摘要隨著福特第一輛T型車的出現(xiàn)，汽車越來越成為人么生活中的必需品，汽車改變了人們的生活，并且汽車也融入到了人們生活的方方面面，從人們出行駕駛的小型汽車、大巴車到運輸貨物的載貨卡車，再到疾馳在賽場上的F1賽車，汽車都對我們的生活產(chǎn)生了巨大的影響。小型汽車的產(chǎn)量也在不斷的增加，據(jù)不完全統(tǒng)計，世界最大的汽車生產(chǎn)商豐田的年銷量可以達(dá)到930萬部。雖然人們對小型汽車的需求是隨著購買力的變化而變化的，但是人們對小汽車的性能的需求都是大致相同的，人們都希望小汽車有良好的駕駛體驗，影響駕駛體驗最直接的就是方向盤系統(tǒng)，在方向盤系統(tǒng)中，起到中樞作用的部件就是轉(zhuǎn)向柱，方向盤的反饋的好換，轉(zhuǎn)向時候的反應(yīng)的快慢等因素都和轉(zhuǎn)向柱的性能有著很大的關(guān)系。轉(zhuǎn)向柱在小汽車的方向盤系統(tǒng)中是連接方向盤和，轉(zhuǎn)向柱下方的助力和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的部件，其性能的好壞對整個小汽車的駕駛體驗影響最直接。本文以汽車方向盤的轉(zhuǎn)向柱為研究對象，根據(jù)具體的需求對轉(zhuǎn)向柱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，并對轉(zhuǎn)向柱里的標(biāo)準(zhǔn)件和關(guān)鍵件進(jìn)行了校驗，設(shè)計出了一個合理的轉(zhuǎn)向柱。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向柱、結(jié)構(gòu)設(shè)計WiththeadventofthefirstvehicleofFord'sModelTcars,carsaremoreandbecomenecessitiesoflifecarchangedpeople'slives,andcarshavecomeintopeople'slife,frompeopletotraveldrivingsmallcarsandbusestotransportgoodsbytrucktogallopinthearenaofF1racingcarsareonourlifeproducedtremendousimpact.Smallcarproductionisalsoincreasing,accordingtoincompletestatistics,theworld'slargestautomakerTOYOTA'sannualsalescanreach9million300thousand.Althoughthepeople'sdemandforsmallcarsischangeswiththevariationoftheforce,buttheneedsofpeopleonthecar'sperformanceisroughlythesame,peoplehopethatthecarhasgooddrivingexperience,drivingundertheinfluenceofexperiencethemostdirectisthesteeringwheelsystem,inthesquaretothesystemdisktocentrallyactingpartsissteeringcolumn,directiondiscfeedbackforagood,tothespeedofresponsetimeandotherfactorsandsteeringcolumnperformancehasagreatrelationship.Steeringcolumninthecar'ssteeringwheelsystemisconnectedtothesteeringwheelandthesteeringcolumnunderthesteeringcolumnunderthepowerandsteeringcomponents,itsperformanceisgoodorbadfortheentirecardrivingexperiencethemostdirectimpact.Theautomobilesteeringwheelsteeringcolumnastheresearchobject,accordingtothespecificneedsofthesteeringcolumnstructureisdesignedandthesteeringcolumnstandardpartsandkeypartscheck,designareasonablesteeringcolumn.

