汽车转向器结构设计

1、河 北 工 业 大 学毕 业 论 文作 者： 杨金龙 学 号： 100334 学 院： 机械工程学院 系(专业)： 车辆工程 题 目： 汽车转向器结构设计 指导者： 刘茜 副教授 (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2014 年 6 月 3日汽车转向器结构设计摘 要：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。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

2、向器、转向传动机构三大部分组成。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。转向器是转向系统的核心，它把操纵机构的旋转运动转变为直线运动从而使车轮偏转，完成转向。转向器主要分为齿轮齿条式、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，本次设计为齿轮齿条式转向器结构设计，齿轮齿条式转向器具有结构简单、紧凑；传动效率高而转向器质量小的特点，因此实际应用较广泛。关键词：转向系 齿轮齿条转向器 优点 The Structural Design Of Steering GearsAbstract：.When cars to be constantly chan

3、ging the direction of travel , which requires the driver needs to be able to follow a set of automotive steering mechanism , it will be the driver turns the steering wheel moves into the wheel ( usually the front wheels ) deflection action. This agency is the car's steering system .Different ste

4、ering force of energy, can be divided into mechanical steering system steering system and power steering system . Mechanical steering system energy source is human, all the pieces are mechanical force transmission from the steering mechanism ( steering wheel ) , steering gear , steering transmission

5、 mechanism composed of three parts . In addition to the power steering system with more than three components , as its main power source is a power steering device .Steering Gears is the core of the steering system , the steering mechanism which changes the rotational movement to linear movement so

6、that the deflection of the wheels , the steering is completed . Steering Gears is divided into worm refers crank pin type , recirculating ball - Fan- rack gear , recirculating ball type crank fingers , worm wheel type , etc. The design of the rack and pinion steering gear design, rack and pinion ste

7、ering has a simple and compact structure ; high transmission efficiency and the quality of the small steering characteristics, so the actual application of more extensiveKeywords： steering system Rack and pinion steering gear Advantage. 目 录1 绪论 6 1.1齿轮齿条转向器6 1.2齿轮齿条转向器的工作原理7 1.3其它类型转向器 92 汽车转向分析10 2

8、.1阿克曼几何学10 2.2最小转弯半径11 2.3转向系的效率11 2.4转向系的角传动比与力传动比12 2.4.1角传动比12 2.4.2力传动比132.5方向盘的自由行程133转向器结构方案的确定和具体设计14 3.1某常见乘用车具体参数14 3.2转向器设计计算14 3.2.1原地阻力矩的计算15 3.2.2转向盘操控力的计算15 3.3齿轮齿条传动副的确定和设计16 3.3.1变传动比齿轮齿条的原理分析16 3.3.2斜齿圆柱齿轮的设计17 3.3.3传动副传动方案的设计17 3.3.4齿条的设计18 3.4齿轮的强度校核计算19 3.4.1齿轮齿面接触疲劳强度计算19 3.4.2齿

9、轮齿根弯曲疲劳强度计算22 3.5齿条的强度校核计算24 3.5.1齿条的受力分析24 3.5.2 齿条杆部受拉压的强度计算26 3.5.3齿条齿部弯曲强度的计算264.转向系统与转向器的现状与发展275.致谢296.参考文献30齿轮齿条式转向器设计1.绪论转向器，也经常称作转向机，是把转向轴传递来的的旋转运动转化成直线或近乎于是直线运动的一类机械传动装置，同时它也是转向系中的减速传动装置，是转向系统的主要部件。汽车转向系统是汽车重要的安全部分,它的发展历史主要分为两个不同阶段,一是传统的机械转向系统时期；二是现代正广泛运用并且还在快速发展的助力转向系统的时期1。传统的机械转向系统由转向器、传

10、动机构和转向盘操控机构三大部分以及其它零部件组成，助力转向系统是在机械转向系统的基础上安装一套给转向系统提供能量的系统以方便转向，如液压助力、电子液压助力或者电子助力等。助力转向系统可以使驾驶员操纵方便灵敏，更好更安全的驾驶车辆，提高了汽车性能。无论是机械转向系统还是助力转向系统，转向器都是最重要最核心的部件之一。转向器的功用是把转向轴传递过来的旋转运动转变成转向拉杆的直线运动并通过转向传动机构传递给车轮，使车轮偏转，从而完成转向。在转向器在近几十年的发展中，出现了多种形式结构的转向器，广泛使用的有齿轮齿条式转向器、循环球-齿条齿扇式转向器、蜗杆曲柄指销式转向器、循环球曲柄指销式转向器以及不常

