齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(帶cad圖)
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(帶cad圖),齒輪,齒條,轉(zhuǎn)向器,設(shè)計,cad
3.3齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計與計算
3.3.1 轉(zhuǎn)向系計算載荷的確定
為了保證行駛安全,組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強度。欲驗算轉(zhuǎn)向系零件的強度,需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。
精確地計算出這些力是困難的。為此用足夠精確的半經(jīng)驗公式來計算汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩MR(N·mm)。
表3-1 原地轉(zhuǎn)向阻力矩MR的計算
設(shè)計計算和說明
計算結(jié)果
式中 f——輪胎和路面間的滑動摩擦因數(shù);
——轉(zhuǎn)向軸負荷,單位為N;
P——輪胎氣壓,單位為。
f=0.7
=10902.5N
p=0.179
=627826.2
作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力Fh為:
表3-2 轉(zhuǎn)向盤手力Fh的計算
設(shè)計計算和說明
計算結(jié)果
式中 ——轉(zhuǎn)向搖臂長, 單位為mm;
——原地轉(zhuǎn)向阻力矩, 單位為N·mm
——轉(zhuǎn)向節(jié)臂長, 單位為mm;
——為轉(zhuǎn)向盤直徑,單位為mm;
Iw——轉(zhuǎn)向器角傳動比;
η+——轉(zhuǎn)向器正效率。
因齒輪齒條式轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)無轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向節(jié)臂,故、不代入數(shù)值。
=627826.2
=400mm
iw=15
=90%
=290.7N
對給定的汽車,用上式計算出來的作用力是最大值。因此,可以用此值作為計算載荷。
梯形臂長度的計算:
表3-3 梯形臂長度L2的計算
設(shè)計計算和說明
計算結(jié)果
輪輞直徑= 16in=16×25.4=406.4mm
梯形臂長度 =×0.8/2= 406.4×0.8/2
=162.6mm,取=160mm
=160mm
輪胎直徑的計算RT:
表3-4 輪胎直徑RT的計算
設(shè)計計算和說明
計算結(jié)果
=406.4+0.55×205=518.75mm
取=520mm
=520mm
轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑的確定:
表3-5 轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑的計算
設(shè)計計算和說明
計算結(jié)果
=;
取=15mm
初步估算主動齒輪軸的直徑:
表3-6 主動齒輪軸的計算
設(shè)計計算和說明
計算結(jié)果
=140MPa
取=18mm
3.3.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計
1. EPS系統(tǒng)齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的主要元件
1) 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)母叨纫允顾麄兣c懸架下擺臂平行。齒條可以比作是梯形轉(zhuǎn)向桿系的轉(zhuǎn)向直拉桿。導(dǎo)向座將齒條支持在轉(zhuǎn)向器殼體上。齒條的橫向運動拉動或推動轉(zhuǎn)向橫拉桿,使前輪轉(zhuǎn)向(圖3.3-1)。
圖3.3-1 齒條
表3-7 齒條的尺寸設(shè)計參數(shù)
序號
項目
符號
尺寸參數(shù)()
1
總長
767
2
直徑
30
3
齒數(shù)
20
4
