五菱宏光輕型客車汽車機(jī)械齒輪齒條轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)含8張CAD圖

五菱宏光輕型客車汽車機(jī)械齒輪齒條轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)含8張CAD圖,五菱宏光,輕型客車,汽車,機(jī)械,齒輪,齒條,轉(zhuǎn)向器,設(shè)計(jì),CAD 輕型汽車機(jī)械齒輪齒條轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì) 摘要 摘要：轉(zhuǎn)向系是用來保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。轉(zhuǎn)向器是整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要組成部分。在機(jī)械式轉(zhuǎn)向器中，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器由于其自身的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于轎車和微型、輕型車上。本次設(shè)計(jì)參考五菱宏光輕型客車的技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)其轉(zhuǎn)向器，通過對(duì)轉(zhuǎn)向器各個(gè)部分的原理分析，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)主要零部件的強(qiáng)度校核計(jì)算，確定齒輪幾何參數(shù)以及嚙合齒條的尺寸，最后設(shè)計(jì)優(yōu)化和進(jìn)行轉(zhuǎn)向器總成裝配圖的繪畫。 關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向器; 齒輪齒條: 強(qiáng)度校核 Abstract Abstract: The steering system is used to maintain or change the direction of the car, the car to drive, ensure coordination of Angle relationship between the steering wheel. The steering gear is an important part of the entire steering system. In the mechanical steering gear, gear and rack type steering gear due to its own characteristics is widely used in cars and miniature, light vehicle. The design reference of walling macro light bus technology parameter design, the steering gear, through analyzing the principle of each part of the steering gear, selecting rational structure form, the strength check calculation of main components, determine the size of mesh and geometric parameters of gear and rack, the final design optimization and steering assembly as drawing. Key Words: Steering gear; Pinion and rack; Strength check 目錄 摘要 II Abstract III 目錄 IV 1 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 汽車轉(zhuǎn)向器的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)概述 1 1.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 3 2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)方案選擇及論證 4 2.1 概述 4 2.1.1 轉(zhuǎn)向系的組成 4 2.1.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型 5 2.2 對(duì)轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)要求 7 2.3 機(jī)械式轉(zhuǎn)向器方案分析 8 2.3.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 8 2.3.2 整體式轉(zhuǎn)向器 10 2.3.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析 12 2.4 小結(jié) 14 3 轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 3.1 轉(zhuǎn)向輪側(cè)偏角計(jì)算 15 3.2 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)尺寸初步確定 16 4 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器計(jì)算載荷的確定 18 4.1 轉(zhuǎn)向器主要性能參數(shù) 18 4.2 原地轉(zhuǎn)向阻力矩 19 4.3 轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比 19 4.4 作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力 22 5 齒輪設(shè)計(jì) 24 5.1 齒輪參數(shù)的選擇 24 5.2 齒輪幾何尺寸的確定 24 5.3 齒輪校核 25 5.3.1 齒輪受力分析 25 5.3.2 齒輪的齒面彎曲疲勞強(qiáng)度校核 25 5.3.3 齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核 26 6 齒條設(shè)計(jì) 28 6.1 齒條材料的選擇 28 6.2 齒條參數(shù)的確定 28 7 齒輪軸的設(shè)計(jì)與校核 30 7.1 齒輪軸結(jié)構(gòu)形式與幾何參數(shù)的確定 30 7.2 齒輪軸強(qiáng)度校核 30 8 其他零件的選擇 32 8.1 彈簧的選擇 32 8.2 軸承的選擇 33 8.3 螺釘?shù)倪x擇 33 結(jié)束語(yǔ) 34 致謝 35 參考文獻(xiàn) 36 1 緒論 1.1 引言 改革開放以來，中國(guó)的汽車工業(yè)日新月異，勢(shì)如破竹，在各大行業(yè)中占據(jù)第一產(chǎn)業(yè)支柱，伴隨著現(xiàn)代社會(huì)和人類對(duì)汽車在性能方面的要求越來越高，在駕車行駛中的操作便捷性、行駛時(shí)操縱過程中汽車是否具有很好的穩(wěn)定性等等因素都是現(xiàn)代社會(huì)對(duì)汽車性能的要求。近年來，出現(xiàn)了各種隨著汽車行駛速度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向助力的電子控制液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，他們?cè)诒容^高級(jí)的轎車中得到了應(yīng)用。本課題根據(jù)五菱宏光輕型載客汽車轉(zhuǎn)向器的參數(shù)及使用條件，設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)向器使其滿足使用要求。 1.2 汽車轉(zhuǎn)向器的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)概述 隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和對(duì)舒適性的要求，安全性和性能的不斷提高，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的制造工藝和技術(shù)也隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)。 我國(guó)在轉(zhuǎn)向器的使用比例上，除初期投產(chǎn)的解放牌汽車使用蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器，還有東風(fēng)汽車用蝸桿肖式轉(zhuǎn)向器之外，其余大部分車型都采用循環(huán)球式結(jié)構(gòu)，并在生產(chǎn)工藝上有一定的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)前解放、東風(fēng)也都在積極地發(fā)展循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，并已在更換車型的車上廣泛選用了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。由此看出一個(gè)結(jié)論，我國(guó)的轉(zhuǎn)向器也在向大量生產(chǎn)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器發(fā)展。