第七章转向系设计.

1第七章转向系设计第一节概述第二节机械式转向器方案分析第三节转向系主要性能参数第四节机械式转向器设计与计算第五节动力转向机构第六节转向传动机构第七节转向减振器（自学）第八节转向系结构元件（自学）2第一节概述一、设计要求：1.保证汽车有较高的机动性2.转弯行驶时，全部车轮应绕一个瞬心旋转，不应有侧滑；3.传给转向盘的反冲，要尽可能小4.悬架导向装置和车轮传动机构共同工作时，由于运动不协调造成的车轮摆动应小；3一、设计要求：5.操纵轻便6.转向后，方向盘应能够自动回正，是汽车保持在稳定的直线行驶状态；7.转向器和转向机构的球头处，有消除因磨损产生间隙的调整机构；8.车祸中，转向系要有使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置§7-1概述4作用在转向盘上的切向力：轿车原地转向≤150～200N货车原地转向≤500N货车8字转向≤60N（20Km/h）方向盘转角轿车、轻货车：3～4圈中、重货车：4～6圈§7-1概述5二、转向器分类：机械式：齿轮齿条式循环球式蜗杆滚轮式蜗杆指销式动力转向液压式、电控液压式、电动式§7-1概述6一、机械式转向器方案分析1、齿轮齿条式第二节机械转向器方案分析7一、机械式转向器方案分析1、齿轮齿条式§7-2转向器方案分析8一、机械式转向器方案分析1、齿轮齿条式§7-2转向器方案分析9一、机械式转向器方案分析1、齿轮齿条式§7-2转向器方案分析10一、机械式转向器方案分析2、循环球式§7-2转向器方案分析11一、机械式转向器方案分析2、循环球式§7-2转向器方案分析12一、机械式转向器方案分析比较内容循环球蜗杆滚轮蜗杆指销式齿轮齿条式死销活销η+高低低较高高η-高低较高较高高Iω可变基本不变可变可变可变磨损慢慢快较快较慢调整易难易易易可靠性可靠可靠较差较可靠可靠§7-2转向器方案分析13一、机械式转向器方案分析比较内容循环球蜗杆滚轮蜗杆指销式齿轮齿条式死销活销结构复杂简单简单较复杂简单制造困难易易较难易制造精度高不高不高变Iω高变Iω高可否用动力转向可困难困难困难可以质量居中居中双销重单销轻轻§7-2转向器方案分析14一、机械式转向器方案分析用途：1.齿轮齿条式：广泛用于微型、普通、中高级轿车，部分前悬独立的货车、客车2.循环球式：广泛用于货车、客车3.蜗杆滚轮式：淘汰4.蜗轮指销式：濒临淘汰§7-2转向器方案分析15二、防伤安全机构方案分析与计算（一）要求1.48km/h正面碰撞时，转向管柱和转向器后移不大于127mm2.台架试验中，模型以6.7m/s碰撞转向盘，轴向力不大于11123N吸能方式吸能元件塑性弹性摩擦盘轴管柱§7-2转向器方案分析16（二）方案措施万向节连接转向轴两段式防伤转向轴转向管柱波纹管转向管柱塑料销钉铆接管柱轴向滑动管柱弹性联轴器连接管柱网格状转向吸能管柱§7-2转向器方案分析17（二）方案措施§7-2转向器方案分析万向节连接转向轴两段式防伤转向轴18（二）方案措施§7-2转向器方案分析塑料销钉铆接轴向滑动管柱弹性联轴器19（二）方案措施§7-2转向器方案分析吸能管柱波纹管转向管柱20第三节转向系主要性能参数一、转向效率1.正效率：功率由转向轴输入，经转向摇臂输出所得到的效率影响因素：转向器类型和结构特点结构参数制造质量21一、转向效率1.正效率转向器类型和结构特点循环球式螺杆螺母指销式70％螺杆螺母齿扇式75～85％齿轮齿条式螺旋齿斜齿蜗杆指销式固定销55％旋转销75％蜗杆滚轮式滚针轴承锥轴承滚珠轴承75％§7-3转向系主要性能参数22一、转向效率1.正效率：结构参数)tan(tan00121PPPα0—螺线导程角,一般取8～10°ρ—摩擦角，ρ=tan-1ff—摩擦系数α0η+§7-3转向系主要性能参数23一、转向效率2.