設計說明書-動力齒輪齒條轉向器的設計

動力齒輪齒條轉向器的設計 摘要 隨著經(jīng)濟的迅速增長，汽車工業(yè)得到了迅猛發(fā)展。作為汽車重要安全部件 之一的轉向系統(tǒng)也取得了跨越式發(fā)展。汽車轉向器主要用于汽車駕駛過程中的 轉向操作，其性能的重要性不言而喻。本論文通過查閱國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和現(xiàn)有 機械轉向器的類型特點，選用齒輪齒條作為汽車轉向器的主體機構方案。首先 在考慮轉向器基本功能實現(xiàn)的前提下，以方向盤帶動齒輪齒條轉向軸，萬向節(jié) 帶動轉向齒輪軸，其后齒輪軸與齒條配合實現(xiàn)轉向操作。通過計算校核設計的 安全可靠性。最后，利用三維軟件針對齒輪齒條轉向機構進行三維建模，并驗 證該主體機構尺寸設計的合理性。 關鍵詞：齒輪齒條設計；轉向系統(tǒng)；轉向器 動力齒輪齒條轉向器的設計 I Abstract With the rapid economic growth, the automotive industry has been developing rapidly. As one of the important safety components of automobiles, the steering system has also made great stride development. Automobile steering gear is mainly used in steering operation during vehicle driving, and its importance is self-evident. Through consulting the research status at home and abroad and the characteristics of the existing mechanical steering gear, this paper selects rack and pinion as the main body mechanism of automobile steering gear. First, on the premise of realizing the basic function of the steering gear, the steering wheel drives the gear and rack steering axis with the steering wheel, the universal joint drives the steering gear shaft, and then the gear shaft is cooperated with the rack to realize the steering operation. The safety and reliability of the design is calculated. Finally, the 3D modeling of the rack and pinion steering mechanism is carried out by three-dimensional software, and the rationality of the size design of the main body is verified. Keywords: Gear and rack design Steering system Steering gear 動力齒輪齒條轉向器的設計 II 目錄 摘要 .I ABSTRACT.II 第 1 章 緒論 .1 1.1 概述 .1 1.2 轉向器的作用與分類 .1 1.3 汽車轉向裝置的發(fā)展趨勢 .3 1.4 汽車轉向器國內(nèi)外現(xiàn)狀 .4 1.5 設計的主要內(nèi)容 .6 第 2 章 齒輪齒條轉向器設計方案選擇 .7 2.1 轉向系主要性能參數(shù) .7 2.2 轉向器總體方案設計 .8 2.2.1 轉向器設計方案說明 .8 2.2.2 轉向器輸入輸出形式 .8 2.2.3 轉向器輸出形式對比分析 .9 2.2.4 轉向器齒輪齒條選擇 .9 2.2.5 轉向器齒條斷面形狀選擇 .9 2.2.6 轉向器的四種布置形式 .10 2.2.7 轉向器最終方案確定 .11 2.2.8 本章小結 .11 第 3 章 