毕业设计（论文）-华晨宝马齿轮齿条式转向器的设计（全套图纸三维）

毕业设计（论文）任务书 2015届 专业 机械设计制造及其自动化（汽车工程）题 目： 华晨宝马齿轮齿条转向器的设计 子 题：学生姓名： 班级学号：指导教师： 职 称： 副教授所在系（教研室）： 汽车工程学院下达日期：2014年12月4日 完成日期：2015年1月19日 摘 要 本论文根据对齿轮齿条式转向器的研究以及资料的查阅，着重阐述了齿轮齿条式转向器类型选择，不同类型齿轮齿条式转向器的优缺点和各种类型齿轮齿条式转向器应用状况。 根据原有数据计算转向系的传动比，并确定齿轮齿条的几何参数。 齿轮齿条式转向器总体设计，受力分析，及对齿轮齿条的疲劳强度校核、齿根弯曲疲劳强度校核。修正齿轮 齿条式转向器中不合理的数据。通过对齿轮齿条式转向器的设计，选取出相关的零件如螺钉、轴承等，并在说明书中画出相关零件的零件图。通过说明书并画出齿轮齿条式转向器的零件图。全套图纸，加153893706 本题目为设计类实际课题，来源于华晨宝马齿轮齿条式转向器的设计过程。我国生产的宝马车齿轮齿条式转向器从仿制开始起步，近期产品的质量较早期有所提高。但受国产配套件质量及设计水平等的影响，我国目前生产的宝马车的总体水平，与进口产品及港口用户的要求仍有较大差距，齿轮齿条式转向器的生产也是如此，为满足市场需求，特开发华晨宝马齿轮齿条式转向器。通过对华晨宝马齿轮齿条式转向器的设计，能培养学生综合运用所学的基本理论、基本知识解决问题的能力，培养学生英语阅读和翻译能力，学习专用汽车设计经验，掌握汽车设计基本方法。关键词：齿轮齿条；转向器；基本理论；汽车设计AbstractWith development of all kind of science technology and global economy, Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety.Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure,atcompressedneceengththdirectionprocedurework.Theinvertedpendulumisatypicalhighordersystem,withmultivariable,non-linear, strong-coupling,fleetandabsolutelyinstable.Itisrepresentativeasanidealmodeltoprovenewcontroltheoryandtechniques.Duringthecontrolprocess,pendulumcaneffectivelyreflectmanykeyproblemssuchasequanimity,robust,follow-upandtrack,therefore.Thispaperstudiesacontrolmethodofdoubleinvertedpendulum.Firstofall,themathematicalmodelofthedoubleinvertedpendulumisestablished,thenmakeacontroldesigntodoubleinvertedpendulumonthemathematicalmodel,anddeterminethesystemperformanceindexweightmatrix,byusinggeneticalgorithminordertoattainthesystemstatefeedbackcontrolmatrix.Finally,thesimulationofthesystemismadeby.Afterseveraltestmatrixvaluetheresultsarenotsatisfactoryresponse,thenweoptimizematrixbyusingGeneticAlgorithm.Simulationresultsshow:ThesystemresponsecanmeetthedesignrequirementseffectivelyafterGeneticAlgorithmoptimization.Small