Расчет рулевого механизма

      В рулевом механизме проводят расчет рулевого колеса, рулевого вала и рулевой передачи.

Для рулевого колеса рассчитываются спицы на изгиб в месте крепления к ступице по формуле:

 

σ_из = ,                                                                                                  (9.40)

 

где l_сп – длина спицы;

d_сп –диаметр спицы;

z_сп – количество спиц

Рулевой вал рассчитывают на прочность по напряжениям кручения τ_кр  и на жесткость по углу закручивания θ_рв. При трубчатом сечении вала напряжение кручения определится по формуле:

 

τ_кр =  = ,                                                                                                          (9.41)

 

где М_кр – крутящий момент;

W_кр – момент сопротивления кручению;

d_Н и d_В – наружный и внутренний диаметры трубчатого вала; при сплошном вале d_В =0.

Угол закручивания такого вала определится по формуле:

 

θ_рв = ,                                                                                                                    (9.41)

  

 

где L_рв – длина рулевого вала;

I_р – полярный момент инерции сечения вала; I_р = ;

G –  модуль упругости при кручении.

  Рулевой вал изготавливают из стале марок 20, 35, 45. Допускаемое напряжение кручения [τ_кр] = 100МПа. Допускается закручивание рулевого вала не более [θ_рв] = 5⁰…8⁰ на один метр длины.

  Методика и последовательность расчета рулевой передачи зависит от ее конструкции.

       

Рис.9.25. Схема для расчета ролика и червяка: 1 –ролик; 2 – глобоидный червяк

 

В червячно-роликовой передаче (рис.9.25) червяк и ролик на прочность рассчитываются по контактным напряжениям сжатия:

σ_сж = ,                                                                                                                            (9.42)

 

где Q – осевая сила, определяемая по формуле:

 

Q = ,                                                                                                                           (9.43)

    

F_к – площадь контакта одного гребня ролика (рис.9.25), определяемая по формуле:

 

F_К = 0,5[(φ_р - sin φ_р)  + (φ_ч - sin φ_ч) ];                                                                          (9.44)

 

n – число гребней ролика;

r₀ -  начальный радиус червяка в наименьшем сечении;

β_ч – угол подъема винтовой линии червяка;

  φ_ч и φ_р – углы контакта соответственно червяка и ролика.

Червяк и ролик изготавливают из легированных сталей марок 35X, 40X, 15XH, 30XH, 12XH3A, 30XH3A. Допускаемое напряжение сжатия [ σ_сж ] = 2500…3500МПа.

В винто-реечной передаче пара винт-шариковая гайка рассчитываются на контактные напряжения сжатия по радиальной нагрузке на один шарик:

 

R_ш = ,                                                                                                                  (9.44)

 

где Q –  осевая сила в интовой паре, расчет которой аналогичен (9.43) при соответствующих среднем радиусе и угле наклона винтовой линии;

z_В – число рабочих витков винта;

n_ш – количество шариков, находящихся одновременно в зацеплении;

δ_кон – угол контакта шариков с канавками.

Контактные напряжения можно определить из выражения:

 

σ_сж = k_кр  ,                                                                                               (9.45)

 

где k_кр = 0,6…0,8 – коэффициент кривизны соприкасающихся поверхностей;

  Е – модуль упругости первого рода;

  d_ш и d_к – диаметры канавки винта и шарика.

Допускаемые контактные напряжения сжатия в этой паре зацепления [ σ_сж ] = 2500 … 3500МПа.

  В паре рейка – сектор зубья рассчитываются на изгиб и контактную прочность как прямозубые или косозубые шестерни по окружной силе:

 - при отсутствии рулевого усилителя окружное усилие на секторе-

 

P = ,                                                                                                                     (9.46)

 

где r_с – радиус начальной окружности сектора;

- при наличии рулевого усилителя, в котором цилиндр совмещен с рулевой передачей-

 

P =  + p_Ж  ,                                                                                                     (9.47)

где p_ж – давление жидкости в гидросистеме; p_ж = 6…8Мпа;

D_ц – диаметр гидроцилиндра усилителя.

Напряжение изгиба зуба для прямозубой пары может быть определено по формуле

 

σ_из = 0,36 ,                                                                                                                   (9.48)             

 

где b – ширина зуба;

m_н – нормальный модуль;

y – коэффициент формы зуба.

Напряжение изгиба для косозубой пары может быть определено по формуле

 

σ_из = 0,24 .                                                                                                                   (9.49)             

Контактные напряжения сжатия определяются по формуле:

 

σ_сж = 0,418cosβ ,                                                                                               (9.50)        

 

где α – угол зацепления;

r_с – радиус начально окружности сектора.

       В качестве материала при изготовлении сектора используются стали марок 18ХГТ, 30Х, 40Х, 20ХН3А. Допускаемые напряжения изгиба [ σ_из ] = 300…400МПа; допускаемые контактные напряжения сжатия составляют [ σ_сж ] =23НRC или [ σ_сж ] = 1500МПа.