汽車轉向器結構設計

1、河 北 工 業(yè) 大 學畢 業(yè) 論 文作 者： 楊金龍 學 號： 100334 學 院： 機械工程學院 系(專業(yè))： 車輛工程 題 目： 汽車轉向器結構設計 指導者： 劉茜 副教授 (姓 名) (專業(yè)技術職務)評閱者： (姓 名) (專業(yè)技術職務) 2014 年 6 月 3日汽車轉向器結構設計摘 要：汽車行駛時要經(jīng)常改變行駛方向，這就需要有一套能夠按照駕駛需要使汽車轉向的機構，它將司機轉動方向盤的動作轉變?yōu)檐囕啠ㄍǔＪ乔拜啠┑钠D動作。這套機構就是汽車的轉向系。按轉向力能源的不同，可將轉向系分為機械轉向系和動力轉向系。機械轉向系的能量來源是人力，所有傳力件都是機械的，由轉向操縱機構（方向盤）、轉

2、向器、轉向傳動機構三大部分組成。動力轉向系除具有以上三大部件外，其最主要的動力來源是轉向助力裝置。轉向器是轉向系統(tǒng)的核心，它把操縱機構的旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動從而使車輪偏轉，完成轉向。轉向器主要分為齒輪齒條式、蝸桿曲柄指銷式、循環(huán)球-齒條齒扇式、循環(huán)球曲柄指銷式、蝸桿滾輪式等，本次設計為齒輪齒條式轉向器結構設計，齒輪齒條式轉向器具有結構簡單、緊湊；傳動效率高而轉向器質(zhì)量小的特點，因此實際應用較廣泛。關鍵詞：轉向系 齒輪齒條轉向器 優(yōu)點 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 錄1 緒論 6 1.1齒輪齒條轉向器6 1.2齒輪齒條轉向器的工作原理7 1.3其它類型轉向器 92 汽車轉向分析10 2

8、.1阿克曼幾何學10 2.2最小轉彎半徑11 2.3轉向系的效率11 2.4轉向系的角傳動比與力傳動比12 2.4.1角傳動比12 2.4.2力傳動比132.5方向盤的自由行程133轉向器結構方案的確定和具體設計14 3.1某常見乘用車具體參數(shù)14 3.2轉向器設計計算14 3.2.1原地阻力矩的計算15 3.2.2轉向盤操控力的計算15 3.3齒輪齒條傳動副的確定和設計16 3.3.1變傳動比齒輪齒條的原理分析16 3.3.2斜齒圓柱齒輪的設計17 3.3.3傳動副傳動方案的設計17 3.3.4齒條的設計18 3.4齒輪的強度校核計算19 3.4.1齒輪齒面接觸疲勞強度計算19 3.4.2齒

9、輪齒根彎曲疲勞強度計算22 3.5齒條的強度校核計算24 3.5.1齒條的受力分析24 3.5.2 齒條桿部受拉壓的強度計算26 3.5.3齒條齒部彎曲強度的計算264.轉向系統(tǒng)與轉向器的現(xiàn)狀與發(fā)展275.致謝296.參考文獻30齒輪齒條式轉向器設計1.緒論轉向器，也經(jīng)常稱作轉向機，是把轉向軸傳遞來的的旋轉運動轉化成直線或近乎于是直線運動的一類機械傳動裝置，同時它也是轉向系中的減速傳動裝置，是轉向系統(tǒng)的主要部件。汽車轉向系統(tǒng)是汽車重要的安全部分,它的發(fā)展歷史主要分為兩個不同階段,一是傳統(tǒng)的機械轉向系統(tǒng)時期；二是現(xiàn)代正廣泛運用并且還在快速發(fā)展的助力轉向系統(tǒng)的時期1。傳統(tǒng)的機械轉向系統(tǒng)由轉向器、傳

10、動機構和轉向盤操控機構三大部分以及其它零部件組成，助力轉向系統(tǒng)是在機械轉向系統(tǒng)的基礎上安裝一套給轉向系統(tǒng)提供能量的系統(tǒng)以方便轉向，如液壓助力、電子液壓助力或者電子助力等。助力轉向系統(tǒng)可以使駕駛員操縱方便靈敏，更好更安全的駕駛車輛，提高了汽車性能。無論是機械轉向系統(tǒng)還是助力轉向系統(tǒng)，轉向器都是最重要最核心的部件之一。轉向器的功用是把轉向軸傳遞過來的旋轉運動轉變成轉向拉桿的直線運動并通過轉向傳動機構傳遞給車輪，使車輪偏轉，從而完成轉向。在轉向器在近幾十年的發(fā)展中，出現(xiàn)了多種形式結構的轉向器，廣泛使用的有齒輪齒條式轉向器、循環(huán)球-齒條齒扇式轉向器、蝸桿曲柄指銷式轉向器、循環(huán)球曲柄指銷式轉向器以及不常

