机械式液压动力转向系统设计与仿真论文

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　机械式液压助力转向系统设计与仿真

　 Xxx （xxx机械工程学院xxx1班， xx xxxx xxxx）

　指导老师：xxxx

　 [ [ 摘要 ] 本课题题目是机械式液压助力转向系统的设计；机械式的液压动力转向系统一般由液压泵、油管、压力流量控制阀体、V 型传动皮带、储油罐等部件构成，是以齿轮齿条转向器设计为中心。要完成本课题：一是转向系统总述；二是机械转向器选择；三是齿轮及齿条的合理搭配，以满足转向器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。所以本课题要考虑以上要求，就要研究机械式液压助力转向系统实现转向的原理。只有转向器结构紧凑简单，轴向尺寸较短，和零件数目少的优点而且能增加助力，才能实现汽车稳定、灵敏的转向。所以在本设计说明中主要对转向器齿轮齿条的设计及对转向齿轮轴的校核进行研究，主要方法和理论是采用大学期间汽车设计的经验参数和大学里所学机械设计基础的课程内容以及液压课程内容进行设计，其结果满足强度要求，安全、可靠、稳定。

　[ [ 关键词 ] 转向系

　齿轮齿条设计

　转向梯形

　 Design and Simulation of mechanical hydraulic power steering system

　Xxx （Grade:1x,Class：Automobile1101,Major:Thermal Energy and power Engineering，Mechanical Engineering Dept.，xxxx University of Technology，xxx xxx，xxx）

　Tutor:xxxxx

　 Abstract：

　：

　The title of this topic is the design of steering system. Rack and pinion steering gear to the design as the center, first are cars’ steering system overview; Second, Cars steering system performance parameters; third rack gear and a reasonable match to meet the correct steering gear ratio and strength requirements; Fourth, power steering mechanism design; Fifth, the structural design of trapezoidal. Therefore, taking into account the above issues and factors that require study, based on the steering wheel rotary drive transmission shaft of the steering rack and pinion steering, through the universal joint drive shaft rotation gear shift, steering rack and steering gear shaft meshing, thereby encouraging steering rack linear motion to achieve steering. Simple structure to achieve the steering tight, short axial dimension, and the number of parts can increase the advantages of less power in order to achieve the vehicle steering stability and sensitivity. In this article a major design steering rack and pinion steering gear shaft and the check, the main methods and theoretical experience in the use of automotive design parameters and the University of mechanical design school curriculum design and the results meet the strength requirements, safe and reliable.

　 Keywords: Steerin; Mechanical Type Steering Gear and Gear Rack; Steering Trapezoidal

　I

　目

　录 引言 ...................................................... 3 1 汽车转向系的类型和组成 .................................. 4 1.1 机械转向系 .............................................. 4 1.2 动力转向系 .............................................. 5 1.3 动力转向技术的发展 ...................................... 5 1.3.1 液压动力转向 ....................................... 6 1.3.2 电动动力转向 ....................................... 7 2、液压助力布置方案的拟定 ................................. 8 2.1 转向系的功用与要求 ...................................... 8 2.2 转向器方案分析 .......................................... 8 3、液压助力转向机构布置方案分析 .......................... 10 3.1 动力转向机构布置方案 ................................... 10 3.2 动力转向器结构形式的选择 ............................... 11 3.3 分配阀的结构方案 ....................................... 11 4、液压系统方案分析 ...................................... 13 4.1 常用转向液压系统工作原理 ............................... 13 4.2 系统设计工作原理 ....................................... 13 5、转向器输出力矩的确定 .................................. 15 6、轴的设计计算及校核 .................................... 16

　6.1 转向摇臂轴（即齿形齿扇轴）的设计计算 ................... 16 6.1.1 材料的选择 ........................................ 16

　II

　6.1.2 结构设计 .......................................... 16 6.1.3 轴的设计计算 ...................................... 16 6.2 螺杆轴设计计算及主要零件的校核......................... 18 6.2.1 材料选择 .......................................... 18 6.2.2 结构设计 .......................................... 18 6.2.3 轴的设计计算 ...................................... 19 6.2.4 钢球与滚道之间的接触应力校核 ...................... 20 7、齿轮齿条式液压动力转向机构设计 ........................ 22 7.1 齿轮齿条式转向器结构分析 .............................. 22 7.2 参考数据的确定 ........................................ 26 7.3 转向轮侧偏角计算 ...................................... 26 7.4 转向器参数选取 ........................................ 27 7.5 选择齿轮齿条材料 ...................................... 28 7.6 强度校核 .............................................. 28 7.7 齿轮齿条的基本参数如下表所示 .......................... 29 7.8 齿轮轴的结构设计 ...................................... 29 8、基于 AMESIM 的液压转向机构建模与仿真 ................... 30 8.1 建立全液压转向机构仿真模型 ............................ 30 8.1.1 建立转向器仿真模型 ............................... 30 8.1.2 建立优先阀仿真模型 ............................... 34 8.1.3 建立液压转向机构仿真模型 ......................... 37 8.2 特殊路况下仿真分析 .................................... 37

　III

　8.3 本章小结 .............................................. 43 结

　论 ................................................... 44 致

　谢 ................................................... 45 参考文献 ................................................. 46

