齿轮齿条转向器设计-

摘要：本次设计选择的是丰田的一款汽车的转向器。首先对转向系统基本的作用、构造、与总体的性能作一个了解。再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。根据原有数据计算转向系的传动比，并确定齿轮齿条的几何参数。齿轮齿条式转向器总体设计，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，并在作出转向器的零件图。关键词：转向系统； 齿轮齿条； 转向器Abstract：This design choice is the steering of a car in the Toyota. First, the basic role of the steering system, structure, and overall performance for an understanding. According to the study of the rack and pinion steering and data access, focuses on a rack and pinion steering gear type selection, the advantages and disadvantages of different types of rack and pinion steering, and all types of rack and pinion steering application status. The steering transmission ratio calculated under the original data, and determine the geometric parameters of the rack and pinion. Rack and pinion steering the overall design, stress analysis, and rack and pinion fatigue strength of the tooth root bending fatigue strength. Unreasonable data correction rack and pinion steering. Through the design of the rack and pinion steering, select the related parts such as screws, bearings, etc., and make the steering parts diagram.Keywords：Steering systems, rack and pinion, steering目 录摘要IAbstractII第1章 概述11.1 设计目的11.2 设计的意义11.3 汽车转向装置的发展趋势11.4 汽车转向器国内外现状31.5 设计的主要内容3第2章 齿轮齿条转向器设计方案选择52.1 车辆相关数据与设计要求52.2 转向器总体方案设计62.2.1 转向器设计方案说明62.2.2 转向器输入输出形式62.2.3 转向器各种输出形式对比72.2.4 齿轮齿条转向器齿轮齿条选择82.2.5 齿轮齿条转向器齿条断面形状82.2.6 齿轮齿条式转向器的布置形式92.2.7 转向器最终方案确定10第3章 转向器齿轮齿条设计计算过程113.1 转向轮侧偏角计算113.2 转向器原地转向阻力矩计算123.3 转向器角传动比与力传动比计算123.3.1 角传动比与力传动比介绍123.3.2 角传动比与力传动比确定123.4 齿轮齿条设计133.4.1 齿轮齿条啮合传动的特点133.4.2 齿轮参数的选择143.4.3 计算接触疲劳许用应力153.4.4 齿轮的齿根弯曲强度设计153.4.5 确定齿轮主要参数和几何尺寸173.4.6 确定齿条主要参数和几何尺寸173.4.7 齿面接触疲劳强度校核19第4章 齿轮轴的设计204.1 齿轮齿条传动受力分析204.2 齿轮轴最小轴径确定204.3 齿轮轴的强度校核20第5章 间隙调整弹簧的设计计算255.1 选择材料255.2 计算弹簧丝直径255.3 弹簧圈数和自由高度的计算265.4 弹簧校核与结构尺寸确定265.5 弹簧工作时的数据27第6章 其他零件的选择与润滑方式确定286.1 轴承的选择286.2 转向器润滑方式29总结32参考文献34致谢35第1章 概述1.1 设计目的毕业设计的目的，大体分成两个方面：一方面是临毕业之前对毕业生所学习到的各类知识的能力进行考核。