多軸轉向畢業(yè)設計

1、本科畢業(yè)設計多軸轉向車輛轉向軸設計摘要：多軸轉向車輛轉向機構是車輛轉向時實現內、外輪理想轉角關系的核心部件。多軸轉向車輛在低速時前后輪轉角方向相反，使汽車具有更好的機動性，多軸轉向車輛承載能力強，轉彎半徑小，在轉向時能夠改善汽車對轉向盤輸入的動態(tài)響應特性，一定程度上改善了橫擺角速度和側向加速度的瞬態(tài)響應型指標，越來越受市場歡迎。關鍵詞：多軸車輛；轉向軸；轉向機構Multi-axle steering vehicle steering shaft designAbstract: Multi-axle steering vehicle steering mechanism is vehicle s

2、teering implementations, ocean shipping, the ideal Angle relationship of core parts. Multi-axle steering vehicle in front and rear wheels steering Angle at low speed in the opposite direction, that car has better mobility and multi-axle steering vehicle carrying capacity is strong, small turning rad

3、ius, in turn can improve the motor dynamic response of steering wheel input, to some extent improve the transient response of the yawing angular velocity and lateral acceleration type indicator, more and more popular with the market.Key Words: Multi-axis vehicle; Steering shaft; Steering mechanism1

4、引言 近代隨著世界經濟的不斷的蓬勃發(fā)展，大噸位的重型車輛不斷的出現。為了滿足交通法規(guī)的要求，重型車輛多采用多軸技術。由于重型車輛質量大、慣性矩大、質心高、軸數多，故其行駛性能受多方面的限制，全輪轉向和多軸動態(tài)轉向技術在提高重型車輛高速操縱穩(wěn)定性和低速機動靈活性具有顯著的功效。專用汽車的轉向軸多在二軸以上，有的甚至多達五軸，其轉向性能的好壞直 接影響車輛行駛的靈活性、操縱穩(wěn)定性、經濟性和輪胎的使用壽命，而且車軸越多，轉向對車輛行駛影響越大。至今國際上工程行業(yè)技術劇透利勃海爾公司已經退出了9軸多模式動態(tài)轉向全地面起重機，此外格魯夫、沃爾沃等公司也相繼推出了5軸以上的多軸轉向重型車輛，前些年，國內徐

5、州重型機械有限公司緊跟國際發(fā)展，相繼推出了多軸轉向重型設備，發(fā)展勢頭非常好。多軸轉向重型車輛涉及到交叉學科的多項核心技術。其中，多軸轉向技術是提高重型車輛操縱性和安全性的一項關鍵技術，但是相關核心關鍵技術的理論研究文獻資料非常有限，目前國內對三橋以上的多橋轉向技術研究還不是很深入，主要針對兩軸車輛的動態(tài)轉向系統(tǒng)進行了初步的理論研究，大多數重型車輛的生產商仍然采用傳統(tǒng)的設計方法進行經驗性設計，通過制作屋里樣機實車試驗來查找問題，大大增加了設計的風風險。本文通過對多軸轉向車輛轉向軸的研究設計，對轉向機構進行優(yōu)化設計，并將優(yōu)化結果，數據，應用于實際產品的研究改造上，為多軸轉向車輛轉向機構的合理設計提

6、供一些研究數據，減少實車試驗的風險和費用，縮短產品的研發(fā)周期。2 多軸轉向車輛轉向系統(tǒng)分析2.1 多軸轉向車輛轉向特性2.1.1 轉向系的組成和要求1) 轉向系的組成轉向系是用來改變汽車的行駛方向和保持汽車直線行駛的系統(tǒng)，它由轉向控制機構、轉向傳動裝置和轉向車輪組成，在采用動力轉向的汽車上還有功能裝置。轉向控制裝置：指控制汽車轉向運轉的部分，由駕駛員直接或間接操作，轉向力全部或部分由駕駛員的肌肉作用來提供。轉向控制裝置包括直到轉向效果變?yōu)闄C械、液力或電力方式提供之處為止的全部零件，如轉向軸，轉向盤，轉向器。轉向傳動裝置：指轉向控制裝置與轉向車輪之間傳遞轉向力的所有零件，如轉向臂、轉向縱拉桿總成