設計計算過程 .12 3.1 側偏角的計算 .12 3.2 原地轉向阻力矩的計算 .13 3.3 力傳動比與角傳動比對比分析 .13 3.3.1 兩種傳動比基礎介紹 .13 3.3.2 角傳動比與力傳動比確定 .14 3.4 轉向器齒輪齒條的設計 .15 3.4.1 嚙合傳動的特點 .15 3.4.2 齒輪參數(shù)的選擇 .16 3.4.3 接觸疲勞許用應力 .16 3.4.4 齒輪的齒根彎曲強度設計 .17 3.4.5 齒輪主要參數(shù)選取計算 .18 動力齒輪齒條轉向器的設計 III 3.4.6 齒條主要參數(shù)選取計算 .19 3.4.7 齒面接觸疲勞強度校核 .20 3.4.8 本章總結 .20 第 4 章 齒輪軸的設計 .21 4.1 傳動受力分析 .21 4.2 最小軸徑確定 .21 4.3 強度校核 .21 4.3.1 本章小結 .24 第 5 章 間隙調整彈簧的設計 .25 5.1 彈簧材料 .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 校核與內(nèi)外徑的確定 .26 5.5 工作時的數(shù)據(jù) .27 5.5.1 本章小結 .27 第 6 章 軸承選擇與潤滑方式分析 .29 6.1 軸承的選用方案 .29 6.2 轉向器潤滑方式 .29 6.2.1 本章小結 .30 結論 .31 參考文獻 .32 致 謝 .33 附錄 A 外文翻譯 .34 動力齒輪齒條轉向器的設計 0 第 1 章 緒論 1.1 概述 自改革開放幾十年來，汽車工業(yè)得到了長足進步。而轉向系統(tǒng)，這種汽車 上的重要部件之一，也在我國市場上，得到了飛速發(fā)展。對于該部件的生產(chǎn)來 說，目前已達到了專業(yè)化和現(xiàn)代工業(yè)化的規(guī)模。我們可以從有關數(shù)據(jù)獲知，在 發(fā)達國家中，和轉向器有關的制造業(yè)，早就實現(xiàn)了大規(guī)模生產(chǎn)，而且產(chǎn)量可以 達到年均數(shù)百萬臺。所以，在資本和技術等方面優(yōu)勢的加持下，這些廠商差點 就占據(jù)全球所有的轉向器市場，如今，其成功模式被世界各地其它廠商爭相模 仿。 1.2 轉向器的作用與分類 通常情況下，轉向器可以改變轉向盤上的力矩，讓它增大，然后讓速度得 以削減，接著再傳遞到轉向系統(tǒng)中的傳動部件上。在轉向系統(tǒng)中，實現(xiàn)速度減 弱的裝置，叫做轉向器。通常，由 1 到 2 級來縮小傳動副的速度。轉向器進行 傳動的效率很低，因為它的傳動比比較大，該效率是輸出與輸入功率的比值。 該效率因為傳動方向的不同，被劃分為兩種情況：第一種，正效率。這種情況 下，功率是從轉向柱輸入，然后，轉向搖臂再把它輸出到車輪上；第二種，逆 效率。功率的輸入和輸出正好和正效率情況下的相反。而在進行轉向器的設計 時，要注意到的是，如果想要提升轉向器的傳動效率，那么就又很必要削減操 縱轉向盤所需要的力量。現(xiàn)在，各地市場上常見的轉向器，主要有蝸桿指銷式、 循環(huán)球式和齒輪齒條式轉向器等。本文所研究的，就是齒輪齒條式轉向器。 在市場上，該轉向器具有很多優(yōu)點，比如，它的傳動副只由兩部分構成， 分別是齒輪和齒條。所以它的構造簡潔、置放容易、穩(wěn)定性高，而且制造工藝 不繁瑣，生產(chǎn)速度快等。但它也有著許多顯著不足，比如，轉向傳動的尺寸不 是很大，而且，在實際使用中，齒條的不均勻磨損，會時常在其長度方向上發(fā) 生。因此，一些無需進行高強度工作的微型汽車，經(jīng)常在其轉向系統(tǒng)中，使用 該種形式的轉向器。 轉向器結構主要形式可分為數(shù)種類型。過去的幾十年曾出現(xiàn)過多種形式的 不同類型轉向器，近幾年來，遍地使用的轉向器，主要有下列幾種形式，比如 動力齒輪齒條轉向器的設計 1 蝸桿滾輪式、循環(huán)球式和齒輪齒條式等。除此之外，還有一種非常冷門的蝸桿 滾輪式轉向器。但要是按照轉向助力的方式，那么轉向器，又能被劃分為以下 兩種類型，第一，機械式；第二，動力式。在這兩種類型中，機械式動力轉向 器，又因為動力來源的不同，被劃分為以下幾種形式，比如電動助力式、氣壓 動力式和液壓動力式等等。 1、齒輪齒條式轉向器 這是一種被廣泛使用的轉向器，在市場上隨處可見。它的基礎結構很簡單， 主要是齒條和一雙互相嚙合的齒輪。在轉向軸的帶動下，小齒輪開始旋轉，而 齒條就被帶動起來，開始做直線運動。