毕业设计（论文）轿车齿轮齿条转向器的设计01654

安徽工程大学毕业设计（论文）- 1 -齿轮齿条转向器设计齿轮齿条转向器设计摘摘 要要此次设计针对一款用于轿车的齿轮齿条转向器。论文详细讲述了该转向系统的基本构成、作用、技术要求以及整体的性能。与此同时，对该齿轮齿条转向器，进行了细致的布局，并对其空间结构进行详细的分析，确定转向器的结构和布置形式，精确分析其啮合传动的特点和传动效率。再根据该款轿车的各项数据，进行设计计算，确定转向器的传动比和其它几何参数。由此，接下来利用三维建模软件 PROE 画出转向器的各部分零件，并由此得出各部分零件图。进而组装，得出其装配图。再在此基础上，转换格式，导入到 ADMAS 软件中进行运动仿真分析。时代在前进，科技也不断向前发展，新技术，新材料层出不穷。齿轮齿条转向器，在不断的技术积累中，也得到了不断的创新提高，不断的向着轻便化，智能化的方向发展。关键词关键词:轿车；转向系统；齿轮齿条；转向器；传动比安徽工程大学毕业设计（论文）- 2 -Gear rack steering gear designAbstractThe design of pinion and rack steering gear is for cars. Papers detail the basic structure of the steering system, function, technical requirements and overall performance. At the same time, the steering rack and pinion, for a detailed layout and its spatial structure detailed analysis to determine the structure and arrangement of the steering, accurate analysis of the characteristics of the gear transmission and transmission efficiency. According to the data of cars which carry out design calculations determine the steering gear ratio and other geometric parameters. Thus, the use of 3 d modeling software PROE draw the steering parts, each part and draw the parts drawing. Further assembly; come to its assembly drawing. On this basis, then, the conversion format, imported into ADMAS software for motion simulation. Age in progress, is also continuous development of science and technology, new technology, new material emerge in endlessly. Pinion and rack steering gear, in constant accumulation, has been constantly innovation, constantly toward portable, intelligent direction.Keywords: saloon car; steering system; pinion and rack; steering gear; transmission ratio安徽工程大学毕业设计（论文）- 3 -目目 录录引言引言.6第一章第一章 绪论绪论.71.1 转向系统的设计要求.71.2 转向器的功用及分类.81.2.1 转向器的功用.81.2.2 转向器的分类.91.2.3 齿轮齿条转向器的优缺点.101.3 汽车转向器国内外现状及发展趋势.101.3.1 国内外现状.101.3.2 转向系的发展发展趋势.111.4 设计的主要内容.12第二章第二章 转向器的设计计算转向器的设计计算.132.1 转向系主要参数的确定.132.1.1 转向系传动比的确定.132.1.2 动力缸的设计计算.152.2 齿轮齿条转向器设计计算.172.2.1 主要设计参数的选择.172.2.2 齿轮齿条参数的计算.172.2.3 按齿根弯曲疲劳强度计算校核.182.2.4 按齿面接触疲劳强度校核.18第三章第三章 转向器三维模型的建立转向器三维模型的建立.193.1 转向器方向盘的建立过程.193.2 齿轮齿条模型建立的过程.223.2.1 小齿轮的建立过程.223.2.2 齿条的创建.243.2.3 动力缸的建立.273.3 转向器的装配过程.28第四章第四章 转向器的运动仿真分析转向器的运动仿真分析.304.1 MSC.ADAMS 软件介绍 .304.2 三维模型的导入过程和定义约束.314.2.1 模型的导入.314.2.2 定义约束.324.3 仿真实验与结果分析.33结论与展望结论与展望.36致谢致谢.37参考文献参考文献.38附录附录 A 外文文献及其译文外文文献及其译文.39附录附录 B 参考文献及摘要参考文献及摘要.51插图清单安徽工程大学毕业设计（论文）- 4 -图 1-1 转向系.6图 3-1 扫描对话框.18图 3-2 轨迹.18图 3-3 截面.22图 3-4 方向盘圆盘.22图 3-5 方向盘圆盘内部线条规划.23图 3-6 内部设计线条.23图 3-7 方向盘效果图.24图 3-8 关系对话框.25图 3-9 小齿轮效果图.27图 3-10 齿条效果图.28图 3-11 动力缸效果图.29图 3-12 部分零件图.29图 3-13 整体效果图.30图 4-1 文件导入对话框.35图 4-2 整体效果图.35图 4-3 方向盘转动角.38图 4-4 转向节转向角.38图 4-5 齿条位移图(一).38图 4-6 齿条位移图（二）.39表格清单表 1 齿轮主要设计参数17安徽工程大学毕业设计（论文）- 5 -引引 言言汽车产业是国民经济中支柱性的高科技产业，改革开放 30 年以来，中国汽车工业不断壮大，形成了中国特色的多样化、多层次的消费市场。