SUV转向系统及传动轴设计

第一章前言SUV的全称为：Sports Utility Vehicle，即“运动型多功能车”。

SUV起源于美国，同样也是近年美国市场最畅销的车型。

SUV兼具城市行走、野外运动，极其符合现代年轻人追求强烈个性的心态。

SUV能适应各种路况，而且性能价格比也相对较高，十分符合中国年轻一代的消费需求。

同时对照国际规律，现阶段在中国SUV在中国汽车销售中只有2%—3%的比例，拥有率仍然严重偏低；但在很多发达国家，SUV在汽车销售总量中占有17%的比例，而美国SUV则达到了25%的比例。

从这个意义上说，中国SUV市场潜力巨大。

随着人们收入水平的不断提高，越野车及SUV将越来越受青睐。

SUV在中国获得青睐，这不仅因为其多功能的特点，而且在于其时尚风格。

因此在本次设计中，在注重SUV越野性能的同时，也要兼顾舒适性，安全性及燃油经济性。

汽车的传动和转向系统是汽车的重要组成部分，对汽车行驶的安全性、控制的可靠性和乘员的舒适性起着重要的作用。

上个世纪末，汽车传动和转向系统发展很快，新的结构和先进控制方法的采用，特别是引入了电子控制技术之后，使传动和转向系统发生了深刻的变化。

转向系与传动系在汽车设计中占有重要的地位，这两部分设计的好坏，直接影响汽车的操纵性能和动力性。

本次设计过程中，在李忠利老师的悉心指导下，参考同类车型，根据设计车辆本身的特点，按照设计原则，从注重实用性、经济性的角度出发设计。

所设计出来的转向系和传动系各部件，在合理选择各项参数、材料，优化设计后使得整体结构尺寸紧凑，成本合算，与总体布置相匹配，具有广泛的通用性。

第二章转向系设计§2.1 转向系的设计要求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，保证个转向之间有协调的转角关系。

机械转向系依靠驾驶员的手力转动方向盘，经转向系和传动机构使转向轮偏转。

有些汽车还装有防伤机构和转向减振器。

采用动力转向的汽车还装有动力系统，并借助此系统来减轻驾驶员的手力。

对转向系统提出的要求：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。

不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。

2）汽车行驶转向时，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动回到直线行驶位置，并稳定行驶。

3）汽车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自振，而转向盘没有摆动。

4）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。

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）转向轮碰到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小。

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，当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时，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，保证转向盘与转向轮转动方向一致。

正确设计转向梯形机构，可以使第一项要求得到保证。

转向系中设置有转向减振器时，能够防止转向轮产生自振，同时又能使传到转向盘上的反冲力明显降低。

为了使汽车具有良好的机动性能，必须使转向轮有尽可能大的转角，并要能达到按前外轮车轮轨迹计算，其最小转弯半径能达到汽车轴距的2—2.5倍。

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操纵轻便性。

没有安装动力转向装置的轿车，在行驶中转向，此力应为50—100N；有动力转向时，此力在20—50N。

轿车转向盘从中间位置转到每一端的圈数不得超过2.0圈。

近年来，电动、电控动力转向器已得到较快发展，电控动力转向可以实现在各种行驶条件下转动转向盘的力都很轻便。

§2.2 转向系统概述汽车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向。

即所谓汽车转向。

就轮式汽车而言，实现汽车转向的方法是，驾驶员通过一套专设的机构，使汽车转向桥（一般是前桥）上的车轮（转向轮）相对于汽车纵轴线偏转一定角度。

在汽车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向。

此时，驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向相反的方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。

这一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，即称为汽车转向系统。

因此，汽车转向系统的功用是保证汽车能按照驾驶员的意志而进行转向行驶。

汽车转向系可按转向能源的不同分为机械转向系和动力转向系两大类。

一、机械转向系统机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。

机械转向系统由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。

图2—1为机械转向系的组成和布置示意图。

当汽车转向时，驾驶员对转向盘1施加一个转向力矩。

该力矩通过转向轴2、转向万向节3和转向传动轴4输入转向器5。

经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向摇臂6，再经过转向直拉杆7传给固定于左转向节9上的转向节臂8，使左转向节和它所支撑的左转向轮偏转。

为使右转向节13及其支撑的右转向轮随之偏转相应的角度，还设置了转向梯形。

转向梯形有固定在左、右转向节上的梯形臂10、12和两端与梯形臂做球铰连接的转向横拉杆11组成。

图2—2也是机械式转向系，与图2—1不同的是它是与齿轮齿条式转向系配合的转向系。

当汽车转向时，驾驶员对转向盘施加一个转向力矩。

该力矩通过转向轴、转向轴万向节和转向传动轴输入转向器，转向轴的转动经转向器后变为齿条的左右移动。

转向横拉杆一端与齿条相连，另一端通过球铰和固定在转向节上的转向节臂连接。

齿条左右移动，带动连接在其上的横拉杆左右运动，通过转向节臂拉动转向节使转向轮转动。

图2—1机械转向系统1.转向盘2.转向轴3.转向万向节4.转向传动轴5.转向器6.转向摇臂7.转向直拉杆8.转向节臂9.左转向节10、12.梯形臂 11.转向横拉杆13.右转向节从转向盘到转向传动轴这一系列部件和零件均属于转向操纵机构。

