捷达轿车转向系统设计

毕业设计题目捷达轿车转向系的设计摘要本课题的题目是捷达轿车的转向系的设计。以齿轮齿条转向器的设计为中心，阐述了汽车转向系统的概况；介绍了机械转向器的选择以及如何选择齿轮和齿条的合理匹配，以满足转向器的正确传动比和强度要求；同时设计了动力转向机构；以及梯形结构设计。因此本课题在考虑上述要求和因素的基础上研究利用转向盘的旋转带动传动机构的齿轮齿条转向轴转向，通过万向节带动转向齿轮轴旋转，转向齿轮轴与转向齿条啮合，从而促使转向齿条直线运动，实现转向。实现了转向器结构简单紧凑，轴向尺寸短，且零件数目少的优点又能增加助力，从而实现了汽车转向的稳定性和灵敏性。在本文中主要进行了转向器齿轮齿条的设计和对转向齿轮轴的校核，主要方法和理论采用汽车设计的经验参数和大学所学机械设计的课程内容进行设计，其结果满足强度要求，安全可靠。【关键词】捷达轿车；转向系；齿轮齿条设计；动力转向机构；齿轮轴校核ABSTRACTTHETITLEOFTHISTOPICISTHEDESIGNOFSTEERINGSYSTEMRACKANDPINIONSTEERINGGEARTOTHEDESIGNASTHECENTER,FIRSTARECARSSTEERINGSYSTEMOVERVIEWSECOND,CARSSTEERINGSYSTEMPERFORMANCEPARAMETERSTHIRDRACKGEARANDAREASONABLEMATCHTOMEETTHECORRECTSTEERINGGEARRATIOANDSTRENGTHREQUIREMENTSFOURTH,POWERSTEERINGMECHANISMDESIGNFIFTH,THESTRUCTURALDESIGNOFTRAPEZOIDALTHEREFORE,TAKINGINTOACCOUNTTHEABOVEISSUESANDFACTORSTHATREQUIRESTUDY,BASEDONTHESTEERINGWHEELROTARYDRIVETRANSMISSIONSHAFTOFTHESTEERINGRACKANDPINIONSTEERING,THROUGHTHEUNIVERSALJOINTDRIVESHAFTROTATIONGEARSHIFT,STEERINGRACKANDSTEERINGGEARSHAFTMESHING,THEREBYENCOURAGINGSTEERINGRACKLINEARMOTIONTOACHIEVESTEERINGSIMPLESTRUCTURETOACHIEVETHESTEERINGTIGHT,SHORTAXIALDIMENSION,ANDTHENUMBEROFPARTSCANINCREASETHEADVANTAGESOFLESSPOWERINORDERTOACHIEVETHEVEHICLESTEERINGSTABILITYANDSENSITIVITYINTHISARTICLEAMAJORDESIGNSTEERINGRACKANDPINIONSTEERINGGEARSHAFTANDTHECHECK,THEMAINMETHODSANDTHEORETICALEXPERIENCEINTHEUSEOFAUTOMOTIVEDESIGNPARAMETERSANDTHEUNIVERSITYOFMECHANICALDESIGNSCHOOLCURRICULUMDESIGNANDTHERESULTSMEETTHESTRENGTHREQUIREMENTS,SAFEANDRELIABLE【KEYWORDS】JETTACARSTEERINMECHANICALTYPESTEERINGGEARANDGEARRACKPOWERSTEERING；CHECKGEARSHAFT目录摘要IABSTRACTII绪论1第一章转向系统511转向系统概述512机械式转向系统713电动助力转向系统914线控转向系统1115液压助力转向系统11第二章捷达汽车转向系统总体设计1221齿轮齿条式转向器的分类1222齿轮齿条式转向器工作原理1423转向器的选择14231转向盘14232转向轴16232转向器16232梯形转向1624转向系统的主要性能参数12241转向器的效率16242传动比的变化特性16第三章齿轮齿条式转向器方案分析择及设计1931齿轮齿条转向器1232齿轮齿条转向器的工作原理及布置1233数据确定以及设计计算过程12331转向轮侧偏角计算14332转向器参数选取16333齿轮齿条设计14334齿条的强度计算16335小齿轮的强度计算1434齿轮轴的结构设计1235轴承的选择1236转向器的润滑方式和密封类型的选择12第四章转向传动机构设计3141转向传动机构原理3142转向传动机构的臂、杆与球销3343转向横拉杆及其端部34第五章转向梯形机构优化3751转向梯形机构概述3752整体式转向梯形结构方案分析3753整体式转向梯形机构优化分析3854整体式转向梯形机构优化设计42总结46致谢47参考文献48绪论第一辆捷达JETTAMK1于1979年的夏天在欧洲上市。从一开始，捷达JETTAMK1就被赋予了多种变化和规格。除了双开门和四开门的车体结构以外，它还拥有三种引擎可以选择1272CC、1457CC、以及长期以一直作为高尔夫GOLF系列基本配置的电喷型1588CC发动机。根据配置的不同，捷达JETTAMK1被分为基本型、L型和GL型，再加上选择不同的发动机，捷达JETTAMK1有8种以上不同形式的配置上市。高尔夫GOLF生产上市后不久，大众汽车公司便发现现在已经可以引入一种三箱轿车去扩展他们的车型系列，与高尔夫GOLF并驾齐驱。