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目錄 1 引言.1 2 設計任務書.3 3 機械轉向簡介.4 3.1 轉向操縱機構.4 3.2 轉向器.4 4 轉向系的設計要求.4 5 機械式轉向器方案分析.5 5.1 齒輪齒條式.5 5.2 循環(huán)球式.7 5.3 蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式.8 6 計算設計說明書.9 6.1 轉向器的效率.9 6.2 轉向器類型、結構特點與效率.9 6.3 轉向器的結構參數(shù)與效率.9 7 傳動比的變化特性.10 7.1 轉向系傳動比.10 7.2 力傳動比與轉向系角傳動比的關系.11 7.3 轉向系的角傳動比.12 7.4 轉向器角傳動比及其變化規(guī)律.12 8 齒輪齒條轉向器變速比工作原理.12 8.1 轉向器角傳動比的選擇.13 9 轉向系計算載荷的確定.14 10 轉向梯形結構方案分析.14 10.1 整體式轉和梯形.15 10.2 斷開式轉向梯形.15 11 轉向系統(tǒng)-零部件參數(shù).16 12 轉向系統(tǒng)-發(fā)展趨勢.17 12.1 現(xiàn)代汽車轉向裝置的設計趨勢.17 12.2 現(xiàn)代汽車轉向裝置的發(fā)展趨勢.18 13 設計小結.20 14 標準化審查報告.20 14.1 產(chǎn)品圖樣的審查.20 14.2 產(chǎn)品技術文件的審查.21 14.3 標準件的使用情況.21 14.4 審查結論.21 15 使用說明書.21 結 論.23 參考文獻.24 致 謝.25 山西農(nóng)業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)設計說明書 - 1 - 汽車機械轉向機構設計 1 引言 在汽車行駛中，轉向運動是最基本的運動。我們通過方向盤來操縱和控制汽車的 行駛方向，從而實現(xiàn)自己的形式意圖。在現(xiàn)代汽車上，轉向系統(tǒng)是必不可少的最基本 的系統(tǒng)之一，它也是決定汽車主動安全性的關鍵總成，特別是在車輛高速化，駕駛人 員非職業(yè)化，車流密集的今天，針對更多不同的駕駛人群，汽車的操縱性設計顯得尤 為重要。 從上世紀四十年代起，為減輕駕駛員體力負擔，在機械轉向系統(tǒng)基礎上增加了液 壓助力系統(tǒng) HPS(hydraulic power steering)，它是建立在機械系統(tǒng)的基礎之上的，額 外增加了一個液壓系統(tǒng)，一般有油泵、V 形帶輪、油管、供油裝置、助力裝置和控制閥。 由于其工作可靠、技術成熟至今仍被廣泛應用?，F(xiàn)在液壓助力轉向系統(tǒng)在實際中應用 的最多，根據(jù)控制閥形式有轉閥式和滑閥式之分。這個助力轉向系統(tǒng)最重要的新功能 是液力支持轉向的運動，因此可以減少駕駛員作用在方向盤上的力。 雖然傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)工作最可靠，但是也存在很多固有的缺點，傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)由于 方向盤和轉向車輪之間的機械連接而產(chǎn)生一些自身無法避免的缺陷：汽車的轉向特 性受駕駛員駕駛技術的影響嚴重；轉向傳動比固定，使汽車轉向響應特性隨車速、 側向加速度等變化而變化，駕駛員必須提前針對汽車轉向特性幅值和相位的變化進行 一定的操作補償，從而控制汽車按其意愿行駛。這就變相地增加了駕駛員的操縱負擔， 使汽車轉向行駛存在很大的不安全隱患；液壓助力轉向系統(tǒng)經(jīng)濟性差，一般轎車每 行駛一百公里要多消耗 0.30.4 升的燃料；另外，存在液壓油泄漏問題，對環(huán)境造成 污染，在環(huán)保性能被日益強調(diào)的今天，無疑是一個明顯的劣勢。 電液動力轉向系統(tǒng) 近年來，隨著電子技術的不斷發(fā)展，轉向系統(tǒng)中愈來愈多的采用電子器件。相應 的就出現(xiàn)了電液助力轉向系統(tǒng)。電液助力轉向可以分為兩大類：電動液壓助力轉向系 統(tǒng) EHPS(electro-hydraulic power steering)、電控液壓助力轉向 孫晉卿：汽車機械轉向機構設計 - 2 - ECHPS(electronically controlled hydraulic power steering)。EHPS 是在液壓助力 系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的，其特點是原來有發(fā)動機帶動的液壓助力泵改由電機驅(qū)動，取 代了由發(fā)動機驅(qū)動的方式，節(jié)省了燃油消耗。ECHPS 是在傳統(tǒng)的液壓助力轉向系統(tǒng)的基 礎上增加了電控裝置構成的。電液助力轉向系統(tǒng)的助力特性可根據(jù)轉向速率、車速等 參數(shù)設計為可變助力特性，使駕駛員能夠更輕松便捷的操縱汽車。 