毕业设计（论文）-某轻型汽车动力转向器总成设计.doc

中华人民共和国教育部东北林业大学 毕 业 设 计 设计题目： 某轻型汽车动力转向器总成设计 学 生： 李勇 指导教师： 朱宝全 讲师 学 院： 交通运输工程学院 专 业： 车辆工程2003级1班 2007年6月东北林业大学毕 业 设 计 任 务 书设计题目 某轻型汽车动力转向器总成设计 指导教师 朱宝全 讲师 专业(年级) 车辆工程2003级1班 学 生 李勇 2006年 12月 16日题目：某轻型汽车动力转向器总成设计任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求）本设计题目要求学生设计一个某轻型汽车动力转向器，使用AutoCAD软件绘制零件图及装配图。2006年12月21日2007年1月12日：进行调研，要求查阅10篇以上的参考文献。2007年1月13日3月16日：调研，毕业实习。2007年3月19日3月25日：撰写并上交实习报告。2007年3月26日4月2日：撰写、修改并上交开题报告。2007年4月5日4月6日：开题。2007年4月7日5月10日：完成转向器整体结构设计，用AutoCAD绘制转向器总装配图0号图纸一张，零件图折合0号图纸两张，接受中期检查。2007年5月11日6月1日：完成并上交图纸和设计说明书初稿。2007年6月2日6月7日：对图纸及设计说明书进行修改，对设计图纸及说明书内容、格式、英文摘要等进行最终审查和修改。2007年6月8日6月11日：准备毕业设计答辩稿、电子演示稿，预习答辩。其中：参考文献篇数：10篇以上（其中，外文文献3篇以上）。图 纸 张 数：折合0号图纸3张，其中至少含一张0号图纸说明书字数：6,000字以上。 专业负责人意见签名：年 月 日某轻型汽车动力转向器总成设计摘 要通过参考现有的一套液压动力式转向器实物，完成了某轻型汽车动力转向器机械传动部分的结构设计。对其中各传动副的传动比进行了分配，对壳体、转向螺母等零件进行了设计，并对主要传动零件进行了强度校核。关健词:动力转向器 设计 强度校核 The Design Of A Light Vehicle Power Steering GearAbstract The transmission efficiency of Recirculating-Ball Nut Steeting Gear is high (up to 90% -95%), the manipulation of light, long life, Working calm and reliable. However, the converse is also very high efficiency, easy to ground impact reached Steering wheel, but for the front axle shaft contains little quality and often bumpy road traffic light medium truck, This shortcoming was not greatly affected. Therefore Recirculating-Ball nut steeting is widely used in all types of vehicles at all levels.The design is mainly related to the books, as well as the physical observation of dismounting, using AutoCAD, carrying on the intensity checkup to the majoy parts. Key words: power steering gear, design, intensity checkup目 录摘要Abstract1 绪论11.1 循环球式转向器的概要11.2 设计的要求12 循环球式转向器的设计方案32.1循环球式转向器结构形式设计方案的分析32.1循环球式转向器的结构设计33螺杆、钢球和螺母传动副的设计43.1主要尺寸参数的确定43.2主要尺寸参数的确定53.3钢球与滚道之间的强度计算114 