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1、汽车循环球式液压助力转向器当前位置：文档视界汽车循环球式液压助力转向器汽车循环球式液压助力转向器循环球式汽车方向机的总体设计及其三维装配设计机械设计制造及其自动化学生指导教师摘要：转向系统是组成汽车的各个部分中极其重要的一部分，是用来改变或者保持汽车的行驶方向的系统。纵观转向系统的发展，主要经历了下面几个阶段:机械转向系统、液压动力转向系统、电控液压动力转向系统、电动助力转向系统、四轮转向系统、主动前轮转向系统、线控转向系统。国内外如今最新的是线控转向系统，但是循环球式转向器在市场上仍然占有比拟大的地位。研究设计循环球式转向器要遵循“需求分析原理分析概要设计具体设计这样的思路。设计循环球式转向
2、器，按需求，采用液压助力，先对转向器的原理进行分析，然后分析各种转向器的性能，接着进行循环球式转向器构造选型，在构造确定之后就对各零部件参数进行设计计算以及选取材料和零部件的强度校核，最后是针对零件的PRO/E三维建模，在零件三维模型建立好的基础上，对转向器的壳体进行设计，在所以零件、壳体、箱盖的三维模型都建立好之后进行总体三维装配设计。在完成总装之后，将关键零部件以及总成图的三维图导成二维的CAD图形，并对二维图进行处理，处理为零件图和装配图。关键词：循环球式、转向器、液压助力、转阀、螺杆Theoveralldesignoftherecirculatingballtypesteeringma
3、chineandits3DassemblydesignMechanicalDesignManufacturinganditsautomationUndergraduate:Supervisor:Abstract:Steeringsystemisanextremelyimportantpartofvariouspartsinautomotive,whichisusedtochangeormaintainvehicledirectional.Throughoutthedevelopmentofsteeringsystem,itmainlyexperiencedthefollowingphases:
4、mechanicalsteeringsystem,hydraulicpowersteeringsystem,electrichydraulicpowersteeringsystem,electricpowersteeringsystem,fourwheelsteeringsystem,activefrontsteeringsystem,thesteeringbywiresystem.Domesticandforeignnewestnowisthesteeringbywiresystem,buttherecirculatingballtypesteeringgearstilloccupiesal
5、argerroleinthemarket.StudyanddesigntherecirculatingballtypesteeringgearshouldfollowtheAnanalysisofneeds-Ananalysisoftheprinciple-Generaldesign-Summaryofsuchdetaileddesign.Thedesignoftherecirculatingballtypesteeringgear,accordingtothedemand,thehydraulicpower,thefirstprincipleofsteeringgearisanalyzed,
6、andthenanalysistheperformanceofvarioussteering,thenselectastructuremodeloftherecirculatingballtypesteeringgear.Afterthestructureisdetermined,weshoulddesignandcalculatetheparameterofeachpartandselecttheirmaterials,andmadeastrengthcheckingforallparts.Finally,PRO/Ethree-dimensionalmodelingofpartsin3Dpa
