齿轮齿条式转向器设计

目 录 摘要 绪论 1 轮齿条式转向器 概述 1 轮齿条式动力转向器 的原理 2 2 2 2 转向器 整体结构设计方案 分析 4 力转向器的整体结构及附属机构 4 向器结构设计方案分析 4 压动力转向特点分析 5 3 转向器结构方案的确定和具体设计 6 向器结构的确定和设计 6 克曼几何学 6 小 转弯半径 7 向系的效率 7 向系的角传动比与力传动比 7 轮齿条传动副的确定和设计 10 传动比齿轮齿条的原理分析 10 齿圆柱齿轮的设计 11 动副传动方案的设计 12 条的设计 12 力缸结构设计 13 用力的计算 13 4 结论 16参考文献 致 谢 1 齿轮齿条式转向器 设计 1 绪论 轮齿条式转向器 概述 汽车行驶时要经常改变行驶方向 ， 这就需要有一套能够按照 驾驶需要 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。 这套机构就是汽车的转向系。 转向系通过对左、右车轮 不同转角的合理匹配来保证汽车沿着设想的轨迹运动 3。 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。 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 1。 转向器 （ 也常称为转向机 ） ， 是完成由旋转运动到直线运动 （ 或近似直线运动 ） 的一组齿轮机构，同时也是转向系中的减速传动装置。历史上曾出现过许多种形式的转向器，目前较常用的有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球 齿条齿扇式、循环球曲柄指销式、蜗杆滚轮式等。其中第二、第四种分别是第一、第三种的变 形形式，而蜗杆滚轮式则更 是少见 2。 齿轮齿条 传动 方式的最大特点是刚性大，结构紧凑重量轻，且成本低。由于这种方式容易由车轮将反作用力传至转向盘，所以具有对路面状态反应灵敏的优点，但同时也容易产生打手和摆振等现象。齿轮与齿条直接啮合，将齿轮的旋转运动转化为齿条的直线运动，使转向拉杆横向拉动车轮产生偏转。齿轮并非单纯的平齿轮，而是特殊的螺旋形状，这是为了尽量减小齿轮与齿条之间的啮合间隙，使转向盘的微小转动能够传递到车轮，提高操作的灵敏性，也就是我们通常所说的减小方向盘的旷量。不过齿轮啮合过紧也并非好事，它使得 转动转向盘时的操作力过大，人会感到吃力。 正是 为了改善 这些问题，才使 动 力 式齿轮齿条 转向器得到广泛应用 2。 动力转向 器 是利用外部动力协 助司机轻便操作转向盘的装置。随着最近汽车发动机 功率 的增大和扁平轮胎的普遍使用，使车重和转向阻力都加大了，因此动力转向机构越来越普及。值得注意的是，转向助力不应是不变的，因为在高速行驶时，轮胎的横向阻力小，转向盘变得轻飘，很难捕捉路面的感觉，也容易造成转向过于灵敏而使汽车不易控制。所以在高速时要适当减低动力，但这种变化必须平顺过度。 汽车动力转向器均采用液压作动力源， 液压式动力 转向装置重量轻，结构紧凑， 也无须润滑， 油液的阻尼作用还可以吸收路面冲击力，有 利于改善转向操作感觉，但液体流 量的增加会加重泵的负荷，需要保持怠速旋转的机构 ，并且产品结构复杂 ，对加工精度和密封的要求相对较高 1。 2 力 转向器 的 工作 原 理 齿 轮齿条式转向器中作为传动副主动件的转向齿轮安装在壳体中，与水平布置的转向齿条啮合。弹簧通过压块将齿条压靠在转向齿轮上，以保证无间隙啮合。弹簧的预紧力可用调整螺钉调整。工作时，转向齿条的中部与转向拉杆托架联接，转向左 转向节臂相连。当转动转向盘时，转向齿轮转动，使与之啮合的转向齿条沿轴向移动， 从而使左右横拉杆带动左右转向节转动，使转向轮偏转，实现汽车转向， 如图 1示 。 