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毕业设计（论文）任务书 学生姓名 董雷 系部 汽车工程系 专业、班级 07导教师姓名 王悦新 职称 实验师 从事 专业 汽车工程 是否外聘 是 否 题目名称 汽车齿轮齿条式转向 器 设计 一、 设计（论文）目的、意义 （一）、研究现状 几十年来，各种汽车都使用循环球式转向器。由于这种转向器是滚动摩擦形式，因而正传动效率很高，操作方便且使用寿命长，而且承载能力大，广泛应用于载货车上。 从 70 年代起轿车兴起了齿轮齿条转向器，这种转向机构由方向盘、转向轴、万向节、转动轴、转向器、转向传动杆和转向轮 等组成。方向盘操纵转向器内的齿轮传动，齿轮与齿条紧密啮合，推动齿条左移动或右移动，带动转向轮摆动，从而改变轿车行驶的方向。这种转向机构与循环球式等其它类型的转向机构比较，省略了转向摇臂和转向主拉杆，具有构件简单，传动效率高的优点。而且它的逆传动效率也高，在车辆行驶时可以保证偏转车轮的自动回正，驾驶者的路感性强。 在现代汽车上，转向系统是必不可少的最基本的系统之一，也是决定汽车主动安全性的关键总成，汽车的转向特性，保持汽车具备较好的操纵性能，始终是汽车检测技术当中的一个重要课题。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，汽车转向系的设计工作显得尤为重要。 通过对汽车转向系的设计可以使学生掌握汽车转向系设计的原则和方法。培养理论联系实际的技能。设计与专业关系紧密，可综合利用所学的专业课有汽车构造、汽车设计、机械设计、工程材料和 图等知识。 二、设计（论文）内容、技术要求（研究方法） 1、熟悉 件 2、针对机械杆件机构原理进行分析研究 三、设计（论文）完成后应提交的成果 装配图，零件图，设计说明书 四、设计（论文） 进度安排 （ 1） 熟悉任务书，了 解相关信息，准备资料，填写开题报告：第 12 周 （ 2） 总体构造研究 ：第 36 周 （ 3） 着手画装配图：第 79 周 （ 4） 画零件图：第 1013 周 （ 5） 校核 ：第 14 周 （ 6） 毕业论文总结、评阅、审核及修改不足：第 1516 周 （ 7）为毕业论文答辩做准备及答辩：第 17 周 五、主要参考资料 1刘惟信 M 华大学出版社， 2001. 2王望予 M 械工业出版社， 2006. 3陈家瑞 M 2005. 4中国机械工程学会 ,中国 机械设计大典编委会 M 2002. 5董丽霞 ,张平 M 2003. 6张金柱 ,韩玉敏 ,石美玉 M 2005. 7李建成 M 械工业出版社， 2003. 8杜浩 M 防工业出版社， 2006. 9 王三民 ,诸文俊 M 2002 . 六、备注 指导教师签字： 年 月 日 教研室主任签字： 年 月 日 提交毕业设计（论文）电子板规范 1、 提交毕业 设计 的学生需要提交： 3. 过程材料； 2、 提交毕业 论文 电子板的学生学要提交： 3、 将所有需上缴材料统一放 进一个文件夹，文件名为： 车辆工程 1 0000 张三 S 专业 年级 班级 后四位 学号 学生姓名 毕业设计（论文） 类型 （设计 ） 4、 文件夹内的每一个文件 或 文件 夹 名为： 张三 设计说明书 学生姓名 文件或文件夹名 汽车 与交通工程学院 2010黑龙江工程学院本科毕业生设计 I 本科学生毕业设计 汽车齿轮齿条式转向器设计 院 系 名称 ： 汽车与交通工程学院 专业班级 ： 车辆工程 学生姓名 ： 指导教师 ： 职 称 ： 实验师 黑 龙 江 工 程 学 院 二一一年六月 黑龙江工程学院本科毕业生设计 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，齿轮齿条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。 本次设计主要对一汽佳宝的转向器进行设计。首先对转向器进行了结构上的设计，此转向器选用的是侧面输入，两端输出的齿轮齿条式转向器。其优点为：结构简单、紧凑；壳体由铝合金或镁合金压铸而成，故质量比较小；传动效率高达 90%；齿轮齿条之间因磨损出现间隙后，可利用装在齿条背部、靠近小齿轮的压紧力可以调节的弹簧自动消除齿间间隙，在提高系统刚度的同时也可 防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用体积小；没有转向摇臂和 直 拉杆，可以增大转向轮转角；制造成本低。 