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汽车齿轮齿条式转向系设计
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3294 汽车齿轮齿条式转向系设计,3294,汽车齿轮齿条式转向系设计,汽车,齿轮,齿条,转向,设计
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XXXX大学本科毕业设计(论文) 题目：汽车齿轮齿条式转向系设计系 别： 机电信息系 专 业：机械设计制造及其自动化班 级： 1230203 学 生： XXXX 学 号： 123020338 指导教师： XXXX 2011年05月毕业设计（论文）任务书系别 机电信息系 专业 机械设计制造及其自动化班级1230203姓名 XXXX 学号123020338 1.毕业设计（论文）题目： 汽车齿轮齿条式转向系设计 2.题目背景和意义：目前，汽车工业发展迅猛，转向系统作为汽车的关键部件的也得到了相应的发展，已形成专业化、系列化生产的格局。转向器的性能好坏对于汽车在高速行驶过程中所需的操纵轻便、稳定性好及安全行驶有很大影响。为适应汽车工业的发展形势，熟悉汽车部件的设计，本课题设计一汽车齿轮齿条式转向器。 3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）：（1）了解齿轮齿条式转向系的基本结构、发展现状； （2）完成齿轮齿条式转向系统的结构设计，主要零部件的设计计算与强度校核； （3）绘制所设计的齿轮齿条式转向系统的装配图； 4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）： （1）13周：调研并收集资料，完成开题报告；（2）35周：阅读资料，分析齿轮齿条式转向系的工作原理和基本结构；（3）610周：完成齿轮齿条式转向系统的结构设计计算；（4）1115周：完成齿轮齿条式转向系统结构装配图；（5）1618周完成论文撰写，准备答辩。 5.毕业设计（论文）的工作量要求 毕业设计论文一篇，不少于10000字； 实验（时数）*或实习（天数）： 2周 图纸（幅面和张数）*： 齿轮齿条式转向系的结构装配图，A0图纸（折合）2张 其他要求： 外文翻译不少于1000字，参考文献不少于15篇。 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 系主任审批： 年 月 日说明：1本表一式二份，一份由各系集中归档保存，一份学生留存。2 带*项可根据学科特点选填。汽车齿轮齿条式转向系设计摘 要汽车的转向系统的性能是汽车的主要性能之一，转向性能直接影响到汽车的操纵稳定性，它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。齿轮齿条式转向器是将司机对转向盘的转动变为齿条沿轴向移动，并按照一定的角传动比和力传动比进行传递的机构。其基本结构是一对相互啮合的齿轮和齿条，转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动，同时靠齿条带动横拉杆就可使转向轮转向，所以这是一种最简单的转向器，它具有结构简单紧凑、质量轻、刚度大、转向灵敏、制造容易、成本低，正逆效率高一级便于布置等优点，而且特别适用在独立式麦弗逊式悬架配用，因此目前它在轿车和微型、轻型货车上得到了广泛应用。关键词：齿轮齿条；转向器；汽车Automobile Gear Rack Type Steering System DesignAbstractThe function of automotive steering system is one of the most important functions. It can influence the stability in manipulation, also plays an important role in ensuring safe driving, reducing traffic accident, protecting drivers safety and improving drivers work condition. Rack and pinion steering gear is the driver of the steering wheel along the axis of rotation into a mobile rack and gear ratio according to a certain angle and force transmission ratio for delivery of the body. The basic structure is a pair of mutually meshing gears and rack pinion steering drive shaft rotates, the rack will be a straight line, while driven by the rack to tie rod steering wheel can turn, so this is one of the most simple the steering, it has simple structure, light weight, stiffness, steering is