汽車齒輪齒條式轉向器設計

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1、 本科學生畢業(yè)設計 汽車齒輪齒條式轉向器設計 院系名稱： 汽車與交通工程學院 專業(yè)班級： 學生姓名： 指導教師： 職 稱： 黑 龍 江 工 程 學 院 二○一一年六月 The Graduation Design for Bachelors Degree Design of Car Rack and Pi

2、nion Steering Gear Candidate： Specialty： Class ： Supervisor： Heilongjiang Institute of Technology 2011-06Harbin 黑龍江工程學院本科畢業(yè)生設計 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

3、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。而在機械式轉向器中，齒輪齒條式轉向器由于其自身的特點被廣泛應用于各級各類汽車上。 本次設計主要對一汽佳寶的轉向器進行設計。首先對轉向器進行了結構上的設計，此轉向器選用的是側面輸入，兩端輸出的齒輪齒條式轉向器。其優(yōu)點為：結構簡單、緊湊；殼體由鋁合金或鎂合金壓鑄而成，故質量比較??；傳動效率高達90%；齒輪齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙后，可利用裝在齒條背部、靠近小齒輪的壓緊力可以調節(jié)的彈簧自動消除齒間間隙，在提高系統(tǒng)剛度的同時也可防止工作時產生沖擊和噪聲；轉向器占用體積??；沒有轉向搖臂和直拉桿，可以增大轉向輪轉角；制造成本低。

4、 關鍵詞：轉向器；彈簧；橫拉桿；設計；校核 ABSTRACT Auto steering gear is the important part of automobile. Also the key assembly of vehicle active safety. Its’ quality seriously effecting manipulating stability,with the develop ment of automobile’ industry,steering gear is improved gr

5、adually. Although electronic steering gear began application, but mechanical steering gear is widely used by automobile and parts manufacturer all over the world. In the mechanical steering gear. The rack and pinion steering gear were widely used in all kinds of Auto factories due to its own charact

6、eristics. This design is mainly focus on FAW Jiabao. First, design the steering gear’s structure. This steering gear applied beside input. Two terminal output rack and pinion steering. Its’ advantages is simple configuration and compact. Shell is pressurized carging by aluminium alloy or magnesium

7、ally. So the weight is relatively low. Transmitting efficient can reach 90%. If gap appears between rack and pinion. It can be eliminated by the spring which is located back of rack adjustable to pinion,and spring pressure can be ajusted .Simproving the systen’s stiffness.It also can prevent the imp

8、act and noise when it works .Steering gear occupy. Little volume have no steering arm and tie rod. Steering wheel angle can be increased；manufacturing cost is low. Keywords: steering;spring; horizontal bars;design;check . II 目 錄 摘要 I Abstract

9、 II 第1章 緒論 １ 1.1選題的目的 １ 1.2轉向器國內外研究現(xiàn)狀 １ 1.3轉向器發(fā)展趨勢 ３ 1.3.1汽車轉向技術的發(fā)展趨勢 ３ 1.3.2汽車轉向裝置的設計趨勢 ３ 1.4轉向器概述 ４ 1.4.1汽車轉向基本要求及其關鍵技術 ４ 1.4.2兩輪轉向及其實現(xiàn)技術 ５ 1.4.3四輪轉向及其實現(xiàn)技術 ７ 1.5設計的預期成果 ９ 第2章 設計方案的選擇 １０ 2.1轉向器類型的選擇 １０ 2.2齒輪齒條式轉向器布置和結構形式的選擇 １１ 2.3本章小結 １２ 第3章 齒輪齒條式轉向器的設計和計算 １３ 3.1轉向系計算載荷的確定 １３ 3.1.

10、1計算汽車的原地轉向阻力矩 １３ 3.1.2轉向器角傳動比的計算 １３ 3.1.3作用在轉向盤上的手力的計算 １４ 3.1.4梯形臂長度L2的計算 １５ 3.1.5輪胎直徑RT的計算 １５ 3.1.6轉向橫拉桿直徑d的計算 １５ 3.2齒輪齒條式轉向器的設計 １５ 3.2.1齒輪齒條式轉向器的設計要求 １５ 3.2.2齒輪齒條轉向器的主要部件 １６ 3.3齒輪齒條式轉向器的材料選擇及強度校核 １７ 3.4齒輪齒條的基本參數 ２０ 3.5本章小結 ２０ 第4章 齒輪軸的結構設計 ２２ 4.1齒輪齒條式轉向器的受力分析與計算 ２２ 4.2齒輪軸的設計計算 ２３ 4.3

11、齒輪軸的強度校核 ２５ 4.4本章小結 ２６ 第5章 轉向器間隙調整彈簧的設計計算 ２７ 5.1選擇材料 ２７ 5.2計算彈簧絲直徑d ２７ 5.3計算彈簧圈數和彈簧的自由高度 ２７ 5.4穩(wěn)定性驗算 ２８ 5.5檢查δ及δ1 ２８ 5.6幾何參數和結構尺寸的確定 ２８ 5.7彈簧工作圖 ２８ 5.8本章小結 ２９ 第6章 軸承、潤滑方式和密封類型的選擇 ３０ 6.1軸承的選擇 ３０ 6.2潤滑方式的確定 ３０ 6.3密封結構的確定 ３１ 6.4本章小結 ３１ 結論 ３２ 參考文獻 ３３ 致謝 ３４ 附錄 ３５ 第1章 緒論 改革開

12、放以來，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅猛。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選題的目的 在現(xiàn)代汽車上，轉向系統(tǒng)是必不可少的最基本的系統(tǒng)之一，也是決定汽車主動安全性的關鍵總成，汽車的轉向特性，保持汽車具備較好的操縱性能，始終是汽車檢測技術當中的一個重要課題。特別是在車輛高速化、駕駛人員非職業(yè)化、車流密集化的今天，汽車轉向系的設計工作顯得尤為重要。 1.2轉向器國內外研究現(xiàn)狀 從世界第一輛汽車問世至今，汽車工業(yè)已

