I汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì)摘 要汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能是汽車的主要性能之一，轉(zhuǎn)向性能直接影響到汽車的操縱穩(wěn)定性，它對于確保車輛的安全行駛、減少交通事故以及保護(hù)駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件起著重要的作用。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器是將司機(jī)對轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動變?yōu)辇X條沿軸向移動，并按照一定的角傳動比和力傳動比進(jìn)行傳遞的機(jī)構(gòu)。其基本結(jié)構(gòu)是一對相互嚙合的齒輪和齒條，轉(zhuǎn)向軸帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒條便做直線運(yùn)動，同時(shí)靠齒條帶動橫拉桿就可使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向，所以這是一種最簡單的轉(zhuǎn)向器，它具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、質(zhì)量輕、剛度大、轉(zhuǎn)向靈敏、制造容易、成本低，正逆效率高一級便于布置等優(yōu)點(diǎn)，而且特別適用在獨(dú)立式麥弗遜式懸架配用，因此目前它在轎車和微型、輕型貨車上得到了廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞：齒輪齒條；轉(zhuǎn)向器；汽車IIAutomobile Gear Rack Type Steering System DesignAbstractThe function of automotive steering system is one of the most important functions. It can influence the stability in manipulation, also plays an important role in ensuring safe driving, reducing traffic accident, protecting driver’s safety and improving driver’s work condition. Rack and pinion steering gear is the driver of the steering wheel along the axis of rotation into a mobile rack and gear ratio according to a certain angle and force transmission ratio for delivery of the body. The basic structure is a pair of mutually meshing gears and rack pinion steering drive shaft rotates, the rack will be a straight line, while driven by the rack to tie rod steering wheel can turn, so this is one of the most simple the steering, it has simple structure, light weight, stiffness, steering is sensitive, easy manufacturing, low cost, high efficiency and a convenient forward and reverse layout, etc. and especially for the independent suspension with McPherson-type , so now it is in the car and micro, light truck has been widely used.Key Words: rack-and pinion; steering gear; automobileIII目 錄1 緒論 .11.1 汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的概述 11.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展概況 11.3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器背景、研究意義及國內(nèi)外發(fā)展情況 11.4 汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向原理及基本特性 32 汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型、組成及工作原理 52.1 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成 52.1.1 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)的功能與組成 .52.1.2 轉(zhuǎn)向盤 .52.1.3 轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向管柱 .62.1.4 安全保護(hù)裝置 .62.2 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理 .72.3 械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn) .83 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)方案的選擇 .94 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì) .124.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì) .124.1.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要元件 124.1.2 轉(zhuǎn)向傳動比 .134.1.3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的安裝 .134.1.4 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)要求 .134.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系主要參數(shù)的確定 .134.2.1 轉(zhuǎn)向節(jié)原地轉(zhuǎn)向力矩 MR 的計(jì)算 134.2.2 轉(zhuǎn)向盤手力 Fh 的計(jì)算 144.2.3 轉(zhuǎn)向盤手力矩 的計(jì)算 144.2.4 角傳動比 的計(jì)算 14Wi4.2.5 力傳動比 的計(jì)算 .15P4.2.6 梯形臂長度 L 的計(jì)算 154.2.7 轉(zhuǎn)向輪側(cè)偏角的計(jì)算 .154.3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)計(jì)算 .164.3.