循環(huán)球轉(zhuǎn)向器設(shè)計

1、汽車課程設(shè)計計劃一、題目：貨車總體設(shè)計及各總成選型設(shè)計、要求:分別為給定基本設(shè)計參數(shù)的汽車，進行總體設(shè)計，計算并匹配合適功率的發(fā)動機，軸荷分配和 軸數(shù)，選擇并匹配各總成部件的結(jié)構(gòu)型式，計算確定各總成部件的主要參數(shù)；詳細(xì)計算指定總成的 設(shè)計參數(shù)，繪出指定總成的裝配圖和部分零件圖。其余參數(shù)如表 1：表1額定 裝載質(zhì)量 (Kg)最大總質(zhì)量(kg)最大車1速(Km h-)比功率-1(KW- t )比轉(zhuǎn)矩-1(N m- t )班號1000200013025443三、設(shè)計計算要求3.1.根據(jù)已知數(shù)據(jù)，選取汽車類型、確定軸數(shù)、驅(qū)動形式、布置形式。注意國家道路交通法規(guī) 規(guī)定和汽車設(shè)計規(guī)。選擇軸數(shù)：2根 驅(qū)動形

2、式：4X 2布置形式：平頭式發(fā)動機前置后驅(qū)32確定汽車主要參數(shù)：1 )主要尺寸，可從參考資料中獲取;平頭式貨車長 4000mm寬1500mm高2000mm軸距2500mm輪距1500mm前懸300mm后懸1200mm 車頭長度1400mm2 )進行汽車軸荷分配；4 X 2后輪單胎 滿載時：前軸35 %后軸65% 空載時：前軸55 %后軸45%3 )百公里燃油消耗量；設(shè)計的貨車百公里燃油消耗量：3L (100t km) -14 )最小轉(zhuǎn)彎直徑貨車的最小轉(zhuǎn)彎直徑：10.0m5 )通過性幾何參數(shù)通過性幾何參數(shù)：hmin 200mmy 1 50 °丫 2 30 ° p 1 5m6)

3、制動性參數(shù)表2制動性參數(shù)行車制動應(yīng)急制動制制制刖e車輛類FM試FM動初車制踏動初車動操型DD/車道DD/速度動距板力速度距縱力/(km/h離/m(m寬度/N/(km/h離(m/N( w)/s 2)/m)/m/s 2)總滿ww手載225.4700質(zhì)量w3c>60050304.5t.0182.6腳空ww的汽車700載215.845033選定發(fā)動機功率、轉(zhuǎn)速、扭矩。可以參考已有的車型。發(fā)動機最大功率 Pemax= (magfrVamax/ 3600+ CDAVamaX3/ 76140)/n Tn T 為傳動系效率，汽車可取90%, ma為汽車總質(zhì)量；g為重力加速度；fr為滾動阻力系數(shù)，對貨車取

4、 0.02; Cd為 空氣阻力系數(shù)，貨車取1.00 ;A為汽車正面投影面積。 代入數(shù)值；得Pemax=115.7kw轉(zhuǎn)速np取5000r/min最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速：Temax=9549 XaX Pemax/ np a為轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)，一般在 之間選取，此時取1.2,故Temax =265N m因np/ nT在之間選取， 故nT取2500 r/ min。目錄一 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器角傳動比 4二 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu) 4三 主要尺寸參數(shù)的選擇 53.1 螺桿、鋼球、螺母傳動副 53.1.1 鋼球中心距 63.1.2 螺桿外徑 63.1.3 螺母徑 63.1.4 鋼球直徑 63.1.6 接觸角 73.1.7 螺

5、距 73.1.8 螺旋線導(dǎo)程角 73.1.9 工作鋼球圈數(shù) 73.1.10 導(dǎo)管徑 83.2 齒條、齒扇傳動副 83.2.1 齒扇模數(shù) 93.2.2 齒扇齒數(shù) 93.2.3 齒扇整圓齒數(shù) 93.2.4 齒扇壓力角 93.2.4 切削角 9四 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器強度計算 104.1 鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力 10五 轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑的確定 11循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計摘要：循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器又有兩種結(jié)構(gòu)型式，即常見的循環(huán)球-齒條齒扇式，和另一種即循環(huán)球 -曲柄銷式。它們各有兩個傳動副，前者為：螺桿、鋼球和螺母傳動副以及螺母上的齒條與搖臂軸上的齒扇傳動副；后者為：螺桿、鋼 球和螺母傳動副以及螺母上的銷座與搖臂軸上

