第七章转向系设计

汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间的冲击力，大 部分能传至转向盘。
根据输入齿轮位置和输出特点不同，有四种形式： * 中间输入，两端输出； * 侧面输入，两端输出； * 侧面输入，中间输出； * 侧面输入，一端输出。
齿轮齿条式转向器的四种形式
侧面输入、中间输出方案
由于拉杆长度增加，车轮上、下跳动时位杆摆角减小，有利于减 少车轮上、下跳动时转向系与悬架系的运动干涉。
根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，布置形式： * 转向器位于前轴后方，后置梯形； * 转向器位于前轴后方，前置梯形； * 转向器位于前轴前方，后置梯形； * 转向器位于前轴前方，前置梯形。
齿轮齿条式转向器的四种布置形式
齿轮齿条式转向器广泛应用于各种级别的轿车上。 装载量不大、前轮采用独立悬架的货车和客车上。
第七章 转向系设计
第七章 转向系设计
本章主要学习： （1）转向系的设计要求； （2）机械式转向器方案分析 ； （3）转向系主要性能参数 ； （4）动力转向机构 ； （5）转向梯形机构方案及整体式转向梯形
机构优化设计。
第七章 转向系设计
• 第一节 概述 • 第二节 机械式转向器方案分析 • 第三节 转向系主要性能参数 • 第四节 动力转向机构 • 第五节 转向梯形
1.转向器的正效率η+ 影响转向器正效率的因素有转向器的类型、结构特点、结 构参数和制造质量等。 （1）转向器类型、结构特点与效率 类型的影响 齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高 蜗杆指销式特别是固定销和蜗杆滚轮式转向器正效率明显 低些。
结构的影响
蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支承轴之间的轴承可以选用滚针 轴承、圆锥滚子轴承和球轴承。
齿轮齿条转向器变速比工作原理
根据相互啮合齿轮的基圆齿距必须相等，即
pb1=pb2 齿轮基圆齿距 pb1=πm1cosα1 齿条基圆齿距 pb2=πm2cosα2
当齿轮具有标准模数m1和标准压力角α 1与一个具有变 模数m2、变压力角α 2的齿条相啮合， 并始终保持πm1cosa1=πm2cosa2时，它们就可以啮合运 转。
)
α0—蜗杆（或螺杆）的螺线导程角； ρ —摩擦角，ρ=arctanf；f —磨擦因数。
转向器根据逆效率不同
可逆式 极限可逆式
不可逆式
可逆式转向器: 指路面作用在车轮上的力，经过转向系可大 部分传递到转向盘。（逆效率较高）
特点： 能保证转向轮和转向盘自动回正，既可以减轻驾驶员
的疲劳，又可以提高行驶安全性。 但在不平路面上行驶时，传至转向盘上的车轮冲击力，
轮产生的摆动最小。 5）转向灵敏，最小转弯直径小。 6）操纵轻便。 7）转向轮传给转向盘的反冲力要尽可能小。 8）转向器和转向传动机构中应有间隙调整机构。 9）转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。 10）转向盘转动方向与汽车行驶方向的改变相一致。
正确设计转向梯形机构，可以保证汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬 时转向中心旋转。
d d k
i i i 转向系的角传动比iω0
转向器角传动比iω 转向传动机构角传动比iω′
0
转向器的角传动比: 转向盘转动角速度ωw与摇臂轴转动角速度ωp之比。
i
w p
d / dt d p / dt
d d p
转向传动机构的角传动比: 摇臂轴转动角速度ωp与同侧转向节偏转角速度ωk之比。
i
p k
自动回正能力决定于转向轮的定位参数和转向器逆效率的大小。合理 确定转向轮的定位参数，正确选择转向器的形式，可以保证汽车具有良好 的自动回正能力。
转向系中设置有转向减振器时，能够防止转向轮产生自振，同时又能 使传到转向盘上的反冲力明显降低。
为了使汽车具有良好的机动性能，必须使转向轮有尽可能大的转角， 其最小转弯半径能达到汽车轴距的2~2.5倍。
循环球式转向器
循环球式转向器的间隙调整机构
3.蜗杆滚轮式、蜗杆指销式 蜗杆滚轮式转向器由蜗杆和滚轮啮合而构成。 优点：结构简单；制造容易；强度比较高、工作可靠、寿命长；逆效率低。 缺点：正效率低；调整啮合间隙比较困难；传动比不能变化。 蜗杆指销式转向器有固定销式和旋转销式两种形式。 根据销子数量不同，又有单销和双销之分。 蜗杆指销式转向器优点：传动比可以做成不变的或者变化的；工作面间隙调整 容易。 固定销式转向器的结构简单、制造容易。但销子的工作部位磨损快、工作效率 低。 旋转销式转向器的效率高、磨损慢，但结构复杂。 要求摇臂轴有较大的转角时，应采用双销式结构。双销式转向器的结构复杂、 尺寸和质量大，并且对两主销间的位置精度、螺纹槽的形状及尺寸精度等要求高。 此外，传动比的变化特性和传动间隙特性的变化受限制。 蜗杆滚轮式和蜗杆指销式转向器应用较少。