sensitive, easy manufacturing, low cost, high efficiency and a convenient forward and reverse layout, etc. and especially for the independent suspension with McPherson-type , so now it is in the car and micro, light truck has been widely used.Key Words: rack-and pinion; steering gear; automobileII主要符号表 转向轮内偏角 转向轮外偏角 疲劳强度 齿轮轴转速 转向器正效率 轮胎气压 转向器角传动比 齿顶高系数 顶隙系数 重合度系数 当量齿数 接触疲劳寿命系数 弯曲疲劳寿命系数 螺旋角影响系数 轮胎和路面间的滑动摩擦因数V目 录1 绪论11.1 汽车齿轮齿条式转向系统的概述11.2 齿轮齿条式转向系统的发展概况11.3 齿轮齿条式转向器背景、研究意义及国内外发展情况11.4 汽车齿轮齿条式转向原理及基本特性32 汽车齿轮齿条式转向系统的类型、组成及工作原理52.1 机械转向系统的组成52.1.1 转向操纵机构的功能与组成52.1.2 转向盘52.1.3 转向轴和转向管柱62.1.4 安全保护装置62.2 机械转向系统的工作原理72.3 械转向系统的优缺点83 齿轮齿条式转向器设计方案的选择94 齿轮齿条式转向系的设计124.1 齿轮齿条式转向器的设计124.1.1齿轮齿条式转向器的主要元件124.1.2 转向传动比134.1.3 齿轮齿条式转向器的安装134.1.4 齿轮齿条式转向器的设计要求134.2 齿轮齿条式转向系主要参数的确定134.2.1 转向节原地转向力矩MR的计算134.2.2 转向盘手力Fh的计算144.2.3 转向盘手力矩的计算144.2.4 角传动比的计算144.2.5 力传动比的计算154.2.6 梯形臂长度L的计算154.2.7 转向轮侧偏角的计算154.3 齿轮齿条式转向器设计计算164.3.1 主要设计参数的选择164.3.2 齿轮轴和齿条的设计计算164.4 齿轮齿条式转向器转向横拉杆的运动分析224.5 齿轮齿条传动的受力分析224.6 齿轮轴的强度校核234.6.1轴的受力分析234.6.2 判断危险剖面234.6.3 轴的弯扭合成强度校核244.6.4 轴的疲劳强度安全系数校核244.7 齿轮轴轴承的校核264.7.1 求比值264.7.2 初步计算当量动载荷274.7.3 根据式，计算轴承应有的额定动载荷值274.7.4 6204轴承的校核274.8 间隙调整弹簧的设计计算284.8.1 根据工作情况及具体条件选定材料，并查取其力学性能数据284.8.2 弹簧丝直径的设计计算284.8.3 弹簧工作圈数和自由高度的设计计算284.8.4 验算稳定性294.8.5 检查及29 4.8.6 弹簧几何参数和结构尺寸的确定294.8.7 疲劳强度和静应力强度的验算294.8.8 弹簧振动的验算325 结论32参考文献33致 谢34毕业设计（论文）知识产权声明35毕业设计（论文）独创性声明36 1 绪论1 绪论1.1汽车齿轮齿条式转向系统的概述汽车行驶中，驾驶员通过操纵转向盘，经过一套传动机构，使转向轮在路面上偏转一定的角度来改变其行驶方向，确保汽车稳定安全的正常行驶。能使转向轮偏转以实现汽车转向的一整套机构成为汽车转向系。在现代汽车上，转向系统是必不可少的最基本的系统之一，它也是决定汽车主动安全性的关键总成，如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车厂家和科研机构的重要课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同的驾驶人群，汽车的操纵性设计显得尤为重要。1.2齿轮齿条式转向系统的发展概况齿轮齿条式转向系统是整车系统中必不可少的最基本的组成系统，驾驶员通过方向盘来操纵和控制汽车的行进方向，从而实现自己的驾驶意图。一百多年来，汽车工业随着机械和电子技术的发展而不断前进。到今天，汽车已经不是单纯机械意义上的汽车了，它是机械、电子、材料等学科的综合产物。汽车齿轮齿条转向系统也随着汽车工业的发展历经了实践的演变。1.3齿轮齿条式转向器背景、研究意义及国内外发展情况齿轮齿条式转向器最早出现在1902年，当时由于其本身结构不够完善，整车布置的限制以及道路条件差等因素，导致路面反冲激烈，噪音较大以及转向性能较差等缺陷，使此种转向器的应用受到很大的限制。然而近几十年来，特别是最近几年，却有了很大发展，其发展速度超过循环球式转向器，国际舆论甚至认为：目前汽车工业正在抛弃有70年历史的摇臂型转向器。这种看法的主要依据是：a. 国外大部分主要汽车在制造厂大规模地推荐横置发动机、前轮驱动的小客车，这样对齿轮齿条式转向系的布置十分灵活方便，比摇臂式转向器的传动机构更为简化。b. 高速公路发展使车辆速度大大提高，为获得良好的路感，对转向器的刚性要求愈来愈高，而循环球式转向器在刚性上远远不如齿轮齿条式转向器。c. 齿轮齿条式转向器本身具备的优点如结构简单、成本低、高达80%以上的传动效率、具有多种输入输出形式便于布置、重量轻（转向器壳多数采用压40西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）铝合金、有的厂还在研制塑料壳体）、刚性好等等，能使高速车辆的驾驶者获得良好的路感。