吉大汽车设计课件第七章概要.ppt
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 转向梯形第七节 转向减振器第八节 转向系结构元件,第一节 概述,一、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，任何车轮不应有侧滑2转向后，转向轮应能自动回正3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机构共同工作时，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逆效率低，反冲小8有消除因磨损而产生间隙的调整机构9有防伤装置10保证转向盘与转向轮转动方向一致,第一节 概述,一、设计要求操纵轻便性评价指标,第一节 概述,二、组成,第一节 概述,三、分类1.转向器,第一节 概述,三、分类2.转向梯形断开式非断开式,第二节 机械式转向器方案分析,一、机械式转向器方案分析,第二节 机械式转向器方案分析,一、机械式转向器方案分析,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1）齿轮齿条式转向器输入齿轮位置与输出特点,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1）齿轮齿条式转向器输入齿轮位置与输出特点,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2）齿条断面形状,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3）齿轮齿条式转向器的布置形式(1)转向器在前轴后方,后置梯形(2)转向器在前轴后方,前置梯形(3)转向器在前轴前方,前置梯形(4)转向器在前轴前方,后置梯形,第二节 机械式转向器方案分析,二、防伤安全机构方案分析交通事故表明:汽车发生碰撞事故,可以是正面、侧面、追尾等碰撞事故,其中正面碰撞事故 约占40%50%。正面碰撞事故中，驾驶员可能与转向盘、仪表板、转向管柱、挡风玻璃、室内后视镜、遮阳板等发生身体接触，并遭受伤害，严重时会伤及性命，因此采取有效措施保护驾驶员是十分重要的。当前采取的有效措施主要有：安全带、安全气囊、转向系中的防伤安全机构。有的汽车上述三种措施同时并存（如档次比较高的轿车），有些汽车只有其中的12项（如平头客车只有安全带，货车中当前也很少装气囊）。,第二节 机械式转向器方案分析,二、防伤安全机构方案分析1、法规要求1）汽车以48km/h的速度正面同其它物体碰撞的实验中，转向管柱和转向轴在水平方向的后移量不得大于127mm；2）在台架试验中用人体模型的驱干以6.7m/s的速度碰撞转向盘时，作用在转向盘上的水平力不得超过11123N（GB115571998）2、防伤安全机构安全带可以有效地限制乘员前移量。安全气囊可以在乘员头、胸前部与转向盘（仪表板）之间形成隔离带，缓和冲击，减缓乘员前移量和前移速度。而在驾驶员不可避免的与转向盘发生身体接触时，防伤安全机构可以减轻驾驶员受到伤害的程度。,第二节 机械式转向器方案分析,二、防伤安全机构方案分析,第三节 转向系主要性能参数,一、转向器的效率1.定义+=（P1-P2）/P1-=（P3-P2）/P3P1 作用在转向轴上的功率P2转向器中的磨檫功率P3作用在转向摇臂轴上的功率,第三节 转向系主要性能参数,一、转向器的效率2.正效率+影响+的主要因素：转向器类型；转向器的结构特点；螺线导程角、磨擦角等；制造与装配质量。,第三节 转向系主要性能参数,一、转向器的效率2.正效率+转向器结构参数与+0为蜗杆（或螺杆）的螺线导程角；为摩擦角，=t g-1f；f为摩擦因数。当滚道表面良好，表面硬度为58HRC以上时，=19分析上式可知：+与0、有关0，则+070以后，+缓慢,第三节 转向系主要性能参数,一、转向器的效率3.逆效率-的种类可逆式：易打手，回正性能好不可逆式：转向零件受载大，无路感，不能回正极限可逆式：回正性能、路感、转向系零件受载等均居中转向器结构参数与-分析上式可知：-与0、有关0，则-，且在0=80100以后增加速度大于+增加速度。0不宜大于801000时，则得-说明不可逆,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,第三节 转向系主要性能参数,二、传动比的变化特性2.