轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計計算匹配

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能1.1 駕駛者通過方向盤控制轉(zhuǎn)向輪繞主銷的轉(zhuǎn)角而實現(xiàn)控制汽車運動方向。 對方向盤的輸入有兩種方式：對方向盤的角度輸入和對方向盤的力輸入。裝有動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車低速行駛時，操作方向盤的力很輕，卻要產(chǎn)生很大的方向盤轉(zhuǎn)角輸入，汽車的運動方向純粹是由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各桿件的幾何關系所確定。這時，基本上是角輸入。而在高速行駛時，可能出現(xiàn)方向盤轉(zhuǎn)角很小，汽車上仍作用有一定的側向慣性力，這時，主要是通過力輸入來操縱汽車。1.2 將整車及輪胎的運動、受力狀況反饋給駕駛者。這種反饋，通常稱為路感。駕駛者可以通過手-感知方向盤的震動及運轉(zhuǎn)情況、眼睛-觀察汽車運動、身體-承受到的慣性、耳朵-聽到輪胎在地面滾動的聲音來感覺、檢測汽車的運動狀態(tài)，但最重要的的信息來自方向盤反饋給駕駛者的路感，因此良好的路感是優(yōu)良的操穩(wěn)性中不可缺少的部分。反饋分為力反饋和角反饋 從轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能可以得知：人、車通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成了人車閉環(huán)系統(tǒng)，是駕駛者對汽車操縱控制的一個關鍵系統(tǒng)。2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計的基本要求轉(zhuǎn)向系是用來保持或者改變汽車行駛方向的機構，在汽車轉(zhuǎn)向行駛時，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關系。轉(zhuǎn)向系的基本要求如下： 21 汽車轉(zhuǎn)彎時，全部車輪應繞瞬時回轉(zhuǎn)中心（瞬心）旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應有側滑。不滿足這項要求會加劇輪胎磨損，并降低汽車的操作穩(wěn)定性。實際上，沒有哪一款汽車能完全滿足這項要求，只能對轉(zhuǎn)向梯形桿系進行優(yōu)化，一般在常用轉(zhuǎn)向角內(nèi)（內(nèi)輪1525范圍）使轉(zhuǎn)向內(nèi)外輪運動關系逼近上述要求。22 良好的回正性能 汽車轉(zhuǎn)向動作完成后，在駕駛者松開方向盤的條件下，轉(zhuǎn)向輪能自動返回到直線行駛位置，并穩(wěn)定行駛 。轉(zhuǎn)向輪的回正力矩的大小主要由懸架系統(tǒng)所決定的前輪定位參數(shù)確定，一般來說，影響汽車回正的因素有：輪胎側偏特性、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、前輪外傾、轉(zhuǎn)向節(jié)上下球節(jié)的摩擦損失、轉(zhuǎn)向節(jié)臂長、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的逆效率等。 23汽車在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不得產(chǎn)生自振，方向盤沒有擺動。 24 轉(zhuǎn)向機構與懸架機構的運動不協(xié)調(diào)所造成的運動干涉應盡可能小，由于運動干涉使轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生的擺動應最小。 汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，作用在汽車質(zhì)心處的離心力的作用，內(nèi)輪載荷減小，外輪載荷增加，使懸架上的載荷發(fā)生相應變化。若轉(zhuǎn)向橋采用非獨立懸架、鋼板彈簧機構時，則內(nèi)側板簧因載荷減小而長度縮短，外側板簧因載荷增加而長度增加，導致車軸在水平面內(nèi)相對車身轉(zhuǎn)過一個角度，產(chǎn)生軸轉(zhuǎn)向效應。轉(zhuǎn)向直拉桿和縱拉桿的運動關系必須與之適應，使軸轉(zhuǎn)向效應趨于不足轉(zhuǎn)向。當轉(zhuǎn)向橋為獨立懸架、螺旋彈簧機構時，內(nèi)側彈簧因載荷減小而長度增加，車輪相對車身下跳，外側彈簧因載荷增加而長度減小，車輪相對車身上跳，因轉(zhuǎn)向橫拉桿外球頭從運動學上來說，是轉(zhuǎn)向輪的一部分，內(nèi)球頭屬于車身的一部分，外球頭隨車輪上下跳動所形成的軌跡必須與內(nèi)球頭所在中心點相適應。