汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)

1、汽車設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說明書題目：汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì) （3）系 另y： 機(jī)電工程系專 業(yè)：車輛工程班 級(jí)：姓 名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：日 期：2012年7月汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)摘要根據(jù)對(duì)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的研究以與資料的查閱，著重闡述了齒輪齒 條式轉(zhuǎn)向器類型選擇，不同類型齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)缺點(diǎn)，和各種類型 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器應(yīng)用狀況。根據(jù)原有數(shù)據(jù)首先分析轉(zhuǎn)向器的特點(diǎn)，確定 總體的結(jié)構(gòu)方案，并確定轉(zhuǎn)向器的計(jì)算載荷以與轉(zhuǎn)向器的主要參數(shù)，然后 確定齒輪齒條的形式，接著對(duì)齒輪模數(shù)的選擇確定，主動(dòng)小齒輪齒數(shù)的確 定、壓力角的確定、齒輪螺旋角的確定，通過確定轉(zhuǎn)向器的線傳動(dòng)比計(jì)算 其力傳動(dòng)比以與齒輪齒條的結(jié)

2、構(gòu)參數(shù)，在以上的基礎(chǔ)上選擇主動(dòng)齒輪、齒 條的材料，受力分析，與對(duì)齒輪齒條的疲勞強(qiáng)度校核、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 校核。修正齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器中不合理的數(shù)據(jù)。通過對(duì)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 的設(shè)計(jì)，選取出相關(guān)的零件如：螺釘、軸承等，并在說明書中畫出相關(guān)零 件的零件圖。通過說明書并畫出齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的零件圖 2 張、裝配圖 1 張。關(guān)鍵詞 ：齒輪齒條，轉(zhuǎn)向器，設(shè)計(jì)計(jì)算目錄序 言 01. 汽車轉(zhuǎn)向裝置的發(fā)展趨勢 12. 課程設(shè)計(jì)目的 33. 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 44. 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器方案分析 85. 確定齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的形式 96. 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)步驟 136.1 已知設(shè)計(jì)參數(shù) 136.2 齒輪模數(shù)的確

3、定、主動(dòng)小齒輪齒數(shù)的確定、壓力角的確定、齒輪螺旋角的確定 146.3 確定線傳動(dòng)比、轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向比 156.4 小齒輪的設(shè)計(jì) 166.5 小齒輪的強(qiáng)度校核 196.6 齒條的設(shè)計(jì) 226.7 齒條的強(qiáng)度計(jì)算 236.8 主動(dòng)齒輪、齒條的材料選擇 267. 總結(jié) 26參考文獻(xiàn) 錯(cuò)誤 ! 未定義書簽。2 / 3529致謝序言轉(zhuǎn)向系是用來保持或者改變汽車行使方向的機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)準(zhǔn)確、 快速、平穩(wěn)地響應(yīng)駕駛員的轉(zhuǎn)向指令，轉(zhuǎn)向行使后或受到外界擾動(dòng)時(shí)，在 駕駛員松開方向盤的狀態(tài)下，應(yīng)保證汽車自動(dòng)返回穩(wěn)定的直線行使?fàn)顟B(tài)。汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，代表著一個(gè)國家的綜合國力，汽車 工業(yè)隨著機(jī)械和電子技術(shù)的

4、發(fā)展而不斷前進(jìn)。到今天，汽車已經(jīng)不是單純 機(jī)械意義上的汽車了，它是機(jī)械、電子、材料等學(xué)科的綜合產(chǎn)物。汽車轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)也隨著汽車工業(yè)的發(fā)展歷經(jīng)了長時(shí)間的演變。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；殼體采用鋁合金或 鎂合金壓鑄而成，轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量比較??；傳動(dòng)效率高達(dá) 90% ；齒輪與齒條 之間因磨損出現(xiàn)間隙后，利用裝在齒條背部、靠近主動(dòng)小齒輪處的壓緊力 可以調(diào)節(jié)的彈簧，能自動(dòng)消除間隙，這不僅可以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度，還 可以防止工作時(shí)產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用體積??；制造成本低?；谝陨系膬?yōu)點(diǎn)，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器將是以后轉(zhuǎn)向器的發(fā)展的趨勢和 潮流。本次設(shè)計(jì)以乘用車轉(zhuǎn)向器的參數(shù)作為依據(jù)，設(shè)計(jì)一款某輕型

