循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的原理

1、1 1 緒論循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要由蝸桿、扇形齒輪軸、鋼球、轉(zhuǎn)向器殼、鋼球螺母、調(diào)整螺釘、向心推力軸承等組成。為了降低摩擦，采用了具有循環(huán)球結(jié)構(gòu)的滾動(dòng)螺母，蝶、母的一側(cè)制成齒條與轉(zhuǎn)向搖臂軸的齒扇啃合。其結(jié)構(gòu)和工作原理如下。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)，與轉(zhuǎn)向軸結(jié)合成一體的螺桿便帶動(dòng)方形螺套做軸向移動(dòng)。螺套的一個(gè)面切成齒條，故能進(jìn)而帶動(dòng)與轉(zhuǎn)向搖臂軸制成一體的齒扇轉(zhuǎn)動(dòng)。為了減小蝸桿與螺套間摩擦和磨損，二者的螺紋均制成半圓形凹槽，并不直接接觸，其間裝有許多鋼球，因?yàn)榻柚撉虻臐L動(dòng)，蝸桿和球螺母之間的摩擦阻力小，從而構(gòu)成了滾動(dòng)摩擦傳動(dòng)副。蝸桿的上、下端支承在兩個(gè)滾錐軸承上，軸承的松緊度可用軸承端蓋和殼體間的調(diào)整墊片調(diào)整。

2、螺桿與方形螺套二者的螺旋槽對(duì)合而成近似圓形斷面的螺旋形通道。方形螺套的外面有兩根鋼球?qū)Ч埽扛鶎?dǎo)管的兩端分別塞入方形螺套側(cè)面的孔內(nèi)，導(dǎo)管內(nèi)也塞滿(mǎn)了鋼球。這樣，兩根導(dǎo)管和方形螺套內(nèi)的螺旋形通道組合成兩個(gè)各自獨(dú)立的封閉鋼球流道。轉(zhuǎn)向軸連同螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)鋼球?qū)⒘鹘o方形蝶、套，螺套就產(chǎn)生軸向移動(dòng)。同時(shí)，由于摩擦力作用，所有鋼球便在螺桿與螺套之間滾動(dòng)，形成“ 球流 ” 。鋼球在螺套內(nèi)繞行兩周之后，就流出螺套而進(jìn)入導(dǎo)管，再由導(dǎo)管流回螺套內(nèi)。故在轉(zhuǎn)向器工作時(shí)，兩列鋼球只是在各自的封閉流道內(nèi)循環(huán)，不致脫出。與齒扇制成一體的轉(zhuǎn)向搖臂軸支承在殼體內(nèi)的材套上，在轉(zhuǎn)向搖臂軸的端部嵌入調(diào)整螺釘?shù)膱A柱形端頭，調(diào)整螺釘

3、擰在側(cè)蓋上，用螺母鎖緊。因齒扇的齒高是做成沿齒扇軸線(xiàn)傾斜變化的，故轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整螺釘使轉(zhuǎn)向搖臂軸做軸向移動(dòng)，即可調(diào)整齒條與齒扇的嚙合間隙。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的英文名稱(chēng)是recirculating ball steering gear 。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由兩隊(duì)傳動(dòng)副組成，一對(duì)是螺桿螺母，另一對(duì)是齒條、齒扇或曲柄銷(xiāo)。在螺桿和螺母之間裝有可循環(huán)滾動(dòng)的鋼球，使滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，從而提高了傳動(dòng)效率。循環(huán)球式 :這種轉(zhuǎn)向裝置是由齒輪機(jī)構(gòu)將來(lái)自轉(zhuǎn)向盤(pán)的旋轉(zhuǎn)力進(jìn)行減速，使轉(zhuǎn)向盤(pán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)闇u輪蝸桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)，螺母再與扇形齒輪嚙合，直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)再次變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)

4、動(dòng)，使連桿臂搖動(dòng)，連桿臂再使連動(dòng)拉桿和橫拉桿做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，改變車(chē)輪的方向，這是一種古典的機(jī)構(gòu)，現(xiàn)代轎車(chē)已大多不再使用，但又被最新方式的助力裝置所應(yīng)用。它的原理相當(dāng)于利用了螺母與螺栓在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的相對(duì)移動(dòng)，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(gè)首尾相連的封閉的螺旋曲線(xiàn)內(nèi)循環(huán)滾動(dòng)，循環(huán)球式故而得名。這種轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)是，操縱輕便，磨損小，壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，轉(zhuǎn)向靈敏度不如齒輪齒條式。因此逐漸被齒輪齒條式取代。但隨著動(dòng)力轉(zhuǎn)向的應(yīng)用，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器近年來(lái)又得到廣泛使用。本文選擇gx1608a 型循環(huán)球齒條齒扇式轉(zhuǎn)向器作為研究，其主要內(nèi)容有：汽車(chē)轉(zhuǎn)向器相關(guān)知識(shí)，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器

