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HKD640微型客車設(shè)計（前橋、前懸架與轉(zhuǎn)向系設(shè)計）
摘 要
本次設(shè)計中我的設(shè)計任務(wù)微型客車的前橋、前懸架與轉(zhuǎn)向系設(shè)計。由于本車前橋采用了麥弗遜式獨立懸架，所以前橋采用與之相配合的斷開式車橋，屬于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋。前懸架有獨立懸架與非獨立懸架之分，本車前懸架采用了麥弗遜式獨立懸架，其優(yōu)點是增加懸架了兩前輪內(nèi)測的空間，便于發(fā)動機和起一些不簡單布置。主要對懸架的性能參數(shù)進行確定，對彈性元件進行了計算，并選擇了合適的減振器。通過對懸架主要參數(shù)的設(shè)計與計算，從而保證本車的行駛平順性與減震性能。汽車轉(zhuǎn)向系的設(shè)計主要包括了轉(zhuǎn)向前橋設(shè)計，轉(zhuǎn)向器選擇的是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，并通過計算使之符合設(shè)計要求，并對專項題型進行計算，并通過優(yōu)化使之接近理想狀態(tài)。為保障整車性能，在設(shè)計時盡量對前橋和轉(zhuǎn)向系進行優(yōu)化。
設(shè)計中，主要通過查看實際車輛，總結(jié)課本知識，翻閱有關(guān)汽車方面的文章來研究前橋、前懸架和轉(zhuǎn)向系，并驗算了有關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)強度和剛度。最后進行了設(shè)計總結(jié)。
關(guān)鍵字：微型客車、前懸掛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向梯形、
非獨立懸架、獨立懸架
HKD640 minibus design (front axle, front suspension and steering system design)
Abstract
The design of the task of designing my first mini-bus bridge, the front suspension and steering design. As the front McPherson independent suspension bridge used, so use with matching front axle disconnect axles, drive axles are turning. Front suspension with independent suspension and divided into non-independent suspension, the car front suspension uses McPherson independent suspension, its advantage is to increase the front suspension of the two closed beta of space, easy starting engine and a number of simple layout. The main performance parameters of the suspension to determine, on the elastic components were calculated, and select the appropriate shock absorber. The main parameters of the suspension through the design and calculation, in order to ensure the vehicle ride comfort and shock absorption properties. Automotive Steering System Design includes the design of steering front axle, steering gear choice is a recirculating ball steering, and through calculation to conform to design requirements, and special Questions in calculation, and by optimizing to near Lixiangzhuangtai. For the protection of vehicle performance, as far as possible in the design of the front axle and steering system optimization.
Design, mainly by looking at the actual vehicles, concluded textbook knowledge, read the article in respect of the vehicle to study the front axle, front suspension and steering systems, and checking the relevant parts of the structural strength and rigidity. Finally, the design summary.
KEY WORDS: The miniature passenger train, the front hangs system, the steering system, the steering trapezium, the non-independent suspension fork, the independent suspension fork
目 錄
前 言………………………………………………………..1
第一章轉(zhuǎn)向系設(shè)計………………………………………….4
§1.1轉(zhuǎn)向系總體方案確定…………………………………4 §1.2前橋概述…………………………………………… 5
§1.3轉(zhuǎn)向器的選擇…………………………………………. 6
§1.4轉(zhuǎn)向器主要性能參數(shù)的確定………………………………9
§1.5循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計 …………………………..14
§1.6循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件強度計算…………………………..18
§1.7轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)強度計算…………………………………19
§1.8轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計 …………………………………… .20
第二章懸架系統(tǒng)設(shè)計………………………………….…..23
§2.1概述…………………………………………………..23
§2.2懸架結(jié)構(gòu)形式分析……………………………………..24
§2.3彈性元件的分析………………………………………..27
§2.4懸架主要性能參數(shù)的確定………………………………28
§2.5彈性元件的計算………………………………………..29
§2.6獨立懸架導(dǎo)向機構(gòu)設(shè)計…………………………………31
§2.7減振器的選擇………………………………………….32
總 結(jié)……………………………………………………....36
參 考 文 獻……………………………………………….37
致 謝……………………………………………………....38
附 錄……………………………………………………....39
前 言
改革開放以來，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅猛。作為汽車關(guān)鍵部件之一的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也得到了相應(yīng)的發(fā)展，基本已形成了專業(yè)化、系列化生產(chǎn)的局面。有資料顯示，國外有很多國家的轉(zhuǎn)向器廠，都已發(fā)展成大規(guī)模生產(chǎn)的專業(yè)廠，年產(chǎn)超過百萬臺，壟斷了轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)，并且銷售點遍布了全世界。
而舒適性也是轎車最重要的使用性能之一。舒適性與車身的固有振動特性有關(guān)，而車身的固有振動特性又與懸架的特性相關(guān)。所以，汽車懸架是保證乘坐舒適性的重要部件。同時，汽車懸架作為車架(或車身)與車軸(或車輪)之間作連接的傳力機構(gòu)，又是保證汽車行駛安全的重要部件。因此，汽車懸架往往列為重要部件編入轎車的技術(shù)規(guī)格表，作為衡量轎車質(zhì)量的指標之一。
