畢業(yè)設(shè)計(jì)-汽車-轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1

摘要本設(shè)計(jì)課題為汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，課題以機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)及校核、整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及驗(yàn)算為中心。首先對(duì)汽車轉(zhuǎn)向系進(jìn)行概述，二是作設(shè)計(jì)前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，三是轉(zhuǎn)向器形式的選擇以及初定各個(gè)參數(shù)，四是對(duì)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要部件進(jìn)行受力分析與數(shù)據(jù)校核，五是對(duì)整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及驗(yàn)算，并根據(jù)梯形數(shù)據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作尺寸設(shè)計(jì)。在轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面。運(yùn)用了優(yōu)化計(jì)算工具M(jìn)atlab進(jìn)行設(shè)計(jì)及驗(yàn)算。Matlab強(qiáng)大的計(jì)算功能以及簡(jiǎn)單的程序語(yǔ)法，使設(shè)計(jì)在參數(shù)變更時(shí)得到快捷而可靠的數(shù)據(jù)分析和直觀的二維曲線圖。最后設(shè)計(jì)中運(yùn)用AutoCAD和CATIA作出齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的零件圖以及裝配圖。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，齒輪齒條，整體式轉(zhuǎn)向梯形，Matlab梯形AbstractThetitleofthistopicisthedesignofsteeringsystem.RackandpinionsteeringofMechanicalsteeringsystemandintegratedSteeringtrapezoidmechanismgeartothedesignasthecenter.FirstlymakeanoverviewoftheSteeringSystem.Secondlytakeapreparationofthedataofthedesign.Thirdly,makeachoiceofthesteeringformanddeterminetheprimaryparametersanddesignthestructureofRackandpinionsteering.Fourthly,StressanalysisanddatacheckingoftheRackandpinionsteering.Fifthly,designofSteeringtrapezoidmechanism,accordingtothetrapezoidaldatamakeananalysisanddesignofSteeringlinkage.InthedesignofintegratedSteeringtrapezoidmechanismthecomputationaltoolsMatlabhadbeenusedtoDesignandCheckingofthedata.ThepowerfulcomputingandIntuitivechartsoftheMatlabcangiveusAccurateandquicklydata.IntheendAutoCADandCATIAwereusedtomakearackandpinionsteeringpartsdiagramsandassemblydrawingsKeywords:Steeringsystem，MechanicalTypeSteeringGearandGearRack，IntegratedSteeringtrapezoid，MatlabTrapezoid目錄1緒論11.1汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述11.2汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及開展趨勢(shì)21.3研究?jī)?nèi)容及論文構(gòu)成32機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能要求及參數(shù)52.1機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成52.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能要求62.3轉(zhuǎn)向系的效率72.4傳動(dòng)比特性92.5轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副的傳動(dòng)間隙113機(jī)械式轉(zhuǎn)向器總體方案初步設(shè)計(jì)123.1轉(zhuǎn)向器的分類及設(shè)計(jì)選擇123.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的根本設(shè)計(jì)123.2.1齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)選擇123.2.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的布置形式143.2.3設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)表以及對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向輪偏角計(jì)算153.2.4轉(zhuǎn)向器參數(shù)選取與計(jì)算163.2.5齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)193.2.6轉(zhuǎn)向器材料及其他零件選擇204齒輪齒條轉(zhuǎn)向器校核214.1齒條的強(qiáng)度計(jì)算214.1.1齒條受力分析214.1.2齒條齒根彎曲強(qiáng)度的計(jì)算224.2小齒輪的強(qiáng)度計(jì)算234.2.1齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算234.2.2齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算264.3齒輪軸強(qiáng)度校核275轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)315.1轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)概述315.2整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)方案分析325.3整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型分析325.4基于Matlab的整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)355.4.1轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的優(yōu)化概況355.4.2轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路365.4.3基于Matlab的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)375.5轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)435.5.1轉(zhuǎn)向傳送機(jī)構(gòu)的臂、桿與球銷435.5.2轉(zhuǎn)向橫拉桿及其端部436基于CATIA的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的三維建模456.1CATIA軟件簡(jiǎn)介456.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要部件三維建模45結(jié)論49參考文獻(xiàn)50致謝51附錄基于Matlab的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)程序521緒論汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述汽車在行駛的過(guò)程中,需按駕駛員的意志改變其行駛方向。就輪式汽車而言,實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的方法是,駕駛員通過(guò)一套專設(shè)的機(jī)構(gòu),使汽車轉(zhuǎn)向橋(一般是前橋)上的車輪(轉(zhuǎn)向輪)相對(duì)于汽車縱橫線偏轉(zhuǎn)一定角度。這一套用來(lái)改變或恢復(fù)汽車行駛方向的專設(shè)機(jī)構(gòu)，即稱為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[1]。圖1-1汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為兩大類：機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。1、機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系的能量來(lái)源是人力，所有傳力件都是機(jī)械的，由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)(方向盤)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大局部組成。汽車的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)是由駕駛員操縱方向盤，通過(guò)轉(zhuǎn)向器和一系列的桿件傳遞到轉(zhuǎn)向輪來(lái)完成的。機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作過(guò)程為：駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤施加的轉(zhuǎn)向力矩通過(guò)轉(zhuǎn)向軸輸入轉(zhuǎn)向器，減速傳動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)向器中有1、2級(jí)減速傳動(dòng)副，經(jīng)轉(zhuǎn)向器放大后的力矩和減速后的運(yùn)動(dòng)傳到轉(zhuǎn)向橫拉桿，再傳給固定于轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向節(jié)臂，使轉(zhuǎn)向節(jié)和它所支承的轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向器形式可以分為：齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式。2、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)除了轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)(方向盤)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大局部外，其最主要的動(dòng)力來(lái)源是轉(zhuǎn)向助力裝置。由于轉(zhuǎn)向助力裝置最常用的是一套液壓系統(tǒng)，因此也就離不開泵、油管、閥、活塞和儲(chǔ)油罐，它們分別相當(dāng)于電路系統(tǒng)中的電池、導(dǎo)線、開關(guān)、電機(jī)和地線的作用。