微型汽车循环球式转向器设计[三维proe]【4张CAD图纸和毕业论文全套】
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目 录摘要1Abstract2第一章 绪论.31.1简介31.2课题目的与意义41.3循环球式转向器的发展史41.4循环球式转向器的前景与市场71.5本课题研究的难点7第二章 汽车转向器的组成与分类.92.1汽车转向器的类型与组成92.1.1 机械式转向系10 2.1.2 动力转向器转向系11第三章 转向系设计概述.123.1对转向系的要求123.2转向传动机构133.3转向器143.4转角及最小转弯半径14第四章 汽车转向器的组成与分类.174.1齿轮齿条式转向器174.2循环球式转向器184.3蜗杆滚轮式转向器194.4蜗杆指销式转向器19第五章 转向系的主要性能参数.215.1转向系的效率215.1.1 转向系的正效率215.1.2 转向系的逆效率215.2传动比变化特性225.2.1 转向系传动比225.2.2 力传动比与转向系角传动比的关系235.2.3 转向器角传动比的选择245.3转向器传动副的传动间隙245.4转向盘的总转动圈数25第六章 转向器的设计计算.266.1转向系计算载荷的确定266.2转向器设计266.2.1 参数的选取266.2.2 计算参数276.3 循环球式转向器零件强度计算276.3.1 钢球与滚道之间的接触应力276.3.2 转向摇臂直径的确定28第七章 汽车转向器的组成与分类.297.1对动力转向机构的要求297.2液压式动力转向机构的计算297.2.1 动力缸尺寸计算297.2.2 分配阀的参数选择与设计计算307.3动力转向的评价指标32第八章 转向器传动机构设计.358.1转向传送机构的臂、杆与球销358.2 杆件设计结果35结论 37致谢 38参考文献 39英文翻译 4050摘 要汽车转向器是汽车的重要组成部分,也是决定汽车主动安全性的关键总成,它的质量严重影响汽车的操纵稳定性。随着汽车工业的发展,汽车转向器也在不断的得到改进,虽然电子转向器已开始应用,但机械式转向器仍然广泛地被世界各国汽车及汽车零部件生产厂商所采用。而在机械式转向器中,循环球齿条-齿扇式转向器由于其自身的特点被广泛应用于各级各类汽车上。本文的主要内容:汽车转向器的组成分类;转向器总成方案分析及其数据确定和转向器的设计过程。这种转向器的优点是,操纵轻便,磨损小,寿命长。缺点是结构复杂,成本高,转向灵敏度不如齿轮齿条式。因此逐渐被齿轮齿条式取代。但随着动力转向的应用,循环球式转向器近年来又得到广泛使用。关键词;转向器 操纵稳定性 循环球齿条-齿扇式转向器 AbstractGear cars an important component of the initiative is decided automobile safety of the key assembly, It seriously affected the quality of the vehicle handling and stability. Along with the development of the auto industry, automobile steering gear is continuously improved, although the electronic steering gear has begun to use But mechanical steering gear is still widely been world motor vehicles and parts manufacturers adopted. And the mechanical steering gear, Rack cycle ball-type steering gear tooth fans as its own characteristics has been widely used in various types vehicles. The graduation design options main contents are : automotive steering gear components classification; assembly was to program analysis and data to identify and steering gear design process.The advantage of such steering gear, and manipulating light, wear and tear, long life. The disadvantage is that the structure is complicated and costly, than steering rack and pinion sensitivity. Therefore gradually being replaced by rack and pinion. However, with the power steering applications, the ball-type steering gear cycle and are widely used in recent years.Keywords; Diverter Ball handling and stability Cycle rack-type steering gear diverter 第一章 绪 论1.1.