汽车设计转向

1、7 转向系的类型转向系的类型 汽车转向系根据其转向能源的不同，可以分为机械转向系汽车转向系根据其转向能源的不同，可以分为机械转向系和动力转向系两大类型。和动力转向系两大类型。（1）机械转向系）机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，又称为以驾驶员的体力作为转向能源，又称为人力转向系人力转向系。1. 转向器 转 向 器机械转向器动力转向齿轮齿条式循环球式蜗杆滚轮式蜗杆指销式液压式气压式电动式滑阀式转阀式转向传动轴助力齿 条 助 力主动齿轮助力11 比较内比较内容容 循环球循环球蜗杆滚轮蜗杆滚轮蜗杆指销式蜗杆指销式 齿轮齿齿轮齿条式条式死销死销活销活销+高高低低低低较高较高高高-高高低低较高较高较高

2、较高高高I I可变可变基本不变基本不变可变可变可变可变可变可变磨损磨损慢慢慢慢快快较快较快较慢较慢调整调整易易难难易易易易易易可靠性可靠性可靠可靠可靠可靠较差较差较可靠较可靠可靠可靠12 比较内容比较内容 循环球循环球 蜗杆滚蜗杆滚轮轮蜗杆指销式蜗杆指销式 齿轮齿齿轮齿条式条式死销死销活销活销13 齿轮齿条式转向器的主要齿轮齿条式转向器的主要优点优点：结构简单、紧凑、体积小、质量轻；结构简单、紧凑、体积小、质量轻；传动效率高达传动效率高达90%90%；可自动消除齿间间隙可自动消除齿间间隙( (图图7-17-1所示所示) )；没有转向摇臂和直拉杆，转向轮转角没有转向摇臂和直拉杆，转向轮转角可以增

3、大；可以增大；制造成本低。制造成本低。 齿轮齿条式转向器的主要齿轮齿条式转向器的主要缺点缺点： 逆效率高（逆效率高（60%70%60%70%）。 因此，汽车在不平路面上行驶时，发生因此，汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间的冲击力，大部分能在转向轮与路面之间的冲击力，大部分能传至转向盘。传至转向盘。 中间输入，两端输出侧面输入，两端输出侧面输入，中间输出侧面输入，一端输出第二节第二节 机械式转向器方案分析机械式转向器方案分析一、机械式转向器方案分析1. 齿轮齿条式转向器1）齿轮齿条式转向器输入齿轮位置与输出特点形式 特点 中间输入 两端输出 侧面输入 两端输出 侧面输入 中间输出 侧

4、面输入 一端输出 备 注 车轮上下跳动时 拉杆摆角 大 大 小 拉杆短 摆角 转向拉杆与悬架系的运动干涉 大 大 小 转向器壳体强度 大 大 小 大 满足总布置要求 不好 较好 较好 应用 平头车 圆形断面齿条制圆形断面齿条制作工艺比较简单。作工艺比较简单。V V形和形和Y Y形断面齿形断面齿条与圆形断面比较，条与圆形断面比较，消耗的材料少，故质消耗的材料少，故质量小。量小。 可防止齿条旋可防止齿条旋转。转。第二节第二节 机械式转向器方案分析机械式转向器方案分析一、机械式转向器方案分析1. 齿轮齿条式转向器2） 齿条断面形状齿条断面形状 形状 特点 圆形 V形 Y形 备注 制造工艺 简单 复杂

5、 复杂 材料消耗 多 少 少 约少20% 质量 大 小 小 强度 小 小 大 Y形齿宽宽 齿条自转 能 不能 不能 第二节第二节 机械式转向器方案分析机械式转向器方案分析一、机械式转向器方案分析1. 齿轮齿条式转向器3） 齿轮齿条式转向器的布置形式(1) 转向器在前轴后方, 后置梯形(2) 转向器在前轴后方, 前置梯形(3) 转向器在前轴前方, 前置梯形(4) 转向器在前轴前方, 后置梯形齿轮齿条式转向器齿轮齿条式转向器广泛应用于微型、普通级、中级和中高级轿车上。装载量不广泛应用于微型、普通级、中级和中高级轿车上。装载量不大、前轮采用独立悬架的货车和客车也用齿轮齿条式转向器。大、前轮采用独立悬

