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三.機(jī)械式轉(zhuǎn)向器方案分析及設(shè)計(jì) 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(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?。粋鲃?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，貨車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，稱之為反沖。反沖現(xiàn)象會(huì)使駕駛員精神緊張，并難以準(zhǔn)確控制貨車行駛方向，轉(zhuǎn)向盤突然轉(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(shí)，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(zhǎng)度增加，車輪上、下跳動(dòng)時(shí)拉桿擺角減小，有利于減少車輪上、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)向器殼體上開有軸向的長(zhǎng)槽，從而降低了它的強(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。 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(yùn)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(yùn)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(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??；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(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)。配合過緊會(huì)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(duì)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(dú)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(diǎn)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(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。 固定銷蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)選用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器為動(dòng)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(jiǎn)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(jì)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/kg 13900(kg) 輪胎 10.00-20（低氣壓） 主銷偏移距a 55mm 輪胎壓力p/MPa 0.65 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(zhǎng)線至地面交點(diǎn)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(jì)計(jì)算過程 4.5.1 轉(zhuǎn)向輪側(cè)偏角計(jì)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(dòng)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(jí)8級(jí)。 轉(zhuǎn)向節(jié)原地轉(zhuǎn)向阻力矩： (4-3) 方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)： (4-4) 角傳動(dòng)比: (4-5) 故初選角傳動(dòng)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(zhǎng)，L2轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)，DSW轉(zhuǎn)向盤直徑，η為轉(zhuǎn)向器效率。 作用在轉(zhuǎn)向盤上的操縱載荷:對(duì)轎車該力不應(yīng)超過150～200N，對(duì)貨車不應(yīng)超過500N。所以符合設(shè)計(jì)要求 (4-7) 力傳動(dòng)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(guó)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HRc58～63。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HRc50～56。 4.5.4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 (4-10) 查得： ， ， ， ； ， ， ， 則， (4-11) 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 (4-12) 據(jù)齒數(shù)查表有：； ； ； 。則 (4-13) 齒輪彎曲疲勞強(qiáng)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(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 表2 4.6齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖4-6齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.7軸承的選擇 軸承1 深溝球軸承6004 (GB/T276-1994) 軸承2 滾針軸承 NA4901 (GB/T5801-1994) 4.8轉(zhuǎn)向器的潤(rùn)滑方式和密封類型的選擇 轉(zhuǎn)向器的潤(rùn)滑方式：人工定期潤(rùn)滑 潤(rùn)滑脂：石墨鈣基潤(rùn)滑脂（ZBE36002-88）中的ZG-S潤(rùn)滑脂。 密封類型的選擇 密封件： 旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈 FB 16 30 GB 13871—1992