11、见的蜗杆滚轮式转向器等，其中蜗杆曲柄指销式是齿轮齿条式转向器的变体，循环球曲柄指销式是循环球-齿条齿扇式的变形。1.1齿轮齿条式转向器世界上第一台完整的齿轮齿条式转向器是1885年首次被应用在西德的“本茨”汽车（即后来大名鼎鼎的奔驰汽车）上的转向器，后来逐渐被被应用在“凯迪拉克”等名牌汽车上，齿轮齿条式转向器的寿命已经有一百多年。在这么长的时间里，其结构与性能也已不断获得完善与提高2。今天，随着助力转向系统的普及应用，齿轮齿条式转向器的优点被进一步挖掘，得到了广泛使用和快速的发展。齿轮齿条式转向器主要由主动小齿轮、齿条以及相应的壳体等零件构成。齿轮齿条转向器由于结构简单，容易与转向助力系统配合

12、优点，从而在近几十年助力系统得到广泛使用的年代成为了弄潮儿，在汽车上得到了广泛使用。齿轮齿条这种动力传递方式本身具有很多优点，如结构紧凑并且重量轻，传递效率还高，很重要一点还有成本低，这都很好地适应了当今社会汽车行业整体的发展方向。由于齿轮齿条啮合传递动力是可以改变逆向的，因此这种方式可以把地面对车轮的反作用力传递给方向盘，从而具有了对路面情况反应灵敏的优点，但是与此同时也常常出现容易打手和摆振等的缺点。齿轮与齿条相互啮合传动，转向工作时，与转向轴联接的主动齿轮的旋转运动转化为齿条的直线运动，再通过转向横拉杆拉动转向臂，使车轮产生偏转。转向器的主动小齿轮一般为斜齿圆柱齿轮，轮齿呈螺旋状，而非直

13、齿圆柱齿轮，这样可以尽量减小齿轮与齿条之间啮合的间隙，啮合更加紧密，从而使驾驶员对转向盘的微调转动能够迅速传递给车轮，能够提高操控的灵敏性，同时减小方向盘的自由行程。不过齿轮啮合也不是越紧越好，啮合过紧会使得转动转向盘时的操作力过大，驾驶员会感到吃力。为了既有较高的灵敏度又操纵轻便，汽车转向助力便应运而生了，即我们常说的动力转向器。动力转向器是利用外部动力但是按照司机的意愿帮助转向的转向器。近年来，随着汽车功能的增加和机械、电控水平的提高以及部件的增大和汽车轮胎与地面的接触面越来越大，车重和转向阻力都大大增加了，但是操纵轻便性要求越来越高，因此动力转向机构越来越普及。必须要注意的是，转向助力应

14、该是随着工况变化而变化的，因为汽车在高速行驶时，轮胎转向的横向阻力相对较小，从而转向盘变得轻飘，很难掌握反馈的路面的信息，使驾驶员很难做出正确的判断，反之则汽车会难以操纵。因此在高速时要适当减低动力辅助，而在低速时则要增加转向动力，转向动力要不停的变化，这种变化还必须平稳。液压动力转向器采用液压作动力源，液压式动力转向装置，结构紧凑，也不用润滑，而且油液的阻尼作用也可以吸收转向系统承受的冲击力，有利于增加操纵的平顺性。但液压助力系统也有自身的缺陷，液体流量增加会加重泵的负荷，液压动力需要保持怠速旋转的机构供给，液压系统结构复杂，生产加工工艺性要求较高，与电动助力相比，使用过程中还需要较高的维护

15、成本。因此现在助力转向的发展趋势是以电子助力转向为主，电子助力随动性好，结构方便等一系列优点满足了现在社会的需要。就目前看来，电子助力转向和齿轮齿条转向器是一对很好的搭配。 1.2齿轮齿条转向器工作原理齿轮齿条式转向器的小齿轮和与之啮合的齿条安装在转向器壳体总成中，齿轮作为主动件转向齿条紧密啮合，齿条水平布置，则齿轮的旋转运动能够转变成齿条的直线运动。齿轮和齿条的啮合被预紧弹簧的预紧力紧紧压在一起，这样可以保证齿轮齿条的紧密啮合，弹簧的预紧力还可以通过预紧螺钉调节，从而使齿轮齿条啮合合适。工作时，转向器的中部连接着转向拉杆的一端，转向左、右横拉杆的另外一端分别联接转向轮的转向节臂。当驾驶员转动

