本科学生毕业设计
汽车齿轮齿条式转向器设计
院系名称：汽车与交通工程学院
专业班级：
学生姓名：
指导教师：
职称：
黑龙江工程学院
二○一一年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree Design of Car Rack and Pinion Steering
Gear
Candidate：
Specialty：
Class ：
Supervisor：
Heilongjiang Institute of Technology
2011-06·Harbin
摘要
汽车转向器是汽车的重要组成部分，也是决定汽车主动安全性的关键总成，它的质量严重影响汽车的操纵稳定性。随着汽车工业的发展，汽车转向器也在不断的得到改进，虽然电子转向器已开始应用，但机械式转向器仍然广泛地被世界各国汽车及汽车零部件生产厂商所采用。而在机械式转向器中，齿轮齿条式转向器由于其自身的特点被广泛应用于各级各类汽车上。
本次设计主要对一汽佳宝的转向器进行设计。首先对转向器进行了结构上的设计，此转向器选用的是侧面输入，两端输出的齿轮齿条式转向器。其优点为：结构简单、紧凑；壳体由铝合金或镁合金压铸而成，故质量比较小；传动效率高达90%；齿轮齿条之间因磨损出现间隙后，可利用装在齿条背部、靠近小齿轮的压紧力可以调节的弹簧自动消除齿间间隙，在提高系统刚度的同时也可防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用体积小；没有转向摇臂和直拉杆，可以增大转向轮转角；制造成本低。
关键词：转向器；弹簧；横拉杆；设计；校核
ABSTRACT
Auto steering gear is the important part of automobile. Also the key assembly of vehicle active safety. Its’ quality seriously effecting manipulating stability,with the develop ment of automobile’industry,steering gear is improved gradually. Although electronic steering gear began application, but mechanical steering gear is widely used by automobile and parts manufacturer all over the world. In the mechanical steering gear. The rack and pinion steering gear were widely used in all kinds of Auto factories due to its own characteristics.
This design is mainly focus on FAW Jiabao. First, design the steering gear’s structure. This steering gear applied beside input. Two terminal output rack and pinion steering. Its’advantages is simple configuration and compact. Shell is pressurized carging by aluminium alloy or magnesium ally. So the weight is relatively low. Transmitting efficient can reach 90%. If gap appears between rack and pinion. It can be eliminated by the spring which is located back of rack adjustable to pinion,and spring pressure can be ajusted .Simproving the sy sten’s stiffness.It also can prevent the impact and noise when it works .Steering gear occupy. Little volume have no steering arm and tie rod. Steering wheel angle can be increased；manufacturing cost is low.
Keywords: steering;spring; horizontal bars;design;check
.
目录
摘要......................................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................................. I I 第1章绪论 ..................................................................................................................... １
1.1选题的目的 .............................................................................................................. １
1.2转向器国内外研究现状 .......................................................................................... １
1.3转向器发展趋势 ...................................................................................................... ３
1.3.1汽车转向技术的发展趋势 ............................................................................ ３
1.3.2汽车转向装置的设计趋势 ............................................................................ ３
1.4转向器概述 .............................................................................................................. ４
1.4.1汽车转向基本要求及其关键技术 ................................................................ ４
1.4.2两轮转向及其实现技术 ................................................................................ ５
1.4.3四轮转向及其实现技术 ................................................................................ ７
1.5设计的预期成果 ...................................................................................................... ９第2章设计方案的选择 .......................................................................................... １０
2.1转向器类型的选择 .............................................................................................. １０
2.2齿轮齿条式转向器布置和结构形式的选择 ...................................................... １１
2.3本章小结 .............................................................................................................. １２第3章齿轮齿条式转向器的设计和计算 ......................................................... １３
3.1转向系计算载荷的确定 ...................................................................................... １３
3.1.1计算汽车的原地转向阻力矩 .................................................................... １３
3.1.2转向器角传动比的计算 ............................................................................ １４
3.1.3作用在转向盘上的手力的计算 .................................... 错误！未定义书签。
3.1.4梯形臂长度L2的计算................................................... 错误！未定义书签。
3.1.5轮胎直径R T的计算 ...................................................... 错误！未定义书签。
3.1.6转向横拉杆直径d的计算 ............................................ 错误！未定义书签。
3.2齿轮齿条式转向器的设计 ...................................................... 错误！未定义书签。
3.2.1齿轮齿条式转向器的设计要求 .................................... 错误！未定义书签。
3.2.2齿轮齿条转向器的主要部件 ........................................ 错误！未定义书签。
