齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)【說明書+CAD+UG】
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附錄1
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是現(xiàn)在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向,其工作原理是:EPS 系統(tǒng)的ECU 對來自轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器和車速傳感器的信號進(jìn)行分析處理后,控制電機(jī)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)闹D(zhuǎn)矩,協(xié)助駕駛員完成轉(zhuǎn)向操作。
近幾年來,隨著電子技術(shù)的發(fā)展,大幅度降低EPS的成本已成為可能,日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司、美國的Delphi 汽車系統(tǒng)公司、TRW公司及德國的ZF 公司都相繼研制出EPS。Mercedes-Benz 和Siemens Automotive 兩大公司共同投資6500萬英鎊用于開發(fā)EPS ,目標(biāo)是到2002 年裝車,年產(chǎn)300 萬套,成為全球EPS 制造商。到目前為止,EPS 系統(tǒng)在輕微型轎車、廂式車上得到廣泛的應(yīng)用,并且每年以300 萬臺的速度發(fā)展。
1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及分類
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要是在機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上了傳感器(包括車速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器和小齒輪位置傳感器) 、電子控制單元( ECU) 、助力電機(jī)、電磁離合器和減速機(jī)構(gòu)而構(gòu)成(圖1) 。
圖1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可根據(jù)減速機(jī)構(gòu)的不同分為蝸輪蝸桿式助力機(jī)構(gòu)和差動(dòng)輪系式的助力機(jī)構(gòu)兩種形式。差動(dòng)輪系機(jī)構(gòu)具有轉(zhuǎn)向路感平滑穩(wěn)定、轉(zhuǎn)向靈敏性可調(diào),更適合前軸負(fù)載小且對高速操縱性能要求較高的轎車上,而蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)具有助力大小可調(diào)整,適合前軸負(fù)載大、轉(zhuǎn)向沉重、主要目的是降低轉(zhuǎn)向力且對高速操縱性能要求不高的載貨汽車上。另外電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)位置的不同分為(圖2) :軸助力式EPS(電機(jī)和減速裝置裝在轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸上) ,轉(zhuǎn)向小齒輪助力式(電機(jī)和減速裝置裝在輸入小齒輪上) ,另端小齒輪助力式(電機(jī)和減速裝置裝在另端小齒輪上) ,齒條助力式(電機(jī)和減速裝置套在齒條外側(cè)) 。
2 EPS 的國外研究現(xiàn)狀
目前國外的研究主要集中于細(xì)節(jié)上對助力特性,操縱性能等的進(jìn)一步優(yōu)化，考慮的影響因素比國內(nèi)多,并且設(shè)計(jì)出了操作模擬器對EPS 的控制策略進(jìn)行評估。在對控制策略的研究上國外側(cè)重于選擇基于PID 的補(bǔ)償和回正控制策略,對于單獨(dú)使用的模糊控制,H∞控制也有研究,暫時(shí)還未見對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究。
國外的研究通常都是在基于PID 的回正補(bǔ)償控制基礎(chǔ)上對回正性能進(jìn)一步優(yōu)化,控制把持、轉(zhuǎn)向、加載過程中的電流擾動(dòng),以及在特殊的路面條件下對汽車的操控等。例如三菱公司提出的一種新的EPS控制策略將在低附著的路面上提供更高的轉(zhuǎn)向盤回正性和路感。這種方法是只有當(dāng)轉(zhuǎn)向軸上的反應(yīng)力矩達(dá)到預(yù)定力矩時(shí)才提高回正性,采用了2種控制策略:第1種策略是基于轉(zhuǎn)向角反饋,而第2種是基于估計(jì)校正力矩反饋。而三菱公司的另外一種新的電機(jī)電流控制策略是基于對干擾電壓的估計(jì)和補(bǔ)償 ,在仍然使用普通的微處理器的情況下,電機(jī)的電流波動(dòng)也可得到顯著的減少,從而減少了不必要的轉(zhuǎn)向力矩的波動(dòng)和噪聲。這種新的控制器是基于對電壓波動(dòng)的估計(jì)和補(bǔ)償,包括2個(gè)模塊。一個(gè)模塊是估計(jì)由于電池電壓等的改變引起的電壓波動(dòng),另一個(gè)模塊補(bǔ)償為電機(jī)提供的電壓以消除電壓的波動(dòng)。
從整體上來講國內(nèi)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入ECU 中,并通過實(shí)驗(yàn)和分析不斷地完善和改進(jìn),但是在對于細(xì)節(jié)的優(yōu)化上距離國外還有相當(dāng)?shù)牟罹?而且目前國內(nèi)除了吉利汽車,還尚未自主知識產(chǎn)權(quán)的EPS ,距離EPS 的批量化生產(chǎn)也還有很長的一段路要走。
3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的其他問題
汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中,除安全與可靠性問題外,還有其他的一些問題,如模擬路感的電機(jī)振動(dòng)問題、動(dòng)力電源問題、傳感器的精度和成本問題等。其中,模擬路感的電機(jī)振動(dòng)問題在EPS 的研發(fā)過程中,已經(jīng)有成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。車用42 V電源預(yù)計(jì)在未來的幾年內(nèi)將會快速發(fā)展普及,屆時(shí)汽車電子附件的供電問題將會得到圓滿解決。車用各種傳感器如非接觸轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角傳感器、橫擺角速度傳感器等的精度在不斷提高,成本下降,在未來的幾年內(nèi)將會在精度和價(jià)格方面滿足各種電控系統(tǒng)的要求。
附錄2
Electric power steering system
Electric power steering system is the car's steering direction, and its working principle is: EPS system from the steering wheel to the ECU and torque sensor speed sensor signal processing, the control of motor torque generated appropriate assistance to help Driver to complete the operation.
In recent years, along with the development of electronic technology to substantially reduce the cost of the EPS has become possible, Japan's Daihatsu Motor Co., Mitsubishi Motors Corp., Honda Motor Co., the U.S. Delphi Automotive Systems, TRW Inc. and Germany's ZF All have been developed EPS. Mercedes-Benz and Siemens Automotive two joint venture companies 65,000,000 pounds for the development of the EPS, the goal is to load in 2002, with an annual output of 3,000,000 units, EPS manufacturer in the world. So far, EPS system in a small car, the van has been on board a wide range of applications, and each year 300 million pace.
1 Electric power steering system and the structure of the classification
Electric power steering system is mechanical in the steering system on the basis of the combined sensor (including speed sensors, torque sensors and small gear position sensor), the electronic control unit (ECU), electric power, electromagnetic clutch and slow body constituted (Figure 1).
Electric power steering system may slow down the body is divided into different worm-assistance agencies and differential gear-help organizations in two forms. Differential gear with a body to smooth the way a sense of stability, sensitivity adjustable steering, front axle load is more suitable for small and high-speed manipulation of the high performance requirements of the car, the worm and institutions have to adjust the size of assistance for large front axle load , To the heavy main objective is to reduce the ability to manipulate high-speed performance and do not ask for much of the cargo vehicle. Another electric power steering system and the electric motor can also slow down the location of the body is divided into different (Figure 2): Power-axis EPS (electric and deceleration device mounted on the steering shaft) and pinion power-steering (and slow down the electrical equipment installed On the input pinion) and the other-side-pinion power (electric and deceleration device mounted on a small gear on the other side), rack-power (electric slow down and sets of equipment in the rack outside).
2 EPS of foreign research
At present, foreign study focused on the details of the characteristics of power, manipulated to further optimize the performance, consider the impact of domestic factors, and designed to operate on the simulator of the EPS control strategy evaluation. In the control of foreign policy studies focused on the choice of PID-based compensation and come back to the control strategy, used alone for the fuzzy control, Hcontrol there, not for the time being neural network.
Study abroad is usually based on the PID to control the compensation is based on being back to further optimize the performance, dominated control, steering, load in the process of the current disturbances, as well as the special road conditions, such as control of the vehicle. For example, Mitsubishi made a new EPS control strategy will be attached to the low road to provide better come back to the steering wheel and a sense of the way. This approach is only when the turning axis response is scheduled to meet the moment when the moment is to raise, use 2 kinds of control strategies: 1 kind of strategy is based on the feedback steering angle, and No. 2 is based on the estimated torque feedback correction. Mitsubishi and the other a new electric current control strategy is based on estimates and the interference voltage compensation , are still in common use of the microprocessor, the current fluctuations in electrical and can be significantly reduced, thereby A reduction of unnecessary torque to the fluctuations and noise. The new controller is based on estimates of voltage fluctuations and compensation, including 2 module. One module is estimated that due to the battery voltage, and other changes caused by voltage fluctuations and the other modules to provide compensation for the electrical voltage in order to eliminate voltage fluctuations.
