中型汽车循环球液压助力转向系统设计【整体式循环球动力转向器装配图】
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大学 开 题 报 告 题 目 中型汽车 循环球液压助力转向系统设计及仿真分析指 导 教 师 院(系、部) 专 业 班 级 学 号 姓 名 日 期 7 一、选题的目的、意义和研究现状1. 目的、意义转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构,在汽车转向行驶时,保证各转向轮之间有协调的转角关系。汽车液压动力转向装置具有操作轻便、 转向灵活、 随动精度高、 能吸收路面冲击波等优点,并且能提供大的转向操纵助力,在液压系统发生故障时能够依靠机械转向器实现应急转向。由于本次设计对象为中型汽车,所以将采用液压助力方式对其转向系统进行结构设计。作为汽车的一个重要组成部分,汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成,它对汽车的操纵稳定性、平顺性和驾驶员的安全驾驶都有着直接的影响。如何设计汽车的转向特性,使汽车具有良好的操纵性能,始终是各汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天,针对更多不同水平的驾驶人群,汽车的操纵设计显得尤为重要。2. 研究现状汽车转向系统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个基本发展阶段。1)纯机械式转向系统,由于采用纯粹的机械解决方案,为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘,这样一来,占用驾驶室的空间很大特别是重型汽车由于转向阻力较大,单纯靠驾驶员的转向力很难实现转向,这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,目前在微型轿车、农用车上仍有使用。2)液压助力转向系统,1953年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统,此后该技术迅速发展,使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。80年代后期,又出现了变减速比的液压动力转向系统。在接下来的数年内,动力转向系统的技术革新差不多都是基于液压转向系统,比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统和电动液压助力转向系统。3)汽车电动助力转向系统(EPS),EPS在日本最先获得实际应用此后,电动助力转向技术得到迅速发展,其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本早期开发的EPS仅低速和停车时提供助力,高速时EPS将停止工作。新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力,而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。随着电子技术的发展,EPS技术日趋完善,并且其成本大幅度降低,为此其应用范围将越来越大。二、研究方案及预期结果。3. 主要解决的问题、理论、方法、技术路线(1)本次设计主要是对整体式循环球转向器的设计,因此,利用相关汽车设计的知识,首先对汽车总体参数进行确定,在此基础上,对转向器,分配阀,转向传动机构进行选型,接着再对转向器,分配阀和转向传动机构进行设计计算和校核,最后利用UG和CAXA软件完成三维二维图纸。主要有四点考虑:一是汽车总体构架参数对汽车转向的影响;二是转向器的选型、计算及校核;三是分配阀的选型,计算和校核,四是转向传动机构、转向操纵机构的主要部件的设计;在整个设计过程中,关键的问题包括:1)对整体式动力转向器的设计,即对螺杆钢球螺母传动副的设计和齿条齿扇传动副的设计,解决设计中的功能分析,工艺方案论证,相关参数计算及校核。2)对转向操纵机构及转向传动机构主要部件的材料、最佳功能及尺寸结构的工艺方案获得高性能、低成本、高效率、良好的可靠性。3)如何运用软件实现三维实体模型的建立及仿真分析过程。(2)理论:主要应用的理论有汽车理论,汽车构造,汽车设计,机械设计等。(3)设计方法包括查找文献资料,阅读相关书籍,以及三维仿真分析验证。根据设计中已知参数并结合已学的理论知识,分析并计算得到循环球式转向器的基本结构参数,然后利用相关经验公式对转向器的重要部件进行强度校核,校核的结果不符合国家相关要求则需要重新计算,当结果满足要求的时候,可确定其相关几何尺寸并完成图纸的绘制,结束本论文的设计工作。(4)技术路线 调查研究 开题报告汽车总体参数的确定转向器的确定动力转向机构确定汽车形式的确定汽车主要参数的确定 转向阀的选择转向传动机构的选择转向系的选择转向系主要性能参数选择转向系的设计计算转向系机构元件选型整体式转向系结构优化设计转向器的设计计算 完成二维,三维图纸绘制三维仿真分析完成说明书的编写4. 论文框架1.转向系统的简介说明设计内容的背景意义,为设计的展开做铺垫。2.汽车的主要尺寸以及参数列举所选汽车与转向系统有关的整车参数。3.转向系的方案分析选择转向器及转向阀以及分布形式等,转向系的主要性能参数,正、逆效率以及角,力传动比等。4.机械转向器的设计机械转向器的设计计算,包括尺寸计算及校核。5.动力转向系的设计动力转向机构的设计计算,包括动力缸尺寸计算和分配阀的参数选择及设计计算等和转向传动机构的设计计算,包括转向机构的臂、杆件的设计等。6.三维建模及仿真分析5. 预期结果绘制工程图纸4张(装配图1张A0A1,零件图3张A3)编写设计计算说明1份翻译相关外文文献1篇三、研究进度第1周第4周:毕业实习,收集资料,撰写实习报告。第5周:撰写开题报告,进行开题答辩。