第七章 汽车转向系

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）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。组成转向装置方向盘转向柱（万向节）循环球式方向机

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。

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。

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。第一节概述一、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．有防伤装置10．保证转向盘与转向轮转动方向一致一、设计要求一、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。第一节概述三、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二节机械式转向器方案分析一、机械式转向器方案分析第二节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

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。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,后置梯形第二节机械式转向器方案分析二、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1～2项（如平头客车只有安全带，货车中当前也很少装气囊）。第二节机械式转向器方案分析二、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（GB11557—1998）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，防伤安全机构可以减轻驾驶员受到伤害的程度。二、防伤安全机构方案分析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

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三节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如果忽略磨擦损失，根据能量地恒原理，2Mr/Mh可用下式表示a↑则ip↓，∴转向沉重，为此应减少a措施：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α2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。α2大时，齿槽上宽下窄，节圆半径R1也大，反之亦反之。pb2=πm2cosa2α2变化范围120～350齿轮齿条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。

iw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iw取小些。当iw过于小时，带来如下问题：1）对φ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三节转向系主要性能参数三、转向器传动副的传动间隙△t1．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离开直线行驶位置处△t≠0，且逐渐增大曲线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三节转向系主要性能参数三、转向器传动副的传动间隙△t2．如何获得传动间隙特性（1）

循环球齿条齿扇式①

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。第三节转向系主要性能参数三、转向器传动副的传动间隙△t2．如何获得传动间隙特性（1）

循环球齿条齿扇式——偏心法αd—端面压力角；R—节圆半径；βp—摇臂轴转角；R1—中心O1到b点的距离；n—偏心距。第三节转向系主要性能参数三、转向器传动副的传动间隙△t2．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三节转向系主要性能参数三、转向器传动副的传动间隙△t2．如何获得传动间隙特性（2）

循环球齿条齿扇式——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。当用上式计算的Fh>700N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第四节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钢壳体铝合金第四节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第四节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D2①

D：是指螺杆两侧刚球中心间的距离，是转向器的基本尺寸。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20～40㎜。D应随m的变化而变化，当m↑时，D也应↑。②

D1、D2：（D2－D1）=（5～10）%DD1=20、23、25、28、29、34、38三、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n①

影响选取d的因素（常用的标准范围：7～9㎜）：选取d的原则：在保证有足够的承载能力条件下，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。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n②影响选取n的因素三、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nn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：W—一个环路中的钢球工作圈数；α0—螺线导程角，∵α0=5°~8°，∴cosα0≈1.0三、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。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选取W的原则：在保证螺杆、螺母、钢球有足够的σj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θ。接触角θ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↓。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dφ，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：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①

齿顶圆与齿根圆均有锥度②

∵分度圆d=mz，∴不变是圆柱

③

分度圆上的齿厚是变化的

④

基圆也是一个圆柱三、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（Ⅰ—Ⅰ）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ζ=0，且向右为正ζ，向左ζ为负距基准剖面尺寸a0处的O—O剖面的移距系数为ζ

1切削角第四节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σ第四节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σw材料：螺杆、螺母20CrMnTi渗碳0.8~1.45mm58~63HRC第四节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0.8~1.45mm58~63HRC第四节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[τ]=4000～5000N/㎝2第六节转向梯形3）在汽车上有足够的高度，高于前部hm