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轿车用齿轮齿条动力转向系设计,轿车,齿轮,齿条,动力,转向,设计
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轿车用齿轮齿条动力转向系设计摘 要转向系统是车辆上必不可少的最基本的系统之一。它对汽车转向特性、驾驶舒适性、轮胎寿命等都有影响。它是汽车安全行驶的重要保障，也是车辆系统的一个重要组成部分。现在转向器的生产能力和产品质量如何已经成为衡量汽车工业发展水平的重要标志之一。由于它对于整车行驶以及工业的重要性，因此汽车转向系的设计显得尤为重要。随着科学技术的发展，人们研究出了利用附加动力装置来减轻驾驶员转动方向盘的操作力的转向系统。主要的两种助力方式为液压式和电子式。现代汽车转向系基本都有转向助力系统，从而使驾驶变得更加轻便。本次设计主要针对轿车用齿轮齿条动力转向系进行相关设计计算，助力系统采用液压助力。通过查阅相关资料，了解轿车用齿轮齿条动力转向系的基本构造以及工作原理，确定设计所需要的汽车基本参数，包括轴距、轮距、最小转弯半径等。选定齿轮齿条转向器的形式、转向梯形的布置形式、液压助力系统的布置形式。对齿轮齿条转向器、液压动力缸、动力分配阀以及转向系操纵机构和传动机构等零部件进行设计计算。并将最终得到的设计结果进行零件图绘制和三维装配。关键词：转向系统；液压助力转向系统；动力缸IABSTRACTThe steering system is one of the most basic systems on the vehicle. It has an impact on car steering characteristics, driving comfort, tire life and so on. It is an important guarantee for car safety driving, but also an important part of the vehicle system. Now the steering of the production capacity and product quality has become a measure of the level of development of the automotive industry is one of the important signs. Because of its importance for vehicle driving and industry, the design of the steering system is particularly important1.With the development of science and technology, people have developed a use of additional power devices to reduce the drivers steering wheel steering force of the steering system. Mainly divided into hydraulic power and electronic power in two forms. Modern cars are basically using power steering assistance system, so that the drivers steering operation becomes convenient and effort2.This design is mainly for the car with rack and pinion power steering system for related design and calculation, power system using hydraulic power. By consulting the relevant information, understand the basic structure and working principle of the power steering system of the car rack and pinion, and determine the basic parameters of the car, including the wheelbase, the wheelbase and the minimum turning radius. The form of the selected rack and pinion, the arrangement of the steering trapezoid, and the arrangement of the hydraulic