设计说明书-动力齿轮齿条转向器的设计

动力齿轮齿条转向器的设计 摘要 随着经济的迅速增长，汽车工业得到了迅猛发展。作为汽车重要安全部件 之一的转向系统也取得了跨越式发展。汽车转向器主要用于汽车驾驶过程中的 转向操作，其性能的重要性不言而喻。本论文通过查阅国内外研究现状和现有 机械转向器的类型特点，选用齿轮齿条作为汽车转向器的主体机构方案。首先 在考虑转向器基本功能实现的前提下，以方向盘带动齿轮齿条转向轴，万向节 带动转向齿轮轴，其后齿轮轴与齿条配合实现转向操作。通过计算校核设计的 安全可靠性。最后，利用三维软件针对齿轮齿条转向机构进行三维建模，并验 证该主体机构尺寸设计的合理性。 关键词：齿轮齿条设计；转向系统；转向器 动力齿轮齿条转向器的设计 I Abstract With the rapid economic growth, the automotive industry has been developing rapidly. As one of the important safety components of automobiles, the steering system has also made great stride development. Automobile steering gear is mainly used in steering operation during vehicle driving, and its importance is self-evident. Through consulting the research status at home and abroad and the characteristics of the existing mechanical steering gear, this paper selects rack and pinion as the main body mechanism of automobile steering gear. First, on the premise of realizing the basic function of the steering gear, the steering wheel drives the gear and rack steering axis with the steering wheel, the universal joint drives the steering gear shaft, and then the gear shaft is cooperated with the rack to realize the steering operation. The safety and reliability of the design is calculated. Finally, the 3D modeling of the rack and pinion steering mechanism is carried out by three-dimensional software, and the rationality of the size design of the main body is verified. Keywords: Gear and rack design Steering system Steering gear 动力齿轮齿条转向器的设计 II 目录 摘要 .I ABSTRACT.II 第 1 章 绪论 .1 1.1 概述 .1 1.2 转向器的作用与分类 .1 1.3 汽车转向装置的发展趋势 .3 1.4 汽车转向器国内外现状 .4 1.5 设计的主要内容 .6 第 2 章 齿轮齿条转向器设计方案选择 .7 2.1 转向系主要性能参数 .7 2.2 转向器总体方案设计 .8 2.2.1 转向器设计方案说明 .8 2.2.2 转向器输入输出形式 .8 2.2.3 转向器输出形式对比分析 .9 2.2.4 