第七章 汽車轉(zhuǎn)向系

第七章轉(zhuǎn)向系設(shè)計第一節(jié)概述第二節(jié)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器方案分析（重點）第三節(jié)轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù)（重點）第四節(jié)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器設(shè)計與計算（重點、難點）第五節(jié)動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)（自學(xué)）第六節(jié)轉(zhuǎn)向梯形第七節(jié)轉(zhuǎn)向減振器（自學(xué)）第八節(jié)轉(zhuǎn)向系結(jié)構(gòu)元件（自學(xué)）作用

汽車轉(zhuǎn)向系是用來保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)。在汽車轉(zhuǎn)向行駛時，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)：轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、萬向節(jié)（上、下）、轉(zhuǎn)向傳動軸。

轉(zhuǎn)向器：內(nèi)設(shè)減速傳動副，作用減速增扭。

轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)：轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向主拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向梯形。組成轉(zhuǎn)向裝置方向盤轉(zhuǎn)向柱（萬向節(jié)）循環(huán)球式方向機(jī)

主要由轉(zhuǎn)向器殼體、轉(zhuǎn)向齒輪、轉(zhuǎn)向齒條等組成。轉(zhuǎn)向器通過轉(zhuǎn)向器殼體的兩端用螺栓固定在車身（車架）上。

動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是兼用駕駛員體力和發(fā)動機(jī)（或電動機(jī)）的動力作為轉(zhuǎn)向能源的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加設(shè)一套轉(zhuǎn)向加力裝置而形成的。

電動式動力轉(zhuǎn)向系由電控單元、電源、電機(jī)、轉(zhuǎn)向齒輪機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向傳感器組成。第一節(jié)概述一、設(shè)計要求1．汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，全部車輪應(yīng)繞瞬時轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應(yīng)有側(cè)滑2．轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向輪應(yīng)能自動回正3．轉(zhuǎn)向輪不得產(chǎn)生自振，轉(zhuǎn)向盤沒有擺動4．轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)共同工作時，由于運(yùn)動不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺動應(yīng)最小5．保證汽車有較高的機(jī)動性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力6．操縱輕便7．逆效率低，反沖小8．有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)9．有防傷裝置10．保證轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動方向一致一、設(shè)計要求一、設(shè)計要求轉(zhuǎn)向操縱的輕便性通常用轉(zhuǎn)向時駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的切向力大小和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動圈數(shù)多少兩項指標(biāo)來評價。第一節(jié)概述三、分類1.轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向器機(jī)械轉(zhuǎn)向器動力轉(zhuǎn)向齒輪齒條式循環(huán)球式蝸桿滾輪式蝸桿指銷式液壓式氣壓式電動式滑閥式轉(zhuǎn)閥式轉(zhuǎn)向傳動軸助力齒條助力主動齒輪助力第二節(jié)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器方案分析一、機(jī)械式轉(zhuǎn)向器方案分析第二節(jié)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器方案分析一、機(jī)械式轉(zhuǎn)向器方案分析**殼體用鋁合金

一、機(jī)械式轉(zhuǎn)向器方案分析1.齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器1）齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器輸入齒輪位置與輸出特點側(cè)面輸入、中間輸出:由于拉桿長度增加，車輪上、下跳動時位桿擺角減小，有利于減少車輪上、下跳動時轉(zhuǎn)向系與懸架系的運(yùn)動干涉。兩側(cè)輸出:容易與懸架系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動干涉。

側(cè)面輸入、一端輸出:齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，常用在平頭微型貨車上。一、機(jī)械式轉(zhuǎn)向器方案分析1.齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器1）齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器輸入齒輪位置與輸出特點一、機(jī)械式轉(zhuǎn)向器方案分析1.齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器2）齒條斷面形狀一、機(jī)械式轉(zhuǎn)向器方案分析1.齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器3）

齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的布置形式

轉(zhuǎn)向器在前軸后方,后置梯形轉(zhuǎn)向器在前軸后方,前置梯形轉(zhuǎn)向器在前軸前方,前置梯形轉(zhuǎn)向器在前軸前方,后置梯形第二節(jié)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器方案分析二、防傷安全機(jī)構(gòu)方案分析交通事故表明:汽車發(fā)生碰撞事故,可以是正面、側(cè)面、追尾等碰撞事故,其中正面碰撞事故約占40%～50%。正面碰撞事故中，駕駛員可能與轉(zhuǎn)向盤、儀表板、轉(zhuǎn)向管柱、擋風(fēng)玻璃、室內(nèi)后視鏡、遮陽板等發(fā)生身體接觸，并遭受傷害，嚴(yán)重時會傷及性命，因此采取有效措施保護(hù)駕駛員是十分重要的。當(dāng)前采取的有效措施主要有：安全帶、安全氣囊、轉(zhuǎn)向系中的防傷安全機(jī)構(gòu)。有的汽車上述三種措施同時并存（如檔次比較高的轎車），有些汽車只有其中的1～2項（如平頭客車只有安全帶，貨車中當(dāng)前也很少裝氣囊）。第二節(jié)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器方案分析二、防傷安全機(jī)構(gòu)方案分析1、法規(guī)要求1）汽車以48km/h的速度正面同其它物體碰撞的實驗中，轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向軸在水平方向的后移量不得大于127mm；2）在臺架試驗中用人體模型的驅(qū)干以6.7m/s的速度碰撞轉(zhuǎn)向盤時，作用在轉(zhuǎn)向盤上的水平力不得超過11123N（GB11557—1998）2、防傷安全機(jī)構(gòu)安全帶可以有效地限制乘員前移量。安全氣囊可以在乘員頭、胸前部與轉(zhuǎn)向盤（儀表板）之間形成隔離帶，緩和沖擊，減緩乘員前移量和前移速度。而在駕駛員不可避免的與轉(zhuǎn)向盤發(fā)生身體接觸時，防傷安全機(jī)構(gòu)可以減輕駕駛員受到傷害的程度。二、防傷安全機(jī)構(gòu)方案分析P1—作用在轉(zhuǎn)向軸上的功率P2—轉(zhuǎn)向器中的磨檫功率P3—作用在轉(zhuǎn)向搖臂軸上的功率為了保證轉(zhuǎn)向時駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤輕便

P1—作用在轉(zhuǎn)向軸上的功率P2—轉(zhuǎn)向器中的磨檫功率P3—作用在轉(zhuǎn)向搖臂軸上的功率為了保證回正性好第三節(jié)轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù)二、傳動比的變化特性轉(zhuǎn)向系傳動比轉(zhuǎn)向系傳動比轉(zhuǎn)向系力傳動比轉(zhuǎn)向系角傳動比轉(zhuǎn)向器角傳動比轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)角傳動比如果忽略磨擦損失，根據(jù)能量地恒原理，2Mr/Mh可用下式表示a↑則ip↓，∴轉(zhuǎn)向沉重，為此應(yīng)減少a措施：二、傳動比的變化特性4.轉(zhuǎn)向器角傳動比及其變化規(guī)律齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器變速比工作原理如下：當(dāng)齒條中部α2的為最大向兩端逐漸減小時，則齒條中部的m2也應(yīng)當(dāng)大于兩端處齒的m2。α2大時，齒槽上寬下窄，節(jié)圓半徑R1也大，反之亦反之。pb2=πm2cosa2α2變化范圍120～350齒輪齒條齒輪齒條轉(zhuǎn)向器變速比工作原理

圖7-9是根據(jù)上述原理設(shè)計的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器齒條壓力角變化示例。從圖中可以看到，位于齒條中部位置處的齒有較大壓力角和齒輪有較大的節(jié)圓半徑，而齒條齒有寬的齒根和淺斜的齒側(cè)面；位于齒條兩端的齒，齒根減薄，齒有陡斜的齒側(cè)面。

齒條中部齒齒條兩端齒轉(zhuǎn)向器角傳動比的選擇

轉(zhuǎn)向器角傳動比可以設(shè)計成減小、增大或保持不變的。影響選取角傳動比變化規(guī)律的主要因素是轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷大小和對汽車機(jī)動能力的要求。若轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷小或采用動力轉(zhuǎn)向的汽車，不存在轉(zhuǎn)向沉重問題，應(yīng)取較小的轉(zhuǎn)向器角傳動比，以提高汽車的機(jī)動能力。

若轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷大，汽車低速急轉(zhuǎn)彎時的操縱輕便性問題突出，應(yīng)選用大些的轉(zhuǎn)向器角傳動比。汽車以較高車速轉(zhuǎn)向行駛時，要求轉(zhuǎn)向輪反應(yīng)靈敏，轉(zhuǎn)向器角傳動比應(yīng)當(dāng)小些。汽車高速直線行駛時，轉(zhuǎn)向盤在中間位置的轉(zhuǎn)向器角傳動比不宜過小。否則轉(zhuǎn)向過分敏感，使駕駛員精確控制轉(zhuǎn)向輪的運(yùn)動有困難。

