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毕业设计（论文）开题报告 学生姓名 系部 汽车与交通工程学院 专业、班级 班 指导教师姓名 职称 教授 从事 专业 车辆工程 是否外聘 是否 题目名称 东风越野平板运输车转向机构设计 一、 课题研究 现状、 选题 目的 和意义 （一）研究现状 1. 平板运输车应用现状 随着我国造船业和桥梁建筑业的发展，各大运输企业陆续从国外引入了一些大型自行式平板车来满足生产要求，但存在成本高、维护不及时等问题。针对这种情况，有必要研制拥有自主知识产权的国产高性能自行式动力平板运输车。国外自行 式动力平板车的技术起步早，专业化程度高，其技术已很成熟。目前国际上大型的液压平板车的品牌主要有 米托）、 德浩夫）、 古拉斯）和 爱勒）等。国内有上海电力环保设备总厂有限公司、郑州大方桥梁机械有限公司等。 目前国内各工程项目的不断开展， 带动了平板车市场强劲的籍求， 尤其是大吨位平板车。以运梁车为例，运梁车是高速铁路施工中的重要设备，拟建中的京沪高速铁路线路全长的 60%以上将建在桥上，全跨预注、逐跨架设的简支箱梁及小跨度连续梁将成为桥梁建设的主体，而平板车是预制梁的最好运输工具。因此平板车在国内有着极大的发展空间和市场潜力， 尤其是大型平板车。随着平板车设计、制造技术的不断优化和平板车功能的延伸。平板车的技术日趋先进和复杂。 （ 1）平板车的吨位不断增加 (额定载重量达 100t)，长度很长（ L 20 米），宽度很宽 (B 4 米 )等，在长度较长时，如何使主梁在满足强度的前提下，主梁还有略有上弓要求；在台面宽度较宽时，整车转向不用回转支承，而是拉杆，相比成品回转支承转向来说，拉杆平板车运行中更稳固、安全；拉杆系统设计和其转向润滑机构设计是此类平板车设 计的技术核心及发展趋势。 （ 2）对于部分客户需求的中大吨位平板拖车，要求自带停车制动和行车制动，行车制动有液压制动和气压制动，液压制动应尽量采用多回路设计，避免制动滞后和回路动力损失；气压制动设计技术核心在于其与发动机及制动桥的匹配衔接； （ 3）自带动力源平板车的设计开发，采用交流控制、交流再生制动、液压马达驱动齿轮转向技术等，满足特殊场合极小转弯半径下的使用需求。上述平板车中的特殊要求大大超出了普通平板车的设计制造技术，它的设计技术代表了平板车技术发展的趋势，同时也反映了平板车生产企业的技术含金量。 . 转向器研究和制造现状 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。由于动力转向系统有着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。从世界上第一辆汽车问世至今，汽车工业已经经历了百年的发展历程。自 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 一般有油泵、 V 形带轮、油管、供油装置、助力装置和控制阀。它具有工作无噪声，其灵触度高、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。在当时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，因此可以减少驾驶员作用在方向盘上的力。现代的汽 车与发展初期相比，广泛地应用了各种高新技术，并且还在发生更深刻的变革。转向系统作为汽车底盘中的独立分系统，在汽车技术发展的过程中也经历了深刻的变革。转向技术的发展基本上经历了机械转向、液压 (气压 )动力转向、电子控制液压动力转向、电动转向、电子线控转向和主动转向几个阶段，它们分别代表了转向技术的过去、现在和将来。 （ 1）机械转向机构 几十年来，各种汽车都使用循环球式转向器。由于这种转向器是滚动摩擦形式，因而正传动效率很高，操作方便且使用寿命长，而且承载能力大，广泛应用于载货车上。从 70 年代起轿车兴起了齿轮齿 条转向器，这种转向机构由方向盘、转向轴、万向节、转动轴、转向器、转向传动杆和转向轮 (前轮 )等组成。方向盘操纵转向器内的齿轮转动，齿轮与齿条紧密啮合，推动齿条左移动或右移动，带动转向轮摆动，从而改变轿车行驶的方向。这种转向机构与循环球式等其它类型的转向机构比较，省略了转向摇臂和转向主拉杆，具有构件简单，传动效率高的优点。而且它的逆传动效率也高，在车辆行驶时可以保证偏转车轮的自动回正，驾驶者的路感性强。 （ 2）动力转向系统 现代轿车马力大、速度快，为了操纵的轻便和灵敏，中高档轿车的转向器都普遍应用动力转向系统。 采用动力转向的最直接的目的是减小手动转向力矩，改善转向轻便性，同时也可以改善转向的平稳性及汽车的操纵稳定性。动力转向根据工作介质的不同，可以分为气压式和液压式。气压式动力转向系统的工作压力比较低，一般不高于 于需要较大助力的汽车，气压式动力转向系统的尺寸将过于庞大，所以已经很少采用。