齒輪齒條式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計及仿真分析【說明書+CAD+UG+仿真】

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With the rapid development of science and technology, the key technology required by the automotive industry is also getting higher and higher. It has also begun to pay attention to the steering performance of the car. The steering system has always been one of the most concerned topics. Especially today, the steering system is very important.Because the mechanical steering device has certain limitations and can not satisfy the characteristics of flexibility and lightness at the same time, the use of electric power to overcome the resistance to steering is also the trend of automotive development.This design revolves around small and medium-sized cars, designing their steering systems, using electric power to design and calculate key parts of the system, and using 3D software to model the designed parts in order to more intuitively view the design results. And motion simulation. Ensure the rationality and security of the design.Key words: electric power; Gear rack steering; Steering systemII目錄1 緒論11.1本課題研究的意義和目的11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3本課題主要研究內(nèi)容22 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計32.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特點32.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體組成32.3 電動助力的原理42.4 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型選擇42.5 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性53 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器設(shè)計與計算63.1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器設(shè)計63.1.1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器設(shè)計要求63.1.2 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器關(guān)鍵部件63.2 計算汽車原地轉(zhuǎn)向的阻力矩73.2.1 作用在轉(zhuǎn)向盤手力計算73.2.2 梯形臂長度計算83.2.3 輪胎直徑的計算83.2.4 轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑的確定83.2.5 估算主動齒輪軸直徑83.3 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的計算93.3.1 確定齒輪傳動主要參數(shù)和幾何尺寸.93.3.2 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向橫拉桿運動分析.103.3.3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的材料選擇及強度校核.123.3.4 