機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計

摘要本次設(shè)計設(shè)計一款用于輕型汽車的轉(zhuǎn)向器。論文首先對轉(zhuǎn)向系的作用，基本構(gòu)成、要求和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體性能進(jìn)行了分析，同時對轉(zhuǎn)向系的空間位置及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，確定了轉(zhuǎn)向梯形的型式，簡單的概述了轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)。確定了轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)和布置形式，分析了轉(zhuǎn)向器的嚙合傳動的特點(diǎn)和傳動效率。根據(jù)汽車工程參考某款輕型汽車的轉(zhuǎn)向器的參數(shù)，對轉(zhuǎn)向器進(jìn)行設(shè)計，并對齒輪齒條的齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行校核，同時利用AUTOCAD軟件繪制裝配圖和零件圖。關(guān)鍵詞：汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向器齒輪齒條ThedesigneoflightvehiclevmechanicalsteeringAbstractThevergenceimplementdesignisusedforlightautomobileoriginallytime.Effectthatthethesisisfirsttovergence,thepopulationfunctionbasically,composing,demandingsystemhascarriedoutanalysis.Thecharacteristichascarriedoutanalysisonspacelocationandstructurechangingtoadepartmentatthesametime,simplesummarychangingtotransmission-mechanism.Haveascertainedthestructurechangingtoanimplementandhavearrangedaform,haveanalysedthecharacteristicanddriveefficiencychangingtotheimplementfalling-indrive.Andtheprojectconsultssomelightautomobileofmoneyvergenceimplementparametersaccordingtotheautomobile,designthattochangingtoanimplementbeinprogress,theflankofatoothtogearwheelrackcontactstheintensityandthecurvedintensityofdedendumcarryingoutthecoreofschool,makesuseoftheAUTOCADsoftwaretodrawassemblingpictureandpartpictureatthesametime.Keywords：AutomotiveSteeringSystemSteeringGearGearandRack目錄1前言 11.1轉(zhuǎn)向系的發(fā)展 11.2小汽車轉(zhuǎn)向器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 21.3轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu) 41.4轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu) 51.5轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向器形式 61.6動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 71.7齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn) 81.8設(shè)計的主要內(nèi)容 82轉(zhuǎn)向系系統(tǒng)分析 92.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計要求 92.2轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù) 103.齒輪齒條設(shè)計步驟 143.1轉(zhuǎn)向系桿件尺寸 143.2齒輪齒條嚙合傳動的特點(diǎn) 153.3齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的分析 183.4齒輪齒條的設(shè)計計算 194齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的材料選擇及強(qiáng)度校核 244.1材料選擇 244.2齒輪接觸疲勞極限σ校核 244.3齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度校核 254.4齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的受力分析與計算 264.5齒輪軸的設(shè)計計算校核 275其它部件設(shè)計 315.1防傷安全機(jī)構(gòu)方案分析與設(shè)計 315.2轉(zhuǎn)向盤 335.3球頭銷 345.4轉(zhuǎn)向節(jié)臂 365.5齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器間隙調(diào)整彈簧的設(shè)計計算 375.6齒輪軸軸承的校核 39結(jié)論 40參考文獻(xiàn) 40致謝 0PAGE8PAGE9431前言1.1轉(zhuǎn)向系的發(fā)展轉(zhuǎn)向系是用來保持或者改變汽車行使方向的機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)準(zhǔn)確，快速、平穩(wěn)地響應(yīng)駕駛員的轉(zhuǎn)向指令，轉(zhuǎn)向行使后或受到外界擾動時，在駕駛員松開方向盤的狀態(tài)下，應(yīng)保證汽車自動返回穩(wěn)定的直線行使?fàn)顟B(tài)。汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，代表著一個國家的綜合國力，汽車工業(yè)隨著機(jī)械和電子技術(shù)的發(fā)展而不斷前進(jìn)。到今天，汽車已經(jīng)不是單純機(jī)械意義上的汽車了，它是機(jī)械、電子、材料等學(xué)科的綜合產(chǎn)物。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也隨著汽車工業(yè)的發(fā)展歷經(jīng)了長時間的演變。傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是機(jī)械式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，汽車的轉(zhuǎn)向由駕駛員控制方向盤，通過轉(zhuǎn)向器等一系列機(jī)械轉(zhuǎn)向部件實(shí)現(xiàn)車輪的偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。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?yōu)槿肆右簤褐?。液壓助力系統(tǒng)HPS（HydraulicPowerSteering）是在機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一個液壓系統(tǒng)而成。該液壓系統(tǒng)一般與發(fā)動機(jī)相連，當(dāng)發(fā)動機(jī)啟動的時候，一部分發(fā)動機(jī)能量提供汽車前進(jìn)的動能，另外一部分則為液壓系統(tǒng)提供動力。由于其工作可靠、技術(shù)成熟至今仍被廣泛應(yīng)用。這種助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要的特點(diǎn)是液壓力支持轉(zhuǎn)向運(yùn)動，減小駕駛者作用在方向盤上的力，改善了汽車轉(zhuǎn)向的輕便性和汽車運(yùn)行的穩(wěn)定性。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)中也愈來愈多地采用電子器件。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)因此進(jìn)入了電子控制時代，相應(yīng)的就出現(xiàn)了電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電液助力轉(zhuǎn)向可以分為兩類：電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EHPS（Electro-HydraulicPowerSteering）和電控液壓助力轉(zhuǎn)向ECHPS（ElectronicallyControlledHydraulicPowerSteering）。