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　 第 3

　页 共 49 页 引言 改革开放至今，中国汽车工业飞速发展，据中国汽车工业协会进行的统计，截至 2006 年 10 月底，轿车的累计销售量已经有三百多万辆，同比之前增长了百分之四十。2006 年 11 月北京车展，自主品牌有：奇瑞、吉利、中兴、长城、东风、众泰、双环、比亚迪、力帆、中顺、海马、长安、华普、哈飞、华晨等自主品牌，在国际汽车盛宴中立竿见影，不管从参展规模还是产品所展示的品质及技术含量上，都让人吃惊，但与国外有着近百年发展历史的国外汽车工业相比较，我们的自主品牌汽车在舒适体验和行车性能方面仍有差距。

　每个国家的汽车工业都是国民经济支柱产业，代表了一个国家的综合国力，汽车工业随着机械和电子技术的发展不断地前进。到今天，汽车已经不再是单纯机械意义上的汽车了，它是机械、材料、电子等学科的综合产物。汽车转向系也随着汽车工业发展历经长时间演变。

　转向系统是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，所以转向系统应该能准确、平稳、快速地响应驾驶员所作出的转向指令，当车辆转向行驶后或者受到外界扰动时，在驾驶者松开方向盘的瞬间，应该能够保证汽车自动返回稳定的行驶状态。

　随着私家车越来越普遍，各式各样高中低档轿车进入人们的生活中。快节奏、高效率的生活加上大家对高速体验的不断追求，也要求车速不断提高。由于汽车有量增加和社会化生活汽车化而造成交通拥挤，从而转向盘的操作频率增高，；就要求减轻驾驶的疲劳。

　所以，无论是满足快速增长的轿车市场还是给驾车者更安全更舒适的的驾车体验，都需要一种高性能、低成本的大众化轿车转向结构。

　本课题是以现有国产汽车常采用的齿轮齿条液压助力转向器为核心，综合设计的转向机构。

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　页 共 49 页 1 汽车转向系的类型和组成 汽车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓汽车转向。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)相对于汽车纵轴线偏转一定角度。在汽车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面例向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向。此时，驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向相反的方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。这一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，即称为汽车转向系。因此，汽车转向系的功用是，保证汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶。

　汽车转向系可按转向能源的不同分为机械转向系和动力转向系两大类。机械式转向器由转向器、转向操纵机构和转向传动机构三大部分组成。按照转向器的不同形式可分为循环球式、齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式等转向器。不同的转向器有着不同的特点应用于不同的汽车上。其中小轿车上常用的是齿轮齿条式的转向器。在本文的后面分析中，就是以这种转向器来做分析的。动力式按照加力装置的不同可以分为液压助力式、气压助力式和电动助力式三种。气压助力式主要应用于一部分其前轴最大轴载质量为 3 一 7t 并采用气压制动系的货车和客车上。由于气压系统的工作压力较低(一般不高于 0.7MPa)，使得其部件的尺寸比较庞大；同时压缩空气工作时的噪声和滞后性使得这种助力方式的转向器只配置在极少一部分车辆上。相比之下，液压助力式的转向器成了当今汽车助力转向器的主流。

　1 1.1 机械转向系

　机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。

　1 一转向盘；2 一转向轴；3 一转向万向节；4 一转向传动轴；5 一转向器； 6-转向摇臂；7 一转向直拉杆；8 一转向节臂；9 一左转向节； 10、12 一梯形臂；11 一转向横拉杆；13 一右转向节

　图 1.1 机械转向系示意图

　图 1.1 所示为机械转向系的组成和布置示意图。当汽车转向时，驾驶员对转向盘 1 施加一个转向力矩。该力矩通过转向轴 2、转向万向节 3 和转向传动轴 4 输入转向器 5。经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向摇臂 6，再经过转向直拉杆 7 传给固定于左转向节 9 上的转向节臂 8，使左转向节和它所支承的左转向轮偏转。为使右转向节 13 及其支承的右转向轮随之偏转相应角度，还设置 7 转向梯形。转向梯形由固定在左、右转向节上的梯形臂 10、12 和两端与梯形臂作球铰链连接的转向横拉杆 n 组成。

　从转向盘到转向传动轴这一系列部件和零件，均属于转向操纵机构。由转向摇臂至转向梯形这一系列部件和零件(不含转向节)，均属于转向传动机构。

　目前，许多国内外生产的新车型在转向操纵机构中采用了万向传动装置(转向万向节和转向传动

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　页 共 49 页 轴)。这有助于转向盘和转向器等部件和组件的通用化和系列化。只要适当改变转向万向传动装置的几何参数，便可满足各种变型车的总布置要求。即使在转向盘与转向器同轴线的情况下，其间也可采用万向传动装置，以补偿由于部件在车上的安装误差和安装基体(驾驶室、车架)的变形所造成的二者轴线实际上的不重合。

　转向盘在驾驶室安放的位置与各国交通法规规定车辆靠道路左侧还是右侧通行有关。包括我国在内的大多数国家规定车辆右侧通行，相应地应将转向盘安置在驾驶室左侧。这样，驾驶员的左方视野较广阔，有利于两车安全交会。相反，在一些规定车辆靠左侧通行的国家和地区使用的汽车上，转向盘则应安置在驾驶室右侧。

　2 1.2 动力转向系

　动力转向系是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系。在正常情况下，汽车转向所需的能量，只有一小部分由驾驶员提供，而大部分是由发动机通过动力转向装置提供的。但在动力转向装置失效时，一般还应当能由驾驶员独立承担汽车转向任务。因此，动力转向系是在机械转向系的基础上加设一套动力转向装置而形成的。