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系的開展經(jīng)過(guò)幾個(gè)階段，各個(gè)階段也有不同的動(dòng)力輔助系統(tǒng)。20世紀(jì)50年代，美國(guó)GM公司率先在轎車上采用了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)是建立在機(jī)械系統(tǒng)的根底之上，額外增加了一個(gè)液壓系統(tǒng)。為液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HPS)。1983年，在液壓助力系統(tǒng)根底上開展起來(lái)的，日本Koyo公司推出了具備車速感應(yīng)功能的電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)〔EHPS〕。1988年日本Suzuki公司首先在小型轎車Cervo上配備了Koyo公司研發(fā)的轉(zhuǎn)向柱助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。1990年日本Honda公司也在運(yùn)動(dòng)型轎車NSX上采用了自主研發(fā)的齒條助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，也就是現(xiàn)在應(yīng)用車型極為廣泛的EPS系統(tǒng)。SBW線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是繼EPS后開展起來(lái)的新一代轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，具有比EPS操縱穩(wěn)定性更好的特點(diǎn)，它取消轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，完全由電能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，徹底擺脫傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所固有的限制，提高了汽車的平安性和駕駛的方便性[1]。1.2汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及開展趨勢(shì)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開展經(jīng)歷了純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)3個(gè)根本階段,線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為其開展趨勢(shì)[1]。隨著汽車工業(yè)的迅速開展，轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)也有很大變化。汽車轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)很多，從目前使用的普遍程度來(lái)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(BP型)，這四種轉(zhuǎn)向器型式，已經(jīng)被廣泛使用在汽車上。1、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在世界開展?fàn)顩r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)步開展[1]。在西歐小客車中，齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器有很大的開展。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(lái)越大，日本裝備不同類型發(fā)動(dòng)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%，開展到現(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)向器也有所開展。微型貨車用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占65%，齒條齒輪式占35%[1]。2、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)開展?fàn)顩r我國(guó)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，其它大局部車型都采用循環(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)也都在積極開展循環(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(guó)的轉(zhuǎn)向器也在向大量生產(chǎn)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器開展3、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開展趨勢(shì)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)向器和蝸桿銷式轉(zhuǎn)向器，正在逐步被淘汰或保存較小的地位。在小客車上開展轉(zhuǎn)向器的觀點(diǎn)各異，美國(guó)和日本重點(diǎn)開展循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，比率都已到達(dá)或超過(guò)90%；西歐那么重點(diǎn)開展齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，比率超過(guò)50%，法國(guó)已高達(dá)95%[1]。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)的開展；而大型車輛那么以循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器為主要結(jié)構(gòu)。從開展趨勢(shì)上看，國(guó)外整體式轉(zhuǎn)向器開展較快，而整體式轉(zhuǎn)向器中轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)是目前開展的方向。由于動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還是新的結(jié)構(gòu)，各國(guó)的生產(chǎn)廠家都正在組織力量，大力開展試驗(yàn)研究工作，提高使用性能、減小總成體積、降低生產(chǎn)本錢、保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，以便逐步推廣和普及。隨著科學(xué)技術(shù)的開展，國(guó)際經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的變化對(duì)汽車乃至汽車轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)都有很大影響。特別是西方國(guó)家實(shí)行石油禁運(yùn)以來(lái)，世界經(jīng)濟(jì)形勢(shì)受沖擊很大。隨著能源危機(jī)的開展，汽車工業(yè)首當(dāng)其沖，其開展方向有很大變化。從汽車設(shè)計(jì)、制造到各總成部件的生產(chǎn)都隨著能源危機(jī)的發(fā)生而變化，表現(xiàn)在能源消耗、材料消耗、操縱輕便等各個(gè)方面。研究?jī)?nèi)容及論文構(gòu)成本課題主要研究機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能及構(gòu)成，主要從轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向器局部和轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)局部作分析研究。1、轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)局部：以齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器作為中心，分析其效率、齒輪軸和齒條的設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)校核、其他一些組件的設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)件選取。2、轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)局部：以整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)作為中心，對(duì)阿克曼(Ackerman)理論轉(zhuǎn)向特性了解的根底上，對(duì)轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析。用計(jì)算機(jī)工具對(duì)轉(zhuǎn)向梯形進(jìn)行設(shè)計(jì)，校核。并根據(jù)所得的結(jié)果對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸作設(shè)計(jì)。2機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能要求及參數(shù)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成[2]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(dòng)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(dòng)時(shí)，在駕駛員松開方向盤的狀態(tài)下，應(yīng)保證汽車自動(dòng)返回穩(wěn)定的直線行使?fàn)顟B(tài)。圖1-2轉(zhuǎn)向系的根本構(gòu)成1-方向盤；2-轉(zhuǎn)向上軸；3-托架；4-萬(wàn)向節(jié)；5-轉(zhuǎn)向下軸；6-防塵罩；7-轉(zhuǎn)向器；8-轉(zhuǎn)向拉桿1、轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向盤，轉(zhuǎn)向軸，轉(zhuǎn)向管柱。有時(shí)為了布置方便，減小由于裝配位置誤差及部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的附加載荷，提高汽車正面碰撞的平安性以及便于拆裝，在轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向器的輸入端之間安裝轉(zhuǎn)向萬(wàn)向節(jié)，采用柔性萬(wàn)向節(jié)可減少傳至轉(zhuǎn)向軸上的振動(dòng)，但柔性萬(wàn)向節(jié)如果過(guò)軟，那么會(huì)影響轉(zhuǎn)向系的剛度。采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)，還應(yīng)有轉(zhuǎn)向動(dòng)力系統(tǒng)。2、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向臂、轉(zhuǎn)向縱拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向梯形臂以及轉(zhuǎn)向橫拉桿等。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于把轉(zhuǎn)向器輸出的力和運(yùn)動(dòng)傳給左、右轉(zhuǎn)向節(jié)并使左、右轉(zhuǎn)向輪按一定關(guān)系進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。3、轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向器是完成由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)(或近似直線運(yùn)動(dòng))的一組齒輪機(jī)構(gòu)，同時(shí)也是轉(zhuǎn)向系中的減速傳動(dòng)裝置。