方程式賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(s)

1、大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、 概述汽車產(chǎn)品的質(zhì)量檢測具有重大的社會(huì)意義。轉(zhuǎn)向器作為汽車的一個(gè)重要部件，對其綜合性能進(jìn)行檢測直接關(guān)系到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。根據(jù)汽車安全性統(tǒng)計(jì),，全世界每年因交通事故死亡的人數(shù)超過20萬，加之幾倍于死者的受傷者以及物質(zhì)上的損失，其直接或間接的危害是難以估計(jì)的。在我國，由于交通管理技術(shù)落后、路況差、車輛性能差，加之各類車輛混合行駛，交通事故時(shí)有發(fā)生。近年來，我國交通事故死亡人數(shù)居世界前幾位，每萬輛車平均事故居大國中第一位。交通事故己成為一個(gè)嚴(yán)重的社會(huì)問題。概括交通事故的原因，不外乎人、汽車和環(huán)境三個(gè)因素。顯而易見，提高汽車的安全性能是減少交通事故的關(guān)鍵措施之一，因

2、此，汽車工業(yè)發(fā)達(dá)的國家都非常重視汽車安全性的研究。目前汽車工業(yè)己成為我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一，所以，為了提高汽車的質(zhì)量，保證行駛的安全性，在大力發(fā)展我國的汽車工業(yè)的同時(shí)，這就要求生產(chǎn)廠家對每一批產(chǎn)品必須進(jìn)行質(zhì)量檢測，而其中轉(zhuǎn)向器是汽車維持駕駛員給定方向穩(wěn)定行駛能力(即操縱穩(wěn)定性)的基本保障，所以汽車轉(zhuǎn)向器綜合性能試驗(yàn)成了汽車性能測試中的一個(gè)重要項(xiàng)目。由于汽車轉(zhuǎn)向器屬于汽車系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，它在汽車系統(tǒng)中占有重要位置，因而它的發(fā)展同時(shí)也反映了汽車工業(yè)的發(fā)展，它的規(guī)模和質(zhì)量也成為了衡量汽車工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。近年來隨著我過汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，作為汽車的重要安全部件汽車轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)水平也有了很大的

3、提高。在汽車轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)行業(yè)里，70年代推廣循環(huán)球轉(zhuǎn)向器，80年代開發(fā)和推廣了循環(huán)球變傳動(dòng)比轉(zhuǎn)向器，到了90年代，駕駛員對汽車轉(zhuǎn)向器性能的要求有了進(jìn)一步的提高，要求轉(zhuǎn)向更輕便，操縱更靈敏。隨著汽車的高速比和超低壓扁輪胎的通用化，過去的采用循環(huán)球轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球變傳比轉(zhuǎn)向器只能相對的解決轉(zhuǎn)向輕便性和操縱靈敏性問題，現(xiàn)在雖然轉(zhuǎn)向器以向動(dòng)力轉(zhuǎn)向發(fā)展，但大部分汽車還應(yīng)用機(jī)械型轉(zhuǎn)向器，如何改進(jìn)轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)，使之更加適合駕駛者，是最重要的，因此還需不斷改進(jìn)。Formula SAE 賽事由美國汽車工程師協(xié)會(huì)（the Society of AutomotiveEngineers 簡稱SAE）主辦。SAE 是一個(gè)擁

4、有超過60000 名會(huì)員的世界性的工程協(xié)會(huì)，致力與海、陸、空各類交通工具的發(fā)展進(jìn)步。Formula SAE 是一項(xiàng)面對美國汽車工程師學(xué)會(huì)學(xué)生會(huì)員組隊(duì)參與的國際賽事，于1980 年在美國舉辦了第一屆賽事。比賽的目的是設(shè)計(jì)、制造一輛小型的高性能賽車。目前美國、歐洲和澳大利亞每年都會(huì)定期舉辦該項(xiàng)賽事。2、設(shè)計(jì)初始參數(shù)及基本要求初始參數(shù)：1、轉(zhuǎn)向盤總?cè)?shù) 3.0；2、轉(zhuǎn)向盤直徑 200mm；3、最大轉(zhuǎn)向盤操縱力 100N；4、轉(zhuǎn)向盤在上下方向上的最大調(diào)節(jié)量 50mm。賽車的一些具體參數(shù)如下：整車裝備質(zhì)量：250kg整車重量：310kg（加駕駛員）軸距：1650mm 前輪距：1195mm后輪距：1145

