夏利N3两厢轿车液压动力转向器设计.doc

目 录摘要Abstract 第1章 绪论1 1.1课题研究的目的及意义11.2汽车转向器研究的发展及趋势概况11.3 不同类型转向系统的结构及特点4 1.3.1 传统机械转向系统4 1.3.2 液压助力转向系统（HPS）41.3.3电控液压助力转向系统（EHPS）51.3.4 电动助力转向系统（EPS）61.3.5 线控转向系统（SBW）7 1.4转向器设计要求71.5设计主要内容8第2章 液压动力转向器方案分析及确定92.1转向器结构优缺点分析和选择9 2.1.1齿轮齿条式转向器9 2.1.2循环球式转向器10 2.1.3蜗杆滚轮式转向器11 2.1.4蜗杆指销式112.2齿轮齿条式动力转向器结构11 2.3液压动力转向器工作原理及过程122.3.1工作原理122.3.2工作过程132.4转向系主要性能参数15 2.4.1转向系的效率152.4.2 转向系传动比16 2.4.3 转向器的传动副的间隙特性17 2.4.4转向系的刚度18 2.4.5转向盘的总转动圈数182.5本章小结19第3章 液压转向器的设计计算203.1转向系计算载荷的确定203.2齿轮齿条式转向器的设计213.2.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数213.2.2按齿面接触硬度设计213.2.3按齿根抗弯强度设计233.2.4几何尺寸计算253.3液压式动力转向机构的计算263.3.1动力缸尺寸的计算263.3.2活塞行程S的计算263.3.3分配阀的回位弹簧273.3.4动力转向器的评价指标273.4 本章小结28结论29参考文献 30致谢31附录32第1章 绪 论1.1课题研究的目的及意义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。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。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概况随着科技的迅猛发展以及汽车的逐步普及，人们对汽车的操纵性、安全性，稳定性等方面的性能已经有了更进一步的要求，对转向系统产品的需求也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。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（HenryManes）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。而西欧小客车中，齿条齿轮式转向器有很大的发展。日本汽车转向器的特点是循环球式转向器占的比重越来越大，日本装用不同类型发动机的各类型汽车，采用不同类型转向器，在公共汽车中因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(蜗杆滚轮式转向器在公共汽车上已经淘汰)。大、小型货车中，也大都采用循环球式转向器;但齿条齿轮式转向器有所发展；微型货车用循环球式转向器占65 %，齿条齿轮式占35 % 。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，但转向的操纵仍非轻松的事当汽车重量增大、转向费劲时驾驶员要求能有更好的办法来解决，这才重新推广了一种已经大约有3/4个世纪的动力辅助转向器。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(hydraulicpowersteering)，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。随着轿车车速的不断提高，传统的液压动力转向暴露出一个致命的缺点，即若要保证汽车在停车或低速掉头时转向轻便的话，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操纵有适度感的话，那么当其要停车或低速掉头时就会感到转向太重，两者不能兼顾，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。国外在汽车动力转向器的研究和开发方面进行得比较早，进行了大量的研究，已经成功地开发出了电动式动力转向器，并在越来越多的轿车和轻型车辆上成功使用。该装置优于普通的动力转向器，在不同车速下可通过转向电脑ECU自动调节转向盘的操作力，在低速行驶或车辆就位时，驾驶员只需用较小的操作力就能灵活进行转向；而在高速行驶时，则自动控制使操作力逐渐增大，实现操纵的稳定性。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(4WS)、电子控制动力转向系统(EPS)等。电子控制四轮转向系统(4WS):传统的前轮转向系统。为了使所有车轮处于纯滚动而无滑动，要求全部车轮都绕同一个瞬时转向中心做圆周运动，转向的同一时刻，每个车轮的转向半径都是不同的。