第6周第7周:进行参数选择,并进行循环球转向器的设计计算与校核。第8周第9周:进行液压式动力转向机构布置方案分析与选择,进行液压式动力转向机构的计算和校核。第10周第11周:进行转向梯形结构,转向减震器等主要零部件的分析选择及强度校核,并编写设计说明书。第12周第13周:进行转向系统二维图纸,三维图纸的绘制并进行仿真分析。第14周第15周:整理设计资料,打印输出,提交设计资料,准备答辩,论文评阅。第16周:毕业设计答辩。四、主要参考文献1 晓青. 现代汽车转向系统的发展趋势J上海汽车, 2004,(11).2 余志生.汽车理论M.北京,机械工业出版社,2007.3 王望予.汽车设计M.北京:机械工业出版社,2007.4 刘惟信.汽车设计M.北京:清华大学出版社,2001.5 孙恒.机械原理M.北京:高等教育出版社,2006.6 孙志礼.机械设计M.沈阳:东北大学出版社,2000.7 徐灏.机械设计手册M.北京:机械工业出版社,1992.8 巩云鹏.机械设计课程设计M沈阳:东北大学出版社,2000.12.9 陈家瑞.汽车构造M.北京:机械工业出版社,2009.2.10王慧.液压与气压传动M沈阳:东北大学出版社,2011.9.11史文库,姚为民.汽车构造M北京:人民交通出版社.2013.6.12臧艳红,管殿柱.UG NX 8.0三维机械设计M.北京:机械工业出版社,2013.12.13徐萃萍,赵树国.工程材料与成型工艺M.北京:冶金工业出版社,2010.8.14石美玉.转向系统M.北京:化学工业出版社,2005.15Badawy A, Bolourchi F, Gaut S E. SteerTM System Redefines Steering Technology .Automotive EngineerJ. 1997, 105(9) :15-18 .五、指导教师意见 指导教师签字: 摘要汽车的转向系统在机械式转向系统的基础上随着技术的不断发展完善和人们的要求不断提高,动力式转向系系统因运而生并成为主流转向系统。动力转向系统是在驾驶员靠人力通过各连杆机构作用在转向轮的基础上辅助以发动机的动能通过转向加力装置转化为进行汽车转向的动能来实现转向快速,准确,轻便的一套系统。因此,对于动力转向系统,汽车转向所需的能量只有一小部分由驾驶员提供,而大部分能量由发动机通过转向加力装置提供。而且随着技术的完善,当动力转向系统的转向加力装置失效时,还可以靠转向系统的机械部分由驾驶员独立汽车转向所需的力,从而实现汽车转向。因此,动力式转向系统因其优良的稳定性。安全性和可操作性受到广泛推广1。本文所设计的是中型汽车的转向系统,因此,本文根据中型汽车设计要求,选择整体式循环球式转向器,动力装置选用液压动力装置,并转向控制阀选用常流式滑阀转向阀等。通过查阅资料,参考文献等对动力转向系统的转向器各个零部件,液压动力缸参数及滑阀转向阀参数,转向系统的操纵机构和传动机构进行设计计算和强度校核。最后利用CAXA软件进行转向系统装配图及各零件图的绘制,利用UG三维建模软件对转向系统各个部分进行三维建模和仿真分析。关键词:循环球式转向系统;液压助力;滑阀;二维装配;三维建模IAbstractThe steering system of automobile is based on the mechanical steering system. With the continuous development of technology and the improvement of peopleundefineds requirements, the power steering system has become the mainstream steering system because of its operation. The power steering system is to realize the rapid steering on the basis of the steering wheel acting by the driver by manpower through the connecting rod mechanism. The kinetic energy of the engine is converted into the kinetic energy of the automobile steering by the steering afterpower device. An accurate, portable system. Therefore, for power steering systems, only a small portion of the energy required for vehicle steering is provided by the driver, while most of the energy is provided by the engine through the steering afterburner. And with the improvement of technology, when the power steering systemundefineds steering afterforce device fails, the steering system can also rely on the mechanical part of the steering system by the driverundefineds independent vehicle steering force, so as to achieve vehicle steering. Therefore, the power steering system has excellent stability. Safety and operability are widely