机械毕业设计（论文）-柴油动力微型客车转向系设计（全套图纸）

河河 南南 科科 技技 大大 学学 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 题目题目柴油动力微型客车设计（转向系设计）柴油动力微型客车设计（转向系设计） 姓姓 名名 学学 院院 车辆与交通工程学院 专专 业业 车辆工程 指导教师指导教师 年年 月月 日日 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 I 柴油动力微型客车设计（转向系设计）柴油动力微型客车设计（转向系设计） 摘摘 要要 这次我们是进行微型客车的转向系统的设计，因为所设计的车辆较轻，而且尺寸比较 小，空间布局紧凑，所以采用机械的转向系统。 因为微型客车空间结构紧凑，且制造成本有限，所以要求微客的转向系统能够适应这 些要求，因此它的转向系占用汽车的空间要小，占汽车整体质量的比重要竟可能的小，而 且要耐用和便宜，并且同类转向系统市场占有率高，便于维修。因此我们综合以上因素考 虑各类转向器的优缺点，最终鉴于齿轮齿条转向器构造简单，占用空间小，且质量轻，性 能可靠，其传动效率高达90%,并且能够自动消除传动间隙，另外其广泛用于乘用车上。选 用的转向器的传动部件是齿轮和齿条。而且其比较适合用整体的液压助力。 因为独立悬架已经相当普及，因此选用断开式的转向传动机构。 本设计首先确定了齿轮齿条的齿形，而后确定了转向系的主要性能参数。之后对齿轮 齿条的齿形、材料以及尺寸大小强度进行了计算以及强度校核。然后对标准件进行选择， 并对转向传动机构和转向操纵机构进行设计。 关键词：微型客车，齿轮齿条式转向器，断开式转向梯形，液压助力，强度校核 全套图纸，加全套图纸，加153893706 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 II DIESEL- POWERED MINI- BUS STEERING SYSTEM DESIGN ABSTRACT This time we are performed minivan steering system design because the design of the vehicle is lighter, and the size is relatively small, compact space layout, so use mechanical steering system. Because the mini- bus compact space, and limited manufacturing costs, requires slightly off the steering system to adapt to these requirements, so its steering the space occupied by the car to be small, accounting for the overall quality of the car more important than actually small as possible, but also to durable and inexpensive, and similar steering system market share, ease of maintenance. Therefore, we consider the advantages and disadvantages of various types of above factors steering the final view of the rack and pinion steering gear structure is simple, small footprint and light weight, reliable performance, the transmission efficiency of 90%, and can automatically eliminate drive space, additional It is widely used on passenger cars. Choose transmission components with the steering rack and pinion. And it more suitable for use as a whole hydraulic power. Because independent suspension has been quite popular, so choose Disconnect the steering mechanism. The design is first identified toothed rack and pinion, and then identified the main performance parameters of the steering system. After the toothed rack and pinion, material strength and size were calculated and the strength check. Then select standard parts, and the steering mechanism and steering mechanism design. 