As a whole in recent years in terms of domestic EPS for the research and development soon, especially in the control strategy, will have different methods to control the introduction of ECU, and through experiments and analysis continue to improve and improve, but the details of Optimization of the distance there is still a considerable gap between foreign and domestic In addition to Geely Automobile, has not yet own intellectual property rights of the EPS, the EPS from the bulk of production there is still a long way to go.
3 Electric power steering system on other issues
Automotive electronic steering system in practical applications, in addition to the security and reliability problems, there are a number of other issues, such as simulation of a sense of the way the problem of vibration motor, power supply problems, the sensor accuracy and cost, and so on. The simulation of a sense of the way the motor vibration problems in EPS of R & D process, there has been a mature technology and can learn from the experience. 42 V motor power supply in the next few years will be the rapid development of universal, automotive electronics will annex the power supply problems will be satisfactorily resolved. A variety of automotive sensors, such as non-contact torque, angle sensor, yaw angular velocity sensor, such as the accuracy of the rising costs in the next few years will be in the accuracy and price to meet a variety of electronic control system.
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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
一、畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容
1、收集與汽車轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì)有關(guān)的設(shè)計(jì)資料，參考文獻(xiàn)不能少于15篇。
2、轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)型式的選擇，提出初步方案，進(jìn)行方案論證、結(jié)構(gòu)分析，確定合理的結(jié)構(gòu)方案。
3、轉(zhuǎn)向系主要的參數(shù)確定，內(nèi)容包括轉(zhuǎn)向系計(jì)算載荷的確定，動(dòng)力缸的設(shè)計(jì)計(jì)算，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器參數(shù)的計(jì)算和校核。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并最后確定結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。
4、所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向器應(yīng)保證汽車在各種行駛工況下，使汽車獲得較高的機(jī)動(dòng)性，同時(shí)使汽車操縱輕便。
基本參數(shù)：
轉(zhuǎn)向軸軸荷： （kg）
輪胎氣壓： （Mpa）
二、畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)完成的工作
1、設(shè)計(jì)圖紙折合成圖幅為AO號的圖紙3張以上，其中：計(jì)算機(jī)繪圖量、手工繪圖量均不得少于折合成圖幅為 A1號的圖紙1張。
2、畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書撰寫，字?jǐn)?shù)原則上不少于15000個(gè)漢字。
3、翻譯與畢業(yè)設(shè)計(jì)課題或與本專業(yè)相關(guān)的一篇完整的外文資料（主要為期刊），譯文字?jǐn)?shù)不少于3 000個(gè)漢字。
三、畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)程安排
1、第1周 背景資料掌握
2、第2周 設(shè)計(jì)方案比較與選定
3、第3/4/5周 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的計(jì)算與設(shè)計(jì)
4、第6/7/8/9周 工程圖繪制
5、第10周 英文翻譯
6、第11周 編寫說明書
7、第12周 整理資料，準(zhǔn)備答辯
四、參考資料及文獻(xiàn)查詢方向、范圍
1 劉惟信主編. 汽車設(shè)計(jì) . 北京：清華大學(xué)出版社，2001
2 王望予主編. 汽車設(shè)計(jì) . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004
3 汽車工程手冊編輯委員會. 汽車工程手冊 . 北京：人民交通出版社，2001
4 陳家瑞主編. 汽車構(gòu)造 . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000
5 濮良貴，紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計(jì) . 北京：高等教育出版社，2001
6 何玉林，沈榮輝，賀元成. 機(jī)械制圖 . 重慶：重慶大學(xué)出版社，2000
7 王昆，何小柏，汪信遠(yuǎn). 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) . 北京：高等教育出版社，1996
8 廖念釗等主編. 互換性與測量技術(shù) . 北京：中國計(jì)量出版社，2000
9 張建俊主編. 汽車檢測與故障診斷技術(shù) . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996
10 余志生主編. 汽車?yán)碚?. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000
11 龔微寒. 汽車現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造 . 北京：人民交通出版社，1995
12 羅永革. 汽車設(shè)計(jì). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011
13 王豐元. 馬明星. 汽車設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書.北京:中國電力出版社,2009
2
目錄
目錄 1
摘要 3
Abstract 4
第1章 緒論 5
1.1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器研究現(xiàn)狀 5
1.1.1 轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展概況 9
1.2 研究目的與意義 10
1.3 轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求 10
1.4 齒輪齒條轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)任務(wù)要求 11
第2章 設(shè)計(jì)任務(wù)及方案擬定 12
2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)要求 12
2.2 設(shè)計(jì)任務(wù)要求 14
2.3 方案擬定 14
2.3.1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的優(yōu)缺點(diǎn) 14
2.3.2 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的輸入形式及特點(diǎn) 15
2.4 各種形式轉(zhuǎn)向器現(xiàn)狀對比 16
2.4.1 轉(zhuǎn)向器的功用和類型 16
2.4.2 轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu) 17
第3章 轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計(jì)與計(jì)算 21
3.1 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向梯形時(shí)應(yīng)滿足要求 21
3.2 轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)方案分析 21
3.2.1 轉(zhuǎn)向梯形計(jì)算 21
第4章 轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)與校核 23
4.1 轉(zhuǎn)向系計(jì)算載荷的確定 23
4.1.1 原地轉(zhuǎn)向阻力矩 23
4.1.2 轉(zhuǎn)向盤手力 23
4.2 齒輪齒條設(shè)計(jì) 24
4.3 齒條的強(qiáng)度計(jì)算 25
4.3.1 齒條的受力分析 25
4.3.2 齒條桿部受拉壓的強(qiáng)度計(jì)算 26
4.3.3 齒條齒部彎曲強(qiáng)度的計(jì)算 26
4.4 小齒輪的強(qiáng)度計(jì)算 27
4.4.1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 27
4.4.2 齒輪齒跟彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算 30
第5章 車輛轉(zhuǎn)向力液壓回路分析 32
5.1 液壓回路 32
5.2 總體布局 36
參考文獻(xiàn) 40
摘要
在現(xiàn)代汽車上，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是必不可少的最基本的系統(tǒng)之一，也是決定汽車主動(dòng)安全性的關(guān)鍵總成，汽車的轉(zhuǎn)向特性，保持汽車具備較好的操縱性能，始終是汽車檢測技術(shù)當(dāng)中的一個(gè)重要課題。特別是在車輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天，汽車轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)工作顯得尤為重要。
本文的主題是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。著眼于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)，首先是對車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體描述;第二個(gè)是機(jī)械轉(zhuǎn)向器的選擇;三是齒輪與齒條的合理匹配，以滿足轉(zhuǎn)向器正確的傳動(dòng)比和強(qiáng)度要求;它是動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì);第五個(gè)是梯形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，考慮到上述要求和因素，研究了由方向盤的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒條齒輪轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)向，由萬向接頭驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向齒輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，以及轉(zhuǎn)向齒輪軸與轉(zhuǎn)向齒條的嚙合，從而促使轉(zhuǎn)向齒條線性移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向器的簡單緊湊的結(jié)構(gòu)，短的軸向尺寸和少量的部件的優(yōu)點(diǎn)，并且可以增加輔助力，從而實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性和靈敏度。本文主要對轉(zhuǎn)向器齒條的設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)向器軸的標(biāo)定進(jìn)行了研究。主要方法和理論是根據(jù)汽車設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和大學(xué)所學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)的課程內(nèi)容設(shè)計(jì)的。結(jié)果符合強(qiáng)度要求。安全可靠。
關(guān)鍵詞：汽車，轉(zhuǎn)向器，齒輪齒條，助力器，液壓傳動(dòng)
Abstract
In modern automobiles, the steering system is one of the most basic systems that are indispensable, and it is also a key component that determines the active safety of the car. The steering characteristics of the car and maintaining the car's good maneuverability are always among the automotive inspection technologies. One of the important topics. Especially in today's high-speed vehicles, unprofessional drivers, and dense traffic, the design of automotive steering systems is particularly important.
The theme of this article is the design of the steering system. Focusing on the design of the rack-and-pinion steering gear, the first is the overall description of the steering system of the vehicle; the second is the choice of the mechanical steering gear; and the third is the reasonable matching of the gear and the rack to meet the correct gear ratio of the steering gear and The strength requirements; it is the design of the power steering mechanism; the fifth is the trapezoidal structure design. Therefore, considering the above requirements and factors, the steering of the rack gear steering shaft of the transmission driven by the rotation of the steering wheel, the rotation of the steering gear shaft driven by the universal joint, and the engagement of the steering gear shaft with the steering rack are studied. This causes the steering rack to move linearly to achieve steering. The simple and compact structure of the steering gear, the short axial dimension and the advantages of a small number of parts can be achieved, and the assisting force can be increased, so that the steering stability and the sensitivity of the vehicle can be achieved. This paper mainly studies the design of the steering gear rack and the calibration of the steering gear shaft. The main methods and theories are based on the empirical parameters of the car design and the course content of the mechanical design of the university. The results meet the strength requirements. Safe and reliable.