逆效率：影响汽车的使用性能根据逆效率分类可逆式：逆效率较高，如循环球式、齿轮齿条式不可逆式：α0≤ρ，η-≤0极限可逆式：介于以上二者之间§7-3转向系主要性能参数24一、转向效率2.逆效率：影响汽车的使用性能结构参数α0—螺线导程角,一般取8～10°ρ—摩擦角，ρ=tan-1ff—摩擦系数00323tan)tan(PPP§7-3转向系主要性能参数α0η-25二、传动比的变化特性1.转向系传动比的组成§7-3转向系主要性能参数传动比角传动比转向器角传动比iω转向传动机构角传动比iω'力传动比轮胎与地面之间转向阻力与方向盘上手力之比ip262.力传动ip比与角传动比iω0的关系aRiaMDMishsrp0§7-3转向系主要性能参数hwpswhhrwFFiDMFaMF/2/2/27§7-3转向系主要性能参数2.力传动ip比与角传动比iω0的关系车型主销偏移距商用车40～60mm乘用车(0.4~0.6)B胎宽a283.转向系角传动比iω0转向传动机构的角传动比近似等于转向节臂臂长l2与摇臂臂长l1之比来表示：21llikp转向系角传动比iω0近似等于转向器角传动比iω§7-3转向系主要性能参数294.转向器角传动比iw1)增大iw(iw0)，则ip↑，由ip=2Fw/Fh，故Fh↓，转向轻便2)iw0=Δ／Δβk，转向节角增量与转向系角传动比成反比，增大iw(iw0)，转向迟钝；如何解决？用可变传动比的转向器。§7-3转向系主要性能参数305.转向器角传动比iw变化规律各种结构形式的转向器，都可以变传动比1)齿轮齿条式转向器相互啮合的齿轮基圆齿距必须相等，即Pb1=Pb2§7-3转向系主要性能参数315.转向器角传动比iω变化规律1)齿轮齿条式转向器Pb1=Pb2Pb1=πm1cosα1Pb2=πm2cosα2•如果m1、α1固定，而m2、α2只要满足等式要求，齿轮和齿条仍然可以正常啮合。§7-3转向系主要性能参数32•齿轮齿条式转向器齿条中部（转向盘中间位置）压力角最大，齿轮节圆半径大，转向时位移大；•两侧压力角逐渐变小（模数也逐渐减小），齿轮节圆半径小，转向时位移小。§7-3转向系主要性能参数332)循环球式转向器iω=2πr/P措施：螺距P不变，齿扇啮合半径r变化•前轴负荷大时，未装助力转向时，以轻便为主•前轴负荷小，有助力转向，以机动性为主§7-3转向系主要性能参数345.转向器角传动比iω变化规律直行位置的转向器角传动比不宜低于15～16§7-3转向系主要性能参数车型转向器角传动比商用车23～32乘用车17～2535三、转向器传动副的传动间隙Δt1.转向器传动间隙特性转向器传动间隙随转向盘转角变化的关系称为转向器传动间隙特性影响汽车直线行驶的稳定性和转向器寿命，转向盘处于中间位置时间隙要极小或者无间隙§7-3转向系主要性能参数36三、转向器传动副的传动间隙Δt2.获得传动间隙特性的方法：对于循环球齿轮齿扇式：（1）偏心法：齿槽同宽，中间齿正常厚度，往两边依次递减。（公式7-8）当n一定时，取决于摇臂轴转角βp（2）修正齿条法：两侧齿槽比中间宽，两侧齿槽相等，齿扇的齿有相同厚度。磨损后不致卡死。§7-3转向系主要性能参数37四、转向系刚度•转向系刚度cs对侧偏特性影响大•cs小则汽车趋向不足转向，太小则影响操纵性，转向迟钝。§7-3转向系主要性能参数387-4机械式转向器设计与计算一、转向系计算载荷的确定转向阻力：轮胎在路面上的转动阻力、车轮稳定阻力、转向系内摩擦阻力pGfMR313iDLMLFswRh21239二、齿轮齿条式转向器的设计1）采用斜齿圆柱齿轮：模数2~3mm齿数5~7压力角20度螺旋角9～15度2）齿条变压力角12~35度。§7-4机械式转向器设计与计算40三、循环球式转向器设计（一）主要尺寸参数的选择（图7-19）1.