汽车转向器毕业论文设计

第一章绪论
1.1汽车转向器的功能及重要性
汽车在行驶过程中需要改变行驶方向时，驾驶员通过汽车转向系使汽车转向桥（一般是前桥）上的车轮相对于汽车纵轴线偏转一定的角度，使汽车达到转向的目的。

另外，当汽车直线行驶时，转向轮往往会受到路面侧向干扰力的作用而自动偏转，从而改变了原来的行驶方向，此时，驾驶员也可以通过汽车转向系使转向轮向相反的方向偏转，恢复汽车原来的行驶方向。

汽车转向系的功用是改变和保持汽车的行驶方向，而作为转向系重要执行机构的转向器的作用是：将转向盘的转动变为齿条轴的直线运动或转向摇臂的摆动，降低传动速度，增大转向力矩并改变转向力矩的传动方向。

1.2汽车转向器的主要性能参数
1.2.1转向器的效率
转向器的输出功率与输入功率之比，称为转向器的传动效率。

功率P1从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率称为正效率，用符号η+表示，η+=( P1—P2)／P1；反之称为逆效率，用符号η－表示，η－ =(P3—P2)／P3。

式中，P2为转向器中的摩擦功率；P3为作用在转向摇臂轴上的功率。

为了保证转向时驾驶员转动转向盘轻便，要求正效率高。

为了保证汽车转向后转向轮和转向盘能自动返回到直线行驶位置，又需要有一定的逆效率。

为了减轻在不平路面上行驶时驾驶员的疲劳，车轮与路面之间的作用力传至转向盘上要尽可能小，防止打手又要求此逆效率尽可能低。

转向器的正效率η+
影响转向器正效率的因素有：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、结构特点与正效率
在前述四种转向器中，齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高，而蜗杆指销式特别是蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显的低些。

同一类型转向器，因结构不同其正效率也不一样。

另外两种结构的转向器正效率，根据试验结果分别为70％和75％。

转向摇臂轴轴承的形式对效率也有影响，用滚针轴承比用滑动轴承可使正逆效率提高约10％。

(2) 转向器的结构参数与正效率
如果忽略轴承和其它地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于蜗杆和螺杆类转向器，其正效率可用下式计算
η+=tanα／tan(α+ρ) …………………………………（1-1）式中，α为蜗杆(或螺杆)的螺线导程角；
ρ为摩擦角，ρ=arctanf(f为摩擦因数)。

2）转向器逆效率η
－
根据逆效率大小不同，转向器又有可逆式、极限可逆式和不可逆式之分。

路面作用在车轮上的力，经过转向系可大部分传递到转向盘，这种逆效率较高的转向器属于可逆式。

它能保证转向后，转向轮和转向盘自动回正。

这既减轻了驾驶员的疲劳，又提高了行驶安全性。

但是，在不平路面上行驶时，车轮受到的冲击力，能大部分传至转向盘，造成驾驶员“打手”，使之精神状态紧张。

如果长时间在不平路面上行驶，易使驾驶员疲劳，影响安全驾驶。

属于可逆式的转向器有齿轮齿条式和循环球式转向器。

不可逆式转向器，是指车轮受到的冲击力不能传到转向盘的转向器。

该冲击力由转向传动机构的零件承受，因而这些零件容易损坏。

同时，它既不能保证车轮自动回正，驾驶员又缺乏路面感觉,因此，现代汽车不采用这种转向器。

极限可逆式转向器介于上述两者之间。

在车轮受到冲击力作用时，此力只有较小一部分传至转向盘。

它的逆效率较低，在不平路面上行驶时，驾驶员并不十分紧张，同时转向传动机构的零件所承受的冲击力也比不可逆式转向器要小。

如果忽略轴承和其它地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，则逆效率可用下式计算
= tan(α-ρ) tanα………………………………(1-2)
H
-
式(2—1)和式(2—2)表明：增加导程角α,正、逆效率均增大。

受η-增大的影响，α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。

通常螺线导程角选在8°～10°之间。

2.2.2传动比的变化特性
1）转向系传动比
转向系的传动比包括转向系的角传动比和转向系的力传动比
从轮胎接地面中心作用在两个转向轮上的合力2Fw与作用在转向盘上的手力之比，称为力传动比，即 ip=2Fw／Fh
转向盘转动角速度ωw 与同侧转向节偏转角速度ωk 之比，称为转向系角传动比，即iwo=ωw/ωk=( dφ/dt)/( dβk dt),式中，dφ为转向盘转角增量；dβk为转向节转角增量；dt为时间增量。

