夏利N3+兩廂轎車液壓動力轉向器設計【輕型車轉向器設計采用齒輪齒條式轉向器】

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Studies on assist characteristic ofelectric power steering system[J]. Transactions of TianJinUniversity, 2003, 6(2): 211-213. [12] Liao Y G, Du H I. Modelling and analysis of electric powersteering system and its effect on vehicle dynamic behavior[J]. International Journal of Vehicle Autonomous Systems2003,1(2):153-166. 六、備注 指導教師簽字： 年 月 日 教研室主任簽字： 年 月 日 SY-025-BY-1 畢業(yè)設計（論文）題目審定表 指導教師姓名 王慧文 職稱 教授 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 否 題目名稱 夏利N3兩廂轎車液壓動力轉向器設計 課題適用專業(yè) 車輛工程 課題類型 Z 課題簡介：（主要內(nèi)容、意義、現(xiàn)有條件、預期成果及表現(xiàn)形式。） 一、 主要內(nèi)容 1、查閱國內(nèi)外液壓動力轉向器技術相關文獻，進行總結分析，確立設計方案，并分析各設計方案的優(yōu)缺點。2、液壓動力轉向器總體設計計算。3、液壓部分計算。4、應用AutoCAD軟件繪制二維視圖。5、完成設計說明書的撰寫。 二、選題意義 轎車轉向器機構涉及整車的操縱性、穩(wěn)定性和安全性，它的質(zhì)量也反映了車輛的質(zhì)量，是直接關系到車輛性能的關鍵部件。從上世紀四十年代起，為減輕駕駛員體力負擔，在機械轉向系統(tǒng)基礎上增加了液壓動力系統(tǒng)HPS(hydraulic power steering)，它是建立在機械系統(tǒng)的基礎之上的，額外增加了一個液壓系統(tǒng)。它具有工作無噪聲，靈觸度高體積小，能夠吸收來自不平路面的沖擊力，在現(xiàn)代轎車上得到十分廣泛的應用。對液壓動力轉向器進行合理設計有一定的理論和現(xiàn)實意義。 三、現(xiàn)有條件 學校現(xiàn)有圖書館、實驗室、計算機資源，相關的設計參考資料和設計簡圖。 四、預期成果及表現(xiàn)形式 設計結構合理的液壓動力轉向器。完成總裝圖1張，轉向器總裝圖1張，部裝圖4張。設計說明書1.5萬字，應對設備的結構、操作及注意事項等作詳細說明，并完成相應的外文翻譯量。 指導教師簽字： 年 月 日 教 研 室 意 見 1 選題與專業(yè)培養(yǎng)目標的符合度 □好 □較好 □一般 □較差 2 對學生能力培養(yǎng)及全面訓練的程度 □好 □較好 □一般 □較差 3 選題與生產(chǎn)、科研、實驗室建設等實際的結合程度 □好 □較好 □一般 □較差 4 論文選題的理論意義或?qū)嶋H價值 □好 □較好 □一般 □較差 5 課題預計工作量 □較大 □適中 □較小 6 課題預計難易程度 □較難 □一般 □較易 教研室主任簽字： 年 月 日 系（部）教學指導委員會意見： 負責人簽字： 年 月 日 注：課題類型填寫 W.科研項目；X.生產(chǎn)（社會）實際；Y.實驗室建設；Z.其它。 本科學生畢業(yè)設計 夏利N3+兩廂轎車液壓動力轉向器設計 系部名稱： 汽車與交通工程學院 專業(yè)班級： 車輛工程 B07-3班 學生姓名： 黃彥鵬 指導教師： 王慧文 職 稱： 教授 黑 龍 江 工 程 學 院 二○一一年六月 The Graduation Design for Bachelor's Degree The Design of Geely Hydraulic Power Steering Gear Candidate： HuangYanPeng Specialty： Vehicle Engineering Class： B07-3 Supervisor：Prof. Wang Huiwen Heilongjiang Institute of Technology 2011-06·Harbin 畢業(yè)設計（論文）開題報告 設計（論文）題目:夏利N3+兩廂轎車液壓動力轉向器設計 院 系 名 稱:汽車與交通工程學院 專 業(yè) 班 級:車輛工程07-3班 學 生 姓 名: 黃彥鵬 導 師 姓 名: 王慧文 開 題 時 間: 2011年3月14日 指導委員會審查意見： 簽字： 年 月 日 開題報告撰寫要求 一、“開題報告”參考提綱 1. 課題研究目的和意義； 2. 文獻綜述（課題研究現(xiàn)狀及分析）； 3. 基本內(nèi)容、擬解決的主要問題； 4. 技術路線或研究方法； 5. 進度安排； 6. 主要參考文獻。 二、“開題報告”撰寫規(guī)范 請參照《黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計說明書及畢業(yè)論文撰寫規(guī)范》要求。字數(shù)應在4000字以上，文字要精練通順，條理分明，文字圖表要工整清楚。 畢業(yè)設計（論文）開題報告 學生姓名 黃彥鵬 系部 汽車與交通工程學院 專業(yè)、班級 車輛工程07-3班 指導教師姓名 王慧文 職稱 教授 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是■否 題目名稱 夏利N3+兩廂轎車液壓動力轉向器設計 一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義 1.研究現(xiàn)狀 自夏利汽車登陸中國市場以來的20多年時間里，經(jīng)歷了無數(shù)次的變革，從最早的紅色夏利到后面的夏利2000、夏利N3再到現(xiàn)在的夏利N5，今天的夏利系列在京津地區(qū)已成為人們回憶的一部分，其銷量之大使其他汽車品牌望塵莫及，其中僅2010年12月夏利系列在我國共銷售就有32345輛，同比增長率76.7%，而相比而言，奇瑞QQ同期銷量為20299輛，長安奔奔系列同期銷量也過萬，雖然兩種車型對夏利都形成威脅，但夏利銷量依舊領先，且成上升趨勢，可見消費者對夏利車的喜愛，這為夏利N5的反攻奠定了堅實的市場基礎 汽車工業(yè)代表著一個國家制造業(yè)的發(fā)展水平，世界經(jīng)濟大國的經(jīng)濟發(fā)展無一不與汽車工業(yè)有著極為密切的關系。當代世界上的最新技術與發(fā)展，首先在汽車上或汽車工業(yè)中得到推廣應用。汽車的轉向系統(tǒng)是一套專門用來改變和恢復汽車行駛方向的專門機構，是汽車穩(wěn)定，安全行駛的基本保證，駕駛者通過它來感知和操縱汽車。如何設計汽車的轉向系統(tǒng)，使汽車能按駕駛員的意志而進行轉向行駛，如何運用最新的測試手段和方法做好轉向系統(tǒng)的性能分析和評價，始終是各汽車廠和研究機構的重要課題。 我國的轉向器生產(chǎn)，除早期投產(chǎn)的解放牌汽車用蝸桿滾輪式轉向器，東風汽車用蝸桿銷式轉向器外，其它大部分車型都采用循環(huán)球式結構，并都具有一定的生產(chǎn)經(jīng)驗。目前解放、東風也都在積極發(fā)展循環(huán)球式轉向器，并已在第二代換型車上普遍采用了循環(huán)球式轉向器。國內(nèi)的電動式的轉向器還多于研發(fā)階段。 從目前發(fā)展的方向，由于動力轉向器還是新的結構，各國的生產(chǎn)廠家都正在組織力量，大力開發(fā)試驗研究工作，提高使用性能、減小總成體積、降低生產(chǎn)成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，以便逐步推廣和普及。 傳統(tǒng)的汽車轉向系統(tǒng)是機械轉向系統(tǒng)，它以駕駛員的體力作為轉向能源，由轉向操縱機構、轉向器和轉向傳動機構三大部分組成。在20世紀50年代，在將二戰(zhàn)期間的裝甲車和重型貨車上的基于機械轉向系統(tǒng)變化的動力轉向器改進使用在重型汽車和高級小客車上，并很快研制出重量輕、結構緊湊、自行潤滑的動力轉向器。據(jù)了解在全世界范圍內(nèi)，生產(chǎn)出來的汽車，循環(huán)球式轉向器占45%左右，有繼續(xù)發(fā)展之勢；齒條齒輪式轉向器占40%左右；蝸桿滾輪式轉向器占10%左右；其它形式的轉向器占5%?？梢娧h(huán)球式轉向器在穩(wěn)步發(fā)展，齒條齒輪式在小客車上也有很大發(fā)展。 在機械轉向器中，轉向操作完全由駕駛員的手動力來完成。當車輛載重小，轉向阻力小時，是沒有問題的。但是，當車輛載重大到一定程度時，單靠手動力矩已經(jīng)很難克服轉向阻力，這時就需要借助輔助動力能源。如在商用車中，普遍應用動力轉向系統(tǒng)。采用動力轉向的最直接的目的是減少手動轉向力矩，改善轉向輕便性，同時也可以改善轉向的平穩(wěn)性及汽車的操縱穩(wěn)定性。