17號魏大熠汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計

1、汽車設(shè)計課程設(shè)計說明書題 目： 汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計 系 別： 機(jī)電工程系 專 業(yè)： 車輛工程 班 級： 本汽設(shè)101 姓 名： 魏 大 熠 學(xué) 號： 2010030643117 指導(dǎo)教師： 胡春平、譚 滔 日 期： 2013年6月 汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計摘要汽車是一種性能要求高，負(fù)荷變化大的運(yùn)輸工具。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)的重要組成部件，對它的深入的研究顯得意義重大。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要由螺桿、鋼球、螺母和轉(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，今年來得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)并按照汽車設(shè)計的原則設(shè)計一款循環(huán)

2、球轉(zhuǎn)向器，完成裝配圖和零件圖的平面繪制，使其能夠滿足現(xiàn)代商用車的國家標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車轉(zhuǎn)向器也在不斷的得到改進(jìn)，雖然電子轉(zhuǎn)向器已開始應(yīng)用，但機(jī)械式轉(zhuǎn)向器仍然廣泛地被世界各國汽車及汽車零部件生產(chǎn)廠商所采用。而在機(jī)械式轉(zhuǎn)向器中，循環(huán)球齒條-齒扇式轉(zhuǎn)向器由于其自身的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各級各類汽車上。關(guān)鍵詞：循環(huán)球；轉(zhuǎn)向器；螺桿；商用車目 錄1 轉(zhuǎn)向器總體概述11.1 轉(zhuǎn)向器的作用11.2 轉(zhuǎn)向器的分類11.3 轉(zhuǎn)向器的設(shè)計要求11.4 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器21.4.1 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)21.4.2 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的工作原理21.4.3 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的組成22 轉(zhuǎn)向器總成方案分析4

3、2.1 轉(zhuǎn)向器的設(shè)計特點(diǎn)42.2 轉(zhuǎn)向器的總成方案設(shè)計43 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要參數(shù)的選擇73.1 鋼球中心距D、螺桿外徑D1、 螺母內(nèi)徑D273.2 鋼球直徑d及數(shù)量n73.3 滾道截面93.4 接觸角93.5 螺距P和螺線導(dǎo)程角0103.6 工作鋼球圈數(shù)W103.7 導(dǎo)管內(nèi)徑d1103.8 轉(zhuǎn)向器的效率113.8.1轉(zhuǎn)向器的正效率+113.8.2 轉(zhuǎn)向器的逆效率-123.9軸的設(shè)計計算124 齒條、齒扇傳動副的設(shè)計144.1 齒條、齒扇傳動副的概述144.2 變厚齒扇144.2.1 變厚齒扇的分析144.2.2 變厚齒扇齒形的計算165 轉(zhuǎn)向器載荷的計算195.1 轉(zhuǎn)向器計算載荷的確定195

4、.2 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件強(qiáng)度計算205.2.1 鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力205.2.2 齒扇齒的彎曲應(yīng)力w215.2.3 轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑的確定216 總結(jié)22參考文獻(xiàn)23致謝241 轉(zhuǎn)向器總體概述1.1 轉(zhuǎn)向器的作用轉(zhuǎn)向器是用來保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛時，保證各轉(zhuǎn)向輪之簡有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。1.2 轉(zhuǎn)向器的分類轉(zhuǎn)向器分為機(jī)械式轉(zhuǎn)向器和動力式轉(zhuǎn)向器，機(jī)械式轉(zhuǎn)向器主要有齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿滾柱式、蝸桿指銷式。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器分為齒條齒扇式和曲柄銷式。1.3 轉(zhuǎn)向器的設(shè)計要求 （1）汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，全部車輪應(yīng)繞順時針方向旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應(yīng)有側(cè)滑。不滿足這項(xiàng)要求會加速輪胎磨損，

