汽车齿轮齿条式转向器设计分解.docx

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1、_汽车设计课程设计说明书题目：汽车齿轮齿条式转向器设计(3)系别：机电工程系专业：车辆工程班级：姓名：学号：指导教师：日期：2012年 7月精品资料汽车齿轮齿条式转向器设计摘要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。根据原有数据首先分析转向器的特点，确定总体的结构方案， 并确定转向器的计算载荷以及转向器的主要参数， 然后确定齿轮齿条的形式， 接着对齿轮模数的选择确定，主动小齿轮齿数的确定、压力角的确定、 齿轮螺旋角的确定，通过确定转向器的线传动比计算其力传动比以及齿轮齿条的结构参

2、数， 在以上的基础上选择主动齿轮、齿条的材料， 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 2张、装配图 1张。关键词 ：齿轮齿条，转向器，设计计算_目录序言.11.汽车转向装置的发展趋势 .22.课程设计目的 .43.转向系统的设计要求 .54.齿轮齿条式转向器方案分析 .75.确定齿轮齿条转向器的形式 .86.齿轮齿条式转向器的设计步骤 .116.1已知设计参数 . .116.2齿轮模数的确定、主

3、动小齿轮齿数的确定、压力角的确定、齿轮螺旋角的确定 .126.3确定线传动比、转向器的转向比 . .126.4小齿轮的设计 . .146.5小齿轮的强度校核 . .166.6齿条的设计 . .196.7齿条的强度计算 . .206.8主动齿轮、齿条的材料选择 . .227.总结.23参考文献 .错误 ! 未定义书签。致谢.25精品资料_序言转向系是用来保持或者改变汽车行使方向的机构，转向系统应准确、快速、平稳地响应驾驶员的转向指令，转向行使后或受到外界扰动时，在驾驶员松开方向盘的状态下，应保证汽车自动返回稳定的直线行使状态。汽车工业是国民经济的支柱产业， 代表着一个国家的综合国力， 汽车工业随

4、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。汽车转向系统也随着汽车工业的发展历经了长时间的演变。齿轮齿条式转向器的主要优点： 结构简单、紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器的质量比较小；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的弹簧， 能自动消除间隙， 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；转向器占用体积小；制造成本低。基于以上的优点，齿轮齿条式转向器将是以后转向器的发展的趋势和潮流。本次设计以乘用车转向器的参数作为依据，

5、 设计一款某轻型车的转向器。 根据该车型对于市场的定位及对制造成本的考虑，同时参考同类车型的转向系统，将该车的转向系统设计为一款机械式转向系统， 对转向系系统做简单分析， 并进行转向器零件设计、 工艺性及尺寸公差等级分析， 同时按以下步骤对转向器及零部件进行设计方案论证： 第一步对所选的转向器总成进行剖析； 第二部利用所学的知识对总成中的零部件进行力学分析和分析； 第三步对分析中发现的不合理的设计进行改进。精品资料广东技术师范学院天河学院汽车设计课程设计说明书1. 汽车转向装置的发展趋势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

6、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。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 62.5%，发展到现今的 100%了

7、( 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销式转向器， 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%。由于齿轮齿条式转向器的种种优点，在小型车上的应用 ( 包括小客车、

8、小型货车或客货两用车 ) 得到突飞猛进的发展；而大型车辆则以循环球式转向器为主要结构。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。 由于动力转向系统还是新的结构， 各国的生产厂家都正在组织力量，大力开展试验研究工作， 提高使用性能、 减小总成体积、 降低生产成本、保证产品质量稳定，以便逐步推广和普及。随着科学技术的发展， 国际经济形势的变化对汽车乃至汽车转向器的生产都2_有很大影响。特别是西方国家实行石油禁运以来，世界经济形势受冲击很大。随着能源危机的发展，汽车工业首当其冲，其发展方向有很大变化。从汽车设计、制造到各总成部件的生产都随着能源危机的发生