图 1 1 齿轮齿条转向器工作原理 动力转向系统是在机械式转向系统的基础上加一套动力辅助装置组成的。 如 图 1示。 储油罐 卸压阀 图 1 2 动力转向器工作原理 转向油泵 1 安装在发动机上，由曲轴通过皮带驱动并向外输出液压油。 储 油罐 11有进、出油管接头，通过油管分别与转向油泵和转向控制阀 4 联接。转向控制阀用以改变 3 油路。机械转向器和缸体形成左右两个工作腔，它们分别通过油道和转向控制阀联接。 当汽车直线行驶时，转向控制阀 2 将转向油泵 1 泵出来的工作液与油罐相通，转向油泵处于卸荷状态，动力转向器不起助力作用。当汽车需要向右转向时，驾驶员向右转动转向盘，转向控制阀将转向油泵泵出来的工作液与 右 腔接通，将 左 腔与油罐接通，在 油压的作用下，活塞向下移动，通过传动结构使左、右轮向右偏 转，从而实现右转向。向左 转向时 ，情况与上述相反 。 4 2 转向器 的整体结构设计方案 力转向器 的整体结构及附属机构 齿轮齿条式动力转向器 由 主动小齿轮、齿条活塞转向控制阀、动力缸体等部分 组成，如图 2 图 2 1 齿轮齿条动力转向器 示意图 （ 1） 机械式 齿轮 齿条式转向器 主要由 小齿轮 、 齿条 、 消除间隙机构及壳体 等组成 其中小齿轮与齿条作无间隙啮合并形成齿轮齿条传动副 。 （ 2） 动力转向 装置 机械转向器、转向 分配阀 、转向动力缸及软管等组成 。 转向分配阀是根据转向盘的操纵方向、转角范围与力矩大小来改变液压动力的传递路线与通道面积的大小，有滑阀式 （ 阀以轴向移动来控制油路 ） 与转阀式 （ 阀以旋转来控制油路 ） 之分，本设计选用转阀式控制；转向动力缸是动力转向的加力机构，它借助于液压及活塞对机械转向器起助力作用 1。 （ 3）转向分配阀、转向动力缸与机械转向器组合到一起成为一个整体的结构 ，称为整体式动力转向器。 本设计主要是针对 机械式齿轮齿条转向器 部分进行设计，即 齿轮 齿条传动副 的设计。 向器 结构方案分析 转向器 主要由小齿轮、齿条、消除间隙机构及容纳上述各件的壳体等组成。其中 小齿轮与齿条无间隙啮合并形成齿轮齿条传动副。工作时转向盘带动小齿轮作旋转运动，便推齿条作直线运动，在改变啮合副运动方向的同时增大了传动比。 在齿条齿与小齿轮啮合处的背部，设置消除间隙机构。该机构由预紧弹簧、托座等零件组成，再齿轮与齿条之间因磨损出现间隙时能自动取消此间隙。 5 为保证 转向 器据有良好的工作性能， 转向 器的设计应尽量满足下列要求 5： （ 1） 运动学上应保持转向轮转角和驾驶员转向盘的转角之间保持一定的比例关系 ，即随动作用 ； （ 2） 在 转小转向时作用在转向盘上的手力的同时，还应当有合适的 “ 路感” ， 即能及时地将地面对转向阻力的影响反映到转向盘上，使作用在转向盘上的手力随转向阻力的增大而增大； （ 3） 工作安全可靠 ，即使一旦动力转向系统失灵， 司机仍能够操纵转向盘使汽车转向 ； （ 4） 密封性良好； （ 5） 工作没有噪声和震动； （ 6） 工作灵敏，转动转向盘后，系统内的压力很快能增长到最高值。 液 压式动力转向系统是以液体的压力作动力完成转向加力动作的，工作介质多为油液。与气压式动力相比较，工作压力高。动力缸尺寸小、结构紧凑、质量小；由于油液具有不可压缩性，液压式灵敏度高、系统刚性好； 油液的阻尼作用可以吸收路面冲击；助力装置也无须润滑。缺点是结构复杂，对加工精度和密封性要求高。 汽车采用动力转向以后，使汽车转向系统的转向性能有很大改进，如使用安全可靠、转向灵敏、操纵轻便、有道路感觉、能自动保持直线行驶、保证车轮自动回正、系统有良好的随动作用等 1。 