齿轮齿条转向器设计说明书.doc

李牟嘉 齿轮齿条转向器设计

齿轮齿条转向器设计

专 业 ：机械设计制造及其自动化（汽车方向）
学 生 ： 李牟嘉
指导教师 ： 刘 国 宪
完成日期 ： 2007.6.9

扬州大学机械工程学院

19

中文摘要
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6张、装配图１张。
关键词：齿轮齿条，转向器，设计计算

Abstract
According to the research of the Rack-and-pinion steering and the data of the machine, the advantages and disadvantages of the typical machine are analyzed, and the layout type is chosen. the application condition with every kind of types Rack-and-pinion steering. is introduced, and the transmission ratio and the geometry parameters of the machine are calculated. That text precedes the total designs to the Rack-and-pinion steering. Suffering the dint analysis, and calibrate the tired strength of the machine with the bent and tired strength in root of tooth. This article revised the unreasonable data of the steering. With the design of the Rack-and-pinion steering, selects the related spare parts. Such as bolt, bearing...etc. and draw the diagrams of the related spare parts in manual. Drawing the 6 precise of spare parts diagrams and 1 precise of the assemble diagram of Rack-and-pinion steering.
Key words: Rack-and-pinion steering, design and calculation

目录
中文摘要 I
Abstract II
第一章 引言 1
1.1汽车转向装置的设计趋势 1
1.2汽车转向装置的发展趋势 1
第二章 齿轮齿条转向器设计方案选择 3
第三章 传动比的计算 6
3.1 汽车方向盘（转向盘） 6
3.1 转向阻力矩 6
3.3角传动比与力传动比 6
第四章 齿轮设计 8
4.1　齿轮参数的选择[8] 8
4.2　齿轮几何尺寸确定[2] 8
4.3　齿根弯曲疲劳强度计算[11] 9
4.3.1齿轮精度等级、材料及参数的选择 9
4.3.2齿轮的齿根弯曲强度设计。 9
4.3.3齿面接触疲劳强度校核 10
第五章 齿条的设计 12
5.1齿条的设计[6] 12
第六章　齿轮轴的设计[4] 13
第七章 其他零件的选择[6] 14
设计工作总结 17
参考文献 18
致　　　　谢 19

第一章 引言
改革开放以来，我国汽车工业发展迅猛。作为汽车关键部件之一的转向系统也得到了相应的发展，基本已形成了专业化、系列化生产的局面。有资料显示，国外有很多国家的转向器厂，都已发展成大规模生产的专业厂，年产超过百万台，垄断了转向器的生产，并且销售点遍布了全世界。
1.1汽车转向装置的设计趋势
　　1. 适应汽车高速行驶的需要
　　从操纵轻便性、稳定性及安全行驶的角度，汽车制造广泛使用更先进的工艺方法，使用变速比转向器、高刚性转向器。“变速比和高刚性”是目前世界上生产的转向器结构的方向。
　　2. 充分考虑安全性、轻便性
　　随着汽车车速的提高，驾驶员和乘客的安全非常重要，目前国内外在许多汽车上已普遍增设能量吸收装置，如防碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊等，并逐步推广。从人类工程学的角度考虑操纵的轻便性，已逐步采用可调整的转向管柱和动力转向系统。
　　3. 低成本、低油耗、大批量专业化生产
　　随着国际经济形势的恶化，石油危机造成经济衰退，汽车生产愈来愈重视经济性，因此，要设计低成本、低油耗的汽车和低成本、合理化生产线，尽量实现大批量专业化生产。对零部件生产，特别是转向器的生产，更表现突出。
　　4. 汽车转向器装置的电脑化
　　未来汽车的转向器装置，必定是以电脑化为唯一的发展途径。
1.2汽车转向装置的发展趋势
　　1. 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。
　　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(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、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。

第二章 齿轮齿条转向器设计方案选择
适用车辆相关数据：
驱动型式：4×2，发动机横置前置前驱；
总质量：1470㎏；满载轴荷：前轴735㎏，后轴735㎏
发动机最大功率：53kW/5200rpm，发动机最大扭矩：121Nm/3500rpm
轴距：2475㎜；轮胎：175/70R-13T；轮辋：
转向器的功用是将转向盘的回转运动转换为转向转动机构的往复运动。转向器是转向系的减速传动装置，一般由1-2级减速传动副。目前应用比较广泛的转向器有齿轮齿条式转向器、循环球式转向器、蜗杆滚轮式转向器、蜗杆曲柄指销式转向器。此次毕业设计，是设计机械转向系的转向器中的一种，齿轮齿条式转向器。
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CA7220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。
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１-２a）、侧面输入，两端输出（图１-２b）、侧面输入，中间输出(图１-２c)、侧面输入，一端输出(图１-２d)。

