摘 要

当汽车在路面的前进过程中，要求多次依靠驾驶员的想法来调整汽车的前进方向，以上便是汽车转向的定义。汽车的转向系统在本质上是一套机械机构，是用来实现汽车方向的改变。本次设计的研究内容是EQ1092F8AD型长头轻型货车的转向系设计。

本文的主要的任务是设计一套整体式转向机构，并且其能够适用于本设计中轻型货车的悬架类型。我们根据汽车设计以及相关的连杆机构的知识，我们首先选择了转向器的形式，随后再选择了转向传动机构，对转向梯形的形式进行选择。随后对转向器的各部分进行设计计算，比如其中的齿扇，螺母，齿条以及螺杆等。在转向梯形中计算梯形臂和底角。最后利用CATIA软件完成转向系统的三维模型设计，并将各部分装配起来。

在本次设计中，考虑到货车的工作状况以及前轴载荷的，为此转向器选择了循环球式-齿条齿扇转向器。在该型转向器的设计中，其中包含了螺母-钢球-螺杆传动副和齿条-齿扇传动副的设计。螺母-钢球-螺杆传动副的设计首先根据前轴载荷确定齿扇模数，再查表确定钢球直径，钢球中心距以及螺杆外径等其他一系列尺寸。齿条-齿扇传动副的设计也是首先根据前轴载荷来确定齿扇模数，再选择压力角和齿扇宽等一系列尺寸。

本次设计中转向梯形采用的是整体式转向梯形。在本次设计中，我们首先根据转向梯形的结构要求及性能要求建立约束条件，大概计算出梯形臂的长度区间以及梯形底角的区间范围。再建立相应的优化模型，选择不同的梯形臂长和梯形底角进行仿真，最后选择误差最小的一组。

本文在参考了相关资料后，归纳出了一套轻型货车转向系统的设计步骤及具体方法，为后人解决相关问题提供了清晰的思路。

关键词：转向系；转向器；传动副；转向传动机构；转向梯形。

ABSTRACT

When a car is moving forward on the road, it is required to rely on the driver's ideas to adjust the direction of the car for many times. This is the definition of car steering. The steering system of automobile is essentially a set of mechanical mechanism, which is used to change the direction of automobile. The research content of this design is the steering system design of EQ1092F8AD long-head light truck.

The main task of this paper is to design a set of integral steering mechanism, and it can be applied to the suspension type of light truck in this design. According to the knowledge of automobile design and related connecting rod mechanism, we first choose the form of steering gear, then choose the steering transmission mechanism to select the form of steering trapezium. Subsequently, the design calculation of each part of the steering gear, such as the gear fan, nut, rack and screw, is carried out. The trapezoidal arm and bottom angle are calculated in the steering trapezoid. Finally, the three-dimensional model of steering system is designed with CATIA software, and all parts are assembled.

In this design, considering the working condition of the truck and the load of the front axle, the circular spherical rack fan steering gear is chosen for the steering gear. In the design of this type of steering gear, it includes the design of nut-ball-screw transmission pair and rack-fan transmission pair. The design of nut-ball-screw transmission pair first determines the module of gear sector according to the front axle load, and then determines a series of other dimensions such as ball diameter, ball center distance and screw outer diameter by looking up tables. The design of rack-gear fan transmission pair is also based on the front axle load to determine the modulus of the gear sector, and then select a series of dimensions such as pressure angle and width of the gear sector.

In this design, the steering trapezoids are integral steering trapezoids. In this design, we first establish constraints according to the structural and performance requirements of the steering trapezoid, and roughly calculate the length range of the trapezoid arm and the bottom angle range of the trapezoid. Then the corresponding optimization model is established, and different trapezoidal arm lengths and trapezoidal bottom angles are selected for simulation. Finally, the group with the least error is selected.

After referring to the relevant information, this paper sums up a set of design steps and specific methods of light truck steering system, which provides a clear idea for future generations to solve related problems.