5、車的轉(zhuǎn)向 器。根據(jù)該車型對(duì)于市場的定位與對(duì)制造成本的考慮，同時(shí)參考同類車型 的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，將該車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一款機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，對(duì)轉(zhuǎn)向系系 統(tǒng)做簡單分析，并進(jìn)行轉(zhuǎn)向器零件設(shè)計(jì)、工藝性與尺寸公差等級(jí)分析，同 時(shí)按以下步驟對(duì)轉(zhuǎn)向器與零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)方案論證：第一步對(duì)所選的轉(zhuǎn)向 器總成進(jìn)行剖析；第二部利用所學(xué)的知識(shí)對(duì)總成中的零部件進(jìn)行力學(xué)分析和分析；第三步對(duì)分析中發(fā)現(xiàn)的不合理的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。1. 汽車轉(zhuǎn)向裝置的發(fā)展趨勢隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)也有很大變化。汽車轉(zhuǎn)向 器的結(jié)構(gòu)很多，從目前使用的普遍程度來看，主要的轉(zhuǎn)向器類型有 4 種： 有蝸桿銷式 （WP 型）、蝸桿滾輪式 （WR 型）、

6、循環(huán)球式 （BS 型）、齒條齒輪式 （BP 型）。這四種轉(zhuǎn)向器型式，已經(jīng)被廣泛使用在汽車上。據(jù)了解，在世界范圍內(nèi)，汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占 45% 左右，齒條齒輪 式轉(zhuǎn)向器占 40% 左右，蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器占 10%左右，其它型式的轉(zhuǎn)向 器占 5% 。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器一直在穩(wěn)步發(fā)展。在西歐小客車中，齒條齒輪 式轉(zhuǎn)向器有很大的發(fā)展。日本汽車轉(zhuǎn)向器的特點(diǎn)是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占的比 重越來越大，日本裝備不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的各類型汽車，采用不同類型轉(zhuǎn)向 器，在公共汽車中使用的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，已由 60 年代的 62.5% ，發(fā)展 到現(xiàn)今的 100% 了 （蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器在公共汽車上已經(jīng)被淘汰 ）。大、小 型貨車大

7、都采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，但齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器也有所發(fā)展。微型 貨車用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占 65% ，齒條齒輪式占 35% 。綜合上述對(duì)有關(guān)轉(zhuǎn)向器品種的使用分析，得出以下結(jié)論：循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器和齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，已成為當(dāng)今世界汽車上主要的 兩種轉(zhuǎn)向器；而蝸輪蝸桿式轉(zhuǎn)向器和蝸桿銷式轉(zhuǎn)向器，正在逐步被淘汰 或保留較小的地位。在小客車上發(fā)展轉(zhuǎn)向器的觀點(diǎn)各異，美國和日本重點(diǎn)發(fā)展循環(huán)球式轉(zhuǎn) 向器，比率都已達(dá)到或超過 90% ；西歐則重點(diǎn)發(fā)展齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，比 率超過 50% ，法國已高達(dá) 95% 。由于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的種種優(yōu)點(diǎn)，在小型車上的應(yīng)用（ 包括小客車、小型貨車或客貨兩用車 ）得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展； 而大型

8、車輛則以循環(huán)球式轉(zhuǎn) 向器為主要結(jié)構(gòu)。從發(fā)展趨勢上看，國外整體式轉(zhuǎn)向器發(fā)展較快，而整體式轉(zhuǎn)向器中轉(zhuǎn) 閥結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展的方向。由于動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還是新的結(jié)構(gòu)，各國的生產(chǎn) 廠家都正在組織力量，大力開展試驗(yàn)研究工作，提高使用性能、減小總成 體積、降低生產(chǎn)成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，以便逐步推廣和普與。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國際經(jīng)濟(jì)形勢的變化對(duì)汽車乃至汽車轉(zhuǎn)向器的 生產(chǎn)都有很大影響。特別是西方國家實(shí)行石油禁運(yùn)以來，世界經(jīng)濟(jì)形勢受 沖擊很大。隨著能源危機(jī)的發(fā)展，汽車工業(yè)首當(dāng)其沖，其發(fā)展方向有很大 變化。從汽車設(shè)計(jì)、制造到各總成部件的生產(chǎn)都隨著能源危機(jī)的發(fā)生而變 化，表現(xiàn)在能源消耗、材料消耗、操縱輕便等各個(gè)方面。我

