第七章 汽车转向系

1、第七章 转向系设计 第一节 概述 第二节 机械式转向器方案分析（重点） 第三节 转向系主要性能参数（重点） 第四节 机械式转向器设计与计算（重点、难点） 第五节 动力转向机构（自学） 第六节 转向梯形 第七节 转向减振器（自学） 第八节 转向系结构元件（自学） 第七章第七章 转向系设计转向系设计 作用 汽车转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构。在汽 车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。 转向操纵机构：转向盘、转向轴、万向节（上、下）、 转向传动轴。 转向器：内设减速传动副，作用减速增扭。 转向传动机构：转向摇臂、转向主拉杆、转向节臂、转 向节、转向梯形。 组成 第七章第七章

2、转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 转向装置 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 主要由转向器壳体、转向齿轮、转向齿条等组成。转向 器通过转向器壳体的两端用螺栓固定在车身（车架）上。 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 动力转向系统 动力转向系统是 兼用驾驶员体力和发 动机（或电动机）的 动力作为转向能源的 转向系统。 动力

3、转向系统是在 机械转向系统的基础 上加设一套转向加力 装置而形成的。 第七章第七章 转向系设计转向系设计 电动式动力转向系由电控单元、电 源、电机、转向齿轮机构和转向传 感器组成。 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第一节第一节 概述概述 一、设计要求 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 2转向后，转向轮应能自动回正 3转向轮不得产生自振，转向盘没有摆动 4转向传动机构和悬架导向机构共同工作时，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逆效率低，反冲小 8有消除因磨损而产生间隙的调整机构 9有防

4、伤装置 10保证转向盘与转向轮转动方向一致 第七章第七章 转向系设计转向系设计 一、设计要求 第七章第七章 转向系设计转向系设计 一、设计要求 转向操纵的轻便性通常用转向时驾驶员作用在转向盘上的切向 力大小和转向盘转动圈数多少两项指标来评价。 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第一节第一节 概述概述 三、分类 1. 转向器 转 向 器 机械转向器动力转向 齿轮齿条式 循环球式 蜗杆滚轮式 蜗杆指销式 液压式 气压式 电动式 滑阀式 转阀式 转向传动轴助力 齿 条 助 力 主动齿轮助力 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第二节第二节 机械式转向器方案分析机械式转向器方案分析 一、机械式转向器

5、方案分析 蜗杆指销式 形式 特点 齿 轮 齿 条式 循环球式 蜗杆滚轮 式 死销 旋转销 正效率 + 高(90%) 高(75% 85%) 低 低 较高 逆效率 - 高(60% 70%) 高 低 较高 较高 iw 可变 可变 不可变 可变 可变 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第二节第二节 机械式转向器方案分析机械式转向器方案分析 一、机械式转向器方案分析 *壳体用铝合金 蜗 杆 指 销 式 形 式 特 点 齿 轮 齿 条 式 循 环 球 式 蜗 杆 滚 轮 式 死 销 旋 转 销 磨 损 慢 慢 慢 快 慢 调 整 间 隙 容 易 容 易 困 难 容 易 容 易 工 作 可 靠 性 可 靠

6、 可 靠 可 靠 较 差 较 差 结 构 简 单 复 杂 简 单 简 单 较 复 杂 制 造 工 艺 容 易 困 难 容 易 容 易 容 易 制 造 精 度 不 高 高 不 高 双 销 变 速 比 时 要 求 高 用 做 整 体 式 动 力 转 向 可 以 可 以 困 难 困 难 困 难 质 量 轻 * 居 中 居 中 单 销 轻 、 双 销 重 车 轮 转 角 大 小 小 小 小 第七章第七章 转向系设计转向系设计 一、机械式转向器方案分析 1. 齿轮齿条式转向器 1）齿轮齿条式转向器输入齿轮位置与输出特点 侧面输入、中间输出: 由于 拉杆长度增加，车轮上、下 跳动时位杆摆角减小，有利 于减