目前較常用的有齒輪齒條式、循環(huán)球曲柄指銷式、蝸桿曲柄指銷式、循環(huán)球-齒條齒扇式、蝸桿滾輪式等。2.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能要求汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用于改變或保持汽車行駛方向的專門機(jī)構(gòu)。起作用是使汽車在行駛過(guò)程中能按照駕駛員的操縱要求而適時(shí)地改變其行駛方向，并在受到路面?zhèn)鱽?lái)的偶然沖擊及汽車意外地偏離行駛方向時(shí)，能與行駛系統(tǒng)配合共同保持汽車?yán)^續(xù)穩(wěn)定行駛。因此，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能直接影響著汽車的操縱穩(wěn)定性和平安性。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求如下：1、合理設(shè)置傳動(dòng)比，使操縱輕便，轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比包括轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)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(dòng)比。在轉(zhuǎn)向盤尺寸和轉(zhuǎn)向輪阻力一定時(shí)，角傳動(dòng)比增加，那么轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向靈敏度降低；角傳動(dòng)比減小，那么轉(zhuǎn)向沉重，轉(zhuǎn)向靈敏度提高。轉(zhuǎn)向角傳動(dòng)比不宜低于15-16；也不宜過(guò)大，通常以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)和轉(zhuǎn)向輕便性來(lái)確定。一般來(lái)說(shuō)，轎車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)不宜大于4圈，對(duì)轎車來(lái)說(shuō)，有動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向力約為20-50N；無(wú)動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)為50-100N[3]。2、轉(zhuǎn)向輪應(yīng)具有自動(dòng)回正能力。轉(zhuǎn)向輪的回正力來(lái)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，必須保證有適宜的前輪定位參數(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(shí)，必須盡量減小其運(yùn)動(dòng)干預(yù)。應(yīng)從設(shè)計(jì)上保證各桿系的運(yùn)動(dòng)干預(yù)足夠小。4、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)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防止或減輕傷害的防傷機(jī)構(gòu)。6、汽車在作轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，所以車輪應(yīng)繞同一瞬心旋轉(zhuǎn)，不得有側(cè)滑；同時(shí)，轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。7、當(dāng)轉(zhuǎn)向輪受到地面沖擊時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞到方向盤上的反沖力要盡可能小8、在任何行使?fàn)顟B(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不應(yīng)產(chǎn)生擺振。9、保證轎車有較高的機(jī)動(dòng)性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力。機(jī)動(dòng)性是通過(guò)汽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑來(lái)表達(dá)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，那么最小轉(zhuǎn)彎半徑越小。10、合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向梯形。轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)外車輪間的轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)關(guān)系是通過(guò)合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向梯形來(lái)保證的。對(duì)于采用齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向系來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角間的協(xié)調(diào)關(guān)系是通過(guò)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(duì)位置來(lái)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)向系的間隙主要是通過(guò)各球頭皮碗和轉(zhuǎn)向器的調(diào)隙機(jī)構(gòu)來(lái)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(dòng)機(jī)構(gòu)與懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干預(yù)。2.3轉(zhuǎn)向系的效率功率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轉(zhuǎn)向器的正效率，符號(hào)η+表示，反之稱為逆效率，用符號(hào)η-表示。正效率η+計(jì)算公式：(2.1)逆效率η-計(jì)算公式：(2.2)式中，P1為作用在轉(zhuǎn)向軸上的功率；P2為轉(zhuǎn)向器中的磨擦功率；P3為作用在轉(zhuǎn)向搖臂軸上的功率。正效率高，轉(zhuǎn)向輕便；轉(zhuǎn)向器應(yīng)具有一定逆效率，以保證轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤的自動(dòng)返回能力。但為了減小傳至轉(zhuǎn)向盤上的路面沖擊力，防止打手，又要求此逆效率盡可能低。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)和制造質(zhì)量等[3]。1、轉(zhuǎn)向器的正效率影響轉(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)和制造質(zhì)量等?！?〕、轉(zhuǎn)向器類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與效率。在四種轉(zhuǎn)向器中，齒輪齒條式、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的正效率比擬高，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。選用滾針軸承時(shí)，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，故這種軸向器的效率η+僅有54%。另外兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向器效率分別為70%和75%[3]。轉(zhuǎn)向搖臂軸的軸承采用滾針軸承比采用滑動(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其經(jīng)地方的摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，對(duì)于蝸桿類轉(zhuǎn)向器，其效率可用下式計(jì)算(2.3)式中，為蝸桿〔或螺桿〕的螺線導(dǎo)程角；ρ為摩擦角，ρ=arctanf；f為磨擦系數(shù)。2、轉(zhuǎn)向器的逆效率根據(jù)逆效率不同，轉(zhuǎn)向器有可逆式、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(guò)轉(zhuǎn)向系可大局部傳遞到轉(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)向輪和轉(zhuǎn)向盤自動(dòng)回正，既可以減輕駕駛員的疲勞，又可以提高行駛平安性。但是，在不平路面上行駛時(shí)，傳至轉(zhuǎn)向盤上的車輪沖擊力，易使駕駛員疲勞，影響平安行駕駛。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)向器介于可逆式與不可逆式轉(zhuǎn)向器兩者之間。在車輪受到?jīng)_擊力作用時(shí)，此力只有較小一局部傳至轉(zhuǎn)向盤。如果忽略軸承和其它地方的磨擦損失，只考慮嚙合副的磨擦損失，那么逆效率可用下式計(jì)算〔2.4〕式〔2.3〕和式〔2.4〕說(shuō)明：增加導(dǎo)程角0，正、逆效率均增大。受-增大的影響，0不宜取得過(guò)大。當(dāng)導(dǎo)程角小于或等于磨擦角時(shí)，逆效率為負(fù)值或者為零，此時(shí)說(shuō)明該轉(zhuǎn)向器是不可逆式轉(zhuǎn)向器。為此，導(dǎo)程角必須大于磨擦角。2.4傳動(dòng)比特性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?！?.5〕式中為從輪胎接地面中心作用在兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪上的合力，為作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力。轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比:〔2.6〕式中為轉(zhuǎn)向盤角速度；為轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度；為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向角增量；為轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)向增量；為時(shí)間增量。轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比由轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)角傳動(dòng)比組成，即：〔2.7〕轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比:〔2.8〕式中為搖臂軸角速度；為搖臂軸轉(zhuǎn)角增量。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比:〔2.9〕2、力傳動(dòng)比與轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比的關(guān)系轉(zhuǎn)向阻力Fw與轉(zhuǎn)向阻力矩Mr的關(guān)系式：〔2.10〕a為主銷偏距。作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力Fh與作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩Mh的關(guān)系式：〔2.11〕式中為方向盤直徑將式〔2-10〕、式〔2-11〕代入后得到：〔2.12〕如果忽略磨擦損失，根據(jù)能量守恒原理，2Mr/Mh可用下式表示〔2.13〕將式〔2.13〕代入式〔2.12〕后得到：〔2.14〕當(dāng)a和Dsw不變時(shí)，力傳動(dòng)比越大，雖然轉(zhuǎn)向越輕，但也越大，說(shuō)明轉(zhuǎn)向不靈敏。