9、而变化，表现在能源消耗、 材料消耗、操纵轻便等各个方面。我国加入WTO，给汽车工业带来新的机遇，也带来挑战，国产汽车及零部件将会得到进一步发展。精品资料广东技术师范学院天河学院汽车设计课程设计说明书2. 课程设计目的1. 课程设计是一次综合性训练， 通过课程设计， 既有助于巩固学生们所学专业知识，培养独立设计能力， 提高综合运用知识的能力， 同时也有助于为以后的毕业设计打下基础。2. 通过这次课程设计使学生们懂得理论知识与实际相结合是很重要的， 只有理论知识是远远不够的， 只有把所学的理论知识与实际相结合， 从理论中得出结论，才是真正的知识，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。3. 通

10、过设计，获得根据原始数据的要求，设计出高效、经济、合理、能保证设计产品的能力。4. 学会使用手册及图表资料。 培养查阅各种资料的能力， 同时掌握与本设计有关的各种资料。4_3. 转向系统的设计要求转向系是用来保持或者改变汽车行使方向的机构， 包括转向操纵机构 （转向盘、转向上、下轴）、转向器、转向传动机构（转向拉杆、转向节）等。转向系统应准确、快速、平稳地响应驾驶员的转向指令， 转向行使后或受到外界扰动时，在驾驶员松开方向盘的状态下，应保证汽车自动返回稳定的直线行使状态。一般来说，对转向系统的要求如下：（ 1）转向系传动比包括转向系的角传动比（方向盘转角与转向轮转角之比）和转向系的力传动比。在

11、转向盘尺寸和转向轮阻力一定时，角传动比增加， 则转向轻便，转向灵敏度降低；角传动比减小，则转向沉重，转向灵敏度提高。转向角传动比不宜低于 1516；也不宜过大，通常以转向盘转动圈数和转向轻便性来确定。一般来说，轿车转向盘转动圈数不宜大于 4 圈，对轿车来说，有动力转向时的转向力约为 20 50；无动力转向时为 50100N。（ 2）转向轮应具有自动回正能力。 转向轮的回正力来源于轮胎的侧偏特性和车轮的定位参数。汽车的稳定行使， 必须保证有合适的前轮定位参数， 并注意控制转向系统的内部摩擦阻力的大小和阻尼值。（ 3）转向杆系和悬架导向机构共同作用时，必须尽量减小其运动干涉。应从设计上保证各杆系的

12、运动干涉足够小。（ 4）转向器和转向传动机构的球头处， 应有消除因磨损而产生的间隙的调整机构以及提高转向系的可靠性。（ 5）转向轴和转向盘应有使驾驶员在车祸中避免或减轻伤害的防伤机构。（ 6）汽车在作转向运动时， 所以车轮应绕同一瞬心旋转， 不得有侧滑；同时，转向盘和转向轮转动方向一致。（ 7）当转向轮受到地面冲击时， 转向系统传递到方向盘上的反冲力要尽可能小，在任何行使状态下，转向轮不应产生摆振。（ 8）机动性是通过汽车的最小转弯半径来体现的， 而最小转弯半径由内转向车轮的极限转角、汽车的轴距、主销偏移距决定的，一般的极限转角越大，轴距和主销偏移距越小，则最小转弯半径越小。（ 9）转向灵敏性

13、主要通过转向盘的转动圈数来体现， 主要由转向系的传动比精品资料广东技术师范学院天河学院汽车设计课程设计说明书来决定。操纵的轻便性也由转向系的传动比决定， 但其与转向灵敏性是一对矛盾，转向系的传动比越大，则灵敏性提高，轻便性下降。为了兼顾两者，一般采用变传动比的转向器，或者采用动力转向， 还有就是提高转向系的正效率， 但过高正效率往往伴随着较高的逆效率。（ 10）转向时内外车轮间的转角协调关系是通过合理设计转向梯形来保证的。对于采用齿轮齿条转向器的转向系来说， 转向盘与转向轮转角间的协调关系是通过合理选择小齿轮与齿条的参数、合理布置小齿轮与齿条的相对位置来实现的，而且前置转向梯形和后置转向梯形恰

