轻型汽车动力转向系统设计说明书

车辆与动力工程学院毕业设计第一章 绪论1.1 汽车转向系统概述汽车转向系统是用来改变汽车行驶方向的专设机构的总称。汽车转向系统的功用是保证汽车能够按照驾驶员的意愿进行直行或转向行驶。转向系统是汽车底盘的重要组成部分，转向系统性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性，它对于确保车辆的行驶安全、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。随着现代汽车技术的迅速发展，汽车转向系统已从纯机械式转向系统、液压助力转向系（HPS）、电控液压助力转向系统（EHPS），发展到利用现代电子和控制技术的电动助力转向系统（EPS）及线控转向系统（SBW）。按转向力能源的不同，可将转向系分为机械转向系和动力转向系。机械转向系的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，由转向操纵机构(方向盘)、转向器、转向传动机构三大部分组成。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2。动力转向系除具有以上三大部件外，其最主要的动力来源是转向助力装置。由于转向助力装置最常用的是一套液压系统，因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐，它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电机和地线的作用。对转向系提出的要求有：1）汽车转弯行驶时，理想情况下全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。否则会加速车轮轮胎的磨损，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。1.2 汽车转向系统的现状及发展趋势1.2.1 机械式转向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轮来完成的。机械式转向系统工作过程为：驾驶员对转向盘施加的转向力矩通过转向轴输入转向器，减速传动装置的转向器中有1、2 级减速传动副，经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆，再传给固定于转向节上的转向节臂，使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而实现汽车的转向。纯机械式转向系统根据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。纯机械式转向系统为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘，需占用较大的空间，整个机构笨拙，特别是对转向阻力较大的重型汽车，实现转向难度很大，这就大大限制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉，目前该类转向系统除在一些转向操纵力不大、对操控性能要求不高的农用车上使用外已很少被采用。1.2.2 液压助力转向系统（HPS）装配机械式转向系统的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重，为解决这个问题，美国GM 公司在20 世纪50 年代率先在轿车上采用了液压助力转向系统。该系统是建立在机械系统的基础之上，额外增加了一个液压系统。液压转向系统是由液压和机械等两部分组成，它是以液压油做动力传递介质，通过液压泵产生动力来推动机械转向器，从而实现转向。液压助力转向系统一般由机械转向器、液压泵、油管、分配阀、动力缸、溢流阀和限压阀、油缸等部件组成。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、转向器和动力缸置于一个整体，分配阀和主动齿轮轴装在一起（阀芯与齿轮轴垂直布置），阀芯上有控制槽，阀芯通过转向轴上的拨叉拨动。转向轴用销钉与阀中的弹性扭杆相接，该扭杆起到阀的中心定位作用。在齿条的一端装有活塞，并位于动力缸之中，齿条左端与转向横拉杆相接。