6 3 转向器 结构方案 的确定和具体设计 本设计参考车型为 华晨宝马 320具体参数见表 3 1： 表 齿轮齿条动力转向器示意图 总成 参数 数值 车身 长度 4520 宽度 1817 高度 1421 车重 1395 轴距 2760 前轮距 1500 后轮距 1513 发动机 排量 （ L） 缸排列 L 汽缸数 4 压缩比 门结构 力 150 最大功率 (110 最大功率转速 6200 最大扭距 （ 200 最大扭距转速 （ 3600 底盘转向 驱动方式 前置后驱 前挂类型 双球节弹簧减震支柱前桥 后悬挂类型 5 连杆后悬架 助力类型 机械式液压动力 结构 确定 克曼几何学 两轴汽车以低速转弯行驶，可忽略离心力的影响，假设轮胎是刚性的，忽略轮胎侧偏的时候，此时若各车轮绕同一瞬时转向中心 进行转弯行驶，则两转向前轮轴线的延长线交在后轴延长线上，这一几何关系称为阿克曼几何学 1。 汽车前轮转向时，为满足上述条件， 须满足下述关系式 c o tc o t （ 3 1） 式中 ，o 转向轮外轮转角 ； i 转向轮捏内转角； 7 K 两主销轴线与地面交点间距离； L 车轮轴距。 小转弯半径 汽车最小转弯半径 汽 车内轮最大转角轴距 L、转向轮绕主销转动半径 r、两主销延长线到地面交点的距离 转向过程中 L、 r、 有i是变化的，所以内轮应有足够大的转角 ，以保证获得给定的最小转弯半径 1。 计算最小转弯半径 下， m a a xm a xm i n t a i ns i n （ 3 2） 在给定最小转弯半径 件下， 可以用下式计算出转向内轮 应达到的最大转角 2m i nm a x a r c t a n（ 3 3） 根据参考车型 5500 L=2760 r=80 K=1500取31。 向系的效率 转向系的效率0由转向器的效率 和转向操纵及传动机构的效率 决定 1，即 0 （ 3 4） 转向器的效率 又有正效率 与逆效率 之 分。 齿轮齿条式转向器的正效率 通常，转向系的正效率0的平均值为 ；当向上述相反方向传递力时逆效率0的平均值为 向传动机构的效率 一般 可 取 = 向系 的角传动比 与力传动比 （ 1） 角传动比 转向盘转角 的增量与同侧转向节转角的相应增量 之比，称为转向系的角传动 8 比0i。转向盘转角的增量 与转向摇臂转角的相应增量 之比 ，称为转向器的角传动比i。转向摇臂轴转角的增量 与同侧转向节的相应增量 之比，称为转向传动机构的角传动比 i1。它们之间的关系是 ， 0i=i （ 3 5） i（ 3 6） i（ 3 7） 现代汽车转向传动机构的角传动比多在 近似为 1。故研究转向系的角传动比时，为简便起见，往往只研究转向器的角传动比即可，即 i =1 对于乘用车，推荐 转向器角传动比7代轿车的 角 传动比常采用不变的数值i=14 取i=20。 因此，转向系的角传动比0i=i i=20 （ 2） 力传动比 转向传动机构的力传动比 转向摇臂的力矩之比值 10即 （ 3 8） 转向系的力传动比 （ 3 9）（ 3） 力传动比与转向系 角传动 的关系 转向阻力矩 3 10） 式中 ， 在沥青或混凝土路面上的原地转向阻力矩 ， N f 轮胎与地面间的滑动摩擦系数，取 1G 转向轴负荷 ,N； 9 P 轮胎气压， 其中，轴荷分配 ： 前轴 为 51% 取 52%； 则 转向轴负荷 ： 1G = %52N = ，取 1G =7109N； 轮胎气压 p：冬天前轮 天前轮 因此，转向阻力矩 r 7 46 ，取 r 288 作用在转向盘上的手力 1（ 3 11） 式中， 作用在转向盘上的手力 ， N； 1L 转向摇臂长 ， 2L 转向节臂长 ， R 转向盘半径 ， R=190 i 转向器角传动比 ，i=20； 转向器正效率 ， = 其中， 121 由于 转向阻力