哈工大畢業(yè)論文微型車轉向機設計與應力分析

1、成人高等教育畢業(yè)設計(論文)2011年6月成人高等教育 畢業(yè)設計（論文） 題 目 微型車轉向機設計與應力 分析 專 業(yè) 類 別 層 次 學 生 班 號 學 號 指 導 教 師 答 辯 日 期 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學成人高等教育畢業(yè)設計（論文）評語姓名： 班號： 學號： 類別： 層次： 專業(yè)： 畢業(yè)設計（論文）題目： 微型車轉向機設計及應力分析 工作起止日期：_ 年_ 月_ 日起 _ 年_ 月_ 日止指導教師對畢業(yè)設計（論文）進行情況、完成質量的評價意見： 指導教師簽字： 指導教師職稱： 評閱人評閱意見： 評閱教師簽字： 評閱教師職稱： 答辯委員會評語： 根據(jù)畢業(yè)設計（論文）的材料和學生的

2、答辯情況，答辯委員會做出如下評定：學生 畢業(yè)設計（論文）答辯成績評定為： 對畢業(yè)設計（論文）的特殊評語： 答辯委員會主 任（簽字）： 職 稱： 答辯委員會副主任（簽字）： 答辯委員會委 員（簽字）： 年 月 日哈爾濱工業(yè)大學成人高等教育畢業(yè)設計（論文）任務書 姓 名： 類 別： 班 號： 層 次： 學 號： 專 業(yè)： 任務起止日期： 年 月 日至 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）題目： 微型車轉向機設計與應力分析 立題的目的和意義：課題立題的目的是設計計算某微型車轉向機，應用三維建模軟件建立微型車轉向機和轉向操縱系統(tǒng)的模型，并計算其主要零件應力應變分布。力求熟悉一般汽車部件的設計過程，為以后學習工

3、作打下基礎。進入新世紀, 中國汽車工業(yè)走上了發(fā)展的快車道。在加入WTO后的五年間, 中國汽車產(chǎn)銷量增長了3倍。2006年全國汽車產(chǎn)銷量突破720萬輛, 一舉上升到世界前三位。汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為中國經(jīng)濟發(fā)展中最具潛力和活力的增長點之一。未來時期隨著影響中國汽車需求市場的價格、居民收入和消費結構、汽車信貸、消費環(huán)境的改善，特別是跨國公司主導下的汽車合資企業(yè)不斷在全球同步推出適應市場需求的新產(chǎn)品，將對未來市場起到巨大的推動作用。預計今后10年至15年中國將成長成為全球最大汽車市場，年銷量達到1700萬輛，汽車保有量超過1億輛。微型汽車一般是指發(fā)動機排量不超過1.1L，車身長度、寬度、高度不超過3.8m

4、、1.6m和2m, 最大載貨量不超過600kg 的汽車。微型汽車產(chǎn)品具有燃料消耗少、使用費用低、占地面積小、用途多、適應性廣等特點，包括微型轎車、微型客車和微型貨車。微型汽車在我國已經(jīng)發(fā)展了20多年，從19832004年微型車產(chǎn)銷量數(shù)據(jù)來看，中國微型汽車市場在20多年的時間里，產(chǎn)銷量基本上一直保持著平穩(wěn)增長的態(tài)勢。最近幾年以來, 微型汽車行業(yè)在國家產(chǎn)業(yè)政策、市場競爭和消費環(huán)境的作用下，迎來了新的發(fā)展機遇，潛在的市場空間將不斷擴大，行業(yè)整體水平在日益激烈的競爭中將有較大幅度的提高。我國在大力發(fā)展汽車產(chǎn)業(yè)的同時，汽車零部件的設計及其發(fā)展也極其重要。在國內，隨著微型汽車的開發(fā)，齒輪齒條式轉向器已大量

5、生產(chǎn)，并投人使用。在國外，這種結構的轉向器早在六十年代就已得到完熟技術上取得了突破，使產(chǎn)量劇增。它的使用范圍立即從輕型小客車擴大至中型, 甚至在高級小客車上也有采用的。因而作為汽車重要的部件，轉向機的研究是非常有必要的。 技術要求與主要內容：技術要求：1、 齒條靜強度；2、 轉向行程及自由間隙；3、 機械效率；4、 壓力損失；5、 內泄漏；6、 輸入輸出特性。7、主要內容：1、選定參照車型，選擇設計方案；2、確定研究所需要的數(shù)據(jù)，設計并計算微型汽車的轉向器和轉向操縱系統(tǒng)。并且設計規(guī)劃整個畢業(yè)設計的總體思路和進程；3、利用CATIA軟件進行微型車轉向器、轉向操縱系統(tǒng)以及相關零件的三維建模和零件裝

6、配；4、使用CATIA軟件將三維建模圖轉化為2D圖；5、利用CATIA軟件對轉向器主要傳動零件進行應力分析。 進度安排：1、2010年09 月18日 開始聯(lián)系導師2、2010年10月12日 在廣泛閱讀文獻基礎上與導師討論并選題。3、2010年11月05日 閱讀文獻，收集資料，撰寫文獻綜述。4、2010年12月28日 提交開題報告，擬訂設計或實驗方案。5、2010年01月01日 著手設計或實驗6、2011年03月01日 進行設計。7、2011年04月15日 緊緊抓住“理論基礎、研究方法以及產(chǎn)業(yè)實際應用”三大環(huán)節(jié)撰寫初稿。8、2011年05月01日 導師審閱和修改。9、2011年06月01日 定稿