6、架的货车和客车也用齿轮齿条式转向器。 第二节第二节 机械式转向器方案分析机械式转向器方案分析二、防伤安全机构方案分析防伤安全机构方案分析交通事故表明:汽车发生碰撞事故,可以是正面、侧面、追尾等碰撞事故,其中正面碰撞事故 约占40% 50%。正面碰撞事故中，驾驶员可能与转向盘、仪表板、转向管柱、挡风玻璃、室内后视镜、遮阳板等发生身体接触，并遭受伤害，严重时会伤及性命，因此采取有效措施保护驾驶员是十分重要的。当前采取的有效措施主要有：安全带、安全气囊、转向系中的防伤安全机构。有的汽车上述三种措施同时并存（如档次比较高的轿车），有些汽车只有其中的12项（如平头客车只有安全带，货车中当前也很少装气囊）

7、。第二节第二节 机械式转向器方案分析机械式转向器方案分析二、防伤安全机构方案分析防伤安全机构方案分析1、法规要求1）汽车以48km/h的速度正面同其它物体碰撞的实验中， 转向管柱和转向轴在水平方向的后移量不得大于127mm；2）在台架试验中用人体模型的驱干以6.7m/s的速度碰撞转向盘时，作用在转向盘上的水平力不得超过11123N（GB115571998）2、防伤安全机构安全带可以有效地限制乘员前移量。安全气囊可以在乘员头、胸前部与转向盘（仪表板）之间形成隔离带，缓和冲击，减缓乘员前移量和前移速度。而在驾驶员不可避免的与转向盘发生身体接触时，防伤安全机构可以减轻驾驶员受到伤害的程度。I. 减少

8、转向盘、转向轴的后移减少转向盘、转向轴的后移II.采用吸能的转向盘、转向轴、转向柱管采用吸能的转向盘、转向轴、转向柱管 有关资料分析表明：汽车正面碰撞时，有关资料分析表明：汽车正面碰撞时，转向盘、转向管柱是使驾驶员受伤的主要元件。转向盘、转向管柱是使驾驶员受伤的主要元件。a、万向节连接转向轴、万向节连接转向轴 不断开，不吸能。不断开，不吸能。结构简单，利于布置，结构简单，利于布置，b、两段式防伤转向轴、两段式防伤转向轴 断开，吸能少。结构简单，断开，吸能少。结构简单，但是效果可能不理想但是效果可能不理想 c、联轴套管联轴套管 塑料销钉铆接，轴向滑动管柱，不断塑料销钉铆接，轴向滑动管柱，不断开，

9、吸能。其中开，吸能。其中2为注塑销钉。断开时长为注塑销钉。断开时长度缩短，塑料增大摩擦并吸能。撞后不断度缩短，塑料增大摩擦并吸能。撞后不断开。开。 d、弹性联轴器弹性联轴器 断开，吸能。结构简单，制造容易，但断开，吸能。结构简单，制造容易，但是弹性垫片会降低转向系统的扭转刚度。是弹性垫片会降低转向系统的扭转刚度。弹性垫片e、网格状转向吸能管柱、网格状转向吸能管柱 依靠管柱与套管的挤压来吸收冲击能依靠管柱与套管的挤压来吸收冲击能量。设计时选择合适套管间的过盈量，满量。设计时选择合适套管间的过盈量，满足所要求的压紧力。足所要求的压紧力。转向管柱套管第二节第二节 机械式转向器方案分析机械式转向器方案

10、分析二、防伤安全机构方案分析防伤安全机构方案分析防 伤 转 向 轴 万 向 节 联 接 叉 安 全 联 轴套 管 弹 性 联 轴器 吸 能 转 向管 柱 方 案 特 点 结 构 简 单 简 单 简 单 简 单 复 杂 吸 能 不 能 不 能 能 能 能 零 件 受 载 大 小 大 大 大 制 造 工 艺 简 单 简 单 简 单 简 单 复 杂 制 造 精 度 不 高 不 高 不 高 不 高 高 工 作 可 靠 性 可 靠 可 靠 可 靠 可 靠 可 靠 撞 后 实 现 转 向 能 不 能 能 不 能 能 7-3转向系主要性能参数转向系主要性能参数33 影响转向器正效率的因素有转向器的类型、结构

