轻型载货汽车转向器的设计（车型-BJ121型）
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一、毕业设计（论文）的内容轻型载货汽车转向器的设计（具体车型由学生自定）二、毕业设计（论文）应完成的工作1.完成不少于1.5万汉字的设计说明书2.不少于折合成图幅为AO号的图纸3张（其中计算机绘图量、手工绘图量均不得少于折合成图幅为 A1号的图纸1张）3.翻译一篇与论文内容相关的外文资料（约3000汉字）。三、毕业设计（论文）进程安排时 间工作内容2011年11.1411.18（12周）下达设计任务，收集相关资料11.2112.2（13周14周）毕业实习，收集、整理资料12.512.9（15周） 阅读、消化资料，完成开题报告，开题2011年2012年12.121.6（16周19周）完成设计说明书，完成外文翻译工作2012年1.93.2（20周3周）根据设计说明书，完成机械图纸绘制工作3.53.16（4周5周）修改、打印相关材料， 完成答辩四、参考资料及文献查询方向、范围1. 余志生 汽车理论M 北京：机械工业出版社， 2. 王望予 汽车设计M 北京：机械工业出版社，3. 邱宣怀 机械设计M北京：高等教育出版社， 4. 机械设计手册 北京：机械工业出版社，一、 选题的背景和意义（所选课题的历史背景、国内外研究现状和发展趋势）转向器是转向系统的减速传动装置。汽车转向器的结构很多，从目前使用的普遍程度来看，主要的转向器类型有四种：齿轮齿条式、循环球式、蜗杆销式、蜗杆滚轮式。目前国内外主流的转向器是齿轮齿条式转向器和循环球式转向器。齿轮齿条式转向器的主要优点是：结构简单、紧凑、体积小、质量轻；传动效率高达90%；可自动消除齿间间隙；没有转向摇臂和直拉杆，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：逆效率高（60%70%）。因此，汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间的冲击力，大部分能传至转向盘。根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式：中间输入，两端输也；侧面输入，两端输出；侧面输入，中间输出；侧面输入，一端输出。根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，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。齿轮齿条式转向器广泛应用于微型、普通级、中级和中高级轿车上。装载量不大、前轮采用独立悬架的货车和客车也用齿轮齿条式转向器。循环球式转向器的优点是：传动效率可达到75%85%；转向器的传动比可以变化；工作平稳可靠；齿条和齿扇之间的间隙调整容易；适合用来做整体式动力转向器。循环球式转向器的主要缺点是：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。循环球式转向器主要用于货车和客车上。今后转向装置的发展趋势是：转向器专业化生产，循环球式转向器在国外实现了专业化生产，同时以专业厂为主、大力进行试验和研究，大大提高了产品的产量和质量。动力转向是发展方向，动力转向有3种形式：整体式、半分置式及联阀式动力转向结构。从发展趋势上看，国外整体式转向器发展较快，而整体式转向器中转阀结构是目前发展的方向。二、 研究的基本内容和拟解决的主要问题 我研究的基本内容是轻型载货汽车转向器的设计。设计的转向器类型是齿轮齿条式转向器。采用非独立悬架，转向器位于前轴前方，梯形后置，中间输入，两端输出，直齿齿轮齿条，圆形断面。拟解决的主要问题如下：齿轮的设计校核、齿条的设计校核、轴承的选择、齿轮轴的设计、其他零件的选择、机械图纸绘制。三、 研究方法及措施 研究的方法主要如下：通过查阅、收集、消化相关资料，根据参数按要求完成设计说明书，然后根据设计说明书的内容绘制机械图纸。修改图纸，完成答辩。 车型： BJ121型轻型载货汽车基本参数如下： 驱动型式 FR42轴距 2750前轮/后轮轮距 1440/1440最小转弯半径 6.9m满载轴荷分配：前/后 877/1643(kg)前轮气压 200（KPa）主销偏移距a 50mm转向节臂长L 200mm方向盘直径 400mm 四、研究工作的步骤、进度时间工作内容2011年11.1411.18（12周）下达设计任务，收集相关资料11.2112.2（13周14周）毕业实习，收集、整理资料12.512.9（15周）阅读、消化资料，完成开题报告，开题2011年2012年12.121.6（16周19周）完成设计说明书，完成外文翻译工作2012年1.93.2（20周3周）根据设计说明书，完成机械图纸绘制工作3.53.16（4周5周）修改、打印相关材料， 完成答辩 五、主要参考文献（其中外文文献不少于2篇）1 陈家瑞.汽车构造.第三版.下册M.北京：机械工业出版社，2009.22 过学迅，邓亚东. 汽车设计.M.北京：人民交通出版社，2005.83 黄华梁，彭文生.机械设计基础.第四版.M.北京：高等教育出版社，2007.54 余志生.汽车理论.第五版.M北京:机械工业出版社，2009.35 王伯平.互换性与测量技术基础.第三版M.北京：机械工业出版社，2008.126 黄茂林.机械原理.第二版M.北京：机械工业出版社，2010.47 史新民.常用机构与零件设计.M.北京:清华大学出版社，2010.128 中国机械设计大典编委会.