汽車轉向機構的設計畢業(yè)設計.doc

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1、開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 汽車設計課程設計說明書汽車設計課程設計說明書 題題 目目：汽車轉向機構的設計汽車轉向機構的設計 學學 院院： 機械與汽車工程學院 專專 業(yè)業(yè)： 汽車制造與裝配 班班 級級： 11 級汽裝 姓姓 名名： 楊風雷 學學 號號： 2011061672 指導教師指導教師： 林吉靚 日日 期期： 2013 年 12 月 小組成員：小組成員：陳帥振陳帥振 武飛揚武飛揚 楊風雷楊風雷 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 論論 文文 摘摘 要要 本設計課題為汽車轉向系統(tǒng)的設計，課題以機械式轉向系統(tǒng)的齒輪齒條式轉向器 設計。首先對汽車轉向系

2、進行概述，二是作設計前期數(shù)據(jù)準備，三是轉向器形式的選 擇以及初定各個參數(shù)，四是對齒輪齒條式轉向器的主要部件進行分析。設計中運用 AutoCAD 作出齒輪齒條式轉向器的零件圖。 本課題在考慮上述要求和因素的基礎上研究利用轉向盤的旋轉帶動傳動機構的齒輪 齒條轉向軸轉向，通過萬向節(jié)帶動轉向齒輪軸旋轉，轉向齒輪軸與轉向齒條嚙合，從 而促使轉向齒條直線運動，實現(xiàn)轉向。實現(xiàn)了轉向器結構簡單緊湊，軸向尺寸短，且 零件數(shù)目少的優(yōu)點又能增加助力，從而實現(xiàn)了汽車轉向的穩(wěn)定性和靈敏性。在本文中 主要進行了轉向器齒輪齒條的設計和對轉向 關鍵詞關鍵詞： 轉向機構，齒輪齒條,機械轉向 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與

3、裝配技術畢業(yè)論文 目目 錄錄 1 1 緒論緒論.1 1.1 汽車轉向系統(tǒng)概述.1 1.2 汽車轉向系統(tǒng)的國內外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.2 2 2 機械轉向系統(tǒng)的性參數(shù)機械轉向系統(tǒng)的性參數(shù).4 2.1 機械轉向系統(tǒng)的結構組成.4 2.2 轉向系統(tǒng)的性能要求.5 2.3 轉向系的效率.6 2.4 傳動比特性.7 2.5 轉向器傳動副的傳動間隙.9 3 3 機械式轉向器總體方案初步設計機械式轉向器總體方案初步設計.10 3.1 轉向器的分類及設計選擇.10 3.2 齒輪齒條式轉向器的基本設計.11 3.2.1 齒輪齒條式轉向器的結構選擇11 3.2.2 齒輪齒條式轉向器的布置形式12 3.2.5 齒輪軸的結

4、構設計14 3.2.6 轉向器材料及其他零件選擇15 4 4 轉向傳動機構設計轉向傳動機構設計16 4.1 轉向傳動機構原理16 4.2 轉向梯形的布置17 4.3 轉向梯形機構尺寸的初步確定.17 4.5 轉向傳送機構的臂、桿與球銷19 4.6 轉向橫拉桿及其端部19 4.4 桿件設計結果20 5.15.1 轉向垂臂轉向垂臂21 5.2 側蓋側蓋22 5.35.3 齒條齒條23 5.45.4 齒輪軸齒輪軸24 5.55.5 橫拉桿接頭橫拉桿接頭24 結論結論.25 參考文獻參考文獻.26 致致 謝謝.27 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 1 1 1 緒論緒論 1.11.

5、1 汽車轉向系統(tǒng)概述汽車轉向系統(tǒng)概述 汽車在行駛的過程中,需按駕駛員的意志改變其行駛方向。就輪式汽車而言,實現(xiàn) 汽車轉向的方法是, 駕駛員通過一套專設的機構,使汽車轉向橋(一般是前橋)上的車輪 (轉向輪)相對于汽車縱橫線偏轉一定角度。這一套用來改變或恢復汽車行駛方向的專 設機構如圖 1.1 所示，即稱為汽車轉向系統(tǒng)1。 圖 1-1 汽車轉向系統(tǒng) 汽車轉向系統(tǒng)分為兩大類：機械轉向系統(tǒng)和動力轉向系統(tǒng)。 1、機械轉向系統(tǒng) 機械轉向系的能量來源是人力，所有傳力件都是機械的，由轉向操縱機構(方向盤)、 轉向器、轉向傳動機構三大部分組成。汽車的轉向運動是由駕駛員操縱方向盤，通過 轉向器和一系列的桿件傳遞到

6、轉向輪來完成的。機械式轉向系統(tǒng)工作過程為：駕駛員 對轉向盤施加的轉向力矩通過轉向軸輸入轉向器，減速傳動裝置的轉向器中有1、2 級 減速傳動副，經(jīng)轉向器放大后的力矩和減速后的運動傳到轉向橫拉桿，再傳給固定于 轉向節(jié)上的轉向節(jié)臂，使轉向節(jié)和它所支承的轉向輪偏轉，從而實現(xiàn)汽車的轉向。純 機械式轉向系統(tǒng)根據(jù)轉向器形式可以分為：齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿滾輪式、蝸 桿指銷式。 2、動力轉向系統(tǒng) 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 2 動力轉向系統(tǒng)除了轉向操縱機構(方向盤)、轉向器、轉向傳動機構三大部分外， 其最主要的動力來源是轉向助力裝置。由于轉向助力裝置最常用的是一套液壓系統(tǒng)， 因此

