某型汽车转向系统设计与分析【轿车齿轮齿条式转向器】

I 某型汽车转向系统设计与分析 摘要 ： 在当今社会中，汽车越来越受到人们的青睐，为了出行方便，基本上家家户户都拥有了各种款式不同的小轿车，可见汽车在未来社会发展中的重要性和必要性，而且，人们对汽车的安全性和智能性的要求也不断的提升，安全性的需求主要体现在汽车在路面上行驶的安全，各种操作机构的安全可靠性，以及制动系统的安全可靠性。此次设计齿轮齿条式转向器，通过选择转向系的方案，确定转向系的性能参数，计算转向器的齿轮齿条强度和转向器的角传动比等参数以及确定齿轮齿条转向器内部结构的布置形式，并进行其强度校核，最后通过使用三维绘图软件制出设计合理的齿轮齿条式转向器 ,并挑选其中的主要零件使用 轮齿条式转向器在汽车中 的使用状况比较大众化 ， 期望经此次 设计，对齿轮齿条式转向器起到优化 效果 ， 以 满足 用户的使用需求 。 关键词 ： 轿车；转向系统；转向器；齿轮齿条；设计 In s by of in to a of of of in of of in on of of as of in of o of of of D of of of AD a in is by on a in 录 摘要 . I . 绪论 . 1 究背景 . 1 车转向系统的国内外现状及发展趋势 . 2 压助力转向系统概述 . 3 文研究的内容 . 4 2 前 轮转向汽车的动力学理论 . 5 拟样机技术介绍 . 5 车前轮 转向 系统 模型建立 . 5 、后悬架模型 . 6 向系统模型 . 7 车前轮 转向汽车动力学模型 . 8 车坐标系 . 8 性二自由度 2车模型 . 9 性三自由度 2车模型 . 10 胎侧偏特性模型 . 11 3 机械转向系统的性能要求及参数 . 13 械转向系统的结构组成 . 13 向系的效率 . 13 动比特性 . 14 4 齿轮齿条式转向器的基本设计 . 15 轮齿条式转向器的结构选择 . 15 轮齿条式转向器的布置形式 . 15 向轮偏角计算 . 16 向器参数选取与计算 . 17 轮轴的结构设计 . 18 向器材料及其他零件选择 . 18 5 齿轮齿条转向器数据校核 . 19 条的强度计算 . 19 条受力分析 . 19 条齿部弯曲强度的计算 . 19 齿轮的强度计算 . 20 6 转向梯形机构的设计 . 23 向梯形 机构概述 . 23 体式转向梯形机构方案图解 . 23 体式转向梯形机构数学模型分析 . 23 向传动机构的设计 . 25 向传送机构的各部件 . 25 向横拉杆及其端部 . 26 7 维设计和 维设计结果 . 27 轮齿条式转向器的总成 . 27 轮齿条式转向器中的部分零件图 . 28 参考文献 . 29 致谢 . 30 1 1 绪论 究背景 在飞速发展的机械工业技术的推动下，人们对道路交通安全和车辆操控舒适性等方面的关注 度 也越来越 高 。 前 轮转向（ 2术由于行驶舒适安全的优点很显著逐渐被广泛应用， 逐渐发展 成为主流技术，满足 了 消费者对汽车提出的舒适安全需求。 自从汽车诞生之日开始，前轮转向由于其结构简单、易于检查和维修，成为人们首选的转向方式。传统的前轮转向简称为 2控制方向盘，通过齿轮齿条传动的方式来直接操纵汽车的行驶方向。建立在只能沿固定轨道行驶的火车发明的基础之上， 2车摆脱了固定轨道，实现了自由行驶，实现了划时代的跨越。对于公交车等大型公共车辆，在转弯行驶工况下存在转弯半径过大的问题；对于汽车在高速行驶的工况下，存在着操纵稳定性差等缺点，不能满足人们对行车安全和操纵稳定性日益提高的要求。 因此 人们期待对前 轮转向技术 (2更好的优化 。 