近年来，国产车在国际汽车盛宴中崭露头角，无论从参展规模还是产品所展示的品质和技术含量上，都不得不令人折服，但和国外有着近百年发展历史的国外汽车工业相比，我们的自主品牌汽车在行车性能和舒适体验方面仍有差距，应该学习像大众这种企业汽车工业是国民经济的支柱产业，代表着一个国家的综合国力，汽车工业随着机械和电子技术的发展而不断前进。到今天，汽车已经不是单纯机械意义上的汽车了，它是机械、电子、材料等学科的综合产物。汽车转向系也随着汽车工业的发展历经了长时间的演变。由于汽车转向器属于汽车系统中的关键部件，它在汽车系统中占有重要位置，因而它的发展同时也反映了汽车工业的发展，它的规模和质量也成为了衡量汽车工业发展水平的重要标志之一。转向系是用来保持或者改变汽车行使方向的机构，转向系统应准确，快速、平稳地响应驾驶员的转向指令，转向行使后或受到外界扰动时，在驾驶员松开方向盘的状态下，应保证汽车自动返回稳定的直线行使状态。随着私家车的越来越普遍，各式各样的高中低档轿车进入了人们的生活中。快节奏高效率的生活加上们对高速体验的不断追求，也要求着车速的不断提高。由于汽车保有量的增加和社会活生活汽车化而造成交通错综复杂，使转向盘的操作频率增大，这要求减轻驾驶疲劳。所以，无论是为满足快速增长的轿车市场还是为给驾车者更舒适更安全的的驾车体验，都需要一种高性能、低成本的大众化的轿车转向结构。第一章转向系统11转向系统概述汽车行驶过程中，经常需要改变行驶方向，即所谓的转向，这就需要有一套能够按照司机意志使汽车转向的机构，它将司机转动方向盘的动作转变为车轮通常是前轮的偏转动作。按转向力能源的不同，可将转向系分为机械转向系和动力转向系。机械转向系的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，由转向操纵机构方向盘、转向器、转向传动机构三大部分组成。其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动严格讲是近似直线运动的机构，是转向系的核心部件2。动力转向系除具有以上三大部件外，其最主要的动力来源是转向助力装置。由于转向助力装置最常用的是一套液压系统，因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐，它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电机和地线的作用。通常，对转向系的主要要求是1保证汽车有较高的机动性，在有限的场地面积内，具有迅速和小半径转弯的能力，同时操作轻便2汽车转向时，全部车轮应绕一个瞬时转向中心旋转，不应有侧滑3传给转向盘的反冲要尽可能的小4转向后，转向盘应自动回正，并应使汽车保持在稳定的直线行驶状态5发生车祸时，当转向盘和转向轴由于车架和车身变形一起后移时，转向系统最好有保护机构防止伤及乘员（6）操纵轻便。正确设计转向梯形机构，可以使第一项要求得到保证。转向系中设置有转向减振器时，能够防止转向轮产生自振，同时又能使传到转向盘上的反冲力明显降低。为了使轿车车具有良好的机动性能，必须使转向轮有尽可能大的转角，并要达到按前外轮车轮轨迹计算，其最小转弯半径能达到轿车车轴距的225倍。通常用转向时驾驶员作用在转向盘上的切向力大小和转向盘转动圈数多少两项指标来评价操纵轻便性。没有装置动力转向的轿车，在行驶中转向，此力应为50100N；有动力转向时，此力在2050N。轿车转向盘从中间位置转到每一端的圈数不得超过20圈。下图是一种机械式转向系统如图11示。驾驶员对转向盘1施加的转向力矩通过转向轴2输入转向器8。从转向盘到转向传动轴这一系列零件即属于转向操纵机构。作为减速传动装置的转向器中有1、2级减速传动副（右图所示转向系统中的转向器为单级减速传动副）。经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆6，再传给固定于转向节3上的转向节臂5，使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而改变了汽车的行驶方向。这里，转向横拉杆和转向节臂属于转向传动机构。L转向盘2转向轴3转向节4转向轮5转向节臂6转向横拉杆7转向减振器8机械转向器图11机械系统简图12机械式转向系统汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向轮来完成的。机械式转向系统工作过程为驾驶员对转向盘施加的转向力矩通过转向轴输入转向器，减速传动装置的转向器中有1、2级减速传动副，经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆，再传给固定于转向节上的转向节臂，使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而实现汽车的转向。纯机械式转向系统根据转向器形式可以分为齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。纯机械式转向系统为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘，需占用较大的空间，整个机构笨拙，特别是对转向阻力较大的中重型汽车，实现转向难度很大，这就大大限制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉，目前该类转向系统除在一些转向操纵力不大、对操控性能要求不高的农用车上使用外已很少被采用。