5、 mm最小離地間隙：50mm整車重心高度：260mm整車中心縱向位置：160制動(dòng)力分配系數(shù)：55/45輪胎型號：輪輞6×13，即輪輞名義斷面寬度：152.4mm 輪輞直徑名義尺寸：330.2mm 輪胎7×13 即輪胎名義斷面寬度：165.1mm 輪胎外徑：533.4mm轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)要求： (1)保證汽車有較高的機(jī)動(dòng)性，在有限的場地面積內(nèi)，具有迅速和小半徑轉(zhuǎn)彎的能力，同時(shí)操作輕便;(2) 汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，全部車輪應(yīng)繞一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，不應(yīng)有側(cè)滑;(3)傳給轉(zhuǎn)向盤的反沖要盡可能的小;(4) 轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向盤應(yīng)自動(dòng)回正，并應(yīng)使汽車保持在穩(wěn)定的直線行駛狀態(tài);(5) 發(fā)生車禍時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)向

6、盤和轉(zhuǎn)向軸由于車架和車身變形一起后移時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最好有保護(hù)機(jī)構(gòu)防止傷及乘員3. 3、轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)型式方案的確定3.1機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方案分析3.1.1齒輪齒條式 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、體積小、質(zhì)量輕；傳動(dòng)效率高達(dá)90%；可自動(dòng)消除齒間間隙；沒有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角可以增大；制造成本低。 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是：逆效率高（60%70%）。因此，汽車在不平路面上行駛時(shí)，發(fā)生在轉(zhuǎn)向輪與路面之間的沖擊力，大部分能傳至轉(zhuǎn)向盤。 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器廣泛應(yīng)用于微型、普通級、中級和中高級轎車上。裝載量不大、前輪采用獨(dú)立懸架的貨車和客車也有采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。 3.1.2蝸桿滾

7、輪式、蝸桿指銷式 蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器由蝸桿和滾輪嚙合而構(gòu)成。主要優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單；制造容易；強(qiáng)度比較高、工作可靠、壽命長；逆效率低。主要缺點(diǎn)是：正效率低；調(diào)整嚙合間隙比較困難；傳動(dòng)比不能變化。 蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器有固定銷式和旋轉(zhuǎn)銷式兩種形式。根據(jù)銷子數(shù)量不同，又有單銷和雙銷之分。蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)是：傳動(dòng)比可以做成不變的或者變化的；工作面間隙調(diào)整容易。固定銷式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)簡單、制造容易。但銷子的工作部位磨損快、工作效率低。旋轉(zhuǎn)銷式轉(zhuǎn)向器的效率高、磨損慢，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。要求搖臂軸有較大的轉(zhuǎn)角時(shí)，應(yīng)采用雙銷式結(jié)構(gòu)。雙銷式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸和質(zhì)量大，并且對兩主銷間的位置精度、螺紋槽的形狀及尺寸精度

