轿车前轮主动转向系统机械结构设计

摘 要轿车前轮主动转向系统可以确保车辆在任何速度下都能提供理想的转向操控，同时加强了轿车在高速行驶状态下的安全性，提高了驾驶员在驾驶汽车时候的灵活性和舒适性,而且相比于传统的转向器，主动转向系统更加可靠，故障率更低。本设计以现有主动转向系统装置为基础，参考先进的主动转向系统的设计原理和已有汽车的相关数据，重新设计齿轮齿条式转向器及相匹配的主动转向系统机械部分的结构方案，并对相关的部分进行强度校核。设计的主要内容包括：转向系统主要参数的确定，齿轮齿条转向器的设计，主动转向控制器的设计，其中主动转向是设计中的难点，采用星星齿轮机构来实现主动转向的控制，最后运用键词：转向器；主动转向；前轮；机械设计；行星齿轮in in of is on of of of of of of is in to 摘要论向系统综述动转向系统特点章小结3第2章 转向系统主要参数的确定章小结7第3章 齿轮齿条式转向器的设计章小结13第4章 主动转向控制器的设计29结论30参考文献31致谢32附录A33附录B35第1章绪 论主动转向系统保留了传统转向系统中的机械构件，包括转向盘、转向柱、齿轮齿条转向机以及转向横拉杆等。其最大特点就是在转向盘和齿轮齿条转向机之间的转向柱上集成了一套双行星齿轮机构，用于向转向轮提供叠加转向角。主动转向系统通过一组双行星齿轮机构实现了独立于驾驶员的转向叠加功能，完美地解决了低速时转向灵活轻便与高速时保持方向稳定性的矛盾，并在此基础上通过转向干预来防止极限工况下车辆转向过多的趋势，进一步提高了车辆的稳定性。同时，该系统能方便地与其他动力学控制系统进行集成控制，为今后汽车底盘一体化控制奠定了良好的基础。与常规转向系统的显著差别在于，主动转向系统不仅能够对转向力矩进行调节，而且还可以对转向角度进行调整，使其与当前的车速达到完美匹配。其中的总转角等于驾驶员转向盘转角和伺服电机转角之和。低速时，伺服电机驱动的行星架转动方向与转向盘转动相同，叠加后增加了实际的转向角度，可以减少转向力的需求。高速时，伺服电机驱动的行星架转动方向与转向盘转动相反，叠加后减少了实际的转向角度，转向过程会变得更为间接，提高了汽车的稳定性和安全性。杆曲柄销式转向器它是以蜗杆为主动件，曲柄销为从动件的转向器。蜗杆具有梯形螺纹，手指状的锥形指销用轴承支承在曲柄上，曲柄与转向摇臂轴制成一体。转向时，通过转向盘转动蜗杆、嵌于蜗杆螺旋槽中的锥形指销一边自转，一边绕转向摇臂轴做圆弧运动，从而带动曲柄和转向垂臂摆动，再通过转向传动机构使转向轮偏转。这种转向器通常用于转向力较大的载货汽车上。2、循环球式转向器循环球式：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。3、齿轮齿条式转向器它是一种最常见的转向器。其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条。转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。有时，靠齿条来直接带动横拉杆，就可使转向轮转向。所以，这是一种最简单的转向器。它的优点是结构简单，成本低廉，转向灵敏，体积小，可以直接带动横拉杆。在汽车上得到广泛应用。驶转向的传动装置通常都是固定的，方向盘与前轮的转向角度比始终一成不变。如果采用直接转向，驾驶者在过急弯时就不需要大幅转动方向盘，但是在高速行驶时，方向盘细微的动作都将会影响到行驶稳定性；反过来说，转向系统越是间接，车辆在高速公路上的行驶稳定性就越高，但是必须牺牲过弯时的操控性。所以，传统的转向系统都必须在安全性与舒适性之间做出权衡。而主动转向系统保留了传统转向系统中的机械构件，包括转向盘、转向柱、齿轮齿条转向机以及转向横拉杆等。其最大特点就是在转向盘和齿轮齿条转向机之间的转向柱上集成了一套双行星齿轮机构，用于向转向轮提供叠加转向角。