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四輪農(nóng)用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)
第一章 前 言
§1.1 四輪農(nóng)用車的發(fā)展前景
中國改革開放以來，在農(nóng)村實(shí)行家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制的改革，使農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)空前的活躍。農(nóng)村的貨運(yùn)量和人口的流動(dòng)量急劇增加，加快運(yùn)輸機(jī)械化成為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切需要，正是這一市場(chǎng)的需要使具有中國特色的運(yùn)輸機(jī)械-農(nóng)用運(yùn)輸車應(yīng)運(yùn)而生。它解決了農(nóng)村運(yùn)輸?shù)募毙?，填補(bǔ)了村際，鄉(xiāng)際，城鎮(zhèn)及城鄉(xiāng)結(jié)合部運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的空白，活躍了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，為農(nóng)村富裕勞動(dòng)力找了一條出路，從而使數(shù)以萬計(jì)的農(nóng)民走上了小康之路！
四輪農(nóng)用運(yùn)輸車的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是輕型汽車。與汽車相比，四輪農(nóng)用運(yùn)輸車有許多優(yōu)點(diǎn)。入世后農(nóng)用運(yùn)輸車沒有受到多大沖擊，因?yàn)樗侵袊厣漠a(chǎn)業(yè)，符合國情，在國外幾乎沒人搞過。但是我們不能回避汽車與四輪農(nóng)用運(yùn)輸車在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，四輪農(nóng)用運(yùn)輸車?yán)帽容^底的生產(chǎn)成本和微利經(jīng)營的生產(chǎn)方式并引進(jìn)先進(jìn)的汽車技術(shù)，堅(jiān)持“三低一高”的特色，注重產(chǎn)品質(zhì)量，使之與在汽車行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)中得以提高。
隨著黨和國家提出的的開發(fā)西部的政策落實(shí)，也給農(nóng)用運(yùn)輸車廠商帶來了無限商機(jī)使農(nóng)用運(yùn)輸車的開發(fā)有廣闊的前景， 另一方面，我國有近13億人口，特別是9億以上的農(nóng)村人口收入水平相對(duì)較低，需求量最大的是低檔次的汽車。由于它比較適合中國國情，預(yù)計(jì)在未來的5～15年里，農(nóng)用車在我國農(nóng)村仍然具有廣闊的發(fā)展前景。近年來農(nóng)用車保有量增加很快，因此對(duì)柴油的需求很大。
農(nóng)用車制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，其中三輪車價(jià)格在4000～7000元/輛，四輪車價(jià)格在1～1.5萬元/輛，購車農(nóng)戶一般半年左右即可收回10000元投資。另外，農(nóng)用車的養(yǎng)路費(fèi)為每月每噸70元，是汽車的30%，使用成本為同噸位汽車的1/3到1/2。公路快速建設(shè)也促進(jìn)了農(nóng)用車的發(fā)展。舊中國，全國公路僅13×104 km，而到1997年底，已達(dá)1.226×106 km，目前全國98%的鄉(xiāng)和80%的村都通了公路，使得農(nóng)用車有用武之地。公安車管部門1993年制定了《關(guān)于農(nóng)用運(yùn)輸車道路交通管理的規(guī)定》，在不損害管理大局的前提下，大幅度減少農(nóng)用車的各種費(fèi)用，免交車輛增容費(fèi)。因此，在近十幾年里我國農(nóng)用車得到快速發(fā)展。1980年全國農(nóng)用車產(chǎn)銷量不足萬輛，1992年產(chǎn)銷量達(dá)到113萬輛，首次超過當(dāng)年汽車產(chǎn)銷量（106.2萬輛）。1998年農(nóng)用車產(chǎn)銷量達(dá)到270萬輛，而同期汽車產(chǎn)銷量為163萬輛。
我們要開發(fā)的農(nóng)用運(yùn)輸車要采用設(shè)計(jì)理念，多進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品新穎化，品種多樣化以適應(yīng)多種需要。
首先農(nóng)用運(yùn)輸車既然為農(nóng)民服務(wù)，那么就必須立足于“農(nóng)”字，需對(duì)農(nóng)村市場(chǎng)有意的深入了解。及農(nóng)村的道路，農(nóng)民的使用水品和購買能力和分析研究！
另外，過去研制一味的迎合用戶“多拉快跑”的心理，盲目的加大強(qiáng)化車輛的部件是不可取的。農(nóng)產(chǎn)品的開發(fā)研制該大則大，該小則小，不僅產(chǎn)品的檔次要拉開，產(chǎn)品開發(fā)的大小兩個(gè)方向也要拉開！
§1.2 前橋和轉(zhuǎn)向系組成和設(shè)計(jì)步驟
前橋通過懸架與車架(或承載式車身)相聯(lián)，兩側(cè)安裝著從動(dòng)午輪，用以在車架(或承載式車身)與車輪之間傳遞鉛垂力、縱向力和橫向力。從動(dòng)橋還要承受和傳遞制動(dòng)力矩。從動(dòng)橋按與其匹配的懸架結(jié)構(gòu)的不同，也可分為非斷開式與斷開式兩種。從動(dòng)橋按與之匹配的懸架結(jié)構(gòu)不同可分為非斷開式與斷開式兩種。由于農(nóng)用車要求價(jià)廉，所以多采用非斷開式前橋。非斷開式的前橋主要有前梁，轉(zhuǎn)向節(jié)和轉(zhuǎn)向主銷組成。
一、從動(dòng)橋結(jié)構(gòu)形式
1、非斷開式轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋
2、合縱臂式后支持橋
一般多采用非斷開式轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋。
二、從動(dòng)橋設(shè)計(jì)
1、轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋主要零件尺寸的確定，前梁，工字型斷面，可采用常規(guī)設(shè)計(jì)，也可采用計(jì)算機(jī)程序可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2、零件工作應(yīng)力的計(jì)算
（1）在制動(dòng)工況下的前梁應(yīng)力計(jì)算
（2）在最大側(cè)壓力工況下的應(yīng)力計(jì)算
（3）轉(zhuǎn)向節(jié)在制動(dòng)和側(cè)滑工況下的應(yīng)力計(jì)算
（4）主銷和轉(zhuǎn)向襯套在制動(dòng)和側(cè)滑工況下的應(yīng)力計(jì)算
（5）轉(zhuǎn)向節(jié)推力軸承和止推墊片的計(jì)算
三、轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì)
1、轉(zhuǎn)向器方案分析