3.3齿轮齿条式转向器的材料选择及强度校核 .......................... 错误！未定义书签。
3.4齿轮齿条的基本参数 .............................................................. 错误！未定义书签。
3.5本章小结 .................................................................................. 错误！未定义书签。第4章齿轮轴的结构设计 ......................................................... 错误！未定义书签。
4.1齿轮齿条式转向器的受力分析与计算 .................................. 错误！未定义书签。
4.2齿轮轴的设计计算 .................................................................. 错误！未定义书签。
4.3齿轮轴的强度校核 .............................................................................................. １５
4.4本章小结 .............................................................................................................. １６第5章转向器间隙调整弹簧的设计计算 ......................................................... １７
5.1选择材料 .............................................................................................................. １７
5.2计算弹簧丝直径d ............................................................................................... １７
5.3计算弹簧圈数和弹簧的自由高度 ...................................................................... １８
5.4稳定性验算 .......................................................................................................... １８
5.5检查δ及δ1.......................................................................................................... １８
5.6几何参数和结构尺寸的确定 .............................................................................. １９
5.7弹簧工作图 .......................................................................................................... １９
5.8本章小结 .............................................................................................................. １９第6章轴承、润滑方式和密封类型的选择..................................................... ２０
6.1轴承的选择 .......................................................................................................... ２０
6.2润滑方式的确定 .................................................................................................. ２０
6.3密封结构的确定 .................................................................................................. ２１
6.4本章小结 .............................................................................................................. ２１结论.................................................................................................................................. ２２参考文献 ........................................................................................................................ ２３致谢.................................................................................................................................. ２４附录.................................................................................................................................. ２５
第1章绪论
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选题的目的
在现代汽车上，转向系统是必不可少的最基本的系统之一，也是决定汽车主动安全性的关键总成，汽车的转向特性，保持汽车具备较好的操纵性能，始终是汽车检测技术当中的一个重要课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，汽车转向系的设计工作显得尤为重要。
1.2转向器国内外研究现状
从世界第一辆汽车问世至今，汽车工业已经经历了百年历程。现代的汽车与发展初期相比，广泛地应用了各种高新技术，并且还在发生更深刻的变革。转向系统作为汽车底盘中的独立分系统，在汽车技术发展的过程中也经历了深刻的变革。转向技术的发展基本上经历了机械转向、液压（气压）动力转向、电子控制液压动力转向、电动转向、电子线控转向和主动转向几个阶段。
汽车转向系是保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶中，保证各转向轮之间有协调的转角关系。保证汽车在行驶中能按驾驶员的操纵要求，适时地改变行驶方向，并能在受到路面干扰偏离行驶方向时，与行驶系配合，共同保持汽车稳定地直线行驶。转向系对汽车行驶的操纵性、稳定性和安全性都具有重要的意义。
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，都已发展成大规模的生产的专业厂，年产超够百万台，垄断了转向器的生产，并且销售点遍布了全世界。从操纵轻便性、稳定性及安全性行驶的角度，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
几十年来，各种汽车都使用循环球式转向器。由于这种转向器是滚动摩擦形式，因而正传动效率很高，操作方便且使用寿命长，而且承载能力大，广泛应用于载货车上。
随着上世纪五十年代起，液压动力转向系统在汽车上的应用，标志着转向系统革命的开始。汽车转向动力的来源由以前的人力转变人力加液压助力。液压助力系统HPS 是机械式转向系统的基本上增加了一个液压系统而成。由于工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。
从70年代起轿车兴起了齿轮齿条转向器，这种转向机构由方向盘、转向轴、万向节、转动轴、转向器、转向传动杆和转向轮等组成。方向盘操纵转向器内的齿轮传动，齿轮与齿条紧密啮合，推动齿条左移动或右移动，带动转向轮摆动，从而改变轿车行驶的方向。这种转向机构与循环球式等其它类型的转向机构比较，省略了转向摇臂和转向主拉杆，具有构件简单，传动效率高的优点。而且它的逆传动效率也高，在车辆行驶时可以保证偏转车轮的自动回正，驾驶者的路感性强。
近年来，随着电子技术在汽车中的广泛应用，转向系统中也越来越多地采用电子器件。但目前电子转向系统由于自身成本等因素的制约，很难在价格低廉的家用轿车上得到普及，而且电子转向系统的安全可靠性相对较差，目前欧洲汽车法规中要求驾驶员与转向车轮之间必须有机械连接，电子转向系还不允许在欧洲上市。
2007年中国汽车销售879.15万辆，2008年中国汽车销售938万辆，2009年预计增长8.6%，达到1019万辆。汽车产销量的逐步增长为汽车转向机市场提供了一个较大的发展空间，2008年市场对转向机行业需求有所减缓，在需求增长有所减缓的现状下，产能扩张的势头并没有得到较好的控制。产能过剩、重复建设不仅导致生产与消费的失衡，而且还引发了转向机行业内的一系列恶性价格竞争，影响了转向机行业业的盈利能力。中国转向机行业市场现状，为外资企业入驻中国创造了条件，国际许多转向机行业企业已经看中在中国低成本拓展市场的机会，随着外资投入逐步加大，中国国内企业改革重组迅速加快。同时新的行业制度等政策的颁布和实施将促使我国转向机行业洗牌，企业兼并重组将在政策的促使下大力发展。
据了解，在世界范围内，汽车循环球式转换器占45%左右，齿轮齿条式转换器占40%左右，涡杆滚轮式转换器占10%左右，其他型式的转换器占5%。循环球式转换器一直在稳步发展。在西欧小客车中，齿轮齿条式转换器有很大的发展。日本汽车转向器的特点是循环球式转换器占得比重越来越大，日本装备不同类型发动机的类型汽车，采用不同类型转向器，在公共汽车中使用的循环球式转换器，已由60年代的62.5%，发展到现今的100%了，大、小型货车大都循环球式转换器，但齿轮齿条式转换器也有所发展。微型货车用循环球式转换器占65%，齿轮齿条式占35%。
