汽车设计转向系设计

汽车设计转向系设计第1页/共37页2本章

重点

转向系结构型式

转向系主要性能参数

机械式转向系设计计算

动力转向机构设计

转向梯形设计

转向杆系布置

四轮转向第2页/共37页39.1概述

转向系是用来保持或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。转向系的主要设计要求(1)汽车转弯行驶时，全部车轮应绕一个瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。(2)保证汽车有较高的机动性(转弯半径小)。(3)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。(4)汽车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自激振动，转向盘没有摆动。(5)悬架导向机构和转向传动机构共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动应尽可能小。(6)操纵轻便，转向时，施加在转向盘上的切向力，对乘用车不应超过150～200N，对商用车不应超过500N。(7)转向后，转向盘应自动回正，并应使汽车保持在稳定的直线行驶状态。(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，当转向盘和转向轴由于车架或车身变形而后移时，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。

第3页/共37页49.2转向器结构方案分析

9.2.1机械式转向器方案分析根据所采用的转向传动副的不同，机械转向器的结构形式有多种。常见的有齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等。1．齿轮齿条式转向器2．循环球式转向器3．蜗杆滚轮式转向器4．蜗杆指销式9.2.2转向盘的尺寸及布置乘用车、小型客车、小型商用车的转向盘直径参考直径为400mm；中型客车、中型商用车的转向盘参考直径为450mm或者500mm；大型客车和大型商用车的转向盘的参考直径为550mm。第4页/共37页59.2.3转向轴的防伤安全措施(9-1)式中，为实际断面宽度；为垫片厚度；为垫片帘布的层数；为考虑垫片不能同时损坏的系数，取0.85；为考虑危险断面边缘的帘线完整性被破坏的系数，取0.80；为拉伸应力，MPa。图9.5弹性联轴节第5页/共37页69.2.3转向轴的防伤安全措施图9.6吸能转向管柱简图套管间的过盈量

(9-2)式中，为互相平衡的径向力数或套管上的凹坑数；为计算断面套管间接触点处的法向力；，为外、内套管的系数；为套管壁厚；为弹性模量。第6页/共37页79.3转向系主要性能参数9.3.1转向系传动比1．转向系角传动比转向系角传动比定义为转向盘转角增量与两侧转向节转角的相应增量的平均值之比。

(9-6)式中，为转向系角传动比；为转向盘转角增量；、为左、右转向节的转角增量。转向器角传动比的定义为转向盘转角增量与摇臂轴转角的相应增量之比，即

(9-7)式中，为转向器角传动比；为转向盘转角增量；为转向摇臂轴的转角增量，转向传动机构角传动比的定义为转向摇臂轴转角的增量，与两侧转向节转角的相应增量的平均值之比，即

(9-11)

为转向传动机构传动比；为转向摇臂轴转角增量；、为左、右转向节的转角增量。可以看出，转向器与转向传动机构角传动比的乘积就是转向系的角传动比，即

(9-12)第7页/共37页82．转向系转矩传动比在实用中，转向系转矩传动比定义为

(9-15)式中，为转向系转矩传动比；为在转向节上克服的转向阻力矩，由作用在左、右转向节上的转向阻力矩和组成；为施加在转向盘上的转矩；为转向系的角传动比；为转向器在实际载荷下的效率；为转向传动机构在施加载荷下的效率。

9.3转向系主要性能参数第8页/共37页99.3转向系主要性能参数3．转向器角传动比的变化规律齿轮齿条式变速比转向器两齿轮正确啮合的条件是其基圆齿距必须相等，即

(9-18)式中，为齿轮的模数；为齿轮的压力角；为齿条的模数；为齿条的压力角。小齿轮的节圆直径越小，其转动一定圈数齿条的移动距离越小，速比越大。设小齿轮的基圆直径为，它是不变的。小齿轮与齿条啮合时的压力角取决于在啮合点齿条的压力角

(9-19)第9页/共37页109.3转向系主要性能参数

2)循环球齿条齿扇式变速比转向器循环球齿条齿扇式转向器的角传动比可以由下式计算

(9-20)式中，t为螺杆螺距；r为齿扇的啮合半径。图9.9齿扇节圆半径随齿轮转角发生变化第10页/共37页119.3.2转向器传动副的传动间隙1．转向器传动间隙特性传动间隙是指各种转向器中传动副(如循环球式转向器的齿扇和齿条)之间的间隙。该间隙随转向盘转角的大小不同而改变，并把这种变化关系称为转向器传动副传动间隙特性。

2.如何获得传动间隙特性循环球式转向器的齿条齿扇传动副的传动间隙特性，可通过将齿扇齿做成不同厚度来获取必要的传动间隙。即将中间齿设计成正常齿厚，从靠近中间齿的两侧齿到离开中间齿最远的齿，其厚度依次递减。9.3转向系主要性能参数第11页/共37页129.3转向系主要性能参数9.3.3转向器的效率1．转向器的正效率转向器的正效率表征的是功率从转向盘到车轮时的传递特性。

(9-23)式中，为转向摇臂轴上的转向阻力矩；为主动施加在转向盘上的转矩；为转向器角传动比；为转向器在实际载荷下的正效率。2．转向器的逆效率转向器的逆效率表征的是功率从车轮到转向盘时的传递特性。

(9-26)式中，为在转向摇臂轴上主动施加的力矩；为驾驶员被动施加在转向盘上的转矩；为转向器角传动比；为转向器在实际载荷下的逆效率。第12页/共37页139.3转向系主要性能参数1．转向器类型2．转向器的结构参数正效率可表示为式中，为蜗杆(或螺杆)的螺线导程角(螺线升角)；为摩擦角，逆效率可表示为(9-29)(9-28)为摩擦因数。第13页/共37页149.4机械式转向器的设计计算9.4.1转向器计算载荷的确定原地转向阻力矩MR(9-30)式中，f为轮胎和路面间的滑动摩擦因数，一般取0.7；为转向轴负荷(N)；p为轮胎气压(MPa)。作用在方向盘上的力为