13、經經歷了百年歷程?，F(xiàn)代的汽車與發(fā)展初期相比，廣泛地應用了各種高新技術，并且還在發(fā)生更深刻的變革。轉向系統(tǒng)作為汽車底盤中的獨立分系統(tǒng) ，在汽車技術發(fā)展的過程中也經歷了深刻的變革。轉向技術的發(fā)展基本上經歷了機械轉向、液壓（氣壓）動力轉向、電子控制液壓動力轉向、電動轉向、電子線控轉向和主動轉向幾個階段。 　　汽車轉向系是保持或者改變汽車行駛方向的機構，在汽車轉向行駛中，保證各轉向輪之間有協(xié)調的轉角關系。保證汽車在行駛中能按駕駛員的操縱要求，適時地改變行駛方向，并能在受到路面干擾偏離行駛方向時，與行駛系配合，共同保持汽車穩(wěn)定地直線行駛。轉向系對汽車行駛的操縱性、穩(wěn)定性和安全性都具有重要的意義。

14、改革開放以來，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅猛。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)模的生產的專業(yè)廠，年產超夠百萬臺，壟斷了轉向器的生產，并且銷售點遍布了全世界。從操縱輕便性、穩(wěn)定性及安全性行駛的角度，汽車制造廣泛使用更先進的工藝方法，使用變速比轉向器、高剛性轉向器?！白兯俦群透邉傂浴笔悄壳笆澜缟仙a的轉向器結構的方向 幾十年來，各種汽車都使用循環(huán)球式轉向器。由于這種轉向器是滾動摩擦形式，因而正傳動效率很高，操作方便且使用壽命長，而且承載能力大，廣泛應用于載貨車上。 隨著上世紀五十年代起，液壓動

15、力轉向系統(tǒng)在汽車上的應用，標志著轉向系統(tǒng)革命的開始。汽車轉向動力的來源由以前的人力轉變人力加液壓助力。液壓助力系統(tǒng)HPS是機械式轉向系統(tǒng)的基本上增加了一個液壓系統(tǒng)而成。由于工作可靠、技術成熟至今仍被廣泛應用。 從70年代起轎車興起了齒輪齒條轉向器，這種轉向機構由方向盤、轉向軸、萬向節(jié)、轉動軸、轉向器、轉向傳動桿和轉向輪等組成。方向盤操縱轉向器內的齒輪傳動，齒輪與齒條緊密嚙合，推動齒條左移動或右移動，帶動轉向輪擺動，從而改變轎車行駛的方向。這種轉向機構與循環(huán)球式等其它類型的轉向機構比較，省略了轉向搖臂和轉向主拉桿，具有構件簡單，傳動效率高的優(yōu)點。而且它的逆?zhèn)鲃有室哺撸谲囕v行駛時可以保證偏

16、轉車輪的自動回正，駕駛者的路感性強。 近年來，隨著電子技術在汽車中的廣泛應用，轉向系統(tǒng)中也越來越多地采用電子器件。但目前電子轉向系統(tǒng)由于自身成本等因素的制約，很難在價格低廉的家用轎車上得到普及，而且電子轉向系統(tǒng)的安全可靠性相對較差，目前歐洲汽車法規(guī)中要求駕駛員與轉向車輪之間必須有機械連接，電子轉向系還不允許在歐洲上市。 2007年中國汽車銷售879.15萬輛，2008年中國汽車銷售938萬輛，2009年預計增長8.6%，達到1019萬輛。汽車產銷量的逐步增長為汽車轉向機市場提供了一個較大的發(fā)展空間，2008年市場對轉向機行業(yè)需求有所減緩，在需求增長有所減緩的現(xiàn)狀下，產能擴張的勢頭并沒有

17、得到較好的控制。產能過剩、重復建設不僅導致生產與消費的失衡，而且還引發(fā)了轉向機行業(yè)內的一系列惡性價格競爭，影響了轉向機行業(yè)業(yè)的盈利能力。中國轉向機行業(yè)市場現(xiàn)狀，為外資企業(yè)入駐中國創(chuàng)造了條件，國際許多轉向機行業(yè)企業(yè)已經看中在中國低成本拓展市場的機會，隨著外資投入逐步加大，中國國內企業(yè)改革重組迅速加快。同時新的行業(yè)制度等政策的頒布和實施將促使我國轉向機行業(yè)洗牌，企業(yè)兼并重組將在政策的促使下大力發(fā)展。 據了解，在世界范圍內，汽車循環(huán)球式轉換器占45%左右，齒輪齒條式轉換器占40%左右，渦桿滾輪式轉換器占10%左右，其他型式的轉換器占5%。循環(huán)球式轉換器一直在穩(wěn)步發(fā)展。在西歐小客車中，齒輪齒條式轉

18、換器有很大的發(fā)展。日本汽車轉向器的特點是循環(huán)球式轉換器占得比重越來越大，日本裝備不同類型發(fā)動機的類型汽車，采用不同類型轉向器，在公共汽車中使用的循環(huán)球式轉換器，已由60年代的62.5%，發(fā)展到現(xiàn)今的100%了，大、小型貨車大都循環(huán)球式轉換器，但齒輪齒條式轉換器也有所發(fā)展。微型貨車用循環(huán)球式轉換器占65%，齒輪齒條式占35%。 1.3轉向器發(fā)展趨勢 1.3.1汽車轉向技術的發(fā)展趨勢 (1) 新型轉向機構的研究與應用: 圍繞減小轉向機構的誤差、優(yōu)化轉向機構的設計、減輕轉向機構的磨損、提高轉向機構的效率等方面開展工作，加強新型轉向機構的研究與應用已成為生產企業(yè)和科研單位的追求的目

19、標。 (2) 動力轉向技術的推廣: 為減輕駕駛員疲勞，提高操縱輕便性和穩(wěn)定性，動力轉向系統(tǒng)的應用日益廣泛，不僅在重型汽車上必須采用，在高級轎車上應用較多，而且在中型汽車上也已逐漸推廣。 (3) 考慮主動安全性的轉向技術: 從操縱輕便性、穩(wěn)定性和安全行駛的角度，廣泛使用更先進的工藝方法制造、使用變速比轉向器、高剛性轉向器，采用防碰撞安全轉向柱、安全帶、安全氣囊等，并逐步推廣。新時代下的汽車轉向裝置設計充分考慮了駕乘的舒適性和安全性，諸如4WS轉向技術的應用、EPS動力轉向技術的應用等等。 (4) 先進電子技術和控制技術在轉向系統(tǒng)中的應用: 隨著傳感技術、控制技

20、術的不斷發(fā)展及在汽車中的應用，可以從多方面改善轉向系統(tǒng)的各種性能，諸如汽車的低速行駛輕便性、汽車的穩(wěn)態(tài)轉向特性、汽車的回正能力、轉向盤中間位置操縱穩(wěn)定性、前輪的擺振等等。 1.3.2汽車轉向裝置的設計趨勢 (1)適應汽車高速行駛的需要[1-4]: 從操縱輕便性，穩(wěn)定性及安全行駛的角度，汽車制造廠廣泛使用更先進的工藝方法，使用變速比轉向器、高剛性轉向器。“高速比和高剛性”是目前世界上生產的轉向器結構的方向。 (2)充分考慮安全性、輕便性: 隨著汽車車速的提高，駕駛員和乘客的安全非常重要，目前國內外在許多汽車上已普遍增設能力吸收裝置，如防碰撞安全轉向柱、安全帶、安全氣囊等，并逐步推廣。從

21、人類工程學的角度考慮操縱的輕便性，一逐步采用可調整的轉向管柱和動力轉向系統(tǒng)。 (3)低成本、低耗能、大批專業(yè)化生產: 隨著國際經濟形勢的惡化，石油危機造成經濟衰退，汽車生產愈來愈重視經濟性，因此。要設計低成本、低耗能的汽車和低成本、合理化生產線，盡量實現(xiàn)大批專業(yè)化生產。對零部件生產，特別是轉向器的生產，更表現(xiàn)突出。 (4)汽車轉向器裝置的電腦化: 未來汽車的轉向器裝置，必定是以電腦化為唯一的發(fā)展途徑。 1.4轉向器概述 1.4.1汽車轉向基本要求及其關鍵技術 為使汽車實現(xiàn)車輪無側滑的轉向，車輪的偏轉必須滿足阿克曼特性，即在汽車前輪定位角都等于零、行走系統(tǒng)為剛性、汽車行駛過程中無側

22、向力的前提下，整個轉向過程中全部車輪必須圍繞同一瞬時中心相對于地面作圓周滾動，例如對于圖1.1所示兩輪轉向情況，前內輪轉角b與前外輪轉角a之間應滿足如下阿克曼轉向特性公式： cosα-cosβ=B/L (1.1) 圖1.1 阿克曼兩輪轉向要求 車輪的偏轉是通過轉向機構帶動的。對于兩輪轉向汽車，為減小車輪側滑，轉向機構應使兩前輪偏轉角在整個轉向過程中始終盡可能精確地滿足式(1.1)關系。因此從運動學角度來看，兩輪轉向機構的設計涉及到的關鍵技術主要是：(1)機構的形式設計，即確定能滿足轉向傳動功能要求的機構結構組成；(2)機構的尺

23、度設計，即確定能近似再現(xiàn)式(1.1)關系的機構運動尺寸。從系統(tǒng)和機構學角度來看，轉向系統(tǒng)的組成及其相互關系可用框圖1.2表示，其中轉向機構是該系統(tǒng)的執(zhí)行機構。 轉向操縱機構 輔助動力 轉向器 轉向機構 圖1.2 轉向傳動系統(tǒng)的組成 1.4.2兩輪轉向及其實現(xiàn)技術 1.轉向技術的發(fā)展概況[5-6]: 兩百年前在汽車剛剛誕生的初期，其轉向操縱是仿照馬車和自行車的轉向方式，即用一個操縱桿或手柄直接使前輪偏轉。1817年，德國人林肯斯潘杰(Len Ken Sperge)發(fā)明了轉向梯形機構，并將在英國獲得的專利權轉讓給了阿克曼(Ru-dolph A

24、ckerman)?，F(xiàn)在人們常將轉向梯形的特性關系式(1.1)稱為阿克曼公式。 1857年，英國的達吉恩蒸汽汽車(Dud-geon Steamer)是首次采用方向盤的機動車輛。1872年蘇格蘭的查理士魯道夫(Charles Randolph)第一個把方向盤裝到煤氣發(fā)動機車輛上。1886年，英國的弗雷德里克斯特里克蘭(Frederiek Strickland)及汽車制造商德雷克(A．J．Drak)將船用轉向柱和方向盤技術應用到新式戴姆勒弗頓(Daimler Phantom)敞篷車上。1890年戴姆勒帕利生(Daimlr Paririan)制成轉向柱與方向盤傾斜的第一輛汽車。 進

25、入20世紀后，相關科技的進步帶動了汽車設計技術與汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，但對于轉向傳動系統(tǒng)的研究主要集中在轉向器的型式和轉向執(zhí)行機構的尺寸優(yōu)化設計等方面，而在兩輪轉向原理以及兩輪偏轉聯(lián)動實現(xiàn)方式等方面并未有新的突破。 2.前兩輪轉向技術的主流: (1)與非獨立懸架配用的轉向機構 1)轉向梯形后置，轉向直拉桿縱置： 如圖1.3(a)所示，在前橋僅為轉向橋時，由轉向橫拉桿5和左、右轉向梯形臂4組成的轉向梯形一般布置在前橋之后，以避免其在轉向過程中與車輪發(fā)生干涉。解放CA141、東風EQ140等汽車都是采用這種轉向機構。 (a) (b)