齒輪軸校核.144轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的三維實體建模.174.1齒輪軸實體建模.174.2齒條的建模.184.3殼體建模.194.4球頭銷、轉(zhuǎn)向橫拉桿建模.214.5軸承、轉(zhuǎn)向梯形臂建模.244.6轉(zhuǎn)向盤建模.264.7轉(zhuǎn)向軸、輸入軸建模.274.8萬向傳動裝置建模.305轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的裝配.336轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運動仿真.397有限元分析.418經(jīng)濟技術(shù)性分析.439結(jié)論.44致謝.45參考文獻.461 緒論1.1本課題研究的意義和目的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是乘用車使用最廣泛的形式。因此,本文以電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的齒輪齒條電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為主要研究對象。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為新一代的轉(zhuǎn)向系統(tǒng),將電子技術(shù)與車輛機械技術(shù)有機地結(jié)合在一起。采用動力代替液壓系統(tǒng)提供輔助,使系統(tǒng)更加簡化,性能更好。具有控制簡單、響應(yīng)快、零件少、工作可靠、維修調(diào)整方便、低溫環(huán)境性能好等優(yōu)點。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一系列優(yōu)點表明其具有廣闊的發(fā)展前景。但也存在著一些不足,制約了其發(fā)展,如目前還沒有成熟的理論體系。一旦設(shè)計不合理,將嚴重威脅汽車的安全和生命財產(chǎn)安全。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為車輛的關(guān)鍵部位,發(fā)展迅速。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以其靈活的轉(zhuǎn)向控制、吸收路面減振等優(yōu)點,在汽車工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。簡單介紹幾種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：1.機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有許多機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，現(xiàn)在所有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都需要機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng),以確保轉(zhuǎn)向的安全性和可靠性。機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由人力驅(qū)動的。傳遞力的所有部分都是機械的。轉(zhuǎn)向輕,但轉(zhuǎn)向靈敏度變差。當角傳動比大時,轉(zhuǎn)向靈敏度好,但轉(zhuǎn)向需要很大的力,轉(zhuǎn)向不能達到要求。因此,機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)同時滿足轉(zhuǎn)向輕便性和轉(zhuǎn)向靈敏度的要求非常有限,這也制約了機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展。隨著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展,研制了助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),解決了輕便性和靈敏度之間的矛盾。2.液壓助力阻力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓助力雖然可以解決轉(zhuǎn)向輕便性，但隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展,人們對速度的要求越來越高,汽車的速度也在不斷提高。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的不足已經(jīng)開始顯現(xiàn)出來。當汽車在高速或低速行駛時,很難保證駕駛員有適度的手感。3.