四驱越野车转向系统设计-汽车液压助力转向器设计【含10张CAD图纸、说明书】【QX系列】
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密 级分类号编 号成 绩本科生毕业设计 (论文)外 文 翻 译原 文 标 题History of the development of the Steering System 译 文 标 题转向系统的发展的历史作者所在系别作者所在专业作者所在班级作 者 姓 名作 者 学 号指导教师姓名指导教师职称完 成 时 间教务处制译文标题转向系统的发展原文标题History of the development of the Steering System作 者Abbott译 名艾布特国 籍美国原文出处Car and Driver摘要:车辆的基本系统中必须有转向系统,驾驶员操纵方向盘来通过转向系统来控制汽车的行驶方向,达到他的行驶目的。100多年来,汽车工业机械和电子技术在不断发展和进步。今天的汽车不是纯机械意义上的汽车,它是机械、电子、材料和其他综合产品。转向系统随着汽车工业的发展在长期进化。关键词:转向系统 汽车 驾驶 发展转向系统的发展转向系统在车辆系统的基本系统是必要的,司机通过方向盘来操纵和控制汽车的方向旅行,以实现他的驾驶意图。100多年来,汽车工业机械和电子技术的发展和进步。今天,汽车不是纯机械意义上的汽车,它是机械、电子、材料和其他综合产品。转向系统随着汽车工业的发展在长期进化。传统的转向系统是机械转向系统,汽车方向盘,通过引导控制等一系列的机械零件方向盘实现偏转,从而实现转向。在1950年代,液压动力转向系统在汽车应用,标志着转向系统的开始。源以前的人类和液压动力转向的助推器。HPS液压助力器(液压动力转向)是基于机械转向系统和液压系统增加了。液压系统和发动机,当将军的一部分引擎启动时,提供汽车发动机功率,另一部分动能的液压系统。由于其可靠工作,成熟的技术仍然得到了广泛的应用。转向系统的主要特点是流体压力,减少司机方向盘的支持,改善了操舵灯和汽车操作稳定性。但与此同时,也有一些液压系统缺陷:完成针对汽车设计和制造的汽车转向,若不能改变的动力学特征后。直接后果是,在低功率动态特征时,汽车在低段可以很好,但在高速段感的好方法,因为不能调整动力特征,没有更好的方式驱动,高功率的动态特征时,以低段参数效果不是很好,如果没有,目标车辆液压系统也必须在发动机驱动。因此,能源消耗,增加燃料发动机,现有的液压油泄漏问题应该不仅污染环境,而且容易影响其他组件。针对低温,液压系统性能很差。近年来,随着电子技术的广泛应用,转向系统也越来越多的使用电子设备。因此,变成使用电子控制系统出现相应的电动液压助力转向系统。电动液压动力转向系统可以分为两类:电动液压操舵系统(电液压动力(EHPS)和电动液压转向电子控制转向(液压动力转向)。电动液压操舵系统在液压动力系统的基础上开发的液压增压系统,不同的是,电动液压系统液压系统的电源,但不是由汽车发动机汽车驱动液压系统,节约能源,降低发动机油耗。电动液压操舵装置是在传统的液压助力系统的基础上开发,所不同的是,电动液压操舵系统,电子控制设备增加。电子控制单元可以根据转向速度,速度的汽车液压系统的操作参数,改变液压增压速度不同的大小,从而实现变化,动态特征。但根据电机驱动液压系统,反过来,电机停止转动,从而减少能源消耗。虽然电动液压动力转向液压操舵系统克服了缺点。但由于液压系统的存在,它的存在液压油泄漏问题,和电动液压助力转向系统,介绍了电机驱动系统更复杂,成本和可靠性。 为了区别电动液压转向系统、电动助力转向系统电动助力转向(EPS)。现在应该知道各种各样的转向系统,最大的区别在于电动助力转向系统没有液压系统。最初由液压操舵系统的电动机。电动助力转向系统一般由扭矩传感器和微处理器、电机、等的基本原理是:当司机将方向盘驱动轴旋转,安装在转动轴的扭矩传感器和扭矩信号到电信号微处理器,微处理器基于其他车辆运行速度和扭矩信号的参数,根据治疗的程序集电力汽车助推器方向和大小的助推器。自1988年以来,第一次在日本铃木Cervo汽车装备转向系统、动力转向系统被广泛承认的人。转向系统主要体现在以下方面:动力转向系统可以提供不同在不同速度下的动态特性。低,方向盘,增加更多的光,在高速转向减少,甚至为了提高道路增加潮湿。动力转向系统只有在驾驶汽车去工作,提供动力,以减少能源消耗。电动机工作时,由电池驱动的电动助力转向系统不能在发动机工作条件下的工作。电动助力转向系统不应该液压系统,而液压增压系统和自动装配。和电动助力转向系统可以改变助推器微处理器算法的程序,简单的动力学特征的变化。科学和技术的发展正在改变,传统的转向系统的转向控制(车轮转向),并将传播机制。但思想的火花总是可以带来惊喜!电子转向系统南偏西方向(线)改变了传统的三个最与微控制器的概念,取而代之的是转向传动机构、三个最分成两部分。电子转向系统是最先进的技术和汽车转向系统。它主要由转向控制模块、执行模块和微控制器三个模块。转向控制模块的主要功能是扭矩传感器的检测司机的意图,和检测信号(包括旋转方向和转速等)乘公共汽车,微控制器,基于信号和微控制器,和速度反馈控制模块是一个方向盘,让司机,能感觉到。但就是这样,是开发虚拟根据测试数据的集成,形成了“体验”,通过固化过程的微控制器。如此速度,转向力矩的大小和一些对应关系。转向角传感器和致动器包括转向汽车,转向电机控制器等。这是微控制器根据控制命令的函数,执行驱动电机旋转角度,完整的行动。同样大小的旋转角度传感器监测和反馈微控制器,形成一个完整的准确的闭环控制系统,转向运动。微控制器是电子转向系统的核心。它是接收信号检测、处理发送相应的控制信号。由于微控制器取代了转向传动机构,因此系统的组件之间的机械连接,减少响应速度和响应的准确性。并且把战略、传输控制软件编程设置,和其他设备,如ABS,自动导航设备。传导机制减少带来的更大的汽车室内空间,给更多的乐趣。并将行为可以被记录下来,保存在软件可以帮助eepm经过进一步完善转向控制策略,甚至可以为交通事故提供证据。全屏阅读 关闭全屏阅读 你的评分:有道翻译中国最大最稳定的免费在线翻译 添加书签 History of the development of the Steering SystemSteering system is necessary in vehicle system is the basic system, driver through the steering wheel to manipulate and control cars direction of travel, so as to realize the intention of his driving. For more than 100 years, automobile industry with mechanical and electronic technology development and progress. Today, the car is not purely mechanical sense of a car, it is the mechanical, electronic, materials and other comprehensive product. Steering system with the development of the car industry after the long evolution. The traditional steering