本田锋范轿车齿轮齿条转向器设计毕业论文

本科毕业设计(论文)题目：本田锋范轿车齿轮齿条转向器设计

系别：

专业：机械设计制造及其自动化

班级：

学生：

学号：

指导教师：

2014年06 月

毕业设计（论文）任务书

2.题目背景和意义：当前，汽车工业成为中国经济发展的支柱产业之一，汽车企业对各系统件的设计需求旺盛。其中，转向器是动汽车的一个重要组成部分，它直接影响汽车的安全性能与稳定性能。本课题根据本田锋范轿车的行驶要求，对其转向器进行整体结构设计，目的在于实现汽车在行驶时具备良好的转向性能与操控性能。

3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）：

（1）、充分了解转向器总成，熟悉其发展状况、详细构造和工作原理；

（2）、根据汽车主要参数，对转向器进行结构设计，实现汽车转向功能并满足汽车操控稳定性要求；

（3）、运用Auto CAD软件绘制转向器总装配图以及主要部件的零件图；

本设计是根据本田锋范轿车而展开的，设计中所采用的相关参数均来源于此种车型。

最高车速180km/h，发动机最大转矩：145nm，功率88w，总质量1140kg

4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）：

设计基本要求：（1）、具有良好的工作效能。（2）、工作可靠。（3）、操作轻便，并具有良好的随动性。（4）便于维护和保养

第1～2周：消化课题题目，收集资料，明确设计的任务及要求；

第 3 周：撰写开题报告；

第4～11周：熟悉AutoCAD软件和确定设计方案；设计计算主要零部件；

第12～16周：应用AutoCAD软件绘制转向器总装配图以及主要部件的零件图；

第17～18周：进行毕业设计总结，编写毕业设计论文，并做好答辩的准备。

5.毕业设计（论文）的工作量要求 1.5万字

①实验（时数）*或实习（天数）：

②图纸（幅面和张数）*：折合3张A0图纸

③其他要求：

指导教师签名：年月日

学生签名：年月日

系主任审批：年月日

说明：1本表一式二份，一份由学生装订入册，一份教师自留。

2 带*项可根据学科特点选填。

本田锋范轿车齿轮齿条转向器设计

摘要

本次设计选择的是本田的一款轿车的转向器。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

Honda CITY Car Rack And Pinion Steering Design

Abstract

This design choice is the steering of a car in the Honda. 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.

Key Words：Steering；Systems；Rack And Pinion；Steering

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目录

1 绪论 0

1.1概述 0

1.2转向器的作用与分类 0

1.3汽车转向装置的发展趋势 (1)

1.4汽车转向器国内外现状 (2)

1.5设计的主要内容 (4)

2 齿轮齿条转向器设计方案选择 (5)

2.1车辆相关数据与设计要求 (5)

2.2转向器总体方案设计 (6)

2.2.1转向器设计方案说明 (6)

2.2.2转向器输入输出形式 (7)

2.2.3转向器各种输出形式对比 (7)

2.2.4齿轮齿条转向器齿轮齿条选择 (7)

2.2.5齿轮齿条转向器齿条断面形状 (8)

2.2.6齿轮齿条式转向器的布置形式 (8)

2.2.7转向器最终方案确定 (9)

3 转向器齿轮齿条设计计算过程 (10)

3.1转向轮侧偏角计算 (10)

3.2转向器原地转向阻力矩计算 (11)

3.3转向器角传动比与力传动比计算 (11)

3.3.1角传动比与力传动比介绍 (11)

3.3.2角传动比与力传动比确定 (11)

3.4 齿轮齿条设计 (13)

3.4.1齿轮齿条啮合传动的特点 (13)

3.4.2齿轮参数的选择 (14)

3.4.3计算接触疲劳许用应力 (14)

3.4.4齿轮的齿根弯曲强度设计 (15)

3.4.5确定齿轮主要参数和几何尺寸 (16)

3.4.6确定齿条主要参数和几何尺寸 (17)

