毕业设计（论文）-汽车转向系统的设计与分析.doc

中北大学2017届毕业设计说明书汽车转向系统的设计与分析摘要根据选定的毕设题目，设计题目要求对汽车转向系统进行合理的设计与分析。对照参考车型，选择齿轮齿条式转向器为本次设计的重点，对比分析后采取整体式转向梯形结构。首先对汽车转向系统进行概述，并对其进行了详尽的分类与叙述，二是概述机械转向系统的性能要求和相关的参数，三是对选定的转向器总体方案进行初步设计，四是对选定的齿轮齿条式转向器进行合理的设计与校核，五是齿轮轴的设计，六是对转向传动机构进行设计。论文的重点是对选定的齿轮齿条式转向器及转向传动机构进行合理的设计与分析。最后按照设计任务书的要求，运用相关软件，绘出二维平面零件图及三维立体总装图。关键词：转向系统 ， 齿轮齿条式转向器 ， 整体式转向梯形全套图纸加扣 3012250582Design and Analysis of Automobile Steering SystemAbstractAccording to the selected topics,the design requirements of the car steering system for a reasonable design and paring to the reference car models,Selecting the gear rack-type steering gear for the design of the focus.After the comparative analysis to take the overall steering trapezoidal structure.First of all,the vehicle steering system is outlined,and takes detailed classification and narrative for it.The second is an overview of the mechanical steering system performance requirements and related parameters.Third,the overall design of the selected steering gear is designed.Fourth,the selected rack and pinion steering gear for a reasonable design and verification.Fifth is the design of the gear shaft.The last one is the design of the steering gear.The paper focuses on the rational design and analysis of the selected rack and pinion type steering gear and steering transmission mechanism.Finally,in accordance with the requirements of the design task book,take use of the relevant software to draw two-dimensional plane parts and three-dimensional assembly drawings.Key words： Steering system，Gear rack type steering gear，Integral steering trapezoidal目录1 绪论11.1 本课题研究的意义和目的11.2 转向系统的国内外现状及其发展趋势11.2.1 汽车转向系统在世界发展状况21.2.2 汽车转向系统在国内发展状况21.2.3 汽车转向系统的发展趋势31.3 汽车转向系统的概述及其相关理论31.3.1 传统机械转向系统31.3.2 液压助力转向系统41.3.3 电液助力转向系统51.3.4 电动助力转向系统(EPAS或EPS)51.3.5 线控动力转向系统51.4 研究内容及论文构成61.5 小结62 机械转向系统的性能要求及参数选取72.1机械转向系统的结构组成72.2转向系统的性能要求82.3转向系的效率92.4传动比特性112.5转向器传动副的传动间隙132.6 