毕业设计（论文）-江铃JX1043轻型载货汽车转向器设计.doc

全套图纸加扣3012250582广西科技大学鹿山学院广西科技大学鹿山学院毕业设计毕业设计(论文论文)题目：江铃JX1043轻型载货汽车转向器设计系别：专业班级：姓名：学号：指导教师：职称：副教授二一四年五月十日全套图纸加扣3012250582I摘要汽车转向系的功用是保持或者改变汽车行驶方向的机构。在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系使汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶。而转向器中的类型中，齿轮齿条式转向器由于其自身的特点被广泛应用于各种汽车上。本设计以江铃JX1043轻型货车为设计对象，根据原有数据计算转向系的传动比，并确定齿轮齿条的几何参数。齿轮齿条式转向器总体设计，受力分析，及对齿轮齿条的疲劳强度校核、齿根弯曲疲劳强度校核，通过对齿轮齿条式转向器的设计，选取出相关的零件，并在说明书中画出相关零件的零件图。关键词关键词:齿轮齿条；转向器；设计；校核全套图纸加扣3012250582IIAbstractThefunctionofautomotivesteeringsystemistomaintainorchangethedirectionofvehicletravelagencyandtoassurethecoordinatesteeringanglerelationshipbetweenthewheelssothevehiclecanbeveeredaccordingtothedriver.Andamongallkindsofsteeringgearrackandpinionsteeringgeariswidelyusedinvariouskindsofautomobilebecauseofitsowncharacteristics.ThedesignobjectinthispaperisJianglingJX1043lighttruck.Wewillcalculatethetransmissionsteeringratioaccordingtotheoriginaldataanddeterminethegeometricparametersofgearrack.Therewillbetheoveralldesignoftherackandpinionsteeringitsstressanalysistheexaminationsoffatiguestrengthofgearandthebendingfatiguestrengthoftoothroot.Wewillselecttherelevantcomponentsandshowthepartsdrawinginthespecificationsheet.KeyWords:rackandpinionsteeringdesigncheck.全套图纸加扣30122505821目录1绪论.11.1引言.11.2汽车转向系统的现状及设计趋势.11.2.1传统机械转向系统.11.2.2液压助力转向系统.11.2.3电液助力转向系统.21.2.4线控转向系统.21.3汽车转向装置的设计趋势.21.4小结.32汽车转向系统.42.1概述.42.1.1转向系组成.42.1.2对转向系统设计的要求.53方案论证及确定.73.1循环球式转向器.73.2蜗轮滚轮式转向器.93.3蜗杆指销式转向器.93.4齿轮齿条式转向器.103.5小结.134转向器主要性能参数计算.144.1原地转向阻力矩MR的计算.144.2转向盘手力.154.3角传动比与力传动比.15全套图纸加扣301225058224.4转向车轮的最大转角.174.5转向梯形机构尺寸初步确定.185齿轮的设计.205.1齿轮的参数选择.205.2齿轮的设计计算.205.3强度校核.215.3.1齿轮弯曲疲劳强度计算.216齿条的设计.256.1根据齿轮齿条的齿合特点.256.2齿条的设计计算.267齿轮轴的设计.277.1齿轮轴的结构形式.277.2齿轮齿条传动受力分析.277.3齿轮轴的强度校核.287.3.1轴的受力分析.287.3.2计算支承反力.287.3.3计算弯矩.287.3.4画转矩图.297.3.5判断危险剖面.297.4轴的弯扭合成强度校核.307.4.1轴的疲劳强度安全系数的校核.308其他零件的选择与设计.328.1间隙调整弹簧的选择.328.1.1选择材料.328.1.2确定弹簧丝直径，选择弹簧指数C.328.1.3确定弹簧工作圈数.32全套图纸加扣301225058238.2轴承的选择.338.3其他零件的选择.33结束语.34致谢.35参考文献.36全套图纸加扣301225058211.1.