瑞纳轿车齿轮齿条转向器设计设计说明书毕业论文文档

需要全套设计联系Q 97666224（说明书CAD图等）I现代瑞纳轿车转向器设计与运动仿真摘 要随着汽车工业的不断发展，汽车技术日新月异。作为关系车辆运行情况、驾乘舒适性等关键因素的转向系统部分的研究也越来越受到重视，新的技术和发明层出不穷。汽车转向系统作为车辆的重要组成部分，是车辆安全正常运行的重要载体，能够很好的保证车辆的安全性和行驶质感，同时解决了车辆的转向等问题。车辆的舒适型和平顺性与转向系统也有很大关系。全面了解和掌握转向系统的主要功能、结构和特点等，对于车辆设计和研究具有非常重要的意义。本次设计分析了车辆转向系统的发展情况，对当前的研究现状和发展趋势等进行分析，明确了本次设计的主要内容和目标。在此基础上，对所设计车型进行了必要的分析，现代瑞纳为前置前驱家用轿车车型，充分考虑车型的工作状态、布置形式等，明确了转向系统的总体方案，选定转向系统为电动助力方式，并采用目前主流的齿轮齿条转向器结构。本次设计重点对转向器的齿轮齿条结构进行设计校核。对转向拉杆等结构进行了设计分析和校核计算，并对相关的结构件及回位元件如轴承、弹簧等进行了选型和校核。在此基础上，完成了转向器的二维装配图和主要零件图的绘制。此次设计通过正向的分析和研究，全面了解掌握设计原理和设计方法。关键词：齿轮齿条；转向器；电动助力；现代瑞纳 Modern ruina car steering gear design and movement simulationAbstractWith the continuous development of the automotive industry, automotive technology with each passing day. As a key part of the relationship between the operation of the vehicle, driving comfort and other key factors of the steering system part of the study more and more attention, new technologies and inventions emerge in an endless stream. Automobile steering system is great part of the vehicle, the vehicle is an important carrier of normal operation, can be a good guarantee of vehicle safety and driving texture, while solving the problem of vehicle steering and so on. The comfort and ride comfort of the vehicle also has a lot to do with the steering system. A comprehensive understanding and master the main functions of the steering system, structure and characteristics, for vehicle design and research has a very important significance.This design will first analyze and understand the main types, working characteristics and development of the vehicle steering system, and analyze the current research status and development trend, and clarify the main contents and objectives of this design. On this basis, the