循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計（另全套圖紙）

1、目錄1 緒論11.1課題背景11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.3 研究目的及意義31.4 研究內(nèi)容和設(shè)計方法32 轉(zhuǎn)向器的設(shè)計42.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介42.2 機械轉(zhuǎn)向系52.2.1 轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)62.2.2 轉(zhuǎn)向器62.2.3 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)82.3 轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù)82.3.1 轉(zhuǎn)向器的效率82.3.2 傳動比的變化特性102.4 主要尺寸參數(shù)的選擇122.4.1 螺桿、鋼球、螺母傳動副設(shè)計152.4.2 齒條、齒扇傳動副設(shè)計192.5轉(zhuǎn)向器的計算和校核212.5.1循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件的強度計算212.5.2 轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑的確定243結(jié)論25致謝26摘要汽車是一種性能要求高，負荷變化大的運輸工

2、具。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車的關(guān)鍵部件之一，更需要了解和掌握。轉(zhuǎn)向器作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中最重要的組成部件，對它進行深入的研究便顯得意義重大。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要由螺桿、螺母、鋼球、轉(zhuǎn)向器殼體等組成，具有較高的傳動效率，操縱輕便，磨損較小，使用壽命長，近年來得到廣泛使用。根據(jù)現(xiàn)用的國家標準并依據(jù)輕型汽車的循環(huán)球轉(zhuǎn)向器數(shù)據(jù)，按照汽車設(shè)計的原則設(shè)計一款循環(huán)球轉(zhuǎn)向器，完成三維圖形和零件平面圖的繪制，使其能夠滿足現(xiàn)代轎車的國家標準要求。關(guān)鍵詞: 循環(huán)球;轉(zhuǎn)向器;設(shè)計;分析 abstractautomobile is a transport machine with high-performance and variab

3、le loads. steering system is one of the key components for vehicles and need to be understood and grasped. as the most important part of steering system, steering gear need to be studied importantly. circulating ball-type steering gear contains screw, nut, ball, steering gear housing, etc. it has ma

4、ny advantages, such as high transmission efficiency, light manipulation, less wear and long service life, so as to be widely used in recent years. according to current national standards and the ball steering vehicle data of bj2020, a cycle ball steering is designed by the automotive principles, and

5、 some three-dimensional graphics and rendering parts of the plan are completed, so as to meet the national standards of modern utility vehicle.key words: circulating ball;steering gear;design;analysis 1 緒論1.1課題背景轉(zhuǎn)向器還被稱為轉(zhuǎn)向機、方向機，它是轉(zhuǎn)向系中最重要的部件之一。轉(zhuǎn)向器的作用是：增大轉(zhuǎn)向盤傳到轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的力和改變力的傳遞方向。轉(zhuǎn)向器按結(jié)分類可分為很多種。但是現(xiàn)階段較常用的有齒

6、輪齒條式、蝸桿曲柄指銷式、循環(huán)球-齒條齒扇式、循環(huán)球曲柄指銷式、蝸桿滾輪式等。如果按照助力方式分類的話，又可以分為機械式（無助力）和動力式（有助力）兩種，其中動力轉(zhuǎn)向器又可以分為氣壓動力式、液壓動力式、電動助力式、電液助力式等種類。 （1） 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器是一種最常見的轉(zhuǎn)向器類型?；具\行配合是一對相互嚙合的小齒輪和齒條。轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)，齒條做直線運動。當(dāng)靠齒條來直接帶動橫拉桿時，就可以使得轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向。所以，這是一種最簡單的轉(zhuǎn)向器類型。它的優(yōu)點主要有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，轉(zhuǎn)向靈敏，體積小，直接帶動橫拉桿。在汽車上得到廣泛應(yīng)用。 （2） 蝸桿曲柄銷式轉(zhuǎn)向器蝸桿曲柄銷式轉(zhuǎn)向

7、器，它是以蝸桿為主動件，曲柄銷為從動件的轉(zhuǎn)向器。蝸桿上有梯形螺紋，錐形指銷用軸承支撐在曲柄上，曲柄與轉(zhuǎn)向搖臂軸連成一體。轉(zhuǎn)向時，通過轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動蝸桿，嵌于蝸桿螺旋槽中的錐形指銷一邊自轉(zhuǎn)，一邊繞轉(zhuǎn)向搖臂軸做圓弧運動，帶動轉(zhuǎn)向垂臂和曲柄擺動運動，然后再通過轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向。這種轉(zhuǎn)向器通常應(yīng)用于轉(zhuǎn)向力較大的載貨汽車上。 （3） 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器這種轉(zhuǎn)向器是用齒輪機構(gòu)把從轉(zhuǎn)向盤來的旋轉(zhuǎn)力減速，使轉(zhuǎn)向盤旋轉(zhuǎn)運動變轉(zhuǎn)為渦輪蝸桿的旋轉(zhuǎn)運動，滾珠螺桿和螺母夾著鋼球，使得滾珠螺桿的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，螺母與扇形齒輪嚙合，直線運動重新轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，使連桿臂搖動。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的原理是應(yīng)用了螺母與螺栓在旋