7、9、2011年06月19日 答辯 同組設計者及分工：指導教師簽字：_ 年 月 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字：_ 年 月 日階 段 檢 查 記 錄完 成 情 況存 在 問 題簽 字開 題 檢 查中 期 檢 查結 束 驗 收微型車轉向機設計與應力分析摘 要轉向系統(tǒng)是指在汽車行駛過程中按駕駛員的意志經(jīng)常改變其行駛方向的裝置，是汽車重要的部件之一。齒輪齒條式轉向器具有結構簡單、緊湊、質量輕、剛性大、轉向靈敏、制造容易、成本低等特點，近些年發(fā)展極其迅速，而且由于特點很適合微型汽車，因而在該車型上得到了廣泛的運用。本文研究的參考車型為07款奇瑞QQ3 0.8 MT基本型，首先根據(jù)車型選定轉向機和轉

8、向操縱系統(tǒng)的方案和主要進程，然后根據(jù)這款車的基本數(shù)據(jù)初定齒輪齒條的基本尺寸，進而初定其他主要部件的尺寸，校核無誤后繪制二維的示意圖。然后用CATIA軟件進行三維模型的制作，在建模的過程中對初定的尺寸進行修改，裝配完成后再利用軟件自身的有限元功能對齒輪齒條進行分析，得出的結論再與材料要求比較，如果不符合就要對部件重新進行設計。三維模型制作完成后再導入AutoCAD進行編輯。關鍵詞 微型車；轉向機；轉向操縱系統(tǒng)；AutoCAD；CATIA；有限元分析Micro-car and its steering gear control system design and stress analysisAb

9、stractThe steering system is changes its travel direction frequently in the automobile travel process according to pilot's will the installment, is one of automobile important parts. The rack-pinion steering gear has the structure to be simple, to be compact, the quality is light, the rigidity i

10、s big, changes keenly, the manufacture is easy, the cost low status characteristic, the recent years its development is extremely rapid, moreover, because the characteristic is very suitable the compact car, thus obtained the widespread utilization in this vehicle type. This article studies the refe

11、rence vehicle type is 07 model of Qirui QQ3 0.8 MT ground form, first according to the vehicle type designated that the steering unit and changes control system's plan and the main advancement, then acts according to this model of vehicle's master data initially to decide the gear's and

12、rack 's basic size, then initially decides other major component's size, after the examination unmistakable, draws up the two-dimensional schematic drawing. Then carries on the three-dimensional model with the CATIA software the manufacture, To the size which initially decides makes the revi

13、sion in the modelling process, after the assembly completes, carries on the analysis again using the software own finite element function counter gear and rack, obtains the conclusion compares again with the material request, if does not tally must carry on the design to the part. After the three-di

14、mensional model manufacture completes, inducts AutoCAD to carry on the edition again.Key Words Compact car; Steering unit; Changes the control system; AutoCAD; Catia; Finite element analysis 目 錄摘 要XAbstractXI第 1 章 緒論141.1 課題研究的目的和意義141.2 國內外的研究現(xiàn)狀141.3 主要研究內容16第 2 章 轉向機及轉向操縱機構的設計及計算172.1轉向機方案選擇172.2初

15、定轉向機尺寸202.3轉向操縱機構計算212.4轉向齒輪的強度校核21 齒輪接觸強度校核21 齒輪抗彎強度校核222.5 本章小結23第 3 章 利用CATIA構建實體模型243.1 轉向機的三維建模24 轉向機主動齒輪的三維建模24 轉向機從動齒條的三維建模24 轉向機殼體的三維建模253.2 轉向操縱系統(tǒng)的三維建模28 萬向節(jié)的三維建模28 轉向盤的三維建模303.3 其他零件的三維建模313.4 裝配333.5 生成二維CAD圖353.6 本章小結35第 4 章 對齒輪齒條的強度應力分析364.1 對主動齒輪的強度分析364.2 對從動齒條的強度分析384.3 本章小結38結 論39致

16、謝40參考文獻41附錄（開題報告）41第 1 章 緒論1.1 課題研究的目的和意義本課題研究的目的是設計計算某微型車轉向機，應用三維建模軟件建立微型車轉向機和轉向操縱系統(tǒng)的模型，并計算其主要零件應力應變分布。力求熟悉一般汽車部件的設計過程，為以后學習工作打下基礎。進入新世紀, 中國汽車工業(yè)走上了發(fā)展的快車道。在加入WTO后的五年間, 中國汽車產(chǎn)銷量增長了3倍。2006年全國汽車產(chǎn)銷量突破720萬輛, 一舉上升到世界前三位。汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為中國經(jīng)濟發(fā)展中最具潛力和活力的增長點之一。未來時期隨著影響中國汽車需求市場的價格、居民收入和消費結構、汽車信貸、消費環(huán)境的改善，特別是跨國公司主導下的汽車合資