7、也就離不開泵、油管、閥、活塞和儲油罐，它們分別相當于電路系統(tǒng)中的電池、 導線、開關、電機和地線的作用。動力轉向系的發(fā)展經(jīng)過幾個階段，各個階段也有不 同的動力輔助系統(tǒng)。 20 世紀 50 年代，美國 GM 公司率先在轎車上采用了液壓助力轉向系統(tǒng)。該系統(tǒng)是 建立在機械系統(tǒng)的基礎之上，額外增加了一個液壓系統(tǒng)。為液壓助力轉向系統(tǒng)(HPS)。 1983 年，在液壓助力系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的，日本 Koyo 公司推出了具備車速感應 功能的電控液壓助力轉向系統(tǒng)（EHPS）。 1988 年日本 Suzuki 公司首先在小型轎車 Cervo 上配備了 Koyo 公司研發(fā)的轉向柱 助力式電動助力轉向系統(tǒng)。1990

8、年日本 Honda 公司也在運動型轎車 NSX 上采用了自主 研發(fā)的齒條助力式電動助力轉向系統(tǒng)，也就是現(xiàn)在應用車型極為廣泛的 EPS 系統(tǒng)。 SBW 線控轉向系統(tǒng)是繼 EPS 后發(fā)展起來的新一代轉向系統(tǒng)，具有比 EPS 操縱穩(wěn)定 性更好的特點，它取消轉向盤與轉向輪之間的機械連接，完全由電能實現(xiàn)轉向，徹底 擺脫傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)所固有的限制，提高了汽車的安全性和駕駛的方便性1。 1.21.2 汽車轉向系統(tǒng)的國內外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢汽車轉向系統(tǒng)的國內外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 汽車轉向系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了純機械式轉向系統(tǒng)、液壓助力轉向系統(tǒng) 、電動助力轉 向系統(tǒng) 3 個基本階段 , 線控轉向系統(tǒng)為其發(fā)展趨勢1。 隨著汽車工

9、業(yè)的迅速發(fā)展，轉向裝置的結構也有很大變化。汽車轉向器的結構很 多，從目前使用的普遍程度來看，主要的轉向器類型有 4 種：有蝸桿銷式(WP 型)、蝸 桿滾輪式(WR 型)、循環(huán)球式(BS 型)、齒條齒輪式(BP 型)，這四種轉向器型式，已經(jīng)被 廣泛使用在汽車上。 1、汽車轉向系統(tǒng)在世界發(fā)展狀況 據(jù)了解，在世界范圍內，汽車循環(huán)球式轉向器占 45%左右，齒條齒輪式轉向器占 40%左右，蝸桿滾輪式轉向器占 10%左右，其它型式的轉向器占 5%。循環(huán)球式轉向器一 直在穩(wěn)步發(fā)展1。在西歐小客車中，齒條齒輪式轉向器有很大的發(fā)展。日本汽車轉向 器的特點是循環(huán)球式轉向器占的比重越來越大，日本裝備不同類型發(fā)動機的

10、各類型汽 車，采用不同類型轉向器，在公共汽車中使用的循環(huán)球式轉向器，已由 60 年代的 625%，發(fā)展到現(xiàn)今的 100%了(蝸桿滾輪式轉向器在公共汽車上已經(jīng)被淘汰)。大、小 型貨車大都采用循環(huán)球式轉向器，但齒條齒輪式轉向器也有所發(fā)展。微型貨車用循環(huán) 球式轉向器占 65%，齒條齒輪式占 35%1。 2、汽車轉向系統(tǒng)在國內發(fā)展狀況 我國的轉向器生產(chǎn)，除早期投產(chǎn)的解放牌汽車用蝸桿滾輪式轉向器，東風汽車用 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 3 蝸桿肖式轉向器之外，其它大部分車型都采用循環(huán)球式結構，并都具有一定的生產(chǎn)經(jīng) 驗。目前解放、東風也都在積極發(fā)展循環(huán)球式轉向器，并已在第二代換型

11、車上普遍采 用了循環(huán)球式轉向器。由此看出，我國的轉向器也在向大量生產(chǎn)循環(huán)球式轉向器發(fā)展 3、汽車轉向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 齒輪齒條式轉向器和循環(huán)球式轉向器，已成為當今世界汽車上主要的兩種轉向器； 而蝸輪蝸桿式轉向器和蝸桿銷式轉向器，正在逐步被淘汰或保留較小的地位。 在小客車上發(fā)展轉向器的觀點各異，美國和日本重點發(fā)展循環(huán)球式轉向器，比率 都已達到或超過 90%；西歐則重點發(fā)展齒輪齒條式轉向器，比率超過 50%，法國已高達 95%1。 由于齒輪齒條式轉向器的種種優(yōu)點，在小型車上的應用(包括小客車、小型貨車或 客貨兩用車)得到突飛猛進的發(fā)展；而大型車輛則以循環(huán)球式轉向器為主要結構。 從發(fā)展趨勢上看，國外整

12、體式轉向器發(fā)展較快，而整體式轉向器中轉閥結構是目 前發(fā)展的方向。由于動力轉向系統(tǒng)還是新的結構，各國的生產(chǎn)廠家都正在組織力量， 大力開展試驗研究工作，提高使用性能、減小總成體積、降低生產(chǎn)成本、保證產(chǎn)品質 量穩(wěn)定，以便逐步推廣和普及。 隨著科學技術的發(fā)展，國際經(jīng)濟形勢的變化對汽車乃至汽車轉向器的生產(chǎn)都有很 大影響。特別是西方國家實行石油禁運以來，世界經(jīng)濟形勢受沖擊很大。隨著能源危 機的發(fā)展，汽車工業(yè)首當其沖，其發(fā)展方向有很大變化。從汽車設計、制造到各總成 部件的生產(chǎn)都隨著能源危機的發(fā)生而變化，表現(xiàn)在能源消耗、材料消耗、操縱輕便等 各個方面。 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 4

