1、第七章轉向系設計.第七章 轉向系設計 本章主要學習：1轉向系的設計要求；2機械式轉向器方案分析；3轉向系主要性能參數； 4動力轉向機構 ； 5轉向梯形機構方案及整體式轉向梯形 機構優化設計。.第七章 轉向系設計 第一節 概述 第二節 機械式轉向器方案分析 第三節 轉向系主要性能參數 第四節 動力轉向機構 第五節 轉向梯形.第一節 概述 堅持或者改動汽車行駛方向。在汽車轉向行駛時，保證各轉向輪之間有協調的轉角關系。2、轉向系的組成：(1)轉向支配機構:轉向盤、轉向軸、轉向管柱(2)轉向器:將轉向盤的轉動變為轉向搖臂的擺動或齒條軸的直線往復運動，并對轉向支配力進展放大的機構。(3)轉向傳動機構:將

2、轉向器輸出的力和運動傳給車輪(轉向節)，并使左右車輪按一定關系進展偏轉的機構。1、轉向系的功用：.3、轉向系的分類:.4、轉向系的設計要求： 1汽車轉彎行駛時，全部車輪應繞瞬時轉向中心旋轉。2轉向輪具有自動回正才干。3在行駛形狀下，轉向輪不得產生自振，轉向盤沒有擺動。4轉向傳動機構和懸架導向安裝產生的運動不協調，應使車輪產 生的擺動最小。正確設計轉向梯形機構設置有轉向減振器時，可以防止轉向輪產生自振，同時又能使傳到轉向盤上的反沖力明顯降低。自動回正才干決議于轉向輪的定位參數和轉向器逆效率的大小。合理確定轉向輪的定位參數，正確選擇轉向器的方式，可以保證汽車具有良好的自動回正才干。.5轉向靈敏，最

3、小轉彎直徑小。6支配輕便。 7轉向輪傳給轉向盤的反沖力要盡能夠小。8轉向器和轉向傳動機構中應有間隙調整機構。9轉向系應有能使駕駛員免遭或減輕損傷的防傷安裝。10轉向盤轉動方向與汽車行駛方向的改動相一致。4、轉向系的設計要求： 使轉向輪有盡能夠大的轉角，其最小轉彎半徑能到達汽車軸距的22.5倍用轉向時駕駛員作用在轉向盤上的切向力大小和轉向盤轉動圈數多少兩項目的評價。正確設計轉向梯形機構.一、機械式轉向器方案分析 1.齒輪齒條式 優點：構造簡單、緊湊、體積小、質量輕；傳動效率高達90%；可自動消除齒間間隙；沒有轉向搖臂和直拉桿，轉向輪轉角可以增大；制造本錢低。缺陷：逆效率高60%70%。汽車在不平

4、路面上行駛時，發生在轉向輪與路面之間的沖擊力，大部分能傳至轉向盤。 自動消除間隙安裝第二節 機械式轉向器方案分析 .1、輸入齒輪位置和轉向輸出位置關系的四種方式：a中間輸入，兩端輸出；b側面輸入，兩端輸出；c側面輸入，中間輸出；d側面輸入，一端輸出。采用a、b兩端輸出方案時，容易與懸架系統導向機構產生運動干涉。采用c中間輸出方案時，由于拉桿長度添加，車輪上、下跳動時位桿擺角減小，有利于減少車輪上、下跳動時轉向系與懸架系的運動干涉。但轉向器殼體強度降低。d方案的齒輪齒條式轉向器，常用在平頭微型貨車上。 齒輪齒條式轉向器的四種方式.2、齒輪的方式直齒圓柱齒輪：運轉平穩性不高，沖擊、噪音大。斜齒圓柱

