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轎車轉向機構設計 摘要 本課題的題目是轎車轉向系的設計。以齒輪齒條轉向器的設計為中心，一是轎車轉向系統(tǒng)總述；二是機械轉向器的選擇；三是齒輪和齒條的合理匹配，以滿足轉向器的正確傳動比和強度要求；四是轉向傳動機構的設計；五是梯形結構設計。本課題在考慮上述要求和因素的基礎上研究利用轉向盤的旋轉帶動傳動機構的齒輪齒條轉向軸轉向，通過萬向節(jié)帶動轉向齒輪軸旋轉，轉向齒輪軸與轉向齒條嚙合，從而促使轉向齒條直線運動，實現轉向。該轉向器具有結構簡單緊湊，軸向尺寸短，且零件數目少的優(yōu)點，實現了汽車轉向的穩(wěn)定性和靈敏性。在本文中主要進行了轉向器齒輪齒條的設計和對轉向齒輪軸的校核，主要方法和理論采用汽車設計的經驗參數和大學所學機械設計的課程內容進行設計，其結果滿足強度要求，安全可靠。 關鍵詞：轎車 轉向系 齒輪齒條轉向器 轉向梯形 Abstract The title of this topic is the design of the car steering mechanism. Rack and pinion steering gear to the design as the center, first are cars’ steering system overview; Second, Cars steering system performance parameters; third rack gear and a reasonable match to meet the correct steering gear ratio and strength requirements; Fourth, Steering transmission mechanism design; Fifth, the structural design of trapezoidal. Therefore, taking into account the above issues and factors that require study, based on the steering wheel rotary drive transmission shaft of the steering rack and pinion steering, through the universal joint drive shaft rotation gear shift, steering rack and steering gear shaft meshing, thereby encouraging steering rack linear motion to achieve steering. Simple structure to achieve the steering tight, short axial dimension, and the number of parts can increase the advantages in order to achieve the vehicle steering stability and sensitivity. In this article a major design steering rack and pinion steering gear shaft and the check, the main methods and theoretical experience in the use of automotive design parameters and the University of mechanical design school curriculum design and the results meet the strength requirements, safe and reliable. Keywords: Car Steering system Rack-and pinion steering gear Steering Trapezoidal 目錄 摘要 I Abstract II 前言 1 1 轉向系統(tǒng) 5 1.1轉向系統(tǒng)概述 5 1.2轉向操縱機構 7 1.3轉向傳動機構 9 1.4轉向器與轉向器形式 10 1.5動力轉向機構 11 1.6齒輪齒條式轉向器的優(yōu)點 11 2 機械型轉向器原理 12 2.1齒輪齒條式轉向器的分類 12 2.2轉向系主要性能參數 14 2.2.1轉向器的效率 14 2.2.2傳動比的變化特性 16 3 齒輪齒條的設計步驟 19 3.1齒輪齒條的設計 19 3.2 強度校核 23 3.3齒輪齒條設計程序框圖 25 4 轉向器齒輪軸設計及其校核 26 4.1確定使用材料 26 4.2 軸的結構的設計及校核 26 4.3軸承選擇和確定 30 5 轉向傳動機構設計 31 5.1 轉向傳動機構原理 31 5.2 轉向傳動機構的臂、桿與球銷 33 5.3 轉向橫拉桿及其端部 34 6 轉向梯形機構優(yōu)化 37 6.1 轉向梯形機構概述 37 6.2 整體式轉向梯形結構方案分析 37 6.3 整體式轉向梯形機構優(yōu)化分析 38 6.4 整體式轉向梯形機構優(yōu)化設計 42 總結 46 致 謝 47 參考文獻 48 前言 改革開放以來，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅猛。作為汽車關鍵部件之一的轉向系統(tǒng)也得到了相應的發(fā)展，基本已形成了專業(yè)化、系列化生產的局面。有資料顯示，國外有很多國家的轉向器廠，都已發(fā)展成大規(guī)模生產的專業(yè)廠，年產超過百萬臺，壟斷了轉向器的生產，并且銷售點遍布了全世界。 由于汽車轉向器屬于汽車系統(tǒng)中的關鍵部件，它在汽車系統(tǒng)中占有重要位置，因而它的發(fā)展同時也反映了汽車工業(yè)的發(fā)展，它的規(guī)模和質量也成為了衡量汽車工業(yè)發(fā)展水平的重要標志之一。隨著汽車高速化和超低扁平胎的通用化，過去采用循環(huán)球轉向器和循環(huán)球變傳動比轉向器只能相對地解決轉向輕便性和操縱靈便性的問題，要想從跟本上解決這兩個問題只有安裝動力轉向器。因此，除了重型汽車和高檔轎車早已安裝動力轉向器外，近年來在中型貨車、豪華客車及中檔轎車上都已經開始安裝動力轉向器，隨著動力轉向器的設計水平的提高、生產規(guī)模的擴大和市場的需要，其他的一些車型也必須陸續(xù)安裝動力轉向器。液壓助力型轉向器的設計使汽車在低速行駛或車輛就位時，駕駛員只需用較小的操作力就能靈活進行轉向;而在高速行駛時，則自動控制，使操作力逐漸增大，實現了穩(wěn)定操縱。雖然這種轉向器具有很多優(yōu)點，但在目前的技術水準下它仍然存在某些不足之處，例如助力較小等;因此，目前機械式轉向器仍然占據著很大的市場份額，其性能也在不斷地提高，同時這對于液壓助力型動力轉向器的研究也有著非常深遠的意義。因此本課題在考慮上述要求和因素的基礎上研究利用轉向盤的旋轉帶動傳動機構的轉向軸轉向，通過萬向節(jié)帶動齒輪軸旋轉，齒輪軸與齒條嚙合，從而促使齒條直線運動，實現轉向。實現了轉向器結構簡單緊湊，軸向尺寸短，且零件數目少的優(yōu)點，實現了汽車轉向的穩(wěn)定性和靈敏性。 從操縱輕便性、穩(wěn)定性及安全行駛的角度，汽車制造廣泛使用更先進的工藝方法，使用變速比轉向器、高剛性轉向器?！白兯俦群透邉傂浴笔悄壳笆澜缟仙a的轉向器結構的方向。隨著汽車車速的提高，駕駛員和乘客的安全非常重要，目前國內外在許多汽車上已普遍增設能量吸收裝置，如防碰撞安全轉向柱、安全帶、安全氣囊等，并逐步推廣。從人類工程學的角度考慮操縱的輕便性，已逐步采用可調整的轉向管柱和動力轉向系統(tǒng)。隨著國際經濟形勢的惡化，石油危機造成經濟衰退，汽車生產愈來愈重視經濟性，因此，要設計低成本、低油耗的汽車和低成本、合理化生產線，盡量實現大批量專業(yè)化生產。對零部件生產，特別是轉向器的生產，更表現突出。 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，轉向裝置的結構也有很大變化。汽車轉向器的結構很多，從目前使用的普遍程度來看，主要的轉向器類型有4種：有曲柄指銷式(WP型)、蝸桿滾輪式(WR型)、循環(huán)球式(BS型)、齒輪齒條式(RP型)。這四種轉向器型式，已經被廣泛使用在汽車上。據了解，在世界范圍內，循環(huán)球式轉向器占45％左右，齒輪齒條式轉向器占40％左右，蝸桿滾輪式轉向器占10％左右，其它型式的轉向器占5％。循環(huán)球式轉向器一直在穩(wěn)步發(fā)展。在西歐小客車中，齒條齒輪式轉向器有很大的發(fā)展。日本汽車轉向器的特點是循環(huán)球式轉向器占的比重越來越大，日本裝備不同類型發(fā)動機的各類型汽車，采用不同類型轉向器，在公共汽車中使用的循環(huán)球式轉向器，已由60年代的62．5％，發(fā)展到現今的100％了(蝸桿滾輪式轉向器在公共汽車上已經被淘汰)。大、小型貨車大都采用循環(huán)球式轉向器，但齒條齒輪式轉向器也有所發(fā)展。微型貨車用循環(huán)球式轉向器占65％，齒條齒輪式占 35％。 綜合上述對有關轉向器品種的使用分析，得出以下結論： 循環(huán)球式轉向器和齒輪齒條式轉向器，已成為當今世界汽車上主要的兩種轉向器；而蝸桿滾輪式轉向器和曲柄指銷式轉向器，正在逐步被淘汰或保留較小的地位。 在小客車上發(fā)展轉向器的觀點各異，美國和日本重點發(fā)展循環(huán)球式轉向器，比率都已達到或超過90％；西歐則重點發(fā)展齒輪齒條式轉向器，比率超過50％，法國已高達95％。 由于齒輪齒條式轉向器的種種優(yōu)點，在小型車上的應用(包括小客車、小型貨車或客貨兩用車)得到突飛猛進的發(fā)展；而大型車輛則以循環(huán)球式轉向器為主要結構。 循環(huán)球式轉向器的特點是：效率高，操縱輕便，有一條平滑的操縱力特性曲線。 布置方便。特別適合大、中型車輛和動力轉向系統(tǒng)配合使用；易于傳遞駕駛員操縱信號；逆效率高、回位好，與液壓助力裝置的動作配合得好?？梢詫崿F變速比的特性，滿足了操縱輕便性的要求。中間位置轉向力小、且經常使用，要求轉向靈敏，因此希望中間位置附近速比小，以提高靈敏性。大角度轉向位置轉向阻力大，但使用次數少，因此希望大角度位置速比大一些，以減小轉向力。由于循環(huán)球式轉向器可實現變速比，應用正日益廣泛。