绪论绪论1.11.1引言引言在科学技术突飞猛进发展的今天，中国的汽车产业发展日新月异，势如破竹，占据第一产业的支柱。伴随着现代化技术的进步，汽车市场对车身性能的要求也越来越苛刻汽车行驶时操纵是否具有稳定性、驾驶员需要转向时操作是否轻松便利以及驾驶员操纵强度的大小和操作转向的传动效率等问题都是汽车设计中重中之重，本课题根据江铃JX1043型载货汽车转向器的参数及使用条件，设计一种转向器使其满足使用要求。1.21.2汽车转向系统的现状及设计趋势汽车转向系统的现状及设计趋势1.2.1传统机械转向系统机械转向系统，采用的是纯粹的人力机械操作，无需外部助力能源。各种各样的汽车配件组合起来，从方向盘到转向机输入端口的所有配件组成的机构叫做转向操纵系统，驾驶员通过转动方向盘使之产生转向力矩再根据相应的传动比把产生的转矩放大并且输送出来的装置称为转向器。为了能够按照设想轨迹转向，需要更大的转向力矩，为了节省驾驶员的体力，使用比较大直径的转向盘。但是方向盘占据驾驶室的空间大，降低驾驶员在驾驶室的舒适度，并且驾驶不方便。早期汽车转向器用的是蜗轮蜗杆式转向器，随着时代的发展转向器形式有了新的种类，如齿轮齿条式、螺杆螺母式、循环球式等转向器。据统计，在汽车上采用循环球式转向器占所有采用机械转向的汽车的45%；采用齿条齿轮式转向器占所有采用机械转向的汽车的40%；而在汽车上采用蜗杆滚轮和其它型式的各占10%和5%。可看出制造厂商在车辆上选取循环球式转向器也是比较普遍的。而在欧洲国家中，约略转向摇臂和直拉杆的齿条齿轮式转向器，普遍在小型载客汽车上采用。1.2.2液压助力转向系统20世纪50年代诞生了液压助力转向系统，在机械转向技术中添加了液压助力技术就形成了液压助力转向系统，主要由液压泵、输送油管、提供液压油的装置、助力系统轮和液压控制阀门等零件构成的。油泵产生油压，控制阀调节油流量，靠液压的形式增大转向扭力，使驾驶员在驾驶过程中转向更灵活轻便，减轻驾驶员转向时的劳动强度，行驶的安全性得以大大提高。随着时代的变迁，液压助力转向系统技术已逐步成熟。据统计，时至二零零零年当代汽车采用液压助力转向系统的比率为85%。全套图纸加扣30122505822优点：通过液压油产生的压力作用在转向系统中，很大幅度的降低了驾驶员的工作强度，驾驶员们再也不用担心因为整车质量大而转向费力的问题。缺点：1、汽车行驶速度较低且要进行转向的时候，要很大的助力才能使转向系统进行转向，但因为车速慢而发动机的转速也低下所以不能为转向系统提供足够的助力，汽车高速行驶，转向时发动机怠速高，转动速度比较快，所以助力过大故转向太过于敏捷导致汽车操纵稳定性降低，这就是助力特性不能改变导致的结果。2、在低温环境下工作性能差，液压油容易泄露损坏零部件且对环境造成严重的污染。1.2.3电液助力转向系统时代的快速发展推动着现代化技术的不断更新变革，人们的生活观念也在不断的改变，对汽车的尾气排放是否环保、燃油是否经济、汽车行驶时是否具有安全性的要求也越来越苛刻，对于汽车制造的厂商来说，只有不断的克服汽车本身纯在的不足点才能站住脚跟。为克服液压助力转向中因车速的问题导致操纵性降低的缺点，研发人员开发了由电子控制液压压力形式的转向器，就是在装备了液压形式的转向器上添加了电器数字化调试和运行的元件，将汽车车速收集反馈到转向系统其中。该转向系统在行驶过程中可以根据转向所需的转向助力而改变转向助力的特性，电子控制液压助力转向系统由电子原件控制，可分为电控和电动两种液压助力转向系统，目前在现代汽车上采用较多的是电动的液压助力转向1。1.2.4线控转向系统线控转向是汽车电子技术突飞猛进的发展新兴的产物，线控转向系统是由转向盘机构、控制器和前轮转向机构构成的。线束把电信号传递到控制执行元件，控制执行元件取代机械转向器的连接和传动，主控制器计算参数后，向执行器传送信号到助力电动机，转向电动机工作产生助力矩。线控转向系统让当代的车辆驾驶更安全、操纵更便利、更具有舒适性。1.31.3汽车转向装置的设计趋势汽车转向装置的设计趋势当今社会，快节奏的生活，更促进人们对高速和体验的不断追求，由于汽车数量越来越多，交通状况越来越复杂，多崎岖不平路面，对转向系统的损伤增大。