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齒輪齒條式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計及仿真分析【說明書+CAD+UG+仿真】

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AbstractThesteeringsystemofthecaristocontrolthedirectionofthecaraccordingtothewillofthedriver.Thesteeringsystemiscloselyrelatedtothesafetyofvehiclesandindividuals.Itisasystemthattheautomotiveindustryshouldattachgreatimportanceto.Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,thekeytechnologyrequiredbytheautomotiveindustryisalsogettinghigherandhigher.Ithasalsobeguntopayattentiontothesteeringperformanceofthecar.Thesteeringsystemhasalwaysbeenoneofthemostconcernedtopics.Especiallytoday,thesteeringsystemisveryimportant.Becausethemechanicalsteeringdevicehascertainlimitationsandcannotsatisfythecharacteristicsofflexibilityandlightnessatthesametime,theuseofelectricpowertoovercome theresistancetosteeringisalsothetrendofautomotivedevelopment.Thisdesignrevolvesaroundsmallandmedium-sizedcars,designingtheirsteeringsystems,usingelectricpowertodesignandcalculatekeypartsofthesystem,andusing3Dsoftwaretomodelthedesignedpartsinordertomoreintuitivelyviewthedesignresults.Andmotionsimulation.Ensuretherationalityandsecurityofthedesign.K ey words: electric power; G ear rack steering; Steering system 目錄1 緒論 .11.1 本課題研究的意義和目的 .11.2 國內(nèi) 外研究現(xiàn) 狀 .11.3 本課題主要研究內(nèi) 容 .22 電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 設(shè) 計 .32.1 電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 特點(diǎn) .32.2 電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 的總體組成 .3 2.3 電動助力的原理 .42.4 電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 的類型選擇 .42.5 電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 的助力特性 .53 齒輪齒條轉(zhuǎn) 向器設(shè) 計與計算 .63.1 齒輪齒條轉(zhuǎn) 向器設(shè) 計 .63.1.1 齒輪齒條轉(zhuǎn) 向器設(shè) 計要求 .63.1.2 齒輪齒條轉(zhuǎn) 向器關(guān) 鍵部件 .63.2 計算汽車原地轉(zhuǎn) 向的阻力矩 .73.2.1 作用在轉(zhuǎn) 向盤手力計算 .7 3.2.2 梯形臂長度計算 .83.2.3 輪胎直徑的計算 .83.2.4 轉(zhuǎn) 向橫拉桿直徑的確定 .83.2.5 估算主動齒輪軸直徑 .83.3 齒輪齒條轉(zhuǎn) 向器的計算 .9 3.3.1 確定齒輪傳動主要參數(shù) 和幾何尺寸 .93.3.2 齒輪齒條轉(zhuǎn) 向器轉(zhuǎn) 向橫拉桿運(yùn) 動分析 .103.3.3 齒輪齒條式轉(zhuǎn) 向器的材料選擇及強(qiáng) 度校核 .123.3.4 齒輪軸校核 .144 轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 的三維實(shí) 體建模 .174.1 齒輪軸實(shí) 體建模 .174.2 齒條的建模 .184.3 殼體建模 .194.4 球頭銷、轉(zhuǎn) 向橫拉桿建模 .21 4.5 軸承、轉(zhuǎn) 向梯形臂建模 .244.6 轉(zhuǎn) 向盤建模 .264.7 轉(zhuǎn) 向軸、輸入軸建模 .274.8 萬向傳動裝置建模 .305 轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 的裝配 .336 轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 運(yùn) 動仿真 .397 有限元分析 .418 經(jīng) 濟(jì) 技術(shù) 性分析 .439 結(jié) 論 .44 致謝 .45參考文獻(xiàn) .46附錄 A.47附錄 B.56 遼寧工程技術(shù) 大學(xué) 畢業(yè) 設(shè) 計 1 1緒論1.1 本課題研究的意義和目的電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 是乘用車使用最廣泛的形式。