11、見的蝸桿滾輪式轉向器等，其中蝸桿曲柄指銷式是齒輪齒條式轉向器的變體，循環(huán)球曲柄指銷式是循環(huán)球-齒條齒扇式的變形。1.1齒輪齒條式轉向器世界上第一臺完整的齒輪齒條式轉向器是1885年首次被應用在西德的“本茨”汽車（即后來大名鼎鼎的奔馳汽車）上的轉向器，后來逐漸被被應用在“凱迪拉克”等名牌汽車上，齒輪齒條式轉向器的壽命已經(jīng)有一百多年。在這么長的時間里，其結構與性能也已不斷獲得完善與提高2。今天，隨著助力轉向系統(tǒng)的普及應用，齒輪齒條式轉向器的優(yōu)點被進一步挖掘，得到了廣泛使用和快速的發(fā)展。齒輪齒條式轉向器主要由主動小齒輪、齒條以及相應的殼體等零件構成。齒輪齒條轉向器由于結構簡單，容易與轉向助力系統(tǒng)配合

12、優(yōu)點，從而在近幾十年助力系統(tǒng)得到廣泛使用的年代成為了弄潮兒，在汽車上得到了廣泛使用。齒輪齒條這種動力傳遞方式本身具有很多優(yōu)點，如結構緊湊并且重量輕，傳遞效率還高，很重要一點還有成本低，這都很好地適應了當今社會汽車行業(yè)整體的發(fā)展方向。由于齒輪齒條嚙合傳遞動力是可以改變逆向的，因此這種方式可以把地面對車輪的反作用力傳遞給方向盤，從而具有了對路面情況反應靈敏的優(yōu)點，但是與此同時也常常出現(xiàn)容易打手和擺振等的缺點。齒輪與齒條相互嚙合傳動，轉向工作時，與轉向軸聯(lián)接的主動齒輪的旋轉運動轉化為齒條的直線運動，再通過轉向橫拉桿拉動轉向臂，使車輪產(chǎn)生偏轉。轉向器的主動小齒輪一般為斜齒圓柱齒輪，輪齒呈螺旋狀，而非直

13、齒圓柱齒輪，這樣可以盡量減小齒輪與齒條之間嚙合的間隙，嚙合更加緊密，從而使駕駛員對轉向盤的微調(diào)轉動能夠迅速傳遞給車輪，能夠提高操控的靈敏性，同時減小方向盤的自由行程。不過齒輪嚙合也不是越緊越好，嚙合過緊會使得轉動轉向盤時的操作力過大，駕駛員會感到吃力。為了既有較高的靈敏度又操縱輕便，汽車轉向助力便應運而生了，即我們常說的動力轉向器。動力轉向器是利用外部動力但是按照司機的意愿幫助轉向的轉向器。近年來，隨著汽車功能的增加和機械、電控水平的提高以及部件的增大和汽車輪胎與地面的接觸面越來越大，車重和轉向阻力都大大增加了，但是操縱輕便性要求越來越高，因此動力轉向機構越來越普及。必須要注意的是，轉向助力應

14、該是隨著工況變化而變化的，因為汽車在高速行駛時，輪胎轉向的橫向阻力相對較小，從而轉向盤變得輕飄，很難掌握反饋的路面的信息，使駕駛員很難做出正確的判斷，反之則汽車會難以操縱。因此在高速時要適當減低動力輔助，而在低速時則要增加轉向動力，轉向動力要不停的變化，這種變化還必須平穩(wěn)。液壓動力轉向器采用液壓作動力源，液壓式動力轉向裝置，結構緊湊，也不用潤滑，而且油液的阻尼作用也可以吸收轉向系統(tǒng)承受的沖擊力，有利于增加操縱的平順性。但液壓助力系統(tǒng)也有自身的缺陷，液體流量增加會加重泵的負荷，液壓動力需要保持怠速旋轉的機構供給，液壓系統(tǒng)結構復雜，生產(chǎn)加工工藝性要求較高，與電動助力相比，使用過程中還需要較高的維護