現(xiàn)代電液動力轉向系統(tǒng)主要通過車速傳感器將車速傳遞給電子元件，或微型計算 機系統(tǒng)，控制電液轉換裝置改變動力轉向的助力特性，使駕駛員的轉向手力根據(jù)車速 和行駛條件變化而改變，即在低速行駛或轉急彎時能以很小的轉向手力進行操作，在 高速行駛時能以稍重的轉向手力進行穩(wěn)定操作，使操縱輕便性和穩(wěn)定性達 EHPS 相比傳統(tǒng) HPS 降低了能源損耗。但電液動力轉向系統(tǒng)，不論 ECHPS 還是 EHPS 都與 傳統(tǒng)的 HPS 一樣存在液壓油泄漏問題。 電動助力轉向系統(tǒng) 電動轉向系統(tǒng) EPS(Electric Power Steering)把一個機械的系統(tǒng)和一個電控的電 動馬達結合在一起形成的一個動力轉向系統(tǒng)。與液壓系統(tǒng)不同的是，助力改由電機提 供，因此，要有一個力矩傳感器來測量作用在方向盤上的力矩，由電子控制單元來計 算所需要的力矩。作用在方向盤上的力矩曲線由一個電動馬達來分配。通過電動馬達 提供轉向所必須要的力，它通過一個減速器作用在轉向柱上，在循環(huán)球式的傳動裝置 中，直接作用在齒扇上的力太大，因此大多選用齒輪齒條轉向器。根據(jù)助力位置不同 分為三種形式：1、轉向柱助力式.2、小齒輪助力式.3、齒條助力式. 由于 EPS 改由電機提供助力，助力大小由電控單元 ECU 實時調(diào)節(jié)與控制，可以較 好解決汽車操縱時輕與靈的矛盾。 電動助力轉向最早應用在微型汽車上，1988 年 2 月日本鈴木公司首次在其 Cervo 車上裝備，目前電動助力轉向系統(tǒng)主要應用在轎車上，并逐漸從微型轎車向更大型轎 車和商務車發(fā)展。其優(yōu)點有： 1.EPS 能在各種行駛工況下提供最佳助力，減小由路面不平所引起的對轉向系統(tǒng)的擾動， 改善汽車的轉向特性，減輕汽車低速行駛時的轉向操縱力，提高汽車高速行駛時的轉 向穩(wěn)定性，進而提高汽車的主動安全性。并且可通過設置不同的轉向手力特性來滿足 山西農(nóng)業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)設計說明書 - 3 - 不同使用對象的需要。 2 EPS 只在轉向時電動機才提供助力(不像 HPS，即使在不轉向時，油泵也一直運轉)， 因而能減少燃料消耗。 3.由于直接由電動機提供助力，電動機由蓄電池供電，因此 EPS 能否助力與發(fā)動機是 否起動無關，即使在發(fā)動機熄火或出現(xiàn)故障時也能提供助力。 4. EPS 取消了油泵、皮帶、皮帶輪、液壓軟管、液壓油及密封件等，其零件比 HPS 大 大減少，因而其質(zhì)量更輕、結構更緊湊，在安裝位置選擇方面也更容易，并且能降低 噪聲。 5 .EPS 沒有液壓回路，比 HPS 更易調(diào)整和檢測，裝配自動化程度更高，并且可以通過 設置不同的程序，快速與不同車型匹配，因而能縮短生產(chǎn)和開發(fā)周期。 6 .EPS 不存在滲油問題，消除了液壓助力中液壓油泄漏問題，可大大降低保修成本， 減小對環(huán)境的污染，改善了環(huán)保性。 7.EPS 比 HPS 具有更好的低溫工作性能。 電動助力轉向目前已成為世界汽車技術發(fā)展的研究熱點之一。 汽車轉向系統(tǒng)分類 汽車轉向系統(tǒng)分為兩大類：機械轉向系統(tǒng)和動力轉向系統(tǒng)。 完全靠駕駛員手里操縱的轉向系統(tǒng)稱為機械轉向系統(tǒng)。 借助動力來操縱的轉向系統(tǒng)稱為動力轉向系統(tǒng)，動力轉向系統(tǒng)又可分為液壓動力 轉向系統(tǒng)和電動助力動力轉向系統(tǒng)。 2 設計任務書 汽車在行駛過程中需要不斷改變方向，轉向系就是通過一系列機械傳動使得前輪 發(fā)生偏轉，從而實現(xiàn)汽車轉向，達到改變行駛方向的目的。 駕駛員操縱方向盤，通過轉向器把方向盤的旋轉運動轉化成轉向搖臂一定角度的擺動， 孫晉卿：汽車機械轉向機構設計 - 4 - 帶動轉向梯形運動，使前輪偏轉一定的角度，實現(xiàn)汽車轉向。 這次設計主要目的是總結所學知識，在設計中沒有考慮到實際需要，只是從本專 業(yè)出發(fā)，基于自己的實際能力對基礎的機械設計進行練習。設計中對前橋的受力做簡 單的分析，對一些常見的轉向器結構稍作分析并加以選擇，并設計循環(huán)球式轉向器。 3 機械轉向簡介 機械轉向系以駕駛員的體力作為轉向能源，其中所有傳力件都是機械的，機械轉向系 由轉向操縱機構，轉向器和轉向傳動機構三大部分組成。 3.1 轉向操縱機構 轉向器操縱機構由方向盤，轉向軸，轉向管柱等組成，它的作用是將駕駛員轉動 轉向盤的操縱力傳給轉向器。 3.2 轉向器 轉向器（也常稱為轉向機）是完成有旋轉運動到直線運動（或近似直線運動）的 一組齒輪機構，同時也是轉向系中的減速傳動裝置，目前較常用的有齒輪齒條式、循 環(huán)球曲柄指銷式、蝸桿曲柄指銷式、循環(huán)球一齒條式扇式、蝸桿滾輪式等。 汽車轉向系的功用： 汽車轉向系是用來保持或者改變汽車行駛方向的機構。在汽車轉向行駛時，保證 各轉向輪之間有協(xié)調(diào)的轉角關系。 汽車轉向系的形式和組成： 汽車轉向機構分為機械轉向和動力轉向兩種形式。機械轉向主要是由轉向盤、轉 向器和轉向傳動機構等組成，動力轉向還包括動力系統(tǒng)。 機械轉向是依靠駕駛員的手力轉動轉向盤，經(jīng)轉向器和轉向傳動機構使轉向輪偏 轉。 