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今天的材料:会议记录5 (2018)5154-5164
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ICMPC 2017
超轻型汽车齿轮齿条转向系统塑料齿轮的设计与分析
Ashwin Chopane, Shanu Gupta, Abhiram Ajit, Sushant Kakroo, Aniket Salveabcde
UG学者，印度浦那大学机械工程系VIIT Pune，浦那大学411048;
助理教授，印度浦那大学机械工程系VIIT Pune，浦那大学411048
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摘要
塑料齿轮的定位是作为传统金属齿轮应用的替代品。塑料齿轮的应用已经从低功率、精密运动传动扩展到要求更高的动力传动应用。在汽车中，转向系统是最重要的系统之一，用来控制车辆方向和稳定性的系统。为了有一个有效的转向系统，个人应该考虑齿轮和齿条的材料和性能。在汽车的转向系统中使用塑料齿轮比目前传统的金属齿轮有很多优点。高性能塑料如玻璃纤维增强尼龙66有更少的重量，耐腐蚀，无声运行，低摩擦系数和运行时无需外部润滑。此外，塑料齿轮可以像金属齿轮一样切割，加工精度高，公差小。在超轻型汽车中，重量、系统的简便性和准确性至关重要。这些要求使塑料齿轮传动系统成为理想选择。本文分析了在考虑塑料齿轮保持接触应力和弯曲应力的情况下，对一种配方超跑汽车转向系统进行改造的可能性。综上所述，与传统的金属齿轮相比，在超轻型汽车转向系统中使用高强度工程塑料将使该系统更轻、更高效。
copy;2017爱思唯尔有限公司保留所有权利。
根据第七届材料加工与表征国际会议的要求进行选择和/或同行评审。
关键词:尼龙66;齿条;转向系统;FSAE;有限元分析软件
相应的作者。电话: 91-9960263773电子邮件地址:ashwinchopane27@gmail.com
爱思唯尔有限公司保留所有权利。
根据第七届材料加工与表征国际会议的要求进行选择和/或同行评审。
阿什温·肖邦等人/今日材料:论文集5 (2018)5154-5164
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1.介绍
汽车工程师协会(SAE)是一个为本科工程师举办竞赛的组织，学生们在这里设计和制造自己的汽车并参加竞赛。SAE Supra是其中之一，它需要设计和建造的F3型汽车。我们需要在设计上不断创新，用更轻、更高效的部件(如齿轮、外壳、安装支齿条等)取代传统的使用部件，以获得最大的性能输出。
传动装置被认为是电力传动系统的支柱。在当今时代，人们对汽车传动系统的可靠性提出了更高的要求。为了满足这些要求，人们尝试用塑料齿轮代替金属齿轮。研究和准确分析齿轮系统对有效功率传动的要求具有重要意义。塑料齿轮被认为比金属齿轮更方便，因为它们易于设计和制造。从研究的各种高性能塑料中，发现增强尼龙66和尼龙66等热塑性塑料是未来轻载应用的工程材料。纤维强度增强了材料的机械强度，从而提高了弯曲强度。本文对一种采用塑料齿轮的方程式超跑汽车的转向系统进行了重新设计。转向系统的功能是根据驾驶员的指令输入对前轮进行转向，从而对车辆进行全面的方向控制。转向几何使用阿克曼，因为它是广泛使用和简单的设计。所用的材料是玻璃纤维增强尼龙66。与碳纤维增强材料相比，玻璃纤维增强材料具有更好的力学性能和更低的成本。重新设计转向系统将涉及寻找新的尺寸和参数的齿条和齿轮，基于价值来给定的车辆设计。利用CREO参数化软件进行了装配体的虚拟样机设计，并利用ANSYS软件进行了分析。由于齿条与齿轮之间存在传递力、滑动摩擦和滚动接触，为了检验分析结果和应力值，进行了接触分析。
