毕业设计（论文）-齿轮齿条式电动助力转向系统设计及仿真分析

摘要全套图纸加V信153893706或扣3346389411汽车转向系统与车辆和个人安全息息相关，是汽车行业要高度重视的系统。随着科学技术的飞速发展，汽车行业要求的关键技术也越来越高。也开始重视汽车的转向的操纵性能，转向系统也一直是人们最关心的课题之一，特别是车流密集的今天，转向系统显得非常重要。由于机械式转向器存在一定的局限性，不能同时满足灵活性与轻便性的特点，所以采用电动助力的方式来克服转向时的阻力，这也是汽车发展的趋势。本次设计围绕中小型轿车，对其转向系统进行设计，采用电动助力方式，对系统中关键部件进行设计计算，为了更直观的查看设计成果，利用三维软件对所设计的零件进行建模，以及运动仿真，确保设计的合理性与安全性。关键词:电动助力；齿轮齿条转向器；转向系统AbstractThesteeringsystemofthecaristocontrolthedirectionofthecaraccordingtothewillofthedriver.Thesteeringsystemiscloselyrelatedtothesafetyofvehiclesandindividuals.Itisasystemthattheautomotiveindustryshouldattachgreatimportanceto.Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,thekeytechnologyrequiredbytheautomotiveindustryisalsogettinghigherandhigher.Ithasalsobeguntopayattentiontothesteeringperformanceofthecar.Thesteeringsystemhasalwaysbeenoneofthemostconcernedtopics.Especiallytoday,thesteeringsystemisveryimportant.Becausethemechanicalsteeringdevicehascertainlimitationsandcannotsatisfythecharacteristicsofflexibilityandlightnessatthesametime,theuseofelectricpowertoovercometheresistancetosteeringisalsothetrendofautomotivedevelopment.Thisdesignrevolvesaroundsmallandmedium-sizedcars,designingtheirsteeringsystems,usingelectricpowertodesignandcalculatekeypartsofthesystem,andusing3Dsoftwaretomodelthedesignedpartsinordertomoreintuitivelyviewthedesignresults.Andmotionsimulation.Ensuretherationalityandsecurityofthedesign.Keywords:electricpower;Gearracksteering;SteeringsystemII目录1绪论 11.1 本课题研究的意义和目的 11.2 国内外研究现状 11.3 本课题主要研究内容 22电动助力转向系统设计 32.1电动助力转向系统特点 32.2电动助力转向系统的总体组成 32.3电动助力的原理 42.4电动助力转向系统的类型选择 42.5电动助力转向系统的助力特性 53齿轮齿条转向器设计与计算 63.1齿轮齿条转向器设计 63.1.1齿轮齿条转向器设计要求 63.1.2齿轮齿条转向器关键部件 63.2计算汽车原地转向的阻力矩 73.2.1作用在转向盘手力计算 73.2.2梯形臂长度计算 83.2.3轮胎直径的计算 83.2.4转向横拉杆直径的确定 83.2.5估算主动齿轮轴直径 83.3齿轮齿条转向器的计算 93.3.1确定齿轮传动主要参数和几何尺寸93.3.2齿轮齿条转向器转向横拉杆运动分析103.3.3齿轮齿条式转向器的材料选择及强度校核123.3.4齿轮轴校核144转向系统的三维实体建模174.1齿轮轴实体建模174.2齿条的建模184.3壳体建模194.4球头销、转向横拉杆建模214.5轴承、转向梯形臂建模244.6转向盘建模264.7转向轴、输入轴建模274.8万向传动装置建模305转向系统的装配336转向系统运动仿真397有限元分析418经济技术性分析439结论44致谢45参考文献461绪论1.1 本课题研究的意义和目的电动助力转向系统是乘用车使用最广泛的形式。因此,本文以电动助力转向系统中的齿轮齿条电动助力转向系统为主要研究对象。电动助力转向系统作为新一代的转向系统,将电子技术与车辆机械技术有机地结合在一起。采用动力代替液压系统提供辅助,使系统更加简化,性能更好。