power steering system. The design and calculation of gear and rack steering gear, hydraulic power cylinder, power distribution valve and steering system and transmission mechanism and so on. And will eventually get the design results of the relevant parts of the two-dimensional drawing and three-dimensional assembly.Key Words：The Steering System; Hydraulic Power Steering System；Steering Power Cylinder 54目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论31.1概述31.2国内外研究现状和未来发展趋势31.3本次设计工作的意义52 动力转向系设计方案的选择62.1主要技术参数的选择62.2液压助力转向系统的设计要求62.3转向器结构形式与布置方案的选择62.4液压助力装置布置形式的选择72.5液压助力装置分配阀的选择83 齿轮齿条转向器设计计算103.1转向器计算载荷的确定103.2转向器的正、逆效率103.3作用在转向盘上的手力113.4齿轮齿条设计与校核113.5齿轮轴的设计及校核153.6其他标准零件的选择184 液压助力系统设计计算204.1动力缸设计计算204.2控制阀设计计算224.4油泵的选择244.5管路的设计245 转向操纵机构和传动机构设计265.1转向操纵机构设计265.2转向传动机构设计286 结 论30参 考 文 献31附录1：外文翻译32附录2：外文原文36致 谢461 绪论1.1概述随着经济持续的快速发展，我国汽车工业发展迅速。转向系统作为核心部分之一，发展更是日新月异。据相关数据表明，国外很多转向系统的生产厂商均能够实现大规模、专业化地生产。与此同时，其销售渠道更是广泛，销售网点遍及世界每个国家。转向系统作为汽车核心部件之一，其生产规模及专业程度在一定程度上反映了汽车行业水准的高低。随着汽车技术的发展，人们对汽车舒适性及操纵性的要求不断提高。这些要求出现使得传统的机械式转向系统远远不能满足设计的要求。因此，在一些高档轿车及商用车上开始安装由动力助力转向的装置。随着动力助力转向器的不断发展，越来越多的汽车会加装动力转向器来提升汽车的档次。目前，汽车上常用的转向助力形式分为液压、气压及电动助力。这三种助力形式均能使得汽车的操纵性大大提高，以极大地解放了人手。其中液压助力转向系统凭借工作可靠性高、工作原理简单等优势得到了广泛的使用。但是，此技术国内自主品牌的汽车制造商技术尚未成熟。因此，为了紧跟汽车行业发展的潮流，我国的自主品牌应十分注重对转向系统技术的开发，转向系统技术的不断升级必然使得汽车档次不断提高，汽车品牌效应不断强大，从而带动我国汽车行业不断发展。因此在本文中，对乘用车的液压助力转向系统进行设计具有十分重要的意义。1.2国内外研究现状和未来发展趋势作为汽车的一个重要组成部分，汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成，如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的操纵设计显得尤为重要。汽车转向系统经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统3个基本发展阶段3。机械式的转向系统，由于采用纯粹的机械解决方案，为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘，这样一来，占用驾驶室的空间很大，整个机构显得比较笨拙，驾驶员负担较重，特别是重型汽车由于转向阻力较大，单纯靠驾驶员的转向力很难实现转向，这就大大限制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉，目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使用。液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering, HPS)在1953年被通用汽车公司首次使用，此后该技术迅速发展，使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。80年代后期，又出现了变减速比的液压动力转向系统。