2、轉(zhuǎn)向器主要性能參數(shù)設(shè)計(jì)
3、轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計(jì)
3
第二章 概述
§2.1 前橋簡(jiǎn)介
從動(dòng)橋即非驅(qū)動(dòng)橋，又稱從動(dòng)車橋。它通過懸架與車架(或承載式車身)相聯(lián)，兩側(cè)安裝著從動(dòng)車輪，用以在車架(或承載式車身)與車輪之間傳遞鉛垂力、縱向力和橫向力。從動(dòng)橋還要承受和傳遞制動(dòng)力矩。
根據(jù)從動(dòng)車輪能否轉(zhuǎn)向，從動(dòng)橋分為轉(zhuǎn)向橋與非轉(zhuǎn)向橋。一般汽車多以前橋?yàn)檗D(zhuǎn)向橋。為提高操縱穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性，有些轎車采用全四輪轉(zhuǎn)向。多軸汽車除前輪轉(zhuǎn)向外，根據(jù)對(duì)機(jī)動(dòng)性的要求，有時(shí)采用兩根以上的轉(zhuǎn)向橋直至全輪轉(zhuǎn)向。
一般載貨汽車采用前置發(fā)動(dòng)機(jī)后橋驅(qū)動(dòng)的布置形式，故其前橋?yàn)檗D(zhuǎn)向從動(dòng)橋。轎車多采用前置發(fā)動(dòng)機(jī)前橋驅(qū)動(dòng)，越野汽車均為全輪驅(qū)動(dòng)，故它們的前橋既是轉(zhuǎn)向橋又是驅(qū)動(dòng)橋，稱為轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋。
從動(dòng)橋按與其匹配的懸架結(jié)構(gòu)的不同，也可分為非斷開式與斷開式兩種。與非獨(dú)立懸架相匹配的非斷開式從動(dòng)橋是一根支承于左、右從動(dòng)車輪上的剛性整體橫梁，當(dāng)又是轉(zhuǎn)向橋時(shí)，則其兩端經(jīng)轉(zhuǎn)向主銷與轉(zhuǎn)向節(jié)相聯(lián)。斷開式從動(dòng)橋與獨(dú)立懸架相匹配。
非斷開式轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋主要由前梁、轉(zhuǎn)向節(jié)及轉(zhuǎn)向主銷組成。轉(zhuǎn)向節(jié)利用主銷與前梁鉸接并經(jīng)一對(duì)輪轂軸承支承著車輪的輪轂，以達(dá)到車輪轉(zhuǎn)向的目的。在左轉(zhuǎn)向節(jié)的上耳處安裝著轉(zhuǎn)向節(jié)臂，后者與轉(zhuǎn)向直拉桿相連；而在轉(zhuǎn)向節(jié)的下耳處則裝著與轉(zhuǎn)向橫拉桿相連接的轉(zhuǎn)向梯形臂。有的將轉(zhuǎn)向節(jié)臂與梯形臂連成一體并安裝在轉(zhuǎn)向節(jié)的下耳處以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)向節(jié)的銷孔內(nèi)壓入帶有潤滑油槽的青銅襯套以減小磨損。為使轉(zhuǎn)向輕便，在轉(zhuǎn)向節(jié)上耳與前梁拳部之間裝有調(diào)整墊片以調(diào)整其間隙。帶有螺紋的楔形鎖銷將主銷固定在前梁拳部的孔內(nèi)，使之不能轉(zhuǎn)動(dòng)。
§2.2 前橋各參數(shù)對(duì)汽車穩(wěn)定性的作用與影響
為了保持汽車直線行駛的穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向輕便性及汽車轉(zhuǎn)向后使前輪具有自動(dòng)回正的性能，轉(zhuǎn)向橋的主銷在汽車的縱向和橫向平而內(nèi)都有一定傾角。在縱向平面內(nèi)，主銷上部向后傾斜一個(gè)角，稱為主銷后傾角。在橫向平面內(nèi)，主銷上部向內(nèi)傾斜一個(gè)β角，稱為主銷內(nèi)傾角。
主銷后傾使主銷軸線與路面的交點(diǎn)位于輪胎接地中心之前，該距離稱為后傾拖距。當(dāng)直線行駛的汽車的轉(zhuǎn)向輪偶然受到外力作用而稍有偏轉(zhuǎn)時(shí)，汽車就偏離直線行駛而有所轉(zhuǎn)向，這時(shí)引起的離心力使路面對(duì)車輪作用著一阻礙其側(cè)滑的側(cè)向反力，使車輪產(chǎn)生繞主銷旋轉(zhuǎn)的回正力矩，從而保證了汽車具有較好的直線行駛穩(wěn)定性。此力矩稱穩(wěn)定力矩。穩(wěn)定力矩也不宜過大，否則在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)為了克服此穩(wěn)定力矩需在方向盤上施加更大的力，導(dǎo)致方向盤沉重。后傾角通常在以內(nèi)?，F(xiàn)代轎車采用低壓寬斷面斜交輪胎，具有較大的彈性回正力矩，故主銷后傾角就可以減小到接近于零，甚至為負(fù)值。但在采用子午線輪胎時(shí)，由于輪胎的拖距較小，則需選用較大的后傾角。
主銷內(nèi)傾也是為了保證汽車直線行駛的穩(wěn)定性并使轉(zhuǎn)向輕便。主銷內(nèi)傾使主銷軸線與路面的交點(diǎn)至車輪中心平面的距離即主銷偏移距減小，從而可減小轉(zhuǎn)向時(shí)需加在方向盤上的力，使轉(zhuǎn)向輕便，同時(shí)也可減小轉(zhuǎn)向輪傳到方向盤上的沖擊力。主銷內(nèi)傾使前輪轉(zhuǎn)向時(shí)不僅有繞主銷的轉(zhuǎn)動(dòng)，而且伴隨有車輪軸及前橫梁向上的移動(dòng)，而當(dāng)松開方向盤時(shí)，所儲(chǔ)存的上升位能使轉(zhuǎn)向輪自動(dòng)回正，保證汽車作直線行駛。內(nèi)傾角一般為；主銷偏移距一股為30～40mm。輕型客車、輕型貨車及裝有動(dòng)力轉(zhuǎn)向的汽車可選擇較大的主銷內(nèi)傾角及后傾角，以提高其轉(zhuǎn)向車輪的自動(dòng)回正性能。但內(nèi)傾角也不宜過大，即主銷偏移距不宜過小，否則在轉(zhuǎn)向過程中車輪繞主銷偏轉(zhuǎn)時(shí)，隨著滾動(dòng)將伴隨著沿路面的滑動(dòng)，從而增加輪胎與路面間的摩擦阻力，使轉(zhuǎn)向變得很沉重。為了克服因左、右前輪制動(dòng)力不等而導(dǎo)致汽車制動(dòng)時(shí)跑偏，近年來出現(xiàn)主銷偏移距為負(fù)值的汽車。
前輪定位除上述主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角外，還有車輪外傾角及前束，共4項(xiàng)參數(shù)。車輪外傾指轉(zhuǎn)向輪在安裝時(shí)，其輪胎中心平面不是垂直于地面，而是向外傾斜一個(gè)角度 ，稱為車輪外傾角。此角約為，一般為左右。它可以避免汽車重載時(shí)車輪產(chǎn)生負(fù)外傾即內(nèi)傾，同時(shí)也與拱形路而相適應(yīng)。由于車輪外傾使輪胎接地點(diǎn)向內(nèi)縮，縮小了主銷偏移距，從而使轉(zhuǎn)向輕便并改善了制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性。
前束的作用是為了消除汽車在行駛中因車輪外傾導(dǎo)致的車輪前端向外張開的不利影響(具有外傾角的車輪在滾動(dòng)時(shí)猶如滾錐，因此當(dāng)汽車向前行駛時(shí)，左右兩前輪的前端會(huì)向外張開)，為此在車輪安裝時(shí)，可使汽車兩前輪的中心平面不平行，且左右輪前面輪緣間的距離A小于后面輪緣間的距離B，以使車輪在每一瞬時(shí)的滾動(dòng)方向是向著正前方。前束即(B-A)，一般汽車約為3～5mm，可通過改變轉(zhuǎn)向橫拉桿的長度來調(diào)整。設(shè)定前束的名義值時(shí)，應(yīng)考慮轉(zhuǎn)向梯形中的彈性和間隙等因素。