因此 ,本文以電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 中的齒輪齒條電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 為主要研究對象。電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 作為新一代的轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) ,將電子技術(shù) 與車輛機(jī) 械技術(shù) 有機(jī) 地結(jié) 合在一起。采用動力代替液壓系統(tǒng) 提供輔助 ,使系統(tǒng) 更加簡化 ,性能更好。具有控制簡單、響應(yīng)快、零件少、工作可靠、維修調(diào) 整方便、低溫環(huán) 境性能好等優(yōu) 點(diǎn) 。電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 的一系列優(yōu) 點(diǎn) 表明其具有廣闊的發(fā) 展前景。但也存在著一些不足 ,制約了其發(fā) 展 ,如目前還沒有成熟的理論體系。一旦設(shè) 計不合理 ,將嚴(yán) 重威脅汽車的安全和生命財產(chǎn) 安全。1.2 國內(nèi) 外研究現(xiàn) 狀轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 作為車輛的關(guān) 鍵部位 ,發(fā) 展迅速。轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 由機(jī) 械轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 轉(zhuǎn) 向輔助轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 。電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 以其靈活的轉(zhuǎn) 向控制、吸收路面減振等優(yōu) 點(diǎn) ,在汽車工業(yè) 中得到了廣泛的應(yīng) 用。簡單介紹幾種轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) ：1.機(jī) 械式轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)有許多機(jī) 械轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) ，現(xiàn) 在所有轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 都需要機(jī) 械轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) ,以確保轉(zhuǎn) 向的安全性和可靠性。機(jī) 械轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 是由人力驅(qū) 動的。傳遞力的所有部分都是機(jī) 械的。轉(zhuǎn) 向輕 ,但轉(zhuǎn)向靈敏度變差。當(dāng) 角傳動比大時 ,轉(zhuǎn) 向靈敏度好 ,但轉(zhuǎn) 向需要很大的力 ,轉(zhuǎn) 向不能達(dá) 到要求。因此 ,機(jī) 械轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 同時滿足轉(zhuǎn) 向輕便性和轉(zhuǎn) 向靈敏度的要求非常有限 ,這也制約了機(jī) 械轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 的發(fā) 展。隨著轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 的發(fā) 展 ,研制了助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) ,解決了輕便性和靈敏度之間的矛盾。 2.液壓助力阻力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)液壓助力雖然可以解決轉(zhuǎn) 向輕便性，但隨著社會經(jīng) 濟(jì) 的不斷發(fā) 展 ,人們對速度的要求越來越高 ,汽車的速度也在不斷提高。液壓助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 的不足已經(jīng) 開始顯現(xiàn) 出來。當(dāng) 汽車在高速或低速行駛時 ,很難保證駕駛員有適度的手感。3.電動液壓助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)電液助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 是在液壓系統(tǒng) 的基礎(chǔ) 上發(fā) 展起來的 ,采用電機(jī) 代替發(fā) 動機(jī) 驅(qū) 動油泵。它是由電磁閥控制 ,以幫助液壓變化與車速的變化。當(dāng) 汽車在低速或急轉(zhuǎn) 彎時 ,它會變馬健：齒輪齒條式電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 設(shè) 計及仿真分析 2 輕。在高速行駛時會感覺更好。4.