多轴转向毕业设计

1、本科毕业设计多轴转向车辆转向轴设计摘要：多轴转向车辆转向机构是车辆转向时实现内、外轮理想转角关系的核心部件。多轴转向车辆在低速时前后轮转角方向相反，使汽车具有更好的机动性，多轴转向车辆承载能力强，转弯半径小，在转向时能够改善汽车对转向盘输入的动态响应特性，一定程度上改善了横摆角速度和侧向加速度的瞬态响应型指标，越来越受市场欢迎。关键词：多轴车辆；转向轴；转向机构Multi-axle steering vehicle steering shaft designAbstract: Multi-axle steering vehicle steering mechanism is vehicle s

2、teering implementations, ocean shipping, the ideal Angle relationship of core parts. Multi-axle steering vehicle in front and rear wheels steering Angle at low speed in the opposite direction, that car has better mobility and multi-axle steering vehicle carrying capacity is strong, small turning rad

3、ius, in turn can improve the motor dynamic response of steering wheel input, to some extent improve the transient response of the yawing angular velocity and lateral acceleration type indicator, more and more popular with the market.Key Words: Multi-axis vehicle; Steering shaft; Steering mechanism1

4、引言 近代随着世界经济的不断的蓬勃发展，大吨位的重型车辆不断的出现。为了满足交通法规的要求，重型车辆多采用多轴技术。由于重型车辆质量大、惯性矩大、质心高、轴数多，故其行驶性能受多方面的限制，全轮转向和多轴动态转向技术在提高重型车辆高速操纵稳定性和低速机动灵活性具有显著的功效。专用汽车的转向轴多在二轴以上，有的甚至多达五轴，其转向性能的好坏直 接影响车辆行驶的灵活性、操纵稳定性、经济性和轮胎的使用寿命，而且车轴越多，转向对车辆行驶影响越大。至今国际上工程行业技术剧透利勃海尔公司已经退出了9轴多模式动态转向全地面起重机，此外格鲁夫、沃尔沃等公司也相继推出了5轴以上的多轴转向重型车辆，前些年，国内徐

5、州重型机械有限公司紧跟国际发展，相继推出了多轴转向重型设备，发展势头非常好。多轴转向重型车辆涉及到交叉学科的多项核心技术。其中，多轴转向技术是提高重型车辆操纵性和安全性的一项关键技术，但是相关核心关键技术的理论研究文献资料非常有限，目前国内对三桥以上的多桥转向技术研究还不是很深入，主要针对两轴车辆的动态转向系统进行了初步的理论研究，大多数重型车辆的生产商仍然采用传统的设计方法进行经验性设计，通过制作屋里样机实车试验来查找问题，大大增加了设计的风风险。本文通过对多轴转向车辆转向轴的研究设计，对转向机构进行优化设计，并将优化结果，数据，应用于实际产品的研究改造上，为多轴转向车辆转向机构的合理设计提

6、供一些研究数据，减少实车试验的风险和费用，缩短产品的研发周期。2 多轴转向车辆转向系统分析2.1 多轴转向车辆转向特性2.1.1 转向系的组成和要求1) 转向系的组成转向系是用来改变汽车的行驶方向和保持汽车直线行驶的系统，它由转向控制机构、转向传动装置和转向车轮组成，在采用动力转向的汽车上还有功能装置。转向控制装置：指控制汽车转向运转的部分，由驾驶员直接或间接操作，转向力全部或部分由驾驶员的肌肉作用来提供。转向控制装置包括直到转向效果变为机械、液力或电力方式提供之处为止的全部零件，如转向轴，转向盘，转向器。转向传动装置：指转向控制装置与转向车轮之间传递转向力的所有零件，如转向臂、转向纵拉杆总成

7、，转向节上臂等。转向车轮：指直接或间接改变其相对于汽车纵轴的位置，以决定汽车行驶方向的车轮。功能装置：指提供动力、控制动力、输出动力、分配并储存动力的所有零件。还包括提供介质的贮存容器和管路，但不包括汽车发动机。2) 转向系的要求（）工作可靠转向系对汽车的行驶安全性影响很大，其所有零件应有足够的强度、刚度和寿命；（）操纵轻便这是减轻驾驶员的劳动强度和保证汽车安全行驶的重要因素之一。操纵轻便性包括三方面的内容。汽车转向时作用在转向盘上的手力要小。汽车转向时，转向盘的回转圈数要少，当汽车朝一个方向极限转弯时，转向盘的转动圈数不应超过圈，因此转向系的角传动比不易太大。汽车直线行驶时，转向盘应稳定，无

