柴油動力SUV車設(shè)計 --轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、前懸架設(shè)計
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車輛與動力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書
第一章 前 言
SUV的全稱為：Sports Utility Vehicle，即“運動型多功能車”。 SUV起源于美國，同樣在近年美國市場繁榮景象并不多見，但在中國進(jìn)行了初步發(fā)展。SUV是越野兼城市性汽車，極其符合現(xiàn)代年輕人追求強烈個性的心態(tài)。SUV能適應(yīng)各種路況，而且性價格比也相對較高，十分符合中國年輕一代的消費需求。
同時對照國際規(guī)律，現(xiàn)階段在中國SUV在中國汽車銷售中只有2%—3%的比例，擁有率仍然嚴(yán)重偏低；但在很多發(fā)達(dá)國家，SUV在汽車銷售總量中占有17%的比例，而美國SUV則達(dá)到了25%的比例。從這個意義上說，中國SUV市場潛力巨大。隨著人們收入水平的不斷提高，越野車及SUV將越來越受青睞。SUV在中國獲得青睞，這不僅因為其多功能的特點，而且在于其時尚風(fēng)格。因此在本次設(shè)計中，在注重SUV越野性能的同時，也要兼顧舒適性，安全性及燃油經(jīng)濟(jì)性。
汽車懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車的重要組成部分，對汽車行駛的安全性、控制的可靠性和乘員的舒適性起著重要的作用。上個世紀(jì)末，汽車懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展很快，新的結(jié)構(gòu)和先進(jìn)控制方法的采用，特別是引入了電子控制技術(shù)之后，使懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生了深刻的變化。
懸架和傳動系統(tǒng)在汽車設(shè)計中占有重要的地位，這兩部分設(shè)計的好壞，直接影響汽車的操縱性、動力性及舒適性。本次設(shè)計過程中，在李水良老師的細(xì)心指導(dǎo)下，參考同類車型，根據(jù)車輛本身設(shè)計的特點，按照設(shè)計原則，從實用性、經(jīng)濟(jì)性的角度考慮。所以設(shè)計出懸架、轉(zhuǎn)向總成。在合理選擇各項參數(shù)、材料，優(yōu)化設(shè)計出整體結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，使成本合算，與總體布置相匹配，具有廣泛的通用性。
第二章 轉(zhuǎn)向系設(shè)計
§2.1 轉(zhuǎn)向系概述
§2.1.1 轉(zhuǎn)向系的設(shè)計要求
汽車轉(zhuǎn)向系的功用：汽車轉(zhuǎn)向系是用來保持或者改變汽車行駛方向的機構(gòu)。在汽車轉(zhuǎn)向行駛時，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。 機械轉(zhuǎn)向系依靠駕駛員的手力轉(zhuǎn)動方向盤，經(jīng)轉(zhuǎn)向系和傳動機構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。有些汽車還裝有防傷機構(gòu)和轉(zhuǎn)向減振器。采用動力轉(zhuǎn)向的汽車還裝有動力系統(tǒng)，并借助此系統(tǒng)來減輕駕駛員的手力。
轉(zhuǎn)向系的設(shè)計要求有：
1、汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，全部車輪應(yīng)繞瞬時轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)。
2、轉(zhuǎn)向輪具有自動回正能力。
3、在行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不得產(chǎn)生自振，轉(zhuǎn)向盤沒有擺動。
4、轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置產(chǎn)生的運動不協(xié)調(diào)，應(yīng)使車輪產(chǎn)生的擺動最小。
5、轉(zhuǎn)向靈敏，最小轉(zhuǎn)彎直徑小。
6、操縱輕便。
7、轉(zhuǎn)向輪傳給轉(zhuǎn)向盤的反沖力要盡可能小。
8、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)中應(yīng)有間隙調(diào)整機構(gòu)。
9、轉(zhuǎn)向系應(yīng)有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。
10、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動方向與汽車行駛方向的改變相一致
正確設(shè)計轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)，可以保證汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，全部車輪應(yīng)繞瞬時轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)。
轉(zhuǎn)向輪的自動回正能力決定于轉(zhuǎn)向輪的定位參數(shù)和轉(zhuǎn)向器逆效率的大小。合理確定轉(zhuǎn)向輪的定位參數(shù)，正確選擇轉(zhuǎn)向器的形式，可以保證汽車具有良好的自動回正能力。
轉(zhuǎn)向系中設(shè)置有轉(zhuǎn)向減振器時，能夠防止轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生自振，同時又能使傳到轉(zhuǎn)向盤上的反沖力明顯降低。
為了使汽車具有良好的機動性能，必須使轉(zhuǎn)向輪有盡可能大的轉(zhuǎn)角，其最小轉(zhuǎn)彎半徑能達(dá)到汽車軸距的2~2.5倍。
轉(zhuǎn)向操縱的輕便性通常用轉(zhuǎn)向時駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的切向力大小和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動圈數(shù)多少兩項指標(biāo)來評價。
轎車 貨車
機械轉(zhuǎn)向 50~100N 250N
動力轉(zhuǎn)向 20~50N 120N
轎車轉(zhuǎn)向盤從中間位置轉(zhuǎn)到第一端的圈數(shù)不得超過2.0圈，貨車則要求不超過3.0圈。
§2.1.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概論
汽車在行駛過程中，需按駕駛員的意志經(jīng)常改變其行駛方向。即所謂汽車轉(zhuǎn)向。就輪式汽車而言，實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的方法是，駕駛員通過一套專設(shè)的機構(gòu)，使汽車轉(zhuǎn)向橋（一般是前橋）上的車輪（轉(zhuǎn)向輪）相對于汽車縱軸線偏轉(zhuǎn)一定角度。在汽車直線行駛時，往往轉(zhuǎn)向輪也會受到路面?zhèn)认蚋蓴_力的作用，自動偏轉(zhuǎn)而改變行駛方向。此時，駕駛員也可以利用這套機構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪向相反的方向偏轉(zhuǎn)，從而使汽車恢復(fù)原來的行駛方向。這一套用來改變或恢復(fù)汽車行駛方向的專設(shè)機構(gòu)，即稱為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。因此，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功用是保證汽車能按照駕駛員的意志而進(jìn)行轉(zhuǎn)向行駛。
汽車轉(zhuǎn)向系可按轉(zhuǎn)向能源的不同分為機械轉(zhuǎn)向系和動力轉(zhuǎn)向系兩大類。
一、機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源，其中所有傳力件都是機械的。機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)三大部分組成。
