机械式汽车转向系统设计

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1、目录摘要 1PyccKu衍 KoHcneKT错误!未定义书签。前言 2国内外发展情况 31.转向系统 61.1 转向系统概述 61.2 转向操纵机构 71.3 转向传动机构 91.4 转向器与转向器形式 101.5 动力转向机构 111.6 齿轮齿条式转向器的优点 112.机械型转向器原理 122.1 齿轮齿条式转向器的分类 122.2 转向系主要性能参数 142.2.1 转向器的效率 142.2.2 传动比的变化特性 163. 齿轮齿条的设计步骤 193.1 齿轮齿条的设计 193.2 齿轮齿条设计程序框图 234. 转向器齿轮轴设计及其校核 254.1 确定使用材料 254.2 轴的结构的

2、设计及校核 255. 轴承及其转向器壳体和阀体的选择和确定 305.1 轴承选择和确定 305.2 转向器壳体和阀体 306. 总结 31参考文献 32致 谢 33摘要本课题的题目是 J01 机械型转向器的设计。齿轮齿条转向器设计的核心有两点： 一是齿轮和齿条的合理匹配，以满足转向器的正确传动比和强度要求；二是转向器调整 机构的设计，合理匹配出弹簧的刚度，以保证转向器的启动力矩和啮合特性。因此本课 题在考虑上述要求和因素的基础上研究利用转向盘的旋转带动传动机构的齿轮齿条转 向轴转向，通过万向节带动转向齿轮轴旋转，转向齿轮轴与转向齿条啮合，从而促使转 向齿条直线运动，实现转向。实现了转向器结构简

3、单紧凑，轴向尺寸短，且零件数目少 的优点又能增加助力，从而实现了汽车转向的稳定性和灵敏性。在本文中主要进行了转 向器齿轮齿条的设计和对转向齿轮轴的校核，主要方法和理论采用汽车设计的经验参数 和大学所学机械设计的课程内容进行设计，其结果满足强度要求，安全可靠。 关键词：机械型转向器； 阀套； 阀芯；齿轮齿条前言改革开放以来，我国汽车工业发展迅猛。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。由于汽车转向器属于汽车系统中的关

4、键部件，它在汽车系统中占有重要 位置，因而它的发展同时也反映了汽车工业的发展，它的规模和质量也成为 了衡量汽车工业发展水平的重要标志之一。随着汽车高速化和超低扁平胎的 通用化，过去采用循环球转向器和循环球变传动比转向器只能相对地解决转 向轻便性和操纵灵便性的问题，要想从跟本上解决这两个问题只有安装动力 转向器。因此，除了重型汽车和高档轿车早已安装动力转向器外，近年来在 中型货车、豪华客车及中档轿车上都已经开始安装动力转向器，随着动力转 向器的设计水平的提高、生产规模的扩大和市场的需要，其他的一些车型也 必须陆续安装动力转向器。液压助力型转向器的设计使汽车在低速行驶或车 辆就位时，驾驶员只需用较

5、小的操作力就能灵活进行转向;而在高速行驶时， 则自动控制，使操作力逐渐增大，实现了稳定操纵。虽然这种转向器具有很 多优点，在目前的技术水准下它仍然存在某些不足之处，例如助力较小等 ; 因此，目前液压式动力转向器仍然占据着很大的市场份额，其性能也在不断 地提高。对于液压助力型动力转向器的研究有着非常深远的意义. 因此本课 题在考虑上述要求和因素的基础上研究利用转向盘的旋转带动传动机构的 齿轮齿条转向轴转向，通过万向节带动转向齿轮轴旋转，转向齿轮轴与转向 齿条啮合，从而促使转向齿条直线运动，实现转向。实现了转向器结构简单 紧凑，轴向尺寸短，且零件数目少的优点又能增加助力，从而实现了汽车转 向的稳定

6、性和灵敏性。国内外发展情况1 现代汽车转向装置的设计趋势1.1 适应汽车高速行驶的需要从操纵轻便性、稳定性及安全行驶的角度，汽车制造广泛使用更先进的 工艺方法，使用变速比转向器、高刚性转向器。“变速比和高刚性”是目前 世界上生产的转向器结构的方向。12 充分考虑安全性、轻便性随着汽车车速的提高，驾驶员和乘客的安全非常重要，目前国内外在许 多汽车上已普遍增设能量吸收装置，如防碰撞安全转向柱、安全带、安全气 囊等，并逐步推广。从人类工程学的角度考虑操纵的轻便性，已逐步采用可 调整的转向管柱和动力转向系统。1.3 低成本、低油耗、大批量专业化生产随着国际经济形势的恶化，石油危机造成经济衰退，汽车生产