中国机械设计大典.第3卷M.南昌:江西科学技术出版社，2008.29 秦大同，谢里阳. 现代机械设计手册M.北京：化学工业出版社，2011.110 毛昕，张秀艳，黄英，肖平阳. 画法几何及机械制图.第三版M.北京：高等教育出版社，2004.711 曾东建.汽车制造工艺学M.北京:机械工业出版社，2005.912 刘鸿文.材料力学.第四版M.北京:高等教育出版社，2004.113 陶亦亦，潘玉娴.工程材料与机械制造基础M.北京:化学工业出版社，200614 汪杰强.“五菱之光”转向系统设计J.上汽通用五菱汽车股份有限公司15 刘冰.齿轮齿条转向器的建模分析J.上海工程技术大学 城市轨道交通学院16 贺敬良,秦建旭.变速比转向器齿扇副齿合理论研究J .北京信息科技大学机电工程学院17 张敏中.齿轮-齿条式转向器转向梯形机构优化设计J18 贾巨民，吴宏基，钱名海，唐天元，刘建.汽车循环球式转向器侧隙的研究1993年第10期19 史建鹏.汽车转向轮前束与车轮外倾角的设计匹配J.东风汽车公司技术中心20 孙成玉，言梦林.汽车转向梯形机构最佳方案的设计J.2002 21 齐淑范，何若天.转向器实验用的抗弯曲型扭矩传感器J.199122 吴文江，杜彦良.电动转向系统助力性能研究J.中国安全科学报.2003.7.第13卷23.Zhao Wangzhong，Lin Yi，Wei Jianwei,Shi Guobiao. Control strategy of novel electric power Steering systen integrated with active front steering function.2011.6:1515-152024 Li Huimin,Gao Yingjie,Gu Yanpeng,Yang Zhiyu,Dang Qi.Design of an Electro-hydraulic Steering System for Wheeled Hydraulic Excavator.2007.625 Yang Bo,Wang Xuelin,Hu Yujin. Flexible 2-Dof Steering Model of Multi-Axle Heavy-Duty Vehicle.Chinese Journal of Mechanical Engineering.Vol.17,No.4,2004六、导师评语： 签字： 年 月 日4广西工学院鹿山学院本科生毕业设计摘要 汽车转向系统是决定汽车操纵稳定性和主动安全性的关键。转向器是转向系统的重要组成部分。它的作用是：增大转向盘传到转向传动机构的力和改变力的传递方向。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。本设计选择BJ121型轻型载货汽车为车型，设计齿轮齿条式转向器。其主要内容有介绍转向器的设计参数，齿轮齿条及其他零件的设计、校核。 关键词：齿轮齿条;设计；转向器；校核Abstract The steering system is to determine the vehicle handing and stability and active safety the key. The steering is an important part of the steering system. Its role is to increase the steerting wheel to spread the force of the steering linkage and change the direction of force transmission. Type of steering gear, rack and pinion steering gear because of its characteristics are widely used in a variety of vehicle. This design choice the BJ121 light tuck models, the design of rack and pinion steering. Its main design parameters introduce steering rack and pinion and other parts of the design. Key Words: rack and pinion; design; steering; check.34目录1 引言12 齿轮齿条式转向器设计方案选择22.1 转向系统的简介22.1.1转向操纵机构22.1.2转向传动机构32.2 转向系统的设计要求42.3 转向器52.4 对转向器的要求72.5 转向系的主要性能参数介绍72.5.1 转向器传动效率72.5.2 转向盘自由行程92.5.3 转向器角传动比的变化规律92.5.4 转向器的传动间隙92.5.5 转向系的刚度102.5.6 转向阻力矩102.5.7 传动比112.5.8转向梯形113 转向系统的计算164 齿轮齿条的设计204.1 齿轮的设计204.2齿条的设计205 齿轮齿条的校核215.1 齿轮弯曲疲劳强度计算215.1.1 计算许用弯曲应力215.1.2 计算齿根弯曲强度并校核215.2齿面接触强度校核225.2.1 计算许用接触应力225.2.2 计算齿面接触强度并校核235.3验算齿轮模数236 齿轮轴的设计246.1 齿轮齿条传动受力分析246.2轴的强度校核246.2.1 轴的支撑反力的算计246.2.2 判断危险剖面256.2.3 轴的弯扭合成强度校核266.2.4 轴的疲劳强度安全系数的校核267 其他零件的设计选择287.1 弹簧的选择287.2 轴承的选择287.3 螺钉的选择287.4弹簧压块的设计287.5齿条支撑的设计297.6轴承压块的设计29结束语30致 谢31参考文献32广西工学院鹿山学院本科生毕业设计1 引言汽车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓汽车转向。