在接下来的数年内，动力转向系统的技术革新差不多都是基于液压转向系统，比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统(Variable Displacement Power Steering Pump)和电动液压助力转向(Electric Hydraulic Power Steering，简称EHPS)系统。液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞，布置更方便，降低了转向操纵力，也使转向系统更为灵敏4。由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力，目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面存在不足。电动助力转向系统(Electric Power Steering, EPS)在日本最先获得实际应用。1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，并装在其生产的Cervo车上，随后又配备在Alto上。此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的Delphi公司，英国的Lucas公司，德国的ZF公司，都纷纷投入到EPS的研发中。EPS的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期开发的EPS仅低速和停车时提供助力，高速时EPS将停止工作。新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。随着电子技术的发展，EPS技术日趋完善，并且其成本大幅度降低，为此其应用范围将越来越大。助力转向系统经过几十年的发展，技术日趋完善。今后，EPS将进一步成熟，而线控转向系统将成为未来的发展趋势。目前转向系统的研究方向主要是传感器技术，助力电机和控制策略的研究5。另一方面，由于车辆是一个高耦合度复杂系统，单独研究某一个或者某两个系统，并不能使整个系统的综合性能达到最优，因此，随着汽车主动安全系统的不断推出，与其他系统之间的集成控制也逐渐成为转向系统的另一个主要研究方向。随着科技的进步和发展，转向器未来的发展趋势为：（1）适应汽车高速行驶的需要从操纵轻便性、稳定性及安全行驶的角度，汽车制造广泛使用更先进的工艺方法，使用变速比转向器、高刚性转向器。“变速比和高刚性”是目前世界上生产的转向器结构的方向。（2）充分考虑安全性和轻便性随着汽车车速的提高，驾驶员和乘客的安全非常重要，目前国内外在许多汽车上已普遍增设能量吸收装置，如防碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊等，并逐步推广。从人类工程学的角度考虑操纵的轻便性，已逐步采用可调整的转向管柱和动力转向系统。（3）低成本、低油耗、大批量专业化生产随着国际经济形势的恶化，石油危机造成经济衰退，汽车生产愈来愈重视经济型，因此，要设计低成本、低油耗的汽车和低成本、合理化生产线，尽量实现大批量专业化生产。对零部件生产，特别是转向器的生产，更表现突出。（4）汽车转向器装置的电脑化汽车的转向装置，必定是以电脑化为唯一的发展途径。1.3本次设计工作的意义转向系统是车辆上必不可少的最基本的系统之一。转向系统转向特性对车辆的行驶操纵稳定性、安全性起着决定性作用，也是汽车技术的核心之一。它是汽车安全行驶的重要保障，也是车辆系统的一个重要组成部分。现在转向器的生产能力和产品质量如何已经成为衡量汽车工业发展水平的重要标志之一。由于它对于整车行驶以及工业的重要性，因此汽车转向系的设计显得尤为重要。2 动力转向系设计方案的选择2.1主要技术参数的选择本次设计主要针对娇车的液压助力转向系统总成进行设计。根据奇瑞A3给出的官方参数，整理出设计所需要的设计参数如下表2.1所示。表2.1 设计所需的汽车基本参数最高车速175km/h发动机排量1.4L轴距2540mm车身高度1510mm外廓尺寸3850/1540/1510mm前后轮距1410/1465mm整车整备质量1805kg总质量2180kg满载时前轴负荷53%最小转弯半径4.9m轮辋直径16英寸2.2液压助力转向系统的设计要求液压助力转向机构设计应满足以下要求6：（1）转向盘的转角与转向轮的转角呈一致性变化的规律；（2）保证转向轮阻力和转向盘手力的变化保持一致性；（3）助力转向机构能够辅助转向盘自动修正；（4）灵敏度高，液压系统响应较快；（5）助力装置失效不能影响机械转向系统的转向效果。2.3转向器结构形式与布置方案的选择本次设计的转向器类型为齿轮齿条式。齿轮齿条式转向器有四种结构形式：中间输入，两端输出、侧面输入，两端输出、侧面输入，两端输出、侧面输入，一端输出。各种形式分别适用于不同的车辆布置形式7。本次设计选取侧面输入，两端输出的齿轮齿条转向器，因为起结构更为简单，且易于实现液压助力。其结构如下图2.1所示。 