转向盘转动时，转向轴（连主动齿轮轴）带动阀芯相对滑套运动，使油液通道发生变化，液压油从油泵排出，经控制阀流向动力缸的一侧，推动活塞带动齿条运动，通过横拉杆使车轮偏转而转向。液压助力转向系统是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机带动液压泵产生的压力来实现车轮转向。由于液压转向可以减少驾驶员手动转向力矩，从而改善了汽车的转向轻便性和操纵稳定性。为保证汽车原地转向或者低速转向时的轻便性，液压泵的排量是以发动机怠速时的流量来确定。汽车起动之后，无论车子是否转向，系统都要处于工作状态，而且在大转向车速较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力，所以在一定程度上浪费了发动机动力资源。并且转向系统还存在低温工作性能差等缺点。1.2.3 电控液压助力转向系统（EHPS）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。一般由电气和机械两部分组成，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。1.2.4 电动助力转向系统（EPS）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。电动助力转向系统的工作过程其工作过程为：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。1.2.5 线控转向系统（SBW）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-Wire Systerm，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 系统一般由转向盘模块、转向执行模块和主控制器ECU、自动防故障系统以及电源等模块组成。转向盘模块包括路感电机和转向盘转角传感器等，转向盘模块向驾驶员提供合适的转向感觉（ 也称为路感） 并为前轮转角提供参考信号。转向执行模块包括转向电机、齿条位移传感器等, 实现两个功能: 跟踪参考前轮转角、向转向盘模块反馈轮胎所受外力的信息以反馈车辆行驶状态。主控制器控制转向盘模块和转向执行模块的协调工作。当转向盘转动时, 转向传感器和转向角传感器检测到驾驶员转矩和转向盘的转角并转变成电信号输入到ECU, ECU 根据车速传感器和安装在转向传动机构上的位移传感器的信号来控制转矩反馈电动机的旋转方向,并根据转向力模拟,生成反馈转矩, 控制转向电动机的旋转方向、转矩大小和旋转角度,通过机械转向装置控制转向轮的转向位置，使汽车沿着驾驶员期望的轨迹行驶。（1）取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接，通过软件协调它们之间的运动关系，因而消除了机械约束和转向干涉问题，可以根据车速和驾驶员喜好由程序根据汽车的行驶工况实时设置传动比。（2）去掉了原来转向系统各个模块之间的刚性机械连接，采用柔性连接，使转向系统在汽车上的布置更加灵活，转向盘的位置可以方便地布置在需要的位置。（3）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，从而提高了汽车的操纵性。（4）改善驾驶员的“路感”。由于转向盘和转向轮之间无机械连接，驾驶员“路感”通过模拟生成。使得在回正力矩控制方面可以从信号中提出最能够反映汽车实际行驶状态和路面状况的信息，作为转向盘回正力矩的控制变量，使转向盘仅仅向驾驶员提供有用信息，从而为驾驶员提供更为真实的“路感”。（5）减少了机构部件数量，而减少了从执行机构到转向车轮之间的传递过程，使系统惯性、系统摩擦和传动部件之间的总间隙都得以降低，从而使系统的响应速度和响应的准确性得以提高。综上可知，汽车的转向系统发展极其迅速，可以预测其未来的发展趋势为：（一）适应汽车高速行驶的需要 从操作轻便性、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。（二）充分考虑安全性、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。