齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)和計(jì)算

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1、5.2轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)型式選擇及其設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)所采用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)副的不同，轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)型式有多種。常見(jiàn)的有齒輪齒條式、循環(huán)球式、球面蝸桿滾輪式、蝸桿指銷(xiāo)式等。 對(duì)轉(zhuǎn)向其結(jié)構(gòu)形式的選擇，主要是根據(jù)汽車(chē)的類(lèi)型、前軸負(fù)荷、使用條件等來(lái)決定，并要考慮其效率特性、角傳動(dòng)比變化特性等對(duì)使用條件的適應(yīng)性以及轉(zhuǎn)向器的其他性能、壽命、制造工藝等。中、小型轎車(chē)以及前軸負(fù)荷小于1.2t的客車(chē)、貨車(chē)，多采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。球面蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器曾廣泛用在輕型和中型汽車(chē)上，例如：當(dāng)前軸軸荷不大于2.5t且無(wú)動(dòng)力轉(zhuǎn)向和不大于4t帶動(dòng)力轉(zhuǎn)向的汽車(chē)均可選用這種結(jié)構(gòu)型式。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器則是當(dāng)前廣泛使用的一種結(jié)構(gòu)，高級(jí)轎車(chē)和輕型

2、及以上的客車(chē)、貨車(chē)均多采用。轎車(chē)、客車(chē)多行駛于好路面上，可以選用正效率高、可逆程度大些的轉(zhuǎn)向器。礦山、工地用汽車(chē)和越野汽車(chē)，經(jīng)常在壞路或在無(wú)路地帶行駛，推薦選用極限可逆式轉(zhuǎn)向器，但當(dāng)系統(tǒng)中裝有液力式動(dòng)力轉(zhuǎn)向或在轉(zhuǎn)向橫拉桿上裝有減振器時(shí)，則可采用正、逆效率均高的轉(zhuǎn)向器，因?yàn)槁访娴臎_擊可由液體或減振器吸收，轉(zhuǎn)向盤(pán)不會(huì)產(chǎn)生“打手”現(xiàn)象。 關(guān)于轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比對(duì)使用條件的適應(yīng)性問(wèn)題，也是選擇轉(zhuǎn)向器時(shí)應(yīng)考慮的一個(gè)方面。對(duì)于前軸負(fù)荷不大的或裝有動(dòng)力轉(zhuǎn)向的汽車(chē)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)向的輕便性不成問(wèn)題，而主要應(yīng)考慮汽車(chē)高速直線行駛的穩(wěn)定性和減小轉(zhuǎn)向盤(pán)的總?cè)?shù)以提高汽車(chē)的轉(zhuǎn)向靈敏性。因?yàn)楦咚傩旭倳r(shí)，很小的前輪轉(zhuǎn)角也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生

3、較大的橫向加速度使輪胎發(fā)生側(cè)滑。這時(shí)應(yīng)選用轉(zhuǎn)向盤(pán)處于中間位置時(shí)角傳動(dòng)比較大而左、右兩端角傳動(dòng)比較小的轉(zhuǎn)向器。對(duì)于前軸負(fù)荷較大且未裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向的汽車(chē)來(lái)說(shuō)，為了避免“轉(zhuǎn)向沉重”，則應(yīng)選擇具有兩端的角傳動(dòng)比較大、中間較小的角傳動(dòng)比變化特性的轉(zhuǎn)向器。（轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角增量與相應(yīng)的轉(zhuǎn)向搖臂轉(zhuǎn)角增量之比iω1稱(chēng)為轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比。） 二、兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角之間的理想關(guān)系式 汽車(chē)轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，為了避免車(chē)輪相對(duì)地面滑動(dòng)而產(chǎn)生附加阻力，減輕輪胎磨損，要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能保證所有車(chē)輪均作純滾動(dòng)，即所有車(chē)輪軸線的延長(zhǎng)線都要相交于一點(diǎn)。 cotα=cotβ+B/L 其中α、β分別是內(nèi)外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角，B是兩側(cè)主銷(xiāo)軸線與地面相交

