輕型貨車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建模(共59頁(yè))

精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 摘 要汽車在行駛的過(guò)程中，需要按照駕駛員的意志經(jīng)常改變其行駛方向，即所謂的汽車轉(zhuǎn)向。汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一套用來(lái)改變或恢復(fù)汽車行駛方向的專用機(jī)構(gòu)，本文的研究?jī)?nèi)容即是輕型貨車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文針對(duì)的是與非獨(dú)立懸架相匹配的整體式兩輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。利用相關(guān)汽車設(shè)計(jì)和連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)，首先對(duì)轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行選擇，接著再對(duì)轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后，利用軟件CATIA完成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的三維實(shí)體設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)向器在設(shè)計(jì)中選用的是循環(huán)球式齒條齒扇轉(zhuǎn)向器，在對(duì)轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)中，包括了螺桿鋼球螺母?jìng)鲃?dòng)副的設(shè)計(jì)和齒條齒扇傳動(dòng)副的設(shè)計(jì)，前者是基于參照同類汽車，確定出鋼球中心距，設(shè)計(jì)出一系列的尺寸，而后者則是根據(jù)汽車前軸的載荷來(lái)確定出齒扇模數(shù)，再由此設(shè)計(jì)出所有參數(shù)的。轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計(jì)選用的是整體式轉(zhuǎn)向梯形，本文在設(shè)計(jì)中借鑒同類汽車轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)尺寸對(duì)轉(zhuǎn)向梯形進(jìn)行尺寸初選。再通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向內(nèi)輪實(shí)際達(dá)到的最大偏轉(zhuǎn)角時(shí)與轉(zhuǎn)向外輪理想最大偏轉(zhuǎn)角度的差值的檢驗(yàn)，和作為一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)對(duì)其最小傳動(dòng)角的檢驗(yàn)，來(lái)判定轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計(jì)是否符合基本要求。本文在消化，吸收，總結(jié)，歸納前人的成果上，系統(tǒng)、全面地對(duì)機(jī)械轉(zhuǎn)向系進(jìn)行理論分析，設(shè)計(jì)及優(yōu)化。為輕型汽車轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了一種步驟簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系；轉(zhuǎn)向器；轉(zhuǎn)向梯形；傳動(dòng)副；結(jié)構(gòu)元件專心-專注-專業(yè)ABSTRACTIn a moving vehicle, the driver will need to frequently change its traveling direction, the so-called steering. Vehicle steering system is used to change or restore a car in the direction of a dedicated agency, the contents of this paper is the study of light vehicle steering system design.This article is aimed at non-independent suspension and would like to match the overall style of the two steering. The use of the relevant vehicle design and kinematic linkage of knowledge, first of all, the steering gear, steering transmission choice, and then to the steering gear and steering transmission (mainly trapezoidal steering ) design, and finally, the use of CATIA software and the Steering system to complete the design drawings.Steering the ball of choice is the cycle of fan-type steering gear rack teeth, in the design of steering gear, including a screw - Ball - Vice-nut drive the design and rack - fan drive gear pair design, the former is based on the reference to similar vehicles, to determine the center distance of the ball, the design of a series of size, while the latter is based on the vehicle front axle load to determine the fan module out of gear, and then all of the resulting design parameters.Steering linkage design is a whole selection of steering trapezoid, the paper design is used in car steering linkage from a similar experience in the design of the size of the steering linkage to the primary size. Through to the actual steering wheel in the maximum deflection angle with the steering wheel in the most ideal test of the difference of deflection angle, and four institutions, as a minimum transmission angle of its examination, to determine whether the design of steering trapezoid in line with the basic requirements.In this paper, digestion, absorption, and summing up, summing up the results of their predecessors, the systematic, comprehensive mechanical steering system to carry out theoretical analysis, design and optimization. For the light vehicle steering system design and development provides a simple design method steps.key words：Steering system；Steering gear；Steering trapezium；Transmission vice；Structural components符 號(hào) 表轉(zhuǎn)向系的效率齒頂高系數(shù)作用在轉(zhuǎn)向軸上的功率KW齒頂高轉(zhuǎn)向器中的摩擦功率KW齒根高作用在轉(zhuǎn)向搖臂上的功率KW摩擦角f摩擦系數(shù)轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比轉(zhuǎn)向系的力傳動(dòng)比搖臂角速度轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度主銷偏移距 徑向間隙 嚙合角模數(shù)齒形變位系數(shù)目 錄 第1章 緒 論1.1轉(zhuǎn)向系概述 轉(zhuǎn)向系是用來(lái)保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。 