15、成本。因此現(xiàn)在助力轉向的發(fā)展趨勢是以電子助力轉向為主，電子助力隨動性好，結構方便等一系列優(yōu)點滿足了現(xiàn)在社會的需要。就目前看來，電子助力轉向和齒輪齒條轉向器是一對很好的搭配。 1.2齒輪齒條轉向器工作原理齒輪齒條式轉向器的小齒輪和與之嚙合的齒條安裝在轉向器殼體總成中，齒輪作為主動件轉向齒條緊密嚙合，齒條水平布置，則齒輪的旋轉運動能夠轉變成齒條的直線運動。齒輪和齒條的嚙合被預緊彈簧的預緊力緊緊壓在一起，這樣可以保證齒輪齒條的緊密嚙合，彈簧的預緊力還可以通過預緊螺釘調(diào)節(jié)，從而使齒輪齒條嚙合合適。工作時，轉向器的中部連接著轉向拉桿的一端，轉向左、右橫拉桿的另外一端分別聯(lián)接轉向輪的轉向節(jié)臂。當駕駛員轉動

16、轉向盤時，旋轉動力通過轉向軸、萬向節(jié)等傳動機構帶動轉向器中的主動小齒輪，與之嚙合的轉向齒條開始直線移動，隨即轉向輪在轉向橫拉桿的拉動下偏轉，從而完成汽車轉向。圖1-1為轉向系統(tǒng)示意圖：圖1-1轉向系統(tǒng)示意圖1-轉向盤； 2-轉向軸上軸 ；3-轉向系托架； 4-十字萬向節(jié)； 5-轉向軸下軸； 圖1-2為齒輪齒條轉向器內(nèi)部結構示意圖圖1-2齒輪齒條轉向器1-轉向齒輪；2-轉向齒條1.3其他類型轉向器a. 蝸桿曲柄指銷式蝸桿曲柄指銷式轉向器由蝸桿和曲柄銷構成，其中蝸桿聯(lián)接轉向操控機構，為主動件；曲柄銷在蝸桿帶動下運動，為從動件。工作時蝸桿把傳遞來的旋轉運動傳遞給曲柄銷，曲柄銷輸出直線運動，此種轉向器

17、主要運用在轉向力矩較大的重型汽車上。如圖1-1為蝸桿曲柄指銷式轉向器。圖1-3蝸桿曲柄銷式轉向器1-蝸桿；2-曲柄銷b. 循環(huán)球式轉向器 循環(huán)球-齒條齒扇式轉向器和循環(huán)球-曲柄指銷式轉向器都屬于循環(huán)球式轉向器。循環(huán)球式曾經(jīng)是運用最廣泛的轉向器，它具有傳動效率高，操縱輕便舒適的特點，因此獨占鰲頭，后來隨著轉向助力系統(tǒng)的發(fā)展，結構更簡單且更容易安裝助力系統(tǒng)的齒輪齒條轉向器占據(jù)了上風。下圖為循環(huán)球-齒條齒扇式轉向器圖1-4循環(huán)球式轉向器2.汽車轉向過程分析2.1阿克曼幾何學當兩軸式汽車以低速轉彎行駛時，可做以下假設：一、忽略離心力的影響，二、輪胎是剛性的。假設輪胎是剛性的即忽略輪胎側偏，在這個假設的

18、前提下，若各車輪繞同一瞬時轉向中心進行轉彎行駛，則兩轉向前輪軸線的延長線交在后軸延長線上，這一幾何關系稱為阿克曼幾何學。圖2-1兩軸汽車轉向因此當汽車轉向輪轉向時，在阿克曼幾何學關系下，符合下面關系式 式中，轉向輪外輪轉角；轉向輪捏內(nèi)轉角； 兩主銷軸線與地面交點間距離；L車輪軸距。2.2內(nèi)輪應達到的最大轉角汽車最小轉彎半徑與汽車內(nèi)輪最大轉角、軸距L、轉向輪繞主銷轉動半徑r、兩主銷延長線到地面交點的距離B有關。在轉向過程中L、r、保持不變，只有是變化的，所以內(nèi)輪應有足夠大的轉角，以保證獲得給定的最小轉彎半徑3。計算最小轉彎半徑如下， （32）轉向內(nèi)輪應達到的最大轉角可以在給定最小轉彎半徑的條件下