7、rtmodel,onthebasisofthree-dimensionalmodelofthepartisestablished,designtheboxofthesteeringgear,afterthe3Dmodelsofallpartsandshellaswellastheboxbeenestablished,whatweshoulddoistheoverall3Dassemblydesign.Afterthecompletionofassembly,convertedthe3Dfigureofthekeypartsandassemblydrawingintotwo-dimensiona
8、lCADgraphics,anddealwiththeCADgraphics,madeitbepartdrawingsandassemblydrawings.Keyword:recirculatingballtype，steeringgear,hydraulicpower,rotaryvalve,screw目录第一章绪论(6)1.1概述(6)1.2转向器的发展历史(6)1.3转向器的分类(7)1.4转向器的研究现状(8)1.5选题意义(9)1.6本课题的主要研究内容、研究思路(9)1.7本章小结(10)第二章循环球式液压助力转向器(11)2.1循环球式液压助力转向器的构造(11)2.2循环球式
9、液压助力转向器的工作原理(11)2.3本章小结(13)第三章循环球式液压助力转向器的总体设计(14)3.1转向器的设计条件(14)3.2转向器的设计要求(14)3.3循环球式液压助力转向器的构造选型(14)3.4转向器的计算载荷确实定(17)3.5转向系的效率(17)3.6转向器的构造设计与计算(18)3.6.1螺杆、螺母基本参数的设计(18)3.6.2齿条齿扇传动副的设计(21)3.6.3转阀的设计(24)3.6.4壳体构造的设计(28)3.7本章小结(30)第四章零件的强度校核(31)4.1钢球与滚道之间的接触应力(31)4.2齿的弯曲应力(32)4.3转向摇臂轴直径确实定(32)4.4本
10、章小结(32)第五章转向器的PRO/E三维装配设计(33)5.1PRO/E软件的介绍(33)5.2转向器主要零件的三维设计(33)5.3三维图转二维图(36)5.4本章小结(36)第六章课程总结与瞻望(37)6.1课程的总结(37)6.2瞻望(37)参考文献(38)致谢(40)第一章绪论1.1概述转向系统是组成汽车的各个部分中极其重要的一部分，是用来改变或者保持汽车的行驶方向的系统。转向系统的存在使得驾驶员能够根据本人的意愿在汽车行驶经过中随时改变汽车的行驶方向，而当路面状况不佳例如汽车经常受地面影响而自动偏转时，转向系统的存在使得驾驶员能够维持汽车行驶方向的稳定，因而汽车的转向系统能够直接或
11、间接地影响汽车的操作和使用的安全性和稳定性。汽车转向系统包括转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分，转向器是其中极其重要的一个主要部件。转向器又名转向机、方向机，它的作用是：将驾驶员作用在方向盘上的转向力先通过万向节传递到转向器的载荷输入端然后通过其内部零件的传动把经过传动比转化的力传递到转向器的扇齿轴，即输出端然后通过连接在扇齿轴上的摇臂以及和摇臂相接的平面传动机构传递到车轮上，驱动车轮偏转，以实现汽车的转向。1.2转向器的发展历史一百多年前，汽车诞生，当时的汽车转向机构是模拟自行车的转向方式用一个简单的操纵杆来控制前轮的偏转，来实现汽车的转向，而当时的操纵机构操作起来比拟费力，更严重的
