线性转向系统的设计开发Word文档下载推荐.docx

1、 In this paper is the independent suspension with a matching one-piece two wheel steering mechanism. Using the knowledge of the relevant vehicle design and connecting rod mechanism kinematic, first of all, steering, steering transmission mechanism to choose, then was carried out on the steering gear

2、 and transmission mechanism design, and finally, by using CATIA software to complete 3 d entity design of steering system.Steering gear in the design of the selected is circulating ball type steering rack tooth fan, in the design of steering gear, including the design of the screw - ball - and nut v

3、ice and rack - tooth transmission vice design, and the former is based on the reference to the similar cars, determine the ball center distance, designed a series of dimensions, while the latter is based on automobile front axle load to determine the tooth fan module, the design all the parameters a

4、gain.The design of steering trapezoidal chosen is the integral steering trapezoidal, based on the design based on the experience of the similar steering trapezium design size to size primary steering trapezoid. Again through the steering wheel in real with to achieve the maximum deflection Angle of

5、ocean shipping ideal maximum deflection Angle difference of inspection, and as a four-bar linkage to the minimum transmission Angle inspection, to determine whether the design of steering trapezoidal conform to the basic requirements.Based on the digestion and absorption, summarize, summarized prede

6、cessors achievements, system and comprehensive theoretical analysis, the mechanical steering system to design and optimization. For light vehicle steering system design and development provides a design method of simple steps.Key words: steering system; The steering gear; Steering trapezoid; Transmi

7、ssion vice; Structural components第一章 引 言 汽车转向系统在汽车中主要承担改变汽车行驶方向及保持汽车稳定直线行驶的任务。转向系统一般安装在汽车的前桥上，它通过一整套机构将驾驶员作用于方向盘的力传递到转向臂上，并通过转向臂的偏转带动转向轮相对于汽车中心线转过一定的角度，从而实现汽车行驶方向的改变。本文以某种车型的转向系统为例进行研究，该转向系统主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成，通过驾驶员施加在转向盘上的力矩而转动，带动转向轴将该力矩输入转向器并改变其方向及速度，使安装在转向器中的齿条沿轴线左右移动，然后带动左横拉杆及右横拉杆转动转向臂，带动车

8、轮绕转向节转动，实现汽车转向。如何突破机械结构的局面，并向人性化、数字化的方向发展，将成为汽车设计、分析与制造的发展前景。 虚拟现实技术是近年来发展起来的高级计算机技术，是建立在计算机图形学、仿真学、并行技术、人工智能、多媒体技术等技术基础之上的新技术，包括虚拟设计、虚拟装配、虚拟制造、虚拟试验和虚拟培训等。它与传统的模拟技术完全不同，是将模拟环境、视景系统和仿真系统合三为一，并利用头盔显示器、图形眼镜、数据服、立体声耳机、数据手套及脚踏板等传感装置，把操作者与计算机生成的三维虚拟环境连结在一起。虚拟现实技术在汽车行业的运用还未广泛普及，主要是由于其前期投入大，但其潜在优势已是毋庸质疑，随着计

9、算机技术与汽车电子化技术运用的日趋成熟，该技术定会被广泛合理地利用。由于虚拟设计、虚拟装配、虚拟制造等技术在汽车开发上的巨大作用，使其在汽车设计领域得到了迅速发展和广泛应用。在汽车行业里，很多汽车制造商从虚拟设计、虚拟装配、虚拟制造等的应用中获得了巨大的收益。虚拟现实技术依赖于产品三维数字模型的准确性和参数化特性，从而可以快速地进行分析仿真,实现设计方案的优化。 本文以UG软件为设计研究平台，UG软件是集CAD/CAM/CAE功能于一体的软件集成系统。运用其复合建模、钣金建模、虚拟装配等相关参数化设计方法，建立汽车转向系统的虚拟装配，并运用UG的Motion模块进行运动学仿真分析。虚拟装配可以

10、减少实物模型和样机的投入，避免设计缺陷，缩短产品开发周期，降低产品开发成本和制造成本。第二章 系统设计主要内容 2.1转向系概述 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。 机械转向系依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转向器和转向传动机构使转向轮偏转。有些汽车还装有防伤机构和转向减振器。采用动力转向的汽车，还装有动力系统，并借助此系统来减轻驾驶员的手力。对转向系提出的要求有：1）汽车转弯行驶时，理想情况下全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。否则会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性； 2）汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件

