齒輪齒條轉向器設計-

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1、摘要：本次設計選擇的是豐田的一款汽車的轉向器。首先對轉向系統(tǒng)基本的作用、構造、與總體的性能作一個了解。再根據(jù)對齒輪齒條式轉向器的研究以及資料的查閱，著重闡述了齒輪齒條式轉向器類型選擇，不同類型齒輪齒條式轉向器的優(yōu)缺點，和各種類型齒輪齒條式轉向器應用狀況。根據(jù)原有數(shù)據(jù)計算轉向系的傳動比，并確定齒輪齒條的幾何參數(shù)。齒輪齒條式轉向器總體設計，受力分析，及對齒輪齒條的疲勞強度校核、齒根彎曲疲勞強度校核。修正齒輪齒條式轉向器中不合理的數(shù)據(jù)。通過對齒輪齒條式轉向器的設計，選取出相關的零件如螺釘、軸承等，并在作出轉向器的零件圖。 關鍵詞：轉向系統(tǒng)； 齒輪齒條； 轉向器 Abstract：This des

2、ign choice is the steering of a car in the Toyota. First, the basic role of the steering system, structure, and overall performance for an understanding. According to the study of the rack and pinion steering and data access, focuses on a rack and pinion steering gear type selection, the advantages

3、and disadvantages of different types of rack and pinion steering, and all types of rack and pinion steering application status. The steering transmission ratio calculated under the original data, and determine the geometric parameters of the rack and pinion. Rack and pinion steering the overall desi

4、gn, stress analysis, and rack and pinion fatigue strength of the tooth root bending fatigue strength. Unreasonable data correction rack and pinion steering. Through the design of the rack and pinion steering, select the related parts such as screws, bearings, etc., and make the steering parts diagra

5、m. Keywords：Steering systems, rack and pinion, steering 目 錄 摘要I AbstractII 第1章 概述1 1.1 設計目的1 1.2 設計的意義1 1.3 汽車轉向裝置的發(fā)展趨勢1 1.4 汽車轉向器國內(nèi)外現(xiàn)狀3 1.5 設計的主要內(nèi)容3 第2章 齒輪齒條轉向器設計方案選擇5 2.1 車輛相關數(shù)據(jù)與設計要求5 2.2 轉向器總體方案設計6 2.2.1 轉向器設計方案說明6 2.2.2 轉向器輸入輸出形式6 2.2.3 轉向器各種輸出形式對比7 2.2.4 齒輪齒條轉向器齒輪齒條選擇8 2.2.

6、5 齒輪齒條轉向器齒條斷面形狀8 2.2.6 齒輪齒條式轉向器的布置形式9 2.2.7 轉向器最終方案確定10 第3章 轉向器齒輪齒條設計計算過程11 3.1 轉向輪側偏角計算11 3.2 轉向器原地轉向阻力矩計算12 3.3 轉向器角傳動比與力傳動比計算12 3.3.1 角傳動比與力傳動比介紹12 3.3.2 角傳動比與力傳動比確定12 3.4 齒輪齒條設計13 3.4.1 齒輪齒條嚙合傳動的特點13 3.4.2 齒輪參數(shù)的選擇14 3.4.3 計算接觸疲勞許用應力15 3.4.4 齒輪的齒根彎曲強度設計15 3.4.5 確定齒輪主要參數(shù)和幾何尺寸17 3.4.

7、6 確定齒條主要參數(shù)和幾何尺寸17 3.4.7 齒面接觸疲勞強度校核19 第4章 齒輪軸的設計20 4.1 齒輪齒條傳動受力分析20 4.2 齒輪軸最小軸徑確定20 4.3 齒輪軸的強度校核20 第5章 間隙調(diào)整彈簧的設計計算25 5.1 選擇材料25 5.2 計算彈簧絲直徑25 5.3 彈簧圈數(shù)和自由高度的計算26 5.4 彈簧校核與結構尺寸確定26 5.5 彈簧工作時的數(shù)據(jù)27 第6章 其他零件的選擇與潤滑方式確定28 6.1 軸承的選擇28 6.2 轉向器潤滑方式29 總結32 參考文獻34 致謝35 第1章 概述 1.1 設計目的 畢業(yè)設計的

8、目的，大體分成兩個方面：一方面是臨畢業(yè)之前對畢業(yè)生所學習到的各類知識的能力進行考核。另一方面是對提高畢業(yè)生們的綜合運用實際與理論的能力。目的在于了解和掌握汽車轉向器的結構形式、工作原理、及設計理論和設計過程。 1.2 設計的意義 轉向系統(tǒng)是車輛中的至關重要的部分，而其主要零件——轉向器又是重中之重，因此，我們這次的設計任務——轉向器對車輛的操穩(wěn)性能以及駕駛人員的人身和財產(chǎn)安全有著非常大的影響。尤其是在高速發(fā)展的今天，車輛愈來愈密集，川流在城市，鄉(xiāng)村的各個角落，交通事故也隨著車輛的數(shù)量越來越多，因此，設計出優(yōu)秀的轉向系統(tǒng)對人類社會有著非常積極的意義。這樣就更加凸顯了我們此次設計的重要

9、性，為以后的設計工作積累經(jīng)驗，爭取設計出更優(yōu)秀的作品，使其達到更高的水平。 設計的意義在于幫助即將進入工作崗位的畢業(yè)生們查漏補缺，查漏有：比如機械制圖中的一些細節(jié)問題以及相應的規(guī)范，機械手冊中的各種圖表，裝配過程中的的配合問題。是基孔制還是基軸制。還有大二大三所學的專業(yè)課知識（過盈配合，還是過渡配合，汽車構造，內(nèi)燃機原理，汽車設計等等）;補缺有：大學生一直呆在學校很少和工廠接觸，平時都是接觸的理論知識，缺乏實踐，而此次設計剛好可以彌補這方面的短板，這樣就為以后從事車輛制造及設計方面的工作打下堅實的基礎。 1.3