1.3转向器发展趋势
1.3.1汽车转向技术的发展趋势
(1)新型转向机构的研究与应用:
围绕减小转向机构的误差、优化转向机构的设计、减轻转向机构的磨损、提高转向机构的效率等方面开展工作，加强新型转向机构的研究与应用已成为生产企业和科研单位的追求的目标。
(2)动力转向技术的推广:
为减轻驾驶员疲劳，提高操纵轻便性和稳定性，动力转向系统的应用日益广泛，不仅在重型汽车上必须采用，在高级轿车上应用较多，而且在中型汽车上也已逐渐推广。
(3)考虑主动安全性的转向技术:
从操纵轻便性、稳定性和安全行驶的角度，广泛使用更先进的工艺方法制造、使用变速比转向器、高刚性转向器，采用防碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊等，并逐步推广。新时代下的汽车转向装置设计充分考虑了驾乘的舒适性和安全性，诸如4WS 转向技术的应用、EPS动力转向技术的应用等等。
(4)先进电子技术和控制技术在转向系统中的应用:
随着传感技术、控制技术的不断发展及在汽车中的应用，可以从多方面改善转向系统的各种性能，诸如汽车的低速行驶轻便性、汽车的稳态转向特性、汽车的回正能力、转向盘中间位置操纵稳定性、前轮的摆振等等。
1.3.2汽车转向装置的设计趋势
(1)适应汽车高速行驶的需要[1-4]:
从操纵轻便性，稳定性及安全行驶的角度，汽车制造厂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。“高速比和高刚性”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力吸收装置，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，一逐步采用可调整的转向管柱和动力转向系统。
(3)低成本、低耗能、大批专业化生产:
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、低耗能的汽车和低成本、合理化生产线，尽量实现大批专业化生产。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。
1.4转向器概述
1.4.1汽车转向基本要求及其关键技术
为使汽车实现车轮无侧滑的转向，车轮的偏转必须满足阿克曼特性，即在汽车前轮定位角都等于零、行走系统为刚性、汽车行驶过程中无侧向力的前提下，整个转向过程中全部车轮必须围绕同一瞬时中心相对于地面作圆周滚动，例如对于图1.1所示两轮转向情况，前内轮转角b 与前外轮转角a 之间应满足如下阿克曼转向特性公式：
cosα-cosβ=B/L
(1.1)
图1.1 阿克曼两轮转向要求
车轮的偏转是通过转向机构带动的。对于两轮转向汽车，为减小车轮侧滑，转向机构应使两前轮偏转角在整个转向过程中始终尽可能精确地满足式(1.1)关系。因此从运动学角度来看，两轮转向机构的设计涉及到的关键技术主要是：(1)机构的形式设计，即确定能满足转向传动功能要求的机构结构组成；(2)机构的尺度设计，即确定能近似再现式(1.1)关系的机构运动尺寸。从系统和机构学角度来看，转向系统的组成及其相互关系可用框图1.2表示，其中转向机构是该系统的执行机构。
图1.2 转向传动系统的组成
转向操纵机构 转向器 辅助动力
转向机构
1.4.2两轮转向及其实现技术
1.转向技术的发展概况[5-6]:
两百年前在汽车刚刚诞生的初期，其转向操纵是仿照马车和自行车的转向方式，即用一个操纵杆或手柄直接使前轮偏转。1817年，德国人林肯斯潘杰(Len Ken Sperge)发明了转向梯形机构，并将在英国获得的专利权转让给了阿克曼(Ru-dolph Ackerman)。现在人们常将转向梯形的特性关系式(1.1)称为阿克曼公式。
1857年，英国的达吉恩蒸汽汽车(Dud-geon Steamer)是首次采用方向盘的机动车辆。1872年苏格兰的查理士·鲁道夫(Charles Randolph)第一个把方向盘装到煤气发动机车辆上。1886年，英国的弗雷德里克·斯特里克兰(Frederiek Strickland)及汽车制造商德雷克(A．J．Drak)将船用转向柱和方向盘技术应用到新式戴姆勒·弗顿(Daimler Phantom)敞篷车上。1890年戴姆勒·帕利生(Daimlr Paririan)制成转向柱与方向盘倾斜的第一辆汽车。
进入20世纪后，相关科技的进步带动了汽车设计技术与汽车工业的迅速发展，但对于转向传动系统的研究主要集中在转向器的型式和转向执行机构的尺寸优化设计等方面，而在两轮转向原理以及两轮偏转联动实现方式等方面并未有新的突破。
2.前两轮转向技术的主流:
(1)与非独立悬架配用的转向机构
1)转向梯形后置，转向直拉杆纵置：
如图1.3(a)所示，在前桥仅为转向桥时，由转向横拉杆5和左、右转向梯形臂4组成的转向梯形一般布置在前桥之后，以避免其在转向过程中与车轮发生干涉。解放CA141、东风EQ140等汽车都是采用这种转向机构。
(a) (b) (c)
图1.3 与非独立悬架配用的转向机构
1—转向摇臂 2—转向直拉杆 3—转向节臂 4—梯形臂 5—转向横拉杆
2)转向梯形前置，转向直拉杆纵置：
在发动机较低或转向桥兼驱动桥的情况下，为避免干涉，往往将转向梯形布置在前桥之前，如图1.3 (b)所示。
3)转向梯形前置，转向直拉杆横置：
如图1.3(c)所示，若转向摇臂1不是在汽车纵向平面内前后摆动，而是在与道路平行的平面内左右摆动（如北京BJ2020N型汽车），则可将转向直拉杆2横置，并借球头销直接带动转向横拉杆5，从而使两侧梯形臂转动。
(2)与独立悬架配用的转向机构
图1.4为循环球式（BS型）转向器配用的转向机构，转向摇臂1为主动件，绕固定铰点作往复摆动。其中图1.4(a)中两根转向横拉杆3、4布置在车轴的后方，形成两段式结构，如红旗CA7560型轿车即采用了这种转向机构；图1.4(b)中两根转向横拉杆3、4布置在车轴的前方，和转向直拉杆2一起构成三段式的前置梯形结构，丰田海艾斯轿车转向机构就采用这种布置形式。
(a) (b)
图1.4 与循环球式转向器配用的转向机构
1—转向摇臂 2—转向直拉杆 3—左转向横拉杆 4—右转向横拉杆 5—左梯形臂
6—右梯形臂 7—摇杆 8—悬架左摆臂 9—悬架右摆臂
(a)(b)
图1.5 与齿轮齿条式转向器配用的转向机构
图1.5为齿轮齿条式（RP型）转向器配用的转向机构两种布置形式，其中图1.5(a)中转向器位于前轴后方，前置梯形，应用实例为奥迪100轿车；图1.5(b)转向器位于前轴前方，前置梯形，在IVECO45-10型汽车中得到了应用。
前面所列仅为转向器和转向梯形机构结合的基本形式，实际使用中尚有许多情况，限于篇幅，在此不一一列出。
3.转向的存在问题:
(1)汽车两轮转向技术虽经历了近两百年的发展，但仍存在如下主要问题：
两轮转向汽车在转弯时，现有各类转向机构均不能保证全部车轮绕瞬时中心转动，从而在技术上难以完全消除车辆行驶中的车轮侧滑。
(2)独立悬架汽车中的转向梯形断开点难以确定，这将导致了横拉杆与悬架导向机构之间运动不协调，使汽车在行驶中易发生摆振，从而加剧轮胎磨损，转向性能随车速、转向角、路面状态的变化而变化，车速越高，操纵稳定性越差。
(3)在采用两轮转向方式时转弯半径较大，汽车的机动灵活性不高。随着电子技术的不断发展及在汽车中的应用，可以从多方面改善转向系统的各种性能，但这种改善往往是局部的和微小的。基于两轮转向方式的汽车转向技术发展至今，应该说已经到了一个顶峰，就目前的技术和经济性而言，两轮转向在性能上难以再有突破性进展。
1.4.3四轮转向及其实现技术
1.转向方式的提出及其特点:
鉴于两轮转向方式存在的诸多不足，日本于20世纪60年代首先提出通过四轮转向方式来提高汽车的操纵稳定性，到20世纪80年代末，四轮转向系统得到实际应用。1990年，本田、马自达、尼桑三家汽车公司首先在部分轿车上推出了四轮转向系统。1991年，美国克莱斯勒和日本的三菱也推出了四轮转向车型。
所谓四轮转向，是指车辆行驶过程中四个车轮能同时发生偏转的转向方式。其中后轮偏转角一般不超过5°。根据转向时前、后轮偏转方向的异同分为同向偏转及逆向偏转两类。对于行驶中的四轮汽车，当采用同向偏转时，车身的动态偏转减小，从而可显著提高汽车高速行驶稳定性；当采用逆向偏转时，则可显著减小汽车转弯半径，如图1.6所示，由此增加了低速行驶的灵活性，有利于汽车的转向调头。因此采用四轮转向方式时，在一定程度上提高了横摆角速度和侧向加速度的瞬态响应性能指标，如图1.7所示。所以四轮转向方式具有转向能力强、转向响应快、直线行驶稳定性高、低速机动性好等优点。
图1.6 2WS与4WS转弯半径的比较图1.7 2WS与4WS车辆转向特性比较
2.轮转向驱动方式:
转向的关键是如何将转向盘的转动量传递给前后转向轮，并为转向轮提供动力使其发生协调、联动偏转。本文根据转向盘转动量传递途径以及转向轮动力来源的不同，对四轮转向系统作如下的分类：
(1)集中驱动四轮转向系统:
当用机械传动链将转向盘的转动量分别传递给前后轮转向机构，从而在前后转向轮偏转量与转向盘的转动量之间形成确定的机械联系时，即属集中驱动四轮转向系统。其结构框图如图1.8所示，其中前后转向轮偏转的驱动动力来自于转向盘以及由液压系统等提供的辅助动力。
图1.8 集中驱动四轮转向系统结构框图
此类集中驱动转向系统可进一步分为机械式和机电控制式两种，其差异主要在后轮偏转方向的操纵方式上。机械式集中驱动四轮转向系统没有图1.8中的电子控制单元虚框，前后轮的偏转方向和偏转角大小均由转向盘操纵，并通过机械传动链获得确定的协调关系。这种四轮转向系统结构简单，转向特性固定，与车速无关。对于机电控制式集中驱动四轮转向系统，后轮偏转角大小由转向盘操纵，而后轮偏转方向则根据传感器获取的前轮偏转方向与角度以及车速信息由控制单元确定。集中驱动四轮转向系统的制造成本较低，但当传动链零件磨损后不能精确保证前后轮转角大小关系。 (2)分散驱动四轮转向系统:
图1.9 分散驱动四轮转向系统结构框图
在图1.9所示分散驱动四轮转向系统中，前轮转向动力由转向盘直接提供，前转向轮偏转方向及偏转量与转向盘转动量之间通过机械传动链形成确定关系；后转向轮
转向盘 后转向轮
后轮转向机构 前轮转向机构 后轮转向器 前转向轮
前轮转向器 转向盘 后轮转向器 前转向轮
前轮转向机构 前轮转向器 传感器获取的转角
信息 传感器获取的其他信息 电子控制单元 电子控制单元 后转向轮 后轮转向动力 后轮转向机构
偏转的操纵由专门的液压系统或电动机提供动力，至于后轮偏转方向及偏转量则根据传感器获取的转向盘转动方向与转角信息以及车速等其他信息由控制单元综合确定。
分散驱动四轮转向系统的基本特征在于：前后转向轮偏转的驱动动力是分开的，前后转向轮偏转方向和偏转角度之间不是靠机械传动链形成固定的联系，而是靠电子控制系统进行协调控制实现预设关系，因此后轮转向控制灵活、方便，能够获得更加精确和复杂的转向特性。
