转向柱式电动助力转向系统设计论文

摘 要电动助力转向系统就是在机械转向系统中,用电池作为能源, 电动机为动力, 以转向盘的转速和转矩以及车速为输入信号, 通过电子控制装置, 协助人力转向, 并获得最佳转向力特性的伺服系统。EPS 汽车转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性, 对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。电动助力转向系统主要由减速机构和转向机构组成，减速机构把电动机的输出经过减速增扭传递到动力辅助单元，实现助力。由于蜗轮蜗杆传动比大，传动平稳噪声低故减速机构选为蜗轮蜗杆式。由于齿轮齿条式转向器，传动平稳，结构简单故转向机构选为齿轮齿条式。本文设计研究了电动助力转向系统，对其工作原理做了阐述，对蜗轮蜗杆减速器中的蜗轮与蜗杆做了详细的设计计算，并进行了选型。同时对齿轮齿条式转向器的结构进行分析，并对其重要零件进行了设计计算与强度校核。关键字：减速器；转向器；设计；齿轮；轴；校核ABSTRACTElectric power steering system is in mechanical steering system, use battery as energy, motor as a driving force, the steering dish speed and torque and speed of the input signal, through the electronic control unit, to help the human steering, and get the best to force characteristics of servo system. EPS automobile steering system performance directly influence to the cars steering stability, to ensure that the vehicles safety driving, reduce the number of traffic accidents and protecting the personal safety of the driver, improve the working conditions of the driver plays an important role. Electric power steering system mainly consists of deceleration institutions and steering mechanism composition, slowing institutions to increase the output after slowing motor relay to the power auxiliary units twisted, realize the power. Because worm transmission large and stable transmission low noise so slow institutions elected worm type. Because rack-and pinion steering gear-component with simple structure, stable transmission, is steering mechanism selected for rack-and pinion type. The paper presents the design of electric power steering system was studied, the principle of work of worm gear and worm reducer elaboration, the worm gear and worm to do a detailed design calculation, and a selection. Meanwhile to the structure of rack-and pinion steering gear-component are analyzed, and the important parts of the design calculation and strength check. Keywords : reducer; steering gear; Design; Gear; Axis;Checking目 