26、 (c) 圖1.3 與非獨立懸架配用的轉向機構 1—轉向搖臂 2—轉向直拉桿 3—轉向節(jié)臂 4—梯形臂 5—轉向橫拉桿 2)轉向梯形前置，轉向直拉桿縱置： 在發(fā)動機較低或轉向橋兼驅動橋的情況下，為避免干涉，往往將轉向梯形布置在前橋之前，如圖1.3 (b)所示。 3)轉向梯形前置，轉向直拉桿橫置： 如圖1.3(c)所示，若轉向搖臂1不是在汽車縱向平面內前后擺動，而是在與道路平行的平面內左右擺動（如北京BJ2020N型汽車），則可將轉向直拉桿2橫置，并借球頭銷直接帶動轉向橫拉桿5，從而使兩

27、側梯形臂轉動。 (2)與獨立懸架配用的轉向機構 圖1.4為循環(huán)球式（BS型）轉向器配用的轉向機構，轉向搖臂1為主動件，繞固定鉸點作往復擺動。其中圖1.4(a)中兩根轉向橫拉桿3、4布置在車軸的后方，形成兩段式結構，如紅旗CA7560型轎車即采用了這種轉向機構；圖1.4(b)中兩根轉向橫拉桿3、4布置在車軸的前方，和轉向直拉桿2一起構成三段式的前置梯形結構，豐田海艾斯轎車轉向機構就采用這種布置形式。 (a) (b) 圖1.4 與循環(huán)球式轉向器配用的轉向機構 1—轉向搖臂 2—轉向直拉桿 3—左轉向橫拉桿 4—

28、右轉向橫拉桿 5—左梯形臂 6—右梯形臂 7—搖桿 8—懸架左擺臂 9—懸架右擺臂 (a) (b) 圖1.5 與齒輪齒條式轉向器配用的轉向機構 圖1.5為齒輪齒條式（RP型）轉向器配用的轉向機構兩種布置形式，其中圖1.5(a)中轉向器位于前軸后方，前置梯形，應用實例為奧迪100轎車；圖1.5(b)轉向器位于前軸前方，前置梯形，在IVECO45-10型汽車中得到了應用。 前面所列僅為轉向器和轉向梯形機構結合的基本形式，實際使用中尚有許多情況，限于篇幅，在此不一一列出。 3.轉向的存在問題

29、: (1)汽車兩輪轉向技術雖經歷了近兩百年的發(fā)展，但仍存在如下主要問題： 兩輪轉向汽車在轉彎時，現(xiàn)有各類轉向機構均不能保證全部車輪繞瞬時中心轉動，從而在技術上難以完全消除車輛行駛中的車輪側滑。 (2)獨立懸架汽車中的轉向梯形斷開點難以確定，這將導致了橫拉桿與懸架導向機構之間運動不協(xié)調，使汽車在行駛中易發(fā)生擺振，從而加劇輪胎磨損，轉向性能隨車 速、轉向角、路面狀態(tài)的變化而變化，車速越高，操縱穩(wěn)定性越差。 (3)在采用兩輪轉向方式時轉彎半徑較大，汽車的機動靈活性不高。隨著電子技術的不斷發(fā)展及在汽車中的應用，可以從多方面改善轉向系統(tǒng)的各種性能，但這種改善往往是局部的和微小的?；趦?/p>

30、輪轉向方式的汽車轉向技術發(fā)展至今，應該說已經到了一個頂峰，就目前的技術和經濟性而言，兩輪轉向在性能上難以再有突破性進展。 1.4.3四輪轉向及其實現(xiàn)技術 1.轉向方式的提出及其特點: 鑒于兩輪轉向方式存在的諸多不足，日本于20世紀60年代首先提出通過四輪轉向方式來提高汽車的操縱穩(wěn)定性，到20世紀80年代末，四輪轉向系統(tǒng)得到實際應用。1990年，本田、馬自達、尼桑三家汽車公司首先在部分轎車上推出了四輪轉向系統(tǒng)。1991年，美國克萊斯勒和日本的三菱也推出了四輪轉向車型。 所謂四輪轉向，是指車輛行駛過程中四個車輪能同時發(fā)生偏轉的轉向方式。其中后輪偏轉角一般不超過5。根據轉向時前、后輪

31、偏轉方向的異同分為同向偏轉及逆向偏轉兩類。對于行駛中的四輪汽車，當采用同向偏轉時，車身的動態(tài)偏轉減小，從而可顯著提高汽車高速行駛穩(wěn)定性；當采用逆向偏轉時，則可顯著減小汽車轉彎半徑，如圖1.6所示，由此增加了低速行駛的靈活性，有利于汽車的轉向調頭。因此采用四輪轉向方式時，在一定程度上提高了橫擺角速度和側向加速度的瞬態(tài)響應性能指標，如圖1.7所示。所以四輪轉向方式具有轉向能力強、轉向響應快、直線行駛穩(wěn)定性高、低速機動性好等優(yōu)點。 圖1.6 2WS與4WS轉彎半徑的比較 圖1.7 2WS與4WS車輛轉向特性比較 2.輪轉向驅動方式: 轉向的關鍵是如何將轉向盤的

32、轉動量傳遞給前后轉向輪，并為轉向輪提供動力使其發(fā)生協(xié)調、聯(lián)動偏轉。本文根據轉向盤轉動量傳遞途徑以及轉向輪動力來源的不同，對四輪轉向系統(tǒng)作如下的分類： (1)集中驅動四輪轉向系統(tǒng): 當用機械傳動鏈將轉向盤的轉動量分別傳遞給前后輪轉向機構，從而在前后轉向輪偏轉量與轉向盤的轉動量之間形成確定的機械聯(lián)系時，即屬集中驅動四輪轉向系統(tǒng)。其結構框圖如圖1.8所示，其中前后轉向輪偏轉的驅動動力來自于轉向盤以及由液壓系統(tǒng)等提供的輔助動力。 前轉向輪 前輪轉向機構 前輪轉向器 轉向盤 電子控制單元 后輪轉向器 后轉向輪 后輪轉向機構 圖1.8 集中驅動四輪轉向系統(tǒng)結構