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 III KEY WORDS: micro- buses, rack and pinion steering, disconnect steering trapezoid, hydraulic power, strength check 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 IV 目 录 前 言 . 6 一、设计转向系的目的与意义 6 二、转向系统的类型 6 三、汽车转向系统的国内外现状及发展趋势 8 四、本课题研究的问题与研究方法 10 第 1 章 转向系设计要求及基本参数 . 12 1.1. 设计转向系的要求 . 12 1.2. 整车基本参数 12 第 2 章 机械式转向器方案分析 14 2.1. 转向器的分类及设计选择 14 2.2. 转向器输入输出形式选择 15 2.3. 齿轮齿形选择 16 2.4. 齿条形状选择 16 2.5. 齿轮齿条式转向器的布置形式 . 17 第 3 章 转向系主要性能参数 18 3.1. 转向轮侧偏角计算 . 18 3.2. 转向系传动比与计算载荷的确定 . 19 3.3. 转向器传动副的传动间隙 20 第 4 章 齿轮齿条的设计 . 21 4.1. 齿条的材料、参数、热处理方式 . 21 4.2. 计算许用应力的确定 . 21 4.3. 齿轮齿条的设计 22 4.3.1. 齿轮的设计 22 4.3.2. 齿条的设计 24 4.4. 齿轮齿条的强度校核 . 24 4.4.1. 齿轮齿面接触疲劳强度校核 . 24 4.4.2. 齿条的强度计算 . 25 4.5. 齿轮轴强度校核 26 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 V 第 5 章 其他零件的选择与润滑方式确定 31 5.1. 轴承的选择 . 31 5.2. 转向器润滑方式 31 第 6 章 转向传动机构的设计 34 6.1. 转向横拉杆 . 35 6.1.1. 横拉杆材料的确定 35 6.1.2. 横拉杆截面尺寸计算 35 6.1.3. 球头销选择 36 6.1.4. 球头销强度与耐磨性计算 . 38 第 7 章 转向操纵机构设计 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 7.1. 转向盘 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 7.2. 转向轴和转向柱管的结构设计 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 7.2.1. 转向轴上半轴计算 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 7.2.2. 转向轴下半轴（管）的设计计算错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第 8 章 液压助力机构 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 8.1. 工作原理 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第 9 章 结 论 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致 谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 6 前 言 一、设计转向系的目的与意义 在汽车运动过程中，驾驶人员能够通过一套传动机构改变改变汽车的前 进方向，以符合自己的意志，这称之为汽车转向。在转向中用到的传动机构 就是转向系统。汽车转向系统要能在汽车由于各种各样的原因的干扰下改变 了汽车行驶方向的情况上，能够有效的按照操纵人员的想法纠正行进路线。 一套优秀的转向系统能够大大降低乘务人员在车辆事故中的受伤程度， 起到保护乘务人员的目的。 除此之外一辆汽车的操纵舒适性也与转向系的设计有着不可分割的联 系，在转向系的设计中要考虑到怎样减轻驾驶员的疲劳感，并要能及时通过 转向系统反馈给驾驶人员程度合适的路感，以增加驾驶乐趣 现代汽车上转向系统是必不可很少的部分，它也是体验驾驶汽车乐趣的 最主要工具。对转向系的设计能够帮助我们加深对转向系各类型、各零部件 的认识了解，而且可以通过数据比对中的微小差距比较汽车性能之间的差异 性。 二、转向系统的类型二、转向系统的类型 按照转向动力的输出源的不同可以将转向系分为机械转向系和动力转向 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 7 系两大类。 1. 