齿轮齿条转向器设计计算说明书.docx
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齿轮齿条转向器设计计算说明书
车辆工程课程设计任务书
1．课程设计题目：
汽车齿轮齿条式转向器设计及零件加工工艺制定
2．课程设计目的：
此课程设计是《汽车设计》、《汽车制造工艺学》课程教学重要实践环节，其目的是：
1）培养学生理论联系实际的设计思想，巩固和加强所学的相关专业课程的知识；
2）熟悉和掌握车辆设计和制造工艺制定的一般过程和方法，提高综合运用所学的知识进行车辆设计与制造的能力；
3）熟练掌握和运用设计资料（指导书、图册、标准和规范等）以及经验数据进行设计的能力，培养学生机械制图、设计计算和编写技术文件等的基本技能。
3．课程设计时间：
2010年8月30日~2010年9月23日（4周）
4．整车性能参数：
车型：
一汽佳宝（面包车）
基本参数（网络搜索得到）：
名称
轴距L
前轮距L1
后轮距L2
最小转弯半径R
数值
2500mm
1350mm
1360mm
4600mm
名称
车长
车宽
车高
车质量
数值
3930mm
1585mm
1857mm
1123kg
5．汽车齿轮齿条式转向器设计的基本要求：
1）技术参数：
线角传动比：
41.8mm/rad
齿轮法向模数：
2.2
方向盘总圈数：
3.5
齿条行程：
61.5mm
2）设计要求：
仅设计转向器部分。
6．齿轮齿条式转向器的零件加工制造工艺部分的要求零件名称：
齿轮
1）生产纲领：
1000~10000件，生产类型：
批量生产；应保证零件的加工质量，尽量提高生产率和降低消耗率。
2）尽量降低工人的劳动强度，使其有良好的工作条件；在充分利用现有生产条件的基础上，采用国内外先进工艺技术；主要的工艺要进行必要的分析论证和计算。
7．提交的文件资料：
1）装配图1张（A1）、零件图2张（A3）；
2）零件毛配图1张（A3）；
3）零件加工工艺过程卡片1套、零件加工工序卡片1套；
4）课程设计说明书1份（20页左右）（A4）。
一．齿轮齿条转向器的优缺点：
齿轮齿条转向器是由转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。
优点：
结构简单、紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器质量比较小，传动效率高达90%；齿轮与齿条之间因磨损而出现间隙后，利用装在齿条背部的、靠近主动小齿轮的处的压紧弹簧能自动消除间隙，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，没有转向摇臂和直拉杆，所以转向转角可以增大，制造成本低。
缺点：
齿轮齿条转向器因逆效率高（60%~70%），汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间冲击力的大部分能传至方向盘，称之反冲现象。
反冲会使驾驶员精神紧张，并难以准确控制汽车的行驶方向，转向盘突然转动又会造成打手，同时对驾驶员造成伤害。
二．齿轮齿条转向器的输入形式及特点：
1．侧面输入，中间输出：
与齿条固连的左右拉杆延伸到接近汽车纵向对称平面附近，由于拉杆长度增加，车轮上下跳动时拉杆摆角减小，有利于减少车轮的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连在一起，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，从而降低了他的强度。
2．采用两端输出方案时，由于转向拉杆长度受到限制，容易与悬架系统导向机构产生运动干涉。
3．侧面输入，一端输出的齿轮齿条转向器，常用在平头车上。
齿轮齿条转向器采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合，增加运转平稳性，降低冲击和噪声。
齿条断面有圆形、V形和Y形三种。
圆形断面制造简单；V形和Y形节约材料，质量小而且位于齿条下面的两斜面与齿条托坐接触，可以用来防止齿条绕轴线转动。
三．齿轮齿条转向器计算载荷的确定。
1、引言：