19、，用下式計算出， （33）根據(jù)參考車型=5500mm， L=2760mm， r=80mm， B=1500mm，則計算出=30.615°，取=31°。2.3轉向系的效率轉向系的效率等于轉向器的效率和轉向操縱及傳動機構的總效率的乘積，即公式 （34）其中轉向器效率包括轉向器正效率和轉向器逆效率。轉向時，齒輪為主動件，齒條為被動件傳動時的效率為轉向器的正效率，用表示，一般情況下，轉向系的正效率值為0.660.81范圍內(nèi)；反過來，車輪受到外力轉動通過轉向器向轉向盤傳動時，齒條帶動齒輪的傳遞效率為轉向器逆效率，逆效率一般在0.570.63范圍內(nèi)。而轉向傳動機構總成的總效率往往在0.8

20、50.9范圍內(nèi)，取=0.75，=0.88。2.4轉向系的角傳動比與力傳動比2.4.1角傳動比轉向系的角傳動比是指轉向盤轉角的增量與同側轉向節(jié)轉角的相應增量之比；轉向器的角傳動比是指轉向盤轉角的增量與轉向搖臂轉角的相應增量之比；轉向傳動機構的角傳動比是指轉向搖臂軸轉角的增量與同側轉向節(jié)的相應增量之比4。它們之間的關系是，= 即 設計時，轉向傳動機構的角傳動比參照普遍的汽車轉向傳動機構的角傳動比，一般在0.851.1之間，在此取為1。因此在分析轉向系的角傳動比時忽略轉向傳動機構的角傳動比只需要分析轉向器的角傳動比即可。因為=1本次設計的轉向器安裝在小型乘用車上，按照推薦值1422，在此選取20作為

21、本次設計的轉向器角傳動比。則轉向系的角傳動比=202.4.2力傳動比有定義可知轉向車輪的轉向阻力矩與轉向搖臂的力矩之的值即為轉向傳動機構的力傳動比即 而轉向系的力傳動比為兩個轉向輪受到的地面的反作用力與駕駛員操控轉向盤的力的比值： 其中為一個轉向輪受到的地面的作用力； 為駕駛員施加在方向盤上的力。 2.5方向盤的自由行程方向盤的自由行程是指轉向盤空轉不帶動轉向輪偏轉的最大角行程。方向盤的自由行程有利于汽車在顛簸路面行駛，可以緩和路面對輪胎的反作用力對駕駛員的沖擊，避免駕駛員過度緊張，但又不宜過大，否則將大大降低轉向靈敏度，使轉向失靈，造成操縱不便甚至危險。合理設計自由行程的大小才能既保證汽車容

22、易駕駛，又使駕駛員能很好掌握路況信息。在齒輪齒條轉向器中，齒輪和齒條的嚙合對自由行程影響較大，當齒輪和齒條嚙合緊密時，自由行程大，反之方向盤自由行程小。因此要對預緊彈簧進行適當預緊，以保證合適自由行程。3.轉向器結構方案的確定和具體設計3.1轉向器結構方案分析主動齒輪、轉向齒條、及容納上述各件的殼體總成等部分組成了齒輪齒條式轉向器，還有一些例如消除間隙機構等其它輔助機構。齒輪齒條轉向器的核心是齒輪齒條傳動副，由主動小齒輪和轉向齒條構成。工作時轉向軸把轉向盤的旋轉運動傳遞給轉向器的主動齒輪，齒輪再通過嚙合帶動齒條作直線運動，此時，機構的運動方向發(fā)生了變化，轉向系統(tǒng)的傳動比也增大了。本次設計的核心

23、即齒輪齒條傳動副的設計是本次設計的重點。消除間隙的機構被設置在齒條與小齒輪嚙合處的背部，預緊彈簧是這個機構的核心部件，還有托座，壓緊塊等零件。當齒輪齒條長時間工作出現(xiàn)磨損時，預緊機構可以自動消除間隙，保證齒輪齒條嚙合。要滿足汽車轉向器的功能要求，轉向器的設計應滿足以下幾點：（1）保持隨動性，當駕駛員操控轉向盤時，轉向輪應按照轉向盤轉過的角度成比例偏轉；（2）在汽車行駛時，駕駛員在操控汽車的同時，需要獲得轉向系統(tǒng)傳遞來的反應路面狀況的信息，即有適當?shù)摹奥犯小薄．斅访嫫巾?，行駛順利時，駕駛員應該感覺駕駛輕松，方向盤阻力??；路面狀況不好時，應使駕駛員感到方向盤阻力大，這可以使使駕駛員更好地操控汽車。

