汽车设计-转向系设计.ppt

汽 车 设 计,转向系设计,二一年十一月,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,本章主要学习：（1）转向系的设计要求；（2）转向系主要性能参数；（3）机械式转向器方案分析与设计计算；（4）动力转向机构的设计要求与方案分析；（5）转向梯形机构方案及整体式转向梯形 机构优化设计。,1转向盘 2转向轴 3转向万向节 4转向传动轴 5转向器 6转向摇臂 7转向直拉杆 8转向节臂 9左转向节 10,12梯形臂 11转向横拉杆,转向系：用来保持或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。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,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 机械式转向系设计计算第五节 动力转向机构第六节 转向梯形第七节 转向减振器（自学）第八节 转向系结构元件（自学）,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第一节 概 述,一、转向系的主要设计要求(1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。（2）转向后，转向盘应自动回正，并应使汽车保持在稳定的直线行驶状态。（3）在任何行驶状态下，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，应使车轮产生的摆动最小。（5）转向灵敏，最小转弯直径小。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第一节 概 述,一、转向系的主要设计要求（6）操纵轻便。（7）转向轮碰撞到障碍物以后，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）当转向盘和转向轴由于车架或车身变形而后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。（10）进行运动校核，转向盘转动方向与汽车行驶方向的改变相一致。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第一节 概 述,二、转向系的分类与组成,转向操纵机构,转向器,转向传动机构,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第一节 概 述,三、转向系设计时注意的几个问题,（1）正确设计转向梯形机构，可以保证汽车转弯行驶时，全部车轮绕瞬时转向中心旋转。,（2）转向轮的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。,（3）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。,（4）为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，或采用多轴转向。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第一节 概 述,三、转向系设计时注意的几个问题,（5）转向操纵的轻便性通常用转向时驾驶员作用在转向盘上的切向力大小和转向盘转动圈数多少两项指标来评价。,轿车 货车机械转向 50100N（150200N）250N（500N）动力转向 2050N 120N 轿车转向盘从中间位置转到第一端的圈数不得超过2圈，货车则要求不超过3圈。近年来，电动、电控动力转向器已有逐步取代传统液压动力转向器，快速转入商品装车使用。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第二节 机械式转向器方案分析,一、机械式转向器方案分析,按机械式转向器结构特点分类,齿轮齿条式转向器循环球式转向器蜗杆滚轮式转向器蜗杆指销式转向器,二、防伤安全机构方案分析计算,三、转向盘的尺寸及布置,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第二节 机械式转向器方案分析,一、机械式转向器方案分析,1.齿轮齿条式 主要优点：结构简单、紧凑、体积小、质量轻；传动效率高达90%；可自动消除齿间间隙(图7-1所示)；没有转向摇臂和直拉杆，转向轮转角可以增大；制造成本低。主要缺点：逆效率高（60%70%）。在不平路面上行驶时，转向轮与路面之间的冲击力，大部分能传至转向盘（反冲）。,应用：微型、普通级、中级和中高级轿车上；装载量不大、前轮采用独立悬架的货车和客车。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第二节 机械式转向器方案分析,一、机械式转向器方案分析,图7-2 齿轮齿条式转向器的四种形式,1.齿轮齿条式,转向器形式（根据输入齿轮位置和输出特点）,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,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第二节 机械式转向器方案分析,一、机械式转向器方案分析,1.