转向器齿轮齿条选择 .9 2.2.5 转向器齿条断面形状选择 .9 2.2.6 转向器的四种布置形式 .10 2.2.7 转向器最终方案确定 .11 2.2.8 本章小结 .11 第 3 章 设计计算过程 .12 3.1 侧偏角的计算 .12 3.2 原地转向阻力矩的计算 .13 3.3 力传动比与角传动比对比分析 .13 3.3.1 两种传动比基础介绍 .13 3.3.2 角传动比与力传动比确定 .14 3.4 转向器齿轮齿条的设计 .15 3.4.1 啮合传动的特点 .15 3.4.2 齿轮参数的选择 .16 3.4.3 接触疲劳许用应力 .16 3.4.4 齿轮的齿根弯曲强度设计 .17 3.4.5 齿轮主要参数选取计算 .18 动力齿轮齿条转向器的设计 III 3.4.6 齿条主要参数选取计算 .19 3.4.7 齿面接触疲劳强度校核 .20 3.4.8 本章总结 .20 第 4 章 齿轮轴的设计 .21 4.1 传动受力分析 .21 4.2 最小轴径确定 .21 4.3 强度校核 .21 4.3.1 本章小结 .24 第 5 章 间隙调整弹簧的设计 .25 5.1 弹簧材料 .25 5.2 计算弹簧丝直径 .25 5.3 弹簧圈数和自由高度的计算 .26 5.4 校核与内外径的确定 .26 5.5 工作时的数据 .27 5.5.1 本章小结 .27 第 6 章 轴承选择与润滑方式分析 .29 6.1 轴承的选用方案 .29 6.2 转向器润滑方式 .29 6.2.1 本章小结 .30 结论 .31 参考文献 .32 致 谢 .33 附录 A 外文翻译 .34 动力齿轮齿条转向器的设计 0 第 1 章 绪论 1.1 概述 自改革开放几十年来，汽车工业得到了长足进步。而转向系统，这种汽车 上的重要部件之一，也在我国市场上，得到了飞速发展。对于该部件的生产来 说，目前已达到了专业化和现代工业化的规模。我们可以从有关数据获知，在 发达国家中，和转向器有关的制造业，早就实现了大规模生产，而且产量可以 达到年均数百万台。所以，在资本和技术等方面优势的加持下，这些厂商差点 就占据全球所有的转向器市场，如今，其成功模式被世界各地其它厂商争相模 仿。 1.2 转向器的作用与分类 通常情况下，转向器可以改变转向盘上的力矩，让它增大，然后让速度得 以削减，接着再传递到转向系统中的传动部件上。在转向系统中，实现速度减 弱的装置，叫做转向器。通常，由 1 到 2 级来缩小传动副的速度。转向器进行 传动的效率很低，因为它的传动比比较大，该效率是输出与输入功率的比值。 该效率因为传动方向的不同，被划分为两种情况：第一种，正效率。这种情况 下，功率是从转向柱输入，然后，转向摇臂再把它输出到车轮上；第二种，逆 效率。功率的输入和输出正好和正效率情况下的相反。而在进行转向器的设计 时，要注意到的是，如果想要提升转向器的传动效率，那么就又很必要削减操 纵转向盘所需要的力量。现在，各地市场上常见的转向器，主要有蜗杆指销式、 循环球式和齿轮齿条式转向器等。本文所研究的，就是齿轮齿条式转向器。 在市场上，该转向器具有很多优点，比如，它的传动副只由两部分构成， 分别是齿轮和齿条。所以它的构造简洁、置放容易、稳定性高，而且制造工艺 不繁琐，生产速度快等。但它也有着许多显著不足，比如，转向传动的尺寸不 是很大，而且，在实际使用中，齿条的不均匀磨损，会时常在其长度方向上发 生。因此，一些无需进行高强度工作的微型汽车，经常在其转向系统中，使用 该种形式的转向器。 转向器结构主要形式可分为数种类型。过去的几十年曾出现过多种形式的 不同类型转向器，近几年来，遍地使用的转向器，主要有下列几种形式，比如 动力齿轮齿条转向器的设计 1 蜗杆滚轮式、循环球式和齿轮齿条式等。除此之外，还有一种非常冷门的蜗杆 滚轮式转向器。但要是按照转向助力的方式，那么转向器，又能被划分为以下 两种类型，第一，机械式；第二，动力式。在这两种类型中，机械式动力转向 器，又因为动力来源的不同，被划分为以下几种形式，比如电动助力式、气压 动力式和液压动力式等等。 