[工学]汽车转向系设计论文 杨端奎 51.doc

学 位 论 文 诚 信 声 明 书本人郑重声明：所呈交的学位论文（设计）是我个人在导师指导下进行的研究（设计）工作及取得的研究（设计）成果。除了文中加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究（设计）成果，也不包含本人或其他人在其它单位已申请学位或为其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究（设计）所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了致谢。申请学位论文（设计）与资料若有不实之处，本人愿承担一切相关责任。学位论文（设计）作者签名： 日期： 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：在校期间所做论文（设计）工作的知识产权属西安科技大学所有。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文（设计）被查阅和借阅；学校可以公布本学位论文（设计）的全部或部分内容并将有关内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存和汇编本学位论文。保密论文待解密后适用本声明。学位论文（设计）作者签名： 指导教师签名： 年 月 日40题目：基于CATIA的某汽车转向系的设计及虚拟样机的实现专业：车辆工程学生：杨端奎 （签名） 指导教师：韩敏 （签名） 摘 要汽车转向系作为汽车的一大重要系统，它主要由转向传动机构、转向器及转向操纵机构三大部分组成。本设计通过CATIA这一建模软件完成了汽车转向系各零部件的建模，如转向器、转向横拉杆、转向轮、转向万向节、转向盘等三十多个零部件；并通过使用CATIA的装配功能完成了对整个转向系三维模型的建立，最后给出了虚拟样机效果图。本设计选题目的在于利用CATIA这一功能强大且在汽车制造行业普遍运用的软件，来实现某类汽车转向系的设计，最终通过此软件来实现汽车转向系虚拟样机的表达，为缩短汽车底盘的制造周期起到一些作用。关键词：转向系 三维建模 虚拟样机Subject: CATIA based on a vehicle steering system design and implementation of virtual prototypeAbstractSteering system of motor vehicle as the car an important system, which is mainly composed of a steering transmission mechanism, a steering gear and a steering mechanism ，three parts. This paper aims at the use of CATIA this powerful and widely used in the automobile manufacturing industry software, to achieve a kind of vehicle steering system design, through the end of this software to realize auto steering system virtual prototype expression, discussion solution of automotive steering system forming technology in some of the problems, shorten the automobile chassis manufacturing cycle, accelerating the development of automobile industry. This article finally through CATIA this modeling software to complete the