　对最大总质量在 12t 以上的大型汽车而言，一旦动力转向装置失效，驾驶员通过机械传动系加于转向节的力远不足以使转向轮偏转而实现转向。故这种汽车的动力转向装置应当特别可靠。

　 图 1.2 动力转向系示意图

　图 1.2 为一种液压动力转向系的组成和液压动力转向装置的管路布置示意图。其中属于动力转向装置的部件是：转向油罐、转向油泵、转向控制阀和转向动力缸。当驾驶员逆时针转动转向盘(左转向)时，转向摇臂带动转向直拉杆前移。直拉杆的拉力作用于转向节臂，并依次传到梯形臂和转向横拉杆，使之右移。与此同时，转向直拉杆还带动转向控制阀中的滑阀，使转向动力缸的右腔接通液面压力为零的转向油罐。转向油泵的高压油进入转向动力缸的左腔，于是转向动力缸的活塞上受到向右的液压作用力便经推杆施加在转向横拉杆上，也使之右移。这样，驾驶员施于转向盘上很小的转向力矩，便可克服地面作用于转向轮上的转向阻力矩。

　3 1.3 动力转向技术的发展

　汽车转向一直存在着“轻”与“灵”的矛盾。尽管，人们采用了变速比转向器等手段，但始终不能从根本上解决这一矛盾。在 20 世纪 50 年代初出现了液压动力转向技术，比较好地缓解了“轻”

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　页 共 49 页 与“灵”的矛盾，符合人们对转向轻便性更高的要求，在保证其他性能的条件下，能大大降低转向盘上的手力，特别是原地转向时转向盘上的手力。

　1 1.3.1 液压动力转向

　液压动力转向首先是在大型车辆上得到发展的，随着当时汽车装载质量和整备质量的增加，在转向过程中所需克服的前轮转向阻力矩也随之增加，从而要求加大作用在转向盘上的转向力，使驾驶员感到“转向沉重”。当前轴负荷增加到某一数值后，靠人力转动转向轮就很吃力。为使驾驶员操纵轻便和提高车辆的机动性，最有效的方法就是在汽车转向系中加装转向助力装置，借助于汽车发动机的动力驱动油泵、空气压缩机和发电机等，以液力、气力或电力增大驾驶员操纵前轮转向的力矩。使驾驶员可以轻便灵活地操纵汽车转向，减轻了劳动强度，提高了行驶安全性。液压动力转向系统除了传统的机械转向器以外，尚需增加控制阀、动力缸、油泵、油罐和管路等。轿车对动力转向的要求与重型车辆不完全相同。比如大型车辆对动力转向系统噪声的要求较低，轿车则对噪声要求很高，轿车还要求装用的转向器系统结构要更简单、尺寸更小、成本更低等。但是重型车辆动力转向技术的发展无疑为轿车动力转向技术奠定了基础。

　开始阶段液压动力转向的控制阀采用滑阀式，即控制阀中的阀以轴向移动来控制油路。滑阀式控制阀结构简单，生产工艺性好，操纵方便，宜于布置，使用性能较好。但是滑阀灵敏度不够高，后来逐渐被转阀代替。

　20 世纪 50 年代末沙基诺发明了转阀式液压动力转向，即控制阀中的阀芯以旋转运动来控制油路。与滑阀相比，转阀的灵敏度高、密封件少、结构比较先进。虽然由于转阀利用扭杆弹簧来使阀回位，结构较复杂，特别是对扭杆的材质和热处理工艺要求较高。但是其性能相对于滑阀有很大改进，达到令人满意的程度，并且在齿轮齿条式转向器中布置转阀比较容易，目前在轿车及大部分重型汽车上的液压动力转向采用的均是转阀式控制阀。

　在大型汽车上装备液压动力转向系统有如下优点：

　 (1)减小驾驶员的疲劳强度。动力转向可以减小作用在转向盘上的力，提高转向轻便性。

　(2)提高转向灵敏度。可以比较自由地根据操纵稳定性要求选择转向器传动比，不会受到转向力的制约。允许转向车轮承受更大的负荷，不会引起转向沉重问题。

　 (3)衰减道路冲击，提高行驶安全性。液压系统的阻尼作用可以衰减道路不平度对转向盘的冲击；另一方面，当汽车高速行驶时，如果发生爆胎，将导致汽车转向盘难以把握，应用动力转向可以使驾驶员较容易把握转向盘。

　同时液压动力转向系统也有不足：

　(1)选定参数完成设计之后，助力特性就确定了，不能再进行调节与控制。因此协调轻便性与路感的关系困难。低速转向力小时，高速行驶时转向力往往过轻、“路感”差，甚至感觉汽车发“飘”，从而影响操纵稳定性；而按高速性能要求设计转向系统时，低速时转向力往往过大。

　(2)即使在不转向时，油泵也一直运转，增加了能量消耗。

　(3)存在渗油与维护问题，提高了保修成本，泄漏的液压油会对环境造成污染。

　(4)低温工作性能较差。

　随着人们对汽车经济性、环保、安全性的日益重视以及大型汽车技术的发展，人们开始对液压动力转向存在的不足进行改进，开发出一些新型液压动力转向技术。这种技术上的改进主要围绕第(1)、(2)点不足。对第(1)点不足的主要改进措施是将车速引入动力转向系统，得到车速感应型助力特性，发展了两种车速感应型液压动力转向系统。一种是机械式，通过与调速器及变速器相连的泵