然而人们对汽车的性能需求也越来越高。汽车已经不是单纯机械意义上的汽车了，它是机械、电子、材料等学科的综合产物。随着科学技术的发展，市场对汽车性能的要求也越来越高,特别是汽车的操纵稳定性，成为当代汽车研究的一个重要方面转向系的好坏直接影响到汽车的操纵稳定性、转向轻便性以及驾驶员的工作强度和工作效率，因此转向系统的设计是汽车设计中很重要的一个部分。 汽车在行驶过程中，经常需要换车道和转弯。驾驶员通过一套专门的机构汽车转向系，使汽车改变行驶方向。转向系还可以修正因路面倾斜等原因引起的汽车跑偏。转向系统不仅关系到汽车行驶的安全，还关系到延长轮胎寿命、降低燃油油耗等。伴随着现代汽车工业的发展而不断进步，高速公路和高架公路的出现，同向并行车辆的增多和行驶速度的提高及道路条件的变化，要求更加精确灵活的转向系统。安徽工程大学毕业设计（论文）- 6 -第一章第一章 绪论绪论1.1 转向系统的设计要求转向系是用来保持或者改变汽车行使方向的机构，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 1-1 转向系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-转向拉杆一般来说，对转向系统的要求如下：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 2050；无动力转向时为 50100N。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。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。应从设计上保安徽工程大学毕业设计（论文）- 7 -证各杆系的运动干涉足够小。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。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。汽车在作转向运动时，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。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。在任何行使状态下，转向轮不应产生摆振。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。转向灵敏性主要通过转向盘的转动圈数来体现，主要由转向系的传动比来决定。操纵的轻便性也由转向系的传动比决定，但其与转向灵敏性是一对矛盾，转向系的传动比越大，则灵敏性提高，轻便性下降。为了兼顾两者，一般采用变传动比的转向器，或者采用动力转向，还有就是提高转向系的正效率，但过高正效率往往伴随着较高的逆效率。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。转向轮的回正能力是由转向轮的定位参数（主销内倾角和主销后倾角）决定的，同时也受转向系逆效率的影响。选取合适的转向轮定位参数可以获得相应的回正力矩，但是回正力矩不能太大又不能太小，太大则会增加转向沉重感，太小则会使回正能力减弱，不能保持稳定的直线行驶状态。转向系逆效率的提高会使回正能力提高，但是会造成“打手”现象。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。1.2 转向器的功用及分类1.2.1 转向器的功用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。汽车转向系统就是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向。转向器作为转向系的重要组成部分，其作用如下：1、增大来自转向盘的转矩，使之达到足以克服转向轮与路面之间的转向阻力矩 ；2、将与转向传动轴连接在一起的主动齿轮的转动，转换成齿条的直线运动而获得所需要的位移 ；3、通过选取不同的螺（蜗）杆上的螺纹螺旋方向，达到使转向盘的转向方向与转向轮转动方向协调一致的目的。4、增大由转向盘传到转向节的力并改变力的传递方向，获得所要求的摆动速度和角度。对转向系提出的要求有：安徽工程大学毕业设计（论文）- 8 -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，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；10）进行运动校核，保证转向轮与转向盘转动方向一致。1.2.2 转向器的分类汽车转向系统分为两大类： 机械转向系统和 动力转向系统。完全靠驾驶员手力操纵的转向系统称为 机械转向系统 ；借助动力来操纵的转向系统称为 动力转向系统。