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第二章 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)方案選擇
適用車輛相關(guān)數(shù)據(jù):
驅(qū)動(dòng)型式:4×2,發(fā)動(dòng)機(jī)橫置前置前驅(qū);
總質(zhì)量:1470㎏;滿載軸荷:前軸735㎏,后軸735㎏
發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率:53kW/5200rpm,發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩:121Nm/3500rpm
軸距:2475㎜;輪胎:175/70R-13T;輪輞:
轉(zhuǎn)向器的功用是將轉(zhuǎn)向盤的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系的減速傳動(dòng)裝置,一般由1-2級(jí)減速傳動(dòng)副。目前應(yīng)用比較廣
2、泛的轉(zhuǎn)向器有齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器、蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器、蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器。此次畢業(yè)設(shè)計(jì),是設(shè)計(jì)機(jī)械轉(zhuǎn)向系的轉(zhuǎn)向器中的一種,齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn):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??;傳動(dòng)效率高達(dá)90%;轉(zhuǎn)向靈敏;齒輪與齒條之間因磨損出現(xiàn)間歇后,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)彈簧,能自動(dòng)消除齒間間歇這不僅可以提高轉(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?。粵](méi)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。特別適于與燭式和麥費(fèi)遜式懸架配用,便于布置等優(yōu)點(diǎn)。因此,目前它在轎車、微型、輕
3、型貨車上得到廣泛的應(yīng)用。例如,一汽的紅旗CA7220型轎車、奧迪100型轎車、捷達(dá)轎車、上海桑塔納轎車、天津夏利轎車以及天津TJ1010型微型貨車和南京依維柯輕型貨車等,都采用了這種齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是:因逆效率高(60%-70%),汽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)確控制汽車行駛方向,方向盤突然轉(zhuǎn)動(dòng)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)向器有四種形式:中間輸入,兩端輸出(圖1-2a)、側(cè)面輸入,兩端輸出(圖1-2b)、側(cè)面輸入,中間輸出
4、(圖1-2c)、側(cè)面輸入,一端輸出(圖1-2d)。
圖1-2
采用側(cè)面輸入,中間輸出方案時(shí),由圖1-3可見(jiàn),與齒條固連的左、右拉桿延伸到接近汽車總想對(duì)稱平面附近。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,兩拉桿與齒條同時(shí)向左或向右移動(dòng),為此在轉(zhuǎn)向器殼體上開(kāi)有軸向的長(zhǎng)槽,從而降低了它的強(qiáng)度。
圖1-3
采用兩端輸出方案時(shí),由于轉(zhuǎn)向拉桿長(zhǎng)度受限制,容易與懸架系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉。但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造方便,且成本低等特點(diǎn),常用于小型車輛上
采用側(cè)面輸入,一端輸出
5、的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器,常用在平頭貨車上。
如果齒輪齒條式轉(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)性降低,沖擊力大,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),沖擊與噪聲均降低,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,是軸承壽命降低,還有斜齒輪的滑磨比較大事它的缺點(diǎn)。
根據(jù)對(duì)四種不同類型轉(zhuǎn)向器的對(duì)比選擇,本課題將采用側(cè)面輸入兩端輸出的齒輪齒條轉(zhuǎn)向器。
齒條斷面形狀有圓形(圖1-1)、V形(圖1
6、-4)和Y形(圖1-5)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)約20%,故質(zhì)量小;位于齒下面的兩斜面與齒條托座接觸,可用來(lái)防止齒
圖1-4 圖1-5
條繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng);Y形的斷面齒條的齒寬可以做的寬一些,因而強(qiáng)度得到增加。在齒條與托座之間通常裝有堿性材料(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(lái)防止因齒條旋轉(zhuǎn)而破壞齒條、齒輪的齒不能正確嚙合的情況出現(xiàn)。
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
7、式轉(zhuǎn)向器在汽車上有四種布置形式:轉(zhuǎn)向器位于前軸后方,后置梯形;轉(zhuǎn)向器位于前軸后方,前置梯形;轉(zhuǎn)向器位于前軸前方,后置梯形;轉(zhuǎn)向器位于前軸前方,前置梯形。
圖1-6
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器廣泛應(yīng)用于乘用車上.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.
