毕业设计(论文)汽车转向系统设计.pdf
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1、摘要汽车转向系统是汽车的重要组成部分之一,转向系统性能的好坏直接影响到汽车行 驶的安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性,它对于确保车辆的行驶安全、减少交通事故以 及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。本文首先分析了汽车总体构架参数对汽车转向性能的影响,在分析各种机械转向器 性能优劣的基础上选择液压助力齿轮齿条转向器进行了设计。主要包括齿轮和齿条的合 理匹配及设计计算以满足转向器的正确传动比和强度要求,在综合考虑各种影响因素和 设计要求的基础上,研究了利用转向盘的旋转带动转向轴转向,通过万向节和传动轴带 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
2、向运动,并对动力转向机构设计和梯形结构设计。同时,采用液压助力转向系统,增加 助力的同时实现了汽车转向的稳定性和灵敏性的有效统一。并且,在上述基础之上,基于UG进行了计算机辅助设计,建立了汽车转向系统的 三维模型,并进行了动力学及运动学仿真,并完成了相关动画的制作。本文中主要方法和理论来自汽车设计的经验参数和大学所学机械设计的课程内容,结果满足强度要求,安全可靠。关键词:汽车转向系统;机械型转向器;齿轮齿条;液压式助力转向器ABSTRACTSt eerin g syst em is a mo st impo rt a n t pa rt o f t h e c h a ssis in a n
3、a ut o mo bile.Th e qua lit y o f t h e st eerin g syst em direc t ma ke a grea t dif f eren c e o n t h e a ut o mo biles sa f e mo v in g,st ea dy c o n t ro llin g,a n d c o mf o rt a ble driv in g.Th e t it le o f t h is t o pic is t h e design o f st eerin g syst em,w h ic h ma in ly f o c uses
4、 o n ra c k a n d pin io n st eerin g gea r.It c o n sist s o f six pa rt s.First,v eh ic le pa ra met ers o n t h e o v era ll f ra mew o rk o f t h e impa c t o f v eh ic le st eerin g;sec o n d,t h e c h o ic e o f mec h a n ic a l st eerin g;t h ird ra c k gea r a n d a rea so n a ble ma t c h t
5、 o meet t h e c o rrec t st eerin g gea r ra t io a n d st ren gt h requiremen t s;f o urt h,po w er st eerin g mec h a n ism design;f if t h,t h e st ruc t ura l design o f t ra pezo ida l;six t h,UG a ided design.Th eref o re,t a kin g in t o a c c o un t t h e a bo v e issues a n d f a c t o rs t
6、 h a t require st udyin g,ba sed o n t h e st eerin g w h eel ro t a ry driv e t ra n smissio n sh a f t o f t h e st eerin g ra c k a n d pin io n st eerin g,t h ro ugh t h e un iv ersa l jo in t driv e sh a f t ro t a t io n gea r sh if t,st eerin g ra c k a n d st eerin g gea r sh a f t mesh in g
7、,t h ereby en c o ura gin g st eerin g ra c k lin ea r mo t io n t o a c h iev e st eerin g.Simple st ruc t ure t o a c h iev e t h e st eerin g t igh t,sh o rt a x ia l dimen sio n,a n d t h e n umber o f pa rt s c a n in c rea se t h e a dv a n t a ges o f less po w er in o rder t o a c h iev e t
8、h e v eh ic le st eerin g st a bilit y a n d sen sit iv it y.Th is a rt ic le h a s do n e a ma jo r design o f ra c k a n d pin io n st eerin g syst em,a s w ell a s gea r sh a f t a n d t h e c h ec k.Th e ma in met h o ds a n d t h eo ret ic a l ex perien c e used ma in ly ba sed o n a ut o mo t
9、iv e design pa ra met ers a n d mec h a n ic a l design c urric ulum lea rn ed in Un iv ersit y.Design a n d t h e result s meet t h e st ren gt h requiremen t s,it s sa f e a n d relia ble.Keywords:steering;mechanical type steering gear;gear rack;hydraulic power steering目 录第一章绪论.11.1 汽车转向系统概述.11.1.
