【正文】 ............................. 45 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要部件三維 建模 ............................................................ 45 結(jié)論 .......................................................................................................................................... 49 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 50 致 謝 ........................................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 附錄 基于 Matlab的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)程序 ....................................................................... 52 廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 1 緒論 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述 汽車在行駛的過(guò)程中 ,需按駕駛員的意志改變其行駛方向。就輪式汽車而言 ,實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的方法是 , 駕駛員通過(guò)一套專設(shè)的機(jī)構(gòu) ,使汽車轉(zhuǎn)向橋 (一般是前橋 )上的車輪 (轉(zhuǎn)向輪 )相對(duì)于汽車縱橫線偏轉(zhuǎn)一定角度。這一套用來(lái)改變或恢復(fù)汽車行駛方向的專設(shè)機(jī)構(gòu) 如圖 所示 ，即稱為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng) [1]。 圖 11 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為兩大類：機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 機(jī)械轉(zhuǎn)向系的能量來(lái)源是人力，所有傳力件都是機(jī)械的，由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu) (方向盤 )、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。 汽車的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)是由駕駛員操縱方向盤，通過(guò)轉(zhuǎn)向器和一系列的桿件傳遞到轉(zhuǎn)向輪來(lái)完成的。機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作過(guò)程為：駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤施加的轉(zhuǎn)向力矩通過(guò)轉(zhuǎn)向軸輸入轉(zhuǎn)向器，減速傳動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)向器中有 2 級(jí)減速傳動(dòng)副，經(jīng)轉(zhuǎn)向器放大后的力矩和減速后的運(yùn)動(dòng)傳到轉(zhuǎn)向橫拉桿，再傳給固定于轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向節(jié)臂，使轉(zhuǎn)向節(jié)和它所支承的轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向器形式可以分為：齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式。 廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)除了轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu) (方向盤 )、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分外，其最主要的動(dòng)力來(lái)源是轉(zhuǎn)向助力裝置。由于轉(zhuǎn)向助力裝置最常用的是一套液壓系統(tǒng)，因此也就離不開(kāi)泵、油管、閥、活塞和儲(chǔ)油罐，它們分別相當(dāng)于電路系統(tǒng)中的電池、導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)、電機(jī)和地線的作用。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系的發(fā)展經(jīng)過(guò)幾個(gè)階段，各個(gè)階段也有不同的動(dòng)力輔助系統(tǒng)。 20 世紀(jì) 50 年代 ， 美國(guó) GM 公司率先在 轎車上采用了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)是建立在機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上， 額外增加了一個(gè)液壓系統(tǒng)。為液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) (HPS)。 1983 年 ， 在液壓助力系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā) 展 起來(lái)的 ， 日本 Koyo 公司推出了具備車 速感應(yīng)功能的電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ EHPS）。 1988 年日本 Suzuki 公司首先在小型轎車 Cervo 上配備了 Koyo 公司研發(fā)的轉(zhuǎn)向柱助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 1990 年日本 Honda 公司也在運(yùn)動(dòng)型轎車 NSX 上采用了自主研發(fā)的齒條助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) ， 也就是現(xiàn)在應(yīng)用車型極為廣泛的 EPS 系統(tǒng)。 