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　页 共 49 页 来控制油压阀，现在已经很少采用；另一种是电子控制式，通过传感器由 EUC 控制阀操作，现在用得比较多。对第(2)点不足，主要通过开发节能泵、提高系统的效率以及电控液压动力转向系统来加以改进。

　2 1.3.2 电动动力转向

　电动助力转向系统是汽车转向系统的发展方向。该系统由电动助力机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护了环境。另外，还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。正是有了这些优点，电动助力转向系统作为一种新的转向技术，将挑战大家都非常熟知的、已具有 50 多年历史的液压转向系统。驾驶员在操纵方向盘进行转向时，转矩传感器检测到转向盘的转向以及转矩的大小，将电压信号输送到电子控制单元，电子控制单元根据转矩传感器检测到的转距电压信号、转动方向和车速信号等，向电动机控制器发出指令，使电动机输出相应大小和方向的转向助力转矩，从而产生辅助动力。汽车不转向时，电子控制单元不向电动机控制器发出指令，电动机不工作。

　与乘用车相比，轻中型商用车由于其独特的机械式循环轴转向器及拉杆式转向系统，使得其 EPS系统不同于目前轿车上应用的几种 EPS 传动耦合方式。对轻中型载重汽车而言，所需电机助力远超过乘用车，因此需要设计全新的适用于商用汽车重载工况的电机助力传动耦合机构，使得电机助力经过传动耦合机构，可以和原来的机械式转向器合成为整体式助力转向系统。目前电动助力转向系统主要应用于齿轮齿条式转向器，而轻中型商用汽车采用循环球式转向器，乘用车所用的通用助力方式不适用于轻中型商用汽车。因此，电动助力转向机构在乘用车上得到应用，而在商用车上很少采用。

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　 第 8

　页 共 49 页 2、液压助力布置方案的拟定 1 2.1 转向系的功用与要求

　转向系是用来改变汽车的行驶方向和保持汽车的直线行驶的。它是由转向器和转向传动装置两大部分所组成。在采用动力转向的汽车上还有动力系统。

　根据转向系的工作特点，对其提出如下要求：

　1.工作可靠。转向系对汽车的行驶安全性影响很大，因此其零件应有足够的强度、刚度和寿命。

　2.操纵轻便。这是减轻驾驶员的劳动强度和保证汽车安全行驶的重要因素之一。操纵轻便性应包含三方面内容：

　(l)汽车转向时必须作用在转向盘上的手力 P手要小，一般最大极限值是：

　小客车 20 P 手最大公斤

　中型载重车 36 P 手最大公斤

　重型载重车 45 P 手最大公斤

　采用转向加力器、增大转向传动装置的力传动比 i力、提高转向器的效率(用滚动摩擦代替滑动摩擦)等都是减小转向盘手力 P手的有效方法。

　(2)汽车转向时，转向盘的回转圈数要少。当汽车朝一个方向极限转弯时，转向盘的转动圈数不能超过 2～2.5 圈。因此转向系的角传动比不宜太大。

　(3)汽车直线行驶时，转向盘应稳定，无抖动和摆动现象。这就要求转向系在整车布置上与行走系统运动协调；汽车在转向后，转向盘能自动回正，要求转向器有一定的可逆性，同时要正确地选择前轮定位角。

　3.汽车转向时要有正确的运动规律。要求合理地设计梯形机构，保证汽车在转向时车轮是纯滚动而没有滑动。

　4.既要尽量减少汽车转向轮受到的冲击传到方向盘上，又要保证驾驶员有正确的道路感觉。从而要求适当地控制转向器的可逆程度。

　5. 转向系的调整应尽量少而简单。

　2 2.2 转向器方案分析

　根据转向器所用传动副的不同，转向器有多种。常见的有循环球式球面蜗杆蜗轮式、蜗杆曲柄销式和齿轮齿条式等。转向器的结构形式，决定了其效率特性以及对角传动比变化特性的要求。选用那种效率特性的转向器应有汽车用途来决定，并和转向系方案有关。经常行驶在好路面上的轿车和市内用客车，可以采用正效率较高的、可逆程度大的转向器。

　齿轮齿条式转向器的结构简单，因此制造容易，成本低，正、逆效率都高。为了防止和缓和反向冲击传给方向盘，必须选择较大的传动比，或装有吸振装置的减振器。蜗杆曲柄销式转向器角传动比的变化特性和啮合间隙特性变化受限制，不能完全满足设计者的意图。

　循环球式转向器中一般有两级传动副。第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿扇传动副。

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　 第 9

　页 共 49 页 转向螺杆的轴颈支撑在两个圆锥滚子轴承上。轴承紧度可用调整垫片调整。转向螺母的下平面上加工成齿条，与齿扇轴内的齿扇部分相啮合。通过转向盘转动转向螺杆时，转向螺母不转动，只能轴向移动，并驱使齿扇轴转动。为了减小转向螺杆和转向螺母之间的摩擦，其间装有小钢球以实现滚动摩擦。二者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面轮廓的螺旋管状通道。转向螺母外有两根导管，两端分别插入螺母的一对通孔。导管内装满了钢球。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。转向器工作是两列钢球只是在各自封闭的流道内循环，而不脱出。

　转向螺母上的齿条式倾斜的，因此与之啮合的齿应当是分度圆上的齿厚沿齿扇轴线按线性关系变化的变厚齿扇。因为循环球转向器的正传动效率很高，操作轻便，使用寿命长。经常用于各种汽车。