機(jī)械轉(zhuǎn)向系依靠駕駛員的手力轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，經(jīng)轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。有些汽車還裝有防傷機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向減振器。采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向的汽車，還裝有動(dòng)力系統(tǒng)，并借助此系統(tǒng)來(lái)減輕駕駛員的手力。 對(duì)轉(zhuǎn)向系提出的要求有： 1）汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，理想情況下全部車輪應(yīng)繞瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應(yīng)有側(cè)滑。否則會(huì)加速輪胎磨損，并降低汽車的行駛穩(wěn)定性； 2）汽車轉(zhuǎn)向行駛后，在駕駛員松開(kāi)轉(zhuǎn)向盤的條件下，轉(zhuǎn)向輪能自動(dòng)返回到直線行駛位置，并穩(wěn)定行駛； 3）汽車在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪都不得產(chǎn)生自振，轉(zhuǎn)向盤沒(méi)有擺動(dòng)； 4）轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置共同工作時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺動(dòng)應(yīng)最??； 5） 保證汽車有較高的機(jī)動(dòng)性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力； 6） 操縱輕便； 7） 轉(zhuǎn)向輪碰撞到障礙物以后，傳給轉(zhuǎn)向盤的反沖力要盡可能小； 8） 轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的球頭處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)； 9） 在車禍中，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤由于車架或車身變形而共同后移時(shí)轉(zhuǎn)向系應(yīng)有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置； 10） 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核，保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。較1.2輕型貨車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 本設(shè)計(jì)以循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)為中心，一是汽車總體構(gòu)架參數(shù)對(duì)汽車轉(zhuǎn)向的影響；二是機(jī)械轉(zhuǎn)式向器的設(shè)計(jì)；三是轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；四是轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此本設(shè)計(jì)在考慮上述要求和因素的基礎(chǔ)上研究利用轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向器螺桿旋轉(zhuǎn)，與螺桿配合的螺母外齒與扇形齒輪嚙合，通過(guò)安裝在扇形軸上的轉(zhuǎn)向臂向轉(zhuǎn)向拉桿機(jī)構(gòu)傳遞操作力，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 (1)汽車轉(zhuǎn)向系方案的設(shè)計(jì)。 (2)汽車轉(zhuǎn)向器方案的設(shè)計(jì)。 (3)汽車轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 (4)轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)計(jì)算。 第2章 汽車轉(zhuǎn)向系方案2.1轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù) 轉(zhuǎn)向系的主要性能參數(shù)有轉(zhuǎn)向系的效率，轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比與力傳動(dòng)比，轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副的傳動(dòng)間隙特性，轉(zhuǎn)向系的剛度以及轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。2.1.1轉(zhuǎn)向器的效率 轉(zhuǎn)向系的效率由轉(zhuǎn)向器的效率和轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)的效率決定，即： （2.1） 轉(zhuǎn)向器效率又有正效率與逆效率之分。功率由轉(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，反之為逆效率。 （2.2） （2.3）式中 作用在轉(zhuǎn)向軸上的功率； 轉(zhuǎn)向器中的摩擦功率； 作用在轉(zhuǎn)向搖臂軸上的功率。 1.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。 (1)轉(zhuǎn)向器的類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與效率 汽車上常用的轉(zhuǎn)向器形式有循環(huán)球式、蝸桿滾輪式、齒輪齒條式和蝸桿指銷式等幾種。齒輪齒條式。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的正效率比較高，其正效率可達(dá)到85%。同一類型的轉(zhuǎn)向器，因結(jié)構(gòu)不同，效率也有較大差別。如蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的滾輪與支持軸之間的軸承可以有滾針軸承、圓錐軸承和滾珠軸承三種結(jié)構(gòu)。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)翼與墊片之間還有滑動(dòng)摩擦損失，故這種轉(zhuǎn)向器的效率僅達(dá)54%左右。根據(jù)試驗(yàn)，其余兩種轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)的效率分別為70%和75%。 (2)轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與效率 蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副存在較大滑動(dòng)摩擦，效率較低。對(duì)于蝸桿和螺桿類轉(zhuǎn)向器，如果忽略軸承和其他地方的抹茶損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，其效率為 （2.4）式中 蝸桿或螺桿的螺線導(dǎo)程角； 摩擦角，=； 摩擦系數(shù)。 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(guò)轉(zhuǎn)向系可大部分傳遞到轉(zhuǎn)向盤，這種轉(zhuǎn)向器是可逆式的。它能保證汽車轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤自動(dòng)回正。這既減少駕駛員疲勞，又提高了行駛安全性。但是，在壞路上行駛時(shí)，車輪受到的沖擊力，大部分都傳給轉(zhuǎn)向盤，駕駛員容易“打手”，使之精神狀態(tài)緊張，如長(zhǎng)時(shí)間在壞路上行駛，易使駕駛員疲勞，影響安全行駛。因此，這類轉(zhuǎn)向器適用于在良好路面上行駛的車輛。齒輪齒條式和循環(huán)球式都屬于可逆式轉(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)，它不能保證車輪自動(dòng)回正，駕駛員又缺乏路面感覺(jué)。因此，現(xiàn)代汽車基本不采用這種轉(zhuǎn)向器。 極限可逆式轉(zhuǎn)向器介于上述兩者之間。當(dāng)車輪受有沖擊力作用時(shí)，此力只有較小的一部分傳至轉(zhuǎn)向盤。它的逆效率較低，因此在壞路上行駛時(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，所受沖擊力也比不可逆式轉(zhuǎn)向器要小。 如果只考慮嚙合副的摩擦，忽略軸承和其他地方的摩擦損失，則逆效率可以用下式計(jì)算： （2.5） 式（2.4）和（2.5）表明：增加導(dǎo)程角，逆效率也增大。因此，雖然增加導(dǎo)程角能提高正效率，但此時(shí)因?yàn)槟嫘室苍龃?，故?dǎo)程角不應(yīng)取得過(guò)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)程角的最小值必須大于摩擦角。通常螺線的導(dǎo)程角選在8°10°之間。2.1.2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2與作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力之比，稱為力傳動(dòng)比，即。 轉(zhuǎn)向盤角速度與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度之比，稱為轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比，即 （2.6）式中，為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角增量；為轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角增量；為時(shí)間增量。 又由轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)角傳動(dòng)比所組成，即 （2.7） 轉(zhuǎn)向盤角速度與搖臂軸角速度之比，稱為轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比，即 （2.8）式中，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。 搖臂軸角速度與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度之比，稱為轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比，即 （2.9） 2.轉(zhuǎn)向系力傳動(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)向阻力和作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向阻力矩有如下關(guān)系： （2.10）式中,為主銷偏移距，指從轉(zhuǎn)向節(jié)主銷軸線的延長(zhǎng)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)向盤上的手力可用下式表示： （2.11）式中，為作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩；為轉(zhuǎn)向盤直徑。 將式（2.10），（2.11）代入后得到 （2.12） 分析式（2.12）可知，主銷偏移距越小，力傳動(dòng)比越大，轉(zhuǎn)向越輕便。通常乘用車的值在0.40.6倍輪胎的胎面寬度尺寸范圍內(nèi)選取，而貨車的值在4060mm范圍內(nèi)選取。轉(zhuǎn)向盤直徑對(duì)輕便性有影響，選用尺寸小寫的轉(zhuǎn)向盤，雖然占用的空間少，但轉(zhuǎn)向時(shí)需要對(duì)轉(zhuǎn)向盤施以較大的力，而選用尺寸大些的轉(zhuǎn)向盤又會(huì)使駕駛員進(jìn)出駕駛室時(shí)入座困難。根據(jù)車形不同，轉(zhuǎn)向盤直徑在的標(biāo)準(zhǔn)系列內(nèi)選取。如果忽略摩擦損失，可以用下式表示： （2.13） 將式（2.13）代入式（2.12）后得到 （2.14） 當(dāng)和不變時(shí)，力傳動(dòng)比越大，雖然轉(zhuǎn)向越輕，但也越大，表明轉(zhuǎn)向不靈敏。 3.轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比，還可以近似地用轉(zhuǎn)向節(jié)臂臂長(zhǎng)與搖臂臂長(zhǎng)之比來(lái)表示，即： （2.15） 在現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)中，與的比值大約在0.851.10之間，可粗略認(rèn)為其比值為1，即近似為1，則： （2.16） 由此可見(jiàn)，研究轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)比特性，只需研究轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比及其變化規(guī)律即可。 4.轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比及其變化規(guī)律 式（2.14）表明：增大角傳動(dòng)比可以增加力傳動(dòng)比。當(dāng)轉(zhuǎn)向阻力一定時(shí)，增大力傳動(dòng)比能減少作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力，使操縱輕便。 考慮到，由的定義可知：對(duì)于一定的轉(zhuǎn)向盤角速度，轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角速度與轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比成反比。角傳動(dòng)比增加后，轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角對(duì)同一轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的響應(yīng)變的遲鈍，操縱時(shí)間增長(zhǎng)，汽車轉(zhuǎn)向靈敏性降低，所以“輕”和“靈”構(gòu)成了一對(duì)矛盾。為解決這對(duì)矛盾，可采用變速比轉(zhuǎn)向器。 齒輪齒條式、循環(huán)球齒條齒扇式、蝸桿滾輪式及蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器都可以制成變速比轉(zhuǎn)向器。 