小型客车转向系统毕业设计

1、（2014 届）本科毕业设计（论文）资料 题 目 名 称： HN6531小型旅游客车转向系的 设计 学 院（部）： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及自动化 学 生 姓 名： 徐德成 班 级：机设1007 学号 10405701332 指导教师姓名： 周明 职称 副教授 最终评定成绩： 湖南工业大学教务处2014 届本科毕业设计（论文）资料第一部分 本科毕业设计（论文）（2014 届）本科毕业设计（论文）题 目 名 称： HN6531小型旅游客车转向系的设计 学 院（部）： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及自动化 学 生 姓 名： 徐德成 班 级：机设1007 学号 10405701

2、332 指导教师姓名： 周明 职称 副教授 最终评定成绩 2014 年 5 月 湖南工业大学本科毕业设计（论文）湖南工业大学本科毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），题目HN6531小型旅游客车转向系的设计是本人在指导教师的指导下，进行研究工作所取得的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文章以明确方式注明。除此之外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本人完全意识到本声明应承担的责任。作者签名：日期： 年 月 日摘要随着汽车工业的迅猛发展，作为汽车的关键部位转向系统也得到大浪淘沙式的发展，从纯机械转向系统发展到助力式转向系统

3、。本文对小型旅游客车转向系统进行设计。本文以转向系的性能参数要求、转向梯形的设计布置、以及循环球式转向器的设计计算为主线，对转向系统进行设计校核，系统的阐述转向系统的组成构造，性能要求。全文首先介绍转向系的组成构造、要求及转向系的选取；然后是转向系性能参数的确定，主要以转向系正（逆）效率，转向系力（角）传动比，转向器的角传动比以及转向系的啮合特性为主；其次介绍转向传动机构，以转向梯形的设计为主线并介绍转向传动结构的组成；最后对循环球式转向器的设计校核。由于转向系统对于行驶安全性至关重要，转向系设计已成为汽车行业的一个关键课题，转向器与转向梯形的设计也在不断的完善、创新。关键词：循环球转向器，转

4、向梯形，转向系正效率，啮合特性ABSTRACTWith the rapid development of automobile industry, it as a key part of the automobile steering system has also been developed mighty wave crashing on shore type. From a purely mechanical steering system to the development of power system. This paper carriers on the design to t

5、he small tourist bus steering system.In this paper, the performance parameters of steering system requirement, design of steering trapezoid arrangement, as well as the recirculating ball type steering gear design as the main line, of the design and check of the steering system, the steering system s

6、tructure system, performance requirement. This paper first introduces the structure, steering system requirements is selected. Then determine the performance parameters of steering system, mainly in the steering system is (inverse) efficiency, steering force (angle) transmission ratio, mainly engagi

7、ng characteristics angular gear ratio and steering trapezoid, as the main line and the steering transmission structure; finally to design for the recirculating ball type.Due to the steering system for driving safety is essential, steering system design has become a key topic of automobile industry a

8、nd the steering trapezium design are constantly improving, innovation change.Keywords: recirculating ball steering gear, steering, steering system is efficiency, meshing characteristics目 录第1章绪论11.1 转向系的发展与现状11.1.1 机械式转向系统11.1.2 液压助力式转向系统11.1.3 电液助力式转向系统11.1.4 电动助力式转向系统21.1.5 线控转向系统21.2 转向系发展趋势3第2章 转

9、向系统的组成与要求42.1 转向系的组成42.1.1 机械转向系统42.1.2 动力转向系统42.2转向系的基本要求5第3章 转向系选取73.1转向操纵机构73.2转向传动机构73.3转向器73.3.1转向器的传动效率及可逆程度83.3.2转向器角传动比iw83.3.3转向器传动间歇93.4动力转向系统93.4.1液压助力式转向系统93.4.2电液助力式转向系统93.4.3电动助力式转向系统9第4章 转向系统主要性能参数确定104.1转向系效率104.1.1转向系正效率+104.1.2转向系逆效率-104.2转向系传动比114.2.1转向系力传动比ip114.2.2转向系角传动比iw0114.