在汽車的設(shè)計(jì)、制造、裝配調(diào)整和使用中必須注意防止可能引起的轉(zhuǎn)向車輪的擺振，它是指汽車行駛時(shí)轉(zhuǎn)向輪繞主銷不斷擺動(dòng)的現(xiàn)象，它將破壞汽車的正常行駛。轉(zhuǎn)向車輪的擺振有自激振動(dòng)與受迫振動(dòng)兩種類型。前者是由于輪胎側(cè)向變形中的遲滯特性的影響，使系統(tǒng)在一個(gè)振動(dòng)周期中路面作用于輪胎的力對(duì)系統(tǒng)作正功，即外界對(duì)系統(tǒng)輸入能量。如果后者的值大于系統(tǒng)內(nèi)阻尼消耗的能量，則系統(tǒng)將作增幅振動(dòng)直至能量達(dá)到動(dòng)平衡狀態(tài)。這時(shí)系統(tǒng)將在某一振幅下持續(xù)振動(dòng)，形成擺振。其振動(dòng)頻率大致接近系統(tǒng)的固有頻率而與車輪轉(zhuǎn)速并不一致，且會(huì)在較寬的車速范圍內(nèi)發(fā)生。通常在低速行駛時(shí)發(fā)生的擺振往往屬于自攝振動(dòng)型。當(dāng)轉(zhuǎn)向車輪及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)受到周期性擾動(dòng)的激勵(lì)，例如車輪失衡、端面跳動(dòng)、輪胎的幾何和機(jī)械特性不均勻以及運(yùn)動(dòng)學(xué)上的干涉等，在車輪轉(zhuǎn)動(dòng)下都會(huì)構(gòu)成周期性的擾動(dòng)。在擾動(dòng)力周期性的持續(xù)作用下，便會(huì)發(fā)生受迫振動(dòng)。當(dāng)擾動(dòng)的激勵(lì)頻率與系統(tǒng)的固有頻率一致時(shí)便發(fā)生共振。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)向輪擺振頻率與車輪轉(zhuǎn)速一致，而且一般都有明顯的共振車速，共振范圍較窄(3～5km/h)。通常在高速行駛時(shí)發(fā)生的擺振往往屬于受迫振動(dòng)型。
轉(zhuǎn)向輪擺振的發(fā)生原因及影響因素復(fù)雜，既有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因和制造方面的因素．如車輪失衡、輪胎的機(jī)械特性、系統(tǒng)的剛度與阻尼、轉(zhuǎn)向輪的定位角以及陀螺效應(yīng)的強(qiáng)弱等；又有裝配調(diào)整方面的影響，如前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)間的間隙(影響系統(tǒng)的剛度)和摩擦系數(shù)(影響阻尼)等。合理地選擇這些有關(guān)參數(shù)、優(yōu)化它們之間的匹配，精心地制造和裝配調(diào)整，就能有效地控制前輪擺振的發(fā)生。在設(shè)計(jì)中提高轉(zhuǎn)向器總成與轉(zhuǎn)向拉桿系統(tǒng)的剛度及懸架的縱向剛度，提高輪胎的側(cè)向剛度，在轉(zhuǎn)向拉桿系中設(shè)置橫向減震器以增加阻尼等，都是控制前輪擺振發(fā)生的一些有效措施。
第三章 從動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)形式
§3.1 總述
各種車型的非斷開式轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)型式基本相同，如圖1—1所示。作為主要零件的前梁是用中碳鋼或中碳合金鋼的，其兩端各有一呈拳形的加粗部分為安裝主銷的前梁拳部；為提高其抗彎強(qiáng)度，其較長的中間部分采用工字形斷面并相對(duì)兩端向下偏移一定距離，以降低發(fā)動(dòng)機(jī)從而降低傳動(dòng)系的安裝位置以及傳動(dòng)軸萬向節(jié)的夾角。為提高其抗扭強(qiáng)度，兩端與拳部相接的部分采用方形斷面，而靠近兩端使拳部與中間部分相聯(lián)接的向下彎曲部分則采用兩種斷面逐漸過渡的形狀。中間部分的兩側(cè)還要鍛造出鋼板彈簧支座的加寬文承面。
有的汽車的轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋的前梁采用組合式結(jié)構(gòu)，即由其采用無縫鋼管的中間部分與采用模鍛成形的兩端拳形部分組焊而成。這種組合式前梁適于批量不太大的生產(chǎn)并可省去大型緞造設(shè)備。
轉(zhuǎn)向節(jié)多用中碳合金鋼模級(jí)成整體式結(jié)構(gòu)。有些大型汽車的轉(zhuǎn)向節(jié)，由于其尺寸過大，也有采用組焊式結(jié)構(gòu)的，即其輪軸部分是經(jīng)壓配并焊接上去的。
主銷的幾種結(jié)構(gòu)型式如下圖所示，其中比較常用的是(a)，(b)兩種。
（a） (b) (c) (d)
圖3-1主銷結(jié)構(gòu)形式
（a）圓柱實(shí)心型 (b) 圓柱空心型 (c) 上，下端為直徑不等的圓柱，中間為錐體的主銷 (d)下部圓柱比上部細(xì)的主銷
轉(zhuǎn)向節(jié)推力軸承承受作用于汽車前梁上的重力，為減小摩擦使轉(zhuǎn)向輕便可采用滾動(dòng)軸承，例如推力球軸承、推力圓錐滾子軸承或圓錐波子軸承等。也有采用青銅止推墊片的。
主銷上、下軸承承受較大的徑向力，多采用滑動(dòng)軸承，也有采用滾針軸承的結(jié)構(gòu)。后者的效率高，轉(zhuǎn)向阻力小，且可延長使用壽命。
§3.2 農(nóng)用車從動(dòng)橋
本設(shè)計(jì)為農(nóng)用自卸車的轉(zhuǎn)向前橋，因此應(yīng)該本著耐用經(jīng)濟(jì)的思想進(jìn)行方案的選擇，為了降低生產(chǎn)成本，又在結(jié)構(gòu)上滿足要求的情況下應(yīng)盡量簡(jiǎn)單。
轉(zhuǎn)向前橋有斷開式和非斷開式兩種。斷開式前橋與獨(dú)立懸架相配合，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜但性能比較好，多用于轎車等以載人為主的高級(jí)車輛。非斷開式又稱整體式，它與非獨(dú)立懸架配合。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，承載能力大，這種形式再現(xiàn)在汽車上得到廣泛應(yīng)用。因此本次設(shè)計(jì)就采用了非斷開式從動(dòng)橋。
轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋的主要零件有前梁，轉(zhuǎn)向節(jié)，主銷，注銷上下軸承及轉(zhuǎn)向節(jié)襯套，轉(zhuǎn)向節(jié)推力軸承。前梁采用中間部分為無縫鋼管與兩端拳部組焊的形式。主銷采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的實(shí)心的圓柱形如上圖a所示。
另外為了保證汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)所有車輪能繞一個(gè)轉(zhuǎn)向瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心，在不同的圓周上作無滑動(dòng)的純滾動(dòng)，本次設(shè)計(jì)有進(jìn)行了轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本方案轉(zhuǎn)向梯形布置在前軸之后，進(jìn)行梯形的最佳參數(shù)和強(qiáng)度計(jì)算。
