电动汽车转向制动系统设计.ppt

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1、6 电动汽车转向制动系统设计,6.1 转向系设计概述 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的手力转动转向盘，经转向器和转向传动机构使转向轮偏转。有些汽车还装有防伤机构和转向减振器。采用动力转向的汽车还装有动力系统，并借助此系统来减轻驾驶员的手力。,对转向系提出的要求有：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。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，转向轮不

2、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最小。5)保证汽车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。,6)操纵轻便。7)转向轮碰撞到障碍物以后，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，有消除因磨损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防伤装置。10)进行运动校核，保证转向盘与转向轮转动方向一致。,正确设计转向梯形机构，可以使第一项要求得到保证。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

3、降低。为了使车辆具有良好的机动性能，必须使转向轮有尽可能大的转角，并要达到按前外轮车轮轨迹计算，其最小转弯半径能达到汽车轴距的225倍。,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操纵轻便性。没有装置动力转向的轿车，在行驶中转向，此力应为50100N；有动力转向时，此力在20-50N。轿车转向盘从中间位置转到每一端的圈数不得超过2.0圈，货车则要求不超过30圈。电动、电控动力转向器已得到较快发展，电控动力转向可以实现在各种行驶条件下转动转向盘的力都轻便。,6.2 机械式转向器结构类型 机械式转向器应用比较多，根据结构特点不同，可分为齿轮齿条式转向器、循环球式

4、转向器、蜗杆滚轮式转向器和蜗杆指销式转向器等。1齿轮齿条式 齿轮齿条式转向器广泛应用于微型、普通级、中级和中高级轿车上，甚至在高级轿车上也有采用的。装载量不大、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。齿轮齿条式转向器由与转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。,主要的优点是：结构简单、紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器的质量比较小；传动效率高达90；齿轮与齿条之间因磨损出现间隙后，利用图61装在齿条背部的弹簧，可自动消除齿间间隙，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；转向器占用的体积小；没有转向摇臂和直拉杆，所以转向轮转角可以增

5、大；制造成本低。,图61 自动消除间隙装置,主要缺点是：因逆效率高(60一70)，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，称之为反冲。反冲现象会使驾驶员精神紧张，并难以准确控制汽车行驶方向，转向盘突然转动又会造成打手，对驾驶员造成伤害。,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(图6-2a)；侧面输入，两端输出(图62b)；侧面输入，中间输出(图62c)；侧面输入，一端输出(图62d)。图6-2 齿轮齿条式转向器的四种形式,齿条断面形状有圆形(图63)、V形(图64)和Y形(图65)三种。圆形断面齿条制作工艺比较简单。V

6、形和Y形断面齿条与圆形断面比较，稍耗的材料少，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得宽些，因而强度得到增加；在齿条与托座之间通常装有用减摩材料(如聚四氟乙烯)做的垫片(图64)可减少滑动摩擦。,图63圆形断面齿条图6-4 V形断面齿条 图6-5 Y形断面齿条,根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，齿轮齿条式转向器在汽车上有四种布置形式：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，见图66ad。图66 齿轮齿条式转向器的四种布置形式,2循环

7、球式 循环球式转向器由螺杆和螺母共同形成的螺旋槽内装有钢球构成的传动副，以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成，如图67所示。图67 循环球式转向器,优点是：在螺杆和螺母之间因为有可以循环流动的钢球，将滑动摩擦变为滚动摩擦，因而传动效率可达到75一85；在结构和工艺上采取措施，包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度和螺杆、螺母上的螺旋槽经淬火和磨削加工，使之有足够的硬度和耐磨损性能，可保证有足够的使用寿命；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工作容易进行(图6-8)；适合用来做整体式动力转向器。主要缺点是：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。循环球

8、式转向器主要用于货车和客车上。,图6-8 循环球式转向器的间隙调整机构,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。其主要优点是：结构简单；制造容易；因为滚轮的齿面和蜗杆上的螺纹呈面接触，所以有比较高的强度，工作可靠，摩损小，寿命长；逆效率低。主要缺点是：正效率低；工作齿面摩损以后，调整啮合间隙比较困难；转向器的传动比不能变化。这种转向器曾在汽车上广泛使用过。,4蜗杆指销式 蜗杆指销式转向器的销子若不能自转，称为固定销式蜗杆指销式转向器；销子除随同摇臂轴转动外，还能绕自身轴线转动的，称之为旋转销式转向器。根据销子数量不同，又有单销和双销之分。优点是：转向器的传动比可以做成不变的或者变

