齿轮齿条转向器的设计【说明书+CAD+UG】
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齿轮齿条转向器的设计【说明书+CAD+UG】,齿轮,齿条,转向器,设计,说明书,CAD,UG
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目录目录1摘要3Abstract4第1章 绪论51.1 齿轮齿条转向器研究现状51.1.1 轿车转向系统的发展概况91.2 研究目的与意义101.3 轿车转向系统的要求101.4 齿轮齿条转向设计任务要求11第2章 设计任务及方案拟定122.1 设计任务要求122.2 设计任务要求142.3 方案拟定142.3.1 齿轮齿条转向器的优缺点142.3.2 齿轮齿条转向器的输入形式及特点152.4 各种形式转向器现状对比162.4.1 转向器的功用和类型162.4.2 转向器结构17第3章 转向梯形设计与计算213.1 设计转向梯形时应满足要求213.2 转向梯形结构方案分析213.2.1 转向梯形计算21第4章 转向器的设计与校核234.1 转向系计算载荷的确定234.1.1 原地转向阻力矩234.1.2 转向盘手力234.2 齿轮齿条设计244.3 齿条的强度计算254.3.1 齿条的受力分析254.3.2 齿条杆部受拉压的强度计算264.3.3 齿条齿部弯曲强度的计算264.4 小齿轮的强度计算274.4.1 齿面接触疲劳强度计算274.4.2 齿轮齿跟弯曲疲劳强度计算30第5章 车辆转向力液压回路分析325.1 液压回路325.2 总体布局36参考文献40摘要在现代汽车上，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。本文的主题是转向系统的设计。着眼于齿轮齿条式转向器的设计，首先是对车辆转向系统的总体描述;第二个是机械转向器的选择;三是齿轮与齿条的合理匹配，以满足转向器正确的传动比和强度要求;它是动力转向机构的设计;第五个是梯形结构设计。因此，考虑到上述要求和因素，研究了由方向盘的旋转驱动的传动机构的齿条齿轮转向轴的转向，由万向接头驱动的转向齿轮轴的转动，以及转向齿轮轴与转向齿条的啮合，从而促使转向齿条线性移动以实现转向。能够实现转向器的简单紧凑的结构，短的轴向尺寸和少量的部件的优点，并且可以增加辅助力，从而实现车辆的转向的稳定性和灵敏度。本文主要对转向器齿条的设计和转向器轴的标定进行了研究。主要方法和理论是根据汽车设计的经验参数和大学所学机械设计的课程内容设计的。结果符合强度要求。安全可靠。关键词：汽车，转向器，齿轮齿条，助力器，液压传动AbstractIn modern automobiles, the steering system is one of the most basic systems that are indispensable, and it is also a key component that determines the active safety of the car. The steering characteristics of the car and maintaining the cars good maneuverability are always among the automotive inspection technologies. One of the important topics. Especially in todays high-speed vehicles, unprofessional drivers, and dense traffic, the design of automotive steering systems is particularly important.The theme of this article is the design of the steering system. Focusing on the design of the rack-and-pinion steering gear, the first is the overall description of the steering system of the vehicle; the second is the choice of the mechanical steering gear; and the third is the reasonable matching of the gear and the rack to meet the correct gear ratio of the steering gear and The strength requirements; it is the design of the power steering