小型汽車(chē)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小型汽車(chē)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì),小型,汽車(chē),液壓,助力,轉(zhuǎn)向,系統(tǒng),設(shè)計(jì) 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題目汽車(chē)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系 別 工程技術(shù)系 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 孫林 學(xué) 號(hào) 05211518 指導(dǎo)教師 于建波 職 稱 高級(jí)工程師 2015年 月 日 摘 要 ? 汽車(chē)在安全性、舒適性以及穩(wěn)定方面更加受到人們的重視，汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能關(guān)乎汽車(chē)的穩(wěn)定性和安全性，助力轉(zhuǎn)向是幫助駕駛員做汽車(chē)方向調(diào)整，能夠讓駕駛員輕松的使用方向盤(pán)打方向，降低了駕駛員的工作量，對(duì)減輕疲勞駕駛有很大的幫助。? 全篇首先介紹了傳統(tǒng)的汽車(chē)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷史，然后是傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理，接著介紹了控制流量式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在根據(jù)液壓系統(tǒng)圖與控制方式方面實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文在液壓控制方面與機(jī)械系統(tǒng)方面都對(duì)助力轉(zhuǎn)向控制進(jìn)行了分析，對(duì)齒輪齒條式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)重點(diǎn)進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵字：汽車(chē); 助力轉(zhuǎn)向; 液壓系統(tǒng); 機(jī)械結(jié)構(gòu) Abstract The car in the safety, comfort and stability are more and more attention by people, the vehicle steering system performance is one of the important indexes, the stability and safety of automobile power steering, as the name suggests, is to assist the driver to adjust for the direction of vehicle, reduce the force strength of the steering wheel for the driver, reducing driver workload, there is great help to alleviate fatigue driving. This paper firstly introduces the development process of automobile power steering system, the working principle of the system and the traditional hydraulic power steering, and on this basis, put forward to control the flow of hydraulic power steering system in this paper, according to the design diagram and control mode of hydraulic system to realize the power steering system aspects. In this paper, in the hydraulic control and mechanical system aspects of power steering control are analyzed, on the rack and pinion steering mechanism is analyzed and design. Keywords: automobile; steering; hydraulic system; mechanical structure 目 錄 1緒 論 1 2液壓助力布置方案的擬定 1 2.1轉(zhuǎn)向系的功用與要求 1 2.2轉(zhuǎn)向器方案分析 2 3 液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置方案分析 2 3.1動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置方案 2 3.2動(dòng)力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)形式的選擇 4 3.3分配閥的結(jié)構(gòu)方案 4 4液壓系統(tǒng)方案分析 4 4.1常用轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)工作原理 4 4.