Key words: steering system; steering gear; steering trapezoid; transmission pair; structural elements

目 录

第1章 绪论 1

1.1 转向系概述 1

1.2 目的和意义 1

1.3 国内外研究现状 1

1.4 EQ1092F8AD型长头轻型货车转向系设计的主要内容 2

第2章 汽车转向系方案 3

2.1转向系的主要性能参数 3

2.1.1转向器的传动效率 3

2.1.2 传动比的变化特性 5

2.1.3 转向盘的总转动圈数 6

2.2 转向系的选择 7

2.2.1 机械式转向系 7

第3章 转向器方案的选择 9

3.1机械式转向器的选择 9

3.1.1 循环球-齿条齿扇式转向器 9

第4章 汽车转向传动机构 11

4.1转向传动机构的选择 11

4.2整体式转向梯形相配的转向传动机构 11

4.3转向梯形的选择 13

第5章 转向系的设计计算 14

5.1方向盘直径的选取 14

5.2转向器类型选择及其设计计算 14

5.2.1 螺杆-钢球-螺母传动副设计 14

5.3齿条-齿扇传动副设计 17

5.4转向器的计算和校核 20

5.4.1 循环球式转向器零件的强度计算 20

5.4.2 齿的弯曲应力 21

5.4.3 钢珠与滚道之间的接触压力 22

5.4.4 转向摇臂的轴径确定 23

5.5整体式转向梯形的优化 23

第6章 基于Matlab的转向梯形机构优化设计 27

6.1 建立相应的主函数 27

6.2 生成实际值和期望值图像及相应函数 29

结论 33

参考文献 34

致 谢 35

第1章 绪论

1.1转向系概述

转向系的作用利用一定的机械结构，使汽车的行驶方向发生改变，当车辆在路面前进时，能够使各转向轮有具体的转角关系。

在机械式转向系中，驱动方向盘的力来自于司机。力由方向盘传递到转向操纵机构，例如转向轴和万向节，再传递到循环球式转向器，再通过转向摇臂、转向直拉杆等一系列杆件传递到转向轮，从而使转向轮发生偏转。在有些汽车上，为了增大转向系寿命，一些防损伤机构和转向减振器经常被装在汽车上。当前轴载荷过大，可以通过动力辅助装置的安装进而减小驾驶员的手力。

1.2 目的和意义

了解并掌握EQ1092F8AD型长头货车的转向系组成和特点，本课题以循环球式转向器和转向梯形为设计的主要设计对象，实现EQ1092F8AD型长头货车的转向，以及货车转向系的各部分设计，清晰的掌握转向系的工作原理以及其他部分的作用。

转向系是汽车实现转向的重要机构，在汽车的组成部分中占有不可替代的作用。当汽车在路面的前进过程中，要求多次依靠驾驶员的想法来调整汽车的前进方向，这就是转向的定义。在汽车行驶时，转向轮经常会被侧向力干扰，自动偏离原来的行驶方向的情况也经常发生，与此同时驾驶员可以通过转向系的一系列结构施加力来调整车轮的方向，使其回到原来的行驶方向 ^[1][1]。

1.3国内外研究现状

在国外，循环球式转向器占的比例最大，达到45%左右，占比第二大的是齿轮齿条式转向器，比例为40%，第三是蜗杆滚轮式转向器，其比例只有10%，另外的5%是其他的转向器。地理位置的不同也反映出不同的转向器占比，例如在欧洲设计的小客车，占比最大的转向器是齿轮齿条转向器。然而在日本，转向器的占比随时间变化也发生了变化，例如循环球式转向器比例在1960年到1970年间占比仅为62.5%,而现在该型转向器的占比竟然达到了100%。循环球式转向器普遍应用于大、小型货车。65%的小型货车采用循环球式转向器，只有35%的货车使用齿轮齿条转向器。

在国内，转向器的发展较慢，很早以前，蜗杆滚轮式转向器被使用在一些老牌汽车^[2]。而现在，东风汽车大都使用循环球式转向器。而且在一些重要的货车公司，如解放和东风，现在都在大力研究循环球式转向器。从这部分看出来，循环球式转向器是我国以后发展的重点方向。但是由于国内制造上的技术限制，其转向器的机械效率还不如国外，大量的试验证明，国产的内外螺纹磨床加工的螺母螺杆副的机械效率只能达到70%，而国外的效率已经达到了75%以上，差距依然明显^[3]。

