汽车转向系设计说明书

汽车设计课程设计说明书题目：重型载货汽车转向器设计姓名：***学号：5同组者：严炳炎、孔祥生、余鹏、李朋超、郑大伟专业班级：09车辆工程2班指导教师：王丰元、邹旭东设计任务书目录1.转向系分析 (4)2.机械式转向器方案分析 (8)3.转向系主要性能参数 (9)4.转向器设计计算 (14)5.动力转向机构设计 (16)6.转向梯形优化设计 (22)7.结论 (24)8.参考文献 (25)1转向系设计基本要求1.汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转。

2.操纵轻便，作用于转向盘上的转向力小于200N。

3.转向系的角传动比在23~32之间，正效率在60%以上，逆效率在50%以上。

4.转向灵敏。

5.转向器和转向传动机构中应有间隙调整机构。

6.转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。

基本参数1.整车尺寸： 11976mm*2395mm*3750mm。

2.轴数/轴距 4/（1950+4550+1350）mm3.整备质量 12000kg4.轮胎气压2.转向系分析对转向系的要求[3](1) 保证汽车有较高的机动性，在有限的场地面积内，具有迅速和小半径转弯的能力，同时操作轻便;(2) 汽车转向时，全部车轮应绕一个瞬时转向中心旋转，不应有侧滑;(3) 传给转向盘的反冲要尽可能的小;(4) 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;(5) 发生车祸时，当转向盘和转向轴由于车架和车身变形一起后移时，转向系统最好有保护机构防止伤及乘员.转向操纵机构转向操纵机构包括转向盘，转向轴，转向管柱。

有时为了布置方便，减小由于装置位置误差及部件相对运动所引起的附加载荷，提高汽车正面碰撞的安全性以及便于拆装，在转向轴与转向器的输入端之间安装转向万向节，如图2-1。

采用柔性万向节可减少传至转向轴上的振动，但柔性万向节如果过软，则会影响转向系的刚度。

采用动力转向时，还应有转向动力系统。

但对于中级以下的轿车和前轴负荷不超过3t的载货汽车，则多数仅在用机械转向系统而无动力转向装置。

图2-1转向操纵机构the control mechanism of steering1-转向万向节；2-转向传动轴；3-转向管柱；4-转向轴；5-转向盘1-steering universal shaft; 2-steering propeller ; 3-steering column ; 4-steering axis;5-steering wheel转向传动机构[4]转向传动机构包括转向臂、转向纵拉杆、转向节臂、转向梯形臂以及转向横拉杆等。

（见图2-2）转向传动机构用于把转向器输出的力和运动传给左、右转向节并使左、右转向轮按一定关系进行偏转。

图2-2 转向传动机构1-转向摇臂；2-转向纵拉杆；3-转向节臂；4-转向梯形臂；5-转向横拉杆转向器[5]机械转向器是将司机对转向盘的转动变为转向摇臂的摆动（或齿条沿转向车轴轴向的移动），并按一定的角转动比和力转动比进行传递的机构。

机械转向器与动力系统相结合，构成动力转向系统。

高级轿车和重型载货汽车为了使转向轻便，多采用这种动力转向系统。

采用液力式动力转向时，由于液体的阻尼作用，吸收了路面上的冲击载荷，故可采用可逆程度大、正效率又高的转向器结构。

为了避免汽车在撞车时司机受到的转向盘的伤害，除了在转向盘中间可安装安全气囊外，还可在转向系中设置防伤装置。

为了缓和来自路面的冲击、衰减转向轮的摆振和转向机构的震动，有的还装有转向减振器。

多数两轴及三轴汽车仅用前轮转向；为了提高操纵稳定性和机动性，某些现代轿车采用全四轮转向；多轴汽车根据对机动性的要求，有时要增加转向轮的数目，本设计按设计要求采用单轴前轴转向。

转角及最小转弯半径汽车的机动性，常用最小转弯半径来衡量，但汽车的高机动性则应由两个条件保证。

即首先应使左、右转向轮处于最大转角时前外轮的转弯值在汽车轴距的2~倍范围内；其次，应这样选择转向系的角传动比，即由转向盘处于中间的位置向左或右旋转至极限位置的总旋转全书，对轿车应不超过圈，对货车不应超过圈。

两轴汽车在转向时，若不考虑轮胎的侧向偏离，则为了满足上述对转向系的第(2)条要求，其内、外转向轮理想的转角关系如图2-3所示，由下式决定：LKBD CO DO i o =-=-θθcot cot (2-1) 式中：θo —外转向轮转角； θi —内转向轮转角；K —两转向主销中心线与地面交点间的距离； L —轴距内、外转向轮转角的合理匹配是由转向梯形来保证。

图2-3 理想的内、外转向轮转角间的关系Fig 2-3 Relations between ideal inside and outside steering wheel corner汽车的最小转弯半径R min 与其内、外转向轮在最大转角θmax i 与θmax o 、轴距L 、主销距K 及转向轮的转臂a 等尺寸有关。

