汽车齿轮齿条式转向器设计

毛圣　旷水章　王虎

摘 要：汽车转向器是转向系构成的关键零件，也是汽车的重要组成部分，更是决定汽车主动安全性的总成，它的质量好坏严重影响到驾驶员的操纵稳定性。转向轴以齿轮齿条传动方式带动转向轮，实现转向。它有结构紧凑，成本低廉，转向速度快，传动效率高等优点，同时，它还可以最大程度的提升转向轮转角转向幅度。本文基于齿轮齿条式转向机构研究，对传动机构进行结构优化，通过计算得出其安全性、可靠性大幅提升。

关键词：转向器 齿轮齿条 设计计算

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

随着汽车行业的不断发展，汽车前轮驱动、转向轻量化等方面成为汽车行业的发展趋势。齿轮齿条式传动机构能够极大可能地满足汽车转向机构轻量化的设计要求。通过不断改进齿轮齿条传动结构，传动机构逆传动效率、傳动机构可变传动比等关键技术的突破使得齿轮齿条传动机构在轻型轿车、客车等方面得到广泛应用。

齿轮齿条式转向器主体结构为齿轮、齿条、壳体等零部件构成。与其它转向器相比：齿轮齿条式换向器主要有结构轻量化、整体部件少、传动效率高、制造成本低等优点;同时，通过弹簧连接的方式减小转向齿轮与转向齿条间的间隙，提升转向器连接部件间的强度与刚度，提升汽车运行的转向稳定性。

1 齿轮齿条式转向器

1.1 转向器结构与原理

目前，齿轮齿条式转向器结构普遍采用侧面输入，中间输出方案;栏杆固定在齿条附近，末端延伸至汽车质心附近;通过拉杆左右摇摆，实现转向轴的做头摆动，进而实现转动。有研究表明：随着拉杆长度的不断增加，车轮在悬架上下摆动的过程中会减小拉杆摆角的摆动，从而减小汽车在转向或者向下行驶过程中转向机构与悬架系统间可能的相互干涉。

而另外一种常用的结构为两端输出，转向拉杆长度限制在一定范围内的。研究表明：较短的拉杆长度容易引起悬架系统的导向机构产生运动干扰。

1.2 转向齿条

转向齿条主要为齿条端面设计，目前主要有圆形断面齿条、V型断面齿条和Y型断面齿条和圆形断面齿条，目前常用的为V型或者Y型端面，其优点在于所消耗的材料要少，大概会节约20%左右，质量也小，位于齿下面的两斜面与齿条托座相互接触之后，可以用来防止齿条绕轴线转动;如果Y型的断面齿条的齿宽可以做的再宽一些的话，就可以有效的增加强度。一种由碱性材料（如聚四氟乙烯）制成的垫圈通常都是安装在齿条和托架之间以减少滑动摩擦（图1）。

2 齿轮的设计

2.1 齿轮参数的选择

选用7级精度

齿轮材料选择：

小齿轮：16MnCr5    渗碳淬火  齿面硬度 56-62HRC

大齿轮：45钢   表面淬火  齿面硬度50-56HRC

2.2 齿轮齿根弯曲应力校核

本文采用表1所示的齿轮材料，将材料特征参数代入相应计算公式，由于接触线倾斜对弯曲强度会产生相应影响，故引入螺旋角系数Yβ，可知：

（1）

可得，=1.5*1000/1.5=1000MPa，所以<

综上所述，齿轮满足了设计的强度要求。

2.3 齿面接触疲劳程度的计算

齿轮的工作载荷

沿着齿面接触线单位长度上的平均载荷P（单位为N/mm）为

（2）

——作用在齿面接触线上的法向载荷

——沿齿面的接触线长，单位mm

接触线单位长度上的最大载荷为

（3）

——载荷系数

载荷系数包括：使用系数，动载系数，齿间载荷分配系数以及齿向载荷分布系数，即

使用系数是考虑齿轮啮合时外部领接装置引起的附加动载荷影响的系数。

动载系数，因为齿轮传动制造和装配误差是不可避免的，齿轮受载后还要发生弹性变形，因此引入了动载系数。

齿间载荷系数

齿轮的制造精度7级精度

/mm

3 齿条的设计

3.1 齿条参数的选择

材料的选择

45钢     调制处理 229-286HBS

3.2 齿条杆部正应力校核

齿条杆部的拉应力为：

//

——齿条受到的轴向力

——齿条根部截面积，

抗拉强度极限是/，（没有考虑热处理对强度的影响）。

因此<，

所以，齿条设计满足抗拉强度设计要求。

3.3 齿条齿部弯曲应力校核

单齿弯曲应力：

）           （4）

公式中：——齿条齿面切向力

——危险截面处沿齿长方向齿宽

——齿条计算齿高

——危险截面齿厚

从上面条件可以计算出齿条牙齿弯曲应力：

/

齿部弯曲安全系数：

4 部件的选择与计算

4.1 齿轮轴承的选择

查《机械工程及自動化设计手册》

选择NA4901滚针轴承，内径12mm，外径26mm，宽度13mm，基本额定动载荷Cr=96kN，基本额定静载荷Cor=108kN，极限转速大概为190000r/min。

选择6204深沟球轴承，内径20mm，外径47mm，高度14mm，基本额定动载荷Cr=158KN，本额定静载荷Cor=7.88KN，极限转速大概是2000r/min。

4.2 齿轮轴的设计与校核

本文中齿轮轴的材料也选用材料制造并经渗碳淬火。相应特征参数为：材料的硬度为，抗拉强度极限，屈服极限，弯曲疲劳极限，剪切疲劳极限，转速/。

根据公式

作用在齿轮齿条上的阻力矩为，作用在

轴向力为

作用在齿轮上的切向力为

所以采用整体式齿轮轴设计。

5 结语

本文选择斜圆柱齿轮与齿条啮合方式作为本文的具体研究对象，通过研究齿轮齿条的匹配，以及各部件的精确设计与计算，以满足汽车转向器强度要求和正确传动比，从而实现汽车转向的稳定性和灵敏性。

基金项目：湖南省教育厅科学研究优秀青年项目（18B560）

参考文献：

[1]陈益良.齿轮齿条式转向器简介[J].汽车与配件.1986.（6）：17-19.

[2]臧杰、阎岩.汽车构造[M]. 机械工业出版社.2010.1.

[3]周伟东、苗政、吴海清. 汽车转向系统的发展[J].汽车运用.2009（5）：29-30.

[4]高雪强.机械制图[M].机械工业出版社.2008.5.

[5]周伟东、苗政、吴海清. 汽车转向系统的发展[J].汽车运用. 2009（5）.