5、并降低汽車的行駛穩(wěn)定性。（2）汽車轉(zhuǎn)向行駛后，在駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤的情況下，轉(zhuǎn)向輪能自動返回到直線行駛位置，并穩(wěn)定行駛。（3）汽車在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不得產(chǎn)生振動，轉(zhuǎn)向盤沒有擺動。（4）轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置共同工作時，由于運(yùn)動不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺動應(yīng)最小。（5）保證汽車有較高的機(jī)動性，具有快速和小轉(zhuǎn)彎能力。（6）操縱輕便。（7）轉(zhuǎn)向輪碰到障礙物以后，傳給轉(zhuǎn)向盤的反沖力要盡可能小。（8）轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的球頭處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)。（9）在車禍中，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤由于車架或車身的變形而后移時，轉(zhuǎn)向系應(yīng)有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。（10）進(jìn)行運(yùn)動校核，保證轉(zhuǎn)向盤

6、與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動方向一致。正確設(shè)計轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)，可以使第一項(xiàng)得到保證。轉(zhuǎn)向系中設(shè)有轉(zhuǎn)向減震器時，能夠防止轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生振動，同時又能使傳動轉(zhuǎn)向盤上的反沖力明顯下降。為了使汽車具有良好的機(jī)動性能，必須使轉(zhuǎn)向輪有盡可能大的轉(zhuǎn)角，并要達(dá)到按前外輪車輪軌跡計算，其最小轉(zhuǎn)彎半徑能達(dá)到汽車軸距的22.5倍。通常用轉(zhuǎn)向時駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的切向力大小和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動圈數(shù)多少兩項(xiàng)指標(biāo)來評價操縱輕便性。當(dāng)汽車以10Km/h的速度從直線進(jìn)入轉(zhuǎn)彎半徑為12m的彎道上行駛時，作用到轉(zhuǎn)向盤上的最大手力為250N。乘用車轉(zhuǎn)向盤從中間位置轉(zhuǎn)到每一端的圈數(shù)不得超過2.0圈，貨車則要求不超過3.0圈。 1.4 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器1.4.1

7、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器在螺桿和螺母之間因?yàn)橛锌梢匝h(huán)流動的鋼球，將滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，因而傳動效率可達(dá)到75%85%，在結(jié)構(gòu)和工藝上采取措施后，包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度和螺桿、螺母上的螺旋槽經(jīng)淬火和磨削加工，使之有足夠的硬度和耐磨損性能，可保證有足夠的使用壽命；轉(zhuǎn)向器的傳動比可以變化；工作平穩(wěn)可靠；齒條和齒扇之間的間隙調(diào)整工作容易進(jìn)行，適合用來做整體式動力轉(zhuǎn)向器。但逆效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，制造精度要求高，所以循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要用于商用車上。1.4.2 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的工作原理轉(zhuǎn)向裝置是由齒輪機(jī)構(gòu)將來自轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)力進(jìn)行減速，使轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)闇u

8、輪蝸桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，滾珠螺桿和螺母夾著鋼球嚙合，因而滾珠螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動，螺母再與扇形齒輪嚙合，直線運(yùn)動再次變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動，使連桿臂搖動，連桿臂再使連動拉桿和橫拉桿做直線運(yùn)動，改變車輪的方向。 這是一種古典的機(jī)構(gòu)，現(xiàn)代轎車已大多不再使用，但又被最新方式的助力轉(zhuǎn)向裝置所應(yīng)用。它的原理相當(dāng)于利用了螺母與螺栓在旋轉(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以減小阻力，所有鋼球在一個首尾相連的封閉的螺旋曲線內(nèi)循環(huán)滾動。1.4.3 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的組成循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器是由螺桿和螺母共同形成的螺旋槽內(nèi)裝鋼球構(gòu)成的傳動副，以及螺母上齒條與搖臂軸上齒扇構(gòu)成的傳動副組成，如圖1.1所示。圖1.1 循

9、環(huán)球齒條齒扇式轉(zhuǎn)向器12 轉(zhuǎn)向器總成方案分析2.1 轉(zhuǎn)向器的設(shè)計特點(diǎn) 1、為駕駛者提供不同的轉(zhuǎn)向手力特性。2、提供不同的角傳動比。3、密封性能好，內(nèi)外泄漏小。4、強(qiáng)度好壽命長。5、安裝方便可靠。6、成本低廉。2.2 轉(zhuǎn)向器的總成方案設(shè)計循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器又稱為綜合式轉(zhuǎn)向器（因?yàn)樗蓛杉墏鲃痈苯M成），是目前國內(nèi)、外汽車上較為流行的一種結(jié)構(gòu)形式。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器中一般有兩級傳動副，第一級是由螺桿和螺母共同形成的螺旋槽內(nèi)裝有鋼球構(gòu)成的傳動副，第二級是由螺母上齒條與搖臂軸上齒扇構(gòu)成的齒條-齒扇傳動副。轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，與轉(zhuǎn)向軸連為一體的螺桿帶動方形螺母作軸向移動（因螺桿在軸向方向固定在轉(zhuǎn)向器殼上），螺母的