7、，轉向節(jié)上臂等。轉向車輪：指直接或間接改變其相對于汽車縱軸的位置，以決定汽車行駛方向的車輪。功能裝置：指提供動力、控制動力、輸出動力、分配并儲存動力的所有零件。還包括提供介質的貯存容器和管路，但不包括汽車發(fā)動機。2) 轉向系的要求（）工作可靠轉向系對汽車的行駛安全性影響很大，其所有零件應有足夠的強度、剛度和壽命；（）操縱輕便這是減輕駕駛員的勞動強度和保證汽車安全行駛的重要因素之一。操縱輕便性包括三方面的內容。汽車轉向時作用在轉向盤上的手力要小。汽車轉向時，轉向盤的回轉圈數要少，當汽車朝一個方向極限轉彎時，轉向盤的轉動圈數不應超過圈，因此轉向系的角傳動比不易太大。汽車直線行駛時，轉向盤應穩(wěn)定，無

8、抖動和擺動現象。當汽車以下列車速以半徑50m的曲線的切線方向離開時，轉向盤不得有異常震。動。這就要求轉向系在整車布置時與行走系統(tǒng)運動協(xié)調，使汽車轉向后轉向盤能自動回正，要求轉向器具有一定的可逆性，同時要正確選擇前輪定位參數。（）汽車轉向時要有正確的運動規(guī)律。要合理設計轉向梯形機構，盡可能保證在轉向時車輪是純滾動而沒有滑動。（）既要盡量減少汽車轉向輪受到的沖擊傳到轉向盤上，又要保證駕駛員有正確的道路感覺。（）轉向系的調整應盡量簡單。（）裝有助力轉向的汽車，在助力系統(tǒng)失效時，靠人力仍能操縱汽車轉向。 2.1.2 轉向系方案的選擇 轉向控制裝置（）轉向盤。轉向盤由盤轂、輪緣和輪輻組成。轉向盤的尺寸和

9、形狀直接影響轉向操縱的輕便性。選用大直徑轉向盤會使駕駛員進、出駕駛室感到困難；選用小直徑轉向盤轉向時要求駕駛員施加較大的力，從而使汽車操縱困難。對新車型的設計可以選用現有的轉向盤，也可根據要求設計新轉向盤，新設計的轉向盤要符合轉向盤尺寸標準。（）轉向軸。為了轉向系統(tǒng)在汽車上布置更為合理，拆裝方便，利于駕駛室的翻轉，特別對于可翻轉式平頭車駕駛室，在駕駛室翻轉軸線上給轉向軸裝置萬向節(jié)，從而提高了操縱方便性、行駛安全性和轉向機構的壽命，還有利于駕駛室的翻轉。（）轉向器。轉向器形式的選擇應根據汽車的用途來決定。轉向器種類很多，常見的有循環(huán)球式、球面蝸桿滾輪式、曲柄指銷式和齒輪齒條式。隨著汽車技術發(fā)展及

10、工藝水平的提高，有些形式的轉向器已經很少采用。 轉向梯形布置汽車轉向梯形機構由轉向節(jié)臂、轉向橫拉桿、和前軸組成。汽車轉向時，左、右轉向輪的轉角要符合一定的規(guī)律，以保證所有車輪在轉彎過程中都繞一個圓心做等速回轉運動。轉向梯形機構可以使汽車在轉向過程中所有的車輪都是純滾動或有極小的滑移，從而提高輪胎的使用壽命，保證汽車操縱的輕便性和穩(wěn)定性。 轉向系主要參數選擇轉向系各部件設計需要首先確定轉向系主要參數：傳動比和計算載荷。（）轉向系設計的前提條件。轉向系設計前，首先由總布置根據整車布置方案，確定各大總成在整車上的位置、占用空間、控制操作方式，如駕駛室形式、發(fā)動機傾角、懸架形式、轉向軸選擇、輪胎型號、

11、轉向盤及轉向傳動軸傾角等等，給出轉向系的外圍設計條件。同時，提供給各相關專業(yè)組整車尺寸參數、重量參數、性能參數和從整車機動性要求提出的對相關專業(yè)組的具體要求，如最大車輪內外轉角、最小轉彎直徑等。根據以上參數，可以進行轉向系統(tǒng)及機構的傳動比及工作載荷的確定。（）計算轉向系傳動比和計算載荷。直接影響車輛機動性和操縱輕便性，包括力傳動比和角傳動比。轉向系力傳動比：從輪胎接觸地中心作用在兩個轉向輪上的合力與作用在轉向盤上的手力之比。轉向系角傳動比：轉向盤轉角和駕駛員同側的轉向輪轉角之比。由轉向器角傳動比和轉向傳動裝置角傳動比組成。當車輪轉角一定時，角傳比的大小直接影響到整車機動性和操縱輕便性。大的角傳

