毕业设计（论文）汽车转向系统设计.pdf

摘要汽车转向系统是汽车的重要组成部分之一，转向系统性能的好坏直接影响到汽车行 驶的安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性，它对于确保车辆的行驶安全、减少交通事故以 及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。本文首先分析了汽车总体构架参数对汽车转向性能的影响，在分析各种机械转向器 性能优劣的基础上选择液压助力齿轮齿条转向器进行了设计。主要包括齿轮和齿条的合 理匹配及设计计算以满足转向器的正确传动比和强度要求，在综合考虑各种影响因素和 设计要求的基础上，研究了利用转向盘的旋转带动转向轴转向，通过万向节和传动轴带 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 向运动，并对动力转向机构设计和梯形结构设计。同时，采用液压助力转向系统，增加 助力的同时实现了汽车转向的稳定性和灵敏性的有效统一。并且，在上述基础之上，基于UG进行了计算机辅助设计，建立了汽车转向系统的 三维模型，并进行了动力学及运动学仿真，并完成了相关动画的制作。本文中主要方法和理论来自汽车设计的经验参数和大学所学机械设计的课程内容，结果满足强度要求，安全可靠。关键词：汽车转向系统；机械型转向器；齿轮齿条；液压式助力转向器ABSTRACTSt eerin g syst em is a mo st impo rt a n t pa rt o f t h e c h a ssis in a n a ut o mo bile.Th e qua lit y o f t h e st eerin g syst em direc t ma ke a grea t dif f eren c e o n t h e a ut o mo biles sa f e mo v in g,st ea dy c o n t ro llin g,a n d c o mf o rt a ble driv in g.Th e t it le o f t h is t o pic is t h e design o f st eerin g syst em,w h ic h ma in ly f o c uses o n ra c k a n d pin io n st eerin g gea r.It c o n sist s o f six pa rt s.First,v eh ic le pa ra met ers o n t h e o v era ll f ra mew o rk o f t h e impa c t o f v eh ic le st eerin g;sec o n d,t h e c h o ic e o f mec h a n ic a l st eerin g;t h ird ra c k gea r a n d a rea so n a ble ma t c h t o meet t h e c o rrec t st eerin g gea r ra t io a n d st ren gt h requiremen t s;f o urt h,po w er st eerin g mec h a n ism design;f if t h,t h e st ruc t ura l design o f t ra pezo ida l;six t h,UG a ided design.Th eref o re,t a kin g in t o a c c o un t t h e a bo v e issues a n d f a c t o rs t h a t require st udyin g,ba sed o n t h e st eerin g w h eel ro t a ry driv e t ra n smissio n sh a f t o f t h e st eerin g ra c k a n d pin io n st eerin g,t h ro ugh t h e un iv ersa l jo in t driv e sh a f t ro t a t io n gea r sh if t,st eerin g ra c k a n d st eerin g gea r sh a f t mesh in g,t h ereby en c o ura gin g st eerin g ra c k lin ea r mo t io n t o a c h iev e st