2.文献综述:
Joseph L. Elmquist等人研究并得出结论:现代工业化水平和机器依赖对高效机械系统的需求，而影响系统效率的一个主要因素是用于制造系统的材料。塑料、陶瓷等复合材料被广泛应用
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代替传统的金属系统。高性能塑料与标准塑料和工程塑料的区别主要在于它们的温度稳定性，但也在于它们的化学性能和机械性能、产量和价格。Matthew Jaster等人解释了塑料机械部件替代金属部件的有效性。对塑料齿轮的研究表明，它们能显著降低系统的噪声、磨损和重量。塑料齿轮的应用研究也表明塑料齿轮在汽车系统中的适用性。在低速行驶时，使用塑料齿轮的汽车系统的噪音和振动会大幅度降低。塑料齿轮的使用也降低了整个系统的成本。塑料齿轮用于助力车的变速箱，其成本被发现低于金属齿轮。Amarjeet R. Gupta etal。[4]。汽车轻量化、低成本、高性能的要求在竞争激烈的市场中显得尤为重要。Saurabh Borse等人的[5]强调了高效转向系统在高性能汽车中的重要性，如何在子系统配置的最小变化，如悬齿条，在转弯过程中打破影响系统的性能。
要在竞争车辆中设计任何系统，都必须遵循约束条件。SAE超规则要求设计轴距最小为1525mm的车辆。FSAE超规则手册[6]。根据Catherin j . et al。[7]的各种高性能塑料,它已被观察到,玻璃纤维增强尼龙66是非常适合齿轮制造、以及温度的影响的总位移和转矩齿轮比转速发现更有影响力。Van Melick等人的[8]解释说，在塑料对塑料直齿圆柱齿轮副中，载荷分配是围绕节距对称的，接触路径的扩展垂直于渐开线齿轮的理论接触线。陈永康等人通过对塑料与塑料在反共形、未润滑、滚动滑动接触等大范围滑移比和运行速度下的试验，研究了聚合物齿轮的失效机理。Abhijit Mahadev Sankpal等人的[10]得出的结论是，齿轮的模数设计是一个重要的因素;接触应力随模量的增加而减小。用齿轮副接触分析的有限元方法验证了这一结论。
3.转向系统设计:
3.1.转向几何形状和参数:
根据超大车公式的尺寸规定，以最小轴距、轨道宽度和最大转弯半径为参考，以汽车底盘和子系统为参考，以[6]为依据
最小轴距:1525mm
最大转弯半径:4000mm
几何布局是设计中最重要的步骤，因为转向几何形状决定了车辆在不同的路面条件下，如颠簸、颠簸、转弯等的可操作性。悬齿条系统对车辆的转向性能也有重要的影响，因此，需要结合悬齿条几何和转向几何来设计高效的悬齿条系统。转向几何设计涉及到对车辆悬齿条系统的简要研究。考虑了系统在动态条件下的静态外倾角、外倾角变化率、静态外倾角和外倾角变化率以及侧倾转向等参数，进行了系统的有效设计。通过使用LOTUS软件研究系统在不同动态条件下的不同行为参数，确定了最佳悬齿条几何形状。用于仿真和研究前悬齿条几何形状的转向悬齿条相关参数如下:
图1所示。莲花前悬几何。
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进行了大量的迭代，在这一阶段的最后，高效悬齿条系统的性能参数确定如下:
bull;转向臂长:96mm
bull;阿克曼角(alpha;):
结果表明，在上述参数下，动态趾高和外倾角的变化率可以忽略不计。根据Ackerman的转向几何图形，也就是一个四连杆机构，图形化地完成了转向几何图形的设置。计算设计参数如下表1、表2、表3所示。
表1。输入参数的转向几何。
|
输入参数 |
价值 |
|
磁道宽度(b) |
1100mm |
|
轴距(左) |
