本科轎車轉(zhuǎn)向系設(shè)計

1、轎車轉(zhuǎn)向系設(shè)計 姓 名： 劉志強(qiáng) 學(xué) 號： 20144021 專 業(yè)： 車輛工程 指導(dǎo)老師： xxx 一、整車參數(shù)1、汽車總體參數(shù)的確定本設(shè)計中給定參數(shù)為： 汽車總體參數(shù)整備質(zhì)量 1360kg驅(qū)動型式42 前輪軸距2550空載前軸負(fù)荷60%前輪距1429后輪距1422最高車速180km/h最大爬坡度35%最小轉(zhuǎn)向直徑11m變速器手動5 擋輪胎型號185/60R14T制動距離5.6m(30km/h)最大功率/轉(zhuǎn)速74kw/5800rpm最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速150N.m/4000rpm二、轉(zhuǎn)向系的基本要求：1) 汽車轉(zhuǎn)向行駛時，全部車輪繞瞬時轉(zhuǎn)向中心轉(zhuǎn)動；2) 操縱輕便，方向盤手作用力小于200N；3)

2、 轉(zhuǎn)向系角傳動比1520；正效率高于60%，逆效率高于50%；4) 轉(zhuǎn)向靈敏；5) 轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向傳動裝置有間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)；6) 配備駕駛員防傷害裝置；三、轉(zhuǎn)向系結(jié)構(gòu)分析3.1轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向盤，轉(zhuǎn)向軸，轉(zhuǎn)向管柱。有時為了布置方便，減小由于裝置位置誤差及部件相對運(yùn)動所引起的附加載荷，提高汽車正面碰撞的安全性以及便于拆裝，在轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向器的輸入端之間安裝轉(zhuǎn)向萬向節(jié)，如圖2-1。采用柔性萬向節(jié)可減少傳至轉(zhuǎn)向軸上的振動，但柔性萬向節(jié)如果過軟，則會影響轉(zhuǎn)向系的剛度。采用動力轉(zhuǎn)向時，還應(yīng)有轉(zhuǎn)向動力系統(tǒng)。但對于中級以下的轎車和前軸負(fù)荷不超過3t的載貨汽車，則多數(shù)僅在用機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而無動力轉(zhuǎn)向

3、裝置。圖2-1轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)1-轉(zhuǎn)向萬向節(jié)；2-轉(zhuǎn)向傳動軸；3-轉(zhuǎn)向管柱；4-轉(zhuǎn)向軸；5-轉(zhuǎn)向盤3.2轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向臂、轉(zhuǎn)向縱拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向梯形臂以及轉(zhuǎn)向橫拉桿等。（見圖2-2）轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)用于把轉(zhuǎn)向器輸出的力和運(yùn)動傳給左、右轉(zhuǎn)向節(jié)并使左、右轉(zhuǎn)向輪按一定關(guān)系進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。圖2-2 轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)1-轉(zhuǎn)向搖臂；2-轉(zhuǎn)向縱拉桿；3-轉(zhuǎn)向節(jié)臂；4-轉(zhuǎn)向梯形臂；5-轉(zhuǎn)向橫拉桿3.3轉(zhuǎn)向器機(jī)械轉(zhuǎn)向器是將司機(jī)對轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動變?yōu)檗D(zhuǎn)向搖臂的擺動（或齒條沿轉(zhuǎn)向車軸軸向的移動），并按一定的角轉(zhuǎn)動比和力轉(zhuǎn)動比進(jìn)行傳遞的機(jī)構(gòu)。機(jī)械轉(zhuǎn)向器與動力系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)成動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。高級轎車和重型載貨汽車為了使轉(zhuǎn)

4、向輕便，多采用這種動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。采用液力式動力轉(zhuǎn)向時，由于液體的阻尼作用，吸收了路面上的沖擊載荷，故可采用可逆程度大、正效率又高的轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)。為了避免汽車在撞車時司機(jī)受到的轉(zhuǎn)向盤的傷害，除了在轉(zhuǎn)向盤中間可安裝安全氣囊外，還可在轉(zhuǎn)向系中設(shè)置防傷裝置。為了緩和來自路面的沖擊、衰減轉(zhuǎn)向輪的擺振和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的震動，有的還裝有轉(zhuǎn)向減振器。多數(shù)兩軸及三軸汽車僅用前輪轉(zhuǎn)向；為了提高操縱穩(wěn)定性和機(jī)動性，某些現(xiàn)代轎車采用全四輪轉(zhuǎn)向；多軸汽車根據(jù)對機(jī)動性的要求，有時要增加轉(zhuǎn)向輪的數(shù)目，制止采用全輪轉(zhuǎn)向 。四、轉(zhuǎn)向器設(shè)計與分析循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器有螺桿和螺母共同形成的落選槽內(nèi)裝鋼球構(gòu)成的傳動副，以及螺母上齒條與搖臂軸上齒扇

