哈工大毕业论文微型车转向机设计与应力分析

1、成人高等教育毕业设计(论文)2011年6月成人高等教育 毕业设计（论文） 题 目 微型车转向机设计与应力 分析 专 业 类 别 层 次 学 生 班 号 学 号 指 导 教 师 答 辩 日 期 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学成人高等教育毕业设计（论文）评语姓名： 班号： 学号： 类别： 层次： 专业： 毕业设计（论文）题目： 微型车转向机设计及应力分析 工作起止日期：_ 年_ 月_ 日起 _ 年_ 月_ 日止指导教师对毕业设计（论文）进行情况、完成质量的评价意见： 指导教师签字： 指导教师职称： 评阅人评阅意见： 评阅教师签字： 评阅教师职称： 答辩委员会评语： 根据毕业设计（论文）的材料和学生的

2、答辩情况，答辩委员会做出如下评定：学生 毕业设计（论文）答辩成绩评定为： 对毕业设计（论文）的特殊评语： 答辩委员会主 任（签字）： 职 称： 答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委 员（签字）： 年 月 日哈尔滨工业大学成人高等教育毕业设计（论文）任务书 姓 名： 类 别： 班 号： 层 次： 学 号： 专 业： 任务起止日期： 年 月 日至 年 月 日 毕业设计（论文）题目： 微型车转向机设计与应力分析 立题的目的和意义：课题立题的目的是设计计算某微型车转向机，应用三维建模软件建立微型车转向机和转向操纵系统的模型，并计算其主要零件应力应变分布。力求熟悉一般汽车部件的设计过程，为以后学习工

3、作打下基础。进入新世纪, 中国汽车工业走上了发展的快车道。在加入WTO后的五年间, 中国汽车产销量增长了3倍。2006年全国汽车产销量突破720万辆, 一举上升到世界前三位。汽车产业已经成为中国经济发展中最具潜力和活力的增长点之一。未来时期随着影响中国汽车需求市场的价格、居民收入和消费结构、汽车信贷、消费环境的改善，特别是跨国公司主导下的汽车合资企业不断在全球同步推出适应市场需求的新产品，将对未来市场起到巨大的推动作用。预计今后10年至15年中国将成长成为全球最大汽车市场，年销量达到1700万辆，汽车保有量超过1亿辆。微型汽车一般是指发动机排量不超过1.1L，车身长度、宽度、高度不超过3.8m

4、、1.6m和2m, 最大载货量不超过600kg 的汽车。微型汽车产品具有燃料消耗少、使用费用低、占地面积小、用途多、适应性广等特点，包括微型轿车、微型客车和微型货车。微型汽车在我国已经发展了20多年，从19832004年微型车产销量数据来看，中国微型汽车市场在20多年的时间里，产销量基本上一直保持着平稳增长的态势。最近几年以来, 微型汽车行业在国家产业政策、市场竞争和消费环境的作用下，迎来了新的发展机遇，潜在的市场空间将不断扩大，行业整体水平在日益激烈的竞争中将有较大幅度的提高。我国在大力发展汽车产业的同时，汽车零部件的设计及其发展也极其重要。在国内，随着微型汽车的开发，齿轮齿条式转向器已大量

5、生产，并投人使用。在国外，这种结构的转向器早在六十年代就已得到完熟技术上取得了突破，使产量剧增。它的使用范围立即从轻型小客车扩大至中型, 甚至在高级小客车上也有采用的。因而作为汽车重要的部件，转向机的研究是非常有必要的。 技术要求与主要内容：技术要求：1、 齿条静强度；2、 转向行程及自由间隙；3、 机械效率；4、 压力损失；5、 内泄漏；6、 输入输出特性。7、主要内容：1、选定参照车型，选择设计方案；2、确定研究所需要的数据，设计并计算微型汽车的转向器和转向操纵系统。并且设计规划整个毕业设计的总体思路和进程；3、利用CATIA软件进行微型车转向器、转向操纵系统以及相关零件的三维建模和零件装

6、配；4、使用CATIA软件将三维建模图转化为2D图；5、利用CATIA软件对转向器主要传动零件进行应力分析。 进度安排：1、2010年09 月18日 开始联系导师2、2010年10月12日 在广泛阅读文献基础上与导师讨论并选题。3、2010年11月05日 阅读文献，收集资料，撰写文献综述。4、2010年12月28日 提交开题报告，拟订设计或实验方案。5、2010年01月01日 着手设计或实验6、2011年03月01日 进行设计。7、2011年04月15日 紧紧抓住“理论基础、研究方法以及产业实际应用”三大环节撰写初稿。8、2011年05月01日 导师审阅和修改。9、2011年06月01日 定稿