简介循环球式转向器的英文名称是Recirculating Ball Steering Gear。循环球式转向器由两对传动副组成,一对是螺杆、螺母,另一对是齿条、齿扇或曲柄销。在螺杆和螺母之间装有可循环滚动的钢球,使滑动摩擦变为滚动摩擦,从而提高了传动效率。循环球式:这种转向装置是由齿轮机构将来自转向盘的旋转力进行减速,使转向盘的旋转运动变为涡轮蜗杆的旋转运动,滚珠螺杆和螺母夹着钢球啮合,因而滚珠螺杆的旋转运动变为直线运动,螺母再与扇形齿轮啮合,直线运动再次变为旋转运动,使连杆臂摇动,连杆臂再使连动拉杆和横拉杆做直线运动,改变车轮的方向,这是一种古典的机构,现代轿车已大多不再使用,但又被最新方式的助力转向装置所应用。它的原理相当于利用了螺母与螺栓在旋转过程中产生的相对移动,而在螺纹与螺纹之间夹入了钢球以减小阻力,所有钢球在一个首尾相连的封闭的螺旋曲线内循环滚动,循环球式故而得名 这种转向器的优点是,操纵轻便,磨损小,寿命长。缺点是结构复杂,成本高,转向灵敏度不如齿轮齿条式。因此逐渐被齿轮齿条式取代。但随着动力转向的应用,循环球式转向器近年来又得到广泛使用。转向器按结构形式可分为多种类型。历史上曾出现过许多种形式的转向器,目前较常用的有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、循环球曲柄指销式、蜗杆滚轮式等。在当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录中,汽车关键零部件开发和制造被列为重点扶持的项目,国家计委和科技部也将汽车关键零部件划入当前国家优先发展的高技术产业化重点领域,所以,具有先进水平的汽车转向器的研发、生产将会得到有力的政策支持。随着全球汽车工业的迅速发展,汽车的需求量大幅攀升,汽车制造已向发展中国家转移。随着国际上汽车行业开始实行零部件“全球化采购”策略及国际跨国汽车企业推行本土化策略,国内汽车市场将出现巨大的零部件配件缺口。到2010年,中国汽车零部件国内产值将突破1万亿元,市场前景广阔。按照汽车零部件工业“十五”发展目标,到2005年中国汽车保有量为21982315万辆,其中轿车843860万辆。当年汽车需求量为:271310万辆,其中轿车110121万辆,汽车工业增加值占GDP的1%左右,汽车零部件工业产值将占汽车工业总产值的25%左右。因此作为关键零部件的汽车转向器在中国销售市场上前景广阔。“十五”期间,我国机动车行业包括汽车、农用车、工程机械等将发展成为国民经济的支柱产业,汽车转向器是符合国家重点扶持和优惠政策的汽车关键零部件,是汽车重要的保安件之一。1.2.课题的目的与意义用来改变或保持汽车行驶或倒退方向的一系列装置称为汽车转向系统汽车转向系统的功能就是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向。汽车转向系统对汽车的行驶安全至关重要,因此汽车转向系统的零件都称为保安件。 随着汽车工业的迅速发展,转向装置的结构也有很大变化。汽车转向器的结构很多,从目前使用的普遍程度来看,循环球式转向器已成为当今世界汽车上主要应用的转向器之一,本文针对微型汽车进行循环球式转向器的设计与研究。1.3循环球式转向器的发展史100多年前,汽车刚刚诞生后不久,其转向操作是模仿马车和自行车的转向方式,用一个操纵杆或手柄来使前轮偏转实现转向的。由于操纵费力且不可靠,以致时常发生车毁人亡的事故。 第一辆不用马拉的四轮汽车问世时,它已经吧前桥和前轮组成为了一总成。该总成别安装在枢轴上,可以绕前桥中心的一个点转动,利用一个杆柱连接前桥的中点,通过地板往上延伸,转向盘就紧固再杆柱上端,以此操纵汽车。这种装置在汽车车速不超过马车的速度时,还是很好用的,但当车速提高后,驾驶员就要求提高转向的准确性,以减少轮胎的磨损,延长轮胎的使用寿命。后来他们发现,正在探索的这种理论在1817年就已经呗阐明了。 1817年,德国人林肯斯潘杰提出了类似于现代汽车的将前轮用转向节与前梁连接方式。(即改进转向器的想法)。他研制了一种允许汽车前轮在主轴上独立回转的结构把车轮与转向节连接起来,转向节又用可转动的销轴与前轴连接,从而发明了转向梯形机构,并与第二年将其向英国政府申请专利的权力转让给了出版商、英籍德国人阿克曼。不久,阿曼克向英国专利局申请了“平行连杆式转向机构”专利。 1879年,法国四轮马车制造商杰特发明了第一个平行四边形转向联动机构。杰特的转向机构可以把转向中心点移向两侧。他把一根杆子与带有两个连接臂的转向节相连。当时称为转向臂和随动臂。杰特把转向柱的一端与转向臂连接,当转动转向柱时,通过转向臂和随动臂、横拉杆和车轮轴转动车轮,实现汽车转向。 1857年,英国的达吉恩蒸汽汽车是第一辆采用转向盘来实现汽车转向的机动车辆。 1872年苏格兰的查理士第一个把转向盘安装到煤气发动机车辆上。此前,想把转向盘安装到车辆上的多次尝试均未得到认可。 1878年,“现代汽车之父”、德国的卡尔本茨在他的三轮乘坐车上首次采用了所谓的齿轮齿条式转向器,但却考一根操纵杆来控制汽车行使方向。 1886年,英国的弗雷德里克斯特里克兰说服了他的朋友、汽车制造商雷克,把一个用于轮船上的转向柱和转向盘装到了一辆新的戴姆勒弗顿敞蓬车上。斯特里克是以建造蒸汽机船为职业的,德雷克则是戴姆勒英国公司的领导人。后来,向大西洋两岸销售的每一辆戴姆勒弗顿汽车都装上了舵柄(转向盘)。早期的那些试验,包括戴姆勒弗顿敞篷汽车上的转向器都已消亡,因为高踞在垂直转向柱上短的转向盘的高度几乎已达到驾驶员眼睛的位置,因此,对任何一个人来说,驾驶这种车辆都会感到困难。 汽车转向盘是关系着驾驶员与乘客生命安危的重要部件,它控制着车辆的行使方向。