16、转向盘时，旋转动力通过转向轴、万向节等传动机构带动转向器中的主动小齿轮，与之啮合的转向齿条开始直线移动，随即转向轮在转向横拉杆的拉动下偏转，从而完成汽车转向。图1-1为转向系统示意图：图1-1转向系统示意图1-转向盘； 2-转向轴上轴 ；3-转向系托架； 4-十字万向节； 5-转向轴下轴； 图1-2为齿轮齿条转向器内部结构示意图图1-2齿轮齿条转向器1-转向齿轮；2-转向齿条1.3其他类型转向器a. 蜗杆曲柄指销式蜗杆曲柄指销式转向器由蜗杆和曲柄销构成，其中蜗杆联接转向操控机构，为主动件；曲柄销在蜗杆带动下运动，为从动件。工作时蜗杆把传递来的旋转运动传递给曲柄销，曲柄销输出直线运动，此种转向器

17、主要运用在转向力矩较大的重型汽车上。如图1-1为蜗杆曲柄指销式转向器。图1-3蜗杆曲柄销式转向器1-蜗杆；2-曲柄销b. 循环球式转向器 循环球-齿条齿扇式转向器和循环球-曲柄指销式转向器都属于循环球式转向器。循环球式曾经是运用最广泛的转向器，它具有传动效率高，操纵轻便舒适的特点，因此独占鳌头，后来随着转向助力系统的发展，结构更简单且更容易安装助力系统的齿轮齿条转向器占据了上风。下图为循环球-齿条齿扇式转向器图1-4循环球式转向器2.汽车转向过程分析2.1阿克曼几何学当两轴式汽车以低速转弯行驶时，可做以下假设：一、忽略离心力的影响，二、轮胎是刚性的。假设轮胎是刚性的即忽略轮胎侧偏，在这个假设的

18、前提下，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。图2-1两轴汽车转向因此当汽车转向轮转向时，在阿克曼几何学关系下，符合下面关系式 式中，转向轮外轮转角；转向轮捏内转角； 两主销轴线与地面交点间距离；L车轮轴距。2.2内轮应达到的最大转角汽车最小转弯半径与汽车内轮最大转角、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B有关。在转向过程中L、r、保持不变，只有是变化的，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3。计算最小转弯半径如下， （32）转向内轮应达到的最大转角可以在给定最小转弯半径的条件下

19、，用下式计算出， （33）根据参考车型=5500mm， L=2760mm， r=80mm， B=1500mm，则计算出=30.615°，取=31°。2.3转向系的效率转向系的效率等于转向器的效率和转向操纵及传动机构的总效率的乘积，即公式 （34）其中转向器效率包括转向器正效率和转向器逆效率。转向时，齿轮为主动件，齿条为被动件传动时的效率为转向器的正效率，用表示，一般情况下，转向系的正效率值为0.660.81范围内；反过来，车轮受到外力转动通过转向器向转向盘传动时，齿条带动齿轮的传递效率为转向器逆效率，逆效率一般在0.570.63范围内。而转向传动机构总成的总效率往往在0.8

20、50.9范围内，取=0.75，=0.88。2.4转向系的角传动比与力传动比2.4.1角传动比转向系的角传动比是指转向盘转角的增量与同侧转向节转角的相应增量之比；转向器的角传动比是指转向盘转角的增量与转向摇臂转角的相应增量之比；转向传动机构的角传动比是指转向摇臂轴转角的增量与同侧转向节的相应增量之比4。它们之间的关系是，= 即 设计时，转向传动机构的角传动比参照普遍的汽车转向传动机构的角传动比，一般在0.851.1之间，在此取为1。因此在分析转向系的角传动比时忽略转向传动机构的角传动比只需要分析转向器的角传动比即可。因为=1本次设计的转向器安装在小型乘用车上，按照推荐值1422，在此选取20作为