圖2-1為機械轉(zhuǎn)向系的組成和布置示意圖。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時，駕駛員對轉(zhuǎn)向盤1施加一個轉(zhuǎn)向力矩。該力矩通過轉(zhuǎn)向軸2、轉(zhuǎn)向萬向節(jié)3和轉(zhuǎn)向傳動軸4輸入轉(zhuǎn)向器5。經(jīng)轉(zhuǎn)向器放大后的力矩和減速后的運動傳到轉(zhuǎn)向搖臂6，再經(jīng)過轉(zhuǎn)向直拉桿7傳給固定于左轉(zhuǎn)向節(jié)9上的轉(zhuǎn)向節(jié)臂8，使左轉(zhuǎn)向節(jié)和它所支撐的左轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。為使右轉(zhuǎn)向節(jié)13及其支撐的右轉(zhuǎn)向輪隨之偏轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，還設(shè)置了轉(zhuǎn)向梯形。轉(zhuǎn)向梯形有固定在左、右轉(zhuǎn)向節(jié)上的梯形臂10、12和兩端與梯形臂做球鉸連接的轉(zhuǎn)向橫拉桿11組成。
圖2-1
1.轉(zhuǎn)向盤 2.轉(zhuǎn)向軸 3.轉(zhuǎn)向萬向節(jié) 4.轉(zhuǎn)向傳動軸 5.轉(zhuǎn)向器 6.轉(zhuǎn)向搖臂7.轉(zhuǎn)向直拉桿 8.轉(zhuǎn)向節(jié)臂 9.左轉(zhuǎn)向節(jié)10、12.梯形臂 11.轉(zhuǎn)向橫拉桿13.右轉(zhuǎn)向節(jié)
圖2-2也是機械式轉(zhuǎn)向系，與圖2-1不同的是它是與齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系配合的轉(zhuǎn)向系。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時，駕駛員對轉(zhuǎn)向盤施加一個轉(zhuǎn)向力矩。該力矩通過轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向軸萬向節(jié)和轉(zhuǎn)向傳動軸輸入轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)動經(jīng)轉(zhuǎn)向器后變?yōu)辇X條的左右移動。轉(zhuǎn)向橫拉桿一端與齒條相連，另一端通過球鉸和固定在轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向節(jié)臂連接。齒條左右移動，帶動連接在其上的橫拉桿左右運動，通過轉(zhuǎn)向節(jié)臂拉動轉(zhuǎn)向節(jié)使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動。
從轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向傳動軸這一系列部件和零件均屬于轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)。轉(zhuǎn)向梯形到轉(zhuǎn)向節(jié)臂這一系列部件和零件，均屬于轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)。
目前，許多國內(nèi)、外生產(chǎn)的新車型在轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)中采用了萬向傳動裝置（轉(zhuǎn)向萬向節(jié)和轉(zhuǎn)向傳動軸）。這有助于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器等部件和組件的通用化和系列化。只要適當(dāng)改變轉(zhuǎn)向萬向傳動裝置的幾何參數(shù)，便可滿足各種車型的總布置要求。即使在轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向器同軸線的情況下，其間也可采用萬向傳動裝置，以補償由于部件在車上的安裝誤差和安裝基體（駕駛室、車架）的變形所造成的二者軸線實際上的不重合。轉(zhuǎn)向盤在駕駛室安放的位置與各國交通法規(guī)規(guī)定車輛靠道路左側(cè)還是右側(cè)通行有關(guān)。包括我國在內(nèi)的大多數(shù)國家規(guī)定車輛右側(cè)通行，相應(yīng)的應(yīng)將轉(zhuǎn)向盤安置在駕駛室左側(cè)。這樣，駕駛員在左方視野較寬闊，有利于兩車安全交會。相反，在一些規(guī)定車輛右行的國家，轉(zhuǎn)向盤則安置在駕駛室右側(cè)。
圖2-2
1. 轉(zhuǎn)向盤 2.轉(zhuǎn)向柱管 3.轉(zhuǎn)向軸 4.柔性聯(lián)軸器 5.懸架總成 6.轉(zhuǎn)向器 7.支架8.轉(zhuǎn)向減振器 9.右橫拉桿 10.托架 11.左橫拉桿 12.球鉸鏈13.轉(zhuǎn)向節(jié)臂 14轉(zhuǎn)向節(jié)
二、動力轉(zhuǎn)向系
動力轉(zhuǎn)向系是兼用駕駛員和發(fā)動機動力為轉(zhuǎn)向能源的轉(zhuǎn)向系。在正常情況下，汽車所需要的能量，只有小部分由駕駛員提供，而大部分是由發(fā)動機通過轉(zhuǎn)向加力裝置提供的。但在轉(zhuǎn)向加力裝置失效時，一般還應(yīng)當(dāng)能由駕駛員獨立承擔(dān)轉(zhuǎn)向任務(wù)。因此，動力轉(zhuǎn)向系是在機械轉(zhuǎn)向系的基礎(chǔ)上加設(shè)一套轉(zhuǎn)向加力裝置而形成的。
圖2-3為一種液壓動力轉(zhuǎn)向系的組成和液壓轉(zhuǎn)向加力裝置的管路布置示意圖，其中屬于轉(zhuǎn)向加力裝置的部件是：轉(zhuǎn)向油罐、轉(zhuǎn)向液壓泵，轉(zhuǎn)向控制
圖2-3
1. 方向盤 2.轉(zhuǎn)向軸 3.轉(zhuǎn)向中間軸 4.轉(zhuǎn)向油管 5.轉(zhuǎn)向油泵 6.轉(zhuǎn)向油罐 7.轉(zhuǎn)向節(jié)8.轉(zhuǎn)向橫拉桿 9.轉(zhuǎn)向搖臂 10.整體式轉(zhuǎn)向器 11.轉(zhuǎn)向直拉桿 12.轉(zhuǎn)向動力缸
閥和轉(zhuǎn)向動力缸。當(dāng)駕駛員逆時針轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)向搖臂帶動轉(zhuǎn)向直拉桿前移。直拉桿的拉力作用于轉(zhuǎn)向節(jié)臂，并依次傳到梯形臂和轉(zhuǎn)向橫拉桿使之右移。與此同時，轉(zhuǎn)向直拉桿還帶動轉(zhuǎn)向控制閥中的滑閥，使轉(zhuǎn)向動力缸的右腔接通液面壓力為零的轉(zhuǎn)向油罐。轉(zhuǎn)向液壓泵的高壓油進(jìn)入轉(zhuǎn)向動力缸的左腔，于是轉(zhuǎn)向動力缸的活塞上受到向右的液壓作用力便經(jīng)推桿施加在轉(zhuǎn)向橫拉桿上，也使之右移。這樣，駕駛員施于轉(zhuǎn)向盤上很小的力矩，便可克服地面作用于轉(zhuǎn)向輪上的轉(zhuǎn)向阻力矩。隨著最近汽車發(fā)動機馬力的增大和扁平輪胎的普遍使用，使車重和轉(zhuǎn)向力矩都加大了，因此動力轉(zhuǎn)向機構(gòu)越來越普及。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已成為一些轎車的標(biāo)準(zhǔn)配置，全世界約有一半的轎車采用動力轉(zhuǎn)向。值得注意的是，轉(zhuǎn)向助力不應(yīng)是不變的，因為在高速行駛時，輪胎的橫向阻力小，轉(zhuǎn)向盤變得輕飄，很難捕捉路面的感覺，也容易造成轉(zhuǎn)向過于易控制。所以在高速時要適當(dāng)減低動力，但這種變化必須平順過度，靈敏而使汽車易于控制。
1、液壓式動力轉(zhuǎn)向裝置
液壓式動力轉(zhuǎn)向裝置重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，利于改善轉(zhuǎn)向操作感覺，但液體流量的增加會加重泵的負(fù)荷，需要保持怠速旋轉(zhuǎn)的機構(gòu)。
2、電動式動力轉(zhuǎn)向裝置
電動式動力轉(zhuǎn)向裝置 是最新的轉(zhuǎn)向裝置，由于它節(jié)能，故受到人們的重視。它是利用蓄電池轉(zhuǎn)動電動機產(chǎn)生推力。由于不直接使用發(fā)動機的動力，所以大大降低了發(fā)動機的功率損失，且不需要液壓管路，便于安裝。尤其有利于中置發(fā)動機后輪驅(qū)動的汽車。但目前電動式動力轉(zhuǎn)向裝置所得動力還比不上液壓式，所以只限用于前輪軸輕的中置發(fā)動機后輪驅(qū)動的汽車上。
3、電動液壓式動力轉(zhuǎn)向裝置
即由電機驅(qū)動轉(zhuǎn)向助力泵并由計算機控制的方式，它集液壓式和電動式的優(yōu)點于一體。因為是計算機控制，所以轉(zhuǎn)向助力泵不必經(jīng)常工作，節(jié)省了發(fā)動機的功率。這種方式結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝布置，但液壓產(chǎn)生的動力不能太大，所以適用小排量汽車。
三、四輪轉(zhuǎn)向系
四輪轉(zhuǎn)向系（4WS）是把后輪與前輪一起轉(zhuǎn)向，是一種提高車輛反應(yīng)性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)。把后輪與前輪同相位轉(zhuǎn)向，可以減少車輛轉(zhuǎn)向時的旋轉(zhuǎn)運動（橫擺），改善高速行使的穩(wěn)定性。把后輪與前輪逆相位轉(zhuǎn)向，能夠改善車輛中低速的操縱性，提高快速轉(zhuǎn)向性。目前，安裝在大量生產(chǎn)車輛上的四輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，可以分為以下4類：
