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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1 概述
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車(chē)底盤(pán)的重要組成部分，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的好壞直接影響到汽車(chē)行駛的安全性、操縱穩(wěn)定性和駕駛舒適性，它對(duì)于確保車(chē)輛的行駛安全、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作用。隨著現(xiàn)代汽車(chē)技術(shù)的迅速發(fā)展，汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已從純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系（HPS）、電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS），發(fā)展到利用現(xiàn)代電子和控制技術(shù)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）及線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）。
按轉(zhuǎn)向力能源的不同，可將轉(zhuǎn)向系分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系。
機(jī)械轉(zhuǎn)向系的能量來(lái)源是人力，所有傳力件都是機(jī)械的，由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)(方向盤(pán))、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。其中轉(zhuǎn)向器是將操縱機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)(嚴(yán)格講是近似直線(xiàn)運(yùn)動(dòng))的機(jī)構(gòu)，是轉(zhuǎn)向系的核心部件。
動(dòng)力轉(zhuǎn)向系除具有以上三大部件外，其最主要的動(dòng)力來(lái)源是轉(zhuǎn)向助力裝置。由于轉(zhuǎn)向助力裝置最常用的是一套液壓系統(tǒng)，因此也就離不開(kāi)泵、油管、閥、活塞和儲(chǔ)油罐，它們分別相當(dāng)于電路系統(tǒng)中的電池、導(dǎo)線(xiàn)、開(kāi)關(guān)、電機(jī)和地線(xiàn)的作用。
通常，對(duì)轉(zhuǎn)向系的主要要求是:
(1) 保證汽車(chē)有較高的機(jī)動(dòng)性，在有限的場(chǎng)地面積內(nèi)，具有迅速和小半徑轉(zhuǎn)彎的能力，同時(shí)操作輕便;
(2) 汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)，全部車(chē)輪應(yīng)繞一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，不應(yīng)有側(cè)滑;
(3) 傳給轉(zhuǎn)向盤(pán)的反沖要盡可能的小;
(4) 轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向盤(pán)應(yīng)自動(dòng)回正，并應(yīng)使汽車(chē)保持在穩(wěn)定的直線(xiàn)行駛狀態(tài);
(5) 發(fā)生車(chē)禍時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向軸由于車(chē)架和車(chē)身變形一起后移時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最好有保護(hù)機(jī)構(gòu)防止傷及乘員。
1.2 汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
汽車(chē)自19世紀(jì)末誕生以來(lái)，已經(jīng)走過(guò)了風(fēng)風(fēng)雨雨的一百多年。從卡爾.本茨造出的第一輛三輪汽車(chē)以每小時(shí)18公里的速度行駛，到現(xiàn)在的從零至百公里加速只需要三秒鐘的超級(jí)跑車(chē)，汽車(chē)的發(fā)展直接影響著時(shí)代的進(jìn)步和社會(huì)的繁榮。同時(shí)，汽車(chē)工業(yè)也造就諸如通用、福特、豐田、本田這樣一些在各國(guó)經(jīng)濟(jì)中舉足輕重的著名公司。
在國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策和與之配套的一系列國(guó)家經(jīng)濟(jì)政策的支持和引導(dǎo)下，我國(guó)汽車(chē)無(wú)論在數(shù)量上，還是在質(zhì)量、技術(shù)和能力等方面都已有了很大發(fā)展，但與國(guó)民經(jīng)濟(jì)需求和世界先進(jìn)水平相比，差距仍然很大。
直到近年來(lái)，中國(guó)整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，居民收入的持續(xù)增長(zhǎng)以及擴(kuò)大內(nèi)需、拉動(dòng)消費(fèi)的財(cái)政政策，特別是在中國(guó)加入WTO以后，汽車(chē)關(guān)稅不斷下調(diào)，國(guó)外知名的汽車(chē)巨頭也瞄準(zhǔn)了中國(guó)這個(gè)巨大的市場(chǎng)，陸續(xù)在華投資設(shè)廠，越來(lái)越多款式新穎、乘坐舒適安全的汽車(chē)隨之進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，加速了轎車(chē)進(jìn)入家庭的步伐。隨著我國(guó)汽車(chē)的銷(xiāo)量的猛增，特別是轎車(chē)的銷(xiāo)量取得了大幅增長(zhǎng)，有些產(chǎn)品如雅閣、波羅等還供不應(yīng)求，甚至有的還出現(xiàn)需要“加價(jià)”才能購(gòu)買(mǎi)的情況。由此可見(jiàn)，中國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)火爆的局面也似乎預(yù)示著中國(guó)汽車(chē)工業(yè)迎來(lái)了真正發(fā)展的春天。
隨著汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)也有很大變化。汽車(chē)轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)很多，從目前使用的普遍程度來(lái)看，主要的轉(zhuǎn)向器類(lèi)型有4種：有蝸桿曲柄指銷(xiāo)式（WP型）、蝸桿滾輪式（WR型）、循環(huán)球式（BS型）、齒輪齒條式（RP型）。這四種轉(zhuǎn)向器型式，已經(jīng)被廣泛使用在汽車(chē)上。
據(jù)了解，在世界范圍內(nèi)，汽車(chē)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占45％左右，齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器占40％左右，蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器占10％左右，其它型式的轉(zhuǎn)向器占5％。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器一直在穩(wěn)步發(fā)展。在西歐小客車(chē)中，齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器有很大的發(fā)展。日本汽車(chē)轉(zhuǎn)向器的特點(diǎn)是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占的比重越來(lái)越大，日本裝備不同類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)的各類(lèi)型汽車(chē)，采用不同類(lèi)型轉(zhuǎn)向器，在公共汽車(chē)中使用的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，已由60年代的62.5％發(fā)展至今已達(dá)100％(蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器在公共汽車(chē)上已經(jīng)被淘汰)。中、輕型商用車(chē)大都采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，但齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器也有所發(fā)展。微型貨車(chē)用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占65％，齒輪齒條式占35％。
據(jù)資料顯示，截至到2007年，中國(guó)生產(chǎn)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)品的企業(yè)有150多家，其中民營(yíng)企業(yè)占70％，國(guó)營(yíng)企業(yè)占14％，合資企業(yè)占10％，獨(dú)資企業(yè)占6%。轉(zhuǎn)向行業(yè)中，規(guī)模較大的企業(yè)有上海ZF、恒隆集團(tuán)、一汽光洋、新鄉(xiāng)豫北和湖北三環(huán)等20多家，生產(chǎn)集中度約為80%。轉(zhuǎn)向器行業(yè)的企業(yè)總資產(chǎn)約為130億元，年生產(chǎn)能力超過(guò)1000萬(wàn)臺(tái)（套）。2007年國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)向器產(chǎn)銷(xiāo)量約940萬(wàn)臺(tái)（套），總產(chǎn)值約為120億元，出口創(chuàng)匯約2.2億美元。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基本合理，能覆蓋國(guó)內(nèi)全系列汽車(chē)，基本滿(mǎn)足整車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。
轉(zhuǎn)向器發(fā)展的趨勢(shì)是：
(1) 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器和齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，已成為當(dāng)今世界汽車(chē)上主要的兩種轉(zhuǎn)向器；而蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器和蝸桿肖式轉(zhuǎn)向器，正在逐步被淘汰或保留較小的地位；