10、2.3转向器角传动比i114.2.4转向传动机构角速度i'w114.3转向系力传动比与角传动比的关系114.4转向传动系传动比的计算124.4.1转向阻力矩Mr计算124.4.2转向系力传动比ip及角传动比i计算134.5转向系传动副的啮合间隙特性134.5.1转向器的啮合特性134.5.2转向盘自由行程144.5.3转向盘总回转圈数n的计算14第5章 转向传动机构设计155.1转向梯形方案分析155.1.1整体式转向梯形155.1.2断开式转向梯形155.1.3转向梯形机构尺寸确定165.1.4转向梯形的优化175.2纵拉杆185.2.1纵拉杆强度校核185.3横拉杆19第6章 循环

11、球式转向器设计206.1转向系计算载荷的确定206.1.1循环球式转向器216.2主要尺寸参数选取216.2.1钢球中心距D226.2.2螺杆内外径选取226.2.3工作钢球圈数W236.2.4钢球直径与数量的选取236.2.5滚道截面246.2.6接触角246.2.7螺距P与倒程角0256.3转向器计算和校核256.3.1钢球滚道间接触应力256.3.2齿扇齿的弯曲应力w26第7章 动力转向系统277.1液压缸设计277.1.1液压缸作用力F277.1.2液压缸内径D277.1.3液压缸长度277.1.4活塞运动速度277.2转向油泵287.3管路系统287.3.1流速287.3.2硬管28

12、7.3.3软管297.3.4油箱29结论30参考文献31致谢3232第1章 绪论1.1 转向系的发展与现状改革开放以来，我国汽车工业得到长足发展。作为汽车关键部位的转向系统也得到迅猛发展，转向系统已由纯机械式转向系向助力式转向系发展。助力式转向系由于转向操纵轻便灵活，能够吸收路面对车轮冲击等优点已在汽车制造业中被普遍采用。汽车转向系经历100多年的发展历史，经历了机械式转向系统液压助力式转向系统电液助力式转向系统电动助力式转向系统线控转向系统。其中助力式转向系统得到了广泛的使用。1.1.1 机械式转向系统机械式转向系统应用较多，现在所有的转向系统都要求有机械转向系统以保证转向的安全可靠性。机械

13、式转向系统以人力为动力来源，所有传递力的零件都是机械的，它由转向操纵机构、转向器和转向传动机构组成。转向系的力传动比和角传动比成反比关系。当力传动比大时，转向省力，转向轻便性好但是转向灵敏性就变差；当角传动比大时，转向灵敏性好了，但转向需要很大的力，转向轻便性达不到要求。因此机械式转向系在同时满足转向轻便性和转向灵敏性的要求是十分有限的，这也制约了机械式转向系的发展。随着转向系的发展，出现了助力式转向系统，这在一定程度上缓解了转向轻便性和灵敏性这一矛盾。1.1.2 液压助力式转向系统液压助力式转向系统是在机械转向系统的基础上增加液压系统发展起来的。它以发动机的动力作为油泵的能量来源，用液压力增

14、加驾驶员的操纵力。因此可以在一定程度上减小转向系的力传动比，增大角传动比，从而缓解转向“轻”与“灵”的矛盾。随着社会经济的不断发展，人们对速度的要求越来越高，汽车速度也在不断的提高，液压助力式转向系的不足开始显现出来。汽车在高速运行或者低速运行和停车时，很难保证驾驶员有适度的手感；同时汽车的燃油经济性变差；停车时无法提高助力等都制约了其发展。1.1.3 电液助力式转向系统电液助力式转向系统在液压系统的基础上，用电机取代发动机驱动油泵的方式发展而来的。它通过电磁阀控制助力油压随车速变化而变化，在汽车低速或急转弯时转向轻便；在高速行驶时有较好的手感。目前电液助力式转向系统在轿车上得到了广泛的运用。

15、但是它结构更加复杂，价格更昂贵，同时并没有克服液压助力式转向系统效率低、能耗大等缺点。1.1.4 电动助力式转向系统作为新一代转向系统，电动助力式转向系统将电子技术和车辆机械技术良好地结合起来。它采用电力取代了液压系统提供助力，系统更加简化、性能也更加优良。该系统需要扭矩传感器、转角传感器、车速传感器、电机、减速器以及电子处理单元ECU组成。电机运转及提供扭矩大小都有ECU控制。电动助力式转向系统拥有控制简单、响应快、方便改善助力大小及转向路感；零部件少、工作可靠、容易检修调整；低温环境下工作性能优良等优点。电动助力式转向系统的一系列优点都标志着其有广阔的发展前景1。但是也有一些不足制约着其发