9、化的；指销和蜗杆之间的工作面摩损后，调整间隙工作容易进行。磨损快、工作效率低，结构复杂。蜗杆指销式转向器应用较少。,防伤安全机构 根据交通事故统计资料和对汽车碰撞试验结果的分析表明：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。因此，要求汽车在以48kmh的速度正面同其它物体碰撞的试验中，转向管柱和转向轴在水平方向的后移量不得大于127mm；在台架试验中,用人体模型的躯干以67ms的速度碰撞转向盘时，作用在转向盘上的水平力不得超过11123N，见GB11557-1998。,为此，需要在转向系中设计并安装能防止或者减轻驾驶员受伤的机构。当转向传动轴中采用有万向节连接的结构时（图69所

10、示），这种结构虽不能吸收碰撞能量，但其结构简单，只要万向节连接的两轴之间存在夹角，正面撞车后转向传动轴和转向盘就处在图中双点划线的位置，转向盘没有后移便不会危及驾驶员安全。图6-9 防伤转向传动轴简图,图610所示在轿车上应用的防伤安全机构，其结构最简单，制造容易。转向轴分为两段，上转向轴的下端经弯曲成形后，其轴线与主轴轴线之间偏移一段距离，其端面与焊有两个圆头圆柱销的紧固板焊接，两圆柱销的中心线对称于上转向轴的主轴线。该轴在使用过程中除传递转矩外，在受到一定数值的轴向力时，上、下转向轴能自动脱开，以确保驾驶员安全。图6-10防伤转向轴简图,图611所示为联轴套管吸收冲击能量机构。位于两万向节

11、之间的转向传动轴，是由套管1和轴3组成，装配后从两侧的孔中注入塑料，形成塑料销钉2将套管与轴连接为一体。车辆与其它物体正面冲撞时，作用在套管与轴之间的轴向力使塑料销钉受到剪切作用，达到一定值以后剪断销钉，然后套管与轴相对移动，存在其间的塑料能增大摩擦阻力吸收冲击能量。此外，套管与轴相互压缩，长度缩短，可以减少转向盘向驾驶员一侧的移动量，起到保护驾驶员的作用。这种防伤机构结构简单，制造容易，只要合理地选取铆钉数量与直径，便能保证它可靠地工作和吸收冲击能量。撞车后因套管与轴仍处在连接状态，所以车辆仍有可能转向行驶到不妨碍交通的地方。图611 安全联轴套管 1-套管 2-塑料销钉 3-轴,弹性联轴器

12、式防伤机构图612。车辆一旦出现严重的碰撞事故，弹性垫片不仅有轴向变形，而且能撕裂直至斯开，同时吸收了冲击能量，并允许上、下转向轴相对移动。这种防伤机构的结构简单，容易制造，成本低。但弹性垫片的存在会降低扭转刚度，对此必须采取结构措施予以消除。这种结构工作的可靠性由弹性垫片的强度来决定。,图6-12 弹性联轴器 a)弹性联轴器 b)弹性垫片1-上转向轴 2-凸缘 3-联接螺蝇栓 4-弹性垫片 5-下转向轴,图613示出的上、下两段转向管柱1和2压入两端各有两排凹坑的套管3里。转向轴分为上、下两段，用花键连接(图上未画出)，因而同上述几种形式比较，这种机构虽然工作可靠，但结构复杂，而且制造精度也

13、相对要求高些。,图613 吸能转向管柱简图1-上转向管柱 2-下转向管柱 3-套管,6.3 转向系的主要性能参数 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正效率，用符号 表示，反之称为逆效率，用符号 表示，。式中，P2为转向器中的摩擦功率；P3为作用在转向摇臂轴上的功率。,为了保证转向时驾驶员转动转向盘轻便，要求正效率高。为了保证汽车转向后转向轮和转向盘能自动返回到直线行驶位置，又需要有一定的逆效率。为了减轻在不平路面上行驶时驾驶员的疲劳，车轮与路面之间的作用力传至转向盘上要尽可能小，防止打手又要求此逆效率尽可能低。1转向器的正效率 影响转向器正效率的因素有：转

14、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 在前述四种转向器中，齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高，而蜗杆指销式特别是固定销和蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显的低些。(2)转向器的结构参数与效率 如果忽略轴承和其它地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于蜗杆和螺杆类转向器，其效率可用下式计算(6-1)式中，0为蜗杆(或螺杆)的螺线导程角；为摩擦角，=arctan f；f为摩擦因数。,2转向器逆效率-根据逆效率大小不同，转向器又有可逆式、极限可逆式和不可逆式之分。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，这种逆效率较高的转向器属于可逆式。它

