机械式转向器方案分析及设计

三.机械式转向器方案分析及设计

4.1齿轮齿条式转向器

齿轮齿条式转向器由与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。与其他形式的转向器比较，齿轮齿条式转向器最主要的优点是：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以后，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。能自动消除齿间间隙，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；转向器占用的体积小；没有转向摇臂和直拉杆，所以转向轮转角可以增大；制造成本低。

齿轮齿条式转向器的主要缺点是：因逆效率高，货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转向盘，称之为反冲。反冲现象会使驾驶员精神紧张，并难以准确控制货车行驶方向，转向盘突然转动又会造成打手，同时对驾驶员造成伤害。

根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向起有四种形式，如图4-1所示：中间输入，两端输出(a)；侧面输入，两端输出(b)；侧面输入，中间输出(c)；侧面输入，一端输出(d)。

图4-1 齿轮齿条式转向起有四种形式

采用侧面输入，中间输出方案时，与齿条连的左，右拉杆延伸到接近货车纵

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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，两拉杆会与齿条同时向左或右移动，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。

侧面输入，一端输出的齿轮齿条式转向器，常用在平头货车上。

采用齿轮齿条式转向器采用直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合，则运转平稳降低，冲击大，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，冲击与工作噪声均下降，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，使轴承寿命降低，还有斜齿轮的滑磨比较大是它的缺点。

齿条断面形状有圆形、V形和Y形三种。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，约节省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形断面齿条的齿宽可以做得宽些，因而强度得到增加。在齿条与托座之间通常装有用减磨材料（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轮、齿条的齿不能正确啮合的情况出现。

为了防止齿条旋转，也有在转向器壳体上设计导向槽的，槽内嵌装导向块，并将拉杆、导向块与齿条固定在一起。齿条移动时导向块在导向槽内随之移动，齿条旋转时导向块可防止齿条旋转。要求这种结构的导向块与导向槽之间的配合要适当。配合过紧会为转向和转向轮回正带来困难，配合过松齿条仍能旋转，并伴有敲击噪声。

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货车上有四种布置：形式转向器位于前轴后方，后置梯形(a)；转向器位于前轴后方，前置梯形(b)；转向器位于前轴前方，后置梯形(c)；转向器位于前轴前

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方，前置梯形(d)。

图4-2 齿轮齿条式转向器在货车上有四种布置

齿轮齿条式转向器广泛应用于乘用车上。车载质量不大，前轮采用独立悬架的货车和客车有些也用齿轮齿条式转向器。

4.2其他转向器

有循环球式转向器，蜗杆滚轮式转向器，蜗杆指销式转向器等。

循环球式转向器的主要缺点是：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。循环球式转向器主要用于商用车上。

蜗杆滚轮式转向器的主要缺点是：正效率低；工作齿面磨损以后，调整啮合间隙比较困难；转向器的传动比不能变化。

固定销蜗杆指销式转向器的结构简单、制造容易；但是因销子不能自转，销子的工作部位基本保持不变，所以磨损快、工作效率低。旋转销式转向器的效率高、磨损慢，但结构复杂。

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所以我的设计选用齿轮齿条式转向器为动力转向装置。

4.3齿轮齿条式转向器工作原理及布置、结构形式的选择

图4-3 齿轮齿条式转向器转向原理简图

图4-4 采用如图所示的布置形式

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图4-5 采用如图所示的侧面输入两端输出的结构形式。

4.4数据的确定

根据以上的论述，本次设计初选数据如下： 轮距：前/后 1940/1860mm 轴距 满载轴荷分配：前/后 总质量轮胎 主销偏移距a 轮胎压力p/MPa 方向盘直径DSW 最小转弯半径 转向节臂 两主销延长线至地面交点间的距离 转向摇臂

表4-1 初选数据

4500mm 4170/8340(kg) 13900(kg) 10.00-20（低气压） 55mm 0.65 500mm 18m 204mm 1530mm 180mm m/kg a兰州交通大学博文学院毕业（论文）

4. 5设计计算过程

4.5.1 转向轮侧偏角计算

sinαL45000.5R9000 (4-1)

oα30

tanβL45000.7687RcosαB9000cosα1940 (4-2)