8、轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的相對移動，而在螺紋與螺紋之間夾入了鋼球，可以減小阻力，所有的鋼球都在一個首尾相連的封閉的螺旋曲線導(dǎo)管內(nèi)循環(huán)滾動，循環(huán)球式故而得名。 （4） 齒輪齒條液壓助力轉(zhuǎn)向器齒輪齒條液壓助力轉(zhuǎn)向器的名字是相對齒輪齒條機械轉(zhuǎn)向器而言的，主要是在齒輪齒條機械轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)向油泵、油壺、油管、閥等部件，目的是改善駕駛員手感，增加轉(zhuǎn)向助力。進入90年代以來，汽車已經(jīng)融入我們的生活，我國的經(jīng)濟實力不斷增強，人民生活水平大幅度提高，同時也反映出民族汽車工業(yè)的巨大進步。作為汽車最關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)向機構(gòu)得到了相應(yīng)的發(fā)展，基本已形成了專業(yè)系列生產(chǎn)的局面。有資料顯示，國外有許多的國家的轉(zhuǎn)向器廠家，都已經(jīng)形成了

9、大規(guī)模生產(chǎn)模式，單年產(chǎn)超過百萬臺，壟斷轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)，并且銷售向全世界各地。汽車轉(zhuǎn)向器從結(jié)構(gòu)類型分類可以分成很多種，從現(xiàn)在轉(zhuǎn)向器使用的普遍程度來看，主要的轉(zhuǎn)向器類型有四種：有蝸桿銷式轉(zhuǎn)向器、蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器、齒輪齒條式型轉(zhuǎn)向器。這四種轉(zhuǎn)向器類型，已經(jīng)被廣泛使用在汽車上。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器和齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，已經(jīng)成為世界汽車上最普遍使用的兩種轉(zhuǎn)向器；而蝸輪-蝸桿式轉(zhuǎn)向器和蝸桿銷式轉(zhuǎn)向器，正在逐漸被淘汰。在小客車轉(zhuǎn)向器的發(fā)展上，觀點各異，美國主要發(fā)展循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，比率將近90%以上；而西歐主要發(fā)展齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，比率超過50%，而法國已經(jīng)高達95%。在全世界范圍內(nèi)，汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器

10、占45%左右；齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器在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%左右。所以說循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器有很大的發(fā)展空間。日本汽車轉(zhuǎn)向器的特點是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占的比重變得越來越大，日本不同類型汽車不同型號發(fā)動機上，分別采用了不同類型轉(zhuǎn)向器，在公共汽車中使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器已發(fā)展到100%了。大型貨車小型貨車中，也大都采用了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器；但齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器有所發(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%。由于循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器發(fā)展的優(yōu)勢所在，在中、小型號的車輛上都有非常好的發(fā)展空間。由此我們可以很輕易看出循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計具有非常重要的意義，其應(yīng)用前景也會變得越來越好

11、。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器是汽車上一種常用的轉(zhuǎn)向器，主要由螺桿、螺母、鋼球、轉(zhuǎn)向器殼體等組成。因螺母與螺桿之間沒有滑動摩擦，只有鋼球與螺桿及螺母之間的滾動摩擦，所以循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器具有較高的傳動效率，由于有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，逐漸的被齒輪齒條式取代。但隨著動力轉(zhuǎn)向的應(yīng)用以及道路行駛條件的改善，“打手”的現(xiàn)象明顯減少，正向傳動效率很高（最高可達9095%），操縱輕便，使用壽命長，各種優(yōu)勢逐漸得到體現(xiàn)，因此目前再次得到廣泛使用。汽車車速的快速提高，需要汽車在高速行駛時有非常好的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向器必須具有相對有較高的剛度要求。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器通過大量鋼球的滾動接觸來傳遞轉(zhuǎn)向力，具有較大的強度和

12、較好的耐磨性。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的間隙可以調(diào)整，齒條齒扇副磨損后可以重新調(diào)整間隙，使之具有合適的轉(zhuǎn)向器傳動間隙，從而提高轉(zhuǎn)向器壽命，因此適用范圍越來越廣。我國的轉(zhuǎn)向器也在向以循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器為主的方向發(fā)展。1.3 研究目的及意義本次畢業(yè)設(shè)計主要是針對汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，根據(jù)一些指定的參數(shù)結(jié)合汽車設(shè)計和其他相關(guān)書籍中關(guān)于轉(zhuǎn)向器的理論知識設(shè)計一款循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，確定其相關(guān)參數(shù)，使設(shè)計出的轉(zhuǎn)向器符合使用要求。本文通過對一款循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計，使其能夠滿足輕型轎車的需要，并為其今后拓展應(yīng)用領(lǐng)域奠定理論設(shè)計基礎(chǔ)。1.4 研究內(nèi)容和設(shè)計方法研究內(nèi)容：（1） 調(diào)研收集課題相關(guān)資料。結(jié)合畢業(yè)設(shè)計課題進行必要的文獻

