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轿车前轮主动转向系统机械结构设计【汽车类】【9张CAD图纸】【优秀】

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主动转向结构总装配图.gif

主动转向控制器装配图.gif

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摘要…………………………………………………………………………………………I

Abstract ………………………………………………………………………………………II

第1章绪论…………………………………………………………………………………1

1.1 转向系统综述 ……………………………………………………………………………1

1.2 主动转向系统特点 ………………………………………………………………………2

　　1.3 本章小结………… ……………………………………………………………………… 3

第2章转向系统主要参数的确定……………………………………………………4

2.1转向盘的直径……………………………………………………………………………4

2.2转向盘回转的总圈数……………………………………………………………………4

2.3转向系的效率……………………………………………………………………………4

2.4转向系的传动比…………………………………………………………………………5

2.4.1转向时加在转向盘上的力………………………………………………………6

2.4.2小齿轮最大转矩计算……………………………………………………………6

2.4.3转向系的角传动比…………………………………………………………………6

　　　 2.4.4转向器的角传动比…………………………………………………………………7

　　2.5 本章小结………… ……………………………………………………………………… 7

第3章齿轮齿条式转向器的设计…………………………………………………8

3.1齿轮齿条结构参数设计………………………………………………………………8

3.2齿轮齿条设计及校核…………………………………………………………………8

3.3 本章小结…………………………………………………………………………………13

第4章主动转向控制器的设计………………………………………………………14

4.1主动转向控制器几何结构设计…………………………………………………………14

4.2主动转向控制器行星齿轮设计…………………………………………………………15

4.3主动转向控制器行星齿轮可行性设计…………………………………………………21

4.4主动转向控制器蜗轮蜗杆设计…………………………………………………………23

　　4.5本章小结………………………………………………………………………………… 29

结论………………………………………………………………………………………30

参考文献…………………………………………………………………………………31

致谢……………………………………………………………………………………………32

摘要

轿车前轮主动转向系统可以确保车辆在任何速度下都能提供理想的转向操控，同时加强了轿车在高速行驶状态下的安全性，提高了驾驶员在驾驶汽车时候的灵活性和舒适性,而且相比于传统的转向器，主动转向系统更加可靠，故障率更低。

　　　本设计以现有主动转向系统装置为基础，参考先进的主动转向系统的设计原理和已有汽车的相关数据，重新设计齿轮齿条式转向器及相匹配的主动转向系统机械部分的结构方案，并对相关的部分进行强度校核。设计的主要内容包括：转向系统主要参数的确定，齿轮齿条转向器的设计，主动转向控制器的设计，其中主动转向是设计中的难点，采用星星齿轮机构来实现主动转向的控制，最后运用Auto CAD软件进行二维图纸的绘制。

关键词：转向器；主动转向；前轮；机械设计；行星齿轮　　

ABSTRACT

　　　Active steering system can ensure vehicles in any speed can provide the ideal steering control, while strengthening the cars in the safety of high-speed condition, improved driver when driving a car the flexibility and comfort, and compared with conventional methods, active steering system more reliable, failure to even lower.

　　　This design is based on the front-wheel existing active steering system, reference information of advanced active steering system and related data of some cars, redesign the theory of steering system with gear and rack and matching active steering system structure scheme of mechanical part. Design of the main content includes: the main steering system of parameters, the design of steering gear rack, active steering the controller design, including active steering is the difficulty in the design, use the stars to implement active steering gear control, finally I use Auto CAD software for the 2D drawings

Key words: redirector; active steering; front wheel; mechanical design; planetary gear

第1章绪论

　　　主动转向系统保留了传统转向系统中的机械构件，包括转向盘、转向柱、齿轮齿条转向机以及转向横拉杆等。其最大特点就是在转向盘和齿轮齿条转向机之间的转向柱上集成了一套双行星齿轮机构，用于向转向轮提供叠加转向角。主动转向系统通过一组双行星齿轮机构实现了独立于驾驶员的转向叠加功能，完美地解决了低速时转向灵活轻便与高速时保持方向稳定性的矛盾，并在此基础上通过转向干预来防止极限工况下车辆转向过多的趋势，进一步提高了车辆的稳定性。同时，该系统能方便地与其他动力学控制系统进行集成控制，为今后汽车底盘一体化控制奠定了良好的基础。

与常规转向系统的显著差别在于，主动转向系统不仅能够对转向力矩进行调节，而且还可以对转向角度进行调整，使其与当前的车速达到完美匹配。其中的总转角等于驾驶员转向盘转角和伺服电机转角之和。低速时，伺服电机驱动的行星架转动方向与转向盘转动相同，叠加后增加了实际的转向角度，可以减少转向力的需求。高速时，伺服电机驱动的行星架转动方向与转向盘转动相反，叠加后减少了实际的转向角度，转向过程会变得更为间接，提高了汽车的稳定性和安全性。

1.1转向系统综述

　　　1、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。

　　　2、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。

　　　3、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。

1.2主动转向系统特点

　　　自从汽车发明以来，驾驶转向的传动装置通常都是固定的，方向盘与前轮的转向角度比始终一成不变。如果采用直接转向，驾驶者在过急弯时就不需要大幅转动方向盘，但是在高速行驶时，方向盘细微的动作都将会影响到行驶稳定性；反过来说，转向系统越是间接，车辆在高速公路上的行驶稳定性就越高，但是必须牺牲过弯时的操控性。所以，传统的转向系统都必须在安全性与舒适性之间做出权衡。

　　　而主动转向系统保留了传统转向系统中的机械构件，包括转向盘、转向柱、齿轮齿条转向机以及转向横拉杆等。其最大特点就是在转向盘和齿轮齿条转向机之间的转向柱上集成了一套双行星齿轮机构，用于向转向轮提供叠加转向角。主动转向系统通过一组双行星齿轮机构实现了独立于驾驶员的转向叠加功能，完美地解决了低速时转向灵活轻便与高速时保持方向稳定性的矛盾，并在此基础上通过转向干预来防止极限工况下车辆转向过多的趋势，进一步提高了车辆的稳定性。同时，该系统能方便地与其他动力学控制系统进行集成控制，为今后汽车底盘一体化控制奠定了良好的基础。

　　　主动转向系统的的双行星齿轮机构包括左右左右两副行星齿轮机构，公用一个行星架进行动力传递，左侧的主动太阳轮与转向盘相连，将转向盘上输入的转向角经由行星架传递给右侧的行星齿轮副，而右侧的行星齿轮具有两个转向舒服自由度，一个是行星架传递的转向盘转角，另一个是由伺服电机叠加转角输入。右侧的太阳轮作为输出轴，其输出的转向角度是由转向盘转向角度与伺服电动驱动的行星架转动方向与转向盘相同，增加了后者的实际转向角度，高速时，伺服电动机电机驱动的行星架与转向盘转向相反，叠加后减少了实际的转向角度，转向过程变得更为间接，提高了汽车的稳定性和安全性。转动车轮所用的力量，并不是由电动机决定，而是由独立的转向助力系统与传统的转向装置一同决定的。主动式转向系统的其他组成部件还包括判定当前驾驶条件和驾驶者指令的独立控制单元和多个传感器主动转向系统的整体结构如图1-1所示：