auto steering system parts modeling, such as steering, steering cross rod, steering wheel, steering universal joint, steering wheel and so on more than 30parts; and finally by CATIA assembly module function completed the entire steering system virtual prototype effect diagram display.Key words: steering system, three dimensional modeling, virtual prototype目 录1绪论11.1 汽车转向系的发展现状21.2本课题所设计的内容及意义31.3本章小结42机械式转向系方案的分析及设计计算52.1 机械式转向系方案分析52.1.1齿轮齿条式转向器52.1.2齿轮齿条式转向系的整车布置62.1.3 转向传动机构62.2机械式转向系几个主要性能参数的分析72.2.1转向器的效率72.2.2转向系的传动比92.2.3转向器传动副的传动间隙112.3齿轮齿条式转向器的设计与计算122.3.1某车车型的整车性能参数122.3.2 转向系计算载荷的计算122.3.3原地转向阻力矩的计算122.3.4作用于转向盘上的手力132.3.5齿轮齿条的设计142.4齿条强度的计算182.4.1齿条受力情况的分析182.4.2齿条杆部受到抗拉强度的计算202.4.3齿条齿部弯曲强度的计算202.5主动齿轮齿面接触疲劳强度校核212.6齿轮轴强度的校核242.6.1轴的受力分析242.6.2判断危险截面262.6.3轴的疲劳强度安全系数校核262.7本章小结273转向系的结构建模及装配283.1建模软件CATIA V5R20及其主要特点的介绍283.2齿轮齿条式转向系部分零部件的实体建模293.2.1齿轮齿条式转向器之齿轮轴的建模介绍293.2.2齿条313.2.3转向器齿轮齿条箱323.2.3转向系其他零部件展示323.3齿轮齿条式转向系的装配353.3.1装配的基本过程353.3.2最后装配好的转向系模型如下图示363.4本章小结374总结375致谢39参考文献401绪论转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。机械转向系依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转向器和转向机构使转向轮偏转。有些汽车还装有防伤机构和转向减震器。采用动力转向的汽车，还装有动力系统，并借助此系统来减轻驾驶员的手力1。汽车转向系统的类型及组成形式为，按转向能源可分为机械转向和动力转向系统两类。在这里，由于时间及能力所限，本课题主要设计的是机械式转向系统，所谓机械转向系统，它是以驾驶员的手力为主要转向动力，无液压或电动动力转向辅助，主要由转向操纵机构、转向器、转向传动机构三个部分组成。转向操纵机构主要是指从转向盘到转向器之间的一系列零部件，而转向传动机构则是指由转向器到转向节（不含转向节）之间的一系列零部件。转向器这里选择常用且性能较优异的齿轮齿条式转向器，顾名思义，它是由与转向轴做成一体的转向齿轮，及常与横拉杆做成一体的齿条组成。对转向系设计所提出的要求：1)汽车在转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，所有车轮不应有侧滑。（此要求如果不满足，将会加速车轮轮胎的磨损，同时降低汽车的行驶稳定性。）2)汽车在完成转向行驶动作后，在驾驶人松开转向盘时，转向轮能够自动返回到直线行驶位置，并且能够稳定行驶。3)汽车在任何行驶状态下，转向盘没有摆动，转向轮不能产生自震。4)悬架导向机构与汽车转向传动机构同时工作时，二者运动不协调所产生的车轮摆动现象应最小。5)操纵轻便。6)保证汽车具有迅速和较小的转弯行驶能力，即具有高的机动性。7)转向轮传给转向盘的反冲力应尽可能的小。8)转向器与转向传动机构的球头销处，有能够消除因磨损产生间隙的调整机构。