(2) 在小客車(chē)上發(fā)展轉(zhuǎn)向器的觀點(diǎn)各異，美國(guó)和日本重點(diǎn)發(fā)展循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，比率都已達(dá)到或超過(guò)90％；西歐則重點(diǎn)發(fā)展齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，比率超過(guò)50％，法國(guó)已高達(dá)95％；
(3)由于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的種種優(yōu)點(diǎn)，在小型車(chē)上的應(yīng)用(包括小客車(chē)、小型貨車(chē)或客貨兩用車(chē))得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展；而大型車(chē)輛以循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器為主要結(jié)構(gòu)。
1.3 課題研究的目的和意義
1、目的：
改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展迅猛。作為汽車(chē)關(guān)鍵部件之一的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也得到了相應(yīng)的發(fā)展，基本已形成了專(zhuān)業(yè)化、系列化生產(chǎn)的局面。有資料顯示，國(guó)外有很多國(guó)家的轉(zhuǎn)向器廠，都已發(fā)展成大規(guī)模生產(chǎn)的專(zhuān)業(yè)廠，年產(chǎn)超過(guò)百萬(wàn)臺(tái)，壟斷了轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)，并且銷(xiāo)售點(diǎn)遍布了全世界。隨著我國(guó)汽車(chē)轉(zhuǎn)向器市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，與之相關(guān)的核心生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用與研發(fā)必將成為業(yè)內(nèi)企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。了解國(guó)內(nèi)外汽車(chē)轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)核心技術(shù)的研發(fā)動(dòng)向、工藝設(shè)備、技術(shù)應(yīng)用及趨勢(shì)對(duì)于企業(yè)提升產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力十分關(guān)鍵。
2、意義：
由于汽車(chē)轉(zhuǎn)向器屬于汽車(chē)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，它在汽車(chē)系統(tǒng)中占有重要位置，因而它的發(fā)展同時(shí)也反映了汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，它的規(guī)模和質(zhì)量也成為了衡量汽車(chē)工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。隨著汽車(chē)高速化和超低扁平胎的通用化，過(guò)去采用循環(huán)球轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球變傳動(dòng)比轉(zhuǎn)向器只能相對(duì)地解決轉(zhuǎn)向輕便性和操縱靈便性的問(wèn)題，要想從跟本上解決這兩個(gè)問(wèn)題只有安裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。因此，除了重型汽車(chē)和高檔轎車(chē)早已安裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向器外，近年來(lái)在中型貨車(chē)、豪華客車(chē)及中檔轎車(chē)上都已經(jīng)開(kāi)始安裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，隨著動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)水平的提高、生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和市場(chǎng)的需要，其他的一些車(chē)型也必須陸續(xù)安裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。雖然液壓助力型轉(zhuǎn)向器具有很多優(yōu)點(diǎn)，在目前的技術(shù)水準(zhǔn)下它仍然存在某些不足之處，例如助力較小等。因此，目前液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器仍然占據(jù)著很大的市場(chǎng)份額，其性能也在不斷地提高。對(duì)于液壓助力型動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的研究有著非常深遠(yuǎn)的意義。因此本課題在考慮上述要求和因素的基礎(chǔ)上研究利用轉(zhuǎn)向盤(pán)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪齒條轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向，通過(guò)萬(wàn)向節(jié)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向齒輪軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向齒輪軸與轉(zhuǎn)向齒條嚙合，從而促使轉(zhuǎn)向齒條直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，軸向尺寸短，且零件數(shù)目少的優(yōu)點(diǎn)又能增加助力，從而實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性和靈敏性。
本題是依據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)車(chē)型的主減速器作為設(shè)計(jì)原型，在給定汽車(chē)主要尺寸參數(shù)、最低穩(wěn)定車(chē)速等條件下，要求本人獨(dú)立設(shè)計(jì)出符合要求的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，著重設(shè)計(jì)計(jì)算轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)參數(shù)及對(duì)其校核計(jì)算，轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)的參數(shù)及校核。在對(duì)各種結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了分析計(jì)算后，繪制出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝配圖及主要零件的零件圖。
通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分析提高了我對(duì)所學(xué)專(zhuān)業(yè)的認(rèn)知度，掌握了一下本人畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要工作內(nèi)容。完成畢業(yè)設(shè)計(jì)有利于綜合訓(xùn)練本人的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，為今后的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，可以綜合訓(xùn)練《汽車(chē)設(shè)計(jì)》、《汽車(chē)?yán)碚摗贰ⅰ稒C(jī)械設(shè)計(jì)》等專(zhuān)業(yè)知識(shí)，也能夠幫助自己對(duì)Pro/E等相關(guān)工程軟件的理解和掌握。通過(guò)設(shè)計(jì)和撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，增強(qiáng)了本人對(duì)事物的分析和判斷能力，加強(qiáng)思維的嚴(yán)密性和科學(xué)性。
第2章 轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì)概述
2.1 對(duì)轉(zhuǎn)向系的要求
1.汽車(chē)轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，全部車(chē)輪應(yīng)繞瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車(chē)輪不應(yīng)有側(cè)滑。不滿(mǎn)足這項(xiàng)要求會(huì)加速輪胎磨損，并降低汽車(chē)的行駛穩(wěn)定性。
2.汽車(chē)轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，在駕駛員松開(kāi)轉(zhuǎn)向盤(pán)的條件下，轉(zhuǎn)向輪能自動(dòng)返回到直線(xiàn)行駛位置，并穩(wěn)定行駛。
3.汽車(chē)在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪都不得產(chǎn)生自振，轉(zhuǎn)向盤(pán)沒(méi)有擺動(dòng)。
4.轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置共同工作時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)使車(chē)輪產(chǎn)生的擺動(dòng)應(yīng)最小。
5.保證汽車(chē)有較高的機(jī)動(dòng)性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力。
6.操縱輕便。
7.轉(zhuǎn)向輪碰撞到障礙物以后，傳給轉(zhuǎn)向盤(pán)的反沖力要盡可能小。
8.轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的球頭處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)。
9.進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核，保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。
