汽車齒輪齒條式轉向器設計

毛圣　曠水章　王虎

摘 要：汽車轉向器是轉向系構成的關鍵零件，也是汽車的重要組成部分，更是決定汽車主動安全性的總成，它的質量好壞嚴重影響到駕駛員的操縱穩定性。轉向軸以齒輪齒條傳動方式帶動轉向輪，實現轉向。它有結構緊湊，成本低廉，轉向速度快，傳動效率高等優點，同時，它還可以最大程度的提升轉向輪轉角轉向幅度。本文基于齒輪齒條式轉向機構研究，對傳動機構進行結構優化，通過計算得出其安全性、可靠性大幅提升。

關鍵詞：轉向器 齒輪齒條 設計計算

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

隨著汽車行業的不斷發展，汽車前輪驅動、轉向輕量化等方面成為汽車行業的發展趨勢。齒輪齒條式傳動機構能夠極大可能地滿足汽車轉向機構輕量化的設計要求。通過不斷改進齒輪齒條傳動結構，傳動機構逆傳動效率、傳動機構可變傳動比等關鍵技術的突破使得齒輪齒條傳動機構在輕型轎車、客車等方面得到廣泛應用。

齒輪齒條式轉向器主體結構為齒輪、齒條、殼體等零部件構成。與其它轉向器相比：齒輪齒條式換向器主要有結構輕量化、整體部件少、傳動效率高、制造成本低等優點;同時，通過彈簧連接的方式減小轉向齒輪與轉向齒條間的間隙，提升轉向器連接部件間的強度與剛度，提升汽車運行的轉向穩定性。

1 齒輪齒條式轉向器

1.1 轉向器結構與原理

目前，齒輪齒條式轉向器結構普遍采用側面輸入，中間輸出方案;欄桿固定在齒條附近，末端延伸至汽車質心附近;通過拉桿左右搖擺，實現轉向軸的做頭擺動，進而實現轉動。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的過程中會減小拉桿擺角的擺動，從而減小汽車在轉向或者向下行駛過程中轉向機構與懸架系統間可能的相互干涉。

而另外一種常用的結構為兩端輸出，轉向拉桿長度限制在一定范圍內的。研究表明：較短的拉桿長度容易引起懸架系統的導向機構產生運動干擾。

1.2 轉向齒條

轉向齒條主要為齒條端面設計，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，其優點在于所消耗的材料要少，大概會節約20%左右，質量也小，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動;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摩擦（圖1）。

2 齒輪的設計

2.1 齒輪參數的選擇

選用7級精度

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 齒輪齒根彎曲應力校核

本文采用表1所示的齒輪材料，將材料特征參數代入相應計算公式，由于接觸線傾斜對彎曲強度會產生相應影響，故引入螺旋角系數Yβ，可知：

（1）

可得，=1.5*1000/1.5=1000MPa，所以<

綜上所述，齒輪滿足了設計的強度要求。

2.3 齒面接觸疲勞程度的計算

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

載荷系數包括：使用系數，動載系數，齒間載荷分配系數以及齒向載荷分布系數，即

使用系數是考慮齒輪嚙合時外部領接裝置引起的附加動載荷影響的系數。

動載系數，因為齒輪傳動制造和裝配誤差是不可避免的，齒輪受載后還要發生彈性變形，因此引入了動載系數。

齒間載荷系數

齒輪的制造精度7級精度

/mm

3 齒條的設計

3.1 齒條參數的選擇

材料的選擇

45鋼? ? ?調制處理 229-286HBS

3.2 齒條桿部正應力校核

齒條桿部的拉應力為：

//

——齒條受到的軸向力

——齒條根部截面積，

抗拉強度極限是/，（沒有考慮熱處理對強度的影響）。

因此<，

所以，齒條設計滿足抗拉強度設計要求。

3.3 齒條齒部彎曲應力校核

單齒彎曲應力：

） ? ? ? ? ? （4）

公式中：——齒條齒面切向力

——危險截面處沿齒長方向齒寬

——齒條計算齒高

——危險截面齒厚

從上面條件可以計算出齒條牙齒彎曲應力：

/

齒部彎曲安全系數：

4 部件的選擇與計算

4.1 齒輪軸承的選擇

查《機械工程及自動化設計手冊》

選擇NA4901滾針軸承，內徑12mm，外徑26mm，寬度13mm，基本額定動載荷Cr=96kN，基本額定靜載荷Cor=108kN，極限轉速大概為190000r/min。

選擇6204深溝球軸承，內徑20mm，外徑47mm，高度14mm，基本額定動載荷Cr=158KN，本額定靜載荷Cor=7.88KN，極限轉速大概是2000r/min。

4.2 齒輪軸的設計與校核

本文中齒輪軸的材料也選用材料制造并經滲碳淬火。相應特征參數為：材料的硬度為，抗拉強度極限，屈服極限，彎曲疲勞極限，剪切疲勞極限，轉速/。

根據公式

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計。

5 結語

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象，通過研究齒輪齒條的匹配，以及各部件的精確設計與計算，以滿足汽車轉向器強度要求和正確傳動比，從而實現汽車轉向的穩定性和靈敏性。

基金項目：湖南省教育廳科學研究優秀青年項目（18B560）

參考文獻：

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