汽车转向系统说明书.doc
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1、 目录(3.3.3阿克曼原理12=561.1N (4-1)38图4-1循环球式转向器滚道384.1.1 循环球齿条齿扇转向器参数的选择381)转向器的主参数的选取38依王望予汽车设计P235,表7-1,循环球式转向器主参数壳选定其相应参数如下38(1) 球中心矩D=30mm38(2) 螺杆外径=29mm39(3) 螺母内径,一般要求-=(5%-10%)。固取32mm。39(4) 钢球直径d=7.144mm39(5) 滚道截面直径=(0.51-0.53)d。=3.7mm。39(6) 一个环路中钢球工作圏数w=1.539 第1章 绪论 自卸车是指通过液压或机械举升而自行卸载货物的车辆,又称翻斗车。
2、由汽车地盘、液压举升机构、货箱和取力装置等部件组成。自卸车在土木工程中,经常与挖掘机、带式输送机等工程机械联合作业,构成装、运、卸生产线,进行土方、砂石、散料的装卸运输工作。汽车转向系统和前桥是汽车的重要组成部分,对汽车行驶的安全性、高速行驶时的稳定性、操纵可靠性和乘座舒适性起着重要的作用。上个世纪末,汽车转向系统和前桥发展很快,新的结构和先进控制方法的采用,特别是引入了动力转向之后,使转向系统和前桥发生了深刻的变化。动力转向系统的应用日益广泛,在重型汽车上几乎必须配备应用。主要是为了减轻驾驶疲劳,提高操纵轻便性和稳定性,虽然带来成本高、结构复杂等问题,但由于优势明显,还是得到了汽车工业的认可
3、,得到了很快的发展。转向系统和前桥在汽车设计中占有重要的地位,这两部分设计的好坏,直接影响汽车的操纵性、稳定性及安全性。本次设计过程中,参考同类车型,根据车辆本身设计的特点,按照设计原则,从实用性、经济性的角度考虑,设计出转向总成和前桥。在合理选择各项参数、材料,优化设计出整体结构尺寸紧凑,使成本合算,与总体布置相匹配,具有广泛的通用性。 44第2章 前桥设计2.1 前桥方案的确定 转向前桥有断开式和非断开式两种。断开式前桥与独立悬架相配合,结构比较复杂但性能比较好,多用于轿车等以载人为主的高级车辆。非断开式又称整体式,它与非独立悬架配合。它的结构简单,承载能力大,由于一般载货汽车前悬架为非独
4、立悬架,与非独立悬架匹配的从动桥为非断开式转向从动桥,因此本次设计采用非断开式转向从动桥。各种车型的非断开式转向从动桥的结构型式基本相同。作为主要零件的前梁是用中碳钢或中碳合金钢的,其两端各有一呈拳形的加粗部分为安装主销的前梁拳部;为提高其抗弯强度,其较长的中间部分采用工字形断面并相对两端向下偏移一定距离,以降低发动机从而降低传动系的安装位置以及传动轴万向节的夹角。为提高其抗扭强度,两端与拳部相接的部分采用方形断面,而靠近两端使拳部与中间部分相联接的向下弯曲部分则采用两种断面逐渐过渡的形状。中间部分的两侧还要锻造出钢板弹簧支座的加宽文承面。有的汽车的转向从动桥的前梁采用组合式结构,即由其采用无
5、缝钢管的中间部分与采用模锻成形的两端拳形部分组焊而成。这种组合式前梁适于批量不太大的生产并可省去大型缎造设备。本次设计的自卸车总质量较大,前桥承受载荷较大,因此采用前一种方案。2.2前桥断面形状选择转向从动桥采用工字钢断面的前梁,可以保证其质量小而在垂向平面内的刚度大、强度高。工字形断面尺寸选用推荐值,该断面的垂直弯曲截面系数可近似取为: (2-1)式中 a工字形断面的中部尺寸。代入数据得:=0.54转向从动桥前梁拳部之高度约等于前梁工字形断面大的高度。主销上下滑动轴承的长度则取为主销直径的1.25-1.5倍。2.3转向轮定位参数的确定 为保证汽车稳定的直线行驶状态,应使转向轮具有自动回正的能
