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第二章转向系结构方案的确定§2.1转向系整体方案的分析司机使汽车按照自己的意志或者操作使其在指定的位置行驶，改变方向就是转向。车辆在转弯过程中会受到各种阻碍其转向的力，如来自地面对其的力，行驶阻力等，因此靠车辆转弯所组成的一套系统来提高车辆转弯的转稳定性能。转向系分为机械式和动力式转向两种，机械式转向要依靠驾驶员的体力为动力来转向，相对于重型自卸车来说，光靠体力，人体难以实现汽车的转向；动力式转向是发动机动力和人体体能共同作用的，人体动力只占一小部分，在外在动力下实现汽车转向，因此自卸车要采用动力式转向。§2.1.1转向器方案的分析在转向过程中，由于传动件之间都存在间隙，所以不可能保证，方向盘和转向节同时开始且终止。所以为了避免驾驶员过度紧张，所以要有合适的转向器自由行程，来缓解路面的冲击，同时自由行程不要选的过大，影响灵敏性。车辆在行驶中，当司机转向时会存在一个转弯效率问题，效率高那么在此损失的能量比较少，所以我们要讨论一下用什么结构，来使转弯时效率提高，从而减少能量的损失。所以在这里选用可逆式的。齿轮齿条式转向器能够让司机在转弯时，感到自己有手感（转弯），有路感，同时能让转向盘慢慢回正。它是靠齿轮和齿条的啮合来实现工作的，一般用在轿车上。要有减震器来缓和地面传给方向盘的冲击。循环球式转向器相对前面来说，由于机构相对复杂，在现在的轿车上不常用，广泛用在最新的助力转向上，符合自卸车的要求，同时工作比较平稳、可靠。蜗杆曲柄指销式转向器相对前面来说，它的构造更加复杂，零件比较多，相对于前两个成本会高，对其精度方面的要求会高一点，加工制作的难度高一点。相对前两个不划算，且传动比和啮合间隙的变化特性受限制，所以在这不采用。§2.1.2循环球式转向器结构及工作原理循环球式转向器，，也是。汽车转向时，螺杆转动，螺杆把受的力通过钢球传递给螺母（第一级传动副），螺杆与螺母不接触，为了减小两者之间的作用的阻力，在它们之间加钢球，钢球的存在，使得两者之间的阻力减小，使得传动更方便、灵活。；然后螺母再把力传给齿扇轴（第二级传动副），让齿扇轴摆动，从而实现车轮偏转，但螺母不能转动，只能轴向移动。钢球在螺杆与螺母之间组成的封闭导管路中运动，但不能脱出，从而在里面循环运动。如图所示：图2-1循环球式转向器由于螺母最外围的齿顶的面是倾斜的，于是与之接触的齿扇轴的齿面上节圆半径不是一直不变的，是有规律的，按某种线性规律变化的。使得它们之间可以变化的的转向器，操做省力，更加简便，使用寿命很长。§2.1.3动力转向系统分类１）电动助力转向系统电动助力转向系统（ElectricPowerSteering）没有油罐、油泵等装置，节省了成本，全是模块化设计，它的灵活性很高，稳定性很高。相对于液压式的转向系统，在液压方面没有能量损失，能量利用率提高了，经济性好；同时液压系统有延迟性，而电助力没有延迟性，同时对于天气变化不明感，不用担心天气影响液体的粘稠度。由于没有油泵等部件，它的装配效率大大提高，空间利用率也高。我们对参数的讨论分析，得到回正特性曲线，能使车辆在转弯后自动回正。总之，电动助力转向系统采用的是电信号来传递和控制的，节能环保，一般用在比较高档的汽车上。结构示意图如下图所示：图2-2电助力转向系统示意图２）电控式液压助力转向系统电控是电子控制的液压泵来控制液压，实现转向器（PPS）的转弯，它是在老式的机械液压式转弯的基础之上做的改进，里面有电子节制单位，按照车辆的行驶状态，来调节电子液压泵的工作状况，如果电子液压泵运转很快，那么传出的功率就大，司机转弯就很方便，不需要多大力就能转弯。该系统有微处理机和电子转速表，微处理机根据发出的脉冲讯号，发出指令，来控制动力转向机构，而且提供的助力，随着车速的增加而减少，在高速时使驾驶员保持良好的路感。