图2.1 中间输入，两端输出式转向器侧面输入，两端输出式齿轮齿条转向器的工作原理：齿轮齿条的啮合位置处于侧面位置，齿轮的旋转运动通过与齿条的啮合，进而转换为齿条两端的左右位移。通过转向传动机构将驾驶者的操纵意图传递到左右车轮。根据齿轮齿条转向器和转向梯形相对于汽车前轴相对位置的不同，其在车辆上的布置形式分为四种：转向器位于前轴后方，后置梯形；转向器位于前轴后方，前置梯形；转向器位于前轴前方，前置梯形；转向器位于前轴前方，后置梯形。本次设计选用转向器位于前轴后方，后置梯形的布置形式展开设计。其布置形式如下图2.2所示。 图2.2转向器和转向梯形布置形式2.4液压助力装置布置形式的选择液压助力装置由液压缸，分配阀，油箱，储能器，油泵等几大部分组成。根据液压缸与机械式转向器相对位置的不同，液压助力转向系的布置形式主要分为两种8。转向动力缸和机械转向器成一组，然后再与转向控制阀组在一起，这种组合称之为整体式动力转向器，如图2.3所示。另一种方案是只将机械转向器和转向控制阀组合成一个部件，该部件称为半整体式动力转向器,如图2.4所示，转向动力缸则做成独立部件。 图2.3 整体式 图2.4半整体式由于半整体式动力转向器将分配阀与转向系做成一个整体结构，更易于控制液压助力系统总油路的换向工作，本次设计选用半整体式作为液压助力装置布置形式。2.5液压助力装置分配阀的选择液压助力装置的分配阀分为转阀式和滑阀式。本次设计选取转阀式分配阀作为分配阀。其工作原理如下：阀套和阀芯上都加工有孔，阀套内腔和阀芯外表面加工油槽，形成三位四通阀。左转时，阀芯会随着方向盘的转动而转动，进而开启相应的工作腔，实现助力作用，此时在助力作用下齿条移动带动转向小齿轮转动，从而恢复阀芯与阀套之间的转角，直到转角减到0，不再有助力作用，转向结束。图2.5是一种三阀并联式转阀，其特点是进油口和出油口数较多，这样可以在径向尺寸一定的条件下，增大过流面积9。 图2.5 转阀助力原理小结：本章对转向系设计所需的车辆参数进行了选定，同时对动力转向系布置形式以及重要零部件的结构形式进行了选择。结果如下：齿轮齿条转向器采用侧面输入，两端输出的结构形式。布置方案为转向器位于前轴后方，转向梯形前置。液压助力系统布置形式选取半整体式动力转向器，分配阀为转阀式。3 齿轮齿条转向器设计计算3.1转向器计算载荷的确定 为了保证行驶安全，组成转向系的各零件应有足够的强度。欲验算转向系零件的强度，需首先确定作用在各零件上的力。影响转向器计算载荷的原因有很多，例如轮胎胎压，路面情况，车轮稳定阻力等，因此精确计算是十分困难的。根据足够精确的半经验公式计算汽车原地转向阻力矩mm)，即： （3.1）式中：滑动摩擦因数，取0.7；转向轴负荷（N），11319N ；（整备质量为2180kg，前轴负荷53%）；轮胎气压（MPa）,取0.24 Mpa。 3.2转向器的正、逆效率不同结构参数的转向器正效率各不相同。例如，转向器中支撑齿轮轴或者螺杆轴的轴承因型号差异也能够对正逆效率产生影响，采用滚针轴承支撑能使正或逆效率提高约10%。若不考虑轴承的摩擦和其它因素的影响，其正效率可表示为： （3.2）式中： 为导程角，本处取8；摩擦角，可用下式表示为： （3.3）式中： 摩擦因数，取0.03。将上述结果带入公式（3.2）得： （3.4）若不计轴承摩擦及其他各因素的影响，则逆效率可用下式计算为： （3.5）转向器的正效率越高，表明汽车转向越轻便。逆效率越高转向系路感回馈越好。3.3作用在转向盘上的手力 （3.6）式中：转向盘直径；本次设计取305mm；转向系的角传动比；轿车取=14-22；货车取=20-25。本次设计取20。 ； 转向器的正效率；由公式（3.4）取75%。3.4齿轮齿条设计与校核3.4.1齿轮齿条设计要求：选取斜齿圆柱齿轮作为转向器的主动齿轮。查阅汽车设计手册，齿轮模数取值范围多在23mm之间，主动小齿轮齿数多在57个齿范围变化，压力角为20，齿轮螺旋角取值范围多为915，但现在制造工艺不断进步，这些取值可以更加宽泛一些。小齿轮的制造材料为16MnCr5或15CrNi6，而齿条常采用45钢制造。为减轻质量，壳体用铝合金压铸。3.4.2齿轮齿条基本参数设计1）主动小齿轮参数选择本课题设计采用主动小齿轮齿数z1=7，法向模数mn=2.5，螺旋角1=20.载荷系数 (3.7)式中：KA使用系数；K动载系数；K齿间载荷分布系数；K齿向载荷分布系数。依据机械设计，取KA=1.0，K=1.0，K=1.0，K=1.06.将上述参数代入公式（3.4），得K=1.272.校核接触疲劳强度 (3.8)式中：弹性系数，MPa0.5；节点区域系数；重合度系；螺旋角系数。依据机械设计，取ZE=198MPa0.5，ZH=2.37，Z=0.92，Z=0.97.将上述参数代入公式（3.5），计算得 =1570.55MPa ，校核成功。校核齿根弯曲疲劳强度 (3.9)式中：Ysa应力修正系数；YFa齿形系数；Y重合度系数；Y螺旋角系数。 