汽车设计第四版吉林大学7

汽车设计 第四版 本章主要内容: 概述 机械式转向器 转向系主要性能参数 机械式转向器设计与计算 动力转向机构 转向梯形 转向减振器 第一节 概述 一、基本功用 用来保持或者改变汽车行驶方向，在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。 二、基本 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。（正确设计转向梯形机构 ） 2）汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶。（前轮定位） 3）汽车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自振，转向盘没有摆动。（设置有转向减振器 ） 三、组成与分类 转向系包括转向器和转向传动机构。按照结构特点不同，转向系分类如下： 第一节结束！ 第二节 机械式转向器方案分析 一、机械式转向器方案分析 1、齿轮齿条式转向器 组成：转向齿轮、齿条。 形式：⑴中间输入，两端输出；⑵侧面输入，两端输出；⑶侧面输入，中间输出；⑷侧面输入，一端输出。 （1）侧面输入，中间输出方案 结构： （1）直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合（被淘汰） （2）斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合 斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的优点: 重合度增加，运转平稳，冲击与工作噪声均下降，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满足总体设计的要求。 斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的缺点: 因为斜齿工作时有轴向力作用，所以转向器应该采用推力轴承，使轴承寿命降低，还有斜齿轮的滑磨比较大。 当车轮跳动、转向或转向器工作时，如在齿条上作用有能使齿条旋转的力矩时，应选用V形和Y形断面齿条，用来防止因齿条旋转而破坏齿轮、齿条的齿不能正确啮合的情况出现。 为了防止齿条旋转，也有在转向器壳体上设计导向槽的，槽内嵌装导向块，并将拉杆、导向块与齿条固定在一起。要求这种结构的导向块与导向槽之间的配合要适当。 应用：广泛应用于乘用车上。载质量不大，前轮采用独立悬架的货车和客车有些也用齿轮齿条式转向器。 2．循环球式转向器 组成：由螺杆和螺母共同形成的螺旋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。 优点：传动效率可达到75％～85％；有足够的硬度和耐磨损性能，可保证有足够的使用寿命；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。适合用来做整体式动力转向器。 3．蜗杆滚轮式转向器 组成：由蜗杆和滚轮啮合而构成。 优点：结构简单；制造容易；有比较高的强度，工作可靠，磨损小，寿命长；逆效率低。 缺点：正效率低；工作齿面磨损以后，调整啮合间隙比较困难；转向器的传动比不能变化。 应用：已被淘汰（曾在汽车上广泛使用过）。 4．蜗杆指销式 分类：固定销式蜗杆指销式转向器、旋转销式转向器。根据销子数量不同，又有单销和双销之分。 优点：传动比可以做成不变的或者变化的；指销和蜗杆之间的工作面磨损后，调整间隙工作容易进行。 固定销蜗杆指销式转向器的优缺点：结构简单、制造容易；但磨损快、工作效率低。 旋转销式转向器的优缺点：结构简单、制造容易；效率高、磨损慢，但结构复杂。 应用：应用较少。 第二节 机械式转向器方案分析 二、防伤安全机构方案分析与计算 作用：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。 （2）乘用车上应用的防伤安全机构 （3）联轴套管吸收冲击能量的机构 （4）弹性联轴器式防伤机构 组成：上、下转向轴、45°斜面的凸缘B、弹性垫片、连接螺栓。 （5）吸能转向管柱 第二节结束！ 一、转向器的效率 正效率：功率P1从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率。 η＋＝（P1－P2）／P1 逆效率：功率P1从转向摇臂轴输入，经转向轴输出所求得的效率。 η－＝（P3－P2）／P3。 设计要求：为了保证转向时驾驶员转动转向盘轻便，要求正效率高；为了保证汽车转向后转向轮和转向盘能自动返回到直线行驶位置，又需要有一定的逆效率。