9)转向传动机构中应具有能够保证驾驶者免受或减轻伤害的防伤装置。10)应进行运动校核保证转向轮与转向盘运动方向的一致2。虚拟样机技术（VPT,VIRTUAL PROTOTYPING TECHNOLOGY)是一种基于产品的计算机仿真模型的数值化设计方法。它主要以机械系统运动学，动力学、控制理论为核心，以成熟的计算机三维图形技术（本文主要采用CATIA软件进行建模与仿真）和用户界面技术为基础，将分散的零部件设计和分析控制技术融合在一起，产生一个更加全面的产品设计解决方案，它可以通过设计中心的反馈信息不断对设计进行指导设计，保证产品设计的寻优开发，从而缩短产品开发进程3。1.1 汽车转向系的发展现状改革开放以来，我国汽车行业发展迅猛。转向系统作为汽车关键部件之一也得到了相应的发展，专业化、系列化的生产局面也基本形成。网上资料可知，国外有很多国家的转向器厂，都已发展成大规模的专业生产厂家，产量年产超过百万台，垄断了转向的生产，并且销售系统也实现了全球化。随着汽车工业的迅速发展，转向装置的结构变化很大。从目前的使用情况来看，普遍使用的转向器类型主要有四类：蜗杆指销式（WP型）、蜗杆滚轮式（WR型）、偱环球式（BS型）、齿轮齿条式（RP型）等。此四种种类的转向器应用较为广泛，据资料显示，在世界范围内，偱环球式汽车转向器占45%左右，齿轮齿条式转向器占40%左右，蜗杆滚轮式转向器占据10%左右，其他类型的转向器则占据约5%。日本市场中，偱环球式转向器的比重越来越大，在装备不同发动机的各类车型中，采用不同类型的转向器，公共汽车中使用的循环球式转向器的比例已由六十年代的62.5%发展到了100%。大小型货车都采用了循环球式转向器，但齿轮齿条式也有所发展，微型货车中，齿轮齿条式转向器占据35%的比例。 液压动力转向系统的应用，是汽车转向系统发展的历程碑。1953年通用汽车公司率先使用了液压动力转向系统，此后该技术迅猛发展，使得动力转向系统在体积、功率消耗、价格方面都得到了很大的进步。80年代后期，出现了变减速比的压力助力转向系统。在接下来的数年里，关于动力转向系的发展革新主要还是集中在液压助力转向这块，有代表性的为变流量泵液压助力转向系统（VDPSP)及电动液压助力转向系统（EHPS)。变流量泵助力系统在汽车处于比较高的车速时或者无需转向情况下，由于泵的流量会相应的减少，从而利于减少不必要的功耗。电动液压助力转向系统，由于电机转速可调，能够随时关闭，故也能够起到减少功耗的作用。电动助力转向系统（EPS)，最先在日本得到应用，1988年日本的铃木汽车公司开发出了一种全新的电子控制式电动助力转向系统，应用于其生产的CERVO车上，随后又应用于ALTO上。此后美国的DELPHI公司，英国的LUCAS公司，德国的ZF公司相继研发出自己的EPS产品4。助力转向系统经过几十年的发展，技术渐臻完善。今后，电动助力转向系统必将进一步成熟。而所谓的线控技术将是此行业发展研究的方向。具体来讲，转向系统主要在传感器技术、控制策略、助力电机等方面进一步发展。值得一提的是，对于纯机械式转向系统，其结构简单、工作可靠、造价低廉，目前在一部分转向操作力不大，对于操作性能要求不高的微型汽车、农用车上仍被使用，本文就是针对纯机械式转向系对其进行建模与仿真研究。1.2本课题所设计的内容及意义本设计主要是对纯机械式转向系进行设计，并通过在汽车行业应用广泛的三维建模软件CATIA对其进行三维建模，完成转向系的三维图。这里选择四类转向系中的齿轮齿条式转向系进行研究，这是由于齿轮齿条式转向器具有：1）结构简单紧凑；2）转向器壳体通常由铝合金或者镁合金压铸而成，因此转向器的质量较轻；3）其传动效率较高，能够达到90%；4）齿条背部由于装有调节弹簧，因此在齿轮齿条间因磨损出现间隙时，它能够自动进行调节，以消除齿间间隙；5）齿轮齿条式转向器由于没有转向摇臂及直拉杆，故其占用体积更小，且转向轮转角可以增大；6)最后重要的就是其制造成本低5。本设计参考传统机械式转向系的设计对齿轮齿条式转向系进行设计与建模的步骤具体如下：（1） 转向系方案的确定与主要参数的确定。转向系方案的选择主要包括转向系结构的布置形式，转向器的整车布置的选择。