因而，動力轉向在小車中也逐漸得到了普及應用。動力轉向根據(jù)工作介質(zhì)的不同，可分為氣壓式和液壓式。而液壓轉向由于其工作壓力大，結構緊湊，得到廣泛的應用。 轉向器是轉向系中的減速傳動裝置，按轉向能源的不同可分為機械轉向器和動力轉向器兩大類 （1）機械轉向器 按傳動副的結構型式則可分為循環(huán)球式、齒輪齒條式、曲柄指銷式等多種類型由于循環(huán)球式和齒輪齒條式轉向器技術成熟，從而運用極為廣泛，它們是目前汽車轉向器的主要結構型式，分別予以敘述。 ?齒輪齒條式轉向器 奔馳（Benz）于1885年首先采用齒輪齒條式轉向器。這種形式的轉向器同樣也使用在1905年的凱迪拉克（cadillac）和1911-1920年間制造的許多其它形式的汽車上。隨著汽車技術的發(fā)展，國內(nèi)外的汽車廠商逐漸將大多數(shù)笨重、后輪驅(qū)動的汽車換成輕便的、燃油經(jīng)濟的前輪驅(qū)動汽車。這種汽車需要使用尺寸可能小，重量盡可能輕的零件。由于齒輪齒條式轉向器結構簡單、緊湊、質(zhì)量輕，剛性大，轉向靈敏，制造容易，成本低，正、逆效率都高，而且特別適于與燭式和麥弗遜式懸架配用，便于布置等優(yōu)點，因此，目前它在輕載的車輛，如轎車、輕型車、小客車等車輛上被廣泛的應用。 在齒輪齒條式轉向器中，齒條是在金屬殼體內(nèi)來回滑動的，加工有齒形的金屬條。轉向器殼體是安裝在前橫梁或前圍板的固定位置上的。齒條代替梯形轉向桿系的搖桿喝轉向搖臂，并保證轉向橫拉桿在適當?shù)母叨纫允顾麄兣c懸架下擺臂平行。齒條可以比作是梯形轉向系的轉向直拉桿。導向座將齒條支持在轉向器殼體上。齒條的橫向運動拉動或推動轉向拉桿，從而使前輪轉向。 齒輪齒條式轉向器比循環(huán)球轉向器和梯形轉向桿系更為輕巧和緊湊，因此它最適合于前輪驅(qū)動的承載式車身的車輛。由于齒輪齒條式轉向器比帶有梯形轉向桿系的循環(huán)球式轉向器有較少的摩擦點，用這種轉向器的駕駛員會有較好的路感。然而摩擦點減少，也降低了隔離路面噪聲、振動的能力，從而會將更多的路面沖擊振動傳到轉向盤和客艙中?？傊X輪齒條式轉向器更適合于輕型前輪驅(qū)動式車輛。 ?循環(huán)球式轉向器 目前國內(nèi)外應用最廣泛的一種結構形式。循環(huán)球式轉向器中一般有兩級傳動副，第一級是螺桿螺母傳動副，第二級是齒條齒扇或滑塊曲柄銷傳動副。 為了減少轉向螺桿和轉向螺母之間的摩擦，二者之間的螺紋并不直接接觸其間裝有許多鋼球，以實現(xiàn)變滑動摩擦為滾動摩擦。轉向螺母的內(nèi)徑大于轉向螺桿外徑，故能松套在螺桿上。轉向螺桿和螺母都加工出斷面輪廓為兩段或三段不同心圓弧組成的近似半圓的螺旋槽。二者的螺旋槽能配合形成近似圓形斷面的螺旋管狀通道。螺母側面有兩對通孔，可將鋼球從此孔塞入螺旋形通道內(nèi)。兩根U形鋼球?qū)Ч艿膬啥尾迦肼菽競让娴膬蓪ν字?。導管?nèi)也裝滿了鋼球。這樣，兩根導管和螺母內(nèi)的螺旋管狀通道組合成兩條各自獨立的封閉的鋼球“流道”。 轉向螺桿轉動時，通過鋼球?qū)⒘鹘o轉向螺母，螺母即沿軸向移動。同時，在螺桿與螺母兩者和鋼球間的摩擦力偶作用下，所有鋼球便在螺旋管狀通道內(nèi)滾動，形成“球流”，鋼球在管狀通道內(nèi)繞行1.5周后，流出螺母而進入導管的一端，再由導管另一端流回螺旋管狀通道。故在轉向器工作時，兩列鋼球只是在各自的封閉流道內(nèi)循環(huán)，而不致脫出。 與齒條相嚙合的齒扇，其齒厚在分度圓上沿齒扇軸線按線性關系變化的，故為變厚齒扇。只要使齒扇軸相對于齒條做軸向移動，即能調(diào)整兩者的嚙合間隙。調(diào)整螺釘旋裝在側蓋上。齒扇軸內(nèi)側端部有切槽調(diào)整螺釘?shù)膱A柱形端頭即嵌入此切槽中。將調(diào)整螺釘旋入，則嚙合間隙減小，反之則嚙合間隙增大。 循環(huán)球式轉向器的正傳動效率很高，故操縱輕便，使用壽命長，工作平穩(wěn)、可靠。但其逆效率也很高，容易將路面沖擊力傳到轉向盤。不過，對于前軸載荷質(zhì)量不大而又經(jīng)常在好路上行駛的汽車而言，這一缺點影響不大。因此，循環(huán)球式轉向器廣泛引用于各種汽車 （2）助力轉向器 助力轉向器一般由機械轉向系統(tǒng)上再加上一套轉向加力裝置，從而減輕駕駛員操縱汽車轉向手力，提供輔助力的有液壓和電動機兩種形式，即使在同一類車上，也有同時使用液壓式和電動式的。傳統(tǒng)的轉向器也由于與新的加力裝置綜合在一起而進化為動力轉向器，汽車轉向器的研發(fā)也多在安全性、機動性、節(jié)能性以及新的控制方式方面發(fā)展。現(xiàn)代小型汽車多數(shù)采用了液壓動力轉向器，它除具有操縱輕便、轉向靈敏、安全可靠等性能以外，對小型汽車還具有噪音低、污染小、運行平穩(wěn)等優(yōu)點。 ?液壓動力轉向器 主要由機械部分和液壓助力裝置兩部分組成。機械部分由轉向傳動副、轉向搖臂、縱拉桿總成、橫拉桿總成、轉向節(jié)臂、轉向主銷、轉向節(jié)主銷套、轉向節(jié)壓力軸承及轉向節(jié)等組成。 液壓助力轉向按液流形式分為常流式和常壓式兩種，，按分配閥的形式又可分為流閥式和轉閥式兩種。 現(xiàn)今液壓動力轉向器（HPS）是以內(nèi)燃機作為動力的汽車動力轉向器的主流。而隨著高級轎車在性能上對轉向器提出了更高的要求，助力可調(diào)，路感可調(diào)、環(huán)保、耗能低、維護方便、國外80年代開始研發(fā)出電動式動力轉向器（EPS）并在越來越多的轎車和輕型車輛上成功使用。 液壓動力轉向器又分為機械式和電子式 A.機械式液壓動力轉向系統(tǒng) 機械式液壓助力轉向系統(tǒng)由液壓泵及管路和油缸組成，為保持壓力，不論是否需要轉向助力，系統(tǒng)總要處于工作狀態(tài)，能耗較高。又由于液壓泵的壓力很大，也比較容易損害助力系統(tǒng)。一般經(jīng)濟型轎車使用機械液壓助力系統(tǒng)的比較多。 B.電子液壓助力轉向系統(tǒng) 電子液壓轉向助力系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的液壓轉向助力系統(tǒng)的缺點。它所采用的液壓泵不再靠發(fā)動機皮帶直接驅(qū)動，而是采用一個電動泵，它所有的工作的狀態(tài)都是由電子控制單元根據(jù)車輛的行駛速度、轉向角度等信號計算出的最理想狀態(tài)。簡單地說，在低速大轉向時，電子控制單元驅(qū)動電子液壓泵以高速運轉輸出較大功率，使駕駛員打方向省力；汽車在高速行駛時，液壓控制單元驅(qū)動電子液壓泵以較低的速度運轉，在不至于影響高速打轉向的需要同時，節(jié)省一部分發(fā)動機功率。 ?電子液壓助力轉向器 它利用電動機產(chǎn)生的動力協(xié)助駕車者進行動力轉向。汽車在轉向時，轉矩(轉向)傳感器會“感覺”到轉向盤的力矩和擬轉動的方向，這些信號會通過數(shù)據(jù)總線發(fā)給電子控制單元，電控單元會根據(jù)傳動力矩、擬轉的方向等數(shù)據(jù)信號，向電動機控制器發(fā)出動作指令，從而電動機就會根據(jù)具體的需要輸出相應大小的轉動力矩，從而產(chǎn)生了助力轉向。如果不轉向，則本套系統(tǒng)就不工作，處于休眠狀態(tài)等待調(diào)用。由于電動助力轉向的工作特性，你會感覺到開這樣的車，方向感更好，高速時更穩(wěn)，俗話說方向不發(fā)飄。又由于它不轉向時不工作，所以，也多少程度上節(jié)省了能源。一般高檔轎車使用這樣的助力轉向系統(tǒng)的比較多。 2.目的和意義 隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，車型的多樣化、個性化已經(jīng)成為汽車發(fā)展的趨勢。轉向器設計是汽車設計中重要的環(huán)節(jié)之一。人們除了從外觀和內(nèi)飾等方面感受汽車的這些性能外，最能夠直接體驗汽車性能和駕駛樂趣的就要靠一個良好的轉向系統(tǒng)，一個良好、先進的轉向系統(tǒng)能夠讓駕駛者充分感受到駕駛的樂趣而不是負擔。轉向系統(tǒng)是汽車底盤的重要組成部分，轉向系統(tǒng)性能的好壞直接影響到汽車行駛的安全性、操縱穩(wěn)定性和駕駛舒適性，它對于確保車輛的行駛安全、減少交通事故以及保護駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件起著重要作用。 二、設計（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題 基本內(nèi)容： （1）總體方案的論證和確定 結合調(diào)研分析結果，確定轉向器傳動方案和總體結構方案。 （2）轉向系統(tǒng)總體布置，確定傳動系統(tǒng)的性能參數(shù) 根據(jù)變速器總體布置情況和傳動動力參數(shù)，確定傳動的動力和結構參數(shù)，并分析和校核該參數(shù)設定的合理性，為后續(xù)的力學特性分析打下基礎。 （3）轉向器結構設計與計算 設計變速器總體結構和傳動零件，并進行必要的校核分析。 （4）液壓系統(tǒng)設計及參數(shù)設定 解決問題： （1）轉向器總體結構設計 （2）閥體、軸等零件的尺寸和參數(shù)設計和強度校核 （3）液壓系統(tǒng)設計 三、技術路線（研究方法） 完成設計說明書 收集資料，知識準備 轉向系統(tǒng)總體布置，確定傳動系統(tǒng)的性能參數(shù) 確定傳動的動力和結構參數(shù) 分析校核參數(shù) 轉向器結構設計與計算 設計轉向器總體結構和傳動零件 分析及校核 液壓系統(tǒng)設計及參數(shù)設定 CAD繪制裝配圖、零件圖 四、進度安排 1）第1～2周（2011年2月28日~2011年3月13日） 調(diào)研、開題報告，開題答辯 （2）第3～4周（2014年3月14日~2011年3月27日） 總體傳動方案確定 （3）第5～6周（2011年3月28日~2011年4月10日） 傳動參數(shù)設計計算 （4）第7～9周（2011年4月11日~2011年5月1日） 轉向器裝配草圖設計 （5）第10～11周（2011年5月2日~2011年5月15日） 轉向器正式裝配圖設計 （6）第12～13周（2011年5月16日~2011年5月29日） 零件圖設計、液壓系統(tǒng)設計 （7）第14～15周（2011年5月30日~2011年6月12日） 編寫設計說明書 （8）第16周（2011年6月13日～2011年6月19日） 設計審核、修改 （9）第17周（2011年6月20日～2011年6月26日） 畢業(yè)設計答辯準備及答辯 5、 參考文獻 [1] 張弛云，謝雋．現(xiàn)代汽車轉向技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]．公路交通科技．2001.6 [2] 林逸，施國標.汽車電動助力轉向技術的發(fā)展與趨勢[J]．公路交通科技．2000.5 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International Journal of Vehicle Autonomous Systems2003,1(2):153-166. 六、備注 指導教師意見： 簽字： 年 月 日 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計（論文） 目 錄 摘要……………………………………………………………………………………………Ⅰ Abstract …………………………………………………………………………………Ⅱ 第1章 緒論……………………………………………………………………………1 1.1課題研究的目的及意義………………………………………………………………1 1.2汽車轉向器研究的發(fā)展及趨勢概況…………………………………………………1 1.3 不同類型轉向系統(tǒng)的結構及特點……………………………………………………4 1.3.1 傳統(tǒng)機械轉向系統(tǒng)……………………………………………………………4 1.3.2 液壓助力轉向系統(tǒng)（HPS）………………………………………………………4 1.3.3電控液壓助力轉向系統(tǒng)（EHPS）……………………………………………5 1.3.4 電動助力轉向系統(tǒng)（EPS）………………………………………………………6 1.3.5 線控轉向系統(tǒng)（SBW）…………………………………………………………7 1.4轉向器設計要求………………………………………………………………………7 1.5設計主要內(nèi)容…………………………………………………………………………8 第2章 液壓動力轉向器方案分析及確定……………………………………………9 2.1轉向器結構優(yōu)缺點分析和選擇……………………………………………………9 2.1.1齒輪齒條式轉向器………………………………………………………………9 2.1.2循環(huán)球式轉向器………………………………………………………………10 2.1.3蝸桿滾輪式轉向器……………………………………………………………11 2.1.4蝸桿指銷式……………………………………………………………………11 2.2齒輪齒條式動力轉向器結構…………………………………………………………11 2.3液壓動力轉向器工作原理及過程……………………………………………………12 2.3.1工作原理………………………………………………………………………12 2.3.2工作過程………………………………………………………………………13 2.4轉向系主要性能參數(shù)………………………………………………………………15 2.4.1轉向系的效率…………………………………………………………………15 2.4.2 轉向系傳動比…………………………………………………………………16 2.4.3 轉向器的傳動副的間隙特性…………………………………………………17 2.4.4轉向系的剛度…………………………………………………………………18 2.4.5轉向盤的總轉動圈數(shù)…………………………………………………………18 2.5本章小結………………………………………………………………………………19 第3章 液壓轉向器的設計計算…………………………………………………………20 3.1轉向系計算載荷的確定………………………………………………………………20 3.2齒輪齒條式轉向器的設計……………………………………………………………21 3.2.1選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)………………………………………21 3.2.2按齒面接觸硬度設計…………………………………………………………21 3.2.3按齒根抗彎強度設計…………………………………………………………23 3.2.4幾何尺寸計算…………………………………………………………………25 3.3液壓式動力轉向機構的計算…………………………………………………………26 3.3.1動力缸尺寸的計算……………………………………………………………26 3.3.2活塞行程S的計算…………………………………………………………26 3.3.3分配閥的回位彈簧…………………………………………………………27 3.3.4動力轉向器的評價指標………………………………………………………27 3.4 本章小結………………………………………………………………………………28 結論……………………………………………………………………………………………29 參考文獻 ……………………………………………………………………………………30 致謝……………………………………………………………………………………………31 附錄……………………………………………………………………………………………32 第1章 緒 論 1.1課題研究的目的及意義 隨著社會經(jīng)濟的進步以及人民生活水平的提高，汽車已經(jīng)慢慢的走進了人們的生活當中，它從以前簡單的代步工具慢慢升級成為一種生活的品質(zhì)，人們不再滿足于簡單的行駛，而更關注駕駛樂趣對于汽車的安全性、穩(wěn)定性、操縱性等更高要求。而人們除了從外觀及內(nèi)飾等反面了解汽車外，最能直接體驗駕駛樂趣的就是擁有一個良好、先進的轉向系統(tǒng)，一個先進的轉向系統(tǒng)帶給駕駛者更多的是駕駛的樂趣而不是負擔。同時，轉向系又是底盤的重要組成部分，其好壞優(yōu)劣會直接關系到汽車的駕駛舒適性，安全性和操縱穩(wěn)定性，從而影響人們的生命及財產(chǎn)的安全。同時就我國的國情而言，汽車工業(yè)己成為我國的支柱產(chǎn)業(yè)，為了提高汽車的產(chǎn)品質(zhì)量，保證汽車行駛的安全性，操縱穩(wěn)定性，發(fā)展我國的汽車工業(yè)，這就要求汽車轉向器綜合性能就成為汽車安全性能的一個重要項目。 汽車轉向器屬于對行駛安全影響較大的零部件，在汽車系統(tǒng)中占據(jù)了一個重要的位置，其規(guī)模和質(zhì)量已成為衡量汽車工業(yè)發(fā)展水平的重要標志之一。在重型汽車、大型客車等載重量較大的汽車中，通常用動力轉向器來操縱汽車行駛方向。由于動力轉向系統(tǒng)有著傳統(tǒng)機械式轉向系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點，例如：轉向輕便靈敏，回位性能及手感良好，極大的減輕了汽車駕駛員的工作強度，特別適用于汽車在高速行駛時的轉向。因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的汽車越來越多地配置了動力轉向系統(tǒng)。 而液壓動力轉向器具有無噪聲、靈敏度高、體積小、能夠吸收來自不平路面的壓力等優(yōu)點，因此在現(xiàn)代汽車上得到了十分廣泛的應用。 1.2 汽車轉向器研究的發(fā)展及趨勢概況 隨著科技的迅猛發(fā)展以及汽車的逐步普及，人們對汽車的操縱性、安全性，穩(wěn)定性等方面的性能已經(jīng)有了更進一步的要求，對轉向系統(tǒng)產(chǎn)品的需求也隨著汽車化的提高而發(fā)生著變化。