畢業(yè)論文設計轉向系統(tǒng)設計.doc

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1、 1 目 錄 摘 要 ........................................................................................................................................................................3 第一章 緒論 ..............................................................................................................

2、....................................................4 1.1 汽車轉向系統(tǒng)概述 .............................................................................................................................................4 1.2 齒輪齒條式轉向器概述 ...........................................................................

3、........................................................10 1.3 液壓助力轉向器概述 .......................................................................................................................................11 1.4 國內外發(fā)展情況 .............................................................................

4、...................................................................13 1.5 本課題研究的目的和意義 ................................................................................................................................13 1.6 本文主要研究內容 ......................................................................

5、......................................................................14 第二章 汽車主要參數(shù)的選擇 ....................................................................................................................................15 2.1 汽車主要尺寸的確定 ................................................................

6、........................................................................15 2.2 汽車質量參數(shù)的確定 ........................................................................................................................................17 2.3 輪胎的選擇 ..............................................................

7、..........................................................................................18 第三章 轉向系設計概述 ............................................................................................................................................20 3.1 對轉向系的要求 ........................................

8、........................................................................................................20 3.2 轉向操縱機構 ....................................................................................................................................................20 3.3 轉向傳動機構 ....................

9、................................................................................................................................21 3.4 轉向器 ................................................................................................................................................................2

10、1 3.5 轉角及最小轉彎半徑 ........................................................................................................................................22 第四章.轉向系的主要性能參數(shù) .................................................................................................................................2

11、4 4.1 轉向系的效率 ....................................................................................................................................................24 4.2 傳動比變化特性 ............................................................................................................................

12、....................25 4.3 轉向器傳動副的傳動間隙T ..........................................................................................................................27 4.4 轉向盤的總轉動圈數(shù) .........................................................................................................................

13、...............28 第五章 機械式轉向器方案分析及設計 ....................................................................................................................29 5.1 齒輪齒條式轉向器 ....................................................................................................................................

14、........29 5.2 其他轉向器 ........................................................................................................................................................31 5.3 齒輪齒條式轉向器布置和結構形式的選擇 ....................................................................................................3

15、2 5.4 數(shù)據的確定 ........................................................................................................................................................32 5. 5 設計計算過程 .........................................................................................................................

16、..........................33 5.6 齒輪軸的結構設計 ............................................................................................................................................37 5.7 軸承的選擇 .........................................................................................................

17、..............................................37 5.8 轉向器的潤滑方式和密封類型的選擇 ...........................................................................................................38 5.動力轉向機構設計 .............................................................................................................

18、......................................38 5.1 對動力轉向機構的要求 ....................................................................................................................................38 5.2 動力轉向機構布置方案 ..............................................................................................

19、......................................38 5.3 液壓式動力轉向機構的計算 ............................................................................................................................40 5.4 動力轉向的評價指標 .....................................................................................................

20、...................................45 2 6. 轉向傳動機構設計 .................................................................................................................................................47 6.1 轉向傳動機構原理 ......................................................................................

21、......................................................47 6.2 轉向傳送機構的臂、桿與球銷 ........................................................................................................................49 6.3 轉向橫拉桿及其端部 ........................................................................................

22、................................................49 6.4 桿件設計結果 ....................................................................................................................................................50 7.結論 ..................................................................................

23、.........................................................................................51 致謝 ..............................................................................................................................................................................51 3 摘 要 本課題的

24、題目是轉向系的設計。以齒輪齒條轉向器的設計為中心，一是汽車總體構架 參數(shù)對汽車轉向的影響；二是機械轉向器的選擇；三是齒輪和齒條的合理匹配，以滿足 轉向器的正確傳動比和強度要求；四是動力轉向機構設計；五是梯形結構設計。因此本 課題在考慮上述要求和因素的基礎上研究利用轉向盤的旋轉帶動傳動機構的齒輪齒條轉 向軸轉向，通過萬向節(jié)帶動轉向齒輪軸旋轉，轉向齒輪軸與轉向齒條嚙合，從而促使轉 向齒條直線運動，實現(xiàn)轉向。實現(xiàn)了轉向器結構簡單緊湊，軸向尺寸短，且零件數(shù)目少 的優(yōu)點又能增加助力，從而實現(xiàn)了汽車轉向的穩(wěn)定性和靈敏性。在本文中主要進行了轉 向器齒輪齒條的設計和對轉向齒輪軸的校核，主要方法和理論采用汽車設

25、計的經驗參數(shù) 和大學所學機械設計的課程內容進行設計，其結果滿足強度要求，安全可靠。 關鍵詞：轉向系；機械型轉向器 ；齒輪齒條；液壓式助力轉向器 Abstract The title of this topic is the design of steering system. Rack and pinion steering gear to the design as the center, one vehicle parameters on the overall framework of the impact of vehicle steering; S

26、econd, the choice of mechanical steering; third rack gear and a reasonable match to meet the correct steering gear ratio and strength requirements; Fourth, power steering mechanism design; Fifth, the structural design of trapezoidal. Therefore, taking into account the above issues and factors that r