3.轮转向的研究方向:
对4WS转向技术的研究主要表现在硬件技术和软件技术两个方面。硬件技术的发展体现在如何采用新材料、新工艺、新结构等来更好地发挥出四轮转向的优势，更好地实现四轮转向系统所预定的目标；研究和开发高灵敏度、高精度、低成本的传感器和控制系统，为4WS系统的具体应用提供可靠成熟的技术条件。
目前，四轮转向技术研究的潮流主要表现在对控制理论等软件技术的研究上。将最先进的控制理论与控制方法不断应用于4WS控制器的开发中，同时将人的因素考虑到操纵控制中去，研究由驾驶员、车辆和行驶环境所构成的闭环系统。尽管目前科研人员从结构到控制原理上对四轮转向进行了大量的研究，但尚未取得突破性进展，四轮转向技术还没有真正地步入全面推广阶段。其主要原因在于尽管四轮转向车的一些开环指标有较大程度的改善，但是对其进行主观评价的效果并不理想。这就要求从主观评价出发，考虑闭环综合性能指标，即将人—车—路看成一个系统，建立合理、可行的闭环性能评价体系，实现主观评价与客观评价的统一。另外，还要把四轮转向技术与其他主动安全技术(如ABS、ASR、VDC等)相结合，获得更高的车辆主动安全性。
1.5设计的预期成果
本次设计，我将取得如下成果：1、设计说明书：(1)齿轮齿条式转向器各零件的结构；(2)齿轮齿条式转向器主要参数的选择与优化；(3)齿轮轴的设计计算；(4)调整弹簧的设计计算；(5)轴承的选择。2、图纸有：齿轮齿条式转向器、转向齿轮、转向齿条、转向蜗杆箱、齿条衬套套管、转向拉杆、万向传动节、齿条支撑、调整螺塞。
第2章设计方案的选择
2.1转向器类型的选择
汽车转向系可按转向能源的不同分为机械式转向系和动力转向系两大类。汽车转向器是用来保持或改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，还要保证各转向轮之间有协调的转角关系。驾驶员通过操纵转向系统，使汽车保持直线或转弯运动状态，或者上述两种运动状态相互转换。
机械转向系的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，由转向操纵机构、转向器、转向传动机构三大部分组成。其中转向器是将操纵机构的旋转运动变为传动机构的直线运动的机构，是转向系的核心部件。
转向器按结构形式可分为多种类型。历史上曾出现过许多种形式的转向器，目前较常用的有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、循环球曲柄指销式、蜗杆滚轮式等。其中第二、第四种分别是第一、第三种的变形形式，而蜗杆滚轮式则更少见。如果按照助力形式，又可以分为机械式(无助力)，和动力式(有助力)两种，其中动力转向器又可以分为气压动力式、液压动力式、电动助力式、电液助力式等种类
齿轮齿条式转向器[7-9]:
齿轮齿条式转向器是一种最常见的转向器，其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条。转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。有时，靠齿条来直接带动横拉杆，就可使转向轮转向。所以这是一种最简单的转向器。齿轮齿条式转向器可分为两端输出式和中间（或单端）输出式两种。
优点：结构简单、紧凑；壳体由铝合金或镁合金压铸而成，故质量比较小；传动效率高达90%；齿轮齿条之间因磨损出现间隙后，可利用装在齿条背部、靠近小齿轮的压紧力可以调节的弹簧自动消除齿间间隙，在提高系统刚度的同时也可防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用体积小；没有转向摇臂和横拉杆，可以增大转向轮转角；制造成本低。
缺点：逆效率高，汽车在不平路面行使时会出现汽车方向控制难度增加还有可能出现打手现象。
循环球式转向器:
这种转向装置是由齿轮机构将来自转向盘的旋转力进行减速，使转向盘的旋转运动变为涡轮蜗杆的旋转运动，滚珠螺杆和螺母夹着钢球啮合，因而滚珠螺杆的旋转运动变为直线运动，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，连杆臂再使连动拉杆和横拉杆作直线运动，改变车轮的方向。这是一种古典的机构，现代轿车已大多不再使用，但又被最新方式的助力转向装置所应用。它的原理相当于利用了螺母与螺栓在旋转过程中产生的相对移动，而在螺纹与螺纹之间夹入了钢球以减小阻力，所以钢球在一个首尾相连的封闭的螺旋曲线内循环滚动，循环球式故而得名。
优点：在螺杆和螺母之间有可以循环流动的钢球，将滑动摩擦转变为滚动摩擦，传动效率可达75%-85%；转向器传动比可以变化；工作平稳可靠；齿条齿扇间间隙调整工作容易进行；适合做整体式动力转向器。
缺点：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。
蜗杆曲柄指销式转向器：
它是以蜗杆为主动件，曲柄销为从动件的转向器。蜗杆具有梯形螺纹，手指状的锥形指销用轴承支撑在曲柄上，曲柄与转向摇臂轴制成一体。转向时，通过转向盘传动蜗杆、嵌于蜗杆螺旋槽中的锥形指销一边自转，一边旋绕转向摇臂轴做圆弧运动，从而带动曲柄和转向垂臂摆动，再通过转向传动机构使转向轮偏转。这种转向器通常用于转向力较大的载货汽车上。
通过对不同形式的转向器对比，最终选择采用齿轮齿条式转向器。
2.2齿轮齿条式转向器布置和结构形式的选择
考滤到原车采用的是循环球式转向器，故采用如图2.1所示的布置形式。
图2.1齿轮齿条式转向器
同时考虑到原车是发动机前置后驱故采用如图2.2所示的侧面输入两端输出的结构形式。
图2.2齿轮齿条式转向器的结构形式
2.3本章小结
本章主要介绍了齿轮齿条式转向器和循环球式转向器的优缺点布置方式以及结构形式，并进行比较，最终确定了采用齿轮齿条式转向器。
第3章 齿轮齿条式转向器的设计和计算
3.1转向系计算载荷的确定
为了保证行驶安全，组成转向系的各零件应有足够的强度。欲验算转向系零件的强度，需首先确定作用在各零件上的力。影响这些力的主要因素有转向轴的负荷、路面阻力和轮胎气压等。为转动转向轮要克服的阻力，包括转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内摩擦阻力等。
表3.1一汽佳宝汽车的基本参数 名称
轴距L 前轮距L 1 后轮距L 2 最小转弯半径R 数值
2750mm 1400mm 1420mm 5000mm 名称
整车质量 轮胎气压 方向盘直径 数值 1112.5kg 200KPa 400mm
3.1.1计算汽车的原地转向阻力矩
mm ?N 4.593951=2.05.1090237.0=3=3
31p G f M R (3.1)
式中:
f —轮胎和路面间的滑动摩擦因数，一般取f=0.7；
G 1—转向轴负荷，G 1=10902.5N ,单位为N ；
P —轮胎气压，P=0.2MPa ,单位为MPa 。
3.1.2转向器角传动比的计算
转向系的传动比由转向系的角传动比i ω和转向系的力传动比ip 组成．
N 645.215321='+'R R F F
N 9.6881="R F ，N 1.9032="R F
图4.4轴的弯矩扭矩图
第一章引言 .................................. 错误!未定义书签。 1.1汽车转向装置的设计趋势 ................................................................ 错误!未定义书签。 1.2汽车转向装置的发展趋势 ................................................................ 错误!未定义书签。第二章齿轮齿条转向器设计方案选择 (1) 第三章传动比的计算 (4) 3.1 汽车方向盘（转向盘） (4) 3.1 转向阻力矩 (4) 3.3角传动比与力传动比 (4) 第四章齿轮设计 (6) 4.1 齿轮参数的选择[8] (6) 4.2 齿轮几何尺寸确定[2] (6) 4.3 齿根弯曲疲劳强度计算[11] (7) 4.3.1齿轮精度等级、材料及参数的选择 (7) 4.3.2齿轮的齿根弯曲强度设计。 (7) 4.3.3齿面接触疲劳强度校核 (8) 第五章齿条的设计 (9) 5.1齿条的设计[6] (9) 第六章齿轮轴的设计[4] (10) 第七章其他零件的选择[6] (11) 设计工作总结 ................................. 错误!未定义书签。参考文献............................................................................... 错误!未定义书签。致谢 ...................................................................... 错误!未定义书签。
3.3齿轮齿条式转向器的设计与计算 3.3.1 转向系计算载荷的确定 为了保证行驶安全，组成转向系的各零件应有足够的强度。欲验算转向系零件的强度， 需首先确定作用在各零件上的力。影响这些力的主要因素有转向轴的负荷、路面阻力和轮胎 气压等。为转动转向轮要克服的阻力，包括转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎 变形阻力和转向系中的内摩擦阻力等。 精确地计算出这些力是困难的。为此用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或者混 凝土路面上的原地转向阻力矩M(N?mm)。 R 表3-1 原地转向阻力矩M的计算 R 设计计算和说明计算结果 33Gf0.710902.51f=0.7 M,,,627826.2N,mm R3p30.179 G=10902.5N 1式中 f——轮胎和路面间的滑动摩擦因数; p=0.179 MPaG——转向轴负荷，单位为N; 1 M=627826.2 N,mmRP——轮胎气压，单位为。 MPa 作用在转向盘上的手力F为: h 表3-2 转向盘手力F的计算 h 设计计算和说明计算结果 22，627826.2LM1R F,,,290.7Nh,，320，15，90%iLD2SWW M=627826.2 N,mmL式中——转向摇臂长, 单位为mm; R1 D=400mm M——原地转向阻力矩, 单位为N?mm SWR
