齒輪齒條轉(zhuǎn)向器

1、第一章 引言11.1汽車轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計(jì)趨勢(shì)11.2汽車轉(zhuǎn)向裝置的發(fā)展趨勢(shì)1第二章 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)方案選擇3第三章 傳動(dòng)比的計(jì)算63.1 汽車方向盤（轉(zhuǎn)向盤）63.1 轉(zhuǎn)向阻力矩63.3角傳動(dòng)比與力傳動(dòng)比6第四章 齒輪設(shè)計(jì)84.1齒輪參數(shù)的選擇884.2齒輪幾何尺寸確定284.3齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算119齒輪精度等級(jí)、材料及參數(shù)的選擇9齒輪的齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)。9齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核10第五章 齒條的設(shè)計(jì)125.1齒條的設(shè)計(jì)612第六章齒輪軸的設(shè)計(jì)413第七章 其他零件的選擇614設(shè)計(jì)工作總結(jié)17參考文獻(xiàn)18致謝19 第二章 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)方案選擇適用車輛相關(guān)數(shù)據(jù)：驅(qū)動(dòng)型式：4×

2、2，發(fā)動(dòng)機(jī)橫置前置前驅(qū)；總質(zhì)量：1470；滿載軸荷：前軸735，后軸735發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率：53kW/5200rpm，發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩：121Nm/3500rpm軸距：2475；輪胎：175/70R-13T；輪輞：轉(zhuǎn)向器的功用是將轉(zhuǎn)向盤的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系的減速傳動(dòng)裝置，一般由1-2級(jí)減速傳動(dòng)副。目前應(yīng)用比較廣泛的轉(zhuǎn)向器有齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器、蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器、蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，是設(shè)計(jì)機(jī)械轉(zhuǎn)向系的轉(zhuǎn)向器中的一種，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量比較??；傳動(dòng)效率高達(dá)90

3、%；轉(zhuǎn)向靈敏；齒輪與齒條之間因磨損出現(xiàn)間歇后，利用裝在齒條背部、靠近主動(dòng)小齒輪處的壓緊力可以調(diào)節(jié)彈簧，能自動(dòng)消除齒間間歇這不僅可以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度，還可以防止工作時(shí)產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用的體積小；沒(méi)有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿，所以轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角可以增大，制造成本低。特別適于與燭式和麥費(fèi)遜式懸架配用，便于布置等優(yōu)點(diǎn)。因此，目前它在轎車、微型、輕型貨車上得到廣泛的應(yīng)用。例如,一汽的紅旗CA7220型轎車、奧迪100型轎車、捷達(dá)轎車、上海桑塔納轎車、天津夏利轎車以及天津TJ1010型微型貨車和南京依維柯輕型貨車等，都采用了這種齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是：因逆效率高（60%-70%），汽

4、車在不平路面上行駛時(shí)，發(fā)生在轉(zhuǎn)向輪與路面之間沖擊力的大部分能傳至轉(zhuǎn)向盤，稱之為反沖。反沖現(xiàn)象會(huì)使駕駛員精神緊張，并難以準(zhǔn)確控制汽車行駛方向，方向盤突然轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)造成打手，同時(shí)對(duì)駕駛員造成傷害。根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點(diǎn)不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式：中間輸入，兩端輸出（圖-a）、側(cè)面輸入，兩端輸出（圖-b）、側(cè)面輸入，中間輸出(圖-c)、側(cè)面輸入，一端輸出(圖-d)。圖-采用側(cè)面輸入，中間輸出方案時(shí)，由圖可見(jiàn)，與齒條固連的左、右拉桿延伸到接近汽車總想對(duì)稱平面附近。由于拉桿長(zhǎng)度增加，車輪上、下跳動(dòng)時(shí)拉桿擺角減小，有利于減少車輪上下跳動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向系與懸架系的運(yùn)動(dòng)干涉。拉桿與齒條用螺栓固定連接，因此，兩拉

5、桿與齒條同時(shí)向左或向右移動(dòng)，為此在轉(zhuǎn)向器殼體上開(kāi)有軸向的長(zhǎng)槽，從而降低了它的強(qiáng)度。圖采用兩端輸出方案時(shí)，由于轉(zhuǎn)向拉桿長(zhǎng)度受限制，容易與懸架系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉。但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，且成本低等特點(diǎn)，常用于小型車輛上采用側(cè)面輸入，一端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，常用在平頭貨車上。如果齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器采用直齒圓柱齒輪與直齒齒條嚙合，則運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性降低，沖擊力大，工作噪聲增加。此外，齒輪軸線與齒條軸線之間的夾角只能是直角，為此，因與總體布置不適應(yīng)而遭淘汰。采用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，重合度增加，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沖擊與噪聲均降低，而且齒輪軸線與齒條軸線之間的夾角易于滿足總體設(shè)計(jì)的要求。