電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在液壓助力系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，與液壓助力系統(tǒng)不同的是，電動液壓助力系統(tǒng)中液壓系統(tǒng)的動力來源不是發(fā)動機(jī)而是電機(jī)，由電機(jī)驅(qū)動液壓系統(tǒng)，節(jié)省了發(fā)動機(jī)能量，減少了燃油消耗。電控液壓助力轉(zhuǎn)向也是在傳統(tǒng)液壓助力系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，它們的區(qū)別是，電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)增加了電子控制裝置。電子控制裝置可根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)向速率、車速等汽車運(yùn)行參數(shù)，改變液壓系統(tǒng)助力油壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)在不同車速下，助力特性的改變。而且電機(jī)驅(qū)動下的液壓系統(tǒng)，在沒有轉(zhuǎn)向操作時，電機(jī)可以停止轉(zhuǎn)動，從而降低能耗。雖然電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)克服了液壓助力轉(zhuǎn)向的一些缺點(diǎn)。但是由于液壓系統(tǒng)的存在，它一樣存在液壓油泄漏的問題，而且電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)引入了驅(qū)動電機(jī)，使得系統(tǒng)更加復(fù)雜，成本增加，可靠性下降。為了規(guī)避電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點(diǎn)，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS（ElectricPowerSteering）便應(yīng)時而生。它與前述各種助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的區(qū)別在于，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中已經(jīng)沒有液壓系統(tǒng)了。原來由液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向助力由電動機(jī)來完成。電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般由轉(zhuǎn)矩傳感器、微處理器、電動機(jī)等組成?；竟ぷ髟硎牵寒?dāng)駕駛者轉(zhuǎn)動方向盤帶動轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動時，安裝在轉(zhuǎn)動軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器便將轉(zhuǎn)矩信號轉(zhuǎn)化為電信號并傳送至微處理器，微處理器根據(jù)轉(zhuǎn)矩信號并結(jié)合車速等其他車輛運(yùn)行參數(shù)，按照事先在程序中設(shè)定的處理方法得出助力電動機(jī)助力的方向和助力的大小。自1988年日本鈴木公司首次在其Cervo車上裝備該助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)至今，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)己經(jīng)得到人們的廣泛認(rèn)可。此后，電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)得到迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍已經(jīng)從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展。1.2小汽車轉(zhuǎn)向器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系主要構(gòu)成的關(guān)鍵零件，隨著電子技術(shù)在汽車中的廣泛應(yīng)用，轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)也有很大變化。從目前使用的普遍程度來看，主要的轉(zhuǎn)向器類型有4種：有蝸桿銷式(WP型)、蝸桿滾輪式(WR型)、循環(huán)球式(BS型)、齒條齒輪式(RP型)。這四種轉(zhuǎn)向器型式，已經(jīng)被廣泛使用在汽車上。據(jù)了解，在世界范圍內(nèi)，汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占45％左右，齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器占40％左右，蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器占10％左右，其它型式的轉(zhuǎn)向器占5％。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器一直在穩(wěn)步發(fā)展。在西歐小客車中，齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器有很大的發(fā)展。日本汽車轉(zhuǎn)向器的特點(diǎn)是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占的比重越來越大，日本裝備不同類型發(fā)動機(jī)的各類型汽車，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)向器，已由60年代的62．5％，發(fā)展到現(xiàn)今的100％了(蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器在公共汽車上已經(jīng)被淘汰)。大、小型貨車大都采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，但齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器也有所發(fā)展。微型貨車用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占65％，齒條齒輪式占35％。我國的轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)，除早期投產(chǎn)的解放牌汽車用蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器，東風(fēng)汽車用蝸桿肖式轉(zhuǎn)向器之外，其它大部分車型都采用循環(huán)球式結(jié)構(gòu)，并都具有一定的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。目前解放、東風(fēng)也都在積極發(fā)展循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，并已在第二代換型車上普遍采用了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。由此看出，我國的轉(zhuǎn)向器也在向大量生產(chǎn)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器發(fā)展在國外，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器實(shí)現(xiàn)了專業(yè)化生產(chǎn)，同時以專業(yè)廠為主、大力進(jìn)行試驗(yàn)和研究，大大提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。在日本“精工”(NSK)公司的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器就以成本低、質(zhì)量好、產(chǎn)量大，逐步占領(lǐng)日本市場，并向全世界銷售它的產(chǎn)品。德國ZF公司也作為一個大型轉(zhuǎn)向器專業(yè)廠著稱于世。它從1948年開始生產(chǎn)ZF型轉(zhuǎn)向器，年產(chǎn)各種轉(zhuǎn)向器200多萬臺。還有一些比較大的轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)廠，如美國德爾福公司SAGINAW分部是比較有名的專業(yè)廠家，有很大的產(chǎn)量和銷售面。專業(yè)化生產(chǎn)已成為一種趨勢，只有走這條道路，才能使產(chǎn)品質(zhì)量高、產(chǎn)量大、成本低，在市場上有競爭力。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，已成為當(dāng)今世界汽車上主要的兩種轉(zhuǎn)向器；而蝸輪蝸桿式轉(zhuǎn)向器和蝸桿肖式轉(zhuǎn)向器，正在逐步被淘汰或保留較小的地位。在小客車上發(fā)展轉(zhuǎn)向器的觀點(diǎn)各異，美國和日本重點(diǎn)發(fā)展循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，比率都已達(dá)到或超過90％；西歐則重點(diǎn)發(fā)展齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，比率超過50％，法國已高達(dá)95％。由于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的種種優(yōu)點(diǎn)，在小型車上的應(yīng)用(包括小客車、小型貨車或客貨兩用車)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展；而大型車輛則以循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器為主要結(jié)構(gòu)。