電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)作為新一代的轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) ,將電子技術(shù) 與車輛機(jī) 械技術(shù) 有機(jī) 地結(jié) 合在一起。采用動力代替液壓系統(tǒng) 提供輔助 ,使系統(tǒng) 更加簡化 ,性能更好。電動助力式轉(zhuǎn) 向該系統(tǒng) 具有控制簡單、響應(yīng) 快、助力尺寸和轉(zhuǎn) 向感方便、零件少、等優(yōu) 點(diǎn) 。電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 的一系列優(yōu) 點(diǎn) 表明其具有廣闊的發(fā) 展前景。但也存在著一些不足 ,制約了其發(fā) 展 ,如目前還沒有成熟的理論體系。一旦設(shè) 計不合理 ,將嚴(yán) 重威脅汽車的安全和生命財產(chǎn) 安全。5.線控轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)20世紀(jì) 60年代末 ,德國卡塞爾曼公司還設(shè) 計了類似于 TWW的主動轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)1900,德國奔馳公司采用線控轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 的概念車 F400雕刻。目前 ,線控轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 上市 , 戴米爾克萊斯勒開發(fā) 的線控轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 被列為 2000年度汽車十大創(chuàng) 新技術(shù) 之一。齒條式轉(zhuǎn)向器在西歐微型客車上得到了長足的發(fā) 展。在日本和美國 ,循環(huán) 球型轉(zhuǎn) 向器的比例正在增加。在日本 ,公共汽車用的球型轉(zhuǎn) 向器已經(jīng) 發(fā) 展到現(xiàn) 在的 100%個。目前 ,不同類型的轉(zhuǎn) 向器的使用情況如下 :(1)在小型客車上 ,日本和美國主要開發(fā) 圓形球型轉(zhuǎn) 向器 ,其市場占有率超過 90%,而在西歐 ,齒輪和齒條轉(zhuǎn) 向器的發(fā) 展 ,比例超過 50%,法國則高達(dá) 95%。(2)齒輪齒條式轉(zhuǎn) 向器在小型轎車上得到了迅速發(fā) 展 ,而大型轉(zhuǎn) 向器主要是圓形滾珠轉(zhuǎn) 向器。1.3 本課題主要研究內(nèi) 容 1.參考相關(guān) 文獻(xiàn) ，確定研究目標(biāo) 與方向。2.分析電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 類型的選擇，電動助力轉(zhuǎn) 向結(jié) 構(gòu) 組成及其工作原理。3.對轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 進(jìn) 行具體的設(shè) 計和計算，完成重要部件的結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計，并校核主要零件強(qiáng)度。 4.使用三維建模軟件對轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 進(jìn) 行三維建模，并完成運(yùn) 動仿真與有限元分析。遼寧工程技術(shù) 大學(xué) 畢業(yè) 設(shè) 計 3 2電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 設(shè) 計2.1 電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 特點(diǎn)電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 有突出的優(yōu) 點(diǎn) :1.改善了轉(zhuǎn) 向特性。直到今天 ,動力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 的發(fā) 展已經(jīng) 達(dá) 到極限 ,EPS的返回特性已經(jīng) 改變了這一切。當(dāng)轉(zhuǎn) 向結(jié) 束后 ,轉(zhuǎn) 向盤會因回正力矩返回車輪中心，但有時回正力矩較小，使得方向盤回正很慢，對駕駛舒適感產(chǎn) 生影響，電動助力系統(tǒng) 可以解決這一問題，可以通過設(shè) 計參數(shù) 與傳感器對方向盤作用一個轉(zhuǎn) 向力矩。這個系統(tǒng) 可以由工程師使用軟件來調(diào) 整他的初始和設(shè) 計參數(shù) 使轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 得到最佳的返回特性。2.提高了操縱穩(wěn) 定性。當(dāng) 車輛在高速行駛時 ,通過過度轉(zhuǎn) 向來測試車輛的穩(wěn) 定性。通過使用這種方法 ,在高速行駛 (100kM/h)的車輛過多的拐角被迫滾動。在短時間自動返回過程中 ,由于使用微機(jī) 控制 ,汽車具有較高的穩(wěn) 定性 ,駕駛員具有更舒適的感覺。4.采用 “ 綠色能源 ” ,滿足現(xiàn) 代汽車的要求。電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 采用 “ 最清潔 ” 的動力作為能量 ,完全禁止液壓裝置 ,液壓助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 中沒有液體油泄漏。