【起亞K5轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計與探析6200字（論文）】

起亞K5轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計與分析摘要：汽車在行駛過程中，需要按照人們的意志改變行駛方向，即所謂的汽車轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是用來改變或恢復車輛行進方向的專設機構(gòu)。在車輛的行駛過程中，由于受到輪胎摩擦力、方向盤旋轉(zhuǎn)力等力的影響，所以轉(zhuǎn)向器的可靠與否是決定車輛能否按照駕駛?cè)藛T的意志進行轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵。齒輪齒條轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、正逆效率高等優(yōu)點，廣泛應用于各式車輛上，是起亞K5的最佳選擇。而對零件結(jié)構(gòu)進行三維建模，通過有限元分析可以迅速了解到零部件的強度、變形，大大提高了效率，降低了設計難度。此項畢業(yè)設計以起亞K5汽車數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù)，設計并分析一款齒輪齒條轉(zhuǎn)向器。關(guān)鍵詞：K5汽車；轉(zhuǎn)向器；齒輪齒條；有限元分析；目錄 TOC\o"1-3"\h\u31572第1章緒論 13681.1設計的目的和意義 199841.2轉(zhuǎn)向器分類及概述 178311.3轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程和趨勢 23888第2章基本方案和主要參數(shù)確定 4181092.1設計的基本參數(shù) 455642.2設計基本方案的確定 4211802.3傳動比的確定 5156032.3.1方向盤尺寸的確定 5320292.3.2汽車轉(zhuǎn)向阻力矩計算 5227542.3.3轉(zhuǎn)向系的角傳動比 626292第3章轉(zhuǎn)向器主要參數(shù)的設計計算 7143463.1齒輪齒條的設計計算 7310013.1.1齒輪的參數(shù)設計 7262203.1.2齒條的參數(shù)設計 7240363.2齒輪齒條材料選擇及強度校核 816233.2.1應力計算 8145543.2.2強度校核 921608第4章三維模型和有限元分析 1111334.1零部件三維建模 11226614.2有限元分析 11110604.2.1斜齒輪應力結(jié)果 1551044.2.2斜齒輪變形結(jié)果 153667第5章結(jié)論 1615513參考文獻 18第1章緒論1.1設計的目的和意義轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功用是保證汽車能夠按照駕駛?cè)藛T的意志進行轉(zhuǎn)向行駛，通過操縱車輪使車輛完成直線、曲線行駛。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)組成。由此可以看出，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車設計中占據(jù)重要地位，完全決定了車輛能否正常行駛。隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，更新速率的增加，傳統(tǒng)方法無法做到快速更新。而通過三維建模，可以迅速實現(xiàn)結(jié)構(gòu)預覽、專配嚙合等功能。通過有限元分析，免去了繁雜的計算，直接了解結(jié)構(gòu)設計是否合理。節(jié)約了大量的時間陳本、人工陳本和資源成本，極大地提高了效率。此次以起亞K5汽車為原型，設計并分析一款轉(zhuǎn)向器，建立三維模型并裝配，分析轉(zhuǎn)向器的強度與變形。在此過程中了解并掌握大學期間的所學的專業(yè)知識，做到學以致用，為今后的工作打下良好基礎。1.2轉(zhuǎn)向器分類及概述轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的減速傳動裝置，又被稱為方向機。隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，曾經(jīng)出現(xiàn)過的許多結(jié)構(gòu)形式都已被淘汰。