录摘要IABSTRACTII第 1 章 绪 论11.1 汽车的发展趋势11.2 汽车转向技术的发展11.3 电动助力转向系统研究的状况及发展趋势21.4 电动助力转向系统设计的目的和意义31.5 研究的主要内容3第 2 章 电动助力转向系统主要参数的确定42.1 电动助力转向系统的分析42.1.1 电动助力转向系统的工作原理42.1.2 电动助力转向系统的类型42.2 助力电动机的选择62.2.1 电动机的概述 62.2.2 电动机的参数计算72.3 电磁离合器的选择82.4 扭矩传感器的选择92.5 本章小结9第 3 章 电动助力转向系统减速机构参数的设计103.1 减速机构的分析及布置形式的确定103.2 蜗轮蜗杆材料的选择113.3 普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算113.3.1 设计要求113.3.2 选择蜗杆传动类型113.3.3 蜗杆模 数及分度圆直径的确定113.3.4 蜗杆与蜗轮的主要参数及几何尺寸的确定133.4 蜗轮齿根弯曲疲劳强度的校核153.5 本章小结17第 4 章 减速机构轴和轴承的设计及校核184.1 轴的概述184.2 转向轴的设计与校核184.2.1 转向轴的设计184.2.2 转向轴的校核204.3 蜗杆轴的设计及校核234.3.1 蜗杆轴的设计234.3.2 蜗杆轴键的选取234.3.3 蜗杆轴的校核234.4 轴承的选取与校核264.4.1 轴承的选取264.4.2 轴承的校核264.5 本章小结28第 5 章 齿轮齿条式转向器的设计295.1 齿轮齿条式转向器的概述295.1.1 齿条的概述295.1.2 齿轮的概述295.1.3 设计要求295.2 齿轮齿条材料的选择与参数的确定295.2.1 材料的选择295.2.2 计算许用应力295.2.3 初步确定齿轮的基本参数的主要尺寸305.2.4 确定齿轮传动主要参数的几何尺寸315.2.5 齿轮强度校核325.3 轴设计与轴承的选择345.3.1 轴的设计345.3.2 轴的校核345.3.3 轴承的选取355.4 本章小结36结论37参考文献38致谢39附录40第 1 章 绪 论1.1 汽车的发展趋势自 1886 年德国人卡尔.本茨(CarlBenZ)研制成功世界上第一台单缸两冲程汽油三轮汽车以来，汽车工业已经走过了一个多世纪曲折而辉煌的历程。上个世纪二十年代汽车工业已经开始大规模生产，随着相关技术的发展，特别是在第二次世界大战中的技术更新，进一步促进了汽车工业的迅速发展和进步。今天，汽车产业在世界上大多数国家的国民经济中都成为了支柱产业。据统计，2000 年世界汽车产量己达到 5733万辆，比 1999 年增长 2.8%。我国 2000 年生产汽车 206.82 万辆，2003 年生产汽车444 万辆，目前已成为美国、日本、德国之后的世界第四大汽车生产国。不久前，商务部公布中国汽车近三年来的年产量正以 50%的速度增长。由于中国及其他发展中国家汽车市场的扩大，全球汽车这种增长趋势还会持续下去。但是，这种快速增长也带来了一些负面影响，如空气污染、交通事故和能源紧张等问题。随着人们对汽车特别是轿车的经济性、舒适性、环保性和安全性的日益重视，低排放汽车(LEV)、混合动力汽车(HEv)、燃料电池汽车(FCEV)、电动汽车(EV)这四大类型汽车将构成未来汽车发展的主体。1.2 汽车转向技术的发展汽车在行驶过程中，经常需要改变行驶的方向，称为转向。轮式汽车行驶是通过转向轮(一般是前轮)相对于汽车纵向轴线偏转一定的角度来实现的。汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专用机构。其作用是使汽车在行驶过程中能按照驾驶员的操纵要求而适时地改变其行驶方向，并在受到路面传来的偶然冲击及汽车意外偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶。因此，转向系统的性能直接影响着操纵稳定性和安全性。按转向动力能源不同，汽车转向系统可分为机械式转向系统和动力转向系统两大类。机械式转向系统是以人的体力为转向能源的，其中所有的传力件都是机械的，它主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成。汽车转向器作为汽车转向系统的重要零部件，其性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性和可靠性。汽车动力转向系统是在机械转向系的基础上增设了一套转向加力装置所构成的转向系(如液压动力转向系统中的转向油罐、油泵、控制阀、动力缸等)，它兼用驾驶员的体力和发动机动力作为转向能源。