電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,采用電機代替發(fā)動機驅(qū)動油泵。它是由電磁閥控制,以幫助液壓變化與車速的變化。當汽車在低速或急轉(zhuǎn)彎時,它會變1輕。在高速行駛時會感覺更好。4.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為新一代的轉(zhuǎn)向系統(tǒng),將電子技術(shù)與車輛機械技術(shù)有機地結(jié)合在一起。采用動力代替液壓系統(tǒng)提供輔助,使系統(tǒng)更加簡化,性能更好。電動助力式轉(zhuǎn)向該系統(tǒng)具有控制簡單、響應(yīng)快、助力尺寸和轉(zhuǎn)向感方便、零件少、等優(yōu)點。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一系列優(yōu)點表明其具有廣闊的發(fā)展前景。但也存在著一些不足,制約了其發(fā)展,如目前還沒有成熟的理論體系。一旦設(shè)計不合理,將嚴重威脅汽車的安全和生命財產(chǎn)安全。5.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)20 世紀 60 年代末,德國卡塞爾曼公司還設(shè)計了類似于 TWW 的主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1900,德國奔馳公司采用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的概念車 F400 雕刻。目前,線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上市,戴米爾克萊斯勒開發(fā)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)被列為 2000 年度汽車十大創(chuàng)新技術(shù)之一。齒條式轉(zhuǎn)向器在西歐微型客車上得到了長足的發(fā)展。在日本和美國,循環(huán)球型轉(zhuǎn)向器的比例正在增加。在日本,公共汽車用的球型轉(zhuǎn)向器已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在的 100%個。目前,不同類型的轉(zhuǎn)向器的使用情況如下:(1)在小型客車上,日本和美國主要開發(fā)圓形球型轉(zhuǎn)向器,其市場占有率超過 90%,而在西歐,齒輪和齒條轉(zhuǎn)向器的發(fā)展,比例超過 50%,法國則高達 95%。(2)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在小型轎車上得到了迅速發(fā)展,而大型轉(zhuǎn)向器主要是圓形滾珠轉(zhuǎn)向器。1.3本課題主要研究內(nèi)容1.參考相關(guān)文獻，確定研究目標與方向。2.分析電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型的選擇，電動助力轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)組成及其工作原理。3.對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行具體的設(shè)計和計算，完成重要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并校核主要零件強度。4.使用三維建模軟件對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行三維建模，并完成運動仿真與有限元分析。2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計2.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特點電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有突出的優(yōu)點:1.改善了轉(zhuǎn)向特性。直到今天,動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)達到極限,EPS 的返回特性已經(jīng)改變了這一切。當轉(zhuǎn)向結(jié)束后,轉(zhuǎn)向盤會因回正力矩返回車輪中心，但有時回正力矩較小，使得方向盤回正很慢，對駕駛舒適感產(chǎn)生影響，電動助力系統(tǒng)可以解決這一問題，可以通過設(shè)計參數(shù)與傳感器對方向盤作用一個轉(zhuǎn)向力矩。這個系統(tǒng)可以由工程師使用軟件來調(diào)整他的初始和設(shè)計參數(shù)使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)得到最佳的返回特性。2.提高了操縱穩(wěn)定性。