早期的蒸汽汽车上安装的转向盘都心爱用垂直安装方式,专项通过向上或下旋转实现。这种安装方式不利于驾驶员操纵,也常常妨碍驾驶视线。这一切在1887年秋因一次意外事故而发生了改变。1887年,一辆戴姆勒弗顿汽车呗送往英国考文垂的戴姆勒工厂作一次大修,当时汽车上的转向器仍能使用。大修需要把 车身与底盘分离,当车身落到转向柱上,把转向柱崖城倾斜状态。当一个工人上车做到驾驶员座位上时,立即发现转向柱和转向盘的倾斜角使驾驶条件大为改善。这个偶然的发现,促成了戴妙勒帕利生于1890年制成世界上第一辆转向柱与转向盘倾斜的汽车,从此,人类的汽车驾驶就踏上了更舒适、安全的旅程。此后,各国汽车公司纷纷效仿,使转向盘日臻完善并最终定性,于是转向盘就以现在的样子出现在我们的面前。 最早采用的传动减速机构蜗轮副,被安装在转向柱的末端。蜗杆驱动一个蜗轮,再有蜗轮副被装配在铸铁壳里,这个壳被固定在汽车的大桥梁上。基于蜗轮副的减速机构在汽车工业中应用已有很多年了,但还有两种结构是值得注意的。其中一种是于1908年投产的美国福特T型车采用的转向齿轮结构(行星齿轮转向器)。福特T型车装置了一套周转(或行星)轮系,把齿轮安装在减速器壳体内直接固定到转向盘的下方,行星齿轮盘直接驱动紧固在转轴上的主齿轮。这就把转向装置置于驾驶员的手下方,即转向柱的上端,而不是在转向柱的下端。 所谓“现在”齿轮齿条式转向器,是奔驰汽车于1885年首先采用的。这种形式的转向器同样也使用在1905年生产的凯迪拉克汽车和19111920年制造的许多其他型式的汽车上。 在20世纪初,汽车已经是一个沉重而又高速疾驰的车辆,充气轮胎代替了实心车轮。由于转向柱直接于转向节连接,所以转动车轮式很费劲的。即使是一个健壮的驾驶员,要控制转向仍然是很劳累的事情。因此,汽车常常冲出路外。于是,降低转向操纵力的问题就变得赐教迫切了。 为了使转向操纵轻便,工程师设计了在转向盘和转向节之间安装齿轮减速机构的转向器。从那时起,转向机构就一直被这样沿用下来。 从1903年开始,助力辅助转向机构不断出现,多数是用在可车上。助力辅助转向机构中,有一些采用真空助力,还有一些是采用压缩空气助力。 1905年出版的汽车时代杂志谈到了哥伦比亚汽车的助力转向器。据说这总简单的装置在车速为29公里/小时时,仍能使汽车保持不偏离路线。 1923年,美国底特律市的亨利马尔斯为了减少蜗轮副和滚动轴之间的接触摩擦力,在两者之间接触处放置滚珠支撑,这就出现了滚珠蜗轮转向器。这种型式的转向器就成为现在大家所熟知的循环球式转向器,目前仍被广泛地应用在美国和日本制造的汽车上。 1928年,弗朗西斯戴维斯所研制成功并首次应用了液压助力辅助转向器。这种转向器由维克斯公司制造,该公司并制定了此项标准,26后为汽车工业所采纳。第二次世界大战时期,汽车转向虽然采用了转向器,但对其实施操纵仍然不是一键轻松的事。当汽车质量增大、转向费劲时,驾驶员要求能有更好的办法来解决,这才重新推广了一种已经大约有3/4个世纪历史的助力辅助转向器。 1954年,凯迪拉克汽车公司首先把液压助力转向器应用于汽车上,助力专项的历史又回到了以前的道路。 早在第二次世界大战期间,较高级的助力转向系统就开始应用于各种军用车辆。20世纪50年代初期,由于出现了重型的汽车以及速度很高的高级小客车,指靠转向器本身的结构,既要是汽车转向操纵省力,又要灵活,显然已难以兼顾,于是把战争时期使用的助力转向器经过改进,使用在了中型汽车和高级小客车上。后来,因为得到普遍使用,在20世纪50年代末就研制出了质量小、结构紧凑、自行润滑的助力转向器。这种助力转向器使转向操纵十分省力,只要适当选择转向器传动比,就可以同时满足转向灵敏的要求。 1967年,美国的汤姆森制造了一辆四轮专项的印迪赛车,但未进行实际使用。 1981年,日本研制出能原地转向的汽车。他们在车身尾部下边装设了一直横向小车轮,只需按一下电钮就可使小车轮落地并把后轮抬起,在转动横向小车轮,汽车变以前轮为中心原地转向。 1985年,日本丰田公司的克雷西达汽车成了第一个采用计算机控制辅助转向系统的汽车产品,丰田公司称此系统为先进的动力齿轮齿条转向系。该机构在变速器力有个传感器,它可以监视车辆车速度,把信号输入计算机,计算机再根据此信号控制电磁液流控制阀,通过液压系统供给转向齿条高压动力油流。汽车在公路上高速行使使,转向需要的动力需要的动力较少,计算机液流控制阀降低油压,同时把转向器稳住,当停车或汽车低速行驶转向时,计算机液流控制阀提高油流压力,这就使得驾驶员很容易操纵转向盘。 1986年10月8日,日本本田汽车公司宣布,已研制出一种被称为4WS的四轮转向汽车。汽车转向盘转动的角度首先使前轮转向,同时经输出轴带动后转向机,使后轮与前轮同向或反向转动。现在,动力转向系统已成为一些轿车的标准设置,全世界约有一半的轿车采用动力转向。随着汽车电子技术的发展,目前一些轿车已经使用电动助力转向器,使汽车的经济性、动力性和机动性都有所提高。电动助力转向系统的英文缩写叫“EPS”(Electrical Power Steering),它利用电动机产生的动力协助驾车者进行转向。此类系统一般由转矩传感器(3)、电控单元(微处理器)(5)、电动机(4)、减速器(2)、机械转向器(1)和蓄电池电源(6)所组成。1.4循环球式转向器的前景与市场不过,随着转向助力技术的广泛应用,齿轮齿条式转向器很快后来居上,因为它的结构更简单从而更利于安装助力装置,另外,和循环球式转向器相比,齿轮齿条式转向器的转向更直接,反馈也更灵敏,这在强调路感的运动风格乘用车上更受欢迎,但对于经常在复杂路况上驾驶的越野车来说,循环球式转向器倒是更加安全也更加皮实,比如奔驰G级、吉普牧马人,以及过去的大小切诺基、丰田巡洋舰、三菱帕杰罗等等。 