華晨寶馬320i領先型齒輪齒條式轉向器設計

華晨寶馬320i領先型齒輪齒條式轉向器設計,寶馬,320,領先,齒輪,齒條,轉向器,設計 東北林業大學畢業設計目 錄摘要Abstract1 緒論 11.1齒輪齒條式轉向器概述11.2齒輪齒條式動力轉向器的原理21.2.1齒輪齒條轉向器的工作原理21.2.2動力轉向系統的工作原理22 轉向器整體結構設計方案分析42.1動力轉向器的整體結構及附屬機構42.2轉向器結構設計方案分析42.3液壓動力轉向特點分析53轉向器結構方案的確定和具體設計63.1轉向器結構的確定和設計63.1.1阿克曼幾何學63.1.2最小轉彎半徑73.1.3轉向系的效率73.1.4轉向系的角傳動比與力傳動比73.2齒輪齒條傳動副的確定和設計103.2.1變傳動比齒輪齒條的原理分析103.2.2斜齒圓柱齒輪的設計113.2.3傳動副傳動方案的設計123.2.4齒條的設計123.3動力缸結構設計133.3.1作用力的計算134 結論16參考文獻致謝齒輪齒條式轉向器設計1 緒論1.1齒輪齒條式轉向器概述汽車行駛時要經常改變行駛方向，這就需要有一套能夠按照駕駛需要使汽車轉向的機構，它將司機轉動方向盤的動作轉變為車輪（通常是前輪）的偏轉動作。這套機構就是汽車的轉向系。轉向系通過對左、右車輪不同轉角的合理匹配來保證汽車沿著設想的軌跡運動3。按轉向力能源的不同，可將轉向系分為機械轉向系和動力轉向系。機械轉向系的能量來源是人力，所有傳力件都是機械的，由轉向操縱機構（方向盤）、轉向器、轉向傳動機構三大部分組成。其中轉向器是將操縱機構的旋轉運動轉變為傳動機構的直線運動（嚴格講是近似直線運動）的機構，是轉向系的核心部件。動力轉向系除具有以上三大部件外，其最主要的動力來源是轉向助力裝置。由于轉向助力裝置最常用的是一套液壓系統，因此也就離不開泵、油管、閥、活塞和儲油罐，它們分別相當于電路系統中的電池、導線、開關、電機和地線的作用1。轉向器（也常稱為轉向機），是完成由旋轉運動到直線運動（或近似直線運動）的一組齒輪機構，同時也是轉向系中的減速傳動裝置。歷史上曾出現過許多種形式的轉向器，目前較常用的有齒輪齒條式、蝸桿曲柄指銷式、循環球齒條齒扇式、循環球曲柄指銷式、蝸桿滾輪式等。其中第二、第四種分別是第一、第三種的變形形式，而蝸桿滾輪式則更是少見2。齒輪齒條傳動方式的最大特點是剛性大，結構緊湊重量輕，且成本低。由于這種方式容易由車輪將反作用力傳至轉向盤，所以具有對路面狀態反應靈敏的優點，但同時也容易產生打手和擺振等現象。齒輪與齒條直接嚙合，將齒輪的旋轉運動轉化為齒條的直線運動，使轉向拉桿橫向拉動車輪產生偏轉。齒輪并非單純的平齒輪，而是特殊的螺旋形狀，這是為了盡量減小齒輪與齒條之間的嚙合間隙，使轉向盤的微小轉動能夠傳遞到車輪，提高操作的靈敏性，也就是我們通常所說的減小方向盤的曠量。不過齒輪嚙合過緊也并非好事，它使得轉動轉向盤時的操作力過大，人會感到吃力。正是為了改善這些問題，才使動力式齒輪齒條轉向器得到廣泛應用2。動力轉向器是利用外部動力協助司機輕便操作轉向盤的裝置。隨著最近汽車發動機功率的增大和扁平輪胎的普遍使用，使車重和轉向阻力都加大了，因此動力轉向機構越來越普及。值得注意的是，轉向助力不應是不變的，因為在高速行駛時，輪胎的橫向阻力小，轉向盤變得輕飄，很難捕捉路面的感覺，也容易造成轉向過于靈敏而使汽車不易控制。所以在高速時要適當減低動力，但這種變化必須平順過度。汽車動力轉向器均采用液壓作動力源，液壓式動力轉向裝置重量輕，結構緊湊，也無須潤滑，油液的阻尼作用還可以吸收路面沖擊力，有利于改善轉向操作感覺，但液體流量的增加會加重泵的負荷，需要保持怠速旋轉的機構，并且產品結構復雜，對加工精度和密封的要求相對較高1。21.2齒輪齒條式動力轉向器的工作原理1.2.1齒輪齒條轉向器工作原理齒輪齒條式轉向器中作為傳動副主動件的轉向齒輪安裝在殼體中，與水平布置的轉向齒條嚙合。彈簧通過壓塊將齒條壓靠在轉向齒輪上，以保證無間隙嚙合。彈簧的預緊力可用調整螺釘調整。工作時，轉向齒條的中部與轉向拉桿托架聯接，轉向左.右橫拉桿與轉向節臂相連。當轉動轉向盤時，轉向齒輪轉動，使與之嚙合的轉向齒條沿軸向移動，從而使左右橫拉桿帶動左右轉向節轉動，使轉向輪偏轉，實現汽車轉向，如圖1-1所示。