车辆工程毕业设计（论文）-夏利N3两厢轿车液压动力转向器设计

1、目 录摘要Abstract 第1章 绪论1课题研究的目的及意义111.3 不同类型转向系统的结构及特点4 传统机械转向系统4 液压助力转向系统HPS4电控液压助力转向系统EHPS5 电动助力转向系统EPS6 线控转向系统SBW778第2章 液压动力转向器方案分析及确定92.1转向器结构优缺点分析和选择9 齿轮齿条式转向器9 循环球式转向器10 蜗杆滚轮式转向器11 蜗杆指销式112.2齿轮齿条式动力转向器结构11 2.3液压动力转向器工作原理及过程12工作原理12工作过程132.4转向系主要性能参数15 转向系的效率15 转向系传动比16 转向器的传动副的间隙特性17 转向系的刚度18 转向盘

2、的总转动圈数182.5本章小结19第3章 液压转向器的设计计算203.1转向系计算载荷确实定203.2齿轮齿条式转向器的设计21选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数21按齿面接触硬度设计21按齿根抗弯强度设计23几何尺寸计算253.3液压式动力转向机构的计算26动力缸尺寸的计算26活塞行程S的计算26分配阀的回位弹簧27动力转向器的评价指标273.4 本章小结28结论29参考文献 30致谢31附录32第1章 绪 论课题研究的目的及意义随着社会经济的进步以及人民生活水平的提高，汽车已经慢慢的走进了人们的生活当中，它从以前简单的代步工具慢慢升级成为一种生活的品质，人们不再满足于简单的行驶，而更关注驾

3、驶乐趣对于汽车的平安性、稳定性、操纵性等更高要求。而人们除了从外观及内饰等反面了解汽车外，最能直接体验驾驶乐趣的就是拥有一个良好、先进的转向系统，一个先进的转向系统带给驾驶者更多的是驾驶的乐趣而不是负担。同时，转向系又是底盘的重要组成局部，其好坏优劣会直接关系到汽车的驾驶舒适性，平安性和操纵稳定性，从而影响人们的生命及财产的平安。同时就我国的国情而言，汽车工业己成为我国的支柱产业，为了提高汽车的产品质量，保证汽车行驶的平安性，操纵稳定性，开展我国的汽车工业，这就要求汽车转向器综合性能就成为汽车平安性能的一个重要工程。全套图纸，加153893706汽车转向器属于对行驶平安影响较大的零部件，在汽车

4、系统中占据了一个重要的位置，其规模和质量已成为衡量汽车工业开展水平的重要标志之一。在重型汽车、大型客车等载重量较大的汽车中，通常用动力转向器来操纵汽车行驶方向。由于动力转向系统有着传统机械式转向系统无法比较的优点，例如：转向轻便灵敏，回位性能及手感良好，极大的减轻了汽车驾驶员的工作强度，特别适用于汽车在高速行驶时的转向。因此目前国内外生产的汽车越来越多地配置了动力转向系统。而液压动力转向器具有无噪声、灵敏度高、体积小、能够吸收来自不平路面的压力等优点，因此在现代汽车上得到了十分广泛的应用。1.2 汽车转向器研究的开展及趋势概况随着科技的迅猛开展以及汽车的逐步普及，人们对汽车的操纵性、平安性，稳

5、定性等方面的性能已经有了更进一步的要求，对转向系统产品的需求也随着汽车化的提高而发生着变化。最初驾驶员们只希望比较容易地操纵转向系统，而后那么追求在高速行驶时的稳定性、舒适性和良好的操纵感。在早期的汽车上，转向机械非常简单，主要由一级齿轮传动机构和转向拉杆等构成。其根本功能是将驾驶员的手动旋转操作转变为转向拉杆的左右移动，从而带动车轮转动，实现汽车的转向，随着汽车技术的进步又出现了更为复杂些的机械式转向器，这时的转向器是通过驾驶员转动方向盘，并通过一系列的杆件传递到转向车轮上来实现转向的，而着种传统的转向器又分为四种形式，分别为：齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。其中齿轮齿条式和循

6、环球式应用比较广泛， 在1923年，美国底特律的亨利马尔斯HenryManes为了减少蜗轮副和滚轮轴之间的接触摩擦力，在两者之间接触处放置滚珠支承，这就出现了滚珠蜗轮转向器。这种形式的转向器就成为现在大家所熟知的循环球式转向器，它目前仍很广泛地在汽车上应用。所谓“现代齿轮齿条式转向器，是奔驰Benz于1885年首先采用的。这种形式的转向器同样也使用在1905年的凯迪拉克Cadillac和1911一1920年间制造的许多其它形式的汽车上。据了解，在全世界范围内，汽车循环球式转向器占45%左右，有继续开展之势；齿条齿轮式转向器在40%左右；蜗杆滚轮式转向器占10%左右；其它型式的转向器占5%。所以

7、可以说循环球式转向器在稳步开展。而西欧小客车中，齿条齿轮式转向器有很大的开展。日本汽车转向器的特点是循环球式转向器占的比重越来越大，日本装用不同类型发动机的各类型汽车，采用不同类型转向器，在公共汽车中因使用循环球式转向器，由60年代占总数的62.5%开展到现今的100%了(蜗杆滚轮式转向器在公共汽车上已经淘汰)。大、小型货车中，也大都采用循环球式转向器;但齿条齿轮式转向器有所开展；微型货车用循环球式转向器占65 %，齿条齿轮式占35 % 。20世纪初汽车已经是一个沉重而又高速疾驶的车辆，充气轮胎代替了实心车轮。由于转向柱直接与转向节连接，所以转动车轮是很费力的。即使是一个健壮的驾驶员，要控制转