7、9、2011年06月19日 答辩 同组设计者及分工：指导教师签字：_ 年 月 日 教研室主任意见： 教研室主任签字：_ 年 月 日阶 段 检 查 记 录完 成 情 况存 在 问 题签 字开 题 检 查中 期 检 查结 束 验 收微型车转向机设计与应力分析摘 要转向系统是指在汽车行驶过程中按驾驶员的意志经常改变其行驶方向的装置，是汽车重要的部件之一。齿轮齿条式转向器具有结构简单、紧凑、质量轻、刚性大、转向灵敏、制造容易、成本低等特点，近些年发展极其迅速，而且由于特点很适合微型汽车，因而在该车型上得到了广泛的运用。本文研究的参考车型为07款奇瑞QQ3 0.8 MT基本型，首先根据车型选定转向机和转

8、向操纵系统的方案和主要进程，然后根据这款车的基本数据初定齿轮齿条的基本尺寸，进而初定其他主要部件的尺寸，校核无误后绘制二维的示意图。然后用CATIA软件进行三维模型的制作，在建模的过程中对初定的尺寸进行修改，装配完成后再利用软件自身的有限元功能对齿轮齿条进行分析，得出的结论再与材料要求比较，如果不符合就要对部件重新进行设计。三维模型制作完成后再导入AutoCAD进行编辑。关键词 微型车；转向机；转向操纵系统；AutoCAD；CATIA；有限元分析Micro-car and its steering gear control system design and stress analysisAb

9、stractThe steering system is changes its travel direction frequently in the automobile travel process according to pilot's will the installment, is one of automobile important parts. The rack-pinion steering gear has the structure to be simple, to be compact, the quality is light, the rigidity i

10、s big, changes keenly, the manufacture is easy, the cost low status characteristic, the recent years its development is extremely rapid, moreover, because the characteristic is very suitable the compact car, thus obtained the widespread utilization in this vehicle type. This article studies the refe

11、rence vehicle type is 07 model of Qirui QQ3 0.8 MT ground form, first according to the vehicle type designated that the steering unit and changes control system's plan and the main advancement, then acts according to this model of vehicle's master data initially to decide the gear's and

12、rack 's basic size, then initially decides other major component's size, after the examination unmistakable, draws up the two-dimensional schematic drawing. Then carries on the three-dimensional model with the CATIA software the manufacture, To the size which initially decides makes the revi

13、sion in the modelling process, after the assembly completes, carries on the analysis again using the software own finite element function counter gear and rack, obtains the conclusion compares again with the material request, if does not tally must carry on the design to the part. After the three-di

14、mensional model manufacture completes, inducts AutoCAD to carry on the edition again.Key Words Compact car; Steering unit; Changes the control system; AutoCAD; Catia; Finite element analysis 目 录摘 要XAbstractXI第 1 章 绪论141.1 课题研究的目的和意义141.2 国内外的研究现状141.3 主要研究内容16第 2 章 转向机及转向操纵机构的设计及计算172.1转向机方案选择172.2初

15、定转向机尺寸202.3转向操纵机构计算212.4转向齿轮的强度校核21 齿轮接触强度校核21 齿轮抗弯强度校核222.5 本章小结23第 3 章 利用CATIA构建实体模型243.1 转向机的三维建模24 转向机主动齿轮的三维建模24 转向机从动齿条的三维建模24 转向机壳体的三维建模253.2 转向操纵系统的三维建模28 万向节的三维建模28 转向盘的三维建模303.3 其他零件的三维建模313.4 装配333.5 生成二维CAD图353.6 本章小结35第 4 章 对齿轮齿条的强度应力分析364.1 对主动齿轮的强度分析364.2 对从动齿条的强度分析384.3 本章小结38结 论39致