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)在研究過程中實(shí)現(xiàn)了專業(yè)化生產(chǎn)，同時(shí)配以專業(yè)廠為主、花費(fèi)巨額資金進(jìn)行大量的試驗(yàn)和研究，大大提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。專業(yè)化生產(chǎn)似乎已成為一種趨向，只能走專業(yè)化生產(chǎn)這條道路，才能使產(chǎn)品質(zhì)量提高、產(chǎn)量增大、成本降低，在市場(chǎng)上占有很大的競(jìng)爭(zhēng)力，才能分到更多的蛋糕。以日本（NSK）公司尤其明顯，由于生產(chǎn)車間的專業(yè)化，使得NSK公司的轉(zhuǎn)向器成本低，占領(lǐng)日本大部分市場(chǎng)，甚至在全球轉(zhuǎn)向器市場(chǎng)都占有一定的比例。 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，采用的是純粹的人力機(jī)械操作，無(wú)需外部助力能源。?為了能夠按照設(shè)想軌跡轉(zhuǎn)向，需要更大的轉(zhuǎn)向力矩，因此為了節(jié)省駕駛員的體力，使用比較大直徑的轉(zhuǎn)向盤。但是方向盤占據(jù)駕駛室的空間大，降低駕駛員在駕駛室的舒適度，并且駕駛不方便。如果使用小直徑的方向盤，為了提供能使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作的轉(zhuǎn)向力矩，駕駛員就要在方向盤施加很大的轉(zhuǎn)向手力，駕駛員的體力負(fù)擔(dān)重，特別是重型汽車的轉(zhuǎn)向阻力更大，單純靠駕駛員的手力是很難實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的，而且單純的機(jī)械式轉(zhuǎn)向不管在結(jié)構(gòu)上還是重量上顯得笨拙，。這就大大限制了其在車型上的使用范圍。但由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，制造成本低，在一些需要轉(zhuǎn)向力相對(duì)較小的車型仍然使用。 上世紀(jì)60年代的通用汽車公司，在他們的車型中第一次進(jìn)行液壓轉(zhuǎn)向的嘗試，液壓轉(zhuǎn)向原理是油泵產(chǎn)生油壓，控制閥調(diào)節(jié)油流量，靠液壓的形式增大轉(zhuǎn)向扭力，使駕駛員在駕駛過程中轉(zhuǎn)向更靈活輕便，減輕駕駛員轉(zhuǎn)向時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度，行駛的安全性得以大大提高。隨著時(shí)代的變遷，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)已逐步成熟。據(jù)統(tǒng)計(jì)，時(shí)至當(dāng)代汽車采用液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的比率為85%。從此各方面技術(shù)都取得了很大的進(jìn)步。因?yàn)槠潴w積小而使駕駛室變得寬敞，降低了轉(zhuǎn)向操縱力，這樣有一個(gè)好處就是使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更為靈敏。由于液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在技術(shù)上比較成熟、易操控、而且能提供比較大的轉(zhuǎn)向操縱助力，目前已經(jīng)在部分乘用車（比如通用五菱、風(fēng)行菱智）和大部分商用車上應(yīng)用，特別是重型車輛上廣泛應(yīng)用。雖然說液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在體積方面得到了優(yōu)化，但是在其他方面還存在一些不足，需要技術(shù)上的改進(jìn)。轉(zhuǎn)向時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，所以轉(zhuǎn)向助力過大，所以轉(zhuǎn)向太過靈敏導(dǎo)致汽車操縱穩(wěn)定性降低，這就是助力特性不能改變導(dǎo)致的結(jié)果。比如說油液密封性，整個(gè)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在工作過程中，由于路面不平產(chǎn)生的震動(dòng)會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的密封性降低。系統(tǒng)的液壓缸位置的放置，占據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的空間，液壓管的布置，顯得發(fā)動(dòng)機(jī)艙凌亂。 EPS（電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）首先被應(yīng)用在汽車在上世紀(jì)90年代。20世紀(jì)90年代日本鈴木公司開發(fā)出一種全新的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，因?yàn)樗请娮涌刂剖降?，利用電子元件?duì)整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行元件進(jìn)行發(fā)布控制命令，并應(yīng)用于公司開發(fā)的車型上。EPS電源的變化在一定程度上幫助形成，由低速向高速發(fā)展，控制形式和功能得到進(jìn)一步加強(qiáng)，如電子控制元件可釋放電流信號(hào)。日本最早研發(fā)的EPS只有在車輛低速行駛與駐車時(shí)提供電動(dòng)助力，高速行駛時(shí)EPS將不提供助力，其電子控制元件不會(huì)發(fā)出執(zhí)行命令。全新研發(fā)的EPS不管汽車在任何情況下（低速、高速、駐車）都能提供助力，而且車輛不會(huì)因?yàn)樵诟咚傩旭倳r(shí)轉(zhuǎn)向車身變得不穩(wěn)定，隨著電子科技技術(shù)的發(fā)展，EPS技術(shù)日趨完善，而且方便便捷，使用的是發(fā)動(dòng)機(jī)功率，所以因此其在各個(gè)車型的應(yīng)用范圍將越來越大。 隨著私家車普遍進(jìn)入尋常百姓家，各式各樣的低、中、高檔轎車步入人們的生活中。快節(jié)奏和生活節(jié)奏的產(chǎn)生，更是促進(jìn)人們對(duì)高速和經(jīng)驗(yàn)的不斷追求，生活節(jié)奏的加快也意味著車輛速度的增加。由于世界汽車數(shù)量越來越多，交通狀況復(fù)雜，多崎嶇不平路面，對(duì)轉(zhuǎn)向系的損傷增大。為了改善這些因素，就得在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研發(fā)上花費(fèi)功夫。上的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中裝設(shè)了防傷裝置。在發(fā)生撞車事故時(shí)，駕駛員胸部撞上轉(zhuǎn)向盤，當(dāng)這種撞擊力達(dá)到設(shè)定值時(shí)上述網(wǎng)格狀轉(zhuǎn)向軸就被壓潰、發(fā)生塑性形變，同時(shí)吸收能量、限制對(duì)駕駛員的沖擊力。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也有單純的轉(zhuǎn)向逐漸向安全性這方面靠攏。為了使轉(zhuǎn)向系逐步往安全性方面靠攏，生產(chǎn)廠家也在安全性和制造成本之間尋求一個(gè)平衡點(diǎn)，在保證質(zhì)量的前提下提高轉(zhuǎn)向系的安全性，就得增加制造成本，單純的追求安全性也是不明智的選擇。考慮到全球環(huán)境的影響，汽車零部件生產(chǎn)商還要考慮環(huán)保的問題。 各汽車生產(chǎn)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)就當(dāng)今汽車速度高、針對(duì)不同駕駛水平的駕駛員、車流密集的道路，設(shè)計(jì)出怎樣的汽車轉(zhuǎn)向特性才能具有更好的操縱性能這一重要課題進(jìn)行反復(fù)研究和新技術(shù)的研發(fā)。 一、為適應(yīng)新時(shí)代的時(shí)代發(fā)展需求，新型化的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究與應(yīng)用應(yīng)該減小傳動(dòng)誤差、優(yōu)化設(shè)計(jì)、減輕磨損、提高傳動(dòng)效率等方面設(shè)計(jì)。 二、降低駕駛疲勞，使操縱更輕便穩(wěn)定是動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)研發(fā)的重要方向，考慮到動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)制造的成本性較高，在高級(jí)轎車上應(yīng)用較多，但隨著時(shí)代的發(fā)展，技術(shù)的不斷成熟，在今后的車型中廣泛運(yùn)用動(dòng)力轉(zhuǎn)向器不是遙不可及。 1.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 本次設(shè)計(jì)結(jié)合并參考五菱宏光2010款輕型客車的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，這次設(shè)計(jì)通過方案論證選擇合適的轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)形式；確定結(jié)構(gòu)布置方案，完成轉(zhuǎn)向器的總體結(jié)構(gòu)布置和主要零部件的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向器零部件材料的選擇并進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算；最后繪制轉(zhuǎn)向器總成的裝配圖及主要零部件的圖紙。 