机械式转向系统： 机械转响系统的整个系统的林部件很多都是机械的，它是由操作人员通 过自己臂力实线转向的。它由三大部分组成，分别是操左部分、转向其和传 懂部分。这种转向系统的工作步骤大致是：操作人员通过转向盘将施加的转 向扭矩传到转向轴进而传到万向节，万向节经过一系列的传动轴将力矩传入 了装向器中，从转向器中输出的力矩是已经被放大了并减速的，接着传给转 向节臂，进而促使转向车轮发生相应方向的偏转，最终导致车辆实现转向。 2. 动力转向系统： 这种动力的相比于机械的最大的不同点就是它的转向驱动力大部分 分都是由发动机提供的，驾驶的人只提供一小部分动力。这种向统系能 够省去大量的人力，使驾驶的人员在开车的时候能够更轻松，就不怎么会累 了。 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 8 动力转向系统图 三、汽车转向系统的国内外现状及发展趋势 从汽车诞生那一刻起，汽车就开始慢慢改变人们的生活，同时汽车也被 生活改变，特别是近代社会各门科学技术的全面迅速发展，汽车不仅仅是简 单的钢铁机器，而是结合了当下各类学科的实验成果，在汽车应用了机械、 电子、材料等学科。汽车在随着时间的推移不断的向前发展，同样，组成汽 车的各大系统也在日新月异的发展。 1. 机械式的转向系统 汽车最初的时候采用这类型系统，其全部都是用机械部件，没有任何助 力机构，所以转向时需要转向力越大的汽车所需的方向盘的直径也越大，这 样才能产生足够大的转向力，但也带来一个弊端，其偌大的方向盘占用了汽 车驾驶室很大的空间，所以在驾驶位置需要留出足够大的空间以使操纵方向 盘。这种转向机构转向笨重，非常耗费驾驶员的体力，容易产生驾驶疲劳感， 并且特别重的汽车应用这种系统时，很难实现转向，所以其使用范围很有限。 但这种系统各部件的质量非常可靠，使用寿命较长，并且容易制造，成本较 低，所以现在一些微型载货车、农业机械车上还在使用。 2. 液压动力转向系统 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 9 从上个世纪的中叶开始，人们开始着眼用液体产生助力的研究，从那时开始 这种系统逐步运用到汽车上。这也是转向系统变革的起点，从此转向系统由 全人力转向开始转变为辅助人力转向。这种系统就是在原来机械的基础上加 了一套液压助力装置，其结构较为简单，同时也比较可靠，而且随着经过半 个多世纪的发展完善，其相对其他助力来说技术更加丰富，成熟。这种转向 系统利用液体的优点，有效的缓和了地面的冲击力，从而减轻或基本消除了 打手现象，使驾驶员起来更加舒适和轻松，大大减小了驾驶员的疲劳感，也 有利于保证汽车的行驶稳定。 不足： 1) 在从设计到完全将一辆汽车制造出来后，这个汽车的液压转向系的特性 也就确定了，如果转向系的调教没有调整合适的话，就会在不同的车况 下得不到相应的助力，以至于对驾驶员产生相反的作用，以至于背离它 的使用目的。 2) 发动机的曲轴只要在转动，液压系统就会一直在工作的状态，即使汽车 不需要转向，这样会白白浪费掉发动机产生的部分能量。 3) 如果出现泄漏液压油的问题，不仅会造成污染环境造成污染，还可能会 因为这个问题导致其他零部件受到不同程度的损伤。 4) 低温环境下，液压系统的工作性能比较差。 3. 电液助力转向统 由于电子技术发展的相当快，它的强大优点也开始凸显出来，所以也逐 渐将电子技术运用到汽车转向系统上来。所以转向系上越来越多的应用应用 电子元件，这就发明了电液助力转向系统。电液助力转向可以分为两类，但 力来源于汽车上的电动机，所以可以不去消耗发动机的产生的能量，提高燃 油效率。同时这种转向系统可以通过行车电脑根据汽车行进时的各种动态参 数发出的信号适时地调整电动机的转速以调整液体压力的大小，以使汽车在 不同的状态下能够实现变速转向。这种转向系统可以适时地停机，在不需要 转向时，这种系统是不会消耗能量。这种转向系统有效的提高了转向系的效 率，并且节省了机动的发的能耗。 4. 汽车线性控制的能够转向的系统 这种转向系统跟以往的转向系统不同，它几乎是由电子元件组成，而且 它分为许多模块，这些模块包括三个主要模块和两个辅助模块，所以这种转 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 10 向跟以往的转向系统有很大的区别，它没有了方向盘之后的传动轴，而是通 过各种电子软件实现转向车轮与转向盘的同步运动。因为取消了许多中间的 机械传动件，所以更有效的保证了驾驶员的安全，并且可以通过电控软件调 整转向特性，以适应不同人的驾驶习惯，同时还能在驾驶员不同状态下有效 的调整驾驶灵敏度，以避免驾驶员在各种不正常驾驶状态下发生事故。但是 这种系统它的可靠程度很低，还需要继续提高，主要是因为转向系的各电子 部件只要有一个出现问题，整个转向系统都会无法工作。但鉴于这种转向系 统的诸多前沿性优点，所以这种转向系统还是未来的发展方向。 四、本课题研究的问题与研究方法 本次设计转向系统需要确定比较各转向器的优缺点，确定需要设计的转 向器，在设计时还需要根据汽车的尺寸合理的设计转向器的大小，并保证整 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 11 个转向系统能够合适地安装到汽车上。