摘要 11.緒論 31.1汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述 31.1.1機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 41.1.2液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS） 51.1.3電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS） 61.1.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS） 71.1.5線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW） 81.2本章小結(jié) 92.轉(zhuǎn)向系設(shè)計概述 102.1主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特點 102.2轉(zhuǎn)向系結(jié)構(gòu)分析 112.2.1轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu) 112.2.2轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu) 122.2.3轉(zhuǎn)向器 132.2.4轉(zhuǎn)角及最小轉(zhuǎn)彎半徑 133.轉(zhuǎn)向系設(shè)計計算 163.1空心軸的設(shè)計 163.1.1材料選擇 163.1.2空心軸的直徑計算 163.2調(diào)節(jié)桿的設(shè)計 173.2.1材料選擇 173.2.2調(diào)節(jié)桿的設(shè)計計算 173.3轉(zhuǎn)向柱軸承的選型計算 183.3.1選型 183.3.2校核及壽命計算 18

1.緒論汽車已經(jīng)隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展人們生活水平的不斷提高逐漸走向千家萬戶，汽車的普及率正逐年提高，對于許許多多的人來說，汽車已經(jīng)從原先人們認(rèn)為的的奢侈品變?yōu)榱巳藗兊某鲂斜貍涞慕煌üぞ?，汽車的存在給人們的生活提供了越來越多的便利。國產(chǎn)汽車由于其較高的性價比受到越來越多的人的青睞，但是不可否認(rèn)的是國產(chǎn)車，無論是在質(zhì)量上還是穩(wěn)定性上都跟過外車有著很大的差距。尤其是在汽車關(guān)鍵件的技術(shù)上差距更大。本文以汽車轉(zhuǎn)向柱為研究對象，對其進(jìn)行研究、設(shè)計。轉(zhuǎn)向柱的功能是當(dāng)駕駛者對方向盤施加一個轉(zhuǎn)向力矩時將這個轉(zhuǎn)向力矩傳遞到轉(zhuǎn)向器上，轉(zhuǎn)向器安裝于汽車底盤上。轉(zhuǎn)向柱一端連接方向盤，另一端連接轉(zhuǎn)向器。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車最重要的系統(tǒng)之一，其性能好壞直接決定著汽車的整體操控性、乘坐舒適性、駕駛?cè)税踩?、車身穩(wěn)定性和平衡性；操控性好的汽車能讓駕駛者體會到駕駛的樂趣，所以說轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還影響著駕駛者的駕駛感受。好的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)該具有操作方便、可以智能調(diào)節(jié)、安全性和可靠性突出等一系列優(yōu)點，其中安全性是評價轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的最重要指標(biāo)。最早的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是轉(zhuǎn)向比等于1的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，操作十分費力，阻礙了汽車的普及。于是，工程師們設(shè)計了帶有減速齒輪系的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。上世紀(jì)50年代開始，汽車進(jìn)入了助力轉(zhuǎn)向的發(fā)展階段，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以機械力輔助人力實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向，顯著提升了汽車的操控性和安全性。當(dāng)今的汽車幾乎全部配備了助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

最早用于汽車的的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為純機械式的，依靠齒輪齒條或蝸桿齒條減速機構(gòu)將駕人員的轉(zhuǎn)向力矩放大以實現(xiàn)省力的目的，沒有液壓缸和助力電機等，隨后出現(xiàn)了借助液壓力實現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向的液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展以及人們對于汽車的操控性和舒適性提出越來越高的要求，汽車工程師們不斷將前沿科技融入新的設(shè)計概念中，先后研發(fā)并應(yīng)用了電控液壓式助力系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。液壓助力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，易產(chǎn)生泄漏，污染環(huán)境。如今，新一代助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)——線控式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)處在發(fā)展階段并已部分投入應(yīng)用。轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求為滿足汽車行駛過程的穩(wěn)定性要求，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)能使各車輪繞著轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，且不允許打滑，否則會導(dǎo)致輪胎的嚴(yán)重磨損。轉(zhuǎn)向操作結(jié)束后，車輪應(yīng)能自動回正，直線行駛時能有足夠的方向穩(wěn)定性，高速時不能有顫動。