16、谢40参考文献41附录（开题报告）41第 1 章 绪论1.1 课题研究的目的和意义本课题研究的目的是设计计算某微型车转向机，应用三维建模软件建立微型车转向机和转向操纵系统的模型，并计算其主要零件应力应变分布。力求熟悉一般汽车部件的设计过程，为以后学习工作打下基础。进入新世纪, 中国汽车工业走上了发展的快车道。在加入WTO后的五年间, 中国汽车产销量增长了3倍。2006年全国汽车产销量突破720万辆, 一举上升到世界前三位。汽车产业已经成为中国经济发展中最具潜力和活力的增长点之一。未来时期随着影响中国汽车需求市场的价格、居民收入和消费结构、汽车信贷、消费环境的改善，特别是跨国公司主导下的汽车合资

17、企业不断在全球同步推出适应市场需求的新产品，将对未来市场起到巨大的推动作用。预计今后10年至15年中国将成长成为全球最大汽车市场，年销量达到1700万辆，汽车保有量超过1亿辆。微型汽车一般是指发动机排量不超过1.1L，车身长度、宽度、高度不超过3.8m、1.6m和2m, 最大载货量不超过600kg 的汽车。微型汽车产品具有燃料消耗少、使用费用低、占地面积小、用途多、适应性广等特点，包括微型轿车、微型客车和微型货车。微型汽车在我国已经发展了20多年，从19832004年微型车产销量数据来看，中国微型汽车市场在20多年的时间里，产销量基本上一直保持着平稳增长的态势。最近几年以来, 微型汽车行业在国

18、家产业政策、市场竞争和消费环境的作用下，迎来了新的发展机遇，潜在的市场空间将不断扩大，行业整体水平在日益激烈的竞争中将有较大幅度的提高12。我国在大力发展汽车产业的同时，汽车零部件的设计及其发展也极其重要。在国内，随着微型汽车的开发，齿轮齿条式转向器已大量生产，并投人使用。在国外，这种结构的转向器早在六十年代就已得到完熟技术上取得了突破，使产量剧增。它的使用范围立即从轻型小客车扩大至中型, 甚至在高级小客车上也有采用的。因而作为汽车重要的部件，转向机的研究是非常有必要的。1.2 国内外的研究现状用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构叫做汽车转向系统。汽车转向系统可分为机械转向系统和动力转向系统，

19、机械转向系统主要是由转向操纵机构、转向机和转向传动机构三大部分组成。转向机学名为转向器，它是转向系中最重要的部件。它的作用是：增大转向盘传到转向传动机构的力和改变力的传递方向。转向器按结构形式可分为多种类型。目前常用的有齿轮齿条式、循环球式和蜗杆曲柄销式，其中前两种使用较多： 1、齿轮齿条转向器：它是一种最常见的转向器。其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条。转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。有时，靠齿条来直接带动横拉杆，就可使转向轮转向。所以，这是一种最简单的转向器。它的优点是结构简单，成本低廉，转向灵敏，体积小，可以直接带动横拉杆。2、循环球式转向器：这种转向器有两对传动副组成，一

20、对是螺杆、螺母，另一对是齿条、齿扇或曲柄销。在螺杆和螺母之间装有可循环滚动的钢球，使滑动摩擦变为滚动摩擦，从而提高了传动效率。 这种转向器的优点是，操纵轻便，磨损小，寿命长。缺点是结构复杂，成本高，转向灵敏度不如齿轮齿条式51112。现代汽车马力大、速度快，为了操纵的轻便和灵敏，中高档次的轿车转向器都加装了转向动力装置，又称为液压动力转向器。它具有工作无噪声，灵触度高体积小，能够吸收来自不平路面的冲击力，因此在现代的汽车上得到十分广泛的应用。而且现在已经出现了电子控制速度传感型的轿车动力转向器，它除了满足减少操纵力，提高灵触度外，还可以根据车速与行驶条件的不同而产生与之相适应的转向力。在停车时

21、能提供足够的助力，随着车速的逐渐增加助力又可以逐渐减少，当高速行驶时则无助力但保持良好的路感。对于微型汽车而言，齿轮齿条式转向器和循环球式转向器都有，但因为其车体空间小、燃料消耗少、车速普遍不高等特点，目前大多数微型车采用的都是齿轮齿条式转向器，而且根据配置和本身定位的不同，部分车型加上了液压助力或者是电动助力转向系统。齿轮齿条式转向器最早出现于年，当时由于其本身结构不够完善，整车布置的限制以及道路条件差等因素，导致路面反冲激烈，噪音较大以及转向性能较差等缺陷, 使此种转向器的应用受到很大的限制。然而近廿年来，特别是最近几年，却有了很大发展，其发展速度超过循环球式转向器。国外该类转向器发展已经