11、特点、结构参数和制造质量等。 34 )(00121tgtgPPP35 00323)(tgtgPPP36 正效率+转向器结构参数与+0为蜗杆（或螺杆）的螺线导程角；为摩擦角，=t g-1f； f为摩擦因数。当滚道表面良好，表面硬度为58HRC以上时，=19分析上式可知： + 与0、有关0，则 + 070以后， + 缓慢)(00tgtg逆效率- 的种类可逆式：易打手，回正性能好不可逆式：转向零件受载大，无路感，不能回正极限可逆式：回正性能、路感、转向系零件受载等均居中转向器结构参数与-分析上式可知： - 与0、有关0，则 - ，且在0=80100以后增加速度大于+增加速度。 0不宜大于801000

12、700N时，已超出人体生理极限，此时对转向器及动力缸以前的零件的计算载荷，取Fh=700NiDLTLFswRh212 二、齿轮齿条式转向器设计 1主要参数的确定 2. 强度验算：抗弯强度；接触强度 3. 材料： 齿轮 16MnCr5 、15CrNi6 齿条 45钢 壳体 铝合金模数 小齿轮齿数 压力角 螺旋角 齿条齿数 23 57 200 90150 由行程确定 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 （1）钢球中心距D、螺杆外、内径D1、D2 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 （1）钢球中心距D、螺杆外、内径D1、

13、D2 D：是指螺杆两侧刚球中心间的距离，是转向器的基本尺寸。 影响选取D的因素有：D1、D2和刚球直径d。如果D选取的比较大，转向器的尺寸及质量均增加，螺杆尺寸也随之增大，表明刚度大，承载能力强。 要求：在保证有足够的强度、刚度条件下为减小尺寸、质量应尽可能选取小一些的D，D的变化范围为2040。D应随m 的变化而变化，当m时，D也应。 D1、D2：（D2D1）=（510）%D D1=20、23、25、28、29、34、38 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 （2）刚球直径d及数量n 影响选取d的因素（常用的标准范围： 79 ）： 三、循环球式转向器设

14、计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 （2）刚球直径d及数量n 选取d的原则：在保证有足够的承载能力条件下，尽可能取尺寸小些的d。如果是系列产品，要求d的选取规格尽可能少，常用有三种规格已足够。 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 （2）刚球直径d及数量n影响选取n的因素 n 影响因素 要求n取 备注 承载能力 多 工作可靠性 少 n多时， 尺寸误差导致受力不均匀且易堵塞 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 （2）刚球直径d及数量nn选择：原则在保证有足够的承载能力的条件下，n应取少些为宜。n的选

15、取范围： n 60粒/环路为保证每个刚球都承载，要求对刚球进行分组（至少 分四组）装配。（同时螺杆、螺母也应当分组）。不包含环流导管中钢球数时，每个环路中的钢球数n用下式计算：dDWdDWn0cos 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 (3)工作钢球圈数W 环路数：1个或者2个，且多数转向器为两个独立环路。 环路数 影响因素 环路数 备注 承载能力 多 减少轴向尺寸 少 提高传动效率 多 滚道的曲率半径减小 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 (3)工作钢球圈数W 影响工作钢球圈数W的因素 W 影响因素 要求W取

16、备注 螺杆、 螺母、 钢球接触强度 多 W多，nj 传动效率高 少 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 (3)工作钢球圈数W 选取W的原则：在保证螺杆、螺母、钢球有足够的j 强度条件下，将W取少些； m小时W取1.5，m大时，W取得多。 W的选取范围： 1.5、2.5 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 (4)滚道截面：单圆弧滚道截面/四段圆弧滚道截面/椭圆滚道截面形 式 特 点 单 圆 弧 四 段 圆 弧 椭 圆 滚 道 接 触 点 （ 理 论 ） 2 4 3 轴 向 间 隙 大 小 小 轴 向 定 位 不 稳

17、定 稳 定 稳 定 工 艺 容 易 难 难 应 用 不 用 多 少 55.052.0,222dRRd一般 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 (5)接触角：钢球与螺杆滚道接触点的正压力方向与螺杆滚道法面轴线间的夹角称为接触角。 接触角影响：轴向力和径向力的分配 要求：轴向力和径向力接近，以免影响扇齿齿根处强度。 范围：用450的多，少数用500或57.50(BenZ)，此时径向力，轴向力。 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副（6）螺距P若转向盘转动d，则同时螺母移动ds距离，即 与此同时齿扇转过的弧长也为ds，相应