Key words: car; steering system; rack and pinion design; steering trapezoid
第1章 緒論
1.1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器研究現(xiàn)狀
從世界第一輛汽車問世至今，汽車工業(yè)已經(jīng)經(jīng)歷了百年歷程?，F(xiàn)代的汽車與發(fā)展初期相比，廣泛地應(yīng)用了各種高新技術(shù)，并且還在發(fā)生更深刻的變革。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車底盤中的獨(dú)立分系統(tǒng) ，在汽車技術(shù)發(fā)展的過程中也經(jīng)歷了深刻的變革。轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展基本上經(jīng)歷了機(jī)械轉(zhuǎn)向、液壓（氣壓）動(dòng)力轉(zhuǎn)向、電子控制液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向、電動(dòng)轉(zhuǎn)向、電子線控轉(zhuǎn)向和主動(dòng)轉(zhuǎn)向幾個(gè)階段。?
汽車轉(zhuǎn)向系是保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛中，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。保證汽車在行駛中能按駕駛員的操縱要求，適時(shí)地改變行駛方向，并能在受到路面干擾偏離行駛方向時(shí)，與行駛系配合，共同保持汽車穩(wěn)定地直線行駛。轉(zhuǎn)向系對汽車行駛的操縱性、穩(wěn)定性和安全性都具有重要的意義。
改革開放以來，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅猛。作為汽車關(guān)鍵部件之一的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也得到了相應(yīng)的發(fā)展，基本已形成了專業(yè)化、系列化生產(chǎn)的局面。有資料顯示，國外有很多國家的轉(zhuǎn)向器廠，都已發(fā)展成大規(guī)模的生產(chǎn)的專業(yè)廠，年產(chǎn)超夠百萬臺，壟斷了轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)，并且銷售點(diǎn)遍布了全世界。從操縱輕便性、穩(wěn)定性及安全性行駛的角度，汽車制造廣泛使用更先進(jìn)的工藝方法，使用變速比轉(zhuǎn)向器、高剛性轉(zhuǎn)向器?！白兯俦群透邉傂浴笔悄壳笆澜缟仙a(chǎn)的轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)的方向
幾十年來，各種汽車都使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。由于這種轉(zhuǎn)向器是滾動(dòng)摩擦形式，因而正傳動(dòng)效率很高，操作方便且使用壽命長，而且承載能力大，廣泛應(yīng)用于載貨車上。
隨著上世紀(jì)五十年代起，液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用，標(biāo)志著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)革命的開始。汽車轉(zhuǎn)向動(dòng)力的來源由以前的人力轉(zhuǎn)變?nèi)肆右簤褐?。液壓助力系統(tǒng)HPS是機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本上增加了一個(gè)液壓系統(tǒng)而成。由于工作可靠、技術(shù)成熟至今仍被廣泛應(yīng)用。
從70年代起轎車興起了齒輪齒條轉(zhuǎn)向器，這種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由方向盤、轉(zhuǎn)向軸、萬向節(jié)、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)桿和轉(zhuǎn)向輪等組成。方向盤操縱轉(zhuǎn)向器內(nèi)的齒輪傳動(dòng)，齒輪與齒條緊密嚙合，推動(dòng)齒條左移動(dòng)或右移動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪擺動(dòng)，從而改變轎車行駛的方向。這種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與循環(huán)球式等其它類型的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)比較，省略了轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向主拉桿，具有構(gòu)件簡單，傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)。而且它的逆?zhèn)鲃?dòng)效率也高，在車輛行駛時(shí)可以保證偏轉(zhuǎn)車輪的自動(dòng)回正，駕駛者的路感性強(qiáng)。
近年來，隨著電子技術(shù)在汽車中的廣泛應(yīng)用，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中也越來越多地采用電子器件。但目前電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于自身成本等因素的制約，很難在價(jià)格低廉的家用轎車上得到普及，而且電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全可靠性相對較差，目前歐洲汽車法規(guī)中要求駕駛員與轉(zhuǎn)向車輪之間必須有機(jī)械連接，電子轉(zhuǎn)向系還不允許在歐洲上市。
齒輪齒條轉(zhuǎn)向器：它是一種最常見的轉(zhuǎn)向器。其基本結(jié)構(gòu)是一對相互嚙合的小齒輪和齒條。轉(zhuǎn)向軸帶動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒條便做直線運(yùn)動(dòng)。有時(shí)，靠齒條來直接帶動(dòng)橫拉桿，就可使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向。所以，這是一種最簡單的轉(zhuǎn)向器。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，轉(zhuǎn)向靈敏，體積小，可以直接帶動(dòng)橫拉桿。在汽車上得到廣泛應(yīng)用。
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器分兩端輸出式和中間（或單端）輸出式兩種。兩端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，作為傳動(dòng)副主動(dòng)件的轉(zhuǎn)向齒輪軸通過軸承安裝在轉(zhuǎn)向器殼體中，其上端通過花鍵與萬向節(jié)叉和轉(zhuǎn)向軸連接。與轉(zhuǎn)向齒輪嚙合的轉(zhuǎn)向齒條水平布置，兩端通過球頭座與轉(zhuǎn)向橫拉桿相連。彈簧通過壓塊將齒條壓靠在齒輪上，保證無間隙嚙合。彈簧的預(yù)緊力可用調(diào)整螺塞調(diào)整。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，轉(zhuǎn)向器齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使與之嚙合的齒條沿軸向移動(dòng)，從而使左右橫拉桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)左右轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)向車輪偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向。中間輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，其結(jié)構(gòu)及工作原理與兩端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器基本相同，不同之處在于它在轉(zhuǎn)向齒條的中部用螺栓與左右轉(zhuǎn)向橫拉桿相連。在單端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器上，齒條的一端通過內(nèi)外托架與轉(zhuǎn)向橫拉桿相連。
2007年中國汽車銷售879.15萬輛，2008年中國汽車銷售938萬輛，2009年預(yù)計(jì)增長8.6%，達(dá)到1019萬輛。汽車產(chǎn)銷量的逐步增長為汽車轉(zhuǎn)向機(jī)市場提供了一個(gè)較大的發(fā)展空間，2008年市場對轉(zhuǎn)向機(jī)行業(yè)需求有所減緩，在需求增長有所減緩的現(xiàn)狀下，產(chǎn)能擴(kuò)張的勢頭并沒有得到較好的控制。產(chǎn)能過剩、重復(fù)建設(shè)不僅導(dǎo)致生產(chǎn)與消費(fèi)的失衡，而且還引發(fā)了轉(zhuǎn)向機(jī)行業(yè)內(nèi)的一系列惡性價(jià)格競爭，影響了轉(zhuǎn)向機(jī)行業(yè)業(yè)的盈利能力。中國轉(zhuǎn)向機(jī)行業(yè)市場現(xiàn)狀，為外資企業(yè)入駐中國創(chuàng)造了條件，國際許多轉(zhuǎn)向機(jī)行業(yè)企業(yè)已經(jīng)看中在中國低成本拓展市場的機(jī)會，隨著外資投入逐步加大，中國國內(nèi)企業(yè)改革重組迅速加快。同時(shí)新的行業(yè)制度等政策的頒布和實(shí)施將促使我國轉(zhuǎn)向機(jī)行業(yè)洗牌，企業(yè)兼并重組將在政策的促使下大力發(fā)展。
據(jù)了解，在世界范圍內(nèi)，汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)換器占45%左右，齒輪齒條式轉(zhuǎn)換器占40%左右，渦桿滾輪式轉(zhuǎn)換器占10%左右，其他型式的轉(zhuǎn)換器占5%。循環(huán)球式轉(zhuǎn)換器一直在穩(wěn)步發(fā)展。在西歐小客車中，齒輪齒條式轉(zhuǎn)換器有很大的發(fā)展。日本汽車轉(zhuǎn)向器的特點(diǎn)是循環(huán)球式轉(zhuǎn)換器占得比重越來越大，日本裝備不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的類型汽車，采用不同類型轉(zhuǎn)向器，在公共汽車中使用的循環(huán)球式轉(zhuǎn)換器，已由60年代的62.5%，發(fā)展到現(xiàn)今的100%了，大、小型貨車大都循環(huán)球式轉(zhuǎn)換器，但齒輪齒條式轉(zhuǎn)換器也有所發(fā)展。微型貨車用循環(huán)球式轉(zhuǎn)換器占65%，齒輪齒條式占35%。
齒輪齒條式轉(zhuǎn)換器和循環(huán)球式轉(zhuǎn)換器，已成為當(dāng)今世界汽車上主要的兩種轉(zhuǎn)向器：而渦輪蝸桿式轉(zhuǎn)向器和蝸桿肖式轉(zhuǎn)向器，正在逐步被淘汰或保留較小的地位。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成，轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量比較??；傳動(dòng)效率高達(dá)90%；齒輪與齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙后，利用裝在齒條背部、靠近主動(dòng)小齒輪處的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧，能自動(dòng)消除間隙，這不僅可以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度，還可以防止工作時(shí)產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用體積小；制造成本低。