具有控制简单、响应快、零件少、工作可靠、维修调整方便、低温环境性能好等优点。电动助力转向系统的一系列优点表明其具有广阔的发展前景。但也存在着一些不足,制约了其发展,如目前还没有成熟的理论体系。一旦设计不合理,将严重威胁汽车的安全和生命财产安全。1.2 国内外研究现状转向系统作为车辆的关键部位,发展迅速。转向系统由机械转向系统转向辅助转向系统。电动助力转向系统以其灵活的转向控制、吸收路面减振等优点,在汽车工业中得到了广泛的应用。简单介绍几种转向系统：1.机械式转向系统有许多机械转向系统，现在所有转向系统都需要机械转向系统,以确保转向的安全性和可靠性。机械转向系统是由人力驱动的。传递力的所有部分都是机械的。转向轻,但转向灵敏度变差。当角传动比大时,转向灵敏度好,但转向需要很大的力,转向不能达到要求。因此,机械转向系统同时满足转向轻便性和转向灵敏度的要求非常有限,这也制约了机械转向系统的发展。随着转向系统的发展,研制了助力转向系统,解决了轻便性和灵敏度之间的矛盾。2.液压助力阻力转向系统液压助力虽然可以解决转向轻便性，但随着社会经济的不断发展,人们对速度的要求越来越高,汽车的速度也在不断提高。液压助力转向系统的不足已经开始显现出来。当汽车在高速或低速行驶时,很难保证驾驶员有适度的手感。3.电动液压助力转向系统电液助力转向系统是在液压系统的基础上发展起来的,采用电机代替发动机驱动油泵。它是由电磁阀控制,以帮助液压变化与车速的变化。当汽车在低速或急转弯时,它会变1轻。在高速行驶时会感觉更好。4.电动助力转向系统作为新一代的转向系统,将电子技术与车辆机械技术有机地结合在一起。采用动力代替液压系统提供辅助,使系统更加简化,性能更好。电动助力式转向该系统具有控制简单、响应快、助力尺寸和转向感方便、零件少、等优点。电动助力转向系统的一系列优点表明其具有广阔的发展前景。但也存在着一些不足,制约了其发展,如目前还没有成熟的理论体系。一旦设计不合理,将严重威胁汽车的安全和生命财产安全。5.线控转向系统20世纪60年代末,德国卡塞尔曼公司还设计了类似于TWW的主动转向系统1900,德国奔驰公司采用线控转向系统的概念车F400雕刻。目前,线控转向系统上市,戴米尔克莱斯勒开发的线控转向系统被列为2000年度汽车十大创新技术之一。齿条式转向器在西欧微型客车上得到了长足的发展。在日本和美国,循环球型转向器的比例正在增加。在日本,公共汽车用的球型转向器已经发展到现在的100%个。目前,不同类型的转向器的使用情况如下:(1)在小型客车上,日本和美国主要开发圆形球型转向器,其市场占有率超过90%,而在西欧,齿轮和齿条转向器的发展,比例超过50%,法国则高达95%。(2)齿轮齿条式转向器在小型轿车上得到了迅速发展,而大型转向器主要是圆形滚珠转向器。1.3 本课题主要研究内容1.参考相关文献，确定研究目标与方向。2.分析电动助力转向系统类型的选择，电动助力转向结构组成及其工作原理。3.对转向系统进行具体的设计和计算，完成重要部件的结构设计，并校核主要零件强度。4.使用三维建模软件对转向系统进行三维建模，并完成运动仿真与有限元分析。2电动助力转向系统设计2.1电动助力转向系统特点电动助力转向系统有突出的优点:1.改善了转向特性。直到今天,动力转向系统的发展已经达到极限,EPS的返回特性已经改变了这一切。当转向结束后,转向盘会因回正力矩返回车轮中心，但有时回正力矩较小，使得方向盘回正很慢，对驾驶舒适感产生影响，电动助力系统可以解决这一问题，可以通过设计参数与传感器对方向盘作用一个转向力矩。这个系统可以由工程师使用软件来调整他的初始和设计参数使转向系统得到最佳的返回特性。2.提高了操纵稳定性。当车辆在高速行驶时,通过过度转向来测试车辆的稳定性。通过使用这种方法,在高速行驶(100kM/h)的车辆过多的拐角被迫滚动。在短时间自动返回过程中,由于使用微机控制,汽车具有较高的稳定性,驾驶员具有更舒适的感觉。4.采用“绿色能源”,满足现代汽车的要求。电动助力转向系统采用“最清洁”的动力作为能量,完全禁止液压装置,液压助力转向系统中没有液体油泄漏。可以说,该制度符合时代的“绿色”趋势。2.2电动助力转向系统的总体组成电动助力转向系统(简称电动助力转向系统)是利用电机提供辅助力矩的动力转向系统。EPS主要由转矩传感器、速度传感器、电机、减速机构和电子控制单元(ECU)组成。2.3电动助力的原理图2-1电动助力原理图Fig2-1Electricpowerdiagram如图2-1，给转向盘施加转向力矩，转矩传感器可测得，该信号会传递到ECU，当汽车行驶时，汽车的实时车速也会被车速传感器测得，同样通过线束把电信号传递给ECU，此时ECU会对两个信号做出判断并给与解决方案，也就是按着预先设计的程序，计算出最合理的转向助力力矩，再将此信号传递给电流控住电路，通过电流传递给电机实现助力，电机输出力矩经过蜗轮蜗杆等一系列减速机构最终传递给转向系。2.4电动助力转向系统的类型选择图2-2电动助力转向系统类型Fig2-2Typeofelectricpowersteeringsystem如图2-2，电动助力类型分为：转向轴助力；小齿轮助力；齿条助力三种本设计采用转向轴助力：电动机安装在汽车里；电机输出的助力矩可相对小些，可由减速机构放大传给转向轴，由此电动机尺寸和质量也相对较小，这样设计方便电机布置和减轻汽车质量，从而减少油耗。