system is mechanical steering system, automotive steering wheel, by pilot control through such a series of mechanical parts steering wheel to realize the deflection, so as to realize the steering. As in the 1950s, hydraulic power steering system in automotive applications, marked the beginning of steering system. Sources of power steering by previous human to human and hydraulic booster. Hydraulic booster HPS (Hydraulic Power Steering) is in the Steering system based on the mechanical and Hydraulic system increased a. The hydraulic system and the engine, when the general part of the engine starts, provide automobile engine power forward, another part of the kinetic energy of hydraulic system for power. Due to its reliable work, mature technology still has been widely used. The steering system of the main characteristic is the fluid pressure, reduce drivers support in the steering wheel, improved the steering light and auto operation stability. But at the same time, there are also some hydraulic power system flaw: Aiming at vehicle design and manufacture, after the completion of the vehicle steering dynamical characteristics cannot change. The direct consequence is that when the dynamical characteristics in low power, car in low segment can get very good, but in high-speed period has good way to sense, because cannot adjust dynamical characteristics, no better way drivers, When the dynamical characteristics in high power, not very good at low segment tprompt effect, If not, aiming to vehicle hydraulic system must also be in the engine driving. As a result, the energy consumption, increase fuel engine, Existing hydraulic oil leakage problems should not only to environmental pollution, and easy to other components, Aiming at low temperatures, hydraulic system performance is poor. In recent years, with the electronic technology in the wide application, steering system also more and more used electronic devices. Turn into the electronic control system, therefore, the corresponding appeared electrohydraulic power steering system. Electrohydraulic Power Steering can be divided into two categories: electric Hydraulic Steering system (Electro Hydraulic Power - the EHPS) and electric Hydraulic Steering Electronically Controlled ECHPS Steering (Hydraulic Power Steering). Electric hydraulic steering system is in hydraulic power system on the basis of the development of hydraulic booster systems, and different is, electric hydraulic power system of power sources in the hydraulic system, but not by motor engine motor drive hydraulic system, save energy and reduce the engine fuel consumption. Electric hydraulic steering is in traditional hydraulic booster systems on the basis of the development, the difference is that the electric hydraulic steering system, electronic control devices increased. The electronic control unit can according to the steering rate, speed auto operation parameters of hydraulic system, change the size of the hydraulic booster at different speeds, so as to realize the change, dynamical characteristics. But under the motor drive hydraulic system, in turn, motor can stop turning, thereby reducing energy consumption.Although electrohydraulic power steering