9、國加入WTO ，給汽車工業(yè)帶來新的機(jī)遇，也帶來挑戰(zhàn)，國產(chǎn)汽車與零部件將會(huì)得到進(jìn)一 步發(fā)展。2. 課程設(shè)計(jì)目的1. 課程設(shè)計(jì)是一次綜合性訓(xùn)練，通過課程設(shè)計(jì)，既有助于鞏固學(xué)生們 所學(xué)專業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)獨(dú)立設(shè)計(jì)能力，提高綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，同時(shí)也有 助于為以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。2. 通過這次課程設(shè)計(jì)使學(xué)生們懂得理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合是很重要 的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合， 從理論中得出結(jié)論，才是真正的知識(shí)，才能提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú) 立思考的能力。3. 通過設(shè)計(jì)，獲得根據(jù)原始數(shù)據(jù)的要求，設(shè)計(jì)出高效、經(jīng)濟(jì)、合理、 能保證設(shè)計(jì)產(chǎn)品的能力。4. 學(xué)會(huì)使用手冊與圖表資料。培

10、養(yǎng)查閱各種資料的能力，同時(shí)掌握與 本設(shè)計(jì)有關(guān)的各種資料。3. 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)向系是用來保持或者改變汽車行使方向的機(jī)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向上、下軸） 、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)） 等。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)準(zhǔn)確、快速、平穩(wěn)地響應(yīng)駕駛員的轉(zhuǎn)向指令，轉(zhuǎn)向行使后 或受到外界擾動(dòng)時(shí)，在駕駛員松開方向盤的狀態(tài)下，應(yīng)保證汽車自動(dòng)返回 穩(wěn)定的直線行使?fàn)顟B(tài)。一般來說，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求如下：（1）轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比包括轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比（方向盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角 之比）和轉(zhuǎn)向系的力傳動(dòng)比。在轉(zhuǎn)向盤尺寸和轉(zhuǎn)向輪阻力一定時(shí)，角傳動(dòng) 比增加，則轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向靈敏度降低；角傳動(dòng)比減小，則轉(zhuǎn)向沉重，轉(zhuǎn) 向靈敏度提

11、高。轉(zhuǎn)向角傳動(dòng)比不宜低于15 16 ；也不宜過大，通常以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)和轉(zhuǎn)向輕便性來確定。一般來說，轎車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)不宜 大于 4 圈，對(duì)轎車來說，有動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向力約為20 50 ；無動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)為 50 100N 。（2）轉(zhuǎn)向輪應(yīng)具有自動(dòng)回正能力。轉(zhuǎn)向輪的回正力來源于輪胎的側(cè)偏 特性和車輪的定位參數(shù)。汽車的穩(wěn)定行使，必須保證有合適的前輪定位參 數(shù)，并注意控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的內(nèi)部摩擦阻力的大小和阻尼值。（ 3）轉(zhuǎn)向桿系和懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)共同作用時(shí)， 必須盡量減小其運(yùn)動(dòng)干涉。 應(yīng)從設(shè)計(jì)上保證各桿系的運(yùn)動(dòng)干涉足夠小。（4）轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的球頭處，應(yīng)有消除因磨損而產(chǎn)生的間隙 的調(diào)整機(jī)構(gòu)以與提高轉(zhuǎn)向系

12、的可靠性。（5）轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤應(yīng)有使駕駛員在車禍中避免或減輕傷害的防傷機(jī) 構(gòu)。（ 6）汽車在作轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)， 所以車輪應(yīng)繞同一瞬心旋轉(zhuǎn)， 不得有側(cè)滑； 同時(shí)，轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。（7）當(dāng)轉(zhuǎn)向輪受到地面沖擊時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞到方向盤上的反沖力要 盡可能小，在任何行使?fàn)顟B(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不應(yīng)產(chǎn)生擺振。（8）機(jī)動(dòng)性是通過汽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑來體現(xiàn)的，而最小轉(zhuǎn)彎半徑由 內(nèi)轉(zhuǎn)向車輪的極限轉(zhuǎn)角、汽車的軸距、主銷偏移距決定的，一般的極限轉(zhuǎn) 角越大，軸距和主銷偏移距越小，則最小轉(zhuǎn)彎半徑越小。（9）轉(zhuǎn)向靈敏性主要通過轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)來體現(xiàn)，主要由轉(zhuǎn)向系的 傳動(dòng)比來決定。操縱的輕便性也由轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)比決定，但其與轉(zhuǎn)向