7、少车轮上、下跳动时转 向系与悬架系的运动干涉。 两侧输出: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: 齿轮 齿条式转向器，常用在平头 微型货车上。 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 一、机械式转向器方案分析 1. 齿轮齿条式转向器 1）齿轮齿条式转向器输入齿轮位置与输出特点 形式 特点 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 备 注 车轮上下跳动时 拉杆摆角 大 大 小 拉杆短 摆角 转向拉杆与悬架 系的运动干涉 大 大 小 转向器壳体强度 大 大 小 大 满足总布置要求 不好 较好 较好 应用 平

8、头车 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 一、机械式转向器方案分析 1. 齿轮齿条式转向器 2） 齿条断面形状齿条断面形状 形状 特点 圆形 V形 Y形 备注 制造工艺 简单 复杂 复杂 材料消耗 多 少 少 约少20% 质量 大 小 小 强度 小 小 大 Y形齿宽宽 齿条自转 能 不能 不能 第七章第七章 转向系设计转向系设计 一、机械式转向器方案分析 1. 齿轮齿条式转向器 3） 齿轮齿条式转向器的布置形式 转向器在前轴后方, 后置梯形 转向器在前轴后方, 前置梯形 转向器在前轴前方, 前置梯形 转向器在前轴前方, 后置梯形 第七章第七章 转向系设计转向

9、系设计 第二节第二节 机械式转向器方案分析机械式转向器方案分析 二、防伤安全机构方案分析防伤安全机构方案分析 交通事故表明:汽车发生碰撞事故,可以是正面、侧面、追尾 等碰撞事故,其中正面碰撞事故 约占40% 50%。 正面碰撞事故中，驾驶员可能与转向盘、仪表板、转向管柱、 挡风玻璃、室内后视镜、遮阳板等发生身体接触，并遭受伤 害，严重时会伤及性命，因此采取有效措施保护驾驶员是十 分重要的。当前采取的有效措施主要有：安全带、安全气囊、 转向系中的防伤安全机构。 有的汽车上述三种措施同时并存（如档次比较高的轿车）， 有些汽车只有其中的12项（如平头客车只有安全带，货车 中当前也很少装气囊）。 第七

10、章第七章 转向系设计转向系设计 第二节第二节 机械式转向器方案分析机械式转向器方案分析 二、防伤安全机构方案分析防伤安全机构方案分析 1、法规要求 1）汽车以48km/h的速度正面同其它物体碰撞的实验中， 转 向管柱和转向轴在水平方向的后移量不得大于127mm； 2）在台架试验中用人体模型的驱干以6.7m/s的速度碰撞转向 盘时，作用在转向盘上的水平力不得超过11123N （GB115571998） 2、防伤安全机构 安全带可以有效地限制乘员前移量。 安全气囊可以在乘员头、胸前部与转向盘（仪表板）之间形成 隔离带，缓和冲击，减缓乘员前移量和前移速度。而在驾驶员 不可避免的与转向盘发生身体接触时

11、，防伤安全机构可以减轻 驾驶员受到伤害的程度。 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 二、防伤安全机构方案分析防伤安全机构方案分析 防 伤 转 向 轴 万 向 节 联 接 叉 安 全 联 轴 套 管 弹 性 联 轴 器 吸 能 转 向 管 柱 方 案 特 点 结 构 简 单 简 单 简 单 简 单 复 杂 吸 能 不 能 不 能 能 能 能 零 件 受 载 大 小 大 大 大 制 造 工 艺 简 单 简 单 简 单 简

12、 单 复 杂 制 造 精 度 不 高 不 高 不 高 不 高 高 工 作 可 靠 性 可 靠 可 靠 可 靠 可 靠 可 靠 撞 后 实 现 转 向 能 不 能 能 不 能 能 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 P1 作用在转向轴上的功率 P2转向器中的磨檫功率 P3作用在转向摇臂轴上的功率 为了保证转向时驾驶员转动转向盘轻便 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 P1 作用在转向轴上的功率 P2转向器中的磨檫功率 P3作用在转向摇臂轴上的功率 为了保证回正性好 第七章第七章 转向系设计