循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)：效率高，操縱輕便，有一條平滑的操縱力特性曲線，布置方便，特別適合大、中型車輛和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配合使用；易于傳遞駕駛員操縱信號；逆效率高、回位好，與液壓助力裝置的動作配合得好。可以實(shí)現(xiàn)變速比的特性，滿足了操縱輕便性的要求。中間位置轉(zhuǎn)向力小、且經(jīng)常使用，要求轉(zhuǎn)向靈敏，因此希望中間位置附近速比小，以提高靈敏性。大角度轉(zhuǎn)向位置轉(zhuǎn)向阻力大，但使用次數(shù)少，因此希望大角度位置速比大一些，以減小轉(zhuǎn)向力。由于循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器可實(shí)現(xiàn)變速比，應(yīng)用正日益廣泛。通過大量鋼球的滾動接觸來傳遞轉(zhuǎn)向力，具有較大的強(qiáng)度和較好的耐磨性。并且該轉(zhuǎn)向器可以被設(shè)計成具有等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，這也是它應(yīng)用廣泛的原因之一。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成，轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量比較??；傳動效率高達(dá)90%；齒輪與齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙后，利用裝在齒條背部、靠近主動小齒輪處的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧，能自動消除間隙，這不僅可以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度，還可以防止工作時產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用體積小；制造成本低?；谝陨险{(diào)查和轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器和齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器將是以后轉(zhuǎn)向器的發(fā)展的趨勢和潮流。1.3轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向盤即通常所說的方向盤。轉(zhuǎn)向盤內(nèi)部有金屬制成的骨架，是用鋼、鋁合金或鎂合金等材料制成。由圓環(huán)狀的盤圈、插入轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)向盤轂，以及連接盤圈和盤轂的輻條構(gòu)成。采用焊接或鑄造等工藝制造，轉(zhuǎn)向軸是由細(xì)齒花鍵和螺母連接的。骨架的外側(cè)一般包有柔軟的合成橡膠或樹脂，也有采用皮革包裹以及硬木制作的轉(zhuǎn)向盤。轉(zhuǎn)向盤外皮要求有某種程度的柔軟度，手感良好，能防止手心出汗打滑的材質(zhì)，還需要有耐熱、耐候性。轉(zhuǎn)向盤的功能：轉(zhuǎn)向盤位于司機(jī)的正前方，是碰撞時最可能傷害到司機(jī)的部件，因此需要轉(zhuǎn)向盤具有很高的安全性，在司機(jī)撞在轉(zhuǎn)向盤上時，骨架能夠產(chǎn)生變形，吸收沖擊能，減輕對司機(jī)的傷害。轉(zhuǎn)向盤的慣性力矩也是很重要的，慣性力矩小，我們就會感到“輪輕”，操做感良好，但同時也容易受到轉(zhuǎn)向盤的反彈(即“打手”)的影響，為了設(shè)定適當(dāng)?shù)膽T性力矩，就要調(diào)整骨架的材料或形狀等?，F(xiàn)在的轉(zhuǎn)向盤與以前的看似沒有太大變化，但實(shí)際上已經(jīng)有了改進(jìn)。由于轉(zhuǎn)向助力裝置的普及，轉(zhuǎn)向盤外徑變小了，而手握處卻變粗了，采用柔軟材料，使操作感得到了改善?，F(xiàn)在有越來越多的汽車在轉(zhuǎn)向盤里安裝了安全氣囊，也使汽車的安全性大大提高了。轉(zhuǎn)向盤的集電環(huán)：轉(zhuǎn)向盤上有喇叭開關(guān)，必須時刻與車身電器線路相連，而旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向盤與組合開關(guān)之間顯然不能用導(dǎo)線直接相連，因此就必須采用集電環(huán)裝置。集電環(huán)好比環(huán)形的地鐵軌道，喇叭開關(guān)的觸點(diǎn)就象奔跑在軌道上的電車，時刻保持接通的狀態(tài)。由于是機(jī)械接觸，長時間使用觸點(diǎn)會因磨損影響導(dǎo)電性，導(dǎo)致緊急時刻喇叭不鳴甚至氣囊不工作。因此，最近裝備氣囊的汽車開始裝用電纜盤，代替集電環(huán)。轉(zhuǎn)向盤的端子與組合開關(guān)的端子用電纜線連接，電纜盤將電線卷入盤內(nèi)，類似于吸塵器的電線卷取機(jī)構(gòu)，在轉(zhuǎn)向盤旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，電線*卷筒自由伸縮。這種裝置大大提高了電器裝置的可靠性。如圖：圖1-1和圖1-2所示。轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)由方向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向管柱等組成，它的作用是將駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的操縱力傳給轉(zhuǎn)向器。1.輪圈2.輪輻3.輪轂圖1-1轉(zhuǎn)向盤簡圖圖1-2操縱機(jī)構(gòu)簡圖1.4轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)為牢固支承轉(zhuǎn)向盤而設(shè)有轉(zhuǎn)向柱。傳遞轉(zhuǎn)向盤操作的轉(zhuǎn)向軸從中穿過，由軸承和襯套支承。轉(zhuǎn)向柱本體安裝在車身上。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)應(yīng)備有吸收汽車碰撞時產(chǎn)生的沖擊能的裝置。許多國家都規(guī)定轎車義務(wù)安裝吸能式轉(zhuǎn)向柱。吸能裝置的方式很多，大都通過轉(zhuǎn)向柱的支架變形來達(dá)到緩沖吸能的作用。轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向器齒輪箱之間采用連軸節(jié)相連(即兩個萬向節(jié))，之所以用連軸節(jié)，除了可以改變轉(zhuǎn)向軸的方向，還有就是使得轉(zhuǎn)向軸可以作縱向的伸縮運(yùn)動，以配合轉(zhuǎn)向柱的緩沖運(yùn)動。可傾斜式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：正是由于有了連軸節(jié)，轉(zhuǎn)向軸可以有不同的傾斜角度，使轉(zhuǎn)向盤的位置可以上下傾斜，適應(yīng)各種身高和體形的司機(jī)。通過操作位于轉(zhuǎn)向柱下側(cè)的手柄，使轉(zhuǎn)向柱處于放松狀態(tài)，將轉(zhuǎn)向盤調(diào)至自己喜好的位置，再反向轉(zhuǎn)動手柄，使轉(zhuǎn)向柱固定在新的位置上?，F(xiàn)在的一些高級轎車上已經(jīng)采用電動式轉(zhuǎn)向盤傾斜調(diào)整機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)向軸內(nèi)裝有專用電機(jī)，使轉(zhuǎn)向軸改變傾斜角度。最新型的調(diào)整機(jī)構(gòu)是全自動式由計算機(jī)控制的。司機(jī)在下車前將點(diǎn)火鑰匙拔出，轉(zhuǎn)向盤便自動升起，以便司機(jī)順利下車。