目前，僅齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿曲柄指銷式在大規(guī)模應用。雖然材料工藝、制造工藝仍在不斷提高，但無論如何改進，內(nèi)部基礎結(jié)構(gòu)仍然未變。1、齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器這是最常見的傳動方式之一，它的基本結(jié)構(gòu)是一對嚙合的齒輪齒條，如果轉(zhuǎn)向軸帶動齒輪轉(zhuǎn)動，齒條便做直線運動。有時可以通過齒條直接作用轉(zhuǎn)向輪旋轉(zhuǎn)，所以這是最簡單的方向盤，它具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、轉(zhuǎn)向靈敏等優(yōu)點，體積小，可廣泛應用于汽車上。2、蝸桿曲柄式轉(zhuǎn)向器這是一種以蝸桿為主動件，曲柄為從動件的轉(zhuǎn)向器。蝸桿為梯形螺紋，手指形的錐形指銷與軸承固定在曲柄上，曲柄與轉(zhuǎn)向搖臂軸為一體。轉(zhuǎn)向時，蝸桿通過方向盤轉(zhuǎn)動，而嵌在螺旋盤中的錐指一邊轉(zhuǎn)動，另一邊繞著轉(zhuǎn)向搖臂軸轉(zhuǎn)動，帶動曲柄和轉(zhuǎn)向垂臂擺動，然后使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向，這種轉(zhuǎn)向器通常用于轉(zhuǎn)向力大的卡車上。3、循環(huán)球轉(zhuǎn)向器這種轉(zhuǎn)向裝置，由齒輪機構(gòu)減緩了方向盤的旋轉(zhuǎn)力，使方向盤的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為螺桿的旋轉(zhuǎn)運動。滾珠螺桿和螺母通過鋼球嚙合，使?jié)L珠螺杠的旋轉(zhuǎn)運動成為直線運動。螺母與扇形齒輪嚙合，直線運動又轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動，使連桿臂晃動，連動拉桿和橫拉桿作直線運動，改變車輪的方向。這是一種經(jīng)典的機構(gòu)。大多數(shù)現(xiàn)代汽車不再使用，而是采用最新的伺服驅(qū)動，其原理相當于螺母和螺栓在旋轉(zhuǎn)過程中的相對位移，螺紋和螺紋之間用鋼球以減少阻力。所有鋼球都在一個封閉的螺旋曲線中循環(huán)滾動，所以被稱為循環(huán)球式。在上述三種結(jié)構(gòu)的基礎上，還開發(fā)出了動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。從名字上可以看出，這是在原來的基礎上增加了動力輔助系統(tǒng)，使大部分轉(zhuǎn)向所需的力由動力機構(gòu)提供。1.3轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程和趨勢汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變?yōu)閯恿D(zhuǎn)向系統(tǒng)，并向智能轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展。在傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)向中，輪胎與地面之間的反作用力直接傳遞到方向盤上，使方向盤的轉(zhuǎn)動非常困難，，如果是較重的卡車，方向盤不穩(wěn)甚至會導致手臂骨折。

由于機械轉(zhuǎn)向的困難和不安全，于是出現(xiàn)了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，利用發(fā)動機的動力驅(qū)動油泵為機械轉(zhuǎn)向提供液壓動力，使方向盤的操作更加容易。但由于發(fā)動機為油泵提供動力，因此發(fā)動機功率有所損耗。近年來，隨著電子技術(shù)的廣泛應用，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也越來越多使用的電子設備，逐漸發(fā)展為電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。當駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤時，傳感器將扭矩信號發(fā)送到微處理器上，微處理器確定車輛的其他運行參數(shù)，通過調(diào)整程序來改變助力器的力矩大小。