SBW 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是繼 EPS 后發(fā)展起來(lái)的新一代轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，具有比 EPS 操縱穩(wěn)定性更好的特點(diǎn)，它取消轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，完全由電能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，徹底擺脫傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所固有的限制，提高了汽車的安全性和駕駛的方便性 [1]。 汽車轉(zhuǎn)向 系統(tǒng) 的 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及 發(fā)展趨勢(shì) 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 、 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 3 個(gè)基本階段 , 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為其發(fā)展趨勢(shì) [1]。 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)也有很大變化。汽車轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)很多，從目前使用的普遍程度來(lái)看，主要的轉(zhuǎn)向器類型有 4 種：有蝸桿銷式 (WP 型 )、蝸桿滾輪式 (WR 型 )、循環(huán)球式 (BS 型 )、齒條齒輪式 (BP 型 )， 這四種轉(zhuǎn)向器型式，已經(jīng)被廣泛使用在汽車上。 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在世界發(fā)展?fàn)顩r 據(jù)了解，在世界范圍內(nèi)，汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占 45%左右，齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器占40%左右，蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器占 10%左右，其它型式的轉(zhuǎn)向器占 5%。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器一直在穩(wěn)步發(fā)展 [1]。在西歐小客車中，齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器有很大的發(fā)展。日本汽車轉(zhuǎn)向器的特點(diǎn)是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占的比重越來(lái)越大，日本裝備不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的各類型汽廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3 車，采用不同類型轉(zhuǎn)向器，在公共汽車中使用的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，已由 60 年代的62． 5%，發(fā)展到現(xiàn)今的 100%了 (蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器在公共汽車上已經(jīng)被淘汰 )。大、小型貨車大都采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，但齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器也有所發(fā)展。微型貨車用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占 65%，齒條齒輪式占 35%[1]。 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó)的轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)，除早期投產(chǎn)的解放牌汽車用蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器，東風(fēng)汽車用蝸桿肖式轉(zhuǎn)向器之外，其它大部分車型都采用循環(huán)球式結(jié)構(gòu)，并都具有一定的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。目前解放、東風(fēng)也都在積極發(fā)展循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，并已在第二代換型車上普遍采用了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。由此看出，我國(guó)的轉(zhuǎn)向器也在向大量生產(chǎn)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器發(fā)展 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器 ，已成為當(dāng)今世界汽車上主要的兩種轉(zhuǎn)向器；而蝸輪 —蝸桿式轉(zhuǎn)向器和蝸桿銷式轉(zhuǎn)向器，正在逐步被淘汰或保 留較小的地位。 在小客車上發(fā)展轉(zhuǎn)向器的觀點(diǎn)各異，美國(guó)和日本重點(diǎn)發(fā)展循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，比率都已達(dá)到或超過(guò) 90%；西歐則重點(diǎn)發(fā)展齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，比率超過(guò) 50%，法國(guó)已高達(dá) 95%[1]。 由于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的種種優(yōu)點(diǎn)，在小型車上的應(yīng)用 (包括小客車、小型貨車或客貨兩用車 )得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展；而大型車輛則以循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器為主要結(jié)構(gòu)。 從發(fā)展趨勢(shì)上看，國(guó)外整體式轉(zhuǎn)向器發(fā)展較快，而整體式轉(zhuǎn)向器中轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展的方向。