mechanism; the fifth is the trapezoidal structure design. Therefore, considering the above requirements and factors, the steering of the rack gear steering shaft of the transmission driven by the rotation of the steering wheel, the rotation of the steering gear shaft driven by the universal joint, and the engagement of the steering gear shaft with the steering rack are studied. This causes the steering rack to move linearly to achieve steering. The simple and compact structure of the steering gear, the short axial dimension and the advantages of a small number of parts can be achieved, and the assisting force can be increased, so that the steering stability and the sensitivity of the vehicle can be achieved. This paper mainly studies the design of the steering gear rack and the calibration of the steering gear shaft. The main methods and theories are based on the empirical parameters of the car design and the course content of the mechanical design of the university. The results meet the strength requirements. Safe and reliable.Key words: car; steering system; rack and pinion design; steering trapezoid第1章 绪论1.1 齿轮齿条转向器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HPS是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。2007年中国汽车销售879.15万辆，2008年中国汽车销售938万辆，2009年预计增长8.6%，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62.5%，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%。齿轮齿条式转换器和循环球式转换器，已成为当今世界汽车上主要的两种转向器：而涡轮蜗杆式转向器和蜗杆肖式转向器，正在逐步被淘汰或保留较小的地位。齿轮齿条式转向器的主要优点: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；转向器占用体积小；制造成本低。在转向技术方面，汽车和普通汽车，由于汽车的体积小，重量轻，在安装空间和转向特性方面与大型汽车有一些差异，但汽车的转向系统和普通汽车 转向原理，转向要求和转向效果基本相同。转向系统用于保持或改变汽车的方向。转向系统应该准确快速地响应驾驶员的转向指示。当转向正在进行或受到外部干扰时，驾驶员应释放方向盘。确保汽车自动恢复到稳定的直线运动状态。汽车工业是国民经济的支柱产业，代表了一个国家的综合国力。随着机械和电子技术的发展，汽车工业不断发展。今天，这辆车不仅仅是一辆机械车。它是力学，电子学和材料学科的综合产品。随着汽车工业的发展，汽车转向系统也经历了长期的演变。传统的汽车转向系统是一种机械转向系统。汽车的转向由驾驶员的方向盘控制，车轮通过一系列机械转向组件（如转向机构）转向，以实现转向。自20世纪50年代以来，随着液压动力转向系统在汽车中的应用，标志着转向系统革命的开始。汽车转向功率的来源已经从之前的人力转向人力和液压。液压动力转向系统（HPS）是添加到机械转向系统的液压系统。液压系统通常连接到发动机。发动机启动时，发动机的一部分能量为汽车前进提供动能，另一部分为液压系统提供动力。由于其可靠的工作和成熟的技术，现在它仍然被广泛使用。