另一方面是对提高毕业生们的综合运用实际与理论的能力。目的在于了解和掌握汽车转向器的结构形式、工作原理、及设计理论和设计过程。1.2 设计的意义 转向系统是车辆中的至关重要的部分，而其主要零件转向器又是重中之重，因此，我们这次的设计任务转向器对车辆的操稳性能以及驾驶人员的人身和财产安全有着非常大的影响。尤其是在高速发展的今天，车辆愈来愈密集，川流在城市，乡村的各个角落，交通事故也随着车辆的数量越来越多，因此，设计出优秀的转向系统对人类社会有着非常积极的意义。这样就更加凸显了我们此次设计的重要性，为以后的设计工作积累经验，争取设计出更优秀的作品，使其达到更高的水平。 设计的意义在于帮助即将进入工作岗位的毕业生们查漏补缺，查漏有：比如机械制图中的一些细节问题以及相应的规范，机械手册中的各种图表，装配过程中的的配合问题。是基孔制还是基轴制。还有大二大三所学的专业课知识（过盈配合，还是过渡配合，汽车构造，内燃机原理，汽车设计等等）;补缺有：大学生一直呆在学校很少和工厂接触，平时都是接触的理论知识，缺乏实践，而此次设计刚好可以弥补这方面的短板，这样就为以后从事车辆制造及设计方面的工作打下坚实的基础。 1.3 汽车转向装置的发展趋势车辆转向系是用来变换车辆行使方向的系统，为了防止发生交通事故，我们就需要转向系统快、准、稳地完成开车人发出的转向指令。还有就是车辆要有自动回正的功能，比如说起车轮偶然碰到遇到了外力（比如说碰到了石头）而发生偏转的时候，这个偏转是我们不需要的，当越过石头普，要是车辆的车轮还是处于偏转状态，那其不就麻烦了？要是司机反应慢了，还不得发生交通事故啊？所以，我们需要车轮自动回正。汽车产业我们国家重要的经济支柱产业，随着科技的不断进步与汽车技术的不断升级，到了现在，越来越能代表一个国家的综合国力，它是集合各种学科的综合高科技产物。转向系统作为汽车重要的一部分也在发生着巨大的演变升级。一般意义上的车辆转向系是机械式的，开车人通过控制方向盘（steering wheel），再经过过转向器（Redirector，该系统中最重要的部件），横拉杆（连接左右两个摇臂，使两侧车轮一起转动）等机械零部件实现车轮的偏转，从而达到实现转向的目的。 1950年之后，随着液压系统的不断完善和应用，液压渐渐出现在车辆的转向器中，这是转向系统变革的起点。科技的不断进步，车辆不仅仅只是代步工具，舒适性也要满足，以往转向只是单单依靠人力，所以一些货车司机绝大多数都是男性。而如今，若是加上液压助力，转向自然会轻松许多。其实其原理非常简单，就是在原来的基础上，另外添加一套（油泵始终处于工作状态）。这样的液压系统与内燃机相连接连，当内燃机转动动时，部分能量提供车辆行驶，剩下的一部分则为液压系统提供动力支持。 因为这样的工作模式相对可靠，既不想纯机械那样费力，也不行纯液压那样不可靠（只要有液压系统就存在漏油现象），技术也相对成熟，所以得到了广泛的使用。所谓的助力就是帮助驾驶者完成指定动作，起到四两拨千斤的作用，虽说夸大其词，但却真真正正的反映出轻便性，这样转向就变得更加灵活，这有助于车辆躲避突发事件。科技发展日新月异，电子技术也随之迅猛发展，尤其在元器件领域。科技进步，工艺先进，成本越来越低，渐渐的的电子器件被应用到车辆中。于是就进入了电液助力转向系统EHPS（Electro-Hydraulic Power Steering）。电液助力转向可以分为两类 ：电动液压助力转向系统EHPS（Electro-Hydraulic Power Steering）和电控液压助力转向ECHPS（Electronically Controlled Hydraulic Power Steering）。电动液压助力转向系统是在液压助力系统基础上发展起来的，与液压助力系统不同的是，电动液压助力系统中液压系统的动力来源不是发动机而是电机，由电机驱动液压系统，节省了发动机能量，减少了燃油消耗。电控液压助力转向听起来听复杂的，其实也就是在Hydraulic power system上加一些控制元器件，包括传感器，传感器能够记录下来转向盘转角变量，车速，温度等数据，传给ECU，ECU根据这些信息改变供油量。ECHPS（Electronically Controlled Hydraulic Power Steering）也是在Hydraulic Power Steering基础上发展而来，不同地方是，ECHPS增加了电子控制元件。电子控制装置可根据方向盘转向速率、车速等汽车运行参数，改变油压的大小。而且电机驱动下的HPS，不需要操作的时候，电机可以停止，这样就能降低能耗。虽然EHPS（Electro-Hydraulic Power Steering）克服了Hydraulic power system的一些缺点。