iw=15 L——转向节臂长, 单位为mm; 2 =90% ,，D——为转向盘直径,单位为mm; SW F=290.7N Iw——转向器角传动比; h ,——转向器正效率。 + LL因齿轮齿条式转向传动机构无转向摇臂和转向节臂，故、不12 代入数值。 对给定的汽车，用上式计算出来的作用力是最大值。因此，可以用此值作为计算载荷。 L: 梯形臂长度的计算2 表3-3 梯形臂长度L的计算 2 设计计算和说明计算结果 R轮辋直径= 16in=16×25.4=406.4mm LW RLL梯形臂长度=×0.8/2= 406.4×0.8/2 =160mm LW22 L=162.6mm,取=160mm 2 轮胎直径的计算R: T 表3-4 轮胎直径R的计算 T 设计计算和说明计算结果 R,R，0.55，205=406.4+0.55×205=518.75mm TLWR=520mm TR 取=520mm T 转向横拉杆直径的确定: 表3-5 转向横拉杆直径的计算 设计计算和说明计算结果 44，627.83MR,3d,,，m,4.811mm 10,,,a[]0.16，，216d=15mm 取 minL[,],216MPa;M,627.83N,m=; a2R 初步估算主动齿轮轴的直径:
汽车齿轮齿条式转向器 设计分解 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
汽车设计课程设计说明书题目：汽车齿轮齿条式转向器设计(3) 系别：机电工程系 专业：车辆工程 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 日期： 2012年7月 汽车齿轮齿条式转向器设计
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。根据原有数据首先分析转向器的特点，确定总体的结构方案，并确定转向器的计算载荷以及转向器的主要参数，然后确定齿轮齿条的形式，接着对齿轮模数的选择确定，主动小齿轮齿数的确定、压力角的确定、齿轮螺旋角的确定，通过确定转向器的线传动比计算其力传动比以及齿轮齿条的结构参数，在以上的基础上选择主动齿轮、齿条的材料，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2张、装配图1张。 关键词：齿轮齿条，转向器，设计计算 目录
序言........................................................................................错误!未定义书签。 1.汽车转向装置的发展趋势 .....................................................错误!未定义书签。 2.课程设计目的........................................................................错误!未定义书签。 3.转向系统的设计要求 ............................................................错误!未定义书签。 4.齿轮齿条式转向器方案分析 .................................................错误!未定义书签。 5.确定齿轮齿条转向器的形式 .................................................错误!未定义书签。 6.齿轮齿条式转向器的设计步骤..............................................错误!未定义书签。 已知设计参数........................................................................ 错误!未定义书签。 齿轮模数的确定、主动小齿轮齿数的确定、压力角的确定、齿轮螺旋角的确定........................................................................................ 错误!未定义书签。 确定线传动比、转向器的转向比........................................ 错误!未定义书签。 小齿轮的设计........................................................................ 错误!未定义书签。 小齿轮的强度校核................................................................ 错误!未定义书签。 齿条的设计............................................................................ 错误!未定义书签。 齿条的强度计算.................................................................... 错误!未定义书签。 主动齿轮、齿条的材料选择................................................ 错误!未定义书签。 7.总结 ......................................................................................错误!未定义书签。参考文献..................................................................................错误!未定义书签。致谢........................................................................................错误!未定义书签。
目录 一、设计方案选择 (5) 二、设计计算过程 (5) 1、转向轮侧偏角计算 (5) 2、转向器参数选取 (6) 3、选择齿轮齿条材料 (7) 4、强度校核 (7) 5、齿轮齿条的基本参数 (8) 三、齿轮轴的结构设计 (8) 四、轴承的选择 (8) 五、转向器的润滑方式和密封类型的选择 (8) 六、参考资料 (9) 七、设计总结 (10)
汽车设计课程设计说明书 一、设计方案选择： 1、转向器类型的选择： 机械式转向器主要有齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等，其中广泛应用的是齿轮齿条式和循环球式。 齿轮齿条式转向器○1 优点：结构简单、紧凑；壳体由铝合金或镁合金压铸而成，故质量比较小；传动效率高达90%；齿轮齿条之间因磨损出现间隙后，可利用装在齿条背部、靠近小齿轮的压紧力可以调节的弹簧自动消除齿间间隙，在提高系统刚度的同时也可防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用体积小；没有转向摇臂和横拉杆，可以增大转向轮转角；制造成本低。 缺点：逆效率高，汽车在不平路面行使时会出现汽车方向控制难度增加还有可能出现打手现象。 循环球式转向器○2 优点：在螺杆和螺母之间有可以循环流动的钢球，将滑动摩擦转变为滚动摩擦，传动效率可达75%-85%；转向器传动比可以变化；工作平稳可靠；齿条齿扇间间隙调整工作容易进行；适合做整体式动力转向器。 缺点：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。 通过对齿轮齿条式转向器和循环球式转向器的对比，选择采用齿轮齿条式转向器。 2、齿轮齿条式转向器布置和结构形式的选择： 考滤到原车采用的是循环球式转向器，故采用如图所示的布置形式。 同时考虑到原车是发动机前置后驱故采用如图所示的侧面输入两端输出的结构形式。 二、设计计算过程 1、转向轮侧偏角计算
" 汽车设计课程设计说明书 题目：汽车齿轮齿条式转向器设计(3) - 系别：机电工程系 专业：车辆工程 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 、 日期： 2012年7月
汽车齿轮齿条式转向器设计 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。根据原有数据首先分析转向器的特点，确定总体的结构方案，并确定转向器的计算载荷以及转向器的主要参数，然后确定齿轮齿条的形式，接着对齿轮模数的选择确定，主动小齿轮齿数的确定、压力角的确定、齿轮螺旋角的确定，通过确定转向器的线传动比计算其力传动比以及齿轮齿条的结构参数，在以上的基础上选择主动齿轮、齿条的材料，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2张、装配图1张。 关键词：齿轮齿条，转向器，设计计算 ^ 。
` 目录 序言............................................. 错误!未定义书签。 1.汽车转向装置的发展趋势........................... 错误!未定义书签。 2.课程设计目的..................................... 错误!未定义书签。 3.转向系统的设计要求............................... 错误!未定义书签。 4.齿轮齿条式转向器方案分析......................... 错误!未定义书签。… 5.确定齿轮齿条转向器的形式......................... 错误!未定义书签。 6.齿轮齿条式转向器的设计步骤....................... 错误!未定义书签。 已知设计参数.................................... 错误!未定义书签。 齿轮模数的确定、主动小齿轮齿数的确定、压力角的确定、齿轮螺旋角的确定.............................................. 错误!未定义书签。 确定线传动比、转向器的转向比.................... 错误!未定义书签。 小齿轮的设计.................................... 错误!未定义书签。 小齿轮的强度校核................................ 错误!未定义书签。 齿条的设计...................................... 错误!未定义书签。 ~ 齿条的强度计算.................................. 错误!未定义书签。 主动齿轮、齿条的材料选择........................ 错误!未定义书签。 7.总结............................................. 错误!未定义书签。参考文献........................................... 错误!未定义书签。致谢............................................. 错误!未定义书签。 $
汽车设计课程设计说明书 题目：重型载货汽车转向器设计 姓名：席昌钱 学号：5 同组者：严炳炎、孔祥生、余鹏、李朋超、郑大伟专业班级：09车辆工程2班 指导教师：王丰元、邹旭东
