齿轮齿条式转向器课程设计

齿轮齿条式转向器课程设计,齿轮,齿条,转向器,课程设计 学号成绩机械设计课程设计说明书设计名称：机械设计课程设计设计时间 2013年09-12月系 别 机电工程系专 业 车辆工程班 级 姓 名 指导教师 2013年 12 月 8 日23目录一、设计任务书1二、设计方案的拟订2三、各种形式转向器现状比较4四转向梯形设计与计算8五车辆转向力液压回路分析11六、总体布局16七、参考资料17八、设计总结18九 附图19一、设计任务书设计题目：轿车液压助力齿轮齿条转向器设计1 课程设计目的： 1） 培养学生理论联系实际的设计思想，巩固和加强所学的相关专业课程的知识；2） 熟悉和掌握车辆机构设计过程和方法，提高综合运用所学的知识进行车辆设计能力；3） 熟悉车辆液压系统的设计思路和系统实现过程，掌握车辆液压系统图纸的表达方法；4） 熟练掌握和运用设计资料（指导书、图册、标准和规范等）以及经验数据进行设计的能力，培养学生3D建模能力、设计计算和编写技术文件等的基本技能。2 课程设计时间：2013年9月23日2013年12月20日3 整车性能参数：（以下参数也可采用现场实物测绘结果）表一：基本参数名称轴距L前轮距L1后轮距L2最小转弯半径R数值2500mm1350mm1360mm4600mm名称车长车宽车高车质量数值3930mm1585mm1857mm1123kg4. 设计要求：1、建模仅设计转向器部分 2、根据参数计算，绘制转向（左或右）极限位置机构运动图带转向梯形（A4） 3、根据实物分析绘制车辆液压转向助力液压系统回路图（A4）; 4、转向器具体结构可参考汽车实验室相关制动器结构，也可由学生自行设计。5. 提交的文件资料：1） 车辆转向器装配图1张（A1或A0）、；2） 车辆转向机构极位图1张（A4）；3） 车辆转向助力液压系统回路图1张（A4）；4） 课程设计说明书1份（8000字以上）（A4）。二、设计方案的拟订 适用车辆相关数据见表一。转向器的功用是将转向盘的回转运动转换为转向转动机构的往复运动。转向器是转向系的减速传动装置，一般由1-2级减速传动副。目前应用比较广泛的转向器有齿轮齿条式转向器、循环球式转向器、蜗杆滚轮式转向器、蜗杆曲柄指销式转向器。1. 齿轮齿条转向器的优缺点齿轮齿条转向器是由转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向的齿条组成。1) 优点：结构简单、紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器质量比较小，传动效率高达90%；齿轮与齿条之间因磨损而出现间隙后，利用装在齿条背部的、靠近主动小齿轮的处的压紧弹簧能自动消除间隙，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；转向器占用体积小，没有转向摇臂和直拉杆，所以转向转角可以增大，制造成本低。2) 缺点：齿轮齿条转向器因逆效率高（60%70%），汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间冲击力的大部分能传至方向盘，称之反冲现象。反冲会使驾驶员精神紧张，并难以准确控制汽车的行驶方向，转向盘突然转动又会造成打手，同时对驾驶员造成伤害。2. 齿轮齿条转向器的输入形式及特点1) 侧面输入，中间输出：与齿条固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，有利于减少车轮的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连在一起，因此，两拉杆与齿条同时向左或向右移动，为此在转向器壳体上开有轴向的长槽，从而降低了他的强度。