10、 汽車轉向裝置的發(fā)展趨勢 車輛轉向系是用來變換車輛行使方向的系統(tǒng)，為了防止發(fā)生交通事故，我們就需要轉向系統(tǒng)快、準、穩(wěn)地完成開車人發(fā)出的轉向指令。 還有就是車輛要有自動回正的功能，比如說起車輪偶然碰到遇到了外力（比如說碰到了石頭）而發(fā)生偏轉的時候，這個偏轉是我們不需要的，當越過石頭普，要是車輛的車輪還是處于偏轉狀態(tài)，那其不就麻煩了？要是司機反應慢了，還不得發(fā)生交通事故啊？所以，我們需要車輪自動回正。 汽車產(chǎn)業(yè)我們國家重要的經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)，隨著科技的不斷進步與汽車技術的不斷升級，到了現(xiàn)在，越來越能代表一個國家的綜合國力，它是集合各種學科的綜合高科技產(chǎn)物。轉向系統(tǒng)作為汽車重要的一部分也在發(fā)生著巨

11、大的演變升級。 一般意義上的車輛轉向系是機械式的，開車人通過控制方向盤（steering wheel），再經(jīng)過過轉向器（Redirector，該系統(tǒng)中最重要的部件），橫拉桿（連接左右兩個搖臂，使兩側車輪一起轉動）等機械零部件實現(xiàn)車輪的偏轉，從而達到實現(xiàn)轉向的目的。 1950年之后，隨著液壓系統(tǒng)的不斷完善和應用，液壓漸漸出現(xiàn)在車輛的轉向器中，這是轉向系統(tǒng)變革的起點?？萍嫉牟粩噙M步，車輛不僅僅只是代步工具，舒適性也要滿足，以往轉向只是單單依靠人力，所以一些貨車司機絕大多數(shù)都是男性。而如今，若是加上液壓助力，轉向自然會輕松許多。其實其原理非常簡單，就是在原來的基礎上，另外添加一套（油泵始終處于

12、工作狀態(tài)）。這樣的液壓系統(tǒng)與內(nèi)燃機相連接連，當內(nèi)燃機轉動動時，部分能量提供車輛行駛，剩下的一部分則為液壓系統(tǒng)提供動力支持。 因為這樣的工作模式相對可靠，既不想純機械那樣費力，也不行純液壓那樣不可靠（只要有液壓系統(tǒng)就存在漏油現(xiàn)象），技術也相對成熟，所以得到了廣泛的使用。 所謂的助力就是幫助駕駛者完成指定動作，起到四兩撥千斤的作用，雖說夸大其詞，但卻真真正正的反映出輕便性，這樣轉向就變得更加靈活，這有助于車輛躲避突發(fā)事件。 科技發(fā)展日新月異，電子技術也隨之迅猛發(fā)展，尤其在元器件領域?？萍歼M步，工藝先進，成本越來越低，漸漸的的電子器件被應用到車輛中。于是就進入了電液助力轉向系統(tǒng)EHPS（E

13、lectro-Hydraulic Power Steering）。電液助力轉向可以分為兩類 ：電動液壓助力轉向系統(tǒng)EHPS（Electro-Hydraulic Power Steering）和電控液壓助力轉向ECHPS（Electronically Controlled Hydraulic Power Steering）。電動液壓助力轉向系統(tǒng)是在液壓助力系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的，與液壓助力系統(tǒng)不同的是，電動液壓助力系統(tǒng)中液壓系統(tǒng)的動力來源不是發(fā)動機而是電機，由電機驅動液壓系統(tǒng)，節(jié)省了發(fā)動機能量，減少了燃油消耗。 電控液壓助力轉向聽起來聽復雜的，其實也就是在Hydraulic power syst

14、em上加一些控制元器件，包括傳感器，傳感器能夠記錄下來轉向盤轉角變量，車速，溫度等數(shù)據(jù)，傳給ECU，ECU根據(jù)這些信息改變供油量。 ECHPS（Electronically Controlled Hydraulic Power Steering）也是在Hydraulic Power Steering基礎上發(fā)展而來，不同地方是，ECHPS增加了電子控制元件。電子控制裝置可根據(jù)方向盤轉向速率、車速等汽車運行參數(shù)，改變油壓的大小。而且電機驅動下的HPS，不需要操作的時候，電機可以停止，這樣就能降低能耗。 雖然EHPS（Electro-Hydraulic Power Steering）克服了Hyd

15、raulic power system的一些缺點。只要有液壓系統(tǒng)的存在，就會有不穩(wěn)定因素，比如說高溫，低溫，對油的黏性有很大的影響，比如是油溫過高，其粘度很低，十分順滑，油自然而然的順著油封流出，造成浪費，還污染了環(huán)境。而且還要為其引入了電機，結構上增加部件，復雜程度進一步提高，花費增加了，而且可靠性下降了，得不償失。 為了規(guī)避EHPS（Electro-Hydraulic Power Steering）的缺點，EPS便應時而生。EPS，電動助力轉向。也可以叫EPAS。其最大優(yōu)點是可以隨速控制助力，在速度相對低的時提供較大助力效果，保證輕便轉向；在高速時減小助力，在沒有助力幫助的條件下，負反饋

16、（即路面作用在車輪上的力按照轉向傳動的路線返回到方向盤上）也相應增加，這為司機提高了“路感”。Electric Power Steering只在轉向時發(fā)揮作用，因此不像純HPS那樣會一直對發(fā)動機造成負擔，沒有了負擔，消耗自然就少了。 1.4 汽車轉向器國內(nèi)外現(xiàn)狀 齒輪齒條式轉向器（Rack and pinion steering gear）和循環(huán)球式轉向器（recirculating ball steering gear），成為車輛上主要的轉向器；而余下的蝸輪蝸桿式（Worm gear and worm type redirector）和蝸桿肖式轉向器（Worm type redirect