这种动力转向系统的主要特点是液压支持转向运动，减少了驾驶员对方向盘的压力，提高了转向的方便性和汽车的稳定性。近年来，随着电子技术在汽车中的广泛应用，电子设备越来越多地用于转向系统。结果，转向系统进入了电子控制时代，相应地出现了电动液压动力转向系统。电动液压动力转向可分为两类：电动液压动力转向（EHPS）和电子控制液压动力转向（ECHPS）。电动液压助力转向系统是在液压助力系统的基础上发展起来的。与液压动力辅助系统不同，电动液压动力辅助系统中液压系统的动力源不是发动机，而是电动机。电机驱动液压系统，从而节省发动机能量。 ，降低油耗。电子控制液压助力转向系统也是在传统液压助力系统的基础上发展起来的。不同之处在于电控液压动力转向系统增加了电子控制装置。电子控制装置可以根据方向盘转向速度，车速等车辆运行参数改变液压系统的液压，实现不同车速下辅助特性的变化。由电机驱动的液压系统可以在没有转向操作时停止电机，从而降低能耗。尽管电动液压动力转向系统克服了液压动力转向的一些缺点。然而，由于液压系统的存在，液压油泄漏也存在同样的问题，电动液压助力转向系统引入驱动电机，使系统更加复杂，成本增加，可靠性降低。为了规避电动液压动力转向系统的缺点，EPS（电动助力转向）已经出现。与上述各种动力转向系统最大的区别在于电动助力转向系统中没有液压系统。最初由液压系统产生的转向助力由电动机完成。电动转向系统通常由转矩传感器，微处理器，电动机等组成。其基本工作原理是：当驾驶员转动方向盘驱动转向轴转动时，安装在转轴上的转矩传感器将转矩信号转换成电信号并传送给微处理器。微处理器结合扭矩信号其他车辆操作参数（如车辆速度）基于程序中预先设定的处理方法，以确定助力器电机辅助的方向和辅助的大小。转向系统的结构简介转向系统是车辆底盘的重要组成部分。转向系统的性能直接影响车辆的安全性，稳定性和驾驶舒适性。它确保了车辆的安全性，减少了交通事故并保护了驾驶者的身体。安全和改善驾驶员的工作条件起着重要作用。根据转向力能源，转向系统可分为机械转向系统和动力转向系统。机械转向系统的能量源是人力，依靠驾驶员的手力转动方向盘，所有力传递部件都是机械的，由转向转向机构（方向盘），转向机构，转向传动机构组成，通过操舵装置和转向装置使方向盘偏转。其中，操舵装置是将操作机构的旋转运动变换为传动机构的直线运动（严格地说是近似直线运动）并且是转向系统的核心部件的机构。除上述三个主要组件外，动力转向系统的主要动力源是转向辅助装置。由于转向辅助装置通常是液压系统，它也与泵，管道，阀门，活塞和储油罐密不可分。它们相当于电路系统中的电池，电线，开关，电机和接地线的影响。1.1.1 轿车转向系统的发展概况早期的汽车转向是用舵柄或横杆（两端带柄的水平杆）进行的。转向比为1：1，并且该车的操作非常费力。后来，齿轮传动比的转向装置被迅速推广。然而，这种机构的方向盘并未像舵柄或横杆那样放在汽车的中心线上，而是放在汽车的左侧，或者在右侧，这引发了对转向位置的争论轮。这一争论持续了很长一段时间，导致今天的汽车分为方向盘装置法两大类：一种左侧方向盘用于美国，中国，俄罗斯等世界各国和地区，自上而下实施汽车规则;英国，英联邦，日本等少数国家和地区采用的一种右转方向盘实施右下和左上驾驶汽车的规则。转向器是转向系统的关键部件。随着电子技术在汽车中的广泛应用，转向装置的结构也发生了很大的变化。从当前使用的普遍程度来看，主要有四种类型的转向器：蜗杆式（WP型），蜗轮式（WR型），循环球式（BS型），齿轮齿条式（RP型）。这四种转向器类型已经在汽车中广泛使用。据了解，在全球范围内，汽车循环球式转向器约占45，齿轮齿条式转向器占约40，蜗轮式转向器约占10，其他类型的转向器占为5。循环球式转向器一直在稳步发展。在西欧的小型货车中，齿条齿轮式转向器已得到很大发展。日本的汽车转向器的特点是循环球式转向器的比例越来越大。日本各种配备不同类型发动机的发动机使用不同类型的转向器，并开发了公共汽车中使用的循环球式转向器。 20世纪60年代的62.5现在已经增长到100（在公交车上已经消除了蜗轮转向器）。大多数大型和小型卡车都使用循环球式转向器，但齿轮齿条式转向器也已开发。小型货车的循环球式转向器占65，齿轮齿条式占35。中国的转向器生产，除了早期生产解放牌汽车蜗轮转向器，东风汽车蜗杆式小型转向器外，其余大部分型号均采用循环球结构，并均具有一定的生产经验。目前，解放和东风也在积极开发循环球式转向器，在二代转换车上一般采用循环球式转向器。从中可以看出，中国的转向器也朝着大量生产循环球式转向器发展。齿条齿轮转向器和循环球转向器已成为当今世界的两大转向器。蜗杆齿轮蜗杆和蜗杆齿轮转向器逐渐被淘汰或保持在相对较小的位置。小型乘用车转向器的发展有不同的看法。美国和日本都专注于循环球式转向器的研发，其比例已达到或超过90;西欧一直专注于齿轮齿条式转向器的开发，该比例已超过50。法国高达95。由于齿轮齿条式转向器的各种优点，小型车辆（包括小型客车，小型货车和客车）的应用一直在飞速发展;而大型车辆则采用循环球式舵机作为主要结构。