2) 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。3) 侧面输入，一端输出的齿轮齿条转向器，常用在平头车上。齿轮齿条转向器采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合，增加运转平稳性，降低冲击和噪声。齿条断面有圆形、V形和Y形三种。圆形断面制造简单；V形和Y形节约材料，质量小而且位于齿条下面的两斜面与齿条托坐接触，可以用来防止齿条绕轴线转动。 图1 图2：V形 图3:Y形 图4：圆形三、各种形式转向器现状比较（1） 转向器的功用和类型 转向器的功用是将驾驶员施加在转向盘上的力矩放大，并改变力的传递方向，然后传给转向传动机构。按传动副的机构形式分类，目前在汽车广泛采用的有齿轮齿条式、循环球齿条齿扇式、循环球曲柄指销式和蜗杆曲柄指销式等几种结构。由于转向器是一个大传动比机构，其传动效率一般较低。转向器的输出功率与输入功率之比称为转向器的传动效率。在功率由转向轴输入、由转向摇臂轴输出的情况下求得的传动效率称为正效率，而在传动方向与此方向相反时求得的传动效率称为逆效率。为了减轻驾驶员操纵转向盘的体力消耗，应尽量提高转向器的传动效率，特别是其正效率是很重要的。逆效率很高的转向器称为可逆式转向器；逆效率很低的转向器称为不可逆式转向器；逆效率略高于不可逆式转向器的称为极限可逆式转向器，其反向传力性能介于可逆式与不可逆式之间，而接近于不可逆式。可逆式转向器很容易将经转向传动机构传来的路面反力传到转向盘上，有利于汽车转向结束后转向轮和转向盘自动回正，但也能将坏路面对车轮的冲击力传到转向盘，发生“打手”现象。经常在良好路面行驶的汽车，多采用可逆式转向器。不可逆式转向器使转向轮受到的冲击力不会传到转向盘上，但也使转向轮和转向盘无自动回正作用，而且还使驾驶员无法由转向盘感受到地面对转向轮的作用力的信息，即所谓丧失“路感”。因此，目前汽车上一般不采用此种转向器。极限可逆式转向器使驾驶员有一定的路感，转向轮和转向盘也具有一定的回正力矩，而且只有在路面冲击力很大时才能部分地传给转向盘。此种转向器多用于中型以上越野汽车和自卸汽车。在整个转向系统中各个传动件之间都必然存在着装配间隙，而且这些间隙将随着零件的磨损而增大，反映到转向盘上会产生转向盘自由行程，转向盘自由行程对于缓和路面冲击及避免驾驶员过度紧张是有利的，但不宜过大，否则将使转向灵敏性降低。一般来说，转向盘从相应于汽车直线行驶的中间位置向任一反向的自由行程一般不超过10到15；当零件磨损严重到使转向盘自由行程超过25到30时，则必须通过调整转向器传动副的啮合间隙和轴承间隙来进行调整。（2） 转向器结构1) 齿轮齿条是转向器 图5所示为桑塔纳轿车的齿轮齿条式转向器。传动副主动件的转向齿轮3与转向齿条2啮合。压紧弹簧通过压块7将转向齿条压靠在转向齿轮上，保证无间隙啮合。弹簧的预紧力可用调整螺钉4调整。当转向盘转动时，转向齿轮转动，使与之啮合的转向齿条沿轴向移动。从而使左右横拉杆带动转向节左右转动，使转向轮偏转。 齿轮齿条式转向器由于具有结构简单，制造简单，质量轻，刚度大，转向灵敏，成本低，正、逆效率都高，而且特别适于与烛式和麦弗逊式悬架配用，便于布置等优点，所以得到了广泛应用，如一汽的红旗CA7220型轿车、奥迪汽车、捷达汽车、上海桑塔纳轿车、帕萨特轿车、大众波罗轿车、广州本田轿车、天津夏利轿车以及天津TJ1010型微型货车和南京依维柯轻型货车等，都采用齿轮齿条式转向器。 齿轮齿条传动的基本原理如图6所示。