機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)和計(jì)算

1、機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)和計(jì)算作者： 日期：第四節(jié) 機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)與計(jì)算一、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、路 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)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)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。為此推薦用足夠精確 的半經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)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 M R ( N ?mm)M R 3f Gp1 (7-9)式中， f 為輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，一般取O.7

2、； G1為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷 (N)；p 為輪胎氣壓 (MPa)作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力為2L1M RL2 Dswi(7-10)式中， L1為轉(zhuǎn)向搖臂長(zhǎng)； L2 為轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)； D sw為轉(zhuǎn)向 盤直徑； i 為轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比； 為轉(zhuǎn)向器正效率。對(duì)給定的汽車，用式 (7-10) 計(jì)算出來(lái)的作用力是最大 值。因此，可以用此值作為計(jì)算載荷。然而，對(duì)于前軸負(fù) 荷大的重型貨車，用上式計(jì)算的力往往超過(guò)駕駛員生理上 的可能，在此情況下對(duì)轉(zhuǎn)向器和動(dòng)力轉(zhuǎn)向器動(dòng)力缸以前零 件的計(jì)算載荷，應(yīng)取駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤輪緣上的最大瞬 時(shí)力，此力為 700N 。二、齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì) 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪多數(shù)采用斜齒圓柱齒輪。齒

3、輪模數(shù)取值范圍多在 2 3mm 之間。主動(dòng)小齒輪齒數(shù)多數(shù) 在 57 個(gè)齒范圍變化，壓力角取 20 o，齒輪螺旋角取值范 圍多為9o 1 5o 。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)，相應(yīng)的齒條移動(dòng)行程應(yīng)達(dá)到的值來(lái)確定。變速比的齒 條壓力角，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在 12 o35 o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。主動(dòng)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。三、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)（一）主要尺寸參數(shù)的選擇1、螺桿、鋼球、螺母?jìng)鲃?dòng)副（1）鋼球中心距 D 、螺桿外徑 D1 、螺母內(nèi)徑 D2 尺寸 D、 D1、

4、D2如圖 7-19 所示。鋼球中心距是基本尺寸，螺桿 外徑 D1 、螺母內(nèi)徑 D2 及鋼球直徑 d 對(duì)確定鋼球中心距 D 的 大小有影響，而 D 又對(duì)轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)尺寸和強(qiáng)度有影響。在 保證足夠的強(qiáng)度條件下，盡可能將 D 值取小些。選取 D 值 的規(guī)律是隨著扇齒模數(shù)的增大，鋼球中心距 D 也相應(yīng)增加 （表 71） 。設(shè)計(jì)時(shí)先參考同類型汽車的參數(shù)進(jìn)行初選，經(jīng) 強(qiáng)度驗(yàn)算后，再進(jìn)行修正。螺桿外徑D1通常在 20 38mm 范圍內(nèi)變化，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向軸 負(fù)荷的不同來(lái)選定。螺母內(nèi)徑 D2應(yīng)大于 D1，一般要求D1 5% 10% D 。圖 7 19 螺桿、鋼球、螺母?jìng)鲃?dòng)副D2鋼球直徑 d 及數(shù)量 n 鋼球直

5、徑尺寸 d 取得大，能提高承載能力，同時(shí)螺桿和螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向器的尺寸也 隨之增大。鋼球直徑應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，一般常在7 9mm范圍內(nèi)選用 (表 7-1) 。增加鋼球數(shù)量 n ，能提高承載能力，但使鋼球流動(dòng)性變 壞，從而使傳動(dòng)效率降低。因?yàn)殇撉虮旧碛姓`差，所以共 同參加工作的鋼球數(shù)量并不是全部鋼球數(shù)。經(jīng)驗(yàn)證明，每 個(gè)環(huán)路中的鋼球數(shù)以不超過(guò) 60 粒為好。為保證盡可能多的 鋼球都承載，應(yīng)分組裝配。每個(gè)環(huán)路中的鋼球數(shù)可用下式 計(jì)算DW DWndcos 0 d式中， D 為鋼球中心距； W 為一個(gè)環(huán)路中的鋼球工作 圈數(shù)； n 為不包括環(huán)流導(dǎo)管中的鋼球數(shù)； 0 為螺線導(dǎo)程角， 常取 0 =5 o8 o

