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摘 要
汽車轉(zhuǎn)向器是汽車的重要組成部分，也是決定汽車主動安全性的關(guān)鍵總成，它的質(zhì)量嚴(yán)重影響汽車的操縱穩(wěn)定性。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車轉(zhuǎn)向器也在不斷的得到改進(jìn)，雖然電子轉(zhuǎn)向器已開始應(yīng)用，但機械式轉(zhuǎn)向器仍然廣泛地被世界各國汽車及汽車零部件生產(chǎn)廠商所采用。而在機械式轉(zhuǎn)向器中，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器由于其自身的特點被廣泛應(yīng)用于各級各類汽車上。
本次設(shè)計主要對一汽佳寶的轉(zhuǎn)向器進(jìn)行設(shè)計。首先對轉(zhuǎn)向器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的設(shè)計，此轉(zhuǎn)向器選用的是側(cè)面輸入，兩端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。其優(yōu)點為：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；殼體由鋁合金或鎂合金壓鑄而成，故質(zhì)量比較??；傳動效率高達(dá)90%；齒輪齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙后，可利用裝在齒條背部、靠近小齒輪的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧自動消除齒間間隙，在提高系統(tǒng)剛度的同時也可防止工作時產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用體積??；沒有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿，可以增大轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；制造成本低。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向器；彈簧；橫拉桿；設(shè)計；校核
ABSTRACT
Auto steering gear is the important part of automobile. Also the key assembly of vehicle active safety. Its’ quality seriously effecting manipulating stability,with the develop ment of automobile’ industry,steering gear is improved gradually. Although electronic steering gear began application, but mechanical steering gear is widely used by automobile and parts manufacturer all over the world. In the mechanical steering gear. The rack and pinion steering gear were widely used in all kinds of Auto factories due to its own characteristics.
This design is mainly focus on FAW Jiabao. First, design the steering gear’s structure. This steering gear applied beside input. Two terminal output rack and pinion steering. Its’ advantages is simple configuration and compact. Shell is pressurized carging by aluminium alloy or magnesium ally. So the weight is relatively low. Transmitting efficient can reach 90%. If gap appears between rack and pinion. It can be eliminated by the spring which is located back of rack adjustable to pinion,and spring pressure can be ajusted .Simproving the systen’s stiffness.It also can prevent the impact and noise when it works .Steering gear occupy. Little volume have no steering arm and tie rod. Steering wheel angle can be increased；manufacturing cost is low.
Keywords: steering;spring; horizontal bars;design;check
.
II
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 １
1.1選題的目的 １
1.2轉(zhuǎn)向器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 １
1.3轉(zhuǎn)向器發(fā)展趨勢 ３
1.3.1汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展趨勢 ３
1.3.2汽車轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計趨勢 ３
1.4轉(zhuǎn)向器概述 ４
1.4.1汽車轉(zhuǎn)向基本要求及其關(guān)鍵技術(shù) ４
1.4.2兩輪轉(zhuǎn)向及其實現(xiàn)技術(shù) ５
1.4.3四輪轉(zhuǎn)向及其實現(xiàn)技術(shù) ７
1.5設(shè)計的預(yù)期成果 ９
第2章 設(shè)計方案的選擇 １０
2.1轉(zhuǎn)向器類型的選擇 １０
2.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器布置和結(jié)構(gòu)形式的選擇 １１
2.3本章小結(jié) １２
第3章 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計和計算 １３
3.1轉(zhuǎn)向系計算載荷的確定 １３
3.1.1計算汽車的原地轉(zhuǎn)向阻力矩 １３
3.1.2轉(zhuǎn)向器角傳動比的計算 １３
3.1.3作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力的計算 １４
3.1.4梯形臂長度L2的計算 １５
3.1.5輪胎直徑RT的計算 １５
3.1.6轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑d的計算 １５
3.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計 １５
3.2.1齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計要求 １５
3.2.2齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的主要部件 １６
3.3齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的材料選擇及強度校核 １７
3.4齒輪齒條的基本參數(shù) ２０
3.5本章小結(jié) ２０
第4章 齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ２２
4.1齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的受力分析與計算 ２２
4.2齒輪軸的設(shè)計計算 ２３
4.3齒輪軸的強度校核 ２５
4.4本章小結(jié) ２６
第5章 轉(zhuǎn)向器間隙調(diào)整彈簧的設(shè)計計算 ２７
5.1選擇材料 ２７
5.2計算彈簧絲直徑d ２７
5.3計算彈簧圈數(shù)和彈簧的自由高度 ２７
5.4穩(wěn)定性驗算 ２８
5.5檢查δ及δ1 ２８
5.6幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸的確定 ２８
5.7彈簧工作圖 ２８
5.8本章小結(jié) ２９
第6章 軸承、潤滑方式和密封類型的選擇 ３０
6.1軸承的選擇 ３０
6.2潤滑方式的確定 ３０
6.3密封結(jié)構(gòu)的確定 ３１
6.4本章小結(jié) ３１
結(jié)論 ３２
參考文獻(xiàn) ３３
致謝 ３４
附錄 ３５
第1章 緒論
改革開放以來，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅猛。作為汽車關(guān)鍵部件之一的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也得到了相應(yīng)的發(fā)展，基本已形成了專業(yè)化、系列化生產(chǎn)的局面。有資料顯示，國外有很多國家的轉(zhuǎn)向器廠，都已發(fā)展成大規(guī)模生產(chǎn)的專業(yè)廠，年產(chǎn)超過百萬臺，壟斷了轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)，并且銷售點遍布了全世界。
1.1選題的目的
在現(xiàn)代汽車上，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是必不可少的最基本的系統(tǒng)之一，也是決定汽車主動安全性的關(guān)鍵總成，汽車的轉(zhuǎn)向特性，保持汽車具備較好的操縱性能，始終是汽車檢測技術(shù)當(dāng)中的一個重要課題。特別是在車輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天，汽車轉(zhuǎn)向系的設(shè)計工作顯得尤為重要。
1.2轉(zhuǎn)向器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
從世界第一輛汽車問世至今，汽車工業(yè)已經(jīng)經(jīng)歷了百年歷程?，F(xiàn)代的汽車與發(fā)展初期相比，廣泛地應(yīng)用了各種高新技術(shù)，并且還在發(fā)生更深刻的變革。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車底盤中的獨立分系統(tǒng) ，在汽車技術(shù)發(fā)展的過程中也經(jīng)歷了深刻的變革。轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展基本上經(jīng)歷了機械轉(zhuǎn)向、液壓（氣壓）動力轉(zhuǎn)向、電子控制液壓動力轉(zhuǎn)向、電動轉(zhuǎn)向、電子線控轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向幾個階段。?