這就是傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向理論中所說的斷開點校核。實際上，現(xiàn)代汽車設計中，合理利用這個運動軌跡的干涉，使得運動干涉造成的車輪偏轉(zhuǎn)方向（側傾轉(zhuǎn)向）與轉(zhuǎn)向方向相反，有助于實現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向。25 良好的機動性 為了使汽車具有良好的機動性能，必須使轉(zhuǎn)向輪有盡可能大的轉(zhuǎn)角，并要達到按前外輪軌跡計算，使其最小轉(zhuǎn)彎半徑能達到汽車軸距的22.5倍。最小轉(zhuǎn)彎直徑是汽車機動性的評價指標。影響最小轉(zhuǎn)彎直徑的因素有：汽車輪距、軸距、輪胎側偏剛度、有效轉(zhuǎn)向節(jié)臂長，轉(zhuǎn)向器行程（齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器）、轉(zhuǎn)向搖臂擺角（循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器）、轉(zhuǎn)向搖臂長（循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器）、轉(zhuǎn)向梯形的布置形式等。26 轉(zhuǎn)向操縱輕便性 轉(zhuǎn)向操縱輕便性的評價指標通常有兩項：駕駛者作用在方向盤上的切向力大小和方向盤總圈數(shù)。機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轎車，在行駛中轉(zhuǎn)向時的切向力應為50100N.有助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轎車，此力為2050N。K1哈弗為27N3N。轎車方向盤總圈數(shù)不得大于4圈，貨車不得大于6圈。M11機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方向盤總圈數(shù)3.825,液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方向盤總圈數(shù)3.083。 對于無助力系統(tǒng)，方向盤上的切向力大小由轉(zhuǎn)向系力傳動比決定，方向盤總圈數(shù)等于轉(zhuǎn)向器總圈數(shù)。 方向盤總圈數(shù)多和切向力越大都容易使駕駛者疲勞。根據(jù)機械原理，方向盤總圈數(shù)越多， 切向力就越小，兩者成反比。只有合理對方向盤總圈數(shù)和切向力取值，才能有一個好的轉(zhuǎn)向操縱輕便性。 對于有助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可以實現(xiàn)少的方向盤總圈數(shù)和小的方向盤切向力。但需要注意助力特性，雖然實現(xiàn)了好的轉(zhuǎn)向操縱輕便性，卻容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)向高速發(fā)飄、轉(zhuǎn)向發(fā)賊現(xiàn)象，破壞操縱穩(wěn)定性。27 直線行駛穩(wěn)定性 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)密切相關，必須使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)合理匹配，使汽車具有良好的直線行駛穩(wěn)定性，良好路面不得出現(xiàn)的行駛跑偏。行駛跑偏與車輛的制造裝配有很大關系。當轉(zhuǎn)向輪遇到一個小的障礙物時，車輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這時汽車應具有快速回到直線行駛位置的能力。 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設計成變傳動比，搖臂軸扇齒的中間齒（轉(zhuǎn)向器的中位）齒厚比兩邊的大，與螺母齒條嚙合時，轉(zhuǎn)向器中間位置有相當于鎖緊的功能。以達到維持直線行駛穩(wěn)定的目的。 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器將齒條中間常用幾齒的齒間設計得比較小，與小齒輪嚙合時，轉(zhuǎn)向器中間位置有相當于鎖緊的功能。以達到維持直線行駛穩(wěn)定的目的，同時也達到間隙補償?shù)哪康摹?8 轉(zhuǎn)向輪碰到障礙物后，傳遞給方向盤的反沖力要盡可能小。 轉(zhuǎn)向輪碰到障礙物后，傳遞給方向盤的反沖力要盡可能小，否則會出現(xiàn)“打手”現(xiàn)象。避免“打手”現(xiàn)象的有效措施有：在轉(zhuǎn)向操縱機構中增加撓性萬向節(jié)，加裝轉(zhuǎn)向阻尼器（減振器），提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)逆效率等手段。