可以說 ,該制度符合時代的 “ 綠色 ” 趨勢。2.2 電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 的總體組成電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) (簡稱電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) )是利用電機(jī) 提供輔助力矩的動力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 。 EPS主要由轉(zhuǎn) 矩傳感器、速度傳感器、電機(jī) 、減速機(jī) 構(gòu) 和電子控制單元 (ECU)組成。馬健：齒輪齒條式電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 設(shè) 計及仿真分析 4 2.3 電動助力的原理圖 2-1 電動助力原理圖Fig2-1 Electric power diagram如圖 2-1，給轉(zhuǎn) 向盤施加轉(zhuǎn) 向力矩，轉(zhuǎn) 矩傳感器可測得，該信號會傳遞到 ECU，當(dāng) 汽車行駛時，汽車的實(shí) 時車速也會被車速傳感器測得，同樣通過線束把電信號傳遞給 ECU，此時 ECU會對兩個信號做出判斷并給與解決方案，也就是按著預(yù) 先設(shè) 計的程序，計算出最合理的轉(zhuǎn) 向助力力矩，再將此信號傳遞給電流控住電路，通過電流傳遞給電機(jī) 實(shí) 現(xiàn) 助力，電機(jī) 輸出力矩經(jīng) 過蝸輪蝸桿等一系列減速機(jī) 構(gòu) 最終傳遞給轉(zhuǎn) 向系。2.4 電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 的類型選擇圖 2-2 電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 類型Fig2-2 Type of electric power steering system如圖 2-2，電動助力類型分為：轉(zhuǎn) 向軸助力；小齒輪助力；齒條助力三種遼寧工程技術(shù) 大學(xué) 畢業(yè) 設(shè) 計 5 本設(shè) 計采用轉(zhuǎn) 向軸助力：電動機(jī) 安裝在汽車里；電機(jī) 輸出的助力矩可相對小些，可由減速機(jī) 構(gòu) 放大傳給轉(zhuǎn) 向軸，由此電動機(jī) 尺寸和質(zhì) 量也相對較小，這樣設(shè) 計方便電機(jī) 布置和減輕汽車質(zhì) 量，從而減少油耗。而且助力系統(tǒng) 獨(dú) 立，不與轉(zhuǎn) 向器連接，方便更換與維修。2.5 電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 的助力特性電動助力的特性由軟件編程師提前設(shè) 定好的程序決定，在一般情況下，工程師在設(shè) 計時會參考汽車的行駛車速，使助力特性曲線為車速的函數(shù) ，隨車速的變化而變化，這種特性叫做車速感性型。圖 2-3 電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 的助力特性Fig2-3 Power feature of electric power steering system如圖 2-3，汽車靜止時，即原地轉(zhuǎn) 向助力的力矩最大，隨著汽車行駛，車速不斷增加，由于在高速行駛時，轉(zhuǎn) 向靈敏度會影響汽車行駛安全，所以助力力矩有所下降，當(dāng) 車速達(dá)到峰值時，助力強(qiáng) 度最小。馬健：齒輪齒條式電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 設(shè) 計及仿真分析 6 3齒輪齒條轉(zhuǎn) 向器設(shè) 計與計算3.1 齒輪齒條轉(zhuǎn) 向器設(shè) 計圖 3-1 齒輪齒條轉(zhuǎn) 向器形式Fig.3-1 Gear rack steering gear齒輪齒條式轉(zhuǎn) 向器有四種形式：中間輸入，兩端輸出；側(cè) 面輸入，兩端輸出；側(cè) 面輸入，中間輸出；側(cè) 面輸入，一端輸出。本課題選擇中間輸入兩端輸出形式。3.1.1齒輪齒條轉(zhuǎn) 向器設(shè) 計要求模數(shù) 在 32 之間。齒數(shù) 范圍在 75 ，齒輪螺旋角取值范圍多為 159 。齒條齒數(shù) 根據(jù) 車輪轉(zhuǎn) 到鎖點(diǎn) 時，對應(yīng) 的齒條移動距離來確定。變速比的齒條壓力角在 3512 內(nèi) 變化。傳動比的選取：對乘用車，推薦轉(zhuǎn) 向器角傳動比在 2517 內(nèi) 選取；商用車在 3223 范圍內(nèi) 選取，選取傳動比為 1:24 。在這樣的情況下，轉(zhuǎn) 向盤每轉(zhuǎn) 動 24 ，前輪轉(zhuǎn) 向 1 。3.1.2齒輪齒條轉(zhuǎn) 向器關(guān) 鍵部件1. 齒輪齒輪是切有齒形的軸。齒輪安裝在轉(zhuǎn) 向器殼體上并齒條上的齒相嚙合。配對使用，齒輪軸末端與傳動間軸相連。轉(zhuǎn) 向盤的旋轉(zhuǎn) 把扭矩傳遞給齒輪軸，齒輪帶動齒條橫向移動以操縱前輪。齒輪軸由安裝在轉(zhuǎn) 向器殼體上的球軸承支承。(1)選擇齒輪類型遼寧工程技術(shù) 大學(xué) 畢業(yè) 設(shè) 計 7 根據(jù) 齒輪傳動的工作條件，選用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動方案(2)選擇齒輪傳動精度等級選用 7級精度2. 齒條齒條安裝在金屬殼體內(nèi) 可以來回滑動具有齒形的金屬條。轉(zhuǎn) 向器殼體安裝在前橫梁或前圍板的固定位置上。導(dǎo) 向座將齒條支持在轉(zhuǎn) 向器殼體上齒條可以比作是梯形轉(zhuǎn) 向桿系的轉(zhuǎn) 向直拉桿。