周琦-设计(添加转向系载荷)最终版1

1、郑州工业应用技术学院毕业设计说明书 轿车转向系统设计（循环球式转向器）郑州工业应用技术学院本科生毕业设计题 目： 轿车转向系统设计（循环球式转向器）指导教师： 李 鑫 职称： 硕士研究生 学生姓名： 周 琦 学号： 1202110109 专 业： 交通运输 院 （系）： 机电工程学院 答辩日期： 2016年6月3日 2016年6月3日VI摘要本文的研究内容是轿车转向系统设计(循环球式转向器)。轿车转向系统对汽车行驶稳定性和安全性有重要的影响，考虑到循环球式转向器在世界范围内得到广泛的应用和较快的发展。本文所设计的转向器采用了循环球式转向器。循环球式转向器具有工作效率较高、使用寿命长、传动比可变

2、、工作可靠、齿条和齿扇之间的间隙调整工作容易进行的优点。本文从转向系统的类型及发展现状上进行分析，对循环球式转向器进行研究。了解转向系统结构组成部分及其工作原理，通过文献调查法收集资料，整理文献和所学知识的积累，经过调查实地测量数据，初步制定出转向系设计方案。然后对循环球式转向器的尺寸参数及性能参数进行选择，初步确定循环球式转向器的尺寸；其次为了满足工作强度的和使用经济性的需要，对主要的构件进行强度校核，确定循环球式转向器的尺寸。最后再对转向传动机构以及转向操纵机构进行设计，撰写设计说明书，并绘制出装配图和零件图。关键字：循环球式转向器；转向传动机构；转向操纵机构；转向梯形IABSTRACTT

3、he research content of this article is car steering system design (circulating ball type steering gear). Car steering system has important influence on vehicle driving stability and safety, considering the circulating ball type steering gear has been widely used around the world and rapid developmen

4、t.The design of steering gear adopts the circulating ball type steering gear. Circulating ball type steering gear has higher working efficiency, long service life, variable transmission ratio, reliable operation, rack and clearance between tooth fan work easier for the advantages of the adjustment.I

5、n this paper, from the type of steering system and the analysis on the current situation of the development, study the circulating ball type steering gear. Learn structure component and work principle of steering system, through the literature survey method to collect data, review and the accumulati

6、on of knowledge, after investigation and field measured data, preliminary work out steering system design scheme. And then to the size of the circulating ball type steering gear parameters and performance parameters selection, preliminarily determine the size of the circulating ball type steering ge

7、ar; Second in order to meet the needs of work intensity and the use of economy, the strength of the main component, determine the size of the circulating ball type steering gear. And then to carry on the design of steering transmission mechanism and steering mechanism, write design of specifications

8、, and draw the assembly drawing and part drawing.Key words: Circulating ball type steering gear; steering transmission mechanism; Steering mechanism; Steering trapezoidII目录摘要IABSTRACTII第1章. 绪论11.1背景11.2本文研究意义11.3循环球式转向器国内外研究现状11.4本文研究的内容2第2章.汽车转向系统的概述32.1汽车转向系统的类型与组成32.1.1机械式转向系32.1.2动力转向器转向系32.2循环球

9、式转向器的概述42.2.1循环球式转向器的结构42.2.2循环球式转向器工作原理5第3章转向系设计选择63.1对转向系的要求63.2转向器的结构方案选择6第4章.循环球式转向器的设计84.1主要尺寸参数的选择84.2循环球式转向器零件强度校核124.3转向器主要性能参数144.3.1转向器的效率144.3.2传动比的变化特性154.4转向系计算载荷的确定17第5章转向传动机构设计185.1转向梯形的布置185.2转向梯形机构尺寸设计185.3梯形校核195.4转向传动机构的臂、杆与球销195.5转向横拉杆及其端部20第6章转向操纵机构尺寸设计216.1转向盘216.2转向轴216.3转向节22

10、第7章. 结论24参考文献25致谢27第1章 绪论1.1背景转向器按结构形式可分为多种类型。目前较常用的有齿轮齿条类型的、蜗杆曲柄指销类型的、循环球-齿条齿扇类型的、循环球曲柄指销类型的、蜗杆滚轮类型的等。循环球类型的转向器与齿轮齿条类型的转向器，它们已是目前最主要的两种转向器；而蜗轮-蜗杆类型的转向器与蜗杆销类型的转向器正在慢慢的被淘汰1。当前，汽车工业成为中国经济发展的支柱产业之一，汽车企业对各系统部件的设计需求旺盛。其中，转向系统是汽车的一个重要组成部分，它直接影响汽车的操控性和安全性。汽车在行驶过程中，需按照驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓汽车转向。用来改变或保持汽车行驶方向的专

