机械式汽车转向系统设计

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摘要 (1)
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前言.. (2)
国内外发展情况 (3)
1.转向系统 (6)
1.1转向系统概述 (6)
1.2转向操纵机构 (7)
1.3转向传动机构 (9)
1.4转向器与转向器形式 (10)
1.5动力转向机构 (11)
1.6齿轮齿条式转向器的优点 (11)
2.机械型转向器原理 (12)
2.1齿轮齿条式转向器的分类 (12)
2.2转向系主要性能参数 (14)
2.2.1转向器的效率 (14)
2.2.2传动比的变化特性 (16)
3.齿轮齿条的设计步骤 (19)
3.1齿轮齿条的设计 (19)
3.2齿轮齿条设计程序框图 (23)
4.转向器齿轮轴设计及其校核 (25)
4.1确定使用材料 (25)
4.2轴的结构的设计及校核 (25)
5.轴承及其转向器壳体和阀体的选择和确定 (30)
5.1轴承选择和确定 (30)
5.2转向器壳体和阀体 (30)
6.总结 (31)
参考文献 (32)
致谢 (33)
摘要
本课题的题目是J01机械型转向器的设计。

齿轮齿条转向器设计的核心有两点：一是齿轮和齿条的合理匹配，以满足转向器的正确传动比和强度要求；二是转向器调整机构的设计，合理匹配出弹簧的刚度，以保证转向器的启动力矩和啮合特性。

因此本课题在考虑上述要求和因素的基础上研究利用转向盘的旋转带动传动机构的齿轮齿条转向轴转向，通过万向节带动转向齿轮轴旋转，转向齿轮轴与转向齿条啮合，从而促使转向齿条直线运动，实现转向。

实现了转向器结构简单紧凑，轴向尺寸短，且零件数目少的优点又能增加助力，从而实现了汽车转向的稳定性和灵敏性。

在本文中主要进行了转向器齿轮齿条的设计和对转向齿轮轴的校核，主要方法和理论采用汽车设计的经验参数和大学所学机械设计的课程内容进行设计，其结果满足强度要求，安全可靠。

关键词：机械型转向器；阀套；阀芯；齿轮齿条
前言
改革开放以来，我国汽车工业发展迅猛。

作为汽车关键部件之一的转向系统也得到了相应的发展，基本已形成了专业化、系列化生产的局面。

有资料显示，国外有很多国家的转向器厂，都已发展成大规模生产的专业厂，年产超过百万台，垄断了转向器的生产，并且销售点遍布了全世界。

由于汽车转向器属于汽车系统中的关键部件，它在汽车系统中占有重要位置，因而它的发展同时也反映了汽车工业的发展，它的规模和质量也成为了衡量汽车工业发展水平的重要标志之一。

随着汽车高速化和超低扁平胎的通用化，过去采用循环球转向器和循环球变传动比转向器只能相对地解决转向轻便性和操纵灵便性的问题，要想从跟本上解决这两个问题只有安装动力转向器。

因此，除了重型汽车和高档轿车早已安装动力转向器外，近年来在中型货车、豪华客车及中档轿车上都已经开始安装动力转向器，随着动力转向器的设计水平的提高、生产规模的扩大和市场的需要，其他的一些车型也必须陆续安装动力转向器。

液压助力型转向器的设计使汽车在低速行驶或车辆就位时，驾驶员只需用较小的操作力就能灵活进行转向;而在高速行驶时，则自动控制，使操作力逐渐增大，实现了稳定操纵。

虽然这种转向器具有很多优点，在目前的技术水准下它仍然存在某些不足之处，例如助力较小等;因此，目前液压式动力转向器仍然占据着很大的市场份额，其性能也在不断地提高。

对于液压助力型动力转向器的研究有着非常深远的意义. 因此本课题在考虑上述要求和因素的基础上研究利用转向盘的旋转带动传动机构的齿轮齿条转向轴转向，通过万向节带动转向齿轮轴旋转，转向齿轮轴与转向齿条啮合，从而促使转向齿条直线运动，实现转向。

实现了转向器结构简单紧凑，轴向尺寸短，且零件数目少的优点又能增加助力，从而实现了汽车转向的稳定性和灵敏性。

国内外发展情况
1 现代汽车转向装置的设计趋势
1.1 适应汽车高速行驶的需要
从操纵轻便性、稳定性及安全行驶的角度，汽车制造广泛使用更先进的工艺方法，使用变速比转向器、高刚性转向器。

“变速比和高刚性”是目前世界上生产的转向器结构的方向。

1．2 充分考虑安全性、轻便性
随着汽车车速的提高，驾驶员和乘客的安全非常重要，目前国内外在许多汽车上已普遍增设能量吸收装置，如防碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊等，并逐步推广。

从人类工程学的角度考虑操纵的轻便性，已逐步采用可调整的转向管柱和动力转向系统。

1.3 低成本、低油耗、大批量专业化生产
随着国际经济形势的恶化，石油危机造成经济衰退，汽车生产愈来愈重视经济性，因此，要设计低成本、低油耗的汽车和低成本、合理化生产线，尽量实现大批量专业化生产。

对零部件生产，特别是转向器的生产，更表现突出。

1．4 汽车转向器装置的电脑化
汽车的转向器装置，必定是以电脑化为唯一的发展途径。

2 现代汽车转向装置的发展趋势
2．1 现代汽车转向装置的使用动态
随着汽车工业的迅速发展，转向装置的结构也有很大变化。

汽车转向器的结构很多，从目前使用的普遍程度来看，主要的转向器类型有4种：有蜗杆肖式(WP型)、蜗杆滚轮式(WR型)、循环球式(BS型)、齿条齿轮式(RP型)。

这四种转向器型式，已经被广泛使用在汽车上。

据了解，在世界范围内，汽车循环球式转向器占45％左右，齿条齿轮式转向器占40％左右，蜗杆滚轮式转向器占10％左右，其它型式的转向器占5％。

循环球式转向器一直在稳步发展。

在西欧小客车中，齿条齿轮式转向器有很大的发展。

日本汽车转向器的特点是循环球式转向器占的比重越来越大，日本装备不同类型发动机的各类型汽车，采用不同类型转向器，在公共
汽车中使用的循环球式转向器，已由60年代的62．5％，发展到现今的100％了(蜗杆滚轮式转向器在公共汽车上已经被淘汰)。

大、小型货车大都采用循环球式转向器，但齿条齿轮式转向器也有所发展。

微型货车用循环球式转向器占65％，齿条齿轮式占 35％。

综合上述对有关转向器品种的使用分析，得出以下结论：
循环球式转向器和齿轮齿条式转向器，已成为当今世界汽车上主要的两种转向器；而蜗轮#0;蜗杆式转向器和蜗杆肖式转向器，正在逐步被淘汰或保留较小的地位。

在小客车上发展转向器的观点各异，美国和日本重点发展循环球式转向器，比率都已达到或超过90％；西欧则重点发展齿轮齿条式转向器，比率超过50％，法国已高达95％。

由于齿轮齿条式转向器的种种优点，在小型车上的应用(包括小客车、小型货车或客货两用车)得到突飞猛进的发展；而大型车辆则以循环球式转向器为主要结构。

2．2 循环球式转向器特点
循环球式转向器的特点是：效率高，操纵轻便，有一条平滑的操纵力特性曲线。

布置方便。

特别适合大、中型车辆和动力转向系统配合使用；易于传递驾驶员操纵信号；逆效率高、回位好，与液压助力装置的动作配合得好。

可以实现变速比的特性，满足了操纵轻便性的要求。

中间位置转向力小、且经常使用，要求转向灵敏，因此希望中间位置附近速比小，以提高灵敏性。

大角度转向位置转向阻力大，但使用次数少，因此希望大角度位置速比大一些，以减小转向力。

由于循环球式转向器可实现变速比，应用正日益广泛。

通过大量钢球的滚动接触来传递转向力，具有较大的强度和较好的耐磨性。

并且该转向器可以被设计成具有等强度结构，这也是它应用广泛的原因之一。

变速比结构具有较高的刚度，特别适宜高速车辆车速的提高。

高速车辆需要在高速时有较好的转向稳定性，必须保证转向器具有较高的刚度。

间隙可调。

齿条齿扇副磨损后可以重新调整间隙，使之具有合适的转向器传动间隙，从而提高转向器寿命，也是这种转向器的优点之一。

我国的转向器生产，除早期投产的解放牌汽车用蜗杆#0;滚轮式转向器，
东风汽车用蜗杆肖式转向器之外，其它大部分车型都采用循环球式结构，并都具有一定的生产经验。

目前解放、东风也都在积极发展循环球式转向器，并已在第二代换型车上普遍采用了循环球式转向器。

由此看出，我国的转向器也在向大量生产循环球式转向器发展。

2.3 转向器生产专业化
循环球式转向器在国外实现了专业化生产，同时以专业厂为主、大力进行试验和研究，大大提高了产品的产量和质量。

在日本“精工”(NSK)公司的循环球式转向器就以成本低、质量好、产量大，逐步占领日本市场，并向全世界销售它的产品。

德国ZF公司也作为一个大型转向器专业厂著称于世。

它从1948年开始生产ZF型转向器，年产各种转向器200多万台。

还有一些比较大的转向器生产厂，如美国德尔福公司SAGINAW分部；英国BURM#0;AN 公司都是比较有名的专业厂家，都有很大的产量和销售面。

专业化生产已成为一种趋势，只有走这条道路，才能使产品质量高、产量大、成本低，在市场上有竞争力。

2.4动力转向是发展方向
动力转向系统的应用日益广泛，不仅在重型汽车上必须装备，在高级轿车上应用的也较多，在中型汽车上的应用也逐渐推广。

主要是从减轻驾驶员疲劳，提高操纵轻便性和稳定性出发。

虽然带来成本较高和结构复杂等问题，但由于优点明显，还是得到很快的发展。

动力转向有3种形式：整体式、半分置式及联阀式动力转向结构。

目前3种形式各有特点，发展较快，整体式多用于前桥负荷3～8t汽车，联阀式多用于前桥负荷5#0;18t汽车，半分置式多用于前桥负荷6t以上到超重型汽车。

从发展趋势上看，国外整体式转向器发展较快，而整体式转向器中转阀结构是目前发展的方向。

1.转向系统
1.1转向系统概述
汽车行驶过程中，经常需要改变行驶方向，即所谓的转向，这就需要有一套能够按照司机意志使汽车转向的机构，它将司机转动方向盘的动作转变为车轮(通常是前轮)的偏转作。

按转向力能源的不同，可将转向系分为机械转向系和动力转向系。

机械转向系的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，由转向操纵机构(方向盘)、转向器、转向传动机构三大部分组成。

其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动(严格讲是近似直线运动)的机构，是转向系的核心部件[2]。

动力转向系除具有以上三大部件外，其最主要的动力来源是转向助力装置。

由于转向助力装置最常用的是一套液压系统，因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐，它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电机和地线的作用。

通常，对转向系的主要要求是:
(1)保证汽车有较高的机动性，在有限的场地面积内，具有迅速和小半径转弯的能力，同时操作轻便;
(2) 汽车转向时，全部车轮应绕一个瞬时转向中心旋转，不应有侧滑;
(3)传给转向盘的反冲要尽可能的小;
(4) 转向后，转向盘应自动回正，并应使汽车保持在稳定的直线行驶状态;
(5) 发生车祸时，当转向盘和转向轴由于车架和车身变形一起后移时，转向系统最好有保护机构防止伤及乘员[3].
下图是一种机械式转向系统如图1-1示。

驾驶员对转向盘1施加的转向力矩通过转向轴2输入转向器8。

从转向盘到转向传动轴这一系列零件即属于转向操纵机构。

作为减速传动装置的转向器中有1、2级减速传动副（右图所示转向系统中的转向器为单级减速传动副）。

经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆6，再传给固定于转向节3上的转向节臂5，使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而改变了汽车的行驶方向。

这里，转
向横拉杆和转向节臂属于转向传动机构。

l.转向盘 2.安全转向轴 3.转向节 4.转向轮 5.转向节臂 6.转向横拉
杆 7.转向减振器 8.机械转向器
图1-1 机械系统简图
1.2转向操纵机构
转向盘即通常所说的方向盘。

转向盘内部有金属制成的骨架，是用钢、铝合金或镁合金等材料制成。

由圆环状的盘圈、插入转向轴的转向盘毂，以及连接盘圈和盘毂的辐条构成。

采用焊接或铸造等工艺制造，转向轴是由细齿花键和螺母连接的。

骨架的外侧一般包有柔软的合成橡胶或树脂，也有采用皮革包裹以及硬木制作的转向盘。

转向盘外皮要求有某种程度的柔软度，手感良好，能防止手心出汗打滑的材质，还需要有耐热、耐候性。

转向盘的功能：转向盘位于司机的正前方，是碰撞时最可能伤害到司机的部件，因此需要转向盘具有很高的安全性，在司机撞在转向盘上时，骨架能够产生变形，吸收冲击能，减轻对司机的伤害。

转向盘的惯性力矩也是很重要的，惯性力矩小，我们就会感到“轮轻”，操做感良好，但同时也容易
受到转向盘的反弹(即“打手”)的影响，为了设定适当的惯性力矩，就要调整骨架的材料或形状等。

现在的转向盘与以前的看似没有太大变化，但实际上已经有了改进。

由于转向助力装置的普及，转向盘外径变小了，而手握处却变粗了，采用柔软材料，使操作感得到了改善。

现在有越来越多的汽车在转向盘里安装了安全气囊，也使汽车的安全性大大提高了。

转向盘的集电环：转向盘上有喇叭开关，必须时刻与车身电器线路相连，而旋转的转向盘与组合开关之间显然不能用导线直接相连，因此就必须采用集电环装置。

集电环好比环形的地铁轨道，喇叭开关的触点就象奔跑在轨道上的电车，时刻保持接通的状态。

由于是机械接触，长时间使用触点会因磨损影响导电性，导致紧急时刻喇叭不鸣甚至气囊不工作。

因此，最近装备气囊的汽车开始装用电缆盘，代替集电环。

转向盘的端子与组合开关的端子用电缆线连接，电缆盘将电线卷入盘内，类似于吸尘器的电线卷取机构，在转向盘旋转范围内，电线*卷筒自由伸缩。

这种装置大大提高了电器装置的可靠性。

如图：图1-2和图1-3所示。

1.轮圈
2.轮辐
3.轮毂
图1-2转向盘简图
图1-3 操纵机构简图
转向操纵机构由方向盘、转向轴、转向管柱等组成，它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。

1.3转向传动机构
为牢固支承转向盘而设有转向柱。

传递转向盘操作的转向轴从中穿过，由轴承和衬套支承。

转向柱本体安装在车身上。

转向机构应备有吸收汽车碰撞时产生的冲击能的装置。

许多国家都规定轿车义务安装吸能式转向柱。

吸能装置的方式很多，大都通过转向柱的支架变形来达到缓冲吸能的作用。

转向轴与转向器齿轮箱之间采用连轴节相连(即两个万向节)，之所以用连轴节，除了可以改变转向轴的方向，还有就是使得转向轴可以作纵向的伸缩运动，以配合转向柱的缓冲运动。

可倾斜式转向机构：正是由于有了连轴节，转向轴可以有不同的倾斜角度，使转向盘的位置可以上下倾斜，适应各种身高和体形的司机。

通过操作位于转向柱下侧的手柄，使转向柱处于放松状态，将转向盘调至自己喜好的位置，再反向转动手柄，使转向柱固定在新的位置上。

现在的一些高级轿车上已经采用电动式转向盘倾斜调整机构。

转向轴内装有专用电机，使转向轴改变倾斜角度。

最新型的调整机构是全自动式由计
算机控制的。

司机在下车前将点火钥匙拔出，转向盘便自动升起，以便司机顺利下车。

但计算机会记住原来的转向盘位置，当点火钥匙再次插入时，转向盘会自动恢复原位。

可伸缩式转向机构：该机构可象望远镜那样伸缩调整转向盘的前后位置。

转向轴也象望远镜一样有双重结构，内筒与外筒用花键啮合，使它们无法相对转动，而只能沿键槽方向做伸缩运动。

与倾斜调整机构相同，可操作手柄解除或固定伸缩动作，一部分车也采用电动式计算机控制的全自动伸缩式转向机构。

1.4转向器与转向器形式
转向器(也常称为转向机)是完成由旋转运动到直线运动(或近似直线运动)的一组齿轮机构，同时也是转向系中的减速传动装置。

历史上曾出现过许多种形式的转向器，目前较常用的有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、循环球曲柄指销式、蜗杆滚轮式等。

其中第二、第四种分别是第一、第三种的变形形式，而蜗杆滚轮式则更少见。

我们只介绍目前最常用，最有代表性的两种形：齿轮齿条式和循环球式。

齿轮齿条式：齿轮齿条方式的最大特点是刚性大，结构紧凑重量轻，且成本低。

由于这种方式容易由车轮将反作用力传至转向盘，所以具有对路面状态反应灵敏的优点，但同时也容易产生打手和摆振等现象。

齿轮与齿条直接啮合，将齿轮的旋转运动转化为齿条的直线运动，使转向拉杆横向拉动车轮产生偏转。

齿轮并非单纯的平齿轮，而是特殊的螺旋形状，这是为了尽量减小齿轮与齿条之间的啮合间隙，使转向盘的微小转动能够传递到车轮，提高操作的灵敏性，也就是我们通常所说的减小方向盘的旷量。

不过齿轮啮合过紧也并非好事，它使得转动转向盘时的操作力过大，人会感到吃力。

循环球式：这种转向装置是由齿轮机构将来自转向盘的旋转力进行减速，使转向盘的旋转运动变为涡轮蜗杆的旋转运动，滚珠螺杆和螺母夹着钢球啮合，因而滚珠螺杆的旋转运动变为直线运动，螺母再与扇形齿轮啮合，直线运动再次变为旋转运动，使连杆臂摇动，连杆臂再使连动拉杆和横拉杆做直线运动，改变车轮的方向。

1.5动力转向机构
动力转向机是利用外部动力协助司机轻便操作转向盘的装置。

随着最近汽车发动机马力的增大和扁平轮胎的普遍使用，使车重和转向阻力都加大了，因此动力转向机构越来越普及。

值得注意的是，转向助力不应是不变的，因为在高速行驶时，轮胎的横向阻力小，转向盘变得轻飘，很难捕捉路面的感觉，也容易造成转向过于灵敏而使汽车不易控制。

所以在高速时要适当减低动力，但这种变化必须平顺过度。

(一)液压式动力转向装置
液压式动力转向装置重量轻，结构紧凑，利于改善转向操作感觉，但液体流量的增加会加重泵的负荷，需要保持怠速旋转的机构。

(二)电动式动力转向装置
电动式动力转向装置是最新形式的转向装置，由于它节能，故受到人们的重视。

它是利用蓄电池转动电机产生推力。

由于不直接使用发动机的动力，所以大大降低了发动机的功率损失(液压式最大损失5-10马力)，且不需要液压管路，便于安装。

尤其有利于中置发动机后轮驱动的汽车。

但目前电动式动力转向装置所得动力还比不上液压式，所以只限用于前轮轴轻的中置发动机后驱动的汽车上。

(三)电动液压式动力转向装置
即由电机驱动转向助力泵并由计算机控制的方式，它集液压式和电动式的优点于一体。

因为是计算机控制，所以转向助力泵不必经常工作，节省了发动机的功率。

这种方式结构紧凑，便于安装布置，但液压产生的动力不能太大，所以适用排量小的汽车。

1.6齿轮齿条式转向器的优点
(1)构造筒单,结构轻巧。

由于齿轮箱小,齿条本身具有传动杆系的作用,因此,它不需耍循环球式转向器上所使用的拉杆
(2)因齿轮和齿条直接啮合,操纵灵敏性非常高。

(3)滑动和转动阻力小,转矩传递性能较好,因此,转向力非常轻。

(4)转向机构总成完全封闭,可免于维护。

2.机械型转向器原理
2.1齿轮齿条式转向器的分类
1.转向横拉杆
2.防尘套
3.球头座
4.转向齿条
5.转向器壳体
6.调整螺
塞 7.压紧弹簧 8.锁紧螺母 9.压块 10.万向节 11.转向齿轮轴 12.向心球轴承 13.滚针轴承
图2-1 两端式齿轮齿条转向器
齿轮齿条式转向器：齿轮齿条式转向器分两端输出式和中间（或单端）输出式两种。

（一）两端输出的齿轮齿条式转向器，作为传动副主动件的转向齿轮轴通过轴承和安装在转向器壳体中，其上端通过花键与万向节和转向轴连接。

与转向齿轮啮合的转向齿条水平布置，两端通过球头座与转向横拉杆相连。

弹簧通过压块将齿条压在齿轮上，保证无间隙啮合。

弹簧的预紧力可用调整螺塞调整。

当转动转向盘时，转向器齿轮转动，使与之啮合的齿条沿轴向移动，从而使左右横拉杆带动转向节左右转动，使转向车轮偏转，从而实现汽车转向。

两端输出的齿轮齿条式转向器如图2-1所示，作为传动副主动件的转向齿轮轴11通过轴承12和13安装在转向器壳体5中，其上端通过花键与万向节*10和转向轴连接。

与转向齿轮啮合的转向齿条4水平布置，两端通过
球头座3与转向横拉杆1相连。

弹簧7通过压块9将齿条压在齿轮上，保证无间隙啮合。

弹簧的预紧力可用调整螺塞6调整。

当转动转向盘时，转向器齿轮11转动，使与之啮合的齿条4沿轴向移动，从而使左右横拉杆带动转向节左右转动，使转向车轮偏转，从而实现汽车转向。

中间输出的齿轮齿条式转向器如图2-2所示，其结构及工作原理与两端输出的齿轮齿条式转向器基本相同，不同之处在于它在转向齿条的中部用螺栓6与左右转向横拉杆7相连。

（二）中间输出的齿轮齿条式转向器，其结构及工作原理与两端输出的齿轮齿条式转向器基本相同，不同之处在于它在转向齿条的中部用螺栓与左右转向横拉杆相连。

在单端输出的齿轮齿条式转向器上，齿条的一端通过内外托架与转向横拉杆相连。

循环球式转向器循环球式转向器是目前国内外应用最广泛的结构型式之一，一般有两级传动副，第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿扇传动副。

为了减少转向螺杆转向螺母之间的摩擦，二者的螺纹并不直接接触，其间装有多个钢球，以实现滚动摩擦。

转向螺杆和螺母上都加工出断面轮廓为两段或三段不同心圆弧组成的近似半圆的螺旋槽。

二者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面的螺旋管状通道。

螺母侧面有两对通孔，可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内。

转向螺母外有两根钢球导管，每根导管的两端分别插入螺母侧面的一对通孔中。

导管内也装满了钢球。

这样，两根导管和螺母内的螺旋管状通道组合成两条各自独立的封闭的钢球"流道"。

转向螺杆转动时，通过钢球将力传给转向螺母，螺母即沿轴向移动。

同时，在螺杆及螺母与钢球间的摩擦力偶作用下，所有钢球便在螺旋管状通道内滚动，形成"球流"。

在转向器工作时，两列钢球只是在各自的封闭流道内循环，不会脱出。

在单端输出的齿轮齿条式转向器上，齿条的一端通过内外托架与转向横拉杆相连。