轿车液压助力齿轮齿条转向器设计说明书

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 2014年02-06月 系 别 汽车与机械工程系 专 业 车辆工程 班 级 13班 姓 名 邱裕海 指导教师 杨卓老师

2014年 06 月 08 日

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目录

一、 课程设计任务………………………………………………...............................

错误！未定义书签。

二、设计方案的拟定…………………………………………7

三、 各种形式转向器现状比较 ................................................................................................. 9 四、 传动系统运动参数选择与计算 ................................................................................... 11 五、 车辆转向器的发展 ................................................................................................................. 14 六、 齿轮齿条设计 ............................................................................................................................. 15 七、 附图 ..................................................................................................................................................... 16 八、 总结 ..................................................................................................................................................... 19

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一、任务

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；

2、课程设计时间：

2014年02~06月

3、整车性能参数：

表1-1 基本参数 名称 数值 名称 数值 轴距L 2500mm 车长 3930mm 前轮距L1 1350mm 车宽 1585mm 后轮距L2 1360mm 车高 1857mm 最小转弯半径R 4600mm 车质量 1123kg 4、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、课程设计流程

Ⅰ、课程设计的步骤

1)、实验室实物拆装参考，确定设计方案； 2)、设计计算；

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3)、3D建模、绘制装配图（A0装配图一张） 4）、拟定说明书。 Ⅱ、设计进度安排

表1-2 课程设计进度安排

第一阶段 序号 1 2 第二阶段 任务内容 实物拆装+总体设计 布局 机构设计计算 时间安排 备注 1 第三阶段 绘制仿真图 1 第四阶段 绘制建模图 同学最终需要上交 的材料包括：（一） 设计计算说明书（1 份）；（二）装配图（A0 图纸1张）； （三）转向阀芯A4 （四）仿真视频 1 整理说明书、准备 答辩 Ⅲ．设计中应注意的问题

1）．思考、严谨认真、精益求精，多于指导教师沟通。 2）．设计过程中，需要综合考虑多种因素，采取多种办法进行分析、比较和选择，

来确定方案、尺寸和结构，边设计、边计算、反复修改以完善设计是正常的，

必须耐心、认真地对待。

3）．利用好实验室现有实物，但不应盲目地、机械地抄袭。根据具体条件和要求，大胆创新

5、齿轮齿条转向器的简介

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图1-1所示为捷达轿车的齿轮齿条式转向器。作为传动副主动件的转向齿轮用轴承支承在壳体中，与水平布置的转向齿条相啮合。弹簧通过垫片、压块将齿条压靠3在齿轮上，保证无缝隙啮合。弹簧的预紧力可用调整螺钉调整，并且螺钉的端部可以起到限位的作用 ，防止由于汽车颠簸等原因齿条跳动与齿轮脱离啮合而跳齿。转向齿条通过两点支承在壳体上，一个支承点是小齿轮与齿条的啮合处，另一点是右侧压制在壳体端部的橡胶支撑套。

转向齿轮与转向轴和转向盘连接，两个转向横拉杆分别通过球头销连接在转向齿条的两端。转向器转动时，转向齿轮转动并使之啮合的转向齿条轴向移动，通过转向横拉杆带动左右转向节转动，使转向轮偏转，实现汽车转向。这种布置形式占用空间最小，并且无论车轮是转向还是跳动，均不会在齿条上产生绕其轴线的力矩。

图1-1捷达轿车齿轮齿条式转向器

图1-2捷达轿车转向器的布置

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转向器安装图

6、汽车转向助力液压油路分析

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，如图12所示。该转阀有4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相隔断，来自油泵的压力油经过通道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。滑阀的结构简单，工艺性较好，布置方便；而转阀的灵敏度较高，密封件少，结构更为先进，因此目前得到广泛的应用。

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图11 油路剖视图

图12油路图

二、设计方案的拟订

1.设计要求：轿车液压助力齿轮齿条转向器设计 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。

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。

2.齿轮齿条转向器的优缺点：

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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横拉杆做成一体的齿条组成。

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，如图7-1；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。

a b

3.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，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。

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图5 齿轮齿条式转向器的四种形式

1. 齿轮齿条式转向器的布置形式

根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，齿轮齿条式转向器在汽车上有四种布置形式：转向器位于前轴后方，后置梯形；转向器位于前轴后方，前置梯形；专线器位于前轴前方，后置梯形；转向器位于前轴前方，前置梯形，

图6 齿轮齿条式转向器的四种布置形式

三、 各种形式转向器现状比较

转向器是转向系主要构成的关键零件，随着电子技术在汽车中的广泛应用，转向装置的结构也有很大变化。从目前使用的普遍程度来看，主要的转向器类型有4种：有蜗杆销式(WP型)、蜗杆滚轮式(WR型)、循环球式(BS型)、齿条齿轮式(RP型)。这四种转向器型式，已经被广泛使用在汽车上。

