轻型货车转向系统设计毕业设计.doc

内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：轻型货车转向系统设计学生姓名： 学 号：专 业：车辆工程班 级： 指导教师： 教授18内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）轻型货车转向系统设计摘 要用来改变或保持汽车行驶和倒退方向的一系列装置被称为转向系统。汽车的转向系统是保证汽车够按照驾驶员的意愿在指定方向行驶的装置，因此它对于汽车的行驶安全性至关重要。本设计是对一款轻型货车转向系统的设计。通过有关资料对转向器的分析，结构性能，工作原理，发展方向做了一系列的调查了解，最终根据汽车的类型，使用条件等方面选择了液压助力式的齿轮齿条转向系统。本次设计的主要内容包括转向系统的总体设计方案的确定、主要性能参数的确定以及齿轮齿条式转向器的尺寸计算和齿轮齿条的几何传动关系计算，并对齿轮齿条进行了校核。在这之后通过查阅相关资料进行了液压转向助力装置的相关设计，主要包括液压动力缸直径的计算，分配阀级反作用阀的相关参数确定等。除此之外对于转向操纵机构和转向传动机构（特别是转向梯形）的尺寸进行了设计。最后根据计算利用AutoCAD画出装配图和零件图。关键词：轻型货车；转向系统；齿轮齿条；液压助力内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）AbstractA series of devices, which are used to change or keep the direction of vehicle travel and backward, are called steering systems. Automobile steering system is a means to ensure that the car can be driven in the specified direction according to the wishes of driver, so it is very important for the safety of the vehicle.This design is the design of a light truck steering system. through the analysis of the relevant information to the steering performance of structure, working principle, development direction did a series of investigation, finally according to the type of car, using conditions etc. Choose the hydraulic power steering gear and rack. This design mainly includes overall design scheme of steering system, the determination of main performance parameters and calculating the size of the gear rack type steering gear and gear rack and the geometric transmission relationship, and to check the gear and rack. After this through access to relevant data for the related design of the hydraulic steering device, mainly includes the calculation of hydraulic power cylinder diameter, grade distribution valve reaction valve related parameters. In addition to the steering mechanism and steering transmission mechanism (especially the steering trapezoid) the size of the design. According to the calculated using AutoCAD drawing assembly drawing and parts drawings. Key words: Key words: light trucks; Steering system; The gear and rack; Hydraulic booster内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 研究背景11.1.1 结构歧义11.1.2 理性主义的研究方法11.1.3 经验主义的研究方法21.2 问题定义21.2.1 结构化的随机语言模型21.2.2 基于实例类比的分析策略21.3 论文结构2第二章 自然语言的结构分析32.1 自然语言形式文法系统32.1.1 合一文法32.1.2 依存文法32.1.3 词汇化文法32.2 自然语言分析算法32.2.1 串行分析算法32.2.2 并行分析算法3 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 引 言1.1 转向系的功能汽车在行驶过程中，经常需要换车道和转弯。