液压助力转向器的设计

摘 要汽车转向器是汽车的重要组成部分，也是决定汽车主动安全性的关键总成，它的质量严重影响汽车的操纵稳定性。随着汽车工业的发展，汽车转向器也在不断的得到改进，虽然电子转向器已开始应用，但机械式转向器仍然广泛地被世界各国汽车及汽车零部件生产厂商所采用。本文选择齿轮齿条式转向器作为研究课题，其主要内容有：汽车转向器的组成分类；转向器性能方案分析及其数据确定和转向器的设计过程。这种转向器的优点是，操纵轻便，成本低，转向灵敏度高，结构简单。缺点是一旦转向器发生泄漏会对环境造成一定的污染，对使用环境有一定的要求。但随着动力转向的应用，现在电控动力转向器（EPS）正在被广泛的应用。关键词：转向器 齿轮齿条 操纵稳定性 设计计算目 录1绪论.1 1.1汽车转向系统的概述 .1汽车转向系统的组成.1汽车转向系统的分类.1汽车对转向装置的基本要求.3 1.2齿轮齿条转向器的介绍.3 1.3汽车转向系统的发展趋势.32液压助力转向器及其主要部件工作分析.4 2.1液压助力转向器总体性能分析.4 2.2转向控制阀工作分析.4 2.3转向油泵工作工作分析.53设计方案的说明.5 3.1转向器设计输入信息.5 3.2传动比的计算.5 3.2.1方向盘的选择.5 3.2.2转向阻力矩的计算.6 3.2.3角传动比的计算.64齿轮的计算.7 4.1齿轮轴参数的选取.7 4.2齿轮轴结构设计.7 4.3齿轮齿条参数表.75主要零件的理论计算.8 5.1齿轮齿轮精度等级、材料及参数的选择.8 5.2齿轮轴齿轮接触疲劳强度计算.8 5.3齿轮轴齿轮弯曲疲劳强度计算.9 5.4齿轮轴设计计算.106其它零件的选择及润滑方式.12结论.13参考文献.14Abstract.15致谢.16液 压 助 力 转 向 器 的 设 计 老衲 指导老师：陈老师（安徽XX大学 08车辆工程 合肥 230036） 1绪 论改革开放以来，我国汽车行业迅猛发展，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。1.1转向系统的概述1.1.1汽车转向系统的组成一般的转向装置包括下述部件：转向盘、转向管柱、转向传动轴总成、转向器总成、转向拉杆总成。1.1.2汽车转向系统的分类1）机械式转向系机械式转向器的能量来源是人力，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。这种转向器有两对传动副组成，一对是螺杆、螺母，另一对是齿条、齿扇或曲柄销。在螺杆和螺母之间装有可循环滚动的钢球，使滑动摩擦变为滚动摩擦，从而提高了传动效率。 这种转向器的优点是，操纵轻便，磨损小，寿命长。缺点是结构复杂，成本高，转向灵敏度不如齿轮齿条式。因此逐渐被齿轮齿条式取代。但随着动力转向的应用，循环球式转向器近年来又得到广泛使用。当汽车转向时，驾驶员对转向盘施加一个转向力矩。该力矩通过转向轴、转向万向节、和转向传动轴输入转向器。经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向摇臂，再通过转向直拉杆传给固定于左转向节上的转向节臂，使左转向节和它所支撑的左转向轮偏转。从转向盘到转向传动轴这一系列零件和部件，均属于转向操纵机构。有转向摇臂至转向梯形这一系列零件和部件（不含转向节），均属于转向传动机构。目前较常用的机械式转向器有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、蜗杆滚轮式等。其中第二、第四种分别是第一、第三种的变形形式，而蜗杆滚轮式则更少见。方向盘转动使方向机蜗杆转动、涡杆与蜗轮咬合（也有循环球咬合的）涡轮轴带动方向机摇臂前后摆动，方向机摇臂通过球头销与竖拉杆相连、竖拉杆另一端与左前轮轴头摇臂相连，轴头摇臂通过立销（主销）与前桥相连，摇臂前后摆动就可使车轮轴头（沿主销）左右转向了，左前轮通过横拉杆与右车轮相连，这样转动方向盘就可以让左右前轮同时转向了2 汽车行驶中经常需要改变行驶方向，即所谓的转向，这就需要有一套能够按照司机意志使汽车转向的机构，它将司机转动方向盘的动作转变为车轮(通常是前轮)的偏转动作。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。2)动力转向器动力转向器是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系。