10、下端制成齒條，因而能帶動與轉(zhuǎn)向搖臂軸做成一體的齒扇的轉(zhuǎn)動。圖2.1所示。轉(zhuǎn)向螺桿的軸徑支撐在兩個角接觸球軸承上，軸承緊度可用調(diào)整墊片調(diào)整。轉(zhuǎn)向螺母外側(cè)的下平面加工成齒條，與齒扇軸（即搖臂軸）上的齒扇嚙合?？梢姡D(zhuǎn)向螺母即是第一級傳動副的從動件，也是第二級傳動副（齒條-齒扇傳動副）的主動件（齒條）。通過轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向螺桿時，轉(zhuǎn)向螺母不能轉(zhuǎn)動，只能軸向移動，并驅(qū)使齒扇軸轉(zhuǎn)動。1轉(zhuǎn)向搖臂 2向心推力球軸承 3螺桿副總成 4殼體組件 5螺栓 6上蓋調(diào)整墊片8上蓋9柱管夾子 10螺桿油封 11鐵絲 12頂絲 13柱管 14轉(zhuǎn)向軸組件 15支承套16自攻螺釘17螺母M121.25 18螺母MB 1

11、9螺栓20墊圈21濾氣螺塞圖2.1 循環(huán)球式齒條-齒扇轉(zhuǎn)向器2為了減少轉(zhuǎn)向螺桿和轉(zhuǎn)向螺母之間的摩擦和磨損，二者的螺紋制成半圓形凹槽，并不直接接觸，其間裝有許多鋼球，從而將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦。轉(zhuǎn)向螺桿和螺母上都加工出斷面輪廓為兩段或三段不同心圓弧組成近似半圓的螺旋槽。兩者的螺旋槽能配合形成近似圓形斷面的螺旋管狀通道，這樣可以使轉(zhuǎn)向螺母和轉(zhuǎn)向螺桿軸向定位好，滾道和鋼球間有間隙，可以用來貯存碎屑和潤滑油，有助于減少螺母和螺桿之間的磨損。螺母側(cè)面有兩對通孔，可將鋼球從此孔塞入螺旋形通道內(nèi)。兩根U形鋼球?qū)Ч艿膬啥瞬迦肼菽競?cè)面的兩對通孔中，導(dǎo)管內(nèi)也裝滿了鋼球。這樣兩根導(dǎo)管和螺母內(nèi)的螺旋管狀通道組成兩條各

12、自獨(dú)立的封閉的鋼球“流道”。轉(zhuǎn)向螺桿轉(zhuǎn)動時，通過鋼球?qū)⒘鹘o轉(zhuǎn)向螺母，螺母即沿軸向移動。同時，在螺桿與螺母兩者和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，形成“球流”。鋼球在管狀通道內(nèi)繞行1.5周后，流出螺母而進(jìn)入導(dǎo)管的一端，再由導(dǎo)管另一端流回螺旋管狀通道。因此，在轉(zhuǎn)向器工作時，兩列鋼球只是在各自封閉的“流道”內(nèi)循環(huán)，而不致脫出。與齒條相嚙合的齒扇，其齒厚是在分度圓上沿齒扇軸線按線性關(guān)系變化的，故為變厚齒扇。只要使齒扇軸相對于齒條作軸向移動，即能調(diào)整兩者的嚙合間隙。調(diào)整螺釘裝在側(cè)蓋上，并用螺母鎖緊。齒扇軸內(nèi)側(cè)端部有切槽，調(diào)整螺釘?shù)膱A柱形端頭即嵌入此切槽中。將調(diào)整螺釘旋入，則嚙合間