表1-1 主动转向系统设计基础参数表

　　　　　　　　　参数名称具体参数值

　　　　　　　　　　传动比　　　　　静止状态10:1；高速状态20:1

　　　　　　　　　轮胎型号　　　　　　　　　　245/45 R17W

　　　　　　　　　　　轴距　　　　　　　　　　　2890㎜

　　　　　　　　　风阻系数　　　　　　　　　　　0.28

　　　　　　　　整车装备质量　　　 1673㎏

　　　　　　　　　承载质量　　　 382㎏

　　　　　　　　　前后配重　　　　　　　　　　49.7%，50.3%

　　　　　　　　　最高时速　　　 250㎞/h

　　　　　　　转向盘回转总圈数　　　　　　　　　　　3.5圈

　　　　　　　　最小转弯直径　　　　　　　　　　　11.5m

　　　　　　　　　转向盘直径　　　　　　　　　　　379㎜

1.3本章小结

本章是对传统转向器及主动转向系统的综述，了解主动转向系统的发展现状和特点并确定参考数据。为后面的设计奠定基础。　　　本设计是依据驾驶条件，调节车辆转向传动比，从而增加或减小前轮的转向角度。在低速时，电动机的作用与驾驶者转动转向盘的方向一致，转向传动比增大，可以减少驾驶者对转向力的需求。在高速时，电动机的运转方向与驾驶者转动转向盘方向相反，这减少了前轮的转向角度，转向传动比减小，转向稳定性提高。传动比低速时10：1，高速时为20：1，结合传统齿轮齿条式转向器，两者组合即为具有主动转向功能的主动转向系统。主动转向系统能够确保最佳的驾乘舒适性，在车辆静止状态下，方向盘止点间的操作比常规转向系统的三圈多减少到了不足两圈。因此可以更加方便地操作方向盘上的按钮。保证了车辆的稳定性，给驾驶员提供舒适，安全的驾驶环境。

参考文献

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[2] 王望予主编.汽车设计,第四版[M]. 北京:机械工业出版社,2005

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[4] 刘惟信主编.汽车设计[M]. 北京:清华大学出版社,2006

[5] 机械设计手册编委会.机械设计手册,第3卷[M]. 北京:机械工业出版社,2004.8

[6] 李秀珍主编.机械设计基础[M]. 北京:机械工业出版社,2005.1

[7] 机械设计手册编委会.机械设计手册,齿轮传动[M]. 北京:机械工业出版社,2007.3

[8] 陈晓南,杨培林主编.机械设计基础[M]. 北京:科学出版社,2007.2

[9] 张策主编,机械原理与机械设计[M]. 北京:机械工业出版社,2004.9

[10] 饶振钢编著.行星传动机构设计[M]. 北京:国防工业出版社,1994.6

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[12] 孙桓编著.机械原理[M]. 北京:高等教育出版社,2006.5

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[21] Sebulke A. The Two-Mass Flywheel-A Torsional Vibration Damper for the Power Train of Passanger Cars-State of the Art and Further Technical Development. (SAE 870394). SAE Transactions,1987