转向系统是在车辆系统是必要的基本制度，通过方向盘司机操纵和控制汽车的方向旅行，

以实现他的驾驶意图。在超过100年不断发展的今天，汽车已不是单纯的机械工具，而是集电子，化工，人体工程等综合产品。转向系统随着汽车产业的发展，也在进行着长期的演变。

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据了解，在世界范围内，汽车循环球式转向器占45％左右，齿条齿轮式转向器占40％左右，蜗杆滚轮式转向器占10％左右，其它型式的转向器占5％。循环球式转向器一直在稳步发展。在西欧小客车中，齿条齿轮式转向器有很大的发展。日本汽车转向器的特点是循环球式转向器占的比重越来越大，日本装备不同类型发动机的各类型汽车，采用不同类型转向器，在公共汽车中使用的循环球式转向器，已由60年代的62．5％，发展到现今的100％了(蜗杆滚轮式转向器在公共汽车上已经被淘汰)。大、小型货车大都采用循环球式转向器，但齿条齿轮式转向器也有所发展。微型货车用循环球式转向器占65％，齿条齿轮式占 35％。

我国的转向器生产，除早期投产的牌汽车用蜗杆滚轮式转向器，东风汽车用蜗杆肖式转向器之外，其它大部分车型都采用循环球式结构，并都具有一定的生产经验。目前、东风也都在积极发展循环球式转向器，并已在第二代换型车上普遍采用了循环球式转向器。由此看出，我国的转向器也在向大量生产循环球式转向器发展

在国外，循环球式转向器实现了专业化生产，同时以专业厂为主、大力进行试验和研究，大大提高了产品的产量和质量。在日本“精工”(NSK)公司的循环球式转向器就以成本低、质量好、产量大，逐步占领日本市场，并向全世界销售它的产品。德国ZF公司也作为一个大型转向器专业厂著称于世。它从1948年开始生产ZF型转向器，年产各种转向器200多万台。还有一些比较大的转向器生产厂，如美国德尔福公司SAGINAW分部；英国BURM#0；AN公司都是比较有名的专业厂家，都有很大的产量和销售面。专业化生产已成为一种趋势，只有走这条道路，才能使产品质量高、产量大、成本低，在市场上有竞争力。

齿轮齿条式转向器和循环球式转向器，已成为当今世界汽车上主要的两种转向器；而蜗轮蜗杆式转向器和蜗杆肖式转向器，正在逐步被淘汰或保留较小的地位。在小客车上发展转向器的观点各异，美国和日本重点发展循环球式转向器，比率都已达到或超过90％；西欧则重点发展齿轮齿条式转向器，比率超过50％，法国已高达95％。由于齿轮齿条式转向器的种种优点，在小型车上的应用(包括小客车、小型货车或客货两用车)得到突飞猛进的发展；而大型车辆则以循环球式转向器为主要结构。

循环球式转向器的优点：效率高，操纵轻便，有一条平滑的操纵力特性曲线，布置方便，特别适合大、中型车辆和动力转向系统配合使用；易于传递驾驶员操纵信号；逆效率高、回位好，与液压助力装置的动作配合得好。可以实现变速比的特性，满足了操纵轻便性的要求。中间位置转向力小、且经常使用，要求转向灵敏，因此希望中间位置附近速比小，以提高灵敏性。大角度转向位置转向阻力大，但使用次数少，因此希望大角度位置速比大一些，以减小转向力。由于循环

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球式转向器可实现变速比，应用正日益广泛。通过大量钢球的滚动接触来传递转向力，具有较大的强度和较好的耐磨性。并且该转向器可以被设计成具有等强度结构，这也是它应用广泛的原因之一。

图6循环球式转向器

齿轮齿条式转向器的主要优点：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；转向器占用体积小；制造成本低。

图7齿轮齿条式转向器

四、传动系统运动参数选择与计算

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图9转向梯形

假设轮胎是刚性的，因而可以忽略轮胎侧偏角的影响，则两转向前轮轴线的延长线交于

中o点。内轮转角为θi,外轮转角为θo，它们有如下关系：

1） 用理论上正确的特性线求解：

①从主销中心线与地面交点A、B作两条垂直于后轴轴线的线从

中点E与C连线，

和

。

即为理论上正确的转向梯形特性曲线。

证明：

从EC线上任一点F与A、B两点连线，得∠EBF和∠EAF

②梯形底角γ，梯形臂长m的初选 经验：

后置梯形，m的延长线呈收缩状延伸交在距前轴

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处

前置梯形，m的延长线呈收缩状延伸交在距前轴L处

图10 梯形底角、臂长初选

由③校核

得：

通常m=（0.11~0.15）K

初选γ、m和已知K以后画梯形，然后给出一系列θi→θ0 画图校核实际与理论上的差距有多少 要求：

①小转角时两者尽可能接近，∵用的多以便减少轮胎磨损 ②急转弯时两者可以有较大差别

③两线的交点在150～250之间（θi转150～250）

图11 转向梯形校核

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五、转向器的发展

a、随着汽车工业的飞速发展以及人们对于舒适、安全性能要求的不断提高，转向系统也随着科技的发展日新月异。电动助力转向系统是转向行业前沿研究项目，按照其布局形式，可以分为管柱助力、齿轮助力、齿条助力、拉杆助力、电液助力等形式。在一些科幻电影中才能出现的无人飞机、无人驾驶汽车等已经成为现实，转向系统也在朝着更加先进的方向发展，比如由日本JTEKT研究开发出来的先进线控转向系统等。

