循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計

1、2.4 主要尺寸參數(shù)的選擇長安福特?？怂?2.0 滿載前軸載荷為 51%M，g 再根據(jù)表（ 2-2 ）選擇齒扇模數(shù)為 4.5 。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)齒扇模數(shù) /mm3.03.54.04.55.06.06.5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

2、數(shù)2齒扇齒數(shù)55參數(shù)數(shù)值12141815齒扇整圓齒數(shù)13齒扇壓力角切削角22273030630630730齒扇寬 /mm22252534353028-322527283838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)m mm3.03.54O4.55O6.06.5發(fā)動機 排量5001000160020002000ml18002000轎車前軸負350047007000830010000荷/N3800735090001100011000前軸負 荷N300045005500700090001700023000貨車和大客車500075001850019500240003700044000最大

3、裝350100025002700350060008000載 kg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6 30 3.0207.938405.55622 30227 30 6 30 3.5238.731455.55622 30267 30 6 30 4.0259.525486.35022 30207 30 6 30 4.5289.525587.14422 30327 30 6 30 5.02910.319627.14422 30357 30 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

4、：鋼球直徑： 7.144mm 螺桿外徑： 28mm 齒扇齒數(shù)： 5 齒扇寬： 30mm螺距： 9.525mm 環(huán)流行數(shù)： 2 齒扇壓力角： 22 30工作圈數(shù)： 1.5 螺母長度： 58mm 切削角： 6 302.4.1 螺桿、鋼球、螺母傳動副設(shè)計1） 鋼球中心距 D螺桿外徑 D1螺母內(nèi)徑 D2尺寸 D、 D1 、 D2如圖（ 2-6 ）所示 7圖 2-6 螺桿 鋼球 螺母傳動副在保證足夠的強度條件下，盡可能將D 值取小些。選取 D 值的規(guī)律是隨著扇齒模數(shù)的增大，鋼球中心距 D 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 8 。螺桿外徑 D1通常在 2038m

5、m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 D2應(yīng)大于 D1 ，一般要求 D2 D1 （5% 10%） D 根據(jù)（表 2-1 ）：得 D=28mm D1=28mmD 2 D1 10%D 30.8 mm（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=7.144 mm。每個環(huán)路中的鋼球數(shù)可用下式計算：DW DW n（2-12 ）d cos 0 d式中， D為鋼球中心距； W為一個環(huán)路中的鋼球工作圈數(shù)； n 為不包括環(huán)流導管中的鋼球 數(shù) 9 ； 0 為螺線導程角，常取0 =58，則 cos 0 1 ；代入數(shù)值解得 n

6、=19。（ 3） 滾道截面當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 2-7 ，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 R2應(yīng)大于鋼球半徑 d/2 ，一般取 R2 （0.51 0.53）d 。在此我們 取滾道半徑為 3.643mm, 符合相應(yīng)的要求。圖 2-7 四段圓弧滾道截面（ 4） 接觸角。 角多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為接觸角 取為 45，以使軸向力與徑向力分配均勻。（5） 螺距 P 和螺旋線導程

7、角 0 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動 角，對應(yīng)螺母移動的距離 s 為 p(2-13)s2式中， P為螺紋螺距。螺距 P一般在 8 11mm內(nèi)選取。查表（ 2-1 ）得： P取 9.525mm導程角 0= 5 8取 0 7 。與此同時，齒扇節(jié)圓轉(zhuǎn)過的弧長等于 s，相應(yīng)搖臂軸轉(zhuǎn)過p ，其間關(guān)系可表示如下：s pr（2-14 ）式中， r 為齒扇節(jié)圓半徑。聯(lián)立式（ 2-12 ），式（ 2-13 ）得2 r P，將 對 p求導P 得循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器角傳動比 i 為2ri P （2-15）又 r mz/2 根據(jù)表 2-1 有 z 18 ； r mz/2 4.5 18/2 40.5mmP 已知，可求出轉(zhuǎn)向器的角傳動比 i 2

8、 40.5/ 9.525 26.72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（ 2-9 ）中的尺寸 b 越小，要求 b P d 2.5mm，符合要求。（ 6） 工作鋼球圈數(shù) W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)，參加工作的鋼球增多，能降低接觸應(yīng)力，提高承載能力；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

9、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打通以形成一個環(huán)路滾道的兩個導孔，并分別插入鋼球?qū)Ч艿膬啥藢Ч?。鋼球?qū)Ч苁?由鋼板沖壓成具有半圓截面的滾道，然后對接成導管，并經(jīng)氰化處理使之耐磨。插入螺母螺 旋滾道兩個導孔的鋼球的兩個導管的中心線應(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

10、右旋。鋼球直徑 d 約為 6 9mm。一般應(yīng)參考同類型汽車的轉(zhuǎn)向器選取鋼球直徑d ，并應(yīng)使之符合國家標準。鋼球直徑尺寸差應(yīng)不超過 128 10 5d 。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 n 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n 以不大于60 為好。2.4.2 齒條、齒扇傳動副設(shè)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

11、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 O1轉(zhuǎn)動，如圖 2-8 所示， O1相對于搖臂軸的中心 O有距離為 n 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 s 也逐漸加大， s可表達為s 2 r tan 2tan rw ncosn2cos2rw2 n2 （ 2-16 ）式中 r 徑向間隙；嚙合角；rw 齒扇的分度圓半徑；搖臂軸的轉(zhuǎn)角。圖 2-9 用于選擇偏心 n 的線圖當