最初駕駛員們只希望比較容易地操縱轉向系統(tǒng)，而后則追求在高速行駛時的穩(wěn)定性、舒適性和良好的操縱感。在早期的汽車上，轉向機械非常簡單，主要由一級齒輪傳動機構和轉向拉桿等構成。其基本功能是將駕駛員的手動旋轉操作轉變?yōu)檗D向拉桿的左右移動，從而帶動車輪轉動，實現(xiàn)汽車的轉向，隨著汽車技術的進步又出現(xiàn)了更為復雜些的機械式轉向器，這時的轉向器是通過駕駛員轉動方向盤，并通過一系列的桿件傳遞到轉向車輪上來實現(xiàn)轉向的，而著種傳統(tǒng)的轉向器又分為四種形式，分別為：齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式。其中齒輪齒條式和循環(huán)球式應用比較廣泛， 在1923年，美國底特律的亨利·馬爾斯（HenryManes）為了減少蝸輪副和滾輪軸之間的接觸摩擦力，在兩者之間接觸處放置滾珠支承，這就出現(xiàn)了滾珠蝸輪轉向器。這種形式的轉向器就成為現(xiàn)在大家所熟知的循環(huán)球式轉向器，它目前仍很廣泛地在汽車上應用。所謂“現(xiàn)代”齒輪齒條式轉向器，是奔馳（Benz）于1885年首先采用的。這種形式的轉向器同樣也使用在1905年的凱迪拉克（Cadillac）和1911一1920年間制造的許多其它形式的汽車上。據(jù)了解，在全世界范圍內(nèi)，汽車循環(huán)球式轉向器占45%左右，有繼續(xù)發(fā)展之勢；齒條齒輪式轉向器在40%左右；蝸桿滾輪式轉向器占10%左右；其它型式的轉向器占5%。所以可以說循環(huán)球式轉向器在穩(wěn)步發(fā)展。而西歐小客車中，齒條齒輪式轉向器有很大的發(fā)展。日本汽車轉向器的特點是循環(huán)球式轉向器占的比重越來越大，日本裝用不同類型發(fā)動機的各類型汽車，采用不同類型轉向器，在公共汽車中因使用循環(huán)球式轉向器，由60年代占總數(shù)的62.5%發(fā)展到現(xiàn)今的100%了(蝸桿滾輪式轉向器在公共汽車上已經(jīng)淘汰)。大、小型貨車中，也大都采用循環(huán)球式轉向器;但齒條齒輪式轉向器有所發(fā)展；微型貨車用循環(huán)球式轉向器占65 %，齒條齒輪式占35 % 。20世紀初汽車已經(jīng)是一個沉重而又高速疾駛的車輛，充氣輪胎代替了實心車輪。由于轉向柱直接與轉向節(jié)連接，所以轉動車輪是很費勁的。即使是一個健壯的駕駛員，要控制轉向仍然是很勞累的事情。因此，汽車常常沖出路外，于是要降低轉向力的問題就變得比較迫切了。為了轉向輕便，工程師設計了在方向盤和轉向節(jié)之間裝置齒輪減速機構。從那時起，轉向機構一直就是這樣沿用下來。汽車轉向雖然采用了轉向器，但轉向的操縱仍非輕松的事當汽車重量增大、轉向費勁時駕駛員要求能有更好的辦法來解決，這才重新推廣了一種已經(jīng)大約有3/4個世紀的動力輔助轉向器。 從上世紀四十年代起，為減輕駕駛員體力負擔，在機械轉向系統(tǒng)基礎上增加了液壓助力系統(tǒng)它是建立在機械系統(tǒng)的基礎之上的，額外增加了一個液壓系統(tǒng)HPS(hydraulic?power?steering)，一般有油泵、V形帶輪、油管、供油裝置、助力裝置和控制閥。它具有工作無噪聲，其靈觸度高、體積小，能夠吸收來自不平路面的沖擊力等方面的優(yōu)點并且其工作可靠、技術成熟至今仍被廣泛應用?，F(xiàn)在液壓助力轉向系統(tǒng)在實際中應用的最多。在當時這個助力轉向系統(tǒng)最重要的新功能是液力支持轉向的運動，因此可以減少駕駛員作用在方向盤上的力。 隨著轎車車速的不斷提高，傳統(tǒng)的液壓動力轉向暴露出一個致命的缺點，即若要保證汽車在停車或低速掉頭時轉向輕便的話，汽車在高速行駛時就會感到有“發(fā)飄”的感覺：反之，若要保證汽車在高速行駛時操縱有適度感的話，那么當其要停車或低速掉頭時就會感到轉向太重，兩者不能兼顧，這是由傳統(tǒng)液壓動力轉向的結構所決定的。由于動力轉向在轎車上的日益普及，對其性能上的要求已不再是單純的為了減輕操作強度，而是要求其在低速掉頭時保證轉向輕便性的同時又能保證高速行駛時的操縱穩(wěn)定性。近年來，隨著電子技術的不斷發(fā)展，轉向系統(tǒng)中愈來愈多的采用電子器件。相應的就出現(xiàn)了電液助力轉向系統(tǒng)。電液助力轉向可以分為兩大類：電動液壓助力轉向系統(tǒng)EHPS、電控液壓助力轉向ECHPS[2]。EHPS是在液壓助力系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的，其特點是原來有發(fā)動機帶動的液壓助力泵改由電機驅(qū)動，取代了由發(fā)動機驅(qū)動的方式，節(jié)省了燃油消耗。ECHPS是在傳統(tǒng)的液壓助力轉向系統(tǒng)的基礎上增加了電控裝置構成的。 國外在汽車動力轉向器的研究和開發(fā)方面進行得比較早，進行了大量的研究，已經(jīng)成功地開發(fā)出了電動式動力轉向器，并在越來越多的轎車和輕型車輛上成功使用。該裝置優(yōu)于普通的動力轉向器，在不同車速下可通過轉向電腦ECU自動調(diào)節(jié)轉向盤的操作力，在低速行駛或車輛就位時，駕駛員只需用較小的操作力就能靈活進行轉向；而在高速行駛時，則自動控制使操作力逐漸增大，實現(xiàn)操縱的穩(wěn)定性。當然，在目前的技術水準下它仍然存在某些不足，如助力較小等，目前仍處在發(fā)展階段。和液壓動力轉向器相比，電動轉向器具有許多優(yōu)點，如：效率高，路感好、符合環(huán)保要求等，它是轉向器未來發(fā)展趨勢。 20世紀末，隨著汽車技術的不斷發(fā)展，電子控制技術也在汽車上得到逐步廣泛應用?，F(xiàn)代汽車轉向操縱系統(tǒng)的主動安全裝置，有電子控制四輪轉向系統(tǒng)(4WS)、電子控制動力轉向系統(tǒng)(EPS)等。 電子控制四輪轉向系統(tǒng)(4WS):傳統(tǒng)的前輪轉向系統(tǒng)。為了使所有車輪處于純滾動而無滑動，要求全部車輪都繞同一個瞬時轉向中心做圓周運動，轉向的同一時刻，每個車輪的轉向半徑都是不同的。但實際上，汽車轉向時若僅前輪轉向，車身的前進方向與車身的中心線不一致，由于離心力的作用，將使后輪側偏，導致車輪橫擺。而且車速越高，后輪側偏越大，結果使車輪轉向在高速時的操縱穩(wěn)定性明顯降低。電子控制四輪轉向系統(tǒng)則是在前輪轉向的同時，主動地控制后輪也進行適當轉向（一般最大為50）。后輪相對于前輪的轉向，分為同向轉向(后輪與前輪的轉動方向一致)和逆向轉向（后輪與前輪的轉動方向相反）。由于汽車在拐急彎時，通常以低速行駛，而在直道或較平緩的彎道上時，通常以高速行駛。因此，采用電子控制四輪轉向系統(tǒng)的汽車，電子控制單元(ECU)根據(jù)多個傳感器提供的數(shù)據(jù)，計算出后輪距目標轉角的差值，再向步進電機發(fā)出指令使后輪偏轉。低速行駛時，依據(jù)方向盤的轉角值使后輪逆向轉向，以減小轉彎半徑；中速行駛時，可減少后輪轉動，以減輕轉向操縱的不自然感覺；而在高速行駛時，可使后輪實現(xiàn)同向轉向，減少甚至基本避免車身橫擺，提高轉向的穩(wěn)定性。四輪轉向系統(tǒng)自1978年在馬自達·卡配拉轎車上最初試用以來，世界各大汽車公司已分別研究多種四輪轉向裝置，并已批量生產(chǎn)。 動力轉向系統(tǒng)日益廣泛的被采用，不僅在重型汽車L必須采用，在高級轎車上采用的也較多，就是在中型汽車上也逐漸推廣。主要是從減輕駕駛員疲勞，提高操縱輕便性和穩(wěn)定性出發(fā)。雖然帶來成本較高和結構復雜等問題，但由于它的優(yōu)點明顯，還是得到很快的發(fā)展。 而從國內(nèi)角度來說近年來對于EPS的研究發(fā)展很快，尤其是在控制策略的研究上，已經(jīng)將不同的控制方法引如ECU中，并通過實驗和分析不斷地完善和改進，但是在對于細節(jié)的優(yōu)化上距離國外還有相當?shù)牟罹?，而且目前國?nèi)除了吉利汽車，還尚未自主知識產(chǎn)權的EPS，距離EPS的批量化生產(chǎn)也還有一段路要走 從發(fā)展趨勢上看，國外整體式轉向器發(fā)展較快而整體式轉向器中轉閥結構是目前發(fā)展的方向。由寸動力轉向系統(tǒng)還是新的結構，各國的生產(chǎn)廠家都正在組織力量，大力開展試驗研究工作，提高使用性能、減小總成體積、降低生產(chǎn)成本、使之產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。以便逐步推廣和普及。 1.3 不同類型轉向系統(tǒng)的結構及特點 1.3.1 傳統(tǒng)機械轉向系統(tǒng) 汽車的轉向運動是由駕駛員操縱方向盤，通過轉向器和一系列的桿件傳遞到轉向輪來完成的。機械式轉向系統(tǒng)工作過程為：駕駛員對轉向盤施加的轉向力矩通過轉向軸輸入轉向器，減速傳動裝置的轉向器中有1、2級減速傳動副，經(jīng)轉向器放大后的力矩和減速后的運動傳到轉向橫拉桿，再傳給固定于轉向節(jié)上的轉向節(jié)臂，使轉向節(jié)和它所支承的轉向輪偏轉，從而實現(xiàn)汽車的轉向。