對(duì)于循環(huán)齒條齒扇式轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比。因結(jié)構(gòu)原因，螺距P不能變化，但可以用改變齒扇嚙合半徑r的方法，達(dá)到使循環(huán)球齒條齒扇式轉(zhuǎn)向器實(shí)現(xiàn)變速比的目的。 對(duì)于乘用車，推薦轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比在1725范圍內(nèi)選?。粚?duì)于商用車，在2332范圍內(nèi)選取。2.1.3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（如循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的齒扇和齒條）之間的間隙。該間隙隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角大小的不同而改變，這種變化和轉(zhuǎn)向器的使用壽命有關(guān)。 如何獲得傳動(dòng)間隙特性將在后面轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)中介紹。2.1.4轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù) 轉(zhuǎn)向盤從一個(gè)極端位置轉(zhuǎn)到另一個(gè)極端位置時(shí)所轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)稱為轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。它與轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比有關(guān)，并影響轉(zhuǎn)向的操縱輕便性和靈敏性。轎車轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)較少，一般約在3.6圈以內(nèi)；貨車一般不宜超過(guò)6圈。2.2轉(zhuǎn)向系的選擇 汽車轉(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。本設(shè)計(jì)采用的是機(jī)械式轉(zhuǎn)向系。2.2.1機(jī)械轉(zhuǎn)向系 機(jī)械轉(zhuǎn)向系以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源，其中所有傳力件都是機(jī)械的。機(jī)械轉(zhuǎn)向系由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。 圖2.1所示為紅旗CA7220型轎車的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤施加一個(gè)轉(zhuǎn)向力矩。該力矩通過(guò)轉(zhuǎn)向軸和柔性聯(lián)軸節(jié)輸入轉(zhuǎn)向器，再經(jīng)左，右橫拉桿,傳給固定于兩側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)上的左、右轉(zhuǎn)向節(jié)臂，使轉(zhuǎn)向節(jié)和它所支撐的轉(zhuǎn)向輪繞主銷軸線偏移一定角度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 目前，許多國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的新車型在轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)中采用了萬(wàn)向傳動(dòng)裝置（轉(zhuǎn)向萬(wàn)向節(jié)和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸）。如圖2.2，這有助于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器等部件和組件的通用化和系列化。只要適當(dāng)改變轉(zhuǎn)向萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的幾何參數(shù)，便可以滿足各種變型車的總布置要求。即使在轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向器同軸線的情況下，其間也可以采用萬(wàn)向傳動(dòng)裝置，以補(bǔ)償由于部件在車上的安裝誤差和安裝基體（駕駛室、車架）的變形所造成的二者軸線實(shí)際上的不重合。 圖2.1 紅旗CA7220型轎車的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)圖2.2 汽車轉(zhuǎn)向系示意圖 轉(zhuǎn)向盤在駕駛室內(nèi)的安置位置與各國(guó)交通法規(guī)規(guī)定車輛靠道路左側(cè)還是右側(cè)通行有關(guān)。包括我國(guó)在內(nèi)的大多數(shù)國(guó)家規(guī)定車輛右側(cè)通行，相應(yīng)地應(yīng)將轉(zhuǎn)向盤安置在駕駛室左側(cè)。這樣，駕駛員左方的視野較廣闊，有利于兩車安全交會(huì)。相反，在一些規(guī)定車輛靠左側(cè)通行的國(guó)家和地區(qū)使用的汽車上，轉(zhuǎn)向盤則應(yīng)安置在駕駛室右側(cè)。2.3本章小結(jié) 本章主要對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方案進(jìn)行確定。包括通過(guò)轉(zhuǎn)向器的效率公式確定導(dǎo)程角，通過(guò)傳動(dòng)比的變化特性確定傳動(dòng)比及轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)和機(jī)械轉(zhuǎn)向系的確定，為下面的設(shè)計(jì)過(guò)程做鋪墊。第3章 汽車轉(zhuǎn)向器方案3.1機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的選擇 根據(jù)所采用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)副的不同，轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)形式有多種。常見(jiàn)的有齒輪齒條式、循環(huán)球式、球面蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式等。 對(duì)轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)型式的選擇，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。 本設(shè)計(jì)選用的是循環(huán)球齒條齒扇式轉(zhuǎn)向器。3.1.1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)副組成，如圖3.2。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)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，因而傳動(dòng)效率可達(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桿、螺母上的螺旋槽經(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)向器的傳動(dòng)比可以變化；工作平穩(wěn)可靠；齒條和齒扇之間的間隙調(diào)整工作容易進(jìn)行；適合用來(lái)做整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。 圖3.2 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器示意圖 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的缺點(diǎn)是：逆效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，制造精度要求高。 