助力转向系统齿轮齿条式机械结构的工艺设计说明书

中文摘要为了减轻驾驶员转动方向盘的操作力，利用动力产生辅助动力的装置称为转向动力机构。现代汽车都采用动力转向辅助系统，使驾驶员的转向操作变得方便、省力。本文主要介绍了齿轮齿条式动力转向器的设计计算以及结构设计。对转向系的要求,转向系的主要参数，动力转向系的要求,动力转向的组成和工作原理，以及动力转向系布置方案的选择和确定等作了详细的介绍。并且对所需要的辅助油泵作了计算和选择。关键字：齿轮齿条式，动力转向，设计计算Abstract In order to reduce the driver turned the steering wheel operating force, the use of power auxiliary power produced the device is called to the motor. It made the driver change direction conveniently and save his labouring. This text mostly introduced the design and the count of the integery type of circulating rack and pinion steering along with the design of structure. And it particularly introduced the need of steering system, the main parameters of steering system, the need of power steering system , the make-up and the principle of power steering system ,and how to select and ascertain the established scheme of power steering system,It is emphasized the design and the count, also reckon and select the pump.Keywords: Rack and pinion steering,power steering,design and count目 录 中文摘 要IAbstract II前 言1第一章 转向系统设计方案论证211 转向系的概述212 动力转向系统概述413 齿轮齿条式转向器与其它型式转向器的比较614 电控液压动力转向系统的工作特性7第二章 齿轮齿条转向器设计及校核1021 齿轮齿条转向器种类的选择1022 前轴负荷的确定1223 转向系的主要性能参数计算1324齿轮齿条转向器的计算及校核16第三章 电控液压动力转向系统的设计及验证2531 EHPS系统设计方案选择2532 EHPS系统的设计计算2833 动力转向系统方案校核36第四章 毕业设计结论与小结39致 谢40参考文献414242前 言本次毕业设计在高晓宏老师的指导下进行。主要内容是齿轮齿条式的设计及其计算、转向系的主要性能参数选择与确定、电子液压式动力转向系统的设计。老师在三月初向我介绍了我将要完成的任务，并提供了大量的资料，我自己也借了很多参考书籍来学习，并且在网上、杂志上查阅了大量的相关文献。我的课题是：小排量汽车转向系设计。在今后的二个多月的时间里，我要完成的任务有：1.由给定条件确定基本参数，然后由基本参数确定动力转向器的其他主要参数； 2.进行方案论证设、计算、机械结构设计、方案校验等；3.绘制转向系装配图以及其零件图；4.编写设计说明书；5.进行相关技术文献资料翻译；6.分析、总结、撰写毕业设计说明书。本次设计要达到以下要求：1) 在考虑安全、可靠、动力性、经济性良好，又具备舒适、方便、高效的基础上，尽量利用成熟的主要零部件并考虑其通用性，以减少投产准备工作量，以此提高经济效益并方便用户维修。2) 充分采用引进的车型的先进技术和先进结构，并确保各选用总成、零部件的技术水平达 到或接近国内先进水平，以提高整车性能，增强本系列车型在国内外市场的竞争力。3) 考虑系列化设计，在基本车型基础上通过局部改动能派生成系列产品。4) 设计时还考虑能装配成各种中型专用车的可能性。5) 遵循“三化”原则，贯彻有关国家标准和汽车行业标准，以及汽车技术法规。6) 运行安全，排放和噪声应符合国内及国际相应法规的要求，以确保行车的安全和降低对 环境的污染。第一章 转向系统设计方案论证11 转向系的概述 转向系是通过对左、右转向车轮不同转角之间的合理匹配来保证汽车能沿着设想的轨迹运动的机构。它由转向操纵机构、转向器和转向传动机构组成。1. 转向操纵机构转向操纵机构是指转向盘到转向器之间的所有零部件总称。转向操纵机构包括转向盘、转向轴、转向管柱。其作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。有时为了布置方便，减少由于装置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。