system of hydraulic steering overcomes the drawbacks. But due to the existence of hydraulic system, it exists the hydraulic oil leakage problem, and electrohydraulic power steering system, introduced motor drive system is more complex, costs and reliability. In order to avoid Electric hydraulic Steering system, Electric Power Steering system of Electric Power Steering (EPS) should now. It with all sorts of steering system, the biggest difference lies in the electric power steering system has no hydraulic system. Originally produced by hydraulic steering system by motor. Electric power steering system of general by the torque sensor and microprocessor, motor, etc. The basic principle is: when the driver turned the steering wheel drive shaft rotation, to install in the rotation axes of the torque sensor and torque signal into electrical signals to microprocessors, microprocessor based on speed and torque signal other vehicles running parameters, according to the set procedures in the treatment of that power motors booster direction and the size of the booster. Since 1988, the first in Japan suzuki Cervo car to equip the steering system, power steering system is widely recognized by the people. Steering system is mainly embodied in the following aspects: A power steering system can provide different at different speeds under the dynamical characteristics. In the low road, steering, to increase more light, At high speed reduced steering, even in order to improve the road are increased to damp. A power steering system only in steering motors to work, to provide power, so as to reduce energy consumption.A motor, so by battery-powered electric power steering system can not work in engine under the condition of the work. Electric power steering system should not hydraulic system, compared with hydraulic booster systems and automated assembly. And electric power steering system can change the booster program microprocessor algorithm, easy dynamical characteristics of the change. The development of science and technology is changing, the traditional steering system of steering control (wheel steering), and turn of transmission mechanism. But the thought of the spark can always bring surprise! Electronic Steering system SBW Steering (to the Wire) was changed to the traditional concept of three most with micro-controller, it was replaced By the Steering transmission mechanism, the three most into two parts. Electronic steering system is the most advanced and automotive steering system of technology. It mainly consists of steering control module, to execute module and micro controller three modules. Steering control modules main function is to torque sensor detection by the driver intention, and to detect signal (including rotation direction and rotational speed, etc) by bus to micro controller, and micro controller based on the signal, and speed feedback control module is a steering wheel to make drivers, can feel road. But this is the way, is the development of virtual according to test data of integrated, formed experience, and by way of curing process in the form of micro controller. So it is with speed, turning to the size of the torque rate and some corresponding