【汽车设计-过学迅】第7章转向系统设计课件

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1、7.17.1概述概述7.27.2转向系统主要性能参数转向系统主要性能参数7.37.3机械式转向器方案设计机械式转向器方案设计7.47.4机械式转向器设计机械式转向器设计7.57.5动力转向系统设计动力转向系统设计7.6 7.6 转向传动机构设计转向传动机构设计7.7 7.7 转向操纵机构设计转向操纵机构设计7.8 7.8 转向减振器与转向系统结构元件设计转向减振器与转向系统结构元件设计7.9 7.9 四轮转向与线控转向四轮转向与线控转向 习题习题第第7 7章章 转向系统设计转向系统设计 主要内容主要内容 本章介绍汽车转向系统的类型及设计要求本章介绍汽车转向系统的类型及设计要求,重重点介绍机械式

2、转向器设计和动力转向系统设计点介绍机械式转向器设计和动力转向系统设计,包括齿轮包括齿轮齿条式转向器、循环球式转向器的设计齿条式转向器、循环球式转向器的设计,液压式动力转向液压式动力转向机构布置方案分析机构布置方案分析,液压式动力转向机构的计算和电动助液压式动力转向机构的计算和电动助力转向系统的设计力转向系统的设计,最后介绍转向传动机构、转向操纵机最后介绍转向传动机构、转向操纵机构设计、转向减振器设计以及四轮转向与线控转向。构设计、转向减振器设计以及四轮转向与线控转向。本章要求本章要求:1.1.了解转向系统主要性能参数、机械式转向器方案设计；了解转向系统主要性能参数、机械式转向器方案设计；2.2

3、.掌握机械式转向器设计、动力转向系统设计、转向传动掌握机械式转向器设计、动力转向系统设计、转向传动机构设计、转向操纵机构设计；机构设计、转向操纵机构设计；3.3.了解转向减振器与转向系统结构元件设计、四轮转向与了解转向减振器与转向系统结构元件设计、四轮转向与线控转向。线控转向。第第7 7章章 转向系统设计转向系统设计7.17.1概述概述7.1.1 7.1.1 转向系统的组成和分类转向系统的组成和分类转向系统按转向能源的不同分为机械转向系统和动力转向系统两类。转向系统按转向能源的不同分为机械转向系统和动力转向系统两类。转向系统分类7.1.2 7.1.2 转向系统的设计要求转向系统的设计要求()保

4、证汽车有较高的机动性。保证汽车有较高的机动性。()正确设计转向梯形机构。正确设计转向梯形机构。()转向轮碰撞到障碍物后，传给转向盘的反冲击力要尽可能小。转向轮碰撞到障碍物后，传给转向盘的反冲击力要尽可能小。()汽车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自振，转向盘没有汽车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自振，转向盘没有摆动。摆动。()操纵轻便。操纵轻便。()转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动干涉使车转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动干涉使车轮产生的摆动应最小。轮产生的摆动应最小。()汽车转向行驶后，在驾驶人松开转向盘的条件下，转向盘应自汽车转向行驶后，在驾驶人松开转向盘的

5、条件下，转向盘应自动回正，并能使汽车保持在稳定的直线行驶状态。动回正，并能使汽车保持在稳定的直线行驶状态。()转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。调整机构。()当汽车发生碰撞转向盘和转向轴由于车架或车身变形而共同后当汽车发生碰撞转向盘和转向轴由于车架或车身变形而共同后移时，转向系统应有能使驾驶人免遭或减轻伤害的防伤装置。移时，转向系统应有能使驾驶人免遭或减轻伤害的防伤装置。()进行运动校核，保证转向轮与转向盘转动方向一致。进行运动校核，保证转向轮与转向盘转动方向一致。7.27.2转向系统主要性能参数转向系统主要性

6、能参数7.2.1 7.2.1 转向器的效率转向器的效率 根据效率的定义，因功率输入来源不同，转向器的效率有根据效率的定义，因功率输入来源不同，转向器的效率有正效率和逆效率两种。当功率正效率和逆效率两种。当功率1 1由转向盘输入，经转向摇臂输出所由转向盘输入，经转向摇臂输出所求得的效率称为正效率，用符号求得的效率称为正效率，用符号+表示。反之称为逆效率，用符号表示。反之称为逆效率，用符号-表示。表示。.转向器的正效率转向器的正效率.转向器的逆效率转向器的逆效率(7-17-1)(7-27-2)(7-37-3)(7-47-4)7.2.2 7.2.2 转向系统传动比及其变化特性转向系统传动比及其变化特