此外、由于齿轮齿条式转向器自身结构的发展，如采用新型的手动变速比和动力转向，其使用范围已从轿车、微型车及轻型汽车逐步发展到中型和重型汽车转向系。从目前情况看，国际上汽车工业发达国家生产的汽车转向器结合基本上可归为两大类：摇臂式转向器和齿轮齿条式转向器，前者主要型式有球面蜗杆滚轮式、循环球式和曲柄指销式三种，其中循环球式较为主要，在美国和日本的汽车中使用较多。而西欧国家，尤其是法国的汽车中则以齿轮齿条式转向器为主。日本NSK公司的统计资料表明了世界上各种转向器的采用比率及变化趋势，1968年到1975年循环球式转向器比率在40%46%之间变化，而齿轮齿条式转向器的比率则由31%增加到43%，发展较快。此外，日本和美国循环球式转向器的产量占90%以上，而西欧国家齿轮齿条式转向器则占较大的百分比，西德为57%，英国为77%，法国为96%。从目前国外著名转向器厂制造的齿轮齿条式转向器主要应用于轿车，微型和轻型汽车方面，加美国TRW公司的齿轮齿条式转向器用于前轴负载7001250公斤的车辆，西德ZF厂的同类产品用于前轴负载荷为9002400公斤的车辆，但该厂新设计的7856型齿轮齿条式动力转向器可用于前轴负载荷达6500公斤的汽车。从产量看，ZF厂1980年生产了30万套，占机械转向器的一半。英国伯曼厂日产1200套，为其生产的各种转向器之首。日本汽车转向器虽然以循环球式为主，但近年随着微型汽车的迅速发展，也开始大量采用齿轮齿条式转向器。如大发、三菱微型汽车等。齿轮齿条式转向器长期以来是我国汽车转向器生产中的一项空白，直到最近几年由于大量进口汽车组装件，技术引进以及与国外合资企业的发展，才开始研制开发和生产这种转向器。其中主要有与西德大众汽车公司合资生产的桑塔纳中级轿车，日本大发公司的微型汽车以及意大利菲亚特公司的依维柯轻型客货车系列等。仅从以上三种车型的最终生产纲领统计就达40余万辆，再加上其它进口车型的修配任务，估计齿轮齿条式转向器产量将达50余万套，可以估计到90年代时这种转向器将占我国汽车转向器产量的40%50%。因此，国内转向器行业对此都十分重视。如上海汽车底盘厂为了配套生产桑塔纳轿车和SH110微型汽车的齿轮齿条式转向器，已经大力进行工厂技术改造和技术设备的引进工作，要在90年代达到以齿轮齿条式转向器为主的各种转向器产量共50万套的年生产纲领。 1.4汽车齿轮齿条式转向原理及基本特性图1.1 车轮的运动轨迹a. 平行四边形转型机构 b. 梯形转型机构图1.2 前轮运动轨迹若使汽车能顺利转向，各个轮不产生滑动，转向车轮须同向偏转，且所有车轮需要绕一个转向中心转动，保证各车轮在转向过程中均为纯摇滚。如图1.1所示，汽车四个车轮A、B、C和D转轴的延长线相较于一点O，O点即为车轮的转动中心，四个车轮的运动轨迹形成同心圆。这就是汽车转向基本特性。当车轮转向机构的几何关系为平行四边形转向机构时，转向车轮的偏转角度相同（见图1.2a），四个车轮转轴延长线交汇点有两个，因而形成两个转动中心，转向车轮不能实现纯滚动，其转向过程异常。为满足汽车转向基本特性，运用阿克曼原理，转向机构的几何关系呈梯形（见图1.2b）。梯形转向机构由梯形臂和横拉杆组成。梯形转向机构使两侧转向车轮偏转时形成一个转向中心，即汽车的四个车轮绕着一个点转动。此时内、外侧转向车轮偏转角度不相等，内侧车轮偏转角比外侧车轮偏转角大（见图1.3）。在车轮为刚体的假设条件下，内、外侧转向车轮偏转角的理想关系为：图1.3 转向车轮偏转角的转向差cot=cot+B/L （1.1）式中：B-两侧主销轴线与地面交点之间的距离，也称为轮距； L-汽车轴距。由转向中心O到外转向轮与地面接触的距离称为汽车的转弯半径。转弯半径越小，则汽车转向所需场地越小，其机动性能越好。由图1-3可知，当前外转向轮偏转角达到最大值max时，转弯半径R有最小值。在图示理想情况下，最小转弯半径R min与max的关系为：R min=L/sinmax （1.2）2 汽车齿轮齿条式转向系统的类型、组成及工作原理2 汽车齿轮齿条式转向系统的类型、组成及工作原理2.1机械转向系统的组成转向操纵机构：转向盘、转向轴、万向节（上、下）、转向传动轴。（采用万向传动装置有助于转向盘和转向器等部件和组件的通用化和系列化）齿轮齿条式转向器：内设减速传动副，作用减速增扭。转向传动机构：转向摇臂、转向横拉杆、转向节臂、转向节、转向梯形。图2.1 转向操纵机构2.1.1转向操纵机构的功能与组成转向操纵机构的功能是将驾驶员转动转向盘的操纵力矩传给转向器。它主要由转向盘1、转向轴及转向柱管2和万向传动装置3等组成（见图2.1）。转向轴上部与转向盘固定连接，下部装有齿轮齿条式转向器。转向轴与转向器的连接方式，一种是与转向器的输入轴直接连接，另一种是通过万向传动装置间接与转向器输入轴相连接。2.1.2转向盘转向盘主要由轮圈1、轮辐2和轮毂3组成，其结构如图2.2所示。轮辐的形式有两根辐条式、三根辐条式和四根辐条式。轮辐和轮圈的心部有钢或铝合金等金属制骨架，外层以合成树脂或合成橡胶包裹，下侧形成波浪似以利于驾驶员把持。转向盘与转向轴通常通过带锥度的细花键连接，端部通过螺母轴向压紧固定。有的汽车喇叭开关按钮装在转向盘上，方便驾驶员操作。西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）图2.2 转向操纵机构示意图因为在整个转向系统中，各传动件之间存在着转配间隙，这些间隙反映到转向盘上来就变成转动转向盘的空转角度。转向盘自由行程对于缓和路面冲击及避免驾驶员过度紧张是有利的。转向盘的自由行程应控制在转向轮处于直线行驶位置时转向盘向左或向右的自由行程不超过1015。