汽车转向机构原理

汽车转向机构的设计 汽车转向机构的功用： 汽车转向机构是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构。 在汽车转向行驶时， 保证各转向轮 之间有协调的转角关系。 汽车转向机构的形式和组成： 汽车转向机构分为机械转向和动力转向两种形式。 机械转向主要是由转向盘、 转向器和转向 传动机构等组成，动力转向还包括动力系统。 机械转向是依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转向器和转向传动机构使转向轮偏转。 转向系的设计要求：a 转向盘转动方向与汽车行驶方向的改变相一致。 b 前轮最大转角 45 度，方向盘的最大转角 720 度。 齿轮齿条式 齿轮齿条式转向器的主要优点是：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(图 7-1 所示)；没有转向摇臂和直拉杆，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：逆效率高（60%~70%） 。因此，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。 根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式：中间输入，两端输出； 侧面输入，两端输出；侧面输入，中间输出；侧面输入，一端输出。采用侧面输入、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。所以这里采用中间输入，两端输出。如图 1-1（注：只画 a） 图 1-1 齿轮齿条式转向器的四种形式 采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条式转向器，重合度增加，运转平稳，冲击与工 作噪声均下降。 齿条断面形状有圆形、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。 根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同， 在汽车上有四种布置形式： 转向器 位于前轴后方，后置梯形；转向器位于前轴后方，前置梯形；转向器位于前轴前方，后置梯 形；转向器位于前轴前方，前置梯形，这里我们使用第一种方案。见图 1-2。 （注：只画 a） 齿轮齿条式转向器广泛应用于微型、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。 图 1-2 齿轮齿条式转向器的四种布置形式 为达到第二个要求，即前轮最大转角 45 度，方向盘最大转角 720 度。计算如下： 如图 a，则齿轮的直径为 d=mz，由于齿轮可在齿条上转动四圈，于是齿条的长度为： L=4*pai*d， 其后由于输入问题，暂略。必须完成！ 二、防伤安全机构方案析计算 有关资料分析表明：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。 转向盘、 转向管柱等有关零件在撞击是产生塑性变形、 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。 在汽车发生正面碰撞时，转向传动轴采用了万向节连接，并且布置合理，便可防止转向盘向 驾驶室内移动，危及驾驶员安全。如图 1-3 所示。 图 1-3 防伤转向传动轴简图 图 1-4 所示在轿车上应用的防伤安全机构。转向轴分为两段，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。 图 1-4 防伤转向轴简图 转向系主要性能参数 一、转向器的效率 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转向器的正效率，用符 号 η+表示， ；反之称为逆效率，用符号 η－表示。 正效率 η+ 计算公式： η+=（P1-P2）/P1 逆效率 η－ 计算公式： η－=（P3-P2）/P3 式中， P1 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。 下面是齿轮齿条转向器变速比工作的具体内容（注：此处的计算如上） 根据相互啮合齿轮的基圆齿距必须相等，即 pb1=pb2。其中齿轮基圆齿距 pb1=πm1cosa1， 齿条基圆齿距 pb2=πm2cosa2。由上述两式可知：当齿轮具有标准模数 m1 和标准压力角 a1 与 一个具有变模数 m2、变压力角 a2 的齿条相啮合，并始终保持 πm1cosa1=πm2cosa2 时，它们 就可以啮合运转。 如果齿条中部（相当汽车直线行驶位置）齿的压力角最大，向两端逐渐减小（模数也 随之减小）则主动齿轮啮合半径也减小，致使转向盘每转动某同一角度时，齿条行程也随之 减小。因此，转同器的传动比是变化的。 图 1-5 是根据上述原理设计的齿轮齿条式转向器齿条压力角变化示例。 从图中可以看 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。 图 1-5 齿条压力角变化简图 a）齿条中部齿 b）齿条两端齿 转向器角传动比的选择 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主要因 素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，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，如图 1-6 所示。 图 1-6 转向器角传动比变化特性曲线 四、转向系计算载荷的确定 为转动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 MR = 式中， 为轮胎和路面间的滑动磨擦因数， f 一般取 0.7； 1 为转向轴负荷 G （N）p 为轮胎 ； （MPa） 。 作用在转向盘上的手力为 f 3 G13 P Fh = 2 L1M R L2 Dswiωη + 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。对给定的汽车，用上式计算出来的的作用力是最大值。 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 时，动力转向器就应开始工作。 4）转向盘应自动回正。 5）工作灵敏。 6）动力转向失灵时，仍能用机械系统操纵车轮转向。 7）密封性能好，内、外泄漏少。 汽车采用动力转向机构是为了提高操纵的轻便性和行驶安全性。 中级以上轿车，采用或者可供选装动力转向器的逐渐增多。 转向轴轴载质量超过 2.5t 的货车可以采用动力转向，当超过 4t 时应该采动力转向。 二、动力转向机构布置方案设计 液压式动力转向机构是由分配阀、转向器、动力缸、液压泵、贮油罐和油管等组成。 根据分配阀、转向器和动力缸三者相互位置的不同，它分为整体式（图 1-7）和分置 式两类这里采用前者。 图 1-7 动力转向机构布置方案 1— 分配阀 2—转向器 3—动力缸 整体式转向梯形是由转向横拉杆 1，转向梯形臂 2 和汽车前轴 3 组成，如图 1-8 所示。 这种方案的优点是结构简单，调整前束容易，制造成本低；主要缺点是一侧转向轮上、下跳 动时，会影响另一侧转向轮。 图 1-8 整体式转向梯形 1— 横拉杆 2—梯形臂 3—前轴 注：由于以上公式列举不完备，故不作详细标注，且此文仅供参考。 机械 07-2 班 李亮 20070313