齒輪齒條式轉向器課程設計

齒輪齒條式轉向器課程設計,齒輪,齒條,轉向器,課程設計 學號 成績 機械設計課程設計說明書 設計名稱：機械設計課程設計 設計時間 2013年09-12月 系 別 機電工程系 專 業(yè) 車輛工程 班 級 姓 名 指導教師 2013年 12 月 8 日 23 目錄 一、設計任務書 1 二、設計方案的擬訂 2 三、各種形式轉向器現(xiàn)狀比較 4 四．轉向梯形設計與計算 8 五．車輛轉向力液壓回路分析 11 六、總體布局 16 七、參考資料 17 八、設計總結 18 九． 附圖 19 一、設計任務書 設計題目：轎車液壓助力齒輪齒條轉向器設計 1． 課程設計目的： 1） 培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的設計思想，鞏固和加強所學的相關專業(yè)課程的知識； 2） 熟悉和掌握車輛機構設計過程和方法，提高綜合運用所學的知識進行車輛設計能力； 3） 熟悉車輛液壓系統(tǒng)的設計思路和系統(tǒng)實現(xiàn)過程，掌握車輛液壓系統(tǒng)圖紙的表達方法； 4） 熟練掌握和運用設計資料（指導書、圖冊、標準和規(guī)范等）以及經驗數(shù)據(jù)進行設計的能力，培養(yǎng)學生3D建模能力、設計計算和編寫技術文件等的基本技能。 2． 課程設計時間：2013年9月23日~2013年12月20日 3． 整車性能參數(shù)：（以下參數(shù)也可采用現(xiàn)場實物測繪結果） 表一：基本參數(shù) 名稱 軸距L 前輪距L1 后輪距L2 最小轉彎半徑R 數(shù)值 2500mm 1350mm 1360mm 4600mm 名稱 車長 車寬 車高 車質量 數(shù)值 3930mm 1585mm 1857mm 1123kg 4. 設計要求：1、建模僅設計轉向器部分 2、根據(jù)參數(shù)計算，繪制轉向（左或右）極限位置機構運動圖帶轉向梯形（A4） 3、根據(jù)實物分析繪制車輛液壓轉向助力液壓系統(tǒng)回路圖（A4）; 4、轉向器具體結構可參考汽車實驗室相關制動器結構，也可由學生自行設計。 5. 提交的文件資料： 1） 車輛轉向器裝配圖1張（A1或A0）、； 2） 車輛轉向機構極位圖1張（A4）； 3） 車輛轉向助力液壓系統(tǒng)回路圖1張（A4）； 4） 課程設計說明書1份（8000字以上）（A4）。 二、設計方案的擬訂 適用車輛相關數(shù)據(jù)見表一。 轉向器的功用是將轉向盤的回轉運動轉換為轉向轉動機構的往復運動。轉向器是轉向系的減速傳動裝置，一般由1-2級減速傳動副。目前應用比較廣泛的轉向器有齒輪齒條式轉向器、循環(huán)球式轉向器、蝸桿滾輪式轉向器、蝸桿曲柄指銷式轉向器。 1. 齒輪齒條轉向器的優(yōu)缺點 齒輪齒條轉向器是由轉向軸做成一體的轉向齒輪和常與轉向的齒條組成。 1) 優(yōu)點：結構簡單、緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成，轉向器質量比較小，傳動效率高達90%；齒輪與齒條之間因磨損而出現(xiàn)間隙后，利用裝在齒條背部的、靠近主動小齒輪的處的壓緊彈簧能自動消除間隙，不僅可以提高轉向系統(tǒng)的剛度，還可以防止工作時產生沖擊和噪聲；轉向器占用體積小，沒有轉向搖臂和直拉桿，所以轉向轉角可以增大，制造成本低。 