【起亚K5转向系统的设计与探析6200字（论文）】

起亚K5转向系统的设计与分析摘要：汽车在行驶过程中，需要按照人们的意志改变行驶方向，即所谓的汽车转向。转向系统就是用来改变或恢复车辆行进方向的专设机构。在车辆的行驶过程中，由于受到轮胎摩擦力、方向盘旋转力等力的影响，所以转向器的可靠与否是决定车辆能否按照驾驶人员的意志进行转向的关键。齿轮齿条转向系统结构简单、制造方便、正逆效率高等优点，广泛应用于各式车辆上，是起亚K5的最佳选择。而对零件结构进行三维建模，通过有限元分析可以迅速了解到零部件的强度、变形，大大提高了效率，降低了设计难度。此项毕业设计以起亚K5汽车数据作为基础数据，设计并分析一款齿轮齿条转向器。关键词：K5汽车；转向器；齿轮齿条；有限元分析；目录 TOC\o"1-3"\h\u31572第1章绪论 13681.1设计的目的和意义 199841.2转向器分类及概述 178311.3转向系统的发展历程和趋势 23888第2章基本方案和主要参数确定 4181092.1设计的基本参数 455642.2设计基本方案的确定 4211802.3传动比的确定 5156032.3.1方向盘尺寸的确定 5320292.3.2汽车转向阻力矩计算 5227542.3.3转向系的角传动比 626292第3章转向器主要参数的设计计算 7143463.1齿轮齿条的设计计算 7310013.1.1齿轮的参数设计 7262203.1.2齿条的参数设计 7240363.2齿轮齿条材料选择及强度校核 816233.2.1应力计算 8145543.2.2强度校核 921608第4章三维模型和有限元分析 1111334.1零部件三维建模 11226614.2有限元分析 11110604.2.1斜齿轮应力结果 1551044.2.2斜齿轮变形结果 153667第5章结论 1615513参考文献 18第1章绪论1.1设计的目的和意义转向系统的功用是保证汽车能够按照驾驶人员的意志进行转向行驶，通过操纵车轮使车辆完成直线、曲线行驶。转向系统主要由转向操纵机构、转向器、转向传动机构组成。由此可以看出，转向系统在汽车设计中占据重要地位，完全决定了车辆能否正常行驶。随着汽车行业的不断发展，更新速率的增加，传统方法无法做到快速更新。而通过三维建模，可以迅速实现结构预览、专配啮合等功能。通过有限元分析，免去了繁杂的计算，直接了解结构设计是否合理。节约了大量的时间陈本、人工陈本和资源成本，极大地提高了效率。此次以起亚K5汽车为原型，设计并分析一款转向器，建立三维模型并装配，分析转向器的强度与变形。在此过程中了解并掌握大学期间的所学的专业知识，做到学以致用，为今后的工作打下良好基础。1.2转向器分类及概述转向器是转向系统中的减速传动装置，又被称为方向机。随着汽车行业的发展，曾经出现过的许多结构形式都已被淘汰。目前，仅齿轮齿条式、循环球式、蜗杆曲柄指销式在大规模应用。虽然材料工艺、制造工艺仍在不断提高，但无论如何改进，内部基础结构仍然未变。1、齿轮齿条式转向器这是最常见的传动方式之一，它的基本结构是一对啮合的齿轮齿条，如果转向轴带动齿轮转动，齿条便做直线运动。有时可以通过齿条直接作用转向轮旋转，所以这是最简单的方向盘，它具有结构简单、成本低、转向灵敏等优点，体积小，可广泛应用于汽车上。2、蜗杆曲柄式转向器这是一种以蜗杆为主动件，曲柄为从动件的转向器。蜗杆为梯形螺纹，手指形的锥形指销与轴承固定在曲柄上，曲柄与转向摇臂轴为一体。转向时，蜗杆通过方向盘转动，而嵌在螺旋盘中的锥指一边转动，另一边绕着转向摇臂轴转动，带动曲柄和转向垂臂摆动，然后使转向轮转向，这种转向器通常用于转向力大的卡车上。3、循环球转向器这种转向装置，由齿轮机构减缓了方向盘的旋转力，使方向盘的旋转运动转化为螺杆的旋转运动。