design of the vehicle carried out the necessary analysis, Peugeot for the front predecessor city suv models, taking full account of the work of the model, layout, etc., clear the overall system of steering system, select the steering system for the electric Power mode, and the current mainstream gear rack and spoke structure. This design focuses on the steering gear rack and pinion structure design check. The design and analysis of the steering rod and so on are carried out, and the relevant structural parts and return components such as bearings and springs are selected and checked. On this basis, the two-dimensional assembly diagram of the diverter and the drawing of the main part drawing are completed. The design through a positive analysis and research, a comprehensive understanding of the design principles and design methods.Key Words: rack and pinion；steering；electric power；Peugeot 目 录1 绪论11.1 设计的意义11.2 转向器类型介绍11.3 转向器国内外研究现状2 1.3.1 转向器发展现状2 1.3.2 电动助力转向发展情况31.4 设计的主要内容41.5 本章小结42 转向器总体结构设计52.1转向系统的组成62.2 转向助力方式及选择7 2.2.1 转向助力方式及对比7 2.2.2 电动助力转向的结构形式及特点82.3 转向器的布置形式83 现代瑞纳转向器结构设计计算113.1齿轮齿条式转向器的设计113.2齿轮齿条式转向系主要参数的确定11 3.2.1转向节原地转向力矩MR的计算11 3.2.3转向盘手力矩的计算12 3.2.4角传动比的计算12 3.2.5力传动比的计算12 3.2.6梯形臂长度L的计算12 3.2.7转向轮侧偏角的计算133.3 齿轮齿条式转向器设计计算13 3.3.1主要设计参数的选择13 3.3.2齿轮轴和齿条的设计计算133.4齿轮齿条式转向器转向横拉杆的运动分析183.5齿轮齿条传动的受力分析193.6齿轮轴的强度校核19 3.6.1轴的受力分析19 3.6.2判断危险剖面20 3.6.3轴的弯扭合成强度校核20 3.6.4轴的疲劳强度安全系数校核213.7齿轮轴轴承的校核22 3.7.1求比值22 3.7.2初步计算当量动载荷23 3.7.3根据式，计算轴承应有的额定动载荷值23 3.7.4 6204轴承的校核243.8间隙调整弹簧的设计计算23 3.8.1弹簧工作圈数和自由高度的设计计算244 三维造型和运动仿真254.1 零件建模25 4.1.1 转向器壳体的生成25 4.1.2 齿轮轴的生成26 4.1.3 齿条的生成26 4.1.4 齿条固定的生成27 4.1.5 固定螺母的生成274.2 装配模型建模284.3 运动仿真29 4.4本章小结305 结 论31致 谢32参考文献33毕业设计（论文）知识产权声明34毕业设计（论文）独创性声明35IV需要全套设计联系Q 97666224（说明书CAD图等）1 绪论1.1 设计的意义车转向系统作为车辆的重要组成部分，是车辆安全正常运行的重要载体，能够很好的保证车辆的安全性和行驶质感，同时解决了车辆的转向等问题。