转向系统设计说明书——恒隆

转向系统设计说明书

设计原则：

通过对所开发车型与已开发同类车型（或标杆车）的比较及所开发车型的前桥负荷,初步确定转向器总成的结构和相关参数。故在选取时应遵循以下原则；

1、转向器结构选型原则：

1）、根据整车布置尺寸，确定转向器结构尺寸。

2）、根据使用和成本状况，确定是否使用通气螺塞。

2、转向器参数选型原则：

1）、根据转向盘布置形式，确定是左置转向器或右置转向器。

2）、根据前桥负荷，选定转向器输出扭矩及输入轴花键。

3）、根据车型的最小转弯半径确定转向摇臂输出摆角能否满足使用要求。

4）、根据产品信函（或项目描述书）所描述的整车的使用情况，确定转向传动比是否采用变传动比形式。

5）、根据产品信函（或项目描述书）所描述的整车的使用情况，确定传动间隙特性。

3、转向摇臂选型原则：

1）、根据标杆车进行类比。

2）、根据车型的最小转弯半径确定转向摇臂在转向器上的中间位置。

3）、根据车型总布置，确定转向摇臂的偏距和长度。

4、转向传动轴及管柱的选型原则：

1）、根据标杆车进行类比。

2）、根据点火开关和组合开关确定转向传动轴及管柱的形式。

3）、根据整车需要或成本考虑确定是否采用双万向节结构，转向盘可调结构或缓冲吸能结构。

5、转向盘选型原则：

1）、根据标杆车进行类比。

2）、根据总布置确定转向盘直径。

3）、根据整车需要或成本考虑，是否采用防伤转向盘。

一、转向机部分

一．设计目标

1.满足日本转向器样件的安装尺寸。

2.在结构上我们参考样件和恒隆公司现有的成熟产品的结构，确定为分体式结构。

3.产品性能达到或超过同类产品标准。

二．方案说明

2.1扭杆与齿轮轴采用花键联结方式，其优点：

a. 此结构利用花键过盈联结，省去了打销过程，简化了工艺。

b. 增大了密封空间。 2.2 齿条的支承型式

齿条的一端通过常规的齿条支承座来支承，齿条支承座垫的材料选取的是含油聚甲醛，齿条的另一端通过缸端限位套总成来支承，在缸端限位套总成内含有聚甲醛材料的衬套，其主要优点是磨擦系数小，耐磨性好。 2.3齿条支承座的预紧型式

在齿轮齿条式转向器中，齿条支承座的预紧型式是通过弹簧来实现的，齿条支承座在弹簧力的作用下保证齿轮与齿条之间始终是在无间隙状态下工作，即使齿轮与齿条发生磨损后，也不会产生间隙，这样不仅提高了转向系统的刚性、改善了操纵稳定性，还可以防止转向系统产生冲击和噪音。在设计转向器时，要使调整螺塞与齿条支承座之间保持一合适的间隙（该间隙为调整螺塞与齿条支承座间的距离），该间隙可防止因加工或热处理时，齿轮齿条发生弯曲变形或转向器内进入杂质而

使转向器卡死，如间隙过大还会使转向器产生噪音，现在齿轮齿条式转向器对该间隙的要求根据工艺水平不同而不同，一般为0.12-0.3mm 。 2.4.1调整螺塞与齿条支承座之间间隙的调整方法：

