【正文】 當(dāng)左旋小齒輪與右傾齒條相嚙合且齒輪螺旋角 與齒條傾斜角 相等時(shí)，則軸交角蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明 書(shū) 24 θ = 度，如圖 6－ 3a 所示；若 時(shí)，則 θ = ? ，如圖 6－ 3b 所示；若 ，則θ = ? 為負(fù)值，表示在齒條軸線的另一側(cè)，如圖 6－ 3c所示；當(dāng)左旋小齒輪與左傾齒條或右旋小齒輪與右傾齒條相嚙合時(shí)，則不管這些角度的大小如何，其軸交角均為θ = + ，如圖 6－ 3d 所示。應(yīng)根據(jù)整車(chē)布置的需要并考慮轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)比及效率等來(lái)選擇這些角度的大小和方向。 6. 1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器小齒輪計(jì)算 今取轉(zhuǎn)向器小齒輪齒數(shù) ＝ 8；齒輪模數(shù) ＝ 3；斜齒輪螺旋角 = ，材料為20MnCr，滲碳淬火處理，斜齒輪。則齒輪的其他參數(shù)可確定： = . （ 61） r = = . （ 62） h= + 式中 為齒頂高系數(shù)， 為頂隙系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)齒輪的 = ， = . ，所以，齒輪的齒高為： h＝ 3（ 2 1＋ ）＝ （ 63） 齒寬度 b= 式中， 為齒輪的齒寬系數(shù)，查得 = 。所以： b= = . （ 64） 6. 2 齒條計(jì)算 根據(jù)斜齒齒輪正確嚙合條件，齒條的模數(shù)和壓力角與齒輪的法面模數(shù)和壓力角分別相等，即 = ， 、 也相等。取 ? = 。而根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向盤(pán)的最大轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為 3圈，即小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng) 3圈。由小齒輪的齒數(shù)為 8得齒條的最小齒數(shù)為： Z2＝ 3 Z1＝ 3 8＝ 24 （ 65） h= + = . = 齒條材料采用 45 號(hào)鋼，高頻淬火。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器中，齒條的運(yùn)動(dòng)為橫向直線運(yùn)動(dòng)。為此，齒條用一根直徑為 40mm 的圓柱形鋼材料加工而成。 6. 3 轉(zhuǎn)向器殼體 采用鋁合金鑄造而成，內(nèi)、外徑分別為 40mm、 60mm，長(zhǎng)度視具體情況而定。 蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明 書(shū) 25 圖 6－ 3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副的布置方案 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比： = θ = . （ 66） 式中： —— 梯形臂長(zhǎng)度， mm；齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器與懸架匹配時(shí)，轉(zhuǎn)向梯形臂就是轉(zhuǎn)向節(jié)臂，取 ＝ 200mm。 r —— 主動(dòng)小齒輪的節(jié)圓半徑， r＝ ； θ —— 齒輪與齒條的軸交角，見(jiàn)圖 6－ 3a，θ＝ 0。 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的正效率 可達(dá) 70％～ 80％。 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主動(dòng)小齒輪可采用低碳合金鋼如 20MnCr 20MnCr4 或 15CrNi6制造并經(jīng)滲碳淬火；齒條可采用中碳鋼或中碳合金鋼如 45 號(hào)鋼或 41Cr4 鋼制造并經(jīng)高頻淬火，表面硬度均應(yīng)在 HRC56 以上。殼體常用鋁合金壓鑄。 6. 4 齒輪的強(qiáng)度校核 齒輪齒條傳動(dòng)是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的關(guān)鍵部分，其失效會(huì)導(dǎo)致整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無(wú)法正常工作甚至是無(wú)法工作，所以，設(shè)計(jì)是必須保證齒輪齒條傳動(dòng)的強(qiáng)度要求。 疲勞強(qiáng)度校核 首先計(jì)算齒輪齒面的接觸許用強(qiáng)度應(yīng)力值： = (67) 查有關(guān)設(shè)計(jì)資料得： ＝ 1300MPa； = . = . 蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明 書(shū) 26 所以： = = . . = 其次，計(jì)算齒輪傳動(dòng)的實(shí)際接觸強(qiáng)度應(yīng)力值： = √ (68) 查有關(guān)設(shè)計(jì)資料得： = = = = = = =1 = . K= = . (69) 而： 轉(zhuǎn)矩 = = = ； (610) 齒寬 b＝ ； 分度圓直徑 ＝ ； 傳動(dòng)比 u＝ 1； 所以： = √ (611) = 彎曲疲勞強(qiáng)度校核 首先計(jì)算輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力值： = (612) 查有關(guān)設(shè)計(jì)資料得： ＝ 620MPa； =1,5 =1 = 所以： = = . M 其次，計(jì)算輪齒的實(shí)際承受彎曲應(yīng)力值： = (613) 查有關(guān)設(shè)計(jì)資料得： = = 蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明 書(shū) 27 = = 而： 螺旋角 =1 齒寬系數(shù) =1 齒數(shù) =8 嚙合重合度 =0。 