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1、-毕业设计（论文）-齿轮齿条转向器主要零部件的设计-第 14 页安 徽 农 业 大 学毕 业 论 文（设计）论文题目 齿轮齿条转向器主要零部件的设计 姓 名 学 号 院 系 工学院 专 业 车辆工程 指导教师 职 称 中国合肥二一 年 月目录齿轮齿条转向器主要零部件的设计3摘要31绪论41.1转向系的发展41.2转向器的分类及原理52转向器的发展现状及优缺点62.1齿轮齿条转向器的优缺点62.2转向器在国内外发展的现状及趋势62.3设计要求73转向器的相关计算83.1转向系主要参数的计算83.2齿轮齿条的设计计算103.2.1主要设计参数的选择104 .零部件绘图114.1Catia 画齿轮整
2、体思路114.2画图的步骤：12Abstract16致谢17齿轮齿条转向器主要零部件的设计作者：高开通 指导老师：黄莉莉（安徽农业大学工学院 车辆工程2班 合肥 230036）摘要: 随着现代化的发展，无论城市 还是乡下汽车主要的出 作为主要的交通工具，在一个大型城市没有一个汽车出行都是比较困难的 ，汽车作为主要的交通工具，地位越来越重要。随着科技的发展人们的生活也越来越好，对科技的要求越来越高。这激励着汽车行业的发展，在我国汽车行业的生产制造方面已经日渐成熟，但是设计技术能力还略有不足。本课题主要设计家用轿车的转向器。论文先对转向器的发展，齿轮齿条转向器的发展及优缺点进行阐述，对齿轮齿条转向
3、器的类型选择简要分析，转向器的机构布置形式对齿轮齿条转向器主要零部件的计算，并对其进行校核。关键词:转向器 齿轮齿条 计算 校核 1绪论1.1转向系的发展转向系是汽车系统的必要基本制度，驾驶员通过方向盘操控转向系来实现整车的操控。汽车行驶的过程中它是用来改变或者保持汽车行驶方向的系统，转向系应该保持汽车的行驶的安全性，因此它必须要准确、快速、平稳的响应驾驶员的转向或者保持的命令，汽车在行驶中随时可能烧到外界的干扰，转向器还要保持自动回正的能力。传统的的汽车转向系统和大多数汽车上的一些部件一样都是机械式的，是由驾驶员控制方向盘来实现，通过转向器等的机械转向部件来实现车轮的转向。汽车的转向系统最近
4、一些年得到迅猛的发展，在1954年，凯迪拉克汽车公司首次把液压系统应用大转向系统中，把人力与液压助力相结合来实现转向，是人的操作感觉到更加轻松方便。液压助力系统（HPS）是在传统的基础上加上液压助力系统，它一般都是与发动机链接在一起的，并且由发动机来提供液压系统的动力，它的可靠性、技术的成熟性都被人们所认可，并且得到了广泛的应用。它的优点是液压助力的加入，极大的方便了驾驶员的操作，从而提高了汽车运行的稳定性。但是，它的缺点也被渐渐显露出来。一般的助力特性偏向于低速助力，当汽车在低速行驶时，可以得到很稳定的助力来源，但是当汽车在高速行驶时就没有很好的调节能力，使得路感较差。当不进行转向操作时，发
5、动机也仍然在持续地为助力系统输出能量的。所以，它极大程度地消耗了发动机的能量，造成了不必要的能耗，增加了油量的消耗，降低了汽车使用的经济性。并且，液压助力系统还存在漏液现象，造成了环境污染，还容易造成其他部件的损坏。由于低温会影响压液系统，从而使其在低温的环境下性能较差。随着电子技术的日新月异，转向系统也是越来越多地与电子设备相结合。随着电子系统的不断进步，电业助力转向系统也就应运而生了，随着它的不断发展，逐渐形成两大类别：电动液压助力转向系（EGPS）和电控液压助力转向系（ECHPS）。电动液压助力转向系与液压助力转向系的区别就是动力的来源不同，由原来的发动机提供的来源，现在改为电机来提供。
