【文章內容簡介】 確定能滿足轉向傳動功能要求的機構結構組成； (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，轉向系統(tǒng)的組成及其相互關系可用框 圖 表示，其中轉向機構是該系統(tǒng)的執(zhí)行機構。 圖 轉向傳動系統(tǒng)的組成 轉向操縱機構 轉向器 輔助動力 轉向機構 ５ 兩輪轉向及其實現(xiàn)技術 [56]: 兩百年前在汽車剛剛誕生的初期，其轉向操縱是仿照馬車和自行車的轉向方式，即用一個操縱桿或手柄直接使前輪偏轉。 1817 年，德國人林肯斯潘杰 (Len Ken Sperge)發(fā)明了轉向梯形機構，并將在英國獲得的專利權轉讓給了阿克曼 (Rudolph Ackerman)?，F(xiàn)在人們常將轉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，但對于轉向傳動系統(tǒng)的研究主要集中在轉向器的型式和轉向執(zhí)行機構的尺寸優(yōu)化設計等方面，而在兩輪轉向原理以及兩輪偏轉聯(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向機構 1)轉向梯形后置，轉向直拉桿縱置： 如圖 (a)所示，在前橋僅為轉向橋時，由轉向橫拉桿 5 和左、右轉向梯形臂 4組成的轉向梯形一般布置在前橋之后，以避免其在轉向過程中與車輪發(fā)生干涉。解放CA14東風 EQ140 等 汽車都是采用這種轉向機構。 (a) (b) (c) 圖 與非獨立懸架配用的轉向機構 1— 轉向搖臂 2— 轉向直拉桿 3— 轉向節(jié)臂 4— 梯形臂 5— 轉向橫拉桿 2)轉向梯形前置，轉向直拉桿縱置： 在發(fā)動機較低或轉向橋兼驅動橋的情況下，為避免干涉，往往將轉向梯形布置在前橋之前，如圖 (b)所示。 3)轉向梯形前置，轉向直拉桿橫置： ６ 如圖 (c)所示，若 轉向搖臂 1不是在汽車縱向平面內前后擺動，而是在與道路平行的平面內左右擺動（如北京 BJ2020N 型汽車），則可將轉向直拉桿 2橫置，并借球頭銷直接帶動轉向橫拉桿 5，從而使兩側梯形臂轉動。 (2)與獨立懸架配用的轉向機構 圖 為循環(huán)球式（ BS型）轉向器配用的轉向機構，轉向搖臂 1為主動件，繞固定鉸點作往復擺動。其中圖 (a)中兩根轉向橫拉桿 4 布置在車軸的后方，形成兩段式結構，如紅旗 CA7560 型轎車即采用了這種轉向機構；圖 (b)中兩根轉向橫拉桿 4布置在車軸的前方，和轉向直拉桿 2一起構成三段式的 前置梯形結構，豐田海艾斯轎車轉向機構就采用這種布置形式。 (a) (b) 圖 與循環(huán)球式轉向器配用的轉向機構 1— 轉向搖臂 2— 轉向直拉桿 3— 左轉向橫拉桿 4— 右轉向橫拉桿 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 與齒輪齒條式轉向器配用的轉向機構 圖 為齒輪齒條式（ RP 型）轉向 器配用的轉向機構兩種布置形式，其中圖 (a)中轉向器位于前軸后方，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。 前面所列僅為轉向器和轉向梯形機構結合的基本形式，實際使用中尚有許多情況，限于篇幅，在此不一一列出。 : (1)汽車兩輪轉向技術雖經歷了近兩百年的發(fā)展，但仍存在如下主要問題： ７ 兩輪轉向汽車在轉彎時，現(xiàn)有各類轉向機構均不能保證全部車輪繞瞬時中心轉動，從而在技術上難以完全消除車輛行駛中的車 輪側滑。 (2)獨立懸架汽車中的轉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，使汽車在行駛中易發(fā)生擺振，從而加劇輪胎磨損，轉向性能隨車 速、轉向角、路面狀態(tài)的變化而變化，車速越高，操縱穩(wěn)定性越差。 (3)在采用兩輪轉向方式時轉彎半徑較大，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向方式的汽車轉向技術發(fā)展至今，應該說已經到了一個頂峰，就目前的技術和經濟性而言，兩輪轉向在性能上難以再有突破性 進展。 四輪轉向及其實現(xiàn)技術 : 鑒于兩輪轉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向車型。 所謂四輪轉向，是指車輛行駛過程中四個車輪能同時發(fā)生偏轉的轉向方式。其中后輪偏轉角一般不超過 5176。根據(jù)轉向時前、后輪偏轉方向的異同分為同向偏轉及逆向 偏轉兩類。對于行駛中的四輪汽車，當采用同向偏轉時，車身的動態(tài)偏轉減小，從而可顯著提高汽車高速行駛穩(wěn)定性；當采用逆向偏轉時，則可顯著減小汽車轉彎半徑，如圖 所示，由此增加了低速行駛的靈活性，有利于汽車的轉向調頭。因此采用四輪轉向方式時，在一定程度上提高了橫擺角速度和側向加速度的瞬態(tài)響應性能指標，如圖 所示。所以四輪轉向方式具有轉向能力強、轉向響應快、直線行駛穩(wěn)定性高、低速機動性好等優(yōu)點。 圖 2WS與 4WS轉彎半徑的比較 圖 2WS與 4WS車輛轉向特性比較 方式 : ８ 轉向的關鍵是如何將轉向盤的轉動量傳遞給前后轉向輪，并為轉向輪提供動力使其發(fā)生協(xié)調、聯(lián)動偏轉。本文根據(jù)轉向盤轉動量傳遞途徑以及轉向輪動力來源的不同，對四輪轉向系統(tǒng)作如下的分類： (1)集中驅動四輪轉向系統(tǒng) : 當用機械傳動鏈將轉向盤的轉動量分別傳遞給前后輪轉向機構，從而在前后轉向輪偏轉量與轉向盤的轉動量之間形成確定的機械聯(lián)系時，即屬集中驅動四輪轉向系統(tǒng)。