10、1 机械式转向系统.11.1.2液压助力转向系统(HPS).2L L3电控液压助力转向系统(EHPS).21.1.4电动助力转向系统(EPS).31.1.5线控转向系统(SBW).41.4国内外发展情况.51.4.1 现代汽车转向装置的设计趋势.51.4.2 现代汽车转向装置的发展趋势.61.5本课题研究的目的和意义.71.6本文主要研究内容.8第二章转向系统整体参数的选择和计算.92.1汽车转向系统设计概述.92.1.1对转向系的要求.92.1.2转向操纵机构.92.1.3转向传动机构.102.1.4转向器.102.1.5转角及最小转弯半径.112.2汽车主要尺寸的确定.132.2.1和正巨
11、L.132.2.2前轮距B1和后轮距B2.152.2.3外廓尺寸.152.3汽车质量参数的确定.152.3.1整车整备质量物.152.3.2汽车的载客量和装载质量.162.3.3质量系数,”。.162.3.4汽车总质量加“.172.3.5轴荷分配.172.3.6轮胎的选择.172.4转向系统的效率.182.4.1转向器的正效率2.182.4.2转向器的逆效率.192.5传动比变化特性.192.5.1转向系传动比.192.5.2力传动比与转向系角传动比的关系.202.5.3转向器角传动比的选择.202.6转向器传动副的传动间隙At.212.7转向盘的总转动圈数.22第三章机械式转向机构方案分析及
12、设计.233.1齿轮齿条式转向器.233.2其他转向器.253.3齿轮齿条式转向器布置和结构形式的选择.253.4数据的确定.273.5设计计算过程.283.5.1转向轮侧偏角计算.283.5.2转向器参数选取.293.5.3齿轮和齿条的设计计算.303.5.4齿轮轴的设计计算.333.6轴承的选择与校核.373.6.1轴承的选择.373.6.2齿轮轴轴承的校核.383.7间隙调整弹簧的设计计算.383.8转向器的润滑方式和密封类型的选择.403.9键的计算.41第四章动力转向机构设计.424.1液压助力转向器概述.424.2对动力转向机构的要求.444.3动力转向机构布置方案.444.4液压
13、式动力转向机构的计算.464.5动力转向的评价指标.474.5.1 动力转向器的作用效能.474.5.2 路感.474.5.3 转向灵敏度.474.5.4 动力转向器的静特性.48第五章转向传动机构设计.495.1转向传动机构原理.495.2转向传送机构的臂、杆与球销.505.3转向横拉杆及其端部.505.4齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析.525.5杆件设计结果.53第六章基UG的汽车转向系统虚拟装配与分析.546.1 UG软件简介.546.2汽车转向系统虚拟装配.546.2.1汽车转向系统的建模.546.2.2汽车转向系统的虚拟装配.566.3汽车转向系统的虚拟分析.566.3.1运动分
14、析方案的建立.576.3.2 定义连杆(Lin ks).576.3.3添加运动副.586.3.4添加运动驱动.596.3.5仿真结果显示与分析.606.3.6动画文件的生成.616.4虚拟装配与分析小结.61结论.62参考文献.63翻译部分.64英文原文.64中文译文.71致谢.76中国矿业大学10届本科生毕业设计第1页第一章绪论1.1 汽车转向系统概述转向系统是汽车底盘的重要组成部分,转向系统性能的好坏直接影响到汽车行驶的 安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性,它对于确保车辆的行驶安全、减少交通事故以及保 护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。随着现代汽车技术的迅速 发展,汽车转向
15、系统已从纯机械式转向系统、液压助力转向系(HPS)、电控液压助力 转向系统(EHPS),发展到利用现代电子和控制技术的电动助力转向系统(EPS)及线 控转向系统(SBW)。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,
16、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。1.1.1 机械式转向系统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
17、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。川纯机械式转向系统为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘,需占用较 大的空间,整个机构笨拙,特别是对转向阻力较大的重型汽车,实现转向难度很大,这 中国矿业大学10届本科生毕业设计 第2页就大大限制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉,目前该类转向系统除 在一些转向操纵力
18、不大、对操控性能要求不高的农用车上使用外一很少被采用。1.1.2 液压助力转向系统(HPS)装配机械式转向系统的汽车,在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重,为解决这个问题,美国GM公司在20世纪50年代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。液压转向系统 是由液压和机械等两部分组成,它是以液压油做动力传递介质,通过液压泵产生动力来 推动机械转向器,从而实现转向。液压助力转向系统一般由机械转向器、液压泵、油管、分配阀、动力缸、溢流阀和限压阀、油缸等部件组成。为确保系统安全,在液压泵上装 有限压阀和溢流阀。其分配阀、转向器和动力缸置