33、框圖 此類集中驅動轉向系統(tǒng)可進一步分為機械式和機電控制式兩種，其差異主要在后輪偏轉方向的操縱方式上。機械式集中驅動四輪轉向系統(tǒng)沒有圖1.8中的電子控制單元虛框，前后輪的偏轉方向和偏轉角大小均由轉向盤操縱，并通過機械傳動鏈獲得確定的協(xié)調關系。這種四輪轉向系統(tǒng)結構簡單，轉向特性固定，與車速無關。對于機電控制式集中驅動四輪轉向系統(tǒng)，后輪偏轉角大小由轉向盤操縱，而后輪偏轉方向則根據傳感器獲取的前輪偏轉方向與角度以及車速信息由控制單元確定。集中驅動四輪轉向系統(tǒng)的制造成本較低，但當傳動鏈零件磨損后不能精確保證前后輪轉角大小關系。 (2)分散驅動四輪轉向系統(tǒng): 前轉向輪 轉向盤 前

34、輪轉向機構 前輪轉向器 傳感器獲取的其他信息 傳感器獲取的轉角信息 電子控制單元 后輪轉向器 后轉向輪 后輪轉向動力 后輪轉向機構 圖1.9 分散驅動四輪轉向系統(tǒng)結構框圖 在圖1.9所示分散驅動四輪轉向系統(tǒng)中，前輪轉向動力由轉向盤直接提供，前轉向輪偏轉方向及偏轉量與轉向盤轉動量之間通過機械傳動鏈形成確定關系；后轉向輪偏轉的操縱由專門的液壓系統(tǒng)或電動機提供動力，至于后輪偏轉方向及偏轉量則根據傳感器獲取的轉向盤轉動方向與轉角信息以及車速等其他信息由控制單元綜合確定。 分散驅動四輪轉向系統(tǒng)的基本特征在于：前后轉向輪偏轉的驅動動力是分開的，前后轉向輪偏

35、轉方向和偏轉角度之間不是靠機械傳動鏈形成固定的聯(lián)系，而是靠電子控制系統(tǒng)進行協(xié)調控制實現(xiàn)預設關系，因此后輪轉向控制靈活、方便，能夠獲得更加精確和復雜的轉向特性。 3.輪轉向的研究方向: 對4WS轉向技術的研究主要表現(xiàn)在硬件技術和軟件技術兩個方面。硬件技術的發(fā)展體現(xiàn)在如何采用新材料、新工藝、新結構等來更好地發(fā)揮出四輪轉向的優(yōu)勢，更好地實現(xiàn)四輪轉向系統(tǒng)所預定的目標；研究和開發(fā)高靈敏度、高精度、低成本的傳感器和控制系統(tǒng)，為4WS系統(tǒng)的具體應用提供可靠成熟的技術條件。 目前，四輪轉向技術研究的潮流主要表現(xiàn)在對控制理論等軟件技術的研究上。將最先進的控制理論與控制方法不斷應用于4WS控制器的開

36、發(fā)中，同時將人的因素考慮到操縱控制中去，研究由駕駛員、車輛和行駛環(huán)境所構成的閉環(huán)系統(tǒng)。盡管目前科研人員從結構到控制原理上對四輪轉向進行了大量的研究，但尚未取得突破性進展，四輪轉向技術還沒有真正地步入全面推廣階段。其主要原因在于盡管四輪轉向車的一些開環(huán)指標有較大程度的改善，但是對其進行主觀評價的效果并不理想。這就要求從主觀評價出發(fā)，考慮閉環(huán)綜合性能指標，即將人—車—路看成一個系統(tǒng)，建立合理、可行的閉環(huán)性能評價體系，實現(xiàn)主觀評價與客觀評價的統(tǒng)一。另外，還要把四輪轉向技術與其他主動安全技術(如ABS、ASR、VDC等)相結合，獲得更高的車輛主動安全性。 1.5設計的預期成果 本次設計，我

37、將取得如下成果：1、設計說明書：(1)齒輪齒條式轉向器各零件的結構；(2)齒輪齒條式轉向器主要參數的選擇與優(yōu)化；(3)齒輪軸的設計計算；(4)調整彈簧的設計計算；(5)軸承的選擇。2、圖紙有：齒輪齒條式轉向器、轉向齒輪、轉向齒條、轉向蝸桿箱、齒條襯套套管、轉向拉桿、萬向傳動節(jié)、齒條支撐、調整螺塞。 第2章 設計方案的選擇 2.1轉向器類型的選擇 汽車轉向系可按轉向能源的不同分為機械式轉向系和動力轉向系兩大類。汽車轉向器是用來保持或改變汽車行駛方向的機構，在汽車轉向行駛時，還要保證各轉向輪之間有協(xié)調的轉角關系。駕駛員通過操縱轉向系統(tǒng)，使汽車保持直線或轉彎

38、運動狀態(tài)，或者上述兩種運動狀態(tài)相互轉換。 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、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變?yōu)閭鲃訖C構的直線運動的機構，是轉向系的核心部件。 轉向器按結構形式可分為多種類型。歷史上曾出現(xiàn)過許多種形式的轉向器，目前較常用的有齒輪齒條式、蝸桿曲柄指銷式、循環(huán)球-齒條齒扇式、循環(huán)球曲柄指銷式、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。如果按照助力形式，又可以分為機械式(無助力)，和動力式(有助力)兩種，其中動力轉向器又可以分為氣壓動力式、液壓動力式、電動助力式、電液助力式等

