汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系設計【齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器】

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本次畢業(yè)設計的題目是汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系的設計，主要是以齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設計為中心。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器最早出現(xiàn)在1902年，當時由于其本身結(jié)構(gòu)不夠完善，整車布置的限制以及道路條件差等因素，導致路面反沖激烈，噪音較大以及轉(zhuǎn)向性能較差等缺陷，使此種轉(zhuǎn)向器的應用受到很大的限制。然而近廿來，特別是最近幾年，卻有了很大發(fā)展，其發(fā)展速度超過循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，國際輿論甚至認為：目前汽車工業(yè)正在拋棄有70年歷史的搖臂型轉(zhuǎn)向器。這種看法的主要依據(jù)是：（1）國外大部分主要汽車在制造廠大規(guī)模地推薦橫置發(fā)動機、前輪驅(qū)動的小客車，這樣對齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系的布置十分靈活方便，比搖臂式轉(zhuǎn)向器的傳動機構(gòu)更為簡化。（2）高速公路發(fā)展使車輛速度大大提高，為獲得良好的路感，對轉(zhuǎn)向器剛性的要求愈來愈高，而循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器在剛性上遠遠不如齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。（3）齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器本身具備的優(yōu)點如結(jié)構(gòu)簡單、成本低、高達80%以上的傳動效率、具有多種輸入輸出形式便于布置、重量輕（轉(zhuǎn)向器殼多數(shù)采用壓鑄鋁合金、有的廠還在研制塑料殼體）、剛性好等等，能使高速車輛的駕駛者獲得良好的路感。 此外、由于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器自身結(jié)構(gòu)的發(fā)展，如采用新型的手動變速比和動力轉(zhuǎn)向，其使用范圍已從轎車、微型車及輕型汽車逐步發(fā)展到中型和重型汽車轉(zhuǎn)向系。 從目前情況看，國際上汽車工業(yè)發(fā)達國家生產(chǎn)的汽車轉(zhuǎn)向器結(jié)合基本上可歸為兩大類：搖臂式轉(zhuǎn)向器和齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，前者主要型式有球面蝸桿滾輪式、循環(huán)球式和曲柄指銷式三種，其中循環(huán)球式較為主要，在美國和日本的汽車中使用較多。而西歐國家，尤其是法國的汽車中則以齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器為主。日本NSK公司的統(tǒng)計資料表明了世界上各種轉(zhuǎn)向器的采用比率及變化趨勢，1968年到1975年循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器比率在40%～～46%之間變化，而齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的比率則由31%增加到43%，發(fā)展較快。此外，日本和美國循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的產(chǎn)量占90%以上，而西歐國家齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器則占較大的百分比，西德為57%，英國為77%，法國為96%。 從目前國外著名轉(zhuǎn)向器廠制造的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器主要應用于轎車，微型和輕型汽車方面，加美國TRW公司的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器用于前軸負載700～～1250公斤的車輛，西德ZF廠的同類產(chǎn)品用于前軸負載荷為900～～2400公斤的車輛，但該廠新設計的7856型齒輪齒條式動力轉(zhuǎn)向器可用于前軸負載荷達6500公斤的汽車。從產(chǎn)量看，ZF廠1980年生產(chǎn)了30萬套，占機械轉(zhuǎn)向器的一半。英國伯曼廠日產(chǎn)1200套，為其生產(chǎn)的各種轉(zhuǎn)向器之首。 日本汽車轉(zhuǎn)向器雖然以循環(huán)球式為主，但近年隨著微型汽車的迅速發(fā)展，也開始大量采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。如大發(fā)、三菱微型汽車等。 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器長期以來是我國汽車轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)中的一項空白，直到最近幾年由于大量進口汽車組裝件，技術(shù)引進以及與國外合資企業(yè)的發(fā)展，才開始研制開發(fā)和生產(chǎn)這種轉(zhuǎn)向器。其中主要有與西德大眾汽車公司合資生產(chǎn)的桑塔納中級轎車，日本大發(fā)公司的微型汽車以及意大利菲亞特公司的依維柯輕型客貨車系列等。僅從以上三種車型的最終生產(chǎn)綱領統(tǒng)計就達40余萬輛，再加上其它進口車型的修配任務，估計齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器產(chǎn)量將達50余萬套，可以估計到90年代時這種轉(zhuǎn)向器將占我國汽車轉(zhuǎn)向器產(chǎn)量的40%～～50%。