齿条、齿扇传动副的设计124.1 齿条、齿扇传动副设计方案的分析124.2 主要尺寸参数的确定124.3 间隙调整装置的设计134.4齿的弯曲应力计算145 结论15参考文献致谢东北林业大学毕业设计某轻型汽车动力转向器总成设计1 绪论1.1 循环球式动力转向器的概要汽车在行驶过程中，需按照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（一般是前桥）上的车轮（转向轮）相对于汽车纵轴线偏转一定角度。在汽车直线行驶时，往往转向轮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，即称为汽车转向系统（俗称汽车转向系）。因此，汽车转向系的功用是，保证汽车能按照驾驶员的意志而进行转向行驶。按转向力能源的不同，可将转向系分为机械转向系和动力转向系。机械转向系的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，由转向操纵机构(方向盘)、转向器、转向传动机构三大部分组成。其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动(严格讲是近似直线运动)的机构，是转向系的核心部件。动力转向系除具有以上三大部件外，其最主要的动力来源是转向助力装置。由于转向助力装置最常用的是一套液压系统，因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐，它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电机和地线的作用。动力转向系是兼用驾驶员体力和发动机为转向能源的转向系。在正常情况下，汽车转向所需能量，只有一小部分由驾驶员提供，而大部分是由发动机通过动力转向装置提供的。但在动力转向装置失效时，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动力转向装置而形成的。汽车动力转向器均采用液压作动力源，液压式动力转向装置重量轻，结构紧凑，也无须润滑，油液的阻尼作用还可以吸收路面冲击力，有利于改善转向操作感觉，但液体流量的增加会加重泵的负荷，需要保持怠速旋转的机构，并且产品结构复杂，对加工精度和密封的要求相对较高。1.2 设计的要求为保证转向器据有良好的工作性能，转向器的设计应尽量满足下列要求：（1）运动学上应保持转向轮转角和驾驶员转向盘的转角之间保持一定的比例关系，即随动作用；（2）在转小转向时作用在转向盘上的手力的同时，还应当有合适的“路感”，即能及时地将地面对转向阻力的影响反映到转向盘上，使作用在转向盘上的手力随转向阻力的增大而增大；（3）工作安全可靠，即使一旦动力转向系统失灵，司机仍能够操纵转向盘使汽车转向；（4）密封性良好；（5）工作没有噪声和震动；（6）工作灵敏，转动转向盘后，系统内的压力很快能增长到最高值。2 循环球式转向器的设计方案2.1 循环球式转向器设计方案的分析由于循环球式转向器有两级传动副，第一级是螺杆、钢球和螺母传动副，第二级是螺母、齿条传动副，所以设计方案主要由这两个部分展开。2.2 循环球式转向器的结构设计循环球式转向器的结构如图2-1所示1。 图21 循环球式动力转向器示意图1-转向器壳体;2-转向螺母;3-转向螺杆;4-转向阀;5-转向摇臂轴 3 螺杆、钢球和螺母传动副的设计3.1 螺杆、钢球和螺母传动副的结构设计为了减少转向螺杆和转向螺母之间的摩擦，二者之间的螺纹以螺旋槽滚动的许多钢球代之，以实现滑动摩擦变为滚动摩擦。转向螺杆和螺母上都加工出断面轮廓为两段或三段不同心圆弧组成的近似半圆的螺旋槽。两者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面的螺旋管状通道。螺母侧面有一对通孔，可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内。钢球导管的两端插入螺母侧面通孔中，导管内也装满了钢球。这样，钢球导管和螺母内的螺旋管状通道组合成封闭的钢球“通道”2。