13、 2 2 機械轉向系統(tǒng)的性參數(shù)機械轉向系統(tǒng)的性參數(shù) 2.12.1 機械轉向系統(tǒng)的結構組成機械轉向系統(tǒng)的結構組成 轉向系是用來保持或者改變汽車行使方向的機構，一般轉向系組成如下圖 1.22包 括轉向操縱機構（轉向盤、轉向上、下軸、）、轉向器、轉向傳動機構（轉向拉桿、 轉向節(jié)）等。轉向系統(tǒng)應準確、快速、平穩(wěn)地響應駕駛員的轉向指令，轉向行使后或 受到外界擾動時，在駕駛員松開方向盤的狀態(tài)下，應保證汽車自動返回穩(wěn)定的直線行 使狀態(tài)。 圖 1-2 轉向系的基本構成 1-方向盤；2-轉向上軸；3-托架； 4-萬向節(jié)； 5-轉向下軸； 6-防塵罩 ；7-轉向器 ；8-轉向拉桿 1、轉向操縱機構 轉向操縱機構包

14、括轉向盤，轉向軸，轉向管柱。有時為了布置方便，減小由于裝 配位置誤差及部件相對運動所引起的附加載荷，提高汽車正面碰撞的安全性以及便于 拆裝，在轉向軸與轉向器的輸入端之間安裝轉向萬向節(jié)，采用柔性萬向節(jié)可減少傳至 轉向軸上的振動，但柔性萬向節(jié)如果過軟，則會影響轉向系的剛度。采用動力轉向時， 還應有轉向動力系統(tǒng)。 2、轉向傳動機構 轉向傳動機構包括轉向臂、轉向縱拉桿、轉向節(jié)臂、轉向梯形臂以及轉向橫拉桿 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 5 等。轉向傳動機構用于把轉向器輸出的力和運動傳給左、右轉向節(jié)并使左、右轉向輪 按一定關系進行偏轉。 3、轉向器 轉向器是完成由旋轉運動到直線運動

15、(或近似直線運動)的一組齒輪機構，同時也 是轉向系中的減速傳動裝置。 目前較常用的有齒輪齒條式、循環(huán)球曲柄指銷式、蝸桿 曲柄指銷式、循環(huán)球-齒條齒扇式、蝸桿滾輪式等。 2.22.2 轉向系統(tǒng)的性能要求轉向系統(tǒng)的性能要求 汽車轉向系統(tǒng)是用于改變或保持汽車行駛方向的專門機構。起作用是使汽車在行 駛過程中能按照駕駛員的操縱要求而適時地改變其行駛方向，并在受到路面?zhèn)鱽淼呐?然沖擊及汽車意外地偏離行駛方向時，能與行駛系統(tǒng)配合共同保持汽車繼續(xù)穩(wěn)定行駛。 因此，轉向系統(tǒng)的性能直接影響著汽車的操縱穩(wěn)定性和安全性。 一般來說，對轉向系統(tǒng)的要求如下： 1、合理設置傳動比，使操縱輕便，轉向系傳動比包括轉向系的角傳動

16、比（方向盤 轉角與轉向輪轉角之比）和轉向系的力傳動比。在轉向盤尺寸和轉向輪阻力一定時， 角傳動比增加，則轉向輕便，轉向靈敏度降低；角傳動比減小，則轉向沉重，轉向靈 敏度提高。轉向角傳動比不宜低于 15-16；也不宜過大，通常以轉向盤轉動圈數(shù)和轉向 輕便性來確定。一般來說，轎車轉向盤轉動圈數(shù)不宜大于 4 圈，對轎車來說，有動力 轉向時的轉向力約為 20-50N；無動力轉向時為 50-100N3。 2、轉向輪應具有自動回正能力。轉向輪的回正力來源于輪胎的側偏特性和車輪的 定位參數(shù)。汽車的穩(wěn)定行使，必須保證有合適的前輪定位參數(shù)，并注意控制轉向系統(tǒng) 的內部摩擦阻力的大小和阻尼值。 3、轉向桿系和懸架導

17、向機構共同作用時，必須盡量減小其運動干涉。應從設計上 保證各桿系的運動干涉足夠小。 4、轉向器和轉向傳動機構的球頭處，應有消除因磨損而產(chǎn)生的間隙的調整機構以 及提高轉向系的可靠性。 5、轉向軸和轉向盤應有使駕駛員在車禍中避免或減輕傷害的防傷機構。 6、汽車在作轉向運動時，所以車輪應繞同一瞬心旋轉，不得有側滑；同時，轉向 盤和轉向輪轉動方向一致。 7、當轉向輪受到地面沖擊時，轉向系統(tǒng)傳遞到方向盤上的反沖力要盡可能小 8、在任何行使狀態(tài)下，轉向輪不應產(chǎn)生擺振。 9、保證轎車有較高的機動性，具有迅速和小轉彎行駛能力。機動性是通過汽車的 最小轉彎半徑來體現(xiàn)的，而最小轉彎半徑由內轉向車輪的極限轉角、汽車

18、的軸距、主 銷偏移距決定的，一般的極限轉角越大，軸距和主銷偏移距越小，則最小轉彎半徑越 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 6 小。 10、合理設計轉向梯形。轉向時內外車輪間的轉角協(xié)調關系是通過合理設計轉向 梯形來保證的。對于采用齒輪齒條轉向器的轉向系來說，轉向盤與轉向輪轉角間的協(xié) 調關系是通過合理選擇小齒輪與齒條的參數(shù)、合理布置小齒輪與齒條的相對位置來實 現(xiàn)的，而且前置轉向梯形和后置轉向梯形恰恰相反。轉向系的間隙主要是通過各球頭 皮碗和轉向器的調隙機構來調整的。合理的選擇轉向梯形的斷開點可以減小轉向傳動 機構與懸架導向機構的運動干涉。 2.32.3 轉向系的效率轉向系的效率