當然，還有一些與此不同的情況，比如 橫拉桿直接被齒條帶動，從而使轉向輪帶動車輪，改變方向。這種轉向器的結 構最為簡單，且成本低廉，但是轉向的靈敏度卻一點也不低，體積還很小巧。 從性價比上來說，這種轉向器是最優(yōu)選擇，所以得到了相關市場的青睞。 2、蝸桿曲柄銷式轉向器 該轉向器主要分為蝸桿和曲柄銷兩大部分組成。蝸桿的螺紋形狀類似于為 梯形；錐形銷通過軸承，被支撐在曲柄上，而該曲柄和負責轉向的搖臂，則是 一個整體，沒有任何接連結構。轉向系統(tǒng)在接到駕駛員的指令后，先會通過轉 向盤，使蝸桿轉動起來。接著。錐形銷，就會在蝸桿螺旋槽內(nèi)，持續(xù)地進行自 轉，同時還以搖臂的軸為中心，做著圓弧運動。通過這樣的方式，讓轉向擺臂 和曲柄，產(chǎn)生擺動，然后，轉向輪再在轉向傳動部件的作用下，發(fā)生偏轉。這 種轉向器產(chǎn)生的轉向力非常大，所以經(jīng)常被應用在卡車和大型貨車的轉向系統(tǒng) 中。 3、循環(huán)球式轉向器 這種轉向器的工作原理，如下所述：轉向盤的所發(fā)出的旋轉力，會被齒輪 結構減少，接著該結構會把這個力進行傳遞，此時，螺夾著鋼球的螺母和滾珠 螺桿，就會相互咬合，從而將滾珠螺桿轉變?yōu)橹本€往復的運動。然后齒輪便會 再次跟螺母之間發(fā)生嚙合，這樣就會改變剛才滾珠螺桿的直線往復運動，讓它 旋轉起來。而該旋轉會搖動連桿臂，讓它帶著連動和橫拉桿，進行直線往復運 動，從而實現(xiàn)車輪方向的改變。這是一種非常經(jīng)典的轉向方案，但比較落后， 不被市場所喜愛。它主要是利用了一種相對位移，該位移是螺栓和螺母在旋轉 的整個過程中，所形成的。出于削減直接接觸帶來的阻力，一定數(shù)量的鋼球被 放置在這個結構的螺紋中。于是，當轉向系統(tǒng)開始轉向操作后，鋼球就會在螺 旋曲線內(nèi)做著往復運動，當然，該曲線是封閉的。所以，這種轉向器就被稱為 循環(huán)球式轉向器。 4、齒輪齒條液壓助力轉向器 動力齒輪齒條轉向器的設計 2 相較于齒輪齒條機械式的轉向器來說，有一種叫做齒輪齒條液壓助力式的 轉向器。這種液壓助力式轉向器，只不過在原鄉(xiāng)機械式的基礎上，增加了一些 讓駕駛員在轉向操作中，會感到更加方便的部件，比如，轉向閥、轉向油缸、 轉向油壺等等，讓駕駛員的轉向操作更加省時省力。 1.3 汽車轉向裝置的發(fā)展趨勢 在汽車的所有部件中，轉向裝置是非常重要的部件之一，它可以輕而易舉 地改變汽車的行進方向。所以，通常要求該裝置的反應要十分靈敏，能準確感 知駕駛員的下達的轉向操作指示。而且，當轉向動作發(fā)生后，哪怕駕駛員沒有 再操作方向盤，該裝置也要能夠使汽車自行回位到之前的穩(wěn)定駕駛中。 汽車工業(yè)作為第二產(chǎn)業(yè)的中流砥柱，其代表著一個國家的制造業(yè)整體水平。 汽車屬于制造業(yè)的集成產(chǎn)品，結合了多種領域的優(yōu)勢特點，集復雜性與高科技 于一身，遠非我們原來所理解的機械工程車輛。 傳統(tǒng)設計的轉向系統(tǒng)，主要采用的都是機械式助力，比如，通過人力轉動 方向盤，帶動一系列的機械部件運動之后，轉向器進行轉向動作，從而改變汽 車的駕駛方向。 液壓式轉向系統(tǒng)更為先進，便捷，得到了市場的一直認可，遂得以逐年擴 展推廣。液壓式的轉向系統(tǒng)成功把原先的人力助力，變更為液壓輔助人力的方 式，大大減少駕駛員轉向時的發(fā)力。該助力系統(tǒng)，英文簡稱為 HPS，是通過對 機械式轉向系統(tǒng)進行改進后，衍生出來的添加液壓部件。這液壓部件的動 力源，來自汽車的發(fā)動機，性能非常穩(wěn)定，性價比也很實惠。所以，自從面世 以來，深受市場的追捧。這種助力轉向系統(tǒng)區(qū)別是由液壓力出力支持轉向運動 的實現(xiàn)，弱化駕駛者作用在方向盤上的力，進一步加強汽車轉向系統(tǒng)穩(wěn)定性和 便捷性。 隨著電子技術在汽車中進一步推廣使用，大量的電子器件也被添加到轉向 系統(tǒng)中來，這也標志著轉向系統(tǒng)電子化的全面到來，很快就有廠家推出了其新 一代產(chǎn)品電液助力轉向系統(tǒng)。目前市面上售賣的電液助力轉向系統(tǒng)，主要 有兩種，第一種，電動液壓助力轉向系統(tǒng)；第二種，電控液壓助力轉向系統(tǒng) 1。 這兩種系統(tǒng)都是基于液壓轉向系統(tǒng)，改進和衍生而來的。相較于傳統(tǒng)的液壓式 轉向系統(tǒng)，它們之間還是有一些明顯差別的。