只要有液压系统的存在，就会有不稳定因素，比如说高温，低温，对油的黏性有很大的影响，比如是油温过高，其粘度很低，十分顺滑，油自然而然的顺着油封流出，造成浪费，还污染了环境。而且还要为其引入了电机，结构上增加部件，复杂程度进一步提高，花费增加了，而且可靠性下降了，得不偿失。为了规避EHPS（Electro-Hydraulic Power Steering）的缺点，EPS便应时而生。EPS，电动助力转向。也可以叫EPAS。其最大优点是可以随速控制助力，在速度相对低的时提供较大助力效果，保证轻便转向；在高速时减小助力，在没有助力帮助的条件下，负反馈（即路面作用在车轮上的力按照转向传动的路线返回到方向盘上）也相应增加，这为司机提高了“路感”。Electric Power Steering只在转向时发挥作用，因此不像纯HPS那样会一直对发动机造成负担，没有了负担，消耗自然就少了。1.4 汽车转向器国内外现状齿轮齿条式转向器（Rack and pinion steering gear）和循环球式转向器（recirculating ball steering gear），成为车辆上主要的转向器；而余下的蜗轮蜗杆式（Worm gear and worm type redirector）和蜗杆肖式转向器（Worm type redirector shaw），由于在制造工艺以及可靠度等方面的各种原因，已经逐步的退出历史的舞台。而留下来的循环球式转向器（recirculating ball steering gear）则是具备诸多优点，比如说效率高，操纵简单轻便，易于传递驾驶员操纵信号，这对于货车司机来说是非常有利的，可以减轻疲劳程度，布置简单。尤其适合大、中型车辆和该系统一起使用。另外就是可以实现变速比（Gear Ratio，）的特性，这就可以解决客户的各种速度上的需求。 中间位置转向力小、且经常使用，反之亦然，就希望中部位置附近速比小，这样就可以提升其敏度。对于前轴轴载质量不大而又经常在平坦路面行驶的中、轻型货车而言，影响很小。由于这种转向器可实现变速比，传动效率又高，转向灵活，使用寿命较长等诸多特点，得到大范围应用不足为怪。我们此次设计任务（Rack and pinion steering gear）也有很多的主要优点：结构简单、紧凑。 质量小只是其一。正传动效率高，而且还能主动弥补间隙，在提高刚度的同时又避免产生杂音，还可以防止工作时产生冲击和噪声。综上所述转向器的优点，循环球式和齿轮齿条式将是未来发展的大趋势。1.5 设计的主要内容汽车行业为我们国家的经济发展做出不可磨灭的贡献，国家对汽车研发的投入也越来越多，随着工业的不断升级，汽车产品的设计、分析、实验技术等都日益受到重视。而学生一直停留在课堂之中是万万不可的，为了提高汽车设计方向的专业毕业生利用所学的基础知识解决实际工程问题能力，本题目所涉及到的知识都是汽车设计方面的专业知识，所以这次毕业设计可谓是雪中送炭。任务中的设计方法是非常实用的，并且在未来也是适用的，这些知识对于从事汽车技术工作的人都是很需要的，是他们进行工作和继续学习的基础。本次设计的任务来源于RAV4，设计此车的转向器。根据该车型对于市场的定位及对制造成本的考虑，同时去网上查照该车的设计初衷。结合车身结构要求把这辆车的转向器设计为一款机械式。对转向系统做简单分析，并进行转向器零件设计、工艺性及尺寸公差等级分析，同时按以下步骤对转向器及零部件进行设计方案论证：首先对其输入出形式进行分析比较；再是计算各个零件的尺寸，选择合适的参数；最后进行强度校核并检查是否存在不足。第2章 齿轮齿条转向器设计方案选择2.1 车辆相关数据与设计要求 车辆数据：车 型：丰田2012款2.4AT四驱至臻导航版四驱类型：适时四驱 驱动方式：前置四驱整备质量(Kg)：1620 满载轴荷(Kg)：前轴:810 后轴：810 发动机最大扭矩(Nm/rpm)：224/4000 发动机功率(Kw/rpm)：125/6000 轴 距(mm)：2660 前轮胎规格：225/65R17 后轮胎规格：225/65R17转向节臂长：200mm设计要求：转向系是用来转向的系统，包括转向操纵机构、转向器、传动机构等。需要正确迅速地完成司机的转向命令，当其受到外界干扰的时候，比如车轮陷入泥坑中等，在司机松开方向盘的时候，车辆应该有自动回正的能力。一般来说，对转向系统的要求如下：1、车辆转弯行驶时，车轮应绕瞬时转向中心旋转。2、转向轮应具有自动回正能力。比如说起车轮偶然碰到遇到了外力（比如说碰到了石头）而发生偏转的时候，这个偏转是我们不需要的，当越过石头普，要是车辆的车轮还是处于偏转状态，那其不就麻烦了？