11、设机构称为汽车转向系统，汽车转向系统的功用就是保证汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶，并在受到路面传来的偶然冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶。因此，转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性和安全性2。1.2本文研究意义循环球式转向器主要由螺杆、钢球、螺母和转向器壳体等组成，具有较高的传动效率，操纵轻便，磨损较小，使用寿命长，循环球式转向器在世界范围内得到广泛的应用和较快的发展。轿车转向系统对汽车行驶稳定性和安全性有重要的影响，因此使汽车有较好的稳定性和安全性很重要。根据现有的国家标准，并按照汽车设计的原则设计一款循环球转向器。完成装配图和零件图的平面绘制

12、，使其能够满足现代商用车的国家标准要求。本文通过对一款转向系统的设计，使其能够满足轿车转向的需要，并为今后拓展应用领域奠定理论设计基础。并且通过这次的绘图更提高了自身的画图能力，以及对转向系统各部分构件的认识，为以后从事汽车转向行业奠定了基础。1.3循环球式转向器国内外研究现状国外：在国外循环球类型的转向器实现了比较专业化的生产，最主要的是设专业厂，以及进行多次的试验与研究，产量与质量都有极大的提高。生产循环球类型的转向器的日本“精工”(NSK)公司，在日本以较低的成本低、优越的质量、极大的产量，很快的占领了日本的市场，逐步的向全世界销售。德国ZF公司同样作为生产转向器闻名于世3。它从1948

13、年从事生产ZF类型的转向器，每年生产各种类型的转向器200多万台。另外，还有其它比较大的转向器生产厂，如美国德尔福公司SAGINAW分部；英国BURMAN公司都是比较有名的专业厂家，都有很大的产量和销售面。专业化生产已成为一种趋势，只有走这条道路，才能使产品质量高、产量大、成本低，在市场上有竞争力。动力转向系统的应用日益广泛，不仅在重型汽车上必须装备，在高级轿车上应用的也较多，在中型汽车上的应用也逐渐推广 4。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，但由于优点明显，还是得到很快的发展5。国内：国内已生产的循环球式转向器，无论是机械的还是动力的，多为

14、循环球齿条-齿扇结构6。国内的设计水平基本达到国际水平，但由于加工设备的差别，机械效率还不够理想。大量的实验证明，国内外螺纹磨床加工的螺杆-螺母副，可保证使转向机的机械效率达到70%以上；进口的内外螺纹磨床加工的螺杆-螺母副，则可使转向器的机械效率达到75%以上；而国外循环球式转向器的机械效率则已达75-90%。目前国内引进了西方新型动力转向器。但引进的滑阀式动力转向器与近期国外发展的转阀式动力转向器相比，结构复杂，零件数目多，调整较繁。目前国内已在研制和仿造这种新型转阀式动力转向器，并已研制成功7。1.4本文研究的内容本文从转向系统的类型及发展现状上进行分析，对循环球式转向器进行研究。了解转

15、向系统结构组成部分及其工作原理，通过文献调查法收集资料，整理文献和所学知识的积累，经过调查实地测量数据，初步制定出转向系设计方案。首先对循环球式转向器的尺寸参数及性能参数进行选择，初步确定循环球式转向器的尺寸；其次为了满足工作强度的和使用经济性的需要，对主要的构件进行强度校核，确定循环球式转向器的尺寸。最后再对转向传动机构以及转向操纵机构的设计。在对循环球式转向器的设计和研究的过程，发现循环球式转向器在发展中所存在的问题，并对这问题制定解决措施，然后绘制出总装图和零件图，最后撰写设计说明书。设计的内容如下：第一章 绪论第二章 汽车转向系统的概述第三章 转向系设计选择第四章 循环球式转向器的设计