15、能保证转向后，转向轮和转向盘自动回正。这既减轻了驾驶员的疲劳，又提高了行驶安全性。但是，在不平路面上行驶时，车轮受到的冲击力，能大部分传至转向盘，造成驾驶员“打手”，使之精神状态紧张，如果长时间在不平路面上行驶，易使驾驶员疲劳，影响安全驾驶。属于可逆式的转向器有齿轮齿条式和循环球式转向器。,不可逆式转向器，是指车轮受到的冲击力不能传到转向盘的转向器。该冲击力由转向传动机构的零件承受，因而这些零件容易损坏。同时，它既不能保证车轮自动回正，驾驶员又缺乏路面感觉，因此，现代汽车不采用这种转向器。极限可逆式转向器介于上述两者之间。在车轮受到冲击力作用时，此力只有较小一部分传至转向盘。它的逆效率较低，在

16、不平路面上行驶时，驾驶员并不十分紧张，同时转向传动机构的零件所承受的冲击力也比不可逆式转向器要小。,如果忽略轴承和其它地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，则逆效率可用下式计算(6-2)式(61)和式(62)表明：增加导程角0，正、逆效率均增大。受-增大的影响，0不宜取得过大。当导程角小于或等于摩擦角时，逆效率为负值或者为零，此时表明该转向器是不可逆式转向器。为此，导程角必须大于摩擦角。通常螺线导程角选在810之间。,二、传动比的变化特性1转向系传动比 转向系的传动比包括转向系的角传动比i0和转向系的力传动比ip。从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，

17、称为力传动比，即ip=2Fw/Fh。转向盘转动角速度w与同侧转向节偏转角速度k之比，称为转向系角传动比i 0，即式中，d为转向盘转角增量；dk为转向节转角增量；dt为时间增量。,它又由转向器角传动比i和转向传动机构角传动比i 所组成，即i 0=i i。转向盘转动角速度w与摇臂轴转动角速度p之比，称为转向器角传动比i,即式中，dp为摇臂轴转角增量。此定义适用于除齿轮齿条式之外的转向器。摇臂轴转动角速度p 与同侧转向节偏转角速度k之比，称为转向传动机构的角传动比i，即,2力传动比与转向系角传动比的关系 轮胎与地面之间的转向阻力Fw和作用在转向节上的转向阻力矩Mr之间有如下关系 Fw=Mr/a(63

18、)式中,a为主销偏移距，指从转向节主销轴线的延长线与支承平面的交点至车轮中心平面与支承平面交线间的距离。作用在转向盘上的手力Fh可用下式表示 Fh=2Mh/Dsw(64)式中，Mh为作用在转向盘上的力矩；Dsw为转向盘直径。,将式(63)、式(64)代入ip=2FwFh 得 ip=MrDsw/(Mha)(65)分析式(65)可知，当主销偏移距a小时，力传动比ip应取大些才能保证转向轻便。通常轿车的a值在0406倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取，而货车的a值在4060mm范围内选取。转向盘直径Dsw根据车型不同在JB450586转向盘尺寸标准中规定的系列内选取。,如果忽略摩擦损失，根据能量守恒原理

19、，2MrMh可用下式表示(66)将式(66)代入式(65)后得到(67)当a和Dsw不变时，力传动比ip越大，虽然转向越轻，但i0也越大，表明转向不灵敏。,3转向系的角传动比i0 转向传动机构角传动比，i 还可以近似地用转向节臂臂长L2与摇臂臂长L1之比来表示，即i 0 L2L1。现代汽车结构中，L2与L1的比值大约在08511之间，可近似认为其比值为1，则i 0 i=d/d。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及其变化规律即可。,4转向器角传动比及其变化规律 式(67)表明：增大角传动比可以增加力传动比。从ip=2FwFh式可知，当Fw一定时，增大ip能减小作用在转向

20、盘上的手力Fh，使操纵轻便。考虑到i0i，由i0的定义可知：对于一定的转向盘角速度，转向轮偏转角速度与转向器角传动比成反比。角传动比增加后，转向轮偏转角速度对转向盘角速度的响应变得迟钝，使转向操纵时间增长，汽车转向灵敏性降低，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。,三，转向器传动副的传动间隙t 1转向器传动间隙特性 传动间隙是指各种转向器中传动副(如循环球式转向器的齿扇和齿条)之间的间隙。该间隙随转向盘转角的大小不同而改变，并把这种变化关系称为转向器传动副传动间隙特性(图614)。研究该特性的意义在于它与直线行驶的稳定性和转向器的使用寿命有关。图6-14转向器传动