1、齿轮齿条式转向器 这是一种被广泛使用的转向器，在市场上随处可见。它的基础结构很简单， 主要是齿条和一双互相啮合的齿轮。在转向轴的带动下，小齿轮开始旋转，而 齿条就被带动起来，开始做直线运动。当然，还有一些与此不同的情况，比如 横拉杆直接被齿条带动，从而使转向轮带动车轮，改变方向。这种转向器的结 构最为简单，且成本低廉，但是转向的灵敏度却一点也不低，体积还很小巧。 从性价比上来说，这种转向器是最优选择，所以得到了相关市场的青睐。 2、蜗杆曲柄销式转向器 该转向器主要分为蜗杆和曲柄销两大部分组成。蜗杆的螺纹形状类似于为 梯形；锥形销通过轴承，被支撑在曲柄上，而该曲柄和负责转向的摇臂，则是 一个整体，没有任何接连结构。转向系统在接到驾驶员的指令后，先会通过转 向盘，使蜗杆转动起来。接着。锥形销，就会在蜗杆螺旋槽内，持续地进行自 转，同时还以摇臂的轴为中心，做着圆弧运动。通过这样的方式，让转向摆臂 和曲柄，产生摆动，然后，转向轮再在转向传动部件的作用下，发生偏转。这 种转向器产生的转向力非常大，所以经常被应用在卡车和大型货车的转向系统 中。 3、循环球式转向器 这种转向器的工作原理，如下所述：转向盘的所发出的旋转力，会被齿轮 结构减少，接着该结构会把这个力进行传递，此时，螺夹着钢球的螺母和滚珠 螺杆，就会相互咬合，从而将滚珠螺杆转变为直线往复的运动。然后齿轮便会 再次跟螺母之间发生啮合，这样就会改变刚才滚珠螺杆的直线往复运动，让它 旋转起来。而该旋转会摇动连杆臂，让它带着连动和横拉杆，进行直线往复运 动，从而实现车轮方向的改变。这是一种非常经典的转向方案，但比较落后， 不被市场所喜爱。它主要是利用了一种相对位移，该位移是螺栓和螺母在旋转 的整个过程中，所形成的。出于削减直接接触带来的阻力，一定数量的钢球被 放置在这个结构的螺纹中。于是，当转向系统开始转向操作后，钢球就会在螺 旋曲线内做着往复运动，当然，该曲线是封闭的。所以，这种转向器就被称为 循环球式转向器。 4、齿轮齿条液压助力转向器 动力齿轮齿条转向器的设计 2 相较于齿轮齿条机械式的转向器来说，有一种叫做齿轮齿条液压助力式的 转向器。这种液压助力式转向器，只不过在原乡机械式的基础上，增加了一些 让驾驶员在转向操作中，会感到更加方便的部件，比如，转向阀、转向油缸、 转向油壶等等，让驾驶员的转向操作更加省时省力。 1.3 汽车转向装置的发展趋势 在汽车的所有部件中，转向装置是非常重要的部件之一，它可以轻而易举 地改变汽车的行进方向。所以，通常要求该装置的反应要十分灵敏，能准确感 知驾驶员的下达的转向操作指示。而且，当转向动作发生后，哪怕驾驶员没有 再操作方向盘，该装置也要能够使汽车自行回位到之前的稳定驾驶中。 汽车工业作为第二产业的中流砥柱，其代表着一个国家的制造业整体水平。 汽车属于制造业的集成产品，结合了多种领域的优势特点，集复杂性与高科技 于一身，远非我们原来所理解的机械工程车辆。 传统设计的转向系统，主要采用的都是机械式助力，比如，通过人力转动 方向盘，带动一系列的机械部件运动之后，转向器进行转向动作，从而改变汽 车的驾驶方向。 液压式转向系统更为先进，便捷，得到了市场的一直认可，遂得以逐年扩 展推广。液压式的转向系统成功把原先的人力助力，变更为液压辅助人力的方 式，大大减少驾驶员转向时的发力。该助力系统，英文简称为 HPS，是通过对 机械式转向系统进行改进后，衍生出来的添加液压部件。这液压部件的动 力源，来自汽车的发动机，性能非常稳定，性价比也很实惠。所以，自从面世 以来，深受市场的追捧。这种助力转向系统区别是由液压力出力支持转向运动 的实现，弱化驾驶者作用在方向盘上的力，进一步加强汽车转向系统稳定性和 便捷性。 随着电子技术在汽车中进一步推广使用，大量的电子器件也被添加到转向 系统中来，这也标志着转向系统电子化的全面到来，很快就有厂家推出了其新 一代产品电液助力转向系统。目前市面上售卖的电液助力转向系统，主要 有两种，第一种，电动液压助力转向系统；第二种，电控液压助力转向系统 1。 这两种系统都是基于液压转向系统，改进和衍生而来的。