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要用于商用車上。3.2本章小結(jié) 本章主要對(duì)轉(zhuǎn)向器進(jìn)行選擇，通過(guò)對(duì)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)向器的對(duì)比，選擇了循環(huán)球式齒條齒扇轉(zhuǎn)向器，為下面的設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。第4章 汽車轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)4.1轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 從轉(zhuǎn)向器到轉(zhuǎn)向輪之間的所有傳動(dòng)桿件總稱為轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功用是將轉(zhuǎn)向器輸出的力和運(yùn)動(dòng)傳到轉(zhuǎn)向橋兩側(cè)的轉(zhuǎn)向節(jié)，使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，并使兩轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角按一定關(guān)系變化，以保證汽車轉(zhuǎn)向時(shí)車輪與地面的相對(duì)滑動(dòng)盡可能小。本設(shè)計(jì)中由于采用的是非獨(dú)立式懸架。4.1.1與非獨(dú)立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 1轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向直拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂和轉(zhuǎn)向梯形等零部件共同組成，其中轉(zhuǎn)向梯形由梯形臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿和前梁共同構(gòu)成，如圖4.1。 圖4.1 與非獨(dú)立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 2轉(zhuǎn)向搖臂 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器和蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器通過(guò)轉(zhuǎn)向搖臂與轉(zhuǎn)向直拉桿相連。轉(zhuǎn)向搖臂的大端用錐形三角細(xì)花鍵與轉(zhuǎn)向器中搖臂軸的外端連接，小端通過(guò)球頭銷與轉(zhuǎn)向直拉桿作空間鉸鏈連接，如圖4.2。 3轉(zhuǎn)向直拉桿 轉(zhuǎn)向直拉桿是轉(zhuǎn)向搖臂與轉(zhuǎn)向節(jié)臂之間的傳動(dòng)桿件，具有傳力和緩沖作用。在轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)且因懸架彈性變形而相對(duì)于車架跳動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向直拉桿與轉(zhuǎn)向搖臂及轉(zhuǎn)向節(jié)臂的相對(duì)運(yùn)動(dòng)都是空間運(yùn)動(dòng)，為了不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，三者之間的連接件都是球形鉸鏈，如圖4.3。圖4.2 轉(zhuǎn)向搖臂示意圖 圖4.3 轉(zhuǎn)向直拉桿示意圖 4轉(zhuǎn)向橫拉桿 轉(zhuǎn)向橫拉桿是轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的底邊，由橫拉桿體和旋裝在兩端的橫拉桿接頭組成。其特點(diǎn)是長(zhǎng)度可調(diào)，通過(guò)調(diào)整橫拉桿的長(zhǎng)度，可以調(diào)整前輪前束，如圖4.4。4.2轉(zhuǎn)向梯形的選擇 轉(zhuǎn)向梯形有整體式和斷開(kāi)式兩種，選擇整體式或斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向梯形方案與懸架采用何種方案有關(guān)。無(wú)論采用哪一種方案，都必須正確選擇轉(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)，為達(dá)到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。本設(shè)計(jì)中由于采用的是非獨(dú)立式懸架，應(yīng)當(dāng)選用與之配用的整體式轉(zhuǎn)向梯形。4.2.1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，如下圖所示。1.轉(zhuǎn)向橫拉桿 2.轉(zhuǎn)向梯形臂 3.前軸圖4.6 整體式轉(zhuǎn)向梯形 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，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。 當(dāng)汽車前懸架采用非獨(dú)立式懸架時(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者前軸前（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)底版發(fā)生干涉，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。4.3本章小結(jié) 本章對(duì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于本設(shè)計(jì)選用的是非獨(dú)立式懸架，因此選用與非獨(dú)立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向梯形也選用與之配用的整體式轉(zhuǎn)向梯形，為下一章的整體式轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。第5章 轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)計(jì)算 本設(shè)計(jì)主要參照五十鈴QL10403EAR輕型貨車，其基本參數(shù)為：兩軸式42驅(qū)動(dòng)平頭貨車，最高車速98km/h,裝載質(zhì)量1.99t，最小轉(zhuǎn)彎直徑不大于13m，最大爬坡度不小于0.3。5.1轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)型式選擇及其設(shè)計(jì)計(jì)算 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器又有兩種結(jié)構(gòu)型式，即常見(jiàn)的循環(huán)球-齒條齒扇式和另一種即循環(huán)球-曲柄銷式。它們各有兩個(gè)傳動(dòng)副，前者為：螺桿、鋼球和螺母?jìng)鲃?dòng)副以及螺母上的齒條和搖臂軸上的齒扇傳動(dòng)副；后者為螺桿、鋼球和螺母?jìng)鲃?dòng)副以及螺母上的銷座與搖臂軸的錐銷或球銷傳動(dòng)副。兩種結(jié)構(gòu)的調(diào)整間隙方法均是利用調(diào)整螺栓移動(dòng)搖臂軸來(lái)進(jìn)行調(diào)整。 本設(shè)計(jì)選用的循環(huán)球-齒條齒扇式轉(zhuǎn)向器。