汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計畢業(yè)論文

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1、目 錄 中文摘要、關(guān)鍵詞……………………………………………………………………………1 英文摘要、關(guān)鍵詞……………………………………………………………………………2 引言 ……………………………………………………………………………………………3 第1章 轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總述…………………………………………………………………4 1.1 轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述……………………………………………………………………4 1.1.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡介…………………………………………………………………4 1.1.2轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展概況……………………………………………………………4 1.2 轎車轉(zhuǎn)向

2、系統(tǒng)的要求………………………………………………………………5 第2章 轉(zhuǎn)向系的主要性能參數(shù)………………………………………………………7 2.1 轉(zhuǎn)向系的效率…………………………………………………………………………7 2.1.1轉(zhuǎn)向器的正效率…………………………………………………………………7 2.1.2 轉(zhuǎn)向器的逆效率……………………………………………………………………8 2.2 傳動比變化特性………………………………………………………………………9 2.2.1 轉(zhuǎn)向系傳動比…………………………………………………………………………9 2.2.2 力傳動比與轉(zhuǎn)向系角傳動比的關(guān)系……

3、……………………………………………9 2.2.3 轉(zhuǎn)向器角傳動比的選擇 ……………………………………………………………10 2.3 轉(zhuǎn)向器傳動副的傳動間隙 ……………………………………………………………10 2.4 轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動圈數(shù) …………………………………………………………………11 第3章 轎車轉(zhuǎn)向器設(shè)計…………………………………………………………………12 3.1 轉(zhuǎn)向器的方案分析 ……………………………………………………………………12 3.1.1 機(jī)械轉(zhuǎn)向器…………………………………………………………………………12 3.1.2 轉(zhuǎn)向控制閥………………………………

4、…………………………………………12 3.1.3 轉(zhuǎn)向系壓力流量類型選擇…………………………………………………………13 3.1.4 液壓泵的選擇………………………………………………………………………14 3.2 齒輪齒條式液壓動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計…………………………………………………14 3.2.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)分析………………………………………………………14 3.2.3 參考數(shù)據(jù)的確定……………………………………………………………………20 3.2.4 轉(zhuǎn)向輪側(cè)偏角計算…………………………………………………………………21 3.2.5 轉(zhuǎn)向器參數(shù)選取…………………………

5、…………………………………………21 3.2.6 選擇齒輪齒條材料…………………………………………………………………22 3.2.7 強(qiáng)度校核……………………………………………………………………………22 3.2.8 齒輪齒條的基本參數(shù)如下表所示…………………………………………………23 3.3 齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………………………………………………23 3.4 軸承的選擇……………………………………………………………………………23 3.5 轉(zhuǎn)向器的潤滑方式和密封類型的選擇………………………………………………24 3.6 動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置方案分析………………………

6、…………………………………24 第4章 轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計………………………………………………………………26 4.1 轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)原理……………………………………………………………………26 4.2 轉(zhuǎn)向傳送機(jī)構(gòu)的臂、桿與球銷………………………………………………………27 4.3 轉(zhuǎn)向橫拉桿及其端部…………………………………………………………………28 第5章 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化………………………………………………………………30 5.1 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)概述…………………………………………………………………30 5.2 整體式轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)方案分析…………………………………………………

7、…30 5.3 整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化分析……………………………………………………31 5.4 整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計……………………………………………………34 5.4.1 優(yōu)化方法介紹……………………………………………………………………34 5.4.2 優(yōu)化設(shè)計計算……………………………………………………………………35 結(jié)論……………………………………………………………………………………………37 致謝……………………………………………………………………………………………38 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………………39 轎車

8、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計 摘要：本課題的題目是轉(zhuǎn)向系的設(shè)計。以齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的設(shè)計為中心，一是轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總述；二是機(jī)械轉(zhuǎn)向器的選擇；三是齒輪和齒條的合理匹配，以滿足轉(zhuǎn)向器的正確傳動比和強(qiáng)度要求；四是動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計；五是梯形結(jié)構(gòu)設(shè)計。因此本課題在考慮上述要求和因素的基礎(chǔ)上研究利用轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)帶動傳動機(jī)構(gòu)的齒輪齒條轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向，通過萬向節(jié)帶動轉(zhuǎn)向齒輪軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向齒輪軸與轉(zhuǎn)向齒條嚙合，從而促使轉(zhuǎn)向齒條直線運動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向的穩(wěn)定性和靈敏性。在本文中主要進(jìn)行了轉(zhuǎn)向器齒輪齒條的設(shè)計和對轉(zhuǎn)向齒輪軸的校核，主要方法和理論采用汽車設(shè)

9、計的經(jīng)驗參數(shù)和大學(xué)所學(xué)機(jī)械設(shè)計的課程內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計，其結(jié)果滿足強(qiáng)度要求，安全可靠。 關(guān)鍵詞：轎車 轉(zhuǎn)向系 齒輪齒條設(shè)計 轉(zhuǎn)向梯形 Cars Steering Mechanism Design Abstract：The title of this topic is the design of steering system. Rack and pinion steering gear to the design as the center, first are cars’ steering system overview; Second, Cars steering system pe

10、rformance parameters; 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 require study, based

11、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 structure to achieve

12、 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 steering rack and pinion steering gear shaft and the check, the main methods and theoretica

13、l 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: Car; Steerin; Mechanical Type Steering Gear and Gear Rack; Steering Trapezoidal 引 言 改革開放以來，中國的汽車工

14、業(yè)有著飛速的發(fā)展，據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，截至2006年10月底，轎車?yán)塾嬩N量超過300萬輛，達(dá)到304萬輛，同比增長40%。2006年11月的北京車展，自主品牌：奇瑞、吉利、長城、中興、眾泰、比亞迪、雙環(huán)、中順、力帆、華普、長安、哈飛、華晨等自主品牌紛紛亮相，在國際汽車盛宴中嶄露頭角，無論從參展規(guī)模還是產(chǎn)品所展示的品質(zhì)和技術(shù)含量上，都不得不令人折服，但和國外有著近百年發(fā)展歷史的國外汽車工業(yè)相比，我們的自主品牌汽車在行車性能和舒適體驗方面仍有差距。 汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，代表著一個國家的綜合國力，汽車工業(yè)隨著機(jī)械和電子技術(shù)的發(fā)展而不斷前進(jìn)。到今天，汽車已經(jīng)不是單純機(jī)械意義上的汽車了，

15、它是機(jī)械、電子、材料等學(xué)科的綜合產(chǎn)物。汽車轉(zhuǎn)向系也隨著汽車工業(yè)的發(fā)展歷經(jīng)了長時間的演變。 轉(zhuǎn)向系是用來保持或者改變汽車行使方向的機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)準(zhǔn)確，快速、平穩(wěn)地響應(yīng)駕駛員的轉(zhuǎn)向指令，轉(zhuǎn)向行使后或受到外界擾動時，在駕駛員松開方向盤的狀態(tài)下，應(yīng)保證汽車自動返回穩(wěn)定的直線行使?fàn)顟B(tài)。 隨著私家車的越來越普遍，各式各樣的高中低檔轎車進(jìn)入了人們的生活中。快節(jié)奏高效率的生活加上們對高速體驗的不斷追求，也要求著車速的不斷提高。由于汽車保有量的增加和社會活生活汽車化而造成交通錯綜復(fù)雜，使轉(zhuǎn)向盤的操作頻率增大，這要求減輕駕駛疲勞。 所以，無論是為滿足快速增長的轎車市場還是為給駕車者更舒適更安全的的駕車體驗