相较于传统的液压式 转向系统，它们之间还是有一些明显差别的。比如，电液助力转向系统，它的 动力来源是单独的电动机，而在非液压式转向装置中，却是由发动机提供动力。 用电动机代替发动机的好处，也是显而易见的，不会增加发动机的功率消耗， 缩减了汽油的用量。而电控式液压转向系统，虽然动力也是由电动机提供的， 动力齿轮齿条转向器的设计 3 但它跟电液助力转向系统比起来，也有着明显的不同。电控式，顾名思义，它 在转向系统中使用了电子器件对转向进行控制。可以根据汽车驾驶中的一些部 件参数，比如汽车当下行驶速度和方向盘的转向速度等等，然后决定提供多大 的液压助力，对转向动作进行辅助，从而可以在各种车况下，实时地对转向系 统在转向操作时，所用到的助力大小进行调节。减少磨损，降低消耗能源。 电液助力转向系统虽较液压助力转向有部分优势。然而，这种系统并非完 美无缺，它自身依旧存在各种不足和缺陷，比如，液压油容易泄露等等。同时， 电液助力系统中，液压部件的加入，不仅增加了厂家的生产成本，转向系统也 变得非常复杂，其性能反倒变得不可靠。如大部分坦克现仍使用机械转向系统。 在电气化发达的今天，由于电液助力系统的诸多不足，人们很快就发现了 它的替代品即电动助力转向系统。该系统对于其它类型的转向装置，该系统摒 弃了液压部件，而且它的助力来源也变更为电动机。这种转向装置由三种基本 器件构成，比如微处理器、电动机和转矩传感器等。它的工作流程如下所述 2： 当转向系统接收到转向指令后，转向轴就会做出相应运动，与此同时转矩传感 器开始工作，对转矩信号进行处理，然后将该信号变为电子信号，推送到微处 理器中。接收到该电子信号后，微处理器会采集相关部件以及汽车当前的驾驶 速度等，运行预设的相关算法，进行综合研判，然后决定是否提供助力，以及 提供多少助力。因其优异的属性应用范围进一步推广至大型传统车辆。 1.4 汽车转向器国内外现状 在多年的推广和发展后，汽车领域也采用了大量的电子技术，转向装置中 也是如此，使得其性能大为提升。目前，市面上主要有四种类型的转向器，比 如，齿轮齿条式( 英文缩写 RP 型)、蜗杆滚轮式(英文缩写 WR 型)、有蜗杆销式 (英文缩写 WP 型) 和循环球式 (英文缩写 BS 型)等转向器。 从现有统计数据中，可以获知，在国内市场上，汽车循环球式的转向器数 量最多，几乎垄断大半市场，份额超过百分之四十二；紧跟在循环球式转向器 之后的，是齿轮齿条式转向器，其市场份额刚过百分之三十九；其余，就是很 稀有的蜗杆滚轮式和其它形式的转向器，市场份额加起来好不到百分之二十。 可见，循环球式的转向器，非常受市场的欢迎，所以有关它的改进和研发，也 一直在进行中，这让它的性能也不断得到更新和改进。而在西欧地区和日本， 齿条齿轮式转向器主要多用在小客车上。特别是日本这个国家，它所生产的车 辆都合理采用了这种车型所能适用的转向器，而且其针对公共汽车开发的循环 动力齿轮齿条转向器的设计 4 球式转向器，目前已经垄断了全球市场。一般来说，无论大还是小货车等，它 们的转向系统都使用的是循环球式转向器。不过我们也要注意到的是，齿条齿 轮式转向器的应用，也非常广泛，跟循环球式的市场份额相比，相差不大。 国内早期转向器厂商们生产的基本都是循环球式转向器。只有很少部分的 厂商生产蜗杆滚轮式转向器和蜗杆销式转向器，比如，早期的东风和解放汽车， 分别使用的就是蜗杆滚轮式和蜗杆销式转向器。一九八九年，国家政策放开后， 解放和东风等老牌厂商，也开始迅速推进循环球式转向器的研发，并很快将这 种转向器应用到自家的第二代车型中。 在国外诸多生产商中，循环球式转向器的生产开发产业链已经日趋完善。 各种跨国公司通过技术与资金优势极大的挤压了市场的占有率和销售渠道。专 业系统工业化的生产已成为一种发展趋势，这条路属于较为成功的发展模式， 提高了企业市场竞争力。 世界上有两种主要类型的转向器，分别是循环球式和齿轮齿条式转向器。 而其它转向器，比如蜗轮蜗杆式和蜗杆销式转向器，正在被市场无情抛弃。但 在转向器的具体应用领域上，各个国家和地区之间的意见也不统一。