　综上最后本次设计选定循环球式转向器。

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　 第 10

　页 共 49 页 3、液压助力转向机构布置方案分析 液压式动力转向由于油压工作压力高，动力缸尺寸小、质量轻，结构紧凑，油液具有不可压缩性，灵敏度高以及油液的阻尼作用可以吸收里面的冲击等优点而得到广泛应用。

　1 3.1 动力转向机构布置方案

　液压式动力转向机构是由分配阀、转向器、动力缸、液压泵、储油罐和油管等组成。根据分配阀、转向器和动力缸三者相互位置的不同，液压式动力机构可分为整体式、半整体式、转向加力器。机械转向器和转向动力缸设计成一体，并与转向控制阀组装在一起，这种三合一的部件称为整体式动力转向器（如图 3.1(a)）。另一种方案是只将转向控制阀同机械转向器组合成一个部件，该部件称为半整体式动力转向器（如图 3.1(b)，转向动力缸则做成独立部件。第三种方案是将机械转向器作为独立部件，而将转向控制阀和转向动力缸组合成一个部件，称为转向加力器（如图 3.1(c)）。

　 图 3.1(a) 整体式动力转向器

　图 3.1(b) 半整体式动力转向器

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　图 3.1(c) 转向加力器

　在分析比较上述几种不同动力转向机构布置方案时，常从结构上是否紧凑、转向器主要零件是否承受有动力缸建立起来的载荷、拆装转向器是否容易、管路特别是软管的管路、转向轮在侧向力作用下是否容易引起转向轮摆振、能不能采用典型转向器等方面来做比较。例如，整体式动力转向器，由于其分配阀、转向器、动力缸三者装在一起，因而结构紧凑，管路也短。其缺点是转向摇臂轴、摇臂等转向器的主要零件，都要承受有动力缸所建立起来的载荷，因此必须加大它们的尺寸和质量，给布置带来不利的影响；同时还不能采用典型的转向器，拆装转向器时要比分置式的困难。除此之外，由于对转向器的密封性要求比较高，这些给转向器的设计带来不少的困难。

　分置式动力转向器由于分开布置，故其机械转向器可以采用任何一种典型的结构；转向器零件也不受动力缸助力载荷的影响；当汽车的转向桥负荷过大时，可加大缸径或增加动力缸的缸数而不影响转向器的基本尺寸。但分置式的零件数较多，管路布置也比较复杂。在分置式的结构中，半分置式和联阀式的应用最多，连杆式的应用最少。

　综上最后本次设计的布置形式选定为半分置式。

　2 3.2 动力转向器结构形式 的选择

　 动力转向器的结构形式有常压式和常流式之分。当转向分配阀在中间位置时常闭，使工作油液一直处于高压状态的动力转向器，称为常压式动力转向器；当转向分配阀在中间位置时常开，使工作油液一直处于常流状态的动力转向器，称为常流式动力转向器。

　上述的两种液压转向加力装置相比较，常压式的优点在于有蓄能器积蓄液压能，可以使用流量较小的转向液压泵，而且能还可以在液压泵不运转的情况下保持一定得转向能力，使汽车有可能续驶一定的距离。这一点对大型汽车而言尤为重要。故本设计采用常压式的。

　3 3.3 分配阀的结构方案

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　图 3.3 滑阀的结构和工作原理

　分配阀有两种结构方案：分配阀中的阀与阀体以轴向移动方式来控制油路的称为滑阀式（如图3.3），以旋转运动来控制油路的称为转阀式。

　滑阀式分配阀结构简单，生产工艺性好，易于布置，使用性能好，曾得到广泛的运用。

　转阀式与滑阀式比较，灵敏度高、密封件少而且结构较为先进。由于转阀式是利用扭杆弹簧使转阀回位，所以结构复杂。

　综上最后本次设计的控制阀选用滑阀。

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　页 共 49 页 4

　液压系统方案分析 1 4.1 常用转向液压系统工作原理

　 汽车直线行驶时，方向盘保持不动，转向器分配阀 5 处于中位常开，液压泵 2 卸载，液压油直接回油箱 8。转向时，驾驶员旋转方向盘，螺杆作微前移或后移，转向器内滑阀偏离中间位置，压力油自液压泵出来，经液压控制集成元件 4 稳流稳压后，经转向器分配阀 5，进入转向缸 6，由液压缸推动转向轮转动，实现转向(如图 4.1 所示)。

　1、3 过滤器

　2 液压泵

　4 液压控制集成元件 5 转向器分配阀

　6 液压缸

　7 单向阀

　8 油箱

　图 4.1 常用转向液压系统工作原理

　2 4.2 系统设计工作原理

　该系统在原通用转向液压系统上合理加设液控背压阀、带单向阀的节流阀、开式减压阀、中位为“H”型的液控三位四通换向阀。液控背压阀为当转向器分配阀工作(不在中位)时，控制支路系统产生背压，操作液控换向阀，使液压缸工作。带单向阀的节流阀为控制液控背压阀进出控制口的流量，即控制液控背压阀阀芯滑动速度。开式减压阀为系统压力随转向桥负荷上升，当高于低压转向器额定工作压力时，使支路(流入转向器)压力保持恒定，保证转向器压力不超过工作压力。三位四通换向阀起转向器分配阀作用，控制方向与转向器分配阀一致。

　(1)汽车直线行驶如图 4.2 所示：转向器分配阀在中位时，汽车处于直线行驶状态，转向液压系统无负载。根据液体工作特性，液体经过开式减压阀 5 直接进入转向分配阀 8 后全部回油箱 1，其原因有两种：一是转向器分配阀 8 的中位油路接通结构为“H”型，“A1”“B1”“O1”“P1”口相互接通，系统无法建压；二是开式减压阀在系统无压力状态下无减压作用，整个支路无节流。液控背压阀 7、液控换向阀 8 及液压缸 10 处于非工作状态。

