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华晨宝马320i领先型齿轮齿条式转向器设计

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宝马 320 领先 齿轮 齿条 转向器 设计
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东北林业大学毕业设计目 录摘要Abstract1 绪论 11.1齿轮齿条式转向器概述11.2齿轮齿条式动力转向器的原理21.2.1齿轮齿条转向器的工作原理21.2.2动力转向系统的工作原理22 转向器整体结构设计方案分析42.1动力转向器的整体结构及附属机构42.2转向器结构设计方案分析42.3液压动力转向特点分析53转向器结构方案的确定和具体设计63.1转向器结构的确定和设计63.1.1阿克曼几何学63.1.2最小转弯半径73.1.3转向系的效率73.1.4转向系的角传动比与力传动比73.2齿轮齿条传动副的确定和设计103.2.1变传动比齿轮齿条的原理分析103.2.2斜齿圆柱齿轮的设计113.2.3传动副传动方案的设计123.2.4齿条的设计123.3动力缸结构设计133.3.1作用力的计算134 结论16参考文献致谢齿轮齿条式转向器设计1 绪论1.1齿轮齿条式转向器概述汽车行驶时要经常改变行驶方向,这就需要有一套能够按照驾驶需要使汽车转向的机构,它将司机转动方向盘的动作转变为车轮(通常是前轮)的偏转动作。这套机构就是汽车的转向系。转向系通过对左、右车轮不同转角的合理匹配来保证汽车沿着设想的轨迹运动3。按转向力能源的不同,可将转向系分为机械转向系和动力转向系。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(方向盘)、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转变为传动机构的直线运动(严格讲是近似直线运动)的机构,是转向系的核心部件。动力转向系除具有以上三大部件外,其最主要的动力来源是转向助力装置。由于转向助力装置最常用的是一套液压系统,因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐,它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电机和地线的作用1。转向器(也常称为转向机),是完成由旋转运动到直线运动(或近似直线运动)的一组齿轮机构,同时也是转向系中的减速传动装置。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、循环球齿条齿扇式、循环球曲柄指销式、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,而蜗杆滚轮式则更是少见2。齿轮齿条传动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。正是为了改善这些问题,才使动力式齿轮齿条转向器得到广泛应用2。动力转向器是利用外部动力协助司机轻便操作转向盘的装置。随着最近汽车发动机功率的增大和扁平轮胎的普遍使用,使车重和转向阻力都加大了,因此动力转向机构越来越普及。值得注意的是,转向助力不应是不变的,因为在高速行驶时,轮胎的横向阻力小,转向盘变得轻飘,很难捕捉路面的感觉,也容易造成转向过于灵敏而使汽车不易控制。所以在高速时要适当减低动力,但这种变化必须平顺过度。汽车动力转向器均采用液压作动力源,液压式动力转向装置重量轻,结构紧凑,也无须润滑,油液的阻尼作用还可以吸收路面冲击力,有利于改善转向操作感觉,但液体流量的增加会加重泵的负荷,需要保持怠速旋转的机构,并且产品结构复杂,对加工精度和密封的要求相对较高1。21.2齿轮齿条式动力转向器的工作原理1.2.1齿轮齿条转向器工作原理齿轮齿条式转向器中作为传动副主动件的转向齿轮安装在壳体中,与水平布置的转向齿条啮合。弹簧通过压块将齿条压靠在转向齿轮上,以保证无间隙啮合。弹簧的预紧力可用调整螺钉调整。工作时,转向齿条的中部与转向拉杆托架联接,转向左.右横拉杆与转向节臂相连。当转动转向盘时,转向齿轮转动,使与之啮合的转向齿条沿轴向移动,从而使左右横拉杆带动左右转向节转动,使转向轮偏转,实现汽车转向,如图1-1所示。图11齿轮齿条转向器工作原理1.2.2动力转向系统的工作原理动力转向系统是在机械式转向系统的基础上加一套动力辅助装置组成的。如图1-2所示。.油泵.油流向控制阀.软管.控制阀.管路.动力缸.齿条活塞.齿条轴.软管储油罐卸压阀图12动力转向器工作原理转向油泵1安装在发动机上,由曲轴通过皮带驱动并向外输出液压油。储油罐11有进、出油管接头,通过油管分别与转向油泵和转向控制阀4联接。转向控制阀用以改变油路。机械转向器和缸体形成左右两个工作腔,它们分别通过油道和转向控制阀联接。 当汽车直线行驶时,转向控制阀2将转向油泵1泵出来的工作液与油罐相通,转向油泵处于卸荷状态,动力转向器不起助力作用。当汽车需要向右转向时,驾驶员向右转动转向盘,转向控制阀将转向油泵泵出来的工作液与右腔接通,将左腔与油罐接通,在油压的作用下,活塞向下移动,通过传动结构使左、右轮向右偏转,从而实现右转向。向左转向时,情况与上述相反。2转向器的整体结构设计方案2.1动力转向器的整体结构及附属机构齿轮齿条式动力转向器由主动小齿轮、齿条活塞转向控制阀、动力缸体等部分组成,如图2-1所示。1.活塞齿条 2.活塞 3.动力缸体 4.转向控制阀 5.主动齿轮图21 齿轮齿条动力转向器示意图(1)机械式齿轮齿条式转向器主要由小齿轮、齿条、消除间隙机构及壳体等组成其中小齿轮与齿条作无间隙啮合并形成齿轮齿条传动副。(2)动力转向装置机械转向器、转向分配阀、转向动力缸及软管等组成。转向分配阀是根据转向盘的操纵方向、转角范围与力矩大小来改变液压动力的传递路线与通道面积的大小,有滑阀式(阀以轴向移动来控制油路)与转阀式(阀以旋转来控制油路)之分,本设计选用转阀式控制;转向动力缸是动力转向的加力机构,它借助于液压及活塞对机械转向器起助力作用1。(3)转向分配阀、转向动力缸与机械转向器组合到一起成为一个整体的结构,称为整体式动力转向器。本设计主要是针对机械式齿轮齿条转向器部分进行设计,即齿轮齿条传动副的设计。2.2转向器结构方案分析转向器主要由小齿轮、齿条、消除间隙机构及容纳上述各件的壳体等组成。其中小齿轮与齿条无间隙啮合并形成齿轮齿条传动副。