货车转向系设计.doc

毕毕 业业 设设 计 论计 论 文 文 设计设计 论文论文 题目 题目 货车转向系设计 学生姓名学生姓名 王强 指导教师指导教师 诸鑫瑞 二级学院二级学院 机电工程学院 专专 业业 车辆工程 班班 级级 M12 车辆工程 学学 号号 1221402015 提交日期提交日期 2014 年 05 月 8 日答辩日期答辩日期 2014 年 05 月 14 日 金陵科技学院学士学位论文 目录 I 目 录 摘 要 III ABSTRACT IV 1 前言 1 1 1 转向系的作用 1 1 2 转向系研究的意义与发展趋势 1 2 汽车转向系统总述 2 2 1 转向系的组成及各组成部件的功用 2 2 1 1 转向器 2 2 1 2 转向操纵机构 2 2 1 3 转向传动机构 3 2 2 转向器的分类 3 2 2 1 齿轮齿条转向器 3 2 2 2 循环球式转向器 5 2 2 3 蜗杆曲柄指销式转向器 5 2 3 转向系统设计要求 6 2 3 1 设计要求 6 3 转向系主要性能参数 7 3 1 转向器的效率 7 3 1 1 转向器的正效率 7 3 1 2 转向器的逆效率 8 3 2 传动比的变化特性 8 3 2 1 转向系传动比 8 3 2 2 力传动比与转向系角传动比的关系 9 3 2 3 转向系的角传动比 10 3 2 4 转向器角传动比及其变化规律 10 3 3 转向器传动副的传动间隙 10 4 轻型货车转向器设计 12 4 1 转向器的方案分析 12 金陵科技学院学士学位论文 目录 II 4 1 1 齿轮齿条式转向器 12 4 1 2 其他转向器 14 4 1 3 齿轮齿条式转向器工作原理及布置 结构形式的选择 14 4 2 转向器设计与计算 15 4 2 1 初选设计数据 15 4 2 2 转向轮侧偏角计算 16 4 2 3 转向器参数选取 16 4 2 4 选择齿轮齿条材料 16 4 2 5 强度校核 17 4 2 6 齿轮齿条的基本参数如下表所示 18 5 转向梯形机构 20 5 1 转向梯形结构方案分析 20 5 1 1 整体式转向梯形 20 5 1 2 断开式转向梯形 20 5 2 转向梯形优化设计 22 6 三维建模 25 6 1 PRO E 介绍及主要特性 25 6 2 三维零件图及组装图 26 总结 31 参考文献 32 致谢 33 金陵科技学院学士学位论文 摘要 III 货车转向系设计 摘 要 转向系是汽车的重要组成之一 汽车转向系的功用是能够保证汽车能够按照驾驶员的 意志而进行转向行驶 对安全性要求很高 因此 转向系应准确 快速 平稳地响应驾 驶员的转向指令 转向行使后或受到外界扰动时 在驾驶员松开方向盘的状态下 应保 证汽车自动返回稳定的直线行使状态 本设计以轻型货车为例 通过实际需求选择齿轮 齿条转向系统进行设计 首先根据设计要求选择适宜的转向系性能参数 然后对齿轮齿 条参数进行设计并校核计算 选择齿轮齿条的参数 紧接着对转向梯形结构进行选择 最终对整个货车转向系统进行三维建模并进行装配 关键词 转向系 齿轮齿条 转向梯形 三维建模 金陵科技学院学士学位论文 Abstract IV Truck steering system design Abstract Steering system is one important part of automobile automobile steering system s function is to ensure cars can be conducted in accordance with the will of the driver to drive the security requirement is very high Steering system therefore should be accurate fast and smooth response to the driver s steering commands to after exercise or by external disturbances the driver loosen the steering wheel should guarantee the car automatically return to a stable state of straight line to exercise The design of the light truck as an example through the actual demand to choose pinion and rack steering system design first choose appropriate steering system performance parameters according to the design requirements and then the parameters of design and checking calculation of gear and rack choose the parameters of the gear and rack and then to choose of steering trapezoid structure finally the whole truck steering system for 3 d modeling and