29 應當有汽車碰撞時對駕駛者的防傷機構 當發(fā)生車禍時，一方面，車輛前端被壓潰，使得轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向軸向上向后移動（也就是向竄向駕駛者頭胸部）。另一方面，駕駛者緊急制動或則被撞時汽車驟然停止，駕駛者在強大慣性力作用下，上半身沖向方向盤，傷害駕駛者。為避免這種危害，就要求轉(zhuǎn)向管柱在軸向不能是剛性的，在轉(zhuǎn)向管柱兩個方向應具有潰縮和吸能功能，緩沖車身前部的沖擊和駕駛者的沖擊。 順便提一下，系安全帶是非常有效的一個措施。210 轉(zhuǎn)向輪與方向盤偏轉(zhuǎn)方向一致 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須做運動分析，最起碼要保證的是：汽車在前進時，往左轉(zhuǎn)動方向盤時，汽車應向左轉(zhuǎn)，右打右轉(zhuǎn)。211適宜的不足轉(zhuǎn)向度（了解） 汽車等速行駛時，迅速給方向盤一個角度輸入，使轉(zhuǎn)向輪迅速發(fā)生偏轉(zhuǎn)，汽車進入一個穩(wěn)態(tài)響應-等速圓周行駛。這時，汽車產(chǎn)生一個繞Z軸線的橫擺角速度，橫擺角速度與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的（或者方向盤的轉(zhuǎn)角）的比值稱為轉(zhuǎn)向靈敏度。 橫擺角速度增益-橫擺加速度與車速成線性關系時，即它們函數(shù)關系為一直線，斜率為定值，稱汽車具有中性轉(zhuǎn)向特性。表現(xiàn)為：保持相同的方向盤轉(zhuǎn)角，提高車速，汽車的轉(zhuǎn)彎半徑維持在一個恒定值。 橫擺加速度與車速成非線性關系，其斜率呈減小趨勢，稱汽車具有不足轉(zhuǎn)向特性。表現(xiàn)為：保持相同的方向盤轉(zhuǎn)角，提高車速，汽車的轉(zhuǎn)彎半徑越來越大。 橫擺加速度與車速成非線性關系，其斜率呈增加趨勢，當車速度超過臨界車速時，橫擺角速度趨于無窮大，稱汽車具有過多轉(zhuǎn)向特性。表現(xiàn)為：保持相同的方向盤轉(zhuǎn)角，提高車速，汽車的轉(zhuǎn)彎半徑越來越小。 中性轉(zhuǎn)向很容易轉(zhuǎn)化為過多轉(zhuǎn)向，過多轉(zhuǎn)向汽車達到臨界車速時將失去穩(wěn)定性，由于其轉(zhuǎn)彎半徑越來越小，橫擺加速度越來越大，汽車將發(fā)生激轉(zhuǎn)而側滑摔尾或者翻車，因此汽車都應具有適宜的不足轉(zhuǎn)向特性。 轉(zhuǎn)向靈敏度和轉(zhuǎn)向特性主要影響因素：懸掛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及整車的質(zhì)心位置、軸距、輪距等參數(shù)。3 轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù) 主銷的概念：轉(zhuǎn)向節(jié)繞車身（或車架）轉(zhuǎn)動的軸線。 對于大多數(shù)貨車客車的非獨立懸掛，其主銷是轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向橋拳部連接的實實在在的主銷。 對于獨立懸掛的轎車，雙擺臂結構的主銷是下擺臂外球心與上擺臂球心的連線。麥弗遜懸掛的主銷是下擺臂外球心與前滑柱與車身鉸接點的連線。31 主銷后傾角 當汽車水平停放時，在汽車的縱向垂面內(nèi)，主銷上部向后傾斜一個角度r,稱為主銷后傾角。當主銷具有后傾角時，主銷軸線與路面交點A 將位于車輪與路面接觸點的前面。當汽車直線行駛時，若轉(zhuǎn)向輪偶然受到外力作用而稍有偏轉(zhuǎn)（例如向右偏轉(zhuǎn)，如圖中箭頭所示），能產(chǎn)生回正作用。也就是說，因為主銷后傾角，汽車具有了維持直線行駛的能力。 輪胎接地點B向主銷作垂線，B點與垂足點的距離L是車輪產(chǎn)生回正力矩的力臂，因主銷后傾角一般不大，如K1為330，M11為2.530，在三維模擬技術尚不成熟的傳統(tǒng)設計理論中，便于計算，一般以主銷穿地點A與B點距離作為評價回正力矩的主參數(shù)。這個距離叫做后傾拖距?；卣豈=* F 附加轉(zhuǎn)角= F/C F-汽車受到的側向力，與汽車質(zhì)量、側向加速度成正比。C-轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度，包括轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向管柱的剛度?；卣豈，附加轉(zhuǎn)角就是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力反饋和角反饋。