16、第五章 转向传动机构设计第六章 转向操纵机构尺寸设计第七章 结论第2章 汽车转向系统的概述2.1汽车转向系统的类型与组成2.1.1机械式转向系机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分构成机械转向系8。如图2.1.1所示为机械转向系的组成和布置示意图。当汽车转向时，驾驶员对转向盘1施加一个转向力矩。该力矩通过转向轴2、转向万向节3和转向传动轴4输入转向器5。经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向摇臂6，再经过转向直拉杆7传给固定于左转向节9 上的转向节臂8，使左转向节和它所支承的左转向轮偏转。为使右转向节13及其支承的右转向

17、轮随之偏转相应角度，还设置了转向梯形。转向梯形由固定在左、右转向节上的梯形臂10、12和两端与梯形臂作球铰链连接的转向横拉杆11组成。从转向盘到转向传动轴这一系列部件和零件属于转向操纵机构。由转向摇臂至转向梯形这一系列部件和零件（不含转向节）均属于转向传动机构。图2.1.1 机械转向系统的组成和布置示意图1-转向盘2-转向轴3-转向万向节4-转向传动轴5-转向器6-转向摇臂7-转向直拉杆8-转向节臂9-左转向节10、12-梯形臂11-转向横拉杆13-右转向节2.1.2动力转向器转向系动力转向系统是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系。在正常情况下， 汽车转向所需能量，只有一小部分由驾驶

18、员提供，而大部分是由发动机通过动力转向装置提供的。但在动力转向装置失去作用时，一般驾驶员还可以独立实现转向。所以，以机械转向系为基础并增加一套动力转向装置就形成动力转向系9。对重型汽车的总质量高于50T而言，如果动力转向装置不工作，驾驶员对转向节的力不能使转向轮偏转而实现转向。因此动力转向装置对这种类型的汽车应该特别可靠10。如图2.1.2为一种液压动力转向系的组成和液压动力转向装置的管路布置示意图。其中属于动力转向装置的部件是：转向油罐9、转向油泵10、转向控制阀5和转向动力缸12。当驾驶员逆时针转动转向盘1（左转向）时，转向摇臂7带动转向直拉杆6 前移。直拉杆的拉力作用于转向节臂4，并依次

19、传到梯形臂3和转向横拉杆11，使之右移。与此同时，转向直拉杆还带动转向控制阀5中的滑阀，使转向动力缸12的右腔接通液面压力为零的转向油罐。 油泵10的高压油进入转向动力缸的左腔，于是转向动力缸的活塞上受到向右的液压作用力便经推杆施加在横拉杆11上，也使之右移。这样，驾驶员施于转向盘上很小的转向力矩，便可克服地面作用于转向轮上的转向阻力矩11。图2.1.2液压动力转向系统的组成示意图1-转向盘2-转向轴3-梯形臂4-转向节臂5-转向控制阀6-转向直拉杆7-转向摇臂8-机械转向器9-转向油罐10-转向液压泵11-转向横拉杆12-转向动力缸2.2循环球式转向器的概述2.2.1循环球式转向器的结构循环

20、球式转向器由两级传动副、壳体、钢球和间隙调整装置等组成。第一级传动副是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿扇传动副12。一级传动副是转向螺杆(steering screw)和转向螺母(steering nut)，转向螺杆与转向轴连接；另一级传动副是齿条(rack)和齿扇(sector)，在转向螺母下平面上加工成齿条，齿扇与齿扇轴形成一体。转向螺母既是第一级传动副的从动件，又是第二级传动副的主动件。为了减少转向螺杆与转向螺母之间的摩擦与磨损，二者的螺纹不直接接触，而是做成内外滚道，滚道中间装有两组钢球，以实现滚动摩擦。转向螺母上装有两个钢球导管，钢球导管内装满了钢球，钢球导管与滚道连通，形成两条独立的

21、供钢球循环滚动的封闭通道13。2.2.2循环球式转向器工作原理如图2.2.2当转向盘转动时，转向轴带动转向螺杆旋转，通过钢球将力传给转向螺母，使得转向螺母沿轴向移动，钢球则在钢球导管与滚道通道内循环滚动；通过螺母上的齿条带动齿扇及轴转动，进而带动转向摇臂摆动，通过其他转向传动装置的传动，实现车轮的偏转。如果将齿条的齿顶面制成鼓形弧面，齿扇上的每一个齿的节圆半径也相应变化，使得中间齿节圆半径小，两端齿节圆半径大，便可得到变传动比的转向器，这样操纵省力，转向轻便14。图2.2.2转向螺母、螺杆第3章 转向系设计选择3.1对转向系的要求转向系是用来保持和改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，保证