汽車轉(zhuǎn)向系是保持或者改變汽車行駛方向的機構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛中，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。保證汽車在行駛中能按駕駛員的操縱要求，適時地改變行駛方向，并能在受到路面干擾偏離行駛方向時，與行駛系配合，共同保持汽車穩(wěn)定地直線行駛。轉(zhuǎn)向系對汽車行駛的操縱性、穩(wěn)定性和安全性都具有重要的意義。
改革開放以來，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅猛。作為汽車關(guān)鍵部件之一的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也得到了相應(yīng)的發(fā)展，基本已形成了專業(yè)化、系列化生產(chǎn)的局面。有資料顯示，國外有很多國家的轉(zhuǎn)向器廠，都已發(fā)展成大規(guī)模的生產(chǎn)的專業(yè)廠，年產(chǎn)超夠百萬臺，壟斷了轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)，并且銷售點遍布了全世界。從操縱輕便性、穩(wěn)定性及安全性行駛的角度，汽車制造廣泛使用更先進(jìn)的工藝方法，使用變速比轉(zhuǎn)向器、高剛性轉(zhuǎn)向器?！白兯俦群透邉傂浴笔悄壳笆澜缟仙a(chǎn)的轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)的方向
幾十年來，各種汽車都使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。由于這種轉(zhuǎn)向器是滾動摩擦形式，因而正傳動效率很高，操作方便且使用壽命長，而且承載能力大，廣泛應(yīng)用于載貨車上。
隨著上世紀(jì)五十年代起，液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用，標(biāo)志著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)革命的開始。汽車轉(zhuǎn)向動力的來源由以前的人力轉(zhuǎn)變?nèi)肆右簤褐ΑＲ簤褐ο到y(tǒng)HPS是機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本上增加了一個液壓系統(tǒng)而成。由于工作可靠、技術(shù)成熟至今仍被廣泛應(yīng)用。
從70年代起轎車興起了齒輪齒條轉(zhuǎn)向器，這種轉(zhuǎn)向機構(gòu)由方向盤、轉(zhuǎn)向軸、萬向節(jié)、轉(zhuǎn)動軸、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動桿和轉(zhuǎn)向輪等組成。方向盤操縱轉(zhuǎn)向器內(nèi)的齒輪傳動，齒輪與齒條緊密嚙合，推動齒條左移動或右移動，帶動轉(zhuǎn)向輪擺動，從而改變轎車行駛的方向。這種轉(zhuǎn)向機構(gòu)與循環(huán)球式等其它類型的轉(zhuǎn)向機構(gòu)比較，省略了轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向主拉桿，具有構(gòu)件簡單，傳動效率高的優(yōu)點。而且它的逆?zhèn)鲃有室哺?，在車輛行駛時可以保證偏轉(zhuǎn)車輪的自動回正，駕駛者的路感性強。
近年來，隨著電子技術(shù)在汽車中的廣泛應(yīng)用，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中也越來越多地采用電子器件。但目前電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于自身成本等因素的制約，很難在價格低廉的家用轎車上得到普及，而且電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全可靠性相對較差，目前歐洲汽車法規(guī)中要求駕駛員與轉(zhuǎn)向車輪之間必須有機械連接，電子轉(zhuǎn)向系還不允許在歐洲上市。
2007年中國汽車銷售879.15萬輛，2008年中國汽車銷售938萬輛，2009年預(yù)計增長8.6%，達(dá)到1019萬輛。汽車產(chǎn)銷量的逐步增長為汽車轉(zhuǎn)向機市場提供了一個較大的發(fā)展空間，2008年市場對轉(zhuǎn)向機行業(yè)需求有所減緩，在需求增長有所減緩的現(xiàn)狀下，產(chǎn)能擴張的勢頭并沒有得到較好的控制。產(chǎn)能過剩、重復(fù)建設(shè)不僅導(dǎo)致生產(chǎn)與消費的失衡，而且還引發(fā)了轉(zhuǎn)向機行業(yè)內(nèi)的一系列惡性價格競爭，影響了轉(zhuǎn)向機行業(yè)業(yè)的盈利能力。中國轉(zhuǎn)向機行業(yè)市場現(xiàn)狀，為外資企業(yè)入駐中國創(chuàng)造了條件，國際許多轉(zhuǎn)向機行業(yè)企業(yè)已經(jīng)看中在中國低成本拓展市場的機會，隨著外資投入逐步加大，中國國內(nèi)企業(yè)改革重組迅速加快。同時新的行業(yè)制度等政策的頒布和實施將促使我國轉(zhuǎn)向機行業(yè)洗牌，企業(yè)兼并重組將在政策的促使下大力發(fā)展。
據(jù)了解，在世界范圍內(nèi)，汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)換器占45%左右，齒輪齒條式轉(zhuǎn)換器占40%左右，渦桿滾輪式轉(zhuǎn)換器占10%左右，其他型式的轉(zhuǎn)換器占5%。循環(huán)球式轉(zhuǎn)換器一直在穩(wěn)步發(fā)展。在西歐小客車中，齒輪齒條式轉(zhuǎn)換器有很大的發(fā)展。日本汽車轉(zhuǎn)向器的特點是循環(huán)球式轉(zhuǎn)換器占得比重越來越大，日本裝備不同類型發(fā)動機的類型汽車，采用不同類型轉(zhuǎn)向器，在公共汽車中使用的循環(huán)球式轉(zhuǎn)換器，已由60年代的62.5%，發(fā)展到現(xiàn)今的100%了，大、小型貨車大都循環(huán)球式轉(zhuǎn)換器，但齒輪齒條式轉(zhuǎn)換器也有所發(fā)展。微型貨車用循環(huán)球式轉(zhuǎn)換器占65%，齒輪齒條式占35%。
1.3轉(zhuǎn)向器發(fā)展趨勢
1.3.1汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展趨勢
(1) 新型轉(zhuǎn)向機構(gòu)的研究與應(yīng)用:
圍繞減小轉(zhuǎn)向機構(gòu)的誤差、優(yōu)化轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計、減輕轉(zhuǎn)向機構(gòu)的磨損、提高轉(zhuǎn)向機構(gòu)的效率等方面開展工作，加強新型轉(zhuǎn)向機構(gòu)的研究與應(yīng)用已成為生產(chǎn)企業(yè)和科研單位的追求的目標(biāo)。
(2) 動力轉(zhuǎn)向技術(shù)的推廣:
為減輕駕駛員疲勞，提高操縱輕便性和穩(wěn)定性，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，不僅在重型汽車上必須采用，在高級轎車上應(yīng)用較多，而且在中型汽車上也已逐漸推廣。
(3) 考慮主動安全性的轉(zhuǎn)向技術(shù):
從操縱輕便性、穩(wěn)定性和安全行駛的角度，廣泛使用更先進(jìn)的工藝方法制造、使用變速比轉(zhuǎn)向器、高剛性轉(zhuǎn)向器，采用防碰撞安全轉(zhuǎn)向柱、安全帶、安全氣囊等，并逐步推廣。新時代下的汽車轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計充分考慮了駕乘的舒適性和安全性，諸如4WS轉(zhuǎn)向技術(shù)的應(yīng)用、EPS動力轉(zhuǎn)向技術(shù)的應(yīng)用等等。
(4) 先進(jìn)電子技術(shù)和控制技術(shù)在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用:
隨著傳感技術(shù)、控制技術(shù)的不斷發(fā)展及在汽車中的應(yīng)用，可以從多方面改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各種性能，諸如汽車的低速行駛輕便性、汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性、汽車的回正能力、轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性、前輪的擺振等等。
1.3.2汽車轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計趨勢
(1)適應(yīng)汽車高速行駛的需要[1-4]:
從操縱輕便性，穩(wěn)定性及安全行駛的角度，汽車制造廠廣泛使用更先進(jìn)的工藝方法，使用變速比轉(zhuǎn)向器、高剛性轉(zhuǎn)向器。“高速比和高剛性”是目前世界上生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)的方向。
(2)充分考慮安全性、輕便性:
隨著汽車車速的提高，駕駛員和乘客的安全非常重要，目前國內(nèi)外在許多汽車上已普遍增設(shè)能力吸收裝置，如防碰撞安全轉(zhuǎn)向柱、安全帶、安全氣囊等，并逐步推廣。從人類工程學(xué)的角度考慮操縱的輕便性，一逐步采用可調(diào)整的轉(zhuǎn)向管柱和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
(3)低成本、低耗能、大批專業(yè)化生產(chǎn):
隨著國際經(jīng)濟形勢的惡化，石油危機造成經(jīng)濟衰退，汽車生產(chǎn)愈來愈重視經(jīng)濟性，因此。要設(shè)計低成本、低耗能的汽車和低成本、合理化生產(chǎn)線，盡量實現(xiàn)大批專業(yè)化生產(chǎn)。對零部件生產(chǎn)，特別是轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)，更表現(xiàn)突出。
(4)汽車轉(zhuǎn)向器裝置的電腦化:
未來汽車的轉(zhuǎn)向器裝置，必定是以電腦化為唯一的發(fā)展途徑。
1.4轉(zhuǎn)向器概述
1.4.1汽車轉(zhuǎn)向基本要求及其關(guān)鍵技術(shù)
為使汽車實現(xiàn)車輪無側(cè)滑的轉(zhuǎn)向，車輪的偏轉(zhuǎn)必須滿足阿克曼特性，即在汽車前輪定位角都等于零、行走系統(tǒng)為剛性、汽車行駛過程中無側(cè)向力的前提下，整個轉(zhuǎn)向過程中全部車輪必須圍繞同一瞬時中心相對于地面作圓周滾動，例如對于圖1.1所示兩輪轉(zhuǎn)向情況，前內(nèi)輪轉(zhuǎn)角b與前外輪轉(zhuǎn)角a之間應(yīng)滿足如下阿克曼轉(zhuǎn)向特性公式：
cosα-cosβ=B/L (1.1)
圖1.1 阿克曼兩輪轉(zhuǎn)向要求
車輪的偏轉(zhuǎn)是通過轉(zhuǎn)向機構(gòu)帶動的。對于兩輪轉(zhuǎn)向汽車，為減小車輪側(cè)滑，轉(zhuǎn)向機構(gòu)應(yīng)使兩前輪偏轉(zhuǎn)角在整個轉(zhuǎn)向過程中始終盡可能精確地滿足式(1.1)關(guān)系。因此從運動學(xué)角度來看，兩輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要是：(1)機構(gòu)的形式設(shè)計，即確定能滿足轉(zhuǎn)向傳動功能要求的機構(gòu)結(jié)構(gòu)組成；(2)機構(gòu)的尺度設(shè)計，即確定能近似再現(xiàn)式(1.1)關(guān)系的機構(gòu)運動尺寸。從系統(tǒng)和機構(gòu)學(xué)角度來看，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成及其相互關(guān)系可用框圖1.2表示，其中轉(zhuǎn)向機構(gòu)是該系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。
轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)
輔助動力
轉(zhuǎn)向器
轉(zhuǎn)向機構(gòu)
圖1.2 轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)的組成
1.4.2兩輪轉(zhuǎn)向及其實現(xiàn)技術(shù)
1.轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展概況[5-6]:
兩百年前在汽車剛剛誕生的初期，其轉(zhuǎn)向操縱是仿照馬車和自行車的轉(zhuǎn)向方式，即用一個操縱桿或手柄直接使前輪偏轉(zhuǎn)。1817年，德國人林肯斯潘杰(Len Ken Sperge)發(fā)明了轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)，并將在英國獲得的專利權(quán)轉(zhuǎn)讓給了阿克曼(Ru-dolph Ackerman)?，F(xiàn)在人們常將轉(zhuǎn)向梯形的特性關(guān)系式(1.1)稱為阿克曼公式。
1857年，英國的達(dá)吉恩蒸汽汽車(Dud-geon Steamer)是首次采用方向盤的機動車輛。1872年蘇格蘭的查理士·魯?shù)婪?Charles Randolph)第一個把方向盤裝到煤氣發(fā)動機車輛上。1886年，英國的弗雷德里克·斯特里克蘭(Frederiek Strickland)及汽車制造商德雷克(A．J．Drak)將船用轉(zhuǎn)向柱和方向盤技術(shù)應(yīng)用到新式戴姆勒·弗頓(Daimler Phantom)敞篷車上。1890年戴姆勒·帕利生(Daimlr Paririan)制成轉(zhuǎn)向柱與方向盤傾斜的第一輛汽車。
進(jìn)入20世紀(jì)后，相關(guān)科技的進(jìn)步帶動了汽車設(shè)計技術(shù)與汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，但對于轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)的研究主要集中在轉(zhuǎn)向器的型式和轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)的尺寸優(yōu)化設(shè)計等方面，而在兩輪轉(zhuǎn)向原理以及兩輪偏轉(zhuǎn)聯(lián)動實現(xiàn)方式等方面并未有新的突破。
2.前兩輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的主流:
(1)與非獨立懸架配用的轉(zhuǎn)向機構(gòu)
1)轉(zhuǎn)向梯形后置，轉(zhuǎn)向直拉桿縱置：
如圖1.3(a)所示，在前橋僅為轉(zhuǎn)向橋時，由轉(zhuǎn)向橫拉桿5和左、右轉(zhuǎn)向梯形臂4組成的轉(zhuǎn)向梯形一般布置在前橋之后，以避免其在轉(zhuǎn)向過程中與車輪發(fā)生干涉。解放CA141、東風(fēng)EQ140等汽車都是采用這種轉(zhuǎn)向機構(gòu)。
(a) (b) (c)
圖1.3 與非獨立懸架配用的轉(zhuǎn)向機構(gòu)
1—轉(zhuǎn)向搖臂 2—轉(zhuǎn)向直拉桿 3—轉(zhuǎn)向節(jié)臂 4—梯形臂 5—轉(zhuǎn)向橫拉桿
2)轉(zhuǎn)向梯形前置，轉(zhuǎn)向直拉桿縱置：
在發(fā)動機較低或轉(zhuǎn)向橋兼驅(qū)動橋的情況下，為避免干涉，往往將轉(zhuǎn)向梯形布置在前橋之前，如圖1.3 (b)所示。
3)轉(zhuǎn)向梯形前置，轉(zhuǎn)向直拉桿橫置：
如圖1.3(c)所示，若轉(zhuǎn)向搖臂1不是在汽車縱向平面內(nèi)前后擺動，而是在與道路平行的平面內(nèi)左右擺動（如北京BJ2020N型汽車），則可將轉(zhuǎn)向直拉桿2橫置，并借球頭銷直接帶動轉(zhuǎn)向橫拉桿5，從而使兩側(cè)梯形臂轉(zhuǎn)動。
(2)與獨立懸架配用的轉(zhuǎn)向機構(gòu)
