车辆工程毕业设计128汽车齿轮齿条式转向器设计

本科学生毕业设计

汽车齿轮齿条式转向器设计

院系名称： 汽车与交通工程学院 专业班级： 车辆工程 学生姓名： 指导教师： 职 称： 实验师

The Graduation Design for Bachelor's Degree

Design of Car Rack and Pinion Steering

Gear

Candidate：Dong Lei

Specialty：Vehicle Engineering

Class ：BW07-7

Supervisor：Experimenalist Wang Yuexin

Heilongjiang Institute of Technology

摘 要

汽车转向器是汽车的重要组成部分，也是决定汽车主动安全性的关键总成，它的质量严重影响汽车的操纵稳定性。随着汽车工业的发展，汽车转向器也在不断的得到改进，虽然电子转向器已开始应用，但机械式转向器仍然广泛地被世界各国汽车及汽车零部件生产厂商所采用。而在机械式转向器中，齿轮齿条式转向器由于其自身的特点被广泛应用于各级各类汽车上。

本次设计主要对一汽佳宝的转向器进行设计。首先对转向器进行了结构上的设计，此转向器选用的是侧面输入，两端输出的齿轮齿条式转向器。其优点为：结构简单、紧凑；壳体由铝合金或镁合金压铸而成，故质量比较小；传动效率高达90%；齿轮齿条之间因磨损出现间隙后，可利用装在齿条背部、靠近小齿轮的压紧力可以调节的弹簧自动消除齿间间隙，在提高系统刚度的同时也可防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用体积小；没有转向摇臂和直拉杆，可以增大转向轮转角；制造成本低。

关键词：转向器；弹簧；横拉杆；设计；校核

I

ABSTRACT

Auto steering gear is the important part of automobile. Also the key assembly of vehicle active safety. Its’ quality seriously effecting manipulating stability,with the develop ment of automobile’ industry,steering gear is improved gradually. Although electronic steering gear began application, but mechanical steering gear is widely used by automobile and parts manufacturer all over the world. In the mechanical steering gear. The rack and pinion steering gear were widely used in all kinds of Auto factories due to its own characteristics.

This design is mainly focus on FAW Jiabao. First, design the steering gear’s structure. This steering gear applied beside input. Two terminal output rack and pinion steering. Its’ advantages is simple configuration and compact. Shell is pressurized carging by aluminium alloy or magnesium ally. So the weight is relatively low. Transmitting efficient can reach 90%. If gap appears between rack and pinion. It can be eliminated by the spring which is located back of rack adjustable to pinion,and spring pressure can be ajusted .Simproving the systen’s stiffness.It also can prevent the impact and noise when it works .Steering gear occupy. Little volume have no steering arm and tie rod. Steering wheel angle can be increased；manufacturing cost is low.

Keywords: steering;spring; horizontal bars;design;check

.

II

目 录

摘要 ......................................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................................. II 第1章 绪论 ..................................................................................................................... １

1.1选题的目的 .............................................................................................................. １ 1.2转向器国内外研究现状 .......................................................................................... １ 1.3转向器发展趋势 ...................................................................................................... ３

1.3.1汽车转向技术的发展趋势 ............................................................................ ３ 1.3.2汽车转向装置的设计趋势 ............................................................................ ３ 1.4转向器概述 .............................................................................................................. ４

1.4.1汽车转向基本要求及其关键技术 ................................................................ ４ 1.4.2两轮转向及其实现技术 ................................................................................ ５ 1.4.3四轮转向及其实现技术 ................................................................................ ７ 1.5设计的预期成果 ...................................................................................................... ９

第2章 设计方案的选择 .......................................................................................... １０

2.1转向器类型的选择 .............................................................................................. １０ 2.2齿轮齿条式转向器布置和结构形式的选择 ...................................................... １１ 2.3本章小结 .............................................................................................................. １２

第3章 齿轮齿条式转向器的设计和计算 ......................................................... １３

3.1转向系计算载荷的确定 ...................................................................................... １３

3.1.1计算汽车的原地转向阻力矩 .................................................................... １３ 3.1.2转向器角传动比的计算 ............................................................................ １３ 3.1.3作用在转向盘上的手力的计算 ................................................................ １４ 3.1.4梯形臂长度L2的计算 ............................................................................... １５ 3.1.5轮胎直径RT的计算 .................................................................................. １５ 3.1.6转向横拉杆直径d的计算 ........................................................................ １５ 3.2齿轮齿条式转向器的设计 .................................................................................. １５

1.4.2两轮转向及其实现技术 1.转向技术的发展概况[5-6]:

两百年前在汽车刚刚诞生的初期，其转向操纵是仿照马车和自行车的转向方式，即用一个操纵杆或手柄直接使前轮偏转。1817年，德国人林肯斯潘杰(Len Ken Sperge)发明了转向梯形机构，并将在英国获得的专利权转让给了阿克曼(Ru-dolph Ackerman)。现在人们常将转向梯形的特性关系式(1.1)称为阿克曼公式。