螺杆、钢球和螺母传动副的结构如图3-1所示。图31 钢球、螺杆和螺母传动副示意图1-转向螺母；2-钢球导管；3-钢球；4-转向螺杆；5-密封圈3.2 主要尺寸参数的确定3.2.1阿克曼几何学两轴汽车以低速转弯行驶，可忽略离心力的影响，假设轮胎是刚性的，忽略轮胎侧偏的时候，此时若各车轮绕同一瞬时转向中心进行转弯行驶，则两转向前轮轴线的延长线交在后轴延长线上，这一几何关系称为阿克曼几何学3。汽车前轮转向时，为满足上述条件，须满足下述关系式 （31）式中：转向轮外轮转角； 转向轮捏内转角； K两主销轴线与地面交点间距离； L车轮轴距。3.2.2最小转弯半径6汽车最小转弯半径与汽车内轮最大转角、轴距L、转向轮绕主销转动半径r、两主销延长线到地面交点的距离K有关。在转向过程中L、r、K保持不变，只有是变化的，所以内轮应有足够大的转角，以保证获得给定的最小转弯半径。计算最小转弯半径如下： （32）在给定最小转弯半径条件下，可以用下式计算出转向内轮应达到的最大转角： （33）已知=4500mm， L=2200mm， r=75mm， K=1600mm，则=29.269，取=29。3.2.3转向系的效率转向系的效率由转向器的效率和转向操纵及传动机构的效率决定，即： （34）转向器的效率又有正效率与逆效率之分。循环球式转向器的正效率可达90%95%。3.2.4转向系的角传动比与力传动比3.2.4.1角传动比转向盘转角的增量与同侧转向节转角的相应增量之比，称为转向系的角传动比。转向盘转角的增量与转向摇臂转角的相应增量之比，称为转向器的角传动比。转向摇臂轴转角的增量与同侧转向节的相应增量之比，称为转向传动机构的角传动比。它们之间的关系是：= （35） （36） （37）现代汽车转向传动机构的角传动比多在0.85-1.1之间，即近似为1。故研究转向系的角传动比时，为简便起见，往往只研究转向器的角传动比即可，即=1。对于乘用车，推荐转向器角传动比在17-25范围内选取，现代轿车的角传动比常采用不变的数值=14-224。循环球式转向器角传动比=15.7。因此，转向系的角传动比=15.7。3.2.4.2力传动比转向传动机构的力传动比等于转向车轮的转向阻力矩与转向摇臂的力矩之比值，即 （38） 转向系的力传动比 （39）3.2.4.3力传动比与转向系角传动的关系 （1）转向阻力矩 （310）式中: 在沥青或混凝土路面上的原地转向阻力矩，Nmm； f轮胎与地面间的滑动摩擦系数，取0.75； 转向轴负荷,N； P轮胎气压，MPa。其中，轴荷分配：前轴56%-66%；取60%； 则转向轴负荷=，取=5880N； 轮胎气压p：取p=0.2Mpa。因此，转向阻力矩，取。（2）作用在转向盘上的手力 （311）式中，作用在转向盘上的手力，N； 转向摇臂长,mm； 转向节臂长,mm； R转向盘半径; R=190mm； 转向器角传动比；=15.7； 转向器正效率; =0.90。其中，是转向机构的角传动比； 转向阻力矩=235Nm；则N。（3）转向阻力与转向阻力矩 （312）式中，a为主销偏移距,乘用车a值在40mm-60mm内选取,取a=55mm。则N, 取=4273N。（4）手力与作用在方向盘上的力矩 （313）式中,为方向盘直径, =380mm。将(3-11)、（3-12）代入后得到： （314）忽略能量损失，根据能量守恒原理， （315）将（314）代入（313）后得到： （316）由于=15.7， 代入（313），则=29936Nmm。将代入（310），则N, 取=157N,符合手力小于200N。3.2.5钢球中心距D、螺杆外径D1和螺母内径D2螺杆外径D1、螺母内径D2及钢球直径d对确定钢球中心距D的大小有影响6，而D又对转向器结构尺寸和强度有影响。所以在保证足够强度条件下，尽可能将D值取小些。选D=23.56mm D1=22mm D2=25.11mm。3.2.6钢球直径d及数量n钢球直径选为 d=5.56mm为了保证尽可能多的钢球都承载，应分组装配。每个环路中的钢球数为： （317）式中，D为钢球中心距；W为一个环路中钢球工作圈数,取W=2.5圈；0为螺线导程角，常取0=5，故cos01。n为不包括环流导管中的钢球数，得：n=33个。