3、轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比的選擇轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比可以設(shè)計(jì)成減小、增大或保持不變的。影響選取角傳動(dòng)比變化規(guī)律的主要因素是轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷大小和對(duì)汽車機(jī)動(dòng)能力的要求。假設(shè)轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷小或采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向的汽車，不存在轉(zhuǎn)向沉重問(wèn)題，應(yīng)取較小的轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比，以提高汽車的機(jī)動(dòng)能力。假設(shè)轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷大，汽車低速急轉(zhuǎn)彎時(shí)的操縱輕便性問(wèn)題突出，應(yīng)選用大些的轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比。汽車以較高車速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，要求轉(zhuǎn)向輪反響靈敏，轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比應(yīng)當(dāng)小些。汽車高速直線行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向盤在中間位置的轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比不宜過(guò)小。否那么轉(zhuǎn)向過(guò)分敏感，使駕駛員精確控制轉(zhuǎn)向輪的運(yùn)動(dòng)有困難。[3]所示。其中橫軸為轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角，縱軸為轉(zhuǎn)向角傳動(dòng)比。圖2.1轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比變化特性曲線2.5轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副的傳動(dòng)間隙傳動(dòng)間隙是指各種轉(zhuǎn)向器中傳動(dòng)副之間的間隙。該間隙隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的大小不同而改變，并把這種變化關(guān)系稱為轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副傳動(dòng)間隙特性〔圖2.2〕。研究該特性的意義在于它與直線行駛的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向器的使用壽命有關(guān)。傳動(dòng)副的傳動(dòng)間隙在轉(zhuǎn)向盤處于中間及其附近位置時(shí)要極小，最好無(wú)間隙。假設(shè)轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副存在傳動(dòng)間隙，一旦轉(zhuǎn)向輪受到側(cè)向力作用，車輪將偏離原行駛位置，使汽車失去穩(wěn)定。傳動(dòng)副在中間及其附近位置因使用頻繁，磨損速度要比兩端快。在中間附近位置因磨損造成的間隙過(guò)大時(shí)，必須經(jīng)調(diào)整消除該處間隙。圖2.2轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副傳動(dòng)間隙轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副傳動(dòng)間隙特性圖中曲線1說(shuō)明轉(zhuǎn)向器在磨損前的間隙變化特性；曲線2說(shuō)明使用并磨損后的間隙變化特性，并且在中間位置處已出現(xiàn)較大間隙；曲線3說(shuō)明調(diào)整后并消除中間位置處間隙的轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)間隙變化特性。3機(jī)械式轉(zhuǎn)向器總體方案初步設(shè)計(jì)3.1轉(zhuǎn)向器的分類及設(shè)計(jì)選擇轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系中的重要局部，其主要作用有三個(gè)方面：一是增大來(lái)自轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩，使之到達(dá)足以克服轉(zhuǎn)向輪與地面之間的轉(zhuǎn)向阻力矩；二是減低轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，并帶動(dòng)搖臂軸移動(dòng)使其到達(dá)所需要的位置；三是使轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向協(xié)調(diào)一致。按照轉(zhuǎn)向能源不同，可以將汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩大類。根據(jù)機(jī)械轉(zhuǎn)向器的結(jié)果特點(diǎn)，可分為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器、蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器和蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器等。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪齒條直接嚙合，可安裝助力機(jī)構(gòu)。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的正逆效率都很高，屬于可逆式轉(zhuǎn)向器。其自動(dòng)回正能力強(qiáng)。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單〔不需要轉(zhuǎn)向搖臂和橫拉桿等〕、加工方便、工作可靠、使用壽命長(zhǎng)、用需要調(diào)整齒輪齒條的間隙。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的第一級(jí)傳動(dòng)副是螺桿螺母?jìng)鲃?dòng)副。第二級(jí)是齒條齒扇傳動(dòng)副或滑塊曲柄銷傳動(dòng)副。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的正效率很高〔最高可達(dá)90%～95%〕[4]，操作輕便，使用壽命長(zhǎng)。但逆向效率也較高，可將地面對(duì)轉(zhuǎn)向輪的沖擊傳給轉(zhuǎn)向盤。指銷式轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副以轉(zhuǎn)向蝸桿為主動(dòng)件，裝在搖臂軸曲柄端的指銷為從動(dòng)件。轉(zhuǎn)向蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與之嚙合的指指銷即繞轉(zhuǎn)向搖臂軸軸線沿圓弧線運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)轉(zhuǎn)向搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)轉(zhuǎn)向其結(jié)構(gòu)形式的選擇，主要是根據(jù)汽車的類型、前軸負(fù)荷、使用條件等來(lái)決定，并要考慮其效率特性、角傳動(dòng)比變化特性等對(duì)使用條件的適應(yīng)性以及轉(zhuǎn)向器的其他性能、壽命、制造工藝等。中、小型轎車以及前軸負(fù)荷小于1.2t的客車、貨車，多采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器安裝助力機(jī)構(gòu)方便且轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合于轎車。故本設(shè)計(jì)選用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。3.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的根本設(shè)計(jì)3.2.1齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)選擇1、輸入輸出形式選擇根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點(diǎn)不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式[3]：中間輸入，兩端輸出〔圖3-1a〕；側(cè)面輸入，兩端輸出〔圖3-1b〕；側(cè)面輸入，中間輸出〔圖3-1圖3.1齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的四種形式采用側(cè)面輸入，中間輸出方案時(shí)，與齒條相連的左、右拉桿延伸到接近汽車縱向?qū)ΨQ平面附近。由于拉桿長(zhǎng)度增加，車輪上、下跳動(dòng)時(shí)拉桿擺角減小，有利于減少車輪上、下跳動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向系與懸架系的運(yùn)動(dòng)干預(yù)。拉桿與齒條用螺栓固定連接，因此，兩拉桿會(huì)與齒條同時(shí)向左或右移動(dòng)，為此在轉(zhuǎn)向器殼體上開有軸向的長(zhǎng)槽，從而降低了它的強(qiáng)度。采用兩端輸出方案時(shí)，由于轉(zhuǎn)向拉桿長(zhǎng)度受到限制，容易與懸架系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干預(yù)。但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省材料的同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)向精度較中間輸出形式高。現(xiàn)代轎車一般使用兩端輸出形式。側(cè)面輸入，一端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，常用在平頭貨車上。本設(shè)計(jì)采用的是側(cè)面輸入兩端輸出式齒輪齒條轉(zhuǎn)向器方案。2、齒輪形式選擇采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器采用直齒圓柱齒輪與直齒齒條嚙合，那么運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)降低，沖擊大，工作噪聲增加。此外，齒輪軸線與齒條軸線之間的夾角只能是直角，為此因與總體布置不適應(yīng)而遭淘汰。采用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，重合度增加，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沖擊與工作噪聲均下降，而且齒輪軸線與齒條軸線之間的夾角易于滿足總體設(shè)計(jì)的要求。因?yàn)樾饼X工作時(shí)有軸向力作用，所以轉(zhuǎn)向器應(yīng)該采用角接觸球軸承，使軸承壽命降低，還有斜齒輪的滑磨比擬大是它的缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用斜齒輪式方案。3、齒條形式選擇齒條斷面形狀有圓形、V形和Y形三種。圓形斷面齒條的制作工藝比擬簡(jiǎn)單。