2.2 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)
轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向盤(pán)，轉(zhuǎn)向軸，轉(zhuǎn)向管柱。有時(shí)為了布置方便，減小由于裝配位置誤差及部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的附加載荷，提高汽車(chē)正面碰撞的安全性以及便于拆裝，在轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向器的輸入端之間安裝轉(zhuǎn)向萬(wàn)向節(jié)，如圖3-1。采用柔性萬(wàn)向節(jié)可減少傳至轉(zhuǎn)向軸上的振動(dòng)，但柔性萬(wàn)向節(jié)如果過(guò)軟，則會(huì)影響轉(zhuǎn)向系的剛度。采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)，還應(yīng)有轉(zhuǎn)向動(dòng)力系統(tǒng)。
目前，許多國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的新車(chē)型在轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)中采用了萬(wàn)向傳動(dòng)裝置（轉(zhuǎn)向萬(wàn)向節(jié)和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸）。這有助于轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向器等部件和組件的通用化和系列化。只要適當(dāng)改變轉(zhuǎn)向萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的幾何參數(shù)，便可滿(mǎn)足各種變型車(chē)的總布置要求。即使在轉(zhuǎn)向盤(pán)與轉(zhuǎn)向器同軸線(xiàn)的情況下，其間也可采用萬(wàn)向傳動(dòng)裝置，以補(bǔ)償由于部件在車(chē)上的安裝誤差和安裝基體（駕駛室、車(chē)架）的變形所造成的二者軸線(xiàn)實(shí)際上的不重合。
轉(zhuǎn)向盤(pán)在駕駛室安置位置與各國(guó)交通法規(guī)規(guī)定車(chē)輛靠道路左側(cè)還是右側(cè)通行有關(guān)。包括我國(guó)在內(nèi)的大多數(shù)國(guó)家規(guī)定車(chē)輛右側(cè)通行，相應(yīng)地應(yīng)將轉(zhuǎn)向盤(pán)安置在駕駛室左側(cè)。這樣，駕駛員的左方視野較廣闊，有利于兩車(chē)安全交會(huì)。相反，在一些規(guī)定車(chē)輛靠左側(cè)通行的國(guó)家和地區(qū)使用的汽車(chē)上，轉(zhuǎn)向盤(pán)則應(yīng)安置在駕駛室右側(cè)。
圖2.1轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)
1-轉(zhuǎn)向萬(wàn)向節(jié)；2-轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸；3-轉(zhuǎn)向管柱；4-轉(zhuǎn)向軸；5-轉(zhuǎn)向盤(pán)
2.3 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向臂、轉(zhuǎn)向縱拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向梯形臂以及轉(zhuǎn)向橫拉桿等。（見(jiàn)圖2.2）
轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于把轉(zhuǎn)向器輸出的力和運(yùn)動(dòng)傳給左、右轉(zhuǎn)向節(jié)并使左、右轉(zhuǎn)向輪按一定關(guān)系進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。
圖2.2 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
1-轉(zhuǎn)向搖臂；2-轉(zhuǎn)向縱拉桿；3-轉(zhuǎn)向節(jié)臂；4-轉(zhuǎn)向梯形臂；5-轉(zhuǎn)向橫拉桿
2.4 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)用來(lái)保證轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)汽車(chē)的車(chē)輪均能繞同一瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心在不同半徑的圓周上作無(wú)滑動(dòng)的純滾動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)中首先是要確定轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的幾何尺寸參數(shù)，其次是進(jìn)行零件的強(qiáng)度計(jì)算。轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)有整體式的和分段式的兩種。整體式的用于非獨(dú)立懸架的轉(zhuǎn)向輪；分段式的用于獨(dú)立懸架的轉(zhuǎn)向輪。通常是將轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)布置在前轉(zhuǎn)向橋之后，且高度不低于前橋橫梁或其他防撞件；當(dāng)布置在前橋之后有困難時(shí)，例如當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)位置很低或汽車(chē)前驅(qū)動(dòng)時(shí)，也可以布置在前橋之前。
2.4.1 轉(zhuǎn)向梯形理論特性
以整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)為例：轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)實(shí)際上不能完全精確地滿(mǎn)足公式的要求，而只能以足夠的工程精度接近該式。即轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)使公式中的L值不再是汽車(chē)的軸距L，而是。若令，L愈接近，則該轉(zhuǎn)向梯形愈能精確地反映公式的要求，轉(zhuǎn)向亦愈順暢。
如圖2-3中的ΔOAB有
（2.1）
梯形臂長(zhǎng)度與兩主銷(xiāo)中心距之比在0.11~0.15間，
m/K=0.11~0.15 取0.15 即：m=0.151290=193.5 計(jì)算結(jié)果取200mm
轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的幾何尺寸參數(shù)有：兩轉(zhuǎn)向主銷(xiāo)中心線(xiàn)與地面交點(diǎn)間的距離K，轉(zhuǎn)向橫拉桿兩端球鉸接中心間的距離轉(zhuǎn)向梯形臂長(zhǎng)m和梯形底角，根據(jù)汽車(chē)的總體布置或轉(zhuǎn)向橋的布置圖，首先可找出汽車(chē)的軸距L 及轉(zhuǎn)向主銷(xiāo)間距K，再按，在關(guān)系曲線(xiàn)圖上找出，則有
（2.2）
當(dāng)K,L確定后根據(jù)y的三種取值方式可求得轉(zhuǎn)向梯形的三種尺寸方案，有了這些方案就可對(duì)一系列按大小排列的值以圖解法確定其相應(yīng)的值，進(jìn)而求出的值。
計(jì)算方案：
（1） 當(dāng)取0.70時(shí)，則
（2） 當(dāng)取0.65時(shí)，則
（3） 當(dāng)取0.6時(shí)，則
第一種方案：
x=0.7 y=0.12:2
則
第二種方案：
x=0.65 y=0.11:3
第三種方案：
x=0.6 y=0.16
2.5 轉(zhuǎn)角及最小轉(zhuǎn)彎半徑
汽車(chē)的機(jī)動(dòng)性，常用最小轉(zhuǎn)彎半徑來(lái)衡量，但汽車(chē)的高機(jī)動(dòng)性則應(yīng)由兩個(gè)條件保證。即首先應(yīng)使左、右轉(zhuǎn)向輪處于最大轉(zhuǎn)角時(shí)前外輪的轉(zhuǎn)彎值在汽車(chē)軸距的2~2.5倍范圍內(nèi)； 其次，應(yīng)這樣選擇轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比。
兩軸汽車(chē)在轉(zhuǎn)向時(shí)，若不考慮輪胎的側(cè)向偏離，則為了滿(mǎn)足上述對(duì)轉(zhuǎn)向系的第(2)條要求，其內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪理想的轉(zhuǎn)角關(guān)系如圖2.3所示，由下式?jīng)Q定：
（2.3）
式中：—外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；
—內(nèi)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；
K—兩轉(zhuǎn)向主銷(xiāo)中心線(xiàn)與地面交點(diǎn)間的距離；
L—軸距
內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的合理匹配是由轉(zhuǎn)向梯形來(lái)保證。
圖2.3 理想的內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角間的關(guān)系
第一種方案：
第二種方案：
第三種方案：
因此，取第二種方案為最終設(shè)計(jì)方案。
汽車(chē)的最小轉(zhuǎn)彎半徑Rmin與其內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪在最大轉(zhuǎn)角與、軸距L、主銷(xiāo)距K 及轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)臂a 等尺寸有關(guān)。在轉(zhuǎn)向過(guò)程中除內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角外，其他參數(shù)是不變的。最小轉(zhuǎn)彎半徑是指汽車(chē)在轉(zhuǎn)向輪處于最大轉(zhuǎn)角的條件下以低速轉(zhuǎn)彎時(shí)前外輪與地面接觸點(diǎn)的軌跡構(gòu)成圓周的半徑?？砂聪率接?jì)算：
（2.4）
取7600
通常為35o～40o，為了減小值，值有時(shí)可達(dá)到45o。
操縱輕便型的要求是通過(guò)合理地選擇轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比、力傳動(dòng)比和傳動(dòng)效率。