要是司机反应慢了，还不得发生交通事故啊？所以，我们需要车轮自动回正。3、在工作时，车轮不得产生自振。4、转向器和转向传动机构的球头处，应该设有消除因磨损而产生的间隙的调整机构以及提高转向系的可靠性。5、转向灵敏，最小转弯直径小。 6、操纵要轻便。7、从道路上传来的冲击小。8、任何状态下，车轮不产生摆振（车轮绕主销振动）。转向轮的回正能力是由倾角决定的，同时也受转向系逆效率的影响。逆效率的提高会使回正能力提高，但是会造成“打手”现象。转向系的间隙主要是通过各球头皮碗和转向器的调隙机构来调整的。2.2 转向器总体方案设计2.2.1 转向器设计方案说明因为这次的设计任务中已经明确的指出该设计工作为齿轮齿条式的，因此，我在任务书中只提及另一种主流转向器循环球式转向器（recirculating ball steering gear）的优缺点，更多的是比较齿轮齿条式的各种输出形式的特点。在比较中对比各种形式的长处及劣处，包括成本，制造工艺，对车辆本身的要求等等。另一方面是选择齿轮的形状，直齿肯定是制造简单，但是传动起来没斜齿好，还有齿轮断面的问题。齿轮齿形的选择要根据其工作状况（包括环境，温度，负荷等），以及我们的要求。同时还需要兼顾成本和工艺问题，综合种种考虑，选择出合适的齿形。综上所述，我们要全方面的考虑，既要考虑工艺问题，制造的难易程度，成本，还要考虑性能必须满足RAV4的要求，在操稳性，便捷性，噪音等问题，选出最合适的方案。具体的分析过程，与对比过程，在下面一一比较。2.2.2 转向器输入输出形式根据动力进入的位置和传出的特点不同，我们对其进行四种形式划分，详见图2-1。中间输入，两端输出（a）;侧面输入，两端输出（b）;侧面输入，中间输出(c)、侧面输入，一端输出(d)。图2-1 齿轮齿条转向器输入输了形式2.2.3 转向器各种输出形式对比采用两端输出方案时如（图2-1a,图2-1b），很明显我们可以看出输出位置位于两端，这样拉杆长度就受到了限制，如图3所示，总体长度很长，很容易与该位置其他运动产生干涉。主要优点是其结构简单，制造方便，且成本低等特点，大多应用于小型车辆上。该转向器两端是横拉杆总成，它的一端是球头座，放置在防尘罩中，球头座与齿条相连。从剖视图来看，方向盘10连接着齿轮轴和齿条相连，齿条的另一侧是压紧弹簧（用来自动弥补间隙）。图2-2 侧面输入，两端输出采用图2-1c的方案，很明显可以看到与齿条固连的左、右拉杆非常靠近车轮对称平面。由于拉杆长度增长，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。图2-3 侧面输入，中间输出采用侧面输入，一端输出的齿轮齿条式转向器（图2-1d），常用在平头货车上。2.2.4 齿轮齿条转向器齿轮齿条选择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，冲击与噪声均降低，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。2.2.5 齿轮齿条转向器齿条断面形状齿条断面形状有圆形（图2-4a）、V形（图2-4b）和Y形（图2-4c）三种。圆形断面齿条的制作工艺比较简单。V形和Y形断面齿条与圆形断面比较，消耗的材料少，约节约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形的断面齿条的齿宽可以做的宽一些，因而强度得到增加。在齿条与托座之间通常装有碱性材料（如聚四氟乙烯）做的垫片，用来减少滑动摩擦。当车轮跳动、转向或转向器工作时，如在齿条上作用有能使齿条旋转的力矩时，应选用V形或Y形断面齿条，用来防止因齿条旋转而破坏齿条、齿轮的齿不能正确啮合的情出现。a） b）c）图2-4 齿条断面形状2.2.6 齿轮齿条式转向器的布置形式根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，齿轮齿条式转向器在汽车上有四种布置形式。如（图2-5）所示：转向器位于前轴后方，后置梯形（图2-5a）；转向器位于前轴后方，前置梯形（图2-5b）；转向器位于前轴前方，后置梯形（图2-5c）；转向器位于前轴前方，前置梯形（图2-5d）。图2-5 齿轮齿条转向器布置形式齿轮齿条式转向器广泛应用于微型、普通级、中级和中高级轿车上。对于装载质量不是很大、前轮采用独立悬架（independent suspension单独安装在两侧车轮上）的客车也可以使用这种转向器。