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跟本科毕业设计( 2016届 ) 题 目： 汽车转向机支架（3411A06）的改进设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 刘腾飞 学号： 21106071049 指导教师： 杨咸启 职称（学位）： 教授 合作导师： 戴朝樑 职称（学位）： 总经理 完成时间： 2015 年 5 月 26日 成 绩： 黄山学院教务处制原创性声明兹呈交的设计（创作）作品，是本人在指导老师指导下独立完成的成果。本人在设计（创作）中参考的其他个人或集体的成果，均在设计作品文字说明中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此设计（创作）作品而产生的权利和责任。声明人（签名）：年 月 日目 录摘要1英文摘要21 绪论31.1 三维造型的反求技术概述31.2 反求技术的国内外发展现状41.3 本文主要研究内容52 汽车转向机支架（3411A06）的测绘62.1 概述62.2 汽车转向机支架的各个结构的作用62.3 汽车转向机支架的主要尺寸测绘73 汽车转向机支架（3411A06）的产品分析83.1 汽车转向机支架的受力分析83.2 汽车转向机支架的强度分析83.3 汽车转向机支架的改进114 汽车转向机支架（3411A06）的三维设计124.1 使用的软件介绍124.2 创建轴拉伸实体124.3 创建密封盖体和分配下阀盖134.4 创建支座实体及加强筋164.5 创建孔系174.6 汽车转向机支架的三维零件图转化成平面工程图185 汽车转向机支架（3411A06）的加工制造工艺205.1 汽车转向机支架的结构工艺性及材料205.2 汽车转向机支架的加工工艺分析205.3 拟定支架加工工艺路线215.4 加工工序设计255.5 制定加工过程卡和工序卡266 结论27参考文献28致 谢附录A 二维零件图和三维效果图附录B 加工过程卡和工序卡汽车转向机支架（3411A06）的反求设计与制造工艺机电工程学院 机械设计制造及其自动化 专业 刘腾飞（21106071049） 指导老师：杨咸启（教授） 戴朝樑 （总经理） 摘要：汽车需求量的增大带动着汽车行业的快速发展，同时也促使着人们对汽车性能的要求越来越高，汽车转向机支架作为汽车转向装置中的重要部件，它对汽车转向性能起着重要作用。本文是利用企业提供的汽车转向机支架为研究对象，对其进行设计与制造，并在此基础上进行设计改进。本文主要是利用反求技术对汽车转向机支架进行设计与制造，反求技术是现代加工制造中的重要技术之一，对零件的创新与制造起到了至关重要的作用。首先，我对汽车转向机支架进行分析，并了解与它所联接的各个部分零件，并分析它们的作用；其次对汽车转向机支架二维测绘，测量出支架的所有尺寸，并且对支架进行强度分析，计算出轴截面所受到的剪力和弯矩，根据剪力图和弯矩图分析轴截面所能承受的最大许用应力，并以此为参照对零件进行改进，设计最合理的轴的直径；然后利用Pro/E软件进行三维造型，将三维零件图转化为平面工程图；最后是对转向机支架进行结构工艺性和加工工艺性分析，设计和选择最合理的加工路线，分析支架的加工工艺过程，制作加工工艺卡，目的使所加工的零件达到经济最优化和效率最大化。在对支架进行满足强度校核和最大许用应力的前提下，可以减少支架轴的直径4mm，而不影响产品的性能要求；在对转向机支架支座进行强度分析后，发现支座不能满足强度要求，在设计时对支座进行了加厚和增加加强筋的措施。 关键词：反求技术；转向机支架；平面工程图；加工工艺；加工工艺卡The Car Turning Machine (3411A06) Reverse Design With The Manufacturing Process Tengfei Liu(21106071049）Director: Xianqi Yang (Professor) Zhaoliang Dai(College of Mechanical and Electrical Engineering, Huangshan University,245041) Abstract: The increase of car demand drives the rapid development of auto industry, but also encourages the people to have more and more high requirementto the automobile performance, auto turning machine as an important part in automobile steering device,auto turning