4、點(diǎn)之間的距離；L是汽車(chē)軸距。 如果是多軸汽車(chē)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角間的關(guān)系與雙軸汽車(chē)基本相同。 三、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比 　　1．轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比 　　轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角增量與相應(yīng)的轉(zhuǎn)向搖臂轉(zhuǎn)角增量之比iω1稱(chēng)為轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比。 　　2．轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)角傳動(dòng)比 　　轉(zhuǎn)向搖臂轉(zhuǎn)角增量與轉(zhuǎn)向盤(pán)一側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)的相應(yīng)轉(zhuǎn)角增量之比iω2稱(chēng)為轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)角傳動(dòng)比。 　　3．轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動(dòng)比 　　轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角增量與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)相應(yīng)轉(zhuǎn)角增量之比iω為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動(dòng)比。 iω=iω1iω2 　　4．轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力傳動(dòng)比 　　兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪受到的轉(zhuǎn)向阻力與駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力之比ip稱(chēng)為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力傳動(dòng)比，它與角

5、傳動(dòng)比iω成正比。 四、轉(zhuǎn)向盤(pán)的自由行程 　　轉(zhuǎn)向盤(pán)在空轉(zhuǎn)階段的角行程稱(chēng)為轉(zhuǎn)向盤(pán)的自由行程。轉(zhuǎn)向盤(pán)的自由行程有利于緩和路面沖擊，避免駕駛員過(guò)度緊張，但不宜過(guò)大，否則將使轉(zhuǎn)向靈敏性能下降。 下面分別介紹幾種常見(jiàn)的轉(zhuǎn)向器。 5.2.1循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器又有兩種結(jié)構(gòu)型式，即常見(jiàn)的循環(huán)球-齒條齒扇式和另一種即循環(huán)球-曲柄銷(xiāo)式。它們各有兩個(gè)傳動(dòng)副，前者為：螺桿、鋼球和螺母?jìng)鲃?dòng)副以及落幕上的齒條和搖臂軸上的齒扇傳動(dòng)副；后者為螺桿、鋼球和螺母?jìng)鲃?dòng)副以及螺母上的銷(xiāo)座與搖臂軸的錐銷(xiāo)或球銷(xiāo)傳動(dòng)副。兩種結(jié)構(gòu)的調(diào)整間隙方法均是利用調(diào)整螺栓移動(dòng)搖臂軸來(lái)進(jìn)行調(diào)整。 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)效率

6、高、工作平穩(wěn)、可靠，螺桿及螺母上的螺旋槽經(jīng)滲碳、淬火及磨削加工，耐磨性好、壽命長(zhǎng)。齒扇與齒條嚙合間隙的調(diào)整方便易行，這種結(jié)構(gòu)與液力式動(dòng)力轉(zhuǎn)向液壓裝置的匹配布置也極為方便。 5.2.1.1循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比 由循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)關(guān)系可知：當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角時(shí)，轉(zhuǎn)向螺母及其齒條的移動(dòng)量應(yīng)為 （5－21） 式中t——螺桿或螺母的螺距。 這時(shí)，齒扇轉(zhuǎn)過(guò)角。設(shè)齒扇的嚙合半徑，則角所對(duì)應(yīng)的嚙合圓弧長(zhǎng)應(yīng)等于s，即 （5－22） 由以上兩式可求得循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比為 （5－23） 5.2.1.2螺桿－鋼球－螺母?jìng)鲃?dòng)副 螺桿－鋼球－螺母?jìng)鲃?dòng)副與通常的螺桿一螺母一傳動(dòng)副的

7、區(qū)別在于前者是經(jīng)過(guò)滾動(dòng)的鋼球?qū)⒘τ陕輻U傳至螺母，變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦。螺桿和螺母上的相互對(duì)應(yīng)的螺旋槽構(gòu)成鋼球的螺旋滾道。轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)經(jīng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿，使鋼球沿螺母上的滾道循環(huán)地滾動(dòng)。為了形成螺母上的循環(huán)軌道，在螺母上與其齒條相反的一側(cè)表面(通常為上表面)需鉆孔與螺母的螺旋滾道打通以形成一個(gè)環(huán)路滾道的兩個(gè)導(dǎo)孔，并分別插入鋼球?qū)Ч艿膬啥藢?dǎo)管。鋼球?qū)Ч苁怯射摪鍥_壓成具有半圓截面的滾道，然后對(duì)接成導(dǎo)管，并經(jīng)氰化處理使之耐磨。插入螺母螺旋滾道兩個(gè)導(dǎo)孔的鋼球的兩個(gè)導(dǎo)管的中心線應(yīng)與螺母螺旋滾道的中心線相切。螺桿與螺母的螺旋滾道為單頭(單螺旋線)的，且具有不變的螺距，通常螺距t約在8～ 13mm范圍內(nèi)可按式(