第四章 轉(zhuǎn)向系的結(jié)構(gòu)形式
§4.1 概述
汽車在行駛過程中，經(jīng)常需要改變方向。就輪式汽車而言，改變行駛方向的方法是，駕駛員通過一套專設(shè)的機(jī)構(gòu)，使汽車的轉(zhuǎn)向橋上的車輪相對(duì)于汽車縱軸線偏轉(zhuǎn)一定角度。此時(shí)路面作用于轉(zhuǎn)向輪上的向后的反力就有了垂直與車輪的分量并成為汽車作曲線運(yùn)動(dòng)的向心力。在汽車直線行駛時(shí)，往往轉(zhuǎn)向輪也會(huì)受到路面?zhèn)认蚋蓴_力的作用，自動(dòng)偏轉(zhuǎn)而干擾行駛方向。此時(shí)，駕駛員也可以利用這一套機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪向相反的方向偏轉(zhuǎn)，從而使汽車恢復(fù)原來的行駛方向。這一套用來改變或恢復(fù)汽車行駛方向的專設(shè)機(jī)構(gòu)即稱作汽車的轉(zhuǎn)向系。
轉(zhuǎn)向系可按轉(zhuǎn)向能源的不同分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系兩大類。在現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)中，常用機(jī)械式轉(zhuǎn)向系。機(jī)械式轉(zhuǎn)向系依靠駕駛員的手力轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，經(jīng)過轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。有些汽車裝有防傷機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向減振裝置。還有一些汽車的專門裝有動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，并借助此機(jī)構(gòu)來減輕駕駛員的手力，以降低駕駛員的勞累程度。
對(duì)轉(zhuǎn)向系的主要要求有：
一、操縱輕便。轉(zhuǎn)向時(shí)加在方向盤上的力對(duì)轎車不超過200N，對(duì)中型貨車不超過360N,對(duì)中型貨車不超過450N,方向盤的回轉(zhuǎn)圈數(shù)要少。
二、工作安全可靠。
三、在轉(zhuǎn)向后，方向盤有自動(dòng)回正能力，能保持汽車有穩(wěn)定的直線行駛能力。
四、在前輪受到?jīng)_擊時(shí)，轉(zhuǎn)向系傳遞反向沖擊到方向盤上要小。
五、應(yīng)盡量減小轉(zhuǎn)向系統(tǒng)連接處的間隙，間隙應(yīng)能自動(dòng)補(bǔ)償即調(diào)整，除了設(shè)計(jì)應(yīng)正確的選擇導(dǎo)向輪的定位角外，轉(zhuǎn)向盤在中間式的自由行程應(yīng)當(dāng)保證直線行駛的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向盤相對(duì)導(dǎo)向輪偏轉(zhuǎn)角的靈敏度。
§4.2轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)形式及選擇
一、類型
根據(jù)轉(zhuǎn)向器所用傳動(dòng)副的不同，轉(zhuǎn)向器有多種。常見的有循環(huán)球式球面蝸桿蝸輪式、蝸桿曲柄銷式和齒輪齒條式等。
轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)形式，決定了其效率特性以及對(duì)角傳動(dòng)比變化特性的要求。選用那種效率特性的轉(zhuǎn)向器應(yīng)有汽車用途來決定，并和轉(zhuǎn)向系方案有關(guān)。經(jīng)常行駛在好路面上的轎車和市內(nèi)用客車，可以采用正效率較高的、可逆程度大的轉(zhuǎn)向器。
二、特點(diǎn)
效率高、工作可靠、平穩(wěn)，蝸桿和螺母上的螺旋槽在淬火后經(jīng)過磨削加工，所以耐磨且壽命較長。齒扇和齒條嚙合間隙的調(diào)整工作容易進(jìn)行。和其它形式轉(zhuǎn)向器比較，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)主要零件加工精度要求較高。
蝸桿曲柄銷式轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比的變化特性和嚙合間隙特性變化受限制，不能完全滿足設(shè)計(jì)者的意圖。
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此制造容易，成本低，正、逆效率都高。為了防止和緩和反向沖擊傳給方向盤，必須選擇較大的傳動(dòng)比，或裝有吸振裝置的減振器。
§4.3 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)及工作原理
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器中一般有兩級(jí)傳動(dòng)副。第一級(jí)是螺桿螺母?jìng)鲃?dòng)副，第二級(jí)是齒條齒扇傳動(dòng)副。
轉(zhuǎn)向螺桿的軸頸支撐在兩個(gè)圓錐滾子軸承上。軸承緊度可用調(diào)整墊片調(diào)整。轉(zhuǎn)向螺母的下平面上加工成齒條，與齒扇軸內(nèi)的齒扇部分相嚙合。通過轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向螺桿時(shí)，轉(zhuǎn)向螺母不轉(zhuǎn)動(dòng)，只能軸向移動(dòng)，并驅(qū)使齒扇軸轉(zhuǎn)動(dòng)。為了減小轉(zhuǎn)向螺桿和轉(zhuǎn)向螺母之間的摩擦，其間裝有小鋼球以實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)摩擦。二者的螺旋槽能配合形成近似圓形斷面輪廓的螺旋管狀通道。轉(zhuǎn)向螺母外有兩根導(dǎo)管，兩端分別插入螺母的一對(duì)通孔。導(dǎo)管內(nèi)裝滿了鋼球。兩根導(dǎo)管和螺母內(nèi)的螺旋管狀通道組合成兩條各自獨(dú)立的封閉的鋼球流道。轉(zhuǎn)向器工作是兩列鋼球只是在各自封閉的流道內(nèi)循環(huán)，而不脫出。
轉(zhuǎn)向螺母上的齒條式傾斜的，因此與之嚙合的齒應(yīng)當(dāng)是分度圓上的齒厚沿齒扇軸線按線性關(guān)系變化的變厚齒扇。因?yàn)檠h(huán)球轉(zhuǎn)向器的正傳動(dòng)效率很高，操作輕便，使用壽命長。經(jīng)常用于各種汽車。
綜上最后本次設(shè)計(jì)選定循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。
第五章 轉(zhuǎn)向橋的設(shè)計(jì)計(jì)算
§5.1 從動(dòng)橋主要零件工作應(yīng)力的計(jì)算
主要是計(jì)算前梁、轉(zhuǎn)向節(jié)、主銷、主銷上下軸承(即轉(zhuǎn)向節(jié)襯套)、轉(zhuǎn)向節(jié)推力軸承或止推墊片等在制動(dòng)和側(cè)滑兩種工況下的工作應(yīng)力。繪制計(jì)算用簡(jiǎn)圖時(shí)可忽略車輪的定位角，即認(rèn)為主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角，車輪外傾角均為零，而左右轉(zhuǎn)向節(jié)軸線重合且與主銷軸線位于同一側(cè)向垂直平面內(nèi)。如下所示：