24、（3）工作安全可靠，轉向器應該能在一定惡劣環(huán)境下工作而不失效。（4）系統(tǒng)密封性良好，轉向器應盡量少受外界環(huán)境的影響；（5）工作時噪聲和震動?。唬?）工作靈敏，駕駛員操控方向盤時，轉向器應該能夠立刻把轉向信息輸送給轉向輪。3.2轉向器的設計計算本設計參考車型為某常見車型，具體參數(shù)見表31： 參數(shù) 數(shù)值長度4520mm寬度1817mm高度1421mm車重M1395kg軸距2760mm前輪距1500mm后輪距1513mm表31某車型參數(shù)本次齒輪齒條轉向器設計計算建立在以上參數(shù)已知的基礎上。由于理論的局限性和實際情況的不確定性，我們無法精確計算每一個轉向器本身參數(shù)以及工作中轉向器所受的所有力及力矩，因

25、此設計計算在一定的理想情況下進行并且需要運用經(jīng)驗公式等。3.2.1原地阻力矩的計算原地阻力矩查閱相關資料可得經(jīng)驗公式：為輪胎與地面的摩擦因數(shù)，一般取0.30.4,取0.35為轉向軸負荷，計算單位是NP為輪胎氣壓，單位是MPa，取0.20.3MPa，取0.25=55%Mg 由表3-1知M=1395kg，則=7519.05帶入可得=152132.233.2.2 轉向盤操控力的計算轉向盤操控力即駕駛員需要作用在方向盤上的手力用表示，其計算公式為則力矩式中為轉向搖臂長；為轉向節(jié)壁長；查閱課本知，在0.851.1之間，可取為1。為轉向盤直徑，小轎車方向盤直徑一般在350mm550mm之間，本次設計取45

26、0mm，為方向盤半徑；為轉向器角傳動比，范圍在1719之間，取18；為轉向器正效率，最大為=90%，轉向器效率不可能一直保持最大值，取80%。帶值計算可得： =46.95N=46.95*0.45*0.5=10.563.3齒輪齒條傳動副設計3.3.1變傳動比齒輪齒條的原理分析齒輪的基圓齒距必須相等才能相互嚙合， 即 。那么可以推出齒輪和齒條嚙合時也必須滿足“基圓”齒距相等的原則。齒輪基圓的齒距公式，雖然齒條沒有基圓，但是我們可以認為齒條基圓齒距計算公式為。那么當模式、壓力角一定的齒輪和模數(shù)壓力角變化的齒條嚙合傳動時，它們必須滿足一下等式： （317）另外，齒輪的嚙合角與齒條的壓力角應相等，因為齒

27、輪和齒條相嚙合時的接觸線必須與齒輪的基圓相切并且垂直于齒條的輪廓線。則齒輪齒條嚙合時，齒輪的節(jié)圓半徑公式為 （318）式中，齒輪的基圓半徑； 齒輪的嚙合角。有上述可知，當轉向齒條的壓力角減小，主動齒輪的嚙合角也會隨之變小而使節(jié)圓的半徑也減小。也就是說當選用模數(shù)、壓力角變化的齒條，則當汽車直線行駛時齒輪和齒條的壓力角最大，也就是說齒條中間部分受力最大。轉向工作時，齒條的壓力角、模數(shù)向兩端逐漸減小，此時主動齒輪嚙合半徑也隨之減小，齒條的受力也就逐漸減少。這會導致轉向盤在轉向車輪不同角度時轉過同一角度而齒條的行程不同轉向輪轉過的角度也不同，那么轉向器的傳動比就是變化的。下圖31是轉向器的齒條在不同位

