转向系设计

精品资料，值得下载学习！ 摘 要 汽车的转向系在汽车的各大系统中保持着重要的地位，它不仅关系着汽车转向性能的好坏。而且也影响着乘客乘车的舒适性。由于汽车技术的快速发展和人民生活水平的提高，人们已经逐渐的认识到了转向性能的好坏对一辆汽车而言是多么重要。因此，本次毕业设计从汽车转向轻便性和 操纵灵敏性的角度出发，对变速比循环球式转向器进行了研究设计。主要是对变速比齿扇、齿条进行设计计算 及 强度校核，对转向梯形进行优化设计 。 关键词 ：变速比 ； 循环球 ； 转向器 ；转向梯形 ； 优化设计 精品资料，值得下载学习！ A of he a in of It is to of a of of an of s to of a is of we do a to of a of 品资料，值得下载学习！ 符 号 表 t 螺杆螺距 摩擦角 R 齿扇节圆半径 mm N m 齿扇模数 r 钢球半径 压力角 N.m e 齿槽宽 mm D 钢球中心距 mm d 钢球直径 mm i 转向器的角传动比 n 钢球数量 工作钢球圈数 齿轮变位系数 p转向摇臂轴总转角 m 转向器的正效率 L 轴距 转向器的逆效率 T 摇臂轴上力矩 蜗杆的螺线导程角 转向摇臂轴扭转应力 品资料，值得下载学习！ 目 录 1 概述 . 1 向操纵机构的组成 . 1 向传动机构 . 2 向器 . 2 2 转向系设计方案的论证 . 4 车转向系的设计要求 . 4 向器的分类及结构组成 . 4 环球式转向器的优缺点 . 6 轮齿条式转向器的传动副为齿轮与齿条 . 6 杆滚轮式转向器由蜗杆和滚轮组成 . 7 杆指销式转向器分固定销和旋转销式转向器 . 7 环球式转向器的工作原理 . 7 械式转向器的方案分析 . 8 环球式转向器的方案分析 . 8 伤安全机构方案分析 . 9 3 变速比循环球式转向器的设计原理及方案论证 . 11 速比循环球式转向器的设计 . 11 传动比转向器的方案论证 . 12 4 转向器的主要性能参数 . 14 向器的效率 . 14 向器 的正效率 . 14 向器逆效率 . 15 动比的变化特性 . 16 向系传动比 . 16 传动比与转向系角传动比的关系 . 16 向系的角传动比 . 17 向器角传动比及其变化规律 . 18 向器的传动间隙特性 . 19 向器的传动间隙 . 19 计传动间隙特性 . 20 向盘的总转动圈数 . 21 5 转向器的结构形式选择及设计计算 . 22 向器的结构选择 . 22 要尺寸参数的选择 . 22 杆 螺母传动副的设计 . 26 条、齿扇传动副 . 28 精品资料，值得下载学习！ 向器计算载荷的确定 . 30 r . 30 . 31 环球零件的强度设计 . 31 球与滚道间的正压力 N . 31 球与滚道的接触应力 . 32 杆轴承的承载能力的计算 . 32 向盘回转圈数的计算 . 33 向摇臂轴扭转应力的计算 . 34 向传动机构的臂、杆与球头销的强度校核 . 34 6 转向梯形及转向梯形的优化 . 37 述 . 37 开式转向梯形的优缺点 . 37 体式转向梯形的优缺点 . 38 案分析 . 39 向梯形的优化设计原理 . 39 化设计的方法与结果 . 42 本解析关系式 . 42 向梯形程序优化结果 . 45 7 典型零件的加工工艺分析 . 47 圆齿扇的加工工艺分析 . 47 8 利用 制零件图和装配图 . 48 用 制循环球式转向器实体零件图 . 48 杆的绘制 . 48 他零件的绘制 . 54 母的绘制 . 55 扇的绘制 . 56 承的绘制 . 57 钉的绘制 . 57 杆外端上盖的绘制 . 58 向器上盖的绘制 . 58 向器侧盖的绘制 . 59 向器壳体的绘制 . 59 环球式转向器的整体装配图 . 59 向梯形的绘制 . 61 向横拉杆的绘制 . 61 向梯形臂的绘制 . 61 总 结 . 62 参考文献 . 63 致 谢 . 64 附录 参数表 . 65 精品资料，值得下载学习！ 附录 转向梯形的优化设计程序 . 66 精品资料，值得下载学习！ 前 言 自 1886 年诞生第一辆汽车以来，汽车工业经历了 100 年的发展过程。由于社会需要的不断增长和科学技术发展的推动，汽车设计日臻精巧，其 运输生产率和各项性能都有很大的提高。因此，现代汽车已成为世界各国国民经济和社会生活中不可缺少的一种运输工具。汽车工业的规模和其产品的质量也成为衡量一个国家技术水平的重要标志之一。 