在中、大型商用汽车上循环球式转向器还扮演着重要角色,但是在小型乘用车当中,采用循环球式转向器的已经越来越少了,就连一直坚持用循环球转向的奔驰也逐步转变为齿轮齿条。1.5本课题研究的难点循环球式转向器主要由螺杆、螺母、转向器壳体以及许多小钢球等部件组成,所谓的循环球指的就是这些小钢球,它们被放置于螺母与螺杆之间的密闭管路内,起到将螺母螺杆之间的滑动摩擦转变为阻力较小的滚动摩擦的作用,当与方向盘转向管柱固定到一起的螺杆转动起来后,螺杆推动螺母上下运动,螺母在通过齿轮来驱动转向摇臂往复摇动从而实现转向。在这个过程当中,那些小钢球就在密闭的管路内循环往复的滚动,所以这种转向器就被称为循环球式转向器。相比齿轮齿条式转向器,循环球式转向器由于更多依靠滚动摩擦,所以具有较高的传动效率,操纵起来比较请便舒适,机械部件的磨损较小,使用寿命相对较长,因此如何提高传动效率、减小部件磨损是我要考虑的重要问题。第二章 汽车转向系的组成及分类2.1汽车转向系的类型和组成汽车转向系可按转向能源的不同分为机械式转向系和动力转向系两大类。汽车转向器是用来保持或改变汽车形式方向的机构,在汽车转向行使时,还要保证各转向轮之间有协调的转角关系。驾驶员通过操纵转向系统,使汽车保持直线或转弯运动状态,或者上述两种运动状态相互转换。机械转向系的能量来源是人力,所有传力件都是机械的,由转向操纵机构(方向盘)、转向器、转向传动机构三大部分组成。其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动(严格讲是近似直线运动)的机构,是转向系的核心部件。 动力转向系除具有以上三大部件外,其最主要的动力来源是转向助力装置。由于转向助力装置最常用的是一套液压系统,因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐,它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电机和地线的作用。 转向操纵机构 转向盘即通常所说的方向盘。转向盘内部有金属制成的骨架,是用钢、铝合金或镁合金等材料制成。由圆环状的盘圈、插入转向轴的转向盘毂,以及连接盘圈和盘毂的辐条构成。采用焊接或铸造等工艺制造,转向轴是由细齿花键和螺母连接的。骨架的外侧一般包有柔软的合成橡胶或树脂,也有采用皮革包裹以及硬木制作的转向盘。转向盘外皮要求有某种程度的柔软度,手感良好,能防止手心出汗打滑的材质,还需要有耐热、耐候性。 转向盘的功能:转向盘位于司机的正前方,是碰撞时最可能伤害到司机的部件,因此需要转向盘具有很高的安全性,在司机撞在转向盘上时,骨架能够产生变形,吸收冲击能,减轻对司机的伤害。转向盘的惯性力矩也是很重要的,惯性力矩小,我们就会感到“轮轻”,操做感良好,但同时也容易受到转向盘的反弹(即“打手”)的影响,为了设定适当的惯性力矩,就要调整骨架的材料或形状等。 现在的转向盘与以前的看似没有太大变化,但实际上已经有了改进。由于转向助力装置的普及,转向盘外径变小了,而手握处却变粗了,采用柔软材料,使操作感得到了改善。 现在有越来越多的汽车在转向盘里安装了安全气囊,也使汽车的安全性大大提高了。转向盘的集电环:转向盘上有喇叭开关,必须时刻与车身电器线路相连,而旋转的转向盘与组合开关之间显然不能用导线直接相连,因此就必须采用集电环装置。集电环好比环形的地铁轨道,喇叭开关的触点就象奔跑在轨道上的电车,时刻保持接通的状态。由于是机械接触,长时间使用触点会因磨损影响导电性,导致紧急时刻喇叭不鸣甚至气囊不工作。因此,最近装备气囊的汽车开始装用电缆盘,代替集电环。 转向盘的端子与组合开关的端子用电缆线连接,电缆盘将电线卷入盘内,类似于吸尘器的电线卷取机构,在转向盘旋转范围内,电线*卷筒自由伸缩。2.1.1 机械式转向系机械式转向器的能量来源是人力,所有传力件都是机械的,由转向操纵机构(方向盘)、转向器、转向传动机构三大部分组成。其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动(严格讲是近似直线运动)的机构,是转向系的核心部件。这种转向器有两对传动副组成,一对是螺杆、螺母,另一对是齿条、齿扇或曲柄销。在螺杆和螺母之间装有可循环滚动的钢球,使滑动摩擦变为滚动摩擦,从而提高了传动效率。 这种转向器的优点是,操纵轻便,磨损小,寿命长。缺点是结构复杂,成本高,转向灵敏度不如齿轮齿条式。因此逐渐被齿轮齿条式取代。但随着动力转向的应用,循环球式转向器近年来又得到广泛使用。当汽车转向时,驾驶员对转向盘施加一个转向力矩。该力矩通过转向轴、转向万向节、和转向传动轴输入转向器。经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向摇臂,再通过转向直拉杆传给固定于左转向节上的转向节臂,使左转向节和它所支撑的左转向轮偏转。从转向盘到转向传动轴这一系列零件和部件,均属于转向操纵机构。有转向摇臂至转向梯形这一系列零件和部件(不含转向节),均属于转向传动机构。目前较常用的机械式转向器有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、蜗杆滚轮式等。其中第二、第四种分别是第一、第三种的变形形式,而蜗杆滚轮式则更少见。方向盘转动使方向机蜗杆转动、涡杆与蜗轮咬合(也有循环球咬合的)涡轮轴带动方向机摇臂前后摆动,方向机摇臂通过球头销与竖拉杆相连、竖拉杆另一端与左前轮轴头摇臂相连,轴头摇臂通过立销(主销)与前桥相连,摇臂前后摆动就可使车轮轴头(沿主销)左右转向了,左前轮通过横拉杆与右车轮相连,这样转动方向盘就可以让左右前轮同时转向了2 汽车行驶中经常需要改变行驶方向,即所谓的转向,这就需要有一套能够按照司机意志使汽车转向的机构,它将司机转动方向盘的动作转变为车轮(通常是前轮)的偏转动作。