6、因?yàn)樾饼X工作時(shí)有軸向力作用，所以轉(zhuǎn)向器應(yīng)該采用推力軸承，是軸承壽命降低，還有斜齒輪的滑磨比較大事它的缺點(diǎn)。根據(jù)對(duì)四種不同類型轉(zhuǎn)向器的對(duì)比選擇，本課題將采用側(cè)面輸入兩端輸出的齒輪齒條轉(zhuǎn)向器。齒條斷面形狀有圓形（圖）、V形（圖）和Y形（圖）三種。圓形斷面齒條的制作工藝比較簡(jiǎn)單。V形和Y形斷面齒條與圓形斷面比較，消耗的材料少，約節(jié)約20%，故質(zhì)量??；位于齒下面的兩斜面與齒條托座接觸，可用來(lái)防止齒圖圖條繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；Y形的斷面齒條的齒寬可以做的寬一些，因而強(qiáng)度得到增加。在齒條與托座之間通常裝有堿性材料（如聚四氟乙烯）做的墊片，以減少滑動(dòng)摩擦。當(dāng)車輪跳動(dòng)、轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向器工作時(shí)，如在齒條上作用有能使齒條旋轉(zhuǎn)的

7、力矩時(shí)，應(yīng)選用V形和Y形斷面齒條，用來(lái)防止因齒條旋轉(zhuǎn)而破壞齒條、齒輪的齒不能正確嚙合的情況出現(xiàn)。根據(jù)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向梯形相對(duì)前軸位置的不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在汽車上有四種布置形式：轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，后置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，前置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，后置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，前置梯形。圖齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器廣泛應(yīng)用于乘用車上載質(zhì)量不大，前輪采用獨(dú)立懸架的貨車和客車有些也用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器第三章 傳動(dòng)比的計(jì)算3.1 汽車方向盤（轉(zhuǎn)向盤）轉(zhuǎn)向盤的直徑有一系列尺寸。選用大的直徑尺寸時(shí)，會(huì)使駕駛員進(jìn)出駕駛室感到困難。若選用小的直徑尺寸，轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員要施加較大的力量，從而使汽車難于操縱

8、，據(jù)原始數(shù)據(jù)，參見(jiàn)手冊(cè)取mm則由作用方向盤上的力矩得作用在方向盤上的力3.1 轉(zhuǎn)向阻力矩1式中：-滑動(dòng)摩擦系數(shù)，一般取.-輪胎氣壓-前軸載荷則3.3角傳動(dòng)比與力傳動(dòng)比轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)比由轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)向系的力傳動(dòng)比組成從輪胎接觸地面中心作用在兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪上的合力與作用在方向盤上的手力之比稱為力傳動(dòng)比i .方向盤的轉(zhuǎn)角和駕駛員同側(cè)的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角之比稱為轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比i.它又由轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比i轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置角傳動(dòng)比i所組成力傳動(dòng)比與轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比的關(guān)系i=而和作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向阻力矩有以下關(guān)系作用在方向盤上的手力可由下式表示側(cè)i= 若忽略磨擦損失側(cè)由此式中a車輪節(jié)臂由式可知，力傳動(dòng)比與和有關(guān)，愈小，愈

9、大，轉(zhuǎn)向愈輕便由以上過(guò)程可計(jì)算出結(jié)果如下：） 角傳動(dòng)比則 ）力傳動(dòng)比式中則第四章 齒輪設(shè)計(jì)4.1齒輪參數(shù)的選擇8齒輪模數(shù)值取值為m=，主動(dòng)齒輪齒數(shù)為z=6，壓力角取=20°，齒輪螺旋角為=°，齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪達(dá)到的值來(lái)確定。齒輪的轉(zhuǎn)速為n=10r/min，齒輪傳動(dòng)力矩，轉(zhuǎn)向器每天工作小時(shí)，使用期限不低于年主動(dòng)小齒輪選用20MnCr5材料制造并經(jīng)滲碳淬火，而齒條常采用45號(hào)鋼或41Cr4制造并經(jīng)高頻淬火，表面硬度均應(yīng)在56HRC以上。為減輕質(zhì)量，殼體用鋁合金壓鑄。4.2齒輪幾何尺寸確定2 齒頂高 ha =齒根高 hf 齒高 h = ha+ hf =分度圓直徑 d =mz/

