轮边驱动式电动汽车转向机构设计
摘 要转向系统是用来保持或者改变车辆运动方向的机构。在汽车行驶时，使各转向车轮之间有一定协调关系的转向角。机械式转向系统，通过驾驶员的手力转动方向盘，进过转向器和转向传动机构，将力传到转向轮使其发生偏转达到转向的效果。有些汽车还装有防伤装置和转向减震器以保护驾驶者提高操纵性能。本文主要为齿轮齿条式转向机构的设计，通过所需达到的设计要求确定转向器的角度传动比，初步确定齿轮齿条的参数：齿数，模数，螺旋角，压力角，变位系数，装配角度。设计转向机构的零件，壳体，拉杆，球头，紧固装置，转向节臂。确定主销中心距的长度和转向节臂的长度。计算得出所设计转向机构的传动比和所设计转向机构所能达到的汽车最小转弯半径。通过UG建模画出转向机构的零件图。装配三维模型保证各装配部件没有接触干扰。UG与CAD的应用，通过UG导出零件的二维图纸，生成二维零件图。在此基础上装配转向机构的二维装配图，显示零件的装配位置与连接方式。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题的提出和发展概况 1
1.2本文主要研究内容 1
1.3汽车转向系统分类 1
1.3.1机械转向机构 1
1.3.2动力转向机构 2
第二章 齿轮齿条式转向机构 3
2.1齿轮齿条的工作原理 4
2.2齿轮的参数选定 4
2.3齿条的参数选定 5
2.4齿轮齿条的转向特性 5
第三章 齿轮齿条转向机构的UG建模 9
3.1UG软件的介绍 9
3.2齿轮模型 9
3.3齿条模型 10
3.4器壳体模型 12
3.5传动机构模型 13
3.6转向器总装配图 14
第四章 转向系统间隙调整装置 15
4.1转向器紧固装置 15
4.2紧固装置零件图 15
第五章 总结 17
致 谢 18
参考文献 19
附录 20
第一章 绪论
1.1课题的提出和发展概况
转向系统是汽车底盘构造的重要组成部分。转向系统性能的好坏直接影响到汽车行驶
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
的安全性、操纵稳定性和驾驶员驾驶舒适性。对于确保车辆安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的安全、改善驾驶工作条件起着重要作用。现代汽车技术迅速发展,经历了从纯机械式到液压助力转向到电控液压助力转向的改变，随着现代电子和控制技术的发展汽车转向系统又朝着电动助力和线控方向转变。
1.2本文主要研究内容
以轮边电机驱动式电动汽车底盘为研究对象，设计出转向轻便、灵敏及转弯时全部车轮能绕瞬时转向中心旋转为目标，通过查阅文献资料、理论分析等方式获得了电动汽车底盘转向机构的主要基本参数。接着通过设计、校核的方式设计出转向机构。转向系的角传动比在15～20之间，正效率在60%以上，逆效率在50%以上。结合可靠性、可实现性、综合性能等进行比较，选择合理的有效方案设计转向机构。转向器和转向机构应有间隙调整机构，转向系应有能保护驾驶员免遭和减轻伤害的防护装置。同时，充分考虑机构各子系统之间的相关性，力求整机性能的一致性和最优化性。利用UG进行三维建模与装配，缩短开发时间。每一个部件，最后整合成一个整体，构建能够满足其要求的转向机构总成。
1.3汽车转向系统分类
转向系是用于汽车改变行驶方向的装置，一般有三个机构组成。
转向操纵机构。由驾驶者操作，将转向力传递给转向器。
转向器。通过齿轮降低转向盘的转速，增大操作力，同时改操作力的方向，将力传给转向传动机构。
转向传动机构。将齿轮产生的力传递给转向轮使汽车达到转向的结果，同时保持左右转向轮的一定位置关系。
1.3.1机械转向机构
机械转向系统（图11）是以驾驶员的体力作为转向能源,由驾驶员操纵方向盘,通过转向器和转向传动机构等一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。机械转向机构的传力件都是机械式的，由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。
图11 机械转向系统示意图（齿轮齿条式）
