齿轮齿条转向器设计1

河北工程大学毕业设计 I摘要：本次设计选择的是丰田的一款汽车的转向器。首先对转向系统基本的作用、构造、与总体的性能作一个了解。再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，并在作出转向器的零件图。关键词：转向系统； 齿轮齿条； 转向器 河北工程大学毕业设计 IIAbstract：This design 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 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 design, 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 diagram.Keywords：Steering systems, rack and pinion, steering河北工程大学毕业设计 III目 录摘要 .IAbstract.II第 1 章 概述 .11.1 设计目的 .11.2 设计的意义 .11.3 汽车转向装置的发展趋势 .11.4 汽车转向器国内外现状 .31.5 设计的主要内容 .3第 2 章 齿轮齿条转向器设计方案选择 .52.1 车辆相关数据与设计要求 .52.2 转向器总体方案设计 .62.2.1 转向器设计方案说明 .62.2.2 转向器输入输出 形式 .62.2.3 转向器各种输出形式对比 .72.2.4 齿轮齿条转向器齿轮齿条选择 .82.2.5 齿轮齿条转向器齿条断面形状 .82.2.6 齿轮齿条式转向器的布置形式 .92.2.7 转向器最终方案确定 .10河北工程大学毕业设计 IV第 3 章 转向器齿轮齿条设计计算过程 .113.1 转向轮侧偏角计算 .113.2 转向器原地转向阻力矩计算 .123.3 转向器角传动比与力传动比计算 .123.3.1 角传动比与力传动比介绍 .123.3.2 角传动比与力传动比确定 .123.4 齿轮齿条设计 .133.4.1 齿轮齿条啮合传动的特点 .133.4.2 齿轮参数的选择 .143.4.3 计算接触疲劳许用应力 .153.4.4 齿轮的齿根弯曲强度设计 .153.4.5 确定齿轮主要参数和几何尺寸 .173.4.6 确定齿条主要参数和几何尺寸 .173.4.7 齿面接触疲劳强度校核 .19第 4 章 齿轮轴的设计 .204.1 齿轮齿条传动受力分析 .204.2 齿轮轴最小轴径确定 .204.3 齿轮轴的强度校核 .20第 5 章 间隙调整弹簧的设计计算 .255.1 选择材料 .255.2 计算弹簧丝直径 .25河北工程大学毕业设计 V5.3 弹簧圈数和自由高度的计算 .265.4 弹簧校核与结构尺寸确定 .265.5 弹簧工作时的数据 .27第 6 章 其他零件的选择与润滑方式确定 .286.1 轴承的选择 .286.2 转向器润滑方式 .29总结 .32参考文献 .34致谢 .35河北工程大学毕业设计 1第 1 章 概述1.1 设计目的毕业设计的目的，大体分成两个方面：一方面是临毕业之前对毕业生所学习到的各类知识的能力进行考核。另一方面是对提高毕业生们的综合运用实际与理论的能力。目的在于了解和掌握汽车转向器的结构形式、工作原理、及设计理论和设计过程。1.2 设计的意义转向系统是车辆中的至关重要的部分，而其主要零件转向器又是重中之重，因此，我们这次的设计任务转向器对车辆的操稳性能以及驾驶人员的人身和财产安全有着非常大的影响。尤其是在高速发展的今天，车辆愈来愈密集，川流在城市，乡村的各个角落，交通事故也随着车辆的数量越来越多，因此，设计出优秀的转向系统对人类社会有着非常积极的意义。这样就更加凸显了我们此次设计的重要性，为以后的设计工作积累经验，争取设计出更优秀的作品，使其达到更高的水平。 设计的意义在于帮助即将进入工作岗位的毕业生们查漏补缺，查漏有：比如机械制图中的一些细节问题以及相应的规范，机械手册中的各种图表，装配过程中的的配合问题。是基孔制还是基轴制。还有大二大三所学的专业课知识（过盈配合，还是过渡配合，汽车构造，内燃机原理，汽车设计等等）;补缺有：大学生一直呆在学校很少和工厂接触，平时都是接触的理论知识，缺乏实践，而此次设计刚好可以弥补这方面的短板，这样就为以后从事车辆制造及设计方面的工作打下坚实的基础。 1.3 汽车转向装置的发展趋势车辆转向系是用来变换车辆行使方向的系统，为了防止发生交通事故，我们就需要转向系统快、准、稳地完成开车人发出的转向指令。还有就是车辆要有自动回正的功能，比如说起车轮偶然碰到遇到了外力（比如说碰到了石头）而发生偏转的时候，这个偏转是我们不需要的，当越过石头普，要是车辆的车轮还是处于偏转状态，那其不就麻烦了？要是司机反应慢了，还不得发生交通事故啊？所以，我们需要车轮自动回正。汽车产业我们国家重要的经济支柱产业，随着科技的不断进步与汽车技术的不断升级，到了现在，越来越能代表一个国家的综合国力，它是集合各种学科的综合高科技产河北工程大学毕业设计 2物。转向系统作为汽车重要的一部分也在发生着巨大的演变升级。一般意义上的车辆转向系是机械式的，开车人通过控制方向盘（steering wheel），再经过过转向器（Redirector，该系统中最重要的部件），横拉杆（连接左右两个摇臂，使两侧车轮一起转动）等机械零部件实现车轮的偏转，从而达到实现转向的目的。 1950 年之后，随着液压系统的不断完善和应用，液压渐渐出现在车辆的转向器中，这是转向系统变革的起点。科技的不断进步，车辆不仅仅只是代步工具，舒适性也要满足，以往转向只是单单依靠人力，所以一些货车司机绝大多数都是男性。