13、转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第三节第三节 转向系主要性能参数转向系主要性能参数 二、传动比的变化特性 转向系传动比 转向系传动比 转向系力传动比 转 向 系 角 传 动 比 转 向 器 角 传 动 比转向传动机构角传动比 h w p F F i 2 kkk w 0 d d dtd dtd i ppp w d d dtd dtd i k p k p k p d d dtd dtd i 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 如果忽略磨擦损失，根据能 量地恒原理，2Mr/Mh

14、可用 下式表示 0 2 i d d M M kh r 第七章第七章 转向系设计转向系设计 a则 i p，转向沉 重，为此应减少a 第七章第七章 转向系设计转向系设计 0 i d d ii K ii 0 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 措施： 第七章第七章 转向系设计转向系设计 二、传动比的变化特性 4.转向器角传动比及其变化规律 齿轮齿条式转向器变速比工作原理如下： 当齿条中部2的为最大向两端逐渐减小时，则齿条中部的 m2也 应当大于两端处齿的 m2 。 2大时，齿槽上宽下窄，节圆半径R1也大，反之亦反之。 pb2=m2cosa2 2变化范围 12035

15、0 齿轮 齿条 第七章第七章 转向系设计转向系设计 齿轮齿条转向器变速比工作原理齿轮齿条转向器变速比工作原理 图7-9是根据上述原理设计的齿轮齿条式转向器齿条压力角变化示例。 从图中可以看到，位于齿条中部位置处的齿有较大压力角和齿轮有 较大的节圆半径，而齿条齿有宽的齿根和浅斜的齿侧面；位于齿条 两端的齿，齿根减薄，齿有陡斜的齿侧面。 齿条中部齿 齿条两端齿 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 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

16、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。 第七章第七章 转向系设计转向系设计 i w增大以后，转向器输出的力F，相对降低了转向传动装 置刚度，转向器尺寸大、质量，在汽车上难于布置希望 i w 取小些。 当iw过于小时，带来如下问题： 1

17、）对的变化特敏感，驾驶员难于准确控制汽车方 向高速转弯行驶容易发生交通事故。 2）坏路上行驶反冲效应增大 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第三节第三节 转向系主要性能参数转向系主要性能参数 三、转向器传动副的传动间隙t 1转向器传动间隙特性 各式转向器的传动副，如：齿轮齿条式转向器的齿轮与 齿条传动副；循环球式转向器的齿扇与齿条传动副；曲 柄指销式转向器的指销与蜗杆传动副等之间的间隙随转 向盘转角的变化而变化，并称之为转向器传动副传动间 隙特性。 当各处t =0时，易卡住现象，寿命短。 当各处 t 0时，车轮会偏离行驶位置。 理想的传动间隙应当满足下述条件： 于直线行驶位置处t =0 离开

18、直线行驶位置处t 0，且逐渐增大 第七章第七章 转向系设计转向系设计 曲线1新的调整正常的间隙特性， 曲线2使用磨损后的间隙特性， 曲线3重新调整后的间隙特性 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第三节第三节 转向系主要性能参数转向系主要性能参数 三、转向器传动副的传动间隙t 2如何获得传动间隙特性 （1） 循环球齿条齿扇式 偏心法 特点：齿条的齿槽等宽；齿扇的齿变厚， 且中间齿厚为正常齿，两侧齿齿厚依次 减薄。 若O1与O重合加工后齿扇各齿齿厚相同 若O1与O不重合存在偏心距n，则各齿齿厚 不同。 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第三节第三节 转向系主要性能参数转向系主要性能参数 三、转

19、向器传动副的传动间隙t 2如何获得传动间隙特性 （1） 循环球齿条齿扇式偏心法 coscos2 22 1 22 nRnnRtgt ppd d端面压力角； R节圆半径； p摇臂轴转角； R1中心O1到b点的距离； n偏心距。 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第三节第三节 转向系主要性能参数转向系主要性能参数 三、转向器传动副的传动间隙t 2如何获得传动间隙特性 （1） 循环球齿条齿扇式偏心法 传动间隙特性与n有下述关系 摇臂轴转角 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第三节第三节 转向系主要性能参数转向系主要性能参数 三、转向器传动副的传动间隙t 2如何获得传动间隙特性 （2） 循环球齿条齿

