循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計

機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計題目：循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器專業(yè)：車輛工程班級：姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：日期：2016年6月1日目錄摘要………………1第一章緒論1.1課題背景………………11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀………………………21.3研究的目的及意義……………………21.4研究內(nèi)容和設(shè)計方法…………………2第二章轉(zhuǎn)向系簡介2.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介…………32.2轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)…………42.3轉(zhuǎn)向器…………………42.4轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)…………5第三章轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1轉(zhuǎn)向器效率……………63.2傳動比變化特性………………………73.3主要參數(shù)的選擇………………………93.4螺桿、鋼球、螺母傳動副設(shè)計………113.5齒條齒扇傳動副設(shè)計…………………14第四章主要零部件校核4.1轉(zhuǎn)向盤受力確定………………………164.2校核鋼球與滾道間的接觸應(yīng)力……………………174.3校核齒的彎曲應(yīng)力…………………184.4齒扇齒接觸應(yīng)力校核…………………194.4轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑的確定………………22附件………………23總結(jié)………………26參考文獻(xiàn)…………………………26摘要汽車是一種高性能要求，負(fù)荷變換巨大的運(yùn)輸工具。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車很關(guān)鍵的部件，更要詳細(xì)的了解跟認(rèn)識。這些年循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器得到市場普遍認(rèn)可跟應(yīng)用。本文主要設(shè)計了齒扇，螺桿，螺母三個主要零部件并校核。根據(jù)現(xiàn)在國家標(biāo)準(zhǔn)與循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器相關(guān)車型（本文以BJ2020）的數(shù)據(jù)，選取主要參數(shù)，參考汽車設(shè)計與相關(guān)資料設(shè)計一款循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，并繪制二維平面圖。關(guān)鍵詞:循環(huán)球、轉(zhuǎn)向器、設(shè)計、分析1緒論1.1課題背景轉(zhuǎn)向器又叫轉(zhuǎn)向機(jī)或者方向機(jī)，它是轉(zhuǎn)向系中最重要的部件。轉(zhuǎn)向器能增大轉(zhuǎn)向盤傳遞到轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的力矩并改變傳遞方向。轉(zhuǎn)向器按結(jié)構(gòu)形式可分很多種。目前常用的有齒輪齒條式、蝸桿指銷式、循環(huán)球式、蝸桿滾輪式等。如果按照助力形式又可分為機(jī)械式和動力式兩種。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器將來自轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行減速并增大扭矩，使方向盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成螺母的上下運(yùn)動，螺母再與扇形齒輪嚙合，直線運(yùn)動再次轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動，使連桿臂搖動，連桿臂連動拉桿和橫拉桿做直線運(yùn)動，改變車輪的行駛方向。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由兩組傳動副構(gòu)成，一個是螺桿、螺母，另一個是齒條、齒扇。循環(huán)滾動的鋼球安裝在螺桿和螺母之間，這樣使滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，從而提高了傳動效率?，F(xiàn)代社會，汽車已經(jīng)已經(jīng)成為我們生活中不可或缺的交通工具，我國的經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷增強(qiáng)，人民生活水平不斷提高，同時民族汽車工業(yè)不斷進(jìn)步。現(xiàn)在我國已經(jīng)成為世界汽車較強(qiáng)的國家。當(dāng)然作為汽車關(guān)鍵部件之一的轉(zhuǎn)向系也得到了相應(yīng)的發(fā)展，已形成了專業(yè)化、系列化生產(chǎn)的局面。國外有很多國家的轉(zhuǎn)向器廠，已發(fā)展成大規(guī)模生產(chǎn)的專業(yè)廠商，年產(chǎn)超過百萬臺，基本壟斷了轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)，并且銷售點(diǎn)遍布全世界。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器與齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，成為當(dāng)今世界汽車上最主要的兩種轉(zhuǎn)向器；而蝸輪蝸桿式轉(zhuǎn)向器和蝸桿銷式轉(zhuǎn)向器，正在逐步被淘汰。在小客車上發(fā)展轉(zhuǎn)向器的各個國家都不一樣，美國和日本重點(diǎn)發(fā)展循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器超過90%；歐洲則重點(diǎn)發(fā)展齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器超過50%，法國驚人的高達(dá)95%。在全世界范圍內(nèi)，汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占45%左右，而且有繼續(xù)增長的趨勢，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%?？梢哉f循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器在穩(wěn)步發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器是汽車上常用的一種轉(zhuǎn)向器，主要由螺母、螺桿、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，轉(zhuǎn)向靈敏度不好眾多缺點(diǎn)，因此逐漸被齒輪齒條式取代。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，操縱輕便，使用壽命很長，各種優(yōu)勢逐漸得到體現(xiàn)，因此再次得到廣泛使用。