内容简介：: SY-025-BY-2毕业设计（论文）任务书学生姓名郭天辰系部汽车与交通工程学院专业、班级车辆07-3班指导教师姓名田芳职称实验员从事专业汽车运用技术是否外聘是否题目名称轿车前轮主动转向系统机械结构设计一、设计（论文）目的、意义主动转向系统保留了传统转向系统中的机械构件，包括转向盘、转向柱、齿轮齿条转向机以及转向横拉杆等。其最大特点就是在转向盘和齿轮齿条转向机之间的转向柱上集成了一套双行星齿轮机构，用于向转向轮提供叠加转向角。主动转向系统通过一组双行星齿轮机构实现了独立于驾驶员的转向叠加功能，完美地解决了低速时转向灵活轻便与高速时保持方向稳定性的矛盾，并在此基础上通过转向干预来防止极限工况下车辆转向过多的趋势，进一步提高了车辆的稳定性。同时，该系统能方便地与其他动力学控制系统进行集成控制，为今后汽车底盘一体化控制奠定了良好的基础。本设计是通过合理整合已有的设计，阅读大量文献，掌握机械设计的基本步骤和要求，以及传统机械制图的步骤和规则，掌握制动器总成的相关设计方法，以及进一步扎实汽车设计基本知识，学会用CAD进行基本二维制图，同时提高分析问题和解决问题的能力。二、设计（论文）内容、技术要求（研究方法）对轿车前轮主动转向系统的机械结构及工作原理进行分析，并根据选定的技术参数进行主动转向系统机械结构进行设计。设计主要内容包括转向系统主要参数的确定，齿轮齿条式转向器的设计，主动转向控制器的设计，同时进行必要的运动分析和强度校核。要求：1、查阅相关资料，学习使用相关软件。2、计算参数，设计结构，利用计算机辅助设计软件绘图。3、编写设计说明书。说明书内容完整，格式规范。4、结构设计合理，图面清晰。三、设计（论文）完成后应提交的成果1设计说明书一份。说明书字数：15000字以上。2图纸：折合0号图3张。四、设计（论文）进度安排（1）调研、查阅参考资料，了解转向器的功能、主要结构。撰写开题报告。第2周（3月1日3月11日）（2）开题。第2周（3月11日）（3）分析并确定转向器的具体结构形式，主要零部件及相互位置关系。根据给定的设计参数，按照有关的设计要求和顺序进行具体结构尺寸参数计算及其他有关参数的选配，针对给定的设计参数优选转向器的总体方案。第3周（3月12日3月20日）（4）进行转向器零部件的设计计算。第45周（3月21日4月2日）（5）完成部分设计图纸，折合0# 图纸1张，完成说明书初稿。第6周8周（4月3日4月22日）（6）中期检查。第8周（4月22日）（7）完成转向器装配图、主要零件图，完成设计说明书第913周（4月23日5月27日）（8）设计及说明书初稿提交。第13周（5月27日）（9）毕业设计审核、修改。第1416周（5月28日6月17日）（10）毕业设计答辩。第17周（6月18日6月 20日）五、主要参考资料1 蒋励,余卓平,高晓杰.宝马主动转向技术概述J.汽车技术,2006.42 王望予主编.汽车设计,第四版M. 北京:机械工业出版社,20053 陈家瑞主编.汽车构造M. 北京:人民交通出版社,2002.34 刘惟信主编.汽车设计M. 北京:清华大学出版社,20065 机械设计手册编委会.机械设计手册,第3卷M. 北京:机械工业出版社,2004.86 李秀珍主编.机械设计基础M. 北京:机械工业出版,2005.17 机械设计手册编委会.机械设计手册,齿轮传动M. 北京:机械工业出版社,2007.38 陈晓南,杨培林主编.机械设计基础M. 北京:科学出版社,2007.29 张策主编,机械原理与机械设计M. 北京:机械工业出版社,2004.910 饶振钢编著.行星传动机构设计M. 北京:国防工业出版社,1994.6六、备注指导教师签字：年月日教研室主任签字：年月日本科学生毕业论文轿车前轮主动转向系统机械结构设计院系名称：汽车与交通工程学院专业班级：车辆工程B07-3班学生姓名：郭天辰指导教师：田芳职称：实验师 The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign of the Mechanical Institutions of the Front-Wheel Active Steering SystemCandidate：Guo TianchenSpecialty：Construction MachineryClass：Vehicle engineering B07-3Supervisor：Tian FangHeilongjiang Institute of Technology2011-06Harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计摘要轿车前轮主动转向系统可以确保车辆在任何速度下都能提供理想的转向操控，同时加强了轿车在高速行驶状态下的安全性，提高了驾驶员在驾驶汽车时候的灵活性和舒适性,而且相比于传统的转向器，主动转向系统更加可靠，故障率更低。本设计以现有主动转向系统装置为基础，参考先进的主动转向系统的设计原理和已有汽车的相关数据，重新设计齿轮齿条式转向器及相匹配的主动转向系统机械部分的结构方案，并对相关的部分进行强度校核。设计的主要内容包括：转向系统主要参数的确定，齿轮齿条转向器的设计，主动转向控制器的设计，其中主动转向是设计中的难点，采用星星齿轮机构来实现主动转向的控制，最后运用Auto CAD软件进行二维图纸的绘制。关键词：转向器；主动转向；前轮；机械设计；行星齿轮ABSTRACTActive steering system can ensure vehicles in any speed can provide the ideal steering control, while strengthening the cars in the safety of high-speed condition, improved driver when driving a car the flexibility and comfort, and compared with conventional methods, active steering system more reliable, failure to even lower.This design is based on the front-wheel existing active steering system, reference information of advanced active steering system and related data of some cars, redesign the theory of steering system with gear and rack and matching active steering system structure scheme of mechanical part. Design of the main content includes: the main steering system of parameters, the design of steering gear rack, active steering the controller design, including active steering is the difficulty in the design, use the stars to implement active steering gear control, finally I use Auto CAD software for the 2D drawingsKey words: redirector; active steering; front wheel; mechanical