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作原理 5 5 轉(zhuǎn)向器輸出力矩的確定 6 6 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 6 6.1 轉(zhuǎn)向搖臂軸（即齒形齒扇軸）的設(shè)計(jì)計(jì)算 6 6.1.1材料的選擇 6 6.1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 6.1.3軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 7 6.2 螺桿軸設(shè)計(jì)計(jì)算及主要零件的校核 10 6.2.1材料選擇 10 6.2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 6.2.3軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 10 6.2.4鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力校核 12 7 齒輪齒條式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 7.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)分析 13 7.2 參考數(shù)據(jù)的確定 18 7.3 轉(zhuǎn)向輪側(cè)偏角計(jì)算 18 7.4 轉(zhuǎn)向器參數(shù)選取 19 7.5 選擇齒輪齒條材料 20 7.6 強(qiáng)度校核 20 7.7 齒輪齒條的基本參數(shù)如下表所示 21 7.8 齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 8結(jié) 論 22 參考文獻(xiàn) 23 致 謝 24 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院2015屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 1緒 論 隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)有著快速的成長(zhǎng)，據(jù)我國(guó)相關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，截至2007年9月底，轎車(chē)的銷(xiāo)量數(shù)量已經(jīng)超過(guò)400萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)40%。在2006年11月的北京車(chē)展上，許多國(guó)內(nèi)自主品牌紛紛亮相，比如長(zhǎng)城、奇瑞、吉利等。在這場(chǎng)國(guó)際汽車(chē)展中，我國(guó)汽車(chē)在外觀、設(shè)計(jì)風(fēng)格、技術(shù)和品質(zhì)上，都令人吃驚，但和國(guó)外有著近百年發(fā)展歷史的國(guó)外汽車(chē)工業(yè)相比，我們的汽車(chē)在行車(chē)性能和舒適體驗(yàn)方面仍有不小差距。 汽車(chē)工業(yè)是我國(guó)的主要產(chǎn)業(yè)，在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)中有著重要的地位，汽車(chē)工業(yè)隨著機(jī)械和電子技術(shù)的發(fā)展而不斷前進(jìn)。就現(xiàn)在來(lái)說(shuō)，汽車(chē)已經(jīng)成為先進(jìn)材料、電子科技等學(xué)科的產(chǎn)物。汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也隨著汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展而發(fā)展。 2液壓助力布置方案的擬定 2.1轉(zhuǎn)向系的功用與要求 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是用來(lái)改變汽車(chē)的行駛方向的，它的組成包含轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置兩大部分。 根據(jù)轉(zhuǎn)向系的工作特點(diǎn)，對(duì)其提出如下要求： 1.工作可靠。汽車(chē)行駛的安全性與轉(zhuǎn)向系有很大關(guān)系，所以汽車(chē)的零件需要有足夠的抗磨損能力，適當(dāng)?shù)膭偠?、?qiáng)度和足夠的壽命。 2.操縱輕便，這其中包含三方面內(nèi)容： (l)汽車(chē)改變方向時(shí)作用在方向盤(pán)上的手力要小，一般最大極限值是： 小客車(chē) 中型載重車(chē) 重型載重車(chē) 可以采用增加轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置的力傳動(dòng)比或轉(zhuǎn)向加力器等這些方法都是減小方向盤(pán)手力的有效手段。 (2)汽車(chē)在拐彎的時(shí)候，方向盤(pán)的回轉(zhuǎn)圈數(shù)要少。