assembly Key words Steering system The gear and rack Steering gear 3 d modeling 金陵科技学院学士学位论文 第 1 章 前 言 1 1 前言 1 1 转向系的作用 汽车在行驶过程中 经常需要换车道和转弯 驾驶员通过一套专门的机构汽车转向 系 使汽车改变行驶方向 转向系还可以修正因路面倾斜等原因引起的汽车跑偏 转向 系统不仅关系到汽车行驶的安全 还关系到延长轮胎寿命 降低燃油油耗等 伴随着现 代汽车工业的发展而不断进步 高速公路和高架公路的出现 同向并行车辆的增多和行 驶速度的提高及道路条件的变化 要求更加精确灵活的转向系统 1 2 转向系研究的意义与发展趋势 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 汽车转向系统发展经历 了纯机械式转向系统 液压助力转向系统 电动助力转向系统三个基本发展阶段 线控 转向系统为其发展趋势 齿轮齿条式转向器和循环球式转向器 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 由于齿轮齿条式转向器的种种优点 在小型车上的应用 包括小客车 小型货车或客 货两用车 得到突飞猛进的发展 而大型车辆则以循环球式转向器为主要结构 从发展趋势上看 国外整体式转向器发展较快 而整体式转向器中转阀结构是目前 发展的方向 由于动力转向系统还是新的结构 各国的生产厂家都正在组织力量 大力 开展试验研究工作 提高使用性能 减小总成体积 降低生产成本 保证产品质量稳定 以便逐步推广和普及 随着能源危机的发展 汽车工业首当其冲 其发展方向有很大变化 从汽车设计 制造到各总成部件的生产都随着能源危机的发生而变化 表现在能源消耗 材料消耗 操纵轻便等各个方面 金陵科技学院学士学位论文 第 2 章 汽车转向系统总 述 2 2 汽车转向系统总述 2 1 转向系的组成及各组成部件的功用 汽车转向系由转向操纵机构 包括转向盘 转向轴 转向万向节等 转向器和转向 传动机构 转向摇臂 转向节臂 转向直拉杆 转向节梯形臂 横拉杆等 三部分组成 如图 2 1 所示 2 1 转向系 1 转向盘 2 转向轴 3 转向万向节 4 转向传动轴 5 转向器 6 转向摇臂 7 转向直拉杆 8 转向节臂 9 左转 向节 10 左转向梯形臂 11 转向横拉杆 12 右转向梯形臂 13 右转向节 2 1 1 转向器 转向器作为转向系的重要组成部分 其作用如下 1 增大来自转向盘的转矩 使之达到足以克服转向轮与路面之间的转向阻力矩 2 将与转向传动轴连接在一起的主动齿轮的转动 转换成齿条的直线运动而获得所需要 的位移 3 通过选取不同的螺 蜗 杆上的螺纹螺旋方向 达到使转向盘的转向方向与转向轮转 动方向协调一致的目的 4 增大由转向盘传到转向节的力并改变力的传递方向 获得所要求的摆动速度和角度 2 1 2 转向操纵机构 转向操纵机构包括转向盘 转向轴 转向管柱 有时为了布置方便 减小由于装置 位置误差及部件相对运动所引起的附加载荷 提高汽车正面碰撞的安全性以及便于拆装 在转向轴与转向器的输入端之间安装转向万向节 如图 2 2 采用柔性万向节可减少传至 转向轴上的振动 但柔性万向节如果过软 则会影响转向系的刚度 采用动力转向时 还应有转向动力系统 但对于中级以下的轿车和前轴负荷不超过 3t 的载货汽车 则多数 金陵科技学院学士学位论文 第 2 章 汽车转向系统总 述 3 仅在用机械转向系统而无动力转向装置 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 1 3 转向传动机构 转向传动机构包括转向臂 转向纵拉杆 转向节臂 转向梯形臂以及转向横拉杆等 见图 2 3 转向传动机构用于把转向器输出的力和运动传给左 右转向节并使左 右转向轮按 一定关系进行偏转 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 2 2 转向器的分类 转向器种类较多 较常用的有齿轮齿条式 循环球式 蜗杆曲柄指销式等 其中第 一 第二种较常用 蜗杆曲柄指销式已经逐渐减少 2 2 1 齿轮齿条转向器 齿轮齿条式转向器由与转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿 金陵科技学院学士学位论文 第 2 章 汽车转向系统总 述 4 条组成 与其他形式的转向器比较 齿轮齿条式转向器最主要的优点是 结构简单 紧 凑 壳体采用铝合金或镁合金压铸而成 转向器的质量比较小 传动效率高达 90 齿轮 与齿条之间因磨损出现间隙以后 利用装在齿条背部 靠近主动小齿轮处的压紧力可以 调节的弹簧 能自动消除齿间间隙 这不仅可以提高转向系统的刚度 还可以防止工作 时产生冲击和噪声 转向器占用的体积小 没有转向摇臂和直拉杆 所以转向轮转角可 以增大 制造成本低 齿轮齿条式转向器的主要缺点是 由于逆效率高 汽车在不平路面上行驶时 发生 在转向轮与路面之间冲击力的大部分能传至转向盘 称之为反冲 反冲现象会使驾驶员 精神紧张 并难以准确控制汽车行驶方向 转向盘突然转动又会造成打手 同时对驾驶 员造成伤害 根据输入齿轮位置和输出特点不同 齿轮齿条式转向起有四种形式 中间输入 两 端输出 侧面输入 两端输出 侧面输入 中间输出 侧面输入 一端输出 采用侧面输入 中间输出方案时 与齿条连的左 