随着汽车工业的不断发展，汽车技术日新月异。作为关系车辆运行情况、驾乘舒适性等关键因素的转向系统部分的研究也越来越受到重视，新的技术和发明层出不穷。汽车辆的舒适型和平顺性与转向系统也有很大关系。全面了解和掌握转向系统的主要功能、结构和特点等，对于车辆设计和研究具有非常重要的意义。1.2 转向器类型介绍转向器种类繁多，目前齿轮齿条、螺旋球结构这两类是目前比较常用的两个转向器的主要结构。根据转向器的处理方式不同，又可以分为液压助力、机械助力、电动助力等。目前对于乘用车，主要的处理方式，有机械液压助力、电动助力。对于目前比较常用的乘用车转向器主要为齿轮齿条结构，该种转向器的主要特点为结构简单，传动速度快，传动效率高。目前无助力的转向器，则主要应用在一些经济型车型或者微型车上面。按照目前转向器的助力方式的不同主要分为液压式、气压式和电动助力式，其中液压动力的转向器根据机械式转向器转向助力缸、转向控制阀和转向器三者集合成了一套助力控制系统。机械液压助力转向器是目前比较常用的转向器，这种转向器的特点是路感清晰，而且能够很好的反馈路面的颠簸，但是该种转向器能耗较高，转向助力比电动助力转向要重，该种转向器的应用范围较广，而且较为成熟。电动助力转向器的是通过电机控制系统反馈，在转向过程中低速转向助力大，高速转向助力小，保证在实际的转向过程中的车辆的操控性能较好，但是该种转向器路感不清晰，目前正在通过改变控制系统来模拟实际的路感。37需要全套设计联系Q 97666224（说明书CAD图等）1.3 转向器国内外研究现状随着智能化水平的不断提高，控制系统也越来越发达，车辆的转向助力系统也正朝着更为智能的方向发展，目前自动驾驶技术就是在高度的自动控制基础上，实现对车辆转向、车速等的有效控制。从汽车产业出现开始，转向器就应运而生了。未来，转向系统的发展将会更加人性化，而且更加智能化。1.3.1 转向器发展现状转向器主要以循环球、齿轮齿条和摇臂型转向器为主。目前主流的的转向器为齿轮齿条转向器。转向器在上个实际出现，但是因为车辆布置的不同和道路条件较差，所以该种转向器在使用过程中出现了噪音大，反冲的等等问题。但是随着车辆承载式车身的出现，该种转向器的使用已经超过了循环球式转向器，而且国际舆论一致认为，汽车工业将抛弃应用有七十年历史的摇臂转向器，这么说的原因主要有以下几个方面。a. 从国内乘用车市场的结构形式来看，主要采用的是承载式车身，独立悬架，横置前置前驱车辆。对于这种车辆来说，齿齿轮齿条转向器布置形式更加灵活，而且结构更加简单，比摇臂转向器结构形式更为简单。b. 目前随着路况的不断好转，高速公路里程的不断延伸，齿轮齿条转向器之前路感差的特点也得到了有效的抑制，而从车辆操控性能上来讲，刚性越好，车辆的操控越好，而齿轮齿条转向器的刚性比摇臂转向器要好。c. 齿轮齿条转向器自身所具有的成本低结构简单，而且传动效率高等特点适合用于各种场合，同时齿轮齿条式转向器布置方便，重量轻，通常齿轮齿条转向器的壳体可以使用铸铝、轻质塑料生产加工。而且随着全球转向机自身结构的不断完善和发展，通过采用手动变速比和动力转向等方式，齿轮齿条已经从轿车乘用车领域发展到中型重型商用车领域。从目前国际市场形势来看，转向器的形式分为两大类齿轮齿条式转向器和摇臂式转向器，而摇臂式转向器的主要结构形式又分为循环球式、曲柄指销式和球面蜗杆滚轮式。对循环球式转向器主要应用在日本、美国这两个国家。而在西欧则主要应用齿轮齿条转向器，尤其是在法国，大多数车型应用于是齿轮齿条转向器。某公司的统计资料显示，从1968年到1975年期间，全球循环球转向器应用下降，齿轮齿条转向器应用快速增加。这速度在美国和日本更为明显，循环球式转向器的产量从一开始的90%降为了最后的70%，而在西欧，德国齿轮齿条占比为10%，英国为77%，法国为96%。从目前国际上主流的，齿轮齿条转向器主要以小型轿车、微型车以及轻型载货车方面，而对于美国然而他不留胡子了，只能调整心情，则可以应用在前轴为1300kg的车辆上，还是德国生产厂家的齿轮齿条转向器则可以应用在前轴载荷2400kg以下的车辆上，目前在售的齿轮吃条转向器可以承受的最大前轴负荷已经达到了6.5吨。