汽车的转向系在汽车的各大系统中保持着重要的地位，它不仅关系着汽车转向性能的好坏，而且也影响着乘客的舒适性。由于汽车技术的快速发展和人民生活水平的提高，人们已经逐渐的认识到了转向性能的好坏对于一辆汽车而言是多么的重要。因此，转向系的设计在其它各大系统的设计中也就显得尤为重要 ，将来随着汽车技术的发展，汽车的转向性能也要求的越来越高。 近年来随着我国汽车工业的迅猛发展，作为汽车的重要安全件 汽车转向器的生产水平有了很大的提高。驾驶员对汽车转向性能的要求也有了进一步的提高，要求转向更轻便、操纵更灵敏。要想从根本上解决这两个问题只有安装动力转向器。因此，除重型汽车和高档轿车早已安装动力转向器外，近年来 在 中型货车、豪华客车及中档轿车上都已开始安装动力转向器。随着动力转向器技术水平的提高、生产规模的扩大和市场的需要，其它一些车型也必将陆续安装动力转向器。 精品资料，值得下载学习！ 1 概述 汽车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓汽车转向。就轮 式汽车而言，实现汽车转向的方法是驾驶员通过一套专设的机构，使汽车转向桥上的车轮相对于汽车纵轴线偏转一定角 度。在汽车直线行驶时，转向轮往往也会受到路面侧向干扰力的作用， 自动 偏转而改变行驶方向。此时，驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向相反的方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。这一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，称为汽车转向系统。因此，汽车转向系统的功用是保证汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶。 它由转向操纵机构、转向器和转向传动机构组成。 向操纵机构的组成 转向操纵机构包括转向盘、转向 轴 、转向 管柱。有时为了布置方便，减小由于装置位置误差及部件相对运动所引起的附加载荷，提高汽车正面碰撞的安全性以及便于拆装，在转向轴与转向器的输入端之间安装转向万向节，如图所示。采用柔性万向节可减少传至转向轴上的振动，但柔性万向节如过短，则会影响转向系的刚度。采用动力转向时 ，还应有转向动力系统。但对于中高级以下的轿车和前轴负荷不超过 3 吨的载货汽车，则多数采用机械转向系统而无动力转向装置。 图 向操纵机构 精品资料，值得下载学习！ 向传动机构 转向传动机构包括转向摇臂、转向纵拉杆、转向节臂、转向梯形臂以及转向横拉杆等。 转向传 动机构用于把转向器输出的力和运动传给左、右转向节并使左右转向轮按一定关系进行偏转。 图 向传动机构 向器 机械转向器是将驾驶员对转向盘的转动变为转向摇臂的摆动（或齿条沿转向车轴轴向的移动），并按一定的角传动比和力传动比进行传递的机构。 机械转向器与动力系统相结合，构成动力转向系统。高级轿车和重型载货汽车为了使转向方便，多采用这种动力转向系统。采用液压式动力转向时，由于也题的阻尼作用，吸收了路面上的冲击载荷，故可采用可逆程度大、正效率又高的转向器结构。 为了避免汽车在 撞车时驾驶员受到转向盘的伤害，除了在转向盘中间可安装安全气囊外，还可在转向系中装置防伤装置。为了缓和来自路面的冲击。衰减转向轮的摆振和转向机构的振动，有的还装有转向减震器。 多数两轴及三轴汽车仅用前轮转向；为了提高操纵稳定性和机动性，某些现代轿车采用全四轮转向；多轴汽车根据对机动性的要求，有时要增加转向轮的数目，直至采用全轮转向。 精品资料，值得下载学习！ 图 向系简图 精品资料，值得下载学习！ 2 转向系设计方案的论证 车转向系的设计要求 转向系是用来保持或改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行 驶中保证各转向轮之间有协调的转角关系。 对转向系提出的要求有： （ 1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。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，转向轮都不得产生振动，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应最小。 （ 5）保证汽车有较高的机动性，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可能小。 （ 8）转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。 （ 9）在车祸中，当转向轴和转向盘由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，保证转向轮与转向盘转动方向一致。 向器的分类及结构组成 转向系可按转向能源的不同分为机械转向系和动力转向系两大类 。 机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成，其一般布置情况如图所示。需要转向时，驾驶员对转向盘 1 施加 一个转向力矩。该力矩通过对转向轴 2、转向万向节 3、和转向传动轴 4 输入转向器 为减速传动机构装置的转向器中有 1减精品资料，值得下载学习！ 速传动副。经转向器放大后的力距和减速后的运动传到转向摇臂 6， ，再通过转向直拉杆 7 传给 传给固定于左转向节上的转向节臂 8，使左转向节和它所支撑的左转向轮偏转。为使右转向节 13 及其所承受的右转向轮随之偏转相应角度，设置了由固定在左、右转向节上的梯形臂 10 和 12，两端与梯形臂做球铰链的转向横拉杆 11 组成的转向梯形。 图 械转向系示意图 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。在正常的情况下，汽车转向所需能量，只有一小部分由驾驶员提供，而大部分是有发动机通过转向加力装置提供的。但在转向加力装置失效时，一般还应当能由驾驶员独立承担汽车转向任务。因此，动力转向系是在机械转向系的基础上加设一套转向加力装置而形成的。图 一种液压式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：转向罐 9、转向油泵 10、转向控制阀 11 员 逆时针转动转向盘 1 时，转向摇臂 4 推动转向直拉杆 5 后移。直拉杆的推力作用于转向节臂 6，并依次传到梯形臂 7 和转向横拉杆 8，使之右移。与此同时，转向直拉杆还带动转向控制阀 11 中的滑阀，使转向动力缸 12 的右腔接通转向油泵10 的出油口，右腔接通液压压力为零的转向油罐。于是转向动力缸 13 的活塞所受向右的液压作用力便经推杆施加在横拉杆 8 上。这样，为了克服地面作用于转向轮上的转向阻力距，驾驶员需要加于转向盘上的转向力矩，比用机械转向系时所需的小的 。 精品资料，值得下载学习！ 图 力转向 系示意图 近年来，电动，电控动力转向器已经得到较快发展，但是目前还不可能运用在货车上。转向器可按传动副的结构形式分类。目前在汽车上广泛使用的有齿轮齿条式、循环球 球齿条式、循环球 曲柄指销式和蜗杆曲柄指销式等几种形式 。 环球式转向器的优缺点 1优点： 在螺杆和螺母之间因为有可以循环流动的钢球，将滑动摩擦变为滚动摩擦，因而传动效率可达到 75 85。在结构和工艺上采取措施，包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度和螺杆、螺母上的螺旋槽经淬火和磨削加工，使之有足够的硬度和耐磨损性能，可保证有 足够的使用寿命。转向器的传动比可以变化。工作平稳可靠。螺母齿条和齿扇之间的间隙调整工作容易进行。 2 缺点： 逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。 轮齿条式转向器 的传动副为齿轮与齿条 1 优点： 结构简单，紧凑，传动效率高达 90%。齿轮、齿条磨损出现间隙后，利用装在齿精品资料，值得下载学习！ 条背部靠近主动小齿轮处的压紧力可调节的弹簧，可自动消除齿间间隙提高转向系统的刚度，防止工作时产生的冲击和噪声。转向器占用体积小，没有转向摇臂和直拉杆，转向轮转角增大，成本低。 2 缺点： 因逆效率高（ 60% 70%），汽 车在不平路面行驶时，转向轮与路面之间的冲击力大部分传至转向盘，即反冲。反冲现象使驾驶员精神紧张，难以准确控制汽车的行驶方向，转向盘突然转动时会造成打手，对驾驶员造成伤害。 杆滚轮式转向器由蜗杆和滚轮组成 1 优点： 结构简单，制造容易。因滚轮的齿面和蜗杆上的螺纹成面接触，所以有比较高的强度。工作可靠，磨损小，寿命长，逆效率低。 2 缺点： 正效率低，工作齿面磨损后，调整啮合间隙比较困难。转向器的传动比不能变化。 杆指销式转向器分固定销和旋转销式转向器 1 优点： 转向器的传动比可以 做成变化的或者不可变的。指销蜗杆间工作面磨损后，间隙调整工作容易进行。