论文总字数：21157字

摘 要

作为现代汽车最重要的组成部分之一，转向系统可以在驾驶员的意愿下使汽车转向或回正，有利于保障汽车的行驶安全，其中，转向器可以增大转向轴传递过来的输入力矩同时改变力矩方向。在不同类型的转向器中，循环球式转向器与其他类型的转向器相比工作平稳、操纵轻便，同时其传动效率很高，因此在目前的汽车市场中使用非常普遍。

本文针对BJ2020越野汽车，依据现行国家标准，设计一款利用转阀控制液压进行助力的循环球式动力转向器。依据BJ2020越野汽车的整车参数，进行转向器部件的结构选型以及参数设计计算，并针对阀口进行优化设计，接着对零件薄弱部分进行强度校核，针对齿条齿扇副啮合部分利用ANSYS软件进行瞬态动力学分析，最后进行零件图和装配图的三维建模。

关键词：越野汽车；循环球式转向器；结构设计；强度校核；有限元分析

Abstract

As one of the most important components of modern cars, the steering system can turn or turn the car at the will of the driver, which is conducive to ensuring the safety of the car. Among them, the steering gear can increase the input torque transmitted from the steering shaft. Change the torque direction. Among the different types of steering gears, recirculating ball steering gears work more smoothly and operate lighter than other types of steering gears. At the same time, their transmission efficiency is very high, so they are very common in the current automotive market.

This article aims at the BJ2020 off-road vehicle, according to the current national standards, designing a circulating ball type power steering device that uses a rotary valve to control hydraulic pressure to assist. According to the vehicle parameters of the BJ2020 off-road vehicle, the structural selection of the steering gear components and the parameter design calculation are performed, and the valve port is optimized. Then the strength check of the weak parts of the parts is carried out, and ANSYS is used for the meshing part of the rack and pinion The software performs transient dynamic analysis, and finally performs three-dimensional modeling of part drawings and assembly drawings.

Key Words: off-road vehicle；recirculating ball steering gear；structural design；Strength check；finite element analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 转向器的类型特点 1

1.2.1 机械式转向器 1

1.2.2 动力转向器 2

1.3 国内外研究现状 2

1.4 课题研究目标和研究内容 3

1.5 课题研究路径 3

1.6 本章小结 4

第2章 转向器主要参数分析与方案选择 5

2.1 转向器主要参数 5

2.1.1 转向器的效率 5

2.1.2 转向器的角传动比 5

2.1.3 转向器的传动间隙 6

2.2 结构型式的选择 6

2.2.1 转向器的工作原理 6

2.3 本章小结 8

第3章 转向器主要结构设计计算 9

3.1 初始条件参数 9

3.2 转向器计算载荷的确定 9

3.3 转向器效率 9

3.4 螺杆螺母传动副的设计 10

3.4.1 螺杆螺母副材料选择 10

3.4.2 螺杆、螺母的螺距t 10

3.4.3 钢球、螺杆、螺母的尺寸参数 10

3.4.4 螺旋滚道截面 11

3.4.5 导管内径 13

3.5 齿条齿扇副的设计 13

3.5.1 齿条齿扇副材料选择 13

3.5.2 齿条齿扇副尺寸参数 13

3.5.3 齿扇的结构设计 15

3.6 转阀的设计 15

3.6.1 阀槽数目的选择 15

3.6.2 转阀的材料选择 16

3.6.3 转向限位结构的选择 16

3.6.4 阀口结构的优化 16

3.6.5 扭杆的尺寸参数 19

3.7 动力缸的设计 20

3.7.1 动力缸长度计算 20

3.7.2 动力缸壁厚计算 20

3.8 本章小结 20

第4章 CATIA三维建模 21

4.1 转向器主要零件的三维建模 21

4.1.1 转向螺杆的三维建模 21

4.1.2 转向螺母的三维建模 21

4.1.3 齿扇轴的三维建模 22

4.1.4 阀芯的三维建模 22

4.1.5 扭杆的三维建模 22

4.2 本章小结 23

第5章 零件的强度校核与分析 24

5.1 钢球和钢球滚道间的接触应力 24

5.2 轮齿的弯曲应力和接触应力 25

5.2.1 许用应力计算 25

5.2.2 齿扇应力校核 25

5.3 齿条齿扇副瞬态动力学分析 26

5.3.1 建立齿条齿扇副有限元模型 26

5.3.2 加载项设置 29

5.3.3 仿真结果分析 29

5.4 本章小结 31

第6章 全文总结 32

参考文献 33

致谢 35

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

近几年来，国民汽车保有量一直保持在较高水平，汽车在居民出行方式中占有较大的比例，错综复杂的路况增加了汽车转向频率，对汽车转向系统的性能要求更高，要求汽车转向轻便，降低驾驶员的疲劳感。

除了能够传递转向力矩并改变其方向，当颠簸路面给汽车转向轮侧向干扰力改变汽车的运动状态时，转向系统还能够保证汽车的运动状态不受干扰，因此汽车转向系统的存在能够较大程度上的保证汽车行驶安全。与普通乘用车相比，越野汽车的适用范围包括路面不平、道路状况恶劣的情况，车辆受到的路面侧向干扰力比一般乘用车大，因此转向系统的性能优劣对于汽车行驶安全性和稳定性影响非常大^[1][2][24]。