5、構(gòu)成的傳動副組成，如圖3-1所示。圖3-1 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器示意圖Fig 3-1Circulation-ball steering循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)是：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(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，因而傳動效率可以達(dá)到75%85%；在結(jié)構(gòu)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，使之有足夠的使用壽命；轉(zhuǎn)向器的傳動比可以變化；工作平穩(wěn)可靠；齒條和齒扇之間的間隙調(diào)整工作容易進(jìn)行，（圖3-2）；適合用來做整體式動力轉(zhuǎn)向器。圖3-2 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是：逆效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，制

6、造精度要求高。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要用于商用車上。4.1轉(zhuǎn)向系載荷的確定：為了保證行駛安全，組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。欲驗算轉(zhuǎn)向系零件的強(qiáng)度，需首先確定作用在各零件上的力。影響這些力的主要因素有轉(zhuǎn)向軸的負(fù)荷，地面阻力和輪胎氣壓等。為轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力，包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動的阻力、車輪穩(wěn)定阻力、輪胎變形阻力和轉(zhuǎn)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經(jīng)驗公式來計算汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力距（Nmm),即 (5-1) 147623 Nmm式中，f為輪胎和路面見的摩擦因素，一般取0.7；為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷（N）;p為輪胎氣壓（MPa）轉(zhuǎn)向系主要參數(shù)轉(zhuǎn)向

7、搖臂長 280mm轉(zhuǎn)向盤直徑 450mm轉(zhuǎn)向節(jié)臂長 298mm轉(zhuǎn)向器角傳動比 20.5轉(zhuǎn)向系系統(tǒng)效率 75%作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力為 （5-2）式中， 為轉(zhuǎn)向搖臂長；為轉(zhuǎn)向節(jié)臂長；為轉(zhuǎn)向盤直徑；為轉(zhuǎn)向器角傳動比；為轉(zhuǎn)向器正效率。4.2 轉(zhuǎn)向器參數(shù)選取：搖臂軸直徑/mm22鋼球中心距D/mm20螺桿外徑/mm20鋼球直徑d /mm5.556螺距P /mm7.938工作圈數(shù)W1.5螺母長度L /mm41導(dǎo)管壁厚 /mm1.5鋼球直徑與導(dǎo)管內(nèi)徑之間的間隙e/mm0.5螺線導(dǎo)程角/7法向壓力角/20接觸角/45環(huán)流行數(shù)24.3 計算參數(shù)1.螺母內(nèi)徑應(yīng)大于，一般要求 （5-3）=+（5%10%）D=20+

8、8%*20=21.6 2. 鋼球數(shù)量nn=個 （5-4） 17個3. 滾道截面半徑R R=（0.510.53）d=0.525.556=2.889 mm 4.4轉(zhuǎn)向器強(qiáng)度計算鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力=k （5-6） =2253.34式中，k為系數(shù)，根據(jù)A/B值查表，A=（1/r）-(1/)/2, B=(1/r)+(1/)/2; 為滾道截面半徑，k取2.271；r為鋼球半徑；為螺桿外徑；E為材料彈性模量，等于2.110MP；為鋼球與螺桿之間的正壓力，即= （5-7） 342.43式中，為螺桿螺線的導(dǎo)程角；為接觸角；n為參與工作的鋼球數(shù)；為作用在螺桿上的軸向力當(dāng)接觸表面硬度為5864HRC；拍時，許

9、用接觸應(yīng)力=2500 MP由于,因此滿足強(qiáng)度。轉(zhuǎn)向搖臂直徑的確定轉(zhuǎn)向搖臂直徑d為式中，K為安全系數(shù)，根據(jù)汽車使用條件不同可取2.53.5；為轉(zhuǎn)向阻力矩；為扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限。搖臂軸用20CrMnTi鋼制造，表面滲碳，滲碳層深度在0.81.2mm。對于前軸負(fù)荷大的汽車，滲碳層深度為1.051.45mm。表面硬度為5863HRC五、動力轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的設(shè)計和計算5.1對動力轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的要求1.運(yùn)動學(xué)上應(yīng)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(guān)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?。?，稱之為“路感”。3.當(dāng)作用在轉(zhuǎn)向盤上的切向力0.0250.190kN時，動

