【正文】 所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向梯形給出的實(shí)際因變角 i39。此點(diǎn)位置與前輪和后輪的側(cè)偏角大小有關(guān)。其中梯形臂呈收縮狀向后延伸。無(wú)論采用哪一種方案，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)。 4. 3 齒輪軸強(qiáng)度校核 若略去齒面間的摩擦力， 則作用于節(jié)點(diǎn) P 的法向力 Fn 可分解為徑向力 Fr和分力 F，分力 F 又可分解為圓周力 Ft 和軸向力 Fa。因此，齒根彎曲強(qiáng)度也應(yīng)按載荷作用于單對(duì)齒嚙合區(qū)最高點(diǎn)來(lái)計(jì)算 [10]。即 Pca=KP=K LFn （ ） 式中 K——載荷系數(shù) 。 齒部彎曲安全系數(shù) S = b? / 01F? = （ ） 因此，齒條設(shè)計(jì)滿足彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。 廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20 圖 齒輪軸結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)向器材料及其他零件選擇 齒輪齒條材料選擇 小齒輪：齒輪通常選用國(guó)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。對(duì)于齒輪齒條轉(zhuǎn)向器中齒輪齒條結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，齒輪一般都采用斜齒輪，對(duì)于變位齒輪，為了避免齒頂過(guò)薄，而又能滿足齒輪嚙合的要求，一般齒輪的齒頂高系數(shù)取偏小值。通常用以下的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)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（ N 據(jù)此， 由圖 得 轉(zhuǎn)向輪外輪最大轉(zhuǎn)角 )/(a r c s in m inm a x aRL ??? () 式中 a 為 主銷偏移距，通常乘用車的 a 值 在 — 倍輪胎的胎面寬度尺寸范圍內(nèi)選取，而貨車 a 值在 40mm—60mm 范圍內(nèi)選取 [4]，本設(shè)計(jì)為中型 轎 車，選取主銷偏距為 100mm L 為 汽車軸距 。 V 形和 Y 形斷面齒條與圓形斷面比較，消耗的材料少，約節(jié)省 20% ]1[ ，故質(zhì)量??；位于齒下面的兩斜面與齒條托座接觸，可用來(lái)防止齒條繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)； Y 形斷面齒條的齒寬可以做得寬些，因而強(qiáng)度得到增加。 本設(shè)計(jì)采用的是側(cè)面輸入 兩端輸出式齒輪齒條轉(zhuǎn)向器 方案。故本設(shè)計(jì) 選用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。第二級(jí)是齒條齒扇傳動(dòng)副或滑塊曲柄銷傳動(dòng)副。 廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12 3 機(jī)械式轉(zhuǎn)向器總體方案 初步 設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向器的分類 及設(shè)計(jì)選擇 轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系中的重要部分，其主要作用有三個(gè)方面：一是增大來(lái)自轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩，使之達(dá)到足以克服轉(zhuǎn)向輪與地面之間的轉(zhuǎn)向阻力矩；二是減低轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，并帶動(dòng)搖臂軸移動(dòng)使其達(dá)到所需要的位置；三是使轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向協(xié)調(diào)一致。 圖 轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比變化特性曲線 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)副之間的間隙。影響選取角傳動(dòng)比變化規(guī)律的主要因素是轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷大小和對(duì)汽車機(jī)動(dòng)能力的要求。為此，導(dǎo)程角必須大于磨擦角。 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。另外兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向器效率分別為 70%和 75%[3]。但為了減小傳至轉(zhuǎn)向盤上的路面沖擊力，防止打手，又要求此逆效率盡可能低。 合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向梯形。 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。因此，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能直接影響著汽車的操縱穩(wěn)定性和安全性。有時(shí)為了布置方便，減小由于裝配位置誤差及部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的附加載荷，提高汽車正面碰撞的安全性以及便于拆裝，在 轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向器的輸入端之間安裝轉(zhuǎn)向萬(wàn)向節(jié)，采用柔性萬(wàn)向節(jié)可減少傳至轉(zhuǎn)向軸上的振動(dòng)，但柔性萬(wàn)向節(jié)如果過(guò)軟，則會(huì)影響轉(zhuǎn)向系的剛度。 研究?jī)?nèi)容 及論文構(gòu)成 本課題主要研究機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能及構(gòu)成，主要從轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向器部分和廣東工業(yè)大學(xué) 汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)部分作分析研究。 在小客車上發(fā)展轉(zhuǎn)向器的觀點(diǎn)各異，美國(guó)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(guò) 90%；西歐則重點(diǎn)發(fā)展齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，比率超過(guò) 50%，法國(guó)已高達(dá) 95%[1]。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器一直在穩(wěn)步發(fā)展 [1]。 1983 年 ， 在液壓助力系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā) 展 起來(lái)的 ， 日本 Koyo 公司推出了具備車 速感應(yīng)功能的電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ EHPS）。