其結構框圖如圖 所示，其中前后轉向輪偏轉的驅動動力來自于轉向盤以及由液壓系統(tǒng)等提供的輔助動力。 圖 集中驅動四輪轉向系統(tǒng)結構框圖 此類集中驅動轉向系統(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方向的操縱方式上。機械式集中驅動四輪轉向系統(tǒng)沒有圖 中的電子控制單元虛框，前后輪的偏轉方向和偏轉角大小均由轉向盤操縱，并通過機械傳動鏈獲得確定的協(xié)調關系。這種四輪轉向系統(tǒng)結構簡單，轉向特性固定，與車速無關。對于機電控制式集中驅動四輪轉向系統(tǒng)，后輪偏轉角大小由轉向盤操縱，而后輪偏轉方向則根據(jù)傳感器獲取的前輪偏轉方向與角度以及車速信息由控制單元確定。集中驅動四輪轉向系統(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角大小關系。 (2)分散驅動四輪轉向系統(tǒng) : 圖 分散驅動四輪轉向系統(tǒng)結構框圖 在圖 所示分散驅動四輪轉向系統(tǒng)中，前輪轉向動力由轉向盤直接提供，前轉向輪偏轉方向及偏轉量與轉向盤轉動量之間通過機械傳動鏈形成確定關系；后轉向輪轉向盤 后轉向輪 后輪轉向機構 前輪轉向 機構 后輪轉向器 前轉向輪 前輪轉向器 轉向盤 后輪轉向器 前轉向輪 前輪轉向機構 前輪轉向器 傳感器獲取的轉角信息 傳感器獲取的其他信息 電子控制單元 電子控制單元 后轉向輪 后輪轉向動力 后輪轉向機構 ９ 偏轉的操縱由專門的液壓系統(tǒng)或電動機提供動力，至于后輪偏轉方向及偏轉量則根據(jù)傳感器獲取的轉向盤轉動方向與轉角信息以及車速等其他信息由控制單元綜合確定。 分散驅動四輪轉 向系統(tǒng)的基本特征在于：前后轉向輪偏轉的驅動動力是分開的，前后轉向輪偏轉方向和偏轉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)調控制實現(xiàn)預設關系，因此后輪轉向控制靈活、方便，能夠獲得更加精確和復雜的轉向特性。 : 對 4WS 轉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、新結構等來更好地發(fā)揮出四輪轉向的優(yōu)勢，更好地實現(xiàn)四輪轉向系統(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構到控制原理上對四輪轉向進行了大量的研究，但尚未取得突破性進展，四輪轉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，還要把四輪轉向技術與其他主動安全技術 (如 ABS、 ASR、 VDC等 )相結合，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)齒輪齒條式轉向器各零件的結構； (2)齒輪齒條式轉向器主要參數(shù)的選擇與優(yōu)化； (3)齒輪軸的設計計算； (4)調整彈簧的設計計算； (5)軸承的選擇。 圖紙有：齒輪齒條式轉向器、轉向齒輪、轉向齒條、轉向蝸桿箱、齒條襯套套管、轉向拉桿、萬向傳動節(jié)、 齒條支撐、調整螺塞。 １ ０ 第 2 章 設計方案的選擇 轉向器類型的選擇 汽車轉向系可按轉向能源的不同分為機械式轉向系和動力轉向系兩大類。汽車轉向器是用來保持或改變汽車行駛方向的機構，在汽車轉向行駛時，還要保證各轉向輪之間有協(xié)調的轉角關系。駕駛員通過操縱轉向系統(tǒng)，使汽車保持直線或轉彎運動狀態(tài)，或者上述兩種運動狀態(tài)相互轉換。 機械轉向系的能量來源是人力，所有傳力件都是機械的，由轉向操縱機構、轉向器、轉向傳動機構三大部分組成。其中轉向器是將操縱機構的旋轉運動變?yōu)閭鲃訖C構的直線運動的機構，是轉向系的 核心部件。 轉向器按結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 齒輪齒條式轉向器 [79]: 齒輪齒條式轉向器是一種最常見的轉向器，其基本結構是一對相互嚙合的小齒輪和齒條。轉向軸帶 動小齒輪旋轉時，齒條便做直線運動。有時，靠齒條來直接帶動橫拉桿，就可使轉向輪轉向。所以這是一種最簡單的轉向器。齒輪齒條式轉向器可分為兩端輸出式和中間（或單端）輸出式兩種。 優(yōu)點：結構簡單、緊湊；殼體由鋁合金或鎂合金壓鑄而成，故質量比較??；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生沖擊和噪聲；轉向器占用體積小；沒有轉向搖臂和橫拉桿，可以增大轉向輪轉角；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)球式轉向器 : １１ 這種轉向裝置是由齒輪機構將來自轉向盤的旋轉力進行減速，使轉向盤的旋轉運動變?yōu)闇u輪蝸桿的旋轉運動，滾珠螺桿和螺母夾著鋼球嚙合，因而滾珠螺桿的旋轉運動變?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向裝置所應用。它的原理相當于利用了螺母與螺栓在旋轉過程中產生的相對移動，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，將滑動摩擦轉變?yōu)闈L動摩擦，傳動效率可達 75%85%；轉向器傳動比可以變化；工作平穩(wěn)