8、5—23)初選，螺旋線導(dǎo)程角約為6～ 11。轉(zhuǎn)向盤(pán)與轉(zhuǎn)向器左置時(shí)轉(zhuǎn)向螺桿為左旋，右置時(shí)為右旋。鋼球直徑約為6～9mm。一般應(yīng)參考同類(lèi)型汽車(chē)的轉(zhuǎn)向器選取鋼球直徑，并應(yīng)使之符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。鋼球直徑尺寸差應(yīng)不超過(guò)。顯然，大直徑的鋼球其承載能力亦大，但也使轉(zhuǎn)向器的尺寸增大。鋼球的數(shù)量n也影響承載能力，增多鋼球使承載能力增大，但也使鋼球的流動(dòng)性變差，從而要降低傳動(dòng)效率。經(jīng)驗(yàn)表明在每個(gè)環(huán)路中n以不大于60為好。 鋼球數(shù)目(不包括鋼球?qū)Ч苤械?可由下式確定： （5－24） 式中——鋼球中心距，（見(jiàn)圖5—2）； ——一個(gè)環(huán)路中的鋼球工作圈數(shù)，為了使載荷在各鋼球間分布均勻，一般W＝1.5～ 2

9、.5，當(dāng)轉(zhuǎn)向器的鋼球工作圈數(shù)需大于2.5時(shí)，則應(yīng)采用兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)路； ——鋼球直徑； ——螺線導(dǎo)程角。 鋼球中心距是指鋼球滾動(dòng)時(shí)其中心所在的圓柱表面的橫截面的圓的直徑。它是一個(gè)基本尺寸參數(shù)，將影響循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)尺寸及強(qiáng)度。設(shè)計(jì)時(shí)可參考同類(lèi)車(chē)進(jìn)行初選，經(jīng)強(qiáng)度驗(yàn)算后再進(jìn)行修正。顯然，在保證強(qiáng)度的前提下應(yīng)盡量取小些。在已知螺線導(dǎo)程角和螺距t的情況下，亦可由下式求得： （5－25） 式中t——螺桿與螺母滾道的螺距； ——螺線導(dǎo)程角。 螺桿螺旋滾道的內(nèi)徑，外徑，以及螺母的尺寸 ，(見(jiàn)圖5—2)，在確定鋼球中心距后即可由下式確定： 圖5—2 螺桿與螺母的螺旋滾

10、道截面 (a) 四點(diǎn)接觸的滾道截面；(b)兩點(diǎn)接觸的滾道截面 (b) B、D——鋼球與滾道的接觸點(diǎn)；——鋼球中心距；——滾道截面的圓弧半徑。 （5－26） 式中——鋼球中心距； ——螺桿與螺母的滾道截面的圓弧半徑，（見(jiàn)圖5－2）； ——滾道截面圓弧中心相對(duì)于鋼球中心線的偏移距（見(jiàn)圖5－2）； （5－27） ——鋼球直徑； ——鋼球與滾道的接觸角，通常?。?5； ——滾道截面的深度，（見(jiàn)圖5－2），可取 ＝（0.30～0.35） （5－28） D應(yīng)大于d，一般也可?。剑?.05～0.10）。 滾道截面有四點(diǎn)接觸式、兩

11、點(diǎn)接觸式（見(jiàn)圖5－2）和橢圓滾道截面等。四點(diǎn)接觸式滾道截面由四段圓弧組成，螺桿和螺母的滾道截面各為兩段圓弧。四點(diǎn)接觸滾道截面可獲得最小的軸向間隙，以避免軸向定位的不穩(wěn)定，受載后基本上可消除軸向位移，但滾道與鋼球間仍應(yīng)有間隙以貯存磨屑、減小磨損。雖然其制造工藝較復(fù)雜，但仍得到廣泛應(yīng)用。兩點(diǎn)接觸式滾道截面由兩段圓弧組成，其螺桿和螺母滾道均為單圓弧，形狀簡(jiǎn)單。當(dāng)螺桿受有軸向載荷時(shí)，螺桿與螺母間產(chǎn)生軸向相對(duì)位移使軸向定位不穩(wěn)定，增加了轉(zhuǎn)向盤(pán)的自由行程，這對(duì)裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向系特別不利，因?yàn)樗档土朔峙溟y的靈敏度，從而影響轉(zhuǎn)向性能。橢圓滾道的螺桿部分為橢圓截面、螺母部分為圓弧截面。鋼球以三點(diǎn)與滾道接觸，被