动力转向系统又可分为液压动力转向系统和电动助力动力转向系统。对于转向器按结构形式可分为多种类型。历史上曾出现过许多种形式的转向器，目前较常用的有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球式转向器等。齿轮齿条式转向器 :(1)结构 主要由转向齿轮、转向齿条、转向器壳、调整螺钉等组成。(2)工作过程 驾驶员通过转向操纵机构，转向齿轮转动，从而使转向齿条移动，转向齿条通过转向直拉杆，转向摆杆和左右转向横拉杆，使两车轮绕主销偏转。蜗杆曲柄指销式:(1)结构主要由摇臂轴、指销、蜗杆等组成。(2)工作过程 它是以蜗杆为主动件，曲柄销为从动件的转向器。蜗杆具有梯形螺纹，手指状的锥形指销用轴承支承在曲柄上，曲柄与转向摇臂轴制成一体。转向时，通过转向盘转动蜗杆、嵌于蜗杆螺旋槽中的锥形指销一边自转，一边绕转向摇臂轴做圆弧运动，从而带动曲柄和转向垂臂摆动，再通过转向传动机构使转向轮偏转循环球式转向器 :(1)结构 循环球式转向器一般有两级传动副组成：第一级是螺杆螺母传动副；第二级一般采用齿条齿扇传动副。 (2)工作过程这种转向装置是由齿轮机构将来自转向盘的旋转力进行减速，使转向盘的旋转运动变为涡轮蜗杆的旋转运动，滚珠螺杆和螺母夹着钢球啮合，因而滚珠螺杆的旋转运安徽工程大学毕业设计（论文）- 9 -动变为直线运动，螺母再与扇形齿轮啮合，直线运动再次变为旋转运动，使连杆臂摇动，连杆臂再使连动拉杆和横拉杆做直线运动，改变车轮的方向。它的原理相当于利用了螺母与螺栓在旋转过程中产生的相对移动，而在螺纹与螺纹之间夹入了钢球以减小阻力，所有钢球在一个首尾相连的封闭的螺旋曲线内循环滚动，循环球式故而得名。1.2.3 齿轮齿条转向器的优缺点齿轮齿条转向器是一种最常见的转向器。其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条。转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。所以，这是一种最简单的转向器。齿轮齿条式转向器因其结构简单、价格低廉、质量轻、刚性好、使用可靠，近年来在世界，特别是在欧洲得到广泛的应用，现在除了在轿车上使用外，在轿车上使用外，在轻型汽车、微型汽车、赛车上也得到了推广。优点:(1) 构造筒单,结构轻巧。由于齿轮箱小,齿条本身具有传动杆系的作用,因此,它不需耍循环球式转向器上所使用的拉杆。 (2) 因齿轮和齿条直接啮合,操纵灵敏性非常高。 (3) 滑动和转动阻力小,转矩传递性能较好,因此,转向力非常轻。 (4) 转向机构总成完全封闭,可免于维护。(5) 刚度大，使转向系统的自由行程变小 (6) 可自动补偿齿轮和齿条见产生的间隙，并有均匀的固有阻尼。缺点:(1) 由于摩擦较小，所以冲击敏感性较高。(2) 当采用两端输出结构时，转向拉杆长度受到限制，容易与悬架系统导向机构产生跳动干涉。(3) 转向传动比随车轮转角的增加而下降。(4) 采用可变速比时，普通工艺较难实现。1.3 汽车转向器国内外现状及发展趋势1.3.1 国内外现状转向器是转向系主要构成的关键零件，随着电子技术在汽车中的广泛应用，转向装置的结构也有很大变化。从目前使用的普遍程度来看，主要的转向器类型有 4 种：有蜗杆指销式(WP 型)、蜗杆滚轮式(WR 型)、循环球式(BS 型)、齿轮齿条式(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。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。安徽工程大学毕业设计（论文）- 10 -在国外，循环球式转向器实现了专业化生产，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 BURM#0；AN 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。1.3.2 转向系的发展发展趋势转向系是用来保持或者改变汽车行使方向的机构，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。传统的汽车转向系统是机械式的转向系统，汽车的转向由驾驶员控制方向盘，通过转向器等一系列机械转向部件实现车轮的偏转，从而实现转向。 近年来，随着电子技术在汽车中的广泛应用，转向系统中也愈来愈多地采用电子器件。转向系统因此进入了电子控制时代，相应的就出现了电液助力转向系统。电液助力转向可以分为两类 ：电动液压助力转向系统 EHPS（Electro-Hydraulic Power Steering）和电控液压助力转向 ECHPS（Electronically Controlled Hydraulic Power Steering）。电动液压助力转向系统是在液压助力系统基础上发展起来的，与液压助力系统不同的是，电动液压助力系统中液压系统的动力来源不是发动机而是电机，由电机驱动液压系统，节省了发动机能量，减少了燃油消耗。电控液压助力转向也是在传统液压助力系统基础上发展而来，它们的区别是，电控液压助力转向系统增加了电子控制装置。电子控制装置可根据方向盘转向速率、车速等汽车运行参数，改变液压系统助力油压的大小，从而实现在不同车速下，助力特性的改变。而且电机驱动下的液压系统，在没有转向操作时，电机可以停止转动，从而降低能耗。虽然电液助力转向系统克服了液压助力转向的一些缺点。但是由于液压系统的存在，它一样存在液压油泄漏的问题，而且电液助力转向系统引入了驱动电机，使得系统更加复杂，成本增加，可靠性下降。 为了规避电液助力转向系统的缺点，电动助力转向系统 EPS（Electric Power Steering）便应时而生。