日本是汽车大国，日本的汽车转向器，从一开始的循环球式转向器为主，到近年来，随着微型车的普遍发展，齿轮齿条转向器一起独特的优点，正在被广泛的使用。由于国内的汽车产业发展较晚，齿轮齿条转向器在国内起步也较晚，转向器属于空白，直到上个世纪九十年代末，大量的汽车逐渐开始进入并出现了大量的合资企业，国内企业才国内才开始出现齿轮齿条转向器，其中最早始于德国大众企业合资的桑塔纳的中级轿车上使用的齿轮齿条转向器，同时在日本的汽车公司的微型车以及意大利的菲亚特公司的依维柯轻型载货车上也开始出现齿轮齿条转向器，这三个车型最终在国内的生产总共达到了40万辆。随着国内汽车企业的不断崛起，国产的齿轮齿条转向器开始投入使用和生产，目前国内的整车生产企业，如吉利、比亚迪、长安等企业，已经开始研发生产自主知识产权的齿轮齿条转向器，同时配合以不同的助力方式实现高中低挡转向器的产品类别。1.3.2 电动助力转向发展情况该种转向在日本微型车上最早出现，该转向方式由于其结构简单，操作方便得到了广泛的推广应用。而且而且各种转向器能够很方便的实现车辆的布置，当前电动助力转向器简称为EPS。该种转向器目前在乘用车上已经得到了广泛的应用。人们普遍认为其性能，尤其是在节能和效率方面要优于机械液压助力的转向器。而且随着控制技术的不断完善和发展，电动助力转向器正在更加人性化的方向上越来越好。电动助力转向器的主要分为三种结构形式，主要的结构形式为转向管柱助力方式、转向齿轮助力方式、转向齿条助力方式三种。这三种处理方式各有优缺点，而且这三种助力转向方式在目前的电动助力转向市场上都有着相对较高的份额。电动助力仍然不能能够像机械液压助力一样，有较高的路感。而且未来转向助力系统将不单单是只依靠车辆行使速度，而要更注重于转向角、横向加速度等等这些信号与汽车的综合行驶性能相匹配，实现更好的操控和转向性能。未来随着控制系统的发展和电动轿车和电动车的普及，电动助力转向系统朝着四轮转向的方向发展，同时与电子悬架系统实现协调配合。131.4 设计的主要内容 汽车转向系统作为车辆的重要组成部分，是车辆安全正常运行的重要载体，能够很好的保证车辆的安全性和行驶质感，同时解决了车辆的转向等问题。车辆的舒适型和平顺性与转向系统也有很大关系。全面了解和掌握转向系统的主要功能、结构和特点等，对于车辆设计和研究具有非常重要的意义。本次设计的主要内容：（1）了解转向器发展现状，并对当前的研究现状和发展趋势等进行分析，明确了本次设计的主要内容和目标。（2）对所设计车型进行了必要的分析，现代瑞纳为前置前驱家用轿车车型，充分考虑车型的工作状态、布置形式等，明确了转向系统的总体方案，选定转向系统为电动助力方式，并采用目前主流的齿轮齿条转向器结构。（3）本次设计重点对转向器的齿轮齿条结构进行设计校核。对转向拉杆等结构进行了设计分析和校核计算，并对相关的结构件及回位元件如轴承、弹簧等进行了选型和校核。（4）完成转向器的二维装配图和主要零件图的绘制。此次设计通过正向的分析和研究，全面了解掌握设计原理和设计方法。1.5 本章小结 本章重点分析了解了转向系统的主要类型、工作特点及发展情况等，并对当前的研究现状和发展趋势等进行分析，明确了本次设计的主要内容和目标。需要全套设计联系Q 97666224（说明书CAD图等）2 转向器总体结构设计 本次设计的参考车型是现代瑞纳车型，该车由北京现代集团生产的一款新车，它主要是一款偏向舒适型的家用轿车车型。该车实车图如1-1所示。图1.1 现代瑞纳实车图片 主要的设计参数及结构特点如下：生产厂家：北京现代；排放：国5；驱动方式：前置前驱；助力类型：电动助力（EPS）；前悬架：麦弗逊式独立悬架；后悬架：扭力梁式非独立悬架；轮胎规格：175/70 R14；发动机：1.4L 最大功率：78.8KW/6000r/min 最大扭矩：200N.m/4000r/min整备质量：1070kg长宽高(mm)：437517001460，需要全套设计联系Q 97666224（说明书CAD图等）最高车速180 km/h轴距：2570 mm转向器的结构形式和种类非常多，按照结构特点主要分为齿轮齿条结构、螺旋球结构、蜗杆曲柄指销式、循环球曲柄指销式、蜗杆滚轮式，而齿轮齿条、螺旋球结构这两类是目前比较常用的两个转向器的主要结构。