越大回正力矩越大，同時，車輛轉(zhuǎn)向時，這個力矩就成了轉(zhuǎn)向需要克服的阻力矩，轉(zhuǎn)向也變得困難。 回正力矩與后傾拖距和車速v的平方都成正比例關系。 汽車中高速的回正力矩主要來自于后傾拖距。32 主銷內(nèi)傾角 當汽車水平停放時，在汽車的橫向垂面內(nèi)，主銷軸線與地面垂線的夾角為主銷內(nèi)傾角。 主銷內(nèi)傾角的作用是使車輪自動回正。通常車輪軸線不在水平面，為了方便說明，這里假設直線行駛時車輪軸線在水平面上。對于車輪軸線不在水平面的情況，只要把下圖的水平面改為錐面。如下圖所示，考慮該水平面上和主銷有交點的直線，主銷與這些直線的夾角有一個最大值。而汽車直線行駛時，車輪軸線與主銷的交角恰為這個最大值。車輪軸線與主銷夾角在轉(zhuǎn)向過程中是不變的，當車輪轉(zhuǎn)過一個角度，車輪軸線就離開水平面往下傾斜，致使車身上抬，勢能增加。這樣汽車本身的重力就有使轉(zhuǎn)向輪回復到原來中間位置的效果。 由于主銷內(nèi)傾，前輪轉(zhuǎn)向時將使車身有抬高的傾向，這種系統(tǒng)位能的提高產(chǎn)生回正力矩M。假設Q為輪荷，為前輪轉(zhuǎn)角，有如下關系： M=(Q*C*sin(2)*sin)/2 可以看出，M與側向力F無關，有：M比M在高速時大得多，低速時，M比M大得多。所以說：汽車低速時回正主要由主銷內(nèi)傾角決定。 同樣主銷內(nèi)傾角越大，轉(zhuǎn)向越困難。33 車輪外傾角 當汽車水平停放時，在汽車的橫向垂面內(nèi)，車輪平面與地面垂線的夾角為前輪外傾角。如果空車時車輪的安裝正好垂直于路面，則滿載時車橋因承載變形而可能出現(xiàn)車輪內(nèi)傾，這樣將加速車輪胎的磨損。另外，路面對車輪的垂直反力沿輪轂的軸向分力將使輪轂壓向外端的小軸承，加重了外端小軸承及輪轂緊固螺母的負荷，降低它們的壽命。因此，為了前輪有一個外傾角。但是外傾角也不宜過大，否則也會使輪胎產(chǎn)生偏磨損。 現(xiàn)代汽車設計中也有將車輪外傾角取為負值，比如M11的車輪外傾角為-130，其目的是使轉(zhuǎn)向輪在轉(zhuǎn)向時，車輪上下跳動引起的車輪偏轉(zhuǎn)方向與車身在離心力作用下的偏轉(zhuǎn)方向一致，提高操作穩(wěn)定性。34 車輪前束 車輪有了外傾角后，在滾動時就類似于滾錐，從而導致兩側車輪向外滾開。由于轉(zhuǎn)向橫拉桿和車橋的約束車輪不致向外滾開，車輪將在地面上出現(xiàn)邊滾邊向內(nèi)滑的現(xiàn)象，從而增加了輪胎的磨損。為了避免這種由于圓錐滾動效應帶來的不良后果，將兩前輪適當向內(nèi)偏轉(zhuǎn)，即形成前輪前束。 前束的度量方式有兩種：在水平面內(nèi)，左右車輪中間平面在前后兩側的間距差，既A-R，如M11為02mm。另一種是車輪中心平面與縱向平面的夾角。 驅(qū)動輪的前束形成推力線，推力線必須與車輛縱向?qū)ΨQ平面重合，否則出現(xiàn)行駛跑偏。4 機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結構下面是機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要部件介紹41 機械轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構411齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式：側面輸入，兩端輸出。這是普遍采用的形式。M11也是這種。 1.轉(zhuǎn)向橫拉桿 2.防塵套 3.球頭座 4.轉(zhuǎn)向齒條 5.轉(zhuǎn)向器殼體 6.調(diào)整螺塞 7.壓緊彈簧 8.鎖緊螺母 9.壓塊 11.轉(zhuǎn)向齒輪軸 12.向心球軸承 13.滾針軸承中間輸入兩端輸出，其最大的好處是：一個汽車同時開發(fā)左右舵時，轉(zhuǎn)向器可以共用，不用重新開發(fā)。其缺點是：考慮共用，齒輪軸和齒條軸線必須垂直，齒輪和齒條的螺旋角不能取的較大。這樣，齒輪齒條重疊系數(shù)低，承載能力也低，齒輪齒條平順性也差。 側面輸入，中間輸出，這樣轉(zhuǎn)向橫拉桿可以做得較長，主要是滿足與懸掛匹配和布置的需要。 側面輸入，一端輸出。很少采用。長安奧托采用這種結構 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的基本參數(shù)： 在整車坐標系下，內(nèi)外球頭中心坐標、輸入軸與齒條 沿壓塊中心線的投影點、輸入軸與齒條夾角（即安裝角），這需要在整車布置階段確定。特別是內(nèi)外球頭中心必須與懸掛所決定的轉(zhuǎn)向節(jié)的運動軌跡充分協(xié)調(diào)。 轉(zhuǎn)向器基本性能參數(shù)：力特性、線角傳動比、齒條行程、輸入軸總圈數(shù)（一般來說就是方向盤總圈數(shù)）、轉(zhuǎn)向器逆效率、轉(zhuǎn)向器正效率、齒輪齒條嚙合間隙特性、靜扭剛度。 