它与前述各种助力转向系统最大的区别在于，电动助力转向系统中已经没有液压系统了。原来由液压系统产生的转向助力由电动机来完成。电动助力式转向系统一般由转矩传感器、微处理器、电动机等组成。基本工作原理是 ：当驾驶者转动方向盘带动转向轴转动时，安装在转动轴上的转矩传感器便将转矩信号转化为电信号并传送至微处理器，微处理器根据转矩信号并结合车速等其他车辆运行参数，按照事先在程序中设定的处理方法得出助力电动机助力的方向和助力的大小。自1988 年日本铃木公司首次在其 Cervo 车上装备该助力转向系统至今，电动助力转向系统己经得到人们的广泛认可。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。1.4 设计的主要内容安徽工程大学毕业设计（论文）- 11 -本次设计的课题来源于东风（集团）有限责任公司，以某款轻型汽车转向器的参数作为依据，设计一款适用于本公司某轻型车的转向器。根据该车型对于市场的定位及对制造成本的考虑，同时参考同类车型的转向系统，将该车的转向系统设计为一款机械式转向系统，对转向系系统做简单分析，并进行转向器零件设计、整体设计，同时按以下步骤对转向器及零部件进行设计方案论证：第一步对所选的转向器总成进行剖析；第二部利用所学的知识对总成中的零部件进行力学分析和分析；第三步对分析中发现的不合理的设计进行改进。安徽工程大学毕业设计（论文）- 12 -第二章第二章 转向器的设计计算转向器的设计计算2.1 转向系主要参数的确定2.1.1 转向系传动比的确定转向阻力矩wM 与前轮（转向轴）负荷、轮胎尺寸和机构、前轮定位参数、车速和道路条件等多种因数有关，要准确计算转阻力矩是很困难的，通常是以汽车在静止时做原地转向的阻力矩作为转向阻力矩。根据原地转向的试验结果总结出来的经验计算公式为1PGMW313 (2-1)式中wM -转向阻力矩（Nm） -轮胎与地面滑动摩擦系数，一般令=0.71G-前轴（转向轴）负荷，按汽车设计取满载质量的 55%，轿车满载质量为1210kg。1G=55%*1210*9.8=6521.9NP-轮胎气压，取 0.24aMP则PGMW313=250.86 Nm转向系的传动比直接影响车辆的机动性和操控轻便性。转向系的传动比包括力传动比pi 和角传动比woi。转向系力传动比：转向系力传动比是指从轮胎接触地面中心作用在两个转向轮上的合力 2wF 与作用在转向盘上的手力hF之比，即pi =hwFF2 (2-2)安徽工程大学毕业设计（论文）- 13 -转向阻力 2wF 等于转向轮的转向阻力矩wM 与转向力臂之比 2wF =wM (2-3)式中为主销偏移距，即转向力臂，指从转向节的主销轴线的延长线与支撑平面的焦点至车轮中心平面与支撑平面交线间的距离。通常轿车的a值在 0406 倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取。转向盘的直径 D 有一系列尺寸。选用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，在转向时，驾驶员要施加较大的力量，从而使汽车难于操作，根据原始数据及相关手册取 D=380mm,则由作用在方向盘上的力矩 hM =25mN 作用在转向盘上的手力hF等于转向盘的力矩hM与转向盘的半径 R 之比hF=RMh (2-4)则hF=RMh=131.5N 由公式(2-1)、(2-2)、(2-3) 则pi =hwMRM2 (2-5) 若忽略摩擦损失 hwMM2=kdd =woi (2-6) d为转向盘转角增量；kd为转向节转角增量。从式(2-6)可以看出，当转向节转角（车轮转角）k一定后，woi的大小直接影响轻便性与机动性，woi大转向轻便，但转向盘的转动圈数增加，机动性降低。对机械转向的汽车，woi可选大值，已达到转向轻便的目的;对于动力转向的汽车，轻便性不成问题，所以woi取小值。对一定车型woi都有一个大致的范围，一般情况下，机械转向的汽车，轻型车woi在 1523 之间，中型车 2530 之间。2则 pi =Riwo (2-7)安徽工程大学毕业设计（论文）- 14 -转向系的角传动比woi： 转向系角传动比指转向盘转角和驾驶员同侧的转向轮转角之比，它由转向器角传动比wi和转向传动装置角传动比wi 所组成，即woi=wiwi (2-8)转向器角传动比等于转向盘的转向角和转向器转向臂轴的转角p之比wi =p (2-9)转向传动装置的角传动比等于转向臂轴的转角p之比wi =kp (2-10)将（2-9） 、 （2-10）带入式（2-8）得 woi=k (2-11)由以上过程可计算出结果如下：1） 角传动比 woi=hwMM2=2*250.86/25=20.072） 力传动比 pi =Riwo 取=21B=21*B=90 式中 B 为轮胎面宽度，轻型车一般为 165195。 则pi =20.07*190/90=42.372.1.2 动力缸的设计计算根据转向横拉杆与车轮之间的垂直距离 L=0.2m 计算得：F=LMw=250.07/0.2=1250.35N式中：F 为转向横拉杆上的理论推力。动力缸对于整体动力缸活塞与转向器均布置在同一个由 QT400-18 或 KTH350-10 制造的转向器壳体内，活塞与齿条制成一体。安徽工程大学毕业设计（论文）- 15 -在动力缸的计算中需确定其缸直径、活塞行程活塞杆直径以及缸筒壁厚。动力缸壳体采用 ZL105 铸造而成，缸内表面应光洁，粗糙度aR =0.320.63，硬度为 HB241285，活塞采用优质碳素钢 45 号钢；活塞与缸筒之间的间隙采用橡胶密封圈。