design; planetary gearIII黑龙江工程学院本科生毕业设计目录摘要IAbstract II第1章绪论1 1.1 转向系统综述 1 1.2 主动转向系统特点 21.3 本章小结 3第2章转向系统主要参数的确定4 2.1转向盘的直径4 2.2转向盘回转的总圈数4 2.3转向系的效率4 2.4转向系的传动比5 2.4.1转向时加在转向盘上的力6 2.4.2小齿轮最大转矩计算6 2.4.3转向系的角传动比6 2.4.4转向器的角传动比72.5 本章小结 7第3章齿轮齿条式转向器的设计8 3.1齿轮齿条结构参数设计8 3.2齿轮齿条设计及校核8 3.3 本章小结13第4章主动转向控制器的设计14 4.1主动转向控制器几何结构设计14 4.2主动转向控制器行星齿轮设计15 4.3主动转向控制器行星齿轮可行性设计21 4.4主动转向控制器蜗轮蜗杆设计23 4.4.1蜗轮蜗杆传动比的确定234.4.2蜗轮蜗杆的设计254.5本章小结 29结论30参考文献31致谢32附录A33附录B35毕业设计指导教师评分表学生姓名郭天辰院系汽车与交通工程学院专业、班级车辆工程07-3指导教师姓名田芳职称实验师从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称轿车前轮主动转向系统机械结构设计序号评价项目满分得分1选题与专业培养目标的符合程度，综合训练情况；题目难易度102题目工作量；题目与工程实践、社会实际、科研与实验室建设等的结合程度103综合运用知识能力（设计涉及学科范围，内容深广度及问题难易度）；应用文献资料能力154设计（实验）能力；计算能力（数据运算与处理能力）；外文应用能力205计算机应用能力；对实验结果的分析能力（或综合分析能力、技术经济分析能力）106插图（图纸）质量；设计说明书撰写水平；设计的实用性与科学性；创新性207设计规范化程度（设计栏目齐全合理、SI制的使用等）58科学素养、学习态度、纪律表现；毕业论文进度10得分 X= 评语：（参照上述评价项目给出评语，注意反映该论文的特点）工作态度：好较好一般较差很差研究能力或设计能力：强较强一般较弱很弱工作量：大较大适中较少很少说明书规范性：好较好一般较差很差图纸规范性：好较好一般较差很差成果质量（设计方案、设计方法、正确性）好较好一般较差很差其他：指导教师签字：年月日毕业设计评阅人评分表学生姓名郭天辰专业班级车辆工程07-3指导教师姓名田芳职称实验师题目轿车前轮主动转向系统机械结构设计评阅组或预答辩组成员姓名出席人数序号评价项目满分得分1选题与专业培养目标的符合程度，综合训练情况；题目难易度102题目工作量；题目与工程实践、社会实际、科研与实验室建设等的结合程度103综合运用知识能力（设计涉及学科范围，内容深广度及问题难易度）；应用文献资料能力154设计（实验）能力；计算能力（数据运算与处理能力）；外文应用能力255计算机应用能力；对实验结果的分析能力（或综合分析能力、技术经济分析能力）156插图（图纸）质量；设计说明书撰写水平；设计的实用性与科学性；创新性207设计规范化程度（设计栏目齐全合理、SI制的使用等）5得分 Y= 评语：（参照上述评价项目给出评语，注意反映该论文的特点）回答问题：正确基本正确基本不正确不能回答所提问题研究能力或设计能力：强较强一般较弱很弱工作量：大较大适中较少很少说明书规范性：好较好一般较差很差图纸规范性：好较好一般较差很差成果质量（设计方案、设计方法、正确性）好较好一般较差很差其他：评阅人或预答辩组长签字：年月日注：毕业设计（论文）评阅可以采用2名评阅教师评阅或集体评阅或预答辩等形式。毕业设计答辩评分表学生姓名郭天辰专业班级车辆工程07-3指导教师田芳职称实验师题目轿车前轮主动转向系统机械结构设计答辩时间月日时答辩组成员姓名出席人数序号评审指标满分得分1选题与专业培养目标的符合程度，综合训练情况，题目难易度、工作量、与实际的结合程度102设计（实验）能力、对实验结果的分析能力、计算能力、综合运用知识能力103应用文献资料、计算机、外文的能力104设计说明书撰写水平、图纸质量，设计的规范化程度（设计栏目齐全合理、SI制的使用等）、实用性、科学性和创新性155毕业设计答辩准备情况56毕业设计自述情况207毕业设计答辩回答问题情况30总分 Z= 答辩过程记录、评语：自述思路与表达能力：好较好一般较差很差回答问题：正确基本正确基本不正确不能回答所提问题研究能力或设计能力：强较强一般较弱很弱工作量：大较大适中较少很少说明书规范性：好较好一般较差很差图纸规范性：好较好一般较差很差成果质量（设计方案、设计方法、正确性）好较好一般较差很差其他：答辩组长签字：年月日毕业设计（论文）成绩评定表学生姓名郭天辰性别男院系汽车与交通工程学院专业车辆工程班级07-3设计（论文）题目轻型载货汽车制动器设计平时成绩评分（开题、中检、出勤）指导教师姓名职称指导教师评分（X）评阅教师姓名职称评阅教师评分（Y）答辩组组长职称答辩组评分（Z）毕业设计（论文）成绩百分制五级分制答辩委员会评语：答辩委员会主任签字（盖章）：院系公章：年月日注：1、平时成绩（开题、中检、出勤）评分按十分制填写，指导教师、评阅教师、答辩组评分按百分制填写，毕业设计（论文）成绩百分制=W+0.2X+0.2Y+0.5Z 2、评语中应当包括学生毕业设计（论文）选题质量、能力水平、设计（论文）水平、设计（论文）撰写质量、学生在毕业设计（论文）实施或写作过程中的学习态度及学生答辩情况等内容的评价。优秀毕业设计（论文）推荐表题目轻型载货汽车制动器设计类别设计学生姓名郭天辰院（系）、专业、班级汽车与交通工程学院、车辆工程、07-3指导教师田芳职称实验师设计成果明细：答辩委员会评语：答辩委员会主任签字（盖章）：院、系公章：年月日备注：注：“类别”栏填写毕业论文、毕业设计、其它毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目:轿车前轮主动转向系统机械结构设计院系名称:汽车与交通工程学院专业班级: 车辆工程07-3 学生姓名: 导师姓名: 开题时间: 2011-03-02 指导委员会审查意见：签字：年月日毕业设计（论文）开题报告学生姓名系部汽车与交通工程学院专业、班级车辆07-3班指导教师姓名职称实验员从事专业汽车运用技术是否外聘是否题目名称轿车前轮主动转向系统机械结构设计一、课题研究现状、选题目的和意义汽车上用来改变或恢复其行驶方向的专设机构称为汽车转向系统。汽车的转向系统是用来改变汽车行驶方向和保持汽车直线行驶的机构，转向操纵机构主要由转向盘、转向轴、转向管柱等组成。转向器将转向盘的转动变为转向摇臂的摆动或齿条轴的直线往复运动，并对转向操纵力进行放大的机构。转向器一般固定在汽车车架或车身上，转向操纵力通过转向器后一般还会改变传动方向。在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系，机械转向系依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转向器和转向传动机构使转向轮偏转。转向器属于汽车系统中的关键部件，它在汽车系统中占有重要位置，因而它的发展同时也反映了汽车工业的发展，它的规模和质量也成为了衡量汽车工业发展水平的重要标志之一。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。前轮主动转向系统与其控制技术的有机结合有效的提高了汽车行驶的安全性和稳定性，极大地提高了汽车的使用性能，二者相辅相成，缺一不可。本次设计主要是通过对主动转向特性的分析，熟悉主动转向系统控制器的工作原理，设计轿车前轮主动转向系统机械结构，并对其部分零件进行有效性的校核，完成转向系统的机械部分的设计。