16、展，例如：目前还缺乏该系统的成熟理论，一旦设计不合理将严重威胁到汽车安全和人生财产安全。1.1.5 线控转向系统在20世纪50年代，美国TRW公司对线控转向系统提出了大胆的设想，将转向盘和转向车轮之间的机械连接用控制信号取代1。20世纪60年代末，德国的Kasselmann公司也设计了类似于TRW公司设想的主动转向系统1。1900年，德国奔驰公司将线控转向系统运用到其概念车F400-Carving上1。目前已有线控转向系统上市，而Daimier-Chrysler公司开发的线控转向系统被列为2000年汽车十大创新技术之一1。我国也涉足线控转向系统研究领域，清华大学、同济大学以及湖南大学都对线控转

17、向技术进行研究。2004年同济大学研究的“春晖三号”就运用了线控转向技术。随着转向技术的发展，转向装置也发生了很大变化。目前主流的转向器有4种：蜗杆指销式、蜗杆滚轮式、循环球式及齿轮齿条式。目前在世界汽车市场上，循环球转向器占有45%的市场，齿轮齿条式也占有40%左右的份额，其它类型的转向器占15%。齿轮齿条式转向器在西欧小客车上获得较大发展。在日美循环球式转向器使用比重越来越大，在日本，公共汽车使用的循环球式转向器已经发展到现在的100%。大、小型货车也大多采用循环球式转向器。现今不同类型的转向器的使用情况大致如下：(1)齿轮齿条式转向器和循环球式转向器已成为当今汽车使用的主流转向器。其它类

18、型的转向器正在逐渐被淘汰。(2)在小客车上，日美主要发展循环球式转向器，其市场也超过90%；而在西欧则大力发展齿轮齿条式转向器，比重也超过50%，法国则高达95%。(3)齿轮齿条式转向器在小型车上得到迅猛发展；而大型车则主要以循环球式转向器为主。1.2 转向系发展趋势未来汽车以低排量、绿色能源为主体，这给电动助力式转向系统和线控转向系统提供了广阔的发展前景1。目前，电动助力式转向系统已经在部分车型上得到应用，由于价格较贵主要运用在高档车上，但是技术还是比较成熟。转向系的不断发展成熟，转向装置也在不断更新变化以适应未来汽车转向需求，现代汽车转向装置向以下趋势发展：1.能满足汽车高速行驶的需求2.

19、需要足够的轻便性和行驶安全性3.低油耗，低成本，能够大批量生产4.转向装置电脑化随着科学技术的发展，社会经济形式的变化以及能源危机的到来，汽车工业作为社会经济的一支重要组成部分必然会受到冲击，其发展方向定会产生巨大变化。转向系统作为汽车的关键部件之一，无论从设计还是制造都会发生变化。转向系变化的主要表现形式在能耗和转向轻便性方面，这对于我国汽车工业既是挑战更是机遇。它将会使我国汽车工业得到进一步的发展。第2章 转向系统的组成与要求2.1 转向系的组成转向系是改变汽车行驶方向和保持汽车的直线行驶，保证汽车按照驾驶员的意志进行转向2。车辆转向的方式不同，转向系的组成与原理也是不相同的。2.1.1

20、机械转向系统机械转向系统由转向操纵机构、转向传动机构和转向器组成。驾驶员直接操纵的部分叫做转向操纵结构，它包括转向盘、转向轴以及带万向节的传动轴。机械转向器是一个用来解决转向阻力矩很大，但是驾驶员操纵手力小的矛盾的一个降速增扭的机构。转向传动机构是传递转向器输出力与运动的机构，使转向轮偏转。它由转向摇臂、纵拉杆、转向节臂、横拉杆和转向梯形组成。1-转向盘 2-转向轴 3-转向万向节 4-转向传动轴 5-转向器 6-转向摇臂 7-转向直拉杆 8-转向节臂 9-左转向节 10、12-梯形臂 11-转向横拉杆 13-右转向节图2.1 机械转向系示意图2.1.2 动力转向系统动力转向系统是在机械转向系

21、统的基础上发展起来的。它是利用液压或者控制电机等辅助动力使转向系时更加轻便。正常情况下，转向所需的能量大部分由辅助动力提供，极大的减小了驾驶员的操作强度。但是在辅助动力失效时，仍然可以由驾驶员独立操纵转向系统，提高行驶安全性。2.2转向系的基本要求转向系直接影响着车辆行驶安全性和稳定性，根据转向系的工作特点，对转向系有以下要求：(1)转向轮转角和驾驶员转动方向盘的转角应保持一定的比例关系。(2)动力转向系统失灵时，仍能用机械系统操纵车轮转向。一切辅助动力系统都不能保证不出现故障，为保证行驶的稳定性和安全性，仍需要安全性能更高的机械系统来操纵车轮转向。(3)减轻驾驶员作用在转向盘上的手力，同时还

