汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計【含CAD圖紙、說明書】

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6.1已知設(shè)計參數(shù) 11 6.2齒輪模數(shù)的確定、主動小齒輪齒數(shù)的確定、壓力角的確定、齒輪螺旋角的確定 12 6.3確定線傳動比、轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向比 12 6.4小齒輪的設(shè)計 14 6.5小齒輪的強(qiáng)度校核 16 6.6齒條的設(shè)計 18 6.7齒條的強(qiáng)度計算 19 6.8主動齒輪、齒條的材料選擇 22 7.總結(jié) 23 參考文獻(xiàn) 23 致 謝 25 汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計 序 言 轉(zhuǎn)向系是用來保持或者改變汽車行使方向的機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)準(zhǔn)確、快速、平穩(wěn)地響應(yīng)駕駛員的轉(zhuǎn)向指令，轉(zhuǎn)向行使后或受到外界擾動時，在駕駛員松開方向盤的狀態(tài)下，應(yīng)保證汽車自動返回穩(wěn)定的直線行使?fàn)顟B(tài)。 汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，代表著一個國家的綜合國力，汽車工業(yè)隨著機(jī)械和電子技術(shù)的發(fā)展而不斷前進(jìn)。到今天，汽車已經(jīng)不是單純機(jī)械意義上的汽車了，它是機(jī)械、電子、材料等學(xué)科的綜合產(chǎn)物。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也隨著汽車工業(yè)的發(fā)展歷經(jīng)了長時間的演變。 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成，轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量比較小；傳動效率高達(dá)90%；齒輪與齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙后，利用裝在齒條背部、靠近主動小齒輪處的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧，能自動消除間隙，這不僅可以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度，還可以防止工作時產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用體積小；制造成本低。 基于以上的優(yōu)點(diǎn)，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器將是以后轉(zhuǎn)向器的發(fā)展的趨勢和潮流。 本次設(shè)計以乘用車轉(zhuǎn)向器的參數(shù)作為依據(jù)，設(shè)計一款某輕型車的轉(zhuǎn)向器。根據(jù)該車型對于市場的定位及對制造成本的考慮，同時參考同類車型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，將該車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計為一款機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，對轉(zhuǎn)向系系統(tǒng)做簡單分析，并進(jìn)行轉(zhuǎn)向器零件設(shè)計、工藝性及尺寸公差等級分析，同時按以下步驟對轉(zhuǎn)向器及零部件進(jìn)行設(shè)計方案論證：第一步對所選的轉(zhuǎn)向器總成進(jìn)行剖析；第二部利用所學(xué)的知識對總成中的零部件進(jìn)行力學(xué)分析和分析；第三步對分析中發(fā)現(xiàn)的不合理的設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)。 1.汽車轉(zhuǎn)向裝置的發(fā)展趨勢 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)也有很大變化。汽車轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)很多，從目前使用的普遍程度來看，主要的轉(zhuǎn)向器類型有4種：有蝸桿銷式(WP型)、蝸桿滾輪式(WR型)、循環(huán)球式(BS型)、齒條齒輪式(BP型)。這四種轉(zhuǎn)向器型式，已經(jīng)被廣泛使用在汽車上。 據(jù)了解，在世界范圍內(nèi)，汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占45%左右，齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器占40%左右，蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器占10%左右，其它型式的轉(zhuǎn)向器占5%。