8、等要求高。此外，傳動(dòng)比的變化特性和傳動(dòng)間隙特性的變化受限制。蝸桿滾輪式和蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器應(yīng)用較少。3.1.3循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器·循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由螺桿和螺母共同形成的螺旋槽內(nèi)裝鋼球構(gòu)成的傳動(dòng)副，以及螺母上齒條與搖臂軸上齒扇構(gòu)成的傳動(dòng)副。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)是：在螺桿和螺母之間因?yàn)橛锌梢匝h(huán)流動(dòng)的鋼球，將滑動(dòng)摩擦變成滾動(dòng)摩擦，因而傳動(dòng)效率可以達(dá)到75%85%；在結(jié)構(gòu)和工藝上采取措施后，包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度和螺母、螺桿上的螺旋槽經(jīng)淬火和磨削加工，使之有足夠的硬度和耐磨損性能，可保證有足夠的使用壽命；轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)比可以變化；齒條和齒扇之間的間隙調(diào)整工作容易進(jìn)行；適合用來做整

9、體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。布置方便，特別適合大、中型車輛和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配合使用，目前循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要是用于商用車上。 由以上分析，及設(shè)計(jì)初始條件比較可以確定，我所要設(shè)計(jì)方程式賽車將采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。而由于整個(gè)賽車質(zhì)量比較輕，不需要采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置，這種轉(zhuǎn)向器也十分符合方程式賽車的轉(zhuǎn)向要求。 3.2機(jī)械型轉(zhuǎn)向器原理 3.2.1齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的分類1. 轉(zhuǎn)向橫拉桿 2.防塵套 3.球頭座 4.轉(zhuǎn)向齒條 5.轉(zhuǎn)向器殼體 6.調(diào)整螺塞 7.壓緊彈簧 8.鎖緊螺母 9.壓塊 10.萬向節(jié) 11.轉(zhuǎn)向齒輪軸 12.向心球軸承 13.滾針軸承圖3-1 兩端式齒輪齒條轉(zhuǎn)向器齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器： 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器分

10、兩端輸出式和中間（或單端）輸出式兩種。（一） 兩端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，作為傳動(dòng)副主動(dòng)件的轉(zhuǎn)向齒輪軸通過軸承和安裝在轉(zhuǎn)向器殼體中，其上端通過花鍵與萬向節(jié)和轉(zhuǎn)向軸連接。與轉(zhuǎn)向齒輪嚙合的轉(zhuǎn)向齒條水平布置，兩端通過球頭座與轉(zhuǎn)向橫拉桿相連。彈簧通過壓塊將齒條壓在齒輪上，保證無間隙嚙合。彈簧的預(yù)緊力可用調(diào)整螺塞調(diào)整。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，轉(zhuǎn)向器齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使與之嚙合的齒條沿軸向移動(dòng)，從而使左右橫拉桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)左右轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)向車輪偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向。兩端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器如圖3-1所示，作為傳動(dòng)副主動(dòng)件的轉(zhuǎn)向齒輪軸11通過軸承12和13安裝在轉(zhuǎn)向器殼體5中，其上端通過花鍵與萬向節(jié)*10和轉(zhuǎn)向軸連接。與轉(zhuǎn)

11、向齒輪嚙合的轉(zhuǎn)向齒條4水平布置，兩端通過球頭座3與轉(zhuǎn)向橫拉桿1相連。彈簧7通過壓塊9將齒條壓在齒輪上，保證無間隙嚙合。彈簧的預(yù)緊力可用調(diào)整螺塞6調(diào)整。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，轉(zhuǎn)向器齒輪11轉(zhuǎn)動(dòng)，使與之嚙合的齒條4沿軸向移動(dòng)，從而使左右橫拉桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)左右轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)向車輪偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向。中間輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器如圖3-2所示，其結(jié)構(gòu)及工作原理與兩端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器基本相同，不同之處在于它在轉(zhuǎn)向齒條的中部用螺栓6與左右轉(zhuǎn)向橫拉桿7相連。 （二）中間輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，其結(jié)構(gòu)及工作原理與兩端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器基本相同，不同之處在于它在轉(zhuǎn)向齒條的中部用螺栓與左右轉(zhuǎn)向橫拉桿相連。在單端輸