自从汽车发明以来，驾驶转向的传动装置通常都是固定的，方向盘与前轮的转向角度比始终一成不变。如果采用直接转向，驾驶者在过急弯时就不需要大幅转动方向盘，但是在高速行驶时，方向盘细微的动作都将会影响到行驶稳定性；反过来说，转向系统越是间接，车辆在高速公路上的行驶稳定性就越高，但是必须牺牲过弯时的操控性。所以，传统的转向系统都必须在安全性与舒适性之间做出权衡。而主动转向系统保留了传统转向系统中的机械构件，包括转向盘、转向柱、齿轮齿条转向机以及转向横拉杆等。其最大特点就是在转向盘和齿轮齿条转向机之间的转向柱上集成了一套双行星齿轮机构，用于向转向轮提供叠加转向角。主动转向系统通过一组双行星齿轮机构实现了独立于驾驶员的转向叠加功能，完美地解决了低速时转向灵活轻便与高速时保持方向稳定性的矛盾，并在此基础上通过转向干预来防止极限工况下车辆转向过多的趋势，进一步提高了车辆的稳定性。同时，该系统能方便地与其他动力学控制系统进行集成控制，为今后汽车底盘一体化控制奠定了良好的基础。主动转向系统的的双行星齿轮机构包括左右左右两副行星齿轮机构，公用一个行星架进行动力传递，左侧的主动太阳轮与转向盘相连，将转向盘上输入的转向角经由行星架传递给右侧的行星齿轮副，而右侧的行星齿轮具有两个转向舒服自由度，一个是行星架传递的转向盘转角，另一个是由伺服电机叠加转角输入。右侧的太阳轮作为输出轴，其输出的转向角度是由转向盘转向角度与伺服电动驱动的行星架转动方向与转向盘相同，增加了后者的实际转向角度，高速时，伺服电动机电机驱动的行星架与转向盘转向相反，叠加后减少了实际的转向角度，转向过程变得更为间接，提高了汽车的稳定性和安全性。转动车轮所用的力量，并不是由电动机决定，而是由独立的转向助力系统与传统的转向装置一同决定的。主动式转向系统的其他组成部件还包括判定当前驾驶条件和驾驶者指令的独立控制单元和多个传感器。主动前轮转向系统随着汽车技术的发展受到国内外的重视，同济大学和北京科技大学都对主动前轮转向系统有着深入的研究，随着汽车技术的发展和人们对于汽车安全性能要求的提高，会有更多的技术运用到主动前轮转向系统当中来。在国外，上世纪60年代就已经开始了对主动转向系统的研究，而近几年这项技术才从理论阶段应用于实车上。比较典型的就是德国宝马公司和ZF公司开发的一套主动前轮系统，此系统已经装备于部分宝马3系和5系车之上。宝马的转向系统主要是主动转向控制器通过对驾驶员输入的方向盘转角的叠加/减的控制实现转向传动比的改变的。低速时，电动马达的作用与驾驶者转动方向盘的方向一致，可以减少对转向力的需求。一直行驶至中速状态之前，它将提供比传统轿车更直接的转向传动比，转向操作保持轻松省力。在高速时电动马达的运转方向与驾驶者转动方向盘方向相反，这就减少了前轮转向角度，使转向更直接。此系统完美地解决了汽车低速转向轻便与高速转向稳重的矛盾，有效地抑制侧向干扰，提高了整车稳定性。此套主动转向系统可以根据车速变化而不断改变转向系统中主动齿轮与被动齿条的传动比。通常一般轿车的转向传动比是16:1和18:1之间，例如50km/h时，当转动方向盘10度时，前轮即可转动1度，而普通轿车需要转动16-18度才能让前轮转动1度。反之，在高速时，例如，当车速达到200km/h时，带有主动转向系统的汽车转动方向盘20度才能让前轮转动1度。除了可变传动比设计外，稳定性控制功能是宝马主动转向系统最大的特点。危险工况下该系统通过独立于驾驶员的转向干预来稳定车辆，通过主动改变驾驶员给定的转向盘转角使得车辆响应尽可能与理想的车辆响应特性相一致。主动转向系统还有很重要的一点就是更安全，这一点主要体现在车辆高速行驶中的突然转向。例如在公路上高速行驶时突然变线以超越另一辆车然后回到车道时，或者高速行驶中突然发现前方有障碍物需要急转弯时，很容易出现转向不足或者转向过度，车辆将偏离自己预定的方向，可能失去控制。在这种情况下，通常宝马车系的主动转向系统通过干预制动过程控制车辆的稳定，行车速度将大幅度降低，增加能量的损耗。而主动式转向系统从转向一开始就会判断转向后出现的情况，通过电子控制的机械调控器自动修正转向角度，干预降低偏航情况的发生。而此系统不必像在其他车辆中那样干预驾驶，保证车辆行驶的平稳性。本设计通过整合已有的的设计，通过努力，阅读大量的文献，掌握转向系统机械部分设计的基本步骤和要求，以及制图的步骤和规则，掌握转向系统机械部分的相关设计方法，以及进一步更扎实汽车设计基本知识，学会使用CAD进行基本二维制图，同时提高分析问题和解决问题的能力。转向系统机械部分的设计有利于提高汽车的整体性能，同时提高我们综合运用知识的能力和技能。通过课题的设计，积累相关理论知识，通过设计还可以系统的培养工程文化素养，有利于未来的发展。二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题设计的基本内容：1.现代汽车转向系统简述。蜗杆滚轮式，蜗杆指销式，齿轮齿条式等。2.转向系统机械部分的结构特点。3.主动转向系统的现状及优点。主动转向系统机械部分基本结构，工作原理等。4.转向操纵机构和转向器的计算设计。转向器的结构选择等。5.主动转向系统机械结构主要性能参数的计算。转向系统的效率，转向系统的传动比，刚度等6.进行相关零件的校核。7.根据计算结果，绘制CAD二维图纸。拟解决的主要问题：1.转向系机械结构形式的选择。2.主要性能参数初选。3.主动转向系统机械结构主要性能参数计算。4.相关零件的强度校核。三、技术路线（研究方法）转向器结构选择基础数据计算主要参数选择校核编写说明书并绘制CAD二维图纸根据题目查阅相关资料否转向系统的效率转向系统的传动率与传动比转向系统的刚度齿轮齿条式转向器的设计转向操纵机构设计计算主动转向系统设计四、进度安排1）调研、查阅参考资料，了解转向器的功能、主要结构。撰写开题报告。第2周（3月1日3月11日）（2）开题。第2周（3月11日）（3）分析并确定转向器的具体结构形式，主要零部件及相互位置关系。根据给定的设计参数，按照有关的设计要求和顺序进行具体结构尺寸参数计算及其他有关参数的选配，针对给定的设计参数优选转向器的总体方案。第3周（3月12日3月20日）（4）进行转向器零部件的设计计算。第45周（3月21日4月2日）（5）完成部分设计图纸，折合0# 图纸1张，完成说明书初稿。第6周8周（4月3日4月22日）（6）中期检查。第8周（4月22日）（7）完成转向器装配图、主要零件图，完成设计说明书第913周（4月23日5月27日）（8）设计及说明书初稿提交。第13周（5月27日）（9）毕业设计审核、修改。第1416周（5月28日6月17日）（10）毕业设计答辩。第17周（6月18日6月 20日）五、参考文献1 蒋励,余卓平,高晓杰.宝马主动转向技术概述J.汽车技术,2006.42 王望予主编.汽车设计,第四版M. 北京:机械工业出版社,20053 陈家瑞主编.汽车构造M. 北京:人民交通出版社,2002.34 刘惟信主编.汽车设计M. 北京:清华大学出版社,20065 机械设计手册编委会.机械设计手册,第3卷M. 北京:机械工业出版社,2004.86 李秀珍主编.机械设计基础M. 北京:机械工业出版,2005.17 机械设计手册编委会.机械设计手册,齿轮传动M. 北京:机械工业出版社,2007.38 陈晓南,杨培林主编.机械设计基础M. 北京:科学出版社,2007.29 张策主编,机械原理与机械设计M. 北京:机械工业出版社,2004.910 饶振钢编著.行星传动机构设计M. 