8、向仍然是很劳累的事情。因此，汽车常常冲出路外，于是要降低转向力的问题就变得比较迫切了。为了转向轻便，工程师设计了在方向盘和转向节之间装置齿轮减速机构。从那时起，转向机构一直就是这样沿用下来。汽车转向虽然采用了转向器，但转向的操纵仍非轻松的事当汽车重量增大、转向费力时驾驶员要求能有更好的方法来解决，这才重新推广了一种已经大约有3/4个世纪的动力辅助转向器。从上世纪四十年代起，为减轻驾驶员体力负担，在机械转向系统根底上增加了液压助力系统它是建立在机械系统的根底之上的，额外增加了一个液压系统HPS(hydraulicpowersteering)，一般有油泵、V形带轮、油管、供油装置、助力装置和控制阀

9、。它具有工作无噪声，其灵触度高、体积小，能够吸收来自不平路面的冲击力等方面的优点并且其工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。现在液压助力转向系统在实际中应用的最多。在当时这个助力转向系统最重要的新功能是液力支持转向的运动，因此可以减少驾驶员作用在方向盘上的力。随着轿车车速的不断提高，传统的液压动力转向暴露出一个致命的缺点，即假设要保证汽车在停车或低速掉头时转向轻便的话，汽车在高速行驶时就会感到有“发飘的感觉：反之，假设要保证汽车在高速行驶时操纵有适度感的话，那么当其要停车或低速掉头时就会感到转向太重，两者不能兼顾，这是由传统液压动力转向的结构所决定的。由于动力转向在轿车上的日益普及，对其性能上的

10、要求已不再是单纯的为了减轻操作强度，而是要求其在低速掉头时保证转向轻便性的同时又能保证高速行驶时的操纵稳定性。近年来，随着电子技术的不断开展，转向系统中愈来愈多的采用电子器件。相应的就出现了电液助力转向系统。电液助力转向可以分为两大类：电动液压助力转向系统EHPS、电控液压助力转向ECHPS2。EHPS是在液压助力系统根底上开展起来的，其特点是原来有发动机带动的液压助力泵改由电机驱动，取代了由发动机驱动的方式，节省了燃油消耗。ECHPS是在传统的液压助力转向系统的根底上增加了电控装置构成的。国外在汽车动力转向器的研究和开发方面进行得比较早，进行了大量的研究，已经成功地开发出了电动式动力转向器，

11、并在越来越多的轿车和轻型车辆上成功使用。该装置优于普通的动力转向器，在不同车速下可通过转向电脑ECU自动调节转向盘的操作力，在低速行驶或车辆就位时，驾驶员只需用较小的操作力就能灵活进行转向；而在高速行驶时，那么自动控制使操作力逐渐增大，实现操纵的稳定性。当然，在目前的技术水准下它仍然存在某些缺乏，如助力较小等，目前仍处在开展阶段。和液压动力转向器相比，电动转向器具有许多优点，如：效率高，路感好、符合环保要求等，它是转向器未来开展趋势。20世纪末，随着汽车技术的不断开展，电子控制技术也在汽车上得到逐步广泛应用。现代汽车转向操纵系统的主动平安装置，有电子控制四轮转向系统(4WS)、电子控制动力转向

12、系统(EPS)等。电子控制四轮转向系统(4WS):传统的前轮转向系统。为了使所有车轮处于纯滚动而无滑动，要求全部车轮都绕同一个瞬时转向中心做圆周运动，转向的同一时刻，每个车轮的转向半径都是不同的。但实际上，汽车转向时假设仅前轮转向，车身的前进方向与车身的中心线不一致，由于离心力的作用，将使后轮侧偏，导致车轮横摆。而且车速越高，后轮侧偏越大，结果使车轮转向在高速时的操纵稳定性明显降低。电子控制四轮转向系统那么是在前轮转向的同时，主动地控制后轮也进行适当转向一般最大为50。后轮相对于前轮的转向，分为同向转向(后轮与前轮的转动方向一致)和逆向转向后轮与前轮的转动方向相反。由于汽车在拐急弯时，通常以低

13、速行驶，而在直道或较平缓的弯道上时，通常以高速行驶。因此，采用电子控制四轮转向系统的汽车，电子控制单元(ECU)根据多个传感器提供的数据，计算出后轮距目标转角的差值，再向步进电机发出指令使后轮偏转。低速行驶时，依据方向盘的转角值使后轮逆向转向，以减小转弯半径；中速行驶时，可减少后轮转动，以减轻转向操纵的不自然感觉；而在高速行驶时，可使后轮实现同向转向，减少甚至根本防止车身横摆，提高转向的稳定性。四轮转向系统自1978年在马自达卡配拉轿车上最初试用以来，世界各大汽车公司已分别研究多种四轮转向装置，并已批量生产。动力转向系统日益广泛的被采用，不仅在重型汽车L必须采用，在高级轿车上采用的也较多，就是

14、在中型汽车上也逐渐推广。主要是从减轻驾驶员疲劳，提高操纵轻便性和稳定性出发。虽然带来本钱较高和结构复杂等问题，但由于它的优点明显，还是得到很快的开展。而从国内角度来说近年来对于EPS的研究开展很快，尤其是在控制策略的研究上，已经将不同的控制方法引如ECU中，并通过实验和分析不断地完善和改良，但是在对于细节的优化上距离国外还有相当的差距，而且目前国内除了吉利汽车，还尚未自主知识产权的EPS，距离EPS的批量化生产也还有一段路要走从开展趋势上看，国外整体式转向器开展较快而整体式转向器中转阀结构是目前开展的方向。由寸动力转向系统还是新的结构，各国的生产厂家都正在组织力量，大力开展试验研究工作，提高使