12、出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器上，齒條的一端通過內(nèi)外托架與轉(zhuǎn)向橫拉桿相連。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式之一， 一般有兩級傳動(dòng)副，第一級是螺桿螺母傳動(dòng)副，第二級是齒條齒扇傳動(dòng)副。 為了減少轉(zhuǎn)向螺桿轉(zhuǎn)向螺母之間的摩擦，二者的螺紋并不直接接觸，其間裝有多個(gè)鋼球，以實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)摩擦。轉(zhuǎn)向螺桿和螺母上都加工出斷面輪廓為兩段或三段不同心圓弧組成的近似半圓的螺旋槽。二者的螺旋槽能配合形成近似圓形斷面的螺旋管狀通道。螺母側(cè)面有兩對通孔，可將鋼球從此孔塞入螺旋形通道內(nèi)。轉(zhuǎn)向螺母外有兩根鋼球?qū)Ч?，每根?dǎo)管的兩端分別插入螺母側(cè)面的一對通孔中。導(dǎo)管內(nèi)也裝滿了鋼球。這樣，兩根導(dǎo)管和螺母內(nèi)的螺旋管狀通

13、道組合成兩條各自獨(dú)立的封閉的鋼球"流道"。轉(zhuǎn)向螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過鋼球?qū)⒘鹘o轉(zhuǎn)向螺母，螺母即沿軸向移動(dòng)。同時(shí)，在螺桿及螺母與鋼球間的摩擦力偶作用下，所有鋼球便在螺旋管狀通道內(nèi)滾動(dòng)，形成"球流"。在轉(zhuǎn)向器工作時(shí)，兩列鋼球只是在各自的封閉流道內(nèi)循環(huán)，不會(huì)脫出。在單端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器上，齒條的一端通過內(nèi)外托架與轉(zhuǎn)向橫拉桿相連。1.萬向節(jié)* 2.轉(zhuǎn)向齒輪軸 3.調(diào)整螺母 4.向心球軸承 5.滾針軸承 6.固定螺栓 7.轉(zhuǎn)向橫拉桿 8.轉(zhuǎn)向器殼體 9.防塵套 10.轉(zhuǎn)向齒條 11.調(diào)整螺塞 12.鎖緊螺母 13.壓緊彈簧 14.壓塊 圖3-2 中間式齒輪齒條轉(zhuǎn)

14、向器3.3轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù) 3.3.1轉(zhuǎn)向器的效率 功率P1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+表示，+=(P1P2)Pl；反之稱為逆效率，用符號-表示，- =(P3P2)P3。式中，P2為轉(zhuǎn)向器中的摩擦功率；P3為作用在轉(zhuǎn)向搖臂軸上的功率。為了保證轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤輕便，要求正效率高。為了保證汽車轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤能自動(dòng)返回到直線行駛位置，又需要有一定的逆效率。為了減輕在不平路面上行駛時(shí)駕駛員的疲勞，車輪與路面之間的作用力傳至轉(zhuǎn)向盤上要盡可能小，防止打手又要求此逆效率盡可能低1。1轉(zhuǎn)向器正效率+影響轉(zhuǎn)向器正效率的因素有：轉(zhuǎn)向器的類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造

15、質(zhì)量等。(1)轉(zhuǎn)向器類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與效率 在前述四種轉(zhuǎn)向器中，齒輪齒條式、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的正效率比較高，而蝸桿指銷式特別是固定銷和蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的正效率要明顯的低些。同一類型轉(zhuǎn)向器，因結(jié)構(gòu)不同效率也不一樣。如蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的滾輪與支持軸之間的軸承可以選用滾針軸承、圓錐滾子軸承和球軸承等三種結(jié)構(gòu)之一。第一種結(jié)構(gòu)除滾輪與滾針之間有摩擦損失外，滾輪側(cè)翼與墊片之間還存在滑動(dòng)摩擦損失，故這種轉(zhuǎn)向器的效率ly+僅有54。另外兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向器效率，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分別為70和75。轉(zhuǎn)向搖臂軸軸承的形式對效率也有影響，用滾針軸承比用滑動(dòng)軸承可使正或逆效率提高約10。(2)轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與效率 如果忽略軸承和