relation. Steering Angle sensor and actuator including steering motors, steering motor controller etc. It is the function of micro controller based on the control command, drive motor rotation Angle to execute, complete to action. Also the size of the rotation Angle sensor monitoring and feedback to micro controller, forming a complete accurate closed-loop control system, steering movement. Micro controller is the core of electronic steering system. It is receiving signal detection, processed send corresponding control signal. Due to the micro controller replaced steering transmission mechanism, thus mechanical connection between components of the system, reduce the response speed and the accuracy of the response. And to turn strategy, transmission control software programming any Settings, And other equipment, such as ABS, automatic navigation equipment. Transmission mechanism of reducing brings a bigger car interior space, give rides more fun. And turning behavior can be recorded, save in software that can help EEPROM after further perfecting the steering control strategy, even can provide.6指 导 教 师 评 语 外文翻译成绩:指导教师签字: 年 月 日注:1. 指导教师对译文进行评阅时应注意以下几个方面:翻译的外文文献与毕业设计(论文)的主题是否高度相关,并作为外文参考文献列入毕业设计(论文)的参考文献;翻译的外文文献字数是否达到规定数量(3 000字以上);译文语言是否准确、通顺、具有参考价值。2. 外文原文应以附件的方式置于译文之后。题目: 四驱越野车转向系统设计 二级学院:机械与车辆工程学院组别: 第三组 专 业: 车辆工程 班级: 学生姓名: 学号: 指导教师: 职称: 年 月 日摘 要本课题的题目是转向系的设计。以齿轮齿条转向器的设计为中心,一是汽车总体构架参数对汽车转向的影响;二是机械转向器的选择;三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;四是动力转向机构设计;五是梯形结构设计。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:转向系;机械型转向器 ;齿轮齿条;液压式助力转向器ABSTRACTThe subject of this subject is the design of the steering system. The design of gear and rack steering is centered on the influence of automobile overall frame parameters on automobile steering; two is the choice of mechanical steering gear; three is the reasonable matching of gear and rack to meet the correct transmission ratio and strength requirements of the steering gear; four is the power steering mechanism design; five is the trapezoidal structure design.On the basis of the above requirements and factors, the paper studies the rotation of the gear and rack steering axis of the steering gear driven by the rotating steering wheel, which drives the steering gear axis to rotate through the universal joint, and turns to the gear shaft and the steering rack, thus promoting the steering rack to move in a straight line and realize the steering. The advantages of simple and compact structure, short axial size and less number of parts can increase the power support, thus realizing the stability and sensitivity of automobile steering. In this paper, the design of the gear and rack of the steering gear and the check of the steering gear shaft are mainly carried out. The main methods and theories are designed with the experience parameters of the automobile design and the course content of the mechanical design of the University. The results meet the strength requirements and are safe and reliable.Key words: steering system; mechanical steering gear; rack and pinion; hydraulic power steering gear.II目 录摘 要I第一章 转向系统设计概述11.1 转向系统设计要求11.2 转向操纵机构的概述11.3 转向传动机构的概述21.4 转向器的概述2第二章 转向系统主要参数的选择与确定42.1 转向系统设计参数的确定42.2 转向系统主要组件参数的确定42.2.1 转向盘42.2.2 转向轴52.2.3 转向梯形52.3 转向系主要性能参数62.3.1 转向系的效率62.3.2 转向器的正效率62.3.3 转向器的逆效率7第三章 机械式转向器方案分析及设计93.1 转向器形式的确定93.2 动力转向机构的确定9第四章 齿轮齿条式转向器的设计与计算114.1 齿轮齿条式转向器概述114.2 齿轮齿条材料的选择124.3 齿轮齿条式转向器相关参数的计算124.4 齿轮强度校核154.4.1 齿面接触强度154.4.2 齿根弯曲强度16第五章 转向器液压辅助系统设计275.1 液压动力缸直径设计275.2 分配阀有关参数确定285.3 反作用阀和回位弹簧参数确定295.4 油罐容积与油泵排量的设计30结 论32参考文献33第一章 转向系统设计概述1.1 转向系统设计要求 1)汽车转弯行驶时,全部车轮应绕瞬时转向中心旋转,任何车轮不应有侧滑。