法向模數(shù)
3
2) 齒輪 齒輪是一只切有齒形的軸。它安裝在轉(zhuǎn)向器殼體上并使其齒與齒條上的齒相嚙合。齒輪齒條上的齒可以是直齒也可以是斜齒。齒輪軸上端與轉(zhuǎn)向柱內(nèi)的轉(zhuǎn)向軸相連。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承。
斜齒的彎曲增加了一對嚙合齒輪參與嚙合的齒數(shù)。相對直齒而言,斜齒的運轉(zhuǎn)趨于平穩(wěn),并能傳遞更大的動力。
表3-8 齒輪軸的尺寸設(shè)計參數(shù)
序號
項目
符號
尺寸參數(shù)(mm)
1
總長
198
2
齒寬
60
3
齒數(shù)
7
4
法向模數(shù)
3
5
螺旋角
14°
6
螺旋方向
左旋
3) 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)這些球頭銷依制造廠的規(guī)范擰緊時,在球頭銷上就作用了一個預(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入球銷及齒條中。
轉(zhuǎn)向橫拉桿端部與外端用螺紋聯(lián)接。這些端部與梯形轉(zhuǎn)向桿系的相似。側(cè)面螺母將橫拉桿外端與橫拉桿鎖緊(見圖3.3-2)。
圖3.3-2 轉(zhuǎn)向橫拉桿外接頭
1- 橫拉桿 2-鎖緊螺母3-外接頭殼體 4-球頭銷 5-六角開槽螺母 6-球碗 7-端蓋 8-梯形臂 9-開口銷
注:轉(zhuǎn)向反饋是由前輪遇到不平路面而引起的轉(zhuǎn)向盤的運動。
表3-9 轉(zhuǎn)向橫拉桿及接頭的尺寸設(shè)計參數(shù)
序號
項目
符號
尺寸參數(shù)()
1
橫拉桿總長
281
2
橫拉桿直徑
15
3
螺紋長度
60
4
外接頭總長
120
5
球頭銷總長
62
6
球頭銷螺紋公稱直徑
M10×1
7
外接頭螺紋公稱直徑
M12×1.5
8
內(nèi)接頭總長
65.3
9
內(nèi)接頭螺紋公稱直徑
M16×1.5
4) 齒條調(diào)整 一個齒條導(dǎo)向座安裝在齒條光滑的一面。齒條導(dǎo)向座1和與殼體螺紋連接的調(diào)節(jié)螺塞3之間連有一個彈簧2。此調(diào)節(jié)螺塞由鎖緊螺母固定4。齒條導(dǎo)向座的調(diào)節(jié)使齒輪、齒條間有一定預(yù)緊力,此預(yù)緊力會影響轉(zhuǎn)向沖擊、噪聲及反饋(見圖3.3-3)。
圖3.3-3 齒條間隙調(diào)整裝置
表3-10 齒條調(diào)整裝置的尺寸設(shè)計參數(shù)
序號
項目
符號
尺寸參數(shù)(mm)
1
導(dǎo)向座外徑
40
2
導(dǎo)向座高度
29
3
彈簧總?cè)?shù)
6.43
4
彈簧節(jié)距
7.92
5
彈簧外徑
29
6
彈簧工作高度
34.59
7
螺塞螺紋公稱直徑
M44×2
8
螺塞高度
28
9
鎖止螺塞高度
10
10
轉(zhuǎn)向器殼體總長/高
615/146.5
11
轉(zhuǎn)向器殼體內(nèi)/外徑
40/56
2. 轉(zhuǎn)向傳動比 當(dāng)轉(zhuǎn)向盤從鎖點向鎖點轉(zhuǎn)動,每只前輪大約從其正前方開始轉(zhuǎn)動30°,因而前輪從左到右總共轉(zhuǎn)動大約60°。若傳動比是1:1,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30°將使前輪從鎖點轉(zhuǎn)向鎖點。這種傳動比過于小,因為轉(zhuǎn)向盤最輕微的運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)動同樣角度時需要更大的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。
15:1的傳動比較為合理。在這樣的傳動比下,轉(zhuǎn)向盤每轉(zhuǎn)動15°,前輪轉(zhuǎn)向1°。為了計算傳動比,可將鎖點到鎖點過程中轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的度數(shù)除以此時轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的度數(shù)。