　 (2)汽车左转向：如图 4.2 所示，方向盘向左转动，转向器分配阀 8 工作位置移到“平行”位置，压力油接通到液控换向阀 9“平行”位置的方向控制口，支路成封闭回路，迅速建压到液控换向阀 9 的阀芯开启压力，推动阀芯，使液控换向阀 9 的工作位置移到“平行”位置。支路继续升压至液控背压阀 7 开启压力，压力油推开液控背压阀 7、经过液控换向阀 9 进入液压缸 10(执行元件)。同时，压力油经过单向节流阀 6 进入液控背压阀 7 的有杆腔，在保证液控换向阀 9 的阀芯彻底移动到换向位置的前提下，缓慢推动锥阀芯(相对液控阀的阀芯移动速度)至到最大开度，消除压力油经过液控背压阀 7 时产生的压力损失，并防止系统在高压状态下发热升温。执行系统压力随转向桥的负载升压，当压力升过减压阀的设定出口压力时，减压阀开始减压工作，始终保证转向器分配阀压力恒定，不超载，大大提高了转向器可靠性。

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　 第 14

　页 共 49 页

　 1 油箱

　2 液压泵

　3 单向阀

　4 蓄能器

　5 液控减压阀 6 单向节流阀

　7 液控背压阀

　8 转向分配阀

　9 液控换向阀

　10 液压缸

　图 4.2 系统设计工作原理

　(3)汽车右转向：方向盘向右转动，转向器分配阀 8 工作位置移到“交叉”位置，压力油进入液控换向阀 9“交叉”位置的方向控制口，支路成封闭回路，迅速建压到液控换向阀 9 的阀芯开启压力，推动阀芯，使液控换向阀 9 的工作位置移到“交叉”位置。其他元件液体工作特性与左转向完全相同。左右转向转换工作过程关键特性：汽车在左右转向转换过程中转向器分配阀 9 阀芯回到中位位置(执行系统处于无压状态)后，又移到任一左右转向位置的瞬时，液控单向阀 3 阀芯在回位弹簧和单向节流阀 6 的作用下，迅速释放油液并关闭，使支路建压，迅速控制液控换向阀工作。

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　 第 15

　页 共 49 页 5 转向器输出力矩的确定

　随着 21 世纪日益突出的能源问题和汽车产品的电子化发展，具有节省能源、结构简单紧凑等显著优点的电子控制式电动动力转向器将是未来汽车动力转向器设计的发展方向．针对这一应用要求，根据汽车转向机构的受力分析得到的转向力矩，对影响汽车转向力矩的主要因素进行了分析，并具体对与向心加速度有关的部分转向力矩的实验曲线用最小二乘法进行了解析式拟合。

　 液压动力转向器的容量或最大理论输出力矩的确定，一直是设计者和各专业生产厂所关心的问题。众所周知，动力转向器的输出力矩取决于转向轮的阻力矩，该阻力矩与转向桥载荷、汽车速度、道路状况、前轮（转向轮）前束、轮胎结构及充气压力等因素有关，故其量值的确定是繁琐的。人们常以汽车满载时原地转向其转向轮的阻力矩为最大的转向力矩，并通过类比法（与相近车辆的比较）来确定转向器输出力矩，这种方法对各专业生产厂家和设计者是很不方便的，为此能否寻求一个简单的确定其输出力矩的近似计算公式就甚为重要了。实践证明，确定动力转向器输出力矩最主要的因素是汽车转向桥的载荷。

　为了保证行驶安全,组成转向系的各零件应有足够的强度。欲验算转向系零件的强度，需首先确定作用在各零件上的力。影响这些力的主要因素有转向轴的负荷、路面阻力和轮胎气压等。为转动转向轮要克服阻力,包括转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内摩擦力等。

　精确地计算出这些力是困难的。为此推荐用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或者混凝土路面上行驶时转向器的输出力矩。

　 G 1 =mg=1414  10=14140N M= G 1 L／4=14140 ×135／4 =477225N.mm

　式中，G 1 为汽车前轴负荷，单位是 N； M 为汽车转向器的输出力矩，单位是 N.mm； m 为汽车的前轴负荷，单位是 Kg； g 为重力加速度，计算时取 g=10N/Kg； L 为汽车转向摇臂中心距（转向摇臂大端锥形三角花键轴颈中心与转向摇臂小端的球头销中心之间的距离），单位是 mm。

　本章总结：

　上述有关汽车转向力矩的分析和拟合计算看出，汽车转向力矩除和路面状况、轮胎类型和载荷情况有关外，海域汽车行驶速度、车轮转向角有直接关系。因而，在进行汽车转向液压控制时，必须根据具体的路面状况、轮胎类型和载荷情况，利用车轮转向角和汽车车速的信息决定给予液压泵的助力系数。

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　 第 16

　页 共 49 页 6 轴的设计计算及校核

　 6.1 转向摇臂轴（即齿形齿扇轴）的设计计算

　 1 6.1.1 材料的选择

　摇臂轴用 20CrMnTi 钢制造，由于前轴负荷不大，螺纹、三角花键和卡簧槽部表面不渗碳，其余表面渗碳层深度在 0.8～1.2mm。表面硬度为 58～63HRC。