在正常的情况下，汽车转向所需的力大部分由发动机通过转向加力装置提供，只有一小部分由驾驶员提供。但在动力转向失效时，驾驶员仍能通过机械转向系统实现汽车的转向操纵。长期以来，汽车转向系统一直存在着“轻”与“灵”的矛盾。为缓和这一矛盾，过去人们常将转向器设计成可变速比，在转向盘小转角时以“灵”为主，在转向盘大转角时以“轻”为主。但“灵”的范围只在转向盘中间位置附近，仅对高速行驶有意义，并且传动比不能随车速变化，所以不能根本解决这一矛盾。随着动力转向系统的产生，液压动力转向系统(HPS)以其具有的转向操纵灵活、轻便，设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大，并可吸收路面对前轮产生的冲击等优点，自 20 世纪 50 年代以来，在各国汽车上得到普遍采用。但传统的液压动力转向系统需消耗一定的能量，增加了汽车的燃油消耗量，液压动力转向系统所引起的燃油消耗量约占整车燃油消耗量的约30%。随着电子技术的发展，电子控制式机械液压动力转向系统(EHPS)应运而生，该系统在某些性能方面优于传统的液压动力转向系统，但仍然无法根除液压动力转向系统的固有缺憾。此外，传统液压动力转向系统在选定参数完成设计之后，转向系统的性能就确定了，不能再对其进行调节与控制。因此，传统液压动力转向系统协调转向力与操纵“路感”的关系困难。低速转向力小时，高速行驶时转向力往往过轻、“路感”差，甚至感觉汽车发“飘” ，从而影响操纵稳定性;而按高速性能要求设计转向系统时，低速时转向力往往过大。电动助力转向系统(Electric Power Steering System，简称 EPS)，是继液压动力转向系统后产生的一种新的动力转向系统。电动助力转向系统由电机提供助力，助力大小由电控单元(ECU)实时调节与控制，可以较好地解决上述液压动力转向系统所不能解决的矛盾。目前，电动助力转向系统有代替液压动力转向系统的趋势。1.3 电动助力转向系统研究的状况及发展趋势1988 年 2 月日本铃木公司首次在其 Cervo 车上装备 EPS , 随后还用在了其Alto 车上。在此之后, 电动助力转向技术如雨后春笋般得到迅速发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司, 美国的 Delphi 汽车系统公司、TRW 公司, 德国的 ZF 公司, 都相继研制出各自的 EPS。比如 : 大发汽车公司在其 Mi2ra 车上装备了 EPS , 三菱汽车公司则在其 Minica 车上装备了 EPS ; 本田汽车公司的Accord 车目前已经选装 EPS , S2000 轿车的动力转向也将倾向于选择 EPS ;Delphi 汽车系统公司已经为大众的 Polo 、欧宝的 318i 以及菲亚特的 Punto 开发出 EPS 。TRW 从 1998 年开始, 便投入了大量人力、物力和财力用于 EPS 的开发。他们最初针对客车开发出转向柱助力式 EPS , 如今小齿轮助力式 EPS 开发也已获成功。1999 年 3 月 , 他们的 EPS 已经装备在轿车上, 如 Ford Fiesta 和 Mazda 323F 等 。Mercedes OBenz 和 Siemens Automotive 两大公司共同投资 6500 万英镑用于开发EPS , 他们的目标是到 2002 年装车, 年产 300 万套, 成为全球 EPS 制造商。他们计划开发出适用于汽车前桥负荷超过 1200kg 的 EPS，因此货车也将可能成为 EPS 的装备目标。而我国在 2002 年才开始研制开发汽车 EPS 产品, 目前已经知道的有 13 家企业和科研院校正在研制中。其中南摩股份有限公司( 生产转向柱式的 EPS 产品) 在 2003 年开始进入小批量生产阶段, 其他厂家和科研院校均在开发阶段中。EPS当前已经较多应用在排量在1.3L-1.6L(含MMPV 微型多功能车) 的各类轻型轿车上,其性能已经得到广泛的认可。随着直流电机性能的提高和42V 电源在汽车组件上的应用,其应用范围将进一步扩宽,并逐渐向微型车、轻型车和中型车扩展。另外EPS 的控制信号将不再仅仅依靠车速与扭矩, 而是根据转向角、转向速度、横向加速度、前轴重力等多种信号进行与汽车特性相吻合的综合控制, 以获得更好的转向路感。未来的EPS将朝着电子四轮转向的方向发展, 并与电子悬架统一协调控制。1.4 电动助力转向系统设计的目的和意义随着汽车行业的蓬勃发展，人们对于汽车功能的要求变得越来越高，EPS系统也迎来了巨大的市场需求，许多厂商都以EPS系统作为一个卖点，来吸引顾客买车。