驾驶员通过一套专门的机构即汽车转向系，使汽车改变行驶方向。转向系还可以修正因路面倾斜等原因引起的汽车跑偏。转向系统不仅关系到汽车行驶的安全，还关系到延长轮胎寿命、降低燃油消耗等。伴随着现代汽车工业发展的不断进步，高速公路和高架公路的出现，同向并行车辆的增多和行驶速度的提高及道路条件的变化，要求更加精确灵活的转向系统。1.2转向系统的发展历程汽车转向系统的发展至今已有一百多年的历史了，主要经历了 3 个基本的发展阶段，包括纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统。其中最为传统的是机械式转向系统，主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机三个部分组成，在汽车转向时，驾驶员转动方向盘，转向力矩经过转向轴、转向器、直拉杆、横拉杆和梯型臂等使转向节偏转进而改变汽车的行驶方向。由于整个机构会占据很大的驾驶室空间，转向操纵难度随车速和汽车质量的提高而增加，大大限制了其使用范围，因此只应用于一些对操控性能要求不高和操纵力不大的微型车、农用车中。在 20 世纪 50 年代，液压动力转向系统在汽车上得以应用，其在传统机械转向系统的基础上增加了液压助力系统，利用流体的压力是液压泵产生动力以推动机械转向器，减少了驾驶员对方向盘的支持，改善了传统机械转向系统中因传动比固定而造成的转向“轻便”和“灵敏”之间的矛盾1。随后在液压转向系统的基础上不断创新发展了数年，驾驶室变得更加宽敞，转向操纵力变得更轻便，转向系统也变得更灵敏了，广泛应用于部分乘用车，重型车辆等商用车上。随着电子技术的广泛应用，出现了汽车电动助力转向系统，相比于传统机械转向系统，其增加了传感器装置、电子控制装置和转向助力机构等，电动执行机构根据不同的驾驶条件为驾驶员提供合适的助力，确保汽车在低速行驶时能够轻便灵活而在高速行驶时能够稳定可靠。电动助力转向系统是汽车转向系统发展的主流，但由于所需的驱动力量较大，多应用于小型汽车和中高级轿车上，同时在普通型轿车和小型商用车上有一定的发展。第二章 转向系统的介绍及方案选择2.1 转向系统的组成及作用机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源，所有传递力的构件都是机械的，主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。2.1.1 转向操纵机构转向操纵机构包括转向盘，转向轴，转向管柱。有时为了布置方便，减小由于装配位置误差及部件相对运动所引起的附加载荷，提高汽车正面碰撞的安全性以及便于拆装，在转向轴与转向器的输入端之间安装转向万向节，采用柔性万向节可减少传至转向轴上的振动，但柔性万向节如果过软，则会影响转向系的刚度。采用动力转向时，还应有转向动力系统。2.1.2 转向器转向器是转向系的重要组成部分之一，其主要作用是降低地转向轴的转速并使扇形齿轮轴转动，由此使做摆动运动的转向节臂的末端获得所需要的位移，或者把转向轴的转动换成齿条的直线运动以获得所需要的位移。2.1.3 转向传动机构转向传动机构1-转向摇臂；2-转向纵拉杆；3-转向节臂；4-转向梯形臂；5-转向横拉杆转向传动机构包括转向臂、转向纵拉杆、转向节臂、转向梯形臂以及转向横拉杆等。转向传动机构用于把转向器输出的力和运动传给左、右转向节并使左、右转向轮按一定关系进行偏转。2.2 转向系统的形式及方案选择2.2.1 机械式转向系统汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向轮来完成的。机械式转向系统工作过程为：驾驶员对转向盘施加的转向力矩通过转向轴输入转向器，减速传动装置的转向器中有1、2 级减速传动副，经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆，再传给固定于转向节上的转向节臂，使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而实现汽车的转向。纯机械式转向系统根据转向器形式可以分为：齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式2.2.2 液压助力转向系统（HPS）液压助力转向系统是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机带动液压泵产生的压力来实现车轮转向。