21、副传动间隙特性,图中曲线1表明转向器在磨损前的间隙变化特性，曲线2表明使用并磨损后的间隙变化特性，并且在中间位置处已出现较大间隙，曲线3表明调整后并消除中间位置处间隙的转向器传动间隙变化特性。,直线行驶时，转向器传动副若存在传动间隙，一旦转向轮受到侧向力作用，就能在间隙t的范围内，允许车轮偏离原行驶位置，使汽车失去稳定。为防止出现这种情况，要求传动副的传动间隙在转向盘处于中间及其附近位置时(一般是1015)要极小，最好无间隙。转向器传动副在中间及其附近位置因使用频繁，磨损速度要比两端快。在中间附近位置因磨损造成的间隙大到无法确保直线行驶的稳定性时，必须经调整消除该处间隙。调整后，要求转向盘能圆

22、滑地从中间位置转到两端，而无卡住现象。传动副的传动间隙特性，应当设计成在离开中间位置以后呈图614所示的逐渐加大的形状。,2.如何获得传动间隙特性 循环球式转向器的齿条齿扇传动副的传动间隙特性，可通过将齿扇齿做成不同厚度来获取必要的传动间隙。即将中间齿设计成正常齿厚，从靠近中间齿的两侧齿到离开中间齿最远的齿，其厚度依次递减。如图6-15所示，齿扇工作时绕摇臂轴的轴线中心O转动。加工齿扇时使之绕切齿轴线O1转动。两轴线之间的距离n称为偏心距。用这种方法切齿，可获得厚度不同的齿扇齿。其传动特性可用下式计算(68),式中，d为端面压力角；R为节圆半径；p为摇臂轴转角；R1为中心O1到b点的距离；n为

23、偏心距。图6-15 确定齿扇齿切齿轴线偏移的传动副径向间隙 R及传动间隙t的示意图,第四节 机械式转向器的设计与计算(转向系传动机构设计)一、转向系计算载荷的确定 为了保证行驶安全，组成转向系的各零件应有足够的强度。首先确定作用在各零件上的力。主要因素有转向轴的负荷、路面阻力和轮胎气压等。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摩擦阻力等。精确地计算出这些力是困难的。为此推荐用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩MR(Nmm),(69)式中，f为轮胎和路面间的滑动摩擦因数，一般取07；G1为转向轴负荷(N)；

24、p为轮胎气压(MPa)。作用在转向盘上的手力为(610)式中，L1为转向摇臂长；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。,对给定的汽车，用式(610)计算出来的作用力是最大值。因此，可以用此值作为计算载荷。然而，对于前轴负荷大的重型货车，用上式计算的力往往超过驾驶员生理上的可能，在此情况下对转向器和动力转向器动力缸以前零件的计算载荷，应取驾驶员作用在转向盘轮缘上的最大瞬时力，此力为700N。,二、齿轮齿条式转向器的设计 齿轮齿条式转向器的齿轮多数采用斜齿圆柱齿轮。齿轮模数取值范围多在23mm之间。主动小齿轮齿数多数在57个齿范围变化，压力角取20，齿轮螺旋角

25、取值范围多为915。齿条齿数应根据转向轮达到最大偏转角时，相应的齿条移动行程应达到的值来确定。变速比的齿条压力角，对现有结构在1235范围内变化。此外，设计时应验算齿轮的抗弯强度和接触强度。主动小齿轮选用16MnCr5或15CrNi6材料制造，而齿条常采用45钢制造。为减轻质量，壳体用铝合金压铸。,三、循环球式转向器设计(一)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、钢球直径d，图616所示。D1通常在2038mm范围内变化，设计时应根据转向轴负荷的不同来选定。D2应大于D1，一般要求D2-D1=(510)D。,图616 螺杆、钢球、螺母传动副

26、,(2)钢球直径d及数量n 钢球直径尺寸d取得大，能提高承载能力，同时螺杆和螺母传动机构和转向器的尺寸也随之增大。钢球直径应符合国家标准，一般常在7-9mm范围内选用。增加钢球数量n，能提高承载能力，但使钢球流动性变坏，从而使传动效率降低。经验证明，每个环路中的钢球数以不超过60粒为好。为保证尽可能多的钢球都承载，应分组装配。,(3)滚道截面 当螺杆和螺母各由两条圆弧组成，形成四段圆弧滚道截面时，见图617，钢球与滚道有四点接触，传动时轴向间隙最小，可满足转向盘自由行程小的要求。图中滚道与钢球之间的间隙，除用来贮存润滑油之外，还能贮存磨损杂质。为了减少摩擦，螺杆和螺母沟槽的半径R2应大于钢球半

