汽车设计课件--7转向系设计

第七章转向系设计第七章转向系设计本章主要学习：（1）转向系的设计要求；（2）机械式转向器方案分析（☆）；（3）转向系主要性能参数（☆）；（4）动力转向机构；（5）转向梯形机构方案及整体式转向梯形机构优化设计。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第四节动力转向机构第五节转向梯形第一节概述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。2、转向系的组成：(1)转向操纵机构:转向盘、转向轴、转向管柱(2)转向器:将转向盘的转动变为转向摇臂的摆动或齿条轴的直线往复运动，并对转向操纵力进行放大的机构。(3)转向传动机构:将转向器输出的力和运动传给车轮(转向节)，并使左右车轮按一定关系进行偏转的机构。1、转向系的功用：3、转向系的分类: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。正确设计转向梯形机构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。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。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。4、转向系的设计要求：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评价。正确设计转向梯形机构一、机械式转向器方案分析1.齿轮齿条式优点：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；没有转向摇臂和直拉杆，转向轮转角可以增大；制造成本低。缺点：逆效率高（60%~70%）。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。自动消除间隙装置第二节机械式转向器方案分析1）、输入齿轮位置和转向输出位置关系的四种形式：（a）中间输入，两端输出；（b）侧面输入，两端输出；（c）侧面输入，中间输出；（d）侧面输入，一端输出。采用（a）、（b）两端输出方案时，容易与悬架系统导向机构产生运动干涉。采用（c）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。但转向器壳体强度降低。（d）方案的齿轮齿条式转向器，常用在平头微型货车上。齿轮齿条式转向器的四种形式2）、齿轮的形式直齿圆柱齿轮：运转平稳性不高，冲击、噪音大。斜齿圆柱齿轮：重合度增加，运转平稳，冲击与工作噪声均下降。3）、齿条断面形状圆形、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。车轮跳动、转向器工作时，齿条能有微量的旋转，可保证正确啮合。齿轮齿条式转向器的四种布置形式4）、转向器和转向梯形相对前轴位置的四种布置形式：（a）转向器位于前轴后方，后置梯形；（b）转向器位于前轴后方，前置梯形；（c）转向器位于前轴前方，后置梯形；（d）转向器位于前轴前方，前置梯形。5）、应用：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。2.循环球式组成：两对传动副螺杆和螺母螺母上的齿条与摇臂轴上的齿扇优点：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。缺点：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。应用：主要用于货车和客车上。循环球式转向器循环球式转向器的间隙调整机构3.蜗杆滚轮式、蜗杆指销式1）、蜗杆滚轮式转向器•由蜗杆和滚轮啮合而构成。•优点：结构简单；制造容易；强度比较高、工作可靠、寿命长；逆效率低。•缺点：正效率低；调整啮合间隙比较困难；传动比不能变化。2）、蜗杆指销式转向器：•固定销式和旋转销式。（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；工作面间隙调整容易。固定销式转向器的结构简单、制造容易。•缺点：销子的工作部位磨损快、工作效率低。旋转销式转向器的效率高、磨损慢，但结构复杂。蜗杆滚轮式和蜗杆指销式转向器应用较少。二、防伤安全机构方案分析防伤转向传动轴简图防伤转向轴简图1、驾驶员受伤的主要元件：转向盘、转向管柱。2、防伤措施：利用转向盘、转向管柱等有关零件在撞击时产生塑性变形、弹性变形或是利用摩擦等来吸收冲击能量，能防止或者减轻驾驶员受伤。3、典型结构：1）万向节连接的转向传动轴2）两段式转向轴：上转向轴的下端与下转向轴上端通过两个圆头圆柱销相连。在受到一定数值的轴向力时，上、下转向轴能自动脱开，以保证驾驶员的安全。3）联轴套管吸收冲击能量机构4）弹性联轴器式防伤机构5）钢珠滚压式、波纹管吸能式、套管挤压吸能式防伤机构一、转向器的效率二、传动比的变化特性三、转向器传动副的传动间隙△t四、转向系的计算载荷第三节转向系主要性能参数第三节转向系主要性能参数一、转向器的效率正效率η+：功率从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率。η+=（P1-P2）/P1逆效率η－：功率经转向摇臂轴输入，从转向轴输出所求得的效率。η－=（P3-P2）/P3P1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。1.