當車輛在高速行駛時,通過過度轉(zhuǎn)向來測試車輛的穩(wěn)定性。通過使用這種方法,在高速行駛(100kM/h)的車輛過多的拐角被迫滾動。在短時間自動返回過程中,由于使用微機控制,汽車具有較高的穩(wěn)定性,駕駛員具有更舒適的感覺。4.采用“綠色能源”,滿足現(xiàn)代汽車的要求。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用“最清潔”的動力作為能量,完全禁止液壓裝置,液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中沒有液體油泄漏?？梢哉f,該制度符合時代的“綠色”趨勢。2.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體組成電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(簡稱電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng))是利用電機提供輔助力矩的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。EPS 主要由轉(zhuǎn)矩傳感器、速度傳感器、電機、減速機構(gòu)和電子控制單元(ECU)組成。2.3 電動助力的原理圖 2-1 電動助力原理圖Fig2-1 Electric power diagram如圖 2-1，給轉(zhuǎn)向盤施加轉(zhuǎn)向力矩，轉(zhuǎn)矩傳感器可測得，該信號會傳遞到 ECU，當汽車行駛時，汽車的實時車速也會被車速傳感器測得，同樣通過線束把電信號傳遞給 ECU，此時 ECU 會對兩個信號做出判斷并給與解決方案，也就是按著預(yù)先設(shè)計的程序，計算出最合理的轉(zhuǎn)向助力力矩，再將此信號傳遞給電流控住電路，通過電流傳遞給電機實現(xiàn)助力，電機輸出力矩經(jīng)過蝸輪蝸桿等一系列減速機構(gòu)最終傳遞給轉(zhuǎn)向系。2.4 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型選擇圖 2-2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型Fig2-2 Type of electric power steering system如圖 2-2，電動助力類型分為：轉(zhuǎn)向軸助力；小齒輪助力；齒條助力三種本設(shè)計采用轉(zhuǎn)向軸助力：電動機安裝在汽車里；電機輸出的助力矩可相對小些，可由減速機構(gòu)放大傳給轉(zhuǎn)向軸，由此電動機尺寸和質(zhì)量也相對較小，這樣設(shè)計方便電機布置和減輕汽車質(zhì)量，從而減少油耗。而且助力系統(tǒng)獨立，不與轉(zhuǎn)向器連接，方便更換與維修。2.5 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性電動助力的特性由軟件編程師提前設(shè)定好的程序決定，在一般情況下，工程師在設(shè)計時會參考汽車的行駛車速，使助力特性曲線為車速的函數(shù)，隨車速的變化而變化，這種特性叫做車速感性型。圖 2-3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性Fig2-3 Power feature of electric power steering system如圖 2-3，汽車靜止時，即原地轉(zhuǎn)向助力的力矩最大，隨著汽車行駛，車速不斷增加，由于在高速行駛時，轉(zhuǎn)向靈敏度會影響汽車行駛安全，所以助力力矩有所下降，當車速達到峰值時，助力強度最小。53 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器設(shè)計與計算3.1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器設(shè)計圖 3-1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器形式Fig.3-1 Gear rack steering gear齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式：中間輸入，兩端輸出；側(cè)面輸入，兩端輸出；側(cè)面輸入，中間輸出；側(cè)面輸入，一端輸出。本課題選擇中間輸入兩端輸出形式。3.1.1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器設(shè)計要求模數(shù)在 2 3 之間。齒數(shù)范圍在 5 7 ，齒輪螺旋角取值范圍多為 9 15 。齒條齒數(shù)根據(jù)車輪轉(zhuǎn)到鎖點時，對應(yīng)的齒條移動距離來確定。變速比的齒條壓力角在12 35 內(nèi)變化。傳動比的選?。簩Τ擞密?