汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)

毛圣　曠水章　王虎

摘 要：汽車轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系構(gòu)成的關(guān)鍵零件，也是汽車的重要組成部分，更是決定汽車主動(dòng)安全性的總成，它的質(zhì)量好壞嚴(yán)重影響到駕駛員的操縱穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)向軸以齒輪齒條傳動(dòng)方式帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。它有結(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，轉(zhuǎn)向速度快，傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，它還可以最大程度的提升轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向幅度。本文基于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)研究，對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過計(jì)算得出其安全性、可靠性大幅提升。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向器 齒輪齒條 設(shè)計(jì)計(jì)算

Design of Automobile Rack and Pinion Steering Gear

Mao Sheng Kuang Shuizhang Liu Xiang

Abstract：Automobile steering gear is a key part of the steering system and an important part of the automobile. It is the assembly that determines the active safety of the automobile， whose quality seriously affects the steering stability of the driver. The steering shaft drives the steering wheels in a rack-and-pinion drive to achieve steering. It has the advantages of compact structure， low cost， fast steering speed and high transmission efficiency. At the same time， it can also maximize the steering range of the steering wheel angle. Based on the research of rack-and-pinion steering mechanism， this paper optimizes the structure of the transmission mechanism， and calculates that its safety and reliability are greatly improved.

Key words：steering gear， rack and pinion， design calculation

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車前輪驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向輕量化等方面成為汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。齒輪齒條式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠極大可能地滿足汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)輕量化的設(shè)計(jì)要求。通過不斷改進(jìn)齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)逆?zhèn)鲃?dòng)效率、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可變傳動(dòng)比等關(guān)鍵技術(shù)的突破使得齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在輕型轎車、客車等方面得到廣泛應(yīng)用。

齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器主體結(jié)構(gòu)為齒輪、齒條、殼體等零部件構(gòu)成。與其它轉(zhuǎn)向器相比：齒輪齒條式換向器主要有結(jié)構(gòu)輕量化、整體部件少、傳動(dòng)效率高、制造成本低等優(yōu)點(diǎn);同時(shí)，通過彈簧連接的方式減小轉(zhuǎn)向齒輪與轉(zhuǎn)向齒條間的間隙，提升轉(zhuǎn)向器連接部件間的強(qiáng)度與剛度，提升汽車運(yùn)行的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。

1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器

1.1 轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)與原理

目前，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)普遍采用側(cè)面輸入，中間輸出方案;欄桿固定在齒條附近，末端延伸至汽車質(zhì)心附近;通過拉桿左右搖擺，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向軸的做頭擺動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。有研究表明：隨著拉桿長度的不斷增加，車輪在懸架上下擺動(dòng)的過程中會(huì)減小拉桿擺角的擺動(dòng)，從而減小汽車在轉(zhuǎn)向或者向下行駛過程中轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與懸架系統(tǒng)間可能的相互干涉。

而另外一種常用的結(jié)構(gòu)為兩端輸出，轉(zhuǎn)向拉桿長度限制在一定范圍內(nèi)的。研究表明：較短的拉桿長度容易引起懸架系統(tǒng)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干擾。

1.2 轉(zhuǎn)向齒條

轉(zhuǎn)向齒條主要為齒條端面設(shè)計(jì)，目前主要有圓形斷面齒條、V型斷面齒條和Y型斷面齒條和圓形斷面齒條，目前常用的為V型或者Y型端面，其優(yōu)點(diǎn)在于所消耗的材料要少，大概會(huì)節(jié)約20%左右，質(zhì)量也小，位于齒下面的兩斜面與齒條托座相互接觸之后，可以用來防止齒條繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng);如果Y型的斷面齒條的齒寬可以做的再寬一些的話，就可以有效的增加強(qiáng)度。一種由堿性材料（如聚四氟乙烯）制成的墊圈通常都是安裝在齒條和托架之間以減少滑動(dòng)摩擦（圖1）。

2 齒輪的設(shè)計(jì)