轉(zhuǎn)向盤及車輪在行駛過程中不允許有震動或擺動，以保證汽車在高速時的操控穩(wěn)定性，提升安全性。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)盡量減小甚至消除汽車執(zhí)行轉(zhuǎn)向的過程中轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)和底盤懸架上的導(dǎo)向裝置之間由于速度不同步而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向輪振動。5、保證轎車有較高的機動性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力。6、操縱輕便。7、轉(zhuǎn)向輪碰撞到障礙物以后，傳給轉(zhuǎn)向盤的反沖力要盡可能小。8、轉(zhuǎn)向器和傳動機構(gòu)一般采用球頭連接，因設(shè)計間隙調(diào)整機構(gòu)彌補球頭磨損造成的影響。9、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)能在車禍發(fā)生時避免駕駛員受傷的保護(hù)系統(tǒng)，尤其當(dāng)轉(zhuǎn)向操作部件由于車價變形而向后移動時。10、進(jìn)行運動校核，保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動方向一致。本課題研究的內(nèi)容為汽車轉(zhuǎn)向柱的設(shè)計，主要研究內(nèi)容為設(shè)計一種合理的機械結(jié)構(gòu)，來達(dá)到助力轉(zhuǎn)向的效果，并依據(jù)現(xiàn)在汽車轉(zhuǎn)向柱存在的一些問題進(jìn)行研究，并把這些研究的成果運用到本設(shè)計當(dāng)中去，以期設(shè)計一種更加合理的結(jié)構(gòu)。1.1汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可根據(jù)轉(zhuǎn)向力的來源分為純機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩大類。純機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向力完全來自人力，機械結(jié)構(gòu)方面主要由方向盤、轉(zhuǎn)向器和傳動機構(gòu)組成。轉(zhuǎn)向器的作用是將來自于駕駛員的轉(zhuǎn)向力矩和運動減速放大，轉(zhuǎn)換成足以驅(qū)動轉(zhuǎn)向機構(gòu)運動的力，是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最重要的部件。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)保留純機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部分機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了動力單元——液壓系統(tǒng)、電機等，依靠動力單元產(chǎn)生轉(zhuǎn)向的輔助力矩或力輔助人力完成轉(zhuǎn)向。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輔助動力來源于一套液壓系統(tǒng)，電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輔助轉(zhuǎn)向力來源于一臺伺服電機，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)極大地減輕了駕駛者的負(fù)擔(dān)，并且使汽車操控更加穩(wěn)定。通常，對轉(zhuǎn)向系的主要要求是:滿足汽車對于機動性能的要求，盡可能減小轉(zhuǎn)彎半徑，以便于能在較狹窄的地方完成轉(zhuǎn)彎，同時使操作輕便；使汽車轉(zhuǎn)向時保持平衡和穩(wěn)定，避免側(cè)滑，轉(zhuǎn)向輪繞轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)；減小傳遞到方向盤的反沖力，以保護(hù)駕駛者；完成轉(zhuǎn)向后汽車進(jìn)入直線行駛狀態(tài)，此時車輪應(yīng)該能夠及時地自動回正，并在直線行駛時阻止由于各種擾動引起的汽車方向偏擺，盡可能保持汽車的穩(wěn)定性；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)能在車禍發(fā)生時避免駕駛員受傷的保護(hù)系統(tǒng)，尤其當(dāng)轉(zhuǎn)向操作部件由于車價變形而向后移動時。1.1.1機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)汽車執(zhí)行轉(zhuǎn)向的過程中，駕駛員必須以適當(dāng)?shù)乃俣茸饔媒o方向盤適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向力矩，這個轉(zhuǎn)向力矩再經(jīng)由方向盤與連接的轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)減速放大后最終傳遞到轉(zhuǎn)向器。轉(zhuǎn)向器通過兩級減速齒輪或者齒輪齒條機構(gòu)將轉(zhuǎn)向力矩放大，同時轉(zhuǎn)向速度減小。放大后的轉(zhuǎn)向力傳遞到橫向拉桿，再傳遞到轉(zhuǎn)向節(jié)臂，驅(qū)動轉(zhuǎn)向節(jié)帶動由它支承的轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，由此完成汽車的轉(zhuǎn)向。機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心最關(guān)鍵部件是轉(zhuǎn)向器，而轉(zhuǎn)向器的設(shè)計有多種不同的的結(jié)構(gòu)形式，因此常常將轉(zhuǎn)向器的主要形式作為機械式汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)向器主要類別有齒輪齒條式、循環(huán)球式、滾輪蝸桿式和指銷蝸桿式。為了產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)向力使得轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)以便完成汽車的轉(zhuǎn)向，由杠桿原理可知，配置純機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車不得不安裝大尺寸的方向盤，從而產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)向力矩以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，這樣的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使得方向盤必須占據(jù)駕駛室的很大一部分空間，且過大的方向盤對駕駛員的安全造成不利影響。