齿轮齿条转向器设计说明书（没有力传动比）

齿轮齿条式转向器设计说明书

摘要

根据对齿轮齿条式转向器的研究以及资料的查阅，着重阐述了齿轮齿条式转向器类型选择，不同类型齿轮齿条式转向器的优缺点，和各种类型齿轮齿条式转向器应用状况。根据原有数据计算转向系的传动比，并确定齿轮齿条的几何参数。齿轮齿条式转向器总体设计，受力分析，及对齿轮齿条的疲劳强度校核、齿根弯曲疲劳强度校核。修正齿轮齿条式转向器中不合理的数据。通过对齿轮齿条式转向器的设计，选取出相关的零件如螺钉、轴承等，并在说明书中画出相关零件的零件图。通过说明书并画出齿轮齿条式转向器的零件图3张、装配图１张。 关键词：齿轮齿条，转向器，设计计算

目录

2

摘要 ........................................................ 2 第一章 引言 ................................................. 4

1.1汽车转向装置的设计趋势 ............................................................................................... 4 1.2汽车转向装置的发展趋势 ............................................................................................... 4

第二章 齿轮齿条转向器设计方案选择 ............................................................6 第三章 传动比的计算 ......................................... 8

3.1 汽车方向盘（转向盘）力矩 .......................................................................................... 8 3.1 转向阻力矩 ...................................................................................................................... 8 3.3转向器角传动比 ............................................................................................................... 8

第四章 齿轮设计 ............................................ 10

4.1 齿轮参数的选择 .......................................................................................................... 10 4.2 齿轮几何尺寸确定 ...................................................................................................... 10 4.3 齿根弯曲疲劳强度计算 ............................................................................................... 11

4.3.1齿轮精度等级、材料及参数的选择 ..................................................... 11 4.3.2齿轮的齿根弯曲强度设计 ..................................................................... 11 4.3.3齿面接触疲劳强度校核 ........................................................................ 12 第五章 齿条的设计 .......................................... 13

5.1齿条的设计 ..................................................................................................................... 13

第六章 齿轮轴的设计........................................ 14 第七章 其他零件的选择及润滑方式 ............................. 15 参考文献 .................................... 错误！未定义书签。

第一章 引言

改革开放以来，我国汽车工业发展迅猛。作为汽车关键部件之一的转向系统也得到

3

了相应的发展，基本已形成了专业化、系列化生产的局面。有资料显示，国外有很多国家的转向器厂，都已发展成大规模生产的专业厂，年产超过百万台，垄断了转向器的生产，并且销售点遍布了全世界。

1.1汽车转向装置的设计趋势

1. 适应汽车高速行驶的需要

从操纵轻便性、稳定性及安全行驶的角度，汽车制造广泛使用更先进的工艺方法，使用变速比转向器、高刚性转向器。“变速比和高刚性”是目前世界上生产的转向器结构的方向。

2. 充分考虑安全性、轻便性

随着汽车车速的提高，驾驶员和乘客的安全非常重要，目前国内外在许多汽车上已普遍增设能量吸收装置，如防碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊等，并逐步推广。从人类工程学的角度考虑操纵的轻便性，已逐步采用可调整的转向管柱和动力转向系统。 3. 低成本、低油耗、大批量专业化生产

随着国际经济形势的恶化，石油危机造成经济衰退，汽车生产愈来愈重视经济性，因此，要设计低成本、低油耗的汽车和低成本、合理化生产线，尽量实现大批量专业化生产。对零部件生产，特别是转向器的生产，更表现突出。 4. 汽车转向器装置的电脑化

未来汽车的转向器装置，必定是以电脑化为唯一的发展途径。

1.2汽车转向装置的发展趋势

1. 现代汽车转向装置的使用动态

随着汽车工业的迅速发展，转向装置的结构也有很大变化。汽车转向器的结构很多，从目前使用的普遍程度来看，主要的转向器类型有4种：有蜗杆销式(WP型)、蜗杆滚轮式(WR型)、循环球式(BS型)、齿条齿轮式(BP型)。这四种转向器型式，已经被广泛使用在汽车上。