机械式转向器有多种形式，如齿轮齿条式，循环球式，蜗杆滚轮式和蜗杆指销式。齿轮齿条式和循环球式是最常用的两种，循环球式转向器中,输入转向圈数与输出的转向摇臂摆角即车轮的转角是成正比。齿轮齿条式转向器中，输入转向圈数与输出的齿条位移是成正比的。循环球式转向器由于是滚动摩擦形式传动，正传动效率很高，操作方便，使用寿命长，而且承载能力强，故广泛应用于载货汽车。齿轮齿条式转向器相比于循环球式，最大特点就是刚性大，结构简单，而且成本低。齿轮齿条机构容易通过车轮将反作用力传至转向盘，所以驾驶者有更好的路感，但同时也容易产生打手和车轮摆振。但其承载效率相对较弱，故主要应用于小汽车及轻型货车上。目前大部分低端轿车采用的就是齿轮齿条式机械转向系统。
1.3.2动力转向机构
机械式转向系统的汽车,在停车和低速行驶时驾驶员的转向操纵方向盘需要施加比较大的力，不利于汽车的操纵。,为解决这个问题,美国公司率先在轿车上采用了电控液压助力转向系统（图12）。该系统建立在机械转向系统的基础上,增加了一个液压辅助系统。液压转向系统分为液压和机械两部分,以液压油泵转动提供液压，以液压油做动力传递介质,推动机械转向器直线运动,从而实现转向助力。液压助力转向系统一般组成为：机械转向器，液压泵，油管，分配阀，动力缸，溢流阀，限压阀，油缸以及一套电控装置等。
图12 电控液压助力转向系统
电动助力转向系统（图13）与液压式一样以机械转向系统为基础，在机械转向机构中添加了车速传感器，转矩传感器，转向齿轮位置传感器，ECU，助力电动机，离合器以及减速机构。
图13 电动助力转向系统
第二章 齿轮齿条式转向机构
2.1齿轮齿条的工作原理
齿轮齿条式转向器（图21），由安装在转向轴前端的小齿轮与齿条啮合，转向轴与小齿轮利用橡胶联轴器进行连接。
如果操纵方向盘，则小齿轮的转动转变为齿条横向的直线运动，通过安装在齿条两端的拉杆球头和齿条接头操控前轮。
图21 齿轮齿条转向器
齿轮齿条机构转向器在操纵方面，能够有效的利用前轮的恢复力。由于容易传递来自路面的反作用力，通过齿条导承和齿条导承弹簧将齿条压向小齿轮，给予由摩擦力产生的适当的阻力，吸收撞击能，同时减小齿轮配合间隙，提高驾驶员对路面状态的反应灵敏度。
齿轮齿条转向器的小齿轮多采用斜齿轮。齿轮模数在 2mm3mm之间，主动小齿轮齿数一般在 57 个齿范围变化。齿轮螺旋角的取值范围一般在15°35°。齿条齿数应根据转向轮达到最大偏转角，相应的齿条移动行程应达到的值来确定。齿条的螺旋角角度不宜过大，因为大的螺旋角会产生较大的径向分力，增加齿条的滑动阻力而降低转向效率，所以一般不大于15°。变速比的齿轮压力角，对现有结构分析在 12°35°范围内变化，初步取压力角为 20°。
齿条选择45号钢通过锻造的方式制造，进行表面淬火热处理硬度要求5662HRC。由于滚动小齿轮的受力复杂选择合金钢制造用20CrMn，渗碳淬火硬度要求5662HRC。转向器的壳体由于重量的考虑选用密度较小的铝合金材质压铸成型。
2.2齿轮的参数选定
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题的提出和发展概况 1
1.2本文主要研究内容 1
1.3汽车转向系统分类 1
1.3.1机械转向机构 1
1.3.2动力转向机构 2
第二章 齿轮齿条式转向机构 3
2.1齿轮齿条的工作原理 4
2.2齿轮的参数选定 4
2.3齿条的参数选定 5
2.4齿轮齿条的转向特性 5
第三章 齿轮齿条转向机构的UG建模 9
3.1UG软件的介绍 9
3.2齿轮模型 9
3.3齿条模型 10
3.4器壳体模型 12
3.5传动机构模型 13
3.6转向器总装配图 14
第四章 转向系统间隙调整装置 15
4.1转向器紧固装置 15
4.2紧固装置零件图 15
第五章 总结 17
致 谢 18
参考文献 19
附录 20
第一章 绪论
1.1课题的提出和发展概况
转向系统是汽车底盘构造的重要组成部分。转向系统性能的好坏直接影响到汽车行驶
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
的安全性、操纵稳定性和驾驶员驾驶舒适性。对于确保车辆安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的安全、改善驾驶工作条件起着重要作用。现代汽车技术迅速发展,经历了从纯机械式到液压助力转向到电控液压助力转向的改变，随着现代电子和控制技术的发展汽车转向系统又朝着电动助力和线控方向转变。
1.2本文主要研究内容