11、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。 较 2.2轻型货车转向系统设计主要内容

12、本设计以循环球式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；二是机械转式向器的设计；三是转向传动机构的设计；四是转向梯形机构设计。因此本设计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转向器螺杆旋转，与螺杆配合的螺母外齿与扇形齿轮啮合，通过安装在扇形轴上的转向臂向转向拉杆机构传递操作力，实现转向。（1）汽车转向系方案的设计。（2）汽车转向器方案的设计。（3）汽车转向传动机构的设计。（4）转向系的设计计算。2、汽车转向系统虚拟装配 建立参数化的实体模型可以为虚拟装配打下坚实的基础，满足用户不断修改从而最终实现产品的最优设计或变形产品设计的要求。本文首先对汽车转向系统的工作

13、原理及结构进行分析，对其主要部件进行测量，然后通过UG软件建立部件的参数化实体模型。准确的物理模型和方便的建模方法是应用虚拟装配技术的关键。2.3 参数化实体模型的建立 实现零件的参数化设计，达到修改任意尺寸即可更新零件模型的目的。零件之间的相关参数化设计是指修改一个零件尺寸即可达到修改与其相关的零件尺寸，并更新相关零件模型从而最终更新虚拟装配模型的目的。根据仿真分析结果修改模型，实现零部件的优化设计。汽车转向系统结构比较复杂，由许多零部件组成，本文应用UG软件的参数化建模方法建立各个部件的参数化实体模型，为后续的模型修改、虚拟装配、设计分析打下坚实的基础，从而不断提高汽车转向系统的设计水平和

14、质量。UG在建模模块中，提供了各种功能，主要包括建立草图（Sketch）、曲线（Curve）、成型特征（Form Feature）、自由形状特征（Free Form Feature）以及钣金特征（Sheet Metal Feature）等功能。为齿轮齿条式转向器壳体，其建模操作命令主要有圆柱体（Cylinder）、草图（Sketch）、拉伸（Extrude Body）、凸台（Boss）、引用特征（Instance）、打孔（Hole）等，然后进行一些细节处理，如倒角、加肋板等完成模型制作。 本文的齿轮齿条式转向器齿轮轴是使用UG中的齿轮设计向导（Gear Wizard）模块建立的，选择其工具条中

15、的圆柱螺旋齿轮（Helical Cylindrical Gear）按钮，在其中输入参数即可得到建立齿轮轴模型所需的齿轮。转向齿轮主要技术参数如下：分度圆直径 d13.413mm，齿数Z6螺旋角10法面压力角n20法面齿顶高系数han* 1法面顶隙系数cn*0.25法面模数mn2.236建立的齿轮齿条式转向器齿轮轴模型如图3，而另一些螺钉、螺母之类的标准件则可以从标准件图库中导入。24汽车转向系统的虚拟装配 虚拟装配是在计算机上进行装配，装配件中的零件与原零件之间是链接关系，对原零件的修改会自动反映到装配件中，从而节约内存，提高装配速度，及早发现零件配合之间存在的问题 ,保证设计质量。UG软件中

16、的虚拟装配方法主要有：自顶向下装配（Top-Down assembly）、自底向上装配（Bottom-Up assembly），或者使用上述两种方法进行混合装配。自顶向下装配就是在上下文中进行设计 （working in context） ，即由装配件的顶级向下产生子装配和组件，在装配层次上建立和编辑组件，由装配件的顶级向下进行设计。自底向上装配是先建立单个零件的几何模型即组件，再组装成子装配件，最后装成装配件，由底向上逐级地进行设计。零件之间使用配对约束、对齐约束、正交约束、角度约束、平行约束、中心对齐约束、距离约束等约束条件建立配对条件，这样一旦部件的零件模型改变，产品的虚拟装配模型将随着

17、改变，实现了真正意义的参数化设计。本文采用混合装配方法进行虚拟装配，完成的汽车转向系统虚拟装配模型。 基于虚拟装配模型可以建立装配顺序。装配顺序（Assemblies Sequences）功能给产品的设计和制造提供了很大方便，用户可以根据不同的用途例如：设计、工艺、制造、维修等建立不同的装配顺序，包括拆卸顺序，有利于排除组件间的干涉和间隙，有利于设计、工艺、制造部门之间的友好合作，实现并行设计。2.5 汽车转向系统的虚拟分析 UG的运动分析模块（motion）主要是利用虚拟装配模型，通过将一个或一组零件定义为许多互相关联的连杆（Links），并将连杆间的连接关系定义为运动付（Joints），通

