汽车转向机构的设计

汽车设计课程设计说明书

题目：汽车转向机构的设计

学院：机械与汽车工程学院

专业：汽车制造与装配

班级：_________

姓名：_________

学号：________

指导教师：________

日期：2013年12月____________

小组成员：

论文摘要

本设计课题为汽车转向系统的设计，课题以机械式转向系统的齿轮齿条式转向器设

计。首先对汽车转向系进行概述，二是作设计前期数据准备，三是转向器形式的选择以

及初定各个参数，四是对齿轮齿条式转向器的主要部件进行分析。设计中运用AutoCAD

作出齿轮齿条式转向器的零件图。

本课题在考虑上述要求和因素的基础上研究利用转向盘的旋转带动传动机构的齿轮

齿条转向轴转向，通过万向节带动转向齿轮轴旋转，转向齿轮轴与转向齿条啮合，从而

促使转向齿条直线运动，实现转向。实现了转向器结构简单紧凑，轴向尺寸短，且零件

数目少的优点又能增加助力，从而实现了汽车转向的稳定性和灵敏性。在本文中主要进

行了转向器齿轮齿条的设计和对转向

关键词：转向机构，齿轮齿条，机械转向

目录

1绪论...............................................1

1.1汽车转向系统概述...................................................................1

1.2汽车转向系统的国内外现状及发展趋势.................................................2

2机械转向系统的性参数..............................4

2.1机械转向系统的结构组成............................................................4

2.2转向系统的性能要求.................................................................5

2.3转向系的效率.......................................................................6

2.4传动比特性.........................................................................7

2.5转向器传动副的传动间隙.............................................................9

3机械式转向器总体方案初步设计......................10

3.1转向器的分类及设计选择............................................................10

3.2齿轮齿条式转向端的基本设计........................................................II

3.2.1齿轮齿条式转向器的结构选择.....................................................11

3.2.2齿轮齿条式转向器的布置形式.....................................................12

3.2.5齿轮轴的结构设计...............................................................14

3.2.6转向器材料及其他零件选择.......................................................15

4转向传动机构设计...................................16

4.1转向传动机构原理...................................................................16

4.2转向梯形的布置.....................................................................17

4.3转向梯形机构尺寸的初步确定.........................................................17

4.5转向传送机构的臂、杆与球销.........................................................19

4.6转向横拉杆及其端部.................................................................19

4.4杆件设计结果......................................................................20