3.轉(zhuǎn) 向橫拉桿通過齒條的橫向運(yùn) 動拉動轉(zhuǎn) 向橫拉桿，使前輪轉(zhuǎn) 向。4.轉(zhuǎn) 向梯形臂轉(zhuǎn) 向橫拉桿帶動梯形臂旋轉(zhuǎn) ，從而帶動車輪旋轉(zhuǎn) 。3.2 計算汽車原地轉(zhuǎn) 向的阻力矩為此用足夠精確的半經(jīng) 驗(yàn) 公式來計算汽車在浙青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn) 向阻力矩 MR(N mm)。 mm4.36851724.0842837.03 331 NPGfMR （ 3-1）式中：f 輪胎和路面間的滑動摩擦因數(shù) ，一般取 f=0.7； G1 轉(zhuǎn) 向軸負(fù) 荷， G1=10902.5N,單位為 N；P 輪胎氣壓， P=0.2MPa,單位為 MPa。3.2.1作用在轉(zhuǎn) 向盤手力計算 NiDL MLF SW Rh 8.949.024360 4.368517222 1 （ 3-2）式中 :L 1 轉(zhuǎn) 向搖臂長，單位為 mm；MR 原地轉(zhuǎn) 向阻力矩；L2 轉(zhuǎn) 向節(jié) 臂長，單位為 mm；DSW 轉(zhuǎn) 向盤直徑；馬健：齒輪齒條式電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 設(shè) 計及仿真分析 8 i 轉(zhuǎn) 向器角傳動比；+轉(zhuǎn) 向器正效率， +=0.9。齒輪齒條式轉(zhuǎn) 向傳動機(jī) 構(gòu) 無轉(zhuǎn) 向搖臂， 1L 、 2L 不帶入數(shù) 值。用上式計算出來的作用力是最大值。因此，可以用此值作為計算載荷。3.2.2梯形臂長度計算輪輞直徑： mminRLW 4.40616 （ 3-3）梯形臂長度： mmRL LW 6.16228.02 （ 3-4）取 mmL 160 2 3.2.3輪胎直徑的計算 mmRR LWT 6.52421555.0 取 mmRT 525 （ 3-5）3.2.4轉(zhuǎn) 向橫拉桿直徑的確定 mmaMd R 385.21021614.316.0 5.36844 333 （ 3-6） 2La ； MPa216 ； mNMR 5.368取 mmd 12min 3.2.5估算主動齒輪軸直徑齒輪軸直徑： mmMd 203.814014.3 1608.941616 33 max （ 3-7）對所研究的載荷初步計算完成，轉(zhuǎn) 向初選參數(shù) 如表（3-1）：遼寧工程技術(shù) 大學(xué) 畢業(yè) 設(shè) 計 9 表 3-1 初選參數(shù)Tab.2-6 Primary parameters序號參數(shù) 名稱數(shù) 值1 阻力矩（ mmN ） 368517.42 轉(zhuǎn) 向盤手力（ N ） 94.83 輪輞直徑（ mm） 406.44 梯形臂長度（ mm） 1605 輪胎直徑（ mm） 5256 橫拉桿直徑（ mm） 127 轉(zhuǎn) 向器角傳動比 243.3 齒輪齒條轉(zhuǎn) 向器的計算主動小齒輪選用 16MnCr5或 15CrNi6材料制造，而齒條常采用 45鋼制造。為減輕質(zhì)量，殼體用鋁合金壓鑄。3.3.1確定齒輪傳動主要參數(shù) 和幾何尺寸修正系數(shù) 8.0nX分度圓直徑 d： mmmzd 1320cos 55.2cos1 （ 3-8）齒頂圓直徑 1ad ： mmhdd aa 22)8.01(5.2213211 （ 3-9）齒根圓直徑 fd ： mmXChmhdd nnaff 75.1013.313)(21621 （ 3-10）齒寬 b： mmdb d 4.10138.01 （ 3-11）齒條寬取 mm15 ，齒輪寬取 mm25 。因為相互嚙合齒輪基圓齒距必須相等： 21 bb PP 齒輪法面基圓齒距： 4cos 111 mPb齒條法面基圓齒距為： 4cos 222 mPb 馬健：齒輪齒條式電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 設(shè) 計及仿真分析 10 取齒條法向模數(shù) ： 5.22 m齒條齒頂高 2ah ： 5.2)01(5.2)(2 Xnhmh ana （ 3-12）齒條齒根高 2fh ： 125.3)025.01(5.2)(2 XnChmh nanf （ 3-13）3.3.2齒輪齒條轉(zhuǎn) 向器轉(zhuǎn) 向橫拉桿運(yùn) 動分析圖 3-2 橫拉桿運(yùn) 動示意圖Fig.3-2 Sketch bar motion diagram當(dāng) 轉(zhuǎn) 向盤從鎖點(diǎn) 向鎖點(diǎn) 轉(zhuǎn) 動，每只前輪大約從其正前方開始轉(zhuǎn) 動 30 ，因而前輪從左到右總共轉(zhuǎn) 動約 60 。當(dāng) 轉(zhuǎn) 向輪右轉(zhuǎn) 30 ，即梯形臂或轉(zhuǎn) 向節(jié) 由 OC 繞圓心 O 繞至 OA 時，齒條左端點(diǎn) E移至 EA的距離為 1l 30cos16030cosOAOD 436.2164.138160 ODOCDC mmOAAD 8030sin DCAA , BA BECEAE , ADCA 3.339436.21340 2222 AAAEEA AA 32.259 CAEACE AA 7.801 ACECEl同理計算轉(zhuǎn) 向輪左轉(zhuǎn) 30 ，轉(zhuǎn) 向節(jié) 由 OC繞圓心 O轉(zhuǎn) 至 OB時，齒條左端點(diǎn) E移至 BE 的遼寧工程技術(shù) 大學(xué) 畢業(yè) 設(shè) 計 11 距離為 2l mmDADB 80 BBDC mmBBBEEB BB 3.339436.21340 2222 3.792 CEEBCBEEl BB嚙合長度大于 21 ll 即 mmllL 1603.797.8021 取 mmL 181齒條齒數(shù) 23模數(shù) 2.5，總長 700mm。