为了改善这些因素，各汽车生产企业和科研机构花了很大功夫。设计出怎样的汽车转向特性才能具有更好的操纵性能这一重要课题进行反复研究和新技术的研发。转向系统也由单纯的转向逐渐向安全性方面靠拢。全套图纸加扣30122505823一、为适应新时代的时代发展需求，新型化的转向系统研究与应用应该减小传动误差、优化设计、减轻磨损、提高传动效率等方面设计。二、降低驾驶疲劳，使操纵更轻便稳定是动力转向技术研发的重要方向，考虑到动力转向系统制造的成本性较高，在高级轿车上应用较多，但随着时代的发展，技术的不断成熟，在今后的车型中广泛运用动力转向器不是遥不可及。三、从汽车车速更快，道路车流更拥堵的当今时代，车辆行驶安全性、操纵更轻快便捷角度考虑，汽车转向器的配备应该采用工艺先进的、可变变速比的转向器、硬度强的转向器。1.41.4小结小结本设计结合江铃JX1043轻型货车的特点及其设计参数，通过方案论证选择合适的转向器结构形式确定结构方案，完成转向器的总体结构和主要零部件的设计，选择转向器零部件的材料并进行校核计算，最后对设计进行优化并绘制转向器总成的装配图及主要零部件的图纸。全套图纸加扣301225058242.2.汽车转向系统汽车转向系统2.12.1概述概述在汽车要进行转向行驶时，转向系统通过传输转向力矩，左右转向轮通过传动机构（执行器）以不同的角度匹配确保汽车沿设想轨道行驶。这样的机构就是汽车的转向机构。汽车的转向系统能够按照司机人为意志在开车时更改方向，且在行驶过程中车轮驶过坑洼路面而造成汽车受到偶然冲击或行驶方向意外偏离的时候，转向与行驶系统配分工合一起承担着车辆能安全行驶不跑偏的性能。图2-1转向系1：方向盘；2：转向上轴；3:托架；4:万向节；5:转向下轴；6:防尘罩；7:转向器；8:转向拉杆2.1.1转向系组成操纵机构、转向器和传动机构一起形成了车辆转向系统。盘、轴、管柱等转向机件拼装成为操纵机构，该机构是把驾驶人转动转向盘的力传达至转向器，在转向轴和转向器的输入端安装转向万向节可以有利于整体比较容易布置，机构在车辆行驶时相互移动的误差缩小和降低零部件工作时行为偏差产生的额外载荷，有效的提高了汽车正面相碰撞时的安全性以及拆装时比较容易2。全套图纸加扣30122505825转向器:把驾驶员转动转向盘的转动力转化成促使摇臂发生相应动作的力或促使齿条轴在同一平面内进行来回运动的力，并将司机人为转动转向盘输出的转矩按照一定的比例进行放大的机构称之为转向器。在车架上安装转向器，操纵力利用转向器可以更改传动方向。操纵拉杆、摇臂及梯形臂等构成的机构称之为转向传动机构。利用转向器传出来的力矩转移至转向节，促使车辆左右前轮按照一定的偏转角进行偏转的功用就是转向传动机构所具备的能力，只有这样才能使汽车在需要转向时降低车轮与地面的相对滑动。2.1.2对转向系统设计的要求：角传动比和力传动比形成了转向的传动比。当方向盘的直径尺寸以及转向轮所受到阻力固定不变时，为了使转向轻便，转向系统角传动比必须变大，但转向不够灵敏；若要使得车辆行驶时转向较为灵敏快捷，则转向系统角传动比必须要变小，但是驾驶员转动方向盘时比较费力。转向角传动比以方向盘能够旋转的最大总圈数和转动时是否轻松便捷来确定的。一般要大于15-16，在适合的范围取值，不宜过大。一般情况下，轿车在有助力转向的情况下转向力约为2050N；无动力转向时为50100N，同时转向盘转动的圈数不能大于4圈。在设计转向系时应考虑到转向杆系统和悬架导向机构共同作用时会产生运动干涉，须最大限度降低其运动干涉。所设计的转向系统转向轮应设计出具有自动回正的能力。汽车轮胎的侧偏特性和车轮定位参数决定转向轮是否有回正的能力。汽车转向系统有合适的前轮定位参数，同时限制转向系统内部机件运动产生的摩擦阻力大小和阻尼值，可获得相应的回正力矩，同时可为汽车提供可靠的稳定性。但回正力矩只能取适合值，不宜取太大或取太小，太大会使转动转向盘施加的力变大，动作不能轻易完成，太小则会时转向轮失去回正的作用或者回正时间过长，从而导致车辆行驶时容易跑偏。若要修正这一容易跑偏现象，可以提升逆效率，当采用这种转向器时，驾驶员感知通过其传递的一部分反作用力来确认路面情况，同时也能实现转向轮慢幅度的回正，只不过回正的时间有长有短，这个可以调节的。当遇到很大的反作用力的时候，才会有部分反作用力被传到方向盘上，这种情况下，转向器副传动已经缓冲不了过大的反作用力。但会使轮胎所受大部分的力传到方向盘造成驾驶员人身受到伤害。在转向器运转过程中，输出与输入功率的比叫做传动效率。