5.1转向垂臂........................................21

5.2侧盖............................................22

5・3齿条.............................................23

5.4齿轮轴..........................................24

5.5横拉杆接头......................................24

结论.................................................25

参考文献............................................26

致谢...............................................27

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。动力转向系的发展经过几个阶段，各个阶段也有不同的动力

辅助系统。

20世纪50年代，美国GM公司率先在轿车上采用了液压助力转向系统。该系统是建

立在机械系统的基础之上，额外增加了一个液压系统。为液压助力转向系统（HPS）。

1983年，在液压助力系统基础上发展起来的，日本Koyo公司推出了具备车速感应

功能的电控液压助力转向系统（EHPS）o

1988年日本Suzuki公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的转向柱助

力式电动助力转向系统1990年日本Honda公司也在运动型轿车NSX上采用了自主研发

的齿条助力式电动助力转向系统，也就是现在应用车型极为广泛的EPS系统，

SBW线控转向系统是继EPS后发展起来的新一代转向系统具有比EPS操纵稳定性

更好的特点，它取消转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电能实现转向，彻底摆脱

传统转向系统所固有的限制，提高了汽车的安全性利驾驶的方便性⑴。

1.2汽车转向系统的国内外现状及发展趋势

汽车转向系统的发展经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力转

向系统3个基本阶段，线控转向系统为其发展趋势⑴。

随着汽车工业的迅速发展，转向装置的结构也有很大变化。汽车转向器的结构很

多，从目前使用的普遍程度来看，主要的转向器类型有4种：有蜗杆销式（WP型）、蜗杆

滚轮式（WR型）、循环球式（BS型）、齿条齿轮式（BP型），这四种转向器型式，已经被广

泛使用在汽车上。

1、汽车转向系统在世界发展状况

据了解，在世界范围内，汽车循环球式转向器占45%左右，齿条齿轮式转向器占40%

左右，蜗杆滚轮式转向器占10%左右，其它型式的转向潜占5%。循环球式转向器一直在

稳步发展⑴。在西欧小客车中，齿条齿轮式转向器有很大的发展。口本汽车转向器的特

点是循环球式转向器占的比重越来越大，日本装备不同类型发动机的各类型汽车，采用

不同类型转向器，在公共汽车中使用的循环球式转向器，已由60年代的62.5%,发展

到现今的100%了（蜗杆滚轮式转向器在公共汽车上已经被淘汰）。大、小型货车大都采用

循环球式转向器，但齿条齿轮式转向器也有所发展，微型货车用循环球式转向器占65%,

齿条齿轮式占35%川。

2、汽车转向系统在国内发展状况

我国的转向器生产，除早期投产的解放牌汽车用蜗杆滚轮式转向器，东风汽车用蜗

杆肖式转向器之外，其它大部分车型都采用循环球式结构，并都具有定的生产经验。

2

目前解放、东风也都在积极发展循环球式转向器，并己在第二代换型车上普遍采用了循

环球式转向器。由此看出，我国的转向器也在向大量生产循环球式转向器发展

3、汽车转向系统的发展趋势

齿轮齿条式转向器和循环球式转向器，已成为当今世界汽车上主要的两种转向器；

而蜗轮一蜗杆式转向器和蜗杆销式转向器，正在逐步被淘汰或保留较小的地位。

在小客车上发展转向器的观点各异，美国和E本重点发展循环球式转向器，比率都

已达到或超过90席西欧则重点发展齿轮齿条式转向器比率超过50%法国已高达95%吗

由于齿轮齿条式转向器的种种优点，在小型车上的应用（包括小客车、小型货车或

客货两用车）得到突飞猛进的发展；而大型车辆则以循环球式转向器为主要垢构。

从发展趋势上看，国外整体式转向器发展较快，而整体式转向器中转阀结构是目前

发展的方向。由于动力转向系统还是新的结构，各国的生产厂家都正在组织力量，大力

开展试验研究工作，提高使用性能、减小总成体积、降低生产成本、保证产品质量稳定，

以便逐步推广和普及。

随着科学技术的发展，国际经济形势的变化对汽车乃至汽车转向器的生产都有很大

影响。特别是西方国家实行石油禁运以来，世界经济形势受冲击很大。随着能源危机的

发展，汽车工业首当其冲，其发展方向有很大变化。从汽车设计、制造到各总成部件的

生产都随着能源危机的发生而变化，表现在能源消耗、材料消耗、操纵轻便等各个方面。

3

2机械转向系统的性参数

2.1机械转向系统的结构组成

转向系是用来保持或者改变汽车行使方向的机构，一般转向系组成如下图1.2⑵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c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1-2转向系的基本构成

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

1、转向操纵机构

转向操纵机构包括转向盘，转向轴，转向管柱。有时为了布置方便，减小由于装配

位置误差及部件相对运动所引起的附加载荷，提高汽车正面碰撞的安全性以及便于拆

装，在转向轴与转向器的输入端之间安装转向万向节，采用柔性万向节可减少传至转向

轴上的振动，但柔性万向节如果过软，则会影响转向系的刚度。采用动力转向时，还应

有转向动力系统。

2、转向传动机构

转向传动机构包括转向臂、转向纵拉杆、转向节臂、转向梯形臂以及转向横拉杆等。

转向传动机构用于把转向器输出的力和运动传给左、右转向节并使左、右转向轮按一定

4

关系进行偏转。

3、转向器

转向器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。目前较常用的有齿轮齿条式、循环球曲柄指销式、蜗杆曲

柄指销式、循环球-齿条齿扇式、蜗杆滚轮式等。

2.2转向系统的性能要求

汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。起作用是使汽车在行驶

过程中能按照驾驶员的操纵要求而适时地改变其行驶方向，并在受到路面传来的偶然冲

击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶。因

此，转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性和安全性。

一般来说，对转向系统的要求如下：

1、合理设置传动比，使操纵轻便，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，则转向轻要，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，解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20-50N；无动力转向时为50-100N[3：o