17、企業(yè)不斷在全球同步推出適應市場需求的新產(chǎn)品，將對未來市場起到巨大的推動作用。預計今后10年至15年中國將成長成為全球最大汽車市場，年銷量達到1700萬輛，汽車保有量超過1億輛。微型汽車一般是指發(fā)動機排量不超過1.1L，車身長度、寬度、高度不超過3.8m、1.6m和2m, 最大載貨量不超過600kg 的汽車。微型汽車產(chǎn)品具有燃料消耗少、使用費用低、占地面積小、用途多、適應性廣等特點，包括微型轎車、微型客車和微型貨車。微型汽車在我國已經(jīng)發(fā)展了20多年，從19832004年微型車產(chǎn)銷量數(shù)據(jù)來看，中國微型汽車市場在20多年的時間里，產(chǎn)銷量基本上一直保持著平穩(wěn)增長的態(tài)勢。最近幾年以來, 微型汽車行業(yè)在國

18、家產(chǎn)業(yè)政策、市場競爭和消費環(huán)境的作用下，迎來了新的發(fā)展機遇，潛在的市場空間將不斷擴大，行業(yè)整體水平在日益激烈的競爭中將有較大幅度的提高12。我國在大力發(fā)展汽車產(chǎn)業(yè)的同時，汽車零部件的設計及其發(fā)展也極其重要。在國內，隨著微型汽車的開發(fā)，齒輪齒條式轉向器已大量生產(chǎn)，并投人使用。在國外，這種結構的轉向器早在六十年代就已得到完熟技術上取得了突破，使產(chǎn)量劇增。它的使用范圍立即從輕型小客車擴大至中型, 甚至在高級小客車上也有采用的。因而作為汽車重要的部件，轉向機的研究是非常有必要的。1.2 國內外的研究現(xiàn)狀用來改變或恢復汽車行駛方向的專設機構叫做汽車轉向系統(tǒng)。汽車轉向系統(tǒng)可分為機械轉向系統(tǒng)和動力轉向系統(tǒng)，

19、機械轉向系統(tǒng)主要是由轉向操縱機構、轉向機和轉向傳動機構三大部分組成。轉向機學名為轉向器，它是轉向系中最重要的部件。它的作用是：增大轉向盤傳到轉向傳動機構的力和改變力的傳遞方向。轉向器按結構形式可分為多種類型。目前常用的有齒輪齒條式、循環(huán)球式和蝸桿曲柄銷式，其中前兩種使用較多： 1、齒輪齒條轉向器：它是一種最常見的轉向器。其基本結構是一對相互嚙合的小齒輪和齒條。轉向軸帶動小齒輪旋轉時，齒條便做直線運動。有時，靠齒條來直接帶動橫拉桿，就可使轉向輪轉向。所以，這是一種最簡單的轉向器。它的優(yōu)點是結構簡單，成本低廉，轉向靈敏，體積小，可以直接帶動橫拉桿。2、循環(huán)球式轉向器：這種轉向器有兩對傳動副組成，一

20、對是螺桿、螺母，另一對是齒條、齒扇或曲柄銷。在螺桿和螺母之間裝有可循環(huán)滾動的鋼球，使滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，從而提高了傳動效率。 這種轉向器的優(yōu)點是，操縱輕便，磨損小，壽命長。缺點是結構復雜，成本高，轉向靈敏度不如齒輪齒條式51112?，F(xiàn)代汽車馬力大、速度快，為了操縱的輕便和靈敏，中高檔次的轎車轉向器都加裝了轉向動力裝置，又稱為液壓動力轉向器。它具有工作無噪聲，靈觸度高體積小，能夠吸收來自不平路面的沖擊力，因此在現(xiàn)代的汽車上得到十分廣泛的應用。而且現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了電子控制速度傳感型的轎車動力轉向器，它除了滿足減少操縱力，提高靈觸度外，還可以根據(jù)車速與行駛條件的不同而產(chǎn)生與之相適應的轉向力。在停車時

21、能提供足夠的助力，隨著車速的逐漸增加助力又可以逐漸減少，當高速行駛時則無助力但保持良好的路感。對于微型汽車而言，齒輪齒條式轉向器和循環(huán)球式轉向器都有，但因為其車體空間小、燃料消耗少、車速普遍不高等特點，目前大多數(shù)微型車采用的都是齒輪齒條式轉向器，而且根據(jù)配置和本身定位的不同，部分車型加上了液壓助力或者是電動助力轉向系統(tǒng)。齒輪齒條式轉向器最早出現(xiàn)于年，當時由于其本身結構不夠完善，整車布置的限制以及道路條件差等因素，導致路面反沖激烈，噪音較大以及轉向性能較差等缺陷, 使此種轉向器的應用受到很大的限制。然而近廿年來，特別是最近幾年，卻有了很大發(fā)展，其發(fā)展速度超過循環(huán)球式轉向器。國外該類轉向器發(fā)展已經(jīng)