2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)方案選擇及論證 2.1 概述 2.1.1 轉(zhuǎn)向系的組成 轉(zhuǎn)向系是通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將駕駛員施加的轉(zhuǎn)向力矩作用于兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪，從而改變汽車行駛方向或保持汽車原有的行駛方向。在汽車要進(jìn)行轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過傳輸轉(zhuǎn)向力矩，對(duì)左、右轉(zhuǎn)向輪通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）以不同的角度匹配確保汽車沿設(shè)想軌跡行駛。 轉(zhuǎn)向系的主要組成部分包括轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。其中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向梯形臂、轉(zhuǎn)向直拉桿。在汽車要進(jìn)行轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過傳輸轉(zhuǎn)向力矩，左右轉(zhuǎn)向輪通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）以不同的角度匹配確保汽車沿設(shè)想軌道行駛。體現(xiàn)這一作用的機(jī)構(gòu)就是汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠按照司機(jī)人為意志在開車時(shí)更改方向，且在行駛過程中車輪駛過坑洼路面而造成汽車受到偶然沖擊或行駛方向意外偏離的時(shí)候，轉(zhuǎn)向系與行駛系統(tǒng)配分工合一起承擔(dān)著車輛能安全行駛不跑偏的性能。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)利用轉(zhuǎn)向器傳出來的力矩轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)向節(jié)，促使車輛左右前輪按照一定的偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行偏轉(zhuǎn)的功用就是轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所具備的能力，只有這樣才能使汽車在需要轉(zhuǎn)向時(shí)降低車輪與地面的相對(duì)滑動(dòng)。 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成方式和布置位置，因轉(zhuǎn)向器位置和轉(zhuǎn)向輪懸架類型不同而不同。 1).與非獨(dú)立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 與非獨(dú)立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，部件主要包括轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向直拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂和轉(zhuǎn)向梯形臂。當(dāng)前橋的作用只作為轉(zhuǎn)向橋的情況下，轉(zhuǎn)向梯形一般有轉(zhuǎn)向橫拉桿和左、右梯形臂等部件組成，而轉(zhuǎn)向梯形的位置一般會(huì)布置在前橋之后。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪與汽車行駛方向相平行的時(shí)候，梯形臂與橫拉桿在與道路平行的平面(水平平面)內(nèi)的交角。轉(zhuǎn)向橋兼充驅(qū)動(dòng)橋或當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)布置位置較低的情況下，為了不讓運(yùn)動(dòng)干涉梯形結(jié)構(gòu)，就要將轉(zhuǎn)向梯形布置在前橋的面前。此時(shí)，上述交角。若轉(zhuǎn)向搖臂是在與道路平行的平面內(nèi)左右擺動(dòng)，而不是在汽車縱向平面內(nèi)前后擺動(dòng)，則可將轉(zhuǎn)向直拉桿橫置，并借球頭銷直接帶動(dòng)轉(zhuǎn)向橫拉桿，并且使兩邊梯形臂轉(zhuǎn)動(dòng)。 轉(zhuǎn)向直拉桿、轉(zhuǎn)向搖臂與轉(zhuǎn)向節(jié)臂三者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不是在一個(gè)平面上，是空間運(yùn)動(dòng)。因此，為了不讓三者之間的運(yùn)動(dòng)互相干擾，他們?nèi)齻€(gè)之間通過球鉸連接，可避免三者之間的運(yùn)動(dòng)干涉。直拉桿體是一段鋼管，這斷鋼管兩頭大中間小的形狀。直拉桿體前端是帶有球頭銷的。而球頭銷的尾端是用螺母固定于轉(zhuǎn)向節(jié)臂的端部。而兩個(gè)球頭座里面是各有一個(gè)壓縮彈簧的，在彈簧的作用力下，利用固定件將球頭銷的球頭固定住。球頭與座的潤(rùn)滑是通過油嘴注入潤(rùn)滑脂，使?jié)櫥M(jìn)入直拉桿端部官腔，達(dá)到潤(rùn)滑效果，延長(zhǎng)使用壽命和減少傳遞功率的損耗。球頭在拆裝的過程中，其出入的孔口要用防塵墊封蓋，目的是防止灰塵進(jìn)入，采用耐油橡膠延長(zhǎng)其使用壽命，而無(wú)需頻繁更換。整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間工作后，直拉桿體的球頭與座之間的磨損嚴(yán)重，間隙大，而壓縮彈簧就可以補(bǔ)償他們之間因?yàn)槟p而產(chǎn)生的間隙，兩者之間沒有活動(dòng)間隙后還會(huì)緩和通過車輪和轉(zhuǎn)向節(jié)傳來的不平路面產(chǎn)生的“反沖擊”。彈簧預(yù)緊力的大小可調(diào)，可通過球頭端塞調(diào)整，調(diào)好后只需要插銷固定的位置，可以調(diào)整彈簧預(yù)緊力。直拉桿前后兩端的兩個(gè)壓縮彈簧分別在沿軸線的不同方向上起到緩沖作用。從前面?zhèn)鬟f的沖擊力通過壓縮彈簧承受；當(dāng)球頭銷的沖擊力，沖擊力通過球頭座，前端插頭，直桿體和插頭的后端，被壓縮彈簧壓吸收。壓縮彈簧發(fā)生彈性形變吸收沖擊力產(chǎn)生的能量。 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的底邊轉(zhuǎn)向橫拉桿。轉(zhuǎn)向橫拉桿是由一段橫拉桿體和旋裝在兩端的橫拉桿接頭組成。兩端相比，結(jié)構(gòu)一樣，而且連接方式一模一樣。上、下球頭座的材料是由具有很強(qiáng)耐磨性的聚甲醛制成。裝配過程中，上、下球頭座的凹凸部分相連接。里面的壓縮彈簧保證凹凸部分連接沒縫隙，并且起到緩沖效果。兩接頭用部分有切口的接口螺紋與橫拉桿體聯(lián)接，螺紋因?yàn)橛胁糠智锌谑顾哂幸欢ǖ膹椥?。螺紋接頭旋轉(zhuǎn)到橫拉桿體上后，同時(shí)用有彈簧墊片的夾緊螺栓夾緊。橫拉桿體兩端的螺紋必須一端為右旋、另一端為左旋，這樣兩邊的沖擊力不會(huì)使螺紋松動(dòng)，保證了接口的安全穩(wěn)定性。松動(dòng)夾緊螺栓后，通過橫拉桿可以調(diào)整轉(zhuǎn)向輪前束。 2).與獨(dú)立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 當(dāng)前懸架采用獨(dú)立懸架時(shí)，轉(zhuǎn)向系的布置就不能跟非獨(dú)立懸架相比，每一個(gè)每個(gè)轉(zhuǎn)向輪都相對(duì)于車架做獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，所以每一個(gè)轉(zhuǎn)向輪的運(yùn)動(dòng)是大同小異的，因而轉(zhuǎn)向橋在控制轉(zhuǎn)向輪上必須是分開的。與這個(gè)原理相似的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向梯形，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)向梯形也必須分成兩段、甚至要分為三段，轉(zhuǎn)向梯形運(yùn)動(dòng)是直接驅(qū)動(dòng)或通過操縱桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)向臂，其中轉(zhuǎn)向搖臂是平行于路面運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)的。 2.1.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按能源的不同，分為機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動(dòng)力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩大類。 