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1、第四节第四节 机械式转向器的设计与计算机械式转向器的设计与计算 一、转向系计算载荷的确定一、转向系计算载荷的确定二、齿轮齿条式转向器的设计二、齿轮齿条式转向器的设计 三、循环球式转向器设计三、循环球式转向器设计 四、循环球式转向器零件强度计算、循环球式转向器零件强度计算 l.转向盘 2.安全转向轴 3.转向节 4.转向轮 5.转向节臂 6.转向横拉杆 7.转向减振器 8.机械转向器 一、转向系计算载荷的确定一、转向系计算载荷的确定汽车在混凝土路面上的原地转向阻力矩:式中，f 为轮胎和路面间的滑动摩擦因数，一般取0.7；Gl为转向轴(前轴)负荷(N)；p 为轮胎气压(MPa)。作用在转向盘上的手
2、力为作用在转向盘上的手力为:式中，Ll为转向摇臂长；L2为转向节臂长；Dsw为转向盘直径，iw为转向器角传动比；+为转向器正效率。对给定的汽车，用上式计算出来的作用力是最大值。因此，可以用此值作为计算载荷。对于前轴负荷重的重型汽车，计算载荷应取作用在转向盘轮缘上的最大瞬时力，为700N。二、齿轮齿条式转向器的设计二、齿轮齿条式转向器的设计 齿齿轮轮齿条式转向器的齿轮多数采用斜齿圆柱齿轮。齿轮模数取值范围多在23mm之间。主动小齿轮齿数多数取57个齿，压力角取20，齿轮螺旋角取值范围多为915。齿齿条条齿数应根据转向轮达到最大偏转角时，相应的齿条移动行程应达到的值来确定。变速比齿条的压力角取值为
3、1235。材材料料：主动小齿轮选用16MnCr5或15CrNi6材料制造，而齿条常采用45钢制造。为减轻质量，壳体用铝合金压铸。三、循环球式转向器设计三、循环球式转向器设计 (一一)主要尺寸参数的选择主要尺寸参数的选择 1螺杆、钢球、螺母传动副 2齿条、齿扇传动副设计 1 1螺杆、钢球、螺母传动副螺杆、钢球、螺母传动副(1)(1)钢球中心距钢球中心距D D、螺杆外径螺杆外径D D1 1、螺母内径螺母内径D D2 2(2)(2)钢球直径钢球直径d d及数量及数量n n(3)(3)滚滚道截面道截面 (4)(4)接触角接触角 (5)(5)螺距螺距P P和螺旋和螺旋线导线导程角程角(6)(6)工作工作
4、钢钢球圈数球圈数W W(1)(1)钢球中心距钢球中心距D D、螺杆外径螺杆外径D D1、螺母内径螺母内径D D2 2 钢球中心距钢球中心距D是基本尺寸，设计时先参考同类型汽车的参是基本尺寸，设计时先参考同类型汽车的参数进行初选。螺母内径数进行初选。螺母内径D2应大于应大于Dl，一般要求一般要求D2Dl=(510)D。尺寸尺寸D D、D Dl l、D D2 2如图如图7 7-1919所示所示(2)(2)钢球直径钢球直径d d及数量及数量n n 钢球直径尺寸钢球直径尺寸d d取得大，能提高承载能力，一般常在取得大，能提高承载能力，一般常在7 79 9mmmm范围内选用范围内选用，应符合国家标准，应
5、符合国家标准。增加钢球数量增加钢球数量n n，也能提高承载能力，但使钢球流动也能提高承载能力，但使钢球流动性变坏，从而使传动效率降低性变坏，从而使传动效率降低。每个环路中的钢球数可用下式计算每个环路中的钢球数可用下式计算 环路中的钢球数最好不超过环路中的钢球数最好不超过60粒。这里计算的粒。这里计算的n不包括不包括环流导管中的钢球数。环流导管中的钢球数。(3)(3)滚道截面滚道截面 当螺杆和螺母各由两条圆弧组成，钢球与滚道有四点当螺杆和螺母各由两条圆弧组成，钢球与滚道有四点接触，传动时轴向间隙最小，可满足转向盘自由行程小的接触，传动时轴向间隙最小，可满足转向盘自由行程小的要求。要求。为了减少摩