，推薦轉(zhuǎn)向器角傳動比在17 25 內(nèi)選??；商用車在 23 32 范圍內(nèi)選取，選取傳動比為 24 :1。在這樣的情況下，轉(zhuǎn)向盤每轉(zhuǎn)動 24，前輪轉(zhuǎn)向 1。3.1.2 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器關(guān)鍵部件1. 齒輪齒輪是切有齒形的軸。齒輪安裝在轉(zhuǎn)向器殼體上并齒條上的齒相嚙合。配對使用，齒輪軸末端與傳動間軸相連。轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)把扭矩傳遞給齒輪軸，齒輪帶動齒條橫向移動以操縱前輪。齒輪軸由安裝在轉(zhuǎn)向器殼體上的球軸承支承。(1)選擇齒輪類型6根據(jù)齒輪傳動的工作條件，選用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動方案(2)選擇齒輪傳動精度等級選用 7 級精度2. 齒條齒條安裝在金屬殼體內(nèi)可以來回滑動具有齒形的金屬條。轉(zhuǎn)向器殼體安裝在前橫梁或前圍板的固定位置上。導(dǎo)向座將齒條支持在轉(zhuǎn)向器殼體上齒條可以比作是梯形轉(zhuǎn)向桿系的轉(zhuǎn)向直拉桿。3. 轉(zhuǎn)向橫拉桿通過齒條的橫向運動拉動轉(zhuǎn)向橫拉桿，使前輪轉(zhuǎn)向。4. 轉(zhuǎn)向梯形臂轉(zhuǎn)向橫拉桿帶動梯形臂旋轉(zhuǎn)，從而帶動車輪旋轉(zhuǎn)。3.2 計算汽車原地轉(zhuǎn)向的阻力矩為此用足夠精確的半經(jīng)驗公式來計算汽車在浙青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩 MR(N mm)。M R =fG 3=0.784283= 368517.4N mm13P30.24式中：f輪胎和路面間的滑動摩擦因數(shù)，一般取 f=0.7；G1轉(zhuǎn)向軸負荷，G1=10902.5N,單位為 N；P輪胎氣壓，P=0.2MPa,單位為 MPa。3.2.1 作用在轉(zhuǎn)向盤手力計算（3-1）Fh =2L1M RL2 DSW iwh+式中:L1轉(zhuǎn)向搖臂長，單位為 mm；MR原地轉(zhuǎn)向阻力矩；L2轉(zhuǎn)向節(jié)臂長，單位為 mm；DSW轉(zhuǎn)向盤直徑；= 2 368517.4 = 94.8N360 24 0.9（3-2）i轉(zhuǎn)向器角傳動比；+轉(zhuǎn)向器正效率，+=0.9。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)無轉(zhuǎn)向搖臂，L1 、L2 不帶入數(shù)值。用上式計算出來的作用力是最大值。因此，可以用此值作為計算載荷。3.2.2 梯形臂長度計算輪輞直徑：RLW = 16in = 406.4mm（3-3）梯形臂長度：L2 = RLW 0.8 2 = 162.6mm（3-4）取 L2 = 160mm3.2.3 輪胎直徑的計算RT = RLW + 0.55 215 = 524.6mm取 RT = 525mm（3-5）3.2.4 轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑的確定d 34M R= 34 368.510-3= 2.385mm（3-6）ap t0.16 3.14 216a = L2 ； d = 216MPa ； M R = 368.5N m取 dmin = 12mm3.2.5 估算主動齒輪軸直徑齒輪軸直徑：d 316M max= 316 94.8 160= 8.203mm（3-7）p t 3.14 140對所研究的載荷初步計算完成，轉(zhuǎn)向初選參數(shù)如表（3-1）：8表 3-1初選參數(shù)Tab.2-6 Primary parameters序號參數(shù)名稱數(shù)值1阻力矩（ N mm ）368517.42轉(zhuǎn)向盤手力（ N ）94.83輪輞直徑（ mm ）406.44梯形臂長度（ mm ）1605輪胎直徑（ mm ）5256橫拉桿直徑（ mm ）127轉(zhuǎn)向器角傳動比243.3 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的計算主動小齒輪選用 16MnCr5 或 15CrNi6 材料制造，而齒條常采用 45 鋼制造。 為減輕質(zhì)量，殼體用鋁合金壓鑄。3.3.1 確定齒輪傳動主要參數(shù)和幾何尺寸修正系數(shù) X n = 0.8分度圓直徑 d ：d =mz=2.5 5= 13mm（3-8）1cos bcos 20齒頂圓直徑 da1 ：da1 = d1 + 2ha= 13 + 2 2.5 (1 + 0.8) = 22mm（3-9）齒根圓直徑 d： df= d- 2h= 16 - 2m(h* + C * - X) = 13 - 3.13 = 10.75mm（3-10）f1fann齒寬 b ：b = fd d1 = 0.8 13 = 10.4mm（3-11）齒條寬取15mm ，齒輪寬取 25mm 。