为了减轻在不平路面上行驶时驾驶员的疲劳，车轮与路面之同的作用力传至转向盘上要尽可能小，防止打手，这又要求此逆效率尽可能低。 2．转向器逆效率η－ 转向器分类：可逆式、极限可逆式和不可逆式。 可逆式：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。（齿轮齿条式和循环球式转向器） 不可逆式：车轮受到的冲击力不能传到转向盘的转向器。 极限可逆式：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。 第三节 转向系主要性能参数 二、传动比的变化特性 1．转向系传动比 包括转向系的角传动比ίω0和转向系的力传动比ίp。 ίp＝2FＷ／Fh。 2．力传动比与转向系角传动比的关系 轮胎与地面之间的转向阻力Fw和作用在转向节上的转向阻力矩Mr之间有如下关系 三、转向器传动副的传动间隙△t 1、转向器传动间隙特性 定义：传动间隙随转向盘转角φ的大小不同而改变的变化关系。 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。 2、如何获得传动间隙特性 方法：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。 第三节结束！ 第四节 机械式转向器设计与计算 一、转向系计算载荷的确定 汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩MR（N．m m），即 二、齿轮齿条式转向器的设计 1）多数采用斜齿圆柱齿轮。 2）齿轮模数取值范围多在2～3mm之间。 3）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。 4）设计时应验算齿轮的抗弯强度和接触强度。 5）主动小齿轮选用16MnCr5或15CrNi6材料制造，而齿条常采用45钢制造；为减轻质量，壳体用铝合金压铸。 三、循环球式转向器设计 主要尺寸参数的选择： 1．螺杆、钢球和螺母传动副 （1）钢球中心距D、螺杆外径D1和螺母内径D2 在保证足够的强度条件下，尽可能将D值取小些。 选取D值的规律是随着扇齿模数的增大，钢球中心距D也相应增长（表7－l）。设计时先参考同类型汽车的参数进行初选，经强度验算后，再进行修正。 （2）钢球直径d及数量n 钢球直径d的选择：应符合国家，一般常在7～9mm范选用（表7-1）。 数量n的选择：经验证明，每个环路中的钢球数以不超过60个为好。为保证尽可能多的钢球都承载，应分组装配。每个环路中的钢球数为 （3）滚道截面 当螺杆和螺母的滚道各由两条圆弧组成，形成四段圆弧滚道截面时，钢球与滚道有四点接触，传动时轴向间隙最小，可满足转向盘自由行程小的要求。 为了减少磨擦，R2应大于d／2，一般取R2＝（0．51～0．53）d。螺杆滚道应倒角，用来避免该处被啮出毛刺而划伤钢球后降低传动效率。 （5）螺距P和螺旋线导程角α0 转向盘转动φ角，对应螺母移动的距离s为 （6）工作钢球圈数W 工作钢球圈数有1．5和2．5圈两种。一个环路的工作钢球圈数的选取见表7-1。 （7）导管内径d1 d1＝d＋e 推荐e＝0．4～0．8mm。导管壁厚取为1mm。 2．齿的弯曲应力σw 第四节结束！ 第五节 动力转向机构 一、对动力转向机构的要求 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Fh≥0．025～0．190kN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。 二、液压式动力转向机构布置方案分析 优点：油液工作压力高，动力缸尺寸、质量小，结构紧凑，油液具有不可压缩性，灵敏度高以及油液的阻尼作用可以吸收路面冲击等。 1、动力转向机构布置方案 组成：分配阀、转向器、动力缸、液压泵、贮油罐和油管等。 分类：整体式和分置式两类。 分置式又可分为联阀式 、连杆式 、半分置式 。 2、分配阀的结构方案 （1）滑阀式：分配阀中的阀与阀体以轴向移动方式来控制油路。 （2）转阀式：分配阀中的阀与阀体以旋转运动来控制油路。 滑阀式分配阀的优点：结构简单，生产工艺性较好，易于布置，使用性能较好。 滑阀式分配阀的应用：曾得到广泛应用。 转阀式的优缺点：灵敏度高、密封件少而且结构较为先进。但结构复杂。 转阀式分配阀的应用：在国内、外均得到广泛应用。 三、液压式动力转向机构的计算 1．动力缸尺寸的计算 动力缸的主要尺寸：动力缸内径D 、活塞行程s1、活塞杆直径d p和动力缸壳体壁厚t 。 （1）在计算前，应先行确定作用在直拉杆上的力F1，此力应用式（7-9）计算出来的转向阻力矩换算。 （2）计算动力缸应产生的推力F为 2．