因此，國內(nèi)轉(zhuǎn)向器行業(yè)對此都十分重視。如上海汽車底盤廠為了配套生產(chǎn)桑塔納轎車和SH110微型汽車的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，已經(jīng)大力進行工廠技術(shù)改造和技術(shù)設備的引進工作，要在90年代達到以齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器為主的各種轉(zhuǎn)向器產(chǎn)量共50萬套的年生產(chǎn)綱領。 2.本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施 本課題研究的是汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系，主要是以齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設計為中心。齒輪齒條式轉(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。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在汽車上的布置形式與轉(zhuǎn)向梯形和轉(zhuǎn)向器傳動輸出形式有關(guān)，圖1所示為最常見的布置形式。 （a）轉(zhuǎn)向器固定于車架或車身兩側(cè)輸出的非獨立懸掛布置；（b）轉(zhuǎn)向器固定于車架或車身中央輸出的非獨立懸掛布置；（c）為轉(zhuǎn)向器固定于車身前圍單側(cè)輸出的獨立懸掛布置（如奧迪80和桑塔納轎車）；（d）轉(zhuǎn)向器固定于車架單側(cè)輸出的獨立懸掛布置（如日本三菱、大發(fā)微型汽車）。 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的傳動輸出形式主要有如下四種形式。 （a）中間輸入，兩端輸出；（b）側(cè)面輸入，兩端輸出； （c）側(cè)面輸入，中間輸出；（d）側(cè)面輸入，一端輸出 通過對齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的初步了解，現(xiàn)在可以采用的方案確定為以下幾種： 方案一：采用側(cè)面輸入，兩端輸出方案時，如圖（2）由于轉(zhuǎn)向拉桿長度受到限制，容易與懸梁系統(tǒng)導向機構(gòu)產(chǎn)生運動干涉。 采用斜齒圓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，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沖擊與工作噪聲均下降，而且齒輪軸線與齒條軸線之間的夾角易于滿足總體設計要求。 齒條斷面形狀為V形，與圓形斷面比較，消耗的材料少，約節(jié)省20%，故質(zhì)量小，位于齒條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。 圖2為兩端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，作為傳動副主動件的轉(zhuǎn)向齒輪軸11通過軸承12和13安裝在轉(zhuǎn)向殼體5中，其上端通過花鍵與萬向節(jié)叉10和轉(zhuǎn)向軸連接。與轉(zhuǎn)向齒輪嚙合的轉(zhuǎn)向齒條4水平布置，兩端通過球頭座3與轉(zhuǎn)向橫拉桿1相連。彈簧7通過壓塊9將齒條壓靠在齒輪上，保證無間隙嚙合。彈簧的預緊力可用調(diào)整螺塞6調(diào)整。當轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)向器齒輪軸11轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)向車輪偏轉(zhuǎn)，從而使汽車轉(zhuǎn)向。 圖2 1．轉(zhuǎn)向橫拉桿 2．防塵套 3．球頭座4．轉(zhuǎn)向齒條5．轉(zhuǎn)向器殼體6．調(diào)整螺塞7．壓緊彈簧8．鎖緊螺母9．壓塊10．萬向節(jié)11．轉(zhuǎn)向齒輪軸12．向心球軸承13．滾針軸承 方案二：采用側(cè)面輸入，中間輸出方案時，如圖（3）與齒條固定連接的左、右拉桿延伸到接近汽車縱向?qū)ΨQ平面附近。優(yōu)點：由于拉桿長度增加，車輪上、下跳動時拉桿擺角減小，有利于減少車輪上、下跳動時轉(zhuǎn)向系與懸架系的運動干涉。缺點：為了將左、右橫拉桿固定在齒條上，并且兩拉桿與齒條會同時向左、右移動一定的距離，必須在轉(zhuǎn)向器殼體上開有軸向方向的長槽，使齒條有一部分裸露出來，然后用螺栓將橫拉桿固定在齒條上。轉(zhuǎn)向器殼體上的長槽使其強度受到削弱，為了不使外界臟東西落入轉(zhuǎn)向器內(nèi)，又必須用密封罩將它們密封。 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器采用直齒圓柱齒輪與直齒齒條嚙合，則運轉(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，為此與總體布置不適應而遭淘汰。 齒條斷面形狀為圓形，齒條制作工藝比較簡單。 中間輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器如圖3所示，其結(jié)果及工作原理與兩端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器基本相同，不同之處在于它在轉(zhuǎn)向齒條的中部用螺栓6與左右轉(zhuǎn)向橫拉桿7相連。 圖3 1． 萬向節(jié)叉2．轉(zhuǎn)向齒輪軸3．調(diào)整螺母4．向心球軸承5．滾針軸承6．固定螺栓7．轉(zhuǎn)向橫拉桿8．轉(zhuǎn)向器殼體9．防塵套10．轉(zhuǎn)向齒條11．調(diào)整螺塞12．鎖緊螺母13．壓緊彈簧14．