13、隙減少；反之，則嚙合間隙增大。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器在螺桿和螺母之間因?yàn)橛锌梢匝h(huán)流動的鋼球，將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，因而其正傳動效率很高（可達(dá)90%95%），故操縱輕便；在結(jié)構(gòu)和工藝上采取措施，可保證有足夠的使用壽命；工作平穩(wěn)可靠；齒條和齒扇之間的間隙調(diào)整工作容易進(jìn)行。但其逆效率高，容易將路面沖擊力傳動轉(zhuǎn)向盤。不過，對于前軸軸載質(zhì)量不大而又經(jīng)常在平坦路面上行使的輕中型載貨汽車而言，這一缺點(diǎn)影響不大；而對于載重量較大的汽車，使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器時，除可以在轉(zhuǎn)向器中增加吸振裝置以減少路面沖擊反力外，往往裝有液力轉(zhuǎn)向加力器。由于循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器在結(jié)構(gòu)上便于與液力轉(zhuǎn)向加力器設(shè)計為一個整體，而液力系統(tǒng)又正可以緩和

14、路面的沖擊，因此，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器得到日益廣泛的應(yīng)用。循環(huán)球齒條-齒扇式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)：傳動效率高，可達(dá)90%；在結(jié)構(gòu)和工藝上采取措施，包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度和螺桿螺母上的螺旋槽經(jīng)淬火和磨削加工，使之有足夠的硬度和耐磨性能，可保證有足夠的使用壽命；轉(zhuǎn)向器的傳動比可以變化；工作平穩(wěn)可靠；齒條和齒扇之間的間隙調(diào)整工作容易進(jìn)行，適合用來做整體式轉(zhuǎn)向器。3 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要參數(shù)的選擇3.1 鋼球中心距D、螺桿外徑D1、 螺母內(nèi)徑D2尺寸D、D1、D2如圖3-1所示. 鋼球中心距D是基本尺寸, 螺桿外徑D1、螺母內(nèi)徑D2及鋼球直徑d對確定鋼球中心距D的大小有影響，而又對轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)尺寸和

15、強(qiáng)度有影響。在保證足夠的強(qiáng)度條件下,盡可能將D值取小些。選取規(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(jìn)行選取，經(jīng)強(qiáng)度驗(yàn)算后，再進(jìn)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(fù)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)題目選取鋼球中心距D=30mm,螺桿外徑D1=29mm,取螺母內(nèi)徑D2-D1=8%D:所以螺母內(nèi)徑D2=D1+8%D=30mm+8%29mm=31.4mm。圖3.1 螺桿、鋼球和螺母傳動副13.2 鋼球直徑d及數(shù)量n鋼球直徑尺寸d取得大，能提高承載能力，同時螺桿和螺母傳動機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)響

16、器的尺寸也隨之增大。鋼球直徑應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，一般常在79mm范圍內(nèi)選用（表3.1），由表3.1取得d=7.144mm。增加鋼球數(shù)量n，能提高承載能力，但是鋼球流動性變壞，從而使傳動效率降低。因?yàn)殇撉虮旧碛姓`差，所以共同參加工作的鋼球數(shù)量并不是全部鋼球數(shù)。表3.1 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要參數(shù)1齒扇模數(shù)m/mm3.03.54.04.55.06.06.5搖臂軸直徑/mm22263032323538404245鋼球中心距/mm202325252830323540螺桿外徑/mm2023252528293438鋼球直徑/mm5.5565.5566.3506.3507.1447.1448螺距/mm7.9388.

17、7319.5259.525101011工作圈數(shù)1.552.52.5環(huán)流行數(shù)2螺母長度/mm41455246475856596272788082齒扇齒數(shù)355齒扇整圓齒數(shù)121313131415齒扇壓力角22302730切削角630630730齒扇寬/mm2225252725283028323034383538經(jīng)驗(yàn)證明，每個環(huán)路中的鋼球數(shù)以不超過60粒為好。鋼球圈數(shù)有1.5、2.5、3、5，這里選擇2.5圈。為保證盡可能多的鋼球都承載，應(yīng)分組裝配。每個環(huán)路中的鋼球數(shù)可用下式計算 （3.1） 式中：D為鋼球中心距 30mm W鋼球的工作圈數(shù)2.5圈 螺紋導(dǎo)程角，常取5-8，故cos1 d鋼球直徑