15、用性能、减小总成体积、降低生产本钱、使之产品质量稳定。以便逐步推广和普及。1.3 不同类型转向系统的结构及特点 传统机械转向系统汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向轮来完成的。机械式转向系统工作过程为：驾驶员对转向盘施加的转向力矩通过转向轴输入转向器，减速传动装置的转向器中有1、2级减速传动副，经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆，再传给固定于转向节上的转向节臂，使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而实现汽车的转向。纯机械式转向系统根据转向器形式可以分为：齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。纯机械式转向系统为了产生足够大的转向扭矩需要使用大

16、直径的转向盘，需占用较大的空间，整个机构笨拙，特别是对转向阻力较大的重型汽车，实现转向难度很大，这就大大限制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉，目前该类转向系统除在一些转向操纵力不大、对操控性能要求不高的农用车上使用外已很少被采用。 液压助力转向系统HPS装配机械式转向系统的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重，为解决这个问题，美国GM公司在20世纪50年代率先在轿车上采用了液压助力转向系统。该系统是建立在机械系统的根底之上，额外增加了一个液压系统。液压转向系统是由液压和机械等两局部组成，它是以液压油做动力传递介质，通过液压泵产生动力来推动机械转向器，从而实现转向。

17、液压助力转向系统一般由机械转向器、液压泵、油管、分配阀、动力缸、溢流阀和限压阀、油缸等部件组成。为确保系统平安，在液压泵上装有限压阀和溢流阀。其分配阀、转向器和动力缸置于一个整体，分配阀和主动齿轮轴装在一起阀芯与齿轮轴垂直布置，阀芯上有控制槽，阀芯通过转向轴上的拨叉拨动。转向轴用销钉与阀中的弹性扭杆相接，该扭杆起到阀的中心定位作用。在齿条的一端装有活塞，并位于动力缸之中，齿条左端与转向横拉杆相接。转向盘转动时，转向轴连主动齿轮轴带动阀芯相对滑套运动，使油液通道发生变化，液压油从油泵排出，经控制阀流向动力缸的一侧，推动活塞带动齿条运动，通过横拉杆使车轮偏转而转向。液压助力转向系统是在驾驶员的控制

18、下，借助于汽车发动机带动液压泵产生的压力来实现车轮转向。由于液压转向可以减少驾驶员手动转向力矩，从而改善了汽车的转向轻便性和操纵稳定性。为保证汽车原地转向或者低速转向时的轻便性，液压泵的排量是以发动机怠速时的流量来确定。汽车起动之后，无论车子是否转向，系统都要处于工作状态，而且在大转向车速较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力，所以在一定程度上浪费了发动机动力资源。并且转向系统还存在低温工作性能差等缺点。电控液压助力转向系统EHPS由于液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性，因此，在1983年日本Koyo公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统E

19、HPS。EHPS是在液压助力系统根底上开展起来的，在传统的液压助力转向系统的根底上增设了电控装置，其特点是原来由发动机带动的液压助力泵改由电机驱动，取代了由发动机驱动的方式，节省了燃油消耗；具有失效保护系统，电子元件失灵后仍可依靠原转向系统平安工作；低速时转向效果不变，高速时可以自动根据车速逐步减小助力，增大路感，提高车辆行使稳定性。电控液压助力转向系统是将液压助力转向与电子控制技术相结合的机电一体化产品。一般由电气和机械2局部组成，电气局部由车速传感器、转角传感器和电控单元ECU组成；机械局部包括齿轮齿条转向器、控制阀、管路和电动泵。其中电动泵的工作状态由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向

20、角度等信号计算出的最理想状态。简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向省力；汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动液压泵以较低的速度运转，在不至于影响高速打转向的需要的同时，节省一局部发动机功率。电控液压转向系统的工作原理：在汽车直线行驶时，方向盘不转动，电动泵以很低的速度运转，大局部工作油经过转向阀流回储油罐，少局部经液控阀然后流回储油罐；当驾驶员开始转动方向盘时，ECU根据检测到的转角、车速以及电动机转速的反应信号等，判断汽车的转向状态，决定提供助力大小，向驱动单元发出控制指令，使电动机产生相应的转速以驱动油泵，进而输出相应流量和压力的高压油。高压

21、油经转向控制阀进入齿条上的动力缸，推动活塞以产生适当的助力，协助驾驶员进行转向操作，从而获得理想的转向效果。电控液压助力转向系统在传统液压动力转向系统的根底上有了较大的改良，但液压装置的存在，使得该系统仍有难以克服如渗油、不便于安装维修及检测等问题。电控液压助力转向系统是传统液压助力转向系统向电动助力转向系统的过渡。 电动助力转向系统EPS1988年日本Suzuki公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统。1990年日本Honda公司也在运动型轿车NSX上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。EPS是在E

22、HPS的根底上开展起来的,它取消EHPS的液压油泵、油管、油缸和密封圈等部件,完全依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构,其结构简单、零件数量大大减少、可靠性增强,解决了长期以来一直存在的液压管路泄漏和效率低下的问题。电动助力转向系统在本田飞度、思域以及丰田新皇冠、奔驰新A-class等车型上纷纷被采用。电动助力转向系统的构电动助力转向系统一般是由转矩转向传感器、电子控制单元ECU、电动机、电磁离合器以及减速机构组成。其工作过程为：扭矩传感器检测驾驶员打方向盘的扭矩，然后根据这个扭矩给控制单元一个信号。同时控制单元也会收到来自方向盘位置传感器的信号，这个传感器一般是和扭矩传感器装在一起的有些传

23、感器已经将这2个功能集成为一体。扭矩和方向盘位置信息经过控制单元处理，连同传入控制单元的车速信号，根据预先设计好的程序产生助力指令。该指令传到电机，由电机产生扭矩传到助力机构上去，这里的齿轮机构那么起到增大扭矩的作用。这样，助力扭矩就传到了转向柱并最终完成了助力转向。节约了能源消耗与传统的液压助力转向系统相比，没有系统要求的常运转转向油泵，且电动机只是在需要转向时才接通电源，所以动力消耗和燃油消耗均可降到最低。还消除了由于转向油泵带来的噪音污染。液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停地流动，再加上存在管流损失等因素，浪费了局部能量。相反EPS仅在需要转向操作时才需零部件要向电机提