19、于一个整体,分配阀和主动齿轮轴装 在一起(阀芯与齿轮轴垂直布置),阀芯上有控制槽,阀芯通过转向轴上的拨叉拨动。转向轴用销钉与阀中的弹性扭杆相接,该扭杆起到阀的中心定位作用。在齿条的一端装 有活塞,并位于动力缸之中,齿条左端与转向横拉杆相接。转向盘转动时,转向轴(连 主动齿轮轴)带动阀芯相对滑套运动,使油液通道发生变化,液压油从油泵排出,经控 制阀流向动力缸的一侧,推动活塞带动齿条运动,通过横拉杆使车轮偏转而转向。液压助力转向系统是在驾驶员的控制下,借助于汽车发动机带动液压泵产生的压力 来实现车轮转向。由于液压转向可以减少驾驶员手动转向力矩,从而改善了汽车的转向 轻便性和操纵稳定性。为保证汽车原
20、地转向或者低速转向时的轻便性,液压泵的排量是 以发动机怠速时的流量来确定。汽车起动之后,无论车子是否转向,系统都要处于工作 状态,而且在大转向车速较低时,需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力,所 以在一定程度上浪费了发动机动力资源。并且转向系统还存在低温工作性能差等缺点。1.1.3 电控液压助力转向系统(EHPS)由于液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性,因此,在1983年日本Ko yo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)o EHPS是在液压助力系统基础上发起来的,在传统的液压助力转向系统的基 础上增设了电控装置,其特点是原来由发动机
21、带动的液压助力泵改由电机驱动,取代了 由发动机驱动的方式,节省了燃油消耗;具有失效保护系统,电子元件失灵后仍可依靠 原转向系统安全工作;低速时转向效果不变,高速时可以自动根据车速逐步减小助力,增大路感,提高车辆行使稳定性。电控液压助力转向系统是将液压助力转向与电子控制 技术相结合的机电一体化产品。一般由电气和机械两部分组成,电气部分由车速传感器、转角传感器和电控单元ECU组成;机械部分包括齿轮齿条转向器、控制阀、管路和电动 泵。其中电动泵的工作状态由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算 出的最理想状态。简单地说,在低速大转向时,电子控制单元驱动液压泵以高速运转输 出较大功率,使驾
22、驶员打方向省力;汽车在高速行驶时,液压控制单元驱动液压泵以较 中国矿业大学10届本科生毕业设计 第3页低的速度运转,在不至影响高速打转向的需要的同时,节省一部分发动机功率。电控液压转向系统的工作原理:在汽车直线行驶时,方向盘不转动,电动泵以很低 的速度运转,大部分工作油经过转向阀流回储油罐,少部分经液控阀然后流回储油罐;当驾驶员开始转动方向盘时,ECU根据检测到的转角、车速以及电动机转速的反馈信号 等,判断汽车的转向状态,决定提供助力大小,向驱动单元发出控制指令,使电动机产 生相应的转速以驱动油泵,进而输出相应流量和压力的高压油。高压油经转向控制阀进 入齿条上的动力缸,推动活塞以产生适当的助力
23、,协助驾驶员进行转向操作,从而获得 理想的转向效果。电控液压助力转向系统在传统液压动力转向系统的基础上有了较大的改进,但液压 装置的存在,使得该系统仍有难以克服如渗油、不便于安装维修及检测等问题。电控液 压助力转向系统是传统液压助力转向系统向电动助力转向系统的过渡。11.1.4 电动助力转向系统(EPS)1988年日本Suzuki公司首先在小型轿车Cerv o上配备了 Ko yo公司研发的转向柱 助力式电动助力转向系统。1990年日本Ho n da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,从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。EPS是在EHPS的基础上发展起来
24、的,它取消EHPS的液压油泵、油管、油缸和密封圈 等部件,完全依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构,其结构简单、零件数量大大减 少、可靠性增强,解决了长期以来一直存在的液压管路泄漏和效率低下的问题。电动助 力转向系统在本田飞度、思域以及丰田新皇冠、奔驰新A-c la ss等车型上纷纷被采用。电动助力转向系统构成:电动助力转向系统一般是由转矩(转向)传感器、电子控制单元ECU、电动机、电 磁离合器以及减速机构组成。电动助力转向系统工作原理:电动助力转向系统的工作过程其工作过程为:扭矩传感器检测驾驶员打方向盘的扭 矩,然后根据这个扭矩给控制单元一个信号。同时控制单元也会收到来自方向盘位置传 感器
25、的信号,这个传感器一般是和扭矩传感器装在一起的(有些传感器已经将这2个功 能集成为一体)。扭矩和方向盘位置信息经过控制单元处理,连同传入控制单元的车速 信号,根据预先设计好的程序产生助力指令。该指令传到电机,由电机产生扭矩传到助 力机构上去,这里的齿轮机构则起到增大扭矩的作用。这样,助力扭矩就传到了转向柱 并最终完成了助力转向。电动助力转向系统特点:(1)节约了能源消耗。与传统的液压助力转向系统相比,没有系统要求的常运转转 向油泵,且电动机只是在需要转向时才接通电源,所以动力消耗和燃油消耗均可降到最 低。还消除了由于转向油泵带来的噪音污染。液压动力转向系统需要发动机带动液压油 泵,使液压油不停
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