1、橫向加速度-車速感應(yīng)性
2、前輪轉(zhuǎn)角-車速感應(yīng)性
3、前輪轉(zhuǎn)角感應(yīng)性
4、前輪轉(zhuǎn)角比例車速感
§2.2 轉(zhuǎn)向系設(shè)計
§2.2.1 轉(zhuǎn)向性能與阿克曼幾何學(xué)
一、給定的轉(zhuǎn)向系總體結(jié)構(gòu)參數(shù)：
軸距L=2370mm；
輪距B=1465mm；
最小轉(zhuǎn)彎半徑Rmin=5.5m。
二、轉(zhuǎn)向軸的內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角
無論選擇哪一種轉(zhuǎn)向梯形方案，必須在正確選擇轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)的同時，做到汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，保證全部車輪繞一個瞬時轉(zhuǎn)向中心行駛，使在不同圓周上運動的車輪，作無滑動的純滾動。同時轉(zhuǎn)向輪在最大轉(zhuǎn)角情況下，獲得最小轉(zhuǎn)彎半徑能滿足總體布置要求。因此，汽車的內(nèi)、外輪有不同的轉(zhuǎn)角（如圖2-4）。
三、阿克曼幾何學(xué)
兩軸汽車在低速轉(zhuǎn)彎行駛時 ，可忽略離心力的影響，假設(shè)輪胎是剛性的，忽略輪胎側(cè)偏影響的時候，此時若各車輪繞同一瞬時轉(zhuǎn)向中心轉(zhuǎn)彎行駛，則兩轉(zhuǎn)向前輪軸線的延長線，交在后軸的延長線上，這幾何關(guān)系叫做阿克曼幾何學(xué)。
汽車用前輪轉(zhuǎn)向時，為了滿足上述條件，必須符合下述關(guān)系式 （2—1）
式中：——轉(zhuǎn)向輪外輪轉(zhuǎn)角；
——轉(zhuǎn)向輪內(nèi)輪轉(zhuǎn)角；
K——兩主銷軸線與地面交點之間距離即為主銷節(jié)距）；
L——汽車軸距。
圖2-4內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系圖 圖2-5內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向特性曲線
汽車轉(zhuǎn)向時若能滿足上述條件，則車輪作純滾動運動?，F(xiàn)有汽車轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)，對上述條件不能在整個轉(zhuǎn)向范圍得到滿足，只是近似的使它得到保證。
當(dāng)內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角差別不大時，即=的條件下，轉(zhuǎn)向梯形為平行四邊形，稱之為平行幾何學(xué)。阿克曼幾何學(xué)和平行幾何學(xué)的內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系理論曲線在圖2-5上位于阿克曼幾何學(xué)和平行幾何學(xué)的理論曲線之間變化。
四、最小轉(zhuǎn)彎半徑
最小轉(zhuǎn)彎半徑是指轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角在最大位置條件下，汽車低速行駛時前外轉(zhuǎn)向輪與地面接觸點的軌跡到轉(zhuǎn)向中心O點之間的距離。
汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑與汽車內(nèi)輪最大轉(zhuǎn)角、軸距L、轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動半徑r（即主銷偏移距）、兩主銷延長線到地面交點的距離K有關(guān)。在轉(zhuǎn)向過程中，L、r、K保持不變，只有是變化的，所以內(nèi)輪應(yīng)有足夠大的轉(zhuǎn)角，以保證獲得給定的最小轉(zhuǎn)彎半徑。計算最小轉(zhuǎn)彎半徑的公式如下：
（2—2）
因為梯形機構(gòu)不能保證內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角和與理論值一致，故實際的最小轉(zhuǎn)彎半徑與上述結(jié)果不完全符合。在給定最小轉(zhuǎn)彎半徑條件下，可以用下式計算出轉(zhuǎn)向內(nèi)輪應(yīng)達(dá)到的最大轉(zhuǎn)角：
(2—3)
由給定的最小轉(zhuǎn)彎半徑，同時為了提高汽車的機動性，設(shè)定：
=5.3m
對于微型車來說，R一般取0.4—0.6倍的輪胎寬度。選取主銷偏移距：
r=122.5mm
則主銷節(jié)距：
K=B-2r=1465-2122.5=1220mm
由公式（2—2）可得：
；
=
=27.40
=
=
§2.2.2 轉(zhuǎn)向系方案分析及確定
根據(jù)機械式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)特點可分為： 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器、蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器、蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器等。
圖2-6自動消除間隙裝置
一、齒輪齒條式
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、體積小、質(zhì)量輕；傳動效率高達(dá)90%；可自動消除齒間間隙(圖2-6示)；沒有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角可以增大；制造成本低。
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要缺點是：逆效率高（60%~70%）。因此，汽車在不平路面上行駛時，發(fā)生在轉(zhuǎn)向輪與路面之間的沖擊力，大部分能傳至轉(zhuǎn)向盤。
根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式：中間輸入，兩端輸也（圖2-7a）；側(cè)面輸入，兩端輸出（圖2-7b）；側(cè)面輸入，中間輸出（圖2-7c）；側(cè)面輸入，一端輸出（圖2-7d）
圖2-7齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式
采用側(cè)面輸入、中間輸出方案時，由于拉桿長度增加，車輪上、下跳動時位桿擺角減小，有利于減少車輪上、下跳動時轉(zhuǎn)向系與懸架系的運動干涉。而采用兩側(cè)輸出方案時，容易與懸架系統(tǒng)導(dǎo)向機構(gòu)產(chǎn)生運動干涉。
側(cè)面輸入、一端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，常用在平頭微型貨車上。
采用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，重合度增加，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沖擊與工作噪聲均下降。
齒條斷面形狀有圓形、V形和Y形三種。圓形斷面齒條制作工藝比較簡單。V形和Y形斷面齒條與圓形斷面比較，消耗的材料少，故質(zhì)量小。
根據(jù)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向梯形相對前軸位置的不同，在汽車上有四種布置形式：轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，后置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，前置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，后置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，前置梯形，見圖2-8。
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器廣泛應(yīng)用于微型、普通級、中級和中高級轎車上。裝載量不大、前輪采用獨立懸架的貨車和客車也用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。
圖2-8齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的四種布置形式
二、循環(huán)球式
