液壓助力轉向器的設計

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1、摘 要 汽車轉向器是汽車的重要組成部分，也是決定汽車主動安全性的關鍵總成，它的質量嚴重影響汽車的操縱穩(wěn)定性。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車轉向器也在不斷的得到改進，雖然電子轉向器已開始應用，但機械式轉向器仍然廣泛地被世界各國汽車及汽車零部件生產廠商所采用。本文選擇齒輪齒條式轉向器作為研究課題，其主要內容有：汽車轉向器的組成分類；轉向器性能方案分析及其數據確定和轉向器的設計過程。這種轉向器的優(yōu)點是，操縱輕便，成本低，轉向靈敏度高，結構簡單。缺點是一旦轉向器發(fā)生泄漏會對環(huán)境造成一定的污染，對使用環(huán)境有一定的要求。但隨著動力轉向的應用，現在電控動力轉向器（EPS）正在被廣泛的應用。 關鍵詞：轉向器

2、 齒輪齒條 操縱穩(wěn)定性 設計計算 目 錄 1緒論....................................................1 1.1汽車轉向系統(tǒng)的概述 ...........................................1 汽車轉向系統(tǒng)的組成......................................1 汽車轉向系統(tǒng)的分類......................................1 汽車對轉向裝置的基本要求................................3 1.2齒輪

3、齒條轉向器的介紹..........................................3 1.3汽車轉向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢........................................3 2液壓助力轉向器及其主要部件工作分析.......................4 2.1液壓助力轉向器總體性能分析....................................4 2.2轉向控制閥工作分析............................................4 2.3轉向油泵工作工作分析...........

4、...............................5 3設計方案的說明...........................................5 3.1轉向器設計輸入信息............................................5 3.2傳動比的計算.................................................5 3.2.1方向盤的選擇.............................................5 3.2.2轉向阻力矩的計算......

5、...................................6 3.2.3角傳動比的計算..........................................6 4齒輪的計算..............................................7 4.1齒輪軸參數的選取.............................................7 4.2齒輪軸結構設計...............................................7 4.3齒輪齒條參數表..........

6、.....................................7 5主要零件的理論計算......................................8 5.1齒輪齒輪精度等級、材料及參數的選擇...........................8 5.2齒輪軸齒輪接觸疲勞強度計算...................................8 5.3齒輪軸齒輪彎曲疲勞強度計算...................................9 5.4齒輪軸設計計算.................................

7、..............10 6其它零件的選擇及潤滑方式................................12 結論..............................................................13 參考文獻.................................................14 Abstract.................................................15 致謝.............................................

8、........16 液 壓 助 力 轉 向 器 的 設 計 老衲 指導老師：陳老師 （安徽XX大學 08車輛工程 合肥 230036） 1緒 論 改革開放以來，我國汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，作為汽車關鍵部件之一的轉向系統(tǒng)也得到了相應的發(fā)展，基本已形成了專業(yè)化、系列化生產的局面。有資料顯示，國外有很多國家的轉向器廠，都已發(fā)展成大規(guī)模生產的專業(yè)廠，年產超過百萬臺，壟斷了轉向器的生產，并且銷售點遍布了全世界。 1.1轉向系統(tǒng)的概述 1.1.1汽車轉向系統(tǒng)的組成 一般的轉向裝置包括下述部件：轉向盤、轉向管柱、轉向傳動軸總成、轉向器總成、轉向拉桿總成。 1.1.2

9、汽車轉向系統(tǒng)的分類 1）機械式轉向系 機械式轉向器的能量來源是人力，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。其中轉向器是將操縱機構的旋轉運動轉變?yōu)閭鲃訖C構的直線運動(嚴格講是近似直線運動)的機構，是轉向系的核心部件。這種轉向器有兩對傳動副組成，一對是螺桿、螺母，另一對是齒條、齒扇或曲柄銷。在螺桿和螺母之間裝有可循環(huán)滾動的鋼球，使滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，從而提高了傳動效率。 這種轉向器的優(yōu)點是，操縱輕便，磨損小，壽命長。缺點是結構復雜，成本高，轉向靈敏度不如齒輪齒條式。因此逐漸被齒輪齒條式取代。但隨著動力轉向的應用，循環(huán)球式轉向器近年來又得到廣泛使用。