不满足这项要求会加速轮胎磨损,并降低汽车的行驶稳定性。2)汽车转向行驶时,在驾驶员松开转向盘的条件下,转向轮能自动返回到直线行驶位置,并稳定行驶。3)汽车在任何行驶状态下,转向轮都不得产生自振,转向盘没有摆动。4)转向传动机构和悬架导向装置共同工作时,由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小。5)保证汽车有较高的机动性,具有迅速和小转弯行驶能力。6)操纵轻便。7) 转向轮碰撞到障碍物以后,传给转向盘的反冲力要尽可能小。8) 转向器和转向传动机构的球头处,有消除因磨损而产生间隙的调整机构。9) 在车祸中,当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时,转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。10) 进行运动校核,保证转向轮与转向盘转动方向一致。1.2 转向操纵机构的概述转向操纵机构包括转向盘,转向轴,转向管柱。有时为了布置方便,减小由于装配位置误差及部件相对运动所引起的附加载荷,提高汽车正面碰撞的安全性以及便于拆装,在转向轴与转向器的输入端之间安装转向万向节,如图1.1。采用柔性万向节可减少传至转向轴上的振动,但柔性万向节如果过软,则会影响转向系的刚度。采用动力转向时,还应有转向动力系统。图1.1 转向操纵机构1-转向万向节;2-转向传动轴;3-转向管柱;4-转向轴;5-转向盘1.3 转向传动机构的概述转向传动机构包括转向臂、转向纵拉杆、转向节臂、转向梯形臂以及转向横拉杆等。(见图1.2)转向传动机构用于把转向器输出的力和运动传给左、右转向节并使左、右转向轮按一定关系进行偏转。图1.2 转向传动机构1-转向摇臂;2-转向纵拉杆;3-转向节臂;4-转向梯形臂;5-转向横拉杆1.4 转向器的概述机械转向器是将司机对转向盘的转动变为转向摇臂的摆动(或齿条沿转向车轴轴向的移动),并按一定的角转动比和力转动比进行传递的机构。机械转向器与动力系统相结合,构成动力转向系统。高级轿车和重型载货汽车为了使转向轻便,多采用这种动力转向系统。采用液力式动力转向时,由于液体的阻尼作用,吸收了路面上的冲击载荷,故可采用可逆程度大、正效率又高的转向器结构。为了避免汽车在撞车时司机受到的转向盘的伤害,除了在转向盘中间可安装安全气囊外,还可在转向系中设置防伤装置。为了缓和来自路面的冲击、衰减转向轮的摆振和转向机构的震动,有的还装有转向减振器。多数两轴及三轴汽车仅用前轮转向;为了提高操纵稳定性和机动性,某些现代轿车采用全四轮转向;多轴汽车根据对机动性的要求,有时要增加转向轮的数目,制止采用全轮转向 。第二章 转向系统主要参数的选择与确定2.1 转向系统设计参数的确定本次设计车型为4驱越野车,其设计参数如表2.1所示。本次以四驱越野车为对象,对其转向驱动桥进行设计。其设计参数如表下:表2.1 四驱越野车设计参数驱动形式44整车整备质量 (kg)1100额定载荷质量 (kg)700前轮距(mm)1429后轮距 (mm)1422轮胎规格225/70 R16额定功率/转速76kw/4600r/min最大扭矩/转速193N.m/3700r/min最高车速(km/h)140最小离地间隙(mm)190质心高度(mm)340驱动桥传动比;最大爬坡度40%2.2 转向系统主要组件参数的确定2.2.1 转向盘 转向盘有盘毂、轮缘和轮辐组成。一般轮辐有两根和三根的,也有四根的。 转向盘的尺寸和形状直接影响转向操纵的轻便性。选用大直径转向盘会使驾驶员进、出驾驶室感到困难;选用小直径转向盘转向时要求驾驶员施加较大的力,从而使汽车操纵困难。转向盘必须符合JB4505-1986转向盘尺寸标准。该标准规定:转向盘直径尺寸380mm、400mm、425mm、450mm、500mm、550mm。转向盘与转向轴采用圆柱直尺渐开线花键连接形式,可参照下表2.2进行选择。本次选择的四驱越野车的转向盘直径为380mm。 表2.2 各类车型的转向盘直径汽 车 类 型转向盘直径mm轿车、越野车、小型客车、轻型货车汽车380、400、425中型客车、中型载货汽车450、475、500大客车、重型载货车5502.2.2 转向轴早期汽车的转向轴通常用一根无缝钢管制造,其结构简单,制造容易,成本低,但从汽车上拆、装转向器较为困难。这种结构在某些轻型汽车上还有应用。目前大多数汽车转向轴上装置了万向节,使转向盘和转向器再汽车上布置更为合理,拆装方便,从而提高了操纵方便性、行驶安全性和转向机构的寿命。特别对可翻转驾驶室的平头车,可将万向节布置在驾驶室翻转轴线上,有利于驾驶室的翻转。万向节有柔性和刚性两种。柔性万向节,若刚性很大则不能满足使用要求,刚性大小又不能适应汽车转向要求,故一般应用较少。刚性万向节多是十字轴式,可使用单万向节,也可使用双万向节。双万向节要求布置适当,达到等角速运动。本课题采用装有单十字轴万向节的转向轴。2.2.3 转向梯形汽车转向时,左、右转向轮的转角要符合一定的规律,以保证所有车轮在转向过程中都绕一个圆心以相同的瞬时角速度运动。转向梯形机构可以使汽车在转向过程中所有车轮都是纯滚动或有极小的滑移,从而提高轮胎的使用寿命,保证汽车操纵的轻便性和稳定性。转向梯形机构由梯形臂、横拉杆和前轴组成。根据梯形机构相对前轴的位置分为前置式和后置式两种。后置转向梯形机构是将转向梯形放在前轴之后,简单可靠,因此应用广泛。前置转向梯形机构是在发动机位置很低或前轴为驱动轴时,转向梯形实在不能布置在转向轴之间,才不得不把转向梯形放在前轴之前。根据前悬架形式的不同,转向梯形机构又可分为整体式和分段式两种。整体式转向梯形机构用于非独立悬架的汽车。分段式转向梯形机构用于独立悬架的汽车,以保证任一前轮的跳动不致牵动拉杆而涉及另一车轮的偏转。分段式转向梯形比较复杂,铰接点多。因本车型前悬架采用的是麦弗逊独立悬架,故本文采用分段式转向梯形机构。2.3 转向系主要性能参数2.3.1 转向系的效率功率从转向轴输入,经转向摇臂轴输出所求得的效率称为转向器的正效率,用符号表示,;反之称为逆效率,用符号表示。 正效率计算公式: (2-1) 逆效率计算公式: (2-2) 式中, 为作用在转向轴上的功率;为转向器中的磨擦功率;为作用在转向摇臂轴上的功率。 正效率高,转向轻便;转向器应具有一定逆效率,以保证转向轮和转向盘的自动返回能力。但为了减小传至转向盘上的路面冲击力,防止打手,又要求此逆效率尽可能低。 影响转向器正效率的因素有转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等。 