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器一直在穩(wěn)步發(fā)展。在西歐小客車中，齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器有很大的發(fā)展。日本汽車轉(zhuǎn)向器的特點(diǎn)是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占的比重越來越大，日本裝備不同類型發(fā)動機(jī)的各類型汽車，采用不同類型轉(zhuǎn)向器，在公共汽車中使用的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，已由60年代的62.5%，發(fā)展到現(xiàn)今的100%了(蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器在公共汽車上已經(jīng)被淘汰)。大、小型貨車大都采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，但齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器也有所發(fā)展。微型貨車用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占65%，齒條齒輪式占35%。 綜合上述對有關(guān)轉(zhuǎn)向器品種的使用分析，得出以下結(jié)論： 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器和齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，已成為當(dāng)今世界汽車上主要的兩種轉(zhuǎn)向器；而蝸輪—蝸桿式轉(zhuǎn)向器和蝸桿銷式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器的觀點(diǎn)各異，美國和日本重點(diǎn)發(fā)展循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，比率都已達(dá)到或超過90%；西歐則重點(diǎn)發(fā)展齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，比率超過50%，法國已高達(dá)95%。 由于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的種種優(yōu)點(diǎn)，在小型車上的應(yīng)用(包括小客車、小型貨車或客貨兩用車)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展；而大型車輛則以循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器為主要結(jié)構(gòu)。 從發(fā)展趨勢上看，國外整體式轉(zhuǎn)向器發(fā)展較快，而整體式轉(zhuǎn)向器中轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展的方向。由于動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還是新的結(jié)構(gòu)，各國的生產(chǎn)廠家都正在組織力量，大力開展試驗(yàn)研究工作，提高使用性能、減小總成體積、降低生產(chǎn)成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，以便逐步推廣和普及。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國際經(jīng)濟(jì)形勢的變化對汽車乃至汽車轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)都有很大影響。特別是西方國家實(shí)行石油禁運(yùn)以來，世界經(jīng)濟(jì)形勢受沖擊很大。隨著能源危機(jī)的發(fā)展，汽車工業(yè)首當(dāng)其沖，其發(fā)展方向有很大變化。從汽車設(shè)計、制造到各總成部件的生產(chǎn)都隨著能源危機(jī)的發(fā)生而變化，表現(xiàn)在能源消耗、材料消耗、操縱輕便等各個方面。我國加入WTO，給汽車工業(yè)帶來新的機(jī)遇，也帶來挑戰(zhàn)，國產(chǎn)汽車及零部件將會得到進(jìn)一步發(fā)展。 2.課程設(shè)計目的 1.課程設(shè)計是一次綜合性訓(xùn)練，通過課程設(shè)計，既有助于鞏固學(xué)生們所學(xué)專業(yè)知識，培養(yǎng)獨(dú)立設(shè)計能力，提高綜合運(yùn)用知識的能力，同時也有助于為以后的畢業(yè)設(shè)計打下基礎(chǔ)。 2.