所谓电动转向( EPS) , 就是在机械转向系统中,用电池作为能源, 电动机为动力, 以转向盘的转速和转矩以及车速为输入信号, 通过电子控制装置, 协助人力转向, 并获得最佳转向力特性的伺服系统。EPS汽车转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性, 对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。特别是EPS用电动机直接提供助力，助力大小由电子控制单元（ECU）控制。它能在汽车低速行驶转向时减轻转向力使转向轻便、灵活; 在汽车高速行驶转向时, 适当加重转向力, 从而提高了高速行驶时的操纵稳定性 , 增强了路感 。不仅如此,EPS 的能耗是HPS能耗的1 /3以下, 且前者比后者使整车油耗下降可达3% - 5%, 因而, 它能节约燃料，提高主动安全性，且有利于环保。1.5 研究的主要内容1、对电动助力转向系统进行分析确定其布置形式。2、电动机、电磁离合器、扭距传感器的选取。3、在对EPS系统机构进行分析的基础上，设计了一套减速机构。4、设计齿轮齿条式转向器。第 2 章 电动助力转向系统主要参数的确定2.1 电动助力转向系统的分析2.1.1 电动助力转向系统的工作原理EPS 主要由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元( ECU) 、电动机和减速机构组成。其主要工作原理是: 汽车在转向时, 扭矩传感器会 “ 感觉”到转向盘的力矩和拟转动的方向。这些信号会通过数据总线发给电子控制单元, 电控单元会根据传动力矩、拟转的方向和车辆速度等数据信号, 向电动机控制器发出动作指令。电动机就会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩以产生助动力, 从而实现了助力转向的实时控制。如果不转向, 则本套系统处于休眠状态等待调用。由于它不转向时不工作, 所以也节省了能源。图2.1 EPS结构系统图2.1.2 电动助力转向系统的类型EPS 的类型通常可以按其电动机的减速机构的形式不同或电动机的布置位置不同进行分类。EPS 系统一般都有减速机构，电动机转矩输出经过减速机构减速增矩对 EPS 进行助力。根据汽车上转向器结构形式不同，EPS 可分为:循环球螺母式(图 2.2)、蜗轮蜗杆式(图 2.3)、齿轮齿条式(图 2.4)三种。循环球螺母式 EPS 电动机力矩的传递路线为:电动机循环球螺母齿轮条。蜗轮蜗杆式 EPS 电动机力矩的传递路线为:电动机蜗轮一齿轮条。齿轮齿条式 EPS 的电动机力矩的传递路线为:电动机行星齿轮副另设齿轮齿条。1力矩传感器 1电磁离合器2循环球螺母 2电动机3功率放大器 3扭矩传感器4电控单元 4转向轴5齿条 5蜗轮蜗杆机构6转向盘 6齿轮齿条机构7电动机8转向减速机构图 2.2 循环球螺母式 图 2.3 蜗轮蜗杆式1扭矩传感器 2转接盘3电动机 4电磁离合器5齿轮齿条机构图 2.4 齿轮齿条式根据电动机布置位置不同，EPS 可分为:转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式三种，如图 2.5 所示。转向轴助力式 EPS 的电动机固定在转向柱一侧，通过减速机构与转向轴相近，直接驱动转向轴助力转向。齿轮助力式 EPS 的电动机和减速机构与小齿轮相近，直接驱动齿轮助力转向。齿条助力式 EPS 的电动机和减速机构则直接驱动齿条提供助力。图 2.5 电动机布置位置不同的 EPS 的类型2.2 助力电动机的选择2.2.1 电动机的概述助力电动机是EPS 系统的动力源, 它根据ECU 输出的控制指令, 在不同的工况下输出不同的助力转矩, 对整个 EPS 性能影响很大, 因此需要具备良好的动态特性、调速特性和随动特性并易于控制, 而且要求输出波动小、低转大转矩、转动惯量小、尺寸小质量轻等, 因此, 常采用无刷式永磁直流电动机。为改善操纵感、降低噪音和减少振动, 在电动机转子外表面开出斜槽或螺旋槽, 而改变定子磁铁的中心处或端部厚度, 将定子磁铁设计成不等厚。2.2.2 电动机的参数计算根据任务书上的基本参数可知m1N28037.90.179)65(3.pGf31 RM式中 f轮胎和路面间的滑动摩擦因数；转向轴负荷，单位为 N；1P轮胎气压，单位为 ；MPa原地转向阻力矩；RM作用在转向盘的手力矩 为hFNiDLFwsRh 847.103%9540.283721 式中 转向摇臂长, 单位为 mm；1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；因齿轮齿条式转向传动机构无转向摇臂和转向节臂，故 、 不代入数值。