線角傳動比i=m*z*/cos i 輸入軸轉(zhuǎn)動一圈，齒條的行程 m 齒輪、齒條法面模數(shù) z 小齒輪齒數(shù) 齒條傾角 必須的實驗：力特性實驗、正驅(qū)動疲勞實驗、逆驅(qū)動疲勞實驗、沖擊強度實驗、靜扭破壞實驗、耐腐蝕性實驗。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點： A 結構緊湊簡單，重量輕，布置容易，不需要象循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器所必須的轉(zhuǎn)向搖臂、直拉桿、縱拉桿； B 傳動效率高，可達90%以上； C 有自動補償間隙裝置，還可以改變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度，防止工作時產(chǎn)生的沖擊和噪音； D 因其逆效率高，對車輪的回正力矩傳遞到方向盤的阻滯力小，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)容易回正。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的缺點：A 因其逆效率高,易出現(xiàn)打手現(xiàn)象；B 因齒輪齒條模數(shù)一般取的較低，承載能力低，一般只能用于轎車和小型客車。412其他類型轉(zhuǎn)向器介紹4121 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器是目前國內(nèi)外應用最廣泛的結構型式之一， 一般有兩級傳動副，第一級是螺桿螺母傳動副，第二級是齒條齒扇傳動副。 為了減少轉(zhuǎn)向螺桿轉(zhuǎn)向螺母之間的摩擦，二者的螺紋并不直接接觸，其間裝有多個鋼球，以實現(xiàn)滾動摩擦。轉(zhuǎn)向螺桿和螺母上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)。轉(zhuǎn)向螺母外有兩根鋼球?qū)Ч埽扛鶎Ч艿膬啥朔謩e插入螺母側面的一對通孔中。導管內(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(zhuǎn)向螺桿轉(zhuǎn)動時，通過鋼球?qū)⒘鹘o轉(zhuǎn)向螺母，螺母即沿軸向移動。同時，在螺桿及螺母與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。在轉(zhuǎn)向器工作時，兩列鋼球只是在各自的封閉流道內(nèi)循環(huán)，不會脫出。 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點： A 由于在螺桿螺母間有可以循環(huán)的鋼球，將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，因而傳動效率高，可達85%以上； B 可以保證足夠的耐磨性能，因而有足夠的使用壽命； C 間隙調(diào)整容易（很難實現(xiàn)自動調(diào)整），工作平穩(wěn)可靠； D 很容易實現(xiàn)變傳動比功能。 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的缺點： A逆效率高,易出現(xiàn)打手現(xiàn)象； B 結構復雜，制造精度要求高； C 布置困難，一般用于布置空間大的貨車和客車（也因為其承載能力高）。4122 蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器 蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器 蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器的傳動副(以轉(zhuǎn)向蝸桿為主動件，其從動件是裝在搖臂軸曲柄端部的指銷。轉(zhuǎn)向蝸桿轉(zhuǎn)動時，與之嚙合的指銷即繞搖臂軸軸線沿圓弧運動，并帶動搖臂軸轉(zhuǎn)動。蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點：A 容易實現(xiàn)變傳動比；B 間隙調(diào)整容易，制造較循環(huán)球簡單。缺點太多：銷子不能自轉(zhuǎn)，磨損快；正逆效率都低等待，基本已經(jīng)淘汰。42 轉(zhuǎn)向管柱及萬向節(jié)、方向盤轉(zhuǎn)向操縱機構422轉(zhuǎn)向管柱及萬向節(jié) M11轉(zhuǎn)向管柱結構轉(zhuǎn)向管柱及萬向節(jié)的基本功能：1 將駕駛者給方向盤的操舵力矩和角度位移傳遞給轉(zhuǎn)向器； 2 傳遞轉(zhuǎn)向器獲得的路面以及汽車行駛的狀況等信息； 3 駕駛者免傷害功能。 對高級轎車還應具有的舒適性功能：方向盤角度可調(diào)；方向盤高度可調(diào)等，對裝有阻尼器（如撓性萬向節(jié)）還具有衰減路面沖擊的作用。 