固定式结构简单，容易制造。旋转式效率高，磨损慢。 2 固定式因销子不能自转，其工作部位基本不变，磨损快。旋转式结构复杂，不易加工。 根据要求本设计选循环球式转向器做为转向系的转向器。 环球式转向器的工作原理 工作原理如图 示，循环球式转向器由两个传动副组成，一个是螺杆螺母传动副；一个是齿条齿扇式传动副。 转向器主要由螺杆 3、转向螺母 4、刚球 5、转向臂轴 20 及外壳 1 组成。转向杆精品资料，值得下载学习！ 3 两端装有一对圆柱滚子轴承 2，轴承外圈分 别装在 壳 体 1 和上盖 10 的轴承孔中，壳体和上盖间装有调整垫片 9，用来调整轴承的预紧力。转向螺母 4 与导管 7 形成两个循环轨道，共有 48 颗 钢 球，在转动方向盘时，由螺杆螺母传动副产生的阻力为 钢 球的滚动摩擦，操作就轻便的多。转向螺母上的齿条转向摇臂上的齿扇相啮合。螺杆的转动将带动螺母的轴向移动，螺母上的齿条将带动齿扇转动。由于齿扇和摇臂轴也是一体的，所以齿扇的转动，装在摇臂轴上的转向臂也随之摆动。 械式转向器的方案分析 环球式转向器的方案分析 循环球式转向器有螺杆和螺母共同形成的螺旋槽内装 有钢球构成的传动副，以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成。如图 示： 图 环球式转向器 循环球式转向器的优点是：在螺杆和螺母之间因为有可以循环流动的钢球将滑动摩擦变为滚动摩擦，因而 传动 效率可达到 75% 85%;在结构和工艺上采取措施，包括提高制造精度，改善工作表面粗糙和螺杆、螺母上的螺旋槽经淬火和磨削加工，使之有足够的硬度和耐磨损性能，可保证有足够的使用寿命；转向器的传动比可以变化；工作平稳可靠；齿条和齿扇之间的间隙调整工作容易进行 （图 适合用来做整体精品资料，值得下载学习！ 式动力转向器。 图 环球式转向器的间隙调整结构 循环球式转向器的主要缺点是：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。 循环球式转向器主要用于货车和客车上。 伤安全机构方案分析 根据 交通事故统计资料和对汽车碰撞试验结果的分析表明：当汽车发生正面碰撞时，由于车身和车架的变形会导致转向轴和转向盘的后移，而人体在惯性力的作用下又要往外冲，在这种情况下司机的胸部和头部会碰撞到转向盘上而受伤。现代汽车除在转向盘处安装安全气囊外。还在转向操纵系统加转向盘。转向轴和转向管柱上采取放伤的被动安全措施 。国外有关法则还规定：汽车以 h 速度 同 障碍物正面碰撞时，转向轴和转向管柱上部相对于车身未变形部分的位置的最大位移量不得超过127者试验用人体模型与转向盘的接触力，在它们之间的相对速度为 应越过 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。如在转向系中，使有关零件在撞击时产生塑性变形、弹性变形或是利用摩擦等来吸收冲击能量。当转向传动轴中采用万向节连接的结构时，只要布置合理，即可在 汽车正面碰撞时防止转向轴等向乘客舱或驾驶室内移动，如图 示 。这种结构虽然不能吸收碰撞能量，但其结构简单，只要万向节连接的两轴之间存在夹角，正面撞车后转向传动轴和转向盘就处在图中双点划线的位置，转向盘没有后移便不会危及驾驶员安全。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的布置，提高了操纵方便性并且拆装容易。 精品资料，值得下载学习！ 图 伤转向传动轴简图 图 示 为乘用车上应用的防伤安全机构，其结构简单，制造容易 。转向轴分为两断，上转向轴的下端经弯曲成形后其轴线与主轴轴线之间偏移一段距离，其 端面与焊有两个圆头圆柱销的紧固板焊接，两圆柱销的中心线对称于转向轴的主轴线。下转向轴呈 T 字形，其上端与一个压 铸 件相连 ，压铸件上铸有两孔，孔内压入橡胶套与塑料衬套后再与上转向轴呈倒钩状连接，构成安全转向轴。该轴在使用过程中除传递转矩外，在受到一定数值的轴向力时，上、下转向轴能自动脱开，如图 b）所示，以确保驾驶员安全。 图 取了防伤安全 措施转向轴转向图 精品资料，值得下载学习！ 3 变速比循环球式转向器的设计原理及方案论证 速比循环球式转向器的设计 普通的循环球式转向器，当齿扇转角加大时，方向盘的阻力也增 加，操纵变得沉重。为了克服这个现象，要求采用较大的转向器角传动比来减轻方向盘大转角时的转向力。 从汽车高速行驶的操纵稳定性出发，要求转向器的角传动比小一点。