（三）汽车转向装置的电脑化汽车的转向装置，必定是以电脑为唯一的发展途径。第二章 转向系方案分析2.1 液压式动力转向机构布置方案分析图21 动力转向机构布置方案1分配阀 2转向器 3动力缸 动力转向系统选用液压动力，由于油液工作压力高，动力缸尺寸、质量小，结构紧凑，油液具有不可压缩性，灵敏度高以及油液的阻尼作用可以吸收路面冲击等优点而被广泛采用。图2-1是动力转向机构布置方案。液压式动力转向机构由分配阀、转向器、动力缸、液压泵、储油罐和油管等组成。根据分配阀、转向器和动力缸三者相互位置的不同，液压式动力转向机构可分为整体式（图a）和分置式两类。后者按分配阀所在位置的不同分为：联阀式（图b）、连杆式（图c）和半分置式（图d）。 在比较不同转向机构布置方案时，经常是从结构上是否紧凑、转向器主要零件是否承受由动力 缸建立起来的载荷、拆装是否容易、能不能采用典型转向器等方面来比较。而整体式动力转向器，由于分配阀、转向器、动力缸三者装在一起，因而结构紧凑，管路也短，转向轮收到的侧向力作用或发动机的震动都不会影响分配阀的震动，不能引起转向轮摆动等优点而得到广泛的应用。此次设计是针对SUV四驱车的转向系统，我选择整体式液压动力转向器，其布置方案如图22所示。图2-2 动力转向机构布置方案1转向动力缸 2动力缸活塞 3转向齿轮 4转向齿条 5流量控制阀 6转向液压泵 7油罐 8回油管路 9进油管路 10扭杆 11转向轴 12阀心 13阀套齿轮齿条式机械转向器、转向动力缸和控制阀设计成一体，组成整体式动力转向器。其控制阀为转阀。转向动力缸活塞2与转向齿条4做成一体。活塞2将转向动力缸1分成左右两腔。转阀的构造如图2-3所示。扭杆6的前段用销2与转向齿轮相连，后端与阀心连接，而阀心又与转向轴的末端固定在一起看，因而转向轴可通过扭杆带动转向齿轮转动。转向控制阀处于中立位置时（图2-2 ），由转向油罐7、转向液压泵6、流量控制阀5组成的供能装置输出的油液，流入转阀进油口P进入阀腔。由于转阀处于中立位置，它使动力缸的两腔想通，则油液经回油管路8流回转向油罐7。因此，转向动力缸完全补起作用，该转向加力装置为常流式转阀整体式动力转向器。图2-3 转阀的构造1-转向齿轮 2、7-销 3-阀体 4-阀套 5-阀心 6-扭杆 8-密封圈 9-轴承 P-转阀进油口 O-转阀出油口 A-通动力缸左腔出油口 B-通动力缸右腔出油口2.2 转向操纵机构的分析 转向操纵机构包括转向盘，转向轴，转向管柱。有时为了布置方便，减小由于装配位置误差及部件相对运动所引起的附加载荷，提高汽车正面碰撞的安全性以及便于拆装，在转向轴与转向器的输入端之间安装转向万向节，如图2-4。采用柔性万向节可减少传至转向轴上的振动，但柔性万向节如果过软，则会影响转向系的刚度。采用动力转向时，还应有转向动力系统。图2-4转向操纵机构1-转向万向节；2-转向传动轴；3-转向管柱；4-转向轴；5-转向盘 资料表明：汽车正面碰撞时，转向盘、转向管住是是驾驶员受伤的主要元件，为此需要在转向系中设计并安装能防止或减轻驾驶员受伤的机构。转向系中，一般使有关零件在碰撞时产生塑性变形、弹性变形或利用摩擦等来吸收冲击力量。如上图所示是使在传动轴中采用万向节链接的结构，布置合理就可以在汽车受到正面碰撞时防止转向轴等向驾驶室移动，结构简单。转向轴上设计有万向节不仅能提高安全性，而且有利于使转向盘和转向器在汽车上得到合理的布局，提高了操纵方便性并且拆装容易。2.3 转向梯形与传动机构的结构分析 转向梯形有整体式和断开式两种，选择转向梯形的方案与悬架采用何种方案有关。转向梯形要做到汽车转弯时，保证全部车轮绕一个瞬心行驶，使在不同圆周上运动的车轮，作无滑动的纯滚动运动，同时，为保证总体布置要求的最小转弯半径，转向轮应有足够大的转角。 汽车转向时，左、右转向轮的转角要符合一定的规律，以保证所有车轮在转向过程中都绕一个圆心以相同的瞬时角速度运动。转向梯形机构可以使汽车在转向过程中所有车轮都是纯滚动或有极小的滑移，从而提高轮胎的使用寿命，保证汽车操纵的轻便性和稳定性。转向梯形机构由梯形臂、横拉杆和前轴组成。 根据梯形机构相对前轴的位置分为前置式和后置式两种。后置转向梯形机构是将转向梯形放在前轴之后，简单可靠，因此应用广泛。