可逆式转向器可将地面的反作用力容易传递到驾驶员手中，形成“打手”现象，使驾驶员在驾驶过程全套图纸加扣30122505826中会因为打手而驾驶紧张。但是可逆式转向器能够让转向盘自动回正。不可逆转向器逆效率低，不平路面产生的作用力也不能传到方向盘，让驾驶员丧失了对路面的感知，所以这是不可逆转向器的缺点。同时，转向器的转向力矩不可调，工作时间一长，转向力矩变大，会导致驾驶操作起来吃力困难。具有自行清除改善因为机件之间工作时产生行为运动而相互磨合而形成间隙的调试整合机构及提升了系统运行稳定的机构位于转向器和传动机构的球头处。转向轴和转向盘应具有使驾驶员在车祸事故中避免或减轻伤害的防伤机构。汽车在转向时转向盘所转动的方向必须与转向轮旋转的方向一致，汽车所有车轮应围绕同一个圆心旋转，不能出现侧滑的现象。汽车在行驶至地面坑洼路面时，转向轮受到冲击所产生的力传至转向系统再由转向系统传递到转向盘这样反冲的力要尽量减到最小。不论在何种行使的条件下，车辆转向轮都不能有摆振的情况发生。汽车转向盘打死后行驶一周半径的大小最能体现出车辆机动性。而最小转弯半径由汽车轴距、主销偏移距、内转向车轮极限转角来决定，若最小转弯半径越小则需要将调整极限转角增大，而轴距和主销偏移距就越小3。转向系统的传动比决定转向盘的灵敏性，而转向盘的灵敏性是由转向盘转动圈数来体现的。同时，转向系传动比还决定转向操纵起来是否轻松便捷，但转向系的传动比越大，转向盘就越快速敏捷，转向系统的操纵就越不轻松便捷。转向的操纵是否轻松便捷和转向是否快速敏捷二者是矛盾的。为了能达到二者兼得的效果，汽车转向器可以提高转向系的正效率，但过高的正效率也会提高汽车的逆效率，或可以采用有助力形式的转向器，再或者可以采用可变传动比的转向器，通过调整合理的转向梯形可以保证汽车在转向时内外转向轮转动角度可以相互协调。采用齿轮齿条式转向器的汽车转向系统，根据适当的安装齿轮与齿条位置的同时选取适合的齿轮与齿条规格型号，可以有效调整转向盘和转向轮之间转动角度的关系，且前置转向梯形和后置转向梯形却是相反的。全套图纸加扣301225058273.3.方案论证及确定方案论证及确定虽然现今科学技术飞快发展，动力转向技术越发成熟，转向器逐渐以动力转向为发展趋势，但对于大部分汽车来说应用最广泛的转向器形式还是机械式转向器比较多，根据不同车型、前轴载荷情况和汽车使用环境等条件来确定选取的转向器类型，同时涉及到所选取的转向器角传动比有关变化、传动效率等特性对车辆行驶条件的使用程度，以及转向器的使用寿命和加工工艺等其他性能为汽车选取适合的转向器，机械式转向器制造成本较低，整体结构较为简单，同时能满足汽车使用工况，所以机械式转向器使用范围还是比较广泛的。机械转向器可分为齿轮齿条式、蜗杆滚轮式、循环球式和蜗杆指销式等形式，它们的分类是按照转向器自身结构特点的不同区分的。经过不断改进的技术改革，消除了循环球式转向器寿命不长的弊端，提高了其使用寿命，另外循环球式转向器相对于齿轮齿条转向器来说，在传动效率相互持平的情况下，循环球式的传动比可以改变，基于不同的传动效率进行改变传动比，适合用来做整体式转向器。齿轮齿条式转向器和循环球式转向器是当代车辆使用较为普遍的两种转向器，而蜗杆滚轮式转向器、蜗杆指销式转向器因为自身存在结构复杂不易加工制造且传动效率低下等缺点，现在大多数的汽车生产厂商已经很少在汽车上采用这两种转向器，随着时间推移，技术的不断进步发展，蜗杆滚轮式转向器、蜗杆指销式转向器正渐渐被市场所淘汰。3.13.1循环球式转向器循环球式转向器循环球式转向器中的一套传动副是由螺旋槽上加装钢球形成的，其中螺旋槽是由滚珠螺杆和螺母构成的，循环球式转向器另一套传动副是由旋转螺母上的齿条和摇臂轴上的齿扇啮合传动构成的，如图3-1所示。循环球式转向装置的工作形式是根据齿轮机构，当驾驶员旋转转向盘时，齿轮机构先把方向盘所产生的转力矩削弱处理，再将转向盘的转动方式专变为涡轮蜗杆式的转动形式。滚珠螺杆和螺母构成的螺旋槽中加装着钢球，所以滚珠螺杆与螺母依靠钢球啮合转动形式变为线型运动形式，转动的螺母再与摇臂轴上的齿扇啮合，滚珠螺杆与螺母的线型运动方式再次变为螺母与齿扇的旋转运动，推动连杆臂摇动带动左右拉杆和横拉杆做直线往返运动，从而可以改变车轮方向达到转向的目的16。全套图纸加扣30122505828图3-1循环球式转向器循环球式转向器的优点：在装置中加装了一套可以滚动的滚球，滚球的滚动摩擦代替了其他形式转向器的滑动摩擦转，所以传动效率比较高。