10、 當汽車轉向時，駕駛員對轉向盤施加一個轉向力矩。該力矩通過轉向軸、轉向萬向節(jié)、和轉向傳動軸輸入轉向器。經轉向器放大后的力矩和減速后的運動傳到轉向搖臂，再通過轉向直拉桿傳給固定于左轉向節(jié)上的轉向節(jié)臂，使左轉向節(jié)和它所支撐的左轉向輪偏轉。 從轉向盤到轉向傳動軸這一系列零件和部件，均屬于轉向操縱機構。有轉向搖臂至轉向梯形這一系列零件和部件（不含轉向節(jié)），均屬于轉向傳動機構。 目前較常用的機械式轉向器有齒輪齒條式、蝸桿曲柄指銷式、循環(huán)球-齒條齒扇式、蝸桿滾輪式等。其中第二、第四種分別是第一、第三種的變形形式，而蝸桿滾輪式則更少見。方向盤轉動使方向機蝸桿轉動、渦桿與蝸輪咬合（也有循環(huán)球咬合的）渦輪

11、軸帶動方向機搖臂前后擺動，方向機搖臂通過球頭銷與豎拉桿相連、豎拉桿另一端與左前輪軸頭搖臂相連，軸頭搖臂通過立銷（主銷）與前橋相連，搖臂前后擺動就可使車輪軸頭（沿主銷）左右轉向了，左前輪通過橫拉桿與右車輪相連，這樣轉動方向盤就可以讓左右前輪同時轉向了[2] 汽車行駛中經常需要改變行駛方向，即所謂的轉向，這就需要有一套能夠按照司機意志使汽車轉向的機構，它將司機轉動方向盤的動作轉變?yōu)檐囕?通常是前輪)的偏轉動作。 按轉向力能源的不同，可將轉向系分為機械轉向系和動力轉向系。 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。其中轉向器是將

12、操縱機構的旋轉運動轉變?yōu)閭鲃訖C構的直線運動(嚴格講是近似直線運動)的機構，是轉向系的核心部件。 動力轉向系除具有以上三大部件外，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。 2)動力轉向器 動力轉向器是兼用駕駛員體力和發(fā)動機動力為轉向能源的轉向系。在正常情況下，汽車轉向所需的能量，只有一小部分由駕駛員提供，而大部分是由發(fā)動機通過轉向加力裝置提供的。但在轉向加力裝置失效時，一般還應當能由駕駛員獨立承擔汽車轉向任務。因此，動力轉向器是在機械轉向器的基礎上加設一

13、套轉向加力裝置而形成的。 動力轉向器除具有以上三大部件外，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。轉向助力裝置有以下幾種： (1)液壓式動力轉向裝置(2)電動式動力轉向裝置(3)電動液壓式動力轉向裝置 1.1.3汽車對轉向裝置的基本要求 1:轉向輪的轉角和偏轉速度應分別與轉向盤的轉角和轉速保持一定的比例關系，即具有隨動作用； 2:操縱轉向盤時，轉向系統(tǒng)產生的助力作用要迅速、靈敏，與作用在轉向盤上的手力相協(xié)調； 3:駕駛員操縱轉向盤時右良好的“路感

14、”，即能及時將路面對轉向阻力的影響反饋到轉向盤上，使作用在轉向盤上的手力隨轉向阻力的增大而增大； 4:轉向后應能自動回正，并應使汽車具有直線行駛穩(wěn)定性； 5:工作可靠，一旦助力轉向系統(tǒng)失靈，駕駛員仍能操縱轉向盤使汽車轉向。 1.2齒輪齒條轉向器的介紹 1： 價格便宜：結構簡單，零件數量少； 2：重量輕，有利于改善汽車的燃料經濟性； 3： 結構緊湊，特別適用于前輪驅動車型； 4： 路感、操縱性和響應性好； 1.3汽車轉向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 隨著社會汽車化的發(fā)展，駕駛員不僅僅需要操縱省力，近年來從汽車的安全性能、燃油經濟性方面對轉向系統(tǒng)提出更高的要求，這些要求促進了電控液壓轉向器（

15、EHPS）和電動助力轉向（EPS）技術的發(fā)展。 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、降低生產成本、保證產品質量穩(wěn)定，以便逐步推廣和普及。 隨著科學技術的發(fā)展，國際經濟形勢的變化對汽車乃至汽車轉向器的生產都有很大影響。特別是西方國家實行石油禁運以來，世界經濟形勢受沖擊很大。隨著能源危機的發(fā)展