對于重型汽車來說，轉(zhuǎn)向阻力大，轉(zhuǎn)向操作難度變大，使用極為不便，駕駛員十分費力，很大程度上限制了其適用范圍。目前，純機械式轉(zhuǎn)向器僅用于工作環(huán)境惡劣且對操控輕便型和舒適性要求不高的農(nóng)用機械上，充分體現(xiàn)了其機械結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低廉且使用可靠性高的優(yōu)點。1.1.2液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）為了克服純機械式轉(zhuǎn)向器操作費力的問題，加速汽車的普及，減輕駕駛負(fù)擔(dān)，上世紀(jì)五十年代美國通用汽車公司最早開發(fā)出了用于轎車的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)保留了純機械式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，并在其原有基礎(chǔ)上增加了一套由液壓泵、液壓管路、液壓缸和一系列控制閥構(gòu)成的助力液壓系統(tǒng)。液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要有液壓系統(tǒng)和機械部分組成，液壓泵由汽車發(fā)動機驅(qū)動，為液壓助力系統(tǒng)提供高壓油，液壓油推動液壓缸運動，驅(qū)動機械轉(zhuǎn)向器動作從而實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向功能。液壓系統(tǒng)主要包括液壓泵、液壓油管、液壓缸、以及溢流閥、節(jié)流閥、限壓閥等控制閥。其中限壓閥和溢流閥的作用是保證系統(tǒng)安全。液壓缸、配流閥和機械轉(zhuǎn)向器采用整體式安裝，配流閥與主動齒輪軸連接，配流閥的閥芯與齒輪軸軸向垂直。轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)，帶動撥叉撥動閥芯上的控制槽。配流閥的閥芯上安裝有一個彈性扭桿，彈性扭桿的作用為定位配流閥閥芯的中心位置，彈性扭桿通過一個銷釘與轉(zhuǎn)向傳動軸相連接。圖1-1液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)構(gòu)造圖液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由發(fā)動機帶動液壓泵產(chǎn)生高壓油，在駕駛員操縱方向盤轉(zhuǎn)向時，液壓系統(tǒng)提供輔助轉(zhuǎn)向力，減小了駕駛員所需付出的轉(zhuǎn)向力矩，減輕駕駛員負(fù)擔(dān)，使汽車的操控輕便而且更加穩(wěn)定，使更多的人能夠輕易地駕駛汽車。然而液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)依然存在不足之處。由于汽車原地轉(zhuǎn)向或者慢速轉(zhuǎn)彎時轉(zhuǎn)向阻力較大，而轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)必須以發(fā)動機的最低轉(zhuǎn)速確定助力泵排量，助力泵的動力來源于汽車發(fā)動機。在汽車啟動狀態(tài)下，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時刻保持工作，在很大程度上浪費了發(fā)動機的動力，并且液壓油容易發(fā)熱、容易泄漏危害環(huán)境。1.1.3電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在設(shè)計時需根據(jù)原地轉(zhuǎn)向時所需的最大轉(zhuǎn)向力矩選擇助力液壓泵的排量，使得液壓系統(tǒng)在高速時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向力矩過大，降低了高速時的穩(wěn)定性，因此日本Koyo公司于1983年研制了能夠感知車速進(jìn)而自動控制輸出功率的電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EHPS。電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以此前的液壓助力系統(tǒng)為基礎(chǔ)研制的，在保留其主體結(jié)構(gòu)的前提下加裝了一套電機及其控制裝置，液壓泵的驅(qū)動方式從原來的汽車發(fā)動機驅(qū)動升級為電動機驅(qū)動，新的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)顯著降低了汽車燃油消耗，提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能源使用效率。電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在液壓助力轉(zhuǎn)向的技術(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合了電子控制技術(shù)，實現(xiàn)了機電一體化。電子控制系統(tǒng)的車速傳感器和角位移傳感器將車輛的即時速度、方向盤轉(zhuǎn)動角度信息傳遞給電子控制單元，控制單元由此計算出合適的轉(zhuǎn)向力矩，控制電動機輸出所需功率帶動電控液壓泵工作，實現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。汽車速度低、轉(zhuǎn)彎大時，電子控制單元控制電動機輸出較大功率提供足夠的轉(zhuǎn)向力矩；汽車速度高、轉(zhuǎn)彎小時，控制單元控制助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以較低功率運行，提高轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在保證轉(zhuǎn)向力矩需求的情況下降低了能源消耗，提升了穩(wěn)定性和舒適性。