8、抖动和摆动现象。当汽车以下列车速以半径50m的曲线的切线方向离开时，转向盘不得有异常震。动。这就要求转向系在整车布置时与行走系统运动协调，使汽车转向后转向盘能自动回正，要求转向器具有一定的可逆性，同时要正确选择前轮定位参数。（）汽车转向时要有正确的运动规律。要合理设计转向梯形机构，尽可能保证在转向时车轮是纯滚动而没有滑动。（）既要尽量减少汽车转向轮受到的冲击传到转向盘上，又要保证驾驶员有正确的道路感觉。（）转向系的调整应尽量简单。（）装有助力转向的汽车，在助力系统失效时，靠人力仍能操纵汽车转向。 2.1.2 转向系方案的选择 转向控制装置（）转向盘。转向盘由盘毂、轮缘和轮辐组成。转向盘的尺寸和

9、形状直接影响转向操纵的轻便性。选用大直径转向盘会使驾驶员进、出驾驶室感到困难；选用小直径转向盘转向时要求驾驶员施加较大的力，从而使汽车操纵困难。对新车型的设计可以选用现有的转向盘，也可根据要求设计新转向盘，新设计的转向盘要符合转向盘尺寸标准。（）转向轴。为了转向系统在汽车上布置更为合理，拆装方便，利于驾驶室的翻转，特别对于可翻转式平头车驾驶室，在驾驶室翻转轴线上给转向轴装置万向节，从而提高了操纵方便性、行驶安全性和转向机构的寿命，还有利于驾驶室的翻转。（）转向器。转向器形式的选择应根据汽车的用途来决定。转向器种类很多，常见的有循环球式、球面蜗杆滚轮式、曲柄指销式和齿轮齿条式。随着汽车技术发展及

10、工艺水平的提高，有些形式的转向器已经很少采用。 转向梯形布置汽车转向梯形机构由转向节臂、转向横拉杆、和前轴组成。汽车转向时，左、右转向轮的转角要符合一定的规律，以保证所有车轮在转弯过程中都绕一个圆心做等速回转运动。转向梯形机构可以使汽车在转向过程中所有的车轮都是纯滚动或有极小的滑移，从而提高轮胎的使用寿命，保证汽车操纵的轻便性和稳定性。 转向系主要参数选择转向系各部件设计需要首先确定转向系主要参数：传动比和计算载荷。（）转向系设计的前提条件。转向系设计前，首先由总布置根据整车布置方案，确定各大总成在整车上的位置、占用空间、控制操作方式，如驾驶室形式、发动机倾角、悬架形式、转向轴选择、轮胎型号、

11、转向盘及转向传动轴倾角等等，给出转向系的外围设计条件。同时，提供给各相关专业组整车尺寸参数、重量参数、性能参数和从整车机动性要求提出的对相关专业组的具体要求，如最大车轮内外转角、最小转弯直径等。根据以上参数，可以进行转向系统及机构的传动比及工作载荷的确定。（）计算转向系传动比和计算载荷。直接影响车辆机动性和操纵轻便性，包括力传动比和角传动比。转向系力传动比：从轮胎接触地中心作用在两个转向轮上的合力与作用在转向盘上的手力之比。转向系角传动比：转向盘转角和驾驶员同侧的转向轮转角之比。由转向器角传动比和转向传动装置角传动比组成。当车轮转角一定时，角传比的大小直接影响到整车机动性和操纵轻便性。大的角传

12、比可使转向轻便，但是相应增加了转向盘转动圈数，机动性能下降。由于在中、重型汽车上，普遍装配动力转向，所以汽车转向的轻便性不是主要问题，可以适当的选择较小的角传比，为了有较好的机动性，一般可选用角传比在之间。为确定转向系计算载荷，需求解转向轮的转向阻力矩、作用于转向盘上的作用力和转向盘总回转圈数。汽车在行驶中作用在转向系各种零件上的载荷是经常变化的，很难用计算的方法加以确定，需要根据给出的假定载荷进行零部件强度计算。假定载荷按下列三种情况给出：、以驾驶员可能作用于转向盘上的最大手力（）为计算载荷；、以汽车在静止状态做原地转向所需的转向力矩为计算载荷；、以转向臂末端球头承受的前轴负荷的为计算载荷。

13、以上三种假定载荷的说明：方法：没有考虑车轮负荷状况，而轻、中、重型汽车转向系所承受的载荷显然不同，一概以转向盘上作用的手力计算转向系载荷显然不合理：方法：考虑了车轮负荷状况，表明转向系零部件所承受载荷因所需转向力矩不同而异，符合转向系正传动情况；方法：实际使用情况是汽车在不同道路上行驶，道路通过车轮对转向系的冲击力往往大于正传动的力，因此应用逆传动可能产生的最大力矩进行转向系的零件设计。试验资料表明，汽车行驶时作用在转向系上的载荷与前轴的负荷成正比，纵拉杆上的作用力在极限情况下，可达到前轴负荷的，因此用第三种计算载荷的方法比较符合实际。设计中，可以将方法和方法确定的载荷换算为作用在转向盘上的最