19、 功率P1從轉向軸輸入，經(jīng)轉向搖臂軸輸出所求得的效率稱為轉向器的正效率，符 號 +表示，反之稱為逆效率，用符號 -表示。 正效率+計算公式： (2.1) 1 21 P PP 逆效率-計算公式： 3 23 P PP (2.2) 式中，P1為作用在轉向軸上的功率；P2為轉向器中的磨擦功率；P3為作用在轉向搖臂 軸上的功率。 正效率高，轉向輕便；轉向器應具有一定逆效率，以保證轉向輪和轉向盤的自動 返回能力。但為了減小傳至轉向盤上的路面沖擊力，防止打手，又要求此逆效率盡可 能低。 影響轉向器正效率的因素有轉向器的類型、結構特點、結構參數(shù)和制造質量等3。 1、轉向器的正效率 影響轉向器正效率的因素有轉向

20、器的類型、結構特點、結構參數(shù)和制造質量等。 （1）、轉向器類型、結構特點與效率。 在四種轉向器中，齒輪齒條式、循環(huán)球式轉向器的正效率比較高，而蝸桿指銷式 特別是固定銷和蝸桿滾輪式轉向器的正效率要明顯的低些。 同一類型轉向器，因結構不同效率也不一樣。如蝸桿滾輪式轉向器的滾輪與支持 軸之間的軸承可以選用滾針軸承、圓錐滾子軸承和球軸承。選用滾針軸承時，除滾輪 與滾針之間有摩擦損失外，滾輪側翼與墊片之間還存在滑動摩擦損失，故這種軸向器 的效率 +僅有 54%。另外兩種結構的轉向器效率分別為 70%和 75%3。 轉向搖臂軸的軸承采用滾針軸承比采用滑動軸承可使正或逆效率提高約 10%。 開封大學機械與汽

21、車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 7 （2）、轉向器的結構參數(shù)與效率 如果忽略軸承和其經(jīng)地方的摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，對于蝸桿類轉 向器，其效率可用下式計算 (2.3) )tan( tan 0 0 式中，為蝸桿（或螺桿）的螺線導程角；為摩擦角，=arctanf；f為磨擦系數(shù)。 0 2、轉向器的逆效率 根據(jù)逆效率不同，轉向器有可逆式、極限可逆式和不可逆式之分。 路面作用在車輪上的力，經(jīng)過轉向系可大部分傳遞到轉向盤，這種逆效率較高的 轉向器屬于可逆式。它能保證轉向輪和轉向盤自動回正，既可以減輕駕駛員的疲勞， 又可以提高行駛安全性。但是，在不平路面上行駛時，傳至轉向盤上的車輪沖擊力，

22、易使駕駛員疲勞，影響安全行駕駛。 屬于可逆式的轉向器有齒輪齒條式和循環(huán)球式轉向器。 不可逆式轉向器是指車輪受到的沖擊力不能傳到轉向盤的轉向器。該沖擊力轉向 傳動機構的零件承受，因而這些零件容易損壞。同時，它既不能保證車輪自動回正， 駕駛員又缺乏路面感覺，因此，現(xiàn)代汽車不采用這種轉向器。極限可逆式轉向器介于 可逆式與不可逆式轉向器兩者之間。在車輪受到?jīng)_擊力作用時，此力只有較小一部分 傳至轉向盤。 如果忽略軸承和其它地方的磨擦損失，只考慮嚙合副的磨擦損失，則逆效率可用 下式計算 0 0 tan )tan( a a （2.4） 式（2.3）和式（2.4）表明：增加導程角 0，正、逆效率均增大。受-增

23、大的影響， 0不宜取得過大。當導程角小于或等于磨擦角時，逆效率為負值或者為零，此時表明 該轉向器是不可逆式轉向器。為此，導程角必須大于磨擦角。 2.42.4 傳動比特性傳動比特性 1、轉向系傳動比 轉向系的傳動比包括轉向系的角傳動比和轉向系的力傳動比。 0 i p i 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 8 （2.5） h /2FFiW p 式中為從輪胎接地面中心作用在兩個轉向輪上的合力，為作用在轉向盤上的 W F h F 手力。 轉向系的角傳動比: kkk w d d dtd dtd i / / 0 （2.6） 式中為轉向盤角速度；為轉向節(jié)偏轉角速度；為轉向盤轉向角增量；為

24、 w k d k d 轉向節(jié)轉向增量； 為時間增量。t d 轉向系的角傳動比由轉向器角傳動比和轉向傳動機構角傳動比組成，即： 0 i i i （2.7） iii 0 轉向器的角傳動比: （2.8） ppp w d d dtd dtd i / / 式中為搖臂軸角速度；為搖臂軸轉角增量。 p p d 轉向傳動機構的角傳動比: （2.9） k p k p k p d d dtd dtd i / / 2、力傳動比與轉向系角傳動比的關系 轉向阻力Fw與轉向阻力矩Mr的關系式： （2.10） a M F r w a 為主銷偏距。 作用在轉向盤上的手力Fh與作用在轉向盤上的力矩Mh的關系式： （2.11）

25、sw h h D M F 式中為方向盤直徑 sw D 將式（2-10）、式（2-11）代入 后得到：hW p FFi/2 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 9 （2.12） aM DM i h swr p 如果忽略磨擦損失，根據(jù)能量守恒原理，2Mr/Mh可用下式表示 （2.13） 0 2 i d d M M kh r 將式（2.13）代入式（2.12）后得到： （2.14） a Di i sw p 2 0 當 a 和 Dsw不變時，力傳動比越大，雖然轉向越輕，但也越大，表明轉向不靈敏。 p i 0 i 3、轉向器角傳動比的選擇 轉向器角傳動比可以設計成減小、增大或保持不變的

26、。影響選取角傳動比變化規(guī) 律的主要因素是轉向軸負荷大小和對汽車機動能力的要求。 若轉向軸負荷小或采用動力轉向的汽車，不存在轉向沉重問題，應取較小的轉向 器角傳動比，以提高汽車的機動能力。若轉向軸負荷大，汽車低速急轉彎時的操縱輕 便性問題突出，應選用大些的轉向器角傳動比。 汽車以較高車速轉向行駛時，要求轉向輪反應靈敏，轉向器角傳動比應當小些。 汽車高速直線行駛時，轉向盤在中間位置的轉向器角傳動比不宜過小。否則轉向過分 敏感，使駕駛員精確控制轉向輪的運動有困難。 轉向器角傳動比變化曲線應選用大致呈中間小兩端大些的下凹形曲線，如圖 2.13 所示。其中橫軸為轉向輪轉角，縱軸為轉向角傳動比。 圖 2.