对于汽 车行驶而言，车辆的转向操控时域响应与车轮与地面接触的情况有着直接的关系。当车辆在转弯时，由于驾驶员通过方向盘控制前轮转过一个角度，前轮前进方向由纵向变为倾斜，由于轮胎与地面的接触摩擦，这个摩擦力沿侧向的分力，会影响汽车的原有运动趋势，使其发生横摆。当车身在进行横摆运动的同时会产生一个离心力，这个离心力作用在前轮上的分力正好抵消地面通过前轮作用给车身的侧向力，作用在后轮上的 离心力的 分力与地面对后轮的摩擦力的合力，会使后轮前进的角度产生一个偏移角，从而跟随前轮实现车辆转向行驶。因此，前轮转向车辆在转向时，后轮是 跟随前轮的转向而转向，而且车身越长，后轮响应越滞后，这样以来，极大地降低了汽车行驶的灵敏性。 而 2统和 4统最根本的区别在于：当控制方向盘操纵前轮转过一个角度的同时，后轮也相应地转过一个角度，通过控制后轮的转向相位和偏转角来实时调节适应不同的路况的转向操作。当车辆以较低的速度通过弯道时，当前轮和后轮沿相反的方向 各自 转过一定的角度，汽车的转向中心由原来的位置向上向里偏移了一定的位置，有效地减小了车辆的转弯半径 。 当汽车以较高速通过转弯路况，车轮转弯所需角度 和 汽车车身横摆率 以及 侧向速度波动范围和 影响会比 较 小，车辆操控更稳定和轻便 1。 2 车转向系统的国内外现状及发展趋势 20 世纪初，东京汽车工业学会 在某次会议中 提出将前轮和后轮通过机械刚性联接 ， 当驾驶员通过操纵方向盘控制前轮转过一个角度之后，后轮由原来的通过地面摩擦的影响进行转向改变为根据刚性联接而直接响应前轮的转向跟随，这样有效地缩小了前后轮之间的滞后时间。在二战期间，美国军方采用了一种方式实现汽车前后轮能够同时反向转动，从而提高汽车在恶劣路况上的机动性能。在 70 年代末，中国、欧洲等国家的机械工业学会或工会都积极推动了 2统的设计开发和应用，许多公司例如：本田、马自达、大众等都提出了不同的车辆转向伺服控制方案：有的是通过控制前后轮通过弯道路面时的转角之间的比例，有的是通过控制车辆在转弯时的质心侧偏的实时伺服控制与补偿来实现 前 轮转向控制，有的是通过对汽车在转弯时产生的横摆率波动情况来进行优化设计，从而实现 2统的设计与应用。不过这几大汽车公司的 前 轮转向控制系统都是简单的机械式连接前后轮，并没有达到实时精准控制前后轮的运动。 中国是直到上个世纪 80 年代才开始了对 2制技术的研究和开发，随着国家对汽车工业的重视力度的 提高和对相关高校科研工作的支持和资助，比如在吉林大学、清华大学和湖南大学三所大学建立了国家汽车实验室，并在长春第一汽车集团公司和东风第二汽车集团公司等大型汽车基地建立了人才储备计划，促进了中国汽车工业的持续发展。当前社会是出于信息时代，电器电子控制技术在车辆上的应用也是日益增多，能够通过电脑 制单元实现许多复杂、庞大的计算与控制，国内的一些科研单位和高校也相继建立了基于汽车电子方向的 2统研究的实验设备和工具，通过对模型进行虚拟仿真来优化设计新型的、高效的 2辆。其中国内 以 机械车辆为优势学科的 多所高校的的科研团队都相应提出了自己对2制技术的研究 状况 。例如：利用 2入与输出之间的传递函数比例精准控制，并结合与 2制系统分对比仿真分析，从而指出了 2制技术的发展方向。 析出了在不同车速时，车辆前转向轮和后转向轮的侧偏刚度及重心的位置对车辆稳定性的作用。他认为要想改善车辆的稳定性能就必须合理匹配、校验车辆前转向轮和后转向轮的侧偏刚度与重心的位置。 3 鲁棒控制方案也是一项新型的研究，是由 出的控制策略。这种控制策略是基于 H 控制理论，其最终结果是抵抗外部环境的干扰。 