【正文】 中南大學(xué)本科生畢業(yè)論文摘要本文以特大重型汽車為研究對(duì)象，首先介紹了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型、組成和發(fā)展歷史及趨勢(shì)?；趯?duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的技術(shù)分析和轉(zhuǎn)向性能的評(píng)價(jià)進(jìn)行了闡述，研究了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性計(jì)算分析方法、動(dòng)力轉(zhuǎn)向器匹配計(jì)算方法。還介紹了在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的選型方法。選擇適用于各種車型的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，采用液壓助力的方案，利用相關(guān)汽車設(shè)計(jì)和連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)，首先對(duì)汽車總體參數(shù)進(jìn)行選擇，接著對(duì)轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)動(dòng)力缸和分配閥進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，最后對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度校核的分析。另外還利用Solidworks軟件建立三維模型，劃分網(wǎng)格，用COSMOSWorks工具對(duì)汽車轉(zhuǎn)向軸進(jìn)行了有限元分析，綜述其理論基礎(chǔ)和分析過程，并在此基礎(chǔ)上對(duì)轉(zhuǎn)向軸性能進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)，進(jìn)一步保障了設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性。關(guān)鍵詞： 重型汽車；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；轉(zhuǎn)向器；動(dòng)力轉(zhuǎn)向；有限元分析ABSTRACTIn this paper，taking large heavyduty vehicle as the research object，first introduced the type，position，history and trends of vehicle steering system．Through analyzed the steeringsystem structure and appraised the steering performance，it has researched putational analysis methods of the steeringsystem kinematics character and suited putation methods of the power redirectors．It also introduced selecting methods of the power redirectors in the steeringsystem design．Various models used for recirculating ball steering，hydraulic power program，first of all, select the overall parameters of the heavyduty vehicle for using the knowledge of relevant car design and kinematics connecting，and then to design the Diverter and Steering linkage，and distribution of power cylinder valve design calculation，the final check its strength．Solidworks software is also used to establish threedimensional model，meshing，with COSMOSWorks tool steering axis of the finite element analysis，review and analysis of its theoretical basis，and the steering shaft on the basis of a preliminary evaluation of the performance，to further protect the design reliability of the results．Keywords：Heavyduty Vehicle。 Steeringsystem。 Diverter。 Power Steering。 Finite element analysis III第1章 緒論 車輛轉(zhuǎn)向的研究及現(xiàn)狀轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是整車系統(tǒng)中必不可少的最基本的組成系統(tǒng)，一百多年來，汽車工業(yè)隨著機(jī)械和電子技術(shù)的發(fā)展而不斷前進(jìn)。到今天，汽車已經(jīng)不是單純機(jī)械意義上的汽車了，它是機(jī)械、電子、材料等學(xué)科的綜合產(chǎn)物。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也隨著汽車工業(yè)的發(fā)展歷經(jīng)了長(zhǎng)時(shí)間的演變。隨著車速和汽車性能的不斷提高，人們?cè)絹碓街匾暺嚨陌踩阅軉栴}。汽車必須具有良好的主動(dòng)安全性。汽車的操縱穩(wěn)定性是影響其主動(dòng)安全性的主要性能之一，而汽車的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響著汽車的操縱穩(wěn)定性[1]。