24、供的能量。而且，EPS系统能量的消耗与转向盘的转向及当前的车速有关。当转向盘不转向时，电机不工作；需要转向时，电机在控制模块的作用下开始工作，输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向力矩。该系统真正实现了“按需供能，是真正的“按需供能型on-demand系统，在各种行驶条件下可节能80%左右。当驾驶员转动方向盘一角度然后松开时，EPS系统能够自动调整使车轮回到正中。同时还可利用软件在最大限度内调整设计参数以获得最正确的回正特性。通过灵活的软件编程，容易得到电机在不同车速及不同车况下的转矩特性，这些转矩特性使得该系统能显著地提高转向能力，提供了与车辆动态性能相匹配的转向回正特性。而在传统的液压控制

25、系统中，要改善这种特性必须改造底盘的机械结构，实现起来很困难。转向系统是影响汽车操纵稳定性的重要因素之一。传统液压动力转向由于不能很好地对助力进行实时调节与控制，所以协调转向力与路感的能力较差，特别是汽车高速行驶时，仍然会提供较大助力，使驾驶员缺乏路感，甚至感觉汽车发飘，从而影响操纵稳定性。但EPS是由电动机提供助力，助力大小由电子控制单元ECU根据车速、方向盘输入扭矩等信号进行实时调节与控制，可以很好地解决这个矛盾。EPS系统控制单元ECU具有故障自诊断功能，当ECU检测到某一组件工作异常，如各传感器、电磁离合器、电动机、电源系统及汽车点火系统等，便会立即控制电磁离合器别离停止助力，转为手动

26、转向，按普通转向控制方式进行工作，确保了行车的平安。 线控转向系统SBW在车辆高速化、驾驶人员群众化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的易操纵性设计显得尤为重要。线控转向系统Steering-By-Wire Systerm，简称SBW的开展，正是满足这种客观需求。它是继EPS后开展起来的新一代转向系统，具有比EPS操纵稳定性更好的特点，它取消转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电能实现转向，彻底摆脱传统转向系统所固有的限制，提高了汽车的平安性和驾驶的方便性。SBW系统一般由转向盘模块、转向执行模块和主控制器ECU、自动防故障系统以及电源等模块组成。转向盘模块包括路感电机和转向

27、盘转角传感器等，转向盘模块向驾驶员提供适宜的转向感觉也称为路感并为前轮转角提供参考信号。转向执行模块包括转向电机、齿条位移传感器等,实现2个功能:跟踪参考前轮转角、向转向盘模块反应轮胎所受外力的信息以反应车辆行驶状态。主控制器控制转向盘模块和转向执行模块的协调工作。当转向盘转动时,转向传感器和转向角传感器检测到驾驶员转矩和转向盘的转角并转变成电信号输入到ECU,ECU根据车速传感器和安装在转向传动机构上的位移传感器的信号来控制转矩反应电动机的旋转方向,并根据转向力模拟,生成反应转矩,控制转向电动机的旋转方向、转矩大小和旋转角度,通过机械转向装置控制转向轮的转向位置，使汽车沿着驾驶员期望的轨迹行

28、驶。汽车转向系的作用是保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶中，保证各转向轮之间有协调的转角关系。保证汽车在行驶中能按驾驶员的操纵要求，适时地改变行驶方向，并能在受到路面干扰偏离行驶方向时，与行驶系配合，共同保持汽车稳定地直线行驶。转向系对汽车行驶的适应性、平安性都具有重要的意义。对转向系提出的要求有：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。不满组这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。2汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶的位置，并稳定行驶。3汽车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自振，转向盘没有摆动。4转向传动机

29、构和悬架导向装置共同作用时，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转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小。8转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。9在车祸中，当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。10进行运动校核，保证转向轮与转向盘转动方向一致。11方向盘左置。12不得装用全动力转向机构。13当汽车前行向左或向右转弯时，转向盘向左向右的回转角和转向力不能有显著的差异。14转向器应有适宜的角传动比，既能使转向省力，减轻驾驶员的劳动强度，

30、又能使驾驶员转动转向盘时，转向轮应立即获得相应的偏转角，且转向盘转动的总圈数不能太多。设计主要内容本章主要研究内容：总结分析相关文献，分析各转向系统的优劣所在，结合实际情况初步选定所设计的转向器类型。利用所选定的转向器参数，完成转向器结构布置和设计。第2章 液压动力转向器方案分析及确定汽车的转向系根据其转向能源的不同，可分为机械式转向系和动力式转向系。而根据所采用的转向传动副的不同，转向器的结构型式有多种。常见的有齿轮齿条式、循环球式、球面蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等。对转向器结构型式的选择，主要是根据汽车的类型、前轴负荷、使用条件等来决定，并要考虑其效率特性、角传动比变化特性等对使用条件的适应性

31、以及转向器的其他性能、寿命、制造工艺等。中、小型轿车以及前轴轴荷小于1.2t的客车、货车，多采用齿轮齿条式转向器。球面蜗杆滚轮式转向器曾广泛用在轻型和中型汽车上，循环球式转向器那么是当前广泛使用的一种结构，高级轿车和轻型及以上的客车、货车均多采用。轿车、客车多行驶于好路面上，可以选用正效率高、可逆程度大些的转向器。矿山、工地用汽车和越野汽车，经常在坏路或无路地带行驶，推荐选用极限可逆式转向器，但当系统中装有液力式动力转向或在转向横拉杆上装有减振器时，那么可采用正、逆效率均高的转向器，因为路面的冲击可由液体或减振器吸收，转向盘不会产生“打手现象。齿轮齿条式转向器齿轮齿条式转向器由与转向轴做成一体

