机械-轻型货车循环球式转向器实体设计(全套三维图】本科毕业论文
摘要
汽车在行驶的过程中，需要按照驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓的汽车转向。汽车的转向系统是一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专用机构，本文的研究内容即是轻型货车的转向系统设计。
本文针对的是与非独立悬架相匹配的整体式两轮转向机构。利用相关汽车设计和连杆机构运动学的知识，首先对转向器，转向传动机构进行选择，接着再对转向器和转向传动机构进行设计，最后，利用软件CATIA完成转向系统的三维实体设计。
转向器在设计中选用的是循环球式齿条齿扇转向器，在对转向器的设计中，包括了螺杆—钢球—螺母传动副的设计和齿条—齿扇传动副的设计，前者是基于参照同类汽车，确定出钢球中心距，设计出一系列的尺寸，而后者则是根据汽车前轴的载荷来确定出齿扇模数，再由此设计出所有参数的。
转向梯形的设计选用的是整体式转向梯形，本文在设计中借鉴同类汽车转向梯形设计的经验尺寸对转向梯形进行尺寸初选。再通过对转向内轮实际达到的最大偏转角时与转向外轮理想最大偏转角度的差值的检验，和作为一个四杆机构对其最小传动角的检验，来判定转向梯形的设计是否符合基本要求。
本文在消化，吸收，总结，归纳前人的成果上，系统、全面地对机械转向系进行理论分析，设计及优化。为轻型汽车转向系的设计开发提供了一种步骤简单的设计方法。
关键词：转向系；转向器；转向梯形；传动副；结构元件
ABSTRACT
In a moving vehicle, the driver will need to frequently change its traveling direction, the so-called steering. Vehicle steering system is used to change or restore a car in the direction of a dedicated agency, the contents of this paper is the study of light vehicle steering system design.
This article is aimed at non-independent suspension and would like to match the overall style of the two steering. The use of the relevant vehicle design and kinematic linkage of knowledge, first of all, the steering gear, steering transmission choice, and then to the steering gear and steering transmission (mainly trapezoidal steering ) design, and finally, the use of CATIA software and the Steering system to complete the design drawings.
Steering the ball of choice is the cycle of fan-type steering gear rack teeth, in the design of steering gear, including a screw - Ball - Vice-nut drive the design and rack - fan drive gear pair design, the former is based on the reference to similar vehicles, to determine the center distance of the ball, the design of a series of size, while the latter is based on the vehicle front axle load to determine the fan module out of gear, and then all of the resulting design parameters.
Steering linkage design is a whole selection of steering trapezoid, the paper design is used in car steering linkage from a similar experience in the design of the size of the steering linkage to the primary size. Through to the actual steering wheel in the maximum deflection angle with the steering wheel in the most ideal test of the difference of deflection angle, and four institutions, as a minimum transmission angle of its examination, to determine whether the design of steering trapezoid in line with the basic requirements.