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由螺桿和螺母共同形成的螺旋槽內(nèi)裝有鋼球構(gòu)成的傳動副，以及螺母上齒條與搖臂軸上齒扇構(gòu)成的傳動副組成，如圖2-9所示。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點是：傳動效率可達(dá)到75%~85%；轉(zhuǎn)向器的傳動比可以變化；工作平穩(wěn)可靠；齒條和齒扇之間的間隙調(diào)整容易；適合用來做整體式動力轉(zhuǎn)向器。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要缺點是：逆效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，制造精度要求高。
圖2-9循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器
三、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式
蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器由蝸桿和滾輪嚙合而構(gòu)成。主要優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單；制造容易；強度比較高、工作可靠、壽命長；逆效率低。主要缺點是：正效率低；調(diào)整嚙合間隙比較困難；傳動比不能變化。
蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器有固定銷式和旋轉(zhuǎn)銷式兩種形式。根據(jù)銷子數(shù)量不同，又有單銷和雙銷之分。
蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點是：傳動比可以做成不變的或者變化的；工作面間隙調(diào)整容易。
固定銷式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)簡單、制造容易。但銷子的工作部位磨損快、工作效率低。旋轉(zhuǎn)銷式轉(zhuǎn)向器的效率高、磨損慢，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
要求搖臂軸有較大的轉(zhuǎn)角時，應(yīng)采用雙銷式結(jié)構(gòu)。雙銷式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸和質(zhì)量大，并且對兩主銷間的位置精度、螺紋槽的形狀及尺寸精度等要求高。此外，傳動比的變化特性和傳動間隙特性的變化受限制。
綜合考慮，根據(jù)本次設(shè)計要求及轉(zhuǎn)向器的性能參數(shù)等原因。決定采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。
§2.2.3 轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù)的確定
轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù)有轉(zhuǎn)向系效率、轉(zhuǎn)向系角傳動比與力傳動比、轉(zhuǎn)向系傳動副的傳動間隙特性，轉(zhuǎn)向系的剛度以及轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動圈數(shù)。
一、轉(zhuǎn)向器的效率
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，用符號η+表示，；反之稱為逆效率，用符號η－表示。
正效率η+計算公式：
η+=（P1-P2）/P1 （2—4）
逆效率η-計算公式：
η－=（P3-P2）/P3 （2—5）
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。
1、轉(zhuǎn)向器的正效率η+
影響轉(zhuǎn)向器正效率的因素有轉(zhuǎn)向器的類型、結(jié)構(gòu)特點、結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造質(zhì)量等。
（1）轉(zhuǎn)向器類型、結(jié)構(gòu)特點與效率
在四種轉(zhuǎn)向器中，齒輪齒條式、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的正效率比較高，而蝸桿指銷式特別是固定銷和蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的正效率要明顯的低些。
同一類型轉(zhuǎn)向器，因結(jié)構(gòu)不同效率也不一樣。如蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的滾輪與支持軸之間的軸承可以選用滾針軸承、圓錐滾子軸承和球軸承。選用滾針軸承時，除滾輪與滾針之間有摩擦損失外，滾輪側(cè)翼與墊片之間還存在滑動摩擦損失，故這種軸向器的效率η+僅有54%。另外兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向器效率分別為70%和75%。
轉(zhuǎn)向搖臂軸的軸承采用滾針軸承比采用滑動軸承可使正或逆效率提高約10%。
（2）轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與效率
如果忽略軸承和其經(jīng)地方的摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，對于蝸桿類轉(zhuǎn)向器，其效率可用下式計算：
式中：a0為蝸桿（或螺桿）的螺線導(dǎo)程角；ρ為摩擦角；
ρ=arctanf；f為磨擦因數(shù)。
根據(jù)逆效率不同，轉(zhuǎn)向器有可逆式、極限可逆式和不可逆式之分。路面作用在車輪上的力，經(jīng)過轉(zhuǎn)向系可大部分傳遞到轉(zhuǎn)向盤，這種逆效率較高的轉(zhuǎn)向器屬于可逆式。它能保證轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤自動回正，既可以減輕駕駛員的疲勞，又可以提高行駛安全性。但是，在不平路面上行駛時，傳至轉(zhuǎn)向盤上的車輪沖擊力，易使駕駛員疲勞，影響安全行駕駛。
對于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，其正效率高達(dá)75%——90%。
通常，由轉(zhuǎn)向盤至轉(zhuǎn)向輪的效率及轉(zhuǎn)向系的正效率的平均值0.67——0.82。
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的逆效率也特別高（60%——70%），容易造成方向盤“打手”現(xiàn)象，使駕駛員高度緊張。所以有的轉(zhuǎn)向器上裝了轉(zhuǎn)向減振器。
2、轉(zhuǎn)向系的角傳動比與力傳動比
（1）角傳動比
轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角增量與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角的相應(yīng)增量之比，稱為轉(zhuǎn)向系的角傳動比，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角增量與轉(zhuǎn)向搖臂軸轉(zhuǎn)角相應(yīng)的增量之比，稱為轉(zhuǎn)向器的角傳動比。轉(zhuǎn)向搖臂軸的轉(zhuǎn)角增量與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)的轉(zhuǎn)角相應(yīng)增量之比，稱為轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的角傳動比，它們之間的關(guān)系為：
（2—6）
（2—7）
（2—8）
式中： ——轉(zhuǎn)向系的角傳動比；
——轉(zhuǎn)向器的角傳動比；
——轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的角傳動比；
——轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角增量；
——轉(zhuǎn)向搖臂軸的轉(zhuǎn)角增量；
——同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角增量。
初選擇，轉(zhuǎn)向系的角傳動比=18。
（2）力傳動比
轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的力傳動比等于轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向阻力矩與轉(zhuǎn)向搖臂的力矩T的比值。與轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的布置形式及其桿件所處的轉(zhuǎn)向位置有關(guān)。
（2—9）
轉(zhuǎn)向系的力傳動比等于地面作用在輪胎上的阻力與作用在方向盤上的阻力之比。
（2—10）
作用在方向盤上的手力可以用下式表示：
（2—11）
式中：——作用在方向盤上的力矩；