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，可使后轮实现同向转向，减少甚至基本避免车身横摆，提高转向的稳定性。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。动力转向系统日益广泛的被采用，不仅在重型汽车L必须采用，在高级轿车上采用的也较多，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。虽然带来成本较高和结构复杂等问题，但由于它的优点明显，还是得到很快的发展。而从国内角度来说近年来对于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。由寸动力转向系统还是新的结构，各国的生产厂家都正在组织力量，大力开展试验研究工作，提高使用性能、减小总成体积、降低生产成本、使之产品质量稳定。以便逐步推广和普及。1.3 不同类型转向系统的结构及特点1.3.1 传统机械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。1.3.2 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。1.3.3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（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（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2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。1.4转向器设计要求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。1.5设计主要内容本章主要研究内容：总结分析相关文献，分析各转向系统的优劣所在，结合实际情况初步选定所设计的转向器类型。利用所选定的转向器参数，完成转向器结构布置和设计。第2章 液压动力转向器方案分析及确定2.1转向器结构优缺点分析和选择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。而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在轻型和中型汽车上，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。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。2.1.1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，如图1.1所示。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（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，齿轮齿条式转向器有四种形式：中间输入，两端输出（图2.1a）；侧面输入，两端输出（图2.1b）；侧面输入，中间输出（图2.1c）侧面输入，一端输出（图2.1d）。图2.1 齿轮齿条式转向器的四种形式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，前轴梯形；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，如图2.2。图2.2齿轮齿条式转向器四种布置形式2.1.2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。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7580；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。2.1.3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。2.1.4蜗杆指销式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，本文为轻型车转向器设计，故采用齿轮齿条式转向器。2.2齿轮齿条式动力转向器结构在齿轮齿条式机械转向器的基础上增加转向助力装置，就成了齿轮齿条式动力转向器，其工作原理图如图2.3和图2.4所示。1-活塞；2-齿条；3-右转弯油管图2.3 右转弯时液压油缸动作1横拉杆；2左转进油管；3右转进油管；4右转进油口；5转向输入轴；6旋转式控制阀；7出油口；8进油口；9左转进油口；10动力缸；11活塞； 12转向齿条；13防尘套。图2.4左转弯时液压油缸动作在齿轮齿条式动力转向器中，活塞安装在转向齿条上，并置于齿条套管内。齿条活塞两边的齿条套管都被密封起来，形成两个分开的油液腔，连接左、右转向回路。