In this paper, digestion, absorption, and summing up, summing up the results of their predecessors, the systematic, comprehensive mechanical steering system to carry out theoretical analysis, design and optimization. For the light vehicle steering system design and development provides a simple design method steps.
key words：Steering system；Steering gear；Steering trapezium；Transmission vice；Structural components
目录
摘要 (Ⅰ)
Abstract (Ⅱ)
第1章绪论 (1)
1.1 转向系概述 (1)
1.2汽车转向系统的现状及发展趋势 (1)
第2章汽车转向系方案的设计 (5)
2.1 转向系主要性能参数 (5)
2.1.1转向器的效率 (5)
2.1.2传动比的变化特性 (7)
2.1.3转向器传动副的传动间隙 (10)
2.1.4转向盘的总转动圈数 (10)
2.2转向系的选择 (10)
2.2.1机械转向系 (10)
2.2.2动力转向系 (12)
第3章汽车转向器方案的设计 (14)
3.1机械式转向器的选择 (14)
3.1.1齿轮齿条式转向器 (14)
3.1.2循环球式转向器 (14)
3.1.3蜗杆滚轮式转向器 (15)
3.1.4 蜗杆指销式转向器 (16)
第4章汽车转向传动机构的设计 (17)
4.1 转向传动机构的选择 (17)
4.1.1与非独立悬架配用的转向传动机构 (17)
4.1.2与独立悬架配用的转向传动机构 (18)
4.2 转向梯形的选择 (20)
4.2.1整体式转向梯形 (20)
4.2.2断开式转向梯形 (21)
第5章转向系的设计计算 (23)
5.1 转向器的结构型式选择及其设计计算 (23)
5.1.1螺杆—钢球—螺母传动副的设计 (23)
5.1.2 齿条、齿扇传动副的设计 (27)
5.1.3转向器计算载荷的确定 (32)
5.1.4 循环球式转向器零件强度计算 (34)
5.2整体式转向梯形结构优化设计 (36)
5.3转向系结构元件 (41)
结论 (44)
参考文献 (45)
致谢 (46)
附录 (47)
第1章绪论
1.1转向系概述
转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。
机械转向系依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转向器和转向传动机构使转向轮偏转。有些汽车还装有防伤机构和转向减振器。采用动力转向的汽车，还装有动力系统，并借助此系统来减轻驾驶员的手力。
对转向系提出的要求有：
1）汽车转弯行驶时，理想情况下全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。否则会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性；
2）汽车转向行驶后，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。
1.2汽车转向系统的现状及发展趋势
作为汽车的一个重要组成部分, 汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成,如何设计汽车的转向特性, 使汽车具有良好的操纵性能, 始终是各汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天, 针对更多不同水平的驾驶人群, 汽车的操纵设计显得尤为重要。汽车转向系统经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统3 个基本发展阶段。
1.2.1纯机械式转向系统
机械式的转向系统, 由于采用纯粹的机械解决方案, 为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘, 这样一来, 占用驾驶室的空间很大, 整个机构显得比较笨拙, 驾驶员负担较重, 特别是重型汽车由于转向阻力较大,单纯靠驾驶员的转向力很难实现转向, 这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, 目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使用。
1.2.2液压助力转向系统
1953年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统, 此后该技术迅速发展, 使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。80年代后期, 又出现了变减速比的液压动力转向系统。在接下来的数年内, 动力转向系统的技术革新差不多都是基于液压转向系统, 比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统( Variable Displacement Power Steering Pump) 和电动液压助力转向( Electric Hydraulic PowerSteering, 简称EHPS) 系统。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下, 泵的流量会相应地减少, 从而有利于减少不必要的功耗电动液压转向系统采用电动机驱动转向泵, 由于电机的转速可调, 可以即时关闭, 所以也能够起到降低功耗的功效。液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞, 布置更方便, 降低了转向操纵力, 也使转向系统更为灵敏。由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力, 目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面存在不足。
