机械毕业设计（论文）-工程机械底盘转向系统模拟设计【全套图纸】.doc

摘要汽车转向器是汽车的重要组成部分，也是决定汽车主动安全性的关键总成，它的质量严重影响汽车的操纵稳定性。随着汽车工业的发展，汽车转向器也在不断的得到改进，虽然电子转向器已开始应用，但机械式转向器仍然广泛地被世界各国汽车及汽车零部件生产厂商所采用。而在机械式转向器中，循环球式转向器由于其自身的特点被广泛应用于各级各类汽车上。本文用SolidWorks对工程机械底盘转向器进行仿真。转向器选择循环球式转向器，这种转向器的优点是，操纵轻便，磨损小，寿命长。缺点是结构复杂，成本高，转向灵敏度不如齿轮齿条式。因此逐渐被齿轮齿条式取代。但随着动力转向的应用，循环球式转向器近年来又得到广泛使用。其主要内容有：用SolidWorks模拟循环球式转向器，转向传动机构和转向系统，将模拟效果用WMV视屏输出。SolidWorks系统是3D ，CAD/CAM实体设计系统。强大的绘图功能、空前的易用性，以及一系列旨在提高设计效率的新特征，使其逐渐成为主流3D机械设计的第一选择，不断推进业界对三维设计的采用，也加速了整个3D行业的发展步伐。关键词: SolidWorks；循环球式转向器；转向系统；模拟；三维造型；WMV全套三维图纸，加153893706AbstractAutomobile steering gear is an important part of the car, in determining the key assembly of the cars active safety, its quality seriously affect the cars handling and stability. With the development of the automotive industry, automobile steering gear is continually improved, although the electronic steering has begun the application, but the mechanical steering is still widely around the world automobile and auto parts manufacturers. Mechanical steering, recirculating ball steering system because of its characteristics has been widely applied to various types of vehicles at all levels.Construction equipment chassis steering using SolidWorks Simulation. The steering select the recirculating ball steering, the advantage of this steering is the manipulation of light, wear, long life. The disadvantage is that the structure is complicated and costly, steering sensitivity than rack and pinion. Therefore gradually replaced by rack and pinion. However, with the application of power steering, recirculating ball steering in recent years been widely used. Its main contents are: SolidWorks simulation of recirculating ball steering, steering linkage and steering systems, the simulation results with WMV Screen output.System SolidWorks 3D ,CAD / CAM physical design system. Powerful drawing capabilities, unprecedented ease of use, as well as a series of new features designed to improve the design efficiency, it gradually become the first choice of the mainstream 3D mechanical design, and constantly promote industry adoption of 3D design, but also