摘 要

此次毕业设计是对丰田的一款SUV进行齿轮齿条转向器的设计。我首先对曾在专业课上学的齿轮齿条式转向器的相关知识进行复习，了解它的大致结构和工作原理之后再去图书馆对相关资料进行查阅。通过对齿轮齿条转向器进一步的研究，我知道了不同类型齿轮齿条式转向器的优缺点以及不同类型齿轮齿条式转向器在现代汽车上的应用状况。接着根据车辆数据首先确定转向器的计算载荷以及转向器的主要参数，之后是确定齿轮齿条转向器的总体方案，然后确定齿轮齿条的形式以及它们的相关参数，在以上的设计基础上选择齿轮和齿条的材料，并且进行受力分析来对齿轮齿条安全强度进行校核。之后根据校核结果修正齿轮齿条式转向器中不合理的参数。最后通过对齿轮齿条式转向器的设计参数，选取出合适的标准零件如：螺钉和轴承等。

关键词：齿轮齿条；转向器；参数设计

Abstract

The graduation design is a Toyota SUV rack and pinion steering gear design. I would like to review the relevant knowledge of the gear rack-type steering gear in major courses, understand its general structure and working principle, and then go to the library to access the relevant information. Through the further study of the rack and pinion steering gear, I know the advantages and disadvantages of different types of rack and pinion steering gear and the application of different types of rack and pinion steering gear in modern cars.Then, according to the vehicle data, the calculated load of the diverter and the main parameters of the diverter are determined. Then, the overall scheme of the rack and pinion steering gear is determined.And the form of the rack and the rack and their related parameters are also determined. On the basis of the design, Gears and racks, and force analysis to verify the safety of the rack and pinion. And then correct the irregular parameters of the rack and pinion steering gear according to the checking result. Finally, through the rack and pinion steering gear design parameters, select the appropriate standard parts such as: screws and bearings.

Key Words：gear and rack;steering gear;parameter design

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 转向器的功能及分类 1

1.3 汽车转向器的发展趋势 2

1.4 转向器的国内外现状分析 3

1.5 设计主要内容 5

第2章 齿轮齿条转向器设计方案 6

2.1 选取车辆的整体数据 6

2.2 齿轮齿条转向器总体方案设计 6

2.2.1 总体方案设计说明 6

2.2.2 齿轮齿条转向器的整车布置 6

2.2.3 齿轮齿条式转向器的输出形式 7

第3章 转向系参数确定 9

3.1 转向系计算载荷确定 9

3.2 转向轮侧偏角的计算 9

3.3 转向器传动比的计算 10

第4章 齿轮齿条的设计计算 12

4.1 齿轮齿条形式选择与啮合分析 12

4.2 斜齿圆柱齿轮与直齿齿条的参数设计 12

4.2.1 斜齿圆柱齿轮的参数设计 13

4.2.2 直齿齿条的参数设计 14

4.3 斜齿圆柱齿轮与直齿齿条的疲劳强度校核 15

第5章 齿轮齿条转向器液压设计 18

5.1 液压系统形式的选择 18

5.2 液压系统参数设计 19

5.2.1 计算缸径D_c 19

5.2.2 活塞的设计计算 20

5.2.3 活塞行程的设计 20

5.2.4 动力缸壳体壁厚t的设计计算 20

5.2.5 活塞杆的设计 21

第6章 调整弹簧的参数选择 23

6.1 调整弹簧的材料选择 23

6.2 调整弹簧的钢丝参数选择 23

6.3 调整弹簧的参数选择 24

6.4 调整弹簧工作时的参数 24

6.5 调整弹簧的参数校核 25

第7章 转向器其他零件的选择与润滑方式的确定 26

7.1 轴承的选择 26

7.2 键的选择与校核 26

7.3 齿轮齿条转向器的润滑方式选择 27

第8章 齿轮齿条转向器传动副的ANSYS分析 28

8.1 齿轮的ANSYS分析 28

8.2 齿条的ANSYS分析 30

结论 31

参考文献 32

致谢 34

第1章 绪论

1.1 引言

从我国改革开发放至今，在我们党的领导下我们国家的经济有着长足飞跃的发展，伴随着改革开放经济的发展以及人民生活水平提高，家家户户都开上了小汽车，住进了高楼大厦，不再为温饱而焦虑。而我国的汽车工业，也正是从这时候开始了一往无前的发展，作为汽车底盘几大重要系统之一的转向系统也随着我们国力的提高有着迅捷的发展，但是我们国家在这一方面的技术与国外相比还有着不少差距，所以我们仍需投入大量的人力物力去加紧追赶。

