汽车转向系设计

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汽车驱动高速线,方向盘在中间位置转向角传动比尽量选择大些。否则,过于敏感,使司机很难准确控制方向盘的运动。转向器角传动比的曲线应选用大致在中间小而两端较大的凹曲线,如图2 - 3变化特性曲线。
其中转向盘角速度与同侧转向节偏转角速度之比,称为转向系角传动比,即
(2-1)
4 转向系有关的计算及校核
4.1 转向系主要性能参数
4.1.1转向器的效率
功率由转向轴输入,经过转向器输出,此时所得效率称为正效率,用符号表示,;
反之则称为逆效率,用符号表示,。
其中,为转向器中的摩擦功率;
为作用在齿条轴上的功率。
正效率高可以使驾驶者转动方向盘容易;一定的逆效率可以使汽车转向后方向盘能自动回正。
转向器的传动比可以改变,工作起伏不大,值得信赖,可轻易调整齿条与齿扇之间的间隙,适合当做整体式转向器。
逆效率高、结构复杂,成本高等是循环球式转向器亟需解决的一大问题。
2.1.3转向转动比
转向系的传动 = ①转向系角传动比 + ②转向系力传动比
转向器角传动比的设计,可以或大或小或者不变。主要影响选取角传动比大小条件有转向轴负荷以及对汽车的机动能力需求。
1 绪 论
对于小排量经济型汽车,还有柴油汽车造成的许多问题,例如噪声大,尾气污染等,许多地方制定并出台了许多与之相配套的限制性规定。目前这些规定与我国国情和建设节约型社会的要求不相适应。近年来,随着油价在国际市场上不断的上调,使得汽车驾驶的成本大幅度被提升,汽车不再是买不起而是开不起被消费者普遍认同。因此,该因素客观上对原来小排量汽车的限制造成巨大的冲击最终似的国家发改委取消了对小排量汽车的限制。
转向系统关系重大,它是关系到主动安全的重要系统。为了提高操纵的稳定性,ESP(电子稳定程序)、主动转向、4WS(4轮转向)相应而生。但是这些汽车转向系统也还有许多不足之处。
由于汽车转向器是汽车系统中十分关键的一个部件,它的位置在汽车系统中举足轻重,因而它的发展也能够反映出汽车工业的发展。汽车在低速行驶或车辆就位时,液压助力型转向器使得驾驶员的操作省力灵活;而在高速行驶中,则完全可以自动控制,使操作力逐步增大,实现了稳定操纵的要求。不得不说这种转向器的确有很多优点,但同样也有其不足,例如助力较小等。因此,本课题在考虑到上述要求和因素的基础上,通过研究利用转向盘的旋转从而带动传动机构的齿轮齿条实现转向轴转向,通过万向节使转向齿轮实现轴旋转,转向齿轮轴与转向齿条啮合,从而促使转向齿条能够直线运动,实现需要的转向。简化了、紧凑了转向器的结构,减小轴向尺寸,精简零件数目从而增加助力,使得汽车转向的灵敏性和稳定性得以实现。
2.1.2.机械式转向系的组成
转向操纵机构、转向器、转向传动机构结合互相作用组成机械式转向系。
(1)齿轮齿条式转向器
结构小巧、简单、传动效率高、重量轻、制造成本低、转向简单等是齿轮齿条式转向器的主要优点。
逆效率高是齿轮齿条式转向器存在的尚需解决的一大问题。主要表现是,汽车行驶在不平整的路面,转向器和路面产生冲击力,此冲击力会传递到方向盘上,影响驾驶。
3.2转向操纵机构
(1)转向操纵机构的组成
转向操纵机构有转向盘、转向柱管、万向节和转向传动轴。
(2) 转向盘
方向盘里面的骨架是由金属制成的,此种金属是钢、铝镁合金等。盘毂、辐条、盘圈组成方向盘。选取焊接或者是铸造的工艺制造方向盘,用细齿花键和螺母连接方向盘。方向盘外表具有耐热、不会出现打滑等特点。转向盘的功能:由于转向盘在司机正前方,所以发生碰撞时它是最可能伤害到司机的部件,因此转向盘需要特别注意其安全性能,当司机因发生碰撞与转向盘接触时,骨架能够产生变形,吸收一部分冲击能,减轻对司机的伤害。
