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车辆工程技术3车辆技术汽车齿轮齿条式转向器参数化设计分析与研究赵禹赫（达闼机器人有限公司,上海 201111）摘 要：驱动车辆转向系统传动的转向器的设计直接影响车辆的行驶稳定性，并在驾驶安全中起着至关重要的作用。
当前，国内的齿条齿轮转向器主要基于国外的设计发展。
产品设计只考虑了工程师的经验，无法完全有效地评估产品性能，从而导致较长的设计周期和确保产品性能的困难。
此外，转向器是安全的重要组成部分，必须满足各种强度要求，例如在极端条件下的静态扭曲和冲击。
台架测试具有周期时间长和成本高的缺陷。
本文首先查阅了汽车齿轮齿条转向器研究现状、现存问题与分析。
其次介绍了齿轮齿条转向器的设计要求与基本结构，进而提出了优化设计。
关键词：转向系统；齿轮齿条转向器；参数优化0 引言由于汽车相关工业的逐渐发展与更新，许多高技术与新技术也在汽车行业逐渐实现，因此，汽车的结构和性能逐渐完善。
用户的要求和关注点也在逐渐与以往产生了差异，关注点从汽车的发动机和经济性转移到安全和舒适性上。
在汽车行驶时，司机往往要根据道路状况改变方向，转向系统是人与车之间相互作用的一种手段。
转向系统的功能是根据司机的意愿控制运动方向或恢复运动的最初方向。
汽车转向系统作为关系到汽车安全的两个系统之一，需要注意的是它不仅关系到汽车的安全性，它不仅是其最重要的子系统之一，在汽车运动过程中起着关键作用。
本研究在以产品正向战略为基础的齿轮齿条式转向器结构设计过程中，分析齿轮齿条转向器的相关设计标准，技术要求，根据需求计算齿轮齿条关键结构尺寸，优化技术，研究齿轮齿条转向器的强度，评估性能和优化设计技术，改进设计的可靠性。
1 齿轮齿条式转向器基本结构汽车齿轮齿条转向器的基本结构主要是由一对齿轮轴和转向齿条组成。
当小齿轮轴旋转时，与小齿轮轴啮合的齿条呈线性移动，然后驱动转向连杆改变方向盘的方向[1]。
与其他类型的转向器相比，齿轮齿条式转向器具有结构简单，易于布置和安装，传动效率高，生产成本低等优点，因而在汽车转向器领域得到了广泛地应用[2]。
同步器技术讲座一、概述：1、汽车变速器一般介绍：1）汽车变速器功用：在不同的使用条件下，改变由发动机传到驱动轮上的转矩和转速，使汽车得到不同的牵引力和车速，以适应不同的使用条件。
同时也可使发动机可以在最有利的工况范围内工作。
为保证变速器具有良好的工作性能，对变速器提出以下基本要求：a.应正确选择合适的变速器档位数和传动比，保证汽车具有良好的动力性和经济性指标。
b.具有较高的传动效率。
c.应设有倒档和空档。
d.换档操纵迅速轻便、工作可靠、噪声小。
2）汽车变速器分类：目前汽车变速器大致可分以下两类：a.手动机械式变速器（MT）Manual Transmissionb.自动变速器：Ⅰ）液力自动变速器（AT、EAT）Electron AutomaticⅡ）无级变速器（CVT）Continuously variabieⅢ）自动机械式变速器（AMT）Automatic Mechanical 2．手动机械式变速器：目前常见为定轴齿轮式传动。
分类：1）三轴式：多用于前置后驱传动结构图1。
三轴式五档全同步变速器2)二轴式：多用于前置前驱传动结构图2。
二轴式四档全同步变速器（前置纵向）3) 多轴式：变速器具有2 ~ 3根中间轴，多用于重型汽车变速器。
二、同步器的应用：在手动机械式变速器（MT）中，为实现换档操作迅速轻便无冲击，有利于提高汽车的动力性和燃料经济性。
在各档位中多采用同步器来实现换档操作。
1．同步器的结构型式：1）常压式同步器：是一种早期开发的同步器。
特点是结构简单，但其不能保证被啮合件在同步状态（即角速度相等）下实现换档。
也就是常压式同步器不能从根本上解决换档时的啮合冲击问题，所以这种同步器目前已被淘汰。
2）惯性式同步器：由于惯性式同步器能够确保同步啮合换档，目前得到广泛应用。
3）惯性增力式同步器：又称“波尔舍”（Porsehe）同步器。
由于这种同步器对材料、热处理及制造精度均要求较高，目前在国内采用较少。
