【正文】 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)汽車前軸的載荷來確定出齒扇模數(shù)，再由此設(shè)計(jì)出所有參數(shù)的。為輕型汽車轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了一種步驟簡單的設(shè)計(jì)方法。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) 來減輕駕駛員的手力。特別是在車輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天 , 針對(duì)更多不同水平的駕駛?cè)巳?, 汽車的操縱設(shè)計(jì)顯得尤為重要。 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 1953 年通用汽車公司首次使用了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) , 此后該技術(shù)迅速發(fā)展 , 使得動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在體積、功率消耗和價(jià)格等方面都取得了很大的進(jìn)步。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使駕駛室變得寬敞 , 布置更方便 , 降低了轉(zhuǎn) 向操縱力 , 也使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更為靈敏。此后 , 電動(dòng)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。新一代的 EPS 則不僅在低速和停車時(shí)提供助力 , 而且還能在高速時(shí)提高汽車的操縱穩(wěn)定性。路感電機(jī)安裝在轉(zhuǎn)向柱上 , 控制器根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向工況控制路感電機(jī)產(chǎn)生合適的轉(zhuǎn)矩 , 向駕駛員提供模擬路面信息。所以線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)目前處于研究階段 , 只配備在一些概念汽車上，并不能得到廣泛應(yīng)用。目前 , 傳感器的成本是制約電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)迅速市場化的主要因素 , 因此 , 設(shè)計(jì)和開發(fā)適合電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的性價(jià)比較高的傳感器是未來技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。 （ 3） 助力電機(jī)的研究 助力電機(jī)是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行元件 ,助力電機(jī)的特性直接影響到控制的難易程度和駕駛員的手感。 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 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)；四是梯形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 (3)汽車轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。? 決定，即： 39。 ?? 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。同一類型的轉(zhuǎn)向器，因結(jié)構(gòu)不同，效率也有 較大差別。 (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。它能保證汽車轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤自動(dòng)回正。齒輪齒條式和循環(huán)球式都屬于可逆式轉(zhuǎn)向器。因此，現(xiàn)代汽車基本不采用這種轉(zhuǎn)向器。 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： 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 00tan( )tan??? ?? ?? （ ） 式（ ）和（ ）表明：增加導(dǎo)程角，逆效率也增大。～ 10176。 轉(zhuǎn)向盤角速 度 Ww 與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度 kw 之比，稱為轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比 0wi ，即 0 /Ww k k kw d dt di w d dt d????? ? ? （ ） 式中， d? 為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角增量； kd? 為轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角增量； dt 為時(shí)間增量。 此定義適用于除齒輪齒條式之外的轉(zhuǎn)向器。 作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力 hF 可用下式表示： 2 hhsMF D?? （ ） 式中， hM 為作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩； sD? 為轉(zhuǎn)向盤直徑。根據(jù)車形不同，轉(zhuǎn)向盤直徑 sD? 在 380 ~ 550mm的標(biāo)準(zhǔn)系列內(nèi) 選取。i? 近似為 1，則： 0 pdiid?? ???? （ ） 由此可見，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。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，汽車轉(zhuǎn)向靈敏性降低，所以“輕”和“靈”構(gòu)成了一對(duì)矛盾。因結(jié)構(gòu)原因，螺距 P 不能 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 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。 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。 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。 圖 所示為紅旗 CA7220 型轎車的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。如圖 ，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。包括我國在內(nèi)的大多數(shù)國家規(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)。 發(fā)動(dòng)機(jī)排量在 以上的乘用車，由與對(duì)其操縱輕便性的要求越來越高，采用或者可供選裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的逐漸增多。 在正常情況下，汽車轉(zhuǎn)向所需能量，只有一小部分由駕駛員提供，而大部分是由發(fā)動(dòng)機(jī)通過動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝 置提供的。故這種汽車的動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置應(yīng)當(dāng)特別穩(wěn)定可靠。當(dāng)駕駛員逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，轉(zhuǎn)向搖臂帶動(dòng)轉(zhuǎn)向直拉桿前移，直拉桿的力作用于轉(zhuǎn)向節(jié)臂，并依次傳到梯形臂和轉(zhuǎn)向橫拉桿，使之右移。 隨著轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷的增加，為轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的力增加得也越多。 本章 小結(jié) 本章主要對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。 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。 