16、，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都隨著能源危機的發(fā)生而變化，表現在能源消耗、材料消耗、操縱輕便等各個方面。我國加入WTO，給汽車工業(yè)帶來新的機遇，也帶來挑戰(zhàn)，國產汽車及零部件將會得到進一步發(fā)展。 2液壓助力轉向器主要部件工作原理分析 2.1液壓助力轉向器總體性能分析 轉向器是汽車上的重要部件之一，轉向系統(tǒng)的好壞關系著駕駛者與乘客的生命安全，因此對轉向系統(tǒng)的性能有一定的要求。 轉向系統(tǒng)的滯后度要求，在轉向系統(tǒng)正常工作時，應滿足滯后量小于1，如果滯后量大于1，車輛在轉向時就會發(fā)生方向盤打過以后，轉向輪相對于方向盤的旋轉產生一定的滯后量，從而讓駕駛

17、員對汽車的轉向產生錯誤的判斷，造成安全事故。 轉向系統(tǒng)的轉向力對稱度要求，轉向系統(tǒng)在正常工作時應滿足轉向力對稱度大于等于90%，駕駛員在駕駛時從視線以及方向盤手感獲得對與汽車行駛環(huán)境的信息，然后通過作用在方向盤上的手力對汽車進行操控，當左右轉向力對稱度過低時，駕駛員在操作時可能產生輸入手力不夠或過大的負面效果，從而導致危險發(fā)生。 2.2轉向控制閥工作分析 圖2-1轉向控制閥原理圖 不轉向時：閥芯的槽脊與閥套的槽正對，而前者比后者略窄，存在預開隙；此時，轉向動力缸的左、右腔室相通，且與油泵的出油、回油口相通；左、右腔油壓相等，不產生助力。 右轉向時：扭桿在外力作用下產生扭轉變形，而閥芯

18、和閥套分別與扭桿的兩端固連，因此閥芯相對閥套轉動，閥芯的槽脊與閥套上槽的兩側間隙不對稱，使油泵泵出的油液大部分進入動力缸右腔、小部分進入左腔，兩側的壓差推動活塞(與齒條軸固連)右移，從而產生助力作用。 左轉向時：分析同上。 隨動原理：轉向盤上作用力大→間隙不對稱度大→壓差大→助力大；作用力恒定→間隙恒定→壓差恒定→助力恒定。 2.3轉向油泵工作分析 轉向泵的輸出壓力由負載決定，當負載增加時，泵的壓力升高；當負載減小時，泵的壓力降低。如果負載無限制地增加，泵的壓力也隨之無限制的升高，直至密封或零件強度或管路被破壞。因此，在液壓系統(tǒng)中必須設置安全閥，起過載保護作用。 3設計方案的說明

19、3.1機械轉向器設計輸入信息 表3-1 轉向器設計輸入 序號 項目 信息 1 車型/名稱/類型 微車 2 左右置 左舵 3 前軸滿負荷（Kg) 780 4 需要轉向器最大輸出力(N) 5600 5 發(fā)動機排量(L) 1.4 6 轉向節(jié)臂長度(mm) 120 7 使用環(huán)境溫度范圍(℃) -40～120 8 固定點之間的距離(mm) 328 9 拉桿長度(mm) 279 10 安裝方式(mm) 轉向前置 11 安裝結構 支架安裝 12 內球心距(mm) 646.6 13 外球心距(mm) 1204.6 14

20、 轉向器中心距(mm) 15 15 安裝角(°) 0 16 軸夾角(°) 15 17 行程(mm) 138 18 圈數 4.15 3.2傳動比的計算 3.2.1方向盤的選擇 轉向盤的直徑有一系列尺寸。選用大的直徑尺寸時，會使駕駛員進出駕駛室感到困難。若選用小的直徑尺寸，轉向時，駕駛員要施加較大的力量，從而使汽車難于操縱，據原始數據，參見手冊?。絤m則 由作用方向盤上的力矩　　 得作用在方向盤上的力 3.2.2轉向阻力矩的計算 　 （公式3-1） 　　　式中

21、：　---滑動摩擦系數，一般?。?７ 　　　　　　?。?--輪胎氣壓 　　　　　　　---前軸載荷 3.2.3角傳動比的計算 式中： L----汽車軸距，2471mm R----汽車最小轉彎半徑，5500mm 得 式中： L-----汽車軸距，2471mm R-----汽車最小轉彎半徑，5500mm B-----前輪輪距，1429mm 將數據代入，得： 角傳動比 式中： -----轉向盤轉角（速度），3.536 -----轉向輪轉角（速度）， 將數據代入得： 4相關設計參數的選取