對(duì)轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向盤(pán)或轉(zhuǎn)向輪能自動(dòng)回正的要求和對(duì)汽車(chē)直線(xiàn)行駛穩(wěn)動(dòng)性的要求則主要是通過(guò)合理的選擇主銷(xiāo)后傾角和內(nèi)傾角，消除轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)間隙以及選用可逆式轉(zhuǎn)向器來(lái)達(dá)到。但要使傳遞到轉(zhuǎn)向盤(pán)上的反向沖擊小，則轉(zhuǎn)向器的逆效率有不宜太高。至于對(duì)轉(zhuǎn)向系的最后兩條要求則主要是通過(guò)合理地選擇結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)布置來(lái)解決。
轉(zhuǎn)向器及其縱拉桿與緊固件的稱(chēng)重，約為中級(jí)以及上轎車(chē)、載貨汽車(chē)底盤(pán)干重的1.0%～1.4%；小排量以及下轎車(chē)干重的1.5%～2.0%。轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)型式對(duì)汽車(chē)的自身質(zhì)量影響較小。
2.6 汽車(chē)轉(zhuǎn)向系方案的選擇
機(jī)械轉(zhuǎn)向器是將司機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)檗D(zhuǎn)向搖臂的擺動(dòng)（或齒條沿轉(zhuǎn)向車(chē)軸軸向的移動(dòng)），并按一定的角轉(zhuǎn)動(dòng)比和力轉(zhuǎn)動(dòng)比進(jìn)行傳遞的機(jī)構(gòu)。
機(jī)械轉(zhuǎn)向器與動(dòng)力系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)成動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。高級(jí)轎車(chē)和重型載貨汽車(chē)為了使轉(zhuǎn)向輕便，多采用這種動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。采用液力式動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)，由于液體的阻尼作用，吸收了路面上的沖擊載荷，故可采用可逆程度大、正效率又高的轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)。
為了避免汽車(chē)在撞車(chē)時(shí)司機(jī)受到的轉(zhuǎn)向盤(pán)的傷害，除了在轉(zhuǎn)向盤(pán)中間可安裝安全氣囊外，還可在轉(zhuǎn)向系中設(shè)置防傷裝置。為了緩和來(lái)自路面的沖擊、衰減轉(zhuǎn)向輪的擺振和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的震動(dòng)，有的還裝有轉(zhuǎn)向減振器。
多數(shù)兩軸及三軸汽車(chē)僅用前輪轉(zhuǎn)向；為了提高操縱穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性，某些現(xiàn)代轎車(chē)采用全四輪轉(zhuǎn)向；多軸汽車(chē)根據(jù)對(duì)機(jī)動(dòng)性的要求，有時(shí)要增加轉(zhuǎn)向輪的數(shù)目，制止采用全輪轉(zhuǎn)向。
2.6.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器由與轉(zhuǎn)向軸做成一體的轉(zhuǎn)向齒輪和常與轉(zhuǎn)向橫拉桿做成一體的齒條組成。與其他形式的轉(zhuǎn)向器比較，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器最主要的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成，轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量比較??；傳動(dòng)效率高達(dá)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(dòng)小齒輪處的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧。能自動(dòng)消除齒間間隙，這不僅可以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度。還可以防止工作時(shí)產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用的體積小；沒(méi)有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿，所以轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角可以增大；制造成本低。
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是：因逆效率高，汽車(chē)在不平路面上行駛時(shí)，發(fā)生在轉(zhuǎn)向輪與路面之間沖擊力的大部分能傳至轉(zhuǎn)向盤(pán)，稱(chēng)之為反沖。反沖現(xiàn)象會(huì)使駕駛員精神緊張，并難以準(zhǔn)確控制汽車(chē)行駛方向，轉(zhuǎn)向盤(pán)突然轉(zhuǎn)動(dòng)又會(huì)造成打手，同時(shí)對(duì)駕駛員造成傷害。
根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點(diǎn)不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向起有四種形式，如圖2.4所示：中間輸入，兩端輸出(a)；側(cè)面輸入，兩端輸出(b)；側(cè)面輸入，中間輸出(c)；側(cè)面輸入，一端輸出(d)。
圖2.4 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式
采用側(cè)面輸入，中間輸出方案時(shí)，與齒條連的左，右拉桿延伸到接近汽車(chē)縱向?qū)ΨQ(chēng)平面附近。由于拉桿長(zhǎng)度增加，車(chē)輪上、下跳動(dòng)時(shí)拉桿擺角減小，有利于減少車(chē)輪上、下跳動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向系與懸架系的運(yùn)動(dòng)干涉。拉桿與齒條用螺栓固定連接，因此，兩拉桿會(huì)與齒條同時(shí)向左或右移動(dòng)，為此在轉(zhuǎn)向器殼體上開(kāi)有軸向的長(zhǎng)槽，從而降低它的強(qiáng)度。
采用兩端輸出方案時(shí)，由于轉(zhuǎn)向拉桿長(zhǎng)度受到限制，容易與懸架系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉。
采用齒輪齒條式轉(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)降低，沖擊大，工作噪聲增加。此外，齒輪軸線(xiàn)與齒條軸線(xiàn)之間的夾角只能是直角，為此因與總體布置不適應(yīng)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(zhuǎn)向器，重合度增加，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沖擊與工作噪聲均下降，而且齒輪軸線(xiàn)與齒條軸線(xiàn)之間的夾角易于滿(mǎn)足總體設(shè)計(jì)的要求。因?yàn)樾饼X工作時(shí)有軸向力作用，所以轉(zhuǎn)向器應(yīng)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(diǎn)。
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(jiǎn)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(zhì)量小；位于齒下面的兩斜面與齒條托座接觸，可用來(lái)防止齒條繞軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)；Y形斷面齒條的齒寬可以做得寬些，因而強(qiáng)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(dòng)摩擦。當(dāng)車(chē)輪跳動(dòng)、轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向器工作時(shí)，如在齒條上作用有能使齒條旋轉(zhuǎn)的力矩時(shí)，應(yīng)選用V形和Y形斷面齒條，用來(lái)防止因齒條旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，也有在轉(zhuǎn)向器殼體上設(shè)計(jì)導(dǎo)向槽的，槽內(nèi)嵌裝導(dǎo)向塊，并將拉桿、導(dǎo)向塊與齒條固定在一起。齒條移動(dòng)時(shí)導(dǎo)向塊在導(dǎo)向槽內(nèi)隨之移動(dòng)，齒條旋轉(zhuǎn)時(shí)導(dǎo)向塊可防止齒條旋轉(zhuǎn)。要求這種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向塊與導(dǎo)向槽之間的配合要適當(dāng)。配合過(guò)緊會(huì)為轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)向輪回正帶來(lái)困難，配合過(guò)松齒條仍能旋轉(zhuǎn)，并伴有敲擊噪聲。
根據(jù)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向梯形相對(duì)前軸位置的不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在汽車(chē)上有四種布置：形式轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，后置梯形(a)；轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，前置梯形(b)；轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，后置梯形(c)；轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，前置梯形(d)。
圖2.5 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在汽車(chē)上有四種布置
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器廣泛應(yīng)用于乘用車(chē)上。車(chē)載質(zhì)量不大，前輪采用獨(dú)立懸架的貨車(chē)和客車(chē)有些也用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。