14、大力，然后分析比较三种载荷的不同情况，选取适宜车型的确定载荷的方法。3 转向系统的设计要求转向系是用来保持或者改变汽车行使方向的机构，包括转向操纵机构（转向盘、转向上、下轴、）、转向器、转向传动机构（转向拉杆、转向节）等。转向系统应准确，快速、平稳地响应驾驶员的转向指令，转向行使后或受到外界扰动时，在驾驶员松开方向盘的状态下，应保证汽车自动返回稳定的直线行使状态。图1 转向系1-方向盘； 2-转向上轴 ；3-托架； 4-万向节； 5-转向下轴； 6-防尘罩 ；7-转向器 ；8-转向拉杆一般来说，对转向系统的要求如下：转向系传动比包括转向系的角传动比（方向盘转角与转向轮转角之比）和转向系的力传动

15、比。在转向盘尺寸和转向轮阻力一定时，角传动比增加，则转向轻便，转向灵敏度降低；角传动比减小，则转向沉重，转向灵敏度提高。转向角传动比不宜低于15-16；也不宜过大，通常以转向盘转动圈数和转向轻便性来确定。 转向轮应具有自动回正能力。转向轮的回正力来源于轮胎的侧偏特性和车轮的定位参数。汽车的稳定行使，必须保证有合适的前轮定位参数，并注意控制转向系统的内部摩擦阻力的大小和阻尼值。转向杆系和悬架导向机构共同作用时，必须尽量减小其运动干涉。应从设计上保证各杆系的运动干涉足够小。转向器和转向传动机构的球头处，应有消除因磨损而产生的间隙的调整机构以及提高转向系的可靠性。转向轴和转向盘应有使驾驶员在车祸中避

16、免或减轻伤害的防伤机构。汽车在作转向运动时，所以车轮应绕同一瞬心旋转，不得有侧滑；同时，转向盘和转向轮转动方向一致。当转向轮受到地面冲击时，转向系统传递到方向盘上的反冲力要尽可能小在任何行使状态下，转向轮不应产生摆振。机动性是通过汽车的最小转弯半径来体现的，而最小转弯半径由内转向车轮的极限转角、汽车的轴距、主销偏移距决定的，一般的极限转角越大，轴距和主销偏移距越小，则最小转弯半径越小。转向灵敏性主要通过转向盘的转动圈数来体现，主要由转向系的传动比来决定。操纵的轻便性也由转向系的传动比决定，但其与转向灵敏性是一对矛盾，转向系的传动比越大，则灵敏性提高，轻便性下降。为了兼顾两者，一般采用变传动比的

17、转向器，或者采用动力转向，还有就是提高转向系的正效率，但过高正效率往往伴随着较高的逆效率。转向时内外车轮间的转角协调关系是通过合理设计转向梯形来保证的。对于采用齿轮齿条转向器的转向系来说，转向盘与转向轮转角间的协调关系是通过合理选择小齿轮与齿条的参数、合理布置小齿轮与齿条的相对位置来实现的，而且前置转向梯形和后置转向梯形恰恰相反。转向轮的回正能力是由转向轮的定位参数（主销内倾角和主销后倾角）决定的，同时也受转向系逆效率的影响。选取合适的转向轮定位参数可以获得相应的回正力矩，但是回正力矩不能太大又不能太小，太大则会增加转向沉重感，太小则会使回正能力减弱，不能保持稳定的直线行驶状态。转向系逆效率的

18、提高会使回正能力提高，但是会造成“打手”现象。转向系的间隙主要是通过各球头皮碗和转向器的调隙机构来调整的。合理的选择转向梯形的断开点可以减小转向传动机构与悬架导向机构的运动干涉。4 转向轴的结构与设计转向轴分为转向上轴与转向下轴，转向上轴与转向盘连接，转向下轴连接转向器，转向上轴和转向下轴之间有万向节连接，如图1. 现在假设转向器为齿轮齿条转向器，对转向轴进行研究4.1 转向系统传动比分析设计取转向系角传动比、方向盘外径mm，故力传动比。4.2 原地转向阻力矩的计算轮胎和路面间的滑动摩擦因数；轮胎气压，单位为； 转向轴负荷，单位为。 5 作用在转向盘上的手力 转向摇臂长, 单位为； 原地转向阻

19、力矩, 单位为；转向节臂长, 单位为；为转向盘直径,单位为； 转向器角传动比；转向器正效率。因齿轮齿条式转向传动机构无转向摇臂和转向节臂，故不代入。 4.3 初步估算主动齿轮轴（转向下轴）直径 取齿轮是一只切有齿形的轴。它安装在转向器壳体上并使其齿与齿条上的齿相啮合。齿轮齿条上的齿可以是直齿也可以是斜齿。齿轮轴上端与转向柱内的转向轴相连。因此，转向盘的旋转使齿条横向移动以操纵前轮。齿轮轴由安装在转向器壳体上的球轴承支承。斜齿的弯曲增加了一对啮合齿轮参与啮合的齿数。相对直齿而言，斜齿的运转趋于平稳，并能传递更大的动力。表1 齿轮轴的尺寸设计参数序号项目符号尺寸参数(mm)1总长1252齿宽14.