依据机械设计，取Ysa1 =1.97，Ysa2=1.97，YFa1 =2.41，YFa2 =2.06，Y=0.845，Y=0.83；轮齿双向受力，取将上述参数带入公式（3.6）得=281.82MPa，=282.48MPaP=74.57，故齿条轴杆为大柔度杆，欧拉公式适用。由压杆稳定理论，临界压力为： （3.16）安全系数n为： (3.17)将以上计算结果带入公式（3.17）求得n=22，安全系数足够大，齿条刚度足够。3.5齿轮轴的设计及校核由于齿轮的基圆直径17.37，数值较小，若齿轮与轴之间采用键连接必将对轴和齿轮的强度大大降低，因此，将其设计为齿轮轴由于主动小齿轮选用20MnCr5材料制造并经渗碳淬火，因此轴的材料也选用20MnCr5材料制造并经渗碳淬火查表得：20MnCr5材料的硬度为60HRC，抗拉强度极限，屈服极限，弯曲疲劳极限，剪切疲劳极限，转速n=10r/min，许用切应力=50Mpa。根据公式（3.18）确定齿轮轴最小直径 （3.18）式中：T1齿条轴所受转矩,N.mm根据转向盘上手力可计算得到。许用切应力，50Mpa。由于阻力矩为Mr=283.2N.m，根据力的分解，则齿轮上的轴向力为：F=12.64KN；作用在齿轮上的切向力为：F=34.74KN。1）弯曲疲劳强度校核F/34.74/3.14277MPa 符合弯曲疲劳强度要求。2）抗拉强度校核满载时的阻力矩为Mr=283.2N.m由已经计算的结果可知齿轮轴的最小直径为d=10mm，则其轴向抗拉强度为：F/=12.64/3.145=100MPaS，故a-a截面安全。齿轮轴设计符号要求。3.6其他标准零件的选择（1）六角螺栓的选择 根据GB5780-2000，螺纹规格d=M6，具体数据如下图：（2）垫圈的选择根据GB848-85,选择的垫圈具体数据如下图:（3）油封的选择根据JB/ZQ4606-86和轴径选取毡圈油封,主要参数如下:本次设计的转向器采用人工定期润滑，润滑脂选择石墨钙基润滑脂（ZBE36002-88）中的ZG-S润滑脂。密封时选择密封件为旋转轴唇形密封圈，型号FB1630GB13871-1992。小结：本章对齿轮齿条转向器的结构进行了设计计算，得出齿轮齿条的具体参数以及齿轮轴的基本尺寸，并对主要部件进行了强度校核。对标准连接件进行了选择。最终装配效果如下图3.8所示。图3.8转向器二维装配图4 液压助力系统设计计算4.1动力缸设计计算4.1.1液压系统的额定压力（公称压力）pn额定压力是液压缸能用以长期工作的压力，根据机械设计手册表21-1-1，选取推荐用额定压力pn=10MPa，而一般情况下液压缸的最高允许压力pmax和工作压力p应满足： 1.5pnpmaxpnp (4.1)可取工作压力p=9MPa。4.2.2液压缸的总效率液压缸的总效率分为：(1)机械效率：由活塞及活塞杆密封处的摩擦阻力所造成的摩擦损失，在额定压力下，通常可取；本次设计去0.9。(2)容积效率：由各密封件泄漏所造成，通常取活塞密封为弹性材料时；(3)作用力效率：由排出口背压所产生的反向作用力造成，当排油直接回油箱时可取。则液压缸的总效率.液压缸的理论作用力F： (4.2)式中：活塞杆上的实际作用力，；负载率，一般取，这里取； 液压缸的总效率， 将上述参数代入公式（2.30），求得4.2.3缸筒内径D缸筒内径按照下式进行计算选取: (4.3)根据机械设计手册表21-1-3和表21-1-4，选取d=28mm,D=40mm4.2.4缸筒壁厚缸筒壁厚为： (4.4)式中：计算壁厚，mm，当时，按照 ，这里,其中是缸筒材料的抗拉强度，选择钢管材料ZG310-570，则=570MPa，n为安全系数，通常取n=5,另外pmax=10MPa，则可以得到，故可取=3mm；c1缸筒外径公差余量，0.25mm：c2腐蚀余量，0.25mm。最终取4.2.5活塞行程S活塞行程应按照齿条的极限行程来设计，取齿条的极限行程，即S=168mm。极限行程如图4.1所示。 图4.1 活塞极限行程 4.2.6最小导向长度导向长度过短，将使缸因配合间隙引起的初始挠度增大，影响液压缸的工作性能和稳定性，一般缸的最小导向长度应满足： (4.5)将得出的记过带入得：H28.4mm。导向套滑动面的长度A，在缸径小于或等于80mm时，取A=(0.61.0)D=2440mm；活塞宽度取B=0.3D=12mm。4.2.7导向套的设计计算导向套作为动力缸的导向零件，起着十分重要的作用。其结构如下图4.2所示。 图4.2导向套结构图其中导向套的长度可用下式计算： （4.6）式中： 活塞工作行程，本处为130mm；动力缸直径，本处为50mm；将上述参数带入公式(4.6)得： （4.7）取导向套长度H为20mm，则B=d/3=10mm，所以取B=10mm。4.2控制阀设计计算本次设计选取的油路换向阀为转阀式。转阀的主要参数包括预开隙的宽度、轴向长度、旋转扭杆刚度等10。 (1) 预开隙：预开隙的大小影响液流的过流面积，也就是影响液流的阻力，即压力损失。预开隙过小，使背压过高；预开隙过大，操纵力矩增加。当没有坡口的情况下，预开隙的突然关闭会导致压力骤然上升，但这可以由坡口去有效解决。