2.6.2 其他轉(zhuǎn)向器
除齒輪齒條轉(zhuǎn)向器外，還有循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器，蝸桿指銷(xiāo)式轉(zhuǎn)向器等。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是：逆效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，制造精度要求高,因此循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要用于商用車(chē)上。
蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是：正效率低；工作齒面磨損以后，調(diào)整嚙合間隙比較困難；轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比不能變化。
固定銷(xiāo)蝸桿指銷(xiāo)式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單制造容易；但是因銷(xiāo)子不能自轉(zhuǎn)，銷(xiāo)子的工作部位基本保持不變，所以磨損快、工作效率低。旋轉(zhuǎn)銷(xiāo)式轉(zhuǎn)向器的效率高、磨損慢，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
所以我的設(shè)計(jì)選用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器為動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置。
2.7 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器布置和結(jié)構(gòu)形式的選擇
圖2.6 采用如圖所示的布置形式
圖2.7 采用如圖所示的側(cè)面輸入兩端輸出的結(jié)構(gòu)形式。
2.8 數(shù)據(jù)的確定
根據(jù)以上的論述，本次設(shè)計(jì)初選數(shù)據(jù)如下：
輪距
1670mm
軸距
3800mm
滿(mǎn)載軸荷分配：前/后
2200/3255(kg)
總質(zhì)量/kg ma
1255(kg)
輪胎
175/60R16
主銷(xiāo)偏移距a
50mm
輪胎壓力p/MPa
0.53
方向盤(pán)直徑SW D
400mm
最小轉(zhuǎn)彎半徑
7.6m
轉(zhuǎn)向梯形臂
200mm
主銷(xiāo)中心距K
1290mm
表2.2 初選數(shù)據(jù)
參考BJ121 型輕型載貨汽車(chē)底盤(pán)架構(gòu)和上海通用別克賽歐汽車(chē)轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)
2.9 本章小結(jié)
本章對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析，確定轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)最小轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行計(jì)算。機(jī)械轉(zhuǎn)向器的類(lèi)型選用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成，轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量比較?。粋鲃?dòng)效率高達(dá)90%等優(yōu)點(diǎn)。最后確定本次設(shè)計(jì)的初選數(shù)據(jù)。
第3章 轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù)
3.1轉(zhuǎn)向系的效率
功率從轉(zhuǎn)向軸輸入，經(jīng)轉(zhuǎn)向搖臂軸輸出所求得的效率稱(chēng)為轉(zhuǎn)向器的正效率，用符號(hào)表示，；反之稱(chēng)為逆效率，用符號(hào)表示。
正效率計(jì)算公式：
（3.1）
逆效率計(jì)算公式：
（3-2）
式中， 為作用在轉(zhuǎn)向軸上的功率；為轉(zhuǎn)向器中的磨擦功率；為作用在轉(zhuǎn)向搖臂軸上的功率。
正效率高，轉(zhuǎn)向輕便；轉(zhuǎn)向器應(yīng)具有一定逆效率，以保證轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤(pán)的自動(dòng)返回能力。但為了減小傳至轉(zhuǎn)向盤(pán)上的路面沖擊力，防止打手，又要求此逆效率盡可能低。
影響轉(zhuǎn)向器正效率的因素有轉(zhuǎn)向器的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造質(zhì)量等。
3.1.1 轉(zhuǎn)向器的正效率
影響轉(zhuǎn)向器正效率的因素有轉(zhuǎn)向器的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造質(zhì)量等。
（1）轉(zhuǎn)向器類(lèi)型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與效率
在四種轉(zhuǎn)向器中，齒輪齒條式、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的正效率比較高，而蝸桿指銷(xiāo)式特別是固定銷(xiāo)和蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的正效率要明顯的低些。
同一類(lèi)型轉(zhuǎn)向器，因結(jié)構(gòu)不同效率也不一樣。如蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的滾輪與支持軸之間的軸承可以選用滾針軸承、圓錐滾子軸承和球軸承。選用滾針軸承時(shí)，除滾輪與滾針之間有摩擦損失外，滾輪側(cè)翼與墊片之間還存在滑動(dòng)摩擦損失，故這種軸向器的效率η+僅有54%。另外兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向器效率分別為70%和75%。
轉(zhuǎn)向搖臂軸的軸承采用滾針軸承比采用滑動(dòng)軸承可使正或逆效率提高約10%。
（2）轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與效率
如果忽略軸承和其經(jīng)地方的摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，對(duì)于蝸桿類(lèi)轉(zhuǎn)向器，其效率可用下式計(jì)算
（3.3）
式中，為蝸桿（或螺桿）的螺線(xiàn)導(dǎo)程角；ρ為摩擦角，ρ=arctanf；f為磨擦因數(shù)。
3.1.2轉(zhuǎn)向器的逆效率
根據(jù)逆效率不同，轉(zhuǎn)向器有可逆式、極限可逆式和不可逆式之分。
路面作用在車(chē)輪上的力，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向系可大部分傳遞到轉(zhuǎn)向盤(pán)，這種逆效率較高的轉(zhuǎn)向器屬于可逆式。它能保證轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤(pán)自動(dòng)回正，既可以減輕駕駛員的疲勞，又可以提高行駛安全性。但是，在不平路面上行駛時(shí)，傳至轉(zhuǎn)向盤(pán)上的車(chē)輪沖擊力，易使駕駛員疲勞，影響安全行駕駛。
屬于可逆式的轉(zhuǎn)向器有齒輪齒條式和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。
不可逆式和極限可逆式轉(zhuǎn)向器
不可逆式轉(zhuǎn)向器，是指車(chē)輪受到的沖擊力不能傳到轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)向器。該沖擊力轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的零件承受，因而這些零件容易損壞。同時(shí)，它既不能保證車(chē)輪自動(dòng)回正，駕駛員又缺乏路面感覺(jué)，因此，現(xiàn)代汽車(chē)不采用這種轉(zhuǎn)向器。
極限可逆式轉(zhuǎn)向器介于可逆式與不可逆式轉(zhuǎn)向器兩者之間。在車(chē)輪受到?jīng)_擊力作用時(shí)，此力只有較小一部分傳至轉(zhuǎn)向盤(pán)。
如果忽略軸承和其它地方的磨擦損失，只考慮嚙合副的磨擦損失，則逆效率可用下式計(jì)算
（3.4）
式（3.3）和式（3.4）表明：增加導(dǎo)程角，正、逆效率均增大。受增大的影響，不宜取得過(guò)大。當(dāng)導(dǎo)程角小于或等于磨擦角時(shí)，逆效率為負(fù)值或者為零，此時(shí)表明該轉(zhuǎn)向器是不可逆式轉(zhuǎn)向器。為此，導(dǎo)程角必須大于磨擦角。
3.2 傳動(dòng)比變化特性
3.2.1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。
轉(zhuǎn)向系的力傳動(dòng)比: （3.5）
轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比: （3.6）
轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比由轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)角傳動(dòng)比組成，即 （3.7）
轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比: （3.8）
轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比商用車(chē)約為16~22，轎車(chē)約為12~20，此處取=20
轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比: （3.9）
3.2.2力傳動(dòng)比與轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比的關(guān)系
轉(zhuǎn)向阻力與轉(zhuǎn)向阻力矩的關(guān)系式：
（3.10）
作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力與作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力矩的關(guān)系式：
（3.11）
將式（3.10）、式（3.11）代入 后得到
（3.12）
如果忽略磨擦損失，根據(jù)能量守恒原理，2Mr/Mh可用下式表示
（3.13）
將式（3.10）代入式（3.11）后得到
（3.14）