汽車在高速行駛時有較好的操縱穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向器必須具有較高的剛度。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由于通過大量鋼球的滾動接觸來傳遞扭矩，具有很高的強(qiáng)度和較好的耐磨性。并且可以被設(shè)計成具有等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，適宜高速車輛采用，這也是它采用廣泛的其中一個原因。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的間隙可調(diào)節(jié)，齒條齒扇磨損后可以重新調(diào)整間隙，使其具有合適的轉(zhuǎn)向器傳動間隙，從而提高轉(zhuǎn)向器壽命，因此采用廣泛。我國的也在向大量生產(chǎn)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器發(fā)展。1.3研究目的及意義循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器是目前最為廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)向器類型，作為車輛工程專業(yè)的學(xué)生我們很有必要去了解其設(shè)計過程，為以后工作打下一個理論基礎(chǔ)，同時循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器還會繼續(xù)擴(kuò)展市場占有率，也為我們國家轉(zhuǎn)向器的發(fā)展給自己補(bǔ)充知識，貢獻(xiàn)力量，為我們國家機(jī)械制造業(yè)的向前發(fā)展而努力。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)某些參數(shù)結(jié)合《汽車設(shè)計》和其他相關(guān)書籍的理論知識設(shè)計一款循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，確定參數(shù)，使設(shè)計出的轉(zhuǎn)向器符合使用要求，并為其今后拓展應(yīng)用領(lǐng)域奠定設(shè)計基礎(chǔ)。1.4研究內(nèi)容和設(shè)計方法研究內(nèi)容：（1）收集課題相關(guān)資料。結(jié)合畢業(yè)設(shè)計課題進(jìn)行必要的文獻(xiàn)檢索，查閱、收集、整理、歸納技術(shù)文獻(xiàn)資料；（2）深入學(xué)習(xí)并掌握汽車構(gòu)造、汽車設(shè)計等專業(yè)知識；了解循環(huán)球轉(zhuǎn)向器設(shè)計的指導(dǎo)思想和原則；（3）掌握汽車設(shè)計的方法和步驟，參考有關(guān)手冊和標(biāo)準(zhǔn)，對各總成部件進(jìn)行選型、計算、校核等等；（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(jìn)行強(qiáng)度校核，確定相關(guān)參數(shù)與材料以及裝配要求。按照標(biāo)準(zhǔn)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)已知參數(shù)并結(jié)合理論知識，分析計算得到循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后利用相關(guān)公式對轉(zhuǎn)向器的重要部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，校核的結(jié)果不符合國家相關(guān)要求需要重新計算，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。2轉(zhuǎn)向系簡介2.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)功用與標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。機(jī)械轉(zhuǎn)向系依靠駕駛員的手力轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，經(jīng)轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。有些汽車還裝有防傷機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向減震器。采用動力轉(zhuǎn)向的汽車還裝有動力系統(tǒng)，并借助此系統(tǒng)來減輕駕駛員的手力。按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB17675-1999和汽車設(shè)計可知，其轉(zhuǎn)向器的設(shè)計要求如下：（1）方向盤必須左置。（2）不得單獨(dú)以后輪作為轉(zhuǎn)向車輪。（3）不得裝用全動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。（4）轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向車輪的偏轉(zhuǎn)必須是漸進(jìn)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(zhǔn)確地操作，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在任何操作位置上不得與其他零部件有干涉現(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80km／h（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10km／h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(jī)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(yàn)。（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。（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(dú)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轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)由方向盤、轉(zhuǎn)向軸等組成，它的作用是將駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的操縱力矩傳給轉(zhuǎn)向器。圖2-1轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)2.3轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向器是完成由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動到直線運(yùn)動或近似直線運(yùn)動的一組齒輪機(jī)構(gòu)，同時也是轉(zhuǎn)向系中減速傳動裝置。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器和齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，已成為當(dāng)今世界汽車上主要的兩種轉(zhuǎn)向器。