分配阀参数的选择 分配阀的主要参数有：滑阀直径d，预开隙e1、密封长度e2和滑阀总移动量e等。 （2）局部压力降Δp 汽车直线行驶时，液流流经分配阀后流回油箱。液流流经分配阀时，产生的局部压力降Δp为 4．动力转向器的评价指标 （1）动力转向器的作用效能 用效能指标s＝Fh／F'h来评价动力转向器的作用效能。现有动力转向器的效能指标s＝1～15。 （2）液压式动力转向的路感 在最大工作压力时，对于乘用车，换算到转向盘上的力增加约30～50N；对于货车，增加80～100N。 （3）转向灵敏度 (a)可以用转向盘行程与滑阀行程的比值i来评价，即 （4）动力转向器的静特性 定义：是指输入转矩与输出转矩之间的变化关系曲线。 是用来评价动力转向器的主要特性指标。 可以用输入转矩Mφ与输出油压P之间的变化关系曲线来表示动力转向的静特性。 四、电控液压动力转向机构 为了满足在任何行驶工况下转向行驶都能保证良好的操纵轻便性和操纵稳定性，就必须采用车速感应型动力转向机构。 目前已有的车速感应型动力转向机构有：电控液压动力转向机构和电动助力转向机构两种。 2．流量控制式电控液压动力转向工作原理 流量控制式是根据车速的变化改变向动力转向器提供的油量，并同时改变转向盘上的手力。车速低又转向，通过增加供油量改善助力效果并减小手力；汽车转急弯通过传感器检测到转向角速度的快速变换，这时控制器控制油路能提供最大的供油量达到全动力转向状态。车速高时又能适当减少液压泵供油量，使手力略感沉重，做到驾驶员无发飘的感觉、心中不慌，以提高行车安全。 3．油压反馈控制式电控液压动力转向工作原理 在车速信号控制下，车速越高，使通往控制阀反作用腔的反馈压力也越高，这就增加了开启控制阀的阻力、即转向手力增大，反之转向手力减小。 这种结构能在低速调头和原地转动转向盘时提供95％的助力作用；随着车速的提高，可以逐渐减少到最低仅提供65％的助力作用。 第五节 动力转向机构 五、电动助力转向机构 基本要求 （1）应当满足对液压式动力转向机构的一些相似要求。 （2）具有故障自诊断和报警功能。 （3）有良好的抗振动和抗噪声干扰能力。 （4）当地面与车轮之间有反向冲击力作用时，电动助力转向机构应迅速反应，制止转向盘转动。 （5）在过载使用条件下有过载保护功能等。 1．电动助力转向机构的组成与工作原理 组成：机械转向器、电动助力部分。 电动助力部分包括电动机、电池、传感器和控制器ECU及线束，有的还有减速机构和电磁离合器等。 目前用于乘用车的电动助力转向机构的转向器，均采用齿轮齿条式转向器。其功能除用来传递来自转向盘的力矩与运动以外，还有增扭 、降速作用。 转向过程中，电动机将来自蓄电池的电能转变为机械能向转向系输出而构成转向助力矩，并完成助力作用。与电动机连接的减速机构有蜗轮蜗杆、滚珠螺杆螺母或行星齿轮机构等，其作用也是降速、增扭。装在减速机构附近的离合器（通常 控制器有两项作用： （1）根据转矩传感器和车速传感器提供的信号，进行逻辑分析与计算后，发出指令控制电动机和离合器的作动； （2）通过采集电动机电流、发电机电压、发动机工况等信号，判断系统工作状态是否正常，如出现异常自动取消助力作用，同时还要进行故障诊断分析，即控制器有安全保护和故障诊断功能。控制器内装有单片机或数字信号处理器等部件。 电动助力转向机构的工作原理： 当驾驶员对转向盘施力并转动转向盘时，位于转向盘下方与转向轴连接的转矩传感器，将经扭杆弹簧连接在一起的上、下转向轴的相对转动角位移信号转变为电信号传至控制器，在同一时刻车速信号也传入控制器。根据以上两信号，控制器确定电动机的旋转方向和助力转矩的大小。之后，控制器将输出的数字量经D／A转换器，转换为模拟量，并将其输入电流控制电路。电流控制电路将来自微机的电流命令值同电动机电流的实际值进行比较后生成一个差值信号，同时将此信号送往电动机驱动电路，该电路驱动电动机，并向电动机提供控制电流，完成助力转向作用。 助力转向控制信号的及控制系统的组成 2．电动助力转向的特点 （1）电动机仅在汽车转向时才工作并消耗蓄电池能量；电动助力转向的燃料消耗率仅为液压动力转向的16％～20％。 （2）电动助力转向机构工作可靠、噪声小。 （3）电动助力转向，转动转向盘时仅需克服转向器的摩擦阻力，不存在回位弹簧阻力和反映路感的油压阻力。 （4）电动助力转向整体结构紧凑、部件少、占用的空间尺寸小、质量小以及在汽车上容易布置等优点。 3．电动助力转向机构布置方案 转向轴助力式、齿轮助力式和齿条助力式三种电动助力转向机构的主要区别，在于电动机的布置位置不同。 （1）转向轴助力式电动助力转向机构 电动机布置在靠近转向盘下方，并经蜗轮蜗杆机构与转向轴连接。这种布置方案的特点是： （2）齿轮助力式电动助力转向机构 电动机布置在与转向器主动齿轮相连的位置，并通过驱动主动齿轮实现助力。