驾驶员通过转向盘输入的力矩经过转向操纵机构、转向器和转向传动机构作用到转向轮带动转向轮转动^[3]。其中，转向器能够将转向盘的力矩传递到转向摇臂轴使转向摇臂轴摆动，其角传动比可近似看作转向系统整体的角传动比，转向器的角传动比大小对转向性能影响很大，汽车转向时"轻"和"灵"的矛盾便是由转向器角传动比大小不合适造成。转向器角传动比过大会导致汽车转向灵敏性降低，而转向器角传动比过小又会减小力传动比，影响转向轻便性，这对矛盾在经常在崎岖路面上行驶的越野汽车上体现的更加明显。动力转向器能较好的缓解这一"轻"和"灵"的矛盾。因此，动力转向器的研发有助于提升汽车的转向性能、提升汽车的稳定性和行驶安全性。

1.2 转向器的类型特点

1.2.1 机械式转向器

由于机械式转向器没有助力系统，汽车的转向动力仅由手力矩提供，因此路面的反作用力会经由转向系统传递给驾驶员，容易造成打手状况，且转向没有装有助力系统的转向器轻松。目前市面上的机械式转向器主要有以下几种类型。

齿轮齿条式转向器——这类转向器在汽车进行转向时，利用齿轮和齿条的啮合传递动力，其转向灵敏，转向效率很高，成本较低，便于汽车底盘的结构布置，但是由于其承载能力较差，因此多用于轻载货车和轿车上。

循环球式转向器——这类转向器在汽车进行转向时，转向轴先将转矩传递给螺杆，利用钢球滚动带动螺母进行轴向移动，接着通过齿条齿扇之间的啮合将力矩输出给转向摇臂轴使车轮进行转向。由于有两级传动副，承载能力比只具有单一传动副的齿轮齿条式转向器高，而且传动效率也很高，因此应用非常广泛^[4]。

蜗杆曲柄指销式转向器——与前两类转向器相比，蜗杆曲柄指销式转向器的加工精度要求比较高，且结构较为复杂，因此应用较少。

1.2.2 动力转向器

目前，机械式转向器已经难以满足汽车结构优化设计的要求，为此诞生了一些动力转向器，将机械式转向器与转向助力装置组合到一起，在提升转向性能的同时，可以将转向系统做的更加紧凑，为汽车其它结构的布置提供更大的空间。目前动力转向器主要有以下几种类型^[5]。

液压助力式转向器——液压助力式转向器在诞生之初主要装备在商用车上，目的是为了帮助驾驶员克服由于汽车整备质量较大而增加的转向阻力矩，使商用车转向时驾驶员操纵轻便。液压助力式转向器上的液压助力系统包括动力缸、控制阀、输油管、油泵和油罐等部件，其中，控制阀在开始阶段广泛采用性能好、结构简单的滑阀式结构，但是随着性能更好、结构更加简单的转阀式结构的出现，目前很多汽车采用转阀式结构，不仅在商用车范围，越来越多的乘用车也采用液压助力转向器来提高转向灵敏度、衰减路面的冲击作用。

电动助力式转向器——这类转向器的转向辅助力矩由电动机提供^[25]，其主要结构包括机械装置、电动机、电子控制单元单元、转矩传感器与车速传感器等。电控单元通过获取转矩传感器和车速传感器的信号大小来控制电动机对转向轴施加辅助转矩，由此实现助力转向。与液压助力式转向器相比，电动助力式转向器具有质量小、节省空间与动力等优点，但是由于电压水平有限,现有的电动助力转向系统不能满足商用车的需求，只能应用在微型汽车上^[26]。

电控液压助力转向器——尽管液压助力式转向器优点很多，但同时也存在能耗高^[6]、难以协调转向轻便性和路感之间的关系等缺点，因此在液压助力式转向器的基础上加装电控系统、车速传感器等部件以克服其不足，电控液压助力转向器能够通过电控系统控制液压助力的助力特性^[7]。

1.3 国内外研究现状

对于循环球式转向器的设计与分析,国内外已经进行了一些研究。J.D.Vatin对由于转向联动装置传递的载荷造成的转向器断裂发生的条件以及最常见裂缝的特征进行了研究分析^[27]；Zhaoan Lin等在汽车操纵稳定性综合评价指标的指导下,设计正交试验,通过对汽车转向系统模型的仿真分析得到了一组循环球液压助力转向器的最优结构参数^[28]。国内方面,对于循环球式转向器及其零部件的性能分析较多,王爱荣设计了一种以转阀结构为主的循环球液压动力转向器^[8]；柯善乐利用有限元分析的方法针对某客车循环球式变比转向器在不同工况下的动态性能进行了分析^[9]；岳晓对循环球式转向器进行瞬态动力学分析,得出了转向器主要零部件随时间的应力应变云图,并对其进行了疲劳分析^[10]；王玉梅等对循环球式转向器中齿扇的相关参数进行了分析，提出要从齿面根切、啮合间隙调整等方面对齿扇设计进行优化^[11]。由此可见,循环球式转向器的设计重点在于保证两对传动副的强度，因此在设计过程中要格外注意螺杆螺母副和齿轮齿扇副的参数设计计算,并需要进行强度校核与应力分析。

1.4 课题研究目标和研究内容

本次毕业设计的研究目标在于利用BJ2020汽车的整车数据,设计一款循环球式转向器,使其能够满足越野车的转向性能要求。

主要研究内容如下：

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