汽车机械转向机构设计.docx

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汽车机械转向机构设计

汽车机械转向机构设计

1引言

在汽车行驶中，转向运动是最基本的运动。

我们通过方向盘来操纵和控制汽车的行驶方向，从而实现自己的形式意图。

在现代汽车上，转向系统是必不可少的最基本的系统之一，它也是决定汽车主动安全性的关键总成，特别是在车辆高速化，驾驶人员非职业化，车流密集的今天，针对更多不同的驾驶人群，汽车的操纵性设计显得尤为重要。

从上世纪四十年代起，为减轻驾驶员体力负担，在机械转向系统基础上增加了液压助力系统HPS（hydraulicpowersteering），它是建立在机械系统的基础之上的，额外增加了一个液压系统，一般有油泵、V形带轮、油管、供油装置、助力装置和控制阀。

由于其工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。

现在液压助力转向系统在实际中应用的最多，根据控制阀形式有转阀式和滑阀式之分。

这个助力转向系统最重要的新功能是液力支持转向的运动，因此可以减少驾驶员作用在方向盘上的力。

虽然传统转向系统工作最可靠，但是也存在很多固有的缺点，传统转向系统由于方向盘和转向车轮之间的机械连接而产生一些自身无法避免的缺陷：

①汽车的转向特性受驾驶员驾驶技术的影响严重；②转向传动比固定，使汽车转向响应特性随车速、侧向加速度等变化而变化，驾驶员必须提前针对汽车转向特性幅值和相位的变化进行一定的操作补偿，从而控制汽车按其意愿行驶。

这就变相地增加了驾驶员的操纵负担，使汽车转向行驶存在很大的不安全隐患；③液压助力转向系统经济性差，一般轿车每行驶一百公里要多消耗0.3~0.4升的燃料；另外，存在液压油泄漏问题，对环境造成污染，在环保性能被日益强调的今天，无疑是一个明显的劣势。

电液动力转向系统

近年来，随着电子技术的不断发展，转向系统中愈来愈多的采用电子器件。

相应的就出现了电液助力转向系统。

电液助力转向可以分为两大类：

电动液压助力转向系统EHPS（electro-hydraulicpowersteering）、电控液压助力转向ECHPS（electronicallycontrolledhydraulicpowersteering）。

EHPS是在液压助力系统基础上发展起来的，其特点是原来有发动机带动的液压助力泵改由电机驱动，取代了由发动机驱动的方式，节省了燃油消耗。

ECHPS是在传统的液压助力转向系统的基础上增加了电控装置构成的。

电液助力转向系统的助力特性可根据转向速率、车速等参数设计为可变助力特性，使驾驶员能够更轻松便捷的操纵汽车。

现代电液动力转向系统主要通过车速传感器将车速传递给电子元件，或微型计算机系统，控制电液转换装置改变动力转向的助力特性，使驾驶员的转向手力根据车速和行驶条件变化而改变，即在低速行驶或转急弯时能以很小的转向手力进行操作，在高速行驶时能以稍重的转向手力进行稳定操作，使操纵轻便性和稳定性达

EHPS相比传统HPS降低了能源损耗。

但电液动力转向系统，不论ECHPS还是EHPS都与传统的HPS一样存在液压油泄漏问题。

电动助力转向系统

电动转向系统EPS（ElectricPowerSteering）把一个机械的系统和一个电控的电动马达结合在一起形成的一个动力转向系统。

与液压系统不同的是，助力改由电机提供，因此，要有一个力矩传感器来测量作用在方向盘上的力矩，由电子控制单元来计算所需要的力矩。

作用在方向盘上的力矩曲线由一个电动马达来分配。

通过电动马达提供转向所必须要的力，它通过一个减速器作用在转向柱上，在循环球式的传动装置中，直接作用在齿扇上的力太大，因此大多选用齿轮齿条转向器。

根据助力位置不同分为三种形式：

1、转向柱助力式.2、小齿轮助力式.3、齿条助力式.

由于EPS改由电机提供助力，助力大小由电控单元ECU实时调节与控制，可以较好解决汽车操纵时轻与灵的矛盾。

电动助力转向最早应用在微型汽车上，1988年2月日本铃木公司首次在其Cervo车上装备，目前电动助力转向系统主要应用在轿车上，并逐渐从微型轿车向更大型轿车和商务车发展]。

其优点有：

1.EPS能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。

并且可通过设置不同的转向手力特性来满足不同使用对象的需要。

2．EPS只在转向时电动机才提供助力（不像HPS，即使在不转向时，油泵也一直运转），因而能减少燃料消耗。

3.由于直接由电动机提供助力，电动机由蓄电池供电，因此EPS能否助力与发动机是否起动无关，即使在发动机熄火或出现故障时也能提供助力。

4.EPS取消了油泵、皮带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件等，其零件比HPS大大减少，因而其质量更轻、结构更紧凑，在安装位置选择方面也更容易，并且能降低噪声。