比如，電液助力轉向系統(tǒng)，它的 動力來源是單獨的電動機，而在非液壓式轉向裝置中，卻是由發(fā)動機提供動力。 用電動機代替發(fā)動機的好處，也是顯而易見的，不會增加發(fā)動機的功率消耗， 縮減了汽油的用量。而電控式液壓轉向系統(tǒng)，雖然動力也是由電動機提供的， 動力齒輪齒條轉向器的設計 3 但它跟電液助力轉向系統(tǒng)比起來，也有著明顯的不同。電控式，顧名思義，它 在轉向系統(tǒng)中使用了電子器件對轉向進行控制?？梢愿鶕?jù)汽車駕駛中的一些部 件參數(shù)，比如汽車當下行駛速度和方向盤的轉向速度等等，然后決定提供多大 的液壓助力，對轉向動作進行輔助，從而可以在各種車況下，實時地對轉向系 統(tǒng)在轉向操作時，所用到的助力大小進行調節(jié)。減少磨損，降低消耗能源。 電液助力轉向系統(tǒng)雖較液壓助力轉向有部分優(yōu)勢。然而，這種系統(tǒng)并非完 美無缺，它自身依舊存在各種不足和缺陷，比如，液壓油容易泄露等等。同時， 電液助力系統(tǒng)中，液壓部件的加入，不僅增加了廠家的生產(chǎn)成本，轉向系統(tǒng)也 變得非常復雜，其性能反倒變得不可靠。如大部分坦克現(xiàn)仍使用機械轉向系統(tǒng)。 在電氣化發(fā)達的今天，由于電液助力系統(tǒng)的諸多不足，人們很快就發(fā)現(xiàn)了 它的替代品即電動助力轉向系統(tǒng)。該系統(tǒng)對于其它類型的轉向裝置，該系統(tǒng)摒 棄了液壓部件，而且它的助力來源也變更為電動機。這種轉向裝置由三種基本 器件構成，比如微處理器、電動機和轉矩傳感器等。它的工作流程如下所述 2： 當轉向系統(tǒng)接收到轉向指令后，轉向軸就會做出相應運動，與此同時轉矩傳感 器開始工作，對轉矩信號進行處理，然后將該信號變?yōu)殡娮有盘?，推送到微?理器中。接收到該電子信號后，微處理器會采集相關部件以及汽車當前的駕駛 速度等，運行預設的相關算法，進行綜合研判，然后決定是否提供助力，以及 提供多少助力。因其優(yōu)異的屬性應用范圍進一步推廣至大型傳統(tǒng)車輛。 1.4 汽車轉向器國內(nèi)外現(xiàn)狀 在多年的推廣和發(fā)展后，汽車領域也采用了大量的電子技術，轉向裝置中 也是如此，使得其性能大為提升。目前，市面上主要有四種類型的轉向器，比 如，齒輪齒條式( 英文縮寫 RP 型)、蝸桿滾輪式(英文縮寫 WR 型)、有蝸桿銷式 (英文縮寫 WP 型) 和循環(huán)球式 (英文縮寫 BS 型)等轉向器。 從現(xiàn)有統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，可以獲知，在國內(nèi)市場上，汽車循環(huán)球式的轉向器數(shù) 量最多，幾乎壟斷大半市場，份額超過百分之四十二；緊跟在循環(huán)球式轉向器 之后的，是齒輪齒條式轉向器，其市場份額剛過百分之三十九；其余，就是很 稀有的蝸桿滾輪式和其它形式的轉向器，市場份額加起來好不到百分之二十。 可見，循環(huán)球式的轉向器，非常受市場的歡迎，所以有關它的改進和研發(fā)，也 一直在進行中，這讓它的性能也不斷得到更新和改進。而在西歐地區(qū)和日本， 齒條齒輪式轉向器主要多用在小客車上。特別是日本這個國家，它所生產(chǎn)的車 輛都合理采用了這種車型所能適用的轉向器，而且其針對公共汽車開發(fā)的循環(huán) 動力齒輪齒條轉向器的設計 4 球式轉向器，目前已經(jīng)壟斷了全球市場。一般來說，無論大還是小貨車等，它 們的轉向系統(tǒng)都使用的是循環(huán)球式轉向器。不過我們也要注意到的是，齒條齒 輪式轉向器的應用，也非常廣泛，跟循環(huán)球式的市場份額相比，相差不大。 國內(nèi)早期轉向器廠商們生產(chǎn)的基本都是循環(huán)球式轉向器。只有很少部分的 廠商生產(chǎn)蝸桿滾輪式轉向器和蝸桿銷式轉向器，比如，早期的東風和解放汽車， 分別使用的就是蝸桿滾輪式和蝸桿銷式轉向器。一九八九年，國家政策放開后， 解放和東風等老牌廠商，也開始迅速推進循環(huán)球式轉向器的研發(fā)，并很快將這 種轉向器應用到自家的第二代車型中。 在國外諸多生產(chǎn)商中，循環(huán)球式轉向器的生產(chǎn)開發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)日趨完善。 各種跨國公司通過技術與資金優(yōu)勢極大的擠壓了市場的占有率和銷售渠道。