1.2 研究目的与意义在现代汽车上，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CAD绘图等知识。1.3 轿车转向系统的要求(1) 轿车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。(2) 不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。(3) 轿车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线(4) 行驶位置，并稳定行驶。(5) 轿车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自振，转向盘没有摆动。(6) 转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆。(7) 动应最小。(8) 保证轿车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。(9) 操纵轻便。(10) 转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小。(11) 转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。1.4 齿轮齿条转向设计任务要求(1) 建模仅设计转向器部分(2) 根据参数计算，绘制转向（左或右）极限位置机构运动图带转向梯形(A3)(3) 根据实物分析绘制车辆液压转向助力液压系统回路图（A3）;(4) 转向器具体结构可参考汽车实验室相关制动器结构，也可由学生自行设计。第2章 设计任务及方案拟定2.1 设计任务要求转向系是用来保持或者改变汽车行使方向的机构，包括转向操纵机构（转向盘、转向上、下轴、）、转向器、转向传动机构（转向拉杆、转向节）等。转向系统应准确，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。 图2.1 转向系1-方向盘； 2-转向上轴 ；3-托架； 4-万向节； 5-转向下轴； 6-防尘罩 ；7-转向器 ；8-转向拉杆一般来说，对转向系统的要求如下：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2050；无动力转向时为50100N。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。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。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。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。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。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在任何行使状态下，转向轮不应产生摆振。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。转向灵敏性主要通过转向盘的转动圈数来体现，主要由转向系的传动比来决定。操纵的轻便性也由转向系的传动比决定，但其与转向灵敏性是一对矛盾，转向系的传动比越大，则灵敏性提高，轻便性下降。为了兼顾两者，一般采用变传动比的转向器，或者采用动力转向，还有就是提高转向系的正效率，但过高正效率往往伴随着较高的逆效率。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。转向轮的回正能力是由转向轮的定位参数（主销内倾角和主销后倾角）决定的，同时也受转向系逆效率的影响。选取合适的转向轮定位参数可以获得相应的回正力矩，但是回正力矩不能太大又不能太小，太大则会增加转向沉重感，太小则会使回正能力减弱，不能保持稳定的直线行驶状态。转向系逆效率的提高会使回正能力提高，但是会造成“打手”现象。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。2.2 设计任务要求1)整车性能参数：（以下参数也可采用现场实物测绘结果）表2.1 基本参数名称轴距L前轮距L1后轮距L2最小转弯半径R数值2648mm1553mm1544mm4600mm名称车长车宽车高车质量数值4534mm1823mm1544mm1782kg2)设计要求：(2) 建模仅设计转向器部分；(3) 根据参数计算，绘制转向（左或右）极限位置机构运动图带转向梯形；(4) 根据实物分析绘制车辆液压转向助力液压系统回路图；(5) 转向器结构型式的选择，提出初步方案，进行方案论证、结构分析，确定合理的结构方案；(6) 转向系主要的参数确定，内容包括转向系计算载荷的确定，动力缸的设计计算，齿轮齿条式转向器参数的计算和校核。