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中国地质大学长城学院本 科 毕 业 设 计题目汽车液压助力转向系统设计 系 别 工程技术系 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 孙林 学 号 05211518 指导教师 于建波 职 称 高级工程师 2015年 月 日摘 要汽车在安全性、舒适性以及稳定方面更加受到人们的重视，汽车转向系统的性能关乎汽车的稳定性和安全性，助力转向是帮助驾驶员做汽车方向调整，能够让驾驶员轻松的使用方向盘打方向，降低了驾驶员的工作量，对减轻疲劳驾驶有很大的帮助。全篇首先介绍了传统的汽车助力转向系统的发展历史，然后是传统的液压助力转向系统的工作原理，接着介绍了控制流量式液压助力转向系统，在根据液压系统图与控制方式方面实现转向助力系统的设计。本文在液压控制方面与机械系统方面都对助力转向控制进行了分析，对齿轮齿条式液压动力转向机构重点进行了分析与设计。关键字：汽车; 助力转向; 液压系统; 机械结构 AbstractThe car in the safety, comfort and stability are more and more attention by people, the vehicle steering system performance is one of the important indexes, the stability and safety of automobile power steering, as the name suggests, is to assist the driver to adjust for the direction of vehicle, reduce the force strength of the steering wheel for the driver, reducing driver workload, there is great help to alleviate fatigue driving.This paper firstly introduces the development process of automobile power steering system, the working principle of the system and the traditional hydraulic power steering, and on this basis, put forward to control the flow of hydraulic power steering system in this paper, according to the design diagram and control mode of hydraulic system to realize the power steering system aspects. In this paper, in the hydraulic control and mechanical system aspects of power steering control are analyzed, on the rack and pinion steering mechanism is analyzed and design.Keywords: automobile; steering; hydraulic system; mechanical structure 目 录1绪 论12液压助力布置方案的拟定12.1转向系的功用与要求12.2转向器方案分析23 液压助力转向机构布置方案分析23.1动力转向机构布置方案23.2动力转向器结构形式的选择43.3分配阀的结构方案44液压系统方案分析44.1常用转向液压系统工作原理44.2系统设计工作原理55 转向器输出力矩的确定66 轴的设计计算及校核66.1 转向摇臂轴（即齿形齿扇轴）的设计计算66.1.1材料的选择66.1.2结构设计66.1.3轴的设计计算76.2 螺杆轴设计计算及主要零件的校核106.2.1材料选择106.2.2结构设计106.2.3轴的设计计算106.2.4钢球与滚道之间的接触应力校核127 齿轮齿条式液压动力转向机构设计137.1 齿轮齿条式转向器结构分析137.2 参考数据的确定187.3 转向轮侧偏角计算187.4 转向器参数选取197.5 选择齿轮齿条材料207.6 强度校核207.7 齿轮齿条的基本参数如下表所示217.8 齿轮轴的结构设计218结 论22参考文献23致 谢24 中国地质大学长城学院2015届毕业设计 1绪 论随着中国经济的快速发展，我国的汽车产业有着快速的成长，据我国相关部门统计，截至2007年9月底，轿车的销量数量已经超过400万辆，同比增长40%。