力传动比与转向系角传动比的关系,第三节 转向系主要性能参数,二、传动比的变化特性2.力传动比与转向系角传动比的关系a则 i p，转向沉重，为此应减少a 轿车（0.40.6）B B轮胎胎面宽度货车 4060 D sw与a均为定值,i p仅与 iw0 呈正比变化,第三节 转向系主要性能参数,二、传动比的变化特性3.转向系角传动比a则 i p，转向沉重，为此应减少a 轿车（0.40.6）B B轮胎胎面宽度货车 4060 D sw与a均为定值,i p仅与 iw0 呈正比变化,第三节 转向系主要性能参数,二、传动比的变化特性4.转向器角传动比及其变化规律（1）分析 式可知：iw0（i w）即 由 可知 F h,转向“轻便”。（2），dk与 iw0（i w）成反比，转向“不灵”解决“轻”与“灵”的矛盾，可以采用变速比转向器。,第三节 转向系主要性能参数,二、传动比的变化特性4.转向器角传动比及其变化规律齿轮齿条式转向器变速比工作原理如下：一对相互啮合齿轮的基本条件是基圆齿距相等，即：其中齿轮基圆齿距 齿条基圆齿距当齿轮用标准模数m1 和压力角1，而齿条用非标准的模数和压力角m2 和 2，并始终保持两者便可以啮合运转,第三节 转向系主要性能参数,二、传动比的变化特性4.转向器角传动比及其变化规律齿轮齿条式转向器变速比工作原理如下：当齿条中部2的为最大向两端逐渐减小时，则齿条中部的 m2也应当大于两端处齿的 m2。2大时，齿槽上宽下窄，节圆半径R1也大，反之亦反之。,第三节 转向系主要性能参数,二、传动比的变化特性4.转向器角传动比及其变化规律齿轮齿条式转向器变速比工作原理如下：转向盘转d角，则齿条移动距离分别为：速比变化特性：2变化范围 120350,第三节 转向系主要性能参数,二、传动比的变化特性5.转向器角传动比变化规律的选择 1）前轴负荷小或装有动力转向的汽车转向轻便性好，上述两种汽车应以解决汽车有良好的机动性为主，即应取用较小的i w 以减少转向盘总转动圈数。2）转向轴负荷大（2040KN）、未装动力转向的汽车，应以解决轻便性为主要矛盾。Tr与k 成正比变化，急转弯时的轻便性问题更突出，应选中间位置处 i w小，两端位置处选用 i w 应大些的变化特性。,第三节 转向系主要性能参数,二、传动比的变化特性6.i wmin 的确定 i w增大以后，转向器输出的力F，相对降低了转向传动装置刚度，希望i w 取小些。当i wmin 过于小时，带来如下问题：1）对的变化特敏感，驾驶员难于准确控制汽车方向高速转弯行驶容易发生交通事故。2）坏路上行驶反冲效应增大经验与建议：i wmin不低于1516,第三节 转向系主要性能参数,二、传动比的变化特性7.i wmax 的确定i wmax 过大带来下述问题：1）转向传动装置刚度、强度不足；2）转向器尺寸大、质量，在汽车上难于布置；3）转向盘转动圈数n。建议 i wmax 33,第三节 转向系主要性能参数,三、转向器传动副的传动间隙t1转向器传动间隙特性各式转向器的传动副，如：齿轮齿条式转向器的齿轮与齿条传动副；循环球式转向器的齿扇与齿条传动副；曲柄指销式转向器的指销与蜗杆传动副等之间的间隙随转向盘转角的变化而变化，并称之为转向器传动副传动间隙特性。当各处t=0时，寿命短当各处 t 0时，车轮会偏离行驶位置。理想的传动间隙应当满足下述条件：于直线行驶位置处t=0离开直线行驶位置处t 0，且逐渐增大,第三节 转向系主要性能参数,三、转向器传动副的传动间隙t1转向器传动间隙特性曲线1新的调整正常的间隙特性 曲线2使用磨损后的间隙特性 曲线3重新调整后的间隙特性,第三节 转向系主要性能参数,三、转向器传动副的传动间隙t2如何获得传动间隙特性（1）循环球齿条齿扇式 偏心法特点：齿条的齿槽等宽；齿扇的齿变厚，且中间齿厚为正常齿，两侧齿齿厚依次减薄。若O1与O重合加工后齿扇各齿齿厚相同若O1与O不重合存在偏心距n，则各齿齿厚不同。,第三节 转向系主要性能参数,三、转向器传动副的传动间隙t2如何获得传动间隙特性（1）循环球齿条齿扇式偏心法,d端面压力角；R节圆半径；p摇臂轴转角；R1中心O1到b点的距离；n偏心距。,第三节 转向系主要性能参数,三、转向器传动副的传动间隙t2如何获得传动间隙特性（1）循环球齿条齿扇式偏心法传动间隙特性与n有下述关系,第三节 转向系主要性能参数,三、转向器传动副的传动间隙t2如何获得传动间隙特性（1）循环球齿条齿扇式修正齿条法特点：齿扇齿各齿厚度相同；齿条的两侧齿槽比中间齿槽稍宽，且使两侧齿槽的宽度相同。