转向盘右转时，旋转阀在齿条活塞两边形成压力差，使齿条朝低压方向移动，从而减轻转动转向盘所需的总操纵力。齿轮齿条式液压动力转向器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。2.3液压动力转向器工作原理及过程2.3.1工作原理在机械转向器的基础上增加一套转向助力装置，就成了动力转向器。根据这套助力装置提供能源不同分为液压式动力转向器和电动式动力转向器。以下主要叙述液压式动力转向器的工作原理。液压式动力转向器有常压式和常流式两种。对于常压式动力转向器，其液压系统设有储能装置，故无论转向盘保持静止还是运动状态，液压系统工作管路中总是保持高压。对于常流式动力转向器，其液压泵始终处于运转状态。当汽车处于直线行驶状态时，转向油泵输出的油液流入转向控制阀，又由此流回转向油罐，因转向控制阀的节流阻力很小，故油泵输出压力也很低，油泵实际上处于空转状态。当驾驶员转动方向盘，通过机械转向器使转向控制阀(转阀或者滑阀)处于与某一转弯方向相应的工作位置时，转向动力缸的相应工作腔与回油管路隔绝，转而与油泵输出管路相同，而动力缸的另一腔仍然通回油管路。地面转向阻力经转向传动机构传到转向动力缸的推杆和活塞上，形成比转向控制阀节流阻力高得多的油泵输出管路阻力。于是转向油泵输出压力急剧升高，直到足以推动转向动力缸活塞为止。转向盘停止转动后，转向控制阀随即回复到中间位置，使动力缸停止工作。比较而言，常流式结构较简单、油泵寿命较长、泄漏量较少、功率消耗也较少，因此，目前除少数重型汽车采用常压式动力转向器外，其他大量的汽车均采用常流式动力转向器。如果动力转向机构的机械转向部分、转向动力缸和转向控制阀组装成一体，这种结构称为整体式动力转向器。也有将各部分分离组装的产品，但是这种产品目前已不多见。齿轮齿条液压动力转向器是把活塞安装在转向齿条上，并至于齿条套管内，齿条活塞两边的齿条套管被密封起来，形成两个分开的油液腔，连接左右转向回路，转向盘转动时，旋转伐在齿条活塞两边形成压力差，使齿条朝低压方向移动，从而减轻转动方向盘所需的总操纵力。2.3.2工作过程如图2.5所示，汽车直线行驶时，转阀处于中间位置。来自转向油泵的工作液从转向器壳体舶进油口0流到阀体13的中间油环槽中，经过其槽底的通孔进入阀体13和阀芯12之间，此时因阀芯处于中间位置，所以进入的油液分别通过阀体和阀芯纵槽和槽肩形成的两边相等的间隙，再通过阀芯的纵槽以及阀体的径向孔流向阀体外圆上、下油环槽，然后通过壳体中的两条油道分别流到动力缸的R接右转向动力腔；L接左转向动力腔；B接转向液压泵；G接转向油罐2齿条-活塞；12进油口；13阀体；22阀心图2.5汽车直线行驶时转阀的工作情况上、下腔中去，即左转向动力腔L和右转向动力腔R，流人阀体内腔的油液在通过阀芯纵槽流向阀体上、油环槽的同时，通过阀芯槽肩上的径向油孔流到转向螺杆和输入轴之间的空隙中，经阀体组件和调整螺塞之间的空隙流到回油口，经油管回到油罐中去，形成了常流式油液循环。此时，上、下腔油压相等且很小，齿条一活塞19既没有受到转向螺杆的轴向推力，也没有受到上、下腔因压力差造成的轴向推力。所以齿条一活塞处于中间位置，动力转向器不工作。参见图2.6，汽车左转弯时，转动转向盘使短轴逆时针转动，通过其下端轴销子带动阀芯同步转动，这个扭距也通过具有弹性的扭杆轴传给下端轴盖，下端轴盖边缘上的缺口通过固定在阀体上的销子带动阀体转动，阀体通过其下端缺口和销子，把转向力矩传给螺杆。由于转向阻力的存在，要有足够的转向力矩才能使转向螺杆转动。这个转矩促使扭杆轴发生弹性扭转，造成阀体的转动角度小于阀芯的转动角度，两者产生相对角位移。通下动力腔的进油缝隙减小(或封闭)，回油缝隙增大，油压降低;通上动力腔的进油缝隙增大而回油缝隙减小(或关闭)，油压升高，上、下动力腔产生油压差，齿条一活塞便在上、下动力腔油压差的作用下移动，产生助力作用。此时，来自转向油泵的压力油通过槽隙流向动力缸上腔，动力缸下腔的油则通过阀体径向孔、槽隙、阀芯径向孔和回油口流回流向储油罐。(a)左行驶 (b)右行驶图2.6 左右行驶时转阀的工作情况右转弯时转向器工作过程与左转弯时基本相似，如图2.5b所示。不同的是由于转（2）计算中心距mm3.3液压式动力转向机构的计算3.3.1动力缸尺寸的计算动力缸的主要尺寸有动力缸内径、活塞行程、活塞杆直径和动力缸壳体壁厚。动力缸的主要尺寸计算前，应先行确定作用在直拉杆上的力应用式（3.1）计算出来的转向阻力矩换算；=4593.36N动力缸产生的推力为=4593.36N推力与工作油液压力和动力缸截面面积之间有如下关系=所以 （3.4）因为动力缸活塞两侧的工作面积不同，应按较小一侧的工作面积来计算，即 （3.5）式中，为动力缸内径，为活塞杆直径，一般初选时取0.35；取0.55。联立式（3.4）和式（3.5）后得到 （3.6） mmmm式中，压力一般在6.010.0，最高可取16.518.0。3.3.2活塞行程S的计算当动力缸与转向器一体时，活塞行程可由主动小齿轮转过的节圆弧长来求得，即；为节圆直径取14.6mmmm3.3.3分配阀的回位弹簧为了防止因外界干涉破坏分配阀的正常工作和保证转向后转向盘的自动回正作用，回位弹簧的力在保证转向轻便的条件下，应尽可能取大些。