滚珠螺杆和螺母通过钢球啮合，使滚珠螺杠的旋转运动成为直线运动。螺母与扇形齿轮啮合，直线运动又转化为旋转运动，使连杆臂晃动，连动拉杆和横拉杆作直线运动，改变车轮的方向。这是一种经典的机构。大多数现代汽车不再使用，而是采用最新的伺服驱动，其原理相当于螺母和螺栓在旋转过程中的相对位移，螺纹和螺纹之间用钢球以减少阻力。所有钢球都在一个封闭的螺旋曲线中循环滚动，所以被称为循环球式。在上述三种结构的基础上，还开发出了动力转向系统。从名字上可以看出，这是在原来的基础上增加了动力辅助系统，使大部分转向所需的力由动力机构提供。1.3转向系统的发展历程和趋势汽车转向系统由传统的机械转向系统，转变为动力转向系统，并向智能转向系统发展。在传统的机械转向中，轮胎与地面之间的反作用力直接传递到方向盘上，使方向盘的转动非常困难，，如果是较重的卡车，方向盘不稳甚至会导致手臂骨折。

由于机械转向的困难和不安全，于是出现了液压助力转向系统，利用发动机的动力驱动油泵为机械转向提供液压动力，使方向盘的操作更加容易。但由于发动机为油泵提供动力，因此发动机功率有所损耗。近年来，随着电子技术的广泛应用，转向系统也越来越多使用的电子设备，逐渐发展为电动助力转向系统。当驾驶员转动方向盘时，传感器将扭矩信号发送到微处理器上，微处理器确定车辆的其他运行参数，通过调整程序来改变助力器的力矩大小。自电动助力转向系统成熟以来，电动助力力转向系统广受人们的认可，并逐渐取代液压助力转向系统称为主流。随着人工智能技术和移动通信技术的进一步发展，人们将从操作方向盘的动作中解放出来。卫星与各项传感器将汽车周围的路况、地形、障碍等数据传输到车载电脑中，人工智能通过分析计算数据，控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶，到达目的地。伴随时代的发展，转向系统未来必定发展成为无人驾驶系统。第2章基本方案和主要参数确定2.1设计的基本参数本次毕业设计的基础参数是依据任务书所给定的K5，主要运行环境为城市道路，其基本参数根据网络查询如下：最大总质量：1501kg；轴距：2795mm；轮距（前轮）：1601mm；最小转弯直径：5000mm；驱动形式：前置前驱。2.2设计基本方案的确定首先，对于汽车来说，主流转向器是齿轮齿条式和循环球式。齿轮齿条式转向器相对成熟，传动系统简单，传动比精确，稳定性高。它具有传动的一些优点，因此是最常用的，也可以经常应用于一些中小型车上。在目前的汽车市场上，齿轮齿条的市场占有率约为60%到70%。起亚K5汽车，是一种常见的城市车辆，道路关系的主要形式是沥青路或水泥路，总质量约为1.5吨，因此我们选择齿轮齿条式转向机构。齿轮齿条转向器根据输入位置和输出特点不同，可以分为四种形式：中间输入，两端输出（图2.1a)、侧面输入，两端输出（图2.1b)、侧面输入，中间输出(图2.1c)、侧面输入，一端输出(图2.1d)。在选择侧面输入和中间输出时，应为拉杆的增长，车轮上下运行时拉杆的摆动幅度变低，有助于降低转向系统和悬架系统之间的干扰。用螺栓固定支架和齿条，使两个拉杆同时向左或向右移动。因此，转向器壳体上有一个长长的轴向凹槽，降低了其强度。采用两端输出时，由于拉杆长度有限，悬架系统的导向机构容易发生运动扰动。但具有结构简单、制造简单、成本低等特点，通常用于小型车辆。如果为直齿齿轮与直齿齿条啮合，则运行稳定性低，冲击力大，工作噪音高，而且齿轮和齿条之间的夹角只能是直角，这样就不利于总体设计。如果为斜齿齿轮与斜齿齿条啮合，那么一致度高，运转平稳，冲击和噪声小，齿轮与齿条夹角，利于总体设计。但缺点是由于斜齿轮有轴向力，并且同时啮合好几处齿轮，所以齿面易磨损。