根据计算结果，对结构尺寸参数进行调整，并最后确定结构尺寸参数；(7) 所设计的转向器应保证汽车在各种行驶工况下，使汽车获得较高的机动性，同时使汽车操纵轻便；2.3 方案拟定适用车辆相关数据见表2.1。转向器的功用是将转向盘的回转运动转换为转向转动机构的往复运动。转向器是转向系的减速传动装置，一般由1-2级减速传动副。目前应用比较广泛的转向器有齿轮齿条式转向器、循环球式转向器、蜗杆滚轮式转向器、蜗杆曲柄指销式转向器。2.3.1 齿轮齿条转向器的优缺点齿轮齿条转向器是由转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向的齿条组成。优点：结构简单、紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器质量比较小，传动效率高达90%；齿轮与齿条之间因磨损而出现间隙后，利用装在齿条背部的、靠近主动小齿轮的处的压紧弹簧能自动消除间隙，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；转向器占用体积小，没有转向摇臂和直拉杆，所以转向转角可以增大，制造成本低。缺点：齿轮齿条转向器因逆效率高（60%70%），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方向盘，称之反冲现象。反冲会使驾驶员精神紧张，并难以准确控制汽车的行驶方向，转向盘突然转动又会造成打手，同时对驾驶员造成伤害。2.3.2 齿轮齿条转向器的输入形式及特点侧面输入，中间输出：与齿条固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，有利于减少车轮的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连在一起，因此，两拉杆与齿条同时向左或向右移动，为此在转向器壳体上开有轴向的长槽，从而降低了他的强度。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转向器，常用在平头车上。齿轮齿条转向器采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合，增加运转平稳性，降低冲击和噪声。齿条断面有圆形、V形和Y形三种。圆形断面制造简单；V形和Y形节约材料，质量小而且位于齿条下面的两斜面与齿条托坐接触，可以用来防止齿条绕轴线转动。图2.3 转向器输入形式图2.4 V形图2.5 Y形图2.6 圆形2.4 各种形式转向器现状对比2.4.1 转向器的功用和类型转向器的功能是放大驾驶员施加在方向盘上的转矩，改变力的传递方向，然后传递给转向传递机构。根据传动副的机构，汽车中广泛使用的几种结构类型，如齿条齿轮式，循环球齿齿式风扇，循环滚珠曲柄式和蜗杆曲柄销类型。由于转向器是一种大齿轮比的机构，其传动效率通常较低。输出功率与舵机输入功率之比称为舵机传动效率。当从转向轴输入动力并从转向摇臂轴输出时获得的传动效率被称为正效率，并且当传动方向与该方向相反时获得的传动效率被称为反转效率。为了减少驾驶员操纵方向盘的体力，重要的是要最大限度地提高舵机的传动效率，尤其是其正向效率。反转效率高的转向器称为可逆转向器;反转效率较低的转向器称为不可逆转向器;反转效率稍高于不可逆转转向的转向器被称为极限可逆转向器，其后向传动力性能介于可逆和不可逆转之间，接近不可逆转。可逆转向器能够将转向传递机构传递的路面反作用力容易地传递给方向盘，有利于车辆转向完成后方向盘和方向盘的自动转向，坏道对车轮的影响。传给方向盘的是“撞击”现象。可逆转向器通常用于通常路况良好的汽车。不可逆转的转向装置不允许方向盘上的冲击力传递给方向盘，但它也不会自动地使方向盘和方向盘返回，并且还防止驾驶员感觉到面向方向盘的地面方向盘上的车轮。强制信息，即所谓的“路感”的丧失。因此，目前这种转向器通常不用于汽车。限位可逆转向器给驾驶者一定的道路感，方向盘和方向盘也有一定的正向回复力矩，当道路冲击力较大时只能部分传递给方向盘。这种转向器主要用于中型及以上的越野车和自卸车。在整个转向系统中，传动部件之间必须有装配间隙，并且这些间隙会随着部件的磨损而增加，这反映出方向盘将具有方向盘的自由行程，并且方向盘自由行程将会减轻道路的影响。避免对驾驶员造成过大压力是有益的，但不应该太大，否则会降低驾驶灵敏度。通常，方向盘从对应于车辆直线行驶的中间位置向相反方向中的任一方向的自由行程通常不超过10至15;当方向盘的磨损如此严重以致方向盘的自由行程超过25至30时，必须通过调整转向齿轮传动装置的传动间隙和轴承间隙来调整。2.4.2 转向器结构2.4.2.1 齿轮齿条转向器图2.5显示了Santana的齿轮齿条式转向器。