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇 .16IV4.3.2 齒輪軸和齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算 .164.4 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向橫拉桿的運(yùn)動分析 .224.5 齒輪齒條傳動的受力分析 .224.6 齒輪軸的強(qiáng)度校核 .234.6.1 軸的受力分析 234.6.2 判斷危險(xiǎn)剖面 .234.6.3 軸的彎扭合成強(qiáng)度校核 .244.6.4 軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核 .244.7 齒輪軸軸承的校核 .264.7.1 求比值 .264.7.2 初步計(jì)算當(dāng)量動載荷 .27p4.7.3 根據(jù)式，計(jì)算軸承應(yīng)有的額定動載荷值 .274.7.4 6204 軸承的校核 .274.8 間隙調(diào)整彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 .284.8.1 根據(jù)工作情況及具體條件選定材料，并查取其力學(xué)性能數(shù)據(jù) .284.8.2 彈簧絲直徑 的設(shè)計(jì)計(jì)算 .28d4.8.3 彈簧工作圈數(shù)和自由高度的設(shè)計(jì)計(jì)算 .284.8.4 驗(yàn)算穩(wěn)定性 .294.8.5 檢查 及 .29 ?14.8.6 彈簧幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸的確定 .294.8.7 疲勞強(qiáng)度和靜應(yīng)力強(qiáng)度的驗(yàn)算 .294.8.8 彈簧振動的驗(yàn)算 .325 結(jié)論 .32參考文獻(xiàn) .33致 謝 34畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 35畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 .361 緒論11 緒論1.1 汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的概述汽車行駛中，駕駛員通過操縱轉(zhuǎn)向盤，經(jīng)過一套傳動機(jī)構(gòu)，使轉(zhuǎn)向輪在路面上偏轉(zhuǎn)一定的角度來改變其行駛方向，確保汽車穩(wěn)定安全的正常行駛。能使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的一整套機(jī)構(gòu)成為汽車轉(zhuǎn)向系。在現(xiàn)代汽車上，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是必不可少的最基本的系統(tǒng)之一，它也是決定汽車主動安全性的關(guān)鍵總成，如何設(shè)計(jì)汽車的轉(zhuǎn)向特性，使汽車具有良好的操縱性能， ，始終是各汽車廠家和科研機(jī)構(gòu)的重要課題。特別是在車輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天，針對更多不同的駕駛?cè)巳?，汽車的操縱性設(shè)計(jì)顯得尤為重要。1.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展概況齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是整車系統(tǒng)中必不可少的最基本的組成系統(tǒng)，駕駛員通過方向盤來操縱和控制汽車的行進(jìn)方向，從而實(shí)現(xiàn)自己的駕駛意圖。一百多年來，汽車工業(yè)隨著機(jī)械和電子技術(shù)的發(fā)展而不斷前進(jìn)。到今天，汽車已經(jīng)不是單純機(jī)械意義上的汽車了，它是機(jī)械、電子、材料等學(xué)科的綜合產(chǎn)物。汽車齒輪齒條轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也隨著汽車工業(yè)的發(fā)展歷經(jīng)了實(shí)踐的演變。1.3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器背景、研究意義及國內(nèi)外發(fā)展情況齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器最早出現(xiàn)在 1902 年，當(dāng)時(shí)由于其本身結(jié)構(gòu)不夠完善，整車布置的限制以及道路條件差等因素，導(dǎo)致路面反沖激烈，噪音較大以及轉(zhuǎn)向性能較差等缺陷，使此種轉(zhuǎn)向器的應(yīng)用受到很大的限制。然而近幾十年來，特別是最近幾年，卻有了很大發(fā)展，其發(fā)展速度超過循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，國際輿論甚至認(rèn)為：目前汽車工業(yè)正在拋棄有 70 年歷史的搖臂型轉(zhuǎn)向器。這種看法的主要依據(jù)是：a. 國外大部分主要汽車在制造廠大規(guī)模地推薦橫置發(fā)動機(jī)、前輪驅(qū)動的小客車，這樣對齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系的布置十分靈活方便，比搖臂式轉(zhuǎn)向器的傳動機(jī)構(gòu)更為簡化。b. 高速公路發(fā)展使車輛速度大大提高，為獲得良好的路感，對轉(zhuǎn)向器的剛性要求愈來愈高，而循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器在剛性上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。c. 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器本身具備的優(yōu)點(diǎn)如結(jié)構(gòu)簡單、成本低、高達(dá) 80%以上的傳動效率、具有多種輸入輸出形式便于布置、重量輕（轉(zhuǎn)向器殼多數(shù)采用壓2鋁合金、有的廠還在研制塑料殼體） 、剛性好等等，能使高速車輛的駕駛者獲得良好的路感。此外、由于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器自身結(jié)構(gòu)的發(fā)展，如采用新型的手動變速比和動力轉(zhuǎn)向，其使用范圍已從轎車、微型車及輕型汽車逐步發(fā)展到中型和重型汽車轉(zhuǎn)向系。從目前情況看，國際上汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的汽車轉(zhuǎn)向器結(jié)合基本上可歸為兩大類：搖臂式轉(zhuǎn)向器和齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，前者主要型式有球面蝸桿滾輪式、循環(huán)球式和曲柄指銷式三種，其中循環(huán)球式較為主要，在美國和日本的汽車中使用較多。而西歐國家，尤其是法國的汽車中則以齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器為主。日本 NSK 公司的統(tǒng)計(jì)資料表明了世界上各種轉(zhuǎn)向器的采用比率及變化趨勢，1968 年到 1975 年循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器比率在 40%～46%之間變化，而齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的比率則由 31%增加到 43%，發(fā)展較快。此外，日本和美國循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的產(chǎn)量占 90%以上，而西歐國家齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器則占較大的百分比，西德為 57%，英國為 77%，法國為 96%。從目前國外著名轉(zhuǎn)向器廠制造的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器主要應(yīng)用于轎車，微型和輕型汽車方面，加美國 TRW 公司的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器用于前軸負(fù)載700～1250 公斤的車輛，西德 ZF 廠的同類產(chǎn)品用于前軸負(fù)載荷為 900～2400 公斤的車輛，但該廠新設(shè)計(jì)的 7856 型齒輪齒條式動力轉(zhuǎn)向器可用于前軸負(fù)載荷達(dá)6500 公斤的汽車。從產(chǎn)量看，ZF 廠 1980 年生產(chǎn)了 30 萬套，占機(jī)械轉(zhuǎn)向器的一半。英國伯曼廠日產(chǎn) 1200 套，為其生產(chǎn)的各種轉(zhuǎn)向器之首。日本汽車轉(zhuǎn)向器雖然以循環(huán)球式為主，但近年隨著微型汽車的迅速發(fā)展，也開始大量采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。如大發(fā)、三菱微型汽車等。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器長期以來是我國汽車轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)中的一項(xiàng)空白，直到最近幾年由于大量進(jìn)口汽車組裝件，技術(shù)引進(jìn)以及與國外合資企業(yè)的發(fā)展，才開始研制開發(fā)和生產(chǎn)這種轉(zhuǎn)向器。