3. EPS系統(tǒng)齒輪齒條轉(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)動機后部的前圍板上(見圖3.3-4)。橡膠隔振套包在轉(zhuǎn)向器外,并固定在橫梁上或前圍板上。齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的正確安裝高度,使轉(zhuǎn)向橫拉桿和懸架下擺臂可平行安置。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中磨擦點的數(shù)目減少了,因此這種系統(tǒng)輕便緊湊。大多數(shù)承載式車身的前輪驅(qū)動汽車用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機構(gòu)。由于齒條直接連著梯形臂,這種轉(zhuǎn)向機構(gòu)可提供好的路感。
在轉(zhuǎn)向器與支承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。齒輪齒條轉(zhuǎn)向器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)向橫拉桿與懸架下擺臂的平行關(guān)系有重要作用。為保持轉(zhuǎn)向器處在正確的位置,在轉(zhuǎn)向器安裝的位置處,前圍板有所加固。
圖3.3-4 轉(zhuǎn)向器的安裝位置
4. 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計要求 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2~3mm之間。主動小齒輪齒數(shù)多數(shù)在5~7個齒范圍變化,壓力角取20°,齒輪螺旋角取值范圍多為9°~15°。齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪達到最大偏轉(zhuǎn)角時,相應(yīng)的齒條移動行程應(yīng)達到的值來確定。變速比的齒條壓力角,對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在12°~35°范圍內(nèi)變化。此外,設(shè)計時應(yīng)驗算齒輪的抗彎強度和接觸強度。
主動小齒輪選用16MnCr5或15CrNi6材料制造,而齒條常采用45鋼制造。為減輕質(zhì)量,殼體用鋁合金壓鑄。
5. 齒輪軸和齒條的設(shè)計計算
表3-11 齒輪軸和齒條的設(shè)計計算
設(shè)計計算和說明
計算結(jié)果
1.選擇齒輪材料、熱處理方式及計算許用應(yīng)力
(1) 選擇材料及熱處理方式
小齒輪16MnCr5 滲碳淬火,齒面硬度56-62HRC
大齒輪 45鋼 表面淬火,齒面硬度56-56HRC
(2) 確定許用應(yīng)力
a)確定和
b)計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N,確定壽命系數(shù)、。
c)計算許用應(yīng)力
取,
=
=
應(yīng)力修正系數(shù)
=
=
2.初步確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸
(1) 選擇齒輪類型
根據(jù)齒輪傳動的工作條件,選用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動方案
(2) 選擇齒輪傳動精度等級
選用7級精度
(3) 初選參數(shù)
初選 =8 =20 =0.8
=0.7 =0.89
按當(dāng)量齒數(shù)
(4) 初步計算齒輪模數(shù)
轉(zhuǎn)矩290.7×0.16=46.51=46510
閉式硬齒面?zhèn)鲃樱待X根彎曲疲勞強度設(shè)計。
=
=2.396
(5) 確定載荷系數(shù)
=1,由,
/100=0.00124,=1;對稱布置,取=1.06;
取=1.3
則=1×1×1.06×1.3=1.378
(6) 修正法向模數(shù)
=2.396×=2.383
圓整為標準值,取=3
3.確定齒輪傳動主要參數(shù)和幾何尺寸
(1) 分度圓直徑
==24.73
(2) 齒頂圓直徑
=24.73+2
=24.73+2×3(1+0)=30.73
(3) 齒根圓直徑
=24.73-2