27、equire study, based on the steering wheel rotary drive transmission shaft of the steering rack and pinion steering, through the universal joint drive shaft rotation gear shift, steering rack and steering gear shaft meshing, thereby encouraging steering rack linear motion to achieve steering. Simple

28、structure to achieve the steering tight, short axial dimension, and the number of parts can increase the advantages of less power in order to achieve the vehicle steering stability and sensitivity. In this article a major design 4 steering rack and pinion steering gear shaft and the check, the main

29、 methods and theoretical experience in the use of automotive design parameters and the University of mechanical design school curriculum design and the results meet the strength requirements, safe and reliable. Keywords: steering; mechanical type steering gear; gear rack; hydraulic power steering

30、 第一章 緒論 1.1 汽車轉向系統(tǒng)概述 轉向系統(tǒng)是汽車底盤的重要組成部分，轉向系統(tǒng)性能的好壞直接影響到汽車行駛的 安全性、操縱穩(wěn)定性和駕駛舒適性，它對于確保車輛的行駛安全、減少交通事故以及保 護駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件起著重要作用。隨著現(xiàn)代汽車技術的迅速 發(fā)展，汽車轉向系統(tǒng)已從純機械式轉向系統(tǒng)、液壓助力轉向系（HPS）、電控液壓助力轉 向系統(tǒng)（EHPS），發(fā)展到利用現(xiàn)代電子和控制技術的電動助力轉向系統(tǒng)（EPS）及線控轉 向系統(tǒng)（SBW）。 按轉向力能源的不同，可將轉向系分為機械轉向系和動力轉向系。 機械轉向系的能量來源是人力，所有傳力件都是機械的，由轉向

31、操縱機構(方向盤)、 轉向器、轉向傳動機構三大部分組成。其中轉向器是將操縱機構的旋轉運動轉變?yōu)閭鲃?機構的直線運動(嚴格講是近似直線運動)的機構，是轉向系的核心部件 2。 動力轉向系除具有以上三大部件外，其最主要的動力來源是轉向助力裝置。由于轉 向助力裝置最常用的是一套液壓系統(tǒng)，因此也就離不開泵、油管、閥、活塞和儲油罐， 它們分別相當于電路系統(tǒng)中的電池、導線、開關、電機和地線的作用。 通常，對轉向系的主要要求是: (1) 保證汽車有較高的機動性，在有限的場地面積內，具有迅速和小半徑轉彎的能 力，同時操作輕便; (2) 汽車轉向時，全部車輪應繞一個瞬時轉向中心旋轉，不應有側滑; (3) 傳給轉向

32、盤的反沖要盡可能的小; (4) 轉向后，轉向盤應自動回正，并應使汽車保持在穩(wěn)定的直線行駛狀態(tài); 5 (5) 發(fā)生車禍時，當轉向盤和轉向軸由于車架和車身變形一起后移時，轉向系統(tǒng)最 好有保護機構防止傷及乘員 1.1.1 機械式轉向系統(tǒng) 汽車的轉向運動是由駕駛員操縱方向盤，通過轉向器和一系列的桿件傳遞到轉向輪 來完成的。機械式轉向系統(tǒng)工作過程為：駕駛員對轉向盤施加的轉向力矩通過轉向軸輸 入轉向器，減速傳動裝置的轉向器中有1、2 級減速傳動副，經轉向器放大后的力矩和減 速后的運動傳到轉向橫拉桿，再傳給固定于轉向節(jié)上的轉向節(jié)臂，使轉向節(jié)和它所支承 的轉向輪偏轉，從而實現(xiàn)汽車的轉向。純機械式轉向系統(tǒng)根據

33、轉向器形式可以分為：齒 輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式。 純機械式轉向系統(tǒng)為了產生足夠大的轉向扭矩需要使用大直徑的轉向盤，需占用較 大的空間，整個機構笨拙，特別是對轉向阻力較大的重型汽車，實現(xiàn)轉向難度很大，這 就大大限制了其使用范圍。但因結構簡單、工作可靠、造價低廉，目前該類轉向系統(tǒng)除 在一些轉向操縱力不大、對操控性能要求不高的農用車上使用外已很少被采用。 1.1.2 液壓助力轉向系統(tǒng)（HPS） 裝配機械式轉向系統(tǒng)的汽車，在泊車和低速行駛時駕駛員的轉向操縱負擔過于沉重， 為解決這個問題，美國GM 公司在20 世紀50 年代率先在轎車上采用了液壓助力轉向系統(tǒng)。 該系統(tǒng)是建立在機械系統(tǒng)

34、的基礎之上，額外增加了一個液壓系統(tǒng)。液壓轉向系統(tǒng)是由液 壓和機械等兩部分組成，它是以液壓油做動力傳遞介質，通過液壓泵產生動力來推動機 械轉向器，從而實現(xiàn)轉向。液壓助力轉向系統(tǒng)一般由機械轉向器、液壓泵、油管、分配 閥、動力缸、溢流閥和限壓閥、油缸等部件組成。為確保系統(tǒng)安全，在液壓泵上裝有限 壓閥和溢流閥。其分配閥、轉向器和動力缸置于一個整體，分配閥和主動齒輪軸裝在一 起（閥芯與齒輪軸垂直布置），閥芯上有控制槽，閥芯通過轉向軸上的撥叉撥動。轉向 軸用銷釘與閥中的彈性扭桿相接，該扭桿起到閥的中心定位作用。在齒條的一端裝有活 塞，并位于動力缸之中，齒條左端與轉向橫拉桿相接。轉向盤轉動時，轉向軸（連主動