2) 缺點：齒輪齒條轉向器因逆效率高（60%~70%），汽車在不平路面上行駛時，發(fā)生在轉向輪與路面之間沖擊力的大部分能傳至方向盤，稱之反沖現(xiàn)象。反沖會使駕駛員精神緊張，并難以準確控制汽車的行駛方向，轉向盤突然轉動又會造成打手，同時對駕駛員造成傷害。 2. 齒輪齒條轉向器的輸入形式及特點 1) 側面輸入，中間輸出：與齒條固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，有利于減少車輪的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連在一起，因此，兩拉桿與齒條同時向左或向右移動，為此在轉向器殼體上開有軸向的長槽，從而降低了他的強度。 2) 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)導向機構產生運動干涉。 3) 側面輸入，一端輸出的齒輪齒條轉向器，常用在平頭車上。齒輪齒條轉向器采用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合，增加運轉平穩(wěn)性，降低沖擊和噪聲。齒條斷面有圓形、V形和Y形三種。圓形斷面制造簡單；V形和Y形節(jié)約材料，質量小而且位于齒條下面的兩斜面與齒條托坐接觸，可以用來防止齒條繞軸線轉動。 圖1 圖2：V形 圖3:Y形 圖4：圓形 三、各種形式轉向器現(xiàn)狀比較 （1） 轉向器的功用和類型 轉向器的功用是將駕駛員施加在轉向盤上的力矩放大，并改變力的傳遞方向，然后傳給轉向傳動機構。按傳動副的機構形式分類，目前在汽車廣泛采用的有齒輪齒條式、循環(huán)球—齒條齒扇式、循環(huán)球—曲柄指銷式和蝸桿曲柄指銷式等幾種結構。 由于轉向器是一個大傳動比機構，其傳動效率一般較低。轉向器的輸出功率與輸入功率之比稱為轉向器的傳動效率。在功率由轉向軸輸入、由轉向搖臂軸輸出的情況下求得的傳動效率稱為正效率，而在傳動方向與此方向相反時求得的傳動效率稱為逆效率。為了減輕駕駛員操縱轉向盤的體力消耗，應盡量提高轉向器的傳動效率，特別是其正效率是很重要的。逆效率很高的轉向器稱為可逆式轉向器；逆效率很低的轉向器稱為不可逆式轉向器；逆效率略高于不可逆式轉向器的稱為極限可逆式轉向器，其反向傳力性能介于可逆式與不可逆式之間，而接近于不可逆式。 可逆式轉向器很容易將經轉向傳動機構傳來的路面反力傳到轉向盤上，有利于汽車轉向結束后轉向輪和轉向盤自動回正，但也能將壞路面對車輪的沖擊力傳到轉向盤，發(fā)生“打手”現(xiàn)象。經常在良好路面行駛的汽車，多采用可逆式轉向器。不可逆式轉向器使轉向輪受到的沖擊力不會傳到轉向盤上，但也使轉向輪和轉向盤無自動回正作用，而且還使駕駛員無法由轉向盤感受到地面對轉向輪的作用力的信息，即所謂喪失“路感”。因此，目前汽車上一般不采用此種轉向器。極限可逆式轉向器使駕駛員有一定的路感，轉向輪和轉向盤也具有一定的回正力矩，而且只有在路面沖擊力很大時才能部分地傳給轉向盤。此種轉向器多用于中型以上越野汽車和自卸汽車。 