6、由电机来提供动力来源，可以带来节省能源、降低油耗的功效。电控液压助力转向系与液压助力转向系的区别，就是在传统的液压助力系统中增加了电子控制系统。它可以根据汽车行驶中的行驶速度、方向转向速率等行驶数据来调节油压的大小，从而实现不同的车速情况下助力特性。而且电机驱动液压系统，可以降低油耗。但是它们都存在一个缺陷，就是液压油的泄露问题。由于电子技术设备的参与，系统变得更加复杂，从而增加了成本，而后来又发明了电动助力转向器，它省去了液压系统，改由电动机来完成它的功用。通过传感器传递信息，由微处理器来处理车辆行驶参数，从而实现电动机助力的方向和大小的控制，极大程度上提高了自动化程度。 1.2转向器的分类
7、及原理转向器的在历史上出现过许多的形式，其中有四种较为常见：齿轮齿条式，循环球式，蜗杆销式，蜗杆滚轮式。这四种形式被广泛用于汽车上。 齿轮齿条式转向器的主要结构：转向齿轮、转向齿条、转向器壳、调整螺钉等。 工作原理：驾驶员转动方向盘，带动转向轴转动。然后转向轴带动小齿轮旋转，齿轮齿条啮合转动，齿条做直线运动。齿条运动带动横向拉杆，继而使转向轮转向。齿轮齿条转向器结构原理简单，成本低，体积小转向灵敏度高。 循环球式转型器的主要结构：循环球式一般分为两级传动副，第一级是螺杆螺母传动副，第二级传动副是齿条齿扇。主要是由螺杆、螺母、扇形齿轮轴、调整螺钉转向器壳体以及许多小钢球等组成。 工作原理：方向盘
8、带动涡轮蜗杆旋转运动，滚珠螺杆和螺母夹着小钢球啮合，因而滚珠螺杆的旋转运动变为了直线运动，螺母再与扇形齿轮啮合，直线运动再次变为旋转运动，使连杆臂摇动，再带动拉杆横杆做直线运动，从而改变了转向车轮方向。循环球式转向器利用了螺母与螺栓的螺纹之间加入小钢球，以此来减小摩擦阻力，所有的小钢球首尾相连形成一个封闭的螺旋曲线，在内部循环滚动。 螺杆销式转向器的主要结构：螺杆、指销、摇臂轴等。 工作原理：方向盘带动蜗杆运动，蜗杆上具有梯形螺纹，支销用轴承支撑在曲柄上，在转向的时候，蜗杆嵌于螺杆螺旋槽的锥形指销一边自转一边绕着转向摇臂做弧线运动，带动曲柄和转向垂臂的摆动，再通过转向梯形的传动使转向轮偏转。
9、蜗杆滚轮式转向器的主要结构：滚轮，蜗杆，壳体等。工作原理：在转向器壳体的内部装有传动副，其主动件是压装在转向轴下端的一个母线为凹圆弧的曲面蜗杆，通常称为球面螺杆，球面螺杆上下两个端面作为上下轴承的内座圈。滚轮接滚针轴支撑于和转向摇臂制成一体的支座上，其表面作出两道或三道环形齿，可与球面蜗杆啮合，转向盘带动球面螺杆转动，与之啮合的滚轮轴自转，同时沿着蜗杆的螺线滚动，从而使其支座和转向摇臂绕轴摆动，最后通过转向传动机构使车轮发生偏转。2转向器的发展现状及优缺点 2.1齿轮齿条转向器的优缺点 齿轮齿条转向器是最常见的转向器之一，它的基本结构，由一对相互啮合的小齿轮和齿条。转向轴带动小齿轮旋转，齿条做
10、直线运动。它的结构简单，体积小、价格低、质量轻、使用可靠，最近几年在世界上得到了广泛的应用，在轿车、轻型汽车、微型汽车，赛车上都有广泛的使用。 它的优点:（1）结构简单，结构轻巧。（2）齿轮和齿条之间因为磨损出现间隙后，可以利用装在齿条背部靠近主动小齿轮处的压力可以调整调节弹簧，自行消除齿间间隙。（3）齿轮齿条直接啮合控制转向，所以灵敏度高传动率高达90%。（4）由于齿间间隙可自动消除，所以它的噪声小（5）刚度高（6）转向角大（7）经济成本低它的缺点：（1）因为逆效率高，摩擦较小，冲击灵敏性较高，对驾驶员的操作心里有影响 （2）转向传动比随车轮的转角的增加而下降。 （3）采用两段机构时，转向拉
