機械式轉向器方案分析及設計.docx

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三.機械式轉向器方案分析及設計 4.1齒輪齒條式轉向器 齒輪齒條式轉向器由與轉向軸做成一體的轉向齒輪和常與轉向橫拉桿做成一體的齒條組成。與其他形式的轉向器比較，齒輪齒條式轉向器最主要的優(yōu)點是：結構簡單、緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成，轉向器的質量比較??；傳動效率高達90%；齒輪與齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙以后，利用裝在齒條背部、靠近主動小齒輪處的壓緊力可以調節(jié)的彈簧。能自動消除齒間間隙，這不僅可以提高轉向系統(tǒng)的剛度。還可以防止工作時產生沖擊和噪聲；轉向器占用的體積小；沒有轉向搖臂和直拉桿，所以轉向輪轉角可以增大；制造成本低。 齒輪齒條式轉向器的主要缺點是：因逆效率高，貨車在不平路面上行駛時，發(fā)生在轉向輪與路面之間沖擊力的大部分能傳至轉向盤，稱之為反沖。反沖現(xiàn)象會使駕駛員精神緊張，并難以準確控制貨車行駛方向，轉向盤突然轉動又會造成打手，同時對駕駛員造成傷害。 根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點不同，齒輪齒條式轉向起有四種形式，如圖4-1所示：中間輸入，兩端輸出(a)；側面輸入，兩端輸出(b)；側面輸入，中間輸出(c)；側面輸入，一端輸出(d)。 圖4-1 齒輪齒條式轉向起有四種形式 采用側面輸入，中間輸出方案時，與齒條連的左，右拉桿延伸到接近貨車縱向對稱平面附近。由于拉桿長度增加，車輪上、下跳動時拉桿擺角減小，有利于減少車輪上、下跳動時轉向系與懸架系的運動干涉。拉桿與齒條用螺栓固定連接，因此，兩拉桿會與齒條同時向左或右移動，為此在轉向器殼體上開有軸向的長槽，從而降低了它的強度。 采用兩端輸出方案時，由于轉向拉桿長度受到限制，容易與懸架系統(tǒng)導向機構產生運動干涉。 側面輸入，一端輸出的齒輪齒條式轉向器，常用在平頭貨車上。 采用齒輪齒條式轉向器采用直齒圓柱齒輪與直齒齒條嚙合，則運轉平穩(wěn)降低，沖擊大，工作噪聲增加。此外，齒輪軸線與齒條軸線之間的夾角只能是直角，為此因與總體布置不適應而遭淘汰。采用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合的齒輪齒條式轉向器，重合度增加，運轉平穩(wěn)，沖擊與工作噪聲均下降，而且齒輪軸線與齒條軸線之間的夾角易于滿足總體設計的要求。因為斜齒工作時有軸向力作用，所以轉向器應該采用推力軸承，使軸承壽命降低，還有斜齒輪的滑磨比較大是它的缺點。 齒條斷面形狀有圓形、V形和Y形三種。圓形斷面齒條的制作工藝比較簡單。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%，故質量小；位于齒下面的兩斜面與齒條托座接觸，可用來防止齒條繞軸線轉動；Y形斷面齒條的齒寬可以做得寬些，因而強度得到增加。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，以減少滑動摩擦。當車輪跳動、轉向或轉向器工作時，如在齒條上作用有能使齒條旋轉的力矩時，應選用V形和Y形斷面齒條，用來防止因齒條旋轉而破壞齒輪、齒條的齒不能正確嚙合的情況出現(xiàn)。 為了防止齒條旋轉，也有在轉向器殼體上設計導向槽的，槽內嵌裝導向塊，并將拉桿、導向塊與齒條固定在一起。齒條移動時導向塊在導向槽內隨之移動，齒條旋轉時導向塊可防止齒條旋轉。要求這種結構的導向塊與導向槽之間的配合要適當。配合過緊會為轉向和轉向輪回正帶來困難，配合過松齒條仍能旋轉，并伴有敲擊噪聲。 根據(jù)齒輪齒條式轉向器和轉向梯形相對前軸位置的不同，齒輪齒條式轉向器在貨車上有四種布置：形式轉向器位于前軸后方，后置梯形(a)；轉向器位于前軸后方，前置梯形(b)；轉向器位于前軸前方，后置梯形(c)；轉向器位于前軸前方，前置梯形(d)。 