1目 錄摘 要 .3第一章 緒論 .41.1 汽車轉向系統概述 .41.2 齒輪齒條式轉向器概述 .101.3 液壓助力轉向器概述 .111.4 國內外發展情況 .131.5 本課題研究的目的和意義 .131.6 本文主要研究內容 .14第二章 汽車主要參數的選擇 .152.1 汽車主要尺寸的確定 .152.2 汽車質量參數的確定 .172.3 輪胎的選擇 .18第三章 轉向系設計概述 .203.1 對轉向系的要求 .203.2 轉向操縱機構 .203.3 轉向傳動機構 .213.4 轉向器 .213.5 轉角及最小轉彎半徑 .22第四章.轉向系的主要性能參數 .244.1 轉向系的效率 .244.2 傳動比變化特性 .254.3 轉向器傳動副的傳動間隙T .274.4 轉向盤的總轉動圈數 .28第五章 機械式轉向器方案分析及設計 .295.1 齒輪齒條式轉向器 .295.2 其他轉向器 .315.3 齒輪齒條式轉向器布置和結構形式的選擇 .325.4 數據的確定 .325. 5 設計計算過程 .335.6 齒輪軸的結構設計 .375.7 軸承的選擇 .375.8 轉向器的潤滑方式和密封類型的選擇 .385.動力轉向機構設計 .385.1 對動力轉向機構的要求 .385.2 動力轉向機構布置方案 .385.3 液壓式動力轉向機構的計算 .405.4 動力轉向的評價指標 .4526. 轉向傳動機構設計 .476.1 轉向傳動機構原理 .476.2 轉向傳送機構的臂、桿與球銷 .496.3 轉向橫拉桿及其端部 .496.4 桿件設計結果 .507.結論 .51致謝 .513摘 要本課題的題目是轉向系的設計。以齒輪齒條轉向器的設計為中心，一是汽車總體構架參數對汽車轉向的影響；二是機械轉向器的選擇；三是齒輪和齒條的合理匹配，以滿足轉向器的正確傳動比和強度要求；四是動力轉向機構設計；五是梯形結構設計。因此本課題在考慮上述要求和因素的基礎上研究利用轉向盤的旋轉帶動傳動機構的齒輪齒條轉向軸轉向，通過萬向節帶動轉向齒輪軸旋轉，轉向齒輪軸與轉向齒條嚙合，從而促使轉向齒條直線運動，實現轉向。實現了轉向器結構簡單緊湊，軸向尺寸短，且零件數目少的優點又能增加助力，從而實現了汽車轉向的穩定性和靈敏性。在本文中主要進行了轉向器齒輪齒條的設計和對轉向齒輪軸的校核，主要方法和理論采用汽車設計的經驗參數和大學所學機械設計的課程內容進行設計，其結果滿足強度要求，安全可靠。關鍵詞：轉向系；機械型轉向器 ；齒輪齒條；液壓式助力轉向器 AbstractThe title of this topic is the design of steering system. Rack and pinion steering gear to the design as the center, one vehicle parameters on the overall framework of the impact of vehicle steering; Second, the choice of mechanical steering; third rack gear and a reasonable match to meet the correct steering gear ratio and strength requirements; Fourth, power steering mechanism design; Fifth, the structural design of trapezoidal. Therefore, taking into account the above issues and factors that require study, based on the steering wheel rotary drive transmission shaft of the steering rack and pinion steering, through the universal joint drive shaft rotation gear shift, steering