32、的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。与其他形式的转向器比较，齿轮齿条式转向器最主要的优点是：结构简单、紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器的质量较小；传动效率高达90%；齿轮与齿条之间因磨损出现间隙以后，利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧，能自动消除齿间间隙，如图1.1所示。这不仅可以提高转向系统的刚度，还可以防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用的体积小；没有转向摇臂和直拉杆，所以转向轮转角可以增大；制造本钱低。齿轮齿条式转向器的主要缺点是：因逆效率高60%-70%，汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间冲击力的大局部能传至转向盘，称之为反冲。反

33、冲现象会使驾驶员精神紧张，并难以准确控制汽车行驶方向，转向盘突然转动又会造成打手，同时对驾驶员造成伤害。根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式：中间输入，两端输出图2.1a；侧面输入，两端输出图2.1b；侧面输入，中间输出图2.1c侧面输入，一端输出图2.1d。图2.1 齿轮齿条式转向器的四种形式根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，齿轮齿条式转向器在汽车上有四种布置形式：转向器位于前 轴前方，后置梯形；转向器位于前轴前方，前轴梯形；转向器位于前轴前方，后置梯形；转向器位于前轴前方，前置梯形，如图2.2。循环球式转向器循环球式转向器由齿轮机构将来自转向盘的旋转力

34、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。循环球式转向器的主要优点：在螺杆和螺母之间因为有可以循环流动的钢球，将滑动摩擦转变为滚动摩擦，因而传动效率可到达7580；在结构和工艺上采取措施后，包括提高制造精度，改善工作外表的外表粗糙度和螺杆、螺母上的螺旋槽经淬火和磨削加工，使之有足够的硬度和耐磨损性能，可保证有足够的使用寿命；转向器的传动比可以变化；工作平稳可靠；齿条与齿扇之间的间隙调整工作容易进行；适合用来

35、做整体式动力转向器。循环球式转向器的主要缺点：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。蜗杆滚轮式转向器蜗杆滚轮式转向器由蜗杆和滚轮啮合而构成。蜗杆滚轮式转向器的主要优点是：结构简单；制造容易；因为滚轮的齿面和蜗杆上的螺纹呈面接触，所以有比较高的强度，工作可靠，磨损小，寿命长；逆效率低。蜗杆滚轮式转向器的主要缺点是：正效率低；工作齿面磨损后，调整啮合间隙比较困难；转向器的传动比不能变化。蜗杆指销式蜗杆指销式转向器根据其销子能否自转分为固定销式蜗杆指销式转向器和旋转销式转向器。根据销子数量不同，又分为单销和双销之分。蜗杆指销式转向器的优点是：转向器的传动比可以做成不变的或者变化的；指销和蜗杆

36、之间的工作面磨损后，调整间隙工作容易进行。固定销蜗杆指销式转向器的结构简单、制造容易；但是因销子不能自转，销子的工作部位根本保持不变，所以磨损快、工作效率低。旋转销式转向器的效率高、磨损慢，但结构复杂。转向器是转向系中的减速增扭转动装置9，其功用是增大转向盘传动转向节的力并改变力的传递方向。曾经出现过的转向器结构型式很多，但有些已趋于淘汰。现代汽车的转向器已演变定型，中型和重型汽车多采用循环球式转向器，小型车多采用齿轮齿条式转向器。在循环球式转向器中，输入转向圈与输出的转向摇臂摆角是成正比的；在齿轮齿条式转向器中，输入转向圈数与输出的齿条位移是成正比的。目前大局部低端轿车采用的就是齿轮齿条式机

37、械转向系统，本文为轻型车转向器设计，故采用齿轮齿条式转向器。在齿轮齿条式机械转向器的根底上增加转向助力装置，就成了齿轮齿条式动力转向器，其工作原理图如图2.3和图2.4所示。1-活塞；2-齿条；3-右转弯油管图2.3 右转弯时液压油缸动作1横拉杆；2左转进油管；3右转进油管；4右转进油口；5转向输入轴；6旋转式控制阀；7出油口；8进油口；9左转进油口；10动力缸；11活塞； 12转向齿条；13防尘套。在齿轮齿条式动力转向器中，活塞安装在转向齿条上，并置于齿条套管内。齿条活塞两边的齿条套管都被密封起来，形成两个分开的油液腔，连接左、右转向回路。转向盘右转时，旋转阀在齿条活塞两边形成压力差，使齿条

38、朝低压方向移动，从而减轻转动转向盘所需的总操纵力。齿轮齿条式液压动力转向器与其他形式的转向器比较，齿轮齿条式转向器最主要的优点是：结构简单、紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器的质量较小；传动效率高达90%；齿轮与齿条之间因磨损出现间隙以后，利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧，能自动消除齿间间隙，这不仅可以提高转向系统的刚度，还可以防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用的体积小；没有转向摇臂和直拉杆，所以转向轮转角可以增大；制造本钱低。及过程工作原理在机械转向器的根底上增加一套转向助力装置，就成了动力转向器。根据这套助力装置提供能源不同分为液压式动力转向器和电动式动

39、力转向器。以下主要表达液压式动力转向器的工作原理。液压式动力转向器有常压式和常流式两种。对于常压式动力转向器，其液压系统设有储能装置，故无论转向盘保持静止还是运动状态，液压系统工作管路中总是保持高压。对于常流式动力转向器，其液压泵始终处于运转状态。当汽车处于直线行驶状态时，转向油泵输出的油液流入转向控制阀，又由此流回转向油罐，因转向控制阀的节流阻力很小，故油泵输出压力也很低，油泵实际上处于空转状态。当驾驶员转动方向盘，通过机械转向器使转向控制阀(转阀或者滑阀)处于与某一转弯方向相应的工作位置时，转向动力缸的相应工作腔与回油管路隔绝，转而与油泵输出管路相同，而动力缸的另一腔仍然通回油管路。地面转