22、很成熟，而國內與之相比仍比較落后，需要加快速度發(fā)展和創(chuàng)新811。1.3 主要研究內容本文具體要做以下研究工作：1、選定參照車型，選擇設計方案；2、確定研究所需要的數(shù)據(jù)，設計并計算微型汽車的轉向器和轉向操縱系統(tǒng)。并且設計規(guī)劃整個畢業(yè)設計的總體思路和進程；3、利用CATIA軟件進行微型車轉向器、轉向操縱系統(tǒng)以及相關零件的三維建模和零件裝配；4、使用CATIA軟件將三維建模圖轉化為2D圖；5、利用CATIA軟件對轉向器主要傳動零件進行應力分析。第 2 章 轉向機及轉向操縱機構的設計及計算2.1轉向機方案選擇轉向系統(tǒng)是用來改變汽車的行駛方向和保持汽車直線行駛的機構，對轉向齒輪的正確運動和汽車的安全行駛

23、影響很大。汽車轉向系統(tǒng)可按照轉向能源的不同，分為機械轉向系統(tǒng)和動力轉向系統(tǒng)兩大類，而機械轉向系統(tǒng)又由操縱系統(tǒng)、轉向機和轉向傳動機構三大部分組成21。由于研究的是微型汽車，所以設計的轉向機應該滿足微型車空間小、能源消耗小、成本低等特點，因此我選擇機械轉向系統(tǒng)，轉向機選擇應用最為廣泛、成本最低、結構體積小的齒輪齒條式轉向機。為了研究設計方便，我從市場上選取了一款汽車作為研究的對象?，F(xiàn)在市場上的微型汽車種類繁多，我結合設計的方案選擇了07款奇瑞QQ3 0.8 MT基本型，該車的基本配置數(shù)據(jù)如下：表2-1 07款奇瑞QQ3 0.8 MT基本型數(shù)據(jù)標準引擎CAC-SQR372/直列3缸雙頂置凸輪軸12V

24、多點電噴汽油機標準變速器手動 5檔標準排量812 cc最大功率38/6000 KW/rpm最大扭矩 70/3500-4000 N·m/rpm最高時速130.0 km/h驅動方式前置前驅懸掛方式麥弗遜式獨立懸架,圓柱螺旋彈簧,雙向作用筒式減振器/縱向拖曳臂式懸架,圓柱螺旋彈簧,雙向作用筒式減振器轉向助力非助力轉向式輪    胎155/65R13車身重量880 kg軸    距2340 mm輪    距1295/1260 mm(前/后)長/寬/高3550/14

25、95/1485圖2-1 齒輪齒條式轉向器的四種形式齒輪齒條式轉向器是由與轉向軸作為一體的轉向齒輪和常與轉向橫拉桿做成一體的齒條組成。根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點不同，齒輪齒條式轉向器有四種形式，如圖2-1所示：中間輸入，兩端輸出；側面輸入，兩端輸出；側面輸入，中間輸出；側面輸入，一端輸出。圖2-2 V形斷面齒條 圖2-3 Y形斷面齒條采用側面輸入，中間輸出方案時，與齒條固連的左、右拉桿延伸到接近汽車縱向對稱平面附近。由于拉桿長度增加，車輪上、下跳動時拉桿擺角減小，有利于減少車輪上、下跳動時轉向系與懸架系的運動干涉。拉桿與齒條用螺栓固定連接，因此，兩拉桿與齒條同時向左或向右移動，為此在轉向器殼體上

26、開有軸向的長槽，從而降低了強度。采用兩端輸入方案時，由于轉向拉桿長度受到限制，容易與懸架系統(tǒng)導向機構產(chǎn)生運動干涉。側面輸入，一端輸出的齒輪齒條式轉向器，常用在平頭貨車上。綜上，我選擇圖中的第二個，即側面輸入，兩端輸出的方案。圖2-2 V形斷面齒條為了使運轉平穩(wěn)性提高，沖擊減小，降低工作噪聲，采用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條式轉向器。齒條斷面形狀有圓形、V型(圖2-2)和Y型(圖2-3)三種。圓形斷面齒條的制造工藝比較簡單。V形和Y形斷面齒條與圓形斷面比較，消耗的材料少，約節(jié)省20%，故質量小；位于齒條下面的兩斜面與齒條托座接觸，可用來防止齒條繞軸線轉動。當車輪跳動、轉向或轉向機工作時，如在齒條上作用

27、有使齒條旋轉的力矩時，應選用V形和Y形斷面齒條，用來防止因齒條旋轉而破壞齒輪、齒條的齒不能正確捏合的情況出現(xiàn)。因此，我選擇的是V形斷面齒條。轉向操縱機構是轉向盤到轉向傳動軸的一系列零部件，包括轉向盤，轉向柱，轉向軸，萬向節(jié)和轉向傳動軸，其中萬向節(jié)和轉向盤需要簡單設計一下9。 圖2-4 轉向盤 圖2-5 萬向節(jié)轉向盤由輪緣、輪輻和輪轂組成，如圖2-4所示。轉向盤輪轂的細牙內花鍵與轉向軸連接，轉向盤上都裝有喇叭按鈕，有些轎車的轉向盤上還裝有車速控制開關和安全氣囊13。圖2-6 雙萬向節(jié)等速傳動布置圖萬向節(jié)是實現(xiàn)轉軸之間變角度傳遞動力的部件。如果萬向節(jié)在扭轉方向沒有彈性、動力靠零件的鉸鏈式連接傳遞，