3.4.7齿面接触疲劳强度校核 (18)

4.齿轮轴的设计 (19)

4.1齿轮齿条传动受力分析 (19)

4.2齿轮轴最小轴径确定 (19)

4.3齿轮轴的强度校核 (20)

5 间隙调整弹簧的设计计算 (24)

5.1选择材料 (24)

5.2计算弹簧丝直径 (25)

5.3弹簧圈数和自由高度的计算 (25)

5.4弹簧校核与结构尺寸确定 (25)

5.5弹簧工作时的数据 (26)

6 其他零件的选择与润滑方式确定 (27)

6.1轴承的选择 (27)

6.2转向器润滑方式 (28)

7 总结 (30)

参考文献 (32)

致谢 (33)

毕业设计（论文）知识产权声明 (34)

毕业设计（论文）独创性声明 (35)

1 绪论

1.1概述

改革开放以来，我国汽车工业发展迅猛。作为汽车关键部件之一的转向系统也得到了相应的发展，基本已形成了专业化、系列化生产的局面。有资料显示，国外有很多国家的转向器厂，都已发展成大规模生产的专业厂，年产超过百万台，垄断了转向器的生产，并且销售点遍布了全世界。

1.2转向器的作用与分类

转向器的作用将驾驶员加在转向盘上的力矩放大，并降低速度，然后传给转向传动机构。转向器是转向系的减速传动装置，一般由1-2级减速传动副。由于转向器是一个大传动比的机构，其传动效率一般较低。转向器的输出功率与输人功率之比称为转向器的传动效率.当功率由转向柱输人、由转向摇臂输出的情况下求得的传动效率称为正效率，而在传动方向与此相反时求得的效率为逆效率。为了减轻驾驶员操纵转向盘的体力消耗，应尽量提高转向器的传动效率，特别是其正效率是很重要的。目前应用比较广泛的转向器有齿轮齿条式转向器、循环球式转向器、蜗杆滚轮式转向器、蜗杆曲柄指销式转向器[1]。本次设计的是齿轮齿条式减速器。

齿轮齿条式减速器优点：齿轮齿条式转向器的传动副为齿轮与齿条，其结构简单、布置方便，制造容易，但转向传动比较小，（一般不大于15），且齿条沿其长度方向磨损不均匀，故仅广泛用于微型汽车和轿车上。

转向器按结构形式可分为多种类型。历史上曾出现过许多种形式的转向器，目前较常用的有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、循环球曲柄指销式、蜗杆滚轮式等。其中第二、第四种分别是第一、第三种的变形形式，而蜗杆滚轮式则更少见。如果按照助力形式，又可以分为机械式（无助力），和动力式（有助力）两种，其中动力转向器又可以分为气压动力式、液压动力式、电动助力式、电液助力式等种类。

齿轮齿条式转向器，它是一种最常见的转向器。其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条。向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。有时，靠齿条来直接带动横拉杆，就可使转向轮转向。所以，这是一种最简单的转向器。它的优点是结构简单，成本低廉，转向灵敏，体积小，可以直接带动横拉杆。在汽车上得到广泛应用。

蜗杆曲柄销式转向器，它是以蜗杆为主动件，曲柄销为从动件的转向器。蜗杆具有梯形螺纹，手指状的锥形指销用轴承支承在曲柄上，曲柄与转向摇臂轴制成一体。转向时，通过转向盘转动蜗杆、嵌于蜗杆螺旋槽中的锥形指销一边自转，一边绕转向摇臂轴做圆弧运动，从而带动曲柄和转向垂臂摆动，再通过转向传动机构使转向轮偏转。这种转向器通常用于转向力较大的载货汽车上。