18、7.144mm n不包括導(dǎo)管中的鋼球帶入數(shù)值得：n =33 3.3 滾道截面 當(dāng)螺桿和螺母各有兩條圓弧組成，形成四段圓弧滾道截面時,見圖3.2，鋼球與滾道有四點(diǎn)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)。為了減少摩擦，螺桿與螺母溝槽的半徑R2應(yīng)大于鋼球半徑d/2，一般取R2=(0.510.53)d,取R2=0.52d=0.527.144mm=3.72mm。 圖3.2 四段圓弧滾道截面1 3.4 接觸角 鋼球與螺桿滾道接觸點(diǎn)的正壓力方向與螺桿滾道法面軸線間的夾角稱為接觸角,如圖3.2所示。角多取45,以使軸向力和徑向力

19、分配均勻。3.5 螺距P和螺線導(dǎo)程角0 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角,對應(yīng)螺母移動的距離s為 (3.2)式3.2中,P為螺紋螺距。與此同時,齒扇節(jié)圓轉(zhuǎn)過的弧長等于s,相應(yīng)搖臂轉(zhuǎn)過p角,其間關(guān)系可表示如下 (3.3)式3.3中,r為齒扇節(jié)圓半徑。聯(lián)立式（3.2）、式（3.3）得,將對求導(dǎo)得循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器角傳動比為： （3.4）由式（3.4）可知,螺距影響轉(zhuǎn)向器傳動比的值。在螺距不變的條件下,鋼球直徑d越大,圖3.1中的尺寸b越小，要求b=P-d2.5mm。螺距一般在8-11mm內(nèi)選取，因?yàn)镻=10mm，d=7.144mm,所以b=P-d=10-7.144mm=2.856mm2.5mm，所以符合要求。螺旋線導(dǎo)程角

20、直接影響到轉(zhuǎn)向器的傳動效率，因此在選擇螺距和螺旋線導(dǎo)程角時，不僅應(yīng)滿足角傳動比的要求，還要保證有較高的正效率，而且反行程時不發(fā)生自鎖現(xiàn)象，初選為8。3.6 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)又與接觸強(qiáng)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2.5圈兩種。一個環(huán)路的工作鋼球圈數(shù)的選取見表3.1得該要求的商用車的工作圈數(shù)選為2.5圈。3.7 導(dǎo)管內(nèi)徑d1容納鋼球而且鋼球在其內(nèi)部流動的導(dǎo)管內(nèi)徑,式中，e為鋼球直徑d與導(dǎo)管內(nèi)徑之間的間隙。e不宜過大,否則鋼球流經(jīng)導(dǎo)管時球

21、心偏離導(dǎo)管中心線的距離增大，并使流動阻力增大。推薦e=0.40.8mm，取e=0.456mm,則。導(dǎo)管壁厚取為1mm。3.8 轉(zhuǎn)向器的效率轉(zhuǎn)向器的輸出功率與輸入功率之比，稱為轉(zhuǎn)向器的傳動效率。轉(zhuǎn)向器的效率又有正效率+和負(fù)效率之分-。為了保證轉(zhuǎn)向時駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤輕便，就要求正效率高。為了保證汽車轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤能自動返回到直線行駛位置，又需要有一定的逆效率。為了減輕在不平路面上行駛時駕駛員的疲勞，車輪與路面之間的作用力傳至轉(zhuǎn)向盤上要盡可能小，防止打手又要求此逆效率盡可能低。3.8.1轉(zhuǎn)向器的正效率+功率P1從轉(zhuǎn)向軸輸入，經(jīng)轉(zhuǎn)向搖臂軸輸出所求得的效率稱為轉(zhuǎn)向器的正效率: (3.5)式中，P2