39、種類 齒輪齒條式轉向器[7-9]: 齒輪齒條式轉向器是一種最常見的轉向器，其基本結構是一對相互嚙合的小齒輪和齒條。轉向軸帶動小齒輪旋轉時，齒條便做直線運動。有時，靠齒條來直接帶動橫拉桿，就可使轉向輪轉向。所以這是一種最簡單的轉向器。齒輪齒條式轉向器可分為兩端輸出式和中間（或單端）輸出式兩種。 優(yōu)點：結構簡單、緊湊；殼體由鋁合金或鎂合金壓鑄而成，故質量比較小；傳動效率高達90%；齒輪齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙后，可利用裝在齒條背部、靠近小齒輪的壓緊力可以調節(jié)的彈簧自動消除齒間間隙，在提高系統(tǒng)剛度的同時也可防止工作時產生沖擊和噪聲；轉向器占用體積??；沒有轉向搖臂和橫拉桿，可以增大轉向輪轉

40、角；制造成本低。 缺點：逆效率高，汽車在不平路面行使時會出現(xiàn)汽車方向控制難度增加還有可能出現(xiàn)打手現(xiàn)象。 循環(huán)球式轉向器: 這種轉向裝置是由齒輪機構將來自轉向盤的旋轉力進行減速，使轉向盤的旋轉運動變?yōu)闇u輪蝸桿的旋轉運動，滾珠螺桿和螺母夾著鋼球嚙合，因而滾珠螺桿的旋轉運動變?yōu)橹本€運動，螺母再與扇形齒輪嚙合，直線運動再次變?yōu)樾D運動，使連桿臂搖動，連桿臂再使連動拉桿和橫拉桿作直線運動，改變車輪的方向。這是一種古典的機構，現(xiàn)代轎車已大多不再使用，但又被最新方式的助力轉向裝置所應用。它的原理相當于利用了螺母與螺栓在旋轉過程中產生的相對移動，而在螺紋與螺紋之間夾入了鋼球以減小阻力，所以鋼球在一個首尾

41、相連的封閉的螺旋曲線內循環(huán)滾動，循環(huán)球式故而得名。 優(yōu)點：在螺桿和螺母之間有可以循環(huán)流動的鋼球，將滑動摩擦轉變?yōu)闈L動摩擦，傳動效率可達75%-85%；轉向器傳動比可以變化；工作平穩(wěn)可靠；齒條齒扇間間隙調整工作容易進行；適合做整體式動力轉向器。 缺點：逆效率高，結構復雜，制造困難，制造精度要求高。 蝸桿曲柄指銷式轉向器： 它是以蝸桿為主動件，曲柄銷為從動件的轉向器。蝸桿具有梯形螺紋，手指狀的錐形指銷用軸承支撐在曲柄上，曲柄與轉向搖臂軸制成一體。轉向時，通過轉向盤傳動蝸桿、嵌于蝸桿螺旋槽中的錐形指銷一邊自轉，一邊旋繞轉向搖臂軸做圓弧運動，從而帶動曲柄和轉向垂臂擺動，再通過轉向傳動機構使轉向

42、輪偏轉。這種轉向器通常用于轉向力較大的載貨汽車上。 通過對不同形式的轉向器對比，最終選擇采用齒輪齒條式轉向器。 2.2齒輪齒條式轉向器布置和結構形式的選擇 考濾到原車采用的是循環(huán)球式轉向器，故采用如圖2.1所示的布置形式。 圖2.1齒輪齒條式轉向器 同時考慮到原車是發(fā)動機前置后驅故采用如圖2.2所示的側面輸入兩端輸出的結構形式。 圖2.2齒輪齒條式轉向器的結構形式 2.3本章小結 本章主要介紹了齒輪齒條式轉向器和循環(huán)球式轉向器的優(yōu)缺點布置方式以及結構形式，并進行比較，最終確定了采用齒輪齒條式轉向器。

43、 第3章 齒輪齒條式轉向器的設計和計算 3.1轉向系計算載荷的確定 為了保證行駛安全，組成轉向系的各零件應有足夠的強度。欲驗算轉向系零件的強度，需首先確定作用在各零件上的力。影響這些力的主要因素有轉向軸的負荷、路面阻力和輪胎氣壓等。為轉動轉向輪要克服的阻力，包括轉向輪繞主銷轉動的阻力、車輪穩(wěn)定阻力、輪胎變形阻力和轉向系中的內摩擦阻力等。 表3.1一汽佳寶汽車的基本參數 名稱 軸距L 前輪距L1 后輪距L2 最小轉彎半徑R 數值 2750mm 1400mm 1420mm 5000mm 名稱 整車質量 輪胎氣壓 方向盤直徑 數值

44、 1112.5kg 200KPa 400mm 3.1.1計算汽車的原地轉向阻力矩 (3.1) 式中: f—輪胎和路面間的滑動摩擦因數，一般取f=0.7； G1—轉向軸負荷，G1=10902.5N,單位為N； P—輪胎氣壓，P=0.2MPa,單位為MPa。 3.1.2轉向器角傳動比的計算 轉向系的傳動比由轉向系的角傳動比iω和轉向系的力傳動比ip組成． ， 圖4.4軸的彎矩扭矩圖 圖4.5 齒輪軸的力矩圖 4.3齒輪軸的強度校核 查得40Cr的機械性能： σB=750MPa στ=550MPa

45、 σ-1=350MPa τ-1=200MPa [τ]=40～50MPa 由《機械設計（第四版）》查得： σ0=1.6σ-1=560MPa σsb=1.4σs=770MPa τs=0.70σB=525MPa 對稱循環(huán)疲勞極限： σ-1b=0.41σB307.5MPa τ-1=0.30σB=225MPa 脈動循環(huán)疲勞極限： σ0b=1.7σ-1b=522.75MPa τ0=1.4τ-1=280MPa 等效系數： (4.6) (4.7) 彎曲應力幅：