圖11齒輪齒條轉向器工作原理1.2.2動力轉向系統的工作原理動力轉向系統是在機械式轉向系統的基礎上加一套動力輔助裝置組成的。如圖1-2所示。.油泵.油流向控制閥.軟管.控制閥.管路.動力缸.齒條活塞.齒條軸.軟管儲油罐卸壓閥圖12動力轉向器工作原理轉向油泵1安裝在發動機上，由曲軸通過皮帶驅動并向外輸出液壓油。儲油罐11有進、出油管接頭，通過油管分別與轉向油泵和轉向控制閥4聯接。轉向控制閥用以改變油路。機械轉向器和缸體形成左右兩個工作腔，它們分別通過油道和轉向控制閥聯接。 當汽車直線行駛時，轉向控制閥2將轉向油泵1泵出來的工作液與油罐相通，轉向油泵處于卸荷狀態，動力轉向器不起助力作用。當汽車需要向右轉向時，駕駛員向右轉動轉向盤，轉向控制閥將轉向油泵泵出來的工作液與右腔接通，將左腔與油罐接通，在油壓的作用下，活塞向下移動，通過傳動結構使左、右輪向右偏轉，從而實現右轉向。向左轉向時，情況與上述相反。2轉向器的整體結構設計方案2.1動力轉向器的整體結構及附屬機構齒輪齒條式動力轉向器由主動小齒輪、齒條活塞轉向控制閥、動力缸體等部分組成，如圖2-1所示。1.活塞齒條 2.活塞 3.動力缸體 4.轉向控制閥 5.主動齒輪圖21 齒輪齒條動力轉向器示意圖（1）機械式齒輪齒條式轉向器主要由小齒輪、齒條、消除間隙機構及殼體等組成其中小齒輪與齒條作無間隙嚙合并形成齒輪齒條傳動副。（2）動力轉向裝置機械轉向器、轉向分配閥、轉向動力缸及軟管等組成。轉向分配閥是根據轉向盤的操縱方向、轉角范圍與力矩大小來改變液壓動力的傳遞路線與通道面積的大小，有滑閥式（閥以軸向移動來控制油路）與轉閥式（閥以旋轉來控制油路）之分，本設計選用轉閥式控制；轉向動力缸是動力轉向的加力機構，它借助于液壓及活塞對機械轉向器起助力作用1。（3）轉向分配閥、轉向動力缸與機械轉向器組合到一起成為一個整體的結構，稱為整體式動力轉向器。本設計主要是針對機械式齒輪齒條轉向器部分進行設計，即齒輪齒條傳動副的設計。2.2轉向器結構方案分析轉向器主要由小齒輪、齒條、消除間隙機構及容納上述各件的殼體等組成。其中小齒輪與齒條無間隙嚙合并形成齒輪齒條傳動副。工作時轉向盤帶動小齒輪作旋轉運動，便推齒條作直線運動，在改變嚙合副運動方向的同時增大了傳動比。在齒條齒與小齒輪嚙合處的背部，設置消除間隙機構。該機構由預緊彈簧、托座等零件組成，再齒輪與齒條之間因磨損出現間隙時能自動取消此間隙。為保證轉向器據有良好的工作性能，轉向器的設計應盡量滿足下列要求5：（1）運動學上應保持轉向輪轉角和駕駛員轉向盤的轉角之間保持一定的比例關系，即隨動作用；（2）在轉小轉向時作用在轉向盤上的手力的同時，還應當有合適的“路感”，即能及時地將地面對轉向阻力的影響反映到轉向盤上，使作用在轉向盤上的手力隨轉向阻力的增大而增大；（3）工作安全可靠，即使一旦動力轉向系統失靈，司機仍能夠操縱轉向盤使汽車轉向；（4）密封性良好；（5）工作沒有噪聲和震動；（6）工作靈敏，轉動轉向盤后，系統內的壓力很快能增長到最高值。2.3液壓動力轉向特點分析液壓式動力轉向系統是以液體的壓力作動力完成轉向加力動作的，工作介質多為油液。與氣壓式動力相比較，工作壓力高。動力缸尺寸小、結構緊湊、質量??；由于油液具有不可壓縮性，液壓式靈敏度高、系統剛性好；油液的阻尼作用可以吸收路面沖擊；助力裝置也無須潤滑。缺點是結構復雜，對加工精度和密封性要求高。汽車采用動力轉向以后，使汽車轉向系統的轉向性能有很大改進，如使用安全可靠、轉向靈敏、操縱輕便、有道路感覺、能自動保持直線行駛、保證車輪自動回正、系統有良好的隨動作用等1。3轉向器結構方案的確定和具體設計本設計參考車型為華晨寶馬320i領先型，具體參數見表31：表 齒輪齒條動力轉向器示意圖總成 參數 數值車身長度4520寬度1817高度1421車重1395軸距2760前輪距1500后輪距1513發動機排量（L）2.0汽缸排列L汽缸數4壓縮比10.5氣門結構DOHC馬力150最大功率(kW)110最大功率轉速6200最大扭距（Nm）200最大扭距轉速（rpm）3600底盤轉向驅動方式前置后驅前掛類型雙球節彈簧減震支柱前橋后懸掛類型5連桿后懸架助力類型機械式液壓動力3.1轉向器結構確定3.1.1阿克曼幾何學兩軸汽車以低速轉彎行駛，可忽略離心力的影響，假設輪胎是剛性的，忽略輪胎側偏的時候，此時若各車輪繞同一瞬時轉向中心進行轉彎行駛，則兩轉向前輪軸線的延長線交在后軸延長線上，這一幾何關系稱為阿克曼幾何學1。