近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)、整車試驗(yàn)方法以及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究和發(fā)展，使得汽車操縱穩(wěn)定性的仿真分析更為全面，更接近實(shí)際使用情況。有關(guān)車輛轉(zhuǎn)向的動(dòng)力學(xué)思想始于二十世紀(jì)初期，以人們對(duì)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)輪胎側(cè)向力及產(chǎn)生側(cè)向力的輪胎側(cè)偏角的認(rèn)識(shí)為標(biāo)志。通常認(rèn)為是法國(guó)工程師喬治布勞海特在1925 年發(fā)現(xiàn)了輪胎側(cè)偏現(xiàn)象。1935年，Evans 給出了有關(guān)輪胎力學(xué)特性較為深入的結(jié)果[2]，包括輪胎側(cè)偏剛度隨著側(cè)偏角變化的規(guī)律。在隨后的幾年里，汽車操縱穩(wěn)定性理論的一些重要的基本概念，如不足轉(zhuǎn)向、過度轉(zhuǎn)向、臨界車速等已為汽車工程師所熟悉。在三十年代后期，比較有效的描述汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向的數(shù)學(xué)模型在實(shí)際中得到應(yīng)用。隨后，人們的注意力開始轉(zhuǎn)向汽車的動(dòng)態(tài)特性。大約經(jīng)過三十年的時(shí)間，在汽車瞬態(tài)響應(yīng)的分析方面才取得了顯著的成績(jī)。在六十年代前的研究主要是操縱穩(wěn)定性的開環(huán)研究，并取得了許多研究成果，詳細(xì)討論了汽車的不足轉(zhuǎn)向與過多轉(zhuǎn)向的特性；分析了保持汽車的行駛方向穩(wěn)定性條件是臨界車速必須大于汽車最高車速等。其應(yīng)用的基礎(chǔ)是經(jīng)典控制理論，依據(jù)汽車的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析，使用不足—過度轉(zhuǎn)向特性和轉(zhuǎn)向輸入的階躍響應(yīng)特性來對(duì)汽車的操縱性進(jìn)行評(píng)價(jià)[3]。七十年代初期，世界電動(dòng)車大會(huì)暨展覽會(huì)（簡(jiǎn)稱EVS）研究計(jì)劃開始實(shí)施，促使人們?nèi)パ芯繉?shí)用的操縱性設(shè)計(jì)方法。鑒于當(dāng)時(shí)的駕駛員模型仍處于提高閉環(huán)跟蹤響應(yīng)的仿真精度的水平，各國(guó)研究人員主要采用系統(tǒng)工程學(xué)的方法去探索操縱性的評(píng)價(jià)方法。依據(jù)大量的試驗(yàn)與理論分析，首先指出了穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性、瞬態(tài)響應(yīng)特性、回正特性和側(cè)向滑移特性的安全容許極限，對(duì)操縱性進(jìn)行客觀評(píng)價(jià) [4]。七十年代中后期以后，開始利用駕駛員對(duì)汽車直線行駛性能、轉(zhuǎn)彎行駛性能和轉(zhuǎn)向輕便性等特性的感覺，進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。主觀評(píng)價(jià)方法雖然沒有經(jīng)過理論推導(dǎo)，但是由于考慮了駕駛員因素和道路環(huán)境的特點(diǎn)，在一定程度上體現(xiàn)了閉環(huán)設(shè)計(jì)的思想。八十年代以來，人們從理論和試驗(yàn)兩個(gè)方面著手，重新開始深入的研究駕駛員—汽車—道路閉環(huán)系統(tǒng)。在理論方面，充分地考慮到人的學(xué)習(xí)性和適應(yīng)性，建立了許多確定性駕駛員方向控制模型，有效地仿真了駕駛員—汽車—道路閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)給定路徑的跟隨過程。在仿真評(píng)價(jià)方面，最開始從事這方面研究的是日本學(xué)者安部正人，他根據(jù)預(yù)瞄模型，提出了一個(gè)理論上預(yù)測(cè)操縱性的方法[5]。日本另一學(xué)者原田宏在這方面也作了大量的工作[6][7]，建立了以三個(gè)單項(xiàng)均方值指標(biāo)（軌道誤差、轉(zhuǎn)向盤角度、駕駛員操縱負(fù)擔(dān)）為基礎(chǔ)的綜合性能指標(biāo)，進(jìn)而對(duì)汽車參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。國(guó)內(nèi)，汽車專家郭孔輝教授在駕駛員模型、駕駛員—汽車—道路閉環(huán)系統(tǒng)特性及其閉環(huán)綜合評(píng)價(jià)方面做了大量的研究工作[8~13]。他在考慮了影響汽車操縱性的諸多因素的基礎(chǔ)上，提出了物理意義明確的各個(gè)單項(xiàng)總方差評(píng)價(jià)指標(biāo)（軌道、側(cè)向加速度、轉(zhuǎn)向盤角速度、前后輪側(cè)向力系數(shù)、路感），并且應(yīng)用頻域統(tǒng)計(jì)分析方法提出了閉環(huán)系統(tǒng)主動(dòng)安全性的綜合評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)方法，便于工程應(yīng)用。由于汽車保有量的增加和社會(huì)生活汽車化而造成交通錯(cuò)綜復(fù)雜，使轉(zhuǎn)向盤的操作頻率增大，這就要求減輕駕駛疲勞。在汽車向輕便靈活、容易駕駛的方向發(fā)展的同時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求也提到日程上來。要求其成本低，性能方面能適應(yīng)車速變化，實(shí)現(xiàn)變特性動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，并且可以與不同類型的車輛相適應(yīng)、相匹配。特大重型車輛和其它車輛相比具有一些顯著的特點(diǎn)，為保障重型車輛良好的轉(zhuǎn)向性能，必須對(duì)這些特點(diǎn)及由此引發(fā)的問題進(jìn)行專門的研究。首先，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)整車所要求的車輪轉(zhuǎn)角，這為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及動(dòng)力轉(zhuǎn)向器匹配提出了基本要求。