17、or shaw），由于在制造工藝以及可靠度等方面的各種原因，已經(jīng)逐步的退出歷史的舞臺。 而留下來的循環(huán)球式轉向器（recirculating ball steering gear）則是具備諸多優(yōu)點，比如說效率高，操縱簡單輕便，易于傳遞駕駛員操縱信號，這對于貨車司機來說是非常有利的，可以減輕疲勞程度，布置簡單。尤其適合大、中型車輛和該系統(tǒng)一起使用。 另外就是可以實現(xiàn)變速比（Gear Ratio，）的特性，這就可以解決客戶的各種速度上的需求。 中間位置轉向力小、且

18、經(jīng)常使用，反之亦然，就希望中部位置附近速比小，這樣就可以提升其敏度。對于前軸軸載質量不大而又經(jīng)常在平坦路面行駛的中、輕型貨車而言，影響很小。由于這種轉向器可實現(xiàn)變速比，傳動效率又高，轉向靈活，使用壽命較長等諸多特點，得到大范圍應用不足為怪。 我們此次設計任務（Rack and pinion steering gear）也有很多的主要優(yōu)點：結構簡單、緊湊。 質量小只是其一。 正傳動效率高，而且還能主動彌補間隙，在提高剛度的同時又避免產(chǎn)生雜音，還可以防止工作時產(chǎn)生沖擊和噪聲。 綜上所述轉向器的優(yōu)點，循環(huán)球式和齒輪齒條式將是未來發(fā)展的大趨勢。 1.5 設計的主要內(nèi)容 汽車行業(yè)為我們國家的

19、經(jīng)濟發(fā)展做出不可磨滅的貢獻，國家對汽車研發(fā)的投入也越來越多，隨著工業(yè)的不斷升級，汽車產(chǎn)品的設計、分析、實驗技術等都日益受到重視。而學生一直停留在課堂之中是萬萬不可的，為了提高汽車設計方向的專業(yè)畢業(yè)生利用所學的基礎知識解決實際工程問題能力，本題目所涉及到的知識都是汽車設計方面的專業(yè)知識，所以這次畢業(yè)設計可謂是雪中送炭。 任務中的設計方法是非常實用的，并且在未來也是適用的，這些知識對于從事汽車技術工作的人都是很需要的，是他們進行工作和繼續(xù)學習的基礎。 本次設計的任務來源于RAV4，設計此車的轉向器。根據(jù)該車型對于市場的定位及對制造成本的考慮，同時去網(wǎng)上查照該車的設計初衷。結合車身結構要求把這輛

20、車的轉向器設計為一款機械式。對轉向系統(tǒng)做簡單分析，并進行轉向器零件設計、工藝性及尺寸公差等級分析，同時按以下步驟對轉向器及零部件進行設計方案論證：首先對其輸入出形式進行分析比較；再是計算各個零件的尺寸，選擇合適的參數(shù)；最后進行強度校核并檢查是否存在不足。 第2章 齒輪齒條轉向器設計方案選擇 2.1 車輛相關數(shù)據(jù)與設計要求 車輛數(shù)據(jù)： 車 型：豐田2012款2.4AT四驅至臻導航版 四驅類型：適時四驅 驅動方式：前置四驅 整備質量(Kg)：1620 滿載軸荷(Kg)：前軸:810 后軸：810 發(fā)動機最大扭矩(Nm/rpm)：224/40

21、00 發(fā)動機功率(Kw/rpm)：125/6000 軸 距(mm)：2660 前輪胎規(guī)格：225/65R17 后輪胎規(guī)格：225/65R17 轉向節(jié)臂長：200mm 設計要求： 轉向系是用來轉向的系統(tǒng)，包括轉向操縱機構、轉向器、傳動機構等。需要正確迅速地完成司機的轉向命令，當其受到外界干擾的時候，比如車輪陷入泥坑中等，在司機松開方向盤的時候，車輛應該有自動回正的能力。 一般來說，對轉向系統(tǒng)的要求如下： 1、車輛轉彎行駛時，車輪應繞瞬時轉向中心旋轉。 2、轉向輪應具有自動回正能力。比如說起車輪偶然碰到遇到了外力（比如說碰到了石頭）而發(fā)生偏轉的時候

22、，這個偏轉是我們不需要的，當越過石頭普，要是車輛的車輪還是處于偏轉狀態(tài)，那其不就麻煩了？要是司機反應慢了，還不得發(fā)生交通事故??？所以，我們需要車輪自動回正。 3、在工作時，車輪不得產(chǎn)生自振。 4、轉向器和轉向傳動機構的球頭處，應該設有消除因磨損而產(chǎn)生的間隙的調(diào)整機構以及提高轉向系的可靠性。 5、轉向靈敏，最小轉彎直徑小。 6、操縱要輕便。 7、從道路上傳來的沖擊小。 8、任何狀態(tài)下，車輪不產(chǎn)生擺振（車輪繞主銷振動）。 轉向輪的回正能力是由傾角決定的，同時也受轉向系逆效率的影響。 逆效率的提高會使回正能力提高，但是會造成“打手”現(xiàn)象。 轉向系的間隙主要是通過各球頭皮碗和轉向器