13电动助力转向系统1988年日本SUZUKI公司首先在小型轿车CERVO上配备了KOYO公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统。1990年日本HONDA公司也在运动型轿车NSX上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。EPS是在EHPS的基础上发展起来的,它取消EHPS的液压油泵、油管、油缸和密封圈等部件,完全依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构,其结构简单、零件数量大大减少、可靠性增强,解决了长期以来一直存在的液压管路泄漏和效率低下的问题。电动助力转向系统在本田飞度、思域以及丰田新皇冠、奔驰新ACLASS等车型上纷纷被采用。14线控转向系统在车辆高速化、驾驶人员大众化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的易操纵性设计显得尤为重要。线控转向系统（STEERINGBYWIRESYSTERM，简称SBW）的发展，正是满足这种客观需求。它是继EPS后发展起来的新一代转向系统，具有比EPS操纵稳定性更好的特点，它取消转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电能实现转向，彻底摆脱传统转向系统所固有的限制，提高了汽车的安全性和驾驶的方便性。15液压助力转向系统装配机械式转向系统的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重，为解决这个问题，美国GM公司在20世纪50年代率先在轿车上采用了液压助力转向系统。该系统是建立在机械系统的基础之上，额外增加了一个液压系统。液压转向系统是由液压和机械等两部分组成，它是以液压油做动力传递介质，通过液压泵产生动力来推动机械转向器，从而实现转向。液压助力转向系统一般由机械转向器、液压泵、油管、分配阀、动力缸、溢流阀和限压阀、油缸等部件组成。为确保系统安全，在液压泵上装有限压阀和溢流阀。其分配阀、转向器和动力缸置于一个整体，分配阀和主动齿轮轴装在一起（阀芯与齿轮轴垂直布置），阀芯上有控制槽，阀芯通过转向轴上的拨叉拨动。转向轴用销钉与阀中的弹性扭杆相接，该扭杆起到阀的中心定位作用。在齿条的一端装有活塞，并位于动力缸之中，齿条左端与转向横拉杆相接。转向盘转动时，转向轴（连主动齿轮轴）带动阀芯相对滑套运动，使油液通道发生变化，液压油从油泵排出，经控制阀流向动力缸的一侧，推动活塞带动齿条运动，通过横拉杆使车轮偏转而转向。液压助力转向系统是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机带动液压泵产生的压力来实现车轮转向。由于液压转向可以减少驾驶员手动转向力矩，从而改善了汽车的转向轻便性和操纵稳定性。为保证汽车原地转向或者低速转向时的轻便性，液压泵的排量是以发动机怠速时的流量来确定。汽车起动之后，无论车子是否转向，系统都要处于工作状态，而且在大转向车速较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力，所以在一定程度上浪费了发动机动力资源。并且转向系统还存在低温工作性能差等缺点。第二章捷达汽车转向系的总体设计21齿轮齿条式转向器的分类1转向横拉杆2防尘套3球头座4转向齿条5转向器壳体6调整螺塞7压紧弹簧8锁紧螺母9压块10万向节11转向齿轮轴12深沟球轴承13滚针轴承图21两端式齿轮齿条转向器齿轮齿条式转向器齿轮齿条式转向器分两端输出式和中间（或单端）输出式两种。（一）两端输出的齿轮齿条式转向器，作为传动副主动件的转向齿轮轴通过轴承安装在转向器壳体中，其上端通过花键与万向节和转向轴连接。与转向齿轮啮合的转向齿条水平布置，两端通过球头座与转向横拉杆相连。弹簧通过压块将齿条压在齿轮上，保证无间隙啮合。弹簧的预紧力可用调整螺栓调整。当转动转向盘时，转向器齿轮转动，使与之啮合的齿条沿轴向移动，从而使左右横拉杆带动转向节左右转动，使转向车轮偏转，从而实现汽车转向。两端输出的齿轮齿条式转向器如图21所示，作为传动副主动件的转向齿轮轴11通过轴承12和13安装在转向器壳体5中，其上端通过花键与万向节10和转向轴连接。与转向齿轮啮合的转向齿条4水平布置，两端通过球头座3与转向横拉杆1相连。弹簧7通过压块9将齿条压在齿轮上，保证无间隙啮合。弹簧的预紧力可用调整螺塞6调整。当转动转向盘时，转向器齿轮11转动，使与之啮合的齿条4沿轴向移动，从而使左右横拉杆带动转向节左右转动，使转向车轮偏转，从而实现汽车转向。中间输出的齿轮齿条式转向器如图22所示，其结构及工作原理与两端输出的齿轮齿条式转向器基本相同，不同之处在于它在转向齿条的中部用螺栓6与左右转向横拉杆7相连。（二）中间输出的齿轮齿条式转向器，其结构及工作原理与两端输出的齿轮齿条式转向器基本相同，不同之处在于它在转向齿条的中部用螺栓与左右转向横拉杆相连。在单端输出的齿轮齿条式转向器上，齿条的一端通过内外托架与转向横拉杆相连。循环球式转向器循环球式转向器是目前国内外应用最广泛的结构型式之一，一般有两级传动副，第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿扇传动副。为了减少转向螺杆转向螺母之间的摩擦，二者的螺纹并不直接接触，其间装有多个钢球，以实现滚动摩擦。转向螺杆和螺母上都加工出断面轮廓为两段或三段不同心圆弧组成的近似半圆的螺旋槽。