在轉(zhuǎn)向技術(shù)方面，汽車和普通汽車，由于汽車的體積小，重量輕，在安裝空間和轉(zhuǎn)向特性方面與大型汽車有一些差異，但汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和普通汽車 轉(zhuǎn)向原理，轉(zhuǎn)向要求和轉(zhuǎn)向效果基本相同。
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用于保持或改變汽車的方向。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)該準(zhǔn)確快速地響應(yīng)駕駛員的轉(zhuǎn)向指示。當(dāng)轉(zhuǎn)向正在進(jìn)行或受到外部干擾時(shí)，駕駛員應(yīng)釋放方向盤。確保汽車自動(dòng)恢復(fù)到穩(wěn)定的直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，代表了一個(gè)國家的綜合國力。隨著機(jī)械和電子技術(shù)的發(fā)展，汽車工業(yè)不斷發(fā)展。今天，這輛車不僅僅是一輛機(jī)械車。它是力學(xué)，電子學(xué)和材料學(xué)科的綜合產(chǎn)品。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也經(jīng)歷了長期的演變。
傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。汽車的轉(zhuǎn)向由駕駛員的方向盤控制，車輪通過一系列機(jī)械轉(zhuǎn)向組件（如轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)）轉(zhuǎn)向，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。
自20世紀(jì)50年代以來，隨著液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車中的應(yīng)用，標(biāo)志著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)革命的開始。汽車轉(zhuǎn)向功率的來源已經(jīng)從之前的人力轉(zhuǎn)向人力和液壓。液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）是添加到機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)通常連接到發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分能量為汽車前進(jìn)提供動(dòng)能，另一部分為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。由于其可靠的工作和成熟的技術(shù)，現(xiàn)在它仍然被廣泛使用。這種動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是液壓支持轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，減少了駕駛員對方向盤的壓力，提高了轉(zhuǎn)向的方便性和汽車的穩(wěn)定性。
近年來，隨著電子技術(shù)在汽車中的廣泛應(yīng)用，電子設(shè)備越來越多地用于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。結(jié)果，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)入了電子控制時(shí)代，相應(yīng)地出現(xiàn)了電動(dòng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電動(dòng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向可分為兩類：電動(dòng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向（EHPS）和電子控制液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向（ECHPS）。電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在液壓助力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。與液壓動(dòng)力輔助系統(tǒng)不同，電動(dòng)液壓動(dòng)力輔助系統(tǒng)中液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源不是發(fā)動(dòng)機(jī)，而是電動(dòng)機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，從而節(jié)省發(fā)動(dòng)機(jī)能量。 ，降低油耗。電子控制液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也是在傳統(tǒng)液壓助力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。不同之處在于電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)增加了電子控制裝置。電子控制裝置可以根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)向速度，車速等車輛運(yùn)行參數(shù)改變液壓系統(tǒng)的液壓，實(shí)現(xiàn)不同車速下輔助特性的變化。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓系統(tǒng)可以在沒有轉(zhuǎn)向操作時(shí)停止電機(jī)，從而降低能耗。
盡管電動(dòng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)克服了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向的一些缺點(diǎn)。然而，由于液壓系統(tǒng)的存在，液壓油泄漏也存在同樣的問題，電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)引入驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使系統(tǒng)更加復(fù)雜，成本增加，可靠性降低。
為了規(guī)避電動(dòng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點(diǎn)，EPS（電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向）已經(jīng)出現(xiàn)。與上述各種動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的區(qū)別在于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中沒有液壓系統(tǒng)。最初由液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向助力由電動(dòng)機(jī)完成。電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通常由轉(zhuǎn)矩傳感器，微處理器，電動(dòng)機(jī)等組成。其基本工作原理是：當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，安裝在轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器將轉(zhuǎn)矩信號轉(zhuǎn)換成電信號并傳送給微處理器。微處理器結(jié)合扭矩信號其他車輛操作參數(shù)（如車輛速度）基于程序中預(yù)先設(shè)定的處理方法，以確定助力器電機(jī)輔助的方向和輔助的大小。
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡介
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是車輛底盤的重要組成部分。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能直接影響車輛的安全性，穩(wěn)定性和駕駛舒適性。它確保了車輛的安全性，減少了交通事故并保護(hù)了駕駛者的身體。安全和改善駕駛員的工作條件起著重要作用。
根據(jù)轉(zhuǎn)向力能源，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能量源是人力，依靠駕駛員的手力轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，所有力傳遞部件都是機(jī)械的，由轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)（方向盤），轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，通過操舵裝置和轉(zhuǎn)向裝置使方向盤偏轉(zhuǎn)。其中，操舵裝置是將操作機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)（嚴(yán)格地說是近似直線運(yùn)動(dòng)）并且是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部件的機(jī)構(gòu)。
除上述三個(gè)主要組件外，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿υ词寝D(zhuǎn)向輔助裝置。由于轉(zhuǎn)向輔助裝置通常是液壓系統(tǒng)，它也與泵，管道，閥門，活塞和儲油罐密不可分。它們相當(dāng)于電路系統(tǒng)中的電池，電線，開關(guān)，電機(jī)和接地線的影響。?
1.1.1 轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展概況
??早期的汽車轉(zhuǎn)向是用舵柄或橫桿（兩端帶柄的水平桿）進(jìn)行的。轉(zhuǎn)向比為1：1，并且該車的操作非常費(fèi)力。后來，齒輪傳動(dòng)比的轉(zhuǎn)向裝置被迅速推廣。然而，這種機(jī)構(gòu)的方向盤并未像舵柄或橫桿那樣放在汽車的中心線上，而是放在汽車的左側(cè)，或者在右側(cè)，這引發(fā)了對轉(zhuǎn)向位置的爭論輪。這一爭論持續(xù)了很長一段時(shí)間，導(dǎo)致今天的汽車分為方向盤裝置法兩大類：一種左側(cè)方向盤用于美國，中國，俄羅斯等世界各國和地區(qū)，自上而下實(shí)施汽車規(guī)則;英國，英聯(lián)邦，日本等少數(shù)國家和地區(qū)采用的一種右轉(zhuǎn)方向盤實(shí)施右下和左上駕駛汽車的規(guī)則。
轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。隨著電子技術(shù)在汽車中的廣泛應(yīng)用，轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大的變化。從當(dāng)前使用的普遍程度來看，主要有四種類型的轉(zhuǎn)向器：蝸桿式（WP型），蝸輪式（WR型），循環(huán)球式（BS型），齒輪齒條式（RP型）。這四種轉(zhuǎn)向器類型已經(jīng)在汽車中廣泛使用。