但計算機(jī)會記住原來的轉(zhuǎn)向盤位置，當(dāng)點(diǎn)火鑰匙再次插入時，轉(zhuǎn)向盤會自動恢復(fù)原位?？缮炜s式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：該機(jī)構(gòu)可象望遠(yuǎn)鏡那樣伸縮調(diào)整轉(zhuǎn)向盤的前后位置。轉(zhuǎn)向軸也象望遠(yuǎn)鏡一樣有雙重結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒與外筒用花鍵嚙合，使它們無法相對轉(zhuǎn)動，而只能沿鍵槽方向做伸縮運(yùn)動。與傾斜調(diào)整機(jī)構(gòu)相同，可操作手柄解除或固定伸縮動作，一部分車也采用電動式計算機(jī)控制的全自動伸縮式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。1.5轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向器形式轉(zhuǎn)向器(也常稱為轉(zhuǎn)向機(jī))是完成由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動到直線運(yùn)動(或近似直線運(yùn)動)的一組齒輪機(jī)構(gòu)，同時也是轉(zhuǎn)向系中的減速傳動裝置。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。我們只介紹目前最常用，最有代表性的兩種形：齒輪齒條式和循環(huán)球式。齒輪齒條式：齒輪齒條方式的最大特點(diǎn)是剛性大，結(jié)構(gòu)緊湊重量輕，且成本低。由于這種方式容易由車輪將反作用力傳至轉(zhuǎn)向盤，所以具有對路面狀態(tài)反應(yīng)靈敏的優(yōu)點(diǎn)，但同時也容易產(chǎn)生打手和擺振等現(xiàn)象。齒輪與齒條直接嚙合，將齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為齒條的直線運(yùn)動，使轉(zhuǎn)向拉桿橫向拉動車輪產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。齒輪并非單純的平齒輪，而是特殊的螺旋形狀，這是為了盡量減小齒輪與齒條之間的嚙合間隙，使轉(zhuǎn)向盤的微小轉(zhuǎn)動能夠傳遞到車輪，提高操作的靈敏性，也就是我們通常所說的減小方向盤的曠量。不過齒輪嚙合過緊也并非好事，它使得轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時的操作力過大，人會感到吃力。循環(huán)球式：這種轉(zhuǎn)向裝置是由齒輪機(jī)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(yùn)動變?yōu)闇u輪蝸桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動，螺母再與扇形齒輪嚙合，直線運(yùn)動再次變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動，使連桿臂搖動，連桿臂再使連動拉桿和橫拉桿做直線運(yùn)動，改變車輪的方向。1.6動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)動力轉(zhuǎn)向機(jī)是利用外部動力協(xié)助司機(jī)輕便操作轉(zhuǎn)向盤的裝置。隨著最近汽車發(fā)動機(jī)馬力的增大和扁平輪胎的普遍使用，使車重和轉(zhuǎn)向阻力都加大了，因此動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)越來越普及。值得注意的是，轉(zhuǎn)向助力不應(yīng)是不變的，因?yàn)樵诟咚傩旭倳r，輪胎的橫向阻力小，轉(zhuǎn)向盤變得輕飄，很難捕捉路面的感覺，也容易造成轉(zhuǎn)向過于靈敏而使汽車不易控制。所以在高速時要適當(dāng)減低動力，但這種變化必須平順過度。(一)液壓式動力轉(zhuǎn)向裝置液壓式動力轉(zhuǎn)向裝置重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，利于改善轉(zhuǎn)向操作感覺，但液體流量的增加會加重泵的負(fù)荷，需要保持怠速旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。(二)電動式動力轉(zhuǎn)向裝置電動式動力轉(zhuǎn)向裝置是最新形式的轉(zhuǎn)向裝置，由于它節(jié)能，故受到人們的重視。它是利用蓄電池轉(zhuǎn)動電機(jī)產(chǎn)生推力。由于不直接使用發(fā)動機(jī)的動力，所以大大降低了發(fā)動機(jī)的功率損失(液壓式最大損失5-10馬力)，且不需要液壓管路，便于安裝。尤其有利于中置發(fā)動機(jī)后輪驅(qū)動的汽車。但目前電動式動力轉(zhuǎn)向裝置所得動力還比不上液壓式，所以只限用于前輪軸輕的中置發(fā)動機(jī)后驅(qū)動的汽車上。(三)電動液壓式動力轉(zhuǎn)向裝置即由電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)向助力泵并由計算機(jī)控制的方式，它集液壓式和電動式的優(yōu)點(diǎn)于一體。因?yàn)槭怯嬎銠C(jī)控制，所以轉(zhuǎn)向助力泵不必經(jīng)常工作，節(jié)省了發(fā)動機(jī)的功率。這種方式結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝布置，但液壓產(chǎn)生的動力不能太大，所以適用排量小的汽車。1.7齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)(1)構(gòu)造筒單,結(jié)構(gòu)輕巧。由于齒輪箱小,齒條本身具有傳動桿系的作用,因此,它不需要循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器上所使用的拉桿(2)因齒輪和齒條直接嚙合,操縱靈敏性非常高。

(3)滑動和轉(zhuǎn)動阻力小,轉(zhuǎn)矩傳遞性能較好,因此,轉(zhuǎn)向力非常輕。

(4)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)總成完全封閉,可免于維護(hù)。1.8設(shè)計的主要內(nèi)容本次設(shè)計的課題以捷達(dá)某車型汽車轉(zhuǎn)向器的參數(shù)作為依據(jù)，設(shè)計一款適用于小汽車機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向器。根據(jù)該車型對于市場的定位及對制造成本的考慮，同時參考同類車型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，將該車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計為一款機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，對轉(zhuǎn)向系系統(tǒng)做簡單分析，并進(jìn)行轉(zhuǎn)向器零件設(shè)計、工藝性及尺寸公差等級分析，同時按以下步驟對轉(zhuǎn)向器及零部件進(jìn)行設(shè)計方案論證：第一步對所選的轉(zhuǎn)向器總成進(jìn)行剖析；第二部利用所學(xué)的知識對總成中的零部件進(jìn)行力學(xué)分析和分析；第三步對分析中發(fā)現(xiàn)的不合理的設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)。2轉(zhuǎn)向系系統(tǒng)分析2.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計要求轉(zhuǎn)向系是用來保持或者改變汽車行使方向的機(jī)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向上、下軸、）、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)）等。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)準(zhǔn)確，快速、平穩(wěn)地響應(yīng)駕駛員的轉(zhuǎn)向指令，轉(zhuǎn)向行使后或受到外界擾動時，在駕駛員松開方向盤的狀態(tài)下，應(yīng)保證汽車自動返回穩(wěn)定的直線行使?fàn)顟B(tài)。一般來說，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求如下：（1）轉(zhuǎn)向系傳動比包括轉(zhuǎn)向系的角傳動比（方向盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角之比）和轉(zhuǎn)向系的力傳動比。在轉(zhuǎn)向盤尺寸和轉(zhuǎn)向輪阻力一定時，角傳動比增加，則轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向靈敏度降低；角傳動比減小，則轉(zhuǎn)向沉重，轉(zhuǎn)向靈敏度提高。