5.1.1螺桿鋼球螺母?jìng)鲃?dòng)副的設(shè)計(jì)表5.1 各類汽車循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的齒扇模數(shù)齒扇模數(shù)3.03.54.04.55.06.06.5乘用車排量5501000160020002000一一一一前橋負(fù)荷3.53.84.77.357.09.08.311.010.011.0一一一一商用車前橋負(fù)荷3.05.04.57.55.518.57.019.59.02417.037.023.044.0最大裝載質(zhì)量350100025002700400060008000 由設(shè)計(jì)要求可知最大裝載質(zhì)量為1990kg，按4×2單胎軸荷分配滿載時(shí)32%40%：前軸負(fù)荷為1476kg，即14760N，所以根據(jù)表6.1，齒扇模數(shù)選4.0mm。 （1）鋼球中心距D、螺桿外徑D1和螺母內(nèi)徑D2 鋼球中心距是基本尺寸。螺桿外徑D1，螺母內(nèi)徑D2及鋼球直徑d對(duì)確定鋼球中表5.2 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要參數(shù)齒扇模數(shù)/mm3.03.54.04.55.06.06.5搖臂軸直徑/mm2226303232/3538/4042/45鋼球中心距/mm2023/25252860/323540螺桿外徑/mm2023/252528293438鋼球直徑/mm5.5565.5566.3506.3507.1447.144/8.000螺距/mm7.9388.7319.5259.52510.00010.00011.000工作圈數(shù)1.51.2/2.52.5環(huán)流行數(shù)2螺母長(zhǎng)度/mm4145/5246/475856/59/ 6272/7880/82齒扇齒數(shù)3/55齒扇整圓齒數(shù)12/131313/14/15齒扇壓力角22°30/27°30切削角6°306°30/7°30齒扇寬/mm22/2525/2725/2830283230/34/3835/38心距D的大小有影響，而D又對(duì)轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)尺寸和強(qiáng)度有影響。在保證足夠的強(qiáng)度條件下，盡可能將D值取小些。選取D值的規(guī)律是隨著扇齒模數(shù)的增大，鋼球中心距D也相應(yīng)增加（表5.2）。 設(shè)計(jì)時(shí)先參考同類汽車的參數(shù)進(jìn)行初選，經(jīng)強(qiáng)度驗(yàn)算后，再進(jìn)行修正。螺桿外徑D1通常在2038范圍內(nèi)變化，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷的不同來(lái)選定。螺母內(nèi)徑D2應(yīng)大于D1，一般要求D2 - D1=（5%10%）D。 根據(jù)表5.2，本設(shè)計(jì)初選鋼球中心距為25mm，螺桿外徑25mm，D2-D1=8%D，所以螺母內(nèi)徑D2為27mm。 （2）鋼球直徑d及數(shù)量n 鋼球直徑尺寸d取得大，能提高承載能力，同時(shí)螺桿和螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向器的尺寸也隨之增加。鋼球直徑應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)一般常在79mm范圍內(nèi)選用（表5.2）。 增加鋼球數(shù)量n，能提高承載能力，但使鋼球流動(dòng)性變壞，從而使傳動(dòng)效率降低。因?yàn)殇撉蛑睆奖旧碛姓`差，所以共同參加工作的鋼球數(shù)量并不是全部的鋼球數(shù)。經(jīng)驗(yàn)表明，每個(gè)環(huán)路中的鋼球數(shù)以不超過(guò)60為好。為保證盡可能多的鋼球都承載， （5.1） 式中，D為鋼球中心距；W為一個(gè)環(huán)路中那個(gè)的鋼球工作圈數(shù)；n為不包括環(huán)流導(dǎo)管中的鋼球數(shù)；為螺線導(dǎo)程角，常取=5°8°，故1。 本設(shè)計(jì)中鋼球直徑d=6.350，工作圈數(shù)W=1.5，由公式（5.1）可得鋼球數(shù)n為18。 （3）滾道截面 當(dāng)螺桿和螺母的滾道截面各由兩條圓弧組成，形成四段圓弧滾道截面時(shí)，如圖5.1所示，鋼球與滾道有四點(diǎn)接觸，傳動(dòng)時(shí)軸向間隙最小，可滿足轉(zhuǎn)向盤自由行程小的要求。圖5.1中滾道與鋼球之間的間隙，除用來(lái)儲(chǔ)存潤(rùn)滑油之外，還能儲(chǔ)存磨損雜質(zhì)。為了減少摩擦，螺桿和螺母溝槽的半徑應(yīng)大于鋼球半徑d/2，一般取=（0.510.53）d。螺桿滾道應(yīng)倒角，用來(lái)避免該處被嚙出毛刺而劃傷鋼球后降低傳動(dòng)效率。 本設(shè)計(jì)取=0.53d=3.336mm。圖5.1 滾道截面示意圖 （4）接觸角 鋼球與螺桿滾道接觸點(diǎn)的正壓力方向與螺桿滾道法向截面軸線間的夾角稱為接觸角，角多取為45°，以使軸向力和徑向力分配均勻。本設(shè)計(jì)取為45°。 （5）螺距P和螺旋線導(dǎo)程角 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角，對(duì)應(yīng)螺母移動(dòng)的距離s為 （5.2）式中，P為螺紋螺距。 與此同時(shí)，齒扇節(jié)圓轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)等于s，相應(yīng)搖臂轉(zhuǎn)過(guò)角，期間關(guān)系為 （5.3）式中，r為齒扇節(jié)圓半徑。 聯(lián)立式（5.2）、（5.3）得，將對(duì)求導(dǎo)，得循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比為 （5.4） 由式（5.4）可知，螺距P影響轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比的值。螺距P一般在811mm內(nèi)選取。 本設(shè)計(jì)選取螺距P為9.525mm。 在已知螺旋線導(dǎo)程角和螺距的情況下，鋼球中心距D也可由下式求得： （5.5）式中 螺桿與螺母滾道的螺距； 螺線導(dǎo)程角。 因此根據(jù)式（5.5）反推出螺旋線導(dǎo)程角 為6.92° （6）工作鋼球圈數(shù)W 多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)向器用兩個(gè)環(huán)路，而每個(gè)環(huán)路的工作鋼球圈數(shù)W又與接觸強(qiáng)度有關(guān)：增加工作鋼球圈數(shù)，參加工作的鋼球數(shù)增多，能降低接觸應(yīng)力，提高承載能力；但鋼球受力不均勻。螺桿增長(zhǎng)使剛度降低。工作鋼球圈數(shù)有1.5和2.5圈兩種。一個(gè)環(huán)路的工作鋼球圈數(shù)的選取見(jiàn)表5.2 本設(shè)計(jì)選取工作鋼球圈數(shù)W為1.5圈。 （7）導(dǎo)管內(nèi)徑 容納鋼球而且鋼球在其內(nèi)部流動(dòng)的導(dǎo)管內(nèi)徑,式中，e為鋼球直徑d與導(dǎo)管內(nèi)徑之間的間隙。e不易過(guò)大，否則鋼球流經(jīng)導(dǎo)管時(shí)球心偏離導(dǎo)管中心的距離增大，并使流動(dòng)阻力增大。推薦。導(dǎo)管壁厚取為1mm。 本設(shè)計(jì)選取e為0.5mm，所以導(dǎo)管內(nèi)徑為6.850mm。5.1.2齒條、齒扇傳動(dòng)副的設(shè)計(jì) 首先分析轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)間隙，既齒扇和齒條之間的間隙。該間隙隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的大小不同而改變，這種變化關(guān)系稱為轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副傳動(dòng)間隙特性。研究該特性的意義在于，他與直線行駛的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向器的使用壽命有關(guān)。 轉(zhuǎn)向器傳動(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大到無(wú)法確保直線行駛穩(wěn)定性時(shí)，必須經(jīng)調(diào)整消除該處的間隙。