21、本次设计的转向器角传动比。则转向系的角传动比=202.4.2力传动比有定义可知转向车轮的转向阻力矩与转向摇臂的力矩之的值即为转向传动机构的力传动比即 而转向系的力传动比为两个转向轮受到的地面的反作用力与驾驶员操控转向盘的力的比值： 其中为一个转向轮受到的地面的作用力； 为驾驶员施加在方向盘上的力。 2.5方向盘的自由行程方向盘的自由行程是指转向盘空转不带动转向轮偏转的最大角行程。方向盘的自由行程有利于汽车在颠簸路面行驶，可以缓和路面对轮胎的反作用力对驾驶员的冲击，避免驾驶员过度紧张，但又不宜过大，否则将大大降低转向灵敏度，使转向失灵，造成操纵不便甚至危险。合理设计自由行程的大小才能既保证汽车容

22、易驾驶，又使驾驶员能很好掌握路况信息。在齿轮齿条转向器中，齿轮和齿条的啮合对自由行程影响较大，当齿轮和齿条啮合紧密时，自由行程大，反之方向盘自由行程小。因此要对预紧弹簧进行适当预紧，以保证合适自由行程。3.转向器结构方案的确定和具体设计3.1转向器结构方案分析主动齿轮、转向齿条、及容纳上述各件的壳体总成等部分组成了齿轮齿条式转向器，还有一些例如消除间隙机构等其它辅助机构。齿轮齿条转向器的核心是齿轮齿条传动副，由主动小齿轮和转向齿条构成。工作时转向轴把转向盘的旋转运动传递给转向器的主动齿轮，齿轮再通过啮合带动齿条作直线运动，此时，机构的运动方向发生了变化，转向系统的传动比也增大了。本次设计的核心

23、即齿轮齿条传动副的设计是本次设计的重点。消除间隙的机构被设置在齿条与小齿轮啮合处的背部，预紧弹簧是这个机构的核心部件，还有托座，压紧块等零件。当齿轮齿条长时间工作出现磨损时，预紧机构可以自动消除间隙，保证齿轮齿条啮合。要满足汽车转向器的功能要求，转向器的设计应满足以下几点：（1）保持随动性，当驾驶员操控转向盘时，转向轮应按照转向盘转过的角度成比例偏转；（2）在汽车行驶时，驾驶员在操控汽车的同时，需要获得转向系统传递来的反应路面状况的信息，即有适当的“路感”。当路面平顺，行驶顺利时，驾驶员应该感觉驾驶轻松，方向盘阻力小；路面状况不好时，应使驾驶员感到方向盘阻力大，这可以使使驾驶员更好地操控汽车。

24、（3）工作安全可靠，转向器应该能在一定恶劣环境下工作而不失效。（4）系统密封性良好，转向器应尽量少受外界环境的影响；（5）工作时噪声和震动小；（6）工作灵敏，驾驶员操控方向盘时，转向器应该能够立刻把转向信息输送给转向轮。3.2转向器的设计计算本设计参考车型为某常见车型，具体参数见表31： 参数 数值长度4520mm宽度1817mm高度1421mm车重M1395kg轴距2760mm前轮距1500mm后轮距1513mm表31某车型参数本次齿轮齿条转向器设计计算建立在以上参数已知的基础上。由于理论的局限性和实际情况的不确定性，我们无法精确计算每一个转向器本身参数以及工作中转向器所受的所有力及力矩，因

25、此设计计算在一定的理想情况下进行并且需要运用经验公式等。3.2.1原地阻力矩的计算原地阻力矩查阅相关资料可得经验公式：为轮胎与地面的摩擦因数，一般取0.30.4,取0.35为转向轴负荷，计算单位是NP为轮胎气压，单位是MPa，取0.20.3MPa，取0.25=55%Mg 由表3-1知M=1395kg，则=7519.05带入可得=152132.233.2.2 转向盘操控力的计算转向盘操控力即驾驶员需要作用在方向盘上的手力用表示，其计算公式为则力矩式中为转向摇臂长；为转向节壁长；查阅课本知，在0.851.1之间，可取为1。为转向盘直径，小轿车方向盘直径一般在350mm550mm之间，本次设计取45