图2.1布置形式2.3传动比的确定齿轮齿条和齿轮一样，传动比是一个非常重要的参数，他决定着整个转动系统的结构、基本参数等。2.3.1方向盘尺寸的确定方向盘也被称之为转向盘，方向盘的大小都在355mm到405mm之间。尺寸大小的选择需要根据汽车类型、车内空间等条件进行。因为起亚K5属于小型轿车，车内空间较小。并且其主要行驶路段为城市路段，路况复杂，需要保证良好的视野和宽阔的操纵空间。所以根据《汽车方向盘尺寸参考表》选取方向盘直径为380mm。2.3.2汽车转向阻力矩计算汽车转向的时候，驾驶员施加在方向盘上的力大小一般在150N和200N范围内。汽车转向阻力矩计算公式如下：公式中各参数表示的含义如下：Mr--转向阻力矩；f--行驶过程中轮胎和路面之间的摩擦力，取值为0.7；G1--汽车转向轴负荷，其计算为：其中m表示汽车总质量，g表示重力加速度，c表示车轮的载荷分配系数，取60%，P--轮胎气压，取值为0.255MPa。带入个参数可得：2.3.3转向系的角传动比齿轮齿条转向器的传动比是固定的，所以主要考虑角传动比，公式如下：式中：为齿轮分度圆的半径，为齿轮分度圆的直径；根据《汽车设计》，一般汽车齿轮齿条转向器的角传动比的取值范围在16到32之间。本次设计角传动比取值为20。

第3章转向器主要参数的设计计算3.1齿轮齿条的设计计算3.1.1齿轮的参数设计根据《汽车设计》可以知道齿轮齿条式转向器的大多选择斜齿圆柱齿轮。齿轮模数取值范围多在2-3mm之间。主动小齿轮齿数多数在5-7个齿范围变化，压力角取20°，齿轮螺旋角取值范围多为9°~15°。因此根据《汽车设计》选择齿轮的基本参数如下：模数齿数压力角螺旋角则可以计算出斜齿轮的分度圆直径：斜齿圆柱齿轮直径齿宽系数：齿宽：3.1.2齿条的参数设计齿条为齿条式和齿轮进行啮合形成动力传递的。齿条的本质结构就是一个带有一段齿轮的金属带，他的结构一般都是安装在壳体内，利用齿轮形成的驱动力进行左右的滑动。在结构设计中，转向器是整体安装在汽车前梁上的。齿条从起结构可以看到，强度比较大，所以有时候会直接利用它代替摇臂。这样做的好处就是能够确保转向拉杆和悬架之间保持平行，不会出现干涉的现象。同时对于齿条来说，他的导向座也能够将齿条安装在转向器上，齿条工作时候能够进行横向的移动。从而带动了拉杆的移动，实现了前轮的旋转运动，就是转向动作。齿条的结构简图入下图3.1所示。图3.1齿条设计齿轮齿条的啮合就是类似于一对齿轮的内核，齿条的齿轮局要求必须一样，不然会出现无法啮合的现象。齿轮的齿距计算公式如下：齿条的齿距计算公式为因为齿轮与齿条啮合，所以齿轮齿距P1和齿条齿距P2相等所以，L--齿条的长度，为110mm；带入参数计算：根据标准齿数，选择齿条齿数为齿条宽3.2齿轮齿条材料选择及强度校核齿轮材料选择40Cr，渗碳、渗氮、淬火、回火处理。齿条材质选择45钢，经调质处理。3.2.1应力计算首先计算许用应力：其中：寿命系数计算许用应力，取带入得：因为，带入计算得：3.2.2强度校核齿轮接触疲劳强度公式如下：其中弹性系数；节点趋于系数；啮合重合度系数；螺旋角系数；齿轮传动比，由于是齿轮齿条传动，所以；转矩：齿宽：；分度圆直径：；K--齿轮的系数，公式为：带入各个参数进行计算得：许用接触疲劳强度计算得：因为；所以接触疲劳强度满足要求。计算齿轮的弯曲疲劳强度校核。齿轮的弯曲疲劳强度需要满足以下要求：公式中个参数根据《机械设计》查询的含义如下：齿形系数；齿根的应力修正系数；螺旋角系数；齿轮啮合重合度系数。带入参数计算得：查《机械设计手册》得：；；；；根据计算可以看到。齿轮的弯曲疲劳强度能够满足要求。第4章三维模型和有限元分析4.1零部件三维建模对齿轮齿条转向器零部件进行建模，其主要零部件建模如下。