北京:国防工业出版社,1994.6六、备注指导教师意见：签字：年月日黑龙江工程学院本科生毕业设计目录摘要IAbstract II第1章绪论1 1.1 转向系统综述 1 1.2 主动转向系统特点 21.3 本章小结 3第2章转向系统主要参数的确定4 2.1转向盘的直径4 2.2转向盘回转的总圈数4 2.3转向系的效率4 2.4转向系的传动比5 2.4.1转向时加在转向盘上的力6 2.4.2小齿轮最大转矩计算6 2.4.3转向系的角传动比6 2.4.4转向器的角传动比72.5 本章小结 7第3章齿轮齿条式转向器的设计8 3.1齿轮齿条结构参数设计8 3.2齿轮齿条设计及校核8 3.3 本章小结13第4章主动转向控制器的设计14 4.1主动转向控制器几何结构设计14 4.2主动转向控制器行星齿轮设计15 4.3主动转向控制器行星齿轮可行性设计21 4.4主动转向控制器蜗轮蜗杆设计234.5本章小结 29结论30参考文献31致谢32摘要轿车前轮主动转向系统可以确保车辆在任何速度下都能提供理想的转向操控，同时加强了轿车在高速行驶状态下的安全性，提高了驾驶员在驾驶汽车时候的灵活性和舒适性,而且相比于传统的转向器，主动转向系统更加可靠，故障率更低。本设计以现有主动转向系统装置为基础，参考先进的主动转向系统的设计原理和已有汽车的相关数据，重新设计齿轮齿条式转向器及相匹配的主动转向系统机械部分的结构方案，并对相关的部分进行强度校核。设计的主要内容包括：转向系统主要参数的确定，齿轮齿条转向器的设计，主动转向控制器的设计，其中主动转向是设计中的难点，采用星星齿轮机构来实现主动转向的控制，最后运用Auto CAD软件进行二维图纸的绘制。关键词：转向器；主动转向；前轮；机械设计；行星齿轮ABSTRACTActive steering system can ensure vehicles in any speed can provide the ideal steering control, while strengthening the cars in the safety of high-speed condition, improved driver when driving a car the flexibility and comfort, and compared with conventional methods, active steering system more reliable, failure to even lower.This design is based on the front-wheel existing active steering system, reference information of advanced active steering system and related data of some cars, redesign the theory of steering system with gear and rack and matching active steering system structure scheme of mechanical part. Design of the main content includes: the main steering system of parameters, the design of steering gear rack, active steering the controller design, including active steering is the difficulty in the design, use the stars to implement active steering gear control, finally I use Auto CAD software for the 2D drawingsKey words: redirector; active steering; front wheel; mechanical design; planetary gear第1章绪论主动转向系统保留了传统转向系统中的机械构件，包括转向盘、转向柱、齿轮齿条转向机以及转向横拉杆等。其最大特点就是在转向盘和齿轮齿条转向机之间的转向柱上集成了一套双行星齿轮机构，用于向转向轮提供叠加转向角。主动转向系统通过一组双行星齿轮机构实现了独立于驾驶员的转向叠加功能，完美地解决了低速时转向灵活轻便与高速时保持方向稳定性的矛盾，并在此基础上通过转向干预来防止极限工况下车辆转向过多的趋势，进一步提高了车辆的稳定性。同时，该系统能方便地与其他动力学控制系统进行集成控制，为今后汽车底盘一体化控制奠定了良好的基础。与常规转向系统的显著差别在于，主动转向系统不仅能够对转向力矩进行调节，而且还可以对转向角度进行调整，使其与当前的车速达到完美匹配。其中的总转角等于驾驶员转向盘转角和伺服电机转角之和。低速时，伺服电机驱动的行星架转动方向与转向盘转动相同，叠加后增加了实际的转向角度，可以减少转向力的需求。高速时，伺服电机驱动的行星架转动方向与转向盘转动相反，叠加后减少了实际的转向角度，转向过程会变得更为间接，提高了汽车的稳定性和安全性。1.1转向系统综述1、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。 2、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。3、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。 1.2主动转向系统特点自从汽车发明以来，驾驶转向的传动装置通常都是固定的，方向盘与前轮的转向角度比始终一成不变。如果采用直接转向，驾驶者在过急弯时就不需要大幅转动方向盘，但是在高速行驶时，方向盘细微的动作都将会影响到行驶稳定性；反过来说，转向系统越是间接，车辆在高速公路上的行驶稳定性就越高，但是必须牺牲过弯时的操控性。所以，传统的转向系统都必须在安全性与舒适性之间做出权衡。而主动转向系统保留了传统转向系统中的机械构件，包括转向盘、转向柱、齿轮齿条转向机以及转向横拉杆等。其最大特点就是在转向盘和齿轮齿条转向机之间的转向柱上集成了一套双行星齿轮机构，用于向转向轮提供叠加转向角。主动转向系统通过一组双行星齿轮机构实现了独立于驾驶员的转向叠加功能，完美地解决了低速时转向灵活轻便与高速时保持方向稳定性的矛盾，并在此基础上通过转向干预来防止极限工况下车辆转向过多的趋势，进一步提高了车辆的稳定性。同时，该系统能方便地与其他动力学控制系统进行集成控制，为今后汽车底盘一体化控制奠定了良好的基础。主动转向系统的的双行星齿轮机构包括左右左右两副行星齿轮机构，公用一个行星架进行动力传递，左侧的主动太阳轮与转向盘相连，将转向盘上输入的转向角经由行星架传递给右侧的行星齿轮副，而右侧的行星齿轮具有两个转向舒服自由度，一个是行星架传递的转向盘转角，另一个是由伺服电机叠加转角输入。右侧的太阳轮作为输出轴，其输出的转向角度是由转向盘转向角度与伺服电动驱动的行星架转动方向与转向盘相同，增加了后者的实际转向角度，高速时，伺服电动机电机驱动的行星架与转向盘转向相反，叠加后减少了实际的转向角度，转向过程变得更为间接，提高了汽车的稳定性和安全性。转动车轮所用的力量，并不是由电动机决定，而是由独立的转向助力系统与传统的转向装置一同决定的。主动式转向系统的其他组成部件还包括判定当前驾驶条件和驾驶者指令的独立控制单元和多个传感器。主动转向系统的整体结构如图1-1所示：图1-1 主动转向系统表1-1 主动转向系统设计基础参数表参数名称具体参数值传动比静止状态10:1；高速状态20:1轮胎型号 245/45 R17W轴距 2890风阻系数 0.28整车装备质量 1673承载质量 382前后配重 49.7%，50.3%最高时速 250/h转向盘回转总圈数3.5圈最小转弯直径11.5m转向盘直径3791.3本章小结本章是对传统转向器及主动转向系统的综述，了解主动转向系统的发展现状和特点并确定参考数据。