16、，都需要一種高性能、低成本的大眾化的轎車轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)。 本課題以現(xiàn)在國產(chǎn)轎車最常采用的齒輪齒條液壓動力轉(zhuǎn)向器為核心綜合設(shè)計轎車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。 第1章 轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總述 1.1 轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述 在轉(zhuǎn)向技術(shù)方面轎車和普通汽車一樣，只是由于轎車的體型小，質(zhì)量輕，在安裝空間和轉(zhuǎn)向特性方面與大車有著一定的不同，但轎車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和通常汽車在轉(zhuǎn)向原理，轉(zhuǎn)向要求和轉(zhuǎn)向效果上都是基本相通的。 1.1.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡介 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車底盤的重要組成部分，轉(zhuǎn)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(hù)駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工

17、作條件起著重要作用。 按轉(zhuǎn)向力能源的不同，可將轉(zhuǎn)向系分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系和動力轉(zhuǎn)向系。 機(jī)械轉(zhuǎn)向系的能量來源是人力，所有傳力件都是機(jī)械的，由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)(方向盤)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)三大部分組成。其中轉(zhuǎn)向器是將操縱機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃訖C(jī)構(gòu)的直線運動(嚴(yán)格講是近似直線運動)的機(jī)構(gòu)，是轉(zhuǎn)向系的核心部件。 動力轉(zhuǎn)向系除具有以上三大部件外，其最主要的動力來源是轉(zhuǎn)向助力裝置。由于轉(zhuǎn)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(dāng)于電路系統(tǒng)中的電池、導(dǎo)線、開關(guān)、電機(jī)和地線的作用。 1.1.2 轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展概況 早期的轎車轉(zhuǎn)向是用舵柄或橫桿(即一種兩端

18、帶有手柄的水平桿)進(jìn)行操縱，轉(zhuǎn)向比是1:1，因而汽車轉(zhuǎn)向時的操作是很吃力的。后來，帶有齒輪減速比的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)很快被推廣使用，但是，這種機(jī)構(gòu)的方向盤不象舵柄或橫桿要置放在汽車中線的位置，而是要置放在汽車的左邊或右邊，這樣觸發(fā)了方向盤位置的爭論。這場爭論曠日持久，導(dǎo)致了今天的汽車分成了兩大類方向盤裝置法：一類以美國，中國，俄羅斯等世界上大多數(shù)國家和地區(qū)采用的左置方向盤，實行右上左下的汽車行駛規(guī)則；另一類以英國及英聯(lián)邦，日本等少數(shù)國家和地區(qū)采用的右置方向盤，實行右下左上的汽車行駛規(guī)則。 幾十年來，各種汽車都使用蝸桿扇形齒輪轉(zhuǎn)向器，現(xiàn)在的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器也是這種轉(zhuǎn)向器的一種變型，轎車也經(jīng)常使用。在這種轉(zhuǎn)

19、向器中，蝸桿與扇形齒輪之間嵌入了鋼珠，大大降低了摩擦力，使汽車的轉(zhuǎn)向操縱變得比較輕松。 從70年代起轎車興起了齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，它由方向盤、方向軸、方向節(jié)、轉(zhuǎn)動軸、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動桿和轉(zhuǎn)向輪(前輪)等組成。方向盤操縱轉(zhuǎn)向器內(nèi)的齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪與齒條緊密嚙合，推動齒條左移動或右移動，帶動轉(zhuǎn)向輪擺動，從而改變轎車行駛的方向。 這種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與蝸桿扇形齒輪等其它類型的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)比較，省略了轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向主拉桿，具有構(gòu)件簡單，傳動效率高的優(yōu)點。而且它的逆?zhèn)鲃有室哺撸谲囕v行駛時可以保證偏轉(zhuǎn)車輪的自動回正，駕駛者的路感性強(qiáng)。其實，齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)早在一世紀(jì)前的汽車萌芽發(fā)展階段已經(jīng)有了，只是那時還不完善，

20、機(jī)件加工粗糙。1905年通用汽車卡迪拉克部的工程師將齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的設(shè)計理論化，并加工成精度很高，操縱靈活的齒輪齒條轉(zhuǎn)向器，正式應(yīng)用在轎車上。 后來，汽車轉(zhuǎn)向器的型式被蝸桿一扇形齒輪型式所壟斷，但許多人仍然繼續(xù)完善齒輪一齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。由于近代材料科學(xué)的發(fā)展，大大提高了齒輪一齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的安全可靠系數(shù)，人們再次重視這種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的簡單實用性，由于它具有構(gòu)件少質(zhì)量輕，成本低的優(yōu)點，受到汽車制造商的青睞，現(xiàn)在大多數(shù)的轎車轉(zhuǎn)向器都采用齒輪一齒條型?，F(xiàn)代轎車馬力大、速度快，為了操縱的輕便和靈敏，中高檔次的轎車轉(zhuǎn)向器都加裝了轉(zhuǎn)向動力裝置，又稱為液壓動力轉(zhuǎn)向器。它具有工作無噪聲，靈觸度高體積小，能夠吸收來自

21、不平路面的沖擊力，在現(xiàn)代轎車上得到十分廣泛的應(yīng)用。 1.2 轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求 1、轎車轉(zhuǎn)彎行駛時，全部車輪應(yīng)繞瞬時轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應(yīng)有側(cè)滑。不滿足這項要求會加速輪胎磨損，并降低汽車的行駛穩(wěn)定性。 2、轎車轉(zhuǎn)向行駛時，在駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤的條件下，轉(zhuǎn)向輪能自動返回到直線行駛位置，并穩(wěn)定行駛。 3、轎車在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪都不得產(chǎn)生自振，轉(zhuǎn)向盤沒有擺動。 4、轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置共同工作時，由于運動不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺動應(yīng)最小。 5、保證轎車有較高的機(jī)動性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力。 6、操縱輕便。 7、轉(zhuǎn)向輪碰撞到障礙物以后，傳給轉(zhuǎn)向盤的反沖力要盡可能小。 8

22、、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的球頭處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)。 9、在車禍中，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤由于車架或車身變形而共同后移時，轉(zhuǎn)向系應(yīng)有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。 10、進(jìn)行運動校核，保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動方向一致。 正確設(shè)計轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)，可以使第一項要求得到保證。轉(zhuǎn)向系中設(shè)置有轉(zhuǎn)向減振器時，能夠防止轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生自振，同時又能使傳到轉(zhuǎn)向盤上的反沖力明顯降低。為了使轎車車具有良好的機(jī)動性能，必須使轉(zhuǎn)向輪有盡可能大的轉(zhuǎn)角，并要達(dá)到按前外輪車輪軌跡計算，其最小轉(zhuǎn)彎半徑能達(dá)到轎車車軸距的2～2.5倍。通常用轉(zhuǎn)向時駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的切向力大小和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動圈數(shù)多少兩項指標(biāo)來評價操縱輕