6、，則 cos 01。滾道截面 當(dāng)螺桿和螺母各由兩條圓弧組成，形成四 段圓弧滾道截面時(shí)，見(jiàn)圖 7-20 ，鋼球與滾道有四點(diǎn)接觸， 傳動(dòng)時(shí)軸向間隙最小，可滿足轉(zhuǎn)向盤自由行程小的要求。 圖中滾道與鋼球之間的間隙，除用來(lái)貯存潤(rùn)滑油之外，還 能貯存磨損雜質(zhì)。為了減少摩擦，螺桿和螺母溝槽的半徑R2應(yīng)大于鋼球半徑 d 2，一般取 R2 =(O.51 O.53)d 。接觸角 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角稱為接觸角，如圖 7-20 所示。 角多取為 45 o ，以使軸向力和徑向力分配均勻。螺距 P 和螺旋線導(dǎo)程角 0 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng) 角，對(duì)應(yīng)螺 母移動(dòng)的距離 s 為Ps 2P (7-1

7、1)式中， P 為螺紋螺距。圖 7 20 四段圓弧滾道截面 與此同時(shí)，齒扇節(jié)圓轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)等于s，相應(yīng)搖臂軸轉(zhuǎn)過(guò) p 角，其間關(guān)系可表示如下s p r (7-12)式中， r 為齒扇節(jié)圓半徑。聯(lián)立式 (7-11) 、式 (7-12) 得 2Pr p，將 對(duì) p求導(dǎo)得循 環(huán)球式轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比 i 為i 2Pr (7-13)由式 (7-13) 可知，螺距 P 影響轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比的值。在螺距不變的條件下，鋼球直徑 d 越大，圖 7-19 中的尺寸b 越小，要求 b=P-d2.5mm 。螺距 P 一般在 8 llmm 內(nèi) 選取。前已述及導(dǎo)程角 0 對(duì)轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)效率有影響，此處不 再贅述。工作鋼球圈數(shù) W

8、 多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)向器用兩個(gè)環(huán) 路，而每個(gè)環(huán)路的工作鋼球圈數(shù) w 又與接觸強(qiáng)度有關(guān)：增 加工作鋼球圈數(shù)，參加工作的鋼球增多，能降低接觸應(yīng) 力，提高承載能力；但鋼球受力不均勻、螺桿增長(zhǎng)而使剛 度降低。工作鋼球圈數(shù)有 1.5 和 2.5 圈兩種。一個(gè)環(huán)路的 工作鋼球圈數(shù)的選取見(jiàn)表 7-1 。表 7 1 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要參數(shù)2、齒條、齒扇傳動(dòng)副設(shè)計(jì)如圖 7-21 所示，滾迨相對(duì)齒扇作斜向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)加工齒 扇齒，得到變厚齒扇。如圖 7 22 所示，變厚齒扇的齒頂 和齒根的輪廓面是圓錐的一部分，其分度圓上的齒厚是變 化的，故稱之為變厚齒扇。圖 7-22 中，若 0-0 截面的原始齒形變位系數(shù) =O ，且