机械式液压动力转向系统机器式液压动力转弯系统的液压泵在发动机工作时始终处于工作状态，液压泵的动力由发动机提供，发动机熄火后方向盘所提供的辅助的力消失。发动机的一部分功率用在了液压泵上，消耗了功率，在一定程度上浪费了资源。液压泵在工作时，有时会处于一种高压的状态，对于管路是一种损害。同时呢，发动机的功率于汽车的转速有关，转速较低时，发动机功率低，那么提供给液压泵的能量就少，在低转速下转向时会比较费力。动力式转弯常用的是液压作为辅助动力，来辅助车辆转弯。驾驶员在转向时，液压缸里的高压油很高，高达10MP以上，作用在活塞上，推动活塞运动，把转向的力作用在转向节臂上，带动转向梯形，从而实现转向。采用液压进行助力的结构，其结构尺寸很小，工作时没有任何噪声，同时能接受来自地面传来的各种力，在各种车辆上应用比较普遍，工作滞后时间短。所以本次采用液压助力来帮助汽车转向。如图2-3所示：图2-3机械式液压助力动力转向系统示意图§2.1.4转向加力装置通过有区别或有差异的方式产生的作用力（液压或者气压）来辅助司机，使司机转弯轻便的零件或者结构，叫转弯加力装置。由于采取的是机械式的液压作为动力的转弯，所以下面对类型讨论。常压式液压转向加力装置当驾驶员转弯时，转弯节制阀开启，储能器里面的油经管路流到转弯助力缸中，在高压油的压力下，会作用在转向阀的侧面上，形成助力，帮助转向器转向。当不工作时，转向阀封闭，较高压力的油直接回到储能器中。不管方向盘如何变化，是工作还是不工作，常压式转向加力装置的工作管路始终保持高压。如图2-4所示：图2-4常压式液压转向加力装置2）常流式液压转向加力装置如图2-5所示：图2-5常流式液压转向加力装置常流式液压转弯加力装置在不工作时，转弯节制阀处于开启状况，转弯动力缸两头同时与转弯液压泵和转弯油罐相连，两头压力都是相当的，转弯动力缸不工作；当司机转动转向盘时，在中间某个点，会使转弯节制阀会使转弯动力缸两端分开，其中一端与转向液压泵相连，另一端与转向油罐相连，由于转向活塞上有地面转向阻力作用的力，使得与转向液压泵相连的那一端压力会逐渐升高，直至使得转向活塞恢复到原来位置。常流式液压转弯加力装置的转弯液压泵始终处于开启的状况，当方向盘不工作时，也处于开启状态，但却是空转，压力很小；方向盘转向时，也在工作，压力会逐渐升高，然后持平不变。常流式结构简单，泄露比较少，因此此次设计采用常流式。§2.1.5转向加力装置的转向控制阀1）滑阀式转向控制阀滑阀式转向控制阀是依靠阀体通过轴向移动来实现内部液体流动方向的变化来实现转向的。当司机转动方向盘时，使阀体向右动弹，在中间某个位置，会使转弯节制阀的转弯动力缸两头分开，其中一端与转向液压泵相连，另一端与转向油罐相连，由于转向活塞上有地面转向阻力作用的力，使得与转向液压泵相连的那一端压力会逐渐升高，直至使得转向活塞恢复到原来位置。如图2-6所示：常流式滑阀常压式滑阀图2-6滑阀式转向控制阀结构2）转阀式转向控制阀转阀式转弯节制阀是靠阀体的绕轴滚动，来改变内部液体的流动去向，来改变内部压力，实现转弯。液压油从中间进入，当阀体旋转后，是其中四个通道同时被隔断，只与另外四个通道相连，液压油进入动力缸内，而动力缸另一侧是低压油，直接回到储油罐。如图2-7所示：图2-7转阀式转向控制阀结构§2.1.6转向加力装置的结构布置方案三种。如图2-8所示：图2-8常流式液压转向加力装置结构布置方案图§2.2转向系整体方案的分析此次毕业设计是根据发动机的型号WD12.375选取相应的车型，即奥奇重工AZ3500自卸车。在此基础上，改进的结构方案。因此汽车的满载质量为50t，整备质量18.5t，装载质量31.5t，前桥载荷在满载时为9.69t。因此这次结构上，选用液压助力来辅助转弯，采用整体式的转向梯形，转向器选用循环球式转向器。
