汽车设计-第2版教学课件ch9-转向系统设计

转向系统设计汽车设计第九章

学习内容概述1转向系的主要性能参数2转向器结构型式的选择及设计计算3转向管柱带传动轴总成设计4动力转向机构设计5转向梯形机构的优化设计61概述1.1简要说明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；汽车转向时，应保证全部车轮绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑；操纵轻便；汽车转向行驶后，转向盘应能自动回正，并使汽车保持在稳定的直线行驶工况；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，以减轻驾驶员的疲劳；转向系的主要设计要求:1概述1.1简要说明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；转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小；保证汽车具有较高的机动性；转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置；进行运动校核，保证转向轮与转向盘转动方向一致。转向系的主要设计要求:2转向系的主要性能参数1.1简要说明2.1转向器的效率

转向系的主要性能参数有转向系的效率、转向系的角传动比与力传动比、转向器传动副的传动间隙特性、转向系刚度以及转向盘的总转动圈数等。1）转向器正效率

在转向系中，功率P1从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率称为正效率，用符号表示：式中，为转向器中的摩擦功率。

影响转向器正效率的因素有：转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等。2转向系的主要性能参数2）转向器逆效率逆效率，用符号表示，

式中，为转向器中的摩擦功率；为作用在转向摇臂轴上的功率。

逆效率表示转向器的可逆性。根据逆效率大小不同，转向器又有可逆式、极限可逆式和不可逆式之分。2转向系的主要性能参数1.1简要说明1）转向系的角传动比与力传动比

2.2传动比的变化特性

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2转向系的主要性能参数1.1简要说明2）力传动比与转向系角传动比的关系

2.2传动比的变化特性

轮胎与地面之间的转向阻力为：（1）作用在转向盘上的手力为：（2）

将式（1）、（2）代入得：（3）由式（3）可知：①当主销偏移距a↑时，则力传动比ip↓，故转向沉重，为此应减少主销偏移距a；轿车a=（0.4～0.6）B,B—轮胎胎面宽度;货车a=

40～60㎜。当和不变时，力传动比越大，虽然转向越轻，但也越大，表明转向不灵敏。2转向系的主要性能参数1.1简要说明3）转向器角传动比及其变化规律

2.2传动比的变化特性

由可知，增大角传动比可以增加力传动比；由可知，当一定时，增大能减小作用在转向盘上的手力，使操纵轻便；由可知，对于一定的转向盘速度，转向轮偏转角速度与转向器角传动比成反比，角传动比增加后，汽车转向灵敏性降低。2转向系的主要性能参数1.1简要说明2.2传动比的变化特性

转向器角传动比的变化特性曲线

由该图可见：转向器的角传动比随转向盘转角的变化特性有不变（曲线3）和可变之分，后者又有多种变化规律。2转向系的主要性能参数1.1简要说明2.3转向器的传动间隙特性

转向器的传动间隙是指转向器传动副之间的间隙。转向器传动副之间的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。当各处△t≠0时，车轮会偏离行驶位置；当各处△t=0时，寿命短；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。2转向系的主要性能参数1.1简要说明2.4转向系的刚度

转向系刚度对轮胎的侧偏刚度影响也很大，转向系刚度不足会使前轮的侧偏刚度减小，并导致汽车不足转向倾向的加剧；刚度如果过低，汽车在转向时的运动就变得迟钝，使操纵性能恶化。2.5转向盘的总转动圈数

转向盘从一个极端位置转到另一个极端位置时所转过的圈数称为转向盘的总转动圈数。

乘用车转向盘的总转动圈数较少，一般约在3.6圈以内；商用车一般不宜超过6圈。3转向器结构型式的选择及设计计算1.1简要说明3.1结构型式的选择

对转向器结构型式的选择，主要是根据汽车的类型、前轴载荷和使用条件等来决定，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以及转向器的寿命和制造工艺等其他性能。1）齿轮齿条式转向器齿轮齿条式转向器主要的优点是：结构简单、紧凑、质量比较小、传动效率高；自动消除齿间间隙；占用的体积小；转向轮转角可以增大；制造成本低。3转向器结构型式的选择及设计计算1.1简要说明3.1结构型式的选择