由于液压转向可以减少驾驶员手动转向力矩，从而改善了汽车的转向轻便性和操纵稳定性。为保证汽车原地转向或者低速转向时的轻便性，液压泵的排量是以发动机怠速时的流量来确定。汽车起动之后，无论车子是否转向，系统都要处于工作状态，而且在大转向车速较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力，所以在一定程度上浪费了发动机动力资源。并且转向系统还存在低温工作性能差等缺点。2.2.3 电控液压助力转向系统（EHPS）电控液压转向系统的工作原理：在汽车直线行驶时，方向盘不转动，电动泵以很低的速度运转，大部分工作油经过转向阀流回储油罐，少部分经液控阀然后流回储油罐；当驾驶员开始转动方向盘时，ECU根据检测到的转角、车速以及电动机转速的反馈信号等，判断汽车的转向状态，决定提供助力大小，向驱动单元发出控制指令，使电动机产生相应的转速以驱动油泵，进而输出相应流量和压力的高压油。高压油经转向控制阀进入齿条上的动力缸，推动活塞以产生适当的助力，协助驾驶员进行转向操作，从而获得理想的转向效果。2.2.4 电动助力转向系统（EPS）电动助力转向系统是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统,与传统的液压助力转向系统相比,系统具有很多优点：仅在需要转向时才启动电机产生助力,能减少发动机燃油消耗；能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力向系的扰动，改善汽车的转向特性,提高汽车的主动安全性；没有液压回路,调整和检测更容易,装配自动化程度更高,且可通过设置不同的程序，快速与不同车型匹配,缩短生产和开发周期；不存在漏油问题,减小对环境的污染。2.2.5 线控转向系统（SBW）在车辆高速化、驾驶人员大众化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的易操纵性设计显得尤为重要。线控转向系统的发展，正是满足这种客观需求。它是继EPS 后发展起来的新一代转向系统，具有比EPS 操纵稳定性更好的特点，它取消转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电能实现转向，彻底摆脱传统转向系统所固有的限制，提高了汽车的安全性和驾驶的方便性。2.3 本章总结本章对转向系统的各部分结构进行了简单的介绍，我们通过对几种转向系统的对比最终确定转向系统形式为液压助力式的齿轮齿条转向系统。第三章 转向系的主要性能参数3.1 转向器的效率（正、逆）功率P1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，符号+表示，反之称为逆效率，用符号-表示。正效率+计算公式： (3.1)逆效率-计算公式： (3.2)式中，P1为作用在转向轴上的功率；P2为转向器中的磨擦功率；P3为作用在转向摇臂轴上的功率。正效率高，转向轻便；转向器应具有一定逆效率，以保证转向轮和转向盘的自动返回能力。但为了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。影响转向器正效率的因素有转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等3。1、转向器的正效率影响转向器正效率的因素有转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等。（1）、转向器类型、结构特点与效率。在四种转向器中，齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高，而蜗杆指销式特别是固定销和蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显的低些。同一类型转向器，因结构不同效率也不一样。如蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支持轴之间的轴承可以选用滚针轴承、圆锥滚子轴承和球轴承。选用滚针轴承时，除滚轮与滚针之间有摩擦损失外，滚轮侧翼与垫片之间还存在滑动摩擦损失，故这种轴向器的效率+仅有54%。另外两种结构的转向器效率分别为70%和75%3。转向摇臂轴的轴承采用滚针轴承比采用滑动轴承可使正或逆效率提高约10%。（2）、转向器的结构参数与效率如果忽略轴承和其经地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于蜗杆类转向器，其效率可用下式计算 (3.3)式中，为蜗杆（或螺杆）的螺线导程角；为摩擦角，=arctanf；f为磨擦系数。