13、檢索，查閱、收集、整理、歸納技術(shù)文獻和科技情報資料；（2） 深入學(xué)習(xí)并掌握汽車設(shè)計、汽車構(gòu)造等專業(yè)知識；了解循環(huán)球轉(zhuǎn)向器設(shè)計的指導(dǎo)思想和設(shè)計原則；（3） 掌握汽車設(shè)計的方法和步驟，參考有關(guān)資料、手冊和標準，對各總成部件進行選型、計算、校核等；（4） 計算循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要參數(shù)，并對其重要部件進行強度校核，確定相關(guān)參數(shù)、材料以及裝配要求。繪制循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的三維模型，按照標準和生產(chǎn)工藝要求，繪制汽車轉(zhuǎn)向器總裝配圖和主要零件圖。設(shè)計方法：根據(jù)設(shè)計中已知參數(shù)并結(jié)合理論知識，分析并計算得到循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后利用相關(guān)經(jīng)驗公式對轉(zhuǎn)向器的重要部件進行強度校核，校核的結(jié)果不符合國家相關(guān)要求則

14、需要重新計算，當(dāng)結(jié)果滿足要求的時候，可確定其相關(guān)幾何尺寸并完成圖紙的繪制，結(jié)束本論文的設(shè)計工作。2 轉(zhuǎn)向器的設(shè)計2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來保持或者改變汽車行駛方向的機構(gòu)，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。按照中華人民共和國國家標準gb17675-1999和汽車設(shè)計可知，其轉(zhuǎn)向器的設(shè)計要求如下3：（1） 方向盤必須左置。（2） 不得單獨以后輪作為轉(zhuǎn)向車輪。（3） 不得裝用全動力轉(zhuǎn)向機構(gòu)。（4） 轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向車輪的偏轉(zhuǎn)必須是漸進的。（5） 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須有足夠的剛度且堅固耐用，以確保行駛安全。（6） 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須保證駕駛員在正常駕駛操作位置上能方便、準確地操作，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在任何操作位置上不得與其

15、他零部件有干涉現(xiàn)象。（7） 汽車轉(zhuǎn)向車輪應(yīng)有自動回正能力，以保持汽車穩(wěn)定的直線行駛。（8） 后輪也做轉(zhuǎn)向車輪的汽車，具有二根和二根以上轉(zhuǎn)向車軸的全掛車和具有一根和一根以上轉(zhuǎn)向車軸的半掛車，以80kmh（設(shè)計車速計）的車速行駛時，駕駛員必須能在不做異常轉(zhuǎn)向修正的條件，保持汽車直線行駛。（9） 以10kmh車速、24m轉(zhuǎn)彎直徑前行轉(zhuǎn)彎時，不帶助力時轉(zhuǎn)向力應(yīng)小于245n，帶助力轉(zhuǎn)向但助力轉(zhuǎn)向失效時，其轉(zhuǎn)向力應(yīng)小于588n，機動動作時間正常情況下不得大于4s，帶助力轉(zhuǎn)向但助力失效時不得大于65。左右兩個方向都要試驗。（10） 當(dāng)汽車前行向左或向右轉(zhuǎn)彎時，轉(zhuǎn)向盤向左向右的回轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向力不得有顯著差異。（

16、11） 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的液壓、氣壓或電氣部件部分或全部失效后，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須有控制汽車行駛方向的能力。（12） 當(dāng)助力轉(zhuǎn)向裝置本身無獨立的輔助動力源時，必須設(shè)有蓄能器。如使用壓縮空氣，貯氣筒上必須設(shè)有單向閥。（13） 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所有零部件的設(shè)計、結(jié)構(gòu)和安裝，必須保證駕駛員正常操作時不會鉤掛駕駛員的衣服和飾物；不得有撞車時會加重駕駛員傷害的粗糙表面或尖銳棱角，維修保養(yǎng)時應(yīng)該容易接近。2.2 機械轉(zhuǎn)向系機械轉(zhuǎn)向系以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源，所有的傳力件都是機械連接的。機械轉(zhuǎn)向系共由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)三大部分組成。駕駛員對轉(zhuǎn)向盤施加的轉(zhuǎn)向力矩通過轉(zhuǎn)向軸輸入轉(zhuǎn)向器。從轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向傳動軸這一系列