1.2.3 汽车电动助力转向系统(EPS)
EPS 在日本最先获得实际应用, 1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统, 并装在其生产的Cervo车上, 随后又配备在Alto 上。此后, 电动助力转向技术得到迅速发展, 其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司, 美国的Delphi公司, 英国的Lucas 公司, 德国的ZF公司, 都研制出了各自的EPS。EPS 的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展, 并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期开发的EPS仅低速和停车时提供助力, 高速时EPS 将停止工作。新一代的EPS 则不仅在低速和停车时提供助力, 而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。随着电子技术的发展, EPS 技术日趋完善, 并且其成本大幅度降低, 为此其应用范围将越来越大。
1.2.4线控转向系统
线控转向系统( Steering by Wire-SBW) 是更新一代的汽车电子转向系统, 线控转向系统与上述各类转向系统的根本区别就是取消了转向盘和转向轮之间的机械连接。该系统具有两个电机:路感电机和驱动电机。路感电机安装在转向柱上, 控制器根据汽车转向工况控制路感电机产生合适的转矩, 向驾驶员提供模拟路面信息。驱动电机安装在齿条上, 汽车的转向阻力完全由驱动电机来克服, 转向盘只是作为转向系统的一个转角信号输入装置。线控转向系统能够提高汽车被动安全性, 有利于汽车设计制造, 并能大大提高汽车的乘坐舒适性。但是由于转向盘和转向柱之间无机械连接, 生成让驾驶员能够感知汽车实际行驶状态和路面状况的“路感”比较困难,而且电子器件的可靠性难以保证。所以线控转向系统目前处于研究阶段, 只配备在一些概念汽车上，并不能得到广泛应用。汽车转向技术的发展趋势助力转向系统经过几十年的发展, 技术日趋完善。今后, 电动助力转向系统将进一步成熟, 线控转向系统将成为我们研究的努力方向。具体来说, 转向系统主要从以下几个方面进一步发展:
（1）传感器技术
性能完善的电动助力转向系统需要采集转向盘转角信号、转向盘转矩信号、转向盘转速信号、电机电压信号、电机电流信号等。目前, 传感器的成本是制约电动助力转向系统迅速市场化的主要因素, 因此, 设计和开发适合电动助力转向系统使用的性价比较高的传感器是未来技术发展的关键。
（2）控制策略的研究
控制策略是影响助力转向系统性能的关键因素之一, 也是电动助力转向系统的核心技术之一。目前, 国内外许多学者都在探讨将先进的控制理论应用于助力转向系统的研究, 如鲁棒控制理论、模糊控制理论、神经网络控制理论和自适应控制理论等。今后, 控制策略研究的重点主要集中在如何抑制电机的力矩波动、如何获得较好的路感、如何抑制路面干扰和传感器的噪声等方面, 以进一步优化和改善助力转向系统的动态性能和稳定性。
（3）助力电机的研究
助力电机是电动助力转向系统的执行元件,助力电机的特性直接影响到控制的难易程度和驾驶员的手感。目前, 电动助力转向系统普遍采用成本较低的直流有刷电机。由于直流无刷电机采用电子换向, 减少了换向时的火花, 不需要经常维护以及具有较高的效率和功率密度等优点而受到越来越多的关注。因此, 开发适合助力转向系统使用的低成本的直流无刷电机是今后助力电机的研究方向。
1.3轻型货车转向系统设计主要内容
本设计以循环球式转向器的设计为中心，一是汽车总体构架参数对汽车转向的影响；二是机械转式向器的设计；三是转向传动机构的设计；四是梯形结构设计。因此本设计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，通过万向节带动蜗杆轴旋转，蜗杆轴与扇形齿轮啮合，通过安装在扇形轴上的转向臂向转向拉杆机构传递操作力，实现转向。
(1)汽车转向系方案的设计。
(2)汽车转向器方案的设计。
(3)汽车转向传动机构的设计。
(4)转向系的设计计算。
第2章 汽车转向系方案的设计
2.1转向系主要性能参数
转向系的主要性能参数有转向系的效率，转向系的角传动比与力传动比，转向器传动副的传动间隙特性，转向系的刚度以及转向盘的总转动圈数。
2.1.1转向器的效率
转向系的效率0η由转向器的效率η和转向操纵机构的效率'η决定，即：
'0ηηη?= （2.1）
转向器效率η又有正效率η+与逆效率η-之分。功率1P 由转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率称为正效率，反之为逆效率。
121
()P P P η+-= （2.2） 323()P P P η--=
（2.3） 式中 1P ——作用在转向轴上的功率；
2P ——转向器中的摩擦功率；
3P ——作用在转向摇臂轴上的功率。
1.正效率η+
影响转向器正效率的因素有：转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等。
(1)转向器的类型、结构特点与效率
汽车上常用的转向器形式有循环球式、蜗杆滚轮式、齿轮齿条式和蜗杆指销式等几种。齿轮齿条式。循环球式转向器的正效率比较高，其正效率η+可达到85%。同一类型的转向器，因结构不同，效率也有较大差别。如蜗杆滚轮式转向器的滚轮
与支持轴之间的轴承可以有滚针轴承、圆锥轴承和滚珠轴承三种结构。第一种结构除滚轮与滚针之间有摩擦损失外，滚轮侧翼与垫片之间还有滑动摩擦损失，故这种转向器的效率η+仅达54%左右。根据试验，其余两种转向器结构的效率分别为70%
和75%。