據(jù)了解，在全球范圍內(nèi)，汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器約占45％，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器占約40％，蝸輪式轉(zhuǎn)向器約占10％，其他類型的轉(zhuǎn)向器占為5％。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器一直在穩(wěn)步發(fā)展。在西歐的小型貨車中，齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器已得到很大發(fā)展。
日本的汽車轉(zhuǎn)向器的特點(diǎn)是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的比例越來越大。日本各種配備不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)使用不同類型的轉(zhuǎn)向器，并開發(fā)了公共汽車中使用的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。 20世紀(jì)60年代的62.5％現(xiàn)在已經(jīng)增長到100％（在公交車上已經(jīng)消除了蝸輪轉(zhuǎn)向器）。大多數(shù)大型和小型卡車都使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，但齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器也已開發(fā)。小型貨車的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占65％，齒輪齒條式占35％。
中國的轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)，除了早期生產(chǎn)解放牌汽車蝸輪轉(zhuǎn)向器，東風(fēng)汽車蝸桿式小型轉(zhuǎn)向器外，其余大部分型號均采用循環(huán)球結(jié)構(gòu)，并均具有一定的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。目前，解放和東風(fēng)也在積極開發(fā)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，在二代轉(zhuǎn)換車上一般采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。從中可以看出，中國的轉(zhuǎn)向器也朝著大量生產(chǎn)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器發(fā)展。
齒條齒輪轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球轉(zhuǎn)向器已成為當(dāng)今世界的兩大轉(zhuǎn)向器。蝸桿齒輪蝸桿和蝸桿齒輪轉(zhuǎn)向器逐漸被淘汰或保持在相對較小的位置。小型乘用車轉(zhuǎn)向器的發(fā)展有不同的看法。美國和日本都專注于循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的研發(fā)，其比例已達(dá)到或超過90％;西歐一直專注于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的開發(fā)，該比例已超過50％。法國高達(dá)95％。由于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的各種優(yōu)點(diǎn)，小型車輛（包括小型客車，小型貨車和客車）的應(yīng)用一直在飛速發(fā)展;而大型車輛則采用循環(huán)球式舵機(jī)作為主要結(jié)構(gòu)。
1.2 研究目的與意義
在現(xiàn)代汽車上，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是必不可少的最基本的系統(tǒng)之一，也是決定汽車主動(dòng)安全性的關(guān)鍵總成，汽車的轉(zhuǎn)向特性，保持汽車具備較好的操縱性能，始終是汽車檢測技術(shù)當(dāng)中的一個(gè)重要課題。特別是在車輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天，汽車轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)工作顯得尤為重要。
通過對汽車轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)可以使學(xué)生掌握汽車轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì)的原則和方法。培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的技能。設(shè)計(jì)與專業(yè)關(guān)系緊密，可綜合利用所學(xué)的專業(yè)課有汽車構(gòu)造、汽車設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、工程材料和CAD繪圖等知識。
1.3 轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求
(1) 轎車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，全部車輪應(yīng)繞瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應(yīng)有側(cè)滑。
(2) 不滿足這項(xiàng)要求會加速輪胎磨損，并降低汽車的行駛穩(wěn)定性。
(3) 轎車轉(zhuǎn)向行駛后，在駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤的條件下，轉(zhuǎn)向輪能自動(dòng)返回到直線
(4) 行駛位置，并穩(wěn)定行駛。
(5) 轎車在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪都不得產(chǎn)生自振，轉(zhuǎn)向盤沒有擺動(dòng)。
(6) ?轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置共同工作時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺。
(7) 動(dòng)應(yīng)最小。
(8) 保證轎車有較高的機(jī)動(dòng)性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力。
(9) 操縱輕便。
(10) 轉(zhuǎn)向輪碰撞到障礙物以后，傳給轉(zhuǎn)向盤的反沖力要盡可能小。
(11) 轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的球頭處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)。
1.4 齒輪齒條轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)任務(wù)要求
(1) 建模僅設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向器部分
(2) 根據(jù)參數(shù)計(jì)算，繪制轉(zhuǎn)向（左或右）極限位置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖帶轉(zhuǎn)向梯形(A3)
(3) 根據(jù)實(shí)物分析繪制車輛液壓轉(zhuǎn)向助力液壓系統(tǒng)回路圖（A3）;
(4) 轉(zhuǎn)向器具體結(jié)構(gòu)可參考汽車實(shí)驗(yàn)室相關(guān)制動(dòng)器結(jié)構(gòu)，也可由學(xué)生自行設(shè)計(jì)。
第2章 設(shè)計(jì)任務(wù)及方案擬定
2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)要求
轉(zhuǎn)向系是用來保持或者改變汽車行使方向的機(jī)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向上、下軸、）、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)）等。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)準(zhǔn)確，快速、平穩(wěn)地響應(yīng)駕駛員的轉(zhuǎn)向指令，轉(zhuǎn)向行使后或受到外界擾動(dòng)時(shí)，在駕駛員松開方向盤的狀態(tài)下，應(yīng)保證汽車自動(dòng)返回穩(wěn)定的直線行使?fàn)顟B(tài)。
圖2.1 轉(zhuǎn)向系
1-方向盤； 2-轉(zhuǎn)向上軸 ；3-托架； 4-萬向節(jié)； 5-轉(zhuǎn)向下軸； 6-防塵罩 ；7-轉(zhuǎn)向器 ；8-轉(zhuǎn)向拉桿
一般來說，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求如下：
轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比包括轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比（方向盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角之比）和轉(zhuǎn)向系的力傳動(dòng)比。在轉(zhuǎn)向盤尺寸和轉(zhuǎn)向輪阻力一定時(shí)，角傳動(dòng)比增加，則轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向靈敏度降低；角傳動(dòng)比減小，則轉(zhuǎn)向沉重，轉(zhuǎn)向靈敏度提高。轉(zhuǎn)向角傳動(dòng)比不宜低于15-16；也不宜過大，通常以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)和轉(zhuǎn)向輕便性來確定。一般來說，轎車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)不宜大于4圈，對轎車來說，有動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向力約為20—50；無動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)為50—100N。
轉(zhuǎn)向輪應(yīng)具有自動(dòng)回正能力。轉(zhuǎn)向輪的回正力來源于輪胎的側(cè)偏特性和車輪的定位參數(shù)。汽車的穩(wěn)定行使，必須保證有合適的前輪定位參數(shù)，并注意控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的內(nèi)部摩擦阻力的大小和阻尼值。
轉(zhuǎn)向桿系和懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)共同作用時(shí)，必須盡量減小其運(yùn)動(dòng)干涉。應(yīng)從設(shè)計(jì)上保證各桿系的運(yùn)動(dòng)干涉足夠小。
轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的球頭處，應(yīng)有消除因磨損而產(chǎn)生的間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)以及提高轉(zhuǎn)向系的可靠性。
轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤應(yīng)有使駕駛員在車禍中避免或減輕傷害的防傷機(jī)構(gòu)。
汽車在作轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，所以車輪應(yīng)繞同一瞬心旋轉(zhuǎn)，不得有側(cè)滑；同時(shí)，轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。