通過這次課程設(shè)計使學(xué)生們懂得理論知識與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)際相結(jié)合，從理論中得出結(jié)論，才是真正的知識，才能提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。 3. 通過設(shè)計，獲得根據(jù)原始數(shù)據(jù)的要求，設(shè)計出高效、經(jīng)濟(jì)、合理、能保證設(shè)計產(chǎn)品的能力。 4.學(xué)會使用手冊及圖表資料。培養(yǎng)查閱各種資料的能力，同時掌握與本設(shè)計有關(guān)的各種資料。 3.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計要求 轉(zhuǎn)向系是用來保持或者改變汽車行使方向的機(jī)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向上、下軸）、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)）等。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)準(zhǔn)確、快速、平穩(wěn)地響應(yīng)駕駛員的轉(zhuǎn)向指令，轉(zhuǎn)向行使后或受到外界擾動時，在駕駛員松開方向盤的狀態(tài)下，應(yīng)保證汽車自動返回穩(wěn)定的直線行使?fàn)顟B(tài)。 一般來說，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求如下： （1）轉(zhuǎn)向系傳動比包括轉(zhuǎn)向系的角傳動比（方向盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角之比）和轉(zhuǎn)向系的力傳動比。在轉(zhuǎn)向盤尺寸和轉(zhuǎn)向輪阻力一定時，角傳動比增加，則轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向靈敏度降低；角傳動比減小，則轉(zhuǎn)向沉重，轉(zhuǎn)向靈敏度提高。轉(zhuǎn)向角傳動比不宜低于15—16；也不宜過大，通常以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動圈數(shù)和轉(zhuǎn)向輕便性來確定。一般來說，轎車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動圈數(shù)不宜大于4圈，對轎車來說，有動力轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向力約為20—50；無動力轉(zhuǎn)向時為50—100N。 （2）轉(zhuǎn)向輪應(yīng)具有自動回正能力。轉(zhuǎn)向輪的回正力來源于輪胎的側(cè)偏特性和車輪的定位參數(shù)。汽車的穩(wěn)定行使，必須保證有合適的前輪定位參數(shù)，并注意控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的內(nèi)部摩擦阻力的大小和阻尼值。 （3）轉(zhuǎn)向桿系和懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)共同作用時，必須盡量減小其運(yùn)動干涉。應(yīng)從設(shè)計上保證各桿系的運(yùn)動干涉足夠小。 （4）轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的球頭處，應(yīng)有消除因磨損而產(chǎn)生的間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)以及提高轉(zhuǎn)向系的可靠性。 （5）轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤應(yīng)有使駕駛員在車禍中避免或減輕傷害的防傷機(jī)構(gòu)。 （6）汽車在作轉(zhuǎn)向運(yùn)動時，所以車輪應(yīng)繞同一瞬心旋轉(zhuǎn)，不得有側(cè)滑；同時，轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動方向一致。 （7）當(dāng)轉(zhuǎn)向輪受到地面沖擊時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞到方向盤上的反沖力要盡可能小，在任何行使?fàn)顟B(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不應(yīng)產(chǎn)生擺振。 （8）機(jī)動性是通過汽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑來體現(xiàn)的，而最小轉(zhuǎn)彎半徑由內(nèi)轉(zhuǎn)向車輪的極限轉(zhuǎn)角、汽車的軸距、主銷偏移距決定的，一般的極限轉(zhuǎn)角越大，軸距和主銷偏移距越小，則最小轉(zhuǎn)彎半徑越小。 （9）轉(zhuǎn)向靈敏性主要通過轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動圈數(shù)來體現(xiàn)，主要由轉(zhuǎn)向系的傳動比來決定。操縱的輕便性也由轉(zhuǎn)向系的傳動比決定，但其與轉(zhuǎn)向靈敏性是一對矛盾，轉(zhuǎn)向系的傳動比越大，則靈敏性提高，輕便性下降。為了兼顧兩者，一般采用變傳動比的轉(zhuǎn)向器，或者采用動力轉(zhuǎn)向，還有就是提高轉(zhuǎn)向系的正效率，但過高正效率往往伴隨著較高的逆效率。 （10）轉(zhuǎn)向時內(nèi)外車輪間的轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)關(guān)系是通過合理設(shè)計轉(zhuǎn)向梯形來保證的。對于采用齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向系來說，轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角間的協(xié)調(diào)關(guān)系是通過合理選擇小齒輪與齒條的參數(shù)、合理布置小齒輪與齒條的相對位置來實(shí)現(xiàn)的，而且前置轉(zhuǎn)向梯形和后置轉(zhuǎn)向梯形恰恰相反。 （11）轉(zhuǎn)向輪的回正能力是由轉(zhuǎn)向輪的定位參數(shù)（主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角）決定的，同時也受轉(zhuǎn)向系逆效率的影響。選取合適的轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)可以獲得相應(yīng)的回正力矩，但是回正力矩不能太大又不能太小，太大則會增加轉(zhuǎn)向沉重感，太小則會使回正能力減弱，不能保持穩(wěn)定的直線行駛狀態(tài)。轉(zhuǎn)向系逆效率的提高會使回正能力提高，但是會造成“打手”現(xiàn)象。 （12）轉(zhuǎn)向系的間隙主要是通過各球頭皮碗和轉(zhuǎn)向器的調(diào)隙機(jī)構(gòu)來調(diào)整的。 4.齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器方案分析 1-方向盤； 2-轉(zhuǎn)向上軸 ；3-托架； 4-萬向節(jié)； 5-轉(zhuǎn)向下軸； 6-防塵罩 ；7-轉(zhuǎn)向器 ；8-轉(zhuǎn)向拉桿 圖4.1 轉(zhuǎn)向系[2] 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器由與轉(zhuǎn)向軸做成一體的轉(zhuǎn)向齒輪和常與轉(zhuǎn)向橫拉桿做成一體的齒條組成。與其它形式的轉(zhuǎn)向器比較，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量比較小；傳動效率高達(dá)90%；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、靠近主動小齒輪處的壓緊力可以調(diào)節(jié)彈簧，能自動消除齒間間歇這不僅可以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度，還可以防止工作時產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用的體積?。粵]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%），汽車在不平路面上行駛時，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)動會造成打手，同時對駕駛員造成傷害。 5.確定齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的形式 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5.1a）、側(cè)面輸入，兩端輸出（圖5.1b）、側(cè)面輸入，中間輸出(圖5.1c)、側(cè)面輸入，一端輸出(圖5.1d)。 采用側(cè)面輸入，中間輸出方案時，由圖5.2可見，與齒條固連的左、右拉桿延伸到接近汽車總想對稱平面附近。由于拉桿長度增加，車輪上、下跳動時拉桿擺角減小，有利于減少車輪上下跳動時轉(zhuǎn)向系與懸架系的運(yùn)動干涉。拉桿與齒條用螺栓固定連接，因此，兩拉桿與齒條同時向左或向右移動，為此在轉(zhuǎn)向器殼體上開有軸向的長槽，從而降低了它的強(qiáng)度。 采用兩端輸出方案時，由于轉(zhuǎn)向拉桿長度受限制，容易與懸架系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動干涉。但其結(jié)構(gòu)簡單，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)計的要求。因?yàn)樾饼X工作時有軸向力作 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)。 