我们必须明确整车的形式及总的布置方案，如车头采用的样式，发动机的位置，悬架选择的形式，转向器位置、倾角，梯形结构的样式等的特点，从而决定转向盘、转向柱、转向器、转向梯形的结构样式的选择。转向系在设计前首先应确定一些主要参数，如传动比、计算载荷等，以便为各部件的设计提供依据。（2）利用三维建模设计软件CATIA对齿轮齿条式转向系的各个零部件进行实体建模。（3）零部件三维模型设计完成后，对其进行装配，得到转向系的三维模型。汽车转向系作为汽车的一大重要系统，本文选题目的在于利用CATIA这一功能强大且在汽车制造行业应用广泛的设计软件，来实现某类汽车转向系的设计，最终实现汽车转向系虚拟样机的形成。实践表明，采用CATIA等设计软件完成汽车的设计研发制造，可以获得较高的模型质量，提高效率，是一种行之有效的方法。具有重要的实际意义及较高的应用价值。1.3本章小结本章首先进行了汽车转向系一些基本情况的介绍，包括结构及其优缺点；其次介绍了各个类型的转向系在市场的应用情况，在汽车行业中使用的比例；最后表明了本课题所设计的内容及选题的意义。2机械式转向系方案的分析及设计计算2.1 机械式转向系方案分析本设计中转向系选用的是齿轮齿条式，下面为对其情况的介绍2.1.1齿轮齿条式转向器齿轮齿条式转向器因其结构简单、质量轻、刚性好、价格低廉使用可靠等特点，近年来在汽车行业中应用广泛，目前除了在轿车上使用外，在赛车、微型、轻型汽车上也得到了推广。目前国内越来越多的车型上也采用了齿轮齿条式转向器，如捷达、桑塔娜、天津夏利等。齿轮齿条式转向器按齿轮位置及输出特点的不同可分为四种形式：中间输入，两端输出；侧面输入，两端输出；侧面输入，中间输出；侧面输入，一端输出。四类转向器的情况介绍如下：侧面输入，中间输出方案:同齿条固连的左右拉杆延伸到接近汽车纵向对称平面附近。拉杆长度的增加，车轮上下跳动时拉杆摆角变小，有利于减少车轮上下跳动时转向系与悬架系发生运动干涉。拉杆与齿条之间通过螺栓连接，在转向器壳体上开有轴向的长槽，故两拉杆能够与齿条同时向左或向右运动，但这样却减低了壳体的刚度。侧面输入，一端输出式转向器常应用在平头货车上。侧面输入，两端输出型转向器由于转向拉杆长度的限制，容易与悬架导向杆系之间发生运动干涉，但是其结构简单，布置方便，制造容易，本文为了方便虚拟样机的表现，在这里选择了此种方案。齿轮齿条式转向器齿轮采用斜齿，齿条也采用斜齿。采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条相啮合的方式，其特点如下：首先二者运行平稳，冲击小，工作噪声也低；再者，齿轮轴线与齿条轴线将不是单纯的直角，可以通过螺旋角的改变，为总体布置选择合适的角度；其次，采用斜齿相啮合方式的转向器，轮齿的重合度增加，运转平稳，降低了冲击及工作噪声。齿条断面的形式主要有圆形、V形、Y形三种。圆形断面的优点是加工容易，缺点是不易固定；而V形、Y形与之相比较特点明显，首先后两种断面形式的齿条消耗材料少，同时质量也更轻；再者位于齿条下方的两个斜面能够与齿条托座相固定，防止了齿轮齿条在相互运动时，齿条绕轴线发生翻转，从而减少二者不能正确啮合和破坏轮齿的现象发生。因此本文这里选择斜齿圆柱齿轮及斜齿齿条，并采用V形断面齿条。2.1.2齿轮齿条式转向系的整车布置根据转向器与转向梯形相对前轴的位置差异，齿轮齿条式转向器总成在整车上的布置形式多种多样，主要的四种形式为：（1） 转向器总成位于前轴的后方，后置梯形；（2） 转向器总成位于前轴的后方，前置梯形；（3） 转向器总成位于前轴前方；后置梯形；（4） 转向器总成位于前轴前方，前置梯形。2.1.3 转向传动机构转向传动机构主要作用是将汽车转向器输出的运动与力传至转向桥两侧的转向节，使转向轮偏转，并且使两转向轮偏转角能够按照一定关系变化，从而保证汽车转向时车轮与地面间的相对滑动尽可能的小，降低轮胎的磨损。转向传动机构的组成与布置，因转向轮悬架类型及转向器位置不同而有差异。从配合方式来看主要有两类：与非独立悬架配用的转向传动机构、与独立悬架配用的转向传动机构。与非独立悬架配用的转向传动机构主要由转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂、转向梯形等组成。