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1、汽车前轮转向系统的设计摘要 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
2、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AbstractThe title of this topic is the design of steering system. Rack and pinion steering of Mechanical steering system and integrated Steering trapezoid mechanism gear to the design as the center. Firstly make an overview of the Steering System. Seco
3、ndly take a preparation of the data of the design. Thirdly, make a choice of the steering form and determine the primary parameters and design the structure of Rack and pinion steering. Fourthly, Stress analysis and data checking of the Rack and pinion steering. Fifthly, design of Steering trapezoid
4、 mechanism, according to the trapezoidal data make an analysis and design of Steering linkage.In the design of integrated Steering trapezoid mechanism the computational tools Matlab had been used to Design and Checking of the data. The powerful computing and Intuitive charts of the Matlab can give u
5、s Accurate and quickly data. In the end AutoCAD and CATIA were used to make a rack and pinion steering parts diagrams and assembly drawingsKeywords: Steering system，Mechanical Type Steering Gear and Gear Rack， Integrated Steering trapezoid，Matlab Trapezoid目录1 绪论11.1 汽车转向系统概述11.2 汽车转向系统的国内外现状及发展趋势21.
6、3 研究内容及论文构成32 机械转向系统的性能要求及参数52.1 机械转向系统的结构组成52.2 转向系统的性能要求62.3 转向系的效率72.4 传动比特性92.5 转向器传动副的传动间隙113 机械式转向器总体方案初步设计123.1 转向器的分类及设计选择123.2 齿轮齿条式转向器的基本设计123.2.1 齿轮齿条式转向器的结构选择123.2.2 齿轮齿条式转向器的布置形式143.2.3 设计目标参数表以及对应的转向轮偏角计算153.2.4 转向器参数选取与计算163.2.5 齿轮轴的结构设计193.2.6 转向器材料及其他零件选择204 齿轮齿条转向器校核214.1 齿条的强度计算21
7、4.1.1 齿条受力分析214.1.2 齿条齿根弯曲强度的计算224.2 小齿轮的强度计算234.2.1 齿面接触疲劳强度计算234.2.2 齿轮齿根弯曲疲劳强度计算264. 3 齿轮轴强度校核275 转向梯形机构的设计315.1 转向梯形机构概述315.2 整体式转向梯形机构方案分析325.3 整体式转向梯形机构数学模型分析325.4 基于Matlab的整体式转向梯形机构优化设计355.4.1 转向梯形机构的优化概况355.4.2 转向梯形机构设计思路365.4.3 基于Matlab的转向梯形机构设计375.5 转向传动机构的设计435.5.1 转向传送机构的臂、杆与球销435.5.2 转向
8、横拉杆及其端部436 基于CATIA的齿轮齿条式转向系统的三维建模456.1 CATIA软件简介456.2 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521 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
9、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(
10、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C
11、ervo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
12、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
13、车中使用的循环球式转向器，已由60年代的625%，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
14、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
15、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1.22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