二者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面的螺旋管状通道。螺母侧面有两对通孔，可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内。转向螺母外有两根钢球导管，每根导管的两端分别插入螺母侧面的一对通孔中。导管内也装满了钢球。这样，两根导管和螺母内的螺旋管状通道组合成两条各自独立的封闭的钢球“流道“。转向螺杆转动时，通过钢球将力传给转向螺母，螺母即沿轴向移动。同时，在螺杆及螺母与钢球间的摩擦力偶作用下，所有钢球便在螺旋管状通道内滚动，形成“球流“。在转向器工作时，两列钢球只是在各自的封闭流道内循环，不会脱出。在单端输出的齿轮齿条式转向器上，齿条的一端通过内外托架与转向横拉杆相连。1万向节2转向齿轮轴3调整螺母4深沟球轴承5滚针轴承6固定螺栓7转向横拉杆8转向器壳体9防尘套10转向齿条11调整螺塞12锁紧螺母13压紧弹簧14压块图22中间式齿轮齿条转向器22转向系方案的选择221转向盘转向盘有盘毂、轮缘和轮辐组成。一般轮辐有两根和三根的，也有四根的。转向盘的尺寸和形状直接影响转向操纵的轻便性。选用大直径转向盘会使驾驶员进、出驾驶室感到困难；选用小直径转向盘转向时要求驾驶员施加较大的力，从而使汽车操纵困难。转向盘必须符合JB45051986转向盘尺寸标准。该标准规定转向盘直径尺寸380MM、400MM、425MM、450MM、500MM、550MM。转向盘与转向轴采用圆柱直尺渐开线花键连接形式，可参照下表选择。各类车型的转向盘直径汽车类型转向盘直径MM轿车、小型客车、轻型货车汽车380、400、425中型客车、中型载货汽车450、475、500大客车、重型载货车550222转向轴早期汽车的转向轴通常用一根无缝钢管制造，其结构简单，制造容易，成本低，但从汽车上拆、装转向器较为困难。这种结构在某些轻型汽车上还有应用。目前大多数汽车转向轴上装置了万向节，使转向盘和转向器再汽车上布置更为合理，拆装方便，从而提高了操纵方便性、行驶安全性和转向机构的寿命。特别对可翻转驾驶室的平头车，可将万向节布置在驾驶室翻转轴线上，有利于驾驶室的翻转。万向节有柔性和刚性两种。柔性万向节，若刚性很大则不能满足使用要求，刚性大小又不能适应汽车转向要求，故一般应用较少。刚性万向节多是十字轴式，可使用单万向节，也可使用双万向节。双万向节要求布置适当，达到等角速运动。本课题采用装有单十字轴万向节的转向轴。223转向器转向器的种类很多，常见的有循环球式、球面蜗杆滚轮式、曲柄指销式和齿轮齿条式。随着汽车技术的发展和工艺水平的提高，有些形式的转向器已经很少采用，目前循环球式和齿轮齿条式两种转向器应用广泛。转向器形式的选择应根据汽车的用途决定。经常行驶在公路上的汽车可选用正效率高、可逆程度大的转向器。转向系统中采用液力式动力转向器时，由于液体的阻尼作用，吸收了路面上的冲击载荷，可采用可逆程度大、正效率高的装向器。循环球式和齿轮齿条式两种转向器正效率高（7085），可逆程度大（6070），适合大量生产，是目前得到广泛应用的原因。本文采用齿轮齿条式转向器，取其传动效率为80。因本车型前悬采用钢板弹簧，为了避免悬架运动与转向机构运动出现不协调现象，应该将转向器布置在前钢板跳动中心附近，即前钢板弹簧前支架偏后不多的位置处。224转向梯形汽车转向时，左、右转向轮的转角要符合一定的规律，以保证所有车轮在转向过程中都绕一个圆心以相同的瞬时角速度运动。转向梯形机构可以使汽车在转向过程中所有车轮都是纯滚动或有极小的滑移，从而提高轮胎的使用寿命，保证汽车操纵的轻便性和稳定性。转向梯形机构由梯形臂、横拉杆和前轴组成。根据梯形机构相对前轴的位置分为前置式和后置式两种。后置转向梯形机构是将转向梯形放在前轴之后，简单可靠，因此应用广泛。前置转向梯形机构是在发动机位置很低或前轴为驱动轴时，转向梯形实在不能布置在转向轴之间，才不得不把转向梯形放在前轴之前。根据前悬架形式的不同，转向梯形机构又可分为整体式和分段式两种。整体式转向梯形机构用于非独立悬架的汽车。分段式转向梯形机构用于独立悬架的汽车，以保证任一前轮的跳动不致牵动拉杆而涉及另一车轮的偏转。分段式转向梯形比较复杂，铰接点多。因本车型采用非独立悬架，故本文采用后置整体式转向梯形。24转向系主要性能参数241转向器的效率功率P1从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率称为正效率，用符号表示，P1P2PL；反之称为逆效率，用符号表示，P3P2P3。式中，P2为转向器中的摩擦功率；P3为作用在转向摇臂轴上的功率。为了保证转向时驾驶员转动转向盘轻便，要求正效率高。为了保证汽车转向后转向轮和转向盘能自动返回到直线行驶位置，又需要有一定的逆效率。为了减轻在不平路面上行驶时驾驶员的疲劳，车轮与路面之间的作用力传至转向盘上要尽可能小，防止打手又要求此逆效率尽可能低1。1转向器正效率影响转向器正效率的因素有转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等。1转向器类型、结构特点与效率在前述四种转向器中，齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高，而蜗杆指销式特别是固定销和蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显的低些。同一类型转向器，因结构不同效率也不一样。如蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支持轴之间的轴承可以选用滚针轴承、圆锥滚子轴承和球轴承等三种结构之一。