　 2 6.1.2 结构设计

　 轴结构如图 6.1 所示 轴伸出壳体的部分制成锥形渐开线花键，并使用螺母紧固，这样可以保证转向摇臂能紧紧压靠到轴上，使之联结紧固、无间隙、工作可靠，花键的加工工艺与齿轮相同；由于齿扇和齿条在工作时存在摩擦力，工作一段时间后会产生间隙，为使此间隙的调整工作容易进行，故将齿扇设计成变厚齿扇。

　3 6.1.3 轴的设计计算

　（ 1）渐开线花键的设计计算 花键连接常根据被连接件的特点、尺寸、使用要求和工作条件，确定其类型、尺寸，然后进行必要的强度校核计算。

　 图 6.1 转向摇臂轴结构简图

　本轴的渐开线花键可选择 45°花键，模数为 m=0.8,齿数为 Z=36，压力角为 45°。

　渐开线花键几何尺寸的计算

　分度圆直径 D=m Z =0.8  36=28.8mm; 基圆直径 Db=m Z cos45°=0.8  36×1.414=20.36mm; 周

　节 P=  m=3.14  0.8=2.5mm; 内花键大径 D ei =m(Z+1.2)=0.8  (36+1.2)=29.76mm; 外花键大径 D ee = m(Z+0.8)= 0.8  (36+0.8)=29.44mm;

　外花键小径 D ie = m(Z-1.2) =0.8  (36-1.2)=27.84mm； 渐开线花键的校核计算 渐开线花键连接强度可按挤压、弯曲和剪切来计算。实践证明，挤压强度常是主要的。其计算过程如下：

　渐开线花键的平均直径28.8 m DD mm; 渐开线花键齿的工作高度g h=m=0.8mm； 渐开线花键齿的工作长度g l=25mm；渐开线花键齿的弯曲应力

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　 第 17

　页 共 49 页 许用弯曲应力为

　 m g gjyD l ZhM2； 22477225 65.73mm0.7360.82528.8     jy2540mm   jy2540mm 由此可知，渐开线花键的设计满足要求。

　（2）变厚齿形齿扇的计算 变厚齿形齿扇的计算，如图 6.2 所示，一般将中间剖面 A-A 定义为基准平面。进行变厚齿扇计算之前，必须确定的参数有：变厚齿扇的模数 m，法向压力角0 ，一般在 20°～30°之间；齿顶高系数 X1，一般取 0.8 或 1.0；径向间隙系数，取 0.2；正圆齿数，在 12～15 之间选取；齿扇宽度，一般在 22mm～28mm。

　首先根据汽车的前轴负荷 G1=14140N，查表,选取齿扇的模数 m=5mm。

　然后，由变厚齿扇的模数 m=5mm,确定转向器的相关尺寸。

　γ 图 6.2 变厚齿形齿扇的计算简图

　 变厚齿扇的几何尺寸，计算结果如下：

　变厚齿扇的模数 m=5mm; 变厚齿扇的法向压力角0 =30°； 整圆齿数为 13；齿扇齿数为 z=5； 变位系数 X 1 =0.082； 分度圆直径 d=mz=5  13=65mm; 分度圆齿厚 S=m /2=3.14  5/2=7.85mm; 齿顶高

　ha= X1m=0.8  5=4mm; 齿根高

　h f =( X1+c)=(0.8+0.25)  5=5.25mm; 齿顶圆直径 d a =d+2h a =65+2  4=73mm; 齿扇的结构设计 由于齿扇的齿顶圆直径 da=73mm<500mm，因此可采用锻造毛坯；又齿扇的齿根圆直径d f =d-2h f =65-2  5.25=54.75mm，而齿扇的轴径为 32mm,二者相差不大，故可制成一体的齿轮轴，轴的材料必须与齿扇齿轮相同。

　5）齿扇齿的应力校核

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　 第 18

　页 共 49 页 齿扇齿的受力情况如图 6.3 所示。

　 Md2FrF 图 6.3

　齿扇齿的受力简图

　作用在齿扇上的圆周力 Fa=2dM=265477225=14683.85N;

　 （6.1）

　齿扇的齿高 h=ha+hf=4+5.25=9.25mm; 则齿扇齿的弯曲应力  w=26bsFh= 285 . 7 2625 . 9 14683.85 6 

　（6.2）

　=508.65N/mm2[  w]=540 N/mm;

　上式中，[  w]为许用弯曲应力，[  w]= 540 N/mm2。

　由此可知，齿形齿扇的设计能够满足设计要求。

　6.2 螺杆轴设计计算及主要零件的校核

　1 6.2.1 材料选择

　螺杆轴用 20CrMnTi 钢制造，热处理钢球滚道处渗碳层深度在 0.8～1.2mm，表面淬火 HRC 58～63。20 轴径硬度  HRC40，渐开线花键处不渗碳。

　2 6.2.2 结构设计

　轴的结构如图所示

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　 第 19

　页 共 49 页

　图 6.4 螺杆轴结构简图

　考虑轴向固定，内侧采用轴肩，又考虑角接触球轴承的标准，故左右轴径均取 d=20mm；左端轴径长度为 14mm，比轴承宽度小 4mm，以便将轴承可靠地固定在转向螺杆轴上；为使汽车转向螺杆轴中心与转向万节的中心能保持高度一致，二者的连接采用渐开线花键连接，花键的加工工艺与齿轮相同；为减少螺杆和螺母之间的摩擦，提高传动效率，在螺杆和螺母的滚道之间放置适量的钢球；为防止钢球沿滚道滚出，在螺母上设有钢球返回装置，使钢球通过此装置自动返回入口处，从而形成循环回路。