22、及確定 4.1齒輪軸參數選取 齒輪模數值取值為m=，主動齒輪齒數為z=7，壓力角取α=20°，齒輪螺旋角為β=，齒條齒數應根據轉向輪達到的值來確定。齒輪的轉速為n=10r/min，齒輪傳動力矩２５Ｎ，轉向器每天工作８小時，使用期限不低于５年． 主動小齒輪選用20MnCr5材料制造并經滲碳淬火，而齒條常采用45號鋼或41Cr4制造并經高頻淬火，表面硬度均應在56HRC以上。為減輕質量，殼體用鋁合金壓鑄。 4.2齒輪軸結構設計 圖4-1齒輪軸 4.3齒輪齒條參數表 表4-1齒輪齒條參數表 名稱 齒 輪 齒條 備注 模數mn 2.0 2.0 齒數Z 7

23、 26 分度圓直徑d1 分度圓壓力角αn 20° 20° 螺旋角β =24°(右旋) =9°（左旋） 左右手法則 齒頂高系數 變位系數xn 0.56 齒頂高ha 齒根高hf =2.5 齒全高h h1=ha1+hf1=4.5 h2=ha2+hf2=4.5 齒頂圓 da da1=d1+2ha1=21.56 齒根圓 df df1=d1-2hf1=12.56 基圓直徑db 法向齒厚（mm） 端面齒厚（mm） 4.508 分度圓直徑與

24、齒條運動速度的關系：d=60000v/πn10.001m/s 齒距 p=πm=6.28mm 5主要零件的理論計算 5.1齒輪齒輪精度等級、材料及參數的選擇 （1） 由于轉向器齒輪轉速低，是一般的機械，故選擇8級精度。 （2） 齒輪模數值取值為m=，主動齒輪齒數為z=7，壓力角取α=20°. （3） 主動小齒輪選用20MnCr5或15CrNi6材料制造并經滲碳淬火，硬度在56-62HRC之間，取值60HRC. （4） 齒輪螺旋角初選為β=° 5.2齒輪的齒根彎曲強度設計 （1）試取K= （2）斜齒輪的轉矩T=２５N·m （3）取齒寬系數 （4）齒輪齒數

25、 （5）復合齒形系數 = （6）許用彎曲應力 =0.7=0.7920=644N/ 為齒輪材料的彎曲疲勞強度的基本值。 （公式5-1） 試取=mm (7) 圓周速度 d=mm b= d= 取b=mm (8)計算載荷系數 1） 查表得 使用系數=1 2） 根據和8級精度，查表得 3） 查表得　　齒向載荷分布系數 4） 查表得　　齒間載荷分布系數 5) 修正值計算模數＝，故前取mm不變． 5.3齒輪軸齒輪接觸疲勞強度計算 校核

26、公式為　 許用接觸應力 　 查表得 由圖得 安全系數　 查表得　彈性系數?。? 查表得　區(qū)域系數?。? 重合度系數 （公式5-2） （公式5-3） 取 （公式5-4） 螺旋角系數?。? 1650MPa 　由以上計算可知齒輪滿足齒面接觸疲勞強度，即以上設計滿足設計要求。 5.4齒輪軸的設計計算 由于齒輪的基圓直徑14.439，數值較小，若齒輪與軸之間采用鍵連接必將對軸和齒輪的強度大大降低，因此，將其設計

27、為齒輪軸．由于主動小齒輪選用20MnCr5材料制造并經滲碳淬火，因此軸的材料也選用20MnCr5材料制造并經滲碳淬火． 查表得：20MnCr5材料的硬度為６０ＨＲＣ，抗拉強度極限，屈服極限，彎曲疲勞極限，剪切疲勞極限，轉速n=10r/min 根據公式 （公式5-5） 忽略磨損，根據能量守衡，作用在齒輪齒條上的阻力矩為，作用在齒輪上的軸向力為 （公式5-6） 作用在齒輪上的切向力為 （公式5-7） 作用在齒輪上的徑向力為 （公式5-7） 彎曲疲勞強度校核 （公式5-8） 剪切疲勞強度校核 （公式5-9） 由于齒輪軸主要受軸向力和徑向力作用，拉力很小，可忽略，故拉力不需