在2006年11月的北京车展上，许多国内自主品牌纷纷亮相，比如长城、奇瑞、吉利等。在这场国际汽车展中，我国汽车在外观、设计风格、技术和品质上，都令人吃惊，但和国外有着近百年发展历史的国外汽车工业相比，我们的汽车在行车性能和舒适体验方面仍有不小差距。汽车工业是我国的主要产业，在我国的经济中有着重要的地位，汽车工业随着机械和电子技术的发展而不断前进。就现在来说，汽车已经成为先进材料、电子科技等学科的产物。汽车转向系统也随着汽车工业的飞速发展而发展。2液压助力布置方案的拟定2.1转向系的功用与要求转向系统简单来说就是用来改变汽车的行驶方向的，它的组成包含转向器和转向传动装置两大部分。根据转向系的工作特点，对其提出如下要求：1.工作可靠。汽车行驶的安全性与转向系有很大关系，所以汽车的零件需要有足够的抗磨损能力，适当的刚度、强度和足够的寿命。2.操纵轻便，这其中包含三方面内容：(l)汽车改变方向时作用在方向盘上的手力要小，一般最大极限值是：小客车中型载重车重型载重车可以采用增加转向传动装置的力传动比或转向加力器等这些方法都是减小方向盘手力的有效手段。(2)汽车在拐弯的时候，方向盘的回转圈数要少。当汽车转最大弯时，方向盘的旋转圈数不能超过2.5圈。因此转向系的角传动比不宜太大。(3)汽车在保持直线行驶时，方向盘要稳定，不能有抖动和摆动。这就需要转向系在整车布置上与其他系统相适应；汽车在转弯后，方向盘可以自己回正，说明转向器有一定的可逆性，而且要准确的选择前轮定位角。3.汽车在转弯时要保证其车轮是纯粹的滚动而不能出现滑动现象。4.尽量避免过大的车轮转向力传到方向盘上，而且需要驾驶员有正确的道路感觉。从而要求适当地控制转向器的可逆程度。5.转向系的调整应尽量少而简单。2.2转向器方案分析汽车用途可以决定选用哪种效率特性的转向器，转向器和转向系的设计方案有关系。经常行驶在好路面上的轿车和市内用客车，可以采用正效率较高的、可逆程度大的转向器。综上最后本次设计选定循环球式转向器。3 液压助力转向机构布置方案分析液压式动力转向，其油液具有不能压缩的性能，而且灵敏度高和油压工作压力比较高，动力缸尺寸比较小，结构紧凑等优点而得到更多的使用。3.1动力转向机构布置方案 转向动力缸和机械转向器成一组，然后再与转向控制阀组在一起，这种组合称之为整体式动力转向器（如图3-1）。另一种方案是只将机械转向器和转向控制阀组合成一个部件，该部件称为半整体式动力转向器（如图3-2），转向动力缸则做成独立部件。第三个方法，将转向动力缸和转向控制阀组成一组，然后再将机械转向器作为单独件，这种组合叫转向加力器（如图3-3）。图3-1 整体式动力转向器图3-2 半整体式动力转向器图3-3 转向加力器在分析比较上述几种不同动力转向机构方案时， 由于分置式动力转向器的分开布置，所以机械转向器可以有很多种方法组成；动力缸助力载荷不能影响转向器零件；在汽车的转向桥承受的力过大时，在不影响转向器基本尺寸的同时，可以增加更多的动力缸或者加大动力缸的缸径尺寸。由于分置式的管路很复杂，零件数也很多。所以在分置式的结构中，联阀式和半分置式的使用最广，但连杆式的相对少。综上最后本次设计的布置形式选定为半分置式。3.2动力转向器结构形式的选择动力转向器的结构形式包括常压式和常流式。在中间位置的转向分配阀关闭时，油液持续属于高压状态，这种称为常压式动力转向器；在中间的转向分配阀打开时，油持续处在常流状态时，这种称为常流式动力转向器。与常流式动力转向器相比较，常压式的优点是有蓄能器，油泵排除的高压油，储存到储能器中，达到一定的压力后，油泵自动卸载而空转以此避免液压系统出现过大载荷。这一点对大型汽车非常重要。所以本文采用常压式的。3.3分配阀的结构方案图3-4 滑阀的结构和工作原理分配阀有两种结构方案：阀体与阀在分配阀中控制油路通过轴向移动方式来完成称为滑阀式（如图3-4），以旋转运动来控制油路的称为转阀式。滑阀式分配阀结构简单，使用性能好，易于布置，使用广泛。转阀式非常灵敏、其密封件数少。