转向设计

课程设计设计(论文)题目：轿车转向器设计轿车转向系设计任务书整车性能参数驱动形式24 前轮轴距2471mm轮距（前/后）1429mm/1422mm装备质量1060kg60% 最高车速180km/h空载时前轴分配负荷最大爬坡度35% 制动距离（初速5.6m30km/h）最小转向直径11m最大功率/转速74kW/5800rpm 最大转矩/转速150N·m/4000rpm 变速器五档手动基本要求：1) 汽车转向行驶时，全部车轮绕瞬时转向中心转动。

2) 操纵轻便，方向盘手作用力小于200N。

3) 转向系角传动比15～20；正效率高于60%，逆效率高于50%。

4) 转向灵敏。

5) 转向器与转向传动装置有间隙调整机构。

6) 转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。

设计任务：1) 查阅资料选定转向器，对转向系统进行方案设计。

2) 采用液压动力转向结构，并进行设计计算。

3) 设计转向梯形，确定梯形结构参数。

4) 利用图解法对梯形的特性进行校核。

5) 编写设计说明书。

目录一、绪论 (1)二、转向器设计 (2)（一）、转向系方案的选择 (2)（二）、转向系主要参数的确定 (5)（三）、液压动力转向设计 (9)（四）、转向梯形机构的设计 (12)（五）、总结 (15)三、结束语 (16)一、绪论转向系统是汽车底盘的重要组成部分，转向系统性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性，它对于确保车辆的行驶安全、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。

随着现代汽车技术的迅速发展，汽车转向系统已从纯机械式转向系统、液压助力转向系（HPS）、电控液压助力转向系统（EHPS），发展到利用现代电子和控制技术的电动助力转向系统（EPS）及线控转向系统（SBW）。

液压转向系统是由液压和机械等两部分组成，它是以液压油做动力传递介质，通过液压泵产生动力来推动机械转向器，从而实现转向。

液压助力转向系统一般由机械转向器、液压泵、油管、分配阀、动力缸、溢流阀和限压阀、油缸等部件组成。

为确保系统安全，在液压泵上装有限压阀和溢流阀。

其分配阀、转向器和动力缸置于一个整体，分配阀和主动齿轮轴装在一起（阀芯与齿轮轴垂直布置），阀芯上有控制槽，阀芯通过转向轴上的拨叉拨动。

转向轴用销钉与阀中的弹性扭杆相接，该扭杆起到阀的中心定位作用。

在齿条的一端装有活塞，并位于动力缸之中，齿条左端与转向横拉杆相接。

转向盘转动时，转向轴（连主动齿轮轴）带动阀芯相对滑套运动，使油液通道发生变化，液压油从油泵排出，经控制阀流向动力缸的一侧，推动活塞带动齿条运动，通过横拉杆使车轮偏转而转向。

液压助力转向系统是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机带动液压泵产生的压力来实现车轮转向。

由于液压转向可以减少驾驶员手动转向力矩，从而改善了汽车的转向轻便性和操纵稳定性。

为保证汽车原地转向或者低速转向时的轻便性，液压泵的排量是以发动机怠速时的流量来确定。

汽车起动之后，无论车子是否转向，系统都要处于工作状态，而且在大转向车速较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力，所以在一定程度上浪费了发动机动力资源。