圖1-2電子液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本原理和工作程序為：汽車在直線行駛狀態(tài)下應(yīng)保持穩(wěn)定，駕駛?cè)瞬晦D(zhuǎn)動或微量轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，轉(zhuǎn)向柱的轉(zhuǎn)角約為零，此時電機驅(qū)動電動液壓泵以最小功率運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速處于最小狀態(tài)，液壓油大部分不進(jìn)入液壓缸直接流回油箱；當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤操縱汽車轉(zhuǎn)向時，位于轉(zhuǎn)向柱上的角度傳感器檢測到轉(zhuǎn)向柱的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動角速度，電子控制單元接收信息，并綜合車速傳感器傳回的速度信息，計算出轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)應(yīng)該輸出的最佳轉(zhuǎn)向力矩，控制電動機以相對應(yīng)的轉(zhuǎn)速帶動液壓泵運轉(zhuǎn)，液壓系統(tǒng)輸出相應(yīng)的功率，一定壓力和流量的液壓油推動活塞運動，驅(qū)動轉(zhuǎn)向器完成轉(zhuǎn)向。整個過程自動控制，完美地輔助駕駛員完成轉(zhuǎn)向操作。結(jié)構(gòu)上，電子式液壓助力系統(tǒng)與原有的純機械式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有很大程度的相似度，主要的不同之處在于助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力源。純機械式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由汽車發(fā)動機通過皮帶帶動液壓泵工作，液壓泵的轉(zhuǎn)速由發(fā)動機的轉(zhuǎn)速決定，車輛高速行駛時發(fā)動機轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的轉(zhuǎn)向力矩過大，使車輛不穩(wěn)定；電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由一臺專門的電機帶動電動液壓泵工作，電動機的轉(zhuǎn)速由控制單元采集速度傳感器和角位移傳感器的信息并計算得到，可實時調(diào)節(jié)，降低功率損耗的同時提升了高速時的穩(wěn)定性。相較于機械式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有了相當(dāng)大的進(jìn)步，但是液壓系統(tǒng)帶來的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和泄漏對環(huán)境的危害等問題依然存在。因此，移除液壓系統(tǒng)，完全依靠電動機驅(qū)動的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)成為必然的發(fā)展趨勢。1.1.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）1988年日本光洋公司首次研發(fā)成功一型帶有轉(zhuǎn)向柱結(jié)構(gòu)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，經(jīng)過一系列嚴(yán)格的測試，成功推出并應(yīng)用在日本鈴木公司生產(chǎn)的一款小型轎車上。兩年過后日本本田公司獨立研發(fā)出了齒條式的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并成功配備在其NSX運動型轎車上。由此開始，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)逐漸被各大汽車廠商采用。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)保留了電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的部分結(jié)構(gòu)并在其基礎(chǔ)上研制，主要的改變是采用完全的電機助力方式，移除了電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中復(fù)雜的液壓泵、液壓缸、液壓管路及各種控制閥等液壓系統(tǒng)構(gòu)件，僅僅用電動機直接驅(qū)動齒條式轉(zhuǎn)向機構(gòu)完成汽車轉(zhuǎn)向。由于摒棄了液壓系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)趨于簡單，響應(yīng)加快、可靠性得到提升，并且能耗降低、不再有液壓油泄漏問題。由于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有一系列其他轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)點，其迅速被全球汽車廠商爭相開發(fā)并廣泛采用，技術(shù)日漸成熟。圖1-3電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要組成部分包括：速度和角位移傳感器等其他傳感器、轉(zhuǎn)向輔助電機、控制系統(tǒng)及其他輔助元件。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡單，因而其可靠性得到提升。其工作原理大致為：當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤準(zhǔn)備轉(zhuǎn)向時，位于轉(zhuǎn)向柱上的傳感器檢測到駕駛員作用在方向盤上的力矩信息并傳送給控制器，控制器根據(jù)設(shè)定的算法，計算出最佳輔助轉(zhuǎn)向力矩，然后發(fā)送給伺服電機相應(yīng)的電壓信號，驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動。減速機構(gòu)將電機的扭矩放大，作用到轉(zhuǎn)向機構(gòu)，轉(zhuǎn)向機構(gòu)完成轉(zhuǎn)向。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)異性在于，其可以根據(jù)汽車行駛狀態(tài)的不同自動調(diào)節(jié)助理大小，使車輛在低速大彎時有足夠的轉(zhuǎn)向動力，而高速直行時又能保持高穩(wěn)定性。1.1.5線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）隨著社會進(jìn)步和人類生活水平的提高，汽車行駛速度不不斷提高，與此同時駕駛汽車的人更加廣泛，水平層次不齊。于是要求汽車的操控更加智能和方便，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)便產(chǎn)生了。