轿车前轮主动转向系统机械结构设计

摘要

轿车前轮主动转向系统可以确保车辆在任何速度下都能提供理想的转向操控，同时加强了轿车在高速行驶状态下的安全性，提高了驾驶员在驾驶汽车时候的灵活性和舒适性,而且相比于传统的转向器，主动转向系统更加可靠，故障率更低。

本设计以现有主动转向系统装置为基础，参考先进的主动转向系统的设计原理和已有汽车的相关数据，重新设计齿轮齿条式转向器及相匹配的主动转向系统机械部分的结构方案，并对相关的部分进行强度校核。设计的主要内容包括：转向系统主要参数的确定，齿轮齿条转向器的设计，主动转向控制器的设计，其中主动转向是设计中的难点，采用星星齿轮机构来实现主动转向的控制，最后运用Auto CAD软件进行二维图纸的绘制。

关键词：转向器；主动转向；前轮；机械设计；行星齿轮

ABSTRACT

Active steering system can ensure vehicles in any speed can provide the ideal steering control, while strengthening the cars in the safety of high-speed condition, improved driver when driving a car the flexibility and comfort, and compared with conventional methods, active steering system more reliable, failure to even lower.

This design is based on the front-wheel existing active steering system, reference information of advanced active steering system and related data of some cars, redesign the theory of steering system with gear and rack and matching active steering system structure scheme of mechanical part.Design of the main content includes: the main steering system of parameters, the design of steering gear rack, active steering the controller design, including active steering is the difficulty in the design, use the stars to implement active steering gear control, finally I use Auto CAD software for the 2D drawings

Key words: redirector; active steering; front wheel; mechanical design; planetary gear

目录

摘要......................................................................................................I Abstract...................................................................................................II 第1章绪论 (1)

1.1 转向系统综述 (1)

1.2 主动转向系统特点 (2)

1.3 本章小结 (3)

第2章转向系统主要参数的确定 (4)

2.1转向盘的直径 (4)

2.2转向盘回转的总圈数 (4)

2.3转向系的效率 (4)

2.4转向系的传动比 (5)

2.4.1转向时加在转向盘上的力 (6)

2.4.2小齿轮最大转矩计算 (6)

2.4.3转向系的角传动比 (6)

2.4.4转向器的角传动比 (7)

2.5 本章小结 (7)

第3章齿轮齿条式转向器的设计 (8)

3.1齿轮齿条结构参数设计 (8)

3.2齿轮齿条设计及校核 (8)

3.3 本章小结 (13)

第4章主动转向控制器的设计 (14)

4.1主动转向控制器几何结构设计 (14)

4.2主动转向控制器行星齿轮设计 (15)

4.3主动转向控制器行星齿轮可行性设计 (21)

4.4主动转向控制器蜗轮蜗杆设计 (23)

4.4.1蜗轮蜗杆传动比的确定 (23)

4.4.2蜗轮蜗杆的设计 (25)

4.5本章小结 (29)

结论 (30)

参考文献 (31)

致谢 (32)

附录A (33)

附录B (35)

第1章绪论

主动转向系统保留了传统转向系统中的机械构件，包括转向盘、转向柱、齿轮齿条转向机以及转向横拉杆等。其最大特点就是在转向盘和齿轮齿条转向机之间的转向柱上集成了一套双行星齿轮机构，用于向转向轮提供叠加转向角。主动转向系统通过一组双行星齿轮机构实现了独立于驾驶员的转向叠加功能，完美地解决了低速时转向灵活轻便与高速时保持方向稳定性的矛盾，并在此基础上通过转向干预来防止极限工况下车辆转向过多的趋势，进一步提高了车辆的稳定性。同时，该系统能方便地与其他动力学控制系统进行集成控制，为今后汽车底盘一体化控制奠定了良好的基础。

与常规转向系统的显著差别在于，主动转向系统不仅能够对转向力矩进行调节，而且还可以对转向角度进行调整，使其与当前的车速达到完美匹配。其中的总转角等于驾驶员转向盘转角和伺服电机转角之和。低速时，伺服电机驱动的行星架转动方向与转向盘转动相同，叠加后增加了实际的转向角度，可以减少转向力的需求。高速时，伺服电机驱动的行星架转动方向与转向盘转动相反，叠加后减少了实际的转向角度，转向过程会变得更为间接，提高了汽车的稳定性和安全性。