但转阀式是通过扭杆弹簧使转阀回位，因此结构比较复杂。综上最后本次设计的控制阀选用滑阀。4液压系统方案分析4.1常用转向液压系统工作原理汽车在保持直线行驶时，转向器分配阀5处于开启，液压泵2关闭，油液进入油箱8。在拐弯时，螺杆稍微前动后动，转向器内滑阀远离中间位置，从液压泵里流出的压力油，通过液压控制集成元件4稳压后，通过转向器分配阀5，进入转向缸6，在液压缸的作用下，转向轮开始转向(如图4-1所示)。4.2系统设计工作原理(1)汽车保持直线行驶时如图4-2所示：转向器分配阀处于中间位置时，转向液压系统没有承受负担。通过液体的工作特性，液体从开式减压阀5流进转向分配阀8后，进入油箱1，有两种原因：一是转向器分配阀8的中位油路接通结构为“H”型，“A1”“B1”“O1”“P1”口互通，系统没有建压；二是开式减压阀在系统没有压力状态下，所有支路没有节流。另此时液控背压阀7、液控换向阀8及液压缸10处于闲暇。 (2)汽车向右转时：转向盘向右转动，转向器分配阀8处于“交叉”地方时，油液进入液控换向阀9“交叉”处口，完成回路，液控换向阀9的阀芯打开，使液控换向阀9弄到“交叉”处。左右转向转换运动过程的特点：汽车在左右转向转换时转向器分配阀9阀芯回到中间后，在到其中左右转向地方的瞬间时，其液控单向阀3阀芯在回位弹簧和单向节流阀6的作用下，马上让油液流出然后关闭，使支路建压，马上控制液控换向阀工作。5 转向器输出力矩的确定通过半经验公式来计算汽车在混凝土或沥青路面上行驶时转向器的输出力矩。G1=mg=141410=14140NM= G1L4=14140 1354 =477225N.mm式中，G1为汽车前轴负荷，单位是N；M为汽车转向器的输出力矩，单位是N.mm；m为汽车的前轴负荷，单位是Kg；g为重力加速度，计算时取g=10N/Kg；L为汽车转向摇臂中心距，单位是mm。6 轴的设计计算及校核6.1 转向摇臂轴（即齿形齿扇轴）的设计计算6.1.1材料的选择摇臂轴的材料为20CrMnTi钢，由于前轴担负的力不大，螺纹、三角花键和卡簧槽部表面不渗碳，其表面渗碳层深度在0.81.2mm。表面硬度为5863HRC。6.1.2结构设计轴结构如图6-1所示锥形渐开线花键在轴伸出壳体的部分，同时使用螺母紧固，这样能够让转向摇臂紧紧压靠到轴上，使之联结紧固、无间隙，加工花键的工艺与齿轮相同；因为齿扇和齿条在运动时有摩擦力，因此在运动过一段时间后会发生间隙，这个间隙的改变工作可以将齿扇设计成变厚齿扇。6.1.3轴的设计计算（1）渐开线花键的设计计算花键连接的类型和尺寸是由被连接件的尺寸、工作条件和使用要求来确定的，接着进行一定的强度校核计算，图6-1转向摇臂轴结构简图本轴的渐开线花键可选择45花键，齿数为Z=36，压力角为45，模数为m=0.8。渐开线花键几何尺寸的计算 分度圆直径D=mZ=0.836=28.8mm;基圆直径Db=mZcos45=0.8361.414=20.36mm;周 节P=m=3.140.8=2.5mm;内花键大径Dei=m(Z+1.2)=0.8(36+1.2)=29.76mm;外花键大径Dee= m(Z+0.8)= 0.8(36+0.8)=29.44mm; 外花键小径Die= m(Z-1.2) =0.8(36-1.2)=27.84mm；渐开线花键的校核计算渐开线花键的连接强度可以通过挤压、弯曲和剪切来计算。主要的是挤压强度常。其计算过程如下：渐开线花键的平均直径mm;渐开线花键齿的工作高度=m=0.8mm；渐开线花键齿的工作长度=25mm；渐开线花键齿的弯曲应力；许用弯曲应力为由此可知，渐开线花键的设计满足要求。（2）变厚齿形齿扇的计算变厚齿形齿扇的计算，如图6-2所示，将中间剖面A-A定义为基准平面。进行变厚齿扇计算之前，其参数有：变厚齿扇的模数m，参考表41选取；齿顶高系数X1，一般取0.8或1.0；径向间隙系数，取0.2；法向压力角，一般在2030之间；正圆齿数，在1215之间选取；齿扇宽度，一般在22mm28mm。表6-1 循环球式转向器齿扇齿模数齿扇齿模数m/mm3.03.54.04.55.06.06.5轿车排量/mL500100018001600200020002000前轴负荷/N3500380047007350700090008300110001000011000货车和大客车前轴负荷/N300050004500750055001850070001950090002400017000370002300044000最大转载质量/Kg350100025002700350060008000通过汽车的前轴负荷G1=14140N，从上表可以看出,选取齿扇的模数m=5mm。