采取电缆线连接转向盘的端子与组合开关的端子,电缆盘是电线卷成盘放置其内,在方向盘旋转范围内,电线卷筒伸缩自由。此种装置提高了电器装置的可依赖性。
方向盘、转向轴、转向管柱等组成转向操纵机构,它的用处是将驾驶者转动方向盘的力传给转向器。
(3)据研究数据以及实例证明,汽车对面碰到时,转向盘、转向管柱可以使驾驶者受伤。转向盘、转向管柱等有关零件在受到撞击时会出现使用摩擦等来吸收冲击力、塑性变形,能防止或者避免驾驶者受伤。
(4-1)
上式中,a为主销偏移距此处,是作用在方向盘上的力,为
(4-2)
式中:——作用在方向盘上的力矩;
——方向盘的直径。
将式(4-1)、 (4-2)代入后得到齿轮齿条式转向器。
(2)循环球式转向器
循环球式转向器是由两个传动副构成,一个传动副是螺杆和螺母组合而成的螺旋槽放置钢球构成的,另一个传动副是上齿条与上齿扇构成的。如下图所示:
图 2-2 循环球式转向器
循环球式转向器具有的优势:有一个循环球存在于螺杆和螺母之间,将滑动摩擦变为滚动摩擦,所以效率提高到75%~85%,在结构和制造过程上选取的方法包括改善工作表面粗糙度和螺旋槽的螺丝,通过淬火和磨削,使它有足够的硬度和耐磨性,能保证有足够的使用寿命。
1—套管 2—塑料销钉 3—轴
3.3转向传动机构和布置
设置转向柱来使支承转向盘牢固。传递转向盘操作的转向轴由轴承和衬套支持承担,从中穿过。转向机构需要安置吸收汽车因为碰撞而产生的冲击能的装置。
使用两个万向节连接转向轴与转向器齿轮箱,选用连轴节的原因,不仅能将转向轴的方向改变,而且可以使得转向轴能够做上下运动,来搭配转向柱的缓冲运动。
1.1 现代汽车转向装置的设计趋势 ⑴适应汽车高速行驶的需要 从多种的角度考虑,如操纵稳定性、轻便性及安全行驶,工艺方法在汽车制造中朝着更先进的方向发展,使用变速比转向器、高刚性转向器。
⑵充分考虑安全性、轻便性 随着汽车车速的提高,如何保证驾驶员和乘客的安全成了一个重要课题,所以能量吸收装置在汽车上普遍安装。 ⑶低油耗、低成本、大批量专业化生产 随着油价上涨,汽车的油耗成为人们关注的一个重要问题,因此,生产线的设计要做到低成本、低油耗以及合理化,尽可能向大批量专业化生产发展。在这方面转向器的生产表现更加突出。
当转向轴负荷小,而且没有沉重问题的影响,转向器角传动比应取比较小的,这样可以提高汽车的机动能力。
当转向轴负荷大,操作轻便影响汽车的急转弯情况,很容易出现事故,所以转向器角传动比应该选择大些。
转向器角传动比比较小时适合汽车高车速转向行驶。
图2-3 转向器角传动比变化特性曲线
2 汽车转向系设计
2.1 概述
汽车行驶过程中,需要随时按照驾驶员的一直变向,即所谓的汽车转向。汽车转向系就是一套专门用于改变汽车行驶方向的系统。
2.1.1 汽车转向系的类型
按能源形式的不同来分,汽车转向系分为动力转向系和机械式转向系两类。我设计的是小排量微型客货四座汽车,满载时作用在方向盘上的力都很小转向比较轻便,所以我选用的是机械式转向系。
图2-4齿轮齿条式变传动转向器
2.2 转向系的设计要求
转向系作用是保证方向盘的方向以及协调转向轮之间的转角关系。
对转向系统的具体要求有:
(1)汽车改变大方向时,为了汽车的安全性着想,不应该有侧滑,应该绕瞬时中心旋转,否则会使轮胎磨损严重。
(2)汽车改变方向行驶时,在驾驶者没有握住转向器时,转向盘可以返回到直线行驶的位置。
(3)在任何情况下,汽车的转向盘不能自由振动和摆动。
(4)车轮产生的摆动最小时是转向传动机构和悬架导向装置共同工作的情况,因为此时的运动不怎么协调。
(5)汽车必须具有一定的灵敏性,保证转弯的方便性。
(6)对运动进行检验,要使转向轮与转向盘转向一致。
3 转向器、转向传动操纵机构、转向传动机构
3.1 转向器