通過大量鋼球的滾動接觸來傳遞轉向力，具有較大的強度和較好的耐磨性。并且該轉向器可以被設計成具有等強度結構，這也是它應用廣泛的原因之一。變速比結構具有較高的剛度，特別適宜高速車輛車速的提高。高速車輛需要在高速時有較好的轉向穩(wěn)定性，必須保證轉向器具有較高的剛度,間隙可調。齒條齒扇副磨損后可以重新調整間隙，使之具有合適的轉向器傳動間隙，從而提高轉向器壽命，也是這種轉向器的優(yōu)點之一。 我國的轉向器生產，除早期投產的解放牌汽車用蝸桿滾輪式轉向器，東風汽車用曲柄指銷式轉向器之外，其它大部分車型都采用循環(huán)球式結構，并都具有一定的生產經驗。目前解放、東風也都在積極發(fā)展循環(huán)球式轉向器，并已在第二代換型車上普遍采用了循環(huán)球式轉向器。由此看出，我國的轉向器也在向大量生產循環(huán)球式轉向器發(fā)展。循環(huán)球式轉向器在國外實現了專業(yè)化生產，同時以專業(yè)廠為主、大力進行試驗和研究，大大提高了產品的產量和質量。日本“精工”(NSK)公司的循環(huán)球式轉向器就以成本低、質量好、產量大，逐步占領日本市場，并向全世界銷售它的產品。德國ZF公司也作為一個大型轉向器專業(yè)廠著稱于世。它從1948年開始生產ZF型轉向器，年產各種轉向器200多萬臺。還有一些比較大的轉向器生產廠，如美國德爾福公司SAGINAW分部；英國BURMAN公司都是比較有名的專業(yè)廠家，都有很大的產量和銷售面。專業(yè)化生產已成為一種趨勢，只有走這條道路，才能使產品質量高、產量大、成本低，在市場上有競爭力。 動力轉向系統(tǒng)的應用日益廣泛，不僅在重型汽車上必須裝備，在高級轎車上應用的也較多，在中型汽車上的應用也逐漸推廣。主要是從減輕駕駛員疲勞，提高操縱輕便性和穩(wěn)定性出發(fā)。雖然帶來成本較高和結構復雜等問題，但由于優(yōu)點明顯，還是得到很快的發(fā)展。 1 轉向系統(tǒng) 1.1轉向系統(tǒng)概述 汽車行駛過程中，經常需要改變行駛方向，即所謂的轉向，這就需要有一套能夠按照司機意志使汽車轉向的機構，它將司機轉動方向盤的動作轉變?yōu)檐囕?通常是前輪)的偏轉動作。按轉向力能源的不同，可將轉向系分為機械轉向系和動力轉向系。 機械轉向系的能量來源是人力，所有傳力件都是機械的，由轉向操縱機構(方向盤)、轉向器、轉向傳動機構三大部分組成。其中轉向器是將操縱機構的旋轉運動轉變?yōu)閭鲃訖C構的直線運動(嚴格講是近似直線運動)的機構，是轉向系的核心部件[2]。 動力轉向系除具有以上三大部件外，其最主要的動力來源是轉向助力裝置。由于轉向助力裝置最常用的是一套液壓系統(tǒng)，因此也就離不開泵、油管、閥、活塞和儲油罐，它們分別相當于電路系統(tǒng)中的電池、導線、開關、電機和地線的作用。 通常，對轉向系的主要要求是: 1、轎車轉彎行駛時，全部車輪應繞瞬時轉向中心旋轉，任何車輪不應有側滑。不滿足這項要求會加速輪胎磨損，并降低汽車的行駛穩(wěn)定性。 2、轎車轉向行駛時，在駕駛員松開轉向盤的條件下，轉向輪能自動返回到直線行駛位置，并穩(wěn)定行駛。 3、轎車在任何行駛狀態(tài)下，轉向輪都不得產生自振，轉向盤沒有擺動。 4、轉向傳動機構和懸架導向裝置共同工作時，由于運動不協調使車輪產生的擺動應最小。 5、保證轎車有較高的機動性，具有迅速和小轉彎行駛能力。 6、操縱輕便。 7、轉向輪碰撞到障礙物以后，傳給轉向盤的反沖力要盡可能小。 8、轉向器和轉向傳動機構的球頭處，有消除因磨損而產生間隙的調整機構。 9、在車禍中，當轉向軸和轉向盤由于車架或車身變形而共同后移時，轉向系應有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。 10、進行運動校核，保證轉向輪與轉向盤轉動方向一致。 正確設計轉向梯形機構，可以使第一項要求得到保證。轉向系中設置有轉向減振器時，能夠防止轉向輪產生自振，同時又能使傳到轉向盤上的反沖力明顯降低。為了使轎車車具有良好的機動性能，必須使轉向輪有盡可能大的轉角，并要達到按前外輪車輪軌跡計算，其最小轉彎半徑能達到轎車車軸距的2～2.5倍。通常用轉向時駕駛員作用在轉向盤上的切向力大小和轉向盤轉動圈數多少兩項指標來評價操縱輕便性。沒有裝置動力轉向的轎車，在行駛中轉向，此力應為50～100N；有動力轉向時，此力在20～50N。轎車轉向盤從中間位置轉到每一端的圈數不得超過2.0圈。 下圖是一種機械式轉向系統(tǒng)如圖1-1示。駕駛員對轉向盤1施加的轉向力矩通過轉向軸2輸入轉向器8。從轉向盤到轉向傳動軸這一系列零件即屬于轉向操縱機構。作為減速傳動裝置的轉向器中有1、2級減速傳動副（右圖所示轉向系統(tǒng)中的轉向器為單級減速傳動副）。經轉向器放大后的力矩和減速后的運動傳到轉向橫拉桿6，再傳給固定于轉向節(jié)3上的轉向節(jié)臂5，使轉向節(jié)和它所支承的轉向輪偏轉，從而改變了汽車的行駛方向。這里，轉向橫拉桿和轉向節(jié)臂屬于轉向傳動機構。 l.轉向盤 2.轉向軸 3.轉向節(jié) 4.轉向輪 5.轉向節(jié)臂 6.轉向橫拉桿 7.轉向減振器 8.機械轉向器 圖1-1 機 械 系 統(tǒng) 簡 圖 1.2轉向操縱機構 轉向盤即通常所說的方向盤。轉向盤內部有金屬制成的骨架，是用鋼、鋁合金或鎂合金等材料制成。