图5图62) 循环球齿条齿扇式转向器 循环球式转向器中一般有两级传动副，第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿山传动副。如图7所示，转向螺母既是第一级传动副的从动件，又是第二级传动副的主动件。为了减少转向螺杆3与螺母之间的摩擦与磨损，二者螺纹不直接接触，而是作为滚珠5的内外滚道，其间装有许多的滚珠，以实现滚动摩擦。转向螺母上装有两个滚珠导管7，每个滚珠导管的两端分别插入转向螺母侧面的孔中。滚珠导管也装满滚珠，形成两个各自独立的封闭通道。当转向盘转动时，转动轴带动转向螺杆旋转，通过滚珠将力传给螺母，使得转向螺母沿轴向移动，从而通过转向螺母外部的齿条带动了扇形齿轮轴20转动，进而带动转向摇臂轴转动，实现转向轮的偏转。其组成及工作原理如图1216所示。 循环球齿条齿扇式转向器的正传动效率很高（90%到95%），故操操纵轻便，使用寿命长，工作平稳，可靠。但其逆效率也很高，可将地面对转向轮的冲击力传给转向盘。经常在良好路面行驶的汽车，上述缺点对其影响不大。循环球式转向器应用于各类各级汽车，如解放CA1040系列轻型载货汽车、北京BJ1041型、北京2023型、解放CA1091型和黄河JN1181C13型等汽车都采用这种转向器。 图73) 蜗杆曲柄指销式转向器 蜗杆曲柄指销式转向器将具有梯形截面螺纹的转向蜗杆支承在转向器壳体两端的球轴承上，转向蜗杆与锥形指销相啮合，锥形指销用双列圆锥滚子轴承支于摇臂轴内端的曲柄孔中。当转向蜗杆随转向盘转动时，指销沿蜗杆螺旋槽上下移动，并带动曲柄及摇臂轴转动。其工作原理如图8所示。 目前汽车使用的蜗杆曲柄指销式转向器多数是双指销式，其结构如图8所示。转向蜗杆3支承于转向器壳体两端的两个角接触推力球轴承2和9上。转向器盖6上装有调整螺塞7，用于调整上述两轴承的松紧度，调整后用螺母锁紧。蜗杆与两个锥形指销11相啮合。两个指销均用双列圆锥滚子轴承12支承于摇臂轴20内端的曲柄上，其中靠指销头部的一列无内座圈滚子直接与指销轴颈接触。这样，所受剪切载荷最大的这段轴颈的直径可做得大一些，以保证指销有足够的强度。指销装在滚动轴承上可以减轻蜗杆和指销的磨损，并提高传动效率。螺母13用以调整轴承12的松紧度，以使指销能自由转动，且无明显的轴向间隙为宜。摇臂轴用粉末冶金衬套17和18支承在壳体中。指销同蜗杆的啮合间隙用侧盖14上的调整螺钉15调整，调整后用螺母16锁紧。 双指销式转向器在中间及其附近位置时，其两指销均与蜗杆啮合，故每个指销所承载荷较单指销式转向器的指销载荷为小，因而其工作寿命较长。当摇臂轴转角相当大时，一个指销与蜗杆脱离啮合，另一指销仍保持啮合。因此，双指销式的摇臂轴转角范围较单指销式为大。但双指销式结构较复杂，对蜗杆的加工精度要求也较高。 图8四转向梯形设计与计算（一)设计转向梯形时应满足要求 1、内、外车轮转角i、o关系正确，保证全部车轮绕一个瞬时转向中心行驶，各车轮尽可能作无滑动的纯滚动运动。 2、转向轮有足够大的转角，保证给定的D min。 3、在汽车上有足够的高度，高于前部h min。(二)转向梯形结构方案分析 转向梯形有整体式与断开式。（1）整体式转向梯形 整体式转向梯形是由转向横拉杆1、转向梯形臂2和汽车前轴3组成，如图9所示。其中梯形臂呈收缩状向后延伸。这种方案的优点是结构简单，调整前束容易，制造成本低；主要缺点是一侧转向轮上、下跳动时，会影响另一侧转向轮。 图9 图10 （2） 断开式转向梯形 转向梯形的横拉杆做成断开的，称为断开式转向梯形。断开式转向梯形方案之一如图10所示。断开式转向梯形的主要优点是它与前轮采用的独立悬架相配合，能够保证一侧车轮上、下跳动时，不会影响到另一侧车轮。与整体式转向梯形比较，由于其杆系、球头多，所以结构复杂；制造成本高；并且调整前束比较困难。