比如，美 国和日本把研发重点继续放在循环球式转向器上，其国内该种转向器的市场占 有率已经高达百分之九十；而西欧地区，则在大力发展齿轮齿条式转向器，他 们的产品占有了转向器市场中的大多数份额，为百分之五十。因为齿轮齿条式 转向器自身所具有的多种优势，使得它在小型车的转向系统上，发展的如火如 荼；而循环球式转向器则基本都被用在大型车辆的转向系统中。 循环球式转向器的优势时操作起来省力、便捷。它可以很便捷地放置在汽 车中，可以很好的配合大中型车辆转向系统的运作；它的逆效率很能满足实际 需要，即方向盘能得到及时回到原位等等。可以实现变速比的特性。具体分布 中以中间位置转向力小、较为常用。该转向器可以实现变速比，所以得到很多 厂商的采用。但是，该转向器在完成转向动作的过程中，需要用到大量钢球。 钢球不停地一边自转，同时还一边滑动，从而让车轮更改方向。所以，这就对 钢球是否坚硬和是否耐磨等提出了很高的要求。这种类型的转向器还能通过相 关技术，被改变成等强度结构。所以它在市场上有着很强的竞争力。 齿轮齿条式转向器的主要具有以下几个优点：组织构造简明，易于制造， 通用材料即可满足转向器性能；同等条件下在传动方面的拥有更好的效果，效 率超过百分之九十；当齿轮和齿条之间出现磨损的现象后，可以利用相关弹簧 部件，自动去除空隙 3。这样做不仅提高了转向器的使用寿命，转动精度，还 有效的降低了运作过程中的噪音。该转向器所需空间不大，生产成本低。 从上文中可以获知，未来市场上的主流转向器，必然是循环球式和齿轮齿 动力齿轮齿条转向器的设计 5 条式转向器。 1.5 设计的主要内容 基于对其它同种类型车辆中转向系统的参考，本文中所设计的转向系统类 型为机械式的，主要研究内容为：对转向系统做出解释，接着对转向器零件的 设计和其工艺性等问题展开了相关探讨。 然后转向器及零部件的设计方案，按照以下三个步骤，进行了阐述和论证： （1）分析和探讨选定的转向器； （2）根据查阅国内外文献和需求原则，设计转向系统中的各个零部件； （3）针对设计方案，结合三维软件对本设计进行论证和仿真。 最后确认对部分零件润滑方式，至此为本次设计主要内容。 动力齿轮齿条转向器的设计 6 第 2 章 齿轮齿条转向器设计方案选择 2.1 转向系主要性能参数 汽车行驶方向是由转向系进行控制的，转向系是一种包含转向操纵机构的 汽车上的机构。因为转向系对方向的控制作用，造成了其必须在接收到转向指 令的时候做到及时、灵敏而又能准确无误和平稳。而当转向系上没有任何指令 传达的时候，也就是方向盘不被操作的时候，汽车必须能够重新进入平稳的直 线运行，而且是自动进入。 良好的转向系统一般满足以下几点： 1、根据传统将转向系传动比分为两类，一类是角传动比。还有一类是转向 力传动比。，两者根据不同的方法计算传动比。根据机械结构的不同，若在转 向轮阻力取固定值时，角传动比的增加，会降低灵敏度，但驾驶体验感优异， 常用于非专业特殊车辆；反之角传动比的减小，会需要驾驶者用更大的力去转 向，增加了灵敏度降低了安全性，常见于工地车辆。转向角传动比根据相关资 料查阅的不得低于十五至十六之间；也不宜过大，具体以实际车辆性能需求为 参考。 2、考虑到现实中常见汽车事故的教训，汽车转向器的自动回正能力必须的 固定到一定范围。回正力一般由轮胎及车轴机械结构说影响。这里我们以选取 的参考车型为基本数据，为了保证回正能力，后面转向器内部的阻力大小，及 不同材料的摩擦力在设计的时候均需要考虑到 4。 3、在汽车正常工作的时，转向系统和悬架导向机构都会对车辆的转向进行 调整影响，若俩个同时工作的情况下，则两者之间会产生不必要的的运动干涉， 而这种干涉对于汽车来说会影响到其平稳性 16，所以我们在设计的时候就必须 通过一定合理的设计来预先减小这种相互的运动干涉。 4 现在市场上主流的转向器在其球头的位置均应设有相关的调整结构，来 应对球头在使用较短时间下磨损较小的情况下对转向器准确性可靠性的影响， 延长转向器的使用时间。 5、根据国家关于汽车行业的相关管理规定，转向轴和转向盘中都必须有相 关的应急安全保障机构，都尽可能地在突发状况下最大限度保障驾驶员的人身 安全。 