22、為轉(zhuǎn)向器中的摩擦功率。不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向器的正效率也不一樣，而循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的正效率相對比較高；轉(zhuǎn)向搖臂軸軸承的形式對效率也有影響，用滾針軸承比用滑動軸承可使正逆效率提高約10；正效率越大，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向輪時轉(zhuǎn)向器的摩擦損失就越小，轉(zhuǎn)向操縱就越容易。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，其正效率可用下式計算： （3.6）0為蝸桿(或螺桿)的螺線導(dǎo)程角；為摩擦角，=arctan=arctan0.06=3.43；摩擦因數(shù)f取0.06。3.8.2 轉(zhuǎn)向器的逆效率-轉(zhuǎn)向軸輸出的功率（P3-P2）與轉(zhuǎn)向搖臂軸的輸入功率P3之比，稱為轉(zhuǎn)向器的逆效率： (3.7)式中，P3

23、為作用在轉(zhuǎn)向搖臂軸上的功率。根據(jù)逆效率大小不同，轉(zhuǎn)向器又有可逆式、極限可逆式和不可逆式之分。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器屬于可逆式轉(zhuǎn)向器，可逆式轉(zhuǎn)向器的逆效率較高，一般路面作用在車輪上的力，經(jīng)過轉(zhuǎn)向系可大部分傳遞到轉(zhuǎn)向盤。由于它能保證轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤自動回正。這既減輕了駕駛員的疲勞，又提高了行駛安全性。但是，在不平路面上行駛時，車輪受到的沖擊力，能大部分傳至轉(zhuǎn)向盤，造成駕駛員“打手”，使之精神狀態(tài)緊張。如果長時間在不平路面上行駛，易使駕駛員疲勞，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。該沖擊力由轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的零件承受，因而這些零件容易損壞。同時，它既不能保證車輪自動回

24、正，駕駛員又缺乏路面感覺,因此，現(xiàn)代汽車不采用這種轉(zhuǎn)向器。極限可逆式轉(zhuǎn)向器介于上述兩者之間。在車輪受到?jīng)_擊力作用時，此力只有較小一部分傳至轉(zhuǎn)向盤。它的逆效率較低，在不平路面上行駛時，駕駛員并不十分緊張，同時轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的零件所承受的沖擊力也比不可逆式轉(zhuǎn)向器要小。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，則逆效率可用下式計算： （3.8）由式（3.6）、（3.8）可知，增大螺線導(dǎo)程角0，正、逆效率都增大，故不宜0取得過大。當(dāng)0時，逆效率-0，這時轉(zhuǎn)向器為不可逆式轉(zhuǎn)向器，因此0min, 螺線導(dǎo)程角0取80。3.9軸的設(shè)計計算當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)過5角(即2.5圈)時，齒扇節(jié)圓應(yīng)轉(zhuǎn)過的弧長等于

25、對應(yīng)螺母在螺桿上移動的距離s,此時，搖臂軸轉(zhuǎn)過角，與此同時，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)至最大轉(zhuǎn)角，則 (3.9)則螺桿螺紋滾道的有效工作長度L等于螺母在螺桿上移動的距離的2倍，即 L=2s=251mm=102mm；在此條件下，應(yīng)盡量縮短滾道長度。但為安全計，在有效工作長度L之外的兩端各增加0.5-0.75圈滾道長度。又因?yàn)槁輻U螺紋滾道的有效工作長度距兩端面距離5.5mm。因此，螺桿螺紋滾道的實(shí)際有效工作長度L 取整得L=103mm。螺桿螺線導(dǎo)程角則即 4 齒條、齒扇傳動副的設(shè)計4.1 齒條、齒扇傳動副的概述齒條齒扇傳動副如下圖4.1，齒條加工在螺母下端，齒扇與轉(zhuǎn)向器的輸出軸（搖臂軸）制作在一起，當(dāng)齒扇與齒條長時

26、期使用發(fā)生磨損后，為了調(diào)節(jié)磨損產(chǎn)生的間隙，常把齒扇加工成齒扇的齒厚沿齒長方向是變化的，這樣就可通過搖臂軸的軸向移動來調(diào)節(jié)磨損產(chǎn)生的間隙。由于無論是左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)或者不轉(zhuǎn)，齒條和齒扇的中間部分都處于工作狀態(tài)，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(dá)到。 圖4.1 齒條齒扇傳動副示意圖44.2 變厚齒扇4.2.1 變厚齒扇的分析變厚齒扇的齒頂和齒跟的輪廓面是圓錐的一部分，其分度圓上的齒厚是變化的，齒扇的齒厚沿齒寬方向的變化稱為變厚齒扇。如圖4.2所示，滾刀相