22、各转向轮之间有协调的转角关系15。对转向系的主要设计如下：1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转。2）转向轮具有自动回正能力。3）在行驶状态下，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产生的运动不协调，应使车轮产生的摆动最小。5）转向灵敏，最小转弯直径小、操纵轻便。6）转向轮传给转向盘的反冲力要尽可能小。7）转向器和转向传动机构中应有间隙调整机构。8）转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。9）转向盘转动方向与汽车行驶方向的改变相一致。正确设计转向梯形机构，可以保证汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转。转向轮的自动回正能力决定于转向轮的定位参数

23、和转向器逆效率的大小.合理确定转向轮的定位参数，正确选择转向器的形式，可以保证汽车具有良好的自动回正能力。转向系中设置有转向减振器时，能够防止转向轮产生自振，同时又能使传到转向盘上的反冲力明显降低。为了使汽车具有良好的机动性能，必须使转向轮有尽可能大的转角，其最小转弯半径能达到汽车轴距的22.5倍。转向操纵的轻便性通常用转向时驾驶员作用在转向盘上的切向力大小和转向盘转动圈数多少两项指标来评价。轿车转向盘从中间位置转到第一端的圈数不得超过2.0圈16。3.2转向器的结构方案选择根据所采用的转向传动副的不同，机械转向器的机构形式有多种。常见的有齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等。1.齿

24、轮齿条式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。齿轮齿条类型的转向器的主要优点是：结构比较简单、空间紧凑布置方便；质量比较小，刚性较大；转向灵敏，传动效率比较高；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。齿轮齿条类型转向器的不足是：逆效率高，汽车在不平路面上行驶时，发生转向轮与路面之间冲击力的大部分能传至转向盘。反冲现象会使驾驶员精神紧张，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17。2.循环球式循环球类型的转向器有两种结构形式，即常见的循环球-齿条齿扇式和循环球-曲柄销式。循环球类型的转向器的主要优点是：

25、传动效率高，操纵轻便，使用寿命长；转向器的传动比可变；工作比较平稳、可靠；齿条和齿扇的间隙容易调整。循环球式转向器的不足是：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度比较高等18。3蜗杆滚轮式蜗杆滚轮类型的转向器的传动副是球面蜗杆及滚轮。其主要的优点是：结构简单；制造容易；因为滚轮的齿面和球面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改变19。4蜗杆指销式蜗杆指销式转向器的传动副是转向蜗杆及装在摇臂轴曲柄端部的指销。根据指销能否自转，可分为固定销式和旋转式。其主要优点

26、是：转向器的传动比可以分为可变的和不可变的；指销和蜗杆之间的工作面磨擦后，调整间隙工作容易进行。固定指销蜗杆指销式转向器的结构简单、制造容易；但因销不能自转，指销的工作部位基本不变，所以摩擦较快、工作效率低。旋转销转向器的效率高、磨损小，但结构复杂20。循环球类型的转向器在结构和工艺上采取措施后，制造精度有很大的提高，工作表面的粗糙度有所改善，淬火和磨削加工螺杆和螺母上的螺旋槽，让螺旋槽有足够的硬度和比较好的耐磨损性能，因此使之有足够的使用寿命。循环球类型的转向器传动效率较高，操纵轻便，使用寿命长；转向器的传动比可变；工作比较平稳、可靠；齿条和齿扇的间隙容易调整。由于这种转向器强调驾驶者的路感

27、，目前它主要应用在中、大型商用汽车和越野车上。根据转向器的发展现状、前景，自身的特点以及所学的知识储备因此选择了循环球式转向器的设计。第4章 循环球式转向器的设计4.1主要尺寸参数的选择1.钢球中心距D、螺杆外径D1、螺母内径D2。图4.1.1参考同类车型，初选D=28mm；螺杆外径D1通常在2038mm范围内变化，不妨取为27mm；由D2-D1=(5%10%)×D可得，D2=8%·D+D1=8%×28+2729.24mm。图4.1.1螺杆、钢球、螺母传动副2.钢球直径d和数量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随之增大。钢