在正常情况下，汽车转向所需的能量，只有一小部分由驾驶员提供，而大部分是由发动机通过转向加力装置提供的。但在转向加力装置失效时，一般还应当能由驾驶员独立承担汽车转向任务。因此，动力转向器是在机械转向器的基础上加设一套转向加力装置而形成的。动力转向器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。转向助力装置有以下几种：(1)液压式动力转向装置(2)电动式动力转向装置(3)电动液压式动力转向装置1.1.3汽车对转向装置的基本要求1:转向轮的转角和偏转速度应分别与转向盘的转角和转速保持一定的比例关系，即具有随动作用；2:操纵转向盘时，转向系统产生的助力作用要迅速、灵敏，与作用在转向盘上的手力相协调；3:驾驶员操纵转向盘时右良好的“路感”，即能及时将路面对转向阻力的影响反馈到转向盘上，使作用在转向盘上的手力随转向阻力的增大而增大；4:转向后应能自动回正，并应使汽车具有直线行驶稳定性；5:工作可靠，一旦助力转向系统失灵，驾驶员仍能操纵转向盘使汽车转向。1.2齿轮齿条转向器的介绍1： 价格便宜：结构简单，零件数量少；2：重量轻，有利于改善汽车的燃料经济性；3： 结构紧凑，特别适用于前轮驱动车型；4： 路感、操纵性和响应性好；1.3汽车转向系统的发展趋势 随着社会汽车化的发展，驾驶员不仅仅需要操纵省力，近年来从汽车的安全性能、燃油经济性方面对转向系统提出更高的要求，这些要求促进了电控液压转向器（EHPS）和电动助力转向（EPS）技术的发展。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。我国加入WTO，给汽车工业带来新的机遇，也带来挑战，国产汽车及零部件将会得到进一步发展。2液压助力转向器主要部件工作原理分析2.1液压助力转向器总体性能分析转向器是汽车上的重要部件之一，转向系统的好坏关系着驾驶者与乘客的生命安全，因此对转向系统的性能有一定的要求。转向系统的滞后度要求，在转向系统正常工作时，应满足滞后量小于1，如果滞后量大于1，车辆在转向时就会发生方向盘打过以后，转向轮相对于方向盘的旋转产生一定的滞后量，从而让驾驶员对汽车的转向产生错误的判断，造成安全事故。转向系统的转向力对称度要求，转向系统在正常工作时应满足转向力对称度大于等于90%，驾驶员在驾驶时从视线以及方向盘手感获得对与汽车行驶环境的信息，然后通过作用在方向盘上的手力对汽车进行操控，当左右转向力对称度过低时，驾驶员在操作时可能产生输入手力不够或过大的负面效果，从而导致危险发生。2.2转向控制阀工作分析图2-1转向控制阀原理图不转向时：阀芯的槽脊与阀套的槽正对，而前者比后者略窄，存在预开隙；此时，转向动力缸的左、右腔室相通，且与油泵的出油、回油口相通；左、右腔油压相等，不产生助力。右转向时：扭杆在外力作用下产生扭转变形，而阀芯和阀套分别与扭杆的两端固连，因此阀芯相对阀套转动，阀芯的槽脊与阀套上槽的两侧间隙不对称，使油泵泵出的油液大部分进入动力缸右腔、小部分进入左腔，两侧的压差推动活塞(与齿条轴固连)右移，从而产生助力作用。左转向时：分析同上。随动原理：转向盘上作用力大间隙不对称度大压差大助力大；作用力恒定间隙恒定压差恒定助力恒定。2.3转向油泵工作分析转向泵的输出压力由负载决定，当负载增加时，泵的压力升高；当负载减小时，泵的压力降低。如果负载无限制地增加，泵的压力也随之无限制的升高，直至密封或零件强度或管路被破坏。因此，在液压系统中必须设置安全阀，起过载保护作用。3设计方案的说明3.1机械转向器设计输入信息表3-1转向器设计输入序号项目信息1车型/名称/类型微车2左右置左舵3前轴满负荷（Kg)7804需要转向器最大输出力(N)56005发动机排量(L)1.46转向节臂长度(mm)1207使用环境温度范围()-401208固定点之间的距离(mm)3289拉杆长度(mm)27910安装方式(mm)转向前置11安装结构支架安装12内球心距(mm)646.613外球心距(mm)1204.614转向器中心距(mm)1515安装角()016轴夹角()1517行程(mm)13818圈数4.153.2传动比的计算3.2.1方向盘的选择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，从而使汽车难于操纵，据原始数据，参见手册取mm则由作用方向盘上的力矩得作用在方向盘上的力3.2.2转向阻力矩的计算 （公式3-1）式中：-滑动摩擦系数，一般取.