另外還應具有：組合開關安裝、點火開關、裝飾罩等安裝性的支持功能。設計要求： 除需滿足上述功能要求外，還應滿足如下要求： 根據(jù)機械原理可知，雙十字軸萬向節(jié)的等速兩個必要條件為：三相交軸軸線在同一平面內(nèi)和兩軸間夾角的絕對值相等。但由于整車布置緣故，基本不能滿足等速條件，且方向盤的轉(zhuǎn)動速度很低，對等速要不高。但也要求兩軸間空間夾角、不得大于35，最好低于30，否則十字軸軸承工況惡化，壽命降低，且轉(zhuǎn)向系統(tǒng)效率降低，回正性能差。轉(zhuǎn)向管柱及萬向節(jié)的基本實驗：驅(qū)動力矩實驗、水平靜態(tài)剛度、垂直靜態(tài)剛度、扭轉(zhuǎn)耐久試驗、扭轉(zhuǎn)耐久強度、轉(zhuǎn)向柱抗扭強度、 方向鎖套抗扭力矩、軸承拉出力、滾針軸承的拔出力、滑動阻力、靜扭強度、耐腐蝕性實驗。422 方向盤 方向盤一般為兩輻條、三輻條或四輻條形狀。方向盤屬于外觀件，對其造型和表面質(zhì)量有較高要求。其結構是采用內(nèi)骨架，外包PV發(fā)泡材料，也有再外包真皮。骨架由焊接鋼管或者鎂合金制造，出于碰撞要求，骨架應具有向下彎曲變形的能力，以達到吸能的目的。 對于方向盤的臺架實驗有多項要求，如：身體撞擊試驗、靜扭強度試驗、骨架總成扭轉(zhuǎn)彎曲試驗、耐汗實驗等。5 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結構動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 兼用駕駛員體力和發(fā)動機的動力為轉(zhuǎn)向能源的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它是在機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎上加設一套轉(zhuǎn)向加力裝置而形成的。其中屬于轉(zhuǎn)向加力裝置的部件是：轉(zhuǎn)向油泵、轉(zhuǎn)向油管、轉(zhuǎn)向油罐以及位于整體式轉(zhuǎn)向器內(nèi)部的轉(zhuǎn)向控制閥及轉(zhuǎn)向動力缸等。當駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)向橫拉桿拉（推）動轉(zhuǎn)向節(jié)，使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，從而改變汽車的行駛方向。51 對動力轉(zhuǎn)向機構的要求1）運動學上應保持轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角和駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角之間保持一定的比例關系。2）隨著轉(zhuǎn)向輪阻力的增大（或減小），作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力必須增大（或減小），稱之為“路感”。3）當作用在轉(zhuǎn)向盤上的切向力Fh0.025-0.190kN時（因汽車形式不同而異），動力轉(zhuǎn)向器就應開始工作。4）轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向盤應自動回正，并使汽車保持在穩(wěn)定的直線行駛狀態(tài)。5）工作靈敏，即轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動后，系統(tǒng)內(nèi)壓力能很快增長到最大值。6）動力轉(zhuǎn)向失靈時，仍能用機械系統(tǒng)操作車輪轉(zhuǎn)向。7）密封性能好，內(nèi)、外泄漏少。52動力轉(zhuǎn)向器 動力轉(zhuǎn)向器是在機械轉(zhuǎn)向器增加了轉(zhuǎn)向控制閥和動力油缸組成，下面主要介紹控制閥和動力油缸的工作原理。521工作原理汽車直線行駛時，閥芯與閥套的位置關系如圖中所示。自泵來的液壓油經(jīng)閥芯與閥套間的間隙，流向動力缸兩端，動力缸兩端油壓相等。駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤時，閥芯與閥套的相對位置發(fā)生改變，使得大部分或全部來自泵的液壓油流入動力缸某一端，而另一端與回油管路接通，動力缸促進汽車左傳或右轉(zhuǎn)。522 動力轉(zhuǎn)向器的力特性 動力轉(zhuǎn)向器的控制閥（以轉(zhuǎn)閥為例）實際上是一個液壓伺服閥，運用流體力學中的薄壁小孔原理，在活塞缸的兩端建立壓力差，這個壓力差服從伯努利方程，根據(jù)閥芯閥套的過流面積和系統(tǒng)流量進行計算。施加在輸入軸（方向盤）上的力矩的變化引起閥芯閥套的過流面積的變化，過流面積的變化決定壓力差的大小，以實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)向狀態(tài)下的力輸出。