齿轮齿条式转向器

齿轮齿条式转向器广泛应用于乘用车上。一些装载量不大、前轮采用独立悬架的货车和客车也采用齿轮齿条式转向器。3转向器结构型式的选择及设计计算1.1简要说明2）循环球式转向器

3.1结构型式的选择

循环球式转向器主要的优点是：传动效率可达到75％~85％；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；齿条和齿扇之间的间隙容易调整；适合用来做整体式动力转向器。循环球式转向器主要用于商用车上。3转向器结构型式的选择及设计计算3.2转向系计算载荷的确定

影响转向阻力矩的主要因素有转向轴的负荷、轮胎与地面之间的滑动摩擦因数和轮胎气压。原地转向阻力矩：

式中，f为轮胎与地面间滑动摩擦系数，在沥青、混凝土路面上取0.7；G1为转向轴负荷(N)；p为轮胎气压(MPa)。原地转向时，作用在转向盘上的手力用下式计算：式中，为作用在转向盘上的手力（N）；为转向盘半径（mm）；为转向器正效率，转向系的正效率一般在0.67~0.85；为转向器传动比。3转向器结构型式的选择及设计计算3.3循环球转向器的设计（1）螺杆、螺母、钢球传动副钢球中心距D

在保证足够的强度条件下，尽可能将D值取小些。如前轴荷为5.5T汽车，D值取35～40mm。设计时可参照同类车型初选，再进行强度校核，最后进行修正。1）主要结构设计3转向器结构型式的选择及设计计算1.1简要说明螺杆外径和螺母内径一般取：

螺杆外径D1通常在20～38mm范围内变化，设计时应根据转向轴负荷的不同来选定。钢球直径、钢球数和工作圈数钢球直径的选取应考虑钢球的负荷能力，刚球直径应符合国家标准，一般常在7～9范围内选用；每个环路中的钢球数以不超过60粒为好；一般工作圈数有2、2.5、3圈。3.3循环球转向器的设计3转向器结构型式的选择及设计计算1.1简要说明3.3循环球转向器的设计滚道截面滚道截面有单圆弧滚道、四段圆弧滚道和椭圆滚道等。单圆弧滚道四段圆弧滚道椭圆滚道3转向器结构型式的选择及设计计算1.1简要说明3.3循环球转向器的设计接触角θ接触角θ指钢球与螺杆滚道接触点正压力与螺杆轴线夹角。接触角的大小影响螺杆螺母机构轴向力和径向力的分配；θ角大小可根据需要来选定，一般θ=45°，也有的转向器θ=35°或42.5°。3转向器结构型式的选择及设计计算1.1简要说明3.3循环球转向器的设计螺距P和螺旋导程角螺距P的大小影响转向器传动比的大小，螺距P一般在8～11mm内选取。螺旋导程角影响传动效率，设计过程中应合理选择，即保证转向器传动比的要求，又保证反向行程时不发生自锁现象及正行程中有较高的传动效率。2）齿条齿扇传动副

该传动副中一般齿条是等齿厚的，齿扇是变齿厚，二者啮合，优点是能够精确地传递运动；齿扇与齿条共轭，工作性能良好；对安装尺寸精度要求不高；磨损后便于调整，可以削除齿侧间隙，使转向器基本做到中间位置无间隙啮合。3转向器结构型式的选择及设计计算1.1简要说明

齿轮的直径应尽可能小，通常齿轮模数取值范围多在2~3mm之间，齿轮齿数多数在5~8个齿范围变化，压力角取20°，螺旋角取值范围多为9°~15°。

变速比的齿条压力角，对现有结构在12°~35°范围内变化。通常设将转向盘转动一圈时相应的齿条移动量定义为齿轮齿条式转向器的角传动比i角。即i角＝齿条行程（毫米）／转向盘圈数。这一数值一般在35~60之间。3.4齿轮齿条式转向器的设计4转向管柱带传动轴总成设计