當(dāng)a和Dsw不變時(shí)，力傳動(dòng)比越大，雖然轉(zhuǎn)向越輕，但也越大，表明轉(zhuǎn)向不靈敏。
3.2.3轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比的選擇
轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比可以設(shè)計(jì)成減小、增大或保持不變的。影響選取角傳動(dòng)比變化規(guī)律的主要因素是轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷大小和對(duì)汽車(chē)機(jī)動(dòng)能力的要求。
若轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷小或采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向的汽車(chē)，不存在轉(zhuǎn)向沉重問(wèn)題，應(yīng)取較小的轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比，以提高汽車(chē)的機(jī)動(dòng)能力。若轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷大，汽車(chē)低速急轉(zhuǎn)彎時(shí)的操縱輕便性問(wèn)題突出，應(yīng)選用大些的轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比。
汽車(chē)以較高車(chē)速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，要求轉(zhuǎn)向輪反應(yīng)靈敏，轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比應(yīng)當(dāng)小些。汽車(chē)高速直線(xiàn)行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)在中間位置的轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比不宜過(guò)小。否則轉(zhuǎn)向過(guò)分敏感，使駕駛員精確控制轉(zhuǎn)向輪的運(yùn)動(dòng)有困難。
轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比變化曲線(xiàn)應(yīng)選用大致呈中間小兩端大些的下凹形曲線(xiàn)，如圖3.1所示。
圖3.1轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比變化特性曲線(xiàn)
Fig 3.1 Change characteristic property curve of Steering angle transmission ratio
3.3轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副的傳動(dòng)間隙△t
傳動(dòng)間隙是指各種轉(zhuǎn)向器中傳動(dòng)副之間的間隙。該間隙隨轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的大小不同而改變，并把這種變化關(guān)系稱(chēng)為轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副傳動(dòng)間隙特性（圖3.2）。
研究該特性的意義在于它與直線(xiàn)行駛的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向器的使用壽命有關(guān)。
傳動(dòng)副的傳動(dòng)間隙在轉(zhuǎn)向盤(pán)處于中間及其附近位置時(shí)要極小，最好無(wú)間隙。若轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副存在傳動(dòng)間隙，一旦轉(zhuǎn)向輪受到側(cè)向力作用，車(chē)輪將偏離原行駛位置，使汽車(chē)失去穩(wěn)定。
傳動(dòng)副在中間及其附近位置因使用頻繁，磨損速度要比兩端快。在中間附近位置因磨損造成的間隙過(guò)大時(shí)，必須經(jīng)調(diào)整消除該處間隙。
為此，傳動(dòng)副傳動(dòng)間隙特性應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)成圖3-2所示的逐漸加大的形狀。
圖3.2 轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副傳動(dòng)間隙特性
Fig 3.2 Drive gap characteristic property of steering
轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副傳動(dòng)間隙特性 圖中曲線(xiàn)1表明轉(zhuǎn)向器在磨損前的間隙變化特性；曲線(xiàn)2表明使用并磨損后的間隙變化特性，并且在中間位置處已出現(xiàn)較大間隙；曲線(xiàn)3表明調(diào)整后并消除中間位置處間隙的轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)間隙變化特性。
3.4轉(zhuǎn)向盤(pán)的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)
轉(zhuǎn)向盤(pán)從一個(gè)極端位置轉(zhuǎn)到另一個(gè)極端位置時(shí)所轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)稱(chēng)為轉(zhuǎn)向盤(pán)的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。它與轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比有關(guān)，并影響轉(zhuǎn)向的操縱輕便性和靈敏性。乘用車(chē)轉(zhuǎn)向盤(pán)的總轉(zhuǎn)動(dòng)閣數(shù)較少，一般約在3.6圈以?xún)?nèi)；商用車(chē)一般不宜超過(guò)6圈。
本設(shè)計(jì)為輕型商用車(chē)，所以取4圈。
3.5本章小結(jié)
以上內(nèi)容是針對(duì)轉(zhuǎn)向系的主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，力與角的傳動(dòng)比直接影響到行駛的舒適性和安全性，影響選取角傳動(dòng)比變化規(guī)律的主要因素是轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷大小和對(duì)汽車(chē)機(jī)動(dòng)能力的要求。并對(duì)轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副傳動(dòng)間隙特性進(jìn)行研究，研究該特性的意義在于它與直線(xiàn)行駛的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向器的使用壽命有關(guān)。
第4章 轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1轉(zhuǎn)向系計(jì)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(qiáng)度。欲驗(yàn)算轉(zhuǎn)向系零件的強(qiáng)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(fù)荷，地面阻力和輪胎氣壓等。為轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力，包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力、車(chē)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)算這些力是困難的，為此推薦用足夠精確的半經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算汽車(chē)在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力距（N?mm),即
(4.1)
＝46208.3 N?mm
式中，f為輪胎和路面見(jiàn)的摩擦因素，一般取0.7；為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷2200（N）; p為輪胎氣壓0.53（MPa）。
作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力為
（4.2）
＝13.59 N
式中， 為轉(zhuǎn)向搖臂長(zhǎng)；為轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)；為轉(zhuǎn)向盤(pán)直徑；為轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比；為轉(zhuǎn)向器正效率。
作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力矩為
Fh=Mh / R
Mh=13.59x200
＝2718 N?mm
4.2齒輪參數(shù)的選擇
齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的齒輪多采用斜齒輪，齒輪模數(shù)在2 ~ 3mm之間，主動(dòng)小齒輪齒數(shù)在5 ~ 7之間，壓力角取a = 20°，螺旋角在9 ~ 15之間。故取小齒輪 z= 6，mn =2.5，
b =10°右旋，壓力角a = 20°，精度等級(jí)8級(jí)。
主動(dòng)小齒輪選用20MnCr5材料制造并經(jīng)滲碳淬火，而齒條常采用45號(hào)鋼或41Cr4制造并經(jīng)高頻淬火，表面硬度均應(yīng)在56HRC以上。為減輕質(zhì)量，殼體用鋁合金壓鑄。
4.3齒輪幾何尺寸的確定
齒頂高 ha =
齒根高 hf
齒高 h = ha+ hf =
分度圓直徑 d =mz/cosβ=
齒頂圓直徑 da =d+2ha =
齒根圓直徑 df =d-2hf =
基圓直徑
法向齒厚為
端面齒厚為
分度圓直徑與齒條運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系 d=60000v/πn10.001m/s
齒距 p=πm=3.14×2.5=7.85mm
齒輪中心到齒條基準(zhǔn)線(xiàn)距離 H=d/2+xm=9.4185mm
4.4 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算
4.4.1齒輪精度等級(jí)、材料及參數(shù)的選擇
（1） 由于轉(zhuǎn)向器齒輪轉(zhuǎn)速低，是一般的機(jī)械，故選擇8級(jí)精度。
（2） 齒輪模數(shù)值取值為m=2.5，主動(dòng)齒輪齒數(shù)為z=6，壓力角取a=20°.