7、性.转向系统传动比的组成转向系统传动比的组成转向系统的传动比包括转向系统的力传动比转向系统的传动比包括转向系统的力传动比p p和角传动比和角传动比00。(7-77-7)(7-67-6)(7-57-5).转向系统力传动比与角传动比的关系转向系统力传动比与角传动比的关系 轮胎和地面之间的转向阻力轮胎和地面之间的转向阻力w w与作用在转向节上的转向阻与作用在转向节上的转向阻力矩力矩r r有如下的关系有如下的关系:作用在转向盘上的手力作用在转向盘上的手力h h可由下式表示可由下式表示:忽略摩擦损失忽略摩擦损失,根据能量守恒原理根据能量守恒原理,转向系统的角传动比转向系统的角传动比i i00表示为表示为

8、:(7-87-8)(7-97-9)(7-127-12)(7-117-11)(7-107-10).转向系统的角传动比转向系统的角传动比i i00 转向传动机构的角传动比转向传动机构的角传动比,可用转向摇臂轴转角增量可用转向摇臂轴转角增量d dPP与同侧转向节转角增量与同侧转向节转角增量d dkk之比来表示之比来表示,也可以近似地用转向节也可以近似地用转向节臂臂长臂臂长L L2 2与摇臂长与摇臂长L L1 1之比表示之比表示,即即:.转向器角传动比转向器角传动比i i及其变化规律及其变化规律(7-147-14)(7-137-13)齿条齿压力角变化简图转向器角传动比变化特性曲线7.2.3 7.2.3

9、 转向器传动副的传动间隙转向器传动副的传动间隙.转向器传动间隙特性转向器传动间隙特性.如何获得转向器传动间隙特性如何获得转向器传动间隙特性(7-157-15)转向器传动副间隙特性齿扇齿切齿轴线偏移的传动副径向间隙R及传动间隙t的示意图7.2.4 7.2.4 转向系统的刚度转向系统的刚度(7-167-16)转向系统刚度转向系统刚度s s,对轮胎的侧偏刚度影响很大。设不考虑对轮胎的侧偏刚度影响很大。设不考虑转向系统刚度时的轮胎侧偏刚度为转向系统刚度时的轮胎侧偏刚度为a a，而考虑转向系统刚度时的轮，而考虑转向系统刚度时的轮胎侧偏刚度为胎侧偏刚度为a a，则两者之间存在以下关系，则两者之间存在以下关

10、系:考虑转向系统刚度时的轮胎的侧偏刚度7.37.3机械式转向器方案设计机械式转向器方案设计7.3.1 7.3.1 齿轮齿条式转向器齿轮齿条式转向器四种形式的齿轮齿条式转向器横拉杆与齿条的连接齿轮齿条式转向器的四种布置形式形断面齿条形断面齿条7.3.2 7.3.2 循环球式转向器循环球式转向器循环球式转向器(循环球齿条齿扇式)循环球式转向器的几种间隙调整机构7.3.3 7.3.3 蜗杆滚轮式转向器蜗杆滚轮式转向器 蜗杆滚轮式转向器的传动副是球面蜗杆及滚轮。蜗杆滚轮式转向器的传动副是球面蜗杆及滚轮。7.3.4 7.3.4 蜗杆滚轮式转向器蜗杆滚轮式转向器 蜗杆曲柄指销式转向器的传动副是转向蜗杆及装

11、在摇臂轴蜗杆曲柄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，可分为固定指销式和旋转指曲柄端部的指销。根据指销能否自转，可分为固定指销式和旋转指销式。根据指销数量不同，又可分为单指销式和双指销式。销式。根据指销数量不同，又可分为单指销式和双指销式。7.47.4机械式转向器设计机械式转向器设计7.4.1 7.4.1 转向系统计算载荷的确定转向系统计算载荷的确定 推荐用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或者混推荐用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩凝土路面上的原地转向阻力矩,即即:作用在转向盘上的手力为作用在转向盘上的手力为:(7-