汽车线控转向系统由方向盘总成、转向执行总成和主控制器(ECU)三个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助系统组成。

方向盘总成包括方向盘、方向盘转角传感器、力矩传感器、方向盘回正力矩电机。方向盘总成的主要功能是将驾驶员的转向意图(通过测量方向盘转角)转换成数字信号，并传递给主控制器；同时接受主控制器送来的力矩信号，产生方向盘回正力矩，以提供给驾驶员相应的路感信息。转向执行总成包括前轮转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器和前轮转向组件等组成。转向执行总成的功能是接受主控制器的命令，通过转向电机控制器控制转向车轮转动，实现驾驶员的转向意图。

主控制器对采集的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，向方向盘回正力电机和转向电机发送指令，控制两个电机的工作，保证各种工况下都具有理想的车辆响应，以减少驾驶员对汽车转向特性随车速变化的补偿任务，减轻驾驶员负担。同时控制器还可以对驾驶员的操作指令进行识别，判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理。当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时，线控转向系统会将驾驶员错误的转向操作屏蔽，而自动进行稳定控制，使汽车尽快地恢复到稳定状态。

自动防故障系统是线控转向系的重要模块，它包括一系列的监控和实施算法，针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理，以求最大限度地保持汽车的正常行驶。作为应用最广泛的交通工具之一，汽车的安全性是必须首先考虑的因素，是一切研究的基础，因而故障的自动检测和自动处理是线控转向系统最重要的组成系统之一。它采用严密的故障检测和处理逻辑，以更大地提高汽车安全性能。

电源系统承担着控制器、两个执行马达以及其它车用电器的供电任务，其中仅前轮转角执行马达的最大功率就有500-800W，加上汽车上的其它电子设备，电源的负担已经相当沉重。所以要保证电网在大负荷下稳定工作，电源的性能就显得十分重要。

b、汽车转向技术的发展趋势

新型转向机构的研究与应用 围绕减小转向机构的误差、优化转向机构的设计、减轻转向机构的磨损、提高转向机构的效率等方面开展工作，加强新型转向机构的研究与应用已成为生产企业和科研单位的追

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求的目标。

(2) 动力转向技术的推广 为减轻驾驶员疲劳，提高操纵轻便性和稳定性，动力转向系统的应用日益广泛，不仅在重型汽车上必须采用，在高级轿车上应用较多，而且在中型汽车上也已逐渐推广。 (3) 考虑主动安全性的转向技术 从操纵轻便性、稳定性和安全行驶的角度，广泛使用更先进的工艺方法制造、使用变速比转向器、高刚性转向器，采用防碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊等，并逐步推广。新时代下的汽车转向装置设计充分考虑了驾乘的舒适性和安全性，诸如4WS转向技术的应用、EPS动力转向技术的应用等等。 (4) 先进电子技术和控制技术在转向系统中的应用 随着传感技术、控制技术的不断发展及在汽车中的应用，可以从多方面改善转向系统的各种性能，诸如汽车的低速行驶轻便性、汽车的稳态转向特性、汽车的回正能力、转向盘中间位置操纵稳定性、前轮的摆振等等。

六、齿轮齿条设计

1、 齿轮参数的选择

齿轮模数值取值为m=2.5，主动齿轮齿数为z=6，压力角取α=20°，齿轮螺旋角为β=12°，齿条齿数应根据转向轮达到的值来确定。齿轮的转速为n=10r/min，齿轮传动力矩２５Ｎm，转向器每天工作８小时，使用期限不低于５年．

主动小齿轮选用20MnCr5材料制造并经渗碳淬火，而齿条常采用45号钢或41Cr4制造并经高频淬火，表面硬度均应在56HRC以上。为减轻质量，壳体用铝合金压铸。

2、齿条的设计

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根据齿轮齿条的啮合特点:

(1) 齿轮的分度圆永远与其节圆相重合,而齿条的中线只有当标准齿轮正确安

装时才与其节圆相重合.

(2) 齿轮与齿条的啮合角永远等于压力角. 因此,齿条模数m=2.5,压力角20 齿条断面形状选取圆形 选取齿数z＝28，螺旋角8

七、附图

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八、总结

课程设计让我们学到很多。我明白了遇到困难要自己动手解决，大学就是要考自己去找问题，自己找答案的。很感谢杨老师这段时间的指导，让我们很多问题都能快速得到解决，我们后继续努力的。

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