小结143 机械式转向器总体方案的设计153.1转向器的分类及设计选择153.2齿轮齿条式转向器的基本设计163.2.1齿轮齿条式转向器的结构选择163.2.2齿轮齿条式转向器的布置形式17第 I 页 共III页 3.2.3目标参数表的设计以及转向轮偏角的计算173.2.4转向器参数选取与计算19 3.3 小结214 齿轮齿条转向器设计与校核224.1齿轮参数的选择及计算许用应力224.1.1选择材料及处理方式224.1.2确定许用应力224.2小齿轮的强度计算234.2.1齿轮精度等级、材料及参数的选择234.2.2齿面接触疲劳强度计算234.2.3齿轮齿根弯曲疲劳强度计算254.3齿条的设计及强度计算274.3.1 确定齿条主要参数和几何尺寸274.3.2齿条齿部弯曲强度的计算284.4 小结285 齿轮轴的设计与校核295.1齿轮轴的结构设计295.2齿轮轴强度校核295.3轴承的选择335.4转向器的润滑方式和密封类型的选择335.5 小结336转向传动机构的设计356.1转向梯形机构概述及选择356.2转向传动机构设计356.2.1转向传送机构的臂、杆与球销366.2.2转向横拉杆及其端部366.3 小结37总结38第 II 页 共 III 页 附录39参考文献40致谢41第 III 页 共III 页 1 绪论1.1 本课题研究的意义和目的通常情况下，汽车会在各种复杂的路况上行驶，因而需要在一定程度上的根据路面状况做出合适的转向。然而如何合理的设计转向系统对于各国厂家来说依然是个重要的研究问题。现今随着时代的发展和经济的高速化，汽车更加普及，因而对汽车的稳定性行驶要求越来越高，因此汽车的操作稳定性设计也变得至关重要1。从查阅的相关资料获悉，越来越多的国家加大对转向器的投入，建立了很多与转向器有关的生产基地，基本上已经在转向器行业上形成了垄断，并且在全世界范围内都有销售点。伴随着科技与时代的发展，汽车的操作稳定性也变得越来越重要，汽车转向器的重要性也日益彰显，在汽车上的地位也变的越来越重要，因此可以说转向器的发展也是反映出一个国家汽车工业的发展水平的决定性因素之一。查阅资料可知，乘用车上多采用齿轮齿条式转向器，对于一些装载货物质量不大的，并且前轮采用独立悬架的货车和客车，为了保证汽车在转弯时的稳定性和操纵的方便性，通常汽车转向器会选择齿轮齿条式转向器2。随着转向器技术的更加完善，和以前相比较来说，现如今的汽车转向系统能够更加及时，稳定的完成转向操作，极大的保证了汽车的操作稳定性。本设计的原理是依靠驾驶员给予转向盘的转矩，通过齿轮齿条转向器，然后改变转向轮的转向，以此达到稳定转向的目的。最终经过合理，完善的设计后来达到转向器的结构更加紧凑，设计更加合理，材料运用更加节省，制造成本更加少，同时又能够保证汽车转向时的操作稳定性及灵敏性的目的。1.2 转向系统的国内外现状及其发展趋势从转向系统发展进程来看，汽车转向系统从传统的机械转向系统发展到液压助力转向系统、电液助力转向系统、电动转向系统和现今的线控动力系统；目前，汽车转向系统正在从液压动力转向系，电动助力转向系统向电动助力转向系统发展转型阶段3。随着时代和先进技术的发展，汽车转向器的结构也正在经历着迅速的发展以适应市场的需求。1.2.1 汽车转向系统在世界发展状况根据查阅的资料可知，目前世界上使用最多的转向器是循环球式转向器，大概占据使用份额的45%，其次使用最多的是齿轮齿条式转向器，大概占据市场使用份额的四成左右，虽然蜗杆蜗轮式转向器只占据市场份额的一成左右，但是其依然具有良好的发展前景，这些年一直在持续的研究发展中，其它的转向器占据的份额相对而说较少，大概只有5%左右处于发展研究阶段4。据资料显示，在一些西欧国家中，汽车厂家越来越倾向于在小型汽车上使用齿轮齿条式转向器，这使得齿轮齿条式转向器在西欧汽车上的使用比例越来越大，也促进了齿轮齿条式转向器的不断发展。对于日本汽车行业来说，汽车上的转向器类型是根据汽车的类型不同而改变，比如说循环球式转向器会被大量的使用在公共汽车上，中小型乘用车上则会大量使用齿轮齿条式转向器，并且会安装动力式转向器来辅助转向。另外日本的循环球式转向器从最初的少量使用已经发展到现今在公共汽车上普遍使用（目前，齿轮齿条式转向器在乘用车上有较大的发展，而载货汽车上使用最多的依旧是循环球式转向器，蜗杆蜗轮式转向器由于自身结构和使用效率等因素已经逐渐退出在公共汽车上使用的舞台）。微型货车现今大多使用循环球式转向器，较少的使用齿轮齿条式转向器4。