當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)最大彎時(shí)，方向盤(pán)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)不能超過(guò)2.5圈。因此轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比不宜太大。 (3)汽車(chē)在保持直線行駛時(shí)，方向盤(pán)要穩(wěn)定，不能有抖動(dòng)和擺動(dòng)。這就需要轉(zhuǎn)向系在整車(chē)布置上與其他系統(tǒng)相適應(yīng)；汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎后，方向盤(pán)可以自己回正，說(shuō)明轉(zhuǎn)向器有一定的可逆性，而且要準(zhǔn)確的選擇前輪定位角。 3.汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)要保證其車(chē)輪是純粹的滾動(dòng)而不能出現(xiàn)滑動(dòng)現(xiàn)象。 4.盡量避免過(guò)大的車(chē)輪轉(zhuǎn)向力傳到方向盤(pán)上，而且需要駕駛員有正確的道路感覺(jué)。從而要求適當(dāng)?shù)乜刂妻D(zhuǎn)向器的可逆程度。 5.轉(zhuǎn)向系的調(diào)整應(yīng)盡量少而簡(jiǎn)單。 2.2轉(zhuǎn)向器方案分析 汽車(chē)用途可以決定選用哪種效率特性的轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)方案有關(guān)系。經(jīng)常行駛在好路面上的轎車(chē)和市內(nèi)用客車(chē)，可以采用正效率較高的、可逆程度大的轉(zhuǎn)向器。 綜上最后本次設(shè)計(jì)選定循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。 3 液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置方案分析 液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向，其油液具有不能壓縮的性能，而且靈敏度高和油壓工作壓力比較高，動(dòng)力缸尺寸比較小，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)而得到更多的使用。 3.1動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置方案 轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸和機(jī)械轉(zhuǎn)向器成一組，然后再與轉(zhuǎn)向控制閥組在一起，這種組合稱之為整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器（如圖3-1）。另一種方案是只將機(jī)械轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向控制閥組合成一個(gè)部件，該部件稱為半整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器（如圖3-2），轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸則做成獨(dú)立部件。第三個(gè)方法，將轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸和轉(zhuǎn)向控制閥組成一組，然后再將機(jī)械轉(zhuǎn)向器作為單獨(dú)件，這種組合叫轉(zhuǎn)向加力器（如圖3-3）。 圖3-1 整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器 圖3-2 半整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器 圖3-3 轉(zhuǎn)向加力器 在分析比較上述幾種不同動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案時(shí)， 由于分置式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的分開(kāi)布置，所以機(jī)械轉(zhuǎn)向器可以有很多種方法組成；動(dòng)力缸助力載荷不能影響轉(zhuǎn)向器零件；在汽車(chē)的轉(zhuǎn)向橋承受的力過(guò)大時(shí)，在不影響轉(zhuǎn)向器基本尺寸的同時(shí)，可以增加更多的動(dòng)力缸或者加大動(dòng)力缸的缸徑尺寸。由于分置式的管路很復(fù)雜，零件數(shù)也很多。所以在分置式的結(jié)構(gòu)中，聯(lián)閥式和半分置式的使用最廣，但連桿式的相對(duì)少。 綜上最后本次設(shè)計(jì)的布置形式選定為半分置式。 3.2動(dòng)力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)形式的選擇 動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)形式包括常壓式和常流式。在中間位置的轉(zhuǎn)向分配閥關(guān)閉時(shí)，油液持續(xù)屬于高壓狀態(tài)，這種稱為常壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器；在中間的轉(zhuǎn)向分配閥打開(kāi)時(shí)，油持續(xù)處在常流狀態(tài)時(shí)，這種稱為常流式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。 