純機械式轉向系統(tǒng)根據(jù)轉向器形式可以分為：齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式。純機械式轉向系統(tǒng)為了產(chǎn)生足夠大的轉向扭矩需要使用大直徑的轉向盤，需占用較大的空間，整個機構笨拙，，特別是對轉向阻力較大的重型汽車，實現(xiàn)轉向難度很大，這就大大限制了其使用范圍。但因結構簡單、工作可靠、造價低廉，目前該類轉向系統(tǒng)除在一些轉向操縱力不大、對操控性能要求不高的農(nóng)用車上使用外已很少被采用。 1.3.2 液壓助力轉向系統(tǒng)（HPS） 裝配機械式轉向系統(tǒng)的汽車，在泊車和低速行駛時駕駛員的轉向操縱負擔過于沉重，為解決這個問題，美國GM公司在20世紀50年代率先在轎車上采用了液壓助力轉向系統(tǒng)。該系統(tǒng)是建立在機械系統(tǒng)的基礎之上，額外增加了一個液壓系統(tǒng)。液壓轉向系統(tǒng)是由液壓和機械等兩部分組成，它是以液壓油做動力傳遞介質(zhì)，通過液壓泵產(chǎn)生動力來推動機械轉向器，從而實現(xiàn)轉向。液壓助力轉向系統(tǒng)一般由機械轉向器、液壓泵、油管、分配閥、動力缸、溢流閥和限壓閥、油缸等部件組成。為確保系統(tǒng)安全，在液壓泵上裝有限壓閥和溢流閥。其分配閥、轉向器和動力缸置于一個整體，分配閥和主動齒輪軸裝在一起（閥芯與齒輪軸垂直布置），閥芯上有控制槽，閥芯通過轉向軸上的撥叉撥動。轉向軸用銷釘與閥中的彈性扭桿相接，該扭桿起到閥的中心定位作用。在齒條的一端裝有活塞，并位于動力缸之中，齒條左端與轉向橫拉桿相接。轉向盤轉動時，轉向軸（連主動齒輪軸）帶動閥芯相對滑套運動，使油液通道發(fā)生變化，液壓油從油泵排出，經(jīng)控制閥流向動力缸的一側，推動活塞帶動齒條運動，通過橫拉桿使車輪偏轉而轉向。液壓助力轉向系統(tǒng)是在駕駛員的控制下，借助于汽車發(fā)動機帶動液壓泵產(chǎn)生的壓力來實現(xiàn)車輪轉向。由于液壓轉向可以減少駕駛員手動轉向力矩，從而改善了汽車的轉向輕便性和操縱穩(wěn)定性。為保證汽車原地轉向或者低速轉向時的輕便性，液壓泵的排量是以發(fā)動機怠速時的流量來確定。汽車起動之后，無論車子是否轉向，系統(tǒng)都要處于工作狀態(tài)，而且在大轉向車速較低時，需要液壓泵輸出更大的功率以獲得比較大的助力，所以在一定程度上浪費了發(fā)動機動力資源。并且轉向系統(tǒng)還存在低溫工作性能差等缺點。 1.3.3電控液壓助力轉向系統(tǒng)（EHPS） 由于液壓助力轉向系統(tǒng)無法兼顧車輛低速時的轉向輕便性和高速時的轉向穩(wěn)定性，因此，在1983年日本Koyo公司推出了具備車速感應功能的電控液壓助力轉向系統(tǒng)（EHPS）。EHPS是在液壓助力系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的，在傳統(tǒng)的液壓助力轉向系統(tǒng)的基礎上增設了電控裝置，其特點是原來由發(fā)動機帶動的液壓助力泵改由電機驅(qū)動，取代了由發(fā)動機驅(qū)動的方式，節(jié)省了燃油消耗；具有失效保護系統(tǒng)，電子元件失靈后仍可依靠原轉向系統(tǒng)安全工作；低速時轉向效果不變，高速時可以自動根據(jù)車速逐步減小助力，增大路感，提高車輛行使穩(wěn)定性。電控液壓助力轉向系統(tǒng)是將液壓助力轉向與電子控制技術相結合的機電一體化產(chǎn)品。一般由電氣和機械2部分組成，電氣部分由車速傳感器、轉角傳感器和電控單元ECU組成；機械部分包括齒輪齒條轉向器、控制閥、管路和電動泵。其中電動泵的工作狀態(tài)由電子控制單元根據(jù)車輛的行駛速度、轉向角度等信號計算出的最理想狀態(tài)。簡單地說，在低速大轉向時，電子控制單元驅(qū)動液壓泵以高速運轉輸出較大功率，使駕駛員打方向省力；汽車在高速行駛時，液壓控制單元驅(qū)動液壓泵以較低的速度運轉，在不至于影響高速打轉向的需要的同時，節(jié)省一部分發(fā)動機功率。電控液壓轉向系統(tǒng)的工作原理：在汽車直線行駛時，方向盤不轉動，電動泵以很低的速度運轉，大部分工作油經(jīng)過轉向閥流回儲油罐，少部分經(jīng)液控閥然后流回儲油罐；當駕駛員開始轉動方向盤時，ECU根據(jù)檢測到的轉角、車速以及電動機轉速的反饋信號等，判斷汽車的轉向狀態(tài)，決定提供助力大小，向驅(qū)動單元發(fā)出控制指令，使電動機產(chǎn)生相應的轉速以驅(qū)動油泵，進而輸出相應流量和壓力的高壓油。高壓油經(jīng)轉向控制閥進入齒條上的動力缸，推動活塞以產(chǎn)生適當?shù)闹?，協(xié)助駕駛員進行轉向操作，從而獲得理想的轉向效果。電控液壓助力轉向系統(tǒng)在傳統(tǒng)液壓動力轉向系統(tǒng)的基礎上有了較大的改進，但液壓裝置的存在，使得該系統(tǒng)仍有難以克服如滲油、不便于安裝維修及檢測等問題。電控液壓助力轉向系統(tǒng)是傳統(tǒng)液壓助力轉向系統(tǒng)向電動助力轉向系統(tǒng)的過渡。 1.3.4 電動助力轉向系統(tǒng)（EPS） 1988年日本Suzuki公司首先在小型轎車Cervo上配備了Koyo公司研發(fā)的轉向柱助力式電動助力轉向系統(tǒng)。1990年日本Honda公司也在運動型轎車NSX上采用了自主研發(fā)的齒條助力式電動助力轉向系統(tǒng)，從此揭開了電動助力轉向在汽車上應用的歷史。EPS是在EHPS的基礎上發(fā)展起來的,它取消EHPS的液壓油泵、油管、油缸和密封圈等部件,完全依靠電動機通過減速機構直接驅(qū)動轉向機構,其結構簡單、零件數(shù)量大大減少、可靠性增強,解決了長期以來一直存在的液壓管路泄漏和效率低下的問題。電動助力轉向系統(tǒng)在本田飛度、思域以及豐田新皇冠、奔馳新A-class等車型上紛紛被采用。電動助力轉向系統(tǒng)的構電動助力轉向系統(tǒng)一般是由轉矩（轉向）傳感器、電子控制單元ECU、電動機、電磁離合器以及減速機構組成。其工作過程為：扭矩傳感器檢測駕駛員打方向盤的扭矩，然后根據(jù)這個扭矩給控制單元一個信號。同時控制單元也會收到來自方向盤位置傳感器的信號，這個傳感器一般是和扭矩傳感器裝在一起的（有些傳感器已經(jīng)將這2個功能集成為一體）。扭矩和方向盤位置信息經(jīng)過控制單元處理，連同傳入控制單元的車速信號，根據(jù)預先設計好的程序產(chǎn)生助力指令。該指令傳到電機，由電機產(chǎn)生扭矩傳到助力機構上去，這里的齒輪機構則起到增大扭矩的作用。這樣，助力扭矩就傳到了轉向柱并最終完成了助力轉向。節(jié)約了能源消耗與傳統(tǒng)的液壓助力轉向系統(tǒng)相比，沒有系統(tǒng)要求的常運轉轉向油泵，且電動機只是在需要轉向時才接通電源，所以動力消耗和燃油消耗均可降到最低。還消除了由于轉向油泵帶來的噪音污染。液壓動力轉向系統(tǒng)需要發(fā)動機帶動液壓油泵，使液壓油不停地流動，再加上存在管流損失等因素，浪費了部分能量。相反EPS僅在需要轉向操作時才需零部件要向電機提供的能量。而且，EPS系統(tǒng)能量的消耗與轉向盤的轉向及當前的車速有關。當轉向盤不轉向時，電機不工作；需要轉向時，電機在控制模塊的作用下開始工作，輸出相應大小及方向的轉矩以產(chǎn)生助動轉向力矩。該系統(tǒng)真正實現(xiàn)了“按需供能”，是真正的“按需供能型”（on-demand）系統(tǒng)，在各種行駛條件下可節(jié)能80%左右。當駕駛員轉動方向盤一角度然后松開時，EPS系統(tǒng)能夠自動調(diào)整使車輪回到正中。同時還可利用軟件在最大限度內(nèi)調(diào)整設計參數(shù)以獲得最佳的回正特性。通過靈活的軟件編程，容易得到電機在不同車速及不同車況下的轉矩特性，這些轉矩特性使得該系統(tǒng)能顯著地提高轉向能力，提供了與車輛動態(tài)性能相匹配的轉向回正特性。而在傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)中，要改善這種特性必須改造底盤的機械結構，實現(xiàn)起來很困難。轉向系統(tǒng)是影響汽車操縱穩(wěn)定性的重要因素之一。傳統(tǒng)液壓動力轉向由于不能很好地對助力進行實時調(diào)節(jié)與控制，所以協(xié)調(diào)轉向力與路感的能力較差，特別是汽車高速行駛時，仍然會提供較大助力，使駕駛員缺乏路感，甚至感覺汽車發(fā)飄，從而影響操縱穩(wěn)定性。但EPS是由電動機提供助力，助力大小由電子控制單元（ECU）根據(jù)車速、方向盤輸入扭矩等信號進行實時調(diào)節(jié)與控制，可以很好地解決這個矛盾。EPS系統(tǒng)控制單元ECU具有故障自診斷功能，當ECU檢測到某一組件工作異常，如各傳感器、電磁離合器、電動機、電源系統(tǒng)及汽車點火系統(tǒng)等，便會立即控制電磁離合器分離停止助力，轉為手動轉向，按普通轉向控制方式進行工作，確保了行車的安全。 1.3.5 線控轉向系統(tǒng)（SBW） 在車輛高速化、駕駛人員大眾化、車流密集化的今天，針對更多不同水平的駕駛人群，汽車的易操縱性設計顯得尤為重要。