就轮式汽车而言，实现汽车转向的方法是驾驶员通过一套专设的机构，使汽车转向桥(一般是前桥)上的车轮(转向轮)相对于汽车纵轴线偏转一定角度。在汽车直线行驶时，转向轮往往也会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向。此时，驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向相反的方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。这一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，称为汽车转向系统。转向系是用来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。汽车转向系统的功用就是保证汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶。因此，转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性和安全性。对转向系统产品的需求随着汽车化的提高而提高而发生着变化。最初驾驶员们只希望比较容易地操作转向系统，而后则追求在高速行驶的稳定性、舒适性和良好的操纵感。 据了解，在世界范围内，汽车循环球式转向器占45%左右，齿条齿轮式转向器占40%左右，蜗杆滚轮式转向器占10%左右，其它型式的转向器占5%。循环球式转向器一直在稳步发展。在西欧小客车中，齿条齿轮式转向器有很大的发展。日本汽车转向器的特点是循环球式转向器占的比重越来越大，日本装备不同类型发动机的各类型汽车，采用不同类型转向器，在公共汽车中使用的循环球式转向器，已由60年代的625%，发展到现今的100%了(蜗杆滚轮式转向器在公共汽车上已经被淘汰)。大、小型货车大都采用循环球式转向器，但齿条齿轮式转向器也有所发展。微型货车用循环球式转向器占65%，齿条齿轮式占35%。 综合上述对有关转向器品种的使用分析，得出以下结论： 循环球式转向器和齿轮齿条式转向器，已成为当今世界汽车上主要的两种转向器；而蜗轮蜗杆式转向器和蜗杆肖式转向器，正在逐步被淘汰或保留较小的地位。 在小客车上发展转向器的观点各异，美国和日本重点发展循环球式转向器，比率都已达到或超过90%；西欧则重点发展齿轮齿条式转向器，比率超过50%，法国已高达95%。 本次设计设计的是齿轮齿条式转向器。2 齿轮齿条式转向器设计方案选择 在设计齿轮齿条式转向器之前，我介绍下转向系统的一些知识和转向器的一些知识，然后再细入了解齿轮齿条式转向器。 本次设计是轻型载货汽车转向器的设计。选择的是齿轮齿条式转向器。采用非独立悬架，转向器位于前轴前方，梯形后置，中间输入，两端输出，直齿齿轮齿条，圆形断面。 2.1 转向系统的简介用来改变或保持汽车行驶或倒退方向的一些列装置称为汽车转向系统(steering system)。汽车转向系统对汽车的行驶安全至关重要。汽车转向系统按转向能源的不同，分为机械转向系统和动力转向系统两大类。机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。它主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。如图2-1所示。 图2-1转向系统示意图2.1.1 转向操纵机构1).转向操纵机构的组成和布置从转向盘到转向传动轴这一系列的零部件属于转向操纵机构。它包括转向盘、转向柱管、转向轴、上万向节、下万向节和转向传动轴等。转向柱管中部用橡胶垫和半圆形冲压转向柱管支架固定在驾驶室前围板上，下端插入铸铁转向柱管支座的孔中，支座则固定在转向操纵机构支架上。穿过转向柱管的转向轴上端借转向轴衬套支承，下端则支承在转向柱管支座中的圆锥滚子轴承上，其轴向位置由转向轴限位弹簧限定。转向轴通过万向传动装置与转向器中的转向蜗杆相连。下万向节与转向传动轴用滑动花键连接。2).转向盘转向盘由轮缘、轮辐和轮毂组成。轮辐一般为三根辐条或四根辐条，也有用两根辐条的。转向盘轮毂孔细牙内花键，借此与转向轴连接。转向盘内部由成形的金属骨架构成。骨架外面一般包有柔软的合成橡胶或树脂，也有包皮革的，这样可有良好的手感，而且还可以防止手心出汗时握转向盘打滑。当汽车发生碰撞时，从安全性考虑，不仅要求转向盘应具有柔软的外表皮，起到缓冲作用，而且还要求转向盘在撞车时，其骨架能产生一定变形，以吸收冲击能量，减轻驾驶员受伤的程度。3).转向轴和转向柱管的吸能装置转向轴是连接转向盘和转向器的传动件，并传递它们之间的转矩。转向柱管安装在车身上，支承着转向盘。转向轴从转向柱管中穿过，支承在柱管内的轴承和衬套上。对于轿车，除要求装有吸能式转向盘外，还要求转向柱管也必须备有缓和冲击的吸能装置。转向轴和转向柱管的吸能装置有多种形式。其基本结构原理是，当受到巨大冲击时，转向轴产生轴向位移，使支架或某些支承件产生塑性变形，从而吸收冲击能量。