GD1091型商用车转向系前桥设计论证报告.docx
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GD1091型商用车转向系前桥设计论证报告
毕业设计方案
论证报告
题目：
GD1091型商用车转向系、前桥设计
学生姓名：
学号：
专业班级：
车辆工程
指导教师：
2014年03月15日
目次
1•概述2
2.设计参数及要求2
3.汽车转向系和前桥的现状与发展2
3.1汽车转向系的现状与发展2
3.2汽车前桥的现状与发展3
4.转向系统分析3
4.1机械转向系3
4.2动力转向系5
5.转向系统方案分析6
5.1液压式动力转向机构布置方案分析6
5.2转向操纵机构的分析7
5.3转向梯形与转向传动机构的结构分析7
5.4转向器类型的选择8
6.前桥方案分析9
论证结果9
参考资料10
1•概述
转向系统是汽车一个重要组成部分，是决定汽车主动安全性能的关键所在，它主要用来保持或改变汽车行驶方向，转向系必须能准确、快速、平稳的响应驾驶员的指令，在转向行驶时车轮受到外界扰动后，在驾驶员不操作的情况下，转向系亦能保证汽车自动回正保持稳定的直线行驶状态。
本次设计主要以中型货车转向系为主，同时也考虑转向前桥的设讣，对转向系进行简单的分析，并对转向系各部分零件进行设计，以及工艺性、尺寸公差等级分析。
现进行设计之初的方案论证和主要技术参数的拟定，对各种方案进行比较论证，得出论证结果。
2.设计参数及要求
设计参数如下表：
表2-1设计任务
汽车整备质量
最大总质量
最高车速
比功率参考值
3500Kg
9000Kg
80Km/h
15kwt
设计□的：
通过学生完成设计，掌握汽车前桥、转向系的设计方法和过程,为整车设计奠定基础。
设讣内容：
确定汽车前桥、转向系的设讣方案。
3.汽车转向系和前桥的现状与发展
自汽车问世来，汽车对人类生活和经济的发展产生了巨大的影响，为人类社会的进步做出了不可磨灭的巨大贡献。
汽车扩大了人的活动范围，增加了人与人之间的交流，使社会生活变的丰富多彩：
汽车还促进了公路建设和运输繁荣，改变了城市的面貌和布局，有助于各地区经济文化的交流和偏远地区的开发。
社会对汽车不断增长的要求，促使汽车工业日益繁荣。
3.1汽车转向系的现状与发展
传统的汽车转向系统是机械系统，汽车的转向运动是III驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮使其转动。
汽车转向系统的主要组成是转向操纵机构、转向器和转向传动机构组成。
普通的转向系统建立在机械转向的基础上，根据机械式转向器形式可以分为：
齿轮齿条式转向器、循环球式转向器、蜗杆滚轮式转向器、蜗杆指销式转向器。
常用的有两种是齿轮齿条式和循环球式（用于需要较大的转向力时），这种转向系统是我们最常见的，工作稳定可靠。
现在对转向系提出的要求是：
（1）汽车转弯行驶时，全部车轮应瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑现象。
如果不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。
（2）汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶。
（3）汽车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自震，转向盘没有摆动。
（4）转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动最小。
（5）保证汽车有较好的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。
（6）操纵轻便。
（7）转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽量小。
（8）转向器和转向传动机构的球处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。
（9）在车祸中，当转向轴和转向盘山于车架或车身变形而共同后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。
（10）进行运动校核，保证转向轮和转向盘运动一致。