由圓環(huán)狀的盤圈、插入轉向軸的轉向盤轂，以及連接盤圈和盤轂的輻條構成。采用焊接或鑄造等工藝制造，轉向軸是由細齒花鍵和螺母連接的。骨架的外側一般包有柔軟的合成橡膠或樹脂，也有采用皮革包裹以及硬木制作的轉向盤。轉向盤外皮要求有某種程度的柔軟度，手感良好，能防止手心出汗打滑的材質，還需要有耐熱、耐候性。 轉向盤的功能：轉向盤位于司機的正前方，是碰撞時最可能傷害到司機的部件，因此需要轉向盤具有很高的安全性，在司機撞在轉向盤上時，骨架能夠產生變形，吸收沖擊能，減輕對司機的傷害。轉向盤的慣性力矩也是很重要的，慣性力矩小，我們就會感到“輪輕”，操做感良好，但同時也容易受到轉向盤的反彈(即“打手”)的影響，為了設定適當的慣性力矩，就要調整骨架的材料或形狀等。 現在有越來越多的汽車在轉向盤里安裝了安全氣囊，也使汽車的安全性大大提高了。轉向盤的集電環(huán)：轉向盤上有喇叭開關，必須時刻與車身電器線路相連，而旋轉的轉向盤與組合開關之間顯然不能用導線直接相連，因此就必須采用集電環(huán)裝置。集電環(huán)好比環(huán)形的地鐵軌道，喇叭開關的觸點就象奔跑在軌道上的電車，時刻保持接通的狀態(tài)。由于是機械接觸，長時間使用觸點會因磨損影響導電性，導致緊急時刻喇叭不鳴甚至氣囊不工作。因此，最近裝備氣囊的汽車開始裝用電纜盤，代替集電環(huán)。 轉向盤的端子與組合開關的端子用電纜線連接，電纜盤將電線卷入盤內，類似于吸塵器的電線卷取機構，在轉向盤旋轉范圍內，電線*卷筒自由伸縮。這種裝置大大提高了電器裝置的可靠性。 如圖：圖1-2和圖1-3所示。 1.輪圈 2.輪輻 3.輪轂 圖1-2轉向盤簡圖 圖1-3 操縱機構簡圖 轉向操縱機構由方向盤、轉向軸、轉向管柱等組成，它的作用是將駕駛員轉動轉向盤的操縱力傳給轉向器。 1.3轉向傳動機構 為牢固支承轉向盤而設有轉向柱。傳遞轉向盤操作的轉向軸從中穿過，由軸承和襯套支承。轉向柱本體安裝在車身上。轉向機構應備有吸收汽車碰撞時產生的沖擊能的裝置。許多國家都規(guī)定轎車義務安裝吸能式轉向柱。吸能裝置的方式很多，大都通過轉向柱的支架變形來達到緩沖吸能的作用。 轉向軸與轉向器齒輪箱之間采用連軸節(jié)相連(即兩個萬向節(jié))，之所以用連軸節(jié)，除了可以改變轉向軸的方向，還有就是使得轉向軸可以作縱向的伸縮運動，以配合轉向柱的緩沖運動。 可傾斜式轉向機構：正是由于有了連軸節(jié)，轉向軸可以有不同的傾斜角度，使轉向盤的位置可以上下傾斜，適應各種身高和體形的司機。通過操作位于轉向柱下側的手柄，使轉向柱處于放松狀態(tài)，將轉向盤調至自己喜好的位置，再反向轉動手柄，使轉向柱固定在新的位置上。 現在的一些高級轎車上已經采用電動式轉向盤傾斜調整機構。轉向軸內裝有專用電機，使轉向軸改變傾斜角度。最新型的調整機構是全自動式由計算機控制的。可伸縮式轉向機構：該機構可象望遠鏡那樣伸縮調整轉向盤的前后位置。轉向軸也象望遠鏡一樣有雙重結構，內筒與外筒用花鍵嚙合，使它們無法相對轉動，而只能沿鍵槽方向做伸縮運動。與傾斜調整機構相同，可操作手柄解除或固定伸縮動作，一部分車也采用電動式計算機控制的全自動伸縮式轉向機構。 1.4轉向器與轉向器形式 轉向器(也常稱為轉向機)是完成由旋轉運動到直線運動(或近似直線運動)的一組齒輪機構，同時也是轉向系中的減速傳動裝置。歷史上曾出現過許多種形式的轉向器，目前較常用的有齒輪齒條式、曲柄指銷式、循環(huán)球-齒條齒扇式、循環(huán)球曲柄指銷式、蝸桿滾輪式等。其中第二、第四種分別是第一、第三種的變形形式，而蝸桿滾輪式則更少見。我們只介紹目前最常用，最有代表性的兩種形：齒輪齒條式和循環(huán)球式。 齒輪齒條式：齒輪齒條方式的最大特點是剛性大，結構緊湊重量輕，且成本低。由于這種方式容易由車輪將反作用力傳至轉向盤，所以具有對路面狀態(tài)反應靈敏的優(yōu)點，但同時也容易產生打手和擺振等現象。齒輪與齒條直接嚙合，將齒輪的旋轉運動轉化為齒條的直線運動，使轉向拉桿橫向拉動車輪產生偏轉。齒輪并非單純的平齒輪，而是特殊的螺旋形狀，這是為了盡量減小齒輪與齒條之間的嚙合間隙，使轉向盤的微小轉動能夠傳遞到車輪，提高操作的靈敏性，也就是我們通常所說的減小方向盤的曠量。不過齒輪嚙合過緊也并非好事，它使得轉動轉向盤時的操作力過大，人會感到吃力。 循環(huán)球式：這種轉向裝置是由齒輪機構將來自轉向盤的旋轉力進行減速，使轉向盤的旋轉運動變?yōu)闇u輪蝸桿的旋轉運動，滾珠螺桿和螺母夾著鋼球嚙合，因而滾珠螺桿的旋轉運動變?yōu)橹本€運動，螺母再與扇形齒輪嚙合，直線運動再次變?yōu)樾D運動，使連桿臂搖動，連桿臂再使連動拉桿和橫拉桿做直線運動，改變車輪的方向。 1.5動力轉向機構 動力轉向機是利用外部動力協助司機輕便操作轉向盤的裝置。隨著最近汽車發(fā)動機馬力的增大和扁平輪胎的普遍使用，使車重和轉向阻力都加大了，因此動力轉向機構越來越普及。值得注意的是，轉向助力不應是不變的，因為在高速行駛時，輪胎的橫向阻力小，轉向盤變得輕飄，很難捕捉路面的感覺，也容易造成轉向過于靈敏而使汽車不易控制。所以在高速時要適當減低動力，但這種變化必須平順過度。 (一)液壓式動力轉向裝置 液壓式動力轉向裝置重量輕，結構緊湊，利于改善轉向操作感覺，但液體流量的增加會加重泵的負荷，需要保持怠速旋轉的機構。 (二)電動式動力轉向裝置 電動式動力轉向裝置是最新形式的轉向裝置，由于它節(jié)能，故受到人們的重視。它是利用蓄電池轉動電機產生推力。由于不直接使用發(fā)動機的動力，所以大大降低了發(fā)動機的功率損失(液壓式最大損失5-10馬力)，且不需要液壓管路，便于安裝。尤其有利于中置發(fā)動機后輪驅動的汽車。但目前電動式動力轉向裝置所得動力還比不上液壓式，所以只限用于前輪軸輕的中置發(fā)動機后驅動的汽車上。 1.6齒輪齒條式轉向器的優(yōu)點 (1)構造筒單,結構輕巧。由于齒輪箱小,齒條本身具有傳動桿系的作用,因此,它不需要循環(huán)球式轉向器上所使用的拉桿 (2)因齒輪和齒條直接嚙合,操縱靈敏性非常高。 (3)滑動和轉動阻力小,轉矩傳遞性能較好,因此,轉向力非常輕。 (4)轉向機構總成完全封閉,可免于維護。 (5)占用空間小,使用壽命長。 2 機械型轉向器原理 2.1齒輪齒條式轉向器的分類 1. 轉向橫拉桿 2.防塵套 3.球頭座 4.轉向齒條 5.轉向器殼體 6.調整螺塞 7.壓緊彈簧 8.鎖緊螺母 9.壓塊 10.萬向節(jié) 11.轉向齒輪軸 12.深溝球軸承 13.滾針軸承 圖2-1 兩端式齒輪齒條轉向器 齒輪齒條式轉向器： 齒輪齒條式轉向器分兩端輸出式和中間（或單端）輸出式兩種。 （一）兩端輸出的齒輪齒條式轉向器，作為傳動副主動件的轉向齒輪軸通過軸承安裝在轉向器殼體中，其上端通過花鍵與萬向節(jié)和轉向軸連接。與轉向齒輪嚙合的轉向齒條水平布置，兩端通過球頭座與轉向橫拉桿相連。彈簧通過壓塊將齒條壓在齒輪上，保證無間隙嚙合。 彈簧的預緊力可用調整螺栓調整。當轉動轉向盤時，轉向器齒輪轉動，使與之嚙合的齒條沿軸向移動，從而使左右橫拉桿帶動轉向節(jié)左右轉動，使轉向車輪偏轉，從而實現汽車轉向。 兩端輸出的齒輪齒條式轉向器如圖2-1所示，作為傳動副主動件的轉向齒輪軸11通過軸承12和13安裝在轉向器殼體5中，其上端通過花鍵與萬向節(jié)10和轉向軸連接。與轉向齒輪嚙合的轉向齒條4水平布置，兩端通過球頭座3與轉向橫拉桿1相連。彈簧7通過壓塊9將齒條壓在齒輪上，保證無間隙嚙合。彈簧的預緊力可用調整螺塞6調整。當轉動轉向盤時，轉向器齒輪11轉動，使與之嚙合的齒條4沿軸向移動，從而使左右橫拉桿帶動轉向節(jié)左右轉動，使轉向車輪偏轉，從而實現汽車轉向。中間輸出的齒輪齒條式轉向器如圖2-2所示，其結構及工作原理與兩端輸出的齒輪齒條式轉向器基本相同，不同之處在于它在轉向齒條的中部用螺栓6與左右轉向橫拉桿7相連。 （二）中間輸出的齒輪齒條式轉向器，其結構及工作原理與兩端輸出的齒輪齒條式轉向器基本相同，不同之處在于它在轉向齒條的中部用螺栓與左右轉向橫拉桿相連。在單端輸出的齒輪齒條式轉向器上，齒條的一端通過內外托架與轉向橫拉桿相連。循環(huán)球式轉向器 循環(huán)球式轉向器是目前國內外應用最廣泛的結構型式之一， 一般有兩級傳動副，第一級是螺桿螺母傳動副，第二級是齒條齒扇傳動副。 為了減少轉向螺桿轉向螺母之間的摩擦，二者的螺紋并不直接接觸，其間裝有多個鋼球，以實現滾動摩擦。轉向螺桿和螺母上都加工出斷面輪廓為兩段或三段不同心圓弧組成的近似半圓的螺旋槽。二者的螺旋槽能配合形成近似圓形斷面的螺旋管狀通道。螺母側面有兩對通孔，可將鋼球從此孔塞入螺旋形通道內。轉向螺母外有兩根鋼球導管，每根導管的兩端分別插入螺母側面的一對通孔中。導管內也裝滿了鋼球。這樣，兩根導管和螺母內的螺旋管狀通道組合成兩條各自獨立的封閉的鋼球"流道"。轉向螺桿轉動時，通過鋼球將力傳給轉向螺母，螺母即沿軸向移動。同時，在螺桿及螺母與鋼球間的摩擦力偶作用下，所有鋼球便在螺旋管狀通道內滾動，形成"球流"。在轉向器工作時，兩列鋼球只是在各自的封閉流道內循環(huán)，不會脫出。在單端輸出的齒輪齒條式轉向器上，齒條的一端通過內外托架與轉向橫拉桿相連。 1.萬向節(jié) 2.轉向齒輪軸 3.調整螺母 4.深溝球軸承 5.滾針軸承 6.固定螺栓 7.轉向橫拉桿 8.轉向器殼體 9.防塵套 10.轉向齒條 11.調整螺塞 12.鎖緊螺母 13.壓緊彈簧 14.壓塊 圖2-2 中間式齒輪齒條轉向器 2.2轉向系主要性能參數 2.2.1轉向器的效率 功率P1從轉向軸輸入，經轉向搖臂軸輸出所求得的效率稱為正效率，用符號 η+表示，η+=(P1—P2)／Pl；反之稱為逆效率，用符號η-表示，η- =(P3—P2)／P3。式中，P2為轉向器中的摩擦功率；P3為作用在轉向搖臂軸上的功率。為了保證轉向時駕駛員轉動轉向盤輕便，要求正效率高。為了保證汽車轉向后轉向輪和轉向盤能自動返回到直線行駛位置，又需要有一定的逆效率。為了減輕在不平路面上行駛時駕駛員的疲勞，車輪與路面之間的作用力傳至轉向盤上要盡可能小，防止打手又要求此逆效率盡可能低[1]。 1．轉向器正效率η+ 影響轉向器正效率的因素有：轉向器的類型、結構特點、結構參數和制造質量等。 (1)轉向器類型、結構特點與效率 在前述四種轉向器中，齒輪齒條式、循環(huán)球式轉向器的正效率比較高，而蝸桿指銷式特別是固定銷和蝸桿滾輪式轉向器的正效率要明顯的低些。 同一類型轉向器，因結構不同效率也不一樣。如蝸桿滾輪式轉向器的滾輪與支持軸之間的軸承可以選用滾針軸承、圓錐滾子軸承和球軸承等三種結構之一。第一種結構除滾輪與滾針之間有摩擦損失外，滾輪側翼與墊片之間還存在滑動摩擦損失，故這種轉向器的效率ly+僅有54％。