5、齒輪：重合度添加，運轉平穩，沖擊與任務噪聲均下降。3、齒條斷面外形圓形、V形和Y形三種圓形斷面齒條制造工藝比較簡單。V形和Y形斷面齒條與圓形斷面比較，耗費的資料少，故質量小。車輪跳動、轉向器任務時，齒條能有微量的旋轉，可保證正確嚙合。.齒輪齒條式轉向器的四種布置方式 4、轉向器和轉向梯形相對前軸位置的四種布置方式： a轉向器位于前軸后方，后置梯形； b轉向器位于前軸后方，前置梯形； c轉向器位于前軸前方，后置梯形； d轉向器位于前軸前方，前置梯形。5、運用： 廣泛運用于微型、普通級、中級和中高級轎車上。裝載量不大、前輪采用獨立懸架的貨車和客車也用齒輪齒條式轉向器。.2.循環球式 組成：兩對傳動

6、副螺桿和螺母螺母上的齒條與搖臂軸上的齒扇優點：傳動效率可到達75%85%；轉向器的傳動比可以變化；任務平穩可靠；齒條和齒扇之間的間隙調整容易；適宜用來做整體式動力轉向器。 缺陷：逆效率高，構造復雜，制造困難，制造精度要求高。運用：主要用于貨車和客車上。 循環球式轉向器 循環球式轉向器的間隙調整機構 .3.蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式 1、蝸桿滾輪式轉向器由蝸桿和滾輪嚙合而構成。優點：構造簡單；制造容易；強度比較高、任務可靠、壽命長；逆效率低。缺陷：正效率低；調整嚙合間隙比較困難；傳動比不能變化。2、蝸桿指銷式轉向器：固定銷式和旋轉銷式。根據銷子數量不同，又有單銷和雙銷之分。優點：傳動比可以做成不變的

7、或者變化的；任務面間隙調整容易。固定銷式轉向器的構造簡單、制造容易。缺陷：銷子的任務部位磨損快、任務效率低。旋轉銷式轉向器的效率高、磨損慢，但構造復雜。蝸桿滾輪式和蝸桿指銷式轉向器運用較少。.二、防傷平安機構方案分析防傷轉向傳動軸簡圖 防傷轉向軸簡圖 1、駕駛員受傷的主要元件：轉向盤、轉向管柱。2、防傷措施：利用轉向盤、轉向管柱等有關零件在撞擊時產生塑性變形、彈性變形或是利用摩擦等來吸收沖擊能量，能防止或者減輕駕駛員受傷。3、典型構造：1萬向節銜接的轉向傳動軸2兩段式轉向軸：上轉向軸的下端與下轉向軸上端經過兩個圓頭圓柱銷相連。在遭到一定數值的軸向力時，上、下轉向軸能自動脫開，以保證駕駛員的平安

8、。.3聯軸套管吸收沖擊能量機構4彈性聯軸器式防傷機構.5鋼珠滾壓式、波紋管吸能式、套管擠壓吸能式防傷機構.一、轉向器的效率 二、傳動比的變化特性三、轉向器傳動副的傳動間隙t四、轉向系的計算載荷第三節 轉向系主要性能參數 .第三節 轉向系主要性能參數 一、轉向器的效率 正效率+：功率從轉向軸輸入，經轉向搖臂軸輸出所求得的效率。 +=P1-P2/P1逆效率 ：功率經轉向搖臂軸輸入，從轉向軸輸出所求得的效率。 =P3-P2/P3P1為作用在轉向軸上的功率；P2為轉向器中的磨擦功率；P3為作用在轉向搖臂軸上的功率。 正效率高，轉向輕便；轉向器應具有一定逆效率，以保證轉向輪和轉向盤的自動前往才干。但為了

9、減小傳至轉向盤上的路面沖擊力，防止打手，又要求此逆效率盡能夠低。 .1.轉向器的正效率+ 影響要素：轉向器的類型、構造特點、構造參數和制造質量等。 (1) 轉向器類型、構造特點與效率齒輪齒條式、循環球式轉向器的正效率比較高，蝸桿指銷式、蝸桿滾輪式轉向器的正效率明顯低些。軸承的方式對效率有影響。 軸承可以選用滾針軸承、圓錐滾于軸承和球軸承等三種構造之一。 (2)轉向器的構造參數與效率對于蝸桿和螺桿類轉向器式中，a0為蝸桿或螺桿的螺線導程角；為摩擦角，=arctanf；f為磨擦因數。.根據 ，轉向器可分為可逆式、極限可逆式和不可逆式。可逆式：齒輪齒條式和循環球式轉向器不可逆式：現代汽車不采用這種轉