12、精確地定位于滾道中心，軸向定位精確，但加工較復(fù)雜。 螺桿滾道應(yīng)倒角以避免尖角劃傷鋼球。 接觸角是指鋼球與螺桿滾道接觸點(diǎn)的正壓力方向與螺桿滾道法面軸線間的夾 (見(jiàn)圖)。增大"將使徑向力增大而軸向力減??；反之則相反。通常多取45，以使徑向力與軸向力的分配均勻。 螺距t和螺旋線導(dǎo)程角：前者影響轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比(見(jiàn)式(5—23))；后者影響動(dòng)效率(見(jiàn)式(5—6)、式(5—7))。選擇時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足角傳動(dòng)比的要求和保證有較高的正效率而反行程時(shí)不發(fā)生自鎖現(xiàn)象。 工作鋼球的總?cè)?shù)：決定于接觸強(qiáng)度。總?cè)?shù)增多鋼球亦增多，則可降低接觸應(yīng)力、提高承載能力。一般有2.5、3和5圈的

13、，當(dāng)＞2.5時(shí)則應(yīng)采用兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)路。 螺桿和螺母一般采用20CrMnTi、22CrMnMo、20CrNi 3A鋼制造，表面滲碳，滲碳層深度為0.8～1.2mm，重型汽車(chē)和前軸負(fù)荷大的汽車(chē)的轉(zhuǎn)向器，滲碳層深度可達(dá)1.05～1.45mm。淬火后表面硬度為HRC58～64。 螺桿—鋼球—螺母?jìng)鲃?dòng)副的高可靠性、長(zhǎng)壽命、小的摩擦損失以及達(dá)到實(shí)際上的無(wú)隙配合(螺桿的軸向間隙不應(yīng)大于0.002～0.003mm)，是通過(guò)對(duì)滾道的高精度加工，使?jié)L道表面具有高光潔度，采用標(biāo)準(zhǔn)的高精度的鋼球(可用二、三級(jí)精度的)，并對(duì)螺桿、鋼球及螺母的尺寸進(jìn)行選配來(lái)達(dá)到的。 5.2.1.3齒條、齒扇傳動(dòng)副

14、 齒扇通常有5個(gè)齒，它與搖臂軸為一體。齒扇的齒厚沿齒長(zhǎng)方向是變化的，這樣即可通過(guò)軸向移動(dòng)搖臂軸來(lái)調(diào)節(jié)齒扇與齒條的嚙合間隙。由于轉(zhuǎn)向器經(jīng)常處于中間位置工作，因此齒扇與齒條的中間齒磨損最厲害。為了消除中間齒磨損后產(chǎn)生的間隙而又不致在轉(zhuǎn)彎時(shí)使兩端齒卡住，則應(yīng)增大兩端齒嚙合時(shí)的齒側(cè)間隙。這種必要的齒側(cè)間隙的改變可通過(guò)使齒扇各齒具有不同的齒厚來(lái)達(dá)到。即齒扇由中間齒向兩端齒的齒厚是逐漸減小的。為此可在齒扇的切齒過(guò)程中使毛坯繞工藝中心轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖5－3所示，相對(duì)于搖臂軸的中心有距離為的偏心。這樣加工的齒扇在齒條的嚙合中由中間齒轉(zhuǎn)向兩端的齒時(shí)，齒側(cè)間隙也逐漸加大，可表達(dá)為 （5－29） 式中——徑向間隙