28、是剛性萬向節(jié)，根據(jù)所設計的日，我選擇剛性萬向節(jié)。十字軸式剛性萬向節(jié)結構簡單、工作可靠、且允許所連接的兩軸之間有較大交角，在汽車上應用最為普遍，如圖2-5所示。因為單個十字軸式剛性萬向節(jié)在輸入軸和輸出軸有夾角的情況下，其兩軸的角速度是不相等的，兩軸夾角越大，轉角差()越大，萬向節(jié)的不等速特性越嚴重。萬向節(jié)傳動的不等速特性將使從動軸及與其相連的傳動部件產(chǎn)生扭轉振動，從而產(chǎn)生附加的交變載荷，影響傳動部件的壽命。為了避免萬向節(jié)傳動的不等速性，采取雙萬向節(jié)傳動，如圖2-6所示。具體的方法如下：1、采用雙萬向節(jié)傳動；2、第一萬向節(jié)兩軸間的夾角1與第二萬向節(jié)兩軸間的夾角2 相等；3、第一萬向節(jié)的從動叉與第二

29、萬向節(jié)的主動叉在同一平面內。關于主要零件材料的選擇1521：主動小齒輪的材料選擇，齒條采用45鋼，為減輕質量，殼體用鋁合金壓鑄。萬向節(jié)選擇中碳合金鋼，調質處理，滾針軸承材料一般采用。十字軸選用低碳合金鋼，軸頸表面進行滲碳淬火處理，滲碳層深度為0.81.2mm。由于所研究的是微型汽車，根據(jù)車型的特點和現(xiàn)況，轉向系統(tǒng)選擇無助力的機械式轉向器。2.2初定轉向機尺寸齒輪齒條式轉向器的齒輪選擇用斜齒輪，齒輪模數(shù)取2.5，主動小齒輪齒數(shù)取10個，壓力角取20度，齒輪螺旋角取15度6。因此主動小齒輪基本尺寸如下表：表2-2 主動齒輪幾何尺寸表分度圓直徑25mm基圓半徑23.5mm齒頂高2.5mm齒根高3.1

30、25mm齒頂圓直徑30mm齒根圓直徑18.75mm分度圓齒距7.854mm分度圓齒厚3.93mm2.3轉向操縱機構計算圖2-7 轉向軸的吸能裝置示意圖轉向盤是操縱機構中最為重要的部分，駕駛著要通過轉向盤來完成汽車的轉向，方向盤的尺寸和轉向時輕便程度有很大關系，轉向盤直徑小了，轉向很是笨重，而直徑大了，與汽車整體就不很協(xié)調，微型車空間本來就很小，轉向盤必須特別合適才行。我選擇轉向盤外徑380mm ，轉向盤輪緣直徑50mm。轉向軸時連接轉向盤和轉向機的傳動件，并傳遞它們之間的轉矩。這些年來，車速逐漸提高，轉向軸上面也要有相應的吸能裝置。轉向軸和轉向柱的吸能裝置有很多形式。圖2-7的基本結構原理是，

31、當汽車受到巨大沖擊時，轉向軸產(chǎn)生軸向位移，使支架或某些支撐件發(fā)生塑性變形，從而吸收沖擊能量7。2.4轉向齒輪的強度校核2.4.1 齒輪接觸強度校核校核齒面接觸疲勞強度，由式： (2-1)式中各設計參數(shù)：1、計算載荷系數(shù)K (2-2)2、計算轉矩 (2-3)3、根據(jù)公式(2-2)、(2-3)以及查詢資料可得到式(2-1)中各參數(shù)的值，如下表表2-3 式(2-1)中參數(shù)的值載荷系數(shù)K1.65轉矩( N*mm)133000齒輪模數(shù)2.5齒輪分度園直徑( mm)25齒寬b(0mm)30齒數(shù)比u3.0彈性系數(shù) 節(jié)點區(qū)域系數(shù)2.4重合度系數(shù)0.725螺旋角系數(shù)0.9834、由于選擇的齒輪材料為，因此接觸疲

32、勞極限應為 壽命系數(shù)安全系數(shù)所以 由式(2-1)得： 滿足齒面接觸疲勞強度2.4.2 齒輪抗彎強度校核校核齒根彎曲疲勞強度，由式： (2-4)根據(jù)公式(2-2)、(2-3)以及查詢資料可得到式(2-4)中各參數(shù)的值，如下表表2-3 式(2-4)中各參數(shù)的值載荷系數(shù)K1.65轉矩( N*mm)133000齒輪模數(shù)2.5齒輪分度園直徑( mm)25齒寬b(mm)30齒形系數(shù)3.6應力修正系數(shù)1.45重合度系數(shù)0.64螺旋角系數(shù)0.9由于選擇的齒輪材料為，因此彎曲疲勞極限應為=590 由圖查得壽命系數(shù)=1.0由表查得安全系數(shù)=1.25所以 由公式(2-4)可得 滿足齒根彎曲疲勞強度。2.5 本章小結