13、靈敏 性是一對(duì)矛盾，轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)比越大，則靈敏性提高，輕便性下降。為了 兼顧兩者，一般采用變傳動(dòng)比的轉(zhuǎn)向器，或者采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向，還有就是提 高轉(zhuǎn)向系的正效率，但過高正效率往往伴隨著較高的逆效率。（10）轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)外車輪間的轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)關(guān)系是通過合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向梯形來 保證的。對(duì)于采用齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向系來說，轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角間 的協(xié)調(diào)關(guān)系是通過合理選擇小齒輪與齒條的參數(shù)、合理布置小齒輪與齒條 的相對(duì)位置來實(shí)現(xiàn)的，而且前置轉(zhuǎn)向梯形和后置轉(zhuǎn)向梯形恰恰相反。（11 ）轉(zhuǎn)向輪的回正能力是由轉(zhuǎn)向輪的定位參數(shù)（主銷內(nèi)傾角和主銷 后傾角）決定的，同時(shí)也受轉(zhuǎn)向系逆效率的影響。選取合適的轉(zhuǎn)向輪定位 參數(shù)可以獲得相應(yīng)的回

14、正力矩，但是回正力矩不能太大又不能太小，太大 則會(huì)增加轉(zhuǎn)向沉重感，太小則會(huì)使回正能力減弱，不能保持穩(wěn)定的直線行 駛狀態(tài)。轉(zhuǎn)向系逆效率的提高會(huì)使回正能力提高，但是會(huì)造成“打手”現(xiàn) 象。（12）轉(zhuǎn)向系的間隙主要是通過各球頭皮碗和轉(zhuǎn)向器的調(diào)隙機(jī)構(gòu)來調(diào)整的4. 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器方案分析1-方向盤；2-轉(zhuǎn)向上軸；3-托架；4-萬向節(jié)；5-轉(zhuǎn)向下軸；6- 防塵罩；7-轉(zhuǎn)向器；8-轉(zhuǎn)向拉桿圖4.1轉(zhuǎn)向系2齒輪齒條轉(zhuǎn)向器由與轉(zhuǎn)向軸做成一體的轉(zhuǎn)向齒輪和常與轉(zhuǎn)向橫拉桿做成一體的齒條組成。與其它形式的轉(zhuǎn)向器比較，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的優(yōu) 點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量比 較??；傳動(dòng)效率高

15、達(dá)90% ；轉(zhuǎn)向靈敏；齒輪與齒條之間因磨損出現(xiàn)間歇后， 利用裝在齒條背部、靠近主動(dòng)小齒輪處的壓緊力可以調(diào)節(jié)彈簧，能自動(dòng)消 除齒間間歇這不僅可以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度，還可以防止工作時(shí)產(chǎn)生沖擊 和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用的體積小；沒有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿，所以轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角 可以增大，制造成本低。特別適于與燭式和麥費(fèi)遜式懸架配用，便于布置 等優(yōu)點(diǎn)。因此，目前它在轎車、微型、輕型貨車上得到廣泛的應(yīng)用。例如 一汽的紅旗 CA7220 型轎車、奧迪 100 型轎車、捷達(dá)轎車、上海桑塔納 轎車、天津夏利轎車以與天津 TJ1010 型微型貨車和南京依維柯輕型貨車 等，都采用了這種齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是

16、： 因逆效率高（ 60%-70% ），汽車在不平路面上行駛時(shí)，發(fā)生在轉(zhuǎn)向輪與路 面之間沖擊力的大部分能傳至轉(zhuǎn)向盤，稱之為反沖。反沖現(xiàn)象會(huì)使駕駛員 精神緊張，并難以準(zhǔn)確控制汽車行駛方向，方向盤突然轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)造成打手， 同時(shí)對(duì)駕駛員造成傷害。5. 確定齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的形式根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點(diǎn)不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式： 中間輸入，兩端輸出（圖 5.1a ）、側(cè)面輸入，兩端輸出（圖 5.1b ）、側(cè)面 輸入，中間輸出 （圖 5.1c） 、側(cè)面輸入，一端輸出 （圖 5.1d） 。采用側(cè)面輸入，中間輸出方案時(shí)，由圖 5.2 可見，與齒條固連的左、 右拉桿延伸到接近汽車總想對(duì)稱平面附近。由于拉桿長