转向梯形到转向节臂这一系列部件和零件，均属于转向传动机构。

目前，许多国内、外生产的新车型在转向操纵机构中采用了万向传动装置（转向万向节和转向传动轴）。

这有助于转向盘和转向器等部件和组件的通用化和系列化。

只要适当改变转向万向传动装置的几何参数，便可满足各种车型的总布置要求。

即使在转向盘与转向器同轴线的情况下，其间也可采用万向传动装置，以补偿由于部件在车上的安装误差和安装基体（驾驶室、车架）的变形所造成的二者轴线实际上的不重合。

转向盘在驾驶室安放的位置与各国交通法规规定车辆靠道路左侧还是右侧通行有关。

包括我国在内的大多数国家规定车辆右侧通行，相应的应将转向盘安置在驾驶室左侧。

这样，驾驶员在左方视野较宽阔，有利于两车安全交会。

相反，在一些规定车辆右行的国家，转向盘则安置在驾驶室右侧。

二、.动力转向系图2—2机械转向系统1.转向盘2.转向柱管3.转向轴4.柔性联轴器5.悬架总成6.转向器7.支架 8.转向减振器 9.右横拉杆 10.托架 11.左横拉杆 12.球铰链13.转向节臂 14转向节动力转向系是兼用驾驶员和发动机动力为转向能源的转向系。

在正常情况下，汽车所需要的能量，只有一小部分由驾驶员提供，而大部分是由发动机通过转向加力装置提供的。

但在转向加力装置失效时，一般还应当能由驾驶员独立承担转向任务。

因此，动力转向系是在机械转向系的基础上加设一套转向加力装置而形成的。

图2—3为一种液压动力转向系的组成和液压转向加力装置的管路布置示意图，其中属于转向加力装置的部件是：转向油罐、转向液压泵，转向控制阀和转向动力缸。

当驾驶员逆时针转动转向盘时，转向摇臂带动转向直拉杆前移。

直拉杆的拉力作用于转向节臂，并依次传到梯形臂和转向横拉杆使之右移。

与此同时，转向直拉杆还带动转向控制阀中的滑阀，使转向动力缸的右腔接通液面压力为零的转向油罐。

转向液压泵的高压油进入转向动力缸图2—3液压动力转向系1.方向盘2.转向轴3.转向中间轴4.转向油管5.转向油泵6.转向油罐7.转向节臂8.转向横拉杆9.转向摇臂10.整体式转向器 11.转向直拉杆 12.转向动力缸的左腔，于是转向动力缸的活塞上受到向右的液压作用力便经推杆施加在转向横拉杆上，也使之右移。

这样，驾驶员施于转向盘上很小的力矩，便可克服地面作用于转向轮上的转向阻力矩。

随着最近汽车发动机马力的增大和扁平轮胎的普遍使用，使车重和转向力矩都加大了，因此动力转向机构越来越普及。

动力转向系统已成为一些轿车的标准配置，全世界约有一半的轿车采用动力转向。

值得注意的是，转向助力不应是不变的，因为在高速行驶时，轮胎的横向阻力小，转向盘会变得轻飘，很难捕捉路面的感觉，也容易造成转向过于易控制。

所以在高速时要适当减低动力，但这种变化必须平顺过度，灵敏而使汽车易于控制。

液压式动力转向装置重量轻，结构紧凑，利于改善转向操作感觉，但液体流量的增加会加重泵的负荷，需要保持怠速旋转的机构。

§2.3 转向系设计§2.3.1 转向性能与阿克曼几何学1.给定的转向系的总体结构参数：轴距L=2760mm轮距B=1525mm=5.6m。

最小转弯半径Rm i n2.转向轴的内、外轮转角无论选择哪一种转向梯形方案，必须在正确选择转向梯形参数的同时，做到汽车转弯行驶时，保证全部车轮绕一个瞬时转向中心行驶，使在不同圆周上运动的车轮，作无滑动的纯滚动。

同时转向轮在最大转角情况下，获得最小转弯半径能满足总体布置要求。

因此，汽车的内、外轮有不同的转角（如图2—4）。

3.阿克曼几何学两轴式的汽车在低速转弯行驶时 ，可忽略离心力的影响，假设轮胎是刚性的，忽略轮胎侧偏的影响，此时若各车轮绕同一瞬时转向中心转弯行驶，则两转向前轮轴线的延长线，交在后轴的延长线上，这几何关系叫做阿克曼几何学。

汽车用前轮转向时，为了满足上述条件，必须符合下述关系式： 0cot cot i K Lθθ-= （2—1） 式中：0θ——转向轮外轮转角；i θ——转向轮内轮转角；K ——两主销轴线与地面交点之间距离（又称为主销节距）；L ——汽车轴距（mm ）。

图2—4内外轮转角关系图 图2—5内外转向轮的转向特性曲线 汽车转向时若能满足上述条件，则车轮作纯滚动运动。

现有汽车转向梯形机构，对上述条件不能在整个转向范围得到满足，只是近似的使它得到保证。

当内、外轮转角差别不大时，即0θ=i θ的条件下，转向梯形为平行四边形，称之为平行几何学。

阿克曼几何学和平行几何学的内、外轮转角关系理论曲线在图2—5上位于阿克曼几何学和平行几何学的理论曲线之间变化。

4.最小转弯半径min R最小转弯半径是指转向轮转角在最大位置条件下，汽车低速行驶时前外转向轮与地面接触点的轨迹到转向中心O 点之间的距离。

汽车最小转弯半径min R 与汽车内轮的最大转角max θ、轴距L 、转向轮绕主销转动半径r （即主销偏移距）、两主销延长线到地面交点的距离K 有关。