5.4转向传动机构设计、强度校核

5.4转向传动机构设计、强度校核转向传动机构是由转向摇臂至左、右转向车轮之间用来传递力及运动的转向杆、臂系统，其任务是将转向器输出端的转向摇臂的摆动转变为左、右转向车轮绕其转向主销的偏转，并使它们偏转到绕同一瞬时转向中心的不同轨迹圆上，实现车轮无滑动地滚动转向。为了使左、右转向车轮偏转角之间的关系能满足这一汽车转向运动学的要求，则要由转向传动机构中的转向梯形机构的精确设计来保证。采用最优化设计方法优选转向梯形结构参数则可得到最佳设计效果。文献114]给出了汽车转向梯形机构、汽车双梯形转向机构、汽车双桥转向摇臂机构和具有独立悬架汽车的双桥转向机构的最优化设计方法，这里不再赘述。在非独立悬架汽车的转向系中，转向传动机构由转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂、两个相同的转向梯形臂和转向横拉杆组成。后者与左、右转向梯形臂又组成转向梯形机构。转向器在汽车上应这样安置：首先应使转向摇臂下端与纵拉杆铰接的球头中心在转向过程中是在平行于汽车纵向平面的平面内移动；其次，为了使转向纵拉杆与纵置钢板弹簧协调运动以避免转向车轮的摆振，转向摇臂下端的球头中心B应尽量与转向节臂与纵拉杆铰接球头中心2A：的摆动中心2O重合。当采用独立悬架时，转向横拉杆要做成分段式的，由中段的横拉杆和两侧的边杆用球铰接组合而成。当汽车直行时摆杆7与转向摇臂1应对称地位于中段横拉杆的左右两侧并与之垂直地铰接，且在悬架导向机构横臂的纵向摆轴线卜，以避免汽车垂向振动引起转向车轮的摆振并使汽车具有良好的直线行驶性能。根据转向器以及分段式转向杆系相对于车轮轴线的布置位置不同，又可有不同的布置方案。转向摇臂、转向节臂和梯形臂由中碳钢或中碳合金钢如35Cr，40，40Cr和40CrNi用模锻加工制成。多采用沿其长度变化尺寸的椭圆形截面以合理地利用材料和提高其强度与刚度。转向摇臂与转向摇臂轴用三角花键联接，且花键轴与花键孔具有一定的锥度以得到无隙配合，装配时花键轴与孔应按标记对中以保证转向摇臂的正确安装位置。转向摇臂的长度与转向传动机构的布置及传动比等因素有关，一般在初选时对小型汽车可取100～150mm；中型汽车可取150～200mm；大型汽车可取300～400mm。转向传动机构的杆件应选用刚性好、质量小的20、30或35号钢的无缝钢管制造，其沿长度方向的外形可根据总布置的需要确定。转向传动机构的各元件间采用球形铰接。球形铰接的主要特点是能够消除由于铰接处的表面磨损而产生的间隙，也能满足两铰接件间复杂的相对运动。在现代球形铰接的结构中均是用弹簧将球头与衬垫压紧。整体式转向横拉杆两端和分段式横拉杆左右边杆外端的球形铰接应作为单独组件，组装好后以其壳体上的螺纹旋到杆的端部，以使杆长可调以便用于调节前束。其他杆端的球形铰接，其外壳应与杆件制成一整体。球头与衬垫需润滑，并应采用有效结构措施保持住润滑材料及防止灰尘污物进入。球销与衬垫均采用低碳合金钢如12CrNi3A，18MnTi或20CrNi制造，工作表面经渗碳淬火处理，渗碳层深1.5—3.0mm，表面硬度HRC56—630允许采用中碳钢40或45制造并经高频淬火处理，球销的过渡圆角处则用滚压工艺增强。球形铰接的壳体则用钢35或40制造。为了提高球头和衬垫工作表面的耐磨性，可采用等离子或气体等离子金属喷镀工艺；对于轿车亦可采用耐磨性好的工程塑料制造衬垫。后者在制造过程中可渗入专门的成分(例如尼龙－二硫化钼)，对这类衬垫则可免去润滑。为了计算转向传动机构零件的强度，首先应确定其计算载荷。如果转向系无动力装置，则转向传动机构的计算载荷可由式(5—13)所求得的最大转向阻力矩rT，所确定；当装用整体式动力转向器时，则加在转向摇臂上的载荷由最大液压下的动力转向作用力和作用在转向盘轮缘上的极限切向力maxhF所共同确定；当动力缸置于转向传动机构中，则对于位于转向器和动力缸之间的转向传动机构零件，其计算载荷可根据作用在转向摇臂轴上的力矩T来确定，T可根据式(5—19)为phhirFTmax而对于位于动力缸之后的转向传动机构零件，则同时承受着由上式确定的力矩T和在最大液压下的动力转向作用力所确定的载荷。转向摇臂、转向节臂与梯形臂均承受弯矩及扭矩的联合作用，其危险截面在臂的根基处。下面以转向摇臂的强度计算为例。1.转向摇臂的强度计算如图5－13所示，其危险截面在A—A处。根据第三强度理论，在危险截面的最大应力点a处，弯扭联合作用的等效应力为22)/(4)/(tebWFWFl≤ns（5－55）式中F——作用在转向摇臂球形铰接处的力；bW，tW——危险截面的弯曲截面系数和扭转截面系数；l，e——见图5－13；s——材料的屈服极限；sn——相对于s的强度储备系数，sn＝1.7～2.4。图5－13转向摇臂与球铰及危险截面处的应力图对于矩形截面的臂（杆或梁），在其截面的直角顶点处扭转切向应力值为零，最大切向应力发生于侧边中间的k点为k，a点处的应力为a，则有max2max/aekhbF（5－56）式中h，b——矩形截面的长边与短边长度；，——与h/b有关的系数，查有关手册选取，当h/b＝2时，＝0.246，＝0.795。但弯、扭联合作用的等效应力如式（5－55）所示，其最大应力位于a点。2.转向纵拉杆与横拉杆的计算拉杆需计算其受压时的纵向弯曲稳定性。为了防止拉杆受压时产生纵向弯曲，拉杆截面对中性轴的惯性矩J可由下式求得：nF≥22/lEJ（5－57）式中n——杆的刚度储备系数，一般取n=1.5～2.5；F——杆承受的轴向力；E——拉伸时杆材料的弹性模量，E＝5102Mpa；l——杆长，按杆两端球铰中心间的距离计。3.球铰的强度与耐磨性校核球铰的损坏形式主要有球销的断裂与球头的磨损，因此所选定的球铰应满足以下条件：bWFC/≤300MpaAF/≤25～30Ma式中F——作用于球头上的力；C——球头悬臂部分的尺寸（参见图5—13）；bW——球销计算截面的弯曲截面系数；A——球头承载表面在通过球心并与力F相垂直的平面上的投影面积。