6、力。这种自动回正是靠转向轮的定位参数来实现的。定位参数有:主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前轮前束。主销后倾角可以形成回正的稳定力矩,主销内倾角也具有自动回正的作用,前轮前束减轻和消除车轮外倾角而产生的不良后果。根据经验和参考同类车型选择: 主销后倾角 主销内倾角 前轮外倾角 前轮前束A-B=20mm 主销偏离距是指主销轴线到地面的交点至车轮中心平面与地面交线间的距离。它影响车轮的转向性能,如轻便性等。偏移距过小就不轻便。对于一定的车型可用实验的方法确定a值的最小值,选a=70mm。2.4前轴的校核 (2-2)式中:静载荷的弯矩, 施加在前轴上的静载荷, -前轮轮距1986mm 两钢板弹簧
7、之间的距离 mm a=1310mm (2-3)在静载荷作用下,前轴的弯矩应力 (2-4) 图2-1 前桥受力弯矩图及断面图汽车的动载荷倍数为n,这样前轴的应力为 MPa (2-5) 取n=2.5 22.6MPaMPa 第3章 转向系设计3.1 转向系的设计要求 汽车转向系的功用: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。机械转向系依靠驾驶员人力转动方向盘,经转向操纵机构、转向器和转向梯形机构使转向轮偏转。有些汽车转向柱管还装有缓冲机构和转向减振器。采用动力转向的汽车还装有液压或电动助力系统,并借助此来缓解驾驶疲劳。汽车转向系应满足以下要
8、求:1、汽车转弯行驶时,全部车轮绕瞬时转向中心旋转,任何车轮不应有侧滑。不满足这项要求会加速轮胎磨损,并降低汽车的行驶稳定性;2、汽车转向行驶后,在驾驶员松开转向盘的条件下,转向轮能自动返回到直线行驶位置,并稳定行驶;3、汽车在任何行驶状态下,转向轮都不得产生自振,转向盘没有摆动;4、转向传动机构和悬架导向装置共同工作时,由于运动不协调使车轮产生的摆动应为最小;5、保证汽车有较高的机动性,具有迅速和小转弯行驶的能力;6、操纵轻便;7、转向轮碰到障碍物之后,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的球头处,有消除应磨合而产生间隙的调整机构;9、在车祸中,当转向轴和转向盘由于车
9、架或车身变形而共同后移时,转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的安全装置;10、进行运动校核,保证转向轮与转向盘转动方向一致;正确设计转向梯形机构,可以保证汽车转弯行驶时,全部车轮绕车辆瞬时转向中心旋转。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。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22.5倍。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
10、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 250N 动力转向 2050N 120N 轿车转向盘从左极限位置转到右极限位置的圈数不得超过2.0圈,客车则要求不超过3.0圈。3.2转向系统概论 车辆在行驶过程中,需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向所谓汽车转向。就轮式车辆而言,实现汽车转向的方法是,驾驶员通过一套专设的机构,使汽车转向桥(一般是前桥)上的车轮(转向轮)相对于汽车纵轴线偏转一定角度。在汽车直线行驶时,转向轮也会受到路面侧向干扰力的作用,自动偏转而改变行驶方向。此时,驾驶员也可以利用转向机构使转向轮向相反的方向偏转,从而使汽车恢到直线行驶方向。这一套