33、本章介紹了微型汽車轉向機和轉向操縱系統(tǒng)的工作原理，選定了所設計參照的車型，根據(jù)車型和其他條件確定了設計思路和設計方案，并根據(jù)材料學知識按照需求選定材料，結合所學和查到的知識計算出出設計的尺寸和主要技術參數(shù)，然后對轉向機和轉向操縱系統(tǒng)的各部件進行設計，最后對設計的主要零件進行校核，校核結果是主要零件設計無誤。第 3 章 利用CATIA構建實體模型3.1 轉向機的三維建模轉向機的工作原理是由于轉向軸做成一體的轉向齒輪和常與轉向橫拉桿做成一體的齒條組成。因此在轉向機中，主動齒輪軸、從動的齒條和轉向機殼體是主要部件。3.1.1 轉向機主動齒輪的三維建模主動齒輪是轉向機的主要部件，它與轉向機殼體和轉向操

34、縱系統(tǒng)的輸出軸相連，要求十分精密。設計的齒輪為模數(shù)2.5，齒數(shù)10，壓力20度，螺旋15度的圓柱斜齒輪，為了安轉維修方便，設計為齒輪軸。為了工作時齒輪能夠充分與齒條傳動，齒輪長度設計為45mm，齒輪兩端是直徑為15mm的軸，他們都和轉向機殼體通過滾珠軸承相連接。一側長44mm的軸再接一個直徑為30的限位軸肩，該作用是限制裝配時齒輪軸縱向的位置，旁邊既是滾動軸承的裝配位置。軸肩旁接的是直徑15mm長50mm的軸，最邊上是與傳動相接的部分，直徑25mm長5mm，在圓周對稱的分布兩個直徑為4mm的螺栓孔，傳動是螺栓將齒輪軸與傳動軸相連，如圖3-1所示。圖3-1 主動軸該齒輪軸的部分數(shù)據(jù)與轉向機外殼和

35、其他零件的尺寸相關。齒輪軸的材料為，熱處理方法為滲碳淬火。3.1.2 轉向機從動齒條的三維建模從動齒條也是轉向機中重要的部件，它與主動齒輪相嚙合，兩端和轉向傳動機構相連。而且為了保證的齒輪齒條之間良好長久的嚙合，齒條中間部分還與一個壓盤機構相連。斜齒輪正確嚙合的條件為模數(shù)相等，壓力角相等，螺旋角大小相等，外嚙合時應旋向相反，內嚙合時應旋向相同。因此齒條的模數(shù)也是2.5，壓力角為20度，螺旋角旋向相反，角度為15度。由于主動齒輪的旋轉和轉向盤轉動是同步的，所以依據(jù)一般汽車轉向盤從一邊打到另一邊需要34圈，這里我選擇為3圈，即主動齒輪從齒條的一端到另一端需要轉3圈，因為齒輪齒數(shù)為10個，因此齒條長

36、度也應為30個齒。與齒條相連接的軸因為是轉向傳動機構，因此在這里隨意選擇一個數(shù)據(jù)，如圖3-2所示。為了防止因齒條旋轉而破壞齒輪、齒條的齒不能正確嚙合的情況出現(xiàn)，斷面齒條選擇V形，這樣需要的材料也比較少，質量比較小。齒條寬選擇30mm。齒條材料選用45鋼。圖3-2 從動齒條3.1.3 轉向機殼體的三維建模轉向機殼體是裝齒輪齒條的部件，也是轉向機的外觀，要求美觀并且容易加工，由于齒輪齒條在內部嚙合傳動，因此內部結構要求精密。轉向機的殼體為了減輕質量，選用鋁合金壓鑄。殼體主體為兩個回轉體，里面裝的是齒輪和齒條，殼體和齒輪是通過兩個滾動軸承連接，如圖3-3所示。由于齒條兩端接的是轉向傳動機構，因此殼體

37、和齒條沒有明顯的接觸10。圖3-3 轉向機殼體連接齒輪的回轉體一端封口，封口處用螺栓把一個外封殼裝在殼體上，另一端是齒輪軸和傳動軸連接的地方，為了防止外面的灰塵進入機體內，該處安了一個防塵套，如圖3-4所示。圖3-4 防塵套為了使齒輪和齒條嚙合良好，而且在長時間工作有磨損后仍然能保持很好的嚙合狀態(tài)，轉向機殼體在底部安有調整嚙合間隙的裝置。一個彈簧通過壓塊作用在轉向齒輪上，彈簧外徑13.5mm，高23.5mm，為了保證無間隙嚙合，彈簧的預緊力可以通過調整螺釘調整，如圖3-5所示。圖3-5 彈簧壓塊的底部要和齒條的V形斷面吻合，為了保證不是剛性接觸，要在接觸處還要有一個同樣形狀的墊片，如圖3-6所