前置转向梯形机构是在发动机位置很低或前轴为驱动轴时，转向梯形实在不能布置在转向轴之间，才不得不把转向梯形放在前轴之前。根据前悬架形式的不同，转向梯形机构又可分为整体式和分段式两种。整体式转向梯形机构用于非独立悬架的汽车。分段式转向梯形机构用于独立悬架的汽车，以保证任一前轮的跳动不致牵动拉杆而涉及另一车轮的偏转。分段式转向梯形比较复杂，铰接点多。因本车型采用非独立悬架，故本文采用前置整体式转向梯形。2.4 转向器类型的选择分析根据所采用的转向传动副的不同，转向器的结构形式有多种。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。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。2.4.1 齿轮齿条式转向器齿轮齿条式转向器由与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，齿轮齿条式式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，转向器的质量比较少；传动效率高达90%；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。齿轮齿条式式转向器最主要的缺点是：因逆效率高（60%70%），汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间冲击力的大部分能转至转向盘，称之为反冲。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螺杆和螺母共同形成的螺旋槽内装钢球构成的传动副，以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成，如图2-6。图2-6循环球式转向器示意图循环球式转向器的优点是：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%85%；在结构和工艺上采取措施后，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；齿条和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。循环球式转向器的缺点是：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。其主要优点是：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。蜗杆滚轮式转向器主要缺点是：正效率低；工作齿面磨损以后，调整啮合间隙比较困难；转向器的传动比不能改变。这种转向器曾在汽车上广泛使用过。2.4.4 蜗杆指销式转向器蜗杆指销式转向器的销子若不能自转，称为固定销式蜗杆指销式转向器；销子除随同摇臂轴转动外，还能绕自身轴线转动的，称为旋转销式转向器。根据销子数量不同，又有单销和双销之分。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。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。蜗杆指销式转向器应有较少。所以我的设计选用循环球式-齿条齿扇转向器。第三章 汽车总体参数的确定本设计中给定参数为：微型汽车排量1.2L；发动机功率141马力（118KW）；最高行驶速度110km/h；额定功率3000rpm。3.1 汽车形式的选择不同形式的汽车，主要体现在轴数、驱动形式以及布置形式上有区别。3.1.1 轴数 汽车可以有两轴、三轴、四轴甚至更多的轴数。影响选取轴数的因素主要有汽车的总质量、道路法规对质量的限制和轮胎的负荷能力以及汽车的结构等。为了保护公路，有关部门制定了道路法规，对汽车的轴载质量加以限制，当设计的汽车总质量增加到轴荷不符合道路法规的限定值时，设计师可选择增加汽车轴数来解决。汽车轴数增加以后，不仅轴，而且车轮，制动器，悬架等均相应增多，使汽车结构变得复杂，整备质量以及制造成本增加。若转向轴数不变，汽车的最小转弯半径又增大，后轴轮胎的磨损速度也加快，做一增加汽车轴数是不得已的选择。