10、向器極限可逆式：介于上述兩者之間添加導程角 ，正、逆效率均增大。受 增大的影響， 不宜獲得過大。當導程角小于或等于摩擦角時，逆效率為負值或者為零，此時闡明該轉向器是不可逆式轉向器。為此，導程角必需大于摩擦角。2.轉向器的逆效率-.二、傳動比的變化特性 1.轉向系傳動比 力傳動比 和角傳動比 力傳動比: 角傳動比: 角傳動比 由轉向器角傳動比 和轉向傳動機構角傳動比 組成，即 轉向器的角傳動比: 轉向傳動機構的角傳動比: 越大，轉向越輕便越大，轉向越不靈敏轉向器角傳動比轉向傳動機構角傳動比.轉向阻力Fw與轉向阻力矩Mr的關系式：作用在轉向盤上的手力Fh與作用在轉向盤上的力矩Mh的關系式：將式1、

11、式2代入 后得到 忽略磨擦損失，根據能量地恒原理，2Mr/Mh可用下式表示 將式4代入式3后得到 當a和Dsw不變時，力傳動比 越大，雖然轉向越輕，但 也越大，闡明轉向不靈敏。 2.力傳動比與轉向系角傳動比的關系 1 2 3 4 5 .3.轉向系的角傳動比4.轉向器角傳動比 及其變化規律 闡明，增大角傳動比可以添加力傳動比。當Fw一定時，增大力傳動比能減小作用在轉向盤上的手力Fh，支配輕便。 由 的定義可知：對于一定的轉向盤角速度，轉向輪偏轉角速度與轉向器角度傳動比在反比。 角傳動比添加后，轉向輪偏轉角速度對轉向盤角速度的呼應變得愚鈍，汽車轉向靈敏性降低。 “輕和“靈構成一對矛盾！ 為處理這對

12、矛盾，可采用變速比轉向器。齒輪齒條式、循環球式、蝸式指銷式轉向器都可以制成變速比轉向器。 L2 / L1 0.851.1，可近似以為其比值為1。.1齒輪齒條轉向器變速比的實現齒輪正確嚙合的條件：相互嚙合齒輪的基圓齒距必需相等，即pb1=pb2。齒輪基圓齒距pb1=m1cosa1，齒條基圓齒距pb2=m2cosa2。齒輪：規范模數m1和規范壓力角a1 ；齒條：變模數m2、變壓力角a2。一直堅持m1cosa1=m2cosa2時，齒輪齒條就可以嚙合運轉。 齒條壓力角變化簡圖a齒條中部齒 b齒條兩端齒 可以看到：位于齒條中部位置處的齒有較大壓力角和齒輪有較大的節圓半徑，而齒條齒有寬的齒根和淺斜的齒側面

13、；位于具條兩端的齒，齒根減薄，齒有陡斜的齒側面。故角傳動比是可變的。 式中r為小齒輪節圓半徑，rb為基圓半徑。.2循環球式轉向器變速比的實現嚙合半徑r中間小兩頭大從而實現變角傳動比.5.轉向器角傳動比的選擇 設計原那么：可以設計成減小、增大或堅持不變的。思索要素：轉向軸負荷大小和對汽車機動才干的要求。 假設轉向軸負荷小或采用動力轉向的汽車，不存在轉向繁重問題，應取較小的轉向器角傳動比，以提高汽車的機動才干。假設轉向軸負荷大，汽車低速急轉彎時的支配輕便性問題突出，應選用大些的轉向器角傳動比。汽車以較高車速轉向行駛時，轉向輪轉角小，阻力矩也小，要求轉向輪反響靈敏，轉向器角傳動比該當小些。汽車高速直