在国内 ,郭孔辉教授研究出“幂指数统一轮胎模型” 2。 这种研究策略揭示了在前 轮转向中，轮胎的非线性特性能够帮助车辆实现转向。 王洪礼教授等人采用了 2 和鲁棒控制 H 混合控制的方法，控制研究了非线性模型 3。 这种 控制方法能够改善汽车操纵稳定性。 目前 4 种最主要的汽车转向器都是我国大力发展的对象，各自有各自的优点和缺点，在不同款式的车上都能发挥其作用，但是，无论技术怎么发展，人们对汽车安全性的要求永远都是第一位的，其次我觉得就是智能化，操作简单化，比如，像汽车内的电子电器设备在未来的发展中可以一键代替，车门也可以智能化，感应化，在防盗这方面，也可以做成系统进行人脸识别等等。很多很多的人性化需求我希望我国在未来的汽车发展中可以得到实现。 线控转向系统我觉得会成为未来汽车转向系的发展的主流，因为其结构简单，制造容易，安装方便，容易控制，尽可能的为驾驶员省 时省力，并且安全性会高很多。其次，我觉得智能化还能体现自动化上，甚至可以做到使驾驶员解放双手，比如现在国外已经出现了无人驾驶汽车，相信再过不了多久，我国也可以做出无人驾驶汽车。解放驾驶员双手的目的在于使汽车全智能行驶，比如像汽车的左拐和右拐可以使用语音识别来进行，开车门和关车门也可以使用语音识别系统，车内的电子电器设备也可以使用语音识别，比如歌曲的播放或者歌曲的选择。未来汽车的转向系统使用语音识别是最好的选择，驾驶员使用简单方便，而且容易操作。还有一种解决方案就是用数据控制，对汽车转向系统进行编程，用一个键 来控制汽车的转向，在驾驶员的驾驶过程中，只要按这个键，就可以实现转向。等等还有很多很多的转向系统的更新方案，只要我们努力，相信在未来的发展中汽车的转向系统的改进会越来越好的。 压助力转向系统概述 由 发动机 提供的动力及其他 动力 形成的 转向能源 共同 构成汽车的转向系统。这种转向系统由一套机械转向系统和一套转向加力系统组成。示。 4 图 . 方向盘 司机通过转动转向盘，力传动到转向摇臂之后，通过图中的 11、 8、 7，再将力传递到转向轮，令它发生一定程度的偏转，从而，该控制阀在该输入轴的影响下转过一定角度，缸内就会形成一种作用力，即液压作用力，促使转向成功。相对于机械转向系统，这样就减小了驾驶员所需要加在转向盘上的力矩。 文研究的内容 本篇论文主要是研究 轿车 转向系统的各个部件的组成，每个部件的作用等等，还包括三维图和二维图的设计。最终并展示所有设计成果。 根据四年来所学习的所有知识进行领会和综合运用。根据所学习的汽车构造的知识熟练掌握汽车转向系统，学习并使用 维建模软件和 维绘图软件设计出合理并且实用的齿轮齿条式转向器。在使用三维建模软件的过程中，可以适当的选取和使用零件库里面的标准件来进行配合，在使用三维建模的软件的过程中要注意各种特征的创建，各种零件的配合。 5 2 前 轮转向汽车的动力学理论 拟样机技术介绍 虚拟样机技术 这种技术在以往的设计方法中做出巨大革新，将设计和分析放到一起，做为一个整体去看待 。利用计算机辅助技术，建立产品的整体模型 ,全面对其使用情况进行仿真分析 ,根据整体分析效果，进而对其进行改进，提高其使用性能，周期短，费用低。 在以前的产品的前期研发设计阶段，产品会出现很多的缺陷和不足，而这些缺陷和不足只有在实验或试验中才能得以表现，所以为了检验或检查出这些不足之处，往往需要建立大规模或大量的实体模型或样机来进行产品的实验，这一项工程是十分庞大且很繁琐，会耗费很多的投入。若试验的次数不够，有些缺陷和不 足就不能被充分发现出现，严重影响了产品的整体质量进一步改善。 将以往的设计 模式 做出优化后 ， 使其成为一种更为贴近人们使用要求的模式 。