（1）缸径cD 的计算 由上面可知，转向系统要求动力缸所提供的动力为 2900N，动力缸的缸径尺寸cD 可由作用在活塞上的力的平衡计算，得cD =621014. 34pFd （2-12）式中：P 为供油压力，MPa，设计时取 P=13MPa；d 为活塞杆直径；F 为液压缸理论推力。根据液压设计手册中推荐的活塞杆直径系列初选 d=20mm cD =623101014. 33 .12504)1020(0.0237m取 D=35，此时，符合 d=（3185）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=0.7mm。活塞的外径配合一般采用 H7/f9 的配合公差带，外径和内径的同轴度公差不大于0.02，端面与轴线的垂直公差度公差不大于 0.04mm/100mm,外表面的圆度和圆柱度一般不大于外径公差的一半，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号钢。（3）活塞行程计算s=12e +1s +b式中：1e 为导向游隙， （0.50.6）D; 1s 为活塞杆行程；b 为活塞宽度。1s 的取值可根据同类汽车的活塞杆行程，初取1s =131mm。（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安徽工程大学毕业设计（论文）- 16 - ntDDPnttDDpscczsccr2222412 (2-13)式中：p为缸内压力，取maxP =13MP;cD 为动力缸直径，mm；t 为动力缸壳体厚度，mm；n 为安全系数，n=3.55.0；s为壳体的屈服点。壳体采用铸造铝合金 ZL105，抗拉强度为 500MPa，屈服点为 160230MPa。 r =135 . 323014024022tt z=135 . 32304044022tt t8 . 8 取 t=10mm。2.2 齿轮齿条转向器设计计算对具体零件的设计计算，期中齿轮的设计时依据参数的确定，通过对齿面接触应力、齿根弯曲应力的计算来校核其强度，从而确定具体尺寸。同时也要对活塞杆以及转阀中的扭杆进行强度校核。2.2.1 主要设计参数的选择 名称代号 数值 模数m 2 齿数z 8 压力角 20 齿顶高系数ah 1 顶隙系数c 0.25 表 1 齿轮主要设计参数安徽工程大学毕业设计（论文）- 17 -2.2.2 齿轮齿条参数的计算齿轮计算过程如下mmzmdn4 .1612cos82cosmmmhddana4 .201224 .162mmdf4 .1154 .16齿条的计算过程如下mmmhhaa212*mmmchahf5 . 2225. 1*ah为齿顶高系数（=1）;*c为顶隙系数(0.25);全齿高等于 4.5mm;齿距semP2228. 6214. 32.2.3 按齿根弯曲疲劳强度计算校核FanSaFatFbmYYYKF (2-14)式中：K 为计算载荷系数KKKKKvA;AK 为使用系数，AK =1.0;VK 为动载荷系数，VK =1.2；K 为齿间载荷分配系数，K =1.0；K 为齿向载荷分配系数，K =1.4。68. 14 . 10 . 12 . 10 . 1KFaY为直齿轮的齿形系数，查取FaY=2.72；SaY 为直齿轮的应力校正系数，为1.57；Y为螺旋角影响系数，为 0.7；a为断面重合度，为 1.211；b为齿宽，b=40mm。MPaF4 .30211. 15407 . 057. 172. 28 .97068. 1因为齿轮材料用 45 号钢，根据手册查得： F=330MPa，可以看出 FF，合乎设计要求。安徽工程大学毕业设计（论文）- 18 -2.2.4 按齿面接触疲劳强度校核HEHatHZZuubdKF11 (2-15)式中HZ 为区域系数，设计时取HZ =2.6；EZ 为弹性影响系数，设计时取，EZ =188；H为齿面接触允许硬度，H=650700MPa。MPauuH9 .6888. 16 . 21211. 14 .16408 .97068. 1第三章第三章 转向器三维模型的建立转向器三维模型的建立此次设计使用三维设计软件 Pro/E,即 Pro/ENGINEER（简称 Pro/E）是美国 PTC 公司开发的参数化三维设计软件，它是当今主流的三维 CAD/CAM 软件之一，广泛应用于机械、模具、工业设计、汽车、航天、电子、通信、家电、玩具等各行各业。Pro/ENGINEER Wildfire5.0 版，是 PTC 公司相对较新的版本，相对于老版，增添了不少的功能。3.1 转向器方向盘的建立过程(1)单击工具栏的文件按钮新建文件，弹出【新建】对话框。选择零件、实体，重新命名为 fangxiangpan，取消【使用缺省模板】 ，点击确定。(2)点击【插入】 ，选择下拉菜单中的【扫描】 ，进入如下界面，如图 3-1。接着定义对话框中的轨迹，轨迹为半径为 380mm 的圆，如图 3-2，图 3-3；截面为 35mm的圆，都完成之后，点击确定。这就完成了第一步，方向盘圆环的建立，如图 3-4。图 3-1 扫描对话框 安徽工程大学毕业设计（论文）- 19 -图 3-2 轨迹 图 3-3 截面图 3-4 方向盘圆盘(3)点击【草绘】 ，在 top 面内进行草绘，完成这一步之后，进行内部造型规划。再次单击【草绘】 ，进入草绘界面后，点击菜单栏中的【草绘】 ，选择下拉菜单中的【参照】再点击过滤窗口，选择【边】 ，然后在图形中选择方向盘圆盘的内边，点击构造线按钮，绘制出图 1 的形状的三个圆，大小分别为 80mm、193.57mm、255.72mm，完成这一步后，再点击草绘，以 Top 面为草绘平面，绘制出如图 2 的线条，先画出，左边的一半，然后，选择左边的这一半，然后点击【镜像】 ，选择中间轴线，又半部分的线条就能完成。