第一种结构除滚轮与滚针之间有摩擦损失外，滚轮侧翼与垫片之间还存在滑动摩擦损失，故这种转向器的效率LY仅有54。另外两种结构的转向器效率，根据试验结果分别为70和75。转向摇臂轴轴承的形式对效率也有影响，用滚针轴承比用滑动轴承可使正或逆效率提高约10。2转向器的结构参数与效率如果忽略轴承和其它地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于蜗杆和螺杆类转向器，其效率可用下式计算（21）TAN0式中，O为蜗杆或螺杆的螺线导程角；为摩擦角，ARCTANF；F为摩擦因数。2转向器逆效率根据逆效率大小不同，转向器又有可逆式、极限可逆式和不可逆式之分。路面作用在车轮上的力，经过转向系可大部分传递到转向盘，这种逆效率较高的转向器属于可逆式。它能保证转向后，转向轮和转向盘自动回正。这既减轻了驾驶员的疲劳，又提高了行驶安全性。但是，在不平路面上行驶时，车轮受到的冲击力，能大部分传至转向盘，造成驾驶员“打手”，使之精神状态紧张，如果长时间在不平路面上行驶，易使驾驶员疲劳，影响安全驾驶。属于可逆式的转向器有齿轮齿条式和循环球式转向器。不可逆式转向器，是指车轮受到的冲击力不能传到转向盘的转向器。该冲击力由转向传动机构的零件承受，因而这些零件容易损坏。同时，它既不能保证车轮自动回正，驾驶员又缺乏路面感觉；因此，现代汽车不采用这种转向器。极限可逆式转向器介于上述两者之间。在车轮受到冲击力作用时，此力只有较小一部分传至转向盘。它的逆效率较低，在不平路面上行驶时，驾驶员并不十分紧张，同时转向传动机构的零件所承受的冲击力也比不可逆式转向器要小。如果忽略轴承和其它地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，则逆效率可用下式计算（22）0TAN）（式21和式22表明增加导程角O,正、逆效率均增大。受增大的影响，O不宜取得过大。当导程角小于或等于摩擦角时，逆效率为负值或者为零，此时表明该转向器是不可逆式转向器。为此，导程角必须大于摩擦角。通常螺线导程角选在810之间。242传动比的变化特性1转向系传动比转向系的传动比包括转向系的角传动比和转向系的力传动比WOIPI从轮胎接触地面中心作用在两个转向轮上的合力2FW与作用在转向盘上的手力FH之比，称为力传动比，即IP2FWFH。转向盘转动角速度W与同侧转向节偏转角速度K之比，称为转向系角传动比，即；式中，D为转向盘转角增量；DKWOIKKKODTI为转向节转角增量；DT为时间增量。它又由转向器角传动比IW和转向传动机构角传动比IW所组成，即IWOIWIW。转向盘角速度W与摇臂轴转动角速度K之比，称为转向器角传动比IW,即。PPWDTI式中,DP为摇臂轴转角增量。此定义适用于除齿轮齿条式之外的转向器。摇臂轴转动角速度P与同侧转向节偏转角速度K之比，称为转向传动机构的角传动比IW，即。KKPKWDTI2力传动比与转向系角传动比的关系轮胎与地面之间的转向阻力FW和作用在转向节上的转向阻力矩MR之间有如下关系（23）AMFRW式中，为主销偏移距，指从转向节主销轴线的延长线与支承平面的交点至车轮中心平面与支承平面交线间的距离。作用在转向盘上的手力FH可用下式表示（24）SWHHDF2式中，MH为作用在转向盘上的力矩；DSW为转向盘直径。将式13、式14代入IP2FWFH后得到（25）AMIHSWRP分析式25可知，当主销偏移距A小时，力传动比IP应取大些才能保证转向轻便。通常轿车的A值在0406倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取，而货车的D值在4060MM范围内选取。转向盘直径DSW根据车型不同在JB450586转向盘尺寸标准中规定的系列内选取。如果忽略摩擦损失，根据能量守恒原理，2MRMH可用下式表示（26）WOKHRIDM2将式16代人式15后得到（27）ADISWOP2当和DSW不变时，力传动比IP越大，虽然转向越轻，但IWO也越大，表明转向不灵敏。根据相互啮合齿轮的基圆齿距必须相等，即PBLPB2。其中齿轮基圆齿距PBLMLCOS1，齿条基圆齿距PB2M2COS2。由上述两式可知当齿轮具有标准模数M1和标准压力角1与一个具有变模数M2、变压力角2的齿条相啮合，并始终保持M1COSOLM2COSO2时，它们就可以啮合运转。如果齿条中部相当汽车直线行驶位置齿的压力角最大，向两端逐渐减小模数也随之减小，则主动齿轮啮合半径也减小，致使转向盘每转动某同一角度时，齿条行程也随之减小。因此，转向器的传动比是变化的。循环球齿条齿扇式转向器的角传动比IW2RP。因结构原因，螺距P不能变化，但可以用改变齿扇啮合半径R的方法，达到使循环球齿条齿扇式转向器实现变速比的目的。随转向盘转角变化，转向器角传动比可以设计成减小、增大或保持不变的。影响选取角传动比变化规律的因素，主要是转向轴负荷大小和对汽车机动能力的要求。若转向轴负荷小，在转向盘全转角范围内，驾驶员不存在转向沉重问题。装用动力转向的汽车，因转向阻力矩由动力装置克服，所以在上述两种情况下，均应取较小的转向器角传动比并能减少转向盘转动的总圈数，以提高汽车的机动能力。转向盘在中间位置的转向器角传动比不宜过小。过小则在汽车高速直线行驶时，对转向盘转角过分敏感和使反冲效应加大，使驾驶员精确控制转向轮的运动有困难。直行位置的转向器角传动比不宜低于1516。第三章齿轮齿条式转向器方案分析及设计31齿轮齿条式转向器齿轮齿条式转向器由与转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。