在整個轉向系統(tǒng)中各個傳動件之間都必然存在著裝配間隙，而且這些間隙將隨著零件的磨損而增大，反映到轉向盤上會產生轉向盤自由行程，轉向盤自由行程對于緩和路面沖擊及避免駕駛員過度緊張是有利的，但不宜過大，否則將使轉向靈敏性降低。一般來說，轉向盤從相應于汽車直線行駛的中間位置向任一反向的自由行程一般不超過10°到15°；當零件磨損嚴重到使轉向盤自由行程超過25°到30°時，則必須通過調整轉向器傳動副的嚙合間隙和軸承間隙來進行調整。 （2） 轉向器結構 1) 齒輪齒條是轉向器 圖5所示為桑塔納轎車的齒輪齒條式轉向器。傳動副主動件的轉向齒輪3與轉向齒條2嚙合。壓緊彈簧通過壓塊7將轉向齒條壓靠在轉向齒輪上，保證無間隙嚙合。彈簧的預緊力可用調整螺釘4調整。當轉向盤轉動時，轉向齒輪轉動，使與之嚙合的轉向齒條沿軸向移動。從而使左右橫拉桿帶動轉向節(jié)左右轉動，使轉向輪偏轉。 齒輪齒條式轉向器由于具有結構簡單，制造簡單，質量輕，剛度大，轉向靈敏，成本低，正、逆效率都高，而且特別適于與燭式和麥弗遜式懸架配用，便于布置等優(yōu)點，所以得到了廣泛應用，如一汽的紅旗CA7220型轎車、奧迪汽車、捷達汽車、上海桑塔納轎車、帕薩特轎車、大眾波羅轎車、廣州本田轎車、天津夏利轎車以及天津TJ1010型微型貨車和南京依維柯輕型貨車等，都采用齒輪齒條式轉向器。 齒輪齒條傳動的基本原理如圖6所示。 圖5 圖6 2) 循環(huán)球—齒條齒扇式轉向器 循環(huán)球式轉向器中一般有兩級傳動副，第一級是螺桿螺母傳動副，第二級是齒條齒山傳動副。如圖7所示，轉向螺母既是第一級傳動副的從動件，又是第二級傳動副的主動件。為了減少轉向螺桿3與螺母之間的摩擦與磨損，二者螺紋不直接接觸，而是作為滾珠5的內外滾道，其間裝有許多的滾珠，以實現(xiàn)滾動摩擦。轉向螺母上裝有兩個滾珠導管7，每個滾珠導管的兩端分別插入轉向螺母側面的孔中。滾珠導管也裝滿滾珠，形成兩個各自獨立的封閉通道。當轉向盤轉動時，轉動軸帶動轉向螺桿旋轉，通過滾珠將力傳給螺母，使得轉向螺母沿軸向移動，從而通過轉向螺母外部的齒條帶動了扇形齒輪軸20轉動，進而帶動轉向搖臂軸轉動，實現(xiàn)轉向輪的偏轉。其組成及工作原理如圖12—16所示。 循環(huán)球—齒條齒扇式轉向器的正傳動效率很高（90%到95%），故操操縱輕便，使用壽命長，工作平穩(wěn)，可靠。但其逆效率也很高，可將地面對轉向輪的沖擊力傳給轉向盤。經常在良好路面行駛的汽車，上述缺點對其影響不大。循環(huán)球式轉向器應用于各類各級汽車，如解放CA1040系列輕型載貨汽車、北京BJ1041型、北京2023型、解放CA1091型和黃河JN1181C13型等汽車都采用這種轉向器。 圖7 3) 蝸桿曲柄指銷式轉向器 蝸桿曲柄指銷式轉向器將具有梯形截面螺紋的轉向蝸桿支承在轉向器殼體兩端的球軸承上，轉向蝸桿與錐形指銷相嚙合，錐形指銷用雙列圓錐滾子軸承支于搖臂軸內端的曲柄孔中。當轉向蝸桿隨轉向盤轉動時，指銷沿蝸桿螺旋槽上下移動，并帶動曲柄及搖臂軸轉動。其工作原理如圖8所示。 目前汽車使用的蝸桿曲柄指銷式轉向器多數(shù)是雙指銷式，其結構如圖8所示。轉向蝸桿3支承于轉向器殼體兩端的兩個角接觸推力球軸承2和9上。轉向器蓋6上裝有調整螺塞7，用于調整上述兩軸承的松緊度，調整后用螺母鎖緊。蝸桿與兩個錐形指銷11相嚙合。兩個指銷均用雙列圓錐滾子軸承12支承于搖臂軸20內端的曲柄上，其中靠指銷頭部的一列無內座圈滾子直接與指銷軸頸接觸。