圖 5—1轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋在制動(dòng)和側(cè)滑工況下的受力分析簡(jiǎn)圖
1-制動(dòng)工況下的彎矩圖 2-側(cè)滑工況下的彎矩圖
制動(dòng)工況下的前梁應(yīng)力計(jì)算：
制動(dòng)時(shí)前輪承受的制動(dòng)力和垂直力傳給前梁，使前梁承受彎矩和轉(zhuǎn)矩。考慮到制動(dòng)時(shí)汽車質(zhì)量向前，轉(zhuǎn)向橋轉(zhuǎn)移，則前輪所承受的地面垂直反力為：
(5-1)
式中：——汽車滿載靜止于水平路面時(shí)前橋給地面的載荷，N；
——汽車制動(dòng)時(shí)對(duì)前橋的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，對(duì)轎車和載貨汽車的前橋可取1.5；質(zhì)量分配給前橋35%；
==0.35×8855×1.5=6641.25
前輪所承受的制動(dòng)力
式中：——輪胎與路面的附著系數(shù)取為0.6；
=6641.250.6=3984.75 N
由于和對(duì)前梁引起的垂向彎矩和水平方向的彎矩在兩鋼板彈簧座之間達(dá)最大值，分別為：
N·mm (5-2)
N·mm (5-3)
式中：—見圖3—1，取=285 mm
—車輪(包括輪毅、制動(dòng)器等)所受的重力，N；取=980N；
B—前輪輪距取B=1320 mm；
S—前梁上兩鋼板彈簧座中心間的距離取為550 mm
則 =2179581.25 N·mm
=1534128.75 N·mm
制動(dòng)力還使前梁在主銷孔至鋼板彈簧座之間承受轉(zhuǎn)矩T：
T= N·mm
式中：—輪胎的滾動(dòng)半徑取為373.425 mm
則有 T=3984.75×373.425=1488005.269 N·mm
前梁在鋼板彈簧座附近危險(xiǎn)斷面處的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)（單位均為MPa）分別為：
(5-4)
(5-5)
式中: W —前軸彎曲截面系數(shù)，W=。
前梁應(yīng)力的許用值為[]=300～500 MPa,當(dāng)取D=68 mm ，d=58 mm時(shí)，W==11714.2
=2643533.9 N·mm =225.67〈[]=300MPa
故D=68 mm ，d=58 mm滿足使用條件。
§5.2 在最大側(cè)向力(側(cè)滑)工況下的前梁應(yīng)力計(jì)算
當(dāng)汽車承受最大側(cè)向力時(shí)無縱向力作用，左、右前輪承受的地面垂向反力和 與側(cè)向反力，各不相等，前輪的地面反力(單位都為N)分別為：
式中：—汽車質(zhì)心高度取為840 mm；—車輪與地面附著系數(shù)取為0.3；
此時(shí)，向右作用。則有：
側(cè)滑時(shí)左、右鋼板彈簧對(duì)前梁的垂直作用力為：
式中: —滿載時(shí)車廂分配給前橋的垂向總載荷
—板簧座上表面離地高度 取400mm
=12399.8=12142.2N；
則有
§5.3 轉(zhuǎn)向節(jié)在制動(dòng)和側(cè)滑工況下的應(yīng)力
如圖4—2所示，轉(zhuǎn)向節(jié)的危險(xiǎn)斷面在軸徑為的輪軸根部即III-III剖面處。
圖5—2 轉(zhuǎn)向節(jié)，主銷及轉(zhuǎn)向節(jié)襯套的計(jì)算用圖
一、在制動(dòng)工況下
III—III剖面處的軸徑僅受垂向彎矩和水平方向的彎矩而不受轉(zhuǎn)矩，因制動(dòng)力矩不經(jīng)轉(zhuǎn)向節(jié)的輪軸傳遞而直接由制動(dòng)底板傳給在轉(zhuǎn)向節(jié)上的安裝平面。這時(shí)的，及III—III剖面處的合成彎矩應(yīng)力（MPa）為：
(5-6)
(5-7) = (5-8)式中：—轉(zhuǎn)向節(jié)的輪軸根部軸徑取為45mm，=30 mm，[]=550 MPa，
則 ==22.7Mpa<550Mpa
轉(zhuǎn)向節(jié)采用30Cr，40Cr等中碳合金鋼制造，心部硬度HRC241～285，高頻淬火后表面硬度HRC57～65，硬化層深1.5～2.0mm。輪軸根部的圓角液壓處理。
二、在側(cè)滑工況下
在側(cè)滑時(shí)左、右轉(zhuǎn)向節(jié)在危險(xiǎn)斷面III—III處的彎矩是不等的，可分別按下式求得：
因此左右轉(zhuǎn)向節(jié)都符合要求。
§5.4 主銷與轉(zhuǎn)向節(jié)襯套在制動(dòng)和側(cè)滑工況下的應(yīng)力計(jì)算
在制動(dòng)和側(cè)滑工況下，在轉(zhuǎn)向節(jié)上、下襯套的中心，即與輪軸中心線相距分別為c，d的兩點(diǎn)處，在側(cè)向平面(圖5—2(c))和縱向平面(圖5—2(d))內(nèi)，對(duì)主銷作用有垂直其軸線方向的力。
一、在制動(dòng)工況下
地面對(duì)前輪的垂向支承反力所引起的力矩，由位于通過主銷軸線的側(cè)向平面內(nèi)并在轉(zhuǎn)向節(jié)上下襯套中點(diǎn)處垂直地作用于主銷的力所形成的力偶矩（c+d）所平衡(見圖5—2(b))，故有
N 式中取95，c取57，d取62 mm；
制動(dòng)力矩由位于縱向平面內(nèi)并作用于主銷的力所形成的力偶（c+d）
所平衡(見圖5—2(c))。故有
而作用于主銷的制動(dòng)力，則由在轉(zhuǎn)向節(jié)上下襯套中點(diǎn)處作用于主銷的力，平衡(見圖5—2(c))，且有：
N
由轉(zhuǎn)向橋的俯視圖(圖5—2(d)的下圖)可知，制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向橫拉桿的作用力N為：
N=
力N位于側(cè)向平面內(nèi)且與輪軸中心線的垂直距離為（取為80 mm）如將N的著力點(diǎn)移至主銷中心線與輪鈾中心線的交點(diǎn)處．則需對(duì)主銷作用一側(cè)向力矩N (見圖4—2(b))。力矩N由位于側(cè)向平面內(nèi)并作用于主銷的力偶矩所平（c+d）衡，故有
而力N則內(nèi)存整向節(jié)上下襯套中點(diǎn)處作用于主銷的力，所平衡，且有：=
=
由圖5—2(b)可知，在轉(zhuǎn)向節(jié)上襯套的中點(diǎn)作用于主銷的合力和下襯套的中心作用于主銷的合力分別為：
(5-9)
=
=11912.88N
(5-10)
=16878.59N
由上兩式可見，在汽車制動(dòng)時(shí)，主銷的最大載荷發(fā)生在轉(zhuǎn)向節(jié)下襯套的中點(diǎn)處，其值為=16878.59N
二、在側(cè)滑工況下
僅有在側(cè)向平面內(nèi)起作用的力和力矩，且作用于左右轉(zhuǎn)向節(jié)主銷的力是不相等的，它們可分別按下式求得：
取中最大的作為主銷的計(jì)算載荷N，計(jì)算主銷在前梁拳部下端面應(yīng)力和剪切應(yīng)力：
MPa ； (5-11)
MPa； (5-12)
式中：—主銷直徑取為25 mm；
h —轉(zhuǎn)向節(jié)下襯套中點(diǎn)至前梁拳部下端面的距離，見圖5—2(a),取h=28mm；
<[ ];
<[];
其中[]=500MPa；[]=100MPa。
主銷采用20cr，20CrNi，20crMnTi等低碳合金鋼制造，滲碳淬火，滲碳層深1.0～1.5mm，HRC56～62。