22、很成熟，而国内与之相比仍比较落后，需要加快速度发展和创新811。1.3 主要研究内容本文具体要做以下研究工作：1、选定参照车型，选择设计方案；2、确定研究所需要的数据，设计并计算微型汽车的转向器和转向操纵系统。并且设计规划整个毕业设计的总体思路和进程；3、利用CATIA软件进行微型车转向器、转向操纵系统以及相关零件的三维建模和零件装配；4、使用CATIA软件将三维建模图转化为2D图；5、利用CATIA软件对转向器主要传动零件进行应力分析。第 2 章 转向机及转向操纵机构的设计及计算2.1转向机方案选择转向系统是用来改变汽车的行驶方向和保持汽车直线行驶的机构，对转向齿轮的正确运动和汽车的安全行驶

23、影响很大。汽车转向系统可按照转向能源的不同，分为机械转向系统和动力转向系统两大类，而机械转向系统又由操纵系统、转向机和转向传动机构三大部分组成21。由于研究的是微型汽车，所以设计的转向机应该满足微型车空间小、能源消耗小、成本低等特点，因此我选择机械转向系统，转向机选择应用最为广泛、成本最低、结构体积小的齿轮齿条式转向机。为了研究设计方便，我从市场上选取了一款汽车作为研究的对象。现在市场上的微型汽车种类繁多，我结合设计的方案选择了07款奇瑞QQ3 0.8 MT基本型，该车的基本配置数据如下：表2-1 07款奇瑞QQ3 0.8 MT基本型数据标准引擎CAC-SQR372/直列3缸双顶置凸轮轴12V

24、多点电喷汽油机标准变速器手动 5档标准排量812 cc最大功率38/6000 KW/rpm最大扭矩 70/3500-4000 N·m/rpm最高时速130.0 km/h驱动方式前置前驱悬挂方式麦弗逊式独立悬架,圆柱螺旋弹簧,双向作用筒式减振器/纵向拖曳臂式悬架,圆柱螺旋弹簧,双向作用筒式减振器转向助力非助力转向式轮    胎155/65R13车身重量880 kg轴    距2340 mm轮    距1295/1260 mm(前/后)长/宽/高3550/14

25、95/1485图2-1 齿轮齿条式转向器的四种形式齿轮齿条式转向器是由与转向轴作为一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。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，如图2-1所示：中间输入，两端输出；侧面输入，两端输出；侧面输入，中间输出；侧面输入，一端输出。图2-2 V形断面齿条 图2-3 Y形断面齿条采用侧面输入，中间输出方案时，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定连接，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

26、开有轴向的长槽，从而降低了强度。采用两端输入方案时，由于转向拉杆长度受到限制，容易与悬架系统导向机构产生运动干涉。侧面输入，一端输出的齿轮齿条式转向器，常用在平头货车上。综上，我选择图中的第二个，即侧面输入，两端输出的方案。图2-2 V形断面齿条为了使运转平稳性提高，冲击减小，降低工作噪声，采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条式转向器。齿条断面形状有圆形、V型(图2-2)和Y型(图2-3)三种。圆形断面齿条的制造工艺比较简单。V形和Y形断面齿条与圆形断面比较，消耗的材料少，约节省20%，故质量小；位于齿条下面的两斜面与齿条托座接触，可用来防止齿条绕轴线转动。当车轮跳动、转向或转向机工作时，如在齿条上作用

27、有使齿条旋转的力矩时，应选用V形和Y形断面齿条，用来防止因齿条旋转而破坏齿轮、齿条的齿不能正确捏合的情况出现。因此，我选择的是V形断面齿条。转向操纵机构是转向盘到转向传动轴的一系列零部件，包括转向盘，转向柱，转向轴，万向节和转向传动轴，其中万向节和转向盘需要简单设计一下9。 图2-4 转向盘 图2-5 万向节转向盘由轮缘、轮辐和轮毂组成，如图2-4所示。转向盘轮毂的细牙内花键与转向轴连接，转向盘上都装有喇叭按钮，有些轿车的转向盘上还装有车速控制开关和安全气囊13。图2-6 双万向节等速传动布置图万向节是实现转轴之间变角度传递动力的部件。如果万向节在扭转方向没有弹性、动力靠零件的铰链式连接传递，