其中主要有與西德大眾汽車公司合資生產(chǎn)的桑塔納中級轎車，日本大發(fā)公司的微型汽車以及意大利菲亞特公司的依維柯輕型客貨車系列等。僅從以上三種車型的最終生產(chǎn)綱領(lǐng)統(tǒng)計(jì)就達(dá) 40 余萬輛，再加上其它進(jìn)口車型的修配任務(wù)，估計(jì)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器產(chǎn)量將達(dá) 50 余萬套，可以估計(jì)到 90 年代時(shí)這種轉(zhuǎn)向器將占我國汽車轉(zhuǎn)向器產(chǎn)量的 40%～50%。因此，國內(nèi)轉(zhuǎn)向器行業(yè)對此都十分重視。如上海汽車底盤廠為了配套生產(chǎn)桑塔納轎車和SH110 微型汽車的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，已經(jīng)大力進(jìn)行工廠技術(shù)改造和技術(shù)設(shè)備的引進(jìn)工作，要在 90 年代達(dá)到以齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器為主的各種轉(zhuǎn)向器產(chǎn)量共50 萬套的年生產(chǎn)綱領(lǐng)。 31.4 汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向原理及基本特性圖 1.1 車輪的運(yùn)動軌跡a. 平行四邊形轉(zhuǎn)型機(jī)構(gòu) b. 梯形轉(zhuǎn)型機(jī)構(gòu)圖 1.2 前輪運(yùn)動軌跡若使汽車能順利轉(zhuǎn)向，各個(gè)輪不產(chǎn)生滑動，轉(zhuǎn)向車輪須同向偏轉(zhuǎn)，且所有車輪需要繞一個(gè)轉(zhuǎn)向中心轉(zhuǎn)動，保證各車輪在轉(zhuǎn)向過程中均為純搖滾。如圖 1.1所示，汽車四個(gè)車輪 A、B、C 和 D 轉(zhuǎn)軸的延長線相較于一點(diǎn) O，O 點(diǎn)即為車輪的轉(zhuǎn)動中心，四個(gè)車輪的運(yùn)動軌跡形成同心圓。這就是汽車轉(zhuǎn)向基本特性。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系為平行四邊形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)時(shí)，轉(zhuǎn)向車輪的偏轉(zhuǎn)角度相同（見圖 1.2a），四個(gè)車輪轉(zhuǎn)軸延長線交匯點(diǎn)有兩個(gè)，因而形成兩個(gè)轉(zhuǎn)動中心，轉(zhuǎn)向車輪不能實(shí)現(xiàn)純滾動，其轉(zhuǎn)向過程異常。為滿足汽車轉(zhuǎn)向基本特性，運(yùn)用阿克曼原理，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系呈梯形（見圖 1.2b）。梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由梯形臂和橫拉桿組成。梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使兩側(cè)轉(zhuǎn)向車輪偏轉(zhuǎn)時(shí)形成一個(gè)轉(zhuǎn)向中心，即汽車的四個(gè)車輪繞著一個(gè)點(diǎn)轉(zhuǎn)動。此時(shí)內(nèi)、外側(cè)轉(zhuǎn)向車輪偏轉(zhuǎn)角度不相等，內(nèi)側(cè)車輪偏轉(zhuǎn)角 比外側(cè)車輪偏轉(zhuǎn)角 大（見圖 1.3）。在車輪為剛體的假設(shè)條件下，??內(nèi)、外側(cè)轉(zhuǎn)向車輪偏轉(zhuǎn)角的理想關(guān)系為：4圖 1.3 轉(zhuǎn)向車輪偏轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)向差cot =cot +B/L ??（1.1）式中：B---- 兩側(cè)主銷軸線與地面交點(diǎn)之間的距離，也稱為輪距；L----汽車軸距。由轉(zhuǎn)向中心 O 到外轉(zhuǎn)向輪與地面接觸的距離稱為汽車的轉(zhuǎn)彎半徑。轉(zhuǎn)彎半徑越小，則汽車轉(zhuǎn)向所需場地越小，其機(jī)動性能越好。由圖 1-3 可知，當(dāng)前外轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角達(dá)到最大值 max 時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑 R 有最小值。在圖示理想?情況下，最小轉(zhuǎn)彎半徑 R min 與 max 的關(guān)系為：R min=L/sin max ?（1.2）2 汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型、組成及工作原理52 汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型、組成及工作原理2.1 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)：轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、萬向節(jié)（上、下） 、轉(zhuǎn)向傳動軸。（采用萬向傳動裝置有助于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器等部件和組件的通用化和系列化）齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器：內(nèi)設(shè)減速傳動副，作用減速增扭。轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)：轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向梯形。圖 2.1 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)2.1.1 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)的功能與組成轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)的功能是將駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的操縱力矩傳給轉(zhuǎn)向器。它主要由轉(zhuǎn)向盤 1、轉(zhuǎn)向軸及轉(zhuǎn)向柱管 2 和萬向傳動裝置 3 等組成（見圖 2.1） 。轉(zhuǎn)向軸上部與轉(zhuǎn)向盤固定連接，下部裝有齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向器的連接方式，一種是與轉(zhuǎn)向器的輸入軸直接連接，另一種是通過萬向傳動裝置間接與轉(zhuǎn)向器輸入軸相連接。2.1.2 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向盤主要由輪圈 1、輪輻 2 和輪轂 3 組成，其結(jié)構(gòu)如圖 2.2 所示。輪輻的形式有兩根輻條式、三根輻條式和四根輻條式。輪輻和輪圈的心部有鋼或鋁合金等金屬制骨架，外層以合成樹脂或合成橡膠包裹，下側(cè)形成波浪似以利于駕駛員把持。轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向軸通常通過帶錐度的細(xì)花鍵連接，端部通過螺母軸向壓緊固定。有的汽車?yán)乳_關(guān)按鈕裝在轉(zhuǎn)向盤上，方便駕駛員操作。6圖 2.2 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)示意圖因?yàn)樵谡麄€(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，各傳動件之間存在著轉(zhuǎn)配間隙，這些間隙反映到轉(zhuǎn)向盤上來就變成轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的空轉(zhuǎn)角度。轉(zhuǎn)向盤自由行程對于緩和路面沖擊及避免駕駛員過度緊張是有利的。轉(zhuǎn)向盤的自由行程應(yīng)控制在轉(zhuǎn)向輪處于直線行駛位置時(shí)轉(zhuǎn)向盤向左或向右的自由行程不超過 10°～15° 。2.1.3 轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向管柱轉(zhuǎn)向軸用來連接轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器，并將轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩傳給轉(zhuǎn)向器。