为后面的设计奠定基础。第2章转向系统主要参数的确定2.1转向盘的直径转向盘的直径根据车型的大小可在380550的标准系列内选取。取=379mm。2.2转向盘回转的总圈数转向盘转动的总圈数与转向系的角传动比以及所要求的转向轮最大转角有关，对货车和轿车的转向盘转动总圈数有不同的要求。不装动力转向的重型汽车的转向盘转动的总圈数一般不宜超过7圈，而对于轿车不应超过3.6圈2。取3.5圈。2.3转向系的效率转向系的效率由转向器的效率和传动机构的效率决定，即（2-1）转向器的效率有正效率和逆效率两种。正效率（2-2）逆效率（2-3）式中：作用在转向盘上的功率；转向器中的摩擦功率；作用在转向摇臂轴上的功率。对于蜗杆类和螺杆类转向器，如果只考虑啮合副的摩擦损失，忽略轴承和其他地方的摩擦损失，其效率可以用下面的公式计算：（2-4）（2-5）式中：蜗杆或螺杆的导程角，12；摩擦角，；摩擦系数，取=0.04（查得淬火钢对淬火钢的摩擦副摩擦系数=0.030.05，选取=0.04）；则： =arctan0.04=83.452.4转向系的传动比2.4.1转向时加在转向盘上的力为了使转向系操纵轻便，转向时加在转向盘上的切向力，对轿车不应大于150200N。作用于方向盘上的手力 = （2-6）式中：转向阻力矩；主销偏移矩；可用下列公式来计算汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩=481680 Nmm式中：轮胎和路面间的滑动摩擦系数，一般取0.7；转向阻力矩，Nmm；转向轴负荷，N，；汽车的满载质量 =(1673+382) =2055；汽车的转向轴载荷分配系数，转向轴为前轴，前轴载荷分配系数为49.7。20559.849.7=10213.35N轮胎气压，MPa；取2.5bar，即0.255MPa。则：=162.1N式中：为转向摇臂长；为转向节臂长，现代汽车结构中，转向传动机构角传动比；比值大约在0.851.10之间，近似认为1；为转向盘直径，=379 mm；为转向器角传动比, =18；为转向器正效率, =83.45%；2.4.2小齿轮最大转矩静止状态下，主动转向控制器不工作，此时工作状况相当于传统齿轮齿条转向器，转向盘与齿轮刚性连接。则齿轮转矩 =30.8 Nm2.4.3转向系的角传动比转向系的角传动比（2-7）式中：转向轴的转角增量，rad；齿条位移增量，mm；对于定传动比的转向器，其角转动比可表示为：（2-8）式中：齿轮分度圆的半径，；齿轮分度圆的直径；（2-9）2.4.4转向器的角传动比乘用车的转向器的角传动比在1725的范围内选取，一般传统齿轮齿条转向器角传动比为18，取=18。2.5 本章小结本章主要根据以选择的数据，确定基本的转向系统参数，其中包括转向盘的直径转向盘回转的总圈数转向系的效率，转向系的传动比。第3章齿轮齿条式转向器的设计计算3.1齿轮齿条结构的几何设计主动小齿轮采用斜齿圆柱小齿轮，采用变位齿轮。法向模数在23mm之间取值，取2mm(GB/T13571987)。齿数多在58之间取值，取=6。由于避免根切的最小齿数为=17；主动齿轮只能采用变位齿轮方案变位系数 =；=1，则=0.529。齿轮螺旋角多在915之间取值，取=12。压力角即法向齿形角取标准值20。转向盘最大转角1.75360=315。齿条齿数待定。主动小齿轮选用156材料制造，硬度58HRC 。齿条选用45钢制造，均采用淬火处理。壳体为减轻质量采用铝合金压铸。齿轮精度初选8级。法向齿顶高系数取标准值1。法向顶隙系数取标准值0.25。3.2齿轮齿条设计及校核转向器内齿轮工作视为闭式传动失效形式主要为轮齿的折断，因此按弯曲强度设计，按接触强度校核。1、选取齿轮材料及热处理对于汽车齿轮采用硬齿面设计，表面硬度均应56HRC，主动小齿轮取60HRC，淬火处理；齿条采用45钢，表面硬度取58HRC，淬火。2、齿轮最大转矩 =30.8 Nm3、初取载荷系数载荷有中等冲击，斜齿轮硬齿面，=1.61.8范围内，初取=1.7。4、选取齿宽系数及齿轮相对轴承非对称布置，取=0.6。由式 = （3-1）得对于齿条Z（待定），则0。5、初取重合度系数及螺旋角系数初取螺旋角=12，=1.8。由式 =0.25+ （3-2）得 =0.67=0.91初取 =0.91 =0.676、初取齿数，,齿形系数及应力修正系数取=8 ，待定。由 = （3-3）得当量齿数 =8.5由于避免根切的最小齿数=17，故采用变位齿轮传动，取变位系数=0.529。=2.45，=2.063=1.65，=1.977、确定许用弯曲疲劳应力得 =450 MPa0.7=315MPa=430 MPa0.7=301MPa（双向运转，数值0.7）由式 = （3-4）齿轮失效概率1/100采用一般可靠度设计，取=1.25；为应力修正系数，取=2.0假定齿轮工作寿命为5年（300天/年），单班（8h）；应力循环次数=60n；为每转一圈，同一齿面啮合次数；n为转速；为齿轮工作寿命则=1；n取大致为 1.75/2 r/s=0.875 r/s。则 =6052.51120003.87取 =0.97于是 = =489 MPa = =467 MPa8、按齿根弯曲疲劳应力 =0.008267 （1）=0.008703 （2）9、确定齿轮模数由式（3-5）代入上面两式(1)(2)两者最大值 2.43 mm取 =2.5 mm10、确定主要参数分度圆直径 =20.45 mm齿宽 =0.620.45 mm =12.27 mm取 =20 ，=+510 mm，=30 mm使用系数，取=1.1。11、定载荷系数（1）动载系数齿轮圆周速度 =0.05 m/s齿轮精度取为9级。 =1.03（2）齿向载荷分布系数（9级精度，淬火钢）：由式 =1.45+0.325=1.78端面重合度 =1.88-3.2(+)cos, =1.48cos12 =1.45纵向重合度 =tan=tan12=0.325从而 =1.42，=1.08则 =1.11.031.08 1.42=1.74得需重新计算；12、验算齿根疲劳强度用准确值代入式 2.48 mm仍取=2.5 ，齿根疲劳强度足够。 =2.5 mm 13、验算齿面接触疲劳强度弹性系数，查得=189.8。节点区域系数，查得=2.4。由式 = （3-6）得 =0.89螺旋角系数 =0.99许用接触疲劳应力= （3-7）式中：接触疲劳寿命系数，查得=0.98；安全系数，失效概率1/100，取=1；得 =1560 MPa，=1540 MPa； =1529 MPa，=1509 MPa；14、验算齿面接触强度 =，则1；故 =189.82.450.890.99=1492 Mpa1509 MPa由于（取两齿材料较弱者进行比较），故接触强度足够。对于方向盘从中间位置到向左或向右转向轮极限位置回转总圈数为1.75圈。故对于齿条行程=1.752 （3-7）= （3-8）对于齿条，理论上；（=，=）（3-9）1.752则 3.5 因此，=28。齿条长（3-10）即 =225 mm 3.3 本章小结为了配合主动转向系统的机械部分，本章通过对转向系统常规数据的选择，设计齿轮齿条机，并对相关的零件进行了强度校核。保证使用强度。第4章主动转向控制器的设计计算4.1主动转向控制器几何结构设计控制器由一个行星齿轮组组成，简图如图4-1所示：图4-1 控制器简图对于左边的主动太阳轮为1，行星轮为a(初设行星齿轮数目为=4)；大齿圈c固定在转向柱上，系杆H；右边太阳轮为3，齿圈b内齿与行星轮a啮合；外齿与电机带动的蜗杆2组成涡轮蜗杆传动。该系统中活动构件为=6；高副数目为=5；低副数目为=5，则系统机构的自由度为 =3-2-=36-25-5=3其中包括电机方向的输入和方向盘方向的输入及太阳轮的输出。通过计算，最终从太阳轮输出的转速为和的叠加。