1.2 转向器的功能及分类

根据驱动转向的能源的不同，汽车的转向系统可以分为两大类，其中一类是单纯机械所构成的转向系统，另一类是在纯机械转向系统上增加液压元件或者电动机等助力元件使得转向器工作时有其他动力驱动的转向系统^[1]。这样的话汽车行驶在道路上转弯时所需消耗的能量只有一小部分需要由驾驶员提供，其余所需要的大部分能量是由电动机、液压元件或其他助力装置提供。在传统的机械转向系统中有转向器、转向操纵机构和转向传动机构这三个部分。在汽车转向系统中转向器所起到的的作用是将作用在方向盘上的转向力矩进行放大，而且降低它的传动速度，之后通过转向轴等传到转向直拉杆，使车轮改变一定的角度，来达到根据驾驶员意图改变方向的目的。转向器在整个转向系统中起的功用是减速增矩，它在通常情况下都有一到两个得减速传动副。转向器的传动效率指的是转向器的输出功率与输入功率比值^[2]。当转向器的功率是从转向轴输入，经转向器的减速增矩后，再由转向传动机构输出，这时所得到的传动效率我们称之为正效率；而当转向器的功率的传递方向相反，也就是从转向传动机构开始输入，经转向器增速减矩，最后从转向轴输出所求得的传动效率称之为逆效率。。对于一个转向器来说，我们要求转向器有足够高的正效率，因为足够高的正效率可以使汽车在转向时转向轻便、省力；当然我们也需要有一定的逆效率，因为一定的逆效率可以让汽车转向后自动回正。但是转向器的逆效率也不能太高，这是由于逆效率太高了转向器就会很容易将车轮以及转向机构传递的不平路面反力传递到转向轴和转向盘上，这也就是所谓的打手现象，如果在驾驶汽车时频繁出现打手现象，驾驶员会很容易产生疲劳，从而容易发生交通事故，这是不允许发生的。转向器的可逆性是转向器的逆效率表现，它影响到的不仅仅是汽车整车的操纵稳定性，更会影响驾驶员的乘车舒适性。我们根据转向器逆效率的高低将其分为不可逆式、极限可逆式和可逆式三种。伴随着汽车转向系统的发展，由于不可逆式转向器不能保证车轮的自动回正以及驾驶员没有良好的路感而逐渐被淘汰。其中在现代汽车上应用的绝大多数是可逆式以及极限可逆式的转向器，其中由于可逆式转向器的逆效率过高，所以其大部分应用在行驶在良好路面的车辆上，使得驾驶过程中不会产生打手现象。故此在现代汽车上应用较为广泛的转向器有齿轮齿条式转向器、循环球式转向器、蜗杆曲柄指销式转向器及球面蜗杆滚轮式转向器等几种形式^[2]。因为此次毕业设计要求的是齿轮齿条转向器，在这里就不一一赘述其他的转向器了。

齿轮齿条式转向器是一种最常见的转向器，它的传动副是齿轮和齿条。但是它的转向齿轮一般和转向齿轮轴作为一体，转向齿条通常与转向横拉杆作为一体。它在工作时，由转向轴的旋转运动带动齿条的直线运动使得车轮改变一定的角度。齿轮齿条式转向器之所以应用广泛是因为它的优点有很多：结构简单、体积小，安装布置方便，制造成本低、零件紧凑；转向器外壳采用铝合金或者镁合金压铸形成，这种轻型材料使得转向器整体质量小；而且它的传动效率高；伴随着车辆的使用，当齿轮和齿条之间由于正常磨损而出现间隙时，可以依靠它的自动消除间隙装置消除齿间间隙；除此之外，由于它没有转向摇臂和转向直拉杆，所以可以有大的转向轮转角。但是它也有着一定的缺点，齿轮齿条转向器的逆效率比较高（60%-70%），这使得汽车在行驶过程中，如果遇到不平的路面，路面给车轮的冲击力大部分可以传递至转向盘。这一现象使得驾驶员会精神高度紧张，并且难以掌控汽车的行驶方向，转向盘的突然受力会造成打手，容易对驾驶员产生伤害。

1.3 汽车转向器的发展趋势

汽车的转向系统应该按照驾驶员意图来改变或者保持汽车的行驶方向^[3]。在汽车转向行驶时，转向系统必须能够保证各个转向轮之间有协调的转角关系。转向系统应该保证汽车的转向平稳、准确，而且当汽车碰到障碍物时，转向系统应尽可能少的传递的不平路面给汽车冲击力，以免出现驾驶员打手现象，除此之外它还要有自动回正的功能。