23、的調(diào)隙機構來調(diào)整的。 2.2 轉向器總體方案設計 2.2.1 轉向器設計方案說明 因為這次的設計任務中已經(jīng)明確的指出該設計工作為齒輪齒條式的，因此，我在任務書中只提及另一種主流轉向器——循環(huán)球式轉向器（recirculating ball steering gear）的優(yōu)缺點，更多的是比較齒輪齒條式的各種輸出形式的特點。在比較中對比各種形式的長處及劣處，包括成本，制造工藝，對車輛本身的要求等等。另一方面是選擇齒輪的形狀，直齒肯定是制造簡單，但是傳動起來沒斜齒好，還有齒輪斷面的問題。齒輪齒形的選擇要根據(jù)其工作狀況（包括環(huán)境，溫度，負荷等），以及我們的要求。同時還需要兼顧成本和工藝問題，綜合

24、種種考慮，選擇出合適的齒形。 綜上所述，我們要全方面的考慮，既要考慮工藝問題，制造的難易程度，成本，還要考慮性能必須滿足RAV4的要求，在操穩(wěn)性，便捷性，噪音等問題，選出最合適的方案。 具體的分析過程，與對比過程，在下面一一比較。 2.2.2 轉向器輸入輸出形式 根據(jù)動力進入的位置和傳出的特點不同，我們對其進行四種形式劃分，詳見圖2-1。 中間輸入，兩端輸出（a）; 側面輸入，兩端輸出（b）; 側面輸入，中間輸出(c)、 側面輸入，一端輸出(d)。 圖2-1 齒輪齒條轉向器輸入輸了形式 2.2.3 轉向器各種輸出形式對比 采用兩端輸出方案時如（圖2-1a,圖2-1b），很

25、明顯我們可以看出輸出位置位于兩端，這樣拉桿長度就受到了限制，如圖3所示，總體長度很長，很容易與該位置其他運動產(chǎn)生干涉。主要優(yōu)點是其結構簡單，制造方便，且成本低等特點，大多應用于小型車輛上。該轉向器兩端是橫拉桿總成，它的一端是球頭座，放置在防塵罩中，球頭座與齒條相連。從剖視圖來看，方向盤10連接著齒輪軸和齒條相連，齒條的另一側是壓緊彈簧（用來自動彌補間隙）。 圖2-2 側面輸入，兩端輸出 采用圖2-1c的方案，很明顯可以看到與齒條固連的左、右拉桿非常靠近車輪對稱平面。由于拉桿長度增長，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向系與懸架系的運動干涉。。 圖2-3 側面輸入，中

26、間輸出 采用側面輸入，一端輸出的齒輪齒條式轉向器（圖2-1d），常用在平頭貨車上。 2.2.4 齒輪齒條轉向器齒輪齒條選擇 采用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合的齒輪齒條式轉向器，重合度增加，運轉平穩(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計的要求。 2.2.5 齒輪齒條轉向器齒條斷面形狀 齒條斷面形狀有圓形（圖2-4a）、V形（圖2-4b）和Y形（圖2-4c）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%，故質量?。晃挥邶X下面的兩斜面與齒條托座接觸，可用來防止齒條繞軸線轉動；Y形的斷面齒條的齒寬可以做的寬一些，

27、因而強度得到增加。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，用來減少滑動摩擦。 當車輪跳動、轉向或轉向器工作時，如在齒條上作用有能使齒條旋轉的力矩時，應選用V形或Y形斷面齒條，用來防止因齒條旋轉而破壞齒條、齒輪的齒不能正確嚙合的情出現(xiàn)。 a） b） c） 圖2-4 齒條斷面形狀 2.2.6 齒輪齒條式轉向器的布置形式 根據(jù)齒輪齒條式轉向器和轉向梯形相對前軸位置的不同，齒輪齒條式轉向器在汽車上有四種布置形式。 如（圖2-5）所示：轉向器位于前軸后方，后置梯形（圖2-5a）； 轉向器位于前軸后

28、方，前置梯形（圖2-5b）； 轉向器位于前軸前方，后置梯形（圖2-5c）； 轉向器位于前軸前方，前置梯形（圖2-5d）。 圖2-5 齒輪齒條轉向器布置形式 齒輪齒條式轉向器廣泛應用于微型、普通級、中級和中高級轎車上。 對于裝載質量不是很大、前輪采用獨立懸架（independent suspension單獨安裝在兩側車輪上）的客車也可以使用這種轉向器。 2.2.7 轉向器最終方案確定 綜合上面的各種優(yōu)缺點的比較，考慮到制造難度與成本的問題，我們最終在輸入輸出形式上選擇了結構簡單、制造方便、并且成本低的側面輸入兩端輸出的形式，同時考慮到直齒圓柱齒輪與直齒齒條嚙合重合度不高，運轉平穩(wěn)性

29、差，沖擊力大，工作噪聲大；采用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合的齒輪齒條式轉向器，重合度增加，運轉平穩(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計的要求，故齒輪與齒條選用斜齒。經(jīng)分析確定在齒條上沒有作用有能使齒條旋轉的力矩，且考慮到制作工藝的簡單性，故齒條斷面選擇圓形。 最終的布置為：采用側面輸入兩端輸出的輸出形式，齒輪齒條采用斜齒，齒條斷面采用圓形斷面。 第3章 轉向器齒輪齒條設計計算過程 3.1 轉向輪側偏角計算 轉向系統(tǒng)的性能從整車機動性著手，在最大轉角時的最小轉彎半徑為軸距的 2—2.5倍。此輕型車的軸距為2660mm，因此其半徑在5320—6650mm，

30、并盡量取小值以保證良好的機動性，最小轉彎半徑R取5500mm。分析如(圖3-1)所示。 圖3-1 轉向輪側偏角分析圖 （3-1） 式中：―轉向輪外輪轉角； ―主銷偏移距，該值一般取-10—30mm, 設計取20mm； ―汽車軸距。 = （3-2） 查得對應的最大內(nèi)輪轉角，其綜合轉角為。 3.2 轉向器原地轉向阻力矩計算 影響力的主要因素負荷包括路面阻力和輪胎氣壓等。 想要準確地計算出這些力是非常困難的。我們可以運用半經(jīng)驗公式來計算汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉向阻力矩MR（N·mm）。 輪胎上的原地轉動的阻力矩由經(jīng)驗公式得