27、径d2一般取R2=(051053)d。图6-17 四段圆弧滚道截面,(4)接触角 钢球与螺杆滚道接触点的正压力方向与螺杆滚道法面轴线间的夹角称为接触角，如图617所示。角多取为45，以使轴向力和径向力分配均匀。(5)螺距P和螺旋线导程角0 转向盘转动角，对应螺母移动的距离s为 s=P/(2)(611)式中，P为螺纹螺距。与此同时，齿扇节圆转过的弧长等于s，相应摇臂轴转过p角，其间关系可表示如下 s=p r(6-12)式中，r为齿扇节圆半径。,(6)工作钢球圈数W 多数情况下，转向器用两个环路，而每个环路的W又与接触强度有关：增加W，参加工作的钢球增多，能降低接触应力，提高承载能力；但钢球受力不

28、均匀、螺杆增长而使刚度降低。工作钢球圈数有15和2.5圈两种。,2齿条、齿扇传动副设计 如图618所示，变厚齿扇的齿顶和齿根的轮廓面是圆锥的一部分，其分度圆上的齿厚是变化的，故称之为变厚齿扇.,图6-18 变厚齿扇齿形计算简图,四、循环球式转向器零件强度计算 1钢球与滚道之间的接触应力，用下式计算钢球与滚道之间的接触应力 式中，k为系数，根据AB值从表61查取，A=(1r)-(1R2)/2，B=(1r)+(1R1)/2；R2为滚道截面半径；r为钢球半径；R1为螺杆外半径；E为材料弹性模量，等于21x105Nmm2；F3为钢球与螺杆之间的正压力，可用下式计算,式中，0为螺杆螺线导程角；为接触角；

29、n为参与工作的钢球数；F2为作用在螺杆上的轴向力，见图619。当接触表面硬度为5864HRC时，许用接触应力=2500Nmm2。图6-19 螺杆受力简图,表6-1 系数k与AB的关系,2齿的弯曲应力 用下式计算齿扇齿的弯曲应力 式中，F为作用在齿扇上的圆周力；h为齿扇的齿高：B为齿扇的齿宽：s为基圆齿厚。许用弯曲应力为w=540Nmm2。螺杆和螺母用20CrMnTi钢制造，表面渗碳。前轴负荷不大的汽车，渗碳层深度在0.81.2mm；前轴负荷大的汽车，渗碳层深度在1.051.45mm。表面硬度为5863HRC。应根据材料力学提供的公式，对接触应力进行验算。,3转向摇臂轴直径的确定 用下式计算确定

30、摇臂轴直径d 式中，K为安全系数，根据汽车使用条件不同可取2.535；MR为转向阻力矩；0为扭转强度极限。摇臂轴用20CrMnTi钢制造，表面渗碳，渗碳层深度在081.2mm。前轴负荷大的汽车，渗碳层深度为105145mm。表面硬度为5863HRC。,第五节 动力转向机构 为了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。中级以上轿车，由于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。转向轴轴载质量超过25t的货车可以采用动力转向，当超过4t时应该采用动力转向。,一、对动力转向机构的要求 1)运动学上应保持转向轮转角和驾驶员转动转向

31、盘的转角之间保持一定的比例关系。2)随着转向轮阻力的增大(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Fh00250190kN时(因汽车形式不同而异)，动力转向器就应开始工作。4)转向后，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)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)动力转向失灵时，仍能用机械系统操纵车轮转向。7)密封性能好，内、外泄漏少。,二、动力转向机构布置方案分析 液压式动力转向因为油液工作压力高，动力缸尺寸小、质量小，结构紧凑，油液具有不可压缩性，灵敏度高以及油液的阻尼作用可吸收路面冲击等优点而被广泛

32、应用。1动力转向机构布置方案 由分配阀、转向器、动力缸、液压泵、贮油罐和油管等组成液压式动力转向机构。根据分配阀、转向器和动力缸三者相互位置的不同，它分为整体式(图620a)和分置式：分配阀装在动力缸上的称为联阀式，图620b；分配阀装在转向器和动力缸之间的拉杆上称为连杆式，图620c；分配阀装在转向器上的称为半分置式，图6-20d两类。,图620 动力转向机构布置方案图1-分配阀 2-转向器 3-动力缸,在分析比较上述几种不同动力转向机构布置方案时，应从以下几方面来做比较：结构上是否紧凑；转向器主要零件是否承受由动力缸建立起来的载荷；拆装转向器是否容易；管路，特别是软管的管路长短；转向轮在侧