表2-1 轉(zhuǎn)向系分類以及工作過程 名稱 組成 工作原理過程 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)（方向盤）、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)向萬(wàn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向拉桿等）構(gòu)成；機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力能源只有駕駛員的體力 當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員對(duì)方向盤（1）施加一個(gè)轉(zhuǎn)向手力。該力通過轉(zhuǎn)向軸（2）、萬(wàn)向節(jié)（4）、和傳動(dòng)軸（5）輸入轉(zhuǎn)向器，輸入的轉(zhuǎn)向力經(jīng)轉(zhuǎn)向器放大的力矩和減速后的運(yùn)動(dòng)傳到轉(zhuǎn)向搖臂，經(jīng)轉(zhuǎn)向直拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、最后到達(dá)轉(zhuǎn)向輪。（如圖2-1所示） 動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 動(dòng)力轉(zhuǎn)向在機(jī)械轉(zhuǎn)向的原有基礎(chǔ)上多了轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸、轉(zhuǎn)向液壓泵、轉(zhuǎn)向油罐、油液控制閥。 動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是裝載加力裝置的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。加力裝置時(shí)通過發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力對(duì)油液施加一定的壓力，而壓力的釋放通過控制閥來控制。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤帶動(dòng)直拉桿順帶打開控制閥，液壓泵里的高壓油的壓力跟駕駛員施加的轉(zhuǎn)向力矩一起轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向阻力矩。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)（基本機(jī)構(gòu)）、助力動(dòng)力源（電動(dòng)機(jī)）、開關(guān)（離合器）、電子控制裝置、電子感應(yīng)元件（傳感器） 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向，根據(jù)扭矩傳感器產(chǎn)生的信號(hào)，并且通過ECU感知，判斷輸入轉(zhuǎn)向力矩的大小，同時(shí)ECU從其他的電子感應(yīng)元件（車速傳感器）傳來的信號(hào)來檢測(cè)此時(shí)的車速，通過ECU處理，選擇最合適的控制電流，通過電動(dòng)機(jī)助力，形成電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向。 圖2-1 轉(zhuǎn)向系 1-方向盤； 2-轉(zhuǎn)向上軸 ；3-托架； 4-萬(wàn)向節(jié)； 5-轉(zhuǎn)向下軸； 6-防塵罩 ；7-轉(zhuǎn)向器 ；8-轉(zhuǎn)向拉桿 目前，萬(wàn)向傳動(dòng)裝置出現(xiàn)在了國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的新車型的轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)中，這樣有利于轉(zhuǎn)向系各式的零部件在更換時(shí)更便捷，另外可以更快地找到零部件替代品。只有改變?nèi)f向傳動(dòng)裝置的一些參數(shù)，可以滿足各種類型汽車在總體布局的要求。即便是轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向器在同一軸線上，因?yàn)椴考谲嚿系难b配和安裝誤差產(chǎn)生的變形（車架）所造成的兩者之間軸線在實(shí)際上的不同，可以利用萬(wàn)向傳動(dòng)裝置進(jìn)行補(bǔ)償誤差。 對(duì)轉(zhuǎn)向系的要求：所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向輪應(yīng)設(shè)計(jì)出具有自動(dòng)回正的能力。汽車輪胎的側(cè)偏特性和車輪定位參數(shù)決定轉(zhuǎn)向輪是否有回正的能力。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有合適的前輪定位參數(shù)，同時(shí)限制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)件運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦阻力大小和阻尼值，可獲得相應(yīng)的回正力矩，同時(shí)可為汽車提供可靠的穩(wěn)定性。 2.2 對(duì)轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)要求 轉(zhuǎn)向器是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部件，對(duì)轉(zhuǎn)向器有如下基本要求[5]： ⑴ 提供準(zhǔn)確而輕便的轉(zhuǎn)向控制，同時(shí)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角范圍不允許過大。這要求轉(zhuǎn)向器的自由行程（有傳動(dòng)零件之間的間隙引起）盡可能小，傳動(dòng)比適當(dāng)，駕駛員主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)的機(jī)械效率（正效率）高，可能需要?jiǎng)恿χΑ? ⑵ 使地面對(duì)前輪的干擾要盡可能少地被傳遞到轉(zhuǎn)向盤上，同時(shí)還要讓駕駛員能夠通過方向盤感覺得到路面狀況（粗糙程度、附著力的大小等）的變化。這要求在前輪因受到地面干擾而試圖轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)轉(zhuǎn)向器的機(jī)械效率適當(dāng)?shù)牡?，即逆效率適當(dāng)?shù)牡氐汀? ⑶ 不能妨礙汽車完成轉(zhuǎn)向后返回直線行駛狀態(tài)時(shí)的前輪自動(dòng)回正，這又要求轉(zhuǎn)向器的逆效率適當(dāng)?shù)馗摺? ⑷停車（車輛的速度為零）的駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤力（轉(zhuǎn)向）應(yīng)減少到最低限度。為了使駕駛員能夠舒服地進(jìn)行停車轉(zhuǎn)向，一般要求采用動(dòng)力助力。停車轉(zhuǎn)向時(shí)所需要的轉(zhuǎn)向力一般是最低的。 ⑸ 使汽車具有良好的高速操縱穩(wěn)定性。這一般要求轉(zhuǎn)向器的自由行程摩擦盡可能小，有適當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)比和動(dòng)力助力（在采用動(dòng)力助力的情況下）。機(jī)械轉(zhuǎn)向器是指完全靠人力操縱的轉(zhuǎn)向器，其通過提供一定的機(jī)械增益（傳動(dòng)比）來減小駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤的力（即轉(zhuǎn)向力）。 轉(zhuǎn)向器必須具備以下幾種品質(zhì)：①在直駛位置時(shí)沒有晃動(dòng)；②低摩擦，從而具有高效率；③高剛性；④可調(diào)整性。 2.3 機(jī)械式轉(zhuǎn)向器方案分析 2.3.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器主要由一根齒條和一個(gè)小齒輪所組成。其轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比由小齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)（等于轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)數(shù)）與齒條的相應(yīng)形成的比值確定。齒條采用的齒形可以使傳動(dòng)比在整個(gè)行程中是變化的。這樣可以減少為修正轉(zhuǎn)向所需的作用力或行程。如圖2-2 所示： 圖2-2 這種轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向齒輪的齒數(shù)很少，一般為5~6牙，個(gè)別也有4牙的，主要是為了提高傳動(dòng)比，減少方向盤手里。此外齒輪齒條絕大多數(shù)采用斜齒，以提高嚙合從重迭系數(shù)，減少齒的根切，增強(qiáng)齒的強(qiáng)度同時(shí)也可適當(dāng)提高傳動(dòng)比和降低逆?zhèn)鲃?dòng)效率，（齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器正逆?zhèn)鲃?dòng)效率很高，路面反沖易傳到方向盤，降低逆效率對(duì)減輕犯沖是有利的）。 