关键词 ：转向器； 弹簧 ； 横拉杆 ；设计；校核 黑龙江工程学院本科毕业生设计 is of of of is is by In in to is s is is by or So is 0%. If It be by is of to be s it no be is 黑龙江工程学院本科毕业生设计 目 录 摘要 . . 1 章 绪论 . 题的目的 . 向器国内外研究现状 . 向器发展趋势 . 车转向技术的发展趋势 . 车转向装置的设计趋势 . 向器概述 . 车转向基本要求及其关键技术 . 轮转向及其实现技术 . 轮转向及其实现技术 . 计的预期成果 . 第 2 章 设计方案的选择 . 向器类型的选择 . 轮齿条式转向器布置和结构形式的选择 . 章小结 . 第 3 章 齿轮齿条式转向器的设计和计算 . 向系计算载荷的确定 . 算汽车的原地转向阻力矩 . 向器角传动比的计算 . 用在转向盘上的手力的计算 . 形臂长度 计算 . 胎直径 . 向横拉杆直径 d 的计算 . 轮齿条式转向器的设计 . 黑龙江工程学院本科毕业生设计 轮齿条式转向器的设计要求 . 轮齿条转向器的主要部件 . 轮齿条式转向器的材料选择及强度校核 . 轮齿条的基本参数 . 章小结 . 第 4 章 齿轮轴的结 构设计 . 轮齿条式转向器的受力分析与计算 . 轮轴的设计计算 . 轮轴的强度校核 . 章小结 . 第 5 章 转向器间隙调整弹簧的设计计算 . 择材料 . 算弹簧丝直径 d . 算弹簧圈 数和弹簧的自由高度 . 定性验算 . 查 及 1 . 何参数和结构尺寸的确定 . 簧 工作图 . 章小结 . 第 6 章 轴承、润滑方式和密封类型的选择 . 承的选择 . 滑方式的确定 . 封结构的确定 . 章小结 . 结论 . 参考文献 . 致谢 . 黑龙江工程学院本科毕业生设计 第 1 章 绪论 改革开放以来，我国汽车工业发展迅猛。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。 题的目的 在现代汽车上，转向系统是必不可少的最基本的系统之一，也是决定汽车主动安全性的关键总成，汽车的转向特性，保持汽车 具备较好的操纵性能，始终是汽车检测技术当中的一个重要课题。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，汽车转向系的设计工作显得尤为重要。 向器国内外研究现状 从世界第一辆汽车问世至今，汽车工业已经经历了百年历程。现代的汽车与发展初期相比，广泛地应用了各种高新技术，并且还在发生更深刻的变革。转向系统作为汽车底盘中的独立分系统 ，在汽车技术发展的过程中也经历了深刻的变革。转向技术的发展基本上经历了机械转向、液压（气压）动力转向、电子控制液压动力转向、电动转向、电子线控转向和主动转向几个阶段 。 汽车转向系是保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶中，保证各转向轮之间有协调的转角关系。保证汽车在行驶中能按驾驶员的操纵要求，适时地改变行驶方向，并能在受到路面干扰偏离行驶方向时，与行驶系配合，共同保持汽车稳定地直线行驶。转向系对汽车行驶的操纵性、稳定性和安全性都具有重要的意义。 改革开放以来，我国汽车工业发展迅猛。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，都已发展成大规模的生产的专业厂，年产超够百万台， 垄断了转向器的生产，并且销售点遍布了全世界。从操纵轻便性、稳定性及安全性行驶的角度，汽车制造广泛使用更先进的工艺方法，使用变速比转向器、高刚性转向器。“变速比和高刚性”是目前世界上生产的转向器结构的方向 几十年来，各种汽车都使用循环球式转向器。由于这种转向器是滚动摩擦形式，因而正传动效率很高，操作方便且使用寿命长，而且承载能力大，广泛应用于载货车上。 黑龙江工程学院本科毕业生设计 随着上世纪五十年代起，液压动力转向系统在汽车上的应用，标志着转向系统革命的开始。汽车转向动力的来源由以前的人力转变人力加液压助力。液压助力系统 转向系统的基本上增加了一个液压系统而成。由于工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。 从 70年代起轿车兴起了齿轮齿条转向器，这种转向机构由方向盘、转向轴、万向节、转动轴、转向器、转向传动杆和转向轮等组成。