自電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)成熟以來，電動助力力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)廣受人們的認可，并逐漸取代液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)稱為主流。隨著人工智能技術(shù)和移動通信技術(shù)的進一步發(fā)展，人們將從操作方向盤的動作中解放出來。衛(wèi)星與各項傳感器將汽車周圍的路況、地形、障礙等數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰囕d電腦中，人工智能通過分析計算數(shù)據(jù)，控制車輛的轉(zhuǎn)向和速度，從而使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛，到達目的地。伴隨時代的發(fā)展，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)未來必定發(fā)展成為無人駕駛系統(tǒng)。第2章基本方案和主要參數(shù)確定2.1設計的基本參數(shù)本次畢業(yè)設計的基礎參數(shù)是依據(jù)任務書所給定的K5，主要運行環(huán)境為城市道路，其基本參數(shù)根據(jù)網(wǎng)絡查詢?nèi)缦拢鹤畲罂傎|(zhì)量：1501kg；軸距：2795mm；輪距（前輪）：1601mm；最小轉(zhuǎn)彎直徑：5000mm；驅(qū)動形式：前置前驅(qū)。2.2設計基本方案的確定首先，對于汽車來說，主流轉(zhuǎn)向器是齒輪齒條式和循環(huán)球式。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器相對成熟，傳動系統(tǒng)簡單，傳動比精確，穩(wěn)定性高。它具有傳動的一些優(yōu)點，因此是最常用的，也可以經(jīng)常應用于一些中小型車上。在目前的汽車市場上，齒輪齒條的市場占有率約為60%到70%。起亞K5汽車，是一種常見的城市車輛，道路關(guān)系的主要形式是瀝青路或水泥路，總質(zhì)量約為1.5噸，因此我們選擇齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機構(gòu)。齒輪齒條轉(zhuǎn)向器根據(jù)輸入位置和輸出特點不同，可以分為四種形式：中間輸入，兩端輸出（圖2.1a)、側(cè)面輸入，兩端輸出（圖2.1b)、側(cè)面輸入，中間輸出(圖2.1c)、側(cè)面輸入，一端輸出(圖2.1d)。在選擇側(cè)面輸入和中間輸出時，應為拉桿的增長，車輪上下運行時拉桿的擺動幅度變低，有助于降低轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)之間的干擾。用螺栓固定支架和齒條，使兩個拉桿同時向左或向右移動。因此，轉(zhuǎn)向器殼體上有一個長長的軸向凹槽，降低了其強度。采用兩端輸出時，由于拉桿長度有限，懸架系統(tǒng)的導向機構(gòu)容易發(fā)生運動擾動。但具有結(jié)構(gòu)簡單、制造簡單、成本低等特點，通常用于小型車輛。如果為直齒齒輪與直齒齒條嚙合，則運行穩(wěn)定性低，沖擊力大，工作噪音高，而且齒輪和齒條之間的夾角只能是直角，這樣就不利于總體設計。如果為斜齒齒輪與斜齒齒條嚙合，那么一致度高，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沖擊和噪聲小，齒輪與齒條夾角，利于總體設計。但缺點是由于斜齒輪有軸向力，并且同時嚙合好幾處齒輪，所以齒面易磨損。圖2.1布置形式2.3傳動比的確定齒輪齒條和齒輪一樣，傳動比是一個非常重要的參數(shù)，他決定著整個轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、基本參數(shù)等。2.3.1方向盤尺寸的確定方向盤也被稱之為轉(zhuǎn)向盤，方向盤的大小都在355mm到405mm之間。尺寸大小的選擇需要根據(jù)汽車類型、車內(nèi)空間等條件進行。因為起亞K5屬于小型轎車，車內(nèi)空間較小。并且其主要行駛路段為城市路段，路況復雜，需要保證良好的視野和寬闊的操縱空間。所以根據(jù)《汽車方向盤尺寸參考表》選取方向盤直徑為380mm。