轉(zhuǎn)向節(jié)襯套的擠壓應(yīng)力為：
式中：—襯套長為30mm。
在靜載荷下，上式的計(jì)算載荷取
N
。
§5.5轉(zhuǎn)向節(jié)推力軸承的計(jì)算
對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)推力軸承，取汽車以等速＝40km／h，沿半徑R＝50m的圓周行駛的工況作為計(jì)算工況。如果汽車向右轉(zhuǎn)彎，外輪即左前左輪的地面垂向反力增大。
，將上述計(jì)算工況的有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式，并沒＝0.5，則有：，
可近似地認(rèn)為推力軸承的軸向載荷等于上述前外輪的地面垂向外力，即:
N。
鑒于轉(zhuǎn)向節(jié)推力軸承在工作中的相對(duì)轉(zhuǎn)角不大及軸承滾輪使圓周破壞帶來的危險(xiǎn)性，軸承的選擇按其靜承載容量進(jìn)行，且取當(dāng)量靜載荷 》，故此推力軸承滿足要求。
第六章 轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)計(jì)算
§6.1計(jì)算前的校核：
輪胎型號(hào)7.5—16 外直徑：805mm 負(fù)荷下靜半徑：383mm 車輪滾動(dòng)半徑：383×97.5% =373.425mm 輪輞6.00G 輪胎斷面寬度：215mm 車架外邊間距：600 mm
軸L：2600mm 輪距B：1320mm
1. β 如圖6-1
圖6-1 最小轉(zhuǎn)向半徑時(shí)的轉(zhuǎn)向角
最小轉(zhuǎn)彎半徑R=5500mm
R=L/sinαα （6-1）
R=28.2 由cotα=cotβ+B/L 得β=36.4
2．前軸負(fù)荷參數(shù)的確定（參看圖6-1、6-2、6-3）
前軸載荷 空載：（1400+65）×52%=761.8Kg
滿載：2530×35%=885.5 Kg G=8855N 每輪胎載荷=2530/(3.2+2)=486.54 Kg 查表知P=0.21Mpa 方向盤直徑D=400mm
3.車輪轉(zhuǎn)到最大位置與車架的外緣是否干涉校核
圖6-2 主銷內(nèi)傾和主銷偏移距
β: 主銷內(nèi)傾角取β=8
AB=373.425×tanβ OA+OB=ＯＢ＝胎斷面寬度／2＝215／2 由以上兩式可得OA=55mm即為主銷偏移距。
圖6-3 最大轉(zhuǎn)向角時(shí)輪胎和車架相對(duì)位置圖
此圖是俯視圖，輪胎按理想的矩形計(jì)算，o是輪轂正中心，o1是主銷與地面的交點(diǎn)。
DE=215/2-55=52.5mm DN=DE*cosβ=42.3mm
EH=O1E*sinβ=373.425*sin36.4=110.8*2=221.6mm 則DI=EH＋DN＝（221.6+42.3） mm 又因?yàn)檩喬嗝鏋椋ㄈ鐖D6-4）
圖6-4 輪胎斷面
故DI≈EH+DN/2=221.6+21.15=242.75mm又B=1320mm 車架外緣寬 a=600mm故車架外緣距車輪中心距離為（B-a ）/2=（1320-600）/2=360mm
MQ=360-OO1=360-55=305mm DI=242.75mm MQ-DI=62.55mm>50mm 故不發(fā)生干涉。
4.運(yùn)動(dòng)干涉校核和縱拉桿長度的確定（參看圖6-5）
已知鋼板長度L=900mm
鋼板板簧拱高h(yuǎn)=100mm
吊耳中徑e=39mm吊耳中心到相鄰U型螺栓之距Le=404.5mm（兩U型螺栓中心距91mm）
通過做圖求得B1A=510mm
圖6-5 轉(zhuǎn)向縱拉桿尺寸確定圖
§6.2轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)及參數(shù)確定
轉(zhuǎn)向系的效率功率: 從轉(zhuǎn)向軸輸入，經(jīng)轉(zhuǎn)向搖臂軸輸出所求得的效率稱為正效率，用符號(hào)表示，=（-）/；反之稱為逆效率，用表示：=（
其中 —從轉(zhuǎn)向軸輸入功率
—轉(zhuǎn)向器中的摩擦功率
—作用在轉(zhuǎn)向搖臂軸上的功率
本車設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向器為循環(huán)球式，其傳動(dòng)副之間用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，如果忽略軸承和其它地方的摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，則：
= （6-2）
= （6-3）
——螺桿的螺線導(dǎo)程角 P——摩擦角 f——摩擦系數(shù)
設(shè)計(jì)時(shí)取=, f=0.03,p=代入得:
==82.1﹪
=78.3﹪
上兩式表明:增加導(dǎo)程角正逆效率均增大.受增大的影響不宜過大,一般=～,本車選用。
§6.3轉(zhuǎn)向系計(jì)算載荷的確定
轉(zhuǎn)向系全部零件的強(qiáng)度，是根據(jù)作用在轉(zhuǎn)向系零、部件上的力進(jìn)行確定的。影響這個(gè)力的因素很多，如前軸負(fù)荷和路面阻力的變化等。駕駛員轉(zhuǎn)向輪所需要克服的阻力，主要是車輪轉(zhuǎn)動(dòng)阻力、車輪穩(wěn)定阻力和轉(zhuǎn)向系中特別是在轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向節(jié)中的摩擦阻力等所組成。通過將轉(zhuǎn)向系中的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，可以使轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)摩擦阻力減少到較小的程度。
汽車在瀝青或者混凝土路面上原地轉(zhuǎn)向阻力矩：
M= （6-4）
M=402.9N.m
式中 f——輪胎和路面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)取0.7
G ——前軸負(fù)荷 (8855N) p——輪胎氣壓 0.21 MPa
作用在方向盤上的力為
= （6-5）
=167.4N<200N ,滿足設(shè)計(jì)要求。
式中 ——轉(zhuǎn)向搖臂長 參考同類車型為130mm
——轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(110mm) ——方向盤半徑(200mm)
——轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比= 17.2 ——轉(zhuǎn)向器的效率
i=* / 設(shè)方向盤在內(nèi)車輪達(dá)到β時(shí)的轉(zhuǎn)角是Ψ則有Ψ/β= i=* /，Ψ=36.4*110*17.2/130=529.76 Ψ/360=1.5圈<3圈。合格。
§6.4循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)與計(jì)算
圖6-6螺桿螺母結(jié)構(gòu)
一、環(huán)球式轉(zhuǎn)向器各參數(shù)如下表所示：
表6-1轉(zhuǎn)向器各參數(shù)
齒扇模數(shù)mm
搖臂軸直徑mm
鋼球中心距mm
螺桿外徑mm
鋼球直徑mm
螺距mm
工作圈數(shù)
環(huán)流行數(shù)
螺母長度mm
齒扇齒數(shù)
齒扇整圓齒數(shù)
齒扇壓力角
切削角
齒扇寬mm
4.0
30
25
25