一般达75%85%左右；在制造循环球式转向器时为保证有够长的使用寿命和够高的硬度和耐磨特性，一般在循环球式转向器的结构上和加工工艺上采取相应的措施，主要有提高啮合精度，降低滚动钢球和螺旋槽以及齿条和齿扇啮合表面的粗糙程度。转向器的传动比是可以改变的；汽车在转向时转向器运转平稳；同时循环球式转向器特有的结构使调整齿条和齿扇之间的间隙工作更容易完成（图3-2）；参照转向器的自身优点和结构来看，此转向器适合用来做整体式动力转向器。图3-2循环球式转向器的间隙调整机构循环球式转向器的缺点：循环球式转向器自身存在逆效率高的缺点，导致转向过于灵敏，同时自身结构比较复杂导致制造加工起来存在困难，制造精度的要求也很高。循环球式转向器在大、中型车辆上采用比较普遍。全套图纸加扣301225058293.23.2蜗杆滚轮式转向器蜗杆滚轮式转向器蜗杆和滚轮啮合转动构成了蜗杆滚轮式转向器。蜗杆滚轮式转向器的优点是：自身结构较为不复杂所以制造转向器过程比较容易完成；齿面与螺纹之间的接触是以面接触的，所以蜗杆滚轮式转向器有高强度，具有可靠的工作性能，机件传动相互磨损比较小所以使用寿命较长，同时具备较低的逆效率17。该转向器的缺点是:因为蜗杆滚轮式转向器具有较低的逆效率，所以带来的正效率也很低；因自身结构的缺陷，齿面相互啮合磨损后，对于啮合间隙的调整工作进行起来比较困难；同时蜗杆滚轮式转向器具有不能改变的传动比。蜗杆滚轮式转向器曾经风靡一时，在汽车上普遍使用过，但随着时代的发展和科学技术的不断进步，蜗杆滚轮式转向器逐渐退出了历史的舞台，目前汽车上基本上不采用蜗杆滚轮式转向器。3.33.3蜗杆指销式转向器蜗杆指销式转向器蜗杆指销式转向器中有主动件与从动件两种形式构成，主动件是以转向蜗杆形成的，从动件是以装在摇臂轴的曲柄端指销构成的，蜗杆指销式转向器可以分为两种类型，一种是蜗杆的销子本身不能自已转动，可以把这种转向器称之为固定销式蜗杆指销式转向器4；另一种类型是销子不仅能跟着摇臂轴一起转动，还可以围绕自己本身轴线进行转动，这种类型的转向器称之为旋转销式转向器。单销和双销的说法是由销子的个数来命名的。蜗杆指销式转向器的工作原理是当转向蜗杆受力工作传动时，与转向蜗杆相互啮合的指销随即围绕着摇臂轴的轴线做圆弧运动，同时指销的传动带动着摇臂轴转动起来，达到转向的目的。蜗杆指销式转向器的优点是：蜗杆指销式转向器自身结构较为简单，所以加工制造比较容易完成，同时蜗杆指销式转向器可以根据汽车类型和需要制作成可变或者不变的传动比，能满足各种汽车的需求；指销和蜗杆长期工作产生间隙，调整接触面起来较为容易；但是销子之所以磨损快、工作效率低是因为它自身不能自已转动，所以它工作的部位是固定不变而导致，然而旋转销式转向器则与固定销式蜗杆指销式转向器的特性相反，但是自身构造比较复杂，产品不易加工。根据汽车类型的需要，摇臂轴需要完成较大的转角的时候，这样类型的汽车就需要采用双指销式转向器。汽车在直行时，两个销子一起运转，这样的好处在于两个销子同时分担相应的负荷，可以有效的减少销子的磨损。在设计销子的时候需要考全套图纸加扣301225058210虑到若出现其中一个销子损坏，完全脱离工作啮合状态时，另一个销子则需要承受最大值的作用力，所以需要核算销子疲劳强度。双销式与单销式相互比较，双销蜗杆指销式转向器自身构造比较复杂、同时该转向器的外形尺寸和自身质量都很大，并且双销蜗杆指销式转向器对两主销之间的形位公差、螺纹槽尺寸和形状要求都很高。除此之外，双销蜗杆指销式转向器传动空隙的变化和传动比受到限制5。居于以上种种缺点的限制，蜗杆指销式转向器在汽车上应用较少，已被市场淘汰。3.43.4齿轮齿条式转向器齿轮齿条式转向器由齿轮和齿条所组成的转向装置称之为齿轮齿条式转向器，齿轮齿条式转向器的传动比在整个转向过程中可以变化的关键取决于齿轮齿条式转向器中齿条采用的齿形。传动比可以变化大大减少了回正转向时所需的作用力或转向行程。变化的传动比由齿条的齿形决定，而齿轮齿条式转向器转向传动比的大小由转向盘可以旋转最多数即小齿轮转数和齿条相互的比值来确定的。齿轮齿条式转向器的优点是：齿轮齿条式转向器自身构造不那么复杂、外观比较紧凑；考虑到转向器质量太大所导致的种种问题，齿轮齿条式转向器壳体都采用铝合金或镁合金压铸加工制成的，有效的降低了转向器自身的质量，也降低了制造的成本；它的传动比是可变的，效率可达90%之高；采用齿轮齿条式转向器的汽车，不用再担心齿轮与齿条间因长期的啮合磨损出现间隙后，消除间隙的工作难以进行的问题。齿轮齿条式转向器可以利用压紧力调节弹簧，如图3-3所示，能自行消除间的间隙。