轉(zhuǎn)向角傳動比不宜低于15-16；也不宜過大，通常以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動圈數(shù)和轉(zhuǎn)向輕便性來確定。一般來說，轎車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動圈數(shù)不宜大于4圈，對轎車來說，有動力轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向力約為20—50；無動力轉(zhuǎn)向時為50—100N。（2）轉(zhuǎn)向輪應(yīng)具有自動回正能力。轉(zhuǎn)向輪的回正力來源于輪胎的側(cè)偏特性和車輪的定位參數(shù)。汽車的穩(wěn)定行使，必須保證有合適的前輪定位參數(shù)，并注意控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的內(nèi)部摩擦阻力的大小和阻尼值。（3）轉(zhuǎn)向桿系和懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)共同作用時，必須盡量減小其運(yùn)動干涉。應(yīng)從設(shè)計上保證各桿系的運(yùn)動干涉足夠小。（4）轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的球頭處，應(yīng)有消除因磨損而產(chǎn)生的間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)以及提高轉(zhuǎn)向系的可靠性。（5）轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤應(yīng)有使駕駛員在車禍中避免或減輕傷害的防傷機(jī)構(gòu)。汽車在作轉(zhuǎn)向運(yùn)動時，所以車輪應(yīng)繞同一瞬心旋轉(zhuǎn)，不得有側(cè)滑；同時，轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動方向一致。（6）當(dāng)轉(zhuǎn)向輪受到地面沖擊時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞到方向盤上的反沖力要盡可能小。在任何行使?fàn)顟B(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不應(yīng)產(chǎn)生擺振。機(jī)動性是通過汽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑來體現(xiàn)的，而最小轉(zhuǎn)彎半徑由內(nèi)轉(zhuǎn)向車輪的極限轉(zhuǎn)角、汽車的軸距、主銷偏移距決定的，一般的極限轉(zhuǎn)角越大，軸距和主銷偏移距越小，則最小轉(zhuǎn)彎半徑越小。轉(zhuǎn)向靈敏性主要通過轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動圈數(shù)來體現(xiàn)，主要由轉(zhuǎn)向系的傳動比來決定。操縱的輕便性也由轉(zhuǎn)向系的傳動比決定，但其與轉(zhuǎn)向靈敏性是一對矛盾，轉(zhuǎn)向系的傳動比越大，則靈敏性提高，輕便性下降。為了兼顧兩者，一般采用變傳動比的轉(zhuǎn)向器，或者采用動力轉(zhuǎn)向，還有就是提高轉(zhuǎn)向系的正效率，但過高正效率往往伴隨著較高的逆效率。轉(zhuǎn)向時內(nèi)外車輪間的轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)關(guān)系是通過合理設(shè)計轉(zhuǎn)向梯形來保證的。對于采用齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向系來說，轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角間的協(xié)調(diào)關(guān)系是通過合理選擇小齒輪與齒條的參數(shù)、合理布置小齒輪與齒條的相對位置來實(shí)現(xiàn)的，而且前置轉(zhuǎn)向梯形和后置轉(zhuǎn)向梯形恰恰相反。轉(zhuǎn)向輪的回正能力是由轉(zhuǎn)向輪的定位參數(shù)（主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角）決定的，同時也受轉(zhuǎn)向系逆效率的影響。選取合適的轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)可以獲得相應(yīng)的回正力矩，但是回正力矩不能太大又不能太小，太大則會增加轉(zhuǎn)向沉重感，太小則會使回正能力減弱，不能保持穩(wěn)定的直線行駛狀態(tài)。轉(zhuǎn)向系逆效率的提高會使回正能力提高，但是會造成“打手”現(xiàn)象。轉(zhuǎn)向系的間隙主要是通過各球頭皮碗和轉(zhuǎn)向器的調(diào)隙機(jī)構(gòu)來調(diào)整的。合理的選擇轉(zhuǎn)向梯形的斷開點(diǎn)可以減小轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)與懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動干涉。為了保證轉(zhuǎn)向時駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤輕便，要求轉(zhuǎn)向器的正效率高，影響正效率的因素有：轉(zhuǎn)向器的類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造質(zhì)量等。為了保證汽車轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤能自動返回到直線行使的位置，又需要有一定的逆效率。為了減輕在不平路面上行使時駕駛員的疲勞，車輪與路面之間的作用力傳至轉(zhuǎn)向盤上盡可能小，防止打手，這又要求此逆效率盡可能低。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的正效率隨著輸入力矩的增大而增大，在40%輸入力時一般即可大于70%，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)的摩擦力和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自由間隙有關(guān)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的間隙對操縱穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在前輪擺振上，設(shè)計上最基本的努力方向就是在不增大摩擦力的情況下，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的間隙應(yīng)盡量小。2.2轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù)轉(zhuǎn)向器角傳動比iw的計算：圖2-1sinα=QUOTEQUOTE（2.1）式中：L：汽車軸距，2471mmR：汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑，5250mm將數(shù)據(jù)代入（2.1）式，得：α=31.20°tanβ=（2.2）式中：L：汽車軸距，2471mmR：汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑，5250mmB：前輪輪距，1429mm將數(shù)據(jù)代入（2.2）式，得：β=41.83°角傳動比QUOTE(2.3)式中：ωw：轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角（速度），3×360°ωk：轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角（速度），α+β=73.03°將數(shù)據(jù)代入(2.3)式中，得：iw=14.79用半經(jīng)驗(yàn)公式來計算汽車在瀝青路面上的原地轉(zhuǎn)向力矩:MR=(2.4)式中,f：輪胎與地面間滑動阻力系數(shù)G1：轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷，NP：輪胎氣壓，取0.2MPa將查資料所得數(shù)值：胎與地面間滑動阻力系數(shù)f=0.7；整車整備質(zhì)量m=1105kg；該車容納乘客數(shù)5人；每人質(zhì)量約60kg；前置前驅(qū)轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷率為55%。G1=（1105+60×5）×9.8×55%=7572.95N將數(shù)據(jù)代入(2.4)式中，得：MR==343842.39N.mm根據(jù)MR計算轉(zhuǎn)向盤上的手力Fs：Fn=(2.5)式中：MR：原地轉(zhuǎn)向阻力矩，343842.39N.mmDs：轉(zhuǎn)向盤直徑，設(shè)計為380mmiw：轉(zhuǎn)向器角傳動比，14.79η+：轉(zhuǎn)向器的正效率，90%將數(shù)據(jù)代入(2.5)式，得：Fn=131.57N轉(zhuǎn)向盤扭力矩Ts：Ts=1/2FnDs（2.6）式中：Fn：轉(zhuǎn)向盤上的手力，131.57NDs：轉(zhuǎn)向盤直徑，設(shè)計為380mm將數(shù)據(jù)代入（2.6）式，得：Ts=24998.3N.mm3.