右拉杆延伸到接近汽车纵向对称 平面附近 由于拉杆长度增加 车轮上 下跳动时拉杆摆角减小 有利于减少车轮上 下跳动时转向系与悬架系的运动干涉 拉杆与齿条用螺栓固定连接 因此 两拉杆那与 齿条同时向左或右移动 为此在转向器壳体上开有轴向的长槽 从而降低了它的强度 采用两端输出方案时 由于转向拉杆长度受到限制 容易与悬架系统导向机构产生 运动干涉 侧面输入 一端输出的齿轮齿条式转向器 常用在平头货车上 容易齿轮齿条式转向器采用直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合 则运转平稳降低 冲击 大 工作噪声增加 此外 齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角只能是直角 因此与总体布 置不适应而遭淘汰 采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条式转向器 重合度增 加 运转平稳 冲击与工作噪声均下降 而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满足 总体设计的要求 因为斜齿工作时有轴向力作用 所以转向器应该采用推力轴承 使轴 承寿命降低 还有斜齿轮的滑磨较大是它的缺点 齿条断面形状有圆形 V 形和 Y 形三种 圆形断面齿条的制作工艺比较简单 V 形和 Y 形断面齿条与圆形断面比较 消耗的材料少 约节省 20 故质量小 位于齿下面的两 斜面与齿条托座接触 可用来防止齿条绕轴线转动 Y 形断面齿条的齿宽可以做得宽些 因而强度得到增加 在齿条与托座之间通常装有用减磨材料 如聚四氟乙烯 做的垫片 以减少滑动摩擦 当车轮跳动 转向或转向器工作时 如在齿条上作用有能使齿条旋转 的力矩时 应选用 V 形和 Y 形断面齿条 用来防止因齿条旋转而破坏齿轮 齿条的齿不 能正确啮合的情况出现 为了防止齿条旋转 也有在转向器壳体上设计导向槽的 槽内嵌装导向块 并将拉 杆 导向块与齿条固定在一起 齿条移动时导向块在导向槽内随之移动 齿条旋转时导 向块可防止齿条旋转 要求这种结构的导向块与导向槽之间的配合要适当 配合过紧会 金陵科技学院学士学位论文 第 2 章 汽车转向系统总 述 5 为转向和转向轮回正带来困难 配合过松齿条仍能旋转 并伴有敲击噪声 根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同 齿轮齿条式转向器在汽车 上有四种布置 形式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 后置梯形 转向器位于前轴前方 前置梯形 齿轮齿条式转向器广泛应用于乘用车上 载质量不大 前轮采用独立悬架的货车和 客车有些也用齿轮齿条式转向器 2 2 2 循环球式转向器 循环球式转向器由螺杆和螺母共同形成的螺旋槽内装钢球构成的传动副 以及螺母 上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成 如图 2 4 2 4 循环球式转向器示意图 循环球式转向器的优点是 在螺杆和螺母之间因为有可以循环流动的钢球 将滑动 摩擦转变为滚动摩擦 因而传动效率可达到 75 85 在结构和工艺上采取措施后 包括 提高制造精度 改善工作表面的表面粗糙度和螺杆 螺母上的螺旋槽经淬火和磨削加工 使之有足够的硬度和耐磨损性能 可保证有足够的使用寿命 转向器的传动比可以变化 工作平稳可靠 齿条和齿扇之间的间隙调整工作容易进行 适合用来做整体式动力转向 器 循环球式转向器的缺点是 逆效率高 结构复杂 制造困难 制造精度要求高 循环球式转向器主要用于商用车上 2 2 3 蜗杆曲柄指销式转向器 蜗杆曲柄指销式转向器的销子若不能自转 称为固定销式蜗杆曲柄指销式转向器 销子除随同摇臂轴转动外 还能绕自身轴线转动的 称为旋转销式转向器 根据销子数 量不同 又有单销和双销之分 蜗杆曲柄指销式转向器的优点是 转向器的传动比可以做成不变的或者变化的 指销 和蜗杆之间的工作面磨损后 调整间隙工作容易 固定销蜗杆曲柄指销式转向器的结构简单 制造容易 但是因销子不能自转 销子 的工作部位基本保持不变 所以磨损快 工作效率低 旋转销式转向器的效率高 磨损 慢 但结构复杂 蜗杆曲柄指销式转向器应有较少 金陵科技学院学士学位论文 第 2 章 汽车转向系统总 述 6 2 3 转向系统设计要求 2 3 1 设计要求 汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构 起作用是使汽车在行驶 过程中能按照驾驶员的操纵要求而适时地改变其行驶方向 并在受到路面传来的偶然冲 击及汽车意外地偏离行驶方向时 能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶 因此 转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性和安全性 一般来说 对转向系统的要求如下 1 合理设置传动比 使操纵轻便 转向系传动比包括转向系的角传动比 方向盘转角与 转向轮转角之比 和转向系的力传动比 在转向盘尺寸和转向轮阻力一定时 角传动比 增加 则转向轻便 转向灵敏度降低 角传动比减小 则转向沉重 转向灵敏度提高 转向角传动比不宜低于 15 16 也不宜过大 通常以转向盘转动圈数和转向轻便性来确定 