轿车转向系设计解析

轿

车

转

向

系

设

计

一、整车参数

1、汽车总体参数的确定

本设计中给定参数为：

二、转向系的基本要求：

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) 配备驾驶员防伤害装置；

三、转向系结构分析

3.1转向操纵机构

转向操纵机构包括转向盘，转向轴，转向管柱。有时为了布置方便，减小由于装置位置误差及部件相对运动所引起的附加载荷，提高汽车正面碰撞的安全性以及便于拆装，在转向轴与转向器的输入端之间安装转向万向节，如图2-1。采用柔性万向节可减少传至转向轴上的振动，但柔性万向节如果过软，则会影响转向系的刚度。采用动力转向时，还应有转向动力系统。但对于中级以下的轿车和前轴负荷不超过3t的载货汽车，则多数仅在用机械转向系统而无动力转向装置。

图2-1转向操纵机构

1-转向万向节；2-转向传动轴；3-转向管柱；4-转向轴；5-转向盘

3.2转向传动机构

转向传动机构包括转向臂、转向纵拉杆、转向节臂、转向梯形臂以及转向横拉杆等。（见图2-2）

转向传动机构用于把转向器输出的力和运动传给左、右转向节并使左、右转向轮按一定关系进行偏转。

图2-2 转向传动机构

1-转向摇臂；2-转向纵拉杆；3-转向节臂；4-转向梯形臂；5-转向横拉杆

3.3转向器

机械转向器是将司机对转向盘的转动变为转向摇臂的摆动（或齿条沿转向车轴轴向的移动），并按一定的角转动比和力转动比进行传递的机构。

机械转向器与动力系统相结合，构成动力转向系统。高级轿车和重型载货汽车为了使转向轻便，多采用这种动力转向系统。采用液力式动力转向时，由于液

体的阻尼作用，吸收了路面上的冲击载荷，故可采用可逆程度大、正效率又高的转向器结构。

为了避免汽车在撞车时司机受到的转向盘的伤害，除了在转向盘中间可安装安全气囊外，还可在转向系中设置防伤装置。为了缓和来自路面的冲击、衰减转向轮的摆振和转向机构的震动，有的还装有转向减振器。

多数两轴及三轴汽车仅用前轮转向；为了提高操纵稳定性和机动性，某些现代轿车采用全四轮转向；多轴汽车根据对机动性的要求，有时要增加转向轮的数目，制止采用全轮转向。

四、转向器设计与分析

循环球式转向器有螺杆和螺母共同形成的落选槽内装钢球构成的传动副，以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成，如图3-1所示。

图3-1 循环球式转向器示意图

Fig 3-1Circulation-ball steering

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，将滑动摩擦转变为滚动摩擦，因而传动效率可以达到75%～85%；在结构和工艺上采取措施后，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，（图3-2）；适合用来做整体式动力转向器。

图3-2 循环球式转向器的间隙调整机构

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。循环球式转向器主要用于商用车上。

4.1转向系载荷的确定：

为了保证行驶安全，组成转向系的各零件应有足够的强度。欲验算转向系零件的强度，需首先确定作用在各零件上的力。影响这些力的主要因素有转向轴的负荷，地面阻力和轮胎气压等。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摩擦阻力等。

精确地计算这些力是困难的，为此推荐用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力距M r （N •mm),即

P

f

G M r 1

3

3

(5-1)

＝147623 N •mm

式中，f 为轮胎和路面见的摩擦因素，一般取0.7；G 1

为转向轴负荷（N ）;p

为轮胎气压（MPa ） 转向系主要参数 转向摇臂长 280mm

转向盘直径 450mm

作用在转向盘上的手力为

12

22280147623

40.095

29845020.575r

h SW

L M F i L D ωη

+

=

⨯⨯=

=⨯⨯⨯%

（5-2）

式中， L 1为转向摇臂长；L 2为转向节臂长；D SW 为转向盘直径；i ω为转向器角传动比；η+为转向器正效率。

4.2 转向器参数选取：

摇臂轴直径/mm 22 钢球中心距D/mm 20 螺杆外径D 1/mm 20 钢球直径d /mm 5.556 螺距P /mm 7.938 工作圈数W 1.5 螺母长度L /mm 41 导管壁厚 /mm

1.5 钢球直径与导管内径之间的间隙e/mm

0.5 螺线导程角0a /º 7

法向压力角

a /º

20 接触角θ/º 45 环流行数

2

4.3 计算参数

1.螺母内径D 2应大于D 1，一般要求

D D

D %)10~%5(1

2

=- （5-3）

D 2

=D

1

+（5%~10%）D=20+8%*20

=21.6

2. 钢球数量n

n =

0πDW πDW π20 1.516.95d cos d 5.556

a ⨯⨯≈==个 （5-4）

≈17个

3. 滚道截面半径R 2

R 2=（0.51~0.53）d=0.52⨯5.556=2.889 mm

4.4转向器强度计算

钢球与滚道之间的接触应力σ

σ=k 32

22223)()(r R r R E F - （5-6）

=2253.34

式中，k 为系数，根据A/B 值查表，A=[（1/r ）-(1/2R )]/2, B=[(1/r)+(1/1R )]/2; 2R 为滚道截面半径，k 取2.271；r 为钢球半径；1R 为螺杆外径；E 为材料弹性模量，等于2.1⨯105

MP a ；

3

F 为钢球与螺杆之间的正压力，即

3F =

o

a n F θcos cos 02

（5-7）

＝342.43

式中，0a

为螺杆螺线的导程角；o θ为接触角；n 为参与工作的钢球数；F 2

为作用

在螺杆上的轴向力当接触表面硬度为58~64HRC ；拍－时，许用接触应力[σ]=2500 MP a

由于σ<[σ],因此满足强度。

转向摇臂直径的确定

转向摇臂直径d 为