包括乘用车以及汽车总质量小于19t的公路运输车辆和轴荷不受道路，桥梁限制的不在公路上行驶的车辆，如矿用自卸车等，均采用结构简单，制造成本低廉的两轴方案，总质量在19吨到26吨的公路运输车采用三轴形式，总质量更大的汽车宜采用四轴和四轴以上的形式。本设计中，由于汽车为微型汽车，故采用结构简单、制造成本低廉的两轴方案。3.1.2 驱动形式汽车的驱动形式有42、44、62、64、66、84、88等，其中前一位数字表示汽车车轮总数，后一位数字表示驱动轮数。汽车的用途、总质量和对车辆通过性能的要求等，是影响选取驱动形式的主要因素。增加驱动轮数能够提高汽车的通过能力，驱动轮数越多，汽车的结构越复杂，整备质量和制造成本也随之增加，同时也使汽车的总体布置工作变得困难。乘用车和总质量小些的轻型货车，由于行驶的主要路面条件较好，多采用结构简单、制造成本低的42驱动形式。总质量在1926吨的公路用车辆，采用62或64驱动形式。对于越野汽车，为提高其通过性，可采用44、66、88的驱动形式。本设计中，采用结构简单、制造成本低的42驱动形式。3.1.3 布置形式汽车的布置形式是指发动机、驱动桥和车身（或驾驶室）的相互关系和布置特点而言。汽车的使用性能除取决于整车和各总成的有关参数以外，其布置形式对使用性能也有重要影响。乘用车的布置形式主要有发动机前置前轮驱动（FF）（如图3-1），发动机前置后轮驱动（FR）（图3-2），发动机后置后轮驱动（RR）（图3-3）三种，少数乘用车采用发动机前置全轮驱动。本设计采用前置后轮驱动的布置形式。图3-1发动机前置前轮驱动 图3-2发动机前置后轮驱动图3-3发动机后置后轮驱动3.2 汽车主要参数的选择汽车的主要参数包括尺寸参数、质量参数和汽车性能参数。3.2.1 汽车主要尺寸的确定汽车的主要尺寸参数有外廓尺寸、轴距、轮距、前悬、后悬、货车车头长度和车厢尺寸。（一）外廓尺寸汽车的长、宽、高称为汽车外廓尺寸。在公路和市内行驶的汽车最大外廓尺寸受有关法规限制不能随意确定，而非公路用车辆可以不受法规限制，如矿用自卸车、机场摆渡车等。查阅相关资料并参考同类车型，最终取以下数据：总长：总宽：总高：（二）轴距 轴距对整备质量、汽车总长、汽车最小转弯直径、传动轴长度、纵向通过半径等有影响。当轴距短时，上述各指标减少。但轴距过短也会带来一系列问题，例如车厢长度不足或后悬过长；汽车行驶时其纵向角震动过大等。当然，在满足所设计驱车的车厢尺寸，轴荷分配，主要性能和整体布置等要求的前提下，将轴距设计得短一些为好。表3-1提供的数据可供初选轴距时参考。表3-1 各类汽车的轴距和轮距车型类型轴距轮距乘用车发动机排量V/LV1.020002200110013801.0V1.621002540115015001.6V2.525002860130015002.54.02900390015601620货车汽车总质量1700290011501350230036001300165036005500170020004500560018402000矿用自卸车3200420039004800大客车城市大客车（单车）长途大客车（单车）450050001740205050006500根据表3-1，同时参考同类汽车轴距，选取轴距为。（三）前轮轮距和后轮轮距汽车轮距的改变会影响车厢或驾驶室内宽、汽车总宽、总质量、侧倾刚度、最小转弯直径等因素发生变化。增大轮距则车厢内宽随之增加，有利于增加侧倾刚度，汽车横向稳定性变好；但是汽车总宽和总质量及最小转弯直径等增加，导致汽车的比功率、比转矩指标下降，机动性变坏。受汽车总宽不得超过2.5m限制，轮距不宜过大。各类汽车的轮距可参考表3-1提供的数据进行初选。根据表3-1，42轻型汽车的轮距应在11501500mm之间，同时参考同类汽车轮距，选取轮距为；。 3.2.2 汽车质量参数的确定汽车的质量参数包括整车整备质量、载客量、装载质量、质量系数、汽车总质量、轴荷分配等。（一）汽车的载质量桥车的装载量即载客量，是指其最多乘坐人数，并以座位数表示。载货汽车的装载量是指该车在良好的硬路面上行驶时装载货物量的最大限额，通常其单位以t表示。它是由汽车制造厂根据设计确定的。当汽车在碎石路或其他非良好硬路面上行驶时，装载量应适当减少。各种车型的装载量应符合行业产品规划对各类车装载量系列的规定，本设计装载量为5座。（二）整车整备质量的确定整车整备质量是指车上带有全部装备（包括随车工具、备胎等），加满燃料、水，但没有装货和载人时的整车质量。