當(dāng)轉(zhuǎn)向輪受到地面沖擊時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞到方向盤上的反沖力要盡可能小
在任何行使?fàn)顟B(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不應(yīng)產(chǎn)生擺振。
機(jī)動(dòng)性是通過汽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑來體現(xiàn)的，而最小轉(zhuǎn)彎半徑由內(nèi)轉(zhuǎn)向車輪的極限轉(zhuǎn)角、汽車的軸距、主銷偏移距決定的，一般的極限轉(zhuǎn)角越大，軸距和主銷偏移距越小，則最小轉(zhuǎn)彎半徑越小。
轉(zhuǎn)向靈敏性主要通過轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)來體現(xiàn)，主要由轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)比來決定。操縱的輕便性也由轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)比決定，但其與轉(zhuǎn)向靈敏性是一對矛盾，轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)比越大，則靈敏性提高，輕便性下降。為了兼顧兩者，一般采用變傳動(dòng)比的轉(zhuǎn)向器，或者采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向，還有就是提高轉(zhuǎn)向系的正效率，但過高正效率往往伴隨著較高的逆效率。
轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)外車輪間的轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)關(guān)系是通過合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向梯形來保證的。對于采用齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向系來說，轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角間的協(xié)調(diào)關(guān)系是通過合理選擇小齒輪與齒條的參數(shù)、合理布置小齒輪與齒條的相對位置來實(shí)現(xiàn)的，而且前置轉(zhuǎn)向梯形和后置轉(zhuǎn)向梯形恰恰相反。
轉(zhuǎn)向輪的回正能力是由轉(zhuǎn)向輪的定位參數(shù)（主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角）決定的，同時(shí)也受轉(zhuǎn)向系逆效率的影響。選取合適的轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)可以獲得相應(yīng)的回正力矩，但是回正力矩不能太大又不能太小，太大則會增加轉(zhuǎn)向沉重感，太小則會使回正能力減弱，不能保持穩(wěn)定的直線行駛狀態(tài)。轉(zhuǎn)向系逆效率的提高會使回正能力提高，但是會造成“打手”現(xiàn)象。
轉(zhuǎn)向系的間隙主要是通過各球頭皮碗和轉(zhuǎn)向器的調(diào)隙機(jī)構(gòu)來調(diào)整的。
合理的選擇轉(zhuǎn)向梯形的斷開點(diǎn)可以減小轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干涉。
2.2 設(shè)計(jì)任務(wù)要求
1)整車性能參數(shù)：（以下參數(shù)也可采用現(xiàn)場實(shí)物測繪結(jié)果）
表2.1 基本參數(shù)
名稱
軸距L
前輪距L1
后輪距L2
最小轉(zhuǎn)彎半徑R
數(shù)值
2648mm
1553mm
1544mm
4600mm
名稱
車長
車寬
車高
車質(zhì)量
數(shù)值
4534mm
1823mm
1544mm
1782kg
2)設(shè)計(jì)要求：
(2) 建模僅設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向器部分；
(3) 根據(jù)參數(shù)計(jì)算，繪制轉(zhuǎn)向（左或右）極限位置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖帶轉(zhuǎn)向梯形；
(4) 根據(jù)實(shí)物分析繪制車輛液壓轉(zhuǎn)向助力液壓系統(tǒng)回路圖；
(5) 轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)型式的選擇，提出初步方案，進(jìn)行方案論證、結(jié)構(gòu)分析，確定合理的結(jié)構(gòu)方案；
(6) 轉(zhuǎn)向系主要的參數(shù)確定，內(nèi)容包括轉(zhuǎn)向系計(jì)算載荷的確定，動(dòng)力缸的設(shè)計(jì)計(jì)算，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器參數(shù)的計(jì)算和校核。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并最后確定結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)；
(7) 所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向器應(yīng)保證汽車在各種行駛工況下，使汽車獲得較高的機(jī)動(dòng)性，同時(shí)使汽車操縱輕便；
2.3 方案擬定
適用車輛相關(guān)數(shù)據(jù)見表2.1。
轉(zhuǎn)向器的功用是將轉(zhuǎn)向盤的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系的減速傳動(dòng)裝置，一般由1-2級減速傳動(dòng)副。目前應(yīng)用比較廣泛的轉(zhuǎn)向器有齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器、蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器、蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器。
2.3.1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的優(yōu)缺點(diǎn)
齒輪齒條轉(zhuǎn)向器是由轉(zhuǎn)向軸做成一體的轉(zhuǎn)向齒輪和常與轉(zhuǎn)向的齒條組成。
優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成，轉(zhuǎn)向器質(zhì)量比較小，傳動(dòng)效率高達(dá)90%；齒輪與齒條之間因磨損而出現(xiàn)間隙后，利用裝在齒條背部的、靠近主動(dòng)小齒輪的處的壓緊彈簧能自動(dòng)消除間隙，不僅可以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度，還可以防止工作時(shí)產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用體積小，沒有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿，所以轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角可以增大，制造成本低。
缺點(diǎn)：齒輪齒條轉(zhuǎn)向器因逆效率高（60%~70%），汽車在不平路面上行駛時(shí)，發(fā)生在轉(zhuǎn)向輪與路面之間沖擊力的大部分能傳至方向盤，稱之反沖現(xiàn)象。反沖會使駕駛員精神緊張，并難以準(zhǔn)確控制汽車的行駛方向，轉(zhuǎn)向盤突然轉(zhuǎn)動(dòng)又會造成打手，同時(shí)對駕駛員造成傷害。
2.3.2 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的輸入形式及特點(diǎn)
側(cè)面輸入，中間輸出：與齒條固連的左右拉桿延伸到接近汽車縱向?qū)ΨQ平面附近，由于拉桿長度增加，車輪上下跳動(dòng)時(shí)拉桿擺角減小，有利于減少車輪的上下跳動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向系與懸架系的運(yùn)動(dòng)干涉，拉桿與齒條用螺栓固連在一起，因此，兩拉桿與齒條同時(shí)向左或向右移動(dòng)，為此在轉(zhuǎn)向器殼體上開有軸向的長槽，從而降低了他的強(qiáng)度。
采用兩端輸出方案時(shí)，由于轉(zhuǎn)向拉桿長度受到限制，容易與懸架系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉。
側(cè)面輸入，一端輸出的齒輪齒條轉(zhuǎn)向器，常用在平頭車上。齒輪齒條轉(zhuǎn)向器采用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合，增加運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，降低沖擊和噪聲。齒條斷面有圓形、V形和Y形三種。圓形斷面制造簡單；V形和Y形節(jié)約材料，質(zhì)量小而且位于齒條下面的兩斜面與齒條托坐接觸，可以用來防止齒條繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖2.3 轉(zhuǎn)向器輸入形式
圖2.4 V形
圖2.5 Y形
圖2.6 圓形
2.4 各種形式轉(zhuǎn)向器現(xiàn)狀對比
2.4.1 轉(zhuǎn)向器的功用和類型
轉(zhuǎn)向器的功能是放大駕駛員施加在方向盤上的轉(zhuǎn)矩，改變力的傳遞方向，然后傳遞給轉(zhuǎn)向傳遞機(jī)構(gòu)。根據(jù)傳動(dòng)副的機(jī)構(gòu)，汽車中廣泛使用的幾種結(jié)構(gòu)類型，如齒條齒輪式，循環(huán)球齒齒式風(fēng)扇，循環(huán)滾珠曲柄式和蝸桿曲柄銷類型。
由于轉(zhuǎn)向器是一種大齒輪比的機(jī)構(gòu)，其傳動(dòng)效率通常較低。輸出功率與舵機(jī)輸入功率之比稱為舵機(jī)傳動(dòng)效率。當(dāng)從轉(zhuǎn)向軸輸入動(dòng)力并從轉(zhuǎn)向搖臂軸輸出時(shí)獲得的傳動(dòng)效率被稱為正效率，并且當(dāng)傳動(dòng)方向與該方向相反時(shí)獲得的傳動(dòng)效率被稱為反轉(zhuǎn)效率。為了減少駕駛員操縱方向盤的體力，重要的是要最大限度地提高舵機(jī)的傳動(dòng)效率，尤其是其正向效率。反轉(zhuǎn)效率高的轉(zhuǎn)向器稱為可逆轉(zhuǎn)向器;反轉(zhuǎn)效率較低的轉(zhuǎn)向器稱為不可逆轉(zhuǎn)向器;反轉(zhuǎn)效率稍高于不可逆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向器被稱為極限可逆轉(zhuǎn)向器，其后向傳動(dòng)力性能介于可逆和不可逆轉(zhuǎn)之間，接近不可逆轉(zhuǎn)。
可逆轉(zhuǎn)向器能夠?qū)⑥D(zhuǎn)向傳遞機(jī)構(gòu)傳遞的路面反作用力容易地傳遞給方向盤，有利于車輛轉(zhuǎn)向完成后方向盤和方向盤的自動(dòng)轉(zhuǎn)向，壞道對車輪的影響。傳給方向盤的是“撞擊”現(xiàn)象?？赡孓D(zhuǎn)向器通常用于通常路況良好的汽車。不可逆轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向裝置不允許方向盤上的沖擊力傳遞給方向盤，但它也不會自動(dòng)地使方向盤和方向盤返回，并且還防止駕駛員感覺到面向方向盤的地面方向盤上的車輪。強(qiáng)制信息，即所謂的“路感”的喪失。因此，目前這種轉(zhuǎn)向器通常不用于汽車。限位可逆轉(zhuǎn)向器給駕駛者一定的道路感，方向盤和方向盤也有一定的正向回復(fù)力矩，當(dāng)?shù)缆窙_擊力較大時(shí)只能部分傳遞給方向盤。這種轉(zhuǎn)向器主要用于中型及以上的越野車和自卸車。