循环球式转向器这种转向装置是由齿轮机构将来自转向盘的旋转力进行减速，使转向盘的旋转运动变为涡轮蜗杆的旋转运动，滚珠螺杆和螺母夹着钢球啮合，因而滚珠螺杆的旋转运动变为直线运动，螺母再与扇形齿轮啮合，直线运动再次变为旋转运动，使连杆臂摇动，连杆臂再使连动拉杆和横拉杆做直线运动，改变车轮的方向。这是一种古典的机构，现代轿车已大多不再使用，但又被最新方式的助力转向装置所应用。它的原理相当于利用了螺母与螺栓在旋转过程中产生的相对移动，而在螺纹与螺纹之间夹入了钢球以减小阻力，所有钢球在一个首尾相连的封闭的螺旋曲线内循环滚动，循环球式故而得名。

齿轮齿条液压助力转向器，是相对于齿轮齿条机械转向器而言的，主要是增加了转向油泵、转向油壶、转向油管、转向阀、转向油缸等部件，以期达到改善驾驶员手感，增加转向助力的目的的转向装置[2]。国内经过10多年来的发展，已经形成成熟的研发和制造技术的厂家有豫北光洋转向器有限公司等企业。1.3汽车转向装置的发展趋势

转向系是用来保持或者改变汽车行使方向的机构，转向系统应准确，快速、平稳地响应驾驶员的转向指令，转向行使后或受到外界扰动时，在驾驶员松开方向盘的状态下，应保证汽车自动返回稳定的直线行使状态。

汽车工业是国民经济的支柱产业，代表着一个国家的综合国力，汽车工业随着机械和电子技术的发展而不断前进。到今天，汽车已经不是单纯机械意义上的汽车了，它是机械、电子、材料等学科的综合产物。汽车转向系统也随着汽车工业的发展历经了长时间的演变。

传统的汽车转向系统是机械式的转向系统，汽车的转向由驾驶员控制方向盘，通过转向器等一系列机械转向部件实现车轮的偏转，从而实现转向。

随着上世纪五十年代起，液压动力转向系统在汽车上的应用，标志着转向系统革命的开始。汽车转向动力的来源由以前的人力转变为人力加液压助力。液压助力系统HPS（Hydraulic Power Steering）是在机械式转向系统的基础上增加了一个液压系统而成。该液压系统一般与发动机相连，当发动机启动的时候，一部分发动机能量提供汽车前进的动能，另外一部分则为液压系统提供动力。由于其工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。这种助力转向系统主要的特点是液压力

支持转向运动，减小驾驶者作用在方向盘上的力，改善了汽车转向的轻便性和汽车运行的稳定性。

近年来，随着电子技术在汽车中的广泛应用，转向系统中也愈来愈多地采用电子器件。转向系统因此进入了电子控制时代，相应的就出现了电液助力转向系统。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。电控液压助力转向也是在传统液压助力系统基础上发展而来，它们的区别是，电控液压助力转向系统增加了电子控制装置。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，改变液压系统助力油压的大小，从而实现在不同车速下，助力特性的改变。而且电机驱动下的液压系统，在没有转向操作时，电机可以停止转动，从而降低能耗。

虽然电液助力转向系统克服了液压助力转向的一些缺点。但是由于液压系统的存在，它一样存在液压油泄漏的问题，而且电液助力转向系统引入了驱动电机，使得系统更加复杂，成本增加，可靠性下降。

为了规避电液助力转向系统的缺点，电动助力转向系统EPS（Electric Power Steering）便应时而生。它与前述各种助力转向系统最大的区别在于，电动助力转向系统中已经没有液压系统了。原来由液压系统产生的转向助力由电动机来完成。电动助力式转向系统一般由转矩传感器、微处理器、电动机等组成。基本工作原理是：当驾驶者转动方向盘带动转向轴转动时，安装在转动轴上的转矩传感器便将转矩信号转化为电信号并传送至微处理器，微处理器根据转矩信号并结合车速等其他车辆运行参数，按照事先在程序中设定的处理方法得出助力电动机助力的方向和助力的大小。自1988年日本铃木公司首次在其Cervo车上装备该助力转向系统至今，电动助力转向系统己经得到人们的广泛认可。此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。