第三章从动桥的设计计算§3.1从动桥主要零件尺寸的确定前桥为转向从动桥，本次设计采用工字梁代替方形梁，工字梁发生弯曲时，有中性层，该层对抗弯很小，比方形梁好。，见图4-1，。该断面的和（单位为）可近似取为：(3-1)式中：由经验公式：式中：取=mm(B为前轮轮距，为2458mm。上，、取为1200mm)§3.2从动桥主要零件工作应力的计算那么我们接下来先对前桥进行受力分析，如下所示：1-制动工况下的弯矩图2-侧滑工况下的弯矩图图3—1转向从动桥在制动和侧滑工况下的受力分析简图§3.2.1制动工况下的前梁应力计算当驾驶员踩刹车时，制动力和垂直力会作用在车轮上，然后传递给前梁，在前梁产生弯矩和转矩。当踩刹车时转向桥会移动，汽车质心会向前，则前轮所遭受的地面垂直反力为：式中：；；，；（mm)。前轮所承受的制动力：式中：；在地面垂直反力和制动力的作用下，前梁产生的垂直弯矩和水平方向的弯矩的最大值，分别为：N·mm式中：—见图3—1，取=725mm取=3229N；—前轮轮距取B=2458mm；则主销孔和座之间有转矩T，是因为制动力在前梁的作用T=式中：—轮胎的滚动半径取616.4mm则有(a)Ⅱ-Ⅱ断面(b)Ⅰ-Ⅰ断面图3—2（Ⅱ-Ⅱ断面）在附近，其最大。弯曲应力（单位为）为：式中:前梁应力的许用值为=300,当a=45mm时，=63.28得：（单位为）为：，转（）。。——前梁横截面的最大宽度。故。§3.2.2在最大侧向力(侧滑)工况下的前梁应力计算假设汽车向右侧滑，如果车辆挂最高速挡运转，急速左转弯，那么此时汽车侧滑时，侧向力到达最大。对左前轮接地点取距：式中：；；此时，向右作用。则有：Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ截面产生的弯矩如下：取y=140mm，，，其中，§3.3转向节在制动和侧滑工况下的应力计算如图4—2所示，轴径为的轮轴根部为转向节的危险断面，即III-III截断面处。§3.3.1在制动工况下III—III剖面处的轴径没有转矩，因直接通过给转向节的，而没有经节的，因此只有水平方向的弯矩和垂直方向的弯矩。所以合成弯矩为：，，取；，取。图3—3转向节受力简图则故70mm的轴颈满足要求。本次设计转向节采用毛培制造，选择合适的锻件，进行锻造，然后高频淬火，锻件一般为，等中碳合金钢制造，振荡频率15～35KHZ，使其表面硬度达到HRC57～65，轮轴根部的圆角液压处理。§3.3.2在侧滑况下在侧滑时，危险断面III—III处的左、右节的是不相等的，以向右侧滑为例，有：左右转向节轴颈处的弯矩为：弯曲应力为：因此左右转向节都符合要求。§3.4主销与转向节衬套在制动和侧滑工况下的应力计算，渗碳层深1.0~1.5mm，淬火后表面硬度为56~62HRC。为了，让主销后、为零，且力的作用点在主销。受力分析如图3-3、3-4：图3—4主销受力简图§3.4.1在制动工况下不管制动与否，主销上的力矩都是平衡的，而主销上由于支撑力的原因，产生两个反向力、，那么根据平衡，可以得到以下公式：制动力的跟转向横拉杆的反N相互平衡，取，即：主销支撑上在两个相同方向、产生：取，主销支撑上的转向横拉杆反力N在两个相同方向产生、：式中，为主销内倾角，=。转向节靠制动底板的制动力来产生转动趋势，同时主销上有两个反向力、，它们可以制止转向节的转动趋势：综上：§3.4.2在侧滑工况下假设向右侧滑，主销上的所受的作用力：，为主销的最大计算载荷，则，对主销上拳处的和进行计算：式中：（mm）：（mm）。，。主销衬套的挤压应力为：式中：l为衬套长（mm）。经校核强度满足要求。第四章转向系统的设计计算§4.1转向系主要性能参数§4.1.1转向器的效率正效率公式:；逆效率，用符号表示，。其中，；。，，如果，其效率可用下式计算：式中：；，；。取，，得：，综上所得，随着导成角的增大，正逆效率均增大，但是（）不宜太大，因为受增大的影响。在这里我们采用。§4.1.2传动比的变化特性1.转向系传动比。2.力传动比与转向系角传动比的关系和之间的关系(4-1)式中，，撑。作用在方向盘上的手力为为(4-2)式中，；。将式(4-1)、(4-2)代入后得到(4-3)有(4-3)知，，力传动比要取大些，因此才能保证不能转向轻便。§4.1.3给定的主要计算参数轴距L=5110mm轮距前轮2458mm轮胎13.00-25D=1295mmB=330.2mm轮胎气压：750静力半径：616.4mm最小转弯半径小于等于9.3m外轮的最大转角：内轮的最大转角：汽车总重：18.5t(空载)、50t（满载）前轴载荷：67573N（空载）、96858.7N（满载）§4.1.4转向盘回转总圈数根据前面所说，又根据所选车型算出基本数据后，我们要对转向盘进行整体布置设计。得到和；在设计转向系之前，我们要根据不同的车型和不同的转向器型式进行选择，给出大致的转向系角传动比。有了上述参数，可计算。式中:；；§4.2转向系计算载荷的确定经过前面的计算后，我们对转向系的强度进行计算，看看是否符合要求，要对全部零件进行校核。我们根据在转向系零部件上产生的力来分析，影响它的因素有路面路面阻力的变化还有其它因素，的阻力，中的摩擦阻力等组成。：式中:,这里取＝0.7;＝96858.7N；P＝0.75Mpa；代入得：发生在方向盘的受力：对于件的荷，取司机在反向盘上力，最大瞬时力§4.3循环球式转向器的计算结构图如图4-1所示。图4-1螺杆,钢球,螺母传动副§4.3.1循环球式转向器主要参数参考《汽车设计》表7-1，得：，，，螺杆,,,，环，，，，齿扇压27°30´，=7°30´，。§4.3.2螺杆、钢球和螺母传动副1.螺母内径=+==38.2mm。每个环路中钢球的数量为：个取其中，选8°。接触角θ是，45°，。3.，s为：(4-12)，角，其关系：(4-13)其中r为齿扇节圆半径。联立以上公式得，将对求导，为：=25.7滚动截面一般取§4.3.3齿条、齿扇传动副设计循环球式转向器的齿扇上的分度圆的齿厚是变化的，为变厚齿扇，它的齿顶是圆锥的一部分，它的齿根的轮廓也是圆锥的一部分。表4-1基准剖面（1-1剖面）的齿形计算名称公式结果(mm)分度圆直径齿顶高齿根高齿全高齿顶圆直径分度圆齿厚顶圆压力角顶圆齿厚表4-2最大变位系数剖面（2-2剖面）齿顶变尖核算名称公式结果（mm）最大变位系数=0.547齿顶圆半径齿顶圆压力角分度圆齿厚=13.90齿顶圆齿厚=2.132图4-2变厚齿扇齿形计算简图，，设0-0面与。§4.4循环球式转向器零件强度的校核§4.4.1钢球与滚道间的接触应力利用公式σ，那么钢球和间的为：式中：，根据值查《汽车设计》表7-3查出，,；；；；，等于；，可用下式计算式中：—螺杆螺线导程角；；；。其中，§4.4.2齿的弯曲应力：式中：；；；。其中，,取mm，显然符合要求。许用弯曲应力为。§4.5液压动力转向机构的计算§4.5.1动力转向系统的工作原理因为我们所选型号为奥奇重工，它是重型自卸汽车，转向时一定要有助力转向，来减轻作用在反向盘上的力，使转向更加灵活、轻便，提高行驶的稳定性。于是我们在前人的基础上和观察其它载货汽车的设计，设计了如图所示的结构原理图：图4-3转向系统结构图1.转向器动力缸2.轮胎3.助力缸§4.5.2转向动力缸的工作分析转向器动力缸的设计（1）：式中，；；；。其中，PAGEPAGE28联立可得：106.5mm取=120mm式中，（8.12×106N·mm）；(48.75mm)；(2)；(85%)；（取0.0085）；()；(700N)；（取250mm）；（取38mm）；（8°）；(0.5°)；(15MPa)。计算得，=26406N，=1273N,=15034N,=11245N联立可得：113.5mm取=120mm,2.活塞行程的计算，活塞所能移动的最大距离可由转向盘总圈数乘以与来求得，即其中，；。3.动力缸缸筒壁厚的计算，来确定，即式中，；；；数，n=3.5～5.0，此处取4.0。。求得取助力缸的设计（1）.动力转向器输出扭矩其中，得：助力缸应克服的阻力矩：.助力缸的内径：其中，，，活塞杆之间的距离。