28、球直径应符合国家标准，一般常在79mm范围内选用。取d=8mm。每个环路中的钢球数以不超过60粒为好。为保证尽可能多的钢球都承载，应分组装配。每个环路中的钢球可用公式计算 （4-1） 在式(4-1)中，n为不包括环流导管中的钢球数；为螺线导程角，常数 =5°8°,则 。W为一个环路中的钢球工组圈数；多数情况下，转向器用两个环路，而每个环路的工作钢球圈数W又与接触强度有关：增加工作钢球因数，参加工作的钢球增多，能降低接触应力，提高承载能力；但因钢球受力不均匀、螺杆增长而使刚度降低。工作圈数有1.5和2.5圈两种。取W=2.5。所以 取n为28。3.滚道截面21。钢球与滚道有四

29、点接触，传动时轴向间隙最小，可满足转向盘自由行程小的要求。图4.1.2中滚道与钢球之间的间隙，除用来贮存润滑油外，还能贮存磨损杂质。一般取图4.1.2图四段圆弧滚道截面4.接触角。角多取为45°以使轴向力与径向力分配均匀。5.螺距P和螺旋导程角0。因为0=5°8°，不妨取0=6°。螺距P一般在1218mm内选取。取P=12mm，则b=P-d=12-8=4mm 2.5mm.表4.1齿条齿扇传动副设计：对齿轮来说，因为在不同位置的剖面中，其模数m不变，所以它的分度圆半径r和基圆半径rb相同。因此，变厚齿扇的分度圆和基圆均为一圆柱，它在不同剖面位置上的渐开线齿

30、形，都是在同一基圆柱上展开的渐开线，只是其轮齿的渐开线齿形相对基圆的位置不同而已，所以应将其归于圆柱齿轮的范畴。由表4.1可选取循环球式转向器齿扇模数m=3.5mm。表4.1循环球式转向器齿扇齿模数表齿扇齿模数m(mm)3.03.54.04.55.06.06.5乘用车排量（ml）500100018001600200020002200前轴负荷（N）3500380047007350700090008300110001000011000商用车排量（ml）300050004500750055001850070001950090003700017000370002300044000前轴负荷（N）3501

31、00025002700350060008000a.如下图4.1.3，球O-O截面出的齿形参数；d=mz=3.5×14=49mmh=ha+hf=3.5+4.2=7.7mmdb=dcos=49×cos20°46.04mmP=m=3.14×3.5=10.99mms=m2=10.99÷25.5mme=s=5.5mm式中d为分度圆直径；z为齿数；z=1215，取z=14。ha为齿顶高；ha*为齿顶高系数；ha*=1.0或0.8,取ha*=1.0hf为齿跟高；C*为顶隙数；取0.25；h为全齿高；da为齿顶圆直径；db为基圆直径p为齿距；s为齿厚；e为齿槽

32、宽为压力角；取=20。图4.1.3变厚齿扇齿形计算简图b.1-1截面： 取=5mm 由公式：c.2-2截面：d.3-3截面 式中r为分度圆半径；为变为系数；rf为齿根圆半径；ra齿顶圆半径；切削角，常见的有6.5和7.5两种，取=6.5；B为齿扇宽度，一般在2238mm，取B=30mm；4.2循环球式转向器零件强度校核钢球与滚道之间的接触应力 （4-2）式(4-2)中k为系数，根据AB值下表查取, R2=为滚道截面半径，为4.16mm；r为钢球半径，为4mm；R1为螺杆外径半径，为14mm；E为材料弹性模量，E=2.1×10NmmF3为钢球与螺杆之间的正压力，可用公式(4-3) （4

33、-3） 计算得：0为螺杆螺旋导程角，取为6；为接触角，为45；n为参与工作的钢球数，为28；F2为螺杆上的轴上力。 A=（14）（14.16）2=0.0048mm; B=（14）+（14.16）2=0.165mm AB=0.029由表4.2可查可查到K取=1.6；求得 =22.6N所以 当接触表面硬度为5864HRC时，许用接触应力=2500Nmm，故强度满足要求。表4.2系数k和AB的关系AB1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.150.10.050.0290.010.007k0.3880.4000.4100.4400.4680.4360.5360.6000.7160.8