22、应有路感，并随转向阻力增加而增大。在行驶过程中有一定的路感能使驾驶员知道行驶路面的情况，提高行驶安全性。(4)方向盘应能平稳回位，保证汽车的直线行驶能力。(5)转向系统应能在车辆转弯时灵活平稳地将扭力传到前轮。(6)不允许路面不平引起的振动造成方向盘回跳或方向失控。(7)形成统一的转向中心。车辆在转向时都必须有一个转向中心保证车轮做纯滚动，不然不仅消耗功率，而且还加大轮胎的磨损。为达到以上要求，所有车轮的轴线都要交与一点O，这个交点O就是转向中心2。图2.2 汽车转向轮内外轮转角关系图由图2.2所示的几何关系可知，车辆转向时外轮偏角i大于内轮偏角0。内外轮偏转角的理想关系式为：cot0-cot

23、i=KL (2.1)式中 K两侧主销轴线延长线与地面交点间的距离 L车辆轴距目前所有车辆的转向梯形都在车轮的偏转角范围内。第3章 转向系选取3.1转向操纵机构转向操纵机构的功能是将转向盘上的力传递到转向器上。它由转向盘、转向轴、转向管柱等组成3。为方便布置，减小装置位置误差及部件运动引起的附加载荷，提高汽车安全性，转向轴与转向器之间用万向节连接，转向管柱采用吸能管柱。由于采用的动力转向系统，还有扭矩传感器和转角感应装置。3.2转向传动机构转向传动机构由转向臂，转向节臂，转向梯形臂，横拉杆及纵拉杆的组成。它的作用是把转向器输出的力与运动传递到转向轮并按一定的关系偏转。3.3转向器转向器的功用是将

24、方向盘的转动转变为转向垂臂的摆动，以达到改变力方向及传动比。从而通过转向传动机构操纵转向轮。随着汽车工业的迅猛发展，转向系也得到了大浪淘沙式的发展，而作为转向系核心的转向器也经历了飞速的发展。有的转向器已经逐渐被弃用，开始遭到淘汰；蜗杆滚轮式转向器和蜗杆指销式转向器仍保留极小部分；而循环球式转向器和齿轮齿条齿轮泵、式转向器使用安全可靠、传动效率高，并且具有一定的可逆性和要求的角传动比，传动间歇可调得到广泛的使用。下面对这四种转向器进行分析比较。表3.1 机械式转向器的对比形式特点齿轮齿条式循环球式蜗杆滚轮式蜗杆指销式死销旋转销正效率+高（90%）高（75%-85%）低低较高逆效率-高（60%-

25、70%）高低较高较高iw可变可变不可变可变可变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3.3.1转向器的传动效率及可逆程度循环球式和齿轮齿条式的传动正效率都高，传动效率能够达到80%以上。而球面蜗杆滚轮式和曲柄指销式传动磨损大，传动效率相对较低。按照作用力的传递方式转向器可以分为可逆式和不可逆式。1.可逆式转向器的优点：保证在汽车转正后，转向轮和方向盘自动回正，既减轻了驾驶员的疲劳，又提高了

26、行驶安全性。2.可逆式转向器的缺点：在不平的道路上行驶时容易出现打手现象，使驾驶员疲劳，影响安全驾驶。3.不可逆式转向器缺点：转向传动机构的零件容易损坏，转向器不能保证车轮自动回正，驾驶员缺乏路面感觉。不可逆式转向器承受冲击载荷过大，零件容易损坏，驾驶员没有路感，因此在汽车上基本不采用。而可逆式转向器既不会造成转向器零件过载，驾驶员又有路感、逆效率高、当车轮偏离中间位置后，车轮的稳定力保证车轮和转向盘的自动回正，减轻了驾驶员的疲劳强度，从而得到广泛的运用。转向器的传动效率和可逆程度由转向器的形式、结构以及几何参数等决定。所有的车型都要求传动效率高，达到操纵的轻便性。对于转向器的可逆程度，不同的