2.1.3转向轴和转向管柱 转向轴用来连接转向盘和转向器，并将转向盘的转向转矩传给转向器。转向轴分为普通式和能量吸收式。现代汽车更多地采用能量吸收式转向轴结构。转向管柱安装在车身上，支撑转向轴及转向盘。转向轴从转向管柱内穿过，靠转向管柱内的轴承和衬套支撑。为方便不同体型驾驶员操纵转向盘，转向管柱上装有能改变转向盘位置的装置。转向盘的安装角度和高度可以在一定范围内调整，以适应驾驶员的体型和驾驶习惯。2.1.4安全保护装置在转向操纵结构上体现的汽车被动安全技术有安全气囊和能量吸收式转向轴。 a. 全气囊SRS安装在转向盘上它的结构主要由传感器、气体发生器、气囊系统等三部分组成。传感器检测汽车发生碰撞时的车速、冲击参数，气体发生器根据传感器指令释放高压气体，或引爆固体燃料，瞬时产生高压氮气并迅速向气囊充气，气囊膨胀，达到保护成员的目的。另外，安全气囊还有一些排气孔，使安全气囊撞到成员时压力有所减小，已达到缓冲效果。安全气囊只能在减速度足够大的碰撞中爆发（充气），而且只能使用一次，不能重复使用。b. 能量吸收式转向轴能量吸收式转向轴分为球式、封入雾状硅橡胶式、咬合式、波纹管式四种。使用较多的是球式，球式能量吸收装置主要由转向轴、钢球套筒、上下柱管、塑料销、钢球等组成。塑料套筒装满钢球，挤压在上柱管和下柱管之间，这些钢球为四段两组。上面的钢球与下面的钢球“交错排列”，以使转向盘柱在脱开时不在同一道槽内滚动。除了能满足转向轴常规的功能外，在汽车发生正面碰撞时，能够有效的吸收碰撞能量，防止或减少碰撞能量伤害驾驶员的转向轴叫做能量吸收式转向轴。 在汽车发生正面碰撞时，会出现两次碰撞。即在汽车碰撞力作用下汽车的前部发生塑性变形，转向轴向驾驶员胸部方向运动的首次碰撞；随汽车减速，驾驶员在惯性力作用下向转向轴方向运动的二次碰撞。首次碰撞的能量通过转向轴以机械的方式予以吸收，防止或减少其直接作用于驾驶员身上，避免造成人身伤害。二次碰撞即驾驶员本身的运动能量一部分由约束装置如安全带、安全气囊等加以吸收，以防止超出人体承受能力的碰撞伤害驾驶员。2.2机械转向系统的工作原理汽车转向时，驾驶员作用于转向盘上的力，经过转向轴（转向柱）传到转向器，转向器将转向力放大后，又通过转向传动机构的传递，推动转向轮偏转，致使汽车行驶方向改变。转向操纵机构是驾驶员操纵转向器工作的机构，包括转向盘到转向器输入端的零部件。转向器就是把转向盘传来的转矩按一定的传动比放大并输出的增力装置。转向传动机构是把转向器的运动传给转向车轮的机构，包括从转向节到转向车轮的零部件。当转向盘直径一定时，驾驶员操纵转向盘手力的大小取决于转向系统的角传动比的大小。转向系统的角传动比是用转向盘转角增量与同侧转向节相应转角增量之比来表示。其数值是转向器角传动比和转向传动机构角传动比的乘积。转向器角传动比是转向盘转角增量与同侧摇臂转角相应增量之比。转向传动机构角传动比是摇臂轴转角增量与同侧转向节转角相应增量之比。对于一般汽车而言，大约为1。由此可见，转向系统角传动比主要取决于转向器的角传动比。转向系统的角传动比越大，转向时加在转向盘上的力矩就越小，转向轻便。但转向系统角传动比大会导致转向操纵不灵敏。所以，转向系统角传动比的大小要协调好“转向轻便”与“转向灵敏”之间的矛盾。汽车的转向，完全由驾驶员所付的操纵力来实现的，操纵较费力，劳动强度大，但其具有结构简单、工作可靠、路感性好、维护方便等优点，多用于中小型货车或轿车上。2.3械转向系统的优缺点虽然传统转向系统工作最可靠，但是也存在很多固有的缺点，传统转向系统由于方向盘和转向车轮之间的机械连接而产生一些自身无法避免的缺陷：a. 汽车的转向特性受驾驶员驾驶技术的影响严重；b. 转向传动比固定，使汽车转向响应特性随车速、侧向加速度等变化而变化，驾驶员必须提前针对汽车转向特性幅值和相应的变化进行一定的操纵补偿，从而控制汽车按其意愿行驶。这就变相地增加了驾驶员的操纵负担，使汽车转向行程存在很大的不安全隐患。3 齿轮齿条式转向器设计方案的选择3 齿轮齿条式转向器设计方案的选择西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）齿轮齿条式转向器在汽车上的布置形式与转向梯形和转向器传动输出形式有关，图3.1所示为最常见的布置形式。 （a）转向器固定于车架或车身两侧输出的非独立悬挂布置；（b）转向器固定于车架或车身中央输出的非独立悬挂布置；（c）为转向器固定于车身前围单侧输出的独立悬挂布置（如奥迪80和桑塔纳轿车）；（d）转向器固定于车架单侧输出的独立悬挂布置（如日本三菱、大发微型汽车）。图3.1 齿轮齿条转向器的四种布置形式（a）中间输入，两端输出；（b）侧面输入，两端输出；（c）侧面输入，中间输出；（d）侧面输入，一端输出。图3.2 齿轮齿条式转向器的传动输出形式主要有如下四种形式通过对齿轮齿条式转向器的初步了解，现在可以采用的方案确定为以下几种：方案一：采用侧面输入，两端输出方案时，如图3.2，由于转向拉杆长度受到限制，容易与悬梁系统导向机构产生运动干涉。采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条式转向器，重合度增加，运转平稳，冲击与工作噪声均下降，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满足总体设计要求。齿条断面形状为V形，与圆形断面比较，消耗的材料少，约节省20%，故质量小，位于齿条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。