齒輪齒條設(shè)計步驟3.1轉(zhuǎn)向系桿件尺寸計算轉(zhuǎn)向柱Dz：DzQUOTE（3.1）式中：選用45鋼Ts：方向盤扭矩，24998.3N.mm[τ]：材料許用切應(yīng)力，140MPa將數(shù)據(jù)代入（3.1）式，得：dQUOTE9.30mm轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑的計算：dQUOTE（3.2）式中：MR：原地轉(zhuǎn)向阻力矩，343842.39N.mmL1：前輪距1429mm[σ]:材料許用應(yīng)力255MPa將數(shù)據(jù)代入（3.2）式，中：dQUOTEQUOTE5.04mm3.2齒輪齒條嚙合傳動的特點(diǎn)1-轉(zhuǎn)向拉桿總成；2-防塵罩；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)向小齒輪；12-小齒輪軸承；13-滾針軸承圖3-1齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器總成齒條實(shí)際上是齒數(shù)為無窮的齒輪的一部分。當(dāng)齒數(shù)為無窮時，齒輪的基圓直徑也為無窮大，根據(jù)漸開線的形成過程可知，此時漸開線就變成了直線。所以齒條的齒廓為直齒廓（如圖3-2所示），齒廓上各點(diǎn)的法線是平行的，而且在傳動時齒條是平動的，齒廓上各點(diǎn)速度的大小和方向也相同，所以齒條齒廓上個點(diǎn)的壓力角相同，大小等于齒廓的傾斜角。齒條上各齒同側(cè)的齒廓是平行的，所以在任何與分度線平行的直線上，周節(jié)都相等。圖3-2齒輪齒條嚙合傳動時，根據(jù)小齒輪螺旋角與齒條齒傾角的大小和方向不同，可以構(gòu)成不同的傳動方案。當(dāng)左旋小齒輪與右傾齒條相嚙合而且齒輪螺旋角β1與齒條傾斜角β2角相等時，則軸交角θ=0°；若β1＞β2，則θ=β1－β2；若β1＜β2，則θ=β1－β2為負(fù)值，表示在齒條軸線的另一側(cè)。當(dāng)右旋小齒輪與右傾齒條或左旋小齒輪與左傾齒條相嚙合時，其軸交角均為θ=β1+β2。齒輪為普通的漸開線斜齒輪。通常小齒輪與齒條齒廓都采用相同的模數(shù)與壓力角，漸開線齒輪嚙合傳動的條件為嚙合部位兩齒廓基節(jié)相等，即(3.3)(3.4)(3.5)式中，Pb1—小齒輪的基節(jié)；Pb2—齒條的基節(jié)；m1—小齒輪模數(shù)；m2—齒條模數(shù)；α10—小齒輪節(jié)圓壓力角；α20—齒條節(jié)線壓力角可以知道，齒輪與齒條嚙合傳動時，齒輪的節(jié)圓始終與其分度圓重合。當(dāng)小齒輪軸線與齒條軸線不垂直時，小齒輪齒廓與齒條齒廓間的接觸為點(diǎn)接觸，輪齒所受的壓強(qiáng)較大，產(chǎn)生的接觸應(yīng)力也比較大，輪齒磨損很快，所以齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的傳動比不能太大。如圖3-3所示，兩齒廓相切于P點(diǎn)，tt為兩齒廓在P處的切線。根據(jù)嚙合傳動的要求，兩齒廓上與點(diǎn)P重合的點(diǎn)的速度在tt方向的分量相等。圖3-3假設(shè)小齒輪的螺旋角為β1，齒條的齒傾角為β2，在嚙合處齒輪上的點(diǎn)的切向速度為V1，齒條上的點(diǎn)的速度為V2，則有（3.6）將上式兩邊對時間進(jìn)行積分（3.7）得（3.8）上式中：n—小齒輪的轉(zhuǎn)動圈數(shù)；dt—小齒輪的端面分度圓直徑;L—相應(yīng)的齒條行程。根據(jù)斜齒輪特性，又有（3.9）（3.10）mn為小齒輪的法面模數(shù)，z為小輪的齒數(shù)。于是就有（3.11）從而可以得到齒輪齒條傳動的線角傳動比為i==mn·z·π/cosβ2（mm/rev）（3.12）可見齒輪齒條傳動的傳動比只與齒條的齒傾角、小齒輪的法向模數(shù)和小齒輪的齒數(shù)有關(guān)。在設(shè)計時，只要合理的選取這幾個參數(shù)就可以獲得需要的傳動比。但是小齒輪的模數(shù)不能太小，否則會使齒條齒廓在嚙合時嚙合點(diǎn)離齒頂太近，齒根的彎曲應(yīng)力增大，易產(chǎn)生崩齒。同時小齒輪的變位系數(shù)不能太大，否則會造成齒條齒頂平面與小齒輪齒根圓柱面的間隙過小，對潤滑不利，而且容易造成轉(zhuǎn)向器卡死的現(xiàn)象。3.3齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的分析轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向盤的單位轉(zhuǎn)角增量與齒條位移增量的反比定義為齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的線角傳動比。圖3-4如圖3-4示：假設(shè)齒輪有足夠的嚙合長度，且齒輪在齒條上滾動而齒條不動的嚙合情況，當(dāng)齒輪嚙合一周時，齒輪中心線由O-O位置移動到O’-O’位置。這時可以知道AB=πd，齒輪在齒條上移動了AC距離：AC=ABcosθ=πdcosθ式中：θ：齒輪安裝角，（0）d：齒輪分度圓直徑（mm）齒輪在垂直于齒條中心線MM的方向上移動了BC距離：BC=ABsinθ=πdsinθ在齒條實(shí)際工作中是運(yùn)動的，齒輪只是繞軸承中心線轉(zhuǎn)動，并不移動。只能是齒條沿其軸線移動，可見BC在實(shí)際工作中不存在，從中可知：CD=BCtanβr在齒輪轉(zhuǎn)動一周，齒條實(shí)際移動距離AD為：AD=AC-CD=πdcosθ-πdsinθtanβr式中：βr：齒條傾角AD就是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的線角傳動比：i=41.8mm/rad3.4齒輪齒條的設(shè)計計算3.4.1精度等級的確定借鑒“金杯”微型汽車系列所用的齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的經(jīng)驗(yàn)，選用8級精度。3.4.2螺旋角的選擇齒輪螺旋角多為90~1503.4.3齒輪法面模數(shù)的確定按文獻(xiàn)中彎曲疲勞進(jìn)行齒輪法面模數(shù)的計算：（3.3）式中：K—載荷系數(shù)，包括工作情況系數(shù)KA、動載荷系數(shù)KV、嚙合齒對間載荷分配系數(shù)KU及載荷分布不均勻系數(shù)Kβ即K=KAKVKUKβ微型汽車或普通轎車載荷小、轉(zhuǎn)向器運(yùn)動時一般速度不高，各參數(shù)選擇可以取1～1.25，綜合起來可以取K=1.25。Yβ—螺旋角影響系數(shù)，計算出縱向重合度εa=0.318ΦdZ1tgβ再按其查出數(shù)據(jù)：Φd—齒寬系數(shù)，可以從文獻(xiàn)中查表獲得，但是為了保證強(qiáng)度可以調(diào)整至1.5～2；Z1—齒輪齒數(shù)，一般為5～7，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，齒輪齒數(shù)初步選為7；β—螺旋角，一般稱齒輪螺旋角為β1，齒條螺旋角為β2；YFa—齒輪的齒形系數(shù)，可近似的按當(dāng)量齒數(shù)ZV≈Z/cos3β從文獻(xiàn)中查表獲得；Ysa—齒輪的應(yīng)力校正系數(shù)，可近似的按當(dāng)量齒數(shù)ZV≈Z/cos3β從文獻(xiàn)中查表獲得；[σF]—彎曲疲勞許用應(yīng)力：[σF]=KNσlim/S；KN—壽命系數(shù)，可以從文獻(xiàn)中查表獲得；σlim—齒輪的彎曲疲勞極限，可以從文獻(xiàn)中查表獲得；S—疲勞強(qiáng)度系數(shù)，轉(zhuǎn)向器載荷并不大、但屬于關(guān)鍵件，S可以取1..25～1.5之間，微輕型車可取下限。εa—端面重合度，可以從文獻(xiàn)中查表獲得（當(dāng)齒數(shù)小于時，可按17進(jìn)行查表）根據(jù)汽車的有關(guān)參數(shù)代入公式得出（由于各種系數(shù)選取的差異，不同的人員計算，結(jié)果會有所不同）；mn≥2.08mm取齒輪法面模數(shù)取為2.5mm。確定模數(shù)后，再按下面的計算公式進(jìn)行接觸疲勞強(qiáng)度的校核。（3.4）式中：Ft—齒輪所受圓周力：Ft=2T1/d1d1—齒輪的節(jié)圓直徑，對于標(biāo)準(zhǔn)齒輪即為分度圓；b—齒輪齒寬，b=Φdd1；u—齒數(shù)比（=Z2′/Z1），齒輪齒條齒數(shù)比不同于常規(guī)的齒輪與齒輪嚙合的齒數(shù)比。ZH—區(qū)域系數(shù)：（3.5）α—法面壓力角，選齒輪齒條為20°；[σH]H—接觸疲勞許用應(yīng)力：[σH]H=KNσHlim/S；σHlim—齒輪的接觸疲勞極限，可以從文獻(xiàn)中查表獲得；對微型汽車轉(zhuǎn)向器的齒輪接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核，滿足強(qiáng)度要求。3.4.4齒條齒數(shù)Z2的選擇齒條齒數(shù)Z2的選定需要從車體的總布置和最大轉(zhuǎn)角考慮來確定總行程，汽車齒條總行程H按原車要求為81mm。齒條齒數(shù)Z2的條件必須滿足：Z2≥H/（πmncosαn）（3.6）那么Z2≥10.3，考慮制造公差，取Z2=12。