2. 转向器转向器是转向系中最重要的部件，它是转向系统的减速传动装置。其作用是：增大转向盘传到转向传动机构的力和改变力的传递方向。转向器按结构形式可分为多种类型，目前较常用的有齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆曲柄指销式转向器等。如果按照助力形式，又可以分为机械式（无助力），和动力式（有助力）两种，其中动力转向器又可以分为液压动力式、电动助力式、电液助力式等。3. 转向传动机构 转向传动机构是指从转向器到转向轮之间的所有传动杆件。转向传动机构由转向摇臂（把转向器输出的力和运动传给直拉杆或横拉杆，进而推动转向轮偏转）、转向直拉杆（将转向摇臂传来的力和运动传给转向梯形臂）、转向节臂和转向梯形等零部件共同组成，其中转向梯形由梯形臂、转向横拉杆和前梁共同构成。转向传动机构用于把转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使转向轮偏转，并使两转向轮偏转角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。转向传动机构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），并按一定的角传动比和力传动比进行传递的机构。转向传动机构和动力系统结合，构成动力转向系统。为了使转向轻便，现在的汽车多采用动力转向系统。4. 对转向系的要求转向系应满足下述要求：（1） 保证汽车具有高的机动性；（2） 内、外转向轮转角间的匹配应保证当汽车转弯行驶时，全部车轮绕同一瞬时转向中心旋转，各车轮只有滚动而无侧滑；（3） 在转向盘和各转向轮的转角间应保证在运动学关系和力学关系方面的协调；（4） 操纵轻便。转向时加在转向盘上的切向力，对轿车不应大于150200N;对中型货车不应大于360N；对重型货车不应大于450N，否则应考虑动力转向。转向盘的回转圈数要少；（5） 转向后转向盘应能自动回正，并能使汽车保持在稳定的直线行驶工况；（6） 当转向轮受到地面冲击时，转向系传递到转向盘上的反向冲击要小；（7） 转向传动机构与悬架导向装置的干涉应最小；（8） 转向器和转向传动机构因磨损产生间隙时，应能调整而消除之；12 动力转向系统概述1.动力转向系统的定义及组成动力转向系统是将发动机输出的部分机械能转化为压力能（或电能），并在驾驶员控制下，对转向传动机构或转向器中某一传动件施加辅助作用力，使转向轮偏摆，以实现汽车转向的一系列装置。2.对动力转向系的要求1）既要保证转向轻便胜利，又要能够很好的反馈地面作用力，即“路感”。2）在转向结束时，转向盘能平顺地自动回正，使车轮回到直线行驶的位置上。3）当动力转向系统发生故障时，转向系统仍能依靠人力进行转向。4）在保证转向性能的前提下，尽可能降低转向的动力消耗。3汽车上装置动力转向系统的目的汽车转向时要求操纵轻便，即以较小的转向盘操纵力获得较大的转向力矩；同时又要求转向灵敏，即以较小的转向盘转向角获得较大的转向角。使用机械转向装置可以实现汽车转向，当转向轴负荷较大时，仅靠驾驶员的体力作为转向能源则难以顺利转向。动力转向系统减轻了驾驶员操纵转向盘的作用力。转向能源来自驾驶员的体力和发动机(或电动机)，其中发动机(或电动机)占主要部分，通过转向加力装置提供。正常情况下，驾驶员能轻松地控制转向。图1-1 三种适应不同行驶条件的转向力特性曲线图1-2 汽车急转弯时的转向力特性曲线4动力转向系统分类目前，轿车上配置的助力转向系统大致分为三类：机械液压助力转向系统、电子液压助力转向系统和电动助力转向系统。 ）机械式液压动力转向系统机械式的液压动力转向系统一般由液压泵、油管、压力流量控制阀体、V型传动皮带、储油罐等部件构成。液压泵靠发动机皮带直接驱动，无论车是否转向，这套系统都要工作，而且在大转向车速上浪费了能量。驾驶这类车，尤其是低速转弯时，觉得方向比较沉，发动机也比较费力气。又由于液压泵的压力较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力，在一定程度很大，也比较容易损害助力系统。）电控式液压助力转向系统主要由储油罐、助力转向控制单元、电动泵、转向机、助力转向传感器（用来检测转向时方向盘的角度和汽车转向的方向，为防侧倾控制提供转向信息）等构成，其中助力转向控制单元和电动泵是一个整体结构。电子液压转向助力系统克服了传统的液压转向助力系统的缺点。它所采用的液压泵不再靠发动机皮带直接驱动，而是采用一个电动泵，动力来自于蓄电池。它所有的工作的状态都是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，电子控制单元驱动电子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，液压控制单元驱动电子液压泵以较低的速度运转，在不至于影响高速打转向的需要同时，节省一部分发动机功率。电子液压助力转向系统是目前采用较为普遍的助力转向系统。）电动助力转向系统电动助力转向系统(Electronic Power Steering)，简称EPS，它利用电动机产生的动力协助驾车者进行动力转向。