圖1.4為循環(huán)球式（BS型）轉(zhuǎn)向器配用的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，轉(zhuǎn)向搖臂1為主動件，繞固定鉸點作往復(fù)擺動。其中圖1.4(a)中兩根轉(zhuǎn)向橫拉桿3、4布置在車軸的后方，形成兩段式結(jié)構(gòu)，如紅旗CA7560型轎車即采用了這種轉(zhuǎn)向機構(gòu)；圖1.4(b)中兩根轉(zhuǎn)向橫拉桿3、4布置在車軸的前方，和轉(zhuǎn)向直拉桿2一起構(gòu)成三段式的前置梯形結(jié)構(gòu)，豐田海艾斯轎車轉(zhuǎn)向機構(gòu)就采用這種布置形式。
(a) (b)
圖1.4 與循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器配用的轉(zhuǎn)向機構(gòu)
1—轉(zhuǎn)向搖臂 2—轉(zhuǎn)向直拉桿 3—左轉(zhuǎn)向橫拉桿 4—右轉(zhuǎn)向橫拉桿 5—左梯形臂
6—右梯形臂 7—搖桿 8—懸架左擺臂 9—懸架右擺臂
(a) (b)
圖1.5 與齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器配用的轉(zhuǎn)向機構(gòu)
圖1.5為齒輪齒條式（RP型）轉(zhuǎn)向器配用的轉(zhuǎn)向機構(gòu)兩種布置形式，其中圖1.5(a)中轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，前置梯形，應(yīng)用實例為奧迪100轎車；圖1.5(b)轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，前置梯形，在IVECO45-10型汽車中得到了應(yīng)用。
前面所列僅為轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)結(jié)合的基本形式，實際使用中尚有許多情況，限于篇幅，在此不一一列出。
3.轉(zhuǎn)向的存在問題:
(1)汽車兩輪轉(zhuǎn)向技術(shù)雖經(jīng)歷了近兩百年的發(fā)展，但仍存在如下主要問題：
兩輪轉(zhuǎn)向汽車在轉(zhuǎn)彎時，現(xiàn)有各類轉(zhuǎn)向機構(gòu)均不能保證全部車輪繞瞬時中心轉(zhuǎn)動，從而在技術(shù)上難以完全消除車輛行駛中的車輪側(cè)滑。
(2)獨立懸架汽車中的轉(zhuǎn)向梯形斷開點難以確定，這將導(dǎo)致了橫拉桿與懸架導(dǎo)向機構(gòu)之間運動不協(xié)調(diào)，使汽車在行駛中易發(fā)生擺振，從而加劇輪胎磨損，轉(zhuǎn)向性能隨車
速、轉(zhuǎn)向角、路面狀態(tài)的變化而變化，車速越高，操縱穩(wěn)定性越差。
(3)在采用兩輪轉(zhuǎn)向方式時轉(zhuǎn)彎半徑較大，汽車的機動靈活性不高。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展及在汽車中的應(yīng)用，可以從多方面改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各種性能，但這種改善往往是局部的和微小的?；趦奢嗈D(zhuǎn)向方式的汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展至今，應(yīng)該說已經(jīng)到了一個頂峰，就目前的技術(shù)和經(jīng)濟性而言，兩輪轉(zhuǎn)向在性能上難以再有突破性進(jìn)展。
1.4.3四輪轉(zhuǎn)向及其實現(xiàn)技術(shù)
1.轉(zhuǎn)向方式的提出及其特點:
鑒于兩輪轉(zhuǎn)向方式存在的諸多不足，日本于20世紀(jì)60年代首先提出通過四輪轉(zhuǎn)向方式來提高汽車的操縱穩(wěn)定性，到20世紀(jì)80年代末，四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)得到實際應(yīng)用。1990年，本田、馬自達(dá)、尼桑三家汽車公司首先在部分轎車上推出了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。1991年，美國克萊斯勒和日本的三菱也推出了四輪轉(zhuǎn)向車型。
所謂四輪轉(zhuǎn)向，是指車輛行駛過程中四個車輪能同時發(fā)生偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向方式。其中后輪偏轉(zhuǎn)角一般不超過5°。根據(jù)轉(zhuǎn)向時前、后輪偏轉(zhuǎn)方向的異同分為同向偏轉(zhuǎn)及逆向偏轉(zhuǎn)兩類。對于行駛中的四輪汽車，當(dāng)采用同向偏轉(zhuǎn)時，車身的動態(tài)偏轉(zhuǎn)減小，從而可顯著提高汽車高速行駛穩(wěn)定性；當(dāng)采用逆向偏轉(zhuǎn)時，則可顯著減小汽車轉(zhuǎn)彎半徑，如圖1.6所示，由此增加了低速行駛的靈活性，有利于汽車的轉(zhuǎn)向調(diào)頭。因此采用四輪轉(zhuǎn)向方式時，在一定程度上提高了橫擺角速度和側(cè)向加速度的瞬態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)，如圖1.7所示。所以四輪轉(zhuǎn)向方式具有轉(zhuǎn)向能力強、轉(zhuǎn)向響應(yīng)快、直線行駛穩(wěn)定性高、低速機動性好等優(yōu)點。
圖1.6 2WS與4WS轉(zhuǎn)彎半徑的比較 圖1.7 2WS與4WS車輛轉(zhuǎn)向特性比較
2.輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動方式:
轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵是如何將轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動量傳遞給前后轉(zhuǎn)向輪，并為轉(zhuǎn)向輪提供動力使其發(fā)生協(xié)調(diào)、聯(lián)動偏轉(zhuǎn)。本文根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動量傳遞途徑以及轉(zhuǎn)向輪動力來源的不同，對四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作如下的分類：
(1)集中驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng):
當(dāng)用機械傳動鏈將轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動量分別傳遞給前后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)，從而在前后轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)量與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動量之間形成確定的機械聯(lián)系時，即屬集中驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1.8所示，其中前后轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)的驅(qū)動動力來自于轉(zhuǎn)向盤以及由液壓系統(tǒng)等提供的輔助動力。
前轉(zhuǎn)向輪
前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)
前輪轉(zhuǎn)向器
轉(zhuǎn)向盤
電子控制單元
后輪轉(zhuǎn)向器
后轉(zhuǎn)向輪
后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)
圖1.8 集中驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