一般来说 轿车转向盘转动圈数不宜大于 4 圈 对轿车来说 有动力转向时的转向力约 为 20 50N 无动力转向时为 50 100N 3 2 转向轮应具有自动回正能力 转向轮的回正力来源于轮胎的侧偏特性和车轮的定位参 数 汽车的稳定行使 必须保证有合适的前轮定位参数 并注意控制转向系统的内部摩 擦阻力的大小和阻尼值 3 转向杆系和悬架导向机构共同作用时 必须尽量减小其运动干涉 应从设计上保证各 杆系的运动干涉足够小 4 转向器和转向传动机构的球头处 应有消除因磨损而产生的间隙的调整机构以及提高 转向系的可靠性 5 转向轴和转向盘应有使驾驶员在车祸中避免或减轻伤害的防伤机构 6 汽车在作转向运动时 所以车轮应绕同一瞬心旋转 不得有侧滑 同时 转向盘和转 向轮转动方向一致 7 当转向轮受到地面冲击时 转向系统传递到方向盘上的反冲力要尽可能小 8 在任何行使状态下 转向轮不应产生摆振 9 保证轿车有较高的机动性 具有迅速和小转弯行驶能力 机动性是通过汽车的最小转 弯半径来体现的 而最小转弯半径由内转向车轮的极限转角 汽车的轴距 主销偏移距 决定的 一般的极限转角越大 轴距和主销偏移距越小 则最小转弯半径越小 10 合理设计转向梯形 转向时内外车轮间的转角协调关系是通过合理设计转向梯形来 保证的 对于采用齿轮齿条转向器的转向系来说 转向盘与转向轮转角间的协调关系是 通过合理选择小齿轮与齿条的参数 合理布置小齿轮与齿条的相对位置来实现的 而且 前置转向梯形和后置转向梯形恰恰相反 转向系的间隙主要是通过各球头皮碗和转向器 的调隙机构来调整的 合理的选择转向梯形的断开点可以减小转向传动机构与悬架导向 机构的运动干涉 金陵科技学院学士学位论文 第 3 章 转向系主要性能参 数 7 3 转向系主要性能参数 转向系的主要性能参数有转向系的效率 转向系的角传动比与力传动比 转向器传 动副的传动间隙特性 转向系的刚度以及转向盘的总转动圈数 3 1 转向器的效率 功率从转向轴输入 经转向摇臂轴输出所求得的效率称为转向器的正效率 用符 1 P 号表示 反之称为逆效率 用符号表示 正效率计算公式 3 1 p pp 1 21 逆效率计算公式 3 2 p pp 3 23 式中 为作用在转向轴上的功率 为转向器中的磨擦功率 为作用在转向 p1 p2p3 摇臂轴上的功率 正效率高 转向轻便 转向器应具有一定逆效率 以保证转向轮和转向盘的自动返 回能力 但为了减小传至转向盘上的路面冲击力 防止打手 又要求此逆效率尽可能低 影响转向器正效率的因素有转向器的类型 结构特点 结构参数和制造质量等 3 1 1 转向器的正效率 影响转向器正效率的因素有转向器的类型 结构特点 结构参数和制造质量等 1 转向器类型 结构特点与效率 在四种转向器中 齿轮齿条式 循环球式转向器的正效率比较高 而蜗杆指销式特 别是固定销和蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显的低些 同一类型转向器 因结构不同效率也不一样 如蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支持轴 之间的轴承可以选用滚针轴承 圆锥滚子轴承和球轴承 选用滚针轴承时 除滚轮与滚 针之间有摩擦损失外 滚轮侧翼与垫片之间还存在滑动摩擦损失 故这种轴向器的效率 仅有 54 另外两种结构的转向器效率分别为 70 和 75 转向摇臂轴的轴承采用滚针轴承比采用滑动轴承可使正或逆效率提高约 10 2 转向器的结构参数与效率 如果忽略轴承和其经地方的摩擦损失 只考虑啮合副的摩擦损失 对于蜗杆类转向 器 其效率可用下式计算 金陵科技学院学士学位论文 第 3 章 转向系主要性能参 数 8 3 3 tan tan 0 0 a a 式中 为蜗杆 或螺杆 的螺线导程角 为摩擦角 arctanf f 为磨擦因 a0 数 3 1 2 转向器的逆效率 根据逆效率不同 转向器有可逆式 极限可逆式和不可逆式之分 路面作用在车轮上的力 经过转向系可大部分传递到转向盘 这种逆效率较高的转 向器属于可逆式 它能保证转向轮和转向盘自动回正 既可以减轻驾驶员的疲劳 又可 以提高行驶安全性 但是 在不平路面上行驶时 传至转向盘上的车轮冲击力 易使驾 驶员疲劳 影响安全行驾驶 属于可逆式的转向器有齿轮齿条式和循环球式转向器 不可逆式和极限可逆式转向器 不可逆式转向器 是指车轮受到的冲击力不能传到转向盘的转向器 该冲击力转向 传动机构的零件承受 因而这些零件容易损坏 同时 它既不能保证车轮自动回正 驾 驶员又缺乏路面感觉 因此 现代汽车不采用这种转向器 极限可逆式转向器介于可逆式与不可逆式转向器两者之间 在车轮受到冲击力作用 时 此力只有较小一部分传至转向盘 如果忽略轴承和其它地方的磨擦损失 只考虑啮合副的磨擦损失 则逆效率可用下 式计算 3 4 0 0 tan tan a a 式 3 3 和式 3 4 表明 增加导程角 正 逆效率均增大 受增大的影响 a0 不宜取得过大 当导程角小于或等于磨擦角时 逆效率为负值或者为零 此时表明该 a0 转向器是不可逆式转向器 为此 导程角必须大于磨擦角 3 2 传动比的变化特性 3 2 1 转向系传动比 转向系的传动比包括转向系的角传动比和转向系的力传动比 0w i p i 从轮胎接地面中心作用在两个转向轮上的合力 2与作用在转向盘上的手力之F h F 比 称为力传动比 即 2 ph iFF 转向盘角速度与同侧转向节偏转角速度之比 