【正文】 面輸入、中間輸出方案時(shí)，其橫拉桿長度增長，車輪上、下跳動(dòng)時(shí)位桿擺角減小，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)干涉。 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。本設(shè)計(jì)的布置形式受汽車長度和軸距的限制，選擇圖（33a）的轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，后置梯形的布置形式。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。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(shí)，其軸交角均為θ=β1+β2。如圖45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)斜齒輪特性，又有 （47） （48） mn為小齒輪的法面模數(shù)，z為小輪的齒數(shù)。同時(shí)小齒輪的變位系數(shù)不能太大，否則會(huì)造成齒條齒頂平面與小齒輪齒根圓柱面的間隙過小，對(duì)潤滑不利，而且容易造成轉(zhuǎn)向器卡死的現(xiàn)象。 （416）力傳動(dòng)比： （417）式中：為注銷偏移距。故取齒輪：右旋，壓力角，及,。齒寬30/20/齒條齒部結(jié)構(gòu)尺寸見下表： 齒輪齒條基本參數(shù) 選擇齒輪齒條材料小齒輪：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。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度上所受的載荷進(jìn)行計(jì)算。即 （430） 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)及齒向載荷分配數(shù)，即 （431） 齒輪的受力分析在斜齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)中，作用于齒面上的法向載荷任垂直于齒面。各力方向如圖46所示。取失效概率為1%，安全系數(shù)=1，則可得: （439） （440）許用接觸應(yīng)力 （441）(2)計(jì)算1）試算齒輪分度圓直徑，由計(jì)算公式得 （442）2）計(jì)算載荷系數(shù)。齒輪的制造精度7級(jí)精度，齒間載荷分配系數(shù)= 。2） 查得齒形系數(shù)=，=3） 查得應(yīng)力校正系數(shù)=，=4） 查的齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=500MPa,齒條的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=380 MPa，取彎曲疲勞壽命系數(shù)。 齒條的受力分析駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的切力是轉(zhuǎn)向輕便性的另一個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)微車來說，有動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向力約為20—50N；無動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)為50—100N。各力的大小為： （447） （448） （449） （450）1）齒條受到的切向力： （451）T——作用在輸入軸上的扭矩 。具體型號(hào)如下。 FSAE汽車方向盤設(shè)計(jì)要求：，對(duì)駕駛員造成的傷害最小。（出于安全性的考慮）。通過比較我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于汽車，使用圓非圓盤，有力與提高汽車的操控性。本設(shè)計(jì)將會(huì)在方向盤上預(yù)留儀表與按鍵安裝孔。，轉(zhuǎn)向柱采用萬向節(jié)連接，運(yùn)用合理的布置，使其能沿節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生彎折在汽車發(fā)生正面碰撞時(shí)，便可防止轉(zhuǎn)向盤向駕駛室內(nèi)移動(dòng)，危及駕駛員安全。，位于兩萬向節(jié)之間的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸，由套管1和軸3組成。1—套管 2—塑料銷釘 3—軸 圖54轉(zhuǎn)向柱防傷潰縮裝置結(jié)構(gòu)示意圖對(duì)比上面三種結(jié)構(gòu)，三種都能很好的達(dá)到防傷的目的，但前兩種的轉(zhuǎn)向軸都會(huì)發(fā)生偏離轉(zhuǎn)向軸軸線方向的彎曲變形。在民用車上轉(zhuǎn)向管柱總成還包括如鑰匙、方向燈、遠(yuǎn)近光燈、雨刮等功能在內(nèi)，對(duì)于民用車而言，其轉(zhuǎn)向管柱的集成度是很高的。由于一般齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器與左右橫拉桿連接，而左右橫拉桿一般直接與轉(zhuǎn)向節(jié)臂通過球頭鏈接接。轉(zhuǎn)向節(jié)圓錐軸上裝有一對(duì)單列圓錐滾子軸承，使轉(zhuǎn)向節(jié)與前輪轂、前輪制動(dòng)器相連。圖55 轉(zhuǎn)向節(jié) 轉(zhuǎn)向橫拉桿與球頭銷轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的拉桿件應(yīng)選用剛性好、質(zhì)量小的30或35號(hào)鋼的無縫鋼管制造，其沿長度方向的外形可根據(jù)總布置的需要確定。球銷與襯墊均采用低碳合金鋼如12CrNi3A，18MnTi，或20CrN制造，工作表面經(jīng)滲碳淬火處理，～，表面硬度HRC 56～63。當(dāng)這些球頭銷依制造廠的規(guī)范擰緊時(shí)，在球頭銷上就作用了一個(gè)預(yù)載荷。