为了保证行驶安全，组成转向器的各零部件有足够的强度，欲验算转向器各零件的强度，首先需要确定各零件所承受的力及扭矩，影响这些力的主要因素为轴向载荷、路面阻力和轮胎胎压等。
为转动各转向轮需克服阻力，包括主销传动阻力和车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中各摩擦阻力等。
2、用半经验公式来计算汽车在沥青路面上的原地转向力矩MR=
①
式中：
f：
轮胎与地面间滑动阻力系数
G1：
转向轴负荷，N
P：
轮胎气压，MPa
将查资料所得数值：
胎与地面间滑动阻力系数f=0.7；
整车整备质量m=1123kg；
该车容纳乘客数6人；
每人质量约60kg；
前置后驱转向轴负荷率为55%。
G1=（1123+60×6）×9.8×55%
=7993.37N
将数据代入①式中，得：
MR=
=372869.33N.mm
3.转向器角传动比iw的计算：
sinα=
=
②
式中：
L：
汽车轴距，2500mm
R：
汽车最小转弯半径，4600mm
将数据代入②式，得：
α=32.92。
tanβ=
③
式中：
L：
汽车轴距，2500mm
R：
汽车最小转弯半径，4600mm
B：
前轮轮距，1350mm
将数据代入③式，得：
β=44.87。
角传动比iw=
④
式中：
ωw：
转向盘转角（速度），3.5×360。
ωk：
转向轮转角（速度），α+β=77.79。
将数据代入④式中，得：
iw=16.2
4.根据MR计算转向盘上的手力Fh：
Fh=
⑤
式中：
L1：
转向摇臂长度，mm
MR：
原地转向阻力矩，372869.33N.mm
L2：
转向节臂长度，mm
Dsw：
转向盘直径，设计为320mm
iw：
转向器角传动比，16.2
η+：
转向器的正效率，90%
由于齿轮齿条转向器无转向摇臂和转向节臂，故不代入数值。
将数据代入⑤式，得：
Fh=159.84N
5.转向盘扭力矩Tz：
Tz=
⑥
式中：
Fh：
转向盘上的手力，159.84N
Dsw：
转向盘直径，设计为320mm
将数据代入⑥式，得：
Tz=25574N.mm
6．转向横拉杆直径的计算：
d
⑦
式中：
MR：
原地转向阻力矩，372869.33N.mm
L1：
前轮距1350mm
[σ]:
材料许用应力216MPa
将数据代入⑦式，中：
d
4.04mm
7．主动齿轮轴的计算：
d
⑧
式中：
Mn：
方向盘扭矩，25574N.mm
[τ]：
材料许用切应力，140MPa
将数据代入⑧式，得：
d
9.30mm
四．齿轮齿条式转向器的齿轮的设计：
线角传动比：
41.8mm/rad
齿轮法向模数：
2.2
方向盘总圈数：
3.5
齿条行程：
61.5mm
齿轮齿条式转向器若用直齿圆柱齿轮则会使运转平稳性降低、冲击大、噪声增加。
故齿轮齿条式转向器的齿轮多采用斜齿圆柱齿轮。
齿轮的模数取值范围在2~3mm之间。
主动小齿轮齿数在5~7个范围变化，压力角取值200，齿轮螺旋角多为90~150,。
设计齿轮模数mn1=2.2
设计齿轮齿数z1=6
设计齿轮压力角α1=200
斜齿圆柱齿轮直径d=mn1z1/cosβ
五．齿轮齿条式转向器的齿条的设计：
相互啮合的齿轮的齿距p1=πmn1cosα1和齿条的齿距p2=πmn2cosα2必须相等。
即：
πmn1cosα1=πmn2cosα2
设计齿条的模数：
mn2=2.25
计算出齿条的压力角为：
α2=23014‘50’‘
六．齿轮齿条式转向器的综合分析设计及计算：
由《汽车设计课程设计指导书》知道：
转向器转向盘的单位转角增量与齿条位移增量的反比定义为齿轮齿
条转向器的线角传动比。
如图示：
假设齿轮有足够的啮合长度，且齿轮在齿条上滚动而齿条不动的啮合情况，当齿轮啮合一周时，齿轮中心线由O-O位置移动到O‘-O’位置。
这时可以知道AB=πd，齿轮在齿条上移动了AC距离：
AC=ABcosθ=πdcosθ
式中：
θ：
齿轮安装角，（0）
d：
齿轮分度圆直径（mm）
齿轮在垂直于齿条中心线MM的方向上移动了BC距离：
BC=ABsinθ=πdsinθ
在齿条实际工作中是运动的，齿轮只是绕轴承中心线转动，并不移动。
只能是齿条沿其轴线移动，可见BC在实际工作中不存在，从中可知：
CD=BCtanβr