10、力轉(zhuǎn)向器就應(yīng)開始工作。4.轉(zhuǎn)向后,轉(zhuǎn)向盤應(yīng)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(jī)械系統(tǒng)操縱車輪轉(zhuǎn)向。7.密封性能好，內(nèi)、外泄漏少。5.2液壓式動力轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的計算動力缸尺寸計算動力缸的主要尺寸有動力缸內(nèi)徑、活塞行程、活塞桿直徑和動力缸體壁厚。動力缸產(chǎn)生的推力F為式中，為轉(zhuǎn)向搖臂長度；L為轉(zhuǎn)向搖臂軸到動力缸活塞之間的距離。 推力F與工作油液壓力p和動力缸截面面積S之間有如下關(guān)系 (6-1)因為動力缸活塞兩側(cè)的工作面積不同，應(yīng)按較小一側(cè)的工作面積來計算，即 （6-2）式中，D為動力缸內(nèi)徑；為活塞桿直徑，初選

11、0.35D，壓力p6.3Mpa。聯(lián)立式(6-1)和式（6-2）后得到 （6-3） =63 mm所以d=22mm活塞行程是車輪轉(zhuǎn)制最大轉(zhuǎn)角時，由直拉桿的的移動量換算到活塞桿處的移動量得到的。活塞厚度可取為B=0.3D。動力缸的最大長度s為 (6-4) =130mm動力缸殼體壁厚t,根據(jù)計算軸向平面拉應(yīng)力來確定，即 （6-5）式中，p為油液壓力；D為動力缸內(nèi)徑；t為動力缸殼體壁厚；n為安全系數(shù)，n=3.55.0;為殼體材料的屈服點(diǎn)。殼體材料用球墨鑄鐵采用QT50005，抗拉強(qiáng)度為500MPa,屈服點(diǎn)為350MPa。 t=5mm活塞桿用45剛制造，為提高可靠性和壽命，要求表面鍍鉻并磨光。 分配閥的參

12、數(shù)選擇與設(shè)計計算 分配閥的要參數(shù)有:滑閥直徑d、預(yù)開隙密封長度、滑閥總移動量e、滑閥在中間位置時的液流速度v、局部壓力降和泄漏量等。1.油泵排量與油罐容積的確定轉(zhuǎn)向油泵的排量應(yīng)保證轉(zhuǎn)向動力缸能比無動力轉(zhuǎn)向時以更高的轉(zhuǎn)向時汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向，否則動力轉(zhuǎn)向反而會形成快速轉(zhuǎn)向的輔加阻力。油泵排量要達(dá)到這一要求，必須滿足如下不等式： 式中 Q油泵的計算排量； 油泵的容積，計算時一般取0.750.85； 泄漏系數(shù)，0.050.10； 動力缸缸徑； 動力缸活塞移動速度； 式中 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的最大可能頻率，計算時對轎車取1.51.7;則動力轉(zhuǎn)向系的油泵排量Q可表達(dá)為 (6-6) =45L/s 2.預(yù)開隙預(yù)開隙，為

13、滑閥處于中間位置時分配閥內(nèi)各環(huán)形油路沿滑閥軸向的開啟量，也是為使分配閥內(nèi)某油路關(guān)閉所需的滑閥最小移動量。值過小會使油液常流時局部阻力過大； 值過大則轉(zhuǎn)向盤需轉(zhuǎn)過一個大的角度才能使動力缸工作，轉(zhuǎn)向靈敏度低。一般要求轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角時滑閥就移動的距離。 (6-7) 0.3mm式中 相應(yīng)的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，（）； t 轉(zhuǎn)向螺桿的螺距，mm.3.滑閥總移動量滑閥總移動量e過大時，會使轉(zhuǎn)向盤停止轉(zhuǎn)動后滑閥回到中間位置的行程長，致使轉(zhuǎn)向車輪停止偏轉(zhuǎn)的時刻也相應(yīng)“滯后”，從而使靈敏度降低；如e值過小，則使密封長度過小導(dǎo)致密封不嚴(yán)，這就容易產(chǎn)生油液泄漏致使進(jìn)、回油路不能完全隔斷而使工作油液壓力降低和流量減少。通常，當(dāng)滑閥

14、總移動量為e時，轉(zhuǎn)向盤允許轉(zhuǎn)動的角度約為20左右。 (6-8) =0.46mm4.局部壓力降當(dāng)汽車宜行時，滑閥處于中間位置，油液流經(jīng)滑閥后再回到油箱。油液流經(jīng)滑閥時產(chǎn)生的局部壓力降(MPa)為 （6-9）式中 油液密度，kg/m3 ; 局部阻力系數(shù)，通常取3.0； v油液的流速，m/s。的允許值為0.030.04MPa。5.油液流速的允許值v由于的允許值=0.030.04MPa,代入上式，則可得到油液流速的允許值v (6-10)6.滑閥直徑d (6-11) =110mm式中 溢流閥限制下的油液最大排量，L/min,般約為發(fā)動機(jī)怠速時油泵排量的1.5倍； 預(yù)開隙，mm;v 滑閥在中間位置時的油液