主动转向系统通过一组双行星齿轮机构实现了独立于驾驶员的转向叠加功能，完美地解决了低速时转向灵活轻便与高速时保持方向稳定性的矛盾，并在此基础上通过转向干预来防止极限工况下车辆转向过多的趋势，进一步提高了车辆的稳定性。同时，该系统能方便地与其他动力学控制系统进行集成控制，为今后汽车底盘一体化控制奠定了良好的基础。主动转向系统的的双行星齿轮机构包括左右左右两副行星齿轮机构，公用一个行星架进行动力传递，左侧的主动太阳轮与转向盘相连，将转向盘上输入的转向角经由行星架传递给右侧的行星齿轮副，而右侧的行星齿轮具有两个转向舒服自由度，一个是行星架传递的转向盘转角，另一个是由伺服电机叠加转角输入。右侧的太阳轮作为输出轴，其输出的转向角度是由转向盘转向角度与伺服电动驱动的行星架转动方向与转向盘相同，增加了后者的实际转向角度，高速时，伺服电动机电机驱动的行星架与转向盘转向相反，叠加后减少了实际的转向角度，转向过程变得更为间接，提高了汽车的稳定性和安全性。转动车轮所用的力量，并不是由电动机决定，而是由独立的转向助力系统与传统的转向装置一同决定的。主动式转向系统的其他组成部件还包括判定当前驾驶条件和驾驶者指令的独立控制单元和多个传感器。主动转向系统的整体结构如图11动转向系统表1体参数值传动比 静止状态10:1；高速状态20:1轮胎型号 245/45890风阻系数 673承载质量 382前后配重 高时速 250/79解主动转向系统的发展现状和特点并确定参考数据。为后面的设计奠定基础。50的标准系列内选取。取 379货车和轿车的转向盘转动总圈数有不同的要求。不装动力转向的重型汽车的转向盘转动的总圈数一般不宜超过7圈，。 由转向器的效率和传动机构的效率决定，即 0 （2向器的效率有正效率 和逆效率 两种。正效率1 21 （2效率 3 23 （2中： 1P作用在转向盘上的功率；2P 转向器中的摩擦功率；3P作用在转向摇臂轴上的功率。对于蜗杆类和螺杆类转向器，如果只考虑啮合副的摩擦损失，忽略轴承和其他地方的摩擦损失，其效率可以用下面的公式计算： 0 02 00 （2中： 0 蜗杆或螺杆的导程角， 0 12； 摩擦角， ；f 摩擦系数，取 f =得淬火钢对淬火钢的摩擦副摩擦系数f =取f =则： = 2 =向时加在转向盘上的切向力，对轿车不应大于150200N。作用于方向盘上的手力 hF 2 （2中： 转向阻力矩；a主销偏移矩；可用下列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 13 =481680Nf 轮胎和路面间的滑动摩擦系数，一般取0.7；转向阻力矩，NG 转向轴负荷，N， 1 ；载m 汽车的满载质量 载m =(1673+382) =2055；c汽车的转向轴载荷分配系数，转向轴为前轴， 1G 2055轮胎气压，： 2 =L 为转向摇臂长；2L 为转向节臂长，现代汽车结构中，转向传动机构角传动比 2 似认为 ；为转向盘直径， 379mm；为转向器角传动比, 18； 为转向器正效率, =动转向控制器不工作，此时工作状况相当于传统齿轮齿条转向器，转向盘与齿轮刚性连接。则齿轮转矩 1T =21 0 （2中： 转向轴的转角增量，s 齿条位移增量，于定传动比的转向器，其角转动比可表示为：220 （2中：r齿轮分度圆的半径， 21 ；1d 齿轮分度圆的直径；10 2122 （2转向器的角传动比乘用车的转向器的角传动比在1725的范围内选取，一般传统齿轮齿条转向器角传动比为18，取 i =18。定基本的转向系统参数，其中包括转向盘的直径转向盘回转的总圈数转向系的效率，转向系的传动比。用变位齿轮。法向模数 232B/987)。齿数多在58之间取值，取 1Z =6。由于避免根切的最小齿数为 17；主动齿轮Z 能采用变位齿轮方案变位系数= ； 1，则 =轮螺旋角多在915之间取值，取 =12。压力角即法向齿形角取标准值 n 20。转向盘最大转角 2160=315。齿条齿数待定。主动小齿轮选用15 材料制造，硬度58齿条选用45钢制造，均采用淬火处理。壳体为减轻质量采用铝合金压铸。