6、如果汽车进行转向，那么车轮旋转的瞬心必须相同而没有差异，而且转 动力齿轮齿条转向器的设计 7 向系统上下的放向盘和转向轮之间必须保持同向。 7、如果转向轮遭到地面障碍物等的冲击碰撞，方向盘处的反冲力不能大， 而是应该尽量控制在一个很低的范围内。 8、转向轮必须保证在任何一种行驶状态下，都不会出现摆震的现象。 2.2 转向器总体方案设计 2.2.1 转向器设计方案说明 在本次的设计中，转向器被定为齿条式方案，所以相应配套方案只需要在 输入输出形式、齿条断面形状和齿形三个方面进行确定即可。其后主要工作即 围绕这三点为中心，输入输出形式参考选取选取的样车，为基本数据，对比分 析不同方案优缺点，最终选择最合适与本次设计的方案。齿条断面形状和齿形 的选取均是同样的道理。这里只做简单的叙述。要达到设计实际要求水准，需 要参考转向器在不同方案下的工作效果参照对比。齿条断面的形状主要根据的 是，受力之后可能出现的负面影响等相关因素来考虑，然后做出一个合适的断 面形状选择。各个方案的侧重点不同。 2.2.2 转向器输入输出形式 根据参考资料及常用分类方式为主要根据齿轮的输入输出位置特点进行区 分，具体可分为以下四大类 6：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，一端输出。 图 2-1 转向器输入输了形式简图 动力齿轮齿条转向器的设计 8 2.2.3 转向器输出形式对比分析 两端输出转向器较其他输出形式拥有诸多优点，比如结构相对要简单，而 且制作的成本不高，工艺简易等。但是缺点也是存在的，上文提过转向器与悬 架系统同时工作时易产生干涉，而转向拉杆较短的话，会加剧这一现象产生相 互干扰，加剧磨损，带来了原本不应该有的损伤。 侧面输入，中间输出的转向器（图 2-1c）的优缺点都很明显。优点是，拉 杆的长度得到了加长，从图示中可以看到，这种模式中的左右拉杆已经加长到 了车轮平行的位置。而这种长度的变化能都有效减少在汽车行驶过程中车轮因 路况太差带来的拉杆摆角过大或过小的问题。但是这种情况的使用的拉杆材料 必须要具有一定的强度。缺点是，该转向器由位于转向器壳体上的螺孔空配合 拉杆上的螺栓来固定连接，这不仅会削弱在转向器的壳体的强度，也考验螺栓 的配合性，影响转动系统精度 7。 还有一种形式是侧面输入，但是输出在一端（图 2-1d），这种形式的转向 器一般只是应用于平头货车上，在市场中不具有大的应用和份额。 2.2.4 转向器齿轮齿条选择 本次设计选择丰田 2012 2.4AT 四驱至臻导航版为设计的参考车型。在选择 齿轮齿条选择上，考虑三个方面的因素。如果使用的是直齿轮，因为这种情况 下圆柱齿轮与齿条之间的不具有高度的啮合度，就削弱了转向器运转的稳定性 和平衡性，工作中会有很大的冲击力，也带来了很大更高的噪音。其次，如果 齿轮与齿条之间形成的轴线夹角是斜角的话，那么轴向力就会产生，造成了更 大的滑摩力。因为本次设计希望能够在实用性的同时具有经济性，确定为直齿。 2.2.5 转向器齿条断面形状选择 齿条断面按大致形状区分可分为三种形状，分别为 V 形、圆形、Y 形。我 们在选择时候首先对各种形状的优劣进行了比对。首先共工艺简易度上比较， 圆形要更为简单些。如果从成本上比较，圆形就要逊色与其他两种，其他两种 动力齿轮齿条转向器的设计 9 在耗材上只相当于圆形耗材的 80%。相比较而言，除了圆形断面，其他两种断 面下方具有斜面，而且在两侧均有分布。在位置上，这个斜面与齿条的托座是 直接相关的。这种机械结构能够的特点就是齿条转动不可能会有以轴线为圆点 的情况。将 Y 形的齿宽放大后能够提高其强度。如果车轮在跳动和转向等工作 的时候，能促使齿条发生旋转的力如果存在，那么齿条断面形式就不应该选择 圆形，以此来避免因为齿条的旋转而使得齿被损坏，出现啮合度降低或者造成 了齿轮与齿条之间不再能够相互正确无误地啮合等情况，而一旦发生这种情况 很有可能会带来很多的突发事件。 