一． 現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向系
(一) 現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計趨勢
1．適應(yīng)汽車高速行駛的需要
從操縱輕便性、穩(wěn)定性及安全行駛的角度，汽車制造廣泛使用更先進的工藝方法，使用變速比轉(zhuǎn)向器、高剛性轉(zhuǎn)向器?！白兯俦群透邉傂浴笔悄壳笆澜缟仙a(chǎn)的轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)的方向。
2．充分考慮安全性、輕便性
隨著汽車車速的提高，駕駛員和乘客的安全非常重要，目前國內(nèi)外在許多汽車上已普遍增設(shè)能量吸收裝置，如防碰撞安全轉(zhuǎn)向柱、安全帶、安全氣囊等，并逐步推廣。從人類工程學(xué)的角度考慮操縱的輕便性，已逐步采用可調(diào)整的轉(zhuǎn)向柱管和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
3．低成本、低油耗、大批量專業(yè)化生產(chǎn)
隨著國際經(jīng)濟形勢的惡化，石油危機造成經(jīng)濟衰退，汽車生產(chǎn)愈來愈重視經(jīng)濟性，因此，要設(shè)計低成本、低油耗的汽車和低成本、合理化生產(chǎn)線，盡量實現(xiàn)大批量專業(yè)化生產(chǎn)。對零部件生產(chǎn)，特別是轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)，更表現(xiàn)突出。
4．汽車轉(zhuǎn)向器裝置的電腦化
汽車的轉(zhuǎn)向器裝置，必定是以電腦化為唯一的發(fā)展途徑。
(二)現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向裝置的發(fā)展趨勢
1.現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向裝置的使用動態(tài)
隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)也有很大變化。汽車轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)很多，從目前使用的普遍程度來看，主要的轉(zhuǎn)向器類型有4種：有蝸桿指銷式(WP型)、蝸桿滾輪式(WR型)、循環(huán)球式(BS型)、齒條齒輪式(RP型)。這四種轉(zhuǎn)向器型式，已經(jīng)被廣泛使用在汽車上。
據(jù)了解，在世界范圍內(nèi)，汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占45％左右，齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器占40％左右，蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器占10％左右，其它型式的轉(zhuǎn)向器占5％。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器一直在穩(wěn)步發(fā)展。日本汽車轉(zhuǎn)向器的特點是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占的比重越來越大，日本裝備不同類型發(fā)動機的各類型汽車，采用不同類型轉(zhuǎn)向器。大、小型貨車大都采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，但齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器也有所發(fā)展。微型貨車用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占65％，齒條齒輪式占 35％。
我國的轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)，除早期投產(chǎn)的解放牌汽車用蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器，東風(fēng)汽車用蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器之外，其它大部分車型都采用循環(huán)球式結(jié)構(gòu)，并都具有一定的生產(chǎn)經(jīng)驗。目前解放、東風(fēng)也都在積極發(fā)展循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，并已在第二代換型車上普遍采用了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。由此看出，我國的轉(zhuǎn)向器也在向大量生產(chǎn)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器發(fā)展。
2.轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)專業(yè)化
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器在國外實現(xiàn)了專業(yè)化生產(chǎn)，同時以專業(yè)廠為主、大力進行試驗和研究，大大提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。在日本“精工”(NSK)公司的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器就以成本低、質(zhì)量好、產(chǎn)量大，逐步占領(lǐng)日本市場，并向全世界銷售它的產(chǎn)品。德國ZF公司也作為一個大型轉(zhuǎn)向器專業(yè)廠著稱于世。它從1948年開始生產(chǎn)ZF型轉(zhuǎn)向器，年產(chǎn)各種轉(zhuǎn)向器200多萬臺。還有一些比較大的轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)廠，如美國德爾福公司SAGINAW分部；英國BURM#0;AN公司都是比較有名的專業(yè)廠家，都有很大的產(chǎn)量和銷售面。專業(yè)化生產(chǎn)已成為一種趨勢，只有走這條道路，才能使產(chǎn)品質(zhì)量高、產(chǎn)量大、成本低，在市場上有競爭力。
3.動力轉(zhuǎn)向是發(fā)展方向
動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，不僅在重型汽車上必須裝備，在高級轎車上應(yīng)用的也較多，在中型汽車上的應(yīng)用也逐漸推廣。主要是從減輕駕駛員疲勞，提高操縱輕便性和穩(wěn)定性出發(fā)。雖然帶來成本較高和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，但由于優(yōu)點明顯，還是得到很快的發(fā)展。從發(fā)展趨勢上看，國外整體式轉(zhuǎn)向器發(fā)展較快，而整體式轉(zhuǎn)向器中轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展的方向
二．現(xiàn)代汽車懸架
懸架結(jié)構(gòu)形式和性能參數(shù)的選擇合理與否，直接對汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和舒適性有很大的影響。由此可見懸架系統(tǒng)在現(xiàn)代汽車上是重要的總成之一。汽車車架（或車身）若直接安裝于車橋（或車輪）上，由于道路不平，由于地面沖擊使貨物和人會感到十分不舒服，這是因為沒有懸架裝置的原因。汽車懸架是車架（或車身）與車軸（或車輪）之間的彈性聯(lián)結(jié)裝置的統(tǒng)稱。它的作用是彈性地連接車橋和車架（或車身），緩和行駛中車輛受到的沖擊力。保證貨物完好和人員舒適；衰減由于彈性系統(tǒng)引進的振動，使汽車行駛中保持穩(wěn)定的姿勢，改善操縱穩(wěn)定性；同時懸架系統(tǒng)承擔(dān)著傳遞垂直反力，縱向反力（牽引力和制動力）和側(cè)向反力以及這些力所造成的力矩作用到車架（或車身）上，以保證汽車行駛平順；并且當(dāng)車輪相對車架跳動時，特別在轉(zhuǎn)向時，車輪運動軌跡要符合一定的要求，因此懸架還起使車輪按一定軌跡相對車身跳動的導(dǎo)向作用。
一般懸架由彈性元件、導(dǎo)向機構(gòu)、減振器和橫向穩(wěn)定桿組成。彈性元件用來承受并傳遞垂直載荷，緩和由于路面不平引起的對車身的沖擊。彈性元件種類包括鋼板彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧、油氣彈簧、空氣彈簧和橡膠彈簧。減振器用來衰減由于彈性系統(tǒng)引起的振，減振器的類型有筒式減振器，阻力可調(diào)式新式減振器，充氣式減振器。導(dǎo)向機構(gòu)用來傳遞車輪與車身間的力和力矩，同時保持車輪按一定運動軌跡相對車身跳動，通常導(dǎo)向機構(gòu)由控制擺臂式桿件組成。種類有單桿式或多連桿式的。鋼板彈簧作為彈性元件時，可不另設(shè)導(dǎo)向機構(gòu)，它本身兼起導(dǎo)向作用。有些轎車和客車上，為防止車身在轉(zhuǎn)向等情況下發(fā)生過大的橫向傾斜，在懸架系統(tǒng)中加設(shè)橫向穩(wěn)定桿，目的是提高橫向剛度，使汽車具有不足轉(zhuǎn)向特性，改善汽車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。