eerin g.Simple st ruc t ure t o a c h iev e t h e st eerin g t igh t,sh o rt a x ia l dimen sio n,a n d t h e n umber o f pa rt s c a n in c rea se t h e a dv a n t a ges o f less po w er in o rder t o a c h iev e t h e v eh ic le st eerin g st a bilit y a n d sen sit iv it y.Th is a rt ic le h a s do n e a ma jo r design o f ra c k a n d pin io n st eerin g syst em,a s w ell a s gea r sh a f t a n d t h e c h ec k.Th e ma in met h o ds a n d t h eo ret ic a l ex perien c e used ma in ly ba sed o n a ut o mo t iv e design pa ra met ers a n d mec h a n ic a l design c urric ulum lea rn ed in Un iv ersit y.Design a n d t h e result s meet t h e st ren gt h requiremen t s,it s sa f e a n d relia ble.Keywords：steering;mechanical type steering gear;gear rack;hydraulic power steering目 录第一章绪论.11.1 汽车转向系统概述.11.1.1 机械式转向系统.11.1.2液压助力转向系统（HPS）.2L L3电控液压助力转向系统（EHPS）.21.1.4电动助力转向系统（EPS）.31.1.5线控转向系统（SBW）.41.4国内外发展情况.51.4.1 现代汽车转向装置的设计趋势.51.4.2 现代汽车转向装置的发展趋势.61.5本课题研究的目的和意义.71.6本文主要研究内容.8第二章转向系统整体参数的选择和计算.92.1汽车转向系统设计概述.92.1.1对转向系的要求.92.1.2转向操纵机构.92.1.3转向传动机构.102.1.4转向器.102.1.5转角及最小转弯半径.112.2汽车主要尺寸的确定.132.2.1和正巨L.132.2.2前轮距B1和后轮距B2.152.2.3外廓尺寸.152.3汽车质量参数的确定.152.3.1整车整备质量物.152.3.2汽车的载客量和装载质量.162.3.3质量系数，”。.162.3.4汽车总质量加“.172.3.5轴荷分配.172.3.6轮胎的选择.172.4转向系统的效率.182.4.1转向器的正效率2.182.4.2转向器的逆效率.192.5传动比变化特性.192.5.1转向系传动比.192.5.2力传动比与转向系角传动比的关系.202.5.3转向器角传动比的选择.202.6转向器传动副的传动间隙At.212.7转向盘的总转动圈数.22第三章机械式转向机构方案分析及设计.233.1齿轮齿条式转向器.233.2其他转向器.253.3齿轮齿条式转向器布置和结构形式的选择.253.4数据的确定.273.5设计计算过程.283.5.1转向轮侧偏角计算.283.5.2转向器参数选取.293.5.3齿轮和齿条的设计计算.303.5.4齿轮轴的设计计算.333.6轴承的选择与校核.373.6.1轴承的选择.373.6.2齿轮轴轴承的校核.383.7间隙调整弹簧的设计计算.383.8转向器的润滑方式和密封类型的选择.403.9键的计算.41第四章动力转向机构设计.424.1液压助力转向器概述.424.2对动力转向机构的要求.444.3动力转向机构布置方案.444.4液压式动力转向机构的计算.464.5动力转向的评价指标.474.5.1 动力转向器的作用效能.474.5.2 路感.474.5.3 转向灵敏度.474.5.4 动力转向器的静特性.48第五章转向传动机构设计.495.1转向传动机构原理.495.2转向传送机构的臂、杆与球销.505.3转向横拉杆及其端部.505.4齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析.525.5杆件设计结果.53第六章基UG的汽车转向系统虚拟装配与分析.546.1 