当前桥仅为转向桥时，由横拉杆、左右梯形臂组成的转向梯形一般位于前桥之后。当转向桥兼当驱动桥或者发动机位置较低时，为防止运动干涉的发生，转向梯形则位于前桥之前。与独立悬架配用的转向传动机构，其转向桥必须是断开的，故其转向传动机构也是断开的，比如其横拉杆将不是一整根，而是分为了左右横拉杆。转向横拉杆为转向梯形的底边，它由横拉杆体、一端的横拉杆接头及另一端与齿条连接的螺纹组成（如图2-1）。横拉杆接头借螺纹与横拉杆体相连，接头螺纹部分有切口，因此具有一定的弹性，接头旋接到横拉杆体上后，通过夹紧螺母进一步夹紧，左右横拉杆螺纹旋转方向不同，故在旋松锁紧螺母后，可通过转动横拉杆体改变转向横拉杆的长度，进而能够调节转向轮的前束。 图2-1 横拉杆与横拉杆接头1-横拉杆、2-锁紧螺母、3-横拉杆接头、4-球头销、5-球头销螺母2.2机械式转向系几个主要性能参数的分析2.2.1转向器的效率转向器效率分为正效率和逆效率。转向器的正效率是指，由转向轴输入，而经转向摇臂轴输出的效率。公式表示为：；反之则就是逆效率，其公式表示为：；式中，为转向器的摩擦功率，为作用于转向摇臂轴上的功率。总的来说，正效率是为了保证驾驶者在转向时转动转向盘比较轻便，而逆效率则是为了保证汽车在转向后，转向盘转向轮能够返回到直线行驶的位置。但是为了减轻不平路面上时驾驶者的疲劳，车轮与路面间的作用力传至转向盘上的力要尽可能小点，这样能够防止打手，因此就要求逆效率低点。转向器正效率的影响因素有：转向器的类型、结构特点、制造质量还有结构参数。对于同一类型的转向器由于结构的差异，其效率也不一样。譬如蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支持轴之间选用不同的轴承，会有不同的结果。通常它会有三种选择，滚针轴承、圆锥滚子轴承、球轴承等三种，这几种由于结构差异，内部摩擦大小不同，故转向器的效率就不同，分别为54%、70%、75%。如果只考虑啮合副间的摩擦损失，而忽略其他地方的摩擦损失，我们可得到蜗杆与螺杆类转向器的正效率： （2-1）式中，为螺杆或者蜗杆的螺线导程角；为摩擦角，公式表示为：，其中为摩擦因子。对于转向器的逆效率，由于其值的大小不同，转向器又被又分为了三类：可逆式、极限可逆式、不可逆式。路面作用于车轮上的力大部分能够通过转向系传至转向盘，这种逆效率较高的转向器称之为可逆式转向器；这种转向器利于车轮的自动回正，能够减低司机的疲劳，提高了行驶安全性。这种转向器的缺点是易发生“打手”现象，易造成驾驶者精神紧张。本文所设计的转向器就属于这类，此外循环球式转向器也属于这个范围。对于车轮受到的冲击力不能被传至转向盘的转向器，我们称之为不可逆式转向器。这些不能被传递的冲击力最后由传动部件承受，易造成这些部件的损伤，故这也是这类转向器的一个缺点。同时它不能保证车轮自动回正，故这类转向器已被停止使用。而极限式转向器则就是介于上两种转向器之间的一类。显然它的特点就是既能保证车轮自动回正，同时又能防止打手现象的发生，对传动机构部件的冲击力也较少。对于逆效率，如果只考虑啮合副的摩擦损失，则可得到： （2-2）由正效率（公式21）和逆效率（公式22）公式可知，增加导程角，可见正逆效率均增大；但是受逆效率的影响，导程角不宜取得太大。导程角应该大于摩擦角，否则由公式可知其逆效率为零或者为负值，转向器就成为了不可逆式转向器，因此一般情况下，导程角选在范围内。2.2.2转向系的传动比转向系的传动比包括两方面，一是角传动比，二是力传动比。转向系的角传动比是指，转向盘角速度与同侧转向节偏转角速度之比，其公式表示为： （2-3)式中，为转向盘转角增量；为转向节转角增量；为时间增量。转向系角传动比是由转向器角传动比及转向传动机构的传动比组成。也就是转向盘转角角速度与摇臂轴角速度之比及转向器角传动比。表示为： （2-4） 式中，为摇臂轴转角增量。转向传动机构的角传动比为摇臂轴的角速度与同侧转向节偏转角之比，表示为： （2-5） 转向系的力传动比公式表示为: （2-6）式中，为作用于转向盘上的手力，在下文的转向器参数设计中，我们将给出此值大小；为作用于转向盘上的力矩；为主销偏移距，它是指转向节主销轴线的延长线与支撑平面的交点到车轮中心平面与支撑平面交线间的距离；为转向盘的直径，据车型的不同，其值大小在380550mm的标准范围内选取。