2、转向器的逆效率根据逆效率不同，转向器有可逆式、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，这种逆效率较高的转向器属于可逆式。它能保证转向轮和转向盘自动回正，既可以减轻驾驶员的疲劳，又可以提高行驶安全性。但是，在不平路面上行驶时，传至转向盘上的车轮冲击力，易使驾驶员疲劳，影响安全行驾驶。属于可逆式的转向器有齿轮齿条式和循环球式转向器。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。该冲击力转向传动机构的零件承受，因而这些零件容易损坏。同时，它既不能保证车轮自动回正，驾驶员又缺乏路面感觉，因此，现代汽车不采用这种转向器。极限可逆式转向器介于可逆式与不可逆式转向器两者之间。在车轮受到冲击力作用时，此力只有较小一部分传至转向盘。如果忽略轴承和其它地方的磨擦损失，只考虑啮合副的磨擦损失，则逆效率可用下式计算 （3.4）式（2.3）和式（2.4）表明：增加导程角0，正、逆效率均增大。受-增大的影响，0不宜取得过大。当导程角小于或等于磨擦角时，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，导程角必须大于磨擦角。3.2 传动比变化特性3.2.1 转向系传动比转向系的传动比包括转向系的角传动比和转向系的力传动比。 （3.5）式中为从轮胎接地面中心作用在两个转向轮上的合力，为作用在转向盘上的手力。转向系的角传动比: （3.6）式中为转向盘角速度；为转向节偏转角速度；为转向盘转向角增量；为转向节转向增量； 为时间增量。转向系的角传动比由转向器角传动比和转向传动机构角传动比组成，即： （3.7）转向器的角传动比: （3.8）式中为摇臂轴角速度；为摇臂轴转角增量。转向传动机构的角传动比: （3.9）3.2.2 力传动比与转向系角传动比的关系转向阻力Fw与转向阻力矩Mr的关系式： （3.10）a为主销偏距。作用在转向盘上的手力Fh与作用在转向盘上的力矩Mh的关系式： （3.11）式中为方向盘直径将式（2-10）、式（2-11）代入 后得到： （3.12）如果忽略磨擦损失，根据能量守恒原理，2Mr/Mh可用下式表示 （3.13）将式（2.13）代入式（2.12）后得到： （3.14）当a和Dsw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。3.2.3 转向器角传动比及其变化规律式（3.14）表明：增大角传动比可以增加力传动比。当转向阻力一定时，增大力传动比能减少作用在转向盘上的手力，使操纵轻便。 考虑到，由的定义可知：对于一定的转向盘角速度，转向轮偏转角速度与转向器角传动比成反比。角传动比增加后，转向轮偏转角对同一转向盘转角的响应变的迟钝，操纵时间增长，汽车转向灵敏性降低，所以“轻”和“灵”构成了一对矛盾。为解决这对矛盾，可采用变速比转向器。齿轮齿条式、循环球齿条齿扇式、蜗杆滚轮式及蜗杆指销式转向器都可以制成变速比转向器。对于现代汽车转向器的角传动比的选择，货车一般取2025范围内选取；在这里我们取本次设计的转向器的角传动比为20。 3.3 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之间的间隙。该间隙随转向盘转角的大小不同而改变，并把这种变化关系称为转向器传动副传动间隙特性。研究该特性的意义在于它与直线行驶的稳定性和转向器的使用寿命有关。传动副的传动间隙在转向盘处于中间及其附近位置时要极小，最好无间隙。若转向器传动副存在传动间隙，一旦转向轮受到侧向力作用，车轮将偏离原行驶位置，使汽车失去稳定。传动副在中间及其附近位置因使用频繁，磨损速度要比两端快。在中间附近位置因磨损造成的间隙过大时，必须经调整消除该处间隙。 转向器传动副传动间隙转向器传动副传动间隙特性 图中曲线1表明转向器在磨损前的间隙变化特性；曲线2表明使用并磨损后的间隙变化特性，并且在中间位置处已出现较大间隙；曲线3表明调整后并消除中间位置处间隙的转向器传动间隙变化特性。根据设计要求以及相似车型的对比，本次设计的一些已知数据如下表所示名称参数整车长/宽/高699522502350 (mm)总质量8280kg整备质量3650kg轴距3800mm轴荷2845/5435前轮距1685mm后轮距1615mm前悬/后悬1120/2075mm轮胎数6最高车速95km/h发动机最大功率115kw/2600rpm发动机最大扭矩500nm/1200-1900rpm第四章 转向系统的设计计算4.1 转向器设计计算4.1.1 转向器的设计方案选择根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式：中间输入，两端输出（图4.1a）侧面输入，两端输出（图4.1b）中间输出(图4.1c)一端输出(图4.1d)。采用侧面输入，中间输出方案时，由图5.2可见，与齿条固连的左、右拉杆延伸到接近汽车总想对称平面附近。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