UG软件简介.546.2汽车转向系统虚拟装配.546.2.1汽车转向系统的建模.546.2.2汽车转向系统的虚拟装配.566.3汽车转向系统的虚拟分析.566.3.1运动分析方案的建立.576.3.2 定义连杆(Lin ks).576.3.3添加运动副.586.3.4添加运动驱动.596.3.5仿真结果显示与分析.606.3.6动画文件的生成.616.4虚拟装配与分析小结.61结论.62参考文献.63翻译部分.64英文原文.64中文译文.71致谢.76中国矿业大学10届本科生毕业设计第1页第一章绪论1.1 汽车转向系统概述转向系统是汽车底盘的重要组成部分，转向系统性能的好坏直接影响到汽车行驶的 安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性，它对于确保车辆的行驶安全、减少交通事故以及保 护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。随着现代汽车技术的迅速 发展，汽车转向系统已从纯机械式转向系统、液压助力转向系(HPS)、电控液压助力 转向系统(EHPS),发展到利用现代电子和控制技术的电动助力转向系统(EPS)及线 控转向系统(SBW)。按转向力能源的不同，可将转向系分为机械转向系和动力转向系。机械转向系的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，由转向操纵机构(方向盘)、转向器、转向传动机构三大部分组成。其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动 机构的直线运动(严格讲是近似直线运动)的机构，是转向系的核心部件。动力转向系除具有以上三大部件外，其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。通常，对转向系的主要要求是：(1)保证汽车有较高的机动性，在有限的场地面积内，具有迅速和小半径转弯的能 力，同时操作轻便；(2)汽车转向时，全部车轮应绕一个瞬时转向中心旋转，不应有侧滑；(3)传给转向盘的反冲要尽可能的小；(4)转向后，转向盘应自动回正，并应使汽车保持在稳定的直线行驶状态；(5)发生车祸时，当转向盘和转向轴由于车架和车身变形一起后移时，转向系统最 好有保护机构防止伤及乘员。1.1.1 机械式转向系统汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向轮 来完成的。机械式转向系统工作过程为：驾驶员对转向盘施加的转向力矩通过转向轴输 入转向器，减速传动装置的转向器中有1、2级减速传动副，经转向器放大后的力矩和减 速后的运动传到转向横拉杆，再传给固定于转向节上的转向节臂，使转向节和它所支承 的转向轮偏转，从而实现汽车的转向。纯机械式转向系统根据转向器形式可以分为：齿 轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。川纯机械式转向系统为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘，需占用较 大的空间，整个机构笨拙，特别是对转向阻力较大的重型汽车，实现转向难度很大，这 中国矿业大学10届本科生毕业设计 第2页就大大限制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉，目前该类转向系统除 在一些转向操纵力不大、对操控性能要求不高的农用车上使用外一很少被采用。1.1.2 液压助力转向系统(HPS)装配机械式转向系统的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重，为解决这个问题，美国GM公司在20世纪50年代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。液压转向系统 是由液压和机械等两部分组成，它是以液压油做动力传递介质，通过液压泵产生动力来 推动机械转向器，从而实现转向。液压助力转向系统一般由机械转向器、液压泵、油管、分配阀、动力缸、溢流阀和限压阀、油缸等部件组成。为确保系统安全，在液压泵上装 有限压阀和溢流阀。其分配阀、转向器和动力缸置于一个整体，分配阀和主动齿轮轴装 在一起(阀芯与齿轮轴垂直布置)，阀芯上有控制槽，阀芯通过转向轴上的拨叉拨动。转向轴用销钉与阀中的弹性扭杆相接，该扭杆起到阀的中心定位作用。在齿条的一端装 有活塞，并位于动力缸之中，齿条左端与转向横拉杆相接。转向盘转动时，转向轴(连 主动齿轮轴)带动阀芯相对滑套运动，使油液通道发生变化，液压油从油泵排出，经控 制阀流向动力缸的一侧，推动活塞带动齿条运动，通过横拉杆使车轮偏转而转向。