14、恰相反。（ 11）转向轮的回正能力是由转向轮的定位参数 （主销内倾角和主销后倾角）决定的，同时也受转向系逆效率的影响。 选取合适的转向轮定位参数可以获得相应的回正力矩，但是回正力矩不能太大又不能太小，太大则会增加转向沉重感，太小则会使回正能力减弱， 不能保持稳定的直线行驶状态。 转向系逆效率的提高会使回正能力提高，但是会造成“打手 ”现象。（ 12）转向系的间隙主要是通过各球头皮碗和转向器的调隙机构来调整的。6_4. 齿轮齿条式转向器方案分析1- 方向盘； 2- 转向上轴；3- 托架； 4- 万向节； 5- 转向下轴； 6- 防尘罩；7- 转向器；8- 转向拉杆图 4.1 转向系 2齿轮齿条转

15、向器由与转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。与其它形式的转向器比较， 齿轮齿条式转向器的优点： 结构简单、紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成转向器的质量比较小；传动效率高达90%；转向灵敏；齿轮与齿条之间因磨损出现间歇后，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，能自动消除齿间间歇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。 特别适于与烛式和麦费逊式悬架配用，便于布置等优点。因此，目前它在轿车、微型、轻型货车上得到广泛的应用。例如 , 一汽的红旗 CA72

16、20 型轿车、奥迪 100 型轿车、捷达轿车、上海桑塔纳轿车、天津夏利轿车以及天津 TJ1010 型微型货车和南京依维柯轻型货车等，都采用了这种齿轮齿条式转向器。 齿轮齿条式转向器的主要缺点是： 因逆效率高（ 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至转向盘，称之为反冲。 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。精品资料广东技术师范学院天河学院汽车设计课程设计说明书5. 确定齿轮齿条转向器的形式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，两端输出（图 5.

17、1a ）、侧面输入，两端输出（图 5.1b ）、侧面输入，中间输出 ( 图 5.1c) 、侧面输入，一端输出 ( 图 5.1d) 。采用侧面输入，中间输出方案时，由图 5.2 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。采用两端输出方案时，由于转向拉杆长度受限制，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

18、侧面输入，一端输出的齿轮齿条式转向器，常用在平头货车上。如果齿轮齿条式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，因与总体布置不适应而遭淘汰。 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，冲击与噪声均降低，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满足总体设计的要求。因为斜齿工作时有轴向力作用，所以转向器应该采用推力轴承， 是轴承寿命降低， 还有斜齿轮的滑磨比较大事它的缺点。2图 5.1齿轮齿条转向器的四种形式8_根据对四种不同类型转向器的对比选择，本课题将采用侧面输入两端输出的齿轮

19、齿条转向器。重合度增加，运转平稳，冲击与噪声均降低，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满足总体设计的要求。因为斜齿工作时有轴向力作用，所以转向器应该采用推力轴承。使轴承寿命降低， 还有斜齿轮的滑磨比较大是它的缺点。2图 5.2拉杆与齿条的连接齿条断面形状有圆形（图5.3 ）、 V 形（图 5.4 ）和 Y 形（图 5.5 ）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%，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 形的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

20、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2图 5.3圆形断面齿条力矩时，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。精品资料广东技术师范学院天河学院汽车设计课程设计说明书图 5.4V形断面齿条2图 5.5Y形断面齿条2根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，齿轮齿条式转向器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用于乘用车上，载质量不大， 前轮采用独立悬架