齿轮齿条式,侧面输入，中间输出形式,拉杆与齿条的螺栓连接,可使得拉杆长度增加，有利于减少与悬架系的干涉,斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合副,转向器壳体需开槽,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第二节 机械式转向器方案分析,一、机械式转向器方案分析,齿条断面形状有O形、V形和Y形三种。圆形断面齿条制作工艺比较简单。V形和Y形断面齿条与圆形断面比较，消耗的材料少，故质量小。,1.齿轮齿条式,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第二节 机械式转向器方案分析,一、机械式转向器方案分析,转向器在车上的布置形式,1.齿轮齿条式,（转向器与转向梯形与前轴的相对位置）,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第二节 机械式转向器方案分析,一、机械式转向器方案分析,2.循环球式转向器,两级传动副：由螺杆-钢球-螺母构成的传动副；螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副。,优点：传动效率较高（75%85%）；转向器传动比可变；工作平稳可靠；齿条和齿扇之间的间隙调整容易；适合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：主要用于商用车（货车和客车）上。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第二节 机械式转向器方案分析,一、机械式转向器方案分析,2.循环球式,循环球式转向器：齿条和齿扇之间的间隙调整机构,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第二节 机械式转向器方案分析,一、机械式转向器方案分析,3.蜗杆滚轮式,蜗杆滚轮式转向器由蜗杆和滚轮啮合而构成。主要优点是：结构简单；制造容易；强度比较高、工作可靠、寿命长；逆效率低。主要缺点是：正效率低；调整啮合间隙比较困难；传动比不能变化。,4.蜗杆指销式,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。,（已淘汰）,（濒临淘汰）,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第二节 机械式转向器方案分析,一、机械式转向器方案分析,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第二节 机械式转向器方案分析,一、机械式转向器方案分析,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第二节 机械式转向器方案分析,二、防伤安全机构方案分析计算,1.要求（国标GB11557-1998）1.48km/h正面碰撞时，转向管柱和转向器后移不大于127mm2.台架试验中，模型以6.7m/s碰撞转向盘，轴向力不大于11123N,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第二节 机械式转向器方案分析,二、防伤安全机构方案分析计算,2.具体的结构方案万向节连接转向轴,不能吸收碰撞能量，但其结构简单。万向节连接的两轴之间存在夹角，正面撞车后，转向盘没有后移（转向器处在图中双点划线的位置，）便不会影响驾驶员安全。,转向轴上设置万向节不仅提高安全性，而且有利于使转向盘和转向器在汽车上得到合理布置，提高了操纵方便性，拆装容易。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第二节 机械式转向器方案分析,二、防伤安全机构方案分析计算,2.方案措施两段式防伤转向轴,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第二节 机械式转向器方案分析,二、防伤安全机构方案分析计算,2.方案措施 转向管柱塑料销钉铆接管柱波纹管转向管柱轴向滑动管柱弹性联轴器连接管柱网格状转向吸能管柱,塑料销钉铆接安全联轴套管,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,弹性联轴节,第二节 机械式转向器方案分析,二、防伤安全机构方案分析计算,弹性垫片轴线可移动，缓和冲击，且能撕裂直至断开，这时，突缘斜面上的轴向力和径向力相等，其最大值由弹性垫片的强度来决定。,(可取Fx=9000N),结构简单，制造容易，应注意弹性垫片的存在会降低扭转刚度,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第二节 机械式转向器方案分析,二、防伤安全机构方案分析计算,式中，为互相平衡的径向力数或套管上的凹坑数；为计算断面套管间接触点处的法向力；，为外、内套管的系数；为套管壁厚；为弹性模量。,吸能转向管柱,套管间的过盈量,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,转向盘由轮毂、轮缘和轮辐组成。若采用大直径的转向盘，会使驾驶人员进出驾驶室感到困难；若采用小直径的转向盘，则在转向时要求驾驶人员施加较大的力量。转向盘布置过高会影响人对道路和仪表盘的视野；转向盘布置过低，则在操纵离合器、制动踏板时影响驾驶人员腿部的动作。在选择转向盘直径时，应考虑与汽车的类型和大小相适应。