15、流速，m/s7. 滑閥在中間位置時的油液流速v (6-12) =5m/s8.分配閥的泄漏量 （6-13） =2.26cm/s式中 滑閥也閥體建的徑向間隙，一般 0.00050.00125cm; 滑閥進(jìn)、出口油液的壓力差； d 滑閥直徑； 密封長度； 油液的動力粘度。 六、轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)用來保證汽車轉(zhuǎn)彎行駛時所有車輪能繞一個瞬時轉(zhuǎn)向中心，在不同的圓周上做無滑動的純滾動。設(shè)計轉(zhuǎn)向梯形的主要任務(wù)之一是確定轉(zhuǎn)向梯型的最佳參數(shù)和進(jìn)行強(qiáng)度計算。轉(zhuǎn)向梯形有整體式和斷開式兩種。一般轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)布置在前軸之后，但當(dāng)發(fā)動機(jī)位置很低或前軸驅(qū)動時，也有位于前軸之前的。 兩軸汽車轉(zhuǎn)向時，若忽略輪胎側(cè)偏影

16、響，兩轉(zhuǎn)向前軸的延長線應(yīng)交于后軸延長線。設(shè)，分別是外內(nèi)轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)角，k為兩主銷中心線延長線到地面交點(diǎn)之間的距離，則梯形機(jī)構(gòu)應(yīng)保證內(nèi)外轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)角有如下關(guān)系：ctg，若自變角為則因變角的期望值為：，現(xiàn)有轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)僅能滿足上式要求。如下圖所示，在圖上作輔助虛線，利用余弦定理可推得轉(zhuǎn)向梯形所繪出的實際因變角為：其中 m梯形臂長 梯形底角圖7-1 汽車瞬時轉(zhuǎn)向圖應(yīng)使設(shè)計的轉(zhuǎn)向梯形所繪出的實際因變角盡可能接近理論上的期望值。其偏差最常使用的中間位置附近小轉(zhuǎn)角范圍應(yīng)盡可能小，以減小高速行駛時輪胎的磨損。而在不經(jīng)常使用且車速較慢的最大轉(zhuǎn)角時可適當(dāng)放寬要求，因此在加入加權(quán)因子構(gòu)成評價優(yōu)略的目標(biāo)函數(shù)f(x)

17、為: f（x）=將上式代得：f(x)=其中 x設(shè)計變量 x= 外轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角，又上圖可得：=其中 汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑為5.5m， a主銷偏移距為55mm， K=1320mm L=2600mm = 考慮到此時使用工況下轉(zhuǎn)角小于，且100以內(nèi)的小轉(zhuǎn)角使用的更加頻繁，因此?。寒?dāng) 建立約束條件時應(yīng)考慮到：設(shè)計變量m及過小時，會使橫拉桿上的轉(zhuǎn)向力過大；當(dāng)m過大時，將使梯形布置困難，故對m的上、下限及對的下限應(yīng)設(shè)置約束條件。因越大，梯形越接近矩形f(x)值就越大，而優(yōu)化過程是求f(x)的極小值，故可不必對的上限加以限制。綜上所述，各設(shè)計變量的取值范圍構(gòu)成的約束條件為：m- 梯形臂長度m設(shè)計時常取在0.11

18、K，0.15K梯形底角此外，由機(jī)械原理得知，四連桿機(jī)構(gòu)的傳動角不宜過小，通常取。如上圖所示，轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)在汽車向右轉(zhuǎn)彎至極限位置時達(dá)到最小值，故只考慮右轉(zhuǎn)彎時即可。利用該圖所作的輔助虛線及余弦定理，可推出最小傳動角約束條件為 ，式中，為最小傳動角。由上述數(shù)學(xué)模型可知，轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計問題是一個小型的約束非線性規(guī)劃問題，可用復(fù)合形法來求解。根據(jù)上述思路，可用C語言編程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計（原程序見附錄）。優(yōu)化的結(jié)果如下：轉(zhuǎn)向梯形臂長m=160mm轉(zhuǎn)向梯形底角 =七、總結(jié)通過本次汽車設(shè)計實踐課程使我對汽車設(shè)計有更加深刻理解，不僅鍛煉了自己動手設(shè)計的能力，而且培養(yǎng)了創(chuàng)新理念。在這里要非常感謝老師和學(xué)校提供的這次機(jī)會這也是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程。參考文獻(xiàn)1 劉惟信.汽車設(shè)計.北京：清華大學(xué)出版社,20002 王望予.汽車設(shè)計(第三版). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,20003 陳家瑞.汽車構(gòu)造(下冊). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,20054 余志生.汽車?yán)碚?第三版) 北京：機(jī)械工