V形和Y形斷面齒條與圓形斷面比擬，消耗的材料少，約節(jié)省20%，故質(zhì)量??；位于齒下面的兩斜面與齒條托座接觸，可用來(lái)防止齒條繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；Y形斷面齒條的齒寬可以做得寬些，因而強(qiáng)度得到增加。在齒條與托座之間通常裝有用減磨材料〔如聚四氟乙烯〕做的墊片，以減少滑動(dòng)摩擦。當(dāng)車輪跳動(dòng)、轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向器工作時(shí)，如在齒條上作用有能使齒條旋轉(zhuǎn)的力矩時(shí)，應(yīng)選用V形和Y形斷面齒條，用來(lái)防止因齒條旋轉(zhuǎn)而破壞齒輪、齒條的齒不能正確嚙合的情況出現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用圓形端面齒條。3.2.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的布置形式根據(jù)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向梯形相對(duì)前軸位置的不同，在汽車上有四種布置形式：1、轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，后置梯形〔圖3-3a〕；2、轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，前置梯形〔圖3-3b〕；3、轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，后置梯形〔圖3-3c〕；4、轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，前置梯形〔圖3-3d〕。圖3.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的四種布置形式現(xiàn)階段大多數(shù)轎車都采用第一種布置方式：轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，后置梯形，本設(shè)計(jì)也采用轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，后置梯形的布置方式。3.2.31、設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)表〔本設(shè)計(jì)只是采取其參數(shù)用于設(shè)計(jì)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器，實(shí)際上本田雅閣2012款已配備EPS電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)〕本田雅閣2012款2.0MT汽車轉(zhuǎn)向參數(shù)輪距〔前/后〕1590mm/軸距2800整備質(zhì)量1450kg滿載軸荷分配：前/后950/850(kg)輪胎215/60R16主銷偏移距a100輪胎壓力p/Mpa0.24Mpa方向盤直徑32、轉(zhuǎn)向輪側(cè)偏角計(jì)算轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能從整車機(jī)動(dòng)性著手，在最大轉(zhuǎn)角時(shí)的最小轉(zhuǎn)彎半徑為軸距的2--7.0m，并盡量取小值以保證良好的機(jī)動(dòng)性，最小轉(zhuǎn)彎半徑R取6.2m。據(jù)此，得轉(zhuǎn)向輪外輪最大轉(zhuǎn)角(3.1)式中a為主銷偏移距，通常乘用車的a值在0.4—0.6倍輪胎的胎面寬度尺寸范圍內(nèi)選取，而貨車a值在40mm—60mm范圍內(nèi)選取[4]，本設(shè)計(jì)為中型轎車，選取主銷偏距為100mmL為汽車軸距。本設(shè)計(jì)軸距為L(zhǎng)=2800圖轉(zhuǎn)角圖可以得到外輪最大轉(zhuǎn)角(3.2)于是得轉(zhuǎn)向輪內(nèi)輪轉(zhuǎn)角3.2.4轉(zhuǎn)向器參數(shù)選取與計(jì)算齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的齒輪多數(shù)采用斜齒輪。按照汽車設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書[4]所指，齒輪模數(shù)多在之間，主動(dòng)小齒輪齒數(shù)多數(shù)在個(gè)齒范圍變化，壓力角取，齒輪螺旋角的取值范圍多為。齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪到達(dá)最大偏轉(zhuǎn)角時(shí)，相應(yīng)的齒條移動(dòng)行程應(yīng)到達(dá)的值來(lái)確定。變速比的齒輪壓力角，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在范圍內(nèi)變化。此外，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算齒輪的抗彎強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度。正確嚙合條件：；；根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，齒輪齒條的主要參數(shù)見表。表齒輪齒條的主要參數(shù)名稱齒輪齒條齒數(shù)Z731模數(shù)Mn壓力角螺旋角β1=β2=-變位系數(shù)Xn0.650轉(zhuǎn)向時(shí)需要克服的阻力，包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力、轉(zhuǎn)向輪穩(wěn)定阻力〔即轉(zhuǎn)向輪的回正力矩〕、輪胎變形阻力以及轉(zhuǎn)向系中的內(nèi)摩擦阻力矩。通常用以下的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算汽車在瀝青或混泥土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩MR〔N·mm〕。輪胎上的原地轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力矩由經(jīng)驗(yàn)公式得：(3.3)式中，f[3]；G1—為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷〔N〕；取前軸滿載950Kgp—為輪胎氣壓〔MPa〕。取0.24MPa；所以MR=Nm。方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)：(3.4)其中為初選傳動(dòng)比。方向盤上的操縱載荷力：(3.5)作用在轉(zhuǎn)向盤上的操縱載荷對(duì)轎車該力不應(yīng)超過(guò)50~100N，對(duì)貨車不應(yīng)超過(guò)250N[3]。所以符合設(shè)計(jì)要求因?yàn)樗宰饔迷谵D(zhuǎn)向盤上的力矩為〔3.6〕力傳動(dòng)比：〔3.7〕取齒寬系數(shù)〔3.8〕齒條寬度圓整取。那么取齒輪齒寬根據(jù)轉(zhuǎn)向器本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及中心距的要求，應(yīng)合理選取齒輪軸的變位系數(shù)。對(duì)于齒輪齒條轉(zhuǎn)向器中齒輪齒條結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，齒輪一般都采用斜齒輪，對(duì)于變位齒輪，為了防止齒頂過(guò)薄，而又能滿足齒輪嚙合的要求，一般齒輪的齒頂高系數(shù)取偏小值。據(jù)此，初步選定齒輪和齒條齒頂高系數(shù)；頂隙系數(shù)；齒輪的變位系數(shù)。。表3.3齒輪齒條根本參數(shù)名稱符號(hào)公式齒輪齒條齒數(shù)731分度圓直徑68—變位系數(shù)——齒頂高齒根高齒頂圓直徑1—齒根圓直徑72—齒輪中圓直徑3—螺旋角—12°〔右旋〕12°齒寬32223.2.5齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)根據(jù)齒輪的尺寸，設(shè)計(jì)成齒輪軸形式，如圖3.4所示。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)采用斜齒輪結(jié)構(gòu)，在傳動(dòng)的時(shí)候有軸向力存在。所以軸承方面選取角接觸球軸承，齒輪軸與轉(zhuǎn)向軸之間用萬(wàn)向節(jié)連接，所以齒輪軸軸端設(shè)計(jì)花鍵。圖3.4齒輪軸結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向器材料及其他零件選擇1、齒輪齒條材料選擇小齒輪：齒輪通常選用國(guó)內(nèi)常用、性能優(yōu)良的20CrMnTi合金鋼，熱處理采用外表滲碳淬火工藝，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，外表硬度HRC50～56。2、軸承的選擇軸承1：角接觸球軸承7004C(GB/T292-1994) 軸承2：角接觸球軸承7001C(GB/T292-1994)3、轉(zhuǎn)向器的潤(rùn)滑方式和密封類型的選擇轉(zhuǎn)向器的潤(rùn)滑方式：人工定期潤(rùn)滑潤(rùn)滑脂：石墨鈣基潤(rùn)滑脂〔ZBE36002-88〕中的ZG-S潤(rùn)滑脂。密封件：旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈FB1630GB13871—19924齒輪齒條轉(zhuǎn)向器數(shù)據(jù)校核齒條的強(qiáng)度計(jì)算齒條受力分析在本設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)向器輸入端施加的扭矩T=2Nm，齒輪傳動(dòng)一般均加以潤(rùn)滑，嚙合齒輪間的摩擦力通常很小，計(jì)算輪齒受力時(shí)，可不予考慮。齒輪齒條的受力狀況類似于斜齒輪，齒條的受力分析如圖圖齒條的受力分析如圖，作用于齒條齒面上的法向力Fn，垂直于齒面，將Fn分解成沿齒條徑向的分力〔徑向力〕Fr，沿齒輪周向的分力〔切向力〕Ft，沿齒輪軸向的分力〔軸向力〕Fx。各力的大小為：Ft=(4.1)Fr=(4.2)Fx=(4.3)Fn=(4.4)式中——齒輪軸分度圓螺旋角；——法面壓力角。齒輪軸受到的切向力：Ft==2757.5N式中T——作用在輸入軸上的扭矩，T為24.5Nm；d——齒輪軸分度圓的直徑。齒條齒面的法向力：Fn==2966N齒條齒部受到的切向力：=2786.4N(4.5)齒條齒部彎曲強(qiáng)度的計(jì)算齒條的單齒彎曲應(yīng)力：〔4.6〕式中：——齒條齒面切向力；b——危險(xiǎn)截面處沿齒長(zhǎng)方向齒寬；——齒條計(jì)算齒高；S——危險(xiǎn)截面齒厚；從上面條件可以計(jì)算出齒條齒根彎曲應(yīng)力：=549N/mm〔4.7〕上式計(jì)算中只按嚙合的情況計(jì)算的，即所有外力都作用在一個(gè)齒上了，實(shí)際上齒輪齒條的總重合系數(shù)是2.63〔理論計(jì)算值〕，在嚙合過(guò)程中至少有2對(duì)齒同時(shí)嚙合，因此每個(gè)齒的彎曲應(yīng)力應(yīng)分別降低一倍[5]，那么=275N/mm〔4.8〕齒條的材料是40Cr制造，因此：抗拉強(qiáng)度735N/mm(沒有考慮熱處理對(duì)強(qiáng)度的影響)。齒部彎曲平安系數(shù)S=/=2.75〔4.9〕因此，齒條設(shè)計(jì)滿足彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。又滿足了齒面接觸強(qiáng)度，符合本次設(shè)計(jì)的具體要求。小齒輪的強(qiáng)度計(jì)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算計(jì)算斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的接觸應(yīng)力時(shí)，推導(dǎo)計(jì)算公式的出發(fā)點(diǎn)和直齒圓柱齒輪相似，但要考慮其以下特點(diǎn)：嚙合的接觸線是傾斜的，有利于提高接觸強(qiáng)度；重合度大，傳動(dòng)平穩(wěn)。