18、摇臂轴转过则有： 与联立，得：2Pdds rddspPriddP2 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副（6）螺距P P 影响因素 要求 P 取 备注 iw iw1/p 轴向尺寸 小 iw取大，P 应取小；iw取小，P应取大。若 iw一定，P 取小，可通过r 保证 iw值，但此时径向尺寸 尺寸 b(b=P-d) 大 b25 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 2齿条、齿扇传动副设计 齿扇齿的特点 齿顶圆与齿根圆均有锥度 分度圆d=mz，不变是圆柱 分度圆上的齿厚是变化的 基圆也是一个圆柱 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 2齿

19、条、齿扇传动副设计齿形计算 图纸上仅标注基准剖面尺寸即（）剖面尺寸。 基准剖面可以选在齿宽内或齿宽外任意剖面处，但一般多选在B/2 处； 基准剖面的=0，且向右为正 ，向左 为负 距基准剖面尺寸a0 处的OO剖面的移距系数为 1matan01 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 2齿条、齿扇传动副设计齿形计算 四、循环球式转向器零件强度计算 1. 钢球与滚道之间的接触应力3)()(222223rRrREFkcoscos023nFF 1112rlFF 四、循环球式转向器零件强度计算 2. 齿的弯曲应力w 材料： 螺杆、螺母 20CrMnTi 渗碳 0.81.45mm 5863HRC

20、26BsFhw 四、循环球式转向器零件强度计算 3.转向摇臂轴直径d 材料： 20CrMnTi 渗碳 0.81.45mm 5863HRC32 .00rKTd 四、循环球式转向器零件强度计算 4.转向轴)(2 .044dDDRFSWh85 第五节第五节动力转向机构动力转向机构 动力转向系统则是在驾驶员的控制下，借动力转向系统则是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机取力而产生的液体压力或电动助于汽车发动机取力而产生的液体压力或电动机驱动力来实现车轮转向。机驱动力来实现车轮转向。 动力转向动力转向的基本要求动力转向的基本要求GB 17675-1999 汽车转向系汽车转向系 基本要求：基本要求： 不得装

21、用全动力转向机构。不得装用全动力转向机构。 转向系统中的液压、气压或电气部件部分转向系统中的液压、气压或电气部件部分或全部失效后，转向系统必须有控制汽车行或全部失效后，转向系统必须有控制汽车行驶方向的能力。驶方向的能力。 因此，现在的动力转向一般是在原来机械因此，现在的动力转向一般是在原来机械转向系统的基础上添加助力机构实现的，机转向系统的基础上添加助力机构实现的，机械机构用于安全储备械机构用于安全储备 形式 特点 液压式 气压式 备注 介质工作压力 高 （618N/2） 低（1N/2） 动力缸尺寸 小 大 动力缸质量 小 大 结 构 紧凑 大 工作介质 不可压缩 可以压缩 灵敏度 高 低 吸

22、收冲击能力 强 差 润 滑 不要 需另行安排 图7-12 动力转向机构布置方案1分配阀 2转向器 3动力缸 二、动力转向机构布置方案动力转向机构布置方案 2.布置方案 二、动力转向机构布置方案动力转向机构布置方案 3.分配阀的结构方案 方案 滑 阀 转 阀 简图 特点 结 构 简 单 复 杂 制 造 容 易 难 灵敏度 低 高 材 质 普 通 扭杆要求高 ii2swDi图7-13 静特性曲线分段示意图 要求动力转向器向右要求动力转向器向右转和向左转的静特性曲线转和向左转的静特性曲线应对称。对称性可以评价应对称。对称性可以评价滑阀的加工和装配质量。滑阀的加工和装配质量。要求对称性大于要求对称性大

23、于0.850.85。 液压式动力转向系统的缺点液压式动力转向系统的缺点为此采用为此采用车速感应型车速感应型动力转向机构，有动力转向机构，有电控液压动力电控液压动力转向和电动助力转向转向和电动助力转向系统系统具有固定放大倍率的动力转向系统的主要缺点具有固定放大倍率的动力转向系统的主要缺点n是在传统的液压动力转向系统的基础上增是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元和电子控制单元等，电子控制单元根据检等，电子控制单元根据检测到的测到的车速车速信号，控制电磁阀，使转向动信号，控制电磁阀，使转向动力力电控液压动力转向 E