通过这种技术，在产品的前期研究设计阶段，研究人员可以对当前所研究出来的样品在计算机环境中进行虚拟建模，并在 制单元的帮助通过对这些模型进行受力分析和仿真分析，在软件的环境下对这些产品的各部件的运动情况进行观察，并设定一系列的临界值，在分析过程中，如果出现哪一项数值低于或高于临界值时，计算机会自动提示，这样设计人员就知道这些样品中普遍的问题，从而进行改进。同时还能根据仿真试验 的结果，随时修改零部件的模型的物理参数，优化设计方案。这样的研发模式，可大大缩短研发周期，同时也能很大程度上节约投入的人力物力。在前期设计和方案优化过程中，工程师 可 发挥自己的 能力 设计更 好 的产品 4。 车 前 轮 转向 系统 模型建立 本课题是在 件的建模环境下，是基于一款 轿车 车型的基础上，对其的悬架结构和转向结构进行简化和改进，定义出一系列几何结构和物理参数，这个模型包括悬架部分、转向部分 ， 其中悬架部分为 型和 型。 在 行驶时 ，车辆的车速普遍不是很高，所以对这款 轿车 的简化模型是一个只涉及侧向和横摆，只有两个自由度的物理模型。然后实际的行驶过程中，当车速较大时，外界有很多非线性的干扰因素会对 2辆的行驶造成影响。所以本课题中的模型 是在前者的基础上，另外加入 侧倾 这个 方向 ， 构建一个 三自由度的几何模型。 6 、后悬架模型 非独立悬架 是 通过刚性连接 的 ，优点是结构简单，维修方便，但缺点也很明显，那就是车辆有较多的质量由轮胎直接承载， 从而降低了汽车的行驶平顺性 ；独立悬架 包括 不刚性 的和 柔性 的连接 。 独立悬架的结构 要 相对繁琐 ，非簧载质量 较小带来的直接影响就是降低了 地面的冲击载荷， 而且一些刚性联接件至今不使用 ，汽车的底盘下沉，重心降低，从而使平顺性得到了保证 。 麦弗逊悬架、多连杆悬架和双横臂悬架 等悬架形式应用较广 。其中麦弗逊悬架是一种经典的独立悬架形式，在汽车行驶过程中，麦弗逊悬架在轮胎跳动的情况下能有效保证轮胎与地面的接触面积，而且整体结构占用的有效空间小，在过弯道时能有效地改善悬架的缩短响应时间。但缺点也是很明显，在转弯过程中，由于整体的结构简单而导致悬架刚度较低，在路面不平或者恶劣的路面行驶，对悬架的损伤较大，导致悬架的寿命不长的问题。 双横臂悬架对麦弗逊悬架 实 行了刚度方面的优化 ，汽车在行驶时两根横臂能够有效吸收 因车轮跳动而从 地面传递过来的冲击和载荷，同时两个插臂还能有效吸收左右两个方向作用力对悬架的冲击，整体刚度有所提高。同时，由于上下两个摇臂的长度不同，车轮在上下跳动的时候，能够自适应路面的情况实时改变轮胎的外倾角和轮距，而且轮胎与地面的接触面积也较大，从而能够有效减小轮胎的磨损。多连杆悬架则是在双横臂悬架的基础上进一步优化和改进，通过设置多个连杆，总而有效地增加了悬架整体的刚度，同时也有效地减少了悬架的整体质量，实现了轻量化的设计理念。 前后悬架如图 示。单侧悬架 设计时，根据 侧向、横摆、侧倾三个自由度方向的受力或力矩的情况。本课题中建立的物理模型主要是以后悬架插臂和转向系之间的联系为重点 建立的 。 7 图 悬架物理模型 图 悬架物理模型 向系统模型 车辆在转弯行驶的过程中，悬架结构和转向系之间的配合设计是对汽车的操控平顺性是非常重要的，所以本课题在进行了悬架模型的建立之后，相应对转向系进行了考虑。在上面对前悬架和后悬架的建立过程中，就已经十分详细地考虑了前后系统，所以选择与前、后悬架匹配的转向系统即可，只需要参照前后悬架转向结构的物理参数和杆件的相对位置进行设计。 