2.3.2 转向器的正效率 影响转向器正效率的因素有转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等。 (1)转向器类型、结构特点与效率 在四种转向器中,齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高,而蜗杆指销式特别是固定销和蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显的低些。同一类型转向器,因结构不同效率也不一样。如蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支持轴之间的轴承可以选用滚针轴承、圆锥滚子轴承和球轴承。选用滚针轴承时,除滚轮与滚针之间有摩擦损失外,滚轮侧翼与垫片之间还存在滑动摩擦损失,故这种轴向器的效率+仅有54%。另外两种结构的转向器效率分别为70%和75%。 转向摇臂轴的轴承采用滚针轴承比采用滑动轴承可使正或逆效率提高约10%。 (2)转向器的结构参数与效率 如果忽略轴承和其经地方的摩擦损失,只考虑啮合副的摩擦损失,对于蜗杆类转向器,其效率可用下式计算 (2-3) 式中,a0为蜗杆(或螺杆)的螺线导程角;为摩擦角,=arctanf;f为磨擦因数。2.3.3 转向器的逆效率根据逆效率不同,转向器有可逆式、极限可逆式和不可逆式之分。 路面作用在车轮上的力,经过转向系可大部分传递到转向盘,这种逆效率较高的转向器属于可逆式。它能保证转向轮和转向盘自动回正,既可以减轻驾驶员的疲劳,又可以提高行驶安全性。但是,在不平路面上行驶时,传至转向盘上的车轮冲击力,易使驾驶员疲劳,影响安全行驾驶。属于可逆式的转向器有齿轮齿条式和循环球式转向器。 不可逆式和极限可逆式转向器不可逆式转向器,是指车轮受到的冲击力不能传到转向盘的转向器。该冲击力转向传动机构的零件承受,因而这些零件容易损坏。同时,它既不能保证车轮自动回正,驾驶员又缺乏路面感觉,因此,现代汽车不采用这种转向器。极限可逆式转向器介于可逆式与不可逆式转向器两者之间。在车轮受到冲击力作用时,此力只有较小一部分传至转向盘。如果忽略轴承和其它地方的磨擦损失,只考虑啮合副的磨擦损失,则逆效率可用下式计算 (2-4)式(2-3)和式(2-4)表明:增加导程角,正、逆效率均增大。受增大的影响,不宜取得过大。当导程角小于或等于磨擦角时,逆效率为负值或者为零,此时表明该转向器是不可逆式转向器。为此,导程角必须大于磨擦角。 第三章 机械式转向器方案分析及设计3.1 转向器形式的确定转向器(也常称为转向机)是完成由旋转运动到直线运动(或近似直线运动)的一组齿轮机构,同时也是转向系中的减速传动装置。历史上曾出现过许多种形式的转向器,目前较常用的有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、循环球曲柄指销式、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。我们只介绍目前最常用,最有代表性的两种形:齿轮齿条式和循环球式。 齿轮齿条式:齿轮齿条方式的最大特点是刚性大,结构紧凑重量轻,且成本低。由于这种方式容易由车轮将反作用力传至转向盘,所以具有对路面状态反应灵敏的优点,但同时也容易产生打手和摆振等现象。齿轮与齿条直接啮合,将齿轮的旋转运动转化为齿条的直线运动,使转向拉杆横向拉动车轮产生偏转。齿轮并非单纯的平齿轮,而是特殊的螺旋形状,这是为了尽量减小齿轮与齿条之间的啮合间隙,使转向盘的微小转动能够传递到车轮,提高操作的灵敏性,也就是我们通常所说的减小方向盘的旷量。不过齿轮啮合过紧也并非好事,它使得转动转向盘时的操作力过大,人会感到吃力。 循环球式:这种转向装置是由齿轮机构将来自转向盘的旋转力进行减速,使转向盘的旋转运动变为涡轮蜗杆的旋转运动,滚珠螺杆和螺母夹着钢球啮合,因而滚珠螺杆的旋转运动变为直线运动,螺母再与扇形齿轮啮合,直线运动再次变为旋转运动,使连杆臂摇动,连杆臂再使连动拉杆和横拉杆做直线运动,改变车轮的方向。本次设计转向器选择齿轮齿条式转向机构。3.2 动力转向机构的确定动力转向机是利用外部动力协助司机轻便操作转向盘的装置。随着最近汽车发动机马力的增大和扁平轮胎的普遍使用,使车重和转向阻力都加大了,因此动力转向机构越来越普及。值得注意的是,转向助力不应是不变的,因为在高速行驶时,轮胎的横向阻力小,转向盘变得轻飘,很难捕捉路面的感觉,也容易造成转向过于灵敏而使汽车不易控制。所以在高速时要适当减低动力,但这种变化必须平顺过度。 (一)液压式动力转向装置 液压式动力转向装置重量轻,结构紧凑,利于改善转向操作感觉,但液体流量的增加会加重泵的负荷,需要保持怠速旋转的机构。 (二)电动式动力转向装置 电动式动力转向装置是最新形式的转向装置,由于它节能,故受到人们的重视。它是利用蓄电池转动电机产生推力。由于不直接使用发动机的动力,所以大大降低了发动机的功率损失(液压式最大损失5-10马力),且不需要液压管路,便于安装。尤其有利于中置发动机后轮驱动的汽车。但目前电动式动力转向装置所得动力还比不上液压式,所以只限用于前轮轴轻的中置发动机后驱动的汽车上。 (三)电动液压式动力转向装置 即由电机驱动转向助力泵并由计算机控制的方式,它集液压式和电动式的优点于一体。因为是计算机控制,所以转向助力泵不必经常工作,节省了发动机的功率。这种方式结构紧凑,便于安装布置,但液压产生的动力不能太大,所以适用排量小的汽车。 本次选用的动力机构为液压助力机构。第四章 齿轮齿条式转向器的设计与计算4.1 齿轮齿条式转向器概述齿轮齿条式转向器由与转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。与其他形式的转向器比较,齿轮齿条式转向器最主要的优点是:结构简单、紧凑;壳体采用铝合金或镁合金压铸而成,转向器的质量比较小;传动效率高达90%;齿轮与齿条之间因磨损出现间隙以后,利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧。能自动消除齿间间隙,这不仅可以提高转向系统的刚度。还可以防止工作时产生冲击和噪声;转向器占用的体积小;没有转向摇臂和直拉杆,所以转向轮转角可以增大;制造成本低。根据输入齿轮位置和输出特点不同,齿轮齿条式转向起有四种形式,如图4.1所示:中间输入,两端输出(a);侧面输入,两端输出(b);侧面输入,中间输出(c);侧面输入,一端输出(d)。图4.1 齿轮齿条式转向起有四种形式采用侧面输入,中间输出方案时,与齿条连的左,右拉杆延伸到接近汽车纵向对称平面附近。由于拉杆长度增加,车轮上、下跳动时拉杆摆角减小,有利于减少车轮上、下跳动时转向系与悬架系的运动干涉。拉杆与齿条用螺栓固定连接,因此,两拉杆会与齿条同时向左或右移动,为此在转向器壳体上开有轴向的长槽,从而降低了它的强度。采用两端输出方案时,由于转向拉杆长度受到限制,容易与悬架系统导向机构产生运动干涉。侧面输入,一端输出的齿轮齿条式转向器,常用在平头货车上。采用齿轮齿条式转向器采用直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合,则运转平稳降低,冲击大,工作噪声增加。此外,齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角只能是直角,为此因与总体布置不适应而遭淘汰。