12、177-17)(7-187-18)7.4.2 7.4.2 齿轮齿条式转向器的设计齿轮齿条式转向器的设计齿轮齿条式转向系统角传动比齿轮齿条式转向系统角传动比i i00为为:(7-197-19)7.4.3 7.4.3 循环球式转向器的设计循环球式转向器的设计(7-207-20).循环球式转向器主要尺寸参数的选择循环球式转向器主要尺寸参数的选择)螺杆、钢球和螺母传动副螺杆、钢球和螺母传动副()钢球中心距钢球中心距()螺杆外径和螺母内螺杆外径和螺母内径径()钢球直径及数量钢球直径及数量()滚道截面滚道截面()接触角接触角()螺距和螺旋线导程角螺距和螺旋线导程角()工工作钢球圈数作钢球圈数()导管内径导

13、管内径每个环路中的钢球数可用下式确定每个环路中的钢球数可用下式确定:四段圆弧滚道截面螺母移动的距离为螺母移动的距离为:(7-217-21)(7-227-22)(7-237-23)螺杆、钢球和螺母传动副)齿条、齿扇传动副设计齿条、齿扇传动副设计用滚刀加工变厚齿扇的进给运动变厚齿扇的截面变厚齿扇的齿形计算用图.循环球式转向器零件的强度计算循环球式转向器零件的强度计算)钢球与滚道之间的接触应力钢球与滚道之间的接触应力螺杆受力简图)齿的弯曲应力齿的弯曲应力)转向摇臂轴直径的确定转向摇臂轴直径的确定(7-277-27)(7-267-26)(7-257-25)(7-247-24)7.57.5动力转向系统设

14、计动力转向系统设计7.5.1 7.5.1 对动力转向系统的要求对动力转向系统的要求()工作可靠。工作可靠。()有随动作用。有随动作用。()转向灵敏。转向灵敏。()良好的良好的“路感路感”。()具有自动回正能力。具有自动回正能力。()密封性能好，内、外泄漏少。密封性能好，内、外泄漏少。7.5.2 7.5.2 液压式动力转向机构布置方案分析液压式动力转向机构布置方案分析.动力转向机构布置方案动力转向机构布置方案 液压式动力转向机构液压式动力转向机构由储油罐、液压泵、转向分配由储油罐、液压泵、转向分配阀、转向动力缸、机械转向器阀、转向动力缸、机械转向器(齿轮齿条式或循环球式齿轮齿条式或循环球式)及油

15、及油管等组成。管等组成。动力转向机构布置方案图)整体式整体式)分置式分置式.分配阀的结构方案分配阀的结构方案 液压式动力转向的分配液压式动力转向的分配阀有滑阀式和转阀式两种结构方阀有滑阀式和转阀式两种结构方案，前者分配阀中的阀与阀体以案，前者分配阀中的阀与阀体以轴向移动方式来控制油路，后者轴向移动方式来控制油路，后者则以旋转运动来控制油路。则以旋转运动来控制油路。7.5.3 7.5.3 液压式动力转向机构的计算液压式动力转向机构的计算.动力缸主要尺寸的计算动力缸主要尺寸的计算)动力缸内径动力缸内径动力缸截面面积：动力缸截面面积：)活塞行程活塞行程)动力缸壳体壁厚度动力缸壳体壁厚度(7-327-

16、32)(7-317-31)(7-307-30)(7-297-29)(7-287-28)动力缸的布置确定动力缸长度尺寸简图.分配阀参数的选择分配阀参数的选择)分配阀的泄漏量分配阀的泄漏量)中间位置的液流流速中间位置的液流流速)滑阀进、出口油压差滑阀进、出口油压差预开隙(7-357-35)(7-347-34)(7-337-33).分配阀的复位弹簧分配阀的复位弹簧复位弹簧预压缩力的最小值，应大于转向器逆传动时的摩擦力。复位弹簧预压缩力的最小值，应大于转向器逆传动时的摩擦力。.动力转向器的评价指标动力转向器的评价指标)动力转向器的作用效能动力转向器的作用效能)液压式动力转向的路感液压式动力转向的路感)

