摘 要

汽车用于载客、运货，人们总是要求它绝对安全,因此自从汽车问世百年来，安全性一直是研究、设计、制造者关心的首要问题。现代汽车由于高效、节能发展的总趋势，使设计车速越来越高,加之已经数字庞大的保有量仍在不断增加，因而提高汽车的安全性，尤其是主动安全性几乎成了所有汽车生产厂家不倦研究的课题。汽车转向系是汽车操纵系统的一支主体，其与汽车操纵稳定性密切相关,因而它们的设计水平、制造质量、可靠程度是汽车主动安全性的重要依托。

本文所选车型属于重型货车，选用与之相匹配的整体式两轮转向系统。利用相关汽车设计和运动学知识，首先对汽车总体参数进行选择，在此基础上，对转向器、转向传动机构、转向助力系统进行方案确定，接着对转向器、转向传动机构、转向助力系统进行设计，并且利用CATIA软件对系统进行运动校核。最后，使用AutoCAD完成转向系统及相关零件的设计图纸。

本文从四个方面展开对转向系统设计：一、汽车整体参数对汽车转向的影响；二、机械转向器的选型与结构参数的设计计算校核；三、转向梯形的结构设计；四、动力转向系统的方案确定和参数选择。最终得到一个转向系统的整体设计方案。

关键词：转向系统；液压助力转向器；曲柄指销；转向梯形

Abstract

Automobile is always required to be absolutely safe when it is used to carry passengers and cargo. Therefore, safety has been the primary concern of research, design and manufacturer since the automobile came out one hundred years ago. Due to the general trend of efficient and energy-saving development of modern automobiles, the design speed of automobiles is getting higher and higher. In addition, the large number of existing automobiles is still increasing. Therefore, improving the safety of automobiles, especially the active safety, has become a subject that almost all automobile manufacturers tirelessly study. Vehicle steering system is a main body of vehicle handling system, which is closely related to vehicle handling and stability. Therefore, their design level, manufacturing quality and reliability are the important support of active safety of vehicles.

The vehicle selected in this paper belongs to heavy-duty truck, and a matching integral two-wheel steering system is selected. Based on the knowledge of automobile design and kinematics, the overall parameters of automobile are selected firstly. On this basis, the scheme of steering gear, steering transmission mechanism and steering assist system is determined. Then the steering gear, steering drive mechanism and steering assist system are designed, and the motion of the system is checked by CATIA software. Finally, AutoCAD is used to complete the design drawings of steering system and related parts.

This paper starts the design of steering system from four aspects: first, the influence of vehicle overall parameters on vehicle steering; second, the selection of mechanical steering gear and the design calculation and verification of structural parameters; third, the structural design of steering trapezium; fourth, the scheme determination and parameter selection of power steering system. Finally, an overall design scheme of steering system is obtained.

Key words: steering system;electro-hydraulic power system;cam and lever steering gear

