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鍵入文字 目錄 1 引言 1 2 設計任務書 3 3 機械轉向簡介 4 3 1 轉向操縱機構 4 3 2 轉向器 4 4 轉向系的設計要求 4 5 機械式轉向器方案分析 5 5 1 齒輪齒條式 5 5 2 循環(huán)球式 7 5 3 蝸桿滾輪式 蝸桿指銷式 8 6 計算設計說明書 9 6 1 轉向器的效率 9 6 2 轉向器類型 結構特點與效率 9 6 3 轉向器的結構參數(shù)與效率 9 7 傳動比的變化特性 10 7 1 轉向系傳動比 10 7 2 力傳動比與轉向系角傳動比的關系 11 7 3 轉向系的角傳動比 12 7 4 轉向器角傳動比及其變化規(guī)律 12 8 齒輪齒條轉向器變速比工作原理 12 8 1 轉向器角傳動比的選擇 13 9 轉向系計算載荷的確定 14 10 轉向梯形結構方案分析 14 10 1 整體式轉和梯形 15 10 2 斷開式轉向梯形 15 11 轉向系統(tǒng) 零部件參數(shù) 16 12 轉向系統(tǒng) 發(fā)展趨勢 17 12 1 現(xiàn)代汽車轉向裝置的設計趨勢 17 12 2 現(xiàn)代汽車轉向裝置的發(fā)展趨勢 18 13 設計小結 20 14 標準化審查報告 20 14 1 產品圖樣的審查 20 14 2 產品技術文件的審查 21 14 3 標準件的使用情況 21 14 4 審查結論 21 15 使用說明書 21 結 論 23 參考文獻 24 致 謝 25 外文資料翻譯 3 1 引言 在汽車行駛中 轉向運動是最基本的運動 我們通過方向盤來操縱和控制汽車的行駛方 向 從而實現(xiàn)自己的形式意圖 在現(xiàn)代汽車上 轉向系統(tǒng)是必不可少的最基本的系統(tǒng)之一 它也是決定汽車主動安全性的關鍵總成 特別是在車輛高速化 駕駛人員非職業(yè)化 車流密 集的今天 針對更多不同的駕駛人群 汽車的操縱性設計顯得尤為重要 從上世紀四十年代起 為減輕駕駛員體力負擔 在機械轉向系統(tǒng)基礎上增加了液壓助力 系統(tǒng) HPS hydraulic power steering 它是建立在機械系統(tǒng)的基礎之上的 額外增加了一 個液壓系統(tǒng) 一般有油泵 V 形帶輪 油管 供油裝置 助力裝置和控制閥 由于其工作可 靠 技術成熟至今仍被廣泛應用 現(xiàn)在液壓助力轉向系統(tǒng)在實際中應用的最多 根據(jù)控制閥 形式有轉閥式和滑閥式之分 這個助力轉向系統(tǒng)最重要的新功能是液力支持轉向的運動 因 此可以減少駕駛員作用在方向盤上的力 雖然傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)工作最可靠 但是也存在很多固有的缺點 傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)由于方向盤 和轉向車輪之間的機械連接而產生一些自身無法避免的缺陷 汽車的轉向特性受駕駛員駕 駛技術的影響嚴重 轉向傳動比固定 使汽車轉向響應特性隨車速 側向加速度等變化而 變化 駕駛員必須提前針對汽車轉向特性幅值和相位的變化進行一定的操作補償 從而控制 汽車按其意愿行駛 這就變相地增加了駕駛員的操縱負擔 使汽車轉向行駛存在很大的不安 全隱患 液壓助力轉向系統(tǒng)經(jīng)濟性差 一般轎車每行駛一百公里要多消耗 0 3 0 4 升的燃 料 另外 存在液壓油泄漏問題 對環(huán)境造成污染 在環(huán)保性能被日益強調的今天 無疑是 一個明顯的劣勢 電液動力轉向系統(tǒng) 近年來 隨著電子技術的不斷發(fā)展 轉向系統(tǒng)中愈來愈多的采用電子器件 相應的就出 現(xiàn)了電液助力轉向系統(tǒng) 電液助力轉向可以分為兩大類 電動液壓助力轉向系統(tǒng) EHPS electro hydraulic power steering 電控液壓助力轉向 ECHPS electronically controlled hydraulic power steering EHPS 是在液壓助力系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的 其 特點是原來有發(fā)動機帶動的液壓助力泵改由電機驅動 取代了由發(fā)動機驅動的方式 節(jié)省了 4 燃油消耗 ECHPS 是在傳統(tǒng)的液壓助力轉向系統(tǒng)的基礎上增加了電控裝置構成的 電液助力 轉向系統(tǒng)的助力特性可根據(jù)轉向速率 車速等參數(shù)設計為可變助力特性 使駕駛員能夠更輕 松便捷的操縱汽車 現(xiàn)代電液動力轉向系統(tǒng)主要通過車速傳感器將車速傳遞給電子元件 或微型計算機系統(tǒng) 控制電液轉換裝置改變動力轉向的助力特性 使駕駛員的轉向手力根據(jù)車速和行駛條件變化 而改變 即在低速行駛或轉急彎時能以很小的轉向手力進行操作 在高速行駛時能以稍重的 轉向手力進行穩(wěn)定操作 使操縱輕便性和穩(wěn)定性達 EHPS 相比傳統(tǒng) HPS 降低了能源損耗 但電液動力轉向系統(tǒng) 不論 ECHPS 還是 EHPS 都與傳統(tǒng) 的 HPS 一樣存在液壓油泄漏問題 電動助力轉向系統(tǒng) 電動轉向系統(tǒng) EPS Electric Power Steering 把一個機械的系統(tǒng)和一個電控的電動馬 達結合在一起形成的一個動力轉向系統(tǒng) 與液壓系統(tǒng)不同的是 助力改由電機提供 因此 要有一個力矩傳感器來測量作用在方向盤上的力矩 由電子控制單元來計算所需要的力矩 作用在方向盤上的力矩曲線由一個電動馬達來分配 通過電動馬達提供轉向所必須要的力 它通過一個減速器作用在轉向柱上 在循環(huán)球式的傳動裝置中 直接作用在齒扇上的力太大 因此大多選用齒輪齒條轉向器 根據(jù)助力位置不同分為三種形式 1 轉向柱助力式 2 小 齒輪助力式 3 齒條助力式 由于 EPS 改由電機提供助力 助力大小由電控單元 ECU 實時調節(jié)與控制 可以較好解決 汽車操縱時輕與靈的矛盾 電動助力轉向最早應用在微型汽車上 1988 年 2 月日本鈴木公司首次在其 Cervo 