EPS的构成，不同的车尽管结构部件不一样，但大体是雷同。一般是由转向传感器、电子控制单元、电动机、减速器、机械转向器、以及畜电池电源所构成。汽车在转向时，转向传感器会“感觉”到转向盘的力矩和拟转动的方向，这些信号会通过数据总线发给电子控制单元，电控单元会根据传动力矩、拟转的方向等数据信号，向电动机控制器发出动作指令，从而电动机就会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩，从而产生了助力转向。在电子控制单元控制下，汽车能容易地实现可变助力功能，即在车速较低的时候助力能量大，方向盘轻，车速高时助力能量小，方向盘重，这样给安全行车带来好处。如果不转向，则本套系统就不工作，处于休眠状态等待调用。一般高档轿车使用这样的助力转向系统的比较多。13 齿轮齿条式转向器与其它型式转向器的比较齿轮齿条转向器以齿轮和齿条传动作为传动机构，适合与麦弗逊式独立悬架配用。齿轮齿条式转向器的结构简单，结构简单、紧凑（无转向摇臂和转向直拉杆），质量轻，刚性大，因而制作容易，成本低，便于布置，正逆效率均高。为了防止和缓和方向冲击传给方向盘，应装有能吸振的减振器，或者在小齿轮和转向轴之间装橡胶联轴节。这种转向器近年来在轿车和微型货车上得到较广泛的应用。本次设计选择使用齿轮齿条转向器。图1-3 齿轮齿条转向器循环球式转向器的传动效率高、工作平稳、可靠，螺杆和螺母上的螺旋槽经淬火和磨削加工后，既耐磨而寿命又长。但循环球式转向器结构较为复杂，对主要零件的加工精度要求较高，但目前在SUV，MPV等车型上仍得到广泛的应用。蜗杆滚轮式转向器，主要由蜗杆和滚轮相啮合而构成。滚轮的齿面和蜗杆上的螺纹齿呈面接触，强度比较高，制造简单，工作可靠，磨损较小，寿命较长。当要求摇臂轴有较大转角时，蜗杆直径要做的大些，因而转向器的外形尺寸和质量都将相应增加。这种转向器曾在轻型和中型汽车上广泛使用过。蜗杆指销式转向器，能够根据使用要求将角传动比作成不变或可变的。摇臂轴转角较大时，可以采用双销式结构。双销式转向器在直线行驶区域附近，两个销子同时工作，可降低销子上的负荷，减少磨损。这种转向器制造较复杂，曾在一些小排量的轿车上直至重型汽车上采用过，目前应用较少。14 电控液压动力转向系统的工作特性图1-4 动力转向控制系统图1-5 POLO轿车电动液压助力转向系统示意图从广泛意义上讲，电控液压助力转向系统分为2种。一种是为了实现车速感应式转向功能，而在机械液压助力转向系统的基础上增加了控制液体流量的电磁阀、车速传感器以及转向控制单元等，转向控制单元根据车速信号控制电磁阀，从而通过控制液体流量实现了助力作用随车速的变化。另一种助力转向系统是用由电动机驱动的液压泵代替了机械液压助力转向系统中的机械液压泵，而且增加了车速传感器、转向角速度传感器以及转向控制单元等部件。从性能上讲，采用电动液压泵的电控液压助力转向系统具有更好的性能。根据控制方式的不同，液压式电子控制动力转向系统又可分为流量控制式、反力控制式和阀灵敏度控制式三种形式。本次设计采用流量控制式。图1-6 流量控制式动力转向系统的构成1.工作过程在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元等，电子控制单元根据检测到的车速信号，控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求。转向控制单元根据车辆的行驶速度和转向角度等输入信号计算出理想的输出信号，然后控制电动机输出适当的功率。电控液压助力转向系统中的电动液压泵工作，通过液压油为转向机提供助力当汽车高速行驶时，转向控制单元控制电动机输出较小的功率，这样驾驶者在操纵转向盘时就比较稳定，也就实现了车速感应式转向。2.系统组成电控液压助力转向系统简称为EHPAS(Electro-Hydraulic Power Assist Steering)，系统部件主要包括电动机、液压泵、转向机、转向角速度传感器、转向控制单元、EHPAS警告灯以及助力油储液罐等，其中转向控制单元和电动机及液压泵通常安装在一起。3.特点（相对于液压助力转向系统）1)优点由于电子控制助力转向系统采用了电动机代替发动机驱动机械液压泵，这在一定程度上降低了发动机的负荷，从而降低了燃油消耗。由于采用了转向控制单元，在系统出现故障时可以使用故障诊断仪辅助故障的检修。2)缺点虽然采用了电能作为动力源，但是仍然保留有液压动力传递系统，因此电控液压助力转向系统仍然具有一些机械液压助力转向系统缺点，例如系统结构复杂，以及液压管路有泄漏的可能等问题。电控液压助力转向系统和机械式液压助力转向系统相同，都带有液压管路和储油罐等，系统不能实现模块化设计，各部件在车身上的布置仍然有一定的局限性。第二章 齿轮齿条转向器设计及校核21 齿轮齿条转向器种类的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：中间输入，两端输出（图2-1a）、侧面输入，两端输出（图2-1b）、侧面输入，中间输出(图2-1c)、侧面输入，一端输出(图2-1d)。