成为衡量汽车工业发展水平的重要标志之一。在重型汽车、大型客车等载重量较大的汽车中，通常用动力转向器来操纵汽车行驶方向。动力转向系统有着许多传统机械式转向系统无法比拟的优点，例如：转向轻便灵敏，回位性能及手感良好，极大的减轻了汽车驾驶员的工作强度，特别适用于汽车在高速行驶时的转向。因此目前国内外生产的汽车越来越多地配置了动力转向系统。而液压动力转向器具有无噪声、灵敏度高、体积小、能够吸收来自不平路面的压力等优点，因此在现代汽车上得到了十分广泛的应用。1.2汽车转向器研究的发展及趋势随着科学技术的快速发展和汽车的逐渐普及，人们对汽车的操控性、安全性，稳定性等方面的性能已经有了更高一层的要求，对转向产品的需求也随着汽车性能的提高而发生着变化。起初驾驶者们只希望能够容易地操纵转向系统，而后则追求在高速行驶时的稳定性、舒适性和良好的操作感。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，随着汽车技术的进步又出现了更为复杂些的机械式转向器，这时的转向器是通过驾驶员转动方向盘，并通过一系列的杆件传递到转向车轮上来实现转向的，而着种传统的转向器又分为四种形式，分别为：齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。其中齿轮齿条式和循环球式应用比较广泛，在1923年，美国底特律的亨利马尔斯为了减少蜗轮副和滚轮轴之间的接触摩擦力，在两者之间接触处放置滚珠支承，这就出现了滚珠蜗轮转向器。这种形式的转向器就成为现在大家所熟知的循环球式转向器，它目前仍很广泛地在汽车上应用。所谓“现代”齿轮齿条式转向器，是奔驰（Benz）于1885年首先采用的。这种形式的转向器同样也使用在1905年的凯迪拉克（Cadillac）和1911一1920年间制造的许多其它形式的汽车上。据了解，在全世界范围内，汽车循环球式转向器占45%左右，有继续发展之势；齿条齿轮式转向器在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%。所以可以说循环球式转向器在稳步发展。而在西欧小客车中，齿条齿轮式转向器则有很大发展。日本的汽车转向器特点是：循环球式转向器占的比重越来越大，日本对于不同类型发动机的各类型汽车，采用不同类型转向器，在公共汽车中使用循环球式转向器，由60年代占总数的62.5%发展到现今的100%了。在大、小型货车中，也多数采用了循环球式转向器；齿条齿轮式转向器有所发展。20世纪初汽车已经是一个沉重而又高速疾驶的车辆，充气轮胎代替了实心车轮。由于转向柱直接与转向节连接，所以转动车轮是很费劲的。即使是一个健壮的驾驶员，要控制转向仍然是很劳累的事情。因此，汽车常常冲出路外，于是要降低转向力的问题就变得比较迫切了。为了转向轻便，工程师设计了在方向盘和转向节之间装置齿轮减速机构。从那时起，转向机构一直就是这样沿用下来。汽车转向虽然采用了转向器，但对于转向的操控仍非易事。当汽车重量增大、转向费劲时，驾驶员需要能有更好的办法来解决，这才重新推广了一种大约已存在了半个多世纪的动力辅助转向器。自上世纪40年代起，为缓解驾驶者的体力负担，在机械转向系统的基础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，一般有油管、供油装置、油泵、控制阀、助力装置和V形带轮。它工作时低噪声、灵敏度高、体积小，能够吸收来自不平路面的冲击力等方面的优点，并且其5工作可靠、技术成熟，至今仍被广泛应用，所以在现在的液压助力转向系统中，实际应用的最多。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，因此可以减少驾驶者花费在方向盘上的力。随着轿车驾驶速度的不断加快，传统的液压动力转向系统显示出一个致命的缺点，即若要保证汽车在停车或低速掉头时的转向轻便，汽车在高速行驶时就会感到有“发飘”的感觉；反之，若要保证汽车在高速行驶时，有操作适度感的话，当其要停车或低速掉头时就会觉得转向太重，两者不可兼顾。这是由传统液压动力转向的结构所决定的。