表 3-2 齒輪齒條參數(shù) 匯總Tab.3-2Sketchbarmotiondiagram序號項目符號齒輪齒條1 總長 L 7002 直徑 22 163 齒數(shù) 2Z 5 234 法向模數(shù) nM 2.5 2.55 螺旋角 10 10 6 分度圓直徑 d 13 7 齒頂高 fh 4.5 2.58 齒根高 ah 1.125 3.1259 齒頂圓直徑 ad 22 10 齒根圓直徑 fd 10.75 馬健：齒輪齒條式電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 設(shè) 計及仿真分析 12 3.3.3齒輪齒條式轉(zhuǎn) 向器的材料選擇及強(qiáng) 度校核1 選擇齒輪齒條材料、熱處理方式及計算許用應(yīng) 力(1)選擇材料及熱處理方式小齒輪 16MnCr5滲碳淬火，齒面硬度 56-62HRC大齒輪 45鋼表面淬火，齒面硬度 52-56HRC齒輪齒條模數(shù) 選取 5.2m壓力角取 20 ，齒輪螺旋角取 10(2)確定許用應(yīng) 力： minlimH NHH S Z minlimF NSTFF S YY 1)確定 limH 和 limF MPaH 15001lim MPaH 13002lim MPaF 4251lim MPaF 3752lim 2)計算應(yīng) 力循環(huán) 次數(shù) N，確定壽命系數(shù) NZ 、 NY 。 2711 1088.2)300810(2016060 NjLnN h （ 3-14）查表得： 25.11 NZ , 21 1 NN YY 3)計算許用應(yīng) 力：取 1min HS ， 4.1min FS MPaS ZH NHH 18751 25.11500min 1lim1 （ 3-15） MPaH 16251 25.113002 （ 3-16） 21 HH ，取 MPaHH 16252 （ 3-17)應(yīng) 力修正系數(shù) 2STY MPaS YY F NSTFF 14.6074.1 12425min 1lim11 (3-18) 遼寧工程技術(shù) 大學(xué) 畢業(yè) 設(shè) 計 13 MPaS YYF NSTFF 7.5354.1 12375min 2lim2 (3-19) MPaFF 7.5352 2. 強(qiáng) 度校核(1)校核齒輪接觸疲勞強(qiáng) 度 :經(jīng) 查機(jī) 械設(shè) 計手冊得 : MPaZE 8.189查圖 45.2HZ 8.0Z 4.1tK 1）確定載荷系數(shù) K齒輪使用系數(shù) ： 1AK smndV /0136.01060 201314.31060 3311 (3-20)41 108.6100 50136.0100 VZ (3-21）齒輪動載系數(shù) ： 1VK選取對稱布置： 06.1K查表得： 3.1 aK載荷系數(shù) K： 378.13.106.111 KKKKK VA （ 3-22）轉(zhuǎn) 矩： mmNlFT h 1516816.08.9421 （ 3-23） 2221 1 94.13634141323 15168378.128.08.18945.2 12 HEHH MPabdKTZZZ （ 3-24）故齒輪接觸疲勞強(qiáng) 度滿足要求。（ 2）齒根彎曲疲勞強(qiáng) 度設(shè) 計初選參數(shù) ：馬健：齒輪齒條式電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 設(shè) 計及仿真分析 14 7.0Y 89.0Y 68.11 SY 97.12 SY 41.21 FaY 06.22 FaY 1111 06.14168.17.041.289.05.21323 15168378.12 2 FSFF bmdKTYYYY （ 3-25）故齒輪彎曲疲勞強(qiáng) 度滿足要求。3.3.4齒輪軸校核1.齒輪齒條式轉(zhuǎn) 向器的受力分析與計算圓周力： NdTF t 23331315168221 （ 3-26）徑向力： NFF tr 86210cos 20tan2333costan （ 3-27）軸向力： NFF ta 41110tan2333tan （ 3-28）2.齒輪軸校核（ 1）計算支撐反力：在垂直面上： Nll dFFlF arRAV 3952222 9411862222212 11 （ 3-29）NFFF RAVrRBV 4673958621 （ 3-30）在水平面： NFFF rRBHRAH 11662/233321 （ 3-31）（ 2）畫彎矩圖在水平面上；aa 剖面左側(cè) 、右側(cè) ： mmNlFMM RAHaHaH 25625221166 1 （ 3-32）在垂直面上 aa 剖面左側(cè) ： mmNlFM RAVaV 8690223952 （ 3-33）aa 剖面右側(cè) ：遼寧工程技術(shù) 大學(xué) 畢業(yè) 設(shè) 計 15 mmNlFM RBVaV 10274224672 （ 3-34）合成彎矩 aa 剖面左側(cè) : mmNMMM aVaHa 27083869025652 2222 （ 3-35）a-a剖面右側(cè) : mmNMMM aVaHa 276321027425652 2222 （ 3-36）(3)畫轉(zhuǎn) 矩圖轉(zhuǎn) 矩 : mmNdFT t 209972/1823332 （ 3-37）判斷危險剖面 : MPa90 6.0aa 左側(cè) ： 333 5.57232/1832 mmdW （ 3-38） 525.572)209976.0(27083 /)( 22 22 WTMe （ 3-39）軸的疲勞強(qiáng) 度安全系數(shù) ：MPaB 650 MPa3001 MPa1551 2.0 1.0aa 截面左側(cè) ： 33 1145216 mmWdWT （ 3-40）10.2K 72.1K 91.0 89.0 0.1彎曲應(yīng) 力： MPaWMb 3.475.57227083 （ 3-41）應(yīng) 力幅： MPaba 3.47平均應(yīng) 力： 0m切應(yīng) 力： MPaWT TT 3.18114520997 （ 3-42）MPaTma 1.92 （ 3-43）安全系數(shù) ：馬健：齒輪齒條式電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 設(shè) 計及仿真分析 16 7.23.4791.01 1.2 3001 maKS （ 3-44）8.81.989.072.1 1551 maKS （ 3-45）查得許用安全系數(shù) S=1.31.5，顯然 SS，故 a-a剖面安全。