【文章內(nèi)容簡介】 確定能滿足轉(zhuǎn)向傳動功能要求的機構結(jié)構組成； (2)機構的尺度設計，即確定能近似再現(xiàn)式 ()關系的機構運動尺寸。從系統(tǒng)和機構學角度來看，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成及其相互關系可用框 圖 表示，其中轉(zhuǎn)向機構是該系統(tǒng)的執(zhí)行機構。 圖 轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)的組成 轉(zhuǎn)向操縱機構 轉(zhuǎn)向器 輔助動力 轉(zhuǎn)向機構 ５ 兩輪轉(zhuǎn)向及其實現(xiàn)技術 [56]: 兩百年前在汽車剛剛誕生的初期，其轉(zhuǎn)向操縱是仿照馬車和自行車的轉(zhuǎn)向方式，即用一個操縱桿或手柄直接使前輪偏轉(zhuǎn)。 1817 年，德國人林肯斯潘杰 (Len Ken Sperge)發(fā)明了轉(zhuǎn)向梯形機構，并將在英國獲得的專利權轉(zhuǎn)讓給了阿克曼 (Rudolph Ackerman)?，F(xiàn)在人們常將轉(zhuǎn)向梯形的特性關系式 ()稱為阿克曼公式。 1857 年，英國的達吉恩蒸汽汽車 (Dudgeon Steamer)是首次采用方向盤的機動車輛。 1872 年蘇格蘭的查理士魯?shù)婪?(Charles Randolph)第一個把方向盤裝到煤氣發(fā)動機車輛上。 1886 年，英國的弗雷德里克斯特里克蘭 (Frederiek Strickland)及汽車制造商德雷克 (A． J． Drak)將船用轉(zhuǎn)向柱和方向盤技術應用到新式戴姆勒弗頓(Daimler Phantom)敞篷車上。 1890 年戴姆勒帕利生 (Daimlr Paririan)制成轉(zhuǎn)向柱與方向盤傾斜的第一輛汽車 。 進入 20 世紀后，相關科技的進步帶動了汽車設計技術與汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，但對于轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)的研究主要集中在轉(zhuǎn)向器的型式和轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構的尺寸優(yōu)化設計等方面，而在兩輪轉(zhuǎn)向原理以及兩輪偏轉(zhuǎn)聯(lián)動實現(xiàn)方式等方面并未有新的突破。 : (1)與非獨立懸架配用的轉(zhuǎn)向機構 1)轉(zhuǎn)向梯形后置，轉(zhuǎn)向直拉桿縱置： 如圖 (a)所示，在前橋僅為轉(zhuǎn)向橋時，由轉(zhuǎn)向橫拉桿 5 和左、右轉(zhuǎn)向梯形臂 4組成的轉(zhuǎn)向梯形一般布置在前橋之后，以避免其在轉(zhuǎn)向過程中與車輪發(fā)生干涉。解放CA14東風 EQ140 等 汽車都是采用這種轉(zhuǎn)向機構。 (a) (b) (c) 圖 與非獨立懸架配用的轉(zhuǎn)向機構 1— 轉(zhuǎn)向搖臂 2— 轉(zhuǎn)向直拉桿 3— 轉(zhuǎn)向節(jié)臂 4— 梯形臂 5— 轉(zhuǎn)向橫拉桿 2)轉(zhuǎn)向梯形前置，轉(zhuǎn)向直拉桿縱置： 在發(fā)動機較低或轉(zhuǎn)向橋兼驅(qū)動橋的情況下，為避免干涉，往往將轉(zhuǎn)向梯形布置在前橋之前，如圖 (b)所示。 3)轉(zhuǎn)向梯形前置，轉(zhuǎn)向直拉桿橫置： ６ 如圖 (c)所示，若 轉(zhuǎn)向搖臂 1不是在汽車縱向平面內(nèi)前后擺動，而是在與道路平行的平面內(nèi)左右擺動（如北京 BJ2020N 型汽車），則可將轉(zhuǎn)向直拉桿 2橫置，并借球頭銷直接帶動轉(zhuǎn)向橫拉桿 5，從而使兩側(cè)梯形臂轉(zhuǎn)動。 (2)與獨立懸架配用的轉(zhuǎn)向機構 圖 為循環(huán)球式（ BS型）轉(zhuǎn)向器配用的轉(zhuǎn)向機構，轉(zhuǎn)向搖臂 1為主動件，繞固定鉸點作往復擺動。其中圖 (a)中兩根轉(zhuǎn)向橫拉桿 4 布置在車軸的后方，形成兩段式結(jié)構，如紅旗 CA7560 型轎車即采用了這種轉(zhuǎn)向機構；圖 (b)中兩根轉(zhuǎn)向橫拉桿 4布置在車軸的前方，和轉(zhuǎn)向直拉桿 2一起構成三段式的 前置梯形結(jié)構，豐田海艾斯轎車轉(zhuǎn)向機構就采用這種布置形式。 (a) (b) 圖 與循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器配用的轉(zhuǎn)向機構 1— 轉(zhuǎn)向搖臂 2— 轉(zhuǎn)向直拉桿 3— 左轉(zhuǎn)向橫拉桿 4— 右轉(zhuǎn)向橫拉桿 5— 左梯形臂 6— 右梯形臂 7— 搖桿 8— 懸架左擺臂 9— 懸架右擺臂 (a) (b) 圖 與齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器配用的轉(zhuǎn)向機構 圖 為齒輪齒條式（ RP 型）轉(zhuǎn)向 器配用的轉(zhuǎn)向機構兩種布置形式，其中圖 (a)中轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，前置梯形，應用實例為奧迪 100 轎車；圖 (b)轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，前置梯形，在 IVECO4510型汽車中得到了應用。 