第一章 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計
§1.1 轉(zhuǎn)向系總體方案確定
汽車的運動是由直線和曲線運動兩方面組成的，汽車在行駛過程中，經(jīng)常需要改變行駛方向。者就要求有一定的裝置來完成這種功能，就輪式汽車而言，改變行駛方向的方法是：設(shè)計一套用來改變或發(fā)揮汽車行駛方向的專設(shè)機構(gòu)及汽車的轉(zhuǎn)向系。
轉(zhuǎn)向系應(yīng)具備的性能是轉(zhuǎn)向操作必須輕便可靠，也應(yīng)在保持汽車的動態(tài)轉(zhuǎn)向性能的同時，必須安全地進行轉(zhuǎn)向，因此設(shè)計中對轉(zhuǎn)向系的性能主要要求有 ：
1 汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，全部車輪應(yīng)繞著瞬時轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應(yīng)有側(cè)滑。不滿足這項要求的會加速輪胎磨損，并降低汽車的行駛穩(wěn)定性。
2 汽車轉(zhuǎn)向行駛后，在駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤的條件下，轉(zhuǎn)向輪能自動返回到直線行駛位置，并穩(wěn)定行駛。
3 汽車在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不得產(chǎn)生自振，并且轉(zhuǎn)向盤沒有擺動。
4 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置共同工作時，由于運動不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺動應(yīng)最小。
5 保證汽車有較高的機動性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力。
6 操縱輕便。
7 轉(zhuǎn)向輪碰撞到障礙物以后，傳給轉(zhuǎn)向盤的反沖力要盡可能小。
8 轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的球頭銷處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機構(gòu)。
9 在車禍中，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤由于車架或車身變形而共同后移時，轉(zhuǎn)向系應(yīng)有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。
10 進行運動校核，保證轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動方向一致。
轉(zhuǎn)向系可按轉(zhuǎn)向能源的不同分為：機械轉(zhuǎn)向系和動力轉(zhuǎn)向系。
這次設(shè)計的轉(zhuǎn)向系是機械轉(zhuǎn)向系，它由轉(zhuǎn)向操作機構(gòu)，轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)三大部分組成。
下圖是一種機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：
圖1-1 汽車轉(zhuǎn)向器的布置
l.轉(zhuǎn)向盤 2.安全轉(zhuǎn)向軸 3.轉(zhuǎn)向節(jié) 4.轉(zhuǎn)向輪 5.轉(zhuǎn)向節(jié)臂 6.轉(zhuǎn)向橫拉桿 7.轉(zhuǎn)向減振器 8.機械轉(zhuǎn)向器
駕駛員對轉(zhuǎn)向盤1施加的轉(zhuǎn)向力矩通過轉(zhuǎn)向軸2輸入轉(zhuǎn)向器8。從轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向傳動軸這一系列零件即屬于轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)。作為減速傳動裝置的轉(zhuǎn)向器中有1、2級減速傳動副（右圖所示轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向器為單級減速傳動副）。經(jīng)轉(zhuǎn)向器放大后的力矩和減速后的運動傳到轉(zhuǎn)向橫拉桿6，再傳給固定于轉(zhuǎn)向節(jié)3上的轉(zhuǎn)向節(jié)臂5，使轉(zhuǎn)向節(jié)和它所支承的轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，從而改變了汽車的行駛方向。這里，轉(zhuǎn)向橫拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂屬于轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)。
§1.2前橋概述
前橋通過車架與懸架連接，支撐著汽車大部分重量，并將汽車的牽引力或制動力，以及側(cè)向力經(jīng)懸架傳給車架。
根據(jù)懸架結(jié)構(gòu)不同，車橋分為斷開式和整體式兩種。當(dāng)采用非獨立懸架時，車橋中部是剛性的實心或空心梁，這種車橋即為整體式；斷開式車橋為活動關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，與獨立懸架配用。
根據(jù)車橋上車輪的作用，車橋又可分為轉(zhuǎn)向橋、驅(qū)動橋、轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋和支持橋四種類型。其中，轉(zhuǎn)向橋和支持橋都屬于從動橋。一般汽車多以前橋為轉(zhuǎn)向橋，而以后橋和中、后兩橋為驅(qū)動橋。越野汽車的前橋則為轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋。
轉(zhuǎn)向橋是利用車橋中的轉(zhuǎn)向節(jié)使車輪可以偏轉(zhuǎn)一定角度以實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向橋通常位于汽車的前部，因此也常稱為前橋。前橋除常承受垂直載荷外，還承受縱向力和側(cè)向力以及這些力所引起的力矩。
由于本車采用獨立懸架系統(tǒng)，所以采用斷開式車橋。本車為發(fā)動機前置后輪驅(qū)動。故前橋為轉(zhuǎn)向從動橋。
斷開式轉(zhuǎn)向橋在轎車和微型客車上得到廣泛應(yīng)用，它與獨立懸架相配置組成力性能優(yōu)良的轉(zhuǎn)向橋。由于它有效的減少了非簧載質(zhì)量，降低了發(fā)動機的質(zhì)心高度，從而提高了發(fā)動機的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性。
斷開式車橋主要有車輪、減震器、上支點總成、緩沖彈簧、轉(zhuǎn)向節(jié)、大頭銷總成、橫向穩(wěn)定桿總成、左右梯形臂、主轉(zhuǎn)向臂、中臂、左右橫拉桿、懸架總成等組成。其中有些臂、懸臂均為薄鋼板焊接結(jié)構(gòu)，主轉(zhuǎn)向臂與中臂是通過螺栓與橡膠襯套連接的，左右轉(zhuǎn)向梯形臂用大球頭銷總成與懸臂總成連接。
圖1-2 汽車斷開式轉(zhuǎn)向橋
§1.3 轉(zhuǎn)向器的選擇
轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系中的減速裝置，可根據(jù)轉(zhuǎn)向器的傳動效率分為可逆式和不可逆式轉(zhuǎn)向器，以及極限可逆式轉(zhuǎn)向器，可逆式轉(zhuǎn)向器逆效率高易將經(jīng)軸向傳動機構(gòu)傳來的路面反力傳到轉(zhuǎn)向盤上，它有利于轉(zhuǎn)向回正，但同時也能產(chǎn)生“打手”現(xiàn)象；不可逆式轉(zhuǎn)向器沒有回正作用，道路的阻力也不能反饋到轉(zhuǎn)向盤，駕駛員喪失路感；極限可逆式轉(zhuǎn)向器其反向傳力性介于兩者之間，而接近與不可逆式有一定的路感和回正能力，路面沖擊力很小部分傳到方向盤上，由于整個轉(zhuǎn)向起個傳動元件之間都存在必然的裝配關(guān)系，而隨著零件磨損而增大，也因為這些間隙的存在，使轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向節(jié)不能同步，所以轉(zhuǎn)向盤在實現(xiàn)轉(zhuǎn)向過程中存在空轉(zhuǎn)階段，空轉(zhuǎn)階段的角行程成為轉(zhuǎn)向盤的自由行程，當(dāng)間隙過大時，轉(zhuǎn)向盤的自由行程增大，影響轉(zhuǎn)向靈敏性，所以轉(zhuǎn)向器有間隙調(diào)整機構(gòu)。