图3.3为两端输出的齿轮齿条式转向器，作为传动副主动件的转向齿轮轴11通过轴承12和13安装在转向壳体5中，其上端通过花键与万向节叉10和转向轴连接。与转向齿轮啮合的转向齿条4水平布置，两端通过球头座3与转向横拉杆1相连。弹簧7通过压块9将齿条压靠在齿轮上，保证无间隙啮合。弹簧的预紧力可用调整螺塞6调整。当转动转向盘时，转向器齿轮轴11转动，使转向车轮偏转，从而使汽车转向。1.转向横拉杆 2.防尘套 3.球头座 4.转向齿条 5.转向器壳体 6.调整螺塞 7.压紧弹簧8.锁紧螺母 9.压块 10.万向节 11.转向齿轮轴 12.向心球轴承 13.滚针轴承图3.3 两端输出的齿轮齿条式转向器方案二：采用侧面输入，中间输出方案时，如图3.4，与齿条固定连接的左、右拉杆延伸到接近汽车纵向对称平面附近。优点：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。缺点：为了将左、右横拉杆固定在齿条上，并且两拉杆与齿条会同时向左、右移动一定的距离，必须在转向器壳体上开有轴向方向的长槽，使齿条有一部分裸露出来，然后用螺栓将横拉杆固定在齿条上。转向器壳体上的长槽使其强度受到削弱，为了不使外界脏东西落入转向器内，又必须用密封罩将它们密封。齿轮齿条转向器采用直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合，则运转平稳性降低，冲击力大，工作噪声增加。此外，齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角只能是直角，为此与总体布置不适应而遭淘汰。齿条断面形状为圆形，齿条制作工艺比较简单。中间输出的齿轮齿条式转向器如图3.4所示，其结果及工作原理与两端输出的齿轮齿条式转向器基本相同，不同之处在于它在转向齿条的中部用螺栓6与左右转向横拉杆7相连。1.万向节叉 2.转向齿轮轴 3.调整螺母 4.向心球轴承 5.滚针轴承 6.固定螺栓7.转向横拉杆 8.转向器壳体 9.防尘套 10.转向齿条 11.调整螺塞 12.锁紧螺母 13.压紧弹簧 14.压块图3.4 中间输出的齿轮齿条式转向器通过以上比较，选用第一种方案，齿轮齿条式转向器的传动副为齿轮和齿条，其结构简单，布置方便，制造容易，故仅广泛用于微型汽车和轿车上，但转向传动比较小，齿条沿其长度方向磨损不均匀，且通常布置在前轮轴线之后，转向传动副的主动件斜圆柱小齿轮，它和装在外壳中的从动件齿条相啮合，外壳固定在车身上。齿条利用两个球接头直接和两根分开的左、右横拉杆相连。4 齿轮齿条式转向系的设计4 齿轮齿条式转向系的设计4.1齿轮齿条式转向器的设计4.1.1齿轮齿条式转向器的主要元件a. 齿条 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它们与悬架下摇臂平行。齿条可以比作是梯形转向杆系的转向直拉杆。导向座将齿条支承在转向器壳体上。齿条的横向运动拉动或推动转向横拉杆，使前轮转向。b. 齿轮 齿轮是一个切有齿形的轴。它安装在转向器壳体上并使其齿与齿条上的齿相啮合。齿轮齿条上的齿形可以是直齿也可以是斜齿。齿轮轴上端与转向柱相连。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。相对于直齿而言，重合度增加，运转平稳，冲击与工作噪声均下降，并能传递更大的动力，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角以满足总体设计的要求。c. 转向横拉杆及其端部转向横拉杆与梯形转向杆系的相似。球头销通过螺纹与齿条连接。当这些球头销依据制造厂的规范拧紧时，在球头销上就作用了一个预载荷。防尘套夹在转向器两侧的壳体和转向横拉杆上，这些防尘套阻止杂物进入球头销及齿条中。转向横拉杆端部与外端用螺纹连接。这些端部与梯形转向杆系得相似。侧面螺母经横拉杆外端与横拉杆锁紧。注：转向反馈是由前轮遇到不平路面而引起的转向盘的运动。d. 齿条间隙调整装置 一个齿条导向座安装在齿条光滑的一面。齿条导向座和与壳体螺纹连接的调节螺塞之间有一个弹簧。此调节螺塞由锁紧螺母固定。齿条导向座的调节使齿轮、齿条之间有一定的预紧力，此预紧力会影响转向冲击、噪声及反馈。西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）4.1.2转向传动比当转向盘从锁点转动，每只前轮大约从其正前方开始转动，因而前轮从最左到最右总共转动。若传动比是，转向盘旋转，前轮将转向，转向盘向任一方向转动将使前轮从锁点转向锁点。这种传动比过于小，因为转向盘最轻微的运动将会使车辆突然改变方向。转向角传动比必须使前轮转动同样的角度时需要更大的转向盘转角。的传动比较为合理。在这样的传动比下，转向盘每转动，前轮转向。为了计算传动比，可将锁点到锁点过程中转向盘转角的角度除以此时转向轮转角的度数。4.1.3齿轮齿条式转向器的安装齿轮齿条式转向器可安在前横梁上或发动机后部的前围板上。橡胶隔振套包在转向器外，并固定在横梁上或前围板上。齿轮齿条式转向器的正确安装高度，使转向横拉杆和悬架下摇臂可平行安置。齿轮齿条式转向系统中摩擦点的数目少了，因此这种系统轻便紧凑。大多数承载式车身的前驱动汽车用齿轮齿条式转向机构。由于齿条直接连接梯形臂，这种转向机构可提供好的路感。在转向器与支撑托架之间装有大的橡胶隔振垫，这些衬垫有助于减少路面的噪声、振动从转向器传到底盘和客舱。齿轮齿条式转向器安装在前横梁上或前围板上。