27、1 轉向器角傳動比變化特性曲線 2.52.5 轉向器傳動副的傳動間隙轉向器傳動副的傳動間隙 傳動間隙是指各種轉向器中傳動副之間的間隙。該間隙隨轉向盤轉角的大小不同 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 10 而改變，并把這種變化關系稱為轉向器傳動副傳動間隙特性（圖 2.2）。 研究該特性的意義在于它與直線行駛的穩(wěn)定性和轉向器的使用壽命有關。 傳動副的傳動間隙在轉向盤處于中間及其附近位置時要極小，最好無間隙。若轉 向器傳動副存在傳動間隙，一旦轉向輪受到側向力作用，車輪將偏離原行駛位置，使 汽車失去穩(wěn)定。 傳動副在中間及其附近位置因使用頻繁，磨損速度要比兩端快。在中間附近位置 因磨

28、損造成的間隙過大時，必須經(jīng)調整消除該處間隙。 圖 2.2 轉向器傳動副傳動間隙 轉向器傳動副傳動間隙特性 圖中曲線 1 表明轉向器在磨損前的間隙變化特性；曲 線 2 表明使用并磨損后的間隙變化特性，并且在中間位置處已出現(xiàn)較大間隙；曲線 3 表明調整后并消除中間位置處間隙的轉向器傳動間隙變化特性。 3 3 機械式轉向器總體方案初步設計機械式轉向器總體方案初步設計 3.13.1 轉向器的分類轉向器的分類及設計選擇及設計選擇 轉向器是轉向系中的重要部分，其主要作用有三個方面：一是增大來自轉向盤的 轉矩，使之達到足以克服轉向輪與地面之間的轉向阻力矩；二是減低轉向傳動軸的轉 速，并帶動搖臂軸移動使其達到

29、所需要的位置；三是使轉向盤的轉動方向與轉向輪轉 動方向協(xié)調一致。 按照轉向能源不同，可以將汽車轉向系統(tǒng)分為機械轉向系統(tǒng)和動力轉向系統(tǒng)兩大 類。根據(jù)機械轉向器的結果特點，可分為齒輪齒條式轉向器、循環(huán)球式轉向器、蝸桿 滾輪式轉向器和蝸桿指銷式轉向器等。 齒輪齒條式轉向器的齒輪齒條直接嚙合，可安裝助力機構。齒輪齒條式轉向器的 正逆效率都很高，屬于可逆式轉向器。其自動回正能力強。齒輪齒條式轉向器結構簡 單（不需要轉向搖臂和橫拉桿等）、加工方便、工作可靠、使用壽命長、用需要調整 齒輪齒條的間隙。 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 11 循環(huán)球式轉向器的第一級傳動副是螺桿螺母傳動副。第

30、二級是齒條齒扇傳動副或 滑塊曲柄銷傳動副。循環(huán)球式轉向器的正效率很高（最高可達 90%95%）4，操作輕 便，使用壽命長。但逆向效率也較高，可將地面對轉向輪的沖擊傳給轉向盤。 指銷式轉向器的傳動副以轉向蝸桿為主動件，裝在搖臂軸曲柄端的指銷為從動件。 轉向蝸桿轉動時，與之嚙合的指指銷即繞轉向搖臂軸軸線沿圓弧線運動，并帶動轉向 搖臂轉動。 對轉向其結構形式的選擇，主要是根據(jù)汽車的類型、前軸負荷、使用條件等來決 定，并要考慮其效率特性、角傳動比變化特性等對使用條件的適應性以及轉向器的其 他性能、壽命、制造工藝等。中、小型轎車以及前軸負荷小于 1.2t 的客車、貨車，多 采用齒輪齒條式轉向器。齒輪齒條

31、式轉向器安裝助力機構方便且轉向器結構簡單，適 合于轎車。故本設計選用齒輪齒條式轉向器。 3.23.2 齒輪齒條式轉向器的基本設計齒輪齒條式轉向器的基本設計 3.2.1 齒輪齒條式轉向器的結構選擇 1、輸入輸出形式選擇 根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點不同，齒輪齒條式轉向器有四種形式3：中間輸入， 兩端輸出（圖 3-1a）；側面輸入，兩端輸出（圖 3-1b）；側面輸入，中間輸出（圖 3- 1c）；側面輸入，一端輸出（圖 3-1d） 圖 3.1 齒輪齒條式轉向器的四種形式 采用側面輸入，中間輸出方案時，與齒條相連的左、右拉桿延伸到接近汽車縱向 對稱平面附近。由于拉桿長度增加，車輪上、下跳動時拉桿擺角減小