twisted paper broken machine for ordinary home, not only can be used for minced meat, can also be used with crushed peanuts, crushed ice, spices and otherfood, small power requirements, powered by the motor drive, reasonable structuredesign.Key word: Rack and pinion；steering ; basic throey ; car design 目 录摘要2Abstract3第一章 绪论4 1.1 课题的来源与研究的目的和意义 5 1.2 汽车转向装置的发展趋势6第二章 华晨宝马齿轮齿条转向器总体结构的设计7 2.1 齿轮齿条转向器的总体方案图8 2.2 齿轮齿条转向器的转向原理9 2.3 传动比的计算10 2.3.1汽车方向盘（转向盘）11 2.3.2转向阻力矩11 2.3.3角传动比与力传动比12 2.4 齿轮设计12 2.4.1 齿轮参数的选择12 2.4.2齿轮几何尺寸确定12 2.4.3齿根弯曲疲劳强度计算12 2.4.4齿轮精度等级、材料及参数的选择12 2.4.5齿轮的齿根弯曲强度设计12 2.5齿条的设计12 2.6齿轮轴的设计12第三章 各主要零部件强度的校核15 3.1轴承强度的校核与计算16 3.2传动轴强度的校核计算17第四章 齿轮齿条转向器中主要零件的三维建模20 4.1方向盘的三维建模22 4.2转向轴的三维建模22 4.3动力缸体的三维建模23 4.4齿轮齿条转向器的三维建模24第五章 三维软件设计总结24结论25致谢26参考文献27第一章绪论1.1课题的来源与研究的目的和意义 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 机械工程的服务领域广阔而多面，凡是使用机械、工具，以至能源和材料生产的部门，都需要机械工程的服务。概括说来，现代机械工程有五大服务领域：研制和提供能量转换机械、研制和提供用以生产各种产品的机械、研制和提供从事各种服务的机械、研制和提供家庭和个人生活中应用的机械、研制和提供各种机械武器。 不论服务于哪一领域，机械工程的工作内容基本相同，主要有：建立和发展机械工程的工程理论基础。例如，研究力和运动的工程力学和流体力学；研究金属和非金属材料的性能，及其应用的工程材料学；研究热能的产生、传导和转换的热力学；研究各类有独立功能的机械元件的工作原理、结构、设计和计算的机械原理和机械零件学；研究金属和非金属的成形和切削加工的金属工艺学和非金属工艺学等等。 研究、设计和发展新的机械产品，不断改进现有机械产品和生产新一代机械产品，以适应当前和将来的需要。机械产品的生产，包括：生产设施的规划和实现；生产计划的制订和生产调度；编制和贯彻制造工艺；设计和制造工具、模具；确定劳动定额和材料定额；组织加工、装配、试车和包装发运；对产品质量进行有效的控制。机械制造企业的经营和管理。机械一般是由许多各有独特的成形、加工过程的精密零件组装而成的复杂的制品。生产批量有单件和小批，也有中批、大批，直至大量生产。销售对象遍及全部产业和个人、家庭。而且销售量在社会经济状况的影响下，可能出现很大的波动。因此，机械制造企业的管理和经营特别复杂，企业的生产管理、规划和经营等的研究也多是肇始于机械工业。 机械产品的应用。这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。