当然，随着技术的发展，为减轻驾驶员体力负担，在机械转向系统基础上增加了液压助力系统HPS（hydraulicpowersteering）,它是建立在机械系统的基础之上的，额外增加了一个液压系统，一般有油泵、V形带轮、油管、供油装置、助力装置和控制阀。
近年来，电子技术的不断发展，转向系统中愈来愈多的采用电子器件。
相应的就出现了电液助力转向系统。
电液助力转向系统的助力特性可根据转向速率、车速等参数设计为可变助力特性，使驾驶员能够更轻松便捷的操纵汽车。
3.2汽车前桥的现状与发展
前桥乂叫转向桥，是利用车桥中的转向节使车轮可以偏转一定角度以实现汽车的转向。
前桥通过悬架与车架连接，支撑着汽车大部分重量，并将车轮的牵引力或制动力，以及侧向力经悬架传给车架。
为了便于与不同悬架相配合，汽车的询桥分为整体式和断开式，当采用非独立悬架时，前桥的中部是刚性的实心或空心梁，这种车桥就是整体式车桥；断开式车桥为活动关节式结构，与独立悬架配用。
前桥主要是由前梁和转向节组成。
4.转向系统分析
汽车在行使过程中，需要经常改变行驶方向，即所谓的转向。
这就需要有一套能够按照司机意志来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，它将司机转动方向盘的动作转变为车轮的偏转动作，这就是所谓的转向系统。
转向系统是用来改变汽车的行使方向和保持汽车直线行使的机构，既要保持车辆沿直线行驶的稳定性，乂要保证车辆转向的灵活性。
转向性能是保证车辆安全，减轻驾驶员劳动强度和提高作业效率的重要因素。
转向系按转向力能源的不同，可将转向系分为机械转向系和动力转向系。
4.1机械转向系统
机械转向系统，是以驾驶员的体力（手力）作为转向能源的转向系统，其中所有传力件都是机械的。
机械式转向系依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转向器和转向传动机构使转向轮偏转。
有些汽车还装有转向减震器和防伤机构。
机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。
机械转向系山转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。
图4-1机械转向系统的组成和布置示意图
1一转向盘2—转向桥3—转向万向节4一转向传动轴5—转向器6—转向摇臂7—转向直拉杆8—转向节臂9—左转向节10、12—梯形臂11—转向横拉杆13—右转向节
图4-1为机械转向系的组成和布置示意图。
当汽车转向时，驾驶员对转向盘1施加一个转向力矩。
该力矩通过转向轴2、转向万向节3和转向传动轴4输入转向器5。
经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向摇臂6,再经过转向直拉杆7传给固定于左转向节9上的转向节臂8,使左转向节和它所支撑的转向轮偏转。
为使右转向节13及其支撑的，右转向轮随之偏转相应的角度，还设置了转向梯形。
转向梯形由固定在左、右转向节上的梯形臂10、12和两端与梯形臂做球狡连接的转向横拉杆11组成。
图4-2齿条式机械转向系统组成结构图
图4-2也是机械式转向系，与图2-1不同的是它是与齿轮齿条式转向器配合的转向系。
当汽车转向时，驾驶员对转向盘施加一个转向力矩。
该力矩通过转向轴、转向轴万向节和转向传动轴输入转向器，转向轴的转动经转向器后变为齿条的左右移动。
转向横拉杆一端与齿条相连，另一端通过球狡和固定在转向节上的转向节臂连接。
齿条左右移动，带动连接在其上的横拉杆左右运动，通过转向节臂拉动转向节使转向轮转动。
从转向盘到转向传动轴这一系列部件和零件，均属于转向操纵机构。
转向梯形到转向节臂这一系列部件和零件，均属于转向传动机构。
4.2动力转向系
动力转向系，是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系。
在正常情况下，汽车转向所需能量，只有一小部分由驾驶员提供，而大部分由通过转向加力装置提供的。
但在转向加力装置失效时，一般还应当能山驾驶员独立承担汽车转向。
因此，动力转向是在机械转向系的基础上加设一套加力装置而形成的。