小模数时取下限。,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影响计算载荷的因素：转向轴的负荷；路面阻力；轮胎气压。原地转向阻力矩TR的计算f滑动摩擦因数 0.7；G1转向轴负荷（N）；p轮胎气压（MPa）。,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作用在转向盘上的手力L1转向摇臂长；L2转向节臂长。当用上式计算的Fh700N时，已超出人体生理极限，此时对转向器及动力缸以前的零件的计算载荷，取Fh=700N,第四节 机械式转向器设计与计算,二、齿轮齿条式转向器设计1主要参数的确定2.强度验算：抗弯强度；接触强度3.材料：齿轮 16MnCr5、15CrNi6齿条 45钢壳体 铝合金,第四节 机械式转向器设计与计算,三、循环球式转向器设计（一）主要尺寸参数的选择1螺杆、钢球、螺母传动副（1）钢球中心距D、螺杆外、内径D1、D2,第四节 机械式转向器设计与计算,三、循环球式转向器设计（一）主要尺寸参数的选择1螺杆、钢球、螺母传动副（1）钢球中心距D、螺杆外、内径D1、D2 D：是指螺杆两侧刚球中心间的距离，是转向器的基本尺寸。影响选取D的因素有：D1、D2和刚球直径d。如果D选取的比较大，转向器的尺寸及质量均增加，螺杆尺寸也随之增大，表明刚度大，承载能力强。要求：在保证有足够的强度、刚度条件下为减小尺寸、质量应尽可能选取小一些的D，D的变化范围为2040。D应随m 的变化而变化，当m时，D也应。D1、D2：（D2D1）=（510）%DD1=20、23、25、28、29、34、38,第四节 机械式转向器设计与计算,三、循环球式转向器设计（一）主要尺寸参数的选择1螺杆、钢球、螺母传动副（2）刚球直径d及数量n 影响选取d的因素（常用的标准范围：79）：,第四节 机械式转向器设计与计算,三、循环球式转向器设计（一）主要尺寸参数的选择1螺杆、钢球、螺母传动副（2）刚球直径d及数量n选取d的原则：在保证有足够的承载能力条件下，尽可能取尺寸小些的d。如果是系列产品，要求d的选取规格尽可能少，常用有三种规格已足够。,第四节 机械式转向器设计与计算,三、循环球式转向器设计（一）主要尺寸参数的选择1螺杆、钢球、螺母传动副（2）刚球直径d及数量n影响选取n的因素,第四节 机械式转向器设计与计算,三、循环球式转向器设计（一）主要尺寸参数的选择1螺杆、钢球、螺母传动副（2）刚球直径d及数量nn选择：原则在保证有足够的承载能力的条件下，n应取少些为宜。n的选取范围：n 60粒/环路为保证每个刚球都承载，要求对刚球进行分组（至少 分四组）装配。（同时螺杆、螺母也应当分组）。不包含环流导管中钢球数时，每个环路中的钢球数n用下式计算：,W一个环路中的钢球工作圈数；0螺线导程角，0=58，cos01.0,第四节 机械式转向器设计与计算,三、循环球式转向器设计（一）主要尺寸参数的选择1螺杆、钢球、螺母传动副(3)工作钢球圈数W 环路数：1个或者2个，且多数转向器为两个独立环路。,第四节 机械式转向器设计与计算,三、循环球式转向器设计（一）主要尺寸参数的选择1螺杆、钢球、螺母传动副(3)工作钢球圈数W影响工作钢球圈数W的因素,第四节 机械式转向器设计与计算,三、循环球式转向器设计（一）主要尺寸参数的选择1螺杆、钢球、螺母传动副(3)工作钢球圈数W选取W的原则：在保证螺杆、螺母、钢球有足够的j 强度条件下，将W取少些；m小时W取1.5，m大时，W取得多。W的选取范围：1.5、2.5,第四节 机械式转向器设计与计算,三、循环球式转向器设计（一）主要尺寸参数的选择1螺杆、钢球、螺母传动副(4)滚道截面：单圆弧滚道截面/四段圆弧滚道截面/椭圆滚道截面,第四节 机械式转向器设计与计算,三、循环球式转向器设计（一）主要尺寸参数的选择1螺杆、钢球、螺母传动副(5)接触角：钢球与螺杆滚道接触点的正压力方向与螺杆滚道法面轴线间的夹角称为接触角。接触角影响：轴向力和径向力的分配要求：轴向力和径向力接近，以免影响扇齿齿根处强度。范围：用450的多，少数用500或57.50(BenZ)，此时径向力，轴向力。