28、是刚性万向节，根据所设计的日，我选择刚性万向节。十字轴式刚性万向节结构简单、工作可靠、且允许所连接的两轴之间有较大交角，在汽车上应用最为普遍，如图2-5所示。因为单个十字轴式刚性万向节在输入轴和输出轴有夹角的情况下，其两轴的角速度是不相等的，两轴夹角越大，转角差()越大，万向节的不等速特性越严重。万向节传动的不等速特性将使从动轴及与其相连的传动部件产生扭转振动，从而产生附加的交变载荷，影响传动部件的寿命。为了避免万向节传动的不等速性，采取双万向节传动，如图2-6所示。具体的方法如下：1、采用双万向节传动；2、第一万向节两轴间的夹角1与第二万向节两轴间的夹角2 相等；3、第一万向节的从动叉与第二

29、万向节的主动叉在同一平面内。关于主要零件材料的选择1521：主动小齿轮的材料选择，齿条采用45钢，为减轻质量，壳体用铝合金压铸。万向节选择中碳合金钢，调质处理，滚针轴承材料一般采用。十字轴选用低碳合金钢，轴颈表面进行渗碳淬火处理，渗碳层深度为0.81.2mm。由于所研究的是微型汽车，根据车型的特点和现况，转向系统选择无助力的机械式转向器。2.2初定转向机尺寸齿轮齿条式转向器的齿轮选择用斜齿轮，齿轮模数取2.5，主动小齿轮齿数取10个，压力角取20度，齿轮螺旋角取15度6。因此主动小齿轮基本尺寸如下表：表2-2 主动齿轮几何尺寸表分度圆直径25mm基圆半径23.5mm齿顶高2.5mm齿根高3.1

30、25mm齿顶圆直径30mm齿根圆直径18.75mm分度圆齿距7.854mm分度圆齿厚3.93mm2.3转向操纵机构计算图2-7 转向轴的吸能装置示意图转向盘是操纵机构中最为重要的部分，驾驶着要通过转向盘来完成汽车的转向，方向盘的尺寸和转向时轻便程度有很大关系，转向盘直径小了，转向很是笨重，而直径大了，与汽车整体就不很协调，微型车空间本来就很小，转向盘必须特别合适才行。我选择转向盘外径380mm ，转向盘轮缘直径50mm。转向轴时连接转向盘和转向机的传动件，并传递它们之间的转矩。这些年来，车速逐渐提高，转向轴上面也要有相应的吸能装置。转向轴和转向柱的吸能装置有很多形式。图2-7的基本结构原理是，

31、当汽车受到巨大冲击时，转向轴产生轴向位移，使支架或某些支撑件发生塑性变形，从而吸收冲击能量7。2.4转向齿轮的强度校核2.4.1 齿轮接触强度校核校核齿面接触疲劳强度，由式： (2-1)式中各设计参数：1、计算载荷系数K (2-2)2、计算转矩 (2-3)3、根据公式(2-2)、(2-3)以及查询资料可得到式(2-1)中各参数的值，如下表表2-3 式(2-1)中参数的值载荷系数K1.65转矩( N*mm)133000齿轮模数2.5齿轮分度园直径( mm)25齿宽b(0mm)30齿数比u3.0弹性系数 节点区域系数2.4重合度系数0.725螺旋角系数0.9834、由于选择的齿轮材料为，因此接触疲

32、劳极限应为 寿命系数安全系数所以 由式(2-1)得： 满足齿面接触疲劳强度2.4.2 齿轮抗弯强度校核校核齿根弯曲疲劳强度，由式： (2-4)根据公式(2-2)、(2-3)以及查询资料可得到式(2-4)中各参数的值，如下表表2-3 式(2-4)中各参数的值载荷系数K1.65转矩( N*mm)133000齿轮模数2.5齿轮分度园直径( mm)25齿宽b(mm)30齿形系数3.6应力修正系数1.45重合度系数0.64螺旋角系数0.9由于选择的齿轮材料为，因此弯曲疲劳极限应为=590 由图查得寿命系数=1.0由表查得安全系数=1.25所以 由公式(2-4)可得 满足齿根弯曲疲劳强度。2.5 本章小结