3.4.5齒輪變位系數(shù)Xn1的確定根據(jù)文獻(xiàn)，最小變位系數(shù)為：Xmin=ha*(Zmin-Z)/Zmin（3.7）式中：ha*——齒頂高系數(shù)。對于α=20°，ha*=1的齒條插刀或滾刀，Zmin=17；汽車α=20°，ha*=1.0，可以按照上式計算出Xmin=0.6775，因而轉(zhuǎn)向器中齒輪變位系數(shù)必須大于0.6775。根據(jù)文獻(xiàn)中變位系數(shù)選擇選取Xn1=0.95＞06775，滿足要求。3.4.6中心距a的確定中心距的計算需要根據(jù)整車總布置確定，但必須滿足：a＞d1/2+hf2式中：hf2——齒條齒根高。轉(zhuǎn)向器中齒輪和齒條的中心距根據(jù)整車總布置取a=14mm。3.4.7齒頂高、齒根高的確定考慮到轉(zhuǎn)向器齒輪齒條傳動副的特點(diǎn)，齒輪采用短齒，齒條采用長齒，以增強(qiáng)整個傳動副的彎曲強(qiáng)度、表面強(qiáng)度、耐磨性和抗沖擊性。日本一般習(xí)慣采用ha*=1.047和ha*=1.097兩種方案，借鑒日系車經(jīng)驗(yàn)，此處選ha*=1.047?？紤]到齒條齒數(shù)較多，采用大的齒頂間隙可以增加潤滑油的存儲量，對于提高潤滑性能有利，故而齒條根部頂隙取上限為C1=0.5，齒輪根部頂隙取C2=0.3。則齒條的齒頂高h(yuǎn)a2、齒根高h(yuǎn)f2和齒輪的齒頂高h(yuǎn)a1、齒根高h(yuǎn)f1可按下列公式計算出來：ha1=（ha*+Xn1）mn（3.8）ha2=（ha*+Xn1）mn（3.9）hf1=（ha*+C1-Xn1）mn（3.10）hf2=（ha*+C2-Xn1）mn（3.11）代入ha*=1.047、C1=0.5、C2=0.3、mn=2.5、Xn1=0.95得：轉(zhuǎn)向器齒輪齒條的齒頂高、齒根高為：ha1=5mm；hf1=2.5mm;ha2=5mm;hf2=2mm。3.4.8幾何計算a)根據(jù)上述選定的參數(shù)即可進(jìn)行齒輪分度圓、節(jié)圓的集合計算和機(jī)構(gòu)設(shè)計：d=mnZ1（3.12）轉(zhuǎn)向器齒輪分度圓為20.00mm。b)齒條棒材直徑的確定：轉(zhuǎn)向器齒條棒材的直徑通常分別分為22mm、26mm和28mm四個系列，微型汽車和普通汽車常用直徑為22mm的棒材，次設(shè)計采用的轉(zhuǎn)向器齒條亦選定這種規(guī)格。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器若用直齒圓柱齒輪則會使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性降低、沖擊大、噪聲增加。故齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪多采用斜齒圓柱齒輪。齒輪的模數(shù)取值范圍在2~3mm之間。主動小齒輪齒數(shù)在5~7個范圍變化，壓力角取值200，齒輪螺旋角多為90~150,。設(shè)計齒輪模數(shù)mn1=2.5設(shè)計齒輪齒數(shù)z1=8設(shè)計齒輪壓力角α1=200斜齒圓柱齒輪直徑d=mn1z1/cosβ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設(shè)計齒條的模數(shù)：mn2=2.5計算出齒條的壓力角為：α2=200表3-1設(shè)計出的齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的齒輪齒條參數(shù)如下表名稱符號公式齒輪齒條法向模數(shù)mn-2.52.5壓力角α-200200齒數(shù)Z-812分度圓直徑dd=mn1z1/cosβ20-變位系數(shù)xn-0.95-齒頂高h(yuǎn)aha=ha*×mn55齒根高h(yuǎn)fhf=（ha*+c*-xn）×mn2.52齒頂圓直徑dada=d-2×ha25-齒根圓直徑dfdf=d-2×hf17.5-螺旋角β-100-100齒寬b-35304齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的材料選擇及強(qiáng)度校核4.1材料選擇轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接關(guān)系著生命財產(chǎn)的安全，屬于保安系統(tǒng)，安全系數(shù)要求較高。轉(zhuǎn)向器扭距低，受到中等沖擊，工作環(huán)境較惡劣，材料選擇十分重要。齒輪通常選用國內(nèi)常用、性能優(yōu)良的20CrMnTi合金鋼，熱處理采用表面滲碳淬火工藝，齒面硬度為HRc58～63。而齒條選用與20CrMnTi具有較好匹配性的40Cr作為嚙合副，齒條熱處理采用高頻淬火工藝，表面硬度HRc50～564.2齒輪接觸疲勞極限σ校核經(jīng)查《機(jī)械設(shè)計手冊》得：σHlim=1580MPaSHlim=1.3ZN=1.4【接觸次數(shù)取8×106次，由《機(jī)械設(shè)計手冊》查得】[σH]===1701.54MPa《機(jī)械設(shè)計手冊》查得：齒輪使用系數(shù)：KA=1.35【原動機(jī)輕微沖擊，工作機(jī)輕微沖擊】齒輪動載系數(shù)：KV=1.05【齒輪IT7級精度】齒輪齒向載荷分布系數(shù)：Kβ=1.12【非對稱布置，齒寬系數(shù)Ψd=1.2】齒輪齒間載荷分配系數(shù)：Kα=1.0【斜齒輪，未經(jīng)表面硬化，經(jīng)修齒】K=KAKVKβKα=1.35×1.05×1.12×1.0=1.5876齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核：σH=ZE*ZH*Zε*ZβQUOTE[σH]（4.1）式中：ZE：材料彈性系數(shù)，189.8QUOTE【由《機(jī)械設(shè)計手冊》查得】ZH：節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，2.15【由《機(jī)械設(shè)計手冊》查得】Zε：重合度系數(shù)，0.94【計算εα=1.165，εβ=0.55，由《機(jī)械設(shè)計手冊》查得】Zβ：螺旋角系數(shù)，0.99【由《機(jī)械設(shè)計手冊》查得】U：齒輪傳動比，20:6=10/3將數(shù)據(jù)代入（4.1）式，得：σH=1674.8MPaσH=1674.8QUOTEMPa≤[σH]=1701.54MPa所以齒輪接觸疲勞極限強(qiáng)度符合要求。4.3齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度校核經(jīng)查《機(jī)械設(shè)計手冊》得：σFlim=580MPaSHlim=1.05YN=1.25【接觸次數(shù)取8×106次，由《機(jī)械設(shè)計手冊》查得】[σF]=QUOTE=QUOTE=473.5MPaσF=QUOTEYFYSYβYε（4.2）YF：外齒輪的齒形系數(shù)2.8【由《機(jī)械設(shè)計手冊》查得】YS：外齒輪齒根應(yīng)力修正系數(shù)1.5【由《機(jī)械設(shè)計手冊》查得】Yβ：螺旋角系數(shù)0.9【由《機(jī)械設(shè)計手冊》查得】Yε：重合度系數(shù)，0.75【由《機(jī)械設(shè)計手冊》查得】σF=QUOTEYFYSYβYε=QUOTE×2.8×1.5×0.9×0.75=194.5MPaσF=194.5MPaQUOTE[σF]=473.5MPa所以齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限符合要求。4.4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(diǎn)上的法向力Fn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。受力分析如上圖所示：計算力如下：Ft=2TZ/d1=2×24998.3÷13.45=3803NFr=Fttanα/cosβ=1410.1NFa=Fttanβ=739.2N式中α：齒輪壓力角，200β：齒輪螺旋角，10059‘35‘’TZ：轉(zhuǎn)向盤扭力矩，24998.3N.mmd1：齒輪分度圓直徑，13.45mm4.5齒輪軸的設(shè)計計算校核軸的尺寸如左圖示：對軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核：經(jīng)過分析得到：在xy平面上，F(xiàn)R1"+FR2"=Fr=1410.1NFR1"×（7+20）+Fa×QUOTE-FR2"×（7+20）=0在xz平面上，F(xiàn)R1ˊ=FR2ˊFR1ˊ+FR2ˊ=Ft=3803N解得：FR1ˊ=FR2ˊ=1901.5NFR2"=797.2NFR1"=612.9N查得40Cr的機(jī)械性能：σB=750MPaσs=550MPaσ-1=350MPaτ-1=200MPa[τ]=40~50MPa由《機(jī)械設(shè)計（第四版）》查得：σ-1=0.40σBσ0=1.6σ-1=560MPaσ-1b=0.41σB=307.5MPa=1.7σ-1b=522.75MPaσsb=1.4σs=770MPaτ-1=0.30σB=225MPaτ0=1.4τ-1=280MPaτs=0.70σB=525MPa對稱循環(huán)疲勞極限：σ-1b=0.41σB=307.5MPaτ-1=0.30σB=225MPa脈動循環(huán)疲勞極限：=1.7σ-1b=522.75MPaτ0=1.4τ-1=280MPa等效系數(shù)：Ψσ=QUOTE=0.1765Ψτ==0.61彎曲應(yīng)力幅：σa=σ==57678.4÷（0.1×153）=170.9MPa平均應(yīng)力幅：σm=0扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力：τ==25574÷（0.2×153）=75.8MPa扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力幅和平均應(yīng)力幅：τa=τm=τ/2=37.9MPa查得應(yīng)力集中系數(shù)：kσ=1.95，kτ=1.48，查得表面狀態(tài)系數(shù)：β=1.5，查得尺寸系數(shù)：ετ=0.98，εσ=0.91安全系數(shù)：設(shè)為無限壽命，KN=1QUOTE=1.26QUOTE=10.57所以軸的安全系數(shù)校核符合安全標(biāo)準(zhǔn)。