与其他形式的转向器比较，齿轮齿条式转向器最主要的优点是结构简单、紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器的质量比较小；传动效率高达90；齿轮与齿条之间因磨损出现间隙以后，利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧。能自动消除齿间间隙，这不仅可以提高转向系统的刚度。还可以防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用的体积小；没有转向摇臂和直拉杆，所以转向轮转角可以增大；制造成本低。齿轮齿条式转向器的主要缺点是因逆效率高，汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间冲击力的大部分能传至转向盘，称之为反冲。反冲现象会使驾驶员精神紧张，并难以准确控制汽车行驶方向，转向盘突然转动又会造成打手，同时对驾驶员造成伤害。根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向起有四种形式，如图41所示中间输入，两端输出A；侧面输入，两端输出B；侧面输入，中间输出C；侧面输入，一端输出D。图31齿轮齿条式转向起有四种形式采用侧面输入，中间输出方案时，与齿条连的左，右拉杆延伸到接近汽车纵向对称平面附近。由于拉杆长度增加，车轮上、下跳动时拉杆摆角减小，有利于减少车轮上、下跳动时转向系与悬架系的运动干涉。拉杆与齿条用螺栓固定连接，因此，两拉杆会与齿条同时向左或右移动，为此在转向器壳体上开有轴向的长槽，从而降低了它的强度。采用两端输出方案时，由于转向拉杆长度受到限制，容易与悬架系统导向机构产生运动干涉。侧面输入，一端输出的齿轮齿条式转向器，常用在平头货车上。采用齿轮齿条式转向器采用直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合，则运转平稳降低，冲击大，工作噪声增加。此外，齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角只能是直角，为此因与总体布置不适应而遭淘汰。采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条式转向器，重合度增加，运转平稳，冲击与工作噪声均下降，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满足总体设计的要求。因为斜齿工作时有轴向力作用，所以转向器应该采用推力轴承，使轴承寿命降低，还有斜齿轮的滑磨比较大是它的缺点。齿条断面形状有圆形、V形和Y形三种。圆形断面齿条的制作工艺比较简单。V形和Y形断面齿条与圆形断面比较，消耗的材料少，约节省20，故质量小；位于齿下面的两斜面与齿条托座接触，可用来防止齿条绕轴线转动；Y形断面齿条的齿宽可以做得宽些，因而强度得到增加。在齿条与托座之间通常装有用减磨材料（如聚四氟乙烯）做的垫片，以减少滑动摩擦。当车轮跳动、转向或转向器工作时，如在齿条上作用有能使齿条旋转的力矩时，应选用V形和Y形断面齿条，用来防止因齿条旋转而破坏齿轮、齿条的齿不能正确啮合的情况出现。为了防止齿条旋转，也有在转向器壳体上设计导向槽的，槽内嵌装导向块，并将拉杆、导向块与齿条固定在一起。齿条移动时导向块在导向槽内随之移动，齿条旋转时导向块可防止齿条旋转。要求这种结构的导向块与导向槽之间的配合要适当。配合过紧会为转向和转向轮回正带来困难，配合过松齿条仍能旋转，并伴有敲击噪声。根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，齿轮齿条式转向器在汽车上有四种布置形式转向器位于前轴后方，后置梯形A；转向器位于前轴后方，前置梯形B；转向器位于前轴前方，后置梯形C；转向器位于前轴前方，前置梯形D。图32齿轮齿条式转向器在汽车上有四种布置齿轮齿条式转向器广泛应用于乘用车上。车载质量不大，前轮采用独立悬架的货车和客车有些也用齿轮齿条式转向器。32齿轮齿条式转向器结构形式的选择图33采用如图所示的布置形式图34采用如图所示的侧面输入两端输出的结构形式。图35齿轮齿条转向器装配图1转向齿轮2转向齿条3补偿弹簧4调整螺塞5螺母6压板7防尘罩8油封9轴承图36齿轮齿条机械式转向器结构图1防尘套2防尘套通气管3转向齿条4转向齿轮5转向器壳体6转向齿条连接叉33数据的确定及设计计算过程根据以上的论述，本次设计初选数据如下轮距前/后1429/1422MM轴距2603MM满载轴荷分配前/后826/1650KG总质量/KGMA1120KG轮胎175/70R14主销偏移距A74MM轮胎压力P/MPA025方向盘直径SWD400MM最小转弯半径553M转向节臂200MM转向摇臂180MM表31初选数据331转向轮侧偏角计算312603SIN475LR得8322603TAN70COS5COS149LR得7332转向器参数选取齿轮齿条转向器的齿轮多采用斜齿轮，齿轮模数在之间，主动小23M齿轮齿数在之间，压力角取，螺旋角在之间。故取小齿轮57209151Z，右旋，压力角，精度等级8级。2NM1转向节原地转向阻力矩453987225037M861RPGF33方向盘转动圈数643202976836000IWN34角传动9616435702800NIW35故初选角传动比值复合要求方向盘上的手力NIDLMFWSRH1068914072532136其中L1为转向摇臂长，L2转向节臂长，DSW转向盘直径，为转向器效率。