克服回位弹簧上的压力，反映在转向盘上的作用力，对于乘用车应比货车的小些。回位弹簧预压缩力的最小值，应大于转向器逆传动使的摩擦力，否则转向后转向轮不可能有自动回正作用。转向器的摩擦力可由实验确定。3.3.4动力转向器的评价指标（1）动力转向器的作用效能 用效能指标来评价动力转向器的作用效能。式中，和为没有动力转向器和有动力转向器时，转动转向轮所必须作用在转向盘上的力。现有动力转向器的效能指标。（2）液压式动力转向器的路感 驾驶员转动转向盘，除要克服转向器的摩擦力和回位弹簧的阻力外，还要克服反映路感的液压阻力。液压阻力等于反作用阀面积与工作液压压强的乘积。在最大工作压力时，对于乘用车，换算到转向盘上的力增加约3050N；对于货车，增加80100N。（3）转向灵敏度 转向灵敏度可以用转向盘行程与滑阀行程的比值来评价，即式中： 转向盘直径；转向盘转角；滑阀行程。由上式可见，当和的数值不变时，转向盘转角仅仅取决与比值，所以这完全可以表达转向灵敏度。比值越小，则动力转向作用的灵敏度越高。发动机排量大于4.0L乘用车的值在6.7以下。转向灵敏度也可以用接通动力转向时，作用到转向盘的手力和转角来评价，要求此力在2050N，转角在范围。（4）动力转向器的静特性 动力转向器的静特性是指输入转矩与输出转矩之间的变化关系曲线，是用来评价动力转向器的主要特性指标。因输出转矩等于油压压力乘以动力缸工作面积和作用力臂，对于已确定的结构，后两项是常量，所以可以用输入转矩与输出油压之间的变化关系曲线来表示动力转向的静特性，如图3.1所示。常将静特性曲线划分为四个区段。在输入转矩不大时，相当于图中A段，是直线行驶位置附近小角度转向区，曲线呈低平形状，油压变化不大；汽车原地转向或调头时，输入转矩进入最大区段（图中C段），要求助力转向效果应当最大，故油压曲线呈陡而直状上升；B段属常用快速转向行驶区段，要求助力作用要明显，油压曲线的斜率变化应较大，曲线由较为平缓变陡。除此之外，上述三个区段之间的油压曲线过度要求平滑，D段曲线就表明是一个较宽的平滑过度区间。图3.1静特性曲线分段示意图要求动力转向器向右转和向左转的静特性曲线应对称。对称性可以评价滑阀的加工和装配质量。要求对称性大于0.85。3.4本章小结本章介绍了该液压动力转向系统的设计要求。在确定液压动力转向系统的系统方案基础上，根据机械原理与设计、机械设计、汽车设计，对齿轮齿条式转向器、液压式动力转向机构的主要尺寸分别进行了计算。结 论21世界汽车已经渐渐成为人们生活中的一个重要部分，而相对应的安全和环保问题也变得日益严重。汽车转向器作为汽车的重要零部件，直接关系到驾乘人员的生命和财产安全，而且，转向器的综合性能会直接关系到汽车整体的操纵性、稳定性、舒适性等很多方面因素汽车转向器作为汽车的重要零部件，它的质量也反映了车辆的质量，汽车工业发达国家都非常重视高安全性汽车转向器的研究。本设计的主要研究内容：总结分析相关文献，分析各转向系统的优劣所在，结合实际情况初步选定所设计的转向器类型。利用所选定的转向器参数，完成转向器结构布置和设计。并且介绍了转向器的结构和分类，本次设计主要选用齿轮齿条式液压助力转向器，其中介绍了几种典型汽车液压式动力转向器的工作原理及过程，对液压动力转向系统进行了总体设计，确定了液压动力转向系统的结构形式和主要性能参数。在确定液压动力转向系统的系统方案基础上，根据机械原理与设计、机械设计、汽车设计，对齿轮齿条式转向器、液压式动力转向机构的主要尺寸分别进行了计算。通过本次设计使我对汽车转向系统特别是转向器有了更深入的了解，对以后从事本专业工作有很大的帮助。参考文献1 刘惟信汽车设计M清华大学出版社，2001，72 汽车工程师手册汽车工程师手册编辑委员会M人民交通出版社，2001，53 毕大宁汽车转阀式动力转向器的设计与应用M北京：人民交通出版社,19984 陈家瑞汽车构造（下）M机械工业出版社，2005，85 王望予汽车设计 第四版M机械工业出版社，2006，86 余志生汽车理论M机械工业出版社，2006，5 7 濮良贵，纪名刚机械设计M高等教育出版社，2001，68 蔡春源简明机械零件手册M北京：冶金工业出版社，1996.39 王世刚，苗淑杰.机械设计实践M哈尔滨工程大学出版社，2003.210王望予汽车设计M3版.北京：机械工业出版社，200111王宝玺，贾庆祥汽车制造工艺学（第3版）M北京：机械工业出版社，2008.112刘品.机械精度设计与检测基础（第5版）M哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007.913中外汽车构造图册(底盘分册) M吉林科学技术出版社，1995.114夏德伟，孟清华Unigraphics NX4.0M北京：机械工业出版社，2006：3.15张金柱汽车工程专业英语M北京：化学工业出版社，200516陈志鑫汽车转向技术的昨天今天和明天J上海汽车, 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