15、； ——嚙合角； ——齒扇的分度圓半徑； ——搖臂軸的轉(zhuǎn)角。 圖5－3 為獲得變化的齒側(cè)間隙齒扇的加工原理和計(jì)算簡(jiǎn)圖 圖5－4 用于選擇偏心n的線圖 當(dāng)，確定后，根據(jù)上式可繪制如圖5—4所示的線圖，用于選擇適當(dāng)?shù)膎值，以便使齒條、齒扇傳動(dòng)副兩端齒嚙合時(shí)，齒側(cè)間隙能夠適應(yīng)消除中間齒最大磨損量所形成的間隙的需要。 齒條、齒扇傳動(dòng)副各對(duì)嚙合齒齒側(cè)間隙的改變也可以用改變齒條各齒槽寬而不改變齒扇各輪齒齒厚的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般是將齒條(一般有4個(gè)齒)兩側(cè)的齒槽寬制成比中間齒槽大0.20～0.30mm即可。 齒扇的齒厚沿齒寬方向變化，故稱(chēng)為變厚齒扇。其齒形外

16、觀與普通的直齒圓錐齒輪相似。用滾刀加工變厚齒扇的切齒進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是滾刀相對(duì)工件作垂向進(jìn)給的同時(shí)，還以一定的比例作徑向進(jìn)給，兩者合成為斜向進(jìn)給。這樣即可得到變厚齒扇。變厚齒扇的齒頂及齒根的輪廓面為圓錐面，其分度圓上的齒厚是成比例變化的，形成變厚齒扇，如圖5—5所示。 圖5－5變厚齒扇的截面 在該圖中若0－0截面原始齒形的變位系數(shù)＝0，則位于其兩側(cè)的截面I—I和Ⅱ一Ⅱ分別具有＞0和車(chē)＜0，即截面I—I的齒輪為正變位齒輪，而截面Ⅱ一Ⅱ的齒輪為負(fù)變位齒輪。即變厚齒扇在其整個(gè)齒寬方向上是由無(wú)窮多的原始齒形變位系數(shù)逐漸變化的圓柱齒輪所形成。因?yàn)樵谂c0一0平行的不同截面中，其模數(shù)m不變、齒數(shù)亦同，故其分

17、度圓及基圓亦不變，即為分度圓柱和基圓柱。其不同截面位置上的漸開(kāi)線齒形，均為在同一基圓柱上展開(kāi)的漸開(kāi)線，僅僅是其輪齒的漸開(kāi)線齒形離基圓的位置不同而已，故應(yīng)將其歸人圓柱齒輪范疇，而不應(yīng)歸于直齒圓錐齒輪范圍，雖然它們從外觀上更相似，因?yàn)橹饼X圓錐齒輪輪齒的漸開(kāi)線齒形的形成基準(zhǔn)是基錐。 變厚齒扇齒形參數(shù)的計(jì)算 圖5－6變厚齒扇的齒型計(jì)算用圖 通常取齒扇寬度的中間位置作基準(zhǔn)截面，如圖5—6所示的截面A—A。由該截面至大端(截面B－B)時(shí)，各截面處的變位系數(shù)均取正，向小端(截面C—C)時(shí)，變位系數(shù)由正變?yōu)榱?截面O—O)再變?yōu)樨?fù)值。設(shè)截面O—O至截面A－A的距離為，則 （5－30） 式中—

18、—在截面A－A處的原始齒形變位系數(shù)； m——模數(shù)； ——切削角。 由式（5－30）可知：當(dāng)齒扇的模數(shù)m及切削角選定后，各截面處的變位系數(shù)取決于該截面與基準(zhǔn)截面的間的距離（見(jiàn)圖5－6）。 變厚齒扇基準(zhǔn)截面（截面A—A）處的齒形計(jì)算可按表5－3進(jìn)行，計(jì)算前應(yīng)將先選定的參數(shù)也列在該表中。其中齒扇模數(shù)m是根據(jù)前橋負(fù)荷及汽車(chē)的裝載質(zhì)量的不同參考表5－1選取；法向壓力角一般為20～30；切削角常見(jiàn)的有630和730兩種；齒頂高系數(shù)一般取0.8或1.0；整圓齒數(shù)z一般在12～18范圍內(nèi)選?。积X扇寬度F一般在22～28mm范圍內(nèi)選取。 表5－1各類(lèi)汽車(chē)循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的齒扇模數(shù) 表5－