此類集中驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可進(jìn)一步分為機械式和機電控制式兩種，其差異主要在后輪偏轉(zhuǎn)方向的操縱方式上。機械式集中驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有圖1.8中的電子控制單元虛框，前后輪的偏轉(zhuǎn)方向和偏轉(zhuǎn)角大小均由轉(zhuǎn)向盤操縱，并通過機械傳動鏈獲得確定的協(xié)調(diào)關(guān)系。這種四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)向特性固定，與車速無關(guān)。對于機電控制式集中驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，后輪偏轉(zhuǎn)角大小由轉(zhuǎn)向盤操縱，而后輪偏轉(zhuǎn)方向則根據(jù)傳感器獲取的前輪偏轉(zhuǎn)方向與角度以及車速信息由控制單元確定。集中驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的制造成本較低，但當(dāng)傳動鏈零件磨損后不能精確保證前后輪轉(zhuǎn)角大小關(guān)系。
(2)分散驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng):
前轉(zhuǎn)向輪
轉(zhuǎn)向盤
前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)
前輪轉(zhuǎn)向器
傳感器獲取的其他信息
傳感器獲取的轉(zhuǎn)角信息
電子控制單元
后輪轉(zhuǎn)向器
后轉(zhuǎn)向輪
后輪轉(zhuǎn)向動力
后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)
圖1.9 分散驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
在圖1.9所示分散驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，前輪轉(zhuǎn)向動力由轉(zhuǎn)向盤直接提供，前轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)方向及偏轉(zhuǎn)量與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動量之間通過機械傳動鏈形成確定關(guān)系；后轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)的操縱由專門的液壓系統(tǒng)或電動機提供動力，至于后輪偏轉(zhuǎn)方向及偏轉(zhuǎn)量則根據(jù)傳感器獲取的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)角信息以及車速等其他信息由控制單元綜合確定。
分散驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本特征在于：前后轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)的驅(qū)動動力是分開的，前后轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)方向和偏轉(zhuǎn)角度之間不是靠機械傳動鏈形成固定的聯(lián)系，而是靠電子控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)預(yù)設(shè)關(guān)系，因此后輪轉(zhuǎn)向控制靈活、方便，能夠獲得更加精確和復(fù)雜的轉(zhuǎn)向特性。
3.輪轉(zhuǎn)向的研究方向:
對4WS轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究主要表現(xiàn)在硬件技術(shù)和軟件技術(shù)兩個方面。硬件技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)在如何采用新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)等來更好地發(fā)揮出四輪轉(zhuǎn)向的優(yōu)勢，更好地實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所預(yù)定的目標(biāo)；研究和開發(fā)高靈敏度、高精度、低成本的傳感器和控制系統(tǒng)，為4WS系統(tǒng)的具體應(yīng)用提供可靠成熟的技術(shù)條件。
目前，四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)研究的潮流主要表現(xiàn)在對控制理論等軟件技術(shù)的研究上。將最先進(jìn)的控制理論與控制方法不斷應(yīng)用于4WS控制器的開發(fā)中，同時將人的因素考慮到操縱控制中去，研究由駕駛員、車輛和行駛環(huán)境所構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)。盡管目前科研人員從結(jié)構(gòu)到控制原理上對四輪轉(zhuǎn)向進(jìn)行了大量的研究，但尚未取得突破性進(jìn)展，四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)還沒有真正地步入全面推廣階段。其主要原因在于盡管四輪轉(zhuǎn)向車的一些開環(huán)指標(biāo)有較大程度的改善，但是對其進(jìn)行主觀評價的效果并不理想。這就要求從主觀評價出發(fā)，考慮閉環(huán)綜合性能指標(biāo)，即將人—車—路看成一個系統(tǒng)，建立合理、可行的閉環(huán)性能評價體系，實現(xiàn)主觀評價與客觀評價的統(tǒng)一。另外，還要把四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)與其他主動安全技術(shù)(如ABS、ASR、VDC等)相結(jié)合，獲得更高的車輛主動安全性。
1.5設(shè)計的預(yù)期成果
本次設(shè)計，我將取得如下成果：1、設(shè)計說明書：(1)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器各零件的結(jié)構(gòu)；(2)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器主要參數(shù)的選擇與優(yōu)化；(3)齒輪軸的設(shè)計計算；(4)調(diào)整彈簧的設(shè)計計算；(5)軸承的選擇。2、圖紙有：齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向齒輪、轉(zhuǎn)向齒條、轉(zhuǎn)向蝸桿箱、齒條襯套套管、轉(zhuǎn)向拉桿、萬向傳動節(jié)、齒條支撐、調(diào)整螺塞。
第2章 設(shè)計方案的選擇
2.1轉(zhuǎn)向器類型的選擇
汽車轉(zhuǎn)向系可按轉(zhuǎn)向能源的不同分為機械式轉(zhuǎn)向系和動力轉(zhuǎn)向系兩大類。汽車轉(zhuǎn)向器是用來保持或改變汽車行駛方向的機構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛時，還要保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。駕駛員通過操縱轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使汽車保持直線或轉(zhuǎn)彎運動狀態(tài)，或者上述兩種運動狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換。
機械轉(zhuǎn)向系的能量來源是人力，所有傳力件都是機械的，由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)三大部分組成。其中轉(zhuǎn)向器是將操縱機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)閭鲃訖C構(gòu)的直線運動的機構(gòu)，是轉(zhuǎn)向系的核心部件。
轉(zhuǎn)向器按結(jié)構(gòu)形式可分為多種類型。歷史上曾出現(xiàn)過許多種形式的轉(zhuǎn)向器，目前較常用的有齒輪齒條式、蝸桿曲柄指銷式、循環(huán)球-齒條齒扇式、循環(huán)球曲柄指銷式、蝸桿滾輪式等。其中第二、第四種分別是第一、第三種的變形形式，而蝸桿滾輪式則更少見。如果按照助力形式，又可以分為機械式(無助力)，和動力式(有助力)兩種，其中動力轉(zhuǎn)向器又可以分為氣壓動力式、液壓動力式、電動助力式、電液助力式等種類