23、便性。沒有裝置動力轉(zhuǎn)向的轎車，在行駛中轉(zhuǎn)向，此力應(yīng)為50～100N；有動力轉(zhuǎn)向時，此力在20～50N。轎車轉(zhuǎn)向盤從中間位置轉(zhuǎn)到每一端的圈數(shù)不得超過2.0圈。 第2章 轉(zhuǎn)向系的主要性能參數(shù) 2.1 轉(zhuǎn)向系的效率 功率從轉(zhuǎn)向軸輸入，經(jīng)轉(zhuǎn)向搖臂軸輸出所求得的效率稱為轉(zhuǎn)向器的正效率，用符號表示，；反之稱為逆效率，用符號表示。 正效率計算公式： （2-1） 逆效率計算公式：

24、 （2-2） 式中，為作用在轉(zhuǎn)向軸上的功率；為轉(zhuǎn)向器中的磨擦功率；為作用在轉(zhuǎn)向搖臂軸上的功率。 正效率高，轉(zhuǎn)向輕便；轉(zhuǎn)向器應(yīng)具有一定逆效率，以保證轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤的自動返回能力。但為了減小傳至轉(zhuǎn)向盤上的路面沖擊力，防止打手，又要求此逆效率盡可能低。 影響轉(zhuǎn)向器正效率的因素有轉(zhuǎn)向器的類型、結(jié)構(gòu)特點、結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造質(zhì)量等。 2.1.1 轉(zhuǎn)向器的正效率 影響轉(zhuǎn)向器正效率的因素有轉(zhuǎn)向器的類型、結(jié)構(gòu)特點、結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造質(zhì)量等。 1、轉(zhuǎn)向器類型、結(jié)構(gòu)特點與效率 在四種轉(zhuǎn)向器中，齒輪齒條式、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的正效率比較高，而蝸桿指銷式特別是固定銷和蝸桿滾輪式

25、轉(zhuǎn)向器的正效率要明顯的低些。 同一類型轉(zhuǎn)向器，因結(jié)構(gòu)不同效率也不一樣。如蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的滾輪與支持軸之間的軸承可以選用滾針軸承、圓錐滾子軸承和球軸承。選用滾針軸承時，除滾輪與滾針之間有摩擦損失外，滾輪側(cè)翼與墊片之間還存在滑動摩擦損失，故這種軸向器的效率η+僅有54%。另外兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向器效率分別為70%和75%。 轉(zhuǎn)向搖臂軸的軸承采用滾針軸承比采用滑動軸承可使正或逆效率提高約10%。 2、轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與效率 如果忽略軸承和其經(jīng)地方的摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，對于蝸桿類轉(zhuǎn)向器，其效率可用下式計算

26、 （2-3） 式中，a0為蝸桿（或螺桿）的螺線導(dǎo)程角；ρ為摩擦角，ρ=arctanf；f為磨擦因數(shù)。 2.1.2 轉(zhuǎn)向器的逆效率 根據(jù)逆效率不同，轉(zhuǎn)向器有可逆式、極限可逆式和不可逆式之分。 路面作用在車輪上的力，經(jīng)過轉(zhuǎn)向系可大部分傳遞到轉(zhuǎn)向盤，這種逆效率較高的轉(zhuǎn)向器屬于可逆式。它能保證轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤自動回正，既可以減輕駕駛員的疲勞，又可以提高行駛安全性。但是，在不平路面上行駛時，傳至轉(zhuǎn)向盤上的車輪沖擊力，易使駕駛員疲勞，影響安全行駕駛。 屬于可逆式的轉(zhuǎn)向器有齒輪齒條式和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。 不可逆式和極限可逆式轉(zhuǎn)向器。不可逆式轉(zhuǎn)向器，

27、是指車輪受到的沖擊力不能傳到轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向器。該沖擊力轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的零件承受，因而這些零件容易損壞。同時，它既不能保證車輪自動回正，駕駛員又缺乏路面感覺，因此，現(xiàn)代汽車不采用這種轉(zhuǎn)向器。極限可逆式轉(zhuǎn)向器介于可逆式與不可逆式轉(zhuǎn)向器兩者之間。在車輪受到?jīng)_擊力作用時，此力只有較小一部分傳至轉(zhuǎn)向盤。 如果忽略軸承和其它地方的磨擦損失，只考慮嚙合副的磨擦損失，則逆效率可用下式計算 （2-4） 式（2-3）和式（2-4）表明：增加導(dǎo)程角，正、逆效率均增大。受增大的影響，不

28、宜取得過大。當(dāng)導(dǎo)程角小于或等于磨擦角時，逆效率為負(fù)值或者為零，此時表明該轉(zhuǎn)向器是不可逆式轉(zhuǎn)向器。為此，導(dǎo)程角必須大于磨擦角。 2.2 傳動比變化特性 2.2.1 轉(zhuǎn)向系傳動比 轉(zhuǎn)向系的傳動比包括轉(zhuǎn)向系的角傳動比和轉(zhuǎn)向系的力傳動比iP。 傳動系的力傳動比： （2-5） 轉(zhuǎn)向系的角傳動比: （2-6） 轉(zhuǎn)向系的角傳動比由轉(zhuǎn)向器角傳動比和轉(zhuǎn)向傳動

29、機(jī)構(gòu)角傳動組成，即： （2-7） 轉(zhuǎn)向器的角傳動比: （2-8） 轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的角傳動比: （2-9） 2.2.2 力傳動比與轉(zhuǎn)向系角傳動比的關(guān)系 轉(zhuǎn)向阻力與轉(zhuǎn)向阻力矩的關(guān)系式：

30、 （2-10） 作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力與作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩的關(guān)系式： （2-11） 將式（2-10）、式（2-11）代入 后得到： （2-12） 如果忽略磨擦損失，根據(jù)能量守恒原理，2Mr/Mh可用下式表示

31、 （2-13） 將式（2-10）代入式（2-11）后得到： （2-14） 當(dāng)a和Dsw不變時，力傳動比越大，雖然轉(zhuǎn)向越輕，但也越大，表明轉(zhuǎn)向不靈敏。 2.2.3 轉(zhuǎn)向器角傳動比的選擇 轉(zhuǎn)向器角傳動比可以設(shè)計成減小、增大或保持不變的。影響選取角傳動比變化規(guī)律的主要因素是轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷大小和對汽車機(jī)動能力的要求。 若轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷小或采用動力轉(zhuǎn)向的汽車，不存在轉(zhuǎn)向沉重問題，應(yīng)取較小的轉(zhuǎn)向器角傳動比，以提高汽車的機(jī)動能力。若轉(zhuǎn)向軸負(fù)