相比之下，液压动力转向系统的工作压力可高达10上，液压动力转向系统的部件尺寸也很小，并且工作时噪声极低，工作滞后时间短，能够吸收来自不平路面的冲击，所以液压动力转向系统在各级各类汽车上获得了广泛的应用。 （ 3）电动动力转向系统 电动动力转向系统以电动机为动力源，电动机由汽车电源供电。在操纵方向盘时，扭矩传感器根据力的大小产生出相应的电压信号， 由此电动助力转向系统就可以检测出操纵力的大小；同时根据车速传感器产生的脉冲信号又可测出车速、再控制电动机的电流大小，从而形成适当的转向助力，提高操纵的轻便性。 （ 4）电子线控转向系统 电动转向系统零部件少、结构紧凑、所占空间较少、重量轻，其重量可比液压动力转向系统轻25%；由于电动机只是在转向时才接通，故可节约燃油约 电动转向还可有各种安全保护措施和故障自诊断 功能 ; 且电动转向系统与汽车上其它电气设备相连接，有助于四轮转向的实现，并能促进悬挂系统的发展。汽车电子转向系统是一种全新概念的转向系统，其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，可以实现一系列传统转向系统无法实现的特殊功能。它可以实现传动比的任意设置，并对随车速变化的参数进行补偿。并且可以和 车动力学控制、防碰撞、单个车轮转向、轨道跟踪、自动侧向导航等功能相结合，实现对汽车的整体控制。电子转向系统由于取消了方向盘和转向轮之间的机械连接，完全摆脱了传统转向系统的各种限制 ，不但可以自由设计汽车转向的力传递特性，而且可以设计汽车转向的角传递特性，给汽车转向特性的设计带来无限的空间，是汽车转向系统的重大革新。 （ 5）主动转向系统 主动前轮动力转向 出色性能主要归功于先进的转向动力学技术，其性能与采用电子传控转向系统相类似。电子控制的动力转向系统使车轮转向角能够大于或小于驾驶员操纵方向盘的转向角。主动转向系统的基础是行星齿轮系统，它由 3 个主要部分组成：太阳轮在中心，一套行星齿轮围绕着太阳轮，大齿轮环在最外侧，内齿与行星齿轮啮合 。太阳轮和行星齿轮分别是输入和输出端，大齿圈与电控电机在外部啮合。当电机不转时，转向速比被固定，一旦电机按指令作出动作后，转速比就会改变。 （二）目的和意义 牵引车属于专用汽车，采用可拼接、模块化组合方式，可以根据所运设备的具体情况和路面条件进行不同形式的组合以适应各种运输要求。但现有的运输车存在成本高、维护不及时等问题。针对这种情况，有必要研制拥有自主知识产权的国产高性能牵引车。 目前自行式牵引车的转向系统采用液压独立转向，其转向角度可达到 47以上。本设计的牵引车它的转向行驶模式有 :直行、斜行、横行， 正常转向行驶。转向灵活，成本低。 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。 随着世界各国国民经济的增长，公路交通状况不断改善，对汽车的专业化、高速化、重型化的要求越来越明显，世界各国对专用汽车的需求逐年增加。近年来，专用汽车增长率均大于载货车增长率，各国专用车的产 量占载货车产量的比率逐年递增，发达国家尽量以专用车替代载货汽车。目前专用汽车占载货汽车市场的半壁江山。从世界各国专用汽车的技术含量看，专用汽车技术含量比普通载货汽车高，而重型专用汽车属于高技术、高附加值产品，其附加值达 40%以上。 本设计的目的就是以我国现今发展情况探讨开发一种适合我国国情、满足未来市场需求的牵引车循环球式转向器，并在重型汽车的转向系统、转向装置、动力转向装置等底盘转向部件上进行重点探讨。要求设计方法简单、可靠、使用，设计出的底盘具有较高的安全性、可靠性、实用性、经济性，满足当前重型车辆使用 中对转向系统基本的使用性能要求，并在方案实施上具有一定的可行性。 二、 设计（论文） 的基本内容 、 拟解决的主要问题 基本内容： （ 1）行式平板运输车独立转向机构总体设计方案分析确定； （ 2）确定机械转向器部分的性能参数 （ 3）行式平板运输车独立转向器结构的选择与设计； 解决问题： 转向机构结构的设计，选型，尺寸参数的确定 :由于齿轮齿条式转向器逆效率高（ 60% 70%），汽车在不平路面上行驶时发生在转向轮与路面间冲击力的大部分能传至转向盘，反冲现象会使驾驶员紧张，并难以控制汽车行驶方向，转向盘突然转动又会造成 “打手”，同时对驾驶员造成伤害。 蜗杆滚轮式转向器正效率低，工作齿面磨损后调整啮合间隙比较困难，传动比不能变化。固定销蜗杆指销式转向器结构简单，制造容易，但因销不能自转，指销工作部位基本不变，所以磨损快、工作效率低。旋转销式转向器的效率高、磨损小，但是结构复杂。双销式的结构较单销式复杂，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。根据原始数据确定各项参数。 