同时需要确定各零部件的材料，并保 证零部件的强度要符合汽车在极限情况下符合要求。所以根据以上问题，需 要结合汽车设计和机械设计还有其他相关手册，总结出最优的设计 方案，最后通过设计数据画出系统模型，并与汽车模型进行匹配以确定设计 数据正不正确。 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 12 第1章 转向系设计要求及基本参数 1.1. 设计转向系的要求 1在汽车转弯时，汽车的全部车轮必须绕一个转向点转向，并且不能准 任意车轮有策划，不满足这项要求就会加速车路磨损，并且不利于车辆转向 的稳定。 2在汽车行进过程中， 转向轮中心线与汽车轴线不垂直而是成一定的锐 角，如果驾驶员松开方向盘，转向轮中心线会自动与汽车轴线垂直。 3无论汽车在什么情况下， 自振都不会在汽车的转向车轮与方向盘之间 发生 4在前桥上发生不协调的时候，前桥上的车轮应该以最小幅度摆动。 5汽车能够灵敏地转弯，并且转弯半径要小，而且机动性要强。 6操作轻便。 7汽车的车轮发生撞击时，方向盘能够感受到的撞击力要尽量的小。 8转向轮通过球头与转向传动机构连接，球头会因为磨损产生间隙，因 此需要有球头处有自动消除间隙的调整机构。 9在向轮通过球头与转向传动机构连接，球头会因为磨损产生间隙，因 此需要有车辆发生撞击事故时，车架可能发生变形，转向系统的有些部件可 能会向车内移动，转向系有能防止或减轻驾驶员伤害的装置。 10转向轮不能与驾驶员的操作动作出现相反的动作。 1.2. 整车基本参数 整车质量 ：1230kg 满载总质量 ：1720kg 长宽高 ：399316071980 前轮距 ：1360mm 轴距 ：2600mm 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 13 满载轴荷分配：前/后 946/774kg 轮胎 ：175/65 R14 轮胎压力 p/MPa：0.3MPa 主销偏移距 a : 70mm 转向盘直径 ：400mm 最小转弯半径：4500mm 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 14 第2章 机械式转向器方案分析 2.1. 转向器的分类及设计选择 1. 齿轮齿条式转向器 顾名思义，这种转向器的主要传动部件就是齿轮与齿条，其中，齿轮是 连接转向轴的，齿条直接与转向拉杆连接，省去了转向直拉杆的零件，所以 这种转向器占用体积小， 另外由于这种转向器最要 的材料是铝合金或铝镁合 金，所以整个质量占整车 的比重非常小。由于这种 转向器采用齿轮与齿条直 接啮合传动，省去了中间 复杂繁多的传动机构，所 以传动效率高达 90%，而 且在齿条背部安装有压紧瘫痪，这种结构设计有助于自动消除齿轮齿条之间 因各种问题出现的间隙，使其保持有效的传动效能。这种转向器结构简单， 所用零部件又是常用零部件，且零部件较少，所以其制造成本非常低，性价 比很高。 同样在其优点的背后也有不少缺点，因其直接传动效率非常高，所以也 导致其容易将路面的对车轮的作用力大部分传给方向盘，造成打手，驾驶员 需要时刻保持注意力，牢牢抓住方向盘，以防止汽车偏离行驶方向，这容易 造成驾驶员紧张，长时间紧张会消耗驾驶员很大的体力，所以容易造成其疲 劳。 2. 循环球式转向器 这种转向器是中由许多传动部件，这种转向器因为其内部的传动机构使 采用滚动传动，所以大大降低了 转向器的磨损， ， 有利于提高其有 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 15 效寿命，再加上在制作加工工艺上采取相应的改进措施后，其能够使用的年 限更加提高。它的传动效率也非常高。同样他们之间的间隙也是调整起来相 当简单，并且这种转向器很时候做成整体式转向器。 这种转向器的主要缺点就是：反向的效率也很高，而且还复杂，并且由 于需要做球槽，且要求有一定精度，所以制造成本高，且制造困难。 3. 蜗杆滚轮式转向器 顾名思义，这种转向器的主要核心传动部件就是蜗杆与滚轮，它的结构 类似于齿轮齿条式转向器，蜗杆与滚轮直接啮合，所以它与齿轮齿条有部分 相同的优点，如结构简单、质量可靠，并且因其独特的啮合方式，大大减小 了传动部件因滑动摩擦造成的磨损， 而且它从结构设计上大大降低了逆效率。 但一切都是相对的，在降低逆效率的同时，它的正效率也被降低，而且 这种转向器内部没有自动调整间隙的装置，所以这种转向器已经逐渐的被淘 汰。 4. 蜗杆指销式 蜗杆的主要作用是进行主动转向的，曲柄销是传递运动的。并且蜗杆上 的螺纹时变半径的，中间小，两边大， ，而曲柄销外端连接的是转向摇臂。所 以当蜗杆转动时，带动曲柄绕销轴转动。曲柄销外还大有一个转向摇臂这种 转向器的最大优点就是它的传动比可以做成变化的也可以做成不变的，同样 他们相对位置的调整也是很简单的。这种结构的转向器多用在载货汽车上。 齿轮齿条转向器多用在比较小和比较轻的汽车上，并且综合考虑各转向 器的优缺点，最后选定齿轮齿条转向器。 2.2. 转向器输入输出形式选择 齿轮齿条转向器共有四种输入输出形式。 中间输出，侧边输入方案使拉杆长度边长，同样也使得车轮上下跳动相 同的距离，但拉杆的摆角却变得小了，这就减少了拉杆的运动干涉。 。