圖5.1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的四種形式[2] 根據(jù)對四種不同類型轉(zhuǎn)向器的對比選擇，本課題將采用側(cè)面輸入兩端輸出的齒輪齒條轉(zhuǎn)向器。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)計的要求。因?yàn)樾饼X工作時有軸向力作用， 所以轉(zhuǎn)向器應(yīng)該采用推力軸承。使軸承壽命降低，還有斜齒輪的滑磨比較大是它的缺點(diǎn)。 圖5.2 拉桿與齒條的連接[2] 齒條斷面形狀有圓形（圖5.3）、V形（圖5.4）和Y形（圖5.5）三種。圓形斷面齒條的制作工藝比較簡單。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%，質(zhì)量??；位于齒下面的兩斜面與齒條托座接觸，可用來防止齒條繞軸線轉(zhuǎn)動；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，以減少滑動摩擦。當(dāng)車輪跳動、轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向器工作時，如在齒條上作用有能使齒條旋轉(zhuǎn)的 圖5.3 圓形斷面齒條[2] 力矩時，應(yīng)選用V形和Y形斷面齒條，用來防止因齒條旋轉(zhuǎn)而破壞齒條、齒輪的齒不能正確嚙合的情況出現(xiàn)。 圖5.4 V形斷面齒條[2] 圖5.5 Y形斷面齒條[2] 根據(jù)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向梯形相對前軸位置的不同，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。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器廣泛用于乘用車上，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。 根據(jù)設(shè)計的成本與要求而定。 圖5.6 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的四種布置形式[2] 6.齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計步驟 ①確定齒輪齒條的形式 ②齒輪模數(shù)的確定 ③主動小齒輪齒數(shù)的確定 ④壓力角的確定 ⑤齒輪螺旋角的確定 ⑥確定線傳動比、轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向比 ⑦齒輪齒條結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 ⑧驗(yàn)算齒輪的齒輪的抗彎強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度 ⑨主動齒輪、齒條的材料選擇 最后作課程設(shè)計總結(jié)。 6.1已知設(shè)計參數(shù) 適用車輛相關(guān)數(shù)據(jù)： 乘用車FF4×2、發(fā)動機(jī)位置：前置、橫置、前盤后鼓、機(jī)械式轉(zhuǎn)向器、兩軸式、手動五擋； 表6.1 原始數(shù)據(jù)表 長×寬×高（mm） 4249×1690×1505 軸距(mm) 2665 前輪距/后輪距(mm) 1462/1457 發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩 [Ｎ·m/(r/min)] 131/4200 發(fā)動機(jī)最大功率 [(kw/(r/min)] 76/6000 最高車速（km/h) 170 最小轉(zhuǎn)彎直徑（m） 10.5 整備質(zhì)量（kg） 1060 總質(zhì)量（kg） 1435 前軸負(fù)荷率 滿載 55% 空載 60% 輪胎型號 175/65 R14 6.2齒輪模數(shù)的確定、主動小齒輪齒數(shù)的確定、壓力角的確定、齒輪螺旋角的確定 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪多數(shù)采用斜齒圓柱齒輪。齒輪模數(shù)取值范圍多在2-3mm之間。主動小齒輪齒數(shù)多數(shù)在5-7個齒范圍變化，壓力角取20，齒輪螺旋角取值范圍多為9-15。齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪達(dá)到最大偏轉(zhuǎn)角是，相應(yīng)的齒條移動行程應(yīng)達(dá)到的值來確定。變速比的齒條壓力角，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在12-35 范圍內(nèi)變化。此外，設(shè)計是應(yīng)驗(yàn)算齒輪的抗彎強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度。 根據(jù)以上的要求選取齒輪的模數(shù)m為2mm，主動小齒輪齒數(shù)z為8（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式），壓力角a取20，齒輪螺旋角b取12。 