32、荷大，汽車低速急轉(zhuǎn)彎時的操縱輕便性問題突出，應(yīng)選用大些的轉(zhuǎn)向器角傳動比。 汽車以較高車速轉(zhuǎn)向行駛時，要求轉(zhuǎn)向輪反應(yīng)靈敏，轉(zhuǎn)向器角傳動比應(yīng)當(dāng)小些。汽車高速直線行駛時，轉(zhuǎn)向盤在中間位置的轉(zhuǎn)向器角傳動比不宜過小。否則轉(zhuǎn)向過分敏感，使駕駛員精確控制轉(zhuǎn)向輪的運動有困難。 轉(zhuǎn)向器角傳動比變化曲線應(yīng)選用大致呈中間小兩端大些的下凹形曲線，如圖2.1所示。 圖2.1 轉(zhuǎn)向器角傳動比變化特性曲線 2.3 轉(zhuǎn)向器傳動副的傳動間隙△t 傳動間隙是指各種轉(zhuǎn)向器中傳動副之間的間隙。該間隙隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的大小不同而改變，并把這種變化關(guān)系稱為轉(zhuǎn)向器傳動副傳動間隙特性（圖2.2）。 研究該特性的意義在于它與直線

33、行駛的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向器的使用壽命有關(guān)。 傳動副的傳動間隙在轉(zhuǎn)向盤處于中間及其附近位置時要極小，最好無間隙。若轉(zhuǎn)向器傳動副存在傳動間隙，一旦轉(zhuǎn)向輪受到側(cè)向力作用，車輪將偏離原行駛位置，使汽車失去穩(wěn)定。 傳動副在中間及其附近位置因使用頻繁，磨損速度要比兩端快。在中間附近位置因磨損造成的間隙過大時，必須經(jīng)調(diào)整消除該處間隙。 圖2.2 轉(zhuǎn)向器傳動副傳動間隙特性 轉(zhuǎn)向器傳動副傳動間隙特性 圖中曲線1表明轉(zhuǎn)向器在磨損前的間隙變化特性；曲線2表明使用并磨損后的間隙變化特性，并且在中間位置處已出現(xiàn)較大間隙；曲線3表明調(diào)整后并消除中間位置處間隙的轉(zhuǎn)向器傳動間隙變化特性。 2.4 轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動圈數(shù)

34、 轉(zhuǎn)向盤從一個極端位置轉(zhuǎn)到另一個極端位置時所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)稱為轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動圈數(shù)。它與轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)向系的角傳動比有關(guān)，并影響轉(zhuǎn)向的操縱輕便性和靈敏性。轎車轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動圈數(shù)較少，一般約在3.6圈以內(nèi)。 第3章 轎車轉(zhuǎn)向器設(shè)計 3.1 轉(zhuǎn)向器的方案分析 轉(zhuǎn)向器是整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部分，轉(zhuǎn)向器的設(shè)計也就是整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。 3.1.1 機(jī)械轉(zhuǎn)向器 根據(jù)所采用的轉(zhuǎn)向傳動副的不同，轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)型式有多種。常見的有齒輪齒條式、循環(huán)球式、球面蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式等 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪齒條直接嚙合，可安裝助力機(jī)構(gòu)。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的正逆效率都很高，屬于可逆式轉(zhuǎn)向器。其自動回正

35、能力強(qiáng)。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡單（不需要轉(zhuǎn)向搖臂和橫拉桿等）、加工方便、工作可靠、使用壽命長、用需要調(diào)整齒輪齒條的間隙。 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的第一級傳動副是螺桿螺母傳動副。第二級是齒條齒扇傳動副或滑塊曲柄銷傳動副。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的正效率很高（最高可達(dá)90%～95%），操作輕便，使用壽命長。但逆向效率也較高，可將地面對轉(zhuǎn)向輪的沖擊傳給轉(zhuǎn)向盤。 指銷式轉(zhuǎn)向器的傳動副以轉(zhuǎn)向蝸桿為主動件，裝在搖臂軸曲柄端的指銷為從動件。轉(zhuǎn)向蝸桿轉(zhuǎn)動時，與之嚙合的指指銷即繞轉(zhuǎn)向搖臂軸軸線沿圓弧線運動，并帶動轉(zhuǎn)向搖臂轉(zhuǎn)動。 對轉(zhuǎn)向其結(jié)構(gòu)形式的選擇，主要是根據(jù)汽車的類型、前軸負(fù)荷、使用條件等來決定，并要考慮其效率特性、角

36、傳動比變化特性等對使用條件的適應(yīng)性以及轉(zhuǎn)向器的其他性能、壽命、制造工藝等。中、小型轎車以及前軸負(fù)荷小于1.2t的客車、貨車，多采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器安裝助力機(jī)構(gòu)方便且轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡單，適合于轎車。故本設(shè)計選用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。 3.1.2 轉(zhuǎn)向控制閥 轉(zhuǎn)向控制閥按閥體的運動方向分為，滑閥式和轉(zhuǎn)閥式兩種。閥體沿軸向移動來控制油液流量的控制閥，稱為滑閥式轉(zhuǎn)向控制閥?；y的特點是靠閥體的移動控制油液流量，需較大運動空間。而閥體沿軸轉(zhuǎn)動來控制油液流量的控制閥，稱為轉(zhuǎn)閥式控制閥。轉(zhuǎn)閥的特點是靠閥體轉(zhuǎn)動控制油液流量。體積小，加工要求精度高。 圖3.1 轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)圖 轎車體積小，且

37、質(zhì)量不高，對轉(zhuǎn)向力要求也不是太高，由于轎車本身是高精度產(chǎn)品，故本設(shè)計選用轉(zhuǎn)閥式轉(zhuǎn)向控制閥，如圖3.1。 3.1.3 轉(zhuǎn)向系壓力流量類型選擇 液壓動力轉(zhuǎn)向系按系統(tǒng)內(nèi)部的壓力狀態(tài)分，有常壓式和常流式兩種。 常壓式液壓動力轉(zhuǎn)向系在汽車直線行駛，轉(zhuǎn)向盤保持中立位置時，轉(zhuǎn)向控制閥經(jīng)常處于關(guān)閉位置。向油泵輸出的壓力油充入儲能器。當(dāng)儲能器壓力增長到規(guī)定值后，油泵即自動卸荷空轉(zhuǎn)，從而儲能器壓力得以限制在該規(guī)定值以下。當(dāng)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，機(jī)械轉(zhuǎn)向器, 即通過轉(zhuǎn)向搖臂等桿件使轉(zhuǎn)向控制閥轉(zhuǎn)入開啟位置。此時儲能器中的壓力油即流入轉(zhuǎn)向動力缸。動力缸輸出的液壓作用力，作用在轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)上，以助機(jī)械轉(zhuǎn)向器輸出力之不足。轉(zhuǎn)