机械产品的应用。这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。 研究机械产品在制造过程中，尤其是在使用中所产生的环境污染，和自然资源过度耗费方面的问题，及其处理措施。这是现代机械工程的一项特别重要的任务，而且其重要性与日俱增。机械的种类繁多，可以按几个不同方面分为各种类别，如：按功能可分为动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等；按服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械等；按工作原理可分为热力机械、流体机械、仿生机械等。另外，机械在其研究、开发、设计、制造、运用等过程中都要经过几个工作性质不同的阶段。按这些不同阶段，机械工程又可划分为互相衔接、互相配合的几个分支系统，如机械科研、机械设计、机械制造、机械运用和维修等。 这些按不同方面分成的多种分支学科系统互相交叉，互相重叠，从而使机械工程可能分化成上百个分支学科。例如，按功能分的动力机械，它与按工作原理分的热力机械、流体机械、透平机械、往复机械、蒸汽动力机械、核动力装置、内燃机、燃气轮机，以及与按行业分的中心电站设备、工业动力装置、铁路机车、船舶轮机工程、汽车工程等都有复杂的交叉和重叠关系。船用汽轮机是动力机械，也是热力机械、流体机械和透平机械，它属于船舶动力装置、蒸汽动力装置，可能也属于核动力装置等等。 19世纪时，机械工程的知识总量还很有限，在欧洲的大学院校中它一般还与土木工程综合为一个学科，被称为民用工程，19世纪下半叶才逐渐成为一个独立学科。进入20世纪，随着机械工程技术的发展和知识总量的增长，机械工程开始分解，陆续出现了专业化的分支学科。这种分解的趋势在20世纪中期，即在第二次世界大战结束的前后期间达到了最高峰。由于机械工程的知识总量已扩大到远非个人所能全部掌握，一定的专业化是必不可少的。但是过度的专业化造成知识过分分割，视野狭窄，不能统观和统筹稍大规模的工程的全貌和全局，并且缩小技术交流的范围，阻碍新技术的出现和技术整体的进步，对外界条件变化的适应能力很差。封闭性专业的专家们掌握的知识过狭，考虑问题过专，在协同工作时配合协调困难，也不利于继续自学提高。因此自20世纪中、后期开始，又出现了综合的趋势。人们更多地注意了基础理论，拓宽专业领域，合并分化过细的专业。械工程以增加生产、提高劳动生产率、提高生产的经济性为目标来研制和发展新的机械产品。在未来的时代，新产品的研制将以降低资源消耗，发展洁净的再生能源，治理、减轻以至消除环境污染作为超经济的目标任务。 机械可以完成人用双手和双目，以及双足、双耳直接完成和不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。现代机械工程创造出越来越精巧和越来越复杂的机械和机械装置，使过去的许多幻想成为现实。人类现在已能上游天空和宇宙，下潜大洋深层，远窥百亿光年，近察细胞和分子。新兴的电子计算机硬、软件科学使人类开始有了加强，并部分代替人脑的科技手段，这就是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的影响，而在未来年代它还将不断地创造出人们无法想象的奇迹。人类智慧的增长并不减少双手的作用，相反地却要求手作更多、更精巧、更复杂的工作，从而更促进手的功能。手的实践反过来又促进人脑的智慧。在人类的整个进化过程中，以及在每个人的成长过程中，脑与手是互相促进和平行进化的。 人工智能与机械工程之间的关系近似于脑与手之间的关系，其区别仅在于人工智能的硬件还需要利用机械制造出来。过去，各种机械离不开人的操作和控制，其反应速度和操作精度受到进化很慢的人脑和神经系统的限制，人工智能将会消除了这个限制。计算机科学与机械工程之间的互相促进，平行前进，将使机械工程在更高的层次上开始新的一轮大发展。 