1857年，英国的达吉恩蒸汽汽车(Dud-geon Steamer)是首次采用方向盘的机动车辆。1872年苏格兰的查理士·鲁道夫(Charles Randolph)第一个把方向盘装到煤气发动机车辆上。1886年，英国的弗雷德里克·斯特里克兰(Frederiek Strickland)及汽车制造商德雷克(A．J．Drak)将船用转向柱和方向盘技术应用到新式戴姆勒·弗顿(Daimler Phantom)敞篷车上。1890年戴姆勒·帕利生(Daimlr Paririan)制成转向柱与方向盘倾斜的第一辆汽车。

进入20世纪后，相关科技的进步带动了汽车设计技术与汽车工业的迅速发展，但对于转向传动系统的研究主要集中在转向器的型式和转向执行机构的尺寸优化设计等方面，而在两轮转向原理以及两轮偏转联动实现方式等方面并未有新的突破。 2.前两轮转向技术的主流:

(1)与非独立悬架配用的转向机构 1)转向梯形后置，转向直拉杆纵置：

如图1.3(a)所示，在前桥仅为转向桥时，由转向横拉杆5和左、右转向梯形臂4组成的转向梯形一般布置在前桥之后，以避免其在转向过程中与车轮发生干涉。解放CA141、东风EQ140等汽车都是采用这种转向机构。

(a) (b) (c)

图1.3 与非独立悬架配用的转向机构

1—转向摇臂 2—转向直拉杆 3—转向节臂 4—梯形臂 5—转向横拉杆

2)转向梯形前置，转向直拉杆纵置：

在发动机较低或转向桥兼驱动桥的情况下，为避免干涉，往往将转向梯形布置在前桥之前，如图1.3 (b)所示。

3)转向梯形前置，转向直拉杆横置：

５

如图1.3(c)所示，若转向摇臂1不是在汽车纵向平面内前后摆动，而是在与道路平行的平面内左右摆动（如北京BJ2020N型汽车），则可将转向直拉杆2横置，并借球头销直接带动转向横拉杆5，从而使两侧梯形臂转动。

(2)与独立悬架配用的转向机构

图1.4为循环球式（BS型）转向器配用的转向机构，转向摇臂1为主动件，绕固定铰点作往复摆动。其中图1.4(a)中两根转向横拉杆3、4布置在车轴的后方，形成两段式结构，如红旗CA7560型轿车即采用了这种转向机构；图1.4(b)中两根转向横拉杆3、4布置在车轴的前方，和转向直拉杆2一起构成三段式的前置梯形结构，丰田海艾斯轿车转向机构就采用这种布置形式。

(a) (b)

图1.4 与循环球式转向器配用的转向机构

1—转向摇臂 2—转向直拉杆 3—左转向横拉杆 4—右转向横拉杆 5—左梯形臂

6—右梯形臂 7—摇杆 8—悬架左摆臂 9—悬架右摆臂

(a) (b)

图1.5 与齿轮齿条式转向器配用的转向机构

图1.5为齿轮齿条式（RP型）转向器配用的转向机构两种布置形式，其中图1.5(a)中转向器位于前轴后方，前置梯形，应用实例为奥迪100轿车；图1.5(b)转向器位于前轴前方，前置梯形，在IVECO45-10型汽车中得到了应用。

前面所列仅为转向器和转向梯形机构结合的基本形式，实际使用中尚有许多情况，限于篇幅，在此不一一列出。 3.转向的存在问题:

(1)汽车两轮转向技术虽经历了近两百年的发展，但仍存在如下主要问题：

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两轮转向汽车在转弯时，现有各类转向机构均不能保证全部车轮绕瞬时中心转动，从而在技术上难以完全消除车辆行驶中的车轮侧滑。

(2)独立悬架汽车中的转向梯形断开点难以确定，这将导致了横拉杆与悬架导向机构之间运动不协调，使汽车在行驶中易发生摆振，从而加剧轮胎磨损，转向性能随车 速、转向角、路面状态的变化而变化，车速越高，操纵稳定性越差。

(3)在采用两轮转向方式时转弯半径较大，汽车的机动灵活性不高。随着电子技术的不断发展及在汽车中的应用，可以从多方面改善转向系统的各种性能，但这种改善往往是局部的和微小的。基于两轮转向方式的汽车转向技术发展至今，应该说已经到了一个顶峰，就目前的技术和经济性而言，两轮转向在性能上难以再有突破性进展。 1.4.3四轮转向及其实现技术 1.转向方式的提出及其特点:

鉴于两轮转向方式存在的诸多不足，日本于20世纪60年代首先提出通过四轮转向方式来提高汽车的操纵稳定性，到20世纪80年代末，四轮转向系统得到实际应用。1990年，本田、马自达、尼桑三家汽车公司首先在部分轿车上推出了四轮转向系统。1991年，美国克莱斯勒和日本的三菱也推出了四轮转向车型。