調(diào)整后，要求轉(zhuǎn)向盤能圓滑地從中間位置轉(zhuǎn)到兩端，而無(wú)卡住現(xiàn)象。為此，傳動(dòng)副的傳動(dòng)間隙特性，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)成在離開(kāi)中間位置以后呈圖5.2所示的逐漸增大的形狀。圖5.2中，曲線1表明轉(zhuǎn)向器在磨損前的間隙變化特性；曲線2表明使用并磨損后的間隙變化特性，并且中間位置已出現(xiàn)較大間隙；曲線3表明調(diào)整后并消除中間位置間隙的轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)間隙變化特性。 圖5.2 轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副傳動(dòng)間隙特性 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的齒條齒扇傳動(dòng)副的傳動(dòng)間隙特性，可通過(guò)將齒扇齒做成不同厚度來(lái)獲取必要的傳動(dòng)間隙，即齒扇由中間齒向兩端齒的齒厚是逐漸減小的。為此可在齒扇的切齒過(guò)程中使毛坯繞工藝中心轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖5.3所示，相對(duì)于搖臂軸的中心有距離為的偏心。這樣加工的齒扇在齒條的嚙合中由中間齒轉(zhuǎn)向兩端的齒時(shí)，齒側(cè)間隙也逐漸加大，可表達(dá)為 （5.6）式中 徑向間隙；嚙合角； 齒扇的分度圓半徑；搖臂軸的轉(zhuǎn)角。 當(dāng)，確定后，根據(jù)上式可繪制如圖5.4所示的線圖，用于選擇適當(dāng)?shù)膎值，以便使齒條、齒扇傳動(dòng)副兩端齒嚙合時(shí)，齒側(cè)間隙能夠適應(yīng)消除中間齒最大磨損量所形成的間隙的需要。 齒條、齒扇傳動(dòng)副各對(duì)嚙合齒齒側(cè)間隙的改變也可以用改變齒條各齒槽寬而不改變齒扇各輪齒齒厚的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般是將齒條(一般有4個(gè)齒)兩側(cè)的齒槽寬制成比中間齒槽大0.200.30mm即可。圖5.3 為獲得變化的齒側(cè)間隙齒扇的加工原理和計(jì)算簡(jiǎn)圖圖5.4 用于選擇偏心n的線圖齒扇的齒厚沿齒寬方向變化，故稱為變厚齒扇。其齒形外觀與普通的直齒圓錐齒輪相似。用滾刀加工變厚齒扇的切齒進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是滾刀相對(duì)工件作垂向進(jìn)給的同時(shí)，還以一定的比例作徑向進(jìn)給，兩者合成為斜向進(jìn)給。這樣即可得到變厚齒扇。變厚齒扇的齒頂及齒根的輪廓面為圓錐面，其分度圓上的齒厚是成比例變化的，形成變厚齒扇，如圖5.5所示。圖5.5 變厚齒扇的截面 變厚齒扇齒形的計(jì)算，如圖5.6所示，一般將中間剖面A-A規(guī)定為基準(zhǔn)剖面。由A-A剖面向右時(shí)，變?yōu)橄禂?shù)為正，向左則變?yōu)橄禂?shù)為零（O-O剖面），再變?yōu)樨?fù)。若O-O剖面距A-A剖面的距離為，則其值為 （5.7）式中，在截面AA處的原始齒形變位系數(shù)；m模數(shù)；切削角。 為切削角。常見(jiàn)的有6°30和7°30兩種。在切削角一定得條件下，各剖面的變?yōu)橄禂?shù)取決于距離基準(zhǔn)剖面A-A的距離，此次設(shè)計(jì)取5mm。 前已述，模數(shù)m為4.0mm；法向壓力角，一般在20°30°之間，根據(jù)表5.2，選為27°30；切削角為6°30；齒頂高系數(shù)，一般取0.8或1.0，這里取1.0；徑向間隙系數(shù)，取0.2；整圓齒數(shù)z，在1215之間取，取為13；齒扇寬度B，一般在2238mm，取為25mm。列出如下：圖5.6 變厚齒扇的齒型計(jì)算用圖整圓齒數(shù)；模數(shù);法向壓力角切削角齒扇寬度根據(jù)表5.3，列出變厚齒扇的齒形參數(shù)：齒頂高系數(shù)徑向間隙系數(shù)齒頂高徑向間隙齒根高全齒高變位系數(shù)齒頂圓直徑分度圓弧齒厚齒頂圓壓力角 齒頂圓齒厚 = 表5.3 變厚齒扇（AA）處的齒形參數(shù)選擇與計(jì)算 （mm）參數(shù)名稱參數(shù)的選擇與計(jì)算齒頂高系數(shù)1.0或0.8齒頂高齒根高齒全高徑向間隙c變位系數(shù)齒頂圓直徑D分度圓弧齒厚說(shuō)明：基準(zhǔn)截面見(jiàn)圖5.6的截面AA，為齒扇寬度的中間位置處的截面。5.1.3轉(zhuǎn)向器計(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)算這些力是困難的，為此推薦足夠精確的半經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)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（N·mm），即 （5.8）式中f輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，一般取0.7 為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷（N） P為輪胎氣壓（MPa） 本設(shè)計(jì)中，輪胎氣壓為0.49MPa，轉(zhuǎn)向軸負(fù)載。代入式（5.8）得作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力為 （5.9）式中轉(zhuǎn)向搖臂長(zhǎng)轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng) 轉(zhuǎn)向盤直徑轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比轉(zhuǎn)向器正效率 本設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)向搖臂長(zhǎng)為200mm；轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)為200mm；轉(zhuǎn)向盤直徑根據(jù)車型不同，在380550mm的標(biāo)準(zhǔn)系列內(nèi)選取，查國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)可取為400mm；角傳動(dòng)比為17；循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副為滾動(dòng)摩擦，摩擦損失小，其正效率可達(dá)85%，這里取85%。代入式（5.9）得確定計(jì)算載荷后，即可計(jì)算轉(zhuǎn)向系零件的強(qiáng)度。5.1.4循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件強(qiáng)度計(jì)算 1）鋼球與滾道間的接觸應(yīng)力 （5.10）式中K系數(shù)，根據(jù)AB查表5.4求得，其中AB用下式計(jì)算： ， （5.11）鋼球半徑，見(jiàn)圖5.1；本設(shè)計(jì)為3.175mm螺桿與螺母滾道截面的圓弧半徑，見(jiàn)圖5.1；本設(shè)計(jì)為3.336mm螺桿外半徑；本設(shè)計(jì)為12.5mmE材料彈性模量，MPa；N每個(gè)鋼球與螺桿滾道之間的正壓力； （5.12）轉(zhuǎn)向盤圓周力；本設(shè)計(jì)為186.5NR轉(zhuǎn)向盤輪緣半徑；本設(shè)計(jì)為200mm螺桿螺線導(dǎo)程角；本設(shè)計(jì)為6.92°鋼球與滾道間的接觸角；本設(shè)計(jì)為45°參與工作的鋼球數(shù)；本設(shè)計(jì)為18個(gè)鋼球接觸點(diǎn)至螺桿中心線之距離。本設(shè)計(jì)為9.325由公式（5.12）可得由公式（5.11）可得A/B=0.046，查表5.4可得K為1.280mm.由公式（5.10）可得 表5.4 系數(shù)K與AB的關(guān)系 mmA/B1.000.900.800.700.600.500.400.30K0.3880.400.410.440.4680.4900.5360.600A/B0.200.150.100.050.020.010.007一一K0.7160.8000.9701.2801.8002.2713.202一一 當(dāng)鋼球與滾道的接觸表面的硬度為HRC5864時(shí)，許用接觸應(yīng)力可取為2500MPa。