1、齒輪的計(jì)算載荷為了便于分析計(jì)算，通常取沿齒面接觸線單位長(zhǎng)度上所受的載荷進(jìn)行計(jì)算。沿齒面接觸線單位長(zhǎng)度上的平均載荷P〔單位為N/mm〕為P=〔4.10〕式中Fn——作用在齒面接觸線上的法向載荷；L——沿齒面的接觸線長(zhǎng)，單位mm。法向載荷Fn為公稱載荷，在實(shí)際傳動(dòng)中，由于齒輪的制造誤差，特別是基節(jié)誤差和齒形誤差的影響，會(huì)使法面載荷增大。此外，在同時(shí)嚙合的齒對(duì)間，載荷的分配不是均勻的，即使在一對(duì)齒上，載荷也不可能沿接觸線均勻分布。因此在計(jì)算載荷的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)按接觸線單位長(zhǎng)度上的最大載荷，即計(jì)算Pca〔單位N/mm〕進(jìn)行計(jì)算。即Pca=KP=K〔4.11〕式中K——載荷系數(shù)。載荷系數(shù)K包括：使用系數(shù)，動(dòng)載系數(shù)，齒間載荷分配系數(shù)及齒向載荷分布數(shù)，即K=〔4.12〕使用系數(shù)是考慮齒輪嚙合時(shí)外部裝置引起的附加動(dòng)載荷影響的系數(shù)，=1.0；動(dòng)載系數(shù)，齒輪傳動(dòng)制造和裝配誤差是不可防止的，齒輪受載后還要發(fā)生彈性變形，因此引入了動(dòng)載系數(shù)，=1.0，齒間載荷系數(shù)，齒輪的制造精度7級(jí)精度，=1.2。齒向荷分配系數(shù)，齒寬系數(shù)為φd==22/17.77=1.24〔4.13〕d10b=1.5〔4.14〕所以載荷系數(shù)K==11斜齒輪傳動(dòng)的端面重合度=bsin=1.65〔4.15〕在斜齒輪傳動(dòng)中齒輪的單位長(zhǎng)度受力和接觸長(zhǎng)度為：Pca=KP=K因?yàn)椤?.16〕Fn=所以〔4.17〕2757.5/22/1可以認(rèn)為一對(duì)斜齒圓柱齒輪嚙合相當(dāng)于它們的當(dāng)量直齒輪嚙合，利用赫茲公式，代入當(dāng)量直齒輪的有關(guān)參數(shù)后，得到斜齒圓柱齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核公式[5]：(4.18)=式中：Z－彈性系數(shù)(4.19)主動(dòng)小齒輪選用材料20CrMnTi合金鋼制造，根據(jù)材料選取，均為0.28，E，E都為合金鋼，取189.8MPa－節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)〔4.20〕可根據(jù)螺旋角查得，Z=2.44。齒輪與齒條的傳動(dòng)比u,u趨近于無(wú)窮〔4.21〕所以=56.2MPa小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限=1000MPa，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=210，所以。取失效概率為1%，平安系數(shù)S=1，可得計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力1000MPa=1100MPa〔4.22〕式中K——接觸疲勞壽命系數(shù)由此可得<所以，齒輪所選的參數(shù)滿足齒輪設(shè)計(jì)的齒面接觸疲勞強(qiáng)度要求。齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算齒輪受載時(shí)，齒根所受的彎矩最大，因此齒根處的彎曲疲勞強(qiáng)度最弱。當(dāng)齒輪在齒頂處嚙合時(shí)，處于雙對(duì)齒嚙合區(qū)，此時(shí)彎矩的力臂最大，但力并不是最大，因此彎矩不是最大。根據(jù)分析，齒根所受的最大彎矩發(fā)生在輪齒嚙合點(diǎn)位于單對(duì)齒嚙合最高點(diǎn)時(shí)。因此，齒根彎曲強(qiáng)度也應(yīng)按載荷作用于單對(duì)齒嚙合區(qū)最高點(diǎn)來(lái)計(jì)算[10]。斜齒輪嚙合過(guò)程中，接觸線和危險(xiǎn)截面位置在不斷的變化，要精確計(jì)算其齒根應(yīng)力是很難的，只能近似的按法面上的當(dāng)量直齒圓柱齒輪來(lái)計(jì)算其齒根應(yīng)力。將當(dāng)量齒輪的有關(guān)參數(shù)代入直齒圓柱齒輪的彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式，考慮螺旋角使接觸線傾斜對(duì)彎曲強(qiáng)度有利的影響而引入螺旋角系數(shù)，可得到斜齒圓柱齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算校核公式[5]：〔4.23〕齒間載荷分配系數(shù)=1.2；齒向載荷分配系數(shù)；載荷系數(shù)K==111.3=1.56；齒形系數(shù)；校正系數(shù)=1.4；螺旋角系數(shù)，查得[5]。校核齒根彎曲強(qiáng)度σ=4)求得σ==231.68MPa彎曲強(qiáng)度最小平安系數(shù)，；彎曲疲勞許用應(yīng)力為5)——彎曲疲勞壽命系數(shù)，?？傻?，1000/1.5=1000MPa。所以σ<。因此，本次設(shè)計(jì)及滿足了小齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度又滿足了小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度，符合設(shè)計(jì)要求。綜上所述，齒輪設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求。4.3齒輪軸強(qiáng)度校核假設(shè)略去齒面間的摩擦力，那么作用于節(jié)點(diǎn)P的法向力Fn可分解為徑向力Fr和分力F，分力F又可分解為圓周力Ft和軸向力Fa。；；(1)畫軸的受力簡(jiǎn)圖圖4.2軸的受力簡(jiǎn)圖(2)計(jì)算支承反力在垂直面上6)7)在水平面上(3)畫彎矩圖(見圖5.3)在水平面上，a-a剖面左側(cè)、右側(cè)8)在垂直面上，a-a剖面左側(cè)9)a-a剖面右側(cè)(4.30)合成彎矩，a-a剖面左側(cè)1)a-a剖面右側(cè)2)(4)畫轉(zhuǎn)矩圖〔見圖5.3〕轉(zhuǎn)矩3)顯然，a-a截面左側(cè)合成彎矩最大、扭矩為T，該截面左側(cè)可能是危險(xiǎn)剖面。由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[4]查得，，=60/100=0.6。a-a截面左側(cè)4)5)查得，，，a-a截面左側(cè)6)查得；查得[5]絕對(duì)尺寸系數(shù)軸經(jīng)磨削加工，查得質(zhì)量系數(shù)β=1.0。那么彎曲應(yīng)力7)應(yīng)力幅8)平均應(yīng)力切應(yīng)力平安系數(shù)9)(4.40)1)查得[4]許用平安系數(shù)[S]=1.3～1.5，顯然S>[S]，故a-a剖面平安圖5.3軸的受力分析圖5轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)5.1轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)概述轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)用來(lái)保證轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)汽車的車輪均能繞同一瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心在不同半徑的圓周上作無(wú)滑動(dòng)的純滾動(dòng)。同時(shí)，為了到達(dá)總體布置要求的最小轉(zhuǎn)彎直徑值，轉(zhuǎn)向輪應(yīng)有足夠大的轉(zhuǎn)角。為此，轉(zhuǎn)向梯形應(yīng)保證內(nèi)、外轉(zhuǎn)向車輪的理想轉(zhuǎn)角關(guān)系。轉(zhuǎn)向梯形有整體式和斷開式兩種，選擇整體式或斷開式轉(zhuǎn)向梯形方案與懸架采用何種方案有聯(lián)系。無(wú)論采用哪一種方案，必須正確選擇轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)，做到汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，保證全部車輪繞一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心行駛，使在不同圓周上運(yùn)動(dòng)的車輪，作無(wú)滑動(dòng)的純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，為到達(dá)總體布置要求的最小轉(zhuǎn)彎直徑值，轉(zhuǎn)向輪應(yīng)有足夠大的轉(zhuǎn)角[3]。車輛在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，如果轉(zhuǎn)向前輪的偏轉(zhuǎn)角相同，將使前后橋車輪的瞬間轉(zhuǎn)向中心不一致，車輪將產(chǎn)生側(cè)滑，結(jié)果造成輪胎磨損量增加，行駛阻力變大，轉(zhuǎn)向困難。要使轉(zhuǎn)向順利，車輪在地面純滾動(dòng)而不產(chǎn)生側(cè)偏，必須使所有車輪繞同一瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心滾動(dòng)即所謂的阿克曼(Ackerman)理論轉(zhuǎn)向特性[14]。如圖5.1所示的兩軸汽車為例，阿克曼理論轉(zhuǎn)向特性，是以汽車前輪定位角都等于零、行走系統(tǒng)為剛性、汽車行駛過(guò)程中無(wú)側(cè)向力為假設(shè)條件的。圖5.1本設(shè)計(jì)采用的是整體式的轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)。下文將以整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)展開分析，計(jì)算以及用計(jì)算機(jī)軟件MATLAB對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)并驗(yàn)算。5.2整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)方案分析整體式轉(zhuǎn)向梯形是由轉(zhuǎn)向橫拉桿l，轉(zhuǎn)向梯形臂2和汽車前軸3組成，如下圖。其中梯形臂呈收縮狀向后延伸。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，汽車前束調(diào)整容易，制造本錢低；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。圖整體式轉(zhuǎn)向梯形1—轉(zhuǎn)向橫拉桿2—轉(zhuǎn)向梯形臂3—前軸當(dāng)汽車前懸架采用非獨(dú)立懸架時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用整體式轉(zhuǎn)向梯形。整體式轉(zhuǎn)向梯形的橫拉桿可位于前軸后或前軸前(稱為前置梯形)。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)位置低或前輪驅(qū)動(dòng)汽車，常采用前置梯形。前置梯形的梯形臂必須向前外側(cè)方向延伸，因而會(huì)與車輪或制動(dòng)底板發(fā)生干預(yù)，所以在布置上有困難。為了保護(hù)橫拉桿免遭路面不平物的損傷，橫拉桿的位置應(yīng)盡可能布置得高些，至少不低于前軸高度[13]。5.3整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型分析汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，受彈性輪胎側(cè)偏角的影響，所有車輪不是繞位于后軸沿長(zhǎng)線上的點(diǎn)滾動(dòng)，而是繞位于前軸和后軸之間的汽車內(nèi)側(cè)某一點(diǎn)滾動(dòng)。此點(diǎn)位置與前輪和后輪的側(cè)偏角大小有關(guān)。因影響輪胎側(cè)偏角的因素很多，且難以精確確定，故下面是在忽略側(cè)偏角影響的條件下，分析有關(guān)兩軸汽車的轉(zhuǎn)向問(wèn)題。