轉(zhuǎn)向器可分為：齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器、蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器等幾種型式，下面分別介紹這幾種轉(zhuǎn)向器：
1.齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器
兩端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器如圖所示，作為傳動副主動件的轉(zhuǎn)向齒輪軸11通過軸承12和13安裝在轉(zhuǎn)向器殼體5中，其上端通過花鍵與萬向節(jié)叉10和轉(zhuǎn)向軸連接。與轉(zhuǎn)向齒輪嚙合的轉(zhuǎn)向齒條4水平布置，兩端通過球頭座3與轉(zhuǎn)向橫拉桿1相連。彈簧7通過壓塊9
將齒條壓靠在齒輪上，保證無間隙嚙合。
圖1-3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器
1.轉(zhuǎn)向橫拉桿 2.防塵套 3.球頭座 4.轉(zhuǎn)向齒條 5.轉(zhuǎn)向器殼體 6.調(diào)整螺塞 7.壓緊彈簧 8.鎖緊螺母 9.壓塊 10.萬向節(jié) 11.轉(zhuǎn)向齒輪軸 12.向心球軸承 13.滾針軸承
彈簧的預(yù)緊力可用調(diào)整螺塞6調(diào)整。當(dāng)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)向器齒輪11轉(zhuǎn)動，使與之嚙合的齒條4沿軸向移動，從而使左右橫拉桿帶動轉(zhuǎn)向節(jié)左右轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)向車輪偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向。
2.循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式之一,一般有兩級傳動副，第一級是螺桿螺母傳動副，第二級是齒條齒扇傳動副。如圖所示:
圖1-4 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器
為了減少轉(zhuǎn)向螺桿轉(zhuǎn)向螺母之間的摩擦，二者的螺紋并不直接接觸，其間裝有多個鋼球，以實現(xiàn)滾動摩擦。轉(zhuǎn)向螺桿和螺母上都加工出斷面輪廓為兩段或三段不同心圓弧組成的近似半圓的螺旋槽。二者的螺旋槽能配合形成近似圓形斷面的螺旋管狀通道。螺母側(cè)面有兩對通孔，可將鋼球從此孔塞入螺旋形通道內(nèi)。轉(zhuǎn)向螺母外有兩根鋼球?qū)Ч埽扛鶎?dǎo)管的兩端分別插入螺母側(cè)面的一對通孔中。導(dǎo)管內(nèi)也裝滿了鋼球。這樣，兩根導(dǎo)管和螺母內(nèi)的螺旋管狀通道組合成兩條各自獨立的封閉的鋼球"流道"。
轉(zhuǎn)向螺桿轉(zhuǎn)動時，通過鋼球?qū)⒘鹘o轉(zhuǎn)向螺母，螺母即沿軸向移動。同時，在螺桿及螺母與鋼球間的摩擦力偶作用下，所有鋼球便在螺旋管狀通道內(nèi)滾動，形成"球流"。在轉(zhuǎn)向器工作時，兩列鋼球只是在各自的封閉流道內(nèi)循環(huán)，不會脫出。
3.蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器
蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器的傳動副以轉(zhuǎn)向蝸桿為主動件，其從動件是裝在搖臂軸曲柄端部的指銷。轉(zhuǎn)向蝸桿轉(zhuǎn)動時，與之嚙合的指銷即繞搖臂軸軸線沿圓弧運動，并帶動搖臂軸轉(zhuǎn)動。
經(jīng)比較分析，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器以其傳動效率高，工作平穩(wěn)，可靠，螺桿和螺母上的螺旋槽經(jīng)淬火和磨削加工后既耐磨壽命又長。在轉(zhuǎn)向起的設(shè)計中對于一定的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向器的傳動比成反比，角傳動比增加后轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角對同一轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的響應(yīng)變的遲鈍，操縱時間越長，靈敏度越低。所以輕和靈構(gòu)成了一對矛盾。為解決這一矛盾，采用循環(huán)球曲柄指銷式變速比轉(zhuǎn)向器，這樣可以消除滑動摩檫，提高轉(zhuǎn)向器的效率。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的逆效率雖然也很高，容易將路面沖擊力傳到方向盤上。但是對于較輕型的前軸載荷不大而又經(jīng)常在好路面上行駛的汽車而言，這一缺點影響不大，因此，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器廣泛應(yīng)用與各類各級轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上。
§1.4轉(zhuǎn)向器主要性能參數(shù)的確定
(一) 轉(zhuǎn)彎半徑的確定
為了避免在汽車轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生的路面對汽車行駛的附加阻力和輪胎過快的磨損，要求轉(zhuǎn)向系能保證在汽車轉(zhuǎn)向時所有車輪均作純滾動運動這只有所有車輪的軸線都相交在一點時才能實現(xiàn)，內(nèi)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角應(yīng)大于外轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角。在汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角最大位置條件下以低速轉(zhuǎn)彎時的半徑為Rmin.在車輪絕對剛體的條件下角θ0與θi的理想關(guān)系是:
（1-1）
式中：K-兩側(cè)主銷軸線與地面相交點的額距離 1040㎜；L-汽車軸距 2210㎜
轉(zhuǎn)彎半徑越小，汽車的機動性能越好。其關(guān)系是：
圖1-5 理想的內(nèi)外車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系
（1-2）
因為 L=2210㎜; R=4.5㎜; a=40㎜
所以 θ0=30.5° θi=40.6°
(二)轉(zhuǎn)向輪的定位
1.主銷后傾角
主銷后傾角如圖所示:
圖1-6 主銷后傾角
當(dāng)汽車水平停放時，在汽車的縱向垂面內(nèi)，主銷上部向后傾斜一個角度r,稱為主銷后傾角。當(dāng)主銷具有后傾角時，主銷軸線與路面交點A 將位于車輪與路面接觸點的前面。當(dāng)汽車直線行駛時，若轉(zhuǎn)向輪偶然受到外力作用而稍有偏轉(zhuǎn)（例如向右偏轉(zhuǎn)，如圖中箭頭所示），將使汽車行駛方向向右偏離。這時由于汽車本身離心力的作用，在車輪與路面接觸點 B 處，路面對車輪作用著一個側(cè)向反作用力 Y 。反力 Y 對車輪形成饒主銷軸線作用的力矩 Yl ，其方向正好與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反。在此力矩作用下，將使車輪回復(fù)到原來中間位置，從而保證汽車能穩(wěn)定地直線行駛，故此力矩稱為穩(wěn)定力矩（回正力矩）。因穩(wěn)定力矩的大小取決于力臂 l 的數(shù)值，而力臂又取決于后傾角 r 的大小，因此，為了不使轉(zhuǎn)向盤沉重，主銷后傾角r 不宜過大?，F(xiàn)在一般采用不超過 2 到 3 度的后傾角?，F(xiàn)代高速汽車由于輪胎氣壓降低、彈性增加，而引起穩(wěn)定力矩增加，因此 r 可以減小至或接近于零，甚至為負。
2.主銷內(nèi)傾角
主銷內(nèi)傾角如下圖所示：
圖1-7 主銷內(nèi)傾角
當(dāng)汽車水平停放時，在汽車的橫向垂面內(nèi)，主銷軸線與地面垂線的夾角為主銷內(nèi)傾角。主銷內(nèi)傾角的作用是使車輪自動回正。汽車直線行駛時，車輪軸線與主銷的交角恰為這個最大值。車輪軸線與主銷夾角
在轉(zhuǎn)向過程中是不變的，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)
過一個角度，車輪軸線就離開水平面往下傾斜，致使車身上抬，勢能增加。這樣汽車本身的重力就有使轉(zhuǎn)向輪回復(fù)到原來中間位置的效果。主銷內(nèi)傾角的另一個作用是使主銷軸線與路面的交點到車輪接地面的中心的距離（內(nèi)偏置距）a減小，可以減小轉(zhuǎn)向阻力矩，及底面沖擊力對方向盤的作用。再來看看回正力矩的情況。汽車除了有主銷后傾，還有內(nèi)偏置.