rack and steering gear shaft meshing, thereby encouraging steering rack linear motion to achieve steering. Simple structure to achieve the steering tight, short axial dimension, and the number of parts can increase the advantages of less power in order to achieve the vehicle steering stability and sensitivity. In this article a major design 4steering rack and pinion steering gear shaft and the check, the main methods and theoretical experience in the use of automotive design parameters and the University of mechanical design school curriculum design and the results meet the strength requirements, safe and reliable.Keywords: steering; mechanical type steering gear; gear rack; hydraulic power steering 第一章 緒論1.1 汽車轉向系統概述轉向系統是汽車底盤的重要組成部分，轉向系統性能的好壞直接影響到汽車行駛的安全性、操縱穩定性和駕駛舒適性，它對于確保車輛的行駛安全、減少交通事故以及保護駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件起著重要作用。隨著現代汽車技術的迅速發展，汽車轉向系統已從純機械式轉向系統、液壓助力轉向系（HPS）、電控液壓助力轉向系統（EHPS），發展到利用現代電子和控制技術的電動助力轉向系統（EPS）及線控轉向系統（SBW）。按轉向力能源的不同，可將轉向系分為機械轉向系和動力轉向系。機械轉向系的能量來源是人力，所有傳力件都是機械的，由轉向操縱機構(方向盤)、轉向器、轉向傳動機構三大部分組成。其中轉向器是將操縱機構的旋轉運動轉變為傳動機構的直線運動(嚴格講是近似直線運動)的機構，是轉向系的核心部件 2。動力轉向系除具有以上三大部件外，其最主要的動力來源是轉向助力裝置。由于轉向助力裝置最常用的是一套液壓系統，因此也就離不開泵、油管、閥、活塞和儲油罐，它們分別相當于電路系統中的電池、導線、開關、電機和地線的作用。通常，對轉向系的主要要求是:(1) 保證汽車有較高的機動性，在有限的場地面積內，具有迅速和小半徑轉彎的能力，同時操作輕便;(2) 汽車轉向時，全部車輪應繞一個瞬時轉向中心旋轉，不應有側滑;(3) 傳給轉向盤的反沖要盡可能的小;(4) 轉向后，轉向盤應自動回正，并應使汽車保持在穩定的直線行駛狀態;5(5) 發生車禍時，當轉向盤和轉向軸由于車架和車身變形一起后移時，轉向系統最好有保護機構防止傷及乘員1.1.1 機械式轉向系統汽車的轉向運動是由駕駛員操縱方向盤，通過轉向器和一系列的桿件傳遞到轉向輪來完成的。機械式轉向系統工作過程為：駕駛員對轉向盤施加的轉向力矩通過轉向軸輸入轉向器，減速傳動裝置的轉向器中有1、2 級減速傳動副，經轉向器放大后的力矩和減速后的運動傳到轉向橫拉桿，再傳給固定于轉向節上的轉向節臂，使轉向節和它所支承的轉向輪偏轉，從而實現汽車的轉向。純機械式轉向系統根據轉向器形式可以分為：齒輪齒條式、循環球式、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式。純機械式轉向系統為了產生足夠大的轉向扭矩需要使用大直徑的轉向盤，需占用較大的空間，整個機構笨拙，特別是對轉向阻力較大的重型汽車，實現轉向難度很大，這就大大限制了其使用范圍。