專 業(yè)系統(tǒng)工業(yè)化的生產(chǎn)已成為一種發(fā)展趨勢，這條路屬于較為成功的發(fā)展模式， 提高了企業(yè)市場競爭力。 世界上有兩種主要類型的轉向器，分別是循環(huán)球式和齒輪齒條式轉向器。 而其它轉向器，比如蝸輪蝸桿式和蝸桿銷式轉向器，正在被市場無情拋棄。但 在轉向器的具體應用領域上，各個國家和地區(qū)之間的意見也不統(tǒng)一。比如，美 國和日本把研發(fā)重點繼續(xù)放在循環(huán)球式轉向器上，其國內(nèi)該種轉向器的市場占 有率已經(jīng)高達百分之九十；而西歐地區(qū)，則在大力發(fā)展齒輪齒條式轉向器，他 們的產(chǎn)品占有了轉向器市場中的大多數(shù)份額，為百分之五十。因為齒輪齒條式 轉向器自身所具有的多種優(yōu)勢，使得它在小型車的轉向系統(tǒng)上，發(fā)展的如火如 荼；而循環(huán)球式轉向器則基本都被用在大型車輛的轉向系統(tǒng)中。 循環(huán)球式轉向器的優(yōu)勢時操作起來省力、便捷。它可以很便捷地放置在汽 車中，可以很好的配合大中型車輛轉向系統(tǒng)的運作；它的逆效率很能滿足實際 需要，即方向盤能得到及時回到原位等等?？梢詫崿F(xiàn)變速比的特性。具體分布 中以中間位置轉向力小、較為常用。該轉向器可以實現(xiàn)變速比，所以得到很多 廠商的采用。但是，該轉向器在完成轉向動作的過程中，需要用到大量鋼球。 鋼球不停地一邊自轉，同時還一邊滑動，從而讓車輪更改方向。所以，這就對 鋼球是否堅硬和是否耐磨等提出了很高的要求。這種類型的轉向器還能通過相 關技術，被改變成等強度結構。所以它在市場上有著很強的競爭力。 齒輪齒條式轉向器的主要具有以下幾個優(yōu)點：組織構造簡明，易于制造， 通用材料即可滿足轉向器性能；同等條件下在傳動方面的擁有更好的效果，效 率超過百分之九十；當齒輪和齒條之間出現(xiàn)磨損的現(xiàn)象后，可以利用相關彈簧 部件，自動去除空隙 3。這樣做不僅提高了轉向器的使用壽命，轉動精度，還 有效的降低了運作過程中的噪音。該轉向器所需空間不大，生產(chǎn)成本低。 從上文中可以獲知，未來市場上的主流轉向器，必然是循環(huán)球式和齒輪齒 動力齒輪齒條轉向器的設計 5 條式轉向器。 1.5 設計的主要內(nèi)容 基于對其它同種類型車輛中轉向系統(tǒng)的參考，本文中所設計的轉向系統(tǒng)類 型為機械式的，主要研究內(nèi)容為：對轉向系統(tǒng)做出解釋，接著對轉向器零件的 設計和其工藝性等問題展開了相關探討。 然后轉向器及零部件的設計方案，按照以下三個步驟，進行了闡述和論證： （1）分析和探討選定的轉向器； （2）根據(jù)查閱國內(nèi)外文獻和需求原則，設計轉向系統(tǒng)中的各個零部件； （3）針對設計方案，結合三維軟件對本設計進行論證和仿真。 最后確認對部分零件潤滑方式，至此為本次設計主要內(nèi)容。 動力齒輪齒條轉向器的設計 6 第 2 章 齒輪齒條轉向器設計方案選擇 2.1 轉向系主要性能參數(shù) 汽車行駛方向是由轉向系進行控制的，轉向系是一種包含轉向操縱機構的 汽車上的機構。因為轉向系對方向的控制作用，造成了其必須在接收到轉向指 令的時候做到及時、靈敏而又能準確無誤和平穩(wěn)。而當轉向系上沒有任何指令 傳達的時候，也就是方向盤不被操作的時候，汽車必須能夠重新進入平穩(wěn)的直 線運行，而且是自動進入。 良好的轉向系統(tǒng)一般滿足以下幾點： 1、根據(jù)傳統(tǒng)將轉向系傳動比分為兩類，一類是角傳動比。還有一類是轉向 力傳動比。，兩者根據(jù)不同的方法計算傳動比。根據(jù)機械結構的不同，若在轉 向輪阻力取固定值時，角傳動比的增加，會降低靈敏度，但駕駛體驗感優(yōu)異， 常用于非專業(yè)特殊車輛；反之角傳動比的減小，會需要駕駛者用更大的力去轉 向，增加了靈敏度降低了安全性，常見于工地車輛。轉向角傳動比根據(jù)相關資 料查閱的不得低于十五至十六之間；也不宜過大，具體以實際車輛性能需求為 參考。 2、考慮到現(xiàn)實中常見汽車事故的教訓，汽車轉向器的自動回正能力必須的 固定到一定范圍?；卣σ话阌奢喬ゼ败囕S機械結構說影響。這里我們以選取 的參考車型為基本數(shù)據(jù)，為了保證回正能力，后面轉向器內(nèi)部的阻力大小，及 不同材料的摩擦力在設計的時候均需要考慮到 4。 