10、cos=齒頂圓直徑 da =d+2ha =齒根圓直徑 df =d-2hf =基圓直徑法向齒厚為端面齒厚為分度圓直徑與齒條運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系 d=60000v/n10.001m/s齒距 p=m=3.14×齒輪中心到齒條基準(zhǔn)線距離 H=d/2+xm=（）4.3齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算114.3.1齒輪精度等級(jí)、材料及參數(shù)的選擇（1） 由于轉(zhuǎn)向器齒輪轉(zhuǎn)速低，是一般的機(jī)械，故選擇8級(jí)精度。（2） 齒輪模數(shù)值取值為m=，主動(dòng)齒輪齒數(shù)為z=6，壓力角取=20°.（3） 主動(dòng)小齒輪選用20MnCr5或15CrNi6材料制造并經(jīng)滲碳淬火，硬度在56-62HRC之間，取值60HRC.（4） 齒輪螺旋

11、角初選為=°4.3.2齒輪的齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)。 （1）試取K=（2）斜齒輪的轉(zhuǎn)矩 T=N·m （3）取齒寬系數(shù) （4）齒輪齒數(shù) （5）復(fù)合齒形系數(shù) =（6）許用彎曲應(yīng)力 =0.7=0.7920=644N/ 為齒輪材料的彎曲疲勞強(qiáng)度的基本值。試取=mm(7) 圓周速度 d=mm b= d= 取b=mm (8)計(jì)算載荷系數(shù)1） 查表得 使用系數(shù)=12） 根據(jù)和8級(jí)精度，查表得3） 查表得齒向載荷分布系數(shù)4） 查表得齒間載荷分布系數(shù)5） 修正值計(jì)算模數(shù)，故前取mm不變4.3.3齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核校核公式為 （） 許用接觸應(yīng)力 查表得由圖得安全系數(shù)（） 查表得彈性系數(shù)（） 查表得

12、區(qū)域系數(shù)（） 重合度系數(shù)（） 螺旋角系數(shù)MPa1650MPa由以上計(jì)算可知齒輪滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度，即以上設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。第五章 齒條的設(shè)計(jì)5.1齒條的設(shè)計(jì)6根據(jù)齒輪齒條的嚙合特點(diǎn):(1) 齒輪的分度圓永遠(yuǎn)與其節(jié)圓相重合,而齒條的中線只有當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)齒輪正確安裝時(shí)才與其節(jié)圓相重合.(2) 齒輪與齒條的嚙合角永遠(yuǎn)等于壓力角.因此,齒條模數(shù)m=,壓力角齒條斷面形狀選取圓形選取齒數(shù)z28，螺旋角端面模數(shù)端面壓力角法面齒距端面齒距齒頂高系數(shù)法面頂隙系數(shù)齒頂高齒根高齒高 h = ha+ hf =法面齒厚端面齒厚第六章齒輪軸的設(shè)計(jì)4由于齒輪的基圓直徑17.2，數(shù)值較小，若齒輪與軸之間采用鍵連接必將對(duì)軸和齒輪的

13、強(qiáng)度大大降低，因此，將其設(shè)計(jì)為齒輪軸由于主動(dòng)小齒輪選用20MnCr5材料制造并經(jīng)滲碳淬火，因此軸的材料也選用20MnCr5材料制造并經(jīng)滲碳淬火查表得：20MnCr5材料的硬度為，抗拉強(qiáng)度極限，屈服極限，彎曲疲勞極限，剪切疲勞極限，轉(zhuǎn)速n=10r/min根據(jù)公式5 忽略磨損，根據(jù)能量守衡，作用在齒輪齒條上的阻力矩為，作用在齒輪上的軸向力為，作用在齒輪上的切向力為彎曲疲勞強(qiáng)度校核/3.14MPa<剪切疲勞強(qiáng)度校核=F/=/3.14a抗拉強(qiáng)度校核滿載時(shí)的阻力矩為齒輪軸的最小直徑為d=mm，在此截面上的軸向抗拉強(qiáng)度為=1/3.1414=MPa<1100Mpa本設(shè)計(jì)選擇齒輪軸直徑 D=20第七章 其他零件的選擇61六角螺栓的選擇 根據(jù)GB5780-2000 選取螺紋規(guī)格d=M6 六角螺栓2彈簧的選擇根據(jù) GB1358-93選擇代號(hào)為Y1的冷卷壓縮彈簧總?cè)?shù) n1=12有效圈數(shù) n=10材料直徑 d=5節(jié)距 t=10自由高度取105彈簧中徑 D=4