機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作過(guò)程為：駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤施加的轉(zhuǎn)向力矩通過(guò)轉(zhuǎn)向軸輸入轉(zhuǎn)向器，減速傳動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)向器中有 2 級(jí)減速傳動(dòng)副，經(jīng)轉(zhuǎn)向器放大后的力矩和減速后的運(yùn)動(dòng)傳到轉(zhuǎn)向橫拉桿，再傳給固定于轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向節(jié)臂，使轉(zhuǎn)向節(jié)和它所支承的轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。最后 設(shè)計(jì)中運(yùn)用 AutoCAD 和 CATIA 作出齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的零件圖以及裝配圖。 在轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面。 圖 11 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為兩大類：機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 20 世紀(jì) 50 年代 ， 美國(guó) GM 公司率先在 轎車上采用了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)也有很大變化。 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó)的轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)，除早期投產(chǎn)的解放牌汽車用蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器，東風(fēng)汽車用蝸桿肖式轉(zhuǎn)向器之外，其它大部分車型都采用循環(huán)球式結(jié)構(gòu)，并都具有一定的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。特別是西方國(guó)家實(shí)行石油禁運(yùn)以來(lái)，世界經(jīng)濟(jì)形勢(shì)受沖擊很大。 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(lái)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。 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。 轉(zhuǎn)向輪應(yīng)具有自動(dòng)回正能力。 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。 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。 同一類型轉(zhuǎn)向器，因結(jié)構(gòu)不同效率也不一樣。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。 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。 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。否則轉(zhuǎn)向過(guò)分敏感，使駕駛員精確控制轉(zhuǎn)向輪的運(yùn)動(dòng)有困難。 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。其自動(dòng)回正能力強(qiáng)。 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(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。 但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。 本設(shè)計(jì)采用斜齒輪式方案 。 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。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 。 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(guò) 50~100N，對(duì)貨車不應(yīng)超過(guò)250N[3]。 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。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。 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。 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。 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? 。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。 圖 本設(shè)計(jì)采用的是整體式的轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)。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。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 ?? ???????? 。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(zhǎng)線到地面交點(diǎn)之間的距離。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 )。 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]。 aa 截面左側(cè) 333 mmdW ???? ?? () ? ? ][ )( 2222 ??? ??????? MP aMP aW TMe () 廣東工業(yè)大學(xué) 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=。 校核齒根彎曲強(qiáng)度 σF = antbmKF? ?YYY SaFa () 求得 σF = ????? ? = MPa 彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù) minFS ， minFS =； 彎曲疲勞許用應(yīng)力 為 ? ?minFFEFNF SK ?? ? () FNK ——彎曲疲勞壽命系數(shù)， FNK = 。 齒輪與齒條的傳動(dòng)比 u , u 趨近于無(wú)窮 11??uu （ ） 所以 H? = MPa 小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限 1limH? = 1000 MPa， 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N = 2? 105 ， 所以 HNK = 。 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(zhǎng) 度上所受的載荷進(jìn)行計(jì)算。 密封件： 旋轉(zhuǎn)軸唇形密封 圈 FB 16 30 GB 13871—1992 ]2[ 廣東工業(yè)大學(xué)