因为齿轮齿条式转向器可以自动消除齿间间隙，所以转向器的刚度得到提升，同时有效的阻止运行时撞击产生异响。因为结构简单，所以省了很大的空间，转型器直接省略了摇臂和直拉杆，有效的增大了转向角度。图3-3自动消除间隙装置全套图纸加扣301225058211齿轮齿条式转向器的缺点:因为齿轮齿条式转向器正效率较高，带来60%70%的逆效率，当汽车行驶至坑洼路面时，转向轮与坑洼路面之间接触，产生的大部分撞击力能转移至驾驶室的转向盘上，这种效果称之为反冲现象。驾驶员在遇到这种现象的情况下会使导致神情慌张，操作失误，且控制汽车行驶方向比较困难，冲击力转移到转向盘处，会突然促使转向盘难以控制的突然旋转，会对驾驶员造成打手现象，给驾驶员带来人身伤害。齿轮齿条式转向器的形式可以满足不同的汽车使用类型及转向器的总布置需要，如下图所示，（图3-4a）的输入及输出类型为中间输入，两端输出；（图3-4b）的输入及输出类型为侧面输入，两端输出；（图3-4c）的输入及输出类型为侧面输入，中间输出；（图3-4d）的类型为侧面输入，一端输出18。图3-4齿轮齿条式转向器的四种形式当转向器选用中间输入，两端输出方案的时候，直接连接转向拉杆，其长度被限制在一定的程度上，易与悬架系统的导向机构运动相互干涉。当转向器选用侧面输入，中间输出方案的时候（图3-5），相对于输出两端的中心杆的输出长度增加，当车轮跳动时，车轮跳动幅度对拉杆的影响小，拉杆与悬架系统之间运动干涉。两拉杆与齿条之所以可以同时向左或向右移动，是因为拉杆与齿条用螺栓固定相互连接，因此在转向器壳体上加工成轴向长槽，从而转向器的壳体强度有所降低。全套图纸加扣301225058212图3-5拉杆与齿条的联接侧面输入，一端输出用于平头微型货车。如果选用直齿圆柱齿轮，齿轮啮合度小，那么齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角则是直角，降低了齿轮齿条式转向器工作的平稳性，会产生严重的打手现象，同时会导致零件撞击产生较大的噪声。因此齿轮齿条式转向器与车身总体布置不适应而被时代淘汰。若选取斜齿圆柱齿轮，齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角可以满足整车的布置要求，斜齿轮啮合性好，转向器整体运转相对比较平稳，工作噪声小。降低了齿轮的载荷，提高了齿轮的承载能力，转向器轴承应采用推力轴承，延长使用寿命。齿条断面形状有三种，分别是圆形（图3-3）、V形（图3-6）和Y形（图3-7）。圆形断面加工制作工艺相对比较简单，在加工制造时节省了20%材料，所以它的质量比较小；对于Y形断面齿条来说。在齿条的宽度增加，所以增加了断面的宽强度。为了减少齿条与托座之间的滑动摩擦，通常在齿条与托座之间装有聚四氟乙烯（减磨材料）垫片，如图（图3-6）。为防止因转向器工作时转向轮跳动，在转向器上作用齿条而产生旋转力矩而导致齿轮、齿条的齿不能正确相互啮合的情况，通常情况下选用V形和Y形断面齿条19。转向器的壳体上设计有一个导向槽，槽内嵌入导向模块。导向模块与齿条互相固定，齿条与模块与随之一起移动。这一设计有效防止了齿条单独旋转。对于这一结构的设计要求导向块与转向槽之间配合的松紧程度要适当。如果导向块与转向槽之间的配合过紧会导致转向轮回正的时候比较困难，当导向块与转向槽之间的配合过松齿条能旋转，但机件工作时产生碰撞噪声。图3-6V形断面齿条图3-7Y形断面齿条齿轮齿条式转向器有四种布置形式，它是根据转向器和转向梯形相对前轴位置不同而分类的，其四中布置形式有：转向器安装在前轴后方，前置梯形、转向器安装全套图纸加扣301225058213在前轴前方，前置梯形、转向器安装在前轴的后方，后置梯形4；转向器安装在前轴前方，后置梯形如图3-8所示。图3-8齿轮齿条式转向器的四种布置形式车上采用，因为没有布置转向连杆的空间。当采用独立悬架的前置-后轮驱动的汽车采用这种转向器时，需要附加断开式转向梯形结构，这会增加重量和成本。终于以上优点，齿轮齿条转向器普遍运用在前轴载荷不大的车型上，如A级、B级、C级轿车上和微、轻型载货汽车上，当然如载货汽车和乘用车采用前轮独立悬架形式的车型也有采用齿轮齿条式转向器。3.53.5小结小结由以上各种形式的转向器方案的分析以及车型所给参数的要求，本次采用齿轮齿条式转向器设计方案的结构形式设计江铃JX1043轻型货车转向器。