27、车型有不同的要求。小型客车一般行驶路面状况较好，路面冲击不大，但要求有较高的机动性和轻便性，所以选择可逆式的。综合考虑选取循环球式转向器。3.3.2转向器角传动比iw转向器的角传动比iw等于转向盘转角与转向垂臂转角比值。iw= （3.1）转向器的角传动比iw分为可变和不可变两种。从操纵轻便性考虑，希望转向器角传动比iw大些比较好，而从机动性来讲，又希望角传动比iw小些好。要解决这对矛盾，通常采用可变角传动比转向器。对于小型旅游客车主要在公路上行驶，连续行驶时间长，急转弯少，因此操纵轻便性成了主要的矛盾。转向器角传动比越大，作用在转向盘上的力就越小，同时也减小了车轮传递给转向盘的力。当转向轮转到

28、两端极限位置时，转向角应当小，以减小转向盘的转角，提高汽车机动性。为保证行驶安全要求转向器角传动比iw的变化规律，应该是中间大两头小。3.3.3转向器传动间歇转向器传动间歇反映啮合特性，它影响汽车直线行驶稳定性和转向器寿命。汽车在大部分时间作直线行驶，因此转向器传动元件在直线行驶啮合部位磨损严重，啮合间歇增大，影响汽车行驶稳定性。所以要求转向器的传动间歇可以自动调整。为保证中间部位磨损后，调为无间隙啮合时，不发生卡死现象，要求设计转向器传动元件时，在汽车直线行驶部位为无间隙啮合，向两端逐渐增大间歇。3.4动力转向系统为了提高操纵轻便性，减轻驾驶员疲劳，采用助力式转向系统。助力式转向系统可分为液

29、压式、电液式、电动助力式等三种。3.4.1液压助力式转向系统液压助力式转向系统是在机械式转向系统的基础上增加液压助力系统发展而来的。它以汽车发动机动力驱动油泵，用液压力增加驾驶员操作前轮的力，在一定程度上解决了“轻”与“灵”的矛盾3.4.2电液助力式转向系统电液助力式转向系统又是在液压助力式转向系统上发展起来的，它用电机取代发动机驱动油泵。通过电磁阀使油压随车速变化而变化，在汽车低速行驶时更轻便，高速时也有好的手感。3.4.3电动助力式转向系统电动助力式转向系统是转向系统发展中一项重要技术。它将电子技术与机械技术结合起来。具有制造简单，响应快，性能优良等优点，在现代汽车中得到了广泛的运用。综合

30、比较以上三种转向系统，液压助力转向系统解决了转向“轻”与“灵“的问题，并且成本低，制造也容易，因此本型号小客车采用液压助力式转向系统。第4章 转向系统主要性能参数确定4.1转向系效率转向系效率0由转向器效率 和转向操纵机构和转向传动机构效率的乘积0= · （4.1）转向器效率0按力的不同来源又可分为正效率+与逆效率-。4.1.1转向系正效率+转向系正效率+为转向摇臂输出轴功率（P1-P2）与转向输入轴功率P1的比值。即：+=P1-P2/P1 （4.2）正效率越大，转向器在转向时摩擦损失就越小，转向越轻便。转向系的正效率+受许多因素影响，如转向器类型、结构参数、制造精度等。对于循环球式

31、转向器忽略轴承及其它地方的摩擦损失，只考虑螺杆，钢珠之间的摩擦损失，根据能量守恒定律。其与转向器结构参数的关系如下：+=tan0tan(0+) （4.3）式中：0为倒程角，为摩擦角。由于循环球式转向器是可逆转向器，因此要求摩擦角应小于螺杆螺旋角0。通常转向盘到转向轮传递正效率在0.670.82之间，取正效率+=0.75。又0在5°10°以后，逆效率增加速度大于正效率增加速度，所以0不宜大于5°10°，取0=5°40。由式（4.3）得=1°804.1.2转向系逆效率-为保证汽车行驶安全性和平稳性，提高驾驶员路面感觉，要求转向系要有逆效率

32、。但是逆效率过大会产生方向盘打手现象且驾驶员容易疲劳，所以逆效率不能太大。因此转向系要有一定的逆效率且不宜太大。不考虑其它摩擦损失（如轴承，联接副之间的摩擦），逆效率可以计算得：-=tan（0-）tan（0）-=0.674.2转向系传动比转向系传动比i 由转向系力传动比ip和转向系角传动比i组成。4.2.1转向系力传动比ip从轮胎接地面中心作用在转向轮的合力2Fw与作用在转向盘上的手力Fh的比值，即：ip=2FwFh （4.4）4.2.2转向系角传动比iw0转向盘角速度w与同侧转向节偏转角k的比值，即：i0=wk （4.5）4.2.3转向器角传动比i转向盘角速度w与摇臂角速度p的比值，即：i=