12、比可使轉向輕便，但是相應增加了轉向盤轉動圈數，機動性能下降。由于在中、重型汽車上，普遍裝配動力轉向，所以汽車轉向的輕便性不是主要問題，可以適當的選擇較小的角傳比，為了有較好的機動性，一般可選用角傳比在之間。為確定轉向系計算載荷，需求解轉向輪的轉向阻力矩、作用于轉向盤上的作用力和轉向盤總回轉圈數。汽車在行駛中作用在轉向系各種零件上的載荷是經常變化的，很難用計算的方法加以確定，需要根據給出的假定載荷進行零部件強度計算。假定載荷按下列三種情況給出：、以駕駛員可能作用于轉向盤上的最大手力（）為計算載荷；、以汽車在靜止狀態(tài)做原地轉向所需的轉向力矩為計算載荷；、以轉向臂末端球頭承受的前軸負荷的為計算載荷。

13、以上三種假定載荷的說明：方法：沒有考慮車輪負荷狀況，而輕、中、重型汽車轉向系所承受的載荷顯然不同，一概以轉向盤上作用的手力計算轉向系載荷顯然不合理：方法：考慮了車輪負荷狀況，表明轉向系零部件所承受載荷因所需轉向力矩不同而異，符合轉向系正傳動情況；方法：實際使用情況是汽車在不同道路上行駛，道路通過車輪對轉向系的沖擊力往往大于正傳動的力，因此應用逆?zhèn)鲃涌赡墚a生的最大力矩進行轉向系的零件設計。試驗資料表明，汽車行駛時作用在轉向系上的載荷與前軸的負荷成正比，縱拉桿上的作用力在極限情況下，可達到前軸負荷的，因此用第三種計算載荷的方法比較符合實際。設計中，可以將方法和方法確定的載荷換算為作用在轉向盤上的最

14、大力，然后分析比較三種載荷的不同情況，選取適宜車型的確定載荷的方法。3 轉向系統(tǒng)的設計要求轉向系是用來保持或者改變汽車行使方向的機構，包括轉向操縱機構（轉向盤、轉向上、下軸、）、轉向器、轉向傳動機構（轉向拉桿、轉向節(jié)）等。轉向系統(tǒng)應準確，快速、平穩(wěn)地響應駕駛員的轉向指令，轉向行使后或受到外界擾動時，在駕駛員松開方向盤的狀態(tài)下，應保證汽車自動返回穩(wěn)定的直線行使狀態(tài)。圖1 轉向系1-方向盤； 2-轉向上軸 ；3-托架； 4-萬向節(jié)； 5-轉向下軸； 6-防塵罩 ；7-轉向器 ；8-轉向拉桿一般來說，對轉向系統(tǒng)的要求如下：轉向系傳動比包括轉向系的角傳動比（方向盤轉角與轉向輪轉角之比）和轉向系的力傳動

15、比。在轉向盤尺寸和轉向輪阻力一定時，角傳動比增加，則轉向輕便，轉向靈敏度降低；角傳動比減小，則轉向沉重，轉向靈敏度提高。轉向角傳動比不宜低于15-16；也不宜過大，通常以轉向盤轉動圈數和轉向輕便性來確定。 轉向輪應具有自動回正能力。轉向輪的回正力來源于輪胎的側偏特性和車輪的定位參數。汽車的穩(wěn)定行使，必須保證有合適的前輪定位參數，并注意控制轉向系統(tǒng)的內部摩擦阻力的大小和阻尼值。轉向桿系和懸架導向機構共同作用時，必須盡量減小其運動干涉。應從設計上保證各桿系的運動干涉足夠小。轉向器和轉向傳動機構的球頭處，應有消除因磨損而產生的間隙的調整機構以及提高轉向系的可靠性。轉向軸和轉向盤應有使駕駛員在車禍中避