前輪只轉(zhuǎn)向不驅(qū)動時，外輪的回正力矩大于內(nèi)輪所受回正力矩，總的效果是使內(nèi)外輪順。因此回正力矩總的效果是使汽車回正。
3.前輪外傾角
圖1-8 前輪外傾角
如圖所示，當(dāng)汽車水平停放時，在汽車的橫向垂面內(nèi)，車輪平面與地面垂線的夾角為前輪外傾角。如果空車時車輪的安裝正好垂直于路面，則滿載時車橋因承載變形而可能出現(xiàn)車輪內(nèi)傾，這樣將加速車輪胎的磨損。另外，路面對車輪的垂直反力沿輪轂的軸向分力將使輪轂壓向外端的小軸承，加重了外端小
軸承及輪轂緊固螺母的負荷，降低它們
的壽命。因此，為前輪有一個外傾角。但是外傾角也不宜過大，否則也會使輪胎產(chǎn)生偏磨損。在現(xiàn)代一些獨立懸架的轎車上，前輪采用了負的外傾角，這往往是為了減小在高速轉(zhuǎn)向時車身的側(cè)傾。
4.前輪前束
如圖所示為前輪前束示意圖:
圖1-9 前輪前束
車輪有了外傾角后，在滾動時就類似于滾錐，從而導(dǎo)致兩側(cè)車輪向外滾開。由于轉(zhuǎn)向橫拉桿和車橋的約束車輪不致向外滾開，車輪將在地面上出現(xiàn)邊滾邊向內(nèi)滑的現(xiàn)象，從而增加了輪胎的磨損。為了避免這種
由于圓錐滾動效應(yīng)帶來的不良后果，將兩前輪適當(dāng)向內(nèi)偏轉(zhuǎn)，即形成前輪前束。我們稱兩前輪后邊緣的距離Ａ與前邊緣的距離Ｂ的差為前輪前束。在前輪驅(qū)動的汽車上，因為驅(qū)動力是向前作用于車輪，所以在設(shè)計中要考慮到這一因素對前輪前束值的影響，有時會出現(xiàn)零前
束和負前束的情況。
5.定位角選擇
(1) 主銷后傾角γ γ=1°30′
(2) 主銷內(nèi)傾角β β=12°30′
(3) 前輪外傾角α α=1°
(4) 前輪前束A-B A-B=8mm
(三)轉(zhuǎn)向器的效率
功率P1從轉(zhuǎn)向軸輸入，經(jīng)轉(zhuǎn)向搖臂軸輸出所求得的效率稱為正效率，用符號η+表示，η+=(P1—P2)／Pl；反之稱為逆效率，用符號η-表示，η- =(P3—P2)／P3。式中，P2為轉(zhuǎn)向器中的摩擦功率；P3為作用在轉(zhuǎn)向搖臂軸上的功率。為了保證轉(zhuǎn)向時駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤輕便，要求正效率高。為了保證汽車轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤能自動返回到直線行駛位置，又需要有一定的逆效率。為了減輕在不平路面上行駛時駕駛員的疲勞，車輪與路面之間的作用力傳至轉(zhuǎn)向盤上要盡可能小，防止打手又要求此逆效率盡可能低。
1.轉(zhuǎn)向器的正效率η+
影響轉(zhuǎn)向器正效率的因素有：轉(zhuǎn)向器的類型、結(jié)構(gòu)特點、結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造質(zhì)量等。轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與效率,如果忽略軸承和其它地方的摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，對于蝸桿和螺桿類轉(zhuǎn)向器，其效率可用下式計算
（1-3）
式中，α0為蝸桿(或螺桿)螺線導(dǎo)程角；ρ為摩擦角，ρ=arctanf；f為摩擦因數(shù)。
2.轉(zhuǎn)向器逆效率η-
根據(jù)逆效率大小不同，轉(zhuǎn)向器又有可逆式、極限可逆式和不可逆式之分。
路面作用在車輪上的力，經(jīng)過轉(zhuǎn)向系可大部分傳遞到轉(zhuǎn)向盤，這種逆效率較高的轉(zhuǎn)向器屬于可逆式。它能保證轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤自動回正。這既減輕了駕駛員的疲勞，又提高了行駛安全性。但是，在不平路面上行駛時，車輪受到的沖擊力，能大部分傳至轉(zhuǎn)向盤，造成駕駛員“打手”，使之精神狀態(tài)緊張，如果長時間在不平路面上行駛，易使駕駛員疲勞，影響安全駕駛。屬于可逆式的轉(zhuǎn)向器有齒輪齒條式和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。
不可逆式轉(zhuǎn)向器，是指車輪受到的沖擊力不能傳到轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向器。該沖擊力由轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的零件承受，因而這些零件容易損壞。同時，它既不能保證車輪自動回正，駕駛員又缺乏路面感覺；因此，現(xiàn)代汽車不采用這種轉(zhuǎn)向器。
極限可逆式轉(zhuǎn)向器介于上述兩者之間。在車輪受到?jīng)_擊力作用時，此力只有較小一部分傳至轉(zhuǎn)向盤。它的逆效率較低，在不平路面上行駛時，駕駛員并不十分緊張，同時轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的零件所承受的沖擊力也比不可逆式轉(zhuǎn)向器要小。
如果忽略軸承和其它地方的摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，則逆效率可用下式計算
（1-4）
式中表明：增加導(dǎo)程角α0,正、逆效率均增大。受η-增大的影響，α0不宜取得過大。當(dāng)導(dǎo)程角小于或等于摩擦角時，逆效率為負值或者為零，此時表明該轉(zhuǎn)向器是不可逆式轉(zhuǎn)向器。為此，導(dǎo)程角必須大于摩擦角。通常螺線導(dǎo)程角選在8°～10°之間。
取α0=8°，f=0.005
所以 =96.5﹪
=96.37﹪
(四)轉(zhuǎn)向系的傳動比
轉(zhuǎn)向系傳動比的組成: 轉(zhuǎn)向系傳動比的組成由轉(zhuǎn)向系的角傳動比iw。和轉(zhuǎn)向系的力傳動比ip組成.
1.轉(zhuǎn)向系的角傳動比:
選轉(zhuǎn)向器的角傳動比iw=17,傳動機構(gòu)角傳動比iw′=1,故轉(zhuǎn)向系的角傳動比為17.
2.轉(zhuǎn)向系的力傳動比:
=81.6 （1-5）
Dsw =384: 方向盤直徑
iwo =20 :角傳動比
轉(zhuǎn)向器的角傳動比iw是一個重要的參數(shù),它影響汽車的操縱輕便性,轉(zhuǎn)向靈敏性和穩(wěn)定性,由上可以看出增大角傳動比可增大力傳動比,在轉(zhuǎn)向阻力一定時,增大力傳動比會減少駕駛員作用在方向盤上的力,使操縱輕便.但考慮到iw。=iw.轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向器角傳動比成反比.角傳動比增加后, 轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角對同一方向盤轉(zhuǎn)角的響應(yīng)變得遲鈍,操縱時間增長,汽車轉(zhuǎn)向靈敏性降低.所以輕和靈構(gòu)成一對矛盾,為解決這一矛盾,通常采用變角傳動比的轉(zhuǎn)向器.
§1.5 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計
(一)轉(zhuǎn)向系計算載荷的確定
為了保證行駛安全，組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強度。欲驗算轉(zhuǎn)向系零件的強度，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)向軸的負荷、路面阻力和輪胎氣壓等。為轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力，包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動的阻力、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。
精確地計算出這些力是困難的。為此推薦用足夠精確的半經(jīng)驗公式來計算汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩Mn(N·mm)
（1-6）
式中，f 為輪胎和路面間的滑動摩擦因數(shù)，一般取0.7；Gl為轉(zhuǎn)向軸負荷(N),G1=5250N;p為輪胎氣壓(MPa),p=0.32 Mpa.