1.4汽车转向器国内外现状

转向器是转向系主要构成的关键零件，随着电子技术在汽车中的广泛应用，转向装置的结构也有很大变化。从目前使用的普遍程度来看，主要的转向器类型有4种：有蜗杆销式(WP型)、蜗杆滚轮式(WR型)、循环球式(BS型)、齿条齿轮式(RP型)。这四种转向器型式，已经被广泛使用在汽车上。

据了解，在世界范围内，汽车循环球式转向器占45％左右，齿条齿轮式转向器占40％左右，蜗杆滚轮式转向器占10％左右，其它型式的转向器占5％。循环球式转向器一直在稳步发展。在西欧小客车中，齿条齿轮式转向器有很大的发展。日本汽车转向器的特点是循环球式转向器占的比重越来越大，日本装备不同类型发动机的各类型汽车，采用不同类型转向器，在公共汽车中使用的循环球式转向器，已由60年代的62．5％，发展到现今的100％了(蜗杆滚轮式转向器在公共汽车上已经被淘汰)。大、小型货车大都采用循环球式转向器，但齿条齿轮式转向器也有所发展。微型货车用循环球式转向器占65％齿条齿轮式占35％。

我国的转向器生产，除早期投产的解放牌汽车用蜗杆滚轮式转向器，东风汽车用蜗杆肖式转向器之外，其它大部分车型都采用循环球式结构，并都具有一定的生产经验。目前解放、东风也都在积极发展循环球式转向器，并已在第二代换型车上普遍采用了循环球式转向器。由此看出，我国的转向器也在向大量生产循环球式转向器发展

在国外，循环球式转向器实现了专业化生产，同时以专业厂为主、大力进行试验和研究，大大提高了产品的产量和质量。在日本“精工”(NSK)公司的循环球式转向器就以成本低、质量好、产量大，逐步占领日本市场，并向全世界销售它的产品。德国ZF公司也作为一个大型转向器专业厂著称于世。它从1948年开始生产ZF型转向器，年产各种转向器200多万台。还有一些比较大的转向器生产厂，如美国德尔福公司SAGINAW分部；英国BURM#0；AN公司都是比较有名的专业厂家，都有很大的产量和销售面。专业化生产已成为一种趋势，只有走这条道路，才能使产品质量高、产量大、成本低，在市场上有竞争力。

齿轮齿条式转向器和循环球式转向器，已成为当今世界汽车上主要的两种转向器；而蜗轮蜗杆式转向器和蜗杆肖式转向器，正在逐步被淘汰或保留较小的地位。在小客车上发展转向器的观点各异，美国和日本重点发展循环球式转向器，比率都已达到或超过90％；西欧则重点发展齿轮齿条式转向器，比率超过50％，法国已高达95％。由于齿轮齿条式转向器的种种优点，在小型车上的应用(包括小客车、小型货车或客货两用车)得到突飞猛进的发展；而大型车辆则以循环球式转向器为主要结构。

循环球式转向器的优点：效率高，操纵轻便，有一条平滑的操纵力特性曲线，布置方便，特别适合大、中型车辆和动力转向系统配合使用；易于传递驾驶员操纵信号；逆效率高、回位好，与液压助力装置的动作配合得好。可以实现变速比的特性，满足了操纵轻便性的要求。中间位置转向力小、且经常使用，要求转向灵敏，因此希望中间位置附近速比小，以提高灵敏性。大角度转向位置转向阻力大，但使用次数少，因此希望大角度位置速比大一些，以减小转向力。由于循环

球式转向器可实现变速比，应用正日益广泛。通过大量钢球的滚动接触来传递转向力，具有较大的强度和较好的耐磨性。并且该转向器可以被设计成具有等强度结构，这也是它应用广泛的原因之一。

齿轮齿条式转向器的主要优点：结构简单、紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器的质量比较小；传动效率高达90%；齿轮与齿条之间因磨损出现间隙后，利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧，能自动消除间隙，这不仅可以提高转向系统的刚度，还可以防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用体积小；制造成本低[3]。