β37.5495

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4.5.2转向器参数选取

齿轮齿条转向器的齿轮多采用斜齿轮，齿轮模数在2~3mm之间，主动小齿轮齿数在5~7之间，压力角取20，螺旋角在9~15之间。故取小齿轮

z17，mn2.5，10右旋，压力角20，精度等级8级。

转向节原地转向阻力矩：

fMR3 (4-3)

方向盘转动圈数：

3G10.7(41709.8）2390910.41P30.65

(4-4)

iw0(βα）25（30o37.5495o)n4.69oo360360

角传动比:

wwn360o4.69360oiw24.995oowk(αβ)(3037.5495) (4-5)

故初选角传动比值复合要求 方向盘上的手力：

Fh2L1MR21802390910.41422NL2Dswiwη20450024.9950.8 (4-6)

其中L1为转向摇臂长，L2转向节臂长，DSW转向盘直径，η为转向器效率。 作用在转向盘上的操纵载荷:对轿车该力不应超过150～200N，对货车不应超过500N。所以符合设计要求

Fn2MhFD195.659500Mhhsw48914.75N•mmDsw22 (4-7)

力传动比：

ipMRDsw4310275.04500444.44Mhα88164.72555

(4-8)

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取齿宽系数d1.2，

d1

mnz12.5717.76996mmcosβcos10o (4-9)

齿条宽度

b2φdd11.217.7699621.32952mm圆整取b222mm，则取齿

轮齿宽b1b21022mm

4.5.3选择齿轮齿条材料

小齿轮：齿轮通常选用国内常用、性能优良的20CrMnTi合金钢，热处理采用表面渗碳淬火工艺，齿面硬度为HRc58～63。而齿条选用与20CrMnTi具有较好匹配性的40Cr作为啮合副，齿条热处理采用高频淬火工艺，表面硬度HRc50～56。

4.5.4强度校核

（1）、校核齿轮接触疲劳强度 选取参数，按ME级质量要求取值

Hlim11500MPa ， Hlim2650MPa； SHlim11.5， SHlim21.3，

ZN1ZN21

Hlim2Hlim1 故以 Hlim2 计算 Hp

HP(4-10)

查得：KA1.35 ， KV1.05 ， K1.1， K1.1；

KKAKVKK1.7152

Hlim2ZN2SHlim26501500MPa1.3

ZH2.46， ZE189.8， Z0.92 ， 10则Zcos0.99，

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k12.5

HZHZEZZ2KT1u1•483.44MPaHp 2bd1ku(4-11)

齿轮接触疲劳强度合格

（2）、校核齿轮弯曲疲劳强度

选取参数，按ME级质量要求取值Flim1500MPa； Flim2280MPaSFlim12.2；SFlim21.5 ； YN1YN21； YST2.0 Flim2Flim1 故以 Flim2 计算 Fp

Flim2YST2802FpSYN21.51373.33MPaFlim2(4-12)

据齿数查表有：YFa3.69； Ysa1.41； Y0.7； Y0.9。则

2KT1FbdYFa1Ysa1YY283.723MPaFp1mn(4-13)

齿轮弯曲疲劳强度合格

4.5.5齿轮齿条的基本参数如下表所示:

名称 符号 公式 齿轮 齿条 齿数 z z 6 31 分度圆直径 d dmnzcos 15.2314 — 变位系数 xn — 1 —

；兰州交通大学博文学院毕业（论文）

齿顶高 ha hf ha(hanxn)mn 5 2.5 齿根高 hf(hanxncn*)mn 0.625 3.125 齿顶圆直径 齿根圆直径 da df dad2ha dfd2hf 25.2314 — 13.9814 — 20.2314 — 10° 30 20 齿轮中圆直径 dm 螺旋角 齿宽 dmd2xnmn  b — bdd1 表2 4.6齿轮轴的结构设计

图4-6齿轮轴的结构设计

4.7轴承的选择

轴承1 深沟球轴承6004 (GB/T276-1994)

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轴承2 滚针轴承 NA4901 (GB/T5801-1994)

4.8转向器的润滑方式和密封类型的选择

转向器的润滑方式：人工定期润滑

润滑脂：石墨钙基润滑脂（ZBE36002-88）中的ZG-S润滑脂。 密封类型的选择

密封件： 旋转轴唇形密封圈 FB 16 30 GB 13871—1992