17、度增加，車輪上、 下跳動(dòng)時(shí)拉桿擺角減小，有利于減少車輪上下跳動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向系與懸架系的運(yùn) 動(dòng)干涉。拉桿與齒條用螺栓固定連接，因此，兩拉桿與齒條同時(shí)向左或向 右移動(dòng)，為此在轉(zhuǎn)向器殼體上開有軸向的長槽，從而降低了它的強(qiáng)度。采用兩端輸出方案時(shí)，由于轉(zhuǎn)向拉桿長度受限制，容易與懸架系統(tǒng) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉。但其結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，且成本低等特點(diǎn)，常 用于小型車輛上采用側(cè)面輸入，一端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，常用在平 頭貨車上。如果齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器采用直齒圓柱齒輪與直齒齒條嚙合，則運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性降低，沖擊力大，工作噪聲增加。此外，齒輪軸線與齒條軸線之間的 夾角只能是直角，為此，因與總體布置不適應(yīng)而遭淘汰。采用斜齒圓

18、柱齒 輪與斜齒齒條嚙合的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，重合度增加，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沖擊與 噪聲均降低，而且齒輪軸線與齒條軸線之間的夾角易于滿足總體設(shè)計(jì)的要 求。因?yàn)樾饼X工作時(shí)有軸向力作用，所以轉(zhuǎn)向器應(yīng)該采用推力軸承，是軸承壽命降低，還有斜齒輪的滑磨 比較大事它的缺點(diǎn)。圖5.1齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的四種形式 2根據(jù)對(duì)四種不同類型轉(zhuǎn)向器的對(duì)比選擇，本課題將采用側(cè)面輸入兩端 輸出的齒輪齒條轉(zhuǎn)向器。重合度增加，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沖擊與噪聲均降低，而 且齒輪軸線與齒條軸線之間的夾角易于滿足總體設(shè)計(jì)的要求。因?yàn)樾饼X工 作時(shí)有軸向力作用，所以轉(zhuǎn)向器應(yīng)該采用推力軸承。使軸承壽命降低，還有斜齒輪的滑磨比較大是它的缺點(diǎn)。圖5.2拉桿與齒條的連接

19、2齒條斷面形狀有圓形（圖5.3 ）、V形（圖5.4 ）和Y形（圖5.5 ）三種。圓形斷面齒條的制作工藝比較簡單。V形和Y形斷面齒條與圓形斷面比較，消耗的材料少，約節(jié)約 20%，質(zhì)量小；位于齒下面的兩斜面與齒條 托座接觸，可用來防止齒條繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；Y形的斷面齒條的齒寬可以做的寬一些，因而強(qiáng)度得到增加。在齒條與托座之間通常裝有堿性材料（如聚 四氟乙烯）做的墊片，以減少滑動(dòng)摩擦。當(dāng)車輪跳動(dòng)、轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向器工作 時(shí)，如在齒條上作用有能使齒條旋轉(zhuǎn)的圖5.3圓形斷面齒條2力矩時(shí)，應(yīng)選用 V形和Y形斷面齒條，用來防止因齒條旋轉(zhuǎn)而破壞齒條、齒輪的齒不能正確嚙合的情況出現(xiàn)。圖5.4 V形斷面齒條圖5.5 Y形斷面

20、齒條根據(jù)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向梯形相對(duì)前軸位置的不同，齒輪齒條式 轉(zhuǎn)向器在汽車上有四種布置形式：轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，后置梯形；轉(zhuǎn)向 器位于前軸后方，前置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，后置梯形；轉(zhuǎn)向器位 于前軸前方，前置梯形。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器廣泛用于乘用車上，載質(zhì)量不 大，前輪采用獨(dú)立懸架的貨車和客車有些也用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。根據(jù)設(shè)計(jì)的成本與要求而定。圖5.6齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的四種布置形式26. 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)步驟 確定齒輪齒條的形式 齒輪模數(shù)的確定 主動(dòng)小齒輪齒數(shù)的確定 壓力角的確定 齒輪螺旋角的確定 確定線傳動(dòng)比、轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向比 齒輪齒條結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 驗(yàn)算齒輪的齒輪的抗彎強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度

21、 主動(dòng)齒輪、齒條的材料選擇最后作課程設(shè)計(jì)總結(jié)。6.1已知設(shè)計(jì)參數(shù)適用車輛相關(guān)數(shù)據(jù)：乘用車FF4X2、發(fā)動(dòng)機(jī)位置：前置、橫置、前盤后鼓、機(jī)械式轉(zhuǎn)向器、 兩軸式、手動(dòng)五擋；表6.1原始數(shù)據(jù)表長X寬乂高（mm ）4249 X 1690 X 1505軸距(mm)2665前輪距/后輪距(mm)1462/1457發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩m/(r/min)131/4200發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率(kw/(r/mi n)76/6000最咼車速(km/h)170最小轉(zhuǎn)彎直徑(m )10.5整備質(zhì)量(kg )1060總質(zhì)量(kg )1435前軸負(fù)荷率滿載55%空載60%輪胎型號(hào)175/65 R146.2齒輪模數(shù)的確定、主動(dòng)小齒輪齒數(shù)