1L2从而可知，人所需用的转矩为T=Fh =103.847 200=20769.4Nmm2Dsw设此力矩完全由电动机提供可得电动机转矩。蜗杆 =1 蜗轮 =301Z2ZT2= =T1 30 0.71T.ni故选电动机为：无刷永磁直流电动机。额定电压（V）12额定扭矩（N.m）1.76额定电流（A）30额定转速（V/min）1210最大外形尺寸（mm） 60 115根据电动机额定转矩可知蜗轮T2=1.76 1000 30 0.7=36N.m2.3 电磁离合器的选择电动式EPS转向助力一般都是工作在一个设定的范围。当车速低于某一设定值时，系统提供转向助力，保证转向的轻便性; 当车速高于某一设定值时，系统提供阻尼控制，保证转向的稳定性；而当车速处于两个设定值之间时，电动机停止工作，系统处于Standy状态，此时为了不使电动机和电磁离合器的惯性影响转向系统的工作，离合器应及时分离，以切断辅助动力。另外，当EPS系统发生故障时，离合器应自动分离，此时仍可利用手动控制转向，保障系统的安全性。EPS 系统中电磁离合器应用较多的为单片干式电磁离合器，其工作原理如图所示图 2.6 电磁离合器离合器 类型 干式单片电磁式额定电压（V）12v额定传递扭矩15/12v绕阻（ ）19.5/20 c2.4 扭矩传感器的选择扭矩传感器的功能是测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小与方向，以及转向盘的大小和方向。目前采用较多的是在转向轴位置加以扭杆，通过测量扭杆的变形得到扭矩。另外也有采用非接触式扭距传感器。图2.7所示的非接触式扭矩传感器中有一对磁极环，其原理是：当输入轴与输出轴之间发生相对扭转位移时，磁极环之间的空气间隙发生变化，从而引起电磁感应系数变化。非接触式扭矩传感器的优点是体积小精度高，缺点是成本高。图 2.7 非接触式扭距传感器扭矩传感器额定电压 5V额定输出电压 2.5最大阻抗 2.18 0.662.5 本章小结本章主要对电动助力转向系统进行了分析，并对其结构组成有了深入的了解。同时还进行了电动机电磁离合器扭矩传感的选取，并对其工作原理进行了分析。第 3 章 电动助力转向系统减速机构参数的设计3.1 减速机构的分析及布置形式的确定电动助动转向系统的机构部分是该系统不可缺少的重要组成部分，其减速机构把电动机的输出，经过减速增扭传递到动力辅助单元，实现助力。因此，减速机构的设计是 EPS 系统的关键技术之一。目前常用的减速机构有多种结构形式，主要分为蜗轮蜗杆式、行星齿轮式和循环球螺母式等三种。而我选用了蜗轮蜗杆式减速机构。采用蜗轮蜗杆减速机构，见图 3.1，其传动机构有如下两大优点：（1）实现大的传动比。在动力传动中，一般传动比 i=580;在分度机构或手动机构的传动中，传动比可达 300；若只传递运动，传动比可达 1000 由于传动比大，零件数目又少，因而结构很紧凑。（2）在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它的蜗轮是逐渐进入啮合逐渐退出啮合的，同时啮合的齿对数较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪音低。图 3.1 减速机构3.2 蜗轮蜗杆材料的选择考虑到蜗杆传动传递的功率不大，速度只是中等，故蜗杆用 45 号钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗轮螺旋面要求淬火并且调质处理，硬度为 4555HRC。蜗轮用铸锡磷青铜 ZcuSn10Pb，金属模铸造。这种材料耐磨性好，但价格较高，用于滑动速度 3m/s 的重要传动。为了尽量节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，sV而轮芯用铸铁 HT150 制造。为了防止变形，常对蜗轮进行时效处理。3.3 普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算3.3.1 设计要求普通圆柱蜗杆闭式传动（用于 EPS 系统中电机输出到转向轴） ，蜗杆转速=1210r/min，扭矩 =1760Nmm，传动比 i=30.双侧工作，工作载荷较稳定，冲击1n1T不大。要求寿命为 5 年（按每年 365 天，每天 8 小时） ，则使用寿命=5 365 8=14600hhL3.3.2 选择蜗杆传动类型根据 GB10085-88 的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI） 。