图2-1齿轮齿条转向系采用侧面输入，中间输出方案时，由图22可见，与齿条固连的左、右拉杆延伸到接近汽车纵向对称平面附近。由于拉杆长度增加，车轮上、下跳动时拉杆摆角减小，有利于减少车轮上下跳动时转向系与悬架系的运动干涉。拉杆与齿条用螺栓固定连接，因此，两拉杆与齿条同时向左或向右移动，为此在转向器壳体上开有轴向的长槽，从而降低了它的强度。图2-2采用两端输出方案时，由于转向拉杆长度受限制，容易与悬架系统导向机构产生运动干涉。但其结构简单，制造方便，且成本低等特点，常用于小型车辆上。采用侧面输入，一端输出的齿轮齿条式转向器，常用在平头货车上。如果齿轮齿条式转向器采用直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合，则运转平稳性降低，冲击力大，工作噪声增加。此外，齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角只能是直角，为此，因与总体布置不适应而遭淘汰。采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条式转向器，重合度增加，运转平稳，冲击与噪声均降低，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满足总体设计的要求。因为斜齿工作时有轴向力作用，所以转向器应该采用推力轴承，是轴承寿命降低，还有斜齿轮的滑磨比较大事它的缺点。根据对四种不同类型转向器的对比选择，选用侧面输入两端输出的齿轮齿条转向器。齿条断面形状有圆形（图23）、V形（图24）和Y形（图25）三种。圆形断面齿条的制作工艺比较简单。V形和Y形断面齿条与圆形断面比较，消耗的材料少，约节约20%，故质量小；位于齿下面的两斜面与齿条托座接触，可用来防止齿条绕轴线转动；Y形的断面齿条的齿宽可以做的宽一些，因而强度得到增加。在齿条与托座之间通常装有碱性材料（如聚四氟乙烯）做的垫片，以减少滑动摩擦。当车轮跳动、转向或转向器工作时，如在齿条上作用有能使齿条旋转的力矩时，应选用V形和Y形断面齿条，用来防止因齿条旋转而破坏齿条、齿轮的齿不能正确啮合的情况出现。图2-4 图2-5 根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，齿轮齿条式转向器在汽车上有四种布置形式：转向器位于前轴后方，后置梯形；转向器位于前轴后方，前置梯形；转向器位于前轴前方，后置梯形；转向器位于前轴前方，前置梯形。如图2-6。图2-622 前轴负荷的确定对于轿车，汽车总质量 = 整备质量 + 驾驶员及乘员质量 + 行李质量由汽车设计表210,知汽车载质量利用系数,选取=1.2;由公式= 得=1.536kg; 3)轮胎的选择由汽车设计表220,根据条件初选轮胎规格为175/60R14胎宽-175mm 胎厚与胎宽的百分比为-60% 即胎厚=105mm,轮毂直径-14英寸4）前轴负荷的确定理论上理想的轴荷分配比例50%:50%，这个轴荷分配比例有利于轮胎的均匀磨损，保证汽车拥有较好的过弯特性和行驶稳定性。前置前驱（FF）的轿车，前轴轴荷最好占55%以上，以保证上坡时有足够的驱动力。一般前置发动机、前轮驱动的车，前后重量为前70，后30。综上所述，前轴负荷为8595N23 转向系的主要性能参数计算1.汽车方向盘（转向盘）转向盘的直径有一系列尺寸。选用大的直径尺寸时，会使驾驶员进出驾驶室感到困难。若选用小的直径尺寸，转向时，驾驶员要施加较大的力量，老师给定的尺寸mm则由作用方向盘上的力矩得作用在方向盘上的力2.转向阻力矩1式中：-滑动摩擦系数，一般取.-轮胎气压，P=0.45Mpa-前轴载荷，G=8595N 则277.1N.m3.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正效率，用符号+表示；反之称为逆效率，用符号-表示。 转向系的效率0由转向器的效率和转向操纵及传动机构的效率9决定。 转向器的效率又有正效率+和逆效率-之分。转向摇臂轴输出的功率（P1-P2）与转向轴输入功率P1之比，称为转向器的正效率： +=（P1-P2）/P1 式中 P2转向器的摩擦功率。 反之，经转向轴输出的功率（P3-P2）与转向摇臂轴输入的功率P3之比，称为转向器的逆效率： -=（P3-P2）/P3 正效率愈大，转动转向轮时转向器的摩擦损失就愈小，转向操纵就愈容易。转向器的结构类型、结构特点、结构参数和制造质量等是影响转向器正效率的主要因素。为了保证转向时驾驶员转动转向盘轻便，要求正效率高；为了保证汽车转向后转向轮和转向盘能自动返回到直线行驶位置，又需要有一定的逆效率。为了减轻在不平路面上行驶时驾驶员的疲劳，车轮与路面之间的作用力传至转向盘上要尽可能小，防止打手，这又要求此逆效率尽可能低。逆效率表示转向器的可逆性。根据逆效率值的大小，转向器又可分为可逆式、极限可逆式与不可逆式三种。可逆式转向器的逆效率较高，这种转向器将路面作用在转向轮上的反力很容易的传递到转向盘上，使司机的路感好。在汽车转向后也能保证转向轮与转向盘的自动回正，使转向轮行驶平稳。