,第四节 机械式转向器设计与计算,三、循环球式转向器设计（一）主要尺寸参数的选择1螺杆、钢球、螺母传动副（6）螺距P若转向盘转动d，则同时螺母移动ds距离，即 与此同时齿扇转过的弧长也为ds，相应摇臂轴转过则有：与联立，得：,第四节 机械式转向器设计与计算,三、循环球式转向器设计（一）主要尺寸参数的选择1螺杆、钢球、螺母传动副（6）螺距P,第四节 机械式转向器设计与计算,三、循环球式转向器设计（一）主要尺寸参数的选择2齿条、齿扇传动副设计齿扇齿的特点 齿顶圆与齿根圆均有锥度 分度圆d=mz，不变是圆柱 分度圆上的齿厚是变化的 基圆也是一个圆柱,第四节 机械式转向器设计与计算,三、循环球式转向器设计（一）主要尺寸参数的选择2齿条、齿扇传动副设计齿形计算图纸上仅标注基准剖面尺寸即（）剖面尺寸。基准剖面可以选在齿宽内或齿宽外任意剖面处，但一般多选在B/2 处；基准剖面的=0，且向右为正，向左 为负距基准剖面尺寸a0 处的OO剖面的移距系数为 1,第四节 机械式转向器设计与计算,三、循环球式转向器设计（一）主要尺寸参数的选择2齿条、齿扇传动副设计齿形计算,第四节 机械式转向器设计与计算,四、循环球式转向器零件强度计算1.钢球与滚道之间的接触应力,第四节 机械式转向器设计与计算,四、循环球式转向器零件强度计算2.齿的弯曲应力w材料：螺杆、螺母 20CrMnTi渗碳 0.81.45mm 5863HRC,第四节 机械式转向器设计与计算,四、循环球式转向器零件强度计算3.转向摇臂轴直径d材料：20CrMnTi渗碳 0.81.45mm 5863HRC,第四节 机械式转向器设计与计算,四、循环球式转向器零件强度计算4.转向轴,=40005000 N/2,第五节 动力转向机构,一、对动力转向机构的要求1)运动学上随动作用;2)有“路感”；3)F h0.0250.190KN时，动力转向器应开始工作；4)转向盘应能自动回正，并保持汽车在稳定的直线行驶状态；5)工作灵敏，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转向轮转动；7)密封性能好，内外泄漏少。,第五节 动力转向机构,二、动力转向机构布置方案1.分类,第五节 动力转向机构,二、动力转向机构布置方案2.布置方案,第五节 动力转向机构,二、动力转向机构布置方案3.分配阀的结构方案,第五节 动力转向机构,三、动力转向机构的计算1.动力缸的计算,第五节 动力转向机构,三、动力转向机构的计算2.分配滑阀参数的选择,第五节 动力转向机构,三、动力转向机构的计算3.分配阀回位弹簧,第五节 动力转向机构,三、动力转向机构的计算4.评价指标（1）动力转向器作用效能（2）路感（3）转向灵敏度（4）动力转向器静特性,第六节 转向梯形,一、设计转向梯形应满足要求1、内、外轮转角i、o关系正确，保证全部车轮绕一个瞬时转向中心行驶，各车轮作无滑动的纯滚动运动。2、转向轮有足够大的转角，保证给定的D min。3、在汽车上有足够的高度，高于前部h min。,第六节 转向梯形,二、转向梯形结构方案分析,第六节 转向梯形,三、整体式转向梯形结构设计,第六节 转向梯形,四、转向传动结构强度计算1.球头销,第六节 转向梯形,四、转向传动结构强度计算2.转向拉杆,第六节 转向梯形,四、转向传动结构强度计算3.转向摇臂,第七节 转向减振器,一、功用衰减转向轮的摆振/缓和来自路面的冲击载荷二、工作原理,1皮囊 2补偿室 3阀座 4补偿阀及孔 5压缩阀及孔 6活塞 7流通阀及孔 8复原阀及孔,第七节 转向减振器,二、工作原理,第七节 转向减振器,二、工作原理示功图,第八节 转向系结构元件,一、循环球式转向1、调整齿扇齿、齿条齿磨损的机构要求：调整工作方便方案：相当多，常用方案如图78所示,第八节 转向系结构元件,一、循环球式转向2、螺杆滚道长度的确定 螺纹有效工作长度L1：根据转向轮最大转角确定 螺纹全长L：在L1基础上，与两端各加1/21/3圈。工艺需要。,第八节 转向系结构元件,一、循环球式转向3、螺杆和螺母的螺距精度 要求：螺距精度为0.005mm 四螺距误差要求0.015mm 装配时分组进行，常见分四组，少数分八组，同时钢球也分组，以保证传动效率足够高。,第八节 转向系结构元件,一、循环球式转向4、壳体 壳体为容纳螺杆、螺母、齿扇的基础件，要求能容易的从壳体相应的孔装入上述各件。齿扇向两端转动至接近最大位置时，螺母协同钢球进入不完整螺杆上滚道之前，应通过壳体对齿扇限位，防止钢球卡在螺杆槽内。,第八节 转向系结构元件,二、摇臂和摇臂轴的配合转向摇臂与摇臂轴多用锥形三角花键连接，锥形可以保证实现无间隙连接。摇臂与摇臂轴上应打印安装记号。,