所以 Mr=139363.392 N．㎜
作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力為
（1-7）
式中，Ll為轉(zhuǎn)向搖臂長；L2為轉(zhuǎn)向節(jié)臂長, L1=L2；Dsw為轉(zhuǎn)向盤直徑,Dsw=384mm;iw為轉(zhuǎn)向器角傳動比, iw =20;η+為轉(zhuǎn)向器正效率,η+=0.965.
所以 Fk=44.25 N
(二)主要尺寸參數(shù)的選擇
1.循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器傳動副的設(shè)計
螺桿,鋼球,螺母傳動副如圖所示
(1)鋼球中心距
圖1-10 螺桿、鋼球、螺母傳動副
鋼球中心距是一個基本參數(shù),能夠影響轉(zhuǎn)
向器的結(jié)構(gòu)尺寸和強度.設(shè)計時首先參考同類汽車的參數(shù)進行初選,然后按照作用載荷進行強度驗算,再進行修正尺寸,在保證足夠的強度條件下,鋼球中心距應(yīng)可能取得小些,螺桿的外徑,螺母的內(nèi)徑以及鋼球的直徑等對中心距都有影響鋼球中心距是基本尺寸，螺桿外徑D1、螺母內(nèi)徑D2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)尺寸和強度有影響。在保證足夠的強度條件下，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。設(shè)計時先參考同類型汽車的參數(shù)進行初選，經(jīng)強度驗算后，再進行修正。螺桿外徑Dl通常在20～38mm范圍內(nèi)變化，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向軸負荷的不同來選定。螺母內(nèi)徑D2應(yīng)大于Dl，一般要求 D2—Dl= (5％～10％)D.
根據(jù)《汽車設(shè)計》P180頁表7-1可取:
D=28㎜
(2)螺桿的外徑D1j及螺母的內(nèi)徑D2
螺桿的外徑和螺母的內(nèi)徑之間不能有相互摩檫,設(shè)計時應(yīng)取D2>D1,一般D2- D1=(5%～10%)D以在鋼球中心距選定的條件下,便能獲得螺桿的外徑和螺母的內(nèi)徑的尺寸.,
因為 D2>D1, D2- D1=(5%～10%)D,
取 D1=28, D2=32
(3)鋼球的直徑和鋼球的數(shù)量
鋼求直徑d的尺寸直接影響到螺桿和螺母螺旋機構(gòu)的尺寸和承載能力.同樣,鋼球的數(shù)量也會影響承載能力,數(shù)量的多能增加承載能力,但會影響鋼球的流動性,從而使傳動效率降低.
查表得: d=7.144,
取 d=7
增加鋼球數(shù)量n，能提高承載能力，但使鋼球流動性變壞，從而使傳動效率降低。因為鋼球本身有誤差，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)驗證明，每個環(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。每個環(huán)路中的鋼球數(shù)可用下式計算
=18.85 （1-8）
式中，D為鋼球中心距；W為一個環(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)；α0為螺線導(dǎo)程角，常取α0=5°～8°，則cosα0≈1。
取 n =20
(4)滾道截面
圖1-11 四段圓弧滾道截面
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,鋼球與滾道有四點接觸，傳動時軸向間隙最小，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
R2應(yīng)大于鋼球半徑d/2，一般取R2 =(0.51～0.53)d。
(5)接觸角θ
鋼球與螺桿滾道接觸點的正壓力方向與螺桿滾道法面軸線間的夾角稱為接觸角θ，如圖所示。θ角多取為45°，以使軸向力和徑向力分配均勻。
(6)螺距P和螺旋線導(dǎo)程角α0
轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動φ角，對應(yīng)螺母移動的距離S為
(1)
式中，P為螺紋螺距。與此同時
與此同時，齒扇節(jié)圓轉(zhuǎn)過的弧長等于s，相應(yīng)搖臂軸轉(zhuǎn)過βp角，其間關(guān)系可表示如下
(2)
式中，r為齒扇節(jié)圓半徑。
式(1)、式(2)得，將φ對βp，求導(dǎo)得循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器角傳動比iw為
由式可知，螺距P影響轉(zhuǎn)向器角傳動比的值。在螺距不變的條件下，鋼球直徑d越大，圖中的尺寸b越小，要求b=P-d﹥2.5mm。螺距P一般在8～11mm內(nèi)選取。根據(jù)<<汽車設(shè)計>>表7-11可知 P=9.525
取 P=9.6
即 b=P-d=9.6-7=2.6>2.5
(6)工作鋼球圈數(shù)W
多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)向器用兩個環(huán)路，而每個環(huán)路的工作鋼球圈數(shù)W又與接觸強度有關(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。一個環(huán)路的工作鋼球圈數(shù)的選取見《汽車設(shè)計》表7-1。
取 W=1.5
2齒條、齒扇傳動副設(shè)計
對齒輪來說，因為在不同位置的剖面中，其模數(shù)m不變，所以它的分度圓半徑r和基圓半徑rb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線齒形，都是在同一個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。
根據(jù)以上所說，參考<<汽車設(shè)計>>表7-1循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要參數(shù)確定如下：
齒扇模數(shù) 4.0
螺母長度 58
齒扇齒數(shù) 5
齒扇整圓齒數(shù) 13
齒扇壓力角 22°30′
切削角 6°30′
齒扇寬 30
法向壓力角αo αo=25°
齒頂高系數(shù) 1
徑向間隙系數(shù) 0.2
§1.6 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件強度計算
(一) 鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力σ
用下式計算鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力σ
（1-9）
式中，k為系數(shù)，根據(jù)A／B值查表取A= [(1／r) —(1／R2)]/2，
B=[(1／r) + (1／R1)]／2；R2為滾道截面半徑；r為鋼球半徑；Rl為螺桿外半徑；E為材料彈性模量，等于2.1X105N／mm2；F3為鋼球與螺桿之間的正壓力，可用下式計算