33、wp （4.6）4.2.4转向传动机构角速度i'w摇臂轴角速度p与同侧转向节偏角速度k的比值，即：iw'=pk （4.7）4.3转向系力传动比与角传动比的关系转向轮与地面的转向阻力Fw和作用在转向节臂的阻力矩Mr之间的关系可以下面的公式表示：Fw=Mra （4.8）a主销偏移距作用在方向盘的手力Fh可如下表示：Fh=2MhDsw （4.9）Mh作用在转向盘上的力矩Dsw转向盘直径由式（4.4），（4.8）,（4.9）可得到如下关系:ip=MrDswMha （4.10）忽略摩擦损失，根据能量守恒定律有：2MrMh=ddk=i0 （4.11）ip=i0Dsw2a （4.12）由式（

34、3.3.3），（3.3.4），（3.3.5）可得：i0=2aDswip （4.13）当a与Dsw一定时，i0与ip成正比变化的关系。力传动比ip越大，角传动比i0越大。力传动比ip越大，转向轻便性越好，但是角传动比i0也越大，对于转向灵敏性就变差。由式（4.13）可知，转向系角传动比i0与a有关，当a越大，i0也越大，转向灵敏性也就变差，影响驾驶安全性。因此a一般取0.40.6倍轮胎宽度B，即：a=(0.40.6)B。4.4转向传动系传动比的计算汽车在转向时是否轻便，是以汽车转向时驾驶员作用在方向盘上的最大手力Fh和方向盘回转圈数n衡量的。只有转向力矩Mz大于或等于转向阻力矩Mr时，汽车才能转

35、向。方向盘总的回转圈数n由转向轮的最大转角和转向系角传动比i决定的。4.4.1转向阻力矩Mr计算转向阻力矩Mr由于影响因素很多，如前桥负荷、轮胎尺寸结构以及道路状况等，并且随着车速的增加而减小。很难准确的计算出来。通常情况下以汽车原地转向的阻力矩作为转向力矩。一般以下面的半经验公式计算：Mr=3G13P kg·cm （4.14）式中 G1前桥负荷 N 轮胎与地面之间的滑动摩擦系数，一般取0.7 P轮胎气压 N/mm2满载时，前桥负荷45%49%；空载时，51%56%，则G1=5300×51%×9.8=10046 N即 Mr=0.732646030.3=428949

36、 N·mm4.4.2转向系力传动比ip及角传动比i计算轮胎选用215/75R17.5型号，宽度215mm，所以，a=0.4×215=86 mmFw=Mra=42894986=4988N取Fh=200 N,则ip=2FwFh=2×498886=49.88因此，转向系角传动比为i=2aDswip=2×86425×49.88=204.5转向系传动副的啮合间隙特性4.5.1转向器的啮合特性啮合间隙是指转向器中传动副之间的间隙。啮合间隙又称传动间歇。它直接影响着汽车直线行驶的稳定性和转向器使用寿命。因为汽车大部分时间是做直线行驶，所以转向器在汽车做直线行

37、驶的啮合部分磨损严重，啮合间隙会逐渐变大，影响汽车行驶的稳定性。要求转向器的传动间隙可以自动调节。所以在转向器传动元件的设计上，要求汽车直线行驶的部位是没有啮合间隙的，向两端逐渐增大间隙，保证中间磨损后可调节为无间隙啮合的传动两端不会出现卡死的现象。 不同结构的转向器的啮合间隙特性也是不同的。如图（4.1）所示为了有利于转向器的使用寿命，传动间歇也应从中间到两端逐渐增大。图4.1 转向系传动副传动间隙特性曲线图4.5.2转向盘自由行程对于转向操纵机构的灵敏度，希望转向盘和转向节能够同步运动。但是是不可能实现的，在转向系统中各个传动部件之间存在配合间隙，并且间隙会随着磨损而变大。在开始转动阶段，

38、驾驶员只需要克服转向系内部摩擦损失，因此需要的转向手力很小，这个阶段称为空载阶段。之后才会需要很大的力来克服从车轮到转向节的阻力矩而实现转向。空载阶段的角行程称为转向盘的自由行程。自由行程虽然能在一定程度上缓和路面冲击，但也不能太大，影响转向灵敏度。一般情况自由行程在10°15°，当零件磨损以至于自由行程超过25°30°时就必须调整。4.5.3转向盘总回转圈数n的计算根据转向系的整体设计以及客车参数，可以知道转向轮的最大偏转角wmax=36°和nmax=40°，以上已计算出i=20,可计算转向盘总回转圈数n。n=iwmax+nmax3