壓塊 通過以上比較，選用第一種方案，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的傳動副為齒輪和齒條， 其結(jié)構(gòu)簡單，布置方便，制造容易，故僅廣泛用于微型汽車和轎車上，但轉(zhuǎn)向傳動比較小，齒條沿其長度方向磨損不均勻，且通常布置在前輪軸線之后，轉(zhuǎn)向傳動副的主動件—斜圓柱小齒輪，它和裝在外殼中的從動件—齒條相嚙合，外殼固定在車身上。齒條利用兩個球接頭直接和兩根分開的左、右橫拉桿相連。 由于汽車的車型不同，所使用的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的參數(shù)也有所不同。在這里本次設計選擇長安奔奔2010款1.0AMT的車型。其具體性能參數(shù)如下表： 表2長安奔奔2010款1.0AMT參數(shù) 性能參數(shù) 配置 最大功率 51.2/5600kw/rpm 最大扭矩 90/4600N·m/rpm 最高時速 158km/h 在整個設計過程中，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的零件的建模、及其仿真均在三維軟件中完成，目前比較常用的有Pro/E﹑Solid Works和UG。在這三者中，Pro/E的造型功能相比其他兩個要大一些，而且在軟件優(yōu)化方面做得比較好，所以此次設計中的以上工作均在Pro/E中完成。二維裝配圖在AutoCAD中完成。 3.本課題研究的重點及難點，前期已開展工作 本課題的以齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的設計為中心，研究的重點一是汽車總體構(gòu)架參數(shù)對汽車轉(zhuǎn)向的影響；二是機械轉(zhuǎn)向器的選擇、三是齒輪和齒條的合理匹配，以滿足轉(zhuǎn)向器的正確傳動比和強度要求；四是動力轉(zhuǎn)向機構(gòu)設計；五是梯形結(jié)構(gòu)設計。而研究的難點是進行了齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設計，和對轉(zhuǎn)向齒輪軸的校核的設計，和對轉(zhuǎn)向齒輪軸的計算及校核，以及結(jié)構(gòu)設計和裝配的繪制，完成三維建模并進行模型裝配。 因此本課題在考慮上述要求和因素的基礎上研究利用轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)帶動傳動機構(gòu)的齒輪齒條轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向，通過萬向節(jié)帶動轉(zhuǎn)向齒輪軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向齒輪軸與轉(zhuǎn)向齒條嚙合，從而促使轉(zhuǎn)向齒條直線運動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡單緊湊，軸向尺寸短且零件數(shù)目少的優(yōu)點又能增加助力，從而實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性和靈敏性。 因此設計的主要方法和理論采用汽車設計的經(jīng)驗參數(shù)和大學所學機械設計的課程內(nèi)容進行設計。在前期要閱讀大量的文件，要把轉(zhuǎn)向器方面的基本知識要十分的了解，并且要有一定的閱讀量，是自己的知識得到很大的擴充。在這個基礎上要經(jīng)常練習畫圖軟件，爭取在需要的時候能夠很快的畫出圖形。前期要做好文獻的閱讀，查閱資料，了解轉(zhuǎn)向系的各個結(jié)構(gòu)的工作原理等前期準備。 4.完成本課題的工作方案及進度計劃（按周次填寫） 第1周-第3周：前期準備，查閱資料，了解課題，準備開題答辯； 第4周-第6周： 分析齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系的結(jié)構(gòu)和工作原理； 第7周-第11周：確定設計方案，進行結(jié)構(gòu)設計計算； 第12周-第14周：完成結(jié)構(gòu)設計和裝配的繪制； 第15周-第17周：完善裝配模型，撰寫畢業(yè)論文； 第18周：畢業(yè)答辯 5 指導教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見） 指導教師： 年 月 日 6 所在系審查意見： 系主管領導： 年 月 日 參考文獻． [1] 陳益良．齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器簡介[J]．汽車與配件．1986年06期． [2] 黨胡申．轉(zhuǎn)向器引進項目簡介[J]．汽車與配件．1988年02期． [3] 畢大寧．略論我國汽車轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)發(fā)展之路[J]．汽車與配件．1995年19期． [4] 余席桂，侯玉英，鐘詩清．汽車轉(zhuǎn)向器嚙合間隙測試方法[J]．武漢汽車工業(yè)大學學報．1997年04期． [5] 劉冰．齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的建模及分析[J]．上海工程技術(shù)大學學報．2006年01期． [6] 謝剛，殷國富，周丹晨．汽車轉(zhuǎn)向器變傳動比齒輪齒形的三維動態(tài)仿真設計[J]．機床與液壓．2003年04期． [7] 陳勇，朱敬德，徐解民．汽車轉(zhuǎn)向器油缸和殼體的壓鉚裝置設計[J]．機械制造與自動化．2006年05期． [8] 楊丙輝，郭鋼，郭衛(wèi)光，等．汽車轉(zhuǎn)向器零件參數(shù)化特征設計系統(tǒng)的研制[J]．機械制造與自動化．2008年03期． [9] 雷良育，施曉芳，張青．汽車轉(zhuǎn)向器綜合性能測試控制臺[J]．自動化與儀表．2001年03期． [10] 張楓念．關(guān)于汽車轉(zhuǎn)向器搖臂軸齒扇齒根彎曲強度計算的研究和探討[J]．輕型汽車技術(shù)．2000念03期． [11] 賈巨民，張蕾，唐天元，等．汽車變速比齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器嚙合原理（I）[J]．機械 技術(shù)．1998年01期． [12] 賈巨民，張蕾， 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