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1、 课程 汽车设计 题目 电动助力转向系设计说明书 姓名 学号 班级 指导教师 日期 2016年6月15日 目录一.轿车转向系设计方案的选择- 2 -1.轿车参数的确定- 2 -2.对转向系的要求- 2 -3.转向系结构设计- 2 -1)转向操纵机构- 2 -2)转向传动机构- 3 -3)机械转向器- 3 -二.转向系统的主要性能参数- 4 -1.转向系的效率- 4 -1)转向系的正效率- 4 -2)转向系的逆效率- 5 -2.转向系传动比的确定- 5 -1)转向系统传动比的组成- 5 -2)转向系统的力传动比和角传动比的关系- 6 -3)传动系传动比的计算- 7 -3.转向系传动副的啮合间隙-
2、 7 -1)转向器的啮合特征- 7 -2)转向盘的自由行程- 8 -4.齿轮齿条式转向器的设计和计算- 8 -1)转向轮侧偏角的计算- 8 -2)转向器参数的选取- 9 -3)选择齿轮齿条材料- 10 -4)轴承的选择- 10 -5.转向盘的转动的总圈数- 10 -三.电动助力转向系统设计- 10 -1.转矩传感器- 10 -2.减速机构- 11 -3.电磁离合器- 11 -4.电动机- 11 -5.车速传感器- 11 -6.电子控制单元- 12 -四.转向梯形机构的设计- 12 -1.转向梯形理论特性- 12 -2.转向梯形的布置- 13 -3.转向梯形机构尺寸的初步确定- 13 -4.梯形
3、校核- 14 -一. 轿车转向系设计方案的选择1. 轿车参数的确定本次轿车转向系设计的整车相关参数如下：表1 整车相关参数 驱动形式4x2R 轴距L/mm2471 轮距前/后mm1429/1422 整备质量m0/kg1060 空载时前轴分配负荷60% 轮胎压力P/MPa0.3 最高车速180km/h 最大爬坡度35%制动距离（初速30km/h）5.6m最小转弯直径11m最大功率/转速74kW/5800rpm最大转矩/转速150Nm/4000rpm2. 对转向系的要求1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转；2）操纵轻便，作用于转向盘上的转向力小于200N；3）转向系的角传动比在1520
4、之间，正效率在60%以上，逆效率在50%以上； 4）转向灵敏；5）转向器和转向传动机构中应有间隙调整机构； 6）转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置3. 转向系结构设计1) 转向操纵机构转向操纵机构包括转向盘，转向轴，转向管柱。转向盘的直径根据JB4505-1986标准规定，设计为380mm.转向轴采用一根无缝钢管制成，为了布置方便，减小由于装置位置误差及部件相对运动引起的附加载荷，提高汽车正面碰撞的安全性以及便于拆装，在转向轴与转向器的输入端之间安装转向万向节。采用柔性万向节可减少传至转向轴上的振动，但柔性万向节如果过软，则会影响转向系的刚度。所以一般选用刚性万向节，刚性万向轴多是十
5、字轴式，可采用单万向节，也可采用双万向节，双万向节要求布置适当，达到等角速度运动。2) 转向传动机构转向传动机构包括转向臂、转向操纵拉杆、转向节臂、转向梯形臂以及转向横拉杆等。转向传动机构用于把转向器输出的力和运动传给左、右转向轮按一定关系进行偏转。3) 机械转向器机械转向器是司机对转向盘转动变为转向摇臂的摆动（或齿条沿转向车轴轴向的移动），并按一定的角转动比进行传递的机构。机械转向器分为齿轮齿条式转向器、循环球式转向器、蜗杆曲柄指销式转向器。由于齿轮齿条式转向器具有结构简单、紧凑；质量轻，刚性大；正 、逆效率都高以及便于布置；齿轮与齿条之间因磨损出现间隙以后，利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮
6、处的压紧力可以调节的弹簧，能自动消除齿间间隙，这不仅可以提高转向系统的刚度，还可以防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用体积小适于在微车上采用；没有转向摇臂和直拉杆，转向转角可以增大，转向灵敏，制造容易，成本低；而且适用于与麦弗逊式独立悬架。所以选用齿轮齿条式转向器。根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式：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。采用侧面输入，中间输出方案时，与齿条连的左、右拉杆延伸到接近汽车纵向对称平面附近。由于拉杆长度增加，车轮上、下跳动时拉杆摆角减小，有利于减少车轮上、下跳动时转详细与悬架系的运动干涉。拉杆与齿条用