而且助力系统独立，不与转向器连接，方便更换与维修。2.5电动助力转向系统的助力特性电动助力的特性由软件编程师提前设定好的程序决定，在一般情况下，工程师在设计时会参考汽车的行驶车速，使助力特性曲线为车速的函数，随车速的变化而变化，这种特性叫做车速感性型。图2-3电动助力转向系统的助力特性Fig2-3Powerfeatureofelectricpowersteeringsystem如图2-3，汽车静止时，即原地转向助力的力矩最大，随着汽车行驶，车速不断增加，由于在高速行驶时，转向灵敏度会影响汽车行驶安全，所以助力力矩有所下降，当车速达到峰值时，助力强度最小。53齿轮齿条转向器设计与计算3.1齿轮齿条转向器设计图3-1齿轮齿条转向器形式Fig.3-1Gearracksteeringgear齿轮齿条式转向器有四种形式：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。本课题选择中间输入两端输出形式。3.1.1齿轮齿条转向器设计要求模数在2~3之间。齿数范围在5~7，齿轮螺旋角取值范围多为9~15。齿条齿数根据车轮转到锁点时，对应的齿条移动距离来确定。变速比的齿条压力角在12~35内变化。传动比的选取：对乘用车，推荐转向器角传动比在17~25内选取；商用车在23~32范围内选取，选取传动比为24:1。在这样的情况下，转向盘每转动24°，前轮转向1°。3.1.2齿轮齿条转向器关键部件1.齿轮齿轮是切有齿形的轴。齿轮安装在转向器壳体上并齿条上的齿相啮合。配对使用，齿轮轴末端与传动间轴相连。转向盘的旋转把扭矩传递给齿轮轴，齿轮带动齿条横向移动以操纵前轮。齿轮轴由安装在转向器壳体上的球轴承支承。(1)选择齿轮类型6根据齿轮传动的工作条件，选用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合传动方案(2)选择齿轮传动精度等级选用7级精度2.齿条齿条安装在金属壳体内可以来回滑动具有齿形的金属条。转向器壳体安装在前横梁或前围板的固定位置上。导向座将齿条支持在转向器壳体上齿条可以比作是梯形转向杆系的转向直拉杆。转向横拉杆通过齿条的横向运动拉动转向横拉杆，使前轮转向。转向梯形臂转向横拉杆带动梯形臂旋转，从而带动车轮旋转。计算汽车原地转向的阻力矩为此用足够精确的半经验公式来计算汽车在浙青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩MR(N•mm)。MRfG30.784283368517.4Nmm3P30.24式中：f—轮胎和路面间的滑动摩擦因数，一般取f=0.7；G1—转向轴负荷，G1=10902.5N,单位为N；P—轮胎气压，P=0.2MPa,单位为MPa。3.2.1作用在转向盘手力计算

（3-1）Fh2L1MRL2DSWi式中:L1—转向摇臂长，单位为mm；MR—原地转向阻力矩；L2—转向节臂长，单位为mm；DSW—转向盘直径；

2368517.494.8N360240.9

（3-2）iω—转向器角传动比；η+—转向器正效率，η+=0.9。齿轮齿条式转向传动机构无转向摇臂，L1、L2不带入数值。用上式计算出来的作用力是最大值。因此，可以用此值作为计算载荷。3.2.2梯形臂长度计算轮辋直径：RLW16in406.4mm（3-3）梯形臂长度：L2RLW0.82162.6mm（3-4）取L2160mm3.2.3轮胎直径的计算RTRLW0.55215524.6mm取RT525mm（3-5）3.2.4转向横拉杆直径的确定d34MR34368.51032.385mm（3-6）a0.163.14216L2；216MPa；MR368.5Nmdmin12mm估算主动齿轮轴直径齿轮轴直径：d316Mmax31694.81608.203mm（3-7）3.14140对所研究的载荷初步计算完成，转向初选参数如表（3-1）：8表3-1 初选参数Tab.2-6Primaryparameters序号参数名称数值1阻力矩（Nmm）368517.42转向盘手力（N）94.83轮辋直径（mm）406.44梯形臂长度（mm）1605轮胎直径（mm）5256横拉杆直径（mm）127转向器角传动比243.3齿轮齿条转向器的计算主动小齿轮选用16MnCr5或15CrNi6材料制造，而齿条常采用45钢制造。为减轻质量，壳体用铝合金压铸。3.3.1确定齿轮传动主要参数和几何尺寸修正系数Xn0.8分度圆直径d：dmz2.5513mm（3-8）1coscos20齿顶圆直径da1：da1d12ha1322.5(10.8)22mm（3-9）齿根圆直径d：dfd2h162m(hCX)133.1310.75mm（3-10）f1fann齿宽b：bdd10.81310.4mm（3-11）齿条宽取15mm，齿轮宽取25mm。