2、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。

3、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。

4、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，

5、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。

6、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。

7、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

8、在任何行使状态下，转向轮不应产生摆振，

9、保证轿车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。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。

10、合理设计转向梯形。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

5

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。

2.3转向系的效率

功率月从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率称为转向相的正效率，符号

n，表示，反之称为逆效率，用符号联表示。

正效率〃，计算公式：

(2.1)

逆效率小计算公式：

八

(2.2)

式中，月为作用在转向轴上的功率；月为转向器中的磨擦功率；E为作用在转向摇臂轴

上的功率。

正效率高，转向轻便；转向器应具有一定逆效率，以保证转向轮和转向盘的自动返

回能力。但为了减小传至转向盘上的路面冲击力，防止打手，又要求此逆效率尽可能低。

影响转向器正效率的因素有转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等⑶。

1、转向器的正效率

影响转向器正效率的因素有转向器的类型、垢构特点、结构参数和制造质量等。

(1)、转向器类型、结构特点与效率。

在四种转向器中，齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高，而蜗杆指销式特

别是固定销和蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显的低些。

同一类型转向器，因结构不同效率也不一样。如蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支持轴

之间的轴承可以选用滚针轴承、圆锥滚子轴承和球轴承。选用滚针轴承时，除滚轮与滚

针之间有摩擦损失外，滚轮侧翼与垫片之间还存在滑动摩擦损失，故这种轴向器的效率

0+仅有54%。另外两种结构的转向器效率分别为70%和75%t3：o

转向摇臂轴的轴承采用滚针轴承比采用滑动轴承可使正或逆效率提高约10%o

(2)、转向港的垢构参数与效率

如果忽略轴承和其经地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于蜗杆类转向

器，其效率可用下式计算

6

tana°

(2.3)

tan(a0+p)

式中，应为蜗杆（或螺杆）的螺线导程角；。为摩擦角，P=arctan^F为磨擦系数。

2、转向器的逆效率

根据逆效率不同，转向器有可逆式、极限可逆式和不可逆式之分。

路面作用在车轮上的力，经过转向系可大部分传递到转向盘，这种逆效率较高的转

向器属于可逆式。它能保证转向轮和转向盘自动回正，既可以减轻驾驶员的疲劳，又可

以提高行驶安全性。但是，在不平路面上行驶时，传至转向盘上的车轮冲击力，易使驾

驶员疲劳，影响安全行驾驶。

属于可逆式的转向器有齿轮齿条式和循环球式转向器。

不可逆式转向器是指车轮受到的冲击力不能传到转向盘的转向器。该冲击力转向传

动机构的冬件承受，因而这些零件容易损坏。同时，它既不能保证车轮自动回正，驾驶

员又缺乏路面感觉，因此，现代汽车不采用这种转向器。极限可逆式转向器介于可逆式

与不可逆式转向器两者之间。在车轮受到冲击力作用时，此力只有较小一部分传至转向

盘。

如果忽略轴承和其它地方的磨擦损失，只考虑啮合副的磨擦损失，则逆效率可用下

式计算

_tan（%一。）

7---"

tan斯

（2.4）

式（2.3）和式（2.4）表明：增加导程角正、逆效率均增大。受〃增大的影响，

不宜取得过大。当导程的小于或等于磨擦角时，逆效率为负值或者为零，此时表明该转

向器是不可逆式转向器，为此，导程角必须大于磨擦角。

2.4传动比特性

1、转向系传动比

转向系的传动比包括转向系的角传动比骁和转向系的力传动比％。

ip=2Fw/Fh（2.5）

式中凡为从轮胎接地面中心作用在两个转向轮上的合力，Fh为作用在转向盘上的

手力。

7

转向系的角传动比:

3cow=_d(p!dt=_工d(p

乃耶/出dpk

式中外为转向盘角速度；砥为转向节偏转角速度；"。为转向盘转向角增量；"A为转

向节转向增量；由为时间增量。

转向系的角传动比)。由转向器角传动比,◎和转向传动机构角传动比i：组成，B|J：

%=也(2.7)