11、杆的长度受到限制容易与悬架系统导向机构产生干涉。2.2转向器在国内外发展的现状及趋势据了解在世界范围内，汽车上转向器的被广泛使用的大概就是上文提到的四种转向器：蜗杆指销式（WP）、我杆滚轮式（WR）、循环球式（BS）和齿轮齿条式（RP）。在汽车使用循环球式转向器占45%左右，齿轮齿条式转向器占 40%，蜗杆滚轮式转向器占10%左右，其他形式的转向器占5%。对于循环球式转向器一直在平稳发展。在日本汽车转向器在装备不同的发动机的汽车上有不同的应用。在公交汽车中使用的循环球式转向器，已由60年代的62.5%，发展到今天的100%，大、小型火车大都采用循环球式转向器，但是齿轮齿条转向器也有所发展。在微
12、型货车上使用循环球式转向器占65%，其余的35%使用齿轮齿条式转向器。在日本循环球式转向器实现了专业化生产， 同时以专业化的厂为主，大力进行研究，日本“精工”公司的循环球式转向器就是以成本低、产量大、质量好，逐渐占领日本的市场，并走向世界。在德国的ZF公司作为一个大型转向器专业厂而闻名于世。齿轮齿条转向器与循环球式转向器，已成为世界上最主要的两种转向器。在小客车转向器的发展上世界上也是观点各异。在美国和日本发展循环球式转向器比率超过90%，西欧国家重点发展齿轮齿条式转向器，比率超过50%，在法国更是高达95%。由于齿轮齿条式转向器的优点，在小型车上应用得到迅猛的发展，大型车主要以循环球式转向器
13、为主。在我国的转向器的生产，除了早期的东风汽车使用蜗杆销式转向器，早期的解放牌汽车用蜗杆滚轮式转向器外，其他大部分车型都采用循环球式。目前我国也是在循环球式转向器有一定的生产经验，在向大量生产循环球式转向器发展。2.3设计要求转向系传动比包括转向系的角传动比（方向盘转角与转向轮转角之比）和转向系的力。传动比在转向盘尺寸和转向轮阻力一定时，角传动比增加，则转向轻便，转向灵敏度降低；角传动比减小，则转向沉重，转向灵敏度提高。转向角传动比不宜低于15-16；也不宜过大，通常以转向盘转动圈数和转向轻便性来确定。一般来说，轿车转向盘转动圈数不宜大于4圈，对轿车来说，有动力转向时的转向力约为2050；无动
14、力转向时为50100N。转向轮应具有自动回正能力。转向轮的回正力来源于轮胎的侧偏特性和车轮的定位参数。汽车的稳定行使，必须保证有合适的前轮定位参数，并注意控制转向系统的内部摩擦阻力的大小和阻尼值。转向杆系和悬架导向机构共同作用时，必须尽量减小其运动干涉。应从设计上保证各杆系的运动干涉足够小。 转向器和转向传动机构的球头处，应有消除因磨损而产生的间隙的调整机构以及提高转向系的可靠性。 转向盘应有使驾驶员在车祸中避免或减轻伤害的防伤机构。汽车在作转向运动时，所以车轮应绕同一瞬心旋转，不得有侧滑；同时，转向盘向轮转动方向一致。当转向轮受到地面冲击时，转向系统传递到方向盘上的反冲力要尽可能小在任何行使
15、状态下，转向轮不应产生摆振。 3转向器的相关计算3.1转向系主要参数的计算这里设计指导书主要是对动力缸、分配阀、定中元件、反作用元件等进行参数的确定和计算。其中包括动力转向布置的选择，控制阀类型的选择，齿轮齿条转向器参数的选择，然后是对动力转向参数的确定，包括齿轮齿条啮合的基本参数、转阀的参数和动力缸的参数。1) 转向系主要参数的计算为了保证行驶的安全，组成转向系的各个零部件必须有足够的强度。计算强度就要计算各个零部件上的力。影响这些力的主要因素有转向轴的载荷、路面的阻力等。为了转动转向轮,必须克服这些阻力包括转向轮绕主销转动的阻力车轮的稳定阻力轮胎的变形阻力和内部的摩擦力等。根据指导书给出对
16、的半经验公式为 Mw=f3G13p 式中的Mw转向阻力矩（N.m） f轮胎与地面的滑动摩擦系数，一般令f=0.7 G1前轴（转向轴）负荷，按指导书取10000P轮胎的气压，取0.2然后得Mw521.75（N.M）然后再根据转向横拉杆和车轮之间的垂直距离算得 F= MRL=521.750.182900(N)式中的F是横向拉杆的理论推力。2) 动力缸的计算动力缸对于整体动力缸活塞与转向器均布置在同一个由QT400-18或者KTH350-10制造的转向器的壳体内，活塞和齿条制成一体。在动力缸的计算中确定其缸直径、活塞行程、活塞杆直径以及缸筒壁厚。动力缸壳体采用ZL105铸造而成，缸内表面应光洁，粗糙