工作时转向盘带动小齿轮作旋转运动,便推齿条作直线运动,在改变啮合副运动方向的同时增大了传动比。在齿条齿与小齿轮啮合处的背部,设置消除间隙机构。该机构由预紧弹簧、托座等零件组成,再齿轮与齿条之间因磨损出现间隙时能自动取消此间隙。为保证转向器据有良好的工作性能,转向器的设计应尽量满足下列要求5:(1)运动学上应保持转向轮转角和驾驶员转向盘的转角之间保持一定的比例关系,即随动作用;(2)在转小转向时作用在转向盘上的手力的同时,还应当有合适的“路感”,即能及时地将地面对转向阻力的影响反映到转向盘上,使作用在转向盘上的手力随转向阻力的增大而增大;(3)工作安全可靠,即使一旦动力转向系统失灵,司机仍能够操纵转向盘使汽车转向;(4)密封性良好;(5)工作没有噪声和震动;(6)工作灵敏,转动转向盘后,系统内的压力很快能增长到最高值。2.3液压动力转向特点分析液压式动力转向系统是以液体的压力作动力完成转向加力动作的,工作介质多为油液。与气压式动力相比较,工作压力高。动力缸尺寸小、结构紧凑、质量小;由于油液具有不可压缩性,液压式灵敏度高、系统刚性好;油液的阻尼作用可以吸收路面冲击;助力装置也无须润滑。缺点是结构复杂,对加工精度和密封性要求高。汽车采用动力转向以后,使汽车转向系统的转向性能有很大改进,如使用安全可靠、转向灵敏、操纵轻便、有道路感觉、能自动保持直线行驶、保证车轮自动回正、系统有良好的随动作用等1。3转向器结构方案的确定和具体设计本设计参考车型为华晨宝马320i领先型,具体参数见表31:表 齿轮齿条动力转向器示意图总成 参数 数值车身长度4520宽度1817高度1421车重1395轴距2760前轮距1500后轮距1513发动机排量(L)2.0汽缸排列L汽缸数4压缩比10.5气门结构DOHC马力150最大功率(kW)110最大功率转速6200最大扭距(Nm)200最大扭距转速(rpm)3600底盘转向驱动方式前置后驱前挂类型双球节弹簧减震支柱前桥后悬挂类型5连杆后悬架助力类型机械式液压动力3.1转向器结构确定3.1.1阿克曼几何学两轴汽车以低速转弯行驶,可忽略离心力的影响,假设轮胎是刚性的,忽略轮胎侧偏的时候,此时若各车轮绕同一瞬时转向中心进行转弯行驶,则两转向前轮轴线的延长线交在后轴延长线上,这一几何关系称为阿克曼几何学1。汽车前轮转向时,为满足上述条件,须满足下述关系式 (31)式中,转向轮外轮转角; 转向轮捏内转角; K两主销轴线与地面交点间距离; L车轮轴距。3.1.2最小转弯半径汽车最小转弯半径与汽车内轮最大转角、轴距L、转向轮绕主销转动半径r、两主销延长线到地面交点的距离K有关。在转向过程中L、r、K保持不变,只有是变化的,所以内轮应有足够大的转角,以保证获得给定的最小转弯半径1。计算最小转弯半径如下, (32)在给定最小转弯半径条件下,可以用下式计算出转向内轮应达到的最大转角, (33)根据参考车型=5500mm, L=2760mm, r=80mm, K=1500mm,则=30.615,取=31。3.1.3转向系的效率转向系的效率由转向器的效率和转向操纵及传动机构的效率决定1,即 (34)转向器的效率又有正效率与逆效率之分。齿轮齿条式转向器的正效率可达0.70.8。通常,转向系的正效率的平均值为0.670.82,;当向上述相反方向传递力时逆效率的平均值为0.580.63。转向传动机构的效率一般可取0.850.9,取=0.75。3.1.4转向系的角传动比与力传动比(1)角传动比转向盘转角的增量与同侧转向节转角的相应增量之比,称为转向系的角传动比。转向盘转角的增量与转向摇臂转角的相应增量之比,称为转向器的角传动比。转向摇臂轴转角的增量与同侧转向节的相应增量之比,称为转向传动机构的角传动比1。它们之间的关系是,=- (35) (36) (37)现代汽车转向传动机构的角传动比多在0.851.1之间,即近似为1。故研究转向系的角传动比时,为简便起见,往往只研究转向器的角传动比即可,即=1对于乘用车,推荐转向器角传动比在17-25范围内选取,现代轿车的角传动比常采用不变的数值=14-22, 取=20。因此,转向系的角传动比=20(2)力传动比转向传动机构的力传动比等于转向车轮的转向阻力矩与转向摇臂的力矩之比值10即 (38)转向系的力传动比 (39)(3)力传动比与转向系角传动的关系转向阻力矩 (310)式中, 在沥青或混凝土路面上的原地转向阻力矩,Nmm; f轮胎与地面间的滑动摩擦系数,取0.7; 转向轴负荷,N; P轮胎气压,Mpa。其中,轴荷分配:前轴为51%-56%;取52%; 则转向轴负荷:=,取=7109N; 轮胎气压p:冬天前轮2.5Bar,夏天前轮2.3Bar;取2.3Bar=0.23Mpa。因此,转向阻力矩,取 作用在转向盘上的手力2 (311)式中,作用在转向盘上的手力,N; 转向摇臂长,mm; 转向节臂长,mm; R转向盘半径,R=190mm; 转向器角传动比,=20; 转向器正效率, =0.75。其中,是转向机构的角传动比。由于转向阻力矩=288Nmm,则N转向阻力与转向阻力矩2 (312)式中,a为主销偏移距,乘用车a值在40mm60mm内选取,取a=50mm,则N, 取=5750N 手力与作用在方向盘上的力矩2 (313)式中,为方向盘直径, =380mm将式(3-12)和(3-13)代入后得到 (314)忽略能量损失,根据能量守恒原理,为 (315)将式(315)代入式(314)后得到 (316)由于=20, 代入式(315),则=28800Nmm将代入式(313),则N, 取=152N,符合手力小于11附 录General electric steering development at home and abroadSince the 1980s abroad in bus vigorously develop electric steering (EPS), has made considerable achievements in light, small cars, van widely used car, and every year with 300 million speed. With the plough in 2000 changhe automobile electric steering gear, van car installation in Chinas automobile redirector uncovers a new page in history. Due to its advantages of