6.350
9.525
1．5
2
46
5
13
28
二、鋼球直徑d及數(shù)量n
每個(gè)環(huán)路中的鋼球數(shù)n=（） （6-6）
n個(gè)
三、滾道截面：當(dāng)螺桿和螺母各由兩條圓弧組成，形成四段圓弧滾道截（如下圖所示），此時(shí)螺桿和螺母溝槽的半徑
=（0.15-0.53）d （6-7）
取=0.52d=3.302mm >d/2=6.350/2=3.175
B=P-d=9.525-6.350=3.175>2.5mm( 合格)
圖6-7 滾道結(jié)構(gòu)形式
導(dǎo)管內(nèi)徑d=d+e=6.350+0.65=7mm 導(dǎo)管壁厚取為1mm。
四、接觸角，以使軸向力和徑向力分配均勻。
五、齒條齒扇傳動(dòng)副設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)參數(shù)參照是下表，一般將1-1中間剖面規(guī)定為基準(zhǔn)剖面， 1-1剖面向右時(shí)，變位系數(shù)為正，向右時(shí)由正變零，再變?yōu)樨?fù)。此時(shí)計(jì)算0-0剖面：
表6-2齒扇參數(shù)表（0-0截面）
分度圓直徑
D=mz=4
52mm
齒頂高
=m
4mm
齒根高
=(
5mm
全齒h
9mm
齒頂圓直徑
60mm
齒根圓直徑
42mm
圖6-8 齒扇剖面圖
齒扇輪在從軸線自左向右看是又窄又低的形狀，變位系數(shù)逐漸增大，設(shè)0-0面與中間面1-1面的間距= 5mm，
1―1截面:
由公式：=5
=26-（1.0+0.25-0.14）
=26+（1.0+0.25+0.14）4=31.56mm
2―2截面：
=(14+5)mm
=26-（1.0+0.25-0.541）
=26+（1.0+0.541）4=32.16mm
3—3截面：
=(-14+4.6)mm
=26-（1.0+0.25+0.26）
=26+（1.0-0.267）4=28.96mm
分度圓處的齒厚：
大端齒厚 =（+0.541）×2=6.7mm
小端齒厚 =（-0.26*tan22.5）*2=6.06mm
齒條在與齒扇配合時(shí)，因齒扇為變厚齒扇，則滿足嚙合間隙特性，齒條變厚方向應(yīng)與齒扇相反，齒條的齒扇與齒扇的齒槽寬相等。二者嚙合為等移距變?yōu)辇X輪嚙合傳動(dòng)。
六、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件強(qiáng)度的計(jì)算
為了進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，首先要確定其計(jì)算載荷，可利用汽車在干燥硬路面上作原地轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向阻力矩，利用它可求的轉(zhuǎn)向搖臂上得力矩和在轉(zhuǎn)向盤上的切向力。他們均可作為轉(zhuǎn)向系的最大載荷。
鋼球與滾道間的接觸應(yīng)力σ
σ=k （6-8）
σ=1.615
=2334.49Mpa< [σ]=2500MPa
式中系數(shù)k由下式確定
07 （6-9）
查汽車設(shè)計(jì)表7-3取k=1.615
r―鋼球半徑
―滾道截面半徑
―螺桿外半徑
E―材料彈性模為2.1
―鋼球與螺桿間正壓力，可用下式計(jì)算
=/ncoscos （6-10）
=12418.72/（38*cos8*cos45）
式中 θ— 接觸角取
—螺桿螺線導(dǎo)程角取
n—參與工作的鋼球數(shù)38
—作用在螺桿上的軸向力
由以上可知接觸應(yīng)力可以滿足要求。
七、齒的彎曲應(yīng)力：
<=540Mpa式中：F—作用在齒扇上的圓周力F= M/=3662.73N
h—齒扇的齒高b—齒扇的齒寬 —基圓齒厚=S /r-2r（invα-invα）=2**24.02/26-2*24.02*(0.02151448-0)=4.771mm（基圓齒厚的計(jì)算公式見機(jī)械原理課本）
由上可知彎曲應(yīng)力完全滿足。
螺桿與螺母用20CrMnTi剛材料制造，表面滲碳，深度為0.8-1.2mm，表面硬度為HRC58-63。
第七章 轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)用來保證汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)所有車輪能繞一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心，在不同的圓周上做無滑動(dòng)的純滾動(dòng)。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向梯形的主要任務(wù)之一是確定轉(zhuǎn)向梯型的最佳參數(shù)和進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。轉(zhuǎn)向梯形有整體式和斷開式兩種。一般轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)布置在前軸之后，但當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)位置很低或前軸驅(qū)動(dòng)時(shí)，也有位于前軸之前的。
兩軸汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，若忽略輪胎側(cè)偏影響，兩轉(zhuǎn)向前軸的延長線應(yīng)交于后軸延長線。設(shè)，分別是外內(nèi)轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)角，k為兩主銷中心線延長線到地面交點(diǎn)之間的距離，則梯形機(jī)構(gòu)應(yīng)保證內(nèi)外轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)角有如下關(guān)系：
ctg，若自變角為則因變角的期望值為：
，現(xiàn)有轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)僅能滿足上式要求。如下圖所示，在圖上作輔助虛線，利用余弦定理可推得轉(zhuǎn)向梯形所繪出的實(shí)際因變角為：
其中 m—梯形臂長 —梯形底角
圖7-1 汽車瞬時(shí)轉(zhuǎn)向圖
應(yīng)使設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向梯形所繪出的實(shí)際因變角盡可能接近理論上的期望值。其偏差最常使用的中間位置附近小轉(zhuǎn)角范圍應(yīng)盡可能小，以減小高速行駛時(shí)輪胎的磨損。而在不經(jīng)常使用且車速較慢的最大轉(zhuǎn)角時(shí)可適當(dāng)放寬要求，因此在加入加權(quán)因子構(gòu)成評(píng)價(jià)優(yōu)略的目標(biāo)函數(shù)f(x)為:
f（x）=﹪
將上式代得： f(x)=
－﹪
其中 x—設(shè)計(jì)變量 x==
—外轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角，又上圖可得：=
其中 —汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑為5.5m， a—主銷偏移距為55mm，
K=1320mm L=2600mm =
考慮到此時(shí)使用工況下轉(zhuǎn)角小于，且100以內(nèi)的小轉(zhuǎn)角使用的更加頻繁，因此?。?