变速器辅助构件的转向齿轮3与转向齿条2啮合。压缩弹簧经由压力块7将转向齿条压靠转向机构以确保没有间隙接合。弹簧的预载可以通过调节螺钉4调节。当方向盘转动时，转向齿轮转动，使啮合的转向齿条沿轴向移动。因此，左右拉杆驱动转向节左右转动，使得方向盘偏转。图2.7 桑塔纳齿轮齿条转向器结构该齿轮齿条式转向器结构简单，制造简单，重量轻，刚度高，转向灵敏，成本低，正反转效率高，特别适用于蜡烛式和麦弗逊式悬架。易于安排等优势，已被广泛应用，如一汽红旗CA7220轿车，奥迪轿车，捷达轿车，上海桑塔纳轿车，帕萨特轿车，大众波罗轿车，广州本田轿车，天津夏利轿车和天津TJ1010小型货车及南京依维柯轻型卡车等正在使用齿轮齿条式转向器。齿条齿轮传动的基本原理如图2.6所示。图2.8 齿轮齿条传动基本原理2.4.2.2 循环球齿条齿扇式转向器循环球式转向器中一般有两级传动副，第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿山传动副。如图2.7所示，转向螺母既是第一级传动副的从动件，又是第二级传动副的主动件。为了减少转向螺杆3与螺母之间的摩擦与磨损，二者螺纹不直接接触，而是作为滚珠5的内外滚道，其间装有许多的滚珠，以实现滚动摩擦。转向螺母上装有两个滚珠导管7，每个滚珠导管的两端分别插入转向螺母侧面的孔中。滚珠导管也装满滚珠，形成两个各自独立的封闭通道。当转向盘转动时，转动轴带动转向螺杆旋转，通过滚珠将力传给螺母，使得转向螺母沿轴向移动，从而通过转向螺母外部的齿条带动了扇形齿轮轴20转动，进而带动转向摇臂轴转动，实现转向轮的偏转。循环球齿条齿扇式转向器的正传动效率很高（90%到95%），故操操纵轻便，使用寿命长，工作平稳，可靠。但其逆效率也很高，可将地面对转向轮的冲击力传给转向盘。经常在良好路面行驶的汽车，上述缺点对其影响不大。循环球式转向器应用于各类各级汽车，如解放CA1040系列轻型载货汽车、北京BJ1041型、北京2023型、解放CA1091型和黄河JN1181C13型等汽车都采用这种转向器。图2.9 循环球齿条齿扇式转向器结构2.4.2.3 蜗杆曲柄指销式转向器蜗杆曲柄指销式转向器将具有梯形截面螺纹的转向蜗杆支承在转向器壳体两端的球轴承上，转向蜗杆与锥形指销相啮合，锥形指销用双列圆锥滚子轴承支于摇臂轴内端的曲柄孔中。当转向蜗杆随转向盘转动时，指销沿蜗杆螺旋槽上下移动，并带动曲柄及摇臂轴转动。目前汽车使用的蜗杆曲柄指销式转向器多数是双指销式。转向蜗杆3支承于转向器壳体两端的两个角接触推力球轴承2和9上。转向器盖6上装有调整螺塞7，用于调整上述两轴承的松紧度，调整后用螺母锁紧。蜗杆与两个锥形指销11相啮合。两个指销均用双列圆锥滚子轴承12支承于摇臂轴20内端的曲柄上，其中靠指销头部的一列无内座圈滚子直接与指销轴颈接触。这样，所受剪切载荷最大的这段轴颈的直径可做得大一些，以保证指销有足够的强度。指销装在滚动轴承上可以减轻蜗杆和指销的磨损，并提高传动效率。螺母13用以调整轴承12的松紧度，以使指销能自由转动，且无明显的轴向间隙为宜。摇臂轴用粉末冶金衬套17和18支承在壳体中。指销同蜗杆的啮合间隙用侧盖14上的调整螺钉15调整，调整后用螺母16锁紧。双指销式转向器在中间及其附近位置时，其两指销均与蜗杆啮合，故每个指销所承载荷较单指销式转向器的指销载荷为小，因而其工作寿命较长。当摇臂轴转角相当大时，一个指销与蜗杆脱离啮合，另一指销仍保持啮合。因此，双指销式的摇臂轴转角范围较单指销式为大。但双指销式结构较复杂，对蜗杆的加工精度要求也较高。图2.10 蜗杆曲柄指销式转向器第3章 转向梯形设计与计算3.1 设计转向梯形时应满足要求1、内、外车轮转角i、o关系正确，保证全部车轮绕一个瞬时转向中心行驶，各车轮尽可能作无滑动的纯滚动运动。2、转向轮有足够大的转角，保证给定的D min。3、在汽车上有足够的高度，高于前部h min。3.2 转向梯形结构方案分析转向梯形有整体式与断开式。(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，如图3.1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。图3.1 整体式转向梯形图3.2 断开式转向梯形(2) 断开式转向梯形转向梯形的横拉杆做成断开的，称为断开式转向梯形。断开式转向梯形方案之一如图3.2所示。断开式转向梯形的主要优点是它与前轮采用的独立悬架相配合，能够保证一侧车轮上、下跳动时，不会影响到另一侧车轮。与整体式转向梯形比较，由于其杆系、球头多，所以结构复杂；制造成本高；并且调整前束比较困难。3.2.1 转向梯形计算汽车转向行驶时，受到弹性车轮侧偏角的影响，所有车轮不是绕位于后轴延长线上的点滚动，而是绕位于前轴和后轴之间的汽车内侧某一点滚动。此点位置与前轮和后轮的侧偏角大小有关。