图１-２
采用侧面输入，中间输出方案时，由图１－３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。

　　　　　　　　　　　　　　　　图１－３
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。
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齿条转向器。
齿条断面形状有圆形（图１－１）、V形（图１－４）和Y形（图１－５）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%，故质量小；位于齿下面的两斜面与齿条托座接触，可用来防止齿

图１－４　　　　　　　　　　　　　　　图１－５
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。
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。

　　　　　　　　　　　　　　　　图１－６
齿轮齿条式转向器广泛应用于乘用车上．载质量不大，前轮采用独立悬架的货车和客车有些也用齿轮齿条式转向器．

第三章 传动比的计算
3.1 汽车方向盘（转向盘）
转向盘的直径有一系列尺寸。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＝mm则
由作用方向盘上的力矩　　
得作用在方向盘上的力

3.1 转向阻力矩
　　　　　　　　[1]
　　　式中：　---滑动摩擦系数，一般取０.７
　　　　　　　Ｐ---轮胎气压
　　　　　　　---前轴载荷
则　＝
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和转向系的力传动比组成．
　　从轮胎接触地面中心作用在两个转向轮上的合力２与作用在方向盘上的手力Ｆ之比称为力传动比i .
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.它又由转向器传动比i转向传动装置角传动比i所组成．
　　力传动比与转向系角传动比的关系
　　　　　i=
而Ｆ和作用在转向节上的转向阻力矩Ｍ有以下关系
　　　　　Ｆ＝
作用在方向盘上的手力Ｆ可由下式表示
　　　Ｆ＝　　　侧
　　　i= 若忽略磨擦损失侧

由此
　　式中　a－车轮节臂
　　由式可知，力传动比与．和有关，愈小，愈大，转向愈轻便．
由以上过程可计算出结果如下：
１） 角传动比　　
则　　
　　　　　　　　＝
　　　 ２）力传动比　　
　　　　　　　　　式中
　　　　　　则　　　

第四章 齿轮设计
4.1　齿轮参数的选择[8]
齿轮模数值取值为m=，主动齿轮齿数为z=6，压力角取α=20°，齿轮螺旋角为β=°，齿条齿数应根据转向轮达到的值来确定。齿轮的转速为n=10r/min，齿轮传动力矩２５Ｎ，转向器每天工作８小时，使用期限不低于５年．
主动小齿轮选用20MnCr5材料制造并经渗碳淬火，而齿条常采用45号钢或41Cr4制造并经高频淬火，表面硬度均应在56HRC以上。为减轻质量，壳体用铝合金压铸。
4.2　齿轮几何尺寸确定[2]
齿顶高 ha =
齿根高 hf
齿高 h = ha+ hf =
分度圆直径 d =mz/cosβ=
齿顶圆直径 da =d+2ha =
齿根圆直径 df =d-2hf =
基圆直径　　　　
法向齿厚为　　　　

端面齿厚为　　　　

分度圆直径与齿条运动速度的关系 d=60000v/πn10.001m/s
齿距 p=πm=3.14×
齿轮中心到齿条基准线距离 H=d/2+xm=（）
4.3　齿根弯曲疲劳强度计算[11]
4.3.1齿轮精度等级、材料及参数的选择
（1） 由于转向器齿轮转速低，是一般的机械，故选择8级精度。
（2） 齿轮模数值取值为m=，主动齿轮齿数为z=6，压力角取α=20°.
（3） 主动小齿轮选用20MnCr5或15CrNi6材料制造并经渗碳淬火，硬度在56-62HRC之间，取值60HRC.
（4） 齿轮螺旋角初选为β=°
4.3.2齿轮的齿根弯曲强度设计。

（1）试取K=
（2）斜齿轮的转矩 T=２５N·m
（3）取齿宽系数
（4）齿轮齿数
（5）复合齿形系数 =
（6）许用弯曲应力 =0.7=0.7920=644N/
为齿轮材料的弯曲疲劳强度的基本值。

试取=mm
(7) 圆周速度
d=mm
b= d= 取b=mm

(8)计算载荷系数
1） 查表得 使用系数=1
2） 根据和8级精度，查表得
3） 查表得　　齿向载荷分布系数
4） 查表得　　齿间载荷分布系数

5） 修正值计算模数＝，故前取mm不变．
4.3.3齿面接触疲劳强度校核
校核公式为　
（１） 许用接触应力
　 查表得
由图得
安全系数　

（２） 查表得　弹性系数　．
（３） 查表得　区域系数　．
（４） 重合度系数　　＝
（５） 螺旋角系数　　＝
MPa1650MPa
　由以上计算可知齿轮满足齿面接触疲劳强度，即以上设计满足设计要求。

第五章 齿条的设计
5.1齿条的设计[6]
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=,压力角
齿条断面形状选取圆形
选取齿数z＝28，螺旋角
端面模数　　　
端面压力角　　
法面齿距　　　π
端面齿距　　　
齿顶高系数　　　
法面顶隙系数　　
齿顶高　　　　　
齿根高　　　　　　
齿高 　 h = ha+ hf =
法面齿厚　　　　
端面齿厚　　