26、0mm，为方向盘半径；为转向器角传动比，范围在1719之间，取18；为转向器正效率，最大为=90%，转向器效率不可能一直保持最大值，取80%。带值计算可得： =46.95N=46.95*0.45*0.5=10.563.3齿轮齿条传动副设计3.3.1变传动比齿轮齿条的原理分析齿轮的基圆齿距必须相等才能相互啮合， 即 。那么可以推出齿轮和齿条啮合时也必须满足“基圆”齿距相等的原则。齿轮基圆的齿距公式，虽然齿条没有基圆，但是我们可以认为齿条基圆齿距计算公式为。那么当模式、压力角一定的齿轮和模数压力角变化的齿条啮合传动时，它们必须满足一下等式： （317）另外，齿轮的啮合角与齿条的压力角应相等，因为齿

27、轮和齿条相啮合时的接触线必须与齿轮的基圆相切并且垂直于齿条的轮廓线。则齿轮齿条啮合时，齿轮的节圆半径公式为 （318）式中，齿轮的基圆半径； 齿轮的啮合角。有上述可知，当转向齿条的压力角减小，主动齿轮的啮合角也会随之变小而使节圆的半径也减小。也就是说当选用模数、压力角变化的齿条，则当汽车直线行驶时齿轮和齿条的压力角最大，也就是说齿条中间部分受力最大。转向工作时，齿条的压力角、模数向两端逐渐减小，此时主动齿轮啮合半径也随之减小，齿条的受力也就逐渐减少。这会导致转向盘在转向车轮不同角度时转过同一角度而齿条的行程不同转向轮转过的角度也不同，那么转向器的传动比就是变化的。下图31是转向器的齿条在不同位

28、置齿条的轮齿的变化，即齿条的压力角和模数是变化的。可以看到，齿轮位于齿条的中间部分时，齿轮的节圆半径较大并且齿条的压力角和模数都比较大；逐渐向两端变化时，节圆半径、齿条的模数和压力角均减少，齿条受力减少。下图可以明显看出齿条的齿形状的变化。a) 齿条中部齿 b)齿条两端齿图31 齿条压力角变化简图 3.3.2传动副传动方案的设计主动齿轮的螺旋角与转向齿条之间夹角的大小和方向的不同可以得到不一样的传动方案。本设计选取，则为，如图32所示。图32 齿轮与齿条啮合工作示意图3.3.3斜齿圆柱齿轮的设计选定以下参数：齿轮模数,一般在2mm3mm范围内， 取=2.5mm齿轮齿数z, z一般在58范围内，

29、 取 z=6齿轮压力角,压力角一般为20°， 取齿轮螺旋角,螺旋角范围在9°15°之间， 取=12°则：分度圆直径，故 ， 取=15.37 齿顶圆直径,，故 mm则齿顶高 =2.5mm 齿根圆直径,，故 mm则齿根高 =3.125mm全齿高h=+=5.625mm基圆直径 由 得20.41则 mm3.3.4齿条的设计计算：齿轮与齿条正确啮合的条件是：；则齿条有齿条齿顶高：2.5mm 齿条齿根高： = 3.125mm齿条全齿高：5.625mm 齿轮与齿条的齿宽参照常见同类转向器，为保证齿轮与齿条的啮合，齿轮宽度要大于齿条宽度。选齿轮宽30mm，齿条宽20mm

30、。由以上计算分析可得齿轮齿条的参数如下表3-2：名称齿轮（mm）齿条（mm）分度圆直径15.37齿顶高 2.52.5齿根高 3.1253.125齿全高 h5.6255.625齿顶圆 20.37齿根圆 9.12基圆直径 14.34齿宽b3020表3-2齿轮齿条的参数3.4齿轮的强度校核计算3.4.1.齿面接触疲劳强度计算利用直齿圆柱齿轮接触应力公式推导分析斜齿圆柱齿轮的接触应力时比较广泛的斜齿圆柱齿轮接触应力的计算方法，公式的推导过程与直齿圆柱齿轮的推导过程相似，不过要考虑其以下特点：两者啮合的接触线类型是不同的，直齿圆柱齿轮是直线而斜齿圆柱齿轮为曲线，这有利于提高接触强度 ；并且重合度比直齿大