先将锁紧螺母松开,调节调整螺塞,使调整螺塞拧到底，然后再回退30°- 60°后将锁紧螺母拧紧即可。

三．主要零件的结构及计算 1样件已知条件：

齿轮：m n =1.66；Z 1=8；?=25ρβ（右）；

齿条：m n =1.66；Z 2=31；?=5γβ（左）；t n =5.22；θ=20°齿条行程 L=138=69

×2；齿条外径φ25.5；中心距：a=16.25；轴交角20°

线角传动比计算

γ

βπcos Z m i n =

= 5.22*8/ cos5°=41.92

方向盘总圈数：

29.392

.41138===i L n （圈）

2根据公司常用的几个刀具模数，验算传动比i

选择m n =1.85；Z 1=7；?=25ρβ（右）； 计算得出γ

βπcos Z

m i n =

=40.84

因为（41.92-40.84）/41.92=2.449%<5%

所以取 m n =1.85；i=40.84；n=138/40.84=3.38（圈）

3 根据转向器本身结构特点以及中心距要求，选取齿轮轴的变位系数。

a.对于齿轮齿条转向器中齿轮齿条结构特点，齿轮一般都采用斜齿轮正变位，对于变位齿轮，为了避免齿顶过薄，而又能满足齿轮啮合的要求，一般齿轮的齿顶高系数取偏小值。

b.如果将齿条的齿顶告系数取同一值，最终会导致齿条的齿高变小，进而降低了重合系数。在进一步验证国外图纸时，此理论得到验证。 参照同类产品，初步选定

齿轮： 627.01=*ha , 6.0=n x ，275.01=*

n c 齿条：627.02=*

ha ， 313.02=*n c

4齿轮与齿条的计算

5检验齿顶厚：

()()()故参数选择是合理的符合齿顶不变尖的条件而,74.0~4625.04.025.065.174

.0~4625.04.025.065

.122=->==-=?

?

?

???---++?=mn s mn tg tg Z tg x Z d s at at t at t n n a at αααααπ

αn 为法面压力角；

αat 为齿顶端面压力角； αt 为端面压力角； x n 为法面变位系数。

6齿轮公法线长度及跨齿数的计算

跨齿数：

()5.02cos 21cos 1'

2

2''+???

?????----??? ??+?=n n n n n n n tg Z tg x Z x Z k αααααπ 263.9180

180'=--

?

=?=πααπ

ααααn

n t t n

t tg tg Z inv inv Z Z 式中

将Z ‘代入跨齿数K 的公式，求得：K=2.28, 根据四舍五入 取K=2 公法线长度：(

)

n n m w w w ??+=*

* n n x w αsin 2*?=?式中

()[]

n n inv Z k w απα?+-?='5.0cos *191.9=n w 由以上公式得

7.结构尺寸的确定

设计原则:在保证转向器安装尺寸与原件一致的条件下，力求保证转向器的形状及外观尺寸与原件一致,其内部尺寸及结构利用我们现有的成熟产品结构加以设计。 7.1壳体：

为了保证转向器在整车上的安装交角及安装尺寸不变，防止壳体与车架的其它部位干涉，因此壳体的外形尺寸尽可能与原样件一致,同时考虑壳体与油缸要铆接,在壳体的右端要装密封圈,考虑到齿条的行程,参照我厂成熟技术的阀芯，油封,轴承等,综合考虑后, 确定壳体、阀体的尺寸。 7.2油缸总成:

为了保证转向器的输出力,考虑到活塞,齿条的尺寸及行程以及缸端限位套等,油缸的长度,内外径,通左,右腔的油口位置就可以确定。 7.3齿轮轴与齿条:

根据转向器需要的线角传动比以及现有的刀具的模数来确定齿轮轴以及齿条的齿数、模数。根据两内球节的距离及齿条的行程来确定齿条的长度、通气孔的位置等。 7.4阀套:

因为阀芯总成是参照成熟工艺，故借用 已有的阀套。 7.5输入轴:

结构形式借用已有产品，花键为金杯转向器的输入轴花键。 7.6扭杆:

刚度校核:

由于FC-1转向器所用的阀与瑞风转向器所用的阀基本相同,转向器输出力

也相近,故用类比法取扭杆直径为φ5.80

–0.05mm ,有效长度为80mm 。

则扭杆所受的扭矩计算如下:

L

Gd Mk 5844?