由于動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還是新的結(jié)構(gòu)，各國(guó)的生產(chǎn)廠家都正在組織力量，大力開(kāi)展試驗(yàn)研究工作，提高使用性能、減小 總成體積、降低生產(chǎn)成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，以便逐步推廣和普及。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的變化對(duì)汽車乃至汽車轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)都有很大影響。特別是西方國(guó)家實(shí)行石油禁運(yùn)以來(lái)，世界經(jīng)濟(jì)形勢(shì)受沖擊很大。隨著能源危機(jī)的發(fā)展，汽車工業(yè)首當(dāng)其沖，其發(fā)展方向有很大變化。從汽車設(shè)計(jì)、制造到各總成部件的生產(chǎn)都隨著能源危機(jī)的發(fā)生而變化，表現(xiàn)在能源消耗、材料消耗、操縱輕便等各個(gè)方面。 研究?jī)?nèi)容 及論文構(gòu)成 本課題主要研究機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能及構(gòu)成，主要從轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向器部分和廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)部分作分析研究。 轉(zhuǎn)向器 設(shè)計(jì) 部分：以齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器作為中心，分析其效率、齒輪軸和齒條的設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)校核、其他一些組件的設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)件選取。 轉(zhuǎn)向梯形 機(jī)構(gòu) 部分：以整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)作為中心 ，對(duì)阿克曼 (Ackerman)理論轉(zhuǎn)向特性了解的基礎(chǔ)上，對(duì)轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析。用計(jì)算機(jī)工具對(duì) 轉(zhuǎn)向梯形進(jìn)行設(shè)計(jì)，校核。 并根據(jù)所得的結(jié)果對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸作設(shè)計(jì)。 廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 2 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能要求及參數(shù) 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 轉(zhuǎn)向系是用來(lái)保持或者改變汽車行使方向的機(jī)構(gòu)，一般轉(zhuǎn)向系組成如下圖 [2]包括轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向上、下 軸、）、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)）等。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)準(zhǔn)確 、 快速、平穩(wěn)地響應(yīng)駕駛員的轉(zhuǎn)向指令，轉(zhuǎn)向行使后或受到外界擾動(dòng)時(shí)，在駕駛員松開(kāi)方向盤的狀態(tài)下，應(yīng)保證汽車自動(dòng)返回穩(wěn)定的直線行使?fàn)顟B(tài)。 圖 12 轉(zhuǎn)向系的基本構(gòu)成 1方向盤； 2轉(zhuǎn)向上軸； 3托架； 4萬(wàn)向節(jié)； 5轉(zhuǎn)向下軸； 6防塵罩 ； 7轉(zhuǎn)向器 ； 8轉(zhuǎn)向拉桿 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向盤，轉(zhuǎn)向軸，轉(zhuǎn)向管柱。有時(shí)為了布置方便，減小由于裝配位置誤差及部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的附加載荷，提高汽車正面碰撞的安全性以及便于拆裝，在 轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向器的輸入端之間安裝轉(zhuǎn)向萬(wàn)向節(jié)，采用柔性萬(wàn)向節(jié)可減少傳至轉(zhuǎn)向軸上的振動(dòng)，但柔性萬(wàn)向節(jié)如果過(guò)軟，則會(huì)影響轉(zhuǎn)向系的剛度。采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)，還應(yīng)有轉(zhuǎn)向動(dòng)力系統(tǒng)。 廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向臂、轉(zhuǎn)向縱拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向梯形臂以及轉(zhuǎn)向橫拉桿等。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于把轉(zhuǎn)向器輸出的力和運(yùn)動(dòng)傳給左、右轉(zhuǎn)向節(jié)并使左、右轉(zhuǎn)向輪按一定關(guān)系進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。 轉(zhuǎn)向器 轉(zhuǎn)向器是完成由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng) (或近似直線運(yùn)動(dòng) )的一組齒輪機(jī)構(gòu)，同時(shí)也是轉(zhuǎn)向系中的減速傳動(dòng)裝置。 目前較常用的有齒輪齒條式、循環(huán)球曲柄指銷式、蝸桿曲柄 指銷式、循環(huán)球 齒條齒扇式、蝸桿滾輪式等。 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能要求 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用于改變或保持汽車行駛方向的專門機(jī)構(gòu)。起作用是使汽車在行駛過(guò)程中能按照駕駛員的操縱要求而適時(shí)地改變其行駛方向，并在受到路面?zhèn)鱽?lái)的偶然沖擊及汽車意外地偏離行駛方向時(shí)，能與行駛系統(tǒng)配合共同保持汽車?yán)^續(xù)穩(wěn)定行駛。因此，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能直接影響著汽車的操縱穩(wěn)定性和安全性。 