動力轉向是在機械轉向的基礎上，加裝動力系統(tǒng)，并借助此系統(tǒng)來減輕駕駛員的 手力。 動力轉向包括液壓式動力轉向和電控式動力轉向。 山西農(nóng)業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)設計說明書 - 5 - 液壓式動力轉向已在汽車上廣泛應用。近年來，電控動力轉向已得到較快發(fā)展。 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能力。 3）在行駛狀態(tài)下，轉向輪不得產(chǎn)生自振，轉向盤沒有擺動。 4）轉向傳動機構和懸架導向裝置產(chǎn)生的運動不協(xié)調(diào)，應使車 輪產(chǎn)生的擺動最小。 5）轉向靈敏，最小轉彎直徑小。 6）操縱輕便。 7）轉向輪傳給轉向盤的反沖力要盡可能小。 8）轉向器和轉向傳動機構中應有間隙調(diào)整機構。 9）轉向系應有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。 10）轉向盤轉動方向與汽車行駛方向的改變相一致。 正確設計轉向梯形機構，可以保證汽車轉彎行駛時，全部車輪應繞瞬時轉向中心 旋轉。 轉向輪的自動回正能力決定于轉向輪的定位參數(shù)和轉向器逆效率的大小。合理確定轉 向輪的定位參數(shù)，正確選擇轉向器的形式，可以保證汽車具有良好的自動回正能力。 轉向系中設置有轉向減振器時，能夠防止轉向輪產(chǎn)生自振，同時又能使傳到轉向盤上 的反沖力明顯降低。 為了使汽車具有良好的機動性能，必須使轉向輪有盡可能大的轉角，其最小轉彎 半徑能達到汽車軸距的 22.5 倍。 轉向操縱的輕便性通常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(shù)多少兩項指標來評價。 轎車 貨車 機械轉向 50100N 250N 動力轉向 2050N 120N 轎車轉向盤從中間位置轉到第一端的圈數(shù)不得超過 2.0 圈，貨車則要求不超過 3.0 圈。 孫晉卿：汽車機械轉向機構設計 - 6 - 5 機械式轉向器方案分析 5.1 齒輪齒條式 齒輪齒條式轉向器的主要優(yōu)點是：結構簡單、緊湊、體積小、質(zhì)量輕；傳動效率 高達 90%；可自動消除齒間間隙(圖 1-1 所示)；沒有轉向搖臂和直拉桿，轉向輪轉角可 以增大；制造成本低。 齒輪齒條式轉向器的主要缺點是：逆效率高（60%70%） 。因此，汽車在不平路面 上行駛時，發(fā)生在轉向輪與路面之間的沖擊力，大部分能傳至轉向盤。 圖 1-1 自動消除間隙裝置 根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點不同，齒輪齒條式轉向器有四種形式：中間輸入，兩端 輸也（圖 1-2a） ；側面輸入，兩端輸出（圖 1-2b） ；側面輸入，中間輸出（圖 1-2c） ； 側面輸入，一端輸出（圖 1-2d） 。 山西農(nóng)業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)設計說明書 - 7 - 圖 1-2 齒輪齒條式轉向器的四種形式 采用側面輸入、中間輸出方案時，由于拉桿長度增加，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。而采用兩側輸出 方案時，容易與懸架系統(tǒng)導向機構產(chǎn)生運動干涉。 側面輸入、一端輸出的齒輪齒條式轉向器，常用在平頭微型貨車上。 采用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合的齒輪齒條式轉向器，重合度增加，運轉平穩(wěn)，沖 擊與工作噪聲均下降。 齒條斷面形狀有圓形、V 形和 Y 形三種。圓形斷面齒條制作工藝比較簡單。V 形和 Y 形斷面齒條與圓形斷面比較，消耗的材料少，故質(zhì)量小。 根據(jù)齒輪齒條式轉向器和轉向梯形相對前軸位置的不同，在汽車上有四種布置形式： 轉向器位于前軸后方，后置梯形；轉向器位于前軸后方，前置梯形；轉向器位于前軸 前方，后置梯形；轉向器位于前軸前方，前置梯形，見圖 1-3。 圖 1-3 齒輪齒條式轉向器的四種布置形式 齒輪齒條式轉向器廣泛應用于微型、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 5.2 循環(huán)球式 循環(huán)球式轉向器由螺桿和螺母共同形成的螺旋槽內(nèi)裝有鋼球構成的傳動副，以及 螺母上齒條與搖臂軸上齒扇構成的傳動副組成，如圖 1-4 所示。 循環(huán)球式轉向器的優(yōu)點是：傳動效率可達到 75%85%；轉向器的傳動比可以變化； 孫晉卿：汽車機械轉向機構設計 - 8 - 工作平穩(wěn)可靠；齒條和齒扇之間的間隙調(diào)整容易；適合用來做整體式動力轉向器。 循環(huán)球式轉向器的主要缺點是：逆效率高，結構復雜，制造困難，制造精度要求 高。 循環(huán)球式轉向器主要用于貨車和客車上。 圖 1-4 循環(huán)球式轉向器 圖 1-5 循環(huán)球式轉向器的間隙調(diào)整機構 5.3 蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式 蝸桿滾輪式轉向器由蝸桿和滾輪嚙合而構成。