31、，传动更平稳。一、齿轮的载荷计算的分析为了使计算方便简单，我们首先计算啮合齿轮接触线上的平均载荷P。计算公式为：P = 作用在啮合齿轮接触线上的公称载荷L 啮合齿轮的接触线长，单位mm其中齿轮接触线法向载荷为公称载荷，制造误差特别是角度误差等在实际制造过程中不可避免的误差因素，会导致齿轮在接触线上受载不均衡，使轮齿部分受力增大。另外，如果两对齿轮同时啮合，两对齿轮受力也是不平均的，在使用过程中，齿轮也会受到动载的冲击等。考虑这些因素，在计算载荷强度时，必须按照最大应力进行计算，即对当量载荷（N/mmm）进行计算。计算公式为： = P = 其中 为载荷系数 为作用在齿面接触线上的法向载荷 为沿齿

32、面的接触线长，单位mm。载荷系数等于使用系数、动载系数、齿间载荷分配系数及齿向载荷分布数的乘积，即 = a.使用系数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。本次设计为简单设计，直接取 = 1.0 b.动载系数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。本次设计中取 = 1.0 c.齿间载荷系数齿轮的制造精度7级精度 = 1.2 d.齿向荷分配系数齿宽系数 = 1.5 则 = 1.12+0.18(1+0.6d) + 0.23*10b = 1.5 所以载荷系数 = = = 1.8斜齿轮啮合的端面重合度计算公式为： = = = 1.65 由以上

33、分析可得斜齿轮啮合时齿轮单位长度受载荷为： = KP =K 因 Fn = Ft/(cos*cos1) 所以 带入数值可得=296N/mm。利用斜齿圆柱齿轮的当量直齿轮进行接触疲劳计算，计算时代入当量直齿轮的有关参数后，即得到斜齿圆柱齿轮的接触疲劳强度： = 式中： Z 弹性系数 选用主动齿轮材料为20CrMo，则选取=0.3，=0.3， E，E均取189.8 MPa计算可得 Z = 5.7：节点区域系数Z = 2.24令转向器的传动比为u , 且u趋近正无穷即 所以 = 51.6 MPa小齿轮接触疲劳强度极限 = 1000 MPa 应力循环次数 N = 2*10 所以 = 1.1 计算接触疲劳

34、许用应力选取齿轮的失效率为0.01，安全系数为1，则 = 1.1*1000MPa = 1100MPa K 接触疲劳寿命系数由此可得 < 通过上述计算可知，齿轮轮齿的解除疲劳强度满足设计要求。3.4.2齿轮齿跟弯曲疲劳强度计算齿轮啮合传动时，根据工程力学可知齿根所受的弯矩最大，此时齿根弯曲疲劳强度最弱，应校核齿根处的弯曲疲劳强度。当齿轮啮合位于最高点儿时，此时啮合轮齿所受力臂最大，但是由于此时是双齿啮合，每个齿轮所受弯矩并不是最大值。分析可知，当齿轮啮合为单齿啮合时，啮合接触点运动到最高点时，此时单个轮齿所受弯矩最大。因此计算时，应在第二种情况下进行计算。斜齿轮啮合与直齿圆柱齿轮不同，啮合

35、的接触线和轮齿的危险截面在不停地变化，难以进行精确计算，但是根据经验，按照当量直齿圆柱齿轮所受应力分析计算是科学的，可以满足要求，因此我们按照斜齿圆柱齿轮的当量直齿圆柱齿轮进行计算。校核斜齿圆柱齿轮的强度时直接把参数代入直齿圆柱齿轮弯曲应力校核公式，但是需引入螺旋角系数，即可得到斜齿圆柱齿轮的弯曲疲劳强度计算校核公式： 齿间载荷分配系数= 1.2 齿向载荷分配系数 = 1.33 载荷系数K= = 1*1*1.2*1.3 =1.56 齿形系数 校正系数 = 1.4螺旋角系数 校核齿根弯曲强度= = = 323.8MPa弯曲强度最小安全系数=1.5 计算弯曲疲劳许用应力 弯曲疲劳寿命系数 = 1.

