毕业论文 汽车方向机总体设计及螺杆优化设计.doc

毕业论文 汽车方向机总体设计及螺杆优化设计

摘要:汽车转向系已由传统的机械式结构发展到现在的HPS、EPS和线控转向系统，其中整体式循环球转向器是液压助力转向系的主要机构。本课题系统地概述了汽车转向系统的国内外发展动态和各种转向器的应用状况，综合论述了HPS系统的工作原理、数学模型和性能特性。在参照国内外各种类型的基础上，整合机械设计、机械制造和汽车结构等相关学科知识，以复杂产品的系统设计法和分解协调法为指导思想，遵循需求分析、概要设计、详细设计程序，建立了流程化设计模型，并进行详细的循环球转向器总体设计，主要对螺杆螺母副等关键零部件进行详细设计。同时，利用CAD/CAE技术对循环球转向器进行三维建模和结构优化分析，并以螺杆为例进行了基于Pro/E的参数化结构设计，特别提出了两种基于Ansys的转向螺杆结构优化方案。整个课题研究过程中的创新点主要是一种基于汽车转向器总体设计的机械设计方法、设计思维和设计理念。
关键词：HPS；转向器；螺杆设计；参数化设计；优化分析；流程化设计方法。

The Overall Design of Automotive Steering System and
The Optimization of Steering Screw

Abstract

Automotive Steering technology has Shifted from the traditional mechanical structure to the current development of HPS, EPS and wire steering system, of which the compositive recirculating ball steering gears is the main body of Hydraulic power steering system. This subject not only overviewed systematically the developments of domestic and international automobile steering system and the application of the steering gear, but also established a synthesis of the work of HPS systems theory , mathematical models and performance characteristics. On the basis of referring to all types at home and abroad , integrated knowledge of mechanical design, machinery manufacturing and automotive structures, and other related subjects . Took the way of designing complex product that Control something by coordinating and breaking as the guiding ideology to establish a progressive design models and obtain a detailed overall design of recirculating ball steering gears, following the procedure of requirements design, Summary design and the detailed design .The key parts of the detailed design are the designs of steering screw, nut and other principal component. At the same time, used of CAD/CAE technology to create three-dimensional modeling of recirculating ball steering gears and optimize structure, and then took the steering screw as an example for designing based on the technique of Pro/E parameters, particularly put forward two structural optimization programmers to steering screw on the Ansys soft. The foremost Innovation presenting on the  whole subject is the mechanical design methods, design ideas and design concepts based on the design of recirculating ball steering gears. 
Key Words: HPS; steering gears; Design of steering screw;  parametric design; optimization analysis; the way of progressive design

目录

摘  要…………………………………………………………………………I
Abstract…………………………………………………………………………II

第1章 绪论…………………………………………………………………………………1
1.1 汽车转向系统简介……………………………………………………………1
1.2 动力转向系统国内外发展动态……………………………………………1
1.3 汽车转向器……………………………………………………………………2
1.3.1 齿轮齿条式转向器…………………………………………………………2
1.3.2 循环球式转向器……………………………………………………………2
1.3.3 蜗杆滚轮式转向器…………………………………………………………3
1.3.4 蜗杆指销式…………………………………………………………………3
1.4 转向器发展动态………………………………………………………………3
1.5 功能分析与课题意义………………………………………………………3
1.5.1 本课题研究内容……………………………………………………………3
1.5.2 选题意义……………………………………………………………………4
1.5.3 设计条件与要求……………………………………………………………4
1.6 设计思路与方法………………………………………………………………4
1.6.1 设计方法……………………………………………………………………4
1.6.2 设计思路……………………………………………………………………5

第2章 HPS基础…………………………………………………………………………7
2.1 HPS的工作原理………………………………………………………………7
2.2 HPS的数学模型………………………………………………………………8
2.2.1 数学模型的建立……………………………………………………………8
2.2.2转向系的刚度分析…………………………………………………………10
2.2.3 转向灵敏性分析……………………………………………………………12

第3章 整体式循环球转向器性能分析………………………………………14
3.1 整体式循环球转向器………………………………………………………14
3.1.1 转阀式循环球转向器的结构………………………………………………14
3.1.2 整体式循环球转向器的市场优势…………………………………………14
3.2 循环球转向器性能分析……………………………………………………16
3.2.1 转向手力特性………………………………………………………………16
3.2.2 动力转向器单位质量输出扭矩……………………………………………17
3.2.3 转向器传动比特性…………………………………………………………17
3.2.4 转向器传动间隙特性分析…………………………………………………18
3.2.5 转向器的效率特性…………………………………………………………20
3.2.6 转向器的其他性能…………………………………………………………20

第4章 汽车转向器总体设计…………………………………………………………22
4.1 汽车转向器总体设计流程与方法………………………………………22
4.2 整体式循环球转向器结构选型……………………………………………22
4.3 计算载荷………………………………………………………………………23
4.4 循环球转向器结构设计与计算……………………………………………23
4.4.1 螺杆螺母传动副设计………………………………………………………23
4.4.2 齿条齿扇传动副设计………………………………………………………29
4.4.3 转阀设计……………………………………………………………………30
4.4.4 壳体结构设计………………………………………………………………31
4.4.5 油道与密封…………………………………………………………………32
4.5 基于PRO/E的汽车方向机三维建模……………………………………33
4.5.1 CAD技术……………………………………………………………………34
4.5.2 汽车方向机主要零件建模…………………………………………………34
4.5.3.汽车循环球转向器的组装…………………………………………………36

第5章 基于Pro/engineer和Ansys的螺杆优化设计………………………38
5.1 CAE技术………………………………………………………………………38
5.1.1 CAE技术应用现状…………………………………………………………38
5.1.2 CAE软件的结构优化技术及应用…………………………………………38
5.2 螺杆优化流程设计…………………………………………………………38
5.3 基于Pro/E的螺杆参数化设计……………………………………………40
5.4 螺杆有限元分析基础………………………………………………………42
5.4.1 有限元法基本理论………………………………………………………42
5.4.2 Ansys软件的分析步骤……………………………………………………42
5.5 螺杆结构优化分析…………………………………………………………44
5.5.1 类比分析……………………………………………………………………44
5.5.2 螺杆结构优化方案拓展……………………………………………………51
5.5.3方案总结与展望……………………………………………………………53

第6章 课题总结与展望………………………………………………………………55
6.1 毕业设计总结………………………………………………………55
6.2 问题与解决方法…………………………………………………56
6.3 转向器总体设计性能评估………………………………………………57
6.4 创新之处……………………………………………………………………57
6.5 展望…………………………………………………………………………58

参考文献……………………………………………………………………………………59

致谢…………………………………………………………………………………………61

附录…………………………………………………………………………………………62
      附录I 美国TRW公司的两种转向器…………………………………………………62
      附录II 转向器结构与配套车型………………………………………………………63