33、本章介绍了微型汽车转向机和转向操纵系统的工作原理，选定了所设计参照的车型，根据车型和其他条件确定了设计思路和设计方案，并根据材料学知识按照需求选定材料，结合所学和查到的知识计算出出设计的尺寸和主要技术参数，然后对转向机和转向操纵系统的各部件进行设计，最后对设计的主要零件进行校核，校核结果是主要零件设计无误。第 3 章 利用CATIA构建实体模型3.1 转向机的三维建模转向机的工作原理是由于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。因此在转向机中，主动齿轮轴、从动的齿条和转向机壳体是主要部件。3.1.1 转向机主动齿轮的三维建模主动齿轮是转向机的主要部件，它与转向机壳体和转向操

34、纵系统的输出轴相连，要求十分精密。设计的齿轮为模数2.5，齿数10，压力20度，螺旋15度的圆柱斜齿轮，为了安转维修方便，设计为齿轮轴。为了工作时齿轮能够充分与齿条传动，齿轮长度设计为45mm，齿轮两端是直径为15mm的轴，他们都和转向机壳体通过滚珠轴承相连接。一侧长44mm的轴再接一个直径为30的限位轴肩，该作用是限制装配时齿轮轴纵向的位置，旁边既是滚动轴承的装配位置。轴肩旁接的是直径15mm长50mm的轴，最边上是与传动相接的部分，直径25mm长5mm，在圆周对称的分布两个直径为4mm的螺栓孔，传动是螺栓将齿轮轴与传动轴相连，如图3-1所示。图3-1 主动轴该齿轮轴的部分数据与转向机外壳和

35、其他零件的尺寸相关。齿轮轴的材料为，热处理方法为渗碳淬火。3.1.2 转向机从动齿条的三维建模从动齿条也是转向机中重要的部件，它与主动齿轮相啮合，两端和转向传动机构相连。而且为了保证的齿轮齿条之间良好长久的啮合，齿条中间部分还与一个压盘机构相连。斜齿轮正确啮合的条件为模数相等，压力角相等，螺旋角大小相等，外啮合时应旋向相反，内啮合时应旋向相同。因此齿条的模数也是2.5，压力角为20度，螺旋角旋向相反，角度为15度。由于主动齿轮的旋转和转向盘转动是同步的，所以依据一般汽车转向盘从一边打到另一边需要34圈，这里我选择为3圈，即主动齿轮从齿条的一端到另一端需要转3圈，因为齿轮齿数为10个，因此齿条长

36、度也应为30个齿。与齿条相连接的轴因为是转向传动机构，因此在这里随意选择一个数据，如图3-2所示。为了防止因齿条旋转而破坏齿轮、齿条的齿不能正确啮合的情况出现，断面齿条选择V形，这样需要的材料也比较少，质量比较小。齿条宽选择30mm。齿条材料选用45钢。图3-2 从动齿条3.1.3 转向机壳体的三维建模转向机壳体是装齿轮齿条的部件，也是转向机的外观，要求美观并且容易加工，由于齿轮齿条在内部啮合传动，因此内部结构要求精密。转向机的壳体为了减轻质量，选用铝合金压铸。壳体主体为两个回转体，里面装的是齿轮和齿条，壳体和齿轮是通过两个滚动轴承连接，如图3-3所示。由于齿条两端接的是转向传动机构，因此壳体

37、和齿条没有明显的接触10。图3-3 转向机壳体连接齿轮的回转体一端封口，封口处用螺栓把一个外封壳装在壳体上，另一端是齿轮轴和传动轴连接的地方，为了防止外面的灰尘进入机体内，该处安了一个防尘套，如图3-4所示。图3-4 防尘套为了使齿轮和齿条啮合良好，而且在长时间工作有磨损后仍然能保持很好的啮合状态，转向机壳体在底部安有调整啮合间隙的装置。一个弹簧通过压块作用在转向齿轮上，弹簧外径13.5mm，高23.5mm，为了保证无间隙啮合，弹簧的预紧力可以通过调整螺钉调整，如图3-5所示。图3-5 弹簧压块的底部要和齿条的V形断面吻合，为了保证不是刚性接触，要在接触处还要有一个同样形状的垫片，如图3-6所