轉(zhuǎn)向軸分為普通式和能量吸收式。現(xiàn)代汽車更多地采用能量吸收式轉(zhuǎn)向軸結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)向管柱安裝在車身上，支撐轉(zhuǎn)向軸及轉(zhuǎn)向盤。轉(zhuǎn)向軸從轉(zhuǎn)向管柱內(nèi)穿過，靠轉(zhuǎn)向管柱內(nèi)的軸承和襯套支撐。為方便不同體型駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤，轉(zhuǎn)向管柱上裝有能改變轉(zhuǎn)向盤位置的裝置。轉(zhuǎn)向盤的安裝角度和高度可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整，以適應(yīng)駕駛員的體型和駕駛習(xí)慣。2.1.4 安全保護(hù)裝置在轉(zhuǎn)向操縱結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)的汽車被動安全技術(shù)有安全氣囊和能量吸收式轉(zhuǎn)向軸。a. 全氣囊 SRS 安裝在轉(zhuǎn)向盤上它的結(jié)構(gòu)主要由傳感器、氣體發(fā)生器、氣囊系統(tǒng)等三部分組成。傳感器檢測汽車發(fā)生碰撞時(shí)的車速、沖擊參數(shù)，氣體發(fā)生器根據(jù)傳感器指令釋放高壓氣體，或引爆固體燃料，瞬時(shí)產(chǎn)生高壓氮?dú)獠⒀杆傧驓饽页錃?，氣囊膨脹，達(dá)到保護(hù)成員的目的。另外，安全氣囊還有一些排氣孔，使安全氣囊撞到成員時(shí)壓力有所減小，已達(dá)到緩沖效果。安全氣囊只能在減速度足夠大的碰撞中爆發(fā)（充氣） ，而且只能使用一次，不能重復(fù)使用。b. 能量吸收式轉(zhuǎn)向軸能量吸收式轉(zhuǎn)向軸分為球式、封入霧狀硅橡膠式、咬合式、波紋管式四種。使用較多的是球式，球式能量吸收裝置主要由轉(zhuǎn)向軸、鋼球套筒、上下柱管、7塑料銷、鋼球等組成。塑料套筒裝滿鋼球，擠壓在上柱管和下柱管之間，這些鋼球?yàn)樗亩蝺山M。上面的鋼球與下面的鋼球“交錯排列” ，以使轉(zhuǎn)向盤柱在脫開時(shí)不在同一道槽內(nèi)滾動。除了能滿足轉(zhuǎn)向軸常規(guī)的功能外，在汽車發(fā)生正面碰撞時(shí)，能夠有效的吸收碰撞能量，防止或減少碰撞能量傷害駕駛員的轉(zhuǎn)向軸叫做能量吸收式轉(zhuǎn)向軸。在汽車發(fā)生正面碰撞時(shí)，會出現(xiàn)兩次碰撞。即在汽車碰撞力作用下汽車的前部發(fā)生塑性變形，轉(zhuǎn)向軸向駕駛員胸部方向運(yùn)動的首次碰撞；隨汽車減速，駕駛員在慣性力作用下向轉(zhuǎn)向軸方向運(yùn)動的二次碰撞。首次碰撞的能量通過轉(zhuǎn)向軸以機(jī)械的方式予以吸收，防止或減少其直接作用于駕駛員身上，避免造成人身傷害。二次碰撞即駕駛員本身的運(yùn)動能量一部分由約束裝置如安全帶、安全氣囊等加以吸收，以防止超出人體承受能力的碰撞傷害駕駛員。2.2 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員作用于轉(zhuǎn)向盤上的力，經(jīng)過轉(zhuǎn)向軸（轉(zhuǎn)向柱）傳到轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向器將轉(zhuǎn)向力放大后，又通過轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的傳遞，推動轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，致使汽車行駛方向改變。轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)是駕駛員操縱轉(zhuǎn)向器工作的機(jī)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向器輸入端的零部件。轉(zhuǎn)向器就是把轉(zhuǎn)向盤傳來的轉(zhuǎn)矩按一定的傳動比放大并輸出的增力裝置。轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)是把轉(zhuǎn)向器的運(yùn)動傳給轉(zhuǎn)向車輪的機(jī)構(gòu)，包括從轉(zhuǎn)向節(jié)到轉(zhuǎn)向車輪的零部件。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤直徑一定時(shí)，駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤手力的大小取決于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動比的大小。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動比 是用轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角增量與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)相應(yīng)轉(zhuǎn)角增量之wi比來表示。其數(shù)值是轉(zhuǎn)向器角傳動比 和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)角傳動比 的乘積。1wi 2iw轉(zhuǎn)向器角傳動比是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角增量與同側(cè)搖臂轉(zhuǎn)角相應(yīng)增量之比。轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)角傳動比是搖臂軸轉(zhuǎn)角增量與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角相應(yīng)增量之比。對于一般汽車而言， 大約為 1。由此可見，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動比主要取決2wi于轉(zhuǎn)向器的角傳動比。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動比越大，轉(zhuǎn)向時(shí)加在轉(zhuǎn)向盤上的力矩就越小，轉(zhuǎn)向輕便。但轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動比大會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向操縱不靈敏。所以，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動比的大小要協(xié)調(diào)好“轉(zhuǎn)向輕便” 與“轉(zhuǎn)向靈敏”之間的矛盾。汽車的轉(zhuǎn)向，完全由駕駛員所付的操縱力來實(shí)現(xiàn)的，操縱較費(fèi)力，勞動強(qiáng)度大，但其具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、路感性好、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，多用于中小型貨車或8轎車上。2.3 械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)雖然傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作最可靠，但是也存在很多固有的缺點(diǎn)，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于方向盤和轉(zhuǎn)向車輪之間的機(jī)械連接而產(chǎn)生一些自身無法避免的缺陷：a. 汽車的轉(zhuǎn)向特性受駕駛員駕駛技術(shù)的影響嚴(yán)重；b. 轉(zhuǎn)向傳動比固定，使汽車轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性隨車速、側(cè)向加速度等變化而變化，駕駛員必須提前針對汽車轉(zhuǎn)向特性幅值和相應(yīng)的變化進(jìn)行一定的操縱補(bǔ)償，從而控制汽車按其意愿行駛。這就變相地增加了駕駛員的操縱負(fù)擔(dān)，使汽車轉(zhuǎn)向行程存在很大的不安全隱患。