27、對工件作垂直進(jìn)給的同時，還以一定的比例作徑向進(jìn)給，兩者合成為斜向進(jìn)給。這樣即可得到變厚齒扇。變厚齒扇的齒頂及齒根的輪廓面為圓錐面，其分度圓上的齒厚是成比例變化的，形成變厚齒扇，如圖4.3所示。在該圖中00截面原始齒形的變位系數(shù)=0，則位于其兩側(cè)的截面和分別具有0和0，即截面 的齒輪為正變位齒輪，截面的齒輪為負(fù)變位齒輪。即變厚齒扇在其整個齒寬方向上是由無窮多的原始齒形變位系數(shù)逐漸變化的圓柱齒輪所形成。因?yàn)樵谂c00平行的不同截面中，其模數(shù)m不變、齒數(shù)也相同，故其分度圓及基圓亦不變，即為分度圓柱和基圓柱。其不同截面位置上的漸開線齒形，均為在同一基圓柱上展開的漸開線，僅僅是其輪齒的漸開線齒形離基圓的位

28、置不同而已，故應(yīng)將其歸入圓柱齒輪范疇，而不應(yīng)歸于直齒圓錐范圍，雖然它們從外觀上更相似，因?yàn)橹饼X圓錐齒輪輪齒的漸開線齒形的形成基準(zhǔn)是基錐。圖4.2 用滾刀加工變厚齒扇的進(jìn)給運(yùn)動1圖4.3 變厚齒扇的截面14.2.2 變厚齒扇齒形的計算通常取齒扇寬度的中間位置作基準(zhǔn)截面,如圖所示的截面I-I.由該截面至大端（截面-）時，各截面處的變位系數(shù)均取正，向小端（截面-）時，變位系數(shù)由正變?yōu)榱悖ń孛鍵-I）再變?yōu)樨?fù)值。設(shè)截面I-I至截面-的距離為, （4.1）則式中 在截面I-I處的原始齒形變位系數(shù)； m模數(shù)； 切削角（見圖4.4）由式(4.1)可知； 當(dāng)齒扇的模數(shù)m及切削角選定后，各截面處的變位系數(shù)取決于

29、該截面與基準(zhǔn)截面間的距離a(見圖4.4) 。切削角為6030；齒扇寬一般為2230mm；模數(shù)為m=5.0mm ；齒頂高系數(shù)一般取0.8或1；壓力角為200。距離為:a0=B/2=30/2mm=15mm圖4.4 變厚齒扇齒形計算簡圖1表4.1 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器齒扇齒模數(shù)1齒扇齒模數(shù)m/mm3.03.54.04.55.06.06.5乘用車排量/mL500100018001600200020002000前軸負(fù)荷/N3500380047007350700090008300110001000011000貨車和大客車前軸負(fù)荷/N3000500045007500550018500700019500900024

30、00017000370002300044000最大轉(zhuǎn)載質(zhì)量/Kg350100025002700350060008000表4.2 變厚齒扇基準(zhǔn)截面（A-A）處的齒形參數(shù)選擇與計算4參數(shù)名稱參數(shù)的選擇與計算參數(shù)名稱參數(shù)的選擇與計算整圓齒數(shù)z在1218范圍內(nèi)選取齒頂高h(yuǎn)1h1= x1m模數(shù)m在表3-1選取齒根高h(yuǎn)2h2= x2m法向壓力角a02030齒全高h(yuǎn)h= h1+ h2=( x1+ x2)m切削角630或730徑向間隙cC= h2- h1=（x2- x1）m齒扇寬度F通常取2238齒頂圓直徑DD=(Z+2x1+2A)m齒頂高x11.0或0.8分度圓弧齒厚sS=(/2+2Atan a0)m齒根高