40、向阻力经转向传动机构传到转向动力缸的推杆和活塞上，形成比转向控制阀节流阻力高得多的油泵输出管路阻力。于是转向油泵输出压力急剧升高，直到足以推动转向动力缸活塞为止。转向盘停止转动后，转向控制阀随即回复到中间位置，使动力缸停止工作。比较而言，常流式结构较简单、油泵寿命较长、泄漏量较少、功率消耗也较少，因此，目前除少数重型汽车采用常压式动力转向器外，其他大量的汽车均采用常流式动力转向器。如果动力转向机构的机械转向局部、转向动力缸和转向控制阀组装成一体，这种结构称为整体式动力转向器。也有将各局部别离组装的产品，但是这种产品目前已不多见。齿轮齿条液压动力转向器是把活塞安装在转向齿条上，并至于齿条套管内，

41、齿条活塞两边的齿条套管被密封起来，形成两个分开的油液腔，连接左右转向回路，转向盘转动时，旋转伐在齿条活塞两边形成压力差，使齿条朝低压方向移动，从而减轻转动方向盘所需的总操纵力。工作过程如图2.5所示，汽车直线行驶时，转阀处于中间位置。来自转向油泵的工作液从转向器壳体舶进油口0流到阀体13的中间油环槽中，经过其槽底的通孔进入阀体13和阀芯12之间，此时因阀芯处于中间位置，所以进入的油液分别通过阀体和阀芯纵槽和槽肩形成的两边相等的间隙，再通过阀芯的纵槽以及阀体的径向孔流向阀体外圆上、下油环槽，然后通过壳体中的两条油道分别流到动力缸的R接右转向动力腔；L接左转向动力腔；B接转向液压泵；G接转向油罐2

42、齿条-活塞；12进油口；13阀体；22阀心上、下腔中去，即左转向动力腔L和右转向动力腔R，流人阀体内腔的油液在通过阀芯纵槽流向阀体上、油环槽的同时，通过阀芯槽肩上的径向油孔流到转向螺杆和输入轴之间的空隙中，经阀体组件和调整螺塞之间的空隙流到回油口，经油管回到油罐中去，形成了常流式油液循环。此时，上、下腔油压相等且很小，齿条一活塞19既没有受到转向螺杆的轴向推力，也没有受到上、下腔因压力差造成的轴向推力。所以齿条一活塞处于中间位置，动力转向器不工作。参见图2.6，汽车左转弯时，转动转向盘使短轴逆时针转动，通过其下端轴销子带动阀芯同步转动，这个扭距也通过具有弹性的扭杆轴传给下端轴盖，下端轴盖边缘上

43、的缺口通过固定在阀体上的销子带动阀体转动，阀体通过其下端缺口和销子，把转向力矩传给螺杆。由于转向阻力的存在，要有足够的转向力矩才能使转向螺杆转动。这个转矩促使扭杆轴发生弹性扭转，造成阀体的转动角度小于阀芯的转动角度，两者产生相对角位移。通下动力腔的进油缝隙减小(或封闭)，回油缝隙增大，油压降低;通上动力腔的进油缝隙增大而回油缝隙减小(或关闭)，油压升高，上、下动力腔产生油压差，齿条一活塞便在上、下动力腔油压差的作用下移动，产生助力作用。此时，来自转向油泵的压力油通过槽隙流向动力缸上腔，动力缸下腔的油那么通过阀体径向孔、槽隙、阀芯径向孔和回油口流回流向储油罐。(a)左行驶 (b)右行驶图2.6

44、左右行驶时转阀的工作情况 右转弯时转向器工作过程与左转弯时根本相似，如图2.5b所示。不同的是由于转向方向相反，造成阀体和阀芯的角位移相反，齿条一活塞下腔油压升高而上腔油压降低，产生右转向助力。 当转向盘停在某一位置不再继续转动时，阀体随转向螺杆在液力和扭杆轴弹力的作用下，沿转向盘转动方向旋转一个角度，使之与阀芯的相对角位移量减小，上、下动力腔油压差减小，但仍有一定的助力作用。此时的助力转矩与车轮的回正力矩相平衡，使车轮维持在某一转向位置上。在转向过程中，假设转向盘转动的速度快，阀体与阀芯的相对角位移量也大，上、下动力腔的油压差也相应加大，前轮偏转的速度也加快，如转向盘转动的慢，前轮偏转的也慢

45、;假设转向盘转在某一位置上不变，对应着前轮也转在某一位置上不变。此即称“渐进随动原理，也就是“快转快助，大转大助，不转不助原理。转向后需回正时，如果驾驶员放松转向盘，阀芯回到中间位置，失去了助力作用，此时转向轮在回正力矩的作用下自动回位:假设驾驶员同时回转转向盘时，转向助力器助力，帮助车轮回正。 当汽车直线行驶偶遇外界阻力使转向轮发生偏转，阻力矩通过转向传动机构，作用在阀体上，使之与阀心之间产生相对角位移，产生了反相的推力作用，在此力作用下，转回轮迅速回正。转向系的效率功率p从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率为正效率，用符号表示，反之称为逆效率，用符号表示，为了保证转向时驾驶员转动转向

46、盘轻便，要求正效率高10；为了保证汽车转向后转向轮和转向盘能自动返回直线行驶位置，又需要有一定的逆效率。转向器的正效率与转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等有关。在前述四种转向器中，齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高，而蜗杆指销式特别是煽动销和蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显低一些。齿轮齿条式转向器的正效率可达90%，循环球式转向器的传动副为滚动摩擦，摩擦损失小，其正效率可达85%，球面蜗杆滚轮式转向器正效率可达77%-82%，蜗杆指销式转向器和蜗杆滚轮式转向器的传动副存在较大滑动摩擦，正效率68%-75%比较低。同一类型转向器，因结构不同效率也不一样。逆效率表示转向器的可逆性。根