17、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。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，再傳給固定于轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向節(jié)臂，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)。2.2.1 轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)由方向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向管柱等組成4，它的作用是將駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的操縱力傳給轉(zhuǎn)向器。2.2.2 轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向器是完成由旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動的一組齒輪機構(gòu)，也是轉(zhuǎn)向系中的減速傳動裝置。目前比較常用的有齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器、循環(huán)球曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器、蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器、循環(huán)球-齒條齒扇式轉(zhuǎn)向器、蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器等。

18、循環(huán)球式和齒輪齒條式，是當(dāng)今世界汽車上最主要使用的兩種轉(zhuǎn)向器；蝸桿式轉(zhuǎn)向器和蝸桿銷式轉(zhuǎn)向器，正在逐步被淘汰。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的特點是：效率高，操縱輕便，有一條平滑的操縱力特性曲線。安裝方便。適用于大、中型車輛和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用；有便于駕駛員操縱信號。，滿足了操縱輕便的要求。中間位置的轉(zhuǎn)向力小、而且經(jīng)常使用，則要求轉(zhuǎn)向非常靈敏，因此要使中間位置速比小，才可以提高靈敏性。大角度轉(zhuǎn)向位置轉(zhuǎn)向阻力相對較大，但使用次數(shù)較少，因此希望大角度位置速比大一些，才可以減小轉(zhuǎn)向力。由于循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器可實現(xiàn)變速比，應(yīng)用范圍正在變得日益廣泛。應(yīng)用大量鋼球的滾動接觸傳遞轉(zhuǎn)向力，具有相對較大的強度和較好的耐磨性。并且該轉(zhuǎn)向

19、器也可以被設(shè)計成具有等強度結(jié)構(gòu)的，這也是它應(yīng)用廣泛的原因之一。變速比類型的結(jié)構(gòu)具有相對較高的剛度，特別適合高速車輛車速提高時的要求。高速車輛需要汽車在高速時具有相對較好的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，保證轉(zhuǎn)向器具有相對較高的剛度。圖2-1 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器內(nèi)有一根蝸桿?？梢詫⑥D(zhuǎn)向器想象成兩部分。第一部分是帶有螺紋孔的螺母。此螺母外圍有切入的輪齒，這些輪齒與驅(qū)動轉(zhuǎn)向搖臂的齒輪相結(jié)合。方向盤連接在螺桿上，螺桿則插在螺母的孔內(nèi)。轉(zhuǎn)動方向盤時，螺桿轉(zhuǎn)動螺栓。由于螺栓與螺母之間式相對固定的，因此在旋轉(zhuǎn)時，它不會像普通螺栓那樣鉆入螺母內(nèi)中，而是帶動螺母移動，然后驅(qū)動轉(zhuǎn)動車輪的齒輪。螺栓并不是與金屬塊上的螺紋結(jié)合

20、在一起，所有螺紋中都填滿了滾珠軸承，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時，這些滾珠將循環(huán)轉(zhuǎn)動。滾珠軸承有兩個作用：第一，減少齒輪的摩擦和磨損；第二，減少齒輪的溢出。如果齒輪溢出，則會在轉(zhuǎn)動方向盤時感覺到。而如果轉(zhuǎn)向器中沒有滾珠，輪齒之間會暫時脫離，從而造成方向盤松動。循環(huán)球式系統(tǒng)中的動力轉(zhuǎn)向工作原理與齒條齒輪式系統(tǒng)類似。其輔助動力也是通過向金屬塊一側(cè)注入高壓液體來提供的。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相對于汽車的行駛安全至關(guān)重要，因此汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的零件也都被稱為保安件。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器一般有兩級傳動副，第一級是螺桿螺母傳動副，第二級是齒條齒扇傳動副。為了降低轉(zhuǎn)向螺桿轉(zhuǎn)向螺母之間的摩擦力，二者之間的螺紋并不是直接接觸的狀態(tài)，在其中間裝有多

21、個鋼球，以實現(xiàn)滾動摩擦代替滑動摩擦。轉(zhuǎn)向螺桿和螺母上都被加工出了斷面輪廓為不同心圓弧組成的近似半圓的螺旋槽。他們的螺旋槽能配合在一起形成一個近似為圓形斷面的螺旋管狀通道。螺母側(cè)面有兩對通孔，可將鋼球通過孔塞入螺旋形通道內(nèi)。轉(zhuǎn)向螺母上安裝有兩根鋼球?qū)Ч?，?dǎo)管的兩個端口分別插入螺母側(cè)面的一對通孔中。導(dǎo)管內(nèi)也裝滿鋼球。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動時，通過鋼球?qū)⒘鬟f到轉(zhuǎn)向螺母，螺母會沿著軸向移動。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。在轉(zhuǎn)向器運行時，兩列鋼球在各自的封閉流道內(nèi)循環(huán)滾動，不會脫落出來。2.2.3 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的功用是將轉(zhuǎn)向器輸出的力和運動傳到轉(zhuǎn)向橋兩側(cè)的