33、向力作用下是否容易引起转向轮摆振；能不能采用典型转向器。,整体式动力转向器，由于分配阀、转向器、动力缸三者装在一起，因而结构紧凑，管路也短。在转向轮受到侧向力作用时或者发动机的振动不会影响分配阀的振动，因而不能引起转向轮摆振。其缺点是转向摇臂轴、摇臂等转向器主要零件，都要承受由动力缸所建立起来的载荷，因此必须加大它们的尺寸和质量，这对布置它们带来不利的影响。同时还不能采用典型转向器，拆装转向器时要比分置式的困难。对转向器的密封性能要求高，这对转向器的设计，特别是重型汽车的转向器设计带来困难。整体式动力转向器多用于轿车和中型货车。,2分配阀的结构方案 分配阀有两种结构方案：分配阀中的阀与阀体以轴

34、向移动方式来控制油路的称为滑阀式，以旋转运动来控制油路的称为转阀式。滑阀式分配阀结构简单，生产工艺性较好，易于布置，使用性能较好，曾得到广泛应用。转阀式与滑阀式比较，灵敏度高，密封件少，结构较为先进。由于转阀式是利用扭杆弹簧使转阀回位，所以结构复杂。转阀式分配阀在国内、外均得到广泛应用。,三，动力转向机构的计算 1动力，缸尺寸的计算 动力缸的主要尺寸有动力缸内径、活塞行程、活塞杆直径和动力缸壳体壁厚。动力缸的布置若如图621所示，则在计算前，应先行确定作用在直拉杆上的力F1此力应用式(69)计算出来的转向阻力矩换算。图6-21 动力缸的布置,动力缸应产生的推力F用下式计算 F=F1 L1/L式

35、中，L1 为转向摇臂长度；L为转向摇臂轴到动力缸活塞之间的距离。推力F与工作油液压力p和动力缸截面面积S之间有如下关系 F=pS S=F1 L1/(pL)(614)因为动力缸活塞两侧的工作面积不同，应按较小一侧的工作面积来计算，即 S=(D2-d2p)/4(615)式中，D为动力缸内径；dp为活塞杆直径，一般初选时可取dp=0.35D。(616)式中，压力p一般在610MPa，最高可取16.518.0MPa。,活塞行程是车轮转至最大转角时，由直拉杆的移动量换算到活塞杆处的移动量得到的。如图622所示，活塞移到两端极限位置，还要留有一定间隙。活塞移到左侧极限位置时，其端面到动力缸之间，应当留有1

36、0mm间隙。活塞移到右侧极限位置时，其端面到缸盖之间应留有e=(0.50.6)D的间隙，以利于活塞导向作用。图6-22 确定动力缸长度尺寸简图,活塞厚度可取为B=0.3D。动力缸的最大长度s用下式计算确定 s=10+(0.50.6)D+0.3D+s1(617)式中，s1为活塞最大位移量。动力缸壳体壁厚t，按计算轴向平面拉应力确定(6-18)式中，p为油液压力；D为动力缸内径；t为动力缸壳体壁厚；安全系数n=3.55.0；T 为壳体材料的屈服点。壳体材料有球墨铸铁和铸造铝合金两种。球墨铸铁采用QT50005，抗拉强度为500MPa，屈服点为350MPa。铸造铝合金多采用ZL105，抗拉强度为16

37、0240MPa。活塞杆用40或45钢制造。为提高可靠性和寿命，要求其表面镀铬并磨光。,2分配滑阀参数的选择 分配滑阀的主要参数有：滑阀直径d，预开隙e1、密封长度e2和滑阀总移动量e等，见图623。上述参数影响分配阀的泄漏量、液流速度和转向灵敏度。设计时可根据下列关系式来确定上述参数。图6-23 预开隙e1,(1)分配阀的泄漏量Q 要求 Q不大于溢流阀限制下最大排量的5-10。Q按下式计算(619)式中，Q为分配阀泄漏量(cm3s)；r为滑阀和阀体在半径方向的间隙(cm)，一般 r在0.00050.00125cm，计算时取最大间隙：p为滑阀进、出口油压差，又称局部压力降(MPa)；d为滑阀外径