31、系數(shù)x2x2齒頂圓壓力角a1a1=arccos(d/Dcosa0)變位系數(shù)AA齒頂圓弧齒高厚s1s1=D分度圓直徑dd=mz在截面-處的變位系數(shù)為：齒扇的最大端的直徑為:D大=（Z全+2ha*+2）3m=(13+20.8+20.28)5.0mm=75.8mm齒扇的最小端直徑為：D小=（Z全+2ha*-2）3m=(13+20.8-20.28)5.0mm=70.2mm分度圓弧齒厚為S=（+2tana0）3m=（3.14/2+20.28tan200）5.0mm=3.88mm齒扇的全齒高為：h=ha+hf=ha*m+(ha*+c*)m=0.85+(0.8+0.3)5mm=9.5mm5 轉(zhuǎn)向器載荷的計算

32、5.1 轉(zhuǎn)向器計算載荷的確定為了保證行駛安全,組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。欲驗(yàn)算轉(zhuǎn)向系零件的強(qiáng)度，需首先確定作用在各零件上的力。影響這些力的主要因素有轉(zhuǎn)向軸的負(fù)荷、路面阻力和輪胎氣壓等。為轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向輪要克服阻力,包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動的阻力、車輪穩(wěn)定阻力、輪胎變形阻力和轉(zhuǎn)向系中的內(nèi)摩擦力等。精確地計算出這些力是困難的。為此推薦用足夠精確的半經(jīng)驗(yàn)公式來計算汽車在瀝青或者混凝土路面上原地轉(zhuǎn)向阻力矩MR（Nmm）,即 (5.1)式中G1為前軸負(fù)荷：m為汽車前軸負(fù)荷，單位為kg；g為重力加速度；f為輪胎和路面間的滑動摩擦因數(shù)，一般取0.7；p為輪胎氣壓（MPa）,查輪胎氣壓規(guī)格得p=0.35MPa。

33、Nmm=268672Nmm正效率為作用在方向盤上的手力為: (5.2)式中，L1為轉(zhuǎn)向搖臂長(L1取200mm)；L2為轉(zhuǎn)向節(jié)臂長；DSW為轉(zhuǎn)向盤直徑（DSW取400mm）；i為轉(zhuǎn)向器角傳動比；+為轉(zhuǎn)向器正效率。5.2 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件強(qiáng)度計算5.2.1 鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力鋼球接觸點(diǎn)至螺桿中心線的距離為式中D為鋼球中心距；d為鋼球直徑。作用在螺桿上的軸向力為 (5.3)鋼球與螺桿之間的正壓力為 (5.4)鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力為 (5.5) 式中，為系數(shù)，根據(jù)A/B值從表5.1查出，A=(1/r)-(1/R2)/2,B=(1/r)+(1/R2)/2,取1.8；R2為滾道截面半徑；r為

34、鋼球半徑；R1為螺桿外半徑；E為材料彈性模量，等于2.1105MPa。已知 R2=3.715mm；r=d/2=7.144/2mm=3.572mm；R1=D1/2=30/2mm=15. 圖5.1 螺桿受力簡圖1因?yàn)?216MPa=2500MPa,所以接觸應(yīng)力符合要求。表5.1 系數(shù)K與的關(guān)系41.00.90.80.70.60.50.40.3k0.3880.4000.4100.4400.4680.4900.5360.6000.20.150.10.050.020.010.007k0.7160.8000. 9701.28041.82.2713.2025.2.2 齒扇齒的彎曲應(yīng)力w作用在齒扇上的圓周力為

35、 (5.6) 齒的彎曲應(yīng)力為 (5.7)式中，h為齒扇的齒高；B為齒扇的齒寬；s為齒厚；許用彎曲應(yīng)力為=540MPa =477.9MPa=540MPa, 齒的彎曲應(yīng)力符合要求。5.2.3 轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑的確定轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑d為 (5.8)式中，K為安全系數(shù)，根據(jù)汽車使用條件不同可取2.53.5,取K=3.5；MR為轉(zhuǎn)向阻力矩；0為扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限，查得0=180MPa。 取d=30mm。螺桿、螺母和搖臂軸都用20CrMnTi,表面滲碳。因?yàn)樵撋逃密嚨那拜S負(fù)荷不大，所以滲碳層深度在0.81.2mm。表明硬度為5863HRC。6 總結(jié)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越野車的需求。在現(xiàn)代