由于动力转向在轿车上的日益普及，对其性能上的要求已不再是单纯的为了减轻操作强度，而是要求其在低速掉头时保证转向轻便性的同时又能保证高速行驶时的操纵稳定性。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是在液压助力系统的基础上发展起来的，其特点是在原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，节省了燃油损耗。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。国外研究汽车动力转向发展，经过了大量的研究，已成功开发了电动助力转向，以及越来越多的成功用于轿车和轻型车。该装置是优于普通动力转向，以不同的速度可自动调节方向盘的操作力经由ECU的转向计算机，在低速时或在发生车辆，驾驶员只用较小的力就能灵活转向操作;而在高速行驶时，自动控制和操作力逐渐增加，以实现操纵稳定性。当然，在目前的技术水准下它仍然存在某些不足，如助力较小等，目前仍处在发展阶段。和液压动力转向器相比，电动转向器具有许多优点，如：效率高，路感好、符合环保要求等，它是转向器未来发展趋势。20世纪末，随着汽车技术的不断发展，电子控制技术也在汽车上得到逐步广泛应用。现代汽车转向操纵系统的主动安全装置，有电子控制四轮转向系统、电子控制动力转向系统等。电子控制四轮转向系统（4WS）：传统的前轮转向系统。为了使在纯滚动所有的车轮，不产生滑动，要求所有的车轮转向周围转圈的瞬时中心，转动的同时，每个车轮的转弯半径是不同的。但实际上，汽车转向时若仅前轮转向，车身的前进方向与车身的中心线不一致，由于离心力的作用，将使后轮侧偏，导致车轮横摆。而且车速越高，后轮侧偏越大，结果使车轮转向在高速时的操纵稳定性明显降低。电子控制四轮转向系统则是在前轮转向的同时，主动地控制后轮也进行适当转向（一般最大为50）。后轮相对于前轮的转向，分为同向转向(后轮与前轮的转动方向一致)和逆向转向（后轮与前轮的转动方向相反）。由于汽车在拐急弯时，通常以低速行驶，而在直道或较平缓的弯道上时，通常以高速行驶。因此，采用电子控制四轮转向系统的汽车，电子控制单元(ECU)根据多个传感器提供的数据，计算出后轮距目标转角的差值，再向步进电机发出指令使后轮偏转。低速行驶时，依据方向盘的转角值使后轮逆向转向，以减小转弯半径；中速行驶时，可减少后轮转动，以减轻转向操纵的不自然感觉；而在高速行驶时，也能达到后轮同向的转向，以减少或甚至避免基体偏航，提高操纵稳定性。四轮转向系统自1978年在马自达卡配拉轿车上最初试用以来，世界各大汽车公司已分别研究多种四轮转向装置，并已批量生产。动力转向系统越来越多的被采用，不仅在重型汽车上必须采用，在轿车上采用的也逐渐增多，就是在中型汽车上也逐渐推广。主要是从减轻驾驶员疲劳，提高操纵轻便性和稳定性出发。虽然导致更高的成本和复杂的问题，如结构，但由于其明显的优点，还是会得到快速发展。从国内的角度来看，对于在近年的研究和开发，EPS迅速发展，特别是在控制策略的研究中，用不同的控制方法引入ECU中，并不断完善和改进的实验和分析，但对优化的细节仍是国外和国内不小的差距，除了吉利汽车，国内至今还没有自主的EPS，在这之间存在相当大的差距，EPS距离量产还有一段路要走。从发展趋势上看，国外整体式转向器发展较快而整体式转向器中转阀结构是目前发展的方向。由于动力转向系统还是新的结构，各个国家的制造商正在组织力量，大力开展实验研究工作，以提高性能，降低整体体积，降低生产成本，使产品的质量和稳定性提升。以便逐步推广和普及。1.3各转向器系统的结构和特点1.3.1传统机械转向系统方向盘运动由驾驶员操作，通过一系杆和操舵方向盘来完成的。机械转向系统的工作原理如下：在驾驶员的转向转矩通过转向轴施加到方向盘转向输入，转7向齿轮减速器在1，2级减速齿轮对，扩增转向扭矩后和减速运动传播到拉杆，然后传递到固定于转向节的转向节臂部分，它使支承方向盘偏转，转动汽车的方向盘。齿轮齿条，循环球，蜗轮式，蜗杆类型：纯机械转向系统可以根据转向的形式来划分。纯机械转向系统，以便产生所需要的使用大直径的方向盘的足够大的转向转矩，以由一个较大的空间，整个组织笨拙转向阻力，尤其是大型重型车辆所占据，转向是非常困难的实现这一目标大大限制了它的使用。