方向盘操纵转向器内的齿轮传动，齿轮与齿条紧密啮合，推动齿条左移动或右移动，带动转向轮摆动，从而改变轿车行驶的方向。这种转向机构与循环球式等其它类型的转向机构比较，省略了转向摇臂和转向主拉杆，具有构件简单，传动效率高的优点。而且它的逆传动效率也高，在车辆行驶时可以保证偏转车轮的自动回正，驾驶者的路感性强。 近年来，随着电子技术在汽车中的广泛应用，转向系统中也越来越多地采用电子器件。但目前电子转向系统由于自身成本等因素的制约，很难在价格低廉的家用轿车上得到普及，而且电子转向系统的安全可靠性相对较差，目前欧洲汽车法规中要求驾驶员与转向车轮之间必须有机械连接，电子转向系还不允许在欧洲上市。 2007年中国汽车销售 2008 年中国汽车销售 938万辆， 2009年预计增长 达到 1019 万辆。汽车产销量的逐步增长为汽车转向机市场提供了一个较大的发展空间， 2008 年市场对转向机行业需求有所减缓，在需 求增长有所减缓的现状下，产能扩张的势头并没有得到较好的控制。产能过剩、重复建设不仅导致生产与消费的失衡，而且还引发了转向机行业内的一系列恶性价格竞争，影响了转向机行业业的盈利能力。中国转向机行业市场现状，为外资企业入驻中国创造了条件，国际许多转向机行业企业已经看中在中国低成本拓展市场的机会，随着外资投入逐步加大，中国国内企业改革重组迅速加快。同时新的行业制度等政策的颁布和实施将促使我国转向机行业洗牌，企业兼并重组将在政策的促使下大力发展。 据了解，在世界范围内，汽车循环球式转换器占 45%左右，齿轮齿条式转 换器占40%左右，涡杆滚轮式转换器占 10%左右，其他型式的转换器占 5%。循环球式转换器一直在稳步发展。在西欧小客车中，齿轮齿条式转换器有很大的发展。日本汽车转向器的特点是循环球式转换器占得比重越来越大，日本装备不同类型发动机的类型汽车，采用不同类型转向器，在公共汽车中使用的循环球式转换器，已由 60 年代的 发展到现今的 100%了，大、小型货车大都循环球式转换器，但齿轮齿条式转换器也有所发展。微型货车用循环球式转换器占 65%，齿轮齿条式占 35%。 黑龙江工程学院本科毕业生设计 向器发展趋势 车转向技术的发展趋 势 (1)新型转向机构的研究与应用 : 围绕减小转向机构的误差、优化转向机构的设计、减轻转向机构的磨损、提高转向机构的效率等方面开展工作，加强新型转向机构的研究与应用已成为生产企业和科研单位的追求的目标。 (2)动力转向技术的推广 : 为减轻驾驶员疲劳，提高操纵轻便性和稳定性，动力转向系统的应用日益广泛，不仅在重型汽车上必须采用，在高级轿车上应用较多，而且在中型汽车上也已逐渐推广。 (3)考虑主动安全性的转向技术 : 从操纵轻便性、稳定性和安全行驶的角度，广泛使用更先进的工艺方法制造、使用变速比转向器、高刚 性转向器，采用防碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊等，并逐步推广。新时代下的汽车转向装置设计充分考虑了驾乘的舒适性和安全性，诸如 4力转向技术的应用等等。 (4)先进电子技术和控制技术在转向系统中的应用 : 随着传感技术、控制技术的不断发展及在汽车中的应用，可以从多方面改善转向系统的各种性能，诸如汽车的低速行驶轻便性、汽车的稳态转向特性、汽车的回正能力、转向盘中间位置操纵稳定性、前轮的摆振等等。 车转向装置的设计趋势 (1)适应汽车高速行驶的需要 1 从操纵轻便性 ，稳定性及安全行驶的角度，汽车制造厂广泛使用更先进的工艺方法，使用变速比转向器、高刚性转向器。“高速比和高刚性”是目前世界上生产的转向器结构的方向。 (2)充分考虑安全性、轻便性 : 随着汽车车速的提高，驾驶员和乘客的安全非常重要，目前国内外在许多汽车上已普遍增设能力吸收装置，如防碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊等，并逐步推广。从人类工程学的角度考虑操纵的轻便性，一逐步采用可调整的转向管柱和动力转向系统。 (3)低成本、低耗能、大批专业化生产 : 黑龙江工程学院本科毕业生设计 随着国际经济形势的恶化，石油危机造成经济衰退，汽车生产愈来愈重视 经济性，因此。要设计低成本、低耗能的汽车和低成本、合理化生产线，尽量实现大批专业化生产。对零部件生产，特别是转向器的生产，更表现突出。 (4)汽车转向器装置的电脑化 : 未来汽车的转向器装置，必定是以电脑化为唯一的发展途径。 