前面所列僅為轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向梯形機構結(jié)合的基本形式，實際使用中尚有許多情況，限于篇幅，在此不一一列出。 : (1)汽車兩輪轉(zhuǎn)向技術雖經(jīng)歷了近兩百年的發(fā)展，但仍存在如下主要問題： ７ 兩輪轉(zhuǎn)向汽車在轉(zhuǎn)彎時，現(xiàn)有各類轉(zhuǎn)向機構均不能保證全部車輪繞瞬時中心轉(zhuǎn)動，從而在技術上難以完全消除車輛行駛中的車 輪側(cè)滑。 (2)獨立懸架汽車中的轉(zhuǎn)向梯形斷開點難以確定，這將導致了橫拉桿與懸架導向機構之間運動不協(xié)調(diào)，使汽車在行駛中易發(fā)生擺振，從而加劇輪胎磨損，轉(zhuǎn)向性能隨車 速、轉(zhuǎn)向角、路面狀態(tài)的變化而變化，車速越高，操縱穩(wěn)定性越差。 (3)在采用兩輪轉(zhuǎn)向方式時轉(zhuǎn)彎半徑較大，汽車的機動靈活性不高。隨著電子技術的不斷發(fā)展及在汽車中的應用，可以從多方面改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各種性能，但這種改善往往是局部的和微小的?；趦奢嗈D(zhuǎn)向方式的汽車轉(zhuǎn)向技術發(fā)展至今，應該說已經(jīng)到了一個頂峰，就目前的技術和經(jīng)濟性而言，兩輪轉(zhuǎn)向在性能上難以再有突破性 進展。 四輪轉(zhuǎn)向及其實現(xiàn)技術 : 鑒于兩輪轉(zhuǎn)向方式存在的諸多不足，日本于 20世紀 60年代首先提出通過四輪轉(zhuǎn)向方式來提高汽車的操縱穩(wěn)定性，到 20 世紀 80 年代末，四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)得到實際應用。1990 年，本田、馬自達、尼桑三家汽車公司首先在部分轎車上推出了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。1991 年，美國克萊斯勒和日本的三菱也推出了四輪轉(zhuǎn)向車型。 所謂四輪轉(zhuǎn)向，是指車輛行駛過程中四個車輪能同時發(fā)生偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向方式。其中后輪偏轉(zhuǎn)角一般不超過 5176。根據(jù)轉(zhuǎn)向時前、后輪偏轉(zhuǎn)方向的異同分為同向偏轉(zhuǎn)及逆向 偏轉(zhuǎn)兩類。對于行駛中的四輪汽車，當采用同向偏轉(zhuǎn)時，車身的動態(tài)偏轉(zhuǎn)減小，從而可顯著提高汽車高速行駛穩(wěn)定性；當采用逆向偏轉(zhuǎn)時，則可顯著減小汽車轉(zhuǎn)彎半徑，如圖 所示，由此增加了低速行駛的靈活性，有利于汽車的轉(zhuǎn)向調(diào)頭。因此采用四輪轉(zhuǎn)向方式時，在一定程度上提高了橫擺角速度和側(cè)向加速度的瞬態(tài)響應性能指標，如圖 所示。所以四輪轉(zhuǎn)向方式具有轉(zhuǎn)向能力強、轉(zhuǎn)向響應快、直線行駛穩(wěn)定性高、低速機動性好等優(yōu)點。 圖 2WS與 4WS轉(zhuǎn)彎半徑的比較 圖 2WS與 4WS車輛轉(zhuǎn)向特性比較 方式 : ８ 轉(zhuǎn)向的關鍵是如何將轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動量傳遞給前后轉(zhuǎn)向輪，并為轉(zhuǎn)向輪提供動力使其發(fā)生協(xié)調(diào)、聯(lián)動偏轉(zhuǎn)。本文根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動量傳遞途徑以及轉(zhuǎn)向輪動力來源的不同，對四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作如下的分類： (1)集中驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) : 當用機械傳動鏈將轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動量分別傳遞給前后輪轉(zhuǎn)向機構，從而在前后轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)量與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動量之間形成確定的機械聯(lián)系時，即屬集中驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其結(jié)構框圖如圖 所示，其中前后轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)的驅(qū)動動力來自于轉(zhuǎn)向盤以及由液壓系統(tǒng)等提供的輔助動力。 圖 集中驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構框圖 此類集中驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可進一步分為機械式和機電控制式兩種，其差異主要在后輪偏轉(zhuǎn)方向的操縱方式上。