-轮胎气压-前轴载荷3.2.3角传动比的计算式中： L-汽车轴距，2471mm R-汽车最小转弯半径，5500mm得 式中： L-汽车轴距，2471mm R-汽车最小转弯半径，5500mm B-前轮轮距，1429mm将数据代入，得：角传动比 式中： -转向盘转角（速度），3.536-转向轮转角（速度）， 将数据代入得：4相关设计参数的选取及确定4.1齿轮轴参数选取齿轮模数值取值为m=，主动齿轮齿数为z=7，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，转向器每天工作小时，使用期限不低于年主动小齿轮选用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。4.2齿轮轴结构设计图4-1齿轮轴4.3齿轮齿条参数表表4-1齿轮齿条参数表名称齿 轮齿条备注模数mn2.02.0齿数Z726分度圆直径d1分度圆压力角n2020螺旋角=24(右旋)=9（左旋）左右手法则齿顶高系数变位系数xn0.56齿顶高ha齿根高hf=2.5齿全高hh1=ha1+hf1=4.5h2=ha2+hf2=4.5齿顶圆 dada1=d1+2ha1=21.56齿根圆 dfdf1=d1-2hf1=12.56基圆直径db法向齿厚（mm）端面齿厚（mm）4.508分度圆直径与齿条运动速度的关系：d=60000v/n10.001m/s齿距 p=m=6.28mm5主要零件的理论计算5.1齿轮齿轮精度等级、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=7，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=5.2齿轮的齿根弯曲强度设计（1）试取K=（2）斜齿轮的转矩T=Nm （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。 （公式5-1）试取=mm(7) 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5.3齿轮轴齿轮接触疲劳强度计算校核公式为 许用接触应力 查表得由图得安全系数 查表得弹性系数 查表得区域系数重合度系数 （公式5-2）（公式5-3） 取 （公式5-4） 螺旋角系数1650MPa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。5.4齿轮轴的设计计算由于齿轮的基圆直径14.439，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，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（公式5-5）忽略磨损，根据能量守衡，作用在齿轮齿条上的阻力矩为，作用在齿轮上的轴向力为（公式5-6）作用在齿轮上的切向力为（公式5-7）作用在齿轮上的径向力为（公式5-7）弯曲疲劳强度校核（公式5-8）剪切疲劳强度校核（公式5-9）由于齿轮轴主要受轴向力和径向力作用，拉力很小，可忽略，故拉力不需校核。根据校核，齿轮轴处于安全工作状态。6其它零件的选择及润滑方式1调整螺塞根据GB/T699选取螺纹规格d=M322 弹簧的选择材料：65Mn GB/T4357总圈数：4.5自由高度：19外径：19材料直径：2.53垫圈的选择根据GB848-85,选择相配合的螺纹规格为d=324油封的选择壳体端部油封：外径 35，内径 17.6，厚度 5壳体中部油封：外径 33，内径 22.6，厚度5壳体横孔油封：外径 32，内径 20.5，厚度7限位套油封：外径 32，内径 20.5，厚度75轴承的选择轴承1 深沟球轴承6004 (GB/T276-1994) 轴承2 滚针轴承 NA4901 (GB/GB/T6391-1996) 6转向器的润滑方式：人工定期润滑润滑脂：二硫化钼锂基脂（ZBE36002-88）中的ZG-S润滑脂。密封类型的选择密封件：旋转轴唇形密封圈 FB 16 30 GB 138711992结 论通过这次设计我对于转向器有了一个深刻的了解，对于转向器的分类、结构、性能、工作原理及设计时需要考虑的问题都具备了独立的分析能力，为我在以后的工作做了前期的知识储备，能让我更好的投入到以后的工作中去。