16、其它地方的摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，對于蝸桿和螺桿類轉(zhuǎn)向器，其效率可用下式計(jì)算 （2.1）式中，o為蝸桿(或螺桿)的螺線導(dǎo)程角；為摩擦角，=arctanf；f為摩擦因數(shù)。此設(shè)計(jì)中初次選取o=9 =0.03 由公式可知+ =83.7 2轉(zhuǎn)向器逆效率-根據(jù)逆效率大小不同，轉(zhuǎn)向器又有可逆式、極限可逆式和不可逆式之分。路面作用在車輪上的力，經(jīng)過轉(zhuǎn)向系可大部分傳遞到轉(zhuǎn)向盤，這種逆效率較高的轉(zhuǎn)向器屬于可逆式。它能保證轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤自動(dòng)回正。這既減輕了駕駛員的疲勞，又提高了行駛安全性。但是，在不平路面上行駛時(shí)，車輪受到的沖擊力，能大部分傳至轉(zhuǎn)向盤，造成駕駛員“打手”，使之精神狀態(tài)緊張，如果長

17、時(shí)間在不平路面上行駛，易使駕駛員疲勞，影響安全駕駛。屬于可逆式的轉(zhuǎn)向器有齒輪齒條式和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。不可逆式轉(zhuǎn)向器，是指車輪受到的沖擊力不能傳到轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向器。該沖擊力由轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的零件承受，因而這些零件容易損壞。同時(shí)，它既不能保證車輪自動(dòng)回正，駕駛員又缺乏路面感覺；因此，現(xiàn)代汽車不采用這種轉(zhuǎn)向器。 極限可逆式轉(zhuǎn)向器介于上述兩者之間。在車輪受到?jīng)_擊力作用時(shí)，此力只有較小一部分傳至轉(zhuǎn)向盤。它的逆效率較低，在不平路面上行駛時(shí)，駕駛員并不十分緊張，同時(shí)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的零件所承受的沖擊力也比不可逆式轉(zhuǎn)向器要小。 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，則逆效率可用下式計(jì)算 （2.2）

18、式(2.1)和式(2.2)表明：增加導(dǎo)程角o,正、逆效率均增大。受-增大的影響，o不宜取得過大。當(dāng)導(dǎo)程角小于或等于摩擦角時(shí)，逆效率為負(fù)值或者為零，此時(shí)表明該轉(zhuǎn)向器是不可逆式轉(zhuǎn)向器。為此，導(dǎo)程角必須大于摩擦角。通常螺線導(dǎo)程角選在8°10°之間。3.3.2傳動(dòng)比的變化特性1.轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)比包括轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)向系的力傳動(dòng)比從輪胎接地面中心作用在兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪上的合力2Fw與作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力Fh之比，稱為力傳動(dòng)比，即 ip=2FwFh 。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 w 與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度 k 之比，稱為轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比，即；式中，d 為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角增量；dk 為轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角增

19、量；dt為時(shí)間增量。它又由轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比iw 和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)角傳動(dòng)比iw 所組成，即 iwo=iw iw 。轉(zhuǎn)向盤角速度w與搖臂軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度K之比，稱為轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比iw, 即。式中,dp為搖臂軸轉(zhuǎn)角增量。此定義適用于除齒輪齒條式之外的轉(zhuǎn)向器。搖臂軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度p與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度k之比，稱為轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比iw，即。2力傳動(dòng)比與轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比的關(guān)系輪胎與地面之間的轉(zhuǎn)向阻力Fw和作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向阻力矩 Mr 之間有如下關(guān)系 （2.3）式中，為主銷偏移距，指從轉(zhuǎn)向節(jié)主銷軸線的延長線與支承平面的交點(diǎn)至車輪中心平面與支承平面交線間的距離。作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力Fh可用下式表示 （2.4）式