向器概述 车转向基本要求及其关键技术 为使汽车实现车轮无侧滑的转向，车轮的偏转必须满足阿克曼特性，即在汽车前轮定位角都等于零、行走系统为刚性、汽车行驶过程中无侧向力的前提下，整个转向过程中全部车轮必须围绕同一瞬时中心相对于地面作圆周滚动，例如对于图 示两轮转向情 况，前内轮转角 a 之间应满足如下阿克曼转向特性公式： (图 阿克曼两轮转向要求 车轮的偏转是通过转向机构带动的。对于两轮转向汽车，为减小车轮侧滑，转向机构应使两前轮偏转角在整个转向过程中始终尽可能精确地满足式 (系。因此从运动学角度来看，两轮转向机构的设计涉及到的关键技术主要是： (1)机构的形式设计，即确定能满足转向传动功能要求的机构结构组成； (2)机构的尺度设计，即确定能近似再现式 (系的机构运动尺寸。从系统和机构学角度来看，转向系统的组成及其相互关系可用框图 示，其中转向机构是该系统的执行机构。 图 转向传动系统的组成 转向操纵机 构 转向器 辅助动力 转向机构 黑龙江工程学院本科毕业生设计 轮转向及其实现技术 5 两百年前在汽车刚刚诞生的初期，其转向操纵是仿照马车和自行车的转向方式，即用一个操纵杆或手柄直接使前轮偏转。 1817 年，德国人林肯斯潘杰 (明了转向梯形机构，并将在英国获得的专利权转让给了阿克曼 (现在人们常将转向梯形的特性关系式 (为阿克曼公式。 1857年，英国的达吉恩蒸汽汽车 (首次采用方向盘的机动车辆。 1872年苏格兰的查理士鲁道夫 (一个把方向盘装到煤气发动机车辆上。 1886年，英国的弗雷德里克斯特里克兰 (汽车制造商德雷克 (A J 船用转向柱和方向盘技术应用到新式戴姆勒弗顿(篷车上。 1890年戴姆勒帕利生 (成转向柱与方向盘倾斜的第一辆汽车。 进入 20世纪后，相关科技的进步带动了汽车设计技术与汽车工业的迅速发展，但对于转向传动系统的研究主要集中在转向器的型式和转向执行机构的尺寸优化设计等方面，而在两轮转向原理以及两轮偏转联动实现方式等方面并未有新的突破。 (1)与非独立悬架配用的转向机构 1)转向梯形后置，转向直拉杆纵置 ： 如图 1.3(a)所示，在前桥仅为转向桥时，由转向横拉杆 5 和左、右转向梯形臂 4组成的转向梯形一 般布置在前桥之后，以避免其在转向过程中与车轮发生干涉。解放风 (a) (b) (c) 图 与非独立悬架配用的转向机构 1 转向摇臂 2 转向直拉杆 3 转向节臂 4 梯形臂 5 转向横拉杆 2)转向梯形前置，转向直拉杆纵置 ： 在发动机较低或转向桥兼驱动桥的情况下，为避免干涉，往往将转向梯形布置在前桥之前，如图 b)所示。 3)转向梯形前置，转向直拉杆横置 ： 黑龙江工程学院本科毕业生设计 如图 1.3(c)所示，若转向摇臂 1不是在汽车纵向平面内前后摆动，而是在与道路平行的平面内左右摆动（如北京 汽车），则可将转向直拉杆 2 横置，并借球头销直接带动转向横拉杆 5，从而使两侧梯形臂转动。 (2)与独立悬架配用的转向机构 图 向器配用的转向机构，转向摇臂 1 为主动件，绕固定铰点作往复摆动。其中图 1.4(a)中两根转向横拉杆 3、 4 布置在车轴的后方，形成两段式结构，如红旗 轿车即采用了这种转向机构 ；图 1.4(b)中两根转向横拉杆 3、 4布置在车轴的前方，和转向直拉杆 2一起构成三段式的前置梯形结构，丰 田海艾斯轿车转向机构就采用这种布置形式。 (a) (b) 图 与循环球式转向器配用的转向机构 1 转向摇臂 2 转向直拉杆 3 左转向横拉杆 4 右转向横拉杆 5 左梯形臂 6 右梯形臂 7 摇杆 8 悬架左摆臂 9 悬架右摆臂 (a) (b) 图 与齿轮齿条式转向器配用的转向机构 图 向器配用的转向机构两种布置形式，其中图 1.5(a)中转向器位于前轴后方，前置梯形，应用实例为奥迪 100轿车；图 1.5(b)转向器位于前轴前方，前置梯形，在 前面所列仅为转向器和转向梯形机构结合的基本形式，实际使用中尚有许多情况，限于篇幅，在此不一一列出。 (1)汽车两轮转向技术虽经历了近两百年的发展，但仍存在如下主要问题： 黑龙江工程学院本科毕业生设计 两轮转向汽车在转弯时，现 有各类转向机构均不能保证全部车轮绕瞬时中心转动，从而在技术上难以完全消除车辆行驶中的车轮侧滑。 (2)独立悬架汽车中的转向梯形断开点难以确定，这将导致了横拉杆与悬架导向机构之间运动不协调，使汽车在行驶中易发生摆振，从而加剧轮胎磨损，转向性能随车 速、转向角、路面状态的变化而变化，车速越高，操纵稳定性越差。 (3)在采用两轮转向方式时转弯半径较大，汽车的机动灵活性不高。随着电子技术的不断发展及在汽车中的应用，可以从多方面改善转向系统的各种性能，但这种改善往往是局部的和微小的。基于两轮转向方式的汽车转向技术发展 至今，应该说已经到了一个顶峰，就目前的技术和经济性而言，两轮转向在性能上难以再有突破性进展。 轮转向及其实现技术 鉴于两轮转向方式存在的诸多不足，日本于 20 世纪 60 年代首先提出通过四轮转向方式来提高汽车的操纵稳定性，到 20世纪 80年代末，四轮转向系统得到实际应用。1990年，本田、马自达、尼桑三家汽车公司首先在部分轿车上推出了四轮转向系统。1991年，美国克莱斯勒和日本的三菱也推出了四轮转向车型。 所谓四轮转向，是指车辆行驶过程中四个车轮能同时发生偏转的转向 方式。其中后轮偏转角一般不超过 5。根据转向时前、后轮偏转方向的异同分为同向偏转及逆向偏转两类。对于行驶中的四轮汽车，当采用同向偏转时，车身的动态偏转减小，从而可显著提高汽车高速行驶稳定性；当采用逆向偏转时，则可显著减小汽车转弯半径，如图 示，由此增加了低速行驶的灵活性，有利于汽车的转向调头。因此采用四轮转向方式时，在一定程度上提高了横摆角速度和侧向加速度的瞬态响应性能指标，如图 以四轮转向方式具有转向能力强、转向响应快、直线行驶稳定性高、低速机动性好等优点。 图 2 图 2 黑龙江工程学院本科毕业生设计 转向的关键是如何将转向盘的转动量传递给前后转向轮，并为转向轮提供动力使其发生协调、联动偏转。本文根据转向盘转动量传递途径以及转向轮动力来源的不同，对四轮转向系统作如下的分类： (1)集中驱动四轮转向系统 : 当用机械传动链将转向盘的转动量分别传递给前后轮转向机构，从而在前后转向轮偏转量与转向盘的转动量之间形成确定的机械联系时，即属集中驱动四轮转向系统。其结构框图如图 示，其中前后转向轮偏 转的驱动动力来自于转向盘以及由液压系统等提供的辅助动力。 图 中驱动四轮转向系统结构框图 此类集中驱动转向系统可进一步分为机械式和机电控制式两种，其差异主要在后轮偏转方向的操纵方式上。机械式集中驱动四轮转向系统没有图 的电子控制单元虚框，前后轮的偏转方向和偏转角大小均由转向盘操纵，并通过机械传动链获得确定的协调关系。这种四轮转向系统结构简单，转向特性固定，与车速无关。对于机电控制式集中驱动四轮转向系统，后轮偏转角大小由转向盘操纵，而后轮偏转方向则根据传感器获取的前轮偏转方向与角度以及车速信息由控制单元确定。集中驱动四轮转向系统的制造成本较低，但当传动链零件磨损后不能精确保证前后轮转角大小关系。 (2)分散驱动四轮转向系统 : 图 散驱动四轮转向系统结构框图 在图 示分散驱动四轮转向系统中，前轮转向动力由转向盘直接提供，前转向轮偏转方向及偏转量与转向盘转动量之间通过机械传动链形成确定关系；后转向轮转向盘 后转向轮 后轮转向机构 前轮转向机构 后轮转向器 前转向轮 前轮转向器 转向盘 后轮转向器 前转向轮 前轮转向机构 前轮转向器 传感器获取的转角信息 传感器获取的其他信息 电子控制单元 电子控制单元 后转向轮 后轮转向动力 后轮转向机构 黑龙江工程学院本科毕业生设计 偏转的操纵由专门的液压系统或电动机提供动力，至于后轮偏转方向及偏转量则根据传感 器获取的转向盘转动方向与转角信息以及车速等其他信息由控制单元综合确定 。 分散驱动四轮转向系统的基本特征在于：前后转向轮偏转的驱动动力是分开的，前后转向轮偏转方向和偏转角度之间不是靠机械传动链形成固定的联系，而是靠电子控制系统进行协调控制实现预设关系，因此后轮转向控制灵活、方便，能够获得更加精确和复杂的转向特性。 对 4向技术的研究主要表现在硬件技术和软件技术两个方面。硬件技术的发展体现在如何采用新材料、新工艺、新结构等来更好地发挥出四轮转向的优势，更好地实现四轮转向系统所 预定的目标；研究和开发高灵敏度、高精度、低成本的传感器和控制系统，为 4统的具体应用提供可靠成熟的技术条件。 目前，四轮转向技术研究的潮流主要表现在对控制理论等软件技术的研究上。将最先进的控制理论与控制方法不断应用于 4制器的开发中，同时将人的因素考虑到操纵控制中去，研究由驾驶员、车辆和行驶环境所构成的闭环系统。尽管目前科研人员从结构到控制原理上对四轮转向进行了大量的研究，但尚未取得突破性进展，四轮转向技术还没有真正地步入全面推广阶段。其主要原因在于尽管四轮转向车的一些开环指标有较大程度的改善，但是 对其进行主观评价的效果并不理想。