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完整版汽车转向系统毕业设计论文

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摘要

本设计课题为汽车前轮转向系统的设计，课题以机械式转向系统的齿轮齿条式转向器设计及校核、整体式转向梯形机构的设计及验算为中心。

首先对汽车转向系进行概述，二是作设计前期数据准备，三是转向器形式的选择以及初定各个参数，四是对齿轮齿条式转向器的主要部件进行受力分析与数据校核，五是对整体式转向梯形机构的设计以及验算，并根据梯形数据对转向传动机构作尺寸设计。

在转向梯形机构设计方面。

运用了优化计算工具Matlab进行设计及验算。

Matlab强大的计算功能以及简单的程序语法，使设计在参数变更时得到快捷而可靠的数据分析和直观的二维曲线图。

最后设计中运用AutoCAD和CATIA作出齿轮齿条式转向器的零件图以及装配图。

关键词：

转向机构，齿轮齿条，整体式转向梯形，Matlab梯形

Abstract

Thetitleofthistopicisthedesignofsteeringsystem.RackandpinionsteeringofMechanicalsteeringsystemandintegratedSteeringtrapezoidmechanismgeartothedesignasthecenter.FirstlymakeanoverviewoftheSteeringSystem.Secondlytakeapreparationofthedataofthedesign.Thirdly,makeachoiceofthesteeringformanddeterminetheprimaryparametersanddesignthestructureofRackandpinionsteering.Fourthly,StressanalysisanddatacheckingoftheRackandpinionsteering.Fifthly,designofSteeringtrapezoidmechanism,accordingtothetrapezoidaldatamakeananalysisanddesignofSteeringlinkage.

InthedesignofintegratedSteeringtrapezoidmechanismthecomputationaltoolsMatlabusedtoDesignandCheckingofthedata.ThepowerfulcomputingandIntuitivechartsoftheMatlabcangiveusAccurateandquicklydata.IntheendAutoCADandCATIAwereusedtomakearackandpinionsteeringpartsdiagramsandassemblydrawings

Keywords:

Steeringsystem，MechanicalTypeSteeringGearandGearRack，

IntegratedSteeringtrapezoid，MatlabTrapezoid

1绪论1

1.1汽车转向系统概述1

1.2汽车转向系统的国内外现状及发展趋势2

1.3研究内容及论文构成3

2机械转向系统的性能要求及参数5

2.1机械转向系统的结构组成5

2.2转向系统的性能要求6

2.3转向系的效率7

2.4传动比特性9

2.5转向器传动副的传动间隙11

3机械式转向器总体方案初步设计12

3.1转向器的分类及设计选择12

3.2齿轮齿条式转向器的基本设计12

3.2.1齿轮齿条式转向器的结构选择12

3.2.2齿轮齿条式转向器的布置形式14

3.2.3设计目标参数表以及对应的转向轮偏角计算15

3.2.4转向器参数选取与计算16

3.2.5齿轮轴的结构设计19

3.2.6转向器材料及其他零件选择20

4齿轮齿条转向器校核21

4.1齿条的强度计算21

4.1.1齿条受力分析21

4.1.2齿条齿根弯曲强度的计算22

4.2小齿轮的强度计算23

4.2.1齿面接触疲劳强度计算23

4.2.2齿轮齿根弯曲疲劳强度计算26

4.3齿轮轴强度校核27

5转向梯形机构的设计31

5.1转向梯形机构概述31

5.2整体式转向梯形机构方案分析32

5.3整体式转向梯形机构数学模型分析32

5.4基于Matlab的整体式转向梯形机构优化设计35

5.4.1转向梯形机构的优化概况35

5.4.2转向梯形机构设计思路36

5.4.3基于Matlab的转向梯形机构设计37

5.5转向传动机构的设计43

5.5.1转向传送机构的臂、杆与球销43

5.5.2转向横拉杆及其端部43

6基于CATIA的齿轮齿条式转向系统的三维建模45

6.1CATIA软件简介45

6.2齿轮齿条式转向系统的主要部件三维建模45

结论49

参考文献50

致谢51

附录基于Matlab的转向梯形机构设计程序52

1绪论

1.1汽车转向系统概述

汽车在行驶的过程中,需按驾驶员的意志改变其行驶方向。

就轮式汽车而言,实现汽车转向的方法是,驾驶员通过一套专设的机构,使汽车转向桥（一般是前桥）上的车轮（转向轮）相对于汽车纵横线偏转一定角度。

这一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构如图1.1所示，即称为汽车转向系统[1]。

图1-1汽车转向系统

汽车转向系统分为两大类：

机械转向系统和动力转向系统。

1、机械转向系统

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。

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。

2、动力转向系统

动力转向系统除了转向操纵机构（方向盘）、转向器、转向传动机构三大部分外，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。

动力转向系的发展经过几个阶段，各个阶段也有不同的动力辅助系统。

20世纪50年代，美国GM公司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。

为液压助力转向系统（HPS）。

1983年，在液压助力系统基础上发展起来的，日本Koyo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）。

1988年日本Suzuki公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统。

1990年日本Honda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，也就是现在应用车型极为广泛的EPS系统。

SBW线控转向系统是继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[1]。

1.2汽车转向系统的国内外现状及发展趋势

汽车转向系统的发展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个基本阶段,线控转向系统为其发展趋势[1]。

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：

有蜗杆销式（WP型）、蜗杆滚轮式（WR型）、循环球式（BS型）、齿条齿轮式（BP型），这四种转向器型式，已经被广泛使用在汽车上。

1、汽车转向系统在世界发展状况

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[1]。

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%[1]。

2、汽车转向系统在国内发展状况

我国的转向器生产，除早期投产的解放牌汽车用蜗杆滚轮式转向器，东风汽车用蜗杆肖式转向器之外，其它大部分车型都采用循环球式结构，并都具有一定的生产经验。

目前解放、东风也都在积极发展循环球式转向器，并已在第二代换型车上普遍采用了循环球式转向器。

由此看出，我国的转向器也在向大量生产循环球式转向器发展

3、汽车转向系统的发展趋势

齿轮齿条式转向器和循环球式转向器，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销式转向器，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%[1]。

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。

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。

由于动力转向系统还是新的结构，各国的生产厂家都正在组织力量，大力开展试验研究工作，提高使用性能、减小总成体积、降低生产成本、保证产品质量稳定，以便逐步推广和普及。

随着科学技术的发展，国际经济形势的变化对汽车乃至汽车转向器的生产都有很大影响。

特别是西方国家实行石油禁运以来，世界经济形势受冲击很大。

随着能源危机的发展，汽车工业首当其冲，其发展方向有很大变化。

从汽车设计、制造到各总成部件的生产都随着能源危机的发生而变化，表现在能源消耗、材料消耗、操纵轻便等各个方面。

1.3研究内容及论文构成

本课题主要研究机械式转向系统的功能及构成，主要从转向系统的转向器部分和转向梯形机构部分作分析研究。

1、转向器设计部分：

以齿轮齿条式转向器作为中心，分析其效率、齿轮轴和齿条的设计及数据校核、其他一些组件的设计及标准件选取。

2、转向梯形机构部分：

以整体式转向梯形机构作为中心，对阿克曼（Ackerman）理论转向特性了解的基础上，对转向梯形机构进行数学模型分析。

用计算机工具对转向梯形进行设计，校核。

并根据所得的结果对传动机构的尺寸作设计。

2机械转向系统的性能要求及参数

2.1机械转向系统的结构组成

转向系是用来保持或者改变汽车行使方向的机构，一般转向系组成如下图1.2[2]包括转向操纵机构（转向盘、转向上、下轴、）、转向器、转向传动机构（转向拉杆、转向节）等。