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器[7-9]:
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器是一種最常見的轉(zhuǎn)向器，其基本結(jié)構(gòu)是一對相互嚙合的小齒輪和齒條。轉(zhuǎn)向軸帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)時，齒條便做直線運動。有時，靠齒條來直接帶動橫拉桿，就可使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向。所以這是一種最簡單的轉(zhuǎn)向器。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器可分為兩端輸出式和中間（或單端）輸出式兩種。
優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；殼體由鋁合金或鎂合金壓鑄而成，故質(zhì)量比較小；傳動效率高達(dá)90%；齒輪齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙后，可利用裝在齒條背部、靠近小齒輪的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧自動消除齒間間隙，在提高系統(tǒng)剛度的同時也可防止工作時產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用體積小；沒有轉(zhuǎn)向搖臂和橫拉桿，可以增大轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；制造成本低。
缺點：逆效率高，汽車在不平路面行使時會出現(xiàn)汽車方向控制難度增加還有可能出現(xiàn)打手現(xiàn)象。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器:
這種轉(zhuǎn)向裝置是由齒輪機構(gòu)將來自轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)力進(jìn)行減速，使轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)闇u輪蝸桿的旋轉(zhuǎn)運動，滾珠螺桿和螺母夾著鋼球嚙合，因而滾珠螺桿的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，螺母再與扇形齒輪嚙合，直線運動再次變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，使連桿臂搖動，連桿臂再使連動拉桿和橫拉桿作直線運動，改變車輪的方向。這是一種古典的機構(gòu)，現(xiàn)代轎車已大多不再使用，但又被最新方式的助力轉(zhuǎn)向裝置所應(yīng)用。它的原理相當(dāng)于利用了螺母與螺栓在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的相對移動，而在螺紋與螺紋之間夾入了鋼球以減小阻力，所以鋼球在一個首尾相連的封閉的螺旋曲線內(nèi)循環(huán)滾動，循環(huán)球式故而得名。
優(yōu)點：在螺桿和螺母之間有可以循環(huán)流動的鋼球，將滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，傳動效率可達(dá)75%-85%；轉(zhuǎn)向器傳動比可以變化；工作平穩(wěn)可靠；齒條齒扇間間隙調(diào)整工作容易進(jìn)行；適合做整體式動力轉(zhuǎn)向器。
缺點：逆效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，制造精度要求高。
蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器：
它是以蝸桿為主動件，曲柄銷為從動件的轉(zhuǎn)向器。蝸桿具有梯形螺紋，手指狀的錐形指銷用軸承支撐在曲柄上，曲柄與轉(zhuǎn)向搖臂軸制成一體。轉(zhuǎn)向時，通過轉(zhuǎn)向盤傳動蝸桿、嵌于蝸桿螺旋槽中的錐形指銷一邊自轉(zhuǎn)，一邊旋繞轉(zhuǎn)向搖臂軸做圓弧運動，從而帶動曲柄和轉(zhuǎn)向垂臂擺動，再通過轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。這種轉(zhuǎn)向器通常用于轉(zhuǎn)向力較大的載貨汽車上。
通過對不同形式的轉(zhuǎn)向器對比，最終選擇采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。
2.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器布置和結(jié)構(gòu)形式的選擇
考濾到原車采用的是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，故采用如圖2.1所示的布置形式。
圖2.1齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器
同時考慮到原車是發(fā)動機前置后驅(qū)故采用如圖2.2所示的側(cè)面輸入兩端輸出的結(jié)構(gòu)形式。
圖2.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)形式
2.3本章小結(jié)
本章主要介紹了齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)缺點布置方式以及結(jié)構(gòu)形式，并進(jìn)行比較，最終確定了采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。
第3章 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計和計算
3.1轉(zhuǎn)向系計算載荷的確定
為了保證行駛安全，組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強度。欲驗算轉(zhuǎn)向系零件的強度，需首先確定作用在各零件上的力。影響這些力的主要因素有轉(zhuǎn)向軸的負(fù)荷、路面阻力和輪胎氣壓等。為轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力，包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動的阻力、車輪穩(wěn)定阻力、輪胎變形阻力和轉(zhuǎn)向系中的內(nèi)摩擦阻力等。
表3.1一汽佳寶汽車的基本參數(shù)
名稱
軸距L
前輪距L1
后輪距L2
最小轉(zhuǎn)彎半徑R
數(shù)值
2750mm
1400mm
1420mm
5000mm
名稱
整車質(zhì)量
輪胎氣壓
方向盤直徑
數(shù)值
1112.5kg
200KPa
400mm
3.1.1計算汽車的原地轉(zhuǎn)向阻力矩
(3.1)
式中:
f—輪胎和路面間的滑動摩擦因數(shù)，一般取f=0.7；
G1—轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷，G1=10902.5N,單位為N；
P—輪胎氣壓，P=0.2MPa,單位為MPa。
3.1.2轉(zhuǎn)向器角傳動比的計算
轉(zhuǎn)向系的傳動比由轉(zhuǎn)向系的角傳動比iω和轉(zhuǎn)向系的力傳動比ip組成．
從輪胎接觸地面中心作用在兩個轉(zhuǎn)向輪上的合力2Fw與作用在方向盤上的手力Fh之比稱為力傳動比ip。
方向盤的轉(zhuǎn)角和駕駛員同側(cè)的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角之比稱為轉(zhuǎn)向系角傳動比iω.它又由轉(zhuǎn)向器傳動比io轉(zhuǎn)向傳動裝置角傳動比ip所組成．
α=33.37°
β=44.73°
式中:
L—汽車軸距，L=2750,單位為mm；
R—汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑，R=5000,單位為mm；
B—前輪輪距，B=1400,單位為mm；