35、 齒輪軸）帶動閥芯相對滑套運動，使油液通道發(fā)生變化，液壓油從油泵排出，經控制閥 流向動力缸的一側，推動活塞帶動齒條運動，通過橫拉桿使車輪偏轉而轉向。 6 液壓助力轉向系統(tǒng)是在駕駛員的控制下，借助于汽車發(fā)動機帶動液壓泵產生的壓力 來實現(xiàn)車輪轉向。由于液壓轉向可以減少駕駛員手動轉向力矩，從而改善了汽車的轉向 輕便性和操縱穩(wěn)定性。為保證汽車原地轉向或者低速轉向時的輕便性，液壓泵的排量是 以發(fā)動機怠速時的流量來確定。汽車起動之后，無論車子是否轉向，系統(tǒng)都要處于工作 狀態(tài)，而且在大轉向車速較低時，需要液壓泵輸出更大的功率以獲得比較大的助力，所 以在一定程度上浪費了發(fā)動機動力資源。并且轉向系統(tǒng)還存在低溫

36、工作性能差等缺點。 1.1.3 電控液壓助力轉向系統(tǒng)（EHPS） 由于液壓助力轉向系統(tǒng)無法兼顧車輛低速時的轉向輕便性和高速時的轉向穩(wěn)定性， 因此，在1983年日本Koyo 公司推出了具備車速感應功能的電控液壓助力轉向系統(tǒng) （EHPS）。EHPS 是在液壓助力系統(tǒng)基礎上發(fā)起來的，在傳統(tǒng)的液壓助力轉向系統(tǒng)的基礎 上增設了電控裝置，其特點是原來由發(fā)動機帶動的液壓助力泵改由電機驅動，取代了由 發(fā)動機驅動的方式，節(jié)省了燃油消耗；具有失效保護系統(tǒng)，電子元件失靈后仍可依靠原 轉向系統(tǒng)安全工作；低速時轉向效果不變，高速時可以自動根據車速逐步減小助力，增 大路感，提高車輛行使穩(wěn)定性。電控液壓助力轉向系統(tǒng)是將液壓

37、助力轉向與電子控制技 術相結合的機電一體化產品。一般由電氣和機械兩部分組成，電氣部分由車速傳感器、 轉角傳感器和電控單元ECU 組成；機械部分包括齒輪齒條轉向器、控制閥、管路和電動 泵。其中電動泵的工作狀態(tài)由電子控制單元根據車輛的行駛速度、轉向角度等信號計算 出的最理想狀態(tài)。簡單地說，在低速大轉向時，電子控制單元驅動液壓泵以高速運轉輸 出較大功率，使駕駛員打方向省力；汽車在高速行駛時，液壓控制單元驅動液壓泵以較 低的速度運轉，在不至影響高速打轉向的需要的同時，節(jié)省一部分發(fā)動機功率。 電控液壓轉向系統(tǒng)的工作原理：在汽車直線行駛時，方向盤不轉動，電動泵以很低 的速度運轉，大部分工作油經過轉向閥流回

38、儲油罐，少部分經液控閥然后流回儲油罐； 當駕駛員開始轉動方向盤時，ECU根據檢測到的轉角、車速以及電動機轉速的反饋信號等， 判斷汽車的轉向狀態(tài)，決定提供助力大小，向驅動單元發(fā)出控制指令，使電動機產生相 應的轉速以驅動油泵，進而輸出相應流量和壓力的高壓油。高壓油經轉向控制閥進入齒 條上的動力缸，推動活塞以產生適當?shù)闹?，協(xié)助駕駛員進行轉向操作，從而獲得理想 的轉向效果。 7 電控液壓助力轉向系統(tǒng)在傳統(tǒng)液壓動力轉向系統(tǒng)的基礎上有了較大的改進，但液壓 裝置的存在，使得該系統(tǒng)仍有難以克服如滲油、不便于安裝維修及檢測等問題。電控液 壓助力轉向系統(tǒng)是傳統(tǒng)液壓助力轉向系統(tǒng)向電動助力轉向系統(tǒng)的過渡。 1.1

39、.4 電動助力轉向系統(tǒng)（EPS） 1988年日本Suzuki公司首先在小型轎車Cervo 上配備了Koyo 公司研發(fā)的轉向柱助力 式電動助力轉向系統(tǒng)。1990 年日本Honda 公司也在運動型轎車NSX 上采用了自主研發(fā)的 齒條助力式電動助力轉向系統(tǒng)，從此揭開了電動助力轉向在汽車上應用的歷史。EPS 是 在EHPS 的基礎上發(fā)展起來的, 它取消EHPS 的液壓油泵、油管、油缸和密封圈等部件,完 全依靠電動機通過減速機構直接驅動轉向機構, 其結構簡單、零件數(shù)量大大減少、可靠 性增強, 解決了長期以來一直存在的液壓管路泄漏和效率低下的問題。電動助力轉向系 統(tǒng)在本田飛度、思域以及豐田新皇冠、奔馳新A