第三章 傳動(dòng)比的計(jì)算
3.1 汽車方向盤(轉(zhuǎn)向盤)
轉(zhuǎn)向盤的直徑有一系列尺寸。選用大的直徑尺寸時(shí),會(huì)使駕駛員進(jìn)出駕駛室感到困難。若選用小的直徑尺寸,轉(zhuǎn)向時(shí),駕駛員要施加較大的力量,從而使汽車難于操縱,據(jù)原始數(shù)據(jù),參見(jiàn)手冊(cè)取=mm則
由作用方向盤上的力矩
得作用在方向盤上的力
8、
3.1 轉(zhuǎn)向阻力矩
[1]
式中: ---滑動(dòng)摩擦系數(shù),一般?。?7
?。?--輪胎氣壓
---前軸載荷
則?。?
3.3角傳動(dòng)比與力傳動(dòng)比
轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)比由轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)向系的力傳動(dòng)比組成.
從輪胎接觸地面中心作用在兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪上的合力2與作用在方向盤上的手力F之比稱為力傳動(dòng)比i .
方向盤的轉(zhuǎn)角和駕駛員同側(cè)的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角之比稱為轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比i.它又由轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比i轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置角傳動(dòng)比i所組成.
力傳動(dòng)比與轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比的關(guān)系
i=
而F和作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向阻力矩M有以下關(guān)系
?。?/p>
9、=
作用在方向盤上的手力F可由下式表示
?。疲健 ?cè)
i= 若忽略磨擦損失側(cè)
由此
式中 a-車輪節(jié)臂
由式可知,力傳動(dòng)比與.和有關(guān),愈小,愈大,轉(zhuǎn)向愈輕便.
由以上過(guò)程可計(jì)算出結(jié)果如下:
1) 角傳動(dòng)比
則
?。?
2)力傳動(dòng)比
式中
則
第四章 齒輪設(shè)計(jì)
4.1 齒輪參數(shù)的選擇[8]
齒輪模數(shù)值取值為m=,主動(dòng)齒輪齒數(shù)為z=6,壓力角取α=20°,齒輪螺旋角為β=°,齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪達(dá)到的值來(lái)確定。齒輪的轉(zhuǎn)速為n=10r
10、/min,齒輪傳動(dòng)力矩25N,轉(zhuǎn)向器每天工作8小時(shí),使用期限不低于5年.
主動(dòng)小齒輪選用20MnCr5材料制造并經(jīng)滲碳淬火,而齒條常采用45號(hào)鋼或41Cr4制造并經(jīng)高頻淬火,表面硬度均應(yīng)在56HRC以上。為減輕質(zhì)量,殼體用鋁合金壓鑄。
4.2 齒輪幾何尺寸確定[2]
齒頂高 ha =
齒根高 hf
齒高 h = ha+ hf =
分度圓直徑 d =mz/cosβ=
齒頂圓直徑 da =d+2ha =
齒根圓直徑 df =d-2hf =
基圓直徑
法向齒厚為
11、
端面齒厚為
分度圓直徑與齒條運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系 d=60000v/πn10.001m/s
齒距 p=πm=3.14×
齒輪中心到齒條基準(zhǔn)線距離 H=d/2+xm=()
4.3 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算[11]
4.3.1齒輪精度等級(jí)、材料及參數(shù)的選擇
(1) 由于轉(zhuǎn)向器齒輪轉(zhuǎn)速低,是一般的機(jī)械,故選擇8級(jí)精度。
(2) 齒輪模數(shù)值取值為m=,主動(dòng)齒輪齒數(shù)為z=6,壓力角取α=20°.
(3) 主動(dòng)小齒輪選用20MnCr5或15CrNi6材料制造并經(jīng)滲碳淬火,硬度在56-62HRC之間,取值60HRC.
12、(4) 齒輪螺旋角初選為β=°
4.3.2齒輪的齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)。
(1)試取K=
(2)斜齒輪的轉(zhuǎn)矩 T=25N·m
(3)取齒寬系數(shù)
(4)齒輪齒數(shù)
(5)復(fù)合齒形系數(shù) =
(6)許用彎曲應(yīng)力 =0.7=0.7920=644N/
為齒輪材料的彎曲疲勞強(qiáng)度的基本值。
試取=mm
(7) 圓周速度
d=mm
b= d= 取b=mm
(8)計(jì)算載荷系數(shù)
1) 查表得 使用系數(shù)=1
2) 根據(jù)和8級(jí)精度,查表得
3) 查表得 齒向
13、載荷分布系數(shù)
4) 查表得 齒間載荷分布系數(shù)
5) 修正值計(jì)算模數(shù)=,故前取mm不變.