三、技术路线（研究方法） 四、进度安排 （ 1）第 1 2 周（ 2011 年 2 月 28 日 2011 年 3 月 13 日） 调研、开题报告，开题答辩 （ 2）第 3 4 周（ 2014 年 3 月 14 日 2011 年 3 月 27 日） 总体传动方案确定 （ 3）第 5 6 周（ 2011 年 3 月 28 日 2011 年 4 月 10 日） 传动参数设计计算 （ 4）第 7 9 周（ 2011 年 4 月 11 日 2011 年 5 月 1 日） 转向器 装配草图设计 （ 5）第 10 11 周（ 2011 年 5 月 2 日 2011 年 5 月 15 日） 转向 器正式装配图设计 （ 6）第 12 13 周（ 2011 年 5 月 16 日 2011 年 5 月 29 日） 零件图设计 、液压系统设计 （ 7）第 14 15 周（ 2011 年 5 月 30 日 2011 年 6 月 12 日） 编写设计说明书 （ 8）第 16 周（ 2011 年 6 月 13 日 2011 年 6 月 19 日） 设计审核、修改 （ 9）第 17周（ 2011年 6月 20日 2011年 6月 26日） 毕业设计答辩准备及答辩 收集资料、可行性分析 总体传动方案确定 转向器的运动和受力分析计算 转向器的设计计算 转向器 装配草图设计设计 零件图设计 、液压系统设计 零件图、正式装配图设计 计算说明书 五、 参考文献 01 陈燎 ， 田晋跃 ， 殷金鉴 ， 赵煦 。 130t 升降平台运输车转向系统设计 . 工程机械， 2001 年 第 32卷 第 01 期 02 丁礼灯 ， 杨家军，刘照 。 廖道训等 三峡大学学报 (自然科学版 )， 2001， 3. 03 张高升 ， 郑绍春 ， 魏艳。 重型平板运输车非线性转向系统控制方法研究 J武汉理工大学学报（交通科学与工程版）， 2008， 4 04 张玉莹 循环球式转向器设计的几个问题 J二汽科技 1987， 10 05 朱福培，张枫念。循环球式转向器设计中的一些问题探讨 J汽车研究与开发 1996， 12 06 毛元祥，丁诚，刘海峰，容青松，罗爱玲。循环球式动力转向器转向螺杆总成 沙市久隆汽车动力转向器 有限公司 07 张代盛，黄世晔，吴来发，慈龙尚。平板车设计要点及技术发展趋势 J设施与设备 08 陈国定 。 机械设计基础 M械工业出版社 ,2005. 09 张玉杰，孔靓靓。 关于 25 t 汽车起重机转向系统的选型设计 J汉阳专用汽车研究所 10 陈家瑞。汽车构造 M械工业出版社 11 M s to G,2004 六、备注 七、指导教师意见： 签字： 年 月 日 本科学生毕业论文 东风越野平板运输车转向机构设计 系部名称 ： 汽车工程系 专业班级 ： 车辆工程 学生姓名 ： 指导教师 ： 职 称 ： 教 授 黑 龙 江 工 程 学 院 二一一年六月 s 011龙江工程学院本科生毕业设计 I 目 录 摘要 . . . 第 1 章 绪 论 . . . . . 1 言 . . . . . 1 内外研究现状 . . 2 计研究的主要内容 . . . 2 章 转向机构方案分析 . . . .轮齿条式转向器 . . 7 环球式转向器 . . 9 杆滚轮式转向器 . . . . 10 杆指销式转向器 . . .向盘的尺寸及布置 . 向轴的防伤安全措施 . 向机构方案确定 . 章小结 . 3 章 转向机构的参数分析与确定 . 13 向系计算载荷的确定 . 向器的效率 . 转向器的正效率 . 向器的逆效率 . 动比的变化特性 . . 向系传动比 . 动比与转向系角传动比的关系 .1 7 向系的角传动比 . . . 18 向器角传动比及其变化规律 .向器传动副的传动间隙 t . 19 向器传动间隙特性 . 传动间隙特性的确定 . . 20 黑龙江工程学院本科生毕业设计 向盘的总转动圈数 . 章小结 . 4 章 转向机构设计 . . 要尺寸参数的选择 . 杆、钢球、螺母传动副 . . 钢球直径 d 及数量 n . . 23 道截面 . . 接触角 . . 螺距 P 和螺距导程角 . 工作钢球圈数 W . . 25 条、齿扇传动副设计 .珠螺旋传动 . 工作原理与结构 . 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法 .螺母预紧原理（偏置导程法） . 35 向摇臂直径的确定 . 向传送机构的臂、杆与球销 . 章小结 . 5 章 转向机构强度计算 . 球与滚道的强度计算 .轮强度计算 .的强度计算 . . 40 向横拉杆稳定安全系数 . 转向节臂弯曲强度验算 . . 转向摇臂弯曲强度验算 41 章小结 .论 . . 42 参考文献 . .谢 . .龙江工程学院本科生毕业设计 要 在汽车行驶中，转向运动是最基本的运动。我们通过方向盘来操纵和控制汽车的行驶方 向，从而实现自己的行驶意图。在现代汽车上，转向系统是必不可少的最基本的系统之一，它也是决定汽车主动安全性的关键总成，如何设计汽车的转向特性，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。 本文主要介绍汽车转向系的组成和作用， 在对大量资料分析研究的基础上，提出运输车用循环球转向器的性能指标和机构方案。 并且采用相关数据进行机械式转向机构的设计，对各种机械转向器的利弊进行分析，进行循环球转向器的总体和零部件计。 