转向器的正确安装对保证转向横拉杆与悬架下摇臂的平行关系有重要作用。为保持转向器处在正确安装的位置，在转向器安装的位置处，前围板有所加固。4.1.4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之间。主动小齿轮齿数多在个齿数范围内取值，压力角取，齿轮螺旋角多在之间取值。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最大值来确定。变速比的齿条压力角，对现有结构在范围内变化。此外，设计时应验算齿轮的抗弯强度和接触强度。4.2齿轮齿条式转向系主要参数的确定4.2.1转向节原地转向力矩MR的计算为了保证行驶安全，组成转向系统的各零件有足够的强度。预验算转向系零件的强度，需要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。精确地计算出这些力是困难的。为此用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩MR （4.2） （4.1） 式中：f-轮胎和路面间的滑动摩擦因素； G1-转向轴负荷，单位为N； P-轮胎气压，单位为MPa。4.2.2转向盘手力 （4.2） 式中：-转向摇臂长，单位为mm； -原地转租力矩，单位为N； -转向节臂长，单位为mm； -为转向盘直径，单位为mm； -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，故和不代入数值。对给定的汽车，用上式计算出来的作用力是最大的。因此，可以用此值作为计算载荷。4.2.3转向盘手力矩的计算 （4.3）式中：-转向盘手力，单位为N； -转向盘直径，单位为mm。4.2.4角传动比的计算 （4.4）式中：-转向盘转动的总圈数，设计为3.5； -外侧车轮偏转角； -内侧车轮偏转角。4.2.5力传动比的计算 （4.5）式中：-原地转租力矩，单位为N；-转向盘直径，单位为mm； -转向盘手力矩，单位为N； -主销偏移距，通常轿车为0.40.6倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取，计算时取80。4.2.6梯形臂长度L的计算轮辋直径 转向节长度 取 （4.6）4.2.7转向轮侧偏角的计算图4.1 两侧转向轮偏转角关系 式中：-外侧车轮偏转角； -内侧车轮偏转角； -最小转弯半径；-汽车轴距；B-两侧主销轴线与地面交点之间的距离，也称为轮距。4.3 齿轮齿条式转向器设计计算 对具体零件的设计计算，其中齿轮的设计是依据参数的确定，通过对齿面接触应力、齿根弯曲应力的计算来校核其强度，从而确定具体尺寸。4.3.1主要设计参数的选择 4.3.2齿轮轴和齿条的设计计算a. 选择齿轮材料、热处理方式及计算需用应力(1) 选择材料及热处理方式 小齿轮（调质处理）硬度为,条钢（调质处理）硬度为 (2) 转向器为一般工作机器，速度不高，选用斜圆柱齿轮传动(3) 小齿轮的齿数设计为8，齿条齿数齿条的行程/齿轮的周节 设计时取30 (4) 确定需用应力 （4.7） 式中：-接触疲劳强度极限； -弯曲疲劳强度极限； - 接触疲劳强度安全系数；- 弯曲疲劳强度安全系数； -疲劳寿命系数； -弯曲寿命系数； -试验齿轮应力校正系数。由机械设计手册 查得：按齿面硬度小齿轮的接触疲劳强度极； 弯曲疲劳强度极限 齿条的接触疲劳强度极限弯曲疲劳强度极限(5) 计算应力循环次数，确定寿命系数、 （4.8） 式中：n-齿轮的转速，单位为r/min； j-齿轮每转一圈时，同一齿面啮合的齿数； L-齿轮的工作寿命，单位为h； u-齿数比=30/8=3.75。(6) 查表可得接触疲劳寿命系数 、(7) 计算接触疲劳强度许用应力 取失效率为1%，安全系数为1 （4.9）b. 按齿面接触疲劳强度设计(1) 计算小齿轮分度圆直径 （4.10） 式中：-动载荷系数，查机械设计手册选取1.2； -区域系数，查机械设计手册选取2.475； -材料的弹性影响系数，查机械设计手册选取188MPa -齿数比； -齿宽系数，查机械设计手册选取0.8； -接触疲劳强度许用应力； -齿轮转矩，T=155.36160=24857.6Nmm。 -标注圆柱齿轮传动的断面重合度查机械设计手册得（2）计算圆周速度 （3）计算齿宽、齿高h及模数 式中：-齿宽系数，查机械设计手册选取0.8； -小齿轮的分度圆直径； -小齿轮的模数； -小齿轮的螺旋角； -小齿轮的齿数。（4）计算纵向重合度 （4.11） （5）计算载荷系数已知使用系数,根据，选用7级精度，由机械设计手册查得动载荷系数,齿向载荷分布系数,齿间载荷分配系数 故载荷系数 （4.12）（6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径 （4.13）（7）计算模数 c. 按齿根弯曲强度设计 （4.14）(1) 弯曲疲劳强度极限，弯曲疲劳强度极限(2) 查表得弯曲疲劳寿命系数 ,(3) 计算弯曲疲劳许用应力 弯曲安全系数 (4.15) (4) 计算载荷系数 式中：- 使用系数； - 动载系数； -齿间载荷分配系数； -齿向载荷分布系数。 (5) 根据纵向重合度，由机械设计手册中查得螺旋角影响系数 (6) 计算当量齿数 （4.16）(7) 查取齿形系数，应力校正系数 由机械设计手册查得； 由机械设计手册查得； (8) 计算齿轮、齿条的 并加以比较 （4.17） 齿轮的数值大 （9）设计计算 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，取可满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度，需按解除疲劳强度计算得的分度圆直径来计算应有的齿数。