1550mm |
|
转向臂长度(L) |
96mm |
|
阿克曼角(alpha;) |
15° |
3.2.转向系统的材料
表2。计算几何设计参数[11]
|
参数 |
价值 |
|
内部锁角(theta;) |
47° |
|
外锁角(phi;) |
30° |
|
前内轮转弯半径(Ri) |
2119mm |
|
前外轮转弯半径(Ro) |
3100mm |
|
齿条旅游 |
112mm |
|
转弯半径 |
3000mm |
转向系统的材料要求操作精确，重量轻。虽然精度和重量是最优先考虑的，但成本、可制造性和可靠性也被考虑在内。转向系统的精度来自于高制造公差和最小挠度。任何部件的缺陷都会导致转向顺从，导致转向系统反应迟钝。尼龙可作为复合材料的基体材料，与玻璃、碳纤维等增强纤维配合使用，其密度高于纯尼龙。这种热塑性复合材料经常用于发动机旁的汽车部件，如进气歧管，这些材料的良好耐热性使它们成为金属的有力竞争者。转向齿条和齿轮一般由铝或钢制成。一个塑料齿轮由30%的玻璃填充尼龙66提供足够的强度，并有更多的强度比未填充尼龙66。尼龙的使用提供了更轻的重量，它在成本上比钛和碳纤维更便宜，而且易于机器。在考虑了所有的参数后，我们发现尼龙66提供了所需的强度，它很容易获得，并具有良好的可加工性，因此我们决定将其用于我们的目的。
4.塑料传动装置:
4.1．齿轮的类型:
选择了齿条和齿轮类型的应用。对于齿条和齿轮，齿轮轴需要相互平行，单轴负载是首选。然而，螺旋型齿轮更光滑，对相同的模数和齿数具有更强的强度，选择直齿型齿轮是为了避免轴向载荷，易于加工和简单。为了获得与直齿圆柱齿轮相同模数的螺旋齿轮的强度特性，可以对直齿圆柱齿轮进行修正。根据印度标准局的推荐和可制造性，选择了一种齿轮齿形。选择200全深度渐开线齿廓系统有以下优点:
bull;它降低了减价的风险
bull;减少干扰
由于压力角的增加，齿轮在根部变得稍微宽一些，这使得齿轮更坚固，增加了它的承载能力。它提供了更好的接触长度。
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Table.3。20°渐开线剖面的性质如下
|
参数 |
价值 |
|
压力角(phi;) |
20° |
|
附录(ha) |
米 |
|
齿根(ha) |
1.25m |
|
间隙(c) |
0.25m |
|
工作深度 |
2m |
|
整体深度 |
2.25m |
|
齿厚 |
1.5708m |
为避免干扰，20°渐开线齿形的最小齿数为17。
4.2．齿轮运动:
在悬臂梁的作用下，每个齿根都试图将梁从体中剪切出来。因此，材料需要具有较高的弯曲强度和刚度。下一个影响是摩擦力和线接触(赫兹接触应力)在表面产生的表面缺陷。齿轮的滚动作用使接触应力在接触点前呈压缩型。同时，由于啮合齿轮齿部的接触长度不同，也会发生滑动。这就产生了摩擦力，在接触点后形成区域拉应力。齿轮承受一定载荷能力的基本测量方法是估算齿轮的齿根强度。
4.2.1．准备弯曲应力:
利用刘易斯方程对标准形齿轮在节距线上的弯曲应力进行了分析
其中，F =齿距线上的切向载荷
=径节距。
b=面宽
Y =塑料齿轮的刘易斯形状系数，在节点加载。最严重的载荷发生时，齿加载切线作为节线。
4.2.2.接触应力:
这种应力会导致由于静载荷或疲劳作用而导致的齿断裂。齿轮的设计必须使动态表面应力在表面耐久极限之内。根据赫兹接触应力理论
该计算给出了表面应力大小与材料本身抗压强度的关系。
4.3.塑料齿轮的修改:
4.3.1.全角牙半径修改:
齿轮上的尖角是不受欢迎的，因为它们起着增加应力的作用。在一个齿
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