圖 3-3 齒輪軸校核彎矩圖Fig3-3Gearshaftcheckmomentdiagram 遼寧工程技術(shù) 大學(xué) 畢業(yè) 設(shè) 計 17 4轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 的三維實(shí) 體建模4.1 齒輪軸實(shí) 體建模首先點(diǎn) 擊齒輪建模，選擇柱齒輪，選擇 yc軸方向，創(chuàng) 建斜齒輪，選擇變位齒輪，填寫壓力角，螺旋角，變位系數(shù) ，點(diǎn) 擊估算出結(jié) 果，【確定】生成齒輪，在齒輪的基礎(chǔ) 上，選擇【插入】 /【設(shè) 計特征】 /【圓柱體】，選擇矢量，選擇齒輪 yc表面，點(diǎn) 擊【確定】生成圓柱，繼續(xù) 選擇所建圓柱 yc面齒輪軸線生成第二段軸，此軸段與軸承配合，同樣點(diǎn)擊【插入】 /【設(shè) 計特征】 /【圓柱體】，選擇 yc平面，齒輪軸線，點(diǎn) 擊【確定】，生成第三段齒輪，重復(fù) 上一步操作，生成最后一段軸，繼續(xù) 點(diǎn) 擊【設(shè) 計特征】 /【圓柱體】，選擇 -yc方向，選擇軸線，生成軸段，此軸段與軸承配合，至此齒輪軸建模基本完成，最后點(diǎn) 擊【細(xì) 節(jié) 特征】，選擇軸兩端邊緣，選取倒角尺寸，對軸兩端進(jìn) 行倒角，至此齒輪軸建模完成。圖 4-1 齒輪軸Fig3-3Gearshaft 馬健：齒輪齒條式電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 設(shè) 計及仿真分析 18 4.2 齒條的建模齒條建模要注意齒間距，齒寬，齒的拉伸角等細(xì) 節(jié) 問題，確保尺寸的準(zhǔn)確性，螺旋角的精確，否則與齒輪裝配會出現(xiàn) 干涉。點(diǎn) 擊【插入】 /【設(shè) 計特征】 /【圓柱體】，選擇工作系原點(diǎn) ，繪出齒條總輪廓，點(diǎn) 擊插入草圖，選擇圓柱端面進(jìn) 入草繪，利用直線工具與標(biāo) 注尺寸確定齒寬平面，完成草圖，點(diǎn) 擊【拉伸】工具，選擇剛剛草繪直線，拉伸成面，此面為齒寬平面，在此基礎(chǔ) 上經(jīng) 行齒的繪制，點(diǎn) 擊任務(wù) 環(huán) 境中的草圖，選擇 yc面進(jìn) 入草繪，在設(shè) 計位置利用輪廓工具繪出齒的形狀，利用約束工具，確定各條線的相對位置，例如垂直、平行、中點(diǎn) 等。特別注意分度圓位置與距離約束結(jié) 束點(diǎn) 擊完成，退出草圖界面，點(diǎn) 擊快捷鍵 x進(jìn) 行拉伸，選擇草繪圖形，選擇對稱拉伸，拉伸出齒。圖 4-2 齒條草圖Fig4-2sketchesofrack點(diǎn) 擊【陣列特征】，選擇齒，根據(jù) 齒數(shù) 齒距，選擇數(shù) 量和節(jié) 距，拉伸出齒條。再次點(diǎn)擊任務(wù) 環(huán) 境中的草圖，用輪廓線繪制齒形以便剪切齒。點(diǎn) 擊【拉伸】選擇草圖，布爾運(yùn) 算遼寧工程技術(shù) 大學(xué) 畢業(yè) 設(shè) 計 19 選擇求差，基本完成齒條建模，最后選擇【螺紋】，選擇齒條兩端螺紋長度，生成螺紋，至此齒條建模完成。圖 4-3 齒條Fig.4-3 rack4.3 殼體建模齒輪齒條轉(zhuǎn) 向器殼體負(fù) 責(zé) 容納齒輪齒條、密封、墊塊、軸承等工作元件，起著固定支撐作用，殼體建模至關(guān) 重要，殼體不規(guī) 范，則無法裝配仿真，所以要精確確定齒輪齒條相對位置，各組件距離圓滑的外觀和內(nèi) 部精準(zhǔn) 的尺寸是建模的重點(diǎn) 。點(diǎn) 擊【任務(wù) 環(huán) 境中的草圖】選擇平面，利用圓工具，選擇工作原點(diǎn) ，根據(jù) 尺寸繪制兩個同心圓，完成草圖。馬健：齒輪齒條式電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 設(shè) 計及仿真分析 20 圖 4-4 殼體建模草圖Fig.4-4sketchofshellmodeling點(diǎn) 擊【拉伸】工具，選擇草圖拉伸出空心圓柱，在拉伸的拉伸的圓柱表面繼續(xù) 繪制草圖，繪制同心圓，完成草圖，拉伸草圖，齒條方向殼體繪制完成。根據(jù) 齒輪齒條裝配位置，裝配距離，點(diǎn) 擊【基準(zhǔn) 】，選擇基準(zhǔn) 坐標(biāo) 系，建立齒輪軸方向殼體基準(zhǔn) ，點(diǎn) 擊草圖選取 yc-zc平面進(jìn) 入草圖，以坐標(biāo) 系原點(diǎn) 為圓心繪制圓柱，此圓柱內(nèi) 部為軸承殼體，以所繪圓柱表面繪制草圖，點(diǎn) 擊【圓】工具，繪制圓完成草圖，拉伸圓柱。點(diǎn) 擊【細(xì) 節(jié) 特征】，選取兩圓柱交匯處圓邊緣倒圓角。在所繪圓柱表面繼續(xù) 繪制草圖，根據(jù) 齒輪軸尺寸、軸承尺寸，分別拉伸出槽，這些槽直徑分別為軸承、密封圈直徑，以便與其配合。