24、HPS示意图电控液压动力转向 一种EHPS电动泵电控液压动力转向 EHPS的车速感应功能EHPS的特性n液压式电子控制动力转向系统是在传统的液压式电子控制动力转向系统是在传统的液压动力转向系统的基础上增设电子控制液压动力转向系统的基础上增设电子控制装置而构成的。装置而构成的。n根据控制方式的不同，液压式电子控制动根据控制方式的不同，液压式电子控制动力转向系统又可分为力转向系统又可分为流量控制式、油压反流量控制式、油压反馈控制式（反力控制式）、动力缸分流控馈控制式（反力控制式）、动力缸分流控制式和阀特性控制式（阀灵敏度控制式）制式和阀特性控制式（阀灵敏度控制式）几种形式。几种形式。 流量控制式动

25、力转向系统流量控制式动力转向系统就是根据就是根据车速传感器车速传感器的信号，的信号，控制控制电磁阀阀针电磁阀阀针的开启程度，的开启程度，从而控制转向动力缸活塞两侧从而控制转向动力缸活塞两侧油室的旁路液压油流量，来改油室的旁路液压油流量，来改变转向盘上的转向力。变转向盘上的转向力。 车速越高，流过电磁阀电车速越高，流过电磁阀电磁线圈的平均电流值越大，电磁线圈的平均电流值越大，电磁阀阀针的开启程度越大，旁磁阀阀针的开启程度越大，旁路液压油流量越大，液压助力路液压油流量越大，液压助力作用越小，使转动转向盘的力作用越小，使转动转向盘的力也随之增加。这就是流量控制也随之增加。这就是流量控制式动力转向系统

26、的工作原理。式动力转向系统的工作原理。 流量控制式流量控制式电动助力转向系统电动助力转向系统上世纪上世纪80年代开始研制并商品化的电动助年代开始研制并商品化的电动助力转向（力转向（EPS）系统近年来在国内外得到迅）系统近年来在国内外得到迅速发展。速发展。早在1988年，这种转向系统首先装在日本的Suzuki Corvo 助力装置助力装置电动助力转向系统工作原理工作原理转向轴装转向盘连接转向器助力转向系统助力转向系统电动助力转向系统分类转向轴式转向齿轮式 双齿轮式 滚珠丝杠杆式齿条式-15-10-5051015-30-20-100102030转 向 盘 转 矩 / N m电 动 机 助 力 电

27、流 / A堵 转 时 不 同 车 速 下 的 助 力 特 性 车 速 0 ， 5， 1 0 ， 2 0 ， 3 0， 40，60， 150 km / h 11.40541.9527 2.53.04733.5946 4主 转 矩 传 感器 输 出 信 号 / V205209243276310344377411444478512545579612646679713747780814818主 转 矩 传 感器 输 出 信 号 1 0位 A D转 换 值电动助力转向系统的特点助力特性可以根据车速调节转向盘转矩电动机电流150km/h0km/h电动助力转向系统的特点助力特性曲线形状可调转向盘转矩电动机电

28、流调节可以采用软件进行，减少开发成本和周期68Nm12 NmP238，要求3）偏大电动助力转向系统的特点电动助力转向系统的特点节能环保结构紧凑符合汽车的发展方向电动技术含量要求较高，目前国内不成熟助力不能够很大全电动转向线控转向（Steer-By-Wire）特点：特点：取消了转向盘和转向轮之间的机械连接优点：优点：传动比可调提高主动安全提高被动安全缺点：缺点：技术含量高，成本高，目前处于研究阶段主动转向主动转向的助力百分比是一定，为了操纵轻便性，主动转向要带有其它助力机构技术含量高，成本高，目前只有极少数高级车应用，比如BMW的一部分车传动比可调主动转向保持了机械连接，具有安全失效的功能断开点

29、断开点整体式转向梯形分析前提条件分析前提条件：忽略侧偏角影响的条件下cotcotoiKL两轴汽车转向时，理想的内轮转角i外轮转角o之间的关系为：整体式转向梯形实际的内轮转角i与外轮转角o之间的关系为： 式（733）22sin()arcsin()1 2cos()2coscos()cos2 arccos()1 2cos()oioooKKmmKmKKmmKm 整体式转向梯形实际的内轮转角i与理想值i不一致中间常用范围内越小越好，两端则可适当放宽要求i与i尽可能小i与i的差值在不同位置不同因此，存在优化问题目标函数max1()()()()(,00)1%ooiioiioioiioif m 实际上是求代数和代替求积分max1.5 0 10()1.0 10 200.5 20 ooooo 权函数目标函数f越小越好约束条件约束条件minmaxmin000mmmmmin40梯形臂梯形臂m太长不利于布置，太短则受力过大，太长不利于布置，太短则受力过大，梯形底角梯形底角过小也会造成受力