28、置齒條的輪齒的變化，即齒條的壓力角和模數(shù)是變化的?？梢钥吹?，齒輪位于齒條的中間部分時，齒輪的節(jié)圓半徑較大并且齒條的壓力角和模數(shù)都比較大；逐漸向兩端變化時，節(jié)圓半徑、齒條的模數(shù)和壓力角均減少，齒條受力減少。下圖可以明顯看出齒條的齒形狀的變化。a) 齒條中部齒 b)齒條兩端齒圖31 齒條壓力角變化簡圖 3.3.2傳動副傳動方案的設計主動齒輪的螺旋角與轉向齒條之間夾角的大小和方向的不同可以得到不一樣的傳動方案。本設計選取，則為，如圖32所示。圖32 齒輪與齒條嚙合工作示意圖3.3.3斜齒圓柱齒輪的設計選定以下參數(shù)：齒輪模數(shù),一般在2mm3mm范圍內(nèi)， 取=2.5mm齒輪齒數(shù)z, z一般在58范圍內(nèi)，

29、 取 z=6齒輪壓力角,壓力角一般為20°， 取齒輪螺旋角,螺旋角范圍在9°15°之間， 取=12°則：分度圓直徑，故 ， 取=15.37 齒頂圓直徑,，故 mm則齒頂高 =2.5mm 齒根圓直徑,，故 mm則齒根高 =3.125mm全齒高h=+=5.625mm基圓直徑 由 得20.41則 mm3.3.4齒條的設計計算：齒輪與齒條正確嚙合的條件是：；則齒條有齒條齒頂高：2.5mm 齒條齒根高： = 3.125mm齒條全齒高：5.625mm 齒輪與齒條的齒寬參照常見同類轉向器，為保證齒輪與齒條的嚙合，齒輪寬度要大于齒條寬度。選齒輪寬30mm，齒條寬20mm

30、。由以上計算分析可得齒輪齒條的參數(shù)如下表3-2：名稱齒輪（mm）齒條（mm）分度圓直徑15.37齒頂高 2.52.5齒根高 3.1253.125齒全高 h5.6255.625齒頂圓 20.37齒根圓 9.12基圓直徑 14.34齒寬b3020表3-2齒輪齒條的參數(shù)3.4齒輪的強度校核計算3.4.1.齒面接觸疲勞強度計算利用直齒圓柱齒輪接觸應力公式推導分析斜齒圓柱齒輪的接觸應力時比較廣泛的斜齒圓柱齒輪接觸應力的計算方法，公式的推導過程與直齒圓柱齒輪的推導過程相似，不過要考慮其以下特點：兩者嚙合的接觸線類型是不同的，直齒圓柱齒輪是直線而斜齒圓柱齒輪為曲線，這有利于提高接觸強度 ；并且重合度比直齒大

31、，傳動更平穩(wěn)。一、齒輪的載荷計算的分析為了使計算方便簡單，我們首先計算嚙合齒輪接觸線上的平均載荷P。計算公式為：P = 作用在嚙合齒輪接觸線上的公稱載荷L 嚙合齒輪的接觸線長，單位mm其中齒輪接觸線法向載荷為公稱載荷，制造誤差特別是角度誤差等在實際制造過程中不可避免的誤差因素，會導致齒輪在接觸線上受載不均衡，使輪齒部分受力增大。另外，如果兩對齒輪同時嚙合，兩對齒輪受力也是不平均的，在使用過程中，齒輪也會受到動載的沖擊等。考慮這些因素，在計算載荷強度時，必須按照最大應力進行計算，即對當量載荷（N/mmm）進行計算。計算公式為： = P = 其中 為載荷系數(shù) 為作用在齒面接觸線上的法向載荷 為沿齒

32、面的接觸線長，單位mm。載荷系數(shù)等于使用系數(shù)、動載系數(shù)、齒間載荷分配系數(shù)及齒向載荷分布數(shù)的乘積，即 = a.使用系數(shù)是考慮齒輪嚙合時外部領接裝置引起的附加動載荷影響的系數(shù)。本次設計為簡單設計，直接取 = 1.0 b.動載系數(shù)齒輪傳動制造和裝配誤差是不可避免的，齒輪受載后還要發(fā)生彈性變形，因此引入了動載系數(shù)。本次設計中取 = 1.0 c.齒間載荷系數(shù)齒輪的制造精度7級精度 = 1.2 d.齒向荷分配系數(shù)齒寬系數(shù) = 1.5 則 = 1.12+0.18(1+0.6d) + 0.23*10b = 1.5 所以載荷系數(shù) = = = 1.8斜齒輪嚙合的端面重合度計算公式為： = = = 1.65 由以上