这样，就完成了内部线条的规划，如图 3-5。安徽工程大学毕业设计（论文）- 20 -图 3-5 方向盘圆盘内部线条规划图 3-6 内部设计线条(4)点击【插入】 ，选择下拉菜单中的【造型】 ，进入【造型】界面之后，点击【设置活动平面】 ，将活动平面设置为 Front 面，点击鼠标右键，选择【活动平面方向】 ，绘制线条，再选着 Right 面，用同样的方法绘制两条线，绘制完成后，进行适当调整，最后点击确定【确定】退出造型，如图 3-6。(5)点击【插入】 ，选择下拉菜单中的【混合曲面扫面】 ，进入界面后，按住 ctrl 键，选择横向的两条线，右击鼠标，选择【第二方向曲线】 ，再按住 ctrl 键，选择纵向的两条线，点击【确定】 。再以同样的方法做出其它两个面。(6)选着两个曲面，点击合【合并】 ，并且可以修建掉多余的部分，无法用合并去掉的部分，就使用【修建】去除多余部分。合并完成后，点击【编辑】 ，选择下拉菜单中的【填充】 ，将整个曲面封闭，最后再将真个曲面合并为一个曲面。(7)点击编辑，选择下拉菜单中的【实体化】 ，将整个曲面变成一个实体。最后，对各个棱角倒圆角。并添加必要的轴，为装配做准备。效果如图 3-7。安徽工程大学毕业设计（论文）- 21 -图 3-7 方向盘效果图3.2 齿轮齿条模型建立的过程3.2.1 小齿轮的建立过程1. 新建文件(1)依次执行【文件】|【新建】菜单命令，或者单击【文件】工具栏上的【创建新对象】按钮，打开【新建】对话框。(2)在【名称】文本框中输入文件名“xiaochilun” ，单击取消【使用缺省模板】复选框的缺省选中状态，保持该对话框中其它缺省设置不变，单击【确定】按钮。(3)在打开的【新文件选项】对话框中单击选取“mmns_part_solid”选项，单击【确定】按钮，进入零件环境。 2.创建参数(1)依次执行【工具】|【参数】菜单命令，打开【参数】对话框。(2)单击【参数】对话框中的【添加新参数】按钮，输入参数名称“z” ，保持缺省的“实数”类型不变，将“值”设置为 8，在“说明”列的文本框中输入参数的注释“齿数” 。(3)单击【参数】对话框中的【添加新参数】按钮，输入参数名称“m” ， 保持缺省的“实数”类型不变，将“值”设置为 2，在“说明”列的文本框中国输入参数的注释“模数” 。(4)单击【参数】对话框中的【添加新参数】按钮，输入参数名称“ha” ， 保持缺省的“实数”类型不变，将“值”设置为 1，在“说明”列的文本框中国输入参数的注释“齿顶高系数” 。(5)单击【参数】对话框中的【添加新参数】按钮，输入参数名称“alpha” ， 保持缺省的“实数”类型不变，将“值”设置为 20，在“说明”列的文本框中国输入参数的注释“压力角” 。(6)单击【参数】对话框中的【确定】按钮，关闭【参数】对话框。安徽工程大学毕业设计（论文）- 22 -3.创建关系式(1)依次执行【工具】|【关系】菜单命令，打开【关系】对话框，创建关系式，如图3-8。(2)单击【查找范围】选项组中左侧的下拉列表框，单击选取下拉列表中的【零件】选项。单击右侧的下拉列表框，在弹出的下拉列表中单击选取【xiaochilun】文件。 (3)在【关系】文本框中输入下面的关系式，按“Enter”键换行。D=m*zda=(z+2*ha)*mdf=(z-2*ha-2*c)*mdb=d*cos(alpha) 图 3-8 关系对话框(4)输入完成后，单击【关系】对话框中的【确定】按钮，完成关系式的创建。4.创建基准草绘(1)依次执行【插入】|【模型基准】|【草绘】菜单命令，或者单击【基准】工具栏上的【草绘工具】按钮，打开【草绘】对话框。(2)单击选取“Front”面作为草绘平面。保持对话框汇总的其它缺省设置不变，单击【草绘】按钮，进入草绘环境。(3)绘制 4 个任意直径的圆。(4)依次执行【工具】|【关系】菜单命令，打开【关系】对话框。在【关系】对话框中输入（sd0=df sd1=db sd2=d sd3=da）关系式，按“Enter”键换行。(5)单击【确定】按钮，结束基准草绘图元的绘制。5.创建渐开线(1)依次执行【插入】|【模型基准】|【曲线】菜单命令，或者单击【基准】工具栏上的【插入基准曲线】按钮，打开菜单管理器。(2)在菜单管理器中依次执行【从方程】 、 【完成】菜单命令，打开【选取】对话框和【曲线：从方程】对话框。安徽工程大学毕业设计（论文）- 23 -(3)在工作窗口或者模型树种单击选取系统坐标系，在菜单管理器中执行【笛卡尔】菜单命令，打开一个记事本文档，在记事本文档输入渐开线方程。r=db/2theta=t*55x=r*cos(theta)+sin(theta)*theta*pi/180y=r*sin(theta)-r*cos(theta)*theta*pi/180z=0(4)在记事本中依次执行【文件】|【保存】菜单命令，保存输入的渐开线方程。接着在记事本中依次执行【文件】|【退出】菜单命令，关闭记事本。(5)单击【曲线：从方程】对话框中的【预览】按钮，预览创建的基准曲线特征。预览无误后，单击【曲线：从方程】对话框中的【确定】按钮，完成基准曲线的创建。6.创建齿轮轮胚(1)依次执行【插入】|【拉伸】菜单命，激活拉伸操控板。(2)单击拉伸控制板中的【拉伸为实体】按钮，将拉伸操作作为设置为实体模型。(3)以齿顶圆为轮廓，拉伸一个圆柱，圆柱的度为齿轮的齿宽 b。(4)创建基准点 PNT0。以创建的渐开线和分度圆为基准。再以 Top 面和 Right 面为基准创建轴 A_1。接着以点 PNT0 和轴 A_1 创建面 DTM1。再将 DTM1 偏转 90/Z 得到 DTM2。(5)将渐开线以 DTM2 为镜面，镜像。这样，得到两个对称的渐开线。