主要優(yōu)點是：結構簡單；制造容易； 強度比較高、工作可靠、壽命長；逆效率低。主要缺點是：正效率低；調(diào)整嚙合間隙 比較困難；傳動比不能變化。 蝸桿指銷式轉向器有固定銷式和旋轉銷式兩種形式。根據(jù)銷子數(shù)量不同，又有單 銷和雙銷之分。 蝸桿指銷式轉向器的優(yōu)點是：傳動比可以做成不變的或者變化的；工作面間隙調(diào) 山西農(nóng)業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)設計說明書 - 9 - 整容易。 固定銷式轉向器的結構簡單、制造容易。但銷子的工作部位磨損快、工作效率低。 旋轉銷式轉向器的效率高、磨損慢，但結構復雜。 要求搖臂軸有較大的轉角時，應采用雙銷式結構。雙銷式轉向器的結構復雜、尺 寸和質(zhì)量大，并且對兩主銷間的位置精度、螺紋槽的形狀及尺寸精度等要求高。此外， 傳動比的變化特性和傳動間隙特性的變化受限制。 蝸桿滾輪式和蝸桿指銷式轉向器應用較少。 6 計算設計說明書 6.1 轉向器的效率 功率 P1 從轉向軸輸入，經(jīng)轉向搖臂軸輸出所求得的效率稱為轉向器的正效率， 用符號 +表示， ；反之稱為逆效率，用符號 表示。 正效率 + 計算公式： +=（ P1-P2）/ P1 逆效率 計算公式： =（ P3-P2）/ P3 式中， P1 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 動返回能力。但為了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 可能低。 轉向器的正效率 + 影響轉向器正效率的因素有轉向器的類型、結構特點、結構參數(shù)和制造質(zhì)量等。 6.2 轉向器類型、結構特點與效率 在四種轉向器中，齒輪齒條式、循環(huán)球式轉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轉向器的正效率要明顯的低些。 同一類型轉向器，因結構不同效率也不一樣。如蝸桿滾輪式轉向器的滾輪與支持 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，滾輪側翼與墊片之間還存在滑動摩擦損失，故這種軸向器 孫晉卿：汽車機械轉向機構設計 - 10 - 的效率 +僅有 54%。另外兩種結構的轉向器效率分別為 70%和 75%。 轉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%。 6.3 轉向器的結構參數(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 向器，其效率可用下式計算 （1） 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(shù)。 根據(jù)逆效率不同，轉向器有可逆式、極限可逆式和不可逆式之分。 路面作用在車輪上的力，經(jīng)過轉向系可大部分傳遞到轉向盤，這種逆效率較高的 轉向器屬于可逆式。它能保證轉向輪和轉向盤自動回正，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。 屬于可逆式的轉向器有齒輪齒條式和循環(huán)球式轉向器。 不可逆式和極限可逆式轉向器 不可逆式轉向器，是指車輪受到的沖擊力不能傳到轉向盤的轉向器。該沖擊力轉 向傳動機構的零件承受，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向器。 極限可逆式轉向器介于可逆式與不可逆式轉向器兩者之間。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） 式（1）和式（2）表明：增加導程角 a0，正、逆效率均增大。受 -增大的影響，a0 不宜取得過大。當導程角小于或等于磨擦角時，逆效率為負值或者為零，此時表明該 轉向器是不可逆式轉向器。為此，導程角必須大于磨擦角 )tan(0 tn)( 山西農(nóng)業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)設計說明書 - 11 - 7 傳動比的變化特性 7.1 轉向系傳動比 轉向系的傳動比包括轉向系的角傳動比 和轉向系的力傳動比 。 轉向系的力傳動比: 轉向系的角傳動比: 轉向系的角傳動比 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: 7.2 力傳動比與轉向系角傳動比的關系 轉向阻力 Fw 與轉向阻力矩 Mr 的關系式： （3） 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： （4） 將式（3） 、式（4）代入 后得到 （5） 0i pihWpFi/2kkwdti /00iiii0 ppwdti/kkkti/aFrW swhDF2hWpi/2aMihswrp i 孫晉卿：汽車機械轉向機構設計 - 12 - 如果忽略磨擦損失，根據(jù)能量地恒原理，2 Mr/Mh 可用下式表示 （6） 將式（6）代入式（5）后得到 （7） 當 a 和 Dsw 不變時，力傳動比 越大，雖然轉向越輕，但 也越大，表明轉向 不靈敏。 