畢業(yè)論文 汽車方向機總體設計及螺桿優(yōu)化設計

摘要:汽車轉向系已由傳統的機械式結構發(fā)展到現在的HPS、EPS和線控轉向系統，其中整體式循環(huán)球轉向器是液壓助力轉向系的主要機構。本課題系統地概述了汽車轉向系統的國內外發(fā)展動態(tài)和各種轉向器的應用狀況，綜合論述了HPS系統的工作原理、數學模型和性能特性。在參照國內外各種類型的基礎上，整合機械設計、機械制造和汽車結構等相關學科知識，以復雜產品的系統設計法和分解協調法為指導思想，遵循需求分析、概要設計、詳細設計程序，建立了流程化設計模型，并進行詳細的循環(huán)球轉向器總體設計，主要對螺桿螺母副等關鍵零部件進行詳細設計。同時，利用CAD/CAE技術對循環(huán)球轉向器進行三維建模和結構優(yōu)化分析，并以螺桿為例進行了基于Pro/E的參數化結構設計，特別提出了兩種基于Ansys的轉向螺桿結構優(yōu)化方案。整個課題研究過程中的創(chuàng)新點主要是一種基于汽車轉向器總體設計的機械設計方法、設計思維和設計理念。
關鍵詞：HPS；轉向器；螺桿設計；參數化設計；優(yōu)化分析；流程化設計方法。

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

目錄

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

第1章 緒論…………………………………………………………………………………1
1.1 汽車轉向系統簡介……………………………………………………………1
1.2 動力轉向系統國內外發(fā)展動態(tài)……………………………………………1
1.3 汽車轉向器……………………………………………………………………2
1.3.1 齒輪齒條式轉向器…………………………………………………………2
1.3.2 循環(huán)球式轉向器……………………………………………………………2
1.3.3 蝸桿滾輪式轉向器…………………………………………………………3
1.3.4 蝸桿指銷式…………………………………………………………………3
1.4 轉向器發(fā)展動態(tài)………………………………………………………………3
1.5 功能分析與課題意義………………………………………………………3
1.5.1 本課題研究內容……………………………………………………………3
1.5.2 選題意義……………………………………………………………………4
1.5.3 設計條件與要求……………………………………………………………4
1.6 設計思路與方法………………………………………………………………4
1.6.1 設計方法……………………………………………………………………4
1.6.2 設計思路……………………………………………………………………5

第2章 HPS基礎…………………………………………………………………………7
2.1 HPS的工作原理………………………………………………………………7
2.2 HPS的數學模型………………………………………………………………8
2.2.1 數學模型的建立……………………………………………………………8
2.2.2轉向系的剛度分析…………………………………………………………10
2.2.3 轉向靈敏性分析……………………………………………………………12

第3章 整體式循環(huán)球轉向器性能分析………………………………………14
3.1 整體式循環(huán)球轉向器………………………………………………………14
3.1.1 轉閥式循環(huán)球轉向器的結構………………………………………………14
3.1.2 整體式循環(huán)球轉向器的市場優(yōu)勢…………………………………………14
3.2 循環(huán)球轉向器性能分析……………………………………………………16
3.2.1 轉向手力特性………………………………………………………………16
3.2.2 動力轉向器單位質量輸出扭矩……………………………………………17
3.2.3 轉向器傳動比特性…………………………………………………………17
3.2.4 轉向器傳動間隙特性分析…………………………………………………18
3.2.5 轉向器的效率特性…………………………………………………………20
3.2.6 轉向器的其他性能…………………………………………………………20

第4章 汽車轉向器總體設計…………………………………………………………22
4.1 汽車轉向器總體設計流程與方法………………………………………22
4.2 整體式循環(huán)球轉向器結構選型……………………………………………22
4.3 計算載荷………………………………………………………………………23
4.4 循環(huán)球轉向器結構設計與計算……………………………………………23
4.4.1 螺桿螺母傳動副設計………………………………………………………23
4.4.2 齒條齒扇傳動副設計………………………………………………………29
4.4.3 轉閥設計……………………………………………………………………30
4.4.4 殼體結構設計………………………………………………………………31
4.4.5 油道與密封…………………………………………………………………32
4.5 基于PRO/E的汽車方向機三維建?！?3
4.5.1 CAD技術……………………………………………………………………34
4.5.2 汽車方向機主要零件建模…………………………………………………34
4.5.3.汽車循環(huán)球轉向器的組裝…………………………………………………36

第5章 基于Pro/engineer和Ansys的螺桿優(yōu)化設計………………………38
5.1 CAE技術………………………………………………………………………38
5.1.1 CAE技術應用現狀…………………………………………………………38
5.1.2 CAE軟件的結構優(yōu)化技術及應用…………………………………………38
5.2 螺桿優(yōu)化流程設計…………………………………………………………38
5.3 基于Pro/E的螺桿參數化設計……………………………………………40
5.4 螺桿有限元分析基礎………………………………………………………42
5.4.1 有限元法基本理論………………………………………………………42
5.4.2 Ansys軟件的分析步驟……………………………………………………42
5.5 螺桿結構優(yōu)化分析…………………………………………………………44
5.5.1 類比分析……………………………………………………………………44
5.5.2 螺桿結構優(yōu)化方案拓展……………………………………………………51
5.5.3方案總結與展望……………………………………………………………53

第6章 課題總結與展望………………………………………………………………55
6.1 畢業(yè)設計總結………………………………………………………55
6.2 問題與解決方法…………………………………………………56
6.3 轉向器總體設計性能評估………………………………………………57
6.4 創(chuàng)新之處……………………………………………………………………57
6.5 展望…………………………………………………………………………58

參考文獻……………………………………………………………………………………59

致謝…………………………………………………………………………………………61

附錄…………………………………………………………………………………………62
      附錄I 美國TRW公司的兩種轉向器…………………………………………………62
      附錄II 轉向器結構與配套車型………………………………………………………63