转向系统应准确、快速、平稳地响应驾驶员的转向指令，转向行使后或受到外界扰动时，在驾驶员松开方向盘的状态下，应保证汽车自动返回稳定的直线行使状态。

图1-2转向系的基本构成

1-方向盘；2-转向上轴；3-托架；4-万向节；5-转向下轴；6-防尘罩；7-转向器；8-转向拉杆

1、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，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。

2、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。

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。

3、转向器

转向器是完成由旋转运动到直线运动（或近似直线运动）的一组齿轮机构，同时也是转向系中的减速传动装置。

目前较常用的有齿轮齿条式、循环球曲柄指销式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、蜗杆滚轮式等。

2.2转向系统的性能要求

汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。

起作用是使汽车在行驶过程中能按照驾驶员的操纵要求而适时地改变其行驶方向，并在受到路面传来的偶然冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶。

因此，转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性和安全性。

一般来说，对转向系统的要求如下：

1、合理设置传动比，使操纵轻便，转向系传动比包括转向系的角传动比（方向盘转角与转向轮转角之比）和转向系的力传动比。

在转向盘尺寸和转向轮阻力一定时，角传动比增加，则转向轻便，转向灵敏度降低；角传动比减小，则转向沉重，转向灵敏度提高。

转向角传动比不宜低于15-16；也不宜过大，通常以转向盘转动圈数和转向轻便性来确定。

一般来说，轿车转向盘转动圈数不宜大于4圈，对轿车来说，有动力转向时的转向力约为20-50N；无动力转向时为50-100N[3]。

2、转向轮应具有自动回正能力。

转向轮的回正力来源于轮胎的侧偏特性和车轮的定位参数。

汽车的稳定行使，必须保证有合适的前轮定位参数，并注意控制转向系统的内部摩擦阻力的大小和阻尼值。

3、转向杆系和悬架导向机构共同作用时，必须尽量减小其运动干涉。

应从设计上保证各杆系的运动干涉足够小。

4、转向器和转向传动机构的球头处，应有消除因磨损而产生的间隙的调整机构以及提高转向系的可靠性。

5、转向轴和转向盘应有使驾驶员在车祸中避免或减轻伤害的防伤机构。

6、汽车在作转向运动时，所以车轮应绕同一瞬心旋转，不得有侧滑；同时，转向盘和转向轮转动方向一致。

7、当转向轮受到地面冲击时，转向系统传递到方向盘上的反冲力要尽可能小

8、在任何行使状态下，转向轮不应产生摆振。

9、保证轿车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。

机动性是通过汽车的最小转弯半径来体现的，而最小转弯半径由内转向车轮的极限转角、汽车的轴距、主销偏移距决定的，一般的极限转角越大，轴距和主销偏移距越小，则最小转弯半径越小。

10、合理设计转向梯形。

转向时内外车轮间的转角协调关系是通过合理设计转向梯形来保证的。

对于采用齿轮齿条转向器的转向系来说，转向盘与转向轮转角间的协调关系是通过合理选择小齿轮与齿条的参数、合理布置小齿轮与齿条的相对位置来实现的，而且前置转向梯形和后置转向梯形恰恰相反。

转向系的间隙主要是通过各球头皮碗和转向器的调隙机构来调整的。

合理的选择转向梯形的断开点可以减小转向传动机构与悬架导向机构的运动干涉。

2.3转向系的效率

功率P1从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率称为转向器的正效率，符号η+表示，反之称为逆效率，用符号η-表示。

正效率η+计算公式：

（2.1）

逆效率η-计算公式：

（2.2）

式中，P1为作用在转向轴上的功率；P2为转向器中的磨擦功率；P3为作用在转向摇臂轴上的功率。

正效率高，转向轻便；转向器应具有一定逆效率，以保证转向轮和转向盘的自动返回能力。

但为了减小传至转向盘上的路面冲击力，防止打手，又要求此逆效率尽可能低。

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[3]。

1、转向器的正效率

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）、转向器类型、结构特点与效率。

在四种转向器中，齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高，而蜗杆指销式特别是固定销和蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显的低些。