关键词 :驾驶；转向系统；转向器；设计；计算 黑龙江工程学院本科生毕业设计 n of is We to of On is of it is a s to of to is an to at of to of in of of of to on on on to of of of on on 1 第 1 章 绪 论 言 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。 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，通丸根据机械式转向器形式可以分为齿轮齿条式、循环式、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，在机械转向系基础上增 加了液压助力系统。它是建立在机械转向器的基础之上的，额外增加了一个液压系统 一般有油泵、油管、供油装置、除噪装置和控制阀。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的新功能是液力支持转向的运动，因止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，转向系统中越来越多的采用电子元件。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 控液压助力转向 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。 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黑龙江工程学院本科生毕业设 计 2 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，使操纵轻便和稳定性达到最合适的平稳状态。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 ”。 比传统 低了能源损耗。但电液动力转向系统，不论是 与传统的 样存在液压油泄漏问题。 上世纪 50 年代，通用汽车 公司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 美国的 公司也开发了多种类型的电动转向系统。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。 对转向系的主要设计要求如下 。 （ 1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。任何车轮不应有侧滑 ； （ 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 ； （ 6）操纵轻便。具有迅速 和小转弯行驶能力 ； （ 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 。 内外研究现状 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黑龙江工程学院本科生毕业设 计 3 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： 统的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 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 车系统公司、 F 公司都相继研制出 目前为止， 统在轻微型。 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（ 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，黑龙江工程学院本科生毕业设 计 4 不仅节省了大量的空间，也减少了 46重量；节能，对于驾驶员来说，最大的优点就是 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 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， 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%环保，由于不存在液压油泄漏等问题使得 较于液压转向更为环保。 从整体上来讲国内近年来对于 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 ，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 离 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 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；对于轻型车和轿车，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，目前汽车界将电子黑龙江工程学院本科生毕业设 计 5 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（ 术发展趋势可归结为 以下几点。 （ 1）电力驱动技术： 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： 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 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） 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 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 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 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，黑龙江工程学院本科生毕业设 计 6 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 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 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。 计研究的主要内容 通过阅读资料，分析与确定转向机构的整体设计方案。对设计参数进行分析与确定，并在此基础上对转向机构计算研究。对设计结果进行强度计算校核以保证转向机构的可 靠性，安全性。 黑龙江工程学院本科生毕业设 计 7 第 2 章 转向机构方案分析 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。 对转向其结构形式的选择，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、小型轿车以及前轴负荷小于 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在轻型和中型汽车上，例如：当前 轴轴荷不大于 无动力转向和不大于 4t 带动力转向的汽车均可选用这种结构型式。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。轿车、客车多行驶于好路面上，可以选用正效率高、可逆程度大些的转向器。矿山、工地用汽车和越野汽车，经常在坏路或在无路地带行驶，推荐选用极限可逆式转向器，但当系统中装有液力式动力转向或在转向横拉杆上装有减振器时，则可采用正、逆效率均高的转向器，因为路面的冲击可由液体或减振器吸收，转向盘不会产生 “ 打手现象 ”。 关于转向器角传动比对使用条件的 适应性问题，也是选择转向器时应考虑的一个方面。对于前轴负荷不大的或装有动力转向的汽车来说，转向的轻便性不成问题，而主要应考虑汽车高速直线行驶的稳定性和减小转向盘的总圈数以提高汽车的转向灵敏性。因为高速行驶时，很小的前轮转角也会导致产生较大的横向加速度使轮胎发生侧滑。这时应选用转向盘处于中间位置时角传动比较大而左、右两端角传动比较小的转向器。对于前轴负荷较大且未装动力转向的汽车来说，为了避免 “转向沉重 ”，则应选择具有两端的角传动比较大、中间较小的角传动比变化特性的转向器。 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；传动效率高达 90%；齿轮与齿条之间因磨损出现间隙以后，利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧。能自动消除齿间间隙，这不仅可以提高转向系统的刚度。还可以防止工作时产生冲击和噪声；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。 齿轮齿条式转向器的主要缺点是：因逆效率高， 汽车在不平路面上行驶时，发生黑龙江工程学院本科生毕业设 计 8 在转向轮与路面之间冲击力的大部分能传至转向盘，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。 根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向起有四种形式：中间输入，两端输出 （图 2；侧面输入，两端输出 （图 2；侧面输入，中间输出 （图 2；侧面输入，一端输出 （图 2。 图 轮齿条式转向器的四种形式 采用侧面输入，中间输出方案时，与齿条连的左，右拉杆延伸到接近汽车纵向对称平面附 近。由于拉杆长度增加，车轮上、下跳动时拉杆摆角减小，有利于减少车轮上、下跳动时转向系与悬架系的运动干涉。