?= φ为输入轴相对扭杆的转角

L 为扭杆所承受扭矩的长度

G 为剪切弹性模量，对于40Cr 常用80.0Gpa-85.0GPa

由输入轴与阀套的装配图来测出输入轴阀口的关闭角 2.2097°取G=83.0Gpa

代入上列公式得Mk=4.44N.m

五、 新工艺：

1、 齿轮轴与扭杆联结是在齿轮轴端采用花键，通过花键连接。

技术要求：扭杆在承受最大扭矩作用时，齿轮轴端的花键不被破坏。

（注：在极限位置或动力转向失效，完全靠机械转向时，扭杆不被扭断或齿轮轴花键不失效）。

2、考虑到扭杆装配过程是挤压过程，齿轮轴选用花键应取模数小些、齿数多些，但模数过小，抗扭强度就会下降。

附注：扭杆压入齿轮轴，压入负荷：min9.8KN;

卸载负荷：min7.85KN 。(参考小红旗资料) 3、阀芯总成在阀体壳体装配中的轴向间隙的控制。

为了控制其轴向间隙，阀芯总成应选用公司的生产的专用机床加工，并使用新购的内、外圆磨床，硬齿面滚齿机设备，从而进一步提高零件的工艺性，以充分保证产品的性能。

六、主要零件的理论计算

1.圆柱销与齿轮轴间过盈量的计算：

由小红旗资料查得圆柱销压入齿轮轴时的压入力最小为1.96N ，取最大值为2.96N ，根据机械设计手册中计算公式得到结合直径5.3φ=f d ，结合长度

1.3=f l ，包容条件外径25=a d ，摩擦系数11.0=μ，弹性模量

MPa E 661035.2~102??=，包容直径比14.0255.3===a m a d d q ，泊松比

31.0~3.0=γ，查表得34.1=a C ，74.01=C 。

根据公式联接件不产生塑性变形的最大结合压力)(min μπ???=f f x f l d F P ，则

2min /74.522)11.01.35.3(96.1mm N KN P f =???=π 同理：2max /44.789)11.01.35.396.2mm N KN P f =???=π 包容件传递负荷所需的最小直径变化量：a a a f a E C d P e /min min ??=，则

011.0217000/34.15.374.522min =??=a e

同理：017.0217000/34.15.344.789max =??=a e

被包容件传递负荷所需的最小直径变化量：11min min /E C d P e m f l ??=，则

006.0217000/74.05.374.522min =??=l e

同理：009.0217000/74.05.344.789max =??=l e

传递负荷所需的最小有效过盈量：min min min l a e e e S +=，min min min l a e e e S +=，则

017.0006.0011.0min =+=e S ，026.0009.0017.0min =+=e S

因此，为了满足最小过盈量的要求圆柱销的尺寸为039

.0029.05.3++φ

根据实际情况将圆柱销分为两组：034.0029.05.3++φ，039.0034.05.3++φ 2.圆柱销与输入轴间过盈量的计算：

由公司的资料得圆柱销压入输入轴的力为6000～8000N ，根据机械设计手册中的计算公式得到结合直径5.3φ=f d ，结合长度5.14=f l ，包容条件外径

10=a d ，摩擦系数11.0=μ，弹性模量MPa E 661035.2~102??=，包容直径比35.0105.3===a m a d d q ，泊松比31.0~3.0=γ查表得

579.1=a C ，979.01=C 。

根据公式联接件不产生塑性变形的最大结合压力)(min μπ???=f f x f l d F P ，则

2min /1.342)11.05.145.36mm N KN P f =???=π 同理：2max /2.456)11.05.145.3(8mm N KN P f =???=π