按转向力能源的不同,可将转向系分为机械转向系和动力转向系。机械转向系的能量来源是人力,所有传力件都是机械的,由转向操纵机构(方向盘)、转向器、转向传动机构三大部分组成。其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动(严格讲是近似直线运动)的机构,是转向系的核心部件。动力转向系除具有以上三大部件外,其最主要的动力来源是转向助力装置。由于转向助力装置最常用的是一套液压系统,因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐,它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电机和地线的作用。2.1.2 动力转向器动力转向器是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系。在正常情况下,汽车转向所需的能量,只有一小部分由驾驶员提供,而大部分是由发动机通过转向加力装置提供的。但在转向加力装置失效时,一般还应当能由驾驶员独立承担汽车转向任务。因此,动力转向器是在机械转向器的基础上加设一套转向加力装置而形成的。动力转向器除具有以上三大部件外,其最主要的动力来源是转向助力装置。由于转向助力装置最常用的是一套液压系统,因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐,它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电机和地线的作用。转向助力装置有以下几种:(1)液压式动力转向装置(2)电动式动力转向装置(3)电动液压式动力转向装置第三章. 转向系设计概述3.1对转向系的要求3 1)汽车转弯行驶时,全部车轮应绕瞬时转向中心旋转,任何车轮不应有侧滑。不满足这项要求会加速轮胎磨损,并降低汽车的行驶稳定性。2)汽车转向行驶时,在驾驶员松开转向盘的条件下,转向轮能自动返回到直线行驶位置,并稳定行驶。3)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。4)转向传动机构和悬架导向装置共同工作时,由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小。5)保证汽车有较高的机动性,具有迅速和小转弯行驶能力。6)操纵轻便。7) 转向轮碰撞到占该物以后,传给转向盘的反冲力要尽可能小。8) 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。9) 在车祸中,当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时,转向系应有能使驾驶员免遭或减轻上海的防伤装置。10) 进行运动校核,保证转向轮与转向盘转动方向一致。3.2转向操纵机构转向操纵机构包括转向盘,转向轴,转向管柱。有时为了布置方便,减小由于装置位置误差及部件相对运动所引起的附加载荷,提高汽车正面碰撞的安全性以及便于拆装,在转向轴与转向器的输入端之间安装转向万向节,如图2-1。采用柔性万向节可减少传至转向轴上的振动,但柔性万向节如果过软,则会影响转向系的刚度。采用动力转向时,还应有转向动力系统。但对于中级以下的轿车和前轴负荷不超过3t的载货汽车,则多数仅在用机械转向系统而无动力转向装置。图3-1转向操纵机构1-方向盘;2-转向轴;3-橡胶垫;4-转向柱管支架;5-转向柱管支座;6-转向操纵机构支架;7-转向轴限位弹簧;8-上万向节;9-转向传动轴;10-花键防护套;11-下万向节;12-转向柱管;5-转向节衬套。3.2转向传动机构4转向传动机构包括转向臂、转向纵拉杆、转向节臂、转向梯形臂以及转向横拉杆等。(见图3-2)转向传动机构用于把转向器输出的力和运动传给左、右转向节并使左、右转向轮按一定关系进行偏转。图3-2 转向传动机构1-转向摇臂;2-转向纵拉杆;3-转向节臂;4-转向梯形臂;5-转向横拉杆3.3转向器5机械转向器是将司机对转向盘的转动变为转向摇臂的摆动(或齿条沿转向车轴轴向的移动),并按一定的角转动比和力转动比进行传递的机构。机械转向器与动力系统相结合,构成动力转向系统。高级轿车和重型载货汽车为了使转向轻便,多采用这种动力转向系统。采用液力式动力转向时,由于液体的阻尼作用,吸收了路面上的冲击载荷,故可采用可逆程度大、正效率又高的转向器结构。为了避免汽车在撞车时司机受到的转向盘的伤害,除了在转向盘中间可安装安全气囊外,还可在转向系中设置防伤装置。为了缓和来自路面的冲击、衰减转向轮的摆振和转向机构的震动,有的还装有转向减振器。多数两轴及三轴汽车仅用前轮转向;为了提高操纵稳定性和机动性,某些现代轿车采用全四轮转向;多轴汽车根据对机动性的要求,有时要增加转向轮的数目,制止采用全轮转向 。3.4转角及最小转弯半径汽车的机动性,常用最小转弯半径来衡量,但汽车的高机动性则应由两个条件保证。即首先应使左、右转向轮处于最大转角时前外轮的转弯值在汽车轴距的22.5倍范围内;其次,应这样选择转向系的角传动比,即由转向盘处于中间的位置向左或右旋转至极限位置的总旋转全书,对轿车应不超过1.8圈,对货车不应超过3.0圈。两轴汽车在转向时,若不考虑轮胎的侧向偏离,则为了满足上述对转向系的第(2)条要求,其内、外转向轮理想的转角关系如图3-3所示,由下式决定: (3-1)式中:外转向轮转角; 内转向轮转角; K两转向主销中心线与地面交点间的距离; L轴距内、外转向轮转角的合理匹配是由转向梯形来保证。