转向器的角传动比：

(ow_d(p!dt_d(p

〃="=叱/厂西

式中叫为摇臂轴的速度；42为摇臂轴转角增量。

转向传动机构的角传动比：

%二dB/dt二%

叫dPJdtdpk

2、力传动比与转向系角传动比的关系

转向阻力片与转向阻力矩也的关系式：

'W

a

a为主销偏距。

作用在转向盘上的手力后与作用在转向盘上的力矩极的关系式:

♦M卜

F=j

h以

式中。加为方向盘直径

将式(2-10)式(2-11)代入%=2Ew/匹后得到：

i——

"M/i

如果忽略磨擦损失，根据能量守恒原理，2Mr/Mh可用下式表示

2M_d(p

r(2.13)

8

将式(2.13)代入式(2.12)后得到:

(2.14)

当a和反，不变时，力传动比越大，虽然转向越轻，但心也越大，表明转向不灵敏。

3、转向器角传动比的选择

转向器角传动比可以设计成减小、增大或保持不变的。影响选取角传动比变化规律

的主要因素是转向轴负荷大小和对汽车机动能力的要求。

若转向轴负荷小或采用动力转向的汽车，不存在转向沉重问题，应取较小的转向器

角传动比，以提高汽车的机动能力。若转向轴负荷大，汽车低速急转弯时的操纵轻便性

问题突出，应选用大些的转向器角传动比。

汽车以较高车速转向行驶时，要求转向轮反应灵敏，转向器角传动比应当小些。汽

车高速直线行驶时，转向盘在中间位置的转向器角传动比不宜过小。否则转向过分敏

感，使驾驶员精确控制转向轮的运动有困难。

转向器角传动比变化曲线应选用大致呈中间小两端大些的下凹形曲线，如图2.1⑶

所示。其中横轴为转向轮转角4，纵轴为转向角传动比。

图2.1转向器角传动比变化特性曲线

2.5转向器传动副的传动间隙

传动间隙是指各种转向器中传动副之间的间隙。该间隙随转向盘转角的大小不同而

改变，并把这种变化关系称为转向器传动副传动间隙特性(图2.2)。

研究该特性的意义在于它与直线行驶的稳定性和转向器的使用寿命有关，

传动副的传动间隙在转向盘处于中间及其附近位置时要极小，最好无间隙。若转向

器传动副存在传动间隙，一旦转向轮受到侧向力作用，车轮将偏离原行驶位置，使汽车

失去稳定。

传动副在中间及其附近位置因使用频繁，磨损速度要比两端快。在中间附近位置因

9

磨损造成的间隙过大时，必须经调整消除该处间隙。

图2.2转向器传动副传动间隙

转向器传动副传动间隙特性图中曲线1表明转向器在磨损前的间隙变化特性；曲

线2表明使用并磨损后的间隙变化特性，并且在中间位置处已出现较大间隙；曲线3表

明调整后并消除中间位置处间隙的转向器传动间隙变化特性。

3机械式转向器总体方案初步设计

3.1转向器的分类及设计选择

转向器是转向系中的重要部分，其主要作用有三个方面：一是增大来自转向盘的转

矩，使之达到足以克服转向轮与地面之间的转向阻力矩；二是减低转向传动釉的转速，

并带动摇臂轴移动使其达到所需要的位置；三是使转向盘的转动方向与转向轮转动方向

协调一致。

按照转向能源不同，可以将汽车转向系统分为机械转向系统和动力转向系统两大

类。根据机械转向器的结果特点，可分为齿轮齿条式转向器、循环球式转向器、蜗杆滚

轮式转向器和蜗杆指销式转向器等。

齿轮齿条式转向器的齿轮齿条直接啮合，可安装助力机构。齿轮齿条式转向器的正

逆效率都很高，属于可逆式转向器。其自动回正能力强。齿轮齿条式转向器结构简单（不

需要转向摇臂和横拉杆等）、加工方便、工作可靠、使用寿命长、用需要调整齿轮齿条

的间隙。

循环球式转向器的第一级传动副是螺杆螺母传动副。第二级是齿条齿扇传动副或滑

块曲柄销传动副。循环球式转向器的正效率很高［最高可达90%〜95%）⑷，操作轻便，

使用寿命长。但逆向效率也较高，可将地面对转向轮的冲击传给转向盘。

指销式转向器的传动副以转向蜗杆为主动件，装在摇臂轴曲柄端的指销为从动件。

转向蜗杆转动时，与之啮合的指指销即绕转向摇臂轴轴线沿圆弧线运动，并带动转向摇

臂转动。

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对转向其结构形式的选择，主要是根据汽车的类型、前轴负荷、使用条件等来决定，