液压助力转向系统是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机带动液压泵产生的压力 来实现车轮转向。由于液压转向可以减少驾驶员手动转向力矩，从而改善了汽车的转向 轻便性和操纵稳定性。为保证汽车原地转向或者低速转向时的轻便性，液压泵的排量是 以发动机怠速时的流量来确定。汽车起动之后，无论车子是否转向，系统都要处于工作 状态，而且在大转向车速较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力，所 以在一定程度上浪费了发动机动力资源。并且转向系统还存在低温工作性能差等缺点。1.1.3 电控液压助力转向系统(EHPS)由于液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性，因此，在1983年日本Ko yo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 EHPS是在液压助力系统基础上发起来的，在传统的液压助力转向系统的基 础上增设了电控装置，其特点是原来由发动机带动的液压助力泵改由电机驱动，取代了 由发动机驱动的方式，节省了燃油消耗；具有失效保护系统，电子元件失灵后仍可依靠 原转向系统安全工作；低速时转向效果不变，高速时可以自动根据车速逐步减小助力，增大路感，提高车辆行使稳定性。电控液压助力转向系统是将液压助力转向与电子控制 技术相结合的机电一体化产品。一般由电气和机械两部分组成，电气部分由车速传感器、转角传感器和电控单元ECU组成；机械部分包括齿轮齿条转向器、控制阀、管路和电动 泵。其中电动泵的工作状态由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算 出的最理想状态。简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动液压泵以高速运转输 出较大功率，使驾驶员打方向省力；汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动液压泵以较 中国矿业大学10届本科生毕业设计 第3页低的速度运转，在不至影响高速打转向的需要的同时，节省一部分发动机功率。电控液压转向系统的工作原理：在汽车直线行驶时，方向盘不转动，电动泵以很低 的速度运转，大部分工作油经过转向阀流回储油罐，少部分经液控阀然后流回储油罐；当驾驶员开始转动方向盘时，ECU根据检测到的转角、车速以及电动机转速的反馈信号 等，判断汽车的转向状态，决定提供助力大小，向驱动单元发出控制指令，使电动机产 生相应的转速以驱动油泵，进而输出相应流量和压力的高压油。高压油经转向控制阀进 入齿条上的动力缸，推动活塞以产生适当的助力，协助驾驶员进行转向操作，从而获得 理想的转向效果。电控液压助力转向系统在传统液压动力转向系统的基础上有了较大的改进，但液压 装置的存在，使得该系统仍有难以克服如渗油、不便于安装维修及检测等问题。电控液 压助力转向系统是传统液压助力转向系统向电动助力转向系统的过渡。11.1.4 电动助力转向系统(EPS)1988年日本Suzuki公司首先在小型轿车Cerv o上配备了 Ko yo公司研发的转向柱 助力式电动助力转向系统。1990年日本Ho n da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,从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。EPS是在EHPS的基础上发展起来的，它取消EHPS的液压油泵、油管、油缸和密封圈 等部件，完全依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构，其结构简单、零件数量大大减 少、可靠性增强，解决了长期以来一直存在的液压管路泄漏和效率低下的问题。电动助 力转向系统在本田飞度、思域以及丰田新皇冠、奔驰新A-c la ss等车型上纷纷被采用。电动助力转向系统构成：电动助力转向系统一般是由转矩(转向)传感器、电子控制单元ECU、电动机、电 磁离合器以及减速机构组成。电动助力转向系统工作原理：电动助力转向系统的工作过程其工作过程为：扭矩传感器检测驾驶员打方向盘的扭 矩，然后根据这个扭矩给控制单元一个信号。同时控制单元也会收到来自方向盘位置传 感器的信号，这个传感器一般是和扭矩传感器装在一起的(有些传感器已经将这2个功 能集成为一体)。