39、60=20×（36+40）360=4.2第5章 转向传动机构设计5.1转向梯形方案分析转向传动机构的功能是将转向器输出的力与运动传动转向桥两侧的转向节，使转向轮偏转，并使两转向轮偏角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能的小2。转向传动机构由纵拉杆、横拉杆以及转向节臂组成，并且要有足够的强度和刚度来缓和冲击，各球链接处能够自动调节以消除零件磨损带来的间隙。在转向时要保证汽车能以某一个转弯半径行驶，需要保证内、外轮偏转角i、0的关系正确。即要求所有转向轮都以一个转向中心做纯滚动。转向梯形在结构上有整体式和断开式两种，主要与前桥有关。5.1.1整体式转向梯形整体式转向

40、梯形结构简单，制造成本低，前束调整容易；其缺点是一侧转向轮上下跳动，会对另一侧转向轮产生影响。整体式转向梯形一般用在非独立悬架上。整体式转向梯形的横拉杆可位于前轴后或者前轴前（称为前置梯形）。图5.1 整体式转向梯形示意图5.1.2断开式转向梯形转向梯形的横拉杆做成断开的，称为断开式转向梯形。其主要优点是它与前轮采用独立悬架配合。与整体式转向梯形相比较，其杆系、球头多，结构复杂，制造成本高，前束调整困难。图5.2 断开式转向梯形图由于整体式转向梯形相对断开式转向梯形而言，其结构简单，制造便宜，前束调整也更容易，因此选用整体式转向梯形结构。5.1.3转向梯形机构尺寸确定转向梯形的参数由梯形底角度

41、，梯形臂长m及横拉杆n。1.梯形底角度整体式转向梯形底角度可由公式计算：=90°-arctan3K4L （5.1）可由式（5.1）计算得出，=90°-arctan3K4L=90°-arctan3×16554×311068°2.梯形臂长m梯形臂长m与主销中心距K有如下关系：mK=0.110.15取m/K=0.12，则可得到梯形臂长度m=0.12K=0.12×1655=198.6mm，取m=200mm。3.横拉杆长度根据梯形机构几何关系,K=n+2mcos可计算出横拉杆长度n：n=K-2mcos=1655-2×200&

42、#215;cos68°=1505mm，取n=1500mm。5.1.4转向梯形的优化1.按初选的梯形臂长和底角，画出中间位置转向梯形图。2.然后按照内外转角的关系，画出实际特性图。3.比较实际特性与理想特性。图5.3 转向梯形转角特性图 图5.4 整体式转向梯形校核图由于转向梯形的设计是一个反复的过程，所以需要对其进行优化。由理想内外转角的关系可知，如果自变量为0，则因变量i的期望值为i=arccotcot0-KL (5.2)转向梯形的优化设计：i'=-arcsinsin+0km2+l-2kmcos+0 -arccosk/m2cos-cos+0-cos2k/m2+l-2(k/m

43、)cos+0式中 k两主销延长线与地面交点的距离 m梯形臂长 m=asin 底角 评价设计优劣的目标函数：fx=0i=100ii'0i-i0ii0i×100%式中 0加权因子0=1.5 0°<010°1.0 10°<020°0.5 20°<00max式中外轮最大转角0max：0max=arcsinLDmin2-a转向梯形优化的约束条件：m-mmin0mmax-m0-min05.2纵拉杆纵拉杆是用来连接转向垂臂和转向杠杆的空心管。转向纵拉杆的功能是将转向摇臂传递来的力和运动传递给转向节臂。它既受拉力也受压力，因

44、此采用优质特种钢制造。纵拉杆做空间运动，为不发生运动干涉，采用球头销连接。图5.4 纵拉杆5.2.1纵拉杆强度校核参考同类型小客车转向传动机构设计经验，纵拉杆长度取l1=800mm，纵拉杆规格为42×8，许用应力=70150MPa，纵拉杆轴向力Q选为前桥负荷G1的一般，即Q=0.5G1=0.5×10046=5023N。则纵拉杆的拉（压）应力，=QA=4QD2-d2=4×50233.14×（422-26²）=10.52MPa符合强度要求。5.3横拉杆转向横拉杆是联系左、右梯形臂并使其协调工作的连接杆，它在汽车行驶过程中反复承受拉力和压力，采用刚强