圖2-3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器分析 根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點(diǎn)不同來區(qū)分齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的輸入、輸出形式。 如2-4圖所示，每一種輸入輸出方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 圖2-4 表2-1 轉(zhuǎn)向器輸入、輸出方式分析 輸入輸出方式 優(yōu)缺點(diǎn)與應(yīng)用 （a）中間輸入,兩端輸出 因兩端為輸出端，直接連接轉(zhuǎn)向拉桿，其長(zhǎng)度被限制在一定的程度上，易與懸架系統(tǒng)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)互相干涉； （b）側(cè)面輸入,兩端輸出 （c）側(cè)面輸入,中間輸出 相對(duì)于輸出兩端的中心桿的輸出長(zhǎng)度增加，當(dāng)車輪跳動(dòng)時(shí)，車輪跳動(dòng)幅度對(duì)拉桿的影響小，拉桿與懸掛系統(tǒng)之間減少運(yùn)動(dòng)干涉。但是，拉桿與齒條之間用螺栓固定連接，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向器工作時(shí)兩拉桿與齒條同時(shí)向同方向（左或右）移動(dòng)，因而要在殼體上開一個(gè)齒條運(yùn)動(dòng)軌跡的槽，這樣就會(huì)降低殼體的強(qiáng)度。 （d）側(cè)面輸入,一端輸出 用于平頭微型貨車 表2-2 齒輪齒形分析 齒形 直齒輪 斜齒輪 特點(diǎn) 直齒輪傳動(dòng)用于平行軸，不適合使用在轉(zhuǎn)向器里，齒輪嚙合度小，平穩(wěn)性低，易產(chǎn)生沖擊，振動(dòng)和噪聲。兩軸線夾角只能是直角，不適應(yīng)總布置而淘汰。 斜齒輪嚙合性好，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小。重合度大，降低了齒輪的載荷，提高了齒輪的承載能力。轉(zhuǎn)向器軸承應(yīng)采用推力軸承，延長(zhǎng)使用壽命 應(yīng)用 淘汰 廣泛應(yīng)用 齒形端面形狀有圓形、V形和Y形三種，這三種齒形斷面各有優(yōu)缺點(diǎn)。 表2-3 齒面類型分析 齒面類型 特點(diǎn) 圓形齒面 制作工藝簡(jiǎn)單 消耗材料多，強(qiáng)度不夠大 V形齒面 消耗的材料少，可節(jié)省約20%（質(zhì)量效應(yīng)），Y形齒寬做得比較寬，增加強(qiáng)度；在齒條與托座之間裝有用減磨材料（如聚四氟乙烯）做成的墊片，以減少滑動(dòng)摩擦。 Y形齒面 Y形與V形端面齒條多用于車輪跳動(dòng)情況下、轉(zhuǎn)向器輕微跳動(dòng)下工作時(shí)，因?yàn)槟切┕ぷ鞑糠帜墚a(chǎn)生往切面方向運(yùn)動(dòng)的力，能使齒條旋轉(zhuǎn)的力。 2.3.2 整體式轉(zhuǎn)向器 整體式轉(zhuǎn)向器包括蝸桿曲柄指銷式（見圖2-5）、蝸桿渦輪式（見圖2-6）、蝸桿滾輪式（見圖2-7）、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器（見圖2-8）等。這些轉(zhuǎn)向器都是以轉(zhuǎn)向搖臂作為輸出元件。滾珠螺桿和螺母構(gòu)成的螺旋槽中加裝著鋼球，所以滾珠螺桿與螺母依靠鋼球嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)形式變?yōu)榫€型運(yùn)動(dòng)形式，使滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦。轉(zhuǎn)向螺母與螺桿的斷面都被加工成兩三段近似半圓的螺旋槽。隨著螺桿和螺母兩者的螺旋槽配合形成的圓形截面管狀通道，用于放置鋼球。形成一個(gè)封閉的鋼球“流道”。經(jīng)過不斷改進(jìn)的技術(shù)改革，消除了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器壽命不長(zhǎng)的弊端，提高了其使用壽命。在制造循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器時(shí)為保證有夠長(zhǎng)的使用壽命和夠高的硬度和耐磨特性，一般在循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)上和加工工藝上采取相應(yīng)的措施，主要有提高嚙合精度，降低滾動(dòng)鋼球和螺旋槽以及齒條和齒扇嚙合表面的粗糙程度。另外循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器相對(duì)于齒輪齒條轉(zhuǎn)向器來說，在傳動(dòng)效率相持平的情況下，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比可以改變，基于不同的傳動(dòng)效率進(jìn)行改變傳動(dòng)比。適合用來做整體式轉(zhuǎn)向器。 圖2-5 圖2-6 圖2-7 圖2-8 車上采用，因?yàn)闆]有布置轉(zhuǎn)向連桿的空間。當(dāng)采用獨(dú)立懸架的前置-后輪驅(qū)動(dòng)汽車采用這種轉(zhuǎn)向器時(shí)，需要附加斷開式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)，如圖2-9所示。這會(huì)增加重量和成本，經(jīng)濟(jì)性不如齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。 圖2-9 在不帶轉(zhuǎn)向助力的前提下比較這兩種轉(zhuǎn)向器，可以發(fā)現(xiàn)整體式轉(zhuǎn)向器具有如下優(yōu)點(diǎn)：①可以與非獨(dú)立懸架匹配使用；②可以承受較大的力；③具有較大的車輪轉(zhuǎn)向角，轉(zhuǎn)角范圍可達(dá)±45°；④可以采用較長(zhǎng)的轉(zhuǎn)向節(jié)臂，以減小轉(zhuǎn)向搖臂和中央拉桿中的載荷；⑤轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以設(shè)計(jì)得使其傳動(dòng)比隨車輪轉(zhuǎn)角變化很??；⑥對(duì)地面沖擊載荷不敏感。 2.3.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析 表2-4 各類機(jī)械式轉(zhuǎn)向器特點(diǎn)分析 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 應(yīng)用 齒輪齒條式 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，空間大，緊湊，轉(zhuǎn)向器質(zhì)量比較小，體積小，傳動(dòng)效率高，間隙消除裝置提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度，防止工作時(shí)產(chǎn)生沖擊和噪聲，無(wú)轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿，轉(zhuǎn)向角較大，制造成本低 逆效率高（60～70%），“打手”嚴(yán)重，易產(chǎn)生反沖。 微型汽車；部分負(fù)荷小，質(zhì)量小，前輪獨(dú)立懸架的卡車和公共汽車 循環(huán)球式 傳動(dòng)效率高（75～85%）、耐磨性好、壽命長(zhǎng)、傳動(dòng)比可變化、工作平穩(wěn)可靠、適合用來做整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器 逆效率比較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝復(fù)雜，制造要求高 貨車和客車；商務(wù)車 蝸桿滾輪式 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，強(qiáng)度高，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，蝸桿與滾輪摩擦阻力小，使用壽命長(zhǎng) 正效率低，嚙合間隙變化后調(diào)整比較困難。 曾廣泛應(yīng)用 蝸桿指銷式 按銷子能否自轉(zhuǎn)分 固定銷式 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易 磨損快，效率低 較少 旋轉(zhuǎn)銷式 效率高，磨損高 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 按銷子數(shù)量分 單銷式 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸和質(zhì)量較小 磨損快，搖臂軸轉(zhuǎn)角小 雙銷式 磨損較慢，搖臂軸轉(zhuǎn)角較大 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，尺寸大、重量大、固定不牢靠、精度要求高，制造困難。 