promoted. In this article, the steering system of the medium vehicle is designed. Therefore, according to the design requirements of the medium vehicle, this paper selects the integral circulating ball steering gear, the hydraulic power device for the power plant, and the constant flow slide valve steering valve for the steering control valve, etc. Through consulting data, reference and so on, the design calculation and strength check of steering gear parts, hydraulic power cylinder parameters and slide valve steering valve parameters, steering mechanism and transmission mechanism of power steering system are carried out. Finally, CAXA software is used to draw the assembly drawing and every part drawing of steering system, and UG software is used to model and simulate each part of steering system.Keywords: circulating ball steering system; hydraulic power; slide valve; 2D assembly; 3D modelingIII目录前言11汽车主要参数的确定21.1汽车主要参数的选择22转向系的主要参数32.1转向器的效率32.2转向系传动比的变化特性42.2.1转向系传动比42.2.2力传动比与转向系角传动比的关系43循环球式转向器设计与计算63.1循环球式转向器主要参数的确定63.1.1螺杆、钢球、螺母传动副设计63.1.2齿条齿扇传动副的设计83.2循环球式转向器零件强度计算和校核93.2.1转向系计算载荷的确定93.2.2钢球与滚道间的接触应力103.2.3齿的弯曲应力113.2.4转向摇臂轴直径的确定124液压动力转向系的设计计算134.1液压动力转向机构布置方案的选择134.2液压动力缸的设计计算144.2.1动力缸内径的计算144.2.2活塞行程计算154.2.3动力缸缸筒壁厚计算154.3转向控制阀的设计计算164.3.1预开隙164.3.2滑阀总位移量164.3.3滑阀直径164.3.4滑阀中间位置时油液流速174.3.5分配阀得泄漏量174.3.6回位弹簧设计计算174.4液压油罐容积和液压油泵排量的确定185转向传动机构的设计206循环球式转向器的三维建模与仿真分析216.1转向螺杆的UG三维建模216.2齿扇摇臂轴的UG三维建模226.3转向螺母的UG三维建模256.4转向扭杆的UG三维建模276.5转向器壳体的UG三维建模286.6循环球式转向器装配306.7循环球式转向器的仿真运动分析316.8循环球式转向器扭杆的有限元分析337技术经济性分析368结论38致谢39参考文献40前言本次设计根据所选定的汽车型号是猎豹CT7系车,所设计的汽车转向器是整体式循环球式液压助力转向器,助力方式采用液压助力,转向控制阀则采用结构相对简单,工作效率高的常流式滑阀转向阀。在本次设计中,循环球式转向器的螺杆与转向控制阀的阀芯设计为一体,转向器壳体也作为液压动力缸的缸体,转向螺母和液压动力缸的活塞制成一体,螺杆与螺母传动副之间的螺旋轨道间加了可以循环流动的钢球,使滑动摩擦变为滚动摩擦,大大减小摩擦阻力。转向螺杆通过销连接有转向扭杆,减小了力直接作用在转向螺杆上使转向螺杆磨损过快,寿命减短;齿条、齿扇传动副中,齿条与齿扇各齿间的啮合间隙通过齿条各齿槽宽的改变实现,可通过调整齿扇摇臂轴的轴向位移来调节齿条与齿扇间的工作间隙。根据本次设计中选定的汽车整车参数,结合理论知识,分析并设计计算整体式循环球式液压助力转向器中机械转向器部分如转向螺杆,转向螺母,齿扇摇臂轴等,液压助力转向部分如液压缸,转向控制阀等主要结构的基本参数,然后利用相关经验公式对所设计的各个部件进行强度校核,校核的结果不符合国家相关要求则需要重新设计计算,当结果满足要求的时候,可确定转向系统各个零部件相关几何尺寸并完成二维,三维图纸的绘制和三维仿真分析。11汽车主要参数的确定1.1 汽车主要参数的选择本次设计选取的车型是猎豹CT7系车,该车的整车参数如表1-1所示表1-1 猎豹CT7整车参数Table.1-1 parameters of cheetah CT7 vehicle整车参数猎豹CT7车身重量1760kg轴距3105mm轮距1520/1520 mm(前/后)全车长度5310mm车身宽度1836mm车身高度1800mm最大功率转速:4000rpm最大扭矩转速:3000rpm最大功率100 KW最大扭矩300 Nm前轴轴荷774kg发动机排量1.9L转向助力机械液压助力后轴轴荷986kg轮胎气压0.3Mpa轮胎235/70 R162转向系的主要参数2.1 转向器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2。 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。转向器应保证正效率高,使驾驶员转向轻便;同时转向器也应具有一定逆效率,以保证转向轮和转向盘的自动返回到直线行驶位置的能力。