40、-class等車型上紛紛被采用。 1.1.4.1 電動助力轉向系統(tǒng)構成 電動助力轉向系統(tǒng)一般是由轉矩（轉向）傳感器、電子控制單元ECU、電動機、電磁 離合器以及減速機構組成。 1.1.4.2 電動助力轉向系統(tǒng)工作原理 電動助力轉向系統(tǒng)的工作過程其工作過程為：扭矩傳感器檢測駕駛員打方向盤的扭 矩，然后根據這個扭矩給控制單元一個信號。同時控制單元也會收到來自方向盤位置傳 感器的信號，這個傳感器一般是和扭矩傳感器裝在一起的（有些傳感器已經將這2 個功 能集成為一體）。扭矩和方向盤位置信息經過控制單元處理，連同傳入控制單元的車速 信號，根據預先設計好的程序產生助力指令。該指令傳到電機，由電機產生扭矩傳

41、到助 力機構上去，這里的齒輪機構則起到增大扭矩的作用。這樣，助力扭矩就傳到了轉向柱 并最終完成了助力轉向。 8 1.1.4.3 電動助力轉向系統(tǒng)特點 (1)節(jié)約了能源消耗。 與傳統(tǒng)的液壓助力轉向系統(tǒng)相比，沒有系統(tǒng)要求的常運轉轉 向油泵，且電動機只是在需要轉向時才接通電源，所以動力消耗和燃油消耗均可降到最 低。還消除了由于轉向油泵帶來的噪音污染。液壓動力轉向系統(tǒng)需要發(fā)動機帶動液壓油 泵，使液壓油不停地流動，再加上存在管流損失等因素，浪費了部分能量。相反EPS 僅 在需要轉向操作時才需要向電機提供的能量。而且，EPS系統(tǒng)能量的消耗與轉向盤的轉向 及當前的車速有關。當轉向盤不轉向時，電機不工作；需

42、要轉向時，電機在控制模塊的 作用下開始工作，輸出相應大小及方向的轉矩以產生助動轉向力矩。該系統(tǒng)真正實現(xiàn)了 “按需供能”，是真正的“按需供能型”（on-demand）系統(tǒng)，在各種行駛條件下可節(jié)能 80%左右。 (2)改善了轉向回正特性。 當駕駛員轉動方向盤一角度然后松開時，EPS 系統(tǒng)能夠 自動調整使車輪回到正中。同時還可利用軟件在最大限度內調整設計參數(shù)以獲得最佳的 回正特性。通過靈活的軟件編程，容易得到電機在不同車速及不同車況下的轉矩特性， 這些轉矩特性使得該系統(tǒng)能顯著地提高轉向能力，提供了與車輛動態(tài)性能相匹配的轉向 回正特性。而在傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)中，要改善這種特性必須改造底盤的機械結構，實

43、 現(xiàn)起來很困難。 (3)提高了操縱穩(wěn)定性。 轉向系統(tǒng)是影響汽車操縱穩(wěn)定性的重要因素之一。傳統(tǒng)液 壓動力轉向由于不能很好地對助力進行實時調節(jié)與控制，所以協(xié)調轉向力與路感的能力 較差，特別是汽車高速行駛時，仍然會提供較大助力，使駕駛員缺乏路感，甚至感覺汽 車發(fā)飄，從而影響操縱穩(wěn)定性。但EPS是由電動機提供助力，助力大小由電子控制單元 （ECU）根據車速、方向盤輸入扭矩等信號進行實時調節(jié)與控制，可以很好地解決這個矛 盾。 (4)安全可靠。 EPS 系統(tǒng)控制單元ECU 具有故障自診斷功能，當ECU 檢測到某一組 件工作異常，如各傳感器、電磁離合器、電動機、電源系統(tǒng)及汽車點火系統(tǒng)等，便會立 即控制電磁離

44、合器分離停止助力，并顯示出相應的故障代碼，轉為手動轉向，按普通轉 向控制方式進行工作，確保了行車的安全。 9 1.1.5 線控轉向系統(tǒng)（SBW） 在車輛高速化、駕駛人員大眾化、車流密集化的今天，針對更多不同水平的駕駛人 群，汽車的易操縱性設計顯得尤為重要。線控轉向系統(tǒng)（Steering-By-Wire Systerm， 簡稱SBW）的發(fā)展，正是滿足這種客觀需求。它是繼EPS 后發(fā)展起來的新一代轉向系統(tǒng)， 具有比EPS 操縱穩(wěn)定性更好的特點，它取消轉向盤與轉向輪之間的機械連接，完全由電 能實現(xiàn)轉向，徹底擺脫傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)所固有的限制，提高了汽車的安全性和駕駛的方便 性。 1.1.5.1 線控轉向