這樣，所受剪切載荷最大的這段軸頸的直徑可做得大一些，以保證指銷有足夠的強度。指銷裝在滾動軸承上可以減輕蝸桿和指銷的磨損，并提高傳動效率。螺母13用以調整軸承12的松緊度，以使指銷能自由轉動，且無明顯的軸向間隙為宜。搖臂軸用粉末冶金襯套17和18支承在殼體中。指銷同蝸桿的嚙合間隙用側蓋14上的調整螺釘15調整，調整后用螺母16鎖緊。 雙指銷式轉向器在中間及其附近位置時，其兩指銷均與蝸桿嚙合，故每個指銷所承載荷較單指銷式轉向器的指銷載荷為小，因而其工作壽命較長。當搖臂軸轉角相當大時，一個指銷與蝸桿脫離嚙合，另一指銷仍保持嚙合。因此，雙指銷式的搖臂軸轉角范圍較單指銷式為大。但雙指銷式結構較復雜，對蝸桿的加工精度要求也較高。 圖8 四．轉向梯形設計與計算 （一)設計轉向梯形時應滿足要求 1、內、外車輪轉角θi、θo關系正確，保證全部車輪繞一個瞬時轉向中心行駛，各車輪盡可能作無滑動的純滾動運動。 2、轉向輪有足夠大的轉角，保證給定的D min。 3、在汽車上有足夠的高度，高于前部h min。 (二)轉向梯形結構方案分析 轉向梯形有整體式與斷開式。 （1）整體式轉向梯形 整體式轉向梯形是由轉向橫拉桿1、轉向梯形臂2和汽車前軸3組成，如圖9所示。其中梯形臂呈收縮狀向后延伸。這種方案的優(yōu)點是結構簡單，調整前束容易，制造成本低；主要缺點是一側轉向輪上、下跳動時，會影響另一側轉向輪。 圖9 圖10 （2） 斷開式轉向梯形 轉向梯形的橫拉桿做成斷開的，稱為斷開式轉向梯形。斷開式轉向梯形方案之一如圖10所示。斷開式轉向梯形的主要優(yōu)點是它與前輪采用的獨立懸架相配合，能夠保證一側車輪上、下跳動時，不會影響到另一側車輪。與整體式轉向梯形比較，由于其桿系、球頭多，所以結構復雜；制造成本高；并且調整前束比較困難。 （3） 轉向梯形計算 汽車轉向行駛時，受到彈性車輪側偏角的影響，所有車輪不是繞位于后軸延長線上的點滾動，而是繞位于前軸和后軸之間的汽車內側某一點滾動。此點位置與前輪和后輪的側偏角大小有關。由于影響輪胎側偏角的因素很多，而且難以精確確定，故下面是忽略側偏角影響條件下，分析有關兩軸汽車的轉向問題。此時，兩轉向前輪軸線的延長線交于后軸延長線上，如圖11所示。設θi、θo為內、外車輪轉角，L為汽車軸距，K為兩主銷中心線延長線到地面交點之間的距離。若要保證全部車輪繞一個瞬時轉向中心行駛，則梯形機構應保證內外轉向車輪的轉角關系為 若θo為自變量，則因變角θi的期望值為 圖11 圖12 五．車輛轉向力液壓回路分析 動力轉向系統(tǒng)是將發(fā)動機輸出的部分機械能轉化為壓力能（或電能），并在駕駛員控制下，對轉向傳動機構或轉向器中某一傳動件施加輔助作用力，使轉向輪偏擺，以實現(xiàn)汽車轉向的一系列裝置。采用動力轉向系統(tǒng)可以減輕駕駛員的轉向操縱力。 　　動力轉向系統(tǒng)由機械轉向器和轉向加力裝置組成。 　　根據(jù)助力能源形式的不同可以分為液壓助力、氣壓助力和電動機助力三種類型。其中液壓助力轉向系統(tǒng)應用較為普遍。 　　1．液壓助力轉向系統(tǒng) 　　1）常壓式液壓助力轉向系統(tǒng) 　　其特點是無論轉向盤處于中立位置還是轉向位置，也無論轉向盤保持靜止還是運動狀態(tài)，系統(tǒng)工作管路中總是保持高壓。如圖15所示。 