三.機械式轉(zhuǎn)向器方案分析及設(shè)計4.1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)點是：結(jié)構(gòu)簡單、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??；傳動效率高達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、靠近主動小齒輪處的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧。能自動消除齒間間隙，這不僅可以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度。還可以防止工作時產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用的體積小；沒有轉(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)向器的主要缺點是：因逆效率高，貨車在不平路面上行駛時，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，稱之為反沖。反沖現(xiàn)象會使駕駛員精神緊張，并難以準(zhǔn)確控制貨車行駛方向，轉(zhuǎn)向盤突然轉(zhuǎn)動又會造成打手，同時對駕駛員造成傷害。根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向起有四種形式，如圖4-1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4-1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向起有四種形式采用側(cè)面輸入，中間輸出方案時，與齒條連的左，右拉桿延伸到接近貨車縱向?qū)ΨQ平面附近。由于拉桿長度增加，車輪上、下跳動時拉桿擺角減小，有利于減少車輪上、下跳動時轉(zhuǎn)向系與懸架系的運動干涉。拉桿與齒條用螺栓固定連接，因此，兩拉桿會與齒條同時向左或右移動，為此在轉(zhuǎn)向器殼體上開有軸向的長槽，從而降低了它的強度。采用兩端輸出方案時，由于轉(zhuǎn)向拉桿長度受到限制，容易與懸架系統(tǒng)導(dǎo)向機構(gòu)產(chǎn)生運動干涉。側(cè)面輸入，一端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，常用在平頭貨車上。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，則運轉(zhuǎn)平穩(wěn)降低，沖擊大，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)計的要求。因為斜齒工作時有軸向力作用，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。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，可用來防止齒條繞軸線轉(zhuǎn)動；Y形斷面齒條的齒寬可以做得寬些，因而強度得到增加。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，以減少滑動摩擦。當(dāng)車輪跳動、轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向器工作時，如在齒條上作用有能使齒條旋轉(zhuǎn)的力矩時，應(yīng)選用V形和Y形斷面齒條，用來防止因齒條旋轉(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。齒條移動時導(dǎo)向塊在導(dǎo)向槽內(nèi)隨之移動，齒條旋轉(zhuǎn)時導(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)。配合過緊會為轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)向輪回正帶來困難，配合過松齒條仍能旋轉(zhuǎn)，并伴有敲擊噪聲。根據(jù)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向梯形相對前軸位置的不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在貨車上有四種布置：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4-2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在貨車上有四種布置齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器廣泛應(yīng)用于乘用車上。車載質(zhì)量不大，前輪采用獨立懸架的貨車和客車有些也用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。4.2其他轉(zhuǎn)向器有循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器，蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器等。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要缺點是：逆效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，制造精度要求高。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要用于商用車上。蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的主要缺點是：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)向器的傳動比不能變化。固定銷蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)簡單、制造容易；但是因銷子不能自轉(zhuǎn)，銷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)計選用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器為動力轉(zhuǎn)向裝置。4.3齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器工作原理及布置、結(jié)構(gòu)形式的選擇 圖4-3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向原理簡圖圖4-4 采用如圖所示的布置形式 圖4-5 采用如圖所示的側(cè)面輸入兩端輸出的結(jié)構(gòu)形式。4.4數(shù)據(jù)的確定根據(jù)以上的論述，本次設(shè)計初選數(shù)據(jù)如下：輪距：前/后1940/1860mm軸距4500mm滿載軸荷分配：前/后4170/8340(kg)總質(zhì)量/kg13900(kg)輪胎10.00-20（低氣壓）主銷偏移距a 55mm輪胎壓力p/MPa0.65方向盤直徑500mm最小轉(zhuǎn)彎半徑18m轉(zhuǎn)向節(jié)臂204mm兩主銷延長線至地面交點間的距離1530mm轉(zhuǎn)向搖臂180mm 表4-1 初選數(shù)據(jù)4. 5設(shè)計計算過程4.5.1 轉(zhuǎn)向輪側(cè)偏角計算 (4-1) (4-2) 4.5.2轉(zhuǎn)向器參數(shù)選取齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的齒輪多采用斜齒輪，齒輪模數(shù)在之間，主動小齒輪齒數(shù)在之間，壓力角取，螺旋角在之間。故取小齒輪，右旋，壓力角，精度等級8級。 轉(zhuǎn)向節(jié)原地轉(zhuǎn)向阻力矩： (4-3) 方向盤轉(zhuǎn)動圈數(shù)： (4-4) 角傳動比: (4-5) 故初選角傳動比值復(fù)合要求 方向盤上的手力： (4-6)其中L1為轉(zhuǎn)向搖臂長，L2轉(zhuǎn)向節(jié)臂長，DSW轉(zhuǎn)向盤直徑，為轉(zhuǎn)向器效率。 作用在轉(zhuǎn)向盤上的操縱載荷:對轎車該力不應(yīng)超過150200N，對貨車不應(yīng)超過500N。所以符合設(shè)計要求 (4-7)力傳動比： (4-8)取齒寬系數(shù)， (4-9) 齒條寬度圓整取，則取齒輪齒寬 4.5.3選擇齒輪齒條材料小齒輪：齒輪通常選用國內(nèi)常用、性能優(yōu)良的20CrMnTi合金鋼，熱處理采用表面滲碳淬火工藝，齒面硬度為HRc5863。而齒條選用與20CrMnTi具有較好匹配性的40Cr作為嚙合副，齒條熱處理采用高頻淬火工藝，表面硬度HRc5056。 4.5.4強度校核（1）、校核齒輪接觸疲勞強度選取參數(shù)，按ME級質(zhì)量要求取值 ， ； ， ， 故以 計算 (4-10)查得： ， ， ， ； ， ， ， 則， (4-11)齒輪接觸疲勞強度合格（2）、校核齒輪彎曲疲勞強度選取參數(shù)，按ME級質(zhì)量要求取值； ； ； ； ； 故以 計算 (4-12)據(jù)齒數(shù)查表有：； ； ； 。則 (4-13) 齒輪彎曲疲勞強度合格4.5.5齒輪齒條的基本參數(shù)如下表所示: 名稱符號公式齒輪齒條齒數(shù)631分度圓直徑15.2314變位系數(shù)1齒頂高52.5齒根高0.6253.125齒頂圓直徑25.2314齒根圓直徑13.9814齒輪中圓直徑20.2314螺旋角10齒寬3020 表24.6齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖4-6齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計4.7軸承的選擇軸承1 深溝球軸承6004 (GB/T276