并且转向系统还存在低温工作性能差等缺点。

二、转向器设计（一）、转向系方案的选择1、转向盘转向盘由盘毂、轮缘和轮辐组成。

转向盘的尺寸和形状直接影响转向操纵的轻便性。

选用大直径的转向盘会使驾驶员进、出驾驶时感到困难；选用小直径的转向盘转向时要求驾驶员施加较大的力，从而使汽车操纵困难。

根据国家JB4505-1986转向盘尺寸标准要求：轿车、小型客车、轻型货车汽车转向盘直径有380mm 、400mm 和425mm 三种标准。

故选取转向盘直径mm 400sw =D 的这种标准尺寸转向盘。

2、转向轴转向轴一般用一根无缝钢管制造，并装置了万向节，使转向盘和转向器在汽车上布置更为合理，拆装方便，从而提高了操纵轻便性、行驶安全性和转向机构的寿命。

根据交通事故统计资料和对汽车碰撞试验分析表明：汽车正面碰撞时，转向盘、转向管柱是使驾驶员受伤的主要元件。

因此现代汽车中转向系中通常要加入防伤安全机构的设计，主要是通过转向轴的移动来实现。

3、转向器转向器的种类很多，常见的有循环球式、球面蜗杆滚轮式、曲柄指销式和齿轮齿条式。

目前由于转向系统中常采用液力式助力转向器，通过液体的阻尼作用可以吸收路面上的冲击载荷，因此可以采用可逆程度大、正效率高的转向器。

循环球式和齿轮齿条式两种转向器正效率高（70%～85%），可逆程度大（60%～70%）且适合大量生产，因此得到广泛应用。

根据要求所选的转向器正效率应高于60%，逆效率高于50%，故选择齿轮齿条式转向器：正效率%80=+η，逆效率%60-=η（1）齿轮齿条转向器的输出形式根据使用车型及总布置需要的不同，齿轮齿条转向器的主要输出形式有以下四种：1）侧面输入、两端输出； 2）中间输入、两端输出； 3）侧面输入、中间输出； 3）侧面输入、单端输出。

本车选择侧面输入、两端输出方式。

（2）齿轮形式的选择如果齿轮齿条转向器采用直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合，则运行平稳性降低，冲击大，工作噪声增加。

此外，齿轮轴线与齿轮轴线之间只能是直角，为此因与总体布置不适应而遭淘汰。

采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条转向器，重合度增加，运行平稳，冲击与工作噪声均下降，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满足总体设计的要求。

故本车采用斜齿轮式。

（3）齿条形式选择齿条断面形状有圆形、V型和Y型三种。

圆形截面齿条制作工艺比较简单。

V型和Y 型端面齿条与圆形断面比较，小号的材料少，约节省20%，故质量小。

综合考虑本方案选择圆形断面齿条。

（4）齿轮齿条转向器布置形式1）转向器位于前轴后方，后置梯形；2）转向器位于前轴后方，前置梯形；3）转向器位于前轴前方，后置梯形；4）转向器位于前轴前方，前置梯形。

本方案预采用转向器位于前轴后方，后置梯形的布置形式。

（5）转向器与转向传动装置有间隙调整机构在整个转向系统中各传动件之间都必然存在着装配间隙，而且这些间隙都将随着零件的磨损而增大，反映到转向盘上会产生空转角度，转向盘在空转阶段的角行程称为转向盘自由行程。