但为了减轻驾驶员在不平路面上行驶时驾驶员的疲劳,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。(1)转向器正效率 (2-3) 式(2-3)中为螺杆的螺线导程角,一般取这里取;为摩擦角,;所以,式(2-3)中正效率,即正效率。(2)转向器逆效率 (2-4)由式(2-4)得,即逆效率。2.2 转向系传动比的变化特性2.2.1转向系传动比(1)转向系的力传动比 (2-5) 式(2-5)中地面作用在转向轮上的力;驾驶员作用在转向盘上的手力;(2)转向系角传动比 (2-6)式(2-6)中转向盘角速度;同侧转向节偏转角速度;(3)转向器角传动比 (2-7)式(2-7)中转向盘角速度摇臂轴角速度2.2.2力传动比与转向系角传动比的关系据 (2-8) (2-9)其中主销偏移距,本次设计中所选车型轮胎的胎面宽度为235mm,故本次设计中;作用在转向节上的转向阻力矩;为作用在转向盘上的力矩;为转向盘直径,本次设计用原有车型的数据,方向盘直径;将式(2-8),(2-9)代入式(2-5)得 (2-10)且 (2-11)将式(2-11)代入(2-10)得 (2-12)式(2-12)表明:增大角传动比可以增加力传动比。从式(2-5)可知,当一定时,增大能减少作用在方向盘上的手力,使操纵轻便。当和不变时,力传动比越大,虽然转向越轻,但也越大,表明转向不灵敏,且3。3循环球式转向器设计与计算3.1 循环球式转向器主要参数的确定据吉林大学 王望予汽车设计中P235 表7-1,和P237 表7-2循环球式转向器主要参数4的选择如下表3-1所示表3-1循环球转向器主要参数Table.3-1 main parameters of circulating ball steering gear齿扇模数/mm4摇臂轴直径/mm28钢球中心距/mm25螺杆外径/mm25钢球直径/mm6.350工作圈数1.5环流行数2螺母长度/mm47齿扇整圆齿数13齿扇压力角切削角齿扇宽/mm283.1.1螺杆、钢球、螺母传动副设计(1) 钢球中心距螺杆外径螺母内径尺寸、如图3-1所示图3-1 螺杆、钢球 螺母传动副Fig. 3-1 Screw, steel ball nut drive pair螺母内径应大于螺杆外径,据表3-1得,一般要求与钢球中心距D的关系为所以 (3-1) (2)钢球直径d和钢球数量n根据表3-1得钢球直径;每个环路中的钢球数可用下式计算: (3-2)式(3-2)中,D为钢球中心距;W为一个环路中的钢球工作圈数;n为不包括环流导管中的钢球数;为螺线导程角,常取,则;由表3-1得; 将上述数据代入式(3-2)得 (3-3) 这里n取整数,所以每个环路中钢球数。 (3)滚道截面螺杆和螺母各由两条圆弧组成,形成四段圆弧滚道截面时,如图3-2所示,螺杆和螺母沟槽的半径应大于钢球半径,一般取。所以我们取滚道半径为 (3-4)图 3-2四点接触的滚道截面Fig. 3-2 four-point roller in contact section(4) 接触角如图(3-2)所示,接触角,以使轴向力与径向力分配均匀5。(5)螺距和螺旋线导程角 螺母移动的距离s (3-5) (3-6)其中,螺纹螺距;螺旋线导程角,这里取;转向盘转动的角度;齿扇节圆转过的弧长;摇臂轴转过的角度;为齿扇节圆半径;联立式(3-5),式(3-6)得,将对求导得循环球式转向器角传动比为 (3-7)式(3-7)中齿扇节圆半径;螺纹螺距;转向器的角传动比且符合要求。(6) 工作钢球圈数W本次设计中一个环路的工作钢球圈数据表(3-1)取W=1.5。(7)导管内径本次设计中导管内径,导管壁厚取为1mm。(8)螺杆螺母材料的选取本次设计中螺杆和螺母一采用20CrMnTi钢制造。3.1.2齿条齿扇传动副的设计本次设计中齿扇设计有5个齿,齿条设计有4个齿。齿条、齿扇传动副各对啮合齿齿侧间隙是通过用改变齿条各齿槽宽而不改变齿扇各轮齿齿厚的办法来实现。将齿条4个齿两侧的齿槽宽制成比中间齿槽大0.200.30mm。本次设计采用直齿齿轮6。据表3-1得齿扇模数;齿扇整圆齿数;齿扇宽;齿扇压力角;齿扇切削角;摇臂轴直径取。且相应的齿顶高系数即为1.0,齿根高系数为1.25。由以上参数可得到以下数据:分度圆直径:齿顶高:齿根高:齿全高:3.2 循环球式转向器零件强度计算和校核3.2.1转向系计算载荷的确定汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩 (3-8)式(3-8)中,轮胎和路面间的滑动摩擦因数,;转向轴负荷,;P为轮胎气压,;转向系力传动比: (3-9) 式(3-9)中转向系角传动比;转向盘直径取;为主销偏移距,;且又据 (3-10)所以作用在方向盘上的手力 本次设计所选汽车为给定汽车,用式(3-10)计算出来的作用力是最大值。因此,可以用此值作为计算载荷。3.2.2钢球与滚道间的接触应力 (3-11)式中K为系数,根据查表(3-2)查得,其中用下式计算求得: (3-12)式中螺杆与螺母滚道截面的圆弧半径;钢球半径;A/B=0.05 因此,据表3-2得K取1.280;材料弹性模量,;钢球与螺杆滚道之间的正压力; (3-13)式中螺杆螺线导程角;钢球与滚道间的接触角;参与工作的钢球数;作用在螺杆上的轴向力 (3-14)钢球接触点至螺杆中心线的距离为式中D为钢球中心距;d为钢球直径;故作用在螺杆上的轴向力 将上述数据代入式(3-13)得同理,将上述数据代入式(3-11)得当接触表面硬度为5864HRC时,许用接触应力7因为,所以接触应力符合要求表3-2 系数K与A/B的关系Table.3-2 relation between coefficient K and A / BA/B1.00.90.80.70.60.50.40.3K0.3880.4000.4100.4400.4680.4900.5360.600A/B0.20.150.10.050.020.010.007K0.7160.8000.9701.2801.82.2713.2023.2.3齿的弯曲应力齿扇摇臂轴齿扇齿的弯曲应力为 (3-15)式中,为作用在齿扇上的圆周力;为齿扇的齿高;为齿扇的齿宽;为基圆齿厚。