它又由转向器角传动比iw 和转向传动机构角传动比iw′所组成，即 iwo=iw iw′。

转向盘角速度ωw与摇臂轴转动角速度ωp之比，称为转向器角传动比iw, 即iw=ωw/ωp= (dφ/dt)/(dβp/dt),式中,dβp为摇臂轴转角增量。

此定义适用于除齿轮齿条式之外的转向器。

摇臂轴转动角速度ωp与同侧转向节偏转角速度ωk之比，称为转向传动机构的角传动比iw′，即iw=ωp/ωk= (dβp/dt)/ (dβk/dt)。

2）力传动比与转向系角传动比的关系
轮胎与地面之间的转向阻力Fw和作用在转向节上的转向阻力矩 Mr之间有如下关系
Fw= Mr/α……………………………………（1-3）式中，α为主销偏移距，指从转向节主销轴线的延长线与支承平面的交点至车轮中心平面与支承平面交线间的距离。

作用在转向盘上的手力Fh可用下式表示
Fh=2Mh/Dsw……………………………………(1-4）式中，Mh为作用在转向盘上的力矩；Dsw为转向盘直径。

将式(2—3)、式(2—4)代入 ip=2 Fw／Fh 后得到
ip= MrDsw/M hα………………………………（1-5）分析式(2—5)可知，当主销偏移距为a时，力传动比 ip 应取大些才能保证转向轻便。

通常轿车的 a 值在0．4～0．6倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取，
而货车的d值在40～60mm范围内选取。

转向盘直径 Dsw 根据车型不同在JB4505—86转向盘尺寸标准中规定的系列内选取。

如果忽略摩擦损失，根据能量守恒原理，2Mr／Mh可用下式表示
2Mr／Mh= dφ／dβk……………………………（1-6）将式(2—6)代人式(2—5)后得到
ip=iwoDsw/2α…………………………………（1-7）当α 和 Dsw 不变时，力传动比 ip 越大，虽然转向越轻，但 iwo 也越大，表明转向不灵敏。

3）转向系的角传动比iwo
转向传动机构角传动比，除用 iw′=dβp／dβk表示以外，还可以近似地用转向节臂臂长L2与摇臂臂长Ll之比来表示，即 iw′=dβp／dβk≈L2／Ll 。

现代汽车结构中，L2与Ll的比值大约在0．85～1．1之间，可近似认为其比值为 iwo≈iw=dφ／dβ。

由此可见，研究转向系的传动比特性，只需研究转向器的角传动比iw 及其变化规律即可。

4）转向器角传动比及其变化规律
式(2—7)表明：增大角传动比可以增加力传动比。

从 ip=2Fw／Fh式可知，当Fw一定时，增大ip能减小作用在转向盘上的手力Fh，使操纵轻便。

考虑到 iwo≈iw ，由iwo 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传动比成反比。

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，使转向操纵时间增长，汽车转向灵敏性降低，所以“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、蜗杆指销式转向器都可以制成变速比转向器。

循环球齿条齿扇式转向器的角传动比iw =2πr／P。

因结构原因，螺距 P 不能变化，但可以用改变齿扇啮合半径 r 的方法，达到使循环球齿条齿扇式转向器实现变速比的目的。

随转向盘转角变化，转向器角传动比可以设计成减小、增大或保持不变的。

影响选取角传动比变化规律的因素，主要是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，在转向盘全转角范围内，驾驶员不存在转向沉重问题。

装用动力转向的汽车，因转向阻力矩由动力装置克服，所以在上述两种情况下，
敏性。

一般说来，转向盘从相应于汽车直线行驶的中间位置向任一方向的自由行程最好不超过10°～15°。

当零件磨损严重到十转向盘自由行程超过25°～35°时，必须进行调整。

2）转向盘自由行程过大的原因
造成转向盘自由行程过大的原因，主要有如下几个方面：
(1)转向器蜗杆与滚轮(或齿扇、指销等)间隙过大；
(2)转向传动装置松动；
(3)转向传动装置的球铰链间隙过大(松动)；
(4)前轮轴承或转向节主销与衬套配合不紧等。

1.3 汽车转向器的要求
（1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕顺时针方向旋转，任何车轮不应有侧滑。

不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。

（2）汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的情况下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶。

（3）汽车在任何行驶状态下，转向轮不得产生振动，转向盘没有摆动。

（4）转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，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，具有快速和小转弯能力。

（6）操纵轻便。

（7）转向轮碰到障碍物以后，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的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。

（9）在车祸中，当转向轴和转向盘由于车架或车身的变形而后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。