17、度Ra=0.320.63，硬度为HB241285，活塞采用优质碳素钢45号钢。活塞和钢筒之间的间隙采用橡胶密封圈。（1）缸径D的计算由上面可知，转向系统要求动力缸所提供的动力为2900N，动力缸的缸径尺寸Dc可由作用在活塞上的力的平衡计算，得： DC=d2+4F3.14p106式中的P为供油压力设计式取10MPa ，d为活塞杆的直径，F为液压缸理论推力。根据液压设计手册中推荐的活塞的直径初选值d=25mm。 可得：DC=0.037（m）取D=35，此时，符合d =(1358)D的范围。（2）活塞的设计计算活塞的宽度一般为活塞的外径的0.61.0倍，但是本次设计采用一道密封环形 ，在所选的厚度满
18、足强度的条件下初选b=7mm，活塞的外径配合一般采用H7/f9的配合公差带，外径和内径的同轴度公差0.02，端面与轴线的垂直公差度公差不大于0.04mm/100mm，外表面的圆度和圆柱度一般不大于外径的公差的一半，因为机构不同表面粗糙度也各不相同，材料用和活塞相同的材料45号钢。(3)活塞行程的计算 S=2e1+s1+b式中的e1为导向游隙，一般范围为（0.50.6）D; s1为活塞的行程；b是活塞的宽度。s1的取值可根据同类型的活塞行程，初取s1=131mm.(4)动力缸的壳体壁厚t的参数计算根据缸体在横断平面内的拉伸强度条件和在轴向平面内的拉伸强度条件，计算缸的壁厚 r=pDc22Dct+
19、t2+1sn z=pDc24（Dc+t2)sn式中的P为缸内的压力，取pmax=13MP; DC为动力缸的直径；t为动力缸壳体厚度；n是安全系数，n=3.55.0;s是壳体的屈服点。壳体采用铸造铝合金ZL105，抗拉强度为500MPa，屈服点为160230MPa。 r=13402240t+t2+12303.5 ；得 t9.2z=134024（40t+t2)2303.5 得 t8.8所以取t=10mm;3) 活塞杆的设计这里设计的齿轮齿条转向器活塞杆和齿条是一体的，取活塞杆的直径25mm,总长度为585mm。活塞杆的导向管中移动，一般采用H8/h7的配合，圆度与圆柱度的公差大于直径公差的一半，R
20、a=0.10.3m太光滑了，表面形成不了油膜，反而不利于润滑。为了提高活塞的杆的耐磨性和防锈性，活塞杆的表面要进行镀铬处理。在计算Dc的时候活塞杆取了d=25mm，现在对其进行校核，活塞杆采用的材料是优质碳素钢45号钢s=340MPa p=sn式中的p为许用应力，s为屈服应力，n为安全系数，n=3.55。计算得:8.8MPap所以可以达到强度要求。3.2齿轮齿条的设计计算 对于具体的零件的设计计算，其中齿轮的设计计算是依据参数的确定，通过齿面接触应力的计算，齿根弯曲应力的计算来校核其强度，然后来确定它的尺寸。3.2.1主要设计参数的选择参数名称符号数值模数m2mm齿数z8压力角20节圆螺旋角刀
21、12齿顶高系数hm1顶系系数c*0.25齿轮的计算 d=mnzcos=16/cos12=16.4 da=d+2hmm=16.4+221=20.4 dt=16.4-5=11.4(mm)齿条的计算 ha=ha*m=21=2(mm) hf=ha*+c*m=1.252=2.5(mm)全齿高等于4.5 mm 齿矩p=m=3.142=6.28=2e=2s按齿根弯曲疲劳强度计算校核 r=KFtYsaYbmnaF式中的k是计算载荷系数k=kAkkk;kA为使用系数，kA=1.0；k为动载荷系数，k=1.2；k为齿间载荷分配系数，k=1.0；k为齿向载荷分配系数，k=1.4。 K=1.01.21.01.4=1.