the steering clearly, is well received by customers welcome. First assembly of 200 electric steering trial car were soon snapped up. This years are increased production of installed electric steering car this year will reach SanWanLiuQianTai. Because the first domestic cars in the plough installed electric steering, drive the domestic electric steering develop these. To now had 10 colleges and 10 state-owned and private enterprises developing project or alone is expected to every year this product in China with 10 to 20 million speed development. Because of various aspects of electric to the study of investment, this product has come close to success, there have been some goods start loading test. In the auto electric steering product development embodies the characteristics of Chinas market economy competition, some colleges and enterprises, state, combine together, the private enterprise to battle the result of competition all aspects of accelerated development progress. Electric steering so called precise steering, which is in automotive steering process, the steering gear according to different speeds, steering wheel rotation and screw accurate offers all kinds of driving the best conditions, this is steering in computer (ECU) control to realize. Electric steering gear is under computer control of electric current implementation of the size of the change control, the realization of different steering. So it can accurately realize people at different speeds, predefined turning Angle need different steering.The development of the electric steering is mainly for hydraulic steering solve pure the biggest problem, a high speed FaPiao steering wheel, which is a big problem for the vehicle steering stability. Hydraulic steering although solved the vehicle steering light sexual problems, but a high speed, steering wheel is too light it caused a pilot FaPiao feeling. New steering pump although can achieve high speed steering pump flow can be decreased, but a high speed does not guarantee the engines driving in high speed rotating pump also working conditions. So cant completely solve the problem FaPiao car at high speed. Electric steering system can control power motors, reduce a high speed increases to hand power steering, FaPiao problems and solve high-speed, and relatively low cost. But because of the motor power, torque and size limit, so many small cars and van for light car. With the new electric steering structure research and development, the future will gradually extended to senior cars and trucks. Due to the existing outfit electric steering gear market, future potential market also relatively broad; The steering gear with low cost and popular by auto makers will.国内外电动转向发展概况国外20
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