扭矩和方向盘位置信息经过控制单元处理，连同传入控制单元的车速 信号，根据预先设计好的程序产生助力指令。该指令传到电机，由电机产生扭矩传到助 力机构上去，这里的齿轮机构则起到增大扭矩的作用。这样，助力扭矩就传到了转向柱 并最终完成了助力转向。电动助力转向系统特点：(1)节约了能源消耗。与传统的液压助力转向系统相比，没有系统要求的常运转转 向油泵，且电动机只是在需要转向时才接通电源，所以动力消耗和燃油消耗均可降到最 低。还消除了由于转向油泵带来的噪音污染。液压动力转向系统需要发动机带动液压油 泵，使液压油不停地流动，再加上存在管流损失等因素，浪费了部分能量。相反EPS仅 在需要转向操作时才需要向电机提供的能量。而且，EPS系统能量的消耗与转向盘的转 中国矿业大学10届本科生毕业设计 第4页向及当前的车速有关。当转向盘不转向时，电机不工作；需要转向时，电机在控制模块 的作用下开始工作，输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向力矩。该系统真正实现 了“按需供能”，是真正的“按需供能型”(o n-dema n d)系统,在各种行驶条件下可节 能80%左右。(2)改善了转向回正特性。当驾驶员转动方向盘一角度然后松开时，EPS系统能够 自动调整使车轮回到正中。同时还可利用软件在最大限度内调整设计参数以获得最佳的 回正特性。通过灵活的软件编程，容易得到电机在不同车速及不同车况下的转矩特性，这些转矩特性使得该系统能显著地提高转向能力，提供了与车辆动态性能相匹配的转向 回正特性。而在传统的液压控制系统中，要改善这种特性必须改造底盘的机械结构，实 现起来很困难。(3)提高了操纵稳定性。转向系统是影响汽车操纵稳定性的重要因素之一。传统液 压动力转向由于不能很好地对助力进行实时调节与控制，所以协调转向力与路感的能力 较差，特别是汽车高速行驶时，仍然会提供较大助力，使驾驶员缺乏路感，甚至感觉汽 车发飘，从而影响操纵稳定性。但EPS是由电动机提供助力，助力大小由电子控制单元(ECU)根据车速、方向盘输入扭矩等信号进行实时调节与控制，可以很好地解决这个 矛盾。(4)安全可靠。EPS系统控制单元ECU具有故障自诊断功能，当ECU检测到某一 组件工作异常，如各传感器、电磁离合器、电动机、电源系统及汽车点火系统等，便会 立即控制电磁离合器分离停止助力，并显示出相应的故障代码，转为手动转向，按普通 转向控制方式进行工作，确保了行车的安全。1.1.5 线控转向系统(SBW)在车辆高速化、驾驶人员大众化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人 群，汽车的易操纵性设计显得尤为重要。线控转向系统(St eerin g-By-Wire Syst em,简 称SBW)的发展，正是满足这种客观需求。它是继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和驾驶的方便 性。线控转向系统的构成：SBW系统一般由转向盘模块、转向执行模块和主控制器ECU、自动防故障系统以 及电源等模块组成。转向盘模块包括路感电机和转向盘转角传感器等，转向盘模块向驾 驶员提供合适的转向感觉(也称为路感)并为前轮转角提供参考信号。转向执行模块 包括转向电机、齿条位移传感器等，实现两个功能：跟踪参考前轮转角、向转向盘模块 反馈轮胎所受外力的信息以反馈车辆行驶状态。主控制器控制转向盘模块和转向执行模 块的协调工作。线控转向系统的工作原理：当转向盘转动时，转向传感器和转向角传感器检测到驾驶员转矩和转向盘的转角并 中国矿业大学10届本科生毕业设计 第5页转变成电信号输入到ECU,ECU根据车速传感器和安装在转向传动机构上的位移传感 器的信号来控制转矩反馈电动机的旋转方向，并根据转向力模拟，生成反馈转矩，控制转 向电动机的旋转方向、转矩大小和旋转角度，通过机械转向装置控制转向轮的转向位置，使汽车沿着驾驶员期望的轨迹行驶。线控转向系统特点：（1）取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接，通过软件协调它们之间的运动关 系，因而消除了机械约束和转向干涉问题，可以根据车速和驾驶员喜好由程序根据汽车 的行驶工况实时设置传动比。（2）去掉了原来转向系统各个模块之间的刚性机械连接，采用柔性连接，使转向系 统在汽车上的布置更加灵活，转向盘的位置可以方便地布置在需要的位置。（3）提高了汽车的操纵性。由于可以实现传动比的任意设置，并针对不同的车速，转向状况进行参数补偿，从而提高了汽车的操纵性。（4）改善驾驶员的“路感”。由于转向盘和转向轮之间无机械连接，驾驶员“路感”通过模拟生成。