22、68Yfa为直齿轮的齿形系数根据指导书取Yfa=2.72；Ysa为直齿轮应力校正系数，Ysa=1.57; Y=0.7为螺旋角影响系数；a为断面重合度，为1.211；b为齿宽，b=40 F=1.68970.82.721.570.74051.211=30.4MPa因为是使用45号钢，所查手册的F=330MPa,所以FF,符合要求。 4 .零部件绘图4.1Catia 画齿轮整体思路1首先用formula输入齿轮各参数的关系。2画出齿轮齿根圆柱坯子；3通过输入的公式得出一个齿的齿廓；4在曲面设计模块下将齿廓平移到坯子的另一端面（通过平移复制一个新的齿廓到另一端面）5将新的齿廓旋转到特定角度；6多截面拉
23、伸成形一个轮齿；7环形阵列这个轮齿4.2画图的步骤：点击工具机械结构点一下显示把关系点了。然后输入齿轮的各项参数斜齿圆柱齿轮中有如下参数及参数关系，不涉及法向参数齿数Z模数m压力角a齿顶圆半径 rk = r+m分度圆半径 r = m*z/2基圆半径 rb = r*cosa齿根圆半径 rf = r-1.25*m螺旋角 beta齿厚 depth在partdesign模块中，选择formula（f(x)图样）按钮在对话框里建立参数，首先要先选参数属性，再建立参数，可以更改数值也可以输入公式，要注意单位。这样，齿轮的齿廓参数就有了，接下来，就是如何画出来齿廓了。点击fog按钮，建立一组X，Y,关于参数
24、t的函数，方程为：x=rb*sin(t*PI*1rad)-rb*t*PI*cos(t*PI*1rad) y=(rb*cos(t*PI*1rad)+(rb*t*PI)*sin(t*PI*1rad)然后进入形状总体设计，在xy平面原点处建一个点。在xy平面以这个点为圆心，建立齿根圆同样的方法建立齿顶圆和分度圆。接着在xy平面运用两个公式建立点,我们选择t=0.1,0.2,0.25,0.3,0.35,0.4得出想要的点。运用空间曲线链接各个点，再将这个曲线延伸，靠近内侧的点为端点，延伸输入公式（rb-rf）*1.5做导圆建立一个平面A（通过z轴与渐开线和分度圆的交点），在建立新的平面B和A平面成一夹
25、角，转角基准轴Z轴，夹角用公式-369deg/4/z. 将轮廓线和建的平面做镜像 用修建工具将轮廓线剪裁出来然后用粘合工具将这些线条连接起来这样轮廓线就画好了。用平移工具，创建另面的轮廓线，平移一个齿厚。用旋转工具修改轮廓线，将它旋转合适的角度，公式为：depth*tan(beta)/rk*57.3deg。再将齿根圆画出来然后我们用extrude工具做出坯子，用多截面曲面multisections做出齿曲面用环形阵列将齿轮的所有轮齿阵列出来。截图齿轮齿条的画法同理动力缸效果图参考文献（1） 王国权，龚国庆编.汽车设计课程指导书.北京：机械工业出版社，2010-03-01（2） 王丰元，马明星编
26、.21世纪应用型人才汽车类专业规划教材实验教程系列 汽车设计课程设计.中国电力出版社，2009（3） 陈家瑞主编.汽车设计.机械工业出版社，2004（4） 郑文纬，吴克坚编.机械原理.高等教育出版社，2012（5） 罗宗泽，高志，罗圣国，李威 编.高等教育出版社，2012（6） Qi chi Huang Xing Huang New English for AutomobileM.Beijing, Mechanical Industry Press,2006（7） Zhenhai Gao, Jun Wang, Deping Wang. Dynamic Modeling and Steering