若忽略摩擦损失，我们能据能量守恒原理进一步化简上公式，即： （2-7）将上式带入力传动比的公式中，可得： （2-8）可知当和均不变时，力传动比越大，虽然转向变轻，但变大，这样会使转向不灵敏；从上式还可知，当增大角传动比可以增大力传动比。而从可知，当一定时，通过增大来减小作用于转向盘上的手力，使操纵更加轻便。对于齿轮齿条式转向器，其变速比工作原理是这样的：首先相互啮合的齿轮基圆必须是相等的，即。式中，齿轮基圆齿距，齿条的基圆齿距为。通过上式可知，当具有标准模数和标准压力角的齿轮与具有変模数及变压力角的齿条相啮合时，只要，就能保证它们能够啮合运转。在本文中选择齿轮标准模数为2.5，齿轮压力角为，齿条二者参数与齿轮相同。转向盘在中间位置时转向器角传动比不能过小，这是因为这样将会造成汽车在高速行驶时，转向盘转角过分地敏感及反冲力加大，使驾驶员不能精确地控制转向轮，因此汽车在直线行驶位置时，转向器角传动比不宜小于。对于商用车，建议转向器角传动比在范围内选择，对于乘用车，则是在之间选取。2.2.3转向器传动副的传动间隙2所谓转向器传动副的传动间隙主要是指，各种转向器中传动副（如齿轮齿条式转向器中的齿条与齿轮）之间的间隙。此间隙能够随着转向盘转角的大小不同而发生变化，我们将这种变化关系称之为转向器传动副传动间隙特性（图2-2），其意义在于汽车直线行驶时的稳定性及转向器的使用寿命有关2。 图2-2转向器传动副传动间隙特性汽车在直线行驶时，转向器传动副间隙的存在会造成，车轮在受到侧向力作用时，会在间隙范围内，造成车轮偏离原来的行驶位置，使汽车失去稳定性。为此，为防止此现象出现，要求转向盘处于中间或其附近位置时（通常为）应极小，最好是没有间隙。由于转向器传动副在中间及其附近位置使用频繁，故其磨损速度比两端要快。当中间附近位置的间隙达到不能确保直线行驶稳定性时，就要通过调整来消除此间隙。调整后转向盘要能够圆滑地从中间位置转到两端位置，不出现卡住现象。故而，传动副的传动间隙特性要设计为在离开中间位置后逐渐变大的形状。上图中的曲线1表示转向器在磨损前的间隙变化情况；曲线2表示由于使用而磨损后的间隙变化情况，可看出在中间位置已出现了较大间隙，需要进行调整；而曲线3就是经过调整并消除了中间位置间隙的变化情况。2.3齿轮齿条式转向器的设计与计算2.3.1某车车型的整车性能参数 名称轴距前轮距后轮距最小转弯半径数值2360mm1310mm1300mm4900mm名称车长车宽车高整备质量数值3640mm1560mm1925mm980kg 表2-1某车型整车性能参数 2.3.2 转向系计算载荷的计算为确保行驶安全，转向系的各组成部件应满足足够的强度。要检验转向系零件的强度，首先必须确定作用在各零部件上的力，影响这些力的主要因子有转向轴的负荷，轮胎气压，路面阻力等。要使转向轮转动需要克服的阻力主要有：车轮稳定阻力，转向轮绕主销转动的阻力，转向系中的内摩擦阻力，还有轮胎变形的阻力等。2.3.3原地转向阻力矩的计算2 转向轮的转向阻力矩与转向轴的负荷、轮胎的结构及尺寸、前轮的定位参数、车速、道路条件等有关。要计算是困难的，通常以汽车静止时做原地转向时的阻力矩作为转向阻力矩。对于一般的车辆来说，并不要求原地转向，只要求汽车在行驶中转向，而原地转向阻力矩要比行驶中的转向阻力矩大倍看，因此原地转向阻力矩作为计算载荷完全可以满足使用要求。因此采用半经验公式可得： （2-9）其中为轮胎与地面的滑动摩擦系数，一般选取；为转向轴负荷；为轮胎的气压，查的此车型的;整备质量，该车容纳的乘客数设计为6人，每人质量为60kg，又知前置后驱类车型的转向轴负荷率为55%，故可得转向轴负荷为: （2-10）将式2-10带入半经验公式2-9可得： （2-11）2.3.4作用于转向盘上的手力5作用于转向盘上的手力为： （2-12）式中，为转向摇臂长度，为转向节臂长度，由于本文设计的是齿轮齿条式转向器，因此没有转向摇臂，但查得取值范围在之间，这里选取其比值为1；为原地转向阻力矩，由式2-11计算知，其值为；为转向器角传动比，设计为18；为转向器的正效率，选择；为转向盘半径，设计为200mm。故可求得。