在齿轮转动一周，齿条实际移动距离AD为：
AD=AC-CD=πdcosθ-πdsinθtanβr
式中：
βr：
齿条倾角（0）
AD就是齿轮齿条式转向器的线角传动比：
即：
i=πdcosθ-πdsinθtanβr=
⑨
将设计数据：
i=41.8mm/rad；
d=mn1z1/cosβ；
mn=2.2；
z1=6；
代入⑨式，得：
βr=7.44090
=7026‘27’‘
设计为中间输入，安装角θ=3.50；
将θ=00代入⑨式，得：
β=10.989192410
=10059‘35‘’
齿条的齿数计算z2：
Z2=
式中：
L：
齿条行程，61.5mm
Mn2:
齿条模数，2.25
α2：
齿条压力角，α2=23014‘50’‘
将数据代入
式，得：
z2=18.95；取整数值z2=20
齿轮直径d=mn1z1/cosβ=13.45mm
取齿宽系数Ψd=1.2
齿宽b=Ψd×d=16.2mm
所以齿条宽b2取30mm，即b2=30mm；
齿轮宽b1=b2+10=40mm，即b1=40mm
设计出的齿轮齿条转向器的齿轮齿条参数如下表：
名称
符号
公式
齿轮
齿条
法向模数
mn
-
2.2
2.25
压力角
α
-
200
23014‘50’‘
齿数
Z
-
6
20
分度圆直径
da
d=mn1z1/cosβ
13.45
-
变位系数
xn
-
1
-
齿顶高
ha
ha=ha*×mn
2.2
2.25
齿根高
hf
hf=（ha*+c*-xn）×mn
0.55
2.8125
齿顶圆直径
da
da=d-2×ha
17.85
-
齿根圆直径
df
df=d-2×hf
12.35
-
螺旋角
β
-
10059‘35‘’
7026‘27’‘
齿宽
b
-
40
30
七．齿轮齿条式转向器的材料选择及强度校核：
1．材料选择：
齿轮：
40CrC-N共渗淬火、回火
齿条：
45钢调制处理
2．强度校核：
1）齿轮接触疲劳极限σ校核：
经查《机械设计手册》得：
σHlim=1580MPa
SHlim=1.3
ZN=1.4【接触次数取8×106次，由《机械设计手册》查得】
[σH]=
=
=1701.54MPa
《机械设计手册》查得：
齿轮使用系数：
KA=1.35【原动机轻微冲击，工作机轻微冲击】
齿轮动载系数：
KV=1.05【齿轮IT7级精度】
齿轮齿向载荷分布系数：
Kβ=1.12【非对称布置，齿宽系数Ψd=1.2】
齿轮齿间载荷分配系数：
Kα=1.0【斜齿轮，未经表面硬化，经修齿】
K=KAKVKβKα=1.35×1.05×1.12×1.0=1.5876
齿面接触疲劳强度校核：
σH=ZEZHZεZβ
[σH]
式中：
ZE：
材料弹性系数，189.8
【由《机械设计手册》查得】
ZH：
节点区域系数，2.15【由《机械设计手册》查得】
Zε：
重合度系数，0.94【计算εα=1.165，εβ=0.55，由《机械设计手册》查得】
Zβ：
螺旋角系数，0.99【由《机械设计手册》查得】
U：
齿轮传动比，20:
6=10/3
将数据代入
式，得：
σH=189.8×2.15×0.94×0.99×
=1674.8MPa
σH
MPa
[σH]=1701.54MPa
所以齿轮接触疲劳极限强度符合要求。
2）齿轮弯曲疲劳强度校核：
经查《机械设计手册》得：
σFlim=580MPa
SHlim=1.05
YN=1.25【接触次数取8×106次，由《机械设计手册》查得】
[σF]=
=
=473.5MPa
σF=
YFYSYβYε
YF：
外齿轮的齿形系数2.8【由《机械设计手册》查得】
YS：
外齿轮齿根应力修正系数1.5【由《机械设计手册》查得】
Yβ：
螺旋角系数0.9【由《机械设计手册》查得】
Yε：
重合度系数，0.75【由《机械设计手册》查得】
σF=
YFYSYβYε
=
×2.8×1.5×0.9×0.75
=194.5MPa
σF=194.5MPa
[σF]=473.5MPa
所以齿轮弯曲疲劳强度极限符合要求。
八.齿轮齿条式转向器的受力分析与计算：
若略去齿面间的摩擦力，则作用与节点上的法向力Fn可以分解为径向力Fr和分力F，分力F又可以分为圆周力Ft和轴向力Fa。
受力分析如上图所示：
计算力如下：
Ft=2TZ/d1=2×25574÷13.45