基于以上调查和转向器的优点，循环球式转向器和齿轮齿条式转向器将是以后转向器的发展的趋势和潮流。

1.5设计的主要内容

汽车工业已经成为我国国民经济的支柱产业之一。随着我国汽车工业强调进行自主开发，汽车产品的设计、分析、实验技术等都日益受到重视。为了培养汽车零部件设计方向的专业学生利用所学的基础理论知识解决实际工程问题能力，做了这次毕业设计，这对于培养他们的实际工作能力是很重要的。

题目所涉及到的知识都是汽车机械设计的知识，所要求完成的零件的结构、、设计、方法都是很实用的，并且在相当远的未来也是适用的。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。

本次设计的内容来源于本田锋范2014款1.5L手动精英版，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，同时参考同类车型的转向系统，将该车的转向系统设计为一款机械式转向系统，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：第一步对所选的转向器总成进行剖析；第二部利用所学的知识对总成中的零部件进行力学分析和分析；第三步对分析中发现的不合理的设计进行改进

2 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：本田锋范2014款1.5L手动精英版

驱动方式：前置前驱

整备质量(Kg)：1130

满载轴荷(Kg)：前轴:760 后轴：745

发动机最大扭矩(Nm/rpm)：145/4800

发动机功率(Kw/rpm)：88/6600

轴距(mm)：2550

前轮胎规格：185/60R15 84H 后轮胎规格：185/60R15 84H

转向节臂长：200mm

设计要求：

转向系是用来保持或者改变汽车行使方向的机构，包括转向操纵机构（转向盘、转向上、下轴、）、转向器、转向传动机构（转向拉杆、转向节）等。转向系统应准确，快速、平稳地响应驾驶员的转向指令，转向行使后或受到外界扰动时，在驾驶员松开方向盘的状态下，应保证汽车自动返回稳定的直线行使状态。

一般来说，对转向系统的要求如下：

转向系传动比包括转向系的角传动比（方向盘转角与转向轮转角之比）和转向系的力传动比。在转向盘尺寸和转向轮阻力一定时，角传动比增加，则转向轻便，转向灵敏度降低；角传动比减小，则转向沉重，转向灵敏度提高。转向角传动比不宜低于15-16；也不宜过大，通常以转向盘转动圈数和转向轻便性来确定。一般来说，轿车转向盘转动圈数不宜大于4圈，对轿车来说，有动力转向时的转向力约为20—50；无动力转向时为50—100N[4]。

转向轮应具有自动回正能力。转向轮的回正力来源于轮胎的侧偏特性和车轮的定位参数。汽车的稳定行使，必须保证有合适的前轮定位参数，并注意控制转向系统的内部摩擦阻力的大小和阻尼值。

转向杆系和悬架导向机构共同作用时，必须尽量减小其运动干涉。应从设计上保证各杆系的运动干涉足够小。

转向器和转向传动机构的球头处，应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。

转向轴和转向盘应有使驾驶员在车祸中避免或减轻伤害的防伤机构。

汽车在作转向运动时，所以车轮应绕同一瞬心旋转，不得有侧滑；同时，转向盘和转向轮转动方向一致。

当转向轮受到地面冲击时，转向系统传递到方向盘上的反冲力要尽可能小在任何行使状态下，转向轮不应产生摆振。

机动性是通过汽车的最小转弯半径来体现的，而最小转弯半径由内转向车轮的极限转角、汽车的轴距、主销偏移距决定的，一般的极限转角越大，轴距和主销偏移距越小，则最小转弯半径越小。

转向灵敏性主要通过转向盘的转动圈数来体现，主要由转向系的传动比来决定。操纵的轻便性也由转向系的传动比决定，但其与转向灵敏性是一对矛盾，转向系的传动比越大，则灵敏性提高，轻便性下降。为了兼顾两者，一般采用变传动比的转向器，或者采用动力转向，还有就是提高转向系的正效率，但过高正效率往往伴随着较高的逆效率。