33、分析可得斜齒輪嚙合時齒輪單位長度受載荷為： = KP =K 因 Fn = Ft/(cos*cos1) 所以 帶入數(shù)值可得=296N/mm。利用斜齒圓柱齒輪的當量直齒輪進行接觸疲勞計算，計算時代入當量直齒輪的有關參數(shù)后，即得到斜齒圓柱齒輪的接觸疲勞強度： = 式中： Z 彈性系數(shù) 選用主動齒輪材料為20CrMo，則選取=0.3，=0.3， E，E均取189.8 MPa計算可得 Z = 5.7：節(jié)點區(qū)域系數(shù)Z = 2.24令轉向器的傳動比為u , 且u趨近正無窮即 所以 = 51.6 MPa小齒輪接觸疲勞強度極限 = 1000 MPa 應力循環(huán)次數(shù) N = 2*10 所以 = 1.1 計算接觸疲勞

34、許用應力選取齒輪的失效率為0.01，安全系數(shù)為1，則 = 1.1*1000MPa = 1100MPa K 接觸疲勞壽命系數(shù)由此可得 < 通過上述計算可知，齒輪輪齒的解除疲勞強度滿足設計要求。3.4.2齒輪齒跟彎曲疲勞強度計算齒輪嚙合傳動時，根據(jù)工程力學可知齒根所受的彎矩最大，此時齒根彎曲疲勞強度最弱，應校核齒根處的彎曲疲勞強度。當齒輪嚙合位于最高點兒時，此時嚙合輪齒所受力臂最大，但是由于此時是雙齒嚙合，每個齒輪所受彎矩并不是最大值。分析可知，當齒輪嚙合為單齒嚙合時，嚙合接觸點運動到最高點時，此時單個輪齒所受彎矩最大。因此計算時，應在第二種情況下進行計算。斜齒輪嚙合與直齒圓柱齒輪不同，嚙合

35、的接觸線和輪齒的危險截面在不停地變化，難以進行精確計算，但是根據(jù)經(jīng)驗，按照當量直齒圓柱齒輪所受應力分析計算是科學的，可以滿足要求，因此我們按照斜齒圓柱齒輪的當量直齒圓柱齒輪進行計算。校核斜齒圓柱齒輪的強度時直接把參數(shù)代入直齒圓柱齒輪彎曲應力校核公式，但是需引入螺旋角系數(shù)，即可得到斜齒圓柱齒輪的彎曲疲勞強度計算校核公式： 齒間載荷分配系數(shù)= 1.2 齒向載荷分配系數(shù) = 1.33 載荷系數(shù)K= = 1*1*1.2*1.3 =1.56 齒形系數(shù) 校正系數(shù) = 1.4螺旋角系數(shù) 校核齒根彎曲強度= = = 323.8MPa彎曲強度最小安全系數(shù)=1.5 計算彎曲疲勞許用應力 彎曲疲勞壽命系數(shù) = 1.

36、5 可得， = 1.5*1000/1.5 = 1000 MPa所以 <因此，本次設計小齒輪的齒面接觸疲勞強度小于接觸疲勞極限，彎曲疲勞強度小于彎曲疲勞極限，符合設計要求。3.5齒條的強度計算齒條的示意圖如下：圖3-3轉向齒條示意圖3.5.1齒條的受力分析本次設計，取轉向軸輸入給轉向齒輪的轉矩為 T = 20Nm，齒輪齒條嚙合的摩擦力忽略不計，不予考慮。齒輪齒條的受力分析方法可以參考斜齒輪嚙合受力，齒條的受力分析如圖3-4齒條的受力分析如圖，作用于齒條齒面上的法向力Fn，垂直于齒面，將Fn分解成沿齒條徑向的分力（徑向力）Fr，沿齒輪周向的分力（切向力）Ft，沿齒輪軸向的分力（軸向力）Fx

37、。各力的大小為： Ft=2T/d Fr=Ft*tg/ cos1 Fx=Ft*tg1 Fn = Ft/(cos*cos1) 齒輪軸分度圓螺旋角 法面壓力角 齒輪軸受到的切向力：Ft = 2T/d = 2614.38 N T作用在輸入軸上的扭矩，T取20Nm 。d齒輪軸分度圓的直徑， 齒條齒面的法向力：Fn=Ft/(cos*cos1) =2841N 齒條牙齒受到的切向力： =2669.67N 齒條桿部受到的力： 2 = 2611.33N 3.5.2 齒條桿部受拉壓的強度計算 計算出齒條桿部的拉應力： =11.1N/mm F齒條受到的軸向力 A齒條根部截面積 齒條常采用45鋼制造以滿足強度需要和降低