传动比 i 介于 580 之间，由表 3.1 可确定蜗杆头数 =1。1Z表 3.1 蜗杆头数 蜗轮齿数 推荐值1Z2传动比 i=z1/z2 58 716 1532 3083蜗杆头数 z1 6 4 2 1涡轮齿数 z2 3048 2864 3064 3083单头蜗杆传动的传动比大，但效率低，发热量大，易自锁。不过，蜗杆头数过多，导程角大，制造困难。蜗轮的齿数 =i 。当传递动力时，为保证传动平稳性，1Z2应不少于 28。但过 过大将使蜗轮尺寸增大，蜗杆跨距随之增大，降低蜗杆的刚2Z2度，影响啮合精度。通常取= 2880， 一般不大于 100。故取 =302 2Z3.3.3 蜗杆模数及分度圆直径的确定蜗杆头数 =1 蜗轮 =301Z2因载荷平稳载荷系数 K=1.11.3 之间取故 K=1.2表 3.2 锡青铜蜗轮许用接触应力 H蜗杆齿面硬度蜗轮材料铸造方法 适用的滑动速度 V /(m.s )s145HRC45HRCZCuSn10Pb1 砂型金属型1225150220180268ZCuSn5Pb5Zn5 砂型金属型1012113128135140M K ( ) 21d2THZ502（3.1）M 1.2 36960( )21d268305M 171.5304经查表 3.3 可知 m=2.5 q=11.2 =28 1d表 3.3 普通圆柱蜗杆传动的基本尺寸和参数模数m/mm分度圆直径d /mm1直径系数 q蜗杆头数 M d /21mm 3模 数m/mm分度圆直径d /mm1直径系数 q蜗杆头数 M d /m21m 31 18 18.000 1 18 (80) 12.698 1,2,4 317520 16.000 1 31.256.3112 17.778 1 44451.2522.4 17.920 1 35 (63) 7.875 1,2,4 403220 12.500 1,2,4 51.2 80 10.000 1,2,4,6 53761.628 17.500 1 71.68 (100) 12.500 1,2,4 6400(18) 9.000 1,2,4 728140 17.500 1 896022.4 11.200 1,2,4,6 89.6 (71) 7.100 1,2,4 7100(28) 14.000 1,2,4 112 90 9.000 1,2,4,6 9000235.5 17.750 1 142 (112) 11.200 1,2,4 11200(22.4) 8.960 1,2,4 14010160 16.000 1 1600028 11.200 1,2,4,6 175 (90) 7.200 1,2,4 14062(35.5) 14.000 1,2,4 221.9 112 8.960 1,2,4 175002.545 18.000 1 281 (140) 11.200 1,2,4 21875(28) 8.889 1,2,4 27812.5200 16.000 1 3125035.5 11.270 1,2,4,6 352 (112) 7.000 1,2,4 2867245 14.286 1,2,4 447.5 140 8.750 1,2,4 358403.1556 17.778 1 556 (180) 11.250 1,2,4 46080(31.5) 7.875 1,2,4 50416250 15.625 1 5600040 10.000 1,2,4,6 640 (140) 7.000 1,2,4 56000(50) 12.500 1,2,4 800 160 8.000 1,2,4 64000471 17.740 1 1136 (224) 11.200 1,2,4 89600(40) 8.000 1,2,4 100020315 15.750 1 12600050 10.000 1,2,4,6 1250 (180) 7.200 1,2,4 112500(63) 12.600 1,2,4 1575 200 8.000 1,2,4 125000590 18.000 1 2250 (280) 11.200 1,2,4 175000(50) 7.936 1,2,4 19856.363 10.000 1,2,4,6 250025400 16.000 1 2500003.3.4 蜗杆与蜗轮的主要参数及几何尺寸的确定蜗杆蜗杆分度圆直径=2.81d齿顶圆直径=m(q+2)= 2.5(11.2+2) =331a=m(q-2.4) =2.5(11.2-2.4) =22fd齿顶高=m=2.51ah齿根高=1.2m=1.2 2.5=31fh顶隙C=0.2m=0.24 2.5=0.5蜗轮分度圆柱的导程角r=arctan =arctan 5.1qz12.