=24.73-2×3×1.25=17.23
(4) 齒寬
=0.8×24.73=19.784
因為相互嚙合齒輪的基圓齒距必須相等,即。
齒輪法面基圓齒距為
齒條法面基圓齒距為
取齒條法向模數(shù)為=3
(5) 齒條齒頂高
=3×(1+0)=3
(6) 齒條齒根高
=3(1+0.25-0)=3.75
(7) 法面齒距
=4.7
4.校核齒面接觸疲勞強度
由表7-5,=189.8
由圖7-15,=2.45
取=0.8,==0.985
所以 =189.8×2.45×0.8×0.985
×
=1677.6
5.結(jié)構(gòu)設(shè)計和繪制零件圖
詳見零件圖
斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合傳動
7級精度
46510
=1.378
=3
=24.73
=30.73
=17.23
取=20
=3
=3.75
=4.7
齒面接觸疲勞強度滿足要求
3.3.3 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向橫拉桿的運動分析
圖3.3-5 轉(zhuǎn)向橫拉桿的運動分析簡圖
當(dāng)轉(zhuǎn)向盤從鎖點向鎖點轉(zhuǎn)動,每只前輪大約從其正前方開始轉(zhuǎn)動30°,因而前輪從左到右總共轉(zhuǎn)動約60°。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪右轉(zhuǎn)30°,即梯形臂或轉(zhuǎn)向節(jié)由繞圓心轉(zhuǎn)至?xí)r,齒條左端點移至的距離為
30°=160×cos30°=138.564
=160-138.564=21.436
30°=80
==339.3
=339.3-80=259.32
=340-259.32=80.7
同理計算轉(zhuǎn)向輪左轉(zhuǎn)30°,轉(zhuǎn)向節(jié)由繞圓心轉(zhuǎn)至?xí)r,齒條左端點E移至的距離為
=80
=339.3
=80+339.3-340=79.3
齒輪齒條嚙合長度應(yīng)大于
即 =80.7+79.3=160
取L=200
3.3.4 齒輪齒條傳動受力分析
若略去齒面間的摩擦力,則作用于節(jié)點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。
=2×46510/24.73=3761.42
=1410.96
=937.83N
3.3.5 齒輪軸的強度校核
1.軸的受力分析
(1) 畫軸的受力簡圖。
(2) 計算支承反力
在垂直面上
在水平面上
(3) 畫彎矩圖
在水平面上,a-a剖面左側(cè)、右側(cè)
在垂直面上,a-a剖面左側(cè)
a-a剖面右側(cè)
合成彎矩,a-a剖面左側(cè)
a-a剖面右側(cè)
(4) 畫轉(zhuǎn)矩圖
轉(zhuǎn)矩 =3761×24.73/2=46636.4
2.判斷危險剖面
顯然,a-a截面左側(cè)合成彎矩最大、扭矩為T,該截面左側(cè)可能是危險剖面。
3.軸的彎扭合成強度校核
由《機械設(shè)計》[3]查得,,
=60/100=0.6。
a-a截面左側(cè)
4.軸的疲勞強度安全系數(shù)校核
查得, ,;
。
a-a截面左側(cè)
查得;由表查得絕對尺寸系數(shù)
軸經(jīng)磨削加工,查得質(zhì)量系數(shù)β=1.0。則
彎曲應(yīng)力
應(yīng)力幅
平均應(yīng)力
切應(yīng)力
安全系數(shù)
查得許用安全系數(shù)[S]=1.3~1.5,顯然S>[S],故a-a剖面安全。
圖3.3-6 齒輪軸校核分析圖
3.3.6 間隙調(diào)整彈簧的設(shè)計計算
設(shè)計要求:設(shè)計一圓柱形壓縮螺旋彈簧,載荷平穩(wěn),要求=1411N時,<10mm,彈簧總的工作次數(shù)小于,彈簧中要能寬松地穿過一根直徑為φ18mm的軸;彈簧兩端固定;外徑,自由高度。
(1) 選擇材料
由彈簧工作條件可知,對材料無特殊要求,選用C組碳素彈簧鋼絲。因彈簧的工作次數(shù)小于,載荷性質(zhì)屬Ⅱ類,。
(2) 計算彈簧絲直徑
表3-12 彈簧絲直徑的計算
計算項目
計算依據(jù)和內(nèi)容
計算結(jié)果
1) 選擇旋繞比
2) 估
3) 初算彈簧絲直徑
4) 計算曲度系數(shù)