一般來(lái)說(shuō)，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求如下： 合理設(shè)置傳動(dòng)比，使操縱輕便，轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比包括轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比（方向盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角之比）和轉(zhuǎn)向系的力傳動(dòng)比。在轉(zhuǎn)向盤尺寸和 轉(zhuǎn)向輪阻力一定時(shí)，角傳動(dòng)比增加，則轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向靈敏度降低；角傳動(dòng)比減小，則轉(zhuǎn)向沉重，轉(zhuǎn)向靈敏度提高。轉(zhuǎn)向角傳動(dòng)比不宜低于 1516；也不宜過(guò)大，通常以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)和轉(zhuǎn)向輕便性來(lái)確定。一般來(lái)說(shuō)，轎車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)不宜大于 4圈，對(duì)轎車來(lái)說(shuō)，有動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向力約為 2050N；無(wú)動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)為 50100N[3]。 轉(zhuǎn)向輪應(yīng)具有自動(dòng)回正能力。轉(zhuǎn)向輪的回正力來(lái)源于輪胎的側(cè)偏特性和車輪的定位參數(shù)。汽車的穩(wěn)定行使，必須保證有合適的前輪定位參數(shù)，并注意控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的內(nèi)部摩擦阻力的大小和阻尼值。 轉(zhuǎn)向桿系和懸架 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)共同作用時(shí)，必須盡量減小其運(yùn)動(dòng)干涉。應(yīng)從設(shè)計(jì)上保證各桿系的運(yùn)動(dòng)干涉足夠小。 轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的球頭處，應(yīng)有消除因磨損而產(chǎn)生的間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)以及提高轉(zhuǎn)向系的可靠性。 轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤應(yīng)有使駕駛員在車禍中避免或減輕傷害的防傷機(jī)構(gòu)。 廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 汽車在作轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，所以車輪應(yīng)繞同一瞬心旋轉(zhuǎn)，不得有側(cè)滑；同時(shí)，轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。 當(dāng)轉(zhuǎn)向輪受到地面沖擊時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞到方向盤上的反沖力要盡可能小 在任何行使?fàn)顟B(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不應(yīng)產(chǎn)生擺振。 保證轎車有較高的機(jī)動(dòng)性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力。 機(jī)動(dòng)性是通過(guò)汽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑來(lái)體現(xiàn)的，而最小轉(zhuǎn)彎半徑由內(nèi)轉(zhuǎn)向車輪的極限轉(zhuǎn)角、汽車的軸距、主銷偏移距決定的，一般的極限轉(zhuǎn)角越大，軸距和主銷偏移距越小，則最小轉(zhuǎn)彎半徑越小。 合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向梯形。轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)外車輪間的轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)關(guān)系是通過(guò)合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向梯形來(lái)保證的。對(duì)于采用齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向系來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角間的協(xié)調(diào)關(guān)系是通過(guò)合理選擇小齒輪與齒條的參數(shù)、合理布置小齒輪與齒條的相對(duì)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而且前置轉(zhuǎn)向梯形和后置轉(zhuǎn)向梯形恰恰相反。轉(zhuǎn)向系的間隙主要是通過(guò)各球頭皮碗和轉(zhuǎn)向器的調(diào)隙機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)整的。合理的選擇轉(zhuǎn)向 梯形的斷開(kāi)點(diǎn)可以減小轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干涉。 轉(zhuǎn)向系的效率 功率 P1 從轉(zhuǎn)向軸輸入，經(jīng)轉(zhuǎn)向搖臂軸輸出所求得的效率稱為轉(zhuǎn)向器的正效率， 符號(hào) η+表示，反之稱為逆效率，用符號(hào) η表示。 正效率 η+計(jì)算公式： 121PPP???? () 逆效率 η計(jì)算公式： 323 P PP ???? () 式中， P1 為作用在轉(zhuǎn)向軸上的功率； P2 為轉(zhuǎn)向器中的磨擦功率； P3 為作用在轉(zhuǎn)向搖臂軸上的功率。 正效率高，轉(zhuǎn)向輕便；轉(zhuǎn)向器應(yīng)具有一定逆效率，以保證轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤的自動(dòng)返回能力。但為了減小傳至轉(zhuǎn)向盤上的路面沖擊力，防止打手，又要求此逆效率盡可能低。 影響轉(zhuǎn)向器正效率的因素有轉(zhuǎn)向器的類型、