19世纪时，机械工程的知识总量还很有限，在欧洲的大学院校中它一般还与土木工程综合为一个学科，被称为民用工程，19世纪下半叶才逐渐成为一个独立学科。进入20世纪，随着机械工程技术的发展和知识总量的增长，机械工程开始分解，陆续出现了专业化的分支学科。这种分解的趋势在20世纪中期，即在第二次世界大战结束的前后期间达到了最高峰。 由于机械工程的知识总量已扩大到远非个人所能全部掌握，一定的专业化是必不可少的。但是过度的专业化造成知识过分分割，视野狭窄，不能统观和统筹稍大规模的工程的全貌和全局，并且缩小技术交流的范围，阻碍新技术的出现和技术整体的进步，对外界条件变化的适应能力很差。封闭性专业的专家们掌握的知识过狭，考虑问题过专，在协同工作时配合协调困难，也不利于继续自学提高。因此自20世纪中、后期开始，又出现了综合的趋势。人们更多地注意了基础理论，拓宽专业领域，合并分化过细的专业。 综合-专业分化-再综合的反复循环，是知识发展的合理的和必经的过程。不同专业的专家们各具有精湛的专业知识，又具有足够的综合知识来认识、理解其他学科的问题和工程整体的面貌，才能形成互相协同工作的有力集体。综合与专业是多层次的。在机械工程内部有综合与专业的矛盾；在全面的工程技术中也同样有综合和专业问题。在人类的全部知识中，包括社会科学、自然科学和工程技术，也有处于更高一层、更宏观的综合与专业问题。1.2 汽车转向装置的发展趋势 现代汽车转向装置的使用动态 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：有蜗杆销式(WP 型)、蜗杆滚 轮式(WR 型)、循环球式(BS 型)、齿条齿轮式(BP 型)。这四种转向器型式，已经被广泛 使用在汽车上。当今社会，随着机械工业的蓬勃发展，各行各业的机械设备也在不断地更新，不断地完善，宝马齿轮齿条转向器同样在发展着，传统的目前市面上的齿轮齿条转向器大多都是采用传统的结构，在某些特定的区域，这种结构形式的齿轮齿条转向器非常不受欢迎。由于以往的齿轮齿条转向器采用传统的结构形式，这样就造成传动精度不好控制，保养维护费用较高;同时存在一定的安全隐患。因此，对整机的安全性要求较高，操作时也会给工作人员带来强烈的震动，使得操作很不舒服。虽然传统的齿轮齿条转向器传动效率较高，变速效果较好，但是价格也较昂贵，对于一般的用户难以接受。所以研究一种新式的齿轮齿条转向器势在必行！第二章 华晨宝马齿轮齿条转向器总体结构的设计2.1 齿轮齿条转向器的总体方案图 本次设计的齿轮齿条转向器采取的方案是：司机通过转动方向盘，从而使转向轴转动，与转向轴联动的齿轮就开始转动，从而带动与转向齿轮啮合的齿条实现平行往返位移，而动力缸体两端都有与车轮连接在一起的拉杆，这样就能够起到控制轮子左右转动的作用，就起到了转向的目的。其具体方案布局图如下： 2.2 齿轮齿条转向器的工作原理 齿轮齿条转向器的工作原理为：通过转动方向盘，从而使转向轴转动，与转向轴联动的齿轮就开始转动，从而带动与转向齿轮啮合的齿条实现平行往返位移，而动力缸体两端都有与车轮连接在一起的拉杆，这样就能够起到控制轮子左右转动的作用，就起到了转向的目的。2.3 传动比的计算2.3.1汽车方向盘 转向盘的直径 Dsw 有一系列尺寸。选用大的直径尺寸时，会使驾驶员进出驾驶室感到困难。若选用小的直径尺寸，转向时，驾驶员要施加较大的力量，从而使汽车难于操纵，据原始数据，参见手册取 Dsw400 mm 则由作用方向盘上的力矩得作用在方向盘上的力 Fh=Mh=25Nm; MhRsw=2.5104200=125N;2.3.2 转向阻力矩f=Mr式中：f -滑动摩擦系数，一般取.;-轮胎气压;G1-前轴载荷;则Mr=f=328.8Nm ;2.3.3 角传动比与力传动比 转向系的传动比由转向系的角传动比iwo和转向系的力传动比ip组成。从轮胎接触地面中心作用在两个转向轮上的合力 Fw 与作用在方向盘上的手力h 之比称为力传动比ip 。