图3-3 理想的内、外转向轮转角间的关系汽车的最小转弯半径与其内、外转向轮在最大转角与、轴距L、主销距K及转向轮的转臂a等尺寸有关。在转向过程中除内、外转向轮的转角外,其他参数是不变的。最小转弯半径是指汽车在转向轮处于最大转角的条件下以低速转弯时前外轮与地面接触点的轨迹构成圆周的半径。可按下式计算: (3-2)通常为3540,为了减小值,值有时可达到45操纵轻便型的要求是通过合理地选择转向系的角传动比、力传动比和传动效率来达到。对转向后转向盘或转向轮能自动回正的要求和对汽车直线行驶稳动性的要求则主要是通过合理的选择主销后倾角和内倾角,消除转向器传动间隙以及选用可逆式转向器来达到。但要使传递到转向盘上的反向冲击小,则转向器的逆效率有不宜太高。至于对转向系的最后两条要求则主要是通过合理地选择结构以及结构布置来解决。转向器及其纵拉杆与紧固件的称重,约为中级以及上轿车、载货汽车底盘干重的1.0%1.4%;小排量以及下轿车干重的1.5%2.0%。转向器的结构型式队汽车的自身质量影响较小。第四章. 机械式转向器方案分析4.1齿轮齿条式转向器6齿轮齿条式转向器由与转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。与其他形式的转向器比较,齿轮齿条式转向器最主要的优点是:结构简单、紧凑;壳体采用铝合金或镁合金压铸而成,转向器的质量比较小;传动效率高达90%;齿轮与齿条之间因磨损出现间隙以后,利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧。能自动消除齿间间隙,这不仅可以提高转向系统的刚度。还可以防止工作时产生冲击和噪声;转向器占用的体积小;没有转向摇臂和直拉杆,所以转向轮转角可以增大;制造成本低。齿轮齿条式转向器的主要缺点是:因逆效率高,汽车在不平路面上行驶时,发生在转向轮与路面之间冲击力的大部分能传至转向盘,称之为反冲。反冲现象会使驾驶员精神紧张,并难以准确控制汽车行驶方向,转向盘突然转动又会造成打手,同时对驾驶员造成伤害。根据输入齿轮位置和输出特点不同,齿轮齿条式转向起有四种形式: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。采用侧面输入,中间输出方案时,与齿条连的左,右拉杆延伸到接近汽车纵向对称平面附近。由于拉杆长度增加,车轮上、下跳动时拉杆摆角减小,有利于减少车轮上、下跳动时转向系与悬架系的运动干涉。拉杆与齿条用螺栓固定连接,因此,两拉杆那与齿条同时向左或右移动,为此在转向器壳体上开有轴向的长槽,从而降低了它的强度。采用两端输出方案时,由于转向拉杆长度受到限制,容易与悬架系统导向机构产生运动干涉。侧面输入,一端输出的齿轮齿条式转向器,常用在平头货车上。容易齿轮齿条式转向器采用直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合,则运转平稳降低,冲击大,工作噪声增加。此外,齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角只能是直角,为此因与总体布置不适应而遭淘汰。采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条式转向器,重合度增加,运转平稳,冲击与工作噪声均下降,而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满足总体设计的要求。因为斜齿工作时有轴向力作用,所以转向器应该采用推力轴承,使轴承寿命降低,还有斜齿轮的滑磨比较大是它的缺点。齿条断面形状有圆形、V形和Y形三种。圆形断面齿条的制作工艺比较简单。V形和Y形断面齿条与圆形断面比较,消耗的材料少,约节省20%,故质量小;位于齿下面的两斜面与齿条托座接触,可用来防止齿条绕轴线转动;Y形断面齿条的齿宽可以做得宽些,因而强度得到增加。在齿条与托座之间通常装有用减磨材料(如聚四氟乙烯)做的垫片,以减少滑动摩擦。当车轮跳动、转向或转向器工作时,如在齿条上作用有能使齿条旋转的力矩时,应选用V形和Y形断面齿条,用来防止因齿条旋转而破坏齿轮、齿条的齿不能正确啮合的情况出现。为了防止齿条旋转,也有在转向器壳体上设计导向槽的,槽内嵌装导向块,并将拉杆、导向块与齿条固定在一起。齿条移动时导向块在导向槽内随之移动,齿条旋转时导向块可防止齿条旋转。要求这种结构的导向块与导向槽之间的配合要适当。配合过紧会为转向和转向轮回正带来困难,配合过松齿条仍能旋转,并伴有敲击噪声。根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同,齿轮齿条式转向器在汽车上有四种布置:形式转向器位于前轴后方,后置梯形;转向器位于前轴后方,前置梯形;转向器位于前轴前方,后置梯形;转向器位于前轴前方,前置梯形。齿轮齿条式转向器广泛应用于乘用车上。载质量不大,前轮采用独立悬架的货车和客车有些也用齿轮齿条式转向器。4.2循环球式转向器循环球式转向器有螺杆和螺母共同形成的落选槽内装钢球构成的传动副,以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成,如图3-1所示。图4-1 循环球式转向器示意图循环球式转向器的优点是:在螺杆和螺母之间因为有可以循环流动的钢球,将滑动摩擦转变为滚动摩擦,因而传动效率可以达到75%85%;在结构和工艺上采取措施后,包括提高制造精度,改善工作表面的表面粗糙度和螺杆、螺母上的螺旋槽经淬火和磨削加工,使之有足够的使用寿命;转向器的传动比可以变化;工作平稳可靠;齿条和齿扇之间的间隙调整工作容易进行,(图4-2);适合用来做整体式动力转向器。