依据前文对齿轮齿条式转向器的结构形式的分析论证以及布置形式的分析，本次设计齿轮齿条式转向器的最终方案为：采用中间输入，两端输出的形式；布置为转向器位于前轴后方，后置梯形；齿条断面形状采用制造工艺简单的圆形。全套图纸加扣3012250582144.4.转向器主要性能参数计算转向器主要性能参数计算转向系的正、逆效率、转向器传动副的传动间隙特性、转向系的角传动比与力传动比、转向系的材料刚度以及转向盘的旋转最大总圈数构成了转向系统的主要性能参数5。表4-1江铃JX1043车型的整车参数4.14.1原地转向阻力矩原地转向阻力矩MMRR的计算的计算为了使汽车能够安全的驾驶，所选取的转向系上的各部位零件应有足够高的强度。若要算出转向系上各部位的零件参数，首先要明确系统中存在哪些力，然后进行受力分析。同时还需要明确这些力受到哪些外界条件因素的影响，比如转向轴的最大承受载荷和工况问题，行驶时路面与轮胎之间的摩擦阻力问题和路面与车胎气体压力等问题。转动转向轮时要克服路面对轮胎的阻力，和转向轮围绕主销运转所要克服的力、汽车从行驶到停止所克服的力、轮胎在承受汽车重力式发生弹性形变的力和系统内部的零件摩擦力等。计算汽车在正常行驶路面上原地转向阻力距Mr，轮胎在转向时的转向阻力距可以利用如下公式估计：(4-1)式中：f轮胎和路面间的滑动摩擦因数，一般取0.7转向轴负荷，单位为N；1GP轮胎气压，单位为。MPa则：=55%g=55%17459.8N=9405.55N1Gem名称驱动形式总质量（kg）主销偏移距a满载轴荷（kg）发动机最大功率数值62420550mm1745252588KW名称轴距(mm)轮距(mm)前轮气压（Mpa）轮胎最小转弯半径（m）数值2750151015080.257.OOR16LT6.5313RGfMp全套图纸加扣301225058215=pGfMR31330.79405.55425679.8330.25)(mmN4.24.2转向盘手力转向盘手力驾驶员转动转向盘输出的力为：(4-2)式中转向摇臂长单位为mm；1L原地转向阻力矩单位为NmmRM转向节臂长单位为mm；2L为转向盘直径单位为mm；SWDIw转向器角传动比；+转向器正效率。由汽车设计手册在0.851.1之间，可约等于1。=4.34.3角传动比与力传动比角传动比与力传动比转向系统中的角传动比由转向器的角传动比和转向传动机构角传动比组0iii成，转向传动机构的角传动比可用转向节臂臂长和摇臂臂长之比来表示，即2L1L，在汽车结构中和的比值在0.851.1之间，可粗略认为比值为1，即21iLL2L1L15。已知转向器角传动比在2025间，选=22，故转向系角传动比=22iwiwi0i两个转向轮胎与地面中心各有两个作用点，并且作用于该两个作用点的力的合力与作用在转向盘的手力之比称之为转向系力传动比即：wFh=（4-3）pi2hFF转向阻力等于转向轮的转向阻力矩与转向节臂a之比：2FM（4-4）2aMF作用在转盘上的手力等于转向盘的力矩与转向盘的直径之比：hFhMSWD20122RhSWwLMFLDi122RhSWwLMFLDi002425679.83107.494002290N21LL全套图纸加扣301225058216（4-5）整理得：（4-6）转向系统中因转向时零件间摩擦消耗的损失力矩省略不计，等于转向系MhM的角传动比，所以传动比可表示为：0i（4-210aSWpiDiA7）式中a为轮胎的胎面宽度尺寸，乘用车在0.4-0.6倍尺寸范围内选取，而载货汽车的a值在40-60mm范围内选取，本次设计取a=50mm6表4-2转向盘直径参考值汽车类型转向盘直径mm轿车、小型客车、小型货车400中型客车、中型货车450、500大型客车、大型货车550查表可知轻型货车转向盘直径选取400mm，将数据带入式中有：SWDhhSWMFD2aSWphhFMDiFM022400176a50SWpiDiA全套图纸加扣3012250582174.44.4转向车轮的最大转角转向车轮的最大转角图4-1理想的内、外车轮转角关系简图确保所有车轮围绕一个瞬时转向中心运行，梯形机构应确保内部，外部转角的转角关系，（4-8）式中：内转向车轮转角i外转向车轮转角oL汽车轴距K两主销中心线延长线到地面交点之间的距离。