iw增大以后，轉(zhuǎn)向器輸出的力F↑，相對降低了轉(zhuǎn)向傳動裝置剛度，轉(zhuǎn)向器尺寸大、質(zhì)量↑，在汽車上難于布置∴希望iw取小些。當(dāng)iw過于小時，帶來如下問題：1）對φ的變化特敏感，駕駛員難于準(zhǔn)確控制汽車方向高速轉(zhuǎn)彎行駛?cè)菀装l(fā)生交通事故。2）壞路上行駛反沖效應(yīng)增大第三節(jié)轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù)三、轉(zhuǎn)向器傳動副的傳動間隙△t1．轉(zhuǎn)向器傳動間隙特性各式轉(zhuǎn)向器的傳動副，如：齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪與齒條傳動副；循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的齒扇與齒條傳動副；曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器的指銷與蝸桿傳動副等之間的間隙隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的變化而變化，并稱之為轉(zhuǎn)向器傳動副傳動間隙特性。當(dāng)各處△t=0時，易卡住現(xiàn)象，壽命短。當(dāng)各處△t≠0時，車輪會偏離行駛位置。理想的傳動間隙應(yīng)當(dāng)滿足下述條件：于直線行駛位置處△t=0離開直線行駛位置處△t≠0，且逐漸增大曲線1—新的調(diào)整正常的間隙特性，曲線2—使用磨損后的間隙特性，曲線3—重新調(diào)整后的間隙特性第三節(jié)轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù)三、轉(zhuǎn)向器傳動副的傳動間隙△t2．如何獲得傳動間隙特性（1）

循環(huán)球齒條齒扇式①

偏心法特點：齒條的齒槽等寬；齒扇的齒變厚，且中間齒厚為正常齒，兩側(cè)齒齒厚依次減薄。若O1與O重合加工后齒扇各齒齒厚相同若O1與O不重合存在偏心距n，則各齒齒厚不同。第三節(jié)轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù)三、轉(zhuǎn)向器傳動副的傳動間隙△t2．如何獲得傳動間隙特性（1）

循環(huán)球齒條齒扇式——偏心法αd—端面壓力角；R—節(jié)圓半徑；βp—搖臂軸轉(zhuǎn)角；R1—中心O1到b點的距離；n—偏心距。第三節(jié)轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù)三、轉(zhuǎn)向器傳動副的傳動間隙△t2．如何獲得傳動間隙特性（1）

循環(huán)球齒條齒扇式——偏心法傳動間隙特性與n有下述關(guān)系搖臂軸轉(zhuǎn)角第三節(jié)轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù)三、轉(zhuǎn)向器傳動副的傳動間隙△t2．如何獲得傳動間隙特性（2）

循環(huán)球齒條齒扇式——修正齒條法特點：齒扇齒各齒厚度相同；齒條的兩側(cè)齒槽比中間齒槽稍寬，且使兩側(cè)齒槽的寬度相同，磨損后不至于卡死。小模數(shù)時取下限。當(dāng)用上式計算的Fh>700N時，已超出人體生理極限，此時對轉(zhuǎn)向器及動力缸以前的零件的計算載荷，取Fh=700N第四節(jié)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器設(shè)計與計算二、齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計1．主要參數(shù)的確定2.

強(qiáng)度驗算：抗彎強(qiáng)度；接觸強(qiáng)度3.

材料：齒輪16MnCr5、15CrNi6齒條45鋼殼體鋁合金第四節(jié)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器設(shè)計與計算三、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計（一）主要尺寸參數(shù)的選擇1．螺桿、鋼球、螺母傳動副（1）鋼球中心距D、螺桿外徑D1、螺母內(nèi)徑D2第四節(jié)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器設(shè)計與計算三、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計（一）主要尺寸參數(shù)的選擇1．螺桿、鋼球、螺母傳動副（1）鋼球中心距D、螺桿外徑D1、螺母內(nèi)徑D2①

D：是指螺桿兩側(cè)剛球中心間的距離，是轉(zhuǎn)向器的基本尺寸。影響選取D的因素有：D1、D2和剛球直徑d。如果D選取的比較大，轉(zhuǎn)向器的尺寸及質(zhì)量均增加，螺桿尺寸也隨之增大，表明剛度大，承載能力強(qiáng)。要求：在保證有足夠的強(qiáng)度、剛度條件下為減小尺寸、質(zhì)量應(yīng)盡可能選取小一些的D，D的變化范圍為20～40㎜。D應(yīng)隨m的變化而變化，當(dāng)m↑時，D也應(yīng)↑。②

D1、D2：（D2－D1）=（5～10）%DD1=20、23、25、28、29、34、38三、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計（一）主要尺寸參數(shù)的選擇1．螺桿、鋼球、螺母傳動副（2）剛球直徑d及數(shù)量n①