20、中，Mh為作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩；Dsw為轉(zhuǎn)向盤直徑。 將式(1.3)、式(1.4)代入 ip=2FwFh 后得到 （2.5）分析式(2.5)可知，當(dāng)主銷偏移距a小時(shí)，力傳動(dòng)比 ip 應(yīng)取大些才能保證轉(zhuǎn)向輕便。通常轎車的 a 值在0406倍輪胎的胎面寬度尺寸范圍內(nèi)選取，而貨車的d值在4060mm范圍內(nèi)選取。轉(zhuǎn)向盤直徑 Dsw 根據(jù)車型不同在JB450586轉(zhuǎn)向盤尺寸標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的系列內(nèi)選取。如果忽略摩擦損失，根據(jù)能量守恒原理，2MrMh可用下式表示 （2.6）將式(1.6)代人式(1.5)后得到 （2.7）當(dāng) 和 Dsw 不變時(shí)，力傳動(dòng)比 ip 越大，雖然轉(zhuǎn)向越輕，但 iwo 也越大，表明轉(zhuǎn)向不靈

21、敏。 根據(jù)相互嚙合齒輪的基圓齒距必須相等， 即 Pbl=Pb2。其中齒輪基圓齒距Pbl=mlcos1，齒條基圓齒距 Pb2=m2cos2 。由上述兩式可知：當(dāng)齒輪具有標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m1和標(biāo)準(zhǔn)壓力角1與一個(gè)具有變模數(shù)m2、變壓力角2的齒條相嚙合，并始終保持 m1cosol=m2coso2時(shí)，它們就可以嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)。如果齒條中部(相當(dāng)汽車直線行駛位置)齒的壓力角最大，向兩端逐漸減小(模數(shù)也隨之減小)，則主動(dòng)齒輪嚙合半徑也減小，致使轉(zhuǎn)向盤每轉(zhuǎn)動(dòng)某同一角度時(shí)，齒條行程也隨之減小。初步設(shè)計(jì)其角傳動(dòng)比為1:5 4 齒輪齒條的設(shè)計(jì)步驟4.1轉(zhuǎn)向系計(jì)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(qiáng)度。欲驗(yàn)算

22、轉(zhuǎn)向系零件的強(qiáng)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(dòng)轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力，包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)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。精確地計(jì)算出這些力是困難的。為此用足夠精確的半經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩MR(N·mm)。表4-1 原地轉(zhuǎn)向阻力矩MR的計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算和說明計(jì)算結(jié)果式中 f輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)；轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷，單位為N；P輪胎氣壓，單位為。f=0.7=1705Np=0.179=38827.3作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力Fh為：表4-2 轉(zhuǎn)向盤手力Fh的計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算和說明

23、計(jì)算結(jié)果 式中 轉(zhuǎn)向搖臂長, 單位為mm；原地轉(zhuǎn)向阻力矩, 單位為N·mm轉(zhuǎn)向節(jié)臂長, 單位為mm；為轉(zhuǎn)向盤直徑,單位為mm；Iw轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比；+轉(zhuǎn)向器正效率。因齒輪齒條式轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)無轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向節(jié)臂，故、不代入數(shù)值。=28889.6=265mmiw=15=83.7%=17.4N4.2 齒輪軸和齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算4.2.1轉(zhuǎn)向齒輪設(shè)計(jì)根據(jù)汽車設(shè)計(jì)中機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)與計(jì)算一節(jié)，轉(zhuǎn)向小齒輪模數(shù)取值范圍多在23mm之間，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比為1：4.5，車輪最大轉(zhuǎn)角為30°（其后有說明），因此轉(zhuǎn)向盤最大單側(cè)轉(zhuǎn)角約為150°，由轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果可得齒條單向行程約為3