齿扇啮合半径;齿扇齿高;基圆齿厚;齿扇齿宽许用弯曲应力为所以作用在齿扇上的最大圆周力 (3-16)齿的弯曲应力满足要求。3.2.4转向摇臂轴直径的确定转向摇臂轴的直径8可由下式算得: (3-17)式(3-17)中:安全系数,;转向阻力矩,已知;扭转强度极限,20CrMnTi钢为200MPa。代入数据得本次设计中取。4液压动力转向系的设计计算4.1 液压动力转向机构布置方案的选择本次设计中根据所选车型原有数据,采用整体式动力转向器,转向控制阀采用常流式滑阀结构9。其布置方案和滑阀结构如图4-1,图4-2所示图4-1整体式动力转向器布置图Fig. 4-1 Placement of integral Power steering Gear转向控制阀;2-机械转向器;3-液压缸;Steering control valve; 2- mechanical steering gear; 3- hydraulic cylinder;图4-2滑阀式转向控制阀结构图Fig. 4-2 structure of slide valve steering control valve1-阀芯;2-阀套;3-壳体;4、6-通动力缸左、右腔通道;5-输入管路通道1-Valve spool;2-valve sleeve;3-shell;4,6-power cylinder left and right cavity channel;5-input pipe channel4.2 液压动力缸的设计计算4.2.1动力缸内径的计算液压动力缸的内径由作用于活塞齿条上的力的平衡条件来确定: (4-1)式中 由转向车轮的转向阻力矩所确定的作用于齿扇上的圆周力;活塞与缸筒间的摩擦力;由转向盘切向力所引起的作用在活塞上的轴向力;高压油液对活塞的推力。其中 (4-2) (4-3) (4-4) (4-5)式中 (1)车轮原地转向阻力矩,由前述知; (2)齿扇的啮合半径,由前述知;(3) 转向传动机构的力传动比,取;(4)转向传动机构的效率,取;(5)活塞与缸筒间的摩擦系数,取;(6)齿扇的啮合角,取;(7)作用在转向盘上的手力,;(8)转向盘的半径,;(9)转向螺杆直径,;(10)转向螺杆螺旋滚道的导程角,;(11);(12)动力缸内径;(13)动力缸内的油液压力,本次设计中 。将式(41)与式(42)(43)(44)(45)联立,经过整理即可求得: (4-6)将上述参数带入方程(36)解得 。本次设计中取。4.2.2活塞行程计算本次设计中采用整体式液压助力转向器,动力缸与转向器一体,活塞行程可由摇臂轴转至最大转角时齿扇转过的节圆弧长来求得,即 (4-7)式中摇臂轴由中间位置转至极限位置时的转角;齿扇的节圆半径;代入式(4-7)求得活塞行程活塞移至有活塞杆一端的极限位置时,与缸体端面间应有的间隙以利活塞杆的导向,活塞移至另一端极限位置时应有的间隙以免与缸盖碰撞。4.2.3动力缸缸筒壁厚计算据缸体在横断平面内的拉伸强度条件(见式48)和在轴向平面内的拉伸强度条件(见式49) (4-8) (4-9)式中缸体材料的屈服点,;为安全系数,将两式联立解得: ,本次设计中取。4.3 转向控制阀的设计计算4.3.1预开隙整体式动力转向系分配阀的预开隙为 (4-10) 式中为转向螺杆的螺距, ;为相应的转向盘转角,;将数值代入式(4-10)得值通常约在范围内,所以取值合理。4.3.2滑阀总位移量本次设计动力转向系的滑阀总移动量为 (4-11) 式中 转向盘转动角度,。4.3.3滑阀直径据滑阀直径 (4-12)式中油液最大排量,;本次设计液压油泵采用齿轮泵,最大压力;排量;最高转速;控制流量;当汽车直行时,滑阀处于中间位置,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为 (4-13) 式(4-13)中为油液密度;为局部阻力系数;为油液的流速;的允许值;将的允许值带入上式(413)可得油液流速的允许值为 (4-14)将油液流速的允许值带入式(412),可求得,本次设计中取。4.3.4滑阀中间位置时油液流速 (4-15) 满足,故满足要求。4.3.5分配阀得泄漏量 (4-16)式(4-16)中滑阀与阀体间的径向间隙,一般,本次设计计算时取;油液动力粘度,本次设计计算选择运动粘度为,取油液密度为,所以则有;所以本次设计中,满足要求。4.3.6回位弹簧设计计算与分配阀的反作用力矩相平衡的转向盘力矩为 (4-17)式中反作用阀的对数,一般情况下,本次设计取;回位弹簧预紧力;反作用阀直径;一个回位弹簧的刚度,本次设计中;反作用阀的行程,本次设计中;转向螺杆直径,本次设计中取;转向螺杆螺旋滚道的导程角,本次设计中;换算摩擦角,本次设计中。回位弹簧预紧力的选择条件为:动力转向开始起作用时作用在转向盘上的切向力应达到预定值。根据不同的车型,它的取值范围为,取。当动力转向开始起作用时,及,代入式(417)求得回位弹簧的预紧力为 (4-18) 4.4 液压油罐容积和液压油泵排量的确定油泵排量须保证汽车转向时“轻”“灵”必须满足如下的不等式: (4-19) 且油泵的计算排量;油泵的容积效率10,一般取,本次设计取;漏泻系数,一般取,本次设计取;动力缸内径;动力缸活塞移动速度,;转向盘转动的最大可能频率,取;所以动力转向系的油泵排量可表达为 (4-20)将上述数据代入式(4-20)得油罐容积取油泵在溢流阀限制下最大排量的。5转向传动机构的设计本次设计中所选汽车车型中转向传动机构由转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂、两个相同的转向梯形臂和转向横拉杆组成。后者与左、右转向梯形臂又组成转向梯形机构11。