31、 （3-3） 式中：—輪胎和路面間的滑動摩擦因素，一般取0.7； —為轉向軸負荷（N）；取前軸滿載； —為輪胎氣壓（）。取(一般為)。 （3-4） 3.3 轉向器角傳動比與力傳動比計算 3.3.1 角傳動比與力傳動比介紹 傳動比：角傳動比和力傳動比組成。 力傳動比：從輪胎接觸地面中心作用在兩個轉向輪上的合力與作用在方向盤上的手力之比稱為力傳動比 。 角傳動比：方向盤的轉角和駕駛員同側的轉向輪轉角之比稱為轉向系角傳動比。它又由轉向器傳動比轉向傳動裝置角傳動比所組成。 3.3.2 角傳動比與力傳動比確定 方向盤轉動圈數(shù)取圈

32、，轉向盤直徑， 轉向節(jié)臂長。 角傳動比為 （3-5） 作用在方向盤上的力 （3-6） 由公式 （3-7） 得作用在轉向盤上的力矩 （3-8） 力傳動比與轉向系角傳動比的關系 （3-9） 而和作用在轉向節(jié)上的轉向阻力矩有以下關系 (3-10)作用在方向盤上的手力可由下式表示 （3-11）則力

33、傳動比為 (3-12)又因為 （3-13）由此力傳動比 （3-14） 3.4 齒輪齒條設計 3.4.1 齒輪齒條嚙合傳動的特點 齒條實際上是齒數(shù)為無窮的齒輪的一部分。當齒數(shù)為無窮時，圓也就成了直線，就像我們居住在地球上一樣，地球是圓的，而我們腳下的路卻是直的。所以齒條的齒廓為直齒廓（如圖3-2所示），齒廓上各點的法線是平行的，而且在傳動時齒條是平動的。 齒廓上各點速度的大小和方向也相同，所以齒條齒廓上個點的壓力角相同，大小等于齒廓的傾斜角。 圖3-2 齒條的齒廓 齒輪齒條嚙合

34、傳動時，根據(jù)小齒輪螺旋角與齒條齒傾角的大小和方向不同，可以構成不同的傳動方案。 齒輪與齒條嚙合傳動時，齒輪的節(jié)圓始終與其分度圓重合。 3.4.2 齒輪參數(shù)的選擇 初選齒輪參數(shù)：該轉向器的齒輪多采用斜齒輪（直齒重合度?。?，齒輪模數(shù)在之間（還需要齒根彎曲疲勞和齒面接觸校核），主動小齒輪齒數(shù)在之間（我們這里取6），壓力角取，螺旋角在之間（我們?nèi)?0）。故取小齒輪，，右旋，壓力角，齒輪的轉速為，左旋，精度等級8級，轉向器每天工作8小時，使用期限不低于5年。 材料選擇：齒輪16MnCr5，滲碳淬火，齒面硬度54-62HRC 齒條 45號鋼，表面淬火，齒面硬度56HRC 分度圓直徑

35、 （3-15） 取齒寬系數(shù) 齒條寬度 （3-16） 圓整??； 則取齒輪齒寬 （3-17） 所以取齒輪齒寬30mm；齒條齒寬20mm。 3.4.3 計算接觸疲勞許用應力 確定許用應力 (3-18) （3-19） 查表確定和 查表確定壽命系數(shù)、 查表確定安全系數(shù) 計算接觸疲勞許用應力 (3-20) (3-21) 查表確定應力修正系數(shù)

36、 (3-22) (3-23) 3.4.4 齒輪的齒根彎曲強度設計 參數(shù)查?。? 初選=6=25=0.8 =0.7 =0.89 當量齒數(shù) 復合齒形系數(shù) 初步計算齒輪模數(shù) 查表的 轉矩 閉式硬齒面?zhèn)鲃樱待X根彎曲疲勞強度設計。 代入較小的值 (3-24) 初取 確定載荷系數(shù) 查表確定 使用系數(shù) （3-25） 根據(jù)和8級精度，查表得 查表確定 齒向載荷分布系數(shù) 查表確定齒間載荷分布系數(shù) 所以 （3-26） 確定修正法向模數(shù)

37、 （3-27） 取 3.4.5 確定齒輪主要參數(shù)和幾何尺寸 齒輪參數(shù)：，，，壓力角，左旋 取變位系數(shù) 齒頂高 （3-28） 齒根高 （3-29） 齒高 （3-30） 分度圓直徑 （3-31） 齒頂圓直徑 （3-32） 齒根圓直徑 （3-33） 基圓直徑 （3-34） 齒輪中心到齒條基準線距離 （3-35） 齒輪齒寬

38、（3-36） 3.4.6 確定齒條主要參數(shù)和幾何尺寸 因為齒輪與齒條要相互嚙合，所以取齒條模數(shù) 又因為齒輪齒條線角傳動比為 （3-37） 轉向盤總轉動圈數(shù)為圈 又因為 （3-38） 所以齒條長度 （3-39） 轉向盤和車輪轉角比 （3-40） 式中：為綜合轉角 因為齒條齒形角等于壓力角 所以齒條齒距 （3-41） 齒條齒數(shù) （3-42）

39、 所以取齒條齒數(shù) 實際齒條長度 （3-43） 取齒條長度為200mm。 齒條參數(shù)：，，，壓力角，右旋。 取變位系數(shù) 齒頂高 （3-44） 齒根高 （3-45） 齒條齒寬 （3-46） 取。 3.4.7 齒面接觸疲勞強度校核 校核公式為 （3-47） 由上面計算得 查取： 彈性系數(shù) 區(qū)域系數(shù) 重合度系數(shù)螺旋角系數(shù) （3-48） 經(jīng)校核：合理 第4章 齒