设转速方向向左： =式中，方向向左时取“”，反之则取“+”。其中，；。当=0时，=，即电机未工作时，输出即为方向盘的输入；当=0时，=，此时，转向角度由电机控制。对行星齿轮组进行设计，左右为对称结构，设计一组即可，选择对左边行星轮系进行设计。4.2主动转向控制器行星齿轮设计计算参考普通圆柱齿轮设计方案，转向控制器采用闭式硬齿面设计方案，失效形式主要为轮齿的折断，因此按弯曲强度设计，接触强度校核。齿轮采用斜齿圆柱齿轮传动，初设螺旋角=10，在815范围内选。初取模数=2 mm。为了尽量不使用变位齿轮，行星轮和主动太阳轮齿数=17。初取主动太阳齿数=14；行星轮齿数=10。1、选取齿轮材料及热处理方法采用硬齿面，大小齿轮均采用合金渗碳钢20，渗碳淬火。2、齿面硬度太阳轮 6063HRC 行星轮 5863HRC3、太阳轮转矩根据行星齿轮机构设计，行星轮齿数小于太阳轮时即则，计算转矩（4-1）式中：为输入轴转矩；为行星轮数目；为齿数比；且 = （4-2）式中为内传动比，=（ b为大齿圈）。对于主动转向控制器，为使其结构尺寸不至于过大，且加工方便简单，初设主动太阳轮齿数=14；行星轮齿数=10。对于太阳轮分度圆直径 =28.4 mm 行星轮 =20.3 mm则大齿圈分度圆直径 =+2=28.4+220.3=69 mm于是齿数 =34从而得出 =1.4取行星轮数目 =4则 =4.81 NM为输入轴转矩，即为方向盘转矩 =30.8 NM4、初取载荷系数 =1.61.8范围内，取=1.75、选取齿宽系数及齿轮相对轴承非对称布置，取=0.5。由式 = （4-3）得 =0.46、初取重合度系数及螺旋角系数初设螺旋角 =10，=1.8由式 =0.25+ （4-4）得 =0.67 得 =0.937、齿形修正系数及应力修正系数由 =Z/得 =15；=10由于Z=17，两者均采用变位齿轮，取=2.75，=2.55=1.58，=1.648、确定许用弯曲疲劳应力得 =460 MPa0.7=322MPa =420 MPa0.7=294MPa （由于齿轮双向运转，故乘以系数0.7）由式 = （4-5）式中：为应力修正系数，=2.0；为弯曲疲劳应力寿命系数；接触应力变化总次数 =60n式中：为每转一圈，同一齿面啮合次数；为转速，取大致为1r/s；为齿轮工作寿命；假定齿轮工作寿命为5年，（每年300个工作日）单班制（8h），则 =60n=6060312000=1.296 =6012212000=1.728可由计算得弯曲疲劳寿命系数，取=0.95 ，=0.98。最小安全系数，失效概率低于1/100，=1.25；可得 =489 MPa，=446 MPa9、按齿根弯曲疲劳极限应力确定模数=0.008885 （1） =0.009377 （2）由式（4-6）代入上面两式（1）（2）两者最大值得 1.00 mm 取=1.5 mm。10、确定主要参数 =18.28 mm 取整数 =19 mm（便于计算）由（4-7）得 =7.6 mm，取=8 mm。一般 =+510 mm ，=；则 =13 mm对于变位齿轮 =0.18 ，=0.41由式（4-8）查表=2540其行星齿轮的实际中心距，=18.28 mm则 =19.05 取整数=19 mm则 =18401211、定载荷系数（1）使用系数查表 =1.1（2）动载系数齿轮圆周速度 =0.067 m/s齿轮精度取为9级。查表 =1.03（3）齿向载荷分布系数硬齿面，非对称布置，取=0.5，=1.06。（4）齿向载荷分布系数齿轮材料为9级精度，淬火钢。由式 = （4-9）端面重合度 =1.88-3.2(+)cos, =1.33cos18.67 =1.26纵向重合度 =tan=tan18.67=0.753得 =1.5于是 =1.11.031.06 1.5=1.8 需重新计算；12、验算齿根疲劳强度用准确值代入式（1）（=0.62，=0.91）得 0.97 mm 仍取=2.5 mm，齿根疲劳强度足够。13、验算齿面接触疲劳强度（1）弹性系数，查得，=189.8。（2）节点区域系数，查得，=2.11。（3）重合度系数，因,从而满足装配条件。对于变位齿轮传动有 22 （4-19）即（4-20）式中： =4；变位齿轮中心距变动系数（4-21）则 =0.51齿高变动系数（4-22）且，故 0.08齿顶高（4-23）故 =（1+0.41-0.08）1.5 =1.995 mm齿顶圆直径（4-24） =15.83+1.9952 =19.82 mm于是 2= =（22.17+15.83）sin45 =26.87 mm =19.82 mm即满足邻接条件10。由于大齿圈工作条件不如主动齿轮与行星齿轮啮合恶劣，当采用同种材料，同样的热处理方法时，主动齿轮与行星齿轮啮合满足设计要求时，其肯定也同样符合要求，故此处略去其校核步骤。4.4主动转向控制器蜗轮蜗杆设计计算4.4.1蜗轮蜗杆传动比的确定为保证蜗轮蜗杆有合适的传动比，从而匹配驱动电机，需估算转向轮偏转角速度。假设方向盘转速为零时，此时转向角度由驱动电机控制，若在此时主动转向控制器满足可变化传动比的变化范围要求，由前面章节所述，方向盘转速为零时，即时，驱动电机转速为，太阳轮输出转速为，由式= （4-25）设蜗轮转速为，则应有（4-26）故 = （4-27）在理想状况下，最小转弯半径与转向轮外轮最大偏转角度的关系为： = （4-28）在车轮为绝对刚体的假设条件下，内转向轮偏转角与外转向轮偏转角的关系式为：（4-29）式中：两侧主销轴线与地面相交点之间的距离；汽车轴距11；车型各项参数值：轴距 L=2890 mm ；轮距（前）=1560 mm ；最小转弯半径 =11.5/2=5.75 m于是，代入（4-19）式可求得 sin=75.5890.2=0.5026 =30.01则可由（4-20）式求得 =40.2考虑到驾驶员的操纵能力将方向盘转速取为1r/s;方向盘回转总圈数为3.5圈的情况下，方向盘由中间位置转至左右极限位置时历时1.75s。则可粗略认为转向轮最大偏转角速度为： =(/s)=22.98(/s)主动转向控制器输出角速度即为齿轮齿条转向机输入角速度，则它与转向轮偏转角速度之比即为齿轮齿条转向机传动比，=18，即；求得 =413.64(/s) =68.94(/s)则蜗轮转速（4-30）已知机构中；故 r/min=28.39 r/min取电机最大转速位250 r/min，一般工况下，电机转速为200 r/min。当=200 r/min时由式= （4-31）知 =16取蜗轮蜗杆传动比为 =184.4.2蜗轮蜗杆的设计计算1、选择材料蜗杆选用40表面淬火，表面硬度（45-55）HRC，蜗轮选用砂型铸造，MPa；=140MPa。2。、确定，由表19-3确定蜗杆头数=2；则由式 = （4-32）得 =182=36 =1811.73 r/min=211 r/min3、确定蜗轮转矩最恶劣工况下，驾驶员需克服地面最大阻力矩施加在方向盘上的最大转矩为=30.8 NM。当方向盘转速为零时，考虑在同样的工况下，则蜗轮的转矩应为=30.8 NM。4、确定载荷系数查取，工作情况系数=1。初设蜗轮圆周速度3m/s，取动载荷系数=1；因载荷平稳取齿向载荷分布系数=1；故 =1；5、确定蜗轮许用接触应力查得蜗轮材料，离心铸造，蜗杆齿面硬度45HRC,得为261MPa；300 MPa，=261MPa。6、接触疲劳应力计算由式 (4-33)取=0.45，得=2.7。查得弹性系数=155。将各参数代入上式得 =42.9 mm由式（4-34）得 =0.442.9=17.2 mm =1.91 mm选取：=2 mm；=22.4 mm；=11.2。7、计算圆周速度与滑动速度 = （4-35）m/s =0.04 m/s蜗杆分度

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