4.3.3齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核
校核公式為
(1) 許用接觸應(yīng)力
查表得
由圖得
安全系數(shù)
(2) 查表得 彈性系數(shù) .
(3) 查表得 區(qū)域系數(shù)?。?
(4) 重合度系數(shù) ?。?
(5) 螺旋角系數(shù) =
MPa1650MPa
由以上計(jì)算可知齒輪滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度,即以上設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。第五章 齒條的設(shè)計(jì)
5.1齒條的設(shè)計(jì)[6]
根據(jù)齒輪齒條的嚙合特點(diǎn):
(1) 齒輪的分度圓永遠(yuǎn)與其節(jié)圓相重合,而齒條的中線只有當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)
14、齒輪正確安裝時(shí)才與其節(jié)圓相重合.
(2) 齒輪與齒條的嚙合角永遠(yuǎn)等于壓力角.
因此,齒條模數(shù)m=,壓力角
齒條斷面形狀選取圓形
選取齒數(shù)z=28,螺旋角
端面模數(shù)
端面壓力角
法面齒距 π
端面齒距
齒頂高系數(shù)
法面頂隙系數(shù)
齒頂高
齒根高
齒高 h = ha+ hf =
法面齒厚
端面齒厚
第六章 齒輪軸的設(shè)計(jì)[4]
由于齒輪的基圓直徑17.2,數(shù)值較小,若齒輪與軸之間采用鍵連接必將對(duì)軸和齒輪的強(qiáng)度大大降低,因此,將其設(shè)計(jì)為齒輪軸.由于主動(dòng)小齒輪選用20MnCr5材料制造
15、并經(jīng)滲碳淬火,因此軸的材料也選用20MnCr5材料制造并經(jīng)滲碳淬火.
查表得:20MnCr5材料的硬度為60HRC,抗拉強(qiáng)度極限,屈服極限,彎曲疲勞極限,剪切疲勞極限,轉(zhuǎn)速n=10r/min
根據(jù)公式[5]
忽略磨損,根據(jù)能量守衡,作用在齒輪齒條上的阻力矩為,作用在齒輪上的軸向力為,
作用在齒輪上的切向力為
彎曲疲勞強(qiáng)度校核
=F/=/3.14MPa<
剪切疲勞強(qiáng)度校核
=F/=/3.14<300MPa
抗拉強(qiáng)度校核
滿載時(shí)的阻力矩為
齒輪軸的最小直徑為d=8mm,在此截面上的軸向抗拉強(qiáng)度為
=F/=1/3.1414=MPa<1100Mpa
本設(shè)計(jì)選擇
16、齒輪軸直徑 D=20
第七章 其他零件的選擇[6]
1六角螺栓的選擇
根據(jù)GB5780-2000
選取螺紋規(guī)格d=M6
六角螺栓
2彈簧的選擇
根據(jù) GB1358--93
選擇代號(hào)為Y1的冷卷壓縮彈簧
總?cè)?shù) n1=12
有效圈數(shù) n=10
材料直徑 d=5
節(jié)距
17、 t=10
自由高度?。?05
彈簧中徑 D=42
彈簧內(nèi)徑
彈簧外徑
具體的數(shù)據(jù)如下圖
彈 簧
3墊圈的選擇
根據(jù)GB848-85,選擇相配合的螺紋規(guī)格為d=8,具體數(shù)據(jù)如下圖:
墊 圈
4油封的選擇
根據(jù)JB/ZQ4606
18、-86和軸徑選取氈圈油封,主要參數(shù)如下:
油 封 滾針軸承
5滾動(dòng)軸承的選擇
根據(jù)GB/T5801-1994
選取滾針承的型號(hào)為NKI 10/12,主要參數(shù)如右上圖
6推力軸承的選擇
根據(jù)
選取推力軸承的型號(hào)為51102,主要參數(shù)如下圖
7、止推螺母參數(shù)的確定,如下圖