to accelerate the entire 3D the pace of development of the industry.Keywords: SolidWorks; recirculating ball steering gear; steering system ;simulation; 3Dmodeling;WMV目录1绪论12汽车转向系的组成及分类32.1汽车转向系的类型和组成32.1.1 机械式转向系62.1.2 动力转向器72.2 转向系主要性能参数72.2.1转向器的效率72.2.2传动比的变化特性92.2.3转向盘自由行程122.3 转向操纵机构及转向传动机构122.3.1转向操纵机构122.3.2转向传动机构133转向器总成方案分析143.1转向器设计要求143.2转向器总成方案设计144循环球式转向器设计175循环球式转向器主要尺寸参数选择216.工具软件SolidWorks的介绍236.1 SolidWorks简介236.2 SolidWorks的发展和荣誉236.3 Solidworks软件特点246.4 Solidworks主建模界面247主要零部件及装配体的三维建模267.1 概述267.2主要零部件建模267.2.1转向摇臂轴的三维实体建模267.2.2转向螺母的三维实体建模277.2.3转向螺杆的三维实体建模277.3装配体建模288结论32参考文献33致 谢34 第 14 页1绪论循环球式转向器的英文名称是Recirculating Ball Steering Gear。循环球式转向器由两对传动副组成，一对是螺杆、螺母，另一对是齿条、齿扇或曲柄销。在螺杆和螺母之间装有可循环滚动的钢球，使滑动摩擦变为滚动摩擦，从而提高了传动效率。循环球式：这种转向装置是由齿轮机构将来自转向盘的旋转力进行减速，使转向盘的旋转运动变为涡轮蜗杆的旋转运动，滚珠螺杆和螺母夹着钢球啮合，因而滚珠螺杆的旋转运动变为直线运动，螺母再与扇形齿轮啮合，直线运动再次变为旋转运动，使连杆臂摇动，连杆臂再使连动拉杆和横拉杆做直线运动，改变车轮的方向，这是一种古典的机构，现代轿车已大多不再使用，但又被最新方式的助力转向装置所应用。它的原理相当于利用了螺母与螺栓在旋转过程中产生的相对移动，而在螺纹与螺纹之间夹入了钢球以减小阻力，所有钢球在一个首尾相连的封闭的螺旋曲线内循环滚动，循环球式故而得名本文选择SolidWorks对工程机械底盘转向器进行仿真。其主要内容有：循环球式转向器的主要参数选择及其设计，设计部分还包括转向摇臂轴，扇形齿轮轴以及螺杆轴的设计。最后用SolidWorks对转向器，转向传动机构和转向系统进行模拟，并将模拟用WMV视屏输出。转向器按结构形式可分为多种类型。历史上曾出现过许多种形式的转向器，目前较常用的有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球式、循环球曲柄指销式、蜗杆滚轮式等。作为汽车关键部件之一的转向系统也得到了相应的发展，基本已形成了专业化、系列化生产的局面。有资料显示，国外有很多国家的转向器厂，都已发展成大规模生产的专业厂，年产超过百万台，垄断了转向器的生产，并且销售点遍布了全世界。汽车转向器的结构很多，从目前使用的普遍程度来看，主要的转向器类型有4种：有蜗杆销式(WP型)、蜗杆滚轮式(WR型)、循环球式(BS型)、齿轮齿条式(RP型)。这四种转向器型式，已经被广泛使用在汽车上。综合上述对有关转向器品种的使用分析,得出以下结论：循环球式转向器和齿轮齿条式转向器，已成为当今世界汽车上主要的两种转向器；而蜗轮-蜗杆式转向器和蜗杆销式转向器，正在逐步被淘汰或保留较小的地位。在小客车上发展转向器的观点各异，美国和日本重点发展循环球式转向器,比率都已达到或超过90%；西欧则重点发展齿轮齿条式转向器，比率超过50%，法国已高达95%。据了解，在全世界范围内，汽车循环球式转向器占45%左右，有继续发展之势；齿条齿轮式转向器在40%左右；蜗杆滚轮式转向器占10%左右；其它型式的转向器占5%。所以可以说循环球式转向器在稳步发展。而西欧小客车中，齿条齿轮式转向器有很大的发展。日本汽车转向器的特点是循环球式转向器占的比重越来越大，日本装用不同类型发动机的各类型汽车，采用不同类型转向器，在公共汽车中因使用循环球式转向器，由60年代占总数的62.5%发展到现今的100%了(蜗杆滚轮式转向器在公共汽车上已经淘汰)。大、小型货车中，也大都采用循环球式转向器；但齿条齿轮式转向器有所发展；微型货车用循环球式转向器占65%，齿条齿轮式占35%。由于循环球式转向器的种种优点，在中、小型号的车辆上都有良好的应用，而大型车辆更以循环球式转向器为主要结构。由此我们不难看出循环球式转向器设计具有很重要的意义，其应用前景也非常的好。2汽车转向系的组成及分类2.1汽车转向系的类型和组成汽车转向系可按转向能源的不同分为机械式转向系和动力转向系两大类。汽车转向器是用来保持或改变汽车形式方向的机构，在汽车转向行使时，还要保证各转向轮之间有协调的转角关系。