1.2.2 汽车转向系统在国内发展状况汽车转向系统在我国经历了快速稳定的发展，从刚开始的机械转向系统发展到液压助力转向系统，再发展到电动助力转向系统，最后到对线控转向系统的研究。根据查阅的相关文献可知，电动助力系统（EPS）由于其显著的降低油耗以及提升驾驶安全性的能力，在乘用车市场上得到迅速的发展，每年都以较高的百分比迅速增长，此外根据调查显示，越来越多的商用车正在经历从液压助力系统向电液助力系统转变的阶段，这是目前市场发展的一个显著的趋势。根据现有的资料显示，在乘用车市场上，EPS的生产商绝大部分来自于外商或者是与外方合资的企业，而我国国内的生产商仅仅占了很少的一部分，因而对于国内厂商来说，EPS依然是一片全新的市场。同时在商用车市场上，目前国内的厂商大量生成的依然还是液压助力转向器，而在国外电液助力转向已经是新的潮流与趋势，因此可以说国内企业在电液助力转向上依然需要更多的尝试与深入。因而国内企业在转向器上不仅要时刻保持着对国内同行新兴技术的关注，同时也要紧随国外发展趋势的潮流，适应时代的变化。1.2.3 汽车转向系统的发展趋势随着时代的进步，科学技术的不断发展，蜗轮蜗杆式转向器由于自身结构的缺陷和传动效率，能耗大等缺点不能够很好的适应当今时代对汽车转向的要求，逐渐被其它转向器所取代，渐渐淡出转向器的使用舞台，现如今在汽车转向系统上使用最多的转向器主要是循环球式转向器和齿轮齿条式转向器。从目前国外的转向器发展情况可以看出，西欧国家侧重于在小客车上使用齿轮齿条式转向器，而日美等国家则倾向于在小客车上使用循环球式转向器。由于齿轮齿条式转向器结构简单、占用空间少，制造相对简单因而广泛应用于前轮驱动的小型车。循环球式转向器相对于齿轮齿条式转向器来说，传动的效率更加高效、并且操作起来更加容易，工作寿命长而广泛应用于大型车辆。从当今的转向器发展趋势上来看，国外的转向器生产研究企业更加注重于对整体式转向器的发展，并且将转向器中的关键结构转阀结构作为当下重点研究开发的方向。在动力转向系统这方面，各国的厂家都在积极准备，并进行了大量的投资，且进行了大量的实验研究，目的是能够有效地节约资本、提高安全性能、优化系统结构，减少材料使用，以此来使产品得到更高的市场采纳率。1.3 汽车转向系统的概述及其相关理论一般来说，汽车转向系统都会由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三个基本部分组成。1、转向操作机构主要的组成部分是转向盘、转向轴以及转向管柱。 2、转向器是通过将转向盘所输入的力矩放大，将转动变为直线运动的重要机构。转向器可以将转向盘传到的力经过一些转变，改变其传动方向，达到驾驶员对汽车转向的要求。通常来说机械转向系统的动力来源依靠的驾驶员给予方向盘的转向力，而动力转向系的动力来源则是依靠驾驶员的手动输入力与发动机所提供的动力，两者共同作用。 3、转向传动机构的作用是通过将转向器传送的力和运动经过一些变化传递给转向轮，来使得转向轮能够按照驾驶员的意愿改变行驶方向，达到转向的目。1.3.1 传统机械转向系统 通常来说，传统机械转向系统（MS）的主要组成部分可以分为三个部分，分别是：转向操纵机构、转向器和转向传动机构。转向操纵机构的作用是将驾驶员作用在转向盘上的力传递给转向器。转向器的作用是把来自转向盘的转向力矩和转向角进行适当的变换后传递给转向传动机构来达到减速增距的作用。转向器的种类有很多，目前较为常用的转向器是齿轮齿条式转向器和循环球式转向器，蜗杆蜗轮式转向器在汽车上的应用越来越少。转向传动机构包括转向臂等构件，主要作用是将转向器传递来的力矩传递给转向轮，以此达到转向的目的。机械转向系统的作用是:当汽车在转弯等行驶条件下，需要转弯时，驾驶员通过转动转向盘，给予转向盘一定的力矩，该力矩经过转向器的减速增距后，传递给转向传动机构，传到转向轮，最后达到转向的作用5。 传统的机械式转向系统具有生产成本低，制造简单，工作可靠等优点。但其也具有明显的缺点，操作起来不轻便，并且稳定性较差，当汽车行驶速度越来越大时，则驾驶员为了达到转向目的而作用于转向盘上的作用力也越来越大，导致操纵难度加大，另外不可忽视的缺点是，机械式转向系统的传动比是固定的，这就要求驾驶员必须在转向之前进行一系列补偿措施，以此使得转向操作更加稳定，迅速，长期使用机械式转向器不可避免的会使得驾驶员驾驶疲劳，不利于驾车安全性的要求5。