2.1.2 转向传动机构转向传动机构的功用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，并使两转向轮偏转角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。转向传动机构的组成和布置，因转向器位置和转向轮悬架类型不同而异。1).与非独立悬架配用的转向传动机构与非独立悬架配用的转向传动机构，主要包括转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂和转向梯形臂。在前桥仅为转向桥的情况下，由转向横拉杆和左、右梯形臂组成的转向梯形一般布置在前桥之后。当转向轮处于与汽车直线行驶相应的中立位置时，梯形臂与横拉杆在与道路平行的平面(水平平面)内的交角。在发动机位置比较低或转向桥兼充驱动桥的情况下，为避免运动干涉，往往将转向梯形布置在前桥之前。此时，上述交角。若转向摇臂不是在汽车纵向平面内前后摆动，而是在与道路平行的平面内左右摆动，则可将转向直拉杆横置，并借球头销直接带动转向横拉杆，使两侧梯形臂转动。转向摇臂是转向器传动副与转向直拉杆间的传动件。转向直拉杆是转向摇臂与转向节臂之间的传动杆件。在转向轮偏转而且因悬架弹性变形而相对于车架跳动时，转向直拉杆与转向摇臂及转向节臂的相对运动都是空间运动。因此，为了不发生运动干涉，三者之间的连接件都是球形铰链。直拉杆体是一段两端扩大的钢管。其前端带有球头销。球头销的尾端可以用螺母固定于转向节臂的端部。两个球头座在压缩弹簧的作用下，将球头销的球头夹持住。为保证球头与座的润滑，可以从油嘴注入润滑脂，使其 直拉杆端部官腔。供球头拆装时出入的孔口用耐油橡胶防尘垫封盖。压缩弹簧随时补偿球头与座的磨损，保证两者之间无间隙，并可缓和经车轮和转向节传来的路面冲击。弹簧预紧力可用端部螺塞调节，调好后需用开口销固定螺塞位置。当球头销作用在内球头座上的冲击力超过压缩弹簧预紧力时，弹簧便进一步变形而吸收冲击能量。直拉杆体后端可以嵌装转向摇臂球头销。这一端的压缩弹簧也装在球头座后方。这样，两个压缩弹簧可分别在沿轴线的不同方向上起缓冲作用。自球头销传来的向后的冲击力由前压缩弹簧承受。当球头销受到向前的冲击力时，冲击力依次经过前球头座、前端部螺塞、直拉杆体和后端部螺塞传给后压缩弹簧。转向横拉杆式转向梯形机构的底边。转向横拉杆由横拉杆体和旋装在两端的横拉杆接头组成。两端的接头结构相同，球头销的尾部与梯形臂相连。上、下球头座用聚甲醛制成，有很好的耐磨性。装配时，两球头座的凹凸部分相嵌合。弹簧保证两球头座与球头紧密接触。并起缓冲作用。两接头借螺纹与横拉杆体联接。接头螺纹部分有切口，故具有弹性。接头旋装到横拉杆体上后，用夹紧螺栓夹紧。横拉杆体两端的螺纹，一端为右旋，一端为左旋。因此，在旋松夹紧螺栓以后，转动横拉杆体，即可改变转向横拉杆的总长度，从而可调整转向轮前束。2).与独立悬架配用的转向传动机构当转向轮采用独立悬架时，每个转向轮分别相对于车架作独立运动，因而转向桥必须是断开式的。与此相应，转向传动机构中的转向梯形也必须分成两段或三段，并且由在平行于路面的平面中摆动的转向摇臂直接带动或通过转向直拉杆带动。2.2 转向系统的设计要求 1).汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。 2).汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶。 3).汽车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自振，转向盘没有摆动。4).转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小。5).保证汽车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。6).操纵轻便。7).转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小。8).转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。9).在车祸中，当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。10).进行运动校核，保证转向轮与转向盘转动方向一致。正确设计转向梯形机构，可以保证汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转。 转向轮的自动回正能力决定于转向轮的定位参数和转向器逆效率的大小.合理确定转向轮的定位参数，正确选择转向器的形式，可以保证汽车具有良好的自动回正能力。 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。 为了使汽车具有良好的机动性能，必须使转向轮有尽可能大的转角，其最小转弯半径能达到汽车轴距的倍。 转向操纵的轻便性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。 轿车转向盘从中间位置转到第一端的圈数不得超过2.0圈，货车则要求不超过3.0圈。2.3 转向器 随着汽车工业的迅速发展，转向装置的结构也有很大变化。汽车转向器的结构很多，从目前使用的普遍程度来看，主要的转向器类型有4种：有蜗杆指销式（WP型）、蜗杆滚轮式（WR型）、循环球式（BS型）、齿条齿轮式（RP型）。这四种转向器型式，已经被广泛使用在汽车上。 