這個壓力差與輸入軸的輸入力矩的關系就是轉(zhuǎn)向器的力特性。下圖是M11轉(zhuǎn)向器力特性曲線。 A區(qū)，是直線行駛位置附近小角度轉(zhuǎn)向區(qū)，稱為不靈敏區(qū)。不靈敏區(qū)不能取得過寬，否則會出現(xiàn)操舵力偏大。如果過窄，汽車高速行駛時，稍微一動方向盤，轉(zhuǎn)向器迅速助力，易出現(xiàn)“發(fā)飄”，行駛失去穩(wěn)定性，另一方面，轉(zhuǎn)向動作結束后，車輪回正力矩驅(qū)動閥芯，彈性元件（扭桿）的變形不能克服轉(zhuǎn)向管柱和方向盤的轉(zhuǎn)動慣量，將打開控制閥，產(chǎn)生壓力，平衡回正力矩，汽車將不能回正。 C區(qū) 常用快速轉(zhuǎn)向行駛區(qū)，稱為建壓區(qū)。要求助力作用明顯，油壓曲線的斜率增加教大，曲線由平緩變陡。 D 區(qū) 汽車原地轉(zhuǎn)向或調(diào)頭時，輸入轉(zhuǎn)矩進入最大區(qū)段，要求助力效果達到最大，故油壓曲線呈直線上升。 B區(qū) 稱為過度區(qū)，是A區(qū)和C區(qū)的過度區(qū)域，是其他三個區(qū)域較寬的平滑過度區(qū)域。 A、C、D區(qū)的過度必須平滑，否則會惡化轉(zhuǎn)向器手感，且易出現(xiàn)因液流突變而產(chǎn)生的沖擊噪聲和共振。 曲線左右兩側應對稱，其對稱性影響左右操舵力大小，對稱性應大于85%。轉(zhuǎn)向器基本性能參數(shù)：線角傳動比、齒條行程、輸入軸總圈數(shù)、轉(zhuǎn)向器逆效率、轉(zhuǎn)向器正效率、無油壓驅(qū)動力矩特性、逆驅(qū)動力特性、控制閥力特性、最大工作壓力、系統(tǒng)流量。必須的實驗：功能實驗、內(nèi)泄漏實驗、外泄漏實驗、力特性實驗、正驅(qū)動疲勞實驗、逆驅(qū)動疲勞實驗、沖擊強度實驗、靜扭破壞實驗、耐腐蝕性實驗、超壓實驗、清潔度測定。52轉(zhuǎn)向油泵轉(zhuǎn)向油泵是助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力源。轉(zhuǎn)向油泵經(jīng)轉(zhuǎn)向控制閥向轉(zhuǎn)向助力缸提供一定壓力和流量的工作油液。轉(zhuǎn)向油泵有多種結構：葉片泵、齒輪泵、柱塞泵等，轎車常用葉片泵。下圖是葉片泵工作原理當轉(zhuǎn)子順時針方向旋轉(zhuǎn)時，葉片在離心力及高壓油的作用下緊貼在定子的內(nèi)表面上。其工作容積開始由小變大，從吸油口吸進油液；而后工作容積由大變小，壓縮油液，經(jīng)壓油口向外供油。由于轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，每個工作腔都各自吸、壓油兩次，故將這種型式的葉片泵稱為雙作用式葉片泵。雙作用葉片泵有兩個吸油區(qū)和兩個壓油區(qū)，并且各自的中心角是對稱的，所以作用在轉(zhuǎn)子上的油壓作用力互相平衡。因此，這種油泵也稱為卸荷式葉片泵。轉(zhuǎn)向油泵的基本參數(shù)：幾何排量q：轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈，油泵所吐出的流量。是定子配油空間與轉(zhuǎn)子和葉片的幾何尺寸所決定，是油泵固有的幾何容積。單位：ml/rev。 流量Q：油泵在每分鐘內(nèi)吐出的流量。單位：L/min。理論上等于幾何排量q與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的乘積。油泵的轉(zhuǎn)速由發(fā)動機轉(zhuǎn)速所決定的，這樣就會出現(xiàn)汽車從低速到高速的加速過程中，油泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越來越高，流量也越來越大。而轉(zhuǎn)向器的幾何參數(shù)一確定，系統(tǒng)流量越大助力程度就越大，這樣對汽車操控是非常危險的。因此，發(fā)動機轉(zhuǎn)速到一定時（發(fā)動機怠速），油泵流量必須趨于穩(wěn)定，甚至要求呈下降趨勢。這一功能由油泵流量限制閥來實現(xiàn)。 限制壓力P:轉(zhuǎn)向油泵所輸出的最高壓力。為滿足汽車高速助力程度漸低的要求和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的額定最高壓力，油泵設置了壓力控制閥。 為適應不同的汽車，流量Q和限制壓力P在一定范圍內(nèi)可調(diào)。 下圖為M11油泵流量、壓力特性曲線。6 轉(zhuǎn)向梯形理論轉(zhuǎn)角關系61 阿克曼轉(zhuǎn)向理論 汽車轉(zhuǎn)向時，要使各車輪都只滾動不滑動，各車輪必須圍繞一個中心點O轉(zhuǎn)動，如上圖所示。顯然這個中心要落在后軸中心線的延長線上，并且左、右前輪也必須以這個中心點O為圓心而轉(zhuǎn)動。