中心距a= m(q+ ) = 2.5(11.2+30) =51.522z蜗杆齿宽（11+0.06 ）m1b2z(11+0.006 30)2.5321=32b蜗轮蜗轮分度圆直径=mz=2.5 30=752d齿顶圆直径d =m(z +2) =2.5(30+2) =802a齿根圆直径d =m(z -2.4) =2.5(30-2.4) =692f齿顶高h =m=2.52a齿根高h =1.2m=32f蜗轮齿宽z 3 时 b 0.75121ad0.75 3324.75b =2023.4 蜗轮齿根弯曲疲劳强度的校核= Y Y （3.2FmdKT2153.2aFBF）Y 螺旋角影响系数,Y =1- ；B B140Y 蜗轮齿形系数，按当量齿数 z =z /cos 查取；2aF v23 蜗轮的许用弯曲应力，单位为 MPa。Y =1- =1- =0.94B140.5z = =30.35914403vcos3经查表 3-4 可知，Y =2.522aF表 3.4 齿形系数 及应力修正系数FaYFaYz 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29Y aF2.97 2.91 2.85 2.8 2.76 2.72 2.69 2.65 2.62 2.6 2.57 2.55 2.53Y aS1.52 1.53 1.54 1.55 1.56 1.57 1.575 1.58 1.59 1.595 1.6 1.61 1.62z 30 35 40 45 50 60 70 80 90 100 150 200 Y aF2.52 2.45 2.4 2.35 2.32 2.28 2.24 2.22 2.2 2.18 2.14 2.12 2.06Y aS1.625 1.65 1.67 1.68 1.7 1.73 1.75 1.77 1.78 1.79 1.83 1.865 1.97应力循环次数N= =60 1 14600=35332000hLjn260302寿命系数K = =0.85N96/由表 3.5 查得 =40MPa = K0F0NF=0.85 40 =34表 3.5 蜗轮的基本许用弯曲应力 F0灰铸铁蜗轮材料 铸锡磷青铜 ZCu5nlOP1 铸锡铅锌青铜ZCuSn5Pb5Zn5 铸造铝铁青铜 ZCuAlloFe3 HT150 HT200铸造方法 砂模铸 造金属模制造砂模铸造金属模铸造砂模铸造金属模铸造 砂模铸造单侧工410N作 g40 56 26 32 80 90 40 48双侧工41029 40 22 26 57 64 28 34作 g= Y Y （3.3FmdKT2153.2aFB）= 2.52 0.964=31.39F5.78690.100-300241-286680 490 320用于载荷较大而无很大冲击的重要的轴25 207 980 785 48040MnB 调质 200241-286 750 500 335性能接近于 40Cr，用于重要的轴35CrMo 调质100 207-269 735 540 350 用于重载荷的轴15 835 540 37020Cr 渗碳淬火回火 60表面 50-60HRC 635 390 280用于要求强度.韧性及耐磨性均较高的轴第一轴段 轴径为 20，轴长为 38第二轴段 放轴承轴径为 25，轴长为 16第三轴段 轴径为 25，轴长为 12第四轴段 轴径为 26，轴长为 38第五轴段 轴径为 25，轴长为 12第六轴段 放轴承轴径为 25，轴长为 184.2.2 转向轴的校核F =-F =125.711t1aF =-F =985.61tF =-F =358.7291r2(1) 绘制轴承受力简图（图 a）(2) 绘制垂直面弯矩图（图 b）轴承支反力：F = = =118.142RAVLdra2.2729.3581.F =F +F =-358.729+118.142=-240.587BrRAV截面 C 右侧弯矩M =F . =240.587 =9262.5995cvRBV227截面 C 左侧弯矩M =F . =118.142 =4548.467VRAL（3）绘制水平弯矩图（图 C）轴承支反力：F =F = = =492.8RAHB2t6.985截面 C 处的弯矩：M =F =492.8 =18972.8RAL7(4)绘制合成弯矩图（图 d）M = = =21113.09758c2CHV228.1975.96M = = =19510.39958C)(48(5)绘制转矩图（图 e）(6)绘制当量弯矩图（图 f）转矩产生的扭剪应力按脉动循环变化，取 a=0.16 截面 C 处的当量弯矩力M = = =30619.24012ec22)(aTc22)3690.