38、示。图3-6 压块压块上有一个回转体压盘，该压盘连接一个弹簧，还有一个预紧螺钉，作用是给压块一个持续的力使压块能压紧齿条，从而达到良好啮合的目的，如图3-7所示。图3-7 压盘在弹簧的上部应该有一个盖子，盖子中间有一个螺纹孔，方便预紧螺钉的装配，下面连接弹簧的部分应该有一个方便弹簧安装的弹簧座，而在盖子周围均匀分布着4个螺纹孔，用来将盖子固定在转向机壳体上，如图3-8所示。这里具体的尺寸都与连接的客体、弹簧相配。图3-8 盖子3.2 转向操纵系统的三维建模3.2.1 万向节的三维建模万向节是转轴与转轴之间实现变角度传递动力的基本部件，转向盘输出的转矩需要通过转轴传递，而万向节就在其中起一个改变

39、方向的作用，因为转向盘一般是不和转向机在同一个平面上的，由了万向节，转向盘才能更好的去布置，而且微型汽车结构比较紧凑，万向节的作用就更大了。我选用的是十字轴式万向节，该万向节结构简单、传动可靠、效率高，而且允许两传动轴之间有较大的夹角(一般为15度20度)。十字轴万向节主要部件是一个十字轴和两个万向节叉，为了减少摩擦损失，提高传动效率，在十字轴颈和万向节叉孔之间装有由滚针和套筒组成的滚针轴承，而且在十字轴内部有供润滑油的油道，十字轴由卡环固定在万向节叉上，如图3-9所示。图3-9 装配好的万向节十字轴万向节叉的设计应该满足相互转动时不能有干涉，而且还要求装配时紧凑。在每个万向节叉的一边都应该有

40、安装转向轴的装置，我选择的是两个M4的螺栓和螺母连接，如图3-10所示。图3-10 万向节叉3.2.2 转向盘的三维建模转向盘是转向系统的外部结构，是整个转向力的输入装置，驾驶着是通过转动转向盘来完成汽车转向的。转向盘是一个十分精密的零件，上面要布置喇叭按钮，还有各式各样的按钮开关，比如转向灯和雨刷，这里作为一个简单的设计就不予考虑。图3-11 转向盘转向盘由轮缘、轮辐和轮毂组成，轮辐一般是三根辐条或四根辐条，也有用两根辐条的。骨架外面一般包有柔软的合成橡胶或树脂，也有包皮革的，这样有良好的手感，而且还可以防止手心出汗时握转向盘打滑。转向盘一般外径在350400mm，我参照选用的车型，转向盘外

41、径为380mm，轮缘直径为50mm，如图3-11所示。当汽车发生碰撞时，从安全性考虑，不仅要求转向盘应具有柔软的外表皮，起到缓冲作用，而且还要求转向盘在撞车时，其骨架能产生一定的变形，以吸收冲击能量，减轻驾驶员受伤的程度。我设计转向轴分为上下两段，中间用柔性联轴器连接。联轴器的上下凸缘盘靠两个销子与销孔扣合在一起，销子通过衬孔与销孔配合，如图3-12所示。当发生猛烈撞车时，车身、车架产生严重变形，导致转向轴，转向盘等部件后移。与此同时，在惯性作用下驾驶员人体向前冲，致使转向轴的上、下凸缘盘的销子和销孔脱开，从而缓和了冲击，吸收了冲击能量，有效的减轻了驾驶员受伤的程度。图3-12 转向轴吸能装置

42、3.3 其他零件的三维建模整个三维建模有60余个零件，在这里仅选出几个比较关键的零件加以介绍。主动轴与转向机壳体用轴承相连，我选择的是非标准的滚动轴承，轴承内径和主动轴连接部分轴的外径一样，图3-13为其中一个滚动轴承。图3-13 滚动轴承为了制造和装配方便，本设计中所涉及到的螺栓、螺母和垫片等部件均是用标准件，而非自我设计，如图3-14 3-15所示。而且大部分都进行了强度校核，没有问题。图3-14 M4螺栓图3-15 螺母万向节中的挡圈没有用标准件，是自己设计的。挡圈是用来限制万向节十字轴在十字轴叉中的位置，如图3-16所示。图3-16 挡圈3.4 装配万向节、转向机壳体、转向盘由于零件本

43、身比较复杂，所以我先对他们分别进行装配，检查一下有无错误，然后再在一起进行装配，对相互的空间位置进行一定的调整，以方便在车内的布置。最后装上螺栓螺母之类的零件，进行检查，装配完毕，如图3-17 3-18所示。图3-17 装配图图3-18 装配爆炸图3.5 生成二维CAD图AutoCAD软件是美国Autodesk公司开发的产品，它将制图带入了个人计算机时代。CAD是英语“Computer Aided Design”的缩写，意思是“计算机辅助设计”。AutoCAD软件现已成为全球领先的、使用最为广泛的计算机绘图软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。自从1982年Autodesk公司