并要考虑其效率特性、角传动比变化特性等对使用条件的适应性以及转向器的其他性

能、寿命、制造工艺等，中、小型轿车以及前轴负荷小于1.2t的客车、货车，多采用

齿轮齿条式转向器。齿能齿条式转向器安装助力机构方便且转向器结构简单，适合于轿

车。故本设计选用齿轮齿条式转向器。

3.2齿轮齿条式转向器的基木设计

3.2.1齿轮齿条式转向器的结构选择

1、输入输出形式选择

根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式⑶：中间输入，

两端输出（图3Ta）；侧面输入,两端输出（图3-1b）；侧面输入,中间输出（图3Tc）；

侧面输入，一端输出（图3Td）

图3.1齿轮齿条式转向器的四种形式

采用侧面输入，中间输出方案时，与齿条相连的左、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定连接，因此，两拉杆会与

齿条同时向左或右移动，为此在转向器壳体上开有轴向的长槽，从而降低了它的强度。

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。但其结构简单，节省材料的同时对转向精度较中间输出形式高。现代轿车一

般使用两端输出形式。侧面输入，一端输出的齿轮齿条式转向器，常用在平头货车上⑸。

本设计采用的是侧面输入两端输出式齿轮齿条转向器方案。

2、齿轮形式选择

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采用齿轮齿条式转向器采用直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合，则运转平稳降低，冲击