車上 裝備 目前電動助力轉向系統(tǒng)主要應用在轎車上 并逐漸從微型轎車向更大型轎車和商務車 發(fā)展 其優(yōu)點有 1 EPS 能在各種行駛工況下提供最佳助力 減小由路面不平所引起的對轉向系統(tǒng)的擾動 改 善汽車的轉向特性 減輕汽車低速行駛時的轉向操縱力 提高汽車高速行駛時的轉向穩(wěn)定性 進而提高汽車的主動安全性 并且可通過設置不同的轉向手力特性來滿足不同使用對象的需 要 2 EPS 只在轉向時電動機才提供助力 不像 HPS 即使在不轉向時 油泵也一直運轉 因 而能減少燃料消耗 外文資料翻譯 5 3 由于直接由電動機提供助力 電動機由蓄電池供電 因此 EPS 能否助力與發(fā)動機是否起動 無關 即使在發(fā)動機熄火或出現(xiàn)故障時也能提供助力 4 EPS 取消了油泵 皮帶 皮帶輪 液壓軟管 液壓油及密封件等 其零件比 HPS 大大減 少 因而其質量更輕 結構更緊湊 在安裝位置選擇方面也更容易 并且能降低噪聲 5 EPS 沒有液壓回路 比 HPS 更易調整和檢測 裝配自動化程度更高 并且可以通過設置 不同的程序 快速與不同車型匹配 因而能縮短生產和開發(fā)周期 6 EPS 不存在滲油問題 消除了液壓助力中液壓油泄漏問題 可大大降低保修成本 減小 對環(huán)境的污染 改善了環(huán)保性 7 EPS 比 HPS 具有更好的低溫工作性能 電動助力轉向目前已成為世界汽車技術發(fā)展的研究熱點之一 汽車轉向系統(tǒng)分類 汽車轉向系統(tǒng)分為兩大類 機械轉向系統(tǒng)和動力轉向系統(tǒng) 完全靠駕駛員手里操縱的轉向系統(tǒng)稱為機械轉向系統(tǒng) 借助動力來操縱的轉向系統(tǒng)稱為動力轉向系統(tǒng) 動力轉向系統(tǒng)又可分為液壓動力轉向系 統(tǒng)和電動助力動力轉向系統(tǒng) 2 設計任務書 汽車在行駛過程中需要不斷改變方向 轉向系就是通過一系列機械傳動使得前輪發(fā)生偏 轉 從而實現(xiàn)汽車轉向 達到改變行駛方向的目的 駕駛員操縱方向盤 通過轉向器把方向盤的旋轉運動轉化成轉向搖臂一定角度的擺動 帶動 轉向梯形運動 使前輪偏轉一定的角度 實現(xiàn)汽車轉向 這次設計主要目的是總結所學知識 在設計中沒有考慮到實際需要 只是從本專業(yè)出發(fā) 基于自己的實際能力對基礎的機械設計進行練習 設計中對前橋的受力做簡單的分析 對一 些常見的轉向器結構稍作分析并加以選擇 并設計循環(huán)球式轉向器 6 3 機械轉向簡介 機械轉向系以駕駛員的體力作為轉向能源 其中所有傳力件都是機械的 機械轉向系由轉向 操縱機構 轉向器和轉向傳動機構三大部分組成 3 1 轉向操縱機構 轉向器操縱機構由方向盤 轉向軸 轉向管柱等組成 它的作用是將駕駛員轉動轉向盤 的操縱力傳給轉向器 3 2 轉向器 轉向器 也常稱為轉向機 是完成有旋轉運動到直線運動 或近似直線運動 的一組齒 輪機構 同時也是轉向系中的減速傳動裝置 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)球一齒條式扇式 蝸桿滾輪式等 汽車轉向系的功用 汽車轉向系是用來保持或者改變汽車行駛方向的機構 在汽車轉向行駛時 保證各轉向 輪之間有協(xié)調的轉角關系 汽車轉向系的形式和組成 汽車轉向機構分為機械轉向和動力轉向兩種形式 機械轉向主要是由轉向盤 轉向器和 轉向傳動機構等組成 動力轉向還包括動力系統(tǒng) 機械轉向是依靠駕駛員的手力轉動轉向盤 經(jīng)轉向器和轉向傳動機構使轉向輪偏轉 動力轉向是在機械轉向的基礎上 加裝動力系統(tǒng) 并借助此系統(tǒng)來減輕駕駛員的手力 動力轉向包括液壓式動力轉向和電控式動力轉向 液壓式動力轉向已在汽車上廣泛應用 近年來 電控動力轉向已得到較快發(fā)展 4 轉向系的設計要求 1 汽車轉彎行駛時 全部車輪應繞瞬時轉向中心旋轉 2 轉向輪具有自動回正能力 3 在行駛狀態(tài)下 轉向輪不得產生自振 轉向盤沒有擺動 4 轉向傳動機構和懸架導向裝置產生的運動不協(xié)調 應使車 輪產生的擺動最小 5 轉向靈敏 最小轉彎直徑小 外文資料翻譯 7 6 操縱輕便 7 轉向輪傳給轉向盤的反沖力要盡可能小 8 轉向器和轉向傳動機構中應有間隙調整機構 9 轉向系應有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置 10 轉向盤轉動方向與汽車行駛方向的改變相一致 正確設計轉向梯形機構 可以保證汽車轉彎行駛時 全部車輪應繞瞬時轉向中心旋轉 轉向輪的自動回正能力決定于轉向輪的定位參數(shù)和轉向器逆效率的大小 合理確定轉向輪的 定位參數(shù) 正確選擇轉向器的形式 可以保證汽車具有良好的自動回正能力 轉向系中設置有轉向減振器時 能夠防止轉向輪產生自振 同時又能使傳到轉向盤上的反沖 力明顯降低 為了使汽車具有良好的機動性能 必須使轉向輪有盡可能大的轉角 其最小轉彎半徑能 達到汽車軸距的 2 2 5 倍 轉向操縱的輕便性通常用轉向時駕駛員作用在轉向盤上的切向力大小和轉向盤轉動圈數(shù) 多少兩項指標來評價 轎車 貨車 機械轉向 50 100N 250N 動力轉向 20 50N 120N 轎車轉向盤從中間位置轉到第一端的圈數(shù)不得超過 2 0 圈 貨車則要求不超過 3 0 圈 5 機械式轉向器方案分析 5 1 齒輪齒條式 齒輪齒條式轉向器的主要優(yōu)點是 結構簡單 緊湊 體積小 質量輕 傳動效率高達 90 可自動消除齒間間隙 圖 1 1 所示 沒有轉向搖臂和直拉桿 轉向輪轉角可以增大 制造成本低 齒輪齒條式轉向器的主要缺點是 逆效率高 60 70 因此 汽車在不平路面上行 駛時 發(fā)生在轉向輪與路面之間的沖擊力 大部分能傳至轉向盤 圖 1 1 自動消除間隙裝置 8 根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點不同 齒輪齒條式轉向器有四種形式 中間輸入 兩端輸也 圖 1 2a 側面輸入 兩端輸出 圖 1 2b 側面輸入 中間輸出 圖 1 2c 側面輸入 一端輸出 圖 1 2d 圖 1 2 齒輪齒條式轉向器的四種形式 采用側面輸入 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 