(2)转向器的结构参数与效率
蜗杆滚轮式转向器的传动副存在较大滑动摩擦，效率较低。对于蜗杆和螺杆类转向器，如果忽略轴承和其他地方的抹茶损失，只考虑啮合副的摩擦损失，其效率为
00tan tan()αηαρ+=
+ （2.4）
式中 0α——蜗杆或螺杆的螺线导程角；
ρ——摩擦角，ρ=arctan f ；
f ——摩擦系数。
2. 转向器逆效率-η 根据逆效率大小不同，转向器又有可逆式、极限可逆式和不可逆式之分。
路面作用在车轮上的力，经过转向系可大部分传递到转向盘，这种转向器是可逆式的。它能保证汽车转向后，转向轮和转向盘自动回正。这既减少驾驶员疲劳，又提高了行驶安全性。但是，在坏路上行驶时，车轮受到的冲击力，大部分都传给转向盘，驾驶员容易“打手”，使之精神状态紧张，如长时间在坏路上行驶，易使驾驶员疲劳，影响安全行驶。因此，这类转向器适用于在良好路面上行驶的车辆。齿轮齿条式和循环球式都属于可逆式转向器。
不可逆式转向器，是指车轮受到的冲击力，不能传到转向盘的转向器。该冲击力由转向传动机构的零件承受，因而这些零件容易损坏。同时，它不能保证车轮自动回正，驾驶员又缺乏路面感觉。因此，现代汽车基本不采用这种转向器。
极限可逆式转向器介于上述两者之间。当车轮受有冲击力作用时，此力只有较小的一部分传至转向盘。它的逆效率较低，因此在坏路上行驶时，驾驶员并不十分紧张，同时转向传动机构的零件，所受冲击力也比不可逆式转向器要小。
如果只考虑啮合副的摩擦，忽略轴承和其他地方的摩擦损失，则逆效率可以用下式计算：
00tan()
tan αρηα--= （2.5）
式（2.4）和（2.5）表明：增加导程角，逆效率也增大。因此，虽然增加导程角能提高正效率，但此时因为逆效率也增大，故导程角不应取得过大；当导程角小于或等于摩擦角时，逆效率为负值或者为零，此时表明该转向器是不可逆式转向器。为此，导程角的最小值必须大于摩擦角。通常螺线的导程角选在8°～10°之间。
2.1.2传动比的变化特性
1.转向系传动比
转向系的传动比包括转向系的角传动比0w i 和转向系的力传动比p i 。
从轮胎接地面中心作用在两个转向轮上的合力2F ω与作用在转向盘上的手力h F 之比，称为力传动比，即2/p h i F F ω=。
转向盘角速度W w 与同侧转向节偏转角速度k w 之比，称为转向系角传动比0w i ，即 0/W w k k k w d dt d i w d dt d ??ββ=
== （2.6）
式中，d ?为转向盘转角增量；k d β为转向节转角增量；dt 为时间增量。
0w i 又由转向器角传动比w i 和转向传动机构角传动比'w i 所组成，即
'0w w w i i i = （2.7）
转向盘角速度W w 与摇臂轴角速度P w 之比，称为转向器角传动比w i ，即
/W w P P P w d dt d i w d dt d ??ββ=
== （2.8）
式中，P d β为摇臂轴转角增量。 此定义适用于除齿轮齿条式之外的转向器。
摇臂轴角速度P w 与同侧转向节偏转角速度K w 之比，称为转向传动机构的角传动比'w i ，即
'/P P P w K K K w d dt d i w d dt d ββββ=
== （2.9）
2.转向系力传动比与转向系角传动比的关系
轮胎与地面之间的转向阻力F ω和作用在转向节上的转向阻力矩r M 有如下关
系：
r
M F a ω= （2.10）
式中,a 为主销偏移距，指从转向节主销轴线的延长线与支承平面的交点至车轮中心平面与支承平面交线间的距离。
作用在转向盘上的手力h F 可用下式表示：
2h
h s M F D ω= （2.11）
式中，h M 为作用在转向盘上的力矩；s D ω为转向盘直径。
将式（2.10），（2.11）代入2p h
F i F ω=后得到
r s p h M D i M a ω
= （2.12） 分析式（2.12）可知，主销偏移距a 越小，力传动比p i 越大，转向越轻便。通常乘用车的a 值在0.4～0.6倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取，而货车的a 值在40～60mm 范围内选取。转向盘直径s D ω对轻便性有影响，选用尺寸小写的转向盘，虽然占用的空间少，但转向时需要对转向盘施以较大的力，而选用尺寸大些的转向盘又会使驾驶员进出驾驶室时入座困难。根据车形不同，转向盘直径s D ω在380~550mm 的标准系列内选取。如果忽略摩擦损失，2/r h M M 可以用下式表示：
02r h k M d i M d ω?β== （2.13）
将式（2.13）代入式（2.12）后得到
02s p i D i a ωω
= （2.14）
当a 和s D ω不变时，力传动比p i 越大，虽然转向越轻，但0i ω也越大，表明转向不灵敏。
3.转向系的角传动比0i ω
转向传动机构的角传动比，还可以近似地用转向节臂臂长2l 与摇臂臂长1l 之比来表示，即：
21'p
k d l i d l ωββ=≈ （2.15）
在现代汽车结构中，2l 与1l 的比值大约在0.85～1.10之间，可粗略认为其比值为1，即'i ω近似为1，则：
0p d i i d ωω?
β≈= （2.16）
由此可见，研究转向系的传动比特性，只需研究转向器的角传动比及其变化规律即可。
4.转向器角传动比及其变化规律
式（2.14）表明：增大角传动比可以增加力传动比。当转向阻力F ω一定时，增大力传动比能减少作用在转向盘上的手力h F ，使操纵轻便。
考虑到0i i ωω≈，由0i ω的定义可知：对于一定的转向盘角速度，转向轮偏转角速度与转向器角传动比成反比。角传动比增加后，转向轮偏转角对同一转向盘转角的响应变的迟钝，操纵时间增长，汽车转向灵敏性降低，所以“轻”和“灵”构成了一对矛盾。为解决这对矛盾，可采用变速比转向器。
齿轮齿条式、循环球齿条齿扇式、蜗杆滚轮式及蜗杆指销式转向器都可以制成变速比转向器。
对于循环齿条齿扇式转向器的角传动比2/i r P ωπ=。因结构原因，螺距P 不能