螺杆、钢球、螺母传动副1）钢球中心距D：参考取值，尽量取小2）螺杆外径D1、螺母内径D2(D2-D1)=(5~10%)D§7-4机械式转向器设计与计算41dDWdDWn0cos（一）主要尺寸参数的选择1.螺杆、钢球、螺母传动副3）钢球直径d（参考取值）钢球数量n（n不超过60）4）滚道截面：单圆弧、四段圆弧、椭圆滚道5）接触角θ：θ大则径向力大，轴向力小，多取45度；§7-4机械式转向器设计与计算42（一）主要尺寸参数的选择1.螺杆、钢球、螺母传动副6）螺距t和螺旋线导程角α0螺距影响角传动比的大小，螺距大则角传动比下降d一定，t下降，则b变小，易断裂b=t-d2.5α0=5~8度§7-4机械式转向器设计与计算2PsrspPri2pPr243（一）主要尺寸参数的选择1.螺杆、钢球、螺母传动副7）工作钢球圈数W两个环路；W↑，承载力↑，工作应力↓；W↑，钢球受力不均匀，螺杆长度↑，刚度↓；一般取1.5和2.5圈（表7-1）8）导管内径d1d1＝d+e钢球与导管之间的间隙e=0.4~0.8mm导管壁厚取1mm§7-4机械式转向器设计与计算44四、循环球式转向器强度计算（四）摇臂计算1.摇臂直径的确定：302.0RKMd§7-4机械式转向器设计与计算K为安全系数，根据汽车使用条件不同可取2.5～3.5；MR为转向阻力矩；τ0为扭转强度极限。45（一）主要尺寸参数的选择2.齿条齿扇传动副设计齿扇：顶圆、根圆有锥度（齿顶厚≥0.3m）；分度圆不变；分度圆齿厚变化；基圆为一圆柱§7-4机械式转向器设计与计算46四、循环球式转向器强度计算（一）转向轴扭转强度MPadDDRFsh500~400)(2.044§7-4机械式转向器设计与计算47四、循环球式转向器强度计算（二）钢球与滚道之间的接触应力§7-4机械式转向器设计与计算3222223rRrREFkR2为滚道截面半径；r为钢球半径；E为材料弹性模量，k为系数，根据A／B值从表7-3查取1R25/101.2mmNcoscos023nFF48四、循环球式转向器强度计算（三）齿的弯曲应力§7-4机械式转向器设计与计算26BsFhw式中，F为作用在齿扇上的圆周力；h为齿扇的齿高；B为齿扇的齿宽；s为基圆齿厚。许用弯曲应力为[σ]=540MPa。前轴负荷不大的汽车，渗碳层深度在0.8～1.2mm；前轴负荷大的汽车，渗碳层深度在1.05～1.45mm。表面硬度为58～63HRC。w2/mmN49四、循环球式转向器强度计算（四）摇臂计算2.弯曲应力：MpabaWWlF450~350322§7-4机械式转向器设计与计算50（四）摇臂3.扭转剪切应力应力：MpabaWWhF75~60162§7-4机械式转向器设计与计算51第五节动力转向机构设计原则：当前轴负荷大于40KN时，必须采用动力转向；当前轴负荷在25～40KN之间时，可装可不装；当前轴负荷小于25KN时，不必装动力转向。52一、设计要求1.运动学的随动（转向轮转角和方向盘转角的关系）2.力的随动（路感）即不同路面上，驾驶员的手力感觉3.动力转向失灵时，仍能够用机械转向操纵4.当Fh0.025~0.19KN时，动力转向起作用5.应能够自动回正，保证汽车稳定、直线行驶§7-5动力转向机构53二、液压式动力转向机构布置方案分析1.动力转向结构形式1.液压式：由油泵、动力阀、动力缸组成，尺寸小，压力大，灵敏度高，可吸收冲击，无需润滑；2.气压式：体积大，质量大，灵敏度低，压力低§7-5动力转向机构54二、结构型式和方案选择（二）布置方案：整体式联阀式半分置式连杆式结构紧凑不紧凑不紧凑不紧凑主要零件是否受载是否否否拆装困难容易较易容易管路短短长长是否引起转向轮摆振不易容易不易容易能否用典型转向器不能能能能布置容易较难易难§7-5动力转向机构55二、结构型式和方案选择（三）分配阀结构方案转阀式：灵敏度高、密封件少、结构先进复杂滑阀式：结构简单、工艺性好、操纵方便、易于布置§7-5动力转向机构56三、动力转向的计算（一）动力缸尺