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向梯形的主要任務(wù)之一是確定轉(zhuǎn)向梯型的最佳參數(shù)和進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。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。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。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。此時(shí)，兩轉(zhuǎn)向前輪軸線的延長線應(yīng)交在后軸延長線上，如圖62所示。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。且10176。梯形底角 =70176。=40176。 圖63 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行域 整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)通過優(yōu)化選擇正確轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)，能夠做到汽車轉(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，作無滑動(dòng)的純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。常用的有MATLAB程序優(yōu)化、excel比較優(yōu)化、計(jì)算機(jī)語言編程求解、還有一些專用優(yōu)化程序。計(jì)算機(jī)語言編程求解是臨時(shí)用高級(jí)語言如C語言、VB等編程，求出最優(yōu)解。圖64 程序啟動(dòng)界面 優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算：軸距：L=1650mm前輪距：B1=1250mm后輪距：B2=1200mm主銷偏移距：a=50mm轉(zhuǎn)向節(jié)臂：m=90mm計(jì)算可得底邊長：L2*a=1150mm由以上數(shù)據(jù)可知：底邊長：1340；兩腰長：90；前輪距：1250；軸距：1650。由式311，312可知最常用的轉(zhuǎn)角在30度以內(nèi)。以內(nèi)的小轉(zhuǎn)角使用得更加頻繁，因此?。簬氤绦蜉敵鰯?shù)據(jù)：結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，發(fā)現(xiàn)初選的數(shù)據(jù)有一定偏差，最后修改了轉(zhuǎn)向節(jié)節(jié)臂和拉桿的長度，對(duì)轉(zhuǎn)向器的安裝位置也做了調(diào)整，最終滿足了轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計(jì)要求。本次設(shè)計(jì)首先對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用，基本構(gòu)成和要求進(jìn)行了簡略的分析，同時(shí)對(duì)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，對(duì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)做簡單的介紹。設(shè)計(jì)中我也看到了自己的不足之處，特別是由于以前接觸到的只是純理論性的東西，實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足。感謝您對(duì)我的細(xì)心指導(dǎo)，使我學(xué)到了很多在以后工作中很有用的知識(shí)。同時(shí)向所有給過我?guī)椭娜酥乱陨钌畹闹x意。參考文獻(xiàn)[1] （第4版）[M].北京：[2] 濮良貴、（第7版）[M].北京：高等教育出版社2001[3] （上）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社2009[4] （下）[M].北京：[5] [M].北京：[6] [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社1992[7] [M].北京：[8] [M].北京：[9] (第3版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社2000[10] （第4版）[M].北京：[11] [M].人民交通出版社，2000[12] [M].[13] [M]. [14] （2013）致謝經(jīng)過近半個(gè)學(xué)期的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)在牛釗文老師的指導(dǎo)下得以順利完成，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。經(jīng)過這次畢業(yè)實(shí)際之后，我學(xué)會(huì)了怎樣把大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí)用運(yùn)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，也使我對(duì)以前所學(xué)的理論知識(shí)有了更深刻的理解和認(rèn)識(shí)。經(jīng)過這段時(shí)間的努力，終于完成了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)裝配圖如圖71。根據(jù)賽事主辦方對(duì)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求，同時(shí)參考同類汽車的轉(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)，且轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。