根据转向器的处理方式不同，又可以分为液压助力、机械助力、电动助力等。目前对于乘用车，主要的处理方式，有机械液压助力、电动助力。本次设计的为现代瑞纳的转向系统，按照对车型的分析，该车为家用轿车，属于承载式车身的乘用车，而且是前置前驱车型，采用麦弗逊独立悬架，所以采用齿轮齿条转向器较为合适，同时考虑到助力方式的简单便捷，采用电动助力的形式。2.1转向系统的组成在本次设计中转向系统是由转向机构和转向操纵机构组成。转向操纵机构是由方向盘、转向轴、万向传动轴。转向传操纵机构具体的结构形式如图2-1所示。. 图2.1转向操纵机构 转向操纵机构将方向盘上受到的力传到转向器，通过转向器带动轮胎转动，实现车辆拐弯儿。转向器的具体结构形式是通过方向盘带动转向，转向轴是安装在转向管柱中的，转向管柱是固定在车身上的。转向轴最终通过万向传动装置带动转向器实现转向。 方向盘结构主要由轮辐、轮圈还有轮毂组成，如图2-2。方向盘的轮辐有两根、三根或者四根。方向盘，一般布置喇叭或者安全气囊。当然随着车辆配置的不断丰富，多功能方向盘在车辆上的使用已经不再新鲜，将常用按键直接集成到方向盘上。 图2.2 转向操纵机构示意图对车辆的整个转向系统，由于机械结构的存在，整个转向系统中必然有间隙，反映到转向过程中就是在转动方向盘的过程中有空转角度。该自由行程的存在，可以缓和路面的冲击，同时能够避免由于冲击导致驾驶员失误而产生错误操作，最终导致事故。转向轴一般采用的是万向转向轴。转向轴的主要作用是将方向盘传递来的转矩最终传递到转向器。转向轴的结构形式主要分为普通型和能够吸收振动的结构。转向管柱则是将车身和转向轴进行连接和固定的部分。转向轴安装在转向管柱中，在转向管柱中实现转动，转向管柱与转向轴之间通过轴承和衬套进行连接。转向管柱固定在车身上。但是为了能够实现方向盘位置的调整，转向管柱与车身之间也可以改变，从而实现方向盘位置的调整装置。本次设计的转向系统也是采用这种转向操纵装置。通过将转向轴安装在转向管柱内，转向管柱固定在车身上，实现转向操纵系统的固定。该种结构比较成熟而且简单。2.2 转向助力方式及选择2.2.1 转向助力方式及对比当下，转向助力主要有机械液压助力（HPS）、电控液压助力(EHPS)和电动助力(EPS)这三种结构形式。这三种结构形式各有自己的优点和缺点。而且该种转向系统造价，发展较早。但是该转向系统也有很多的不足，比如能耗高，而且所使用的液压助力泵一直处于随时准备工作的状态。随着控制系统的发展，该助力系统越来越发挥出自身的优势。所以电动助力将会是未来的发展方向。三种处理方式进行对比， 本次设计，充分考虑标致3008的结构特点和使用条件，在综合比较三种助力方式的基础上，电动助力转向是最适合纯标致3008转向助力的结构形式，所以本次设计拟采用电动助力转向。2.2.2 电动助力转向的结构形式及特点根据电动机布置位置不同，EPS可分为:转向柱助力式、齿轮助力式、齿条助力式3种形式，如图2-3所示。 图2.3电动助力转向系统的三种形式2.3 转向器的布置形式 齿轮齿条式转向器的总体布置方案主要要如图2-4所示的四种形式，这些形式主要和转向系统的梯形结构以及转向器的输出等特点有关。图2-采取的方案主要有以下几种类型：图2.4 非独立悬架结构的车辆的转向器布置形式 图2-4（a）为非独立悬架结构的车辆的转向器布置形式，转向器布置在车架或者车身，转向器两端输出实现转向，拖拉机、卡车等车型常用；图2-4（b）为非独立悬架结构的车辆的转向器布置形式，转向器布置在车架或者车身，转向器中间输出实现转向的结构形式；图2-4（c）为独立悬架结构的车辆的转向器布置形式，转向器布置在车辆的前部，采用的是转向器单侧输出的结构形式；图2-4（d）为独立悬架结构的车辆的转向器布置形式，转向器布置在车架单侧，采用的是转向器单侧输出的结构形式。根据前面对转向器和转向结构的总体布置方案分析和了解，可以确定转向结构采取的方案主要有以下几种类型：第一种方案采用的是类似于图2-5所示的结构形式，具体位置采用齿轮轴侧面输入同时齿条带动转向拉杆两侧输出的结构方案，整个结构的具体形式为图2-5。