7.3 轉向系的角傳動比 轉向傳動機構角傳動比可用 表示以外，還可以近擬地用轉向節(jié) 臂臂長 L2 與搖臂臂長 L1 之比來表示， 。 在汽車結構中， L2 與 L1 的比值大約在 0.851.1 之間，可近似認為其比值為 1， 則 。由此可見，研究轉向系的傳動比特性，只需研究轉向器的 角傳動比 及其變化規(guī)律即可。 7.4 轉向器角傳動比及其變化規(guī)律 式（7）表明，增大角傳動比可以增加力傳動比。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，使操縱輕便。 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。角傳動比增加后，轉向輪偏轉角速度對轉向盤角速度的響應變得遲鈍， 汽車轉向靈敏性降低，所以“輕”和“靈”構成一對矛盾。為解決這對矛盾，可采用 變速比轉向器。 齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸式指銷式轉向器都可以制成變速比轉向器。 8 齒輪齒條轉向器變速比工作原理 根據(jù)相互嚙合齒輪的基圓齒距必須相等，即 pb1=pb2。其中齒輪基圓齒距 pb1=m 1cosa1，齒條基圓齒距 pb2=m 2cosa2。由上述兩式可知：當齒輪具有標準模 02idkhraDiswp20pi 0i kpdi/0/dikpi 0i 山西農(nóng)業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)設計說明書 - 13 - 數(shù) m1 和標準壓力角 a1 與一個具有變模數(shù) m2、變壓力角 a2 的齒條相嚙合，并始終保持 m 1cosa1=m 2cosa2 時，它們就可以嚙合運轉。 如果齒條中部（相當汽車直線行駛位置）齒的壓力角最大，向兩端逐漸減小 （模數(shù)也隨之減?。﹦t主動齒輪嚙合半徑也減小，致使轉向盤每轉動某同一角度時， 齒條行程也隨之減小。因此，轉同器的傳動比是變化的。 圖 1-6 是根據(jù)上述原理設計的齒輪齒條式轉向器齒條壓力角變化示例。從圖中 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(jié)圓半徑，而齒條 齒有寬的齒根和淺斜的齒側面；位于具條兩端的齒，齒根減薄，齒有陡斜的齒側面。 圖 1-6 齒條壓力角變化簡圖 a）齒條中部齒 b）齒條兩端齒 8.1 轉向器角傳動比的選擇 轉向器角傳動比可以設計成減小、增大或保持不變的。影響選取角傳動比變化規(guī) 律的主要因素是轉向軸負荷大小和對汽車機動能力的要求。 若轉向軸負荷小或采用動力轉向的汽車，不存在轉向沉重問題，應取較小的轉向 器角傳動比，以提高汽車的機動能力。 若轉向軸負荷大，汽車低速急轉彎時的操縱輕便性問題突出，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，要求轉向輪反應靈敏，轉向器角傳動比應當小些。 汽車高速直線行駛時，轉向盤在中間位置的轉向器角傳動比不宜過小。否則轉向 過分敏感，使駕駛員精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 孫晉卿：汽車機械轉向機構設計 - 14 - 小兩端大些的下凹形曲線，如圖 1-7 所示。 圖 1-7 轉向器角傳動比變化特性曲線 9 轉向系計算載荷的確定 為轉動轉向輪要克服的阻力，包括轉向輪繞主銷轉動的阻力、車輪穩(wěn)定阻力、輪 胎變形阻力和轉向系中的內(nèi)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 MR（Nmm）的半徑經(jīng)驗公式 （8） 式中， f 為輪胎和路面間的滑動磨擦因數(shù)，一般取 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 （9） 式中， L1 轉向搖臂長； L2 為轉向節(jié)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 對給定的汽車，用式（9）計算出來的的作用力是最大值。 PfMR31iLFswRh21 山西農(nóng)業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)設計說明書 - 15 - 10 轉向梯形結構方案分析 10.1 整體式轉和梯形 整體式轉向梯形是由轉向橫拉桿 1，轉向梯形臂 2 和汽車前軸 3 組成，如圖 1-8 所 示。 圖 1-8 整體式轉向梯形 1橫拉桿 2梯形臂 3前軸 這種方案的優(yōu)點是結構簡單，調(diào)整前束容易，制造成本低；主要缺點是一側轉向輪上、 下跳動時，會影響另一側轉向輪。 10.2 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。斷開式轉向梯形方案之 一如圖 1-15 所示。 孫晉卿：汽車機械轉向機構設計 - 16 - 圖 1-15 斷開式轉向梯形 斷開式轉向梯形的主要特點： 1）能夠保證一側車輪上、下跳動時，不會影響另一側車輪； 2）由于桿系、球頭增多，所以結構復雜，制造成本高，并且調(diào)整前束比較困難。 