24、7mm，也即轉(zhuǎn)向小齒輪轉(zhuǎn)過150°齒條單向運(yùn)動(dòng)37mm。 有公式： （4.1）式中 =150°，L=37mm，m=2mm。計(jì)算得： Z=14.14 取整得Z=15壓力角的選取，由機(jī)械原理可知，增大壓力角，輪齒的齒厚及節(jié)點(diǎn)處的齒廓曲率半徑亦皆隨之增加，有利于提高齒輪傳動(dòng)的彎曲強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度5。我國對于一般用途的齒輪傳動(dòng)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)壓力角為=20°。齒寬系數(shù)的選擇，由齒輪的強(qiáng)度計(jì)算公式可知，輪齒愈寬，承載能力也愈高，因而輪齒不宜過窄；但增大齒寬又會(huì)使齒面上的載荷分布更加不均勻，故齒寬系數(shù)應(yīng)取適當(dāng)。對于標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪減速器，齒寬系數(shù)取，所以對于外嚙合齒輪傳動(dòng) 。理論齒寬 。取

25、，則理論齒寬b=24mm，綜合考慮設(shè)計(jì)的各種因素及賽車要求，取實(shí)際齒寬為b=20mm。由此確定轉(zhuǎn)向小齒輪的各設(shè)計(jì)參數(shù)：齒數(shù)Z=15、螺旋角=10度、模數(shù)m=2mm、齒寬B=20mm、齒頂高系數(shù)、。設(shè)計(jì)計(jì)算和說明計(jì)算結(jié)果1.選擇齒輪材料、熱處理方式及計(jì)算許用應(yīng)力(1) 選擇材料及熱處理方式小齒輪16MnCr5 滲碳淬火，齒面硬度56-62HRC大齒輪 45鋼 表面淬火，齒面硬度56-56HRC(2) 確定許用應(yīng)力a)確定和 b)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，確定壽命系數(shù)、。 c)計(jì)算許用應(yīng)力取,=應(yīng)力修正系數(shù)=2.初步確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸(1) 選擇齒輪類型根據(jù)齒輪傳動(dòng)的工作條件，選用斜齒圓柱齒輪

26、與斜齒齒條嚙合傳動(dòng)方案(2) 選擇齒輪傳動(dòng)精度等級選用7級精度(3) 初選參數(shù)初選 =8 =20 =0.8 =0.7 =0.89按當(dāng)量齒數(shù)(4) 初步計(jì)算齒輪模數(shù)轉(zhuǎn)矩17.4×0.16=2.784=2784閉式硬齒面?zhèn)鲃?dòng)，按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)。=1.037(5) 確定載荷系數(shù)=1，由,/100=0.00124,=1；對稱布置，取=1.06；取=1.3則=1×1×1.06×1.3=1.378(6) 修正法向模數(shù)=1.037×=1.031圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，取=33.確定齒輪傳動(dòng)主要參數(shù)和幾何尺寸(1) 分度圓直徑=20.61(2) 齒頂圓直徑=20.

27、61+2=20.61+2×2.5×(1+0)=25.61(3) 齒根圓直徑=20.61-2=20.61-2×2.5×1.25=14.36(4) 齒寬=0.8×20.61=16.488因?yàn)橄嗷Ш淆X輪的基圓齒距必須相等，即。齒輪法面基圓齒距為齒條法面基圓齒距為取齒條法向模數(shù)為=2.5(5) 齒條齒頂高=2.5×(1+0)=2.5(6) 齒條齒根高=2.5×(1+0.25-0)=3.125(7) 法面齒距=3.9254.校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度由表7-5，=189.8由圖7-15，=2.45取=0.8，=0.985所以 =189.8