这就要求从主观评价出发，考虑闭环综合性能指标，即将人 车 路看成一个系统，建立合理、可行的闭环性能评价体系，实现主观评价与客观评价的统一。另外，还要把四轮转向技术与其他主动安全技术 (如 相结合，获得更高的车辆主动安全性 。 计的预期成果 本次设计，我将取得如下成果： 1、设计说明书： (1)齿轮齿条式转向器各零件的结构； (2)齿轮齿条式转向器主要参数的选择与优化； (3)齿轮轴的设计计算； (4)调整弹簧的设计计算； (5)轴承的选择。 2、图纸有： 齿轮齿条式转向器、转向齿轮、转向齿条、转向蜗杆箱、齿条衬套套管、转向拉杆、万向传动节、齿条支撑、调整螺塞。 黑龙江工程学院本科毕业生设计 第 2 章 设计方案的选择 向器类型的选择 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行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，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、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变为传动机构的直线运动的机构，是转向系的核心部件。 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 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 齿轮齿条式转向器 7 齿轮齿条式转向器 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。 齿轮齿条式转向器 可 分 为 两端输出式和中间（或单端）输出式两种。 优点：结构简单、紧凑；壳体由铝合金或镁合金压铸而成，故质量比较小；传动效率高达 90%；齿轮齿条之间因磨损出现间隙后，可利用装在齿条背部、靠近小齿轮的压紧力可以调节的弹簧自动消除齿间间隙，在提高系统刚度的同时也可防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用体积小； 没有转向摇臂和横拉杆，可以增大转向轮转角；制造成本低。 缺点：逆效率高，汽车在不平路面行使时会出现汽车方向控制难度增加还有可能出现打手现象。 循环球式转向器 : 黑龙江工程学院本科毕业生设计 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作直线运动，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，所以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。 优点：在螺杆和螺母之间有可以循环流动的钢球，将滑动摩擦转变为滚动摩擦，传动效率可达 75%转向器传动比可以变化；工作平稳可靠；齿条齿扇间间隙调整工作容易进行；适合做整体式动力转向器。 缺点：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。 蜗杆曲柄指销式转向器： 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撑在曲柄上，曲柄与转向摇臂轴制成一体。转向时，通过转向盘传动蜗杆、嵌于蜗杆螺旋槽中的锥形指销一边自转，一边旋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。 通过对 不同形式的 转向器对比， 最终 选择采用齿轮齿条式转向器。 轮齿条式转向器布置和结构形式的选择 考滤到原车采用的是循环球式转向器，故采用如图 图 同时考虑到原车是发动机前置后驱故采用如图 示的侧面输 入两端输出的结构形式。 黑龙江工程学院本科毕业生设计 图 章小结 本章主要介绍了齿轮齿条式转向器和循环球式转向器的优缺点布置方式以及结构形式，并进行比较，最终确定了采用齿轮齿条式转向器。 黑龙江工程学院本科毕业生设计 第 3 章 齿轮齿条式转向器的设计和计算 向系计算载荷的确定 为了保证行驶安全，组成转向系的各零件应有足够的强度。欲验算转向系零件的强度，需首先确定作用在各零件上的力。影响这些力的主要因素有转向轴的负荷、路面阻力和轮胎气压等。为转动转向轮要克服的阻力，包括 转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内摩擦阻力等。 