此時(shí)，兩轉(zhuǎn)向前輪軸線的延長(zhǎng)線應(yīng)交在后軸延長(zhǎng)線上[4]，如下圖。設(shè)θi、θo分別為內(nèi)、外轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)角，L為汽車軸距，K為兩主銷中心線延長(zhǎng)線到地面交點(diǎn)之間的距離。假設(shè)要保證全部車輪繞一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心行駛，那么梯形機(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：〔5.1〕圖5.3理想的內(nèi)、外車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系簡(jiǎn)圖假設(shè)自變角為θo，那么因變角θi的期望值為:〔5.2〕現(xiàn)有轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)僅能近似滿足上式關(guān)系。以圖所示的后置梯形機(jī)構(gòu)為例，在圖上作輔助用虛線，利用余弦定理可推得轉(zhuǎn)向梯形所給出的實(shí)際因變角為〔5.3〕式中：m為梯形臂長(zhǎng)；γ為梯形底角。所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向梯形給出的實(shí)際因變角，應(yīng)盡可能接近理論上的期望值。其偏差在最常使用的中間位置附近小角范圍內(nèi)應(yīng)盡量小，以減少高速行駛時(shí)輪胎的磨損；而在不經(jīng)常使用且車速較低的最大轉(zhuǎn)角時(shí)，可適當(dāng)放寬要求。因此，再引入加權(quán)因子，構(gòu)成評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的目標(biāo)函數(shù)為〔5.4〕由以上可得：〔5.5〕式中：x為設(shè)計(jì)變量，；θomax為外轉(zhuǎn)向車輪最大轉(zhuǎn)角，由圖5.2得〔5.6〕式中，Dmin為汽車最小轉(zhuǎn)彎直徑；a為主銷偏移距。考慮到多數(shù)使用工況下轉(zhuǎn)角θo小于20°，且10°以內(nèi)的小轉(zhuǎn)角使用得更加頻繁，因此?。骸?.7〕建立約束條件時(shí)應(yīng)考慮到：設(shè)計(jì)變量m及γ過(guò)小時(shí)，會(huì)使橫拉桿上的轉(zhuǎn)向力過(guò)大；當(dāng)m過(guò)大時(shí)，將使梯形布置困難，故對(duì)m的上、下限及對(duì)γ的下限應(yīng)設(shè)置約束條件。因γ越大，梯形越接近矩形，值就越大，而優(yōu)化過(guò)程是求的極小值，故可不必對(duì)γ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：〔5.8〕梯形臂長(zhǎng)度m設(shè)計(jì)時(shí)常取在mmin=0.11K，mmax=0.15K。梯形底角γmin=70°此外，由機(jī)械原理得知，四連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角δ不宜過(guò)小，通常取δ≥δmin＝40°。如圖5-2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)到達(dá)最小值，故只考慮右轉(zhuǎn)彎時(shí)δ≥δmin即可。利用該圖所作的輔助用虛線及余弦定理，可推出最小傳動(dòng)角約束條件為：〔5.9〕式中：δmin為最小傳動(dòng)角。δmin=40°，故由式可知，δmin為設(shè)計(jì)變量m及γ的函數(shù)。由式〔5.6〕、式〔5.7〕、式〔5.8〕和式〔5.9〕四項(xiàng)約束條件所形成的可行域，如圖5-3所示的幾種情況。圖5.4b適用于要求δmin較大，而γmin可小些的車型；圖5.4c適用于要求γmin較大，而δmin小些的車型；圖5.4圖5.4轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行域5.4基于Matlab的整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的優(yōu)化概況轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)是汽車轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中很關(guān)鍵的一局部，在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中為了減少輪胎磨損，減小轉(zhuǎn)向力，保證汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪盡可能作純滾動(dòng)，這一要求由轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的幾何性能來(lái)實(shí)現(xiàn)。汽車的轉(zhuǎn)向梯形對(duì)于汽車的工作狀況，譬如汽車的平安駕駛等諸多方面具有重要的實(shí)際意義，以前技術(shù)人員往往通過(guò)FORTRAN或VISUALC++等計(jì)算語(yǔ)言，利用復(fù)合變形法、懲罰函數(shù)法、簡(jiǎn)約梯度法等現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論的方法來(lái)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)；但苦于沒有標(biāo)準(zhǔn)的子程序可以調(diào)用，技術(shù)人員往往將自己編好的程序逐條敲入計(jì)算機(jī)，然后進(jìn)行調(diào)試，最后進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，這樣的程序當(dāng)其中任何一條語(yǔ)句有了毛病，甚至調(diào)試不當(dāng)〔如數(shù)組維數(shù)不匹配〕，那可能導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)果的出現(xiàn)[8]。為此。通過(guò)以上的數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用matlab對(duì)其作設(shè)計(jì)，選擇優(yōu)化解。轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路1、設(shè)計(jì)的目標(biāo)設(shè)計(jì)出的梯形符合上述轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的要求。令轉(zhuǎn)彎的時(shí)候輸出角隨輸入角變化能夠盡可能使兩前輪圍繞一個(gè)中心點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)。防止出現(xiàn)過(guò)大的相對(duì)滑動(dòng)，從而磨損輪胎以及給轉(zhuǎn)向系帶來(lái)負(fù)荷。2、設(shè)計(jì)的變量本設(shè)計(jì)中，對(duì)轉(zhuǎn)向梯形有影響的因素中，主銷間距、軸距、最大外轉(zhuǎn)向角都是。那么設(shè)計(jì)的變量就有轉(zhuǎn)向梯形的初始輸入角、轉(zhuǎn)向梯形的臂長(zhǎng)。其中臂長(zhǎng)的范圍也受到轉(zhuǎn)向器初步數(shù)據(jù)選取的約束。要算出具體范圍來(lái)配合轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)。3、設(shè)計(jì)的方法先查找資料，找出中型轎車的梯形構(gòu)造。大致了解梯形參數(shù)的范圍。再在軟件上驗(yàn)證。往往偏離最優(yōu)解適用范圍越遠(yuǎn)，所得到的實(shí)際值跟期望值相差就會(huì)越大。通過(guò)數(shù)次粗調(diào)，可得到比擬適宜的范圍，再進(jìn)行細(xì)調(diào)。找出適宜的解。根據(jù)上述的數(shù)學(xué)模型，用Matlab軟件編寫出相應(yīng)funtion文件，再調(diào)用優(yōu)化工具箱里面的求標(biāo)準(zhǔn)差的lsqnonlin函數(shù)，求得實(shí)際結(jié)果跟期望值的差異。由此統(tǒng)計(jì)，找出比擬適宜的優(yōu)化解。期望的函數(shù)值取轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的梯形臂每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)小角度時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角度的一個(gè)理想值。實(shí)際值是由梯形引起的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度。把從初始角到轉(zhuǎn)向輪最大角度對(duì)應(yīng)的梯形臂轉(zhuǎn)向角度等分成60份，每次都采集一次數(shù)據(jù)，然后統(tǒng)計(jì)出數(shù)值跟理想值存在的平均標(biāo)準(zhǔn)差的大小。由此來(lái)評(píng)估其擬合的質(zhì)量?；贛atlab的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)1、了解Matlab功能與操作了解Matlab的根本功能以及如何運(yùn)用。本次所用的軟件是Matlab7.1版本對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先翻開Matlab，界面如圖〔圖5.5〕所示。2、建立目標(biāo)函數(shù)根據(jù)前一節(jié)論述到的等式以及約束條件，用Matlab語(yǔ)句進(jìn)行編寫文件如圖〔圖5.6〕所示。圖5.6用Matlab語(yǔ)言建立函數(shù)模型3、編寫主程序運(yùn)用Matlab工具箱中已有的函數(shù)“l(fā)sqnonlin”函數(shù)求實(shí)際值與期望值的標(biāo)準(zhǔn)差。或針對(duì)本設(shè)計(jì)，可將.fun調(diào)用文件以及主函數(shù)寫在一個(gè)程序里面。這樣的程序也可以經(jīng)過(guò)修改初始數(shù)據(jù)能運(yùn)用于其他車型的整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的可行域?qū)ふ遗c對(duì)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。4、縮小設(shè)計(jì)區(qū)域根據(jù)同等級(jí)轎車的調(diào)查以及可以用Matlab找出優(yōu)化適合區(qū)域。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，初始角的改變引起的變化遠(yuǎn)比臂長(zhǎng)的改變引起的變化大。所以初始角才是設(shè)計(jì)中的“主要矛盾”。例如為初始角為60°，為初始角85°的時(shí)候的輸出角隨輸入角變化時(shí)的實(shí)際值與期望值曲線。這樣的結(jié)果偏離期望值太大。故85°、60°的初始角不能成為優(yōu)化區(qū)域。經(jīng)過(guò)屢次嘗試，可確定最適合的初始角區(qū)域?yàn)?6°到69°。圖5.7臂長(zhǎng)m=190mm梯形初始角γ=60°圖5.8臂長(zhǎng)m=190mm梯形初始角γ=85°是一個(gè)擬合程度的直觀表達(dá)，輸入角度的擬合程度很高，輸入角大于，說(shuō)明在轉(zhuǎn)角較小的時(shí)候兩輪相對(duì)滑動(dòng)程度較小，在輸入轉(zhuǎn)角比擬大的情況下輪胎滑動(dòng)程度比擬大。的圖像說(shuō)明，隨著輸入角的變化，輸出角與期望值的標(biāo)準(zhǔn)差開展比擬平穩(wěn)，而且整體來(lái)說(shuō)數(shù)值比擬小。是設(shè)計(jì)的較優(yōu)化解。圖5.9臂長(zhǎng)m=190mm梯形初始角γ=60°圖5.10臂長(zhǎng)m=190mm梯形初始角γ=67°5、確定轉(zhuǎn)向梯形梯形臂長(zhǎng)根據(jù)第三章和第四章的齒輪齒條轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)所得。