影響選取d的因素（常用的標(biāo)準(zhǔn)范圍：7～9㎜）：選取d的原則：在保證有足夠的承載能力條件下，盡可能取尺寸小些的d。如果是系列產(chǎn)品，要求d的選取規(guī)格盡可能少，常用有三種規(guī)格已足夠。三、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計（一）主要尺寸參數(shù)的選擇1．螺桿、鋼球、螺母傳動副（2）剛球直徑d及數(shù)量n②影響選取n的因素三、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計（一）主要尺寸參數(shù)的選擇1．螺桿、鋼球、螺母傳動副（2）剛球直徑d及數(shù)量nn選擇：原則在保證有足夠的承載能力的條件下，n應(yīng)取少些為宜。n的選取范圍：n≤60粒/環(huán)路為保證每個剛球都承載，要求對剛球進(jìn)行分組（至少分四組）裝配。（同時螺桿、螺母也應(yīng)當(dāng)分組）。不包含環(huán)流導(dǎo)管中鋼球數(shù)時，每個環(huán)路中的鋼球數(shù)n用下式計算：W—一個環(huán)路中的鋼球工作圈數(shù)；α0—螺線導(dǎo)程角，∵α0=5°~8°，∴cosα0≈1.0三、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計（一）主要尺寸參數(shù)的選擇1．螺桿、鋼球、螺母傳動副(3)工作鋼球圈數(shù)W

環(huán)路數(shù)：1個或者2個，且多數(shù)轉(zhuǎn)向器為兩個獨立環(huán)路。三、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計（一）主要尺寸參數(shù)的選擇1．螺桿、鋼球、螺母傳動副(3)工作鋼球圈數(shù)W選取W的原則：在保證螺桿、螺母、鋼球有足夠的σj強(qiáng)度條件下，將W取少些；m小時W取1.5，m大時，W取得多。W的選取范圍：1.5、2.5影響工作鋼球圈數(shù)W的因素三、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計（一）主要尺寸參數(shù)的選擇1．螺桿、鋼球、螺母傳動副(4)滾道截面：單圓弧滾道截面/四段圓弧滾道截面/橢圓滾道截面三、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計（一）主要尺寸參數(shù)的選擇1．螺桿、鋼球、螺母傳動副(5)接觸角：鋼球與螺桿滾道接觸點的正壓力方向與螺桿滾道法面軸線間的夾角稱為接觸角θ。接觸角θ影響：軸向力和徑向力的分配要求：軸向力和徑向力接近，以免影響扇齒齒根處強(qiáng)度。范圍：用450的多，少數(shù)用500或57.50(BenZ)，此時徑向力↑，軸向力↓。三、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計（一）主要尺寸參數(shù)的選擇1．螺桿、鋼球、螺母傳動副（6）螺距P（一般在8-11mm?。┤艮D(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動dφ，則同時螺母移動ds距離，即與此同時齒扇轉(zhuǎn)過的弧長也為ds，相應(yīng)搖臂軸轉(zhuǎn)過則有：三、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計（一）主要尺寸參數(shù)的選擇2．齒條、齒扇傳動副設(shè)計變厚齒扇齒(為獲得傳動間隙)的特點①

齒頂圓與齒根圓均有錐度②

∵分度圓d=mz，∴不變是圓柱

③

分度圓上的齒厚是變化的

④

基圓也是一個圓柱三、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計（一）主要尺寸參數(shù)的選擇2．齒條、齒扇傳動副設(shè)計——齒形計算圖紙上僅標(biāo)注基準(zhǔn)剖面尺寸即（Ⅰ—Ⅰ）剖面尺寸?；鶞?zhǔn)剖面可以選在齒寬內(nèi)或齒寬外任意剖面處，但一般多選在B/2處；基準(zhǔn)剖面的ζ=0，且向右為正ζ，向左ζ為負(fù)距基準(zhǔn)剖面尺寸a0處的O—O剖面的移距系數(shù)為ζ

1切削角第四節(jié)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器設(shè)計與計算四、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件強(qiáng)度計算1.

鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力σ第四節(jié)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器設(shè)計與計算四、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件強(qiáng)度計算2.

齒的彎曲應(yīng)力σw材料：螺桿、螺母20CrMnTi滲碳0.8~1.45mm58~63HRC第四節(jié)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器設(shè)計與計算四、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件強(qiáng)度計算3.轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑d材料：20CrMnTi滲碳0.8~1.45mm58~63HRC第四節(jié)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器設(shè)計與計算四、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件強(qiáng)度計算4.轉(zhuǎn)向軸[τ]=4000～5000N/㎝2第六節(jié)轉(zhuǎn)向梯形3）在汽車上有足夠的高度，高于前部hm