22、轉(zhuǎn)向節(jié)，使兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，且使二轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角按一定關(guān)系變化，以保證汽車轉(zhuǎn)向時車輪與地面的相對滑動盡可能小。2.3 轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù)2.3.1 轉(zhuǎn)向器的效率功率自轉(zhuǎn)向軸輸入，經(jīng)由轉(zhuǎn)向搖臂軸輸出求得的效率稱之為正效率，用符號表示，；反之則稱為逆效率，用符號表示，。為轉(zhuǎn)向器摩擦功率；為轉(zhuǎn)向搖臂軸功率。轉(zhuǎn)向時駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時輕便穩(wěn)定，則要求正效率高，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的過程中，又要有一定的逆效率。減輕在不平路面上行駛時駕駛員的疲勞程度，車輪與路面之間的作用力傳回到轉(zhuǎn)向盤上時要盡可能的小，這要求逆效率必須盡可能的低。 (1) 轉(zhuǎn)向器類型、轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)特點與轉(zhuǎn)向效率滾針軸承

23、和球軸承等三種結(jié)構(gòu)之一。滾針軸承除滾輪與滾針之間有摩擦損失外，滾輪側(cè)翼與墊片之間還存在著一定的滑動摩擦損失，因此這種轉(zhuǎn)向器的效率不高，另外兩種結(jié)構(gòu)在前面說的四種轉(zhuǎn)向器中，齒輪齒條式、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的正效率都相對比較高，而蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的正效率要低的多。同一類型的轉(zhuǎn)向器，因結(jié)構(gòu)不同也會使得效率不一樣。如蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的滾輪與支持軸之間使用的軸承可以選用滾針軸承、圓錐滾子軸的轉(zhuǎn)向器效率，根據(jù)試驗結(jié)果分別為70%和75%。(2) 轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和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 （2-1）式中， 為螺桿的螺線導(dǎo)程角：為摩擦

24、角，；為摩擦因數(shù)。取為7；取0.03，；根據(jù)逆效率的大小，轉(zhuǎn)向器又分為可逆式、極限可逆式和不可逆式。路面反作用在車輪上的力，經(jīng)過轉(zhuǎn)向系會大部分的被傳遞回轉(zhuǎn)向盤，這種逆效率相對較高的轉(zhuǎn)向器屬于可逆式的。它能保證轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤可以自動回正。這不僅減輕了駕駛員的疲勞，也提高了行駛安全性。但是，在不平的路面上行進時，車輪受到的沖擊力大部分傳至轉(zhuǎn)向盤，引起駕駛員“打手”，使駕駛員精神緊張；如果長時間在不平的路面上行進，會使駕駛員疲勞，影響安全駕駛。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。沖擊力由轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的零件承受，因此會使得零件特別容易損壞。同時，它不能保證車輪自動回正，

25、駕駛員對路面感覺非常低，因此，現(xiàn)代汽車已經(jīng)不使用這種類型的轉(zhuǎn)向器了。極限可逆式轉(zhuǎn)向器的情況則介于上述兩者之間。在車輪受到?jīng)_擊力作用時，反力只有相對較小一部分的力傳回轉(zhuǎn)向盤。它的逆效率相對比較低，而在不平路面上行駛時，駕駛員并不十分緊張，同時，零件受到的沖擊力也沒有不可逆式轉(zhuǎn)向器的大。如果只考慮到嚙合副的摩擦損失，則可用以下公式做出計算 （2-2）式（2-1）和（2-2）表明：導(dǎo)程角增大時，正效率逆效率都增大。受增大的影響，不應(yīng)取得太。而當(dāng)導(dǎo)程角小于或等于摩擦角時，逆效率小于等于零，此時則表明該轉(zhuǎn)向器屬于不可逆式轉(zhuǎn)向器。2.3.2 傳動比的變化特性(1) 轉(zhuǎn)向系傳動比 轉(zhuǎn)向系的傳動比包括轉(zhuǎn)向系的

26、角傳動比、力傳動比。輪胎接地面中心作用在兩個轉(zhuǎn)向輪上的合力與作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力的比，稱為力傳動比，即 （2-3）轉(zhuǎn)向盤角速度 與轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度 之比，為轉(zhuǎn)向系角傳動比。 （2-4） 式中的為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角增量；為轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角增量；為時間增量。轉(zhuǎn)向系角傳動比又由角傳動比和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)角傳動比所組成， 。轉(zhuǎn)向盤角速度比搖臂軸角速度，稱為轉(zhuǎn)向器角傳動比。 （2-5）式中的為搖臂軸轉(zhuǎn)角增量。此定義適應(yīng)于除齒輪齒條式之外的轉(zhuǎn)向器。搖臂軸角速度與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度之比，稱為轉(zhuǎn)向機構(gòu)的角傳動比，即 （2-6）(2) 力傳動比與轉(zhuǎn)向系角傳動比的關(guān)系輪胎與地面之間的阻力和作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向阻力矩之間有如下關(guān)系