a）圆型齿条断面 b）V 型齿条断面 c）Y 型齿条断面 图 2-2 三种齿条断面形状图示 2.2.6 转向器的四种布置形式 常见通用的齿轮齿条式转向器的布置形式一般有四种，区别的根据是以其 和转向梯形与前轴之间的相对位置来划分 8。具体形式如表 2-1，图 2-3 为示 范简图 动力齿轮齿条转向器的设计 10 种类 相对于前轴方向 转向梯形 图示 第一种 后方 后置 图 2-3（ a） 第二种 后方 前置 图 2-3（ b） 第三种 前方 后置 图 2-3（ c） 第四种 前方 前置 图 2-4（ d） 表 2-1 齿轮齿条转向器布置形式 图 2-3 转向器布置形式简图 齿轮齿条式转向器因其本身性能特点在工程车辆等高强度作业车辆方面占 比率较小，一般被仅使用于中小型的汽车。对于一些采用独立悬架前轮的货车 和客车来说，当没有大的装载量，也可以使用这种转向器的。 2.2.7 转向器最终方案确定 在经过上文所有比较分析，考虑本次设计的成本需要和难度，最终以侧面 输入两端输出为本次设计的输入输出形式。此外经济压力和加工成本的因素， 齿轮与齿条都采用直齿。在齿轮断面设计选择的使用，本次设计中齿条上不存 在任何力矩造成齿条旋转的，选用圆形齿条断面。 2.2.8 本章小结 第二章主要为对各种方案的分析对比，最终根据设计要求来确认选择的方 案。其输出方式参考了主流的几种方案进行参考比较，选用侧面输入两端输出 动力齿轮齿条转向器的设计 11 的形式。最终确定设计方案。 第 3 章 转向器齿轮齿条设计 3.1 侧偏角的设计 转向系统主要考虑机动性。理论上，当转轮处于最大转角的时候，其最小 的转弯半径应该等于 2 到 2.5 倍的轴距。选取丰田 2012 款 2.4AT 四驱至臻导航 版为数据来源对象，这个车型的轴距是 2.66 米，半径最小是 5.32 米，最大的是 66.50 米，半径与机动性之间成反比关系。为提高机动性，取转弯半径最小值五 千五百，如图（3-1)。 图 3-1 侧偏角的分析简图 （3-arcsin()LR 1） 其中： 转向轮外轮转角； 主销偏移距；a 汽车轴距 9。L = （3-arcsin()LR260arcsin()95 2） 值查阅书籍得一般取值范围为-10 到 30 毫米, 这里设计参数取 20 毫米，a 其综合转角为三十二度。 动力齿轮齿条转向器的设计 12 3.2 原地转向阻力矩的计算 因为转向器的任何部分都需要在强度上得到一个足够的保证。所以在设计 转向器的时候必须对使用到的零部件进行强度的测试。在测试之前，对于每个 零部件上受到的力的种类和大小进行一个分析。在转向器中，这种力一般都是 因为转向轴的负荷和轮胎气压等多种因素带来的。 因为各种原因，目前还没有一个完全能够精确计算该力大小的公式或方法。 一般对于行驶在沥青或者混凝土路面上的汽车原地转向阻力矩 MR（N mm） 的计算，采用的是半经验公式，这是目前精度最高的一个公式，如下所示： （3-p GfMR31 3） 其中： 轮胎和路面间的滑动摩擦因素，这里取零点七；f 转向轴负荷；预设前轴的载荷为八百一十千克；1G 轮胎气压（单位为兆帕）。查书取零点二兆帕 9。p （3-4） mNpGfMR 35.802.137.031 3.3 力传动比与角传动比对比分析 3.3.1 两种传动比基础介绍 常见的转向系的传动比按照不同的计算方式区分一般有两种，分别为角传 动比和力传动比。 力传动比的计算公式： （ ）： = / ; (3-5)pi2wFh 轮胎与地面接触点的中心给予转向轮的合力；2wF 轮胎与地面接触点的中心给予方向盘的手力；h 角传动比：方向盘的转角和驾驶员同侧的转向轮转角之比称为转向系角传 动比 。它又由转向器传动比 转向传动装置角传动比 所组成 18。wi wi wi 动力齿轮齿条转向器的设计 13 3.3.2 角传动比与力传动比确定 本论文设计方向盘转动圈数不大于四，按最高保准这里取四圈，不同车辆 转向盘直径不同，根据参考车型这里取其为四百毫米，转向正效率取（符号为 DSW）常用值百分之九十， 转向节臂长取二百毫米，这里符号表示用 L1。 