47、据逆效率值的大小，转向器又可分为可逆式、极限可逆式与不可逆试三种。可逆式转向器的逆效率较高，这种转向器可将路面作用在车轮上的大局部力传递到转向盘上，使司机的路感好。在汽车转向后也能保证转向轮与转向盘的自动回正，使转向轮行驶稳定。但在坏路面上，当转向轮上作用有侧向力时，转向轮受到的冲击大局部会传给转向盘，为了减轻在不平路面上行驶时驾驶员的疲劳，车轮与路面之间的作用力传至转向盘上要尽可能小，防止打手，这又要求此逆效率尽可能低。因此，可逆式转向器宜用于在良好路面上行驶的车辆。循环球式和齿轮齿条式转向器均属于这一类。本文设计齿轮齿条转向器逆效率为60-70。不可逆式转向器不会将转向轮受到的冲击力传到转

48、向盘上。由于它既使司机没有路感，又不能保证转向轮的自动回正，现代汽车已不采用。极限可逆式转向器介于上述两者之间。其逆效率较低，适用于在坏路面上行驶的汽车。当转向轮受到冲击力时，其中只有较小的一局部传给转向盘。通常，由转向盘至转向轮的效率即转向系的正效率的平均值为67%-82%；当向上述相反方向传递力时逆效率的平均值为58%-63%。在循环球式机械转向器的根底上增加转向助力装置，就成了循环球式动力转向器，其工作原理如图2.1所示。 转向系传动比转向系的传动比包括转向系的角传动比和转向系的力传动比。从轮胎接地面中心作用在两个转向轮上的合力2 与作用在转向盘上的手力之比，称为力传动比。转向盘角速度与

49、同侧转向节偏转角速度之比，称为转向系角传动比。转向盘角速度与同侧转向节偏转角速度之比，称为转向系角传动比，即 3.1 式中：转向盘转角增量； 转向节转角增量； 时间增量。 又由转向器角传动比和转向传动机构角传动比所组成，即 3.2 式中：转向器的角传动比； 转向传动机构的角传动比。 现代汽车转向传动机构的角传动比多在0.85-1.1之间，即近似于1。现代汽车转向器的角传动比也常采用不变的数值：轿车取=14-22；货车取=20-25。本次设计取20。=120=20转向传动机构的力传动比与转向传动机构的结构布置型式及其杆件所处的转向位置有关。 =100 3.3式中：主销偏移距，取值在40-60mm

50、，取40mm；转向盘直径，取360mm。 转向器的传动副的间隙特性转向器的传动间隙是指转向器传动副之间的间隙11。该间隙随转向盘转角的改变而改变。通常将这种变化关系称为转向器的传动间隙特性。研究该传动间隙特性的意义在于它对汽车直线行驶时的稳定性和转向器的寿命都有直接影响。当转向盘处于中间位置即汽车作直线行驶时，如果转向器有传动间隙那么将使转向轮在该间隙范围内偏离直线行驶位置而失去稳定性。为防止这种情况发生，要求当转向盘处于中间位置时转向器的传动副为无隙啮合。这一要求应在汽车使用的全部时间内得到保证。汽车多直行行驶，因此转向器传动副在中间部位的磨损量大于其两端。为了保证转向器传动副磨损最大的中间

51、部位能通过调整来消除因磨损而形成的间隙，调整后当转动转向盘时又不致于使转向器传动副在其他啮合部位卡住。为此应使传动间隙从中间部位到两端逐渐增大，并在端部到达其最大值，如图3.1，利于间隙的调整及提高转向器的使用寿命。不同结构的转向器其传动间隙特性亦不同。图3.1 转向器传动副传动间隙特性转向系的刚度转向系的各零件尤其是一些杆件具有一定的弹性，这使得转向轮的实际转角要比司机转动方向盘并按转向系角传动比换算到转向轮的转角要小，这样就会有缺乏转向的趋势。转向系刚度对轮胎的侧偏刚度影响也很大。转向系刚度缺乏会使前轮的侧偏刚度减小，使汽车的转向灵敏度减小。转向盘的总转动圈数转向盘从一个极端位置转到另一个

52、极端位置时所转过的圈数称为转向盘的总转动圈数。它与转向轮的最大转角及转向系的角传动比有关，并影响转向的操纵轻便性和灵敏性。轿车转向盘的总转动圈数较少，一般约在3.6圈以内；货车一般不宜超过6圈。单从转向操纵的灵敏性而言，最好是转向盘和转向节的运动能同步开始并同步终止。然而，这在实际上是不可能实现的。因为在整个转向系统中，各传动件之间都必然存在着装配间隙，而且这些间隙将随着零件的磨损而增大。在转向盘转动过程的开始阶段，驾驶员对转向盘所施加的力矩很小，因为只是用来克服转向系统内部的摩擦的，使各传动件运动到其间的间隙完全消失，故可以认为这个阶段是转向盘空转阶段。此后，才需要对转向盘施加更大的转向力矩

53、，以克服经车轮传到转向节上的转向阻力矩，从而实现使各转向轮的偏转。转向盘在空转阶段中的角行程称为转向盘自由行程。转向盘自由行程对于缓冲路面冲击及防止使驾驶员过度紧张是有利的，但不宜过大，以免影响灵敏性。一般来说，转向盘从相应于汽车直线行驶的中间位置向任一方向的自由行程最好不超过1015。当零件磨损严重到使转向盘自由行程超过2530 时，必须进行调整。本章首先介绍了转向器的结构和分类，本次设计主要选用齿轮齿条式液压助力转向器，其次介绍了几种典型汽车液压式动力转向器的工作原理及过程，再次，对液压动力转向系统进行了总体设计，确定了液压动力转向系统的结构形式和主要性能参数，这为以下的设计计算奠定了根底