自由行程一般不超过10°～15°，当超过25°～30°时必须进行调整，主要通过调整转向器传动副的啮合间隙和轴承间隙来实现。

齿轮齿条式转向器中压紧弹簧通过压块将转向齿条压靠在转向齿轮上，是指无间隙啮合。

弹簧预紧力可通过调节螺塞11调整。

４、转向梯形汽车转向时，左、右转向轮的转角要符合一定的规律，以保证所有车轮在转向过程中都绕一个圆心以相同的瞬时角速度运动。

转向梯形机构可以使汽车在转向过程中所有车轮都是纯滚动或有极小滑移，从而提高轮胎的使用寿命，以保证汽车操纵的轻便性和稳定性。

转向梯形机构由梯形臂、横拉杆和前轴组成。

根据梯形机构相对前轴的位置分为前置式和后置式两种；根据前悬架形式的不同，转向梯形机构又可分为整体式和分段式两种。

本车采用整体式的梯形机构，在此基础上进行设计校核。

（二）、转向系主要参数的确定１、转向系传动比的确定转向系的传动比直接影响车辆的机动性和操纵轻便性。

转向系的传动比包括力传动比p i 和角传动比o i ω。

（1）转向系力传动比p i转向系力传动比是指从轮胎接触地面中心作用在两个转向轮上的合力w 2F 与作用在转向盘上的手力h F 之比，即hF F wp 2i =；又转向阻力w F 和转向阻力矩R M 之间的关系为aM F R=w 2，其中a 为主销偏移距；转向盘上的手力SW h D M F 2h =；整理得a 2i h p M D M SW R =，又hM MR 可认为等于转向系的角传动比o i ω，因此力传动比可写为a2i i 0p SWD ω=。

通常乘用车的a 值在0.4～0.6倍轮胎的台面宽度尺寸范围内选取，根据给定的轮胎可知ａ＝74～111mm 之间选取，本方案选100mm 。

（2）转向系的角传动比o i ω转向系的角传动指转向盘转角和驾驶员同侧的转向轮转角之比，它由转向器角传动比ωi 和转向传动装置角传动比'i ω组成，即'oi i i ωωω=。

对于转向传动机构角传动比可以进似地用转向节臂臂长2L 与摇臂臂长1L 之比来表示，即12'i L L ≈ω。

现代汽车结构中，2L 与1L 的比值大约在0.85～1.10之间，对于无转向摇臂的齿轮齿条转向器来说其值为1，则ωωi i o≈。

根据给定要求知转向系的角传动比在15～20之间，又知小的角传动比可以使汽车转向灵敏性提高，故选取15i o =ω，又由2ai i 0p SWD ω=可知o i ω小则p i 小，但通过液压助力可解决操纵的轻便性，故可以解决所谓的“轻”与“灵”这对矛盾。

２、转向系计算载荷的确定 （1）转向轮的转向阻力矩R M转向阻力矩R M 与前轮（转向轴）负荷、轮胎尺寸和结构、前轮定位参数、车速和道路条件等多种因素有关，要准确计算转向阻力矩是很困难的，通常是以汽车在静止时做原地转向的阻力矩作为转向阻力矩。

根据实验结果总结出三中经验公式： 半经验公式 p3f 31G M R= 雷索夫推荐公式 ημ10x fa (1）+=G M R塔布莱克推荐公式 ）（221k a 10+=G M R ζ式中1G 是前轴（转向轴）负荷（N ）；p 是轮胎气压(MPa)；f 是轮胎与地面滑动摩擦系数，一般令f=0.7；μ是轮胎滚动摩擦系数，一般令015.0=μ；a 是轮胎和地面接触中心到转向主销与地面交点的距离（mm ）；ζ是有效摩擦系数；k 是轮胎与地面接触面积的转动惯性力矩，8b k 22=，b 是轮胎宽度（mm ）；）（2j 2z r -r 5.0x =，z r 、j r 是分别为轮胎的自由半径和静力半径（mm ）；一般轮胎z j r 95.0r =；η是转向节、转向梯形球节传动效率。

上面三个经验公式都是汽车在静止时原地转向的阻力矩，而原地转向所需的力矩要比行驶中转向所需的力矩大2～3倍，因此，设计时按原地转向阻力矩作为计算载荷可以满足使用要求。

一般汽车可以用半经验公式进行计算。

根据要求轿车所用轮胎型号为：185/60R14T 。

可知所选用的为子午线轮胎，且胎面宽度为185mm ，有根据低压胎弹性好、断面宽、与路面接触面大、壁薄散热好等特点，目前轿车几乎都选用低压胎（0.15MPa ～0.45MPa ）。

故假定本轿车的前轮胎压为0.2MPa 。

根据要求知轿车的整备质量为1160Kg ，且空载前轴负荷为60%，则可知原地转向时前轴负荷1G 为6960N,又f=0.7，根据半经验公式p 3f 31G M R=可得原地转向阻力矩为303KN ·mm 。