1.1转向系统综述

1、蜗杆曲柄销式转向器

它是以蜗杆为主动件，曲柄销为从动件的转向器。蜗杆具有梯形螺纹，手指状的锥形指销用轴承支承在曲柄上，曲柄与转向摇臂轴制成一体。转向时，通过转向盘转动蜗杆、嵌于蜗杆螺旋槽中的锥形指销一边自转，一边绕转向摇臂轴做圆弧运动，从而带动曲柄和转向垂臂摆动，再通过转向传动机构使转向轮偏转。这种转向器通常用于转向力较大的载货汽车上。

2、循环球式转向器

循环球式：这种转向装置是由齿轮机构将来自转向盘的旋转力进行减速，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。这是一种古典的机构，现代轿车已大多不再使用，但又被最新方式的助力转向装置所应用。它的原理相当于利用了螺母与螺栓在旋转过程中产生的相对移动，而在螺纹与螺纹之间夹入了钢球以减小阻力，所有钢球在一个首尾相连的封闭的螺旋曲线

内循环滚动，循环球式故而得名。

3、齿轮齿条式转向器

它是一种最常见的转向器。其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条。转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。有时，靠齿条来直接带动横拉杆，就可使转向轮转向。所以，这是一种最简单的转向器。它的优点是结构简单，成本低廉，转向灵敏，体积小，可以直接带动横拉杆。在汽车上得到广泛应用。

1.2主动转向系统特点

自从汽车发明以来，驾驶转向的传动装置通常都是固定的，方向盘与前轮的转向角度比始终一成不变。如果采用直接转向，驾驶者在过急弯时就不需要大幅转动方向盘，但是在高速行驶时，方向盘细微的动作都将会影响到行驶稳定性；反过来说，转向系统越是间接，车辆在高速公路上的行驶稳定性就越高，但是必须牺牲过弯时的操控性。所以，传统的转向系统都必须在安全性与舒适性之间做出权衡。

而主动转向系统保留了传统转向系统中的机械构件，包括转向盘、转向柱、齿轮齿条转向机以及转向横拉杆等。其最大特点就是在转向盘和齿轮齿条转向机之间的转向柱上集成了一套双行星齿轮机构，用于向转向轮提供叠加转向角。主动转向系统通过一组双行星齿轮机构实现了独立于驾驶员的转向叠加功能，完美地解决了低速时转向灵活轻便与高速时保持方向稳定性的矛盾，并在此基础上通过转向干预来防止极限工况下车辆转向过多的趋势，进一步提高了车辆的稳定性。同时，该系统能方便地与其他动力学控制系统进行集成控制，为今后汽车底盘一体化控制奠定了良好的基础。

主动转向系统的的双行星齿轮机构包括左右左右两副行星齿轮机构，公用一个行星架进行动力传递，左侧的主动太阳轮与转向盘相连，将转向盘上输入的转向角经由行星架传递给右侧的行星齿轮副，而右侧的行星齿轮具有两个转向舒服自由度，一个是行星架传递的转向盘转角，另一个是由伺服电机叠加转角输入。右侧的太阳轮作为输出轴，其输出的转向角度是由转向盘转向角度与伺服电动驱动的行星架转动方向与转向盘相同，增加了后者的实际转向角度，高速时，伺服电动机电机驱动的行星架与转向盘转向相反，叠加后减少了实际的转向角度，转向过程变得更为间接，提高了汽车的稳定性和安全性。转动车轮所用的力量，并不是由电动机决定，而是由独立的转向助力系统与传统的转向装置一同决定的。主动式转向系统的其他组成部件还包括判定当前驾驶条件和驾驶者指令的独立控制单元和多个传感器。