同步带及带轮设计参数1.带的选用：带是传动力的重要传递部件，选用合适的带能够提高传动效率和工作寿命。
在选用带时需要考虑以下几个参数：(1)载荷：带承载机械装置的最大工作载荷，包括静载荷和动载荷。
(2)速度：传动带的工作线速度，一般要求带的线速度小于其临界线速度。
(3)带轮类型：根据传动形式和空间限制选择合适的带轮类型，如平行轴带轮或交叉轴带轮等。
(4)工作环境：带的材料和结构要考虑工作环境的特殊要求，如高温、潮湿等。
2.带轮的选择：带轮作为传动装置的重要组成部分，对带的工作效果有很大影响。
在选择带轮时需要考虑以下几个参数：(1)齿形：带轮的齿形要与所选带的齿形相匹配，以确保传动效果良好。
(2)齿数：带轮的齿数应根据带的齿数和传动比来确定，一般要求齿数较多，以提高传动效率和工作寿命。
(3)直径：带轮的直径要考虑传动装置的装配空间和带的工作线速度，一般直径较大可以提高传动能力。
(4)材料：带轮的材料应经过合理的选择，应具有足够的强度和耐磨性。
3.其他设计参数：除了带和带轮的选用外，还有其他几个重要的设计参数需要考虑：(1)带的张紧力：根据带的类型和工作要求确定带的张紧力，过小容易造成带滑动，过大则会增加带的磨损。
(2)带的传动比：根据传动要求确定带的传动比，传动比过大容易造成过载，过小则会影响传动效果。
(3)带的中心距：根据传动装置的布局和空间限制确定带的中心距，中心距过大会增加带的松弛量，中心距过小则会增加带的张紧力。
(4)带的长度和宽度：根据带轮直径和齿数确定带的长度和宽度，过长容易产生弯曲或拉伸，过窄则会降低传动能力。
总之，同步带及带轮的设计参数涉及到多个因素，需要根据具体的传动要求和工作环境来确定。
合理选择带和带轮，并考虑其他设计参数，可以提高传动效果和延长使用寿命。
在设计过程中，还需要注意对带和带轮的维护和保养，定期检查和更换磨损严重的部件，以确保传动装置的良好工作。
同步器设计手册前言汽车变速器中采用同步器，可以保证换档操作迅速、轻便无冲击，延长齿轮和传动系统的使用寿命，提高汽车在换档和加速起步时的动力性和经济性，改善驾驶舒适性的有效措施。
同步器技术目前被广泛应用于各种车型上。
同步器的应用是机械变速器发展过程中一次质的飞跃，在我国汽车行业标准QC/T29063中明确规定轻型汽车变速器前进档必需装有同步器结构，中型汽车除一档、倒档外，其余各档也必需装有同步器结构。
随着同步器技术不断发展，对于提高变速器传动性能，具有十分重要的经济技术意义。
本手册是在综合同步器理论和实践研究的基础上编写而成。
本书结构新颖，文字简洁，图文并茂，通俗易懂。
内容包括：同步器结构形式，工作原理，设计参数，结构参数，以及影响同步器性能的因素。
本手册可供从事汽车变速器的设计、生产、维修人员参考。
本手册经等人员审阅并提出修改意见，在此表示感谢。
由于作者水平有限，难免有不足之处，请广大员工提出宝贵意见。
作者2007/11/16目录绪论第一章同步器的结构形式及其特点第一节锁销式同步器第二节锁环式同步器第三节锁环式多锥同步器第二章同步器工作原理第三章同步器设计参数及其计算第一节转动惯量及其转换第二节同步力矩 Tc及同步时间第三节拨环力矩T B第四节计算实例第四章结构参数设计第一节结构参数设计第二节结构参数设计对换档性能的影响第三节同步器摩擦材料第五章影响同步器性能的因素第一节润滑油对同步器性能的影响第二节其他对同步器性能的影响第六章同步器试验绪 论汽车变速器是汽车传动系中的一个重要部件，它的功能是在不同的使用条件下，改变由发动机传到驱动轮上的转矩和转速，使得汽车得到不同的牵引力和车速，以适应不同的使用条件。
同时也可以使发动机在最有利的工况范围内工作。
为保证变速器具有良好的工作性能，对变速器提出以下基本要求：1. 应有合适的变速档位数和传动比，保证汽车具有良好的动力性和经济性指标。
2. 较高的传动效率。
变速器齿轮设计8.4 变速箱齿轮设计⽅法8.4.1 变速箱齿轮的设计准则：由于汽车变速箱各档齿轮的⼯作情况是不相同的，所以按齿轮受⼒、转速、噪声要求等情况，应该将它们分为⾼档⼯作区和低档⼯作区两⼤类。