本次设计中根据所选车型,转向传动机构中各个零部件的设计结果如下:转向摇臂240mm;转向纵拉杆340mm;转向节臂240mm;转向梯形臂283mm;转向横拉杆1213mm;各零部件相互之间的连接采用球形铰接,如图5-1所示。图5-1转向传动机构Fig.5-1 the transmission system of steering1-转向摇臂;2-转向直拉杆;3-转向节臂;4-转向梯形臂;5-转向横拉杆1-steering rocker; 2- Steering rod; 3-steering arm;4-pitman arm;5-tie-rod6循环球式转向器的三维建模与仿真分析 6.1 转向螺杆的UG三维建模由之前的设计计算可知,螺杆的尺寸参数有:螺杆外径:;螺杆螺距:;螺杆螺旋导程角:钢球直径:;本次设计螺杆有效长度建模过程12如下:(1)启动UG10.0程序后,新建一个名称为zhuanxiangluogan.prt的部件文件,其单位为mm,单击【开始】/【建模】命令,进入建模模块;(2)单击【插入】/【设计特征】/【圆柱体】命令,在弹出的对话框中选择【轴、直径和高度】圆柱体类型,指定X轴方向为方向矢量,坐标系原点为指定点,建立一个直径为25mm,高度为95.25mm的圆柱体;(3)单击【插入】/【曲线】/【螺旋线】命令,以创建的圆柱体底面圆心为起始点,指定矢量为圆柱体轴线,规律类型为恒定,直径为25mm,螺距为9.525mm,长度为95.25mm,建立绕圆柱体柱面的螺旋线;(4)单击【基准平面】命令,选择【点和方向】命令,以螺旋线起点为指定点,矢量方向为垂直于螺旋线起点方向建立一个新的基准平面;(5)单击【草图】选择新建的基准平面为绘图平面,单击【圆】命令,绘制一个直径为6.350的圆,退出草图环境;(6)单击【插入】/【扫掠】/【沿引导线扫掠】,选择截面为上一步骤绘制的圆,选择引导线为螺旋线,偏置为0mm,布尔运算选择与圆柱体求差;(7)单击【草图】命令,选择圆柱体底面为基准平面,单击【圆】命令,绘制一个直径为16mm的圆,退出草图;(8)单击【插入】/【设计特征】/【拉伸】命令,选择曲线为上一步骤绘制的圆,矢量方向为沿圆柱体轴线方向,布尔运算选择与圆柱体求差,拉伸长度到贯通整个转向螺杆,建立与扭杆相配合的贯通孔;(9)单击【草图】命令,选择X-Y平面为草图平面,在螺杆左右两端10mm处为圆心绘制两个直径为6mm的圆,退出草图;(10)单击【插入】/【设计特征】/【拉伸】命令,选择上一步骤绘制的两个圆为曲线,Z轴方向为矢量方向,上线拉伸贯通圆柱体,布尔运算选择与圆柱体求差,建立两个连接转向螺杆和扭杆的销孔;(11)单击【草图】命令,选择Y-Z平面为草图绘制平面,在距离螺旋线终点25mm位置处为起点绘制如图6-1的草图,退出草图;图6-1滑阀阀体草图Fig.6-1 Sketch valve body sketch(12)单击【插入】/【设计特征】/【旋转】命令,选择上一步骤绘制的草图曲线,指定矢量为转向螺杆轴线方向,布尔运算选择与圆柱体求和,旋转一周;所以,与转向阀滑阀体为一体的转向螺杆的三维建模如图6-2所示;图6-2转向螺杆Fig.6-2 steering screw6.2 齿扇摇臂轴的UG三维建模由之前的设计计算可知,齿扇摇臂轴的尺寸参数如下:齿扇摇臂轴直径:;齿扇模数:;齿扇整圆齿数:齿扇有效工作齿数: ;齿扇压力角:;切削角: ;齿扇宽:;建模过程如下:(1)启动UG10.0程序后,新建一个名称为chishanyaobizhou.prt的部件文件,其单位为mm,单击【开始】/【建模】命令,进入建模模块;(2)单击【菜单】/【GC工具箱】/【齿轮建模】/【柱齿轮】命令,在弹出的对话框中分别输入齿轮的模数,齿数,压力角,齿轮宽度,选择矢量方向为X轴向,原点为基准坐标系原点,建立模数是4,齿数是13的圆柱齿轮模型;(3)单击【草图】命令,选择圆柱齿轮一侧平面为绘制平面,如图6-3所示;图6-3齿扇草图Fig.6-3 sketches of tooth fan(4)单击【插入】/【设计特征】/【拉伸】命令,选择上一步骤绘制的草图曲线,矢量方向选择齿轮轴向,左右拉伸长度大于28mm,布尔运算选择与齿轮求差,建立5个齿的齿扇模型;(5)单击【插入】/【设计特征】/【凸台】命令,以圆柱齿轮圆心为基准点,建立直径为28mm,高度为30mm的圆柱体凸台,并与所建齿扇模型求和;(6)单击【插入】/【设计特征】/【凸台】命令,以上一步骤建立的圆柱体圆心为基准点,建立直径为20mm,高度为17mm的圆柱体凸台,并与所建齿扇模型求和;(7)单击【插入】/【设计特征】/【孔】命令,在【孔】对话框中,从【类型】下拉列表中选择【螺纹孔】,在【位置】列表中指定上一步骤建立的圆柱体底面圆心为孔的中心,建立M8x1.25x8的螺纹孔,以调整齿轮与齿条间的啮合间隙;(8)单击【插入】/【设计特征】/【凸台】命令,以圆柱齿轮另一面圆心为基准点,建立直径为28mm,高度为20mm的圆柱体凸台,并与所建齿扇模型求和;(9)单击【插入】/【设计特征】/【凸台】命令,以上一步骤建立的圆柱体圆心为基准点,建立直径为20mm,高度为27mm的圆柱体凸台,并与所建齿扇模型求和;(10)单击【草图】命令,以上一步骤建立的圆柱体底面为平面绘制矩形花键草图,如图6-4所示;图6-4矩形花键草图Fig.6-4 sketch of rectangular spline(11)单击【插入】/【设计特征】/【拉伸】命令,选择上一步骤绘制的草图曲线,矢量方向选择圆柱体轴向,拉伸长度为14mm,布尔运算选择与圆柱体求和,建立矩形花键;(12)单击【插入】/【细节特征】/【倒角】命令,选择各个圆柱凸台的边,设置倒角尺寸为1mm;所以齿扇摇臂轴的模型建立如下图6-5所示;图6-5齿扇摇臂轴Fig.6-5 toothed fan rocker arm shaft6.3 转向螺母的UG三维建模由之前的设计计算知转向螺母与动力缸活塞制成一体,所涉及到的尺寸参数如下:转向螺母长度:;螺母螺孔直径:;螺母螺孔螺距:;齿条齿距:; 