ωW—轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角（速度），ωW=1260°；
ωK—轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角（速度），ωK=78.1°；
iω—轉(zhuǎn)向器傳動比,iω=16.1。
圖3.1轉(zhuǎn)向原理圖
3.1.3作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力的計算
(3.2)
式中:
L1—轉(zhuǎn)向搖臂長，單位為mm；
MR—原地轉(zhuǎn)向阻力矩，MR=593951.4N·mm；
L2—轉(zhuǎn)向節(jié)臂長，單位為mm；
DSW—轉(zhuǎn)向盤直徑，DSW =400mm；
iω—轉(zhuǎn)向器角傳動比，iω=16.1；
η+—轉(zhuǎn)向器正效率，η+=0.9。
因齒輪齒條式轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)無轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向節(jié)臂，故L1、L2不代入數(shù)值。
3.1.4梯形臂長度L2的計算
輪輞直徑RLW=16in=16×25.4=406.4mm
梯形臂長度L2=RLW×0.8/2=406.4×0.8/2=162.6mm
取L2=160mm
3.1.5輪胎直徑RT的計算
RT=RLW+0.55×205=406.4+0.55×205=518.75mm
取RT=520mm
3.1.6轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑d的計算
(3.3)
式中:
a=L2；
[σ]=216MPa
MR=593.95N·m
取dmin=15mm
3.1.7主動齒輪軸的計算
(3.4)
式中：
[τ]=140MPa
取dmin=18mm
3.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計
3.2.1齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計要求
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器若用直齒圓柱齒輪則會使運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性降低、沖擊大、噪聲增加。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪多數(shù)采用斜齒圓柱齒輪。齒輪模數(shù)m的取值范圍多在2-3mm之間，主動小齒輪齒數(shù)z多數(shù)在5-7個齒范圍變化，壓力角α=20°，齒輪螺旋角β的取值范圍多在9-15°之間。齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪達(dá)到最大偏轉(zhuǎn)角時，相應(yīng)地齒條移動行程應(yīng)達(dá)到的值來確定。變速比的齒條壓力角，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在12-35°范圍內(nèi)變化。此外，設(shè)計時應(yīng)驗算齒輪的抗彎強度和接觸強度。
主動小齒輪選用16MnCr5或15CrNi6材料制造，而齒條常采用45鋼制造。為減輕質(zhì)量，殼體用鋁合金壓鑄。
3.2.2齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的主要部件
1.齒輪[10]：
齒輪是一只切有齒形的軸。它安裝在轉(zhuǎn)向器殼體上并使其齒與齒條上的齒相嚙合。齒輪齒條上的齒可以是直齒也可以是斜齒。齒輪軸上端與轉(zhuǎn)向柱內(nèi)的轉(zhuǎn)向軸相連。因此，轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)使齒條橫向移動已操縱前輪。齒輪軸由安裝在轉(zhuǎn)向器殼體上的球軸承支承。
(1)選擇齒輪類型
根據(jù)齒輪傳動的工作條件，選用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動方案
(2)選擇齒輪傳動精度等級
選用7級精度
(3)初選參數(shù)如下表所示
表3.2齒輪的設(shè)計參數(shù)
設(shè)計名稱
計算公式
計算結(jié)果
模數(shù)mn1
-
mn1=2.5
齒數(shù)Z1
-
Z1=6
壓力角α1
-
α1=20°
螺旋角β
-
β=10°
斜齒圓柱齒輪直徑d
d=15.23mm
2.齒條[11]：
齒條是在金屬殼體內(nèi)來回滑動的，加工有齒形的金屬條。轉(zhuǎn)向器殼體是安裝在前橫梁或前圍板的固定位置上的。齒條代替梯形轉(zhuǎn)向桿系的搖桿和轉(zhuǎn)向搖臂，并保證轉(zhuǎn)向橫拉桿在適當(dāng)?shù)母叨纫允顾麄兣c懸架下擺臂平行。齒條可以比作是梯形轉(zhuǎn)向桿系的轉(zhuǎn)向直拉桿。導(dǎo)向座將齒條支持在轉(zhuǎn)向器殼體上。齒條的橫向運動拉動或推動轉(zhuǎn)向橫拉桿，使前輪轉(zhuǎn)向。
圖3.3 齒條設(shè)計
相互嚙合的齒輪的齒距P1=πmn1cosα1和齒條的齒距P2=πmn2cosα2必須相等。
即πmn1cosα1=πmn2cosα2
計算出齒條的壓力角為：α2=20°
(3.5)
式中：
L—齒條行程，95mm；
mn2—齒條模數(shù)，2.5；
α2—齒條壓力角，α2=20°。
?。篫2=31
齒輪直徑：d=mn1Z1/cosβ=15.23mm
取齒寬系數(shù)：Ψd=1.2
齒寬：b=Ψd×d=18.3mm
所以齒條寬b2?。?0mm，
即：b2=20mm
齒輪寬：b1=b2+10=30mm，
即：b1=30mm
3.3齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的材料選擇及強度校核
1．選擇齒輪齒條材料、熱處理方式及計算許用應(yīng)力
(1)選擇材料及熱處理方式
齒輪：40Cr C-N共滲淬火、回火 43—53HRC
齒條：45鋼 調(diào)質(zhì)處理 229—286HBS
(2)確定許用應(yīng)力
(3.6)
(3.7)
1)確定σHlim和σFlim
經(jīng)查《機械設(shè)計手冊》得：
σHlim=1500MPa
σFlim=300MPa
2)確定壽命系數(shù)ZN、YN
經(jīng)查《機械設(shè)計手冊》得：
ZN=1.4（接觸次數(shù)取8×106次）
YN=1（接觸次數(shù)取8×106次）
3)計算許用應(yīng)力
?。篠Hlim=1，SFlim=1.4
(3.8)
經(jīng)查《機械設(shè)計手冊》得：
應(yīng)力修正系數(shù)：YST=2
(3.9)
2.強度校核
1)校核齒輪接觸疲勞強度:
選取參數(shù)，按ME級質(zhì)量要求取值
經(jīng)查《機械設(shè)計手冊》得:
σHlim=1500MPa
SHlim=1
ZN=1.4
（接觸次數(shù)取8×106次）
(3.10)
經(jīng)查《機械設(shè)計手冊》得：
齒輪使用系數(shù)：KA=1.35
齒輪動載系數(shù)：KV=1.05
齒輪齒向載荷分布系數(shù)：Kβ =1.12
齒輪齒間載荷分配系數(shù)：Kα=1.0
K= KAKVKβKα=1.35×1.05×1.12×1.0=1.5876 (3.11)
轉(zhuǎn)矩：
TZ=Fh×L2=205×0.16=32.8N·m=32800 N·m m (3.12)
齒面接觸疲勞強度校核：
(3.13)
式中：
ZE—材料彈性系數(shù)，ZE =189.8(由《機械設(shè)計手冊》查得)
ZH—節(jié)點區(qū)域系數(shù)，ZH =2.15(由《機械設(shè)計手冊》查得)
Zτ—重合度系數(shù)，Zτ=0.94(計算εα=1.165，εβ=0.55由《機械設(shè)計手冊》查得)
Zβ—螺旋角系數(shù)，Zβ=0.99(由《機械設(shè)計手冊》查得)
u—齒輪傳動比，u =20:6=10/3
得：
σH =1896.7MPa≤ [σH]=2100 MPa
故齒輪接觸疲勞強度滿足要求。
2)齒輪彎曲疲勞強度校核：
經(jīng)查《機械設(shè)計手冊》得：
[σF]=428.57MPa
SFlim=1.4
YST=2
YN=1
(接觸次數(shù)取8×106次)