9、I I 剖面和剖面分別位于 0-0 剖面兩側(cè)，則 II 剖 面的齒輪是正變位齒輪，剖面中的齒輪為負(fù)變位齒 輪，故變厚齒扇在整個(gè)齒寬方向上，是由無(wú)數(shù)個(gè)原始齒形位移系數(shù)逐漸變化的圓柱齒輪所組成。圖 7 21 用滾刀加工變厚齒扇的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)圖 7 22 變厚齒扇的截面 對(duì)齒輪來(lái)說(shuō)，因?yàn)樵诓煌恢玫钠拭嬷?，其模?shù)優(yōu)不 變，所以它的分度圓半徑廠和基半徑rb 相同。因此，變厚齒扇的分度圓和基圓均為一圓柱，它在不同剖面位置上的漸 開齒形，都是在同一個(gè)基圓柱上所展出的漸開線，只是其 輪齒的漸開線齒形相對(duì)基圓的位置不同而已，所以應(yīng)將其 歸人圓柱齒輪的范疇。變厚齒扇齒形的計(jì)算，如圖 7-23 所示，一般將中間剖 面

10、 1-1 規(guī)定為基準(zhǔn)剖面。由 1-1 剖面向右時(shí)，變位系數(shù)為 正，向左則由正變?yōu)榱?（O-0 剖面 ），再變?yōu)樨?fù)。若 0-0 剖面 距 1-1 剖面的距離為 a0 ，則其值為 a0 m/ tan ，是切削 角，常見(jiàn)的有 6o301和 7o30 1兩種。在切削角一定的條件 下，各剖面的變位系數(shù)取決于距基準(zhǔn)剖面 1-1 的距離 a 。進(jìn)行變厚齒扇齒形計(jì)算之前，必須確定的參數(shù)有：模 數(shù) m，參考表 7-2 選??；法向壓力角 0，一般在 20 o30o 之間；齒頂高系數(shù) x1 ，一般取 O.8 或 1.O ；徑向間隙系 數(shù)，取 O.2 ；整圓齒數(shù) z，在 12 15 。之間選取；齒扇寬 度 B ，一般

11、在圖 7 23 變厚齒扇齒形計(jì)算簡(jiǎn)圖22 38mm 。表 7-2 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器齒扇齒模數(shù)齒扇 齒模數(shù) m mm3.03.54O4.55O6.06.5排量50010001600 20002000轎mL18002000前3500470070008300100車軸負(fù)00荷73503800900011000/N110005500前30004500700090001700023000貨軸負(fù)車荷185004405000750019500240003700000和N最大2500大裝載35010002700350060008000客質(zhì)車kg四、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件強(qiáng)度計(jì)算1、鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力用下式計(jì)算

12、鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力k32F3E 2 R2 r2R2r 2式中， k 為系數(shù)，根據(jù) A B 值從表 73 查取，A 1/r 1/R2 /2， B 1/r 1/R1 /2； R2為滾道截面半徑； r 為鋼球半徑； R1 為螺桿外半徑； E 為材料彈性模量，等于 2.1 105N/mm2； F3為鋼球與螺桿之間的正壓力，可用下式計(jì)F3F2ncos 0 cos式中， 0 為螺桿螺線導(dǎo)程角；為接觸角； n 為參與工作的鋼球數(shù)； F2 為作用在螺桿上的軸向力，見(jiàn)圖 724當(dāng)接觸表面硬度為 58 64HRC 時(shí)，許用接觸應(yīng)力=2500 N /mm2 。7-24螺桿受力簡(jiǎn)圖表 7-3 系數(shù) k 與 A B 的關(guān)系A(chǔ) B1OO90.8O 70.60.5O4O30.25k0.3880.400O410O440O468O490O5360.6000.716O2 、齒的彎曲應(yīng)力 w 用下式計(jì)算齒扇齒的彎曲應(yīng)力6Fhw Bs2式中， F 為作用在齒扇上的圓周力； h 為齒扇的齒高； B 為齒扇的齒寬； s 為基圓齒厚。許用彎曲應(yīng)力為 w=540 N /mm2。螺桿和螺母用 20CrMnTi 鋼制造，表面滲碳。前軸負(fù) 荷不大的汽車，滲碳層深度在O.8 1.2mm ；前軸負(fù)荷大的 汽車 ， 滲 碳 層 深度 在 1.05 1.45mm 。 表 面 硬度 為 58 63HRC