3、在汽車正常工作的時，轉向系統(tǒng)和懸架導向機構都會對車輛的轉向進行 調整影響，若倆個同時工作的情況下，則兩者之間會產(chǎn)生不必要的的運動干涉， 而這種干涉對于汽車來說會影響到其平穩(wěn)性 16，所以我們在設計的時候就必須 通過一定合理的設計來預先減小這種相互的運動干涉。 4 現(xiàn)在市場上主流的轉向器在其球頭的位置均應設有相關的調整結構，來 應對球頭在使用較短時間下磨損較小的情況下對轉向器準確性可靠性的影響， 延長轉向器的使用時間。 5、根據(jù)國家關于汽車行業(yè)的相關管理規(guī)定，轉向軸和轉向盤中都必須有相 關的應急安全保障機構，都盡可能地在突發(fā)狀況下最大限度保障駕駛員的人身 安全。 6、如果汽車進行轉向，那么車輪旋轉的瞬心必須相同而沒有差異，而且轉 動力齒輪齒條轉向器的設計 7 向系統(tǒng)上下的放向盤和轉向輪之間必須保持同向。 7、如果轉向輪遭到地面障礙物等的沖擊碰撞，方向盤處的反沖力不能大， 而是應該盡量控制在一個很低的范圍內(nèi)。 8、轉向輪必須保證在任何一種行駛狀態(tài)下，都不會出現(xiàn)擺震的現(xiàn)象。 2.2 轉向器總體方案設計 2.2.1 轉向器設計方案說明 在本次的設計中，轉向器被定為齒條式方案，所以相應配套方案只需要在 輸入輸出形式、齒條斷面形狀和齒形三個方面進行確定即可。其后主要工作即 圍繞這三點為中心，輸入輸出形式參考選取選取的樣車，為基本數(shù)據(jù)，對比分 析不同方案優(yōu)缺點，最終選擇最合適與本次設計的方案。齒條斷面形狀和齒形 的選取均是同樣的道理。這里只做簡單的敘述。要達到設計實際要求水準，需 要參考轉向器在不同方案下的工作效果參照對比。齒條斷面的形狀主要根據(jù)的 是，受力之后可能出現(xiàn)的負面影響等相關因素來考慮，然后做出一個合適的斷 面形狀選擇。各個方案的側重點不同。 2.2.2 轉向器輸入輸出形式 根據(jù)參考資料及常用分類方式為主要根據(jù)齒輪的輸入輸出位置特點進行區(qū) 分，具體可分為以下四大類 6：中間輸入，兩端輸出；側面輸入，兩端輸出側 面輸入；中間輸出；側面輸入，一端輸出。 圖 2-1 轉向器輸入輸了形式簡圖 動力齒輪齒條轉向器的設計 8 2.2.3 轉向器輸出形式對比分析 兩端輸出轉向器較其他輸出形式擁有諸多優(yōu)點，比如結構相對要簡單，而 且制作的成本不高，工藝簡易等。但是缺點也是存在的，上文提過轉向器與懸 架系統(tǒng)同時工作時易產(chǎn)生干涉，而轉向拉桿較短的話，會加劇這一現(xiàn)象產(chǎn)生相 互干擾，加劇磨損，帶來了原本不應該有的損傷。 側面輸入，中間輸出的轉向器（圖 2-1c）的優(yōu)缺點都很明顯。優(yōu)點是，拉 桿的長度得到了加長，從圖示中可以看到，這種模式中的左右拉桿已經(jīng)加長到 了車輪平行的位置。而這種長度的變化能都有效減少在汽車行駛過程中車輪因 路況太差帶來的拉桿擺角過大或過小的問題。但是這種情況的使用的拉桿材料 必須要具有一定的強度。缺點是，該轉向器由位于轉向器殼體上的螺孔空配合 拉桿上的螺栓來固定連接，這不僅會削弱在轉向器的殼體的強度，也考驗螺栓 的配合性，影響轉動系統(tǒng)精度 7。 還有一種形式是側面輸入，但是輸出在一端（圖 2-1d），這種形式的轉向 器一般只是應用于平頭貨車上，在市場中不具有大的應用和份額。 2.2.4 轉向器齒輪齒條選擇 本次設計選擇豐田 2012 2.4AT 四驅至臻導航版為設計的參考車型。在選擇 齒輪齒條選擇上，考慮三個方面的因素。如果使用的是直齒輪，因為這種情況 下圓柱齒輪與齒條之間的不具有高度的嚙合度，就削弱了轉向器運轉的穩(wěn)定性 和平衡性，工作中會有很大的沖擊力，也帶來了很大更高的噪音。其次，如果 齒輪與齒條之間形成的軸線夾角是斜角的話，那么軸向力就會產(chǎn)生，造成了更 大的滑摩力。因為本次設計希望能夠在實用性的同時具有經(jīng)濟性，確定為直齒。 2.2.5 轉向器齒條斷面形狀選擇 齒條斷面按大致形狀區(qū)分可分為三種形狀，分別為 V 形、圓形、Y 形。我 們在選擇時候首先對各種形狀的優(yōu)劣進行了比對。首先共工藝簡易度上比較， 圓形要更為簡單些。如果從成本上比較，圓形就要遜色與其他兩種，其他兩種 動力齒輪齒條轉向器的設計 9 在耗材上只相當于圓形耗材的 80%。相比較而言，除了圓形斷面，其他兩種斷 面下方具有斜面，而且在兩側均有分布。在位置上，這個斜面與齒條的托座是 直接相關的。這種機械結構能夠的特點就是齒條轉動不可能會有以軸線為圓點 的情況。