=3803N
Fr=Fttanα/cosβ
=1410.1N
Fa=Fttanβ
=739.2N
式中
α：
齿轮压力角，200
β：
齿轮螺旋角，10059‘35‘’
TZ：
转向盘扭力矩，25571N.mm
d1：
齿轮分度圆直径，13.45mm
九.齿轮轴的设计计算校核：
轴的尺寸如左图示：
对轴的强度进行校核：
经过分析得到：
在xy平面上，
FR1”+FR2”=Fr=1410.1N
FR1”×（7+20）+Fa×
-FR2”×（7+20）=0
在xz平面上，
FR1‘=FR2‘
FR1‘+FR2‘=Ft=3803N
解得：
FR1‘=FR2‘=1901.5N
FR2”=797.2N
FR1”=612.9N
查得40Cr的机械性能：
σB=750MPa
σs=550MPa
σ-1=350MPa
τ-1=200MPa
[τ]=40~50MPa
由《机械设计（第四版）》查得：
σ-1=0.40σB
σ0=1.6σ-1=560MPa
σ-1b=0.41σB=307.5MPa
σ0b=1.7σ-1b=522.75MPa
σsb=1.4σs=770MPa
τ-1=0.30σB=225MPa
τ0=1.4τ-1=280MPa
τs=0.70σB=525MPa
对称循环疲劳极限：
σ-1b=0.41σB=307.5MPa
τ-1=0.30σB=225MPa
脉动循环疲劳极限：
σ0b=1.7σ-1b=522.75MPa
τ0=1.4τ-1=280MPa
等效系数：
Ψσ=
=
=0.1765
Ψτ=
=
=0.61
弯曲应力幅：
σa=σ=
=57678.4÷（0.1×153）
=170.9MPa
平均应力幅：
σm=0
扭转切应力：
τ=
=25574÷（0.2×153）=75.8MPa
扭转切应力幅和平均应力幅：
τa=τm=τ/2=37.9MPa
查得应力集中系数：
kσ=1.95，kτ=1.48，
查得表面状态系数：
β=1.5，
查得尺寸系数：
ετ=0.98，εσ=0.91
安全系数：
设为无限寿命，KN=1
Sσ=
=
=1.26
Sσ=
=10.57
S=
=1.25
[S]
所以轴的安全系数校核符合安全标准。
十．齿轮齿条式转向器间隙调整弹簧的设计计算：
根据《机械设计（第四版）》、《机械设计（修订版）》查得圆弹簧丝的设计计算中：
若设计要求弹簧力为Fmax=650N，最大间隙λmax=8mm，该弹簧在轴径为18mm的轴上工作，外径小于35mm，自由长度小于50mm设计。
假设弹簧丝直径d=5mm；查表得到旋绕比C=4~8，取6；曲度系数k=1.25（圆丝拉压弹簧）；σB=1400MPa；[τT]=0.4σB=560MPa
计算弹簧直径d=1.6
=4.72取5mm；
计算弹簧圈数n=
=2.85，取3加上2圈死圈，共5圈
弹簧外径D=D2+5=35mm
弹簧最小节距Pmin=d+
+δmin
=8.17mm
弹簧在自由状态下的长度H0=np+（n’-n+1）d=39.5mm
所以设计的弹簧符的工作图尺寸数据如下：
弹簧工作图
τs=1.25[τ]=1.25×560=700MPa
弹簧的极限载荷
Flim=
=916N
Fmin=0.9Fmax=585N
弹簧刚度Cs=Gd/8C3n
=80000×5÷（8×63×3）
=77.16N/mm
安装变形量
λmin=Fmin/Cs
=7.58mm
最大变形量
λmax=Fmax/Cs
=8.41mm
极限变形量
λlim=Flim/Cs
=11.9mm
安装高度
H1=H0-λlim=31.92mm
工作高度
H2=H0-λmax=31.09
极限高度
H3=H0-λlim=27.6mm
十一.轴承的选择：
轴承选择6201和6202两个型号
轴承6201，深沟球轴承，内径d=12mm
轴承6202，深沟球轴承，内径d=15mm，外径D=35mm，宽B=11mm基本额定载荷Cr=7.65kN，C0r=3.72kN，脂润滑，极限转速22000r/min
十二.齿轮齿条式转向器的齿轮加工工艺过程：
产品的工艺性：
所设计的产品、零件在满足使用要求的前提下，制造、维修的可行性和经济性。
齿轮齿条式转向器齿轮的机械加工工艺过程卡片
机械加工工艺过程卡片
产品型号
XXXXXX
零件图号
A3
共2页