傳動(dòng)比可不變或變化，易實(shí)現(xiàn)蝸桿指銷的間隙調(diào)整 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器中轉(zhuǎn)向梯形相對(duì)前軸位置的不同有不同的布局方式，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在汽車上有四種布置形式：轉(zhuǎn)向器位于轉(zhuǎn)向軸后方，后其后面布置轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)向器位于轉(zhuǎn)向軸后方，前方布置轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)向器位于轉(zhuǎn)向軸的前方，后面放置梯形結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)向器位于轉(zhuǎn)向軸的前方，前面放置轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)，如圖3-8所示，如圖3-8所示 圖2-10 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的四種布置形式 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向裝置具有多種優(yōu)點(diǎn)，前軸負(fù)荷小的的小型汽車應(yīng)用相當(dāng)明顯，廣泛應(yīng)用于普通級(jí)，高級(jí)轎車及微型，輕型卡車，前懸架采用獨(dú)立懸架的部分汽車也采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。 2.4 小結(jié) 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量小，傳動(dòng)效率高效率可達(dá)90%之高，采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的汽車，不用再擔(dān)心齒輪與齒條間因長(zhǎng)期的嚙合磨損出現(xiàn)間隙后，消除間隙的工作難以進(jìn)行的問題。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器可以利用壓緊力調(diào)節(jié)彈簧，能自行消除間的間隙。因?yàn)辇X輪齒條式轉(zhuǎn)向器可以自動(dòng)消除齒間間隙，所以轉(zhuǎn)向器的剛度得到提升，同時(shí)有效的阻止運(yùn)行時(shí)撞擊產(chǎn)生異響。 根據(jù)齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)和布局的齒輪齒條式來分析，轉(zhuǎn)向齒輪傳輸方式的設(shè)計(jì)采用中間輸入，兩端輸出形式；布置為轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，后置梯形；齒條斷面形狀采用制造工藝簡(jiǎn)單的圓形。根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，表格（2-5）是本次設(shè)計(jì)參考車型（五菱宏光2010款1.4L實(shí)用型）的主要性能參數(shù)。 表2-5 五菱宏光技術(shù)參數(shù) 參數(shù) 最小轉(zhuǎn)彎半徑 驅(qū)動(dòng)方式 軸距 輪距（前/后） 數(shù)值 5.50m 4×2 2720mm 1420/1440mm 參數(shù) 總質(zhì)量（整備質(zhì)量） 輪胎尺寸 發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率 軸荷（前） 數(shù)值 1780kg/1205kg 175/70R14 75kw 890kg 3 轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 汽車研究對(duì)汽車轉(zhuǎn)向系的要求是，提高轉(zhuǎn)向便捷性、操控輕便性和行駛穩(wěn)定性的前提下，不管前懸架是獨(dú)立還是非獨(dú)立的，都必須要讓轉(zhuǎn)向軸的內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪有必然的比例關(guān)系，使汽車轉(zhuǎn)向過程當(dāng)中所有的轉(zhuǎn)向車輪都是以純滾動(dòng)或有極小的滑移，這事通過轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。 3.1 轉(zhuǎn)向輪側(cè)偏角計(jì)算 汽車轉(zhuǎn)向的過程中，路面會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生一定的附加阻力，而且轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)對(duì)輪胎的磨損加快，為了避免這些情況出現(xiàn)，需要轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以保證所有車輪都其工作過程中做無(wú)滑移運(yùn)動(dòng)，如圖4-1所示，車輪的轉(zhuǎn)向角務(wù)必滿足阿克曼原理[8]，即在汽車前輪定位角都等于零、車輪為剛性的前提下，汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向盤所轉(zhuǎn)動(dòng)的方向必須與轉(zhuǎn)向輪旋轉(zhuǎn)的方向一致，汽車所有車輪應(yīng)圍繞同一個(gè)圓心旋轉(zhuǎn)，不能出現(xiàn)側(cè)滑的現(xiàn)象。 圖3-1理想的汽車轉(zhuǎn)向示意圖 內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角應(yīng)保證下列關(guān)系: cotα＝cotβ＋B/L (3-1) 式中： B—兩側(cè)主銷軸線與地面相交點(diǎn)之間的距離 L—汽車軸距 α—外輪轉(zhuǎn)角 β—內(nèi)輪轉(zhuǎn)角 由圖4-1可知， ①，②，③，式中：L為汽車軸距，2720mm;R為汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑，5500mm;K為前輪輪距，1420mm； a為主銷偏移距，70mm。其中a為前輪輪距減去前輪左右輪的主銷偏移距。對(duì)五菱宏光設(shè)計(jì)參考車型，屬于客車的范圍，查詢主銷偏移有關(guān)資料，從0.4 ~ 0.6倍的輪胎胎面寬度尺寸的選擇范圍內(nèi)選取。在這里取a=0.4倍輪胎寬度。 輪胎規(guī)格是175/70R14.輪胎胎面寬度為175mm，所以主銷偏移距為 175×0.4=70mm 將數(shù)據(jù)代入①②③式，得 α=29.64 B=1280mm β=37.85 3.2 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)尺寸初步確定 如圖4-2所示是一個(gè)后置轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)示意圖?；境叽缰饕刑菪蔚捉铅毯吞菪伪坶L(zhǎng)m。一般可參考現(xiàn)有器材梯形臂長(zhǎng)度m與兩主銷中心距B之比的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)后對(duì)梯形臂的長(zhǎng)度m進(jìn)行初選，其范圍為m=（0.11～0.15）B[9]。本設(shè)計(jì)車型參數(shù)中的梯形臂長(zhǎng)m為180mm，布置為轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，后置梯形。由此可知，梯形臂長(zhǎng)m的范圍為140.8mm～192mm，設(shè)計(jì)參數(shù)給的梯形臂長(zhǎng)m為180mm在以上范圍之內(nèi)，符合要求。 圖3-2 轉(zhuǎn)向梯形示意圖 梯形底角的余切值為 (3-2) 代入數(shù)據(jù)，得 μ≈70° 由圖可知，左、右橫拉桿長(zhǎng)度與齒條之和為 4 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器計(jì)算載荷的確定 4.1 轉(zhuǎn)向器主要性能參數(shù) 在轉(zhuǎn)向器傳遞過程中，轉(zhuǎn)向器的輸出的功率與輸入的功率的比值稱為轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)效率?？赡媸睫D(zhuǎn)向器可將地面的反作用力容易地傳遞到駕駛員手中，形成“打手”現(xiàn)象，使駕駛員在駕駛過程中會(huì)因?yàn)椤按蚴帧倍{駛緊張。但是可逆式轉(zhuǎn)向器能夠讓轉(zhuǎn)向盤自動(dòng)回正。不可逆轉(zhuǎn)向器逆效率低，不平路面產(chǎn)生的作用力也不能傳到方向盤，讓駕駛員喪失了對(duì)路面的感知，所以這是不可逆轉(zhuǎn)向器的缺點(diǎn)。同時(shí)，轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向力矩不可調(diào)，工作時(shí)間一長(zhǎng)，轉(zhuǎn)向力矩變大，會(huì)導(dǎo)致駕駛操作起來吃力困難。 極限可逆式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)：駕駛員感知通過其傳遞的一部分反作用力來確認(rèn)路面的情況，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪慢幅度的回正，只不過回正的時(shí)間有長(zhǎng)有短，這個(gè)可以調(diào)節(jié)的。當(dāng)遇到很大的反作用力的時(shí)候，才會(huì)有部分反作用力被傳遞到方向盤上，因?yàn)檫@種狀況下，轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副已經(jīng)緩沖不了過大的反作用力。 決定轉(zhuǎn)向系的效率的因素有轉(zhuǎn)向器的效率和轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)的效率兩者，即 (4-1) 轉(zhuǎn)向器的效率又有正效率與逆效率之分。