驾驶员通过操纵转向系统，使汽车保持直线或转弯运动状态，或者上述两种运动状态相互转换。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。转向操纵机构 转向盘即通常所说的方向盘。转向盘内部有金属制成的骨架，是用钢、铝合金或镁合金等材料制成。由圆环状的盘圈、插入转向轴的转向盘毂，以及连接盘圈和盘毂的辐条构成。采用焊接或铸造等工艺制造，转向轴是由细齿花键和螺母连接的。骨架的外侧一般包有柔软的合成橡胶或树脂，也有采用皮革包裹以及硬木制作的转向盘。转向盘外皮要求有某种程度的柔软度，手感良好，能防止手心出汗打滑的材质，还需要有耐热、耐候性。 转向盘的功能：转向盘位于司机的正前方，是碰撞时最可能伤害到司机的部件，因此需要转向盘具有很高的安全性，在司机撞在转向盘上时，骨架能够产生变形，吸收冲击能，减轻对司机的伤害。转向盘的惯性力矩也是很重要的，惯性力矩小，我们就会感到“轮轻”，操做感良好，但同时也容易受到转向盘的反弹(即“打手”)的影响，为了设定适当的惯性力矩，就要调整骨架的材料或形状等。现在的转向盘与以前的看似没有太大变化，但实际上已经有了改进。由于转向助力装置的普及，转向盘外径变小了，而手握处却变粗了，采用柔软材料，使操作感得到了改善。现在有越来越多的汽车在转向盘里安装了安全气囊，也使汽车的安全性大大提高了。转向盘的集电环：转向盘上有喇叭开关，必须时刻与车身电器线路相连，而旋转的转向盘与组合开关之间显然不能用导线直接相连，因此就必须采用集电环装置。集电环好比环形的地铁轨道，喇叭开关的触点就象奔跑在轨道上的电车，时刻保持接通的状态。由于是机械接触，长时间使用触点会因磨损影响导电性，导致紧急时刻喇叭不鸣甚至气囊不工作。因此，最近装备气囊的汽车开始装用电缆盘，代替集电环。转向盘的端子与组合开关的端子用电缆线连接，电缆盘将电线卷入盘内，类似于吸尘器的电线卷取机构，在转向盘旋转范围内，电线卷筒自由伸缩。转向器分类转向器按结构形式可分为多种类型。历史上曾出现过许多种形式的转向器，目前较常用的有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球式、循环球曲柄指销式、蜗杆滚轮式等。其中第二、第四种分别是第一、第三种的变形形式，而蜗杆滚轮式则更少见。如果按照助力形式，又可以分为机械式（无助力），和动力式（有助力）两种，其中动力转向器又可以分为气压动力式、液压动力式、电动助力式、电液助力式等种类。 1）齿轮齿条式转向器它是一种最常见的转向器。其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条。转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。有时，靠齿条来直接带动横拉杆，就可使转向轮转向。所以，这是一种最简单的转向器。它的优点是结构简单，成本低廉，转向灵敏，体积小，可以直接带动横拉杆。在汽车上得到广泛应用。图2-1齿轮齿条式转向器2）蜗杆曲柄销式转向器它是以蜗杆为主动件，曲柄销为从动件的转向器。蜗杆具有梯形螺纹，手指状的锥形指销用轴承支承在曲柄上，曲柄与转向摇臂轴制成一体。转向时，通过转向盘转动蜗杆、嵌于蜗杆螺旋槽中的锥形指销一边自转，一边绕转向摇臂轴做圆弧运动，从而带动曲柄和转向垂臂摆动，再通过转向传动机构使转向轮偏转。这种转向器通常用于转向力较大的载货汽车上。图2-2蜗杆曲柄销式转向器3）循环球式转向器循环球式：这种转向装置是由齿轮机构将来自转向盘的旋转力进行减速，使转向盘的旋转运动变为涡轮蜗杆的旋转运动，滚珠螺杆和螺母夹着钢球啮合，因而滚珠螺杆的旋转运动变为直线运动，螺母再与扇形齿轮啮合，直线运动再次变为旋转运动，使连杆臂摇动，连杆臂再使连动拉杆和横拉杆做直线运动，改变车轮的方向。 这是一种古典的机构，现代轿车已大多不再使用，但又被最新方式的助力转向装置所应用。它的原理相当于利用了螺母与螺栓在旋转过程中产生的相对移动，而在螺纹与螺纹之间夹入了钢球以减小阻力，所有钢球在一个首尾相连的封闭的螺旋曲线内循环滚动，循环球式故而得名。图2-3循环球式转向器齿轮齿条液压助力转向器，是相对于齿轮齿条机械转向器而言的，主要是增加了转向油泵、转向油壶、转向油管、转向阀、转向油缸等部件，以期达到改善驾驶员手感，增加转向助力的目的的转向装置。国内经过10多年来的发展，已经形成成熟的研发和制造技术的厂家有豫北光洋转向器有限公司等企业。 转向系统发展随着汽车工业的飞速发展以及人们对于舒适、安全性能要求的不断提高，转向系统也随着科技的发展日新月异。就目前而言，电动助力转向系统是转向行业前沿研究项目，按照其布局形式，可以分为管柱助力、齿轮助力、齿条助力、拉杆助力、电液助力等形式。以前在一些科幻电影中才能出现的无人飞机、无人驾驶汽车等现在已经成为现实，转向系统也在朝着更加先进的方向发展，比如由日本JTEKT研究开发出来的先进线控转向系统等2.1.1 机械式转向系机械式转向器的能量来源是人力，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。