44、首次推出AutoCAD软件，就在不断地进行完善，陆续推出了多个版本，AutoCAD 2006是AutoCAD软件的第20个版本，其性能得到了全面提升，使你的日常工作变得更加高效。 由于AutoCAD制图功能强大，应用面广,现已在机械、建筑、汽车、电子、航天、造船、地质、服装等多个领域得到了广泛应用，成为工程技术人员的必备工具之一CATIA软件自身带着转换模块，这样就不用再重新绘制二维模型，不过CATIA生成的图不是最终的，需要进一步完善才可以。3.6 本章小结在这一章里，主要是对CATIA软件的运用。根据第二章所设计的主要数据和第三章第一节所绘制的二维示意图，利用CATIA软件建立各个零件的三

45、维实体模型。在三维建模的过程中，熟悉了软件，掌握了一定运用CATIA软件的水平。在具体建模过程中很多情况都预料不到，虽然开始绘制的示意图虽然都有准确的数据，但最后只能表示一个空间位置，很多零件的尺寸一改再改，因为很多零件都与其它零件相配合，而且如果变动一个尺寸，可能就要修改好几个部件。最后的装配也同样出现很多问题，经常出现装配部成功的情况，这样就需要回去再修改零件。我的整个三维建模就是在反复出现错误反复修改中完成的。 后面由CATIA模块生成的CAD二维图则是对三维模型的一个很好的补充，比三维图更直观，查看也更为方便。而且我们在以后的工作学习中，二维图仍然是重点，在本章中通过对AutoCAD的

46、使用，更能熟悉该软件，为以后打下一个很好的基础。第 4 章 对齿轮齿条的强度应力分析本章将利用CATIA软件对转向机里主动齿轮和从东齿条进行强度应力分析。主要的步骤如下34：1、在CATIA软件中创建三维模型；2、定义模型材料；3、查资料获取材料的屈服极限或者是与所作分析相关的属性数据；4、导入CATIA静态分析模块；5、指定所要分析零件的单元网格；6、检查模型；7、设置边界条件；8、设置载荷条件；9、设置算例的属性；10、计算模型；11、生成应力图。4.1 对主动齿轮的强度分析主动齿轮轴是转向机的主要零件，它是转向的主要工作部件，转向操纵系统从转向轴传递过来转矩，它承受着一定的齿条给它的反作

47、用力。在反复工作中，齿轮存在一定磨损。齿轮的好坏是否失效是整个转向系统是否能正常工作的关键。通过应力分析，能够找到齿轮的最大应力点，由此点的应力是否超过许用应力来判断齿轮的设计是否合理。如果超过了许用应力就应该修改零件的尺寸，直到应力分析合格为止。齿轮轴的材料是，查找资料得知该材料的屈服极限是590。给齿轮轴加载约束，在齿轮的两边轴上有轴承的5个方位的约束(除了Z轴轴向)，在轴肩处有一个壳体关于Z轴轴向的约束。为了简化一下啮合时的受力，在齿轮的一个齿上也有固定约束。由前几章可得知，转向盘外径380mm，转动力取驾驶员作用在转向盘轮缘上的最大瞬时力700N，由此可得最大转矩为133000N.mm

48、。转矩作用在齿轮轴和转向输出轴连接的部位。执行分析可得：图4-1 齿轮轴的应力分析(1)图4-2齿轮轴的应力分析(2)由上面两个图可知，最大应力为51，而且如图4-2可知齿轮的最大应力是在齿根处。应力大小符合要求，齿轮的设计满足要求。而且第二章的齿轮抗弯强度校核中所得结果为53.2，与有限元分析所得到的数值结果基本相等，由此也可以得知这次所做的对齿轮轴的有限元仿真基本正确。4.2 对从动齿条的强度分析齿条也是转向机中重要的部件，它承受从齿轮传递过来的转矩，将转矩转换成水平上的力，从而完成汽车的转向，因而齿条的工作好坏也对整个转向有决定性的意义。齿轮的材料是45号钢，其屈服极限是290。齿轮轴两端固定，中间简化出轮齿条啮合状态，在一个齿上加载转矩133000 N*mm。执行分析可得：图4-3 齿条的应力分析如图(4-3)可知，最大应力为52.3，而且最大应