因为相互啮合齿轮基圆齿距必须相等：Pb1Pb2齿轮法面基圆齿距：Pb1m1cos14齿条法面基圆齿距为：Pb2m2cos249取齿条法向模数：m22.5齿条齿顶高h：hm(hXn)2.5(10)2.5（3-12）a2a2an齿条齿根高hf2：hf2m(hCXn)2.5(10.250)3.125（3-13）ann3.3.2齿轮齿条转向器转向横拉杆运动分析图3-2横拉杆运动示意图Fig.3-2Sketchbarmotiondiagram当转向盘从锁点向锁点转动，每只前轮大约从其正前方开始转动30，因而前轮从左到右总共转动约60。当转向轮右转30，即梯形臂或转向节由OC绕圆心O绕至OA时，齿条左端点E移至EA的距离为l1ODOAcos30160cos30DCOCOD160138.6421.436ADOAsin3080mmAA'DC,AEACEBEB,A'CADA'EAAEA2AA'2340221.4362339.3CEAA'EAA'C259.32l1CECEA80.7同理计算转向轮左转30，转向节由OC绕圆心O转至OB时，齿条左端点E移至EB的10距离为l2DBDA80mm DCBB'B'EBBEB2BB'2340221.4362339.3mml2EEBCB'B'EBCE79.3啮合长度大于l1l2即Ll1l280.779.3160mm取L181mm齿条齿数23模数2.5，总长700mm。表3-2齿轮齿条参数汇总Tab.3-2Sketchbarmotiondiagram序号项目符号齿轮齿条1总长L—7002直径22163齿数Z25234法向模数Mn2.52.55螺旋角10106分度圆直径d13—7齿顶高hf4.52.58齿根高ha1.1253.1259齿顶圆直径da22—10齿根圆直径df10.75—113.3.3齿轮齿条式转向器的材料选择及强度校核1．选择齿轮齿条材料、热处理方式及计算许用应力(1)选择材料及热处理方式小齿轮16MnCr5渗碳淬火，齿面硬度56-62HRC大齿轮45钢表面淬火，齿面硬度52-56HRC齿轮齿条模数选取m2.5压力角取20，齿轮螺旋角取10(2)确定许用应力：HHlimZNFFlimYSTYNSHminSFmin1)确定Hlim和FlimHlim11500MPaHlim21300MPaFlim1425MPaFlim2375MPa2)计算应力循环次数N，确定寿命系数ZN、YN。N60njL60120(108300)2.88107N211h查表得：ZN11.25,YN11YN23)计算许用应力：取SHmin1，SFmin1.4H1HlimZN115001.251875MPaSHmin1H213001.251625MPa1H1H2，取HH21625MPa应力修正系数YST2F1F1limYSTYN142521607.14MPaSFmin1.4

（3-14）（3-15）（3-16）（3-17)(3-18)F2FlimYSTYN237521535.7MPa(3-19)SFmin1.4FF2535.7MPa2.强度校核(1)校核齿轮接触疲劳强度:经查《机械设计手册》得:ZE189.8MPa查图ZH2.45 Z0.8 Kt1.41）确定载荷系数K齿轮使用系数：KA1Vd1n13.1413200.0136m/s6010360103VZ10.013656.8104100100齿轮动载系数：KV1选取对称布置：K1.06查表得：Ka1.3载荷系数K： KKAKVKK111.061.31.378转矩：T1Fhl294.80.1615168NmmHZHZEZ2KT11bd122.45189.80.821.37815168411363.94MPaH2231324故齿轮接触疲劳强度满足要求。（2）齿根弯曲疲劳强度设计初选参数：

(3-20)(3-21）（3-22）（3-23）（3-24）13Y0.7Y0.89YS11.68YS21.97YFa2.41YFa2.0612F1YFYSYY2KT1bmd1（3-25）21.378151680.892.410.71.68141.06F123132.5故齿轮弯曲疲劳强度满足要求。3.3.4齿轮轴校核1.齿轮齿条式转向器的受力分析与计算圆周力：F2T2151682333Ntd113径向力：FFttan2333tan20862Nrcoscos10轴向力：FaFttan2333tan10411N2.齿轮轴校核（1）计算支撑反力：在垂直面上：Fl2Fr1Fa1d2228624119395NRAVl1l22222FRBVFrFRAV862395467N1在水平面：FRAHFRBHFr22333/21166N1（2）画弯矩图在水平面上；aa剖面左侧、右侧：MaHM'aHFRAHl111662225625Nmm在垂直面上aa剖面左侧：MaVFRAVl2395228690Nmmaa剖面右侧：