8 图 向系的物理模型 车 前 轮 转向汽车动力学模型 车坐标系 对 2统必须建立一个较为精准的数学模型来进行分析，这个模型应该包含控制力来源、实际运动状态和侧向风等外界条件的干扰等因素，能够较为准确地简化需要研究的参数和性能，同时又不影响实际研究。当前，有很多的高校和团队已经就基于开环系统下对 2辆建模进行了深入的研究。本课题对这些数学模型进行一些收集和整理，介绍具有侧偏非线性特性因素的轮胎模型，当前对 前 轮转向汽车的研究都是建立在只有侧向和横摆两个方向上，只有两个自由度的线性模型的基础上，本课题通过在模 型 中加入侧倾方向的自由度，充分考虑汽在实际行驶过程中的各种运动状 态进而分析其的运动规律。通过将这几种模型和 2车模型进行对比分析，结合仿真结果，比较二者之间的区别和优劣 5。 9 图 车坐标系 图中： 车辆的左右对称面 x 轴 车辆前进运动方向 y 轴 车辆侧向运动方向 o 点 汽车质心的位置 横摆角速度 汽车质心偏转角速度在 z 轴上的分量 侧向加速度 v 汽车质心速度在 y 轴上的分量 侧向角加速度 汽车质心角速度在 y 轴上的分量 性二自由度 2车模型 先对 2车模型作如下的假设： （ 1） 只考虑车辆 的 侧向 移动 和横向 偏移 ； （ 2） 车辆在前进方向的速度保持为定值； （ 3） 忽略转向系统对汽车的影响； （ 4） 汽车的侧向加速度不高于 2/4，轮胎的侧偏 性不明显； （ 5） 汽车车速不大，所以可以不计空气阻力的影响； 通过以上五点假设，不考虑汽车在垂向、俯仰、侧倾三个方向的移动或者转动的情况，从而 2车可以简化为两个车轮的“摩托车”模型，纵向是车辆前进方向，侧向和横摆两个方向的受力或力矩对汽车在转弯时产生影响。 0 图 性二自由度 2车模型 性三自由度 2车模型 上面的只有侧向和横摆两个方向的共计两个自由度的“摩托车”模型是基于五点假设的基础上，这样的假设忽略了在实际行驶过程中，很多的外界条件的干扰。特别是当汽车的侧偏效应比较大是，这样的简化二自由度模型并不能满足汽车实际行驶的情况，导致模型的可行性和分析精度的大大降低。因此，只有充分考虑车辆在转弯过程中的受力情况和运动情况，对模型加以改进，才能使所建立的模型满足更多的实际运动条件。 增加模型的自由度分析，可以从多个方向来进一步考虑汽车的行驶状况，但增加一个自由度，计算机对模型的分析和仿真计算的程度就会大大提高，甚至 计算机也不能求解出理想的答案，所以对这样的模型只能从仿真结果的曲线关系图进行定性分析。 11 图 线性三自由度 2车模型 胎侧偏特性模型 车辆在实际行驶过程中，会受到许多外界的干扰条件的影响，其中比如：路面的粗糙程度、空气阻力的大小、车辆在驾驶员通过操控方向盘进行转弯操作时，车辆所受到的离心力和地面摩擦力相互之间对车辆的影响。 车辆因转弯行驶 收到地面的摩擦力和车轮转向产生的离心力的作用下 ， 若 离心力 大于此 摩擦力，轮胎与地面之间产生相对滑动； 若 离心力 小于或等于此 最大摩擦力，车轮会向两侧 发生 偏移 。 所以说 侧向力 有 没有达到车轮在地面 上的附着极限，车轮依然会发生偏移 ，这就是轮胎的 偏差 现象。轮胎的这种特性，可分为 型两种。其中 型是指车辆在转弯行驶过程中，离心力和地面摩擦力之间的相互作用下，轮胎所受的侧偏力和驾驶员操控方向盘使前轮转过的角度之间的关系为正比例关系，转过的角度越大，侧偏作用力也随之增大，但转过的角度减小时，侧偏作用力也随之减小。