称为转向系角传动比 即 W w k w 0w i 3 5 0 W w kkk wddtd i wddtd 金陵科技学院学士学位论文 第 3 章 转向系主要性能参 数 9 式中 为转向盘转角增量 为转向节转角增量 为时间增量 d k d dt 又由转向器角传动比和转向传动机构角传动比所组成 即 0w i w i w i 3 6 0ww w ii i 转向盘角速度与摇臂轴角速度之比 称为转向器角传动比 即 W w P w w i 3 7 W w PPP wddtd i wddtd 式中 为摇臂轴转角增量 P d 此定义适用于除齿轮齿条式之外的转向器 摇臂轴角速度与同侧转向节偏转角速度之比 称为转向传动机构的角传动比 P w K w 即 w i 3 8 PPP w KKK wddtd i wddtd 3 2 2 力传动比与转向系角传动比的关系 轮胎与地面之间的转向阻力和作用在转向节上的转向阻力矩有如下关系 F r M 3 9 r M F a 式中 为为主销偏移距 指从转向节主销轴线的延长线与支承平面的交点至车轮 a 中心平面与支承平面的交线的距离 作用在转向盘上的手力可用下式表示 h F 3 10 2 h h s M F D 式中 为作用在转向盘上的力矩 为转向盘直径 h M s D 将式 3 9 式 3 10 代入后得到 2 p h F i F 3 11 rs p h M D i M a 分析式 3 11 可知 主销偏移距越小 力传动比越大 转向越轻便 通常乘 a p i 用车的值在 0 4 0 6 倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取 而货车的值在 40 60 aa 范围内选取 转向盘直径对轻便性有影响 选用尺寸小写的转向盘 虽然占用 mm s D 的空间少 但转向时需要对转向盘施以较大的力 而选用尺寸大些的转向盘又会使驾驶 员进出驾驶室时入座困难 根据齿形不同 转向盘直径在的标准系列 s D 380 550mm 内选取 如果忽略摩擦损失 可以用下式表示 2 rh MM 金陵科技学院学士学位论文 第 3 章 转向系主要性能参 数 10 3 12 0 2 r hk Md i Md 将式 3 11 代入式 3 12 后得到 3 13 0 2 s p i D i a 当和不变时 力传动比越大 虽然转向越轻 但也越大 表明转向不灵a s D p i 0 i 敏 3 2 3 转向系的角传动比 0 i 转向传动机构的角传动比 还可以近似地用转向节臂臂长与摇臂臂长 之比来表 2 l 1 l 示 即 3 14 2 1 p k d l i dl 在现代汽车结构中 与 的比值大约在 0 85 1 10 之间 可粗略认为其比值为 2 l 1 l 1 即近似为 1 则 i 3 15 0 p d ii d 由此可见 研究转向系的传动比特性 只需研究转向器的角传动比及其变化规律即 可 3 2 4 转向器角传动比及其变化规律 式 3 13 表明 增大角传动比可以增加力传动比 当转向阻力一定时 增大F 力传动比能减少作用在转向盘上的手力 使操纵轻便 h F 考虑到 由的定义可知 对于一定的转向盘转角 转向轮转角与转向器 0 ii 0 i 角传动比成反比 角传动比增加后 转向轮转角对同一转向盘转角的响应变的迟钝 操 纵时间增长 汽车转向灵敏性降低 所以 轻 和 灵 构成了一队矛盾 为解决这对 矛盾 可采用变传动比转向器 齿轮齿条式 循环球齿条齿扇式 蜗杆滚轮式及蜗杆指销式转向器都可以制成变速 比转向器 对于循环齿条齿扇式转向器的角传动比 因结构原因 螺距 P 不能变化 2 ir P 但可以用改变齿扇啮合半径 r 的方法 达到使循环球齿条齿扇式转向器实现变速比的目 的 对于乘用车 推荐转向器角传动比在范围内选取 对于商用车 在i 17 25 i 范围内选取 23 32 金陵科技学院学士学位论文 第 3 章 转向系主要性能参 数 11 3 3 转向器传动副的传动间隙 传动间隙是指各种转向器中传动副之间的间隙 该间隙随转向盘转角的大小不同而 改变 并把这种变化关系称为转向器传动副传动间隙特性 图 3 1 研究该特性的意义在于它与直线行驶的稳定性和转向器的使用寿命有关 传动副的传动间隙在转向盘处于中间及其附近位置时要极小 最好无间隙 若转向 器传动副存在传动间隙 一旦转向轮受到侧向力作用 车轮将偏离原行驶位置 使汽车 失去稳定 传动副在中间及其附近位置因使用频繁 磨损速度要比两端快 在中间附近位置因 磨损造成的间隙过大时 必须经调整消除该处间隙 为此 传动副传动间隙特性应当设计成图 3 1 所示的逐渐加大的形状 3 1 转向器传动副传动间隙特性 转向器传动副传动间隙特性 图中曲线 1 表明转向器在磨损前的间隙变化特性 曲线 2 表明使用并磨损后的间隙变化特性 并且在中间位置处已出现较大间隙 曲线 3 表明调 整后并消除中间位置处间隙的转向器传动间隙变化特性 3 4 转向盘的总转动圈数 转向盘从一个极端位置转到另一个极端位置时所转过的圈数称为转向盘的总转动 圈数 它与转向轮的最大转角及转向系的角传动比有关 并影响转向的操纵轻便性和灵 敏性 轿车转向盘的总转动阁数较少 一般约在 3 6 圈以内 货车一般不宜超过 6 圈 金陵科技学院学士学位论文 第 4 章 轻型货车转向器设 计 12 4 轻型货车转向器设计 4 1 转向器的方案分析 4 1 1 齿轮齿条式转向器 