因为汽车直线行驶时，转向器处于中间位置及微小转角的工况，如角传动比大会使路感被削弱，这是汽车高速行驶时操纵稳定性变坏的主要原因之一。 为了解决这个矛盾，设计了变速比循环球式转向器。 变速比循环球式转向器的速比 0i=t2R （ t螺杆螺距 R齿扇节圆半径 要想得到速比的变化，只要变化 R。非圆齿轮式螺母齿条滚动节线 1 与非圆齿扇滚动节曲线 2 相啮合。当曲线 4 沿螺杆轴连续均匀转动，则曲线 2 绕其转动中心 线 2 在摇臂轴 4范围内进行快速匀速转动，在 （ 4 20） 做匀减速转动，在 20之后慢速匀速转动。从曲线 2 看出，其工作半径成折线变化，因而转向器速比也成折线由小到大变化。 在给定螺杆螺距 t，齿扇模数 m 和 ，最大速比 先求出在大工作半径 算出任意工作半径 r 随摇臂轴转角 的函数关系式 R=R（ ） ，在根据 R=R（ ）推出齿条位移 X 和齿扇转角 的关系式X=X（ ）。 选择适当的齿条齿形作为工具，使刀具在位移 X 和齿扇毛坯的转角 按着 X=X（ ）的运动规律做成齿扇并保证齿扇满足强度要求。 这种转向器的速比增加幅度在 15% 19%，并需要专门的辅助机构在梳齿机上加工。该转向器适用于轻型以下的各类汽车上。 常见的循环球 精品资料，值得下载学习！ i=（ 即其角传动比 i与齿扇的捏合半径 螺杆后螺母的螺距 t 成反比。而螺距 t 因结构原因不可以变化，故只有使齿扇啮合半径 i。即应使转向摇臂轴离开中间位置以后，能随其转角的变化而使齿扇与齿条啮合的工作半径也发生相 应的改变，以得到 可变的角传动比。而这种啮合半径能随摇臂轴转角的变化而变化的齿扇称为变速齿扇。变速齿扇是变速齿轮的一部分。 偏心轮为变速齿轮的一种。其啮合半径在其最大值 根据预先选定的转向器角传动比的最大值 最小值 出 本车预先选定转向器角传动比最大值 24，最小值 22。 t/2 =2410/2t/2 =2210/2心轮的滚动节圆半径可用下式求出 2 2 2m a x m i n m a xm i n m a xs i n ( c o s )2 ( c o s )r = 2 2 23 8 . 2 1 6 s i n 1 9 ( 3 5 . 0 3 1 3 8 . 2 1 6 c o s 1 9 ) 4 2 . 9 82 ( 3 5 . 0 3 1 3 8 . 2 1 6 c o s 1 9 ) （ 式中p为 转向摇臂轴总转角的一半， /p i=3604=38 p=1/2p=19 传动比转向器的方案论证 转向器传动比有转向系的角传动比 转向系的力传动比 转向系的角传动比 由转向器的角传动比 i和转向机构的角传动比0组成。 转向 系传动机构的角传动比可以近似的用转向节臂长 品资料，值得下载学习！ 即： i= 12间，可粗略的认为其比值为 1。 在现代汽车结构中，0ii。故研究转向系的传动特性，只需研究转向器的角传动比及其变化的规律即可。 增加转向传动机构的传动比，可以减少转向力，在汽车慢行行驶及停车时是有利的，但这样会降低操纵灵活性，对于高速行驶不利，为了解决这一矛盾，目前装置辅助动力转向机构的车辆，一般使用固定的传动比 形式的转向器，而一般机械手动转向汽车通常使用能够改变传动比的转向器。 精品资料，值得下载学习！ 4 转向器的主要性能参数 向器的效率 功率 ，经转向摇臂轴输出所求得的效率称为正效率，用符号 表示， =（ 之称为逆效率，用符号 表示， =（ 中， 了 保证转向时驾驶员转动转向盘轻便，要 求正效率 高。为 了 保证汽车转向后转向轮和转向盘能自动返回到直线行驶位 置，又需要有一定的逆效率。 为了减轻在不平路面上行驶时驾驶员的 疲劳，车轮与路面之间的作用力传至转向盘上要尽可能小，防止打手 又 要求此逆效率尽可能低。 向器的正效率 影响转向器正效率的 因 素有：转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等。 构特点与效率 在前述 四 种转向器中，齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高，而蜗杆指销式特别是固定销和蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显的低些。 同一类型转向器， 因 结构不同效率也不一样。蜗杆滚轮式转向 器的滚轮与支持轴之间的轴承可 以 选用滚针轴承、圆 柱 滚子轴承和球轴承等三种结构之一。第一种结构除滚轮与滚针之问有摩擦损失外，滚轮侧