该种方案由于转向拉杆在长度上的限制，会有在布置的过程中与其他车辆的装置如悬架结构、导向装置等存在干涉的可能。第二种方案采用的是侧面输入，同时配合中间输出的结构，具体的结构形式如图2-6所示，转向系统传动的两个横拉杆同时延伸到了齿条的中间部位，也就是车辆纵向的对称面附近，该种结构的主要特点是车轮上拉杆的长度增加了，这种结构的好处在于悬架实际的运行上下跳动的过程中，减小了可能存在整个系统中转向与悬架的干涉，但是这种系统的缺点也非常明显，都固定在了齿条的中间位置，并且对齿条的转向器壳体需要开一个较长的槽，方便转向拉杆固定在纸条上面，而在转向壳体上的长槽削弱了转向器的整体刚度，同时，为了防止外界的污染物灰尘等进入转向器内，也需要对其密封。 通过对以上两种方案的对比，最后选择第一方案，此种方案是齿轮齿条转向器布置方便，整个设计制造难度较小，同时转向机的刚度较好，该种转向器被广泛应用在小微型乘用车辆上，缺点为该种转向器的传动比相对较小。需要全套设计联系Q 97666224（说明书CAD图等）3 现代瑞纳转向器结构设计计算3.1齿轮齿条式转向器的设计本次设计的为现代瑞纳转向器，应在满足使用要求的情况下，力求简单，而且助力系统应该采用电动助力的方式。根据车辆参数和形式，本次设计的转向器的传动结构部分采用的是齿轮齿条式，该种转向器中的齿轮一般采用斜齿形式的圆柱齿轮。模数一般在2-3mm选择，转向小齿轮齿数一般为5-8个，压力角20度，螺旋角则一般取为9-15之间。3.2齿轮齿条式转向系主要参数的确定3.2.1转向力矩MR的计算： （4.2） （3.1） 式中：f-轮胎和路面间的滑动摩擦因素； G1-转向轴负荷，单位为N； P-轮胎气压，单位为MPa。3.2.2转向盘手力 （3.2） 式中：-转向摇臂长，单位为mm； -原地转租力矩，单位为N； -转向节臂长，单位为mm； -为转向盘直径，单位为mm； -转向器角传动比； -转向器正效率。对给定的汽车，用上式计算出来的作用力是最大的。因此，可以用此值作为计算载荷。需要全套设计联系Q 97666224（说明书CAD图等）3.2.3 （3.3）式中：-转向盘手力，单位为N； -转向盘直径，单位为mm。3.2.4 （3.4）式中：-转向盘转动的总圈数，设计为3.5； -外侧车轮偏转角； -内侧车轮偏转角。3.2.5 （3.5）式中：-原地转租力矩，单位为N；-转向盘直径，单位为mm； -转向盘手力矩，单位为N； -主销偏移距，通常轿车为0.40.6倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取，计算时取80。3.2.6轮辋直径 转向节 式中：-外侧车轮偏转角； -内侧车轮偏转角； -最小转弯半径；-汽车轴距；B-两侧主销轴线与地面交点之间的距离，也称为轮距。长度 取 （3.6）3.2.7图3.1 两侧转向轮偏转角关系3.3 齿轮齿条式转向器设计计算3.3.13.3.2(4) 确定需用应力 （3.7） 式中：由机械设计手册 查得：按齿面硬度小齿轮的接触疲劳强度极； 弯曲疲劳强度极限 齿条的接触疲劳强度极限弯曲疲劳强度极限(5) ，、 （3.8） 式中：n-，单位为r/min； j-齿 L-齿轮的工作寿命，单位为h； u-齿数比=30/8=3.75。(6) 、(7) 取失效率为1%，安全系数为1 （3.9）b. 按齿面接触疲劳强度设计(1) （3.10） 式中：-动载荷系数，查机械设计手册选取1.2； -区域系数，查机械设计手册选取2.475； -标注圆柱齿轮传动的断面重合度查机械设计手册得（2） （3） 式中：-齿宽系数，查机械设计手册选取0.8； -小齿轮的分度圆直径； （4） （3.11） （5） 故载荷系数 （3.12）（6） （3.13）（7） c. （3.14）(1) ，(2) ,(3) 弯曲安全系数 (3.15) (4) 式中：- 使用系数； - 动载系数； -齿间载荷分配系数； -齿向载荷分布系数。 (5) ，由机械设计手册中查得螺旋角影响系数 (6) （3.16）(7) 由机械设计手册查得； 由机械设计手册查得；(8) （3.17） 齿轮的数值大 （9） 取,则 d. (1