11、用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构,即称为汽车转向系统。因此,汽车转向系统的功用是保证汽车能按照驾驶员的意志进行转向行驶。汽车转向系可按转向能源的不同分为机械转向系和动力转向系两大类。3.2.1机械转向系统机械转向系统以驾驶员的体力作为唯一的转向能源,其中所有传力件都是机械的。机械转向系统由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。图3-1机械转向系的基本组成和布置图 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13.右转向节图3-1为机械转向系的基本组成和布置示意图。当
12、汽车转向时,驾驶员对转向盘1施加一个转向力矩。该力矩通过转向轴2、转向万向节3和转向传动轴4输入转向器5。经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向摇臂6,再经过转向直拉杆7传给固定于左转向节9上的转向节臂8,使左转向节和它所支撑的左转向轮偏转。为使右转向节13及其支撑的右转向轮随之偏转相应的角度,还设置了转向梯形。转向梯形有固定在左、右转向节上的梯形臂10、12和两端与梯形臂做球铰连接的转向横拉杆11组成。 图3-2与独立悬架搭配的转向系图3-2也是机械式转向系,与图3-1不同的是它是与独立悬架条式转向搭配的转向系。当需要转向时,驾驶员对转向盘施加一个转向力矩,该力矩通过转向轴、转向轴万向节
13、和转向传动轴输入转向器,转向轴的转动经转向器后变为齿条的左右移动。转向横拉杆一端与齿条相连,另一端通过球铰和固定在转向节上的转向节臂连接。齿条左右移动,带动连接在其上的横拉杆左右运动,通过转向节臂拉动转向节使转向轮转动。从转向盘到转向传动轴这一系列部件和零件均属于转向操纵机构。转向梯形到转向节臂这一系列部件和零件,均属于转向传动机构。目前,许多国内、外生产的新车型在转向操纵机构中采用了万向传动装置(转向万向节和转向传动轴)。这有助于转向盘和转向器等部件和组件的通用化和系列化。只要适当改变转向万向传动装置的几何参数,便可满足各种车型的总布置要求。即使在转向盘与转向器同轴线的情况下,其间也可采用
14、万向传动装置,以补偿由于部件在车上的安装误差和安装基体(驾驶室、车架)的变形所造成的二者轴线实际上的不重合。转向盘在驾驶室安放的位置与各国交通法规规定车辆靠道路左侧还是右侧通行有关。包括我国在内的大多数国家规定车辆右侧通行,相应的应将转向盘安置在驾驶室左侧。这样,驾驶员在左方视野较宽阔,有利于两车安全交会。相反,在一些规定车辆右行的国家,转向盘则安置在驾驶室右侧。3.2.2动力转向系 动力转向系是兼用驾驶员和发动机动力为转向能源的转向系。在正常情况下,汽车所需要的能量,只有小部分由驾驶员提供,而大部分是由发动机通过转向加力装置提供的。但在转向加力装置失效时,一般还应当能由驾驶员独立承担转向任务
15、。因此,动力转向系是在机械转向系的基础上加设一套转向加力装置而形成的。 图3-3液压动力转向系的组成和液压转向加力装置布置示意图 1. 方向盘 2.转向轴 3.转向中间轴 4.转向油管 5.转向油泵 6.转向油罐 7.转向节8.转向横拉杆 9.转向摇臂 10.整体式转向器 11.转向直拉杆 12.转向动力缸 图3-3为一种液压动力转向系的组成和液压转向加力装置的管路布置示意图,其中属于转向加力装置的部件是:转向油罐、转向液压泵,转向控制阀和转向动力缸。当驾驶员逆时针转动转向盘时,转向摇臂带动转向直拉杆前移。直拉杆的拉力作用于转向节臂,并依次传到梯形臂和转向横拉杆使之右移。与此同时,转向直拉杆还