19、2變厚齒扇（A－A）處的齒形參數(shù)選擇與計(jì)算 （mm） 說(shuō)明：基準(zhǔn)截面見(jiàn)圖5－6的截面A—A，為齒扇寬度的中間位置處的截面。 最大變位系數(shù)截面即截面B—B（見(jiàn)圖5－6），應(yīng)對(duì)該截面的齒形作齒頂變尖的核算，如表5－3所示。 表5－3最大變位系數(shù)截面（截面B－B）齒頂變尖核算 說(shuō)明：一般容許的齒頂圓弧齒厚的最小值為： （0.25～0.30）m 當(dāng)m＝3～4時(shí) （0.20～0.25）m 當(dāng)m＝4～6時(shí) （0.10～0.20）m 當(dāng)m＝7～8時(shí) 表5－4給出了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的一些參數(shù)，供設(shè)計(jì)時(shí)參考。 5.2.1.4循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件的強(qiáng)度計(jì)算 為了進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)

20、算，首先要確定其計(jì)算載荷。式(5—13)曾給出了汽車(chē)在于而粗糙的硬路面上作原地轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向阻力矩，利用它可求得轉(zhuǎn)向搖臂上的力矩（見(jiàn)式（5—18））和在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的切向力（見(jiàn)式(5－19)），它們均可作為轉(zhuǎn)向系的最大計(jì)算載荷。但對(duì)前軸符合大的重型載貨汽車(chē)，用式（5－18）或(5－19)計(jì)算出來(lái)的力，往往會(huì)超過(guò)司機(jī)在體力上的可能。這時(shí)在計(jì)算轉(zhuǎn)向器和動(dòng)力轉(zhuǎn)向的動(dòng)力缸以前的零件時(shí)，可取司機(jī)作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)輪緣上的最大瞬時(shí)力，此力可取為700N。 確定計(jì)算載荷后，即可計(jì)算轉(zhuǎn)向系零件的強(qiáng)度。 （1）鋼球與滾道間的接觸應(yīng)力 ≤ （5－31） 式中K——系數(shù)，根據(jù)A／B查表16—5求得，其中A／B用

21、下式計(jì)算： （5－32） d——螺桿外徑，見(jiàn)圖16—10； ——螺桿與螺母滾道截面的圓弧半徑，見(jiàn)圖5—2； ——鋼球直徑； E——材料彈性模量，MPa； N——每個(gè)鋼球與螺桿滾道之間的正壓力； （5－33） ——轉(zhuǎn)向盤(pán)圓周力； R——轉(zhuǎn)向盤(pán)輪緣半徑； ——螺桿螺線導(dǎo)程角； ——鋼球與滾道間的接觸角； ——參與工作的鋼球數(shù)； ——鋼球接觸點(diǎn)至螺桿中心線之距離。 表16—5 系數(shù)K與A／B的關(guān)系 mm A/B 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.2

22、0 0.15 0.10 0.05 0.02 0.01 0.007 K 0.388 0.40 0.41 0.44 0.468 0.490 0.536 0.600 0.716 0.800 0.970 1.280 1.800 2.271 3.202 當(dāng)鋼球與滾道的接觸表面的硬度為HRC58～64時(shí)，許用接觸應(yīng)力可取為3000～3500MPa。 為了滿(mǎn)足式(5—31)所表達(dá)的接觸強(qiáng)度的要求，鋼球的工作總?cè)?shù)應(yīng)達(dá)到 （5－34） 式中——一圓滾道中的鋼球數(shù)； （5－35） ——螺距； —－鋼球中心距(見(jiàn)圖5－2) ——螺

23、線導(dǎo)程角； ——鋼球直徑； ——需要的工作鋼球總數(shù)； b≥ （5－36） ——作用在齒條與齒扇的齒上的力； （5－37） ——轉(zhuǎn)向搖臂軸上的力矩，見(jiàn)式(5—18)； ——齒扇的嚙合半徑； ——考慮軸向力在各鋼球間不均勻分配的系數(shù)，＝0.8～0.9； N——鋼球與螺桿滾道之間的正壓力，見(jiàn)式(5—33)； ——鋼球與滾道間的接觸角，見(jiàn)圖5—2。 當(dāng)由式(16—34)算得的鋼球工作總?cè)?shù)＞2.5時(shí)，則應(yīng)采用圈數(shù)及鋼球數(shù)相同的兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)路，以使載荷能較均勻地分布于各鋼球并保持較高的傳動(dòng)效率。但鋼球總數(shù) (包括在鋼球?qū)Ч苤械?不應(yīng)超過(guò)60個(gè)。否則應(yīng)加大鋼球直徑并重新計(jì)算。