第六章　齿轮轴的设计[4]
由于齿轮的基圆直径17.2，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20MnCr5材料制造并经渗碳淬火，因此轴的材料也选用20MnCr5材料制造并经渗碳淬火．
查表得：20MnCr5材料的硬度为６０ＨＲＣ，抗拉强度极限，屈服极限，弯曲疲劳极限，剪切疲劳极限，转速n=10r/min
根据公式[5]

忽略磨损，根据能量守衡，作用在齿轮齿条上的阻力矩为，作用在齿轮上的轴向力为，
作用在齿轮上的切向力为

弯曲疲劳强度校核
＝Ｆ／＝/3.14MPa<
剪切疲劳强度校核
=F/=/3.14＜３００ＭＰa
抗拉强度校核
满载时的阻力矩为
齿轮轴的最小直径为d=８mm，在此截面上的轴向抗拉强度为
＝Ｆ／=1/3.1414=MPa<1100Mpa
本设计选择齿轮轴直径 D=20
第七章 其他零件的选择[6]
1六角螺栓的选择
根据GB5780-2000
选取螺纹规格d=M6

六角螺栓
2弹簧的选择
根据 GB1358--93
选择代号为Y1的冷卷压缩弹簧
总圈数 n1=12
有效圈数 n=10
材料直径 d=5
节距 t=10
自由高度取＝105
弹簧中径 D=42
弹簧内径
弹簧外径
具体的数据如下图

弹 簧
3垫圈的选择
根据GB848-85,选择相配合的螺纹规格为d=8,具体数据如下图:

垫 圈

4油封的选择
根据JB/ZQ4606-86和轴径选取毡圈油封,主要参数如下:

油 封 滚针轴承

5滚动轴承的选择
根据GB/T5801-1994
选取滚针承的型号为NKI 10/12，主要参数如右上图

6推力轴承的选择
根据
选取推力轴承的型号为51102，主要参数如下图

7、止推螺母参数的确定，如下图

止推螺母

设计工作总结
通过此次毕业设计我把我所学习到的知识进行了比较全面的运用和对其相关知识进一步的了解。
在这次的毕业设计中,我系统接触并了解汽车转向器尤其是齿轮齿条式转向器的工作原理以及基本构造。通过对转向器的设计,我对当今汽车转向器也有了大概的了解。 在这次的毕业设计中,我还系统地复习了机械理论、机械力学机械制图等方面的知识。这对我即将到来的工作有着极大的帮助。
通过这次的毕业设计，我发现以前在课堂上所学的知识比较散，经过这次毕业设计，我发现自己以前掌握的知识还不能很好的运用到实际的工作学习中。通过这次的毕业设计，我认识到学习知识重要，但运用所学的知识更重要。
由于此次设计水平有限，在设计中必会出现许多不完善的地方，希望老师加以纠正。

参考文献
[1] 王望予主编．汽车设计．第４版．机械工业出版社．２００４
[2] 成大先主编．机械设计手册．化学工业出版社．２００４
[3] 王中发主编．机械设计．北京理工大学出版社．２００２
[4] 张　策主编．机械原理与机械设计（下册）．机械工业出版社．２００４
[5] 马永林主编．机械原理．高等教育出版社．２００３
[6] 郑志祥　徐锦康　张磊主编．机械零件．高等教育出版社．２００３
[7] 陈家瑞主编．汽车构造（下册）．机械工业出版社．２００３
[8] 刘惟信主编. 汽车设计. 清华大学出版社．２００１
[9] 诸文农主编．底盘设计．机械工业出版社．１９８１
[10]机械工程手册．机械工业出版社．１９９６
[11]汽车工程手册．人民交通出版社．２００１

致　　　　谢
四年的大学生活即将结束．在这四年的学习生活中，我学会了许多许多，我感谢我的学校给我愉快的四年大学生活！感谢我的老师，我的同学陪我度过这四年的大学生活，感谢他们在生活和学习上的关怀和帮助！对与学校，我现在无以为报，只希望在以后的工作为我学校争光．让学校以我为荣．
在这次毕业设计即将结束之际，最为感谢的就是我们的指导老师刘国宪老师，从造题到毕业设计的完成，刘老师倾注了大量的心血．每当我有不解之处，刘老师都会在百忙之中，毫不厌倦地为我答疑解惑．在此，我衷心感谢刘老师，在学业上对我的殷殷教诲和生活上的关心帮助，师恩难忘，也无以言谢，只希望在以后的工作上用优异成绩来回报杨老师的教导之恩．
在本文的完成和设计过程中，还要特别感谢我的同组同学，他在我遇到困难时，提供了大量的帮助，查资料，才使我的毕业设计得以顺利完成．
再次向他们表示我的衷心的感谢！！