预开隙的宽度一般控制在方向盘单向空行程的23范围，转阀最大相对转角是阀芯限位槽接触时的位置，一般控制在单向68，阀口全关闭位置应在最大相对转角的80%90%范围内，这里取预开隙宽度为2，转阀最大相对转角为6，阀口全关闭位置在4.8处。2）轴向长度转阀轴向长度指转阀阀芯的长度，其值影响油路的空间布置，分配阀内部的旋转阻力等。查阅相关资料，选取轴向长度为120mm。3）扭杆尺寸驾驶者的转向意图通过扭杆传递到分配阀，由扭杆控制分配阀的旋转运动。扭杆刚度直接影响转向操纵手力，当然影响转向操纵手力的因素还有油压、流量、转发尺寸参数、阀芯转动的摩擦力等，但这些参数的改变受到其他参数的约束，而扭杆刚度可直接调整手力的大小，调整相对容易。扭杆所受的扭矩M按照下式计算： (4.8)式中，M扭杆两端作用力矩，Nmm；G扭杆切变模量，选择扭杆材料为45CrNiMoVA，其切变模量G=76000MPa；d扭杆作用直径，mm；L扭杆有效长度，mm；扭杆两端相对转角。在具体设计过程中，扭杆的长度取L=80.958mm，根据经验，驾驶员作用在方向盘上的手力应在3050N，这里这里取，则作用在扭杆上的扭转力矩。当时，转阀达到最大油压，这时扭杆的直径应满足 (4.9)取d=4mm，两端采用圆柱销分别与转向小齿轮和阀芯连接，连接部分直径为d0=6mm.4）限位机构阀芯与阀套之间设计有限位机构，当阀芯相对于阀套转过一个小角度（这里取6）后，限位机构即起作用11。限位机构一方面可以保证扭杆不受破坏，另一方面是为了在助力失效的情况下提供方向盘与转向轮的纯机械连接。转阀结构如下图4.3所示。图4.3 转阀三维结构图4.4油泵的选择 由液压元件手册选择叶片泵型号为YBD10,其主要参数有：排量10；额定压力10；额定转速1000,最高转速2000r/min；驱动功率2.2；外形尺寸。4.5管路的设计油管的内径d可按下式计算： （4.10）式中：Q通过管道的最大流量，即加力油缸所需工作油液的最大流量，L/min；v允许流速，m/s。推荐流速的许用值为：油泵吸入管：v1.0一1.5m/s；油泵排油管：v2.53.5m/s；回油管路：v小于3m/s；短管或局部收缩处：v5.0一5.5m/s。根据上述不同管路的流速要求，带入公式（4.10）。可得到不同管路的直径分别为：油泵吸入管内径6mm；油泵排油管内径：4mm；回油管路内径4mm；短管或局部收缩处内径：3mm。各油管长度根据实际空间布置要求提出。小结：本章设计了液压助力系统进行了设计。主要包括液压缸和换向阀的设计计算。油泵的选择和管路的设计。液压助力转向系装配图如下图4.4所示。图4.4液压助力系统二维装配图5 转向操纵机构和传动机构设计5.1转向操纵机构设计连接转向盘和转向器的机构成为转向操纵机构。转向操纵机构结构方案取决于转向器类型和布置，对于本课题设计的齿轮齿条式转向器，只需要双十字轴式万向节传动轴结构即可。其设计主要体现在转向操纵机构空间角度布置。图5.1转向操纵机构结构示意图双十字轴式万向节传动轴结构如图5.1所示，其中轴1为上转向柱，轴2是指中间轴，轴3是指齿轮轴输入端，为了分析空间角度布置，记轴1和轴2的夹角为；轴2和轴3的夹角为；轴2两端万向节相位角为；平面1和平面3的夹角为；其中，平面1和平面3的含义为：平面1轴1和轴2所形成的平面；平面3轴2和轴3所形成的平面。一般情况下，方向盘所连接的上转向柱段需要根据汽车驾驶室内人机工程学的相关标准和要求进行设计和布置，而下转向柱是直接与转向器转向阀的阀芯输入端相连接，所以操纵机构的空间角度布置可以具体化为：首先确定转向器和上转向柱总成的布置，然后调整中间轴来使空间角度满足力矩波动要求12。转向操纵机构如下图5.2所示。 图5.2转向系操纵机构1）上转向柱布置方向盘距汽车对称面的横向距离可参考汽车设计图1-25和表1-17，驾驶座座椅中心面至前门后支柱内侧的距离一般为330390mm，折算到距汽车对称面的横向距离为392.5442.5mm，这里根据转向器的位置布局，取402.5mm。方向盘距前轴的纵向距离可以参考图5.3，取922mm。方向盘距前轴的垂直距离根据实车测量，取652mm。上转向柱的布置角度参考汽车设计图1-24和表1-16，一般取2035，这里参考相关车型，取30。图5.3奇瑞A3和大众速腾方向盘距前轴纵向距离2）转向操纵机构空间角度布置确定好上转向柱和转向器的位置后，在CATIA装配界面中，测量角度如图5.3所示，轴1和轴2的夹角为，轴2和轴3的夹角为，平面1和平面3的夹角为。图5.4转向操纵机构空间角度3）力矩波动校核转向操纵机构的双十字轴式万向节可以等效为一个等效单十字轴万向节传动机构，等效夹角为 (5.1)为了达到最佳的传动性能，则希望等效夹角尽可能小，从上式（5.1）可以看出，当桅+胃=180掳时，等效夹角取得最小值，为 转向管柱的力矩波动范围是，即0.9541.048。为了达到一个较好的转向盘手感，对转向力矩的波动目标要求为5%，也就是波动范围是0.951.05，可见转向操纵机构空间角度布置符合力矩波动要求。