2.3.2汽車轉(zhuǎn)向阻力矩計算汽車轉(zhuǎn)向的時候，駕駛員施加在方向盤上的力大小一般在150N和200N范圍內(nèi)。汽車轉(zhuǎn)向阻力矩計算公式如下：公式中各參數(shù)表示的含義如下：Mr--轉(zhuǎn)向阻力矩；f--行駛過程中輪胎和路面之間的摩擦力，取值為0.7；G1--汽車轉(zhuǎn)向軸負荷，其計算為：其中m表示汽車總質(zhì)量，g表示重力加速度，c表示車輪的載荷分配系數(shù)，取60%，P--輪胎氣壓，取值為0.255MPa。帶入個參數(shù)可得：2.3.3轉(zhuǎn)向系的角傳動比齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的傳動比是固定的，所以主要考慮角傳動比，公式如下：式中：為齒輪分度圓的半徑，為齒輪分度圓的直徑；根據(jù)《汽車設計》，一般汽車齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的角傳動比的取值范圍在16到32之間。本次設計角傳動比取值為20。

第3章轉(zhuǎn)向器主要參數(shù)的設計計算3.1齒輪齒條的設計計算3.1.1齒輪的參數(shù)設計根據(jù)《汽車設計》可以知道齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的大多選擇斜齒圓柱齒輪。齒輪模數(shù)取值范圍多在2-3mm之間。主動小齒輪齒數(shù)多數(shù)在5-7個齒范圍變化，壓力角取20°，齒輪螺旋角取值范圍多為9°~15°。因此根據(jù)《汽車設計》選擇齒輪的基本參數(shù)如下：模數(shù)齒數(shù)壓力角螺旋角則可以計算出斜齒輪的分度圓直徑：斜齒圓柱齒輪直徑齒寬系數(shù)：齒寬：3.1.2齒條的參數(shù)設計齒條為齒條式和齒輪進行嚙合形成動力傳遞的。齒條的本質(zhì)結(jié)構(gòu)就是一個帶有一段齒輪的金屬帶，他的結(jié)構(gòu)一般都是安裝在殼體內(nèi)，利用齒輪形成的驅(qū)動力進行左右的滑動。在結(jié)構(gòu)設計中，轉(zhuǎn)向器是整體安裝在汽車前梁上的。齒條從起結(jié)構(gòu)可以看到，強度比較大，所以有時候會直接利用它代替搖臂。這樣做的好處就是能夠確保轉(zhuǎn)向拉桿和懸架之間保持平行，不會出現(xiàn)干涉的現(xiàn)象。同時對于齒條來說，他的導向座也能夠?qū)X條安裝在轉(zhuǎn)向器上，齒條工作時候能夠進行橫向的移動。從而帶動了拉桿的移動，實現(xiàn)了前輪的旋轉(zhuǎn)運動，就是轉(zhuǎn)向動作。齒條的結(jié)構(gòu)簡圖入下圖3.1所示。圖3.1齒條設計齒輪齒條的嚙合就是類似于一對齒輪的內(nèi)核，齒條的齒輪局要求必須一樣，不然會出現(xiàn)無法嚙合的現(xiàn)象。齒輪的齒距計算公式如下：齒條的齒距計算公式為因為齒輪與齒條嚙合，所以齒輪齒距P1和齒條齒距P2相等所以，L--齒條的長度，為110mm；帶入?yún)?shù)計算：根據(jù)標準齒數(shù)，選擇齒條齒數(shù)為齒條寬3.2齒輪齒條材料選擇及強度校核齒輪材料選擇40Cr，滲碳、滲氮、淬火、回火處理。齒條材質(zhì)選擇45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。3.2.1應力計算首先計算許用應力：其中：壽命系數(shù)計算許用應力，取帶入得：因為，帶入計算得：3.2.2強度校核齒輪接觸疲勞強度公式如下：其中彈性系數(shù)；節(jié)點趨于系數(shù)；嚙合重合度系數(shù)；螺旋角系數(shù)；齒輪傳動比，由于是齒輪齒條傳動，所以；轉(zhuǎn)矩：齒寬：；分度圓直徑：；K--齒輪的系數(shù)，公式為：帶入各個參數(shù)進行計算得：許用接觸疲勞強度計算得：因為；所以接觸疲勞強度滿足要求。計算齒輪的彎曲疲勞強度校核。齒輪的彎曲疲勞強度需要滿足以下要求：公式中個參數(shù)根據(jù)《機械設計》查詢的含義如下：齒形系數(shù)；齒根的應力修正系數(shù)；螺旋角系數(shù)；齒輪嚙合重合度系數(shù)。帶入?yún)?shù)計算得：查《機械設計手冊》得：；；；；根據(jù)計算可以看到。齒輪的彎曲疲勞強度能夠滿足要求。第4章三維模型和有限元分析4.1零部件三維建模對齒輪齒條轉(zhuǎn)向器零部件進行建模，其主要零部件建模如下。