设计任务书 目录 1.转向系分析 (4) 2.机械式转向器方案分析 (8) 3.转向系主要性能参数 (9) 4.转向器设计计算 (14) 5.动力转向机构设计 (16) 6.转向梯形优化设计 (22) 7.结论 (24) 8.参考文献 (25)
1转向系设计 基本要求 1.汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转。 2.操纵轻便，作用于转向盘上的转向力小于200N。 3.转向系的角传动比在23~32之间，正效率在60%以上，逆效率在50%以上。 4.转向灵敏。 5.转向器和转向传动机构中应有间隙调整机构。 6.转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。 基本参数 1.整车尺寸： 11976mm*2395mm*3750mm。 2.轴数/轴距 4/（1950+4550+1350）mm 3.整备质量 12000kg 4.轮胎气压 2.转向系分析 对转向系的要求[3] (1) 保证汽车有较高的机动性，在有限的场地面积内，具有迅速和小半径转弯的能力，同时操作轻便; (2) 汽车转向时，全部车轮应绕一个瞬时转向中心旋转，不应有侧滑; (3) 传给转向盘的反冲要尽可能的小; (4) 转向后，转向盘应自动回正，并应使汽车保持在稳定的直线行驶状态; (5) 发生车祸时，当转向盘和转向轴由于车架和车身变形一起后移时，转向系统最好有保护机构防止伤及乘员. 转向操纵机构 转向操纵机构包括转向盘，转向轴，转向管柱。有时为了布置方便，减小由于装置位置误差及部件相对运动所引起的附加载荷，提高汽车正面碰撞的安全性以及便于拆装，在转向轴与转向器的输入端之间安装转向万向节，如图2-1。采用柔性万向节可减少传至转向轴上的振动，但柔性万向节如果过软，则会影响转向系的刚度。采用动力转向时，还应有转向动力系统。但对于中级以下的轿车和前轴负荷不超过3t的载货汽车，则多数仅在用机械转向系统而无动力转向装置。
齿轮齿条式转向器由与转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。与其它形式转向器比较，齿轮齿条式转向器最主要的优点是：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％；齿轮与齿条之间因磨损出现间隙后，利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧，可自动消除齿间间隙，如图7—1所示，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。 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的冲击力，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，转向盘突然转动又会造成打手，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(图7—2a)；侧面输入，两端输出(图7—2b)；侧面输入，中间输出(图7—2c)；侧面输入，一端输出(图7—2d)。
采用侧面输入、中间输出方案时，由图7—3可见，与齿条固连的左、右拉杆延伸到接近汽车纵向对称平面附近。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联接(图7—3)，因此，两拉杆与齿条同时向左或右移动，为此在转向器壳体上开有轴向方向的长槽，从而降低了它的强度。 采用两端输出方案时，由于转向拉杆长度受到限制，容易与悬架系统导向机构产生运动干涉。 侧面输入、一端输出的齿轮齿条式转向器，常用在乎头微型货车上。 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，冲击与工作噪声均下降，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。 齿条断面形状有圆形(图7—1)、V形(图7—4)和Y形(图7—5)三种。圆形断面齿条制作工艺比较简单。V形和Y形断面齿条与圆形断面比较，消耗的材料少，约节省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形断面齿条的齿宽可
5.2转向器的结构型式选择及其设计计算 根据所采用的转向传动副的不同，转向器的结构型式有多种。常见的有齿轮齿条式、循环球式、球面蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等。 对转向其结构形式的选择，主要是根据汽车的类型、前轴负荷、使用条件等来决定，并要考虑其效率特性、角传动比变化特性等对使用条件的适应性以及转向器的其他性能、寿命、制造工艺等。中、小型轿车以及前轴负荷小于1.2t 的客车、货车，多采用齿轮齿条式转向器。球面蜗杆滚轮式转向器曾广泛用在轻型和中型汽车上，例如：当前轴轴荷不大于2.5t 且无动力转向和不大于4t 带动力转向的汽车均可选用这种结构型式。循环球式转向器则是当前广泛使用的一种结构，高级轿车和轻型及以上的客车、货车均多采用。轿车、客车多行驶于好路面上，可以选用正效率高、可逆程度大些的转向器。矿山、工地用汽车和越野汽车，经常在坏路或在无路地带行驶，推荐选用极限可逆式转向器，但当系统中装有液力式动力转向或在转向横拉杆上装有减振器时，则可采用正、逆效率均高的转向器，因为路面的冲击可由液体或减振器吸收，转向盘不会产生“打手”现象。 关于转向器角传动比对使用条件的适应性问题，也是选择转向器时应考虑的一个方面。对于前轴负荷不大的或装有动力转向的汽车来说，转向的轻便性不成问题，而主要应考虑汽车高速直线行驶的稳定性和减小转向盘的总圈数以提高汽车的转向灵敏性。因为高速行驶时，很小的前轮转角也会导致产生较大的横向加速度使轮胎发生侧滑。这时应选用转向盘处于中间位置时角传动比较大而左、右两端角传动比较小的转向器。对于前轴负荷较大且未装动力转向的汽车来说，为了避免“转向沉重”，则应选择具有两端的角传动比较大、中间较小的角传动比变化特性的转向器。 下面分别介绍几种常见的转向器。 5.2.1循环球式转向器 循环球式转向器又有两种结构型式，即常见的循环球-齿条齿扇式和另一种即循环球-曲柄销式。它们各有两个传动副，前者为：螺杆、钢球和螺母传动副以及落幕上的齿条和摇臂轴上的齿扇传动副；后者为螺杆、钢球和螺母传动副以及螺母上的销座与摇臂轴的锥销或球销传动副。两种结构的调整间隙方法均是利用调整螺栓移动摇臂轴来进行调整。 循环球式转向器的传动效率高、工作平稳、可靠，螺杆及螺母上的螺旋槽经渗碳、淬火及磨削加工，耐磨性好、寿命长。齿扇与齿条啮合间隙的调整方便易行，这种结构与液力式动力转向液压装置的匹配布置也极为方便。 5.2.1.1循环球式转向器的角传动比w i 由循环球式转向器的结构关系可知：当转向盘转动?角时，转向螺母及其齿条的移动量应为 t s )360/(?= （5－21） 式中t ——螺杆或螺母的螺距。 这时，齿扇转过β角。设齿扇的啮合半径w r ，则β角所对应的啮合圆弧长应等于s ，即 s r w =?πβ2)360/( （5－22） 由以上两式可求得循环球式转向器的角传动比w i 为
齿轮齿条式汽车转向器设计第1页共20页 齿轮齿条式汽车转向器设计 作者储指导老师：陈迎春 （安徽农业大学工学院07级机制专业合肥230036） 摘要：汽车转向器是转向系的减速传动装置，是将司机对转向盘的转动变为转向摇臂的摆动（或齿条沿转向车轴轴向的移动），并按一定的角传动比和力传动比进行传递的机构。也是决定汽车主动安全性的关键总成，它的质量优劣直接影响着汽车的操纵稳定性。现代社会随着汽车工业的发展，汽车转向器也在不断的得到改进，虽然电子转向器已开始应用，但机械式转向器仍然广泛地被世界各国汽车及汽车零部件生产厂商所采用。而在机械式转向器中，齿轮齿条式转向器是由与转向轴做成一体的转向齿轮和常与横向拉杆做成一体的齿条组成，其具有结构简单紧凑、质量轻、刚性大、转向灵敏、成本低制造容易、正逆效率都高以及便于布置等诸多优点被应用于各级各类的汽车上。本文主要研究汽车转向器的组成分类、数据确定以及齿轮齿条式转向器的设计过程。 关键词：汽车转向器操作稳定性传动 1绪论 汽车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所为汽车转向。就轮式汽车而言，实现汽车转向的方法是驾驶员通过一套专设的机构，是汽车转向桥上的车轮相对于汽车中轴线偏转一定角度，在汽车直线行驶时，转向轮往往也会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向，驾驶员也可以利用这套机构式转向轮向相反的方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。这一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，成为汽车转向系。因此，汽车转向系统的功用就是保证汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶。 齿轮齿条式转向器主要是由齿轮和齿条相啮合而实现传动的，齿轮齿条式转向器。它是一种最常见的转向器。其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条。转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。有时，靠齿条来直接带动横拉杆，就可使转向轮转向。所以，这是一种最简单的转向器。它的优点是结构简单，成本低廉，转向灵敏，体积小，可以直接带动横拉杆。在汽车上得到广泛应用。另外还有一些其他的辅件，如下图所示就是齿轮齿条式转向器的基本原理图
汽车设计课程设计说明书题目：汽车齿轮齿条式转向器设计(3) 系别：机电工程系 专业：车辆工程 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 日期：2012年7月 汽车齿轮齿条式转向器设计
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。根据原有数据首先分析转向器的特点，确定总体的结构方案，并确定转向器的计算载荷以及转向器的主要参数，然后确定齿轮齿条的形式，接着对齿轮模数的选择确定，主动小齿轮齿数的确定、压力角的确定、齿轮螺旋角的确定，通过确定转向器的线传动比计算其力传动比以及齿轮齿条的结构参数，在以上的基础上选择主动齿轮、齿条的材料，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2张、装配图1张。 关键词：齿轮齿条，转向器，设计计算 目录