4.2有限元分析进入静力学学分析模块staticstructural右击geometry导入斜齿轮模型双击engineerdata定义材料属性将斜齿轮设置为40Cr，材料的密度为7800kg/m^3弹性模量为2.1e11pa，泊松比为0.3材料属性图双击madel进入模型分析界面斜齿轮示意图网格划分：点击mesh进入size定义斜齿轮网格尺寸为5mm，点击mesh开始划分网格。斜齿轮网格示意图定义约束：在下图蓝色位置施加全约束定义载荷：在齿轮齿面上施加Z方向38000N.mm的力矩4.2.1斜齿轮应力结果整体应力云图通过分析可以看出最大应力为348.3Mpa，最大应力位置在斜齿轮齿面和轴过度的地方，但在该工况下产生的应力小于材料40Cr的屈服极限785Mpa因此满足强度设计要求4.2.2斜齿轮变形结果变形云图通过分析可以看出斜齿轮在在该工况下的变形为0.068mm，变形非常小满足刚度设计要求。第5章总结毕业设计一直都是大学生涯中的最重要的一次成果展示，是我们踏入社会参与各项项目之前最好的一次预演。从开题到到完成设计，期间，无论是查找资料还是设计计算甚至是工程制图，每一个过程都是对自己知识的回顾，对能力的考验与提升。毕业设计让我发现了我专业基础能力的许多不足之处。当我进行设计计算时，我无法做到对结构原理不了解，对公式使用的茫然，对图纸规范的不熟悉。在设计过程中，我不断翻阅各种资料与书籍，对图纸删了又删，改了又改。这严重降低了我的设计速度，拖慢了我的进程，但这段过程也是对我专业知识的的一次查漏补缺。这次毕业设计我所做的课题是起亚K5转向系统的设计与分析。虽然在之前的课程中我已经学习了转向系统相关的知识，但在设计过程中还是暴露出了我对知识的不了解。通过网络资料和课本，我花费了1周时间来对这些知识进行再学习，并对资料进行了整理与筛选，为后面的设计打好基础。因为前期准备的完备，在设计计算阶段，我很快完成了零部件的参数设计计算。但在制图阶段我再次遇到了困难，此前我并没有学习过CAD工程制图。因此，我需要花费大量时间学习，这是我毕业设计阶段所遇到的最大的困难。通过高强度的学习和指导老师的教导，我完成了工程制图。期间，老师极有耐心，对我提出的所有问题都做出了专业详细的讲解，确保我能够解决那些问题。这次毕业设计，我完成了对《汽车构造》《汽车设计》等书的温故而知新，对CAD工程制图软件与ANSYS有限元分析软件的学习和应用。学会了产品设计流程，设计必须严格按照标准和流程进行设计，从总体设计到零部件设计，每一个过程都需要经过多次返工与修改才能逐渐完善。由于我的专业知识有限，此前也并没有接触过转向系统相关方面的设计，本设计中一定存在许多不足之处，敬请各位老师指正，使我能够及时改正错误。转向系统是汽车中最重要的极几大系统之一，转向系统更是直接关系到车辆行驶的安全性。在本次设计中，我首先做好了目标规划，明确设计方向。对转向系统进行了分析与选择。对斜齿轮进行了有限元分析，实现了斜齿轮的强度和变形分析，验证了设计的合理可靠。随着时间的流逝，不知不觉，毕业设计也要结束了。经过几个月的努力，我完成了我的毕设。这是4年大学生涯中的最后一个综合性课题，在没有做之前，我单纯的以为这只是一次更加严格的课程设计而已，但经历了这几个月的实践，我对的看法太片面。这不仅是一次所学知识的考核，还是对知识的再学习、再提高，更是对自己知行合一的检验。在这过程中我发现了我所欠缺的知识，之前我一直觉得自己什么都会，什么都懂，其实自己只是纸上谈兵，只有真正动手去做才会发现所想与所作有多大的差距。通过这次毕业设计，我明白了学习不是一蹴而就的，只有脚踏实地、循序渐进才能真正地掌握知识。在以后的工作和生活中也要保持谦虚的心态，不断学习，不断提升自我。人生不会一帆风顺，只有脚踏实地，勇敢克服成长道路上的每一份坎坷与挫折，才能迈向成功。参