將 Y 形的齒寬放大后能夠提高其強度。如果車輪在跳動和轉向等工作 的時候，能促使齒條發(fā)生旋轉的力如果存在，那么齒條斷面形式就不應該選擇 圓形，以此來避免因為齒條的旋轉而使得齒被損壞，出現(xiàn)嚙合度降低或者造成 了齒輪與齒條之間不再能夠相互正確無誤地嚙合等情況，而一旦發(fā)生這種情況 很有可能會帶來很多的突發(fā)事件。 a）圓型齒條斷面 b）V 型齒條斷面 c）Y 型齒條斷面 圖 2-2 三種齒條斷面形狀圖示 2.2.6 轉向器的四種布置形式 常見通用的齒輪齒條式轉向器的布置形式一般有四種，區(qū)別的根據(jù)是以其 和轉向梯形與前軸之間的相對位置來劃分 8。具體形式如表 2-1，圖 2-3 為示 范簡圖 動力齒輪齒條轉向器的設計 10 種類 相對于前軸方向 轉向梯形 圖示 第一種 后方 后置 圖 2-3（ a） 第二種 后方 前置 圖 2-3（ b） 第三種 前方 后置 圖 2-3（ c） 第四種 前方 前置 圖 2-4（ d） 表 2-1 齒輪齒條轉向器布置形式 圖 2-3 轉向器布置形式簡圖 齒輪齒條式轉向器因其本身性能特點在工程車輛等高強度作業(yè)車輛方面占 比率較小，一般被僅使用于中小型的汽車。對于一些采用獨立懸架前輪的貨車 和客車來說，當沒有大的裝載量，也可以使用這種轉向器的。 2.2.7 轉向器最終方案確定 在經(jīng)過上文所有比較分析，考慮本次設計的成本需要和難度，最終以側面 輸入兩端輸出為本次設計的輸入輸出形式。此外經(jīng)濟壓力和加工成本的因素， 齒輪與齒條都采用直齒。在齒輪斷面設計選擇的使用，本次設計中齒條上不存 在任何力矩造成齒條旋轉的，選用圓形齒條斷面。 2.2.8 本章小結 第二章主要為對各種方案的分析對比，最終根據(jù)設計要求來確認選擇的方 案。其輸出方式參考了主流的幾種方案進行參考比較，選用側面輸入兩端輸出 動力齒輪齒條轉向器的設計 11 的形式。最終確定設計方案。 第 3 章 轉向器齒輪齒條設計 3.1 側偏角的設計 轉向系統(tǒng)主要考慮機動性。理論上，當轉輪處于最大轉角的時候，其最小 的轉彎半徑應該等于 2 到 2.5 倍的軸距。選取豐田 2012 款 2.4AT 四驅至臻導航 版為數(shù)據(jù)來源對象，這個車型的軸距是 2.66 米，半徑最小是 5.32 米，最大的是 66.50 米，半徑與機動性之間成反比關系。為提高機動性，取轉彎半徑最小值五 千五百，如圖（3-1)。 圖 3-1 側偏角的分析簡圖 （3-arcsin()LR 1） 其中： 轉向輪外輪轉角； 主銷偏移距；a 汽車軸距 9。L = （3-arcsin()LR260arcsin()95 2） 值查閱書籍得一般取值范圍為-10 到 30 毫米, 這里設計參數(shù)取 20 毫米，a 其綜合轉角為三十二度。 動力齒輪齒條轉向器的設計 12 3.2 原地轉向阻力矩的計算 因為轉向器的任何部分都需要在強度上得到一個足夠的保證。所以在設計 轉向器的時候必須對使用到的零部件進行強度的測試。在測試之前，對于每個 零部件上受到的力的種類和大小進行一個分析。在轉向器中，這種力一般都是 因為轉向軸的負荷和輪胎氣壓等多種因素帶來的。 因為各種原因，目前還沒有一個完全能夠精確計算該力大小的公式或方法。 一般對于行駛在瀝青或者混凝土路面上的汽車原地轉向阻力矩 MR（N mm） 的計算，采用的是半經(jīng)驗公式，這是目前精度最高的一個公式，如下所示： （3-p GfMR31 3） 其中： 輪胎和路面間的滑動摩擦因素，這里取零點七；f 轉向軸負荷；預設前軸的載荷為八百一十千克；1G 輪胎氣壓（單位為兆帕）。查書取零點二兆帕 9。p （3-4） mNpGfMR 35.802.137.031 3.3 力傳動比與角傳動比對比分析 3.3.1 兩種傳動比基礎介紹 常見的轉向系的傳動比按照不同的計算方式區(qū)分一般有兩種，分別為角傳 動比和力傳動比。 力傳動比的計算公式： （ ）： = / ; (3-5)pi2wFh 輪胎與地面接觸點的中心給予轉向輪的合力；2wF 輪胎與地面接觸點的中心給予方向盤的手力；h 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 18。wi wi wi 動力齒輪齒條轉向器的設計 13 3.3.2 角傳動比與力傳動比確定 本論文設計方向盤轉動圈數(shù)不大于四，按最高保準這里取四圈，不同車輛 轉向盤直徑不同，根據(jù)參考車型這里取其為四百毫米，轉向正效率?。