5) 計算彈簧絲的許用切應(yīng)力
6) 計算彈簧絲直徑
取=4
按30mm、16mm,取
=6
=1.404
=0.45=0.45×1700=765
==5.150
取=4
=1.404
[τ]=765
取=5
(3) 計算彈簧圈數(shù)和彈簧的自由高度
表3-13 彈簧圈數(shù)和自由高度的計算
計算項目
計算依據(jù)和內(nèi)容
計算結(jié)果
1)工作圈數(shù)
2)總?cè)?shù)
3)節(jié)距
4)自由高度
==4.43
各端死圈取1,故
,
則,取
=4.43×7.92+1.5×5=42.59
=4.43
=6.5
=7.92
=42.59
(4) 穩(wěn)定性驗算
高徑比 b=H0/D2=42.59/20=2.1295<5.3
滿足穩(wěn)定性要求。
(5) 檢查δ及δ1
鄰圈間隙 δ=t-d=7.92-5=2.92mm
彈簧單圈的最大變形量 λmax/n=8/4.43=1.81mm
故在最大載荷作用下仍留有間隙δ1,
δ1=2.92-1.81=1.11>0.1d
(6) 幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸的確定
彈簧外徑 D=D2+d=24+5=29mm
彈簧內(nèi)徑 D1=D2-d=24-5=19mm
(7) 彈簧工作圖
τs=1.25[τ]=1.25×765=956.25MPa
彈簧的極限載荷
Flim==3.14×52×956.25/(8×4×1.4)=1670N
彈簧的安裝載荷
Fmin=0.9Fmax=0.9×1411=1269.9N
彈簧剛度 Cs=Gd/(8C3n)=80000×5/(8×43×4.43)=176.35N/mm
安裝變形量 λmin=Fmin/Cs=1269.9/176.35=7.20mm
最大變形量 λmax=Fmax/Cs=1411/176.35=8.00mm
極限變形量 λlim=Flim/Cs=1670/176.35=9.47mm
安裝高度 H1=H0-λmin=42.59-7.20=35.39mm
工作高度 H2=H0-λmax=42.59-8=34.59mm
極限高度 H3=H0-λlim=42.59-9.47=33.12mm
3.3.7 齒輪軸軸承的校核
校核3024圓錐滾子軸承,軸承間距75mm,軸承轉(zhuǎn)速n=15r/min,預(yù)期壽命L′h=12000h
1.初步計算當(dāng)量動負荷
=0.665>e
X=0.56,暫選一近似中間值Y=1.5。另查表得fp=1.2
P′=fp(XFR+YFA)=1.2×(0.56×705.5+1.5×468.9)=1318.12N
2.計算軸承應(yīng)有的基本額定動負荷C′r
查表得,ft=1,又ε=3
C′r=
3.初選軸承型號
查《機械工程及自動化簡明設(shè)計手冊》,選擇6204軸承,Cr=12.8KN,其基本額定靜負荷Cor=6.65KN
4.驗算并確定軸承型號
1) FA/Cor=469/6650=0.071,e為0.27,軸向載荷系數(shù)Y應(yīng)為1.6
2) 計算當(dāng)量動載荷
Pr=fp(XFR+YFA)=1.2×(0.56×1411×43/75+1.6×469)=1444N
3) 驗算6204軸承的壽命
Lh= >12000h
即高于預(yù)期壽命,能滿足要求。上軸承選擇比下軸承稍大的型號6205,同樣滿足要求。
3.3.8 鍵的計算
∵σp= [σp]=120MPa
∴
式中 T——傳遞的轉(zhuǎn)矩,單位為N·mm;
d——軸的直徑,單位為mm;
l——鍵的接觸長度,單位為mm;
K——鍵與輪轂接觸高度,K≈h/2,單位為mm;
[σp]——許用擠壓應(yīng)力,單位為MPa。
選用A型鍵 公稱尺寸b×h=6×6
根據(jù)具體情,鍵的接觸長度l應(yīng)該大于15mm,則L≥15+6=21mm
圓頭普通平鍵(A型)的尺寸參考GB1096-79
鍵和鍵槽的斷面尺寸參考GB1095-79
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齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(帶cad圖),齒輪,齒條,轉(zhuǎn)向器,設(shè)計,cad
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