【正文】 競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配合使用；易于傳遞駕駛員操縱信號(hào)；逆效率高、回位好，與液壓助力裝置的動(dòng)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(dòng)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(jì)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(jiǎn)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)量比較小；傳動(dòng)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(dòng)小齒輪處的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧，能自動(dòng)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(shí)產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用體積??；制造成本低。 基于以上調(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(shì)和潮流。 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 本次設(shè)計(jì)的課題來源于長安汽車（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，以某款輕型汽車轉(zhuǎn)向器的參數(shù)作為依據(jù)，設(shè)計(jì)一款適用于本公司某輕型車的轉(zhuǎn)向器。根據(jù)該車型對(duì)于市場(chǎng)的定位及對(duì)制造成本的考慮，同時(shí)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(jì)為一款機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，對(duì)轉(zhuǎn)向系系統(tǒng)做簡(jiǎn)單分析，并進(jìn)行轉(zhuǎn)向器零件設(shè)計(jì)、工藝性及尺寸公差等級(jí)分析，同時(shí)按以下步驟對(duì)轉(zhuǎn)向器及零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)方案論證：第一步對(duì)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(shí)對(duì)總成中的零部件進(jìn)行力學(xué)分析和分析；第三步對(duì)分析中發(fā)現(xiàn)的不合理的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。2轉(zhuǎn)向系系統(tǒng)分析轉(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(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)。1方向盤； 2轉(zhuǎn)向上軸 ；3托架； 4萬向節(jié)； 5轉(zhuǎn)向下軸；6防塵罩 ；7轉(zhuǎn)向器 ；8轉(zhuǎn)向拉桿圖21 轉(zhuǎn)向系一般來說，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求如下：1） 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，則轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向靈敏度降低；角傳動(dòng)比減小，則轉(zhuǎn)向沉重，轉(zhuǎn)向靈敏度提高。轉(zhuǎn)向角傳動(dòng)比不宜低于1516；也不宜過大，通常以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)圈數(shù)不宜大于4圈，對(duì)轎車來說，有動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向力約為20—50；無動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)為50—100N。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(shí)，必須盡量減小其運(yùn)動(dòng)干涉。應(yīng)從設(shè)計(jì)上保證各桿系的運(yùn)動(dòng)干涉足夠小。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避免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。機(jī)動(dòng)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(dòng)圈數(shù)來體現(xiàn)，主要由轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)比來決定。操縱的輕便性也由轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)比決定，但其與轉(zhuǎn)向靈敏性是一對(duì)矛盾，轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)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(dòng)比的轉(zhuǎn)向器，或者采用動(dòng)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(shí)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(jì)轉(zhuǎn)向梯形來保證的。對(duì)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(duì)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(shí)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(huì)增加轉(zhuǎn)向沉重感，太小則會(huì)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(huì)使回正能力提高，但是會(huì)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(dòng)機(jī)構(gòu)與懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干涉。 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體性能轉(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—。，因此其半徑在5—，并盡量取小值以保證良好的機(jī)動(dòng)性， 。據(jù)此，按汽車設(shè)計(jì)[1]： (21) ——轉(zhuǎn)向輪外輪轉(zhuǎn)角a ——主銷偏移距，該值一般取10—30mm, 設(shè)計(jì)取20mm L ——汽車軸距圖26可以得到外輪最大轉(zhuǎn)角： 根據(jù)參考車?yán)碚撧D(zhuǎn)角查得對(duì)應(yīng)的最大內(nèi)輪轉(zhuǎn)角，其綜合轉(zhuǎn)角為。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（Nmm）。 輪胎上的原地轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力矩由經(jīng)驗(yàn)公式得[1]： MR= (22)式中，f—輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因素，； G1—為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷（N）；取前軸滿載720Kg p—為輪胎氣壓（MPa）。所以 MR = 277 Nm為了保證轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(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(shí)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(duì)操縱穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在前輪擺振上，設(shè)計(jì)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。本次設(shè)計(jì)的車型為前置后驅(qū)，前橋懸架為麥弗遜式獨(dú)立懸架，且根據(jù)整車設(shè)計(jì)、前臂板和和轉(zhuǎn)向輪在車身縱向的相對(duì)位置等關(guān)系，確定該輕型車采用前置斷開式轉(zhuǎn)向梯形，轉(zhuǎn)向器采用齒輪齒條轉(zhuǎn)向器。此車的轉(zhuǎn)向系的空間位置是根據(jù)參照車的掃描數(shù)據(jù)及測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行布置的，圖22所示的為本次設(shè)計(jì)車的轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向器小齒輪、轉(zhuǎn)向器齒條以及拉桿的軸線在車身坐標(biāo)下的空間位置，此時(shí)的車輪轉(zhuǎn)角為零，轉(zhuǎn)向上軸處于上極限位置。圖22轉(zhuǎn)向梯形兩斷開點(diǎn)（即轉(zhuǎn)向橫拉桿的球頭中心）的坐標(biāo)為（，145，75）與（，145，75），由此可以根據(jù)橫拉桿球頭座與齒條的配合形式得到齒條的長度。拉桿端接頭球頭中心的坐標(biāo)為（，）與（，），據(jù)此又可以得到此時(shí)的轉(zhuǎn)向拉桿兩球頭的間距。將圖22進(jìn)行水平投影，如圖43此時(shí)轉(zhuǎn)向器齒條處于中間位置。圖中點(diǎn)畫線表示假想的前軸軸線，綠色的線表示轉(zhuǎn)向器與拉桿，紅色的線表示假想的主銷軸（此處的主銷軸是指車輪轉(zhuǎn)向時(shí)所圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)的衡擺臂球頭中心與前支柱上安裝點(diǎn)的連線。）轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向拉桿端接頭球頭在一個(gè)垂直于主銷軸的平面上作圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)中心為此平面于主銷軸的交點(diǎn)，拉桿球頭中心與此圓心的連線就是實(shí)際的轉(zhuǎn)向梯形臂。圖中白色的圓即為拉桿端接頭中心的運(yùn)動(dòng)軌跡圖23將齒條的軸線左移到極限位置（此時(shí)汽車做右轉(zhuǎn)彎），以齒條與拉桿的鉸接中心為圓心、拉桿兩球頭間距為半徑做一球面，球面與拉桿端接頭球頭運(yùn)動(dòng)軌跡在原始位置左面的交點(diǎn)即為此時(shí)拉桿球頭中心的位置，如圖23中的紅線。此時(shí)的端接頭球頭中心與軌跡圓圓心的連線與初始位置時(shí)連線間的夾角即為轉(zhuǎn)向輪的內(nèi)外轉(zhuǎn)角，分別為37176。，176。將齒條的軸線右移到極限位置（如圖中前藍(lán)色的線），做相同的校核，得到相同的結(jié)果。這與實(shí)測(cè)的參照車內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角（176。，176。）十分的接近。