但结构简单，工作可靠，成本低，当前转向系统，在某种转向力不大，处理要求不高农业用途以外的汽车已很少使用。1.3.2液压助力转向系统组装机械转向系统的泊车和低速行驶时驾驶员的转向操作的负担过重，要解决这个问题，在美国通用汽车公司的汽车用液压动力在20世纪50年代，转向系统的第一家公司。该系统是基于机械系统，附加的液压系统上。液压转向系统包括两个其它液压和机械部件，它是电液压油传递介质，产生动力通过机械转向器以驱动液压泵，以实现转向。液压转向系统一般包括机械转向，液压泵，油管，分配阀，动力缸，泄压阀和限压阀，燃料箱和其它部件。为确保系统安全，在液压泵上装有限压阀和溢流阀。其分配阀，转向和动力缸放置在一个整体，分配阀和小齿轮轴安装在一起（线轴和齿轮轴垂直排列），以在卷筒一个控制时隙，通过转向轴轭拨盘动卷轴。转向轴用销和阀扭转弹性相连，扭杆在阀的定位方面发挥中心作用。在机架的一端配有一个活塞和动力缸位于与横拉杆左侧连接机架之间。当方向盘转动时，转向轴（即使未驱动齿轮轴）驱动套管的阀芯的相对运动，以使流体通道改变时，液压油从所述泵排出，通过流动控制阀的功率的侧气缸，通过拉杆和方向盘偏转推动活塞从动齿条运动。液压动力转向系统是驱动器的所产生，实现了方向盘的汽车发动机驱动的液压装置的控制下。因为液压转向可以减少驾驶员手动转向转矩，从而改善了汽车的方向盘的敏捷性和操纵稳定性。以确保可移植性汽车方向盘枢转或低时，泵的排量流量当发动机怠速决定的。启动汽车，该车是否正在转弯后，系统必须处于工作状态，而且在大位移到更低的转速，泵输出需要更多的功率，以便获得比较大的功率，因此在一定程度上，浪费了发动机的动力资源。并且转向系统还存在低温工作性能差等缺点。1.3.3电控液压助力转向系统由于液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性，因此，在1983年日本Koyo公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统（EHPS）。EHPS是在液压助力系统基础上发展起来的，在传统的液压助力转向系统的基础上增设了电控装置，其特点是原来由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；具有失效保护系统，电子元件失灵后仍可依靠原转向系统安全工作；低速时转向效果不变，高速时可以自动根据车速逐步减小助力，增大路感，提高车辆行使稳定性。电控液压助力转向系统是将液压助力转向与电子控制技术相结合的机电一体化产品。一般由电气和机械2部分组成，电气部分由车速传感器、转角传感器和电控单元ECU组成；机械部分包括齿轮齿条转向器、控制阀、管路和电动泵。其中电动泵的工作状态由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态。简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向省力；汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动液压泵以较低的速度运转，在不至于影响高速打转向的需要的同时，节省一部分发动机功率。电控液压转向系统的工作原理：在汽车直线行驶时，方向盘不转动，电动泵以很低的速度运转，大部分工作油经过转向阀流回储油罐，少部分经液控阀然后流回储油罐；当驾驶员开始转动方向盘时，ECU根据检测到的转角、车速以及电动机转速的反馈信号等，判断汽车的转向状态，决定提供助力大小，向驱动单元发出控制指令，使电动机产生相应的转速以驱动油泵，进而输出相应流量和压力的高压油。高压油经转向控制阀进入齿条上的动力缸，推动活塞以产生适当的助力，协助驾驶员进行转向操作，从而获得理想的转向效果。电控液压助力转向系统在传统液压动力转向系统的基础上有了较大的改进，但液压装置的存在，使得该系统仍有难以克服如渗油、不便于安装维修及检测等问题。电控液压助力转向系统是传统液压助力转向系统向电动助力转向系统的过渡。