18、过加入运动输入使机构模型产生运动，从而对机构进行运动学（Kinematic）分析或动力学（Dynamic）分析。本文对汽车转向系统进行虚拟运动分析。分析时若发现干涉或间隙过大等问题，可以及时修改零件模型，然后在进行分析直至满意为止，充分发挥虚拟装配技术的优点，缩短产品开发周期，降低产品开发成本。第三章 转向系主要性能 3.1转向系主要性能 （1）转向器的类型、结构特点与效率 汽车上常用的转向器形式有循环球式、蜗杆滚轮式、齿轮齿条式和蜗杆指销式等几种。齿轮齿条式。循环球式转向器的正效率比较高，其正效率h+可达到85%。同一类型的转向器，因结构不同，效率也有较大差别。如蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支持

19、轴之间的轴承可以有滚针轴承、圆锥轴承和滚珠轴承三种结构。除滚轮与滚针之间有摩擦损失外，滚轮侧翼与垫片之间还有滑动摩擦损失，故这种转向器的效率h+仅达54%左右。根据试验，其余两种转向器结构的效率分别为70%和75%。（2）转向器的结构参数与效率 蜗杆滚轮式转向器的传动副存在较大滑动摩擦，效率较低。对于蜗杆和螺杆类转向器，如果忽略轴承和其他地方的抹茶损失，只考虑啮合副的摩擦损失，其效率为第一种结构转向器逆效率-h。根据逆效率大小不同，转向器又有可逆式、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，这种转向器是可逆式的。它能保证汽车转向后，转向轮和转向盘自动回正。

20、这既减少驾驶员疲劳，又提高了行驶安全性。但是，在坏路上行驶时，车轮受到的冲击力，大部分都传给转向盘，驾驶员容易“打手”，使之精神状态紧张，如长时间在坏路上行驶，易使驾驶员疲劳，影响安全行驶。因此，这类 转向器适用于在良好路面上行驶的车辆。齿轮齿条式和循环球式都属于可逆式转向器。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。该冲击力由转向传动机构的零件承受，因而这些零件容易损坏。同时，它不能保证车轮自动回正，驾驶员又缺乏路面感觉。因此，现代汽车基本不采用这种转向器。 极限可逆式转向器介于上述两者之间。当车轮受有冲击力作用时，此力只有较小的一部分传至转向盘。它的逆效率较低，因此在坏

21、路上行驶时，驾驶员并不十分紧张，同时转向传动机构的零件，所受冲击力也比不可逆式转向器要小。 如果只考虑啮合副的摩擦，忽略轴承和其他地方的摩擦损失，则逆效率可以用下式计算：式（2.4）表明：增加导程角，逆效率也增大。因此，虽然增加导程角能提高正效率，但此时因为逆效率也增大，故导程角不应取得过大；当导程角小于或等于摩擦角时，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，导程角的最小值必须大于摩擦角。通常螺线的导程角选在810之间。3.2 转向器传动副的传动间隙 传动间隙是指各种转向器中传动副（如循环球式转向器的齿扇和齿条）之间的间隙。该间隙随转向盘转角大小的不同而改变，这种变化和转

22、向器的使用寿命有关。如何获得传动间隙特性将在后面转向器的设计中介绍。3.3 转向盘的总转动圈数 转向盘从一个极端位置转到另一个极端位置时所转过的圈数称为转向盘的总转动圈数。它与转向轮的最大转角及转向系的角传动比有关，并影响转向的操纵轻便性和灵敏性。轿车转向盘的总转动圈数较少，一般约在3.6圈以内；货车一般不宜超过6圈。3.4 转向系的选择 汽车转向系可按转向能源的不同分为机械转向系和动力转向系两大类。本设计采用的是机械式转向系。 机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。 为红旗CA7220型轿车的机械转向系统。

23、当汽车转向时，驾驶员对转向盘施加一个转向力矩。该力矩通过转向轴和柔性联轴节输入转向器，再经左，右横拉杆,传给固定于两侧转向节上的左、右转向节臂，使转向节和它所支撑的转向轮绕主销轴线偏移一定角度，实现转向。 目前，许多国内外生产的新车型在转向操纵机构中采用了万向传动装置（转向万向节和转向传动轴）。这有助于转向盘和转向器等部件和组件的通用化和系列化。只要适当改变转向万向传动装置的几何参数，便可以满足各种变型车的总布置要求。即使在转向盘与转向器同轴线的情况下，其间也可以采用万向传动装置，以补偿由于部件在车上的安装误差和安装基体（驾驶室、车架）的变形所造成的二者轴线实际上的不重合。 转向盘在驾驶室内的