齒輪齒條式式轉(zhuǎn)向器最主要的缺點(diǎn)是：因逆效率高（ 60%~ 70%），汽車在不平路面上行駛時(shí)，發(fā)生在轉(zhuǎn)向輪與路面之間沖擊力的大部分能轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)向盤，稱之為反沖。 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 。 蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器 蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器由蝸桿和滾輪嚙合而構(gòu)成。 蝸桿指銷式 轉(zhuǎn)向器 蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的銷子若不能自轉(zhuǎn)，稱為固定銷式蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器；銷子除隨同搖臂軸轉(zhuǎn)動(dòng)外，還能繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的，稱為旋轉(zhuǎn)銷式轉(zhuǎn)向器。旋轉(zhuǎn)銷式轉(zhuǎn)向器的效率高，磨損慢，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 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。 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。 與獨(dú)立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 當(dāng)轉(zhuǎn)向輪采用獨(dú)立懸架時(shí)，為了滿足轉(zhuǎn)向輪獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的需要，轉(zhuǎn)向橋是斷開式的，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)向梯形也必須斷開。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。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整前束容易，制造成本低；主要缺點(diǎn)是一側(cè)轉(zhuǎn)向輪上、下跳動(dòng)時(shí)，會(huì)影響另一側(cè)轉(zhuǎn)向輪。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。與整體式轉(zhuǎn)向梯形比較，由于其桿系、球頭增多，所以結(jié)構(gòu)復(fù)雜；制造成本高；并且調(diào)整前束比較困難。 S 點(diǎn)為轉(zhuǎn)向節(jié)臂球銷中心在懸架桿 件 (雙橫臂 )所在平面上的投影。 4)作直線 BSPQ ，使直線 ABPQ 與 BSPQ 間夾角等于直線 APK 與 PS 間的夾角。此外，還要對(duì)車輪向左轉(zhuǎn)和向右 轉(zhuǎn)的幾種不同的工況進(jìn)行校核。 圖 斷開點(diǎn)的確定 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。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)搖臂軸來進(jìn)行調(diào)整。螺桿外徑 D1，螺母內(nèi)徑 D2 及鋼球直徑 d 對(duì)確定鋼球中 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 表 循 環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要參數(shù) 齒扇模數(shù)/mm 搖臂軸直徑 /mm 22 26 30 32 32/35 38/40 42/45 鋼球中心距 /mm 20 23/25 25 28 60/32 35 40 螺桿外徑/mm 20 23/25 25 28 29 34 38 鋼球直徑/mm 56 螺距 /mm 38 工作圈數(shù) 環(huán)流行數(shù) 2 螺母長度/mm 41 45/52 46/47 58 56/59/ 62 72/78 80/82 齒扇齒數(shù) 3/5 5 齒扇整圓齒數(shù) 12/13 13 13/14/15 齒扇壓力角 22176。 30′ 7176。 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。 （ 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)螺桿和螺母傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向器的尺寸也隨之增加。經(jīng)驗(yàn)表明，每個(gè)環(huán)路中的鋼球數(shù)以不超過 60 為好。 本設(shè)計(jì)中鋼球直徑 d=，工作圈數(shù) W=，由公式（ ）可得鋼球數(shù) n 為18。螺桿滾道應(yīng)倒角，用來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) ? 取為 45176。螺距 P 一般在 8~ 11mm 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 內(nèi)選取。 （ 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。 （ 7） 導(dǎo)管內(nèi)徑 1d 容納鋼球而且鋼球在其內(nèi)部流動(dòng)的導(dǎo)管內(nèi)徑 edd1 ?? ,式中， e 為鋼球直徑 d 與導(dǎo)管內(nèi)徑之間的間隙。 本設(shè)計(jì)選取 e 為 ，所以導(dǎo)管內(nèi)徑為 。 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。圖 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。 當(dāng) ? ， wr 確定后，根據(jù)上式可繪制如圖 所示的線圖，用于選擇適當(dāng)?shù)?n值，以便使齒條、齒扇傳動(dòng)副兩端齒嚙合時(shí)，齒側(cè)間隙 s? 能夠適應(yīng)消除中間齒最大磨損量所形成的間隙的需要。其齒形外觀與普通的直齒圓錐齒輪相似。 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 圖 變厚齒扇的截面 變厚齒扇齒形的計(jì)算，如圖 所示，一般將中間剖面 AA 規(guī)定為基準(zhǔn)剖面。常見的有 6176。 前已述，模數(shù) m為 ；法向壓力角 0? ，一般在 20176。30′；齒頂高系數(shù) 1? ，一般取 或 ，這里取 ；徑向間隙系數(shù)，取 ；整圓齒數(shù) z，在 12~15 之間取，取為 13；齒扇寬度 B，一般在22~ 38mm，取為 25mm。 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。 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 RM （ N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。 法向壓力角 ?? 切削角 6 3039。之間，根據(jù)表 ，選為 27176。30′兩種。若 OO 剖面距 AA 剖面的距離為 0a ，則其值為 01/ tanam?? ? （ ） 式中， 1? —— 在截面 A－ A 處的原始齒形變位系數(shù)； m—— 模數(shù)； ? —— 切削角。這樣即可得到變厚齒扇。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 ～ 。為此 1?可在齒扇的切齒過程中使毛坯繞工藝中心 1? 轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖 所示， 1? 相對(duì)于搖臂軸的中心 ? 有距離為的 n 偏心。調(diào)整后，要求轉(zhuǎn)向盤能圓滑地從中間位置轉(zhuǎn)到兩端，而無卡住現(xiàn)象。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。推薦 ~ mm? 。工作鋼球圈數(shù)有 和 圈兩種。 在已知螺旋線導(dǎo)程角 0? 和螺距 t 的情況下，鋼球中心距 D 也可由下式求得： 0tanPD ??? （ ） 式中 P — 螺桿與螺母滾道的螺距； 0? — 螺線導(dǎo)程角。 與此同時(shí)，齒扇節(jié)圓轉(zhuǎn)過的弧長等于 s，相應(yīng)搖臂轉(zhuǎn)過 P? 角，期間關(guān)系為 Psr?? （ ） 式中， r 為齒扇節(jié)圓半徑。