45、度冷拉钢管制造2。1-接头 2-横拉杆 3-夹紧螺栓 4、8-弹簧 5-防尘垫 6-支撑块 7-球头销 9-螺栓 10-限位销图5.5 横拉杆横拉杆直径d由下式确定：d4Mrm (5.3)则可计算出横拉杆直径d4Mrm=4×428949200×3.14×216=3.56mm，取d=20mm。由于横拉杆是空心钢管做成的，选横拉杆外径d1=30mm，则其内径为：d2=d12-d2=202-102=22mm。根据经验转向节臂l初选为，l=200mm,则横拉杆轴向力：S=Qlmsin=5022×0.20.2×sin68°=5416N因为横拉杆

46、受拉力和压力，应此其正应力b:b=4Sd2=4×54163.14×102=69MPa<符合强度要求。第6章 循环球式转向器设计6.1转向系计算载荷的确定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内摩擦阻力等。要准确的计算出所有阻力几乎是不可能的，因此采用一条半经验公式来进行计算。在沥青或混凝土路面上的原地转向阻力矩：TR=f3G13P式中 f滑动摩擦因数，取0.7 G1转向轴负荷 （N） P轮胎气压 （MPa）表6.1 转向节原地转向阻力矩 TR=f3G13P=0.731004630.3=428949 N·mmf滑

47、动摩擦因数f=0.7G1转向轴负荷G1=10046 NP轮胎气压P=0.3MPa作用在转向盘上的手力Fh的计算：Fh=2L1MrL2Dswi+ （6.1）式中 L1转向摇臂长度 L2转向节臂长度因为L1L2=i'，即L1L2近似等于1。由式（6.1）可以计算出转向盘手力Fh，计算结果如表6.2所示表6.2 转向盘手力FhFh=2L1MrL2Dswi+=Fh=2×428949425×20×0.75=134 NMr转向阻力矩Mr=428949 NDsw转向盘直径Dsw=425mmi转向器角传动比i=20+转向器正效率+=0.756.1.1循环球式转向器循环球式

48、转向器主要由螺杆、螺母、转向器壳和钢球组成。循环球是指将小钢球放置在螺杆与螺母之间的密封管道内，将螺母螺杆的滑动摩擦转化为螺杆与钢球，钢球与螺母之间的滚动摩擦，从而减小摩擦损失。当转向盘转动时，与转向柱固定在一起的螺杆转动起来推动螺母上下运动，螺母再通过齿轮驱动转向摇臂往复摇动从而实现转向。图6.1 螺杆、钢球、螺母传动副6.2主要尺寸参数选取HN6531小型旅游客车的参数如表6.3所示表6.3 小型客车部分参数装备质量G1（kg）2010前桥负荷（kg）1025轴距L（mm）3110前轮距（mm）1655后轮距（mm）1650轮胎压强P（mpa）0.3轮胎规格215 75r17.5转向盘直径

49、Dsw（mm）4256.2.1钢球中心距D钢球中心距是指螺杆两侧钢球中心间的距离。它是设计循环球转向器的基本尺寸。影响D选取的因素:1.螺杆外径D12.螺杆内径D23.钢球直径钢球中心距D的尺寸直接影响转向器的尺寸，在保证强度和刚度的前提下，D应尽可能的小。钢球中心距一般取20mm40mm，取D=25mm。6.2.2螺杆内外径选取螺杆内外径的选取条件为内外径差值D2-D1为（510）%钢球中心距。螺杆外径D1通常在2038mm内，设计时按转向轴负荷选取。螺母内径D2应大于D1，一般D2-D1=（5%10%）D。根据表6-4，取D1=25mm，则D2=D1+10%D=27.5mm。表6.4 循环球转向器的主要参数参数数 值齿扇模数3.03.54.04.55.06.06.5摇臂轴直径22263032323842钢球中心距20232528303540螺杆外径20232528293438钢球直径5.5566.3506.3507.1448.000螺距7.9388.7319.52510.00011.000工作圈数1.52.52.5环流行数2齿扇齿数5齿扇整圆齿数1213141315齿扇压力角22°30齿扇宽222525302834352527283238386.2.3工作钢球圈数W大多数情况下，转向器有两个环路，其工作钢球圈数W与接触强度有关。增加工作钢球圈数能降低接触