而 型则是指侧偏刚度 胎的这两种模型之间的关系曲线可以由如下图像可知： 12 图 轮胎的 性 由图可知，当轮胎的侧偏转角小于 5时，汽车的侧偏刚度 K 基本保持不变，两者之间的关系可以用线性函数比拟，轮胎所受的侧偏力和驾驶员操控方向盘使前轮转过的角度之间的关系为正比例关系，转过的角度越大，侧偏作用力也随之增大，但转过的角度减小时，侧偏作用力也随之减小；然而，当轮胎的测拍你转角超过 5时，汽车的侧偏刚度 K 越来越小，这时，两者的关系不能再用线性正比例函数来比拟，此时轮胎出于 型的状态。此时，为了研究在较大侧偏角的工况下的轮胎模型，不少研究团队都提出了自己的研究处理方案，本课题为了研 究轮胎的 型，直接参考了在上个世纪 70 年代，有吉林大学的郭孔辉教授提出的在汽车转弯行驶时，地面对汽车的侧向力和汽车所收到的回正力矩之间存在一定的函数关系，即半经验“ 胎模型。 此 轮胎统一模型可应用于本课题中对 前 轮转向汽车模型的建立和仿真中， 可 提高计算机和运算 6。 13 3 机械转向系统的性能要求及参数 械转向系统的结构组成 图 轮转向系 的基本构成 万向节在转向操纵机构中起 缓冲 作用。比如在发生车祸的时候，驾驶员猛烈的撞击方向盘，方向盘上所受的撞击力传给转向轴，而这些撞击力可以通过万向节得到缓解，使驾驶员安全性提高。在转向器中，齿轮和齿条的形状很重要，比如，如果齿轮选择了直齿，那么直齿在与齿条啮合的过程中不稳定，容易跳齿，还有齿条的选择，齿条的形状有圆柱形，矩形， V 形等等，最合适的选择是圆柱形，因为圆柱形相比较 V 形而言会减小很多摩擦。在转向柱的那个部位，有安装吸能装置，它的作用和万向节相似，比如在发生车祸的时候，驾驶员猛烈的撞击方向盘，方向盘上所受的撞击力传给转向轴，而这些撞击力可 以通过万向节得到缓解，使驾驶员安全性提高。 向系的效率 转向系的效率代表了转向器性能的好坏，力在方向盘和转向节臂之间相互转换，驾驶员施加给方向盘的力通过转向传动机构传给万向节，万向节是车轮发生左右转动，同样的，当汽车在行驶的过程中，由于路面的不平整，也会导致车轮震动，发生左右转动，这个力经过转向传动装置传送到方向盘，使方向盘旋转，形成打滑现象，会打到驾驶员的手。 14 动比特性 转向系的角传动比 : /0（ 0 （ 转向器的角传动比： / （ 式中 p 为摇臂轴角速度； 为摇臂轴转角增量。 转向阻力 转向阻力（ a 为主销偏距。 将式代入 2 后得到：用在转向盘上的手力 （ 02 （ 将式（ 3入式（ 3得到： 0 （ 其中 传动比 向盘直径 15 4 齿轮齿条式转向器的基本设计 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，齿轮齿条式转向器有四种形式 7。 即 中间输入，两端输出（图 侧面输入，两端输出（图 侧面输入，中间输出（侧面输入，一端输出（图 图 轮齿条式转向器的四种形式 （ 2） 齿轮形式选择 本设计 采用螺旋齿。 （ 3） 齿条形式选择。 本设计采用圆形端面齿条。 轮齿条式转向器的布置形式 齿轮齿条式转向器 中因为转向器相对前轮位置的不同而形成的布置形式 ： （ 1） 前轴 在前 ，梯形 在后 （图 （ 2） 前轴 在前 ，梯形 在前 （图 （ 3） 前轴 在后 ，梯形 在后 （图 （ 4） 前轴 在后 ，梯形 在前 （图 16 图 种布置形式 向轮偏角计算 本次设计的车辆的轴距取为 2648此其半径在 尽量取小值以保证良好的机动性，最小转弯半径 m 。 据此，由图 转向轮外轮最大转角 )/(a rc s in m a x (L 为汽车轴距。本设计轴距为 L=2648 角图 可以得到外轮最大转角648t a n 0 . 