顯然，符合要求。 當(dāng)由式鋼球工作總?cè)?shù)1.5時(shí)，則應(yīng)采用圈數(shù)及鋼球數(shù)相同的兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)路，以使載荷能較均勻地分布于各鋼球并保持較高的傳動(dòng)效率。但鋼球總數(shù) (包括在鋼球?qū)Ч苤械?不應(yīng)超過(guò)60個(gè)。否則應(yīng)加大鋼球直徑并重新計(jì)算。 徑向間隙（見(jiàn)圖5.1）不應(yīng)大于0.020.03mm。亦可用下式計(jì)算： （5.13） 本設(shè)計(jì)取為0.02mm 軸向間隙可用下式計(jì)算： （5.14）式中 鋼球直徑由式（5.14）可得 2）齒的彎曲應(yīng)力 齒扇齒的彎曲應(yīng)力為 （5.15）式中 F作用在齒扇上的圓周力 h齒扇的齒高，本設(shè)計(jì)為8.8mm B齒扇的齒寬，本設(shè)計(jì)為25mm S基圓齒厚，本設(shè)計(jì)為6.3mm 作用在齒扇上的圓周力F （5.16） 式中 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力傳動(dòng)比，本設(shè)計(jì)為2 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，一般取0.850.9。本設(shè)計(jì)中取為0.9； 即轉(zhuǎn)向阻力矩，本設(shè)計(jì)中； 齒扇節(jié)圓半徑，本設(shè)計(jì)中=26。代入式（5.16）得再代入式（5.15）得許用彎曲應(yīng)力為，顯然，符合要求。 螺桿和螺母用鋼制造。表面滲碳。對(duì)于前軸負(fù)荷不大的汽車，滲碳層深度在。5.2整體式轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu) 在忽略側(cè)偏角影響的條件下，兩轉(zhuǎn)向前輪軸線的延長(zhǎng)線交在后軸延長(zhǎng)線上，如圖5.7所示。 設(shè)i、o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。 若要保證全部車輪繞一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心行駛，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 （5.17） 若自變角為o，則因變角i的期望值為 （5.18）圖5.7 理想的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系簡(jiǎn)圖 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5.7所示的后置梯形機(jī)構(gòu)為例，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（5.19）式中 m梯形臂長(zhǎng) 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 （5.20） 將式（5.18）、式（5.19）代人式（5.20）得 （5.21）式中 x設(shè)計(jì)變量， 外轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角，由圖5.7得 （5.22）式中，汽車最小轉(zhuǎn)彎直徑 主銷偏移距 考慮到多數(shù)使用工況下轉(zhuǎn)角小于20°，且10°以內(nèi)的小轉(zhuǎn)角使用得更加頻繁，因此取 （5.23） 建立約束條件時(shí)應(yīng)考慮到：設(shè)計(jì)變量m及過(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)的下限應(yīng)設(shè)置約束條件。因越大，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)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 （5.24） （5.25） （5.26） 梯形臂長(zhǎng)度m設(shè)計(jì)時(shí)常取在，。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(guò)小，通常取。如圖5.7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用虛線及余弦定理，可推出最小傳動(dòng)角約束條件為 （5.27）式中，為最小傳動(dòng)角。 已知，故由式(5.27)可知，為設(shè)計(jì)變量m及的函數(shù)。由式(5.24)、式(5.25)、式(5.26)和式(5.27)四項(xiàng)約束條件所形成的可行域，如圖5.8所示的幾種情況。圖5.8b適用于要求較大，而可小些的車型；圖5.8c適用于要求較大，而小些的車型；圖5.8a適用介于圖5.8b、c之間要求的車型。 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(wèn)題，是一個(gè)小型的約束非線性規(guī)劃問(wèn)題，可用復(fù)合形法來(lái)求解。 在本設(shè)計(jì)中，從總體設(shè)計(jì)中已知軸距，輪距，主銷偏移距。根據(jù)設(shè)計(jì)要求知最小轉(zhuǎn)彎直徑。圖5.8 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行域圖5.9 主銷內(nèi)傾角作用示意圖 一般主銷內(nèi)傾角，距離一般為（即為主銷偏移距，如5.9圖），本設(shè)計(jì)取為，所以兩主銷中心線延長(zhǎng)線到地面交點(diǎn)之間的距離K為由式（5.22）可得外轉(zhuǎn)向車輪最大轉(zhuǎn)角 前已述，設(shè)計(jì)時(shí)，梯形臂長(zhǎng)度常取在、；即。5.3基于Matlab的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)1、了解Matlab功能與操作了解Matlab的基本功能以及如何運(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)。首先打開(kāi)Matlab，界面如圖（圖5.5）所示。圖5.10 Matlab7.1界面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)行編寫所并保存為調(diào)用的.m文件如圖（圖5.10）所示。圖5.11 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?；蜥槍?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”。例如圖5.12為初始角為60°，圖5.13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)多次嘗試，可確定最適合的初始角區(qū)域?yàn)?6°到69°。圖5.12 臂長(zhǎng)m=190mm 梯形初始角=60°圖5.13 臂長(zhǎng)m=190mm 梯形初始角=85°圖5.14是一個(gè)擬合程度的直觀體現(xiàn)，輸入角度在00.25范圍內(nèi)的擬合程度很高，輸入角大于0.25之后與期望值有比較大的偏差，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)角比較大的情況下輪胎滑動(dòng)程度比較大。圖5.15的圖像表明，隨著輸入角的變化，輸出角與期望值的標(biāo)準(zhǔn)差發(fā)展比較平穩(wěn)，而且整體來(lái)說(shuō)數(shù)值比較小。是設(shè)計(jì)的較優(yōu)化解。 圖5.14 臂長(zhǎng)m=190mm 梯形初始角=60°圖5.15 臂長(zhǎng)m=190mm 梯形初始角=67°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180mm210mm范圍內(nèi)作以下表5.1比較