與常流式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器相比較，常壓式的優(yōu)點(diǎn)是有蓄能器，油泵排除的高壓油，儲(chǔ)存到儲(chǔ)能器中，達(dá)到一定的壓力后，油泵自動(dòng)卸載而空轉(zhuǎn)以此避免液壓系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)大載荷。這一點(diǎn)對(duì)大型汽車(chē)非常重要。所以本文采用常壓式的。 3.3分配閥的結(jié)構(gòu)方案 圖3-4 滑閥的結(jié)構(gòu)和工作原理 分配閥有兩種結(jié)構(gòu)方案：閥體與閥在分配閥中控制油路通過(guò)軸向移動(dòng)方式來(lái)完成稱為滑閥式（如圖3-4），以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)控制油路的稱為轉(zhuǎn)閥式。 滑閥式分配閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用性能好，易于布置，使用廣泛。 轉(zhuǎn)閥式非常靈敏、其密封件數(shù)少。但轉(zhuǎn)閥式是通過(guò)扭桿彈簧使轉(zhuǎn)閥回位，因此結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 綜上最后本次設(shè)計(jì)的控制閥選用滑閥。 4液壓系統(tǒng)方案分析 4.1常用轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)工作原理 汽車(chē)在保持直線行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向器分配閥5處于開(kāi)啟，液壓泵2關(guān)閉，油液進(jìn)入油箱8。在拐彎時(shí)，螺桿稍微前動(dòng)后動(dòng)，轉(zhuǎn)向器內(nèi)滑閥遠(yuǎn)離中間位置，從液壓泵里流出的壓力油，通過(guò)液壓控制集成元件4穩(wěn)壓后，通過(guò)轉(zhuǎn)向器分配閥5，進(jìn)入轉(zhuǎn)向缸6，在液壓缸的作用下，轉(zhuǎn)向輪開(kāi)始轉(zhuǎn)向(如圖4-1所示)。 4.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作原理 (1)汽車(chē)保持直線行駛時(shí)如圖4-2所示：轉(zhuǎn)向器分配閥處于中間位置時(shí)，轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)沒(méi)有承受負(fù)擔(dān)。通過(guò)液體的工作特性，液體從開(kāi)式減壓閥5流進(jìn)轉(zhuǎn)向分配閥8后，進(jìn)入油箱1，有兩種原因：一是轉(zhuǎn)向器分配閥8的中位油路接通結(jié)構(gòu)為“H”型，“A1”“B1”“O1”“P1”口互通，系統(tǒng)沒(méi)有建壓；二是開(kāi)式減壓閥在系統(tǒng)沒(méi)有壓力狀態(tài)下，所有支路沒(méi)有節(jié)流。另此時(shí)液控背壓閥7、液控?fù)Q向閥8及液壓缸10處于閑暇。 (2)汽車(chē)向右轉(zhuǎn)時(shí)：轉(zhuǎn)向盤(pán)向右轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向器分配閥8處于“交叉”地方時(shí)，油液進(jìn)入液控?fù)Q向閥9“交叉”處口，完成回路，液控?fù)Q向閥9的閥芯打開(kāi)，使液控?fù)Q向閥9弄到“交叉”處。左右轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)過(guò)程的特點(diǎn)：汽車(chē)在左右轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)換時(shí)轉(zhuǎn)向器分配閥9閥芯回到中間后，在到其中左右轉(zhuǎn)向地方的瞬間時(shí)，其液控單向閥3閥芯在回位彈簧和單向節(jié)流閥6的作用下，馬上讓油液流出然后關(guān)閉，使支路建壓，馬上控制液控?fù)Q向閥工作。 5 轉(zhuǎn)向器輸出力矩的確定 通過(guò)半經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算汽車(chē)在混凝土或?yàn)r青路面上行駛時(shí)轉(zhuǎn)向器的輸出力矩。 G1=mg=141410=14140N M= G1L／4=14140 ×135／4 =477225N.mm 式中，G1為汽車(chē)前軸負(fù)荷，單位是N； M為汽車(chē)轉(zhuǎn)向器的輸出力矩，單位是N.mm； m為汽車(chē)的前軸負(fù)荷，單位是Kg； g為重力加速度，計(jì)算時(shí)取g=10N/Kg； L為汽車(chē)轉(zhuǎn)向搖臂中心距，單位是mm。 6 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 6.1 轉(zhuǎn)向搖臂軸（即齒形齒扇軸）的設(shè)計(jì)計(jì)算 6.1.1材料的選擇 搖臂軸的材料為20CrMnTi鋼，由于前軸擔(dān)負(fù)的力不大，螺紋、三角花鍵和卡簧槽部表面不滲碳，其表面滲碳層深度在0.8～1.2mm。表面硬度為58～63HRC。 