38、向盤一停止運動，轉(zhuǎn)向控制閥便隨之回復(fù)到關(guān)閉位置。于是，轉(zhuǎn)向加力作用終止。由此可見，無論轉(zhuǎn)向盤處于中立位置還是轉(zhuǎn)向位置，也無論轉(zhuǎn)向盤保持靜止還是運動狀態(tài)，該系統(tǒng)工作管路中總是保持高壓。 常流式液壓動力轉(zhuǎn)向系在汽車不轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向控制閥, 保持開啟。轉(zhuǎn)向動力缸的活塞兩邊的工作腔，由于都與低壓回油管路相通而不起作用。轉(zhuǎn)向油泵. 輸出的油液流入轉(zhuǎn)向控制閥，又由此流回轉(zhuǎn)向油罐。因轉(zhuǎn)向控制閥的節(jié)流阻力很小，故油泵輸出壓力也很低，油泵實際上處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，通過機(jī)械轉(zhuǎn)向器使轉(zhuǎn)向控制閥處于與某一轉(zhuǎn)彎方向相應(yīng)的工作位置時，轉(zhuǎn)向動力缸的相應(yīng)工作腔方與回油管路隔絕，轉(zhuǎn)而與油泵輸出管路相通，而動力缸的

39、另一腔則仍然通回油管路。地面轉(zhuǎn)向阻力經(jīng)轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)傳到轉(zhuǎn)向動力 缸的推桿和活塞上，形成比轉(zhuǎn)向控制閥節(jié)流阻力高得多的油泵輸出管路阻力。于是轉(zhuǎn)向油輸出壓力急劇升高，直到足以推動轉(zhuǎn)向動力缸活塞為止。轉(zhuǎn)向盤停止轉(zhuǎn)動后，轉(zhuǎn)向控制閥隨即回復(fù)到中立位置，使動力缸停止工作。 上述兩種液壓動力轉(zhuǎn)向系相比較，常壓式的優(yōu)點在于有儲能器積蓄液壓能，可以使用流量較小的轉(zhuǎn)向油泵，而且還可以在油泵不運轉(zhuǎn)的情況下保持一定的轉(zhuǎn)向加力能力，使汽車有可能續(xù)駛一定距離。這一點對重型汽車而言尤為重要。常流式的優(yōu)點則是結(jié)構(gòu)簡單，油泵壽命長，漏泄較少，消耗功率也較少。因此，目前只有少數(shù)重型汽車采用常壓式液壓動力轉(zhuǎn)向系，而常流式液壓動力

40、轉(zhuǎn)向系則廣泛應(yīng)用于各種汽車。對于轎車而言本課題選擇使用常流式液壓動力轉(zhuǎn)向系。 3.1.4 液壓泵的選擇 目前，動力轉(zhuǎn)向液壓泵大多數(shù)采用雙作用式葉片泵。 3.2 齒輪齒條式液壓動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計 齒輪齒條式液壓動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是在純機(jī)械式齒輪齒條式轉(zhuǎn)向向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上加上液動加力裝置，輔助轉(zhuǎn)向。 3.2.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)分析 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器分兩端輸出式和中間（或單端）輸出式兩種。 圖3.2 兩端輸出式齒輪齒條轉(zhuǎn)向器 1—轉(zhuǎn)向橫拉桿 2—防塵套 3—球頭座 4—轉(zhuǎn)向齒條 5—轉(zhuǎn)向器殼體 6—調(diào)整螺塞 7—壓緊彈簧 8—鎖緊螺母 9—壓塊 10—萬向節(jié) 11—轉(zhuǎn)向齒輪軸

41、12—向心球軸承 13—滾針軸承 兩端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器如上圖所示，作為傳動副主動件的轉(zhuǎn)向齒輪軸11通過軸承12和13安裝在轉(zhuǎn)向器殼體5中，其上端通過花鍵與萬向節(jié)叉10和轉(zhuǎn)向軸連接。與轉(zhuǎn)向齒輪嚙合的轉(zhuǎn)向齒條4水平布置，兩端通過球頭座3與轉(zhuǎn)向橫拉桿1相連。彈簧7通過壓塊9將齒條壓靠在齒輪上，保證無間隙嚙合。彈簧的預(yù)緊力可用調(diào)整螺塞6調(diào)整。當(dāng)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)向器齒輪11轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向節(jié)左右轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)向車輪偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向。中間輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器如下圖所示，其結(jié)構(gòu)及工作原理與兩端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器基本相同，不同之處在于它在轉(zhuǎn)向齒條的中

42、部用螺栓6與左右轉(zhuǎn)向橫拉桿7相連。在單端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器上，齒條的一端通過內(nèi)外托架與轉(zhuǎn)向橫拉桿相連。 圖3.3 中間輸出式齒輪齒條轉(zhuǎn)向器 1—萬向節(jié)叉 2—轉(zhuǎn)向齒輪軸 3—調(diào)整螺母 4—向心球軸承 5—滾針軸承 6—固定螺栓 7—轉(zhuǎn)向橫拉桿 8—轉(zhuǎn)向器殼體 9—防塵套 10—轉(zhuǎn)向齒條 11—調(diào)整螺塞 12—鎖緊螺母 13—壓緊彈簧 14—壓塊 明顯可以看出使用兩端輸出的轉(zhuǎn)向器較中間輸出的轉(zhuǎn)向器簡單，且容易實現(xiàn)液動助力。故本課題選用兩端輸出。 液動齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的功能實現(xiàn)。齒輪齒條式液壓動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是在純機(jī)械式齒輪齒條式轉(zhuǎn)向向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上加上液動加力裝置，輔助轉(zhuǎn)向。加力裝置

43、主要包括液壓泵，分配閥，管路還有助力缸等，如圖3.4。 圖3.4 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器爆炸圖 將轉(zhuǎn)閥接口如圖3.5所示連接輸油管路 圖3.5 轉(zhuǎn)閥油路連接 液壓助力轉(zhuǎn)向器助力轉(zhuǎn)向工作原理如圖3.6所示。 圖3.6 液動齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理圖 1、直線行駛 轎車直線行駛時方向盤無偏轉(zhuǎn)，動力缸左右兩腔相通如圖3.7所示，系統(tǒng)中只有極小克服流動阻力的油液壓力，助力系統(tǒng)此時無助力。 圖3.7 直線行駛時油路工作狀況 2、右轉(zhuǎn)向行駛 轎車向右轉(zhuǎn)向行駛時，轉(zhuǎn)動方向盤順時針方向轉(zhuǎn)動--扭桿扭轉(zhuǎn)變形--滑閥偏轉(zhuǎn)--動力油缸左腔進(jìn)入高壓油，右腔與回油管路連通