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景与目的意义 1

1.2 电控液压助力转向系统国内外研究发展 2

1.3 总体设计内容及目标 2

第2章 转向系统方案 4

2.1 转向系统概述 4

2.2 转向系统方案 5

2.3 整车主要结构参数 5

第3章 机械转向系统部分设计计算 7

3.1 转向系的主要性能参数 7

3.1.1 转向系计算载荷 7

3.1.2 转向器效率 7

3.1.3 传动比变化特性 8

3.1.4 力传动比与转向系角传动比的关系 10

3.2 转向器主要参数确定 11

3.3 转向蜗杆设计 13

3.3.1 螺纹导程角α 13

3.3.2 蜗杆螺纹齿厚 13

3.3.3 蜗杆齿槽 14

3.3.4 蜗杆切削进刀量及指状铣刀最小摆动角 15

3.3.5 蜗杆图的绘制 16

3.4 指销及指销轴承的设计 18

3.5 曲柄垂臂轴设计 18

3.6 曲柄指销转向器零件强度校核 20

3.6.1 蜗杆传动受力分析 20

3.6.2 蜗杆螺纹接触强度校核 20

3.7 转向梯形优化 21

第4章 动力转向系统设计 23

4.1 动力缸主要尺寸计算 23

4.3 分配阀尺寸 25

4.4 转向助力泵与电机选型 26

第5章 总结 28

参考文献 29

致谢 31

第1章 绪论

1.1 课题研究背景与目的意义

牵引车和挂车组成汽车列车^[1]。一般来讲，牵引车是汽车列车驱动部分，专门用来牵引挂车用的，其主要用途是与挂车一起承担货物运输。

随着我国不断发展，制造工业水平日益提升，运输业作为社会各产业的链条作用日益凸显。载货汽车由于运输效率高，运输成本低的特点，是公路运输首选。作为机动车一大类产品，牵引车用途广泛，在公路客货运输、工业运输、农业运输、商业运输和军事运输等各方面的应用都十分普及。早在上世纪70年代以前，在一些工业发达国家已经开始普及重型牵引车的运输，现代汽车的发展也将重型牵引车放在为重要的位置，其具有的特点为：大承载质量、运营成本低、结构简单、专用化。这些年来，我国高速公路高速发展，现代物流运输需求不断增加，为载重货车发展创造条件^[2]；在工业生产高度集成化的今天，成套设备的引入，各地化工厂、电厂需要的国产和进口超长超重超大货物的运输也对重型牵引车的发展创造了发展空间。重型牵引车市场需求量相应增加，市场前景可观，对牵引车的制造水平提出了更高的要求。

由于牵引车载货的用途，其驾驶作^[3]业过程中，工作周期长，行驶环境复杂，作为驾驶员最直接接触到的部分，汽车行驶安全性在牵引车设计中有着突出重要性，其行驶安全性很大程度上取决于它们的操纵性能，这主要由转向系统的设计保证。因此，对重型牵引车转向系统的优质设计有着现实意义。

本次毕业设计已完成牵引车转向系统的设计任务，其总体设计的目的主要包括：

（1）合理选择转向器类型以满足货车相应功能，转向系统组成元件少，元件尺寸小，质量轻，能够使整个转向系统结构紧凑；

（2）合理选择转向系统助力装置，满足汽车行驶时所需转向力矩，并且可以保证驾驶员转向轻便性；

（3）选择合适的转向器参数，使转向器角传动比变化特性满足低速轻便高速灵敏的要求，使货车机动性好；

（4）能够满足运动校核，保证转向盘和转向轮转向一致，且零件之间不发生干涉：

（5）能够满足强度校核，组成转向系统各零件有足够强度来保证行驶安全。

1.2 电控液压助力转向系统国内外研究发展

电控液压助力转向系统是在传统液压系统的基础上，加装一个电控系统，从而减轻驾驶员负担，提高驾驶性能，它是目前国内外应用最为广泛的转向助力系统。从上世纪80年代开始，国外就针对助力系统控制部分展开了研究，最开始是由E.F.JAMES等人对前轴荷小与600kg的小型车辆使用了直流电机驱动的转向系统，^[4]它以车速为系统唯一输入，采用开环控制，此时助力系统仅仅实现变助力转向，而不节省能源；到90世纪后，对电控系统研究变得复杂，电控液压系统节能的作用开始提升^[5]；到21世纪以后，对电机的研究与优化使电控系统变得更加可靠，^[6]使用寿命也逐步增加。直至今天，对电控液压助力系统可靠性，精确性，节能作用的提升依然在继续。国内研究起步较晚，但也取得不少研究成绩。我国主要针对控制策略，助力特性，软硬件研发这三个方面展开研究^[7]。

随着电控技术发展愈发成熟，人们对汽车助力转向的需求不仅仅简单满足于轻便型，或是驾驶操纵性，这需要使方向盘最佳轻便型、最小能源消耗、最佳路感反馈等多种优化方向结合起来，以达到综合的优化。

1.3 总体设计内容及目标

总体设计的基本内容为任务书上提出的设计要求，也就是需要完成以下几点：

（1）结合车型特点与转向系统发展趋势，分析和确定DFL4180转向系统基本的结构设计方案；

（2）对机械部分进行选型设计，确定转向系结构及其零件尺寸参数；

（3）与参考车型布置条件，部分尺寸参数，完成转向梯形结构参数的优化设计，以及主要部件的应力校核，使转向系统具有轻便性，转向梯形具有协调性；

（4）对整车液压助力转向系统进行合理布置，完成分配阀体、动力缸、液压油泵的参数设计计算；

（5）画出转向系统的三维模型并在其基础上完成运动学校核，绘制转向系统装配图以及重要部件的零件图。

本次毕业设计旨在完成牵引车转向系统的设计任务，总体设计的目的主要包括：

（1）所选方案适应重型牵引车转向要求，可以适用于重载荷汽车，能有效发挥其转向功用：

（2）机械部分的设计满足基本转向要求，使转向系统工作可靠、操纵力矩合理、车轮与方向盘有固定转角关系、布置满足驾驶室要求、有安全装置等；

（3）动力助力部分提供有效的助力，满足驾驶员转向轻便、迅速响应的需求；

（4）运动校核满足左右轮合理的转向关系，运动件不发生干涉；

（5）图纸满足工程要求，指示清楚，标注完整。

本次设计的目标为电控液压助力转向系统，以转向油泵为动力源，通过电机控制转向油泵泵油量，改变助力大小以改变转向系统性能。目标包括转向系统机械部分：指从方向盘、转向管柱、动力转向器和转向机构到转向前轮的转向系统机械部分；电动液压助力部分：以电机为调节装置，控制油泵流量调节助力大小的助力装置。设计保证转向系统运行可靠，不发生干涉，各参数选择合理达到一定的转向性能要求。