22、的確定、壓力角的確定、齒輪螺旋角的確定齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪多數(shù)采用斜齒圓柱齒輪。齒輪模數(shù)取值范圍多在2-3mm 之間。主動(dòng)小齒輪齒數(shù)多數(shù)在 5-7個(gè)齒范圍變化，壓力角取20 0，齒輪螺旋角取值范圍多為 9 0-15 0 o齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪達(dá)到最大 偏轉(zhuǎn)角是，相應(yīng)的齒條移動(dòng)行程應(yīng)達(dá)到的值來確定。 變速比的齒條壓力角， 對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在12 0 -35 0范圍內(nèi)變化。此外，設(shè)計(jì)是應(yīng)驗(yàn)算齒輪的抗彎強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度。根據(jù)以上的要求選取齒輪的模數(shù)m為2mm，主動(dòng)小齒輪齒數(shù)z為8(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式)，壓力角取20 0，齒輪螺旋角取12 0 o6.3確定線傳動(dòng)比、轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向比(1 )原地轉(zhuǎn)向阻力矩Mr (N-

23、 mm，即M R=(6.1 )式中，f為輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因素，一般取 0.7 ; G為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷(N ), Gi=550% mag ; p為輪胎氣壓(MPa )，這里取0.35Mpa (根 據(jù) GB/2977-2008)。將數(shù)據(jù)代人6.1式中，得：“0.7 ：(55% 1435 9.8) 輪胎與地面之間的轉(zhuǎn)向阻力Fw ( N ): OCQOQO _ MM R=268289.56 N - mm30.35(2) 作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力 Fh (N )為：(6.2)式中，L1為轉(zhuǎn)向搖臂長；L2為轉(zhuǎn)向節(jié)臂長；因?yàn)辇X輪齒條式轉(zhuǎn)向器無轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向節(jié)臂，所以無數(shù)值，都視為“1”計(jì)算；轉(zhuǎn)向盤的直徑有一系

24、列尺寸。選用大的直徑尺寸時(shí)，會(huì)使駕駛員進(jìn)出駕駛室感若選用小的直徑尺寸，轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員要施加較大的力量，從而使汽車難于操縱，根據(jù)車型的不同，轉(zhuǎn)向盤直徑Dsw在380-550mm 的標(biāo)準(zhǔn)系列內(nèi)選取，因而取400mm ; i為轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比，在齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器中稱線角傳動(dòng)比，根據(jù)汽車設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書i取36.84 ;為轉(zhuǎn)向器的正效率，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的正效率可達(dá)90%，故取85%。將數(shù)據(jù)代人6.2式中，得：2M R 2 268289.56FhR42.84NDswi400 36.84 85%Fw =(6.3)式中，a為主銷偏移距，指從轉(zhuǎn)向節(jié)主銷軸線的延長線與支承平面的 交點(diǎn)至車輪中心平面與支承平面交

25、線間的距離。通常乘用車的a值在0.4-0.6倍輪胎的胎面寬度尺寸范圍內(nèi)選取，這 里取0.5倍輪胎的胎面寬度尺寸，已知輪胎型號(hào)為175/65 R14 ，所以a值為：a=0.5 x 175mm=87.5mm則：Fw=MR268289.56 3066.17Na87.5(4) 作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力 Fh為：(6.4)式中，Mh為作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩；Dsw為轉(zhuǎn)向盤直徑值為400mm則：Mh 阿円 42844008568N mm2 2(5) 轉(zhuǎn)向系的力傳動(dòng)比ip的計(jì)算(將式6.3與式6.4代入后)得到:(6.5)代入數(shù)據(jù)得：6.4小齒輪的設(shè)計(jì)由6.2選取齒輪的模數(shù) m為2mm，主動(dòng)小齒輪齒數(shù)z為8，壓力