据了解，在世界范围内，汽车循环球式转向器占45%左右，齿条齿轮式转向器占40%左右，蜗杆滚轮式转向器占10%左右，其它型式的转向器占5%。循环球式转向器一直在稳步发展。在西欧小客车中，齿条齿轮式转向器有很大的发展。日本汽车转向器

4

的特点是循环球式转向器占的比重越来越大，日本装备不同类型发动机的各类型汽车，采用不同类型转向器，在公共汽车中使用的循环球式转向器，已由60年代的62．5%，发展到现今的100%了(蜗杆滚轮式转向器在公共汽车上已经被淘汰)。大、小型货车大都采用循环球式转向器，但齿条齿轮式转向器也有所发展。微型货车用循环球式转向器占65%，齿条齿轮式占35%。

综合上述对有关转向器品种的使用分析，得出以下结论：

．循环球式转向器和齿轮齿条式转向器，已成为当今世界汽车上主要的两种转向器；而蜗轮—蜗杆式转向器和蜗杆销式转向器，正在逐步被淘汰或保留较小的地位。 ．在小客车上发展转向器的观点各异，美国和日本重点发展循环球式转向器，比率都已达到或超过90%；西欧则重点发展齿轮齿条式转向器，比率超过50%，法国已高达95%。

．由于齿轮齿条式转向器的种种优点，在小型车上的应用(包括小客车、小型货车或客货两用车)得到突飞猛进的发展；而大型车辆则以循环球式转向器为主要结构。 从发展趋势上看，国外整体式转向器发展较快，而整体式转向器中转阀结构是目前发展的方向。由于动力转向系统还是新的结构，各国的生产厂家都正在组织力量，大力开展试验研究工作，提高使用性能、减小总成体积、降低生产成本、保证产品质量稳定，以便逐步推广和普及。

随着科学技术的发展，国际经济形势的变化对汽车乃至汽车转向器的生产都有很大影响。特别是西方国家实行石油禁运以来，世界经济形势受冲击很大。随着能源危机的发展，汽车工业首当其冲，其发展方向有很大变化。从汽车设计、制造到各总成部件的生产都随着能源危机的发生而变化，表现在能源消耗、材料消耗、操纵轻便等各个方面。我国加入WTO，给汽车工业带来新的机遇，也带来挑战，国产汽车及零部件将会得到进一步发展。

5

第二章 齿轮齿条转向器设计方案选择

适用车辆相关数据：

驱动型式：4×2，发动机横置前置前驱；

总质量：1060㎏；满载轴荷：前轴780㎏，后轴533㎏

发动机最大功率：53kW/5200rpm，发动机最大扭矩：121Nm/3500rpm 轴距：2471㎜；轮胎：175/70R-13T；轮辋：51 2J?13 前轮距：1429mm；后轮距：1422mm；最小转弯半径：5500mm

转向器的功用是将转向盘的回转运动转换为转向转动机构的往复运动。转向器是转向系的减速传动装置，一般由1-2级减速传动副。目前应用比较广泛的转向器有齿轮齿条式转向器、循环球式转向器、蜗杆滚轮式转向器、蜗杆曲柄指销式转向器。此次设计，是设计机械转向系的转向器中的一种，齿轮齿条式转向器。

齿轮齿条式转向器的优点：结构简单、紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成转向器的质量比较小；传动效率高达90%；转向灵敏；齿轮与齿条之间因磨损出现间歇后，利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节弹簧，能自动消除齿间间歇这不仅可以提高转向系统的刚度，还可以防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用的体积小；没有转向摇臂和直拉杆，所以转向轮转角可以增大，制造成本低。特别适于与烛式和麦费逊式悬架配用，便于布置等优点。

齿轮齿条式转向器的主要缺点是：因逆效率高（60%-70%），汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间冲击力的大部分能传至转向盘，称之为反冲。反冲现象会使驾驶员精神紧张，并难以准确控制汽车行驶方向，方向盘突然转动会造成打手，同时对驾驶员造成伤害。

根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式：中间输入，两端输出、侧面输入，两端输出、侧面输入，中间输出、侧面输入，一端输出。