34、000.9701.2801.6002.2713.202齿的弯曲应力W （4-4）式(4-4)中 F是作用在齿扇上的圆周力， 其中F1为作用在方向盘的力；R为方向盘的半径；R1为齿扇的半径。F=80×200÷24=340N； h为齿扇的齿高，为7.7mm b为齿扇的齿宽，为30mm； s为基圆的齿厚，为5.5mm; 许用弯曲应力为 ，故强度满足要求。花键连接的强度校核：花键连接的主要失效形式是齿面的压溃（静连接）和磨损（动连接），通常只进行连接的挤压强度和耐磨性计算。 静连接 （4-5） 动连接 （4-6）式中 代表各齿载荷分布不均匀系数，一般取=0.70.8，取为0.8；

35、z代表花键齿数，z=24；L代表键齿的工作长度，取L=20mm；h代表花键齿侧面的工作高度；对于矩形花键， 此处D和d分别为矩形花键轴的大经和小径，C为倒角尺寸；对于渐开线花键，=30°，h=m，=45°，h=0.8m,此处m为模数。取m=1mm；dm为花键平均直径；对于矩形花键， 则dm=23.8mm；对于渐开线花键，dm=di，di为分度圆直径，di =24；p 许用挤压应力，查机械设计P111表6-3可得工作条件不良情况下，齿面经处理时；p为许用压强，查机械设计P111表6-3可得工作条件不良情况下，齿面经处理时p=310Mpa22。故花键的连接强度满足要求。4.3转

36、向器主要性能参数4.3.1转向器的效率功率P1从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率称之为正效率，用符号+表示，+=（P1-P2）P1；反之则称为逆效率，用符号- 表示，=（P3-P2）P3 。式中P2为转向器中的摩擦功率；P3为转向摇臂轴上的功率。为了保证转向时驾驶员转动转向盘轻便，要求正效率高，为了保证汽车转向后转向轮和转向盘能自动返回到直线行驶位置，又需要有一定的逆效率。为了减轻在不平路面上行驶时驾驶员的疲劳，车轮于路面之间的作用力传至转向盘上要尽可能小，防止打手，这又要求此逆效率尽可能低。影响转向器正效率的因素有：转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等。(1)转向器类型、结构

37、特点与效率转向器有三种结构。第一种结构除滚轮与滚针之间有摩擦损失外，滚轮侧翼与垫片之间还存在滑动摩擦损失，故这种转向器的效率仅有54%，另外两种结构在前述四种转向器中，齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高，而蜗杆指销式特别是固定销和蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显的低些。同一类型转向器，因结构不同效率也不一样。如蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支持轴之间的轴承可以选用滚针轴承、圆锥滚子轴的转向器效率，根据试验结果分别为70%和75%。转向摇臂轴轴承的形式对效率也有影响，用滚针轴承比用滑动轴承可使正或逆效率提高约10%23。(2)转向器的结构参数和效率如果忽略轴承和其它地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩

38、擦损失，对于蜗杆和螺杆类转向器，其效率可用下式计算 （4-7） 式中，0为螺杆(或蜗杆)的螺线导程角：为摩擦角，=arctanf；f为摩擦因数。0取为7°；f取0.03，=arctanf=1.146°； 根据逆效率大小不同，转向器又有可逆式、极限可逆式和不可逆式之分。路面作用在车轮上的力，经过转向系多数传递到转向盘，这种逆效率较高的转向器属于可逆式。它能保证转向后，转向轮和转向盘自动回正。这既减轻了驾驶员的疲劳，又提高了行驶安全性。但是，在行驶在不平路面时，车轮承受到力能多数传到转向盘，致使驾驶员“打手”现象，并让驾驶员感到精神紧张；当在不平路面长时间行驶时，很容易使驾驶员

39、感到疲劳，影响安全驾驶。属于可逆式的有齿轮齿条式和循环球式转向器。不可逆类型的转向器指的是车轮受到的力不能传到转向盘的转向器。这种力被转向传动机构的零件承受，因而很容易导致这些零件损坏24。此外，它还不可以确保车轮自动回正，导致驾驶员缺乏路感，因此，现代汽车不使用这种类型的转向器。极限可逆类型的转向器介于前两种转向器之间。在车轮受到力时，该力仅有较少的一部分传到转向盘。该转向器的逆效率比较低，在不平的路面上行驶时，驾驶员不是非常紧张，与此转向传动机构的零件所承受的力也比不可逆类型转向器要小。如果不计轴承和别的地方的摩擦损失，仅考虑啮合副的摩擦损失，那么逆效率可用下面的式子计算。 （4-8）式(