毕业设计是对我们大学四年所学知识的一次总结，同时也是对我们各种能力的一次考验。设计过程中通过初步尝试、发现问题、寻找解决方法、确定方案的步骤，逐渐培养了我们独立思考问题的能力和创新能力，同时也使我们更加熟悉了一些基本的机械设计知识。本次设计几乎运用了我们所学的全部机械课程，内容涉及到机械设计、机械材料、力学、液压传动、机械图学等知识，以及一些生产实际方面的知识。通过设计巩固了理论知识，接触了实际经验，提高了设计能力和查阅文献的能力，为今后工作最后一次在学校充电。参考文献1 邱宣怀主编.机械设计.第四版.高等教育出版社.19972 余志生主编.汽车理论.第五版.机械工业出版社 .20093 张炳力主编.汽车设计.第一版.合肥工业大学出版社 .20114 郑文伟,吴克坚主编机械原理.第七版.高等教育出版社.1997，75 陈家瑞主编.汽车构造（下册）.机械工业出版社.20036 刘鸿文主编.材料力学.第四版.高等教育出版社.2004，17 郑志祥，徐谨康，张磊主编.机械零件.高等教育出版社.20038 机械工程手册.机械工业出版社.19969 汽车工程手册.人民交通出版社.2001AbstractAutomobile steering device is an important part of the car, also decided the automobile active safety critical assembly, its quality affects the handling stability of vehicle.With the development of automobile industry, automobile steering device has also been improved, although electronic steering device has been used, but the mechanical steering device is still widely used by the world of automobiles and auto parts manufacturers adopted.This paper choose the gear rack type steering gear as the research subject, the main contents include: automotive steering component classification; steering assembly scheme analysis and data identifying and steering gear design process.The steering device has the advantages of low cost, convenient operation, high sensitivity, turning, simple structure.Drawback is that once the diverter leaks will causes certain pollution to the environment, the environment of certain requirements.But with the application of electronic controlled power steering, now power steering (EPS) is being widely used.Keywords:Steering gearGear rackHandling and stabilityDesign calculation致 谢短短的半个学期毕业设计即将结束，我的大学生活也即将画上了圆满的句号。在这次设计过程中得到了许多老师和同学的热心指导，尤其是陈老师在百忙之中多次给与指导，在此表示衷心的谢意！通过这次毕业设计，使自己更加清醒地认识到知识的无穷无尽以及自己所学的微小。在实习中学到了许多书上所没有的东西，知识面得到了极大的扩展和丰富，让我了解了以前想知道但没有弄清楚的东西，如为什么大汽车那么重面驾驶员却不用费力的就可以拨动方向盘。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！