7、螺栓固定连接，因此，两拉杆与齿条同时向左或向右移动，为此在转向器壳体上开有轴向的长槽，从而降低了他的强度。采用两端输出方案时，由于轴向拉杆长度受到限制，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，常用在平头货车上。由于齿轮齿条式转向器采用直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合，则运转平稳降低，冲击大，工作噪声增加。此外，齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角只能是直角。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，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满足总体设计的要求。因为斜齿工作时有轴向力作用，所以转向器应该采用推力轴承，使轴承寿命降低
8、，还有，斜齿轮的滑磨比较大是它的缺点。齿条断面形状有圆形、V形和Y形三种。圆形断面齿条的制作工艺比较简单，V形和Y形断面齿条与圆形断面比较，消耗的材料少，约节省20，故质量小；位于齿下面的两斜面与齿条托座接触，可用来防止齿条绕轴线转动；Y形断面齿条的齿宽可以做的宽些，因而强度得到增加。在齿条与托座之间通常装有用减磨材料（如聚四氟乙烯）做的垫片，以减少滑动摩擦。当车轮跳动、转向或转向器工作时，如在齿条上作用有能使齿条旋转的力矩时，应选用V形和Y形断面齿条，用来防止因齿条旋转而破坏齿轮、齿条的齿不能正确啮合的情况出现。为了防止齿条旋转，也有在转向器壳体上设计导向槽，槽内镶嵌导向块，并将拉杆、导向块
9、与齿条固定在一起。齿条移动时导向块在导向槽内随之移动，齿条旋转时导向块可防止齿条旋转。要求这种结构的导向滑块与导向槽之间的配合要适当。配合过紧会为转向和转向轮回正带来困难，配合过松齿条仍能旋转，并伴有敲击噪声。根据齿轮齿条式转向器广泛应用于乘用车上。载荷质量不大，前轮采用独立悬架的货车和客车有些也用齿轮齿条式转向器。二. 转向系统的主要性能参数1. 转向系的效率根据效率定义，因功率输入来源不同，转向器的效率有正、逆效率之分。功率由转向轴输入，经转向摇臂输出所求得的效率称为正效率，用符号+表示，反之称为逆效率，用符号-表示。1) 转向系的正效率影响转向系的正效率的因素有：转向器的类型、结构特点、
10、结构参数和质量制造等，同一类型的转向器因结构不同，效率也有较大的差别。对于齿轮齿条式转向器，如果只考虑啮合副的摩擦损失，忽略轴承和其它地方的摩擦损失。其效率可以用下式计算：+= （2-1）式中齿轮的螺旋角（齿条的倾斜角）摩擦角由于该转向器为可逆转向器，故摩擦角 要比齿轮螺旋角小，齿轮齿条式转向器的效率一般为7080。取+=75 ，=10 由于 = 则=40402) 转向系的逆效率转向系的逆效率影响汽车的使用性能和驾驶员的安全。对于逆效率高的转向器而言，路面作用在车轮上的力，经过转向系统可大部分传递到方向盘，这种转向器称为可逆式的。齿轮齿条转向器属于可逆式的转向器。设计的时候，为满足操纵的方便性
11、，希望转向器的正逆效率要高。和计算正效率的公式一样，如果只考虑啮合副的摩擦，忽略轴承和其他地方的摩擦损失。逆效率可用以下的公式计算： （2-2）2. 转向系传动比的确定1) 转向系统传动比的组成转向系的传动比由转向系的角传动比和转向系的力传动比所组成。从轮胎接地中心作用在两个轮上的合力和与作用在方向盘上的手力之比称为力传动比。方向盘的转角和驾驶员同侧的转向轮转角之比，称为转向系的角传动比。2) 转向系统的力传动比和角传动比的关系如上所述，力传动比可以用以下的式子表示： = (2-3) 轮胎和地面之间的转向阻力和作用在转向节上的转向阻力有以下关系：= （2-4）车轮转臂，指主销延长线至地面的交点
12、到轮胎接地中心的距离。作用在方向盘上的手力可以由下面的式子来表示： = (2-5)式中 作用在方向盘上的力矩， 方向盘的作用半径。将公式（3-4）和(3-5)代入(3-3)后，得= (2-6)如果忽略摩擦损失，可以表示：= (2-7)将(2-7)代入(2-6)之后，得到 = (2-8)由（2-8）可知，力传动比与、和有关。车轮转臂越小，力传动比越大，转向越轻便。但是a值过小的话，会由于车轮和路面的之间的表面摩擦力的增加，反而增大了转向阻力。对于一定的车型，可以用实验方法确定值的最小极限值。通常货车的值在4060mm之间，轿车的值取0.40.6的轮胎胎面的宽度。对于一定的汽车而言，和都是一个常值
13、，故力传动比与角传动比成正比关系。3) 传动系传动比的计算汽车在沥青或者混凝土路面的原地转向阻力矩，可用下面的半经验公式计算： = (2-9)式中 前轴静负荷，； 轮胎和地面间的滑动摩擦系数，一般在0.7左右； 轮胎气压，。 空载时前轴负荷60%，所以 =1060609.8=6233 即 =由于轮胎选用160/65R13型号，其宽度为160，那么，=0.4160=64;=因为=38.2由于=，即=38.2=12.93. 转向系传动副的啮合间隙1) 转向器的啮合特征所谓啮合间隙是指各种转向器中传动副之间的间隙。啮合间隙又称为传动间隙。研究啮合特性的意义，在于它与直线行驶状态的稳定性和转向器的使用寿命有密切关系。汽车处于直线行驶状态时，转向器传动副的啮合间隙可能有两种情况：没有间隙或者有间隙。在后一种情况下，一旦转向器受到侧向力的作用，就能在间隙的范围内，允许转向轮偏离原来的行驶位置，而使汽车失去安稳性。为了防止出现这样的情况，要求传动副的啮合间隙在方向盘处于中间或附近位置上时要极小，最好无间隙，以保证汽车直线行驶