包容件传递负荷所需的最小直径变化量：a a a f a E C d P e /min min ??=，则

009.0206000/579.15.31.342min =??=a e

同理：012.0206000/579.15.32.456max =??=a e

被包容件传递负荷所需的最小直径变化量：11min min /E C d P e m f l ??=，则

006.0206000/979.05.31.342min =??=l e

同理：008.0206000/979.05.32.456max =??=l e

传递负荷所需的最小有效过盈量：min min min l a e e e S +=，min min min l a e e e S +=，则

015.0006.0009.0min =+=e S ，020.0008.0012.0min =+=e S

因此，为了满足最小过盈量的要求圆柱销的尺寸为045

.0015.05.3++φ

根据实际情况将圆柱销分为两组：030.0029.05.3++φ，045.0030.05.3++φ

3.输入轴与节叉联接处尺寸校核

节叉也为设计，因此也是采用已有工艺。

七、附录

n－－法向

t－－切向

符号说明

m－－模数

z－－齿数

βρ－齿轮螺旋角

βγ－齿条倾角

i－－线角传动比

x－－变位系数

－－有效移位距

x

m

ha※－齿顶高变位

c※－顶隙系数

a－－中心距

Ｈ－－齿条中心线至分度线的距离

附：转向力的计算恒隆一般是对样机作出其力特性曲线，然后通过对阀芯的油口尺寸的控制，使转向机的力特性曲线尽量与样机一致。量化后的扭矩值如图通过取5Mpa时的扭矩来控制。

在设计过程中，通过恒隆的成熟产品，基本可以做到对扭杆和输入轴的尺寸设计达到该5Mpa扭矩。

二、动力转向油管部分

油管设计与吉利样件基本保持一致，样件防护用减震套，采用的材料为合金软管，而目前市场采购不到，暂用泡沫软管代替，油管性能不会因此受到影响。

三、动力转向油泵部分

（一）转向器参数

最高使用压力7.84 Mpa

油泵推荐流量7.0L/min

油缸内径￠41

齿条直径￠25

适用前轴负荷1000Kg

最大输出负荷6500N

齿条行程137-139

（二）转向油泵参数:

理论排量7.5ml

流量曲线见功能图

最大压力8 Mpa

旋向右旋

转速范围500~8000r/min

（三）关于C项目的方案

转向器为车的飞驰转向器,发动机采用476发动机, xx公司所开发油泵专门为此发动机开发,参数和转向器参数相匹配。

油泵参数可以根据要求作调整，以使转向系统配置达到最佳工作状态，关于转向系统其它配置参考意见：

1、油箱的设计容量应在0.4L以上,内部清洁度5mg以下,可采用回油过滤过滤精度40μm左右,进油过滤可大点在80μm左右,油箱的布置位置离泵距离要尽量近,一般在0.5m以内，并且油箱位置应高于油泵的位置。以减小吸油阻力。

2、于高压管的选用应采用变频管（国外基本上都采用），有一定条

件可实车进行变频管的选用试验。

四、转向管柱部分

1、产品来源和作用

C项目转向管柱样件由提供，用于连接方向盘和转向器，起传递扭矩、防盗、被动安全防撞吸能等作用。根据提供的样件，结合国内外可调、防撞吸能转向管柱的先进标准和我公司二十年转向管柱设计开发和生产经验，尤其近十年来对可调、防撞吸能转向管柱的研究开发，特别是湖南长丰猎豹（日本三菱技术）、荣成华泰（韩国现代技术）、万丰皮卡、秦川福莱尔、奇瑞QQ、塞宝等可调、防撞吸能转向管柱的开发成功并已批量供货。根据这些产品的开发经验对C项目转向管柱总成作产品技术可行性分析。

2、产品主要结构和技术性能

2.1可调机构

该转向管柱可进行前、后方向调整，以满足驾驶员的不同需要。

沿顺时针方向转动手柄，调整机构打开，上支架与上固定座立即松开，此时上支架绕下支架芯轴可进行转动，驾驶员根据需要对前、后角度进行调整，当选择到合适位置时，反方向转动手柄调整机构锁紧。

2 .2防撞吸能结构

该转向管柱具备三级防撞吸能。

转向轴分上下两段，上转向轴（扁轴）装在下转向轴套（扁套）中，中间通过压入防撞衬片联接在一起；转向传动轴也是通过压入防撞衬片与套管叉（扁套）联接在一起；上固定座内联接芯轴及下支架内联接芯轴的外面均采用尼龙件卡固在上固定座及下支架槽内。