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 i wo 。它又由转向器传动比 i w 转向传动装置角传动比 i w 所组成。力传动比与转向系角传动比的关系ip=2 Fw Fh而W和作用在转向节上的转向阻力矩r有以下关系 wMr a作用在方向盘上的手力 h 可由下式表示 hMh Rsw;侧ip=2MrRswMha,若忽略磨擦损失侧2Mr=Xiwo; 由式可知,力传动比与 Rswa和iwo有关，a 愈小，i p 愈大，转向愈轻便。 由以上过程可计算出结果如下：iwo=2XMr; ） 角传动比 Mh=2328.8=657.6;） 力传动比ip = iwoRswa式中a=1;B=0.5175 = 87.5 mm 则ip=iwoRswaX87.5=43.5;2.4 齿轮的设计2.4.1 齿轮参数的选择齿轮模数值取值为 m=1 ，主动齿轮齿数为 z=23，压力角取=20，齿轮螺旋角为= 12 ，齿条齿数应根据转向轮达到的值来确定。齿轮的转速n=10r/min，齿轮 传动力矩m ，转向器每天工作小时，使用期限不低于年，主动小齿轮选用40Cr,材料制造并经渗碳淬火，而齿条常采用40Cr钢或 41Cr4 制造并经高频淬火，表面硬度均应在 56HRC 以上。为减轻质量，采用40Cr钢制作。2.4.2齿轮几何尺寸确定 法向齿厚为h=ha+hf=4.25+1.375=5.625mm 分度圆直径d =mz/cos= 123=23mm；da =d+2ha=15.337+9.5=24.837mm；df=d-2hf=15.337-2.475 =22.587 mm；db=dcos=15.337cos 20=14.412mm；分度圆直径与齿条运动速度的关系 齿距 p=m=3.142.5=7.85mm; 根据d=60000v/n1；则v=0.001m/s；齿轮中心到齿条基准线距离H=d/2+xm=11.5mm 2.4.3齿根弯曲疲劳强度计算（1）接触应力的计算由文献4表可知，齿面接触应力计算公式，即 （3.28） 确定公式内的各计算数值 计算载荷系数电动机驱动，载荷平稳，由文献4表可知，取平均分度圆直径 mm 平均分度圆圆周速度 m/s由文献4 图（a）可知，按，得；由文献4 图（b）可知，按，齿轮悬臂布置，；由文献4表可知，； 由文献1表可知，弹性系数； 节点区域系数 计算得， MPa（1） 接触疲劳强度的许用应力由文献4 表可知，许用接触应力计算公式，即 （3.29）确定公式内的各计算数值 小齿轮的接触疲劳强度极限MPa 最小安全系数 由文献1，10-13可知，计算应力循环系数 由文献1 图10-19可知，查得接触疲劳寿命系数 ， 尺寸系数 工作硬化系数，按 润滑油膜影响系数，计算得， MPa（3）由于MPaMPa，故安全。（1）齿根应力的计算由文献4表可知，弯曲应力计算公式，即 （3.30）确定公式内的各计算数值 由文献1表可知， ， 由文献1表可知， ， 计算得，MPa（2）弯曲强度的齿根许用应力 由文献4表可知，齿根许用应力计算公式，即 （3.31）确定公式内的各计算数值 弯曲疲劳极限MPa 齿轮的应力修正系数 弯曲强度的最小安全系数 弯曲疲劳寿命系数 ， 弯曲疲劳的尺寸系数计算得， （3） 由于MPaMpa，故安全。 2.4.4齿轮精度等级、材料及参数的选择齿轮共有13个精度等级，用数字012由低到高的顺序排列，0级最高，12级最低。齿轮精度等级的选择，应根据传动的用途、使用条件、传动功率、圆周速度、性能指标或其他技术要求来确定。表13给出了不同机械传动中齿轮采用的精度等级。表14推荐了59级精度齿轮所采用的切齿方法和使用范围等。具体不同机械传动中齿轮采用的精度等级如下图所示：2.5 齿条的设计根据齿轮齿条的啮合特点:(1) 齿轮的分度圆永远与其节圆相重合,而齿条的中线只有当标准齿轮正确安装时才与其节圆相重合.(2) 齿轮与齿条的啮合角永远等于压力角。