6.1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軸結(jié)構(gòu)如圖6-1所示 錐形漸開(kāi)線花鍵在軸伸出殼體的部分，同時(shí)使用螺母緊固，這樣能夠讓轉(zhuǎn)向搖臂緊緊壓靠到軸上，使之聯(lián)結(jié)緊固、無(wú)間隙，加工花鍵的工藝與齒輪相同；因?yàn)辇X扇和齒條在運(yùn)動(dòng)時(shí)有摩擦力，因此在運(yùn)動(dòng)過(guò)一段時(shí)間后會(huì)發(fā)生間隙，這個(gè)間隙的改變工作可以將齒扇設(shè)計(jì)成變厚齒扇。 6.1.3軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）漸開(kāi)線花鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算 花鍵連接的類(lèi)型和尺寸是由被連接件的尺寸、工作條件和使用要求來(lái)確定的，接著進(jìn)行一定的強(qiáng)度校核計(jì)算， 圖6-1轉(zhuǎn)向搖臂軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 本軸的漸開(kāi)線花鍵可選擇45°花鍵，齒數(shù)為Z=36，壓力角為45°，模數(shù)為m=0.8。 漸開(kāi)線花鍵幾何尺寸的計(jì)算 分度圓直徑D=mZ=0.836=28.8mm; 基圓直徑Db=mZcos45°=0.836×1.414=20.36mm; 周 節(jié)P=m=3.140.8=2.5mm; 內(nèi)花鍵大徑Dei=m(Z+1.2)=0.8(36+1.2)=29.76mm; 外花鍵大徑Dee= m(Z+0.8)= 0.8(36+0.8)=29.44mm; 外花鍵小徑Die= m(Z-1.2) =0.8(36-1.2)=27.84mm； 漸開(kāi)線花鍵的校核計(jì)算 漸開(kāi)線花鍵的連接強(qiáng)度可以通過(guò)擠壓、彎曲和剪切來(lái)計(jì)算。主要的是擠壓強(qiáng)度常。其計(jì)算過(guò)程如下： 漸開(kāi)線花鍵的平均直徑mm; 漸開(kāi)線花鍵齒的工作高度=m=0.8mm； 漸開(kāi)線花鍵齒的工作長(zhǎng)度=25mm；漸開(kāi)線花鍵齒的彎曲應(yīng)力 ； 許用彎曲應(yīng)力為 由此可知，漸開(kāi)線花鍵的設(shè)計(jì)滿足要求。 （2）變厚齒形齒扇的計(jì)算 變厚齒形齒扇的計(jì)算，如圖6-2所示，將中間剖面A-A定義為基準(zhǔn)平面。進(jìn)行變厚齒扇計(jì)算之前，其參數(shù)有：變厚齒扇的模數(shù)m，參考表4－1選取；齒頂高系數(shù)X1，一般取0.8或1.0；徑向間隙系數(shù)，取0.2；法向壓力角，一般在20°～30°之間；正圓齒數(shù)，在12～15之間選?。积X扇寬度，一般在22mm～28mm。 表6-1 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器齒扇齒模數(shù) 齒扇齒模數(shù)m/mm 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 6.5 轎 車(chē) 排量/mL 500 1000 ～1800 1600 ～ 2000 2000 2000 前軸負(fù)荷/N 3500 ～ 3800 4700 ～ 7350 7000 ～ 9000 8300 ～ 11000 10000 ～11000 貨車(chē)和大客車(chē) 前軸負(fù)荷/N 3000 ～ 5000 4500 ～ 7500 5500 ～ 18500 7000 ～ 19500 9000 ～ 24000 17000 ～ 37000 23000 ～ 44000 最大轉(zhuǎn)載質(zhì)量/Kg 350 1000 2500 2700 3500 6000 8000 通過(guò)汽車(chē)的前軸負(fù)荷G1=14140N，從上表可以看出,選取齒扇的模數(shù)m=5mm。 然后，由變厚齒扇的模數(shù)m=5mm,查4-1表選擇轉(zhuǎn)向器的相關(guān)尺寸。 圖6-2 變厚齒形齒扇的計(jì)算簡(jiǎn)圖 變厚齒扇的幾何尺寸，計(jì)算結(jié)果如下： 變厚齒扇的模數(shù)m=5mm; 變厚齒扇的法向壓力角=30°； 整圓齒數(shù)為13；齒扇齒數(shù)為z=5； 變位系數(shù)X1=0.082； 分度圓直徑d=mz=513=65mm; 分度圓齒厚S=/2=3.145/2=7.85mm; 齒頂高 ha= X1m=0.85=4mm; 齒根高 hf=( X1+c)=(0.8+0.25)5=5.25mm; 齒頂圓直徑da=d+2ha=65+24=73mm; 齒扇的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 因?yàn)辇X扇的齒頂圓直徑為da=73mm<500mm，所以可使用鍛造毛坯；又因?yàn)辇X扇的齒根圓直徑為df=d-2hf=65-25.25=54.75mm，但齒扇的軸徑為32mm,二者的差別比較小，所以能制成一體的齒輪軸，因此軸的材料一定與齒扇齒輪的相同。 5）齒扇齒的應(yīng)力校核 齒扇齒的受力情況如圖6-3所示。 圖6-3 齒扇齒的受力簡(jiǎn)圖 作用在齒扇上的圓周力Fa===14683.85N; （6－1） 齒扇的齒高h(yuǎn)=ha+hf=4+5.25=9.25mm; 則齒扇齒的彎曲應(yīng)力w== （6－2） =508.65N/mm[w]=540 N/mm; 上式中，[w]為許用彎曲應(yīng)力，[w]= 540 N/mm。 由此可知，齒形齒扇的設(shè)計(jì)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。 