第2章 转向系统方案

2.1 转向系统概述

转向系统的功用就是根据驾驶员的意愿使汽车保持直线行驶或者转变行驶向。

采用动力转向的汽车包括两大系统，即机械系统与动力系统。

机械部分的组成一般包括：

（1）转向盘、转向轴和转向器。借助它们，方向盘的转动改变为转向摇臂或者转向垂臂的转动，并且相应的使扭矩增大；

（2）转向杆系。转向摇臂的摆动通过杆系传给左右转向轮，并使各个转向轮有不同转角；

（3）转向节与转向节销。他们支撑车轮，并在转向时配合转向拉杆保证汽车车轮处于正确位置。

动力助力系统包括分配阀、动力缸、控制电机、液压泵等组成，其作用是减轻驾驶员行驶时作用在方向盘上的手力，同时调节助力大小保证行驶的稳定。

根据转向系统的结构特点，可按照转向器与传动机构分类。

转向器分为机械式转向器与动力转向。动力转向包括液压式、电控液压式与电动助力式。机械式转向器包括齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等。^[8]液压式转向系统最为传统，其技术发展也十分成熟，液压系统发出的助力由转向油泵提供，其控制程度低，同时由于使用中液压油泵持续运转，造成客观的能源浪费，不符合目前汽车行业节能减排的大方向；电动助力转向是目前转向助力热点，由于助力可控，其在提供助力的同时还提升了汽车操纵性能，但由于电机发出的功率有限，对于重型载货车而言，所需的助力往往超出电机功率范围；而电控液压系统兼顾两者特点，液压系统的可靠性与电控技术的高性能使其成为大型车助力系统的优选方案。

几种机械转向器中，在日、美以及欧洲一些发达工业国家生产的货车上，大部分使用循环球式，齿轮齿条式在轻、微型乘用车上应用最广，曲柄指销式转向器的应用主要是重型载货汽车。不同型号的转向器在传动效率^[10]上相差较多，但也需要根据其对汽车种类的适应性选择。本设计参考车型为重型载货汽车，前轴载荷大，采用双销式曲柄指销转向器，具有变传动比，可靠性好。

转向梯形分为整体梯形与分段梯形。前者装有非独立式悬架，后者适用于独立悬架。本设计车型为非独立式悬架，选用整体梯形。转向梯形相对于转向轴有前置、后置两种，本文采用后置式转向梯形，可以规避撞击风险且布置上不发生干涉。

2.2 转向系统方案

根据上节所述转向系统结构特点，可确定本文采用电控液压式助力转向，具体方案如下：

（1）汽车转向系统类型：采用电控液压助力转向系统。系统在传统液压系统的基础上加装电控系统，电控液压式助力转向系统采用流量控制式，动力系统包括动力缸，分配阀，转向油泵、转向油罐等。

动力转向机构：半整体式动力转向器

分配阀结构：转阀式转向控制阀

（2）转向器及操纵机构：

转向器：循环球式转向器

转向操纵机构：包括转向盘、万向节、传动轴，保证布置合理，零件不发生变形即可

防伤安全机构：采用双万向节与转向传动轴组成的万向传动装置。

（3）转向传动机构：转向直拉杆、转向节臂、转向横拉杆、左右梯形臂等机件构成，需要考虑传动机构与悬架导向机构不发生运动干涉，以及转向梯形优化^[11]。

2.3 整车主要结构参数

本次设计以东风天龙重卡DFL4180为参考车型进行设计，该车为4×2牵引车，平顶驾驶室，以下是该车型的结构参数。

表2.1 DFL4180牵引车相关参数

第3章 机械转向系统部分设计计算

3.1 转向系的主要性能参数

3.1.1 转向系计算载荷

转向系全部零件的强度是根据作用在转向系零部件上的力确定的，因此，在进行汽车转向系统强度计算时，必须先确定其受到的载荷大小。

转向系统上零件之间的载荷是由车轮传递至方向盘的，需要确定转向系统的计算载荷首先要确定车轮与地面的作用力。汽车在行驶中，由于形势条件复杂多样，将会接受到来自道路的不同方向，不同大小的作用力，比如直线行驶时的滚动阻力，侧向行驶时由于车轮定位造成的回正力矩，侧向力等，还有因为离心作用产生的侧倾力等。因此道路对车轮的作用力会随着路面条件，行驶速度与方向，车辆载荷等发生较大改变，要想准确计算出其大小是很难实现的，本设计根据主要因素，按照半经验公式计算轮胎与地面间载荷。

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