17、转向灵敏度转向灵敏度)动力转向器的静特性动力转向器的静特性 转向灵敏度可以用转向盘转向灵敏度可以用转向盘行程与滑阀行程的比值行程与滑阀行程的比值i i来评价，来评价，即即:(7-367-36)静特性曲线分段示意图7.5.4 7.5.4 电控液压动力转向机构电控液压动力转向机构.电控液压动力转向机构的分类电控液压动力转向机构的分类.流量控制式电控液压动力转向机构流量控制式电控液压动力转向机构.油压反馈控制式电控液压动力转向机构油压反馈控制式电控液压动力转向机构油压反馈控制式电控液压动力转向的助力特性7.5.5 7.5.5 电动助力转向机构电动助力转向机构.电动助力转向机构的分类电动助力转向机构的

18、分类.电动液压式动力转向机构电动液压式动力转向机构.电动机直接助力式转向机构电动机直接助力式转向机构)电动机直接助力式转向机构的结构和工作原理电动机直接助力式转向机构的结构和工作原理)电动机直接助力式转向的特点电动机直接助力式转向的特点电动液压式动力转向的助力特性电动机直接助力式转向机构示意图)电动机直接助力式转向机构布置方案电动机直接助力式转向机构布置方案()转向轴助力式电动助力转向机构的电动机布置在靠近转向盘下转向轴助力式电动助力转向机构的电动机布置在靠近转向盘下方，并经蜗轮蜗杆机构与转向轴连接。方，并经蜗轮蜗杆机构与转向轴连接。()齿轮助力式电动助力转向机构的电动机布置在与转向器主动齿齿

19、轮助力式电动助力转向机构的电动机布置在与转向器主动齿轮相连的位置，并通过驱动主动齿轮实现助力。轮相连的位置，并通过驱动主动齿轮实现助力。()齿条助力式电动助力转向机构的电动机和减速机构等布置在齿齿条助力式电动助力转向机构的电动机和减速机构等布置在齿条处，并直接驱动齿条实现助力。条处，并直接驱动齿条实现助力。电动机直接助力式转向机构的布置方案)电动机直接助力式转向的助力特性电动机直接助力式转向的助力特性()转向轻便性与路感转向轻便性与路感路感强度为路感强度为:(7-377-37)(7-397-39)(7-407-40)(7-417-41)(7-427-42)(7-437-43)(7-447-44

20、)(7-387-38)()直线型助力特性直线型助力特性()车速感应型助力特性车速感应型助力特性车速感应型助力特性直线型助力特性曲线的斜率直线型助力特性曲线的助力区段7.67.6转向传动机构设计转向传动机构设计7.6.1 7.6.1 转向梯形机构的设计转向梯形机构的设计.整体式转向梯形机构整体式转向梯形机构 汽车中心线上的汽车中心线上的T T点，可点，可以计算得到梯形底角的余切值为以计算得到梯形底角的余切值为:整体式转向梯形几何参数初选简图(7-457-45)内、外轮转角的几何关系为内、外轮转角的几何关系为:(7-467-46)理想的转向梯形特性线图转向梯形的实际特性曲线.断开式转向梯形机构断开

21、式转向梯形机构 转向轮垂直方向相转向轮垂直方向相对汽车车身移动距离为对汽车车身移动距离为h h则上则上横臂端部横臂端部b b点、下横臂端部点、下横臂端部d d点和横拉杆的端部点和横拉杆的端部f f点在水平点在水平方向移动的距离分别近似为方向移动的距离分别近似为:横向位移分别是：横向位移分别是：独立悬架的断开式转向梯形双横臂独立悬架转向梯形横拉杆断开点(7-477-47)(7-487-48)(7-497-49)7.6.2 7.6.2 转向传动机构部件的设计转向传动机构部件的设计.球头销球头销 球头销常由于球面部分磨损而损坏，为此应验算接触应力球头销常由于球面部分磨损而损坏，为此应验算接触应力:(