当方向盘受到的冲击载荷超过了允许范围时，冲击能量传递给下转向轴套向下移动。驾驶员因惯性作用冲向方向盘，上转向轴与下转向套、转向传动轴与套管叉内的防撞衬片被挤压变形，发生轴与套的边滑动边挤压；同时卡在转向柱管上固定座及下支架内的尼龙件（防撞管、防撞衬圈）也被挤压变形在槽内滑动，

从而产生转向柱管能向下滑动。正由于挤压、变形，缓冲、吸能，大大减轻了对驾驶员的伤害，起到了安全保护作用。

2.3安全防盗结构

在转向轴总成上设有锁槽，点火锁舌通过锁槽防止转向轴转动，从而起到防盗作用，符合国家强制性标准GB15740-1995《汽车防盗装置性能要求》。

2.3主要技术性能指标

2.3.1转向轴总成静扭强度不小于200N.m，破坏扭矩不小于294N.m。

2.3.2在防盗锁止机构部位沿顺时针和逆时针方向施加196N.m的扭矩各一次，锁定功能不能出现任何异常现象。

2.3.3转向轴总成空转动扭矩不大于0.25N.m。

2.3.4万向节十字轴轴向间隙不大于0.20mm。

2.3.5万向节十字轴轴承轴向压出力大于3000N。

2.3.5万向节十字轴的转动扭矩不大于0.30N.m。

2.3.6万向节叉的摆角不小于90°。

2.3.7转向轴总成在29.4N.m扭矩作用下，变形不大于30′。

2.3.8前、后调整力69N以下。

2.3.9手柄操作力70-90N。

2.3.10前、后调整保持力490N（MIN）。

2.3.11上轴承拔离力5KN以上。

2.3.12锁定机构耐久试验：在锁键上使用42N.m扭矩，3000次无异常。

2.3.13调整机构耐久试验：10000次后无异常。

2.3.14振动试验：200万次后无异常。

2.3.15转动疲劳寿命试验：经50万次试验后无异常。

试验条件：负荷±30N.m，频率100～150转/分，回转角±180°。

2.3.16扭转疲劳寿命试验：负荷±30N.m经100万次试验后符合下列条件：万向十字轴轴向间隙不大于0.30mm；万向十字轴轴碗压出力大于2500N。

2.3.17静态压缩性能试验

2.3.17.1上转向轴、下转向轴套在1000～2000N轴向力作用下，防撞衬片能被挤压变形，从而产生轴与套的相对滑移。

2.3.17.2转向传动轴、套管叉在1000～2000N轴向力作用下，防撞衬片能被挤压变形，从而产生轴与套的相对滑移。

2.3.17.3转向柱管上固定座及下支架内的尼龙件在1300～2300N轴向力作用下，尼龙被挤压变形，从而能够在槽内滑移。

2.3.18动态性能试验

根据GB11557-1998《防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定》（FMVSS203），

人体模块以24.1+1.20km/h 的速度水平撞击转向盘时，作用在转向盘上的水平力不得大于11123N。

3、主要零件

3.1自制件

上转向轴、下转向轴套、锁止套、转向柱管、连结轴、转向传动轴、套管叉、万向节叉（3种）

3.2外购件

上防撞衬片（弹簧片）、橡胶轴承总成、滚珠轴承、轴用挡圈、开关座、线卡、上支架、上固定座、防护板、下支架、防撞卡块、固定片、手柄总成、调整块（2种）、防撞衬圈（尼龙件）、衬管、拉簧、上螺栓、锁紧螺母、六角螺母、小六角螺栓、小垫圈、防撞管（尼龙件）、带齿六角螺栓、弹性垫圈、下防撞衬片（弹簧片）、万向节总成（2）