44、--轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)--轉(zhuǎn)向齒輪與轉(zhuǎn)向軸同向轉(zhuǎn)動，如圖3.8所示。 圖3.8 右轉(zhuǎn)向行駛時油路工作狀況 3、左轉(zhuǎn)向行駛 轎車向左轉(zhuǎn)向行駛時，轉(zhuǎn)動方向盤--扭桿扭轉(zhuǎn)變形--滑閥偏轉(zhuǎn)--動力油缸右腔進(jìn)入高壓油，左腔與回油管路連通--轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)--轉(zhuǎn)向齒輪與轉(zhuǎn)向軸同向轉(zhuǎn)動，如圖3.9所示。 圖3.9 左轉(zhuǎn)向行駛時油路工作狀況 4、動力轉(zhuǎn)向裝置的其它特性 轉(zhuǎn)向動力缸有隨轉(zhuǎn)向盤工作或停止的隨動作用。 當(dāng)液壓系統(tǒng)發(fā)生故障不能助力或助力降低，即發(fā)生助力失效時，駕駛員可以通過方向盤直接操作轉(zhuǎn)向，只是此時操作力增大。 3.2.3 參考數(shù)據(jù)的確定 表3.1 上海通用別克賽歐汽車轉(zhuǎn)向參數(shù)

45、 輪距 1440mm 軸距 2750mm 滿載軸荷分配：前/后 877/1643(kg) 輪胎 175/60R14 主銷偏移距a 50mm 輪胎壓力p/MPa 0.45 方向盤直徑 307mm 最小轉(zhuǎn)彎半徑 6.9m 轉(zhuǎn)向梯形臂 200mm 3.2.4 轉(zhuǎn)向輪側(cè)偏角計算 圖3.10 車輪位置簡圖 （3-1） （3-2） 3.2.5 轉(zhuǎn)向器參數(shù)選取 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的齒輪多采用斜齒輪，齒輪模數(shù)在之間，主動

46、小齒輪齒數(shù)在之間，壓力角取，螺旋角在之間。故取小齒輪，，右旋，壓力角，精度等級8級。 轉(zhuǎn)向節(jié)原地轉(zhuǎn)向阻力矩： （3-3） 方向盤轉(zhuǎn)動圈數(shù)： （3-4） 角傳動比： （3-5） 方向盤上的手力： （3-6） 作用在轉(zhuǎn)向盤上的操縱載荷:對轎車該力不應(yīng)超過150～200N，對貨車不應(yīng)超過500N。所以符合設(shè)計要求 （3-7） 力傳動比： （3-8） 取齒寬系數(shù)

47、 （3-9） 齒條寬度圓整取，則取齒輪齒寬 3.2.6 選擇齒輪齒條材料 小齒輪：齒輪通常選用國內(nèi)常用、性能優(yōu)良的20CrMnTi合金鋼，熱處理采用表面滲碳淬火工藝，齒面硬度為HRc58～63。而齒條選用與20CrMnTi具有較好匹配性的40Cr作為嚙合副，齒條熱處理采用高頻淬火工藝，表面硬度HRc50～56。 3.2.7 強(qiáng)度校核 1、校核齒輪接觸疲勞強(qiáng)度 選取參數(shù)，按ME級質(zhì)量要求取值 ， ； ， ， 故以 計算 （3-10） 查得： ， ， ， ； ，

48、 ， ， 則， （3-11） 齒輪接觸疲勞強(qiáng)度合格。 2、校核齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度 選取參數(shù)，按ME級質(zhì)量要求取值； ； ； ； ； 故以 計算 ： （3-12） 據(jù)齒數(shù)查表有：； ； ； 。則： （3-13） 齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度合格。 3.2.8 齒輪齒條的基本參數(shù)如下表所示 表3.2 齒輪齒條基本參數(shù) 名稱 符號 公式 齒輪 齒條 齒數(shù) 6 31 分度圓直徑 15.2314 — 變位系數(shù) — 1

49、— 齒頂高 5 2.5 齒根高 0.625 3.125 齒頂圓直徑 25.2314 — 齒根圓直徑 13.9814 — 齒輪中圓直徑 20.2314 — 螺旋角 — 10° 齒寬 30 20 3.3 齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖3.11 齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.4 軸承的選擇 軸承1：深溝球軸承6004 (GB/T276-1994) 軸承2：滾針軸承 NA4901 (GB/T5801-1994) 3.5 轉(zhuǎn)向器的潤滑方式和密封類型的選擇 轉(zhuǎn)向器的潤滑方式：人工定期潤滑 潤滑脂：石

50、墨鈣基潤滑脂（ZBE36002-88）中的ZG-S潤滑脂。 密封件： 旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈 FB 16 30 GB 13871—1992 3.6 動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置方案分析 液壓式動力轉(zhuǎn)向因為油液工作壓力高，動力缸尺寸小、質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)緊湊，油液具有不可壓縮性，靈敏度高以及油液的阻尼作用可吸收路面沖擊等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。由分配閥、轉(zhuǎn)向器、動力缸、液壓泵、貯油罐和油管等組成液壓式動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。根據(jù)分配閥、轉(zhuǎn)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。后者按分配閥所在位置不同又分為：分配閥裝在動力缸上的稱為聯(lián)閥式 (b)；分配閥裝在轉(zhuǎn)向器和動力缸之間的拉桿上稱為連桿式 (c)；分配

51、閥裝在轉(zhuǎn)向器上的稱為半分置式。 圖3.12 動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置方案圖 1－分配閥 2－轉(zhuǎn)向器 3－動力缸 在分析比較上述幾種不同動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置方案時，常從結(jié)構(gòu)上是否緊湊；轉(zhuǎn)向器主要零件是否承受由動力缸建立起來的載荷；拆裝轉(zhuǎn)向器是否容易；管路，特別是軟管的管路長短；轉(zhuǎn)向輪在側(cè)向力作用下是否容易引起轉(zhuǎn)向輪擺振；能不能采用典型轉(zhuǎn)向器等方面來做比較。例如整體式動力轉(zhuǎn)向器，由于分配閥、轉(zhuǎn)向器、動力缸三者裝在一起，因而結(jié)構(gòu)緊湊，管路也短。在轉(zhuǎn)向輪受到側(cè)向力作用時或者發(fā)動機(jī)的振動不會影響分配閥的振動，因而不能引起轉(zhuǎn)向輪擺振。它的缺點是轉(zhuǎn)向搖臂軸、搖臂等轉(zhuǎn)向器主要零件，都要承受由動力缸所建立起來的

52、載荷，因此必須加大它們的尺寸和質(zhì)量，這對布置它們帶來不利的影響。同時還不能采用典型轉(zhuǎn)向器，拆裝轉(zhuǎn)向器時要比分置式的困難。除此之外，由于對轉(zhuǎn)向器的密封性能要求高，這對轉(zhuǎn)向器的設(shè)計，特別是重型汽車的轉(zhuǎn)向器設(shè)計帶來困難。對于轎車來說，由于空間本身限制，選用結(jié)構(gòu)緊湊的整體型較為合適，且較短的管路也可以減少泄露，經(jīng)濟(jì)而又環(huán)保。 第4章 轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計 4.1 轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)原理 圖4.1 轉(zhuǎn)向中心的不同軌跡圓 如上圖4.1所示：轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的任務(wù)是將轉(zhuǎn)向器輸出端的擺動轉(zhuǎn)變?yōu)樽?、右轉(zhuǎn)向車輪繞其轉(zhuǎn)向主銷的偏轉(zhuǎn)，并使它們偏轉(zhuǎn)到繞同一瞬時轉(zhuǎn)向中心的不同軌跡圓上，實現(xiàn)車輪無滑動地滾動轉(zhuǎn)向。為了使左