38、示。圖3-6 壓塊壓塊上有一個回轉體壓盤，該壓盤連接一個彈簧，還有一個預緊螺釘，作用是給壓塊一個持續(xù)的力使壓塊能壓緊齒條，從而達到良好嚙合的目的，如圖3-7所示。圖3-7 壓盤在彈簧的上部應該有一個蓋子，蓋子中間有一個螺紋孔，方便預緊螺釘?shù)难b配，下面連接彈簧的部分應該有一個方便彈簧安裝的彈簧座，而在蓋子周圍均勻分布著4個螺紋孔，用來將蓋子固定在轉向機殼體上，如圖3-8所示。這里具體的尺寸都與連接的客體、彈簧相配。圖3-8 蓋子3.2 轉向操縱系統(tǒng)的三維建模3.2.1 萬向節(jié)的三維建模萬向節(jié)是轉軸與轉軸之間實現(xiàn)變角度傳遞動力的基本部件，轉向盤輸出的轉矩需要通過轉軸傳遞，而萬向節(jié)就在其中起一個改變

39、方向的作用，因為轉向盤一般是不和轉向機在同一個平面上的，由了萬向節(jié)，轉向盤才能更好的去布置，而且微型汽車結構比較緊湊，萬向節(jié)的作用就更大了。我選用的是十字軸式萬向節(jié)，該萬向節(jié)結構簡單、傳動可靠、效率高，而且允許兩傳動軸之間有較大的夾角(一般為15度20度)。十字軸萬向節(jié)主要部件是一個十字軸和兩個萬向節(jié)叉，為了減少摩擦損失，提高傳動效率，在十字軸頸和萬向節(jié)叉孔之間裝有由滾針和套筒組成的滾針軸承，而且在十字軸內部有供潤滑油的油道，十字軸由卡環(huán)固定在萬向節(jié)叉上，如圖3-9所示。圖3-9 裝配好的萬向節(jié)十字軸萬向節(jié)叉的設計應該滿足相互轉動時不能有干涉，而且還要求裝配時緊湊。在每個萬向節(jié)叉的一邊都應該有

40、安裝轉向軸的裝置，我選擇的是兩個M4的螺栓和螺母連接，如圖3-10所示。圖3-10 萬向節(jié)叉3.2.2 轉向盤的三維建模轉向盤是轉向系統(tǒng)的外部結構，是整個轉向力的輸入裝置，駕駛著是通過轉動轉向盤來完成汽車轉向的。轉向盤是一個十分精密的零件，上面要布置喇叭按鈕，還有各式各樣的按鈕開關，比如轉向燈和雨刷，這里作為一個簡單的設計就不予考慮。圖3-11 轉向盤轉向盤由輪緣、輪輻和輪轂組成，輪輻一般是三根輻條或四根輻條，也有用兩根輻條的。骨架外面一般包有柔軟的合成橡膠或樹脂，也有包皮革的，這樣有良好的手感，而且還可以防止手心出汗時握轉向盤打滑。轉向盤一般外徑在350400mm，我參照選用的車型，轉向盤外

41、徑為380mm，輪緣直徑為50mm，如圖3-11所示。當汽車發(fā)生碰撞時，從安全性考慮，不僅要求轉向盤應具有柔軟的外表皮，起到緩沖作用，而且還要求轉向盤在撞車時，其骨架能產(chǎn)生一定的變形，以吸收沖擊能量，減輕駕駛員受傷的程度。我設計轉向軸分為上下兩段，中間用柔性聯(lián)軸器連接。聯(lián)軸器的上下凸緣盤靠兩個銷子與銷孔扣合在一起，銷子通過襯孔與銷孔配合，如圖3-12所示。當發(fā)生猛烈撞車時，車身、車架產(chǎn)生嚴重變形，導致轉向軸，轉向盤等部件后移。與此同時，在慣性作用下駕駛員人體向前沖，致使轉向軸的上、下凸緣盤的銷子和銷孔脫開，從而緩和了沖擊，吸收了沖擊能量，有效的減輕了駕駛員受傷的程度。圖3-12 轉向軸吸能裝置

42、3.3 其他零件的三維建模整個三維建模有60余個零件，在這里僅選出幾個比較關鍵的零件加以介紹。主動軸與轉向機殼體用軸承相連，我選擇的是非標準的滾動軸承，軸承內徑和主動軸連接部分軸的外徑一樣，圖3-13為其中一個滾動軸承。圖3-13 滾動軸承為了制造和裝配方便，本設計中所涉及到的螺栓、螺母和墊片等部件均是用標準件，而非自我設計，如圖3-14 3-15所示。而且大部分都進行了強度校核，沒有問題。圖3-14 M4螺栓圖3-15 螺母萬向節(jié)中的擋圈沒有用標準件，是自己設計的。擋圈是用來限制萬向節(jié)十字軸在十字軸叉中的位置，如圖3-16所示。圖3-16 擋圈3.4 裝配萬向節(jié)、轉向機殼體、轉向盤由于零件本

43、身比較復雜，所以我先對他們分別進行裝配，檢查一下有無錯誤，然后再在一起進行裝配，對相互的空間位置進行一定的調整，以方便在車內的布置。最后裝上螺栓螺母之類的零件，進行檢查，裝配完畢，如圖3-17 3-18所示。圖3-17 裝配圖圖3-18 裝配爆炸圖3.5 生成二維CAD圖AutoCAD軟件是美國Autodesk公司開發(fā)的產(chǎn)品，它將制圖帶入了個人計算機時代。CAD是英語“Computer Aided Design”的縮寫，意思是“計算機輔助設計”。AutoCAD軟件現(xiàn)已成為全球領先的、使用最為廣泛的計算機繪圖軟件，用于二維繪圖、詳細繪制、設計文檔和基本三維設計。自從1982年Autodesk公司