橫拉桿上斷開點的位置與獨立懸架形式有關。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 11 轉向系統(tǒng)-零部件參數(shù) 轉向盤直徑 380 毫米 轉向盤轉動總圈數(shù) 3.5 圈 駕駛員側機械式安全氣囊 SRS-40 轉向柱 安全轉向柱 山西農(nóng)業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)設計說明書 - 17 - 轉向系總傳動比 17.2 轉向器線角傳動比 53.143 轉向器總行程 186 毫米 車輪 6JX15 鋁車輪 輪胎 205R15(T 級) 內(nèi)輪最大轉角 39.6 外輪最大轉角 33.5 最小轉彎直徑 不大于 11.6m 12 轉向系統(tǒng)-發(fā)展趨勢 改革開放以來，中國汽車工業(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(chǎn)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(chǎn)的專業(yè)廠，年產(chǎn)超過百萬臺，壟斷了轉向 器的生產(chǎn)，并且銷售點遍布了全世界。 12.1 現(xiàn)代汽車轉向裝置的設計趨勢 適應汽車高速行駛的需要 從操縱輕便性、穩(wěn)定性及安全行駛的角度，汽車制造廣泛使用更先進的工藝方法， 使用變速比轉向器、高剛性轉向器。 “變速比和高剛性”是目前世界上生產(chǎn)的轉向器結 構的方向。 充分考慮安全性、輕便性 隨著汽車車速的提高，駕駛員和乘客的安全非常重要，目前國內(nèi)外在許多汽車上 已普遍增設能量吸收裝置，如防碰撞安全轉向柱、安全帶、安全氣囊等，并逐步推廣。 從人類工程學的角度考慮操縱的輕便性，已逐步采用可調(diào)整的轉向管柱和動力轉向系 統(tǒng)。 孫晉卿：汽車機械轉向機構設計 - 18 - 低成本、低油耗、大批量專業(yè)化生產(chǎn) 隨著國際經(jīng)濟形勢的惡化，石油危機造成經(jīng)濟衰退，汽車生產(chǎn)愈來愈重視經(jīng)濟性，因 此，要設計低成本、低油耗的汽車和低成本、合理化生產(chǎn)線，盡量實現(xiàn)大批量專業(yè)化 生產(chǎn)。對零部件生產(chǎn)，特別是轉向器的生產(chǎn)，更表現(xiàn)突出。 汽車轉向器裝置的電腦化 汽車的轉向器裝置，必定是以電腦化為唯一的發(fā)展途徑。 12.2 現(xiàn)代汽車轉向裝置的發(fā)展趨勢 現(xiàn)代汽車轉向裝置的使用動態(tài) 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，轉向裝置的結構也有很大變化。汽車轉向器的結構很 多，從目前使用的普遍程度來看，主要的轉向器類型有 4 種：有蝸桿肖式(WP 型)、蝸 桿滾輪式(WR 型)、循環(huán)球式(BS 型)、齒條齒輪式(RP 型)。這四種轉向器型式，已經(jīng)被 廣泛使用在汽車上。據(jù)了解，在世界范圍內(nèi)，汽車循環(huán)球式轉向器占 45左右，齒條 齒輪式轉向器占 40左右，蝸桿滾輪式轉向器占 10左右，其它型式的轉向器占 5。循環(huán)球式轉向器一直在穩(wěn)步發(fā)展。在西歐小客車中，齒條齒輪式轉向器有很大的 發(fā)展。日本汽車轉向器的特點是循環(huán)球式轉向器占的比重越來越大，日本裝備不同類 型發(fā)動機的各類型汽車，采用不同類型轉向器，在公共汽車中使用的循環(huán)球式轉向器， 已由 60 年代的 625，發(fā)展到現(xiàn)今的 100了(蝸桿滾輪式轉向器在公共汽車上已經(jīng) 被淘汰)。大、小型貨車大都采用循環(huán)球式轉向器，但齒條齒輪式轉向器也有所發(fā)展。 微型貨車用循環(huán)球式轉向器占 65，齒條齒輪式占 35。 綜合上述對有關轉向器品種的使用分析，得出以下結論： 循環(huán)球式轉向器和齒輪齒條式轉向器，已成為當今世界汽車上主要的兩種轉向器； 而蝸輪#0；蝸桿式轉向器和蝸桿肖式轉向器，正在逐步被淘汰或保留較小的地位。 在小客車上發(fā)展轉向器的觀點各異，美國和日本重點發(fā)展循環(huán)球式轉向器，比率都已 達到或超過 90；西歐則重點發(fā)展齒輪齒條式轉向器，比率超過 50，法國已高達 95。 山西農(nóng)業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)設計說明書 - 19 - 由于齒輪齒條式轉向器的種種優(yōu)點，在小型車上的應用(包括小客車、小型貨車或客貨 兩用車)得到突飛猛進的發(fā)展；而大型車輛則以循環(huán)球式轉向器為主要結構。 循環(huán)球式轉向器特點 循環(huán)球式轉向器的特點是：效率高，操縱輕便，有一條平滑的操縱力特性曲線。 布置方便。特別適合大、中型車輛和動力轉向系統(tǒng)配合使用；易于傳遞駕駛員操縱信 號；逆效率高、回位好，與液壓助力裝置的動作配合得好。 可以實現(xiàn)變速比的特性，滿足了操縱輕便性的要求。