　3 6.2.3 轴的设计计算

　（1）首先由变厚齿扇齿模数 m=5.0mm，查表 4-1 确定转向螺杆轴的相关参数，相关参数如下：

　钢球中心距 D=32mm;

　 螺杆外径 D1=29mm;

　 钢球直径 d=7.144mm; 螺距 P=10mm;

　 工作圈数 2.5；

　环流行数 2； 螺母长度 L=56mm;

　 齿扇齿数 Z=5;

　 齿扇整圆齿数 Z’=13； 齿扇压力角  =27º30´； 齿扇宽 26mm； （2）其他参数的设计计算：

　螺母内径 D2=D+(5% 到 10%)D1=32+(5% 到 10%)×29=33.5 到 34.9mm; 圆整后取 D2=34.2mm; 每个环路中的钢球数;

　16 . 35144 . 75 . 32 14 . 30 cos   dDWdDWn

　（6.3）

　圆整后取 n=32; 滚道截面半径2 3.5727.1442 2Rd mm;

　 （6.4）

　圆整后取 R2=4mm; 接触角  选择  =45º； 当转向盘转过 5  角(即 2.5 圈)时，齿扇节圆应转过的弧长等于对应螺母在螺杆上移动的距离S,此时，摇臂轴转过 0.25  角，与此同时，转向轮转至最大转角，则 p S r  = 0.25 65 =51mm ;

　 （6.5）

　则螺杆螺纹滚道的有效工作长度 L’等于螺母在螺杆上移动的距离的 2 倍，即 L’=2S=2×51mm=102mm; 在此条件下，应尽量缩短滚道长度。但为安全计，在有效工作长度 L’之外的两端各增加 0.5-0.75

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　 第 20

　页 共 49 页 圈滚道长度。

　因此，螺杆螺纹滚道的实际有效工作长度 L

　L=L’+2(0.5 到 0.75)d=102+2×(0.5～0.75)×7.144=109.44～112.716mm ;

　又螺杆螺纹滚道的有效工作长度距两端面距离  5.5mm，即螺杆螺纹滚道的实际有效工作长度

　L 

　L’+2  5.5=102+2  5.5=113mm ；

　圆整后取 L=112mm； 螺杆螺线导程角 0  则 0 tanPD ,则 oDP68 . 532 14 . 310arctan arctan0 

　 （6.6）

　4 6.2.4 钢球与滚道之间的接触应力校核

　螺杆受力

　作用在螺杆上的轴向力 F2

　477225 MF2 14683.8565 d2 2  

　 （6.7）

　上式中 d 为变厚齿扇的分度圆直径；

　 钢球与螺杆之间的正压力 F3

　NnFnFF 52 . 324226485 . 14683cos cos cos2023    

　（6.8）

　上式中 n 为参与工作的钢球数；  为接触角，  =45º；

　螺杆受力简图，则 21 1rRA

　 2 11 1rRB

　2

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　 第 21

　页 共 49 页 ; 086 . 04 )2144 . 7229(229)2144 . 74 (2 ) 1 (1 ) 2 (  R r RR r RBA

　（6.9）

　可见BA接近于 0.1，根据BA查取 K=0.970;

　钢球与滚道之间的接触应力 

　   3222532222144 . 742144 . 74 10 1 . 2 52 . 324970 . 022 3    r Rr R E F =K

　=2273.15  [  ]；

　 （6.10）

　上述三式中，R1 为螺杆外半径；R2 为滚道截面半径；r 为钢球半径；E 为材料弹性模量，等于2.1210 2mmN;[  ]为许用接触应力，当接触表面硬度为 58-64HRC 时，[  ]等于 25。

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　 第 22

　页 共 49 页 7 齿轮齿条式液压动力转向机构设计

　 齿轮齿条式液压动力转向机构是在纯机械式齿轮齿条式转向向机构的基础上加上液动加力装置，辅助转向。

　 7.1 齿轮齿条式转向器结构分析

　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。

　图 7.1(a) 两端输出式齿轮齿条转向器

　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

　两端输出的齿轮齿条式转向器如上图所示，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叉 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 将齿条压靠在齿轮上，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下图所示，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。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。

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　 第 23

　页 共 49 页

　图 7.1(b)

　中间输出式齿轮齿条转向器

　 1—万向节叉 2—转向齿轮轴 3—调整螺母 4—向心球轴承 5—滚针轴承 6—固定螺栓 7—转向横拉杆 8—转向器壳体 9—防尘套 10—转向齿条 11—调整螺塞 12—锁紧螺母 13—压紧弹簧 14—压块

　 明显可以看出使用两端输出的转向器较中间输出的转向器简单，且容易实现液动助力。故本课题选用两端输出。

　液动齿轮齿条转向器的功能实现。齿轮齿条式液压动力转向机构是在纯机械式齿轮齿条式转向向机构的基础上加上液动加力装置，辅助转向。加力装置主要包括液压泵，分配阀，管路还有助力缸等，如图 7.1(c) 。

　图 7.1(c) 齿轮齿条式转向器爆炸图

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　 第 24

　页 共 49 页

　将转阀接口如图 7.1(d)所示连接输油管路

　图 7.1(d) 转阀油路连接 液压助力转向器助力转向工作原理如图 7.1(e)所示 。

　 图 7.1(e) 液...