图4-2 循环球式转向器的间隙调整机构循环球式转向器的主要缺点是:逆效率高,结构复杂,制造困难,制造精度要求高。循环球式转向器主要用于商用车上。4.3 蜗杆滚轮式转向器蜗杆滚轮式转向器由蜗杆和滚轮啮合而构成。主要优点是:结构简单;制造容易;因为滚轮的齿面和蜗杆上的螺纹呈面接触,所以有比较高的强度,工作可靠,磨损小,寿命长;逆效率低。蜗杆滚轮式转向器的主要缺点是:正效率低;工作齿面磨损以后,调整啮合间隙比较困难;转向器的传动比不能变化。这种转向器曾在汽车上广泛使用过。4.4蜗杆指销式转向器蜗杆指销式转向器的销子如不能自转,称为固定销式蜗杆指销式转向器;销子除随同摇臂轴转动外,还能绕自身州县转动的,称为旋转销式转向器。根据销子数量不同,又有单销和双销之分。蜗杆指销式转向器的优点是:转向器的传动比可以做成不变的或者变化的;指销和蜗杆之间的工作面磨损后,调整间隙工作容易进行。固定销蜗杆指销式转向器的结构简单、制造容易;但是因销子不能自转,销子的工作部位基本保持不变,所以磨损快、工作效率低。旋转销式转向器的效率高、磨损慢,但结构复杂。要求摇臂轴有较大的转角时,应该采用双销式结构。双销式转向器在直线行驶区域附近,两个销子同时工作,可降低销子上的负荷,减少磨损。当一个销子脱离啮合状态是,另一个销子要承受全部作用力,而恰恰在此位置,作用力达到最大值,所以设计师要注意核算其强度。双销与单销蜗杆指销式转向器比较,结构复杂、尺寸和质量大,并且对两主销间的位置精度、蜗杆上螺纹槽的形状及尺寸精度等要求高。此外,传动比的变化特性和传动间隙特性的变化受限制。蜗杆指销式转向器应用较少。第五章.转向系的主要性能参数5.1转向系的效率功率从转向轴输入,经转向摇臂轴输出所求得的效率称为转向器的正效率,用符号表示,;反之称为逆效率,用符号表示。 正效率计算公式: (5-1) 逆效率计算公式: (5-2) 式中, 为作用在转向轴上的功率;为转向器中的磨擦功率;为作用在转向摇臂轴上的功率。 正效率高,转向轻便;转向器应具有一定逆效率,以保证转向轮和转向盘的自动返回能力。但为了减小传至转向盘上的路面冲击力,防止打手,又要求此逆效率尽可能低。 影响转向器正效率的因素有转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等。 5.1.1转向器的正效率 影响转向器正效率的因素有转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等。 (1)转向器类型、结构特点与效率 在四种转向器中,齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高,而蜗杆指销式特别是固定销和蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显的低些。同一类型转向器,因结构不同效率也不一样。如蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支持轴之间的轴承可以选用滚针轴承、圆锥滚子轴承和球轴承。选用滚针轴承时,除滚轮与滚针之间有摩擦损失外,滚轮侧翼与垫片之间还存在滑动摩擦损失,故这种轴向器的效率+仅有54%。另外两种结构的转向器效率分别为70%和75%。 转向摇臂轴的轴承采用滚针轴承比采用滑动轴承可使正或逆效率提高约10%。 (2)转向器的结构参数与效率 如果忽略轴承和其经地方的摩擦损失,只考虑啮合副的摩擦损失,对于蜗杆类转向器,其效率可用下式计算 (5-3) 式中,a0为蜗杆(或螺杆)的螺线导程角;为摩擦角,=arctanf;f为磨擦因数。5.1.2转向器的逆效率根据逆效率不同,转向器有可逆式、极限可逆式和不可逆式之分。 路面作用在车轮上的力,经过转向系可大部分传递到转向盘,这种逆效率较高的转向器属于可逆式。它能保证转向轮和转向盘自动回正,既可以减轻驾驶员的疲劳,又可以提高行驶安全性。但是,在不平路面上行驶时,传至转向盘上的车轮冲击力,易使驾驶员疲劳,影响安全行驾驶。属于可逆式的转向器有齿轮齿条式和循环球式转向器。 不可逆式和极限可逆式转向器不可逆式转向器,是指车轮受到的冲击力不能传到转向盘的转向器。该冲击力转向传动机构的零件承受,因而这些零件容易损坏。同时,它既不能保证车轮自动回正,驾驶员又缺乏路面感觉,因此,现代汽车不采用这种转向器。极限可逆式转向器介于可逆式与不可逆式转向器两者之间。在车轮受到冲击力作用时,此力只有较小一部分传至转向盘。如果忽略轴承和其它地方的磨擦损失,只考虑啮合副的磨擦损失,则逆效率可用下式计算 (5-4)式(5-3)和式(5-4)表明:增加导程角,正、逆效率均增大。受增大的影响,不宜取得过大。当导程角小于或等于磨擦角时,逆效率为负值或者为零,此时表明该转向器是不可逆式转向器。为此,导程角必须大于磨擦角。5.2传动比变化特性5.2.1转向系传动比 转向系的传动比包括转向系的角传动比和转向系的力传动比。转向系的力传动比: (5-5) 81.22 转向系的角传动比: (5-6) 转向系的角传动比由转向器角传动比和转向传动机构角传动比组成,即 (5-7)转向器的角传动比: (5-8)22转向传动机构的角传动比: (5-9) 5.2.2力传动比与转向系角传动比的关系 转向阻力与转向阻力矩的关系式: (5-10)作用在转向盘上的手力与作用在转向盘上的力矩的关系式: (5-11)=41.54 N 将式(5-10)、式(5-11)代入 后得到 (5-12)=81.22 如果忽略磨擦损失,根据能量守恒原理,2Mr/Mh可用下式表示 (5-13)将式(5-10)代入式(5-11)后得到 (5-14)当a和Dsw不变时,力传动比越大,虽然转向越轻,但也越大,表明转向不灵敏。