3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)方案的選擇93 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)方案的選擇齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在汽車上的布置形式與轉(zhuǎn)向梯形和轉(zhuǎn)向器傳動輸出形式有關(guān)，圖 3.1 所示為最常見的布置形式。（a）轉(zhuǎn)向器固定于車架或車身兩側(cè)輸出的非獨(dú)立懸掛布置；（b）轉(zhuǎn)向器固定于車架或車身中央輸出的非獨(dú)立懸掛布置；（c）為轉(zhuǎn)向器固定于車身前圍單側(cè)輸出的獨(dú)立懸掛布置（如奧迪 80 和桑塔納轎車） ；（d）轉(zhuǎn)向器固定于車架單側(cè)輸出的獨(dú)立懸掛布置（如日本三菱、大發(fā)微型汽車） 。圖 3.1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的四種布置形式（a ）中間輸入，兩端輸出；（ b）側(cè)面輸入，兩端輸出；（c）側(cè)面輸入，中間輸出；（d）側(cè)面輸入，一端輸出。圖 3.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的傳動輸出形式主要有如下四種形式通過對齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的初步了解，現(xiàn)在可以采用的方案確定為以下幾種：方案一：采用側(cè)面輸入，兩端輸出方案時(shí)，如圖 3.2，由于轉(zhuǎn)向拉桿長度受到限制，容易與懸梁系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動干涉。采用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，重合度增加，運(yùn)10轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)要求。齒條斷面形狀為 V 形，與圓形斷面比較，消耗的材料少，約節(jié)省 20%，故質(zhì)量小，位于齒條下面的兩斜面與齒條托座接觸，可用來防止齒條繞軸線轉(zhuǎn)動。圖 3.3 為兩端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，作為傳動副主動件的轉(zhuǎn)向齒輪軸11 通過軸承 12 和 13 安裝在轉(zhuǎn)向殼體 5 中，其上端通過花鍵與萬向節(jié)叉 10 和轉(zhuǎn)向軸連接。與轉(zhuǎn)向齒輪嚙合的轉(zhuǎn)向齒條 4 水平布置，兩端通過球頭座 3 與轉(zhuǎn)向橫拉桿 1 相連。彈簧 7 通過壓塊 9 將齒條壓靠在齒輪上，保證無間隙嚙合。彈簧的預(yù)緊力可用調(diào)整螺塞 6 調(diào)整。當(dāng)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時(shí)，轉(zhuǎn)向器齒輪軸 11 轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)向車輪偏轉(zhuǎn)，從而使汽車轉(zhuǎn)向。1.轉(zhuǎn)向橫拉桿 2.防塵套 3.球頭座 4.轉(zhuǎn)向齒條 5.轉(zhuǎn)向器殼體 6.調(diào)整螺塞 7.壓緊彈簧8.鎖緊螺母 9.壓塊 10.萬向節(jié) 11.轉(zhuǎn)向齒輪軸 12.向心球軸承 13.滾針軸承圖 3.3 兩端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器方案二：采用側(cè)面輸入，中間輸出方案時(shí)，如圖 3.4，與齒條固定連接的左、右拉桿延伸到接近汽車縱向?qū)ΨQ平面附近。優(yōu)點(diǎn)：由于拉桿長度增加，車輪上、下跳動時(shí)拉桿擺角減小，有利于減少車輪上、下跳動時(shí)轉(zhuǎn)向系與懸架系的運(yùn)動干涉。缺點(diǎn)：為了將左、右橫拉桿固定在齒條上，并且兩拉桿與齒條會同時(shí)向左、右移動一定的距離，必須在轉(zhuǎn)向器殼體上開有軸向方向的長槽，使齒條有一部分裸露出來，然后用螺栓將橫拉桿固定在齒條上。轉(zhuǎn)向器殼體上的長槽使11其強(qiáng)度受到削弱，為了不使外界臟東西落入轉(zhuǎn)向器內(nèi)，又必須用密封罩將它們密封。齒輪齒條轉(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)性降低，沖擊力大，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，為此與總體布置不適應(yīng)而遭淘汰。齒條斷面形狀為圓形，齒條制作工藝比較簡單。中間輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器如圖 3.4 所示，其結(jié)果及工作原理與兩端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器基本相同，不同之處在于它在轉(zhuǎn)向齒條的中部用螺栓 6與左右轉(zhuǎn)向橫拉桿 7 相連。1.萬向節(jié)叉 2.轉(zhuǎn)向齒輪軸 3.調(diào)整螺母 4.向心球軸承 5.滾針軸承 6.固定螺栓 7.轉(zhuǎn)向橫拉桿 8.轉(zhuǎn)向器殼體 9.防塵套 10.轉(zhuǎn)向齒條 11.調(diào)整螺塞 12.鎖緊螺母 13.壓緊彈簧 14.壓塊圖 3.4 中間輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器通過以上比較，選用第一種方案，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的傳動副為齒輪和齒條，其結(jié)構(gòu)簡單，布置方便，制造容易，故僅廣泛用于微型汽車和轎車上，但轉(zhuǎn)向傳動比較小，齒條沿其長度方向磨損不均勻，且通常布置在前輪軸線之后，轉(zhuǎn)向傳動副的主動件—斜圓柱小齒輪，它和裝在外殼中的從動件—齒條相嚙合，外殼固定在車身上。齒條利用兩個(gè)球接頭直接和兩根分開的左、右橫拉桿相連。4 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)124 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)4.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)4.1.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要元件a. 齒條 齒條是在金屬殼體內(nèi)來回滑動的，加工有齒形的金屬條。轉(zhuǎn)向器殼體是安裝在前橫梁或前圍板的固定位置上的。齒條代替梯形轉(zhuǎn)向桿系的搖桿和轉(zhuǎn)向搖臂，并保證轉(zhuǎn)向橫拉桿在適當(dāng)?shù)母叨纫允顾鼈兣c懸架下?lián)u臂平行。齒條可以比作是梯形轉(zhuǎn)向桿系的轉(zhuǎn)向直拉桿。導(dǎo)向座將齒條支承在轉(zhuǎn)向器殼體上。齒條的橫向運(yùn)動拉動或推動轉(zhuǎn)向橫拉桿，使前輪轉(zhuǎn)向。b. 齒輪 齒輪是一個(gè)切有齒形的軸。它安裝在轉(zhuǎn)向器殼體上并使其齒與齒條上的齒相嚙合。齒輪齒條上的齒形可以是直齒也可以是斜齒。齒輪軸上端與轉(zhuǎn)向柱相連。因此，轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)使齒條橫向移動以操縱前輪。齒輪軸由安裝在轉(zhuǎn)向器殼體上的球軸承支撐。斜齒的彎曲增加了一對嚙合齒輪參與嚙合的齒數(shù)。相對于直齒而言，重合度增加，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沖擊與工作噪聲均下降，并能傳遞更大的動力，而且齒輪軸線與齒條軸線之間的夾角以滿足總體設(shè)計(jì)的要求。c. 轉(zhuǎn)向橫拉桿及其端部轉(zhuǎn)向橫拉桿與梯形轉(zhuǎn)向桿系的相似。球頭銷通過螺紋與齒條連接。當(dāng)這些球頭銷依據(jù)制造廠的規(guī)范擰緊時(shí)，在球頭銷上就作用了一個(gè)預(yù)載荷。防塵套夾在轉(zhuǎn)向器兩側(cè)的殼體和轉(zhuǎn)向橫拉桿上，這些防塵套阻止雜物進(jìn)入球頭銷及齒條中。轉(zhuǎn)向橫拉桿端部與外端用螺紋連接。這些端部與梯形轉(zhuǎn)向桿系得相似。側(cè)面螺母經(jīng)橫拉桿外端與橫拉桿鎖緊。注：轉(zhuǎn)向反饋是由前輪遇到不平路面而引起的轉(zhuǎn)向盤的運(yùn)動。d. 齒條間隙調(diào)整裝置一個(gè)齒條導(dǎo)向座安裝在齒條光滑的一面。齒條導(dǎo)向座和與殼體螺紋連接的調(diào)節(jié)螺塞之間有一個(gè)彈簧。此調(diào)節(jié)螺塞由鎖緊螺母固定。