32、，有利于減少車 輪上、下跳動時轉向系與懸架系的運動干涉。拉桿與齒條用螺栓固定連接，因此，兩 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 12 拉桿會與齒條同時向左或右移動，為此在轉向器殼體上開有軸向的長槽，從而降低了 它的強度。 采用兩端輸出方案時，由于轉向拉桿長度受到限制，容易與懸架系統(tǒng)導向機構產(chǎn) 生運動干涉。但其結構簡單，節(jié)省材料的同時對轉向精度較中間輸出形式高?，F(xiàn)代轎 車一般使用兩端輸出形式。側面輸入，一端輸出的齒輪齒條式轉向器，常用在平頭貨 車上。 5 本設計采用的是側面輸入 兩端輸出式齒輪齒條轉向器方案。 2、齒輪形式選擇 采用齒輪齒條式轉向器采用直齒圓柱齒輪與直齒齒條嚙合

33、，則運轉平穩(wěn)降低，沖 擊大，工作噪聲增加。此外，齒輪軸線與齒條軸線之間的夾角只能是直角，為此因與 總體布置不適應而遭淘汰。采用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合的齒輪齒條式轉向器， 重合度增加，運轉平穩(wěn)，沖擊與工作噪聲均下降，而且齒輪軸線與齒條軸線之間的夾 角易于滿足總體設計的要求。因為斜齒工作時有軸向力作用，所以轉向器應該采用角 接觸球軸承，使軸承壽命降低，還有斜齒輪的滑磨比較大是它的缺點。 本設計采用斜齒輪式方案。 3、齒條形式選擇 齒條斷面形狀有圓形、V 形和 Y 形三種。圓形斷面齒條的制作工藝比較簡單。V 形 和 Y 形斷面齒條與圓形斷面比較，消耗的材料少，約節(jié)省 20%，故質量?。晃挥邶X下

34、1 面的兩斜面與齒條托座接觸，可用來防止齒條繞軸線轉動；Y 形斷面齒條的齒寬可以做 得寬些，因而強度得到增加。在齒條與托座之間通常裝有用減磨材料（如聚四氟乙烯） 做的墊片，以減少滑動摩擦。當車輪跳動、轉向或轉向器工作時，如在齒條上作用有 能使齒條旋轉的力矩時，應選用 V 形和 Y 形斷面齒條，用來防止因齒條旋轉而破壞齒 輪、齒條的齒不能正確嚙合的情況出現(xiàn)。 本設計采用圓形端面齒條。 3.2.2 齒輪齒條式轉向器的布置形式 根據(jù)齒輪齒條式轉向器和轉向梯形相對前軸位置的不同，在汽車上有四種布置形 式： 1、轉向器位于前軸后方，后置梯形（圖 3-2a） ； 2、轉向器位于前軸后方，前置梯形（圖 3-

35、2b） ； 3、轉向器位于前軸前方，后置梯形（圖 3-2c） ； 4、轉向器位于前軸前方，前置梯形（圖 3-2d） 。 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 13 圖 3.2 齒輪齒條式轉向器的四種布置形式 現(xiàn)階段大多數(shù)轎車都采用第一種布置方式：轉向器位于前軸后方，后置梯形， 3 本設計也采用轉向器位于前軸后方，后置梯形的布置方式。 根據(jù)轉向器本身結構特點以及中心距的要求，應合理選取齒輪軸的變位系數(shù)。對 于齒輪齒條轉向器中齒輪齒條結構特點，齒輪一般都采用斜齒輪，對于變位齒輪，為 了避免齒頂過薄，而又能滿足齒輪嚙合的要求，一般齒輪的齒頂高系數(shù)取偏小值。 據(jù)此，初步選定齒輪和齒條齒

36、頂高系數(shù)；頂隙系數(shù)；齒輪的變位系數(shù) * 1 a h * 0.25c 。其基本參數(shù)如表 3.3 所示。0.65 n x 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 14 表表 3.3.3 3 齒輪齒條基本參數(shù)齒輪齒條基本參數(shù) 名稱符號公式齒輪齒條 齒數(shù) zz731 分度圓直徑d cos n m z d 17.768 變位系數(shù) n x 0.65 齒頂高 a h() aannn hhx m 4.1252.5 齒根高 f h nnnanfn mxchh)( * * 1.53.125 齒頂圓直徑 a d aa hdd2 26.021 齒根圓直徑 f d ff hdd2 14.772 齒輪中圓直

37、徑 m d2 mnn ddx m 21.023 螺旋角 12（右旋） 12 齒寬b 1 db d 3222 3.2.5 齒輪軸的結構設計 本設計根據(jù)齒輪的尺寸，設計成齒輪軸形式，如圖 3.4 所示。因為本設計采用斜 齒輪結構，在傳動的時候有軸向力存在。所以軸承方面選取角接觸球軸承，齒輪軸與 轉向軸之間用萬向節(jié)連接，所以齒輪軸軸端設計花鍵。 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 15 圖 3.4 齒輪軸結構 3.2.6 轉向器材料及其他零件選擇 1、齒輪齒條材料選擇 小齒輪：齒輪通常選用國內常用、性能優(yōu)良的 20CrMnTi 合金鋼，熱處理采用表面 滲碳淬火工藝，齒面硬度為 HR

38、C5863。而齒條選用與 20CrMnTi 具有較好匹配性的 40Cr 作為嚙合副，齒條熱處理采用高頻淬火工藝，表面硬度 HRC5056。 2、軸承的選擇 軸承 1：角接觸球軸承 7004C (GB/T292-1994) 軸承 2：角接觸球軸承 7001C (GB/T292-1994) 3、 轉向器的潤滑方式和密封類型的選擇 轉向器的潤滑方式：人工定期潤滑 潤滑脂：石墨鈣基潤滑脂（ZBE36002-88）中的 ZG-S 潤滑脂。 密封件： 旋轉軸唇形密封圈 FB 16 30 GB 138711992 2 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 16 4 轉向傳動機構設計 對汽車轉