另外兩種結構的轉向器效率，根據試驗結果分別為70％和75％。 轉向搖臂軸軸承的形式對效率也有影響，用滾針軸承比用滑動軸承可使正或逆效率提高約10％。 (2)轉向器的結構參數與效率 如果忽略軸承和其它地方的摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，對于蝸桿和螺桿類轉向器，其效率可用下式計算 （2.1） 式中，αo為蝸桿(或螺桿)的螺線導程角；ρ為摩擦角，ρ=arctanf；f為摩擦因數。 2．轉向器逆效率η- 根據逆效率大小不同，轉向器又有可逆式、極限可逆式和不可逆式之分。 路面作用在車輪上的力，經過轉向系可大部分傳遞到轉向盤，這種逆效率較高的轉向器屬于可逆式。它能保證轉向后，轉向輪和轉向盤自動回正。這既減輕了駕駛員的疲勞，又提高了行駛安全性。但是，在不平路面上行駛時，車輪受到的沖擊力，能大部分傳至轉向盤，造成駕駛員“打手”，使之精神狀態(tài)緊張，如果長時間在不平路面上行駛，易使駕駛員疲勞，影響安全駕駛。屬于可逆式的轉向器有齒輪齒條式和循環(huán)球式轉向器。 不可逆式轉向器，是指車輪受到的沖擊力不能傳到轉向盤的轉向器。該沖擊力由轉向傳動機構的零件承受，因而這些零件容易損壞。同時，它既不能保證車輪自動回正，駕駛員又缺乏路面感覺；因此，現代汽車不采用這種轉向器。 極限可逆式轉向器介于上述兩者之間。在車輪受到沖擊力作用時，此力只有較小一部分傳至轉向盤。它的逆效率較低，在不平路面上行駛時，駕駛員并不十分緊張，同時轉向傳動機構的零件所承受的沖擊力也比不可逆式轉向器要小。 如果忽略軸承和其它地方的摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，則逆效率可用下式計算 （2.2） 式(2.1)和式(2.2)表明：增加導程角αo,正、逆效率均增大。受η-增大的影響，αo不宜取得過大。當導程角小于或等于摩擦角時，逆效率為負值或者為零，此時表明該轉向器是不可逆式轉向器。為此，導程角必須大于摩擦角。通常螺線導程角選在8°～10°之間。 2.2.2傳動比的變化特性 1.轉向系傳動比 轉向系的傳動比包括轉向系的角傳動比和轉向系的力傳動比 從輪胎接觸地面中心作用在兩個轉向輪上的合力2Fw與作用在轉向盤上的手力Fh之比，稱為力傳動比，即 ip=2Fw／Fh 。 轉向盤轉動角速度 ωw 與同側轉向節(jié)偏轉角速度 ωk 之比，稱為轉向系角傳動比，即；式中，dφ 為轉向盤轉角增量；dβk 為轉向節(jié)轉角增量；dt為時間增量。它又由轉向器角傳動比iw 和轉向傳動機構角傳動比iw′ 所組成，即 iwo=iw iw′ 。 轉向盤角速度ωw與搖臂軸轉動角速度ωK之比，稱為轉向器角傳動比iw′, 即。 式中,dβp為搖臂軸轉角增量。此定義適用于除齒輪齒條式之外的轉向器。 搖臂軸轉動角速度ωp與同側轉向節(jié)偏轉角速度ωk之比，稱為轉向傳動機構的角傳動比iw′，即。 2．力傳動比與轉向系角傳動比的關系 輪胎與地面之間的轉向阻力Fw和作用在轉向節(jié)上的轉向阻力矩 Mr 之間有如下關系 （2.3） 式中，α為主銷偏移距，指從轉向節(jié)主銷軸線的延長線與支承平面的交點至車輪中心平面與支承平面交線間的距離。 作用在轉向盤上的手力Fh可用下式表示 （2.4） 式中，Mh為作用在轉向盤上的力矩；Dsw為轉向盤直徑。 將式(1.3)、式(1.4)代入 ip=2Fw／Fh 后得到 （2.5） 分析式(2.5)可知，當主銷偏移距a小時，力傳動比 ip 應取大些才能保證轉向輕便。通常轎車的 a 值在0．4～0．6倍輪胎的胎面寬度尺寸范圍內選取，而貨車的d值在40～60mm范圍內選取。轉向盤直徑 Dsw 根據車型不同在JB4505—86轉向盤尺寸標準中規(guī)定的系列內選取。 如果忽略摩擦損失，根據能量守恒原理，2Mr／Mh可用下式表示 （2.6） 將式(1.6)代人式(1.5)后得到 （2.7） 當 α 和 Dsw 不變時，力傳動比 ip 越大，雖然轉向越輕，但 iwo 也越大，表明轉向不靈敏。 根據相互嚙合齒輪的基圓齒距必須相等， 即 Pbl=Pb2。其中齒輪基圓齒距Pbl=πmlcosα1，齒條基圓齒距 Pb2=πm2cosα2 。由上述兩式可知：當齒輪具有標準模數m1和標準壓力角α1與一個具有變模數m2、變壓力角α2的齒條相嚙合，并始終保持 m1cosoαl=m2cosoα2時，它們就可以嚙合運轉。如果齒條中部(相當汽車直線行駛位置)齒的壓力角最大，向兩端逐漸減小(模數也隨之減小)，則主動齒輪嚙合半徑也減小，致使轉向盤每轉動某同一角度時，齒條行程也隨之減小。因此，轉向器的傳動比是變化的。 循環(huán)球齒條齒扇式轉向器的角傳動比 iw=2πr／P。因結構原因，螺距 P 不能變化，但可以用改變齒扇嚙合半徑 r 的方法，達到使循環(huán)球齒條齒扇式轉向器實現變速比的目的。 隨轉向盤轉角變化，轉向器角傳動比可以設計成減小、增大或保持不變的。影響選取角傳動比變化規(guī)律的因素，主要是轉向軸負荷大小和對汽車機動能力的要求。若轉向軸負荷小，在轉向盤全轉角范圍內，駕駛員不存在轉向沉重問題。裝用動力轉向的汽車，因轉向阻力矩由動力裝置克服，所以在上述兩種情況下，均應取較小的轉向器角傳動比并能減少轉向盤轉動的總圈數，以提高汽車的機動能力。 