再點(diǎn)擊“微進(jìn)”，這時(shí)仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)向梯形底邊與頂邊差為163左右時(shí)誤差最小，此時(shí)我們將該值附近的都帶入評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)優(yōu)劣函數(shù)圖65 運(yùn)行界面考慮到多數(shù)使用工況下轉(zhuǎn)角θo小于20176。點(diǎn)擊“開始、下一步”按鈕。本設(shè)計(jì)采用最后一種簡單的優(yōu)化方法，利用專門的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化軟件求解。利用該程序，用戶可以交互式輸入結(jié)構(gòu)基本參數(shù)即可獲得優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，并自動(dòng)繪制出實(shí)際輸出角和輸出角期望值隨輸入角的變化曲線，以便用戶分析、比較與選擇。 優(yōu)化方法介紹由上述數(shù)學(xué)模型可知，轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，是一個(gè)小型的約束非線性規(guī)劃問題，可用復(fù)合形法來求解，不過，由于需要大量的復(fù)雜計(jì)算，而且優(yōu)化值不能一步到達(dá)，所以很難用手工方法無法求得最優(yōu)解。由式（66）、式（67）、式（68）和式（69）四項(xiàng)約束條件所形成的可行域，如圖63所示的幾種情況。如圖62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。因γ越大，梯形越接近矩形，值就越大，而優(yōu)化過程是求的極小值，故可不必對(duì)γ的上限加以限制。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 （64）由以上可得： （65） 式中：x為設(shè)計(jì)變量，；為外轉(zhuǎn)向車輪最大轉(zhuǎn)角，由圖62得 （66） 式中，為汽車最小轉(zhuǎn)彎直徑；a為主銷偏移距。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： （61） 圖62 理想的內(nèi)、外車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系簡圖若自變角為，則因變角的期望值為: （62）現(xiàn)有轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)僅能近似滿足上式關(guān)系。此點(diǎn)位置與前輪和后輪的側(cè)偏角大小有關(guān)。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。其中梯形臂呈收縮狀向后延伸。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。轉(zhuǎn)向橫拉桿端部與外端用螺紋聯(lián)接（圖56）。球形鉸接的殼體則用鋼35或40制造。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。轉(zhuǎn)向節(jié)的轉(zhuǎn)向節(jié)臂上有球頭銷與橫拉桿相連以保證左右兩輪同步轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向節(jié)包括轉(zhuǎn)向節(jié)軸和轉(zhuǎn)向節(jié)臂。圖56 轉(zhuǎn)向管柱 轉(zhuǎn)向節(jié)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)車輪無滑動(dòng)地滾動(dòng)轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向軸結(jié)構(gòu)圖如55所示。此外，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸長度縮短，減小了轉(zhuǎn)向盤向駕駛員方向的移動(dòng)量。轉(zhuǎn)向柱分為兩段，上轉(zhuǎn)向柱的下端與下轉(zhuǎn)向柱上端通過兩個(gè)圓頭圓柱銷相連。圖52 方向盤三維圖 轉(zhuǎn)向軸設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向軸防傷安全機(jī)構(gòu)方案分析研究表明：汽車正面碰撞時(shí)，轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸是使駕駛員受傷的主要元件轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸等有關(guān)零件在撞擊時(shí)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，能防止或者減輕駕駛員受傷。由于方程式汽車特殊的結(jié)構(gòu)，其駕駛艙十分狹小，但突發(fā)情況來臨時(shí)，快拆方向盤保證了車手有較大的逃生空間。 結(jié)構(gòu)形式方向盤主要有兩種，一種是圓盤形式（如圖51a），民用車上常用，另一中非圓盤形式，如手柄、方形式等（如圖51b），主要在F1賽車、專用汽車等車輛上使用。，不易磨損，有良好的壽命。潤滑劑類型和密封件的選擇如下潤滑脂：石墨鈣基潤滑脂（ZBE3600288）中的ZGS潤滑脂。 因此 所以，齒條設(shè)計(jì)滿足抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。根據(jù)車型不同，轉(zhuǎn)向盤的直徑在380—550mm, 對(duì)于本設(shè)計(jì)來說，選用300mm規(guī)格的轉(zhuǎn)向盤，在本設(shè)計(jì)中，選取轉(zhuǎn)向器輸入端施加的扭矩 T =7617Nmm，齒輪傳動(dòng)一般均加以潤滑，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。 齒條的強(qiáng)度計(jì)算齒條齒形與齒輪的參數(shù)是一致的，受力情況也基本相同