采用侧面输入，中间输出方案时，与齿条固连的左、右拉杆延伸到接近汽车总想对称平面附近。由于拉杆长度增加，车轮上、下跳动时拉杆摆角减小，有利于减少车轮上下跳动时转向系与悬架系的运动干涉。拉杆与齿条用螺栓固定连接，因此，两拉杆与齿条同时向左或向右移动，为此在转向器壳体上开有轴向的长槽，从而降低了它的强度。

6

采用两端输出方案时，由于转向拉杆长度受限制，容易与悬架系统导向机构产生运动干涉。但其结构简单，制造方便，且成本低等特点，常用于小型车辆上

采用侧面输入，一端输出的齿轮齿条式转向器，常用在平头货车上。

如果齿轮齿条式转向器采用直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合，则运转平稳性降低，冲击力大，工作噪声增加。此外，齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角只能是直角，为此，因与总体布置不适应而遭淘汰。采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条式转向器，重合度增加，运转平稳，冲击与噪声均降低，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满足总体设计的要求。因为斜齿工作时有轴向力作用，所以转向器应该采用推力轴承，轴承寿命降低，还有斜齿轮的滑磨比较大是它的缺点。

根据对四种不同类型转向器的对比选择，本课题将采用侧面输入两端输出的齿轮齿条转向器。

齿条断面形状有圆形、V形和Y形三种。圆形断面齿条的制作工艺比较简单。V形和Y形断面齿条与圆形断面比较，消耗的材料少，约节约20%，故质量小；位于齿下面的两斜面与齿条托座接触，可用来防止齿条绕轴线转动；Y形的断面齿条的齿宽可以做的宽一些，因而强度得到增加。在齿条与托座之间通常装有碱性材料（如聚四氟乙烯）做的垫片，以减少滑动摩擦。当车轮跳动、转向或转向器工作时，如在齿条上作用有能使齿条旋转的力矩时，应选用V形和Y形断面齿条，用来防止因齿条旋转而破坏齿条、齿轮的齿不能正确啮合的情况出现。

根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，齿轮齿条式转向器在汽车上有四种布置形式：转向器位于前轴后方，后置梯形；转向器位于前轴后方，前置梯形；转向器位于前轴前方，后置梯形；转向器位于前轴前方，前置梯形。齿轮齿条式转向器广

泛应用于乘用车上．载质量不大，前轮采用独立悬架的货车和客车有些也用齿轮齿条式转向器．

7

第三章 传动比的计算

3.1 汽车方向盘（转向盘）

转向盘的直径Dsw有一系列尺寸。选用大的直径尺寸时，会使驾驶员进出驾驶室感到困难。若选用小的直径尺寸，转向时，驾驶员要施加较大的力量，从而使汽车难于操纵，据原始数据，参见手册取Dsw＝400mm则

由作用方向盘上的力矩 Mh?25N?m 得作用在方向盘上的力Fh?

MhRsw?2.5?104200?125N

3.2 转向阻力矩

f Mr?3G13P[1]

式中： f---滑动摩擦系数，一般取０.７ Ｐ---轮胎气压 G1---前轴载荷

则

0.7?Mr3

37996.80.2?373109.36N?mm

3.3角传动比

sin??

式中： L----汽车轴距，2471mm

L2471?R5500

8

R----汽车最小转弯半径，5500mm 得

??26.70

tan??

LR?cos???

式中： L-----汽车轴距，2471mm

R-----汽车最小转弯半径，5500mm B-----前轮轮距，1429mm

将数据代入，得：

??35.34

角传动比

0

i?w?w?wk

式中：

?-----转向盘转角（速度），3.5?360

k

?-----转向轮转角（速度），

????62.040

将数据代入得：

iw?20.3

9

第四章 齿轮设计

4.1 齿轮参数的选择

齿轮模数值取值为m=2.5，主动齿轮齿数为z=6，压力角取α=20°，齿轮螺旋角为β=12°，齿条齿数应根据转向轮达到的值来确定。齿轮的转速为n=10r/min，齿轮传动力矩２５Ｎ?m，转向器每天工作８小时，使用期限不低于５年．

主动小齿轮选用20MnCr5材料制造并经渗碳淬火，而齿条常采用45号钢或41Cr4制造并经高频淬火，表面硬度均应在56HRC以上。为减轻质量，壳体用铝合金压铸。

4.2 齿轮几何尺寸确定

? 齿顶高 ha =mnhan??n?2.5??1?0.7??4.25mm

??齿根高 hf?mnhan?cn??n?2.5??1?0.25?0.7??1.375mm

????