（3） 转向梯形计算 汽车转向行驶时，受到弹性车轮侧偏角的影响，所有车轮不是绕位于后轴延长线上的点滚动，而是绕位于前轴和后轴之间的汽车内侧某一点滚动。此点位置与前轮和后轮的侧偏角大小有关。由于影响轮胎侧偏角的因素很多，而且难以精确确定，故下面是忽略侧偏角影响条件下，分析有关两轴汽车的转向问题。此时，两转向前轮轴线的延长线交于后轴延长线上，如图11所示。设i、o为内、外车轮转角，L为汽车轴距，K为两主销中心线延长线到地面交点之间的距离。若要保证全部车轮绕一个瞬时转向中心行驶，则梯形机构应保证内外转向车轮的转角关系为 若o为自变量，则因变角i的期望值为 图11图12五车辆转向力液压回路分析 动力转向系统是将发动机输出的部分机械能转化为压力能（或电能），并在驾驶员控制下，对转向传动机构或转向器中某一传动件施加辅助作用力，使转向轮偏摆，以实现汽车转向的一系列装置。采用动力转向系统可以减轻驾驶员的转向操纵力。动力转向系统由机械转向器和转向加力装置组成。根据助力能源形式的不同可以分为液压助力、气压助力和电动机助力三种类型。其中液压助力转向系统应用较为普遍。1液压助力转向系统1）常压式液压助力转向系统其特点是无论转向盘处于中立位置还是转向位置，也无论转向盘保持静止还是运动状态，系统工作管路中总是保持高压。如图15所示。 图132）常流式液压助力转向系统其特点是转向油泵始终处于工作状态，但液压助力系统不工作时，基本处于空转状态。多数汽车都采用常流式液压助力转向系统。如图16所示。 图162液压助力转向系统的转向控制阀1）滑阀式转向控制阀阀体沿轴向移动来控制油液流量的转向控制阀，称为滑阀式转向控制阀，简称滑阀。其结构及工作原理如图17所示。 图172）转阀式转向控制阀阀体绕其轴线转动来控制油液流量的转向控制阀，称为转阀式转向控制阀，简称转阀。 图18 如图18所示，转阀具有四个互相连通的进油道A,通道B、C分别与动力缸的左、右腔连通，中空的阀体1与储油罐相连。当阀体顺时针转过一个很小的角度时，通道C与进油道A相通，而与回油道D隔断，来自油泵的压力经通道A流入通道C，继而进入动力缸的一个腔内；同时，通道B与进油道A相隔断而与回油道D相通，动力缸另一腔的低压油在活塞的推动下经通道B、回油道D和中空的阀体流回储油罐。 图20所示为装备5气门的发动机捷达轿车的液压助力转向系统示意图，图中将转阀的剖面图放大画出，并表示出油路的连接关系。齿轮齿条式机械转向器、转向动力缸和转阀式控制阀设计成一体，构成整体式动力转向器。转向动力缸活塞2与转向齿条4制成一体。活塞将转向动力缸（即转向器壳体）1分成左右两腔体。 转阀的构造如图19所示。扭杆6的前端用销2与转向齿轮1连接，后端用销7与阀芯5连接，而阀芯又与转向轴的末端固定在一起，因而转向轴可通过扭杆带动转向齿轮转动。 转向控制阀处于中立位置时，如图20a所示，由转向油罐7、转向油泵6、流量控制阀5组成的供能装置输出的油液流入转阀进油口P进入阀腔。由于转阀处于中立位置，它使动力缸的两腔相通，则油液经回油管路8流回转向油罐7，转向动力缸完全不起作用。 刚一开始转动转向盘时，转向轴连同阀芯被顺时针转动，如图23-27b所示，因为受到转向节臂传来的路面转向阻力，动力缸活塞和转向齿条暂时都不能运动，所以转向齿轮暂时也不能随转向轴转动。这样，由转向轴传来的转矩只能使扭杆产生少许的扭转变形，使转向轴带动阀芯得以相对转向齿轮转过不大的角度，从而转阀开始工作并使动力缸左腔成为高压的进油腔，右腔则成为低压的回油腔。作用在动力缸活塞上的向右的液压作用力帮助转向齿轮使转向齿条开始右移，转向轮开始向右偏转，同时，转向齿轮也得以与转向轴同向转动，以实现转向。只要转向盘继续转动，扭杆就一直保持有扭转变形，转向控制阀也一直处于向右转向的位置。