39、向系的要求，除了機動性、輕便型和操縱穩(wěn)定性之外，還必須保證轉向 軸的內外轉向輪有一定的比例關系，使汽車轉向過程中所有的車輪都是純滾動或有極 小的滑移，這一要求一般由轉向梯形機構近似的實現(xiàn)。 4.1 轉向傳動機構原理 圖 4-1 轉向中心的不同軌跡圓 如上圖 4-1 所示： 轉向傳動機構的任務是將轉向器輸出端的擺動轉變?yōu)樽蟆⒂肄D向車輪繞其轉向 主銷的偏轉，并使它們偏轉到繞同一瞬時轉向中心的不向軌跡圓上，實現(xiàn)車輪無滑動 地滾動轉向。為了使左、右轉向車輪偏轉角之間的關系能滿足這一汽車轉向運動學的 要求，則要由轉向傳動機構中的轉向梯形機構的精確設計來保證。 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術

40、畢業(yè)論文 17 圖 4-2 齒輪齒條式轉向器轉向原理簡圖 由于一般齒輪齒條式轉向器與左右橫拉桿鉸接，而左右橫拉桿一般直接與轉 向節(jié)下節(jié)臂鉸接，所以在這里我假定把左右梯形臂轉變?yōu)檗D向節(jié)的一部分。 4 4.2 轉向梯形的布置 為保證汽車行駛的安全性，在一般情況下應盡量將梯形布置在前軸之后，橫拉桿 的高度應在前軸下表面以上 15mm 處，以避免障礙物的撞擊。只有在發(fā)動機的位置很低 或前軸是驅動軸時，由于梯形臂的橫拉桿難于布置時才不得不把轉向梯形放在前軸之 前，此時橫拉桿位置應盡量高些。 我的設計轉向梯形布置在前軸以后，橫拉桿在前軸下表面以上 15mm 處。 4.34.3 轉向梯形機構尺寸的初步確定轉

41、向梯形機構尺寸的初步確定 轉向梯形的基本尺寸主要是梯行底角 和梯形臂長 m。 梯形臂長 m 主要根據(jù)布置空間而定，它直接影響到橫拉桿軸向力的大小。 橫拉桿軸向力 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 18 sin 1 m F l l FF QQS 式中，F(xiàn)Q是縱拉桿對轉向節(jié)上臂的作用力，一般可用前軸負荷 G1的一半計算，即 FQ=0.5G1;l 是縱拉桿作用力臂；l是橫拉桿軸向力 FS的作用力臂。 從上式可以看出，梯形臂不宜過短，因為橫拉桿軸向力與梯形臂長 m 成反比，m 減 小導致 FS增大。但梯形臂長度也不宜過大，否則會使其布置困難，尤其對于前置梯形 更是如此。 通常汽車上

42、梯形臂長度 m 與兩主銷中心距 M的比值約為 mM=0.110.15。 綜合分析，我選取的主要參數(shù) m 為 204mm，M為 1672mm，mM為 0.1254。 梯行底角 是一個非常重要的參數(shù)，一般情況下，對整體式轉向軸后置梯形來說， 兩梯形臂延長線的交點約在前軸后軸距的 23 處左右。 在實際設計中梯行底角 是根據(jù)整車布置最后確定的，一般在 7080范圍內。 梯形底角主要受到車輪的限制，很難設計得十分合理，一般設時橫拉桿接頭與車輪間 隙不小于 8mm。 4.4 梯形校核 以圖解法進行校核。 1) 首先根據(jù)初步確定的梯形尺寸（梯形下底長度 M=AB、梯形臂長度 m=AP=BQ、梯形底 角 ）

43、作出中間位置的轉向梯形圖 APQB。 2) 分別以 A 和 B 為圓心，以梯形臂長 m 為半徑畫兩弧。 3) 以 A 點為圓心，從 AP 線開始每隔 5作出 A 點的圓心角 1、2、3，, 與以 A 點為圓心、m 為半徑所畫弧相交于 P1、P2、P3，,各點，再分別以 P1、P2、P3，各點為圓心，以 PQ 長為半徑所畫弧分別與以 B 點為圓心、m 為半 徑所畫出的弧相交于 Q1、Q2、Q3，將 B 點與 Q1、Q2、Q3各點連線，測量 QBQ1，QBQ2，各角，即為外輪轉角 1、2、3.。 4) 內輪轉角 與外輪轉角 的相應關系如表所示。 51015202530 123456 開封大學機械與

44、汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 19 根據(jù)作出的內、外輪轉角畫出實際的特性曲線。與理論特性曲線進行比較，可以 選出幾組不同的梯形轉角 和梯形臂長 m，按上述方法求出和畫出一系列的特性曲線， 最接近理論特性曲線的該條曲線的 和 m，即為選定的梯形底角和梯形臂長。 考慮輪胎側向彈性的影響，應使實際內外輪轉角的差值比理論值小。實際梯形特 性曲線與理論特性曲線通常相交于 1525之間，使 25以內的實際特性曲線盡量靠 近理論特性曲線。 考慮整車布置，經(jīng)過校核后我取 m 為 204mm，M為 1672mm，mM為 0.1254， 為 76。 4.5 轉向傳送機構的臂、桿與球銷 轉向傳動機構的桿件

45、應選用剛性好、質量小的 20、30 或 35 號鋼的無縫鋼管制造， 其沿長度方向的外形可根據(jù)總布置的需要確定。 轉向傳動機構的各元件間采用球形鉸接球形鉸接的主要特點是能夠消除由于鉸 接處的表而磨損而產(chǎn)生的間隙，也能滿足兩鉸接件間復雜的相對運動。在現(xiàn)代球形鉸 接的結構中均是用彈簧將球頭與襯墊壓緊。而且應采用有效結構措施保持住潤滑材料 及防止灰塵污物進入。 球銷與襯墊均采用低碳合金鋼如 12CrNi3A，18MnTi，或 20CrN 制造，工作表面經(jīng) 滲碳淬火處理，滲碳層深 1.53.0mm，表面硬度 HRC 5663。允許采用中碳鋼 40 或 45 制造并經(jīng)高頻淬火處理，球銷的過渡圓角處則用滾壓