14、線行駛時，轉向盤在中間位置的轉向器角傳動比不宜過小。否那么轉向過分敏感，使駕駛員準確控制轉向輪的運動有困難。轉向器角傳動比變化曲線應選用大致呈中間小兩端大些的下凹形曲線。轉向器角傳動比變化特性曲線 .三、轉向器傳動副的傳動間隙t 定義：指各種轉向器中傳動副之間的間隙。轉向器傳動副傳動間隙特性：該間隙隨轉向盤轉角的大小而變化的特性。研討意義：與直線行駛的穩定性和轉向器的運用壽命有關。原那么：1傳動間隙在轉向盤處于中間及其附近位置時要極小，最好無間隙。假設傳動副存在傳動間隙，一旦轉向輪遭到側向力作用，車輪將偏離原行駛位置，使汽車失去穩定。2傳動副在中間及其附近位置因運用頻繁，磨損速度要比兩端快。在

15、中間附近位置因磨損呵斥的間隙過大時，必需經調整消除該處間隙。轉向器傳動副傳動間隙特性 圖中曲線1闡明轉向器在磨損前的間隙變化特性；曲線2闡明運用并磨損后的間隙變化特性，并且在中間位置處已出現較大間隙；曲線3闡明調整后并消除中間位置處間隙的轉向器傳動間隙變化特性。 .四、轉向系計算載荷確實定 轉向輪要抑制的阻力：包括轉向輪繞主銷轉動的阻力、車輪穩定阻力、輪胎變形阻力和轉向系中的內磨擦阻力等。 計算汽車在瀝青或者混凝土跨面上的原地轉向阻力矩MRNmm的半徑閱歷公式式中，f為輪胎和路面間的滑動磨擦因數，普通取0.7；G1為轉向軸負荷N；p為輪胎氣壓MPa。 作用在轉向盤上的手力為 式中，L1轉向搖臂

16、長；L2為轉向節臂長；Dsw為轉向盤直徑；i為轉向器角傳動比；+為轉向器正效率。 1 2 .第四節 動力轉向機構 一、對動力轉向機構的要求 1堅持轉向輪轉角和轉向盤的轉角之間堅持一定的比例關系。2隨著轉向輪阻力的增大或減小，作用在轉向盤上手力必需增大或減小。3當作用在轉向盤上的切向力Fh25190N時，動力轉向器就應開場任務。4轉向盤應自動回正。 5任務靈敏。 6動力轉向失靈時，仍能用機械系統支配車輪轉向。7密封性能好，內、外走漏少。轉向軸軸載質量超越2.5t的貨車可以采用動力轉向，當超越4t時應該采動力轉向。 動力轉向的方式：液壓式、電控液壓式、電動助力式.二、液壓式動力轉向機構布置方案分析

17、 1.組成：分配閥、轉向器、動力缸、液壓泵、貯油罐和油管等。2.分類：根據分配閥、轉向器和動力缸三者相互位置的不同，它分為整體式和分置式兩類。分置式按分配閥所在位置不同又分為：聯閥式b、連桿式c 和 半分置式d 。3.布置要思索的要素：1構造上能否緊湊；拆裝轉向器能否容易；2轉向器主要零件能否接受由動力缸建立起來的載荷；3管路，特別是軟管的管路長短；4轉向輪在側向力作用下能否容易產生擺振；5能不能采用典型轉向器。動力轉向機構布置方案1分配閥 2轉向器 3動力缸 .4.分配閥的構造方案 分配閥有兩種構造方案：滑閥式：分配閥中的閥與閥體以軸向挪動方式來控制油路。轉閥式：以旋轉運動來控制油路。.三、

18、動力轉向器的評價目的 1動力轉向器的作用效能：用效能目的s=Fh/Fh來評價動力轉向器的作用效能。Fh 無動力轉向時的手力；Fh 有動力轉向時的手力；現有動力轉向器的效能目的s=115。 2路感：駕駛員的路感來自于轉動轉向盤時，所要抑制的液壓阻力。液壓阻力等于反作用閥面積與任務液壓壓強的乘積。在最大任務壓力時，轎車：換算以轉向盤上的力添加約3050N，貨車：添加80100N。 .3轉向靈敏度 轉向靈敏度可以用轉向盤行程與滑閥行程的比值來評價比值 i 越小，那么動力轉向作用的靈敏度越高。高級轎車的 i 值在6.7以下。轉向靈敏度也可以用接通動力轉向時，作用到轉向盤的手力的轉角來評價，要求此力在2