齒條導(dǎo)向座的調(diào)節(jié)使齒輪、齒條之間有一定的預(yù)緊力，此預(yù)緊力會影響轉(zhuǎn)向沖擊、噪聲及反饋。134.1.2 轉(zhuǎn)向傳動比當(dāng)轉(zhuǎn)向盤從鎖點(diǎn)轉(zhuǎn)動，每只前輪大約從其正前方開始轉(zhuǎn)動 ?42，因而前輪從最左到最右總共轉(zhuǎn)動 ?60。若傳動比是 1:，轉(zhuǎn)向盤旋轉(zhuǎn) 1，前輪將轉(zhuǎn)向 ?1，轉(zhuǎn)向盤向任一方向轉(zhuǎn)動 3將使前輪從鎖點(diǎn)轉(zhuǎn)向鎖點(diǎn)。這種傳動比過于小，因?yàn)檗D(zhuǎn)向盤最輕微的運(yùn)動將會使車輛突然改變方向。轉(zhuǎn)向角傳動比必須使前輪轉(zhuǎn)動同樣的角度時(shí)需要更大的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。的傳動比較為合理。在這樣的傳動比下，轉(zhuǎn)向盤每轉(zhuǎn)動 ?36.18，0.1:368前輪轉(zhuǎn)向 ?。為了計(jì)算傳動比，可將鎖點(diǎn)到鎖點(diǎn)過程中轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的角度除以此時(shí)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的度數(shù)。4.1.3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的安裝齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器可安在前橫梁上或發(fā)動機(jī)后部的前圍板上。橡膠隔振套包在轉(zhuǎn)向器外，并固定在橫梁上或前圍板上。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的正確安裝高度，使轉(zhuǎn)向橫拉桿和懸架下?lián)u臂可平行安置。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中摩擦點(diǎn)的數(shù)目少了，因此這種系統(tǒng)輕便緊湊。大多數(shù)承載式車身的前驅(qū)動汽車用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。由于齒條直接連接梯形臂，這種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可提供好的路感。在轉(zhuǎn)向器與支撐托架之間裝有大的橡膠隔振墊，這些襯墊有助于減少路面的噪聲、振動從轉(zhuǎn)向器傳到底盤和客艙。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器安裝在前橫梁上或前圍板上。轉(zhuǎn)向器的正確安裝對保證轉(zhuǎn)向橫拉桿與懸架下?lián)u臂的平行關(guān)系有重要作用。為保持轉(zhuǎn)向器處在正確安裝的位置，在轉(zhuǎn)向器安裝的位置處，前圍板有所加固。4.1.4 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)要求齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪多數(shù)采用斜齒圓柱齒輪。齒輪模數(shù)取值范圍多在之間。主動小齒輪齒數(shù)多在 個(gè)齒數(shù)范圍內(nèi)取值，壓力角取 ，m3~2 8~5 ?20齒輪螺旋角多在 之間取值。齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪達(dá)到最大偏轉(zhuǎn)角時(shí)，?15~9相應(yīng)的齒條移動行程應(yīng)達(dá)到最大值來確定。變速比的齒條壓力角，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在 范圍內(nèi)變化。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。?514.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系主要參數(shù)的確定4.2.1 轉(zhuǎn)向節(jié)原地轉(zhuǎn)向力矩 MR 的計(jì)算為了保證行駛安全，組成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各零件有足夠的強(qiáng)度。預(yù)驗(yàn)算轉(zhuǎn)向系零件的強(qiáng)度，需要首先確定作用在各零件上的力。影響這些力的主要因素有轉(zhuǎn)向軸的負(fù)荷、路面阻力和輪胎氣壓等。為轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力，包括轉(zhuǎn)向14輪繞主銷轉(zhuǎn)動的阻力，車輪穩(wěn)定阻力、輪胎變形阻力和轉(zhuǎn)向系中的內(nèi)摩擦阻力等。精確地計(jì)算出這些力是困難的。為此用足夠精確的半經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩 MR（4.2） （4.1）式中：f----輪胎和路面間的滑動摩擦因素；G1---轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷，單位為 N；P---輪胎氣壓，單位為 MPa。4.2.2 轉(zhuǎn)向盤手力 hF（4.2）式中： -----轉(zhuǎn)向搖臂長，單位為 mm；1L---原地轉(zhuǎn)租力矩，單位為 N ；RMm?-----轉(zhuǎn)向節(jié)臂長，單位為 mm；2----為轉(zhuǎn)向盤直徑，單位為 mm；SWD------轉(zhuǎn)向器角傳動比；i-----轉(zhuǎn)向器正效率。??因齒輪齒條式轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)無轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向節(jié)臂，故 和 不代入數(shù)值。1L2對給定的汽車，用上式計(jì)算出來的作用力是最大的。因此，可以用此值作為計(jì)算載荷。4.2.3 轉(zhuǎn)向盤手力矩 的計(jì)算 hM（4.3）式中： ----轉(zhuǎn)向盤手力，單位為 N；hF--轉(zhuǎn)向盤直徑，單位為 mm。SWD4.2.4 角傳動比 的計(jì)算i（4.4）15式中： ----轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的總?cè)?shù)，設(shè)計(jì)為 3.5；n----外側(cè)車輪偏轉(zhuǎn)角；?----內(nèi)側(cè)車輪偏轉(zhuǎn)角。?4.2.5 力傳動比 的計(jì)算Pi（4.5）式中： ---原地轉(zhuǎn)租力矩，單位為 N ；RMm?---轉(zhuǎn)向盤直徑，單位為 mm；SWD----轉(zhuǎn)向盤手力矩，單位為 N ；h-----主銷偏移距，通常轎車為 0.4～0.6 倍輪胎的胎面寬度尺寸范圍內(nèi)a選取，計(jì)算時(shí)取 80。4.2.6 梯形臂長度 L 的計(jì)算輪輞直徑 minRW2.304.513???轉(zhuǎn)向節(jié)長度 取 8.1/80L mL132?（4.6）4.2.7 轉(zhuǎn)向輪側(cè)偏角的計(jì)算圖 4.1 兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角關(guān)系??24.9?16式中： ----外側(cè)車輪偏轉(zhuǎn)角；?----內(nèi)側(cè)車輪偏轉(zhuǎn)角；?----最小轉(zhuǎn)彎半徑；R----汽車軸距；LB----兩側(cè)主銷軸線與地面交點(diǎn)之間的距離，也稱為輪距。4.3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)計(jì)算對具體零件的設(shè)計(jì)計(jì)算，其中齒輪的設(shè)計(jì)是依據(jù)參數(shù)的確定，通過對齒面接觸應(yīng)力、齒根彎曲應(yīng)力的計(jì)算來校核其強(qiáng)度，從而確定具體尺寸。4.3.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇 kgm870?B13L2458?z?0?12?anh5.*?c4.3.2 齒輪軸和齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算a. 