齿轮齿条式转向器由与转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿 条组成 与其他形式的转向器比较 齿轮齿条式转向器最主要的优点是 结构简单 紧 凑 壳体采用铝合金或镁合金压铸而成 转向器的质量比较小 传动效率高达 90 齿轮 与齿条之间因磨损出现间隙以后 利用装在齿条背部 靠近主动小齿轮处的压紧力可以 调节的弹簧能自动消除齿间间隙 这不仅可以提高转向系统的刚度 还可以防止工作时 产生冲击和噪声 转向器占用的体积小 没有转向摇臂和直拉杆 所以转向轮转角可以 增大 制造成本低 齿轮齿条式转向器的主要缺点是 因逆效率高 汽车在不平路面上行驶时 发生在 转向轮与路面之间冲击力的大部分能传至转向盘 称之为反冲 反冲现象会使驾驶员精 神紧张 并难以准确控制汽车行驶方向 转向盘突然转动又会造成打手 同时对驾驶员 造成伤害 根据输入齿轮位置和输出特点不同 齿轮齿条式转向起有四种形式 如图 4 1 所示 中间输入 两端输出 a 侧面输入 两端输出 b 侧面输入 中间输出 c 侧面输入 一端输出 d 图 4 1 齿轮齿条式转向起有四种形式 采用侧面输入 中间输出方案时 与齿条连的左 右拉杆延伸到接近汽车纵向对称 平面附近 由于拉杆长度增加 车轮上 下跳动时拉杆摆角减小 有利于减少车轮上 下跳动时转向系与悬架系的运动干涉 拉杆与齿条用螺栓固定连接 因此 两拉杆会与 齿条同时向左或右移动 为此在转向器壳体上开有轴向的长槽 从而降低了它的强度 采用两端输出方案时 由于转向拉杆长度受到限制 容易与悬架系统导向机构产生 金陵科技学院学士学位论文 第 4 章 轻型货车转向器设 计 13 运动干涉 侧面输入 一端输出的齿轮齿条式转向器 常用在平头货车上 采用齿轮齿条式转向器采用直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合 则运转平稳降低 冲击 大 工作噪声增加 此外 齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角只能是直角 因此与总体布 置不适应而遭淘汰 采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条式转向器 重合度增 加 运转平稳 冲击与工作噪声均下降 而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满足 总体设计的要求 因为斜齿工作时有轴向力作用 所以转向器应该采用推力轴承 使轴 承寿命降低 还有斜齿轮的滑磨比较大是它的缺点 齿条断面形状有圆形 V 形和 Y 形三种 圆形断面齿条的制作工艺比较简单 V 形和 Y 形断面齿条与圆形断面比较 消耗的材料少 约节省 20 故质量小 位于齿下面的两 斜面与齿条托座接触 可用来防止齿条绕轴线转动 Y 形断面齿条的齿宽可以做得宽些 因而强度得到增加 在齿条与托座之间通常装有用减磨材料做的垫片 以减少滑动摩擦 当车轮跳动 转向或转向器工作时 如在齿条上作用有能使齿条旋转的力矩时 应选用 V 形和 Y 形断面齿条 用来防止因齿条旋转而破坏齿轮 齿条的齿不能正确啮合的情况出 现 为了防止齿条旋转 也有在转向器壳体上设计导向槽的 槽内嵌装导向块 并将拉 杆 导向块与齿条固定在一起 齿条移动时导向块在导向槽内随之移动 齿条旋转时导 向块可防止齿条旋转 要求这种结构的导向块与导向槽之间的配合要适当 配合过紧会 为转向和转向轮回正带来困难 配合过松齿条仍能旋转 并伴有敲击噪声 根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同 齿轮齿条式转向器在汽车 上有四种布置 形式转向器位于前轴后方 后置梯形 a 转向器位于前轴后方 前置梯 形 b 转向器位于前轴前方 后置梯形 c 转向器位于前轴前方 前置梯形 d 金陵科技学院学士学位论文 第 4 章 轻型货车转向器设 计 14 图 4 2 齿轮齿条式转向器在汽车上有四种布置 齿轮齿条式转向器广泛应用于乘用车上 车载质量不大 前轮采用独立悬架的货车 和客车有些也用齿轮齿条式转向器 4 1 2 其他转向器 有循环球式转向器 蜗杆曲柄指销式转向器等 循环球式转向器的主要缺点是 逆效率高 结构复杂 制造困难 制造精度要求高 循环球式转向器主要用于商用车上 固定销蜗杆曲柄指销式转向器的结构简单 制造容易 但是因销子不能自转 销子的 工作部位基本保持不变 所以磨损快 工作效率低 旋转销式转向器的效率高 磨损慢 但结构复杂 所以我的设计选用齿轮齿条式转向器为动力转向装置 4 1 3 齿轮齿条式转向器工作原理及布置 结构形式的选择 图 4 3 齿轮齿条式转向器转向原理简图 金陵科技学院学士学位论文 第 4 章 轻型货车转向器设 计 15 图 4 4 采用如图所示的布置形式 图 4 5 采用如图所示的侧面输入两端输出的结构形式 4 2 转向器设计与计算 4 2 1 初选设计数据 初选设计数据如下 表 4 1 初选数据 轮距 前 后 1412 1366mm 轴距 2500mm 满载轴荷分配 前 后 1130 1710kg 总质量ma 2840kg 轮胎 6 00 14 10RP 主销偏移距 a 50mm 轮胎压力 p 0 5Mpa 方向盘直径 SW D 400mm 最小转弯半径 14m 转向节臂 200mm 两主销延长线至地面交点间的距离1060mm 转向摇臂180mm 金陵科技学院学士学位论文 第 4 章 轻型货车转向器设 