下跳動時轉向系與懸架系的運動干涉 而采用兩側輸出方案時 容易與 懸架系統(tǒng)導向機構產生運動干涉 側面輸入 一端輸出的齒輪齒條式轉向器 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向器 重合度增加 運轉平穩(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 故質量小 根據(jù)齒輪齒條式轉向器和轉向梯形相對前軸位置的不同 在汽車上有四種布置形式 轉向器 位于前軸后方 后置梯形 轉向器位于前軸后方 前置梯形 轉向器位于前軸前方 后置梯 形 轉向器位于前軸前方 前置梯形 見圖 1 3 外文資料翻譯 9 圖 1 3 齒輪齒條式轉向器的四種布置形式 齒輪齒條式轉向器廣泛應用于微型 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向器 5 2 循環(huán)球式 循環(huán)球式轉向器由螺桿和螺母共同形成的螺旋槽內裝有鋼球構成的傳動副 以及螺母上 齒條與搖臂軸上齒扇構成的傳動副組成 如圖 1 4 所示 循環(huán)球式轉向器的優(yōu)點是 傳動效率可達到 75 85 轉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整容易 適合用來做整體式動力轉向器 循環(huán)球式轉向器的主要缺點是 逆效率高 結構復雜 制造困難 制造精度要求高 循環(huán)球式轉向器主要用于貨車和客車上 圖 1 4 循環(huán)球式轉向器 10 圖 1 5 循環(huán)球式轉向器的間隙調整機構 5 3 蝸桿滾輪式 蝸桿指銷式 蝸桿滾輪式轉向器由蝸桿和滾輪嚙合而構成 主要優(yōu)點是 結構簡單 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 調整嚙合間隙比較困難 傳動比不能變化 蝸桿指銷式轉向器有固定銷式和旋轉銷式兩種形式 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 工作面間隙調整容易 固定銷式轉向器的結構簡單 制造容易 但銷子的工作部位磨損快 工作效率低 旋轉 銷式轉向器的效率高 磨損慢 但結構復雜 要求搖臂軸有較大的轉角時 應采用雙銷式結構 雙銷式轉向器的結構復雜 尺寸和質 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 蝸桿滾輪式和蝸桿指銷式轉向器應用較少 6 計算設計說明書 6 1 轉向器的效率 功率 P1 從轉向軸輸入 經(jīng)轉向搖臂軸輸出所求得的效率稱為轉向器的正效率 用符 號 表示 反之稱為逆效率 用符號 表示 正效率 計算公式 外文資料翻譯 11 P1 P2 P1 逆效率 計算公式 P3 P2 P3 式中 P1 為作用在轉向軸上的功率 P2 為轉向器中的磨擦功率 P3 為作用在轉向搖臂軸 上的功率 正效率高 轉向輕便 轉向器應具有一定逆效率 以保證轉向輪和轉向盤的自動返回 能力 但為了減小傳至轉向盤上的路面沖擊力 防止打手 又要求此逆效率盡可能低 轉向器的正效率 影響轉向器正效率的因素有轉向器的類型 結構特點 結構參數(shù)和制造質量等 6 2 轉向器類型 結構特點與效率 在四種轉向器中 齒輪齒條式 循環(huán)球式轉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向器的正效率要明顯的低些 同一類型轉向器 因結構不同效率也不一樣 如蝸桿滾輪式轉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 滾輪側翼與墊片之間還存在滑動摩擦損失 故這種軸向器的效率 僅有 54 另外兩種結構的轉向器效率分別為 70 和 75 轉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 6 3 轉向器的結構參數(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 對于蝸桿類轉向器 其效率可用下式計算 1 式中 a0 為蝸桿 或螺桿 的螺線導程角 為摩擦角 arctanf f 為磨擦因數(shù) 根據(jù)逆效率不同 轉向器有可逆式 極限可逆式和不可逆式之分 路面作用在車輪上的力 經(jīng)過轉向系可大部分傳遞到轉向盤 這種逆效率較高的轉向 器屬于可逆式 它能保證轉向輪和轉向盤自動回正 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 傳至轉向盤上的車輪沖擊力 易使駕駛員疲勞 tan 0 12 影響安全行駕駛 屬于可逆式的轉向器有齒輪齒條式和循環(huán)球式轉向器 不可逆式和極限可逆式轉向器 不可逆式轉向器 是指車輪受到的沖擊力不能傳到轉向盤的轉向器 該沖擊力轉向傳動 機構的零件承受 因而這些零件容易損壞 同時 它既不能保證車輪自動回正 駕駛員又缺 乏路面感覺 因此 現(xiàn)代汽車不采用這種轉向器 極限可逆式轉向器介于可逆式與不可逆式轉向器兩者之間 在車輪受到?jīng)_擊力作用時 此力只有較小一部分傳至轉向盤 如果忽略軸承和其它地方的磨擦損失 只考慮嚙合副的磨擦損失 則逆效率可用下式計算 2 式 1 和式 2 表明 增加導程角 a0 正 逆效率均增大 受 增大的影響 a0 不宜 取得過大 當導程角小于或等于磨擦角時 逆效率為負值或者為零 此時表明該轉向器是不 可逆式轉向器 為此 導程角必須大于磨擦角 7 傳動比的變化特性 7 1 轉向系傳動比 轉向系的傳動比包括轉向系的角傳動比 和轉向系的力傳動比 轉向系的力傳動比 轉向系的角傳動比 轉向系的角傳動比 由轉向器角傳動比 和轉向傳動機構角傳動比 組成 即 轉向器的角傳動比 轉向傳動機構的角傳動比 tn 0 i pihWpFi 2 kkwdti 00 i i ii 0 ppwdti kkkti i 外文資料翻譯 13 7 2 力傳動比與轉向系角傳動比的關系 轉向阻力 Fw 與轉向阻力矩 Mr 的關系式 3 作用在轉向盤上的手力 Fh 與作用在轉向盤上的力矩 Mh 的關系式 4 將式 3 式 4 代入 后得到 5 如果忽略磨擦損失 根據(jù)能量地恒原理 2 Mr Mh 可用下式表示 6 將式 6 代入式 5 