参照有关车型，本设计的整车整备质量取为。（三）汽车总质量汽车的总质量是指已整备完好，装备齐全并按规定载满客，时的汽车质量。其中，乘员和驾驶员每人质量按计，于是 （3-1）式中 包括驾驶员在内的人数，n1=5； 因此根据式（3-1），可算得（四）轴荷分配 汽车的轴荷分配是指汽车在空载或满载静止状态下，各车轴对支承平面的垂直负荷，可以用占空载或满载总质量的百分比来表示。各类汽车的轴荷分配见表3-4，本设计车型为微型轿车，发动机前置后轮驱动，根据表3-4，可以确定该货车的轴荷分配，空载：前轴，；后轴, 满载：前轴，；后轴， 由此可以得出满载时单侧前轮的负荷为： 单侧后轮的负荷为： 表3-4 各类汽车的轴荷分配车型满载空载前轴后轴前轴后轴轿车发动机前置前轮驱动47%60%40%53%56%66%发动机前置后轮驱动45%50%50%55%51%56%44%495发动机后置后轮驱动40%46%54%60%38%50%50%62%货车后轮单胎32%40%60%68%50%59%41%50%后轮双胎，长短头式25%27%73%75%44%49%51%56%后轮双胎，平头式30%35%65%70%48%54%46%52%后轮双胎19%25%75%81%31%37%63%69%3.2.3 汽车性能参数的确定（一）动力性参数汽车动力性参数包括最高车速、加速时间、上坡能力等。1）最高车速随着道路条件的改善，汽车特别是中、高级轿车的最高车速有逐渐提高的趋势。轿车的最高车速大于货车、客车的最高车速。级别高的轿车的最高车速要大于级别低些轿车的最高车速。微型、轻型货车最高车速大于中型、重型货车的最高车速，重型货车最高车速较低。总质量小些的商用货车最高车速稍大于总质量大些商用货车的最高车速。不同车型的最高车速的范围见表3-5。表3-5 汽车动力性参数范围汽车类别最高车速比功率比转距轿车微型级110150306050110普通级120170356580110中级130190407090130中、高级1402305080120140高级16028060110100180货车汽车总质量8013562830441525384475120102033476202950本设计已给定汽车最高车速，与表中微型轿车的范围相符合。2)加速时间汽车在平直良好路面上，从原地起步开始以最大加速度加速到最大车速所用去的时间，称为加速时间。对于100km/h的汽车，常用加速到100km/h所需的时间来评价；对于100km/h的汽车，可用060km/h的加速时间来评价。3)上坡能力用汽车满载时在良好路面上的最大坡度阻力系数来表示 。因乘用车、货车、越野车的使用条件不同，对它们的上坡能力要求也不一样。微型轿车一般要求克服15%的坡度。(二)汽车最小转弯直径转向盘转至极限位置时，汽车前外转向轮轮辙中心在支承平面上的轨迹圆的直径，称为汽车最小转弯直径。它用来描述汽车的转向机动性，是汽车转向能力和转向安全性能的一项重要指标。各类汽车的最小转弯直径见表3-7表3-7 各类汽车的最小转弯直径车型级别车型级别轿车微型79.5货车微型812普通型811轻型1019中级912中型1220高级1114重型1321客车微型1013矿用自卸车装载质量15191824中型1420大型1722 本设计选取最小转弯半径为12m。(三)通过性几何参数总体设计要确定的通过性几何参数有：最小离地间隙，接近角，离去角，纵向通过半径等.各类汽车的通过性参数视车型和用途而异，其范围见表3-8。根据表3-8与相关车型，确定通过性几何参数分别为：最小离地间隙为：,接近角：，离去角：，纵向通过性。表3-8 汽车通过性的几何参数车型轿车150220203015223.08.3轿车210250455035401.73.6货车180300406025452.36.0、货车260350456035451.93.6客车22037010406204.09.0(四)操纵稳定性参数汽车操纵稳定性的评价参数较多，与总体设计有关并能作为设计指标的有：1)转向特性参数为了保证有良好的操纵稳定性，汽车应具有一定程度的不足转向。通常用汽车以0.4g的向心加速度沿定圆转向时，前、后轮侧偏角之差作为评价参数。此参数在13为宜。2)车身侧倾角汽车以0.4g的向心加速度沿定圆等速行驶时，车身侧倾角控制在3内为好，最大不超过7。