3.2.7滚道截面当螺杆和螺母的滚道各由两条圆弧组成，形成四段圆弧滚道截面时，如图所示钢球和滚道有四点接触，传动时轴间隙最小，可满足转向盘自由行程小的要求。图中滚道与钢球之间的间隙，除用来贮存润滑油之外，还能贮存磨损杂质。为了减少摩擦，螺杆和螺母沟槽的半径R2 应大于钢球半径d/2，一般取R2=（0.510.53）d。螺杆滚道应倒角，用来避免该处被啮出毛刺而划伤钢球后降低传动效率8。取R2=6mm。图31 四段圆弧滚道截面示意图3.2.8接触角钢球与螺杆滚道接触点的正压力方向与螺杆滚道法向截面轴线间的夹角成为接触角，为了使轴向力和径向力分配均匀。取=45。3.2.9螺距P和螺旋线导程角0取P=10mm取。3.2.10工作钢球圈数W工作钢球的圈数W与接触强度有关，增加工作钢球圈数，参加工作的钢球增多，能降低接触应力，提高承载能力；但钢球受力不均匀、螺杆增长使刚度降低。工作圈数取W=2.5。3.2.11导管内径d1容纳钢球而且钢球在其内部流动的导管内径d1=d=e,式中，e为钢球直径d与导管内径之间的间隙，取e=0.5mm 。导管壁厚取为1mm。3.2.12转向器的角传动比对于循环球式转向器，转向盘转动角，对应螺母移动的距离s为： （318）式中，P为螺纹螺距。与此同时，齿扇节圆转过的弧长等于s，相应摇臂轴转过角，其间关系为：式中，r为齿扇节圆半径，取r=25mm。将两式联立得： （319）将对求导，得循环球式转向器角传动比为： （320）循环球式转向器角传动比=15.7。表31 螺杆、钢球和螺母传动副的主要参数名称数值钢球中心距/mm23.56螺杆外径/mm22钢球直径/mm5.56螺距/mm10工作圈数2.5环流行数2.0 获得以上尺寸参数，见表3-1。3.3钢球与滚道之间的强度校核钢球与滚道之间的接触应力为9： （321）式中，k为系数，根据A/B值查表得出，,;为滚道截面半径；r为钢球半径；为螺杆外半径；E为弹性模量，等于2.1Mpa; 为钢球与螺杆之间的正压力,既： （322）经计算得A=0.006595，B=0.173261，A/B0.04，所以查表得k=1.280。取=11600N，则=497.2N，=2000MPa=2500Mpa，符合强度要求。4齿条、齿扇传动副的设计齿条齿扇传动副是循环球式转向器的第二级传动副，与齿条相啮合的齿扇，其齿厚是在分度圆上沿齿扇轴线按线性关系变化的，故为变厚齿扇。4.1 齿条、齿扇传动副的结构设计齿条、齿扇传动副的结构如图4-1所示。图41 齿条、齿扇传动副的结构示意图4.2 主要尺寸参数的确定加工齿扇时，滚刀相对齿扇作斜向进给运动加工，得到变厚齿扇10。变厚齿扇的齿顶和齿根的轮廓面是圆锥的一部分，其分度圆的齿厚是变化的。4.2.1齿扇模数m齿扇模数取m=3mm。4.2.2转向摇臂轴直径转向摇臂轴直径为： （41）式中，K为安全系数，根据汽车使用条件不同可取2.5-3.5；取K=3。为转向阻力矩；=235，为扭转强度极限，=107.6。经计算得=32mm。4.2.3齿扇压力角和切削角法向压力角，一般在2030之间，取=22.5。取切削角=5。4.2.4齿扇宽度B齿扇宽度B，一般在2238mm，取B=36mm。获得以上尺寸参数，见表4-1表41 齿轮、齿扇传动副的主要参数名称数值齿扇模数/mm3摇臂轴直径/mm32齿扇齿数3齿扇整圆齿数12齿扇压力角22.5切削角5齿扇宽/mm364.3 间隙调整装置的设计4.3.1间隙调整装置的结构设计间隙调整装置的结构如图4-2所示 图42 间隙调整装置示意图1-调整螺钉；2-侧盖；3-固定块；4-转向摇臂；5-螺母；6-密封圈；7-滚针轴承4.3.2间隙调整装置的工作原理。随着工作时间的增长，转向螺母和齿扇的磨损也变得严重，为了使转向螺母和齿扇能够正常工作，因此需要设计间隙调整装置。调整螺钉旋装在侧盖上，齿扇轴内侧端部有切槽，调整螺钉的圆柱形端头即嵌入此切槽中。将调整螺钉旋入，则啮合间隙减小，反之则啮合间隙增大11。4.4齿扇齿的强度校核齿扇齿的弯曲应力为12： （42） 式中，F为作用在齿扇上的圆周力；h为齿扇的齿高；B为齿扇的齿宽；s为基圆齿厚。F=18.8KN,h=14mm,B=36mm,s=9mm,经计算