1.3.2 液压助力转向系统 液压助力式转向系统不同于机械式转向系统之处在于，液压助力转向系统相比于传统机械转向系统新增了液压助力系统,借助汽车发动机的动力来驱动油泵，并且通过液压力来使驾驶员操纵方向盘的时候更加轻便，省力；液压助力式转向系统相比于传统的机械式转向系统，传动效率明显得到改善，在一定程度上缓解了“轻”和“灵”的矛盾。传统液压助力式转向系统的缺点，伴随着对汽车速度的要求和对行驶距离的要求逐渐显现，即：由于传统液压助力式转向系统本身存在着结构上的缺陷，因而很难保证汽车在各种行驶工况下依然具有良好的转向性能。同时，采用液压助力式转向系统的车会降低汽车的燃油经济性，另外当发动机停止运转时，该系统将不能给予汽车足够的助力、此外此种系统的维修费用较高，这些因素都限制了它的发展。1.3.3 电液助力转向系统不同于传统机械转向系统，电液助力转向系统的动力来源不再是由发动机提供，而是依靠电动机输出的动力，来实现电液助力转向系统的正常操作，避免了传统机械传动的一些缺陷。对于电动液压助力转向系统来说，它的优点是，汽车在高速行驶时，电液助力转向系统能够使得驾驶员操作起来更加省力，轻便，同时在进行转向操作时，也能够保证转弯时必要的安全性和一定程度上的稳定性。电子液压助力系统的工作原理是通过采集汽车行驶车速，经电信号变换后，传递给EDU，再通过控制油压液力的大小，来实现转向幅度的调节6。电液助力式转向系统不同于机械式转向系统，电液助力式转向系统选择用电机来驱动油泵，而不再依靠发动机来提供驱动力。它的车速的变化是通过电磁阀控制助力油压来实现的，使得汽车在低速行驶或者是急转弯的情况下能够转向更加平稳；还能够使得汽车在高速行驶，转弯行驶等一些情况下依然具有良好的手感。到目前为止，电液助力式转向系统在汽车上得到较多的应用。但是电液助力转向系统依然具有系统结构过于复杂、花费的成本更多，效率明显不如其它助力转向器的缺点，同时同等转换效率条件下，消耗更多能源也是其存在的缺点。1.3.4 电动助力转向系统(EPAS或EPS)EPS系统的研发与设计最开始是在日本的一家汽车公司中进行的，随后实验并安装在了一些微型汽车上7。电动助力系统与其它转向器相比较来说，操作起来更加容易，反应更加灵敏，助力大小容易调控，制造所需的成本更加低，结构相对简单，安全可靠，出现故障时检修更加简单容易，并且在低温下依然能够稳定工作。因此电动助力转向系统在各国都拥有着广阔的发展前景。但是该系统依然存在着一些不足，制约着其发展，例如：目前该系统的理论依然不够成熟，如果该系统的设计不合理，汽车安全和人生财产安全将不能够得到有效的保障8。1.3.5 线控动力转向系统上个世纪中叶，美国的某公司提出了大胆而又富有颠覆性的设想，他们提出用控制信号来取代传统的机械连接，使得转向操纵更加迅速，轻便，稳定性也将会大大提高。十多年后，德国公司也设计了相应的动力转向系统；上个世纪初，德国的某家汽车公司率先将线控技术应用到一些微型车上。我国的某些高校也在十多年前对线控技术做了深入的研究9。线控动力转向系统的工作原理是，通过实时总线结构连接到相关设备，在系统工作时，首先将汽车的参数传递给EDU，然后经过EDU的整合运算后，再将控制信号传递给汽车转向系统，通过转向系统来控制转向，达到驾驶员的转向要求。1.4 研究内容及论文构成 本次设计将会以给定的长安福特新蒙迪车作为参考车辆，对转向系统做初步的了解，并且以转向器作为设计的重点，此外还将着重分析研究汽车的转向传动机构。 1、转向器设计部分：根据对比分析后所选取的齿轮齿条式转向器，重点分析其传动效率，以及齿轮的设计与校核、齿条的设计与校核、齿轮轴的设计与校核。2、转向传动机构部分：对比分析后选择整体式转向梯形结构后，对转向传动机构中的转向横拉杆、梯形臂和其它一些构件进行设计和按照规定的标准进行合理的选取，以此保证转向传动机构能够符合设计要求。1.5 小结汽车转向系统的发展经历了一百多年，从最开始的传统机械转向系统，发展到现今的液压助力转向系统和电动转向系统，以及在未来很具有发展前景的线控助力转向系统，转向系统的发展也从侧面展示出了汽车技术的飞速发展。目前国内外都着重于对循环球式转向器和齿轮齿条转向器的研究。第 43 页 共 42 页2 机械转向系统的性能要求及参数选取2.1机械转向系统的结构组成转向系可以用来根据驾驶员的意愿，改变行驶的方向，达到转向的要求。汽车的转向系统通常可以三个部分，转向操纵机构、转向器，和转向传动机构，三个重要组成部分的协同作用保证了汽车转向系统的正常稳定的工作10。一般来说对于转向系统的要求是：驾驶员在对转向盘给出响应后，转向系统能够迅速的，精准的，同时又能够平稳的积极的响应给出的信号，并且在汽车由于受到外界的干扰后而导致驾驶员不得不松开方向盘时，要保证汽车能够自动转正，保持直线行驶，降低行驶风险。