后得到 7 當 a 和 Dsw 不變時 力傳動比 越大 雖然轉向越輕 但 也越大 表明轉向不靈 敏 7 3 轉向系的角傳動比 轉向傳動機構角傳動比可用 表示以外 還可以近擬地用轉向節(jié)臂臂長 L2 與搖臂臂長 L1 之比來表示 在汽車結構中 L2 與 L1 的比值大約在 0 85 1 1 之間 可近似認為其比值為 1 則 由此可見 研究轉向系的傳動比特性 只需研究轉向器的角傳動比 及 其變化規(guī)律即可 7 4 轉向器角傳動比及其變化規(guī)律 aFrW swhDF2 hWpi 2 aiswrp 02 idkhr aDiswp20 pi 0 i kpdi 0 dikp i 14 式 7 表明 增大角傳動比可以增加力傳動比 當 Fw 一定時 增大力傳動比能減小作用在 轉向盤上的手力 Fh 使操縱輕便 由 的定義可知 對于一定的轉向盤角速度 轉向輪偏轉角速度與轉向器角度傳動 比在反比 角傳動比增加后 轉向輪偏轉角速度對轉向盤角速度的響應變得遲鈍 汽車轉向 靈敏性降低 所以 輕 和 靈 構成一對矛盾 為解決這對矛盾 可采用變速比轉向器 齒輪齒條式 循環(huán)球式 蝸式指銷式轉向器都可以制成變速比轉向器 8 齒輪齒條轉向器變速比工作原理 根據(jù)相互嚙合齒輪的基圓齒距必須相等 即 pb1 pb2 其中齒輪基圓齒距 pb1 m 1cosa1 齒條基圓齒距 pb2 m 2cosa2 由上述兩式可知 當齒輪具有標準模數(shù) m1 和標準壓力角 a1 與一個具有變模數(shù) m2 變壓力角 a2 的齒條相嚙合 并始終保持 m 1cosa1 m 2cosa2 時 它們就可以嚙合運轉 如果齒條中部 相當汽車直線行駛位置 齒的壓力角最大 向兩端逐漸減小 模數(shù)也 隨之減小 則主動齒輪嚙合半徑也減小 致使轉向盤每轉動某同一角度時 齒條行程也隨之 減小 因此 轉同器的傳動比是變化的 圖 1 6 是根據(jù)上述原理設計的齒輪齒條式轉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壓力角和齒輪有較大的節(jié)圓半徑 而齒條齒有寬的齒根 和淺斜的齒側面 位于具條兩端的齒 齒根減薄 齒有陡斜的齒側面 圖 1 6 齒條壓力角變化簡圖 a 齒條中部齒 b 齒條兩端齒 8 1 轉向器角傳動比的選擇 轉向器角傳動比可以設計成減小 增大或保持不變的 影響選取角傳動比變化規(guī)律的主 0 i 外文資料翻譯 15 要因素是轉向軸負荷大小和對汽車機動能力的要求 若轉向軸負荷小或采用動力轉向的汽車 不存在轉向沉重問題 應取較小的轉向器角傳 動比 以提高汽車的機動能力 若轉向軸負荷大 汽車低速急轉彎時的操縱輕便性問題突出 應選用大些的轉向器角傳 動比 汽車以較高車速轉向行駛時 要求轉向輪反應靈敏 轉向器角傳動比應當小些 汽車高速直線行駛時 轉向盤在中間位置的轉向器角傳動比不宜過小 否則轉向過分敏 感 使駕駛員精確控制轉向輪的運動有困難 轉向器角傳動比變化曲線應選用大致呈中間 小兩端大些的下凹形曲線 如圖 1 7 所示 圖 1 7 轉向器角傳動比變化特性曲線 9 轉向系計算載荷的確定 為轉動轉向輪要克服的阻力 包括轉向輪繞主銷轉動的阻力 車輪穩(wěn)定阻力 輪胎變形 阻力和轉向系中的內磨擦阻力等 計算汽車在瀝青或者混凝土跨面上的原地轉向阻力矩 MR N mm 的半徑經(jīng)驗公式 8 式中 f 為輪胎和路面間的滑動磨擦因數(shù) 一般取 0 7 G1 為轉向軸負荷 N p 為輪胎氣 壓 MPa 作用在轉向盤上的手力為 PfMR31 16 9 式中 L1 轉向搖臂長 L2 為轉向節(jié)臂長 Dsw 為轉向盤直徑 i 為轉向器角傳動比 為轉向器正效率 對給定的汽車 用式 9 計算出來的的作用力是最大值 10 轉向梯形結構方案分析 10 1 整體式轉和梯形 整體式轉向梯形是由轉向橫拉桿 1 轉向梯形臂 2 和汽車前軸 3 組成 如圖 1 8 所示 圖 1 8 整體式轉向梯形 1 橫拉桿 2 梯形臂 3 前軸 這種方案的優(yōu)點是結構簡單 調整前束容易 制造成本低 主要缺點是一側轉向輪上 下跳 動時 會影響另一側轉向輪 10 2 斷開式轉向梯形 iMLFswRh21 外文資料翻譯 17 轉向梯形的橫拉桿做成斷開的 稱之為斷開式轉向梯形 斷開式轉向梯形方案之一如圖 1 15 所示 圖 1 15 斷開式轉向梯形 斷開式轉向梯形的主要特點 1 能夠保證一側車輪上 下跳動時 不會影響另一側車輪 2 由于桿系 球頭增多 所以結構復雜 制造成本高 并且調整前束比較困難 橫拉桿上斷開點的位置與獨立懸架形式有關 采用雙橫臂獨立懸架 常用圖解法 基于三心 定理 確定斷開點的位置 11 轉向系統(tǒng) 零部件參數(shù) 轉向盤直徑 380 毫米 18 轉向盤轉動總圈數(shù) 3 5 圈 駕駛員側機械式安全氣囊 SRS 40 轉向柱 安全轉向柱 轉向系總傳動比 17 2 轉向器線角傳動比 53 143 轉向器總行程 186 毫米 車輪 6JX15 鋁車輪 輪胎 205R15 T 級 內輪最大轉角 39 6 外輪最大轉角 33 5 最小轉彎直徑 不大于 11 6m 12 轉向系統(tǒng) 發(fā)展趨勢 改革開放以來 中國汽車工業(yè)發(fā)展迅猛 作為汽車關鍵部件之一的轉向系統(tǒng)也得到了相 應的發(fā)展 基本已形成了專業(yè)化 系列化生產的局面 有資料顯示 國外有很多國家的轉向 器廠 都已發(fā)展成大規(guī)模生產的專業(yè)廠 年產超過百萬臺 壟斷了轉向器的生產 并且銷售 點遍布了全世界 12 1 現(xiàn)代汽車轉向裝置的設計趨勢 適應汽車高速行駛的需要 從操縱輕便性 穩(wěn)定性及安全行駛的角度 汽車制造廣泛使用更先進的工藝方法 使用 變速比轉向器 高剛性轉向器 變速比和高剛性 是目前世界上生產的轉向器結構的方向 充分考慮安全性 輕便性 隨著汽車車速的提高 駕駛員和乘客的安全非常重要 目前國內外在許多汽車上已普遍 增設能量吸收裝置 如防碰撞安全轉向柱 安全帶 安全氣囊等 并逐步推廣 從人類工程 外文資料翻譯 19 學的角度考慮操縱的輕便性 已逐步采用可調整的轉向管柱和動力轉向系統(tǒng) 低成本 低油耗 大批量專業(yè)化生產 隨著國際經(jīng)濟形勢的惡化 石油危機造成經(jīng)濟衰退 汽車生產愈來愈重視經(jīng)濟性 因此 要 