第1页
产品名称
一汽佳宝
零件名称
齿轮齿条转向器齿轮
材料牌号
40Cr
毛坯种类
铸钢
毛配尺寸
L×d=142×22
每件毛坯可制件数
1
每台件数
1
注备
工序号
工序名称
工序内容
车间
工段
设备
工艺装备
工时
准终
单件
1
铣
铣端面、中心孔
制件车间
铣加工工段
铣端面、中心孔机床
双工位夹具
4
2
车
粗车外圆
制件车间
车加工工段
数控车床
随机夹具
1
3
车
精车外圆
制件车间
车加工工段
数控机床
随机夹具
5
4
车
粗车齿轮圆面
制件车间
车加工工段
数控机床
随机夹具
2
5
车
精车齿轮圆面
制件车间
车加工工段
数控机床
随机夹具
4
6
磨
粗磨轴径
制件车间
磨加工工段
半自动端面外圆磨床
顶尖、卡头
3
7
磨
精磨轴径
制件车间
磨加工工段
半自动端面外圆磨床
顶尖、卡头
4
8
钻
倒角
制件车间
钻加工工段
立式钻床
专用夹具
3
9
钻
倒圆角
制件车间
钻加工工段
立式钻床
专用夹具
2
10
滚齿
滚斜齿圆柱齿轮
制件车间
滚齿工段
数控滚齿机
专用夹具
-
11
车
齿端倒角
制件车间
车加工工段
数控机床
随机夹具
3
机械加工工艺过程卡片
产品型号
XXXXXX
零件图号
A3
共2页
第2页
产品名称
一汽佳宝
零件名称
齿轮齿条转向器齿轮
材料牌号
40Cr
毛坯种类
铸钢
毛配尺寸
L×d=142×22
每件毛坯可制件数
1
每台件数
1
注备
工序号
工序名称
工序内容
车间
工段
设备
工艺装备
工时
准终
单件
12
磨
精磨各轴高要求轴径
制件车间
磨加工工段
半自动端面外圆磨床
顶尖、卡头
5
13
洗
清洗
清洗车间
清洗工段
喷淋式清洗机
专用夹具
5.5
14J
检查
热处理前检查
中检部
中检工段
-
工艺图
7
15
热处理
C-N共渗淬火
工艺车间
淬火工段
-
-
10
16
热处理
回火
工艺理车间
回火工段
-
-
15
17
磨
磨齿
制件车间
磨加工工段
蜗杆砂轮磨齿机
随机夹具
3
18
洗
清洗
清洗车间
清洗工段
通过式清洗机
专用夹具
5
19
喷丸
对齿面强力喷丸
工艺车间
强化处理工段
强力喷丸机
专用夹具
12.5
20
磷化
磷化处理
工艺车间
磷化处理工段
磷化机
随机夹具
15
21J
检查
最终检查
终检部
-
-
-
10
设计日期
审核日期
标准化日期
会签日期
标记
处数
更改文件号
签字
日期
标记
处数
更改文件号
签字
日期
以上为齿轮齿条式转向器齿轮的机械加工工艺过程卡片，工艺过程由本说明书编制者制定，中间疏漏部分希望得到各位浏览者斧正！
工序卡片的工时计算略，请大家参考其他资料完成。
齿轮齿条式转向器齿轮的机械加工工序卡片
（厂名）
机械加工工序卡片
产品型号
XXXXXXX
零件图号
A3
共9页第1页
产品名称
一汽佳宝
零件名称
齿轮齿条转向器齿轮
车间
工序号
工序名称
材料牌号
制件车间
1
铣
40Cr
毛坯种类
毛坯外形尺寸
每毛坯可制件数
每台件数
铸钢
142×22
1
1
设备名称
设备型号
设备编号
同时加工数量
铣端面钻中心孔机床
Z80108
1
夹具编号
夹具名称
切削液
-
随机夹具
-
工位器具编号
工位器具名称
工序工时
准终
单件
4
工步号
工步内容
工艺装备
主轴转速/r/min
切削速度/r/min
进给量/r/min
背吃刀量/mm
进给次数
工步工时
机动
辅助
1
铣端面，保证尺寸在140.1~140.3表面粗糙度Ra=12.5
卡规、卡尺
300
117
0.4
0.4
5
2
钻中心孔，直径Ψ5，表面粗糙度Ra=6.3
中心孔量规
895
33
0.1
设计日期
审核日期
标准化日期
会签日期
标记
处数
更改文件号
签字
日期
标记
处数
更改文件号
签字
日期
齿轮齿条式转向器齿轮的机械加工工序卡片
（厂名）
机械加工工序卡片
产品型号
XXXXXXX
零件图号
A3
共9页第2页
产品名称
一汽佳宝
零件名称
齿轮齿条转向器齿轮
车间
工序号
工序名称
材料牌号
制件车间
2
粗车
40Cr
毛坯种类
毛坯外形尺寸
每毛坯可制件数
每台件数
铸钢
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