这种防伤机构结构简单，制造容易，只要合理选取销钉数量与直径， 便能保证它可靠地工作和吸收冲击能量。
第三节 转向系主要性能参数
一、转向器的效率
功率P1从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率称为转向器正 效率，用符号η+表示，；反之称为逆效率，用符号η－表示。
正效率η+ 计算公式： η+=（P1-P2）/P1
逆效率η－ 计算公式： η－=（P3-P2）/P3
P1—为作用在转向轴上的功率； P2 —转向器中的磨擦功率； P3 —作用在转向摇臂轴上的功率。
正效率高，转向轻便；转向器应具有一定逆效率，以保证转向轮和转向 盘的自动返回能力。但为了减小传至转向盘上的路面冲击力，防止打手，又 要求此逆效率尽可能低。
如果齿条中部（相当汽车直线行驶位置）齿 的压力角最大，向两端逐渐减小（模数也随之减 小）则主动齿轮啮合半径也减小，致使转向盘每 转动某同一角度时，齿条行程也随之减小。因此， 转向器的传动比是变化的。
动力转向是在机械转向的基础上，加装动力系统，并借助此系统来减轻 驾驶员的手力。
动力转向包括液压式动力转向和电控式动力转向。
液压式动力转向已在汽车上广泛应用。近年来，电控动力转向已得到较
快发展。
汽车转向系动画演示
转向系的设计要求：
1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转。 2）转向轮具有自动回正能力。 3）在行驶状态下，转向轮不得产生自振，转向盘没有摆动。 4）转向传动机构和悬架导向装置产生的运动不协调，应使车
二、防伤安全机构方案分析计算
有关资料分析表明：汽车正面碰撞时，转 向盘、转向管柱是使驾驶员受伤的主要元件。
转向盘、转向管柱等有关零件在撞击是产 生塑性变形、弹性变形或是利用摩擦等来吸收 冲击能量，能防止或者减轻驾驶员受伤。
在汽车发生正便可防止转向 盘向驾驶室内移动，危及驾驶员安全。如图76所示。
2.循环球式 组成： 螺旋槽内装有钢球的螺杆和螺母 传动副， 螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成 的传动副。 优点： 传动效率可达到75%~85%； 转向器的传动比可以变化； 工作平稳可靠； 齿条和齿扇之间的间隙调整容易； 适合用来做整体式动力转向器。 缺点：逆效率高，结构复杂，制 造 困难，制造精度要求高。 应用：主要用于货车和客车上。
两侧输出方案
容易与悬架系统导向机构产生运动干涉。
侧面输入、一端输出的齿轮齿条式转向器，常用在平头微型货车上。
采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条式转向器，重合度增加， 运转平稳，冲击与工作噪声均下降。
齿条断面形状
圆形
圆形断面齿条制作工艺比较简单。
V形
Y形
V形和Y形断面齿条与圆形断面比较，消耗的材料少，故质量小。
d p / dt dk / dt
d p d k
2.力传动比与转向系角传动比的关系
转向阻力Fw与转向阻力矩Mr的关系式：
a—主销偏移距。
FW
Mr a
作用在转向盘上的手力Fh与作用在转向盘上的力矩Mh的关系式：
Fh
2M h Dsw
因
得到
ip
M r Dsw Mha
(a)
a↓→ip↑→转向轻便
轿车 a=0.4～0.6倍轮胎台面宽度 货车 a=40 ～ 60mm Dsw按JB4505-86标准选取 如果忽略磨擦损失，根据能量地恒原理，2Mr/Mh可用下式表示
由此可见，研究转向系的传动比特性，只需研究转向器 的角传动比i ω 及其变化规律即可。
4.转向器角传动比及其变化规律
ip
i0 Dsw 2a
iw↑
由于 iw0≈iw
ωk↓→转向灵敏性降低 ip↑→Fh↓→转向操纵轻便。
i 0
w k
d / dt dk / dt
d d k
ip 2FW / Fh
所以轻和灵构成一对矛盾。为解决这对矛盾，可采用变速比转向器。 齿轮齿条式、循环球式、蜗式指销式转向器都可以制成变速比转向器。
二、传动比的变化特性
1.转向系传动比 转向系的传动比
角传动比iω0 力传动比ip
力传动比ip: 轮胎接地面中心作用在两个转向轮上的合力2Fw与作用在转向
盘上的手力Fh之比。
ip 2FW / Fh
角传动比iw0: 转向盘转动角速度ωw与同侧转向节偏转角速度ωk之比。
i 0
w k
d / dt dk / dt
2M r Mh
d d k
i0
(b)
将式（b）代入式（a）得
ip
i0 Dsw 2a
当a和Dsw不变时，力传动比ip ↑ →
转向越轻 iw0 ↑ →转向不灵敏。
3.转向系的角传动比iw0 转向传动机构角传动比
汽车结构中，L2/L1=0.85~1.1，可近似认为其比值为1，则
(i0 ii' 0 )
第一节 概 述
功用： 汽车转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构。在汽车转向行驶 时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。 形式和组成： 汽车转向机构 机械转向 由转向盘、转向器和转向传动机构等组成。