27、 （2-7）式中，為主銷偏移距，指從轉(zhuǎn)向節(jié)主銷軸線的延長線與支撐平面的交點至車輪中心平面與支承平面交線間的距離。作用在方向盤上的手力可用下式表示 （2-8）式中的是作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩；是轉(zhuǎn)向盤直徑。將式（2-3）和（2-4）帶入后得到 （2-9）分析式（2-5）可知，當(dāng)主銷偏移距小時，力傳動比應(yīng)取的相對大一些才能保證轉(zhuǎn)向輕便靈活。通常值在0.40.6倍輪胎的胎面寬度尺寸范圍內(nèi)選取。本次設(shè)計用原有車型的數(shù)據(jù)。忽略摩擦損失，可用下式表示出 （2-10）將式（2-6）代入（2-5）后得到 （2-11）當(dāng)和不變時，力傳動比越大， 也越大，雖然轉(zhuǎn)向變得輕便了，但表明轉(zhuǎn)向不靈敏。(3) 轉(zhuǎn)向系的角傳動比

28、計算轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)角傳動比時，除用表示以外，還可以用轉(zhuǎn)向節(jié)臂臂長與搖臂長之比表示，即?，F(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)中，與的比值大約在0.851.1之間，可近似認為比值為1， 。因此，如果要研究轉(zhuǎn)向系的傳動比特性，只需要研究轉(zhuǎn)向器的角傳動比和的變化規(guī)律。(4) 角傳動比及其的變化規(guī)律式（2-7）表明：如果增大角傳動比，可以增加力傳動比。由可知，一定時，增大就可以減少作用在方向盤上的手力。2.4 主要尺寸參數(shù)的選擇 由設(shè)計要求汽車前軸載荷為6kn，再根據(jù)表（2-2）選擇齒扇模數(shù)為4。在確定齒扇模數(shù)后，轉(zhuǎn)向器其他參數(shù)根據(jù)表（2-1）和表（2-3）進行選取。表2-1 循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的主要參數(shù)參數(shù)數(shù)值齒扇模數(shù)/mm3.03

29、.54.04.55.06.06.5搖臂軸直徑/mm22263032323842鋼球中心距/mm20232528303540螺桿外徑/mm20232528293438鋼球直徑/mm5.5566.3506.3507.1448.000螺距/mm7.9388.7319.52510.00011.000工作圈數(shù)1.52.52.5環(huán)流行數(shù)2齒扇齒數(shù)55齒扇整圓齒數(shù)1213131415齒扇壓力角22302730切削角630630730齒扇寬/mm2225252725283028-3234383538表2-2 各類汽車循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的齒扇齒模數(shù)齒扇齒模數(shù)mmm3.03.54o4.55o6.06.5轎車發(fā)動機排量m

30、l500100018001600200020002000前軸負荷/n3500380047007350700090008300110001000011000貨車和大客車前軸負荷n300050004500750055001850070001950090002400017000370002300044000最大裝載kg350100025002700350060008000表2-3 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的部分參數(shù)模數(shù)m螺桿外徑螺紋升程螺母長度鋼球直徑齒扇壓力角齒扇切削角搖臂軸外徑3.0207.938()405.556()2230630730223.5238.731()455.556()22306307302

31、64.0259.525()486.350()2230630730295.02910.319()627.144()2230630730356.03410.319()727.144()2230630730386.53810.319()827.144()223063073042根據(jù)所選擇的齒扇模數(shù)，根據(jù)表（2-1）和表（2-3）選取對應(yīng)的參數(shù)為：鋼球直徑：5.556mm 螺距：8.731mm 工作圈數(shù)：1.5螺桿外徑：23mm 環(huán)流行數(shù)：2 螺母長度：45mm齒扇齒數(shù)：3.5 齒扇壓力角：2230 切削角：630齒扇寬：265mm2.4.1 螺桿、鋼球、螺母傳動副設(shè)計（1） 鋼球中心距螺桿外徑螺母內(nèi)

32、徑尺寸、如圖（2-6）所示圖2-2 螺桿 鋼球 螺母傳動副選取值的規(guī)律是隨著扇齒模數(shù)的增大，鋼球中心距也相應(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d1通常在2038mm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)徑應(yīng)大于，一般要求根據(jù)（表2-1）：得d=23mm ，=23mm ，mm圖2-3根據(jù)外形及參考數(shù)據(jù)繪制螺母的零件主視圖圖2-4根據(jù)外形及參考數(shù)據(jù)繪制螺母的零件左視圖（2） 鋼球直徑d及數(shù)量n鋼球直徑應(yīng)符合國家標準，一般常在69mm范圍內(nèi)，根據(jù)（表2-1）。取d=5.556mm。每個環(huán)路中的鋼球數(shù)可用下式計算： （2-12）式中，d為鋼球