由于转向助力装置最常用的是一套液压系统，因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐，它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电机和地线的作用。
4.2.1液压式动力转向装置
液压式动力转向装置重量轻，结构紧凑，利于改善转向操作感觉，但液体流量的增加会加重泵的负荷，需要保持怠速旋转的机构。
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图4-3液压助力装宜示意图
1.方向盘2.转向轴3.转向中间轴4.转向油管5.转向油泵6.转向汕罐7.转向节臂
8.转向横拉杆9.转向摇臂10.整体式转向器11.转向直拉杆12.转向动力缸
图4-3为一种液压动力转向系的组成和液压转向加力装置的管路布置示意图，其中属于转向加力装置的部件是：
转向油罐、转向液压泵、转向控制阀和转向动力缸。
当驾驶员逆时针转动转向盘时，转向摇臂带动转向直拉杆前移。
直拉杆的拉力作用于转向节臂，并依次传到梯形臂和转向横拉杆使之右移。
与此同时，转向直拉杆还带动转向控制阀中的滑阀，是转向动力缸的右腔接通液面压力为零的转向油罐。
转向液压泵的高压油进入转向动力缸的左腔，于是转向动力缸的活塞上受到向右的液压作用力便经推杆施加在转向横拉杆上，也使之右移。
这样，驾驶员施于转向盘上很小的力矩，便可克服地面作用于转向轮上的转向阻力矩。
随着最近汽车发动机马力的增大和扁平轮胎的普遍使用，使车重和转向阻力都加大了，因此动力转向机构越来越普及。
4.2.2电动式动力转向装置
电动式动力转向装置是最新形式的转向装置，山于它节能，故受到人们的重视。
它是利用蓄电池转动电机产生推力。
山于不直接使用发动机的动力，所以大大降低了发动机的功率损失（液压式最大损失5-10马力），且不需要液压管路，便于安装。
尤其有利于中置发动机后轮驱动的汽车。
但U前电动式动力转向装置所得动力还比不上液压式，所以只限用于前轮轴轻的中置发动机后驱动的汽车上。
4.2.3电动液压式动力转向装置
即山电机驱动转向助力泵并山计算机控制的方式，它集液压式和电动式的优点于一体。
因为是计算机控制，所以转向助力泵不必经常工作，节省了发动机的功率。
这种方式结构紧凑，便于安装布置，但液压产生的动力不能太大，所以适用排量小的汽车。
5.转向系统方案分析
5.1液压式动力转向机构布置方案分析
动力转向系统选用液压动力，由于油液工作压力高，动力缸尺寸、质量小，结构紧凑，油液具有不可圧缩性，灵敬度高以及油液的阻尼作用可以吸收路面冲击等优点而被广泛应用。
5.1.1动力转向机构布置
液压式动力转向机构由分配阀、转向器、动力缸、液压泵、储油罐和油管等组成。
根据分配阀、转向器核动力缸三者互相位置的不同，液压式动力转向机构可分为整体式（图3-la）和分置式两类。
后者按分配阀所在位置的不同分为：
联阀式（图3-lb）、连杆式（图3-lc）和半分置式（图3-ld）。
图5-1动力转向机构布置方案图
1—分配阀2—转向器3—动力缸
在比较不同转向机构布置方案时，经常是从结构上是否紧凑、转向器主要零件是否承受山动力缸建立起来的载荷、拆装是否容易、能不能采用典型转向器等方面来比较。
而整体式动力转向器，山于分配阀、转向器、动力缸三者装在一起,因而结构紧凑，管路也短，转向轮受到的侧向力作用或者发动机的震动都不会影响分配阀的震动，不能引起转向轮摆动等优点在货车上得到广泛的应用。
5.1.2分配阀的结构方案
分配阀有两种方案：
分配阀中的阀与阀体以轴向移动方式来控制油路的称为滑阀式，以旋转运动来控制油路的称为转阀式。
山于滑阀式分配阀的结构简单,生产工艺性好，易于布置，使用性能较好，等到广泛的应用，转阀则结构复杂。
5.2转向操纵机构的分析
转向操纵机构由转向盘和转向轴组成。
山交通事故统计资料和对汽车碰撞试验结果的分析表明：
汽车正面碰撞时,转向盘、转向管柱是使驾驶员受伤的主要元件，为此需要在转向系中设计并安装能防止或者减轻驾驶员受伤的机构。
在转向系中，一般使有关零件在碰撞时产生塑性变形、弹性变形或利用摩擦等来吸收冲击力量。
在传动轴中釆用万向节连接的结构，布置合理就可在汽车受到正面碰撞时防止转向轴等向驾驶室移动，结构简单，只要万向节连接的双轴之间存在夹角，正面碰撞后转向传动轴和转向盘就处于双点化线的位置，转向盘没有后移就不会危及驾驶员。
转向轴上设置有万向节不仅能提高安全性，而且有利于使转向盘和转向器在汽车上得到合理布置，提高了操纵方便性并且拆装容易。