中間位置轉向力小、且經(jīng)常使用， 要求轉向靈敏，因此希望中間位置附近速比小，以提高靈敏性。大角度轉向位置轉向 阻力大，但使用次數(shù)少，因此希望大角度位置速比大一些，以減小轉向力。由于循環(huán) 球式轉向器可實現(xiàn)變速比，應用正日益廣泛。 通過大量鋼球的滾動接觸來傳遞轉向力，具有較大的強度和較好的耐磨性。并且該轉 向器可以被設計成具有等強度結構，這也是它應用廣泛的原因之一。 變速比結構具有較高的剛度，特別適宜高速車輛車速的提高。高速車輛需要在高速時 有較好的轉向穩(wěn)定性，必須保證轉向器具有較高的剛度。 間隙可調(diào)。齒條齒扇副磨損后可以重新調(diào)整間隙，使之具有合適的轉向器傳動間隙， 從而提高轉向器壽命，也是這種轉向器的優(yōu)點之一。 中國的轉向器生產(chǎn)，除早期投產(chǎn)的解放牌汽車用蝸桿#0；滾輪式轉向器，東風汽車用 蝸桿肖式轉向器之外，其它大部分車型都采用循環(huán)球式結構，并都具有一定的生產(chǎn)經(jīng) 驗。目前解放、東風也都在積極發(fā)展循環(huán)球式轉向器，并已在第二代換型車上普遍采 用了循環(huán)球式轉向器。由此看出，中國的轉向器也在向大量生產(chǎn)循環(huán)球式轉向器發(fā)展。 轉向器生產(chǎn)專業(yè)化 循環(huán)球式轉向器在國外實現(xiàn)了專業(yè)化生產(chǎn)，同時以專業(yè)廠為主、大力進行試驗和 研究，大大提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。在日本“精工”(NSK)公司的循環(huán)球式轉向器就 以成本低、質(zhì)量好、產(chǎn)量大，逐步占領日本市場，并向全世界銷售它的產(chǎn)品。德國 ZF 公司也作為一個大型轉向器專業(yè)廠著稱于世。它從 1948 年開始生產(chǎn) ZF 型轉向器，年 孫晉卿：汽車機械轉向機構設計 - 20 - 產(chǎn)各種轉向器 200 多萬臺。還有一些比較大的轉向器生產(chǎn)廠，如美國德爾福公司 SAGINAW 分部；英國 BURM#0；AN 公司都是比較有名的專業(yè)廠家，都有很大的產(chǎn)量和銷 售面。專業(yè)化生產(chǎn)已成為一種趨勢，只有走這條道路，才能使產(chǎn)品質(zhì)量高、產(chǎn)量大、 成本低，在市場上有競爭力。 動力轉向是發(fā)展方向 動力轉向系統(tǒng)的應用日益廣泛，不僅在重型汽車上必須裝備，在高級轎車上應用 的也較多，在中型汽車上的應用也逐漸推廣。主要是從減輕駕駛員疲勞，提高操縱輕 便性和穩(wěn)定性出發(fā)。雖然帶來成本較高和結構復雜等問題，但由于優(yōu)點明顯，還是得 到很快的發(fā)展。 動力轉向有 3 種形式：整體式、半分置式及聯(lián)閥式動力轉向結構。目前 3 種形式 各有特點，發(fā)展較快，整體式多用于前橋負荷 38t 汽車，聯(lián)閥式多用于前橋負荷 5#0；18t 汽車，半分置式多用于前橋負荷 6t 以上到超重型汽車。從發(fā)展趨勢上看，國 外整體式轉向器發(fā)展較快，而整體式轉向器中轉閥結構是目前發(fā)展的方向 13 設計小結 這次設計以汽車轉向系為基礎。在設計中分析計算了受力情況，并對其中的連接件進 行強度校核。同時確定轉向器的類型，簡單設計了循環(huán)球式轉向器。達到了總結知識， 練習簡單機械設計的目的在這次設計中，由于對汽車不是很了解，加之專業(yè)知識缺乏， 轉向操縱機構各部件的受力不清楚，很多零件無法校核。在以后的設計中，爭取解決 上述問題，加強該設計的實用性。 14 標準化審查報告 14.1 產(chǎn)品圖樣的審查 該轉向設計已基本完成，現(xiàn)具備全套圖紙和統(tǒng)一基本數(shù)據(jù)，根據(jù)有關規(guī)定，對其進行 山西農(nóng)業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)設計說明書 - 21 - 標準化審查，結果如下： （1）產(chǎn)品圖樣完整、統(tǒng)一、表達準確清楚、圖樣清楚。符合 GB/T1800、3-1998 的 規(guī)定。 （2）產(chǎn)品圖樣公差與配合的選擇與標準符合 GB/T1800、3-1998 的規(guī)定。 （3）產(chǎn)品圖樣的標號符合 JB/T5054.5-2000中華人民共和國機械行業(yè)標準產(chǎn)品 圖樣及設計的完整性。 （4）圖紙標題欄與明細欄符合 GB/T10609.1-1989GB/T10690.2-1989d 的規(guī)定 （5）產(chǎn)品圖樣粗糙度的標注符合 GB131-83表面特征代號及注法的規(guī)定。 14.2 產(chǎn)品技術文件的審查 （1）產(chǎn)品技術文件名詞、術語符合 ZB/TJ01 和 0351-90產(chǎn)品圖樣及設計文件 術 語及有關標準的規(guī)定。 （2）量和單位符合 GB3100GB3102-93 的規(guī)定。 （3）技術文件所用的編碼符合 JB/T8823-1998機械工業(yè)企業(yè)計算機輔助管理信息 分類編碼導則的規(guī)定。 （4）技術文件的完整性符合 JB/T5054.5-2000產(chǎn)品圖樣及技術文件完整性的規(guī) 定及相關部門有關具體要求。 14.3 標準件的使用情況 本設計所用的緊固件均采用標準的螺栓、螺釘，材料及材料代號也符合國家標準 和部頒標準的相關規(guī)定。 14.4 審查結論 通過對汽車轉向系的標準化審查，認為該設計基本貫穿了國家最新頒發(fā)的各種標準， 圖紙和設計文件完整齊全，符合標準化的要求。 孫晉卿：汽車機械轉向機構設計 - 22 - 15 使用說明書 本設計用于實現(xiàn)汽車轉向，其過程如下： 駕駛員操縱方向盤，通過轉向柱傳遞給轉向器，是的轉向器的轉向螺桿旋轉，這 樣轉向螺母就會沿著轉向螺桿做往復直線運動，從而使與之配對的齒扇軸發(fā)生一定角 度的偏轉，并通過轉向搖臂帶動轉向梯形機構運動，是前輪發(fā)生偏轉，從而實現(xiàn)汽車 轉向。 山西農(nóng)業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)設計說明書 - 23 - 結 論 通過這次畢業(yè)設計我學到了許多以前我沒有接觸過的東西和學到了許多書本中沒 有的知識，從中提高了我運用各種知識的能力,并懂了怎樣運用手中的知識去設計有價 值的東西，來提高效率。 通過這次畢業(yè)設計讓我學會了從機器功能的要求出發(fā)，合理選擇緊固機構、調(diào)整 機構，制定設計方案，正確計算零件的工作能力，確定它的尺寸、形狀、結構及材料， 并考慮制造工藝、使用、維護、經(jīng)濟和安全等問題，進一步培養(yǎng)機械設計的基本技能。 這次畢業(yè)設計培養(yǎng)了我機械設計的能力。通過畢業(yè)設計，使我具備了綜合運用機 械設計課程、機械制造課程和其他選修課程的理論和實際知識的能力，使我現(xiàn)在初步 具備了解決機械設計問題的能力。通過設計時間，掌握了機械設計的一般規(guī)律，樹立 了正確的設計思想，進一步培養(yǎng)了我分析解決實際問題的能力。 經(jīng)過這次畢業(yè)設計培養(yǎng)了我運用機械制造工藝學及有關課程（機械設計、汽車） 的知識，結合生產(chǎn)實習中學到的實踐知識，獨立的分析和解決工藝問題，具備設計一 個中等復雜程度零件的工藝規(guī)程的能力。 以后的學習和生活中我會盡我所能將其完善，爭取能設計出比現(xiàn)在更好的夾具來。 在這次設計中所出現(xiàn)的一些不合理的機構將不再出現(xiàn)，我會在以后的工作中多積累一 些這方面的知識，因為這不光能提高我自身的設計加工能力，同時也能為我創(chuàng)造財富。 對于班級的同學我也要向他們說一聲謝謝，是他們在我遇到困難時給我無償?shù)奶?供幫助，我能這么順利地完成畢業(yè)設計多虧了他們的幫助。 孫晉卿：汽車機械轉向機構設計 - 24 - 參考文獻 1 黃靖雄編著. 現(xiàn)代汽車新配置實務.北京：人民交通出版社，2005 年 2 射忠明編著.汽車構造雙色圖解.北京：人民交通出版社，2004 年 3 夏懷成主編.汽車概論.北京：電子工業(yè)出版社，2007 年 7 月 4 韓宗奇編著.現(xiàn)代汽車概論， 沈陽：東北大學出版社，2002年 5 周云山 鐘勇 主編. 汽車電子控制技術，北京：機械工業(yè)出版社，2004年 6 劉雅琴主編.上海桑塔納轎車結構圖冊 ，上海：上?？茖W技術出版社， 1997 年 7 一汽集團公司編.CA1040 系列載貨汽車構造圖冊 ，長春：中國第一汽車集團公司 8 高延齡.汽車運用工程.北京：人民交通出版社，1990. 9 余志生.汽車理論,北京：機械工業(yè)出版社，1981. 10 五味 努等.自動車工會全書 11，自動車 環(huán)境，山海堂，1980. 11 童澄教.內(nèi)燃機排放與凈化.上海：上海交通大學出版社，1994. 12 何渝生.汽車噪聲控制.北京：機械工業(yè)出版社，1995. 13 袁雄.汽車低溫起動.北京：金盾出版社，1992. 14 蔡香華.機動車安全檢測技術.合肥：中國科學技術出版社，1992. 15 陳鳳仁譯.汽車檢驗設備.北京：人民交通出版社，1985. 16 陳鳳仁，周維新.微機控制發(fā)動機自診系統(tǒng).西安：汽車運輸，1995. 17 陳煥江.汽車檢測與診斷（上、下）北京：機械工業(yè)出版社，2002. 18 趙英勛、劉明.汽車檢測與診斷技術.北京：機械工業(yè)出版社，2003. 19 李岳林、王生昌.交通運輸環(huán)境污染與控制.北京：機械工業(yè)出版社，2003. 20 劉玉梅.汽車節(jié)能技術與原理. 北京：機械工業(yè)出版社，2003. 山西農(nóng)業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)設計說明書 - 25 - 致 謝 我能順利完成這次畢業(yè)設計我要感謝我的指導老師，他在我做畢業(yè)設計的過 程中給了我很多幫助，原本他的事情就多，每次我遇到問題向他請教時他都會很 耐心的指導我，并給我提了很多寶貴的意見，正是由于他的寶貴意見才使我的課 題得到完善，設計得比較合理，但他不管刮風下雨，在百忙中抽出空余時間來指 導我。正是由于他的悉心指導和耐心的教導才使我這么順利地完成這次畢業(yè)設計， 因此我要對他說一聲“感謝” 。