28、×2.45×0.8×0.985×=410.45.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和繪制零件圖詳見零件圖斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動(dòng)7級精度2784=1.378=2.5=20.61=25.61=14.36取=17=2.5=3.125=3.925齒面接觸疲勞強(qiáng)度滿足要求4.3 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向橫拉桿的運(yùn)動(dòng)分析5、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)5.1 轉(zhuǎn)向梯形轉(zhuǎn)向梯形有整體式和斷開式兩種。轉(zhuǎn)向梯形方案與懸架形式密切相關(guān)。 轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計(jì)要求： 1）正確選擇轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)，保證汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)全部車輪繞一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心行駛。2）滿足最小轉(zhuǎn)彎直徑的要求，轉(zhuǎn)向輪應(yīng)有足夠大的轉(zhuǎn)角。 5.1.1、轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)

29、方案分析1. 整體式轉(zhuǎn)向梯形整體式轉(zhuǎn)向梯形是由轉(zhuǎn)向橫拉桿1，轉(zhuǎn)向梯形臂2和汽車前軸3組成，如圖5-1所示。圖5-1整體式轉(zhuǎn)向梯形1橫拉桿 2梯形臂 3前軸 這種方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整前束容易，制造成本低；主要缺點(diǎn)是一側(cè)轉(zhuǎn)向輪上、下跳動(dòng)時(shí)，會(huì)影響另一側(cè)轉(zhuǎn)向輪。2.斷開式轉(zhuǎn)向梯形 轉(zhuǎn)向梯形的橫拉桿做成斷開的，稱之為斷開式轉(zhuǎn)向梯形。斷開式轉(zhuǎn)向梯形方案之一如圖7-15所示。斷開式轉(zhuǎn)向梯形的主要特點(diǎn)：1）能夠保證一側(cè)車輪上、下跳動(dòng)時(shí)，不會(huì)影響另一側(cè)車輪；2）由于桿系、球頭增多，所以結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，并且調(diào)整前束比較困難。橫拉桿上斷開點(diǎn)的位置與獨(dú)立懸架形式有關(guān)。采用雙橫臂獨(dú)立懸架，常用圖解法（基于

30、三心定理）確定斷開點(diǎn)的位置。 圖5-2 斷開式轉(zhuǎn)向梯形 基于以上分析，考慮成本及我所設(shè)計(jì)的賽車要求等因素，所以采用斷開式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)5.1.2、斷開式式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 1理想的左右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系為了避免在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的路面對汽車行駛的附加阻力和輪胎磨損過快，要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)盡可能地保證在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，所有的車輪均作純滾動(dòng)。顯然，這只有在所有車輪的軸線都相交于一點(diǎn)時(shí)方能實(shí)現(xiàn)，此交點(diǎn)被稱為轉(zhuǎn)向中心。如圖l所示，汽車左轉(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角應(yīng)大于外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角。當(dāng)車輪被視為絕對剛體的假設(shè)條件下，左右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角和應(yīng)滿足Ackenmnn轉(zhuǎn)向幾何學(xué)要求，式(1) 式中：左側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；右側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；B對側(cè)主銷軸線與地面相交點(diǎn)之間的距離；L汽車前后軸距；R轉(zhuǎn)彎半徑。根據(jù)式(1)可得理想的右輪轉(zhuǎn)角，如式(2)，L 同理，當(dāng)汽車右轉(zhuǎn)向時(shí)，Ackenmnn轉(zhuǎn)角關(guān)系如式(3)， 根據(jù)式(3)可得理想的右輪轉(zhuǎn)角，如式(4)所示， 2實(shí)際的左右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系圖2是一種含有驅(qū)動(dòng)滑塊的常用斷開式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)。齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)將方向盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成齒條(滑塊)的直線運(yùn)動(dòng)，繼而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)左右前輪轉(zhuǎn)向。這與本設(shè)計(jì)的基本原理差不多，只是本設(shè)計(jì)中采用的是中間輸入兩端輸出的結(jié)構(gòu)。其大概示意圖是圖中：L轉(zhuǎn)向機(jī)齒條左右球鉸中心的距離；L左右橫拉桿的長度；L左右轉(zhuǎn)向節(jié)臂的長度；L廠車輪中心至轉(zhuǎn)向主