乘用车、小型客车、小型商用车的转向盘直径参考直径为400mm；中型客车、中型商用车的转向盘参考直径为450mm或者500mm；大型客车和大型商用车的转向盘的参考直径为550mm。,第二节 机械式转向器方案分析,三、转向盘的尺寸及布置,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第三节 转向系主要性能参数,一、转向器的效率,二、传动比的变化特性,三、转向器传动副的传动间隙t,与角传动比的关系,转向系传动比,角传动比力传动比,转向器传动机构,正效率，逆效率,传动间隙特性及如何获取传动间隙特性,四、转向系的刚度Cs,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第三节 转向系主要性能参数,转向效率,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第三节 转向系主要性能参数,一、转向器的效率,1.转向器的正效率：功率由转向轴输入，经转向摇臂输出所得到的效率影响因素：转向器类型和结构特点结构参数制造质量,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第三节 转向系主要性能参数,一、转向器的效率,（1）转向器类型和结构特点,影响正效率的因素,循环球式,螺杆-螺母指销式：70,螺杆-螺母齿扇式：7585,齿轮齿条式,螺旋齿,斜齿,（90）,1.转向器的正效率+,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第三节 转向系主要性能参数,一、转向器的效率,1.转向器的正效率+,（2）结构参数与效率,0 螺线导程角,一般取810 摩擦角，=arctan（f）f 摩擦系数,对蜗杆和螺杆类转向器：,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第三节 转向系主要性能参数,一、转向器的效率,2.转向器的逆效率-,转向器根据逆效率分类可逆式：逆效率较高，如循环球式、齿轮齿条式不可逆式：0，-0极限可逆式：介于以上二者之间,转向系的逆效率表征的是：功率从车轮到转向盘的传递特性，只能应用实验的方法确定在实际载荷下的转向器的逆效率,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,0螺线导程角,一般取 810摩擦角，=arctan f f摩擦系数,第三节 转向系主要性能参数,一、转向器的效率,2.转向器的逆效率-,对蜗杆和螺杆类转向器轴承，只考虑啮合副的摩擦损失：,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第三节 转向系主要性能参数,二、传动比的变化特性,1.转向系传动比,以循环球式为例,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第三节 转向系主要性能参数,二、传动比的变化特性,1.转向系传动比,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第三节 转向系主要性能参数,二、传动比的变化特性,2.力传动比与角传动比的关系,当主销偏移距a和转向盘直径Dsw不变时，力传动比 ip 越大，则转向越轻，但 也越大，表明转向不灵敏。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第三节 转向系主要性能参数,二、传动比的变化特性,2.力传动比与角传动比的关系,a,转向盘直径在380550mm的标准系列内选择,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第三节 转向系主要性能参数,二、传动比的变化特性,3.转向系的角传动比 i0,转向传动机构的角传动比近似等于转向节臂臂长l2与摇臂臂长l1之比来表示：,转向系角传动比i0 近似等于 转向器角传动比i,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第三节 转向系主要性能参数,二、传动比的变化特性,4.转向器角传动比i及其变化规律,1)增大i，则ip，由ip=2Fw/Fh，故Fh，则：转向轻便2)i0=k，转向节角增量与转向系角传动比成反比，增大i(i0)，则：转向迟钝；如何解决转向“轻”与“灵”的矛盾？将各种转向器制成变速比转向器。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第三节 转向系主要性能参数,二、传动比的变化特性,4.转向器角传动比i及其变化规律,齿轮齿条转向器变速比工作原理,相互啮合的齿轮基圆齿距必须相等，即 Pb1=Pb2,如果m1、1固定，而m2、2的变化只要满足等式要求，齿轮和齿条仍然可以正常啮合。,一般是采用一个变位小齿轮(其各齿形状完全相同)与一个变模数、变压力角的齿条相啮合，实现变速比传动。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第三节 转向系主要性能参数,二、传动比的变化特性,齿轮齿条转向器变速比工作原理,齿条中部齿：压力角最大，齿轮节圆半径大，转向时位移大（i小）,齿条压力角2 变化（12 3512）,齿条两端齿压力角逐渐变小（模数也逐渐减小），齿轮节圆半径小，转向时位移小（i大）,小齿轮的节圆半径,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第三节 转向系主要性能参数,二、传动比的变化特性,4.