但因結構簡單、工作可靠、造價低廉，目前該類轉向系統除在一些轉向操縱力不大、對操控性能要求不高的農用車上使用外已很少被采用。1.1.2 液壓助力轉向系統（HPS）裝配機械式轉向系統的汽車，在泊車和低速行駛時駕駛員的轉向操縱負擔過于沉重，為解決這個問題，美國GM 公司在20 世紀50 年代率先在轎車上采用了液壓助力轉向系統。該系統是建立在機械系統的基礎之上，額外增加了一個液壓系統。液壓轉向系統是由液壓和機械等兩部分組成，它是以液壓油做動力傳遞介質，通過液壓泵產生動力來推動機械轉向器，從而實現轉向。液壓助力轉向系統一般由機械轉向器、液壓泵、油管、分配閥、動力缸、溢流閥和限壓閥、油缸等部件組成。為確保系統安全，在液壓泵上裝有限壓閥和溢流閥。其分配閥、轉向器和動力缸置于一個整體，分配閥和主動齒輪軸裝在一起（閥芯與齒輪軸垂直布置），閥芯上有控制槽，閥芯通過轉向軸上的撥叉撥動。轉向軸用銷釘與閥中的彈性扭桿相接，該扭桿起到閥的中心定位作用。在齒條的一端裝有活塞，并位于動力缸之中，齒條左端與轉向橫拉桿相接。轉向盤轉動時，轉向軸（連主動齒輪軸）帶動閥芯相對滑套運動，使油液通道發生變化，液壓油從油泵排出，經控制閥流向動力缸的一側，推動活塞帶動齒條運動，通過橫拉桿使車輪偏轉而轉向。6液壓助力轉向系統是在駕駛員的控制下，借助于汽車發動機帶動液壓泵產生的壓力來實現車輪轉向。由于液壓轉向可以減少駕駛員手動轉向力矩，從而改善了汽車的轉向輕便性和操縱穩定性。為保證汽車原地轉向或者低速轉向時的輕便性，液壓泵的排量是以發動機怠速時的流量來確定。汽車起動之后，無論車子是否轉向，系統都要處于工作狀態，而且在大轉向車速較低時，需要液壓泵輸出更大的功率以獲得比較大的助力，所以在一定程度上浪費了發動機動力資源。并且轉向系統還存在低溫工作性能差等缺點。1.1.3 電控液壓助力轉向系統（EHPS）由于液壓助力轉向系統無法兼顧車輛低速時的轉向輕便性和高速時的轉向穩定性，因此，在1983年日本Koyo 公司推出了具備車速感應功能的電控液壓助力轉向系統（EHPS）。EHPS 是在液壓助力系統基礎上發起來的，在傳統的液壓助力轉向系統的基礎上增設了電控裝置，其特點是原來由發動機帶動的液壓助力泵改由電機驅動，取代了由發動機驅動的方式，節省了燃油消耗；具有失效保護系統，電子元件失靈后仍可依靠原轉向系統安全工作；低速時轉向效果不變，高速時可以自動根據車速逐步減小助力，增大路感，提高車輛行使穩定性。電控液壓助力轉向系統是將液壓助力轉向與電子控制技術相結合的機電一體化產品。一般由電氣和機械兩部分組成，電氣部分由車速傳感器、轉角傳感器和電控單元ECU 組成；機械部分包括齒輪齒條轉向器、控制閥、管路和電動泵。其中電動泵的工作狀態由電子控制單元根據車輛的行駛速度、轉向角度等信號計算出的最理想狀態。簡單地說，在低速大轉向時，電子控制單元驅動液壓泵以高速運轉輸出較大功率，使駕駛員打方向省力；汽車在高速行駛時，液壓控制單元驅動液壓泵以較低的速度運轉，在不至影響高速打轉向的需要的同時，節省一部分發動機功率。電控液壓轉向系統的工作原理：在汽車直線行駛時，方向盤不轉動，電動泵以很低的速度運轉，大部分工作油經過轉向閥流回儲油罐，少部分經液控閥然后流回儲油罐；當駕駛員開始轉動方向盤時，ECU根據檢測到的轉角、車速以及電動機轉速的反饋信號等，判斷汽車的轉向狀態，決定提供助力大小，向驅動單元發出控制指令，使電動機產生相應的轉速以驅動油泵，進而輸出相應流量和壓力的高壓油。高壓油經轉向控制閥進入齒條上的動力缸，推動活塞以產生適當的助力，協助駕駛員進行轉向操作，從而獲得理想的轉向效果。7電控液壓助力轉向系統在傳統液壓動力轉向系統的基礎上有了較大的改進，但液壓裝置的存在，使得該系統仍有難以克服如滲油、不便于安裝維修及檢測等問題。電控液壓助力轉向系統是傳統液壓助力轉向系統向電動助力轉向系統的過渡。1.1.4 電動助力轉向系統（EPS）1988年日本Suzuki公司首先在小型轎車Cervo 上配備了Koyo 公司研發的轉向柱助力式電動助力轉向系統。1990 年日本Honda 公司也在運動型轎車NSX 上采用了自主研發的齒條助力式電動助力轉向系統，從此揭開了電動助力轉向在汽車上應用的歷史。