33、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)；為螺線導(dǎo)程角，常取=58，則；代入數(shù)值解得n=19.50。圖2-5測量轉(zhuǎn)向螺桿的數(shù)據(jù)后繪制螺桿的零件圖（3） 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，見圖2-6，鋼球和滾道又四點接觸，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)。為了減小摩擦，螺桿和螺母溝槽的半徑應(yīng)大于鋼球半徑，一般取。在此我們?nèi)L道半徑為2.833mm,符合相應(yīng)的要求。圖2-6 四段圓弧滾道截面（4） 接觸角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

34、為接觸角。角多取為45，以使軸向力與徑向力分配均勻。（5） 螺距和螺旋線導(dǎo)程角 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角，對應(yīng)螺母移動的距離s為 (2-13)式中，p為螺紋螺距。螺距p一般在811mm內(nèi)選取。查表（2-1）得：取8.731mm 導(dǎo)程角= 5 8取。與此同時，齒扇節(jié)圓轉(zhuǎn)過的弧長等于，相應(yīng)搖臂軸轉(zhuǎn)過，其間關(guān)系可表示如下： （2-14）式中，r為齒扇節(jié)圓半徑。由式（2-12）、式（2-13）得，將對求導(dǎo)得循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器角傳動比為 (2-15)又根據(jù)表2-1 有；mm由式(2-14)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mm，符合要求。（6） 工作鋼球圈數(shù)w

35、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)時，會使參加工作的鋼球增多，就能降低接觸應(yīng)力，提高了承載能力；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圈兩種。一個環(huán)路的工作鋼球圈數(shù)的選取見（表2-1）。取w=1.5。螺桿鋼球螺母傳動副與通常的螺桿螺母傳動副的區(qū)別在于前者是經(jīng)過滾動的鋼球?qū)⒘τ陕輻U傳至螺母，變滑動摩擦為滾動摩擦。螺桿和螺母上的相互對應(yīng)的螺旋槽構(gòu)成鋼球的螺旋滾道。轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向盤經(jīng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動螺桿，使鋼球沿螺母上的滾道循環(huán)地滾動。為了形成螺母上的循環(huán)軌道，在螺母上與其齒條相反的一側(cè)表面(通常為上表面)需鉆孔與螺母的螺旋滾道

36、打通以形成一個環(huán)路滾道的兩個導(dǎo)孔，并分別插入鋼球?qū)Ч艿膬啥藢?dǎo)管。鋼球?qū)Ч苁怯射摪鍥_壓成具有半圓截面的滾道，然后對接成導(dǎo)管，并經(jīng)氰化處理使之耐磨。插入螺母螺旋滾道兩個導(dǎo)孔的鋼球的兩個導(dǎo)管的中心線應(yīng)與螺母螺旋滾道的中心線相切。螺桿與螺母的螺旋滾道為單頭(單螺旋線)的，且具有不變的螺距。轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向器左置時轉(zhuǎn)向螺桿為左旋，右置時為右旋。鋼球直徑約為69mm。鋼球直徑尺寸差應(yīng)不超過。顯然，大直徑的鋼球其承載能力亦大，但也使轉(zhuǎn)向器的尺寸增大。鋼球的數(shù)量也影響承載能力，增多鋼球使承載能力增大，但也使鋼球的流動性變差，從而需要降低傳動效率。經(jīng)驗表明在每個環(huán)路中以不大于60為好。2.4.2 齒條、齒扇傳動副設(shè)

37、計齒扇通常有5個齒，它與搖臂軸為一體。齒扇的齒厚沿齒長方向是變化的，這樣即可通過軸向移動搖臂軸來調(diào)節(jié)齒扇與齒條的嚙合間隙。由于轉(zhuǎn)向器經(jīng)常處于中間位置工作，因此齒扇與齒條的中間齒磨損最厲害。為了消除中間齒磨損后產(chǎn)生的間隙而又不致在轉(zhuǎn)彎時使兩端齒卡住，則應(yīng)增大兩端齒嚙合時的齒側(cè)間隙。這種必要的齒側(cè)間隙的改變可通過使齒扇各齒具有不同的齒厚來達到。即齒扇由中間齒向兩端齒的齒厚是逐漸減小的。為此可在齒扇的切齒過程中使毛坯繞工藝中心轉(zhuǎn)動，如圖2-8所示，相對于搖臂軸的中心有距離為的偏心。這樣加工的齒扇在齒條的嚙合中由中間齒轉(zhuǎn)向兩端的齒時，齒側(cè)間隙也逐漸加大，可表達為 （2-16）式中徑向間隙；嚙合角；齒扇