转向时内外车轮间的转角协调关系是通过合理设计转向梯形来保证的。对于采用齿轮齿条转向器的转向系来说，转向盘与转向轮转角间的协调关系是通过合理选择小齿轮与齿条的参数、合理布置小齿轮与齿条的相对位置来实现的，而且前置转向梯形和后置转向梯形恰恰相反。

转向轮的回正能力是由转向轮的定位参数（主销内倾角和主销后倾角）决定的，同时也受转向系逆效率的影响。选取合适的转向轮定位参数可以获得相应的回正力矩，但是回正力矩不能太大又不能太小，太大则会增加转向沉重感，太小则会使回正能力减弱，不能保持稳定的直线行驶状态。转向系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。

合理的选择转向梯形的断开点可以减小转向传动机构与悬架导向机构的运动干涉。

2.2转向器总体方案设计

2.2.1转向器设计方案说明

因为这一次选择的转向器，已经是确定的齿条式转向器，所在在方案的确定上面，更多的是选择齿轮齿条式转向器的输入输出形式、齿轮齿条的齿形与齿条断面的形状的选择，所以在方案的对比上面，主要对比各种输入输出形式的优缺点、齿轮齿条的齿形在转向器上的影响与优缺点和各种齿条断面适用的范围等，还有就是说明转向器的各种布置形式。通过对输入输出形式的对比，选择在保证了转向器性能的基础上尽量的选择制造成本低与制造简单的原则来选择一种最

好的输入输出形式；齿轮齿条的齿形的选择，根据重合度，与转向器在各种环境下工作时的反应，比如平稳性，噪音等因素来作出最后的选择；齿条断面的形状，主要根据的时，制造的成本与制造的难道，然后再分析它所受到的力所产生的各种影响来考虑，最终选择一种比较合理的断面形状。

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[5]

根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式：中间输入，两端输出（图2.1a）、侧面输入，两端输出（图2.1b）、侧面输入，中间输出(图2.1c)、侧面输入，一端输出(图2.1d)。

图2.1 齿轮齿条转向器输入输出形式

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），由于转向拉杆长度受限制，容易与悬架系统导向机构产生运动干涉。但其结构简单，制造方便，且成本低等特点，常用于小型车辆上。

采用侧面输入，中间输出方案时，由（图2.1c）可见，与齿条固连的左、右拉杆延伸到接近汽车车轮对称平面附近。由于拉杆长度增加，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。拉杆与齿条用螺栓固定连接，因此，两拉杆与齿条同时向左或向右移动，为此在转向器壳体上开有轴向的长槽，从而降低了它的强度。

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

如果齿轮齿条式转向器采用直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合重合度不高，则运

转平稳性降低，冲击力大，工作噪声增加。此外，齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角只能是直角，为此，因与总体布置不适应而遭淘汰。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。因为斜齿工作时有轴向力作用，所以转向器应该采用推力轴承，斜齿轮的滑磨比较大是它的缺点[6]。

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2.2a）、V形（图2.2b）和Y形（图2.2c）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，以减少滑动摩擦。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形和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2.2 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2.3）所示：转向器位于前轴后方，后置梯形（图2.3a）；转向器位于前轴后方，前置梯形（图2.3b）；转向器位于前轴前方，后置梯形（图2.3c）；转向器位于前轴前方，前置梯形（图2.3d）。

图2.3 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。装载量不大、前轮采用独立悬架的货车和客车也用齿轮齿条式转向器[7]。

2.2.7转向器最终方案确定

综合上面的种种比较，考虑到制造难度与成本，最终在输入与输出形式上选择了结构简单、制造方便、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[14]。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。

3 转向器齿轮齿条设计计算过程

3.1转向轮侧偏角计算[8]

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 2—2.5倍。此轻型车的轴距为2550mm ，最小转弯半径R min 取5100mm 。分析如(图3-1)所示。