16、带动转向控制阀中的转阀,使转向动力缸的右腔接通液面压力为零的转向油罐。转向液压泵的高压油进入转向动力缸的左腔,于是转向动力缸的活塞上受到向右的液压作用力便经推杆施加在转向横拉杆上,也使之右移。这样,驾驶员施于转向盘上很小的力矩,便可克服地面作用于转向轮上的转向阻力矩。随着最近汽车发动机马力的增大和扁平轮胎的普遍使用,使车重和转向力矩都加大了,因此动力转向机构越来越普及。动力转向系统已成为一些轿车的标准配置,全世界约有一半的轿车采用动力转向。值得注意的是,转向助力不应是不变的,因为在高速行驶时,轮胎的横向阻力小,转向盘变得轻飘,很难捕捉路面的感觉,也容易造成转向过于易控制。所以在高速时要适当减低
17、动力,但这种变化必须平顺过度,灵敏而使汽车易于控制。a、液压式动力转向装置液压式动力转向装置质量轻,结构紧凑,利于改善转向操作感觉,但液体流量的增加会加重液压泵的负荷,需要保持怠速旋转的机构。b、电动式动力转向装置电动式动力转向装置是最新的转向装置,由于它节能,故受到汽车行业的重视。它是利用蓄电池实现电动机转动产生推力。由于不直接使用发动机的动力,所以大大降低了发动机的功率损失,且不需要液压管路,便于安装。尤其利于后轮驱动的汽车,但目前电动式动力转向装置所得到的助力效果还比不上液压式,所以只限用于前轴载荷小的后轮驱动汽车上。c、电动液压式动力转向装置即由电机驱动转向助力泵并由计算机控制的方式,
18、它集液压式和电动式的优点于一体。因为是计算机控制,所以转向助力泵不必一直工作,减小了发动机的功率损失。这种方式结构紧凑,便于安装布置,但液压系统产生的动力不会太大,所以只适用于小排量汽车。3.2.3四轮转向系四轮转向系(4WS)是把后轮与前轮一起转向,是一种提高车辆机动性和通过性的关键技术。把后轮与前轮同时反相位转向,可以减少车辆转向时的横摆运动,改善高速行驶时的稳定性。把后轮与前轮反相位偏转,能够改善车辆低速行驶时的操纵性,并提高快速转向性。目前,安装在批量生产车辆上的四轮转向控制系统,可以分为以下4类: 1、横向加速度车速感应性2、前轮转角车速感应性3、前轮转角感应性4、前轮转角比例车速感
19、3.3 转向性能与阿克曼几何学3.3.1转向系总体结构参数:轴距L=3800+1350mm;前轮轮距B=1986mm;最小转弯半径Rmin=8m。3.3.2转向桥的内、外轮转角无论选择哪一种转向梯形方案,必须在正确选择转向梯形参数的同时,做到汽车转弯行驶时,保证全部车轮绕一个瞬时转向中心行驶,使在不同圆周上运动的车轮,作无滑动的纯滚动运动。同时转向轮在最大转角情况下,获得最小转弯半径能满足总体布置要求。因此,汽车的内、外轮有不同的转角(如图3-4)。图3-4内外轮转角关系图(3.3.3阿克曼原理 两轴汽车在低速转弯行驶时 ,可忽略离心力的影响,假设轮胎是刚性的,忽略轮胎侧偏特性影响的时候,此时
20、若各车轮绕同一瞬时转向中心转弯行驶,则两转向前轮轴线的延长线交在后轴的延长线上,这几何关系叫做阿克曼原理。 汽车只用前轮转向时,为了满足上述条件,必须符合下述关系式 (3-1)式中:转向轮外轮转角;转向轮内轮转角;K两主销轴线与地面交点之间距离即为主销节距; L汽车轴距。汽车转向时若能满足上述条件,则车轮作纯滚动运动。现有汽车转向梯形机构,对上述条件不能在整个转向范围得到满足,只是近似的使它得到保证。当内、外轮转角差别不大时,即=的条件下,转向梯形为平行四边形,称之为平行几何学。阿克曼几何学和平行几何学的内、外轮转角关系理论曲线在图2-5上位于阿克曼几何学和平行几何学的理论曲线之间变化。3.3
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