式中，αo為螺桿螺線導(dǎo)程角；θ為接觸角；n為參與工作的鋼球數(shù)；F2為作用在螺桿上的軸向力。
接觸表面硬度為58—64HRC時，許用接觸應(yīng)力[σ]=2500N／mm2。
A= [(1/r)-(1/R2)]/2=[(1/3.5)-(1/3.6)]=0.00396
B=[(1/r)+(1/R1)]/2=[(1/3.5)+( 1/3.6)]=0.28174
A/B=0.014
查表知: k=2.08
因此 =1715.91<[2500 N／mm2]
(二)齒的彎曲應(yīng)力σw
用下式計算齒扇齒的彎曲應(yīng)力
（1-10）
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[σw]=540N／mm2。
螺桿和螺母用20CrMnTi鋼制造，表面滲碳。前軸負荷不大的汽車，滲碳層深度在0.8～1.2mm；前軸負荷大的汽車，滲碳層深度在1.05～1.45mm。表面硬度為58—63HRC。
(三)轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑的確定
用下式計算確定搖臂軸直徑d
（1-11）
式中，K為安全系數(shù)，根據(jù)汽車使用條件不同可取2.5～3.5；MR為轉(zhuǎn)向阻力矩；τ。為扭轉(zhuǎn)強度極限。
=27.6≈28mm
圖1-12 轉(zhuǎn)向搖臂受力圖
搖臂軸用20CrMnTi，表面滲碳，滲碳層深度在0.8～1.2mm。前軸負荷大的汽車，滲碳層深度為1.05～1.45mm。表面硬度為
58～63HRC。
§1.7 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)強度計算
(一) 球頭銷
許用接觸應(yīng)力為[σj]≤25～30N／mm2。
球頭銷用合金結(jié)構(gòu)鋼12CrNiB、15CrMo、20CrNi或液體碳氮共滲鋼35CrNi制造。
根據(jù)《汽車設(shè)計》表7—4選取球頭直徑 d=20mm
(二)轉(zhuǎn)向拉桿
拉桿應(yīng)有較小的質(zhì)量和足夠的剛度。拉桿的形狀應(yīng)符合布置要求，有時不得不做成彎的，這就減小了縱向剛度。穩(wěn)定性安全系數(shù)不小于1.5～2.5。拉桿由40鋼無縫鋼管制成。
§1.8 轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計
轉(zhuǎn)向梯形有整體式和斷開式兩種，選擇整體式或斷開式轉(zhuǎn)向梯形方案與懸架采用何種方案有聯(lián)系。無論采用哪一種方案，必須正確選擇轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)，做到汽車轉(zhuǎn)彎時，保證全部車輪繞一個瞬時轉(zhuǎn)向中心行駛，使在不同圓周上運動的車輪，作無滑動的純滾動運動。同時，為達到總體布置要求的最小轉(zhuǎn)彎直徑值，轉(zhuǎn)向輪應(yīng)有足夠大的轉(zhuǎn)角。
(一)轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)方案分析
轉(zhuǎn)向梯形的橫拉桿做成斷開的，稱之為斷開式轉(zhuǎn)向梯形。斷開式轉(zhuǎn)向梯形的主要優(yōu)點是它與前輪采用獨立懸架相配合，能夠保證一側(cè)車輪上、下跳動時，不會影。向另一側(cè)車輪；與整體式轉(zhuǎn)向梯形比較，由于桿系、球頭增多，所以結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，并且調(diào)整前束比較困難。
圖1-13 斷開點的確定
橫拉桿上斷開點的位置與獨立懸架形式有關(guān)。采用雙橫臂獨立懸架，常用圖解法(基于三心定理)確定斷開點的位置。其求法如下：
1)延長KBB與KAA，交于立柱AB的
瞬心P點，由P點作直線PS。S點為轉(zhuǎn)向節(jié)臂球銷中心在懸架桿件(雙橫臂)所在平面上的投影。當(dāng)懸架搖臂的軸線斜置時，應(yīng)以垂直于搖臂軸的平面作為當(dāng)量平面進行投影和運動分析。
2)延長直線AB與KAKB，交于QAB點，連PQAB直線。
3)連接S和B點，延長直線SB。
4)作直線PQBS，使直線PQAB與戶QBS間夾角等于直線PKA與PS間的夾角。當(dāng)S點低于A點時，PQBS線應(yīng)低于PQAB線。
5)延長PS與QBSKB，相交于D點，此D點便是橫拉桿鉸接點(斷開點)的理想的位置。
以上是在前輪沒有轉(zhuǎn)向的情況下，確定斷開點D位置的方法.根據(jù)<<汽車設(shè)計>>參照P250可選斷開點取在中間位置。
(二)整體式轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
汽車轉(zhuǎn)向行駛時，受彈性輪胎側(cè)偏角的影響，所有車輪不是繞著后軸沿長線上的點滾動，而是繞著前軸和后軸之間的汽車內(nèi)側(cè)某一點滾動。下面是在忽略側(cè)偏角影響的條件下，分析有關(guān)兩軸汽車的轉(zhuǎn)向問題。此時，兩轉(zhuǎn)向前輪軸線的延長線應(yīng)交在后軸延長線上，如圖所示。設(shè)θo、θi。分別為內(nèi)、外轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)角，L為汽車軸距，K為兩主銷中心線延長線到地面交點之間的距離。若要保證全部車輪繞一個瞬時轉(zhuǎn)向中心行駛，則梯形機構(gòu)應(yīng)保證內(nèi)、外轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)角有如下關(guān)系
（1-12）
若自變角為θo，則因變角θi的期望值為
圖1-14 理想的內(nèi)外轉(zhuǎn)角關(guān)系簡圖
利用余弦定理可推得轉(zhuǎn)向梯形所給出的實際因變角
式中，m為梯形臂長；γ為梯形底角。
由圖所得:
（1-13）
式中，Dmin為汽車最小轉(zhuǎn)彎直徑；a為主銷偏移距。
考慮到多數(shù)使用工況下轉(zhuǎn)角θo小于20°，且10°以內(nèi)的小轉(zhuǎn)角使用得更加頻繁建立約束條件時應(yīng)考慮到：設(shè)計變量m及過小時，會使橫拉桿上的轉(zhuǎn)向力過大；當(dāng)m過大時，將使梯形布置困難，故對m的上、下限及對γ 的下限應(yīng)設(shè)置約束條件。綜上所述，各設(shè)汁變量的取值范圍構(gòu)成的約束條件為
梯形臂長度m 設(shè)計時取在 mmin=0.11K，mmax=0.15K，梯形底角γmin=70°。
此外，由機械原理得知，四連桿機構(gòu)的傳動角方不宜過小，通常取 δ≥δmin =40°。如圖所示，轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)在汽車向右轉(zhuǎn)彎至極限位置時達到最小值，故只考慮右轉(zhuǎn)彎時δ≥δmin 即可。利用該圖所作的輔助用虛線及余弦定理，可推出最小傳動角約束條件為
（1-14）
式中，δmin為最小傳動角。
梯形臂長 mmin=0.11K=0.11×1040=114.4≈114㎜
mmax=0.15K=0.15×1180=156㎜
取 m=150㎜
梯形底角 γmin=70°
取 γ=80°