2.2.7 转向器最终方案确定综合上面的各种优缺点的比较，考虑到制造难度与成本的问题，我们最终在输入输出形式上选择了结构简单、制造方便、并且成本低的侧面输入两端输出的形式，同时考虑到直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合重合度不高，运转平稳性差，冲击力大，工作噪声大；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，冲击与噪声均降低，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，故齿轮与齿条选用斜齿。经分析确定在齿条上没有作用有能使齿条旋转的力矩，且考虑到制作工艺的简单性，故齿条断面选择圆形。最终的布置为：采用侧面输入两端输出的输出形式，齿轮齿条采用斜齿，齿条断面采用圆形断面。第3章 转向器齿轮齿条设计计算过程3.1 转向轮侧偏角计算转向系统的性能从整车机动性着手，在最大转角时的最小转弯半径为轴距的 22.5倍。此轻型车的轴距为2660mm，因此其半径在53206650mm，并尽量取小值以保证良好的机动性，最小转弯半径R取5500mm。分析如(图3-1)所示。图3-1 转向轮侧偏角分析图（3-1）式中：转向轮外轮转角；主销偏移距，该值一般取-1030mm, 设计取20mm；汽车轴距。= （3-2）查得对应的最大内轮转角，其综合转角为。3.2 转向器原地转向阻力矩计算影响力的主要因素负荷包括路面阻力和轮胎气压等。想要准确地计算出这些力是非常困难的。我们可以运用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MR（N·mm）。轮胎上的原地转动的阻力矩由经验公式得 （3-3）式中：轮胎和路面间的滑动摩擦因素，一般取0.7；为转向轴负荷（N）；取前轴满载；为轮胎气压（）。取(一般为)。 （3-4）3.3 转向器角传动比与力传动比计算3.3.1 角传动比与力传动比介绍传动比：角传动比和力传动比组成。力传动比：从轮胎接触地面中心作用在两个转向轮上的合力与作用在方向盘上的手力之比称为力传动比 。角传动比：方向盘的转角和驾驶员同侧的转向轮转角之比称为转向系角传动比。它又由转向器传动比转向传动装置角传动比所组成。3.3.2 角传动比与力传动比确定方向盘转动圈数取圈，转向盘直径，转向节臂长。角传动比为 （3-5）作用在方向盘上的力 （3-6）由公式 （3-7）得作用在转向盘上的力矩 （3-8）力传动比与转向系角传动比的关系 （3-9）而和作用在转向节上的转向阻力矩有以下关系 (3-10)作用在方向盘上的手力可由下式表示 （3-11）则力传动比为 (3-12)又因为 （3-13）由此力传动比 （3-14）3.4 齿轮齿条设计3.4.1 齿轮齿条啮合传动的特点齿条实际上是齿数为无穷的齿轮的一部分。当齿数为无穷时，圆也就成了直线，就像我们居住在地球上一样，地球是圆的，而我们脚下的路却是直的。所以齿条的齿廓为直齿廓（如图3-2所示），齿廓上各点的法线是平行的，而且在传动时齿条是平动的。齿廓上各点速度的大小和方向也相同，所以齿条齿廓上个点的压力角相同，大小等于齿廓的倾斜角。图3-2 齿条的齿廓齿轮齿条啮合传动时，根据小齿轮螺旋角与齿条齿倾角的大小和方向不同，可以构成不同的传动方案。齿轮与齿条啮合传动时，齿轮的节圆始终与其分度圆重合。3.4.2 齿轮参数的选择初选齿轮参数：该转向器的齿轮多采用斜齿轮（直齿重合度小），齿轮模数在之间（还需要齿根弯曲疲劳和齿面接触校核），主动小齿轮齿数在之间（我们这里取6），压力角取，螺旋角在之间（我们取10）。故取小齿轮，右旋，压力角，齿轮的转速为，左旋，精度等级8级，转向器每天工作8小时，使用期限不低于5年。材料选择：齿轮16MnCr5，渗碳淬火，齿面硬度54-62HRC齿条 45号钢，表面淬火，齿面硬度56HRC分度圆直径 （3-15）取齿宽系数齿条宽度 （3-16）圆整取；则取齿轮齿宽 （3-17）所以取齿轮齿宽30mm；齿条齿宽20mm。3.4.3 计算接触疲劳许用应力确定许用应力 (3-18) （3-19）查表确定和查表确定寿命系数、查表确定安全系数计算接触疲劳许用应力 (3-20) (3-21)查表确定应力修正系数 (3-22) (3-23)3.4.4 齿轮的齿根弯曲强度设计参数查取：初选=6=25=0.8 =0.7 =0.89当量齿数复合齿形系数初步计算齿轮模数查表的转矩闭式硬齿面传动，按齿根弯曲疲劳强度设计。