转向器的正效率η+影响因素：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•齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高，•蜗杆指销式、蜗杆滚轮式转向器的正效率明显低些。•轴承的形式对效率有影响。轴承可以选用滚针轴承、圆锥滚于轴承和球轴承等三种结构之一。(2)转向器的结构参数与效率对于蜗杆和螺杆类转向器式中，a0为蜗杆（或螺杆）的螺线导程角；ρ为摩擦角，ρ=arctanf；f为磨擦因数。)tan(tan00aa根据，转向器可分为可逆式、极限可逆式和不可逆式。可逆式：齿轮齿条式和循环球式转向器不可逆式：现代汽车不采用这种转向器极限可逆式：介于上述两者之间增加导程角，正、逆效率均增大。受增大的影响，不宜取得过大。当导程角小于或等于摩擦角时，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，导程角必须大于摩擦角。2.转向器的逆效率η-二、传动比的变化特性1.转向系传动比力传动比和角传动比力传动比:角传动比:角传动比由转向器角传动比和转向传动机构角传动比组成，即转向器的角传动比:转向传动机构的角传动比:kkkwdddtddtdi//00iiii0ii0ipipppwdddtddtdi//kpkpkpdddtddtdi//hWpFFi/2越大，转向越轻便pi越大，转向越不灵敏ii转向器角传动比转向传动机构角传动比转向阻力Fw与转向阻力矩Mr的关系式：作用在转向盘上的手力Fh与作用在转向盘上的力矩Mh的关系式：将式（1）、式（2）代入后得到忽略磨擦损失，根据能量地恒原理，2Mr/Mh可用下式表示将式（4）代入式（3）后得到当a和Dsw不变时，力传动比越大，虽然转向越轻，但也越大，表明转向不灵敏。aDiiswp202.力传动比与转向系角传动比的关系aMFrW（1）swhhDMF2（2）hWpFFi/2aMDMihswrp（3）02iddMMkhr（4）（5）pi0i3.转向系的角传动比4.转向器角传动比及其变化规律表明，增大角传动比可以增加力传动比。当Fw一定时，增大力传动比能减小作用在转向盘上的手力Fh，操纵轻便。由的定义可知：对于一定的转向盘角速度，转向轮偏转角速度与转向器角度传动比在反比。角传动比增加后，转向轮偏转角速度对转向盘角速度的响应变得迟钝，汽车转向灵敏性降低。“轻”和“灵”构成一对矛盾！为解决这对矛盾，可采用变速比转向器。齿轮齿条式、循环球式、蜗式指销式转向器都可以制成变速比转向器。12//LLddikpddii/0i0i0iL2/L1＝0.85~1.1，可近似认为其比值为1。aDiiswp20（1）齿轮齿条转向器变速比的实现齿轮正确啮合的条件：相互啮合齿轮的基圆齿距必须相等，即pb1=pb2。齿轮基圆齿距pb1=πm1cosa1，齿条基圆齿距pb2=πm2cosa2。齿轮：标准模数m1和标准压力角a1；齿条：变模数m2、变压力角a2。始终保持πm1cosa1=πm2cosa2时，齿轮齿条就可以啮合运转。齿条压力角变化简图a）齿条中部齿b）齿条两端齿bpwrrvwxicos1cosbrr可以看到：位于齿条中部位置处的齿有较大压力角和齿轮有较大的节圆半径，而齿条齿有宽的齿根和浅斜的齿侧面；位于具条两端的齿，齿根减薄，齿有陡斜的齿侧面。故角传动比是可变的。式中r`为小齿轮节圆半径，rb为基圆半径。priprspwp22（2）循环球式转向器变速比的实现啮合半径r中间小两头大从而实现变角传动比5.转向器角传动比的选择设计原则：可以设计成减小、增大或保持不变的。考虑因素：转向轴负荷大小和对汽车机动能力的要求。若转向轴负荷小或采用动力转向的汽车，不存在转向沉重问题，应取较小的转向器角传动比，以提高汽车的机动能力。若转向轴负荷大，汽车低速急转弯时的操纵轻便性问题突出，应选用大些的转向器角传动比。汽车以较高车速转向行驶时，转向轮转角小，阻力矩也小，要求转向轮反应灵敏，转向器角传动比应当小些。汽车高速直线行驶时，转向盘在中间位置的转向器角传动比不宜过小。否则转向过分敏感，使驾驶员精确控制转向轮的运动有困难。转向器角传动比变化曲线应选用大致呈中间小两端大些的下凹形曲线。转向器角传动比变化特性曲线三、转向器传动副的传动间隙△t定义：指各种转向器中传动副之间的间隙。转向器传动副传动间隙特性：该间隙随转向盘转角的大小而变化的特性。研究意义：与直线行驶的稳定性和转向器的使用寿命有关。原则：1）传动间隙在转向盘处于中间及其附近位置时要极小，最好无间隙。若传动副存在传动间隙，一旦转向轮受到侧向力作用，车轮将偏离原行驶位置，使汽车失去稳定。2）传动副在中间及其附近位置因使用频繁，磨损速度要比两端快。在中间附近位置因磨损造成的间隙过大时，必须经调整消除该处间隙。转向器传动副传动间隙特性图中曲线1表明转向器在磨损前的间隙变化特性；曲线2表明使用并磨损后的间隙变化特性，并且在中间位置处已出现较大间隙；曲线3表明调整后并消除中间位置处间隙的转向器传动间隙变化特性。四、转向系计算载荷的确定转向轮要克服的阻力：包括转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内磨擦阻力等。计算汽车在沥青或者混凝土跨面上的原地转向阻力矩MR（N·mm）的半径经验公式式中，f为轮胎和路面间的滑动磨擦因数，一般取0.7；G1为转向轴负荷（N）；p为轮胎气压（MPa）。作用在转向盘上的手力为式中，L1转向摇臂长；L2为转向节臂长；Dsw为转向盘直径；iω为转向器角传动比；η+为转向器正效率。PGfMR313iDLMLFswRh212（1）（2）第四节动力转向机构一、对动力转向机构的要求1）保持转向轮转角和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），作用在转向盘上手力必须增大（或减小）。3）当作用在转向盘上的切向力Fh≥25~190N