序言 (1) 1.汽车转向装置的发展趋势 (2) 2.课程设计目的 (4) 3.转向系统的设计要求 (5) 4.齿轮齿条式转向器方案分析 (7) 5.确定齿轮齿条转向器的形式 (8) 6.齿轮齿条式转向器的设计步骤 (11) 6.1已知设计参数 (11) 6.2齿轮模数的确定、主动小齿轮齿数的确定、压力角的确定、齿轮螺旋角 的确定 (12) 6.3确定线传动比、转向器的转向比 (12) 6.4小齿轮的设计 (14) 6.5小齿轮的强度校核 (16) 6.6齿条的设计 (18) 6.7齿条的强度计算 (19) 6.8主动齿轮、齿条的材料选择 (22) 7.总结 (23) 参考文献 ........................................................................................错误!未定义书签。致谢.. (25)
第一节概述 转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。 机械转向系依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转向器和转向传动机构使转向轮偏转。有些汽车还装有防伤机构和转向减振器。采用动力转向的汽车还装有动力系统，并借助此系统来减轻驾驶员的手力。 对转向系提出的要求有： 1)汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。 2)汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶。 3)汽车在任何行驶状态下，转向轮不得产生自振，转向盘没有摆动。 4)转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小。 5)保证汽车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。 6)操纵轻便。 7)转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小。 8)转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。 9)在车祸中，当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。 10)进行运动校核，保证转向盘与转向轮转动方向一致。 正确设计转向梯形机构，可以使第一项要求得到保证。转向系中设置有转向减振器时，能够防止转向轮产生自振，同时又能使传到转向盘上的反冲力明显降低。为了使汽车具有良好的机动性能，必须使转向轮有尽可能大的转角，并要达到按前外轮车轮轨迹计算，其最小转弯半径能达到汽车轴距的2～2．5倍。通常用转向时驾驶员作用·在转向盘上的切向力大小和转向盘转动圈数多少两项指标来评价操纵轻便性。没有装置动力转向的轿车，在行驶中转向，此力应为50—100N；有动力转向时，此力在20—50N。当货车从直线行驶状态，以10km ／h速度在柏油或水泥的水平路段上转入沿半径为12m的圆周行驶，且路面干燥，若转向系内没有装动力转向器，上述切向力不得超过250N；有动力转向器时，不得超过120N。轿车转向盘从中间位置转到每一端的圈数不得超过2．0圈，货车则要求不超过3．0圈。·近年来，电动、电控动力转向器已得到较快发展，不久的将来可以转入商品装车使用。电控动力转向可以实现在各种行驶条件下转动转向盘的力都轻便。
齿轮齿条转向器讲义 一、齿轮齿条转向器原理 齿轮齿条转向器主要包括机械式齿轮齿条转向器和液压助力式齿轮齿条转向器二种。液压助力式转向器由控制阀、机械式转向器、助力缸三大部分组成。主要应用于乘用车（包括小轿车、农用车、皮卡、小型SUV），今后有被电动转向器（EPS）取代的趋势。 乘用车转向器系统如下：
整个转向系统包括方向盘、油泵、油箱、动力转向器、油管。其液压回路图如下： 液压助力转向器由控制阀（类似于M型机能三位四通换向阀）、机械式转向器（类似于齿轮齿条装置）、助力缸（类似于双作用油缸）三大部分组成。如下图：
其原理是：方向盘带动转阀左转、右转或保持在中间位置，对应于助力缸的动作则是：助力缸左腔进油，右腔回油；助力缸右腔进油，左腔回油；左右腔压力一致这三种状态，双作用油缸活塞杆通过连杆装置分别驱动汽车左右驱动轮转向。 见下图：
二、液压助力齿轮齿条转向器密封组成 除防尘圈、O型圈等常规密封之外，液压助力齿轮齿条转向器的主要密封包括输入轴密封、转阀密封、活塞封、输出轴密封。如下图： 1.输入轴密封： 形式为低压骨架油封。主要功能是防尘以及防止泄漏油外溢，最高耐压：2MPa，每个转向器输入轴用一道密封。
2.转阀密封： 类似于液压用的轴用旋转格莱圈，每个转向器用四道，用于分隔P、T、A、B油腔，如果失效会导致转向卡阻，下面图片显示的是12MPa和13MPa的阀密封。 3.助力缸活塞封： 类似于液压用的孔用格莱圈，每个转向器用一道，如果失效会导致转向无力。 4.输出端齿条轴密封： 形式为高压骨架油封，类似于油缸杆密封，输出轴直线运动，密封最高耐压8MPa，每个转向器用两道，左右输出各用一只。
转向器的结构型式选择及其设计计算 根据所采用的转向传动副的不同，转向器的结构型式有多种。常见的有齿轮齿条式、循环球式、球面蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等。 对转向其结构形式的选择，主要是根据汽车的类型、前轴负荷、使用条件等来决定，并要考虑其效率特性、角传动比变化特性等对使用条件的适应性以及转向器的其他性能、寿命、制造工艺等。中、小型轿车以及前轴负荷小于的客车、货车，多采用齿轮齿条式转向器。球面蜗杆滚轮式转向器曾广泛用在轻型和中型汽车上，例如：当前轴轴荷不大于且无动力转向和不大于4t带动力转向的汽车均可选用这种结构型式。循环球式转向器则是当前广泛使用的一种结构，高级轿车和轻型及以上的客车、货车均多采用。轿车、客车多行驶于好路面上，可以选用正效率高、可逆程度大些的转向器。矿山、工地用汽车和越野汽车，经常在坏路或在无路地带行驶，推荐选用极限可逆式转向器，但当系统中装有液力式动力转向或在转向横拉杆上装有减振器时，则可采用正、逆效率均高的转向器，因为路面的冲击可由液体或减振器吸收，转向盘不会产生“打手”现象。 关于转向器角传动比对使用条件的适应性问题，也是选择转向器时应考虑的一个方面。对于前轴负荷不大的或装有动力转向的汽车来说，转向的轻便性不成问题，而主要应考虑汽车高速直线行驶的稳定性和减小转向盘的总圈数以提高汽车的转向灵敏性。因为高速行驶时，很小的前轮转角也会导致产生较大的横向加速度使轮胎发生侧滑。这时应选用转向盘处于中间位置时角传动比较大而左、右两端角传动比较小的转向器。对于前轴负荷较大且未装动力转向的汽车来说，为了避免“转向沉重”，则应选择具有两端的角传动比较大、中间较小的角传动比变化特性的转向器。（转向盘转角增量与相应的转向摇臂转角增量之比iω1称为转向器角传动比。） 二、两侧转向轮偏转角之间的理想关系式 汽车转向行驶时，为了避免车轮相对地面滑动而产生附加阻力，减轻轮胎磨损，要求转向系统能保证所有车轮均作纯滚动，即所有车轮轴线的延长线都要相交于一点。 cotα=cotβ+B/L 其中α、β分别是内外侧转向轮的偏转角，B是两侧主销轴线与地面相交点之间的距离；L是汽车轴距。 如果是多轴汽车转向，转向轮转角间的关系与双轴汽车基本相同。
车辆工程课程设计任务书 1．课程设计题目：汽车齿轮齿条式转向器设计及零件加工工艺制定2．课程设计目的：此课程设计是《汽车设计》、《汽车制造工艺学》课 程教学重要实践环节，其目的是： 1）培养学生理论联系实际的设计思想，巩固和加强所学的相关专业课程的知识； 2）熟悉和掌握车辆设计和制造工艺制定的一般过程和方法，提高综合运用所学的知识进行车辆设计与制造的能力； 3）熟练掌握和运用设计资料（指导书、图册、标准和规范等）以及经验数据进行设计的能力，培养学生机械制图、设计计算和编写技 术文件等的基本技能。 3．课程设计时间：2010年8月30日~2010年9月23日（4周）4．整车性能参数： 车型：一汽佳宝（面包车） 基本参数（网络搜索得到）： 5．汽车齿轮齿条式转向器设计的基本要求： 1）技术参数： 线角传动比：41.8mm/rad 齿轮法向模数：2.2 方向盘总圈数：3.5 齿条行程：61.5mm 2）设计要求：仅设计转向器部分。 6．齿轮齿条式转向器的零件加工制造工艺部分的要求零件名称：齿轮 1）生产纲领：1000~10000件，生产类型：批量生产；应保证零件的加工质量，尽量提高生产率和降低消耗率。
2）尽量降低工人的劳动强度，使其有良好的工作条件；在充分利用现 有生产条件的基础上，采用国内外先进工艺技术；主要的工艺要进 行必要的分析论证和计算。 7．提交的文件资料： 1）装配图1张（A1）、零件图2张（A3）； 2）零件毛配图1张（A3）； 3）零件加工工艺过程卡片1套、零件加工工序卡片1套； 4）课程设计说明书1份（20页左右）（A4）。 一．齿轮齿条转向器的优缺点： 齿轮齿条转向器是由转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。 优点：结构简单、紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器质量比较小，传动效率高达90%；齿轮与齿条之间因磨损而出现间隙后，利用装在齿条背部的、靠近主动小齿轮的处的压紧弹簧能自动消除间隙，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；转向器占用体积小，没有转向摇臂和直拉杆，所以转向转角可以增大，制造成本低。 缺点：齿轮齿条转向器因逆效率高（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方向盘，称之反冲现象。反冲会使驾驶员精神紧张，并难以准确控制汽车的行驶方向，转向盘突然转动又会造成打手，同时对驾驶员造成伤害。 二．齿轮齿条转向器的输入形式及特点： 1．侧面输入，中间输出：与齿条固连的左右拉杆延伸到接近汽车纵向对称平面附近，由于拉杆长度增加，车轮上下跳动时拉杆摆角减小，有利于减少车轮的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连在一起，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，从而降低了他的强度。 2．采用两端输出方案时，由于转向拉杆长度受到限制，容易与悬架系统导向机构产生运动干涉。 3．侧面输入，一端输出的齿轮齿条转向器，常用在平头车上。 齿轮齿条转向器采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合，增加运转平稳性，降低冲击和噪声。齿条断面有圆形、V形和Y形三种。圆形断面制造简单；V形和Y形节约材料，质量小而且位于齿条下面的两斜面与齿条托坐接触，可以用来防止齿条绕轴线转动。 三．齿轮齿条转向器计算载荷的确定。 1、引言：为了保证行驶安全，组成转向器的各零部件有足够的强度，欲 验算转向器各零件的强度，首先需要确定各零件所承受的力及扭矩， 影响这些力的主要因素为轴向载荷、路面阻力和轮胎胎压等。为转动 各转向轮需克服阻力，包括主销传动阻力和车轮稳定阻力、轮胎变形