53、、右轉(zhuǎn)向車輪偏轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系能滿足這一汽車轉(zhuǎn)向運動學(xué)的要求，則要由轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的精確設(shè)計來保證。 由于一般齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器與左右橫拉桿鉸接，而左右橫拉桿一般直接與轉(zhuǎn)向節(jié)下節(jié)臂鉸接，所以在這里我假定把左右梯形臂轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)向節(jié)的一部分。 根據(jù)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向梯形相對前軸位置的不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在汽車上有四種布置形式：轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，后置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，前置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，后置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，前置梯形，見圖4.2。 圖4.2 梯形配置 本設(shè)計采用上圖a方案配置方法，原理結(jié)果如下圖 圖4.3 齒輪齒條轉(zhuǎn)向系的轉(zhuǎn)向原理 4

54、.2 轉(zhuǎn)向傳送機(jī)構(gòu)的臂、桿與球銷 轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的桿件應(yīng)選用剛性好、質(zhì)量小的20、30或35號鋼的無縫鋼管制造，其沿長度方向的外形可根據(jù)總布置的需要確定。 轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的各元件間采用球形鉸接，球形鉸接的主要特點是能夠消除由于鉸接處的表而磨損而產(chǎn)生的間隙，也能滿足兩鉸接件間復(fù)雜的相對運動。在現(xiàn)代球形鉸接的結(jié)構(gòu)中均是用彈簧將球頭與襯墊壓緊。而且應(yīng)采用有效結(jié)構(gòu)措施保持住潤滑材料及防止灰塵污物進(jìn)入。 球銷與襯墊均采用低碳合金鋼如12CrNi3A，18MnTi，或20CrN制造，工作表面經(jīng)滲碳淬火處理，滲碳層深1.5～3.0mm，表面硬度HRC 56～63。允許采用中碳鋼40或45制造并經(jīng)高頻淬火處

55、理，球銷的過渡圓角處則用滾壓工藝增強(qiáng)。球形鉸接的殼體則用鋼35或40制造。 4.3 轉(zhuǎn)向橫拉桿及其端部 轉(zhuǎn)向橫拉桿與梯形轉(zhuǎn)向桿系的相似。球頭銷通過螺紋與齒條連接。當(dāng)這些球頭銷依制造廠的規(guī)范擰緊時，在球頭銷上就作用了一個預(yù)載荷。防塵套夾在轉(zhuǎn)向器兩側(cè)的殼體和轉(zhuǎn)向橫拉桿上，這些防塵套阻止雜物進(jìn)入球銷及齒條中。 轉(zhuǎn)向橫拉桿端部與外端用螺紋聯(lián)接。這些端部與梯形轉(zhuǎn)向桿系的相似。側(cè)面螺母將橫拉桿外端與橫拉桿鎖緊（圖4.4）。 圖4.4 轉(zhuǎn)向橫拉桿外接頭 1—橫拉桿 2—鎖緊螺母 3—外接頭殼體 4—球頭銷 5—六角開槽螺母 6—球碗 7—端蓋 8—梯形臂 9—開口銷 表4.1 轉(zhuǎn)向橫

56、拉桿及接頭的尺寸設(shè)計參數(shù) 序號 項目 符號 尺寸參數(shù)() 1 橫拉桿總長 281 2 橫拉桿直徑 15 3 螺紋長度 60 4 外接頭總長 120 5 球頭銷總長 62 6 球頭銷螺紋公稱直徑 M10×1 7 外接頭螺紋公稱直徑 M12×1.5 8 內(nèi)接頭總長 65.3 9 內(nèi)接頭螺紋公稱直徑 M16×1.5 10 轉(zhuǎn)向梯形臂 m 200 圖4.5 轉(zhuǎn)向傳動設(shè)計效果簡圖 第5章 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化 5.1 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)概述 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)用來保證汽車轉(zhuǎn)彎行駛時所有車輪能繞一個瞬

57、時轉(zhuǎn)向中心，在不同的圓周上做無滑動的純滾動。設(shè)計轉(zhuǎn)向梯形的主要任務(wù)之一是確定轉(zhuǎn)向梯型的最佳參數(shù)和進(jìn)行強(qiáng)度計算。一般轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)布置在前軸之后，但當(dāng)發(fā)動機(jī)位置很低或前軸驅(qū)動時，也有位于前軸之前的。轉(zhuǎn)向梯形有整體式和斷開式兩種，選擇整體式或斷開式轉(zhuǎn)向梯形方案與懸架采用何種方案有聯(lián)系。無論采用哪一種方案，必須正確選擇轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)，做到汽車轉(zhuǎn)彎時，保證全部車輪繞一個瞬時轉(zhuǎn)向中心行駛，使在不同圓周上運動的車輪，作無滑動的純滾動運動。同時，為達(dá)到總體布置要求的最小轉(zhuǎn)彎直徑值，轉(zhuǎn)向輪應(yīng)有足夠大的轉(zhuǎn)角。 5.2 整體式轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)方案分析 圖5.1 整體式轉(zhuǎn)向梯形 1—轉(zhuǎn)向橫拉桿 2—轉(zhuǎn)向梯形臂

58、3—前軸 整體式轉(zhuǎn)向梯形是由轉(zhuǎn)向橫拉桿1，轉(zhuǎn)向梯形臂2和汽車前軸3組成，如圖5.1所示。其中梯形臂呈收縮狀向后延伸。這種方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整前束容易，制造成本低；主要缺點是一側(cè)轉(zhuǎn)向輪上、下跳動時，會影響另一側(cè)轉(zhuǎn)向輪。 當(dāng)汽車前懸架采用非獨立懸架時，應(yīng)當(dāng)采用整體式轉(zhuǎn)向梯形。整體式轉(zhuǎn)向梯形的橫拉桿可位于前軸后或前軸前(稱為前置梯形)。對于發(fā)動機(jī)位置低或前輪驅(qū)動汽車，常采用前置梯形。前置梯形的梯形臂必須向前外側(cè)方向延伸，因而會與車輪或制動底板發(fā)生干涉，所以在布置上有困難。為了保護(hù)橫拉桿免遭路面不平物的損傷，橫拉桿的位置應(yīng)盡可能布置得高些，至少不低于前軸高度。 5.3 整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)

59、化分析 汽車轉(zhuǎn)向行駛時，受彈性輪胎側(cè)偏角的影響，所有車輪不是繞位于后軸沿長線上的點滾動，而是繞位于前軸和后軸之間的汽車內(nèi)側(cè)某一點滾動。此點位置與前輪和后輪的側(cè)偏角大小有關(guān)。因影響輪胎側(cè)偏角的因素很多，且難以精確確定，故下面是在忽略側(cè)偏角影響的條件下，分析有關(guān)兩軸汽車的轉(zhuǎn)向問題。此時，兩轉(zhuǎn)向前輪軸線的延長線應(yīng)交在后軸延長線上，如圖5－2所示。設(shè)θi、θo分別為內(nèi)、外轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)角，L為汽車軸距，K為兩主銷中心線延長線到地面交點之間的距離。若要保證全部車輪繞一個瞬時轉(zhuǎn)向中心行駛，則梯形機(jī)構(gòu)應(yīng)保證內(nèi)、外轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)角有如下關(guān)系：