同一类型转向器，因结构不同效率也不一样。

如蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支持轴之间的轴承可以选用滚针轴承、圆锥滚子轴承和球轴承。

选用滚针轴承时，除滚轮与滚针之间有摩擦损失外，滚轮侧翼与垫片之间还存在滑动摩擦损失，故这种轴向器的效率η+仅有54%。

另外两种结构的转向器效率分别为70%和75%[3]。

转向摇臂轴的轴承采用滚针轴承比采用滑动轴承可使正或逆效率提高约10%。

（2）、转向器的结构参数与效率

如果忽略轴承和其经地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于蜗杆类转向器，其效率可用下式计算

（2.3）

式中，为蜗杆（或螺杆）的螺线导程角；ρ为摩擦角，ρ=arctanf；f为磨擦系数。

2、转向器的逆效率

根据逆效率不同，转向器有可逆式、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，这种逆效率较高的转向器属于可逆式。

它能保证转向轮和转向盘自动回正，既可以减轻驾驶员的疲劳，又可以提高行驶安全性。

但是，在不平路面上行驶时，传至转向盘上的车轮冲击力，易使驾驶员疲劳，影响安全行驾驶。

属于可逆式的转向器有齿轮齿条式和循环球式转向器。

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。

该冲击力转向传动机构的零件承受，因而这些零件容易损坏。

同时，它既不能保证车轮自动回正，驾驶员又缺乏路面感觉，因此，现代汽车不采用这种转向器。

极限可逆式转向器介于可逆式与不可逆式转向器两者之间。

在车轮受到冲击力作用时，此力只有较小一部分传至转向盘。

如果忽略轴承和其它地方的磨擦损失，只考虑啮合副的磨擦损失，则逆效率可用下式计算

（2.4）

式（2.3）和式（2.4）表明：

增加导程角0，正、逆效率均增大。

受-增大的影响，0不宜取得过大。

当导程角小于或等于磨擦角时，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，导程角必须大于磨擦角。

2.4传动比特性

1、转向系传动比

转向系的传动比包括转向系的角传动比和转向系的力传动比。

（2.5）

式中为从轮胎接地面中心作用在两个转向轮上的合力，为作用在转向盘上的手力。

转向系的角传动比:

（2.6）

式中为转向盘角速度；为转向节偏转角速度；为转向盘转向角增量；为转向节转向增量；为时间增量。

转向系的角传动比由转向器角传动比和转向传动机构角传动比组成，即：

（2.7）

转向器的角传动比:

（2.8）

式中为摇臂轴角速度；为摇臂轴转角增量。

转向传动机构的角传动比:

（2.9）

2、力传动比与转向系角传动比的关系

转向阻力Fw与转向阻力矩Mr的关系式：

（2.10）

a为主销偏距。

作用在转向盘上的手力Fh与作用在转向盘上的力矩Mh的关系式：

（2.11）

式中为方向盘直径

将式（2-10）、式（2-11）代入后得到：

（2.12）

如果忽略磨擦损失，根据能量守恒原理，2MrMh可用下式表示

（2.13）

将式（2.13）代入式（2.12）后得到：

（2.14）

当a和Dsw不变时，力传动比越大，虽然转向越轻，但也越大，表明转向不灵敏。

3、转向器角传动比的选择

转向器角传动比可以设计成减小、增大或保持不变的。

影响选取角传动比变化规律的主要因素是转向轴负荷大小和对汽车机动能力的要求。

若转向轴负荷小或采用动力转向的汽车，不存在转向沉重问题，应取较小的转向器角传动比，以提高汽车的机动能力。

若转向轴负荷大，汽车低速急转弯时的操纵轻便性问题突出，应选用大些的转向器角传动比。

汽车以较高车速转向行驶时，要求转向轮反应灵敏，转向器角传动比应当小些。

汽车高速直线行驶时，转向盘在中间位置的转向器角传动比不宜过小。

否则转向过分敏感，使驾驶员精确控制转向轮的运动有困难。

转向器角传动比变化曲线应选用大致呈中间小两端大些的下凹形曲线，如图2.1[3]所示。

其中横轴为转向轮转角，纵轴为转向角传动比。

图2.1转向器角传动比变化特性曲线

2.5转向器传动副的传动间隙

传动间隙是指各种转向器中传动副之间的间隙。

该间隙随转向盘转角的大小不同而改变，并把这种变化关系称为转向器传动副传动间隙特性（图2.2）。

研究该特性的意义在于它与直线行驶的稳定性和转向器的使用寿命有关。

传动副的传动间隙在转向盘处于中间及其附近位置时要极小，最好无间隙。

若转向器传动副存在传动间隙，一旦转向轮受到侧向力作用，车轮将偏离原行驶位置，使汽车失去稳定。

传动副在中间及其附近位置因使用频繁，磨损速度要比两端快。

在中间附近位置因磨损造成的间隙过大时，必须经调整消除该处间隙。

图2.2转向器传动副传动间隙

转向器传动副传动间隙特性图中曲线1表明转向器在磨损前的间隙变化特性；曲线2表明使用并磨损后的间隙变化特性，并且在中间位置处已出现较大间隙；曲线3表明调整后并消除中间位置处间隙的转向器传动间隙变化特性。

3机械式转向器总体方案初步设计

3.1转向器的分类及设计选择

转向器是转向系中的重要部分，其主要作用有三个方面：

一是增大来自转向盘的转矩，使之达到足以克服转向轮与地面之间的转向阻力矩；二是减低转向传动轴的转速，并带动摇臂轴移动使其达到所需要的位置；三是使转向盘的转动方向与转向轮转动方向协调一致。

按照转向能源不同，可以将汽车转向系统分为机械转向系统和动力转向系统两大类。

根据机械转向器的结果特点，可分为齿轮齿条式转向器、循环球式转向器、蜗杆滚轮式转向器和蜗杆指销式转向器等。

齿轮齿条式转向器的齿轮齿条直接啮合，可安装助力机构。

齿轮齿条式转向器的正逆效率都很高，属于可逆式转向器。

其自动回正能力强。

齿轮齿条式转向器结构简单（不需要转向摇臂和横拉杆等）、加工方便、工作可靠、使用寿命长、用需要调整齿轮齿条的间隙。

循环球式转向器的第一级传动副是螺杆螺母传动副。

第二级是齿条齿扇传动副或滑块曲柄销传动副。

循环球式转向器的正效率很高（最高可达90%～95%）[4]，操作轻便，使用寿命长。

但逆向效率也较高，可将地面对转向轮的冲击传给转向盘。

指销式转向器的传动副以转向蜗杆为主动件，装在摇臂轴曲柄端的指销为从动件。

转向蜗杆转动时，与之啮合的指指销即绕转向摇臂轴轴线沿圆弧线运动，并带动转向摇臂转动。

对转向其结构形式的选择，主要是根据汽车的类型、前轴负荷、使用条件等来决定，并要考虑其效率特性、角传动比变化特性等对使用条件的适应性以及转向器的其他性能、寿命、制造工艺等。

中、小型轿车以及前轴负荷小于1.2t的客车、货车，多采用齿轮齿条式转向器。

齿轮齿条式转向器安装助力机构方便且转向器结构简单，适合于轿车。

故本设计选用齿轮齿条式转向器。

3.2齿轮齿条式转向器的基本设计

3.2.1齿轮齿条式转向器的结构选择

1、输入输出形式选择

根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式[3]：

中间输入，两端输出（图3-1a）；侧面输入，两端输出（图3-1b）；侧面输入，中间输出（图3-1c）；侧面输入，一端输出（图3-1d）

图3.1齿轮齿条式转向器的四种形式

采用侧面输入，中间输出方案时，与齿条相连的左、右拉杆延伸到接近