6.3確定線傳動比、轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向比 （1）原地轉(zhuǎn)向阻力矩（N·mm），即 = （6.1） 式中，為輪胎和路面間的滑動摩擦因素，一般取0.7；為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷（N），=55%；為輪胎氣壓（MPa），這里取0.35Mpa（根據(jù)GB/2977-2008）。 將數(shù)據(jù)代人6.1式中，得： ==268289.56 N·mm （2）作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力（N）為： （6.2） 式中，為轉(zhuǎn)向搖臂長；為轉(zhuǎn)向節(jié)臂長；因?yàn)辇X輪齒條式轉(zhuǎn)向器無轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向節(jié)臂，所以無數(shù)值，都視為“1”計算；轉(zhuǎn)向盤的直徑有一系列尺寸。選用大的直徑尺寸時，會使駕駛員進(jìn)出駕駛室感若選用小的直徑尺寸，轉(zhuǎn)向時，駕駛員要施加較大的力量，從而使汽車難于操縱，根據(jù)車型的不同，轉(zhuǎn)向盤直徑在380-550mm的標(biāo)準(zhǔn)系列內(nèi)選取，因而取400mm；為轉(zhuǎn)向器角傳動比，在齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器中稱線角傳動比，根據(jù)汽車設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書取36.84；為轉(zhuǎn)向器的正效率，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的正效率可達(dá)90%，故取85%。 將數(shù)據(jù)代人6.2式中，得： （3）輪胎與地面之間的轉(zhuǎn)向阻力（N）： = （6.3） 式中，為主銷偏移距，指從轉(zhuǎn)向節(jié)主銷軸線的延長線與支承平面的交點(diǎn)至車輪中心平面與支承平面交線間的距離。 通常乘用車的值在0.4-0.6倍輪胎的胎面寬度尺寸范圍內(nèi)選取，這里取0.5倍輪胎的胎面寬度尺寸，已知輪胎型號為175/65 R14，所以值為： =0.5×175mm=87.5mm 則： = （4）作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力為： （6.4） 式中，為作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩；為轉(zhuǎn)向盤直徑值為400mm。 則： （5）轉(zhuǎn)向系的力傳動比的計算（將式6.3與式6.4代入后）得到： （6.5） 代入數(shù)據(jù)得： 6.4小齒輪的設(shè)計 由6.2選取齒輪的模數(shù)m為2mm，主動小齒輪齒數(shù)z為8，壓力角a取20，齒輪螺旋角b取12，頂隙系數(shù)為0.25，齒頂高系數(shù)為1。由于設(shè)計的是斜齒輪，所以法向模數(shù)為2mm。 齒輪分度圓直徑： = （6.6） 代入數(shù)據(jù)： = =16.4mm 齒頂高： = （6.7） 代入數(shù)據(jù)： =2mm 齒根高： =（+） （6.8） 代入數(shù)據(jù)： =2.5mm 齒輪齒頂圓直徑： （6.9） 代入數(shù)據(jù)： 齒輪齒根圓直徑： （6.10） 代入數(shù)據(jù)： mm 齒輪全齒高： （6.11） 代入數(shù)據(jù)： =4.5mm 齒輪的齒寬： （6.12） 代入數(shù)據(jù)： =14mm 齒輪的齒距： （6.13） 代入數(shù)據(jù)： =6.28 （為分度圓上的齒厚，為分度圓上的齒槽寬） 在斜齒輪的傳動中，作用于齒面上的法向載荷仍垂直于齒面，作用于主動輪上的位于法面內(nèi)，與節(jié)圓柱的切面傾斜一法向嚙合角為20，力可沿齒輪的周向、徑向及軸向分成三個垂直的分力（、、）： 輪齒上的作用力： 圓周力： = （6.14） 為小齒輪上的轉(zhuǎn)矩，其值等于，則： =1044.88N 徑向力： = （6.15） 則：=388.81N 軸向力： = （6.16） 則：=222.10N 6.5小齒輪的強(qiáng)度校核 1.齒輪齒跟彎曲疲勞強(qiáng)度計算 齒輪受載時，齒根所受的彎矩最大，因此齒根處的彎曲疲勞強(qiáng)度最弱。當(dāng)齒輪在齒頂處嚙合時，處于雙對齒嚙合區(qū)，此時彎矩的力臂最大，但力并不是最大，因此彎矩不是最大。根據(jù)分析，齒根所受的最大玩具發(fā)生在輪齒嚙合點(diǎn)位于單對齒嚙合最高點(diǎn)時。因此，齒根彎曲強(qiáng)度也應(yīng)按載荷作用于單對齒嚙合區(qū)最高點(diǎn)來計算。 斜齒輪嚙合過程中，接觸線和危險截面位置在不斷的變化，要精確計算其齒根應(yīng)力是很難的，只能近似的按法面上的當(dāng)量直齒圓柱齒輪來計算其齒根應(yīng)力。 