但由于 需要早壳体中间开长槽，所以这就降低了壳体的强度。 两端输出，侧边输入方案因为其拉杆的长度减小，所以传动精度较高， 而且拉杆挠度降低。但其运动干涉的概率较高。但现在娇客车多使用两端输 出，侧边输入的方案。 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 16 2-2 齿轮齿条式转向器的四种形式 最终确定本设计转向器的输入输出方案为侧边输入，两边输出。 2.3. 齿轮齿形选择 如果齿轮齿条转向器采用直齿齿轮和直齿齿条啮合，因为其啮合面积较 小，所以齿轮齿条啮合区单位面积上承受的压力较大，所以造成单位面积承 受的冲击力增大，以至于转向器的运行平稳性降低，而且因为冲击较大导致 噪声过大。将齿轮齿条的齿形变成斜齿，则啮合区的啮合面积增大，单位面 积承受的压力减小，且冲击力减小。所以用斜齿。 2.4. 齿条形状选择 它有三种形状。 比较各种各种截面形状的齿条的优缺点，圆形的制作起来比较简单，其 他形状的比较节省材料，所以同样大小的齿条，除圆形算面之外的其他两种 齿条质量要轻很多。通常齿条与托座之间装有防止摩擦造成磨损的材料制造 成的垫片，如果有使转向齿轮绕中心轴线旋转的力矩就应该选用除圆形断面 的其他两种断面。这样可以防止齿条旋转，如果不这样做那就会出现吃轮与 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 17 齿条啮合不正确的情况。 本次设计决定选用和圆形截面的齿条。 2.5. 齿轮齿条式转向器的布置形式 因为不同的汽车因为空间布局的不同，转向器的安装位置也不尽相同， 但鉴于整个转向系统相对于在前桥支撑架上的位置相对于前桥轴线的前后可 以分为四种类型，分别是： 图 2-5 经过查阅国内外各种同类型汽车转向机构的安装位置，发现大部分采用 第一种方案，将转向机构安装在前桥后面，本次设计也采用同样的布置形式。 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 18 第3章 转向系主要性能参数 3.1. 转向轮侧偏角计算 整车的机动性与转向系统的最小转弯半径有关，本次设计最小转弯半径 为 4.5mm，由图 4.1 得转向轮外轮最大转角 minmax /arcsinRL= (3- 1) min R为最小转弯半径 L 为汽车轴距。本设计轴距为 L=2600mm 图 3-1 转角图 外侧车轮的偏转角 max 0 29.35= 由图 3- 1 可得内转向轮最大偏转角公式 BR L = cos tan (3.2) B为两侧主销轴线与地面交点之间的距离 B=K- 2a a 为主销偏移距，指转向节主销轴线延长线与支撑平面的交点到转向轮 中心线与支撑平面交点的距离。 本此设计轮胎宽度为 175mm， 所以a取 70mm。 K为前轮轮距，K=1360mm 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 19 可得B=1360- 270=1220mm 于是得转向轮内轮转角 0 67.46= 3.2. 转向系传动比与计算载荷的确定 为了校核强度，需要确定零部件的受力情况。这些力主要会被作用在转 向轴上的载荷，车轮行进时轮面给车轮的阻止力，还有轮胎的气体压力。转 向轮左右转动的时候要克服很多阻力，这些阻力大致包括车轮绕主销轴转动 所克服的转向阻力扭矩，车轮转动时轮胎变形产生的阻力和系统内部阻力。 转向时候的阻力： p Gf M R 3 1 3 = 所以 3 . 0 8 .9270 3 7 . 0 3 = R M=380269.92Nmm 转向系的角传动 0w i比为转向盘的角速度 w w 与同侧转向节角速度 k w之比 0w i= k w w w = )( 360 + o n = )67.4629.35( 3604 oo o + =17.6 n为转向盘从一侧转到另一侧的转动圈数； 乘车用车方向盘由直线行驶转到最小转向半径的圈 数不得超过两圈，n取 4 作用在转向盘上的力: + = wsw R h iD M F 2 sw D 为转向盘直径； wi 为转向器角传动比，本设计中此传动比与转向 系角传动比相同 + 取 90% 所以 + = wsw R h iD M F 2 =N03.120 9 . 0 6 . 17400 92.3802692 = 作用在方向盘上的力矩mmN D FM sw hh =2400620003.120 2 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 20 转向系的力传动比 p i 为轮胎接地中心作用在两个转向轮上的合力与作用 在转向盘上的力之比： p i = a Di aM DM sww h swr 2 0 =50.29 3.3. 转向器传动副的传动间隙 传动元件啮合点出现的间隙就是传动间隙，该间隙随着转向操纵机构转 角的不同而不同。 这个间隙特性的研究意义是因为它能够反映汽车直线行驶时，保持这种 状态的能力和这种转向器能发挥有效作用的年限。汽车在大部分状态下都是 保持直线行驶，所以传动副在中间和中间附近的地方使用很频繁，所以中间 的地方磨损相当严重，就会出现多余的间隙，如果不消除这种间隙就会出现 转向失灵，并且无法保证直线行驶。