7、愈来愈重 视经济性，因此，要设计低成本、低油耗的汽车和低成本、合理化生产线， 尽量实现大批量专业化生产。对零部件生产，特别是转向器的生产，更表现 突出。14 汽车转向器装置的电脑化汽车的转向器装置，必定是以电脑化为唯一的发展途径。2 现代汽车转向装置的发展趋势21 现代汽车转向装置的使用动态随着汽车工业的迅速发展，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 杆肖式（WP型）、蜗杆滚轮式（WR型）、循环球式（BS型）、齿条齿轮式（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

8、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。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。综合上述对有关转向器品种的使用分析，得出以下结论： 循环球式转向器和齿轮

9、齿条式转向器，已成为当今世界汽车上主要的两 种转向器；而蜗轮#0;蜗杆式转向器和蜗杆肖式转向器，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。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。22 循环球式转向器特点 循环球式转向器的特点是：效率高，操纵轻便，有一条平滑的操纵力特 性曲线。布置方便。特别适合大、中型车辆和动力转向系统配合使用；易于传递 驾驶

10、员操纵信号；逆效率高、回位好，与液压助力装置的动作配合得好。可以实现变速比的特性，满足了操纵轻便性的要求。中间位置转向力小、 且经常使用，要求转向灵敏，因此希望中间位置附近速比小，以提高灵敏性。 大角度转向位置转向阻力大，但使用次数少，因此希望大角度位置速比大一 些，以减小转向力。由于循环球式转向器可实现变速比，应用正日益广泛。通过大量钢球的滚动接触来传递转向力，具有较大的强度和较好的耐磨 性。并且该转向器可以被设计成具有等强度结构，这也是它应用广泛的原因 之一。变速比结构具有较高的刚度，特别适宜高速车辆车速的提高。高速车辆 需要在高速时有较好的转向稳定性，必须保证转向器具有较高的刚度。间隙可

11、调。齿条齿扇副磨损后可以重新调整间隙，使之具有合适的转向 器传动间隙，从而提高转向器寿命，也是这种转向器的优点之一。我国的转向器生产，除早期投产的解放牌汽车用蜗杆#0;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。2.3转向器生产专业化 循环球式转向器在国外实现了专业化生产，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

12、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#O;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。2.4动力转向是发展方向动力转向系统的应用日益广泛，不仅在重型汽车上必须装备，在高级轿 车上应用的也较多，在中型汽车上的应用也逐渐推广。主要是从减轻驾驶员 疲劳，提高操纵轻

13、便性和稳定性出发。虽然带来成本较高和结构复杂等问题， 但由于优点明显，还是得到很快的发展。动力转向有3种形式：整体式、半分置式及联阀式动力转向结构。目前 3种形式各有特点，发展较快，整体式多用于前桥负荷38t汽车，联阀式 多用于前桥负荷5#0;18t汽车，半分置式多用于前桥负荷6t以上到超重型 汽车。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。1. 转向系统1.1 转向系统概述汽车行驶过程中，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)的偏转作。按转向力能源的不

14、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2。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。通常，对转向系的主要要求是:(1) 保证汽车有较高的机动性，在有限的场地面积内，具有迅速和小半 径转弯的能力，同时

15、操作轻便;(2) 汽车转向时，全部车轮应绕一个瞬时转向中心旋转，不应有侧滑;(3) 传给转向盘的反冲要尽可能的小;(4) 转向后，转向盘应自动回正，并应使汽车保持在稳定的直线行驶状 态;(5) 发生车祸时，当转向盘和转向轴由于车架和车身变形一起后移时， 转向系统最好有保护机构防止伤及乘员3.下图是一种机械式转向系统如图 1-1 示。驾驶员对转向盘 1 施加的转向 力矩通过转向轴 2输入转向器8。从转向盘到转向传动轴这一系列零件即属 于转向操纵机构。作为减速传动装置的转向器中有 1、2 级减速传动副(右 图所示转向系统中的转向器为单级减速传动副)。经转向器放大后的力矩和 减速后的运动传到转向横拉杆 6，再传给固定于转向节 3 上的转向节臂 5， 使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而改变了汽车的行驶方向。这里，转向横拉杆和转向节臂属于转向传动机构。l转向盘2安全转向轴3转向节4转向轮5转向节臂6转向横拉杆 7.转向减振器 8.机械转向器图1-1机械系统简图1.2转向操纵机构转向盘即通常所说的方向盘。转向盘内部有金属制成的骨架，是用钢、 铝合金或镁合金等材料制成。由圆环状的盘圈、插入转向轴的转向盘毂，以 及连接盘圈和盘毂的辐条构成。采用焊接或铸造等工艺制造，转向轴是由细 齿花键和螺母连接的。骨架的外侧一般包有柔软的合成橡胶或树脂，也有采 用皮革