一旦转向盘停止转动，动力缸暂时还得工作，导致转向齿轮继续转动，使得扭杆的扭转变形减小，直到扭杆恢复自由状态，控制阀回复到中立位置，动力缸停止工作为止。此时，转向盘停在某一位置不动，则车轮转角也就保持一定。若转向盘继续转动，则转向动力缸又继续工作。这种转向动力缸随着转向盘的转动而工作，又随着转向盘停止转动而停止加力的作用，称为动力转向器的随动作用。 当转向盘逆时针转动时，扭杆、转阀阀芯的转动方向以及动力缸活塞移动方向均与顺时针转动时相反，结果转向轮向左偏移。 图19 图20六、总体布局 常流式液压助力转向系统的结构布置方案，按机械转向器、转向控制阀和转向动力缸三者的组合及相对位置不同，有以下三种布置方案。如图21所示。 机械转向器和转向动力缸设计成一体，并与转向控制阀组装在一起，这种三合一的部件称为整体式动力转向器。另一种方案是只将转向控制阀同机械转向器组合成一个部件，该部件称为半整体式动力转向器，转向动力缸则做成独立部件。第三种方案是将机械转向器作为独立部件，而将转向控制阀和转向动力缸组合成一个部件，称为转向加力器。此次设计根据实物采取第一种方案。 图21 整体式动力转向器的布置方案因其结构紧凑、管路短而得到广泛的应用。目前，国产轿车高级配置的车型上基本上都采用了液压助力转向系统，而且大多数都采用了转阀式整体动力转向器，如一汽生产的红旗CA7220型、一汽大众生产的奥迪、捷达以及神龙汽车有限公司生产的富康等轿车。七、参考资料 1 陈锦昌，刘林机械制图北京：高等教育出版社，2010 2 陈锦昌，丁川机械制图习题集北京：高等出版社，2010 3 甘永立几何量公差与检测上海：科学技术出版社，2008 4 陈家瑞汽车构造北京：人民交通出版社，2012 5 崔宁，刘向阳工程图学课程设计长春：吉林大学出版社，2011 6 唐文初，邓宝清汽车构造广州：华南理工大学出版社，2010 7 于骏一，邹青机械制造技术基础北京：机械工业出版社，2010 8 谭庆昌，赵洪志机械设计北京：高等教育出版社，2010 9 王望予汽车设计北京：机械工业出版社，2011八、设计总结 在这次看从开学第三周开始到将近学期末的机械设计课程设计中，我们将在之前在课堂上所学到理论知识点，比如机械制图等知识较为全面地综合型地运用到实践中去，并且对过去所学过的机械制图知识作了相应的复习以及巩固，对尺寸标注，几何公差，视图摆放，表面粗糙度，标题栏要求等基础知识做了较为深入的了解并且应用到这次课程设计中去。在整个过程中，我那些学过而忘了的知识点通过查相应的书籍和请教老师又重新掌握了，并加深了印象。与此同时我的综合能力得到了较大的提高，特别是在使用catia方面，并巩固了自己在三维建模方面的知识，提高了自己利用catia建模的能力，而且在设计过程中，我们同学与同学之间之间进行了交流，在这个交流过程中，认识到了对于同一问题，我们可以有多种不同的解决方法，比如建模的方法。 回首此次课程设计，我们会因为画错了不得不重新画一遍而郁闷，我们会因为画的较好而感到高兴。虽然在这个过程我的基础知识不牢固，但总的来说，我在各方面都得到了比较综合全面的锻炼，使得我在专业课方面那些掌握的不是挺好的知识点得到了加深，并且深刻的体会到作为一名机械设计者所要具备的那种耐心与毅力，同时也感受到了设计过程中的快乐和完成设计时的满足感和成就感，通过这次课程设计，我们能将在课堂上所学知识加以应用到实际生活中，为未来的自身发展打下基础。在此，我要感谢给过我帮助的老师和同学。9 附图 附图1 运动分析图 附图2 车辆转向助力液压回路图 附图3 二维装配图 附图4 装配正视图 附图5 装配后视图 附图6 装配左视图 附图7 球头组件 附图8 阀组件 附图9 壳体正视图 附图10 壳体后视图 附图11 壳体左视图