設計低成本 低油耗的汽車和低成本 合理化生產線 盡量實現(xiàn)大批量專業(yè)化生產 對零部 件生產 特別是轉向器的生產 更表現(xiàn)突出 汽車轉向器裝置的電腦化 汽車的轉向器裝置 必定是以電腦化為唯一的發(fā)展途徑 12 2 現(xiàn)代汽車轉向裝置的發(fā)展趨勢 現(xiàn)代汽車轉向裝置的使用動態(tài) 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展 轉向裝置的結構也有很大變化 汽車轉向器的結構很多 從 目前使用的普遍程度來看 主要的轉向器類型有 4 種 有蝸桿肖式 WP 型 蝸桿滾輪式 WR 型 循環(huán)球式 BS 型 齒條齒輪式 RP 型 這四種轉向器型式 已經(jīng)被廣泛使用在汽車上 據(jù)了解 在世界范圍內 汽車循環(huán)球式轉向器占 45 左右 齒條齒輪式轉向器占 40 左右 蝸桿滾輪式轉向器占 10 左右 其它型式的轉向器占 5 循環(huán)球式轉向器一直在穩(wěn)步發(fā)展 在西歐小客車中 齒條齒輪式轉向器有很大的發(fā)展 日本汽車轉向器的特點是循環(huán)球式轉向 器占的比重越來越大 日本裝備不同類型發(fā)動機的各類型汽車 采用不同類型轉向器 在公 共汽車中使用的循環(huán)球式轉向器 已由 60 年代的 62 5 發(fā)展到現(xiàn)今的 100 了 蝸桿滾 輪式轉向器在公共汽車上已經(jīng)被淘汰 大 小型貨車大都采用循環(huán)球式轉向器 但齒條齒 輪式轉向器也有所發(fā)展 微型貨車用循環(huán)球式轉向器占 65 齒條齒輪式占 35 綜合上述對有關轉向器品種的使用分析 得出以下結論 循環(huán)球式轉向器和齒輪齒條式轉向器 已成為當今世界汽車上主要的兩種轉向器 而蝸 輪 0 蝸桿式轉向器和蝸桿肖式轉向器 正在逐步被淘汰或保留較小的地位 在小客車上發(fā)展轉向器的觀點各異 美國和日本重點發(fā)展循環(huán)球式轉向器 比率都已達到或 超過 90 西歐則重點發(fā)展齒輪齒條式轉向器 比率超過 50 法國已高達 95 由于齒輪齒條式轉向器的種種優(yōu)點 在小型車上的應用 包括小客車 小型貨車或客貨兩用 20 車 得到突飛猛進的發(fā)展 而大型車輛則以循環(huán)球式轉向器為主要結構 循環(huán)球式轉向器特點 循環(huán)球式轉向器的特點是 效率高 操縱輕便 有一條平滑的操縱力特性曲線 布置方便 特別適合大 中型車輛和動力轉向系統(tǒng)配合使用 易于傳遞駕駛員操縱信號 逆 效率高 回位好 與液壓助力裝置的動作配合得好 可以實現(xiàn)變速比的特性 滿足了操縱輕便性的要求 中間位置轉向力小 且經(jīng)常使用 要求 轉向靈敏 因此希望中間位置附近速比小 以提高靈敏性 大角度轉向位置轉向阻力大 但 使用次數(shù)少 因此希望大角度位置速比大一些 以減小轉向力 由于循環(huán)球式轉向器可實現(xiàn) 變速比 應用正日益廣泛 通過大量鋼球的滾動接觸來傳遞轉向力 具有較大的強度和較好的耐磨性 并且該轉向器可 以被設計成具有等強度結構 這也是它應用廣泛的原因之一 變速比結構具有較高的剛度 特別適宜高速車輛車速的提高 高速車輛需要在高速時有較好 的轉向穩(wěn)定性 必須保證轉向器具有較高的剛度 間隙可調 齒條齒扇副磨損后可以重新調整間隙 使之具有合適的轉向器傳動間隙 從而提 高轉向器壽命 也是這種轉向器的優(yōu)點之一 中國的轉向器生產 除早期投產的解放牌汽車用蝸桿 0 滾輪式轉向器 東風汽車用蝸桿肖 式轉向器之外 其它大部分車型都采用循環(huán)球式結構 并都具有一定的生產經(jīng)驗 目前解放 東風也都在積極發(fā)展循環(huán)球式轉向器 并已在第二代換型車上普遍采用了循環(huán)球式轉向器 由此看出 中國的轉向器也在向大量生產循環(huán)球式轉向器發(fā)展 轉向器生產專業(yè)化 循環(huán)球式轉向器在國外實現(xiàn)了專業(yè)化生產 同時以專業(yè)廠為主 大力進行試驗和研究 大大提高了產品的產量和質量 在日本 精工 NSK 公司的循環(huán)球式轉向器就以成本低 質量好 產量大 逐步占領日本市場 并向全世界銷售它的產品 德國 ZF 公司也作為一個 大型轉向器專業(yè)廠著稱于世 它從 1948 年開始生產 ZF 型轉向器 年產各種轉向器 200 多萬 臺 還有一些比較大的轉向器生產廠 如美國德爾福公司 SAGINAW 分部 英國 BURM 0 AN 公司都是比較有名的專業(yè)廠家 都有很大的產量和銷售面 專業(yè)化生產已成為一種趨勢 只 有走這條道路 才能使產品質量高 產量大 成本低 在市場上有競爭力 外文資料翻譯 21 動力轉向是發(fā)展方向 動力轉向系統(tǒng)的應用日益廣泛 不僅在重型汽車上必須裝備 在高級轎車上應用的也較 多 在中型汽車上的應用也逐漸推廣 主要是從減輕駕駛員疲勞 提高操縱輕便性和穩(wěn)定性 出發(fā) 雖然帶來成本較高和結構復雜等問題 但由于優(yōu)點明顯 還是得到很快的發(fā)展 動力轉向有 3 種形式 整體式 半分置式及聯(lián)閥式動力轉向結構 目前 3 種形式各有特 點 發(fā)展較快 整體式多用于前橋負荷 3 8t 汽車 聯(lián)閥式多用于前橋負荷 5 0 18t 汽車 半分置式多用于前橋負荷 6t 以上到超重型汽車 從發(fā)展趨勢上看 國外整體式轉向器發(fā)展 較快 而整體式轉向器中轉閥結構是目前發(fā)展的方向 13 設計小結 這次設計以汽車轉向系為基礎 在設計中分析計算了受力情況 并對其中的連接件進行強度 校核 同時確定轉向器的類型 簡單設計了循環(huán)球式轉向器 達到了總結知識 練習簡單機 械設計的目的在這次設計中 由于對汽車不是很了解 加之專業(yè)知識缺乏 轉向操縱機構各 部件的受力不清楚 很多零件無法校核 在以后的設計中 爭取解決上述問題 加強該設計 的實用性 14 標準化審查報告 14 1 產品圖樣的審查 該轉向設計已基本完成 現(xiàn)具備全套圖紙和統(tǒng)一基本數(shù)據(jù) 根據(jù)有關規(guī)定 對其進行標準化 審查 結果如下 1 產品圖樣完整 統(tǒng)一 表達準確清楚 圖樣清楚 符合 GB T1800 3 1998 