5.EPS没有液压回路，比HPS更易调整和检测，装配自动化程度更高，并且可以通过设置不同的程序，快速与不同车型匹配，因而能缩短生产和开发周期。

6.EPS不存在渗油问题，消除了液压助力中液压油泄漏问题，可大大降低保修成本，减小对环境的污染，改善了环保性。

7.EPS比HPS具有更好的低温工作性能。

电动助力转向目前已成为世界汽车技术发展的研究热点之一。

汽车转向系统分类

汽车转向系统分为两大类：

机械转向系统和动力转向系统。

完全靠驾驶员手里操纵的转向系统称为机械转向系统。

借助动力来操纵的转向系统称为动力转向系统，动力转向系统又可分为液压动力转向系统和电动助力动力转向系统。

2设计任务书

汽车在行驶过程中需要不断改变方向，转向系就是通过一系列机械传动使得前轮发生偏转，从而实现汽车转向，达到改变行驶方向的目的。

驾驶员操纵方向盘，通过转向器把方向盘的旋转运动转化成转向摇臂一定角度的摆动，带动转向梯形运动，使前轮偏转一定的角度，实现汽车转向。

这次设计主要目的是总结所学知识，在设计中没有考虑到实际需要，只是从本专业出发，基于自己的实际能力对基础的机械设计进行练习。

设计中对前桥的受力做简单的分析，对一些常见的转向器结构稍作分析并加以选择，并设计循环球式转向器。

3机械转向简介

机械转向系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，机械转向系由转向操纵机构，转向器和转向传动机构三大部分组成。

3.1转向操纵机构

转向器操纵机构由方向盘，转向轴，转向管柱等组成，它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。

3.2转向器

转向器（也常称为转向机）是完成有旋转运动到直线运动（或近似直线运动）的一组齿轮机构，同时也是转向系中的减速传动装置，目前较常用的有齿轮齿条式、循环球曲柄指销式、蜗杆曲柄指销式、循环球一齿条式扇式、蜗杆滚轮式等。

汽车转向系的功用：

汽车转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构。

在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。

汽车转向系的形式和组成：

汽车转向机构分为机械转向和动力转向两种形式。

机械转向主要是由转向盘、转向器和转向传动机构等组成，动力转向还包括动力系统。

机械转向是依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转向器和转向传动机构使转向轮偏转。

动力转向是在机械转向的基础上，加装动力系统，并借助此系统来减轻驾驶员的手力。

动力转向包括液压式动力转向和电控式动力转向。

液压式动力转向已在汽车上广泛应用。

近年来，电控动力转向已得到较快发展。

4转向系的设计要求

1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转。

2）转向轮具有自动回正能力。

3）在行驶状态下，转向轮不得产生自振，转向盘没有摆动。

4）转向传动机构和悬架导向装置产生的运动不协调，应使车

轮产生的摆动最小。

5）转向灵敏，最小转弯直径小。

6）操纵轻便。

7）转向轮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中应有间隙调整机构。

9）转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。

10）转向盘转动方向与汽车行驶方向的改变相一致。

正确设计转向梯形机构，可以保证汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转。

转向轮的自动回正能力决定于转向轮的定位参数和转向器逆效率的大小。

合理确定转向轮的定位参数，正确选择转向器的形式，可以保证汽车具有良好的自动回正能力。

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，其最小转弯半径能达到汽车轴距的2~2.5倍。

转向操纵的轻便性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。

轿车货车

机械转向50~100N250N

动力转向20~50N120N

轿车转向盘从中间位置转到第一端的圈数不得超过2.0圈，货车则要求不超过3.0圈。

5机械式转向器方案分析

5.1齿轮齿条式

齿轮齿条式转向器的主要优点是：

结构简单、紧凑、体积小、质量轻；传动效率高达90%；可自动消除齿间间隙（图1-1所示）；没有转向摇臂和直拉杆，转向轮转角可以增大；制造成本低。

齿轮齿条式转向器的主要缺点是：

逆效率高（60%~70%）。

因此，汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间的冲击力，大部分能传至转向盘。

图1-1自动消除间隙装置

根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式：

中间输入，两端输也（图1-2a）；侧面输入，两端输出（图1-2b）；侧面输入，中间输出（图1-2c）；侧面输入，一端输出（图1-2d）。

图1-2齿轮齿条式转向器的四种形式

采用侧面输入、中间输出方案时，由于拉杆长度增加，车轮上、下跳动时位杆摆角减小，有利于减少车轮上、下跳动时转向系与悬架系的运动干涉。

而采用两侧输出方案时，容易与悬架系统导向机构产生运动干涉。

侧面输入、一端输出的齿轮齿条式转向器，常用在平头微型货车上。

采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条式转向器，重合度增加，运转平稳，冲击与工作噪声均下降。

齿条断面形状有圆形、V形和Y形三种。

圆形断面齿条制作工艺比较简单。

V形和Y形断面齿条与圆形断面比较，消耗的材料少，故质量小。

根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，在汽车上有四种布置形式：

转向器位于前轴后方，后置梯形；转向器位于前轴后方，前置梯形；转向器位于前轴前方，后置梯形；转向器位于前轴前方，前置梯形，见图1-3。

图1-3齿轮齿条式转向器的四种布置形式

齿轮齿条式转向器广泛应用于微型、普通级、中级和中高级轿车上。

装载量不大、前轮采用独立悬架的货车和客车也用齿轮齿条式转向器

5.2循环球式

循环球式转向器由螺杆和螺母共同形成的螺旋槽内装有钢球构成的传动副，以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成，如图1-4所示。

循环球式转向器的优点是：

传动效率可达到75%~85%；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容易；适合用来做整体式动力转向器。

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货车和客车上。

图1-4循环球式转向器

图1-5循环球式转向器的间隙调整机构