拉杆与齿条用螺栓固定连接，因此，两拉杆那与齿条同时向左或右移动，为此在转向器壳体上开有轴向的长槽，从而降低了它的强度。 采用两端输出方案时，由于转向拉杆长度受到限制，容易与悬架系统导向机构产生运动干涉。 侧面输入，一端输出的齿轮齿条式转向器，常用在平头货车上。 齿轮齿条式转向器采用直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合，则运转平稳降低，冲击大，工作噪声增加。此外，齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角只能是直角，为此因与总体布置不适应而遭淘汰。采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条式转向器，重合度增加，运转平稳，冲击与工作噪声均下降，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满足总体设计的要求。因为斜齿工作时有轴向力作用，所以转向器应该采用推力轴承，使轴承寿命降低，还有斜齿轮的滑磨比较大是它的缺点。 齿条断面形状有圆形、 V 形和 Y 形三种。圆形断面齿条的制作工艺比较简单。 形断面齿条与圆形断面比较，消耗的材料少，约节省 20%，故质量小；位于齿黑龙江工程学院本科生毕业设 计 9 下面的两斜面与齿条托座接触，可用来防止齿条绕轴线转动； Y 形断面齿条的齿宽可以做得宽些，因而 强度得到增加。在齿条与托座之间通常装有用减磨材料（如聚四氟乙烯）做的垫片，以减少滑动摩擦。当车轮跳动、转向或转向器工作时，如在齿条上作用有能使齿条旋转的力矩时，应选用 V 形和 Y 形断面齿条，用来防止因齿条旋转而破坏齿轮、齿条的齿不能正确啮合的情况出现。 为了防止齿条旋转，也有在转向器壳体上设计导向槽的，槽内嵌装导向块，并将拉杆、导向块与齿条固定在一起。齿条移动时导向块在导向槽内随之移动，齿条旋转时导向块可防止齿条旋转。要求这种结构的导向块与导向槽之间的配合要适当。配合过紧会为转向和转向轮回正带来困难，配合过松齿 条仍能旋转，并伴有敲击噪声。 根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，齿轮齿条式转向器在汽车上有四种布置：形式转向器位于前轴后方，后置梯形；转向器位于前轴后方，前置梯形；转向器位于前轴前方，后置梯形；转向器位于前轴前方，前置梯形。 齿轮齿条式转向器广泛应用于乘用车上。载质量不大，前轮采用独立悬架的货车和客车有些也用齿轮齿条式转向器。 环球式转向器 循环球式转向器又有两种结构型式，即常见的循环球 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 螺母 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。 循环球式转向器的传动效率高、工作平稳、可靠，螺杆及螺母上的螺旋槽经渗碳、淬火及磨削加工，耐磨性好、寿命长。齿扇与齿条啮合间隙的调整方便易行，这种结构与液力式动力转向液压装置的匹配布置也极为方便。 循环球式转向器有螺杆和螺母共同形成的 螺栓 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示。 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，因而传动效率可以达到 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（图 2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是：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。循环球式转向器主要用于商用车上。 黑龙江工程学院本科生毕业设 计 10 图 环球式转向器示意图 图 环球式转向器的间隙调整机构 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。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；工作齿面磨损以后，调整啮合间隙比较困难；转向器的传动比不能变化。 这种转向器曾在汽车上广泛使用过。 黑龙江工程学院本科生毕业设 计 11 杆指销式转向器 蜗杆指销式转向器的销子如不能自转，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，还能绕自身州县转动 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。 要求摇臂轴有较大的转角时，应该采用双销式结构。双销式转向器在直线行驶区域附近，两个销子同时工作，可降低销子上的负荷，减少磨损。当一个销子脱离啮合状态是，另一个销子要承 受全部作用力，而恰恰在此位置，作用力达到最大值，所以设计师要注意核算其强度。