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)保留了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的大部分結(jié)構(gòu)，在其基礎(chǔ)上取消了方向盤和轉(zhuǎn)向器之間的機械連接，駕駛員對方向盤輸出的轉(zhuǎn)向力矩和速度信息不再通過機械結(jié)構(gòu)傳遞到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而是完全依靠傳感器實現(xiàn)。這樣的設(shè)計使得車輛操作更加省力，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單，對駕駛?cè)说牟倏厮揭蟾?，使得汽車駕駛?cè)巳焊訑U大。1.2本章小結(jié)本章是對傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向器及主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的綜述，了解主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點并確定參考數(shù)據(jù)。為后面的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

2.轉(zhuǎn)向系設(shè)計概述轉(zhuǎn)向系的基本要求1)汽車轉(zhuǎn)向行駛時，全部車輪繞瞬時轉(zhuǎn)向中心轉(zhuǎn)動；2)操縱輕便，方向盤手作用力小于200N；3)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角速度傳動比在15到25之間；正效率不低于60%，逆效率不低于50%；4)轉(zhuǎn)向靈敏； 5)轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向傳動裝置有間隙調(diào)整機構(gòu)；6)配備駕駛員防傷害裝置；2.1主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特點汽車使用的早期，汽車的方向盤的轉(zhuǎn)向角度與轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角度之間的比例關(guān)系是是一個定值，傳動裝置一般都是固定的。如果由轉(zhuǎn)向盤直接連接轉(zhuǎn)向機構(gòu)，汽車進(jìn)行大角度轉(zhuǎn)向時方向盤轉(zhuǎn)動幅度無需很大，但操作費力，且汽車直行時方向盤只要有微小的擺動，汽車就變得不穩(wěn)定；但若在轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向機構(gòu)之間加入減速器，則汽車在高速直線行駛時，方向盤的輕微擾動不會影響汽車的方向穩(wěn)定性，但在大角度轉(zhuǎn)向時，駕駛?cè)诵枰蠓鹊剞D(zhuǎn)動方向盤，操作不便。因此，此時的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)難以兼顧大彎角時的操控性和直行時的穩(wěn)定性。為解決這一問題，主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)誕生了。汽車低速行駛下的轉(zhuǎn)向，電動機輸出力矩的方向通過使蝸輪蝸桿機構(gòu)轉(zhuǎn)換后與駕駛?cè)瞬倏v方向盤的方向一致，減小了駕駛?cè)诵枰冻龅霓D(zhuǎn)向力矩；而在高速時，電動機的反轉(zhuǎn)，使蝸輪蝸桿調(diào)節(jié)機構(gòu)輸出力矩的方向與駕駛?cè)瞬倏v方向盤的方向相反，阻止前輪的過度擺動，使汽車高速行駛更加穩(wěn)定，提高了舒適性與安全性。主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并未移除繼續(xù)機械系統(tǒng)的所有結(jié)構(gòu)，而是繼續(xù)采用了核心部件齒輪齒條轉(zhuǎn)向器，此外輔助零部件方向盤、轉(zhuǎn)向柱和轉(zhuǎn)向橫拉桿等結(jié)構(gòu)體系也保留下來，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的不同點在于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器之間的轉(zhuǎn)向柱上安裝了一組雙行星齒輪機構(gòu)，該機構(gòu)的作用為對轉(zhuǎn)向輪施加附加的轉(zhuǎn)向角度。主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在車輛行駛過程中自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向助力，無需駕駛員進(jìn)行調(diào)節(jié)或設(shè)置。巧妙使用雙行星齒輪機構(gòu)，兼顧了低速轉(zhuǎn)向時對于靈活性和輕便性的要求與高速直線行駛中保持車輛穩(wěn)定性的要求。除此之外，主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能在極端情況下自動作出判斷并控制車輛轉(zhuǎn)向，提高了汽車安全性。主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供了一個平臺，作為一個開放的平臺，設(shè)計者可以方便地集成其最新設(shè)計，以及科技發(fā)展的最前沿技術(shù)以及一系列動力學(xué)控制系統(tǒng)等等，這樣一個開放的平臺將有助于實現(xiàn)汽車自動控制、智能駕駛和底盤控制一體化的構(gòu)想。2.2轉(zhuǎn)向系結(jié)構(gòu)分析2.2.1轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)主要由三個零部件組成：方向盤、轉(zhuǎn)向柱和轉(zhuǎn)向傳動軸。部分汽車生產(chǎn)商在轉(zhuǎn)向傳動軸和轉(zhuǎn)向器之間使用萬向聯(lián)軸節(jié)連接，目的在于減小由于安裝誤差和震動造成的載荷，同時提高汽車的碰撞安全性。這樣的結(jié)構(gòu)布置使得轉(zhuǎn)向系統(tǒng)便于裝拆，模塊化程度提高。聯(lián)軸節(jié)一般采用柔性聯(lián)軸節(jié)，可以減小有車輪傳遞到轉(zhuǎn)向柱和方向盤上的震動，但是柔性太大的聯(lián)軸節(jié)會境地轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度。安裝助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車，還要有助力系統(tǒng)，不過一般的中級轎車多數(shù)并沒有動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。