5、的主要參數(shù)選擇及其設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)部分還包括轉(zhuǎn)向搖臂軸，漸開(kāi)線(xiàn)花鍵，扇形齒輪軸以及螺桿軸的設(shè)計(jì)與校核。轉(zhuǎn)向器按結(jié)構(gòu)形式可分為多種類(lèi)型。歷史上曾出現(xiàn)過(guò)許多種形式的轉(zhuǎn)向器，目前較常用的有齒輪齒條式、蝸桿曲柄指銷(xiāo)式、循環(huán)球齒條齒扇式、循環(huán)球曲柄指銷(xiāo)式、蝸桿滾輪式等。2.3.2 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為牢固支撐轉(zhuǎn)向盤(pán)而設(shè)有轉(zhuǎn)向柱。傳遞轉(zhuǎn)向盤(pán)操作的轉(zhuǎn)向軸從中穿過(guò)，內(nèi)部有軸承和襯2 套支承。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)應(yīng)備有吸收汽車(chē)碰撞時(shí)產(chǎn)生的沖擊能的裝置，許多國(guó)家都規(guī)定轎車(chē)必須安裝吸能式轉(zhuǎn)向柱。 吸能裝置的方式很多， 大都通過(guò)轉(zhuǎn)向柱的支架變形來(lái)達(dá)到緩沖吸能的作用。轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向器齒輪箱之間采用聯(lián)軸節(jié)相連（即兩個(gè)萬(wàn)向節(jié)），之所以用連軸節(jié)，除了

6、可以改變轉(zhuǎn)向軸的方向，還有就是使得轉(zhuǎn)向軸可以作縱向的伸縮運(yùn)動(dòng)，以配合裝相助的緩沖運(yùn)動(dòng)。即：（1）可傾斜式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；（2）可伸縮式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；3.1 轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)要求（1） 汽車(chē)轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，全部車(chē)輪應(yīng)繞順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，任何車(chē)輪不應(yīng)有側(cè)滑。不滿(mǎn)足這項(xiàng)要求會(huì)加速輪胎磨損，并降低汽車(chē)的行駛穩(wěn)定性。（2） 汽車(chē)轉(zhuǎn)向行駛后，在駕駛員松開(kāi)轉(zhuǎn)向盤(pán)的情況下，轉(zhuǎn)向輪能自動(dòng)返回到直線(xiàn)行駛位置，并穩(wěn)定行駛。（3） 汽車(chē)在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不得產(chǎn)生振動(dòng)，轉(zhuǎn)向盤(pán)沒(méi)有擺動(dòng)。（4） 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置共同工作時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)使車(chē)輪產(chǎn)生的擺動(dòng)應(yīng)最小。（5） 保證汽車(chē)有較高的機(jī)動(dòng)性，具有快速和小轉(zhuǎn)彎能力。（6） 操縱輕

7、便。（7） 轉(zhuǎn)向輪碰到障礙物以后，傳給轉(zhuǎn)向盤(pán)的反沖力要盡可能小。（8） 轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)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(chē)禍中，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤(pán)由于車(chē)架或車(chē)身的變形而后移時(shí)，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(dòng)校核，保證轉(zhuǎn)向盤(pán)與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。正確設(shè)計(jì)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(shí)，能夠防止轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生振動(dòng)，同時(shí)又能使傳動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)上的反沖力明顯下降。為了使汽車(chē)具有良好的機(jī)動(dòng)性能，必須使轉(zhuǎn)向輪有盡可能大的轉(zhuǎn)角，并要達(dá)到按前外輪軌跡計(jì)算，其最小轉(zhuǎn)彎半徑能達(dá)到汽車(chē)軸距的 22.5 倍。通常用轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上

8、的切向力大小和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)多少兩項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)操縱輕便性。沒(méi)有動(dòng)力轉(zhuǎn)向的轎車(chē)，在行駛中轉(zhuǎn)向，此力應(yīng)為50100n；有動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)，此力在2050n。當(dāng)貨車(chē)從直線(xiàn)行駛狀態(tài)，以10km/h 的速度在柏油路或水泥的水平路段上轉(zhuǎn)入沿半徑12m 的圓周行駛，且路面干燥，若轉(zhuǎn)向系內(nèi)沒(méi)有裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，上述切向力不得超過(guò)250n；有動(dòng)力轉(zhuǎn)向器時(shí)，不得超過(guò)120n。轎車(chē)轉(zhuǎn)向盤(pán)從中間位置轉(zhuǎn)到每一端的圈數(shù)不得超過(guò) 2.0 圈，貨車(chē)則要求不超過(guò)3.0 圈3。3.1 轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)要求（1） 汽車(chē)轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，全部車(chē)輪應(yīng)繞順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，任何車(chē)輪不應(yīng)有側(cè)滑。不滿(mǎn)足這項(xiàng)要求會(huì)加速輪胎磨損，并降低汽車(chē)的行駛穩(wěn)定性。（2） 汽車(chē)轉(zhuǎn)向