46、工藝增強。球形鉸接的殼體則 用鋼 35 或 40 制造。 4.6 轉向橫拉桿及其端部 轉向橫拉桿與梯形轉向桿系的相似。球頭銷通過螺紋與齒條連接。當這些球頭銷 依制造廠的規(guī)范擰緊時，在球頭銷上就作用了一個預載荷。防塵套夾在轉向器兩側的 殼體和轉向橫拉桿上，這些防塵套阻止雜物進入球銷及齒條中。 轉向橫拉桿端部與外端用螺紋聯(lián)接。這些端部與梯形轉向桿系的相似。側面螺母 將橫拉桿外端與橫拉桿鎖緊（ 圖 6-4） 。 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 20 圖 4-3 轉向橫拉桿外接頭 1- 橫拉桿 2-鎖緊螺母 3-外接頭殼體 4-球頭銷 5-六角開槽螺母 6-球碗 7-端蓋 8-

47、梯形臂 9-開口銷 表表 4-44-4 轉向橫拉桿及接頭的尺寸設計參數(shù)轉向橫拉桿及接頭的尺寸設計參數(shù) 序號項目符號尺寸參數(shù)()mm 1橫拉桿總長 a L281 2橫拉桿直徑 La 15 3螺紋長度 M L60 4外接頭總長 W L120 5球頭銷總長 QX L62 6球頭銷螺紋公稱直徑 qx dM101 7外接頭螺紋公稱直徑 w dM121.5 8內接頭總長 N L65.3 9內接頭螺紋公稱直徑 n dM161.5 4.4 桿件設計結果 轉向梯形臂/mm 440 轉向橫拉桿/mm 281 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 21 5 零件圖 5.15.1 轉向垂臂轉向垂臂 開

48、封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 22 5.2 側蓋 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 23 5.35.3 齒條齒條 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 24 5.45.4 齒輪軸齒輪軸 5.55.5 橫拉桿接頭橫拉桿接頭 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 25 結論結論 對于汽車轉向系，在上學期選題的時候還沒有充分的了解，但本著對汽車構造方 面的強烈興趣，在林老師的精心指導下，首先在網(wǎng)上調查現(xiàn)代汽車轉向系的一些基本 資料，了解其組成以及工作原理。然后開始著手論文的設計資料。汽車相關的機構方 面知識最終還是回歸到機械設

49、計范疇。憑著自己四年來積累的機械相關知識，查閱圖 書館汽車轉向系相關資料，以及互聯(lián)網(wǎng)中的中國機械CAD論壇、中國汽車工程師之家論 壇，為本次設計作了大量的資料收集。通過本次的設計實踐，我把大學期間所學的所 有專業(yè)知識都應用，不僅大大的充實了自己的專業(yè)知識，而且還進一步提高了自己整 體專業(yè)水平，可以說本次的畢業(yè)設計是一分耕耘，一分收獲。 綜合題目要求，對課題轉向器進行總體設計，遵循需求分析、概要設計、詳細 設計這一程序，從結構選型到結構布局，再到具體零件尺寸的設計都依照前一階段 的流程模型和機械設計準則。最后根據(jù)總體設計所得的參數(shù)，利用三維設計軟件 ug對各個零件進行三維造型 。由于三維制圖，不

50、能更好的表示出尺寸、公差等等， 故而再用CAD對轉向器進行二維設計。 在這次設計過程中，體現(xiàn)出自己與團隊成員設計的能力以及綜合運用知識的能力， 體會了學以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時學習的不足和薄 弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補。 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 26 參考文獻參考文獻 1 毛彩云，吳暮春，柯松.汽車轉向系統(tǒng)的發(fā)展J.科普園，2009. 2 陳家瑞.汽車構造下冊M.北京：人民交通出版社，2002. 3 王望予.汽車設計（第4版）M.北京：機械工業(yè)出版社，2004. 4 王豐元，馬明星. 汽車設計課程設計指導書M.北京：中國電力出版社， 5 濮良

51、貴、紀名剛.機械設計M.北京：高等教育出版社，2010. 6 徐灝.機械設計手冊M.北京：機械工業(yè)出版社，1992. 7 褚洪生,杜增吉,閻金華. MATLAB 7.2優(yōu)化設計實例指導教程 M.北京：機械工業(yè) 出版社，2007 8 余志生.汽車理論M.北京：機械工業(yè)出版社，2000. 9 徐石安汽車構造-底盤工程M北京：清華大學出版社，2008 10 林秉華.最新汽車設計實用手冊(三)M.哈爾濱 黑龍江人民出版社,2005. 11 (日)GP企畫室編.宋桔桔等譯.汽車車身底盤圖解M.北京：吉林科學技術出版社， 香港萬里機構出版有限公司，1999 12 (日)細川武志 編.魏朗 譯.汽車構造圖冊

52、M.北京：人民交通出版社，2005. 開封大學機械與汽車工程學院汽車制造與裝配技術畢業(yè)論文 27 致致 謝謝 在此感謝我們的林老師.，老師嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中 的榜樣；老師循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪；這次模具設計的 每個實驗細節(jié)和每個數(shù)據(jù)，都離不開老師您的細心指導。而您開朗的個性和寬容的態(tài) 度，幫助我能夠很順利的完成了這次課程設計。 同時感謝對我?guī)椭^的同學們，謝謝你們對我的幫助和支持，讓我感受到同學的 友誼。 由于本人的設計能力有限，在設計過程中難免出現(xiàn)錯誤，懇請老師們多多指教,我 十分樂意接受你們的批評與指正，本人將萬分感謝。 在此，我再一次向你們說聲“謝謝” 。