齿高 h = ha+ hf =4.25?1.375?5.625mm 分度圆直径 d =mz/cosβ=2.5?6cos12??15.337mm

齿顶圆直径 da =d+2ha =15.337?8.5?23.837mm 齿根圆直径 df =d-2hf =15.337?2.475?12.587mm 基圆直径 db?dcos??15.337?cos20??14.412mm

??????法向齿厚为 sn???2?nta?nm??2?0.7?0.3642.5 ????nn22???? ?4.593mm

???0.7????nt?mt???2??0.367?2.525端面齿厚为 st???2?tta? 3??co?s2?2??2? ?5.275mm

分度圆直径与齿条运动速度的关系 d=60000v/πn1?v?0.001m/s 齿距 p=πm=3.14×2.5?7.85mm

齿轮中心到齿条基准线距离 H=d/2+xm=9.4185mm

10

4.3 齿根弯曲疲劳强度计算

4.3.1齿轮精度等级、材料及参数的选择

（1） 由于转向器齿轮转速低，是一般的机械，故选择8级精度。

（2） 齿轮模数值取值为m=2.5，主动齿轮齿数为z=6，压力角取α=20°. （3） 主动小齿轮选用20MnCr5或15CrNi6材料制造并经渗碳淬火，硬度在

56-62HRC之间，取值60HRC. （4） 齿轮螺旋角初选为β=12°

4.3.2齿轮的齿根弯曲强度设计

3 mn?12.4kT1YFs2?mz1?FP

（1）试取K=1.3

（2）斜齿轮的转矩 T=２５N·m （3）取齿宽系数 ?m?0.8 （4）齿轮齿数 z1?6 （5）复合齿形系数 YFs=3.32

（6）许用弯曲应力 ?FP=0.7??FE=0.7?920=644N/mm2 ?FE为齿轮材料的弯曲疲劳强度的基本值。

mn?12.431.3?25?3.320.8?6?6442?2.23

试取mn=2.5mm (7) 圆周速度 d=15.337mm

b= ?md=0.8?15.337?12.226mm 取b=12mm

11

v??dn60?1000???15.337?1060?1000?0.008m/s

(8)计算载荷系数

1） 查表得 使用系数KA=1

2） 根据v?0.01m/s和8级精度，查表得KV?0.4 3） 查表得 齿向载荷分布系数K??1.15 4） 查表得 齿间载荷分布系数KH?KF?1.1

K?KAKVKHK??1?0.4?1.1?1.15?0.759

35） 修正Kt值计算模数mn＝2.23?0.759?2.055，故前取2.5mm不变． 1.34.3.3齿面接触疲劳强度校核

2KTu?1 2ubd校核公式为 ?H?ZEZHZ?Z?（１）

许用接触应力??H?

查表得?Hmin?1650MPa 由图7?18得ZN1?1 安全系数 SH?1

??H1??

?HlimZN1SH?1650MPa

（２） 查表得 弹性系数 ZE?180MPa（３） 查表得 区域系数 ZH?2.44． （４） 重合度系数 Z?＝

12．

1???1?0.91

1.2055（５） 螺旋角系数 Z?＝cos??cos12??0.989

12

?H?180?2.44?0.91?0.989?2?0.759?250004.7?1??1513MPa???H??1650MPa 24.712?16 由以上计算可知齿轮满足齿面接触疲劳强度，即以上设计满足设计要求。

第五章 齿条的设计

5.1齿条的设计

根据齿轮齿条的啮合特点:

(1) 齿轮的分度圆永远与其节圆相重合,而齿条的中线只有当标准齿轮正确安装时才

与其节圆相重合.

(2) 齿轮与齿条的啮合角永远等于压力角. 因此,齿条模数m=2.5,压力角??20? 齿条断面形状选取圆形 选取齿数z＝28，螺旋角??8?