代入较小的值 (3-24)初取确定载荷系数查表确定 使用系数 （3-25）根据和8级精度，查表得查表确定 齿向载荷分布系数查表确定齿间载荷分布系数所以 （3-26）确定修正法向模数 （3-27）取3.4.5 确定齿轮主要参数和几何尺寸齿轮参数：，压力角，左旋取变位系数齿顶高 （3-28）齿根高 （3-29）齿高 （3-30）分度圆直径 （3-31）齿顶圆直径 （3-32）齿根圆直径 （3-33）基圆直径 （3-34）齿轮中心到齿条基准线距离 （3-35）齿轮齿宽 （3-36）3.4.6 确定齿条主要参数和几何尺寸因为齿轮与齿条要相互啮合，所以取齿条模数又因为齿轮齿条线角传动比为 （3-37）转向盘总转动圈数为圈又因为 （3-38）所以齿条长度 （3-39）转向盘和车轮转角比 （3-40）式中：为综合转角因为齿条齿形角等于压力角所以齿条齿距 （3-41）齿条齿数 （3-42）所以取齿条齿数实际齿条长度 （3-43） 取齿条长度为200mm。齿条参数：，压力角，右旋。取变位系数齿顶高 （3-44）齿根高 （3-45）齿条齿宽 （3-46）取。3.4.7 齿面接触疲劳强度校核校核公式为 （3-47） 由上面计算得 查取：弹性系数 区域系数重合度系数螺旋角系数 （3-48）经校核：合理第4章 齿轮轴的设计4.1 齿轮齿条传动受力分析若略去齿面间的摩擦力，则作用于节点P的法向力Fn可分解为径向力Fr和分力F，分力F又可分解为圆周力Ft和轴向力Fa。（4-1） （4-2）（4-3）4.2 齿轮轴最小轴径确定由于齿轮的基圆直径，数值较小，若齿轮与轴之间采用键连接必将对轴和齿轮的强度大大降低，因此，将其设计为齿轮轴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，弯曲疲劳极限，剪切疲劳极限，许用弯曲应力，许用剪应力。最小轴径 （4-4）初步确定齿轮轴的基本尺寸如图4-1所示：图4-1 齿轮轴的基本尺寸4.3 齿轮轴的强度校核1、轴的受力分析（1）画齿轮轴的受力简图，如图4-2a所示。图4-2 齿轮轴的载荷分析图（2）计算支承反力在垂直面上(4-5)(4-6)在水平面上(4-7)（3）画齿轮轴的弯矩图。水平面上的弯矩如图4-2b所示，垂直面上的弯矩如图4-2c所示，总弯矩如图4-2d所示。在水平面上，a-a剖面左侧、右侧（4-8）在垂直面上，a-a剖面左侧（4-9）在垂直面上，a-a剖面右侧 （4-10）合成弯矩，a-a剖面左侧（4-11）合成弯矩，a-a剖面右侧（4-12）（4）画转矩图，如图4-2e所示。转矩（4-13）2、判断危险剖面显然，a-a截面左侧合成弯矩最大、扭矩为T，该截面左侧可能是危险剖面。3、轴的弯扭合成强度校核由机械设计查得，。a-a截面左侧（4-14） （4-15）所以弯扭合成强度合理。4、轴的疲劳强度安全系数校核查得, ,；。a-a截面左侧（4-16）查得；。由表查得绝对尺寸系数；轴经磨削加工，查得质量系数=1.0。则弯曲应力 （4-17）应力幅 （4-18）平均应力切应力 （4-19） （4-20）安全系数 （4-21） （4-22） （4-23）查得许用安全系数S=1.3，显然S>S，故a-a剖面安全。故此轴设计合理。第5章 间隙调整弹簧的设计计算设计要求：设计一圆柱形压缩螺旋弹簧，载荷平稳，要求=982.75N时，<10mm，弹簧总的工作次数小于，弹簧中要能宽松地穿过一根直径为的轴；弹簧两端固定；外径,自由高度。弹簧的参数分析如图5-1所示。图5-1 弹簧的参数5.1 选择材料由弹簧工作条件可知，对材料无特殊要求，采用65#弹簧钢丝，。因弹簧的工作次数小于，载荷性质属类，。5.2 计算弹簧丝直径1、选择旋绕比2、估算弹簧外径按外径30mm、内径15mm,取3、计算曲度系数 （5-1）4、计算弹簧丝的许用切应力 （5-2）5、计算弹簧丝直径 （5-3）取弹簧丝直径5.3 弹簧圈数和自由高度的计算1、弹簧工作圈数（5-4）2、弹簧节距t （5-5）3、弹簧自由高度 （5-6）5.4 弹簧校核与结构尺寸确定1、稳定性验算 高径比 （5-7）满足稳定性要求。2、几何参数和结构尺寸的确定弹簧外径 （5-8）弹簧内径 （5-9）5.5 弹簧工作时的数据 （5-10）弹簧的极限载荷 （5-11）弹簧的安装载荷 （5-12）弹簧刚度 （5-13）安装变形量 （5-14）最大变形量 （5-15）极限变形量 （5-16）安装高度 （5-17）工作高度 （5-18）极限高度 （5-19）第6章 其他零件的选择与润滑方式确定6.1 轴承的选择1、选用深沟球轴承（GB/T 2761994）如图6-1所示。轴承代号：6004 数量：1个具体尺寸见表6-1所示。图6-1 深沟球轴承表6-1 选用深沟球轴承（GB/T 2761994）2、选用滚针轴承（GB/T 58011994）如图6-2所示。轴承代号：NA4901 数量：1个具体尺寸见表6-2所示。图6-2 滚针轴承表6-2 滚针轴承（GB/T 58011994）6.2 转向器润滑方式1、转向器齿轮齿条的润滑，主要有二个目的：（1）促进齿面间的滑动。