所以一定要适时调整转向器的磨损间隙， 并且调整后转向盘能平滑的转向任意一侧。 图 3-2 转向器传动副传动间隙 图中曲线 1 表明转向器在没有发生摩擦损失之后的间隙的变化趋势；曲 线 2 表明已出现摩擦损失之后间隙的大小随转动位置不同时间隙的变化特 性。曲线 3 表示的是调整后的。 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 21 第4章 齿轮齿条的设计 4.1. 齿条的材料、参数、热处理方式 由前可知本设计采用的是斜形齿，齿轮与齿条法向模数取 m=2.5，齿数 z=7, 法向压力角 n=20，齿轮螺旋角为=12，齿条齿数应根据转向轮 达到的值来确定。齿轮传动的力矩大小为作用在转向盘上的力矩为 h M （圆整 为 25Nmm） ，转向器额定单日工作时间为小时，并且最低需要能够使用 五年。 初步选定齿轮和齿条齿顶高系数anh*=1；顶隙系数 * c =0.25；齿轮的变位 系数 n =0.65 齿轮的材料选择：齿轮 16MnCr5，渗碳淬火，齿面硬度 54- 62HRC 齿条 45#，表面淬火，齿面硬度 56HRC 4.2. 计算许用应力的确定 接触疲劳许用应力 H = H HN S K lim 弯曲疲劳许用应力 F HNST F S YY lim = 16MnCr5 的接触疲劳极限 limH =1500MPa 弯曲疲劳极限 limF =425MPa 45 号钢的接触疲劳极限 limH =1300MPa 弯曲疲劳极限 limF =530MPa 齿轮齿条所受的应力循环次数 N=60njL h= =)53008(110600.72 7 10 查表得材料寿命系数 16MnCr5 N K=1.32 Y N =1 45 号钢 N K=1.32 Y N =1 查表得安全系数 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 22 1= H S 4 . 1= F S 应力修正系数为 ST Y =2 计算许用应力 16MnCr5 H =MPa S K H HN 1980 1 150032. 1 lim = = MPa S YY F HNST F 14.607 4 . 1 42512 lim = = 45 号钢 H =MPa S K H HN 1716 1 130032. 1 lim = = MPa S YY F HNST F 757 4 . 1 53012 lim = = 4.3. 齿轮齿条的设计 4.3.1. 齿轮的设计 1. 按齿根弯曲疲劳强度设计 3 2 1 1 4 .12 Fm F n z YkT m s （1）试取 K=3 . 1 （2）斜齿轮的转矩 T=Nm （3）齿宽系数 1= m （4）齿轮齿数 7 1 =z （5）复合齿形系数 sFY=32. 3 （6）许用弯曲应力 F =607.14MPa 所以91. 1 14.60771 32. 3253 . 1 4 .12 3 2 = tn m (7) 圆周速度 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 23 sm nzm v nt /008. 0 100060 10791. 1 100060 1 = = = (8)计算载荷系数 1） 由表查得 使用系数 A K =1 2） 根据smv/008. 0=和 8 级精度，查表得1= V K 3） 根据表查得 齿向载荷分布系数15 . 1 = K 4） 由表查得 齿间载荷分布系数2 . 1= H K 38. 115. 12 . 111= K KKKK FVA 5）计算模数 n m 95. 1 3 . 1 38. 1 91. 1 3 =，取5 . 2mm 2. 齿轮几何尺寸的确定 分度直径：d= cos zmn =89.17 12cos 75 . 2 = o mm 齿顶高 ：=+=)( * nanna hmh2.5（1+0.65）=4.125mm 齿根高 ：=+=)( * nnannf chmh2.5（1+0.25- 0.65）=1.5mm 齿高 ：=+= fa hhh4.125+1.5=5.625mm 齿顶圆直径：=+= aa hdd217.89+24.125=26.14mm 齿根圆直径： ff hdd2=17.89- 21.5=14.89mm 端面压力角：= cos tan arctan n at 20.41 o 基圆直径 : = tb ddcos17.85cos20.41 o =16.77mm 法向齿距 ： nn mp=7.85mm 端面齿距 ：= cos n t p p8.03mm 法向齿厚 ：=+= nnnn ms)tan2 2 ( 5.1mm 端面齿厚 ：=+= tttt ms)tan2 2 ( 5.24mm 齿轮中心到齿条基准线的距离：H=+ nnm d 2 10.57mm 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 24 齿条齿宽 ： 2 b=d d =17.89mm，圆整为 18mm 齿轮齿宽 ：2810 21 =+=bbmm 4.3.2. 齿条的设计 齿轮齿条的啮合有两个特点: 1) 齿轮的节圆是永远重合与分度圆的，但是齿条的却不是只有在齿条和标 准齿轮啮合的情况下才会与自己的节圆重合。 