以齿根圆和和两条对称的渐开线以及齿顶圆组成的封闭图形。拉伸，去除材料。7.阵列齿槽(1)在工作窗口或者模型树种单击选中创建的齿槽特征，依次执行【编辑】|【阵列】菜单命令，激活阵列控制面板。(2)单击操控板中的阵列参照类型下拉列表框，单击选取下拉列表中的【轴】选项。(3)单击控制板中的【选取项目】列表框，在工作哦窗口中单击选取旋转特征的中心轴线 A_1 轴。将阵列数目和阵列角度分别设置为“8”和“360/Z” 。单击完成。8.创建其它特征(1)点击【插入】|【拉伸】 ，创建轴承端。(2)创建油槽。整体效果如图 3-9。图 3-9 小齿轮效果图安徽工程大学毕业设计（论文）- 24 -3.2.2 齿条的创建1. 新建文件，进入编辑界面。2. 依次执行【插入】|【拉伸】菜单命，激活拉伸操控板。选择 Top 面，创建一个直径 38mm 的圆，点击。长度设置为 650mm，点击确定。3. 依次执行【插入】|【拉伸】菜单命，激活拉伸操控板。选择 Front 面，进入草绘后，创建一个长方形，长度为 110mm。点击确定后，选择去除材料。点击确定。4. 依次执行【插入】|【拉伸】菜单命，激活拉伸操控板。选择 Front 面，进入草绘后，创建一个梯形齿槽。点击确定后，选择去除材料。点击确定。5. 单击基准栏中的,激活阵列控制板。在第一个选择栏中选择【方向】 ，将阵列数目设置为 21，将阵列距离设置为 5mm。点击，即完成了齿条的创建。整体效果如图 3-10。图 3-10 齿条效果图3.2.3 动力缸的建立1.新建文件。2.依次执行【插入】|【拉伸】菜单命令，激活拉伸控制面板。3.创建底板。厚度为 12mm。4.创建缸体主体。以地板的一面为基面，拉伸长度为 250mm 的圆柱，截面为 56mm。创建拉伸，以 Top 面为基面，拉伸一个截面为 35mm 圆，长 250mm，选择去除材料。5.创建加强筋。在缸体表面创建一个边长为 1mm 的正方形，长为 250mm，选择实体。点击确定。单击基准栏中的，激活阵列控制板选择“轴” ，将阵列数目设置为 6，阵列角度设置为 60，点击确定。6.进行它部分的创建。最后进行倒圆角，进行工艺修缮。整体效果如图 3-11。安徽工程大学毕业设计（论文）- 25 -图 3-11 动力缸效果图3-12 部分零件图安徽工程大学毕业设计（论文）- 26 -3.3 转向器的装配过程转向器的装配过程 1.新建文件（1）依次执行【文件】|【新建】菜单命令，或者单击【文件】工具栏上的【创建新对象】按钮，打开【新建】对话框。（2）选择【组件】 ，在【名称】文本框中输入文件名“zhuanxiangqi” ，单击取消【使用缺省模板】复选框的缺省选中状态，保持该对话框中其它缺省设置不变，单击【确定】按钮。（3）在打开的【新文件选项】对话框中单击选取“mmns_asm_design”选项，单击【确定】按钮，进入组件环境。2.添加零件(1)依次执行【插入】|【原件】|【装配】 ，或者点击基准栏中的，选择第一个要添加的零件缸体。缸体作为其它零件的基准，其它零件添加时，都以缸体作为基准来设定各自的位置。因此缸体是固定不动的，故在第二栏里选择，点击。(2)依次执行【插入】|【原件】|【装配】 ，选择缸套，打开控制板，因为缸套相对于缸体是不动的，所以选择【刚性】 、 【配对】 、 【重合】 ，点击【放置】 ，选择，选择缸体的端面 F5 和套筒的端面 F5；再点击【新建集】 ，选择缸体曲面 F6 和套筒曲面 F6，选择，点击确定。(3)同样的方法，添加阀壳。(4)依次执行【插入】|【原件】|【装配】,选择阀芯，阀芯相对于小齿轮是静止的，故以刚性与小齿轮相配合。(5)依次执行【插入】|【原件】|【装配】,选择转向下轴，转向下轴与阀芯相对静止，故也选择刚性与阀芯相配合。(6)依次执行【插入】|【原件】|【装配】,选择齿条，打开控制板，齿条与阀体是滑动配对，故选择滑动杆，点击【放置】 ，点击【轴对齐】 ，选择齿条的中心轴 A_1、阀体 A_1；点击【旋转】 ，选择齿条的齿端面 F7、阀体底座侧面 F5。的中心轴 A_齿条端面与阀体端面的距离设定为 70mm。这一步，特别要注意需要将齿轮的分度圆与齿条的分度线进行相切，这一步关于装配体导入 ADMAS 软件建立齿轮副，所以显得尤其重要。5(7)其它零件以同样的方法装配到已经完成的主体上。整体效果如图 3-13。安徽工程大学毕业设计（论文）- 27 -图 3-13 整体效果图安徽工程大学毕业设计（论文）- 28 -第四章第四章 转向器的运动仿真分析转向器的运动仿真分析4.1 MSC.ADAMS 软件介绍ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国 MDI 公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。ADAMS 已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据 1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS 软件销售总额近八千万美元、占据了 51%的份额,现已经并入美国 MSC 公司。ADAMS 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。ADAMS 一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。ADAMS 软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱 5 类模块组成。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。