使得在回正力矩控制方面可以从信号中提出最能够 反映汽车实际行驶状态和路面状况的信息，作为转向盘回正力矩的控制变量，使转向盘 仅仅向驾驶员提供有用信息，从而为驾驶员提供更为真实的“路感”。（5）减少了机构部件数量，而减少了从执行机构到转向车轮之间的传递过程，使系 统惯性、系统摩擦和传动部件之间的总间隙都得以降低，从而使系统的响应速度和响应 的准确性得以提高。1.4国内外发展情况改革开放以来，我国汽车工业发展迅猛。作为汽车关键部件之一的转向系统也得到 了相应的发展，基本已形成了专业化、系列化生产的局面。有资料显示，国外有很多国 家的转向器厂，都已发展成大规模生产的专业厂，年产超过百万台，垄断了转向器的生 产，并且销售点遍布了全世界。1.4.1 现代汽车转向装置的设计趋势1.4.1.1 适应汽车高速行驶的需要从操纵轻便性、稳定性及安全行驶的角度，汽车制造广泛使用更先进的工艺方法，使用变速比转向器、高刚性转向器。“变速比和高刚性”是目前世界上生产的转向器结构 的方向。141.2充分 考虑安全性、轻便性随着汽车车速的提高，驾驶员和乘客的安全非常重要，目前国内外在许多汽车上已 普遍增设能量吸收装置，如防碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊等，并逐步推广。从 人类工程学的角度考虑操纵的轻便性，已逐步采用可调整的转向管柱和动力转向系统。1.4.1.3 低成本、低油耗、大批量专业化生产中国矿业大学10届本科生毕业设计 第6页随着国际经济形势的恶化，石油危机造成经济衰退，汽车生产愈来愈重视经济性，因此，要设计低成本、低油耗的汽车和低成本、合理化生产线，尽量实现大批量专业化 生产。对零部件生产，特别是转向器的生产，更表现突出。1.4.1.4 汽车转向器装置的电脑化汽车的转向器装置，必定是以电脑化为唯一的发展途径。1.4.2 现代汽车转向装置的发展趋势1.4.2.1 现代汽车转向装置的使用动态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：有蜗杆肖式（WP型）、蜗杆滚轮 式（WR型）、循环球式（BS型）、齿条齿轮式（RP型）。这四种转向器型式，已经被广泛使 用在汽车上。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，其它型式的转向器占5%。循环球式转向器一直 在稳步发展。在西欧小客车中，齿条齿轮式转向器有很大的发展。日本汽车转向器的特 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%。综合上述对有关转向器品种的使用分析，得出以下结论：循环球式转向器和齿轮齿条式转向器，已成为当今世界汽车上主要的两种转向器；而蜗轮蜗杆式转向器和蜗杆肖式转向器，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，美国和日本重点发展循环球式转向器，比率都 已达到或超过90%；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%。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结构。1.422 转向器生产专业化循环球式转向器在国外实现了专业化生产，同时以专业厂为主、大力进行试验和研 究，大大提高了产品的产量和质量。在日本“精工”（NSK）公司的循环球式转向器就以 成本低、质量好、产量大，逐步占领日本市场，并向全世界销售它的产品。德国ZF公 司也作为一个大型转向器专业厂著称于世。它从1948年开始生产ZF型转向器，年产各 种转向器200多万台。还有一些比较大的转向器生产厂，如美国德尔福公司SAGINAW 分部；英国BURMAN公司都是比较有名的专业厂家，都有很大的产量和销售面。专业 化生产已成为一种趋势，只有走这条道路，才能使产品质量高、产量大、成本低，在市 场上有竞争力。中国矿业大学10届本科生毕业设计 第7页1.423 动力转向是发展方向动力转向系统的应用日益广泛，不仅在重型汽车上必须装备，在高级轿车上应用的 也较多，在中型汽车上的应用也逐渐推广。主要是从减轻驾驶员疲劳，提高操纵轻便性 和稳定性出发。虽然带来成本较高和结构复杂等问题，但由于优点明显，还是得到很快 的发展。动力转向有3种形式：整体式、半分置式及联阀式动力转向结构。目前3种形式各 有特点，发展较快，整体式多用于前桥负荷38t汽车，联阀式多用于前桥负荷5.18t 汽车，半分置式多用于前桥负荷6t以上到超重型汽车。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。