2) 齿轮与齿条的啮合角永远等于压力角. 因此,齿条法向模数 m=5 . 2,压力角 o 20= 齿条为圆形断面 齿条齿顶高：mmmhh nana 5 . 2 * = 齿条齿根高：mmmchh nnanf 125. 35 . 2)25. 01 ()( * =+=+= 齿条齿高 ：=+= fa hhh2.5+3.125=5.625mm 法向齿厚 ：mmms nn 93. 35 . 2 22 = 端面齿厚 ：mm s s n t 01. 4 cos = 又因为齿条长度：niLi= n 为转向盘总转动圈数，n 取 4 所以齿条长度为mmLi82.22421.564= 齿条齿数 2874 12 = nzz 4.4. 齿轮齿条的强度校核 4.4.1. 齿轮齿面接触疲劳强度校核 校核公式为 u u bd KT ZZZZ HEH 12 2 + = 查表得 弹性系数 2 1 8 .189 MPaZE= 查表得 区域系数 45. 2= H Z 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 25 重合度系数 Z91. 0 2055. 1 11 = 螺旋角系数 Z989. 012coscos= o 88.1446 89.17 2500038. 12 989. 091. 045. 28 .189 3 = = H MPa = H 1980MPa 由计算结果可知齿轮强度符合要求。 4.4.2. 齿条的强度计算 1. 齿条受力分析 在本设计中，根据前面计算可知在转向器输入端施加的扭矩 T = 24.006Nm，取为 25Nm，一般都会在齿轮齿条的啮合点之间会加以润滑。 本设计中齿条的齿受力与斜齿轮的受力情况很相似，齿条的受力分析如 下图 图 4-1 齿条的受力分析 不考虑其他里的情况下，将垂直齿面的法向力 Fn 分成三个相互垂直方 向的力，这三个力分别是径向力 Fr，切向力 Ft 和轴向力 Fx。各力的大小为： F t= d T2 F r= 1 cos n t tgF F x= 1 tgFt 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 26 F n = 1 coscosn t F 式中 1 齿轮轴分度圆螺旋角； n 法面压力角。 齿轮轴受到的切向力： F t = d T2 =2794.86 N 式中 T作用在输入轴上的扭矩，T 为 25Nm；d齿轮轴分度圆的 直径。 齿条齿面的法向力： F n= 1 coscosn t F =3040.67N 齿条齿部受到的切向力： nnxt FFcos= =2857.4N 2. 齿条齿部弯曲强度的计算 齿条的单齿弯曲应力： 2 1 0 7 bs hFxt F = 式中： xt F 齿条齿面切向力； 1 h齿条计算齿高 ； nnann n mchtg P S)(2 2 * +=6.2mm 结合以上的数据，将它们代入上面那个公式就可以得出齿条齿跟处的弯 曲应力： = 0F 2 2 . 618 625 . 5 3 . 28577 =549N/mm 2 F =757MPa 4.5. 齿轮轴强度校核 1. 齿轮轴最小轴径 由于齿轮的基圆直径 17.89mm ，数值较小，如果将齿轮通过键连接到 轴上的话，会导致整个传动系统的强度降低，影响使用寿命，所以将齿轮与 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 27 轴设计成一体，由于主动小齿轮选用 16MnCr5 材料制造并经渗碳淬火，因此 轴的材料也选用 16MnCr5 材料制造并经渗碳淬火。 查表得：16MnCr5 材料的硬度为 60HRC，抗拉强度极限= b 650BMPa， 弯曲疲劳极限 F =1300MPa，剪切疲劳极限 1 =1155MPa，转速 n=10r/min， 许用弯曲应力 1 =60MPa ,许用剪应力 T =65MPa 最小轴径 5 .11 65 2400655 3 3= = T T d mm 2. 轴的受力分析 如果不去考虑齿轮与齿条啮合吃面间的摩擦力，则作用在啮合点的法向 力 Fn 就可以分解成三个垂直方向的力，这三个力分别是径向力 Fr、圆周力 Ft 和轴向力 Fa 11/ 2dTFt=225Nm/17.89=2794.86N； =12cos/20tan86.2794cos/tann tr FF=1039.97N； =12tan86.2794tan ta FF=594.07N (1) 画轴的受力简图 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 28 图 4-2 轴的受力简图 (2) 计算支承反力 在垂直面上 N ll d FFl F ar RAV 97.586 60 89.178 .41597.18931 2 21 112 = + = + + = NFFF RAVrRBV 45397.58697.1039 1 = 在水平面上 N F FF t RBHRAH 43.1397 2 86.2794 2 1 = (3) 画弯矩图 mmNlFMM RAHaHaH =03.293462943.1397 1 mmNlFM RAVaV =37.123263197.586 1 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 29 a- a 剖面右侧 mmNlFM RBVaV =860729453 2 mmNMMM aVaHa =+=+=69.3182937.1232603.29346 2222 a- a 剖面右侧 mmNMMM aVaHa =+=+=18.30582860703.29346 2222 转矩 2/ 1 dFT t =2794.8617.89/2=25000mmN 3. 