（2）抑制齿面间由摩擦所引起的温度上升。即冷却齿面。适当地选择润滑方法及润滑油，以避免故障。2、转向器齿轮齿条的润滑法润滑大致可以分为以下三类：（1）脂润滑法这种方法大多应用在速度相对来说低的的开式及闭式齿轮箱传动中。关于脂润滑法。这里，主要介绍下列三点。1）选择合适稠度的润滑脂因为齿条是在密封的壳体中，为了使润滑脂能够在需要它的部位顺畅地滑动，选高流动性。2）不适合使用在高负荷，连续运转的场合因为脂的冷却效果非常差，所以，在负荷比较高的，工作时间又长的的工状况下，会出现高温，温度一高就失效了。3）润滑脂的适量使用如果量过少，达不到润滑目的。（2）飞溅润滑法（油浴润滑）飞溅顾名思义，就是让润滑油飞溅出来，溅到需要润滑的零件表面，看似原理简单，但实际操作起来，首要需要留出合理的空间，其次还要飞溅到一定的高度，飞溅的量等都要控制的精准，使适量的油液溅到工作表面。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）油面的高度用的多，费的多是再简单不过的道理，同样，使用润滑油的量越多，搅拌损失也增大。那用的少，浪费的少了？不是，用的少的话，起不到润滑效果，算是完全浪费了吧。油量过小则达不到所期待的润滑及冷却效果。2）齿轮箱的极限温度齿轮箱内的温度，伴随着各种f损失不断转化成的热能而使温度逐渐提高。温度上升会造成各种不良的影响。随着科学技术的进步，革命的升级，高性能的润滑油不断出现在世人面前。八九十度差不多算是极限的温度了。若是想在高于这个温度时使用，就需要采取措施对其的进行降温处理，使其温度下降。例如，在内部安装散热片，或在轴上安装风扇送风。（3）强制润滑法（循环喷油润滑）根据上油的方式，分为滴下式，喷射式和喷雾式三种。下面就三种方式做以简单的说明。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）喷雾式利用压缩空气将润滑油化为雾状，喷入轮齿的啮合部位。这种方法特别常用在高速传动。利用强制润滑法，可以把经过过滤、冷却、粘度适宜的润滑油适量地送到啮合部，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润滑脂：石墨钙基润滑脂（ZBE36002-88）中的ZG-S润滑脂。总结 通过本次毕业设计，我对汽车零部件的设计流程有了进一步的理解，汽车的每个零件，小到螺栓螺母，大到转向系的总成，都和汽车的整体数据息息相关，每一个都不能脱离汽车这个整体。 在此，感谢的指导老师卢彦群老师。在百忙中还抽出时间，甚至占用晚上的休息时间为我们尽心指导，答疑解惑。还有，在这最后的时刻，也想对大学期间所有教过我的老师们说声“谢谢，您辛苦了”，感谢你们曾经的细心教导，而我们有时还偷懒逃课。大四的上学期刚开学的时候，我们专业由老师带队（包括我此次设计的指导老师卢彦群老师）集体参观了保定的长城汽车公司，其中参观了其冲压车间，总装车间，看到遍布车间的零件，确实有点惭愧，自己是学车辆的，可是有的汽车零件都人不全，说出去还真让人笑话，东西都不认识更别说设计了。临走时参观了长城科技节，各种高端技术，各种车型，展示了长城汽车公司的科研实力。而我被这家企业吸引，十月份的时候，我再次独自来到这里，参加了长城的面试，顺利成为长城的一名员工。 下学期伊始，学校为我们安排了毕业实习，实习单位是中国一拖集团和中信重工集团。带队老师之前说会参观拖拉机的转向系统，结果不知道是什么原因没有参观，很是遗憾。那几天一直住在一拖的什么管理中心，条件一般般。匆匆忙忙的参观了三天就返回学校了。至此就开始了我的毕业设计任务。 在此次设计之前，对汽车的转向系统也是一知半解，课本中对齿轮齿条转向器的介绍也相对较少，经过去图书馆和网上查阅资料，对齿轮齿条转向器的认识逐渐清晰起来，包括它的工作原理，结构，分类，以及各种优缺点。美中不足的是对转向器壳体依然没有一个清晰的认识，甚至去网上找供应商看成品的图片也是效果甚微。有时候遇到很多看似很小的问题，却总是想不起来，甚至在哪本书都忘记了，若不是大家集思广益，让我自己去翻阅资料会花费很多额外的时间，比如说轴的配合问题，这是互换性与技术测量哪本书上的知识，我当时只记得有个过盈和过渡，忘记了还有个间隙配合。还有就是只记得轴和孔有配合关系，忘记了其实轴承和轴承孔也有配合关系，感谢老师细心指点，帮我发现这个看似微不足道，但却很实际的问题。还有在齿轮是否变位问题上，这次设计的转向小齿轮齿数在57之间，而满足根切的最小齿数是17，这样为了避免，必须进行变位。 这对设计中影响最大的是齿轮轴的设计，通过数据和公式可计算出最小直径要在15mm以上，轴上除了一体的齿轮和两个轴承外，其他需要装的不知道。