但在坏路面上，当转向轮上作用有侧向力时，转向轮受到的冲击大部分会传给转向盘，容易产生“打手”现象，同时转向轮容易产生摆振。因此，可逆式转向器宜用于在良好路面上行驶的汽车。目前主要应用于轿车、客车和货车上。齿轮齿条式和循环球式转向器均属于这一类。不可逆式转向器不会将转向轮受到的冲击力传到转向盘。由于他既使司机没有路感，又不能保证转向轮的自动回正，现代汽车已不采用。极限可逆式转向器其反向传力性能介于可逆式和不可逆式之间，接近于不可逆式。驾驶员有一定路感，能实现转向轮自动回正，当路面冲击力很大时，才能部分地传到转向盘。其逆效率较低，适用于在坏路面上行驶的汽车。目前主要应用于越野车和矿用自卸汽车。当转向轮受到冲击力时，其中只有较小的一部分传递给转向盘。4.转向系的角传动比和力传动比转向系的传动比由转向系的角传动比和转向系的力传动比组成从轮胎接触地面中心作用在两个转向轮上的合力2与作用在方向盘上的手力之比称为力传动比i .方向盘的转角和驾驶员同侧的转向轮转角之比称为转向系角传动比i.它又由转向器传动比i转向传动装置角传动比i所组成力传动比与转向系角传动比的关系i=而和作用在转向节上的转向阻力矩有以下关系作用在方向盘上的手力可由下式表示则i= 若忽略磨擦损失则由此式中a车轮节臂由式可知，力传动比与和有关，愈小，愈大，转向愈轻便由以上过程可计算出结果如下：） 角传动比则22.17 ）力传动比式中a=50mm则=68.124齿轮齿条转向器的计算及校核1.齿轮参数的选择齿轮模数值取值为m=，主动齿轮齿数为z=6，压力角取=20，齿轮螺旋角为=，齿条齿数应根据转向轮达到的值来确定。齿轮的转速为n=10r/min，齿轮传动力矩25，转向器每天工作8小时，使用期限不低于5年主动小齿轮选用20MnCr5材料制造并经渗碳淬火，而齿条常采用45号钢或41Cr4制造并经高频淬火，表面硬度均应在56HRC以上。为减轻质量，壳体用铝合金压铸。2.齿轮几何尺寸确定齿顶高 ha =齿根高 hf 齿高 h = ha+ hf =分度圆直径 d =mz/cos=齿顶圆直径 da =d+2ha =齿根圆直径 df =d-2hf =基圆直径 法向齿厚为端面齿厚为分度圆直径与齿条运动速度的关系 d=60000v/n10.001m/s齿距 p=m=3.14齿轮中心到齿条基准线距离 H=d/2+xm=（）3齿根弯曲疲劳强度计算（1）齿轮精度等级、材料及参数的选择1）由于转向器齿轮转速低，是一般的机械，故选择8级精度。2）齿轮模数值取值为m=，主动齿轮齿数为z=6，压力角取=20.3）主动小齿轮选用20MnCr5或15CrNi6材料制造并经渗碳淬火，硬度在56-62HRC之间，取值60HRC.4）齿轮螺旋角初选为=（2）齿轮的齿根弯曲强度设计 1）试取K=2）斜齿轮的转矩 T=25Nm 3）取齿宽系数 4）齿轮齿数 5）复合齿形系数 =6）许用弯曲应力 =0.7=0.7920=644N/ 为齿轮材料的弯曲疲劳强度的基本值。试取=mm7）圆周速度 d=mm b= d= 取b=mm 8）计算载荷系数1） 查表得 使用系数=12） 根据和8级精度，查表得3） 查表得齿向载荷分布系数4） 查表得齿间载荷分布系数5） 修正值计算模数，故前取mm不变（3）齿面接触疲劳强度校核校核公式为 1）许用接触应力 查表得由图得安全系数2）查表得弹性系数3）查表得区域系数4）重合度系数5）螺旋角系数MPa1650MPa由以上计算可知齿轮满足齿面接触疲劳强度，即以上设计满足设计要求。4.齿条的设计根据齿轮齿条的啮合特点:(1) 齿轮的分度圆永远与其节圆相重合,而齿条的中线只有当标准齿轮正确安装时才与其节圆相重合.(2) 齿轮与齿条的啮合角永远等于压力角.因此,齿条模数m=,压力角齿条断面形状选取圆形选取齿数z28，螺旋角端面模数端面压力角法面齿距端面齿距齿顶高系数法面顶隙系数齿顶高齿根高齿高 h = ha+ hf =法面齿厚端面齿厚5.齿轮轴的设计由于齿轮的基圆直径14.412，数值较小，若齿轮与轴之间采用键连接必将对轴和齿轮的强度大大降低，因此，将其设计为齿轮轴由于主动小齿轮选用20MnCr5材料制造并经渗碳淬火，因此轴的材料也选用20MnCr5材料制造并经渗碳淬火查表得：20MnCr5材料的硬度为60HRC，抗拉强度极限，屈服极限，弯曲疲劳极限，剪切疲劳极限，转速n=10r/min根据公式5 忽略磨损，根据能量守衡，作用在齿轮齿条上的阻力矩为Mr=283.2N.m，作用在齿轮上的轴向力为F=12.64KN作用在齿轮上的切向力为F=34.74KN弯曲疲劳强度校核34.74/3.14277MPa抗拉强度校核满载时的阻力矩为Mr=283.2N.m齿轮轴的最小直径为d=10mm，在此截面上的轴向抗拉强度为=12.64/3.145=100MPa1100Mpa本设计选择齿轮轴直径最小处D=10 mm6.