【正文】 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 29 查得 MPaB 650?? ， MPa3001 ??? ， MPa1551 ??? ， , ?? ?? ?? aa 截面左側(cè) 33 mmWdW T ????? ? () 查得 , ?? ?? KK ；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=。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。 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]。 廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 32 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 圖 所示。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 )。 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)。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 兩主銷中心線延長線到地面交點(diǎn)之間的距離。?????????????????????????????????????mKmKmKmKmKi （ ）式中： m 為梯形臂長； γ 為梯形底角。因此，再引入加權(quán)因子廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 34 ）（ ???0 ，構(gòu)成評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的目標(biāo)函數(shù)為 )(xf %100)( )()()()( m a x1 ??????? ?? ?? oii oiioiiioiooixf ?? ???????? 。? ，應(yīng)盡可能接近理論上的期望值 i? 。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 i39。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)向問題。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)生干涉，所以在布置上有困難。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單， 汽車 前束 調(diào)整 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。 圖 本設(shè)計(jì)采用的是整體式的轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)。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 [3]。同時(shí)， 為了達(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。 11 /2 dTFt ? =2； ????? 12c o s/20t a 7 5 7c o s/t a n ?? ntr FF = ； ???? 7 5 7tan ?ta FF = (1) 畫軸的受力簡圖 圖 軸的受力簡圖 (2) 計(jì)算支承反力 在垂直面上 NlldFFlF arRAV 21112 ???????? () NFFF RAVrRBV 3 7 33 0 81 ????? () 在水平面上 廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 28 NFFF tRBHRAH 1 ???? (3) 畫彎矩圖 (見圖 ) 在水平面上， aa 剖面左側(cè)、右側(cè) mmNlFMM R A HaHaH ???????? () 在垂直面上， aa 剖面左側(cè) mmNlFM R A VaV ?????? 8 5 () aa 剖面右側(cè) mmNlFM R B VaV ??????? () 合成彎矩， aa 剖面左側(cè) mmNMMM aVaHa ?????? 8 9 0 8 5 8 6 0 5 2222 () aa 剖面右側(cè) mmNMMM aVaHa ????????? 2222 () (4) 畫轉(zhuǎn)矩圖（見圖 ） 轉(zhuǎn)矩 2/1 dFT t ?? =? () 顯然， aa 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。 廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 27 所以 σF ? ?F? 。 斜齒輪嚙合過程中，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)量直齒圓柱齒輪來計(jì)算其齒根應(yīng)力。 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。 載荷系數(shù) K 包括：使用系數(shù) AK ，動(dòng)載系數(shù) VK ，齒間載荷分配系數(shù) ?K 及齒向載荷分布數(shù) ?K ，即 廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 24 K= AK VK ?K ?K （ ） 使用系數(shù) AK 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) ]4[ ， AK =；動(dòng)載系數(shù) VK ，齒輪傳動(dòng)制造和裝配誤差是不可避免的，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)， VK =，齒間載荷系數(shù) ?K ，齒輪的制造精度 7 級(jí)精度， ?HK =。 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。又滿足了齒面接觸強(qiáng)度，符合本次設(shè)計(jì)的具體要求。各力的大小為： Ft= dT2 () Fr= 1cos??ntgFt? () Fx= 1?tgFt? () 廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 22 Fn = 1coscos ??nFt () 式中 1? ——齒輪軸分度圓螺旋角； n? ——法面壓力角。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，表面硬度 HRC50～ 56。 齒寬 b 1db d?? 32 22 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 所示。 據(jù)此， 初步選定齒輪和齒條齒頂高 系數(shù) * 1ah? ；頂隙系數(shù) * ? ；齒輪的變位系數(shù) ? 。 廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 18 方向盤上的 操縱載荷 力： NiD MF sw Rh ?????? ??? () 作用在轉(zhuǎn)向盤上的操縱載荷對(duì)轎車該力不應(yīng)超過 50~100N，對(duì)貨車不應(yīng)超過250N[3]。mm）。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 。本設(shè)計(jì)軸距為 L=2800 圖 轉(zhuǎn)角圖 可以得到外輪最大轉(zhuǎn)角 max? ? os6200 2800c ostan ??????? ??? BR L () 于是 得 轉(zhuǎn)向輪內(nèi)輪轉(zhuǎn)角 ? ? 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。 廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 15 圖 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 ]3[ ：轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，后置梯形，本設(shè)計(jì)也采用轉(zhuǎn)向器位于 前軸后方，后置梯形的布置方式。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。 本設(shè)計(jì)采用斜齒輪式方案 。 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，則運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)降低，沖擊大，工作噪聲增加。 但其結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省材料的同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)向精度較中間輸出形式高。 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的基本設(shè)計(jì) 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu) 選擇 輸入輸出形式選擇 廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13 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 31a）；側(cè)面輸入，兩端輸出（圖 31b）；側(cè)面輸入，中間輸出（圖 31c）；側(cè)面輸入，一端輸出（圖 31d） 圖 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。 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。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。其自動(dòng)回正能力強(qiáng)。 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。 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。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 ）。否則轉(zhuǎn)向過分敏感，使駕駛員精確控制轉(zhuǎn)向輪的運(yùn)動(dòng)有困難。 若轉(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。 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比 : kpkpkp dddtd dtdi ??????? ???? // （ ） 力傳動(dòng)比與轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比的關(guān)系 廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 轉(zhuǎn)向阻力 Fw 與轉(zhuǎn)向阻力矩 Mr的關(guān)系式： aMF rw? （ ） a 為主銷偏距。 傳動(dòng)比特性 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 0?i 和轉(zhuǎn)向系的力傳動(dòng)比 pi 。 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，則逆效率可用下式計(jì)算 廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 00tan )tan( aa ?? ??? （ ） 式（ ）和式（ ）表明：增加導(dǎo)程角 ? 0，正、逆效率均增大。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。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，又可以提高行駛安全性。 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%。 同一類型轉(zhuǎn)向器，因結(jié)構(gòu)不同效率也不一樣。 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]。 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。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。 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 在任何行使?fàn)顟B(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不應(yīng)產(chǎn)生擺振。應(yīng)從設(shè)計(jì)上保證各桿系的運(yùn)動(dòng)干涉足夠小。 轉(zhuǎn)向輪應(yīng)具有自動(dòng)回正能力。 一般來說，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求如下： 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。 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。采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)，還應(yīng)有轉(zhuǎn)向動(dòng)力系統(tǒng)。 廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 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 轉(zhuǎn)向系是用來保持或者改變汽車行使方向的機(jī)構(gòu)，一般轉(zhuǎn)向系組成如下圖 [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)向器 設(shè)計(jì) 部分：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。特別是西方國家實(shí)行石油禁運(yùn)以來，世界經(jīng)濟(jì)形勢(shì)受沖擊很大。 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)。