圖13 2）常流式液壓助力轉向系統(tǒng) 　　其特點是轉向油泵始終處于工作狀態(tài)，但液壓助力系統(tǒng)不工作時，基本處于空轉狀態(tài)。多數(shù)汽車都采用常流式液壓助力轉向系統(tǒng)。如圖16所示。 　 圖16 2．液壓助力轉向系統(tǒng)的轉向控制閥 　　1）滑閥式轉向控制閥 　　閥體沿軸向移動來控制油液流量的轉向控制閥，稱為滑閥式轉向控制閥，簡稱滑閥。其結構及工作原理如圖17所示。 圖17 2）轉閥式轉向控制閥 　　閥體繞其軸線轉動來控制油液流量的轉向控制閥，稱為轉閥式轉向控制閥，簡稱轉閥。 圖18 如圖18所示，轉閥具有四個互相連通的進油道A,通道B、C分別與動力缸的左、右腔連通，中空的閥體1與儲油罐相連。當閥體順時針轉過一個很小的角度時，通道C與進油道A相通，而與回油道D隔斷，來自油泵的壓力經通道A流入通道C，繼而進入動力缸的一個腔內；同時，通道B與進油道A相隔斷而與回油道D相通，動力缸另一腔的低壓油在活塞的推動下經通道B、回油道D和中空的閥體流回儲油罐。 圖20所示為裝備5氣門的發(fā)動機捷達轎車的液壓助力轉向系統(tǒng)示意圖，圖中將轉閥的剖面圖放大畫出，并表示出油路的連接關系。齒輪齒條式機械轉向器、轉向動力缸和轉閥式控制閥設計成一體，構成整體式動力轉向器。轉向動力缸活塞2與轉向齒條4制成一體?；钊麑⑥D向動力缸（即轉向器殼體）1分成左右兩腔體。 轉閥的構造如圖19所示。扭桿6的前端用銷2與轉向齒輪1連接，后端用銷7與閥芯5連接，而閥芯又與轉向軸的末端固定在一起，因而轉向軸可通過扭桿帶動轉向齒輪轉動。 轉向控制閥處于中立位置時，如圖20a所示，由轉向油罐7、轉向油泵6、流量控制閥5組成的供能裝置輸出的油液流入轉閥進油口P進入閥腔。由于轉閥處于中立位置，它使動力缸的兩腔相通，則油液經回油管路8流回轉向油罐7，轉向動力缸完全不起作用。 剛一開始轉動轉向盤時，轉向軸連同閥芯被順時針轉動，如圖23-27b所示，因為受到轉向節(jié)臂傳來的路面轉向阻力，動力缸活塞和轉向齒條暫時都不能運動，所以轉向齒輪暫時也不能隨轉向軸轉動。這樣，由轉向軸傳來的轉矩只能使扭桿產生少許的扭轉變形，使轉向軸帶動閥芯得以相對轉向齒輪轉過不大的角度，從而轉閥開始工作并使動力缸左腔成為高壓的進油腔，右腔則成為低壓的回油腔。作用在動力缸活塞上的向右的液壓作用力幫助轉向齒輪使轉向齒條開始右移，轉向輪開始向右偏轉，同時，轉向齒輪也得以與轉向軸同向轉動，以實現(xiàn)轉向。只要轉向盤繼續(xù)轉動，扭桿就一直保持有扭轉變形，轉向控制閥也一直處于向右轉向的位置。一旦轉向盤停止轉動，動力缸暫時還得工作，導致轉向齒輪繼續(xù)轉動，使得扭桿的扭轉變形減小，直到扭桿恢復自由狀態(tài)，控制閥回復到中立位置，動力缸停止工作為止。此時，轉向盤停在某一位置不動，則車輪轉角也就保持一定。若轉向盤繼續(xù)轉動，則轉向動力缸又繼續(xù)工作。這種轉向動力缸隨著轉向盤的轉動而工作，又隨著轉向盤停止轉動而停止加力的作用，稱為動力轉向器的隨動作用。 當轉向盤逆時針轉動時，扭桿、轉閥閥芯的轉動方向以及動力缸活塞移動方向均與順時針轉動時相反，結果轉向輪向左偏移。 圖19 圖20 六、總體布局 常流式液壓助力轉向系統(tǒng)的結構布置方案，按機械轉向器、轉向控制閥和轉向動力缸三者的組合及相對位置不同，有以下三種布置方案。