——方向盤的直徑。
輪胎給地面的阻力可以用下式表示：
（2—12）
綜合上述三式可得：
（2—13）
在前面已經(jīng)確定了：
r=122.5mm
方向盤直徑根據(jù)車型不同JB4505-86轉(zhuǎn)向盤尺寸標(biāo)準(zhǔn)中選取：
=380mm
如果忽略摩擦損失，則：
（2—14）
在前面已經(jīng)初選了：
=18
所以可得轉(zhuǎn)向系力傳動比：
==27.9
3、轉(zhuǎn)向系傳動間隙
轉(zhuǎn)向系的傳動間隙主要取決于轉(zhuǎn)向器的間隙特性，轉(zhuǎn)向器的傳動間隙隨轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角的改變而改變。它因經(jīng)常工作而很容易磨損，產(chǎn)生的間隙會使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，破壞汽車行駛穩(wěn)定性，并使轉(zhuǎn)向盤的自由行程增大。要求轉(zhuǎn)向盤的最大自由行程從中間位置向左右兩端各不得超過15°。因此要求上述出現(xiàn)的間隙能夠自動消除，對于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，由于其齒條背部有壓緊彈簧，所以出現(xiàn)間隙后，可以實現(xiàn)自動消除。
4、方向盤的總轉(zhuǎn)動圈數(shù)
轉(zhuǎn)向盤從一個極端位置轉(zhuǎn)到另一個極端位置時所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)稱為轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動圈數(shù)。它與轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向系的角傳動比有關(guān)，并影響操縱輕便性和靈敏性。轎車和微型車的總轉(zhuǎn)動圈數(shù)較少，一般約為3.6圈以內(nèi)，貨車在6.0圈，SUV汽車介于轎車與貨車之間。
粗略校驗轉(zhuǎn)向盤總轉(zhuǎn)動圈數(shù)：
=
=4.0
在所要求的范圍內(nèi)。
§2.2.4 轉(zhuǎn)向系的載荷驗算
一、載荷驗算
為了行駛安全，組成轉(zhuǎn)向系的各零件必須有足夠的強度。欲驗算轉(zhuǎn)向系零件的強度，需首先確定作用在各零件上的力。影響這些力的主要因素有轉(zhuǎn)向軸的負(fù)荷、路面阻力和輪胎氣壓等。為轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力，包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動的阻力車輪穩(wěn)定力矩、輪胎變形阻力和轉(zhuǎn)向系中的內(nèi)摩擦阻力等。
精確的計算出這些力是很困難的。為此推薦用足夠精確的半經(jīng)驗公式來計算汽車在瀝青或混凝土路面上的阻力矩Tr（N/mm）。
(2—15)
式中：f——輪胎和地面間的滑動摩擦因數(shù)，一般取0.8；
G1——轉(zhuǎn)向軸荷（N）；
P——輪胎氣壓（MPa）。
由總體設(shè)計給定輪胎參數(shù)為：
G1=10263N
P=0.19Mpa
代入數(shù)據(jù)可得：
Tr==556559.34N
作用在方向盤上的手力為：
(2—16)
==434.4N
給定的汽車，用上述公式計算出來的是最大值，該力是在靜止?fàn)顟B(tài)下計算出來的，對于裝動力轉(zhuǎn)向器的汽車，要求原地轉(zhuǎn)向時此力應(yīng)超過250N。所以本次設(shè)計加裝動力裝置。
§2.2.5 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)及優(yōu)化設(shè)計
一、轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)
轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)由轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向柱管等組成。如2-10所示。
圖2-10轉(zhuǎn)向盤 圖2-11
1.輪緣 2.輪輻3.輪轂
轉(zhuǎn)向盤由輪緣1、輪輻2和輪轂3組成。輪輻一般為三根輻條或四根輻條，也有用兩根輻條的。轉(zhuǎn)向盤輪轂孔具有細(xì)牙內(nèi)花鍵，借此與轉(zhuǎn)向軸相連。轉(zhuǎn)向盤內(nèi)部是由成形的金屬骨架構(gòu)成。骨架外面一般包有柔軟的合成橡膠或樹脂，也有包皮革的，這樣可有良好的手感，而且還可以防止手心出汗時握轉(zhuǎn)向盤打滑。在汽車發(fā)生碰撞時，從安全性考慮，不僅要求轉(zhuǎn)向盤應(yīng)具有柔軟的外表皮，可起緩沖作用，而且還要求轉(zhuǎn)向盤在撞車時，其骨架能產(chǎn)生變形，以吸收沖擊能量，減輕駕駛員受傷程度?，F(xiàn)在的大多數(shù)轎車上都裝有車速控制開關(guān)和撞車時保護(hù)駕駛員的安全氣囊裝置。
轉(zhuǎn)向軸是連接轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器的傳動件，并傳遞它們之間的轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)向柱管安裝在車身上，支撐著轉(zhuǎn)向盤。轉(zhuǎn)向軸從轉(zhuǎn)向柱管中穿過，支撐在柱管內(nèi)的軸承和襯套上。
圖2-12
在汽車發(fā)生嚴(yán)重的交通事故中，方向盤往往成為直接“殺手”。一旦汽車前端被碰撞，發(fā)動機艙等后移，方向盤也隨之后移，方向盤與駕駛座椅之間的空間突然縮小，駕駛員夾在中間而受到傷害。為了盡量減少這種傷害發(fā)生，汽車設(shè)計者從方向盤的長度和角度變化入手，使得汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)除了能保證轉(zhuǎn)向性能外，還能使駕駛員在汽車發(fā)生碰撞時受到的傷害減低到最小。與此相關(guān)的就是汽車吸能方向管柱技術(shù)的出現(xiàn)。
圖2-12所示為桑塔納轎車轉(zhuǎn)向軸的吸能裝置示意圖。轉(zhuǎn)向軸分為上、下兩段，中間用柔性聯(lián)軸器連接。聯(lián)軸器的上、下凸緣盤靠兩個銷子與銷孔扣合在一起。銷子通過襯套與銷孔配合。當(dāng)發(fā)生猛烈撞車時，將引起車身、車架嚴(yán)重變形，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向軸，轉(zhuǎn)向盤等部件后移。與此同時，在慣性作用下駕駛員人體向前沖，致使轉(zhuǎn)向軸上的上，下凸緣盤的銷子與銷孔脫開，從而緩和了沖擊，吸收了沖擊能量。有效地減輕了駕駛員受傷的程度。
吸能轉(zhuǎn)向管柱的變形支架是通過金屬的變形來吸收碰撞能量的。變形支架與下轉(zhuǎn)向管柱相連。它使用拉脫安全鎖，里面的塑性材料受到大夫在沖擊被剪切斷開會使下轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向軸從支架中脫出沿軸向移動，另上轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向軸下移。圖2-13吸能裝置示意圖。變形條與變形支架相似，它也是靠金屬的變形來吸收碰撞能量的。與變形支架不同，它占用的空間較小。一般變形條一端與車身相連，另一端固定在轉(zhuǎn)向管柱上。碰撞時沖擊力達(dá)到一定值的時候。轉(zhuǎn)向管柱產(chǎn)生位移。變形條發(fā)生變形，從而達(dá)到吸能效果。
圖2-14所示為網(wǎng)絡(luò)狀轉(zhuǎn)向柱管系能裝置示意圖，網(wǎng)絡(luò)狀轉(zhuǎn)向柱管的網(wǎng)格部分被壓縮而產(chǎn)生塑性變形，吸收沖擊能量，以減輕對人體的傷害。
圖2-13 圖2-14
二、轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)
1、非獨立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)
與非獨立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)（圖2-15）主要包括轉(zhuǎn)向搖臂2、轉(zhuǎn)向直拉桿3、轉(zhuǎn)向節(jié)臂4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6和左、右梯形臂5組成的轉(zhuǎn)向梯形一般布置在前橋之后，如圖2-15a所示。
圖2-15
1.轉(zhuǎn)向器2.轉(zhuǎn)向搖臂3.轉(zhuǎn)向直拉桿4.轉(zhuǎn)向節(jié)臂5.梯形臂6.轉(zhuǎn)向橫拉桿