转向器角传动比i及其变化规律,循环球齿条齿扇转向器 变速比工作原理,角传动比：i=2r/P措施：螺距 P 不变，齿扇啮合半径 r 变化 前轴负荷大时，未装助力转向时，以低速急转轻便为主 前轴负荷小，有助力转向，以机动性为主,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第三节 转向系主要性能参数,二、传动比的变化特性,4.转向器角传动比i及其变化规律,循环球齿条齿扇转向器 变速比工作原理,齿扇节圆半径r 随齿轮转角发生变化,i=2r/P,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第三节 转向系主要性能参数,二、传动比的变化特性,4.转向器角传动比i及其变化规律,直行位置的转向器角传动比不宜低于1516(避免在高速行驶时，对转向盘过分敏感和使反冲效应加大，使驾驶员精确控制转向轮有困难),中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第三节 转向系主要性能参数,三、转向器传动副的传动间隙t,1.转向器传动间隙特性,转向器传动间隙随转向盘转角变化的关系称为转向器传动间隙特性 影响汽车直线行驶的稳定性和转向器寿命，转向盘处于中间位置（1015）时间隙要极小或者无间隙,图7-16 转向器传动副传动间隙特性,传动副在中间位置因使用频繁，磨损速度要比两端快。必须调整消除该处间隙。为此，传动副传动间隙特性应当设计成图7-16所示的逐渐加大的形状。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,对于循环球齿轮齿扇式：（1）偏心法：齿条齿槽同宽，齿扇中间齿正常厚度，往两边依次递减。（公式7-8）当偏心距n一定（0.5mm左右）时，t 取决于摇臂轴转角p（图7-18）（2）修正齿条法：两侧齿槽比中间宽（两侧齿槽相等），齿扇的齿有相同厚度。磨损后不致卡死。,第三节 转向系主要性能参数,三、转向器传动副的传动间隙t,2.如何获得传动间隙特性,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第三节 转向系主要性能参数,转向系刚度cs对侧偏特性影响大 cs小则汽车趋向不足转向，过小则影响操纵性，转向迟钝。,四、转向系的刚度cs,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第四节 机械式转向系设计与计算,一、转向系计算载荷的确定,转向阻力及影响因素,作用在方向盘上的力及原地转向阻力矩,二、齿轮齿条式转向器设计,三、循环球式转向器设计,四、循环球式转向器零件强度计算,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第四节 机械式转向系设计与计算,一、转向系计算载荷的确定 转向阻力：为转动转向轮要克服的阻力，包括转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内磨擦阻力等。,影响因素：转向轴的负荷、道路情况和轮胎类型及气压、转向系传动比和刚度等。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第四节 机械式转向系设计计算,一、转向系计算载荷的确定 原地转向阻力矩：,作用在方向盘上的力：,式中，f 为轮胎和路面间的滑动磨擦因数，一般取0.7；G1为转向轴负荷（N）；p为轮胎气压（MPa）。,式中，L1转向摇臂长；L2为转向节臂长；Dsw为转向盘直径；i为转向器角传动比；+为转向器正效率。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第四节 机械式转向系设计计算,二、齿轮齿条式转向器设计,1）采用斜齿圆柱齿轮 模数23mm齿数57压力角20o螺旋角915o2）齿条变压力角：1235o 齿数按最大移动行程确定 3）材料选择、强度验算 齿轮：低碳合金钢，20MnCr等 齿条：中碳合金钢，45#等 壳体：铸铝合金压铸,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第四节 机械式转向系设计计算,三、循环球式转向器设计,主要尺寸参数的选择,1.螺杆、钢球、螺母传动副,（1）钢球中心距D、螺杆外径D1、螺母内径D2(2)钢球直径d和数量n(3)滚道截面(4)接触角(5)螺距P和螺旋线导程角0(6)工作钢球圈数W(7)导管内径d1,单圆弧、四段圆弧、椭圆滚道,（多取45度）,（双环路）,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第四节 机械式转向系设计计算,三、循环球式转向器设计,2.齿条齿扇传动副,图7-21 用滚刀加工变厚齿扇的进给运动 图7-22 变厚齿扇的截面,变厚齿扇,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第四节 机械式转向系设计计算,三、循环球式转向器设计,2.齿条齿扇传动副,变厚度齿扇 顶圆、根圆有锥度（齿顶厚0.3m）分度圆不变分度圆齿厚变化基圆为一圆柱,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第四节 机械式转向系设计计算,四、循环球式转向器零件强度计算,1.钢球与滚道传动副的接触应力,2.齿扇齿的弯曲应力,3.