（3-26）（3-27）（3-28）（3-29）（3-30）（3-31）（3-32）（3-33）14M'Fl24672210274Nmm（3-34）aVRBV合成弯矩aa剖面左侧:（3-35）MaMaH2MaV22565228690227083Nmma-a剖面右侧:Ma'MaH'2MaV'225652210274227632Nmm （3-36）(3)画转矩图转矩:TFtd2233318/220997Nmm（3-37）判断危险剖面:90MPa0.6aa左侧：Wd332183/32572.5mm3（3-38）eM2(T)2/W（3-39）572.552270832(0.620997)2轴的疲劳强度安全系数：B650MPa1300MPa1155MPa0.20.1aa截面左侧：Wd3162W1145mm3（3-40）TK2.10K1.720.910.891.0弯曲应力：bMW27083572.547.3MPa（3-41）应力幅：ab47.3MPa平均应力：m0切应力：TTWT20997114518.3MPa（3-42）amT29.1MPa（3-43）安全系数：15S13002.7（3-44）Kam2.147.310.91S11558.8（3-45）Kam1.729.10.89查得许用安全系数[S]=1.3~1.5，显然S>[S]，故a-a剖面安全。图3-3齿轮轴校核弯矩图Fig3-3Gearshaftcheckmomentdiagram164转向系统的三维实体建模4.1齿轮轴实体建模首先点击齿轮建模，选择柱齿轮，选择yc轴方向，创建斜齿轮，选择变位齿轮，填写压力角，螺旋角，变位系数，点击估算出结果，【确定】生成齿轮，在齿轮的基础上，选择【插入】/【设计特征】/【圆柱体】，选择矢量，选择齿轮yc表面，点击【确定】生成圆柱，继续选择所建圆柱yc面齿轮轴线生成第二段轴，此轴段与轴承配合，同样点击【插入】/【设计特征】/【圆柱体】，选择yc平面，齿轮轴线，点击【确定】，生成第三段齿轮，重复上一步操作，生成最后一段轴，继续点击【设计特征】/【圆柱体】，选择-yc方向，选择轴线，生成轴段，此轴段与轴承配合，至此齿轮轴建模基本完成，最后点击【细节特征】，选择轴两端边缘，选取倒角尺寸，对轴两端进行倒角，至此齿轮轴建模完成。图4-1齿轮轴Fig3-3Gearshaft4.2齿条的建模齿条建模要注意齿间距，齿宽，齿的拉伸角等细节问题，确保尺寸的准确性，螺旋角的精确，否则与齿轮装配会出现干涉。点击【插入】/【设计特征】/【圆柱体】，选择工作系原点，绘出齿条总轮廓，点击插入草图，选择圆柱端面进入草绘，利用直线工具与标注尺寸确定齿宽平面，完成草图，点击【拉伸】工具，选择刚刚草绘直线，拉伸成面，此面为齿宽平面，在此基础上经行齿的绘制，点击任务环境中的草图，选择yc面进入草绘，在设计位置利用轮廓工具绘出齿的形状，利用约束工具，确定各条线的相对位置，例如垂直、平行、中点等。特别注意分度圆位置与距离约束结束点击完成，退出草图界面，点击快捷键x进行拉伸，选择草绘图形，选择对称拉伸，拉伸出齿。图4-2齿条草图Fig4-2sketchesofrack点击【阵列特征】，选择齿，根据齿数齿距，选择数量和节距，拉伸出齿条。再次点击任务环境中的草图，用轮廓线绘制齿形以便剪切齿。点击【拉伸】选择草图，布尔运算18选择求差，基本完成齿条建模，最后选择【螺纹】，选择齿条两端螺纹长度，生成螺纹，至此齿条建模完成。图4-3齿条Fig.4-3 rack4.3壳体建模齿轮齿条转向器壳体负责容纳齿轮齿条、密封、垫块、轴承等工作元件，起着固定支撑作用，壳体建模至关重要，壳体不规范，则无法装配仿真，所以要精确确定齿轮齿条相对位置，各组件距离圆滑的外观和内部精准的尺寸是建模的重点。点击【任务环境中的草图】选择平面，利用圆工具，选择工作原点，根据尺寸绘制两个同心圆，完成草图。19图4-4壳体建模草图Fig.4-4sketchofshellmodeling点击【拉伸】工具，选择草图拉伸出空心圆柱，在拉伸的拉伸的圆柱表面继续绘制草图，绘制同心圆，完成草图，拉伸草图，齿条方向壳体绘制完成。根据齿轮齿条装配位置，装配距离，点击【基准】，选择基准坐标系，建立齿轮轴方向壳体基准，点击草图选取yc-zc平面进入草图，以坐标系原点为圆心绘制圆柱，此圆柱内部为轴承壳体，以所绘圆柱表面绘制草图，点击【圆】工具，绘制圆完成草图，拉伸圆柱。点击【细节特征】，选取两圆柱交汇处圆边缘倒圆角。在所绘圆柱表面继续绘制草图，根据齿轮轴尺寸、轴承尺寸，分别拉伸出槽，这些槽直径分别为轴承、密封圈直径，以便与其配合。点击【任务环境中的草图】，在刚建立的基准坐标系中绘制草图，选择xc-zc平面进入，绘制圆，退出草图，在-yc方向拉伸出圆柱，在拉伸圆柱下表面继续绘制草图，首先拉伸出容纳调整螺栓槽，接着继续绘制草图，拉伸调整滑块槽，直至上壳体，至此齿轮齿条壳体建模完成。20图4-5转向器壳体Fig.4-5steeringgearhousing4.4球头销、转向横拉杆建模建模过程中注意球头尺寸和球头孔的大小。点击任务环境中的草图，选择xc-yc平面，以原点为圆心绘制同心圆，完成草图，点击【旋转】命令，绘制出空心球体。再次点击【任务环境中的草图】，选取xc-zc平面，以基准坐标系原点为圆心，绘制圆，完成草图，使用【拉伸】命令，选取刚绘制的草图，选择-yc方向进行拉伸求差，在导航部件中右击【拉伸】，选择将草图设为内部，建模完成。