因為相互嚙合齒輪基圓齒距必須相等： Pb1 = Pb 2齒輪法面基圓齒距：Pb1 = m1p cosa1 = 4齒條法面基圓齒距為：Pb 2= m2p cosa2= 49取齒條法向模數(shù)：m2 = 2.5齒條齒頂高 h：h= m(h*+ Xn) = 2.5 (1 + 0) = 2.5（3-12）a 2a 2an齒條齒根高 hf 2：hf 2= m(h*+ C * - Xn) = 2.5 (1 + 0.25 - 0) = 3.125（3-13）ann3.3.2 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向橫拉桿運動分析圖 3-2 橫拉桿運動示意圖Fig.3-2 Sketch bar motion diagram當轉(zhuǎn)向盤從鎖點向鎖點轉(zhuǎn)動，每只前輪大約從其正前方開始轉(zhuǎn)動 30 ，因而前輪從左到右總共轉(zhuǎn)動約 60 。當轉(zhuǎn)向輪右轉(zhuǎn) 30 ，即梯形臂或轉(zhuǎn)向節(jié)由 OC 繞圓心 O 繞至 OA 時，齒條左端點 E 移至 EA 的距離為 l1OD = OA cos 30 = 160 cos 30DC = OC - OD = 160 -138.64 = 21.436AD = OA sin 30 = 80mmAA = DC , AEA = CE = BEB , AC = ADA EA = AEA2 - AA2 = 3402 - 21.4362 = 339.3CEA = A EA - AC = 259.32l1 = CE - CEA = 80.7同理計算轉(zhuǎn)向輪左轉(zhuǎn) 30 ，轉(zhuǎn)向節(jié)由 OC 繞圓心 O 轉(zhuǎn)至 OB 時，齒條左端點 E 移至 EB 的10距離為 l2DB = DA = 80mmDC = BBB EB = BEB2 - BB2 = 3402 - 21.4362 = 339.3mml2 = EEB = CB+B EB - CE = 79.3嚙合長度大于 l1 + l2即 L l1 + l2 = 80.7 + 79.3 = 160mm取 L = 181mm齒條齒數(shù) 23 模數(shù) 2.5， 總長 700mm。表 3-2齒輪齒條參數(shù)匯總Tab.3-2 Sketch bar motion diagram序號項目符號齒輪齒條1總長L7002直徑f22163齒數(shù)Z25234法向模數(shù)M n2.52.55螺旋角b10106分度圓直徑d137齒頂高hf4.52.58齒根高ha1.1253.1259齒頂圓直徑da2210齒根圓直徑d f10.75113.3.3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的材料選擇及強度校核1選擇齒輪齒條材料、熱處理方式及計算許用應(yīng)力(1) 選擇材料及熱處理方式小齒輪 16MnCr5 滲碳淬火，齒面硬度 56-62HRC大齒輪 45 鋼表面淬火，齒面硬度 52-56HRC齒輪齒條模數(shù)選取 m = 2.5壓力角取 20 ，齒輪螺旋角取10(2)確定許用應(yīng)力：s H = s H lim Z Ns F = s F limYST YNSH minSF min1)確定s H lim 和s F lims H lim1 = 1500MPas H lim 2= 1300MPas F lim1 = 425MPas F lim 2= 375MPa2)計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N，確定壽命系數(shù) Z N 、YN 。N= 60n jL = 60 1 20 (10 8 300) = 2.88 107 = N211h查表得：Z N 1 = 1.25 ,YN 1 = 1 = YN 23)計算許用應(yīng)力：取 SH min = 1 ， SF min= 1.4s H 1= s H lim Z N 1= 1500 1.25 = 1875MPaSH min1s H 2 = 1300 1.25 = 1625MPa1s H 1 s H 2 ，取 s H = s H 2 = 1625MPa應(yīng)力修正系數(shù)YST = 2s F1 =s F1limYST YN 1=425 2 1= 607.14MPaSF min1.4（3-14）（3-15）（3-16）（3-17)(3-18)s F 2 =s F limYST YN 2=375 2 1= 535.7MPa(3-19)SF min1.4s F = s F 2 = 535.7MPa2. 