圖4-2 齒輪齒條式轉向器在貨車上有四種布置 齒輪齒條式轉向器廣泛應用于乘用車上。車載質量不大，前輪采用獨立懸架的貨車和客車有些也用齒輪齒條式轉向器。 4.2其他轉向器 有循環(huán)球式轉向器，蝸桿滾輪式轉向器，蝸桿指銷式轉向器等。 循環(huán)球式轉向器的主要缺點是：逆效率高，結構復雜，制造困難，制造精度要求高。循環(huán)球式轉向器主要用于商用車上。 蝸桿滾輪式轉向器的主要缺點是：正效率低；工作齒面磨損以后，調整嚙合間隙比較困難；轉向器的傳動比不能變化。 固定銷蝸桿指銷式轉向器的結構簡單、制造容易；但是因銷子不能自轉，銷子的工作部位基本保持不變，所以磨損快、工作效率低。旋轉銷式轉向器的效率高、磨損慢，但結構復雜。 所以我的設計選用齒輪齒條式轉向器為動力轉向裝置。 4.3齒輪齒條式轉向器工作原理及布置、結構形式的選擇 圖4-3 齒輪齒條式轉向器轉向原理簡圖 圖4-4 采用如圖所示的布置形式 圖4-5 采用如圖所示的側面輸入兩端輸出的結構形式。 4.4數(shù)據(jù)的確定 根據(jù)以上的論述，本次設計初選數(shù)據(jù)如下： 輪距：前/后 1940/1860mm 軸距 4500mm 滿載軸荷分配：前/后 4170/8340(kg) 總質量/kg 13900(kg) 輪胎 10.00-20（低氣壓） 主銷偏移距a 55mm 輪胎壓力p/MPa 0.65 方向盤直徑 500mm 最小轉彎半徑 18m 轉向節(jié)臂 204mm 兩主銷延長線至地面交點間的距離 1530mm 轉向搖臂 180mm 表4-1 初選數(shù)據(jù) 4. 5設計計算過程 4.5.1 轉向輪側偏角計算 (4-1) (4-2) 4.5.2轉向器參數(shù)選取 齒輪齒條轉向器的齒輪多采用斜齒輪，齒輪模數(shù)在之間，主動小齒輪齒數(shù)在之間，壓力角取，螺旋角在之間。故取小齒輪，，右旋，壓力角，精度等級8級。 轉向節(jié)原地轉向阻力矩： (4-3) 方向盤轉動圈數(shù)： (4-4) 角傳動比: (4-5) 故初選角傳動比值復合要求 方向盤上的手力： (4-6) 其中L1為轉向搖臂長，L2轉向節(jié)臂長，DSW轉向盤直徑，η為轉向器效率。 作用在轉向盤上的操縱載荷:對轎車該力不應超過150～200N，對貨車不應超過500N。所以符合設計要求 (4-7) 力傳動比： (4-8) 取齒寬系數(shù)， (4-9) 齒條寬度圓整取，則取齒輪齒寬 4.5.3選擇齒輪齒條材料 小齒輪：齒輪通常選用國內常用、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。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。 4.5.4強度校核 （1）、校核齒輪接觸疲勞強度 選取參數(shù)，按ME級質量要求取值 ， ； ， ， 故以 計算 (4-10) 查得： ， ， ， ； ， ， ， 則， (4-11) 齒輪接觸疲勞強度合格 （2）、校核齒輪彎曲疲勞強度 選取參數(shù)，按ME級質量要求取值； ； ； ； ； 故以 計算 (4-12) 據(jù)齒數(shù)查表有：； ； ； 。則 (4-13) 齒輪彎曲疲勞強度合格 4.5.5齒輪齒條的基本參數(shù)如下表所示: 名稱 符號 公式 齒輪 齒條 齒數(shù) 6 31 分度圓直徑 15.2314 — 變位系數(shù) — 1 — 齒頂高 5 2.5 齒根高 0.625 3.125 齒頂圓直徑 25.2314 — 齒根圓直徑 13.9814 — 齒輪中圓直徑 20.2314 — 螺旋角 — 10 齒寬 30 20 表2 4.6齒輪軸的結構設計 圖4-6齒輪軸的結構設計 4.7軸承的選擇 軸承1 深溝球軸承6004 (GB/T276-1994) 軸承2 滾針軸承 NA4901 (GB/T5801-1994) 4.8轉向器的潤滑方式和密封類型的選擇 轉向器的潤滑方式：人工定期潤滑 潤滑脂：石墨鈣基潤滑脂（ZBE36002-88）中的ZG-S潤滑脂。 密封類型的選擇 密封件： 旋轉軸唇形密封圈 FB 16 30 GB 13871—1992