機械式集中驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有圖 中的電子控制單元虛框，前后輪的偏轉(zhuǎn)方向和偏轉(zhuǎn)角大小均由轉(zhuǎn)向盤操縱，并通過機械傳動鏈獲得確定的協(xié)調(diào)關系。這種四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構簡單，轉(zhuǎn)向特性固定，與車速無關。對于機電控制式集中驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，后輪偏轉(zhuǎn)角大小由轉(zhuǎn)向盤操縱，而后輪偏轉(zhuǎn)方向則根據(jù)傳感器獲取的前輪偏轉(zhuǎn)方向與角度以及車速信息由控制單元確定。集中驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的制造 成本較低，但當傳動鏈零件磨損后不能精確保證前后輪轉(zhuǎn)角大小關系。 (2)分散驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) : 圖 分散驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構框圖 在圖 所示分散驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，前輪轉(zhuǎn)向動力由轉(zhuǎn)向盤直接提供，前轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)方向及偏轉(zhuǎn)量與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動量之間通過機械傳動鏈形成確定關系；后轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向盤 后轉(zhuǎn)向輪 后輪轉(zhuǎn)向機構 前輪轉(zhuǎn)向 機構 后輪轉(zhuǎn)向器 前轉(zhuǎn)向輪 前輪轉(zhuǎn)向器 轉(zhuǎn)向盤 后輪轉(zhuǎn)向器 前轉(zhuǎn)向輪 前輪轉(zhuǎn)向機構 前輪轉(zhuǎn)向器 傳感器獲取的轉(zhuǎn)角信息 傳感器獲取的其他信息 電子控制單元 電子控制單元 后轉(zhuǎn)向輪 后輪轉(zhuǎn)向動力 后輪轉(zhuǎn)向機構 ９ 偏轉(zhuǎn)的操縱由專門的液壓系統(tǒng)或電動機提供動力，至于后輪偏轉(zhuǎn)方向及偏轉(zhuǎn)量則根據(jù)傳感器獲取的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)角信息以及車速等其他信息由控制單元綜合確定。 分散驅(qū)動四輪轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)的基本特征在于：前后轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)的驅(qū)動動力是分開的，前后轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)方向和偏轉(zhuǎn)角度之間不是靠機械傳動鏈形成固定的聯(lián)系，而是靠電子控制系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)預設關系，因此后輪轉(zhuǎn)向控制靈活、方便，能夠獲得更加精確和復雜的轉(zhuǎn)向特性。 : 對 4WS 轉(zhuǎn)向技術的研究主要表現(xiàn)在硬件技術和軟件技術兩個方面。硬件技術的發(fā)展體現(xiàn)在如何采用新材料、新工藝、新結(jié)構等來更好地發(fā)揮出四輪轉(zhuǎn)向的優(yōu)勢，更好地實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所預定的目標；研究和開發(fā)高靈敏度、高精度、低成本的傳感器和控制系統(tǒng)，為 4WS 系統(tǒng)的具體應 用提供可靠成熟的技術條件。 目前，四輪轉(zhuǎn)向技術研究的潮流主要表現(xiàn)在對控制理論等軟件技術的研究上。將最先進的控制理論與控制方法不斷應用于 4WS 控制器的開發(fā)中，同時將人的因素考慮到操縱控制中去，研究由駕駛員、車輛和行駛環(huán)境所構成的閉環(huán)系統(tǒng)。盡管目前科研人員從結(jié)構到控制原理上對四輪轉(zhuǎn)向進行了大量的研究，但尚未取得突破性進展，四輪轉(zhuǎn)向技術還沒有真正地步入全面推廣階段。其主要原因在于盡管四輪轉(zhuǎn)向車的一些開環(huán)指標有較大程度的改善，但是對其進行主觀評價的效果并不理想。這就要求從主觀評價出發(fā)，考慮閉環(huán)綜合性能指標，即將人 — 車 — 路看成一個系統(tǒng)，建立合理、可行的閉環(huán)性能評價體系，實現(xiàn)主觀評價與客觀評價的統(tǒng)一。另外，還要把四輪轉(zhuǎn)向技術與其他主動安全技術 (如 ABS、 ASR、 VDC等 )相結(jié)合，獲得更高的車輛主動安全性。 設計的預期成果 本次設計，我將取得如下成果： 設計說明書： (1)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器各零件的結(jié)構； (2)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器主要參數(shù)的選擇與優(yōu)化； (3)齒輪軸的設計計算； (4)調(diào)整彈簧的設計計算； (5)軸承的選擇。 