強度校核(1) 校核齒輪接觸疲勞強度:經(jīng)查機械設(shè)計手冊得:Z E = 189.8MPa查圖Z H = 2.45Ze = 0.8Kt = 1.41）確定載荷系數(shù) K齒輪使用系數(shù)： K A = 1V =pd1n1=3.14 13 20= 0.0136m / s60 10360 103VZ1 = 0.0136 5 = 6.8 10-4100100齒輪動載系數(shù)： KV = 1選取對稱布置： K b = 1.06查表得： Ka = 1.3載荷系數(shù) K：K = K A KV K b Ka = 111.06 1.3 = 1.378轉(zhuǎn)矩：T1 = Fh l2 = 94.8 0.16 = 15168N mms H = Z H Z E Ze2KT1 m +1bd12m= 2.45 189.8 0.8 2 1.378 151684 +1= 1363.94MPa s H 2 231324故齒輪接觸疲勞強度滿足要求。（2）齒根彎曲疲勞強度設(shè)計初選參數(shù)：(3-20)(3-21）（3-22）（3-23）（3-24）13Ye= 0.7 Yb = 0.89 YS1 = 1.68 YS 2 = 1.97YFa = 2.41 YFa= 2.0612s F1 = YF YSYb Ye2KT1bmd1（3-25）2 1.378 15168 0.89 2.41 0.7 1.68 = 141.06 s F1 =2313 2.5故齒輪彎曲疲勞強度滿足要求。3.3.4 齒輪軸校核1.齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的受力分析與計算圓周力：F = 2T= 2 15168 = 2333Ntd113徑向力：F =Ft tan a= 2333 tan 20 = 862Nrcos bcos10軸向力：Fa = Ft tan b = 2333 tan10 = 411N2.齒輪軸校核（1）計算支撐反力：在垂直面上：F=l2 Fr1+ Fa1 d 2= 22 862 + 4119 = 395NRAVl1 + l222 + 22FRBV = Fr- FRAV= 862 - 395 = 467 N1在水平面：FRAH = FRBH = Fr2 = 2333 / 2 = 1166N1（2）畫彎矩圖在水平面上；a - a 剖面左側(cè)、右側(cè)：M aH = M aH = FRAH l1 = 1166 22 = 25625N mm在垂直面上 a - a 剖面左側(cè)：M aV = FRAV l2 = 395 22 = 8690N mma - a 剖面右側(cè)：（3-26）（3-27）（3-28）（3-29）（3-30）（3-31）（3-32）（3-33）14M = Fl2= 467 22 = 10274 N mm（3-34）aVRBV合成彎矩 a - a 剖面左側(cè):（3-35）M a = M aH2 + M aV2 = 256522 + 86902 = 27083N mma-a 剖面右側(cè):M a = M aH2 + M aV2 = 256522 +102742 = 27632 N mm（3-36）(3)畫轉(zhuǎn)矩圖轉(zhuǎn)矩:T = Ft d 2 = 233318 / 2 = 20997 N mm（3-37）判斷危險剖面:s = 90MPa a = 0.6a - a 左側(cè)：W pd 3 32 = p 183 / 32 = 572.5mm3（3-38）s e = M 2 + (aT )2 / W（3-39）572.5 = 52 S，故 a-a 剖面安全。圖 3-3 齒輪軸校核彎矩圖Fig3-3 Gear shaft check moment diagram164 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的三維實體建模4.1 齒輪軸實體建模首先點擊齒輪建模，選擇柱齒輪，選擇 yc 軸方向，創(chuàng)建斜齒輪，選擇變位齒輪，填寫壓力角，螺旋角，變位系數(shù)，點擊估算出結(jié)果，【確定】生成齒輪，在齒輪的基礎(chǔ)上，選擇【插入】/【設(shè)計特征】/【圓柱體】，選擇矢量，選擇齒輪 yc 表面，點擊【確定】生成圓柱，繼續(xù)選擇所建圓柱 yc 面齒輪軸線生成第二段軸，此軸段與軸承配合，同樣點擊【插入】/【設(shè)計特征】/【圓柱體】，選擇 yc 平面，齒輪軸線，點擊【確定】，生成第三段齒輪，重復(fù)上一步操作，生成最后一段軸，繼續(xù)點擊【設(shè)計特征】/【圓柱體】，選擇-yc 方向，選擇軸線，生成軸段，此軸段與軸承配合，至此齒輪軸建?；就瓿?，最后點擊【細節(jié)特征】，選擇軸兩端邊緣，選取倒角尺寸，對軸兩端進行倒角，至此齒輪軸建模完成。圖 4-1 齒輪軸Fig3-3 Gear shaft4.2 齒條的建模齒條建模要注意齒間距，齒寬，齒的拉伸角等細節(jié)問題，確保尺寸的準確性，螺旋角的精確，否則與齒輪裝配會出現(xiàn)干涉。點擊【插入】/【設(shè)計特征】/【圓柱體】，選擇工作系原點，繪出齒條總輪廓，點擊插入草圖，選擇圓柱端面進入草繪，利用直線工具與標注尺寸確定齒寬平面，完成草圖，點擊【拉伸】工具，選擇剛剛草繪直線，拉伸成面，此面為齒寬平面，在此基礎(chǔ)上經(jīng)行齒的繪制，點擊任務(wù)環(huán)境中的草圖，選擇 yc 面進入草繪，在設(shè)計位置利用輪廓工具繪出齒的形狀，利用約束工具，確定各條線的相對位置，例如垂直、平行、中點等。