转向系统的基本结构图如下图2.1所示：图2.1 转向系的基本构成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1、转向操纵机构转向操纵机构的作用是将驾驶员作用在转向盘上的作用力，通过转向装置传递给转向器。通常包括转向盘，转向轴，转向管柱，有时也会安装万向节来提高转向时的稳定性和安全性。此外，为了防止或者尽可能的减少车辆撞击后对驶员的造成的伤害，通常会在转向机构中安装一些保护装置。转向操纵机构简图可以如下图所示：图2.2转向操纵机构1-转向万向节；2-转向传动轴；3-转向管柱；4-转向轴；5-转向盘 2、转向传动机构一般来说，转向传动机构的组成部分可以如下图所示。转向传动机构的工作原理是能够将转向器传至的力以及运动传到左右转向节，并按照一定比例关系传到左右车轮，使得左右车轮能够按照驾驶员的意图改变方向，以达到转向的目的，以下为转向操纵机构简图。图2.3 转向传动机构1-转向摇臂；2-转向纵拉杆；3-转向节臂；4-转向梯形臂；5-转向横拉杆3、转向器通常来说，转向器在转向系统中所起的作用是将由方向盘传至的转动经过变换转变为直线运动或者是近似直线运动，同时转向器也可以看做为一组减速齿轮机构。2.2转向系统的性能要求汽车转向系统的重要作用是能够保证汽车在各种转向要求下依然正常行驶，关乎汽车的操纵稳定性以及行驶安全性。它主要是能够按照驾驶员的要求稳定，准确，快速的响应，改变行驶的方向，并且在路面状况不好的情况下，依然能够保证汽车的正常行驶，不偏离预定行驶路线，确保了行驶安全。 通常，对汽车转向系统的要求为：1、汽车在转弯行驶时，要能够保证转向轮的瞬时转向半径交与同一点，防止产生危害行驶安全性和稳定性的侧滑，保证汽车的稳定转弯。 2、能够在驾驶员不给予方向盘作用力后，自动回正，保持正常行驶。 3、转向盘和转向轮要具有良好的自我回正能力。4、汽车转弯时，能够拥有较小的转弯半径。5、在各种行驶情况下，驾驶员操纵起来，轻松简单。6、在较差路面上行驶时，地面作用在方向轮上的力经过一系列装置传递给方向盘的冲击力尽量小，保证驾驶员能够稳定操作。 7、对于转向系统中存在的间隙，应当安装有相应的装置，尽可能的消除间隙，避免间隙过大对转向性能的影响。8、当汽车发生碰撞时，应当有防护装置，减少驾驶员所受的伤害。 9、转向时，方向盘和方向轮应当能够保证在运动学上一致。2.3转向系的效率以转向器的输入端为输入，输出端为输出（转向器正向传递时），输出功率与输入功率之比就是正效率。相反，以输出端为输入，输入端为输出（逆向递）时，输出功率（在输入端得到的功率）与输入功率（由输出端输入的功率）的比值就是逆效率。正效率+计算公式:(2.1)逆效率-计算公式： (2.2)式中，P1为输入功率；P2为磨损消耗功率；P3为输出功率。正效率越高，驾驶员作用在方向盘上的力越小，转向越容易。逆效率的作用是保证方向盘和方向轮的自动回正能力。1、转向器的正效率 转向器的正效率通常会受到诸多因素的影响，比如转向器的制造结构，选用的参数等等。 （1）转向器类型、结构特点与效率 据资料显示，齿轮齿条式转向器和循环球式转向器的正效率要明显高于其它两种转向器。另外对于同一种类型的转向器来说，设计时选用的结构不同，其转换效率也会有显著的差异。（2）转向器的结构参数与效率 如果不考虑蜗杆类转向器传动轴转动时轴承和其它部分受到的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，其效率计算式可以为：(2.3)式中，a0为蜗杆（或螺杆）的螺线导程角；为摩擦角，=arctanf；f为摩擦因数。2、转向器的逆效率按照转向器的逆效率不同，可以将转向器划分为可逆转向器，极限可逆转向器，和不可逆转向器。可逆式转向器可以定义为：当汽车在路面上正常行驶时，能够将路面作用于转向轮上的作用力，在很大程度上传递给方向盘的转向器。可逆式转向器的优点是在平稳路面上，转向轮和方向盘能够自动回正，保证操纵的稳定性和驾驶的安全性；缺点是，在不平的路面上行驶时，为了回正，方向盘上必然会受到路面不平带来的冲击力，驾驶员为了保证行驶平稳性，不得不多次调整方向盘，导致驾驶员易疲劳，是不利于驾驶的安全性。根据可逆式转向器的定义，齿轮齿条式转向器和循环球式转向器可以被归纳为可逆式转向器。 不可逆式转向器可以定义为:当汽车在正常行驶时，地面作用于转向轮的作用力不能够传递到方向盘的转向器。