采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条式转向器,重合度增加,运转平稳,冲击与工作噪声均下降,而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满足总体设计的要求。因为斜齿工作时有轴向力作用,所以转向器应该采用推力轴承,使轴承寿命降低,还有斜齿轮的滑磨比较大是它的缺点。齿条断面形状有圆形、V形和Y形三种。圆形断面齿条的制作工艺比较简单。V形和Y形断面齿条与圆形断面比较,消耗的材料少,约节省20%,故质量小;位于齿下面的两斜面与齿条托座接触,可用来防止齿条绕轴线转动;Y形断面齿条的齿宽可以做得宽些,因而强度得到增加。在齿条与托座之间通常装有用减磨材料(如聚四氟乙烯)做的垫片,以减少滑动摩擦。当车轮跳动、转向或转向器工作时,如在齿条上作用有能使齿条旋转的力矩时,应选用V形和Y形断面齿条,用来防止因齿条旋转而破坏齿轮、齿条的齿不能正确啮合的情况出现。为了防止齿条旋转,也有在转向器壳体上设计导向槽的,槽内嵌装导向块,并将拉杆、导向块与齿条固定在一起。齿条移动时导向块在导向槽内随之移动,齿条旋转时导向块可防止齿条旋转。要求这种结构的导向块与导向槽之间的配合要适当。配合过紧会为转向和转向轮回正带来困难,配合过松齿条仍能旋转,并伴有敲击噪声。 4.2 齿轮齿条材料的选择转向系统直接关系着生命财产的安全,属于保安系统,安全系数要求较高。转向器扭距低,受到中等冲击,工作环境较恶劣,材料选择十分重要。主动小齿轮的材料选用16MnCr5材料,淬火处理,硬度为700HRC,精度等级为7级。齿条采用45钢,淬火处理壳体采用铝合金压铸。4.3 齿轮齿条式转向器相关参数的计算主动小齿轮应该采用斜齿圆柱小齿轮,并采用变位齿轮 法向模数在23mm之间取值,取3mm(GB/T13571987)齿轮的齿数取=8为避免根切,应采用变位齿轮,则变位系数 (4-1)取法向变位系数 0.4齿轮螺旋角多在915之间,所以取值=15压力角(法向齿形角)取20齿宽系数在0.30.6之间,取0.6齿条的齿宽=250.6=15mm (4-2)齿轮的齿宽取32mm法向模数 3.10mm (4-3)端面齿形角和法向齿形角的换算关系为: = (4-4)法向齿形角取20.65法向齿顶高系数取标准值1端面齿顶高系数: =cos15 (4-5)法向顶隙系数取标准值0.25端面顶隙系数 =0.25 cos15 (4-6)分度圆直径为:=24.8mm (4-7)取整,=25mm齿顶高为:=(1+0.4)3=4.2mm (4-8) =13=3mm齿根高为:=(1+0.250.4)3=2.55mm (4-9)=(1+0.25)3=3.75mm齿高为:=4.2+2.55=6.75mm (4-10)=3+3.75=6.75mm (4-11)齿顶圆直径为:=25+24.5=34mm (4-12)齿根圆直径为:=2524.2=16.6mm (4-13)齿距为:=mm=mm 齿轮中心到齿条基准线的距离为:=mm (4-15)基圆直径为:=25cos20.41=17.34mm (4-16)齿顶圆压力角为:=arccos50.90 (4-17)端面重合度为:1.64纵向重合度为:=0.41 (4-18)总重合度为:=1.64+0.41=2.05 (4-19)当量齿数为:=8.9 (4-20)齿轮的啮合角为: (4-21)式中:为齿轮的基圆半径,mm (4-22) 为齿轮的节圆半径,对于标准安装的齿轮,分度圆与节圆重合,则:mm齿条的压力角为:=46齿条的模数为:=2.8 (4-23)式中:为齿轮的法向模数,mm为齿轮的法向压力角齿条的齿数为;=33.3 (4-24)取 =34齿条的行程为:2225=315mm (4-25)齿条的长度为:34332mm (4-26)取,340mm4.4 齿轮强度校核为了保证行驶安全,组成转向系的各零件应有足够的强度。欲验算转向系零件的强度,需首先确定作用在各零件上的力。影响这些力的主要因素有转向轴的负荷、路面阻力和轮胎气压等。为转动转向轮要克服的阻力,包括转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内摩擦阻力等齿轮齿条转向器结构中的主动齿轮应采用较高可靠度要求,所以要求强度要高。最小安全系数1.60,1.24.4.1 齿面接触强度外啮合齿轮传动的尺寸: (4-27)式中:为常系数值,取756为载荷系数,常用值1.22,取1.2为小齿轮的额定转矩28500N.mm=28.5N.m为齿宽系数为许用接触应力为齿轮与齿条的齿数比,=1485 N/mm2试验齿轮的接触疲劳极限=1650N/mm2(渗碳淬火钢,齿轮材料和热处理质量达到很高要求时的疲劳极限取值) 24-9mm25mm符合设计要求4.4.2 齿根弯曲强度齿轮的法向模数要求: (4-28)式中:为常系数值,取12.4为许用齿根应力,为实验齿轮的弯曲疲劳极限,查表得=133N/mm2为复合齿形系数,查表,1.55,1.64=1.551.64=2.542=0.6mmmm 合格从齿从齿轮齿条的受力分析和其运动关系来看,汽车在行驶过程中,80%左右为直线行驶,即齿轮和齿条没有相对运动;汽车转弯时,齿轮齿条有相对运动,但其运动的速度较慢。从齿轮齿条的损坏形式来看,主要是齿轮折断,受弯曲强度的影响,因此在齿轮齿条强度计算中可只计算弯曲强度接触强度忽略不计。1、弯曲强度计算的齿向载荷分布系数齿向载荷分布系数是考虑沿齿宽载荷分布对齿根弯曲应力的影响。可按下式计算: (4-29)式中:为接触强度计算的齿向载荷分布系数为幂指数 (4-30)式中:为单位齿宽的最大载荷,N/mm 为单位齿宽的平均载荷,N/mm 为分度圆上平均计算切向力,N (4-31)式中:为齿宽,mm 为齿高,mm则: 0.62、弯曲强度计算的齿间载荷分布系数齿间载荷分布系数:考虑同时啮合的各对轮齿间载荷分配不均匀影响的系数。影响其主要因素有:受载后轮齿变形;轮齿制造误差,特别是基节偏差;齿廓修形;跑和效果等。查有关参考得出:=1.23、齿形系数齿形系数:是考虑载荷作用于单对齿啮合区外界点时齿形对名义弯曲应力的影响。外齿轮的齿形系数可有下式计算: (4-32)式中:为齿轮法向模数,mm;为法向分度圆压力角;对于普通型齿轮=0刀具圆角的半径=0.153=0.45mm刀尖圆心至刀齿对称线的距离 (4-33)=1.113mm辅助值 (4-34)基圆螺旋角 (4-35)=14.08辅助值 (4-36)辅助角=0.73 (4-37)=1.28危险截面齿厚与模数之比 (4-38) =1.2危险截面齿厚mm30切点处曲率半径与模数之比 (4-39) =0.230切点处曲率半径mm当量直齿轮端面重合度1.69 (4-40)当量直齿轮分度圆直径3824mm (4-41)当量直齿轮基圆直径22.55mm (4-42)当量直齿轮顶圆直径mm (4-43)当量直齿轮单对齿啮合区外界点直径 (4-44)=25.25mm当量直齿轮单齿啮合外界点压力角26.74 (4-45)外界点处的齿厚半角公式为: (4-46) =6.81当量齿轮单齿啮合外界点载荷作用角=26.746.81=19.93 (4-47)弯曲力臂与模数比 (4-48) =0.8弯曲力臂mm齿形系数可由公式(4-38)确定: (4-49) 4、齿形系数齿形系数:是考虑当载荷作用于齿顶时齿形对名义弯曲应力的影响,用于近似计算。