27、 Performance. Analysis of Active Front Steering System J. Procedia Engineering，2011，15（8） HaoChen,YaliYang,RuopingZhang.StudyonElectricPowerSteeringSystemBasedonADAMSJ.ShanghaiUniversityofEngineeringScience, 2011Abstract: with the development of modern, whether urban or country automobile main out a
28、s the main means of transport, in a large city without a car travel is more difficult, as the main transport vehicle, is becoming more and more important.With the development of science and technology peoples life is also getting better and better, the requirements for technology are getting higher
29、and higher.This is the incentive for the development of the automobile industry, in the automobile industry in China, the production and manufacturing has become increasingly mature, but the design technology capacity is still a little shortage.This topic mainly designs the steering gear of the home
30、 car.First development of steering gear, rack and pinion steering and the advantages and disadvantages of the development to carry on the elaboration, on the rack and pinion steering device type select summary analysis, the steering is institution arrangement on the rack and pinion steering for main
31、 parts of the calculation, and carries on the check.Keywords: steering gear rack calculation check致谢毕业设计结束了，我们也快毕业了，在毕业设计的这段时间，我要感谢我的指导老师黄莉莉，她经常自己时间来询问毕业设计的进度。在做毕业论时，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导教师的的督促指导，想要完成这个设计是难以想象的。在这次毕业设计中她还指导了很多学生，任务非常繁重，但是她对每一项工作还是那么负责，对我们耐心指导。从我的毕业设计开始，就对我设计中的每一个环节，给了我很多的帮助。在做毕业设计的这段时间，她强烈的责任心和对学生的无私关怀，令我深深的感动。同时，我还要感谢我的实习师傅，他给予了我很多的帮助，才使我的毕业设计能顺利的完成。我也要感谢我的室友，他们在大学生活的几年中给我的无私帮助，我将终生难忘。在平时的学习生活中，各位老师不辞辛劳的工作，给予我们学习上的指导，令我们感激。他们的经验对我以后的工作与生活都有着非常有益的帮助 。再次感谢！