ǚ枮?DSW）常用值百分之九十， 轉向節(jié)臂長取二百毫米，這里符號表示用 L1。 根據(jù)公式計算求角傳動比得 （3-6）360420.87()(7)WwKni （3-2351.5.9RhSWMFNDi 7） （3-2hSW 8） Fh為作用于方向盤作用在轉向盤上的力矩 （3- 10.25409.6=20.5NmhSWFDM 9） 力傳動比與轉向系角傳動比的關系 （3- 2wphFi 10） (3-11) w1FRML 根據(jù)公式可得作用在方向盤上的力為 動力齒輪齒條轉向器的設計 14 （3-2hSWMFD 12）則力傳動比為 (3-13)1RswphiL （3-RwohkMi 14） 帶入?yún)?shù)，由上述公式可得 （3-15）140.92.8718.73swpDiL 3.4 轉向器齒輪齒條的設計 3.4.1 嚙合傳動的特點 當齒輪半徑無限大時各齒趨于平行的狀態(tài)下的特殊大齒輪的部分節(jié)選。其 本身工作原理與齒輪無太大區(qū)別。在漸開線計算中公式是通用的，假設圓直徑 無限大，將漸開線變成了直線，所以齒輪的齒數(shù)無限多的時候，對應的齒輪直 徑就成為了一個無限大的參數(shù)，最終直齒廓也就形成。齒輪在傳動的特點很明 顯，與其傳動的方式和彼此結合的方式相關，首先，齒條與齒廓的各個點的壓 力角都為齒廓的傾斜角。這是因為齒輪采用的是平動的方式，齒廓上的每一點 之間都具有彼此一致的傳動速度和方向。其次，周節(jié)在任何平行與分度線的直 線上都是相互等同的 10。 圖 3-2 局部齒條的齒廓簡圖 齒輪齒條轉向器必須將傳動比控制在一定的范圍內(nèi)不能偏高，這是與它的 動力齒輪齒條轉向器的設計 15 工作原理相關。首先，在傳動的過程中，無特殊情況下其節(jié)圓與分度圓將會保 持一致的。當小齒輪軸線與齒條軸線再不垂直時，則兩輪廓之間的連接將成為 點接觸的情況 10，而這種方式能提高壓強，造成接觸部分之間的接觸應力變大， 也就加快了齒輪的消耗，降低了耐用性。 決定傳動比的主要因素有三種，即齒條的齒傾角、小齒輪的法向模數(shù)和齒 數(shù) 17。所以在本次設計中，為了達到預定的傳動比，只需要對這三個影響因素 各自確定一個合適的數(shù)據(jù)即可。 3.4.2 齒輪參數(shù)的選擇 根據(jù)預定車型的參考數(shù)據(jù)及其他人的參考意見，轉向器扭矩較低，需要承 受的載荷不大，齒輪參數(shù)的具體如下：齒輪齒條轉向器的齒輪采用直齒輪，小 齒輪的齒數(shù)選擇為六，模數(shù)根據(jù)現(xiàn)有刀具及成型工藝判斷這里取二點五作為參 考較為合適，法面壓力角依據(jù)參考標準取二十度，齒輪齒條均采用直齒即螺旋 角取零度作為參考，壓力角取二十度，齒輪的取 10 轉每分鐘，精度等級依據(jù)以 往設計經(jīng)驗 8 級，每日有效工作時長為 8 小時。 齒輪材料的選擇：這里選用性能優(yōu)良較為常用的 20CrMnTi 合金鋼，表面 滲碳淬火，齒面硬度范圍 5863HRC。后面齒條選用和齒輪材料相互配合的 40Cr 為材料，高頻淬火工藝，表面硬度取 56HRC。 由公式的分度圓直徑為 （3-16） 12.561.34cos0nmzdm 取 1.2d 計算得齒條寬度為 （3-21.523148.7db 17） 按取整數(shù)按寬為 20 則 （3-18）1203bm 最終通過計算取齒輪齒寬三十毫米；齒條齒寬二十毫米。 3.4.3 接觸疲勞許用應力 查閱資料由公式為 動力齒輪齒條轉向器的設計 16 (3-19) Hmin NlSZ （3-Fin TlYF 20） 其中查閱可以得 和limHliF MPaH150limMPaH1302li F4275 同理可得確認壽命系數(shù) 、 安全系數(shù)NZY 12.3NZ12minHSmin1.4FS 由公式得接觸疲勞許用應力為 (3-21) lim1N1HnSMPa19803.50 (3-22) li22mnZ 762. 參考標準取應力修正系數(shù)為二 (3-23) li1STN1FmnYFMPa14.607.1245 (3-24) li2ST2FnF .35.3 3.4.4 齒輪的齒根彎曲強度設計 根據(jù)相關資料選取相關參數(shù)初始值： =6 =25 =0.8 =0.7 =0.894.1tK1Z2dY76.84cos/s/33ZV1.2FSY 。05hTMNm 取最小值 (3-25) 213cost FSntdKTYZ 動力齒輪齒條轉向器的設計 17 2321.405cos10.7893