45、系統(tǒng)的構成 SBW 系統(tǒng)一般由轉向盤模塊、轉向執(zhí)行模塊和主控制器ECU、自動防故障系統(tǒng)以及電 源等模塊組成。轉向盤模塊包括路感電機和轉向盤轉角傳感器等，轉向盤模塊向駕駛員 提供合適的轉向感覺（ 也稱為路感） 并為前輪轉角提供參考信號。轉向執(zhí)行模塊包括 轉向電機、齒條位移傳感器等, 實現(xiàn)兩個功能: 跟蹤參考前輪轉角、向轉向盤模塊反饋 輪胎所受外力的信息以反饋車輛行駛狀態(tài)。主控制器控制轉向盤模塊和轉向執(zhí)行模塊的 協(xié)調工作。 1.1.5.2 線控轉向系統(tǒng)的工作原理 當轉向盤轉動時, 轉向傳感器和轉向角傳感器檢測到駕駛員轉矩和轉向盤的轉角并 轉變成電信號輸入到ECU, ECU 根據車速傳感器和安裝在轉

46、向傳動機構上的位移傳感器的 信號來控制轉矩反饋電動機的旋轉方向,并根據轉向力模擬,生成反饋轉矩, 控制轉向電 動機的旋轉方向、轉矩大小和旋轉角度,通過機械轉向裝置控制轉向輪的轉向位置，使汽 車沿著駕駛員期望的軌跡行駛。 1.1.5.3 線控轉向系統(tǒng)特點 （1） 取消了方向盤和轉向車輪之間的機械連接，通過軟件協(xié)調它們之間的運動關 系，因而消除了機械約束和轉向干涉問題，可以根據車速和駕駛員喜好由程序根據汽車 的行駛工況實時設置傳動比。 （2）去掉了原來轉向系統(tǒng)各個模塊之間的剛性機械連接，采用柔性連接，使轉向系 10 統(tǒng)在汽車上的布置更加靈活，轉向盤的位置可以方便地布置在需要的位置。 （3） 提高

47、了汽車的操縱性。由于可以實現(xiàn)傳動比的任意設置，并針對不同的車速， 轉向狀況進行參數(shù)補償，從而提高了汽車的操縱性。 （4） 改善駕駛員的“路感”。由于轉向盤和轉向輪之間無機械連接， 駕駛員“路感”通過模擬生成。使得在回正力矩控制方面可以從信號中提出最能夠反映 汽車實際行駛狀態(tài)和路面狀況的信息，作為轉向盤回正力矩的控制變量，使轉向盤僅僅 向駕駛員提供有用信息，從而為駕駛員提供更為真實的“路感”。 （5）減少了機構部件數(shù)量，而減少了從執(zhí)行機構到轉向車輪之間的傳遞過程，使系 統(tǒng)慣性、系統(tǒng)摩擦和傳動部件之間的總間隙都得以降低，從而使系統(tǒng)的響應速度和響應 的準確性得以提高。 1.2 齒輪齒條式轉向器概述

48、1.2.1 齒輪齒條式轉向器結構及工作原理 齒輪齒條式轉向器分兩端輸出式和中間（或單端）輸出式兩種。 11 圖 1-1 1.轉向橫拉桿 2.防塵套 3.球頭座 4.轉向齒條 5.轉向器殼體 6.調整螺塞 7.壓緊彈簧 8.鎖緊螺母 9.壓塊 10.萬向節(jié) 11.轉向齒輪軸 12.向心球軸承 13.滾針軸承 兩端輸出的齒輪齒條式轉向器如圖 1-1 所示，作為傳動副主動件的轉向齒輪軸 11 通 過軸承 12 和 13 安裝在轉向器殼體 5 中，其上端通過花鍵與萬向節(jié)叉 10 和轉向軸連接。 與轉向齒輪嚙合的轉向齒條 4 水平布置，兩端通過球頭座 3 與轉向橫拉桿 1 相連。彈簧 7 通過壓塊 9

49、 將齒條壓靠在齒輪上，保證無間隙嚙合。 彈簧的預緊力可用調整螺塞 6 調 整。當轉動轉向盤時，轉向器齒輪 11 轉動，使與之嚙合的齒條 4 沿軸向移動，從而使左 右橫拉桿帶動轉向節(jié)左右轉動，使轉向車輪偏轉，從而實現(xiàn)汽車轉向。 中間輸出的齒輪齒條式轉向器如圖 1-2 所示，其結構及工作原理與兩端輸出的齒輪齒 條式轉向器基本相同，不同之處在于它在轉向齒條的中部用螺栓 6 與左右轉向橫拉桿 7 相連。在單端輸出的齒輪齒條式轉向器上，齒條的一端通過內外托架與轉向橫拉桿相連。 圖 1-2 1.萬向節(jié)叉 2.轉向齒輪軸 3.調整螺母 4.向心球軸承 5.滾針軸承 6.固定螺栓 7.轉向橫拉桿 8.轉