22、7-507-50).转向拉杆转向拉杆 转向拉杆包括转向纵转向拉杆包括转向纵拉杆、横拉杆，应有较小的质拉杆、横拉杆，应有较小的质量和足够的刚度。量和足够的刚度。.转向摇臂转向摇臂 危险断面在摇臂根部，危险断面在摇臂根部，应按第三强度理论验算其强度。应按第三强度理论验算其强度。(7-517-51)转向摇臂受力图7.77.7转向操纵机构设计转向操纵机构设计7.7.1 7.7.1 转向盘的布置及尺寸转向盘的布置及尺寸 转向盘由轮毂、轮缘和轮幅构成转向盘由轮毂、轮缘和轮幅构成。若采用大直径的转向盘若采用大直径的转向盘，会使驾驶人进出驾驶室感到困难会使驾驶人进出驾驶室感到困难，若是采用小直径转向盘若是采用

23、小直径转向盘，则在转则在转向时要求驾驶人施加较大的力向时要求驾驶人施加较大的力。转向盘布置过高转向盘布置过高，会影响驾驶人对会影响驾驶人对道路和仪表板的观察视野道路和仪表板的观察视野，转向盘布置过低转向盘布置过低，则在操纵离合器、制则在操纵离合器、制动踏板时影响驾驶人腿部的动作动踏板时影响驾驶人腿部的动作。7.7.2 7.7.2 7.7.2 7.7.2 转向轴的防伤安全措施转向轴的防伤安全措施转向轴的防伤安全措施转向轴的防伤安全措施防伤转向传动轴简图防伤转向轴简图7.87.8转向减振器与转向系统结构元件设计转向减振器与转向系统结构元件设计7.8.1 7.8.1 转向减振器设计转向减振器设计转向

24、减振器的工作原理图转向减振器的示功图7.8.2 7.8.2 转向系统结构元件设计转向系统结构元件设计球接头结构简图7.97.9四轮转向与线控转向四轮转向与线控转向7.9.1 7.9.1 7.9.1 7.9.1 四轮转向四轮转向四轮转向四轮转向.四轮转向系统小转角控制四轮转向系统小转角控制)按照汽车横向加速度按照汽车横向加速度车速进行控制的车速进行控制的4WS4WS系统系统按横向加速度车速进行控制的 系的工作特性按横向加速度车速进行控制的 系统)按照前轮转角按照前轮转角车速进行控制的车速进行控制的4WS4WS系系统.四轮转向系统大转角控制四轮转向系统大转角控制)按照前轮转角进行控制的按照前轮转角

25、进行控制的4WS4WS系统系统)根据转角比根据转角比车速进行控制的车速进行控制的4WS4WS系统系统按前轮转角车速进行控制的4WS系统按照前轮转角进行控制的 系统的后轮转向机构的输入输出特性按照前轮转角进行控制的 系统的后轮转向机构原理图按前轮转角车速进行控制的 系统的后轮转角特性7.9.2 7.9.2 线控转向线控转向按转角比车速进行控制的 系统的工作特性线控转向系统组成示意图习题习题.转向系统的性能参数包括哪些？转向系统的性能参数包括哪些？各自是如何定义的各自是如何定义的？齿轮齿条式转向器的传动比的定义及变速比工作原理齿轮齿条式转向器的传动比的定义及变速比工作原理是什么？是什么？.何谓转向

26、器角传动比、转向传动机构角传动比和转向何谓转向器角传动比、转向传动机构角传动比和转向系统角传动比？系统角传动比？为同时满足转向省力和转向灵敏的要求为同时满足转向省力和转向灵敏的要求，应采取哪些措施？，应采取哪些措施？.目前在中级以下轿车和轻型货车上为什么大多采用齿目前在中级以下轿车和轻型货车上为什么大多采用齿轮齿条式转向器？轮齿条式转向器？.液压动力转向的助力特性与电动助力转向或电控液压液压动力转向的助力特性与电动助力转向或电控液压助力转向的助力特性之间有何区别？助力转向的助力特性之间有何区别？车速感应型的助力车速感应型的助力特性具有什么特点和优缺点？特性具有什么特点和优缺点？.简述电动助力转向系统的结构和工作原理，其转向机简述电动助力转向系统的结构和工作原理，其转向机构的布置方案有哪些？构的布置方案有哪些？