將數(shù)據(jù)代入（1）得：
該數(shù)據(jù)滿足設(shè)計要求。
第二章 懸架系統(tǒng)的設(shè)計
§2.1 概述
懸架是現(xiàn)代汽車上的重要總成之一，它把車架(或車身)與車軸(或車輪)彈性地連接起來。其主要任務(wù)是傳遞作用在車輪和車架(或車身)之間的一切力和力矩，并且緩和路面?zhèn)鹘o車架(或車身)的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動，保證汽車的行駛平順性；保證車輪在路面不平和載荷變化時有理想的運動特性，保證汽車的操縱穩(wěn)定性，使汽車獲得高速行駛能力。
懸架由彈性元件、導(dǎo)向裝置、減振器、緩沖塊和橫向穩(wěn)定器等組成。導(dǎo)向裝置由導(dǎo)向桿系組成，用來決定車輪相對于車架(或車身)的運動特性，并傳遞除彈性元件傳遞的垂直力以外的各種力和力矩。當(dāng)用縱置鋼板彈簧作彈性元件時，它兼起導(dǎo)向裝置作用。緩沖塊用來減輕車軸對車架(或車身)的直接沖撞，防止彈性元件產(chǎn)生過大的變形。裝有橫向穩(wěn)定器的汽車，能減少轉(zhuǎn)彎行駛時車身的側(cè)傾角和橫向角振動。
對懸架提出的設(shè)計要求有：
1)保證汽車有良好的行駛平順性。
2)具有合適的衰減振動能力。
3)保證汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性。
4)汽車制動或加速時要保證車身穩(wěn)定，減少車身縱傾；轉(zhuǎn)彎時車身側(cè)傾角要合適。
5)有良好的隔聲能力。
6)結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間尺寸要小。
7)可靠地傳遞車身與車輪之間的各種力和力矩，在滿足零部件質(zhì)量要小的同時，還要保證有足夠的強度和壽命。
要正確地選擇懸架方案和參數(shù)，在車輪上、下跳動時，使主銷定位角變化不大、車輪運動與導(dǎo)向機構(gòu)運動要協(xié)調(diào)，避免前輪擺振；汽車轉(zhuǎn)向時，應(yīng)使之稍有不足轉(zhuǎn)向特性。獨立懸架導(dǎo)向桿系鉸接處多采用橡膠襯套，能隔絕車輪所受來自路面的沖擊向車身的傳遞。
§2.2 懸架結(jié)構(gòu)形式分析
(一)非獨立懸架和獨立懸架
懸架可分為非獨立懸架和獨立懸架兩類。非獨立懸架的結(jié)構(gòu)特點是左、右車輪用一根整體軸連接，再經(jīng)過懸 圖2-1 懸架的結(jié)構(gòu)形式簡圖
a)非獨立懸架 b)獨立懸架架與車架(或車身)連接。獨立懸架的結(jié)構(gòu)特點是左、右車輪通過各自的懸架與車架(或車身)連接。
獨立懸架的優(yōu)點是：簧下質(zhì)量小；懸架占用的空間小；彈性元件只承受垂直力，所以可以用剛度小的彈簧，使車身振動頻率降低，改善了汽車行駛平順性；由于有可能降低發(fā)動機的位置高度，使整車的質(zhì)心高度下降，又改善了汽車的行駛穩(wěn)定性；左、右車輪各自獨立運動互不影響，可減少車身的傾斜和振動，同時在起伏的路面上能獲得良好的地面附著能力。獨立懸架的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，維修困難。這種懸架主要用于轎車和部分輕型貨車、客車及越野車上。
(二)獨立懸架結(jié)構(gòu)形式分析
對于不同結(jié)構(gòu)形式的獨立懸架，不僅結(jié)構(gòu)特點不同，而且許多基本特性也有較大區(qū)別。評價時常從以下幾個方面進行：
(1)側(cè)傾中心高度 汽車在側(cè)向力作用下，車身在通過左、右車輪中心的橫向垂直平面內(nèi)發(fā)生側(cè)傾時，相對于地面的瞬時轉(zhuǎn)動中心稱之為側(cè)傾中心。側(cè)傾中心到地面的距離稱為側(cè)傾中心高度。側(cè)傾中心位置高，它到車身質(zhì)心的距離縮短，可使側(cè)傾力臂及側(cè)傾力矩小些，車身的側(cè)傾角也會減小。但側(cè)傾中心過高，會使車身傾斜時輪距變化大，加速輪胎的磨損。
(2)車輪定位參數(shù)的變化 車輪相對車身上、下跳動時，主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、車輪外傾角及車輪前束等定位參數(shù)發(fā)生變化。若主銷后傾角變化大，容易使轉(zhuǎn)向輪擺振；若車輪外傾角變化大，會影響汽車直線行駛穩(wěn)定性，同時會影響輪距的變化和輪胎的磨損速度。
(3)懸架側(cè)傾角剛度 當(dāng)汽車作穩(wěn)態(tài)圓周行駛時，在側(cè)向力作用下，車廂繞側(cè)傾軸線轉(zhuǎn)動，并將此轉(zhuǎn)動角度稱之為車廂側(cè)傾角。車廂側(cè)傾角與側(cè)傾力矩和懸架總的側(cè)傾角剛度大小有關(guān)，并影響汽車的操縱穩(wěn)定性和平順性。
(4)橫向剛度 懸架的橫向剛度影響操縱穩(wěn)定性。若用于轉(zhuǎn)向軸上的懸架橫向剛度小，則容易造成轉(zhuǎn)向輪發(fā)生擺振現(xiàn)象。
不同形式的懸架占用的空間尺寸不同，占用橫向尺寸大的懸架影響發(fā)動機的布置和從車上拆裝發(fā)動機的困難程度；占用高度空間小的懸架，則允許行李箱寬敞，而且底部平整，布置油箱容易。因此，懸架占用的空間尺寸也用來作為評價指標之一。
(三)前懸架方案的選擇
前懸架目前基本上都采用獨立懸架系統(tǒng)，即左右兩個車輪各自獨立地通過懸掛裝置與車體相連，也意味著可以各自獨立地上下跳動。懸架系統(tǒng)由連桿機構(gòu)和彈簧、減震器組成三角形、四邊形或其它形狀的連接方式以固定車輪與車身的相對位置，在彈簧的作用下使車輪可以相對車身上下運動。常見的有雙橫臂式和麥佛遜(稱滑柱擺臂式)。
雙橫臂式懸架由上短下長兩根橫臂連接車輪與車身，兩根橫臂都非真正的桿狀，而是大體上類似英文字母Y或C，這樣的設(shè)計既是為了增加強度，提高定位精度，也為減震器和彈簧的安裝留出了空間和安裝位置。同時，下橫臂的長度較長，且與車輪中心大致處于同一水平線上，這樣做的目的是為了在車輪跳動導(dǎo)致下橫臂擺動時，不致產(chǎn)生太大的擺動角，也就保證了車輪的傾角不會產(chǎn)生太大變化。這種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但經(jīng)久耐用，同時減震器的負荷小，壽命長。
滑柱擺臂式懸架結(jié)構(gòu)相對比較簡單，只有下橫臂和減震器彈簧組兩個機構(gòu)連接車輪與車身，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，占用空間小，上下行程長等。缺點是由于減震器--彈簧組充當(dāng)了主銷的角色，使它同時也承受了地面作用于車輪上的橫向力，因此在上下運動時阻力較大，磨損也增加了。當(dāng)急轉(zhuǎn)彎時，由于車身側(cè)傾，左右兩車輪也隨之向外側(cè)傾斜，出現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向，彈簧越軟這種傾向越大。
獨立懸架的左右車輪不是用整體車橋相連接，而是通過懸架分別與車架（或車身）相連，每側(cè)車輪可獨立上下運動。根據(jù)導(dǎo)向機構(gòu)不同的結(jié)構(gòu)特點，獨立懸架可分為：
(一)雙橫臂式（雙叉式）獨