46、 (4.8) 平均應力幅： σm=0 扭轉切應力： (4.9) 扭轉切應力和平均應力幅： τa=τm==24.3MPa (4.10) 查得： 應力集中系數：Kσ=1.95，Kx=1.48； 表面狀態(tài)系數：β=1.5； 尺寸系數：εx=0.98，εσ=0.91； 安全系數：設為無限壽命，KN=1 (4.11) (4.12) 查得許

47、用安全系數[S]=1.3，顯然S≥[S] 故軸的安全系數校核符合安全標準 4.4本章小結 本章主要是齒輪軸的設計計算，通過受力分析繪制出齒輪軸的彎矩圖、扭矩圖，并進行軸的強度校核，最終校核結果符合要求。 第5章 轉向器間隙調整彈簧的設計計算 設計要求：設計一圓柱形壓縮螺旋彈簧，載荷平穩(wěn)，要求Fmax=205N時， λmax＜10mm，彈簧總的工作次數小于104，彈簧中要能寬松地穿過一根直徑為φ17.85mm的軸，彈簧兩端固定，外徑D≤30mm，自由高度H0≤45mm。 5.1選擇材料 由彈簧工作條件可知，對材料

48、無特殊要求，選用C組碳素彈簧鋼絲。因彈簧的工作次數小于104，載荷性質屬II類，[τ]=0.45σB。 5.2計算彈簧絲直徑d 1)選擇旋繞比C 取C=4(查《機械設計手冊》得) 2)估算D2’ 按D≤30mm、D1＞16mm， 取D2’=24mm 3)計算彈簧絲直徑d’ (5.1) 4)計算曲度系數K (5.2) 5)計算彈簧絲的許用應力[τ] [τ]=0.45σB=0.451700=765MPa

49、 (5.3) 6)計算彈簧絲直徑d (5.4) 取d=6mm 5.3計算彈簧圈數和彈簧的自由高度 1)工作圈數n (5.5) 2)總圈數n1 各端絲圈取1 故n1=n+2=6.5 3)節(jié)距t T=πD2tanα (5.6) 則t=π20tan6=7.92mm，取α=6 4)自由高度H0 H0≈nt+1.5d=4.437.92+1.55=43.59mm

50、 (5.7) 5.4穩(wěn)定性驗算 高徑比b： (5.8) 故滿足穩(wěn)定性要求。 5.5檢查δ及δ1 鄰圈間隙δ： δ=t-d=7.92-5=2.92mm (5.9) 彈簧單圈的最大變形量： (5.10) 故在最大載荷作用下仍留有間隙δ1： δ1=2.92-1.81=1.11＞0.1d (5.11) 5.6幾何參數和結構尺寸的確定 彈簧外徑D： D=D2+d=

51、24+5=29mm (5.12) 彈簧內徑D1： D1= D2-d=24-5=19mm (5.13) 5.7彈簧工作圖 τs=1.25[τ]=1.25765=956.25MPa (5.14) 彈簧的極限載荷Flim： (5.15) 彈簧的安裝載荷Fmin： Fmin=0.9Fmax=0.91411=1269.9N (5.16) 彈簧剛度Cs：

52、 (5.17) 安裝變形量λmin： (5.18) 安裝高度H1： H1= H0-λmin=42.59-7.20=35.39mm (5.19) 工作高度H2： H2= H0-λmax=42.59-8=34.59mm (5.20) 極限高度H3： H3= H0-λlim=42.59-9.47=33.12mm (5.21) 5.8本章小結 本章對間隙調整彈簧進行了具體的設計，首先對彈簧材料進行選擇，然后算出

53、彈簧絲直徑，彈簧圈數和彈簧的自由高度，并進行穩(wěn)定性的驗算。結果顯示，設計后的彈簧達到國家規(guī)定的標準要求。 第6章 軸承、潤滑方式和密封類型的選擇 6.1軸承的選擇 查《機械工程及自動化簡明設計手冊》 ： 軸承選擇滾針軸承NA4901和深溝球軸承6203兩個型號： 軸承NA4901，滾針軸承，內徑d=12mm，外徑D=26mm，寬B=13mm，基本額定動載荷Cr=9.6kN，基本額定靜負荷Cor=10.8kN，極限轉速19000r/min。 軸承6202，深溝球軸承，內徑d=17mm，外徑D=35mm，寬

54、B=11mm，基本額定動載荷Cr=9.58kN，基本額定靜負荷Cor=4.78kN，極限轉速20000r/min。 6.2潤滑方式的確定 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。 密封類型的選擇 密封件：旋轉軸唇形密封圈FB 16 30 GB 13871—1992. 滾動軸承的潤滑： 滾動軸承可以用潤滑脂或潤滑油來潤滑。試驗說明，在速度較低時，用潤滑脂比用潤滑油溫升低；速度較高時，用潤滑油較好。一般情況下，判斷的指標是速度因數dn。d為軸承內徑(mm)，n為轉速(r/min)。各種

55、滾動軸承適用脂潤滑或油潤滑，油潤滑適用什么樣的潤滑方式的dn值，可以查《機床設計手冊》。 (1)脂潤滑[12] 脂潤滑可用于dn值較低，又不需要冷卻的場合。脂潤滑的結構比較簡單，不存在漏油問題。使用潤滑脂進行潤滑，潤滑脂的充填量不宜過多，不能把軸承填滿。否則將引起軸承發(fā)熱并把脂熔化流出，潤滑效果將適得其反。另外填充油脂時不要用手抹（因手上有汗，會腐蝕軸承），應該用針筒注入，使?jié)L道和每個滾動體都粘上脂。 (2)油潤滑[13] 油潤滑適用一切轉速，既可以起潤滑作用，又能起沖洗降溫作用。潤滑油的粘度，是隨油溫的升高而降低的。為了保證滾動體與滾動道接觸面內有足夠強度的油