5.2.3转向器角传动比的选择转向器角传动比可以设计成减小、增大或保持不变的。影响选取角传动比变化规律的主要因素是转向轴负荷大小和对汽车机动能力的要求。 若转向轴负荷小或采用动力转向的汽车,不存在转向沉重问题,应取较小的转向器角传动比,以提高汽车的机动能力。若转向轴负荷大,汽车低速急转弯时的操纵轻便性问题突出,应选用大些的转向器角传动比。汽车以较高车速转向行驶时,要求转向轮反应灵敏,转向器角传动比应当小些。汽车高速直线行驶时,转向盘在中间位置的转向器角传动比不宜过小。否则转向过分敏感,使驾驶员精确控制转向轮的运动有困难。转向器角传动比变化曲线应选用大致呈中间小两端大些的下凹形曲线,如图5-1所示。图5-1转向器角传动比变化特性曲线5.3转向器传动副的传动间隙t传动间隙是指各种转向器中传动副之间的间隙。该间隙随转向盘转角的大小不同而改变,并把这种变化关系称为转向器传动副传动间隙特性(图5-2)。研究该特性的意义在于它与直线行驶的稳定性和转向器的使用寿命有关。传动副的传动间隙在转向盘处于中间及其附近位置时要极小,最好无间隙。若转向器传动副存在传动间隙,一旦转向轮受到侧向力作用,车轮将偏离原行驶位置,使汽车失去稳定。传动副在中间及其附近位置因使用频繁,磨损速度要比两端快。在中间附近位置因磨损造成的间隙过大时,必须经调整消除该处间隙。为此,传动副传动间隙特性应当设计成图5-2所示的逐渐加大的形状。图5-2 转向器传动副传动间隙特性转向器传动副传动间隙特性 图中曲线1表明转向器在磨损前的间隙变化特性;曲线2表明使用并磨损后的间隙变化特性,并且在中间位置处已出现较大间隙;曲线3表明调整后并消除中间位置处间隙的转向器传动间隙变化特性。 5.4转向盘的总转动圈数转向盘从一个极端位置转到另一个极端位置时所转过的圈数称为转向盘的总转动圈数。它与转向轮的最大转角及转向系的角传动比有关,并影响转向的操纵轻便性和灵敏性。轿车转向盘的总转动阁数较少,一般约在3.6圈以内;货车一般不宜超过6圈。第六章 .转向器设计计算6.1转向系计算载荷的确定8为了保证行驶安全,组成转向系的各零件应有足够的强度。欲验算转向系零件的强度,需首先确定作用在各零件上的力。影响这些力的主要因素有转向轴的负荷,地面阻力和轮胎气压等。为转动转向轮要克服的阻力,包括转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内摩擦阻力等。精确地计算这些力是困难的,为此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距(Nmm),即 (6-1) 147623.29 Nmm式中,f为轮胎和路面见的摩擦因素,一般取0.7;为转向轴负荷(N);p为轮胎气压(MPa)。作用在转向盘上的手力为 (6-2) 41.54 N式中, 为转向摇臂长;为转向节臂长;为转向盘直径;为转向器角传动比;为转向器正效率。6.2转向器设计6.2.1参数的选取9摇臂轴直径/mm26钢球中心距D/mm25螺杆外径/mm23钢球直径d /mm5.556螺距P /mm8.731工作圈数W1.5螺母长度L /mm45导管壁厚 /mm1.5钢球直径与导管内径之间的间隙e/mm0.5螺线导程角/7法向压力角/20接触角/45环流行数26.2.2计算参数1.螺母内径应大于,一般要求 (6-3)=+(5%10%)D=25+8%*25=27 2. 钢球数量nn=个 (6-4) 22个3. 滚道截面半径R R=(0.510.53)d=0.525.556=2.889 mm (6-5)6.3循环球式转向器零件强度计算106.3.1钢球与滚道之间的接触应力=k (6-6) =2253.34式中,k为系数,根据A/B值查表,A=(1/r)-(1/)/2, B=(1/r)+(1/)/2; 为滚道截面半径,k取2.271;r为钢球半径;为螺杆外径;E为材料弹性模量,等于2.110MP;为钢球与螺杆之间的正压力,即= (6-7) 342.43式中,为螺杆螺线的导程角;为接触角;n为参与工作的钢球数;为作用在螺杆上的轴向力当接触表面硬度为5864HRC;拍时,许用接触应力=2500 MP由于,因此满足强度。6.3.2转向摇臂直径的确定转向摇臂直径d为式中,K为安全系数,根据汽车使用条件不同可取2.53.5;为转向阻力矩;为扭转强度极限。摇臂轴用20CrMnTi钢制造,表面渗碳,渗碳层深度在0.81.2mm。对于前轴负荷大的汽车,渗碳层深度为1.051.45mm。表面硬度为5863HRC第七章 动力转向机构设计7.1对动力转向机构的要求111.运动学上应保持转向轮转角和驾驶员转动转向盘的转角之间保持一定的比例关系。2.随着转向轮阻力的增大(或减小),作用在转向盘上的手力必须增大(或减小),称之为“路感”。3.当作用在转向盘上的切向力0.0250.190kN时,动力转向器就应开始工作。4.转向后,转向盘应自动回正,并使汽车保持在稳定的直线行驶状态。5.工作灵敏,即转向盘转动后,系统内压力能很快增长到最大值。6.动力转向失灵时,仍能用机械系统操纵车轮转向。7.密封性能好,内、外泄漏少。7.2液压式动力转向机构的计算7.2.1动力缸尺寸计算动力缸的主要尺寸有动力缸内径、活塞行程、活塞杆直径和动力缸体壁厚。动力缸产生的推力F为式中,为转向摇臂长度;L为转向摇臂轴到动力缸活塞之间的距离。 推力F与工作油液压力p和动力缸截面面积S之间有如下关系
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