38、(cm)；e2为密封长度(cm)，e2=e-e1；为液体动力粘度(Pas)。,(2)局部压力降p 汽车直线行驶时，液流流经分配阀后流回油箱。液流流经分配阀时，产生的局部压力降p用下式计算 p=1.38X10-3 v2(6-20)式中，为局部压力降(MPa)；v为中立位置的液流流速(m/s)，用下式计算 v=Q/(37.6de1)(6-21)式中，Q为溢流阀限制下的最大排量(Lmin)，一般约等于发动机怠速时油泵排量的1.5倍；d为滑阀直径(cm)；e1为预开隙(cm)。p的允许值为3X10-24X10-2 MPa。若滑阀直径d和预开隙e1取得过小，将使中立位置的液流流速增大，并导致p超过允许值

39、。,3分配阀的回位弹簧 为了防止因外界干涉破坏分配阀的正常工作和保证转向后转向盘的自动回正作用，回位弹簧的力在保证转向轻便的条件下，应尽可能取大些。为克服回位弹簧上的压力，反映在转向盘上的作用力，轿车应比货车的小些。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，否则转向后转向轮不可能有自动回正作用。转向器的摩擦力可由试验确定。,4动力转向器的评价指标(1)动力转向器的作用效能 用效能指标s=FhFh来评价动力转向器的作用效能。式中，Fh和Fh为没有动力转向器和有动力转向器时，转动转向轮所必须作用在转向盘上的力。现有动力转向器的效能指标s=115。(2)路感 驾驶员转动转向盘，除要克服

40、转向器的摩擦力和回位弹簧阻力外，还要克服反映路感的液压阻力。液压阻力等于反作用阀面积与工作液压压强的乘积。,(3)转向灵敏度 转向灵敏度可以用转向盘行程与滑阀行程的比值i来评价 i=Dsw/(2)(622)式中，Dsw为转向盘直径；为转向盘转角；为滑阀行程。当Dsw和的数值不变时，转向盘转角仅仅取决于比值i，所以这完全可以表达转向灵敏度。比值i越小，则动力转向作用的灵敏度越高。高级轿车的i值在6.7以下。转向灵敏度也可以用接通动力转向时，作用到转向盘的手力和转角来评价，要求此力在2050N，转角在1015范围。,(4)动力转向器的静特性 动力转向器的静特性是指输入转矩与输出转矩之间的变化关系曲

41、线，是用来评价动力转向器的主要特性指标。因输出转矩等于油压压力乘以动力缸工作面积和作用力臂，对于已确定的结构，后两项是常量，所以可以用输入转矩Mc与输出油压p之间的变化关系曲线来表示动力转向的静特性，如图6-24所示。常将静特性曲线划分为四个区段。在输入转矩不大的时候，相当于图中A段，是直线行驶位置附近小角度转向区，曲线呈低平形状，油压变化不大；汽车原地转向或调头时，输入转矩进入最大区段(图中C段)，要求助力转向效果应当最大，故油压曲线呈陡而直状上升；B区段属常用快速转向行驶区段，要求助力作用要明显，油压曲线的斜率变化应较大，曲线由较为平缓变陡。除此之外，上述三个区段之间的油压曲线过渡要求平滑

42、，D区段曲线就表明是一个较宽的平滑过渡区间。,图6-24 静特性曲线分段示意图要求动力转向器向右转和向左转的静特性曲线应对称。对称性可以评价滑阀的加工和装配质量。要求对称性大于085。,第六节 转向梯形 转向梯形有整体式和断开式两种，选择整体式或断开式转向梯形方案与悬架采用何种方案有联系。无论采用哪一种方案，必须正确选择转向梯形参数，做到汽车转弯时，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，为达到总体布置要求的最小转弯直径值，转向轮应有足够大的转角。,一、转向梯形结构方案分析 1整体式转向梯形 整体式转向梯形图625。这种方案的优点是结构简单，调

43、整前束容易，制造成本低；主要缺点是一侧转向轮上、下跳动时，会影响另一侧转向轮。,图6-25 整体式转向梯形1-转向横拉杆 2-转向梯形臂 3-前轴,2断开式转向梯形 转向梯形的横拉杆做成断开的，称之为断开式转向梯形。图626是断开式转向梯形方案之一。主要优点是它与前轮采用独立悬架相配合，能够保证一侧车轮上、下跳动时，不会影响另一侧车轮；与整体式转向梯形比较，由于杆系、球头增多，所以结构复杂，制造成本高，并且调整前束比较困难。,图6-26 断开式转向梯形,二、转向传动机构强度计算 1球头销 球头销常由于球面部分磨损而损坏，为此用下式验算接触应力 j=F/A式中，F为作用在球头上的力；A为在通过球