计 16 4 2 2 转向轮侧偏角计算 sin 0 375 4 1 20 9 tan 0 48757 4 2 60 8 4 2 3 转向器参数选取 齿轮齿条转向器的齿轮多采用斜齿轮 齿轮模数在之间 主动小齿轮齿数在 2 3mm 5 7 之间 压力角一般为 20 螺旋角在 9 15 之间 故取小齿轮 7 1 z 12 右旋 压力角 精度等级 8 级 2 5 n m 20 转向节原地转向阻力矩 MR 384546 23 金陵科技学院学士学位论文 第 4 章 轻型货车转向器设 计 17 4 3 方向盘转动圈数 n 5 67 4 4 角传动比 24 984 4 5 故初选角传动比值符合要求 方向盘的手力 87 N 4 6 其中 L1为转向摇臂长 L2转向节臂长 DSW转向盘直径 为转向器效率 作用在转向盘上的操纵载荷 对轿车该力不应超过 150 200N 对货车不应超过 500N 所以符合设计要求 17400 N mm 4 7 力传动比 176 8 4 8 取齿宽系数 1 2 d 17 89096 mm 4 9 齿条宽度 1 217 89096 21 469 mm 取整 22 mm 则取齿轮齿宽 10 32mm 4 2 4 选择齿轮齿条材料 小齿轮 齿轮通常选用国内常用 性能优良的 20CrMnTi 合金钢 热处理采用表面渗 碳淬火工艺 齿面硬度为 HRc58 63 而齿条选用与 20CrMnTi 具有较好匹配性的 40Cr 作 为啮合副 齿条热处理采用高频淬火工艺 表面硬度 HRc50 56 金陵科技学院学士学位论文 第 4 章 轻型货车转向器设 计 18 4 2 5 强度校核 1 校核齿轮接触疲劳强度 选取参数 按 ME 级质量要求取值 lim1 1500 H MPa lim2 650 H MPa lim1 1 5 H S lim2 1 3 H S 12 1 NN ZZ 故以 计算 lim2lim1HH lim2H Hp 4 10 lim22 lim2 650 1 500 1 3 HN HP H Z MPa S 查得 1 35 A K 1 05 V K 1 1K 1 1K 1 7152 AV KK K K K 则 2 46 H Z 189 8 E Z 0 92Z 10 cos0 99Z 12 5k 4 11 1 2 1 21 483 44 HHEHp KTu Z Z Z ZMPa bd ku 齿轮接触疲劳强度合格 2 校核齿轮弯曲疲劳强度 选取参数 按 ME 级质量要求取值 lim1 500 F MPa lim2 280 F MPa lim1 2 2 F S lim2 1 5 F S 12 1 NN YY 2 0 ST Y 故以 计算 lim2lim1FF lim2F Fp 4 12 lim2 2 lim2 280 2 1373 33 1 5 FST FpN F Y YMPa S 据齿数查表有 则 3 69 Fa Y 1 41 sa Y 0 7Y 0 9Y 4 13 1 11 1 2 283 723 FFasaFp n KT YY Y YMPa bd m 齿轮弯曲疲劳强度合格 4 2 6 齿轮齿条的基本参数如下表所示 表 4 2 名称符号公式齿轮齿条 齿数zz 731 金陵科技学院学士学位论文 第 4 章 轻型货车转向器设 计 19 分度圆直径d cos n m z d 17 89 变位系数 n x 1 齿顶高 a h aannn hhx m 52 5 齿根高 f h fannnn hhxcm 0 6253 125 齿顶圆直径 a d aa hdd2 27 89 齿根圆直径 f d ff hdd2 16 64 齿轮中圆直径 m d2 mnn ddx m 22 89 螺旋角 12 齿宽b 1 db d 3222 金陵科技学院学士学位论文 第 5 章 转向梯形机 构 20 5 转向梯形机构 5 1 转向梯形结构方案分析 5 1 1 整体式转向梯形 整体式转向梯形是由转向横拉杆 1 转向梯形臂 2 和汽车前轴 3 组成 如下图所示 其中梯形臂呈收缩状向后延伸 这种方案的优点是结构简单 调整前束容易 制造 成本低 主要缺点是一侧转向轮上 下跳动时 会影响另一侧转向轮 当汽车前悬架采用非独立式悬架时 应当采用整体式转向梯形 整体式转向梯形的 横拉杆可位于前轴后或者前轴前 称为前置梯形 对于发动机位置低或前轮驱动汽车 常采用前置梯形 前置梯形的梯形臂必须向前外侧方向延伸 因而会与车轮或制动底版 发生干涉 所以在布置上有困难 为了保护横拉杆免遭路面不平物的损伤 横拉杆的位 置应尽可能布置得高些 至少不低于前轴高度 图 5 1 整体式转向梯形 1 转向横拉杆 2 转向梯形臂 3 前轴 5 1 2 断开式转向梯形 转向梯形的横拉杆做成断开的 称之为断开式转向梯形 断开式转向梯形的主要优 点是它与前轮采用独立悬架相配合 能够保证一侧车轮上 下跳动时 不会影响另一侧 车轮 与整体式转向梯形比较 由于其杆系 球头增多 所以结构复杂 制造成本高 并且调整前束比较困难 横拉杆上断开点的位置与独立悬架形式有关 采用双横臂独立悬架 常用图解法 基于三心定理 确定断开点的位置 其求法如下 1 延长与 交于立柱 AB 的瞬心 P 点 由 P 点作直线 PS S 点为转向节臂 BKBAKA 金陵科技学院学士学位论文 第 5 章 转向梯形机 构 21 球销中心在悬架杆件 双横臂 所在平面上的投影 当悬架摇臂的轴线斜置时 应以垂直 于摇臂轴的平面作为当量平面进行投影和运动分析 2 延长直线 AB 