20、53齿数74法向模数25螺旋角14°6螺旋方向左旋4.4 齿轮轴的强度校核4.4.1选择齿轮轴上齿轮的材料、热处理方式及计算许用应力齿轮16MnCr5 渗碳淬火，齿面硬度56-62HRC确定许用应力a)确定和 b)计算应力循环次数N，确定寿命系数、。 c)计算许用应力取 ,=应力修正系数= 4.4.2.初步确定齿轮的基本参数和主要尺寸(1) 选择齿轮类型根据齿轮传动的工作条件，选用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合传动方案(2) 选择齿轮传动精度等级选用7级精度(3) 初选参数初选 =7 =23 =0.8 =0.7 =0.93按当量齿数 36200(4) 初步计算齿轮模数转矩93.512&#

21、215;0.25=23.378=36200闭式硬齿面传动，按齿根弯曲疲劳强度设计。=2.333=1.272 =3(5) 确定载荷系数=1，由,/100=0.00128,=1；对称布置，取=1.06；取=1.2则 =1×1×1.06×1.2=1.272(6) 修正法向模数=1.587×=2.260圆整为标准值，取=3=21.643 =26.036 =15.393 取 =204.4.3.确定齿轮传动主要参数和几何尺寸(1) 分度圆直径=21.643(2) 齿顶圆直径=21.643+2=21.643+2×2.5(1+0)=26.036(3) 齿根圆直

22、径=30.918-2=21.643-2×2.5×1.25=15.393(4) 齿宽=0.8×30.918=17.314因为相互啮合齿轮的基圆齿距必须相等，即。齿轮法面基圆齿距为 齿条法面基圆齿距为 取齿条法向模数为 =3取 =20 =2.5 =3.75 =4.712齿面接触疲劳强度满足要求(5) 齿条齿顶高=3×(1+0)=3(6) 齿条齿根高=3(1+0.25-0)=3.75(7) 法面齿距=4.7124.4.4.校核齿面接触疲劳强度=189.8 =2.45取=0.8，=0.985所以 =189.8×2.45×0.8×0.

23、985×=1424齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析。作图法得：齿条行程为61.26mm，同理齿条向左行程理论为61.26mm。转向时内轮转动33.7°，小齿轮轴转角为2×61.26×180°/33.7/=532.48°。故，角传动比为532.48°/33.7°=15.8，。4.4.5. 齿轮齿条传动受力分析若略去齿面间的摩擦力，则作用于节点P的法向力Fn可分解为径向力Fr和分力F，分力F又可分解为圆周力Ft和轴向力Fa。=2×36200/21.643=3345.192=1254.824=834.05（1

24、）轴的受力分析a. 画轴的受力简图，如图2。b. 计算支承反力在垂直面上在水平面上c. 画弯矩图在水平面上，a-a剖面左侧、右侧在垂直面上，a-a剖面左侧a-a剖面右侧合成弯矩，a-a剖面左侧a-a剖面右侧d. 画转矩图转矩 =3345×21.6/2=36126（2）判断危险剖面显然，a-a截面左侧合成弯矩最大、扭矩为T，该截面左侧可能是危险剖面。（3）轴的弯扭合成强度校核由机械设计3查得，=60/100=0.6。a-a截面左侧（4）轴的疲劳强度安全系数校核查得, ,；。a-a截面左侧查得；由表查得绝对尺寸系数轴经磨削加工，查得质量系数=1.0。则弯曲应力 应力幅 平均应力 切应力

25、安全系数查得许用安全系数S=1.31.5，显然S>S，故a-a剖面安全。36126N*mm40300N*mm43000N*mm12093N*mm19251N*mm38456N*mm图2 齿轮轴校核分析图5 转向轴万向节的选择目前常见的是转向轴上装设柔性联轴节或刚性万向节，有这样的结构，可以说方向盘和转向节布置在驾驶室的翻转轴线上，有利于驾驶室的翻转。采用柔性联轴器时必须注意使其刚度合适，若刚性很大不能满足使用要求，过低则不能适应汽车的转向要求，采用万向节的时候，可以用一个或两个万向节，转向节与万向节之间的连接可以用焊接、键或花键。参考文献：1 关文达.汽车构造M.北京：机械工业出版社，2009.2 胡建军，李彤.汽车转向技术进展分析J.液压与气动，2006.12.3