这种布置方案的特点是： （3）齿条助力式电动助力转向机构 电动机和减速机构等布置在齿条处，并直接驱动齿条实现助力。这种布置方案的特点是： 4．电动助力转向的助力特性 （1）转向轻便性与路感 理想的助力特性应该是既能满足低速转向时有足够的轻便性能，又能满足高速转向时具有良好的路感。 路感强度：作用在转向盘上力矩的增量与对应的转向器输出力增量的比值。 以齿轮齿条式转向器为基础的电动助力转向器的路感强度E为 转向器主动齿轮的分度圆半径 （2）直线型助力特性 特点：助力特性线可分成三个区段：无助力区段、助力变化区段、助力不变区段。 无助力区段A相当于汽车在直线行驶位置附近，转向轮以小转角状态，汽车以较高车速转向行驶。此时，转向轮的转向阻力不大，不需要助力，因此路感强度最大。 此刻作用在转向盘上的力矩M h为 选定助力特性曲线的斜率K，助力特性随之确定。斜率大些的助力特性曲线与斜率小些的助力特性曲线比较更陡些，表明在转向盘力矩相同的条件下斜率大些的助力特性曲线助力效果更好，适合用于低速急转弯行驶状况。 （3）车速感应型助力特性 电动助力转向的助力特性由软件设定。通常将助力特性曲线设计成随着汽车行驶速度υa的变化而变化，并将这种助力特性称之为车速感应型。 第五节结束！ 第六节 转向梯形 分类：整体式和断开式两种。 要求：必须正确选择转向梯形参数，做到汽车转弯时，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，作无滑动的纯滚动运动。同时，为达到总体布置要求的最小转弯直径值，转向轮应有足够大的转角。 2、断开式转向梯形 转向梯形的横拉杆做成断开的。 优点：它与前轮采用独立悬架相配合，能够保证一侧车轮上、下跳动时，不会影响另一侧车轮。 缺点：结构复杂；制造成本高；并且调整前束比较困难。 横拉杆上断开点的位置与独立悬架形式有关。采用双横臂独立悬架时，常用图解法（基于三心定理）确定断开点的位置。其求法为： 4）作直线PQBS，使直线PQAB与PQBS间夹角等于直线PKA与PS间的夹角。当S点低于A点时，PQBS线应低于PQAB线。 5）延长PS与QBSKB，相交于D点，此D点便是横拉杆铰接点（断开点）的理想位置。 注意： 1）以上是在前轮没有转向的情况下，确定断开点D位置的方法。 2）此外，还要对车轮向左转和向右转的几种不同的工况进行校核。 二、整体式转向梯形机构优化设计 前提：在忽略侧偏角的影响条件下，分析有关两轴汽车的转向问题。 为保证全部车轮绕一个瞬时转向中心行驶，梯形机构应保证内、外转向车轮的转角关系为 利用余弦定理可推得转向梯形所给出的实际因变角θ'i为 各设计变量的取值范围构成的约束条件为 四连杆机构的传动角δ不宜过小，通常取δ≥δmin＝40°。转向梯形机构在汽车向右转弯至极限位置时，δ达到最小值，故只考虑右转弯时δ≥δmin即可。利用该图所作的辅助用虚线及余弦定理，可推出最小传动角约束条件为 转向梯形机构的优化设计问题，是一个小型的约束非线性规划问题，可用复合形法来求解。 第六节 转向梯形 三、转向传动机构强度计算 1．球头销 球头销常由于球面部分磨损而损坏，为此应验算接触应力σj即 2、转向拉杆 拉杆应有较小的质量和足够的刚度。拉杆的形状应符合布量要求，有时不得不做成弯的，这就减小了纵向刚度。 拉杆应用《材料力学》中有关压杆稳定性计算的公式进行验算。稳定性安全系数不小于1．5～2．5。 拉杆用20、30或40钢无缝钢管制成。 3、转向摇臂 在球头销上作用的力F，对转向摇臂构 成弯曲和扭转力矩的联合作用。危险断面在 摇臂根部，应按第三强度理论验算其强度， 即 第六节结束！ 第七节 转向减振器 功用：用来衰减转向轮的摆振和缓和来自路面的冲击载荷。 结构特点：内部充满液体的筒式减振器，并利用液体分子的内摩擦产生的粘性阻尼来衰减振动。因转向减振器是呈水平状态布置在汽车上，故对其密封要求严格，并备有隔离工作液体和空气的补偿室。 第七节结束！ 第八节 转向系结构元件 1、调整间隙 2、螺杆螺纹滚道有效工作长度 应根据转向轮转至最大转角时，换算到螺母在螺杆上拉移动的距离大小来决定。在此条件下，应尽量缩短滚道长度。为安全计，在有效工作长度之外的两端各增加1／2～3／4圈滚道长度。 3、螺杆和螺母的螺距精度 应为±0．005mm，四螺距误差要求小于0．015mm，滚道表面强适度Ra值应为0．4µm，滚道中径圆柱度误差应小于0．02mm。 4、转向节臂和转向摇臂用模锻制成 断面为椭圆形，这样才具有合理的强度和刚度。为了实现无间隙配合，摇臂与摇臂轴多用锥形三角花键连接。为保证摇臂能正确地安装到摆臂轴上，应在它们的侧面做安装记号。 5、在转向传动机构中，杆件之间的接头采用球接头结构连接方式的非常普遍。