齒輪齒條轉(zhuǎn)向器

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1、李牟嘉 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì) 第一章 引言 1 1.1汽車(chē)轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計(jì)趨勢(shì) 1 1.2汽車(chē)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 6 3.1 汽車(chē)方向盤(pán)（轉(zhuǎn)向盤(pán)） 6 3.1 轉(zhuǎn)向阻力矩 6 3.3角傳動(dòng)比與力傳動(dòng)比 6 第四章 齒輪設(shè)計(jì) 8 4.1　齒輪參數(shù)的選擇[8] 8 4.2　齒輪幾何尺寸確定[2] 8 4.3　齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算[11] 9 4.3.1齒輪精度等級(jí)、材料及參數(shù)的選擇 9 4.3.2齒輪的齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)。 9 4.3.3齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核 10 第五章 齒條的設(shè)計(jì) 12 5.1齒

2、條的設(shè)計(jì)[6] 12 第六章　齒輪軸的設(shè)計(jì)[4] 13 第七章 其他零件的選擇[6] 14 設(shè)計(jì)工作總結(jié) 17 參考文獻(xiàn) 18 致　　　　謝 19 16 　　 第二章 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)方案選擇 適用車(chē)輛相關(guān)數(shù)據(jù)： 驅(qū)動(dòng)型式：4×2，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(pán)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

3、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(xiāo)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%；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，

4、目前它在轎車(chē)、微型、輕型貨車(chē)上得到廣泛的應(yīng)用。例如,一汽的紅旗CA7220型轎車(chē)、奧迪100型轎車(chē)、捷達(dá)轎車(chē)、上海桑塔納轎車(chē)、天津夏利轎車(chē)以及天津TJ1010型微型貨車(chē)和南京依維柯輕型貨車(chē)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(chē)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(pán)，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(chē)行駛方向，方向盤(pán)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１-２a）、側(cè)面輸入，兩端輸出（圖１-２b

5、）、側(cè)面輸入，中間輸出(圖１-２c)、側(cè)面輸入，一端輸出(圖１-２d)。 圖１-２ 采用側(cè)面輸入，中間輸出方案時(shí)，由圖１－３可見(jiàn)，與齒條固連的左、右拉桿延伸到接近汽車(chē)總想對(duì)稱平面附近。由于拉桿長(zhǎng)度增加，車(chē)輪上、下跳動(dòng)時(shí)拉桿擺角減小，有利于減少車(chē)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１－３ 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(chē)輛上

6、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(chē)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。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(lèi)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（

7、圖１－１）、V形（圖１－４）和Y形（圖１－５）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?。晃挥邶X下面的兩斜面與齒條托座接觸，可用來(lái)防止齒 圖１－４　　　　　　　　　　　　　　　圖１－５ 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(chē)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

8、軸位置的不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在汽車(chē)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１－６ 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器廣泛應(yīng)用于乘用車(chē)上．載質(zhì)量不大，前輪采用獨(dú)立懸架的貨車(chē)和客車(chē)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(chē)方向盤(pán)（轉(zhuǎn)向盤(pán)） 轉(zhuǎn)向盤(pán)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(chē)難于操縱，據(jù)原始數(shù)據(jù)，參見(jiàn)手冊(cè)?。絤m則 由作用方向盤(pán)上的力矩　　

9、 得作用在方向盤(pán)上的力 3.1 轉(zhuǎn)向阻力矩 　　　　　　　　[1] 　　　式中：　---滑動(dòng)摩擦系數(shù)，一般?。?７ 　　　　　　　Ｐ---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２與作用在方向盤(pán)上的手力Ｆ之比稱為力傳動(dòng)比i . 方向盤(pán)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Ｆ和作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向阻力矩Ｍ有以

10、下關(guān)系 　　　　?。疲? 作用在方向盤(pán)上的手力Ｆ可由下式表示 　　?。疲健　　?cè) 　　　i= 若忽略磨擦損失側(cè) 　　　 由此 　　式中　a－車(chē)輪節(jié)臂 　　由式可知，力傳動(dòng)比與．和有關(guān)，愈小，愈大，轉(zhuǎn)向愈輕便． 由以上過(guò)程可計(jì)算出結(jié)果如下： １） 角傳動(dòng)比　　 則　　 　　　　　　　?。? 　　　 ２）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α=20°，齒輪螺旋角為β=°，齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪達(dá)到的值來(lái)確定。

11、齒輪的轉(zhuǎn)速為n=10r/min，齒輪傳動(dòng)力矩２５Ｎ，轉(zhuǎn)向器每天工作８小時(shí)，使用期限不低于５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/cosβ= 齒頂圓直徑 da =d+2ha = 齒根圓直徑 df =d-2hf = 基圓直徑　　　

12、　 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/πn10.001m/s 齒距 p=πm=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[11] 4.3.1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α=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

13、，取值60HRC. （4） 齒輪螺旋角初選為β=° 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=２５N·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)=1 2） 根據(jù)和8級(jí)精度，查表得

14、 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　 （１） 許用接觸應(yīng)力 　 查表得 由圖得 安全系數(shù)　 （２） 查表得　彈性系數(shù)　． （３） 查表得　區(qū)域系數(shù)?。? （４） 重合度系數(shù)　?。? （５） 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,

15、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)z＝28，螺旋角 端面模數(shù)　　　 端面壓力角　　 法面齒距　　　π 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

16、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６０ＨＲＣ，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 ＝Ｆ／＝/3.14MPa< 剪切疲勞強(qiáng)度校核 =F/=/3.14＜３００ＭＰa 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=８mm，在此截面上的軸向抗拉強(qiáng)度為 ＝Ｆ／=1/3.1414=MPa<110

17、0Mpa 本設(shè)計(jì)選擇齒輪軸直徑 D=20 第七章 其他零件的選擇[6] 1六角螺栓的選擇 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

18、 t=10 自由高度?。?05 彈簧中徑 D=42 彈簧內(nèi)徑 彈簧外徑 具體的數(shù)據(jù)如下圖 彈 簧 3墊圈的選擇 根據(jù)GB848-85,選擇相配合的螺紋規(guī)格為d=8,具體數(shù)據(jù)如下圖: 墊 圈 4油封的選擇

19、根據(jù)JB/ZQ4606-86和軸徑選取氈圈油封,主要參數(shù)如下: 油 封 滾針軸承 5滾動(dòng)軸承的選擇 根據(jù)GB/T5801-1994 選取滾針承的型號(hào)為NKI 10/12，主要參數(shù)如右上圖 6推力軸承的選擇 根據(jù) 選取推力軸承的型號(hào)為51102，主要參數(shù)如下圖 7、止推螺母參數(shù)的確定，如下圖