1.5 本课题研究的目的和意义根据汽车安全性统计,，全世界每年因交通事故死亡的人数超过20万，加之几倍于 死者的受伤者以及物质上的损失，其直接或间接的危害是难以估计的。在我国，由于交 通管理技术落后、路况差、车辆性能差，加之各类车辆混合行驶，交通事故时有发生。近年来，我国交通事故死亡人数居世界前几位，每万辆车平均事故居大国中第一位。交 通事故己成为一个严重的社会问题。概括交通事故的原因，不外乎人、汽车和环境三个 因素。显而易见，提高汽车的安全性能是减少交通事故的关键措施之一，因此，汽车工 业发达的国家都非常重视汽车安全性的研究。目前汽车工业己成为我国的支柱产业之一，所以，为了提高汽车的质量，保证行驶的安全性，在大力发展我国的汽车工业的同时，这就要求生产厂家对每一批产品必须进行质量检测，而其中转向器是汽车维持驾驶员给 定方向稳定行驶能力（即操纵稳定性）的基本保障，所以汽车转向器综合性能试验成了汽 车性能测试中的一个重要项目。由于汽车转向器属于汽车系统中的关键部件，它在汽车系统中占有重要位置，因而 它的发展同时也反映了汽车工业的发展，它的规模和质量也成为了衡量汽车工业发展水 平的重要标志之一。随着汽车高速化和超低扁平胎的通用化，过去采用循环球转向器和 循环球变传动比转向器只能相对地解决转向轻便性和操纵灵便性的问题，要想从跟本上 解决这两个问题只有安装动力转向器。因此，除了重型汽车和高档轿车早已安装动力转 向器外，近年来在中型货车、豪华客车及中档轿车上都已经开始安装动力转向器，随着 动力转向器的设计水平的提高、生产规模的扩大和市场的需要，其他的一些车型也必须 陆续安装动力转向器。液压助力型转向器的设计使汽车在低速行驶或车辆就位时，驾驶 员只需用较小的操作力就能灵活进行转向;而在高速行驶时，则自动控制，使操作力逐渐 增大，实现了稳定操纵。虽然这种转向器具有很多优点，在目前的技术水准下它仍然存 在某些不足之处，例如助力较小等;因此，目前液压式动力转向器仍然占据着很大的市场 份额，其性能也在不断地提高。对于液压助力型动力转向器的研究有着非常深远的意义。因此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 中国矿业大学10届本科生毕业设计 第8页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。1.6 本文主要研究内容本文以液压助力齿轮齿条转向器的设计为中心，主要内容有：一.汽车总体构架参数 对汽车转向的影响；二.机械转向器的选择；三.齿轮和齿条的合理匹配，以满足转向器的 正确传动比和强度要求；四.动力转向机构设计；五.梯形结构设计。因此本课题在考虑上 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，同时采用液压助力转向，使转向系统性能更加完善。中国矿业大学10届本科生毕业设计第9页第二章转向系统整体参数的选择和计算2.1 汽车转向系统设计概述2.1.1 对转向系的要求1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。不 满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。2）汽车转向行驶时，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶 位置，并稳定行驶。3）汽车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自振，转向盘没有摆动。4）转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动 应最小。5）保证汽车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。6）操纵轻便。7）转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小。8）转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。9）在车祸中，当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时，转向系应有能 使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。10）进行运动校核，保证转向轮与转向盘转动方向一致。