（10）进行运动校核，保证转向盘与转向轮转动方向一致。

正确设计转向梯形机构，可以使第一项得到保证。

转向系中设有转向减震器时，能够防止转向轮产生振动，同时又能使传动转向盘上的反冲力明显下降。

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，并要达到按前外轮车轮轨迹计算，其最小转弯半径能达到汽车轴距的2-2.5倍。

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操纵轻便性。

没有动力转向的轿车，在行驶中转向，此力应为50-100N；有动力转向时，此力在20-50N。

当货车从直线行驶状态，以10Km/h的速度在柏油路或水泥的水平路段上转入沿半径12m的圆周行驶，且路面干燥，若转向系内没有装动力转向器，上述切向力不得超过250N;有动力转向器时，不得超过120N。

轿车转向盘从中间位置转到每一端的圈数不得超过2.0圈，货车则要求不超过3.0圈。

1.4 汽车转向器的工作原理
1.4.1 动力转向系统的工作原理
动力转向系统是在机械式转向系统的基础上加一套动力辅助装置组成的。

如下图，转向油泵6安装在发动机上，由曲轴通过皮带驱动并向外输出液压油。

转向油罐5有进、出油管接头，通过油管分别与转向油泵和转向控制阀2联接。

转向控制阀用以改变油路。

机械转向器和缸体形成左右两个工作腔，它们分别通过油道和转向控制阀联接。

当汽车直线行驶时，转向控制阀2将转向油泵6泵出来的工作液与油罐相通，转向油泵处于卸荷状态，动力转向器不起助力作用。

当汽车需要向右转向时，驾驶员向右转动转向盘，转向控制阀将转向油泵出来的工作液与R腔接通，将L腔与油罐接通，在油压的作用下，活塞向下移动，通过传动结构使左、右轮向右偏转，从而实现右转向。

向左转向时，情况与上述相反。

图1-2 液压动力转向系统示意图
l-转向操纵机构2-转向控制阀3-机械转向器与转向动力缸总成4-转向传动结构5-转向油罐6-转向油泵R-转向动力缸右腔L-转向动力缸左腔
1.4.2 转阀式液压助力转向器工作原理
汽车直线行驶时，阀芯与阀套的位置关系如图中所示。

自泵来的液压油经阀芯与阀套间的间隙，流向动力缸两端，动力缸两端油压相等。

驾驶员转动方向盘时，阀芯与阀套的相对位置发生改变，使得大部分或全部来自泵的液压油流入动力缸某一端，而另一端与回油管路接通，动力缸促进汽车左传或右转。

图1-3 转阀式液压助力转向器工作原理
当汽车直线行驶时，转发处于中间位置，如图2-7（b）所示。

来自转向油泵2的工作液向阀套8的3个进油孔供油，油液通过预开隙进入阀芯7的凹槽，再通过阀芯的回油孔进入阀芯7与扭力杆6间的空腔，再经过阀套8的回油孔通过回油管流回油罐1，形成油路循环。

另一回路式由油泵2压入阀套8的由经过预开隙进入阀套左右两侧的出油孔。

由于左、右油缸均有油，且油压相等，更由于油路连通回油道而建立不起高压，因此转向助力器没有助力作用，这即是直线行驶状态。

当汽车右转弯时，转向盘带动转向轴转动并带动扭力杆6顺时针转动（如图2-7（a）所示），扭力杆端头与阀芯7以销钉连接，因而带动阀芯转动一个角度，这是阀套8的进油口一侧的预开隙被关闭，另一侧的预开隙开度变大，压力油压向转向器右缸，活塞向伸出转向器方向移动，也即将齿条推出转向器，从而起到了转向助力的作用，汽车向右转弯。

活塞左缸的油液被压出，通过阀套孔、阀芯及阀芯与扭力杆间的间隙流回转向油罐1。

当汽车左转弯时，转向盘带动转向轴转动并带动扭力杆6反时针转动（如图2-7（c）所示）。

扭力杆端头与阀芯7连接，因而带动阀芯转动一个角度，这是阀套8的进油口一侧的预开隙被关闭，另一侧的预开隙开度变大，压力油压向转向器左缸，活塞向缩进转向器方向移动，也即将齿条推进转向器，从而起到了转
向助力的作用，汽车向左转弯。

活塞右缸的油液被压出，通过阀套孔、阀芯及阀芯与扭力杆间的间隙流回转向油罐1。

当转向盘停在某一位置不再继续转动时，阀套随小齿轮在液力和扭力杆弹力的作用下，沿转向盘转动方向旋转一个角度，使之与阀芯的相对角位移量减小，左、右油缸油压差减小，但仍有一定的助力作用。