40、輪軸的設計 4.1 齒輪齒條傳動受力分析 若略去齒面間的摩擦力，則作用于節(jié)點P的法向力Fn可分解為徑向力Fr和分力F，分力F又可分解為圓周力Ft和軸向力Fa。 （4-1） （4-2） （4-3） 4.2 齒輪軸最小軸徑確定 由于齒輪的基圓直徑，數(shù)值較小，若齒輪與軸之間采用鍵連接必將對軸和齒輪的強度大大降低，因此，將其設計為齒輪軸．由于主動小齒輪選用16MnCr5材料制造并經(jīng)滲碳淬火，因此軸的材料也選用16MnCr5材料制造并經(jīng)滲碳淬火。 查表得：16MnCr5材料的硬度為60HRC，抗拉強度極限，彎曲疲勞極限，剪切疲勞極限，許用彎曲應力，許用剪應力。 最小軸徑 （4-4

41、） 初步確定齒輪軸的基本尺寸如圖4-1所示： 圖4-1 齒輪軸的基本尺寸 4.3 齒輪軸的強度校核 1、軸的受力分析 （1）畫齒輪軸的受力簡圖，如圖4-2a所示。 圖4-2 齒輪軸的載荷分析圖 （2）計算支承反力 在垂直面上 (4-5)(4-6) 在水平面上 (4-7) （3）畫齒輪軸的彎矩圖。 水平面上的彎矩如圖4-2b所示，垂直面上的彎矩如圖4-2c所示，總彎矩如圖4-2d所示。 在水平面上，a-a剖面左側、右側 （4-8）在垂直面上，a-a剖面左側 （4-9）在垂直面上，a-a剖面右側 （4-10）合成彎矩，a-a剖面左側 （4-11）合成彎矩，a-

42、a剖面右側 （4-12） （4）畫轉矩圖，如圖4-2e所示。 轉矩 （4-13） 2、判斷危險剖面 顯然，a-a截面左側合成彎矩最大、扭矩為T，該截面左側可能是危險剖面。 3、軸的彎扭合成強度校核 由《機械設計》查得，。 a-a截面左側 （4-14） （4-15） 所以彎扭合成強度合理。 4、軸的疲勞強度安全系數(shù)校核 查得, ,；。 a-a截面左側 （4-16） 查得；。 由表查得絕對尺寸系數(shù)；； 軸經(jīng)磨削加工，查得質量系數(shù)β=1.0。 則彎曲應力 （4-17） 應力幅

43、 （4-18） 平均應力 切應力 （4-19） （4-20） 安全系數(shù) （4-21） （4-22） （4-23） 查得許用安全系數(shù)[S]=1.3，顯然S>[S]，故a-a剖面安全。 故此軸設計合理。 第5章 間隙調(diào)整彈簧的設計計算 設計要求： 設計一圓柱形壓縮螺旋彈簧，載荷平穩(wěn)，要求=982.75N時，<10mm，彈簧總的工作次數(shù)小于，彈簧中要能寬松地穿過一根直徑為的軸；彈簧兩端固定；外徑,自由高度。彈簧的參數(shù)分析

44、如圖5-1所示。 圖5-1 彈簧的參數(shù) 5.1 選擇材料 由彈簧工作條件可知，對材料無特殊要求，采用65#彈簧鋼絲，。因彈簧的工作次數(shù)小于，載荷性質屬Ⅱ類，。 5.2 計算彈簧絲直徑 1、選擇旋繞比 2、估算彈簧外徑 按外徑30mm、內(nèi)徑15mm,取 3、計算曲度系數(shù) （5-1） 4、計算彈簧絲的許用切應力 （5-2） 5、計算彈簧絲直徑 （5-3） 取彈簧絲直徑 5.3 彈簧圈數(shù)和自由高度的計算 1、彈簧工作圈數(shù) （5-4） 2、彈簧節(jié)距t （5-5）3、彈簧自由高度

45、 （5-6） 5.4 彈簧校核與結構尺寸確定 1、穩(wěn)定性驗算 高徑比 （5-7） 滿足穩(wěn)定性要求。 2、幾何參數(shù)和結構尺寸的確定 彈簧外徑 （5-8） 彈簧內(nèi)徑 （5-9） 5.5 彈簧工作時的數(shù)據(jù) （5-10） 彈簧的極限載荷 （5-11） 彈簧的安裝載荷 （5-12） 彈簧剛

46、度 （5-13） 安裝變形量 （5-14） 最大變形量 （5-15） 極限變形量 （5-16） 安裝高度 （5-17） 工作高度 （5-18） 極限高度 （5-19） 第6章 其他零件的選擇與潤滑方式確定 6.1 軸承的選擇 1、選用深溝球軸承（GB/T 276―1994）如圖6-1所示。 軸承代號：6004 數(shù)量：1個 具體尺寸見表6-1所示。 圖6-1 深溝球

47、軸承 表6-1 選用深溝球軸承（GB/T 276―1994） 2、選用滾針軸承（GB/T 5801―1994）如圖6-2所示。 軸承代號：NA4901 數(shù)量：1個 具體尺寸見表6-2所示。 圖6-2 滾針軸承 表6-2 滾針軸承（GB/T 5801―1994） 6.2 轉向器潤滑方式 1、轉向器齒輪齒條的潤滑，主要有二個目的： （1）促進齒面間的滑動。 （2）抑制齒面間由摩擦所引起的溫度上升。即冷卻齒面。 適當?shù)剡x擇潤滑方法及潤滑油，以避免故障。 2、轉向器齒輪齒條的潤滑法 潤滑大致可以分為以下三類： （1）脂潤滑法 這種方法大多應用