點(diǎn) 擊【任務(wù) 環(huán) 境中的草圖】，在剛建立的基準(zhǔn) 坐標(biāo) 系中繪制草圖，選擇 xc-zc平面進(jìn)入，繪制圓，退出草圖，在 -yc方向拉伸出圓柱，在拉伸圓柱下表面繼續(xù) 繪制草圖，首先拉伸出容納調(diào) 整螺栓槽，接著繼續(xù) 繪制草圖，拉伸調(diào) 整滑塊槽，直至上殼體，至此齒輪齒條殼體建模完成。遼寧工程技術(shù) 大學(xué) 畢業(yè) 設(shè) 計 21 圖 4-5轉(zhuǎn) 向器殼體Fig.4-5steeringgearhousing4.4 球頭銷、轉(zhuǎn) 向橫拉桿建模建模過程中注意球頭尺寸和球頭孔的大小。點(diǎn) 擊任務(wù) 環(huán) 境中的草圖，選擇 xc-yc平面，以原點(diǎn) 為圓心繪制同心圓，完成草圖，點(diǎn)擊【旋轉(zhuǎn) 】命令，繪制出空心球體。再次點(diǎn) 擊【任務(wù) 環(huán) 境中的草圖】，選取 xc-zc平面，以基準(zhǔn) 坐標(biāo) 系原點(diǎn) 為圓心，繪制圓，完成草圖，使用【拉伸】命令，選取剛繪制的草圖，選擇 -yc方向進(jìn) 行拉伸求差，在導(dǎo) 航部件中右擊【拉伸】，選擇將草圖設(shè) 為內(nèi) 部，建模完成。馬健：齒輪齒條式電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 設(shè) 計及仿真分析 22 圖 4-6 球頭銷Fig.4-6ballpin繪制球頭銷端蓋，點(diǎn) 擊任務(wù) 環(huán) 境中的草圖，以原點(diǎn) 為圓心繪制同心圓，完成草圖，點(diǎn)擊【旋轉(zhuǎn) 】命令，選擇旋轉(zhuǎn) 方向 xc繪出空心球體，再次進(jìn) 入草繪，選擇 xc-zc平面，以原點(diǎn) 為圓心，繪出同心圓，完成成草圖，點(diǎn) 擊【拉伸】，選擇剛繪制草圖，并選擇對稱值，布爾運(yùn) 算選擇求差，拉伸出空心圓柱，點(diǎn) 擊插入【螺紋】，選擇球頭銷端蓋末端圓柱內(nèi) 表面，點(diǎn) 擊確定，生成螺紋。完成球頭銷蓋的建模。遼寧工程技術(shù) 大學(xué) 畢業(yè) 設(shè) 計 23 圖 4-7 球頭銷Fig.4-7Ballpin橫拉桿連接梯形臂與球頭銷，再轉(zhuǎn) 向中起到拉動作用，此橫拉桿與球頭銷內(nèi) 球一體，在球殼內(nèi) 轉(zhuǎn) 動。新建組件，點(diǎn) 擊【任務(wù) 環(huán) 境中的草圖】，選取 xc-yc平面，進(jìn) 入草繪，在原點(diǎn) 繪制圓，完成草圖，點(diǎn) 擊【旋轉(zhuǎn) 】命令，旋轉(zhuǎn) 成球體，再次進(jìn) 入草繪，選取 yc-zc平面，同樣選擇坐標(biāo) 原點(diǎn) 繪制圓，完成草繪，點(diǎn) 擊【拉伸】命令布爾運(yùn) 算選擇求和，拉伸出圓柱體。點(diǎn) 擊【螺紋】工具，選擇拉伸的圓柱表面生成螺紋。圖 4-8 橫拉桿Fig.4-8horizontalbar 馬健：齒輪齒條式電動助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 設(shè) 計及仿真分析 24 繪制橫拉桿端頭，點(diǎn) 擊【任務(wù) 環(huán) 境中的草圖】，選擇 xc-zc平面，根據(jù) 橫拉桿直徑畫出圓，完成草圖，拉伸出圓柱體，進(jìn) 入【任務(wù) 環(huán) 境中的草圖】，選擇 xc-yc平面坐標(biāo) 系原點(diǎn) 繪制圓，完成草圖，【拉伸】圓柱，在圓柱上表面繼續(xù) 添加圓柱體，繪制與梯形臂相連的圓柱，同時在此圓柱表面繪制草圖，拉草圖線為面，點(diǎn) 擊【加厚】命令布爾運(yùn) 算選擇求差，沿 z軸方向拉伸，完成修減，最后運(yùn) 用【細(xì) 節(jié) 特征】，點(diǎn) 擊【倒角】命令，對與梯形臂相連的圓柱倒角，最后在第一個【拉伸】圓柱末端 xc-zc平面繪制圓拉伸出與橫拉桿相配合的孔，點(diǎn) 擊【螺紋】工具在孔內(nèi) 生成螺紋。圖 4-9 橫拉桿Fig.4-9Tierod4.5 軸承、轉(zhuǎn) 向梯形臂建模軸承主要支撐齒輪軸，并使其轉(zhuǎn) 動，插入 /任務(wù) 環(huán) 境中的草圖，原點(diǎn) 繪制同心圓完成草圖，對草圖進(jìn) 行【拉伸】選擇對稱值，拉伸完成后在圓柱表面生成球形槽，點(diǎn) 擊【球形端槽】，選擇圓柱測表面，填寫半徑深度，生成球形端槽，再次點(diǎn) 擊【任務(wù) 環(huán) 境中的草圖】，選擇 xc-zc平面選擇坐標(biāo) 系原點(diǎn) 為圓心繪制同心圓，完成草圖，【拉伸】草圖，選擇對稱值，在拉伸出的圓柱內(nèi) 表面生成【球形端槽】，尺寸深度同上，確定槽的距離，點(diǎn) 擊圓柱邊緣與槽邊緣，此時會彈出尺寸對話框，填入尺寸，使槽中心在 xc-zc平面內(nèi) ，槽的創(chuàng) 建遼寧工程技術(shù) 大學(xué) 畢業(yè) 設(shè) 計 25 完成，進(jìn) 入【任務(wù) 環(huán) 境中的草圖】，點(diǎn) 擊【插入】 /【投影曲線】，使槽邊緣曲線投影到草圖平面，在兩投影曲線繪制圓，

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齒輪齒條式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計及仿真分析【說明書+CAD+UG+仿真】

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仿真

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有限元分析

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