40、4-7)和(4-8)表明：增加导程角0，正、逆效率均增大。受-增大的影响，0不宜取得过大。当导程角小于或等于摩擦角时，逆效率为负值或者为零，此时表明该转向器是不可逆式转向器。4.3.2传动比的变化特性(1)转向系传动比转向系的传动比包括转向系的角传动比iw0和转向系的力传动比ip。从轮胎接地面中心作用在两个转向轮上的合力2Fw与作用在转向盘上的手力Fh之比，称为力传动比，即 ip=2FwFh （4-9） 转向盘角速度w与同侧转向节偏转角速度k之比，称为转向系角传动比iw0，即 （4-10）式中d为转向盘转角增量；dk为转向节转角增量；dt为时间增量。它又由转向器角传动比iw和转向传动机构角传动

41、比 iw所组成，即iw0=iwiw。转向盘角速度p与摇臂轴角速度k之比，称为转向器角传动比i，即 （4-11）式中，dp为摇臂轴转角增量。此定义适应于除齿轮齿条式之外的转向器。摇臂轴角速度p与同侧转向节偏转角速度k之比，称为转向机构的角传动比I，即（4-12） (2)力传动比与转向系角传动比的关系轮胎与地面之间的阻力Fw和作用在转向节上的转向阻力矩Mr之间有如下关系 （4-13）式中，a为主销偏移距，指从转向节主销轴线的延长线与支撑平面的交点至车轮中心平面与支承平面交线间的距离。作用在方向盘上的手力Fh可用下式表示 （4-14）式中，Mh为作用在转向盘上的力矩；DSW为转向盘直径。将式(4-9

42、)和(4-10)带入ip=2FwFh后得到 （4-15）分析式(4-12)可知，当主销偏移距a小时，力传动比ip应取大些才能保证转向轻便。通常轻型越野车的a值在0.40.6倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取。转向盘直径DSW应根据车型不同在GB591186转向盘尺寸标准中规定的系列内选取。本次设计用原有车型的数据。如果忽略摩擦损失，根据能量守恒原理，2MRMh可用下式表示 （4-16）将式(4-12)代入(4-11)后得到 （4-17）当a和DSW不变时，力传动比ip越大，虽然转向越轻，但iw0也越大，表明转向不灵敏。(3)转向系的角传动比iw0转向传动机构角传动比，除用i=dpdk表示以外，还可

43、以近似地用转向节臂臂长L2与摇臂长L1之比来表示，即i=dpdkL2L1。现代汽车结构中，L2与L1的比值大约在0.851.1之间，可近似认为其比值为1。由此可见，研究转向系的传动比特性，只需研究转向器的角传动比i及其变化规律即可。(4)转向器角传动比及其变化规律式(4-13)表明：增大角传动比可以增加力传动比。从ip=2FWFh可知，当Fw一定时，增大ip能减少作用在方向盘上的手力Fh，使操纵轻便。考虑到i0i，由 的定义可知：对于一定的转向盘角速度，转向轮偏转角速度与转向器角传动比成反比。角传动比增加后，转向轮偏转角速度对转向盘角速度的影响应变得迟钝，增加转向操纵的时间，汽车的转向灵敏性相

44、对的降低，则“轻”和“灵”构成矛盾。为了处理这个矛盾，可采用变速比转向器。齿轮齿条类型、循环球类型、蜗杆指销类型转向器都能制成变速比转向器。循环球和齿条齿扇类型的转向器的角传动比i=2rP，由于结构的原因，螺距P不能变化，但是可用改变齿扇啮合半径r的方法，让循环球和齿条齿扇类型的转向器实现变速比的目的。4.4转向系计算载荷的确定转向系所有零件的强度，它们都是根据作用在转向系零、部件上的力确定的。影响这个力的因素很多，如前轴负荷和路面阻力的变化等。驾驶员转动转向轮需要解决的阻力，分别是车轮转动阻力、车轮稳定阻力和转向系摩擦阻力等。可以将转向系的滑动摩擦力转变为滚动摩擦力，能让转向器与转向节内的摩