38、生產(chǎn)成本，則在不考慮熱加工的情況下其抗拉強度極限是 = 690N/mm。 因此 <所以，齒條設計滿足抗拉強度設計要求。3.5.3齒條齒部彎曲強度的計算齒條的齒所受彎曲應力計算公式： 式中： 齒條齒面切向力 b 危險截面處沿齒長方向齒寬 齒條計算齒高 S 危險截面齒厚 計算可得齒條牙齒的彎曲應力為： =451.16N/mm以上的計算，是按照一對齒輪嚙合進行的，即把所有的載荷計算在一對齒輪上，而實際中齒輪齒條嚙合時的嚙合系數(shù)為2.63，我們按照兩對齒輪計算，也在安全范圍內(nèi)。因此齒輪應力減少一般： = 182.2N/mm 齒條的材料選擇45剛，則查資料得抗拉強度 690N/mm 。齒部彎曲安全

39、系數(shù) S = / = 3.8 通過計算可知，轉向齒條滿足既滿足齒面接觸疲勞強度，又滿足齒根彎曲疲勞強度，轉向齒條設計合格。通過3.4和3.5可以看出，轉向器的主動齒輪和轉向齒條均滿足強度要求，本次齒輪齒條轉向器結構設計完成。4.轉向器與轉向系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展從十八世紀的蒸汽汽車算起，汽車已經(jīng)有近二百多年的歷史，從汽車誕生之日起，作為操縱機構的轉向系統(tǒng)就誕生了。隨著機械制造和電子技術等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車也以迅猛的勢頭發(fā)展著，轉向系統(tǒng)也一代一代更新著，時至今日，已經(jīng)達到一定水平并且依然有廣袤的發(fā)展前景。轉向器作為轉向系統(tǒng)地核心，也在快速進步著。轉向系統(tǒng)的發(fā)展可以分為兩個階段，傳統(tǒng)純機械轉向系統(tǒng)時代

40、和助力轉向系統(tǒng)時代。在機械轉向時代，循環(huán)球式轉向器因為機械效率高，操縱輕便等優(yōu)點得到廣泛應用；而在助力轉向時代，隨著液壓助力、電子液壓助力、電子助力轉向系統(tǒng)地產(chǎn)生應用，結構更加簡單、效率高更重要的是更容易和助力系統(tǒng)搭配安裝的齒輪齒條轉向器逐漸得到青睞而取代循環(huán)球式轉向器。顯而易見，轉向器的發(fā)展受機械水平和電子技術發(fā)展水平的影響，受轉向系統(tǒng)發(fā)展水平的約束。轉向系統(tǒng)的發(fā)展有兩次重大突破。一是二十世紀五十年代，液壓助力開始運用在汽車轉向系統(tǒng)上。 液壓助力轉向系統(tǒng)即利用液壓傳遞動力幫助轉向，在傳統(tǒng)的機械助力轉向系統(tǒng)的基礎上增加一套液壓系統(tǒng)即構成液壓助力轉向系統(tǒng)。工作時，液壓助力系統(tǒng)根據(jù)控制機構（轉向盤

41、）傳遞過來的扭矩判斷轉向的方向，進而液壓泵輸出同方向轉矩幫助轉向。液壓助力轉向系統(tǒng)的誕生大大減輕了駕駛員的駕駛壓力，使駕駛車輛變得輕松，為后來的電子轉向系統(tǒng)的出現(xiàn)打開了大門。但是純液壓轉向系統(tǒng)存在缺陷，當一套液壓系統(tǒng)安裝在車輛上時，車輛的參數(shù)確定，選定了轉向器液壓系統(tǒng)的參數(shù)、助力特性也就確定并且是不可調(diào)的。而往往車輛行駛過程中會有很多的工況出現(xiàn)，如果助力系統(tǒng)不能跟隨工況變化而調(diào)整，駕駛的輕便性也就很難滿足。為了解決這一問題，在液壓助力轉向系統(tǒng)的基礎上，又配合安裝了電子轉向系統(tǒng)。當車輛工況發(fā)生變化時，電子系統(tǒng)通過電信號控制液壓系統(tǒng)，調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的輸油量以達到隨時變化助力大小的目的。雖然解決了液壓系統(tǒng)的隨動性問題，但是轉向系統(tǒng)的成本卻大大增加了，這肯定會促使汽