外齿轮的齿形系数可由下式确定 (4-50)当量齿轮齿顶压力角45.35 (4-51)齿顶厚半角 (4-52) =25.27当量齿轮齿顶载荷作用角 (4-53) =38.49弯曲力臂与模数之比 (4-54)=0.9 弯曲力臂mm齿形系数由公式(4-56)确定:2.815、应力修正系数对于齿形角为20的齿轮,可按下式计算:(适用范围为) (4-55)式中:为齿根危险截面处齿厚与弯曲力臂的比值, (4-56)为齿根危险截面齿厚为弯曲力臂为齿根圆角参数,其值为为30切线切点处曲率半径则: =1.076、应力修正系数齿形角为20的齿轮,可按下式计算:(适用范围为) (4-57)其中: 1.12 (4-58)7、弯曲强度计算的重合度系数重合度系数:将载荷由齿顶转换到单对齿啮合区外界点的系数。公式如下:0.69 (4-59)8、弯曲强度计算的螺旋角系数螺旋角系数:是考虑螺旋角造成的接触线倾斜对齿根应力产生影响的系数,公式如下: (4-60)当时,按计算,当时,取;当时,按 计算1-0.250.41=0.90,合格0.95,合格9、试验齿轮的弯曲疲劳极限=190N/mm2主动小齿轮为双向运转工作的齿轮,查表得值乘上系数0.7。齿轮的弯曲疲劳极限=1900.7=133 N/mm210、弯曲强度的寿命系数寿命系数:是考虑齿轮寿命小于或大于持久寿命条件循环次数时,其可承受的弯曲应力值与相应的条件循环次数时疲劳极限应力的比例系数。淬火钢,持久寿命条件循环次数应力循环次数的取值范围为,取上限弯曲强度的寿命系数公式为: (4-61)11、弯曲强度尺寸系数尺寸系数:是考虑应尺寸增大使材料强度降低的尺寸效应因素,用于弯曲强度计算。查图,=0.97512、相对齿根圆角敏感系数相对齿根圆角敏感系数:是考虑所计算齿轮的材料、几何尺寸等对齿根应力的敏感度与实验齿轮不同而引进的系数。当齿根圆角参数在的范围时,可近似地取为1。13、相对齿根表面状况系数齿根表面状况系数:是考虑齿廓根部的表面状况,主要是齿根圆角处的粗糙度对齿根弯曲应力的影响。查表:=1.12014、齿轮弯曲强度校核查表,使用系数取1.0,动载系数取1.0齿根应力的基本值:12.11 (4-62)式中: 为端面内分度圆上的名义切向力,N为工作齿宽(齿根圆处),mm为法向模数,mm为载荷作用于单对齿啮合区外界点时的齿形系数为载荷作用于单对齿啮合区外界点时的应力修正系数为螺旋角系数计算齿轮的弯曲极限应力公式为: =188.7 (4-63)式中: 为实验齿轮的齿根弯曲疲劳极限,N/mm2为实验齿轮的应力修正系数为弯曲强度计算的寿命系数为相对齿根圆角敏感系数为相对齿根表面状况系数为弯曲强度计算的尺寸系数117.9 N/mm2 式中:为计算齿轮的弯曲极限应力为弯曲强度的最小安全系数14.532 N/mm2 (4-64)式中:为使用系数,查表取1.0,为动载系数,查表取1.0为弯曲强度计算的齿向载荷分布系数为弯曲强度计算的齿间载荷分布系数为齿根应力的基本值,N/mm2则,合格。 第五章 转向器液压辅助系统设计5.1 液压动力缸直径设计1、缸径尺寸的公式为: (5-1) 取 mm式中:为转向传动机构的力传动比,一般为15-22,此处取18。 为转向传动机构的效率 为活塞与缸筒间的摩擦系数 为齿轮的啮合角 为转向螺杆的直径 为车轮原地阻力矩 为转向盘上的切向力2、活塞行程的计算活塞行程公式为:mm (5-2)式中:为转向盘的最大转角,单位rad。 为主动小齿轮的分度圆直径,单位mm。活塞移至有活塞杆一端的极限位置时,与缸体端面间还应有的间隙以利活塞杆的导向;另一端也应有10mm的间隙,以免与缸盖碰撞。3、动力缸缸筒壁厚的计算其公式为: (5-3)mm式中:为缸内压力为动力缸的内径为缸体材料的屈服极限为安全系数,通常取3.555.2 分配阀有关参数确定1、预开隙一般要求转向盘转角25时滑阀就移动预开隙的距离。mm (5-4)式中:为相应的转向盘转角,一般为25为齿条的齿距,单位mm2、滑阀的总移动量通常,当滑阀的总移动量为时,转向盘允许转动的角度约为20左右。mm3、局部压降汽车直行时,滑阀处于中间平衡位置,阀全部开启,油液流经滑阀后再回到油箱。油液流经滑阀时产生的局部压力降的允许值为0.030.04MPa。取MPa油液流速的允许值0.03m/s (5-5)式中:局部压降的允许值,MPa油液的密度, kg/m3局部阻力系数,通常取=3.04、滑阀的直径滑阀的直径(cm):mm (5-6)式中:为溢流阀限制下的油液最大排量,单位L/min,约为发动机急速时油泵排量的1.5倍。为预开隙,单位cm为滑阀在中间位置时的油液流速,单位m/s将代入上式中的,求出滑阀的直径,用滑阀标准直径表圆整。5、滑阀在中间位置时的油液流速0.3m/s (5-7)6、分配阀的泄漏量分配阀的泄漏量(m/s):1.5% (5-8)式中:为滑阀与阀体间的径向间隙,cm,一般=0.00050.00125,计算时取最大间隙 为滑阀进出口油液的压力差,单位MPa为滑阀的外径,单位cm为密封长度,单位cm为油液的动力粘度,单位Pa.s(5%10%)5.3 反作用阀和回位弹簧参数确定1、回位弹簧的预紧力N (5-9)式中:为动力转向开始起作用时在转向盘上的切向力应达到的预定值,根据不同的车型,它的取值范围为20100N为转向盘的直径,单位mm为反作用阀的对数,在现有的车上=14为活塞的直径,单位mm为齿轮的啮合角,2、反作用阀的直径反作用阀的直径,其公式为: (5-10)=15mm式中:为动力缸内液压的最大值为个回位弹簧的刚度为在动力缸的最大液压作用下,作用于转向盘上的切向力的取值为反作用阀的行程5.4 油罐容积与油泵排量的设计1、油泵排量,公式为:Q4.5L (5-11)式中:为油泵的计算排量为动力缸的直径为活塞的直径,mm为转向盘转动的最大可能频率,计算时轿车取1.51.7s-1为齿轮的啮合角为漏泄系数,=0.050.10为油泵的容积效率,计算时一般取=0.750.852、油罐的容积容积应大小适中,否则会使高压油路产生气泡。通常油罐容积可取油泵在溢流阀限制下最大排量的15%20%,油泵排量为4.5L,所以容积应在0.625L-0.9L之间选取,取0.8L。结 论本次课程设计以四驱越野车为对象,对其进行转向系统设计。设计初,查阅了大量的文献和相关设计书籍,对转向系统由一定的了解以后进行了本次设计。本次设计选用的是齿轮齿条式的机械转向系统,动力辅助装置选用液压动力辅助,该机型式能够有效减轻方向盘的转动力矩和增大转动精度。设计时,根据设计参数,确定适合的设计方案和布置型式,对齿轮齿条转向机构的重要零部件进行了齿面接触强度和齿根弯曲强度的校核,确保满足使用要求。最后对液压辅助装置也进行了设计计算,如液压缸、分配阀、反作用阀、回位弹簧、油罐容积和油泵排量等都进行了相关计算。设计完成后和同伴共同绘制了总图和主要零部件图,完成了本次设计。参考文献1齐晓杰主编,液压、液力与气压传动M.化学工业出版社,2007.2成大先主编,机械设计手册M.化学工业出版社,2002.3吴宗泽主编,机械设计实用手册M.化学工业出版社,20034李学雷主编,机械设计基础M.科学出版社,2004.5机械设计手册编委会,机械设计手册M.机械工业出版社,2004.6余志生主编,汽车理论M.机械工业出版社,2006.7刘惟信主编,汽车设计M.清华大学出版社,2006.8王望予主编,汽车设计(第4版) M.机械工业出版社,2005.9陈家瑞主编,汽车构造M.人民交通出版社,2006.10吴宗泽,罗圣国主编,机械设计课程设计手册M.高等教育出版社,2006.11臧杰,阎岩主编,汽车构造M.机械工业出版社,2005.12朱秀琳主编.汽车机械基础.北京:电子工业出版社,2005.113常明主编.汽车底盘构造.北京:国防工业出版社,2005.334
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