48、在速度相對來說低的的開式及閉式齒輪箱傳動中。 關于脂潤滑法。這里，主要介紹下列三點。 1）選擇合適稠度的潤滑脂 因為齒條是在密封的殼體中，為了使?jié)櫥軌蛟谛枰牟课豁槙车鼗瑒?，選高流動性。 2）不適合使用在高負荷，連續(xù)運轉的場合 因為脂的冷卻效果非常差，所以，在負荷比較高的，工作時間又長的的工狀況下，會出現(xiàn)高溫，溫度一高就失效了。 3）潤滑脂的適量使用 如果量過少，達不到潤滑目的。 （2）飛濺潤滑法（油浴潤滑） 飛濺顧名思義，就是讓潤滑油飛濺出來，濺到需要潤滑的零件表面，看似原理簡單，但實際操作起來，首要需要留出合理的空間，其次還要飛濺到一定的高度，飛濺的量等都要控制的精

49、準，使適量的油液濺到工作表面。 使用飛濺潤滑法（油浴式）時，有許多需要注意的問題。 這里就油面的規(guī)定及齒輪箱的最高油溫做以說明。 1）油面的高度 用的多，費的多是再簡單不過的道理，同樣，使用潤滑油的量越多，攪拌損失也增大。那用的少，浪費的少了？ 不是，用的少的話，起不到潤滑效果，算是完全浪費了吧。油量過小則達不到所期待的潤滑及冷卻效果。 2）齒輪箱的極限溫度 齒輪箱內(nèi)的溫度，伴隨著各種f損失不斷轉化成的熱能而使溫度逐漸提高。 溫度上升會造成各種不良的影響。 隨著科學技術的進步，革命的升級，高性能的潤滑油不斷出現(xiàn)在世人面前。八九十度差不多算是極限的溫度了。若是想在高于這

50、個溫度時使用，就需要采取措施對其的進行降溫處理，使其溫度下降。例如，在內(nèi)部安裝散熱片，或在軸上安裝風扇送風。 （3）強制潤滑法（循環(huán)噴油潤滑） 根據(jù)上油的方式，分為滴下式，噴射式和噴霧式三種。 下面就三種方式做以簡單的說明。 1）滴下式 利用導管將潤滑油直接注入到嚙合部。 2）噴射式 利用噴油嘴將潤滑油直接噴射到嚙合部。 3）噴霧式 利用壓縮空氣將潤滑油化為霧狀，噴入輪齒的嚙合部位。 這種方法特別常用在高速傳動。 利用強制潤滑法，可以把經(jīng)過過濾、冷卻、粘度適宜的潤滑油適量地送到嚙合部，是最良的齒輪潤滑方式。 經(jīng)過上面的對比，最終選擇轉向器的潤滑方式：潤滑脂人工定期潤滑

51、 潤滑脂：石墨鈣基潤滑脂（ZBE36002-88）中的ZG-S潤滑脂。 總結 通過本次畢業(yè)設計，我對汽車零部件的設計流程有了進一步的理解，汽車的每個零件，小到螺栓螺母，大到轉向系的總成，都和汽車的整體數(shù)據(jù)息息相關，每一個都不能脫離汽車這個整體。 在此，感謝的指導老師盧彥群老師。在百忙中還抽出時間，甚至占用晚上的休息時間為我們盡心指導，答疑解惑。還有，在這最后的時刻，也想對大學期間所有教過我的老師們說聲“謝謝，您辛苦了”，感謝你們曾經(jīng)的細心教導，而我們

52、有時還偷懶逃課。 大四的上學期剛開學的時候，我們專業(yè)由老師帶隊（包括我此次設計的指導老師盧彥群老師）集體參觀了保定的長城汽車公司，其中參觀了其沖壓車間，總裝車間，看到遍布車間的零件，確實有點慚愧，自己是學車輛的，可是有的汽車零件都人不全，說出去還真讓人笑話，東西都不認識更別說設計了。臨走時參觀了長城科技節(jié)，各種高端技術，各種車型，展示了長城汽車公司的科研實力。而我被這家企業(yè)吸引，十月份的時候，我再次獨自來到這里，參加了長城的面試，順利成為長城的一名員工。 下學期伊始，學校為我們安排了畢業(yè)實習，實習單位是中國一拖集團和中信重工集團。帶隊老師之前說會參觀拖拉機的轉向系統(tǒng)，結果不知道是什

53、么原因沒有參觀，很是遺憾。那幾天一直住在一拖的什么管理中心，條件一般般。匆匆忙忙的參觀了三天就返回學校了。至此就開始了我的畢業(yè)設計任務。 在此次設計之前，對汽車的轉向系統(tǒng)也是一知半解，課本中對齒輪齒條轉向器的介紹也相對較少，經(jīng)過去圖書館和網(wǎng)上查閱資料，對齒輪齒條轉向器的認識逐漸清晰起來，包括它的工作原理，結構，分類，以及各種優(yōu)缺點。美中不足的是對轉向器殼體依然沒有一個清晰的認識，甚至去網(wǎng)上找供應商看成品的圖片也是效果甚微。有時候遇到很多看似很小的問題，卻總是想不起來，甚至在哪本書都忘記了，若不是大家集思廣

54、益，讓我自己去翻閱資料會花費很多額外的時間，比如說軸的配合問題，這是互換性與技術測量哪本書上的知識，我當時只記得有個過盈和過渡，忘記了還有個間隙配合。還有就是只記得軸和孔有配合關系，忘記了其實軸承和軸承孔也有配合關系，感謝老師細心指點，幫我發(fā)現(xiàn)這個看似微不足道，但卻很實際的問題。還有在齒輪是否變位問題上，這次設計的轉向小齒輪齒數(shù)在5~7之間，而滿足根切的最小齒數(shù)是17，這樣為了避免，必須進行變位。 這對設計中影響最大的是齒輪軸的設計，通過數(shù)據(jù)和公式可計算出最小直徑要在15mm以上，軸上除了一體的齒

