機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)和計(jì)算

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 () (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；為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷(N)；p為輪胎氣壓()。作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力為 (7-10)式中，為轉(zhuǎn)向搖臂長；為轉(zhuǎn)向節(jié)臂長；為轉(zhuǎn)向盤直徑；為轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比；為轉(zhuǎn)向器正效率。對給定的汽車，用式(7-10)計(jì)算出來的作用力是最大值。因此，可以用此值作為計(jì)算載荷。然而，對于前軸負(fù)荷大的重型貨車，用上式計(jì)算的力往往超過駕駛員生理上的可能，在此情況下對轉(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。齒輪模數(shù)取值范圍多在23mm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，齒輪螺旋角取值范圍多為91 5。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)到的值來確定。變速比的齒條壓力角，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在1235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、螺母傳動(dòng)副 (1)鋼球中心距D、螺桿外徑、螺母內(nèi)徑 尺寸D、如圖7-19所示。鋼球中心距是基本尺寸，螺桿外徑 、螺母內(nèi)徑及鋼球直徑d對確定鋼球中心距D的大小有影響，而D又對轉(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。螺桿外徑通常在2038mm范圍內(nèi)變化，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷的不同來選定。螺母內(nèi)徑應(yīng)大于，一般要求。圖719 螺桿、鋼球、螺母傳動(dòng)副(2)鋼球直徑d及數(shù)量n 鋼球直徑尺寸d取得大，能提高承載能力，同時(shí)螺桿和螺母傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向器的尺寸也隨之增大。鋼球直徑應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，一般常在79mm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)；為螺線導(dǎo)程角，常取=58，則cos1。(3)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，除用來貯存潤滑油之外，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應(yīng)大于鋼球半徑d2，一般取=(O.51O.53)d 。(4)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，以使軸向力和徑向力分配均勻。(5)螺距P和螺旋線導(dǎo)程角 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角，對應(yīng)螺母移動(dòng)的距離s為 (7-11)式中，P為螺紋螺距。 圖720 四段圓弧滾道截面與此同時(shí)，齒扇節(jié)圓轉(zhuǎn)過的弧長等于s，相應(yīng)搖臂軸轉(zhuǎn)過角，其間關(guān)系可表示如下 (7-12)式中，r為齒扇節(jié)圓半徑。聯(lián)立式(7-11)、式(7-12)得，將對求導(dǎo)得循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比為 (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8llmm內(nèi)選取。前已述及導(dǎo)程角對轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)效率有影響，此處不再贅述。(6)工作鋼球圈數(shù)W 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)的選取見表7-1。 表71 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722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II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721 用滾刀加工變厚齒扇的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)圖722 變厚齒扇的截面對齒輪來說，因?yàn)樵诓煌恢玫钠拭嬷校淠?shù)優(yōu)不變，所以它的分度圓半徑廠和基半徑相同。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，則其值為，是切削角，常見的有630和730兩種。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，一般在2030之間；齒頂高系數(shù)，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1215。之間選取；齒扇寬度B，一般在圖723 變厚齒扇齒形計(jì)算簡圖2238mm 。表7-2 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器齒扇齒模數(shù) 齒扇齒模數(shù)mmm 3.0 3.5 4O 4.5 5O 6.0 6.5 轎 排量 mL 500 1000 1800 1600 2000 2000 2000 車 前軸負(fù)荷 /N 3500 3800 4700 7350 7000 9000 8300 11000 10000 11000 貨車 和 前軸負(fù)荷 N 3000 5000 4500 7500 5500 18500 7000 19500 9000 24000 17000 37000 2300044000 大客車最大裝載質(zhì) kg 350 1000 2500 2700 3500 6000 8000四、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)算鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力式中，k為系數(shù)，根據(jù)AB值從表73查取，；為滾道截面半徑；r為鋼球半徑；為螺桿外半徑；E為材料彈性模量，等于；為鋼球與螺桿之間的正壓力，可用下式計(jì)算式中，為螺桿螺線導(dǎo)程角；為接觸角；n為參與工作的鋼球數(shù)；為作用在螺桿上的軸向力，見圖724。當(dāng)接觸表面硬度為5864HRC時(shí)，許用接觸應(yīng)力=2500。圖7-24 螺桿受力簡圖表7-3 系數(shù)k與AB的關(guān)系A(chǔ)B 1O O9 0.8 O7 0.6 0.5 O4 O3 0.2 O15 0.1 O05 0.02 O01 O007 k0.3880.400 O410 O440 O468 O490 O5360.6000.716 O8000.9701.2801.8002.271 3.2022、齒的彎曲應(yīng)力 用下式計(jì)算齒扇齒的彎曲應(yīng)力式中，F(xiàn)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=540。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.81.2mm；前軸負(fù)荷大的汽車，滲碳層深度在1.051.45mm。表面硬度為5863HRC。此外，應(yīng)根據(jù)材料力學(xué)提供的公式，對接觸應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。3、轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