其他零件的选择（1）六角螺栓的选择 根据GB5780-2000 选取螺纹规格d=M6（2）弹簧的选择根据 GB1358-93选择代号为Y1的冷卷压缩弹簧总圈数 n1=12有效圈数 n=10材料直径 d=5节距 t=10自由高度取105弹簧中径 D=42弹簧内径 弹簧外径 具体的数据如下图（3）垫圈的选择根据GB848-85,选择相配合的螺纹规格为d=8,具体数据如下图: （4）油封的选择根据JB/ZQ4606-86和轴径选取毡圈油封,主要参数如下: 油 封 滚针轴承（5）滚动轴承的选择 根据GB/T5801-1994选取滚针承的型号为NKI 10/12，主要参数如右上图（6）推力轴承的选择根据选取推力轴承的型号为51102，主要参数如下图(7) 止推螺母参数的确定，如下图第三章 电控液压动力转向系统的设计及验证当今汽车技术的发展趋势是节能、安全和环保。近年来，随着助力转向系统在车辆上的广泛应用，如何提高助力转向系统的工作性能，减少系统的能耗已经成为人们日益关注的问题。电子控制助力转向系统主要有两大类，即电动助力转向系统EPS（Electric Power Steering）和电子控制液压助力转向系统EHPS（Electro-hydraulic Power Steering，包括电磁阀控制式和电动泵控制式）。其中电控液压助力转向系统作为中间产品起着承前启后的作用，能提高转向助力系统的工作性能、降低系统的能耗，而且可以提供较大的转向助力，滞后时间短，可吸收来自路面的冲击，充分利用成熟的液压动力转向和控制技术的基础，具有较好的市场前景。因此，为了提高汽车助力转向系统的性能，减少系统的能耗，本次设计采用电控液压助力转向系统。以下将对该系统的结构与工作原理，并对其功能进行分析。在此基础上，结合转向系统的功能要求，应用汽车设计和液压传动理论，提出了电控液压助力转向系统设计方案，对小排量轿车转向系统按此方案进行设计计算，并与国外同类产品进行对比，证明了此种匹配设计方法的正确性和有效性。31 EHPS系统设计方案选择 采用电动泵式的EHPS系统一般由电气装置和机械装置两部分组成，如图所示，电气部分由车速传感器、转角传感器和电子控制单元ECU组成；机械装置包括齿轮齿条转向器（包括转子阀和助力缸）、控制阀及管路、电动泵。电动泵把齿轮泵（或叶片泵）、ECU、低惯量、高功率的直流电机和油管集成在一起，构成集成的电动泵，使得整个总成结构紧凑，质量变得更轻，安装的柔性也大大增强。图3-1 EHPS系统结构简图图3-2 日产蓝鸟汽车流量控制式动力转向系统1 动力转向油罐；2转向管柱；3转向角速度传感器；4ECU；5转向角速度传感器增幅器；6旁通流量控制阀；7电磁线圈；8转向齿轮联动机构；9油泵 流量控制式液压动力转向系统是根据车速传感器信号，调节液压动力转向装置中油液的输入、输出流量和压力，来控制液压助力的大小，一般是在液压动力转向系统上再增加流量控制电磁阀、车速传感器、电子控制单元和控制开关等元件。电磁阀安装在转向油泵和转向机体（含有转向动力缸）之间的油路中，根据车速传感器和控制开关等信号，电控单元向电磁阀发出控制信号，改变电磁阀的开度，调整通向转向动力缸的流量。汽车原地转向时，电磁阀的开度最大，进入动力缸的油液流量最大，以减少驾驶员的体力消耗。高速转向时，电控电源使电磁阀的开度减小，进入动力缸的油液流量较小，转向助力较小，确保驾驶员有很好的路感，使转向灵敏性和轻便性得到很好的兼顾。EHPS的工作原理如图3-3所示。汽车直线行驶时，方向盘不转动，泵以很低的速度运转，大部分工作油经过转向阀流回油罐，少部分经液控阀直接流回油罐；当驾驶员开始转动方向盘时，电子控制单元根据检测到的转角、车速以及电动机的反馈信号等，判断汽车的转向状态，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泵，进而输出相应流量和压力的高压油（瞬时流量从ECU中储存的流量通用特性场中读取，如图3-4所示）。压力油经转阀进入齿条上的液压缸，推动活塞以产生适当的助力，来协助驾驶员进行转向操纵，从而获得理想的转向效果。因为助力特性曲线可以通过软件来调节，所以该系统可以适合多种车型。在电子控制单元中，还有安全保护措施和故障诊断功能。当电动机电流过大或者温度过高时，系统将会闲置或者切断电动机的电流，避免故障的发生；当系统发生故障（如蓄电池电压过低、转角传感器失效等）时，系统仍然可以依靠机械转向系统进行转向操纵，同时显示并存储其故障代码。图3-3 EHPS系统的原理图图3-4 体积流量的通用特性场EHPS系统有如下特点：一是节能，高速时最多能节约85%的能源（相对于传统的由发动机驱动泵的系统），实际行驶过程中能节约燃油0.2L/100Km;二是结构紧凑，主要部件（电动机、油泵和电子控制单元）均可以组合在一起，具有很好的模块化设计，所以整体外形尺寸比传统液压助力转向系统要小，质量要轻，这就为整车布置带来了方便；三是根据车型的不同和转向工况的不同，提供不同的助力，有舒适的转向路感。32 EHPS系统的设计计算1.动力缸的设计计算动力缸壳体采用ZL105铸造而成，缸内表面应光洁，粗糙度为Ra=0.320.63,硬度为HB241-285，活塞采用优质碳素钢45#；活塞与缸筒之间的间隙采用橡胶密封圈。在动力缸的计算中需确定其缸径Dc、活塞行程S、活塞杆直径d以及缸筒壁厚t。（1）缸径尺寸Dc的计算 由上面可知，转向系统要求动力缸所提供的动力为F = 163N 动力缸的缸径尺寸Dc可由作用在活塞上的力的平衡计算，得：D = P供油压力MPa 取P=13 MPad活塞杆直径F液压缸理论推力根据液压设计手册中推荐的活塞杆直径系列 初选d = 30mmD = =40.2 mm取D = 50 mm 此时 d = ， 符合 d = 的范围。