轉(zhuǎn)向搖輸出的功率與轉(zhuǎn)向器摩擦功率之差 ()與轉(zhuǎn)向軸輸入功率之比，稱為轉(zhuǎn)向器的正效率，即 (4-2) 式中：-轉(zhuǎn)向器的摩擦功率。 反之，正效率傳遞的逆方向，稱為轉(zhuǎn)向器的逆效率： (4-3) 由以上公式得知，轉(zhuǎn)向器正效率越大，消耗在轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的效率就越小，轉(zhuǎn)向操縱就越輕便、容易。影響轉(zhuǎn)向器正效率的主要因素有很多，比如轉(zhuǎn)向器的類型（齒輪齒條式正效率高）、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副為鋼球，其摩擦為滾動(dòng)摩擦，摩擦損失率小，所以其正效率可達(dá)85%）等等。其中蝸桿指銷式和蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副是蝸桿和滾輪之間的摩擦，兩者之間采用凹槽連接，摩擦損失率大，其正效率非常低。 通常，在蝸桿和螺桿類轉(zhuǎn)向器中由方向盤傳至轉(zhuǎn)向輪方向上的效率就是轉(zhuǎn)向系的正效率，一般情況下的平均值為； 的一般平均值為。轉(zhuǎn)向操縱及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中各個(gè)傳動(dòng)件的摩擦損耗為轉(zhuǎn)向系總損失的，而拉桿球銷的損耗只有。 表4-1 轉(zhuǎn)向器效率特點(diǎn)分析 值 特 點(diǎn) 應(yīng)用 可逆式轉(zhuǎn)向器 較高 ①汽車轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向輪自動(dòng)恢復(fù)到原來軌跡，操縱便捷，節(jié)省體力、提高安全性； ②“打手”現(xiàn)象頻繁、嚴(yán)重 在良好路面上行駛的車輛 極限可逆式轉(zhuǎn)向器 較低 性能介于可逆與不可逆之間 在壞路面上行駛的車輛 不可逆式轉(zhuǎn)向器 很低 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)吸收大部分地面“反作用力”、駕駛員無(wú)發(fā)通過轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)感知路面情況。 已淘汰 4.2 原地轉(zhuǎn)向阻力矩 為了使汽車能夠安全的駕駛，所選取的轉(zhuǎn)向系上的各部位零件應(yīng)有足夠高的強(qiáng)度。若要算出轉(zhuǎn)向系上各部位的零件參數(shù)，首先要明確系統(tǒng)中存在哪些力，然后進(jìn)行受力分析。同時(shí)還需要明確這些力受到哪些外界條件因素的影響，比如轉(zhuǎn)向軸的最大承受載荷和工況問題，行駛時(shí)路面與輪胎之間的摩擦阻力問題和路面與車胎氣體壓力等問題。要校核轉(zhuǎn)向系各零件的強(qiáng)度，就必須確認(rèn)作用在各個(gè)零件的力。 原地轉(zhuǎn)向阻力矩（N·m），即 （4-4） 式中：為輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，一般取0.7 為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷 ()， 為890N。 為輪胎氣壓() = 4.3 轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比 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)比和轉(zhuǎn)向系的力傳動(dòng)比 兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪胎與地面中心各有兩個(gè)作用點(diǎn)，并且作用于該兩個(gè)作用點(diǎn)的力的合力與作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力之比，稱之為力傳動(dòng)比，即 同側(cè)轉(zhuǎn)向偏轉(zhuǎn)角速度與方向盤角速度的反比，稱為轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比，即 以上公式中為方向盤在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)角增加的量；為轉(zhuǎn)向節(jié)單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)角變化的量；為單位時(shí)間的增量。 力傳動(dòng)比與轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比的關(guān)系 輪胎與地面之間相接觸，轉(zhuǎn)向輪對(duì)地面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)地面產(chǎn)生轉(zhuǎn)向阻力 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的轉(zhuǎn)向手力作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向阻力矩。兩者之間有如下關(guān)系： （4-5） 式中：a為轉(zhuǎn)向系主銷偏移距 作用在方向盤上的手力可用下式表示： （4-6） 式中：為作用在方向盤上的力矩； 為方向盤直徑 假如忽略摩擦損失，根據(jù)能量守恒原理得 確保所有車輪輪圍繞一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心運(yùn)行，梯形機(jī)構(gòu)應(yīng)確保內(nèi)部，外部轉(zhuǎn)向角的轉(zhuǎn)角關(guān)系為 （4-7） 式中 L——汽車軸距 K——兩主銷中心線的延長(zhǎng)線與地面的交點(diǎn)，兩交點(diǎn)之間的距離 ——外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角 ——內(nèi)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角 由圖可知， 其中，R為最小轉(zhuǎn)彎半徑，為5.5m 所以 則 所以 其中 則 轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比 （4-8） 式中：為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角 為轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角 根據(jù)汽車設(shè)計(jì)手冊(cè)里得知，汽車一般的轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比范圍為15～22，取20。 因?yàn)檗D(zhuǎn)向系傳動(dòng)比約等于轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比，即 4.4 Error! No bookmark name given.作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力 為了能使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作，我們必須要克服轉(zhuǎn)向輪能夠轉(zhuǎn)向的阻力，包跨車輪穩(wěn)定阻力等等。所以我們必須通過原地阻力矩通過公示（4-9）來計(jì)算出要使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作時(shí)要在轉(zhuǎn)向盤上施加的最小手力。 Error! No bookmark name given.作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力為 （4-9） 式中：為轉(zhuǎn)向搖臂長(zhǎng) 為轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng) 為轉(zhuǎn)向盤直徑 為轉(zhuǎn)向器正效率 為轉(zhuǎn)向阻力阻力矩 為轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)的正效率一般為0.9左右；取0.9。逆效率為60%～70%之間。 由于轉(zhuǎn)向器直接與橫拉桿連接，故無(wú)搖臂和節(jié)臂，故無(wú)數(shù)值代入上述公式。 下表為各種車型方向盤直徑參考數(shù)值 表4-2 各類車型方向盤直徑 汽車類型 轉(zhuǎn)向盤直徑/mm 小型客車、小型貨車、轎車 400 中型貨車、中型客車 450、500 大型客車、大型貨車 550 轉(zhuǎn)向盤直徑參考值 代入數(shù)據(jù)得： 根據(jù)汽車設(shè)計(jì)手冊(cè)查詢得知，未轉(zhuǎn)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向系一般作用在轉(zhuǎn)向盤的手力為不大于150～200N。 作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力又可由下式表示 （4-10） 式中，為作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩，則 轉(zhuǎn)向橫拉桿材料常采用都是45號(hào)鋼，其抗拉強(qiáng)度為；屈服強(qiáng)度 轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑的計(jì)算公式如下： （4-11） 式中，為原地轉(zhuǎn)向阻力矩，為380128.94 ;為前輪輪距，1420mm;[σ]為材料許用應(yīng)力，216Mpa。