大，工作噪声增加。此外，齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角只能是直角，为比因与总体

布置不适应而遭淘汰。采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条式转向器，重合度

增加，运转平稳，冲击与工作噪声均下降，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满

足总体设计的要求。因为斜齿工作时有轴向力作用，所以转向器应该采用角接触球轴承,

使轴承寿命降低，还有斜齿轮的滑磨比较大是它的缺点。

本设计采用斜齿轮式方案。

3、齿条形式选择

齿条断面形状有圆形、V形和Y形三种。圆形断面齿条的制作工艺比较筒单。V形

和Y形断面齿条与圆形断面比较，消耗的材料少，约节省20%⑴，故质量小；位于齿下

面的两斜面与齿条托座接触，可用来防止齿条绕轴线转动；Y形断面齿条的齿宽可以做

得宽些，因而强度得到增加。在齿条与托座之间通常装有用减磨材料（如聚四氟乙烯）

做的垫片，以减少滑动摩擦。当车轮跳动、转向或转向器工作时，如在齿条上作用有能

使齿条旋转的力矩时，应选用V形和Y形断面齿条，用来防止因齿条旋转而破坏齿轮、

齿条的齿不能正确啮合的情况出现。

本设计采用圆形端面齿条。

3.2.2齿轮齿条式转向器的布置形式

根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，在汽车上有四种布置形

转向器位于前轴后方,后置梯形（图3-2a）；

转向器位于前轴后方,前置梯形（图3-2匕）；

转向器位于前轴前方,后置梯形（图3-2c）；

转向器位于前轴前方,前置梯形（图3-2d）。

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图3.2齿轮齿条式转向器的四种布置形式

现阶段大多数轿车都采用第一种布置方式⑶：转向器位于前轴后方，后置梯形，本

设计也采用转向器位于前轴后方，后置梯形的布置方式。

根据转向器本身结构特点以及中心距的要求，应合理选取齿轮轴的变位系数。对于

齿轮齿条转向器中齿轮齿条结构特点，齿轮一般都采用斜齿轮，对于变位齿轮，为了避

免齿顶过薄，而又能满足齿轮啮合的要求，一般齿轮的齿顶高系数取偏小值，

据此，初步选定齿轮和齿条齿顶高系数顶隙系数c*=0.25；齿轮的变位系数

=0.65o其基本参数如表3.3所示。

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表3.3齿轮齿条基本参数

名称符号公式齿轮齿条

齿数Zz731

分度圆直径dd=2二17.768—

cos/J

变位系数%—0.65—

齿顶高尢♦=(%*+%)”4.1252.5

齿根高hf一七）也1.53.125

齿顶圆直径d"d+2e—

da26.021

d—

齿根圆直径<df-d—2hj14.772

齿轮中圆直径—

dmdm=d+2xHmn21.023

螺旋角P—12°（右旋）12°

齿宽bb=Wdd\3222

3.2.5齿轮轴的结构设计

本设计根据齿轮的尺寸，设计成齿轮轴形式，如图3.4所示。因为本设计采用斜齿

轮结构，在传动的时候有轴向力存在。所以轴承方面选取角接触球轴承，齿轮轴与转向

轴之间用万向节连接，所以齿轮轴轴端设计花键。

14

AA

图3.4齿轮轴结构

3.2.6转向器材料及其他零件选择

1、齿轮齿条材料选择

小齿轮：齿轮通常选用国内常用、性能优良的20CrMnTi合金钢，热处理采用表面

渗碳淬火工艺，齿面硬度为HRC58〜6工而齿条选用与20CrMnTi具有较好匹配性的40Cr

作为啮合副，齿条热处理采用高频淬火工艺，表面硬度HRC50〜56。

2、轴承的选择

轴承曲角接触球轴承7004C(GB/T292-1994)

轴承2：角接触球轴承7001C(GB/T292-1994)