第四节 机械式转向器的设计与计算 一、转向系计算载荷的确定 为了保证行驶安全，组成转向系的各零件应有．足够的强度。欲验算转向系零件的强度，需首先确定作用在各零件上的力。影响这些力的主要因素有转向轴的负荷、路面阻力和轮胎气压等。为转动转向轮要克服的阻力，包括转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内摩擦阻力等。 精确地计算出这些力是困难的。为此推荐用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩R M (mm N ?) p G f M R 313 = (7-9)
式中，f 为轮胎和路面间的滑动摩擦因数，一般取O.7； 1G 为转向轴负荷(N)；p 为轮胎气压(a MP )。 作用在转向盘上的手力为 + ωη= i D L M L F sw R h 212 (7-10) 式中，1L 为转向摇臂长；2L 为转向节臂长；sw D 为转向盘直径；ωi 为转向器角传动比；+η为转向器正效率。 对给定的汽车，用式(7-10)计算出来的作用力是最大值。因此，可以用此值作为计算载荷。然而，对于前轴负荷大的重型货车，用上式计算的力往往超过驾驶员生理上的可能，在此情况下对转向器和动力转向器动力缸以前零件的计算载荷，应取驾驶员作用在转向盘轮缘上的最大瞬时力，此力为700N 。 二、齿轮齿条式转向器的设计 齿轮齿条式转向器的齿轮多数采用斜齿圆柱齿轮。齿轮模数取值范围多在2～3mm 之间。主动小齿轮齿数多数在5～7个齿范围变化，压力角取20o，齿轮螺旋角取值范围多为 9o～1 5o。齿条齿数应根据转向轮达到最大偏转角时，相应的齿条移动行程应达到的值来确定。变速比的齿条压力角，对现有结构在12o～35o范围内变化。此外，设计时应验算齿轮的抗弯强度和接触强度。 主动小齿轮选用16MnCr5或15CrNi6材料制造，而齿条常采用45钢制造。为减轻质量，壳体用铝合金压铸。
中图分类号：TH 文献标识码:A 文章编号：1007-0745（2013）10-0149-02 孙炜 （河北省机械科学研究设计院050051）齿轮齿条式转向器设计 摘要：转向器是转向系中的重要总成，是用来保持或改变汽车行驶方向的机构。本文分析不同形式转向器的优缺点，对齿轮齿条式 转向器进行必要的设计和计算，包括强度计算和结构设计。关键词：机械式转向器齿轮齿条一、方案介绍和选择1、转向器类型的选择 机械式转向器主要有齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等，其中广泛应用的是齿轮齿条式和循环球式。 齿轮齿条式转向器优点：结构简单、紧凑；壳体由铝合金或镁合金压铸而成，故质量比较小；传动效率高达90%；齿轮齿条之间因磨损出现间隙后，可利用装在齿条背部、靠近小齿轮的压紧力可以调节的弹簧自动消除齿间间隙，在提高系统刚度的同时也可防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用体积小；没有转向摇臂和横拉杆，可以增大转向轮转角；制造成本低。 缺点：逆效率高，汽车在不平路面行使时会出现汽车方向控制难度增加还有可能出现打手现象。 循环球式转向器优点：在螺杆和螺母之间有可以循环流动的钢球，将滑动摩擦转变为滚动摩擦，传动效率可达75%-85%；转向器传动比可以变化；工作平稳可靠；齿条齿扇间间隙调整工作容易进行；适合做整体式动力转向器。 缺点：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。通过对齿轮齿条式转向器和循环球式转向器的对比，选择采用齿轮齿条式转向器。 2、齿轮齿条式转向器布置和结构形式的选择考滤到原车采用的是循环球式转向器，故采用转向器位于前轴后方，后置梯形的布置形式。 同时考虑到原车是发动机前置后驱故采用侧面输入两端输出的结构形式。 二、设计计算过程 1、sin α 2750=0.39855 α=29.3607°tin =27506900×cos α-1440 =0.56257 =29.3607° 通过作图计算可得转向齿条左右移动的最大距离为 180。 2、转向器参数选取 齿轮齿条转向器的齿轮多采用斜 齿轮 ， 齿轮模 数 在 2~3 之间，主动小齿轮齿数在5~7之间，压力角取α=20°，螺旋角在9°~15°之间。故取小齿轮z 1=6，=2.5，=10°右旋，压力角α=20°，精度等级8级。 转向节原地转向阻力矩： 方向盘转动圈数： 角传动比： 方向盘上的手力： 力传动比： 取齿宽系数， 齿条宽度2=d 1=1.2×15.2314=18.278圆整取2=20，则取齿轮齿宽1=2+10=30 3、选择齿轮齿条材料小齿轮：40Cr C-N 共渗淬火、回火43—53HRC 齿条：45调质处理229—286HBS 4、强度校核（1）校核齿轮接触疲劳强度选取参数，按ME 级质量要求取值σHlim1=1500MPa ，σHlim2=650MPa ；S Hlim1=1.5，S Hlim2=1.3Z N1=Z N2=1 σHlim2<σHlim1故以σHlim2计算σHp σHp =σHlim2Z N2S Hlim2=650×11.3 =500MPa 查得：A =1.35，V =1.05，α=1.1，=1.1；=A V α=1.7152 H =2.46，E =189.8，=0.92，=10°则=12.5 齿轮接触疲劳强度合格（2）校核齿轮弯曲疲劳强度 选取参数，按ME 级质量要求取值 （下转第147页）
本科学生毕业设计 汽车齿轮齿条式转向器设计 院系名称：汽车与交通工程学院 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 职称： 黑龙江工程学院 二○一一年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree Design of Car Rack and Pinion Steering Gear Candidate： Specialty： Class ： Supervisor： Heilongjiang Institute of Technology 2011-06·Harbin
摘要 汽车转向器是汽车的重要组成部分，也是决定汽车主动安全性的关键总成，它的质量严重影响汽车的操纵稳定性。随着汽车工业的发展，汽车转向器也在不断的得到改进，虽然电子转向器已开始应用，但机械式转向器仍然广泛地被世界各国汽车及汽车零部件生产厂商所采用。而在机械式转向器中，齿轮齿条式转向器由于其自身的特点被广泛应用于各级各类汽车上。 本次设计主要对一汽佳宝的转向器进行设计。首先对转向器进行了结构上的设计，此转向器选用的是侧面输入，两端输出的齿轮齿条式转向器。其优点为：结构简单、紧凑；壳体由铝合金或镁合金压铸而成，故质量比较小；传动效率高达90%；齿轮齿条之间因磨损出现间隙后，可利用装在齿条背部、靠近小齿轮的压紧力可以调节的弹簧自动消除齿间间隙，在提高系统刚度的同时也可防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用体积小；没有转向摇臂和直拉杆，可以增大转向轮转角；制造成本低。 关键词：转向器；弹簧；横拉杆；设计；校核
ABSTRACT Auto steering gear is the important part of automobile. Also the key assembly of vehicle active safety. Its’ quality seriously effecting manipulating stability,with the develop ment of automobile’industry,steering gear is improved gradually. Although electronic steering gear began application, but mechanical steering gear is widely used by automobile and parts manufacturer all over the world. In the mechanical steering gear. The rack and pinion steering gear were widely used in all kinds of Auto factories due to its own characteristics. This design is mainly focus on FAW Jiabao. First, design the steering gear’s structure. This steering gear applied beside input. Two terminal output rack and pinion steering. Its’advantages is simple configuration and compact. Shell is pressurized carging by aluminium alloy or magnesium ally. So the weight is relatively low. Transmitting efficient can reach 90%. If gap appears between rack and pinion. It can be eliminated by the spring which is located back of rack adjustable to pinion,and spring pressure can be ajusted .Simproving the sy sten’s stiffness.It also can prevent the impact and noise when it works .Steering gear occupy. Little volume have no steering arm and tie rod. Steering wheel angle can be increased；manufacturing cost is low. Keywords: steering;spring; horizontal bars;design;check .