當(dāng)轉(zhuǎn)向輪處于與汽車直線行駛相應(yīng)的中立位置時，梯形臂5與橫拉桿6在與道路與平行的平面（水平面）內(nèi)的夾角>90°。在發(fā)動機位置較低或轉(zhuǎn)向橋兼充驅(qū)動橋的情況下，為避免運動干涉，往往將轉(zhuǎn)向梯形布置在前橋之前，此時上述交角<90°，如圖1-16所示。若轉(zhuǎn)向搖臂不是在汽車總線平面內(nèi)前后擺動，而是在與道路平行的平面內(nèi)左右搖動，則可以將轉(zhuǎn)向直拉桿3橫置，并借球頭銷直接帶動轉(zhuǎn)向橫拉桿6，從而推使兩側(cè)梯形臂轉(zhuǎn)動。
2、獨立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)
圖2-16
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.梯形臂 6.右梯形臂 7.搖桿 8.懸架左擺臂 9.懸架右擺臂
10.齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器
當(dāng)轉(zhuǎn)向輪獨立懸掛時，每個轉(zhuǎn)向輪都需要相對于車架作獨立運動，因而轉(zhuǎn)向橋必須是斷開式的。與此相應(yīng)，轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)中的轉(zhuǎn)向梯形也必須是斷開式的，分成兩段或三段（圖2-16），并且由于在平行于路面的平面中擺動的轉(zhuǎn)向搖臂直接帶動或通過轉(zhuǎn)向直拉桿帶動。轉(zhuǎn)向直拉桿的作用是將轉(zhuǎn)向搖臂傳來的力和運動傳給轉(zhuǎn)向梯形臂（或轉(zhuǎn)向節(jié)臂）。它所受的力既有拉力、也有壓力，因此直拉桿都是采用優(yōu)質(zhì)特種鋼材制造的，以保證工作可靠。直拉桿的典型結(jié)構(gòu)如圖2-17。在轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)或因懸架彈性變形而相對于車架跳動時，轉(zhuǎn)向直拉桿與轉(zhuǎn)向搖臂及轉(zhuǎn)向節(jié)臂的相對運動都是空間運動，為了不發(fā)生運動干涉，上述三者間的連接都采用球銷。
§2.2.6 轉(zhuǎn)向橫拉桿設(shè)計與校核
一、橫拉桿結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料選取
轉(zhuǎn)向橫拉桿是轉(zhuǎn)向梯形的底邊。一般由橫拉桿體和旋裝在兩端的橫拉桿接頭組成。橫拉桿接頭通過球頭銷與左右轉(zhuǎn)向節(jié)臂連接。兩接頭通過螺紋與橫拉桿連接，接頭螺紋與橫拉桿體連接，接頭螺紋部分有切口，具有彈性。橫拉桿體旋裝到接頭上后，用螺栓通過沖壓制成的卡箍將橫拉桿夾緊。橫拉桿兩端的螺紋一端左旋，一端右旋。因此，在旋松卡箍上的螺栓后，轉(zhuǎn)動橫拉桿體，即可改變橫拉桿的長度，從而可調(diào)整轉(zhuǎn)向輪前束。
根據(jù)整車的設(shè)計要求，轉(zhuǎn)向橫拉桿應(yīng)有較小的質(zhì)量和足夠的強度。拉桿的形狀要符合布置的要求。通過與總布置討論并參考已有的結(jié)構(gòu)后，決定采
圖2-17
用40鋼無鋒鋼管制造的橫拉桿且鋼管不需做彎曲變形,通過查閱機械設(shè)計手冊，決定外徑采用20mm，臂厚為2mm的冷扎無縫鋼管。為了檢驗橫拉桿的剛度是否滿足設(shè)計要求，所以需要對其校核。
二、橫拉桿剛度校核
根據(jù)橫拉桿的工作原理和受拉，壓應(yīng)力的特點，決定按照材料力學(xué)中有關(guān)壓桿穩(wěn)定性計算公式進(jìn)行驗算。首先對其受力分析。
由n=Pcr/P可以對橫拉桿進(jìn)行穩(wěn)定性校核。式中，n為工作安全系數(shù)，Pcr為橫拉桿的臨界壓力，P為橫拉桿實際承受的最大壓力，已在轉(zhuǎn)向機構(gòu)；力分析中得出。Pcr=,式中,E為材料的彈性模量,橫拉桿采用40號鋼制造,查手冊得E=206Gpa.I為橫拉桿的慣性矩, I=，D為鋼管的外徑,查手冊取 D=20mm;d為鋼管的內(nèi)徑,查相關(guān)手冊取d=16mm.代入計算得.將相關(guān)數(shù)植代入n=Pcr/P中得,n≈31.58.查閱相關(guān)資料得知規(guī)定的安全系數(shù)nst=1.5～2.5,即n>nst.所以,橫拉桿滿足穩(wěn)定要求。
三、球頭銷的設(shè)計與校核
1、球頭銷主要參數(shù)的選擇與確定
球頭銷是聯(lián)接轉(zhuǎn)向橫拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂的重要零件.它既可以繞自身垂直于水平面的軸線轉(zhuǎn)動,以保證轉(zhuǎn)向橫拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂在水平面的相對轉(zhuǎn)動,也可以繞平行于水平面的軸線動, 以保證轉(zhuǎn)向橫拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂由于車輪的上下跳動而引起的垂直平面的相對轉(zhuǎn)動.球頭 銷的外形尺寸是成比例的,所以在選定球頭直徑后可安比例確定其他尺寸。
參照《汽車設(shè)計》中球頭銷球頭直徑的推薦數(shù)據(jù),由SUV的前軸負(fù)荷選得球頭銷球頭直徑為22mm,下端螺紋連接處的公稱直徑按比例選定為M10。
2、球頭銷接觸強度的校核
根據(jù)它的工作環(huán)境可知,球頭銷的球面部分因為經(jīng)常轉(zhuǎn)動摩擦而磨損,所以應(yīng)對其接觸強度校核。應(yīng)用下式驗算接觸應(yīng)力 F為作用在球頭上的力;A在通過球心垂直于F力方向的平面內(nèi),球面承載部分的投影面積。許用接觸應(yīng)力為≤25～30N/mm2通過力分析可知,球頭銷球頭同時承受來自轉(zhuǎn)向橫拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂的力,所以F即使上述二力的合力。通過計算的F≈1153.9N 。球面承載部分的投影面積A=,由球頭銷具體結(jié)果可知d≈22mm,則A=379.94mm2。將上述數(shù)據(jù)代入接觸應(yīng)力驗算公式可得滿足設(shè)計要求。
§2.2.7 轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計
轉(zhuǎn)向節(jié)是連接車輪和懸架的重要零件。通過查閱相關(guān)資料,獲知轉(zhuǎn)向節(jié)有多種形式。若轉(zhuǎn)向輪兼作驅(qū)動輪則轉(zhuǎn)向節(jié)，若轉(zhuǎn)向輪只作轉(zhuǎn)向作用,則其轉(zhuǎn)向節(jié)多設(shè)計為牛角的形式。根據(jù)本次設(shè)計是后輪驅(qū)動的形式,所以前輪只作轉(zhuǎn)向作用,所以采取類似的形式結(jié)構(gòu)。設(shè)計轉(zhuǎn)向節(jié)時,需要確定的還有與輪輞的配合的軸段的軸徑。軸徑的確定需要在緊急制動時,側(cè)滑時及越過不平的路面三種情況對轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行受力分析。
1、緊急制動時,受力所示。
M= ,Z1l= ,X1l=
式中； G1為前軸負(fù)荷。
Ψ為滑動摩檫系數(shù)。
計算得： M=262611.3Nmm
2、側(cè)滑時, 受力所示。
式中： hg為整車質(zhì)心高，
Ψ‘為側(cè)滑地面摩檫系數(shù)。
計算得 Ml≈37356.12Nmm, Mr≈3599510.63 Nmm.
3、越過不平路面時。
M=
式中： k為動載荷系數(shù)，
計算得： M≈389623.5
轉(zhuǎn)向節(jié)采用30Cr或40Cr鋼制成，再經(jīng)過淬火和回火，最小軸徑為：
mm
即最大軸徑取的d=45mm。
§2.2.8 轉(zhuǎn)向器及液壓助力裝置的設(shè)計
一、轉(zhuǎn)向器主動小齒輪的設(shè)計與校核
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪多采用斜齒圓柱齒輪.齒輪模數(shù)取值范圍多在2～3mm之間.主動小齒輪齒數(shù)多數(shù)在5～7個齒范圍變化,壓力角一般取200.齒輪螺旋角取值范圍多在90～150.齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪達(dá)到最大偏轉(zhuǎn)角時,相應(yīng)的齒條移動行程達(dá)到的值來確定.變速比的齒條壓力角,對現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)在120～350范圍內(nèi)變化.主動小齒輪選用16MnCr5 或 15CrNi6材料制造,而齒條常采用45鋼制造.為減輕質(zhì)量,殼體采用鋁合金壓鑄。
1、主動小齒輪設(shè)計
主要參數(shù)的選擇確定；根據(jù)上文給出的參數(shù)范圍,結(jié)合對實際車型的考察,從中選定了一組參數(shù).齒輪模數(shù)mn=2mm,齒輪螺旋角=150,齒輪齒寬b=45mm,齒輪齒數(shù)Z=7,壓力角=200.小齒輪選用15CrNi6材料制造。
2、根據(jù)該齒輪的使用條件,選擇7級精度。
3、計算最小齒輪Zmin=2ha*/sin2=17則齒輪須變位。
4、對齒輪角度變?yōu)椋?