12、问题是不可靠，比拟容易发惹事故。但是困难永远难不倒聪明的人类，随着时代的发展，人们对这些机械产品的要求的逐步提高，这也催促了汽车发展的迅猛，于是乎，在随后的几十年里转向盘和转向柱的出现渐渐代替了操纵杆，也就随之出现了最早的转向器机械转向器，而最早被应用的是蜗轮蜗杆式转向器。然而即便有了机械转向器的出现，驾驶员靠手动转动转向盘来控制汽车的转向仍然比拟费力，而且仍不够稳定，在汽车日益普遍的环境下，出现事故的几率仍然没有减少，于是人们开场提出给机械转向器提供助力，用助力机构来辅助转向，减轻驾驶员的负担。1923年，在美国的底特律市，亨利马尔斯为了减少蜗轮副和滚轮的摩擦力，在两者之间的接触部分参加了钢
13、珠作为介质众所周知滚动摩擦要比滑动摩擦的力要小得多，而这就奠定了循环球式转向器的基础。1928年，弗朗西斯戴维斯成功研制了采用液压作为助力的转向器，并初次应用。但在当时，由于经济条件和其他方面因素的影响，液压助力转向器一直得不到重视，直到二战时期才重新推广应用。1954年，凯迪拉克汽车公司初次把液压助力转向应用于汽车上。从此之后的很长一段时间里，液压助力的转向器成为了风行全球的转向器。而在稳居了40年之后，随着工业的发展，电力逐步进入转向器的世界，并成为其中的一个很重要的角色。随后的80年代，出现了电液助力转向器和电动助力转向器也有人以为电液助力转向器是液压助力转向器发展到电动助力转向器的过渡
14、产品，如今电子技术日新月异，汽车转向器又发展到了主动前轮转向系统AFS和线控转向系统SBW，这些技术已经成熟。到今天，已经不是单纯机械意义上的汽车了，它是机械、电子、材料等学科的综合产物。纵观转向系统的发展，主要经历了下面几个阶段:机械转向系统、液压动力转向系统、电控液压动力转向系统、电动助力转向系统、四轮转向系统、主动前轮转向系统、线控转向系统。汽车转向系统的发展，总是顺应操作愈加方便智能的发展方向。其中，电动助力转向系统作为当代汽车转向技术的发展趋势，有着广阔的应用和发展空间。根据我国转向系统的研究现状，以及与国外研究和发展的差距，研究和开发拥有自主知识产权的EPS具有重要意义，并将为进一
15、步开发线控电动转向系统打下基础。1.3转向器的分类1、根据转向器动力的来源能够将其分为五大类：机械式转向器、液压助力转向器、电动助力转向器、电控液压转向器和线控转向器。机械式转向器：这种转向器依靠驾驶员转动方向盘的力作为转向的全部动力来源，无任何助力系统，这使得地面对轮胎转向的反作用力会间接地作用于驾驶员，因此地面的路况就会全部反应给驾驶员，使其转动方向盘时容易打手。由力矩=力作用长度这一公式可知，人转动方向盘的力气是有限的，在机械式转向器的传动比一定时，若要操作轻便，就必须加大作用长度，即加大方向盘的直径，这样就会使得方向盘占用较大的空间，不符合汽车整体构造优化设计的理念，因而这种转向器的应
16、用范围遭到了很大的限制。液压助力转向器：这种转向器主要由油泵、液压分配阀、和助力机构组成。其工作原理如下：皮带带动油泵，把液压油通过液压分配阀输入到助力器里面，助力器里有一个活塞，活塞两端各有一个封闭的油腔，每个油腔各有一条油道和液压阀相接。当汽车直线行驶的时候，阀处于中间位置，上、下两个油腔间接地接通，两端的油压相等，助力器不起作用；当转动转向盘时，阀会偏转一个小角度，相对应的与油腔相接的油道就会打开，油进入对应一侧的油腔，油压大于另一侧油腔的油压，此时活塞就会移动，促使转向器转动，起到了助力的作用。电动助力转向器：这种转向器的助力来源是电动机，电动机是安装在车轮转向传动机构附近，电动机依靠
17、电子控制单元对车速、转向力矩等因素的分析、执行来控制。其工作原理如下：当转动方向盘时，装在方向盘轴上的转矩传感器测出转向轴上的转矩信号，该信号与车速信号同时输入到电子控制单元。电控单元根据这些输入信号，确定助力转矩的大小和方向，就会选定完成助力转向所需的电动机的电流和电机的转动方向，调整转向辅助动力的大小。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与汽车工作状况相适应的转向作用力。电控液压助力转向器：顾名思义，这种转向器是电动助力转向器和液压助力转向器的结合体。这种转向器主要由储油罐、助力转向控制单元、电动泵、转向机、助力转向传感器等组成，其中助力转向控