1.3.4电动助力转向系统1988年日本Suzuki公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统。1990年日本Honda公司也在运动型轿车NSX上9采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。EPS是在EHPS的基础上发展起来的，它取消EHPS的液压油泵、油管、油缸和密封圈等部件，完全依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构，其结构简单、零件数量大大减少、可靠性增强，解决了长期以来一直存在的液压管路泄漏和效率低下的问题。电动助力转向系统在本田飞度、思域以及丰田新皇冠、奔驰新A-class等车型上纷纷被采用。电动助力转向系统的构电动助力转向系统一般是由转矩（转向）传感器、电子控制单元ECU、电动机、电磁离合器以及减速机构组成。其工作过程为：扭矩传感器检测驾驶员打方向盘的扭矩，然后根据这个扭矩给控制单元一个信号。同时控制单元也会收到来自方向盘位置传感器的信号，这个传感器一般是和扭矩传感器装在一起的（有些传感器已经将这2个功能集成为一体）。扭矩和方向盘位置信息经过控制单元处理，连同传入控制单元的车速信号，根据预先设计好的程序产生助力指令。该指令传到电机，由电机产生扭矩传到助力机构上去，这里的齿轮机构则起到增大扭矩的作用。这样，助力扭矩就传到了转向柱并最终完成了助力转向。节约了能源消耗与传统的液压助力转向系统相比，没有系统要求的常运转转向油泵，且电动机只是在需要转向时才接通电源，所以动力消耗和燃油消耗均可降到最低。还消除了由于转向油泵带来的噪音污染。液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停地流动，再加上存在管流损失等因素，浪费了部分能量。相反EPS仅在需要转向操作时才需零部件要向电机提供的能量。而且，EPS系统能量的消耗与转向盘的转向及当前的车速有关。当转向盘不转向时，电机不工作；需要转向时，电机在控制模块的作用下开始工作，输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向力矩。该系统真正实现了“按需供能”，是真正的“按需供能型”（on-demand）系统，在各种行驶条件下可节能80%左右。当驾驶员转动方向盘一角度然后松开时，EPS系统能够自动调整使车轮回到正中。同时还可利用软件在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。通过灵活的软件编程，容易得到电机在不同车速及不同车况下的转矩特性，这些转矩特性使得该系统能显著地提高转向能力，提供了与车辆动态性能相匹配的转向回正特性。而在传统的液压控制系统中，要改善这种特性必须改造底盘的机械结构，实现起来很困难。转向系统是影响汽车操纵稳定性的重要因素之一。传统液压动力转向由于不能很好地对助力进行实时调节与控制，所以协调转向力与路感的能力较差，特别是汽车高速行驶时，仍然会提供较大助力，使驾驶员缺乏路感，甚至感觉汽车发飘，从而影响操纵稳定性。但EPS是由电动机提供助力，助力大小由电子控制单元（ECU）根据车速、方向盘输入扭矩等信号进行实时调节与控制，可以很好地解决这个矛盾。EPS系统控制单元ECU具有故障自诊断功能，当ECU检测到某一组件工作异常，如各传感器、电磁离合器、电动机、电源系统及汽车点火系统等，便会立即控制电磁离合器分离停止助力，转为手动转向，按普通转向控制方式进行工作，确保了行车的安全。1.3.5线控转向系统在车辆高速化、驾驶人员大众化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的易操纵性设计显得尤为重要。线控转向系统（Steering-By-WireSysterm，简称SBW）的发展，正是满足这种客观需求。它是继EPS后发展起来的新一代转向系统，具有比EPS操纵稳定性更好的特点，它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，彻底摆脱传统转向系统所固有的限制，提高了汽车的安全性和驾驶的方便性。SBW系统一般由转向盘