汽车转向器毕业设计

汽车转向器毕业设计

【篇一：毕业设计汽车转向系统】

摘要

本设计课题为汽车前轮转向系统的设计，课题以机械式转向系统的齿轮齿条式转向器设计及校核、整体式转向梯形机构的设计及验算

为中心。首先对汽车转向系进行概述，二是作设计前期数据准备，

三是转向器形式的选择以及初定各个参数，四是对齿轮齿条式转向

器的主要部件进行受力分析与数据校核，五是对整体式转向梯形机

构的设计以及验算，并根据梯形数据对转向传动机构作尺寸设计。在转向梯形机构设计方面。运用了优化计算工具matlab进行设计

及验算。matlab强大的计算功能以及简单的程序语法，使设计在参数变更时得到快捷而可靠的数据分析和直观的二维曲线图。最后设

计中运用autocad和catia作出齿轮齿条式转向器的零件图以及装配图。

关键词：转向机构，齿轮齿条，整体式转向梯形，matlab梯形abstract

the title of this topic is the design of steering system. rack and pinion steering of mechanical steering system and integrated steering trapezoid mechanism gear to the design as the center. firstly make an overview of the steering system. secondly take a preparation of the data of the design. thirdly, make a choice of the steering form and determine the primary parameters and design the structure of rack and pinion steering. fourthly, stress analysis and data checking of the rack and pinion steering. fifthly, design of steering trapezoid mechanism, according to the trapezoidal data make an analysis and design of steering linkage.

in the design of integrated steering trapezoid mechanism the computational tools matlab had been used to design and checking of the data. the powerful computing and intuitive charts of the matlab can give us accurate and quickly data. in the end autocad and catia were used to make a rack and pinion steering parts diagrams and assembly drawings

keywords: steering system，mechanical type steering gear and gear rack，

integrated steering trapezoid，matlab trapezoid

目录

1 绪

论 ....................................................................................................... (1)

1.1 汽车转向系统概

述 (1)

1.2 汽车转向系统的国内外现状及发展趋

势 (2)

1.3 研究内容及论文构

成 (3)

2 机械转向系统的性能要求及参

数 (5)

2.1 机械转向系统的结构组

成 (5)

2.2 转向系统的性能要

求 (6)

2.3 转向系的效

率 ....................................................................................................... . (7)

2.4 传动比特

性 ....................................................................................................... .. (9)

2.5 转向器传动副的传动间

隙 (11)

3 机械式转向器总体方案初步设

计 (12)

3.1 转向器的分类及设计选

择 (12)

3.2 齿轮齿条式转向器的基本设

计 (12)

3.2.1 齿轮齿条式转向器的结构选

择 (12)

3.2.2 齿轮齿条式转向器的布置形

式 (14)

3.2.3 设计目标参数表以及对应的转向轮偏角计

算 (15)

3.2.4 转向器参数选取与计

算 (16)

3.2.5 齿轮轴的结构设

计 (19)

3.2.6 转向器材料及其他零件选

择 (20)

4 齿轮齿条转向器校

核 ....................................................................................................... (21)

4.1 齿条的强度计

算 (21)

4.1.1 齿条受力分

析 (21)

4.1.2 齿条齿根弯曲强度的计

算 (22)

4.2 小齿轮的强度计

算 (23)

4.2.1 齿面接触疲劳强度计

算 (23)

4.2.2 齿轮齿根弯曲疲劳强度计

算 (26)

4. 3 齿轮轴强度校

核 (27)

5 转向梯形机构的设

计 ....................................................................................................... (31)

5.1 转向梯形机构概

述 (31)

5.2 整体式转向梯形机构方案分

析 (32)

5.3 整体式转向梯形机构数学模型分

析 (32)

5.4 基于matlab的整体式转向梯形机构优化设

计 (35)

5.4.1 转向梯形机构的优化概

况 (35)

5.4.2 转向梯形机构设计思

路 (36)

5.4.3 基于matlab的转向梯形机构设

计 (36)

5.5 转向传动机构的设

计 (43)

5.5.1 转向传送机构的臂、杆与球

销 (43)

5.5.2 转向横拉杆及其端

部 (43)

6 基于catia的齿轮齿条式转向系统的三维建

模 (45)

6.1 catia软件简

介 (45)

6.2 齿轮齿条式转向系统的主要部件三维建

模 (45)

结

论 ....................................................................................................... .. (49)

参考文

献 ....................................................................................................... ........................... 50 致

谢 ...................................................................................................... 错误！未定义书签。

附录基于matlab的转向梯形机构设计程

序 (52)

1 绪论

1.1 汽车转向系统概述

汽车在行驶的过程中,需按驾驶员的意志改变其行驶方向。就轮式汽

车而言,实现汽车转向的方法是, 驾驶员通过一套专设的机构,使汽车

转向桥(一般是前桥)上的车轮(转向轮)相对于汽车纵横线偏转一定角度。这一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构如图1.1所示，即称为汽车转向系统[1]。

图 1-1汽车转向系统

汽车转向系统分为两大类：机械转向系统和动力转向系统。

1、机械转向系统

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。汽车的转向

运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转

向轮来完成的。机械式转向系统工作过程为：驾驶员对转向盘施加

的转向力矩通过转向轴输入转向器，减速传动装置的转向器中有1、

2 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，再传给固定于转向节上的转向节臂，使转向节和它所支承的

转向轮偏转，从而实现汽车的转向。纯机械式转向系统根据转向器

形式可以分为：齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。1

【篇二：汽车转向系统毕业设计】

摘要

本课题的题目是转向系的设计。以齿轮齿条转向器的设计为中心，

一是汽车总体构架参数对汽车转向的影响；二是机械转向器的选择；三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；四是动力转向机构设计；五是梯形结构设计。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：转向系；机械型转向器；齿轮齿条；液压式助力转向器

1.绪论

1.1汽车转向系统概述

转向系统是汽车底盘的重要组成部分，转向系统性能的好坏直接影

响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性，它对于确保车

辆的行驶安全、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾

驶员的工作条件起着重要作用。随着现代汽车技术的迅速发展，汽

车转向系统已从纯机械式转向系统、液压助力转向系（hps）、电控

液压助力转向系统（ehps），发展到利用现代电子和控制技术的电

动助力转向系统（eps）及线控转向系统（sbw）。

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

1.1.1机械式转向系统

汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆

件传递到转向轮来完成的。机械式转向系统工作过程为：驾驶员对

转向盘施加的转向力矩通过转向轴输入转向器，减速传动装置的转

向器中有1、2 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，再传给固定于转向节上的转向节臂，使转向节

和它所支承的转向轮偏转，从而实现汽车的转向。纯机械式转向系

统根据转向器形式可以分为：齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。

纯机械式转向系统为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转

向盘，需占用较大的空间，整个机构笨拙，特别是对转向阻力较大

的中重型汽车，实现转向难度很大，这就大大限制了其使用范围。

但因结构简单、工作可靠、造价低廉，目前该类转向系统除在一些

转向操纵力不大、对操控性能要求不高的农用车上使用外已很少被

采用。

1.1.2液压助力转向系统（hps）

装配机械式转向系统的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操

纵负担过于沉重，为解决这个问题，美国gm 公司在20 世纪50 年

代率先在轿车上采用了液压助力转向系统。该系统是建立在机械系

统的基础之上，额外增加了一个液压系统。液压转向系统是由液压

和机械等两部分组成，它是以液压油做动力传递介质，通过液压泵

产生动力来推动机械转向器，从而实现转向。液压助力转向系统一

般由机械转向器、液压泵、油管、分配阀、动力缸、溢流阀和限压阀、油缸等

部件组成。为确保系统安全，在液压泵上装有限压阀和溢流阀。其

分配阀、转向器和动力缸置于一个整体，分配阀和主动齿轮轴装在

一起（阀芯与齿轮轴垂直布置），阀芯上有控制槽，阀芯通过转向

轴上的拨叉拨动。转向轴用销钉与阀中的弹性扭杆相接，该扭杆起

到阀的中心定位作用。在齿条的一端装有活塞，并位于动力缸之中，齿条左端与转向横拉杆相接。转向盘转动时，转向轴（连主动齿轮轴）带动阀芯相对滑套运动，使油液通道发生变化，液压油从油泵

排出，经控制阀流向动力缸的一侧，推动活塞带动齿条运动，通过

横拉杆使车轮偏转而转向。液压助力转向系统是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机带动液压泵产生的压力来实现车轮转向。由于液

压转向可以减少驾驶员手动转向力矩，从而改善了汽车的转向轻便

性和操纵稳定性。为保证汽车原地转向或者低速转向时的轻便性，

液压泵的排量是以发动机怠速时的流量来确定。汽车起动之后，无

论车子是否转向，系统都要处于工作状态，而且在大转向车速较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力，所以在一定

程度上浪费了发动机动力资源。并且转向系统还存在低温工作性能

差等缺点。

1.1.3电控液压助力转向系统（ehps）

由于液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时

的转向稳定性，因此，在1983年日本koyo 公司推出了具备车速感

应功能的电控液压助力转向系统（ehps）。ehps 是在液压助力系统基础上发起来的，在传统的液压助力转向系统的基础上增设了电控

装置，其特点是原来由发动机带动的液压助力泵改由电机驱动，取

代了由发动机驱动的方式，节省了燃油消耗；具有失效保护系统，

电子元件失灵后仍可依靠原转向系统安全工作；低速时转向效果不变，高速时可以自动根据车速逐步减小助力，增大路感，提高车辆

行使稳定性。电控液压助力转向系统是将液压助力转向与电子控制

技术相结合的机电一体化产品。一般由电气和机械两部分组成，电

气部分由车速传感器、转角传感器和电控单元ecu 组成；机械部分

包括齿轮齿条转向器、控制阀、管路和电动泵。其中电动泵的工作

状态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。简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动液

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，液压控制单元驱动液压泵以较低的速度运转，在不至影响

高速打转向的需要的同时，节省一部分发动机功率。

电控液压转向系统的工作原理：在汽车直线行驶时，方向盘不转动，电动泵以很低的速度运转，大部分工作油经过转向阀流回储油罐，

少部分经液控阀然后流回储油罐；当驾驶员开始转动方向盘时，ecu

根据检测到的转角、车速以及电动机转速的反馈信号等，判断汽车

的转向状态，决定提供助力大小，向驱动单元发出控制指令，使电

动机产生相应的转速以驱动油泵，进而输出相应流量和压力的高压油。高压油经转向控制阀进入齿条上的动力缸，推动活塞以产生适

当的助力，协助驾驶员进行转向操作，从而获得理想的转向效果。

电控液压助力转向系统在传统液压动力转向系统的基础上有了较大

的改进，但液压装置的存在，使得该系统仍有难以克服如渗油、不

便于安装维修及检测等问题。电控液压助力转向系统是传统液压助

力转向系统向电动助力转向系统的过渡。

1.1.4电动助力转向系统（eps）

1988年日本suzuki公司首先在小型轿车cervo 上配备了koyo 公

司研发的转向柱助力式电动助力转向系统。1990 年日本honda 公

司也在运动型轿车nsx 上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转

向系统，从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。eps 是在ehps 的基础上发展起来的, 它取消ehps 的液压油泵、油管、油缸

和密封圈等部件,完全依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构, 其结构简单、零件数量大大减少、可靠性增强, 解决了长期以来一直存

在的液压管路泄漏和效率低下的问题。电动助力转向系统在本田飞度、思域以及丰田新皇冠、奔驰新a-class等车型上纷纷被采用。

1.1.4.1电动助力转向系统构成

电动助力转向系统一般是由转矩（转向）传感器、电子控制单元ecu、电动机、电磁离合器以及减速机构组成。

1．1.4.2电动助力转向系统工作原理

电动助力转向系统的工作过程其工作过程为：扭矩传感器检测驾驶

员打方向盘的扭矩，然后根据这个扭矩给控制单元一个信号。同时

控制单元也会收到来自方向盘位置传感器的信号，这个传感器一般

是和扭矩传感器装在一起的（有些传

感器已经将这2 个功能集成为一体）。扭矩和方向盘位置信息经过

控制单元处理，连同传入控制单元的车速信号，根据预先设计好的

程序产生助力指令。该指令传到电机，由电机产生扭矩传到助力机

构上去，这里的齿轮机构则起到增大扭矩的作用。这样，助力扭矩

就传到了转向柱并最终完成了助力转向。

1.1．4.3 电动助力转向系统特点

(1)节约了能源消耗。与传统的液压助力转向系统相比，没有系统要

求的常运转转向油泵，且电动机只是在需要转向时才接通电源，所

以动力消耗和燃油消耗均可降到最低。还消除了由于转向油泵带来

的噪音污染。液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压

油不停地流动，再加上存在管流损失等因素，浪费了部分能量。相

反eps 仅在需要转向操作时才需要向电机提供的能量。而且，eps

系统能量的消耗与转向盘的转向及当前的车速有关。当转向盘不转

向时，电机不工作；需要转向时，电机在控制模块的作用下开始工作，输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向力矩。该系统真正

实现了“按需供能”，是真正的“按需供能型”（on-demand）系统，

在各种行驶条件下可节能80%左右。

(2)改善了转向回正特性。当驾驶员转动方向盘一角度然后松开时，eps 系统能够自动调整使车轮回到正中。同时还可利用软件在最大

限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。通过灵活的软件编程，容易得到电机在不同车速及不同车况下的转矩特性，这些转矩特性

使得该系统能显著地提高转向能力，提供了与车辆动态性能相匹配

的转向回正特性。而在传统的液压控制系统中，要改善这种特性必

须改造底盘的机械结构，实现起来很困难。

(3)提高了操纵稳定性。转向系统是影响汽车操纵稳定性的重要因素

之一。传统液压动力转向由于不能很好地对助力进行实时调节与控制，所以协调转向力与路感的能力较差，特别是汽车高速行驶时，

仍然会提供较大助力，使驾驶员缺乏路感，甚至感觉汽车发飘，从

而影响操纵稳定性。但eps是由电动机提供助力，助力大小由电子

控制单元（ecu）根据车速、方向盘输入扭矩等信号进行实时调节与

控制，可以很好地解决这个矛盾。

(4)安全可靠。 eps 系统控制单元ecu 具有故障自诊断功能，当

ecu 检测到某一组件工作异常，如各传感器、电磁离合器、电动机、电源系统及汽车点火系统等，便会立即控制电磁离合器分离停止助力，并显示出相应的故障代码，转为

【篇三：汽车转向器毕业设计】

毕业论文（设计）

目录

插图清单………………………………………………………………………………………………………….3 表格清单……………………………………………………………………………………………………...…..3 摘

要 ....................................................................................................... ................................. - 4 -

abstract ............................................................................................. ........................................ - 5 -

第一章绪

论 ....................................................................................................... ...................... - 6 -

1.1 汽车转向器的功能及重要

性 ...................................................................................... - 6 -

1.2 汽车转向器的主要性能参

数 ...................................................................................... - 6 -

1.2.1转向器的效

率 ....................................................................................................... ....... - 6 -

2.2.2传动比的变化特

性 ....................................................................................................... (7)

2.2.3转向盘自由行

程 ....................................................................................................... . (9)

1.4 汽车转向器的工作原

理 (10)

1.4.1 动力转向系统的工作原

理 .................................................................................... - 10 -

1.4.2 转阀式液压助力转向器工作原

理 ...................................................................... - 11 -

第二章总体方案设

计 ........................................................................................................ - 12 -

2.1 转向器设计的分

类 ...................................................................................................... - 12 -

2.1.2 蜗杆曲柄销式转向

器 ............................................................................................. - 12 - 2.1.3 循环球式转向

器 ...................................................................................................... - 12 -

2.2 转向器方案分

析 ....................................................................................................... .... - 13 -

2.3 防伤安全机构方案分

析 ............................................................................................. - 15 -第三章循环球式转向器的设计与计

算 ........................................................................ - 17 -

3.1 螺杆、钢球和螺母传动

副 (18)

3.1.1 钢球中心距d、螺杆外径d1和螺母内径

d2 (19)

3.1.2 钢球直径d及数量

n (19)

3.1.3 滚道截

面 ....................................................................................................... (20)

3.1.4 接触

角 ....................................................................................................... . (20)

3.1.5 螺距p和螺旋线导程

角 (21)

3.1.6 工作钢球圈数

w ........................................................................................................ ..21

3.1.7 导管内径

d1 ....................................................................................................... . (21)

3.2 齿条、齿扇传动副的设

计 (21)

3.3 循环球式转向器零件强度计

算 ............................................................................... - 23 -

3.3.2 齿的弯曲应

力?w .................................................................................................. .. - 24 -

3.3.3 转向摇臂轴直径的确

定 ......................................................................................... - 24 -

第四章动力转向机构的设

计 ........................................................................................... - 25 - 4.1 对动力转向机构的要

求 ............................................................................................. - 25 -4.2 液压式动力转向机构布置方案分

析 (25)

4.2.1 动力转向机构布置方案分

析 (25)

4.3 液压式动力转向机构的计

算 (27)

4.3.1 动力缸尺寸的计

算 (27)

4.3.2 分配滑阀参数的选

择 (27)

4.3.3 分配阀的回位弹

簧 (27)

4.3.4 动力转向器的评价指

标 (29)

第五章转向梯

形 ....................................................................................................... .......... - 31 -

5.1 转向梯形结构方案分

析 (31)

5.1.1 整体式转向梯

形 ....................................................................................................... . (31)

5.1.2 断开式转向梯

形 ....................................................................................................... . (32)

5.2 整体式转向梯形机构优化设

计 .....................................................................................33 致

谢 ....................................................................................................... ......................................37 参考文

献 ....................................................................................................... . (38)

毕业论文（设计）

插图清单

图1-1 转向器角传动比变化特性曲

线 ......................................................................... 9 图1-2 液压动力转向系统示意图 ........................................................................... - 11 - 图2-1 循环球式齿条-齿扇转向

器 ........................................................................ - 13 - 图2-2 防伤转向传动轴简

图 .................................................................................... - 15 - 图2-3 防伤转向轴简

图 ............................................................................................. - 15 - 图3-1 螺杆钢球螺母传动

副 .................................................................................... 19 图3-2 四段圆弧滚道截

面 ............................................................................................. 20 图3-3 为获得变化的齿侧间隙齿扇的加工原理和计算简

图 ......................... - 22 - 图3-4 用于选择偏心n的线

图 ............................................................................... - 22 - 图3-5 螺杆受力简

图 ................................................................................................. - 24 - 图4-1 动力转向机构布置方案

图 ........................................................................... - 26 - 图4-2 动力缸的布

置 ................................................................................................. - 27 - 图4-3 确定动力缸长度尺寸简

图 ................................................................................ 28 图4-4 预开隙

e1 ....................................................................................................... ......... 28 图4-5 静特性曲线分段

图 ........................................................................................ - 30 - 图5-1 整体式转向梯

形 ............................................................................................. - 31 - 图5-2 断开式转向梯

形 ............................................................................................. - 32 - 图5-3 断开点的确

定 ................................................................................................. - 33 - 图5-4 理想的内、外车轮转角关系简

图 ............................................................. - 34 - 图5-5 转向梯形机构优化设计的可行域 ............................................................. - 36 -表格清单

表3-1 循环球转向器的主要参数 (17)

表3-2 循环球式转向器的部分参数.................................................................18 表3-3 系数k 与a／b的关系 (23)

- 3 -

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，循环球齿条-齿扇式转向器由于其自

身的特点被广泛应用于各级各类汽车上。本文选择gx1608a型循环

球齿条-齿扇式转向器作为研究课题，其主要内容有：汽车转向器的

组成分类；转向器总成方案分析及其数据确定和转向器的设计过程。这种转向器的优点是，操纵轻便，磨损小，寿命长。缺点是结构复杂，成本高，转向灵敏度不如齿轮齿条式。因此逐渐被齿轮齿条式

取代。但随着动力转向的应用，循环球式转向器近年来又得到广泛

使用。

关键词；转向器操纵稳定性循环球齿条-齿扇式转向器

毕业论文（设计）

abstract

gear cars an important component of the initiative is decided automobile safety of the key assembly, it seriously affected the quality of the vehicle handling and stability. along with the development of the auto industry, automobile steering gear is continuously improved, although the electronic steering gear has begun to use but mechanical steering gear is still widely been world motor vehicles and parts manufacturers adopted. and the mechanical steering gear, rack cycle ball-type steering gear tooth fans as its own characteristics has been widely

used in various types vehicles. the graduation design options

gx1608a cycle gear ball-type steering gear rack as a research topic, its main contents are : automotive steering gear components classification; assembly was to program analysis and data to identify and steering gear design process.

the advantage of such steering gear, and manipulating light, wear and tear, long life. the disadvantage is that the structure

is complicated and costly, than steering rack and pinion sensitivity. therefore gradually being replaced by rack and pinion. however, with the power steering applications, the ball-type steering gear cycle and are widely used in recent years.

keywords； diverterball handling and stabilitycycle rack-type steering gear divert

- 5 -