3、转向器的润滑方式和密封类型的选择

转向器的润滑方式：人工定期润滑

润滑脂：石墨钙基润滑脂(ZBE36002-88)中的ZG-S润滑脂。

密封件：旋转轴唇形密封圈FB1630GB13871—1992121

15

4转向传动机构设计

对汽车转向系的要求，除了机动性、轻便型和操纵稳定性之外，还必须保证转向轴

的内外转向轮有一定的比例关系，使汽车转向过程中所有的车轮都是纯滚动或有极小的

滑移，这一要求一般由转向梯形机构近似的实现。

4.1转向传动机构原理

图47转向中心的不同轨迹圆

如上图4-1所示：

转向传动机构的任务是将转向器输出端的摆动转变为左、右转向车轮绕其转向主

销的偏转，并使它们偏转到绕同一瞬时转向中心的不向轨迹圆上，实现车轮无滑动地滚

动转向。为了使左、右转向车轮偏转角之间的关系能满足这一汽车转向运动学的要求，

则要由转向传动机构中的转向梯形机构的精确设计来保证。

16

图4-2齿轮齿条式转向器转向原理简图

由于一般齿轮齿条式转向器与左右横拉杆较接，而左右横拉杆一般直接与转向

节下节臂较接，所以在这里我假定把左右梯形臂转变为转向节的一部分。

4.2转向梯形的布置

为保证汽车行驶的安全性，在一般情况下应尽量将梯形布置在前轴之后，横拉杆

的高度应在前轴下表面以上15mm处，以避免障碍物的撞击。只有在发动机的位置很低

或前轴是驱动轴时，由于梯形臂的横拉杆难于布置时才不得不把转向梯形放在前轴之

前，此时横拉杆位置应尽量高些。

我的设计转向梯形布置在前轴以后，横拉杆在前轴下表面以上15mni处，

4.3转向梯形机构尺寸的初步确定

转向梯形的基本尺寸主要是梯行底角0和梯形臂长明

梯形臂长m主要根据布置空间而定，它直接影响到横拉杆轴向力的大小。

横拉杆轴向力

17

FS=FQ：=FQ——

/机sin8

式中，FQ是纵拉杆对转向节上臂的作用力，一般可用前轴负荷G的一半计算，即

L=0.5G"1是纵拉杆作用力臂；1'是横拉杆轴向力Fs的作用力臂。

从上式可以看出，梯形臂不宜过短，因为横拉杆轴向力与梯形臂长口成反比，m减

小导致展增大。但梯形臂长度也不宜过大，否则会使其布置困难，尤其对于前置梯形更

是如此。

通常汽车上梯形臂长度m与两主销中心距M'的比值约为m/\r=0.ITO.15o

综合分析，我选取的主要参数m为204mm,M'为1672mm,m/M'为0.1254。

梯行底角。是一个非常重要的参数，一般情况下，对整体式转向轴后置梯形来说，

两梯形臂延长线的交点约在前轴后轴距的2/3处左右。

在实际设计中梯行底角。是根据整车布置最后确定的，一般在70。~80。范围内。梯

形底角主要受到车轮的限制，很难设计得十分合理，一般设时横拉杆接头与车轮间隙不

小于8mmo

4.4梯形校核

以图解法进行校核。

1）首先根据初步确定的梯形尺寸（梯形下底长度卜仁人8、梯形臂长度m二AP二EQ、梯形底

角0）作出中间位置的转向梯形图APQB。

2）分别以A和B为圆心，以梯形臂长m为半径画两弧。

3）以A点为圆心，从AP线开始每隔5°作出A点的圆心角Bl、62、B3,...........，与

以A点为圆心、m为半径所画弧相交于Pl、P2、P3,...........，各点，再分别以Pl、P2、

P3,............各点为圆心，以PQ长为半径所画弧分别与以B点为圆心、m为半径所画出的

弧相交于QI、Q2、Q3...........，将B点与QI、Q2、Q3..............各点连线，测量/QBQ1,Z

QBQ2,...........各角，即为外轮转角al、a2、a3..

4）内轮转角P与外轮转角a的相应关系如表所示。

5：10°15120°25°30°

aa1a2a3a4a5a6

18

根据作出的内、外轮转角画出实际的特性曲线。与理论特性曲线进行比较，可以

选出几组不同的梯形转角0和梯形臂长m,按上述方法求出和画出一系列的特性曲线，

最接近理论特性曲线的该条曲线的0和m,即为选定的梯形底角和梯形臂长。

考虑轮胎侧向弹性的影响，应使实际内外轮转角的差值比理论值小。实际梯形特性

曲线与理论特性曲线通常相交于15。~25。之间，使25。以内的实际特性曲线尽量靠近理

论特性曲线。

考虑整车布置,经过校核后我取m为204mm,W为1672mm,m/M'为0.1254,0为

76°o

4.5转向传送机构的臂、杆与球销

转向传动机构的杆件应选用刚性好、质量小的20、30或35号钢的无缝钢管制造，

其沿长度方向的外形可根据总布置的需要确定。

转向传动机构的各元件间采用球形较接.球形较接的主要特点是能够消除由于较接

处的表而磨损而产生的间隙，也能满足两校接件间复杂的相对运动。在现代球形较接的

结构中均是用弹簧将球头与衬垫压紧。而且应采用有效结构措施保持住润滑材料及防止

灰尘污物进入。

球销与衬垫均采用低碳合金钢如12CrNi3A,18MnTi,或20CrN制造，工作表面经渗

碳淬火处理，渗碳层深1.5〜3.0mm,表面硬度HRC56〜63。允许采用中碳钢40或45

制造并经高频淬火处理，球销的过渡圆角处则用滚压工艺增强。球形锐接的壳体则用钢

35或40制造。

4.6转向横拉杆及其端部

转向横拉杆与梯形转向杆系的相似。球头销通过螺纹与齿条连接。当这些球头销

依制造厂的规范拧紧时，在球头销上就作用了一个预载荷。防尘套夹在转向器两侧的壳

体和转向横拉杆上，这些防尘套阻止杂物进入球销及齿条中。

转向横拉杆端部与外端用螺纹联接。这些端部与梯形转向杆系的相似。侧面螺母将

横拉杆外端与横拉杆锁紧（图6-4）。

19

图4-3转向横拉杆外接头

1-横拉杆2-锁紧螺母3-外接头壳体4-球头销5-六角开槽螺母6-球碗7-端盖8-

梯形臂9-开口销

表4-4转向横拉杆及接头的尺寸设计参数

序号项目符号尺寸参数（〃加z）

1横拉杆总长281

2横拉杆直径15

3螺纹长度LM60

4外接头总长Ljy120

5球头销总长LQX62

6球头销螺纹公称直径《M10X1

7外接头螺纹公称直径想M12X1.5

8内接头总长LN65.3

9内接头螺纹公称直径*M16X1.5

4.4杆件设计结果

___________转向梯形臂/nrni440

转向横拉杆/mm28?