因此,齿条模数 m=1,压力角=20 齿条断面形状选取圆形，选取齿数 z23螺旋角= 8齿厚mt= m / cos = 2.5 / cos 8 = 2.5253mm；t=tan/cos=tan20/cos8=0.367；Pn =mn = 3.14 2.5 = 7.85mm Pt = mt = 3.14 2.5253 = 7.929mm；han=1 X C n = 0.25 ? ha = m n han + n = 3 (1 + 0.7) = 4.25mm；hf=mn(han+cn n ) = 2.5 (1 + 0.25 ? 0.7) = 1.375mm；h=ha+hf=4.25+1.375=5.625mm;2.6 齿轮轴的设计 由于齿轮的基圆直径db=23，数值较小，若齿轮与轴之间采用键连接必将对轴 和齿轮的强度大大降低，因此，将其设计为齿轮轴。由于主动小齿轮选用45#材料制造并经渗碳淬火，因此轴的材料也选用40Cr,材料制造并经渗碳淬火。查表得：40Cr材料的硬度为，抗拉强度极限 B=1100 MPa ，屈服极限S =850MPa ，弯曲疲劳极限 T=525MPa ,剪切疲劳极限 1 = 300 MPa ，转速 n=10r/min 忽略磨损，根据能量守衡，作用在齿轮齿条上的阻力矩为 M r = 328.8 N m ,作用在齿轮上的轴向力为F=Mr328.8 sin 20 = sin 20 = 12.23 N ，作用在齿轮上的切向力为F=弯曲疲劳强度校核Mr 328.8 cos 20 = cos 20 = 33.77 Nr 9.151 r 2 33.77 /3.14 5 2 = 0.43 MPa 525MPa。剪切疲劳强度校核1=F/ r2 = 33.77/3.14 42 = 0.672MPa a抗拉强度校核 满载时的阻力矩为 Mr=328.8Nm， 齿轮轴的最小直径为d=mm，在此截面上的轴向抗拉强度为Br2 =1 1.55/3.14142=0.229MPa1100Mpa本设计选择齿轮轴直径 D=40。第3章 各主要零部件强度的校核3.1滚动轴承的选择滚动轴承为深沟球轴承6205，由文献2表得KN，KN，。（2）寿命验算 轴承所受支反力合力 N （3.1）对于双列圆锥滚子轴承，派生轴向力互相抵消。 ，N由文献2表得， ， N （3.2）按轴承B的受力大小验算 h （3.3）h=年 由于齿轮齿条转向器的运转平稳，必须选择较大寿命的轴承，轴承能达到所计算的寿命。 经审核后，此轴承合格。3.2传动轴强度的校核计算根据以上工况可知：力： 径向力：求垂直面的支反力计算垂直弯矩：求水平面的支承力： 计算、绘制水平面弯矩图：求危险截面当量弯矩：从图可见，m-m,n-n处截面最危险，其当量弯矩为：（取折合系数）计算危险截面处轴的直径： n-n截面: m-m截面: 由于，所以该轴是安全的。第四章 齿轮齿条转向器中主要零件的三维建模 4.1方向盘的三维建模 4.2转向轴的三维建模4.3动力缸体的三维建模4.4齿轮齿条转向器的三维建模第五章三维软件设计总结 通过此次设计，又一次提升了运用三维软件的水平，并吸收了不少经验，总结为一下几点。 有零件图纸作图与空想设计作图不同，零件尺寸已经给出，作图时先不考虑尺寸是否真的合适，根据尺寸作出零件的三维图，但到装配时必须要考虑尺寸是否合适，由于AutoCAD图纸效果不好，导致尺寸会有出错，甚至有出现欠定义尺寸，所以，此时必须通过配合后在衡量尺寸，再进行修改，直到满足配合要求。 工具集的确方便了作图，通过选择零件类型，输入数据，就能生成出标准零件，但有时需要用到的零件在工具集上也未必能找到，所以此时要随机应变，运用其他零件代替并通过修改或添加零件使其满足要求。作三维图时要灵活变通，解决问题的方法总比问题多，当一种方法不能正常作图时，试试另一种方法，这不但能完成零件制作，同时也可以培养出更好的作图思路，和打破规矩的新想法。规则的零件，要学会使用一些能够节省时间的命令，如镜向，阵列等，“能省则省”。