齿扇轴（转向摇臂轴）的扭转强度,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,作业：教材练习题 7-1、7-3思考题：简述汽车转向系传动比的组成 什么是转向器的正/逆效率?影响因素有哪些?某循环球式转向器螺距P=15mm，齿扇节圆半径为r=36mm，转向器的正效率为80%，求该转向器此时的角传动比和力传动比。简述转向器的间隙特性及其影响因素。为转动转向轮要克服的阻力主要有哪些？从设计角度出发，为了减少作用在方向盘上的手力，可以采取的措施都有哪些?,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第五节 动力转向机构,为减轻转向时驾驶员作用到转向盘上的手力和提高行驶安全性，在有些汽车上装设了动力转向机构。中级以上乘用车，对其操纵轻便性的要求越来越高，采用或者可供选装动力转向器的逐渐增多。转向桥轴荷质量超过2.5t的商用车可以采用动力转向，当超过4t时应该采用动力转向。,l.转向操纵机构 2.转向控制阀 3.机械转向器与转向动力缸总成 4.转向传动结构 5.转向油罐 6.转向油泵 R.转向动力缸右腔 L.转向动力缸左腔,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第五节 动力转向机构,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第五节 动力转向机构,一、动力转向机构的设计要求(1)运动随动性运动学上应保持转向轮转角和驾驶员转动转向盘的转角之间保持一定的比例关系。(2)力的随动性随转向轮阻力的增大(或减小)，作用在转向盘上的手力必须增大(或减小)，称之为“路感”。(3)当作用在转向盘上的切向力Fh25190N时(因汽车形式不同而异)，动力转向器就应开始工作。(4)稳定性转向后（主动或被动），转向盘应自动回正，并使汽车保持在稳定的直线行驶状态。(5)快速性工作灵敏，即转向盘转动后，系统内压力能很快增长到最大值。(6)安全性动力转向失灵时仍能用机械系统操纵车轮转向(7)可靠性密封性能好，内、外泄漏少。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第五节 动力转向机构,二、液压式动力转向机构布置方案分析 转向助力装置：由油泵、分配阀、动力缸、转向器、贮油罐、油管等组成 特点:动力缸尺寸小，压力大，灵敏度高，油液的阻尼可吸收冲击，无需润滑，技术最成熟 应用：最早，最广泛,整体式动力转向器,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第五节 动力转向机构,二、液压式动力转向机构布置方案分析,1.布置方案分析,根据分配阀、转向器和动力缸三者相互位置的不同分为整体式（图7-25a）和分置式两类。分置式按分配阀所在位置不同又分为：联阀式（图7-25b）、连杆式（图7-25c）半分置式（图7-25d）,图7-25,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第五节 动力转向机构,二、液压式动力转向机构布置方案分析,1.布置方案分析,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第五节 动力转向机构,二、液压式动力转向机构布置方案分析,2.分配阀的结构方案,分配阀中的阀与阀体以轴向移动方式来控制油路称为滑阀式 结构简单、工艺性好、操纵方便、易于布置分配阀中的阀与阀体以旋转运动来控制油路的称为转阀式 灵敏度高、密封件少、结构先进但复杂,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第五节 动力转向机构,三、液压式动力转向机构的计算,1.动力缸尺寸的计算,受力分析,活塞杆直径,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第五节 动力转向机构,三、液压式动力转向机构的计算,1.动力缸尺寸的计算,缸体内径：,缸体壁厚：,缸体材料：,球墨铸铁(QT400-18)铝合金(ZL105),缸体加工工艺：,活塞厚度：,活塞行程：,活塞材料：45钢,（车轮转至最大转角时，从直拉杆的位移量换算到活塞杆处的移动量）,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第五节 动力转向机构,三、液压式动力转向机构的计算,2.分配滑阀参数的选择,（1）分配阀的泄漏量,（2）局部压力降,（3）预开隙,整体式和半分置式,（4）滑阀总移动量,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第五节 动力转向机构,三、液压式动力转向机构的计算,3分配阀的回位弹簧 为防止外界干涉破坏分配阀的正常工作和保证自动回正，回位弹簧的力在保证转向轻便的条件下，应尽可能取大些。回位弹簧预压缩力的最小值，应大于转向器逆传动时的摩擦力。动力转向开始起作用时作用在转向盘上的切向力应达到预定值：20N100N（根据车型选取）,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第五节 动力转向机构,三、液压式动力转向机构的计算,4.动力转向器的评价指标,动力转向器的作用效能液压式动力转向的路感 转向灵敏度动力转向器的静特性,静特性曲线划分为四个区段,（115之间）,（输入转矩与输出转矩之间的关系）,（对称）,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第五节 动力转向机构,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第五节 动力转向机构,三、液压式动力转向机构的计算,5.