6.2 螺桿軸設(shè)計(jì)計(jì)算及主要零件的校核 6.2.1材料選擇 螺桿軸可以使用20CrMnTi鋼來(lái)制造，熱處理鋼球滾道處滲碳層深度在0.8～1.2mm，表面淬火HRC 58～63。其20軸徑硬度HRC40，在漸開(kāi)線花鍵處不滲碳。 6.2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軸的結(jié)構(gòu)如圖所示 圖6-4 螺桿軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 通過(guò)軸向固定，角接觸球軸承的標(biāo)準(zhǔn)，然后了解內(nèi)側(cè)采用軸肩，因此左右軸徑均采用d=20mm；左端軸徑長(zhǎng)度為14mm，比軸承寬度小4mm，輕松的便可將軸承固定在轉(zhuǎn)向螺桿軸上；能夠讓汽車(chē)轉(zhuǎn)向萬(wàn)節(jié)的中心與轉(zhuǎn)向螺桿軸中心能在一個(gè)高度上，因此連接使用漸開(kāi)線花鍵連接，花鍵的加工工藝和齒輪相同；為了減少螺母和螺桿之間的摩擦，可以通過(guò)在螺母和螺桿的滾道之間放置適量的鋼球來(lái)提升傳動(dòng)效率；為了防止鋼球沿滾道滾出，所以要在螺母上增加鋼球返回裝置，這樣使鋼球通過(guò)此裝置自動(dòng)返回入口處，從而形成循環(huán)回路。[5] 6.2.3軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）首先由變厚齒扇齒模數(shù)m=5.0mm，通過(guò)查表4-1來(lái)確定轉(zhuǎn)向螺桿軸的相關(guān)參數(shù)，相關(guān)參數(shù)如下： 鋼球中心距D=32mm; 螺桿外徑D1=29mm; 鋼球直徑d=7.144mm; 螺距P=10mm; 工作圈數(shù)2.5； 環(huán)流行數(shù)2； 齒扇齒數(shù)Z=5 ; 齒扇整圓齒數(shù)Z’=13； 螺母長(zhǎng)度L=56mm; 齒扇壓力角=27o30′；齒扇寬26mm； （2）其他參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算： 螺母內(nèi)徑D2=D+(5% 到10%)D1=32+(5% 到10%)×29=33.5到34.9mm; 圓整后取D2=34.2mm; 每個(gè)環(huán)路中的鋼球數(shù); （6－3） 圓整后取n=32; 滾道截面半徑mm; （6－4） 圓整后取R2=4mm; 接觸角選擇=45o； 當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)5角時(shí)，齒扇節(jié)圓應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)等于對(duì)應(yīng)螺母在螺桿上移動(dòng)的距離S,此時(shí)，搖臂軸轉(zhuǎn)過(guò)0.25角，此時(shí)，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)至最大轉(zhuǎn)角，則 ==51mm; （6－5） 螺桿螺紋滾道的有效工作長(zhǎng)度L’是螺母在螺桿上移動(dòng)的距離的2倍，即L’=2S=2×51mm=102mm; 考慮到安全性，可以在有效工作長(zhǎng)度L’之外的兩端各增加0.5-0.75圈滾道長(zhǎng)度。 螺桿螺紋滾道的實(shí)際有效工作長(zhǎng)度L L=L’+2(0.5到0.75)d=102+2×(0.5～0.75)×7.144=109.44～112.716mm; 又螺桿螺紋滾道的有效工作長(zhǎng)度距兩端面距離5.5mm，即螺桿螺紋滾道的實(shí)際有效工作長(zhǎng)度 L L’+25.5=102+25.5=113mm； 圓整后取L=112mm； 螺桿螺線導(dǎo)程角則,則 = = =5.68o; （6－6） 6.2.4鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力校核 螺桿受力 作用在螺桿上的軸向力F2 （6－7） 上式中d為變厚齒扇的分度圓直徑； 鋼球與螺桿之間的正壓力F3 F3= （6－8） 上式中n為參與工作的鋼球數(shù)；為接觸角，=45o； 螺桿受力簡(jiǎn)圖 則 可見(jiàn)接近于0.1，根據(jù)查取K=0.970; （6－9） 表6-2 系數(shù)K與的關(guān)系 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 K 0.388 0.400 0.410 0.440 0.468 0.490 0.536 0.600 0.2 0.15 0.1 0.05 0.02 0.01 0.007 K 0.716 0.800 0.970 1.280 1.8 2.271 3.202 鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力 =K =2273.15[]； （6－10） 上述，R1為螺桿外半徑；R2為滾道截面半徑；r為鋼球半徑；E為材料彈性模量，等于2.1;[]為許用接觸應(yīng)力，當(dāng)接觸表面硬度為58-64HRC時(shí)，[]等于25 7 齒輪齒條式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 齒輪齒條式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是在純機(jī)械式齒輪齒條式轉(zhuǎn)向向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上加上液動(dòng)加力裝置，輔助轉(zhuǎn)向。 