6 7 0c o s 5 0 0 0 c o s 1 4 4 0 ( 17 于是得转向轮内轮转角 向器参数选取与计算 正确啮合条件： 21 ； 21 ； 21 表 轮齿条的主要参数 名称 齿轮 齿条 齿数 Z 7 31 模数 力角 n 020 020 螺旋角 1= 012 2=- 012 变位系数 轮胎上的原地转动的阻力矩由经验公式得： 式中， f 轮胎和路面间的滑动摩擦因素； 为转向轴负荷（ N）；取前轴满载 815 p 为轮胎气压（ 取 所以 方向盘转动圈数： c o = 3 . 2 5(其中 0初选传动比。 方向盘上的操纵载荷力：h s w +2= = 6 3 . 9i (结果符合设计的要求 因为 所以作用在转向盘上的力矩为 h s = 2 4 2 8 2 m （ 18 力传动比： 4 98 （ 取齿宽系数 n o s o s 11 （ 齿条宽度 d 圆整取 22 。则取齿轮齿宽21021 轮轴的结构设计 在 齿轮的尺寸 下 设计齿轮轴，如图 示。因为本设计采用螺旋齿结构， 传动时会产生一定轴向力 。螺旋齿旋转，带动齿条左右旋转。 压紧弹簧安装在调节机构里面的齿条的背面，可以吸收齿条对压块的力，起到一个缓冲作用。 20128 4 3 8 1 2 3 51012 41 7 . 51 5 图 轮轴结构 向器材料及其他零件选择 （ 1） 齿轮齿条材料选择 小齿轮：选用 20金钢。 （ 2） 轴承的选择 轴承 1：深沟球轴承 6004C (292 轴承 2：滚针轴承 201019c （ 152 （ 3） 转向器的润滑和密封 方式 的选择 转向器的润滑方式：人工定期润滑 润滑脂：石墨钙基润滑脂中的 滑脂。 密封件：密封毛毡 6 30 3871 2 19 5 齿轮齿条转向器数据校核 条的强度计算 条受力分析 图 条的受力分析 如上图所示，各力的大小为： 1 (式中 1 齿轮轴分度圆螺旋角； n 法面压力角。 齿轮轴受到的切向力： 2 齿条齿面的法向力： =条齿部受到的切向力： F ( 条齿部弯曲强度的计算 齿条的单齿弯曲应力： 20 2 107 bs hF （ 式中： 齿条齿面切向力； b 危险截面处沿齿长方向齿宽； 1h 齿条计算齿高； S 危险截面齿厚； 齿轮齿条的总重合系数按理论计算值为 在啮合 时 至少有 2 对齿同时啮合， 故 每个齿的弯曲应力应分别降低一倍 8。 则 2001 = （ 齿条的材料是 40造，因此： 抗拉强度 b 735N/ (没有考虑热处理对强度的影响 )。 齿部弯曲安全系数 齿轮的强度计算 （ 1） 齿轮的计算载荷 P = （ L 沿齿面的接触线长，单位 9： P= （ 式中 K 载荷系数。 K= K K （ 所以载荷系数 K= K 1 1 齿轮传动的端面重合度 计算 端面模数 =面压力角 t= =0 =21 =0 =0 = （ 在斜齿轮传动中齿轮的单位长度受力和接触长度为 10： （ =2/ 1c i n c (= 11H 式中： 弹性系数 222121 111 (0金钢 作为主动轮的主要构成材料 ， 1 和 2 相等， 用 合金钢 这种材料 ， 于 节点区域系数 c o ss in c o 可根据螺旋角 查得 11， = 22 齿轮与齿条的传动比 u 趋于无穷 11 （ 所以 H = 接触疲劳强度极限 1通过计算后，得出该值为 1000 N = 2 105 ，= 即 应力循环次数 为 200000 次 。 根据理论数据可得计算接触疲劳许用应力 12 = 1000 1100 （ 式中 为 接触疲劳寿命系数 H H 23 6 转向梯形机构的设计 向梯形机构概述 齿条和转向节臂 共同构成了转向梯形机构 ， 其运作 原理如下图。 其中，齿轮齿条总成和左右横拉杆以及转向节臂构成梯形结构，梯形结构是实现转向非常重要的部分，它把驾驶员施加给方向盘的力增大并传到转向节，用来实现左右的转向。 