線控轉向系統(tǒng)（Steering-By-Wire Systerm，簡稱SBW）的發(fā)展，正是滿足這種客觀需求。它是繼EPS后發(fā)展起來的新一代轉向系統(tǒng)，具有比EPS操縱穩(wěn)定性更好的特點，它取消轉向盤與轉向輪之間的機械連接，完全由電能實現(xiàn)轉向，徹底擺脫傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)所固有的限制，提高了汽車的安全性和駕駛的方便性。SBW系統(tǒng)一般由轉向盤模塊、轉向執(zhí)行模塊和主控制器ECU、自動防故障系統(tǒng)以及電源等模塊組成。轉向盤模塊包括路感電機和轉向盤轉角傳感器等，轉向盤模塊向駕駛員提供合適的轉向感覺（也稱為路感）并為前輪轉角提供參考信號。轉向執(zhí)行模塊包括轉向電機、齒條位移傳感器等,實現(xiàn)2個功能:跟蹤參考前輪轉角、向轉向盤模塊反饋輪胎所受外力的信息以反饋車輛行駛狀態(tài)。主控制器控制轉向盤模塊和轉向執(zhí)行模塊的協(xié)調(diào)工作。當轉向盤轉動時,轉向傳感器和轉向角傳感器檢測到駕駛員轉矩和轉向盤的轉角并轉變成電信號輸入到ECU,ECU根據(jù)車速傳感器和安裝在轉向傳動機構上的位移傳感器的信號來控制轉矩反饋電動機的旋轉方向,并根據(jù)轉向力模擬,生成反饋轉矩,控制轉向電動機的旋轉方向、轉矩大小和旋轉角度,通過機械轉向裝置控制轉向輪的轉向位置，使汽車沿著駕駛員期望的軌跡行駛。 1.4轉向器設計要求 汽車轉向系的作用是保持或者改變汽車行駛方向的機構，在汽車轉向行駛中，保證各轉向輪之間有協(xié)調(diào)的轉角關系。保證汽車在行駛中能按駕駛員的操縱要求，適時地改變行駛方向，并能在受到路面干擾偏離行駛方向時，與行駛系配合，共同保持汽車穩(wěn)定地直線行駛。轉向系對汽車行駛的適應性、安全性都具有重要的意義。 對轉向系提出的要求有： （1）汽車轉彎行駛時，全部車輪應繞瞬時轉向中心旋轉，任何車輪不應有側滑。不滿組這項要求會加速輪胎磨損，并降低汽車的行駛穩(wěn)定性。 （2）汽車轉向行駛后，在駕駛員松開轉向盤的條件下，轉向輪能自動返回到直線行駛的位置，并穩(wěn)定行駛。 （3）汽車在任何行駛狀態(tài)下，轉向輪都不得產(chǎn)生自振，轉向盤沒有擺動。 （4）轉向傳動機構和懸架導向裝置共同作用時，由于運動不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺動應最小。 （5）保證汽車有較高的機動性，具有迅速和小轉彎行駛能力。 （6）操縱輕便。 （7）轉向輪碰撞到障礙物以后，傳給轉向盤的反沖力要盡可能小。 （8）轉向器和轉向傳動機構的球頭處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機構。 （9）在車禍中，當轉向軸和轉向盤由于車架或車身變形而共同后移時，轉向系應有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。 （10）進行運動校核，保證轉向輪與轉向盤轉動方向一致。 （11）方向盤左置。 （12）不得裝用全動力轉向機構。 （13）當汽車前行向左或向右轉彎時，轉向盤向左向右的回轉角和轉向力不能有顯著的差別。 （14）轉向器應有合適的角傳動比，既能使轉向省力，減輕駕駛員的勞動強度，又能使駕駛員轉動轉向盤時，轉向輪應立即獲得相應的偏轉角，且轉向盤轉動的總圈數(shù)不能太多。 1.5設計主要內(nèi)容 本章主要研究內(nèi)容：總結分析相關文獻，分析各轉向系統(tǒng)的優(yōu)劣所在，結合實際情況初步選定所設計的轉向器類型。利用所選定的轉向器參數(shù)，完成轉向器結構布置和設計。  第2章 液壓動力轉向器方案分析及確定 2.1轉向器結構優(yōu)缺點分析和選擇 汽車的轉向系根據(jù)其轉向能源的不同，可分為機械式轉向系和動力式轉向系。而根據(jù)所采用的轉向傳動副的不同，轉向器的結構型式有多種。常見的有齒輪齒條式、循環(huán)球式、球面蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式等。對轉向器結構型式的選擇，主要是根據(jù)汽車的類型、前軸負荷、使用條件等來決定，并要考慮其效率特性、角傳動比變化特性等對使用條件的適應性以及轉向器的其他性能、壽命、制造工藝等。中、小型轎車以及前軸軸荷小于1.2t的客車、貨車，多采用齒輪齒條式轉向器。球面蝸桿滾輪式轉向器曾廣泛用在輕型和中型汽車上，循環(huán)球式轉向器則是當前廣泛使用的一種結構，高級轎車和輕型及以上的客車、貨車均多采用。轎車、客車多行駛于好路面上，可以選用正效率高、可逆程度大些的轉向器。礦山、工地用汽車和越野汽車，經(jīng)常在壞路或無路地帶行駛，推薦選用極限可逆式轉向器，但當系統(tǒng)中裝有液力式動力轉向或在轉向橫拉桿上裝有減振器時，則可采用正、逆效率均高的轉向器，因為路面的沖擊可由液體或減振器吸收，轉向盤不會產(chǎn)生“打手”現(xiàn)象。 2.1.1齒輪齒條式轉向器 齒輪齒條式轉向器由與轉向軸做成一體的轉向齒輪和常與轉向橫拉桿做成一體的齒條組成。與其他形式的轉向器比較，齒輪齒條式轉向器最主要的優(yōu)點是：結構簡單、緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成，轉向器的質(zhì)量較?。粋鲃有矢哌_90%；齒輪與齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙以后，利用裝在齒條背部、靠近主動小齒輪處的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧，能自動消除齒間間隙，如圖1.1所示。這不僅可以提高轉向系統(tǒng)的剛度，還可以防止工作時產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉向器占用的體積?。粵]有轉向搖臂和直拉桿，所以轉向輪轉角可以增大；制造成本低。 齒輪齒條式轉向器的主要缺點是：因逆效率高（60%-70%），汽車在不平路面上行駛時，發(fā)生在轉向輪與路面之間沖擊力的大部分能傳至轉向盤，稱之為反沖。反沖現(xiàn)象會使駕駛員精神緊張，并難以準確控制汽車行駛方向，轉向盤突然轉動又會造成打手，同時對駕駛員造成傷害。 根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點不同，齒輪齒條式轉向器有四種形式：中間輸入，兩端輸出（圖2.1a）；側面輸入，兩端輸出（圖2.1b）；側面輸入，中間輸出（圖2.1c）側面輸入，一端輸出（圖2.1d）。  圖2.1 齒輪齒條式轉向器的四種形式 根據(jù)齒輪齒條式轉向器和轉向梯形相對前軸位置的不同，齒輪齒條式轉向器在汽車上有四種布置形式：轉向器位于前 軸后方，后置梯形；轉向器位于前軸后方，前軸梯形；轉向器位于前軸前方，后置梯形；轉向器位于前軸前方，前置梯形，如圖2.2。 圖2.2齒輪齒條式轉向器四種布置形式 2.1.2循環(huán)球式轉向器 循環(huán)球式轉向器由齒輪機構將來自轉向盤的旋轉力進行減速，使轉向盤的旋轉運動變?yōu)闇u輪蝸桿的旋轉運動，滾珠螺桿和螺母夾著鋼球嚙合，因而滾珠螺桿的旋轉運動變?yōu)橹本€運動，螺母再與扇形齒輪嚙合，直線運動再次變?yōu)樾D運動，使連桿臂搖動，連桿臂再使連動拉桿和橫拉桿做直線運動，改變車輪的方向。 循環(huán)球式轉向器的主要優(yōu)點：在螺桿和螺母之間因為有可以循環(huán)流動的鋼球，將滑動摩擦轉變?yōu)闈L動摩擦，因而傳動效率可達到75％—80％；在結構和工藝上采取措施后，包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度和螺桿、螺母上的螺旋槽經(jīng)淬火和磨削加工，使之有足夠的硬度和耐磨損性能，可保證有足夠的使用壽命；轉向器的傳動比可以變化；工作平穩(wěn)可靠；齒條與齒扇之間的間隙調(diào)整工作容易進行；適合用來做整體式動力轉向器。循環(huán)球式轉向器的主要缺點：逆效率高，結構復雜，制造困難，制造精度要求高。 2.1.3蝸桿滾輪式轉向器 蝸桿滾輪式轉向器由蝸桿和滾輪嚙合而構成。蝸桿滾輪式轉向器的主要優(yōu)點是：結構簡單；制造容易；因為滾輪的齒面和蝸桿上的螺紋呈面接觸，所以有比較高的強度，工作可靠，磨損小，壽命長；逆效率低。蝸桿滾輪式轉向器的主要缺點是：正效率低；工作齒面磨損后，調(diào)整嚙合間隙比較困難；轉向器的傳動比不能變化。 2.1.4蝸桿指銷式 蝸桿指銷式轉向器根據(jù)其銷子能否自轉分為固定銷式蝸桿指銷式轉向器和旋轉銷式轉向器。根據(jù)銷子數(shù)量不同，又分為單銷和雙銷之分。蝸桿指銷式轉向器的優(yōu)點是：轉向器的傳動比可以做成不變的或者變化的；指銷和蝸桿之間的工作面磨損后，調(diào)整間隙工作容易進行。固定銷蝸桿指銷式轉向器的結構簡單、制造容易；但是因銷子不能自轉，銷子的工作部位基本保持不變，所以磨損快、工作效率低。