1).齿轮齿条式转向器是最常见的转向器。其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条。由与轴做成一体的转向轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。有时，靠齿条来直接带动横拉杆，就可使转向轮转向。是一种最简单的转向器。具有结构简单、成本低廉，体积小，紧凑，质量轻，刚性大，转向灵敏，制造容易，正、逆效率都高以及便于布置等优点，传动效率高达90%；而且特别适合与烛式和麦弗逊式悬架配用，因此，目前它在轿车和微型、轻型货车上得到了广泛的应用。2).循环球式转向器也是国内外汽车上应用比较多的一种结构形式。循环球式转向器由螺杆和螺母共同形成的螺旋槽内装有钢珠构成传动副，以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成，如图2-2所示。循环球式转向器中一般有两级传动副，第一级是螺杆螺母传动副，第二级一般采用齿条齿扇传动副。循环球式转向器的正传动效率很高(可达)，故操纵轻便，使用寿命长，工作平稳、可靠。但其逆效率也很高，容易将路面冲击力传到转向盘。不过，对于前轴载质量不大而又经常在平坦路面上行驶的汽车而言，这一缺点影响不大。因此，循环球式转向器广泛应用于商用汽车上。图2-2 循环球式转向器3).蜗杆指销式转向器的传动副以转向蜗杆为主动件，其从动件是装在摇臂轴曲柄端部的指销。转向蜗杆传动时，与之啮合的指销即绕摇臂轴轴线沿圆弧运动，并带动摇臂轴转动。蜗杆指销式转向器的销子若不能自传，称为固定销式蜗杆指销转向器；销子除随同摇臂轴转动外，还能绕自身轴线转动，称为旋转销式转向器。根据销子数量的不同，又有单销和双销之分。固定销蜗杆指销式转向器的结构简单、制造容易；但是因销子不能自转，销子的工作部位基本保持不变，所以磨损快、工作效率低。旋转销式转向器的效率高、磨损慢，但结构复杂。要求摇臂轴有较大的转角时，应该采用双销式结构。双销式转向器在直线行驶区域附近，两个销子同时工作，可降低销子上的负荷，减少磨损。当一个销子脱离啮合状态时，另一个销子要承受全部作用力，而恰恰在此位置，作用力达到最大值，所以设计时要注意核算其强度。双销与单销蜗杆指销式转向器比较，结构复杂、尺寸和质量大，并且对两主销间的位置精度、蜗杆上螺纹槽的形状及尺寸精度等要求高。此外，传动比的变化特性和传动间隙特性受限制。蜗杆指销式转向器应用比较少。4).蜗杆滚轮式转向器由蜗杆和滚轮啮合而构成。其主要优点是：结构简单；制造容易；因为滚轮的齿面和蜗杆上的螺纹呈面接触，所以有比较高的强度，工作可靠，磨损小，寿命长；逆效率低。蜗杆滚轮式转向器的主要缺点是：正效率低；工作齿面磨损以后，调整啮合间隙比较困难；转向器的传动比不能变化。这种转向器曾经在汽车上广泛使用过，但是现在已经淘汰。考虑到本次设计的是轻型载货汽车的转向器。所以选择齿轮齿条式转向器比较合适。2.4 对转向器的要求1).提供准确而轻便的转向控制，同时转向盘的转角范围不允许过大。这要求转向器的自由行程(由传动零件之间的间隙引起)尽可能小，传动比适当，驾驶员主动转动转向盘时的机械效率(正效率)高，可能还需要动力助力。2).使地面对前轮的扰动尽可能少地被传到转向盘上，同时还要让驾驶员能够感觉得到路面状况(粗糙程度、附着力的大小等)的变化。这要求在前轮因受到地面干扰而试图转动转向盘时转向器的机械效率适当地低，即逆效率适当地低。3).不能妨碍汽车完成转向后、返回直线行驶状态时的前轮自动回正，这又要求转向器的逆效率适当地高。4).停车(车速为零)转向时驾驶员转动转向盘的力(转向力)应该被减小到最低限度。5).使汽车具有良好的高速操纵稳定性。这一般要求转向器的自由行程、摩擦尽可能小，有适当的传动比和动力助力(在采用动力助力的情况下。)2.5 转向系的主要性能参数介绍2.5.1 转向器传动效率转向器的输出功率与输入功率之比称为转向器传动效率。在功率由转向轴输入、由转向摇臂输出的情况下求得的传动效率称为正效率；而传动方向与上述相反时求得的效率，则称为逆效率。逆效率很高的转向器很容易将经转向机构传来的路面反力传到转向盘上，故称为可逆式转向器。可逆式转向器有利于汽车转向结束后转向轮和转向盘的自动回正，但也能将坏路面对车轮的冲击力传到转向盘，发生“打手”现象。逆效率很低的转向器称为不可逆式转向器。不平路面对转向轮的冲击载荷输入到这种转向器，即由其中各传动零件(主要是传动副)承受，而不会传到转向盘上。路面作用于转向轮上的回正力矩同样也不能传到转向盘上，使得驾驶员不能得到路面反馈信息，丧失“路感”，无法据此调节转向力矩。逆效率略高于不可逆式的转向器称为极限可逆式转向器，其反向传力性能介于可逆式和不可逆式之间，而接近于不可逆式。采用这种转向器时，驾驶员能有一定的路感，转向轮自动回正也是可实现，而且只有在路面冲击力很大时，才能部分地传到转向盘。转向系的效率由转向器的效率和转向操纵机构的效率决定，即 (2-1)转向器的效率又有正效率与逆效率之分。转向摇臂轴输出的功率()与转向轴输入功率之比，称为转向器的正效率，即 (2-2)式中：-转向器的摩擦功率。反之，即转向轴输出的功率()与转向摇臂轴输入的功率之比，称为转向器的逆效率： (2-3)正效率愈大，转动转向轮时的摩擦损失就愈小，转向操纵就愈容易。转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等是影响转向器正效率的主要因素。循环球式转向器的传动副为滚动摩擦，摩擦损失小，其正效率可达85%；蜗杆指销式和蜗杆滚轮式转向器的传动副存在较大的滑动摩擦，效率较低。