21图4-6球头销Fig.4-6ballpin绘制球头销端盖，点击任务环境中的草图，以原点为圆心绘制同心圆，完成草图，点击【旋转】命令，选择旋转方向xc绘出空心球体，再次进入草绘，选择xc-zc平面，以原点为圆心，绘出同心圆，完成成草图，点击【拉伸】，选择刚绘制草图，并选择对称值，布尔运算选择求差，拉伸出空心圆柱，点击插入【螺纹】，选择球头销端盖末端圆柱内表面，点击确定，生成螺纹。完成球头销盖的建模。22图4-7球头销Fig.4-7Ballpin横拉杆连接梯形臂与球头销，再转向中起到拉动作用，此横拉杆与球头销内球一体，在球壳内转动。新建组件，点击【任务环境中的草图】，选取xc-yc平面，进入草绘，在原点绘制圆，完成草图，点击【旋转】命令，旋转成球体，再次进入草绘，选取yc-zc平面，同样选择坐标原点绘制圆，完成草绘，点击【拉伸】命令布尔运算选择求和，拉伸出圆柱体。点击【螺纹】工具，选择拉伸的圆柱表面生成螺纹。图4-8横拉杆Fig.4-8horizontalbar23绘制横拉杆端头，点击【任务环境中的草图】，选择xc-zc平面，根据横拉杆直径画出圆，完成草图，拉伸出圆柱体，进入【任务环境中的草图】，选择xc-yc平面坐标系原点绘制圆，完成草图，【拉伸】圆柱，在圆柱上表面继续添加圆柱体，绘制与梯形臂相连的圆柱，同时在此圆柱表面绘制草图，拉草图线为面，点击【加厚】命令布尔运算选择求差，沿z轴方向拉伸，完成修减，最后运用【细节特征】，点击【倒角】命令，对与梯形臂相连的圆柱倒角，最后在第一个【拉伸】圆柱末端xc-zc平面绘制圆拉伸出与横拉杆相配合的孔，点击【螺纹】工具在孔内生成螺纹。图4-9横拉杆Fig.4-9Tierod4.5轴承、转向梯形臂建模轴承主要支撑齿轮轴，并使其转动，插入/任务环境中的草图，原点绘制同心圆完成草图，对草图进行【拉伸】选择对称值，拉伸完成后在圆柱表面生成球形槽，点击【球形端槽】，选择圆柱测表面，填写半径深度，生成球形端槽，再次点击【任务环境中的草图】，选择xc-zc平面选择坐标系原点为圆心绘制同心圆，完成草图，【拉伸】草图，选择对称值，在拉伸出的圆柱内表面生成【球形端槽】，尺寸深度同上，确定槽的距离，点击圆柱边缘与槽边缘，此时会弹出尺寸对话框，填入尺寸，使槽中心在xc-zc平面内，槽的创建完成，进入【任务环境中的草图】，点击【插入】/【投影曲线】，使槽边缘曲线投影到草图平面，在两投影曲线绘制圆，圆直径就是两曲线间距离，点击完成草图，选择【旋转】命令，旋转成球体。点击【细节特征】，选择【倒斜角】工具，对所绘制的圆柱边缘经行倒斜角，完成建模。图4-10轴承Fig.4-10bearing转向梯形臂连接车轮与横拉杆，转向系统重要组件。新建模型，点击【任务环境中的草图】，选取xc-yc平面进入草绘界面，运用圆形工具与轮廓线工具绘出梯形臂轮廓，完成草图，分别【拉伸】，首先选择同心圆，单击对称值，选择zc轴方向拉伸出圆柱体。再次选择拉伸选择其余部分，选择对称值拉伸，拉伸完成后右键点击刚刚拉伸步骤，选择将草图设为内部。最后点击【求和】命令，选取拉伸的两部分，单击确定完成绘制，完成转向梯形臂建模。25图4-11转向梯形臂Fig.4-11steeringtrapezoidarm4.6转向盘建模点击任务环境中的草图，绘制方向盘握把直径圆，完成草图，绘制方向盘直径圆，圆弧经过刚绘制圆的圆心，以便扫掠，完成草图。图4-12转向盘草图Fig.4-12steeringwheelsketch点击【插入】/【扫掠】，截面曲线选择第一个圆，引导曲线选择草图二，选择方向26xc轴确定。绘制方向盘中间部分，点击【任务环境中的草图】，选取xc-yc平面，选取坐标原点为原点绘制圆，完成草图，点击【拉伸】，选择对称值，拉伸出圆柱体，选取【插入】/【设计特征】/【细节特征】，选择【边倒圆】，选取圆柱两底面圆弧，完成倒圆角。继续绘制草图，点击【任务环境中的草图】，选取xc-zc平面以原点为圆心绘制圆，直径与方向盘直径相同，完成草图。点击【拉伸】命令，对刚绘制的草图拉伸，开始选择原点，结束选择直至下一个，选取方向盘外径确定。继续点击【插入】/【阵列特征】，选取刚拉伸特征，布局选择圆形，矢量方向选择zc轴方向，角度选择数量和节距，点击【确定】。在方向盘中间圆柱表面绘制草图，以便与转向轴配合，点击【草图】，选取圆柱表面，在圆柱表面轴线为圆心，绘制圆，完成草图，点击【拉伸】，选择刚绘制草图，矢量方向为-zc轴，布尔运算为求差，完成拉伸。继续点击【插入】/【螺纹工具】，选取拉伸孔，点击生成。最后点击【求和】工具，选择各段圆柱确定。方向盘建模完成。图4-13转向盘Fig.4-13steeringwheel4.7转向轴、输入轴建模转向轴连接方向盘，首先新建文件，点击【插入】/【圆柱体】，选取原点为起始点，沿Xc方向依次创建五个不同直径的圆柱。每个圆柱的生成起点都为上一个的轴线上，点击【倒斜角】命令，选取第三个轴，倒角半径与第二轴相同。在第五轴段拉伸孔，以便与输入轴配合，点击【任务环境中的草图】，选取第五轴段的端面，绘制圆，完成草图，点击【拉伸】选取刚绘制草图，选取yc方向，拉伸出孔。点击【求和】工具，选取所画的的五段轴，点击确定使轴合为一体。图4-14转向轴Fig.4-14steeringshaft输入轴与转向轴通过花键配合。首先大致绘出输入轴形状，点击【插入】/【圆柱体】，选择坐标系原点，沿-zc轴方向创建四个同轴线圆柱。