转向管柱带传动轴总成是连接转向盘与转向器的传动机构。它由转向管柱总成和传动轴总成组成。其作用是将作用在转向盘上的手力传递给转向器，并将转向轮受到的力和冲击回传到转向盘使驾驶员能够感知路面情况。转向管柱带传动轴总成的布置要求:（1）首先要满足空间角度的要求；（2）要满足对力矩波动的要求；（3）满足对转向管柱夹角的要求。5动力转向机构设计

在汽车上采用动力转向后，为了保证原车良好的转向性能，对其提出了如下要求：工作可靠；有随动作用；转向灵敏；良好的“路感”。5动力转向机构设计

5.1液压式助力转向系统（HPS）1）动力转向机构布置方案动力转向机构布置方案图5动力转向机构设计

5.1液压式助力转向系统（HPS）2）分配阀的结构方案方案滑阀转阀

简图

特点结构简单复杂制造容易难灵敏度低高材质普通扭杆要求高5动力转向机构设计

5.1液压式助力转向系统（HPS）3）乘用车动力转向系统布置设计动力转向管路动力转向管路设计应利用发动机罩上的有效空间，避免与其他零部件发生运动干涉；防止油管弯曲半径过小(应参考弯管工艺)；软管外最好加防护套，以免油管与其他零部件相互摩擦；发动机侧倾时，橡胶管发生弯曲，但不应发生扭转和拉伸；对于较长的软管应加支架或夹子固定。5动力转向机构设计

5.1液压式助力转向系统（HPS）转向储油罐转向储油罐最小容积V：V=V1+V2+V3+V4

式中，V1为转向泵进出油管及工作腔容积之和（L）；V2为各管路容积之和（L）；V3为转向器工作腔、管路和控制阀容积之和（L）；V4—储油罐工作容积（L）。

V4需保证汽车倾斜20°时油罐液面不能到达上盖油封处，以便最大限度地减少漏油的可能性。5动力转向机构设计

5.1液压式助力转向系统（HPS）转向油泵要求转向泵要有合适的流量及压力特性曲线，能够满足转向特性的要求；工作噪声要低；最高允许转速范围应能满足整车的需要。转向油泵由发动机驱动为液压动力转向系统提供高压油，转向油泵带有泄压阀以限制系统的压力。转向油泵主要有叶片泵、柱塞泵、齿轮泵和转子泵等几种类型。5动力转向机构设计

5.2电控液压助力转向系统（EHPS）为了保证在任何行驶工况下汽车转向都具有良好的操纵轻便性及稳定性，将电子控制技术应用于液压动力转向系统中，开发了电控液压助力转向系统；该系统优化了转向操纵，提高了驾驶员舒适性和转向灵活性，又克服了转向“发飘”感觉，使驾驶员操纵时有显著的“路感”，保证在高速行驶时的稳定性和安全感。5动力转向机构设计

5.3电动助力转向系统（EPS）1）电动助力转向系统结构和工作原理5动力转向机构设计

5.3电动助力转向系统（EPS）2）电动助力转向系统的特点电动助力转向系统的特点：节能环保改善整车性能通用性强、符合车辆发展趋势模块化、轻量化高可靠性、维修方便成本低、竞争力强5动力转向机构设计

5.3电动助力转向系统（EPS）3）电动助力转向机构的布置方案a）转向轴助力式b）齿轮助力式c）齿条助力式电动助力转向机构的布置方案5动力转向机构设计

5.3电动助力转向系统（EPS）4）电动助力转向的助力特性针对EPS的特点，对助力特性曲线提出以下要求：当转向盘输入力矩小于某一特定值时，助力矩为零，EPS不起作用；在转向盘输入力矩较小的区域，助力部分的输出应较小，以保持较好的路感；在转向盘输入力矩较大的区域，为使转向轻便，助力效果要明显；在转向盘输入力矩达到驾驶员体力极限区域时，应尽可能发挥较大的助力效果；随着车速的增高，助力应减小；符合国家标准对动力转向作用在转向盘上的最大操纵力要求。5动力转向机构设计

5.3电动助力转向系统（EPS）a）直线型

b）折线型