由于影响轮胎侧偏角的因素很多，而且难以精确确定，故下面是忽略侧偏角影响条件下，分析有关两轴汽车的转向问题。此时，两转向前轮轴线的延长线交于后轴延长线上，如图3.3所示。设i、o为内、外车轮转角，L为汽车轴距，K为两主销中心线延长线到地面交点之间的距离。若要保证全部车轮绕一个瞬时转向中心行驶，则梯形机构应保证内外转向车轮的转角关系为 若o为自变量，则因变角i的期望值为 图3.3 转向示意图图3.4 设计图例第4章 转向器的设计与校核4.1 转向系计算载荷的确定为了行驶安全，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。4.1.1 原地转向阻力矩精确地计算这些力是困难的，为此推荐用足够精确的半经验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，即，式中，f为轮胎和路面间的滑动摩擦因数，一般取0.7；为转向轴负荷（N）；p为轮胎气压（MPa）。=55%g=55%*(905+80+75*4)*9.8N =6926.15N=N=286775.33(1) f=0.7(2) 按汽车设计，取满载质量m的55%(3) p=0.22Mpa(4) 车整备质量=905kg4.1.2 转向盘手力作用在转向盘上的手力为：。式中为转向摇臂长；为转向节壁长；为转向盘直径；为转向器角传动比；为转向器正效率。由汽车设计，在0.851.1之间，可近似是1。 = =88.15N=88.15*0.4*0.5 =17.702(1) 转向盘直径在380550mm之间，选=400mm(2) 齿轮齿条最大正传动效率=90%(3) 转向器角传动比在1719间，选=184.2 齿轮齿条设计齿轮齿条转向器的齿轮多数采用斜齿轮。齿轮模数多在23mm之间，主动小齿轮齿数多数在57个齿范围变化，压力角去，齿轮螺旋角的取值范围多为。齿条齿数应根据转向轮达到最大偏转角时，相应的齿条移动行程应达到的值来确定。变速比的齿轮压力角，对现有结构在范围内变化。此外，设计时应验算齿轮的抗弯强度和接触强度 。齿条选用45钢制造，而主动小齿轮选用20CrMo材料制造，为减轻质量壳体用铝合金压铸。正确啮合条件：；根据设计的要求，齿轮齿条的主要参数见下表：表4.1 齿轮齿条的主要参数名称齿轮齿条齿数Z622模数Mn2.52.5压力角螺旋角1= 2=-变位系数Xn00齿轮： = =15.3 齿顶高 齿轮： = 2.5 齿条：2.5 齿根高 齿轮： = 3.125 齿条： = 3.125 齿全高 h齿轮：5.625 齿条：5.625 齿顶圆 齿轮： = 20.3 齿根圆 齿轮：9.05 基圆直径 由 得20.41齿轮： 表4.2 齿轮齿条的结构尺寸名称齿轮齿条分度圆直径15.3齿顶高 2.52.5齿根高 3.1253.125齿全高 h5.6255.625齿顶圆 20.3齿根圆 9.05基圆直径 14.34齿宽b40204.3 齿条的强度计算4.3.1 齿条的受力分析在本设计中，选取转向器输入端施加的扭矩 T = 20Nm，齿轮传动一般均加以润滑，啮合齿轮间的摩擦力通常很小，计算轮齿受力时，可不予考虑。齿轮齿条的受力状况类似于斜齿轮，齿条的受力分析如图图4.2 齿条的受力分析如图，作用于齿条齿面上的法向力Fn，垂直于齿面，将Fn分解成沿齿条径向的分力（径向力）Fr，沿齿轮周向的分力（切向力）Ft，沿齿轮轴向的分力（轴向力）Fx 。各力的大小为： Ft=2T/d Fr=Ft*tg/ cos1 Fx=Ft*tg1 Fn = Ft/(cos*cos1) 齿轮轴分度圆螺旋角 （由表1查得）法面压力角 （由表1查得）齿轮轴受到的切向力：Ft = 2T/d = 2614.38 N T作用在输入轴上的扭矩，T取20Nm 。d齿轮轴分度圆的直径， 齿条齿面的法向力：Fn=Ft/(cos*cos1) =2841N 齿条牙齿受到的切向力： =2669.67N 齿条杆部受到的力： 2 = 2611.33N 4.3.2 齿条杆部受拉压的强度计算 计算出齿条杆部的拉应力： = F / A =11.1N/mm F齿条受到的轴向力 A齿条根部截面积 ，A =334.6mm由于强度的需要，齿条长采用45钢制造，其抗拉强度极限是 = 690N/mm,(没有考虑热处理对强度的影响)2。 因此 所以，齿条设计满足抗拉强度设计要求。4.3.3 齿条齿部弯曲强度的计算齿条牙齿的单齿弯曲应力： 式中： 齿条齿面切向力 b 危险截面处沿齿长方向齿宽 齿条计算齿高 S 危险截面齿厚 从上面条件可以计算出齿条牙齿弯曲应力： =451.16N/mm上式计算中只按啮合的情况计算的，即所有外力都作用在一个齿上了，实际上齿轮齿条的总重合系数是2.63（理论计算值），在啮合过程中至少有2个齿同时参加啮合，因此每个齿的弯曲应力应分别降低一倍。 = 182.2N/mm 齿条的材料我选择是 45刚制造，因此：抗拉强度 690N/mm (没有考虑热处理对强度的影响)。