2.1 齒輪參數(shù)的選擇

選用7級(jí)精度

齒輪材料選擇：

小齒輪：16MnCr5? ? 滲碳淬火? 齒面硬度 56-62HRC

大齒輪：45鋼? ?表面淬火? 齒面硬度50-56HRC

2.2 齒輪齒根彎曲應(yīng)力校核

本文采用表1所示的齒輪材料，將材料特征參數(shù)代入相應(yīng)計(jì)算公式，由于接觸線傾斜對(duì)彎曲強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)影響，故引入螺旋角系數(shù)Yβ，可知：

（1）

可得，=1.5*1000/1.5=1000MPa，所以<

綜上所述，齒輪滿足了設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求。

2.3 齒面接觸疲勞程度的計(jì)算

齒輪的工作載荷

沿著齒面接觸線單位長度上的平均載荷P（單位為N/mm）為

（2）

——作用在齒面接觸線上的法向載荷

——沿齒面的接觸線長，單位mm

接觸線單位長度上的最大載荷為

（3）

——載荷系數(shù)

載荷系數(shù)包括：使用系數(shù)，動(dòng)載系數(shù)，齒間載荷分配系數(shù)以及齒向載荷分布系數(shù)，即

使用系數(shù)是考慮齒輪嚙合時(shí)外部領(lǐng)接裝置引起的附加動(dòng)載荷影響的系數(shù)。

動(dòng)載系數(shù)，因?yàn)辇X輪傳動(dòng)制造和裝配誤差是不可避免的，齒輪受載后還要發(fā)生彈性變形，因此引入了動(dòng)載系數(shù)。

齒間載荷系數(shù)

齒輪的制造精度7級(jí)精度

/mm

3 齒條的設(shè)計(jì)

3.1 齒條參數(shù)的選擇

材料的選擇

45鋼? ? ?調(diào)制處理 229-286HBS

3.2 齒條桿部正應(yīng)力校核

齒條桿部的拉應(yīng)力為：

//

——齒條受到的軸向力

——齒條根部截面積，

抗拉強(qiáng)度極限是/，（沒有考慮熱處理對(duì)強(qiáng)度的影響）。

因此<，

所以，齒條設(shè)計(jì)滿足抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3.3 齒條齒部彎曲應(yīng)力校核

單齒彎曲應(yīng)力：

） ? ? ? ? ? （4）

公式中：——齒條齒面切向力

——危險(xiǎn)截面處沿齒長方向齒寬

——齒條計(jì)算齒高

——危險(xiǎn)截面齒厚

從上面條件可以計(jì)算出齒條牙齒彎曲應(yīng)力：

/

齒部彎曲安全系數(shù)：

4 部件的選擇與計(jì)算

4.1 齒輪軸承的選擇

查《機(jī)械工程及自動(dòng)化設(shè)計(jì)手冊(cè)》

選擇NA4901滾針軸承，內(nèi)徑12mm，外徑26mm，寬度13mm，基本額定動(dòng)載荷Cr=96kN，基本額定靜載荷Cor=108kN，極限轉(zhuǎn)速大概為190000r/min。

選擇6204深溝球軸承，內(nèi)徑20mm，外徑47mm，高度14mm，基本額定動(dòng)載荷Cr=158KN，本額定靜載荷Cor=7.88KN，極限轉(zhuǎn)速大概是2000r/min。

4.2 齒輪軸的設(shè)計(jì)與校核

本文中齒輪軸的材料也選用材料制造并經(jīng)滲碳淬火。相應(yīng)特征參數(shù)為：材料的硬度為，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/。

根據(jù)公式

作用在齒輪齒條上的阻力矩為，作用在

軸向力為

作用在齒輪上的切向力為

所以采用整體式齒輪軸設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語

本文選擇斜圓柱齒輪與齒條嚙合方式作為本文的具體研究對(duì)象，通過研究齒輪齒條的匹配，以及各部件的精確設(shè)計(jì)與計(jì)算，以滿足汽車轉(zhuǎn)向器強(qiáng)度要求和正確傳動(dòng)比，從而實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性和靈敏性。

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳科學(xué)研究?jī)?yōu)秀青年項(xiàng)目（18B560）

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