machineplays an important role on the vehicle steering performance. This paper is to use the car turning machineprovided bythe enterpriseas the research object, carries on the design and manufacture, and on this basis to carry on the design improvement This paper usesreverse technology to design and manufacte auto turning machine, reverse technology is one of the important technology of modern processing and manufacturing, it has a vital role in the innovation and production. First, I analyze the car turning machine, and understand that each part of the connection parts with it, and analyze their functions; Second make two-dimensional mapping of turning machine of car, measure theall sizesof support , and strength analysis was carried out on the scaffold, then calculate the axial cross section of shear force and bending moment, according to the shear diagram and bending moment diagram analysis can withstand the maximum allowable stress axis section, as reference to improve the parts, design the most reasonable the diameter of the shaft;Then using Pro/E software for 3 d modelling, 3 d part drawing can be converted to plane engineering drawing;Finally the manufacturability of turning machine structure analysis and processing technology, design and select the most reasonable processing route, analysis of processing craft process, production process card, to make the parts processing to meet the economic optimization and efficiency maximization. Underthe premise ofsatisfying the intensity and the maximum allowable stress, it can reduce diameter 4 mm of the support shaftwithout affecting the product performance requirements;After the strength analysis was carried out on the turning machine pedestal, find bearing can not meet the requirement of the strength, so take somemeasures to thicken and add reinforcement ofsupport . Keywords: reverse technology; Turning machine. Surface engineering drawing; The processing technology; Machining process card 1 绪论 随着我国国力的不断提高，汽车行业已经成为我国制造业的支柱行业，在国民经济中占有重要的地位。同时人们对汽车的需求越来越大，无论是进口车还是国内自主生产的车销售都在逐年提升，这对汽车行业的发展起到了重要的推动作用。