如圖21所示。 機械轉向器和轉向動力缸設計成一體，并與轉向控制閥組裝在一起，這種三合一的部件稱為整體式動力轉向器。另一種方案是只將轉向控制閥同機械轉向器組合成一個部件，該部件稱為半整體式動力轉向器，轉向動力缸則做成獨立部件。第三種方案是將機械轉向器作為獨立部件，而將轉向控制閥和轉向動力缸組合成一個部件，稱為轉向加力器。此次設計根據(jù)實物采取第一種方案。 圖21 整體式動力轉向器的布置方案因其結構緊湊、管路短而得到廣泛的應用。目前，國產轎車高級配置的車型上基本上都采用了液壓助力轉向系統(tǒng)，而且大多數(shù)都采用了轉閥式整體動力轉向器，如一汽生產的紅旗CA7220型、一汽大眾生產的奧迪、捷達以及神龍汽車有限公司生產的富康等轎車。 七、參考資料 [1] 陳錦昌，劉林．機械制圖．北京：高等教育出版社，2010 [2] 陳錦昌，丁川．機械制圖習題集．北京：高等出版社，2010 [3] 甘永立．幾何量公差與檢測．上海：科學技術出版社，2008 [4] 陳家瑞．汽車構造．北京：人民交通出版社，2012 [5] 崔寧，劉向陽．工程圖學課程設計．長春：吉林大學出版社，2011 [6] 唐文初，鄧寶清．汽車構造．廣州：華南理工大學出版社，2010 [7] 于駿一，鄒青．機械制造技術基礎．北京：機械工業(yè)出版社，2010 [8] 譚慶昌，趙洪志．機械設計．北京：高等教育出版社，2010 [9] 王望予．汽車設計．北京：機械工業(yè)出版社，2011 \\ 八、設計總結 在這次看從開學第三周開始到將近學期末的機械設計課程設計中，我們將在之前在課堂上所學到理論知識點，比如機械制圖等知識較為全面地﹑綜合型地運用到實踐中去，并且對過去所學過的機械制圖知識作了相應的復習以及鞏固，對尺寸標注，幾何公差，視圖擺放，表面粗糙度，標題欄要求等基礎知識做了較為深入的了解并且應用到這次課程設計中去。在整個過程中，我那些學過而忘了的知識點通過查相應的書籍和請教老師又重新掌握了，并加深了印象。與此同時我的綜合能力得到了較大的提高，特別是在使用catia方面，并鞏固了自己在三維建模方面的知識，提高了自己利用catia建模的能力，而且在設計過程中，我們同學與同學之間之間進行了交流，在這個交流過程中，認識到了對于同一問題，我們可以有多種不同的解決方法，比如建模的方法。 回首此次課程設計，我們會因為畫錯了不得不重新畫一遍而郁悶，我們會因為畫的較好而感到高興。雖然在這個過程我的基礎知識不牢固，但總的來說，我在各方面都得到了比較綜合全面的鍛煉，使得我在專業(yè)課方面那些掌握的不是挺好的知識點得到了加深，并且深刻的體會到作為一名機械設計者所要具備的那種耐心與毅力，同時也感受到了設計過程中的快樂和完成設計時的滿足感和成就感，通過這次課程設計，我們能將在課堂上所學知識加以應用到實際生活中，為未來的自身發(fā)展打下基礎。在此，我要感謝給過我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W。 9． 附圖 附圖1 運動分析圖 附圖2 車輛轉向助力液壓回路圖 附圖3 二維裝配圖 附圖4 裝配正視圖 附圖5 裝配后視圖 附圖6 裝配左視圖 附圖7 球頭組件 附圖8 閥組件 附圖9 殼體正視圖 附圖10 殼體后視圖 附圖11 殼體左視圖