然后，由变厚齿扇的模数m=5mm,查4-1表选择转向器的相关尺寸。图6-2 变厚齿形齿扇的计算简图变厚齿扇的几何尺寸，计算结果如下：变厚齿扇的模数m=5mm;变厚齿扇的法向压力角=30；整圆齿数为13；齿扇齿数为z=5；变位系数X1=0.082；分度圆直径d=mz=513=65mm;分度圆齿厚S=/2=3.145/2=7.85mm;齿顶高 ha= X1m=0.85=4mm;齿根高 hf=( X1+c)=(0.8+0.25)5=5.25mm;齿顶圆直径da=d+2ha=65+24=73mm;齿扇的结构设计因为齿扇的齿顶圆直径为da=73mm500mm，所以可使用锻造毛坯；又因为齿扇的齿根圆直径为df=d-2hf=65-25.25=54.75mm，但齿扇的轴径为32mm,二者的差别比较小，所以能制成一体的齿轮轴，因此轴的材料一定与齿扇齿轮的相同。5）齿扇齿的应力校核齿扇齿的受力情况如图6-3所示。图6-3 齿扇齿的受力简图作用在齿扇上的圆周力Fa=14683.85N; （61）齿扇的齿高h=ha+hf=4+5.25=9.25mm;则齿扇齿的弯曲应力w= （62）=508.65N/mmw=540 N/mm; 上式中，w为许用弯曲应力，w= 540 N/mm。由此可知，齿形齿扇的设计能够满足设计要求。6.2 螺杆轴设计计算及主要零件的校核6.2.1材料选择螺杆轴可以使用20CrMnTi钢来制造，热处理钢球滚道处渗碳层深度在0.81.2mm，表面淬火HRC 5863。其20轴径硬度HRC40，在渐开线花键处不渗碳。6.2.2结构设计轴的结构如图所示图6-4 螺杆轴结构简图通过轴向固定，角接触球轴承的标准，然后了解内侧采用轴肩，因此左右轴径均采用d=20mm；左端轴径长度为14mm，比轴承宽度小4mm，轻松的便可将轴承固定在转向螺杆轴上；能够让汽车转向万节的中心与转向螺杆轴中心能在一个高度上，因此连接使用渐开线花键连接，花键的加工工艺和齿轮相同；为了减少螺母和螺杆之间的摩擦，可以通过在螺母和螺杆的滚道之间放置适量的钢球来提升传动效率；为了防止钢球沿滚道滚出，所以要在螺母上增加钢球返回装置，这样使钢球通过此装置自动返回入口处，从而形成循环回路。56.2.3轴的设计计算（1）首先由变厚齿扇齿模数m=5.0mm，通过查表4-1来确定转向螺杆轴的相关参数，相关参数如下：钢球中心距D=32mm; 螺杆外径D1=29mm; 钢球直径d=7.144mm;螺距P=10mm; 工作圈数2.5； 环流行数2；齿扇齿数Z=5 ; 齿扇整圆齿数Z=13； 螺母长度L=56mm; 齿扇压力角=2730；齿扇宽26mm；（2）其他参数的设计计算：螺母内径D2=D+(5% 到10%)D1=32+(5% 到10%)29=33.5到34.9mm;圆整后取D2=34.2mm;每个环路中的钢球数; （63）圆整后取n=32;滚道截面半径mm; （64）圆整后取R2=4mm;接触角选择=45；当方向盘转过5角时，齿扇节圆应转过的弧长等于对应螺母在螺杆上移动的距离S,此时，摇臂轴转过0.25角，此时，转向轮转至最大转角，则=51mm; （65）螺杆螺纹滚道的有效工作长度L是螺母在螺杆上移动的距离的2倍，即L=2S=251mm=102mm;考虑到安全性，可以在有效工作长度L之外的两端各增加0.5-0.75圈滚道长度。螺杆螺纹滚道的实际有效工作长度LL=L+2(0.5到0.75)d=102+2(0.50.75)7.144=109.44112.716mm;又螺杆螺纹滚道的有效工作长度距两端面距离5.5mm，即螺杆螺纹滚道的实际有效工作长度L L+25.5=102+25.5=113mm；圆整后取L=112mm；螺杆螺线导程角则,则= = =5.68; （66）6.2.4钢球与滚道之间的接触应力校核螺杆受力 作用在螺杆上的轴向力F2（67）上式中d为变厚齿扇的分度圆直径； 钢球与螺杆之间的正压力F3 F3= （68）上式中n为参与工作的钢球数；为接触角，=45； 螺杆受力简图 则 可见接近于0.1，根据查取K=0.970; （69）表6-2 系数K与的关系1.00.90.80.70.60.50.40.3K0.3880.4000.4100.4400.4680.4900.5360.6000.20.150.10.050.020.010.007K0.7160.8000.9701.2801.82.2713.202钢球与滚道之间的接触应力=K =2273.15； （610）上述，R1为螺杆外半径；R2为滚道截面半径；r为钢球半径；E为材料弹性模量，等于2.1;为许用接触应力，当接触表面硬度为58-64HRC时，等于25 7 齿轮齿条式液压动力转向机构设计齿轮齿条式液压动力转向机构是在纯机械式齿轮齿条式转向向机构的基础上加上液动加力装置，辅助转向。