于是由 取,则 d. 几何尺寸计算 (1) 分度圆直径 (2) 基圆直径 (3) 齿顶圆直径 式中：-齿顶高系数； (4) 齿根圆直径 式中：-齿顶高系数； -顶隙系数。 (5) 齿宽 齿轮，圆整后取 齿条 注：齿条的实用齿宽，在按计算后再作适当圆整，而且常将小齿轮的齿宽在圆整值的基础上人为地加宽，以防止齿轮、齿条因装配误差产生轴向错位时导致啮合齿宽减小二增大轮齿单位齿宽的工作载荷。 因为相互啮合的齿轮、齿条的基圆齿距必须相等。即 齿轮法面基圆齿距为 齿条法面基圆齿距为 取，所以，齿条的模数式中：-齿轮的压力角； -齿条的压力角。 (6) 齿条的齿顶高 (7) 齿条的齿根高 (8) 法面齿厚 式中：-变为系数； -法向压力角。 (9) 中心距 e. 校核齿面疲劳强度 (1) 计算载荷系数 式中：-使用系数； -动载系数； -齿间载荷分配系数； -齿向载荷分布系数。 (2) 沿齿轮周向分力 (3) 校核齿面接触疲劳强度 （4.18） 故满足设计要求。式中：-区域系数，设计时取2.475； -弹性影响系数，设计时取188。 （4）校核齿根弯曲疲劳强度 （4.19） 故满足设计要求。4.4齿轮齿条式转向器转向横拉杆的运动分析图4.2 转向横拉杆的运动分析简图如图：当转向盘从锁紧点转动，每只轮大约从其正前方开始最大转向角度为，因而，前轮从左到右总共转动约为。当转向轮右转，即转向节由绕圆心转至时，齿条左端点移至的距离为 同理计算转向轮左转最大角度，转向节由绕圆心转至时，齿条左端点移动到的距离为 齿轮齿条的啮合长度应大于左右移动的距离，即 4.5齿轮齿条传动的受力分析 若略去齿面摩擦力，则作用于节点的法向力可分解为径向力和分力,分力有可分解为圆周力和轴向力。 （4.20） （4.21） （4.22）4.6齿轮轴的强度校核4.6.1轴的受力分析a. 画轴的受力简图 b. 计算支撑反力 在垂直面上： （4.23） 在水平面上： c. 画弯矩图 在水平面上，剖面左侧、右侧 （4.24） 在垂直面上，剖面左侧 （4.25） 剖面右侧 （4.26）合成弯矩，剖面左侧 （4.27） 剖面右侧 （4.28） d. 画转矩图 转矩： （4.29）4.6.2判断危险剖面显然，剖面左侧合成弯矩最大，扭矩为，该截面左侧可能是危险剖面。4.6.3轴的弯扭合成强度校核a. 由机械设计手册 查得：, 折合系数 式中：-对称循环变应力时州的需用弯曲应力；-不是对称循环变应力时州的许用扭曲应力。注：当扭转切应力为静应力时，取；当扭转切应力为脉动循环变应力时，取；若扭转切应力亦为对称循环变应力时，取。b. 计算轴的抗弯截面系数 对于直径为的圆轴，弯曲应力为 （4.30） （4.31） 扭转切应力为 （4.32） 则轴的弯扭合成强度条件及计算 （4.33） 故安全，满足设计要求。式中： -轴的计算应力，单位为； -轴所受的弯矩，单位为； -轴所受的扭矩，单位为； -轴的抗弯截面系数，单位为； -对称循环变应力时州的需用弯曲应力。4.6.4轴的疲劳强度安全系数校核 轴的材料为钢，调制处理。由机械设计手册 查得抗拉强度极限，弯曲疲劳强度极限,剪切疲劳强度极限。 剖面左侧 （4.34）截面上由于轴肩形成的理论应力集中系数为，又由机械设计手册附图查得轴的材料敏性系数为，故有效应力集中系数按式为 （4.35）由机械设计手册附图查得尺寸系数 ，扭转尺寸系数。轴按磨削加工，由机械设计手册附图查得表面质量系数为 则弯曲应力为 应力幅 平均应力 切应力 轴未经表面硬化处理，即，则按式得综合系数为 （4.36） 又查得碳钢的特性系数 ， 取 ， 取于是，计算安全系数的值，按式计算得 （4.37） （4.38） （4.39） 故可知设计安全。 图4.3 齿轮轴校核分析图4.7齿轮轴轴承的校核 校核深沟球轴承，轴承间距,轴承转速，预期寿命。4.7.1求比值 根据机械设计手册可知，深沟球轴承的最大值为0.44，故此时 （4.40）4.7.2初步计算当量动载荷根据公式 （4.41）查机械设计手册可得，取。查机械设计手册可得，,值需在已知型号和基本额定载荷后才能求出。现暂时选一近似值，取,则 式中: -轴承所受的径向载荷，单位为； -轴承所受的轴向载荷，单位为；-轴承的载荷系数； -轴承径向动载荷系数； - 轴承轴向动载荷系数。4.7.3根据式，计算轴承应有的额定动载荷值 （4.42） 式中：-温度系数，单位为； -轴承的转速,单位为； -轴承预期计算寿命，单位为。4.7.4 6204轴承的校核此轴承的基本额定静载荷。a. 计算相对轴向载荷对应的值与值。相对轴向载荷为 （4.43）在机械设计手册动载荷系数中介于之间，对应的值为，值为。 b. 用线性插值法求值 （4.44） c. 计算当量动载荷 d. 验算6204轴承的寿命 （4.45）故所选轴承寿命满足寿命要求。4.8间隙调整弹簧的设计计算设计要求：设计一圆柱形压缩螺旋弹簧，冲击载荷平稳，要求时，弹簧总的工作次数在，弹簧两端自由回转，工作频率为，外径，自由高度。4.8.1根据工作情况及具体条件选定材料，并查取其力学性能数据由弹簧工作条件可知，对材料有特殊要求，因此，选用常在汽车工业上广泛运用，而且有良好的力学性能的硅锰弹簧钢，载荷性质属类。 4.8.2弹簧丝直径的设计计算a. 选择旋转比根据机械设计手册选取b. 根据安装空间初设弹簧中径按 ，取c. 