（2）活塞的设计计算活塞的宽度一般为活塞外径的0.61.0 倍 ，但本次设计采用一道密封环形在所选厚度满足强度的条件下，可以放窄一点。初取 b = 7mm 设计草图如下：图3-5活塞的外径配合一般采用的配合公差带，外径和内径的同轴度公差不大于0.02，端面与轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm 外表面的圆度和圆柱度一般不大于外径公差之半，表面粗糙度视结构不同而各异，材料用和活塞相同的材料45#。（3）活塞行程的计算图3-6S= 2e1 +S1 + B e1导向间隙 0.50.6D S1 活塞杆行程 B 活塞宽度 S1 的取值可根据同类汽车的活塞杆行程 取S1=130mm。（4）动力缸壳体壁厚t的设计计算根据缸体在横断平面内的拉伸强度条件和在轴向平面内的拉伸强度条件，计算出缸的壁厚，取计算结果大的一个。 p缸内压力 取Pmax=13MpaDc动力缸直径 50mmt动力缸壳体厚度n 安全系数 n=3.55.0 取n=5.0壳体的屈服点 壳体采用铸造铝合金ZL105，抗拉强度为500Mpa,屈服点为160230Mpa t t取 t = 10 mm。(5)活塞杆的设计活塞杆的直径为 30mm , 设转向轮的最大转角为20则活塞杆的长度取为600mm。活塞杆在导向套中移动，一般采用的配合，圆度和圆柱度公差不大于直径公差的一半 ，为了提高活塞杆的耐磨性和防锈性，活塞杆的表面需进行镀铬处理 镀层厚0.030.05 mm 并进行表面抛光。(6)导向套的设计计算图3-7 导向套 其中 S活塞工作行程 S =130mm D 动力缸直径 D=50mm取 H= 20mm ，取B =10mm导向套外圆与端盖孔的配合多为，内孔与活塞杆的配合多为，外圆与内孔的同轴度公差不大于0.03 圆度和圆柱度公差不大于直径公差的一半。2油泵与油罐容积的计算和选择(1)油泵排量与油管容积的计算=6419=6.42 式中 油泵的计算排量； 扭杆弹簧直径；油泵的容积效率，计算时一般取了0750 85,根据同类汽车设计参数取=0.8；漏泄系数，005010，根据同类汽车设计参数取=0.10；转向盘转动的最大可能频率，计算时对轿车取=1.5 1.7 ；对货车取=0.51.2 ，取=1.5 （2）油泵的选择动力转向系统采用的转向油泵的类型很多，如齿轮泵、叶片泵、柱塞泵。也有少量车型采用滚子油泵。近年来国内外汽车采用叶片泵的越来越多，当然仍有部分车型采用齿轮泵。叶片式转向油泵之所以使用越来越广泛。主要有以下几个方面原因：尺寸小，它比同样排量的齿轮泵尺寸小2030，因此结构紧凑，容易布置； 工作压力高可以实现13-15Mpa，容积效率高；容易实现流量系列化，一般为每分钟2.5、4、6.3、10、12、16、20和25L；叶片泵一般分为单作用式叶片泵和双作用式叶片泵两大类，前者多制成变量泵，后者则为双作用泵，而双作用泵可组成双级泵双作用泵、双联泵、与多联泵。我设计的动力转向系统用的是双作用式叶片泵，其工作原理及主要特点有：叶片在转子的叶片槽内滑动，由叶片、定子、转子和配流盘间密封腔容积的变化输出压力油，每转每一密封腔吸、排油各二次。优点：结构紧凑。尺寸小，自吸能力较好，噪声低，压力和流量脉动小，价格较低。缺点：对油液清洁度要求较高，抗污染能力比齿轮泵差，转速范围受到一定的限制。根据计算部分得到的流量，由液压元件手册及工作情况选择叶片泵，型号为YBD10,其主要参数有：排量10；额定压力10；额定转速1000,最高转速2000r/min；驱动功率2.2；外形尺寸；（3）油罐的确定转向油罐的功能主要是：储存油液，向油泵及系统供油；散热、降低油液的工作温度；滤清油液杂质，保证工作油液清洁度。如典型转向油箱剖面图。 转向油罐一般是单独安装,也有直接安装在转向油泵上。 油箱形状可根据安装位置而定，般做成圆筒形油箱的高度般近似等于其内径。 油箱内应装滤网，滤网可用铜丝布。滤网装在回油口上，不要装在出油口上，以免增加油泵的吸油阻力。油箱的油平面应比油泵的入口高。为降低油温油箱应装在风扇来风的通道上、以保证油温低于70 oC。油箱的容积不宜太小，否则会使高压油中容易产生气泡，从而影响动力转向的效果。一般油箱容积可取油泵在溢流阀限制下最大排量U的15一20。3.管路的设计动力转向系各元件的连接管路应尽量短，拐弯要尽量少，以减少沿程和局离力转向系的效率。（1）油管内径的计算油管的内径d可按下式计算： 式中：Q通过管道的最大流量，即加力油缸所需工作油液的最大流量，L/min； v允许流速，ms。推荐流速的许用值为：油泵吸入管：v1.0一1.5ms；油泵排油管：v2.53.5ms；回油管路：v3m/s；短管或局部收缩处：v5.0一5.5m/s。（2）油管的壁厚为保证油管有足够的强度，管壁厚度按薄壁筒的强度计算公式进行计算： 式中：p工作压力，N d油管内径，mm 许用应力，N对钢管： 式中：抗拉强度 n安全系数 当p7Nmm2时，n=8 pl 75 N时n6 p175 N 时，n4 对铜管：25N油管内径和壁厚算出以后，即可根据液压手册管材品种规格表选择标准管径和壁厚。