7.1 齿轮齿条式转向器结构分析齿轮齿条式转向器包括两端输出式和中间输出式两种。 本论文选择两端输出。因为两端输出的转向器相比中间输出的转向器更为简单，而且容易实现液动助力。液动齿轮齿条转向器的功能实现。齿轮齿条式液压动力转向机构是在纯机械式齿轮齿条式转向向机构的基础上加上液动加力装置，辅助转向。加力装置主要包括液压泵，助力缸，管路以及分配阀等，如图7-3图7-3 齿轮齿条式转向器爆炸图将转阀接口如图7-4所示连接输油管路图7-4 转阀油路连接液压助力转向器助力转向工作原理如图7-5所示。图7-5 液动齿轮齿条式转向系统工作原理图1、直线行驶小轿车直线行驶时转向盘保持不变，动力缸左右两腔相通如图7-6所示，系统中只有极小克服流动阻力的油液压力，助力系统此时无助力。图7-6直线行驶时油路工作状况2、右转向行驶小轿车往右转弯时，方向盘顺时针方向转动-扭杆扭转变形-滑阀偏转-动力油缸左腔进入高压油，右腔与回油管路连通-转向轮偏转-转向齿轮与转向轴同向转动，如图7-7所示。图7-7右转向行驶时油路工作状况3、左转向行驶小轿车往左方向转弯时，转动方向盘-扭杆扭转变形-滑阀偏转-动力油缸右腔进入高压油，左腔与回油管路连通-转向轮偏转-转向齿轮与转向轴同向转动，如图7-8所示。图7-8 左转向行驶时油路工作状况4、动力转向装置的其它特性转向动力缸有随转向盘工作或停止的随动作用。在液压系统工作出现故障不能助力或助力降低的时候，我们可以通过转向盘直接操作转向，但出现的操作力会变大。7.2 参考数据的确定表7-1 上海通用别克赛欧汽车转向参数轮距1440mm轴距2750mm满载轴荷分配：前/后877/1643(kg)轮胎175/60R14主销偏移距a50mm轮胎压力p/MPa0.45方向盘直径307mm最小转弯半径6.9m转向梯形臂200mm7.3 转向轮侧偏角计算图7-9 车轮位置简图 （3-1） （3-2）7.4 转向器参数选取齿轮齿条转向器的齿轮一般使用斜齿轮，齿轮模数在之间，主动小齿轮齿数在之间，螺旋角在之间，压力角取。故取小齿轮，右旋，压力角，精度等级8级。转向节原地转向阻力矩： （3-3）方向盘转动圈数： （3-4）角传动比： （3-5）方向盘上的手力： （3-6）出现在方向盘上的操纵载荷:相对轿车来说该力不应超过150200N，对于货车不应超过500N。因此符合设计要。 （3-7）力传动比： （3-8）取齿宽系数 （3-9）齿条宽度圆整取，则取齿轮齿宽7.5 选择齿轮齿条材料小齿轮：齿轮一般选用性能不错的20CrMnTi合金钢，热处理采用表面渗碳淬火工艺，齿面硬度为HRc5863。齿条的材料使用与20CrMnTi有良好匹配性的40Cr作为啮合副，齿条热处理使用高频淬火工艺，表面硬度HRc5056。7.6 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 ， ； ， ， 故以 计算 （3-10）查得： ， ， ， ； ， ， ， 则， （3-11）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； ； ； ； ； 故以 计算 ： （3-12）据齿数查表有：； ； ； 。则： （3-13）齿轮弯曲疲劳强度合格。7.7 齿轮齿条的基本参数如下表所示表7-2 齿轮齿条基本参数名称符号公式齿轮齿条齿数631分度圆直径15.2314变位系数1齿顶高52.5齿根高0.6253.125齿顶圆直径25.2314齿根圆直径13.9814齿轮中圆直径20.2314螺旋角10齿宽30207.8 齿轮轴的结构设计图7-10 齿轮轴的结构设计8结 论转向系统是汽车行驶中必不可少的系统，本次设计一开始对汽车转向系很陌生，但本着对汽车转向的强烈兴趣和此次设计的责任感，通过大量的想关文献参考和网络搜索，使我逐渐认识并最终了解了汽车转向机构。本文的转向器是以齿轮齿条式液
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