初算弹簧丝直径 （4.46） d. 计算曲度系数 （4.47） e. 计算弹簧丝的许用切应力 查取弹簧材料的需用切应力，可知 f. 计算弹簧丝的直径 （4.48） 取4.8.3弹簧工作圈数和自由高度的设计计算a. 工作圈数 （4.49） 取式中：- 弹簧受载后轴向最大变形量，单位为； -弹簧承受的最大工作载荷，单位为； -弹簧的有限圈数； -弹簧材料的切变模量，单位为。 （4.50） b. 计算总圈数 根据公式，取 （4.51） c. 计算节距 根据公式， 取 （4.52） d. 自由高度 根据公式， （4.53） 取4.8.4验算稳定性对于压缩性弹簧，如其长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了便于制造及避免失稳现象，建议一般压缩弹簧的长细比按下列情况选取：当两端固定时，取；当一段固定，另一端自由旋转时，取；当两端自由转动时，取。 压缩弹簧细长比 （4.54） 故满足稳定性要求。4.8.5检查及 轴向间距 （4.55）弹簧单圈的最大变形量 （4.56）故在最大载荷作用下仍留有间隙 4.8.6弹簧几何参数和结构尺寸的确定弹簧外径 4.8.7疲劳强度和静应力强度的验算 a. 材料的剪切屈服极限 （4.57） b. 弹簧的极限载荷 （4.58） c. 弹簧结构设计 弹簧刚度 （4.59） 安装变形量 最大变形量 极限变形量 （4.60）安装高度 工作高度 极限高度 （4.61） d. 疲劳强度验算弹簧在变载荷作用下的应力变化状，为安装载荷，为工作时间的最大载荷，当弹簧所受载荷在和之间不断变化时，则根据式可得弹簧材料内部所产生的最大和最小循环切应力为 （4.62） （4.63）对于上述变应力作用下的普通圆柱螺旋压缩弹簧，疲劳强度安全系数计算值及强度条件安可按下式计算 （4.64）式中：-弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限，按变载荷作用次数,由表查取； -弹簧疲劳强度的设计安全系数，当弹簧的设计计算和材料的力学性能数据精确性高时，取； 当精确性底时，取。 （4.65） 故满足设计要求e. 静应力强度计算静应力强度安全系数计算值的计算公式及强度条件为 （4.66）式中：-弹簧材料的剪切屈服极限； -静应力强度设计的安全系数，选取与相同。 故满足设计要求。4.8.8弹簧振动验算承受变载荷的援助螺旋弹簧常是在加载频率很高的情况下工作的。为了避免引起弹簧的谐振而导致弹簧的破坏，需对弹簧惊醒振动验算，以保证其临界工作频率远低于其基本自振频率。圆柱螺旋弹簧的基本自振频率（单位为）为 （4.67）式中：-弹簧的刚度，单位为； -弹簧的质量，单位为将,的关系式代入公式，并取则 （4.68） 式中：-弹簧材料的切变模量，单位为； -为弹簧钢材料的密度，单位为； -弹簧的螺旋升角。弹簧的基本自振频率应不低于其工作频率的倍，以免引起严重的振动，即 （4.69） 故满足设计要求。5 结论5 结论本课题的以齿轮齿条转向器的设计为中心，研究利用转向盘的旋转带动传动机构的齿轮齿条转向轴转向，通过万向节带动转向齿轮轴旋转，转向齿轮轴与转向齿条啮合，从而促使转向齿条直线运动，实现转向器结构简单紧凑，轴向尺寸短且零件数目少的优点又能增加助力，从而实现汽车转向的稳定性和灵敏性。在这次毕业设计，我系统接触并了解了汽车转向器尤其是齿轮齿条式转向器的工作原理以及基本构造。通过对转向器的设计，我对当今汽车转向器也有了大概的了解。在这次毕业设计中，我还系统地复习了机械理论、机械力学机械制图等方面的知识。这对我即将到来的工作有着极大的帮助。通过这次毕业设计，我发现以前在课堂上所学的知识比较散，经过这次毕业设计，我发现自己以前掌握的知识还不能很好的运用到实际的工作中。通过这次毕业设计，我认识到学习知识重要，但运用知识更重要。同时在设计的过程中也发现了自己的问题。在设计过程中，我查阅了大量的资料，和同学之间相互交流探讨设计方法，多次向老师请教疑难问题，使自己学到了很多知识，并且提高了动手能力和设计创新过程中的艰辛和成功的喜悦。虽然设计中还存在问题，但在设计中学到的知识方法才是最大的收获。脚踏实际，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕苦难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中的最大收益。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。参考文献参考文献1 陈益良齿轮齿条式转向器简介J汽车与配件，1986，(6): 17-19.2 郑校英新系列转向器介绍J汽车与配件，1982，(3): 37-39.3 毕大宁略论我国汽车转向器生产发展之路J汽车与配件，1995，(19): 5-6.4 余席桂，侯玉英，钟诗清汽车转向器啮合间隙测试方法J武汉汽车工业大学学报，1997，(4): 17-18.5 刘冰齿轮齿条转向器的建模及分析J上海工程技术大学学报，2006，(1): 32-34.6 谢刚，殷国富，周丹晨汽车转向器变传动比齿轮齿形的三维动态仿真设计J机床与液压，2003，(4): 133-278. 7 陈勇，朱敬德，徐解民汽车转向器油缸和壳体的压铆装置设计J机械制造与自动化，2006，(5): 50-52.8 杨丙辉，郭钢，郭卫光，等汽车转向器零件参数化特征设计
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