50、向器 殼體 9.防塵套 10.轉向齒條 11.調整螺塞 12.鎖緊螺母 13.壓緊彈簧 14.壓塊 1.2.2 齒輪齒條式轉向器功能特點 (1)構造筒單,結構輕巧。由于齒輪箱小,齒條本身具有傳動桿系的作用,因此,它不需耍循 環(huán)球式轉向器上所使用的拉桿(2)因齒輪和齒條直接嚙合,操縱靈敏性非常高。(3)滑動和 轉動阻力小,轉矩傳遞性能較好,因此,轉向力非常輕。(4)轉向機構總成完全封閉,可免于 維護。 12 1.3 液壓助力轉向器概述 兼用駕駛員體力和發(fā)動機(或電機)的動力為轉向能源的轉向系統(tǒng)，它是在機械轉向 系統(tǒng)的基礎上加設一套轉向加力裝置而形成的。其中屬于轉向加力裝置的部件是： 轉向油泵

51、5、轉向油管 4、轉向油罐 6 以及位于整體式轉向器 10 內部的轉向控制閥及轉 向動力缸等。 圖 1-3 1. 方向盤 2.轉向軸 3.轉向中間軸 4.轉向油管 5.轉向油泵 6.轉向油罐 7.轉向節(jié)臂 8.轉向橫拉桿 9.轉向搖臂 10.整體式轉向器 11.轉向直拉桿 12.轉向減振器 13 圖 1-4 當駕駛員轉動轉向盤 1 時，轉向搖臂 9 擺動，通過轉向直拉桿 11、橫拉桿 8、轉向 節(jié)臂 7，使轉向輪偏轉，從而改變汽車的行駛方向。與此同時，轉向器輸入軸還帶動轉向 器內部的轉向控制閥轉動，使轉向動力缸產生液壓作用力，幫助駕駛員轉向操縱。這樣， 為了克服地面作用于轉向輪上的轉向阻力矩

52、，駕駛員需要加于轉向盤上的轉向力矩，比 用機械轉向系統(tǒng)時所需的轉向力矩小得多。 在直線行駛時，方向盤處于中間位置，方向盤輻條處于水平位置，閥芯和閥套之間也處于中間位 置，所有控制口接通，液壓油毫無阻礙地流經轉向閥返回到儲油罐。方向盤轉動時，轉 向軸帶動閥芯相對于閥套運動，由于閥的控制邊口位置的變化，液壓油將進入轉向器的 油缸內，推動活塞運動而產生推力。在齒條與小齒輪嚙合位置的背面裝有由彈簧壓緊的 壓力塊，通過調節(jié)螺釘來改變彈簧的預緊力，可消除齒輪齒條嚙合的間隙。當向右轉動 方向盤時，轉向力矩使得彈性扭力桿扭轉，并且轉向管柱的轉角要比轉向機小齒輪轉得 多一點，這就使得右邊旋轉柱塞閥芯下移，使得進

53、油通道開大；左邊旋轉柱塞閥芯上移， 關閉進油通道，此時左右旋轉柱塞閥芯分別打開和關閉各自的回油通道。根據右邊旋轉 柱塞閥芯進油通道開度大小，來控制流入工作缸左邊的液壓油的流量和油壓。工作缸左 邊的液壓油推動轉向機活塞向右運動，起到助力作用。轉向機活塞移動距離的大小，則 14 取決于施加在轉向盤上轉向力矩的大小。轉向機工作缸右邊的液壓油在轉向機活塞的作 用下，通過打開的回油環(huán)槽返回到儲油罐中。 當向左轉動方向盤時，情況與向右轉動方向盤時相反。 動力轉向器的閥孔同時也具有節(jié)流阻尼的作用，不需要象機械轉向器那樣另外加轉 向避振器。在轉向回正時，通過閥的阻尼力來防止轉向回正速度過快，增加轉向回正的

54、舒適性，或者通過阻尼作用減小汽車直線行駛時由于路面的不平對前輪的沖擊引起方向 盤的抖動和打手，提高其保持直線行駛的能力。 1.4 國內外發(fā)展情況 1.5 本課題研究的目的和意義 改革開放以來，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅猛。作為汽車關鍵部件之一的轉向系統(tǒng)也得到了 相應的發(fā)展，基本已形成了專業(yè)化、系列化生產的局面。有資料顯示，國外有很多國家 的轉向器廠，都已發(fā)展成大規(guī)模生產的專業(yè)廠，年產超過百萬臺，壟斷了轉向器的生產， 并且銷售點遍布了全世界。 由于汽車轉向器屬于汽車系統(tǒng)中的關鍵部件，它在汽車系統(tǒng)中占有重要位置，因而它 的發(fā)展同時也反映了汽車工業(yè)的發(fā)展，它的規(guī)模和質量也成為了衡量汽車工業(yè)發(fā)展水平 的重要標