表 汽佳宝汽车的基本参数 名称 轴距 L 前轮距 轮距 小转弯半径 R 数值 2750400420000称 整车质量 轮胎气压 方向盘直径 数值 0000算汽车的原地转向阻力矩 3 9 5 1= 9 0 23 = 331 (式中 : f 轮胎和路面间的滑动摩擦因数，一般取 f= 转向轴负荷， 位为 N； P 轮胎气压， P=位为 向器角传动比的计算 转向系的传动比由转向系的角传动比 成 从轮胎接触地面中心作用在两个转向轮上的合力 2作用在方向盘上的手力比称为力传动比 方向盘的转角和驾驶员同侧的转向轮转角之比称为转向系角传动比 向传动装置角传动比 组成 0002750=s 错误 !未找到引用源。 = 990 275 0c a n =黑龙江工程学院本科毕业生设计 式中 : L 汽车轴距， L=2750,单位为 R 汽 车最小转弯半径， R=5000,单位为 B 前轮轮距， B=1400,单位为 未找到引用源。 转向盘转角（速度）， 未找到引用源。 =1260； 未找到引用源。 转向轮转角（速度）， 未找到引用源。 = 转向器传动比 , 图 理 图 用在转向盘上的手力的计算 (式中 : 转向摇臂长，单位为 原地转向阻力矩， 转向节臂长，单位为 转向盘直径， 400 黑龙江工程学院本科毕业生设计 转向器角传动比 ， + 转向器正效率 ， += 因齿轮齿条式转向传动机构无转向摇臂和转向节臂，故 形臂长度 错误 !未找到引用源。 2的计算 轮辋直径 66形臂长度 = 60 轮 胎直径 错误 !未找到引用源。 05=05= 20 转向横拉杆直径 d 的计算 4 . 6 7 8 m a (式中 : a= =216m 取 5 主动齿轮轴的计算 0 51616 2m a x (式中： =140 8轮齿条式转向器的设计 轮齿条式转向器的设计 要求 齿轮齿条式转向器若用直齿圆柱齿轮则会使运转平稳性降低、冲击大、噪声增加。齿轮齿条式转向器的齿轮多数采用斜齿圆柱齿轮。齿轮模数 m 的取值范围多在 2动小齿轮齿数 z 多数在 5齿范围变化，压力角 =20 错误 !未找到引用源。 ，齿轮螺旋角 的取值范围多在 9之间。齿条齿数应根据转向轮达到最大偏黑龙江工程学院本科毕业生设计 转角时，相应地齿条移动行程应达到的值来确定。变速比的齿条压力角，对现有结构在 12围内变化。此外，设计时应验算齿轮的抗弯强度和接触强度。 主动小齿轮选用 16 15料 制造，而齿条常采用 45 钢制造。为减轻质量，壳体用铝合金压铸。 轮齿条转向器的主要部件 10： 齿轮是一只切有齿形的轴。它安装在转向器壳体上并使其齿与齿条上的齿相啮合。齿轮齿条上的齿可以是直齿也可以是斜齿。齿轮轴上端与转向柱内的转向轴相连。因此，转向盘的旋转使齿条横向移动已操纵前轮。齿轮轴由安装在转向器壳体上的球轴承支承。 (1)选择齿轮 毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）题目 : 汽车齿轮齿条式转向 器 设计 院 系 名 称 : 汽车与交通工程学院 专 业 班 级 : 车辆工程专业 学 生 姓 名 : 导 师 姓 名 : 开 题 时 间 : 2011 年 3 月 14 日 指导委员会 审查意见： 签字： 年 月 日 开题报告撰写要求 一、“开题报告”参考提纲 1. 课题研究目的 和意义 ； 2. 文献综述（ 课题研究 现状及分析）； 3. 基本内容 、 拟解决的主要问题 ； 4. 技术路线或研究方法； 5. 进度安排； 6. 主要参考文献。 二、“开题报告”撰写规范 请参照黑龙江工程学院本科生毕业设计说明书及毕业论文撰写规范要求 。 字数应在 4000 字以上，文字要精练通顺，条理分明，文字图表要工整清楚。 毕业设计（论文）开题报告 学生姓名 系部 汽车工程系 专业、班级 车辆工程 指导教师姓名 职称 实验师 从事 专业 汽车工程 是否外聘 是 否 题目名称 汽车齿轮齿条式转向 器 设计 一、 课题研究 现状、 选题 目的 和意义 （一）、研究现状 从世界第一辆汽车问世至今，汽车工业已经经历了百年历程。现代的汽车与发展初期相比，广泛地应用了各种高新技术，并且还在发生更深刻的变革。转向系统作为汽车底盘中的独立分系统 ，在汽车技术发展的过程中也经历了深刻的变革。转向技术的发展基本上经历了机械转向、液压（气压）动力转向、电子控制液压动力转向、电动转向、电子线控转向和主动转向几个阶段。 