24、 徑向間隙(見(jiàn)圖5—1)不應(yīng)大于0.02～0.03mm。亦可用下式計(jì)算： （5－38） 軸向間隙可用下式計(jì)算： （5－39） (1)螺桿在彎扭聯(lián)合作用下的強(qiáng)度計(jì)算 螺桿處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，在其危險(xiǎn)斷面上作用著彎矩和轉(zhuǎn)矩，其彎矩M及轉(zhuǎn)矩T分別為： （5－40） ＝ （5－41） 式中——由式(16—37)決定的力，見(jiàn)圖5—2； ——齒條、齒扇嚙合節(jié)點(diǎn)至螺桿中心的距離； ——螺桿兩支承軸承間的距離； ——嚙合角； ——鋼球中心距； ——螺線導(dǎo)程角； ——換算摩擦角； ——滾動(dòng)摩擦系數(shù)，＝0.008～0.010； ——鋼球與滾道的接觸

25、角。 這時(shí)，螺桿的當(dāng)量應(yīng)力為 ≤ （5－42） 式中，，——螺桿按其內(nèi)徑計(jì)算的橫截面積、彎曲截面系數(shù)和扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)。 ——許用應(yīng)力，≤ ——螺桿材料的屈服極限。 （3）轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑的確定 轉(zhuǎn)向搖臂軸的直徑可根據(jù)轉(zhuǎn)向阻力矩及材料的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限由下式確定： 式中——安全系數(shù)，根據(jù)使用條件可取2.5～3.5； ——轉(zhuǎn)向阻力矩，見(jiàn)式（5－13）； ——扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限。 轉(zhuǎn)向搖臂軸一般采用20CrMnTi、22CrMnMo或20CrNi 3A鋼制造，表面滲碳，滲碳層深為0.8～1.2mm，重型汽車(chē)和前軸負(fù)荷大的汽車(chē)，則為1.05～1.45mm。淬火后表面硬度為HRC58—63

26、。 轉(zhuǎn)向器殼體采用球墨鑄鐵QT400—18或可鍛鑄鐵KTH350—10，KTH370—12制造。 5.2.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副為齒輪與齒條，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置方便，制造容易，但轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比較小，(一般不大于15)，且齒條沿其長(zhǎng)度方向磨損不均勻，故僅廣泛用于微型汽車(chē)和轎車(chē)上。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)副的主動(dòng)件是一斜齒圓柱小齒輪，它和裝在外殼中的從動(dòng)件——齒條相嚙合，外殼固定在車(chē)身或車(chē)架上。齒條利用兩個(gè)球接頭直接和兩根分開(kāi)的左、右橫拉桿相聯(lián)。橫拉桿再經(jīng)球接頭與梯形臂相接。為了轉(zhuǎn)向輕便，主動(dòng)小齒輪的直徑

27、應(yīng)盡量小。通常，這類(lèi)轉(zhuǎn)向器的齒輪模數(shù)多在2～3mm范圍內(nèi)，壓力角為20，主動(dòng)小齒輪有5～8個(gè)齒，螺旋角為9～15。根據(jù)小齒輪螺旋角和齒條傾斜角的大小和方向的不同，可以構(gòu)成不同的傳動(dòng)方案。 圖5—7齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副的布置方案 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=0，如圖5－7(a)所示；若＞，則，如圖5－7(b)所示；若＜，則為負(fù)值，表示在齒條軸線的另一側(cè)，如圖5－7(c)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，如圖5－7(d)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。 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比 （5－44） 式中——梯形臂長(zhǎng)度，mm； 一—主動(dòng)小齒輪的節(jié)圓半徑，mm； ——齒輪與齒條的軸交角，見(jiàn)圖5－7，多在0～30范圍內(nèi)選擇。 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20MnCr5、20MnCr4或 15CrNi6(德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 17210)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(德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 17200)制造并經(jīng)高頻淬火，表面硬度均應(yīng)在HRC 56以上。殼體常用鋁合金壓鑄。