4.2有限元分析進入靜力學學分析模塊staticstructural右擊geometry導入斜齒輪模型雙擊engineerdata定義材料屬性將斜齒輪設置為40Cr，材料的密度為7800kg/m^3彈性模量為2.1e11pa，泊松比為0.3材料屬性圖雙擊madel進入模型分析界面斜齒輪示意圖網(wǎng)格劃分：點擊mesh進入size定義斜齒輪網(wǎng)格尺寸為5mm，點擊mesh開始劃分網(wǎng)格。斜齒輪網(wǎng)格示意圖定義約束：在下圖藍色位置施加全約束定義載荷：在齒輪齒面上施加Z方向38000N.mm的力矩4.2.1斜齒輪應力結(jié)果整體應力云圖通過分析可以看出最大應力為348.3Mpa，最大應力位置在斜齒輪齒面和軸過度的地方，但在該工況下產(chǎn)生的應力小于材料40Cr的屈服極限785Mpa因此滿足強度設計要求4.2.2斜齒輪變形結(jié)果變形云圖通過分析可以看出斜齒輪在在該工況下的變形為0.068mm，變形非常小滿足剛度設計要求。第5章總結(jié)畢業(yè)設計一直都是大學生涯中的最重要的一次成果展示，是我們踏入社會參與各項項目之前最好的一次預演。從開題到到完成設計，期間，無論是查找資料還是設計計算甚至是工程制圖，每一個過程都是對自己知識的回顧，對能力的考驗與提升。畢業(yè)設計讓我發(fā)現(xiàn)了我專業(yè)基礎能力的許多不足之處。當我進行設計計算時，我無法做到對結(jié)構(gòu)原理不了解，對公式使用的茫然，對圖紙規(guī)范的不熟悉。在設計過程中，我不斷翻閱各種資料與書籍，對圖紙刪了又刪，改了又改。這嚴重降低了我的設計速度，拖慢了我的進程，但這段過程也是對我專業(yè)知識的的一次查漏補缺。這次畢業(yè)設計我所做的課題是起亞K5轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計與分析。雖然在之前的課程中我已經(jīng)學習了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)的知識，但在設計過程中還是暴露出了我對知識的不了解。通過網(wǎng)絡資料和課本，我花費了1周時間來對這些知識進行再學習，并對資料進行了整理與篩選，為后面的設計打好基礎。因為前期準備的完備，在設計計算階段，我很快完成了零部件的參數(shù)設計計算。但在制圖階段我再次遇到了困難，此前我并沒有學習過CAD工程制圖。因此，我需要花費大量時間學習，這是我畢業(yè)設計階段所遇到的最大的困難。通過高強度的學習和指導老師的教導，我完成了工程制圖。期間，老師極有耐心，對我提出的所有問題都做出了專業(yè)詳細的講解，確保我能夠解決那些問題。這次畢業(yè)設計，我完成了對《汽車構(gòu)造》《汽車設計》等書的溫故而知新，對CAD工程制圖軟件與ANSYS有限元分析軟件的學習和應用。學會了產(chǎn)品設計流程，設計必須嚴格按照標準和流程進行設計，從總體設計到零部件設計，每一個過程都需要經(jīng)過多次返工與修改才能逐漸完善。由于我的專業(yè)知識有限，此前也并沒有接觸過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)方面的設計，本設計中一定存在許多不足之處，敬請各位老師指正，使我能夠及時改正錯誤。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車中最重要的極幾大系統(tǒng)之一，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更是直接關(guān)系到車輛行駛的安全性。在本次設計中，我首先做好了目標規(guī)劃，明確設計方向。對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了分析與選擇。對斜齒輪進行了有限元分析，實現(xiàn)了斜齒輪的強度和變形分析，驗證了設計的合理可靠。隨著時間的流逝，不知不覺，畢業(yè)設計也要結(jié)束了。經(jīng)過幾個月的努力，我完成了我的畢設。這是4年大學生涯中的最后一個綜合性課題，在沒有做之前，我單純的以為這只是一次更加嚴格的課程設計而已，但經(jīng)歷了這幾個月的實踐，我對的看法太片面。這不僅是一次所學知識的考核，還是對知識的再學習、再提高，更是對自己知行合一的檢驗。在這過程中我發(fā)現(xiàn)了我所欠缺的知識，之前我一直覺得自己什么都會，什么都懂，其實自己只是紙上談兵，只有真正動手去做才會發(fā)現(xiàn)所想與所作有多大的差距。通過這次畢業(yè)設計，我明白了學習不是一蹴而就的，只有腳踏實地、循序漸進才能真正地掌握知識。在以后的工作和生活中也要保持謙虛的心態(tài)，不斷學習，不斷提升自我。人生不會一帆風順，只有腳踏實地，勇敢克服成長道路上的每一份坎坷與挫折，才能邁向成功。參