根据公式计算求角传动比得 （3-6）360420.87()(7)WwKni （3-2351.5.9RhSWMFNDi 7） （3-2hSW 8） Fh为作用于方向盘作用在转向盘上的力矩 （3- 10.25409.6=20.5NmhSWFDM 9） 力传动比与转向系角传动比的关系 （3- 2wphFi 10） (3-11) w1FRML 根据公式可得作用在方向盘上的力为 动力齿轮齿条转向器的设计 14 （3-2hSWMFD 12）则力传动比为 (3-13)1RswphiL （3-RwohkMi 14） 带入参数，由上述公式可得 （3-15）140.92.8718.73swpDiL 3.4 转向器齿轮齿条的设计 3.4.1 啮合传动的特点 当齿轮半径无限大时各齿趋于平行的状态下的特殊大齿轮的部分节选。其 本身工作原理与齿轮无太大区别。在渐开线计算中公式是通用的，假设圆直径 无限大，将渐开线变成了直线，所以齿轮的齿数无限多的时候，对应的齿轮直 径就成为了一个无限大的参数，最终直齿廓也就形成。齿轮在传动的特点很明 显，与其传动的方式和彼此结合的方式相关，首先，齿条与齿廓的各个点的压 力角都为齿廓的倾斜角。这是因为齿轮采用的是平动的方式，齿廓上的每一点 之间都具有彼此一致的传动速度和方向。其次，周节在任何平行与分度线的直 线上都是相互等同的 10。 图 3-2 局部齿条的齿廓简图 齿轮齿条转向器必须将传动比控制在一定的范围内不能偏高，这是与它的 动力齿轮齿条转向器的设计 15 工作原理相关。首先，在传动的过程中，无特殊情况下其节圆与分度圆将会保 持一致的。当小齿轮轴线与齿条轴线再不垂直时，则两轮廓之间的连接将成为 点接触的情况 10，而这种方式能提高压强，造成接触部分之间的接触应力变大， 也就加快了齿轮的消耗，降低了耐用性。 决定传动比的主要因素有三种，即齿条的齿倾角、小齿轮的法向模数和齿 数 17。所以在本次设计中，为了达到预定的传动比，只需要对这三个影响因素 各自确定一个合适的数据即可。 3.4.2 齿轮参数的选择 根据预定车型的参考数据及其他人的参考意见，转向器扭矩较低，需要承 受的载荷不大，齿轮参数的具体如下：齿轮齿条转向器的齿轮采用直齿轮，小 齿轮的齿数选择为六，模数根据现有刀具及成型工艺判断这里取二点五作为参 考较为合适，法面压力角依据参考标准取二十度，齿轮齿条均采用直齿即螺旋 角取零度作为参考，压力角取二十度，齿轮的取 10 转每分钟，精度等级依据以 往设计经验 8 级，每日有效工作时长为 8 小时。 齿轮材料的选择：这里选用性能优良较为常用的 20CrMnTi 合金钢，表面 渗碳淬火，齿面硬度范围 5863HRC。后面齿条选用和齿轮材料相互配合的 40Cr 为材料，高频淬火工艺，表面硬度取 56HRC。 由公式的分度圆直径为 （3-16） 12.561.34cos0nmzdm 取 1.2d 计算得齿条宽度为 （3-21.523148.7db 17） 按取整数按宽为 20 则 （3-18）1203bm 最终通过计算取齿轮齿宽三十毫米；齿条齿宽二十毫米。 3.4.3 接触疲劳许用应力 查阅资料由公式为 动力齿轮齿条转向器的设计 16 (3-19) Hmin NlSZ （3-Fin TlYF 20） 其中查阅可以得 和limHliF MPaH150limMPaH1302li F4275 同理可得确认寿命系数 、 安全系数NZY 12.3NZ12minHSmin1.4FS 由公式得接触疲劳许用应力为 (3-21) lim1N1HnSMPa19803.50 (3-22) li22mnZ 762. 参考标准取应力修正系数为二 (3-23) li1STN1FmnYFMPa14.607.1245 (3-24) li2ST2FnF .35.3 3.4.4 齿轮的齿根弯曲强度设计 根据相关资料选取相关参数初始值： =6 =25 =0.8 =0.7 =0.894.1tK1Z2dY76.84cos/s/33ZV1.2FSY 。05hTMNm 取最小值 (3-25) 213cost FSntdKTYZ 动力齿轮齿条转向器的设计 17 2321.405cos10.7893