5.3转向梯形与转向传动机构的结构分析
转向梯形有整体式（如图5-2a）和断开式（如图5-2b）两种，选择转向梯形的方案与悬架采用何种方案有关。
转向梯形要做到汽车转弯时，保证全部车轮绕一个瞬时转向中心行使,使在不同圆周上运动的车轮，作无滑动的纯滚动运动,同时，为保证总体布置要求的最小转弯直径，转向轮应有足够大的转角
（a）整体式转向梯形（b）断开式转向梯形
图5-2转向梯形结构示意图
1—转向横拉杆2—转向梯形臂3—前轴
整体式转向梯形结构简单，调整前束容易，制造成本低等优点，在汽车前悬架采用非独立悬架时多采用整体式后置梯形。
而断开式与整体式相比，山于其杆系、球头增多，所以结构复杂，制造成本高，并且调整前束比较困难。
转向传动机构的功能是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，并使两转向轮偏转角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。
与非独立悬架配用的转向传动机构主要包括转向摇臂、转向纵拉杆、转向节臂、转向梯形臂，因为前桥仅为转向桥，所以由转向梯形臂和转向横拉杆组成的转向梯形一般布置在前桥之后。
山此分析得到，运用整体式梯形转向传动机构。
5.4转向器类型的选择
转向器的功用是将方向盘的转动变为转向摇臂的摆动，按一定传动比改变力的方向，通过传动装置迫使车轮回转，从而实现转向的目的。
5.4.1一般转向器类型分析
一般的转向器有齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式和蜗杆指销式等。
（1）循环球式转向器（图5-3）III螺杆和螺母共同形成的螺旋槽内装钢球构的传副，以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成。
它的优点是：
在螺杆和螺母之间因有可以循环流动的钢球，将滑动摩擦转变为滚动摩擦，因而传动效率可达到75%-78%;在结构和工艺上釆取措施后，可保证有足够的使用寿命转向器的传动比可以改变；工作平稳可靠；齿条和齿扇之间的间隙工容易进行；适合用来做整体式动力转向。
缺点是：
逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度咼。
图5-3循环球式转向器
（2）蜗杆滚轮式转向器山蜗杆和滚轮啮合而成。
其优点是：
结构简单；制造容易；强度高，工作可靠，磨损小寿命长，逆效率低。
缺点是：
正效率低。
工作齿面磨损后调整啮合间隙比较困难，传动比不能改变。
蜗杆指销式的优点是：
转向器的传动比可以作成不变的或者改变的，指销和蜗杆之间的工作面磨损后，调整间隙工作容易进行；其缺点是：
磨损快，结构复杂。
5.4.2典型动力转向系统分析
在重型汽车中随着前轮负荷的增加，转向器除直接操纵转向轮外，主要的功能就是用来操纵转向加力装置。
典型的动力转向系统有整体式、半分置式和单独转向油路连阀式。
山于整体式动力转向系统是把动力缸、分配阀和转向器组合在一起，使的结构紧凑，所以得到广泛的应用。
6.前桥方案分析
前桥通过悬架和车架相连，它的两端安装车轮，其功用是传递车架与车轮之间各方向的作用力及其力矩。
根据悬架的不同，前桥分为整体式和断开式两种。
本车采用整体式前桥，它与非独立悬架相配置，组成了性能优良的转向桥。
山于它有效地减少了非载簧质量，降低了发动机的质心高度，从而提高了汽车的行驶平顺性和操作稳定性。
前桥即为转向桥，是利用转向节使车轮可以偏转一定角度以实现汽车的转向。
它除了承受垂直载荷外，还承受纵向力和侧向力以及由这些力产生的力矩。
主要有转向梯形机构、转向直拉杆和转向节组成。
本设计中，转向节臂和转向节是铸造在一起的。
转向节臂也相当于转向梯形臂。
该车的悬架依照参考车型CA1091,采用的是非独立钢板弹簧悬架。
论证结果：
本次设讣方案中转向系选用机械式转向系，采用整体式梯形，转向器选用循
环球式转向器；前桥设计选用整体式前桥。
参考文献
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西北工业大学出版社，2000
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