EPS 是在EHPS 的基礎上發展起來的, 它取消EHPS 的液壓油泵、油管、油缸和密封圈等部件,完全依靠電動機通過減速機構直接驅動轉向機構, 其結構簡單、零件數量大大減少、可靠性增強, 解決了長期以來一直存在的液壓管路泄漏和效率低下的問題。電動助力轉向系統在本田飛度、思域以及豐田新皇冠、奔馳新A-class等車型上紛紛被采用。1.1.4.1 電動助力轉向系統構成電動助力轉向系統一般是由轉矩（轉向）傳感器、電子控制單元ECU、電動機、電磁離合器以及減速機構組成。1.1.4.2 電動助力轉向系統工作原理電動助力轉向系統的工作過程其工作過程為：扭矩傳感器檢測駕駛員打方向盤的扭矩，然后根據這個扭矩給控制單元一個信號。同時控制單元也會收到來自方向盤位置傳感器的信號，這個傳感器一般是和扭矩傳感器裝在一起的（有些傳感器已經將這2 個功能集成為一體）。扭矩和方向盤位置信息經過控制單元處理，連同傳入控制單元的車速信號，根據預先設計好的程序產生助力指令。該指令傳到電機，由電機產生扭矩傳到助力機構上去，這里的齒輪機構則起到增大扭矩的作用。這樣，助力扭矩就傳到了轉向柱并最終完成了助力轉向。81.1.4.3 電動助力轉向系統特點(1)節約了能源消耗。 與傳統的液壓助力轉向系統相比，沒有系統要求的常運轉轉向油泵，且電動機只是在需要轉向時才接通電源，所以動力消耗和燃油消耗均可降到最低。還消除了由于轉向油泵帶來的噪音污染。液壓動力轉向系統需要發動機帶動液壓油泵，使液壓油不停地流動，再加上存在管流損失等因素，浪費了部分能量。相反EPS 僅在需要轉向操作時才需要向電機提供的能量。而且，EPS系統能量的消耗與轉向盤的轉向及當前的車速有關。當轉向盤不轉向時，電機不工作；需要轉向時，電機在控制模塊的作用下開始工作，輸出相應大小及方向的轉矩以產生助動轉向力矩。該系統真正實現了“按需供能”，是真正的“按需供能型”（on-demand）系統，在各種行駛條件下可節能80%左右。(2)改善了轉向回正特性。 當駕駛員轉動方向盤一角度然后松開時，EPS 系統能夠自動調整使車輪回到正中。同時還可利用軟件在最大限度內調整設計參數以獲得最佳的回正特性。通過靈活的軟件編程，容易得到電機在不同車速及不同車況下的轉矩特性，這些轉矩特性使得該系統能顯著地提高轉向能力，提供了與車輛動態性能相匹配的轉向回正特性。而在傳統的液壓控制系統中，要改善這種特性必須改造底盤的機械結構，實現起來很困難。(3)提高了操縱穩定性。 轉向系統是影響汽車操縱穩定性的重要因素之一。傳統液壓動力轉向由于不能很好地對助力進行實時調節與控制，所以協調轉向力與路感的能力較差，特別是汽車高速行駛時，仍然會提供較大助力，使駕駛員缺乏路感，甚至感覺汽車發飄，從而影響操縱穩定性。但EPS是由電動機提供助力，助力大小由電子控制單元（ECU）根據車速、方向盤輸入扭矩等信號進行實時調節與控制，可以很好地解決這個矛盾。(4)安全可靠。 EPS 系統控制單元ECU 具有故障自診斷功能，當ECU 檢測到某一組件工作異常，如各傳感器、電磁離合器、電動機、電源系統及汽車點火系統等，便會立即控制電磁離合器分離停止助力，并顯示出相應的故障代碼，轉為手動轉向，按普通轉向控制方式進行工作，確保了行車的安全。91.1.5 線控轉向系統（SBW）在車輛高速化、駕駛人員大眾化、車流密集化的今天，針對更多不同水平的駕駛人群，汽車的易操縱性設計顯得尤為重要。線控轉向系統（Steering-By-Wire Systerm，簡稱SBW）的發展，正是滿足這種客觀需求。它是繼EPS 后發展起來的新一代轉向系統，具有比EPS 操縱穩定性更好的特點，它取消轉向盤與轉向輪之間的機械連接，完全由電能實現轉向，徹底擺脫傳統轉向系統所固有的限制，提高了汽車的安全性和駕駛的方便性。1.1.5.1 線控轉向系統的構成SBW 系統一般由轉向盤模塊、轉向執行模塊和主控制器ECU、自動防故障系統以及電源等模塊組成。轉向盤模塊包括路感電機和轉向盤轉角傳感器等，轉向盤模塊向駕駛員提供合適的轉向感覺（ 也稱為路感） 并為前輪轉角提供參考信號。轉向執行模塊包括轉向電機、齒條位移傳感器等, 實現兩個功能: