汽车转向柱说明书

摘要

随着福特第一辆T型车的出现，汽车越来越成为人么生活中的必需品，汽车改变了人们的生活，并且汽车也融入到了人们生活的方方面面，从人们出行驾驶的小型汽车、大巴车到运输货物的载货卡车，再到疾驰在赛场上的F1赛车，汽车都对我们的生活产生了巨大的影响。小型汽车的产量也在不断的增加，据不完全统计，世界最大的汽车生产商丰田的年销量可以达到930万部。虽然人们对小型汽车的需求是随着购买力的变化而变化的，但是人们对小汽车的性能的需求都是大致相同的，人们都希望小汽车有良好的驾驶体验，影响驾驶体验最直接的就是方向盘系统，在方向盘系统中，起到中枢作用的部件就是转向柱，方向盘的反馈的好换，转向时候的反应的快慢等因素都和转向柱的性能有着很大的关系。转向柱在小汽车的方向盘系统中是连接方向盘和，转向柱下方的助力和转向系统的部件，其性能的好坏对整个小汽车的驾驶体验影响最直接。

本文以汽车方向盘的转向柱为研究对象，根据具体的需求对转向柱的结构进行了设计，并对转向柱里的标准件和关键件进行了校验，设计出了一个合理的转向柱。

关键词：转向柱、结构设计

With the advent of the first vehicle of Ford's Model T cars, cars are more and become necessities of life car changed people's lives, and cars have come into people's life, from people to travel driving small cars and buses to transport goods by truck to gallop in the arena of F1 racing cars are on our life produced tremendous impact.

Small car production is also increasing, according to incomplete statistics, the world's largest auto maker TOYOTA's annual sales can reach 9 million 300 thousand. Although the people's demand for small cars is changes with the variation of the force, but the needs of people on the car's performance is roughly the same, people hope that the car has good driving experience, driving under the influence of experience the most direct is the steering wheel system, in the square to the system disk to centrally acting parts is steering column, direction disc feedback for a good, to the speed of response time and other factors and steering column performance has a great relationship. Steering column in the car's steering wheel system is connected to the steering wheel and the steering column under the steering column under the power and steering components, its performance is good or bad for the entire car driving experience the most direct impact.

The automobile steering wheel steering column as the research object, according to the specific needs of the steering column structure is designed and the steering column standard parts and key parts check, design a reasonable steering column.

摘要 (1)

1.绪论 (3)

1.1汽车转向系统概述 (4)

1.1.1机械式转向系统 (5)

1.1.2液压助力转向系统（HPS） (6)

1.1.3电控液压助力转向系统（EHPS） (7)

1.1.4电动助力转向系统（EPS） (8)

1.1.5线控转向系统（SBW） (9)

1.2本章小结 (9)

2. 转向系设计概述 (10)

2.1主动转向系统特点 (10)

2.2转向系结构分析 (11)

2.2.1转向操纵机构 (11)

2.2.2转向传动机构 (12)

2.2.3转向器 (13)

2.2.4转角及最小转弯半径 (13)

3. 转向系设计计算 (15)

3.1空心轴的设计 (15)

3.1.1材料选择 (15)

3.1.2空心轴的直径计算 (15)

3.2 调节杆的设计 (16)

3.2.1材料选择 (16)

3.2.2调节杆的设计计算 (16)

3.3转向柱轴承的选型计算 (17)

3.3.1 选型 (17)

3.3.2校核及寿命计算 (17)

1.绪论

汽车已经随着社会经济的发展人们生活水平的不断提高逐渐走向千家万户，汽车的普及率正逐年提高，对于许许多多的人来说，汽车已经从原先人们认为的的奢侈品变为了人们的出行必备的交通工具，汽车的存在给人们的生活提供了越来越多的便利。

国产汽车由于其较高的性价比受到越来越多的人的青睐，但是不可否认的是国产车，无论是在质量上还是稳定性上都跟过外车有着很大的差距。尤其是在汽车关键件的技术上差距更大。本文以汽车转向柱为研究对象，对其进行研究、设计。

转向柱的功能是当驾驶者对方向盘施加一个转向力矩时将这个转向力矩传递到转向器上，转向器安装于汽车底盘上。转向柱一端连接方向盘，另一端连接转向器。转向系统是汽车最重要的系统之一，其性能好坏直接决定着汽车的整体操控性、乘坐舒适性、驾驶人安全性、车身稳定性和平衡性；操控性好的汽车能让驾驶者体会到驾驶的乐趣，所以说转向系统还影响着驾驶者的驾驶感受。好的转向系统应该具有操作方便、可以智能调节、安全性和可靠性突出等一系列优点，其中安全性是评价转向系统性能的最重要指标。

最早的汽车转向系统是转向比等于1的转向系统，操作十分费力，阻碍了汽车的普及。于是，工程师们设计了带有减速齿轮系的汽车转向系统。上世纪50年代开始，汽车进入了助力转向的发展阶段，助力转向系统以机械力辅助人力实现汽车转向，显著提升了汽车的操控性和安全性。当今的汽车几乎全部配备了助力转向系统。

最早用于汽车的的助力转向系统为纯机械式的，依靠齿轮齿条或蜗杆齿条减速机构将驾人员的转向力矩放大以实现省力的目的，没有液压缸和助力电机等，随后出现了借助液压力实现助力转向的液压式助力转向系统。随着电子技术和控制技术的发展以及人们对于汽车的操控性和舒适性提出越来越高的要求，汽车工程师们不断将前沿科技融入新的设计概念中，先后研发并应用了电控液压式助力系统和电动助力转向系统。液压助力系统结构相对复杂，易产生泄漏，污染环境。如今，新一代助力转向系统——线控式转向系统已经处在发展阶段并已部分投入应用。

轿车转向系统的要求

1.为满足汽车行驶过程的稳定性要求，汽车转向系统应能使各车轮绕着转

向中心旋转，且不允许打滑，否则会导致轮胎的严重磨损。

2.转向操作结束后，车轮应能自动回正，直线行驶时能有足够的方向稳定

性，高速时不能有颤动。

3.转向盘及车轮在行驶过程中不允许有震动或摆动，以保证汽车在高速时

的操控稳定性，提升安全性。

4.转向系统应尽量减小甚至消除汽车执行转向的过程中转向传动机构和底

盘悬架上的导向装置之间由于速度不同步而导致的转向轮振动。

5、保证轿车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。

6、操纵轻便。

7、转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小。

8、转向器和传动机构一般采用球头连接，因设计间隙调整机构弥补球头磨损造成的影响。

9、转向系统应能在车祸发生时避免驾驶员受伤的保护系统，尤其当转向操作部件由于车价变形而向后移动时。

10、进行运动校核，保证转向轮与转向盘转动方向一致。

本课题研究的内容为汽车转向柱的设计，主要研究内容为设计一种合理的机械结构，来达到助力转向的效果，并依据现在汽车转向柱存在的一些问题进行研究，并把这些研究的成果运用到本设计当中去，以期设计一种更加合理的结构。

1.1汽车转向系统概述

汽车转向系统可根据转向力的来源分为纯机械转向系统和动力转向系统两大类。

纯机械转向系统的转向力完全来自人力，机械结构方面主要由方向盘、转向器和传动机构组成。转向器的作用是将来自于驾驶员的转向力矩和运动减速放大，转换成足以驱动转向机构运动的力，是转向系统最重要的部件。

动力转向系统保留纯机械转向系统部分机械结构的基础上，增加了动力单元——液压系统、电机等，依靠动力单元产生转向的辅助力矩或力辅助人力完成

转向。液压助力转向系统的辅助动力来源于一套液压系统，电动转向系统的辅助转向力来源于一台伺服电机，动力转向系统极大地减轻了驾驶者的负担，并且使汽车操控更加稳定。

通常，对转向系的主要要求是:

(1)满足汽车对于机动性能的要求，尽可能减小转弯半径，以便于能在较狭

窄的地方完成转弯，同时使操作轻便；

(2)使汽车转向时保持平衡和稳定，避免侧滑，转向轮绕转向中心旋转；

(3)减小传递到方向盘的反冲力，以保护驾驶者；

(4)完成转向后汽车进入直线行驶状态，此时车轮应该能够及时地自动回正，

并在直线行驶时阻止由于各种扰动引起的汽车方向偏摆，尽可能保持汽

车的稳定性；

(5)转向系统应能在车祸发生时避免驾驶员受伤的保护系统，尤其当转向操

作部件由于车价变形而向后移动时。

1.1.1机械式转向系统

汽车执行转向的过程中，驾驶员必须以适当的速度作用给方向盘适当的转向力矩，这个转向力矩再经由方向盘与连接的转向传动机构减速放大后最终传递到转向器。转向器通过两级减速齿轮或者齿轮齿条机构将转向力矩放大，同时转向速度减小。放大后的转向力传递到横向拉杆，再传递到转向节臂，驱动转向节带动由它支承的转向轮偏转，由此完成汽车的转向。机械式转向系统的核心最关键部件是转向器，而转向器的设计有多种不同的的结构形式，因此常常将转向器的主要形式作为机械式汽车转向系统的分类标准，转向器主要类别有齿轮齿条式、循环球式、滚轮蜗杆式和指销蜗杆式。

为了产生足够大的转向力使得转向轮偏转以便完成汽车的转向，由杠杆原理可知，配置纯机械式转向系统的汽车不得不安装大尺寸的方向盘，从而产生足够大的转向力矩以实现转向，这样的转向系统使得方向盘必须占据驾驶室的很大一部分空间，且过大的方向盘对驾驶员的安全造成不利影响。对于重型汽车来说，转向阻力大，转向操作难度变大，使用极为不便，驾驶员十分费力，很大程度上限制了其适用范围。目前，纯机械式转向器仅用于工作环境恶劣且对操控轻便型

和舒适性要求不高的农用机械上，充分体现了其机械结构简单、制造成本低廉且使用可靠性高的优点。

1.1.2液压助力转向系统（HPS）

为了克服纯机械式转向器操作费力的问题，加速汽车的普及，减轻驾驶负担，上世纪五十年代美国通用汽车公司最早开发出了用于轿车的液压助力转向系统。该转向系统保留了纯机械式助力转向系统的主体结构，并在其原有基础上增加了一套由液压泵、液压管路、液压缸和一系列控制阀构成的助力液压系统。

液压转向系统主要有液压系统和机械部分组成，液压泵由汽车发动机驱动，为液压助力系统提供高压油，液压油推动液压缸运动，驱动机械转向器动作从而实现汽车转向功能。液压系统主要包括液压泵、液压油管、液压缸、以及溢流阀、节流阀、限压阀等控制阀。其中限压阀和溢流阀的作用是保证系统安全。液压缸、配流阀和机械转向器采用整体式安装，配流阀与主动齿轮轴连接，配流阀的阀芯与齿轮轴轴向垂直。转向轴旋转，带动拨叉拨动阀芯上的控制槽。配流阀的阀芯上安装有一个弹性扭杆，弹性扭杆的作用为定位配流阀阀芯的中心位置，弹性扭杆通过一个销钉与转向传动轴相连接。

图1-1 液压助力转向系统构造图

液压助力转向系统由发动机带动液压泵产生高压油，在驾驶员操纵方向盘转向时，液压系统提供辅助转向力，减小了驾驶员所需付出的转向力矩，减轻驾驶员负担，使汽车的操控轻便而且更加稳定，使更多的人能够轻易地驾驶汽车。然而液压助力转向系统依然存在不足之处。由于汽车原地转向或者慢速转弯时转向阻力较大，而转向助力系统必须以发动机的最低转速确定助力泵排量，助力泵的动力来源于汽车发动机。在汽车启动状态下，液压助力转向系统时刻保持工作，在很大程度上浪费了发动机的动力，并且液压油容易发热、容易泄漏危害环境。

1.1.3电控液压助力转向系统（EHPS）

液压助力转向系统在设计时需根据原地转向时所需的最大转向力矩选择助力液压泵的排量，使得液压系统在高速时产生的转向力矩过大，降低了高速时的稳定性，因此日本Koyo 公司于1983年研制了能够感知车速进而自动控制输出功率的电控液压助力转向系统EHPS。电控液压助力转向系统以此前的液压助力系统为基础研制的，在保留其主体结构的前提下加装了一套电机及其控制装置，液压泵的驱动方式从原来的汽车发动机驱动升级为电动机驱动，新的转向系统显著降低了汽车燃油消耗，提高了转向系统的能源使用效率。电控液压助力转向系统在液压助力转向的技术基础上结合了电子控制技术，实现了机电一体化。电子控制系统的车速传感器和角位移传感器将车辆的即时速度、方向盘转动角度信息传递给电子控制单元，控制单元由此计算出合适的转向力矩，控制电动机输出所需功率带动电控液压泵工作，实现助力转向。汽车速度低、转弯大时，电子控制单元控制电动机输出较大功率提供足够的转向力矩；汽车速度高、转弯小时，控制单元控制助力转向系统以较低功率运行，提高转向稳定性。电控液压助力转向系统在保证转向力矩需求的情况下降低了能源消耗，提升了稳定性和舒适性。

图1-2 电子液压转向系统结构图

电控液压转向系统的基本原理和工作程序为：汽车在直线行驶状态下应保持稳定，驾驶人不转动或微量转动转向盘，转向柱的转角约为零，此时电机驱动电动液压泵以最小功率运转，转速处于最小状态，液压油大部分不进入液压缸直接流回油箱；当驾驶员转动方向盘操纵汽车转向时，位于转向柱上的角度传感器检测到转向柱的转角和转动角速度，电子控制单元接收信息，并综合车速传感器传回的速度信息，计算出转向助力系统应该输出的最佳转向力矩，控制电动机以相对应的转速带动液压泵运转，液压系统输出相应的功率，一定压力和流量的液压油推动活塞运动，驱动转向器完成转向。整个过程自动控制，完美地辅助驾驶员完成转向操作。

结构上，电子式液压助力系统与原有的纯机械式液压助力转向系统有很大程

度的相似度，主要的不同之处在于助力转向系统的动力源。纯机械式液压助力转向系统由汽车发动机通过皮带带动液压泵工作，液压泵的转速由发动机的转速决定，车辆高速行驶时发动机转速高，转向系统提供的转向力矩过大，使车辆不稳定；电控液压转向系统由一台专门的电机带动电动液压泵工作，电动机的转速由控制单元采集速度传感器和角位移传感器的信息并计算得到，可实时调节，降低功率损耗的同时提升了高速时的稳定性。

相较于机械式液压助力转向系统，电控液压助力转向系统有了相当大的进步，但是液压系统带来的结构复杂性和泄漏对环境的危害等问题依然存在。因此，移除液压系统，完全依靠电动机驱动的电动助力转向系统成为必然的发展趋势。

1.1.4电动助力转向系统（EPS）

1988年日本光洋公司首次研发成功一型带有转向柱结构的电动助力转向系统，经过一系列严格的测试，成功推出并应用在日本铃木公司生产的一款小型轿车上。两年过后日本本田公司独立研发出了齿条式的电动助力转向系统并成功配备在其NSX运动型轿车上。由此开始，电动助力转向系统逐渐被各大汽车厂商采用。电动助力转向系统保留了电控液压转向系统的部分结构并在其基础上研制，主要的改变是采用完全的电机助力方式，移除了电控液压助力转向系统中复杂的液压泵、液压缸、液压管路及各种控制阀等液压系统构件，仅仅用电动机直接驱动齿条式转向机构完成汽车转向。由于摒弃了液压系统，转向系统的结构趋于简单，响应加快、可靠性得到提升，并且能耗降低、不再有液压油泄漏问题。由于电动助力转向系统具有一系列其他转向系统无可比拟的优点，其迅速被全球汽车厂商争相开发并广泛采用，技术日渐成熟。

图1-3电动助力转向系统结构图

电动助力转向系统的主要组成部分包括：速度和角位移传感器等其他传感器、转向辅助电机、控制系统及其他辅助元件。电动助力转向系统的结构比电控液压转向系统简单，因而其可靠性得到提升。其工作原理大致为：当驾驶员转动方向盘准备转向时，位于转向柱上的传感器检测到驾驶员作用在方向盘上的力矩信息并传送给控制器，控制器根据设定的算法，计算出最佳辅助转向力矩，然后发送给伺服电机相应的电压信号，驱动伺服电机转动。减速机构将电机的扭矩放大，

作用到转向机构，转向机构完成转向。电动助力转向系统的优异性在于，其可以根据汽车行驶状态的不同自动调节助理大小，使车辆在低速大弯时有足够的转向动力，而高速直行时又能保持高稳定性。

1.1.5线控转向系统（SBW）

随着社会进步和人类生活水平的提高，汽车行驶速度不不断提高，与此同时驾驶汽车的人更加广泛，水平层次不齐。于是要求汽车的操控更加智能和方便，线控转向系统便产生了。线控转向系统保留了电动助力转向系统的大部分结构，在其基础上取消了方向盘和转向器之间的机械连接，驾驶员对方向盘输出的转向力矩和速度信息不再通过机械结构传递到转向系统，而是完全依靠传感器实现。这样的设计使得车辆操作更加省力，转向系统结构更加简单，对驾驶人的操控水平要求更低，使得汽车驾驶人群更加扩大。

1.2本章小结

本章是对传统转向器及主动转向系统的综述，了解主动转向系统的发展现状和特点并确定参考数据。为后面的设计奠定基础。

2. 转向系设计概述

转向系的基本要求

1) 汽车转向行驶时，全部车轮绕瞬时转向中心转动；

2) 操纵轻便，方向盘手作用力小于200N；

3) 转向系统角速度传动比在15到25之间；正效率不低于60%，逆效率不低于50%；

4) 转向灵敏；

5) 转向器与转向传动装置有间隙调整机构；

6) 配备驾驶员防伤害装置；

2.1主动转向系统特点

汽车使用的早期，汽车的方向盘的转向角度与转向轮的转向角度之间的比例关系是是一个定值，传动装置一般都是固定的。如果由转向盘直接连接转向机构，汽车进行大角度转向时方向盘转动幅度无需很大，但操作费力，且汽车直行时方向盘只要有微小的摆动，汽车就变得不稳定；但若在转向盘与转向机构之间加入减速器，则汽车在高速直线行驶时，方向盘的轻微扰动不会影响汽车的方向稳定性，但在大角度转向时，驾驶人需要大幅度地转动方向盘，操作不便。因此，此时的汽车转向系统难以兼顾大弯角时的操控性和直行时的稳定性。

为解决这一问题，主动转向系统诞生了。汽车低速行驶下的转向，电动机输出力矩的方向通过使蜗轮蜗杆机构转换后与驾驶人操纵方向盘的方向一致，减小了驾驶人需要付出的转向力矩；而在高速时，电动机的反转，使蜗轮蜗杆调节机构输出力矩的方向与驾驶人操纵方向盘的方向相反，阻止前轮的过度摆动，使汽车高速行驶更加稳定，提高了舒适性与安全性。

主动转向系统并未移除继续机械系统的所有结构，而是继续采用了核心部件齿轮齿条转向器，此外辅助零部件方向盘、转向柱和转向横拉杆等结构体系也保留下来，与传统转向系统的不同点在于转向盘和转向器之间的转向柱上安装了一组双行星齿轮机构，该机构的作用为对转向轮施加附加的转向角度。主动转向系统在车辆行驶过程中自动调节转向助力，无需驾驶员进行调节或设置。巧妙使用

双行星齿轮机构，兼顾了低速转向时对于灵活性和轻便性的要求与高速直线行驶中保持车辆稳定性的要求。除此之外，主动转向系统能在极端情况下自动作出判断并控制车辆转向，提高了汽车安全性。主动转向系统提供了一个平台，作为一个开放的平台，设计者可以方便地集成其最新设计，以及科技发展的最前沿技术以及一系列动力学控制系统等等，这样一个开放的平台将有助于实现汽车自动控制、智能驾驶和底盘控制一体化的构想。

2.2转向系结构分析

2.2.1转向操纵机构

转向操纵机构主要由三个零部件组成：方向盘、转向柱和转向传动轴。部分汽车生产商在转向传动轴和转向器之间使用万向联轴节连接，目的在于减小由于安装误差和震动造成的载荷，同时提高汽车的碰撞安全性。这样的结构布置使得转向系统便于装拆，模块化程度提高。联轴节一般采用柔性联轴节，可以减小有车轮传递到转向柱和方向盘上的震动，但是柔性太大的联轴节会境地转向系统的刚度。安装助力转向系统的汽车，还要有助力系统，不过一般的中级轿车多数并没有动力转向系统。

图2-1转向操纵机构

1-转向万向节；2-转向传动轴；3-转向管柱；4-转向轴；5-转向盘

图2-2 转向操纵系统实物图

2.2.2转向传动机构

转向传动机构的组成部分主要有：转向臂、转向横拉杆、转向纵拉杆、转向节臂、转向梯形臂等，如图2-3所示。

转向传动机构的功能是将汽车转向器将助力系统输出的转向辅助力矩和运动减速放大后向转向执行机构输出的转向力和转向运动传递到左、右两个转向节，

驱动左、右转向轮按设计时预测的正确关系实现偏转。

1-转向摇臂；2-转向纵拉杆；3-转向节臂；4-转向梯形臂；5-转向横拉杆

2.2.3转向器

机械转向器作为传动机构，按照特定的传动比，将方向盘的转动转换为转向臂的摆动或齿条的直线运动。

转向系统中有时设置防撞伤装置，目的是为了减少汽车发生碰撞时驾驶人被转向盘所伤；除此之外，转向系统中还可以加装减震器，减小由于路面的冲击造成的转向机构震动。

2.2.4转角及最小转弯半径

汽车的最小转弯半径是衡量汽车机动性的最主要依据。提高汽车机动性能，应满足两个条件：第一，当两个转向轮处于最大转角时，前外轮的转弯值应约等于汽车轴距的两倍；第二，转向系统的角传动比应该按下述方法确定。

两轴汽车在转向时，假设先不计入轮胎的侧向偏离，则为了满足前面所述的转向系统必须满足的第二个条件，里侧和外侧的转向轮的转角关系由图3-3给出，表达式为：

L K BD CO DO i o =-=-θθcot cot (2-1)

式中：

θo —外转向轮转角； θi —内转向轮转角；

K —两转向主销中心线与地面交点间的距离；

L —轴距

内、外转向轮转角的合理匹配是由转向梯形来保证。

图3-3 理想的内、外转向轮转角间的关系

决定汽车的最小转弯半径R min 的参数有五个，分别为：两个转向轮各自的最大转角θmax i 与θmax o 、车身轴距L 、主销距K 、转向轮的转臂a 。在转向过程中只有两个参数是变化的，即内侧和外侧的转向轮转角。最小转弯半径的含义是指汽车在转向轮转角处于最大时，前面外侧车轮在地面上划出的轨迹线的半径值。计算公式为：

a L o R +=θmax min sin (2-2)

通常θmax i 为35o～40o，为了减小R min 值，θmax i 值有时可达到45o

为满足驾驶者对于汽车操纵轻便省力的要求，设计汽车转向系统时必须通过严格计算合理设置转向系统的传动比等参数。而为满足汽车的自动回正和直线稳定性要求，必须合理设置主销后倾角和内倾角，同时采取结构上的优化以消除转向器统传动部件之间的间隙，并配置可逆式的转向器。转向系统需要满足的的后面两条要求则通过优化结构实现。

3. 转向系设计计算

本文按照设计要求对电动助力转向系统的重要部件之一——转向操纵机构进行结构设计和计算。转向操纵机构的主要零部件包括：转向万向节、转向传动轴、转向管柱、转向轴、转向盘、调节杆等。本章对转向传动轴、调节杆和传动轴轴承进行了设计计算及校验，使其满足设计要求。

3.1转向传动轴的设计

3.1.1材料选择

轴类零件的材料主要采用碳素钢和合金钢。碳素钢比合金钢廉价，而且对应力集中的敏感性较小，所以应用较为广泛。常用的碳素钢有30、40、45和50钢，其中最常用的是45钢。为保证其力学性能，应进行调质或正火处理。受力较小的轴以及一般的传动轴可以使用Q235、Q255、Q235-AF 。

本文设计的转向传动轴为一受扭矩的空心截面轴，载荷形式简单，所受扭矩不大，故选用Q235钢。Q235为最常用的碳素结构钢之一，屈服强度230～240MPa ，韧性和耐冲击性能优异，耐疲劳性较好。

3.1.2传动轴的强度计算及刚度校核

在一般情况下，轴的工作能力取决于它的强度和刚度。轴的强度计算主要有按许用切应力计算、按许用弯曲应力计算和安全系数校核计算三种方法。本文设计的转向柱为受扭矩作用的传动轴，故采用按许用切应力计算的方法设计，再校核轴的刚度。

设计要求为：传递扭矩340N ·m

4(1)16P t I D W R π?==-? (3-1)

(3-2)

取 []max max

T t T W ττ=≤

0.6?=

[]40T MPa τ=

代入公式得

22.5D mm ≥

取

24D mm =

18d mm =

刚度校核

'max max 0.09 4.9P T rad G I ?===?

最大转角可以满足使用要求，故上述计算结果可以采用。

3.2 调节杆的设计

3.2.1材料选择

调节螺杆采用松连接的方式，主要受到调节扭矩的作用，根据国家标准对螺纹紧固件按力学性能的分级，此处选择常用的45钢作为制造调节螺杆的材料，性能等级为6.8，并经过淬火处理，提高抗疲劳强度。材料的主要性能参数为：

3.2.2调节杆的设计计算

调节螺杆的作用为传递调节力矩，采用两端滚针轴承支承，承受载荷为剪切力。材料选用45钢，许用应力为：

其中安全系数

600480b s MPa

MPa σσ==[][]300s MPa

S σσ==[] 1.6S =

最大调节扭矩

由

(3-3)

得

故螺杆直径最小处为6mm 。

3.3转向柱轴承的选型计算

3.3.1 选型

选择滚动轴承类型时应考虑轴承所受载荷大小、方向及性质、转速与工作环境、经济性及其他要求等多种因素的影响。汽车转向柱转向轴的类型为传动轴，主要作用为传递扭矩，同时承受不大的径向载荷。因此转向轴轴承主要载荷形式为纯径向载荷，转速不大，选用深沟球轴承。

根据轴颈尺寸、载荷初选轴承型号为6003，其基本参数为：内径17d =，外径35D =,宽10B =。基本额定动载荷6r C kN =,基本额定静载荷 3.5or C kN =.

3.3.2校核及寿命计算

轴承所受径向载荷

500r F N =

当量动载荷

r p r

P f F =

查阅机械设计手册取动载荷系数 1.5

p f =

计算当量动载荷 10T N m =?[]316t D T W πσ?=

≥5.4D mm ≥

750r P N =

计算深沟球轴承6003的寿命

610

10()2880001000060h r C L h h n P ε==>

静载荷验算 500or r or P F N C ==

结论：选用6003轴承是合适的。

总结

1． 本文总结了国内外汽车转向系统的研究现状，对国内外常用于小汽车的转向系统的结构形式及其发展演变过程进行了研究，充分分析了各种转向系统的优缺点。电动助力转向系统省去了复杂的液压系统，不仅实现了简化结构，并且转向系统输出的转向助力的大小可以根据车辆行驶状况进行自动调节，驾驶者能够感觉汽车在低速时转向操控轻便、响应快速，而在高速行驶时车身更稳定和安全，使汽车的操控性和安全性显著提升，因此最终选定了对电动助力系统进行转向柱的设计

2． 对国内外的电动转向系统原理和机械结构进行分析研究，并依据韩国生产的现代途胜汽车的转向柱进行了转向柱系统的结构设计。

3． 对转向操作系统的关键零部件如转向传动轴、调节螺杆、轴承进行了设计计算以及校核，证明了设计的可行性。

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