（3） 主動(dòng)小齒輪選用20MnCr5或15CrNi6材料制造并經(jīng)滲碳淬火，硬度在56-62HRC之間，取值60HRC.
（4） 齒輪螺旋角初選為β=°
4.4.2齒輪的齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
（1）試取K=
（2）斜齒輪的轉(zhuǎn)矩 T=25 N·M
（3）取齒寬系數(shù)
（4）齒輪齒數(shù)
（5）復(fù)合齒形系數(shù) =
（6）許用彎曲應(yīng)力 =0.7=0.7920=644N/
為齒輪材料的彎曲疲勞強(qiáng)度的基本值。
試取=2.5mm
(7) 圓周速度
d=mm
b= d= 取b=12mm
(8)計(jì)算載荷系數(shù)
1） 查表得 使用系數(shù)=1
2） 根據(jù)和8級(jí)精度，查表得
3） 查表得 齒向載荷分布系數(shù)
4） 查表得 齒間載荷分布系數(shù)
5） 修正值計(jì)算模數(shù)＝，故前取2.5mm不變．
4.4.3齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核
校核公式為
（1）許用接觸應(yīng)力
查表得
由圖得
安全系數(shù)
（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) ?。?
（5） 螺旋角系數(shù) ?。?
MPa1650MPa
由以上計(jì)算可知齒輪滿(mǎn)足齒面接觸疲勞強(qiáng)度，即以上設(shè)計(jì)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
4.5齒條幾何尺寸的確定
根據(jù)齒輪齒條的嚙合特點(diǎn):
（1）齒輪的分度圓永遠(yuǎn)與其節(jié)圓相重合,而齒條的中線(xiàn)只有當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)齒輪正確安裝時(shí)才與其節(jié)圓相重合.
（2）齒輪與齒條的嚙合角永遠(yuǎn)等于壓力角.
因此,齒條模數(shù)m=2.5,壓力角
齒條斷面形狀選取圓形
選取齒數(shù)z＝28，螺旋角
端面模數(shù)
端面壓力角
法面齒距 π
端面齒距
齒頂高系數(shù)
法面頂隙系數(shù)
齒頂高
齒根高
齒高 h = ha+ hf =
法面齒厚
端面齒厚
4.6齒輪軸的設(shè)計(jì)
由于齒輪的基圓直徑，數(shù)值較小，若齒輪與軸之間采用鍵連接必將對(duì)軸和齒輪的強(qiáng)度大大降低，因此，將其設(shè)計(jì)為齒輪軸．由于主動(dòng)小齒輪選用20MnCr5材料制造并經(jīng)滲碳淬火，因此軸的材料也選用20MnCr5材料制造并經(jīng)滲碳淬火．
查表得：20MnCr5材料的硬度為60HRC，抗拉強(qiáng)度極限，屈服極限，彎曲疲勞極限，剪切疲勞極限，轉(zhuǎn)速n=10r/min
圖4.1齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)公式
忽略磨損，根據(jù)能量守衡，作用在齒輪齒條上的阻力矩為328.8N·M，作用在齒輪上的軸向力為，
作用在齒輪上的切向力為
彎曲疲勞強(qiáng)度校核
＝Ｆ／＝/3.14MPa<525MPa
剪切疲勞強(qiáng)度校核
=F/=/3.14＜300MPa
抗拉強(qiáng)度校核
滿(mǎn)載時(shí)的阻力矩為
齒輪軸的最小直徑為d=８mm，在此截面上的軸向抗拉強(qiáng)度為
＝Ｆ／=1/3.1414=MPa<1100Mpa
本設(shè)計(jì)選擇齒輪軸直徑 D=20
4.7其它零件的選擇
1.六角螺栓的選擇
根據(jù)GB5780-2000
選取螺紋規(guī)格d=M6
圖4.2六角螺栓的選擇
2.彈簧的選擇
根據(jù) GB1358--93
選擇代號(hào)為Y1的冷卷壓縮彈簧
總?cè)?shù) n1=12
有效圈數(shù) n=10
材料直徑 d=5
節(jié)距 t=10
取
彈簧中徑 D=42
彈簧內(nèi)徑
彈簧外徑
具體的數(shù)據(jù)如下圖
圖4.3彈簧的選擇
3墊圈的選擇
根據(jù)GB848-85,選擇相配合的螺紋規(guī)格為d=8,具體數(shù)據(jù)如下圖:
圖4.4墊圈的選取
4油封的選擇
根據(jù)JB/ZQ4606-86和軸徑選取氈圈油封,主要參數(shù)如下:
圖4.5油封的選擇
5滾動(dòng)軸承的選擇
根據(jù)GB/T5801-1994
選取滾針承的型號(hào)為NKI 10/12，主要參數(shù)如右上圖
圖4.6滾動(dòng)軸承的選擇
6推力軸承的選擇
根據(jù)GB/T301-1995
選取推力7、止推螺母的參數(shù)，如下圖軸承的型號(hào)為51102，主要參數(shù)如下圖
圖4.7推力軸承的選取
4.8 動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.8.1對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的要求
1.運(yùn)動(dòng)學(xué)上應(yīng)保持轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角和駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)角之間有一定比例關(guān)系。
2.隨著轉(zhuǎn)向輪阻力的增大（或減?。?，作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力必須增大（或減?。?，稱(chēng)之為“路感”。
3.當(dāng)作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的切向力≥0.025～0.190kN時(shí)，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器就開(kāi)始工作。
4.轉(zhuǎn)向后,轉(zhuǎn)向盤(pán)應(yīng)自動(dòng)回正，并使汽車(chē)保持在穩(wěn)定的直線(xiàn)行駛狀態(tài)。
5.工作靈敏，即轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)后，系統(tǒng)內(nèi)壓力能很快增長(zhǎng)到最大值。
6.動(dòng)力轉(zhuǎn)向失靈時(shí)，仍能用機(jī)械系統(tǒng)操縱車(chē)輪轉(zhuǎn)向。
7.密封性能好，內(nèi)、外泄漏少。
4.9液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的計(jì)算
4.9.1動(dòng)力缸尺寸計(jì)算
動(dòng)力缸的主要尺寸有動(dòng)力缸內(nèi)徑、活塞行程、活塞桿直徑和動(dòng)力缸體壁厚。
動(dòng)力缸產(chǎn)生的推力F為
式中，為轉(zhuǎn)向搖臂長(zhǎng)度；L為轉(zhuǎn)向搖臂軸到動(dòng)力缸活塞之間的距離。
推力F與工作油液壓力p和動(dòng)力缸截面面積S之間有如下關(guān)系
(4.1)
因?yàn)閯?dòng)力缸活塞兩側(cè)的工作面積不同，應(yīng)按較小一側(cè)的工作面積來(lái)計(jì)算，即
（4.2）
式中，D為動(dòng)力缸內(nèi)徑；為活塞桿直徑，初選＝0.35D，壓力p＝6.3Mpa。
聯(lián)立式(4.1)和式（4.2）后得到
（4.3）
=50 mm
所以d=22mm
活塞行程是車(chē)輪轉(zhuǎn)制最大轉(zhuǎn)角時(shí)，由直拉桿的的移動(dòng)量換算到活塞桿處的移動(dòng)量得到的。
活塞厚度可取為B=0.3D。動(dòng)力缸的最大長(zhǎng)度s為 ?