端面模数 mt?m/cos??2.5/cos8??2.5253mm 端面压力角 ?t?tan?/cos??tan20?/co8?s?0.36 7法面齿距 Pn?πmn?3.14?2.5?7.85mm 端面齿距 Pt??mt?3.14?2.5253?7.929mm

?齿顶高系数 han?1

?法面顶隙系数 Cn?0.25

?齿顶高 ha?mnhan??n?3??1?0.7??4.25mm

????齿根高 hf?mn(han?cn??n)?2.5?(1?0.25?0.7)?1.375mm

齿高 h = ha+ hf =4.25?1.375?5.625mm

13

??????法面齿厚 Sn???2?ntan?n?mn???2?0.7?0.364??2.5?4.593mm

?2??2?端面齿厚

??????St???2?ttan?t?mt???2?0.7?0.367??2.5253?5.275mm

cos?2?2??2?

第六章 齿轮轴的设计

由于齿轮的基圆直径db?17.2，数值较小，若齿轮与轴之间采用键连接必将对轴和齿轮的强度大大降低，因此，将其设计为齿轮轴．由于主动小齿轮选用20MnCr5材料制造并经渗碳淬火，因此轴的材料也选用20MnCr5材料制造并经渗碳淬火．

MPa，屈服查表得：20MnCr5材料的硬度为６０ＨＲＣ，抗拉强度极限??B??1100极限??S??850MPa，弯曲疲劳极限???1??525MPa，剪切疲劳极限???1??300MPa，转速n=10r/min

根据公式

3T125d???1.36

0.2??T?0.2?503 忽略磨损，根据能量守衡，作用在齿轮齿条上的阻力矩为Mr?328.8N?m，作用在齿轮上的轴向力为F?Mr328.8sin20??sin20??12.23N， r9.15作用在齿轮上的切向力为

F?Mr328.8cos20??cos20??33.77N r9.15弯曲疲劳强度校核

14

??1＝Ｆ／?r2＝33.77/3.14?52?0.43MPa<525MPa

剪切疲劳强度校核

??1=F/?r2=33.77/3.14?42?0.672MPa＜３００ＭＰa

抗拉强度校核

满载时的阻力矩为Mr?328.8N?m

齿轮轴的最小直径为d=８mm，在此截面上的轴向抗拉强度为

?B＝Ｆ／?r2=11.55/3.141?42=0.229MPa<1100Mpa

本设计选择齿轮轴直径 D=20

第七章 其他零件的选择及润滑方式

1六角螺栓的选择

根据GB5780-2000

选取螺纹规格d=M12

2 弹簧的选择

根据 GB1358--93 选择代号为Y1的冷卷压缩弹簧 总圈数 n1=12 有效圈数 n=10 材料直径 d=5

15

节距 t=10

自由高度H0?tn?(n1?n?0.5)d?10?10?(12?10?0.5)?5?107.5取H0＝105 弹簧中径 D=42

弹簧内径 D1?D?d?42?5?37 弹簧外径 D2?D?d?42?5?47

3垫圈的选择

根据GB848-85,选择相配合的螺纹规格为d=14

4油封的选择

根据JB/ZQ4606-86和轴径选取毡圈油封

5轴承的选择

轴承1 深沟球轴承6004 (GB/T276-1994) 轴承2 滚针轴承 NA4901 (GB/T5801-1994)

6转向器的润滑方式：人工定期润滑

润滑脂：石墨钙基润滑脂（ZBE36002-88）中的ZG-S润滑脂。 密封类型的选择

密封件： 旋转轴唇形密封圈 FB 16 30 GB 13871—1992

16

参考文献

[1] 王望予主编．汽车设计．第４版．机械工业出版社．２００４ [2] 成大先主编．机械设计手册．化学工业出版社．２００４ [3] 王中发主编．机械设计．北京理工大学出版社．２００２

[4] 张 策主编．机械原理与机械设计（下册）．机械工业出版社．２００４ [5] 马永林主编．机械原理．高等教育出版社．２００３

[6] 郑志祥 徐锦康 张磊主编．机械零件．高等教育出版社．２００３ [7] 陈家瑞主编．汽车构造（下册）．机械工业出版社．２００３ [8] 刘惟信主编. 汽车设计. 清华大学出版社．２００１ [9] 诸文农主编．底盘设计．机械工业出版社．１９８１ [10]机械工程手册．机械工业出版社．１９９６ [11]汽车工程手册．人民交通出版社．２００１

17

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/bsrp.html