6、擦，螺杆和螺母沟槽的半径为了减少摩擦，螺杆和螺母沟槽的半径R2应大于钢球应大于钢球半径半径d/2，一般取一般取R2 =(051053)d。见图见图7 7-2020(4)(4)接触角接触角 钢球与螺杆滚道接触点的正压力方向与螺钢球与螺杆滚道接触点的正压力方向与螺杆滚道法面轴线间的夹角称为杆滚道法面轴线间的夹角称为接触角接触角。角角多取为多取为4545，以使轴向力和径向力分配均匀。，以使轴向力和径向力分配均匀。(5)(5)螺距螺距P P和螺旋线导程角和螺旋线导程角转向盘转动转向盘转动角，对应螺母移动的距离角，对应螺母移动的距离S S为为 所以，循环球式转向器角传动比循环球式转向器角传动比iw为为螺
7、距螺距P P一般在一般在8 81111mmmm内选取内选取。(6)(6)工作钢球圈数工作钢球圈数W W 多数情况下，多数情况下，转转向器用两个向器用两个环环路，而每个路，而每个环环路的工作路的工作钢钢球球圈数圈数W W又与接触又与接触强强度有关。度有关。增加工作增加工作钢钢球圈数，参加工作的球圈数，参加工作的钢钢球增多，能降低接触球增多，能降低接触应应力，提高承力，提高承载载能力。能力。但但钢钢球受力不均匀、螺杆增球受力不均匀、螺杆增长长而使而使刚刚度降低。工作度降低。工作钢钢球圈球圈数有数有1.51.5和和2.52.5圈两种。圈两种。2 2齿条、齿扇传动副设计齿条、齿扇传动副设计 齿条为斜齿
8、，齿扇要用变厚齿。齿条为斜齿，齿扇要用变厚齿。如图如图7 7-2121所示，滚刀相对齿扇作斜向进给运动加工齿扇所示，滚刀相对齿扇作斜向进给运动加工齿扇齿，得到变厚齿扇。齿，得到变厚齿扇。如如图图7-22所所示示，变变厚厚齿齿扇扇的的齿齿顶顶和和齿齿根根的的轮轮廓廓面面是是圆圆锥锥的的一一部部分分，其其分分度度圆圆上上的的齿齿厚厚是是变变化化的的，故故称称之之为为变变厚厚齿扇。齿扇。变厚齿扇齿形设计的参数主要有：变厚齿扇齿形设计的参数主要有：模数模数m：见表见表7-2法向压力角法向压力角 ：一般为：一般为齿顶高系数齿顶高系数x1：一般一般0.8或或1.0径向间隙系数：取径向间隙系数：取0.2圆整
9、齿数圆整齿数z：1215齿扇宽度齿扇宽度B：2238mm循环球式转向器齿扇齿模数循环球式转向器齿扇齿模数四四.循环球式转向器零件的强度计算循环球式转向器零件的强度计算 1.钢球与滚道之间的接触应力钢球与滚道之间的接触应力 2.齿的弯曲应力齿的弯曲应力 3.转向摇臂轴直径的确定转向摇臂轴直径的确定1.钢球与滚道之间的接触应力钢球与滚道之间的接触应力 为螺杆螺线导程角为螺杆螺线导程角，为接触角为接触角，n为参与工作的钢球数为参与工作的钢球数。表面硬度为表面硬度为5864HRC时，时，2.齿的弯曲应力齿的弯曲应力F为作用在齿扇上的圆周力，为作用在齿扇上的圆周力，h为齿扇的齿高，为齿扇的齿高，B为齿扇的齿宽，为齿扇的齿宽，S为基圆齿厚。为基圆齿厚。许用弯曲应力为许用弯曲应力为 3.转向摇臂轴直径的确定转向摇臂轴直径的确定用下式计算转向摇臂轴直径用下式计算转向摇臂轴直径d式中，式中，K为安全系数，可取为安全系数，可取2.5到到3.5；为转向阻力矩；为转向阻力矩；为扭转强度极限。为扭转强度极限。