16、免或減輕傷害的防傷機構。汽車在作轉向運動時，所以車輪應繞同一瞬心旋轉，不得有側滑；同時，轉向盤和轉向輪轉動方向一致。當轉向輪受到地面沖擊時，轉向系統(tǒng)傳遞到方向盤上的反沖力要盡可能小在任何行使狀態(tài)下，轉向輪不應產生擺振。機動性是通過汽車的最小轉彎半徑來體現的，而最小轉彎半徑由內轉向車輪的極限轉角、汽車的軸距、主銷偏移距決定的，一般的極限轉角越大，軸距和主銷偏移距越小，則最小轉彎半徑越小。轉向靈敏性主要通過轉向盤的轉動圈數來體現，主要由轉向系的傳動比來決定。操縱的輕便性也由轉向系的傳動比決定，但其與轉向靈敏性是一對矛盾，轉向系的傳動比越大，則靈敏性提高，輕便性下降。為了兼顧兩者，一般采用變傳動比的

17、轉向器，或者采用動力轉向，還有就是提高轉向系的正效率，但過高正效率往往伴隨著較高的逆效率。轉向時內外車輪間的轉角協(xié)調關系是通過合理設計轉向梯形來保證的。對于采用齒輪齒條轉向器的轉向系來說，轉向盤與轉向輪轉角間的協(xié)調關系是通過合理選擇小齒輪與齒條的參數、合理布置小齒輪與齒條的相對位置來實現的，而且前置轉向梯形和后置轉向梯形恰恰相反。轉向輪的回正能力是由轉向輪的定位參數（主銷內傾角和主銷后傾角）決定的，同時也受轉向系逆效率的影響。選取合適的轉向輪定位參數可以獲得相應的回正力矩，但是回正力矩不能太大又不能太小，太大則會增加轉向沉重感，太小則會使回正能力減弱，不能保持穩(wěn)定的直線行駛狀態(tài)。轉向系逆效率的

18、提高會使回正能力提高，但是會造成“打手”現象。轉向系的間隙主要是通過各球頭皮碗和轉向器的調隙機構來調整的。合理的選擇轉向梯形的斷開點可以減小轉向傳動機構與懸架導向機構的運動干涉。4 轉向軸的結構與設計轉向軸分為轉向上軸與轉向下軸，轉向上軸與轉向盤連接，轉向下軸連接轉向器，轉向上軸和轉向下軸之間有萬向節(jié)連接，如圖1. 現在假設轉向器為齒輪齒條轉向器，對轉向軸進行研究4.1 轉向系統(tǒng)傳動比分析設計取轉向系角傳動比、方向盤外徑mm，故力傳動比。4.2 原地轉向阻力矩的計算輪胎和路面間的滑動摩擦因數；輪胎氣壓，單位為； 轉向軸負荷，單位為。 5 作用在轉向盤上的手力 轉向搖臂長, 單位為； 原地轉向阻

19、力矩, 單位為；轉向節(jié)臂長, 單位為；為轉向盤直徑,單位為； 轉向器角傳動比；轉向器正效率。因齒輪齒條式轉向傳動機構無轉向搖臂和轉向節(jié)臂，故不代入。 4.3 初步估算主動齒輪軸（轉向下軸）直徑 取齒輪是一只切有齒形的軸。它安裝在轉向器殼體上并使其齒與齒條上的齒相嚙合。齒輪齒條上的齒可以是直齒也可以是斜齒。齒輪軸上端與轉向柱內的轉向軸相連。因此，轉向盤的旋轉使齒條橫向移動以操縱前輪。齒輪軸由安裝在轉向器殼體上的球軸承支承。斜齒的彎曲增加了一對嚙合齒輪參與嚙合的齒數。相對直齒而言，斜齒的運轉趨于平穩(wěn)，并能傳遞更大的動力。表1 齒輪軸的尺寸設計參數序號項目符號尺寸參數(mm)1總長1252齒寬14.