7.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)分析 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器包括兩端輸出式和中間輸出式兩種。 本論文選擇兩端輸出。因?yàn)閮啥溯敵龅霓D(zhuǎn)向器相比中間輸出的轉(zhuǎn)向器更為簡(jiǎn)單，而且容易實(shí)現(xiàn)液動(dòng)助力。 液動(dòng)齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的功能實(shí)現(xiàn)。齒輪齒條式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是在純機(jī)械式齒輪齒條式轉(zhuǎn)向向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上加上液動(dòng)加力裝置，輔助轉(zhuǎn)向。加力裝置主要包括液壓泵，助力缸，管路以及分配閥等，如圖7-3 圖7-3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器爆炸圖 將轉(zhuǎn)閥接口如圖7-4所示連接輸油管路 圖7-4 轉(zhuǎn)閥油路連接 液壓助力轉(zhuǎn)向器助力轉(zhuǎn)向工作原理如圖7-5所示。 圖7-5 液動(dòng)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理圖 1、直線行駛 小轎車(chē)直線行駛時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)保持不變，動(dòng)力缸左右兩腔相通如圖7-6所示，系統(tǒng)中只有極小克服流動(dòng)阻力的油液壓力，助力系統(tǒng)此時(shí)無(wú)助力。 圖7-6直線行駛時(shí)油路工作狀況 2、右轉(zhuǎn)向行駛 小轎車(chē)往右轉(zhuǎn)彎時(shí)，方向盤(pán)順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)--扭桿扭轉(zhuǎn)變形--滑閥偏轉(zhuǎn)--動(dòng)力油缸左腔進(jìn)入高壓油，右腔與回油管路連通--轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)--轉(zhuǎn)向齒輪與轉(zhuǎn)向軸同向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖7-7所示。 圖7-7右轉(zhuǎn)向行駛時(shí)油路工作狀況 3、左轉(zhuǎn)向行駛 小轎車(chē)往左方向轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)--扭桿扭轉(zhuǎn)變形--滑閥偏轉(zhuǎn)--動(dòng)力油缸右腔進(jìn)入高壓油，左腔與回油管路連通--轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)--轉(zhuǎn)向齒輪與轉(zhuǎn)向軸同向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖7-8所示。 圖7-8 左轉(zhuǎn)向行駛時(shí)油路工作狀況 4、動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置的其它特性 轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸有隨轉(zhuǎn)向盤(pán)工作或停止的隨動(dòng)作用。 在液壓系統(tǒng)工作出現(xiàn)故障不能助力或助力降低的時(shí)候，我們可以通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)直接操作轉(zhuǎn)向，但出現(xiàn)的操作力會(huì)變大。 7.2 參考數(shù)據(jù)的確定 表7-1 上海通用別克賽歐汽車(chē)轉(zhuǎn)向參數(shù) 輪距 1440mm 軸距 2750mm 滿載軸荷分配：前/后 877/1643(kg) 輪胎 175/60R14 主銷(xiāo)偏移距a 50mm 輪胎壓力p/MPa 0.45 方向盤(pán)直徑 307mm 最小轉(zhuǎn)彎半徑 6.9m 轉(zhuǎn)向梯形臂 200mm 7.3 轉(zhuǎn)向輪側(cè)偏角計(jì)算 圖7-9 車(chē)輪位置簡(jiǎn)圖 （3-1） （3-2） 7.4 轉(zhuǎn)向器參數(shù)選取 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的齒輪一般使用斜齒輪，齒輪模數(shù)在之間，主動(dòng)小齒輪齒數(shù)在之間，螺旋角在之間，壓力角取。故取小齒輪，，右旋，壓力角，精度等級(jí)8級(jí)。 轉(zhuǎn)向節(jié)原地轉(zhuǎn)向阻力矩： （3-3） 方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)： （3-4） 角傳動(dòng)比： （3-5） 方向盤(pán)上的手力： （3-6） 出現(xiàn)在方向盤(pán)上的操縱載荷:相對(duì)轎車(chē)來(lái)說(shuō)該力不應(yīng)超過(guò)150～200N，對(duì)于貨車(chē)不應(yīng)超過(guò)500N。