所谓四轮转向，是指车辆行驶过程中四个车轮能同时发生偏转的转向方式。其中后轮偏转角一般不超过5°。根据转向时前、后轮偏转方向的异同分为同向偏转及逆向偏转两类。对于行驶中的四轮汽车，当采用同向偏转时，车身的动态偏转减小，从而可显著提高汽车高速行驶稳定性；当采用逆向偏转时，则可显著减小汽车转弯半径，如图1.6所示，由此增加了低速行驶的灵活性，有利于汽车的转向调头。因此采用四轮转向方式时，在一定程度上提高了横摆角速度和侧向加速度的瞬态响应性能指标，如图1.7所示。所以四轮转向方式具有转向能力强、转向响应快、直线行驶稳定性高、低速机动性好等优点。

图1.6 2WS与4WS转弯半径的比较 图1.7 2WS与4WS车辆转向特性比较

2.轮转向驱动方式:

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转向的关键是如何将转向盘的转动量传递给前后转向轮，并为转向轮提供动力使其发生协调、联动偏转。本文根据转向盘转动量传递途径以及转向轮动力来源的不同，对四轮转向系统作如下的分类： (1)集中驱动四轮转向系统:

当用机械传动链将转向盘的转动量分别传递给前后轮转向机构，从而在前后转向轮偏转量与转向盘的转动量之间形成确定的机械联系时，即属集中驱动四轮转向系统。其结构框图如图1.8所示，其中前后转向轮偏转的驱动动力来自于转向盘以及由液压系统等提供的辅助动力。

转向盘 前轮转向器 前轮转向机构 前转向轮 电子控制单元 后轮转向器 后轮转向机构 后转向轮 图1.8 集中驱动四轮转向系统结构框图

此类集中驱动转向系统可进一步分为机械式和机电控制式两种，其差异主要在后轮偏转方向的操纵方式上。机械式集中驱动四轮转向系统没有图1.8中的电子控制单元虚框，前后轮的偏转方向和偏转角大小均由转向盘操纵，并通过机械传动链获得确定的协调关系。这种四轮转向系统结构简单，转向特性固定，与车速无关。对于机电控制式集中驱动四轮转向系统，后轮偏转角大小由转向盘操纵，而后轮偏转方向则根据传感器获取的前轮偏转方向与角度以及车速信息由控制单元确定。集中驱动四轮转向系统的制造成本较低，但当传动链零件磨损后不能精确保证前后轮转角大小关系。 (2)分散驱动四轮转向系统:

传感器获取的转角 后轮转向动力 后轮转向器 后轮转向机构 后转向轮 信息 电子控制单元 传感器获取的其他信息 转向盘 前轮转向器 前轮转向机构 前转向轮 图1.9 分散驱动四轮转向系统结构框图

在图1.9所示分散驱动四轮转向系统中，前轮转向动力由转向盘直接提供，前转向轮偏转方向及偏转量与转向盘转动量之间通过机械传动链形成确定关系；后转向轮

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偏转的操纵由专门的液压系统或电动机提供动力，至于后轮偏转方向及偏转量则根据传感器获取的转向盘转动方向与转角信息以及车速等其他信息由控制单元综合确定。

分散驱动四轮转向系统的基本特征在于：前后转向轮偏转的驱动动力是分开的，前后转向轮偏转方向和偏转角度之间不是靠机械传动链形成固定的联系，而是靠电子控制系统进行协调控制实现预设关系，因此后轮转向控制灵活、方便，能够获得更加精确和复杂的转向特性。 3.轮转向的研究方向:

对4WS转向技术的研究主要表现在硬件技术和软件技术两个方面。硬件技术的发展体现在如何采用新材料、新工艺、新结构等来更好地发挥出四轮转向的优势，更好地实现四轮转向系统所预定的目标；研究和开发高灵敏度、高精度、低成本的传感器和控制系统，为4WS系统的具体应用提供可靠成熟的技术条件。

目前，四轮转向技术研究的潮流主要表现在对控制理论等软件技术的研究上。将最先进的控制理论与控制方法不断应用于4WS控制器的开发中，同时将人的因素考虑到操纵控制中去，研究由驾驶员、车辆和行驶环境所构成的闭环系统。尽管目前科研人员从结构到控制原理上对四轮转向进行了大量的研究，但尚未取得突破性进展，四轮转向技术还没有真正地步入全面推广阶段。其主要原因在于尽管四轮转向车的一些开环指标有较大程度的改善，但是对其进行主观评价的效果并不理想。这就要求从主观评价出发，考虑闭环综合性能指标，即将人—车—路看成一个系统，建立合理、可行的闭环性能评价体系，实现主观评价与客观评价的统一。另外，还要把四轮转向技术与其他主动安全技术(如ABS、ASR、VDC等)相结合，获得更高的车辆主动安全性。

1.5设计的预期成果

本次设计，我将取得如下成果：1、设计说明书：(1)齿轮齿条式转向器各零件的

结构；(2)齿轮齿条式转向器主要参数的选择与优化；(3)齿轮轴的设计计算；(4)调整弹簧的设计计算；(5)轴承的选择。2、图纸有：齿轮齿条式转向器、转向齿轮、转向齿条、转向蜗杆箱、齿条衬套套管、转向拉杆、万向传动节、齿条支撑、调整螺塞。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2urf.html