图 向原理示意图 体式转向梯形机构方案图解 图 体式转向梯形 体式转向梯形机构数学模型分析 为让轮胎在转动时绕同一个 中心， 从而引出以下关系 ： c o tc o t （ 24 图 理想的内、外车轮转角关系简图 )/c o t ( c o t)( 0 r cf （ 由 余弦定理得 ， 实际因变角 i 为 )c o s (212c o s)c o s (c o c c o s)c o s (21)s i n (ar c s i 式中： m 为梯形臂长；为梯形底角。 评价 好坏 的目标函数 ： %1 00)( )()()()( m a ）（ 0 为加权因子（ 由以上可得： %1 0 0c o tc o t)c o s (212c o s)c o s (c o c c o sc o tc o t)c o s (21)s i n (ar c s i n)()(0200201m a x r r （ 25 由图 2a r c s a m a （ 各设计变量的取值范围 为 ： 000 梯形臂长度 m 最小值为 最大值为 形底角 0 做出相应辅助虚线 ，最小传动角约束条件为： 02co s)co s( co s)co s (co sm i nm a xm i n （ 向传动机构的设计 在转向传动机构的作用下， 转向器 将力传送到转向节 ， 转向节则保证了汽车的向左右行驶的能力 。为了使 各 车轮偏转角间的关系满足运动学要求， 故要保证 转向梯形机构精确 13。 齿轮齿条式汽车转向器也有自己的优点和缺点 。 无论技术怎么发展，人们对汽车安全性的要求永远都是第一位的 14。 其次我觉得就是智能化，操作简单化，在转向传动机构部分，在以后的改进和设计中，主要是要提高它的传动效率和稳定性，增加驾驶员的安全性，因为驾驶员以及乘客的安全才是汽车未来发展的重中之重。比如，像汽车内的电子电器设备在未来的发展中可以一键代替，车门也可以智能化，感应化，在防盗这方面，也可以做成系统进行人脸识别等等。 向传送机构的各部件 传动机构中，其中的 杆件选用 20、 30、 35 号无缝钢管 ， 其沿长度方向的外形可根据总布置需要确定 15。 转向传动机构的各元件间采用球形铰接，球形铰接采用优质钢不易变形，而且使用寿命比较长。 26 向横拉杆及其端部 在齿轮齿条式传动机构中，齿条就相当于循坏球式转向器中的横拉杆，与球形头销连接，防尘套安装在转向器左右两边的横拉杆上，是为了防止灰尘和垃圾进入齿条。 图 转向横拉杆外接头 1 2 3 4 5 27 7 维设计和 维设计结果 轮齿条式转向器的总成图 轮齿条式转向器的总成图 图 齿轮齿条式转向器总成图 ， 由齿轮齿条啮合而成图 旋齿轮 28 轮齿条式转向器中的部分零件图 图 紧弹簧 图 沟球轴承 图 示的转向器里面的压紧弹簧和深沟球轴承。压紧弹簧安装在调节机构里面的齿条的背面，可以吸收齿条对压块的力，起到一个缓冲作用。深沟球轴承结构 简洁便捷易用且寿命长 ，摩擦系数 比较小 。 29 参 考 文 献 1 毛彩云，吴暮春，柯松 J2009； 5055. 2 陈家瑞 M民交通出版社， 2002. 3 王望予 4版） M械工业出版社， 2004. 4 王丰元，马明星 . 汽车设计课程设计指导书 M国电力出版社 . 5 濮良贵 ， 纪名刚 M等教育出版社， 2010. 6 徐灏 M械工业出版社， 1992. 7 褚洪生 ， 杜增吉 ， 阎金华 . 例指导教程 M械工业出版社，2007. 8 黄鹤辉 ， 陈晨 J0. 9 李成 5从入门到精通 M民邮电出版社， 2010. 10 申永胜 M华大学出版社，