汽车转向机支架作为汽车配件里的重要组成部分，它的结构和性能的好坏直接影响到汽车的使用寿命。随着汽车的需求不断增长，带动了我国汽车行业的快速发展，汽车转向装置的好坏将会决定汽车的使用性能。对此我对一些转向系统公司进行了参观，并进行了深入的学习。其中，我对安徽冠润汽车转向系统有限公司进行了深入的学习，并以其中的转向系统中的转向机支架进行了设计分析，他们公司的转向机系统是由自己公司独立生产与制造，转向控制性能高，在国内具有一定的竞争能力。另外整个转向装置根据汽车转向要求，利用反求技术进行设计与制造，在此基础上进行自己的设计，并满足汽车强度和性能的要求，这对以后与国际汽车转向装置接轨有重要的意义。 1.1 三维造型的反求技术概述 在现代加工制造工程中，常常会遇到复杂性面的加工产品，在只有实物、没有图纸和模型的情况下进行零件的加工制造，因此，必须对实物进行三维模型转化为CAD模型，应用计算机辅助技术、三维测绘对样品零件进行测量。然后，根据自己测量数据利用软件转化为CAD模型，从而获得实物零件的几何形状的数据模型。使它能够用CAD、CAM、CAE等先进技术进行后续的加工制造。这种从实物样品中获得产品数据信息的技术，称之为反求技术。反求技术是现代化设计的重要部分，对汽车行业的发展有重要的推动作用，应用好反求技术将会极大的提高生产效率，在此基础上继续改进有利于新产品的形成，具体实施工程与步骤如下图1-1所示。 反求技术的特点是可以精确、迅速获得零件的外形数据，然后进行三维绘图,从而快速地获得所要研究的产品的三维模型。自从反求技术出现以来，,根据统计数据可知70%的技术来自于反求,反求技术作为新产品开发、设计与改进过程中的关键技术,已经成为大多数企业消化和吸收先进技术,快速研发新产品的重要技术支撑。 1.3 本文主要研究内容 本文研究的是汽车转向系统中的转向机支架，以反求技术为研究方法，对汽车转向机支架的反求设计是利用直接的测量手段，对汽车转向机支架的样品零件进行测绘，运用Pro/e进行三维造型设计，然后把三维模型转换为CAD模型，进行加工制造。具体的研究内容和工作进度如下所示：1 准备工作：在图书馆和网上进行文献查阅，了解国内外转向机支架的发展，熟悉结构性能；2 实际考察：去安徽冠润汽车转向系统有限公司进行考察学习，借助该公司的产品进行反求设计与研究；3 数据采集：利用游标卡尺对转向机支架进行测绘，记录出该产品的所有数据;4 三维测绘：利用Pro/E进行三维测绘，把三维模型转换为CAD模型；5 误差检验和在设计;对设计好的CAD模型进行适当的调整与改进，反求技术的最终目的是在原有产品的基础上进行改进得到自己的产品。2 汽车转向机支架（3411A06）的测绘 2.1 概述汽车转向机支架是汽车转向装置中重要的组成部分，对汽车转向装置起到支撑与控制作用，利用反求技术能够准确的画出零件的三维视图是零件设计的关键环节。汽车转向机支架三维测绘主要采用Pro/E进行测绘，在测绘之前首先要进行二维测绘，测绘出零件各个部分的尺寸，以方便在三维测绘中能够快速的测绘该实际的应用结合起来，再此基础上进行改进与完善，争取使该产品达到精度更高要求。汽车转向机支架作为转向装置的连接部分，主要与调节阀、转向机分配阀盖、密封盖、油缸、输入轴连接，如图2-1所示。图2-1 整体零件联接图 2.2 汽车转向机支架的各个结构的作用 汽车转向机支架主要是由支座、轴、转向机分配下阀盖和密封盖体组成。支座中的两个圆孔是与两个轴承联接，起到稳定和增加强度的作用，其中通过两个轴承联接，可以方便灵活转动，更好地控制转动方向，减少摩擦，同时也可以减少支座所受的力，满足支座的强度要求。轴的细端与转向油泵，起到液压控制作用，轴的粗端与转向控制阀联接，主要是改变油路的作用。支架与一个长的齿轮轴联接，通过齿轮的啮合来控制转向，齿轮的啮合需要在精度较高、稳定的环境下工作，所以在加工制造时要保证轴的精度要求。另外汽车转向机支架有两个阀体，它们分别通过密封盖和输入轴联接。其中密封盖体主要是与密封盖联接，起到密封的作用，防止油渗漏；另外一个工作腔是转向机分配下阀盖，它与转向机分配上阀盖联接，阀盖里面是输入轴，可以控制方向的转动，这是整个转向装置的核心。 2.3 汽车转向机支架的主要尺寸测绘 汽车转向机支架的测绘工具：游标卡尺 汽车转向机支架的测绘主要分为4个部分： （1）主轴的测绘 主轴的测绘主要是几个阶梯轴的测绘，从细端长度依次为50mm、6mm、149.4mm、50mm、7.7mm、2.2mm，所在圆的直径分别为39mm、44.2mm、38.8mm、54mm、50.6mm、51.6mm。 （2） 支座的测绘 支座是由一个长方体和两个半圆组成，其中去除两个圆和一个小长方体。长方体是由长92mm、宽为34mm、厚度为18mm的组成，两个半圆是半径为17mm。去除的两个圆直径为23mm，小长方体长度为54mm、宽度为12mm、厚度为18mm。 （3）转向机分配下阀盖和密封盖体的测绘转向机分配下阀盖主要是有一个支座和圆台组成，支座是两个直径分别为50mm和23mm的圆组成，厚度为16mm，其中两边到中心圆的长度分别为37mm和43mm。圆台是分别为50mm、40mm和26mm圆组成，高度分别为8mm和49mm。密封盖体是分别为48mm和42mm的圆组成，高度为44mm。 （4）孔系的测绘转向机支架轴是由孔系组成，从汽车转向机支架细端起，孔系是直径分别为25mm、38mm、44mm、46mm，所在孔的长度为168mm、16mm、20mm、27mm。转向机分配阀盖是除去两个圆台和两个圆柱，这两个圆台上下圆面直径分别为40mm、34mm和34mm、20mm。两个圆柱直径分别为20mm和10mm，长度分别为39mm和10mm。3 汽车转向机支架（3411A06）的产品分析 3.1 汽车转向机支架的受力分析汽车转向机支架是汽车转向机装置中一个重要的组成部分，它与调节阀、转向机分配阀盖、密封盖、油缸、输入轴紧密联接。由于汽车转向装置受到方向盘的力的作用，会使汽车转向机支架受到与其联接的零件的作用。它主要受到输入轴杆对转向机支架两端的轴力作用，又因轴的两端分别与调节阀和油缸联接，在调节轮子转动时也会对轴的两端产生轴力作用，会对轴的强度要求很高。在与转向机分配阀盖联接中，因阀盖内装有输入轴，输入轴的转动会对支架产生与支架夹角为70的力。在与密封盖联接时，因受力很小，在计算时可以忽略其对支架的力。支座是起到固定的作用，会受到轴的轴力作用，要保证汽车能精准的转向，支座的强度要求很高，在设计时必须要对支座进行加厚和增加加强筋。在对汽车转向机支架进行受力分析后，要根据受力的大小设计最合理的轴的直径，下面将根据强度的计算来设计什么直径才是最合理的。 3.2 汽车转向机支架的强度分析 根据零件的尺寸和形状，可以看出零件的安装位置及其安装方式。对转向支架进行简化，可以看成一个简单的外伸梁模型。对此进行分析可知，主要受到简支梁两端的轴力和支座所受力以及支架中间输入轴所施加的力，由于转向机支架的轴系不是一样的。在计算强度时，需要假设轴系直径相同，为了能准确的计算强度大小，在假设轴系直径时为轴系直径最小值，这样也可以计算出支座所受到的最大力，以便可以在设计时更好的满足强度要求，如下图所示。图3-1 受力分析 根据受力分析可知，主要受到输入轴引起的剪力，我们对受力进行简化可得如图3-2，并进行受力分析。图3-2 简化受力分析由平衡方程 求得支座约束力为 以B点为坐标原点，建立坐标系。集中力F4作用于C点，梁在AB、AC和CD的剪力不同，所以要进行分段考虑。在BA段内距A点为x的任意截面，截面以左只受F1的作用，根据剪力和弯矩的计算方法和正负号规则，可求得这一截面上的Fs和M分别为 在AC段距C点为x的任意截面，截面以右受F1和F2作用，可求得这一截面上的Fs和M分别为 在AC段距D点为x的任意截面，截面受F5作用，可求得这一截面上的Fs和M分别为 由式3-4可知，在BA段内，梁的任意横截面上的剪力皆为常数F1，并且为正值，所以剪力图是平行于x轴且在x轴上方的直线段。同理，可画出AC和CD上的剪力图，如下图3-3所示；由式3-5可知，在BA段内弯矩是关于x的一次函数，所以弯矩图是一条斜直线，分别代入A和B的值可以确定这条直线，同理可以画出AC和CD上的弯矩图，如图3-3所示。图3-3 剪力弯矩图 以上只是计算强度时的公式，但具体的受力情况并不知道，后来，在去企业进行询问时了解到，在汽车行驶过程中，转向机支架轴系所受的力很小，只有在突然转向或其他突发情况时，所受的力才会很大，大约在100kN左右，下面将代入公式，计算出支座所受的力。假设时，支座所受约束力为根据受力的最大力，计算最大许用应力 式中d和D分别为空心截面的内径和外径，R为外半径，。 3.3 汽车转向机支架的改进根据对汽车转向机支架轴的许用应力计算，可以查表得ZL111铝合金最大许用应力225Mpa。所以汽车转向机支架满足强度要求，按照这个计算我们也可以进行进一步优化。根据计算得最大许用应力离铝合金的最大许用应力还有39Mpa，所以我们在设计时可以进一步减少轴的直径，经计算可以减少大概6mm才能达到最大许用应力，我们可以把轴的直径减少4mm，这样既可以保证强度要求和许用应力要求，又可以减少材料的使用。在对转向机支架进行分析的过程中，我发现在转向机分配阀的上下阀盖的联接是该装置的最薄弱的地方。因为在分配阀盖里装有输入轴以及液压油，液压油对分配阀盖产生强大的压力，所以在设计时我加厚了分配阀盖的壁厚。还有就是输入轴是该装置的核心，对转向起到决定性作用，该部分的设计一定要保证加工精度要求，同时在转向时会产生强大的扭矩力，容易使上下阀盖之间断裂，再设计时我在阀盖两端增加了加强筋，这样可以保证在受到瞬时冲击力时使零件能够正常运行。