19、0-50N，轉角在1015范圍。 .4動力轉向器的靜特性 動力轉向器的靜特性是指輸入轉矩與輸出轉矩之間的變化關系曲線，是用來評價動力轉向器的主要特性目的。可以用輸入轉矩M與輸出油壓p之間的變化關系曲線來表示動力轉向的靜特性。 靜特性曲線劃分為四個區段。在輸入轉矩不大的時候，相當于圖中A段；汽車原地轉向或調頭時，輸入轉矩進入最大區段圖中C段；B區段屬常用快速轉向行駛區段；D區段曲線是一個較寬的平滑過渡區間。 靜特性曲線分段表示圖 要求動力轉向器向右轉和向左轉的靜特性曲線應對稱。對稱性可以評價滑閥的加工和裝配質量。要求對稱性大于0.85。 .四、電動助力轉向機構EPS1、電動助力轉向機構的組成 由

20、機械轉向器與電動助力部分相結合，構成電動助力轉向機構。電動助力部分包括電動機、電池、傳感器和控制器(ECU)及線束，有的還有減速機構和電磁離合器等。2、任務原理轉矩傳感器測定駕駛員轉動方向盤的轉矩車速傳感器測定車速信號ECU電機旋轉方向電機助力轉矩大小電流控制電路電動機.3、分類：1).齒條助力式2).轉向軸助力式3).齒輪助力式1齒條助力式的特點：電動機位于地板下方，任務噪聲和振動對駕駛員的影響都小些；電動機、減速機構等不占據轉向盤至地板這段空間，有利于轉向軸的布置，駕駛員腿部的動作不會遭到它們的干擾；轉向軸直至轉向器自動齒輪均不接受來自電動機的助力轉矩作用，尺寸能小些；電動機、減速機構等任

21、務在地板下方，條件較差，對密封要求良好；動機輸出的助力轉矩只經過減速機構增扭，沒有經過轉向器增扭，必需增大電動機輸出的助力轉矩才干有良好的助力效果，使得電動機尺寸增大、質量添加；.2轉向軸助力式的特點：電動機布置在駕駛室內，有良好的任務條件；電動機輸出的助力轉矩經過減速機構增大后傳給轉向軸，電動機輸出的助力轉矩相對小些，電動機尺寸也小，有利于在車上布置和減輕質量；電動機、轉矩傳感器、減速機構、電磁離合器等裝為一體使構造緊湊，上述部件又與轉向器分開，故拆裝與維修任務容易進展；轉向器依然可以采用通用的典型構造齒輪齒條式轉向器；電動機距駕駛員和轉向盤近，電動機的任務噪聲和振動影響駕駛員；轉向軸等零部

22、件要接受來自電動機輸出的助力轉矩的作用，為使其強度足夠，必需增大受載件的尺寸；雖然電動機尺寸不大，但電動機接近轉向盤，為了不影響駕駛員腿部的動作，布置時存在一定的困難。.3齒輪助力式的特點電動機布置在地板下方、轉向器上部，任務條件比較差，對密封要求較高；電動機的助力轉矩可以小些，故電動機尺寸小，同時轉矩傳感器、減速機構等的構造緊湊、尺寸也小，有利于車上布置和減小質量；轉向軸等位于轉向器自動齒輪以上的零部件，不接受電動機輸出的助力轉矩作用，故尺寸可以小些；電動機距駕駛員遠些，它的任務噪聲對駕駛員影響不大，但振動依然會傳到轉向盤；電動機、轉矩傳感器、電磁離合器、減速機構等與轉向器自動齒輪裝在一個總