76 所以得齒輪輪齒實(shí)際彎曲應(yīng)力為： = =103Mpa 6. 5 齒條強(qiáng)度校核 齒條齒行與齒輪一樣，只是其材料有所區(qū)別，其與齒輪嚙合傳動(dòng)的時(shí)候，實(shí)際承受彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度是一樣的，不同的只是因?yàn)椴牧喜煌鸬脑S用彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力的不同，因此，齒條的校核只需計(jì)算齒條齒的許用彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力。 = (614) 查有關(guān)設(shè)計(jì)資料得： =1100MPa； ＝ 550MPa； = = =1 = = 所以，齒條齒的許用強(qiáng)度值為： = = . . =1300Mpa； = = . . 750Mpa 均符合強(qiáng)度要求。 蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明 書(shū) 28 7 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是由轉(zhuǎn)向器至左、右轉(zhuǎn)向車(chē)輪之間用來(lái)傳遞動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)向桿、臂系統(tǒng)，其任務(wù)是將轉(zhuǎn)向器輸出端的轉(zhuǎn)向搖臂的擺動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽?、右轉(zhuǎn)向車(chē)輪繞其轉(zhuǎn)向主銷(xiāo)的偏轉(zhuǎn)，并使他們偏轉(zhuǎn)到繞同一瞬間時(shí)轉(zhuǎn)向中心的不同軌跡圓上，實(shí)現(xiàn)車(chē)輪無(wú)滑動(dòng)地滾動(dòng)轉(zhuǎn)向。為了使左、右轉(zhuǎn)向車(chē)輪偏轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系能滿足這一汽車(chē)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求，則要求轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的精確設(shè)計(jì)來(lái)保證。采用最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法優(yōu)選轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)參數(shù)則可得到最佳設(shè)計(jì)效果。最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法包括：汽車(chē)轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)、汽車(chē)雙梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、汽車(chē)雙橋轉(zhuǎn)向搖臂機(jī)構(gòu)和具有獨(dú)立懸架汽車(chē)的雙 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。 典型轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖如圖 5－ 2 所示，這是用于獨(dú)立懸架汽車(chē)的轉(zhuǎn)向系。轎車(chē)一般都選用獨(dú)立懸架系統(tǒng)。 采用獨(dú)立懸架時(shí)，如圖 5－ 2 所示，轉(zhuǎn)向橫拉桿要做成分段式的，由中段的橫拉桿和兩側(cè)的邊桿用球頭鉸接組合而成。當(dāng)汽車(chē)直行時(shí)擺桿 7 與轉(zhuǎn)向搖臂 1 應(yīng)對(duì)稱地位于中段橫拉桿的左右兩側(cè)并與之垂直地鉸接，且在懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)橫臂的縱向擺軸線上，以避免汽車(chē)垂向振動(dòng)引起轉(zhuǎn)向車(chē)輪的擺振并使汽車(chē)具有良好的直線行駛性能。根據(jù)轉(zhuǎn)向器以及分段式轉(zhuǎn)向桿系相對(duì)于車(chē)輪軸線的布置位置不同，又可有不同的布置方案，如圖 5－ 2 及圖 7－ 1 所示。與 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器匹配的轉(zhuǎn)向桿系結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，如圖 6－ 1及圖 7－ 2所示。 圖 7－ 1 獨(dú)立懸架的分段式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的布置 蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明 書(shū) 29 圖 7－ 2 與齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器匹配的轉(zhuǎn)向桿系布置方案 轎車(chē)一般都采用獨(dú)立懸架，微型轎車(chē)也不例外。