对于蜗杆和螺杆类转向器，如果忽略轴承和其他地方的摩擦损失而只考虑啮合副的摩擦，则其正效率为 (2-4)式中：为蜗杆或螺杆的螺线导程角；为摩擦角，；为摩擦系数。逆效率表示转向器的可逆性。根据逆效率值的大小，转向器又可分为可逆式、极限可逆式与不可逆式三种。如果忽略轴承和其他地方的摩擦损失而只考虑副的摩擦，则蜗杆和螺杆类转向器的逆效率为 (2-5)通常，由转向盘至转向轮的效率即转向系的正效率的平均值为；当向上述相反反向传递力时逆效率的平均值为。转向操纵及传动机构的效率用于评价在这些机构中的摩擦损失，其中转向轮轮向主销等的摩擦损失约为转向系总损失的，而拉杆球销的摩擦损失约为转向系总损失的。2.5.2 转向盘自由行程单从转向操纵的灵敏性而言，最好是转向盘和转向节的运动能同步开始并同步终止。然而，这在实际上是不可能的。因为在整个转向系统中，各传动件之间都必然存在着装配间隙，而且这些间隙将随着零件的磨损而增大。在转向盘传动过程的开始阶段，驾驶员对转向盘所施加的力矩很小，因为只是用来克服转向系统内部的摩擦，使各传动件运动到其间的间隙完全消除，故可以认为这一阶段是转向盘空转阶段。此后，才需要对转向盘施加更大的转向力矩，以克服经车轮传到转向节上的转向阻力矩，从而实现使各转向轮的偏转。转向盘在空转阶段中的角行程称为转向盘自由行程。转向盘自由行程对于缓和路面冲击及避免使驾驶员过度紧张是有利的，但不宜过大，以免影响灵敏性。一般说来，转向盘从相应于汽车直线行驶的中间位置向任一方向的自由行程最好不要超过。当零件磨损严重到使转向盘自由行程超过时，必须进行调整。2.5.3 转向器角传动比的变化规律转向器的角传动比是一个重要参数，它影响着汽车的许多转向性能。由于增大传动比可以增大力传动比，因此转向器的角传动比不仅对汽车转向灵敏性和稳定性有直接影响，而且也影响着汽车的操纵轻便性。可以看出：转向轮的转角与转向器的角传动比成反比。增大会使在同一转向盘转角下的转向轮转角变小，使转向操纵时间变长，汽车转向灵敏度降低。因此转向“轻便性”与“灵敏性”是产品设计中遇到的一对矛盾。采用可变角传动比的转向器可协调对“轻便性”和“灵敏性”的要求。而转向器角传动比的变化规律又因为转向器的结构形式和参数的不同而异。2.5.4 转向器的传动间隙转向器的传动间隙是指转向器传动副之间的间隙。改间隙随转向盘转角的改变而改变。通常将这种变化关系成为转向器的传动间隙特性。研究改传动间隙的意义在于它对汽车直线行驶时的稳定性和转向器的寿命都有直接影响。当转向盘处于中间位置即汽车作直线行驶时，如果转向器传有传动间隙则将使转向轮在该间隙范围内偏离直线行驶而失去稳定性。这一要求应该在汽车使用的全部时间内得到保证。汽车多直行行驶，因此转向器传动副在中间部位的磨损量大于其两端。为了保证转向器传动副摩擦最大的中间部位能通过调整来消除因磨损而形成的间隙，调整后当转动转向盘时又不致于使转向器传动副在其他啮合部位卡住，应使传动间隙从中间部位到两端逐渐增大，并在端部达到其最大值(矿量转角约为)，以利于对间隙的调整及提高转向器的使用寿命。不同结构的转向器其传动间隙特性亦不同。2.5.5 转向系的刚度转向系的各零、部件尤其是一些杆件均具有一定的弹性，这就使得转向轮的实际转角要比驾驶员转动转向盘并按转向系角传动比换算至转向轮的转角要小，这样就不会有不足转向的趋势。转向系刚度对轮胎的侧偏刚度影响也很大。如果令为不考虑转向系刚度时的轮胎侧偏刚度，而为考虑转向系刚度时的轮胎侧偏刚度(称为等阶刚度)，则有如下关系： (2-6)式中：为整个转向系的刚度；为拖后距(后倾拖距与轮胎拖距之和)。由上式可见：当值很大时，即前轮的侧偏刚度近似为；当值很小时，前轮的侧偏刚度为且。后者表明：转向系刚度不足会使前轮的侧偏刚度减小，并导致汽车不足转向倾向的加剧，使汽车的转向灵敏性变差。2.5.6 转向阻力矩为了保证行驶安全，组成转向系的各零件应有足够的强度。欲验算转向系零件的强度，需首先确定作用在各零件上的力。影响这些力的主要因素有转向轴的负荷、路面阻力和轮胎气压等。为转动转向轮要克服的阻力，包括转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内摩擦阻力等。其计算公式如下：2.5.7 传动比从轮胎接地面中心作用在两个转向轮上的合力与作用在转向盘上的手力之比，称为力传动比。转向盘角速度与同侧转向节偏转角速度之比，称为转向系角传动比。转向盘角速度与摇臂轴角速度之比，称为转向器角传动比。此定义适用于除齿轮齿条式之外的转向器。轮胎与地面之间的转向阻力和作用在转向节上的转向阻力矩之间有如下关系式中，a为主销偏移距，指从转向节主销轴线的延长线与支撑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为式中，为作用在转向盘上的力矩；为转向盘直径。可知，当主销偏移距a小时，力传动比应取大一些才能保持转向轻便。通常乘用车的a值在0.4-0.6倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取，而货车的a值在40-60mm范围内选用。转向盘直径对轻便性有影响，选用尺寸小一些的转向盘，虽然占用的空间少，但是转向时需对转向盘施加较大的力；而选用尺寸大些的转向盘又会使驾驶员进、出驾驶室时入座困难。2.5.8 转向梯形转向梯形有整体式和断开式两种。设计转向梯形必须保证汽车转弯时，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，转向车轮应有足够的转角。