(9-31)式中，为转向摇臂长；为转向节臂长；为转向盘直径；为转向器传动比；为转向器正效率。

第14页/共37页159.4机械式转向器的设计计算9.4.2齿轮齿条式转向器的设计齿轮齿条式转向器的齿轮多数采用斜齿圆柱齿轮，齿轮模数取值范围多在2～3mm之间。主动小齿轮齿数多数在5～7个齿范围变化，压力角取20°，齿轮螺旋角取值范围多为9～15°。齿条齿数应根据转向轮达到最大偏转角时，相应的齿条移动行程应达到的值来确定。变速比的齿条压力角，对现有结构在12°～35°范围内变化第15页/共37页169.4机械式转向器的设计计算9.4.3循环球式转向器的设计1．主要尺寸参数的选择螺杆、钢球、螺母传动副钢球中心距D、螺杆外径D1、螺母内径D2

钢球直径d和数量n每个环路中的钢球数可用公式计算

(9-32)(3)滚道截面

(4)接触角(5)螺距P和螺旋线导程角(6)工作钢球圈数第16页/共37页179.4.3循环球式转向器的设计2)齿条、齿扇传动副设计9.4机械式转向器的设计计算图9.16用滚刀加工变厚齿扇的进给运动图9.17变厚齿扇的截面图9.18变厚齿扇齿形计算简图图9.19螺杆受力简图第17页/共37页189.4.3循环球式转向器的设计2．循环球式转向器零件强度计算钢球与滚道之间的接触应力齿的弯曲应力转向摇臂轴直径的确定9.4机械式转向器的设计计算第18页/共37页199.5动力转向机构设计9.5.1动力转向机构的设计要求(1)运动学上应保持转向轮转角和驾驶员转动转向盘的转角之间保持一定的比例关系。(2)随着转向轮阻力的增大(或减小)，作用在转向盘上的手力必须增大(或减小)，称之为“路感”。(3)当作用在转向盘上的切向力kN时(因汽车形式不同而异)，动力转向器就应开始工作。(4)转向后，转向盘应自动回正，并使汽车保持在稳定的直线行驶状态。(5)工作灵敏，即转向盘转动后，系统内压力能很快增长到最大值。(6)动力转向失灵时，仍能用机械系统操纵车轮转向。(7)密封性能好，内、外泄漏少。第19页/共37页209.5.2液压式动力转向机构布置方案分析1．动力转向机构布置方案2．分配阀的机构方案分配阀有两种结构方案：分配阀中的阀与阀体以轴向移动方式来控制油路的称为滑阀式，以旋转运动来控制油路的称为转阀式。第20页/共37页219.5.3液压式动力转向机构的计算1．动力缸尺寸计算动力缸内径

动力缸壳体壁厚t，根据计算轴向平面拉应力来确定2．分配滑阀参数的选择分配阀的泄漏量局部压力降3．分配阀的回位弹簧回位弹簧的力在保证转向轻便的条件下，应尽可能取大些。回位弹簧预压缩力的最小值，应大于转向器逆传动时的摩擦力。第21页/共37页224．动力转向器的评价指标动力转向器的作用效能路感转向灵敏度动力转向器的静特性

第22页/共37页239.6转向梯形设计9.6.1理想的内、外轮转角关系9.6.2整体式转向梯形机构的设计第23页/共37页249.6.2整体式转向梯形机构的设计初选了和m以后，还需要校核这个梯形是否能满足要求，可以应用作图法进行校核。具体的作法如下：(1)首先按式(9-54)初选转向梯形臂长m；按式(9-53)初选底角，画出中间位置时的转向梯形图，如图9.26所示；(2)再给出一系列内轮转角，通过作图求得对应的外轮转角。(3)分别以A和B为原点，把和画在图上，如图9.26所示。每对射线有一个交点，把这些交点连接起来，就得到在选定的梯形底角下的实际特性曲线。第24页/共37页259.6.3断开式转向梯形机构的设计1．双横臂独立悬架横拉杆断开点位置确定1)三心定理法(a)悬架结构示意图(b)三心定理作图法示意图(c)双横臂平行时的三心定理作图法第25页/共37页269.6.3断开式转向梯形机构的设计1．双横臂独立悬架横拉杆断开点位置确定2)上下止点法第26页/共37页279.6.3断开式转向梯形机构的设计2．麦弗逊悬架横拉杆断开点位置确定第27页/共37页289.6.4转向传动机构强度计算1．球头销2．转向拉杆

3．转向摇臂球头直径(mm)转向轮负荷(N)20～6000226000～9000259000～125002712500～160003016000～240003524000～340004034000～490004549000～700005070000～100000第28页/共37页299.7转向杆系的布置9.7.1前悬架采用非独立悬架的转向杆系布置

图9.36整体式前桥运动分析图9.37最佳的转向纵拉杆布置位置图9.38板簧S变形对转向的影响第29页/共37页309.7.2前悬架采用独立悬架的转向系统的布置1．齿轮齿条式转向器图9.39MacPherson悬架与齿轮齿条式转向器(ETO)的布置图9.40MacPherson悬架与齿轮齿条式转向器(CTO)系统的布置第30页/共37页312．整体式转向器9.7.2前悬架采用独立悬架的转向系统的布置图9.42断开式转向梯形安装形式第31页/共37页329.8四轮转向

四轮转向是现代乘用车采用的一项提高汽车操纵稳