故中间轴即轴2两端万向节相位角取为（也可理解为）。5.2转向传动机构设计低于采用齿轮齿条转向器的转向传动机构，其构成为转向节臂、转向梯形臂、转向横拉杆等，齿条取代了转向摇臂和转向纵拉杆13。它们共同构成一个传递力和运动的传动杆系，将驾驶者的意图准确无误的传递到左右车轮，使得车辆能按驾驶员的操纵行驶。因此，该杆系必须要保证一定的刚度和强度条件，一般采用模锻加工制成，材料选取为中碳钢或中碳合金钢。转向传动机构的各元件间采用球形铰接各传动杆件之间采用球形铰接，此种联接方式不但能消除由于日常使用造成的磨损间隙，而且能传递杆件之间复杂的相对运动。球销的制造材料选用12CrNi3A、18MnTi或20CrN14 。根据汽车设计书表7-4选取球头直径为22mm，工作表面经渗碳或淬火处理，增加起硬度，增加起耐磨性。基于上述设计要求，并根据整车布置要求，转向传动机构各杆件的设计尺寸如下表4.1所示。 表4.1 传动杆件设计参数转向摇臂（mm）-转向纵拉杆（mm）-转向节臂（mm）140转向梯形臂（mm）200转向横拉杆（mm）600液压助力转向系装配效果如下所示： 6 结 论本次设计的主要内容：通过查找相关文献了解转向系的组成以及与设计相关的重要参数。了解齿轮齿条动力转向系的分类与布置形式。通过查阅资料，确定设计轿车用齿轮齿条动力转向系所需要的基本参数，例如轴距，轮距，汽车总质量等。利用拟定的基本设计参数，对齿轮齿条转向器进行设计与重要部件的校核。分析液压助力系统的工作原理与基本结构，根据要求选定液压助力系统的布置形式并进行设计计算，包括液压缸的尺寸，转阀类型等。设计出与齿轮齿条转向器相匹配的液压助力系统后，根据空间布置要求，设计出转向杆系的尺寸。最后绘制零件图和装配图，完成设计说明书。通过本次对齿轮齿条动力转向系的设计，使我对汽车转向系统的组成和具体结构有了更为全面的了解。相信会对我以后的工作有很大的帮助。 参 考 文 献1Johannes Hullmann,David James,Alois Seewald, Eduard Span,Alexander Wiertz.Mechanical and Hydraulic Gears.June 2016,Volume 46,Issue 3,pp249-337.2Jochen Gessat,Alois Swwwald,Dirk Zimmermann.Electrically Powered Hyraulic Steering.June 2016,Volume 65,Issue 1,pp381-401.3张兴权,何广德,郑如,张俊.齿轮齿条的接触应力研究J.机械传动，2011,35(07):30-32.4何志峰.齿轮齿条式动力转向器性能测试系统研究D.长春理工大学,2012.5吴晓建.齿轮齿条式转向器机构转向特性研究D.重庆汽车学院,2012.4管欣,吴振晞,詹军.面向结构的汽车齿轮齿条式转向器仿真模型J.设计计算研究，2011:9-12.6李晏,王瑾,徐皓,施伟,谭修文.汽车转向器齿轮齿条的建模与仿真研究J.制造技术/工艺设备,2010,(12):73-94.7张锡顺,石培吉,唐俊,于思佳.转向器齿轮齿条传动副的几何和啮合计算J.汽车工程师,2013,(12):51-55.8彭立,胥军,牛子孺,李刚炎,颜志浩.机械式变比转向器传动比测试系统设计J.测控技术,2016,35(10):23-26.9徐方舟,魏小辉,张明,聂宏.基于ADAMS的齿轮齿条刚性柔耦合啮合分析J.机械设计与制造,2012,(7):200-202.10夏贵光,刘海军,陈家木.铝合金整体式转向器壳体铸造工艺J.铸造工艺,2015,(23):22-23.11李广明,范秦寅,张广丽.汽车动力转向器油路分析及排油方法J.长春工业大学学报,2015,36(2):140-142.12邹理炎,虞忠潮.汽车液压动力转向器特性分析及检测系统研究J.工业技术,2016,(05):43.13黄华波.汽车转向器传动齿轮断裂失效分析J.装备制造技术,2013,(10):7-9.14Dirk Nissing,Jochen Gessat,Thilo Bitzer,Alois Seewald.Hydraulic chassis systems with electrically powered hydraulic steering and active roll control.March 2007,Volume 109,Issue 3,pp11-15.附录1：外文翻译有效的前转向系统手轮转矩的可靠控制主动前转向（AFS）系统已经被用作一种有前途的技术，可以提高车辆的转向便携性和处理稳定性。它采用转向电机实现可变转向比和车辆稳定性控制的功能。然而，由于额外的转向角度引起的手轮扭矩出现意想不到的严重问题。在本文中，基于线性轮胎模型设计了最佳手轮扭矩。考虑到转向系统和车辆的不确定性和干扰，开发了一个H控制器，以确保手轮扭矩准确而快速地遵循参考转矩。 