將當(dāng)量齒輪的有關(guān)參數(shù)代入直齒圓柱齒輪的彎曲強(qiáng)度計算公式，可得到斜齒圓柱齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度計算校核公式： （6.17） 使用系數(shù)=1.0 動載荷系數(shù)=1.2 齒間載荷分配系數(shù) = 1.0 齒向載荷分配系數(shù) = 1.4 載荷系數(shù) K= = 1.68 齒形系數(shù) 校正系數(shù) = 1.4 為螺旋角影響系數(shù) =0.7 端面重合度 =1.211 校核齒根彎曲強(qiáng)度： == 148.15Mpa 選取20Cr為齒輪材料； 彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù) =1.25 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力： ——彎曲疲勞壽命系數(shù) = 1.5 可得， = 1.5× 850/1.25 = 1020MPa 所以 < 因此，本次設(shè)計及滿足了小齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度又滿足了小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度，符合設(shè)計要求。 綜上所述，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計滿足設(shè)計的強(qiáng)度要求。 2.齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算 校核公式： （6.18） 彈性系數(shù)=189.8MPa 區(qū)域系數(shù)=2.5 螺旋角系數(shù) 小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限許用接觸應(yīng)力： = 1500 MPa 計算接觸疲勞許用應(yīng)力，取失效概率為1%，安全系數(shù)S = 1，可得： 由此可得 ： < 雖然齒輪所選的參數(shù)粗略滿足齒輪設(shè)計的齒面接觸疲勞強(qiáng)度要求，但是非常接近最高許用值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式選取齒寬=40mm。 6.6齒條的設(shè)計 根據(jù)小齒輪的分度圓直徑可以求出齒條的長度： （6.19） 代入數(shù)據(jù)： =206mm 其它參數(shù)考慮： 考慮到轉(zhuǎn)型過程中的自由間隙，實(shí)際取220mm。由于齒條與小齒輪是相嚙合的，所以輪齒的尺寸是大致相同的，對于齒條的直徑，通過查表，根據(jù)設(shè)計的需要以及小齒輪的直徑，取值為30mm。 表6.2 齒輪齒條的結(jié)構(gòu)尺寸 名稱 齒輪 齒條 分度圓直徑 16.4 齒頂高 2 2 齒根高 2.5 2.5 齒全高 4.5 4.5 齒頂圓 20.4 名稱 齒輪 齒條 齒寬 40 24.72 表6.3 齒輪齒條的主要參數(shù) 名稱 齒輪 齒條 齒數(shù)Z 8 32 模數(shù)Mn 2 2 壓力角 螺旋角 6.7齒條的強(qiáng)度計算 在本設(shè)計中，選取轉(zhuǎn)向器輸入端施加的扭矩==8568N·mm，齒輪傳動一般均加以潤滑，嚙合齒輪間的摩擦力通常很小，計算輪齒受力時，可不予考慮.齒輪齒條的受力狀況類似于斜齒輪，齒條的受力分析如圖6.4，作用于齒條齒面上的法向力，垂直于齒面，將Fn分解成沿齒條徑向的分力（徑向力），沿齒輪周向的分力（切向力），沿齒輪軸向的分力（軸向力）。各力的大小為： = = = = （6.20） ——齒輪軸分度圓螺旋角 ——法面壓力角 齒輪軸受到的切向力： = = 1044.88N 為作用在輸入軸上的扭矩，取8568 Nmm。為齒輪軸分度圓的直徑。 齒條齒面的法向力： = = 1136.78N 齒條牙齒受到的切向力： =1068.23N 齒條桿部受到的力： = 1044.88N 計算出齒條桿部的拉應(yīng)力： =2.50N/mm ——齒條受到的軸向力 ——齒條根部截面積 ，=426.67mm 圖6.4 齒條的受力分析[2] 由于強(qiáng)度的需要，齒條長采用45鋼制造，其抗拉強(qiáng)度極限是= 690N/mm,(沒有考慮熱處理對強(qiáng)度的影響)。 因此 < 所以，齒條設(shè)計滿足抗拉強(qiáng)度設(shè)計要求。 齒條牙齒的單齒彎曲應(yīng)力： （6.21） 式中： ——齒條齒面切向力 —— 危險截面處沿齒長方向齒寬 ——齒條計算齒高 ——危險截面齒厚 從上面條件可以計算出齒條牙齒彎曲應(yīng)力： N/mm 上式計算中只按嚙合的情況計算的，即所有外力都作用在一個齒上了，實(shí)際上齒輪齒條的總重合系數(shù)是2.63（理論計算值），在嚙合過程中至少有2個齒同時參加嚙合，因此每個齒的彎曲應(yīng)力應(yīng)分別降低一倍。 = 59.17N/mm 齒條的材料我選擇是 45剛制造，因此： 抗拉強(qiáng)度 690N/mm (沒有考慮熱處理對強(qiáng)度的影響)。 齒部彎曲安全系數(shù) = / = 11.67 因此，齒條設(shè)計滿足彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計要求。