(09758.13校核危险截面 C 的强度= = =9.34 F1Sa 2S故可判定轴承 2 为压紧端，轴承 1 为放松端。两端轴承的轴向载荷F = F =112.99681A1SF =F + F =1098.596821a求系数 X 和 YF / F = =0.631AR36.798F / F = =6.125250F / F e 时 X =1，Y =0 而 F / F e 时 X =0.41，Y =0.871AR112AR22由表 4.4 可知载荷系数 f =1.3p表 4.4 载荷系数 f p载荷性质 及其举例 f p无冲击或轻微冲击 电机，汽轮机，水泵，通风机 1.01.2中等冲击振动 车辆，机床，传动装置，起重机，内燃机，减速器 1.21.8强大冲击振动 破碎机，轧钢机，石油钻机，振动筛 1.83.0P =f (x F +Y F )=1.3 (1 179.36+0 112.9968)=233.1681pR11Ap = f (x F +Y F )=1.3 (0.41 179.36+0.89 1098.5968)=1338.112212因 p P 取 p=p =1338.11N.球轴承 =3轴承 C =14000NrL = （ ） = （ ） =15778.22h14600hhn1670pr120671.3843故该对轴承满足预期寿命要求。4.5 本章小结本章主要进行了轴与蜗杆轴的设计，确定了各轴的长度与轴径，并对其进行了校核，同时还对键进行了设计，以及轴承的选取，经过对轴的受力分析确定轴承为角接触球轴承，并对其进行校核，确保其使用寿命在规定年限当中。第 5 章 齿轮齿条式转回器的设计5.1 齿轮齿条式转向器的概述5.1.1 齿条的概述齿条是在金属壳体内来回滑动的，加工有齿形的金属条。转向器壳体是安装在前横梁或前围板的固定位置上的。齿条代替梯形转向杆系的摇杆和转向摇臂，并保证转向横拉杆在适当的高度以使他们与悬架下摆臂平衡。齿条可以比作是梯形转向直拉杆。导向座将齿条支持在转向器壳体上。齿条的横向运动拉动或推动转向横拉杆，使前轮转向。5.1.2 齿轮的概述齿轮是一只切有齿形的轴。它安装在转向器壳体上并使其齿与齿条上的齿相啮合。齿轮齿条上的齿可以是直齿也可以是斜齿。齿轮轴上端与转向柱内的转向轴相连。因此，转向盘的旋转使齿条横向移动以操纵前轮。齿轮轴由安装在转向器壳体上的球轴承支撑。斜齿的弯曲增加了一对啮合齿轮参与啮合的齿数。相对直齿而言，斜齿的运转趋于平衡，并能传递更大的动力。5.1.3 设计要求齿轮齿条式转向器的设计要求。齿轮齿条式转向器的齿轮多数采用斜齿圆柱齿轮。齿轮模数取值范围多在 23mm 之间。主动小齿轮齿数多数在 57 个齿范围变化，压力角取 20，齿轮螺旋角取值范围多为 915。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应达到的值来确定。变速比的齿条压力角，对现有结构在 1235范围内变化。此外，设计时应验算齿轮的抗弯强度和接触强度。5.2 齿轮齿条材料的选择与参数的确定5.2.1 材料的选择主动小齿轮选用 16MnCr5 或 15CrNi6 材料制造，而齿条常采用 45 钢制造。为减轻质量，壳体用铝合金压铸。故小齿轮 16MnCr5 渗碳淬火，齿面硬度 56-62HRC。大齿轮 45 钢 表面淬火，齿面硬度 56-56HRC。5.2.2 计算许用应力 HminNlSZFminNSTlYFa)确定 和liHliMPa150limH32liF41limPaF3752limb)计算应力循环次数 N，确定寿命系数 、 。NZY2711 106.281060tanN32.Z2NYc)计算许用应力取 ,1minHS4.inFinNl1ZMPa198032.50Hmin2l2S 76.应力修正系数 TYFminN1Sl1FMPa14.607.245Fin2STl2F .3.35.2.3 初步确定齿轮的基本参数的主要尺寸根据齿轮传动的工作条件，选用斜齿圆柱齿轮与斜齿条啮合传动。选择齿轮传动精度等级为 7 级精度。初选 K=1.4 B=14 Z =7 Z =1012传动比=1.4 =1.2 Y =0.89 Y =0.7dBZ =17cos =17 cos14 =15min33由于 Z =7 Z =10 均小于 1512发生根切故对其进行变位X = =0.551min57X = =0.332i0tan t= = =0.375112684costan14 t2=20.56tinv = tan +inv =0.054855624t 21)(ZXNnntY = ( -1)=0.7ncos t= Y m =21.9+0.7 2.5=23.65tnY =X -Y =0.88-0.7=0.18= (5.1