以轮边电机驱动式电动汽车底盘为研究对象，设计出转向轻便、灵敏及转弯时全部车轮能绕瞬时转向中心旋转为目标，通过查阅文献资料、理论分析等方式获得了电动汽车底盘转向机构的主要基本参数。接着通过设计、校核的方式设计出转向机构。转向系的角传动比在15～20之间，正效率在60%以上，逆效率在50%以上。结合可靠性、可实现性、综合性能等进行比较，选择合理的有效方案设计转向机构。转向器和转向机构应有间隙调整机构，转向系应有能保护驾驶员免遭和减轻伤害的防护装置。同时，充分考虑机构各子系统之间的相关性，力求整机性能的一致性和最优化性。利用UG进行三维建模与装配，缩短开发时间。每一个部件，最后整合成一个整体，构建能够满足其要求的转向机构总成。
1.3汽车转向系统分类
转向系是用于汽车改变行驶方向的装置，一般有三个机构组成。
转向操纵机构。由驾驶者操作，将转向力传递给转向器。
转向器。通过齿轮降低转向盘的转速，增大操作力，同时改操作力的方向，将力传给转向传动机构。
转向传动机构。将齿轮产生的力传递给转向轮使汽车达到转向的结果，同时保持左右转向轮的一定位置关系。
1.3.1机械转向机构
机械转向系统（图11）是以驾驶员的体力作为转向能源,由驾驶员操纵方向盘,通过转向器和转向传动机构等一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。机械转向机构的传力件都是机械式的，由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。
图11 机械转向系统示意图（齿轮齿条式）
机械式转向器有多种形式，如齿轮齿条式，循环球式，蜗杆滚轮式和蜗杆指销式。齿轮齿条式和循环球式是最常用的两种，循环球式转向器中,输入转向圈数与输出的转向摇臂摆角即车轮的转角是成正比。齿轮齿条式转向器中，输入转向圈数与输出的齿条位移是成正比的。循环球式转向器由于是滚动摩擦形式传动，正传动效率很高，操作方便，使用寿命长，而且承载能力强，故广泛应用于载货汽车。齿轮齿条式转向器相比于循环球式，最大特点就是刚性大，结构简单，而且成本低。齿轮齿条机构容易通过车轮将反作用力传至转向盘，所以驾驶者有更好的路感，但同时也容易产生打手和车轮摆振。但其承载效率相对较弱，故主要应用于小汽车及轻型货车上。目前大部分低端轿车采用的就是齿轮齿条式机械转向系统。
1.3.2动力转向机构
机械式转向系统的汽车,在停车和低速行驶时驾驶员的转向操纵方向盘需要施加比较大的力，不利于汽车的操纵。,为解决这个问题,美国公司率先在轿车上采用了电控液压助力转向系统（图12）。该系统建立在机械转向系统的基础上,增加了一个液压辅助系统。液压转向系统分为液压和机械两部分,以液压油泵转动提供液压，以液压油做动力传递介质,推动机械转向器直线运动,从而实现转向助力。液压助力转向系统一般组成为：机械转向器，液压泵，油管，分配阀，动力缸，溢流阀，限压阀，油缸以及一套电控装置等。
图12 电控液压助力转向系统
电动助力转向系统（图13）与液压式一样以机械转向系统为基础，在机械转向机构中添加了车速传感器，转矩传感器，转向齿轮位置传感器，ECU，助力电动机，离合器以及减速机构。
图13 电动助力转向系统
第二章 齿轮齿条式转向机构
2.1齿轮齿条的工作原理
齿轮齿条式转向器（图21），由安装在转向轴前端的小齿轮与齿条啮合，转向轴与小齿轮利用橡胶联轴器进行连接。
如果操纵方向盘，则小齿轮的转动转变为齿条横向的直线运动，通过安装在齿条两端的拉杆球头和齿条接头操控前轮。
图21 齿轮齿条转向器
齿轮齿条机构转向器在操纵方面，能够有效的利用前轮的恢复力。由于容易传递来自路面的反作用力，通过齿条导承和齿条导承弹簧将齿条压向小齿轮，给予由摩擦力产生的适当的阻力，吸收撞击能，同时减小齿轮配合间隙，提高驾驶员对路面状态的反应灵敏度。
齿轮齿条转向器的小齿轮多采用斜齿轮。齿轮模数在 2mm3mm之间，主动小齿轮齿数一般在 57 个齿范围变化。齿轮螺旋角的取值范围一般在15°35°。齿条齿数应根据转向轮达到最大偏转角，相应的齿条移动行程应达到的值来确定。齿条的螺旋角角度不宜过大，因为大的螺旋角会产生较大的径向分力，增加齿条的滑动阻力而降低转向效率，所以一般不大于15°。变速比的齿轮压力角，对现有结构分析在 12°35°范围内变化，初步取压力角为 20°。
齿条选择45号钢通过锻造的方式制造，进行表面淬火热处理硬度要求5662HRC。由于滚动小齿轮的受力复杂选择合金钢制造用20CrMn，渗碳淬火硬度要求5662HRC。转向器的壳体由于重量的考虑选用密度较小的铝合金材质压铸成型。
2.2齿轮的参数选定
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