21、的货车和客车有些也用齿轮齿条式转向器。根据设计的成本与要求而定。2图 5.6齿轮齿条式转向器的四种布置形式10_6. 齿轮齿条式转向器的设计步骤确定齿轮齿条的形式齿轮模数的确定主动小齿轮齿数的确定压力角的确定齿轮螺旋角的确定确定线传动比、转向器的转向比齿轮齿条结构参数的确定验算齿轮的齿轮的抗弯强度和接触强度主动齿轮、齿条的材料选择最后作课程设计总结。6.1 已知设计参数适用车辆相关数据：乘用车 FF42、发动机位置：前置、横置、前盘后鼓、机械式转向器、两轴式、手动五挡；表 6.1原始数据表长 宽 高（ mm）4249 1690 1505轴距 (mm)2665前轮距 / 后轮距 (mm)1462

22、/1457发动机最大转矩131/4200 m/(r/min)发动机最大功率76/6000(kw/(r/min)最高车速（ km/h)170最小转弯直径（ m）10.5整备质量（ kg ）1060总质量（ kg）1435满载55%前轴负荷率60%空载轮胎型号175/65 R14精品资料广东技术师范学院天河学院汽车设计课程设计说明书6.2 齿轮模数的确定、主动小齿轮齿数的确定、压力角的确定、齿轮螺旋角的确定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2-3mm之间。主动小齿轮齿数多数在5-7 个齿范围变化，压力角取20 0 ，齿轮螺旋角取值范围多为9 0 -15 0 。齿条齿数

23、应根据转向轮达到最大偏转角是，相应的齿条移动行程应达到的值来确定。变速比的齿条压力角， 对现有结构在 12 0 -35 0范围内变化。此外，设计是应验算齿轮的抗弯强度和接触强度。根据以上的要求选取齿轮的模数m为 2mm，主动小齿轮齿数z 为 8（根据经验公式），压力角取 20 0 ，齿轮螺旋角取 12 0 。6.3 确定线传动比、转向器的转向比（ 1）原地转向阻力矩M R（），即N mm 4fG13（6.1 ）M R =p3式中，f为轮胎和路面间的滑动摩擦因素， 一般取 0.7 ；为转向轴负荷（ ），G1NG1 =55%ma g ； p 为轮胎气压（ MPa），这里取 0.35Mpa（根据 G

24、B/2977-2008）。将数据代人 6.1 式中，得：0.7(55%14359.8)3M R =0.35=268289.56 N mm3（ 2）作用在转向盘上的手力Fh （ N）为：2L1M R 4 （6.2）FhD swiL2式中， L1 为转向摇臂长；L2 为转向节臂长；因为齿轮齿条式转向器无转向摇臂和转向节臂， 所以无数值，都视为 “1”计算；转向盘的直径 D sw 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若选用小的直径尺寸，转向时，12_驾驶员要施加较大的力量，从而使汽车难于操纵，根据车型的不同，转向盘直径Dsw 在 380-550mm的标准系列内选取，因而取400m

25、m； i为转向器角传动比，在齿轮齿条式转向器中称线角传动比，根据汽车设计课程设计指导书i 取 36.84 ；为转向器的正效率，齿轮齿条式转向器的正效率可达90%，故取 85%。将数据代人 6.2 式中，得：2M R2268289.5642.84NFh40036.84 85%D swi（ 3）轮胎与地面之间的转向阻力F（ ）：wN 4Fw =M R（6.3 ）a式中， a 为主销偏移距，指从转向节主销轴线的延长线与支承平面的交点至车轮中心平面与支承平面交线间的距离。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，这里取0.5 倍轮胎的胎面宽度尺寸，已知轮胎型号为175/65

26、 R14 ，所以 a 值为：a =0.5 175mm=87.5mm则：Fw = M R268289.563066.17Na 87.5（ 4）作用在转向盘上的手力 Fh 为： 42M hFhD sw（ 6.4 ）式中， M h 为作用在转向盘上的力矩；D sw 为转向盘直径值为400mm。则：M hFh Dsw42.84400228568 N mm（ 5）转向系的力传动比 i p 的计算（将式6.3 与式 6.4 代入 i p2Fw后）得Fh到：精品资料广东技术师范学院天河学院汽车设计课程设计说明书 42M R D swi pM h（ 6.5 ）代入数据得：i p2M RD sw143.14M