其次，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和懸架系統(tǒng)必須有協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，這就對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了附加的要求。這兩項(xiàng)要求基本可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面進(jìn)行分析解決，而和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)的行駛穩(wěn)定性及行駛路感則必須在整車層面進(jìn)行計(jì)算分析。綜上所述，隨著我國(guó)特大重型汽車的發(fā)展，新的問題及要求不斷涌現(xiàn)，在車輛設(shè)計(jì)與開發(fā)領(lǐng)域尚存在很多的問題需要研究和解決，如何使基礎(chǔ)研究與產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐緊密結(jié)合，將研究成果最大限度地應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)過程，不斷提高重型汽車的性能水平是擺在汽車產(chǎn)品研究與開發(fā)人員面前的重要課題。 汽車轉(zhuǎn)向系的類型和組成汽車行駛過程中，經(jīng)常需要改變行駛方向，即所謂的轉(zhuǎn)向，這就需要有一套能夠按照司機(jī)意志使汽車轉(zhuǎn)向的機(jī)構(gòu)，它將司機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的動(dòng)作轉(zhuǎn)變?yōu)檐囕?通常是前輪)的偏轉(zhuǎn)動(dòng)作。這一套用來改變或恢復(fù)汽車行駛方向的專設(shè)機(jī)構(gòu)，即稱為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（俗稱汽車轉(zhuǎn)向系）。因此，汽車轉(zhuǎn)向系的功用是，保證汽車能按駕駛員的意志而進(jìn)行轉(zhuǎn)向行駛，保持或者保證汽車的行駛方向[14]。汽車轉(zhuǎn)向系可按轉(zhuǎn)向能源的不同分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系兩大類[15] [16]。完全靠駕駛員手力操縱的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)稱為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。借助動(dòng)力來操縱的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)稱為動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又可分為液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、氣壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動(dòng)助力動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源，其中所有傳力件都是機(jī)械的。機(jī)械轉(zhuǎn)向系由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成[17]。圖11 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖（1）轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)由方向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向管柱等組成，它的作用是將駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤的操縱力傳給轉(zhuǎn)向器。近年來，由于公路的改善，汽車車速的提高，許多國(guó)家都制定了嚴(yán)格的安全法規(guī)。對(duì)于轎車除要求裝有吸能式轉(zhuǎn)向盤外，而且還要求轉(zhuǎn)向柱管也必須備有緩和沖擊的吸能裝置。轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向柱管的吸能裝置有多種形式。其基本結(jié)構(gòu)原理是，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸受到巨大沖擊時(shí)，轉(zhuǎn)向軸產(chǎn)生軸向位移，使支架或某些支承件產(chǎn)生塑性變形，而吸收沖擊能量。（2）轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向器(也常稱為轉(zhuǎn)向機(jī))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。1）齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，質(zhì)量輕，剛性大，轉(zhuǎn)向靈敏，制造容易，成本低，正、逆效率都高，而且特別適于與燭式和麥弗遜式懸架配用，便于布置等優(yōu)點(diǎn)，因此，目前它在轎車和微型、輕型貨車上得到了廣泛地應(yīng)用。作為傳動(dòng)副主動(dòng)件的轉(zhuǎn)向齒輪安裝在殼體中，與水平布置的轉(zhuǎn)向齒條相嚙合。彈簧通過壓塊將齒條壓靠在齒輪上，保證無間隙嚙合。彈簧的預(yù)緊力可用調(diào)整螺栓調(diào)整。轉(zhuǎn)向器布置，在轉(zhuǎn)向齒條的中部用螺栓與轉(zhuǎn)向拉桿的托架連接，轉(zhuǎn)向左右橫拉桿的外端與轉(zhuǎn)向節(jié)臂相連。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，轉(zhuǎn)向齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使與之嚙合的齒條沿軸向移動(dòng)，從而使左右橫拉桿帶動(dòng)左右轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向。