初選角傳動(dòng)比為20時(shí)，轉(zhuǎn)向盤總?cè)?shù)為3.48圈，也就是說(shuō)輸入角從0°~27.3°變化時(shí)，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向圈數(shù)為1.74圈。齒條所移動(dòng)的長(zhǎng)度為l=mm〔5.10〕所以如下列圖所示梯形臂在前后變化所帶動(dòng)橫拉桿所的軌跡長(zhǎng)度也要控制在左右。才比擬符合傳動(dòng)比的要求。不至于得出來(lái)的結(jié)果跟初選傳動(dòng)比相差太大而影響齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)。當(dāng)l=時(shí)。計(jì)算得，m=198.66mm，當(dāng)轉(zhuǎn)向梯形臂長(zhǎng)m取200mm附近數(shù)值時(shí)，較符合初始傳動(dòng)比選擇條件。所以用Matlab就初始角為66°~68°的范圍內(nèi)，臂長(zhǎng)為180mm~210mm范圍內(nèi)作以下表比擬表5.1臂長(zhǎng)m初始角度取值不同對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差平均值臂長(zhǎng)m初始角度標(biāo)準(zhǔn)差平均值21066521067921068200662006720068190661906719068180660321806702718068031綜合考慮，取m=200mm，=67°時(shí)平均標(biāo)準(zhǔn)差值為0.0028?？傮w誤差值2=1.2%其實(shí)際曲線與期望曲線擬合如下列圖所示。圖5.12臂長(zhǎng)m=180mm梯形初始角γ=67°5.5轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的任務(wù)是將轉(zhuǎn)向器輸出端的擺動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽?、右轉(zhuǎn)向車輪繞其轉(zhuǎn)向主銷的偏轉(zhuǎn)，并使它們偏轉(zhuǎn)到繞同一瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心的不同軌跡圓上，實(shí)現(xiàn)車輪無(wú)滑動(dòng)地滾動(dòng)轉(zhuǎn)向。為了使左、右轉(zhuǎn)向車輪偏轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系能滿足這一汽車轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求，那么要由轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的精確設(shè)計(jì)來(lái)保證[11]。轉(zhuǎn)向傳送機(jī)構(gòu)的臂、桿與球銷轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的桿件應(yīng)選用剛性好、質(zhì)量小的20、30或35號(hào)鋼的無(wú)縫鋼管制造，其沿長(zhǎng)度方向的外形可根據(jù)總布置的需要確定[12]。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的各元件間采用球形鉸接，球形鉸接的主要特點(diǎn)是能夠消除由于鉸接處的表而磨損而產(chǎn)生的間隙，也能滿足兩鉸接件間復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在現(xiàn)代球形鉸接的結(jié)構(gòu)中均是用彈簧將球頭與襯墊壓緊。而且應(yīng)采用有效結(jié)構(gòu)措施保持住潤(rùn)滑材料及防止灰塵污物進(jìn)入。球銷與襯墊均采用低碳合金鋼如12CrNi3A，18MnTi，或20CrN制造，工作外表經(jīng)滲碳淬火處理，滲碳層深1.5～，外表硬度HRC56～63。允許采用中碳鋼40或45制造并經(jīng)高頻淬火處理，球銷的過(guò)渡圓角處那么用滾壓工藝增強(qiáng)。球形鉸接的殼體那么用鋼35或40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(guò)螺紋與齒條連接。當(dāng)這些球頭銷依制造廠的標(biāo)準(zhǔn)擰緊時(shí)，在球頭銷上就作用了一個(gè)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。圖4.4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—開口銷表轉(zhuǎn)向橫拉桿及接頭的尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)序號(hào)工程符號(hào)尺寸參數(shù)()1橫拉桿總長(zhǎng)3302橫拉桿直徑183螺紋長(zhǎng)度254外接頭總長(zhǎng)1085球頭銷總長(zhǎng)626球頭銷螺紋公稱直徑M10×17外接頭螺紋公稱直徑8轉(zhuǎn)向梯形臂m2006基于CATIA的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的三維建模6.1CATIA軟件簡(jiǎn)介CATIA是法國(guó)達(dá)索公司的產(chǎn)品開發(fā)旗艦解決方案。作為PLM協(xié)同解決方案的一個(gè)重要組成局部，它可以幫助制造廠商設(shè)計(jì)他們未來(lái)的產(chǎn)品，并支持從工程前階段、具體的設(shè)計(jì)、分析、模擬、組裝到維護(hù)在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計(jì)流程。模塊化的CATIA系列產(chǎn)品旨在滿足客戶在產(chǎn)品開發(fā)活動(dòng)中的需要，包括風(fēng)格和外型設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、設(shè)備與系統(tǒng)工程、管理數(shù)字樣機(jī)、機(jī)械加工、分析和模擬。CATIA產(chǎn)品基于開放式可擴(kuò)展的V5架構(gòu)。通過(guò)使企業(yè)能夠重用產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)，縮短開發(fā)周期，CATIA解決方案加快企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的需求的反響。自1999年以來(lái)，市場(chǎng)上廣泛采用它的數(shù)字樣機(jī)流程，從而使之成為世界上最常用的產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)。CATIA系列產(chǎn)品已經(jīng)在七大領(lǐng)域里成為首要的3D設(shè)計(jì)和模擬解決方案：汽車、航空航天、船舶制造、廠房設(shè)計(jì)、電力與電子、消費(fèi)品和通用機(jī)械制造[9]。6.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要部件CATIA三維設(shè)計(jì)1、齒輪軸的三維設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于斜齒輪的輪齒畫法。主要思路如下：建立圓柱體—>在圓柱體一端面畫輪齒的輪廓—>投影到另一個(gè)端面再旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度—>通過(guò)Multi-sectionSolid功能完成單齒三維構(gòu)造—>圓形陣列。圖6.1齒輪軸2、齒條的三維設(shè)計(jì)齒條的設(shè)計(jì)主要是輪齒造型以及陣列。具體參照齒輪軸畫法。另外CATIA軟件三維圖不顯示螺紋。只能在二維圖中顯示。如要三維效果可以用曲面設(shè)計(jì)中的螺旋線結(jié)合實(shí)體造型中的實(shí)體掃略構(gòu)造出螺紋效果。但在導(dǎo)出二維圖的時(shí)候要隱藏。齒條3、齒輪齒條安裝殼體齒輪齒條安裝殼體的三維建模中，在齒輪和齒條嚙合的部位構(gòu)造比擬復(fù)雜，互相貫穿而又不是平行垂直的關(guān)系，有一定角度的貫穿體的建模主要是參考平面的選取。圖6.3安裝殼體4、橫拉桿總成橫拉桿體與齒輪齒條轉(zhuǎn)向器用球頭座連接，和轉(zhuǎn)向梯形臂用球頭銷接頭連接。圖6.4橫拉桿總成5、齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器總成裝配及渲染圖總裝圖6.6渲染結(jié)論對(duì)于汽車轉(zhuǎn)向系，在上學(xué)期選題的時(shí)候還沒有充分的了解，但本著對(duì)汽車構(gòu)造方面的強(qiáng)烈興趣，在唐老師的精心指導(dǎo)下，首先在網(wǎng)上調(diào)查現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向系的一些根本資料，了解其組成以及工作原理。然后開始著手論文的設(shè)計(jì)資料。汽車相關(guān)的機(jī)構(gòu)方面知識(shí)最終還是回歸到機(jī)械設(shè)計(jì)范疇。憑著自己四年來(lái)積累的機(jī)械相關(guān)知識(shí)，查閱圖書館汽車轉(zhuǎn)向系相關(guān)資料，以及互聯(lián)網(wǎng)中的中國(guó)機(jī)械CAD論壇、中國(guó)汽車工程師之家論壇，為本次設(shè)計(jì)作了大量的資料收集。在本設(shè)計(jì)中，最讓我受益匪淺的是在Matlab的輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)有關(guān)于汽車轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計(jì)，但查閱所得相關(guān)資料，關(guān)于用Matlab去完成設(shè)計(jì)及優(yōu)化的資料不多。故自己先努力學(xué)好Matlab根底，再以其為工具進(jìn)行轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計(jì)，在此過(guò)程中，因?yàn)橹R(shí)面的缺乏，在運(yùn)用Matlab進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)常碰到的問(wèn)題是語(yǔ)法錯(cuò)誤，調(diào)試失敗，需要重新審查并調(diào)試。通過(guò)本次的設(shè)計(jì)實(shí)踐，我把大學(xué)期間所學(xué)的所有專業(yè)知識(shí)都應(yīng)用，不僅大大的充實(shí)了自己的專業(yè)知識(shí)，而且還進(jìn)一步提高了自己整體專業(yè)水平，可以說(shuō)本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)是一分耕耘，一分收獲。綜合題目要求，對(duì)課題轉(zhuǎn)向器進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，遵循需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)這一程序，從結(jié)構(gòu)選型到結(jié)構(gòu)布局，再到具體零件尺寸的設(shè)計(jì)都依照前一階段的流程模型和機(jī)械設(shè)計(jì)準(zhǔn)那么。最后根據(jù)總體設(shè)計(jì)所得的參數(shù)，利用三維設(shè)計(jì)軟件CATIA對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行三維造型，之后將畫好的零件裝配起來(lái)。由于三維制圖，不能更好的表示出尺寸、公差等等，故而再用CAD對(duì)轉(zhuǎn)向器進(jìn)行二維設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)[1]毛彩云，吳暮春，柯松.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開展[J].科普?qǐng)@，2009.[2]陳家瑞.汽車構(gòu)造下冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2002.[3]王望予.汽車設(shè)