图3.1 转向轮侧偏角分析图 arcsin()L R a α=-

（3.1） 式中：α―转向轮外轮转角；

a ―主销偏移距，该值一般取-10—30mm, 设计取20mm ；

L ―汽车轴距。

arcsin()L R a α=-=2550arcsin()30510020

=- （3.2） 查得对应的最大内轮转角037=β，其综合转角为0

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3.2转向器原地转向阻力矩计算

为了保证行驶安全，组成转向系的各零件应有足够的强度。欲验算转向系零件的强度，需首先确定作用在各零件上的力。影响这些力的主要因素有转向轴的负荷、路面阻力和轮胎气压等。为转动转向轮要克服的阻力，包括转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内摩擦阻力等。

精确地计算出这些力是困难的。为此用足够精确的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M R （N·mm ）[9]。

轮胎上的原地转动的阻力矩由经验公式得

p

G f M R 313= （3.3） 式中：f —轮胎和路面间的滑动摩擦因素，一般取0.7；

1G —为转向轴负荷（N ）；取前轴满载760kg ；

p —为轮胎气压（MPa ）。取0.2MPa (一般为0.2~0.24MPa )。 p G f M R 313

==335.625N.m （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

转向系的传动比由转向系的角传动比w i 和转向系的力传动比p i 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2w F 与作用在方向盘上的手力h F 之比称为力传动比p i 。

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w i 。它又由转向器传动比w i 转向传动装置角传动比'w i 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4n =圈，转向盘直径375sw D mm =，+=90%η转向正效率 转向节臂长1L =200mm 。

角传动比为

360436020.87()(3732)

W w K n i ωωαβ⨯⨯︒====+︒+︒ （3.5） 作用在方向盘上的力

2233562595.2937520.870.9

R h SW M F N D i ωη+⨯===⨯⨯ （3.6） 由公式

2h h SW M F D =

（3.7） 101.2540020249.96=20.25N m 22

h SW h F D M N mm ⨯===⋅⋅（3.8） 力传动比与转向系角传动比的关系

2w

p h

F i F =

（3.9） 而W F 和作用在转向节上的转向阻力矩R M 有以下关系

w 1

F R

M L =

(3.10) 作用在方向盘上的手力h

F 可由下式表示

2h

h SW

M F D =

（3.11）则力传动比为

1

R sw

p h M

D i M L =

(3.12) 又因为

w

R

wo h k

M i M ωηω+==

（3.13）由此力传动比

13750.9

20.8717.60922

200sw p w D i i L η

+

⨯=⋅=⨯=⨯

（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，齿轮的基圆直径也为无穷大，根据渐开线的形成过程可知，此时渐开线就变成了直线。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。齿条上各齿同侧的齿廓是平行的，所以在任何与分度线平行的直线上，周节都相等。

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。当左旋小齿轮与右倾齿条相啮合而且齿轮螺旋角β1与齿条倾斜角β2角相等时，则轴交角θ=0°；若β1＞β2，则θ=β1－β2；若β1＜β2，则θ=β1－β2为负值，表示在齿条轴线的另一侧。当右旋小齿轮与右倾齿条或左旋小齿轮与左倾齿条相啮合时，其轴交角均为θ=β1+β2。

齿轮与齿条啮合传动时，齿轮的节圆始终与其分度圆重合。当小齿轮轴线与齿条轴线不垂直时，小齿轮齿廓与齿条齿廓间的接触为点接触，轮齿所受的压强较大，产生的接触应力也比较大，轮齿磨损很快，所以齿轮齿条转向器的传动比不能太大[15]。

齿轮齿条传动的传动比只与齿条的齿倾角、小齿轮的法向模数和小齿轮的齿数有关。在设计时，只要合理的选取这几个参数就可以获得需要的传动比。但是小齿轮的模数不能太小，否则会使齿条齿廓在啮合时啮合点离齿顶太近，齿根的弯曲应力增大，易产生崩齿。同时小齿轮的变位系数不能太大，否则会造成齿条齿顶平面与小齿轮齿根圆柱面的间隙过小，对润滑不利，而且容易造成转向器卡死的现象。