而如今，若是加上液压助力，转向自然会轻松许多。其实其原理非常简单，就是在原来的基础上，另外添加一套（油泵始终处于工作状态）。这样的液压系统与内燃机相连接连，当内燃机转动动时，部分能量提供车辆行驶，剩下的一部分则为液压系统提供动力支持。 因为这样的工作模式相对可靠，既不想纯机械那样费力，也不行纯液压那样不可靠（只要有液压系统就存在漏油现象），技术也相对成熟，所以得到了广泛的使用。所谓的助力就是帮助驾驶者完成指定动作，起到四两拨千斤的作用，虽说夸大其词，但却真真正正的反映出轻便性，这样转向就变得更加灵活，这有助于车辆躲避突发事件。科技发展日新月异，电子技术也随之迅猛发展，尤其在元器件领域。科技进步，工艺先进，成本越来越低，渐渐的的电子器件被应用到车辆中。于是就进入了电液助力转向系统 EHPS（Electro-Hydraulic Power Steering）。电液助力转向可以分为两类 ：电动液压助力转向系统 EHPS（Electro-Hydraulic Power Steering）和电控液压助力转向 ECHPS（Electronically Controlled Hydraulic Power Steering）。电动液压助力转向系统是在液压助力系统基础上发展起来的，与液压助力系统不同的是，电动液压助力系统中液压系统的动力来源不是发动机而是电机，由电机驱动液压系统，节省了发动机能量，减少了燃油消耗。 电控液压助力转向听起来听复杂的，其实也就是在 Hydraulic power system 上加一些控制元器件，包括传感器，传感器能够记录下来转向盘转角变量，车速，温度等数据，传给 ECU，ECU 根据这些信息改变供油量。河北工程大学毕业设计 3ECHPS（Electronically Controlled Hydraulic Power Steering）也是在Hydraulic Power Steering 基础上发展而来，不同地方是，ECHPS 增加了电子控制元件。电子控制装置可根据方向盘转向速率、车速等汽车运行参数，改变油压的大小。而且电机驱动下的 HPS，不需要操作的时候，电机可以停止，这样就能降低能耗。虽然 EHPS（Electro-Hydraulic Power Steering）克服了 Hydraulic power system 的一些缺点。只要有液压系统的存在，就会有不稳定因素，比如说高温，低温，对油的黏性有很大的影响，比如是油温过高，其粘度很低，十分顺滑，油自然而然的顺着油封流出，造成浪费，还污染了环境。而且还要为其引入了电机，结构上增加部件，复杂程度进一步提高，花费增加了，而且可靠性下降了，得不偿失。 为了规避 EHPS（Electro - Hydraulic Power Steering）的缺点，EPS 便应时而生。EPS ，电动助力转向。也可以叫 EPAS。其最大优点是可以随速控制助力，在速度相对低的时提供较大助力效果，保证轻便转向；在高速时减小助力，在没有助力帮助的条件下，负反馈（即路面作用在车轮上的力按照转向传动的路线返回到方向盘上）也相应增加，这为司机提高了“路感”。Electric Power Steering 只在转向时发挥作用，因此不像纯 HPS 那样会一直对发动机造成负担，没有了负担，消耗自然就少了。1.4 汽车转向器国内外现状齿轮齿条式转向器（Rack and pinion steering gear）和循环球式转向器（recirculating ball steering gear），成为车辆上主要的转向器；而余下的蜗轮蜗杆式（Worm gear and worm type redirector）和蜗杆肖式转向器（Worm type redirector shaw），由于在制造工艺以及可靠度等方面的各种原因，已经逐步的退出历史的舞台。而留下来的循环球式转向器（recirculating ball steering gear）则是具备诸多优点，比如说效率高，操纵简单轻便，易于传递驾驶员操纵信号，这对于货车司机来说是非常有利的，可以减轻疲劳程度，布置简单。尤其适合大、中型车辆和该系统一起使用。另外就是可以实现变速比（Gear Ratio，）的特性，这就可以解决客户的各种速度上的需求。 中间位置转向力小、且经常使用，反之亦然，就希望中部位置附近速比小，这样就可以提升其敏度。对于前轴轴载质量不大而又经常在平坦路面行驶的中、轻型货车而言，河北工程大学毕业设计 4影响很小。由于这种转向器可实现变速比，传动效率又高，转向灵活，使用寿命较长等诸多特点，得到大范围应用不足为怪。我们此次设计任务（Rack and pinion steering gear）也有很多的主要优点：结构简单、紧凑。 质量小只是其一。正传动效率高，而且还能主动弥补间隙，在提高刚度的同时又避免产生杂音，还可以防止工作时产生冲击和噪声。综上所述转向器的优点，循环球式和齿轮齿条式将是未来发展的大趋势。1.5 设计的主要内容汽车行业为我们国家的经济发展做出不可磨灭的贡献，国家对汽车研发的投入也越来越多，随着工业的不断升级，汽车产品的设计、分析、实验技术等都日益受到重视。而学生一直停留在课堂之中是万万不可的，为了提高汽车设计方向的专业毕业生利用所学的基础知识解决实际工程问题能力，本题目所涉及到的知识都是汽车设计方面的专业知识，所以这次毕业设计可谓是雪中送炭。任务中的设计方法是非常实用的，并且在未来也是适用的，这些知识对于从事汽车技术工作的人都是很需要的，是他们进行工作和继续学习的基础。本次设计的任务来源于 RAV4，设计此车的转向器。根据该车型对于市场的定位及对制造成本的考虑，同时去网上查照该车的设计初衷。结合车身结构要求把这