20、扇式修正齿条法 特点：齿扇齿各齿厚度相同； 齿条的两侧齿槽比中间齿槽稍宽，且使两侧齿槽的 宽度相同，磨损后不至于卡死。 小模数时取下限 。 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 当用上式计算的Fh700N时，已超出人体生理极限，此时对转向器及 动力缸以前的零件的计算载荷，取Fh=700N 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第四节第四节 机械式转向器设计与计算机械式转向器设计与计算 二、齿轮齿条式转向器设计 1主要参数的确定 2. 强度验算：抗弯强度；接触强度 3. 材料： 齿轮 16MnCr5 、15CrNi6 齿条 45

21、钢 壳体 铝合金 模数 小齿轮齿数 压力角 螺旋角 齿条齿数 23 57 200 90150 由行程确定 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第四节第四节 机械式转向器设计与计算机械式转向器设计与计算 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 （1）钢球中心距D、螺杆外径D1 、螺母内径D2 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第四节第四节 机械式转向器设计与计算机械式转向器设计与计算 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 （1）钢球中心距D、螺杆外径D1 、螺母内径D2 D：是指螺杆两侧刚球中心间的距离，是转向器的基 本

22、尺寸。 影响选取D的因素有：D1、D2和刚球直径d。如果D选取 的比较大，转向器的尺寸及质量均增加，螺杆尺寸也随之 增大，表明刚度大，承载能力强。 要求：在保证有足够的强度、刚度条件下为减小尺寸、质 量应尽可能选取小一些的D，D的变化范围为2040。 D应随m 的变化而变化，当m时，D也应。 D1、D2：（D2D1）=（510）%D D1=20、23、25、28、29、34、38 第七章第七章 转向系设计转向系设计 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 （2）刚球直径d及数量n 影响选取d的因素（常用的标准范围： 79 ）： 选取d的原则：在保证有足够的承

23、载能力条件下，尽可能取尺寸小些的d。 如果是系列产品，要求d的选取规格尽可能少，常用有三种规格已足够。 第七章第七章 转向系设计转向系设计 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 （2）刚球直径d及数量n 影响选取n的因素 n 影响因素 要求n取 备注 承载能力 多 工作可靠性 少 n多时， 尺寸误差导致受力不均 匀且易堵塞 第七章第七章 转向系设计转向系设计 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 （2）刚球直径d及数量n n选择：原则在保证有足够的承载能力的条件下，n应取少 些为宜。 n的选取范围： n 60粒/环路

24、为保证每个刚球都承载，要求对刚球进行分组（至少分四 组）装配。（同时螺杆、螺母也应当分组）。 不包含环流导管中钢球数时，每个环路中的钢球数n用下 式计算： d DW d DW n 0 cos W一个环路中的钢球工作圈数； 0螺线导程角，0=58， cos01.0 第七章第七章 转向系设计转向系设计 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 (3)工作钢球圈数W 环路数：1个或者2个，且多数转向器为两个独立环路。 环路数 影响因素 环路数 备注 承载能力 多 减少轴向尺寸 少 提高传动效率 多 滚道的曲率半径减小 第七章第七章 转向系设计转向系设计 三、循环球式

25、转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 (3)工作钢球圈数W 选取W的原则：在保证螺杆、螺母、钢球有足够的j 强度条 件下，将W取少些； m小时W取1.5，m大时，W取得多。 W的选取范围： 1.5、2.5 影响工作钢球圈数W的因素 W 影响因素 要求W取 备注 螺杆、 螺母、 钢球接触强度 多 W多，nj 传动效率高 少 第七章第七章 转向系设计转向系设计 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 (4)滚道截面：单圆弧滚道截面/四段圆弧滚道截面/椭圆滚 道截面 形 式 特 点 单 圆 弧 四 段 圆 弧 椭 圆 滚 道 接 触 点