3.3所有的外购件我们将在合格分承包方中择优选择：

3.3.1万向十字轴总成：杭州万向钱潮股份有限公司

3.3.2轴承：杭州万向钱潮股份有限公司或日本光洋精工公司

4、主要零部件及装配初始工艺流程

4.1上转向轴：

下料→车端面、倒角→磷皂化→旋锻（4个精密工位）→旋锻（3个精密工位）→车轴承档、螺纹档→挤花键→滚螺纹→去毛刺→检验

4.2下转向轴套：

下料→车端面、倒角→磷皂化→旋锻（2个精密工位）→旋锻（3个精密工位）→挤花键→去毛刺→检验

4.3锁止套：

下料→车端面、倒角→磷皂化→挤压→车飞边→检验

4.4转向柱管：

下料→扩孔→车端面、倒角→冲孔→冲方孔→冲轴承定位孔→冲腰孔→冲凸台→检验

4.5连结轴：

下料→精密锻造→车端面、倒角→磷皂化→挤压花键→车外圆、端面、倒角→挤压→钻锁紧孔→攻丝→铣平面→铣槽→去毛刺→检验

4.6转向传动轴：

下料→车端面、倒角→磷皂化→旋锻（1个精密工位）→挤花键→铣扁→去毛刺→检验

4.7套管叉：

下料→车端面、倒角→磷皂化→挤压→切槽切耳旋锻（1个精密工位）→车端面、倒角→钻耳孔→拉耳孔→去毛刺→检验

4.8万向节叉（下转向轴套用）：

精锻（毛坯、外协）→检验→钻耳孔→拉耳孔→车花键孔→拉花键→钻锁紧

孔→攻丝→锪孔→铣耳侧倒角→铣槽→去毛刺→检验

4.9万向节叉（转向传动轴用）：

精锻（毛坯、外协）→检验→钻耳孔→拉耳孔→车花键孔→拉花键→钻锁紧孔→攻丝→锪孔→铣耳侧倒角→铣槽→去毛刺→检验

4.10万向节叉（连接轴用）：

精锻（毛坯、外协）→检验→钻耳孔→拉耳孔→车花键孔→拉花键→钻锁紧孔→攻丝→锪孔→铣耳侧倒角→钻孔→铣槽→去毛刺→检验

4.11装配工艺：

柱管焊接总成：

领料→清洗→烘干→焊接（下支架内防撞卡块）→焊接（开关座）→焊接（上支架、线卡、下支架焊接总成）→去焊渣→检验

柱管总成：

领料（柱管焊接总成）→钻锁孔→装轴承→冲铆（轴承定位）→检验

转向轴总成：

领料→清洗→烘干→压锁止套→压上防撞衬片→检验

万向节总成及转向传动轴总成：

领料→清洗→烘干→压下防撞衬片→压装十字轴→冲铆→压装十字轴→冲铆→装锁紧螺栓→检验

转向管柱总成：

领料→装轴用挡圈→装转向轴总成→装橡胶轴承→装轴用挡圈→冲铆→检验→装锁紧螺栓（万向节总成及转向传动轴总成）→装锁紧螺栓（连接轴）→装配（上固定座、防撞管、螺栓、手柄总成、调整块、固定片、六角螺母、小六角螺母、小垫圈、拉簧、防撞衬圈、衬管）→检验

5、关键技术、工艺及解决措施

C项目转向管柱的关键技术在于防撞吸能结构。

当冲击载荷超过了允许范围时，能缓冲、吸能，对驾驶员起安全保护作用。

因此上转向轴与下转向轴套、转向传动轴与套管叉、上固定座与防撞衬管、下支

架与防撞衬圈的配合尺寸以及上、下防撞衬片变形量、尼龙件的变形量的确定都

直接关系到防撞吸能功能是否有效。

根据配套厂家多年扁轴、套的设计和生产经验，采用国际先进的旋锻工艺，

能有效保证扁轴、套的尺寸精度和形位公差。防撞衬片、尼龙件形变量的确定一

方面根据已有经验确定初始值，另一方面是通过反复试验最终确定。