44、心垂直于F力方向的平面内，球面承载部分的投影面积。许用接触应力为j2530Nmm2。设计初期，球头直径d可根据表62中推荐的数据进行选择。,表6-22 球头直径 球头销用合金结构钢12CrNiB、15CrMo、20CrNi或液体碳氮共渗钢35Cr、35CrNi制造。,2转向拉杆 拉杆应有较小的质量和足够的刚度。拉杆的形状应符合布置要求，有时不得不做成弯的，这就减小了纵向刚度。拉杆按关压杆稳定性计算公式进行验算。稳定性安全系数不小于1.52.5。拉杆用20、30或40钢无缝钢管制成。3转向摇臂 在球头销上作用的力F，对转向摇臂构成弯曲和扭转力矩的联合作用。危险断面在摇臂根部，应按第三强度理论验算

45、其强度,式中，Ww、Wn为危险断面的抗弯截面系数和抗扭转截面系数；尺寸d、e见图627。要求 Tn式中，T 为材料的屈服点；n为安全系数，取n=1.72.4。图6-27 转向摇臂受力图,第七节 转向减振器 有些车辆在转向传动机构中装有转向减振器，用来衰减转向轮的摆振和缓和来自路面的冲击载荷。是内部充满液体的筒式减振器，并利用液体分子的内摩擦产生的粘性阻尼来衰减振动。因转向减振器是呈水平状态布置，故对其密封要求严格，并备有隔离工作液体和空气的补偿室。减振器工作时，补偿室的容积要发生变化，因此补偿室常由具有弹性的皮囊制成，如图6-28所示。在压缩行程，液体挤开活塞上的流通阀之后流过流通孔，与此同时

46、活塞排挤液体压开压缩阀座上的压缩阀后进入补偿室，使皮囊膨胀。,在拉伸行程，液体挤开活塞上的复原阀通过复原孔，同时皮囊靠本身弹性复位，使补偿室内的液体挤开阀座上的补偿阀后进入工作腔，以补偿活塞杆所空出的容积。液体如此往复地通过这些孔道时，其分子间的内摩擦阻力就逐步衰减了活塞往复拉伸和压缩所形成的振动。因为转向减振器要衰减车轮的左右摆动，所以它的减振特性是对称的，即拉伸和压缩行程S有对称的阻尼力F。其示功图如图6-29所示。,图6-28 转向减振器的工作原理图1-皮囊 2-补偿室 3-阀座 4-补偿阀及孔 5-压缩阀及孔 6-活塞 7-流通阀及孔 8-复原阀及孔 图629 转向减振器的示功图,第八

47、节 转向系结构元件 对于循环球式转向器，因齿扇齿与齿条齿磨损后，产生间隙需要经调整予以消除。比较典型的消除间隙的结构如图630b。在调整螺栓与摇臂轴T形槽端部设置有垫片，通过选装厚度合适的垫片，保证摇臂轴轴向移动量在002mm范围以内。,图630 球接头结构简图 1-球头销 2-球头碗 3-压紧弹簧,螺杆螺纹滚道有效工作长度，应根据转向轮转至最大转角时，换算到螺母在螺杆上应移动的距离大小来决定。在此条件下，应尽量缩短滚道长度。为安全计，在有效工作长度之外的两端各增加1234圈滚道长度。转向节臂和转向摇臂用模锻制成。断面为椭圆形，这样才具有合理的强度和刚度。为了实现无间隙配合，摇臂与摇臂轴用锥形三角花键连接的居多。为保证摇臂能正确安装到摇臂轴上，应在它们的侧面做安装记号。,在转向传动机构中，杆件之间的接头用球接头结构连接的非常普遍。由于球接头工作表面摩擦而造成磨损形成的间隙应予以消除，结构不同消除间隙的方法也不同。图630a所示结构中，球头销1与球头碗2之间通过压紧弹簧3消除两者之间的间隙。其特点是弹簧轴线与拉杆轴线方向一致，弹簧必须承受沿拉杆轴线方向作用的力。图630b所示结构的特点是，弹簧轴线与球头销轴线一致，弹簧受力状况得到改善。,球头碗可以是整体式球碗或分开式球碗。有些结构采用不可拆式密封接头，见图630c，因球碗为整体式，所以工作面磨损产生间隙后没有补偿装置。,