作用在转向盘上的操纵载荷对轿车该力不应超过150200N，对货车不应超过500N。所以符合设计要求NFSWHSWHH21041062237力传动比86742105398MDIHSWRP38333齿轮齿条设计齿轮齿条转向器的齿轮多数采用斜齿轮。齿轮模数多在23MM之间，主动小齿轮齿数多数在57个齿范围变化，压力角去，齿轮螺旋角的取值范围0多为。齿条齿数应根据转向轮达到最大偏转角时，相应的齿条移动行程019应达到的值来确定。变速比的齿轮压力角，对现有结构在范围内变化。03512此外，设计时应验算齿轮的抗弯强度和接触强度。齿条选用45钢制造，而主动小齿轮选用20CRMO材料制造，为减轻质量壳体用铝合金压铸。正确啮合条件；M212121B根据设计的要求，齿轮齿条的主要参数见下表表2齿轮齿条的主要参数名称齿轮齿条齿数Z622模数MN2525压力角N0202螺旋角121变位系数XN00齿轮1531D1COSZMN齿顶高AH齿轮25NX1齿条25A2齿根高FH齿轮3125NAFMXC121齿条3125F2齿全高H齿轮562511FAH齿条562522FAH齿顶圆D齿轮20311AA齿根圆F齿轮905112FFHD基圆直径B由得2041COSNTGT齿轮3411TBD表3齿轮齿条的结构尺寸名称齿轮齿条分度圆直径1D153齿顶高AH2525齿根高F31253125齿全高H56255625齿顶圆AD203齿根圆F905基圆直径B1434齿宽B4020334齿条的强度计算在本设计中，选取转向器输入端施加的扭矩T132NM，齿轮传动一般均加以润滑，啮合齿轮间的摩擦力通常很小，计算轮齿受力时，可不予考虑。齿轮齿条的受力状况类似于斜齿轮，齿条的受力分析如图齿条的受力分析如图，作用于齿条齿面上的法向力FN，垂直于齿面，将FN分解成沿齿条径向的分力（径向力）FR，沿齿轮周向的分力（切向力）FT，沿齿轮轴向的分力（轴向力）FX。各力的大小为FT2T/DFRFTTG/COS1NFXFTTG1FNFT/COSCOS1N齿轮轴分度圆螺旋角（由表1查得）法面压力角（由表1查得）N齿轮轴受到的切向力FT2T/D261438NT作用在输入轴上的扭矩，T取132NM。D齿轮轴分度圆的直径，齿条齿面的法向力FNFT/COSCOS12841NN齿条牙齿受到的切向力266967NNNXTFCOS齿条杆部受到的力2261133NXT齿条杆部受拉压的强度计算计算出齿条杆部的拉应力F/A111N/MM2F齿条受到的轴向力A齿条根部截面积，A3346MM2由于强度的需要，齿条长采用45钢制造，其抗拉强度极限是B690N/MM,没有考虑热处理对强度的影响2。2因此B所以，齿条设计满足抗拉强度设计要求。齿条齿部弯曲强度的计算齿条牙齿的单齿弯曲应力210/6SBHFXT式中齿条齿面切向力TB危险截面处沿齿长方向齿宽齿条计算齿高1HS危险截面齿厚从上面条件可以计算出齿条牙齿弯曲应力45116N/MM0F21630567292上式计算中只按啮合的情况计算的，即所有外力都作用在一个齿上了，实际上齿轮齿条的总重合系数是263（理论计算值），在啮合过程中至少有2个齿同时参加啮合，因此每个齿的弯曲应力应分别降低一倍。1822N/MM201F2齿条的材料我选择是45刚制造，因此抗拉强度690N/MM没有考虑热处理对强度的影响。B2齿部弯曲安全系数S/38B01F因此，齿条设计满足弯曲疲劳强度设计要求。又满足了齿面接触强度，符合本次设计的具体要求。335小齿轮的强度计算齿面接触疲劳强度计算算斜齿圆柱齿轮传动的接触应力时，推导计算公式的出发点和直齿圆柱齿轮相似，但要考虑其以下特点啮合的接触线是倾斜的，有利于提高接触强度；重合度大，传动平稳。齿轮的计算载荷为了便于分析计算，通常取沿齿面接触线单位长度上所受的载荷进行计算。沿齿面接触线单位长度上的平均载荷P（单位为N/MM）为PLFNFN作用在齿面接触线上的法向载荷L沿齿面的接触线长，单位MM法向载荷FN为公称载荷，在实际传动中，由于齿轮的制造误差，特别是基节误差和齿形误差的影响，会使法面载荷增大。此外，在同时啮合的齿对间，载荷的分配不是均匀的，即使在一对齿上，载荷也不可能沿接触线均匀分布。因此在计算载荷的强度时，应按接触线单位长度上的最大载荷，即计算PCA（单位N/MMM）进行计算。即PCAKPKLFNK载荷系数载荷系数K包括使用系数，动载系数，齿间载荷分配系数及AKVK齿向载荷分布数，即KAV使用系数A是考虑齿轮啮合时外部领接装置引起的附加动载荷影响的系数。10A动载系数VK齿轮传动制造和装配误差是不可避免的，齿轮受载后还要发生弹性变形，因此引入了动载系数。10VK齿间载荷系数K齿轮的制造精度7级精度212H齿向荷分配系数齿宽系数DB/D1814/1213151112018106D02310B15HK23所以载荷系数K11121518AVHK斜齿轮传动的端面重合度BSIN0318DZTAN165/NM1在斜齿轮传动中齿轮的单位长度受力和接触长度如下PCAKPKLFN因为1COSBLFNFT/COSCOS1N所以TTTCABKFBKFLPCOSCOSCS111832976/1814/165/067296N/MM可以认为一对斜齿圆柱齿轮啮合相当于它们的当量直齿轮啮合，利用赫兹公式，代入当量直齿轮的有关参数后，得到斜齿圆柱齿轮的齿面接触疲劳强度校核公式21COSIN2112ATTTBHDKFE11BDKFZTHEH式中Z弹性系数E21E主动小齿轮选用材料20CRMO制造，根据材料选取，均为03，E，E121都为合金钢，取1898MPA22/1详细DWG图纸三二1爸爸五四0六全套资料低拾10快起求得Z57E节点区域系数HTTBHZCOSIN2Z224H齿轮与齿条的传动比U,U趋近于无穷则1U所以516MPAH小齿轮接触疲劳强度极限1000MPA1LIM应力循环次数N2105所以11HNK计算接触疲劳许用应力取失效概率为1，安全系数S1，可得111000MPA1100MPA（3HNLIM38）K接触疲劳寿命系数HN由此可得H所以，齿轮所选的参数满足齿轮设计的齿面接触疲劳强度要求。