旋轉銷式轉向器的效率高、磨損慢，但結構復雜。 轉向器是轉向系中的減速增扭轉動裝置[9]，其功用是增大轉向盤傳動轉向節(jié)的力并改變力的傳遞方向。曾經(jīng)出現(xiàn)過的轉向器結構型式很多，但有些已趨于淘汰?，F(xiàn)代汽車的轉向器已演變定型，中型和重型汽車多采用循環(huán)球式轉向器，小型車多采用齒輪齒條式轉向器。在循環(huán)球式轉向器中，輸入轉向圈與輸出的轉向搖臂擺角是成正比的；在齒輪齒條式轉向器中，輸入轉向圈數(shù)與輸出的齒條位移是成正比的。目前大部分低端轎車采用的就是齒輪齒條式機械轉向系統(tǒng)，本文為輕型車轉向器設計，故采用齒輪齒條式轉向器。 2.2齒輪齒條式動力轉向器結構 在齒輪齒條式機械轉向器的基礎上增加轉向助力裝置，就成了齒輪齒條式動力轉向器，其工作原理圖如圖2.3和圖2.4所示。 1-活塞；2-齒條；3-右轉彎油管 圖2.3 右轉彎時液壓油缸動作 1—橫拉桿；2—左轉進油管；3—右轉進油管；4—右轉進油口；5—轉向輸入軸；6—旋轉式控制閥；7—出油口；8—進油口；9—左轉進油口；10—動力缸；11—活塞； 12—轉向齒條；13—防塵套。 圖2.4左轉彎時液壓油缸動作 在齒輪齒條式動力轉向器中，活塞安裝在轉向齒條上，并置于齒條套管內(nèi)。齒條活塞兩邊的齒條套管都被密封起來，形成兩個分開的油液腔，連接左、右轉向回路。轉向盤右轉時，旋轉閥在齒條活塞兩邊形成壓力差，使齒條朝低壓方向移動，從而減輕轉動轉向盤所需的總操縱力。 齒輪齒條式液壓動力轉向器與其他形式的轉向器比較，齒輪齒條式轉向器最主要的優(yōu)點是：結構簡單、緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成，轉向器的質(zhì)量較??；傳動效率高達90%；齒輪與齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙以后，利用裝在齒條背部、靠近主動小齒輪處的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧，能自動消除齒間間隙，這不僅可以提高轉向系統(tǒng)的剛度，還可以防止工作時產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉向器占用的體積?。粵]有轉向搖臂和直拉桿，所以轉向輪轉角可以增大；制造成本低。 2.3液壓動力轉向器工作原理及過程 2.3.1工作原理 在機械轉向器的基礎上增加一套轉向助力裝置，就成了動力轉向器。根據(jù)這套助力裝置提供能源不同分為液壓式動力轉向器和電動式動力轉向器。以下主要敘述液壓式動力轉向器的工作原理。 液壓式動力轉向器有常壓式和常流式兩種。對于常壓式動力轉向器，其液壓系統(tǒng)設有儲能裝置，故無論轉向盤保持靜止還是運動狀態(tài)，液壓系統(tǒng)工作管路中總是保持高壓。對于常流式動力轉向器，其液壓泵始終處于運轉狀態(tài)。當汽車處于直線行駛狀態(tài)時，轉向油泵輸出的油液流入轉向控制閥，又由此流回轉向油罐，因轉向控制閥的節(jié)流阻力很小，故油泵輸出壓力也很低，油泵實際上處于空轉狀態(tài)。當駕駛員轉動方向盤，通過機械轉向器使轉向控制閥(轉閥或者滑閥)處于與某一轉彎方向相應的工作位置時，轉向動力缸的相應工作腔與回油管路隔絕，轉而與油泵輸出管路相同，而動力缸的另一腔仍然通回油管路。地面轉向阻力經(jīng)轉向傳動機構傳到轉向動力缸的推桿和活塞上，形成比轉向控制閥節(jié)流阻力高得多的油泵輸出管路阻力。于是轉向油泵輸出壓力急劇升高，直到足以推動轉向動力缸活塞為止。轉向盤停止轉動后，轉向控制閥隨即回復到中間位置，使動力缸停止工作。 比較而言，常流式結構較簡單、油泵壽命較長、泄漏量較少、功率消耗也較少，因此，目前除少數(shù)重型汽車采用常壓式動力轉向器外，其他大量的汽車均采用常流式動力轉向器。 如果動力轉向機構的機械轉向部分、轉向動力缸和轉向控制閥組裝成一體，這種結構稱為整體式動力轉向器。也有將各部分分離組裝的產(chǎn)品，但是這種產(chǎn)品目前已不多見。 齒輪齒條液壓動力轉向器是把活塞安裝在轉向齒條上，并至于齒條套管內(nèi)，齒條活塞兩邊的齒條套管被密封起來，形成兩個分開的油液腔，連接左右轉向回路，轉向盤轉動時，旋轉伐在齒條活塞兩邊形成壓力差，使齒條朝低壓方向移動，從而減輕轉動方向盤所需的總操縱力。 2.3.2工作過程 如圖2.5所示，汽車直線行駛時，轉閥處于中間位置。來自轉向油泵的工作液從轉向器殼體舶進油口0流到閥體13的中間油環(huán)槽中，經(jīng)過其槽底的通孔進入閥體13和閥芯12之間，此時因閥芯處于中間位置，所以進入的油液分別通過閥體和閥芯縱槽和槽肩形成的兩邊相等的間隙，再通過閥芯的縱槽以及閥體的徑向孔流向閥體外圓上、下油環(huán)槽，然后通過殼體中的兩條油道分別流到動力缸的 R—接右轉向動力腔；L—接左轉向動力腔；B—接轉向液壓泵；G—接轉向油罐 2—齒條-活塞；12—進油口；13—閥體；22—閥心 圖2.5汽車直線行駛時轉閥的工作情況 上、下腔中去，即左轉向動力腔L和右轉向動力腔R，流人閥體內(nèi)腔的油液在通過閥芯縱槽流向閥體上、油環(huán)槽的同時，通過閥芯槽肩上的徑向油孔流到轉向螺桿和輸入軸之間的空隙中，經(jīng)閥體組件和調(diào)整螺塞之間的空隙流到回油口，經(jīng)油管回到油罐中去，形成了常流式油液循環(huán)。此時，上、下腔油壓相等且很小，齒條一活塞19既沒有受到轉向螺桿的軸向推力，也沒有受到上、下腔因壓力差造成的軸向推力。所以齒條一活塞處于中間位置，動力轉向器不工作。 參見圖2.6，汽車左轉彎時，轉動轉向盤使短軸逆時針轉動，通過其下端軸銷子帶動閥芯同步轉動，這個扭距也通過具有彈性的扭桿軸傳給下端軸蓋，下端軸蓋邊緣上的缺口通過固定在閥體上的銷子帶動閥體轉動，閥體通過其下端缺口和銷子，把轉向力矩傳給螺桿。由于轉向阻力的存在，要有足夠的轉向力矩才能使轉向螺桿轉動。這個轉矩促使扭桿軸發(fā)生彈性扭轉，造成閥體的轉動角度小于閥芯的轉動角度，兩者產(chǎn)生相對角位移。通下動力腔的進油縫隙減小(或封閉)，回油縫隙增大，油壓降低;通上動力腔的進油縫隙增大而回油縫隙減小(或關閉)，油壓升高，上、下動力腔產(chǎn)生油壓差，齒條一活塞便在上、下動力腔油壓差的作用下移動，產(chǎn)生助力作用。此時，來自轉向油泵的壓力油通過槽隙流向動力缸上腔，動力缸下腔的油則通過閥體徑向孔、槽隙、閥芯徑向孔和回油口流回流向儲油罐。 (a)左行駛 (b)右行駛 圖2.6 左右行駛時轉閥的工作情況 右轉彎時轉向器工作過程與左轉彎時基本相似，如圖2.5b所示。不同的是由于轉向方向相反，造成閥體和閥芯的角位移相反，齒條一活塞下腔油壓升高而上腔油壓降低，產(chǎn)生右轉向助力。 當轉向盤停在某一位置不再繼續(xù)轉動時，閥體隨轉向螺桿在液力和扭桿軸彈力的作用下，沿轉向盤轉動方向旋轉一個角度，使之與閥芯的相對角位移量減小，上、下動力腔油壓差減小，但仍有一定的助力作用。此時的助力轉矩與車輪的回正力矩相平衡，使車輪維持在某一轉向位置上。在轉向過程中，若轉向盤轉動的速度快，閥體與閥芯的相對角位移量也大，上、下動力腔的油壓差也相應加大，前輪偏轉的速度也加快，如轉向盤轉動的慢，前輪偏轉的也慢;若轉向盤轉在某一位置上不變，對應著前輪也轉在某一位置上不變。此即稱“漸進隨動原理”，也就是“快轉快助，大轉大助，不轉不助”原理。轉向后需回正時，如果駕駛員放松轉向盤，閥芯回到中間位置，失去了助力作用，此時轉向輪在回正力矩的作用下自動回位:若駕駛員同時回轉轉向盤時，轉向助力器助力，幫助車輪回正。 當汽車直線行駛偶遇外界阻力使轉向輪發(fā)生偏轉，阻力矩通過轉向傳動機 構，作用在閥體上，使之與閥心之間產(chǎn)生相對角位移，產(chǎn)生了反相的推力作用， 在此力作用下，轉回輪迅速回正。 2.4轉向系主要性能參數(shù) 2.4.1轉向系的效率 功率p從轉向軸輸入，經(jīng)轉向搖臂軸輸出所求得的效率為正效率，用符號表示，反之稱為逆效率，用符號表示，為了保證轉向時駕駛員轉動轉向盤輕便，要求正效率高[10]；為了保證汽車轉向后轉向輪和轉向盤能自動返回直線行駛位置，又需要有一定的逆效率。 轉向器的正效率與轉向器的類型、結構特點、結構參數(shù)和制造質(zhì)量等有關。在前述四種轉向器中，齒輪齒條式、循環(huán)球式轉向器的正效率比較高，而蝸桿指銷式特別是鼓動銷和蝸桿滾輪式轉向器的正效率要明顯低一些。齒輪齒條式轉向器的正效率可達90%，循環(huán)球式轉向器的傳動副為滾動摩擦，摩擦損失小，其正效率可達85%，球面蝸桿滾輪式轉向器正效率可達77%-82%，蝸桿指銷式轉向器和蝸桿滾輪式轉向器的傳動副存在較大滑動摩擦，正效率68%-75%比較低。同一類型轉向器，因結構不同效率也不一樣。 逆效率表示轉向器的可逆性。根據(jù)逆效率值的大小，轉向器又可分為可逆式、極限可逆式與不可逆試三種。 可逆式轉向器的逆效率較高，這種轉向器可將路面作用在車輪上的大部分力傳遞到轉向盤上，使司機的路感好。在汽車轉向后也能保證轉向輪與轉向盤的自動回正，使轉向輪行駛穩(wěn)定。