24、安置位置与各国交通法规规定车辆靠道路左侧还是右侧通行有关。包括我国在内的大多数国家规定车辆右侧通行，相应地应将转向盘安置在驾驶室左侧。这样，驾驶员左方的视野较广阔，有利于两车安全交会。相反，在一些规定车辆靠左侧通行的国家和地区使用的汽车上，转向盘则应安置在驾驶室右侧。本章主要对转向系统的方案进行确定。包括通过转向器的效率公式确定导程角，通过传动比的变化特性确定传动比及转向盘的总转动圈数和机械转向系的确定，为下面的设计过程做铺垫。第四章 汽车转向传动机构 4.1机械式转向器的选择 根据所采用的转向传动副的不同，转向器的结构形式有多种。常见的有齿轮齿条式、循环球式、球面蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等。

25、对转向器结构型式的选择，主要是根据汽车的类型，前轴负荷，使用条件等来决定，并要考虑其效率特性，角传动比变化特性等对使用条件的适应性以及转向器的其他性能，寿命，制造工艺等。本设计选用的是循环球齿条齿扇式转向器。4.2循环球式转向器 循环球式转向器由螺杆和螺母共同形成的螺旋槽内装钢球构成的传动副，以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成. 循环球式转向器的优点是：在螺杆和螺母之间因为有可以循环流动的钢球，将滑动摩擦转变为滚动摩擦，因而传动效率可达到75%85%；在结构和工艺上采取措施后，包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度和螺杆、螺母上的螺旋槽经淬火和磨削加工，使之有足够的硬度和耐磨损性

26、能，可保证有足够的使用寿命；转向器的传动比可以变化；工作平稳可靠；齿条和齿扇之间的间隙调整工作容易进行；适合用来做整体式动力转向器循环球式转向器的缺点是：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。 循环球式转向器主要用于商用车上。 本章主要对转向器进行选择，通过对齿轮齿条式转向器、循环球式转向器、蜗杆滚轮式转向器和蜗杆指销式转向器的对比，选择了循环球式齿条齿扇转向器，为下面的设计做准备。4.3转向传动机构的选择 从转向器到转向轮之间的所有传动杆件总称为转向传动机构。 转向传动机构的功用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使转向轮偏转，并使两转向轮偏转角按一定关系变化，以保证汽车

27、转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。本设计中由于采用的是非独立式悬架。4.4与非独立悬架配用的转向传动机构 1转向传动机构的组成 转向传动机构由转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂和转向梯形等零部件共同组成，其中转向梯形由梯形臂、转向横拉杆和前梁共同构成转向摇臂 循环球式转向器和蜗杆曲柄指销式转向器通过转向摇臂与转向直拉杆相连。转向摇臂的大端用锥形三角细花键与转向器中摇臂轴的外端连接，小端通过球头销与转向直拉杆作空间铰链连接，如图4.2。 3转向直拉杆 转向直拉杆是转向摇臂与转向节臂之间的传动杆件，具有传力和缓冲作用。在转向轮偏转且因悬架弹性变形而相对于车架跳动时，转向直拉杆与转向摇臂及转向节臂的相

28、对运动都是空间运动，为了不发生运动干涉，三者之间的连接件都是球形铰链，转向横拉杆 转向横拉杆是转向梯形机构的底边，由横拉杆体和旋装在两端的横拉杆接头组成。其特点是长度可调，通过调整横拉杆的长度，可以调整前轮前束，如图4.4。4.1转向梯形的选择 转向梯形有整体式和断开式两种，选择整体式或断开式转向梯形方案与悬架采用何种方案有关。无论采用哪一种方案，都必须正确选择转向梯形参数，做到汽车转弯时，保证全部车轮绕一个瞬时转向中心行驶，使在不同圆周上运动的车轮，作无滑动的纯滚动运动。同时，为达到总体布置要求的最小转弯直径值，转向轮应有足够大的转角。本设计中由于采用的是非独立式悬架，应当选用与之配用的整体

29、式转向梯形。 4.5 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，如下图所示。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。 当汽车前悬架采用非独立式悬架时，应当采用整体式转向梯形。整体式转向梯形的横拉杆可位于前轴后或者前轴前（称为前置梯形）。对于发动机位置低或前轮驱动汽车，常采用前置梯形。前置梯形的梯形臂必须向前外侧方向延伸，因而会与车轮或制动底版发生干涉，所以在布置上有困难。为了保护横拉杆免遭路面不平物的损伤，横拉杆的位置应尽可能布置得高些，至少不低于前轴高度。 本章对转向传动机构进行设计，由于本设计选用的是非独立式悬架，因此选用与非独立悬架配用的转向传动机构，转向梯形