多轴转向毕业设计

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多轴转向车辆转向轴设计

摘要：多轴转向车辆转向机构是车辆转向时实现内、外轮理想转角关系的核心部件。多轴

转向车辆在低速时前后轮转角方向相反，使汽车具有更好的机动性，多轴转向车辆承载能力强，转弯半径小，在转向时能够改善汽车对转向盘输入的动态响应特性，一定程度上改善了横摆角速度和侧向加速度的瞬态响应型指标，越来越受市场欢迎。

关键词：多轴车辆；转向轴；转向机构

Multi-axle steering vehicle steering shaft design

Abstract: Multi-axle steering vehicle steering mechanism is vehicle steering 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 radius, 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 mechanism

1 引言

近代随着世界经济的不断的蓬勃发展，大吨位的重型车辆不断的出现。为了满足交通法规的要求，重型车辆多采用多轴技术。由于重型车辆质量大、惯性矩大、质心高、轴数多，故其行驶性能受多方面的限制，全轮转向和多轴动态转向技术在提高重型车辆高速操纵稳定性和低速机动灵活性具有显著的功效。专用汽车的转向轴多在二轴以上，有的甚至多达五轴，其转向性能的好坏直 接影响车辆行驶的灵活性、操纵稳定性、经济性和轮胎的使用寿命，而且车轴越多，转向对车辆行驶影响越大。至今国际上工程行业技术剧透利勃海尔公司已经退出了9轴多模式动态转向全地面起重机，此外格鲁夫、沃尔沃等公司也相继推出了5轴以上的多轴转向重型车辆，前些年，国内徐州重型机械有限公司紧跟国际发展，相继推出了多轴转向重型设备，发展势头非常好。多轴转向重型车辆涉及到交叉学科的多项核心技术。其中，多轴转向技术是提高重型车辆操纵性和安全性的一项关键技术，但是相关核心关键技术的理论研究文献资料非常有限，目前国内对三桥以上的多桥转向技术研究还不是很深入，主要针对两轴车辆的动态转向系统进行了初步的理论研究，大多数重型车辆的生产商仍然采用传统的设计方法进行经验性设计，通过制作屋里样机实车试验来查找问题，大大增加了设计的风风险。本文通过对多轴转向车辆转向轴的研究设计，对转向机构进行优化设计，并将优化结果，数据，应用于实际产品的研究改造上，为多轴转向车

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辆转向机构的合理设计提供一些研究数据，减少实车试验的风险和费用，缩短产品的研发周期。

2 多轴转向车辆转向系统分析

2.1 多轴转向车辆转向特性

2.1.1 转向系的组成和要求

1) 转向系的组成

转向系是用来改变汽车的行驶方向和保持汽车直线行驶的系统，它 由转向控制机构、转向传动装置和转向车轮组成，在采用动力转向的汽 车上还有功能装置。 转向控制装置：指控制汽车转向运转的部分，由驾驶员直接或间接 操作，转向力全部或部分由驾驶员的肌肉作用来提供。转向控制装置包 括直到转向效果变为机械、液力或电力方式提供之处为止的全部零件，如转向轴，转向盘，转向器。 转向传动装置：指转向控制装置与转向车轮之间传递转向力的所有 零件，如转向臂、转向纵拉杆总成，转向节上臂等。

转向车轮：指直接或间接改变其相对于汽车纵轴的位置，以决定汽 车行驶方向的车轮。 功能装置：指提供动力、控制动力、输出动力、分配并储存动力的所 有零件。还包括提供介质的贮存容器和管路，但不包括汽车发动机。 2) 转向系的要求 （１）工作可靠转向系对汽车的行驶安全性影响很大，其所有零件应有足够的强度、刚度和寿命； （２）操纵轻便这是减轻驾驶员的劳动强度和保证汽车安全行驶的 重要因素之一。操纵轻便性包括三方面的内容。 ①汽车转向时作用在转向盘上的手力要小。 ②汽车转向时，转向盘的回转圈数要少，当汽车朝一个方向极限转 弯时，转向盘的转动圈数不应超过２～２．５圈，因此转向系的角传动比不易太大。 ③汽车直线行驶时，转向盘应稳定，无抖动和摆动现象。当汽车以下列车速以半径50m的曲线的切线方向离开时，转向盘不得有异常震。 动。这就要求转向系在整车布置时与行走系统运动协调，使汽车转向后 转向盘能自动回正，要求转向器具有一定的可逆性，同时要正确选择前轮定

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位参数。 （３）汽车转向时要有正确的运动规律。要合理设计转向梯形机构， 尽可能保证在转向时车轮是纯滚动而没有滑动。 （４）既要尽量减少汽车转向轮受到的冲击传到转向盘上，又要保证驾驶员有正确的道路感觉。 （５）转向系的调整应尽量简单。 （６）装有助力转向的汽车，在助力系统失效时，靠人力仍能操纵汽车转向。 2.1.2 转向系方案的选择

１ 转向控制装置 （１）转向盘。转向盘由盘毂、轮缘和轮辐组成。转向盘的尺寸和形状直接影响转向操纵的轻便性。选用大直径转向盘会使驾驶员进、出驾驶室感到困难；选用小直径转向盘转向时要求驾驶员施加较大的力，从而使汽车操纵困难。对新车型的设计可以选用现有的转向盘，也可根据要求设计新转向盘，新设计的转向盘要符合ＪＢ４５０５—８６转向盘尺寸标准。 （２）转向轴。为了转向系统在汽车上布置更为合理，拆装方便，利于驾驶室的翻转，特别对于可翻转式平头车驾驶室，在驾驶室翻转轴线上给转向轴装置万向节，从而提高了操纵方便性、行驶安全性和转向机构的寿命，还有利于驾驶室的翻转。 （３）转向器。转向器形式的选择应根据汽车的用途来决定。转向 器种类很多，常见的有循环球式、球面蜗杆滚轮式、曲柄指销式和齿轮齿条式。随着汽车技术发展及工艺水平的提高，有些形式的转向器已经很少采用。 ２ 转向梯形布置 汽车转向梯形机构由转向节臂、转向横拉杆、和前轴组成。汽车转 向时，左、右转向轮的转角要符合一定的规律，以保证所有车轮在转弯过程中都绕一个圆心做等速回转运动。转向梯形机构可以使汽车在转向过程中所有的车轮都是纯滚动或有极小的滑移，从而提高轮胎的使用寿命，保证汽车操纵的轻便性和稳定性。 ３ 转向系主要参数选择 转向系各部件设计需要首先确定转向系主要参数：传动比和计算载 荷。 （１）转向系设计的前提条件。转向系设计前，首先由总布置根据整车布置方案，确定各大总成在整车上的位置、占用空间、控制操作方式，如驾驶室形式、发动机倾角、悬架形式、转向轴选择、轮胎型号、转向盘及转向传动轴倾角等等，给出转向系的外围设计条件。同时，提供给各相关专业组整车尺寸参数、重量参数、性能参数和从整车机动性要求提出的对相关专业组的具体要求，如最大车轮内外转角、最小转弯直径等。根据以上参数，可以进行转向系统及机

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构的传动比及工作载荷的确定。 （２）计算转向系传动比和计算载荷。直接影响车辆机动性和操纵轻便性，包括力传动比和角传动比。转向系力传动比：从轮胎接触地中心作用在两个转向轮上的合力与作用在转向盘上的手力之比。转向系角传动比：转向盘转角和驾驶员同侧的转向轮转角之比。由转向器角传动比和转向传动装置角传动比组成。当车轮转角一定时，角传比的大小直接影响到整车机动性和操纵轻便性。大的角传比可使转向轻便，但是相应增加了转向盘转动圈数，机动性能下降。由于在中、重型汽车上，普遍装配动力转向，所以汽车转向的轻便性不是主要问题，可以适当的选择较小的角传比，为了有较好的机动性，一般可选用角传比在２０～３０之间。为确定转向系计算载荷，需求解转向轮的转向阻力矩、作用于转向盘上的作用力和转向盘总回转圈数。汽车在行驶中作用在转向系各种零件上的载荷是经常变化的，很难用计算的方法加以确定，需要根据给出的假定载荷进行零部件强度计算。假定载荷按下列三种情况给出： ａ、以驾驶员可能作用于转向盘上的最大手力（４００Ｎ）为计算载荷； ｂ、以汽车在静止状态做原地转向所需的转向力矩为计算载荷； Ｃ、以转向臂末端球头承受的前轴负荷的１／２为计算载荷。 以上三种假定载荷的说明： ａ方法：没有考虑车轮负荷状况，而轻、中、重型汽车转向系所承受 的载荷显然不同，一概以转向盘上作用的手力计算转向系载荷显然不合 理： ｂ方法：考虑了车轮负荷状况，表明转向系零部件所承受载荷因所需转向力矩不同而异，符合转向系正传动情况； Ｃ方法：实际使用情况是汽车在不同道路上行驶，道路通过车轮对转向系的冲击力往往大于正传动的力，因此应用逆传动可能产生的最大力矩进行转向系的零件设计。试验资料表明，汽车行驶时作用在转向系上的载荷与前轴的负荷成正比，纵拉杆上的作用力在极限情况下，可达到前轴负荷的１／２，因此用第三种计算载荷的方法比较符合实际。设计中，可以将ｂ方法和ｅ方法确定的载荷换算为作用在转向盘上的最大力，然后分析比较三种载荷的不同情况，选取适宜车型的确定载荷的方法。 3 转向系统的设计要求 转向系是用来保持或者改变汽车行使方向的机构，包括转向操纵机构（转向盘、转向上、下轴、）、转向器、转向传动机构（转向拉杆、转向节）等。转向系统应准确，快速、平稳地响应驾驶员的转向指令，转向行使后或受到外界扰动时，在驾驶员松开方向盘的状态下，应保证汽车自动返回稳定的直线行使状态。

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图1 转向系

1-方向盘； 2-转向上轴 ；3-托架； 4-万向节； 5-转向下轴； 6-防尘罩 ；7-转向器 ；8-转向拉杆

一般来说，对转向系统的要求如下：

转向系传动比包括转向系的角传动比（方向盘转角与转向轮转角之比）和转向系的力传动比。在转向盘尺寸和转向轮阻力一定时，角传动比增加，则转向轻便，转向灵敏度降低；角传动比减小，则转向沉重，转向灵敏度提高。转向角传动比不宜低于15-16；也不宜过大，通常以转向盘转动圈数和转向轻便性来确定。 转向轮应具有自动回正能力。转向轮的回正力来源于轮胎的侧偏特性和车轮的定位参数。汽车的稳定行使，必须保证有合适的前轮定位参数，并注意控制转向系统的内部摩擦阻力的大小和阻尼值。

转向杆系和悬架导向机构共同作用时，必须尽量减小其运动干涉。应从设计上保证各杆系的运动干涉足够小。

转向器和转向传动机构的球头处，应有消除因磨损而产生的间隙的调整机构以及提高转向系的可靠性。

转向轴和转向盘应有使驾驶员在车祸中避免或减轻伤害的防伤机构。

汽车在作转向运动时，所以车轮应绕同一瞬心旋转，不得有侧滑；同时，转向盘和

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