6、的錐銷或球銷傳動副。兩種結(jié)構(gòu)的調(diào)整間隙方法均是利用調(diào)整螺栓移 動搖臂軸來進行調(diào)整。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的傳動效率高、工作平穩(wěn)、可靠，螺桿及螺母上的螺旋槽經(jīng)滲碳、淬火及磨 削加工，耐磨性好、壽命長。齒扇與齒條嚙合間隙的調(diào)整方便易行，這種結(jié)構(gòu)與液力式動力轉(zhuǎn)向液壓裝置的匹配布 置也極為方便。關(guān)鍵詞：循環(huán)球式 轉(zhuǎn)向器一 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器角傳動比由循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)關(guān)系可知：當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動”角時，轉(zhuǎn)向螺母及其齒條的移動量應(yīng)為S=( e /360)t式中t螺桿或螺母的螺距。rw，則B角所對應(yīng)的嚙合圓弧長應(yīng)等于s,即iw2 rw這時，齒扇轉(zhuǎn)過B角。設(shè)齒扇的嚙合半徑為(B /360)2 n rw=s由以上兩式可求得循

7、環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的角傳動比式中rw 齒扇的嚙合半徑;t螺桿或螺母上的鋼球滾道的螺距。二循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)采用循環(huán)球一一齒條齒扇式轉(zhuǎn)向器，結(jié)構(gòu)形式如圖1 :他有兩級傳動副，一級是與轉(zhuǎn)向軸連接的轉(zhuǎn)向螺桿和轉(zhuǎn)向螺母，另一極是齒條和齒扇。轉(zhuǎn)向螺母既是第一級傳動副的從動件，又是第二級傳動副的主動件。為了減少轉(zhuǎn)向螺桿與轉(zhuǎn)向 螺母之間的摩擦與磨損，二者的螺紋不直接接觸，而是做成滾珠的外滾道，中間裝有許多滾珠，以實現(xiàn)滾動摩擦。轉(zhuǎn)向螺母上裝有兩個滾珠導(dǎo)管，每個滾珠導(dǎo)管的兩端分別插入轉(zhuǎn)向螺母側(cè)面的孔中,滾珠導(dǎo)管也裝滿了滾珠，形成兩個各自獨立的封閉通道。圖1循環(huán)球一齒條齒扇式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)1軸承2轉(zhuǎn)向螺桿3轉(zhuǎn)向螺母4扇形齒

8、輪軸 5滾珠三主要尺寸參數(shù)的選擇3.1螺桿、鋼球、螺母傳動副螺桿、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（如圖2）。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(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)

9、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，通常螺距t約在8-13mm圍,螺旋線導(dǎo)程角0約為6° -11 °。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d約為6-9mm。一般應(yīng)參考同類型汽車的轉(zhuǎn)向器選取5鋼球直徑d并應(yīng)使之符合國家標(biāo)準(zhǔn)。鋼球直徑尺寸差應(yīng)不超過128 X 10 d。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。3.1.1 鋼球中心距D=32mm螺桿外徑D仁

10、 29mm螺母徑D2=32.2mm 一般要求 D2-D1=(5%-10%)D鋼球直徑d=7.144mm鋼球數(shù)量n (n不超過60):能提高承載能力，但使鋼球流動性變壞，從而使傳動效率降低。鋼球數(shù)目可有下式確定：DWDWn21d cos 0d式中D-鋼球中心距；W個環(huán)路中的鋼球工作圈數(shù)，為了使載荷在各鋼球間分布均勻，一般，當(dāng)轉(zhuǎn)向器的鋼球工作圈數(shù)需大于2.5時，則應(yīng)采用兩個獨立的環(huán)路；d-鋼球直徑；0螺線導(dǎo)程角；滾道截面四段圓弧滾道截面。 滾道截面有四點接觸式、兩點接觸式和橢圓滾道截面等。四點接觸式滾道截面由四段圓弧組成，螺桿和螺母的滾道截面各為兩段圓弧。四點接觸式滾道截面可獲得最小的軸 向間隙，

11、以避免軸向定位的不穩(wěn)定，受載后基本上可消除軸向位移，但滾道與鋼球間仍應(yīng)有間隙以 貯存磨屑、減小磨損。雖然其制造工藝較復(fù)雜，但仍得到廣泛應(yīng)用。兩點接觸式滾道截面由兩段圓 弧組成，其螺桿和螺母滾道均為單圓弧，形狀簡單。當(dāng)螺桿受有軸向載荷時，螺桿與螺母間產(chǎn)生軸 向相對位移使軸向定位不穩(wěn)定，增加了轉(zhuǎn)向盤的自由行程，這對裝動力轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向系特別不利，因 為它降低了分配閥的靈敏度，從而影響轉(zhuǎn)向性能。橢圓滾道的螺桿部分為橢圓截面、螺母部分為圓 弧截面。鋼球以三點（與滾道接觸，被精確地定位于滾道中心，軸向定位精確，但加工較復(fù)雜。螺 桿滾道應(yīng)倒角以避免尖角劃傷鋼球。接觸角0 =45。接觸角B是指鋼球與螺桿滾道接觸