汽車前輪轉向時，為滿足上述條件，須滿足下述關系式（31）式中，轉向輪外輪轉角；轉向輪捏內轉角；K兩主銷軸線與地面交點間距離；L車輪軸距。3.1.2最小轉彎半徑汽車最小轉彎半徑與汽車內輪最大轉角、軸距L、轉向輪繞主銷轉動半徑r、兩主銷延長線到地面交點的距離K有關。在轉向過程中L、r、K保持不變，只有是變化的，所以內輪應有足夠大的轉角，以保證獲得給定的最小轉彎半徑1。計算最小轉彎半徑如下，（32）在給定最小轉彎半徑條件下，可以用下式計算出轉向內輪應達到的最大轉角，（33）根據參考車型=5500mm， L=2760mm， r=80mm， K=1500mm，則=30.615，取=31。3.1.3轉向系的效率轉向系的效率由轉向器的效率和轉向操縱及傳動機構的效率決定1，即（34）轉向器的效率又有正效率與逆效率之分。齒輪齒條式轉向器的正效率可達0.70.8。通常，轉向系的正效率的平均值為0.670.82，；當向上述相反方向傳遞力時逆效率的平均值為0.580.63。轉向傳動機構的效率一般可取0.850.9，取=0.75。3.1.4轉向系的角傳動比與力傳動比（1）角傳動比轉向盤轉角的增量與同側轉向節轉角的相應增量之比，稱為轉向系的角傳動比。轉向盤轉角的增量與轉向搖臂轉角的相應增量之比，稱為轉向器的角傳動比。轉向搖臂軸轉角的增量與同側轉向節的相應增量之比，稱為轉向傳動機構的角傳動比1。它們之間的關系是，=- （35）（36）（37）現代汽車轉向傳動機構的角傳動比多在0.851.1之間，即近似為1。故研究轉向系的角傳動比時，為簡便起見，往往只研究轉向器的角傳動比即可，即=1對于乘用車，推薦轉向器角傳動比在17-25范圍內選取，現代轎車的角傳動比常采用不變的數值=14-22， 取=20。因此，轉向系的角傳動比=20（2）力傳動比轉向傳動機構的力傳動比等于轉向車輪的轉向阻力矩與轉向搖臂的力矩之比值10即（38）轉向系的力傳動比（39）（3）力傳動比與轉向系角傳動的關系轉向阻力矩（310）式中， 在瀝青或混凝土路面上的原地轉向阻力矩，Nmm；f輪胎與地面間的滑動摩擦系數，取0.7；轉向軸負荷,N；P輪胎氣壓，Mpa。其中，軸荷分配：前軸為51%-56%；取52%；則轉向軸負荷：=，取=7109N；輪胎氣壓p：冬天前輪2.5Bar，夏天前輪2.3Bar；取2.3Bar=0.23Mpa。因此，轉向阻力矩，取作用在轉向盤上的手力2（311）式中，作用在轉向盤上的手力，N；轉向搖臂長，mm；轉向節臂長，mm；R轉向盤半徑，R=190mm；轉向器角傳動比，=20；轉向器正效率， =0.75。其中，是轉向機構的角傳動比。由于轉向阻力矩=288Nmm，則N轉向阻力與轉向阻力矩2（312）式中，a為主銷偏移距，乘用車a值在40mm60mm內選取，取a=50mm，則N, 取=5750N手力與作用在方向盤上的力矩2（313）式中,為方向盤直徑, =380mm將式(3-12)和（3-13）代入后得到（314）忽略能量損失，根據能量守恒原理，為（315）將式（315）代入式（314）后得到（316）由于=20， 代入式（315），則=28800Nmm將代入式（313），則N， 取=152N，符合手力小于11附 錄General electric steering development at home and abroadSince the 1980s abroad in bus vigorously develop electric steering (EPS), has made considerable achievements in light, small cars, van widely used car, and every year with 300 million speed. With the plough in 2000 changhe automobile electric steering gear, van car installation in Chinas automobile redirector uncovers a new page in history. Due to its advantages of