56、膜，應使?jié)櫥驮谳S承工作溫度下的粘度為12-23cst。轉速越高，粘度應越低；負荷越重，粘度應越高。如果軸系結構中使用普通軸承，而且軸系運行速度不是很高，潤滑一般采用油浴方式；對于精度較高的設備，要求使用精密軸承，建議使用滴油或循環(huán)方式供油潤滑，因為采用這兩種潤滑方式，可以對潤滑油進行更好的過濾，減少贓物進入軸承，同時這兩種潤滑方式可以使?jié)櫥统浞稚?，可以更好使軸承降溫。 6.3密封結構的確定 系統(tǒng)中的密封結構，對于油潤滑的軸承結構來說，為的是防止?jié)櫥屯饴┖突覊m屑末切削液等進入；對于脂潤滑的軸承結構來說，由于脂不會外泄，主要是防止上述外物。脂潤滑的結構對防止外物進入的要求高些。因此對于

57、密封結構的設計主要是考慮防漏和外物的侵入。 潤滑油的防漏主要靠疏導，同時也要設計合理的結構。由于角接觸軸承有泵油作用，而軸承一般是背靠背安裝，所以主軸箱和端蓋之間要有回油通道，以便潤滑和防漏。甩油環(huán)密封結構，在工作時就能起到防漏和疏導作用。潤滑油經軸承后，向右經螺母外流。螺母的外圓有鋸齒形環(huán)槽。主軸旋轉時將油泵向壓蓋內的空腔，然后經回油孔流回主軸箱。鋸齒的方向應逆著油流的方向。環(huán)形槽應有2-3條?；赜涂字睆綉M量大一些。 6.4本章小結 本章對軸承、潤滑方式和密封類型的進行了選擇，通過查《機械工程及自動化簡明設計手冊》，選擇適應的滾針軸承和深溝球軸承

58、，對轉向器的潤滑方式、密封類型以及密封結構也進行了確定。 結 論 本次設計主要是對汽車齒輪齒條式轉向器進行設計與計算。通過汽車轉向器技術的發(fā)展趨勢、汽車轉向的基本要求及其關鍵技術使我們更加的了解齒輪齒條式轉向器。并且在設計過程中通過與循環(huán)球式轉向器的比較，讓我們知道了更多齒輪齒條式轉向器的優(yōu)點。設計中對齒輪齒條式轉向器各部分進行計算并校核，最終確定符合標準。在設計過程中主要完成以下工作： （1）了解轉向系統(tǒng)的概念、功用及其結構。并了解目前汽車轉向技術的發(fā)展趨勢，比較不同形式的轉向器，通過各自的優(yōu)缺點，完成對其方案的選擇和做

59、出適當的改進，從而完成對轉向器設計方案的最終確定。 （2）確定選用一汽佳寶汽車的轉向器為基本型進行改裝。選定其基本參數，計算出相關數據并進行相應的校核。結果顯示，設計后的齒輪齒條式轉向器達到國家規(guī)定的標準要求。 至此，對汽車齒輪齒條式轉向器的設計基本完成。設計中因受到自身經驗的欠缺，使得轉向器部分結構工藝性可能較差，并且因只是理論上的設計，是否能真正符合要求還需要經過實際的應用檢驗。 最后，雖然設計完成，但仍希望能隨今后知識進一步的積累對其進行改進，使其更加完善。 參考文獻 [1] 劉惟信.汽車設計[M].北京：清華大學出版

60、社，2001. [2] 王望予.汽車設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006. [3] 陳家瑞.汽車構造[M].機械工業(yè)出版社.2005. [4] 中國機械工程學會,中國機械設計大典編委會.中國機械設計大典[M].江西科學技術出版社.2002. [5] 董麗霞,張平.簡明汽車技術詞典[M].人民交通出版社.2003. [6] 張金柱,韓玉敏,石美玉.汽車工程專業(yè)英語[M].化學工業(yè)出版社.2005. [7] 李建成.汽車轉向原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003. [8] 杜浩.汽車設計與研究[M].鄭州：國防工業(yè)出版社，2006. [9] 王三民,諸文俊.機械原理與設

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62、n automotive clutch,SAE2000-01-0834. [15] Christopher C.Bostwick and Andrew Szadkowski.Self-Excited Vibrations During Engagements of Dry Friction Clutches,SAE982846. 致 謝 畢業(yè)設計的順利完成除了自己付出的汗水外，還有指導老師的辛勤教誨。在這里我要特別感謝指導老師，謝謝他們在百忙之中對我的指正和教導，也因此使我在設計后的學習與人生的道路上向著更高更深層次地方向前進！ 指導老師知識淵

63、博、平易近人，經常利用休息時間為我指導。我在畫圖方面基礎很差,王悅新老師仔細審閱我的CAD圖紙，指出一系列的問題，使我的圖紙得到完善，再次向王悅新老師表示衷心的感謝。 實驗室免費開放，為我的畢業(yè)設計提供實物和模型。在此，向實驗室老師表示感謝。 附 錄 General electric steering development at home and abroad Since the 1980s abroad in bus vigorously develop electric steeri

64、ng (EPS), has made considerable achievements in light, small cars, van widely used car, and every year with 300 million speed. With the plough in 2000 changhe automobile electric steering gear, van car installation in Chinas automobile redirector uncovers a new page in history. Due to its advantages

65、 of the steering clearly, is well received by customers welcome. First assembly of 200 electric steering trial car were soon snapped up. This years are increased production of installed electric steering car this year will reach SanWanLiuQianTai. Because the first domestic cars in the plough install

66、ed electric steering, drive the domestic electric steering develop these. To now had 10 colleges and 10 state-owned and private enterprises developing project or alone is expected to every year this product in China with 10 to 20 million speed development. Because of various aspects of electric to the study of investment, this product has come close to success, there have been some goods start loading test. In the auto electric steering product development embodies the charact