此时的助力转矩与车轮的回正力矩相平衡，使车轮维持在某一转向位置上。

在转向过程中，如果转向盘转动过快，阀套与阀芯的相对角位移量也大，左、右动力腔的油压差也相应加大，前轮偏转的速度也加快，如转向盘转动速度慢，前轮偏转的也慢，若转向盘停在某一位置上不变，对应着前轮也停在某一位置上不变。

此即称动力转向的“渐进随动作用”。

如果驾驶员放松转向盘，阀芯回到中间位置，失去了助力作用，此时转向轮在回正力矩的作用下自动回位。

当汽车直线行驶偶遇外界阻力使转向轮发生偏转时，阻力矩通过转向传动机构、齿轮齿条转向器、阀套下部销轴作用在阀套上，使之与阀芯之间产生相对角位移，这样使动力缸左、右腔油压不等，产生了与转向轮转向方向相反的助力作用。

在此力的作用下，转向轮迅速回正，保证了汽车直线行驶的稳定性。

一旦液压助力装置失效，该动力转向器即变成机械转向器。

此时转动转向盘，通过转向柱带动阀芯转动，阀芯下端边缘有弧形缺口，转动一定角度后，带动小齿轮转动，再通过齿条传给左右横拉杆，即可实现汽车转向。

第二章总体方案设计
2.1 转向器设计的分类
转向器按结构形式可分为多种类型。

历史上曾出现过许多种形式的转向器，目前较常用的有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、循环球曲柄指销式、蜗杆滚轮式等。

其中第二、第四种分别是第一、第三种的变形形式，而蜗杆滚轮式则更少见。

如果按照助力形式，又可以分为机械式（无助力），和动力式（有助力）两种，其中动力转向器又可以分为气压动力式、液压动力式、电动助力式、电液助力式等种类。

2.1.1齿轮齿条式转向器
它是一种最常见的转向器。

其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条，由与转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。

转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。

有时，靠齿条来直接带动横拉杆，就可使转向轮转向。

所以，这是一种最简单的转向器。

在汽车上得到广泛应用。

与其它形式转向器比较，齿轮齿条式转向器最主要的优点是：结构简单、紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器的质量比较小；传动效率高达90％；齿轮与齿条之间因磨损出现间隙后，利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧，可自动消除齿间间隙，这不仅可以提高转向系统的刚度，还可以防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用的体积小；没有转向摇臂和直拉杆，所以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：因逆效率高(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，称之为反冲。

反冲现象会使驾驶员精神紧张，并难以准确控制汽车行驶方向，转向盘突然转动又会造成打手，对驾驶员造成伤害。

2.1.2 蜗杆曲柄销式转向器
它是以蜗杆为主动件，曲柄销为从动件的转向器。

蜗杆具有梯形螺纹，手指状的锥形指销用轴承支承在曲柄上，曲柄与转向摇臂轴制成一体。

转向时，通过转向盘转动蜗杆、嵌于蜗杆螺旋槽中的锥形指销一边自转，一边绕转向摇臂轴做圆弧运动，从而带动曲柄和转向垂臂摆动，再通过转向传动机构使转向轮偏转。

这种转向器通常用于转向力较大的载货汽车上。

2.1.3 循环球式转向器
循环球式：这种转向装置是由齿轮机构将来自转向盘的旋转力进行减速，使转向盘的旋转运动变为涡轮蜗杆的旋转运动，滚珠螺杆和螺母夹着钢球啮合，因而滚珠螺杆的旋转运动变为直线运动，螺母再与扇形齿轮啮合，直线运动再次变为旋转运动，使连杆臂摇动，连杆臂再使连动拉杆和横拉杆做直线运动，改变车轮的方向。

这是一种古典的机构，现代轿车已大多不再使用，但又被最新方式的助力转向装置所应用。

它的原理相当于
利用了螺母与螺栓在旋转过程中产生的相对移动，而在螺纹与螺纹之间夹入了钢球以减小阻力，所有钢球在一个首尾相连的封闭的螺旋曲线内滚动，循环球式故而得名。

循环球式转向器的优点是：在螺杆和螺母之间因为有可以循环流动的钢球，将滑动摩擦变为滚动摩擦，因而传动效率可达到75％～85％；在结构和工艺上采取措施，包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度和螺杆、螺母上的螺旋槽经淬火和磨削加工，使之有足够的硬度和耐磨损性能，可保证有足够的使用寿命；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工作容易进行；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。