54、。第3章 液压转向器的设计计算为了保证行驶平安，组成转向系的各零件应有足够的强度。欲验算转向系零件的强度，需3首先确定作用在各零件上的力。影响这些力的只要因素有转向轴的负荷，路面阻力和轮胎气压等。为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中的内摩擦阻力等。精确地计算这些力是困难的，为此推荐用足够精确的半径公式来计算汽车在沥青或者混凝土路面上原地转向阻力矩mm)，即 3.1 式中： 轮胎和路面间的滑动摩擦因数，一般取0.7；转向轴负荷N7987N ；整备质量为815kg。轮胎气压MPa。0.6 MPa作用在转向盘上的手力为 3.2式中：转向盘直径；3

55、60mm转向系的角传动比；=20转向器的正效率；75%对给定的汽车，用式3.2计算出来的作用力是最大值。因此，可以用此值作为计算载荷。然而，对于前轴负荷大的货车，用式3.2计算的力往往超过驾驶员生理上的可能。在此情况下，对转向器和动力转向器动力缸以前的零件的计算载荷，应取驾驶员作用在转向盘轮缘上的最大瞬时力，此力为700N。齿轮齿条式转向器的齿轮多采用斜齿圆柱齿轮。齿轮模数范围多在23之间。主动小齿轮齿数多数在57个齿范围变化，压力角，齿轮螺旋角取值范围多为。齿条齿数应根据转向轮到达最大偏转角时，相应的齿条移动行程应到达的值来确定。此外，设计时应验算齿轮的抗弯强度和接触强度。；小齿轮转数n=选

56、定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1按汽车转向器的传动方案 ，选用斜齿圆柱齿轮传动。2考虑此转向器的功率及寿命，主动小齿轮、齿条都选用硬齿面。由机械设计手册选得主动小齿轮采用低碳合金钢15GrNi6制造并经渗碳淬火；外表硬度在5462HRC，芯部3042HRC；齿条采用45号钢制造并经高频淬火，外表硬度在58HRC以上。壳体常用铝合金压铸。3选取精度等级。因采用外表淬火，轮齿的变形不大，不需磨削；故初选7级精度。4因为是闭式硬齿面齿轮传动，应选主动小齿轮齿数；齿条齿数。按齿面接触硬度设计由机械原理与设计设计计算公式进行计算，即 3.3确定公式内的各参数数值试选载荷系数计算小齿轮传递的转矩Nmm由

57、机械原理与设计表9-12选取齿宽系数由机械设计图3-14、图3-15查取对于钢制标准斜齿轮，取、时，、； ；由机械设计图3-21及图3-28按齿面硬度中间值58HRC、MQ等级查得；计算应力循环次数由机械设计图3-23查得；计算接触疲劳许用应力由机械设计表3-9查得对于失效概率低于1%计算齿轮参数计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值计算圆周速度计算齿宽=计算模数取标准模数计算当量齿数计算重合度按齿根抗弯强度设计由式机械原理与设计9-51得抗弯强度设计公式为确定公式内的各参数数值1由机械设计设计图3-21及3-28按MQ等级查得齿轮、齿条的抗弯疲劳强度极限：；2由机械原理与设计图9-38查得抗疲

58、劳寿命系数；3计算抗弯疲劳许用应力由式：根据机械设计表3-10及3-31；选择齿面粗糙度由机械设计图3-30： 由机械设计表3-9查得对于失效概率低于1%将上述值代入公式4计算载荷系数根据，8级精度，由机械原理与设计图9-31查得动载系数；直齿轮，假设，由机械原理与设计表9-8查得；由机械原理与设计表9-7查得使用系数；由机械原理与设计表9-9查得；由机械原理与设计图9-32查得5查取复合齿形系数由机械设计图3-316计算小齿轮、齿条的并加以比较小齿轮的数值大7弯曲强度计算的重合度系数8设计计算几何尺寸计算1计算分度圆直径mm；=17.88 mm；2计算中心距mm液压式动力转向机构的计算动力缸

59、尺寸的计算动力缸的主要尺寸有动力缸内径、活塞行程、活塞杆直径和动力缸壳体壁厚。动力缸的主要尺寸计算前，应先行确定作用在直拉杆上的力应用式计算出来的转向阻力矩换算；动力缸产生的推力为=推力与工作油液压力和动力缸截面面积之间有如下关系=所以 因为动力缸活塞两侧的工作面积不同，应按较小一侧的工作面积来计算，即 3.5式中，为动力缸内径，为活塞杆直径，一般初选时取；。联立式3.4和式3.5后得到 mmmm式中，压力。活塞行程S的计算当动力缸与转向器一体时，活塞行程可由主动小齿轮转过的节圆弧长来求得，即；mm分配阀的回位弹簧为了防止因外界干预破坏分配阀的正常工作和保证转向后转向盘的自动回正作用，回位弹簧

60、的力在保证转向轻便的条件下，应尽可能取大些。克服回位弹簧上的压力，反映在转向盘上的作用力，对于乘用车应比货车的小些。回位弹簧预压缩力的最小值，应大于转向器逆传动使的摩擦力，否那么转向后转向轮不可能有自动回正作用。转向器的摩擦力可由实验确定。动力转向器的评价指标1动力转向器的作用效能 用效能指标来评价动力转向器的作用效能。式中，和为没有动力转向器和有动力转向器时，转动转向轮所必须作用在转向盘上的力。现有动力转向器的效能指标。2液压式动力转向器的路感 驾驶员转动转向盘，除要克服转向器的摩擦力和回位弹簧的阻力外，还要克服反映路感的液压阻力。液压阻力等于反作用阀面积与工作液压压强的乘积。在最大工作压力