齿条齿数:; 活塞直径:;转向螺母的三维建模过程如下:(1)启动UG10.0程序后,新建一个名称为zhunxiangluomu.prt的部件文件,其单位为mm,单击【开始】/【建模】命令,进入建模模块;(2)点击【草图】命令,选取X-Y平面为草图绘制平面,点击草图曲线【矩形】命令,绘制长47mm,宽36mm的矩形,退出草图;(3)单击【插入】/【设计特征】/【拉伸】命令,选择上一步骤绘制的草图曲线,矢量方向选择Y轴方向,拉伸长度36mm,建立长宽高分别为47mm,36mm,36mm的长方体;(4)单击【插入】/【曲线】/【螺旋线】命令,以创建的长方体36X36正方形面中点为起始点,指定矢量为圆柱体轴线,规律类型为恒定,直径为25mm,螺距为9.525mm,长度为47.625mm,建立贯通长方体的的螺旋线;(5)单击【基准平面】命令,选择【点和方向】命令,以螺旋线起点为指定点,矢量方向为垂直于螺旋线起点方向建立一个新的基准平面;(6)单击【草图】选择新建的基准平面为绘图平面,单击【圆】命令,绘制一个直径为6.350的圆,退出草图环境;(7)单击【插入】/【扫掠】/【沿引导线扫掠】,选择截面为上一步骤绘制的圆,选择引导线为螺旋线,偏置为0mm,布尔运算选择与长方体求差,建立螺旋轨道;(8)单击【草图】命令,选取长方体47x36面为平面绘制草图,在距离长36mm边0mm处绘制长9.39mm,宽28mm的矩形,退出草图;(9)单击【插入】/【设计特征】/【拉伸】命令,选择上一步骤绘制的草图曲线,矢量方向选择垂直于47x36平面方向,拉伸长度为9.51mm;(10)单击【插入】/【细节特征】/【拔模】命令,选取上一步骤拉伸的长方体底面为分型面,与其相连的两侧面为拔模面,建立单个齿模型;(11)单击【插入】/【关联复制】/【阵列特征】命令,选取上一步骤建立的单个齿模型为阵列对象,选择线性阵列,阵列个数是4,阵列节距是6.28mm,布尔运算选择与首次建立的长方体模型求和,齿条模型建立完成;(12)单击【草图】命令,以长方体36x36面为草图绘制平面,点击草图【圆】命令,以36x36平面中心为圆心,绘制直径为62mm的圆,退出草图;(13)单击【插入】/【设计特征】/【拉伸】命令,选择上一步骤绘制的草图曲线圆,矢量方向选择垂直于36x36平面方向,拉伸长度为80mm,布尔运算选择与之前建立的螺母建模求和;(14)单击【草图】命令,以长方体另一面36x36面为草图绘制平面,点击草图【圆】命令,以36x36平面中心为圆心,绘制直径为62mm的圆,退出草图;(15)单击【插入】/【设计特征】/【拉伸】命令,选择上一步骤绘制的草图曲线圆,矢量方向选择垂直于36x36平面方向,拉伸长度为19mm,布尔运算选择与之前建立的螺母建模求和;(16)单击【草图】命令,以上一步骤建立的圆柱体底面为平面绘制草图,单击草图曲线【圆】命令,绘制直径为25mm的圆,退出草图;(17)单击【插入】/【设计特征】/【拉伸】命令,选择上一步骤绘制的草图曲线圆,矢量方向选择圆柱体轴线方向,拉伸长度为贯通整个转向螺母,布尔运算选择与之前建立的螺母建模求差;(18)利用【管道】命令在转向螺母上建立两个钢球滚道模型;所以转向螺母的模型建立如下图6-6、6-7所示;图6-6 转向螺母Fig.6-6 steering nut图6-7 转向螺母Fig.6-7 steering nut6.4 转向扭杆的UG三维建模由之前的计算可知与转向螺杆相匹配的转向扭杆的尺寸参数如下:转向扭杆直径:;转向扭杆长度:;转向扭杆上销孔的直径:建模过程如下:(1)启动UG10.0程序后,新建一个名称为niugan.prt的部件文件,其单位为mm,单击【开始】/【建模】命令,进入建模模块;(2)单击【草图】命令,以X-Y基准平面为草图绘制平面绘制如图6-8所示草图;图6-8 扭杆草图Fig.6-8 sketch of torsion bar(3)单击【插入】/【设计特征】/【旋转】命令,选择上一步骤绘制的草图曲线,指定矢量方向为Y轴方向,所沿轴线为Y轴,旋转一周,初步建立扭杆模型;(4)单击【草图】命令,选取X-Z平面为草图绘制平面,单击草图曲线【圆】命令,在距离扭杆两端分别29mm,7mm位置处为圆心绘制两个直径为6mm的圆,退出草图;(5)单击【插入】/【设计特征】/【拉伸】命令,选择上一步骤绘制的草图曲线圆,矢量方向选择垂直于X-Y平面方向,左右拉伸长度和大于16mm,布尔运算选择与之前建立的扭杆建模求差;所以最后建立的转向扭杆模型如图6-9所示;图6-9转向扭杆Fig.6-9 steering torsion bar6.5 转向器壳体的UG三维建模根据以上计算的转向螺杆,转向扭杆,转向螺母,齿扇摇臂轴等循环球式转向器各零部件的装配尺寸,利用【草图】,【拉伸】等命令绘制的转向器壳体的三维建模如图6-10、6-11所示;图6-10转向器壳体Fig.6-10 steering gear housing图6-11转向器壳体Fig.6-11 steering gear housing6.6 循环球式转向器装配循环球式转向器的装配过程:(1)启动UG10.0程序后,单击【新建】/【装配】命令,新建一个名称为zhuangpei.prt的部件文件,其单位为mm,进入装配模块;(2)单击装配模块下的【添加】命令,将之前建立的转向螺杆,转向扭杆,转向螺母,齿扇摇臂轴和壳体等循环球式转向器各零部件,添加到装配模块下;(3)单击装配模块下的【移动组件】命令,将添加到绝对坐标原点的转向器各个零部件移动到合适的位置;(4)单击装配模块下的【装配约束】命令,通过该命令框下的【接触】,【对齐】【自动判断中心和轴】,【同心】,【距离】等约束命令,对转向器各个部件进行装配,同时还要用到装配模块下的【阵列组件】命令;(5)单击装配模块下的【爆炸图】命令,分别点击【新建爆炸图】/【编辑爆炸图】命令,通过移动转向器各个零部件完成循环球式转向器的爆炸图绘制;所建立的整体式循环球式转向器装配图和爆炸图如图6-12,图6-13所示;图6-12循环球式转向器装配图Fig.6-12 