仿真表明，所提出的控制器可以补偿不自然的反作用力矩，为司机提供良好的转向感。1介绍最近，主动前转向（AFS）已经被开发为一种有前途的技术，可以提高车辆的转向可移植性和交付稳定性1,2。 与传统的转向系统相比，AFS系统采用行星齿轮组和电动马达提供额外的转向角。以这种方式，可以控制前轮角度以在危急情况下稳定车辆。另一方面，由转向马达施加的附加转向角将引起严重问题。由于手轮机械地连接到前轮，所以由附加转向角产生的反作用转矩将直接传递给驾驶员。这种不自然的扭矩不仅会加剧转向舒适度，而且会干扰驾驶员的操作，从而影响车辆的稳定性。为了解决这个问题，在以前的几项研究中提出了不同的方法。 Minaki和Hori 3提出了一种基于驾驶员灵敏度的无功转矩控制方法。该方法控制来自路面的反作用扭矩的增益和频率，以防止转向干扰，使驾驶员能够安全地操作方向盘。但它需要准确测量反应转矩。 Noh等人4提出了一种控制策略，利用反转扭矩转向角的查找表，通过前馈控制来补偿反作用力矩。然而，系统的鲁棒性是无法保证的。 Sugita和Tomizuka 5也给出了一种控制方法来消除称为摩擦搬迁控制的AFS的非自然反作用力矩。但这种方法难以精确地测量摩擦。 Jonas 6提出了一种扭矩前馈控制来弥补AFS的不自然力矩。但是他的模式是非常基础的，控制对模型的不确定性并不强大。另外，上述所有的控制变量是转向辅助扭矩Ta，而不是手轮扭矩Tsw。与这种间接控制转向辅助转矩相比，本文采用简单的控制策略，其控制变量为手轮转矩本身7,8。由于手轮扭矩可以通过位于手轮和行星齿轮组之间的扭矩传感器获得，手轮扭矩的控制将更加准确。手轮的努力可以根据驾驶员的需要任意决定。这意味着转向力传递与转向角传动分离。所以更多的个性化和舒适的转向感可以实现。考虑到模型不确定性，AFS系统存在外部扰动和传感器噪声; AFS控制器必须提供强大的鲁棒性9。在本文中，具有H控制方法的鲁棒控制器被解码，以确保跟踪性能，鲁棒性和干扰衰减。本文的结构如下。第2节介绍了AFS的结构。在第3节中，构建了AFS系统和两自由度（2-DOF）车型。在第4节中，设计了最佳的手轮扭矩，并呈现了H控制器。模拟在第5节中完成，结论见第6节。2 AFS系统的结构AFS系统的结构如图1所示。包括两台直流电机：一种是转向电机，通过行星齿轮组提供额外的转向角; 另一个是根据参考指令控制手轮扭矩的辅助马达。 扭矩传感器放置在转向柱中，测量转向扭矩和角度。行星齿轮组是产生额外转向角的关键部件。图2示出了行星齿轮组的结构。如图2所示，行星齿轮组具有串联的两个行星齿轮。第一个齿圈是固定的;手轮角sw输入到输入太阳齿轮。第二个齿圈由转向马达通过蜗轮传动;输出太阳齿轮由第二行星齿轮驱动，该第二行星齿轮通过载体连接到第一行星齿轮。3 AFS系统建模行星齿轮组和致动器的动力学被忽略，因为致动器的带宽足够高并且致动器的惯性与系统相比足够小。 然后附加的转向角成为系统的输入，这被认为是对系统的干扰。 辅助马达的动力学也被忽略。 因此，辅助电动机从转矩指令到实际辅助转矩的传递函数为1。 并且已经有许多成功的控制方法，例如在真正的自动动力工程中使用的PID控制，其具有良好的控制性能。4 AFS系统的控制系统设计4.1控制目标AFS系统基本上具有两个功能：可变转向比（VSR）功能和车辆稳定功能。通常，是速度的函数。所以当车以恒定的速度驾驶，额外的转向角与手轮角度相位变化。司机不应该感到任何不自然的反应扭矩。然而，当车辆将不稳定时，AFS系统将施加额外的转向角以稳定车辆的运动。此操作将产生意外的反应扭矩。控制方法必须补偿这种不稳定的反作用力矩并提供舒适的手轮扭矩。AFS系统的主要控制目标是为驾驶员提供最佳的手轮转矩。通常，手轮扭矩包括两部分：由作用在前轮上的力产生的对准扭矩和转向系统的内摩擦力矩11。在不同的行驶状态下，内部摩擦几乎是恒定的，对准扭矩随着车辆的状态（例如，转向角，横向加速度和速度）而变化。因此，为了清楚地指出车辆对驾驶员的重要行驶状态，应根据排除内摩擦的对位扭矩计算手轮。在本文中，当车辆处于线性横向加速区域（即，ay4m / s2）时，基于线性轮胎模型计算对准扭矩，然后保持轮廓处于粘接极限处，使得驾驶员可以减少转向角度，以避免侧滑或翻车的风险。对位扭矩主要由两部分组成，即由气动履带引起的部分和由主销倾斜引起的部分。 E（V）是不同行驶速度下的对位转矩的比值，这是车速的函数。在本文中，E（V）是基于Bertollini和Hogan 12的研究而决定的。在不同的车速下，当ay = 3m / s2时，他们调查了驾驶员期望的手轮转矩。E（V）以不同的速度进行调整，使得Tsw *等于参考文献。12。 那么E（V）的函数可以通过多项式拟合得到。 假设他们的研究提供了驾驶员偏好的最佳估计。为了在实际应用中获得更好的性能，可以通过实验调整参考转向扭矩。由于AFS
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