油泵吸入管内径的计算： =1.296.5mm =1.295.3 mm所以根据以上数据取油泵吸入管内径为=6 mm。油泵排油管内径的计算:=1.294.11 mm=1.23.48mm ， 所以根据以上数据取油泵排油管内径为4mm。回油管路内径的计算：=1.293.75 mm所以根据以上数据取回油管路内径为=4mm。短管或局部收缩处油管路内径的计算：=1.293mm=1.292.8 mm所以根据以上数据取短管或局部收缩处油管路内径为=3 mm。4.电动机的功率的确定因为电动机和泵之间的扭矩传递损失很小，所以可以认为扭矩值非常接近于根据提供足够助力需求所计算得到的扭矩值。首先，取一个安全系数n(11.2),可以得到电动机的额定输出扭矩，则电动机的额定功率为=2.4KW33 动力转向系统方案校核1.活塞杆的校核强度的计算：由上面在计算缸径的时候得出活塞杆的直径为d=30mm，现对活塞杆的强度进行校核，活塞杆的材料采用的是优质碳素钢45#，由此可知其 许用应力 MPa屈服应力 MPan 安全系数 n=3.55 根据要设计的货车，取该安全系数为5活塞杆的强度计算： 其中F液压缸的载荷 d活塞杆的直径 所以，活塞杆的强度可以达到。2.扭杆弹簧的校核由上面可知，扭杆弹簧的理论钢度可达。扭杠弹簧实际需要的钢度为： 方向盘驾驶员最大用的手力方向盘直径扭杆弹簧最大转动转角 可见 且 n安全系数 由上面可知，扭杆弹簧的最大剪应力为 扭杆弹簧的材料采用40Cr ， ，合乎最大剪应力的要求。第四章 毕业设计结论与小结我们可以发现普通液压助力设备麻烦，坛坛罐罐的液压装置比较多，能耗损失相对较大。电子液压可以看作是液压助力的升级，省却了一些复杂的液压装置，直接采用电动泵来实现方向助力，一方面降低了液压的设备繁杂和能耗损失，另一方面液压的工作可靠性仍然保持，而且能够随低速高速自动助力大小。电动助力就更直接，这是助力发展的趋势，他完全不用复杂的液压设备，直接用电机给方向柱提供助力调节。以前电动助力最大不足，就是汽车发电机发电功率有限，那么能提供的转向动能也很有限，如果车身较重，转向系统需要提供较大的助力能量，那么电子助力转向就显得力不从心。所以电子助力转向多用于小排量车上。现在连奥迪A6L这样中大型车都可以采用电动助力，可见人类技术进步还是比较快的。电子液压动力转向系统虽然采用了电能作为动力源，但是仍然保留有液压动力传递系统，因此电子液压助力转向系统仍然具有一些机械液压助力转向系统缺点，例如系统结构复杂，以及液压管路有泄漏的可能等问题。综上所述，总结出电子液压助力转向系统：由电动机直接带动液压泵工作。 工作顺序：蓄电池-电动机-液压泵-助力到转向机构特点：有液压泵，液压油，无皮带，结构紧凑，压力稳定，助力力矩好控制，较容易实现低速方向轻，高速时方向重。致 谢本次毕业设计虽然仅仅经历了短暂的三个月，但是它浓缩了大学四年学习的全过程，体现了我们对所学知识的掌握和领悟程度。由于我们是第一次进行整体性地设计，不可避免地碰到了许多困难，有时甚至会感到无法下手。无论碰到什么样的业设计期间，老师给予了极大的关心和帮助：无论是在转向器实物寻找和拆装、疑难解答还是在图纸绘制方面，指导老师以严谨求实的治学态度给我们留困难，我都没有退缩，凭借着一股求知的热情，再加上指导老师的帮助，然后再回到书本攻克一个又一个的难题，最终圆满地完成了本次设计。首先我要向指导老师致以最诚挚的谢意！毕下了深刻的印象，成为我们现在以至将来走上工作岗位学习的楷模。其次，我要感谢实验室老师所提供的物质条件，保证了毕业设计的顺利进行。在毕业设计过程中，有很多同学给的大力支持，为我们提供的良好的毕业设计环境。在汽车实验室的毕业设计期间，我们充分使用了实验室予了我宝贵意见，在此一并感谢！通过这次设计，我学到了很多有用的东西，首先从大的方面来讲，设计过程就是把四年所学知识作了全面的串接和温习过程，对以前许多模糊之处有了重新的认识。我的毕业设计课题是汽车动力转向系的设计，开始做时走了不少弯路，鉴于动力转向这块，大体上相同，都是泛泛而谈，涉及到的细节不多，甚至有许多错误，不同的人编写的书，有许多地方出入很大，不知信谁的，又没有标准，导致盲目地摸索，费了许多时间。这次我的最大收获是明白了无论做什么事件，多要有一个好的可行性思路，按照大体框架，做起来才比较得手，对“良好的开端是成功的一半”有了深刻理解。它对我以后的工作也垫定了良好的基础，对其有着很多的启示和借鉴作用。最后再次感谢身边的老师和同学，在我大学四年的求学生涯以及此时毕业设计之际所给予的一贯支持和鼓励！在我结束毕业设计的同时，也结束了我的大学生活。这意味着我进入了人生新的起点，我会用我在学校所学到的知识在崭新的生活中不断进取，发奋图强。用我的事业成就来报答学校和老师对我的栽培，回报社会对我的关爱！参 考 文 献1 关文达.汽车构造M.北京：机械工业出版社，2009.2 胡建军，李彤.汽车转向技术进展分析J.液压与气动，2006.12.3 高建春，朱贤达.齿轮式转向机构J.上海应用技术学院学报，2003.1.4 新浪汽车.浅谈汽车转向系统OL.，2005.05.5