点击【倒斜角】，选取各轴段边缘，倒斜角完成。点击【任务环境中的草图】，利用轮廓线、圆、修建、阵列工具绘制花键，当绘制完圆与单个键后，点击【阵列图像】，选取圆型阵列，选取要阵列的曲线，选择数量和角度点击【确定】，完成草图。28图4-15花键草图Fig.4-15Splinesketch点击【拉伸】，选取所绘制草图，沿zc轴方向拉伸出键。选择-zc轴方向圆柱面绘制草图，点击【任务环境中的草图】，绘制圆，点击【拉伸】布尔运算选择求差，沿zc轴拉伸出孔以便与输出轴装配，在拉伸孔内表面继续绘制草图圆，求差拉伸出孔，进入草图，在第三段轴处绘制圆，此处圆与销配合，完成草图，再次【拉伸】此草图，布尔运算选择求差运算，对称值拉伸。进入草图，在-zc轴末端轴绘出槽，并选择求差【拉伸】，与轴相交，切出槽形，点击【插入】/【关联复制】/【阵列特征】，选择圆形阵列，数量和节距，选择轴的轴线为矢量，单击【确定】，完成输入轴建模。29图4-16输入轴Fig.4-16inputaxis4.8万向传动装置建模万向传动装置包括万向节叉、十字轴、传动间轴，首先进行万向节叉建模，新建文件，选取xc-yc平面为草绘平面，利用圆工具绘制同心圆，完成草图，点击【拉伸】命令，沿zc轴方向拉伸出空心圆柱，根据设计参数，点击【基准平面】，选取yc-zc平面，并偏置一定角度，再次进入草图选择刚建立的平面，绘制如图所示草图。图4-17万向节叉草图Fig.4-17sketchofuniversaljointfork30点击【拉伸】命令选择此草图，沿xc方向求和拉伸，完成拉伸，点击【面倒圆】命令将球叉与圆柱体平滑过渡。点击【边倒圆】命令，将所拉伸的几何体倒圆。点击【任务环境中的草图】选择拉伸面进入草图，在节叉中心绘制圆，点击【拉伸】命令，选择绘制草图求差拉伸。点击【镜像特征】，选择xc-zc平面为镜像平面，选择拉伸几何体单机【确定】。最后单击【求和】工具，选择各模块确定，完成建模。图4-18万向节叉Fig.4-18Universaljointfork十字轴连接万向节叉。点击【任务环境中的草图】，选择xc-zc平面为草绘平面，使用圆工具绘制圆，完成草图点击【拉伸】命令选择对称值拉伸沿zc轴方向，拉伸成圆柱体。点击【边倒圆】工具把圆柱两端边倒圆角。再次进入草图，选择xc-zc平面，选择坐标系原点为圆心，绘制圆，完成草图，点击【拉伸】命令，布尔运算选择求和，方向沿yc轴方向，拉伸出轴颈。点击【槽】命令，选择【矩形槽】，填写深度和宽度确定，确定槽位置，选择槽边缘圆与十字轴劲圆，填写尺寸，完成定位。点击【斜倒角】，对十字轴经倒角。选择【阵列特征】，选择轴颈的所有特征，倒角，矩圆形阵列，点击数量与节距，完成建模。31图4-19十字轴Fig.4-19Crossshaft325转向系统的装配上一章完成了组件建模，本章将对组件进行装配，装配是运动仿真的基础，首先新建装配，点击添加组件选择方向盘，选择绝对原点，新建完成，再次点击【添加组件】，选择传动轴，装配方式选择移动，移动到方向盘附近，点击【装配约束】，选择【同心约束】，点击方向盘槽末端圆边缘与转向轴末端圆弧，装配完成。图5-1转向盘转向轴装配Fig.5-1steeringshaftassembly【添加组件】，选择输入轴，并通过【约束装配】，点击【同心约束】，使输入轴键与转向轴孔配合，继续【添加组件】输出轴，选择【同心约束】，与输入轴配合。图5-2装配Fig.5-2Assembly33添加【蜗轮组件】，与输出轴【同心约束】，并通过对其使键与键槽接触，添加【蜗杆组件】，使其与蜗轮通过接触连接，点击【装配约束】选择【垂直】，使蜗轮蜗杆轴线垂直，选择【接触】命令，是蜗轮蜗杆齿轮接触，完成装配，最后添加电机【组件】，点击【同心约束】，使电机输出轴与蜗杆相连接。图5-3电机装配Fig.5-3Motorassembly添加万向节叉【组件】，选择【同心约束】，点击输出轴外端圆与万向节叉圆直径，点击【添加组件】，选择十字轴，选择【约束装配】，点击十字轴轴外端圆，点击万向节叉孔外端圆完成【同心约束】，点击【移动组件】，选择十字轴，调整方向。继续【添加组件】万向节叉，使之与十字轴约束配合，选择【同心约束】。34图5-4万向节装配Fig.5-4Universaljointassembly万向节叉连传动间轴，【添加组件】传动间轴，通过【约束装配】，选择【接触约束】/【自动判断轴线】，首先使两孔轴线对齐，再次选择【自动判断轴线】，使传动间轴与万向节叉轴线对齐，完成装配。图5-5传动间轴装配Fig.5-5Assemblyofshaftbetweendrives传动间轴再次连接万向节，【添加组件】万向节叉，添加万向节叉组件，选择【同心约束】，点击传动间轴外端圆与万向节叉圆直径，点击【添加组件】，选择十字轴，选择【约束装配】，点击十字轴轴外端圆，点击万向节叉孔外端圆完成【同心约束】，点击【移动组件】，选择十字轴，调整方向。继续【添加组件】万向节叉，使之与十字轴约束配合，选择【同心约束】万向节叉连接齿轮轴。