齿轮齿条式转向器作为此次设计中我选用的机构。此种机构的优点是拥有对路面状态反应灵敏,而它的缺点是经常受地面反作用力的影响,会产生摆振等现象,机构紧凑、制造方便等是齿轮齿条方式的最显著的特点。齿轮与齿条相互啮合的情况下,利用齿轮的圆周运动转变成齿条的横线运动,造成转向拉杆横向拉动车轮出现偏转现象。为了尽量避免齿轮与齿条之间的啮合间隙,保证转向盘小小的转动可以传递到车轮,增强使用的灵活性能,所以齿轮选择特殊的螺旋形状。但是齿轮啮合无需过度紧密,这样会造成需要很大的力操作方向盘。
(1)转向器的正效率
转向器的类型、结果特点、结构参数和等可能会影响转向器的正效率。
(2)转向器逆效率
由逆效率大小的不同,转向器有三种形式,分别是可逆式、极限可逆式、和不可逆式。
4.1.2传动比的变化特性
(1)转向系传动比
(2)力传动比与转向系角传动比直接存在的联系
轮胎与地面之间的转向阻力和作用在转向节上的转向阻力矩之间的关系
在汽车出现对面撞击时,为了避免转向盘向驾驶室内平移,伤害到驾驶员,采用万向节连接转向传动轴,而且布置情况适当。如图3-1所示
图3-2所示在轿车上应用的防伤安全机构。转向轴上转向轴的下部分与下转向轴上部分两个部分通过两个圆头圆柱销连接。当受到的轴向力达到一定数值时,上、下转向轴可以自由分开,这样驾驶者的安全可以达到保证。
现在的方向盘比以前相比,有了很大的改变,虽然表面上看来变化不大。因为转向助力装置的使用,方向盘外圈变减小了,但是手握处采用柔软比较粗直径的材料,使操作更容易。
如今的汽车方向盘里一般都有气囊,这样汽车驾驶就会安全多了。方向盘上安装了喇叭开关,此开关应该一直连接着车身电器线路,但是做圆周运动的转向盘和组合开关之间是不可以直接用导线连接,所以集电环装置就必须采用。集电环类似于环形的地铁轨道,喇叭开关的按钮就如同在轨道上奔跑的电车,一直保持通电的状态。因为是机械接触,触点会因长时间的使用而磨损,导致影响导电性,使得关键的时间里喇叭不灵更或是气囊不弹出。所以,近几年来装备气囊的汽车已经装用电缆盘来代替集电环。
图3-1防伤转向传动轴简图
图3-2 防伤转向轴简图
图3-3所示为联轴套管吸收冲击能量机构,套管1和轴3组成转向传动轴。汽车出现对面撞击时,轴向力受到一定的力,塑料销钉2折断,套管与轴出现一些平移,其中位于其内塑料不仅能增大摩擦阻力而且可以吸收冲击能量。
图3-3 安全联轴套管
图 2-1 机械式转向系
机械转向系的能量来源是驾驶者的手臂的力量,在其中机械承担的是传力件作用。当驾驶员向转向时,他可以将手臂的力量作用于方向盘上,力就由 方向盘传递到转向轴,再由转向轴传递到转向器,力矩在转向器放大以及减速作用下,转向横拉杆,然后转向节臂最后到转向轮,达到汽车转向的功能。
式中: ——转向盘转角增量;
——转向节转角增量;
——时间增量。
力传动比是作用在两个转向轮上的合力(轮胎接地面中心)与加在转向盘手力之比,即
(2-2)
在这里由转向器角传动比,转向传动机构角传动比所构成。转向系传动比越大,转向阻力必须克服一定的地面需要方向盘转向转矩和小,方向盘直径一定,司机需要放在方向盘上力越小。但转向系传动比过大会使转向并不敏感,为了使转向节偏转角度,所需的方向盘角太大。因此,并不是转向系传动比越大越好。转向了旋转机构的转向角比率值相对于角度的转向系统传动比小,在转向过程被削弱由于转动的转向节臂转向节臂的杠杆,这将允许方向盘在死点位置靠近方向盘变得沉重,为了解决这个问题,我们将设计使的角度转向齿轮传动比是变量,在中间位置转向角速度比很小,和两个端点位置转向角传动比较大,它可以缓解由于转动的转向节利用更少的问题。的角度转向传动比,货车是16 ~ 32,轿车到12 ~ 20。这个设计的主题迷你货车,同时具有特色商用车和乘用车特征, 所以初选其中部啮合处,两端啮合处。

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