1).整体式转向梯形整体式转向梯形是由转向横拉杆、转向梯形臂和汽车前轴组成的。其中梯形臂呈收缩状向后延伸。这种方案的优点是结构简单，调整前束容易，制造成本低；主要缺点是一侧转向轮上、下跳动时，会影响另一侧转向轮。当汽车前悬架采用非独立悬架时，应当采用整体式转向梯形。整体式转向梯形的横拉杆可位于前轴后或前轴前(称为前置梯形)。对于发动机位置低或前轮驱动汽车，常用采用前置梯形。前置梯形的梯形臂必须向外侧方向延伸，因而会与车轮或制动底板发生干涉，所以在布置上有困难。为了保护横拉杆免遭路面不平物的损坏，横拉杆的位置应尽可能布置的高一些，至少不低于前轴高度。2).断开时转向梯形转向梯形的横拉杆做成断开式的，称之为断开式的转向梯形。断开式转向梯形的主要优点是它与前轮采用独立悬架想配合，能够保证一侧车轮上、下跳动时，不会影响另外一侧车轮。与整体式转向梯形比较，由于其杆系、球头增多，所以结构复杂；制造成本高；并且调整前束比较困难。本次毕业设计的设计的是齿轮齿条式转向器整车性能参数如下。车型：BJ121型轻型载货汽车驱动方式：FR42表2-1 整车性能参数名称轴距前轮/后轮轮距最小转弯半径满载轴荷分配：前/后数值2750mm1440/1440(mm)6.9m877/1643(kg)名称前轮气压P主销偏移距a转向节臂长L方向盘直径数值200kpa50mm200mm400mm齿轮齿条式转向器的传动效率高达90%；齿轮与齿条之间因磨损出现间隙后，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。目前它在微型轿车、轻型货车上得到了广泛的应用。齿轮齿条式转向器的主要缺点是：逆效率高（60%-70%），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到方向盘上，称为反冲。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，方向盘突然转动会造成打手，同时对驾驶员造成伤害。齿轮齿条转向器的小齿轮靠径向止推轴承或滚针轴承支撑在壳体上。齿条由带有弹簧的齿条托座推向齿轮，在弹簧力的作用下使齿条与齿轮总是处于无间隙啮合状态。当小齿轮转动时，齿条在转向器壳体内产生轴向移动。转向拉杆的一端与转向齿条固连，另一端与转向节臂连接。在齿条移动时，将带动转向拉杆及转向节臂一起移动，这样就使车轮偏转，完成汽车转向工作。工作示意图如图2-1所示。图2-2 自动消除间隙装置根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，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，见图2-2a至图2-2d。 图2-3 齿轮齿条式转向器的四种布置形式 本次设计采用转向器位于前轴后方，后置梯形的方案。根据使用车型及总布置需要的不同，齿轮齿条式转向器的主要输出形式有一下四种：中间输入，两端输出、侧面输入，两端输出、侧面输入，中间输出、侧面输入，如图2-3所示。一端输出，分别如图2-3a至图2-3d所示。图2-4 齿轮齿条式转向器四种输出形式采用侧面输入，中间输出方案时，由图2-4可见，与齿条固连的左、右拉杆延伸到接近汽车总想对称平面附近。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，两拉杆与齿条同时向左或向右移动，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。 图2-5 齿条齿条式转向器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。但其结构简单，制造方便，且成本低等特点，常用于小型车辆上。采用侧面输入，一端输出的齿轮齿条式转向器，常用于平头货车上。本次设计采用的是中间输入，两端输出的形式。齿条断面形状有圆形（图2-1）、V形（图2-5）和Y形（图2-6）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，约节约20%左右，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的宽一些，因而强度得到增加。在齿条与托座之间通常装有碱性材料（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条、齿轮的齿不能正确啮合的情况出现。 图2-6 圆形断面 图2-7 Y形断面 本次设计选用圆形断面。 综合上诉，本次设计选用的是直齿轮，齿条断面为圆形，采用中间输入两端输出，与非独立悬架配合使用。3 转向系统的计算1).精确地计算出这些力是非常困难的。为此推荐用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或混凝土路面上的原地转向阻力矩（Nm），即 (3-1) 式中：为轮胎和路面间的滑动摩擦因数，一般取0.7为转向轴负荷 () 为轮胎气压() 则 2). 图 3-1 (3-2)式中：为汽车轴距 为最小转弯半径则 查表得 (3-3) 式中：为汽车轴距 为最小转弯半径 为主销中心距 则 查表得 转向器角传动比 (3-4) 式中：为转向盘转角 为转向轮转角 则 3).作用在转向盘上的手力为 (3-5) 式中：为转向摇臂长 为转向节臂长 为转向盘直径 为转向器正效率，0.9 为转向阻力阻力矩 为转向器角传动比 由于齿轮齿条式转向器无转向摇臂和转向节臂，故不代入数值。 