, 取x1=0.63, x2=0
5、小齒輪的校核
（1）齒面接觸強度校核：由齒面接觸強度計算公式 可計算出其接觸 應(yīng)力。式中，K為 載荷系數(shù)，，為使用系數(shù)，查手冊得KA＝1.50；KV為動載荷系數(shù)，查手冊得＝1.001；齒間載荷分配系數(shù)，查手冊得＝1.1 ；為齒向載荷系數(shù)，查手冊得＝1.414，＝1.248。 為作用在齒輪上的作用力，其值由轉(zhuǎn)向梯形受力分析得出。B為齒輪齒條嚙合寬度為27mm；為齒輪節(jié)圓直徑（取兩個中的小值代入計算）為14.4mm;為重合度，為2.328；u= Z2/Z1, 計算比較后取1.143；為彈性影響系數(shù)，查手冊得 ,為區(qū)域系數(shù)，查手冊得=2.425。將上述參數(shù)代入中，得。
計算接觸疲勞許用應(yīng)力（失效概率1%，安全系數(shù)S=1）。假設(shè)汽車每天行使8小時，年行使天數(shù)350天，小齒輪20r/min。則：
N=60×350×2×20×8=6.72×106
查手冊得壽命系數(shù)KHN=1.005。則，。即 。所以符合設(shè)計要求。
（2）齒根彎曲強度的校核
因為小齒輪的齒數(shù)為7，查手冊和機械類似書籍沒有找處其進(jìn)行校核的公式，所以該用強度校核軟件進(jìn)行校核。經(jīng)校核得，該齒輪的齒根彎曲強度滿足要求。
（3）小齒輪尺寸計算
（4）已知mn=2.00mm,Z=7, =150 ，，
二、齒條的設(shè)計與校核
與小齒輪嚙合的齒條是將轉(zhuǎn)向盤的圓周運動轉(zhuǎn)為橫拉桿的近似直線運動的重要零件，轉(zhuǎn)向盤帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，并帶動與小齒輪嚙合的齒條做直線移動。齒條在轉(zhuǎn)向過程中主要受到由地面轉(zhuǎn)向阻力傳到其上的拉力和壓力，所以必須有足夠的抗拉壓強度。參考當(dāng)前普遍使用的齒條形式，決定采用便于加工的圓拄形齒條。齒條材料采用45鋼。采用斜齒嚙合傳動，即齒輪齒條均采用斜齒，增加重合度降低噪聲減少沖擊。為了使轉(zhuǎn)向盤在液壓助力失效的時候依然比較輕便的轉(zhuǎn)動，所以決定將齒條設(shè)計成變模數(shù)、壓力角的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)相互嚙合齒輪的基圓齒距必須相等，即。其中齒輪基圓齒距，齒條基圓齒距。由上述兩式得:輪具有標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) 和標(biāo)準(zhǔn)壓力角與一個具有變摸變壓力角的齒條嚙合，并始終表示時，她們就可以嚙合運轉(zhuǎn)。如果齒條中部（相當(dāng)于汽車直線行使）齒的壓力角最大，向兩端逐漸減?。?shù)也隨之減小），則主動齒輪半徑也逐漸減小，致使轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動某一角度時，齒條行程也隨之減小。因此，轉(zhuǎn)向器的傳動比是變化是根據(jù)上述原理設(shè)計的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器齒條壓力角變化示例。從圖中可以看到，位于齒條中部位置處的齒有較大的壓力角和齒輪有較大的節(jié)圓半經(jīng)，齒條有寬的齒根和淺斜的齒側(cè)面；位于齒條兩端的齒,根減薄，齒有陡斜的齒側(cè)面。
基于上述設(shè)計思路，參照現(xiàn)有結(jié)構(gòu),定齒條中部壓力角=33.35，模數(shù)=2.25mm傾斜角;條兩端壓力角=20 模數(shù)=2.00mm，傾斜角。
汽車通常轉(zhuǎn)彎時，100以下的小轉(zhuǎn)角使用的更加頻繁，所以在此區(qū)域里轉(zhuǎn)向的靈敏性尤其重要；而偏轉(zhuǎn)交達(dá)到300以上的角度并不經(jīng)常使用，所以更多的考慮轉(zhuǎn)向的輕便性。
根據(jù)前面的轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計結(jié)果可知齒條行程S≈74mm,齒輪齒條嚙的線速比（按齒輪的分度圓計算）,計算得。
根據(jù)上述要求適當(dāng)?shù)倪x擇齒條中部和兩端的齒數(shù)。根據(jù)前面的轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計結(jié)果可知齒條的行程S≈74mm 。在轉(zhuǎn)角為100時，S≈22.9mm。在此行程內(nèi)齒條的齒數(shù),取整得Z1=8 當(dāng)轉(zhuǎn)角100～300范圍內(nèi)時, S≈45.93mm,在此行程內(nèi)齒條的齒數(shù),取整得Z2=17。因為齒條許用行程要大于齒條最大行程（保證轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)到最大轉(zhuǎn)角時，齒條還有齒和齒輪嚙合），所以齒條齒數(shù)要適當(dāng)?shù)脑黾?。齒條的總齒數(shù)Z總 =Z1+Z2+4=8+17+4=29。
參考相關(guān)書籍得齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系速比 ，為齒輪螺旋角與齒條傾斜角的差，由前面的計算可得,車輪偏轉(zhuǎn)角在100以內(nèi)時,向系速比，帶入數(shù)值得 當(dāng)車輪偏角在 100～300時，轉(zhuǎn)向系速比，得。
根據(jù)齒條的工作特點對其進(jìn)行拉壓校核。齒條采用45鋼制造，查手冊可知。根據(jù)可以計算它的拉應(yīng)力，A為橫截面積（按齒條最小截面直徑計算）。齒條受到的拉力和活塞桿的直徑已經(jīng)算出，帶入上式得，, 符合設(shè)計要求。
三、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的配套設(shè)計
1、 調(diào)查汽車在超載運營時的前橋載荷
2、調(diào)查汽車廠助力方向機的規(guī)格，根據(jù)經(jīng)驗，前橋載荷p≤5500kg時可選擇d=100mm缸徑助力方向機，其它載荷可以根據(jù) P/5500 = d2/1002進(jìn)行計算，助力方向機的缸徑系列為70mm、80mm 、90mm、100mm、110mm等，助力方向機缸徑選擇過小會使助力轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)容易產(chǎn)生故障。
3、核算助力方向機流量需求。保證有足夠的助力性能，在典型路面（非水泥路面、土路、鄉(xiāng)村公路）上，汽車按實際最高載重量，原地打方向時方向機進(jìn)油壓力為7～13MPa。低于7MPa可以考慮減小方向機油缸直徑，高于13MPa時應(yīng)考慮加大轉(zhuǎn)向器油缸直徑。方向機最高壓力限制（安全壓力）：按典型公路重載原地轉(zhuǎn)向時測試壓力除以0.85，建議不要超過15MPa，一般建議使用12～13MPa安全壓力，安全壓力越高可靠性越差。
4、確定轉(zhuǎn)向泵在發(fā)動機上的安裝位置及進(jìn)出油口位置，給出一個尺寸范圍，這樣轉(zhuǎn)向泵廠家方便設(shè)計性能更好的轉(zhuǎn)向泵。
5、將轉(zhuǎn)向泵安裝連接尺寸、進(jìn)出油口位置尺寸、方向機流量需求及安全壓力提交轉(zhuǎn)向泵生產(chǎn)廠家，轉(zhuǎn)向泵生產(chǎn)廠家根據(jù)提供的參數(shù)要求設(shè)計匹配的轉(zhuǎn)向泵。
四、力轉(zhuǎn)向泵的配套設(shè)計
1、動力轉(zhuǎn)向泵的最大壓力：
考慮從轉(zhuǎn)向泵的出口到方向機的進(jìn)口之間的管路損失，在選擇轉(zhuǎn)向泵的最大壓力時，應(yīng)使轉(zhuǎn)向泵的最大壓力：PP= P1+△P，P1 為方向機的最大壓力; △P為管路損失,一般取(0.3～0.5)MPa，如果壓力已經(jīng)很高，轉(zhuǎn)向卻依然沉重，只能是加大缸徑。如果壓力PP＜P1 ，必然會轉(zhuǎn)向沉重或是打不動方向盤。動力轉(zhuǎn)向泵應(yīng)有可靠的壓力裝置，任何情況下，輸出壓力不能高于其許可的最大工作壓力。
2、動力轉(zhuǎn)向泵的控制流量 Qp：
一般取Qp≥（1.05～1.1）Qmax.
Qmax 為方向機所需的最大流量。
3、動力轉(zhuǎn)向泵的公稱排量：
根據(jù)怠速時(轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速一般為650～750 r/min)，方向機所需的流量，選擇轉(zhuǎn)向泵的排量，低速時（轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速一般在1200r/s以下）轉(zhuǎn)向泵輸出的流量與排量之間的關(guān)系為：；其中為泵的理論排量；n為怠速時轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速。
轉(zhuǎn)向泵的排量過小，容易出現(xiàn)怠速時轉(zhuǎn)向沉重，排量過大，系統(tǒng)容易發(fā)熱。
4、對應(yīng)發(fā)動機特征轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)向泵實際流量要求（怠速，最大扭矩轉(zhuǎn)速，標(biāo)定轉(zhuǎn)速）。
五、儲油罐的選擇：
1、儲油罐容積選擇：考慮系統(tǒng)的供油、散熱、油中雜質(zhì)的沉淀等，一般取油箱的容量：
V=（0.15～0.2）Q1。??