12、 ， rw 確定后，根據(jù)上式可繪制如圖齒條、齒扇傳動副兩端齒嚙合時，齒側(cè)間隙2-12 所示的線圖，用于選擇適當?shù)?n 值，以便使s能夠適應(yīng)消除中間齒最大磨損量所形成的間隙齒條、齒扇傳動副各對嚙合齒齒側(cè)間隙 s 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) 10 。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 0.20 0.30mm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11 。式 (2-13) 曾給出了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

13、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。汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩（N m）即M R 3f Gp13R 3 pN）； p 輪胎氣壓（ MPa）。由查得的資料可知道長安福特?？?51% 1730 9.8 8646N ； p 0.25Mpaf 取 0.7 ； G1 為前軸負荷（ 斯 2.0 前軸負荷 51%Mg,因此 G1MR0.7

14、(8646)36 375.1N m3 0.25 106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：i i 0Dswi p 2a2-17)2-18)i 0 為轉(zhuǎn)向系角傳動比 i 0DSW 為轉(zhuǎn)向盤直徑取 380mm； a 為主銷偏移距通常 a 的值在 a 0.5 205 102.5 mm，所以i 26 .72 ；0.4 0.6 倍輪胎的胎面寬度尺寸范圍內(nèi)選取。取26.71 380502 102.5輪胎與地面之間的轉(zhuǎn)向阻力 FW 和作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向阻力 M R 有如下關(guān)系M R 375.1R 3 3659.5Na 102.5 10 3FWmax再根據(jù) ip 2FFhW 可求出作用

15、在方向盤上的手力Fh2iFpW 2 3659.5 146.38N501） 齒的彎曲應(yīng)力齒扇齒的彎曲應(yīng)力為6Fh2 ，許用彎曲應(yīng)力為Bs2w 540MPa式中， F 為作用在齒扇上的圓周力； h 為齒扇的齒高；B 為齒扇的齒寬； s 為基圓齒厚。齒扇嚙合半徑 r mz/2 4.5 18/2 40.5mm；h (2ha hc)m 2.25 4.5 10.125mm； sm/2 7.07mm；B取 27mmM R 375.1 3 9261.7Nr 40.5 10 36Fh 6 9261.7 10.125 w 2 2 416.9MPa 540MPa BsFmax227 7.0722.5.2 轉(zhuǎn)向搖臂軸

16、直徑的確定0 由下式確定：（ 2-21 ）轉(zhuǎn)向搖臂軸的直徑可根據(jù)轉(zhuǎn)向阻力矩M R及材料的扭轉(zhuǎn)強度極限d 3 0.2 0式中， k 安全系數(shù)，根據(jù)使用條件可取2.5 3.5 ，取 k為 3.0；M R轉(zhuǎn)向阻力矩， M R 375.1N m；0 扭轉(zhuǎn)強度極限， 0 200MPa ；kM R 3 375.1d 3 R 3 6 0.0304m 30.4mm0.2 0 0.2 200 106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0.8 1.2mm，重型汽車和前軸負荷大的汽車，則為1.05 1.45mm。淬火后表面硬度為 5863HR

17、C。轉(zhuǎn)向器殼體采用球墨鑄鐵 QT40018或可鍛鑄鐵 KTH350 10，KTH370 12制造 12 。3 二維工程圖3.1 二維工程圖3.1.1 零件圖的繪制12。圖 3-7 齒扇圖 3-7 為測量完齒扇軸的相關(guān)數(shù)據(jù)后繪制齒扇的零件圖圖 3-8 螺桿 圖 3-8 為測量轉(zhuǎn)向螺桿的數(shù)據(jù)后繪制螺桿的零件圖。圖 3-9 螺母主視圖 圖 3-9 為根據(jù)外形及參考數(shù)據(jù)繪制螺母的零件主視圖。圖 3-10 螺母左視圖 圖 3-10 為根據(jù)外形及參考數(shù)據(jù)繪制螺母的零件左視圖。103.1.2 總裝圖的繪制圖 3-11 總裝配圖主視圖圖 3-11 為最后將所有零件圖進行組裝，畫出的總裝圖主視圖。圖 3-12

18、總裝配圖左視圖圖 3-12 為最后將所有零件圖進行組裝，畫出的總裝圖左視圖。114 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 足一般轎車的需求。在現(xiàn)代轎車設(shè)計中，選擇變齒用于齒條齒扇傳動副上是其前沿發(fā)展趨勢， 本論文中只是采用直齒齒輪完成了初步的設(shè)計，因而其實物在傳動時將造成相關(guān)零件的磨損。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器效率高、操縱輕便；有一條平滑的操縱力特性曲線；布置方便，特別對 大中型車輛易于和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配合使用；易于傳遞駕駛員操縱信號，逆效率高、回位好， 與液壓助力裝置的動作配合得好；可以實現(xiàn)變速比，滿足了操縱輕便性的要求。中間位置轉(zhuǎn) 向力小、且經(jīng)常使用，轉(zhuǎn)向靈敏，減小轉(zhuǎn)向力。根據(jù)現(xiàn)行的汽車參數(shù)設(shè)計標準和參照相似類型車輛的技術(shù)狀況，本論文借用長安福特福 克斯 2.0 相關(guān)參數(shù)完成了初步的設(shè)計， 分析計算并選取了循環(huán)球轉(zhuǎn)向器設(shè)計過程中所需要的主 要參數(shù)，最終完成了自己的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計。通過此次的轎車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計， 初步