將數(shù)據(jù)代入式，得 所以 5 齒輪設(shè)計(jì) 5.1 齒輪參數(shù)的選擇 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，選擇出齒輪各個(gè)參數(shù)的范圍。 齒輪：選用斜齒圓柱齒輪。 模數(shù)：2～3mm 主動(dòng)小齒輪齒數(shù)為5～7個(gè)之間 壓力角取 齒輪螺旋角范圍：9～ 根據(jù)齒輪第二章概述，在這里我選擇圓柱斜齒輪，斜齒輪的重合度高，運(yùn)行穩(wěn)定，震動(dòng)和噪聲降低，況且齒輪與齒條各自的軸線相交形成的夾角適用于汽車轉(zhuǎn)向系總體設(shè)布置的要求。 主動(dòng)小齒輪選用的材料為材料制造并經(jīng)滲碳淬火，硬度在50-60HRC之間，取值55HRC。齒條選用的材料為；殼體選用鋁合金壓鑄 5.2 齒輪幾何尺寸的確定 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》確定齒輪的基本參數(shù)： 表5-1 齒輪基本參數(shù) 名稱 模數(shù)m（mm） 齒數(shù)z 數(shù)值 2.5 6 名稱 壓力角（） 螺旋角（） 數(shù)值 分度圓直徑： 取 齒頂高： 齒根高： 全齒高： 齒頂圓直徑： 齒根圓直徑： 基圓直徑： 齒距： 齒寬： 法向齒頂高系數(shù)=1 法向頂隙系數(shù)=0.25 5.3 齒輪校核 5.3.1齒輪受力分析 在斜齒輪的傳動(dòng)中如果齒面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力忽略不計(jì)，則作用于節(jié)點(diǎn)F 的法向力 可分解為徑向力 和分力。分力 又可分解為圓周力 和軸向力 。 切向力 (5-1) 徑向力 (5-2) 軸向力 (5-3) 式中，為轉(zhuǎn)向盤扭力矩，25600N.mm；為齒輪分度圓直徑：16mm；為齒輪壓力角：20°；β為齒輪螺旋角13°。將數(shù)據(jù)代入上式，得 5.3.2 齒輪的齒面彎曲疲勞強(qiáng)度校核 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核公式： （5-4） （１） 許用接觸應(yīng)力 　 查表得 查表得壽命系數(shù).45 安全系數(shù)　.2 （２） 查表得　彈性系數(shù)?。? （３） 查表得　區(qū)域系數(shù)　 （４） 重合度系數(shù)　　一般在0.75～0.88之間，取0.8 （５） 螺旋角系數(shù)　?。? （６） 因?yàn)樗切饼X輪傳動(dòng)，所以K可選更小，K = 1.2 （７） 一般斜齒圓柱齒輪,所以齒輪比取6. 代入數(shù)據(jù) 可得 齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度符合要求。 5.3.3 齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核 （5-5） 其中 1）、查表得，為斜齒輪的齒形系數(shù)，按，查取；為斜齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)，=1.57； 為齒寬=28mm。 2)、確定載荷系數(shù)K （5-6） 式中：為使用系數(shù)；為動(dòng)載系數(shù)；彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒面載荷分布系數(shù)；為彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒間載荷分配系數(shù) 查表得：;【齒輪IT7級(jí)精度】 齒輪動(dòng)載系數(shù)：[原動(dòng)機(jī)輕微沖擊，工作機(jī)輕微沖擊] 齒輪齒向載荷分布系數(shù)： 齒輪齒間載荷分配系數(shù)： 則 3).齒輪轉(zhuǎn)矩 因?yàn)辇X輪選用，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[5]查得：齒輪的齒根彎曲疲勞極限；應(yīng)力修正系數(shù)=2；彎曲強(qiáng)度壽命系數(shù)；彎曲強(qiáng)度的最小安全系數(shù)，則齒輪許用應(yīng)力為 可以看出，合乎設(shè)計(jì)要求。 6 齒條設(shè)計(jì) 6.1 齒條材料的選擇 齒條是轉(zhuǎn)向器的主要零部件，齒條兩端直接與轉(zhuǎn)向橫拉桿連接，齒條做往返運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)橫拉桿，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。其性能直接關(guān)系著轉(zhuǎn)向器的使用壽命。轉(zhuǎn)向器扭矩低，受到中等沖擊，工作環(huán)境較惡劣，所以在齒條材料選擇上十分重要。由以上可知，齒輪選用20Cr合金鋼，由此本設(shè)計(jì)齒條材料選用45鋼與其匹配作為嚙合副。齒條采用滲碳淬火工藝的熱處理方式，其表面硬度高于56HRC。為了減輕質(zhì)量，轉(zhuǎn)向器殼體用鋁合金壓鑄。 6.2 齒條參數(shù)的確定 根據(jù)齒輪齒條的嚙合特點(diǎn): (1) 基圓齒輪嚙合的齒輪之間的間距應(yīng)相等，即。其中，齒輪：，齒條：。 (2) 齒輪與齒條嚙合角總是等于壓力角。 所以有,齒條模數(shù),壓力角。 齒條斷面形狀選取圓形。 選取齒數(shù)z=20，螺旋角β=13° 齒條齒數(shù)的確定是通過整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自由行程來確定的，根據(jù)齒條的自由行程來確定齒條的齒數(shù)。在齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器中，為了便于相互比較，通常將轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)相應(yīng)的齒條移動(dòng)量定義為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比，即齒條行程（mm）/轉(zhuǎn)向盤圈數(shù)[6]。如前所述，角傳動(dòng)比，轉(zhuǎn)向盤圈數(shù)為4圈，則齒條行程=20*4=80mm 齒條的齒數(shù)計(jì)算： (6-1) 式中，L為齒條行程80mm，齒條模數(shù)2.5，齒條壓力角200，代入數(shù)據(jù)得： ；取整數(shù)值 分度圓直徑為16mm 取齒寬系數(shù)Ψd=1.2 齒寬 所以齒條寬b2取22mm，即b2=22mm； 齒頂高系數(shù) 法面頂隙系數(shù) 齒頂高 齒根高 端面模數(shù) 端面壓力角 法面齒距 端面齒距 7 齒輪軸的設(shè)計(jì)與校核 7.1 齒輪軸結(jié)構(gòu)形式與幾何參數(shù)的確定 主動(dòng)小齒輪采用的材料為，所以主動(dòng)小齒輪軸也采用材料制造，并滲碳淬火，硬度在50-60HRC之間，取值55HRC。形狀如圖7-1所示。 圖7-1 其中 此處連接滾針軸承，型號(hào)為NA4901 此軸徑為齒輪齒頂圓直徑 此處連接推力球軸承，選擇型號(hào)為51202 此處長(zhǎng)度為齒輪的寬度 7.2 齒輪軸強(qiáng)度校核 查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得知； 的各項(xiàng)機(jī)械性能如下：抗拉強(qiáng)度極限 屈服極限；彎曲疲勞極限 剪切疲勞極限 按強(qiáng)度要求，應(yīng)使 （7-1） 齒輪上的圓周力： 齒輪上的徑向力： 齒輪上的軸向力： 彎曲疲勞強(qiáng)度極限： 剪切疲勞強(qiáng)度極限： 抗拉強(qiáng)度校核 滿載時(shí)的阻力矩為，齒輪軸的最小直徑為12mm，這一部分的軸向抗拉強(qiáng)度為 傳遞轉(zhuǎn)矩軸段的最小直徑為 （7-2） C是一個(gè)常數(shù)，決定C的因素有軸承的材料和工作狀況，查表得C=98 則 所以 符合條件。 8 其他零件的選擇 8.1 彈簧的選擇 確定彈簧絲直徑，選擇彈簧指數(shù)C 選擇材料 由彈簧工作條件可知，對(duì)材料無(wú)特殊要求，故選用碳素彈簧鋼絲，C級(jí)。因彈簧的工作次數(shù)小于，載荷性質(zhì)屬П類，許用切應(yīng)力。 初估彈簧絲直徑；查表得到彈簧指數(shù)，取4；曲度系數(shù)；查表得，；。 若設(shè)計(jì)要求彈簧力為，最大間隙，該彈簧在軸徑為18mm的軸上工作，外徑小于35mm，小于50mm的自由長(zhǎng)度，則 按強(qiáng)度條件確定彈簧直徑d為 (8-1) 計(jì)算結(jié)果與初估直徑誤差為（4.1-4）/4=10%，誤差較小，故取。 確定彈簧工作圈數(shù) (8-2) 式中，G為彈簧材料的剪切彈性模量，剛為8×104MPa，得 取3加上2圈死圈，共5圈。 其他彈簧尺寸： 中徑 外徑 內(nèi)徑 間距 節(jié)距 自由高度 8.2 軸承的選擇 目前在齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器中應(yīng)用較多的只有沖壓外圈的滾針軸承，因?yàn)楫?dāng)滾針軸承的沖壓外圈一端是固定的，這樣既可以使殼體加工容易，又可以防止水及塵土進(jìn)入轉(zhuǎn)向器內(nèi) 。 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選擇51202推力球軸承，15毫米的內(nèi)