為了避免轉(zhuǎn)向輪的擺振，在該結(jié)構(gòu)中裝有轉(zhuǎn)向減振器。上述可見，采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器還可以使轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化，不需要轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向直拉桿等。這也是目前在轎車和微、輕型載貨汽車上應(yīng)用日趨廣泛的原因之一[18] [19]。2）循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式之一，一般有兩級(jí)傳動(dòng)副，第一級(jí)是螺桿螺母?jìng)鲃?dòng)副，第二級(jí)是齒條齒扇傳動(dòng)副。為了減少轉(zhuǎn)向螺桿轉(zhuǎn)向螺母之間的摩擦，二者的螺紋并不直接接觸，其間裝有多個(gè)鋼球，以實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)摩擦。轉(zhuǎn)向螺桿和螺母上都加工出斷面輪廓為兩段或三段不同心圓弧組成的近似半圓的螺旋槽。二者的螺旋槽能配合形成近似圓形斷面的螺旋管狀通道。螺母?jìng)?cè)面有兩對(duì)通孔，可將鋼球從此孔塞入螺旋形通道內(nèi)。轉(zhuǎn)向螺母外有兩根鋼球?qū)Ч埽扛鶎?dǎo)管的兩端分別插入螺母?jìng)?cè)面的一對(duì)通孔中。導(dǎo)管內(nèi)也裝滿了鋼球。這樣，兩根導(dǎo)管和螺母內(nèi)的螺旋管狀通道組合成兩條各自獨(dú)立的封閉的鋼球“流道”。轉(zhuǎn)向螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過鋼球?qū)⒘鹘o轉(zhuǎn)向螺母，螺母即沿軸向移動(dòng)。同時(shí)，在螺桿及螺母與鋼球間的摩擦力偶作用下，所有鋼球便在螺旋管狀通道內(nèi)滾動(dòng)，形成“球流”。在轉(zhuǎn)向器工作時(shí)，兩列鋼球只是在各自的封閉流道內(nèi)循環(huán)，不會(huì)脫出。3）蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副以轉(zhuǎn)向蝸桿為主動(dòng)件，其從動(dòng)件是裝在搖臂軸曲柄端部的指銷。轉(zhuǎn)向蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與之嚙合的指銷即繞搖臂軸軸線沿圓弧運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)搖臂軸轉(zhuǎn)動(dòng)。（3）轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功用是將轉(zhuǎn)向器輸出的力和運(yùn)動(dòng)傳到轉(zhuǎn)向橋兩側(cè)的轉(zhuǎn)向節(jié)，使兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，且使二轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角按一定關(guān)系變化，以保證汽車轉(zhuǎn)向時(shí)車輪與地面的相對(duì)滑動(dòng)盡可能小[20]。1）與非獨(dú)立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與非獨(dú)立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向直拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂和轉(zhuǎn)向梯形。在前橋僅為轉(zhuǎn)向橋的情況下，由轉(zhuǎn)向橫拉桿和左、右梯形臂組成的轉(zhuǎn)向梯形一般布置在前橋之后。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪處于與汽車直線行駛相應(yīng)的中立位置時(shí)，梯形臂與橫拉桿在與道路平行的平面(水平面)內(nèi)的交角＞90。在發(fā)動(dòng)機(jī)位置較低或轉(zhuǎn)向橋兼充驅(qū)動(dòng)橋的情況下，為避免運(yùn)動(dòng)干涉，往往將轉(zhuǎn)向梯形布置在前橋之前，此時(shí)上述交角＜90。若轉(zhuǎn)向搖臂不是在汽車縱向平面內(nèi)前后擺動(dòng)，而是在與道路平行的平面向左右搖動(dòng)，則可將轉(zhuǎn)向直拉桿橫置，并借球頭銷直接帶動(dòng)轉(zhuǎn)向橫拉桿，從而推使兩側(cè)梯形臂轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向搖臂是轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副與直拉桿間的傳動(dòng)件；轉(zhuǎn)向直拉桿是轉(zhuǎn)向搖臂與轉(zhuǎn)向節(jié)臂之間的傳動(dòng)桿件。在轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)而且因懸架彈性變形而相對(duì)于車架跳動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向直拉桿與轉(zhuǎn)向搖臂及轉(zhuǎn)向節(jié)臂的相對(duì)運(yùn)動(dòng)都是空間運(yùn)動(dòng)。因此，為了不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，三者之間的連接件都是球形鉸鏈。轉(zhuǎn)向橫拉桿是轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的底邊。轉(zhuǎn)向橫拉桿由橫拉桿體和旋裝在兩端的接頭組成。兩端的接頭結(jié)構(gòu)相同，其中球頭銷的尾部與梯形臂相連。上、下球頭座用聚甲醛制成，有很好的耐磨性。裝配時(shí)兩球頭座的凹凸部互相嵌合。彈簧保證兩球頭座與球頭緊密接觸，并起緩沖作用，其預(yù)緊力由螺塞調(diào)整。2）與獨(dú)立懸架配用的轉(zhuǎn)向