36、5 可得， = 1.5*1000/1.5 = 1000 MPa所以 <因此，本次设计小齿轮的齿面接触疲劳强度小于接触疲劳极限，弯曲疲劳强度小于弯曲疲劳极限，符合设计要求。3.5齿条的强度计算齿条的示意图如下：图3-3转向齿条示意图3.5.1齿条的受力分析本次设计，取转向轴输入给转向齿轮的转矩为 T = 20Nm，齿轮齿条啮合的摩擦力忽略不计，不予考虑。齿轮齿条的受力分析方法可以参考斜齿轮啮合受力，齿条的受力分析如图3-4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

37、。各力的大小为： Ft=2T/d Fr=Ft*tg/ cos1 Fx=Ft*tg1 Fn = Ft/(cos*cos1) 齿轮轴分度圆螺旋角 法面压力角 齿轮轴受到的切向力：Ft = 2T/d = 2614.38 N T作用在输入轴上的扭矩，T取20Nm 。d齿轮轴分度圆的直径， 齿条齿面的法向力：Fn=Ft/(cos*cos1) =2841N 齿条牙齿受到的切向力： =2669.67N 齿条杆部受到的力： 2 = 2611.33N 3.5.2 齿条杆部受拉压的强度计算 计算出齿条杆部的拉应力： =11.1N/mm F齿条受到的轴向力 A齿条根部截面积 齿条常采用45钢制造以满足强度需要和降低

38、生产成本，则在不考虑热加工的情况下其抗拉强度极限是 = 690N/mm。 因此 <所以，齿条设计满足抗拉强度设计要求。3.5.3齿条齿部弯曲强度的计算齿条的齿所受弯曲应力计算公式： 式中： 齿条齿面切向力 b 危险截面处沿齿长方向齿宽 齿条计算齿高 S 危险截面齿厚 计算可得齿条牙齿的弯曲应力为： =451.16N/mm以上的计算，是按照一对齿轮啮合进行的，即把所有的载荷计算在一对齿轮上，而实际中齿轮齿条啮合时的啮合系数为2.63，我们按照两对齿轮计算，也在安全范围内。因此齿轮应力减少一般： = 182.2N/mm 齿条的材料选择45刚，则查资料得抗拉强度 690N/mm 。齿部弯曲安全

39、系数 S = / = 3.8 通过计算可知，转向齿条满足既满足齿面接触疲劳强度，又满足齿根弯曲疲劳强度，转向齿条设计合格。通过3.4和3.5可以看出，转向器的主动齿轮和转向齿条均满足强度要求，本次齿轮齿条转向器结构设计完成。4.转向器与转向系统的现状与发展从十八世纪的蒸汽汽车算起，汽车已经有近二百多年的历史，从汽车诞生之日起，作为操纵机构的转向系统就诞生了。随着机械制造和电子技术等产业的快速发展，汽车也以迅猛的势头发展着，转向系统也一代一代更新着，时至今日，已经达到一定水平并且依然有广袤的发展前景。转向器作为转向系统地核心，也在快速进步着。转向系统的发展可以分为两个阶段，传统纯机械转向系统时代

40、和助力转向系统时代。在机械转向时代，循环球式转向器因为机械效率高，操纵轻便等优点得到广泛应用；而在助力转向时代，随着液压助力、电子液压助力、电子助力转向系统地产生应用，结构更加简单、效率高更重要的是更容易和助力系统搭配安装的齿轮齿条转向器逐渐得到青睐而取代循环球式转向器。显而易见，转向器的发展受机械水平和电子技术发展水平的影响，受转向系统发展水平的约束。转向系统的发展有两次重大突破。一是二十世纪五十年代，液压助力开始运用在汽车转向系统上。 液压助力转向系统即利用液压传递动力帮助转向，在传统的机械助力转向系统的基础上增加一套液压系统即构成液压助力转向系统。工作时，液压助力系统根据控制机构（转向盘

41、）传递过来的扭矩判断转向的方向，进而液压泵输出同方向转矩帮助转向。液压助力转向系统的诞生大大减轻了驾驶员的驾驶压力，使驾驶车辆变得轻松，为后来的电子转向系统的出现打开了大门。但是纯液压转向系统存在缺陷，当一套液压系统安装在车辆上时，车辆的参数确定，选定了转向器液压系统的参数、助力特性也就确定并且是不可调的。而往往车辆行驶过程中会有很多的工况出现，如果助力系统不能跟随工况变化而调整，驾驶的轻便性也就很难满足。为了解决这一问题，在液压助力转向系统的基础上，又配合安装了电子转向系统。当车辆工况发生变化时，电子系统通过电信号控制液压系统，调节液压系统的输油量以达到随时变化助力大小的目的。虽然解决了液压系统的随动性问题，但是转向系统的成本却大大增加了，这肯定会促使汽