的規(guī)定 2 產品圖樣公差與配合的選擇與標準符合 GB T1800 3 1998 的規(guī)定 22 3 產品圖樣的標號符合 JB T5054 5 2000 中華人民共和國機械行業(yè)標準 產品圖樣 及設計的完整性 4 圖紙標題欄與明細欄符合 GB T10609 1 1989GB T10690 2 1989d 的規(guī)定 5 產品圖樣粗糙度的標注符合 GB131 83 表面特征代號及注法 的規(guī)定 14 2 產品技術文件的審查 1 產品技術文件名詞 術語符合 ZB TJ01 和 0351 90 產品圖樣及設計文件 術語 及有關標準的規(guī)定 2 量和單位符合 GB3100 GB3102 93 的規(guī)定 3 技術文件所用的編碼符合 JB T8823 1998 機械工業(yè)企業(yè)計算機輔助管理信息分類 編碼導則 的規(guī)定 4 技術文件的完整性符合 JB T5054 5 2000 產品圖樣及技術文件完整性 的規(guī)定及 相關部門有關具體要求 14 3 標準件的使用情況 本設計所用的緊固件均采用標準的螺栓 螺釘 材料及材料代號也符合國家標準和部頒 標準的相關規(guī)定 14 4 審查結論 通過對汽車轉向系的標準化審查 認為該設計基本貫穿了國家最新頒發(fā)的各種標準 圖紙和 設計文件完整齊全 符合標準化的要求 15 使用說明書 本設計用于實現(xiàn)汽車轉向 其過程如下 駕駛員操縱方向盤 通過轉向柱傳遞給轉向器 是的轉向器的轉向螺桿旋轉 這樣轉向 螺母就會沿著轉向螺桿做往復直線運動 從而使與之配對的齒扇軸發(fā)生一定角度的偏轉 并 通過轉向搖臂帶動轉向梯形機構運動 是前輪發(fā)生偏轉 從而實現(xiàn)汽車轉向 外文資料翻譯 23 EXTENDING BEARING LIFE 如何延長軸承壽命 Abstract Nature works hard to destroy bearings but their chances of survival can be improved by following a few simple guidelines Extreme neglect in a bearing leads to overheating and possibly seizure or at worst an explosion But even a failed bearing leaves clues as to what went wrong After a little detective work action can be taken to avoid a repeat performance 摘要 自然界苛刻的工作條件會導致軸承的失效 但是如果遵循一些簡單的規(guī)則 軸 承正常運轉的機會是能夠被提高的 在軸承的使用過程當中 過分的忽視會導致軸承的過熱 現(xiàn)象 也可能使軸承不能夠再被使用 甚至完全的破壞 但是一個被損壞的軸承 會留下它 為什么被損壞的線索 通過一些細致的偵察工作 我們可以采取行動來避免軸承的再次失效 Keywords bearings failures life 關鍵詞 軸承 失效 壽命 Bearings fail for a number of reasons but the most common are misapplication contamination improper lubricant shipping or handling damage and misalignment The problem is often not difficult to diagnose because a failed bearing usually leaves telltale signs about what went wrong 導致軸承失效的原因很多 但常見的是不正確的使用 污染 潤滑劑使用不當 裝卸或 搬運時的損傷及安裝誤差等 診斷失效的原因并不困難 因為根據(jù)軸承上留下的痕跡可以確 定軸承失效的原因 However while a postmortem yields good information it is better to avoid the process altogether by specifying the bearing correctly in The first place To do this it is useful to review the manufacturers sizing guidelines and operating characteristics for the selected bearing 然而 當事后的調查分析提供出寶貴的信息時 最好首先通過正確地選定軸承來完全避 免失效的發(fā)生 為了做到這一點 再考察一下制造廠商的尺寸定位指南和所選軸承的使用特 ii 點是非常重要的 Equally critical is a study of requirements for noise torque and runout as well as possible exposure to contaminants hostile liquids and temperature extremes This can provide further clues as to whether a bearing is right for a job 對軸承的噪聲 扭矩 偏差 可暴露于污物和有害液體的程度以及溫度極限的要求進行 研究同樣是至關重要的 研究上述要求可以為確定軸承是否用于某種工作提供進一步的線索 1 Why bearings fail 1 軸承失效的原因 About 40 of ball bearing failures are caused by contamination from dust dirt shavings and corrosion Contamination also causes torque and noise problems and is often the result of improper handling or the application environment Fortunately a bearing failure caused by