则 4).从轮胎接地面中心作用在两个轮向轮上的合力与作用在转向盘上的手力之比，称为力传动比，即 (3-6)轮胎与地面之间的转向阻力和作用在转向节上的转向阻力矩之间有如下关系： (3-7)式中：a为主销偏移距，指从转向节主销轴线的延长线与支撑平面的交点至车轮中心平面与支撑平面交线的距离。作用在转向盘上的手力可用下式表示： (3-8)式中：为作用在转向盘上的力矩；为转向盘直径。将式(3-7)、式(3-8)代入式(3-6)后得到 (3-9)如果忽略摩擦损失，根据能量守恒原理得 (3-10)由式(3-9)和式(3-10)得 (3-11)则 则 则 5).本次设计采用整体式转向梯形机构，汽车前悬架采用非独立式悬架。采用后置转向梯形。图3-2 转向系各角度图中：、分别为内、外转向车轮转角；L为汽车轴距；M为两主销中心线延长线到地面交点之间的距离；AE为转向节臂；为梯形底角。则则计算转向横拉杆和齿条的总长： 4 齿轮齿条的设计4.1 齿轮的设计根据齿轮齿条式转向器的设计要求：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。本次齿轮的材料选用20CrMnTi。热处理方式为：表面渗碳淬火。所以,法向压力角取。法向模数mm。分度圆直径 齿顶高 齿根高 齿高 齿顶圆直径 齿根圆直径 齿宽 齿厚 4.2 齿条的设计齿条选用45号钢，调制处理。因为相互啮合齿轮的基圆距离必须相等，即齿轮法面基圆齿距为齿条法面基圆齿距为取齿条法向模数则 齿条齿顶高 齿条齿根高 齿高 5 齿轮齿条的校核5.1 齿轮弯曲疲劳强度计算 5.1.1 计算许用弯曲应力 (5-1)式中：为试验齿轮齿根的弯曲疲劳极限应力；为试验齿轮的应力修正系数；为弯曲疲劳强度计算的寿命系数；为弯曲疲劳强度计算的尺寸系数；为弯曲强度的最小安全系数。查中国机械设计大典得计算应力循环次数,确定弯曲疲劳强度寿命系数式中：是齿轮每转一周，同一侧齿面的啮合次数；n是齿轮转速(r/min)；t是齿轮的设计寿命(h)。根据N查表得：则5.1.2 计算齿根弯曲强度并校核 (5-2)式中：为载荷作用于齿顶时的复合齿形系数；K为载荷系数；为齿轮转矩；为齿轮齿宽；为重合度系数。1).式中：为断面重合度，对于直齿轮根据查表得重合度系数2).确定载荷系数K式中：为使用系数；为动载系数；弯曲强度计算的齿面载荷分布系数；为弯曲强度计算的齿间载荷分配系数查表得：;原动机轻微冲击，工作机轻微冲击则 3).齿轮转矩则 所以齿根弯曲强度符合要求。5.2 齿面接触强度校核5.2.1 计算许用接触应力 (5-3)式中：为试验齿轮的接触疲劳极限应力；为接触强度的最小安全系数；为接触疲劳强度计算的寿命系数；为工作硬化系数。查中国机械设计大典得：则 5.2.2 计算齿面接触强度并校核 (5-4)式中：为材料弹性系数；为重合度系数；为齿数比。 查中国机械设计大典得：因为齿轮和齿条均为钢制，所以齿数比u=5则 所以，齿面接触强度符合要求。5.3 验算齿轮模数则 所以，所以取优先系列模数2.5mm，所以符合要求。6 齿轮轴的设计6.1 齿轮齿条传动受力分析若略去齿面间的摩擦力，则作用于节点的法向力可分解为径向力和分力，分力又可分解为圆周力和轴向力。 6.2 轴的强度校核 齿轮轴受力分析图图 6-1 轴的受力图6.2.1 轴的支撑反力的算计在垂直面上在水平面上计算弯矩在水平面上，a-a剖面左侧a- a剖面右侧在垂直面上，a-a剖面左侧a- a剖面右侧 合成弯矩：a-a面左侧a- a面右侧画出弯矩图：图 6-2 弯矩图计算转矩并画出转矩图转矩：图 6-3 转矩图6.2.2 判断危险剖面显然，a-a截面左侧的合成弯矩最大、扭矩为，所以该截面左侧或许为危险剖面。 6.2.3 轴的弯扭合成强度校核由于齿轮的基圆直径为，数值比较小，齿轮和轴之间采用键连接，齿轮和轴的强度将被降低，所以将其设计成齿轮轴，由于主动小齿轮采用材料制造并经渗碳淬火，因此，轴的材料也选用材料制造并经渗碳淬火。查中国机械设计大典得：材料的抗拉强度极限，屈服极限，弯曲疲劳极限，剪切疲劳极限对称循环疲劳极限：，脉动循环疲劳极限：等效系数：6.2.4 轴的疲劳强度安全系数的校核截面的抗扭截面系数查中国机械设计大典得；绝对尺寸系数：；轴经磨削加工，查得质量系数 则 弯曲应力： 应力幅： 平均应力 切应力 安全系数校核 此安全系数符合要求。7 其他零件的设计选择7.1 弹簧的选择根据GB/T 2089-1994选择代号为A的标准圆柱螺旋压缩弹簧，材料选择45号钢。总圈数 n=5有效圈数 弹簧直径 d=4节距 t=6.63弹簧中径 弹簧外进 弹簧内径 因为它的实验载荷为，所以选择此弹簧可行。7.2 轴承的选择查机械设计手册大师，选择6202深沟球轴承，内径为15mm，外径为35mm,宽度为11mm。选择NA 4901滚针轴承，内径为12mm,外径为24mm，宽度为13mm。7.3 螺钉的选择根据GB/T 5782-2000选取螺纹规格d=M6 两个选取螺纹规格d=M12一个材料为Q2357.4 弹簧压块的设计压块的设计如图所示，材料选择45号钢 图7-1 弹簧压块示意图7.5 齿条支撑的设计齿条支撑的设计如图所示，材料选择45号钢 图7-2 齿条支撑示意图7.6 轴承压块的设计轴承压块的设计尺寸如图所示，材料选择45号钢 图7-3 轴承压块示意图结束语 本次毕业设计主要设计了机械式齿轮齿条式转向器。选用的中间输入，两端输出的形式，与非独
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