摘 要

自世界上第一辆汽车问世以来，汽车工业进入蓬勃发展时期。作为保证车辆按照驾驶员的需要正常行驶的转向系统也由早期的纯机械式发展到如今的各种助力式转向系统，大大减轻了驾驶员的工作强度。本文即对一种燃料电池客车的转向系统进行设计以及分析。

本文以转向系的主要性能参数要求、循环球式转向器的设计计算及校核、液压动力转向系统设计为主线，对整个转向系统进行设计，在此过程中系统的阐述了转向系统的组成构造，设计要求。

全文首先介绍转向系的工作原理、构造、分类及国内外相关研究现状；然后是转向系类型的选取及设计初步方案的确定；其次是转向系主要参数的设计，主要以转向系正（逆）效率，转向系力（角）传动比及转向系的传动间隙特性为主；随后介绍循环球转向器的详细过程，包括主要参数的选取、转向盘总回转圈数的计算、齿扇参数的确定及零件强度校核；转向传动机构设计，主要以转向梯形各部件的参数的选取、计算和校核；最后对转向器中齿扇传动副接触应力等进行有限元分析。

转向系统是底盘中不可或缺的一部分，其设计得好坏将直接影响汽车的驾驶性能和安全性能。为了进一步提高车辆的性能，转向系统的设计也在不断的完善并创新。

关键词：转向系效率；循环球式转向器；变厚齿扇；液压助力；有限元分析

ABSTRACT

Since the advent of the world's first automobile, the automobile industry has entered a period of rapid development. As a normal driving vehicle, based on the needs of the driver's steering system is made from the pure mechanical early development to today's all kinds of power steering system, greatly reduce the work intensity of the driver. This paper designs and analyzes the steering system of a fuel cell bus.

Based on steering system of the main performance parameters of the requirements, design calculation and checking of circulating ball type steering gear, hydraulic power steering system design as the main line, to the entire steering system design, system in the process of steering system is expounded the composition of the structure, the design requirements.

The paper firstly introduces the working principle, structure, classification and relevant research status at home and abroad. Then it is the selection of the steering type and the determination of the preliminary design. Secondly, the design of the main parameters of the steering system mainly focuses on the steering system (reverse) efficiency, and the transmission gap characteristics of the steering force (Angle) and the steering system; Then the detailed process of the circular ball steering device is introduced, including the selection of main parameters, calculation of the total turning circle number of the steering wheel, the determination of the tooth fan parameters and the strength checking of the parts. The steering mechanism design is mainly used to select, calculate and check the parameters of the trapezoidal components. In the end, finite element analysis is carried out on the secondary contact stress of tooth fan in the steering gear.

The steering system is an integral part of the chassis, and its design will directly affect the driving performance and safety performance of the vehicle. In order to improve the performance of the vehicle, the design of the steering system is constantly improved and innovated.

Keywords: Steering efficiency; Circular ball steering gear; Bevoloid gear; Hydraulic power ; Finite element analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 转向系统概述 1

1.2 转向系统的分类 1

1.3 国内外研究现状 3

第2章 转向系的选取及初步设计方案 4

2.1 设计车型参数及对应的转向轮偏角计算 4

2.2 转向操纵机构 5

2.3 转向传动机构 5

2.4 机械转向器 5

2.5 动力转向系统 6

第3章 设计目标主要参数计算 8

3.1 转向器的效率 8

3.1.1 转向器的正效率 8

3.1.2 转向器的逆效率 8

3.2 转向系统计算载荷 9

3.3 转向系统力传动比和角传动比 10

3.4 转向器传动副的传动间隙 11

3.5 转向盘上手力 12

3.6 本章小结 13

第4章 循环球式转向器设计 14

4.1 主要尺寸的选取 14

4.1.1 钢球中心距D 14

4.1.2 螺杆外径及螺母内径 14

4.1.3 钢球直径D和数量N 14

4.1.4 滚道截面 15

4.1.5 接触角 16

4.1.6 螺距t和导程角 16

4.1.7 导管内径 17

4.2 转向盘总回转圈数n 17

4.3 变厚齿扇参数的确定 17

4.4 循环球式转向器零件强度计算 19

4.4.1 钢球与滚道之间的接触应力 19

4.4.2 齿的弯曲应力 20

4.4.3 摇臂轴直径d的确定 21

4.5 循环球转向器各参数 21

第5章 动力转向系统设计 22

5.1 液压式动力转向机构布置方案比较及选择 22

5.2 液压缸设计 23

5.2.1 液压缸作用力F 23

5.2.2 液压缸内径D 23

5.2.3 活塞行程 24

5.3 转阀 24

5.3.1 阀芯 24

5.3.2 扭杆 24

第6章 转向传动机构设计 26

6.1 转向梯形设计 26

6.1.1 梯形底角 26

6.1.2 梯形臂长m 26

6.1.3 横拉杆长度 27

6.2 球头销 27

6.3 转向拉杆 27

第7章 转向器螺母齿扇传动副有限元仿真分析 28

7.1 有限元分析方法 28

7.2 齿轮传动接触设置 28

7.3 齿轮齿扇传动副网格划分 28

7.4 材料属性定义及加载方法 29

7.4.1 齿轮传动受力特性分析 29

7.4.2 属性定义及加载方案 30

7.5 齿面接触应力分析 30

结 论 33

致谢 34

参考文献 35

第1章 绪论

1.1 转向系统概述

汽车转向，即通过一套专门设置的机构，驾驶员能够让转向桥两侧的车轮绕车辆纵轴线旋转一定的角度，从而实现汽车的转向动作。当转向轮因道路阻尼等因素改变自身角度使车辆偏离行驶方向时，驾驶员同样可以通过该系统调整转向轮，恢复车辆行进方向。这种能够通过调整转向轮偏转角度实现车辆转向，并能保证各个转向轮之间协调的转角关系的系统被称作转向系统，如图1.1所示。

汽车转向系统主要由转向操纵机构、转向传动机构和转向器三大部分组成。部分车辆还装有转向减震器和防伤机构等辅助机构^[[1]]。转向操纵机构即转向盘到转向传动轴之间的部分，包括转向盘、转向轴、万向节和传动轴。转向传动机构是指转向摇臂到转向梯形之间的各部件。转向器置于转向操纵机构和传动机构的中间。为了使驾驶员能够以更少的力更轻便得使车辆转向，我们可以在纯机械式的转向系统中加装动力装置，这就是所说的动力转向系统。