圖2-1轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)1-轉(zhuǎn)向萬向節(jié)；2-轉(zhuǎn)向傳動軸；3-轉(zhuǎn)向管柱；4-轉(zhuǎn)向軸；5-轉(zhuǎn)向盤圖2-2轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)實物圖2.2.2轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的組成部分主要有：轉(zhuǎn)向臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向縱拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向梯形臂等，如圖2-3所示。轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的功能是將汽車轉(zhuǎn)向器將助力系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)向輔助力矩和運動減速放大后向轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)輸出的轉(zhuǎn)向力和轉(zhuǎn)向運動傳遞到左、右兩個轉(zhuǎn)向節(jié)，驅(qū)動左、右轉(zhuǎn)向輪按設(shè)計時預(yù)測的正確關(guān)系實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)。圖2-3轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)1-轉(zhuǎn)向搖臂；2-轉(zhuǎn)向縱拉桿；3-轉(zhuǎn)向節(jié)臂；4-轉(zhuǎn)向梯形臂；5-轉(zhuǎn)向橫拉桿2.2.3轉(zhuǎn)向器機械轉(zhuǎn)向器作為傳動機構(gòu)，按照特定的傳動比，將方向盤的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)向臂的擺動或齒條的直線運動。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中有時設(shè)置防撞傷裝置，目的是為了減少汽車發(fā)生碰撞時駕駛?cè)吮晦D(zhuǎn)向盤所傷；除此之外，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中還可以加裝減震器，減小由于路面的沖擊造成的轉(zhuǎn)向機構(gòu)震動。2.2.4轉(zhuǎn)角及最小轉(zhuǎn)彎半徑汽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑是衡量汽車機動性的最主要依據(jù)。提高汽車機動性能，應(yīng)滿足兩個條件：第一，當(dāng)兩個轉(zhuǎn)向輪處于最大轉(zhuǎn)角時，前外輪的轉(zhuǎn)彎值應(yīng)約等于汽車軸距的兩倍；第二，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動比應(yīng)該按下述方法確定。兩軸汽車在轉(zhuǎn)向時，假設(shè)先不計入輪胎的側(cè)向偏離，則為了滿足前面所述的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須滿足的第二個條件，里側(cè)和外側(cè)的轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角關(guān)系由圖3-3給出，表達(dá)式為：(2-1)式中：—外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；—內(nèi)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；K—兩轉(zhuǎn)向主銷中心線與地面交點間的距離；L—軸距內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的合理匹配是由轉(zhuǎn)向梯形來保證。圖3-3理想的內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角間的關(guān)系決定汽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑的參數(shù)有五個，分別為：兩個轉(zhuǎn)向輪各自的最大轉(zhuǎn)角與、車身軸距L、主銷距K、轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)臂a。在轉(zhuǎn)向過程中只有兩個參數(shù)是變化的，即內(nèi)側(cè)和外側(cè)的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角。最小轉(zhuǎn)彎半徑的含義是指汽車在轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角處于最大時，前面外側(cè)車輪在地面上劃出的軌跡線的半徑值。計算公式為：(2-2)通常為35o～40o，為了減小值，值有時可達(dá)到45o為滿足駕駛者對于汽車操縱輕便省力的要求，設(shè)計汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時必須通過嚴(yán)格計算合理設(shè)置轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動比等參數(shù)。而為滿足汽車的自動回正和直線穩(wěn)定性要求，必須合理設(shè)置主銷后傾角和內(nèi)傾角，同時采取結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化以消除轉(zhuǎn)向器統(tǒng)傳動部件之間的間隙，并配置可逆式的轉(zhuǎn)向器。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要滿足的的后面兩條要求則通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。