如图可知：（4-9）其中R是最小转弯半径，则02750sin0.426500所以=24.8则：o02750tan0.62cos65000.9(1500250)iLRK所以=38i0sinLRcotcotoiKL全套图纸加扣3012250582180sinLR（4-10）aKB2（4-11）0tancosLRB式中：L为汽车轴距2750mmR为汽车最小转弯半径6500mmB为前轮轮距1510mm；为主销偏移距50mm；为内轮转角将数据代入式（4-9）；（4-10）；（4-11），得=25.024K=1410mm=31.54全套图纸加扣3012250582194.54.5转向梯形机构尺寸初步确定转向梯形机构尺寸初步确定为保证汽车行驶的安全性，在一般情况下应尽量将梯形布置在前轴之后，横拉杆的高度应在前轴下表面以上15mm处，以避免路面的障碍物的撞击，如图4-3所示是一个后置转向梯形机构示意图，转向梯形的基本尺寸主要是梯形底角和梯形臂长m，一般可参考现有器材梯形臂长度m与两主销中心距B之比的统计数据后对梯形臂的长度m进行初选，其范围为m=（0.110.15）B7。本设计车型参数中的梯形臂长m为200mm，布置为转向器位于前轴后方，后置梯形。由此可知，梯形臂长m的范围为147.4mm201mm，设计参数给的梯形臂长m为200mm在以上范围之内，符合要求。图4-2转向梯形机构示意图梯形底角的余切值为（4-LB43cot12）代入数据，得70由图可知，左、右横拉杆长度与齿条之和为22cos14102200cos701273.2nPBmmm全套图纸加扣3012250582205.5.齿轮的设计齿轮的设计5.15.1齿轮的参数选择齿轮的参数选择在本次设计中，我选用斜齿圆柱齿轮，斜齿轮的重合度高，运行稳定，震动和噪声低，况且齿轮与齿条各自的轴线相交形成的夹角适用于汽车转向系总体布置要求。齿轮模数取23mm间，小齿轮齿数在5至7个范围内取值，压力角取20，齿轮螺旋角在9至15间取值，转向盘转动转向轮至最大旋转角度的时候齿条相对移动的最大行程的值来确定齿条的齿数，变速比齿条压力角在12至35之间8，小齿轮选取国内性能优良的20MnCr5材料制造并经渗碳淬火，硬度在50-60HRC之间，取值55HRC。为考虑质量问题，壳体采用铝合金压铸。正确啮合条件：；mmm212121BB表5-1齿轮主要设计参数名称代号数值模数m2.5齿数z6压力角20齿顶高系数ah1旋转角13顶隙系数c0.255.25.2齿轮的设计计算齿轮的设计计算分度圆直径112.5615.46cos0.97nmzdmm齿顶高2.510.74.25nannhamhmm齿根高2.510.250.71.375nannnhfmhcmm齿高4.251.3755.625hhahfmm齿顶圆直径1215.468.523.96dadhamm全套图纸加扣301225058221齿根圆直径1215.462.7512.71dfdhfmm基圆直径1cos15.46cos2014.53bddmm齿宽1dbd其中查表得=1.2d则:=1.215.46=18.552则取b=30mm1dbdmm法向齿厚:=4.593mm5.2364.07.022tan22nnnnms端面齿厚:=5.275mm20.72tan20.3672.52522costtttsm齿距p=m=3.14mm85.75.2齿轮中心到齿条基准线距离H=d2+xm=9.48mm5.35.3强度校核强度校核斜齿圆柱齿轮根据齿轮法面进行分析该强度的，根据机械设计教材资料，该齿轮可按7级精度制造。5.3.1齿轮弯曲疲劳强度计算（1）计算许用弯曲应力（5-1）22limminFSTFPNXFYYYS式中：试验齿轮齿根的弯曲疲劳极限应力；limF试验齿轮的应力修正系数；STY弯曲疲劳强度计算的寿命系数；NY弯曲疲劳强度计算的尺寸系数；XY弯曲强度的最小安全系数minFS查表可知:lim525FMPamin1.25FS2STY1.0XY计算应力循环次数N，确定寿命系数、。NZNY760601151083002.1610Nant式中：齿轮每转一周，同一侧齿面的啮合次数；a全套图纸加扣301225058222齿轮转速(rmin)；n齿轮的设计寿命(h)t根据N查表得：1NY则limmin5252118401.25FSTFPNXFYYYMPaS（2）计算齿根弯曲强度并校核斜齿圆柱齿轮的弯曲疲劳强度计算校核公式：（5-2）tFaSaFFPnKFYYYbm式中：齿间载荷分配系数查表得=2.019FaYFY齿向载荷分配系数查表得=1.6SaYSaY螺旋角影响系数，查表得0.75Y断面重合度，查表得1.211；a齿宽，已求得=30bbmm确定载荷系数KAvKKKKK式中：使用系数；AK动载系数；vK弯曲强度计算的齿面载荷分布系数；K弯曲强度计算的齿间载荷分配系数K查表得：.081vK1AK1.08K1.1K