在整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，傳動(dòng)部件之間必須有裝配間隙，并且這些間隙會隨著部件的磨損而增加，這反映出方向盤將具有方向盤的自由行程，并且方向盤自由行程將會減輕道路的影響。避免對駕駛員造成過大壓力是有益的，但不應(yīng)該太大，否則會降低駕駛靈敏度。通常，方向盤從對應(yīng)于車輛直線行駛的中間位置向相反方向中的任一方向的自由行程通常不超過10°至15°;當(dāng)方向盤的磨損如此嚴(yán)重以致方向盤的自由行程超過25°至30°時(shí)，必須通過調(diào)整轉(zhuǎn)向齒輪傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)間隙和軸承間隙來調(diào)整。
2.4.2 轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)
2.4.2.1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器
圖2.5顯示了Santana的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。變速器輔助構(gòu)件的轉(zhuǎn)向齒輪3與轉(zhuǎn)向齒條2嚙合。壓縮彈簧經(jīng)由壓力塊7將轉(zhuǎn)向齒條壓靠轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)以確保沒有間隙接合。彈簧的預(yù)載可以通過調(diào)節(jié)螺釘4調(diào)節(jié)。當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使嚙合的轉(zhuǎn)向齒條沿軸向移動(dòng)。因此，左右拉桿驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)左右轉(zhuǎn)動(dòng)，使得方向盤偏轉(zhuǎn)。
圖2.7 桑塔納齒輪齒條轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)
該齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡單，制造簡單，重量輕，剛度高，轉(zhuǎn)向靈敏，成本低，正反轉(zhuǎn)效率高，特別適用于蠟燭式和麥弗遜式懸架。易于安排等優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用，如一汽紅旗CA7220轎車，奧迪轎車，捷達(dá)轎車，上海桑塔納轎車，帕薩特轎車，大眾波羅轎車，廣州本田轎車，天津夏利轎車和天津TJ1010小型貨車及南京依維柯輕型卡車等正在使用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。
齒條齒輪傳動(dòng)的基本原理如圖2.6所示。
圖2.8 齒輪齒條傳動(dòng)基本原理
2.4.2.2 循環(huán)球—齒條齒扇式轉(zhuǎn)向器
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器中一般有兩級傳動(dòng)副，第一級是螺桿螺母傳動(dòng)副，第二級是齒條齒山傳動(dòng)副。如圖2.7所示，轉(zhuǎn)向螺母既是第一級傳動(dòng)副的從動(dòng)件，又是第二級傳動(dòng)副的主動(dòng)件。為了減少轉(zhuǎn)向螺桿3與螺母之間的摩擦與磨損，二者螺紋不直接接觸，而是作為滾珠5的內(nèi)外滾道，其間裝有許多的滾珠，以實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)摩擦。轉(zhuǎn)向螺母上裝有兩個(gè)滾珠導(dǎo)管7，每個(gè)滾珠導(dǎo)管的兩端分別插入轉(zhuǎn)向螺母側(cè)面的孔中。滾珠導(dǎo)管也裝滿滾珠，形成兩個(gè)各自獨(dú)立的封閉通道。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)向螺桿旋轉(zhuǎn)，通過滾珠將力傳給螺母，使得轉(zhuǎn)向螺母沿軸向移動(dòng)，從而通過轉(zhuǎn)向螺母外部的齒條帶動(dòng)了扇形齒輪軸20轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)轉(zhuǎn)向搖臂軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)。
循環(huán)球—齒條齒扇式轉(zhuǎn)向器的正傳動(dòng)效率很高（90%到95%），故操操縱輕便，使用壽命長，工作平穩(wěn)，可靠。但其逆效率也很高，可將地面對轉(zhuǎn)向輪的沖擊力傳給轉(zhuǎn)向盤。經(jīng)常在良好路面行駛的汽車，上述缺點(diǎn)對其影響不大。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器應(yīng)用于各類各級汽車，如解放CA1040系列輕型載貨汽車、北京BJ1041型、北京2023型、解放CA1091型和黃河JN1181C13型等汽車都采用這種轉(zhuǎn)向器。
圖2.9 循環(huán)球—齒條齒扇式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)
2.4.2.3 蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器
蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器將具有梯形截面螺紋的轉(zhuǎn)向蝸桿支承在轉(zhuǎn)向器殼體兩端的球軸承上，轉(zhuǎn)向蝸桿與錐形指銷相嚙合，錐形指銷用雙列圓錐滾子軸承支于搖臂軸內(nèi)端的曲柄孔中。當(dāng)轉(zhuǎn)向蝸桿隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，指銷沿蝸桿螺旋槽上下移動(dòng)，并帶動(dòng)曲柄及搖臂軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
目前汽車使用的蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器多數(shù)是雙指銷式。轉(zhuǎn)向蝸桿3支承于轉(zhuǎn)向器殼體兩端的兩個(gè)角接觸推力球軸承2和9上。轉(zhuǎn)向器蓋6上裝有調(diào)整螺塞7，用于調(diào)整上述兩軸承的松緊度，調(diào)整后用螺母鎖緊。蝸桿與兩個(gè)錐形指銷11相嚙合。兩個(gè)指銷均用雙列圓錐滾子軸承12支承于搖臂軸20內(nèi)端的曲柄上，其中靠指銷頭部的一列無內(nèi)座圈滾子直接與指銷軸頸接觸。這樣，所受剪切載荷最大的這段軸頸的直徑可做得大一些，以保證指銷有足夠的強(qiáng)度。指銷裝在滾動(dòng)軸承上可以減輕蝸桿和指銷的磨損，并提高傳動(dòng)效率。螺母13用以調(diào)整軸承12的松緊度，以使指銷能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，且無明顯的軸向間隙為宜。搖臂軸用粉末冶金襯套17和18支承在殼體中。指銷同蝸桿的嚙合間隙用側(cè)蓋14上的調(diào)整螺釘15調(diào)整，調(diào)整后用螺母16鎖緊。
雙指銷式轉(zhuǎn)向器在中間及其附近位置時(shí)，其兩指銷均與蝸桿嚙合，故每個(gè)指銷所承載荷較單指銷式轉(zhuǎn)向器的指銷載荷為小，因而其工作壽命較長。當(dāng)搖臂軸轉(zhuǎn)角相當(dāng)大時(shí)，一個(gè)指銷與蝸桿脫離嚙合，另一指銷仍保持嚙合。因此，雙指銷式的搖臂軸轉(zhuǎn)角范圍較單指銷式為大。但雙指銷式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對蝸桿的加工精度要求也較高。
圖2.10 蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器
第3章 轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計(jì)與計(jì)算
3.1 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向梯形時(shí)應(yīng)滿足要求
1、內(nèi)、外車輪轉(zhuǎn)角θi、θo關(guān)系正確，保證全部車輪繞一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心行駛，各車輪盡可能作無滑動(dòng)的純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
2、轉(zhuǎn)向輪有足夠大的轉(zhuǎn)角，保證給定的D min。
3、在汽車上有足夠的高度，高于前部h min。
3.2 轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)方案分析
轉(zhuǎn)向梯形有整體式與斷開式。
(1) 整體式轉(zhuǎn)向梯形
整體式轉(zhuǎn)向梯形是由轉(zhuǎn)向橫拉桿1、轉(zhuǎn)向梯形臂2和汽車前軸3組成，如圖3.1所示。其中梯形臂呈收縮狀向后延伸。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整前束容易，制造成本低；主要缺點(diǎn)是一側(cè)轉(zhuǎn)向輪上、下跳動(dòng)時(shí)，會影響另一側(cè)轉(zhuǎn)向輪。
圖3.1 整體式轉(zhuǎn)向梯形
圖3.2 斷開式轉(zhuǎn)向梯形
(2) 斷開式轉(zhuǎn)向梯形
轉(zhuǎn)向梯形的橫拉桿做成斷開的，稱為斷開式轉(zhuǎn)向梯形。斷開式轉(zhuǎn)向梯形方案之一如圖3.2所示。斷開式轉(zhuǎn)向梯形的主要優(yōu)點(diǎn)是它與前輪采用的獨(dú)立懸架相配合，能夠保證一側(cè)車輪上、下跳動(dòng)時(shí)，不會影響到另一側(cè)車輪。與整體式轉(zhuǎn)向梯形比較，由于其桿系、球頭多，所以結(jié)構(gòu)復(fù)雜；制造成本高；并且調(diào)整前束比較困難。
3.2.1 轉(zhuǎn)向梯形計(jì)算
汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，受到彈性車輪側(cè)偏角的影響，所有車輪不是繞位于后軸延長線上的點(diǎn)滾動(dòng)，而是繞位于前軸和后軸之間的汽車內(nèi)側(cè)某一點(diǎn)滾動(dòng)。此點(diǎn)位置與前輪和后輪的側(cè)偏角大小有關(guān)。由于影響輪胎側(cè)偏角的因素很多，而且難以精確確定，故下面是忽略側(cè)偏角影響條件下，分析有關(guān)兩軸汽車的轉(zhuǎn)向問題。此時(shí)，兩轉(zhuǎn)向前輪軸線的延長線交于后軸延長線上，如圖3.3所示。設(shè)θi、θo為內(nèi)、外車輪轉(zhuǎn)角，L為汽車軸距，K為兩主銷中心線延長線到地面交點(diǎn)之間的距離。若要保證全部車輪繞一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心行駛，則梯形機(jī)構(gòu)應(yīng)保證內(nèi)外轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)角關(guān)系為
若θo為自變量，則因變角θi的期望值為
圖3.3 轉(zhuǎn)向示意圖
圖3.4 設(shè)計(jì)圖例
第4章 轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)與校核
4.1 轉(zhuǎn)向系計(jì)算載荷的確定