圖紙有：齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向齒輪、轉(zhuǎn)向齒條、轉(zhuǎn)向蝸桿箱、齒條襯套套管、轉(zhuǎn)向拉桿、萬向傳動節(jié)、 齒條支撐、調(diào)整螺塞。 １ ０ 第 2 章 設計方案的選擇 轉(zhuǎn)向器類型的選擇 汽車轉(zhuǎn)向系可按轉(zhuǎn)向能源的不同分為機械式轉(zhuǎn)向系和動力轉(zhuǎn)向系兩大類。汽車轉(zhuǎn)向器是用來保持或改變汽車行駛方向的機構，在汽車轉(zhuǎn)向行駛時，還要保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關系。駕駛員通過操縱轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使汽車保持直線或轉(zhuǎn)彎運動狀態(tài)，或者上述兩種運動狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換。 機械轉(zhuǎn)向系的能量來源是人力，所有傳力件都是機械的，由轉(zhuǎn)向操縱機構、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動機構三大部分組成。其中轉(zhuǎn)向器是將操縱機構的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)閭鲃訖C構的直線運動的機構，是轉(zhuǎn)向系的 核心部件。 轉(zhuǎn)向器按結(jié)構形式可分為多種類型。歷史上曾出現(xiàn)過許多種形式的轉(zhuǎn)向器，目前較常用的有齒輪齒條式、蝸桿曲柄指銷式、循環(huán)球 齒條齒扇式、循環(huán)球曲柄指銷式、蝸桿滾輪式等。其中第二、第四種分別是第一、第三種的變形形式，而蝸桿滾輪式則更少見。如果按照助力形式，又可以分為機械式 (無助力 )，和動力式 (有助力 )兩種，其中動力轉(zhuǎn)向器又可以分為氣壓動力式、液壓動力式、電動助力式、電液助力式等種類 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 [79]: 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器是一種最常見的轉(zhuǎn)向器，其基本結(jié)構是一對相互嚙合的小齒輪和齒條。轉(zhuǎn)向軸帶 動小齒輪旋轉(zhuǎn)時，齒條便做直線運動。有時，靠齒條來直接帶動橫拉桿，就可使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向。所以這是一種最簡單的轉(zhuǎn)向器。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器可分為兩端輸出式和中間（或單端）輸出式兩種。 優(yōu)點：結(jié)構簡單、緊湊；殼體由鋁合金或鎂合金壓鑄而成，故質(zhì)量比較小；傳動效率高達 90%；齒輪齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙后，可利用裝在齒條背部、靠近小齒輪的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧自動消除齒間間隙，在提高系統(tǒng)剛度的同時也可防止工作時產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用體積小；沒有轉(zhuǎn)向搖臂和橫拉桿，可以增大轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；制造成本低。 缺點：逆效率高，汽車在不平路面 行使時會出現(xiàn)汽車方向控制難度增加還有可能出現(xiàn)打手現(xiàn)象。 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器 : １１ 這種轉(zhuǎn)向裝置是由齒輪機構將來自轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)力進行減速，使轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)闇u輪蝸桿的旋轉(zhuǎn)運動，滾珠螺桿和螺母夾著鋼球嚙合，因而滾珠螺桿的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，螺母再與扇形齒輪嚙合，直線運動再次變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，使連桿臂搖動，連桿臂再使連動拉桿和橫拉桿作直線運動，改變車輪的方向。這是一種古典的機構，現(xiàn)代轎車已大多不再使用，但又被最新方式的助力轉(zhuǎn)向裝置所應用。它的原理相當于利用了螺母與螺栓在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的相對移動，而在螺紋與螺紋之間夾入了 鋼球以減小阻力，所以鋼球在一個首尾相連的封閉的螺旋曲線內(nèi)循環(huán)滾動，循環(huán)球式故而得名。 優(yōu)點：在螺桿和螺母之間有可以循環(huán)流動的鋼球，將滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，傳動效率可達 75%85%；轉(zhuǎn)向器傳動比可以變化；工作平穩(wěn)