44、首次推出AutoCAD軟件，就在不斷地進行完善，陸續(xù)推出了多個版本，AutoCAD 2006是AutoCAD軟件的第20個版本，其性能得到了全面提升，使你的日常工作變得更加高效。 由于AutoCAD制圖功能強大，應用面廣,現(xiàn)已在機械、建筑、汽車、電子、航天、造船、地質、服裝等多個領域得到了廣泛應用，成為工程技術人員的必備工具之一CATIA軟件自身帶著轉換模塊，這樣就不用再重新繪制二維模型，不過CATIA生成的圖不是最終的，需要進一步完善才可以。3.6 本章小結在這一章里，主要是對CATIA軟件的運用。根據(jù)第二章所設計的主要數(shù)據(jù)和第三章第一節(jié)所繪制的二維示意圖，利用CATIA軟件建立各個零件的三

45、維實體模型。在三維建模的過程中，熟悉了軟件，掌握了一定運用CATIA軟件的水平。在具體建模過程中很多情況都預料不到，雖然開始繪制的示意圖雖然都有準確的數(shù)據(jù)，但最后只能表示一個空間位置，很多零件的尺寸一改再改，因為很多零件都與其它零件相配合，而且如果變動一個尺寸，可能就要修改好幾個部件。最后的裝配也同樣出現(xiàn)很多問題，經(jīng)常出現(xiàn)裝配部成功的情況，這樣就需要回去再修改零件。我的整個三維建模就是在反復出現(xiàn)錯誤反復修改中完成的。 后面由CATIA模塊生成的CAD二維圖則是對三維模型的一個很好的補充，比三維圖更直觀，查看也更為方便。而且我們在以后的工作學習中，二維圖仍然是重點，在本章中通過對AutoCAD的

46、使用，更能熟悉該軟件，為以后打下一個很好的基礎。第 4 章 對齒輪齒條的強度應力分析本章將利用CATIA軟件對轉向機里主動齒輪和從東齒條進行強度應力分析。主要的步驟如下34：1、在CATIA軟件中創(chuàng)建三維模型；2、定義模型材料；3、查資料獲取材料的屈服極限或者是與所作分析相關的屬性數(shù)據(jù)；4、導入CATIA靜態(tài)分析模塊；5、指定所要分析零件的單元網(wǎng)格；6、檢查模型；7、設置邊界條件；8、設置載荷條件；9、設置算例的屬性；10、計算模型；11、生成應力圖。4.1 對主動齒輪的強度分析主動齒輪軸是轉向機的主要零件，它是轉向的主要工作部件，轉向操縱系統(tǒng)從轉向軸傳遞過來轉矩，它承受著一定的齒條給它的反作

47、用力。在反復工作中，齒輪存在一定磨損。齒輪的好壞是否失效是整個轉向系統(tǒng)是否能正常工作的關鍵。通過應力分析，能夠找到齒輪的最大應力點，由此點的應力是否超過許用應力來判斷齒輪的設計是否合理。如果超過了許用應力就應該修改零件的尺寸，直到應力分析合格為止。齒輪軸的材料是，查找資料得知該材料的屈服極限是590。給齒輪軸加載約束，在齒輪的兩邊軸上有軸承的5個方位的約束(除了Z軸軸向)，在軸肩處有一個殼體關于Z軸軸向的約束。為了簡化一下嚙合時的受力，在齒輪的一個齒上也有固定約束。由前幾章可得知，轉向盤外徑380mm，轉動力取駕駛員作用在轉向盤輪緣上的最大瞬時力700N，由此可得最大轉矩為133000N.mm

48、。轉矩作用在齒輪軸和轉向輸出軸連接的部位。執(zhí)行分析可得：圖4-1 齒輪軸的應力分析(1)圖4-2齒輪軸的應力分析(2)由上面兩個圖可知，最大應力為51，而且如圖4-2可知齒輪的最大應力是在齒根處。應力大小符合要求，齒輪的設計滿足要求。而且第二章的齒輪抗彎強度校核中所得結果為53.2，與有限元分析所得到的數(shù)值結果基本相等，由此也可以得知這次所做的對齒輪軸的有限元仿真基本正確。4.2 對從動齒條的強度分析齒條也是轉向機中重要的部件，它承受從齒輪傳遞過來的轉矩，將轉矩轉換成水平上的力，從而完成汽車的轉向，因而齒條的工作好壞也對整個轉向有決定性的意義。齒輪的材料是45號鋼，其屈服極限是290。齒輪軸兩端固定，中間簡化出輪齒條嚙合狀態(tài)，在一個齒上加載轉矩133000 N*mm。執(zhí)行分析可得：圖4-3 齒條的應力分析如圖(4-3)可知，最大應力為52.3，而且最大應