2.1.2 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，如图2-1 o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。中国矿业大学10届本科生毕业设计第10页图2-1转向操纵机构1-转向万向节；2-转向传动轴；3-转向管柱；4-转向轴；5-转向盘2.1.3 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。（见图2-2）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 一定关系进行偏转。图2-2转向传动机构1-转向摇臂；2-转向纵拉杆；3-转向节臂；4-转向梯形臂；5-转向横拉杆2.1.4 转向器机械转向器是将司机对转向盘的转动变为转向摇臂的摆动（或齿条沿转向车轴轴向 的移动），并按一定的角转动比和力转动比进行传递的机构。中国矿业大学10届本科生毕业设计 第11页机械转向器与动力系统相结合，构成动力转向系统。高级轿车和重型载货汽车为了 使转向轻便，多采用这种动力转向系统。采用液力式动力转向时，由于液体的阻尼作用，吸收了路面上的冲击载荷，故可采用可逆程度大、正效率又高的转向器结构。为了避免汽车在撞车时司机受到的转向盘的伤害，除了在转向盘中间可安装安全气 囊外，还可在转向系中设置防伤装置。为了缓和来自路面的冲击、衰减转向轮的摆振和 转向机构的震动，有的还装有转向减振器。多数两轴及三轴汽车仅用前轮转向；为了提高操纵稳定性和机动性，某些现代轿车 采用全四轮转向；多轴汽车根据对机动性的要求，有时要增加转向轮的数目，甚至采用 全轮转向。2.1.5 转角及最小转弯半径汽车的机动性，常用最小转弯半径来衡量，但汽车的高机动性则应由两个条件保证。即首先应使左、右转向轮处于最大转角时前外轮的转弯值在汽车轴距的22.5倍范围内;其次，应这样选择转向系的角传动比。两轴汽车在转向时，若不考虑轮胎的侧向偏离，则为了满足上述对转向系的第条要求，其内、外转向轮理想的转角关系如图2-3所示，由下式决定:式中:c ot 0(1-Cot 0=2 e。一外转向轮转角；&内转向轮转角；KL(2-1)K一两转向主销中心线与地面交点间的距离;L一轴距内、外转向轮转角的合理匹配是由转向梯形来保证。图2-3理想的内、外转向轮转角间的关系中国矿业大学10届本科生毕业设计第12页汽车的最小转弯半径Hmm与其内、外转向轮在最大转角ma x与6La x、轴距L、主销 距K及转向轮的转臂a等尺寸有关。在转向过程中除内、外转向轮的转角外，其他参数 是不变的。最小转弯半径是指汽车在转向轮处于最大转角的条件下以低速转弯时前外轮 与地面接触点的轨迹构成圆周的半径。可按下式计算：R=A+aAm,n amax(2-2)通常，ma x为3540。，为了减小Rn in值，源八值有时可达到45操纵轻便型的要求是通过合理地选择转向系的角传动比、力传动比和传动效率来达 到。对转向后转向盘或转向轮能自动回正的要求和对汽车直线行驶稳动性的要求则主要 是通过合理的选择主销后倾角和内倾角，消除转向器传动间隙以及选用可逆式转向器来 达到。但要使传递到转向盘上的反向冲击小，则转向器的逆效率有不宜太高。至于对转 向系的最后两条要求则主要是通过合理地选择结构以及结构布置来解决。转向器及其纵拉杆与紧固件的称重，约为中级以及上轿车、载货汽车底盘干重的 1.0%1.4%；小排量以及下轿车干重的1.5%20%。转向器的结构型式对汽车的自身 质量影响较小。中国矿业大学10届本科生毕业设计第13页2.2 汽车主要尺寸的确定汽车的主要尺寸参数包括轴距、轮距、总长、总宽、总高、前悬、后悬、接近角、离去角、最小离地间隙等，如图2-4所示图2-4汽车的主要参数尺寸2.2.1 轴距L轴距L的选择要考虑它对整车其他尺寸参数、质量参数和使用性能的影响。轴距短 一些，汽车总长、质量、最小转弯半径和纵向通过半径就小一些。但轴距过短也会带来 一系列问题，例如车厢长度不足或后悬过长；汽车行驶时其纵向角振动过大；汽车加速、制动或上坡时轴荷转移过大而导致其制动性和操纵稳定性变坏；万向节传动的夹角过大 等。因此，在选择轴距时应综合考虑对有关方面的影响。当然，在满足所设计汽车的车 厢尺寸、轴荷分配、主要性能和整体布置等要求的前提下，将轴距设计得短一些为好。轿车的轴距与其类型、用途、总长有密切关系。微型及普通级轿车要求制造成本低，使用经济性好，机动灵活，因此汽车应轻而短，故轴距应取短一些；中高级轿车对乘坐 舒适性、行驶乎顺性和操纵稳定性要求高，故轴距应设计得长一些。轿车的轴距约为总 长的54%60%。轴距与总长之比越大，则车厢的纵向乘坐空间就愈大，这对改善汽