60、 （5-1） 圖5.2 理想的內(nèi)、外車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系簡圖 若自變角為θo，則因變角θi的期望值為: （5-2） 現(xiàn)有轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)僅能近似滿足上式關(guān)系。以圖所示的后置梯形機(jī)構(gòu)為例，在圖上作輔助用虛線，利用余弦定理可推得轉(zhuǎn)向梯形所給出的實際因變角為 （5-3） 式中：m為梯形臂長；γ為梯形底角。 所設(shè)計的轉(zhuǎn)向梯形給出的實際因變角，應(yīng)盡可能接近理論上的期望值。其偏差在最常使用的中間位置附近小角范圍內(nèi)應(yīng)盡量小，以減少高速行駛時輪胎的磨損；而在不經(jīng)常使用且車速

61、較低的最大轉(zhuǎn)角時，可適當(dāng)放寬要求。因此，再引入加權(quán)因子，構(gòu)成評價設(shè)計優(yōu)劣的目標(biāo)函數(shù)為 （5-4） 由以上可得： （5-5） 式中：x為設(shè)計變量，；θomax為外轉(zhuǎn)向車輪最大轉(zhuǎn)角，由圖5-2得 （5-6） 式中，Dmin為汽車最小轉(zhuǎn)彎直徑；a為主銷偏移距。 考慮到多數(shù)使用工況下轉(zhuǎn)角θo小于20°，且10°以內(nèi)的小轉(zhuǎn)角使用得更加頻繁，因此?。?

62、 （5-7） 建立約束條件時應(yīng)考慮到：設(shè)計變量m及γ過小時，會使橫拉桿上的轉(zhuǎn)向力過大；當(dāng)m過大時，將使梯形布置困難，故對m的上、下限及對γ的下限應(yīng)設(shè)置約束條件。因γ越大，梯形越接近矩形，值就越大，而優(yōu)化過程是求的極小值，故可不必對γ的上限加以限制。綜上所述，各設(shè)計變量的取值范圍構(gòu)成的約束條件為： （5-8） 梯形臂長度m設(shè)計時常取在mmin=0.11K，mmax=0.15K。梯形底角γmin=70° 此外，由機(jī)械原理得知，四連桿機(jī)構(gòu)的傳

63、動角δ不宜過小，通常取δ≥δmin＝40°。如圖5-2所示，轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)在汽車向右轉(zhuǎn)彎至極限位置時達(dá)到最小值，故只考慮右轉(zhuǎn)彎時δ≥δmin即可。利用該圖所作的輔助用虛線及余弦定理，可推出最小傳動角約束條件為： （5-9） 式中：δmin為最小傳動角。δmin=40°，故由式可知，δmin為設(shè)計變量m及γ的函數(shù)。 由式（5-6）、式（5-7）、式（5-8）和式（5-9）四項約束條件所形成的可行域，如圖5-3所示的幾種情況。 圖5-3b適用于要求δmin較大，而γmin可小些的車型；圖5-3c適用于要求γmin較大，而δmin小些的車型；圖5-

64、3a適用介于圖5-3b、c之間要求的車型。 圖5.3 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的可行域 5.4 整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 5.4.1 優(yōu)化方法介紹 由上述數(shù)學(xué)模型可知，轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計問題，是一個小型的約束非線性規(guī)劃問題，可用復(fù)合形法來求解，不過，由于需要大量的復(fù)雜計算，而且優(yōu)化值不能一步到達(dá)，所以很難用手工方法無法求得最優(yōu)解。 現(xiàn)代計算機(jī)的廣泛靈活應(yīng)用使轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化計算變的很容易，一般只需輸入相應(yīng)參數(shù)，再做略微調(diào)整，即能得到滿意的最優(yōu)解。常用的有MATLAB程序優(yōu)化、excel比較優(yōu)化、計算機(jī)語言編程求解、還有一些專用優(yōu)化程序。MATLAB程序優(yōu)化是基于MATLAB優(yōu)化

65、工具箱的“整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)”的優(yōu)化設(shè)計計算程序。利用該程序，用戶可以交互式輸入結(jié)構(gòu)基本參數(shù)即可獲得優(yōu)化計算結(jié)果，并自動繪制出實際輸出角和輸出角期望值隨輸入角的變化曲線，以便用戶分析、比較與選擇。Excel比較較優(yōu)化是利用excel強(qiáng)大的公式計算功能，通過表格輸入已知數(shù)據(jù)，調(diào)整后得到的數(shù)據(jù)群求得數(shù)據(jù)，再通過對這些數(shù)據(jù)反復(fù)進(jìn)行比較，最終得出最優(yōu)解。計算機(jī)語言編程求解是臨時用高級語言如C語言、VB等編程，求出最優(yōu)解。雖然在許多資料中，都可以找到復(fù)合形法的計算程序框圖，但對于非專業(yè)從事編程的工程技術(shù)人員來說，要用C語言或其它高級程序語言對某一具體設(shè)計問題編程進(jìn)行計算，是極為不易的。 本課題采用最后

66、一種簡單的優(yōu)化方法，利用專門的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化軟件求解。它是一款專門用于轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化的軟件，使用方便，數(shù)據(jù)直接，只需要通過文檔框輸入基本數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行比較優(yōu)化。 圖5.4 程序啟動界面 5.4.2 優(yōu)化設(shè)計計算 通過表3.1得優(yōu)化所需數(shù)據(jù)： 軸距：L=2750mm 輪距：K=1440mm 主銷偏移距：a=50mm 轉(zhuǎn)向梯形臂：m=200mm 計算可得底邊長：L-2*a=1340mm 由以上數(shù)據(jù)可知： 底邊長：1340； 兩腰長：200； 輪距：1440； 軸距：2750。 將上面的數(shù)據(jù)輸入程序相應(yīng)文本框。點擊“開始、下一步”按鈕。然后不斷點擊該按鈕會發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向梯形底邊與頂邊差不斷增大，內(nèi)輪轉(zhuǎn)角誤差平均值也不斷變化。 由式3-11，3-12可知轉(zhuǎn)角都小于30度。所以我們只需關(guān)注30度以內(nèi)的誤差值變化，當(dāng)向梯形底邊與頂邊差到160和170之間時發(fā)現(xiàn)誤差平均值最小。再點擊“微進(jìn)”，這時仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)向梯形底邊與頂邊差為163左右時誤差最小，此時我們將該值附近的都帶入評價設(shè)計優(yōu)劣函數(shù) 圖5.5 運行界面 考慮到多數(shù)使用工況下轉(zhuǎn)角θo小于20°，