environment or handling contamination is preventable and a simple visual examination can easily identify the cause 在球軸承的失效中約有 40 是由灰塵 臟物 碎屑的污染以及腐蝕造成的 污染通常是 由不正確的使用和不良的使用環(huán)境造成的 它還會引起扭矩和噪聲的問題 由環(huán)境和污染所 產生的軸承失效是可以預防的 而且通過簡單的肉眼觀察是可以確定產生這類失效的原因 Conducting a postmortem il1ustrates what to look for on a failed or failing bearing Then understanding the mechanism behind the failure such as brinelling or fatigue helps eliminate the source of the problem 通過失效后的分析可以得知對已經(jīng)失效的或將要失效的軸承應該在哪些方面進行查看 弄清諸如剝蝕和疲勞破壞一類失效的機理 有助于消除問題的根源 Brinelling is one type of bearing failure easily avoided by proper handing and assembly It is characterized by indentations in the bearing raceway caused by shock loading such as when a bearing is dropped or incorrect assembly Brinelling usually occurs when loads exceed the material yield point 350 000 psi in SAE 52100 chrome steel It may also be caused by improper assembly Which places a load across the races Raceway dents also produce noise vibration and increased torque 只要使用和安裝合理 軸承的剝蝕是容易避免的 剝蝕的特征是在軸承圈滾道上留有由 沖擊載荷或不正確的安裝產生的壓痕 剝蝕通常是在載荷超過材料屈服極限時發(fā)生的 如果 安裝不正確從而使某一載荷橫穿軸承圈也會產生剝蝕 軸承圈上的壓坑還會產生噪聲 振動 和附加扭矩 A similar defect is a pattern of elliptical dents caused by balls vibrating between raceways while the bearing is not turning This problem is called false brinelling It occurs on equipment in 外文資料翻譯 transit or that vibrates when not in operation In addition debris created by false brinelling acts like an abrasive further contaminating the bearing Unlike brinelling false binelling is often indicated by a reddish color from fretting corrosion in the lubricant 類似的一種缺陷是當軸承不旋轉時由于滾珠在軸承圈間振動而產生的橢圓形壓痕 這種 破壞稱為低荷振蝕 這種破壞在運輸中的設備和不工作時仍振動的設備中都會產生 此外 低荷振蝕產生的碎屑的作用就象磨粒一樣 會進一步損害軸承 與剝蝕不同 低荷振蝕的特 征通常是由于微振磨損腐蝕在潤滑劑中會產生淡紅色 False brinelling is prevented by eliminating vibration sources and keeping the bearing well lubricated Isolation pads on the equipment or a separate foundation may be required to reduce environmental vibration Also a light preload on the bearing helps keep the balls and raceway in tight contact Preloading also helps prevent false brinelling during transit 消除振動源并保持良好的軸承潤滑可以防止低荷振蝕 給設備加隔離墊或對底座進行隔 離可以減輕環(huán)境的振動 另外在軸承上加一個較小的預載荷不僅有助于滾珠和軸承圈保持緊 密的接觸 并且對防止在設備運輸中產生的低荷振蝕也有幫助 Seizures can be caused by a lack of internal clearance improper lubrication or excessive loading Before seizing excessive friction and heat softens the bearing steel Overheated bearings often change color usually to blue black or straw colored Friction also causes stress in the retainer which can break and hasten bearing failure 造成軸承卡住的原因是缺少內隙 潤滑不當和載荷過大 在卡住之前 過大的摩擦和熱 量使軸承鋼軟化 過熱的軸承通常會改變顏色 一般會變成藍黑色或淡黃色 摩擦還會使保 持架受力 這會破壞支承架 并加速軸承的失效 Premature material fatigue is caused by a high load or excessive preload When these