9、行駛后，在駕駛員松開(kāi)轉(zhuǎn)向盤(pán)的情況下，轉(zhuǎn)向輪能自動(dòng)返回到直線(xiàn)行駛位置，并穩(wěn)定行駛。（3） 汽車(chē)在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不得產(chǎn)生振動(dòng)，轉(zhuǎn)向盤(pán)沒(méi)有擺動(dòng)。（4） 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置共同工作時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)使車(chē)輪產(chǎn)生的擺動(dòng)應(yīng)最小。（5） 保證汽車(chē)有較高的機(jī)動(dòng)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(pán)的反沖力要盡可能小。3 （8） 轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)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(chē)禍中，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤(pán)由于車(chē)架或車(chē)身的變形而后移時(shí)，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(dòng)校核，保證轉(zhuǎn)向盤(pán)與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向一

10、致。正確設(shè)計(jì)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(shí)，能夠防止轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生振動(dòng)，同時(shí)又能使傳動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)上的反沖力明顯下降。為了使汽車(chē)具有良好的機(jī)動(dòng)性能，必須使轉(zhuǎn)向輪有盡可能大的轉(zhuǎn)角，并要達(dá)到按前外輪軌跡計(jì)算，其最小轉(zhuǎn)彎半徑能達(dá)到汽車(chē)軸距的 22.5 倍。通常用轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的切向力大小和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)多少兩項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)操縱輕便性。沒(méi)有動(dòng)力轉(zhuǎn)向的轎車(chē)，在行駛中轉(zhuǎn)向，此力應(yīng)為50100n；有動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)，此力在2050n。當(dāng)貨車(chē)從直線(xiàn)行駛狀態(tài)，以10km/h 的速度在柏油路或水泥的水平路段上轉(zhuǎn)入沿半徑12m 的圓周行駛，且路面干燥，若轉(zhuǎn)向系內(nèi)沒(méi)有裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，上述切向力不

11、得超過(guò)250n；有動(dòng)力轉(zhuǎn)向器時(shí)，不得超過(guò)120n。轎車(chē)轉(zhuǎn)向盤(pán)從中間位置轉(zhuǎn)到每一端的圈數(shù)不得超過(guò) 2.0 圈，貨車(chē)則要求不超過(guò)3.0 圈3。7.1 基于 pro/e 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器建模文中采用美國(guó) mdi 公司（mechanical dynamics inc.） 開(kāi)發(fā)的 adams（automatic dynamic analysis of mechanical system）軟件對(duì)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器進(jìn)行仿真分析。由于adams 軟件本身的造型能力比較弱，因此首先在pro/e 中建立好三維模型保存成parasolid（*.*_t ）格式，然后導(dǎo)入 adams 中，對(duì)其進(jìn)行屬性編輯，施加約束及驅(qū)動(dòng)，進(jìn)

12、行仿真。7.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換本文運(yùn)用 3d 軟件 pro/e 中建立的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器模型不能直接被adams 識(shí)別， 故需對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換， 本文采用擴(kuò)展名為 .x_t 的 parasolid格式文件通過(guò) adams/exchange 模塊導(dǎo)入 adams ，實(shí)現(xiàn) pro/e與 adams 的無(wú)縫連接。7.3 模型導(dǎo)入在 adams 打開(kāi)的對(duì)話(huà)框中選擇 “import a file” 選項(xiàng)，在導(dǎo)入文件類(lèi)型中選擇 “parasolid”格式，在“file to read”一欄選擇路徑， 在“model name ”一欄中選擇 “model name ”或者“part name ”右鍵點(diǎn)擊，選擇“ create ” ，點(diǎn)擊“ ok” 。模型被導(dǎo)入 adams ，并顯示在主窗口中。如果導(dǎo)入后看不見(jiàn)模型，更改透明度即可。7.4 修改轉(zhuǎn)向器模型特性將三維模型導(dǎo)入adams 后，需對(duì)模型賦予材料屬性、力學(xué)屬性、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等，為了以后修改方便，可考慮修改各部件的名稱(chēng)，定義成自己熟悉的名字。7.5 施加約束為了在 adams 中添加約束方便，以及不影響轉(zhuǎn)向器的整體分析，本文將轉(zhuǎn)向器的殼體固定，蝸桿齒形齒扇之間為嚙合高副加入約束后的仿真模型如圖示：7.6 仿真分析模型加入約束后，再創(chuàng)建合適的驅(qū)動(dòng)，就可以對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，通過(guò)測(cè)試整個(gè)模型或模型的一