選擇齒輪材料、熱處理方式及計(jì)算需用應(yīng)力(1) 選擇材料及熱處理方式 小齒輪 （調(diào)質(zhì)處理）硬度為 ,條 鋼（調(diào)質(zhì)處理）硬度為rC40280HBS45HBS2(2) 轉(zhuǎn)向器為一般工作機(jī)器，速度不高，選用斜圓柱齒輪傳動(3) 小齒輪的齒數(shù)設(shè)計(jì)為 8，齒條齒數(shù)≥齒條的行程/ 齒輪的周節(jié) 設(shè)計(jì)時(shí)取 30 (4) 確定需用應(yīng)力（4.7）1.934.80????36.9?17式中： ----接觸疲勞強(qiáng)度極限；H?----彎曲疲勞強(qiáng)度極限；FE---- 接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)；S---- 彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)；----疲勞壽命系數(shù)；HNK----彎曲壽命系數(shù)；F-----試驗(yàn)齒輪應(yīng)力校正系數(shù)。STY由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》 查得：按齒面硬度小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極 ； MPa10lim??彎曲疲勞強(qiáng)度極限 PaFE501??齒條的接觸疲勞強(qiáng)度極限 2lim彎曲疲勞強(qiáng)度極限 38(5) 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) ，確定壽命系數(shù) 、N1N2??81 059.016060 ?????hjLnN（4.8）式中：n----齒輪的轉(zhuǎn)速，單位為 r/min；j----齒輪每轉(zhuǎn)一圈時(shí)，同一齒面嚙合的齒數(shù)；L ---齒輪的工作壽命，單位為 h；hu----齒數(shù)比=30/8=3.75。(6) 查表可得接觸疲勞壽命系數(shù) 、95.01?HNK12?HN(7) 計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力 取失效率為 1%，安全系數(shù)為 1（4.9）b. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)(1) 計(jì)算小齒輪分度圓直徑 td18812 92.75.39u??MPaSKHN9015.01lim1 ??????MPaSKHN012lim2??????01?????3212HaEtt udZTK?????18（4.10）式中： ----動載荷系數(shù)，查 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》選取 1.2；tK----區(qū)域系數(shù)，查 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》選取 2.475；HZ----材料的彈性影響系數(shù)，查 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》選取 188MPaE 21-----齒數(shù)比；u-----齒寬系數(shù)，查 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》選取 0.8；d?----接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力；??H?-----齒輪轉(zhuǎn)矩，T =155.36 160=24857.6N mm。11??----標(biāo)注圓柱齒輪傳動的斷面重合度查 《 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》得a? 64.187.0.21???aa?（2）計(jì)算圓周速度 v（3）計(jì)算齒寬 、齒高 h 及模數(shù)bntmdt 54.18.2301????式中： ----齒寬系數(shù)，查 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》選取 0.8；d?----小齒輪的分度圓直徑；t1----小齒輪的模數(shù)；nm----小齒輪的螺旋角；?----小齒輪的齒數(shù)。1Z（4）計(jì)算縱向重合度 ??（4.11）（5）計(jì)算載荷系數(shù)已知使用系數(shù) ,根據(jù) ，選用 7 級精度，由 《機(jī)械設(shè)計(jì)手1?AKsmv/072.冊》查得動載荷系數(shù) ,齒向載荷分布系數(shù) , ,齒間載荷.V 2.1??HK8.?Fsnvt /2.661?Zmnt 3.2coscos??hnt 65.91.2368.4?b43.012tan8.03.d????????m18.231075.3648.04.8213 ????19分配系數(shù) 1.??FHK故載荷系數(shù) 32.1.01.????HVA（4.12）（6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑（4.13）（7）計(jì)算模數(shù) nmc. 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)（4.14）(1) 彎曲疲勞強(qiáng)度極限 ，彎曲疲勞強(qiáng)度極限MPaFE501?? MPaFE3802??(2) 查表得彎曲疲勞壽命系數(shù) ,85.01?FNK8.2N(3) 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 彎曲安全系數(shù) 4.1S(4.15) (4) 計(jì)算載荷系數(shù) 416.8.210.???????FVAKK式中： ---- 使用系數(shù)；---- 動載系數(shù)；V----齒間載荷分配系數(shù)；?F----齒向載荷分布系數(shù)。?(5) 根據(jù)縱向重合度 ，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中查得螺旋角影響系43.0???數(shù) 95.0?Y(6) 計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)mKdtt 8.23.18.2331??Zdn 92.8cos.23cos1???????? PaFENF 57.30.501 ???MS641822 5.812cos331??ZV06.332????321cosaSaFndYKTm????20（4.16）(7) 查取齒形系數(shù)，應(yīng)力校正系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》查得 ；52.1?FaY482.?FaY由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》查得 ；64S6351S(8) 計(jì)算齒輪、齒條的 并加以比較（4.17）齒輪的數(shù)值大 （9）設(shè)計(jì)計(jì)算對比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法面模數(shù) 大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)nm度計(jì)算的法面模數(shù)，取 可滿足彎曲強(qiáng)度。但為了同時(shí)滿足接觸疲勞mn0.3?強(qiáng)度，需按解除疲勞強(qiáng)度計(jì)算得的分度圓直徑 來計(jì)算應(yīng)有的齒數(shù)。d8.231?于是由 取 ,則81?Z075.312??Zud. 幾何尺寸計(jì)算(1) 分度圓直徑 1d(2) 基圓直徑 bmdb 06.23cos54.2cos1 ??????(3) 齒頂圓直徑 amhna 54.1.*1??式中： ----齒頂高系數(shù)；*h(4) 齒根圓直徑 1fd????mcdanf 0.172.354.22*1 ??????式中： ----齒頂高系數(shù)；*a-----頂隙系數(shù)。c??F??082.57.30121??FSaY??69842??mn 35.286.234.18. .1cos95062471.32 ??????2cos8.cos???dn.1?21(5) 齒寬齒輪 ，圓整后取mdb632.1954.28011 ???? m20齒條 62?注：齒條的實(shí)用齒寬，在按 計(jì)算后再作適當(dāng)圓整，而且常將小齒1db?輪的齒寬在圓整值的基礎(chǔ)上人為地加寬 ，以防止齒輪、齒條因裝配誤0~差產(chǎn)生軸向錯位時(shí)導(dǎo)致嚙合齒寬減小二增大輪齒單位齒寬的工作載荷。因?yàn)橄嗷Ш系凝X輪、齒條的基圓齒距必須相等。即 21bp?齒輪法面基圓齒距為 111cos????nbmp齒條法面基圓齒距為 222取 ，所以，齒條的模數(shù)??021?mn3式中： ----齒輪的壓力角；----齒條的壓力角。