双销与单销蜗杆指销式转向器比较，结构复杂、尺寸和质量大，并且对两主销间的位置精度、蜗杆上螺纹槽的形状及尺寸精度等要求高。此外，传动比的变化特性和传动间隙特性的变化受限制。 蜗杆指销式转向器应用较少。 向盘的尺寸及布置 转向盘有轮毂、轮缘和轮辐组成。采用最大直径的转向盘，会使驾驶员进出驾驶室感到困难；若采用较小直径的转向盘，则在转向时要求驾驶人员施加较大的力量。转向盘布置过高会影响人对道路和仪表盘的视野；转向盘布置过低，则在操 纵离合器、制动踏板时影响驾驶人员腿部的动作。在选择转向盘直径时，应考虑与汽车的类型和大小相适应。乘用车、小型客车、小型商用车的转向盘直径参考直径为 400型客车、中型商用车的转向盘参考直径为 450者 500型客车和大型商用车的转向盘参考直径为 550 向轴的防伤安全措施 根据交通事故统计资料和对汽车碰撞试验结果的分析表明：汽车在正面碰撞时，转向盘、转向管柱和转向器是使驾驶员受伤的主要元件。因此，要求汽车在以 48km/面同其他物体碰撞的试验中，转向管柱和转向轴后移量 在水平方向上不得大于 127台架试验中，用人体模型的躯干以 s 的速度碰撞转向盘时，作用在转向盘的水平力不得超过 11123N，见 此，需要在转向系中设计安装能吸收冲击能量的机构，或者采取能减轻驾驶员受伤程度的措施。吸收能量的方黑龙江工程学院本科生毕业设 计 12 法是使有关的转向系零件在撞击时产生塑性变形、弹性变形或摩擦等来实现。当转向轴采用万向节连接的结构，可以通过合理布置保证在汽车正面碰撞时，防止转向轴等向车身内移动，这种结构虽然不能吸收碰撞能量，但其结构简单，主要万向节连接的两轴之间存在夹角，正面撞车 后转向盘没有后移便不会影响驾驶员安全。转向轴上设置有万向节不仅提高安全性，而且有利于使转向盘和转向器在汽车上得到合理布置，提高了操纵方便性，拆装容易。 向机构方案确定 由于齿轮齿条式转向器逆效率高 （ 60% 70%），汽车在不平路面上行驶时发生在转向轮与路面间冲击力的大部分能传至转向盘，反冲现象会使驾驶员紧张，并难以控制汽车行驶方向，转向盘突然转动又会造成 “打手 ”，同时对驾驶员造成伤害。 蜗杆滚轮式转向器正效率低，工作齿面磨损后调整啮合间隙比较困难，传动比不能变化。固定销蜗杆指销式转向器结构简单，制造 容易，但因销不能自转，指销工作部位基本不变，所以磨损快、工作效率低。旋转销式转向器的效率高、磨损小，但是结构复杂。双销式的结构较单销式复杂，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。 根据原始数据：满载时前轴轴荷： 1940轮气压： 350胎和路面间滑动摩擦系数： f = 臂摆角： 42 ，要求传动比设计 成 20 左右，最大摇臂输出力矩： 1500Nm。 综合上述各种形式转向器的优缺点，本设计选取循环球式转向器为设计方案。 章小节 本章主要事对转向器的基本结构形式的选择，通过对目前各种形式转向器设计方案进行分析比较，综合考虑，采用循环球式转向器为设计方案。 黑龙江工程学院本科生毕业设 计 13 第 3 章 转向机构的参数分析与确定 转向系的主要性能有转向系的效率、转向系的角传动比与力传动比、转向器传动副的传动间隙特性、转向系的刚度以及转向盘的总转动圈数。 向系计算载荷的确定 为了保证行驶安全，组成 转向系的各零件应有足够的强度。欲验算转向系零件的强度，需首先确定作用在各零件上的力。影响这些力的主要因素有转向轴的负荷、路面阻力和轮胎气压等。为转动转向轮要克服的阻力，包括转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内摩擦阻力等。 精确地计算出这些力是困难的。为此推荐用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩 N 式中 ： f 轮胎和路面间的滑动摩擦因数，一般取 f = 1G 转向轴负荷 （ N） ； p 轮胎气压 （ 。 将 原始数据 代入公式（ ， = 753542 （ N。 作用在转向盘上的手力为 中 ：1L 转向摇臂长； 2L 转向节臂长 ，1L=2L； 转向盘直径 ，根据汽车设计设计手册，取 550 转向器角传动比 ，一般取0； 转向器正效率 ，一般取 = 黑龙江工程学院本科生毕业设 计 14 根据公式（ 代入参数得， 357 N。 对给定的汽车，用式计算出来的作用力是最大值。因此，可以用此值作为计算载荷。然而，对于前轴负荷大的重型货车，用上式计算的力往往超过驾驶员生理上的可能，在此情况下对转向器和动力转向器动力缸以前零件的计算载荷，应取驾驶员作用在转向盘轮缘上的最大瞬时力，此力为 700N。 根据汽车的前轴负荷来选取循环球式转向器齿扇齿模数 1G = 1940 19012 N 表 循环球式转向器齿扇齿模 齿扇齿模数m/ 0 3 5 4 0 4 5 5 0 6 0 6 5 轿 车 排量 / 500 1000 1800 1600 2000 2000 2000 前轴负荷 /N 350