當(dāng)
建立約束條件時(shí)應(yīng)考慮到：設(shè)計(jì)變量m及過小時(shí)，會(huì)使橫拉桿上的轉(zhuǎn)向力過大；當(dāng)m過大時(shí)，將使梯形布置困難，故對(duì)m的上、下限及對(duì)的下限應(yīng)設(shè)置約束條件。因越大，梯形越接近矩形．f(x)值就越大，而優(yōu)化過程是求f(x)的極小值，故可不必對(duì)的上限加以限制。綜上所述，各設(shè)計(jì)變量的取值范圍構(gòu)成的約束條件為：m-
梯形臂長度m設(shè)計(jì)時(shí)常取在＝0.11K，＝0.15K
梯形底角＝
此外，由機(jī)械原理得知，四連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角不宜過小，通常取。如上圖所示，轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)在汽車向右轉(zhuǎn)彎至極限位置時(shí)達(dá)到最小值，故只考慮右轉(zhuǎn)彎時(shí)即可。利用該圖所作的輔助虛線及余弦定理，可推出最小傳動(dòng)角約束條件為
，式中，為最小傳動(dòng)角。
由上述數(shù)學(xué)模型可知，轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題是一個(gè)小型的約束非線性規(guī)劃問題，可用復(fù)合形法來求解。
根據(jù)上述思路，可用C語言編程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)（原程序見附錄）。優(yōu)化的結(jié)果如下：
轉(zhuǎn)向梯形臂長m=160mm
轉(zhuǎn)向梯形底角 =
第八章 結(jié) 論
本設(shè)計(jì)參考汽車的轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋和轉(zhuǎn)向器多種結(jié)構(gòu)形式而確定農(nóng)用運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋及轉(zhuǎn)向器的方案:主銷采用實(shí)心圓柱形,前軸為中間是圓管的組焊形式,轉(zhuǎn)向器采用循環(huán)球式。 并對(duì)其內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和對(duì)轉(zhuǎn)向器零件強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，并最終設(shè)計(jì)出一個(gè)經(jīng)濟(jì)耐用的轉(zhuǎn)向器。
車輛在制動(dòng)和側(cè)滑情況下,出現(xiàn)重量前移的現(xiàn)象,此時(shí)轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋受力最大。因此本次設(shè)計(jì)在制動(dòng)和側(cè)滑兩中工況下對(duì)前軸,轉(zhuǎn)向節(jié)主銷,轉(zhuǎn)向節(jié)襯套,轉(zhuǎn)向推力軸承進(jìn)行應(yīng)力校核。
前軸校核:前兩鋼板彈簧座附近斷面處的應(yīng)力最大,在此處校核其彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的大小。主銷:在汽車制動(dòng)時(shí)它的最大載荷發(fā)生在下轉(zhuǎn)向節(jié)襯套的中點(diǎn),對(duì)其進(jìn)行校核。轉(zhuǎn)向節(jié)襯套進(jìn)行擠壓應(yīng)力校核。推力軸承進(jìn)行最大當(dāng)量載荷校核。
轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計(jì)保證了汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)所有車輪能繞一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心,車輪在圓周上作無滑動(dòng)的純滾動(dòng).然后編程對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)。
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致 謝
本設(shè)計(jì)得到xxx等老師的親切指導(dǎo)，在我的設(shè)計(jì)中，他們給我提出了許多不可或缺的指導(dǎo)，給了我莫大的啟迪和自信！在此我對(duì)他們表示最崇高的敬意。 本設(shè)計(jì)組中的同學(xué)們給與我多方面的幫助，對(duì)此我對(duì)他們表示由衷的謝意。另外，我還對(duì)關(guān)心，支持該設(shè)計(jì)的老師同學(xué)深表謝意！懇請(qǐng)答辯尊師批評(píng)指正，不勝感激。
34
附 錄
轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化設(shè)計(jì)源程序如下：
#include"math.h"
#define HUDU 3.1415926/180
main()
{
float calculate();
floatm,k,L,fx,gm,gmmax,det,ctmax,resault[3]={0,0,150},h;
int i;
printf("enter L: ");
scanf("%f",&L);
printf("enter k: ");
scanf("%f",&k);
printf("enter gmmax: ");
scanf("%f",&gmmax);
printf("enter ctmax: ");
scanf("%f",&ctmax);
printf("enter det: ");
scanf("%f",&det);
for(i=0;i<=1000;i++)
{m=(float)(rand()%(int)(15*k-11*k))/100+0.11*k;
gm=(float)(rand()%(int)(10*gmmax-700))/10+70.000;
h=(cos(det*HUDU)-2*cos(gm*HUDU)+cos(gm*HUDU+ctmax*HUDU))/(cos(det*HUDU)-cos(gm*HUDU))/cos(gm*HUDU)-2*m/k;
if(h<0)
continue;
fx=calculate(m,gm,k,L,ctmax);
if(fx
0&&ct<10)
sum=1.5*sum;
else if(ct>=10&&ct<20)
sum=sum;
else if(ct>=20&&ct
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