18、制单元和电动泵是一个整体构造。这种转向器所采用的液压泵不在依靠发动机皮带来驱动，而是采用一个电动泵，它所有的工作的状态都是由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态。其工作原理如下：简单地讲，在低速大转向时，电子控制单元驱动电子液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向省力；汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动电子液压泵以较低的速度运转，在不至于影响高速打转向的需要同时，节省一部分发动机功率。线控转向器：汽车线控转向系统由方向盘总成、转向执行总成和主控制器(ECU)三个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助系统组成。汽车线控转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，完
19、全由电能实现转向，摆脱了传统转向系统的各种限制，其工作原理如下：用传感器检测驾驶员的转向数据，然后通过数据总线将信号传递给车上的ECU，并从转向控制系统获得反应命令；转向控制系统也从转向操纵机构获得驾驶员的转向指令，并从转向系统获得车轮情况，进而指挥整个转向系统的运动。转向系统控制车轮转到需要的角度，并将车轮的转角和转动转矩反应到系统的其余部分，比方转向操纵机构，以使驾驶员获得路感，这种路感的大小能够根据不同的情况由转向控制系统控制。2、根据传动副的构造形式不同，转向器能够分为很多类，目前用的比拟多的是齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。这里主要介绍前三种。齿轮齿条式转向器：这是一种
20、最常见的转向器，由互相啮合的小齿轮和齿条组成。转向轴带动小齿轮旋转时，小齿轮带动齿条做直线运动，而齿条能够直接带动横拉杆来使车轮偏转。循环球式转向器：循环球式转向器中一般有两级传动副，第一级是螺杆和螺母传动副，第二级是齿条和齿扇传动副，因而，这种转向器主要由螺杆、螺母、齿扇等组成，有些带有助力的循环球式转向器还包括液压阀等这些部件。其工作原理如下：来自方向盘的转向力驱使转向器的输入轴转动，这种旋转运动通过螺杆和螺母传动副转变为螺母的直线运动，然后再通过齿条和齿扇传动副转变为齿扇的旋转运动，齿扇通过摇臂驱动车轮的转向。蜗杆滚轮式转向器：这种转向器主要由蜗杆和滚轮传动副组成，类似蜗杆蜗轮传动副，转
21、向轴带动蜗杆转动，蜗轮间接地带动车轮转向，这种转向器工作可靠，磨损小寿命长。1.4转向器的研究现状国内外如今最新的是线控转向系统，而国内外的研究焦点却是电动助力转向系统EPS。电动助力转向系统为上世纪八十年代，出现的一种机电技术,日本铃木公司于1988年首先研发出EPS,先后装备在Cervo车和Alto车上。如今,国内技术成熟并能实现批量生产EPS的内资企业不多,而日本JTEKT、德国ZF及韩国ManDo等先后在中国成立了EPS生产基地,它们具有外资背景的企业占据了国内EPS市场的相当大的份额。随着人们对汽车经济性、环保性、安全性的日益重视，以及计算机技术的迅猛发展，人们在汽车操纵的轻便性和稳
22、定性的需求上不断地研究创新，使得转向器逐步往“具有变速比、高刚性、智能化、人性化的方向发展，而且在将来，电动助力转向系统作为当代汽车转向技术的发展趋势，有着广阔的应用和发展空间。改革开放以来，我国对工业的发展极其重视，尤其是汽车行业，国家出台了一系列政策来保证汽车行业的稳定发展。目前，根据我国转向系统的研究现状，以及与国外研究和发展的差距，研究和开发拥有自主知识产权的EPS具有重要意义，并将为进一步开发线控电动转向系统打下基础。1.5选题意义一、培养系统化和流程化思维通过方向机的总体设计，从整体上系统的把握设计流程，由抽象到详细，先整体后局部，在完好的设计框架基础上作各零部件的设计，最后将各部