Q1為轉(zhuǎn)向泵的最大輸出流量。
2、儲油罐的散熱能力：一般希望轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的油溫控制在80℃以下。如果油溫超過88℃，液壓油將很快變質(zhì)：形成碳化物，液壓油失去潤滑功能，轉(zhuǎn)向泵將急劇磨損，造成轉(zhuǎn)向沉重；析出膠狀物質(zhì)，堵塞阻尼孔或卡滯控制閥，使整個動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效。油溫過高，還將使整個系統(tǒng)中的密封件加快老化，密封不良而造成漏油。在大流量及高壓力的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，儲油罐的散熱已經(jīng)不能保證油溫在80℃以下這時須附加專門的散熱系統(tǒng)。
3、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般采用回油過濾方式，根據(jù)系統(tǒng)管路工作壓力、過濾精度、流通能力選擇濾油器。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，過濾精度一般取10～20μm，壓力損失小于0.1MPa。如采用進(jìn)油過濾，其銅絲網(wǎng)目數(shù)一般在100～180目之間。
4、液壓轉(zhuǎn)向泵為葉片泵時，其自吸能力較差，應(yīng)注意液壓油罐的正確安裝位置，要求油罐出油口位置高于液壓轉(zhuǎn)向泵進(jìn)口20mm以上，同時管路盡可能避免轉(zhuǎn)彎，如不可避免時，轉(zhuǎn)彎角度和轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)盡可能大，避免管路的壓力損失。
5、在儲油罐中，建議設(shè)有壓差信號發(fā)生器及安全閥。壓差信號發(fā)生器是在過濾器堵塞時，把信號傳遞到駕駛室，提醒司機該換濾芯及更換液壓油了；安全閥是在濾芯堵塞時，使油從旁路流過，從而保證行駛安全。
六、轉(zhuǎn)向管路進(jìn)、出油管的選擇：
1、管路材料的選擇：油管可以是軟管、鋼管或混合式。軟管又分為高壓鋼絲編織耐油軟管、高壓耐油塑料軟管及低壓簾線編織耐油軟管；鋼管為高壓無縫鋼管，材料一般為20鋼或08F鋼。
對于油管和選用，無論是鋼管、耐油膠管或塑料管，都必須根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力進(jìn)行選用。建議不采用高壓鋼絲編制耐油軟管，避免因溫升膨脹而縮小管路內(nèi)徑，最好采用高壓鋼管。
2、管路內(nèi)徑的選擇：
管路內(nèi)徑的選擇：根據(jù)管道內(nèi)的流速，確定管道內(nèi)徑尺寸，允許流速的推薦值為：
（1）液壓泵吸油管道：0.5～1.5 m/s.一般取1 m/s以下。
（2）液壓系統(tǒng)壓油管道：3～5m/s.壓力高時取大值。
（3)?液壓系統(tǒng)回油管道：1.5～2.5 m/s。
管道內(nèi)徑與流量、流速的關(guān)系式為：
d=（4Q/πv）0.5
其中：d為管道內(nèi)徑；Q為通過管道的流量；v為管道內(nèi)液流平均流速。管路內(nèi)徑經(jīng)驗值，可以參照以下數(shù)據(jù)：
轉(zhuǎn)向泵控制流量 進(jìn)油管路最小通徑 出油管路最小通徑
8L/min φ8 φ5
11.5L/min φ10 φ6
15L/min φ11 φ7
16L/min φ11.2 φ7.2
20L/min φ13 φ8
?以上管路內(nèi)徑是管路長為500mm時的經(jīng)驗值，當(dāng)管路每增加△l=500mm 時，管路內(nèi)徑增加△d=2mm。
配套時保證管路密封合格，進(jìn)油管漏氣漏水時會使液壓油變質(zhì)，這一點很容易被忽視。管路直徑不能過小，進(jìn)油管口徑過小時會引起吸空，產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，出油管直徑過小時會產(chǎn)生阻尼，引起系統(tǒng)壓力升高，系統(tǒng)可靠性變差。
3、方向機進(jìn)出油管必須保持清潔，不允許有鐵屑、鐵銹等雜質(zhì)。
七、轉(zhuǎn)向油品的選擇：
1、在夏季，全國均可用航空液壓油；在冬季，長江以南仍可用航空液壓油，在長江以北，可以使用HV-32或HV-46低溫抗磨液壓油；對于8號液力傳動油或8號及10號航空液壓油.自動變速箱油等等，一年四季中在全國各地均可使用，但價格較貴。禁止型號不一致油液混和用。
2、加注油料時必須經(jīng)過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油罐上的過濾網(wǎng)過濾，禁止油液不經(jīng)過過濾直接加入轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油罐中。
3、油量加注必須在油罐標(biāo)尺規(guī)定的兩刻度線之間。油量加注后啟動發(fā)動機3～5min，檢查補加油料至規(guī)定標(biāo)尺刻度線。過多，發(fā)動機啟動后油易溢出，既造成浪費又破壞車容；過少，易造成轉(zhuǎn)向葉片泵燒蝕。
(1)、轉(zhuǎn)向泵布置時要考慮泵體內(nèi)不能有存留空氣，必要時采取排氣措施。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)排空氣，一般在轉(zhuǎn)向泵的出油口處排空氣即可，具體方法是在發(fā)動機不轉(zhuǎn)動時，擰松出油接頭，待有油漏出來后再擰緊，這時起動發(fā)動機，左右扳動方向盤，空氣便全部被排到儲油罐中，通過呼吸器排到空氣中。
(2)、轉(zhuǎn)向泵和方向機的進(jìn)出油口應(yīng)用專用的液壓接頭，配套時注意接頭通道面積，應(yīng)達(dá)到管路最小管徑面積要求。
(3)、轉(zhuǎn)向泵接頭盡量采用O型密封圈密封形式，接頭在連接時不允許涂密封膠。接頭密封形式和轉(zhuǎn)向泵進(jìn)、出油口的密封形式相匹配，角度密封的選擇O型圈密封形式，端面密封的轉(zhuǎn)向泵接頭采用復(fù)合密封墊圈+銅螺母的密封形式。
第三章 懸架設(shè)計
§3.1懸架概述
§3.1.1 懸架概論
汽車車架若直接安裝在車橋上，由于道路不平由于地面沖擊使貨物和人感到十分不舒服，這是沒有懸架的原因。汽車懸架是把車架與車身連接裝置的通稱，它的功能是傳遞車輪和車架之間的力和力矩，緩和路面?zhèn)鹘o車架的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動，保證汽車行使的平順性；保證車輪在路面不平和載荷變化時有理想的運動特性，保證汽車操縱穩(wěn)定性。使汽車或得高速行使。
懸架由彈性元件﹑導(dǎo)向裝置﹑減振器﹑緩沖塊和橫向穩(wěn)定桿等組成。彈性元件用來承受并傳遞垂直載荷，緩和由于路面不平引起對車身沖擊。彈性元件種類包括鋼板彈簧﹑螺旋彈簧﹑扭桿彈簧﹑油氣彈簧﹑空氣彈簧和橡膠彈簧。導(dǎo)向機構(gòu)是用來傳遞車輪和車身之間的力和力矩。同時保持車輪按一定運動軌跡相對車身跳動，通常導(dǎo)向機構(gòu)由控制臂式桿件組成；種類有單桿式和多桿式的，鋼板彈簧作為彈性元件時，可不另設(shè)導(dǎo)向機構(gòu)它本身起導(dǎo)向作用。減振器用來衰減由于彈性系統(tǒng)引起的振動。減振器可分為搖臂式和筒式兩種，雖然搖臂式減振器能在比較大的工作壓力（10～20MPa）條件下工作，但由于它的工作特性受活塞的磨損和溫度變化的影響而遭淘汰。筒式減振器工作壓力雖在（2.5～5MPa），但工作性能穩(wěn)定。而在現(xiàn)代汽車應(yīng)用得到廣泛。筒式減振式又分為單筒式﹑雙筒式﹑充氣式三種，雙筒充氣液力減振器具有工作性能穩(wěn)定性，干摩檫阻力小﹑噪聲低﹑總長度短等優(yōu)點，在乘用車得到廣泛應(yīng)用。
懸架結(jié)構(gòu)形式和性能參數(shù)的選擇合理與否直接對汽車平順性﹑操縱穩(wěn)定性和舒適性有很大影響。由此可見，懸架系統(tǒng)在現(xiàn)代汽車是重要總成之一。
§3.1.2 懸架的設(shè)計要求
通過上述介紹，我們對懸架有了一定的了解，在這里，提出懸架的設(shè)計要求：
1、保證汽車具有良好的平順性
2、具有合適的衰減能力。
3、保證具有良好的操縱穩(wěn)定性。
4、汽車制動和加速時要保證車身的穩(wěn)定，減少車身傾斜；轉(zhuǎn)彎時車身縱傾角要合適。
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