齿轮齿跟弯曲疲劳强度计算齿轮受载时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱。当齿轮在齿顶处啮合时，处于双对齿啮合区，此时弯矩的力臂最大，但力并不是最大，因此弯矩不是最大。根据分析，齿根所受的最大玩具发生在轮齿啮合点位于单对齿啮合最高点时。因此，齿根弯曲强度也应按载荷作用于单对齿啮合区最高点来计算。斜齿轮啮合过程中，接触线和危险截面位置在不断的变化，要精确计算其齿根应力是很难的，只能近似的按法面上的当量直齿圆柱齿轮来计算其齿根应力。将当量齿轮的有关参数代入直齿圆柱齿轮的弯曲强度计算公式，考虑螺旋角使接触线倾斜对弯曲强度有利的影响而引入螺旋角系数，可得到斜齿圆柱Y齿轮的弯曲疲劳强度计算校核公式FNSAFTBMYK齿间载荷分配系数F12齿向载荷分配系数FK133FK载荷系数K111213156AVF齿形系数AFY413AFY校正系数AS14AS螺旋角系数Y750Y校核齿根弯曲强度FANTBMKSAF3238MPA75041365714829弯曲强度最小安全系数MINFS15I计算弯曲疲劳许用应力MINFENSK弯曲疲劳寿命系数15FNK可得，151000/151000MPA所以F因此，本次设计及满足了小齿轮的齿面接触疲劳强度又满足了小齿轮的弯曲疲劳强度，符合设计要求。综上所述，齿轮齿条式转向器的设计满足设计的强度要求34齿轮轴的结构设计图311齿轮轴的结构设计35轴承的选择轴承1深沟球轴承6004GB/T2761994轴承2滚针轴承NA4901GB/T5801199437转向器的润滑方式和密封类型的选择转向器的润滑方式人工定期润滑润滑脂石墨钙基润滑脂（ZBE3600288）中的ZGS润滑脂。密封件旋转轴唇形密封圈FB1630GB138711992第四章捷达汽车转向传动机构设计41转向传动机构的原理图41转向中心的不同轨迹圆如上图41所示转向传动机构的任务是将转向器输出端的摆动转变为左、右转向车轮绕其转向主销的偏转，并使它们偏转到绕同一瞬时转向中心的不同轨迹圆上，实现车轮无滑动地滚动转向。为了使左、右转向车轮偏转角之间的关系能满足这一汽车转向运动学的要求，则要由转向传动机构中的转向梯形机构的精确设计来保证。由于一般齿轮齿条式转向器与左右横拉杆铰接，而左右横拉杆一般直接与转向节下节臂铰接，所以在这里我假定把左右梯形臂转变为转向节的一部分。根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，齿轮齿条式转向器在汽车上有四种布置形式转向器位于前轴后方，后置梯形；转向器位于前轴后方，前置梯形；转向器位于前轴前方，后置梯形；转向器位于前轴前方，前置梯形。本设计采用上图A方案配置方法，原理结果如下图图43齿轮齿条转向系的转向原理42转向传动机构的臂、杆与球销转向传动机构的杆件应选用刚性好、质量小的20、30或35号钢的无缝钢管制造，其沿长度方向的外形可根据总布置的需要确定。转向传动机构的各元件间采用球形铰接，球形铰接的主要特点是能够消除由于铰接处的表而磨损而产生的间隙，也能满足两铰接件间复杂的相对运动。在现代球形铰接的结构中均是用弹簧将球头与衬垫压紧。而且应采用有效结构措施保持住润滑材料及防止灰尘污物进入。球销与衬垫均采用低碳合金钢如12CRNI3A，18MNTI，或20CRN制造，工作表面经渗碳淬火处理，渗碳层深1530MM，表面硬度HRC5663。允许采用中碳钢40或45制造并经高频淬火处理，球销的过渡圆角处则用滚压工艺增强。球形铰接的壳体则用钢35或40制造。43转向横拉杆及其端部转向横拉杆与梯形转向杆系的相似。球头销通过螺纹与齿条连接。当这些球头销依制造厂的规范拧紧时，在球头销上就作用了一个预载荷。防尘套夹在转向器两侧的壳体和转向横拉杆上，这些防尘套阻止杂物进入球销及齿条中。转向横拉杆端部与外端用螺纹联接。这些端部与梯形转向杆系的相似。侧面螺母将横拉杆外端与横拉杆锁紧（图44）。图44转向横拉杆外接头1横拉杆2锁紧螺母3外接头壳体4球头销5六角开槽螺母6球碗7端盖8梯形臂9开口销表41转向横拉杆及接头的尺寸设计参数序号项目符号尺寸参数M1横拉杆总长AL2812横拉杆直径153螺纹长度M604外接头总长WL1205球头销总长QX626球头销螺纹公称直径QXDM1017外接头螺纹公称直径WM12158内接头总长NL6539内接头螺纹公称直径NDM161510转向梯形臂M200图45转向传动设计效果简图第五章捷达汽车转向传动机构设计51转向梯形机构概述转向梯形机构用来保证汽车转弯行驶时所有车轮能绕一个瞬时转向中心，在不同的圆周上做无滑动的纯滚动。转向梯形有整体式和断开式两种，选择整体式或断开式转向梯形方案与悬架采用何种方案有联系。无论采用哪一种方案，必须正确选择转向梯形参数，做到汽车转弯时，保证全部车轮绕一个瞬时转向中心行驶，使在不同圆周上运动的车轮，作无滑动的纯滚动运动。同时，为达到总体布置要求的最小转弯直径值，转向轮应有足够大的转角。52整体式转向梯形结构方案分析图61整体式转向梯形1转向横拉杆2转向梯形臂3前轴整体式转向梯形是