与和之间有如下关系：且其中，，取0.95；，杆直径。由此可推导出助力缸的内径：设计时得：图4-4助力缸安装结构图§4.5转向梯形机构确定、计算经过前面的计算，我们需要对重型自卸汽车选择合适的转向梯形。选择的方案和悬架的选取类型有关。。它们都有一个共同点，就是前轮的鼓轮在转向时，都要绕着同一个点旋转，否则无法保证鼓轮做纯滚动，可能存在滑动，影响转弯的稳定性。§4.5.1转向梯形结构方案分析1）整体式转向梯形图5－14整体式转向梯形整体式转向梯形的特点是前桥是整体的，没有断开，前桥与转向横拉杆构成等腰梯形，靠这个梯形进行转向。如果汽车用的是非独立悬架，那么转向梯形采用此结构。断开式转向梯形图5－15断开式转向梯形式的前桥和是分开的，所以零件比较多，制造成本高。如果该汽车采用的是独立悬架，那么采用此结构。但是其前束调整比较困难。§4.5.2整体式转向梯形机构设计司机驾驶车辆行走时，不管往哪里转弯，都要绕一个点旋转。此时，设、、，，延。如图5-17所示：（5－58）若自变角为，则因变角的期望值为图5－17理想的内、外车轮转角关系简图（5－59）（5－60）式中，；。实际因变角不经常使用。因此，，构成评价设计优劣的目标函数为×100％将式（5－59）、式（5－60）代人式（5－61）得×100％式中，，；，由图5－17得（5－62）式中，；。（5－63）在经验和查看资料的基础上，可以得出以下公式：（5－64）（5－65）（5－66）m要满足，，。综上，在利用程序编程之后用来，输入可得，臂长为。
第五章结论这次设计是在参考往年学长及一些相关论文杂志来确定重型自卸汽车的转向系及前桥的相关结构方案和结构尺寸。，采用，作用在重型自卸汽车前桥的左轮上，液压助力缸作用在前桥右轮上。，机转向节臂上，；于此同时，由于自卸汽车比较重，必须有助力，使转向方便灵活，液压助力缸会工作，也作用在转向节臂上，帮助转向梯形转向，从而实现重型自卸汽车转向。由于做的是纯滚动，。此次设计的整个过程，让我对转向系及前桥的结构和选取有一个整体的认识，同时也加强了对汽车构造和汽车设计等书的了解，对以后从事汽车相关的转向很有帮助，是一次很好的磨练。参考文献[1]王望予.汽车设计.[4版].北京:机械工业出版，2004.8[2]陈家瑞.汽车构造.[3版].北京:机械工业出版社，2009.2[3]钟建国,廖耘,刘宏.汽车构造与驾驶[M].长沙:中南大学出版社[4]冯晋祥.专用汽车.北京:机械工业出版社，2008.5[5]曾东建.汽车制造工艺.北京:机械工业出版社，2005.9[6]杨巍,何晓玲.械原理.北京:机械工业出版社，2010.5[7]武充沛.机械精度设计与检测.北京:科学出版社，2014.8[8]机械设计手册.化学工业出版社，1987.4[9]姜立标.载质量220t电动轮自卸车全液压转向系统设计[10]孟兆磊.基于AMESim的矿用汽车全液压转向系统建模与仿真[11]肖盛云,徐中明.汽车运用工程基础.重庆大学出版社[12]陈思忠.拖拉机与农用运输车，2000，第8期，NO32[13]钟建国,耘廖,刘宏.汽车构造与驾驶[M].长沙:中南大学出版社[14]钱振为.汽车工业研究，2001，第4期，NO17致谢本次设计因缺乏经验，很多地方设计的不是很全面，在查找资料、老师老师的指导及同学们的帮助下，这次设计不会完成的这么顺利。此次设计的整个过程，让我对转向系及前桥的结构和选取有一个整体的认识，同时也加强了对汽车构造和汽车设计等书的了解，对以后从事汽车相关的转向很有帮助，是一次很好的磨练。在这里首先要感谢我的导师曹艳玲老师，在设计过程中，给予了我悉心的指导，严格要求我，指导的很细致，指出很多不足的地方，让我学会了许多知识。在此，向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！
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