判断危险剖面 由以上计算过程判定 a- a 截面的左侧是危险截面 4. 轴的弯扭合成强度校核 查得MPa b 60 1 = ，MPa b 100 0 =， bb / 01 =60/100=0.6。 a- a 截面左侧 轴的抗弯截面系数 3 33 12.562 32 89.17 32 mm d W= = () 50 12.562 250003 . 062.27074)( 1 2 222 S，所以 a- a 剖面安全，轴设计合理。 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 31 第5章 其他零件的选择与润滑方式确定 5.1. 轴承的选择 1、选用深沟球轴承（GB/T 2761994）如图 5- 1 所示。 轴承代号：6001 数量：1 个 6006 1 个 图图 5-1 深沟球轴承深沟球轴承 表表 5-1 选用深沟球轴承（选用深沟球轴承（GB/T 2761994） 5.2. 转向器润滑方式 1、对转向器的润滑主要有两个原因： （1）减小齿面间滑动磨损量。 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 32 （2）降低由于滑动摩齿轮工作时齿面间相互摩擦所导致的齿面温度升 高。 为了解决以上两个原因引起的问题，要选择合适的润滑油以及相应的方 法，才能解决以上问题。 2、具体的润滑方法可以分为以下三类： （1）润滑脂润滑法 这种润滑方法主要是在速度相对较低的并且箱体是开式或者闭式的齿轮 传动中。而且使用这种方法需要一定的条件，如果使用不当就会起到相反的 作用，在此主要列出三点： 1）有合适的流动速度 要想润滑脂的能够有效的在各润滑部位流动，就需要润滑脂有高的流动 性。 2）不能用在承受载荷非常大的并且一直转动的地方。 润滑脂自身的冷却效果并不是很理想，所以它在高负荷下不容易散热。 这就会出现温度过高的问题。 3）使用的量要根据所用部位的大小适量添加 量过多过少都会影响润滑的效果，量少了，零部件不能全部被润滑，良 多了又会造成密度过大，造成阻力。 （2）飞溅润滑法（油浴润滑） 这种方法是在壳体底部放置一定深度的润滑油，然后将齿轮的一部分伸 入油中。通过转动将油送到其他零部件上。 使用飞溅润滑法（油浴式）时，有许多需要注意的问题，这里就油面的 规定及齿轮箱的最高油温做以说明。 1）油面的高度 油面高度要合适，不能太低也不能太高，低了润滑不到位，高了又会增 大搅拌阻力，并且要安装油盘防止油面落差大。 2）齿轮箱的极限温度 随着工作时间的增长，由于各种原因，箱体的温度会逐渐上升，而温度 身高对润滑油的性能会产生不利的影响，所以需要适时给箱体降温， ， 冷却润 滑油。 3）强制润滑法（循环喷油润滑） 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 33 这种方法就是直接用泵之类的将润滑油喷射到需要润滑的零部件上。 根据不同的上油方法，可以分为三种类型： 滴下式，喷射式和喷雾式三种。 1）滴下式 利用导管将润滑油直接注入到啮合部。 2）喷射式 利用喷油嘴将润滑油直接喷射到啮合部。 3）喷雾式 利用气压差将油液雾化，然后由气体动能喷射到零部件上。这种润滑方 法特别常用在高速传动时。 使用这种方法所需的装置要求比较高，装置内的每一个部件都必须是严 格配套的。因此这种方法多在速度高而且齿轮大的装置中使用。 强制润滑法的好处在于，在经过装置内的过滤器，并经过冷却器降温， 并将粘稠度调整适中后的润滑油按照各个部位需要的量精确的送达，是最良 的齿轮润滑方式。 经过上面的对比，最终选择转向器的润滑方式：润滑脂人工定期润滑 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 34 第6章 转向传动机构的设计 所谓的转向传动和机构顾名思义就是传递力的使车轮绕车轮的主销轴线 发生能与驾驶员转动方向盘的动作同步同向的偏转，以使车辆实线绕其瞬时 中心的圆周转动。并且此时车轮能够无滑动的进行转向。为了让左右转向车 轮偏转时能实现以上要求， 就要求有一套精确的设计来实现这一运动学要求。 下图所示的的一种转向机构的示意图。 因为本设计省去了转向直拉杆和转向摇臂，所以要将转向横拉杆做成可 调整长短的，一般将它做成断开式的，中间的横拉杆两侧分别用螺纹与两侧 连接。同时在安装转向传动机够时应避免与悬架导向机构产生运动干涉。前 面已叙述了转向器和转向传动机构的安装方案，这里不再复述，齿轮齿条转 向器能够匹配上的转向杆系的布置方案简单，如下图所示。 图 7-1 分段的转向梯形安装在独立悬架上的布置形式 车辆与交通工程学院毕业设计说明书 35 图 72 齿轮齿条转向器能够匹配上的转向杆系的布置方案