Adams 是全球运用最为广泛的机械系统仿真软件，用户可以利用 Adams 在计算机上建立和测试虚拟样机，实现事实再现仿真，了解复杂机械系统设计的运动性能。MD Adams/Car应用 MD Adams/Car，技术团队可以快速建立和测试整车和子系统的功能化虚拟样车。这可以帮助在车辆研发过程中节省时间、降低费用和风险，提升新车设计的品质。通过。多学科的价值在于大大地拓广了数字分析的能力，MSC 的 MD 技术是优化的涵盖跨学科/多学科的集成，可以充分利用现有的高性能计算技术解决大量大规模的问题。多学科技术聚焦于提升仿真效率、保证设计初期设计的有效性、提升品质、加速产品投放市场。4.2 三维模型的导入过程和定义约束4.2.1 模型的导入由于版本的限制，Pro/E 建立的模型不能直接导入 ADAMS,因此需要一步中间操作，进行格式的转换。导入的过程如下：安徽工程大学毕业设计（论文）- 29 -（1） 找到转向器的 Pro/E 装配文件 asm_25,点击文件，由 Pro/E 打开后，依次执行【文件】|【保存副本（A） 】 ，打开对话框后，填写新名称为 zhuangxiangqi_25，类型选择为 Prasolid（*.x_t） ，单击 OK 按钮。（2） 打开 ADAMS 软件的 View 模块，进入此模块页面。点击新建 model 按钮，进入新建模型对话框，修改工作目录，点击 OK，进入工作页面。（3） 点击【File】 ，选择【import】 。进入对话框后，文件类型选择为 parasolid，第二项选择文件位置。命名模型名称为 yu，再点击 OK，转向器的装配图即导入了ADAMS，进入后，点击【View】下的【Refresh】 ，转向器的模型即可显现，见下图：图 4-1 文件导入对话框图 4-2 整体效果图（4）通过点击工具箱中按钮，将其变为实体轮廓，然后通过按钮（或左键+R）旋转，右击整体图中不同的 Part 分别进行拼音重命名，这样便于约束定义。4.2.2 定义约束运用 ADAMS 对虚拟样机进行仿真和一般的三维设计软件一样，需要在仿真前，对零部件进行约束定义，确定零部件之间的运动关系以及谁相对于谁运动的关系。在零部件之间添加运动副，没有相对运动的零件之间运用布尔运算链接在一起。（1）方向盘相对于转向器上轴是相对静止的，因此，对方向盘和转向器上轴添加布尔求和，将方向盘和转向器上轴链接起来，成为一个整体。安徽工程大学毕业设计（论文）- 30 -（2）对转向上轴和转向柱管添加旋转副，点击，选择 2 Bod-1 Loc 及 Pick Feature，选择实体，先点击方向盘，再点击转向柱管，中心选择方向盘的旋转中心，方向沿转向柱外壳轴线方向。则旋转副 1 建立完成。（3）将转向器的液压缸的三个部分，PART2、PART3、PART4 运用布尔求和，使上诉三个部分连接成为一个整体。点击，然后选择 PART2、PART3，完成后，得到 PART3，这样，PART2、PART3 即成为了一个整体 PART3。同样的方法，完成后，得到 PART4。（4）在上轴 U 型节及下轴的 U 型节施加万向副。双击按钮（单击为胡克副） ，选择 2 Bod-1 Loc 及 Pick Feature，选择实体，单击上轴 U 型节，再单击下轴的 U 型节，方向分别正确选取沿十字轴的轴线方向。则万向副 2 被建立。（5）在下臂和齿轮间施加圆柱副。点击按钮，选择 2 Bod-1 Loc 及 Pick Feature，选择实体，先选择下臂，在选择齿轮，中心选择下臂中心，方形沿轴线方向。则圆柱副 3 被建立。（6）在齿轮和转向器缸体之间建立旋转副。选择 2 Bod-1 Loc 及 Pick Featur，然后选择小齿轮和转向器缸体。中心选择齿轮中心，方向沿轴线方向，则螺旋副 4 建立。（7）在齿条和转向器缸体之间建立移动副。点击按钮，选择 2 Bod-1 Loc 及 Pick Feature，先选择齿条，再选择缸体 PART4，中心选择齿条中心，方向沿齿条轴线，移动副 5 建立。（8）在小齿轮和齿条之间建立齿轮副。第一步要找到共速 MARKER 点，点击按钮，选择 Add to Ground，Orientation 选择 Global XY，再点击按钮，在位移中填写5.25mm（即齿轮分度圆与齿条分度线切点） 。共速点重命名为 Marker_CV。再点击按钮，系统弹出一对话框，在 Joint Name 中填写旋转副 4 和移动副 5，共速点选择刚刚建立的点 Marker_CV。单击 OK，则齿轮副 6 建立。（9）有时，固定副由于连接点的数量较多，或者是连接点选择的不标准导致固定副的难以添加。这时候，可以选择使用布尔运算。对齿条和齿条球头副副套使用布尔求和，使这两个零件连接成为一个整体，再点击按钮，选择 2 Bod-1 Loc 及 Pick Feature，选择实体，先选择球头副套，在选择横拉杆，中心选择球头副套中心，方向选择轴方向，则球副 7 完成。若方向不对，可以通过右击该副选择 Modify，在弹出的对话框中点击按钮，系统又弹出一低昂对话框，在旋转角度中改写 90 度，选择x、y、z 轴中的正确一轴，调整球副 7，使其副轴线沿齿条中轴线。（10）将横拉杆接头和横拉杆运用布尔求和成其成为一个整体，再将横拉杆和销运用布尔求和，使其成为一个整体。转向柱销和大地之间施加固定副 8。两螺母和柱销之间施加固定副 9、10，摩擦盘和转向节施加固定副 12。（11）在转向节和转向横拉杆之间建立转动副 13，选择 2 Bod-1 Loc 及 Pick Feature，选择实体，先选择球头副套，在选择横拉杆，中心选择球头副套中心，方向选择轴方向，则球副 13 完成。（12）因为齿条