26、（ 理 论 ） 2 4 3 轴 向 间 隙 大 小 小 轴 向 定 位 不 稳 定 稳 定 稳 定 工 艺 容 易 难 难 应 用 不 用 多 少 55.052.0 , 2 22 d R R d 一般 第七章第七章 转向系设计转向系设计 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 (5)接触角：钢球与螺杆滚道接触点的正压力方向与螺杆滚 道法面轴线间的夹角称为接触角。 接触角影响：轴向力和径向力的分配 要求：轴向力和径向力接近，以免影响扇齿齿根处强度。 范围：用450的多，少数用500或57.50(BenZ)，此时径向力 ，轴向力。 第七章第七章 转向系设计转向系

27、设计 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 （6）螺距P（一般在8-11mm取） 若转向盘转动d，则同时螺母移动ds距离，即 与此同时齿扇转过的弧长也为ds，相应摇臂轴转过则有： 2 Pd ds rdds p P r i d d P 2 P 影 响 因 素 要 求 P 取 备 注 iw iw 1/p 轴 向 尺 寸 小 iw取 大 ， P应 取 小 ； iw取 小 ， P 应 取 大 。 若 iw一 定 ， P 取 小 ， 可 通 过 r 保 证 iw值 ， 但 此 时 径 向 尺 寸 尺 寸 b(b=P-d) 大 b 2 5 第七章第七章 转向系设计转向

28、系设计 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 2齿条、齿扇传动副设计 变厚齿扇齿(为获得传动间隙)的特点 齿顶圆与齿根圆均有锥度 分度圆d=mz，不变是圆柱 分度圆上的齿厚是变化的 基圆也是一个圆柱 第七章第七章 转向系设计转向系设计 三、循环球式转向器设计 （一）主要尺寸参数的选择 2齿条、齿扇传动副设计齿形计算 图纸上仅标注基准剖面尺寸即（）剖面尺寸。 基准剖面可以选在齿宽内或齿宽外任意剖面处，但一般多 选在B/2 处； 基准剖面的=0，且向右为正 ，向左 为负 距基准剖面尺寸a0 处的OO剖面的移距系数为 1 m a tan 0 1 切削角切削角 第七章第七章 转向系设计转向

29、系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第四节第四节 机械式转向器设计与计算机械式转向器设计与计算 四、循环球式转向器零件强度计算 1. 钢球与滚道之间的接触应力 3 )( )( 2 2 2 2 2 3 rR rREF k coscos 0 2 3 n F F 1 1 1 2 r lF F 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第四节第四节 机械式转向器设计与计算机械式转向器设计与计算 四、循环球式转向器零件强度计算 2. 齿的弯曲应力w 材料： 螺杆、螺母 20CrMnTi 渗碳 0.81.45mm 5863HRC 2 6 Bs Fh w 第七章第七章

30、转向系设计转向系设计 第四节第四节 机械式转向器设计与计算机械式转向器设计与计算 四、循环球式转向器零件强度计算 3.转向摇臂轴直径d 材料： 20CrMnTi 渗碳 0.81.45mm 5863HRC 3 2 . 0 0 r KT d 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第四节第四节 机械式转向器设计与计算机械式转向器设计与计算 四、循环球式转向器零件强度计算 4.转向轴 )(2 . 0 44 dD DRF SWh 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第六节第六节 转向梯形转向梯形 3 3）在汽车上有足够的高度，高于前部）在汽车上有足够的高度，高于前部h minh min。 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第七章第七章 转向系设计转向系设计 转向传动机构和转向转向传动机构和转向 器及转向轮的悬挂器及转向轮的悬挂 独立悬架， 因转向轮的独立性。 其转向拉杆需分段。 才能正常传递转向力。 第七章第七章 转向系设计转向系设计 第六节第六节 转向梯形转向梯形 二、转向梯形结构方案分析 整体式 断开式 备 注 方案