為了滿足上述要求，左、右前輪的偏轉(zhuǎn)角應滿足如下關系：ctga = ctgb + B/L 通過優(yōu)化轉(zhuǎn)向梯形桿件，在區(qū)間內(nèi)逼近內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關系。62 轉(zhuǎn)向梯形介紹 轉(zhuǎn)向梯形有整體式和斷開式兩種。轉(zhuǎn)向梯形的形式由懸掛決定，整體式轉(zhuǎn)向梯形用于非獨立懸掛，獨立懸掛采用斷開式轉(zhuǎn)向梯形。 A 整體式轉(zhuǎn)向梯形1.轉(zhuǎn)向器 2.轉(zhuǎn)向搖臂 3.轉(zhuǎn)向直拉桿 4.轉(zhuǎn)向節(jié)臂 5.梯形臂 6.轉(zhuǎn)向橫拉桿 通過調(diào)整梯形臂長、梯形底角、橫拉桿長來調(diào)整轉(zhuǎn)向內(nèi)外輪的運動關系，逼近阿克曼運動幾何。 B 斷開式轉(zhuǎn)向梯形3.左轉(zhuǎn)向橫拉桿 4.右轉(zhuǎn)向橫拉桿 5.左梯形臂 6.右梯形臂 10.齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器斷開式轉(zhuǎn)向梯形實際上是一個六桿機構，運動關系較整體式轉(zhuǎn)向梯形復雜，必須做運動分析，分析內(nèi)容：A 應包含內(nèi)外輪運動關系，獲取齒條的線性移動與內(nèi)外輪的轉(zhuǎn)角關系,與阿克曼運動幾何進行對比。B 轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)外兩個端點與懸架上下跳動的運動軌跡干涉情況。- 17 -轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計計算報告表1 整車基本參數(shù)項 目代 號單位數(shù) 值J08滿載前軸荷mkg747.9輪胎氣壓PMPa0.222.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選用件主要參數(shù) 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選用件主要參數(shù)見表2，轉(zhuǎn)向梯形簡圖見圖2表2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要參數(shù)項 目代 號單位數(shù) 值轉(zhuǎn)向梯形臂長度L1mm126.2轉(zhuǎn)向器齒輪齒條軸交角度20方向盤轉(zhuǎn)一周時轉(zhuǎn)向器齒條的行程L2mm49.84方向盤半徑Rmm185轉(zhuǎn)向器的效率75%轉(zhuǎn)向梯形底角度89.34齒輪齒條轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向梯形底角轉(zhuǎn)向梯形臂轉(zhuǎn)向橫拉桿圖2 轉(zhuǎn)向梯形簡圖3.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計計算3.1靜態(tài)原地轉(zhuǎn)向阻力矩 靜態(tài)原地轉(zhuǎn)向阻力矩是汽車中最大極限轉(zhuǎn)向所需力矩，比行駛中轉(zhuǎn)向所需的力矩大2到3倍。目前采用半經(jīng)驗公式計算【1】 (1) 式中在瀝青或混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩，Nmm； 輪胎與地面間的滑動摩擦系數(shù)，一般取0.7； 轉(zhuǎn)向軸負荷，N； 輪胎氣壓，MPa。前軸：=747.99.8=7329.4N,=0.22Mpa，=0.7, 由公式(1)得: =3.12105 Nmm3.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系的角傳動比 角傳動比計算2如下 (2) 式中齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系的角傳動比； 梯形臂長度，mm; 主動小齒輪的節(jié)圓半徑，mm轉(zhuǎn)向器齒輪齒條軸交角，單位方向盤轉(zhuǎn)一周時齒條的行程，mm; =126.2 =20 =49.84 由公式(2)得: =8.4 =15.93.3靜態(tài)原地轉(zhuǎn)向時作用于轉(zhuǎn)向盤的力 此靜態(tài)原地轉(zhuǎn)向時作用于轉(zhuǎn)向盤的力計算1不考慮電動助力 (3) 式中原地轉(zhuǎn)向阻力矩，Nmm； 作用于轉(zhuǎn)向盤的力，N； 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系的角傳動比； 方向盤半徑 mm； 轉(zhuǎn)向梯形底角 單位 轉(zhuǎn)向器的效率，取=75%。=3.12105Nmm, =15.9 , =370/2=185mm, =75%，= 89