齿轮的变位系数、压⼒⾓、螺旋⾓、模数和齿顶⾼系数等都应该按这两个⼯作区进⾏不同的选择。
⾼档⼯作区：通常是指三、四、五档齿轮，它们在这个区内的⼯作特点是⾏车利⽤率较⾼，因为它们是汽车的经济性档位。
在⾼档⼯作区内的齿轮转速都⽐较⾼，因此容易产⽣较⼤的噪声，特别是增速传动，但是它们的受⼒却很⼩，强度应⼒值都⽐较低，所以强度裕量较⼤，即使削弱⼀些⼩齿轮的强度，齿轮匹配寿命也在适⽤的范围内。
因此，在⾼档⼯作区内齿轮的主要设计要求是降低噪声和保证其传动平稳，⽽强度只是第⼆位的因素。
低档⼯作区：通常是指⼀、⼆、倒档齿轮，它们在这个区内的⼯作特点是⾏车利⽤率低，⼯作时间短，⽽且它们的转速⽐较低，因此由于转速⽽产⽣的噪声⽐较⼩。
但是它们所传递的⼒矩却⽐较⼤，轮齿的应⼒值⽐较⾼。
所以低档区齿轮的主要设计要求是提⾼强度，⽽降低噪声却是次要的。
在⾼档⼯作区，通过选⽤较⼩的模数、较⼩的压⼒⾓、较⼤的螺旋⾓、较⼩的正⾓度变位系数和较⼤的齿顶⾼系数。
通过控制滑动⽐的噪声指标和控制摩擦⼒的噪声指标以及合理选⽤总重合度系数、合理分配端⾯重合度和轴向重合度，以满⾜现代变速箱的设计要求，达到降低噪声、传动平稳的最佳效果。
⽽在低档⼯作区，通过选⽤较⼤的模数、较⼤的压⼒⾓、较⼩的螺旋⾓、较⼤的正⾓度变位系数和较⼩的齿顶⾼系数，来增⼤低档齿轮的弯曲强度，以满⾜汽车变速箱低档齿轮的低速⼤扭矩的强度要求。
以下将具体阐述怎样合理选择这些设计参数。
8.4.2 变速箱各档齿轮基本参数的选择：1 合理选⽤模数：模数是齿轮的⼀个重要基本参数，模数越⼤，齿厚也就越⼤，齿轮的弯曲强度也越⼤，它的承载能⼒也就越⼤。
反之模数越⼩，齿厚就会变薄，齿轮的弯曲强度也就越⼩。
视频讲解文字：锁环式同步器用来使结合套与准备套入的齿圈运动速度迅速同步。
主轴同步器在花键毂背面的槽里有三个金属滑块和销，每个销的下部有相应的压簧，用来使定位销的球面突出花键毂的外圈，同步器安装后，花键毂的内花键与输出轴的外花键啮合，花键毂的外花键与结合套的内花键啮合。
铜质锁环有3个缺口，以让开花键毂上的滑块和定位销。
锁环有一个内圆锥面。
外圆上有齿形花键，花键的形状和尺寸和花键毂的外花键相同。
锁环的花键也与结合套啮合，锁环的缺口比滑块宽，允许锁环移动，锁环的外花键可以脱离结合套的内花键。
档结合套移动选档时，滑块推动锁环移动，直至锁环的内圆锥面与输入轴常啮合齿轮的齿圈外圆锥面接触为止，锁环内圆锥面上的螺旋槽可以破坏结合面的油膜，以增加摩擦，两个锥面之间的转速差使锁环绕齿圈转动，直到锁环的缺口与滑块之间的间隙消除为止。
因为锁环的花键齿此时正好与结合套的内花键相抵，结合套不能啮合，驾驶员施加的轴向力作用在锁环齿端面上，使两圆锥面之间建立起摩擦力，直至内圆锥面的转速相同，此时结合套沿锁环倒角斜面向前滑动，与锁环啮合，在这个过程中花键端面的倒角起了很大作用，平稳而快速的换挡过程完成。
锁环式同步器的结构参数、尺寸设计计算：根据同步器计算基本方程式（5）：P×μ×R锥/Sinα= Jc×Δω/ t按已知条件：同步器输入端转动惯量Jc、角速度Δω均可计算出，而同步时间t一般在同步器设计时可取t = 0.5（S）。
根据式（5），即可计算出所需的同步摩擦力矩Mf值。
根据式（4）：Mf = P×μ×R锥 / Sinα其中：换档力P —为了换档轻便，力P应有所控制。
按汽车行业标准QC/T 29063—1992中的有关规定：轻型车中型车重型车400N（最大） 500N（最大） 620N（最大）同步锥面摩擦系数μ：在同步器设计计算时一般可取μ= 0.1同步锥角α：同步摩擦力矩Mf可随着α角减小而增大，但α角的极限取决于锥面角避免自锁的条件，即：tgα≥μ（见后说明）根据式（4）：可得R锥= Mf×sinα/P×μ（7）同步环结构参数及尺寸的确定：（图10）D—分度圆直径φ—同步环大端直径α—同步环锥面角 B—同步环锥面宽由图9可推算出：φ= 2R锥+ B×tgα（8）考虑到同步环本身的强度和刚性，根据统计数据和经验，设计时可按下式初步确定同步环接合齿分度圆直径：D = φ/0.8～0.85 （9）考虑到同步环的散热和耐磨损，提供足够大的锥面面积。