20、53齒數74法向模數25螺旋角14°6螺旋方向左旋4.4 齒輪軸的強度校核4.4.1選擇齒輪軸上齒輪的材料、熱處理方式及計算許用應力齒輪16MnCr5 滲碳淬火，齒面硬度56-62HRC確定許用應力a)確定和 b)計算應力循環(huán)次數N，確定壽命系數、。 c)計算許用應力取 ,=應力修正系數= 4.4.2.初步確定齒輪的基本參數和主要尺寸(1) 選擇齒輪類型根據齒輪傳動的工作條件，選用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動方案(2) 選擇齒輪傳動精度等級選用7級精度(3) 初選參數初選 =7 =23 =0.8 =0.7 =0.93按當量齒數 36200(4) 初步計算齒輪模數轉矩93.512&#

21、215;0.25=23.378=36200閉式硬齒面?zhèn)鲃?，按齒根彎曲疲勞強度設計。=2.333=1.272 =3(5) 確定載荷系數=1，由,/100=0.00128,=1；對稱布置，取=1.06；取=1.2則 =1×1×1.06×1.2=1.272(6) 修正法向模數=1.587×=2.260圓整為標準值，取=3=21.643 =26.036 =15.393 取 =204.4.3.確定齒輪傳動主要參數和幾何尺寸(1) 分度圓直徑=21.643(2) 齒頂圓直徑=21.643+2=21.643+2×2.5(1+0)=26.036(3) 齒根圓直

22、徑=30.918-2=21.643-2×2.5×1.25=15.393(4) 齒寬=0.8×30.918=17.314因為相互嚙合齒輪的基圓齒距必須相等，即。齒輪法面基圓齒距為 齒條法面基圓齒距為 取齒條法向模數為 =3取 =20 =2.5 =3.75 =4.712齒面接觸疲勞強度滿足要求(5) 齒條齒頂高=3×(1+0)=3(6) 齒條齒根高=3(1+0.25-0)=3.75(7) 法面齒距=4.7124.4.4.校核齒面接觸疲勞強度=189.8 =2.45取=0.8，=0.985所以 =189.8×2.45×0.8×0.

23、985×=1424齒輪齒條轉向器轉向橫拉桿的運動分析。作圖法得：齒條行程為61.26mm，同理齒條向左行程理論為61.26mm。轉向時內輪轉動33.7°，小齒輪軸轉角為2×61.26×180°/33.7/=532.48°。故，角傳動比為532.48°/33.7°=15.8，。4.4.5. 齒輪齒條傳動受力分析若略去齒面間的摩擦力，則作用于節(jié)點P的法向力Fn可分解為徑向力Fr和分力F，分力F又可分解為圓周力Ft和軸向力Fa。=2×36200/21.643=3345.192=1254.824=834.05（1

24、）軸的受力分析a. 畫軸的受力簡圖，如圖2。b. 計算支承反力在垂直面上在水平面上c. 畫彎矩圖在水平面上，a-a剖面左側、右側在垂直面上，a-a剖面左側a-a剖面右側合成彎矩，a-a剖面左側a-a剖面右側d. 畫轉矩圖轉矩 =3345×21.6/2=36126（2）判斷危險剖面顯然，a-a截面左側合成彎矩最大、扭矩為T，該截面左側可能是危險剖面。（3）軸的彎扭合成強度校核由機械設計3查得，=60/100=0.6。a-a截面左側（4）軸的疲勞強度安全系數校核查得, ,；。a-a截面左側查得；由表查得絕對尺寸系數軸經磨削加工，查得質量系數=1.0。則彎曲應力 應力幅 平均應力 切應力

25、安全系數查得許用安全系數S=1.31.5，顯然S>S，故a-a剖面安全。36126N*mm40300N*mm43000N*mm12093N*mm19251N*mm38456N*mm圖2 齒輪軸校核分析圖5 轉向軸萬向節(jié)的選擇目前常見的是轉向軸上裝設柔性聯軸節(jié)或剛性萬向節(jié)，有這樣的結構，可以說方向盤和轉向節(jié)布置在駕駛室的翻轉軸線上，有利于駕駛室的翻轉。采用柔性聯軸器時必須注意使其剛度合適，若剛性很大不能滿足使用要求，過低則不能適應汽車的轉向要求，采用萬向節(jié)的時候，可以用一個或兩個萬向節(jié)，轉向節(jié)與萬向節(jié)之間的連接可以用焊接、鍵或花鍵。參考文獻：1 關文達.汽車構造M.北京：機械工業(yè)出版社，2009.2 胡建軍，李彤.汽車轉向技術進展分析J.液壓與氣動，2006.12.3