28、校核。 根據校核，齒輪軸處于安全工作狀態(tài)。 6其它零件的選擇及潤滑方式 1調整螺塞 根據GB/T699 選取螺紋規(guī)格d=M32 2 彈簧的選擇 材料：65Mn GB/T4357 總圈數：4.5 自由高度：19 外徑：φ19 材料直徑：φ2.5 3墊圈的選擇 根據GB848-85,選擇相配合的螺紋規(guī)格為d=32 4油封的選擇 殼體端部油封：外徑 35，內徑 17.6，厚度 5 殼體中部油封：外徑 33，內徑 22.6，厚度5 殼體橫孔油封：外徑 32，內徑 20.5，厚度7 限位套油封：外徑 32，內徑 20.5，厚度7 5軸承的選擇 軸承1 深溝球軸承

29、6004 (GB/T276-1994) 軸承2 滾針軸承 NA4901 (GB/GB/T6391-1996) 6轉向器的潤滑方式：人工定期潤滑 潤滑脂：二硫化鉬鋰基脂（ZBE36002-88）中的ZG-S潤滑脂。 密封類型的選擇 密封件：旋轉軸唇形密封圈 FB 16 30 GB 13871—1992 結 論 通過這次設計我對于轉向器有了一個深刻的了解，對于轉向器的分類、結構、性能、工作原理及設計時需要考慮的問題都具備了獨立的分析能力，為我在以后的工作做了前期的知識儲備，能讓我更好的投入到以后的工作中去。畢業(yè)設計是對我們大學四年所學知識的一次總結，同時也是對我們各種能

30、力的一次考驗。設計過程中通過初步嘗試、發(fā)現問題、尋找解決方法、確定方案的步驟，逐漸培養(yǎng)了我們獨立思考問題的能力和創(chuàng)新能力，同時也使我們更加熟悉了一些基本的機械設計知識。本次設計幾乎運用了我們所學的全部機械課程，內容涉及到機械設計、機械材料、力學、液壓傳動、機械圖學等知識，以及一些生產實際方面的知識。通過設計鞏固了理論知識，接觸了實際經驗，提高了設計能力和查閱文獻的能力，為今后工作最后一次在學校充電。 參考文獻 [1] 邱宣懷主編.機械設計.第四版.高等教育出版社.1997 [2] 余志生主編.汽車理論.第五版.機械工業(yè)出版社 .2009 [3] 張炳力主編.汽車設計.第一版.合肥工業(yè)大

31、學出版社 .2011 [4] 鄭文偉,吳克堅主編機械原理.第七版.高等教育出版社.1997，7 [5] 陳家瑞主編.汽車構造（下冊）.機械工業(yè)出版社.2003 [6] 劉鴻文主編.材料力學Ⅰ.第四版.高等教育出版社.2004，1 [7] 鄭志祥，徐謹康，張磊主編.機械零件.高等教育出版社.2003 [8] 機械工程手冊.機械工業(yè)出版社.1996 [9] 汽車工程手冊.人民交通出版社.2001 Abstract Automobile steering device is an important part of the car, also decided the automobi

32、le active safety critical assembly, its quality affects the handling stability of vehicle.With the development of automobile industry, automobile steering device has also been improved, although electronic steering device has been used, but the mechanical steering device is still widely used by the

33、world of automobiles and auto parts manufacturers adopted.This paper choose the gear rack type steering gear as the research subject, the main contents include: automotive steering component classification; steering assembly scheme analysis and data identifying and steering gear design process.The s

34、teering device has the advantages of low cost, convenient operation, high sensitivity, turning, simple structure.Drawback is that once the diverter leaks will causes certain pollution to the environment, the environment of certain requirements.But with the application of electronic controlled power

35、steering, now power steering (EPS) is being widely used.Keywords:Steering gearGear rackHandling and stabilityDesign calculation 致 謝 短短的半個學期畢業(yè)設計即將結束，我的大學生活也即將畫上了圓滿的句號。在這次設計過程中得到了許多老師和同學的熱心指導，尤其是陳老師在百忙之中多次給與指導，在此表示衷心的謝意！ 通過這次畢業(yè)設計，使自己更加清醒地認識到知識的無窮無盡以及自己所學的微小。在實習中學到了許多書上所沒有的東西，知識面得到了極大的擴展和豐富，讓我了解了以前想知道但沒有弄清楚的東西，如為什么大汽車那么重面駕駛員卻不用費力的就可以撥動方向盤。 在我結束畢業(yè)設計的同時，也結束了我的大學生活。這意味著我進入了人生新的起點，我會用我在學校所學到的知識在嶄新的生活中不斷進取，發(fā)奮圖強。用我的事業(yè)成就來報答學校和老師對我的栽培，回報社會對我的關愛！