38、的分度圓半徑；搖臂軸的轉(zhuǎn)角。圖2-7 為獲得變化的齒側(cè)間隙齒扇的加工原理和計算簡圖圖2-8 用于選擇偏心n的線圖當(dāng)，確定后，根據(jù)上式可繪制如圖2-12所示的線圖，用于選擇適當(dāng)?shù)闹?，以便使齒條、齒扇傳動副兩端齒嚙合時，齒側(cè)間隙能夠適應(yīng)消除中間齒最大磨損量所形成的間隙的需要。齒條、齒扇傳動副各對嚙合齒齒側(cè)間隙的改變也可以用改變齒條各齒槽寬而不改變齒扇各輪齒齒厚的辦法來實現(xiàn)。一般是將齒條(一般有4個齒)兩側(cè)的齒槽寬制成比中間齒槽大0.200.30mm即可。本次設(shè)計采用直齒齒輪。2.5轉(zhuǎn)向器的計算和校核2.5.1循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件的強度計算為了進行強度計算，首先要確定其計算載荷。式(2-13)曾給出了

39、汽車在粗糙的硬路面上作原地轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向阻力矩，利用它可求得轉(zhuǎn)向搖臂上的力矩和在轉(zhuǎn)向盤上的切向力，它們均可作為轉(zhuǎn)向系的最大計算載荷。但對前軸負荷大的重型載貨汽車，用關(guān)系式計算出來的力，往往會超過司機在體力上的所能施展的力量。這時在計算轉(zhuǎn)向器的零件具體參數(shù)時，可取司機作用在轉(zhuǎn)向盤輪緣上的最大瞬時力。確定計算載荷后，即可計算轉(zhuǎn)向系零件的強度。汽車在瀝青路面上或混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩（nmm） （2-17）f取0.7；為前軸負荷（n）；輪胎氣壓（mpa）。由設(shè)計要求；確定計算載荷后，即可計算轉(zhuǎn)向系零件的強度。轉(zhuǎn)向系力傳動比： （2-18）為轉(zhuǎn)向系角傳動比；為轉(zhuǎn)向盤直徑取435mm；為主銷偏

40、移距。通常的值在0.40.6倍輪胎的胎面寬度尺寸范圍內(nèi)選取。取mm，所以作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向阻力和輪胎與地面之間的轉(zhuǎn)向阻力有如下關(guān)系再根據(jù)可求出作用在方向盤上的手力（1） 鋼球與滾道間接觸應(yīng)力 （2-19）式中k系數(shù)，根據(jù)ab查表2-5求得，其中ab用下式計算：； （2-20）螺桿與螺母滾道截面的圓弧半徑；鋼球直徑；a/b=0.05 因此，k取1.8；e材料彈性模量，；n每個鋼球與螺桿滾道之間的正壓力； ；轉(zhuǎn)向盤圓周力；轉(zhuǎn)向盤輪緣半徑；螺桿螺線導(dǎo)程角；鋼球與滾道間的接觸角；參與工作的鋼球數(shù)；鋼球接觸點至螺桿中心線之距離。； 那么則有表2-5 系數(shù)k與a/b的關(guān)系a/b1.00.90.80.70

41、.60.50.40.3k0.3880.4000.4100.4400.4680.4900.5360.600a/b0.20.150.10.050.020.010.007k0.7160.8000.9701.2801.82.2713.202當(dāng)鋼球與滾道的接觸表面的硬度為hrc5864時，許用接觸應(yīng)力可取為30003500mpa。（2） 齒的彎曲應(yīng)力齒扇上齒的彎曲應(yīng)力為，許用彎曲應(yīng)力為式中，為作用在齒扇上的圓周力；為齒扇的齒高；為齒扇的齒寬；為基圓齒厚。齒扇嚙合半徑；b取2.5.2 轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑的確定轉(zhuǎn)向搖臂軸的直徑可根據(jù)轉(zhuǎn)向阻力矩及材料的扭轉(zhuǎn)強度極限由下式確定： （2-21）式中，安全系數(shù)，根據(jù)使用條件可取2.53.5，取為3.0；轉(zhuǎn)向阻力矩，；扭轉(zhuǎn)強度極限，；轉(zhuǎn)向搖臂軸一般采用20crmnti、22crmnmo或20crni 3a鋼制造，表面滲碳，滲碳層深為0.81.2mm，重型汽車和前軸負荷大的汽車，則為1.051.45mm。淬火后表面硬度為5863hrc。轉(zhuǎn)向器殼體采用球墨鑄鐵qt40018或可鍛鑄鐵kth35010，kth37012制造。3結(jié)論根據(jù)一些指定的參數(shù)結(jié)合汽車設(shè)計和其他相關(guān)書籍中關(guān)于轉(zhuǎn)向器的理論知識來設(shè)計此轉(zhuǎn)向器的其他相關(guān)參數(shù)，使設(shè)計出的轉(zhuǎn)向器符合其基本的功能，齒輪齒扇的尺寸基本能滿足一般輕型汽車的需求。在現(xiàn)代汽車設(shè)計中，選擇變齒用于齒條齒扇傳動副上是其