齿轮精度初选8级。法向齿顶高系数取标准值 *。法向顶隙系数取标准值 *此按弯曲强度设计，按接触强度校核。1、选取齿轮材料及热处理对于汽车齿轮采用硬齿面设计，表面硬度均应56动小齿轮取60火处理；齿条采用45钢，表面硬度取58火。2、齿轮最大转矩 1T =取载荷系数 齿轮硬齿面， K =取 K =、选取齿宽系数 d 及 a齿轮相对轴承非对称布置，取 d =式 a = 12 d （3对于齿条Z（待定）， 则 d 0。5、初取重合度系数 Y 及螺旋角系数 2， a =式 Y =3 Y =Y =Y =Y =取齿数 1Z ， 2Z ,齿形系数 应力修正系数 Z =8 ， 2Z 待定。由 33当量齿数 117，故采用变位齿轮传动， 取变位系数 =22定许用弯曲疲劳应力 F 得 1=45015=43001向运转，数值式 1F = S （3轮失效概率1/100采用一般可靠度设计，取 应力修正系数，取00天/年），单班（8h）；应力循环次数N=60n 为每转一圈，同一齿面啮合次数；齿轮工作寿命则=1；r/s=s。则 N=6012000710取 1F = 450 =4892F = 430 =467齿根弯曲疲劳应力 1 11F Y = 489 =1） 2 22F Y = 467 =2）9、确定齿轮模数由式 )(1 2 （3入上面两式(1)(2)两者最大值 定主要参数分度圆直径 d= b= d 1d =b =20 ， 1b =b+5101b =30K ，取 1、定载荷系数K（1）动载系数 =6000011=）齿向载荷分布系数 K （9级精度，淬火钢）：由式 = a =a =11Z + 21Z )2Z = = 1Zd K =K = AK K K = K 需重新计算 12、验算齿根疲劳强度用准确值代入式 ，齿根疲劳强度足够。算齿面接触疲劳强度弹性系数，查得 点区域系数，查得 式Z = )1(34 d （3 Z =Z Z = H = S （3中： 接触疲劳寿命系数，查得 S 安全系数，失效概率1/100，取 1；得 1=15602=1540 1H =1529 2H =15094、验算齿面接触强度H = Z Z Z 12 211 则 1 1；故 H =2 =1492 H 1509 2H （取两齿材料较弱者进行比较），故接触强度足够。对于齿条行程l = 1d （3d = 3于齿条，理论上 Z l ；（ （3Z Z 28。齿条长 l 3 l 章通过对转向系统常规数据的选择，设计齿轮齿条机，并对相关的零件进行了强度校核。保证使用强度。第4章 图如图44制器简图对于左边的主动太阳轮为1，行星轮为a(初设行星齿轮数目为 4)；大齿圈杆H；右边太阳轮为3，齿圈齿与电机带动的蜗杆2组成涡轮蜗杆传动。该系统中活动构件为n=6；高副数目为 5；低副数目为 5，则系统机构的自由度为 F=3P - 36其中包括电机方向 2n 的输入和方向盘方向 1n 的输出。通过计算，最终从太阳轮 3n 输出的转速 3n 为 1n 的叠加。设转速 2n 方向向左：3n = 1113 32213 22 Z Z 式中， 2n 方向向左时取“”，反之则取“+”。其中， 31 ； 2Z 。当 2n =0时， 3n = 1n，即电机未工作时，输出即为方向盘的输入；当 1n =0时， 3n = 213 22 Z ，此时，转向角度由电机控制。对行星齿轮组进行设计，左右为对称结构，设计一组即可，选择对左边行星轮系进行设计。向控制器采用闭式硬齿面设计方案，失效形式主要为轮齿的折断，因此按弯曲强度设计，接触强度校核。齿轮采用斜齿圆柱齿轮传动，初设螺旋角 =10，在815范围内选。初取模数 2了尽量不使用变位齿轮，行星轮和主动太阳轮齿数Z 17。初取主动太阳齿数 1Z =14；行星轮齿数 2Z =10。1、选取齿轮材料及热处理方法采用硬齿面，大小齿轮均采用合金渗碳钢20 渗碳淬火。2、齿面硬度太阳轮 6063863阳轮转矩 1星轮齿数小于太阳轮时即 2从而满足装配条件。