转向机支架支座也是容易断裂的地方之一，因为在转向机整个装置的联接过程中，支座的联接是通过轴承与汽车进行固定联接，这样不仅可以保证支架进行转动，更合理的控制转向，而且可以减少支座受力断裂的可能。因为在汽车正常转向时支座是不可能断裂的，只可能在突然转向时受到巨大的冲击力，是支座受力断裂，所以在设计时我对支座进行了加厚和增加加强筋。我相信这样的设计一定可以满足汽车的强度要求。4 汽车转向机支架（3411A06）的三维设计 4.1 使用的软件介绍对汽车转向机支架（3411A06）的三维设计使用的软件是Pro/E，该软件是由美国参数技术公司（PTC公司）推出的一套三维CAD/CAM参数化软件系统。它主要包括三维模型设计、概念设计、工业造型设计、分析计算、动态模拟与仿真以及工程图的输出，还有生产加工产品的全过程。应用范围设计机械、汽车、航空航天、数控加工等诸多领域。根Pro/E这么强大的功能的特点，所以在汽车转向机支架的三维设计时选用了Pro/E软件进行三维设计。根据汽车转向机支架的结构特点，在设计时可以将支架分为下列几个模块进行设计：轴的实体特征设计、密封盖体和分配下阀盖的设计、支座实体及加强筋的设计和孔系的设计。 4.2 创建轴拉伸实体 4.2.1 新建文件在菜单栏中依次选择“文件”“新建”命令，打开“新建”对话框，如图4-1所示，新建名为“qichezhuanxiangzhijia”的文件，选用缺省模板，选择公制模板“mmns-part-solid”，最后单击“确定”按钮。 图4-1 新建文件界面 图4-2 平面图形 4.2.2 创建拉伸实体特征（1）点击插入拉伸，将弹出拉伸面板； （2） 单击“定义”按钮，弹出草绘对话框，选择基准面F2作为草绘平面，点击草绘，进入草绘界面；（3） 在草绘平面中，绘制如图4-2的平面图形，并且修改圆的直径为39，点击；（4） 点击拉伸面板中的选项，选择深度50和拉伸方向，如图4-3所示。 图4-3 拉伸图形 4.2.3 创建其余拉伸实体特征按创建第一个拉伸实体特征步骤，可继续创建其余拉伸实体特征。其中，草绘平面是上一个拉伸实体的形成端面，绘制平面图形时圆的直径分别为44.2mm、38.8mm、54mm、50.6mm、51.6mm；在拉伸面板中选择的深度分别为6mm、149.4mm、50mm、7.7mm、2.2mm。所绘图形如图4-4所示。图4-4 拉伸图形 6 结论本文在参观转向机工厂和分析了国内外对于汽车转向机支架反求技术的基础上,对汽车转向机支架进行设计与制造。主要利用反求技术对汽车转向机支架进行设计，反求技术是现代制造业重要的方法之一，已经作为新产品开发、设计与改进过程中的关键技术。它主要是利用复杂实物进行采集数据，然后进行三维设计的方法。这种技术的特点是可以快捷、精确的获得零件的数据，已经成为新产品的重要技术支撑。对汽车转向机支架的设计的主要步骤：首先，我对汽车转向机支架进行分析，并了解与它所联接的各个部分零件，并分析它们的作用；其次对汽车转向机支架二维测绘，测量出支架的所有尺寸，并对支座进行强度分析，并计算出所受的许用应力 以及轴所受到的剪切力，画出剪力图和弯矩图，并计算出许用应力，将此力与材料所能承受力比较分析，将可以确定轴的直径；然后利用Pro/E软件进行三维造型，利用三维零件图转化为平面工程图；最后是对支座进行结构工艺性和加工工艺性分析，设计和选择最合理的加工路线，分析支架的加工工艺过程，制作加工工艺卡，目的是使所加工的零件达到效率最大化和经济最优化。汽车转向机支架主要存在强度问题，因汽车转向机支架支座受到输入轴的力，容易使支座断裂，在设计时主要是通过加厚支座和增加加强筋的方式进行解决。在汽车转向机上下阀盖的联接过程，由于内部有输入轴的转动，会对阀盖有巨大的冲击作用，所以在设计时对阀盖进行增加加强筋。对轴受力分析和比较许用应力与材料最大许用应力之后，可以对设计进行优化，在满足强度的条件下，可以减少轴的直径4mm，这样不仅可以减少成本，又可以满足强度要求。在对汽车转向机机架设计过程中，主要问题时无法准确计算轴所受的轴力，只能大概估计一个范围进行计算，这对最后轴直径的计算有一定的影响。还有在编写制造工艺时，因只去他们公司参观学习2次，对具体的流程有一定的了解，但对每一个加工过程还不不太熟悉，还有很多要继续学习。通过本论文的书写，自己不仅巩固了所学的知识，而且也熟悉了产品加工的制造过程，知道了企业加工的流程。同时也看到了自己的不足，有许多地方需要我继续努力学习，只有这样才能满足企业的要求，更好地适应社会。参考文献1贾文.零件加工工艺与工装设计M.北京：北京理工大学出版社，2010,7.2杨海琴，侯先勤.Pro/E4.0中文野火版基础教程精讲M.西安：西安交通大学出版社，2009,10.3邱志惠.Pro/NGINEER使用教程M.西安：西安电子科技大学出版社，2011,3.4刘鸿文.材料力学M.北京：高等教育出版社，2011.1.5冯之敬.机械制造工程原理M.北京：清华大