这是因为该作用会作用在转向传动机构上，长时间以及作用力的增大，会导致转向传动机构的零部件出现疲劳极限，发生损坏。同时，由于不可逆式转向器不能够接受到转向轮传递的冲击力，因而驾驶员不能够根据路面情况做出及时有效的措施，因此，不可逆式转向器逐渐被淘汰。极限可逆式转向器在受到路面给予转向轮的作用力之后，只会将部分力传递给方向盘，因而是一种介于可逆式转向器和不可逆式转向器之间的一种转向器。依旧只考虑啮合副的磨擦损失，类比于正效率的计算公式，可知逆效率计算公式为： (2.4) 式（2.3）和式（2.4）表明：正效率、逆效率与成正比关系。受增大的影响，不宜取得过大。为了保证逆效率值不小于等于零，从上式可知，导程角必须大于摩擦角。2.4传动比特性1、转向系传动比转向系的力传动比。(2.5) 上式中为地面作用于轮胎的总的冲击力，为驾驶员作用在方向盘上的力。转向系的角传动比: (2.6) 式中为转向盘角速度；为转向节偏转角速度；为转向盘转向角增量；为转向节转向增量;为时间增量。转向系的角传动比与转向器角传动比和转向传动机构角传动比之间的关系可以表达为： （2.7）转向器的角传动比: （2.8）式中为摇臂轴角速度；为摇臂轴转角增量。转向传动机构的角传动比: （2.9）2、转向系力传动比与转向系角传动比之间的关系转向系转向阻力与转向系转向阻力矩之间的比例式为： （2.10）a为主销偏距。驾驶员作用于方向盘上的作用力和作用在转向盘上的力矩之间的比例关系式为： （2.11）式中为方向盘直径将式（2.10）、式（2.11）代入 后得到： （2.12）2Mr/Mh也可以用下式表示 （不考虑摩擦带来的损失） （2.13）将式（2.13）代入式（2.12）后得到： （2.14）由上式可知，与主销偏移距a成负相关和方向盘直径Dsw成正相关，当方向盘直径保持不变时，随着的增大而增大，尽管此时转向越来越轻便，但是会导致转向时的不灵敏。3、转向器角传动比的选择转向器的角传动比可以根据实际的需要设计成增大、减小等情况，这主要取决于转向轴所承担的负荷和对转向操作稳定性的要求。较小的转向器传动比适用于一些采用动力转向的或者转向轴承担的负荷较小的汽车。反之应该选用较大的转向器传动比。转向器角传动比的变化曲线可以按照下图所示进行选择，如图2-4所示。图2.4转向器角传动比变化特性曲线2.5转向器传动副的传动间隙传动间隙可以定义为转向器中传动副之间的间隙。传动间隙与方向盘转角之间的变化关系可以用下图描述。图2.5 转向器传动副传动间隙传动间隙关系到汽车直线行驶时的稳定性。传动副在中间及其附近位置会因为使用的次数比两段更加多而导致磨损加剧，此外还会因为磨损导致中间位置的间隙过大，对传动造成严重的影响，因而需要得到及时的消除。从间隙特性图中可以看出，曲线1表示的是未经磨损的间隙变化特性；曲线2表示的是使用后，并且已经出现较大间隙的变化特性；曲线3表示的是经过调整后的变化特性。2.6 小结汽车上的转向系统可以保证汽车能够根据驾驶员的意愿，改变行驶的方向，达到转向的目的。转向系统通常包括转向操纵机构、转向器和转向传动机构。对于转向系统的要求是能够尽量保证转弯时不发生侧滑和保证转弯时的操纵稳定性和行驶安全性等。通过转向器的效率，传动比的特性和传动副的传动间隙来评价转向系统的性能。 3 机械式转向器总体方案的设计3.1转向器的分类及设计选择转向器的主要作用是：一是可以将来自方向盘的转矩进行放大，满足克服阻力矩的需求；二是可以作为减速机构使用，降低传动轴的转速；三是可以保证方向盘与转向轮之间保证合理的匹配，协调。主要依靠驾驶员手力的转向系统称之为机械式转向系统，依靠其它动力的转向系统称之为动力转向系统。一般来说，机械式转向器，可以分为齿轮齿条式转向器、循环球式转向器和其它多种类型的转向器等。由于各个国家的汽车实际要求的不同，各个转向器的需求也不同，总体来说，循环球式转向器使用率占据五成，齿轮齿条转向器则占据四成左右，其它各种类型的转向器总共占据一成，这也从侧面说明了循环球式转向器和齿轮齿条式转向器在现今依旧广泛使用于各国的汽车行业。查阅相关资料可知，日美倾向于循环球式转向器，西欧着重于齿轮齿条式转向器，而我国在乘用车上应用最多的是齿轮齿条转向器，在载货汽车上则较多的使用循环球式转向器，对各个国家来说，蜗杆蜗轮转向器已经从上个世纪的普遍使用到如今的较少使用11。从上个世纪五十年代开始，日本在中，大型汽车上使用循环球式转向器，发展到今天，日本的中大型汽车已经基本上都安装了循环球式转向器，此外，日本汽车行业也注重于发展齿轮齿条式转向器12。