对于变位齿轮传动有 2 )( 21 2 )( 2 （4 )( 21 2 （4中： k= 4；变位齿轮中心距变动系数 )121 4 y )01014 = 21 （4 x ， y )( * （4（1+aa （4= )( 21 = )4180( 21 =（( 21 a )(2 *2满足邻接条件10。由于大齿圈工作条件不如主动齿轮与行星齿轮啮合恶劣，当采用同种材料，同样的热处理方法时，主动齿轮与行星齿轮啮合满足设计要求时，其肯定也同样符合要求，故此处略去其校核步骤。而匹配驱动电机，需估算转向轮偏转角速度。假设方向盘转速为零时，此时转向角度由驱动电机控制，若在此时主动转向控制器满足可变化传动比的变化范围要求，由前面章节所述，方向盘转速为零时，即 01 n 时，驱动电机转速为 2n ，太阳轮输出转速为 3n ，由式3n = 231 22 Z （4蜗轮转速为 则应有 212 （4 3n = wb 2 （4理想状况下，最小转弯半径 转向轮外轮最大偏转角度的关系为： （4车轮为绝对刚体的假设条件下，内转向轮偏转角与外转向轮偏转角的关系式为： 4中：B两侧主销轴线与地面相交点之间的距离；L汽车轴距11；车型各项参数值：轴距 L=2890轮距（前）=1560最小转弯半径 =入（4可求得 = = 可由（4求得=虑到驾驶员的操纵能力将方向盘转速取为1r/s;可粗略认为转向轮最大偏转角速度为：= /s)=)主动转向控制器输出角速度 3 即为齿轮齿条转向机输入角速度，则它与转向轮偏转角速度 之比即为齿轮齿条转向机传动比， 18，即 183 i ；求得 3 =)3n =)则蜗轮转速323 （4知机构中 1413 342 n r/般工况下，电机转速为200r/ 2n =200r/n = ww （4 16取蜗轮蜗杆传动比为 择材料蜗杆选用40 面淬火，表面硬度（45轮选用 110型铸造，220b s =140。、确定 2Z ， 22；则由式 2（4 182=362n = =1811r/定蜗轮转矩 驶员需克服地面最大阻力矩施加在方向盘上的最大转矩为T =。当方向盘转速为零时，考虑在同样的工况下，则蜗轮的转矩应为 T =。4、确定载荷系数作情况系数 1。初设蜗轮圆周速度 2v 3m/s，取动载荷系数 1；因载荷平稳取齿向载荷分布系数K =1；故 K= AK K =1；5、确定蜗轮许用接触应力 H 查得蜗轮材料 110离心铸造，蜗杆齿面硬度45 H 为261b300 H =261、接触疲劳应力计算由式 3 2)( H (4 得弹性系数 155。将各参数代入上式得 3 23 )261 a =2 （4 2d =22 m =m=22d =q=、计算圆周速度 v 与滑动速度 svv = （4v 100060 m/sv = （4Z =10729由公式 4 92710 v m/v 3m/s，故选取 1可用； 12m/s，蜗轮材料选取 110型铸造可用。8、传动效率计算v =量摩擦角=337。据式（2合效率 ) 则 )7339271092710 =杆传动主要尺寸计算中心距a )(2 （42 a =d ， d = 2362蜗轮喉圆直径 )2 2*2 a = )2272(22 * =76曲疲劳强度验算由式 T Fw F （4轮当量齿数 3Z （4271063 Y =旋角系数 1409271011401 Y = T Fw F ；蜗轮材料为 110双侧工作，离心铸造，取 F =58 F F符合强度要求，可用。11、热平衡计算由式 )1( （4制器通风条件适中，取表面传热系数 K)W/(m18 2 00( 000 t （6070）可采用其他冷却散热措施，加强冷却。考虑到主动转向控制器为间歇工作，工作条件不如计算时恶劣，通风散热良好，因此可考虑将热平衡计算略去不计。计整个主动转向器的机械部分，其中包括主动转向控制器几何结构设计，主动转向控制器行星齿轮设计，主动转向控制器行星齿轮可行性设计及主动转向控制器蜗轮蜗杆设计。并进行强度校核。结 论本设计是依据驾驶条件，调节车辆转向传动比，从而增加或减小前轮的转向角度。在低速时，电动机的作