与 交于点 连直线 BAK K AB Q AB PQ 3 连接 S 和 B 点 延长直线 SB 4 作直线 使直线与间夹角等于直线与 PS 间的夹角 当 S 点 BS PQ AB PQ BS PQ A PK 低于 A 点时 线应低于线 BS PQ AB PQ 5 延长 PS 与 相交于 D 点 此 D 点便是横拉杆铰接点 断开点 的理想的位 BBSK Q 置 图 5 2 断开式转向梯形 以上是在前轮没有转向的情况下 确定断开点 D 位置的方法 此外 还要对车轮向 左转和向右转的几种不同的工况进行校核 图解方法同上 但 S 点的位置变了 当车轮 转向时 可认为 S 点沿垂直于主销中心线 AB 的平面上画弧 不计主销后倾角 如果用 这种方法所得到的横拉杆长度在不同转角下都相同或十分接近 则不仅在汽车直线行驶 时 而且在转向时 车轮的跳动都不会对转向产生影响 双横臂互相平行的悬架能满足 此要求 见图 5 3 a 和 c 金陵科技学院学士学位论文 第 5 章 转向梯形机 构 22 图 5 3 断开点的确定 5 2 转向梯形优化设计 汽车转向行驶时 理论上转向轴的两个转向前轮都应该是绕着位于后轴延长线上的 某一点作纯滚动 但实际可能因为胎压 轮胎变形等因素的影响 所有车轮并不是某一 点作纯滚动 如图 5 4 所示 设 o i分别为转向轴内 外车轮转角 L 为汽车的 轴距 K 为两主销中心的水平距离 若要使汽车转弯行驶时达到上述的理论要求 转向梯 形机构就必须得让内 外转向车轮的转角必须满足下面的公式 5 1 L K io cotcot 图 5 4 理想的内 外车轮转角关系简图 若自变角为 o 则因变角 i 的期望值为 5 2 cot cot 0 LKarcf oi 因实际情况并不能完全满足理想情况 所以通过数学手段 利用余弦定理可推得转 向梯形所给出的实际因变角为 i cos 21 2cos cos cos2 arccos cos 21 sin arcsin 0 2 0 0 2 0 m K m K m K m K m K i 5 3 式中 m 为梯形臂的长度 为梯形底边的张角 显然 在设计中 要使实际因变角尽可能接近理论值 即使有偏差 也要求在 i i 金陵科技学院学士学位论文 第 5 章 转向梯形机 构 23 最常使用的中间位置附近小角范围内应尽量小 因为中间位置最常用 而两边最大转角 可适当放宽要求 所以为了便于设计 我们引入加权因子 构成评价设计优劣的 0 目标函数为 xf 5 100 1 max oi oiOi o o oi xf 4 由以上可得 5 100 cotcot cos 21 2cos cos cos2 arccos cotcot cos 21 sin arcsin 0 2 0 0 2 0 1 max L K arc m K m K m K L K arc m K m K xf oi i oi i i oi o oi 5 式中 x 为设计变量 x o max 为外转向车轮最大转角 由图 5 4 得 5 a D L 2 arcsin min maxo 6 式中 Dmin 为汽车最小转弯直径 a 为主销偏移距 考虑到多数使用工况下转角 o 都小于 20 且 10 以内的小转角使用得更加频繁 因 此取 5 max 205 0 20100 1 1005 1 oo o o o 7 建立约束条件时应考虑到 设计变量 m 不能过大也不能过小 过小 横拉杆上所受 金陵科技学院学士学位论文 第 5 章 转向梯形机 构 24 到的力变大 威胁结构安全 m 过大 体积变大 布置困难 另外 也不能太小 太小 结构承受力越大 同样不利于结构安全 故对 m 和 r 的限制条件为 5 min maxmim mmm 8 根据经验 梯形臂长度 m 最小时 mmin 0 11K 最大时 mmax 0 15K 梯形底角 min 70 此外 由机械原理得知 四连杆机构的传动角 也不宜过小 通常取 min 40 如图 5 4 所示 利用余弦定理及参考所作的辅助线 可推出最小传动角约束条件为 5 9 0 2 cos cos cos cos cos2cos min maxmin K m o 式中 min为最小传动角 等于 40 且 所以可得 min为设计变量 a D L o 2 arcsin min max m 及 的函数 由式 5 6 式 5 7 式 5 8 和式 5 9 四项约束条件可得到可行域 有如 图 5 5 所示的几种情况 其中 b 图适用于要求 min较大 而 min可小些的车型 c 图适用于要求 min较大 而 min小些的车型 a 图适用介前面两者之间要求的车型 图 5 5 转向梯形机构优化设计的可行域 金陵科技学院学士学位论文 第 6 章 三维建 模 25 6 三维建模 6 1 Pro E 介绍及主要特性 Pro Engineer 操作软件是美国参数技术公司 PTC 旗下的 CAD CAM CAE 一体化的三 维软件 Pro Engineer 软件以参数化著称 是参数化技术的最早应用者 在目前的三维 造型软件领域中占有着重要地位 Pro Engineer 作为当今世界机械 CAD CAE CAM 领域的 新标准而得到业界的认可和推广 是现今主流的 CAD CAM CAE 软件之一 特别是在国内 产品设计领域占据重要位置 Pro E 第一个提出了参数化设计的概念 并且采用了单一数据库来解决特征的相关性 问题 另外 它采用模块化方式 用户可以根据自身的需要进行选择 而不必安装所