本設(shè)計(jì)是微型轎車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程中力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，生產(chǎn)成本低。今采用如圖 7－ 2b所示的與齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器匹配的轉(zhuǎn)向桿系布置方案。圖示的桿臂系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向節(jié)臂與橫拉桿兩者組成，架構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝容易，誤差小。 轉(zhuǎn)向節(jié)臂的設(shè)計(jì) 如圖 7－ 2b 的桿系中，轉(zhuǎn)向梯形臂簡(jiǎn)化為一轉(zhuǎn)向節(jié)臂。轉(zhuǎn)向節(jié)臂用來(lái)保證汽車(chē)轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)汽車(chē)的車(chē)輪均能繞同一瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心在不同半徑的圓周上做無(wú)滑動(dòng)的純滾動(dòng)。為此，轉(zhuǎn)向節(jié)臂保證內(nèi)、外轉(zhuǎn)向車(chē)輪的理想轉(zhuǎn)角關(guān)系如式 5－ 1 所示。因此，在設(shè)計(jì)中首先是要確定轉(zhuǎn)向擊斃的幾何尺寸參數(shù)，其次是進(jìn)行零件的強(qiáng)度計(jì)算。 tθ ? tθ = D ? DBD = L (71) 轉(zhuǎn)向節(jié)臂由中碳鋼或中碳合金鋼如 35Cr， 40， 40Cr 和 40CrNi 用模鍛加工制成。轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)向節(jié)臂上的轉(zhuǎn)向車(chē)輪與地面 的摩擦力很大，轉(zhuǎn)向節(jié)臂的尺寸確定由其受力所計(jì)算確定。 轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)度尺寸的初選 考慮到微型轎車(chē)的轉(zhuǎn)向系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，現(xiàn)確定其轉(zhuǎn)向阻力大小，處取轉(zhuǎn)向節(jié)臂 長(zhǎng)度為 200mm，與球銷(xiāo)聯(lián)合部分圓柱形，材料為 45號(hào)鋼。與球銷(xiāo)聯(lián)合處圓柱孔滲碳淬火，提高硬度，避免變形和斷裂。其布置方向與汽車(chē)前進(jìn)方向平行，并垂直與轉(zhuǎn)向節(jié)軸線。 . 1 轉(zhuǎn)向節(jié)臂最小半徑處彎曲正應(yīng)力強(qiáng)度校核 已知 45號(hào)鋼的彎曲許用應(yīng)力值為： =750Mpa =40N m = M (72) d √ =√ . = 取 d＝ 20mm； 轉(zhuǎn)向橫拉桿 蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明 書(shū) 30 橫拉桿的形狀一般為圓柱管形，其尺寸大小根據(jù)轉(zhuǎn)化到其上的車(chē)輪與地面的阻力確定；其長(zhǎng)度尺寸根據(jù)轉(zhuǎn)向器的布置位置及轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)度確定。設(shè)轉(zhuǎn)向器橫向布置，其軸線臂的交點(diǎn)分轉(zhuǎn)向節(jié)臂為前后兩段，長(zhǎng)度分別為 80mm、 120mm。 橫拉桿長(zhǎng)度計(jì)算 L=√ + (73) 式中： L—— 橫拉桿長(zhǎng)； —— 橫拉桿與轉(zhuǎn)向器連接螺栓中心到轉(zhuǎn)向器殼體軸線與轉(zhuǎn)向節(jié)臂交點(diǎn)處距離，約 400mm。 —— 轉(zhuǎn)向器殼體軸線與轉(zhuǎn)向節(jié)臂交點(diǎn)到橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)臂連接球頭銷(xiāo)中心距離，約 120mm。 所以： L=√ + =418mm 轉(zhuǎn)向橫拉桿應(yīng)選擇剛性好，質(zhì)量小的 20， 30或 35號(hào)鋼的無(wú)縫鋼管制造，其沿長(zhǎng)度方向的外形可根據(jù)總布置的需要確定，一般為圓形。選用 35 號(hào)鋼加工橫拉桿，采用可調(diào)桿長(zhǎng)式空心拉桿。 橫拉桿截面尺寸計(jì)算 （ 1）桿長(zhǎng)調(diào)節(jié)螺栓： 查相關(guān)設(shè)計(jì)資料得螺栓直徑由下式確定： d √ (74) 式中： d—— 調(diào)節(jié)螺栓直徑。 F—— 轉(zhuǎn)向阻力矩轉(zhuǎn)化到橫拉桿上的力。 —— 35號(hào)鋼材料許用拉應(yīng)力，查的 ＝ 220Mpa。 F的計(jì)算： 由前面計(jì)算可知， ＝ ＋ ＋ ＝ 7056＋ ＋ ＝ N mm，而轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)為 200mm，所以可只轉(zhuǎn)向節(jié)臂所受的與其垂直的等效力為： ＝ /200＝ (75) 而轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向器殼體軸線的夾角為： 在此處鍵入公式。 α = r =16. (76) 由結(jié)構(gòu)布置可知，根據(jù)力學(xué)性質(zhì)原理， 是 F沿橫向的分力。取ɑ＝ 18 計(jì)算橫拉桿受軸向力 F。 F= = . = (77) 所以橫拉桿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)螺栓的直徑值為 : d √ = (78) 取 d＝ 10mm；長(zhǎng)度