主动转向系统的整体结构如图1-1所示：

图1-1 主动转向系统

表1-1 主动转向系统设计基础参数表

参数名称具体参数值

传动比静止状态10:1；高速状态20:1

轮胎型号245/45 R17W

轴距2890㎜

风阻系数0.28

整车装备质量 1673㎏

承载质量 382㎏

前后配重49.7%，50.3%

最高时速 250㎞/h

转向盘回转总圈数 3.5圈

最小转弯直径11.5m

转向盘直径379㎜

1.3本章小结

本章是对传统转向器及主动转向系统的综述，了解主动转向系统的发展现状和特点并确定参考数据。为后面的设计奠定基础。

第2章 转向系统主要参数的确定

2.1转向盘的直径

转向盘的直径根据车型的大小可在380～550㎜的标准系列内选取。

取SW D =379mm 。

2.2转向盘回转的总圈数

转向盘转动的总圈数与转向系的角传动比以及所要求的转向轮最大转角有关，对货车和轿车的转向盘转动总圈数有不同的要求。不装动力转向的重型汽车的转向盘转动的总圈数一般不宜超过7圈，而对于轿车不应超过3.6圈[2]。

取3.5圈。

2.3转向系的效率

转向系的效率0η由转向器的效率η和传动机构的效率η'决定，即

ηηη'?=0 （2-1） 转向器的效率有正效率+η和逆效率-η两种。

正效率

121P P P -=

+η （2-2） 逆效率

3

23P P P -=-η （2-3） 式中：1P ——作用在转向盘上的功率；

2P ——转向器中的摩擦功率；

3P ——作用在转向摇臂轴上的功率。

对于蜗杆类和螺杆类转向器，如果只考虑啮合副的摩擦损失，忽略轴承和其他地方的摩擦损失，其效率可以用下面的公式计算：

()

ρααη+=+00t a n t a n （2-4） ()00t a n t a n αραη-=

- （2-5） 式中：0α——蜗杆或螺杆的导程角，==βα012°；

ρ——摩擦角，f arctan =ρ；

f ——摩擦系数，取f =0.04（查得淬火钢对淬火钢的摩擦副摩擦系数

f =0.03～0.05，选取f =0.04）

； 则： ρ=arctan0.04

()()

04.0arctan 12tan 12tan tan tan 00+??=+=+　ρααη=83.45﹪ 2.4转向系的传动比

2.4.1转向时加在转向盘上的力

为了使转向系操纵轻便，转向时加在转向盘上的切向力，对轿车不应大于150～200N 。 作用于方向盘上的手力h F

h F =

+

ηw SW R i D L M L 212 （2-6） 式中： r M ——转向阻力矩； a ——主销偏移矩；

可用下列公式来计算汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩r M

p

G f M r 313==481680 N·mm 式中： f ——轮胎和路面间的滑动摩擦系数，一般取0.7；

r M ——转向阻力矩，N·mm ；

1G ——转向轴负荷，N ，gc m G 载=1；

载m ——汽车的满载质量 载m =(1673+382) ㎏=2055㎏；

c ——汽车的转向轴载荷分配系数，

转向轴为前轴，前轴载荷分配系数为49.7﹪。

=1G 2055×

9.8×49.7﹪=10213.35N p ——轮胎气压，MPa ；取2.5bar ，即0.255MPa 。

则：h F =

+

ηw SW R i D L M L 212=162.1N 式中： 1L ——为转向摇臂长；

2L ——为转向节臂长，现代汽车结构中，转向传动机构角传动比=

'w i 12L L ；

比值大约在0.85～1.10之间，近似认为='w i 1； SW D ——为转向盘直径，SW D =379 mm ；

w i ——为转向器角传动比, w i =18；

+η——为转向器正效率, +η=83.45%；

2.4.2小齿轮最大转矩

静止状态下，主动转向控制器不工作，此时工作状况相当于传统齿轮齿条转向器，转向盘与齿轮刚性连接。

则齿轮转矩 1T =

2

1h F ·w D =30.8 N·m 2.4.3转向系的角传动比

转向系的角传动比

s ds d i ??==φφω0 （2-7） 式中：φ?——转向轴的转角增量，rad ；

s ?——齿条位移增量，mm ；

对于定传动比的转向器，其角转动比可表示为：

r

r i 1220==ππω （2-8） 式中：r ——齿轮分度圆的半径，21d r =

； 1d ——齿轮分度圆的直径；