3.轉(zhuǎn)向系設(shè)計計算本文按照設(shè)計要求對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要部件之一——轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算。轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)的主要零部件包括：轉(zhuǎn)向萬向節(jié)、轉(zhuǎn)向傳動軸、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向盤、調(diào)節(jié)桿等。本章對轉(zhuǎn)向傳動軸、調(diào)節(jié)桿和傳動軸軸承進(jìn)行了設(shè)計計算及校驗，使其滿足設(shè)計要求。3.1轉(zhuǎn)向傳動軸的設(shè)計3.1.1材料選擇軸類零件的材料主要采用碳素鋼和合金鋼。碳素鋼比合金鋼廉價，而且對應(yīng)力集中的敏感性較小，所以應(yīng)用較為廣泛。常用的碳素鋼有30、40、45和50鋼，其中最常用的是45鋼。為保證其力學(xué)性能，應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火處理。受力較小的軸以及一般的傳動軸可以使用Q235、Q255、Q235-AF。本文設(shè)計的轉(zhuǎn)向傳動軸為一受扭矩的空心截面軸，載荷形式簡單，所受扭矩不大，故選用Q235鋼。Q235為最常用的碳素結(jié)構(gòu)鋼之一，屈服強度230～240MPa，韌性和耐沖擊性能優(yōu)異，耐疲勞性較好。3.1.2傳動軸的強度計算及剛度校核在一般情況下，軸的工作能力取決于它的強度和剛度。軸的強度計算主要有按許用切應(yīng)力計算、按許用彎曲應(yīng)力計算和安全系數(shù)校核計算三種方法。本文設(shè)計的轉(zhuǎn)向柱為受扭矩作用的傳動軸，故采用按許用切應(yīng)力計算的方法設(shè)計，再校核軸的剛度。設(shè)計要求為：傳遞扭矩340N·m (3-1)(3-2)取代入公式得取剛度校核最大轉(zhuǎn)角可以滿足使用要求，故上述計算結(jié)果可以采用。3.2調(diào)節(jié)桿的設(shè)計3.2.1材料選擇調(diào)節(jié)螺桿采用松連接的方式，主要受到調(diào)節(jié)扭矩的作用，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對螺紋緊固件按力學(xué)性能的分級，此處選擇常用的45鋼作為制造調(diào)節(jié)螺桿的材料，性能等級為6.8，并經(jīng)過淬火處理，提高抗疲勞強度。材料的主要性能參數(shù)為：3.2.2調(diào)節(jié)桿的設(shè)計計算調(diào)節(jié)螺桿的作用為傳遞調(diào)節(jié)力矩，采用兩端滾針軸承支承，承受載荷為剪切力。材料選用45鋼，許用應(yīng)力為：其中安全系數(shù)最大調(diào)節(jié)扭矩由(3-3)得故螺桿直徑最小處為6mm。3.3轉(zhuǎn)向柱軸承的選型計算3.3.1選型選擇滾動軸承類型時應(yīng)考慮軸承所受載荷大小、方向及性質(zhì)、轉(zhuǎn)速與工作環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性及其他要求等多種因素的影響。汽車轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)向軸的類型為傳動軸，主要作用為傳遞扭矩，同時承受不大的徑向載荷。因此轉(zhuǎn)向軸軸承主要載荷形式為純徑向載荷，轉(zhuǎn)速不大，選用深溝球軸承。根據(jù)軸頸尺寸、載荷初選軸承型號為6003，其基本參數(shù)為：內(nèi)徑，外徑,寬?；绢~定動載荷,基本額定靜載荷.3.3.2校核及壽命計算軸承所受徑向載荷當(dāng)量動載荷查閱機械設(shè)計手冊取動載荷系數(shù)計算當(dāng)量動載荷計算深溝球軸承6003的壽命靜載荷驗算結(jié)論：選用6003軸承是合適的?？偨Y(jié)本文總結(jié)了國內(nèi)外汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，對國內(nèi)外常用于小汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式及其發(fā)展演變過程進(jìn)行了研究，充分分析了各種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)缺點。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)省去了復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了簡化結(jié)構(gòu)，并且轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)向助力的大小可以根據(jù)車輛行駛狀況進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，駕駛者能夠感覺汽車在低速時轉(zhuǎn)向操控輕便、響應(yīng)快速，而在高速行駛時車身更穩(wěn)定和安全，使汽車的操控性和安全性顯著提升，因此最終選定了對電動助力系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向柱的設(shè)計對國內(nèi)外的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理和機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，并依據(jù)韓國生產(chǎn)的現(xiàn)代途勝汽車的轉(zhuǎn)向柱進(jìn)行了轉(zhuǎn)向柱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。對轉(zhuǎn)向操作系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件如轉(zhuǎn)向傳動軸、調(diào)節(jié)螺桿、軸承進(jìn)行了設(shè)計計算以及校核，證明了設(shè)計的可行性。參考文獻(xiàn)[1]張宇建,趙石真,余愚.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述[J].中國科技投資,2014(A16):233-233.[2]王常友,董愛杰.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].北京汽車,2007(3):7-10.[3]胡建軍,李彤,龔為倫,等.汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)進(jìn)展分析[J].液壓與氣動,2006(12):17-22.[4]孫經(jīng)瑞,張翼,史小航,等.汽車動力轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展綜述[J].重型汽車,2011(2):13-14.[5]趙燕,周斌,張仲甫.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢[J].汽車研究與開發(fā),2003(2):22-24.[6]丁志剛,宋洪烈.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展簡述[