3)制动前俯角为了不影响乘坐舒适性，要求汽车以0.4g的减速度制动时，车身的前俯角度不大于1.5。3.2.4 轮胎的选择车胎的尺寸和型号是进行汽车性能计算和绘制总布置图的重要原始数据之一，因此，在总体设计开始阶段就应该选定，而选择的依据是车型，使用条件，轮胎的静负荷，轮胎的额定负荷以及汽车的形式速度。当然还要考虑与动力-传动系数的匹配以及整车尺寸参数的影响。本设计选用轮胎的规格为：6层6.50-14。轮胎气压为3.2Mpa。表3-9 国产汽车轮胎的规格、尺寸及使用条件轮胎规则层主要尺寸使用条件数断面宽外直径最大负荷相应气压p0.1标准轮辋允许使用轮辋普通花纹加深花纹越野花纹NMPa轻型货车，中，小客车及其挂车轮胎6.50-1468180705-585069003.24.25J6.50-16(6.50R16)68755765765-635075503.2(3.5)4.2(4.6)5.50F5.50E5.50F7.55-15(7.00R15)68200750760-680080003.2(3.5)4.2(4.6)5.50F6.00G7.00-16(7.00R16)810200780790-850096504.2(4.6)5.3(5.6)5.50F6.00G7.50-15(7.50R15)810220785790-9300106004.2(4.6)5.3(5.6)6.00G5.50F6.50F7.50-16(7.50R16)81012220810820-970011050124004.2(4.6)5.3(5.6)6.3(6.7)6.00G5.00F6.50H8.25-16(8.25R16)12240860870-135005.3(5.6)6.50H6.00G9.00-16(9.00R16)810225890900-12200135503.5(3.9)4.2(4.6)6.50H6.00G第四章 转向传动装置的设计计算4.1 转向梯形机构的选择横拉杆上断开点的位置与独立悬架形式有关。采用双横臂独立悬架时，常用图解法（基于三心定理）确定断开点的位置。求法如图3-1所示：图4-1 断开点的确定1）延长KBB与KAA，交于立柱AB的瞬心P点，由P点作直线PS。S点为转向节臂球销中心在悬架杆件（双横臂）所在平面上的投影。当悬架摇臂的轴线斜置时，应以垂直于摇臂轴的平面作为当量平面进行投影和运动分析。2)延长直线AB与KAKB，交于QAB点，连PQAB直线。3）连接S和B点，延长直线SB。4）作直线PQBS，使直线PQAB与PQBS间夹角等于直线PKA与PS间的夹角。当S点低于A点时，PQBS线应低于PQAB线。5）延长PS与QBSKB，相交于D点，此D点便是横拉杆铰接点（断开点）的理想位置。以上是在前轮没有转向的情况下，确定断开点D的位置的方法。此外，还要对车轮向左转和向右转的几种不同工况惊进行校核。图解方法同上，但S点的位置变了；当车轮转向时，可以认为S点沿垂直于主销中心线AB的平面上画弧（不计主销后倾角）。如果这种方法所得到的横拉杆长度在不同转角下都相同或十分接近，则不仅在汽车直线行驶是，而且在转向时，车轮的跳动都不会对转向产生影响。双横臂互相平行的悬架能满足此要求，如图4-1a、c所示2。4.2 梯形臂长度确定本设计采用的是与非独立悬架配用的整体式转向梯形，其确定主要包括两个参数，梯形底角以及梯形臂长。根据公式（4-1）初选 （4-1）其中，K取；L为轴距，。则 ，取。梯形臂长一般取，本设计选取。对进行校核，当内轮转角为时，外轮的转角为，由 (4-2)式中，-内轮转角，-外轮转角；可得 即理想值与实际值之间仅相差，在误差允许范围之内，故取符合要求4.3 转向传送机构的臂、杆与球销转向传动机构的杆件应选用刚性好、质量小的20、30或35号钢的无缝钢管制造，其沿长度方向的外形可根据总布置的需要确定。转向传动机构的各元件间采用球形铰接球形铰接的主要特点是能够消除由于铰接处的表而磨损而产生的间隙，也能满足两铰接件间复杂的相对运动。在现代球形铰接的结构中均是用弹簧将球头与衬垫压紧。而且应采用有效结构措施保持住润滑材料及防止灰尘污物进入。球销与衬垫均采用低碳合金钢如12CrNi3A，18MnTi，或20CrN制造，工作表面经渗碳淬火处理，渗碳层深1.53.0mm，表面硬度HRC 5663。