因此符合設(shè)計(jì)要。 （3-7） 力傳動(dòng)比： （3-8） 取齒寬系數(shù) （3-9） 齒條寬度圓整取，則取齒輪齒寬 7.5 選擇齒輪齒條材料 小齒輪：齒輪一般選用性能不錯(cuò)的20CrMnTi合金鋼，熱處理采用表面滲碳淬火工藝，齒面硬度為HRc58～63。齒條的材料使用與20CrMnTi有良好匹配性的40Cr作為嚙合副，齒條熱處理使用高頻淬火工藝，表面硬度HRc50～56。 7.6 強(qiáng)度校核 1、校核齒輪接觸疲勞強(qiáng)度 選取參數(shù)，按ME級(jí)質(zhì)量要求取值 ， ； ， ， 故以 計(jì)算 （3-10） 查得： ， ， ， ； ， ， ， 則， （3-11） 齒輪接觸疲勞強(qiáng)度合格。 2、校核齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度 選取參數(shù)，按ME級(jí)質(zhì)量要求取值； ； ； ； ； 故以 計(jì)算 ： （3-12） 據(jù)齒數(shù)查表有：； ； ； 。則： （3-13） 齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度合格。 7.7 齒輪齒條的基本參數(shù)如下表所示 表7-2 齒輪齒條基本參數(shù) 名稱 符號(hào) 公式 齒輪 齒條 齒數(shù) 6 31 分度圓直徑 15.2314 — 變位系數(shù) — 1 — 齒頂高 5 2.5 齒根高 0.625 3.125 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 30 20 7.8 齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖7-10 齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8結(jié) 論 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車(chē)行駛中必不可少的系統(tǒng)，本次設(shè)計(jì)一開(kāi)始對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系很陌生，但本著對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向的強(qiáng)烈興趣和此次設(shè)計(jì)的責(zé)任感，通過(guò)大量的想關(guān)文獻(xiàn)參考和網(wǎng)絡(luò)搜索，使我逐漸認(rèn)識(shí)并最終了解了汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。 本文的轉(zhuǎn)向器是以齒輪齒條式液動(dòng)助力轉(zhuǎn)向?yàn)橹行摹８鶕?jù)任務(wù)書(shū)所說(shuō)的要求，本文對(duì)轎車(chē)助力轉(zhuǎn)向進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，包括齒輪齒條轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)的原理和相關(guān)零件的校核等等，同時(shí)本文還對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一些重要參數(shù)進(jìn)行了分析，特別是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比、最小轉(zhuǎn)彎半徑、正逆效率等。由于許多參數(shù)我無(wú)法得到，還有時(shí)間所限等，所以只分析了一些重要參數(shù)但未能進(jìn)行設(shè)計(jì)。 為了能夠使轎車(chē)轉(zhuǎn)向后的有自動(dòng)回正能力，轉(zhuǎn)向系的主銷(xiāo)許多是向內(nèi)傾和向后傾的，為了使計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單一點(diǎn)，本優(yōu)化把傾角都設(shè)計(jì)為零，即設(shè)計(jì)主銷(xiāo)垂直。再有轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化是單獨(dú)設(shè)計(jì)的部分因此被放到最后一章了。 因?yàn)樽约旱膶I(yè)水平限制和相關(guān)數(shù)據(jù)的缺乏，本次設(shè)計(jì)還有很多不足之處，希望老師批評(píng)指正，我會(huì)認(rèn)真改正學(xué)習(xí)。 參考文獻(xiàn) [1] 臧杰,閻巖.汽車(chē)構(gòu)造[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2005,8. [2] 王望予主編.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2004,8. [3] 劉澤九.軸承應(yīng)用手冊(cè)[S]. 北京.機(jī)械工業(yè)出版社1996.3 [4] 《汽車(chē)工程手冊(cè)編輯》委員會(huì).汽車(chē)工程手冊(cè)[S]. 北京.人民交通出版社.2001.5 [5] 劉濤主編.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].北京大學(xué)出版社,2008,1. 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