conditions are unavoidable bearing life should be carefully calculated so that a maintenance scheme can be worked out 材料過早出現(xiàn)疲勞破壞是由重載后過大的預載引起的 如果這些條件不可避免 就應仔 細計算軸承壽命 以制定一個維護計劃 Another solution for fighting premature fatigue is changing material When standard bearing materials such as 440C or SAE 52100 do not guarantee sufficient life specialty materials can be recommended In addition when the problem is traced back to excessive loading a higher capacity bearing or different configuration may be used 另一個解決辦法是更換材料 若標準的軸承材料不能保證足夠的軸承壽命 就應當采用 特殊的材料 另外 如果這個問題是由于載荷過大造成的 就應該采用抗載能力更強或其他 結構的軸承 Creep is less common than premature fatigue In bearings it is caused by excessive clearance between bore and shaft that allows the bore to rotate on the shaft Creep can be iv expensive because it causes damage to other components in addition to the bearing 蠕動不象過早疲勞那樣普遍 軸承的蠕動是由于軸和內圈之間的間隙過大造成的 蠕動 的害處很大 它不僅損害軸承 也破壞其他零件 0ther more likely creep indicators are scratches scuff marks or discoloration to shaft and bore To prevent creep damage the bearing housing and shaft fittings should be visually checked 蠕動的明顯特征是劃痕 擦痕或軸與內圈的顏色變化 為了防止蠕動 應該先用肉眼 檢查一下軸承箱件和軸的配件 Misalignment is related to creep in that it is mounting related If races are misaligned or cocked The balls track in a noncircumferencial path The problem is incorrect mounting or tolerancing or insufficient squareness of the bearing mounting site Misalignment of more than 1 4 can cause an early failure 蠕動與安裝不正有關 如果軸承圈不正或翹起 滾珠將沿著一個非圓周軌道運動 這個 問題是由于安裝不正確或公差不正確或軸承安裝現(xiàn)場的垂直度不夠造成的 如果偏斜超過 0 25 軸承就會過早地失效 Contaminated lubricant is often more difficult to detect than misalignment or creep Contamination shows as premature wear Solid contaminants become an abrasive in the lubricant In addition insufficient lubrication between ball and retainer wears and weakens the retainer In this situation lubrication is critical if the retainer is a fully machined type Ribbon or crown retainers in contrast allow lubricants to more easily reach all surfaces 檢查潤滑劑的污染比檢查裝配不正或蠕動要困難得多 污染的特征是使軸承過早的出現(xiàn) 磨損 潤滑劑中的固體雜質就象磨粒一樣 如果滾珠和保持架之間潤滑不良也會磨損并削弱 保持架 在這種情況下 潤滑對于完全加工形式的保持架來說是至關重要的 相比之下 帶 狀或冠狀保持架能較容易地使?jié)櫥瑒┑竭_全部表面 Rust is a form of moisture contamination and often indicates the wrong material for the application If the material checks out for the job the easiest way to prevent rust is to keep bearings in their packaging until just before installation 銹是濕氣污染的一種形式 它的出現(xiàn)常常表明材料選擇不當 如果某一材料經(jīng)檢驗適合 工作要求 那么防止生銹的最簡單的方法是給軸承包裝起來 直到安裝使用時才打開包裝 2 Avoiding failures 2 避免失效的方法 The best way to handle bearing failures is to avoid them This can be done in the selection process by recognizing critical performance characteristics These include noise starting and running torque stiffness nonrepetitive run