转向盘的扭力矩公式为： （2-13）将式2-12，方向盘直径带入式2-13可得。对于给定的车型，上式计算所得的值为最大值，故可以用此值作为计算载荷。2.3.5齿轮齿条的设计6由前面的分析知道，齿轮齿条式转向器的齿轮多数都设计成斜齿圆柱齿轮。齿轮模数取值范围一般在23mm之间，在本文中齿轮模数定为2.5。主动小齿轮齿数多在57范围内变化，本文选择齿轮齿数为6，压力角选择200。齿轮螺旋角选择范围一般在内，这里选择120。齿条齿数应根据转向轮达到最大偏转角时，齿条移动行程所达到的值来确定，对于变速比的齿条压力角，现有结构来看，一般在120350范围内变化。最后对于设计的齿轮齿条要验证其抗弯强度和接触强度。齿轮齿条式转向器其齿条常采用45钢制造，而主动小齿轮则采用的是16MnCr5或者20CrMo来制造，这里我们选择齿轮材料为20CrMo。转向器的壳体一般采用铝合金材料压铸而成，以降低转向器的质量。（1）齿轮齿条尺寸参数初步设计知齿轮齿条式转向器正确啮合的条件是：（查表取标准值）6，。根据设计要求，齿轮齿条式转向器的基本设计参数如表2-2； 表2-2齿轮齿条的主要参数表名称齿轮齿条齿数Z622模数2.52.5压力角200200螺旋角120-120变位系数00齿顶高系数11顶隙系数0.250.25齿宽系数2.612.61由此可得齿轮齿条的其他尺寸参数，如下表2-3表2-3齿轮齿条结构尺寸名称公式齿轮齿条分度圆15.3mm齿顶高2.5mm2.5mm齿根高3.125mm3.125mm齿全高5.625mm5.625mm齿顶圆20.3mm齿根圆9.05mm基圆14.095mm齿宽 40mm20mm（2）齿条其他尺寸参数的设计齿条是在转向器壳体内沿其固定槽来回滑动，加工有斜齿的金属条状部件。转向器壳体则是通过螺栓安装于汽车前横梁或前围板固定位置上。在这里，齿条代替了梯形转向杆系中的摇杆及转向摇臂，转向横拉杆安装于合适高度保证它能与悬架下摆臂平齐。齿条在这里可看做转向梯形杆系的转向直拉杆，导向座、垫片将齿条支撑在转向器壳体上。齿条推动转向横拉杆产生的横向运动，使前轮转向。齿条尺寸的其他参数如下表2-4所示表2-4齿条尺寸参数序号名称符号尺寸参数（mm)1直径252总长L6503齿数224模数2.55齿条行程73.956齿宽20 齿条端面齿厚为：；式中（端面变位系数），（为端面压力角），（端面模数）；齿条法面齿厚：；齿条法面齿距：；齿条端面齿距：；完成的齿条如下图2-3示图2-3齿条正视图（3） 齿轮轴尺寸的设计由前面知齿轮的分度圆，初步设计齿轮轴的尺寸如下图2-4示，后面将对其进行校核，检验是否满足设计要求。图2-4齿轮轴（4） 齿轮齿条的配合齿轮齿条的装配中，齿轮齿条间隙的调节装置很重要。齿条通过导向座安装于转向器壳体上，在与齿轮配合运动时，沿着导向座左右运动。齿条导向座与放置于壳体内部的调节螺塞之间有一调节弹簧，此调节弹簧可通过位于其一端的锁紧螺母调节其高度，进而起到调节齿轮齿条啮合间隙的目的。同时，由于齿轮齿条相互啮合运动时会产生冲击，弹簧可起到一定的缓冲效果。其具体结构如下图所示 图2-5齿轮齿条的装配齿条调整装置尺寸参数设计如下表2-5序号名称符号尺寸参数1导向座外径L442导向座高度353调节弹簧圈数n4.54弹簧节距t7.025弹簧外径256弹簧工作高度307螺塞螺纹公称直径8螺塞高度319锁紧螺塞高度1010转向器壳体总长与高580/10911转向器壳体内径与外径34/44 表2-5齿条间隙调整装置及其相关部件尺寸表2.4齿条强度的计算72.4.1齿条受力情况的分析 本文中，转向器输入端施加的扭矩选为，由于齿轮传动中一般都加以润滑措施，故齿轮齿条间的摩擦力很小，在计算齿轮受力时，可以忽略不计。齿轮齿条之间的运动受力情况与齿轮与齿轮之间的受力分析相同，齿条的受力情况如下图所示； 图26 齿条传动的受力分析如上图所示，作用于齿条上的法向力可分解为三个相互垂直的分力，即：圆周力： =1200N (2-14） 径向力： (2-15) =446.52N轴向力：= 255.07N （2-16） 法向力： （2-17) =1305.54N式中，-端面压力角；-法向压力角；-螺旋角；-基圆压力角；-作用于转向器输入端的扭矩，选取T=15N