12、點的正壓力方向與螺桿滾道法面軸線間的夾角。增 大B將使徑向力增大而軸向力減??；反之則相反。通常B多取45，以使徑向力與軸向力的分配均勻。3.1.7 螺距t= 10mm3.1.8 螺旋線導(dǎo)程角a o= 6前者影響轉(zhuǎn)向器的角傳動比；后者影響傳動效率。選擇時應(yīng)滿足角傳動比的要求和保證有較高 的正效率，而反行程時不發(fā)生自鎖現(xiàn)象。3.1.9 工作鋼球圈數(shù)W=1.5圈。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，能降低接觸壓力，提高承載能力；但鋼球受力不均勻，螺桿增長使剛度降低。工作鋼球圈數(shù)有1.5圈和2.5圈。3.1.10 導(dǎo)管徑d1=

13、d+e 取 e=0.6mm,貝U d仁6.95mm導(dǎo)管壁厚 1mm螺桿和螺母一般采用.20CrMnTi、22CrMnMo 20CrNi3A鋼制造，表面滲碳，滲碳層深度為，重型汽車和前軸負(fù)荷大的汽車的轉(zhuǎn)向器，滲碳層深度可達(dá)。淬火后表面硬度為 HRC58-64.螺桿-鋼球-螺母傳動副的高可靠性、長壽命、小的摩擦損失以及達(dá)到實際上的無隙配合（螺桿 的軸向間隙不應(yīng)大于 ），是通過對滾道的高精度加工，使?jié)L道表面具有高光潔度，采 用標(biāo)準(zhǔn)的高精度的鋼球（可用二、三級精度的），并對螺桿、鋼球及螺母的尺寸進行選配來達(dá)到的。3.2齒條、齒扇傳動副齒扇通常有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

14、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(dá)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)動其相對于搖臂軸的中心有距離為n的偏心。這樣加工的齒扇在與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(dá)為s 2 r tan2tan g ncosn2 cos2rw2 n2式中 r 徑向間隙；嚙合角；rw齒扇的分度圓

15、半徑；搖臂軸的轉(zhuǎn)角。當(dāng)，rw確定后，根據(jù)上式可繪制圖，用于選擇適當(dāng)?shù)膎值，以便使齒條、齒扇傳動副兩端齒嚙合時，齒側(cè)間隙s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)。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即可。變厚齒扇基準(zhǔn)截面處的齒形計算，計算前應(yīng)將先選定的參數(shù)也列在該表中。其中齒扇模數(shù)m是根據(jù)前橋負(fù)荷及汽車的裝載質(zhì)量的不同參考下表選??；法向壓力角 0 般為20 30 ；切削角常見的有6 30'和7 30'兩種；齒頂高系數(shù) 1 一般取0.8或1.0 ；整圓齒

16、數(shù)Z一般在12-18圍選??；齒扇寬度F 般在22-28mm圍選取。齒扇齒模數(shù)m/mm3.03.54.04.55.0乘用車發(fā)動機排量/mL5001000-18001600-200020002200前軸負(fù)荷/N3500-38004700-73507000-90008300-1100010000-11000商用車前軸負(fù)荷/N3000-50004500-75005500-185007000-195009000-24000最大載 質(zhì)量/kg3501000250027003500從表7-1中取齒扇模數(shù)5.0齒扇齒數(shù)5齒扇整圓齒數(shù):13齒扇壓力角22 30'3.2.4 切削角6 30'3.2

17、.5 齒扇寬四循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器強度計算為了進行強度計算，首先要確定其計算載荷。曾給出了汽車在干而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，禾U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(fù)荷大的重型載貨汽車，計算出來的力往往會超過司機在體力上的 可能。這時在計算轉(zhuǎn)向器和動力轉(zhuǎn)向的動力缸以前的零件時，可取司機作用在轉(zhuǎn)向盤輪緣上的最大 瞬時力，此力可取為 700N。4.1鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力為K3 NEAdb cA/B1.000.900.800.700.600.500.400.300.20K0.3880.400.410

18、.440.4680.4900.5360.6000.176式中K系數(shù)，根據(jù)根據(jù)A/B查下表取得。其中A/B用下式計算:A/B d(2c db)/2c(d db)d螺桿外徑；c 螺桿與螺母滾道截面的圓弧半徑db 鋼球直徑；E材料彈性模量，2.1X 105MPa;N每個鋼球與螺桿滾道之間的正壓力FhRnlsin 0cosFh 轉(zhuǎn)向盤圓周力;R 轉(zhuǎn)向盤輪緣半徑;0螺桿螺線導(dǎo)程角；0鋼球與滾道間的接觸角;n 參與工作的鋼球數(shù);l鋼球接觸點至螺桿中心線之距離3000-3500MPa。當(dāng)鋼球與滾道的接觸表面的硬度為HRC58-64時，許用接觸應(yīng)力門 可取為26390.4NN7喚4521 0.00895 sin6