55、志之一。隨著汽車高速化和超低扁平胎的通用化，過去采用循環(huán)球轉向器和循 環(huán)球變傳動比轉向器只能相對地解決轉向輕便性和操縱靈便性的問題，要想從跟本上解 決這兩個問題只有安裝動力轉向器。因此，除了重型汽車和高檔轎車早已安裝動力轉向 器外，近年來在中型貨車、豪華客車及中檔轎車上都已經開始安裝動力轉向器，隨著動 力轉向器的設計水平的提高、生產規(guī)模的擴大和市場的需要，其他的一些車型也必須陸 續(xù)安裝動力轉向器。液壓助力型轉向器的設計使汽車在低速行駛或車輛就位時，駕駛員 只需用較小的操作力就能靈活進行轉向;而在高速行駛時，則自動控制，使操作力逐漸增 15 大，實現(xiàn)了穩(wěn)定操縱。雖然這種轉向器具有很多優(yōu)點，在目

56、前的技術水準下它仍然存在 某些不足之處，例如助力較小等;因此，目前液壓式動力轉向器仍然占據著很大的市場份 額，其性能也在不斷地提高。對于液壓助力型動力轉向器的研究有著非常深遠的意義。 因此本課題在考慮上述要求和因素的基礎上研究利用轉向盤的旋轉帶動傳動機構的齒輪 齒條轉向軸轉向，通過萬向節(jié)帶動轉向齒輪軸旋轉，轉向齒輪軸與轉向齒條嚙合，從而 促使轉向齒條直線運動，實現(xiàn)轉向。實現(xiàn)了轉向器結構簡單緊湊，軸向尺寸短，且零件 數(shù)目少的優(yōu)點又能增加助力，從而實現(xiàn)了汽車轉向的穩(wěn)定性和靈敏性。 1.6 本文主要研究內容 16 第二章 汽車主要參數(shù)的選擇 2.1 汽車主要尺寸的確定 汽車的主要尺寸參數(shù)包括軸距、

57、輪距、總長、總寬、總高、前懸、后懸、接近角、 離去角、最小離地間隙等，如圖 1-1 所示。 圖 2-1 汽車的主要參數(shù)尺寸 2.1.1 軸距 L 軸距 L 的選擇要考慮它對整車其他尺寸參數(shù)、質量參數(shù)和使用性能的影響。軸距短 一些，汽車總長、質量、最小轉彎半徑和縱向通過半徑就小一些。但軸距過短也會帶來 一系列問題，例如車廂長度不足或后懸過長；汽車行駛時其縱向角振動過大；汽車加速、 制動或上坡時軸荷轉移過大而導致其制動性和操縱穩(wěn)定性變壞；萬向節(jié)傳動的夾角過大 等。因此，在選擇軸距時應綜合考慮對有關方面的影響。當然，在滿足所設計汽車的車 廂尺寸、軸荷分配、主要性能和整體布置等要求的前提下，將軸距設計

58、得短一些為好。 2.1.1.1 普通車的軸距 轎車的軸距與其類型、用途、總長有密切關系。微型及普通級轎車要求制造成本低， 使用經濟性好，機動靈活，因此汽車應輕而短，故軸距應取短一些；中高級轎車對乘坐 舒適性、行駛乎順性和操縱穩(wěn)定性要求高，故軸距應設計得長一些。轎車的軸距約為總 長的 5460。軸距與總長之比越大，則車廂的縱向乘坐空間就愈大，這對改善汽車 縱向角振動也有利。但若軸距與總長之比超過 62，則會使發(fā)動機、行李箱和備胎的布 置困難，外形的各部分比例也不協(xié)調。 表 2-1 提供的數(shù)據可供初選軸距時參考 17 表 2-1 各類汽車的軸距和輪距 車型 類別 軸距 L/mm 輪距 B/mm

59、V<1.0 20002200 11001380 1.0

60、、總質量、側傾剛度、最小轉 彎直徑等因素發(fā)生變化、增大輪距則車廂內寬隨之增加，并導致汽車的比功率、轉矩指 標下降，機動性變壞。 受汽車總寬不得超過 2.5m 限制，輪距不宜過大。但在選定的前輪距 B1范圍內，應能 布置下發(fā)動機、車架、前懸架和前輪，并保證前輪有足夠的轉向空間，同時轉向桿系與 車架、車輪之間有足夠的運動間隙。在確定后輪距 B2時，應考慮兩縱梁之間的寬度、懸 架寬度和輪胎寬度以及它們之間應留有必要的間隙。 各類汽車的輪距可參考表 1-1 提供的數(shù)據進行初選。 2.1.3 外廓尺寸 汽車的外廓尺寸包括其總長、總寬、總高。它應根據汽車的類型、用途、承載員、 道路條件、結構選型與布置以及

61、有關標準、法規(guī)限制等因素來確定。在滿足使用要求的 前提下，應力求減小汽車的外廓尺寸，以減小汽車的質量，降低制造成本，提高汽車的 18 動力性、經濟性和機動性。GB15891989 對汽車外廓尺寸界限作了規(guī)定。(附 1) 2.2 汽車質量參數(shù)的確定 汽車的質量參數(shù)包括整車整備質量 、載客量裝載質量、質量系數(shù)、汽車總質量m0 ma、軸荷分配等。 2.2.1 整車整備質量 0 整車整備質量是指車上帶有全部裝備（包括隨車工具、備胎等） ，加滿燃料、水、但 沒有裝貨和在人時的整車質量。 整車整備質量對汽車的制造成本和燃油經濟型有影響。整車整備質量在設計階段需 估算確定。在日常工作中，收集大量同類汽車各