本次设计主要以循环球式转向器为主。

2.2 转向器方案分析
循环球式转向器又称为综合式转向器（因为它由两级传动副组成），是目前国内、外汽车上较为流行的一种结构形式。

循环球式转向器中一般有两级传动副，第一级是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，第二级是由螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的齿条-齿扇传动副。

转向时，转动转向盘，与转向轴连为一体的螺杆带动方形螺母作轴向移动（因螺杆在轴向方向固定在转向器壳上），螺母的下端制成齿条，因而能带动与转向摇臂轴做成一体的齿扇的转动。

图3-1所示为一循环球式齿条-齿扇转向器。

转向螺杆的轴径支撑在两个角接触球轴承上，轴承紧度可用调整垫片调整。

转向螺母外侧的下平面加工成齿条，与齿扇轴（即摇臂轴）上的齿扇啮合。

可见，转向螺母即是第一级传动副的从动件，也是第二级传动副（齿条-齿扇传动副）的主动件（齿条）。

通过转向盘和转向轴转动转向螺杆时，转向螺母不能转动，只能轴向移动，并驱使齿扇轴转动。

1转向摇臂 2向心推力球轴承 3螺杆副总成 4壳体组件 5螺栓 6上盖调整垫片8上盖 9柱管夹子 10螺杆油封 11铁丝 12顶丝 13柱管 14转向轴组件 15支承套16自攻螺钉17螺母M12X1.25 18螺母MB 19螺栓20垫圈21滤气螺塞
图3-1 循环球式齿条-齿扇转向器
为了减少转向螺杆和转向螺母之间的摩擦和磨损，二者的螺纹制成半圆形凹槽，并不直接接触，其间装有许多钢球，从而将滑动摩擦变为滚动摩擦。

转向螺杆和螺母上都加工出断面轮廓为两段或三段不同心圆弧组成近似半圆的螺旋槽。

两者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面的螺旋管状通道，这样可以使转向螺母和转向螺杆轴向定位好，滚道和钢球间有间隙，可以用来贮存碎屑和润滑油，有助于减少螺母和螺杆之间的磨损。

螺母侧面有两对通孔，可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内。

两根U形钢球导管的两端插入螺母侧面的两对通孔中，导管内也装满了钢球。

这样两根导管和螺母内的螺旋管状通道组成两条各自独立的封闭的钢球“流道”。

转向螺杆转动时，通过钢球将力传给转向螺母，螺母即沿轴向移动。

同时，在螺杆与螺母两者和钢球间的摩擦力偶作用下，所有钢球便在螺旋管状通道内滚动，形成“球流”。

钢球在管状通道内绕行1.5周后，流出螺母而进入导管的一端，再由导管另一端流回螺旋管状通道。

因此，在转向器工作时，两列钢球只是在各自封闭的“流道”内循环，而不致脱出。

与齿条相啮合的齿扇，其齿厚是在分度圆上沿齿扇轴线按线性关系变化的，故为变厚齿扇。

只要使齿扇轴相对于齿条作轴向移动，即能调整两者的啮合间隙。

调整螺钉装在侧盖上，并用螺母锁紧。

齿扇轴内侧端部有切槽，调整螺钉的圆柱形端头即嵌入此切槽中。

将调整螺钉旋入，则啮合间隙减少；反之，则啮合间隙增大。

循环球式转向器在螺杆和螺母之间因为有可以循环流动的钢球，将滑动摩擦变为滚动摩擦，因而其正传动效率很高（可达90%～95%），故操纵轻便；在结构和工艺上采取措施，可保证有足够的使用寿命；工作平稳可靠；齿条和齿扇之间的间隙调整工作容易进行。

但其逆效率高，容易将路面冲击力传动转向盘。

不过，对于前轴轴载质量不大而又经常在平坦路面上行使的轻中型载货汽车而言，这一缺点影响不大；而对于载重量较大的汽车，使用循环球式转向器时，除可以在转向器中增加吸振装置以减少路面冲击反力外，往往装有液力转向加力器。

由于循环球式转向器在结构上便于与液力转向加力器设计为一个整体，而液力系统又正可以缓和路面的冲击，因此，循环球式转向器得到日益广泛的应用。

循环球齿条-齿扇式转向器的优点：传动效率高，可达90%；在结构和工艺上采取措施，包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度和螺杆螺母上的螺旋槽经淬火和磨削加工，使之有足够的硬度和耐磨性能,可保证有足够的使用寿命；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工作容易进行；适合用来做整体式转向器。