為了行駛安全，組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。欲驗(yàn)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，路面阻力和輪胎氣壓等。為轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力，包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)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。
4.1.1 原地轉(zhuǎn)向阻力矩
精確地計(jì)算這些力是困難的，為此推薦用足夠精確的半經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩，即，式中，f為輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，一般取0.7；為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷（N）；p為輪胎氣壓（MPa）。
=55%g=55%*(905+80+75*4)*9.8N
=6926.15N
=N=286775.33
(1) f=0.7
(2) 按《汽車設(shè)計(jì)》，取滿載質(zhì)量m的55%
(3) p=0.22Mpa
(4) 車整備質(zhì)量=905kg
4.1.2 轉(zhuǎn)向盤手力
作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力為：。式中為轉(zhuǎn)向搖臂長；為轉(zhuǎn)向節(jié)壁長；為轉(zhuǎn)向盤直徑；為轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比；為轉(zhuǎn)向器正效率。由《汽車設(shè)計(jì)》，在0.85~1.1之間，可近似是1。
=
=88.15N
=88.15*0.4*0.5
=17.702
(1) 轉(zhuǎn)向盤直徑在380~550mm之間，選=400mm
(2) 齒輪齒條最大正傳動(dòng)效率=90%
(3) 轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比在17~19間，選=18
4.2 齒輪齒條設(shè)計(jì)
齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的齒輪多數(shù)采用斜齒輪。齒輪模數(shù)多在2—3mm之間，主動(dòng)小齒輪齒數(shù)多數(shù)在5—7個(gè)齒范圍變化，壓力角去，齒輪螺旋角的取值范圍多為。齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪達(dá)到最大偏轉(zhuǎn)角時(shí)，相應(yīng)的齒條移動(dòng)行程應(yīng)達(dá)到的值來確定。變速比的齒輪壓力角，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在范圍內(nèi)變化。此外，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算齒輪的抗彎強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度 。
齒條選用45鋼制造，而主動(dòng)小齒輪選用20CrMo材料制造，為減輕質(zhì)量殼體用鋁合金壓鑄。
正確嚙合條件：；；
根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，齒輪齒條的主要參數(shù)見下表：
表4.1 齒輪齒條的主要參數(shù)
名稱
齒輪
齒條
齒數(shù)Z
6
22
模數(shù)Mn
2.5
2.5
壓力角
螺旋角
β1=
β2=-
變位系數(shù)Xn
0
0
齒輪： = =15.3
齒頂高
齒輪： = 2.5
齒條：2.5
齒根高
齒輪： = 3.125
齒條： = 3.125
齒全高 h
齒輪：5.625
齒條：5.625
齒頂圓
齒輪： = 20.3
齒根圓
齒輪：9.05
基圓直徑
由 得20.41
齒輪：
表4.2 齒輪齒條的結(jié)構(gòu)尺寸
名稱
齒輪
齒條
分度圓直徑
15.3
齒頂高
2.5
2.5
齒根高
3.125
3.125
齒全高 h
5.625
5.625
齒頂圓
20.3
齒根圓
9.05
基圓直徑
14.34
齒寬b
40
20
4.3 齒條的強(qiáng)度計(jì)算
4.3.1 齒條的受力分析
在本設(shè)計(jì)中，選取轉(zhuǎn)向器輸入端施加的扭矩 T = 20Nm，齒輪傳動(dòng)一般均加以潤滑，嚙合齒輪間的摩擦力通常很小，計(jì)算輪齒受力時(shí)，可不予考慮。
齒輪齒條的受力狀況類似于斜齒輪，齒條的受力分析如圖
圖4.2 齒條的受力分析
如圖，作用于齒條齒面上的法向力Fn，垂直于齒面，將Fn分解成沿齒條徑向的分力（徑向力）Fr，沿齒輪周向的分力（切向力）Ft，沿齒輪軸向的分力（軸向力）Fx 。各力的大小為：
Ft=2T/d
Fr=Ft*tg/ cosβ1
Fx=Ft*tgβ1
Fn = Ft/(cos*cosβ1)
——齒輪軸分度圓螺旋角 （由表1查得）
——法面壓力角 （由表1查得）
齒輪軸受到的切向力：
Ft = 2T/d = 2614.38 N
T——作用在輸入軸上的扭矩，T取20Nm 。
d——齒輪軸分度圓的直徑，
齒條齒面的法向力：
Fn=Ft/(cos*cosβ1) =2841N
齒條牙齒受到的切向力：
=2669.67N
齒條桿部受到的力：
β2 = 2611.33N
4.3.2 齒條桿部受拉壓的強(qiáng)度計(jì)算
計(jì)算出齒條桿部的拉應(yīng)力：
= F / A =11.1N/mm
F——齒條受到的軸向力
A——齒條根部截面積 ，A =334.6mm
由于強(qiáng)度的需要，齒條長采用45鋼制造，其抗拉強(qiáng)度極限是 = 690N/mm,(沒有考慮熱處理對強(qiáng)度的影響)[2]。
因此 <
所以，齒條設(shè)計(jì)滿足抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。
4.3.3 齒條齒部彎曲強(qiáng)度的計(jì)算
齒條牙齒的單齒彎曲應(yīng)力：
式中： ——齒條齒面切向力
b—— 危險(xiǎn)截面處沿齒長方向齒寬
——齒條計(jì)算齒高
S ——危險(xiǎn)截面齒厚
從上面條件可以計(jì)算出齒條牙齒彎曲應(yīng)力：
=451.16N/mm
上式計(jì)算中只按嚙合的情況計(jì)算的，即所有外力都作用在一個(gè)齒上了，實(shí)際上齒輪齒條的總重合系數(shù)是2.63（理論計(jì)算值），在嚙合過程中至少有2個(gè)齒同時(shí)參加嚙合，因此每個(gè)齒的彎曲應(yīng)力應(yīng)分別降低一倍。
= 182.2N/mm
齒條的材料我選擇是 45剛制造，因此：
抗拉強(qiáng)度 690N/mm (沒有考慮熱處理對強(qiáng)度的影響)。
齒部彎曲安全系數(shù)
S = / = 3.8
因此，齒條設(shè)計(jì)滿足彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。又滿足了齒面接觸強(qiáng)度，符合本次設(shè)計(jì)的具體要求。
4.4 小齒輪的強(qiáng)度計(jì)算
4.4.1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
計(jì)算斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的接觸應(yīng)力時(shí)，推導(dǎo)計(jì)算公式的出發(fā)點(diǎn)和直齒圓柱齒輪相似，但要考慮其以下特點(diǎn)：嚙合的接觸線是傾斜的，有利于提高接觸強(qiáng)度 ；重合度大，傳動(dòng)平穩(wěn)。
齒輪的計(jì)算載荷
為了便于分析計(jì)算，通常取沿齒面接觸線單位長度上所受的載荷進(jìn)行計(jì)算。沿齒面接觸線單位長度上的平均載荷P（單位為N/mm）為
P =
Fn ——作用在齒面接觸線上的法向載荷
L ——沿齒面的接觸線長，單位mm
法向載荷Fn 為公稱載荷，在實(shí)際傳動(dòng)中，由于齒輪的制造誤差，特別是基節(jié)誤差和齒形誤差的影響，會使法面載荷增大。此外，在同時(shí)嚙合的齒對間，載荷的分配不是均勻的，即使在一對齒上， 載荷也不可能沿接觸線均勻分布。因此在計(jì)算載荷的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)按接觸線單位長度上的最大載荷，即計(jì)算Pca （單位N/mmm）進(jìn)行計(jì)算。即
Pca = KP =K
K——載荷系數(shù)
載荷系數(shù)K包括 ：使用系數(shù)，動(dòng)載系數(shù)，齒間載荷分配系數(shù)及齒向載荷分布數(shù)，即
K =
使用系數(shù)
是考慮齒輪嚙合時(shí)外部領(lǐng)接裝置引起的附加動(dòng)載荷影響的系數(shù)。
= 1.0
動(dòng)載系數(shù)
齒輪傳動(dòng)制造和裝配誤差是不可避免的，齒輪受載后還要發(fā)生彈性變形，因此引入了動(dòng)載系數(shù)。
= 1.0
齒間載荷系數(shù)
齒輪的制造精度7級精度[2]
= 1.2
齒向荷分配系數(shù)
齒寬系數(shù) φd = b/d = 18.14/12.13 = 1.5
= 1.12+0.18(1+0.6φd) + 0.23*10b = 1.5
所以載荷系數(shù) K= = 1*1*1.2*1.5 = 1.8
斜齒輪傳動(dòng)的端面重合度
= bsin = 0.318φd*ztan = 1.65
在斜齒輪傳動(dòng)中齒輪的單位長度受力和接觸長度如下：
P ca = KP =K
因?yàn)?
Fn = Ft/(cos*cosβ1)
所以
=1.8*3297.6/18.14/1.65/0.67= 296N/mm
可以認(rèn)為一對斜齒圓柱齒輪嚙合相當(dāng)于它們的當(dāng)量直齒輪嚙合，利用赫茲公式，代入當(dāng)量直齒輪的有關(guān)參數(shù)后，得到斜齒圓柱齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核公式[2] ：
=
式中：
Z －彈性系數(shù)
主動(dòng)小齒輪選用材料20CrMo制造，根據(jù)材料選取，均為0.3， E，E都為合金鋼 ， 取189.8 MPa
求得 Z = 5.7
－節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
Z = 2.24
齒輪與齒條的傳動(dòng)比 u , u趨近于無窮
則
所以 = 51.6 MPa
小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限
= 1000 MPa
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
N = 2*10
所以 = 1.1
計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S = 1，可得
= 1.1*1000MPa = 1100MPa （4-38）
K ——接觸疲勞壽命系數(shù)
由此可得 <
所以，齒輪所選的參數(shù)滿足齒輪設(shè)計(jì)的齒面接觸疲勞強(qiáng)度要求。
4.4.2 齒輪齒跟彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算
齒輪受載時(shí)，齒根所受的彎矩最大，因此齒根處的彎曲疲勞強(qiáng)度最弱。當(dāng)齒輪在齒頂處嚙合時(shí)，處于雙對齒嚙合區(qū)，此時(shí)彎矩的力臂最大，但力并不是最大，因此彎矩不是最大。根據(jù)分析，齒根所受的最大玩具發(fā)生在輪齒嚙合點(diǎn)位于單對齒嚙合最高點(diǎn)時(shí)。因此，齒根彎曲強(qiáng)度也應(yīng)按載荷作用于單對齒嚙合區(qū)最高點(diǎn)來計(jì)算。
斜齒輪嚙合過程中，接觸線和危險(xiǎn)截面位置在不斷的變化，要精確計(jì)算其齒根應(yīng)力是很難的，只能近似的按法面上的當(dāng)量直齒圓柱齒輪來計(jì)算其齒根應(yīng)力
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