而对于一些西欧国家来说，它们国家的汽车行业已经大量的在汽车上装配齿轮齿条式转向器13。齿轮齿条式转向器由于正逆效率都很高，并且自动回正能力强，因而是一种可逆式转向器，这种转向器由于是齿轮齿条啮合，结构简单，制造成本低，工作平稳时更加平稳，使用寿命长，因而在乘用车上受到广泛的应用。对于循环球式转向器来说，它主要存在着制造成本高，制造难度大，逆效率大，自动回复能力差的缺点，因而不适用于本次设计的乘用车上。 对于蜗杆滚轮式转向器来说，长期使用会导致传动效率底下，并且会出现工作面磨损严重，工作间隙难以调整等不可避免的情况。对于固定销蜗杆指销式转向器来说，它主要存在着结构复杂，制造困难，使用时磨损较其它转向器快，效率低下等缺点。综合以上考虑，本次设计选用齿轮齿条式转向器。3.2齿轮齿条式转向器的基本设计3.2.1齿轮齿条式转向器的结构选择1、 输入输出形式选择由于输入和输出的不同，齿轮齿条式转向器可以划分为以下四种形式2 图3.1 齿轮齿条式转向器的四种布置形式采用侧面输入，中间输出方案时，优点是可以避免运动干涉，缺点是强度降低，易受损2。采用两端输出方案时，则会与中间输出方案明显不同，通常会导致运动学上的干涉，但是由于这种方案会使得结构简单，成本降低，因而被大量使用乘用车上14。综上所述，本次设计采用侧面输入 ，两端输出式齿轮齿条转向器方案。2、 齿轮形式选择圆柱直齿轮用于传动作用时，通常在相啮合的齿处会产生较大的冲击力，另外在传动过程中也会产生较大的声音，圆柱直齿齿轮通常可以承受较大的负载。斜齿轮与直齿齿轮相比，主要是齿轮啮合的重合度较高，齿轮啮合传动时冲击小，因而发出的噪声也会得到相应的降低。为了提高齿根的弯曲强度、齿面的接触强度，通常可以选择合适的变位系数，或者通过将齿轮的模数适当的增加，注意事项是：采用斜齿轮时传动时，齿轮会产生轴向推力，需要采用推力轴承消除。综合考虑，本设计采用斜齿轮式方案。3、 齿条形式选择根据齿条断面形状的不同，齿条可以分为三种形式，圆形、V形和Y形。圆形的齿条制造相对于V形和Y形来说相对简单，但是耗费的材料要明显多余V形和Y形齿条，现在汽车上使用较多的依然是圆形齿条，尤其是在乘用车上。本设计采用圆形端面齿条。3.2.2齿轮齿条式转向器的布置形式根据转向器位于前轴的方位，梯形位置的不同，齿轮齿条转向器布置形式可以归纳为如下图所示的四种：图3.2 齿轮齿条式转向器的四种布置形式转向器位于前轴后方，后置梯形的布置形式在乘用车上应用很广泛，因此本设计也采取此种方案。3.2.3目标参数表的设计以及转向轮偏角的计算1、 设计目标参数表如表 3.1所示表3.1 蒙迪欧 2017款 EcoBoost 180 舒适型汽车转向参数轮距（前/后）1578mm/1574mm轴距2850mm整备质量1561kg满载轴荷分配：前/后/轮胎215/60 R16续表3.1 蒙迪欧 2017款 EcoBoost 180 舒适型汽车转向参数主销偏移距a/轮胎压力p/Mpa/方向盘直径380mm2、 转向轮侧偏角计算通过查阅相关资料可知，汽车在最大转角时的最小转弯半径,应当是轴距的2-2.5倍。根据参考车型可知，长安福特新蒙迪欧的轴距为2850mm，根据上述原理，可得半径在5.7-7.1m之间，通常情况下转弯半径越小，转弯的性能越好，因此在满足要求的前提下尽量选取较小的转弯半径，取得最小转弯半径R 6.0m 。据此，由图3.3得转向轮外轮最大转角 (3.1)上式中a为汽车的主销偏移距，通常规定乘用车的a值在0.40.6倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取，而货车a值在140mm160mm范围内选取15，本设计的参考车型为中型轿车，选取主销偏距为100mm，L为汽车轴距。本设计轴距为L=2850，轴距计算简图如下图所示图3.3转角图可以得到外轮最大转角=28.8848 (3.2)于是得转向轮内轮转角=37.793.2.4转向器参数选取与计算查阅汽车设计课程设计指导书可知，齿轮模数应当在2毫米与3毫米之间选取，主动小齿轮的齿数应当在个范围内选取，另外由于在前面章节中已经选取本次设计的齿轮为斜齿轮，因此存在着螺旋角，螺旋角可以在范围内选取，由于齿轮是标准圆柱齿轮，因此压力角应当选取为20。对于齿条来说，齿条的齿数应当根据相应的公式计算得出，最后还应当对齿轮的齿根和齿面进行相应的强度校验。