20

5零件图

5.1转向垂臂

21

5.2侧盖

22

5・3齿条

23

5.4齿轮轴

5.5横拉杆接头

24

结论

对于汽车转向系，在上学期选题的时候还没有充分的了解，但本着对汽车构造方面

的强烈兴趣，在林老师的精心指导下，首先在网上调查现代汽车转向系的一些基本资料,

了解其组成以及工作原理。然后开始着手论文的设计资料。汽车相关的机构方面知识最

终还是回归到机械设计范畴。凭着自己四年来积累的机械相关知识，查阅图书馆汽车转

向系相关资料，以及互联网中的中国机械CAD论坛、中国汽车工程师之家论坛，为本次

设计作了大量的资料收集。通过本次的设计实践，我把大学期间所学的所有专业知识都

应用，不仅大大的充实了自己的专业知识，而且还进一步提高了自己整体专业水平，可

以说本次的毕业设计是一分耕耘，一分收获。

综合题目要求，对课题转向器进行总体设计，遵循需求分析、概要设计、详

细设计这一程序，从结构选型到结构布局，再到具体零件尺寸的设计都依照前一

阶段的流程模型和机械设计准则。最后根据总体设计所得的参数，利用三维设计

软件ug对各个零件进行三维造型。由于三维制图，不能更好的表示出尺寸、公差

等等，故而再用CAD对转向器进行二维设计。

在这次设计过程中，体现出自己与团队成员设计的能力以及综合运用知识的能力，

体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱

环节，从而加以弥补。

25

参考文献

［1］毛彩云，吴暮春，柯松.汽车转向系统的发展科普园，2009.

［2］陈家瑞.汽车构造下册［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［3］王望予.汽车设计［第4版）［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［4］王丰元，马明星.汽车设计课程设计指导书由］.北京；中国电力出版社，

［5］濮良贵、纪名刚.机械设计［M］.北京:高等教育出版社，2010.

［6］徐激.机械设计手册手］.北京:机械工业出版社，1992.

［7］褚洪生，杜增吉，阎金华.MATLAB7.2优化设计实例指导教程［M］.北京：机械工业

出版社，2007

［8］余志生.汽车理论［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［9］徐石安.汽车构造-底盘工程M.北京：清华大学出版社，2008.

［10］林秉华.最新汽车设计实用手册（三）［M］.哈尔滨黑龙江人民出版社,2005.

［11］（日）GP企画室编.宋桔桔等译.汽车车身底盘图解［M］.北京：吉林科学技术出版社,

香港万里机构出版有限公司，1999

［12］（日）细川武志编,魏朗译.汽车构造图册［M］.北京：人民交通出版社，2005.

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致谢

在此感谢我们的林老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中

的榜样：老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪：这次模具设计的每

个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，

帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。

同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友

谊。

由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教，我

十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。

在此，我再一次向你们说声“谢谢二

目录

1.概述..........................................................

1.1项目名称....................................................

1.2项目建设单位................................................

1.3项目性质....................................................

1.4项目产生背景................................................

L5建设地点.....................................................

1.6工期.........................................................

1.7项目内容与规模..............................................

L8项目主要技术经济指标.........................................

2.编制原则及依据................................................

2.1编制原则....................................................

2.2编制范围....................................................

2.3编制依据....................................................

3.项目现状与必要性分析..........................................

3.1项目所在地社会经济发展概况..................................

3.2项目现状....................................................

3.3项目建设必要性分析..........................................

4.项目选址及合理性分析..........................................

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4.1项目选址....................................................

4.2选址合理性分析..............................................

5.项目建设方案....................................................

5.1建设依据....................................................

5.2设计规范要求................................................

5.3建设内容....................................................

5.4建筑结构设计.................................................

5.5建筑电气设计................................................

5.6弱电系统设计................................................

6.投资估算与资金筹措............................................

6.1编制依据....................................................

6.2建设内容....................................................

6.3总投资估算..................................................

6.4资金筹措....................................................

7.项目实施方案....................................................

7.1工程特点....................................................

7.2施工布置....................................................

7.3施工进度计划................................................

8.项目招投标.....................................................

8.1招标范围....................................................

8.2招标组织形式................................................

8.3招标方式....................................................