(3.14)
(3.15)
式中：
YF—外齒輪的齒形系數(shù)，YF =2.8(由《機械設(shè)計手冊》查得)
YS—外齒輪齒根應(yīng)力修正系數(shù)，YS =1.5(由《機械設(shè)計手冊》查得)
Yβ—螺旋角系數(shù)，Yβ=0.9(由《機械設(shè)計手冊》查得)
Yτ—重合度系數(shù)，Yτ=0.75(由《機械設(shè)計手冊》查得)
σF =332.6MPa≤ [σF]=428.57MPa
故齒輪彎曲疲勞強度符合要求。
3.4齒輪齒條的基本參數(shù)
齒輪齒條的基本參數(shù)如下表所示：
表3.3齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的齒輪齒條的基本參數(shù)
名稱
公式
齒輪
齒條
法向模數(shù)mn
-
2.5
壓力角α
-
20°
齒數(shù)Z
-
6
31
分度圓直徑d
d=mnz/ cosβ
15.23
-
齒頂高xa
-
1
-
齒根高h(yuǎn)a
ha=(han*+xa)mn
5
2.5
齒頂圓直徑hf
hf=(han*+c*-xn)mn
0.625
2.8125
齒頂圓直徑da
da=d+2×ha
25.23
-
齒根圓直徑df
df=d+2xamn
13.98
-
螺旋角β
-
10°
齒寬b
b=ψdd1
30
20
3.5本章小結(jié)
本章對齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器做出了具體的計算，首先確定基本參數(shù)，計算出汽車的原地轉(zhuǎn)向阻力矩、轉(zhuǎn)向器角傳動比、作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力、梯形臂長度、輪胎直徑、轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑，最后確定主動齒輪軸的大小，設(shè)計齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的主要部件齒輪和齒條并進(jìn)行了強度校核，其校核符合標(biāo)準(zhǔn)。
第4章 齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
齒輪軸指支承轉(zhuǎn)動零件并與之一起回轉(zhuǎn)以傳遞運動、扭矩或彎矩的機械零件。一般為金屬圓桿狀，各段可以有不同的直徑。機器中作回轉(zhuǎn)運動的零件就裝在軸上。
圖4.1 齒輪軸
4.1齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的受力分析與計算
若略去齒面間的摩擦力，則作用與節(jié)點上的法向力Fa可以分解為徑向力Fr和分力F，分力F又可以分為圓周力Ft和軸向力Fa。
受力分析如圖4.2所示：
計算力如下：
Ft=2TZ/d1=2×32800/15.23=4307.29N (4.1)
Fr=Fttanα/cosβ=4307.29tan20°/cos10°=1591.1N (4.2)
Fa=Fttanβ=4307.29tan10°=759.49N (4.3)
式中：
α—齒輪壓力角，α=20°；
β—齒輪螺旋角，β=10°；
TZ—轉(zhuǎn)向盤扭力矩，TZ =32800N·mm；
d1—齒輪分度圓直徑，d1=15.23mm。
4.2齒輪軸的設(shè)計計算
經(jīng)過分析得到：
圖4.2 齒輪軸的受力分析圖
在XY平面上，
(4.4)
在XZ平面上，
(4.5)
圖4.3 受力分析圖
解得：
，
圖4.4軸的彎矩扭矩圖
圖4.5 齒輪軸的力矩圖
4.3齒輪軸的強度校核
查得40Cr的機械性能：
σB=750MPa
στ=550MPa
σ-1=350MPa
τ-1=200MPa
[τ]=40～50MPa
由《機械設(shè)計（第四版）》查得：
σ0=1.6σ-1=560MPa
σsb=1.4σs=770MPa
τs=0.70σB=525MPa
對稱循環(huán)疲勞極限：
σ-1b=0.41σB307.5MPa
τ-1=0.30σB=225MPa
脈動循環(huán)疲勞極限：
σ0b=1.7σ-1b=522.75MPa
τ0=1.4τ-1=280MPa
等效系數(shù)：
(4.6)
(4.7)
彎曲應(yīng)力幅：
(4.8)
平均應(yīng)力幅：
σm=0
扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力：
(4.9)
扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力和平均應(yīng)力幅：
τa=τm==24.3MPa (4.10)
查得：
應(yīng)力集中系數(shù)：Kσ=1.95，Kx=1.48；?
表面狀態(tài)系數(shù)：β=1.5；
尺寸系數(shù)：εx=0.98，εσ=0.91；
安全系數(shù)：設(shè)為無限壽命，KN=1
(4.11)
(4.12)
查得許用安全系數(shù)[S]=1.3，顯然S≥[S]
故軸的安全系數(shù)校核符合安全標(biāo)準(zhǔn)
4.4本章小結(jié)
本章主要是齒輪軸的設(shè)計計算，通過受力分析繪制出齒輪軸的彎矩圖、扭矩圖，并進(jìn)行軸的強度校核，最終校核結(jié)果符合要求。
第5章 轉(zhuǎn)向器間隙調(diào)整彈簧的設(shè)計計算
設(shè)計要求：設(shè)計一圓柱形壓縮螺旋彈簧，載荷平穩(wěn)，要求Fmax=205N時，
λmax＜10mm，彈簧總的工作次數(shù)小于104，彈簧中要能寬松地穿過一根直徑為φ17.85mm的軸，彈簧兩端固定，外徑D≤30mm，自由高度H0≤45mm。
5.1選擇材料
由彈簧工作條件可知，對材料無特殊要求，選用C組碳素彈簧鋼絲。因彈簧的工作次數(shù)小于104，載荷性質(zhì)屬II類，[τ]=0.45σB。
5.2計算彈簧絲直徑d
1)選擇旋繞比C
取C=4(查《機械設(shè)計手冊》得)
2)估算D2’
按D≤30mm、D1＞16mm，
取D2’=24mm
3)計算彈簧絲直徑d’
(5.1)
4)計算曲度系數(shù)K
(5.2)
5)計算彈簧絲的許用應(yīng)力[τ]
[τ]=0.45σB=0.45×1700=765MPa (5.3)
6)計算彈簧絲直徑d
(5.4)
取d=6mm
5.3計算彈簧圈數(shù)和彈簧的自由高度
1)工作圈數(shù)n
(5.5)
2)總?cè)?shù)n1
各端絲圈取1
故n1=n+2=6.5
3)節(jié)距t
T=πD2tanα (5.6)
則t=π×20×tan6°=7.92mm，取α=6°
4)自由高度H0
H0≈nt+1.5d=4.43×7.92+1.5×5=43.59mm (5.7)
5.4穩(wěn)定性驗算
高徑比b：
(5.8)
故滿足穩(wěn)定性要求。
5.5檢查δ及δ1
鄰圈間隙δ：
δ=t-d=7.92-5=2.92mm (5.9)
彈簧單圈的最大變形量：
(5.10)
故在最大載荷作用下仍留有間隙δ1：
δ1=2.92-1.81=1.11＞0.1d (5.11)
5.6幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸的確定
彈簧外徑D：
D=D2+d=24+5=29mm (5.12)
彈簧內(nèi)徑D1：
D1= D2-d=24-5=19mm (5.13)
5.7彈簧工作圖
τs=1.25[τ]=1.25×765=956.25MPa (5.14)
彈簧的極限載荷Flim：
(5.15)
彈簧的安裝載荷Fmin：
Fmin=0.9Fmax=0.9×1411=1269.9N (5.16)
彈簧剛度Cs：
(5.17)
安裝變形量λmin：
(5.18)
安裝高度H1：
H1= H0-λmin=42.59-7.20=35.39mm (5.19)
工作高度H2：
H2= H0-λmax=42.59-8=34.59mm (5.20)
極限高度H3：
H3= H0-λlim=42.59-9.47=33.12mm (5.21)
5.8本章小結(jié)
本章對間隙調(diào)整彈簧進(jìn)行了具體的設(shè)計，首先對彈簧材料進(jìn)行選擇，然后算出彈簧絲直徑，彈簧圈數(shù)和彈簧的自由高度，并進(jìn)行穩(wěn)定性的驗算。結(jié)果顯示，設(shè)計后的彈簧達(dá)到國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要求。
第6章 軸承、潤滑方式和密封類型的選擇
6.1