这种转向器有两对传动副组成，一对是螺杆、螺母，另一对是齿条、齿扇或曲柄销。在螺杆和螺母之间装有可循环滚动的钢球，使滑动摩擦变为滚动摩擦，从而提高了传动效率。 这种转向器的优点是，操纵轻便，磨损小，寿命长。缺点是结构复杂，成本高，转向灵敏度不如齿轮齿条式。因此逐渐被齿轮齿条式取代。但随着动力转向的应用，循环球式转向器近年来又得到广泛使用。当汽车转向时，驾驶员对转向盘施加一个转向力矩。该力矩通过转向轴、转向万向节、和转向传动轴输入转向器。经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向摇臂，再通过转向直拉杆传给固定于左转向节上的转向节臂，使左转向节和它所支撑的左转向轮偏转。从转向盘到转向传动轴这一系列零件和部件，均属于转向操纵机构。有转向摇臂至转向梯形这一系列零件和部件（不含转向节），均属于转向传动机构。目前较常用的机械式转向器有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、蜗杆滚轮式等。其中第二、第四种分别是第一、第三种的变形形式，而蜗杆滚轮式则更少见。方向盘转动使方向机蜗杆转动、涡杆与蜗轮咬合（也有循环球咬合的）涡轮轴带动方向机摇臂前后摆动，方向机摇臂通过球头销与竖拉杆相连、竖拉杆另一端与左前轮轴头摇臂相连，轴头摇臂通过立销（主销）与前桥相连，摇臂前后摆动就可使车轮轴头（沿主销）左右转向了，左前轮通过横拉杆与右车轮相连，这样转动方向盘就可以让左右前轮同时转向了2 汽车行驶中经常需要改变行驶方向，即所谓的转向，这就需要有一套能够按照司机意志使汽车转向的机构，它将司机转动方向盘的动作转变为车轮(通常是前轮)的偏转动作。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、此处已删除，完整版加153893706。7.2.2转向螺母的三维实体建模转向螺母材料是挤压铸造5CrNiMo合金钢上述参数中与转向螺母有观点参数有螺距P=10mm；螺母内径D1=34mm，滚道半径R2=4。由已知参数对转向螺母进行三维建模， 如图7-2。图7-2转向螺母7.2.3转向螺杆的三维实体建模螺杆轴用20CrMnTi钢制造，热处理钢球滚道处渗碳层深度在0.81.2mm，表面淬火HRC 5863。考虑轴向固定，内侧采用轴肩，又考虑角接触球轴承的标准，故左右轴径均取d=20mm；左端轴径长度为14mm，比轴承宽度小4mm，以便将轴承可靠地固定在转向螺杆轴上；为减少螺杆和螺母之间的摩擦，提高传动效率，在螺杆和螺母的滚道之间放置适量的钢球；为防止钢球沿滚道滚出，在螺母上设有钢球返回装置，使钢球通过此装置自动返回入口处，从而形成循环回路由上述参数可知与螺杆相关参数为螺距P=10mm；螺杆外径=29mm;螺杆工作长度为L=112mm；滚道半径R2=4mm。由已知参数对转向螺杆建模，如图7-3图7-3转向螺杆7.3装配体建模工程机械底盘转向系统在装配过程中典型的装配体有：万向连接器、方向盘杆件、转向器、转向传动系统和转向系统转向节臂、梯形臂由40Cr加工制成。且采用变化尺寸截面以合理地利用材料和提高其强度与刚度。铰销的安装孔应具有一定的锥度以得到无隙配合。转向传动机构的杆件选用刚性好的30号钢，球销与衬垫用低碳合金钢12CrNi3A制造，工作表面经渗碳淬火处理，渗碳层深1.53.0mm，表面硬度HRC5663，球形铰接的壳体使用35号钢。图7-4万向连接器图7-5方向盘杆件图7-6万向连接器图7-7转向传动系统图7-8转向系统8结论通过本次毕业设计，使我在各个方面都有了很大的提高，具体地表现在以下几个方面：1.对大学四年所学到的东西进行了归纳总结，找到了各种学科之间的交叉点，同时构成了一个知识网络，形成了一个整体的知识体系，进一步完善了自己的知识结构。2.对所学习知识点进行查漏补缺，并了解学习了新的知识，开阔了视野，拓宽了自己的知识面。养成了勤学好问的习惯，同时具有了一定的创新思维。3.利用理论知识解决实际问题的能力得到了提高，为以后正确解决工作和学习中的问题打下了坚实的基础。4.学会了充分地利用网络和图书馆资源查阅相关资料，以及借助前人的研究成果寻求解决问题的思维方法，对新信息和新知识及时做笔记。5.敢于面对困难，以及处理困难的能力，同时也懂得了互助合作的重要性。6.最大的收获是基本学会了用SolidWorks来模拟仿真，以及其他一些辅助软件（AutoCAD2008，Word2003）的能力得到很大的提高，学会了利用计算机设计软件进行相关的设计与计算。但是，设计研究过程中最大不足之处是经过多次尝试仍无法实现循环球的效果。参考文献1 陈家瑞主编. 汽车构造. 第一版.北京：机械工业出版社 2004 263-2762 王望予主编. 汽车设计. 第四版. 北京：机械工业出版社 2004 219-2563姚健娣，谢