【添加组件】齿轮轴，通过【约束装配】，选择齿轮轴末端花键与万向节叉【同心】配合，齿轮轴连接齿条，【添加组件】齿条，选择【移动装配】，将齿条移到齿轮轴附近，点击【装配约束】，选择【平行】约束，点击齿条表面与齿轮轴线平行，再次点击【垂直】约束，使得齿条轴线与齿轮轴轴线垂直，再次选择【装配约束】，点击【距离】约束，点击齿轮轴轴线与齿条轴线，此时弹出距离对话框，填写距离完成齿轮齿条装配。35图5-6齿轮齿条装配Fig.5-6Gearrackassembly装配轴承与壳体，轴承与齿轮轴采用【同心约束】，使轴承装配到齿轮轴。图5-7轴承装配Fig.5-7bearingassembly齿轮齿条连接壳体，【添加组件】壳体，点击【装配约束】，选择【接触对齐】，选择【自动对齐轴线】，使壳体轴线与齿条、齿轮轴平行，点击【装配约束】，选择【同心】，点击轴承边缘圆与壳体内槽轴承位置圆，壳体装配完成。36图5-8壳体装配Fig.5-8housingassembly齿条滑块安装在壳体上，与壳体同心配合。点击【添加组件】齿条滑块，点击【装配约束】，选择【同心】，使滑块安装在壳体上。球头销与齿条连接，【添加组件】球头销端头，点击【装配约束】，选择【同心】约束，装配球头销端头，点击【添加组件】内球，点击【装配约束】，选择【接触对齐】/【自动判断轴线】，使内球与齿条轴线对齐，点击【装配约束】，选择【接触对齐】/【接触】，点击球头销端头内表面与内球外表面，完成装配。【添加组件】端头，点击【装配约束】，选择【同心】约束，完成建模。图5-9横拉杆装配Fig.5-9Assemblyofcrossbar37转向横拉杆连接梯形臂，通过同心连接。【添加组件】梯形臂，点击【装配约束】，选择【同心】约束，点击梯形臂端圆与端头圆柱圆，完成装配。图5-10梯形臂装配Fig.5-10assemblyoftrapezoidalarms齿条另一端装配步骤与以上所述相同，最后应注意两梯形臂相【平行】，至此装配部分完成，为仿真做基础。图5-11总装配图Fig.5-11GeneralAssemblydrawing386转向系统运动仿真经过上一章装配，本章开始进行运动仿真，仿真的目的是为了直观的查看所设计的零件运动状况，对所设计的齿轮齿条转向系统的检验。进入运动仿真界面，点击【连杆】，依次选择组件，设为连杆，点击【运动副】，选择【旋转副】，点击方向盘，指定中心为原点，选择转向轴方向为矢量。点击【运动副】，选择【旋转副】，点击转向轴，选择转向轴轴线为原点和矢量，啮合连杆选择方向盘。继续选择【固定副】，选择转向轴，选择转向轴轴线为原点和矢量，啮合连杆选择方向盘。转向轴连接输入轴，均采用旋转副，点击【旋转副】，选择输入轴方向同为轴线方向，点击【固定副】，使输入轴与传动间轴一起旋转，输出轴同上。万向节叉采用【万向节副】，如下图所示连杆选择万向节叉，原点选择十字轴中点，方向选择轴线方向，啮合连杆选择另一万向节叉，方向选择轴线，万向节副完成。点击【运动副】，选择【旋转副】，点击齿轮轴连杆，方向为轴线方向。继续点击【滑动副】，点击齿条连杆，方向为齿条轴线方向。需要【齿轮齿条副】。点击【齿轮齿条副】，滑动副选择齿条滑动副，旋转副点击齿轮轴旋转副，点击【确定】。球头销与齿条为【固定副】，横拉杆与球头销为【万向节副】，转向梯形臂与横拉杆为【旋转副】，转向梯形臂与轮胎为【旋转副】，轮胎为【固定副】。39图6-1运动仿真Fig.6-1MotionSimulation407有限元分析有限元分析是使用相互作用的单元用有限的未知量取逼近无限的对真实物理系统进行模拟，运用数学中的近似方法。本设计对齿轮齿条啮合做应力应变分析，主要检验齿轮齿条受力情况，首先选择齿轮齿条组件进行装配，完成后点击新建FEM和仿真，点击【指派材料】选择齿条组件，在库材料选择45钢对应代号steel，点击【指派材料】选择齿轮轴，选择添加材料16MnCr5材料，填写质量密度、杨氏模量、泊松比，点击【确定】点击【插入】/【网格】/【3D四面体网格】，选择齿轮齿条。图8-1划分网格Fig.8-1meshing点击【激活仿真】点击【固定约束】选择齿条，再点击【圆柱约束】选择齿轮轴，点击【载荷类型】选择扭矩，点击齿轮轴并填写扭矩，右击【solution】选择工况，勾选应41力应变。点击【仿真对象类型】选择【面对面接触】，填写静摩擦系数，点击确定。图8-2有限元分析Fig.8-2finiteelementanalysis点击【解决方案】【求解】图8-3有限元分析Figure8-3finiteelementanalysis根据云图可以清晰看出，得到的极限应力远小于材料的屈服强度。本设计安全。428经济技术性分析齿轮齿条式转向器的结构与其他转向系统相比而言具有很明显的不同那就是简单结构、在占用空间上具有很大的优势因为它的结构相对紧凑;当今世界能源紧缺，各个国家都在想办法提高能源的有效利用率，汽车行业具有重要的地位，在能源消耗方面也应该受到特别重视，减轻汽车重量，看似几克的重量在远距离行驶时也会有惊人的油耗，再转向系统中，齿轮齿条式转向器占据明显优势，因为壳体大多采用轻质量材料，减少油耗，例如铝合金镁合金等材料通过铸造成型，这些材料耐腐蚀且化学性质相对稳定，有利于减少温室效应，更贴近可持续发展战略，能源只是一方面，齿轮齿条转向器还