26、角 取20 0，齒輪螺旋角 取12 0，頂隙系數(shù)c為0.25，齒頂高系數(shù)ha為1 由于設(shè)計(jì)的是斜齒輪，所以法向模數(shù)mn為2mm。齒輪分度圓直徑：4d = mnz cos(6.6)代入數(shù)據(jù)：d = mnz cos =16.4mm齒頂咼：4ha= hamn(6.7)代入數(shù)據(jù)：ha=2mm齒根高：4hf= ( ha+ c ) mn(6.8)代入數(shù)據(jù)：hf =2.5mm齒輪齒頂圓直徑：4da2hamnd(6.9)代入數(shù)據(jù)：da 20.4mm齒輪齒根圓直徑：4df d 2hf(6.10 )代入數(shù)據(jù)：df 11.4mm齒輪全齒高：4h ha hf(6.11 )代入數(shù)據(jù)：h =4.5mm齒輪的齒寬 b ：4

27、b dd4（6.12 ）代入數(shù)據(jù)：b =14mm齒輪的齒距：4Pmn（ 6.13 ）代入數(shù)據(jù)：P 2s 2e=6.28（ e為分度圓上的齒厚，s為分度圓上的齒槽寬）在斜齒輪的傳動(dòng)中，作用于齒面上的法向載荷Fn 仍垂直于齒面，作用于主動(dòng)輪上的Fn位于法面內(nèi)，與節(jié)圓柱的切面傾斜一法向嚙合角an為20 0，力Fn可沿齒輪的周向、徑向與軸向分成三個(gè)垂直的分力（Ft、Fr、Fa）：輪齒上的作用力：圓周力：Ft=（6.14 ）Ti為小齒輪上的轉(zhuǎn)矩，其值等于Mh，貝y：Ft=1044.88N徑向力：Fr =（ 6.15 ）貝： Fr =388.81N軸向力：(6.16 )4Fa = Ft tan則：Fa=2

28、22.10N6.5小齒輪的強(qiáng)度校核1.齒輪齒跟彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算齒輪受載時(shí)，齒根所受的彎矩最大，因此齒根處的彎曲疲勞強(qiáng)度最弱 當(dāng)齒輪在齒頂處嚙合時(shí)，處于雙對(duì)齒嚙合區(qū)，此時(shí)彎矩的力臂最大，但力 并不是最大，因此彎矩不是最大。根據(jù)分析，齒根所受的最大玩具發(fā)生在 輪齒嚙合點(diǎn)位于單對(duì)齒嚙合最高點(diǎn)時(shí)。因此，齒根彎曲強(qiáng)度也應(yīng)按載荷作 用于單對(duì)齒嚙合區(qū)最高點(diǎn)來計(jì)算。斜齒輪嚙合過程中，接觸線和危險(xiǎn)截面位置在不斷的變化，要精確計(jì) 算其齒根應(yīng)力是很難的，只能近似的按法面上的當(dāng)量直齒圓柱齒輪來計(jì)算 其齒根應(yīng)力。將當(dāng)量齒輪的有關(guān)參數(shù)代入直齒圓柱齒輪的彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式，可得到斜 齒圓柱齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算校核公式：2K

29、TYFaYsaY4FFbdmn（6.17）使用系數(shù)Ka=1.0動(dòng)載荷系數(shù)Kv=1.2齒間載荷分配系數(shù)KK = 1.0齒向載荷分配系數(shù)KK = 1.4載荷系數(shù)K= KA KV K K = 1.68齒形系數(shù)YFaYFa2.92校正系數(shù)YsaYsa = 1.4丫為螺旋角影響系數(shù)Y =0.7端面重合度=1.211校核齒根彎曲強(qiáng)度：=148.15Mpa2 1.68 8568 2.92 1.4 0.714 16.4 2 1.211選取20Cr為齒輪材料;彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)SFminSF min =1.25計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力:K FN彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN = 1.5可得， F = 1.5 X 850/

30、1.25 = 1020MPa所以F < F因此，本次設(shè)計(jì)與滿足了小齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度又滿足了小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度，符合設(shè)計(jì)要求。綜上所述，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求2.齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算校核公式：4r2KT1H ZeZhZ . bd 1.68 8568 3.32 1:14 16.423.321467.09MPa小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限許用接觸應(yīng)力H lim1 = 1500 MPa計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力，取失效概率為1%，安全系數(shù)S = 1 ,可得:（6.18）彈性系數(shù)ZE=189.8MPa區(qū)域系數(shù)Zh=2.5螺旋角系數(shù)Z cos 0.979ZeZhZ2KT一 bd2189