汽车转向系是保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶中 ，保证各转向轮之间有协调的转角关系。保证汽车在行驶中能按驾驶员的操纵要求，适时地改变行驶方向，并能在受到路面干扰偏离行驶方向时，与行驶系配合，共同保持汽车稳定地直线行驶。转向系对汽车行驶的操纵性、稳定性和安全性都具有重要的意义。 改革开放以来，我国汽车工业发展迅猛。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，都已发展成大规模的生产的专业厂，年产超够百万台，垄断了转向器的生产，并且销售点遍布了全世界。从操纵轻便性、稳定性及安全性 行驶的角度，汽车制造广泛使用更先进的工艺方法，使用变速比转向器、高刚性转向器。“变速比和高刚性”是目前世界上生产的转向器结构的方向 几十年来，各种汽车都使用循环球式转向器。由于这种转向器是滚动摩擦形式，因而正传动效率很高，操作方便且使用寿命长，而且承载能力大，广泛应用于载货车上。 随着上世纪五十年代起，液压动力转向系统在汽车上的应用，标志着转向系统革命的开始。汽车转向动力的来源由以前的人力转变人力加液压助力。液压助力系统 机械式转向系统的基本上增加了一个液压系统而成。由于工作可靠、技术成熟至今仍被广泛 应用。 从 70 年代起轿车兴起了齿轮齿条转向器，这种转向机构由方向盘、转向轴、万向节、转动轴、转向器、转向传动杆和转向轮等组成。方向盘操纵转向器内的齿轮传动，齿轮与齿条紧密啮合，推动齿条左移动或右移动，带动转向轮摆动，从而改变轿车行驶的方向。这种转向机构与循环球式等其它类型的转向机构比较，省略了转向摇臂和转向主拉杆，具有构件简单，传动效率高的优点。而且它的逆传动效率也高，在车辆行驶时可以保证偏转车轮的自动回正，驾驶者的路感性强。 近年来，随着电子技术在汽车中的广泛应用，转向系统中也越来越多地采用电子器件。但目 前电子转向系统由于自身成本等因素的制约，很难在价格低廉的家用轿车上得到普及，而且电子转向系统的安全可靠性相对较差，目前欧洲汽车法规中要求驾驶员与转向车轮之间必须有机械连接，电子转向系还不允许在欧洲上市。 齿轮齿条转向器：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。 齿轮齿条式转向器 分两端输出式和中间（或单端）输出式两种。两端输出的齿轮齿条式转向器，作为传动副主动件的转向齿轮轴通过轴承安装在转向器壳体中，其上端通过花键与万向节叉和转向轴连 接。与转向齿轮啮合的转向齿条水平布置，两端通过球头座与转向横拉杆相连。弹簧通过压块将齿条压靠在齿轮上，保证无间隙啮合。弹簧的预紧力可用调整螺塞调整。当转动转向盘时，转向器齿轮转动，使与之啮合的齿条沿轴向移动，从而使左右横拉杆带动转向节左右转动，使转向车轮偏转，从而实现汽车转向。中间输出的齿轮齿条式转向器，其结构及工作原理与两端输出的齿轮齿条式转向器基本 相同，不同之处在于它在转向齿条的中部用螺栓与左右转向横拉杆相连。在单端输出的齿轮齿条式转向器上，齿条的一端通过内外托架与转向横拉杆相连。 齿轮齿条式：齿轮齿条方式的最大特点是刚性大，结构紧凑重量轻，且成本低。由于这种方式容易由车轮将反作用力传至转向盘，所以具有对路面状态反应灵敏的优点，但同时也容易产生打手和摆振等现象。齿轮与齿条直接啮合，将齿轮的旋转运动转化为齿条的直线运动，使转向拉杆横向拉动车轮产生偏转。齿轮并非单纯的平齿轮，而是特殊的螺旋形状，这是为了尽量减小齿轮与齿条之间的啮合间隙，使转向盘的微 小转动能够传递到车轮，提高操作的灵敏性，也就是我们通常所说的减小方向盘的旷量。不过齿轮啮合过紧也并非好事，它使得转动转向盘时的操作力过大，人会感到吃力。 2007 年中国汽车销售 辆， 2008 年中国汽车销售 938 万辆， 2009 年预计增长 达到 1019 万辆。汽车产销量的逐步增长为汽车转向机市场提供了一个较大的发展空间， 2008 年市场对转向机行业需求有所减缓，在需求增长有所减缓的现状下，产能扩张的势头并没有得到较好的控制。产能过剩、重复建设不仅导致生产与消费的失衡，而且还引发了转向机行业内 的一系列恶性价格竞争，影响了转向机行业业的盈利能力。中国转向机行业市场现状，为外资企业入驻中国创造了条件，国际许多转向机行业企业已经看中在中国低成本拓展市场的机会，随着外资投入逐步加大，中国国内企业改革重组迅速加快。同时新的行业制度等政策的颁布和实施将促使我国转向机行业洗牌，企业兼并重组将