又滿足了齒面接觸強(qiáng)度，符合本次設(shè)計的具體要求。 6.8主動齒輪、齒條的材料選擇 通過計算所得，根據(jù)強(qiáng)度的需要以及常規(guī)的選取與做法，主動小齒輪選取的材料是20Cr，并經(jīng)滲碳淬火，齒條選取的材料是45鋼。由于轉(zhuǎn)向器齒輪轉(zhuǎn)速低，是一般的機(jī)械，故選8級精度。 7.總結(jié) 兩周的課程設(shè)計結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設(shè)計過程中，與同學(xué)分工設(shè)計，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會了合作，學(xué)會了運(yùn)籌帷幄，學(xué)會了寬容，學(xué)會了理解，也學(xué)會了做人與處世。 課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，這是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程。通過這次課程設(shè)計，“千里之行始于足下”我深深體會到這句千古名言的真正含義。我今天認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計，學(xué)會腳踏實(shí)地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過這次齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計，本人在多方面都有所提高。 通過這次齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計，綜合運(yùn)用本專業(yè)所學(xué)課程的理論和生產(chǎn)實(shí)際知識進(jìn)行一次設(shè)計工作的實(shí)際訓(xùn)練，從而培養(yǎng)和提高學(xué)生團(tuán)體工作能力，鞏固與擴(kuò)充了汽車設(shè)計、汽車制造工藝學(xué)、機(jī)械制圖與機(jī)械制造等課程所學(xué)的內(nèi)容，掌握設(shè)計的方法和步驟，懂得了怎樣分析零件的工藝性，怎樣確定相應(yīng)的尺寸，了解了被設(shè)計體的基本結(jié)構(gòu)，提高了計算能力，繪圖能力，熟悉了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，同時各科相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習(xí)，獨(dú)立思考的能力也有了提高。 在這次設(shè)計過程中，體現(xiàn)出自己與團(tuán)隊(duì)成員設(shè)計的能力以及綜合運(yùn)用知識的能力，體會了學(xué)以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時學(xué)習(xí)的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補(bǔ)。 懇請老師們多多指教,我十分樂意接受你們的批評與指正，本人將萬分感謝。 參考文獻(xiàn) [1]王國權(quán)、龔國慶.汽車設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書.機(jī)械工業(yè)出版社.2009.11. [2]王望予.汽車設(shè)計.機(jī)械工業(yè)出版社.2004.8. [3]高雪強(qiáng).機(jī)械制圖.機(jī)械工業(yè)出版社.2008.8. [4]楊可楨、程光蘊(yùn)、李仲生.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ).高等教育出版社.2006.5. [5]丁柏群、王曉娟.汽車制造技術(shù)工藝技術(shù).國防工業(yè)出版社.2008.7. [6]王凡.實(shí)用機(jī)械制造工藝設(shè)計手冊.機(jī)械工業(yè)出版社.2008.5. [7]周鳳云.工程材料及應(yīng)用.華中科技大學(xué)出版社.2002.11. 致 謝 在此感謝我們的老師.，老師嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣；老師循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪；這次模具設(shè)計的每個實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和每個數(shù)據(jù)，都離不開老師您的細(xì)心指導(dǎo)。而您開朗的個性和寬容的態(tài)度，幫助我能夠很順利的完成了這次課程設(shè)計。 同時感謝對我?guī)椭^的同學(xué)們，謝謝你們對我的幫助和支持，讓我感受到同學(xué)的友誼。 由于本人的設(shè)計能力有限，在設(shè)計過程中難免出現(xiàn)錯誤，懇請老師們多多指教,我十分樂意接受你們的批評與指正，本人將萬分感謝。 在此，我再一次向你們說聲“謝謝”。 27