23、成內，拆裝時會因相互影響而出現一定的困難；轉向器與典型的轉向器不能通用，需求單獨設計、制造。.1. 轉向輕便性與路感 選用不同的助力特性將對轉向支配輕便性和路感有不同的影響。理想的助力特性應該是既能滿足低速轉向時有足夠的輕便性能，又能滿足高速轉向時具有良好的路感。處理好輕便性與路感的矛盾，是助力特性中的重要問題之一。路感強度的定義:作用在轉向盤上力矩的增量與對應的轉向器輸出力增量的比值。以齒輪齒條式轉向器為根底的電動助力轉向器的路感強度E為dMh為作用在轉向盤上的力矩增量；dF為轉向器輸出力的增量。4電動助力轉向的助力特性.dMz為齒條輸出力增量當量轉換到轉向軸上的轉矩增量；rp為轉向器自動齒

24、輪的分度圓半徑；由于為齒輪齒條式轉向器的傳動比根據靜力學原理有 dMz=dMh+dMa dMh：轉向盤作用到轉向軸的力矩增量；dMa：電動機作用到轉向軸的力矩增量令當量路感強度路感強度當H0時，轉向機構沒有助力作用，汽車依托轉向機構的機械部分實現手動轉向。此時的當量路感強度為100。當Hinf 時，汽車轉向阻力全部由動力轉向抑制，此時的當量路感強度為零。路感強度的推導.2.兩種不同路感的助力特性直線型助力特性車速感應型助力特性助力特性線可分成三個區段：無助力區段、助力變化區段、助力不變區段。無助力區段A：相當于汽車在直線行駛位置附近，轉向輪以小轉角形狀，汽車以較高車速轉向行駛。此時，轉向阻力不

25、大，不需求助力，因此路感強度最大。助力變化區段B：相當于汽車低速轉向行駛時，轉向輪處于較大轉角形狀，轉向阻力較大，并需求較大的助力而路感強度減小。斜率越大，助力效果越好。助力不變區段D：相當于轉向輪轉角接近或到達最大值，要求有最大的助力，此時電動機提供的電流也到達最大值，故助力不變區段D為一平直線段。.第五節 轉向梯形 轉向梯形有整體式和斷開式兩種。轉向梯形方案與懸架方式親密相關。 轉向梯形的設計要求：1正確選擇轉向梯形參數，保證汽車轉彎時全部車輪繞一個瞬時轉向中心行駛。2滿足最小轉彎直徑的要求，轉向輪應有足夠大的轉角。 一、轉向梯形構造方案分析 1.整體式轉和梯形整體式轉向梯形1橫拉桿 2梯

26、形臂 3前軸 這種方案的優點是構造簡單，調整前束容易，制造本錢低；主要缺陷是一側轉向輪上、下跳動時，會影響另一側轉向輪。 .2.斷開式轉向梯形 轉向梯形的橫拉桿做成斷開的，稱之為斷開式轉向梯形。斷開式轉向梯形的主要特點：1可以保證一側車輪上、下跳動時，不會影響另一側車輪；2由于桿系、球頭增多，所以構造復雜，制造本錢高，并且調整前束比較困難。橫拉桿上斷開點的位置與獨立懸架方式有關。采用雙橫臂獨立懸架，常用圖解法基于三心定理確定斷開點的位置。 斷開式轉向梯形 .二、整體式轉向梯形機構優化設計 在忽略側偏角影響的條件下，兩轉向前輪軸線的延伸線交在后軸延伸線上，如下圖。設i、o分別為內、外轉向車輪轉角，L為汽車軸距，K為兩主銷中心線延伸線到地面交點之間的間隔。假設要保證全部車輪繞一個瞬時轉向中心行駛，那么梯形機構應保證內、外轉向車輪的轉角有如下關系 理想的內、外車輪轉角關系簡圖 1 假設自變角為o，那么因變角i的期望值為 現有轉向梯形機構僅能近似滿足上式關系。 2 .利用弦定理，圖示后置梯形機構可推得轉向梯形所給出的實踐因變角