27、h6.4 小齿轮的设计由 6.2 选取齿轮的模数 m为 2mm，主动小齿轮齿数 z 为 8，压力角 取 20 0 ，齿轮螺旋角 取 12 0 ，顶隙系数 c 为 0.25 ，齿顶高系数 ha 为 1。由于设计的是斜齿轮，所以法向模数mn 为 2mm。齿轮分度圆直径：d = mn z cos 4（6.6 ）代入数据：d = mn z cos=16.4mm齿顶高： 4ha=hamn（ 6.7 ）代入数据：ha =2mm齿根高： 4h f =（ ha +c ）mn（6.8 ）代入数据：hf =2.5mm齿轮齿顶圆直径： 4 d a2ha mnd14_（ 6.9 ）代入数据：da20.4mm齿轮齿根圆

28、直径： 4 d fd2h f（ 6.10 ）代入数据：d f11.4 mm齿轮全齿高： 4 h ha h f（6.11 ）代入数据：h =4.5mm齿轮的齿宽 b ： 4 bd d（ 6.12 ）代入数据：b =14mm齿轮的齿距： 4 Pmn（ 6.13 ）代入数据：P 2s 2e=6.28 （ e为分度圆上的齿厚， s 为分度圆上的齿槽宽）在斜齿轮的传动中，作用于齿面上的法向载荷Fn 仍垂直于齿面，作用于主动轮上的 Fn 位于法面内，与节圆柱的切面倾斜一法向啮合角an 为 20 0 ，力 Fn 可沿齿轮的周向、径向及轴向分成三个垂直的分力（Ft 、 Fr 、 Fa ）：轮齿上的作用力：精品

29、资料广东技术师范学院天河学院汽车设计课程设计说明书圆周力： 4 Ft2T1=d（ 6.14 ）T1 为小齿轮上的转矩，其值等于M h ，则：Ft =1044.88N径向力：Fr = Ft tan an 4 （6.15 ）cos则： Fr =388.81N轴向力：Fa = Ft tan 4 （6.16 ）则： Fa =222.10N6.5 小齿轮的强度校核1. 齿轮齿跟弯曲疲劳强度计算齿轮受载时， 齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱。当齿轮在齿顶处啮合时， 处于双对齿啮合区， 此时弯矩的力臂最大， 但力并不是最大，因此弯矩不是最大。 根据分析，齿根所受的最大玩具发生在轮齿啮合点位于

30、单对齿啮合最高点时。 因此，齿根弯曲强度也应按载荷作用于单对齿啮合区最高点来计算。斜齿轮啮合过程中， 接触线和危险截面位置在不断的变化， 要精确计算其齿根应力是很难的，只能近似的按法面上的当量直齿圆柱齿轮来计算其齿根应力。将当量齿轮的有关参数代入直齿圆柱齿轮的弯曲强度计算公式， 可得到斜齿圆柱齿轮的弯曲疲劳强度计算校核公式：2KTYFa YSaY 4 FbdmnF（ 6.17 ）16_使用系数 K A =1.0动载荷系数 KV =1.2齿间载荷分配系数KK = 1.0齿向载荷分配系数KK= 1.4载荷系数K= KA KV KK=1.68齿形系数 YF aYF a2.92校正系数 YS aYS a = 1.4Y 为螺旋角影响系数Y =0.7端面重合度=1.211校核齿根弯曲强度：2KTYFa YSaYFbdmn=2 1.6885682.92 1.4 0.7 = 148.15Mpa1416.421.211选取 20Cr 为齿轮材料；弯曲强度最小安全系数SF min