齿部弯曲安全系数 S = / = 3.8 因此，齿条设计满足弯曲疲劳强度设计要求。又满足了齿面接触强度，符合本次设计的具体要求。4.4 小齿轮的强度计算4.4.1 齿面接触疲劳强度计算计算斜齿圆柱齿轮传动的接触应力时，推导计算公式的出发点和直齿圆柱齿轮相似，但要考虑其以下特点：啮合的接触线是倾斜的，有利于提高接触强度 ；重合度大，传动平稳。齿轮的计算载荷为了便于分析计算，通常取沿齿面接触线单位长度上所受的载荷进行计算。沿齿面接触线单位长度上的平均载荷P（单位为N/mm）为 P = Fn 作用在齿面接触线上的法向载荷L 沿齿面的接触线长，单位mm法向载荷Fn 为公称载荷，在实际传动中，由于齿轮的制造误差，特别是基节误差和齿形误差的影响，会使法面载荷增大。此外，在同时啮合的齿对间，载荷的分配不是均匀的，即使在一对齿上， 载荷也不可能沿接触线均匀分布。因此在计算载荷的强度时，应按接触线单位长度上的最大载荷，即计算Pca （单位N/mmm）进行计算。即 Pca = KP =K K载荷系数载荷系数K包括 ：使用系数，动载系数，齿间载荷分配系数及齿向载荷分布数，即 K = 使用系数是考虑齿轮啮合时外部领接装置引起的附加动载荷影响的系数。 = 1.0 动载系数齿轮传动制造和装配误差是不可避免的，齿轮受载后还要发生弹性变形，因此引入了动载系数。 = 1.0 齿间载荷系数齿轮的制造精度7级精度2 = 1.2 齿向荷分配系数 齿宽系数 d = b/d = 18.14/12.13 = 1.5 = 1.12+0.18(1+0.6d) + 0.23*10b = 1.5 所以载荷系数 K= = 1*1*1.2*1.5 = 1.8斜齿轮传动的端面重合度 = bsin = 0.318d*ztan = 1.65 在斜齿轮传动中齿轮的单位长度受力和接触长度如下： P ca = KP =K 因为 Fn = Ft/(cos*cos1) 所以 =1.8*3297.6/18.14/1.65/0.67= 296N/mm 可以认为一对斜齿圆柱齿轮啮合相当于它们的当量直齿轮啮合，利用赫兹公式，代入当量直齿轮的有关参数后，得到斜齿圆柱齿轮的齿面接触疲劳强度校核公式2 ： = 式中： Z 弹性系数 主动小齿轮选用材料20CrMo制造，根据材料选取，均为0.3， E，E都为合金钢 ， 取189.8 MPa求得 Z = 5.7节点区域系数Z = 2.24齿轮与齿条的传动比 u , u趋近于无穷则 所以 = 51.6 MPa小齿轮接触疲劳强度极限 = 1000 MPa 应力循环次数 N = 2*10 所以 = 1.1 计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S = 1，可得 = 1.1*1000MPa = 1100MPa （4-38）K 接触疲劳寿命系数由此可得 所以，齿轮所选的参数满足齿轮设计的齿面接触疲劳强度要求。4.4.2 齿轮齿跟弯曲疲劳强度计算齿轮受载时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱。当齿轮在齿顶处啮合时，处于双对齿啮合区，此时弯矩的力臂最大，但力并不是最大，因此弯矩不是最大。根据分析，齿根所受的最大玩具发生在轮齿啮合点位于单对齿啮合最高点时。因此，齿根弯曲强度也应按载荷作用于单对齿啮合区最高点来计算。斜齿轮啮合过程中，接触线和危险截面位置在不断的变化，要精确计算其齿根应力是很难的，只能近似的按法面上的当量直齿圆柱齿轮来计算其齿根应力。将当量齿轮的有关参数代入直齿圆柱齿轮的弯曲强度计算公式，考虑螺旋角使接触线倾斜对弯曲强度有利的影响而引入螺旋角系数，可得到斜齿圆柱齿轮的弯曲疲劳强度计算校核公式： 齿间载荷分配系数= 1.2 齿向载荷分配系数 = 1.33 载荷系数K= = 1*1*1.2*1.3 =1.56 齿形系数 校正系数 = 1.4螺旋角系数 校核齿根弯曲强度= = = 323.8MPa弯曲强度最小安全系数=1.5 计算弯曲疲劳许用应力 弯曲疲劳寿命系数 = 1.5 可得， = 1.5*1000/1.5 = 1000 MPa所以 因此，本次设计及满足了小齿轮的齿面接触疲劳强度又满足了小齿轮的弯曲疲劳强度，符合设计要求。综上所述，齿轮齿条式转向器的设计满足设计的强度要求。第5章 车辆转向力液压回路分析5.1 液压回路动力转向系统是将发动机输出的部分机械能转化为压力能（或电能），并在驾驶员控制下，对转向传动机构或转向器中某一传动件施加辅助作用力，使转向轮偏摆，以实现汽车转向的一系列装置。采用动力转向系统可以减轻驾驶员的转向操纵力。动力转向系统由机械转向器和转向加力装置组成。根据助力能源形式的不同可以分为液压助力、气压助力和电动机助力三种类型。其中液压助力转向系统应用较为普遍。1液压助力转向系统1）常压式液压助力转向系统其特点是无论转向盘处于中立位置还是转
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