但在壞路面上，當轉向輪上作用有側向力時，轉向輪受到的沖擊大部分會傳給轉向盤，為了減輕在不平路面上行駛時駕駛員的疲勞，車輪與路面之間的作用力傳至轉向盤上要盡可能小，防止打手，這又要求此逆效率盡可能低。因此，可逆式轉向器宜用于在良好路面上行駛的車輛。循環(huán)球式和齒輪齒條式轉向器均屬于這一類。本文設計齒輪齒條轉向器逆效率為60％-70％。 不可逆式轉向器不會將轉向輪受到的沖擊力傳到轉向盤上。由于它既使司機沒有路感，又不能保證轉向輪的自動回正，現(xiàn)代汽車已不采用。 極限可逆式轉向器介于上述兩者之間。其逆效率較低，適用于在壞路面上行駛的汽車。當轉向輪受到?jīng)_擊力時，其中只有較小的一部分傳給轉向盤。 通常，由轉向盤至轉向輪的效率即轉向系的正效率的平均值為67%-82%；當向上述相反方向傳遞力時逆效率的平均值為58%-63%。 在循環(huán)球式機械轉向器的基礎上增加轉向助力裝置，就成了循環(huán)球式動力轉向器，其工作原理如圖2.1所示。 2.4.2 轉向系傳動比 轉向系的傳動比包括轉向系的角傳動比和轉向系的力傳動比。 從輪胎接地面中心作用在兩個轉向輪上的合力2 與作用在轉向盤上的手力之比，稱為力傳動比。轉向盤角速度與同側轉向節(jié)偏轉角速度之比，稱為轉向系角傳動比。 轉向盤角速度與同側轉向節(jié)偏轉角速度之比，稱為轉向系角傳動比，即 （3.1） 式中：—轉向盤轉角增量； —轉向節(jié)轉角增量； —時間增量。 又由轉向器角傳動比和轉向傳動機構角傳動比所組成，即 （3.2） 式中：—轉向器的角傳動比； —轉向傳動機構的角傳動比。 現(xiàn)代汽車轉向傳動機構的角傳動比多在0.85-1.1之間，即近似于1?，F(xiàn)代汽車轉向器的角傳動比也常采用不變的數(shù)值：轎車取=14-22；貨車取=20-25。本次設計取20。 =120=20 轉向傳動機構的力傳動比與轉向傳動機構的結構布置型式及其桿件所處的轉向位置有關。 =100 （3.3） 式中：—主銷偏移距，取值在40-60mm，取40mm； —轉向盤直徑，取360mm。 2.4.3 轉向器的傳動副的間隙特性 轉向器的傳動間隙是指轉向器傳動副之間的間隙[11]。該間隙隨轉向盤轉角的改變而改變。通常將這種變化關系稱為轉向器的傳動間隙特性。研究該傳動間隙特性的意義在于它對汽車直線行駛時的穩(wěn)定性和轉向器的壽命都有直接影響。 當轉向盤處于中間位置即汽車作直線行駛時，如果轉向器有傳動間隙則將使轉向輪在該間隙范圍內(nèi)偏離直線行駛位置而失去穩(wěn)定性。為防止這種情況發(fā)生，要求當轉向盤處于中間位置時轉向器的傳動副為無隙嚙合。這一要求應在汽車使用的全部時間內(nèi)得到保證。汽車多直行行駛，因此轉向器傳動副在中間部位的磨損量大于其兩端。為了保證轉向器傳動副磨損最大的中間部位能通過調(diào)整來消除因磨損而形成的間隙，調(diào)整后當轉動轉向盤時又不致于使轉向器傳動副在其他嚙合部位卡住。為此應使傳動間隙從中間部位到兩端逐漸增大，并在端部達到其最大值，如圖3.1，利于間隙的調(diào)整及提高轉向器的使用壽命。不同結構的轉向器其傳動間隙特性亦不同。 圖3.1 轉向器傳動副傳動間隙特性 2.4.4轉向系的剛度 轉向系的各零件尤其是一些桿件具有一定的彈性，這使得轉向輪的實際轉角要比司機轉動方向盤并按轉向系角傳動比換算到轉向輪的轉角要小，這樣就會有不足轉向的趨勢。轉向系剛度對輪胎的側偏剛度影響也很大。轉向系剛度不足會使前輪的側偏剛度減小，使汽車的轉向靈敏度減小。 2.4.5轉向盤的總轉動圈數(shù) 轉向盤從一個極端位置轉到另一個極端位置時所轉過的圈數(shù)稱為轉向盤的總轉動圈數(shù)。它與轉向輪的最大轉角及轉向系的角傳動比有關，并影響轉向的操縱輕便性和靈敏性。轎車轉向盤的總轉動圈數(shù)較少，一般約在3.6圈以內(nèi)；貨車一般不宜超過6圈。 單從轉向操縱的靈敏性而言，最好是轉向盤和轉向節(jié)的運動能同步開始并同步終止。然而，這在實際上是不可能實現(xiàn)的。因為在整個轉向系統(tǒng)中，各傳動件之間都必然存在著裝配間隙，而且這些間隙將隨著零件的磨損而增大。在轉向盤轉動過程的開始階段，駕駛員對轉向盤所施加的力矩很小，因為只是用來克服轉向系統(tǒng)內(nèi)部的摩擦的，使各傳動件運動到其間的間隙完全消失，故可以認為這個階段是轉向盤空轉階段。此后，才需要對轉向盤施加更大的轉向力矩，以克服經(jīng)車輪傳到轉向節(jié)上的轉向阻力矩，從而實現(xiàn)使各轉向輪的偏轉。轉向盤在空轉階段中的角行程稱為轉向盤自由行程。轉向盤自由行程對于緩沖路面沖擊及避免使駕駛員過度緊張是有利的，但不宜過大，以免影響靈敏性。一般來說，轉向盤從相應于汽車直線行駛的中間位置向任一方向的自由行程最好不超過10～15。當零件磨損嚴重到使轉向盤自由行程超過25～30 時，必須進行調(diào)整。 2.5本章小結 本章首先介紹了轉向器的結構和分類，本次設計主要選用齒輪齒條式液壓助力轉向器，其次介紹了幾種典型汽車液壓式動力轉向器的工作原理及過程，再次，對液壓動力轉向系統(tǒng)進行了總體設計，確定了液壓動力轉向系統(tǒng)的結構形式和主要性能參數(shù)，這為以下的設計計算奠定了基礎。 第3章 液壓轉向器的設計計算 3.1轉向系計算載荷的確定 為了保證行駛安全，組成轉向系的各零件應有足夠的強度。欲驗算轉向系零件的強度，需3首先確定作用在各零件上的力。影響這些力的只要因素有轉向軸的負荷，路面阻力和輪胎氣壓等。為轉動轉向輪要克服的阻力，包括轉向輪繞主銷轉動的阻力、車輪穩(wěn)定阻力、輪胎變形阻力和轉向系中的內(nèi)摩擦阻力等。 精確地計算這些力是困難的，為此推薦用足夠精確的半徑公式來計算汽車在瀝青或者混凝土路面上原地轉向阻力矩mm)，即 （3.1） 式中： —輪胎和路面間的滑動摩擦因數(shù)，一般取0.7； —轉向軸負荷（N）7987N ；（整備質(zhì)量為815kg）。 —輪胎氣壓（MPa）。0.6 MPa 作用在轉向盤上的手力為 （3.2） 式中： —轉向盤直徑；360mm —轉向系的角傳動比；=20 —轉向器的正效率；75% 對給定的汽車，用式（3.2）計算出來的作用力是最大值。因此，可以用此值作為計算載荷。然而，對于前軸負荷大的貨車，用式（3.2）計算的力往往超過駕駛員生理上的可能。在此情況下，對轉向器和動力轉向器動力缸以前的零件的計算載荷，應取駕駛員作用在轉向盤輪緣上的最大瞬時力，此力為700N。 3.2齒輪齒條式轉向器的設計 齒輪齒條式轉向器的齒輪多采用斜齒圓柱齒輪。齒輪模數(shù)范圍多在2~3之間。主動小齒輪齒數(shù)多數(shù)在5~7個齒范圍變化，壓力角，齒輪螺旋角取值范圍多為。齒條齒數(shù)應根據(jù)轉向輪達到最大偏轉角時，相應的齒條移動行程應達到的值來確定。此外，設計時應驗算齒輪的抗彎強度和接觸強度。 已知：小齒輪傳遞功率P=6.125；小齒輪轉數(shù)n=;齒數(shù)比u=2.97 3.2.1選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) （1）按汽車轉向器的傳動方案 ，選用斜齒圓柱齒輪傳動。 （2）考慮此轉向器的功率及壽命，主動小齒輪、齒條都選用硬齒面。由機械設計手冊選得主動小齒輪采用低碳合金鋼15GrNi6制造并經(jīng)滲碳淬火；表面硬度在54~62HRC，芯部30~42HRC；齒條采用45號鋼制造并經(jīng)高頻淬火，表面硬度在58HRC以上。殼體常用鋁合金壓鑄。 （3）選取精度等級。因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削；故初選7級精度。 （4）因為是閉式硬齒面齒輪傳動，故選主動小齒輪齒數(shù)；齒條齒數(shù)。 3.2.2按齒面接觸硬度設計 由機械原理與設計設計計算公式進行計算，即 （3.3） （1） 確定公式內(nèi)的各參數(shù)數(shù)值 a) 試選載荷系數(shù)1.6 b) 計算小齒輪傳遞的轉矩 N·mm c) 由機械原理與設計表9-12選取齒寬系數(shù) d) 由機械設計圖3-14、圖3-15查取 對于鋼制標準斜齒輪，，取、時，、、； ； e) 由機械設計圖3-21及圖3-28按齒面硬度中間值58HRC、MQ等級查得 ；； ；； f) 計算應力循環(huán)次數(shù) g) 由機械設計圖3-23查得 ；1.28 h) 計算接觸疲勞許用應力 由機械設計表3-9查得對于失效概率低于1% （2） 計算齒輪參數(shù) a) 計算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值 b) 計算圓周速度 c) 計算齒寬 = d) 計算模數(shù) 取標準模數(shù) e) 計算當量齒數(shù) f) 計算重合度 3.2.3按齒根抗彎強度設計 由式機械原理與設計9-51得抗彎強度設計公式為 確定公式內(nèi)的各參數(shù)數(shù)值 （1）由機械設計設計圖3-21及3-28按MQ等級查得齒輪、齒條的抗彎疲勞強度極限： ；； （2）由機械原理與設計圖9-38查得抗疲勞壽命系數(shù) ；； （3）計算抗彎疲勞許用應力 由式： 根據(jù)機械設計表3-10及3-31 ；； 選擇齒面粗糙度 由機械設計圖3-30：