1.4 EQ1092F8AD型长头轻型货车转向系设计的主要内容

本次设计以循环球式转向器为主要研究对象，设计了转向系的各部分尺寸，例如转向器的尺寸设计，转向传动机构设计，传向操纵机构的选择，转向梯形的设计及优化，以及完成循环球转向器的主要强度校核。因此在设计时应考虑上述要求的基础上研究如何通过方向盘的旋转，从而带动螺杆的转动进而带动螺母的前后移动，因此与其相啮合的齿扇轴转动，进而带动摇臂轴和转向直拉杆拉动转向梯形转动，实现车轮的转向。

1. 转向系方案的设计
2. 转向器方案的设计
3. 转向传动机构的选择
4. 转向系的相关计算

第2章 汽车转向系方案

2.1 转向系的主要性能参数

转向系的主要性能参数包括转向系的效率、角传动比、力传动比、转向系传动机构之间的间隙以及方向盘的总转动圈数。

2.1.1转向器的传动效率

转向系的传动效率是由两部分效率共同确定的，第一是转向器的效率，第二是转向传动机构的效率。

即：

转向器传动效率又可以分两种。一是正效率，另一种是逆效率。功率从转向轴输入到转向器，再从转向器到摇臂轴输出的传动效率为正效率。当传动方向与上述相反时，则为逆效率。

式中： --转向轴上的功率；

--转向器中的功率；

--转向摇臂轴上的功率；

1. 转向器正效率

转向器正效率的影响因素有以下几个：一是不同的转向器类型，二是结构特点的不同，三是不同的结构参数，四是制造质量的优劣程度。

(1)转向器类型和结构特点对传动效率的影响

不同类型的转向器具有不同的正效率，例如在主要的四种转向器中，正效率相对较大有循环球式转向器和齿轮齿条转向器，正效率较低的转向器有蜗杆指销式和蜗杆滚轮式转向器。

而且同一种类型转向器也可能因为结构不同而导致效率不同。例如蜗杆滚轮式转向器中的滚轮和支持轴之间的轴承类型不同，比如滚针轴承，球轴承和圆锥滚子轴承的不同结构也会导致转向器的效率不同。由于滚针和滚轮存在摩擦以及滚轮侧面和垫片之间的滑动摩擦，导致该类型转向器的正效率只有54%。然而根据试验，对于圆锥滚子轴承和球轴承的正效率分别为70%和75%。

(2)结构参数对效率的影响

对于转向器的结构参数影响，例如对于蜗杆类转向器，其效率公式如下：

式中： --螺线导程角

--摩擦角，。

--摩擦系数

2.转向器逆效率

根据逆效率的大小可以将把转向器分为三种类型，第一种为可逆式转向器，第二种是不可逆式转向器，最后一种极限可逆式转向器。

地面作用在轮子上的力，通过转向系传递到方向盘，当转向器的这种逆效率很高时，则其属于可逆式转向器。当汽车实现转向时，这种高逆效率的转向器能保证转向轮和方向盘自动回到直线行驶的状态。从而行驶安全性被提高了，驾驶员的疲劳也可以被降低。然而，当地面坎坷不平时，方向盘会接受到来自车轮的大部分冲击力，造成“打手”现象，严重会造成驾驶员精神紧张。在四种转向器中，循环球式转向器和齿轮齿条式转向器归于可逆式转向器。

如果方向盘接受不到来自车轮的冲击力，则该型转向器属于不可逆式转向器。因为方向盘接受不到冲击力，所以所有的冲击力被转向传动机构吸收，因此这些接受冲击力的机构容易被损坏。除此以外，它也不能保证车轮自动回正，驾驶员也缺乏路感，所以汽车一般不使用这种类型的转向器。

最后一种转向器是极限可逆式转向器，这种转向器介于上述两种转向器之间。当车轮遇到障碍物时，冲击力只会有一部分传递到方向盘，同时它的逆效率较低，驾驶员也不会过于紧张，保证了行驶安全性。

逆效率公式如下：

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