Assembly drawings of circular ball steering gear图6-13循环球式转向器爆炸图Fig.6-13 explosion diagram of circular ball steering gear6.7 循环球式转向器的仿真运动分析本次设计中循环球式转向器仿真运动建模步骤如下:(1)启动UG10.0程序后,单击【文件】/【打开】命令,选择一个名称为zhuangpei.prt的部件文件,进入装配模块;(2)单击【文件】/【打开】/【运动仿真】命令,进入运动仿真模块,新建一个名为motion1.sim的仿真运动部件文件;(3)单击仿真运动模块下的【连杆】命令,首先将壳体,轴承盖,螺母等非运动部件设置为固定连杆L001;然后将扭杆,销和转向螺杆设置为非固定连杆L002;将转向螺母设置为非固定连杆L003;最后将齿扇摇臂轴设置为非固定连杆L004;(4)单击仿真运动模块下的【运动副命令】命令,将连杆L002,L004设置为旋转副J002和J003;将L003设置为移动副J004;将L002和L003设置为螺旋副J004,比例设置为9.525,同时在旋转副J002中添加简谐运动驱动,幅度是540,频率是180,如图6-14所示;图6-14驱动副设计对话框Fig.6-14 driver pair design dialog box(5)单击仿真运动模块下的【耦合副】命令下的【齿轮齿条副】,分别选择滑动副J004和旋转副J003,比例设置为26,如图6-15所示;图6-15齿轮齿条副设计对话框Fig.6-15 Design dialog box for gear rack pair(6)单击仿真运动模块下的【结算方案】/【求解】命令,设置时间为10,步长为1000,结算结果达100%;(7)单击仿真运动模块下的【动画】命令,循环球式转向器按预期结果进行运动,仿真结束。6.8 循环球式转向器扭杆的有限元分析如图6-16所示为本次设计的循环球式转向器的扭杆,扭杆材料为20CrMnTi,查阅相关资料得该材料的杨氏模量为;质量密度为;主泊松比为;材料的屈服强度为;抗拉强度13;本次设计中扭杆受到的扭矩。图6-16扭杆Fig. 6-16 torsion bar扭杆有限元分析步骤:(1)调出扭杆三维模型。单击主菜单中的【开始】和【高级仿真】命令,新建一个FEM和仿真部件;(2)点击【仿真导航器】中niugan_fem.fem,然后单击工作栏中的【指派材料】命令,弹出【指派材料】对话框,选择对象、输入材料20CrMnTi的弹性模量,泊松比,质量密度等参数;(3)单击工具栏中的【物理属性】命令,创建材料的物理属性;(4)单击菜单栏中的【3D四面体网格】图标,弹出【3D四面体网格】对话框,选择网格面和网格单元大小为6.97mm,网格划分如图6-17所示;图6-17扭杆网格划分Fig. 6-17 mesh division of torsion bar(5)点击【仿真导航器】中niugan_fem.sim,然后选择【约束类型】为固定约束,选择扭杆的两个销孔面位固定对象;(6)点击菜单栏中的【载荷类型】为扭矩,选择对象为扭杆面,输入扭矩,如图6-18所示;图6-19扭杆约束,载荷示意图Fig. 6-19 torsion bar constraint, load schematic(7)点击菜单栏中的【解算方案】,【求解】,弹出【求解】对话框,等待对话框的列表框中出现【solution_1完成】提示信息,即可关闭信息窗口;(8)双击仿真导航器窗口分级树中出现的【结果】节点,切换到【后处理导航器】窗口,点击分级树中的【Solution 1】节点,查看结果,得到扭杆应力和变形量的云图,如图6-20,6-21所示;图6-20扭杆应力-单元云图Fig. 6-20 torsion bar stress-element cloud diagram图6-21扭杆位移-节点云图Fig. 6-21 torsion bar displacements-nodal clouds(9)结果分析:由图6-20得最大平均应力为97.98MPa,远小于材料屈服极限,满足要求;由图6-21得扭杆最大变形量为,远远小于扭杆长度,满足要求。7技术经济性分析本次设计根据所选定的汽车型号是猎豹CT7系车,所设计的汽车转向器是整体式循环球式液压助力转向器,助力方式采用液压助力,转向控制阀则采用结构相对简单,工作效率高的常流式滑阀转向阀。在本次设计中,循环球式转向器的螺杆与转向控制阀的阀芯设计为一体,减轻装配难度,同时大大提高了转向器的工作效率。转向器壳体也作为液压动力缸的缸体,转向螺母和液压动力缸的活塞制成一体,当转向器工作时,液压泵中的高压油经转向滑阀进入转向器中(即液压动力缸中)可直接作用于转向螺母(即液压缸活塞),在高压油的推力下使转向螺母进行横向进给运动,从而大大减轻转向螺杆需要通过钢球提供给转向螺母的力,工作效率高。螺杆与螺母传动副之间的螺旋轨道间加了钢球,当转向螺杆进行简协旋转运动时,因为转向螺杆与转向螺母之间的螺旋轨道有循环流动的钢球,大大减小了转向螺杆与转向螺母之间的摩擦力,减小了转向器在工作过程中因为大的摩擦力而带来机械能的损耗,同时也减小了施加在转向螺杆的力,使转向轻便的同时也大大提高了转向器的工作效率。转向螺杆通过销连接有转向扭杆,驾驶员转动方向盘得的力通过转向轴,万向节作用在扭杆上才传递给转向螺杆,这样就减小了力直接作用在转向螺杆上使转向螺杆磨损过快,寿命减短,且汽车在行驶过程中底面给车轮的反作用力和震动经转向传动机构,转向器,传递到转向螺杆,有转向扭杆的存在可相应的减小震动和反作用力,使方向盘作用在驾驶员手上的力不至于太大,提高驾驶员驾驶的舒适性。本次设计中齿条、齿扇传动副中,齿扇有5个齿,齿条有4个齿,齿条与齿扇各齿间
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