油泵型式、油泵排量与油罐容积,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第五节 动力转向机构,四、电控液压动力转向机构,在传统的HPS基础上，增加控制器和执行机构，根据车速控制电液转换装置改变助力特性 车速感应型动力转向机构“轻便性与路感”,直流电机驱动液压泵，车速控制流量,车速信号控制的油压反馈式,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第五节 动力转向机构,五、电动助力转向机构,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第五节 动力转向机构,五、电动助力转向机构,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,EPS,第五节 动力转向机构,五、电动助力转向机构,转向轴助力式,电动助力转向的动力学模型,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第五节 动力转向机构,五、电动助力转向机构,电动助力转向的助力特性 以齿轮齿条式电动助力器为例,转向的轻便性与路感,车速感应式助力特性,图7-37,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,三种助力方式的比较,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,四轮转向,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第六节 转向梯形,转向梯形的类型：转向梯形有整体式和断开式两种。转向梯形方案与悬架形式密切相关。转向梯形的设计要求：1）正确选择转向梯形参数，保证汽车转弯时全部车轮绕一个瞬时转向中心行驶（纯滚动运动）。2）满足最小转弯直径的要求，转向轮应有足够大的转角。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,理论转向特性,第六节 转向梯形,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第六节 转向梯形,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第六节 转向梯形,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第六节 转向梯形,一、转向梯形结构方案分析 1.整体式转向梯形,图7-38 整体式转向梯形1横拉杆 2梯形臂 3前轴,结构简单，前束调整容易，制造容易，但车轮跳动相互影响 与非独立悬架配合使用 前置梯形布置容易受发动机、制动系的影响,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第六节 转向梯形,一、转向梯形结构方案分析 1.整体式转向梯形前悬架用非独立悬架的转向杆系布置,整体式前桥运动分析,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第六节 转向梯形,一、转向梯形结构方案分析 1.整体式转向梯形前悬架用非独立悬架的转向杆系布置,最佳的转向纵拉杆布置位置,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,板簧的转动中心近似在第一板簧片的中点A的下方一个卷耳半径e处。应使转向节臂铰点(与转向纵拉杆相连处)在侧视图上与板簧的转动中心重合，否则，制动时将产生干涉转向，造成制动跑偏。,第六节 转向梯形,一、转向梯形结构方案分析 1.整体式转向梯形前悬架用非独立悬架的转向杆系布置,制动时板簧产生S形变形,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第六节 转向梯形,一、转向梯形结构方案分析 2.断开式转向梯形,图7-39 断开式转向梯形 布置方案之一,转向梯形的横拉杆做成断开的，称之为断开式转向梯形。特点：左右车轮跳动互不影响，结构复杂，成本高，前束调整困难。与独立悬架配合使用在这种断开式转向梯形中，必须有一个惰性摆臂，以使转向传动机构只有一个受转向器控制的自由度。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第六节 转向梯形,一、转向梯形结构方案分析 2.断开式转向梯形,1转向摇臂 2横拉杆 3梯形臂,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第六节 转向梯形,双横臂独立悬架横拉杆断开点位置确定,一、转向梯形结构方案分析 2.断开式转向梯形,采用双横臂独立悬架，常用图解法（基于三心定理）确定断开点的位置。,横拉杆上断开点的位置与独立悬架形式有关。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第六节 转向梯形,双横臂独立悬架横拉杆断开点位置确定,一、转向梯形结构方案分析 2.断开式转向梯形,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第六节 转向梯形,双横臂独立悬架横拉杆断开点位置确定,一、转向梯形结构方案分析 2.