55、輪和兩個軸承外，其他需要裝的不知道。 在畫二維圖的時候，細節(jié)方面把握不好，主要原因還是對轉向器了解得不夠深。對其結構了解甚微，完全不知道從哪里入手。后來一直在網(wǎng)上搜索資料，從jxcad這個網(wǎng)站上了下載了一份圖紙，打開一看十分不清楚，對于轉向器的各種結構描繪的十分模糊，一看就不想認真做的，本來還想?yún)⒖家幌?，原來是份毒瘤，可別耽誤我，趕緊刪了。后來我從網(wǎng)上找到轉向器的簡圖，自己按照簡圖上的位置畫的。本次設計中主要需要計算的數(shù)據(jù)只有轉向小齒輪與齒條和彈簧，齒輪和軸一體。對于殼體的尺寸，只能大體上照著比例畫了，沒有事物，而且不同車上的肯定也有很多差別。 通過這次的畢業(yè)設計，我把四年所學的知識串了一

56、遍，綜合了理論與實踐的方法，使我學到了很多以前在課堂上學不到的東西，使我懂得了設計必須依靠實際，特別是對于機械加工來說，設計的零件不能只注重其理論上的可行性，還得考慮到其可加工性、工藝性。 特別是在實際生產(chǎn)中，更得注重材料的利用率性，加工的難易程度，綜合考慮，從中選出最合理的方案。從企業(yè)的角度來說，才能提高生產(chǎn)效率。此外，通過這段時間的努力，對二維制圖軟件以及三維制圖軟件有了進一步的掌握，這對以后的工作也是大有裨益的。 參考文獻 [1] 王望予.汽車設計.第三

57、版.北京：機械工業(yè)出版社，2000：173-177. [2] 濮良貴，紀名剛.機械設計.第八版.北京：高等教育出版社，2006：198-210. [3] 劉惟信.汽車構造.北京：人民交通出版社，2001 [4] 陳家瑞.汽車構造.北京：機械工業(yè)出版社，2005 [5] 孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理.第七版.北京：高等教育出版社，2006：193-197. [6] 吳宗澤，羅圣國.機械設計課程設計手冊.北京：高等教育出版社，2006：64-72. [7] 汽車工程手冊編輯委員會編.汽車過程手冊.基礎篇.北京：人民交通出版社，2001 [8] 汽車工程手冊編輯委員會編.汽車過程手冊

58、.設計篇.北京：人民交通出版社，2001：575-596 [9] 劉惟信.汽車設計.清華大學出版社，2003：611-615. [10] 陳家瑞.汽車構造下冊.第四版.北京：人民交通出版社，2002. [11] 馮超等.汽車工程手冊.北京：人民交通出版社，2000. [12] 林秉華.最新汽車設計實用手冊.黑龍江人民出版社，2005：1382-1386. [13] 呂廣庶.張遠明.工程材料及成形技術基礎.北京：高等教育出版社，2001. [14] 庫羅夫.汽車學.北京：機械工業(yè)出版社，1985. [15] 劉昭度.汽車學.北京：高等教育出版社，2012. [16]錢志峰，劉蘇.

59、工程圖學基礎教程[M]. 北京；科學出版社，2001. [17]《機械設計手冊》聯(lián)合編寫組編.機械設計手冊中冊[M]. 北京；化學工業(yè)出版社，1985.5. 致謝 經(jīng)過幾個月的忙碌工作，終于完成了這次畢業(yè)設計。由于本科生經(jīng)驗匱乏，又和實際接觸較少，因此，設計中還存在諸多不完美的地方，還請老師悉心指正。在此，感謝的指導老師盧彥群老師。在百忙中還抽出時間，甚至占用晚上的休息時間為我們盡心指導，答疑解惑，對我進行了無私的指導和幫助，不厭其煩的幫助進行論文的修改和改進。還有，在這最后的時刻，也想對大學期間所有教過我的老師們說聲“謝謝，您辛苦了”，感謝你們曾經(jīng)的細心教導，而我們有時還偷懶逃課。還有

60、要感謝圖書館的阿姨，在翻閱資料的時候，有的資料比較老了，放的地方不容易找到，多虧了圖書館的阿姨幫忙，節(jié)省了我不少時間。另外還有參考那些資料的作者們，謝謝你們的辛苦工作，如果不是借鑒他們的工作成果，本次設計幾乎無法完成，雖然里面的資料不可以直接使用，但是任然給了我無窮的啟發(fā)。同時，感謝在設計中給予我?guī)椭耐瑢W們。有時候遇到很多看似很小的問題，卻總是想不起來，甚至在哪本書都忘記了，若不是大家集思廣益，讓我自己去翻閱資料會花費很多額外的時間，比如說軸的配合問題，這是互換性與技術測量哪本書上的知識，我當時只記得有個過盈和過渡，忘記了還有個間隙配合。還有在齒輪是否變位問題上，這次設計的轉向小齒輪齒數(shù)在5~7之間，而滿足根切的最小齒數(shù)是17，這樣為了避免，必須進行變位。差點忘記了，還要感謝高鵬飛導員，這是陪了我整整四年的老師，即關心我們的生活，又關心我們的學業(yè)，可以說為我們是操碎了心，我們能順利地走完這四年的大學生活，少不了老師的幫助。 大學四年，時間匆匆流過，大學生活即將結束，而結束卻又是新的生活的開始，這四年將成為我人生中最寶貴的回憶，和同學們，室友們嬉戲玩耍，又在一起為了學業(yè)而熱血奮斗。 最后，感謝母校河北工程大學，感謝裝備制造學院為我們提供這樣良好的平臺。