允许采用中碳钢40或45制造并经高频淬火处理，球销的过渡圆角处则用滚压工艺增强。球形铰接的壳体则用钢35或40制造。4.4 转向横拉杆及其端部 转向横拉杆与梯形转向杆系的相似。球头销通过螺纹与齿条连接。当这些球头销依制造厂的规范拧紧时，在球头销上就作用了一个预载荷。防尘套夹在转向器两侧的壳体和转向横拉杆上，这些防尘套阻止杂物进入球销及齿条中。转向横拉杆端部与外端用螺纹联接。这些端部与梯形转向杆系的相似。侧面螺母将横拉杆外端与横拉杆锁紧（ 图4-2）。 图4-2转向横拉杆外接头1-横拉杆 2-锁紧螺母3-外接头壳体 4-球头销 5-六角开槽螺母 6-球碗 7-端盖 8-梯形臂 9-开口销表4-3 转向横拉杆及接头的尺寸设计参数序号项目符号尺寸参数()1横拉杆总长2642横拉杆直径153螺纹长度604外接头总长1205球头销总长626球头销螺纹公称直径M1017外接头螺纹公称直径M121.58内接头总长65.39内接头螺纹公称直径M161.5第五章 循环球齿条齿扇式转向器设计计算5.1 转向器的结构型式选择及其设计计算循环球式转向器又有两种结构型式，即常见的循环球-齿条齿扇式和另一种即循环球-曲柄销式。它们各有两个传动副，前者为：螺杆、钢球和螺母传动副以及落幕上的齿条和摇臂轴上的齿扇传动副；后者为螺杆、钢球和螺母传动副以及螺母上的销座与摇臂轴的锥销或球销传动副。两种结构的调整间隙方法均是利用调整螺栓移动摇臂轴来进行调整。本设计选用的循环球-齿条齿扇式转向器。5.1.1 螺杆钢球螺母传动副的设计表5-1 各类汽车循环球转向器的齿扇模数齿扇模数3.03.54.04.55.06.06.5乘用车排量550100018001600200020002000前桥负荷3.53.84.77.357.09.08.311.010.011商用车前桥负荷3.05.04.57.55.518.57.019.59.02417372344最大装载质量350100025002700400060008000由设计要求可知排量为1.2L，由前面的整体设计知满载时：前轴负荷为578.4kg，即5784N。所以根据表4-1，齿扇模数选3.5mm。（一）钢球中心距D、螺杆外径D1和螺母内径D2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（表5-2）。表52 循环球式转向器主要参数齿扇模数/mm3.03.54.04.55.06.06.5摇臂轴直径/mm22263032323538404245钢球中心距/mm202325252860323540螺杆外径/mm2023252528293438钢球直径/mm5.5565.5566.3506.3507.1447.1448.000螺距/mm7.9388.7319.5259.52510.00010.00011.000工作圈数1.51.22.52.5环流行数2螺母长度/mm41455246475856596272788082齿扇齿数355齿扇整圆齿数121313131415齿扇压力角22302730切削角630630730齿扇宽/mm2225252725283028323034383538设计时先参考同类汽车的参数进行初选，经强度验算后，再进行修正。螺杆外径D1通常在2038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D1，一般要求D2 - D1=（5%10%）D。根据表5-2，本设计初选钢球中心距为25mm，螺杆外径24mm，D2-D1=8%D，所以螺母内径D2为26mm。（二）钢球直径d及数量n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加。钢球直径应符合国家标准一般常在79mm范围内选用（表5-2）。增加钢球数量n，能提高承载能力，但是钢球流动性变坏，从而使传动效率降低。因为钢球直径本身有误差，所以共同参加工作的钢球数量并不是全部的钢球数。经验表明，每个环路中的钢球数以不超过60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为 （5-1）式中，D为钢球中心距；W为一个环路的钢球工作圈数；n为不包括环流导管中的钢球数；为螺线导程角，常取，故1。本设计中钢球直径d=8mm，工作圈数W=2.5，由公式（5