2(6) 齒條的齒頂高 2ahmna 0.31*2???(7) 齒條的齒根高 2f????mcanf 75.32.*2 ?(8) 法面齒厚 s式中： ----變?yōu)橄禂?shù)；nx----法向壓力角。a(9) 中心距e. 校核齒面疲勞強(qiáng)度 (1) 計(jì)算載荷系數(shù) K32.10.10.???????VA式中： ----使用系數(shù)；----動載系數(shù)；V----齒間載荷分配系數(shù)；?----齒向載荷分布系數(shù)。?K(2) 沿齒輪周向分力 tFxsnn.4t2 ???????????mZmdn 268.1cos23s211 ????NdTFt 8.20554.21631????22(3) 校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度（4.18）故滿足設(shè)計(jì)要求。式中： ----區(qū)域系數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)取 2.475；HZ----彈性影響系數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)取 188。E（4）校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度（4.19）故滿足設(shè)計(jì)要求。4.4 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向橫拉桿的運(yùn)動分析圖 4.2 轉(zhuǎn)向橫拉桿的運(yùn)動分析簡圖如圖：當(dāng)轉(zhuǎn)向盤從鎖緊點(diǎn)轉(zhuǎn)動，每只輪大約從其正前方開始最大轉(zhuǎn)向角度為 ，因而，前輪從左到右總共轉(zhuǎn)動約為 。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪右轉(zhuǎn) ，即轉(zhuǎn)向節(jié)?42 ?84?42由 繞圓心 轉(zhuǎn)至 時(shí)，齒條左端點(diǎn) 移至 的距離為OCOAEA1LmD095.2cos16042cos??????3.983?????HaEHtHudbZFK???????1??75.3645.2018283. ???FanSFmYK??????bt a215.7a4.1364.132095.0258.416. MPF ?????HMPa???.95423mOAD325.84sin16042sin???????同理計(jì)算轉(zhuǎn)向輪左轉(zhuǎn)最大角度 ，轉(zhuǎn)向節(jié)由 繞圓心 轉(zhuǎn)至 時(shí)，齒?42OCOB條左端點(diǎn) 移動到 的距離為EBL齒輪齒條的嚙合長度應(yīng)大于左右移動的距離，即 21L??4.5 齒輪齒條傳動的受力分析若略去齒面摩擦力，則作用于節(jié)點(diǎn) 的法向力 可分解為徑向力 和分力PnFrF,分力 有可分解為圓周力 和軸向力 。FtFa（4.20）（4.21）NFta 61.4302tan8.205n??????（4.22）4.6 齒輪軸的強(qiáng)度校核4.6.1 軸的受力分析a. 畫軸的受力簡圖b. 計(jì)算支撐反力在垂直面上：（4.23）NdTt 8.20554.21631????antr .71costan.cos?NldFlFarRAV 42136415.752112 ???????RAVrRBV2751?C' BE0AD?'0.89.'' 222??4.3'AL0.801??mD325.8'BD305.8940???CEL6'2?.1763.8.9?24在水平面上： c. 畫彎矩圖 在水平面上， 剖面左側(cè)、右側(cè)a?（4.24）在垂直面上， 剖面左側(cè)mNlFMRAVa ????172641（4.25）剖面右側(cè)a?lFRBVa ?9832'（4.26）合成彎矩， 剖面左側(cè)mNMVaaHa ??????471264522（4.27）剖面右側(cè) ?VaHaa ?3893222'2''（4.28）d. 畫轉(zhuǎn)矩圖轉(zhuǎn)矩： （4.29）4.6.2 判斷危險(xiǎn)剖面顯然， 剖面左側(cè)合成彎矩最大，扭矩為 ，該截面左側(cè)可能是危險(xiǎn)剖a?T面。4.6.3 軸的彎扭合成強(qiáng)度校核a. 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》 查得： ,??MPa601?????Pa10??折合系數(shù) 式中： ----對稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)州的需用彎曲應(yīng)力；??1??-----不是對稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)州的許用扭曲應(yīng)力。0注：當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時(shí)，取 ；當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)3.0??力時(shí)，取 ；若扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力亦為對稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，取 。6.?? 1??b. 計(jì)算軸的抗彎截面系數(shù) NFrRBHA103261??mNdFTr ????248597.12061lRAHa ?45031'??.0160????25對于直徑為 的圓軸，彎曲應(yīng)力為d（4.30）（4.31）扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為（4.32） 則軸的彎扭合成強(qiáng)度條件及計(jì)算（4.33）故安全，滿足設(shè)計(jì)要求。式中： -----軸的計(jì)算應(yīng)力，單位為 ；MPa-----軸所受的彎矩，單位為 ；MmN?-----軸所受的扭矩，單位為 ；T----軸的抗彎截面系數(shù)，單位為 ；W3----對稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)州的需用彎曲應(yīng)力。??1??4.6.4 軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核軸的材料為 鋼，調(diào)制處理。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》 查得抗拉強(qiáng)度極限45，彎曲疲勞強(qiáng)度極限 ,剪切疲勞強(qiáng)度極限MPaB60?MPa2751???。15??剖面左側(cè)（4.34）截面上由于軸肩形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)為，0.2???31.?又由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》附圖查得軸的材料敏性系數(shù)為WM??T2?3311.4502.mdW????????122224???????????????????????? ????WTMTMca??1.4502896972???.3????PadWT .91633???ca26，82.0??q5.?故有效應(yīng)力集中系數(shù)按式為 ????82.111?????????K635??（4.35）由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》附圖查得尺寸系數(shù) ，扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù) 。82.0???軸按磨削加工，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》附圖查得表面質(zhì)量系數(shù)為92.0????則彎曲應(yīng)力為 應(yīng)力幅 平均應(yīng)力 0?m?切應(yīng)力 軸未經(jīng)表面硬化處理，即 ，則按式得綜合系數(shù)為1?q?（4.36）又查得碳鋼的特性系數(shù)， 取2.0~1???1.0???， 取5? 5?于是，計(jì)算安全系數(shù) 的值，按式計(jì)算得caS（4.37）（4.38）（4.39）故可知設(shè)計(jì)安全。 7.0??MPaWb.31.457aa.3T7.8290??Pma5.4?80.29.067.8?????????kK6.1.2.???16.30.7.380.21 ?????mkS?? .285.45.4611????maK??? .13.6.219.32 ????SSSca??