断开式转向梯形,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第六节 转向梯形,双横臂独立悬架横拉杆断开点位置确定,一、转向梯形结构方案分析 2.断开式转向梯形,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,当前轮上、下跳动时，E 和G 点之间的距离要发生变化。在确定横拉杆断开点位置时，首先确定转向节的运动瞬时中心P2。,第六节 转向梯形,麦弗逊独立悬架横拉杆断开点位置确定,一、转向梯形结构方案分析 2.断开式转向梯形,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,MacPherson式悬架与齿轮齿条式转向器的连杆布置,第六节 转向梯形,麦弗逊独立悬架横拉杆断开点位置确定,一、转向梯形结构方案分析 2.断开式转向梯形,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第六节 转向梯形,一、转向梯形结构方案分析 2.断开式转向梯形,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第六节 转向梯形,二、整体式转向梯形机构优化设计,理想的内、外轮转角关系,在忽略侧偏角影响的条件下，转向后，两转向前轮轴线的延长线交在后轴延长线上。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第六节 转向梯形,二、整体式转向梯形机构优化设计,作图法,转向梯形的基本尺寸参数是:梯形臂长度m梯形底角,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第六节 转向梯形,二、整体式转向梯形机构优化设计,作图法,M,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第六节 转向梯形,二、整体式转向梯形机构优化设计,作图法,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第六节 转向梯形,二、整体式转向梯形机构优化设计,若自变角为o，则因变角i 的期望值为,后置梯形机构,对后置梯形机构可推得转向梯形所给出的实际因变角：,m为梯形臂长为梯形底角,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第六节 转向梯形,二、整体式转向梯形机构优化设计,（1）评价设计优劣的目标函数 f（x）,所设计的转向梯形给出的实际因变角，应尽可能接近理论上的期望值i。其偏差在最常使用的中间位置附近小角范围内应尽量小，而在不经常使用且车速较低的最大转角时，可适当放宽要求。因此，再引入加权因子0（o），构成评价设计优劣的目标函数 f（x）为,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,第六节 转向梯形,二、整体式转向梯形机构优化设计,（1）评价设计优劣的目标函数 f（x）,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,（2）建立约束条件,各设计变量的取值范围构成的约束条件：,m-mmin0；mmax-m0；-min0,梯形臂长度m设计时常取在mmin=0.11K，mmax=0.15K 梯形底角min=70,最小传动角的约束条件：,式中，min为最小传动角，min=40。,第六节 转向梯形,二、整体式转向梯形机构优化设计,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,四项约束条件所形成转向梯形机构优化设计的可行域,（2）建立约束条件,第六节 转向梯形,二、整体式转向梯形机构优化设计,要求min较大，而min可小些的车,要求min较大，而min小些的车,折中选取,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,由上述数学模型可知，转向梯形机构的优化设计是一个小型的约束非线性规划问题，可用复合形法来求解。,（3）优化求解方法,第六节 转向梯形,二、整体式转向梯形机构优化设计,Matlab 优化工具箱,x,resnorm=lsqnonlin(myFUN,X0,LB,UB,OPTIONS),中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,三、转向传动机构强度计算1球头销 接触应力2转向拉杆 横拉杆、纵拉杆 压杆稳定性3转向摇臂 弯扭复合工况,第六节 转向梯形,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第七章 转向系设计,教材练习题：7-2 补充思考题：1.汽车为什么有动力转向机构？常用的型式是什么？2.动力转向机构的评价指标是什么？3.转向梯形有哪几种形式？各适用什么场合？4.在双横臂独立悬架中的断开式转向梯形的横拉杆铰接点（断开点）如何确定？用图表示。5.整体式转向梯形机构优化设计中的设计变量是什么？目标函数是什么？约束条件是什么？课后大作业：一辆轻型载货汽车总质量3500kg，整备质量1560kg，最大车速90km/h。根据以上数据以及以前大作业设计结果，参考成熟车型，为该车的转向系进行方案分析和选择，确定转向器结构方案，设计转向器以及转向传动装置。,