45、擦阻力减小到比较小的范围25。当汽车在沥青路面上原地转向力矩： （4-17）式(4-17)中f为轮胎与路面的滑动摩擦系数为0.7G1为前轴负荷（5000N）P为轮胎气压0.21MPa 在方向盘上的力下式Fh=185N200N,符合设计的要求。式中 L1为转向摇臂长，参考类似车型为110mm； L2为转向节臂长160mm；Rsw为转向盘半径200mm； iw为转向器的角传动比iw=15；+为转向器的效率第5章 转向传动机构设计5.1转向梯形的布置图5.1为保证汽车行驶的安全性，在一般情况下应尽量将梯形布置在前轴之后，横拉杆的高度应在前轴下表面以上15mm处，以避免障碍物的撞击。只有在发动机的位置

46、很低或前轴是驱动轴时，由于梯形臂的横拉杆难于布置时才不得不把转向梯形放在前轴之前，此时横拉杆位置应尽量高些。我的设计转向梯形布置在前轴以后，横拉杆在前轴下表面以上15mm处。图5.1 转向中心的不同轨迹圆5.2转向梯形机构尺寸设计转向梯形的基本尺寸主要是梯行底角和梯形臂长m。梯形臂长m主要根据布置空间而定，它直接影响到横拉杆轴向力的大小。横拉杆轴向力 （5-1） 式(5-1)中，Fa是纵拉杆对转向节上臂的作用力，一般可用前轴负荷G1的一半计算，即Fa=0.5G1;l是纵拉杆作用力臂；l是横拉杆轴向力FS的作用力臂。从上式可以看出，梯形臂不宜过短，因为横拉杆轴向力与梯形臂长m成反比，m减小导致F

47、S增大。但梯形臂长度也不宜过大，否则会使其布置困难，尤其对于前置梯形更是如此。通常汽车上梯形臂长度m与两主销中心距M的比值约为mM=0.110.15。综合分析，我选取的主要参数m为204mm，M为1672mm，mM为0.1254。梯行底角是一个非常重要的参数，一般情况下，对整体式转向轴后置梯形来说，两梯形臂延长线的交点约在前轴后轴距的23处左右。在实际设计中梯行底角是根据整车布置最后确定的，一般在70°80°范围内。梯形底角主要受到车轮的限制，很难设计得十分合理，一般设时横拉杆接头与车轮间隙不小于8mm。5.3梯形校核以图解法进行校核首先根据初步确定的梯形尺寸(梯形下底长度

48、M=AB、梯形长度m=AP=BQ、梯形底角)作出中间位置的转向梯形图APQB。分别以A和B为圆心，以梯形臂长m为半径画两弧。以A点为圆心，从AP线开始每隔5°作出A点的圆心角1、2、3，.,与以A点为圆心、m为半径所画弧相交于P1、P2、P3，.,各点，再分别以P1、P2、P3，.各点为圆心，以PQ长为半径所画弧分别与以B点为圆心、m为半径所画出的弧相交于Q1、Q2、Q3.，将B点与Q1、Q2、Q3.各点连线，测量QBQ1，QBQ2，.各角，即为外轮转角1、2、3.。内轮转角与外轮转角的相应关系如表5.3所示。表5.3内轮转角与外轮转角的相应关系根据作出的内、外轮转角画出实际的特性曲

49、线。与理论特性曲线进行比较，可以选出几组不同的梯形转角和梯形臂长m，按上述方法求出和画出一系列的特性曲线，最接近理论特性曲线的该条曲线的和m，即为选定的梯形底角和梯形臂长。考虑轮胎侧向弹性的影响，应使实际内外轮转角的差值比理论值小。实际梯形特性曲线与理论特性曲线通常相交于15°25°之间，使25°以内的实际特性曲线尽量靠近理论特性曲线。考虑整车布置，经过校核后我取m为204mm，M'为1672mm，mM'为0.1254，为76°。5.4转向传动机构的臂、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

50、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。5.5转向横拉杆及其端部如图5.5转向横拉杆与梯形转向

51、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5.5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5.5.1转向横拉杆第6章 转向操纵机构尺寸设计6.1转向盘转向盘主要由轮毂、轮缘和轮辐组成。若采用的转向盘过大，驾驶员进出驾驶室不方便；若采用的转向盘过小，则在转向时需要驾驶员施加比较大的力。转向盘布置过高会影响视野；转向盘布置过低，则在操纵离合器、制动踏板时影响驾驶员腿部的动作。在选择转