62、總成、部件和整車的有關質量數(shù)據，結 合新車設計的特點、工藝水平等初步估算各總成、部件的質量，再累計成整車整備質量。 乘用車和商用客車的整備質量，也可按每人所占汽車整備質量的統(tǒng)計平均值估計， 可參考表 2-2 表 1-2 乘用車和商用客車人均整備質量值 2 乘用車 人均整備質量 值 商用客車 人均整備質量 值 V1.0 0.150.16 1.0

63、駕駛員在內不超過 9 座，又稱之為 M1 類汽 車，其他 M2、 M3 類汽車的座位數(shù)、乘員數(shù)及汽車的最大設計總質量見表 1-3。 （2）汽車的裝載質量 me 汽車的載質量是指在硬質良好路面上行駛時所允許的額定 載質量。汽車在碎石路面上行駛時，載質量約為好的行駛路面的 7585。越野汽車 的載質量是指越野汽車行駛時或在土路上行駛的額定在質量。 商用貨車載質量 me 的確定，首先應與企業(yè)商品規(guī)劃符合，其次要考慮到汽車的用途 19 和使用條件。原則上，貨流大、運距長或礦用自卸車應采用大噸位貨車以利降低運輸成 本，提高效率；對貨源變化頻繁、運距短的市內運輸車，宜采用中、小噸位的貨車比較 經濟。 2

64、.2.3 質量系數(shù) 0m 質量系數(shù) 是指汽車車載質量與整車整備質量的比值，即 = 。該系數(shù)反映了0me 汽車的設計水平和工藝水平， 值越大，說明該汽車的結構和制造工藝越先進。0m 2.2.4 汽車總質量 a 汽車總質量 是指裝備齊全，并按規(guī)定裝滿客、貨時的整車質量。 乘用車和商用客車的總質量 由整備質量 、乘員和駕駛員質量以及乘員的行李a0 質量三部分構成。其中，乘員和駕駛員每人質量按 65kg 計，于是 （1-nma650 2） 式中，n 為包括駕駛員在內的載客數(shù)； 為行李系數(shù)。 2.2.5 軸荷分配 汽車的軸荷分配是汽車的重要質量參數(shù)，它對汽車的牽引性、通過性

65、、制動性、操 縱件和穩(wěn)定性等主要使用性能以及輪胎的使用壽命都有很大的影響。因此，在總體設計 時應根據汽車的布置型式、使用條件及性能要求合理地選定其軸荷分配。汽車的布置型 式對軸荷分配影響較大，對轎車而言，前置發(fā)動機前輪驅動的轎車滿載時的前軸負荷最 好在 55以上，以保證爬坡時有足夠的附著力；前置發(fā)動機后輪驅動的轎車滿載時的后 軸負荷一般不大于 52；后置發(fā)動機后輪驅動的轎車滿載時后軸負荷最好不超過 59， 否則，會導致汽車具有過多轉向特性而使操縱性變壞。 2.3 輪胎的選擇 輪胎的尺寸和型號是進行汽車性能計算和繪制總布置圖的重要原始數(shù)據之一，因此， 在總體設計開始階段就應選定，而選擇的依據是車

66、型、使用條件、輪胎的靜負荷、輪胎 的額定負荷以及汽車的行駛速度。當然還應考慮與動力傳動系參數(shù)的匹配以及對整車 尺寸參數(shù)( 例如汽車的最小離地間隙、總高等)的影響 輪胎所承受的最大靜負荷與輪胎額定負荷之比，稱為輪胎負荷系數(shù)。大多數(shù)汽車的 輪胎負荷系數(shù)取為 0.91.0，以免超載。轎車、輕型客車及輕型貨車的車速高、輪胎受動 20 負荷大，故它們的輪胎負荷系數(shù)應接近下限。 為了提高汽車的動力因數(shù)、降低汽車及其質心的高度、減小非簧載質量，對公路用 車在其輪胎負荷系數(shù)以及汽車離地間隙允許的范圍內應盡量選取尺寸較小的輪胎。采用 高強度尼龍簾布輪胎可使輪胎的額定負荷大大提高，從而使輪胎直徑尺寸也大為縮小。 例如裝載員 4t 的載貨汽車在 20 世紀 50 年代多用的 9.020 輪胎早己被 8.25 20，7.5020 至 8.2516 等更小尺寸的輪胎所取代。越野汽車為了提高在松軟地面上的通 過能力常采用胎面較寬、直徑較大、具有越野花紋的超低壓輪胎。山區(qū)使用的汽車制動 頻繁，制動鼓與輪輞之間的間隙應大一些，以便散熱，故應采用輪輞尺寸較大的輪胎。 轎車都采用直徑較小、面形狀扁平的寬輪輞低壓輪胎，以