轉向盤在中間位置的轉向器角傳動比不宜過小。過小則在汽車高速直線行駛時，對轉向盤轉角過分敏感和使反沖效應加大，使駕駛員精確控制轉向輪的運動有困難。直行位置的轉向器角傳動比不宜低于15～16。 3 齒輪齒條的設計步驟 3.1齒輪齒條的設計 (1)材料的選擇 轉向系統(tǒng)直接關系著生命財產的安全，屬于保安系統(tǒng)，安全系數要求較高。轉向器扭距低，受到中等沖擊，工作環(huán)境較惡劣，材料選擇十分重要。齒輪通常選用國內常用、性能優(yōu)良的20CrMnTi合金鋼，熱處理采用表面滲碳淬火工藝，齒面硬度為HRc58～63。而齒條選用與20CrMnTi具有較好匹配性的40Cr作為嚙合副，齒條熱處理采用高頻淬火工藝，表面硬度HRc50～56。 (2)精度等級的確定 借鑒“金杯”微型汽車系列所用的齒輪齒條轉向器的經驗，選用8級精度。 (3)螺旋角的選擇 轉向小齒輪都采用斜齒，螺旋角在之間,故我們這里選擇右旋 (4)輸入扭距的確定 從車輪傳到齒輪的反向輸入扭距 （3.1） 式中 N1——前軸載荷； K——名義反力力臂，普通轎車、微型汽車按日本設計慣例取0.10m I——轉向機構的反向傳動比，一般為12～18。 取汽車N 1=6478 N，i取為12，則T′1=26.9Nm。 從轉向盤輸入的操縱載荷傳到齒輪的力矩： （3.2） 式中 Ras—轉向盤作用半徑； f′ —作用在轉向盤上的操縱載荷；對轎車該力不應超過150～200N，對貨車不應超過500N。 取汽車的Ras=0.195m，取f′為200 N，則 T1′′=39Nm。 由（3.1）和（3.2）上述兩個公式計算，取T1′、 T1′′中較大的一者作為輸入扭距的值，則T 1 =39 Nm。 (5)齒輪法面模數的確定 按文獻中彎曲疲勞進行齒輪法面模數的計算： （3.3） 式中： K—載荷系數，包括工作情況系數KA、動載荷系數KV、嚙合齒對間載荷分配系數KU及載荷分布不均勻系數Kβ 即 K=KA KV KU Kβ 微型汽車或普通轎車載荷小、轉向器運動時一般速度不高，各參數選擇可以取1～1.25，綜合起來可以取K=1.25。 Yβ—螺旋角影響系數，計算出縱向重合度εa =0.318Φd Z 1 tgβ再按其查出數據： Φd—齒寬系數，可以從文獻中查表獲得，但是為了保證強度可以調整至1.5 ～2； Z 1—齒輪齒數，一般為5 ～7，根據設計經驗，齒輪齒數初步選為6； β — 螺旋角，一般稱齒輪螺旋角為β1，齒條螺旋角為β2； YFa — 齒輪的齒形系數，可近似的按當量齒數ZV≈Z/cos3β從文獻中查表獲得； Ysa —齒輪的應力校正系數，可近似的按當量齒數ZV≈Z/cos3β從文獻中查表獲得； [σF] —彎曲疲勞許用應力：[σF]=KNσlim/S； KN—壽命系數，可以從文獻中查表獲得； σlim—齒輪的彎曲疲勞極限，可以從文獻中查表獲得； S —疲勞強度系數，轉向器載荷并不大、但屬于關鍵件，S可以取1..25～1.5之間，微輕型車可取下限。 εa—端面重合度，可以從文獻中查表獲得（當齒數小于時，可按17進行查表） 根據汽車的有關參數代入公式得出（由于各種系數選取的差異，不同的人員計算，結果會有所不同）； mn≥2.08mm 計算出mn 后，為了縮短開發(fā)周期，利用現有的刀具等工藝手段，一般要同已經生產過的齒輪齒條轉向器的法面模數進行對比，取得相近現存的模數，“金杯”中意車齒輪法面模數為2.5mm>2.08mm，此設計也采用該模數，所以該齒輪齒條轉向器的齒輪法面模數取為2.5mm。確定模數后，再按下面的計算公式進行接觸疲勞強度的校核。 （3.4） 式中： F t—齒輪所受圓周力： F t =2T 1/d1 d1—齒輪的節(jié)圓直徑，對于標準齒輪即為分度圓； b—齒輪齒寬，b=Φd d1； u—齒數比（= Z 2′/ Z 1），齒輪齒條齒數比不同于常規(guī)的齒輪與齒輪嚙合的齒數比，Z 2′由整車總布置所確定的中心距a按下面的公式計算能得出： （3.5） Z H—區(qū)域系數： α—法面壓力角，選齒輪齒條為20°； [σH ] H—接觸疲勞許用應力：[σH ] H = KNσHlim/S； σHlim —齒輪的接觸疲勞極限，可以從文獻中查表獲得； 對微型汽車轉向器的齒輪接觸疲勞強度進行校核，滿足強度要求。 （5）齒輪齒數Z1的選擇 主動小齒輪的齒數在5~7之間,這里我們取Z 1=6 （6）齒條齒數Z 2的選擇 齒條齒數Z 2的選定需要從車體的總布置和最大轉角考慮來確定總行程，汽車齒條總行程H按原車要求為80mm×2。齒條齒數Z 2的條件必須滿足： Z 2≥H/（πmncosαn） （3.6） 那么Z 2≥26，考慮制造公差，取Z 2=28。 （7）齒輪變位系數X n1的確定 根據文獻，最小變位系數為： X min=h a*( Z min-Z)/ Z min （3.7） 式中：h a*——齒頂高系數。 對于α=20°，h a* =1的齒條插刀或滾刀，Z min=17；汽車α=20°，h a*=1.0，可以按照上式計算出X min=0.6775，因而轉向器中齒輪變位系數必須大于0.6775。 根據文獻中變位系數選擇選取X n1=0.9483＞06775，滿足要求。 (8)中心距a的確定 中心距的計算需要根據整車總布置確定，但必須滿足： a＞d 1/2+ h t2 式中：h t2——齒條齒根高。 轉向器中齒輪和齒條的中心距根據整車總布置取a=14.72mm。 （9）齒頂高、齒根高的確定 考慮到轉向器齒輪齒條傳動副的特點，齒輪采用短齒，齒條采用長齒，以增強整個傳動副的彎曲強度、表面強度、耐磨性和抗沖擊性。 日本一般習慣采用h a*=1.047和h a*=1.097兩種方案，此處選h a*=1.047，因此齒根高系數h f* 相應的取0.810；日本還習慣齒頂隙取0.3-0.5。考慮到齒條齒數較多，采用大的齒頂間隙可以增加潤滑油的存儲量，對于提高潤滑性能有利，故而齒條根部頂隙取上限為C1=0.5，齒輪根部頂隙取C2 =0.3。則齒條的齒頂高h a2 、齒根高h t2 和齒輪的齒頂高h a1 、 齒根高h t1可按下列公式計算出來： h a2 = h a* mn （3.8） h f2 = h f* mn （3.9） h a1 = h f2 – C （3.10） h f1 = h a2 + C2 （3.11） 顯然，轉向器齒輪齒條的齒頂高、齒根高為：h a1 =1.2mm；h f1 =2.5mm; h a2 =2.2mm; h f2 =1.7mm。 （10）幾何計算 a)根據上述選定的參數即可進行齒輪分度圓、節(jié)圓的集合計算和機構設計： d1′=mnZ1 （3.12） 式中:d1′——分度圓直徑。 d1= d1′+2Xn1mn 轉向器齒輪分度圓、節(jié)圓直徑分別為14.8567mm和18.84mm。 b )齒條棒材直徑的確定： 轉向器齒條棒材的直徑通常分別分為22mm、26mm和28mm三個系列，微型汽車和普通汽車常用直徑為22m 的棒材，次設計采用的轉向器齒條亦選定這種規(guī)格。 3.2 強度校核 1、校核齒輪接觸疲勞強度 選取參數，按ME級質量要求取值 ， ； ， ， 故以 計算 （3-13） 查得： ， ， ， ； ， ， ， 則， （3-14） 齒輪接觸疲勞強度合格。 2、校核齒輪彎曲疲勞強度 選取參數，按ME級質量要求取值； ； ； ； ； 故以 計算 ： （3-15） 據齒數查表有：； ； ； 。則： （3-16） 齒輪彎曲疲勞強度合格。 3.3齒輪齒條設計程序框圖 輸入參數 計算齒輪輸入力矩 根據彎曲疲勞強度計算模數 選擇現存模數 計算接觸疲勞應力σH 計算出d1、d1′ 輸出 開始 結束 圖3-1 齒 輪 齒 條 設 計 程 序 框 圖 隨著電子科技的發(fā)展，也可以通過電腦程序進行設計，經過查閱資料給出一個齒輪齒條設計計算機框圖，如上： 按照上述程序計算，同樣計算可以獲得結果：轉向器齒輪分度圓、節(jié)圓直徑分別為14.8567mm和18.84mm。并且滿足各種強度校核。 4 轉向器齒輪軸設計及其校核 作為重要的汽車元件，起主要的傳動部位一定要保證其足夠的強度，雖然在轉向器中，各部分零件尺寸體積相對大型機械要小的多，但是其在整個機械系統(tǒng)中的重要作用不容忽視，要進行細致的設計及其校核。 4.1確定使用材料 由于在轉向器中這個轉向齒輪軸直接接觸的是轉向齒條，在整個轉向系統(tǒng)中起著最重要的傳動，通過齒輪和齒條的無間隙嚙合實現轉向，在整個傳動過程中受力也是最大的，所以在這里考慮其力學性能及其各方面邊的要求選用 45鋼作為此齒輪軸的材料，并進行調質或正火處理。 4.2 軸的結構的設計及校核 由于其體積和所在的位置，軸上零件不是很復雜，所裝零件軸承蓋，油封。不像大型機械的軸要加工出階梯狀，該軸既是一根圓軸，其固定在殼體之中，與齒條相配合，由于此軸是通過方向盤、萬向節(jié)傳到此軸具體的力和功率不像選擇電動機那樣有模式可以參考。我們只能通過估計駕駛員的平均轉動方向盤的轉速推算，這里假象在緊急情況下駕駛員的轉動方向盤的速度為180r/min，因為轉向器的的齒輪齒條是安裝在殼體和閥體內的，其尺寸可根據殼體和閥體的尺寸加以定出，因為閥體直徑中的最小徑為26.5mm，再加上在齒輪齒條設計出齒高，我這里暫時定下齒輪軸的軸徑為20mm。 由于上面定出軸徑為20mm，所以由得出 P=0.09KW，其中C為查表得，因為材料選定45鋼，所以C的取值在118～107之間，這里取C為115。下面把軸的受力簡圖繪制如下： Ft Fr Fa (a)受力簡圖 40 50 26 Fa Fr (b)垂直面的受力和彎矩圖 FBV FDV 5150 2158 Ft (C)水平面受力和彎矩圖 ` FBH FDH 7450 (d)垂直和水平面的合成彎矩圖 9057 8051 (e)扭矩圖 T=4775 4775 13832 8051 (f)當量彎矩圖 (1)齒輪上作用力的大小 轉矩 齒輪端面分度圓直徑 圓周力 徑向力 軸向力 （2）求垂直面上軸承的支反力及主要截面的彎矩 截面C處的彎矩為： （3）水平面上軸承的支反力及主要截面的彎矩 截面C處的彎矩為： （4）截面C處垂直面和水平面的合成彎矩 （5）按彎扭合成應力校核軸的強度 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強度，根據公式及其以上的載荷數值，并取α=0.6。該截面上的計算應力： 因為前面選定的材料為45鋼，調質處理，有機械設計教材查得，由于，所以安全。 經過上面的計算校核可以確定所選方按可行。 轉向器的裝配圖如下： 圖3-1齒輪齒條轉向器裝配圖 1—轉向齒輪 2—轉向齒條 3—補償彈簧 4—調整螺塞 5—螺母 6—壓板 7—防塵罩 8—油封 9—軸承 圖3-2齒輪齒條機械式轉向器結構圖 1—