31、.8 2.5 0.979H limS1500Mpa/11500MPa由此可得：H <H雖然齒輪所選的參數(shù)粗略滿足齒輪設(shè)計(jì)的齒面接觸疲勞強(qiáng)度要求，但是非常接近最咼許用值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式選取齒寬b =40mm。6.6齒條的設(shè)計(jì)根據(jù)小齒輪的分度圓直徑可以求出齒條的長度L :L 4 d（ 6.19）代入數(shù)據(jù)：L =206mm其它參數(shù)考慮：考慮到轉(zhuǎn)型過程中的自由間隙，L實(shí)際取220mm。由于齒條與小齒輪是相嚙合的，所以輪齒的尺寸是大致相同的，對(duì)于齒條的直徑，通過查表，根據(jù)設(shè)計(jì)的需要以與小齒輪的直徑，取值為 30mm。表6.2齒輪齒條的結(jié)構(gòu)尺寸名稱齒輪齒條分度圓直徑di16.4齒頂咼ha22齒根高h(yuǎn)f

32、2.52.5齒全高h(yuǎn)4.54.5齒頂圓da20.4名稱齒輪齒條齒寬b4024.72表6.3齒輪齒條的主要參數(shù)名稱齒輪齒條齒數(shù)Z832模數(shù)Mn22壓力角n200200螺旋角1201206.7齒條的強(qiáng)度計(jì)算在本設(shè)計(jì)中，選取轉(zhuǎn)向器輸入端施加的扭矩Ti= M h=8568N - mm齒輪傳動(dòng)一般均加以潤滑， 嚙合齒輪間的摩擦力通常很小， 計(jì)算輪齒受力時(shí),可不予考慮.齒輪齒條的受力狀況類似于斜齒輪,齒條的受力分析如圖6.4，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。各力的大小為:Ft =Fr =

33、Fx = Ft tan4Fn(6.20)齒輪軸分度圓螺旋角n法面壓力角齒輪軸受到的切向力:Ft =2Ti=1044.88NdTi為作用在輸入軸上的扭矩,Tj 取 8568 Nmm。d為齒輪軸分度圓的直徑。齒條齒面的法向力：Fn = = 1136.78N齒條牙齒受到的切向力：Fxt Fn cos n=1068.23N齒條桿部受到的力：F Fxt cos = 1044.88N計(jì)算出齒條桿部的拉應(yīng)力：2=2.50N/mmF齒條受到的軸向力由于強(qiáng)度的需要，齒條長采用45鋼制造，其抗拉強(qiáng)度極限是b2690N/mm，（沒有考慮熱處理對(duì)強(qiáng)度的影響）。因此 < b所以，齒條設(shè)計(jì)滿足抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。齒條

34、牙齒的單齒彎曲應(yīng)力：24F0 6 Fxt hi/b s(6.21)式中：Fxt齒條齒面切向力b危險(xiǎn)截面處沿齒長方向齒寬 hi 齒條計(jì)算齒高S 危險(xiǎn)截面齒厚從上面條件可以計(jì)算出齒條牙齒彎曲應(yīng)力:F06 1068.23 4.524.72 3.1422118.34 N/mm上式計(jì)算中只按嚙合的情況計(jì)算的，即所有外力都作用在一個(gè)齒上了，實(shí)際上齒輪齒條的總重合系數(shù)是2.63 （理論計(jì)算值），在嚙合過程中至少有2個(gè)齒同時(shí)參加嚙合，因此每個(gè)齒的彎曲應(yīng)力應(yīng)分別降低一倍F01F0.2 = 59.17N/mm齒條的材料我選擇是 45剛制造，因此：2抗拉強(qiáng)度 b 690N/mm（沒有考慮熱處理對(duì)強(qiáng)度的影響）齒部彎曲安全系數(shù)S = b /F01=九67因此，齒條設(shè)計(jì)滿足彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。又滿足了齒面接觸強(qiáng)度, 符合本次設(shè)計(jì)的具體要求。6.8 主動(dòng)齒輪、齒條的材料選擇通過計(jì)算所得，根據(jù)強(qiáng)度的需要以與常規(guī)的選取與做法，主動(dòng)小齒輪 選取的材料是 20Cr ，并經(jīng)滲碳淬火，齒條選取的材料是 45 鋼。由于轉(zhuǎn)向 器齒輪轉(zhuǎn)速低，是一般的機(jī)械，故選 8 級(jí)精度。7. 總結(jié)兩周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，