23、分有机地联合起来，培养以专业为背景的流程化思维。二、把握机械产品的先进设计方法，整合所学专业知识，把握计算机辅助设计的原理和方法。培养分析问题、解决问题、自学、独立考虑的能力，提高综合运用知识和独立设计能力，充分地把大学前三年的所学知识充分和新知识结合起来。三、从该课题的设计经过中，温故知新，培养本人的创新意识，让本人的思维想法不拘泥，培养本人的开放性思维，为以后的学习工作做好准备。1.6本课题的主要研究内容、研究思路研究内容：一、研究汽车方向机转向性能，建立符合汽车转向要求和具有人性化的设计意识，把握从方向盘的转动到车轮的偏转整个转向经过的传动原理，设计出的转向器要有良好的转向性能，并且保证
24、汽车操作稳定性。二、了解转向器的发展历史，分析比拟各种转向系统的性能特点，着重研究液压助力转向系统产生、现状、原理、构造、设计和助力特性。汽车方向机的总体设计，主要是循环球液压助力转向器的设计，主要了解把握该类型转向器的设计要领和方法。三、设计计算关键零件的尺寸，并利用PRO/E对这些零件进行三维建模，对方向机的壳体进行三维设计、建模，然后装配。最后转换成二维CAD工程图，并对关键零件进行二维图的绘制。研究思路：一、设计思路：遵循需求分析、原理分析、概要设计抽象、具体设计详细、三维建模、装配设计。二、总体设计流程：转向器原理分析转向系统、转向器性能分析循环球转向器构造选型转向器构造布局效率计算
25、、传动比的计算各零部件设计计算针对零件的PRO/E三维建模转向器的壳体设计三维装配设计。三、转向器各零件设计流程：选择零件类型、构造计算零件上的载荷确定计算准则选择零件的材料确定零件的基本尺寸构造设计强度校核计算画出零件三维图。四、技术支持与可行性：综合所学相关知识，并结合所查相关资料，借助计算机辅助设计软件PRO/E、CAD等，密切结合*教授的指导，发现问题、分析问题、解决问题。1.7本章小结本章主要介绍了转向器的发展历史、分类和国内外的研究现状，选题意义，以及本课题的研究内容和研究思路。第二章循环球式液压助力转向器2.1循环球式液压助力转向器的构造此次设计所采用的是整体式循环球式液压助力转
26、向器，液压阀采用的是转阀，这种动力转向器的构造主要由机械部分和液压部分组成，而其中的机械部分和普通的循环球式机械转向器基本上是一样的，由壳体、螺杆螺母、滚珠、齿条和齿扇、前盖、后盖、侧盖以及调整螺母等组成，而它的液压助力部分由控制阀、油缸、还有活塞活塞和螺母是集成于一体的等组成。详细如下列图2-1。图2-1循环球式液压助力转向器1控制阀；2螺杆；3齿条活塞螺母；4壳体；5调整螺栓；6侧盖；7齿扇轴在这种转向器中，由于有液压油的存在，在转向器工作时，缸体所承受的压力是非常大的，最大的工作压力能够到达15MPa，而此次设计中，转向器所承受的最大工作压力为13.7MPa。由上图能够看出，在缸体的上端
27、部分是油缸的工作油腔，左端油腔和右端油腔分别通过油道和转向器的转阀连接在一起，螺母和活塞集成于一体，既包含齿条，又有活塞的作用，螺杆和阀套集成在一起，转向轴和阀芯集成于一体，而转向轴和螺杆通过扭杆来连接。齿扇轴连接摇臂图中没有绘制出将转向力矩输出到车轮。这样的转向器做成一体的构造能够节省材料，减少零部件的加工量，但是对材料的要求很高，要求利用铝合金材料来做转向器的壳体。2.2循环球式液压助力转向器的工作原理本次设计选用的是六槽式转阀，阀芯的油槽上开有3个互相成120的油道与阀芯的内孔相接而直接和螺杆的中心孔相接，而螺杆的中心孔与其中一个油腔是连通的；而阀套上开有9个槽，3个接油箱为出油口，3个为进油口，还有三个接另一个油腔。方向盘转动时，输入轴转动，阀芯客服扭杆的弹性作用产生一个相对于阀套的小的角位移，即转阀中只要一侧油腔的油道口是全开的，另一侧全闭，这样油沿着打开的油道进入其中一侧的油腔，使得这一侧油腔的油压不断增大，另一侧的油腔油道封闭，油压不变，由于油是几乎不能被压缩的，这样两侧的油腔就会产生压力差，充满油的一侧油会推动活塞往另一侧