(4.4)
=130mm
動(dòng)力缸殼體壁厚t,根據(jù)計(jì)算軸向平面拉應(yīng)力來(lái)確定，即
（4.5）
式中，p為油液壓力；D為動(dòng)力缸內(nèi)徑；t為動(dòng)力缸殼體壁厚；n為安全系數(shù)，n=3.5~5.0;為殼體材料的屈服點(diǎn)。殼體材料用球墨鑄鐵采用QT500－05，抗拉強(qiáng)度為500MPa,屈服點(diǎn)為350MPa。t=5mm
活塞桿用45剛制造，為提高可靠性和壽命，要求表面鍍鉻并磨光。
4.9.2分配閥的參數(shù)選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算
分配閥的要參數(shù)有:滑閥直徑d、預(yù)開(kāi)隙密封長(zhǎng)度、滑閥總移動(dòng)量e、滑閥在中間位置時(shí)的液流速度v、局部壓力降和泄漏量等。
1.油泵排量與油罐容積的確定
轉(zhuǎn)向油泵的排量應(yīng)保證轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸能比無(wú)動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)以更高的轉(zhuǎn)向時(shí)汽車(chē)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向，否則動(dòng)力轉(zhuǎn)向反而會(huì)形成快速轉(zhuǎn)向的輔加阻力。油泵排量要達(dá)到這一要求，必須滿(mǎn)足如下不等式：
(4.6)
式中 —油泵的計(jì)算排量；
—油泵的容積，計(jì)算時(shí)一般?。?.75～0.85；
—泄漏系數(shù)，＝0.05～0.10；
—?jiǎng)恿Ω赘讖剑?
—?jiǎng)恿Ω谆钊苿?dòng)速度；
＝
式中 —轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的最大可能頻率，計(jì)算時(shí)對(duì)轎車(chē)?。?.5~1.7;則動(dòng)力轉(zhuǎn)向系的油泵排量Q可表達(dá)為
(4.7)
=47L/s
2.預(yù)開(kāi)隙
預(yù)開(kāi)隙，為滑閥處于中間位置時(shí)分配閥內(nèi)各環(huán)形油路沿滑閥軸向的開(kāi)啟量，也是為使分配閥內(nèi)某油路關(guān)閉所需的滑閥最小移動(dòng)量。值過(guò)小會(huì)使油液常流時(shí)局部阻力過(guò)大；值過(guò)大則轉(zhuǎn)向盤(pán)需轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)大的角度才能使動(dòng)力缸工作，轉(zhuǎn)向靈敏度低。一般要求轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角時(shí)滑閥就移動(dòng)的距離。
＝＝ (4.8)
＝0.2mm
式中 —相應(yīng)的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角，（°）；
t —轉(zhuǎn)向螺桿的螺距，mm.
3.滑閥總移動(dòng)量
滑閥總移動(dòng)量e過(guò)大時(shí)，會(huì)使轉(zhuǎn)向盤(pán)停止轉(zhuǎn)動(dòng)后滑閥回到中間位置的行程長(zhǎng)，致使轉(zhuǎn)向車(chē)輪停止偏轉(zhuǎn)的時(shí)刻也相應(yīng)“滯后”，從而使靈敏度降低；如e值過(guò)小，則使密封長(zhǎng)度過(guò)小導(dǎo)致密封不嚴(yán)，這就容易產(chǎn)生油液泄漏致使進(jìn)、回油路不能完全隔斷而使工作油液壓力降低和流量減少。通常，當(dāng)滑閥總移動(dòng)量為e時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)允許轉(zhuǎn)動(dòng)的角度約為20°左右。
(4.9)
=0.49mm
4.局部壓力降
當(dāng)汽車(chē)宜行時(shí)，滑閥處于中間位置，油液流經(jīng)滑閥后再回到油箱。油液流經(jīng)滑閥時(shí)產(chǎn)生的局部壓力降(MPa)為
（4.10）
式中 —油液密度，kg/m3 ;
—局部阻力系數(shù)，通常取＝3.0；
v—油液的流速，m/s。
的允許值為0.03～0.04MPa。
5.油液流速的允許值[v]
由于的允許值[]=0.03~0.04MPa,代入上式，則可得到油液流速的允許值
[v]＝ (4.11)
6.滑閥直徑d
(4.12)
=110mm
式中 —溢流閥限制下的油液最大排量，L/min,—般約為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)油泵排量的1.5倍；
—預(yù)開(kāi)隙，mm;
—滑閥在中間位置時(shí)的油液流速，m/s
7. 滑閥在中間位置時(shí)的油液流速v
(4.13)
=5m/s
8.分配閥的泄漏量
（4.14）
=2.26cm/s
式中 —滑閥也閥體建的徑向間隙，一般 ＝0.0005～0.00125cm;
—滑閥進(jìn)、出口油液的壓力差；
d —滑閥直徑；
—密封長(zhǎng)度；
—油液的動(dòng)力粘度。
4.10轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)