特別注意分度圓位置與距離約束結(jié)束點擊完成，退出草圖界面，點擊快捷鍵 x 進行拉伸，選擇草繪圖形，選擇對稱拉伸，拉伸出齒。圖 4-2 齒條草圖Fig 4-2 sketches of rack點擊【陣列特征】，選擇齒，根據(jù)齒數(shù)齒距，選擇數(shù)量和節(jié)距，拉伸出齒條。再次點擊任務(wù)環(huán)境中的草圖，用輪廓線繪制齒形以便剪切齒。點擊【拉伸】選擇草圖，布爾運算18選擇求差，基本完成齒條建模，最后選擇【螺紋】，選擇齒條兩端螺紋長度，生成螺紋，至此齒條建模完成。圖 4-3 齒條Fig.4-3rack4.3 殼體建模齒輪齒條轉(zhuǎn)向器殼體負責(zé)容納齒輪齒條、密封、墊塊、軸承等工作元件，起著固定支撐作用，殼體建模至關(guān)重要，殼體不規(guī)范，則無法裝配仿真，所以要精確確定齒輪齒條相對位置，各組件距離圓滑的外觀和內(nèi)部精準的尺寸是建模的重點。點擊【任務(wù)環(huán)境中的草圖】選擇平面，利用圓工具，選擇工作原點，根據(jù)尺寸繪制兩個同心圓，完成草圖。19圖 4-4 殼體建模草圖Fig. 4-4 sketch of shell modeling點擊【拉伸】工具，選擇草圖拉伸出空心圓柱，在拉伸的拉伸的圓柱表面繼續(xù)繪制草圖，繪制同心圓，完成草圖，拉伸草圖，齒條方向殼體繪制完成。根據(jù)齒輪齒條裝配位置，裝配距離，點擊【基準】，選擇基準坐標系，建立齒輪軸方向殼體基準，點擊草圖選取 yc-zc 平面進入草圖，以坐標系原點為圓心繪制圓柱，此圓柱內(nèi)部為軸承殼體，以所繪圓柱表面繪制草圖，點擊【圓】工具，繪制圓完成草圖，拉伸圓柱。點擊【細節(jié)特征】，選取兩圓柱交匯處圓邊緣倒圓角。在所繪圓柱表面繼續(xù)繪制草圖，根據(jù)齒輪軸尺寸、軸承尺寸，分別拉伸出槽，這些槽直徑分別為軸承、密封圈直徑，以便與其配合。點擊【任務(wù)環(huán)境中的草圖】，在剛建立的基準坐標系中繪制草圖，選擇 xc-zc 平面進入，繪制圓，退出草圖，在-yc 方向拉伸出圓柱，在拉伸圓柱下表面繼續(xù)繪制草圖，首先拉伸出容納調(diào)整螺栓槽，接著繼續(xù)繪制草圖，拉伸調(diào)整滑塊槽，直至上殼體，至此齒輪齒條殼體建模完成。20圖 4-5 轉(zhuǎn)向器殼體Fig. 4-5 steering gear housing4.4 球頭銷、轉(zhuǎn)向橫拉桿建模建模過程中注意球頭尺寸和球頭孔的大小。點擊任務(wù)環(huán)境中的草圖，選擇 xc-yc 平面，以原點為圓心繪制同心圓，完成草圖，點擊【旋轉(zhuǎn)】命令，繪制出空心球體。再次點擊【任務(wù)環(huán)境中的草圖】，選取 xc-zc 平面，以基準坐標系原點為圓心，繪制圓，完成草圖，使用【拉伸】命令，選取剛繪制的草圖，選擇-yc 方向進行拉伸求差，在導(dǎo)航部件中右擊【拉伸】，選擇將草圖設(shè)為內(nèi)部，建模完成。21圖 4-6 球頭銷Fig. 4-6 ball pin繪制球頭銷端蓋，點擊任務(wù)環(huán)境中的草圖，以原點為圓心繪制同心圓，完成草圖，點擊【旋轉(zhuǎn)】命令，選擇旋轉(zhuǎn)方向 xc 繪出空心球體，再次進入草繪，選擇 xc-zc 平面，以原點為圓心，繪出同心圓，完成成草圖，點擊【拉伸】，選擇剛繪制草圖，并選擇對稱值，布爾運算選擇求差，拉伸出空心圓柱，點擊插入【螺紋】，選擇球頭銷端蓋末端圓柱內(nèi)表面，點擊確定，生成螺紋。完成球頭銷蓋的建模。22圖 4-7 球頭銷Fig. 4-7 Ball pin橫拉桿連接梯形臂與球頭銷，再轉(zhuǎn)向中起到拉動作用，此橫拉桿與球頭銷內(nèi)球一體，在球殼內(nèi)轉(zhuǎn)動。新建組件，點擊【任務(wù)環(huán)境中的草圖】，選取 xc-yc 平面，進入草繪，在原點繪制圓，完成草圖，點擊【旋轉(zhuǎn)】命令，旋轉(zhuǎn)成球體，再次進入草繪，選取 yc-zc 平面，同樣選擇坐標原點繪制圓，完成草繪，點擊【拉伸】命令布爾運算選擇求和，拉伸出圓柱體。點擊【螺紋】工具，選擇拉伸的圓柱表面生成螺紋。圖 4-8 橫拉桿Fig. 4-8 horizontal bar23繪制橫拉桿端頭，點擊【任務(wù)環(huán)境中的草圖】，選擇 xc-zc 平面，根據(jù)橫拉桿直徑畫出圓，完成草圖，拉伸出圓柱體，進入【任務(wù)環(huán)境中的草圖】，選擇 xc-yc 平面坐標系原點繪制圓，完成草圖，【拉伸】圓柱，在圓柱上表面繼續(xù)添加圓柱體，繪制與梯形臂相連的圓柱，同時在此圓柱表面繪制草圖，拉草圖線為面，點擊【加厚】命令布爾運算選擇求差，沿 z 軸方向拉伸，完成修減，最后運用【細節(jié)特征】，點擊【倒角】命令，對與梯形臂相連的圓柱倒角，最后在第一個【拉伸】圓柱末端 xc-zc 平面繪制圓拉伸出與橫拉桿相配合的孔，點擊【螺紋】工具在孔內(nèi)生成螺紋。圖 4-9 橫拉桿Fig . 4 - 9 Tie rod4.5 軸承、轉(zhuǎn)向梯形臂建模軸承主要支撐齒輪軸，并使