5其它部件設(shè)計5.1防傷安全機(jī)構(gòu)方案分析與設(shè)計根據(jù)交通事故統(tǒng)計資料和對汽車碰撞試驗(yàn)結(jié)果的分析表明：汽車正面碰撞時，轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向管柱是使駕駛員受傷的主要元件。因此，要求汽車在以48km／h的速度正面同其它物體碰撞的試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向軸在水平方向的后移量不得大于127mm；在臺架試驗(yàn)中，用人體模型的軀干以6．7m／s的速度碰撞轉(zhuǎn)向盤時，作用在轉(zhuǎn)向盤上的水平力不得超過11123N，見GBll557—1998。為此，需要在轉(zhuǎn)向系中設(shè)計并安裝能防止或者減輕駕駛員受傷的機(jī)構(gòu)。如在轉(zhuǎn)向系中，使有關(guān)零件在撞擊時產(chǎn)生塑性變形、彈性變形或是利用摩擦等來吸收沖擊能量。當(dāng)轉(zhuǎn)向傳動軸中采用有萬向節(jié)連接的結(jié)構(gòu)時，只要布置合理，即可在汽車正面碰撞時防止轉(zhuǎn)向軸等向乘客艙或駕駛室內(nèi)移動，如圖7—9所示。這種結(jié)構(gòu)雖然不能吸收碰撞能量，但其結(jié)構(gòu)簡單，只要萬向節(jié)連接的兩軸之間存在夾角，正面撞車后轉(zhuǎn)向傳動軸和轉(zhuǎn)向盤就處在圖中雙點(diǎn)劃線的位置，轉(zhuǎn)向盤沒有后移便不會危及駕駛員安全。圖5-1圖5-1所示在轎車上應(yīng)用的防傷安全機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)最簡單，制造容易。轉(zhuǎn)向軸分為兩段，上轉(zhuǎn)向軸的下端經(jīng)彎曲成形后，其軸線與主軸軸線之間偏移一段距離，其端面與焊有兩個圓頭圓柱銷的緊固板焊接，兩圓柱銷的中心線對稱于上轉(zhuǎn)向軸的主軸線。下轉(zhuǎn)向軸呈T字形，其上端與一個壓鑄件相連，壓鑄件上鑄有兩孔，孔內(nèi)壓人橡膠套與塑料襯套后再與上轉(zhuǎn)向軸呈倒鉤狀連接，構(gòu)成安全轉(zhuǎn)向軸。該軸在使用過程中除傳遞轉(zhuǎn)矩外，在受到一定數(shù)值的軸向力時，上、下轉(zhuǎn)向軸能自動脫開，如圖圖5-2b所示，以確保駕駛員安全。圖5-2防傷轉(zhuǎn)向軸a）彈性聯(lián)軸器b）彈性墊片圖5-3防傷機(jī)構(gòu)圖如圖所示，汽車一旦出現(xiàn)嚴(yán)重的、破壞性碰撞事故，彈性墊片不僅有軸向變形，而且能撕裂直至斷開，同時吸收了沖擊能量，并允許上、下轉(zhuǎn)向軸相對移動。這種防傷機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單、容易制造、成本低。但彈性墊片的存在會降低扭轉(zhuǎn)剛度，對此必須采取結(jié)構(gòu)措施施予以消除。這種結(jié)構(gòu)工作的可靠性由彈性墊片的強(qiáng)度來決定。汽車發(fā)生碰撞事故時，凸緣斜面上產(chǎn)生的軸向力和徑向力相等，其最大值由彈性墊片的強(qiáng)度來決定，即有：（5.1）—實(shí)際斷面寬度；t—墊片厚度；—墊片簾布層數(shù)；—考慮墊片不同時損壞的系數(shù)，取0.85;—考慮危險斷面邊緣的簾線完整性被破壞的系數(shù)，取0.80；—拉伸應(yīng)力，=5.5MPa;—取9KN;選取為1，t取6mm,解得=100mm。5.2轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向盤主要由輪圈1、輪輻2和輪轂3組成，其結(jié)構(gòu)如圖所示。輪輻的形式有兩根輻條式(見圖5-1)、三根輻條式(見圖5-2)和四根輻條式(見圖5-3)。輪輻和輪圈的心部有鋼或鋁合金等金屬制骨架，外層以合成樹脂或合成橡膠包覆，下側(cè)形成波浪狀以利于駕駛員把持。轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向軸通常通過帶錐度的細(xì)花鍵連接，端部通過螺母軸向壓緊固定。有的汽車?yán)乳_關(guān)按鈕裝在轉(zhuǎn)向盤上，方便駕駛員操作。因?yàn)樵谡麄€轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，各傳動件之間存在著裝配間隙，這些間隙反映到轉(zhuǎn)向盤上來就變成轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的空轉(zhuǎn)角度。轉(zhuǎn)向盤自由行程對于緩和路面沖擊及避免駕駛員過度緊張是有利的。轉(zhuǎn)向盤自由行程應(yīng)控制在轉(zhuǎn)向輪處于直線行駛位置時轉(zhuǎn)向盤向左或向右的自由行程不超過10°～15°。圖5-4轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)示意圖圖5-5轉(zhuǎn)向盤結(jié)構(gòu)在本文研究當(dāng)中采用的轉(zhuǎn)向盤是四輪輻條形式。圖5-6四輻條形式轉(zhuǎn)向盤5.3球頭銷球頭銷常由于球面部分磨損而損壞，為此用下式驗(yàn)算接觸應(yīng)力σi式中，F(xiàn)為作用在球頭上的力；A為在通過球心垂直于F力方向的平面內(nèi)，球面承載部分的投影面積。許用接觸應(yīng)力為[σj]≤25～30N／mm2。設(shè)計初期，球頭直徑d可根據(jù)表5-1中推薦的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇。表5-1球頭直徑球頭直徑轉(zhuǎn)向輪負(fù)荷／N球頭直徑轉(zhuǎn)向輪負(fù)荷／N20222527300到60006000～90009000～1250012500～1600016000～240003540455024000～3400034000～4900049000～7000070000～100000球頭銷用合金結(jié)構(gòu)鋼12CrNiB、15CrMo、20CrNi或液體碳氮共滲鋼35Cr、35CrNi制造。轉(zhuǎn)向橫拉桿及其端部轉(zhuǎn)向橫拉桿與梯形轉(zhuǎn)向桿系的相似。球頭銷通過螺紋與齒條連接。當(dāng)這些球頭銷依制造廠的規(guī)范擰緊時，在球頭銷上就作用了一個預(yù)載荷。防塵套夾在轉(zhuǎn)向器兩側(cè)的殼體和轉(zhuǎn)向橫拉桿上，這些防塵套阻止雜物進(jìn)入球銷及齒條中。轉(zhuǎn)向橫拉桿端部與外端用螺紋聯(lián)接。這些端部與梯形轉(zhuǎn)向桿系的相似。側(cè)面螺母將橫拉桿外端與橫拉桿鎖緊見圖5-7。注：轉(zhuǎn)向反饋是由前輪遇到不平路面而引起的轉(zhuǎn)向盤的運(yùn)動。圖5-7轉(zhuǎn)向橫拉桿外接頭1橫拉桿2鎖緊螺母3外接頭殼體4球頭銷5六角開槽螺母6球碗7-端蓋8梯形臂9開口銷表5-2轉(zhuǎn)向橫拉桿及接頭的尺寸設(shè)計參數(shù)序號項(xiàng)目符號尺寸參數(shù)()1橫拉桿總長2812橫拉桿直徑153螺紋長度604外接頭總長1205球頭銷總長626球頭銷螺紋公稱直徑M10×17外接頭螺紋公稱直徑M12×1.58內(nèi)接頭總長65.39內(nèi)接頭螺紋公稱直徑M16×1.55.4轉(zhuǎn)向節(jié)臂在球頭銷上作用的力F，對轉(zhuǎn)向搖臂構(gòu)成彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩的聯(lián)合作用。危險斷面在搖臂根部，應(yīng)按第三強(qiáng)度理論驗(yàn)算其強(qiáng)度式中,Ww、Wn為危險斷面的抗彎截面系數(shù)和抗扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)；尺寸d、e見圖7—35。要求σ≤σT／n式中，σT為材料的屈服點(diǎn)；n為安全系數(shù)，取n=1．7～2．4。轉(zhuǎn)向搖臂與轉(zhuǎn)向搖臂軸經(jīng)花鍵連接，因此要求驗(yàn)算花鍵的擠壓應(yīng)力和切應(yīng)力。5.5齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器間隙調(diào)整彈簧的設(shè)計計算圖5-8齒條間隙調(diào)整裝置根據(jù)《機(jī)械設(shè)計（第四版）》、《機(jī)械設(shè)計（修訂版