the steering clearly, is well received by customers welcome. First assembly of 200 electric steering trial car were soon snapped up. This years are increased production of installed electric steering car this year will reach SanWanLiuQianTai. Because the first domestic cars in the plough installed electric steering, drive the domestic electric steering develop these. To now had 10 colleges and 10 state-owned and private enterprises developing project or alone is expected to every year this product in China with 10 to 20 million speed development. Because of various aspects of electric to the study of investment, this product has come close to success, there have been some goods start loading test. In the auto electric steering product development embodies the characteristics of Chinas market economy competition, some colleges and enterprises, state, combine together, the private enterprise to battle the result of competition all aspects of accelerated development progress. Electric steering so called precise steering, which is in automotive steering process, the steering gear according to different speeds, steering wheel rotation and screw accurate offers all kinds of driving the best conditions, this is steering in computer (ECU) control to realize. Electric steering gear is under computer control of electric current implementation of the size of the change control, the realization of different steering. So it can accurately realize people at different speeds, predefined turning Angle need different steering.The development of the electric steering is mainly for hydraulic steering solve pure the biggest problem, a high speed FaPiao steering wheel, which is a big problem for the vehicle steering stability. Hydraulic steering although solved the vehicle steering light sexual problems, but a high speed, steering wheel is too light it caused a pilot FaPiao feeling. New steering pump although can achieve high speed steering pump flow can be decreased, but a high speed does not guarantee the engines driving in high speed rotating pump also working conditions. So cant completely solve the problem FaPiao car at high speed. Electric steering system can control power motors, reduce a high speed increases to hand power steering, FaPiao problems and solve high-speed, and relatively low cost. But because of the motor power, torque and size limit, so many small cars and van for light car. With the new electric steering structure research and development, the future will gradually extended to senior cars and trucks. Due to the existing outfit electric steering gear market, future potential market also relatively broad; The steering gear with low cost and popular by auto makers will.國內外電動轉向發展概況國外20 世紀80 年代以來在汽車上大力發展電動轉向（EPS），已經取得相當大的成果，在輕微型轎車、廂式車上得到廣泛的應用，并且每年以300 萬臺的速度發展。隨著2000 年昌河汽車之北斗星廂式車安裝電動轉向器，掀開我國汽車轉向器歷史上新的一頁。由于它在轉向方面明顯的優越性，很受廣大客戶歡迎。最初組裝的200 臺電動轉向試銷車很快被搶購一空。這幾年正逐年增加安裝電動轉向汽車的產量，今年將達到三萬六千臺。正是由于北斗星汽車在國內首裝電動轉向，帶動了國內電動轉向開發熱。到現在已有10 家大專院校和10 家國營和民營企業立項或獨自開發該種產品，預計我國每年會以10-20 萬臺速度發展。正是由于各方面電動轉向研究的大量投入，該產品已接近成功，已有一部分產品開始裝車調試。在汽車電動轉向產品的開發中充分體現了我國市場經濟競爭的特點，一些大專院校和企業相結合，國營、民營企業齊上陣，這種各方面競爭的結果加快了開發的進度。 電動轉向所以稱之為“精確轉向”，就是在汽車轉向過程中，該轉向器根據不同車速、方向盤轉動的快慢，準確的提供各種行駛路況下的最佳轉向助力，這是在計算機（ECU）控制下實現的。電動轉向器是在計算機控制下實施對電機電流大小的變化控制，實現不同的轉向助力。所以它能精確的實現人們預先設置在不同車速、不同轉彎角度所需要的轉向助力。 電動轉向的發展主要是針對解決純液壓助力轉向的最大難題，高速行駛時方向盤發飄，這是汽車操縱穩定性的一大課題。液壓助力轉向雖然解決了汽車轉向輕便性問題，但高速行駛時方向盤太輕，就造成了駕駛員發飄的感覺。新型轉向油泵雖然可以作到高速轉向時油泵流量可以下降，但高速行駛時并不保證發動機驅動下的油泵亦處于高速轉動工況。因此不能徹底解決汽車高速行駛發飄的問題。電動轉向系統可通過控制助力電機，降低高速行駛時轉向助力，增大轉向手力，解決高速發飄問題，而且成本相對較低。但由于電機的功率、扭矩及尺寸的限制，故多用于輕微型轎車和廂式車。隨著新的電動轉向結構研發，未來將逐步推廣到中高級轎車和卡車上。由于目前已有裝電動轉向器的市場，未來潛在的市場也較廣大；該種轉向器成本較低，必將受到汽車廠家的歡迎