在转向过程中除内、外转向轮的转角外，其他参数是不变的。

最小转弯半径是指汽车在转向轮处于最大转角的条件下以低速转弯时前外轮与地面接触点的轨迹构成圆周的半径。

最小转弯半径能达到汽车轴距的2~倍，取R min =2L ；操纵轻便型的要求是通过合理地选择转向系的角传动比、力传动比和传动效率来达到。

对转向后转向盘或转向轮能自动回正的要求和对汽车直线行驶稳动性的要求则主要是通过合理的选择主销后倾角和内倾角，消除转向器传动间隙以及选用可逆式转向器来达到。

但要使传递到转向盘上的反向冲击小，则转向器的逆效率有不宜太高。

至于对转向系的最后两条要求则主要是通过合理地选择结构以及结构布置来解决。

转向器及其纵拉杆与紧固件的称重，约为中级以及上轿车、载货汽车底盘干重的%～%；小排量以及下轿车干重的%～%。

转向器的结构型式队汽车的自身质量影响较小。

3. 机械式转向器方案分析循环球式转向器循环球式转向器有螺杆和螺母共同形成的落选槽内装钢球构成的传动副，以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成，如图3-1所示。

图3-1 循环球式转向器示意图Fig 3-1Circulation-ball steering循环球式转向器的优点是：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，因而传动效率可以达到75%～85%；在结构和工艺上采取措施后，包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度和螺杆、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调整工作容易进行，（图3-2）；适合用来做整体式动力转向器。

图3-2 循环球式转向器的间隙调整机构Fig 3-2 The gap adjusts the organizational structure of Recirculation-ball gears循环球式转向器的主要缺点是：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。

循环球式转向器主要用于商用车上。

4.转向系的主要性能参数转向系的效率功率p1从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率称为转向器的正效率，用符号η+表示，反之称为逆效率，用符号η-表示。

正效率η+计算公式：p pp121-=+η（4-1）逆效率η-计算公式：p pp323-=-η（4-2）式中，p1为作用在转向轴上的功率；p2为转向器中的磨擦功率；p3为作用在转向摇臂轴上的功率。

正效率高，转向轻便；转向器应具有一定逆效率，以保证转向轮和转向盘的自动返回能力。

但为了减小传至转向盘上的路面冲击力，防止打手，又要求此逆效率尽可能低。

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。

4.1.1转向器的正效率η+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。

（1）转向器类型、结构特点与效率在四种转向器中，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固定销和蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显的低些。

同一类型转向器，因结构不同效率也不一样。

如蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支持轴之间的轴承可以选用滚针轴承、圆锥滚子轴承和球轴承。

选用滚针轴承时，除滚轮与滚针之间有摩擦损失外，滚轮侧翼与垫片之间还存在滑动摩擦损失，故这种轴向器的效率η+仅有54%。

另外两种结构的转向器效率分别为70%和75%。

转向摇臂轴的轴承采用滚针轴承比采用滑动轴承可使正或逆效率提高约10%。

（2）转向器的结构参数与效率如果忽略轴承和其经地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于蜗杆类转向器，其效率可用下式计算)tan(tan 00ρη+=+a a =75% （4-3）式中，a 0为蜗杆（或螺杆）的螺线导程角,a 0取8°，ρ为摩擦角，ρ=arctanf ；f 为磨擦因数。

取f=. 4.1.2转向器的逆效率η-根据逆效率不同，转向器有可逆式、极限可逆式和不可逆式之分。

路面作用在车轮上的力，经过转向系可大部分传递到转向盘，这种逆效率较高的转向器属于可逆式。

它能保证转向轮和转向盘自动回正，既可以减轻驾驶员的疲劳，又可以提高行驶安全性。

但是，在不平路面上行驶时，传至转向盘上的车轮冲击力，易使驾驶员疲劳，影响安全行驾驶。

属于可逆式的转向器有齿轮齿条式和循环球式转向器。

不可逆式和极限可逆式转向器不可逆式转向器，是指车轮受到的冲击力不能传到转向盘的转向器。

该冲击力转向传动机构的零件承受，因而这些零件容易损坏。

同时，它既不能保证车轮自动回正，驾驶员又缺乏路面感觉，因此，现代汽车不采用这种转向器。

极限可逆式转向器介于可逆式与不可逆式转向器两者之间。

在车轮受到冲击力作用时，此力只有较小一部分传至转向盘。

如果忽略轴承和其它地方的磨擦损失，只考虑啮合副的磨擦损失，则逆效率可用下式计算0tan )tan(a a ρη-=-=64% （4-4）式（4-3）和式（4-4）表明：增加导程角a 0，正、逆效率均增大。

受η-增大的影响，a不宜取得过大。

当导程角小于或等于磨擦角时，逆效率为负值或者为零，此时表明该转向器是不可逆式转向器。

为此，导程角必须大于磨擦角。

传动比变化特性4.2.1转向系传动比转向系的角传动比0ωi 由转向器角传动比ωi 和转向传动机构角传动比ωi '组成，即ωωωi i i '=0 （4-5） 转向器的角传动比: Pri πω2=26≈ （4-6）齿扇啮合半径75.482145.62r =⨯==mzmm 螺距P=转向传动机构的角传动比: kpk p k p d d dt d dt d i ββββωωω==='//1≈ （4-7）转向系的传动比包括转向系的角传动比0ωi 和转向系的力传动比p i 。

转向系的力传动比: 11750245026a 2i 0=⨯⨯==SW p D i ω（4-8）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。