在画二维图的时候，细节方面把握不好，主要原因还是对转向器了解得不够深。对其结构了解甚微，完全不知道从哪里入手。后来一直在网上搜索资料，从jxcad这个网站上了下载了一份图纸，打开一看十分不清楚，对于转向器的各种结构描绘的十分模糊，一看就不想认真做的，本来还想参考一下，原来是份毒瘤，可别耽误我，赶紧删了。后来我从网上找到转向器的简图，自己按照简图上的位置画的。本次设计中主要需要计算的数据只有转向小齿轮与齿条和弹簧，齿轮和轴一体。对于壳体的尺寸，只能大体上照着比例画了，没有事物，而且不同车上的肯定也有很多差别。通过这次的毕业设计，我把四年所学的知识串了一遍，综合了理论与实践的方法，使我学到了很多以前在课堂上学不到的东西，使我懂得了设计必须依靠实际，特别是对于机械加工来说，设计的零件不能只注重其理论上的可行性，还得考虑到其可加工性、工艺性。 特别是在实际生产中，更得注重材料的利用率性，加工的难易程度，综合考虑，从中选出最合理的方案。从企业的角度来说，才能提高生产效率。此外，通过这段时间的努力，对二维制图软件以及三维制图软件有了进一步的掌握，这对以后的工作也是大有裨益的。参考文献1 王望予.汽车设计.第三版.北京：机械工业出版社，2000：173-177.2 濮良贵，纪名刚.机械设计.第八版.北京：高等教育出版社，2006：198-210.3 刘惟信.汽车构造.北京：人民交通出版社，20014 陈家瑞.汽车构造.北京：机械工业出版社，20055 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理.第七版.北京：高等教育出版社，2006：193-197.6 吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册.北京：高等教育出版社，2006：64-72.7 汽车工程手册编辑委员会编.汽车过程手册.基础篇.北京：人民交通出版社，20018 汽车工程手册编辑委员会编.汽车过程手册.设计篇.北京：人民交通出版社，2001：575-5969 刘惟信.汽车设计.清华大学出版社，2003：611-615.10 陈家瑞.汽车构造下册.第四版.北京：人民交通出版社，2002.11 冯超等.汽车工程手册.北京：人民交通出版社，2000.12 林秉华.最新汽车设计实用手册.黑龙江人民出版社，2005：1382-1386.13 吕广庶.张远明.工程材料及成形技术基础.北京：高等教育出版社，2001.14 库罗夫.汽车学.北京：机械工业出版社，1985.15 刘昭度.汽车学.北京：高等教育出版社，2012.16钱志峰，刘苏.工程图学基础教程M. 北京；科学出版社，2001.17机械设计手册联合编写组编.机械设计手册中册M. 北京；化学工业出版社，1985.5.致谢经过几个月的忙碌工作，终于完成了这次毕业设计。由于本科生经验匮乏，又和实际接触较少，因此，设计中还存在诸多不完美的地方，还请老师悉心指正。在此，感谢的指导老师卢彦群老师。在百忙中还抽出时间，甚至占用晚上的休息时间为我们尽心指导，答疑解惑，对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。还有，在这最后的时刻，也想对大学期间所有教过我的老师们说声“谢谢，您辛苦了”，感谢你们曾经的细心教导，而我们有时还偷懒逃课。还有要感谢图书馆的阿姨，在翻阅资料的时候，有的资料比较老了，放的地方不容易找到，多亏了图书馆的阿姨帮忙，节省了我不少时间。另外还有参考那些资料的作者们，谢谢你们的辛苦工作，如果不是借鉴他们的工作成果，本次设计几乎无法完成，虽然里面的资料不可以直接使用，但是任然给了我无穷的启发。同时，感谢在设计中给予我帮助的同学们。有时候遇到很多看似很小的问题，却总是想不起来，甚至在哪本书都忘记了，若不是大家集思广益，让我自己去翻阅资料会花费很多额外的时间，比如说轴的配合问题，这是互换性与技术测量哪本书上的知识，我当时只记得有个过盈和过渡，忘记了还有个间隙配合。还有在齿轮是否变位问题上，这次设计的转向小齿轮齿数在57之间，而满足根切的最小齿数是17，这样为了避免，必须进行变位。差点忘记了，还要感谢高鹏飞导员，这是陪了我整整四年的老师，即关心我们的生活，又关心我们的学业，可以说为我们是操碎了心，我们能顺利地走完这四年的大学生活，少不了老师的帮助。 大学四年，时间匆匆流过，大学生活即将结束，而结束却又是新的生活的开始，这四年将成为我人生中最宝贵的回忆，和同学们，室友们嬉戏玩耍，又在一起为了学业而热血奋斗。最后，感谢母校河北工程大学，感谢装备制造学院为我们提供这样良好的平台。