齿轮齿条的啮合条件为:；设计的参数汇总于下表：表3.2 齿轮齿条的主要参数名称齿轮齿条齿数Z729模数Mn2.52.5压力角2020螺旋角1= 122=-12变位系数Xn0.650轮胎上的原地转动的阻力矩可以根据下式来计算： (3.3)式中，f为滑动摩擦因素，可以取0.7；G1为转向轴负荷（N）,取前轴满载987Kg；p为轮胎气压（MPa）,取0.24MPa；所以MR = 453091.6N.mm。方向盘转动圈数： （3.4) 方向盘上的操纵载荷力： (3.5)根据规定，方向盘上的操纵载荷力对乘用车来说要保证在150N以内，对货车来说，要保证在250N以内。所以符合设计要求因为所以作用在转向盘上的力矩为 (3.6) 力传动比： (3.7) (3.8) 取齿宽系数齿条宽度，圆整取。则取齿轮齿宽由于齿轮齿条中的齿轮数小于17，不可避免的需要合理的选取齿轮的变位系数，又因为为了满足设计的要求，一般齿轮会采用斜齿。综上所述，可以选定齿轮和齿条齿顶高系数ha*=1；顶隙系数c*=0.25；齿轮的变位系数。其基本参数如表3.3所示。表3.3 齿轮齿条基本参数名称符号公式齿轮齿条齿数731分度圆直径17.768变位系数0.65齿顶高4.1252.5齿根高1.53.125齿顶圆直径26.021齿根圆直径14.772齿轮中圆直径21.023螺旋角12（右旋）12齿宽32223.3 小结汽车转向器的主要作用是减速增距，以及可以保证方向盘与转向轮之间合理的匹配，协调。最常用的转向器是齿轮齿条式转向器和循环球式转向器，而齿轮齿条式转向器在乘用车上应用较多。对于乘用车来说，最常用的结构形式是侧面输入，两端输出的方案，且采用转向器位于前轴后方，后置梯形的布置形式。4 齿轮齿条转向器设计与校核4.1齿轮齿条参数的选择及计算许用应力4.1.1选择材料及处理方式根据以上分析，齿轮模数值初步选取为m=2.5，小齿轮齿数初步选取为z=7，压力角选取为=20，齿轮螺旋角选取为=，齿条齿数应根据具体计算来选取。齿轮的转速可以选取为n=10r/min，齿轮齿条转向器工作时间按照每天八小时计算，并且齿轮齿条转向器的寿命按照年来计算16。主动小齿轮选用16MnCr5材料，而齿条常采用45号钢或41Cr4来制造，表面硬度均应在56HRC以上。为减轻质量，壳体用铝合金压铸。4.1.2确定许用应力接触疲劳强度条件为： （4.1）弯曲疲劳强度条件为： （4.2）查表确定和 应力循环次数N的计算公式如下： N1=60an1t=60115（108300）=2.16107=N2 (4.3) 查表确定寿命系数、 查表确定安全系数 计算接触疲劳许用应力 （4.4） （4.5）查表确定应力修正系数 （4.6） （4.7）4.2小齿轮的强度计算4.2.1齿轮精度等级、材料及参数的选择1、 查阅资料可知，齿轮齿条式转向器的小齿轮可以选择为8级精度。2、模数选取为，齿数选取为z=7，压力角选取为=20.3、主动小齿轮选用16MnCr5或15CrNi6材料制造，硬度取值为60HRC.4、齿轮螺旋角初选为=4.2.2齿面接触疲劳强度计算主动小齿轮的接触应力计算时要考虑它是斜齿的，不同于直齿轮的计算，计算公式因此跟直齿齿轮不完全相同，斜齿轮啮合时重合度大，承受应力更大，传动更加平稳。1、 齿轮的计算载荷齿轮所受的载荷分布是不均匀的，一般会选择用沿齿面接触线单位长度上所受的载荷进行分析计算。单位长度上的平均载荷P的计算公式为P = （单位为N/mm） （4.8）式中Fn 为作用在齿面接触线上的总的法向载荷；L 沿齿面的接触线长，单位mm。法向载荷Fn 为公称载荷，计算时按接触线单位长度上的最大载荷，即计算Pca （单位N/mm）进行计算。即 Pca=KP=K （4.9）式中K载荷系数。载荷系数K的计算公式如下： = （4.10） 其中是使用系数，是动载系数，是齿间载荷分配系数，是齿向载荷分布数使用系数是由于考虑到齿轮传动时，消除外部给予的附加载荷而引用的系数15 。其它系数的选取可以为=1.0；=1.0， =1.2 齿向载荷分配系数，齿宽系数为 d = = 22/17.77 = 1.24 （4.11） =1.12+0.18(1+0.6d) + 0.2310b=1.5 （4.12）所以载荷系数 K= 111.21.5 =1.8斜齿轮传动的端面重合度 = bsin= 1.65 （4.13）齿轮的单位长度受力和接触长度为： Pca=KP=K 因为 (4.14) (4.15) (4.16) =1.82757.5/22/1.65/0.67= 204.9N/mm斜齿圆柱齿轮的齿面接触疲劳强度校