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器效率高，操縱輕便，有平滑的操縱力特性曲線，容易布置。很適合大、中型車輛和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；易于反饋駕駛員操縱的信號；逆效率高回位很好，與液壓助力裝置配合得很好。可以實(shí)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，要求轉(zhuǎn)向靈敏，希望中間位置附近速比小來提高靈敏性。大角度轉(zhuǎn)向位置轉(zhuǎn)向阻力大，但使用次數(shù)少，希望大角度位置速比大一些來減小轉(zhuǎn)向力。由于循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的眾多優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。通過大量鋼球的滾動接觸來傳遞轉(zhuǎn)向力，具有較大的強(qiáng)度和較好的耐磨性。并且該轉(zhuǎn)向器可以被設(shè)計成具有等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，這也是它應(yīng)用廣泛的原因之一。變速比結(jié)構(gòu)具有較高的剛度，特別適宜高速車輛車速的提高。高速車輛需要在高速時有較好的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，必須保證轉(zhuǎn)向器具有較高的剛度。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，也是這種轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)之一。圖2-2循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器有一蝸桿。您可以將此轉(zhuǎn)向器想象為兩部分。第一部分是帶有螺紋孔的金屬塊。此金屬塊外圍有切入的輪齒，這些輪齒與驅(qū)動轉(zhuǎn)向搖臂的齒輪相結(jié)合。方向盤連接在類似螺栓的螺桿上，螺桿則插在金屬塊的孔內(nèi)。轉(zhuǎn)動方向盤時，它便會轉(zhuǎn)動螺栓。由于螺栓與金屬塊之間相對固定，因此旋轉(zhuǎn)時，它不會像普通螺栓那樣鉆入金屬塊中，而是帶動金屬塊旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動轉(zhuǎn)動車輪的齒輪。螺栓并不直接與金屬塊上的螺紋結(jié)合在一起，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：一，減少齒輪的摩擦和磨損；二，減少齒輪的溢出。如果齒輪溢出會在轉(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造成方向盤松動。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對汽車的行駛安全至關(guān)重要。轉(zhuǎn)向螺桿和螺母上都加工出斷面輪廓為兩段不同心圓弧組成的半圓的螺旋槽。螺母與螺桿的螺旋槽能形成近似圓形斷面的螺旋管狀通道。螺母側(cè)面有兩對通孔，可將鋼球從此孔塞入螺旋形通道內(nèi)。轉(zhuǎn)向螺母上有兩根鋼球?qū)Ч?，?dǎo)管兩端分別插入螺母側(cè)面的一對通孔中。導(dǎo)管內(nèi)也裝滿了鋼球。兩根導(dǎo)管和螺母內(nèi)的螺旋管狀通道組合成兩條各自獨(dú)立的封閉的鋼球流道。2.4轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)是將轉(zhuǎn)向器輸出的力和運(yùn)動傳到轉(zhuǎn)向橋兩側(cè)的轉(zhuǎn)向節(jié)，使兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，使兩個轉(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的小。第三章轉(zhuǎn)向器設(shè)計3.1轉(zhuǎn)向器的效率功率從轉(zhuǎn)向軸輸入，經(jīng)轉(zhuǎn)向搖臂軸輸出所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，。式中為轉(zhuǎn)向器中的摩擦功率；為轉(zhuǎn)向搖臂軸上的功率。為了保證轉(zhuǎn)向時駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤輕便，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，車輪于路面之間的作用力傳至轉(zhuǎn)向盤上要盡可能小，防止打手，這又要求此逆效率盡可能低。影響轉(zhuǎn)向器正效率的因素有：轉(zhuǎn)向器的類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、參數(shù)和制造質(zhì)量等。(1)轉(zhuǎn)向器類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與效率滾針軸承和圓錐滾子軸承、球軸承等三種結(jié)構(gòu)之一。第一種結(jié)構(gòu)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滑動摩擦損失，故這種轉(zhuǎn)向器的效率僅有54%，另外兩種結(jié)構(gòu)在前述四種轉(zhuǎn)向器中，齒輪齒條式、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的正效率比較高，而蝸桿指銷式特別是固定銷和蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的正效率要明顯的低些。同一類型轉(zhuǎn)向器，因結(jié)構(gòu)不同效率也不一樣。如蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的滾輪與支持軸之間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(yàn)結(jié)果分別為70%和75%。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或逆效率提高約10%。(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，其效率為（1-1）式中，為螺桿（或蝸桿）的螺線導(dǎo)程角通常為8°-10°之間；為摩擦角，；為摩擦因數(shù)。取為8°；取0.03，；（1-2）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。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，這種逆效率較高的轉(zhuǎn)向器屬于可逆式。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。屬于可逆式的有齒輪齒條式和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。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。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，則逆效率為（1-3）（1-4）式（1-1）和（1-3）表明：增加導(dǎo)程角，正、逆效率均增大。受增大的影響，不宜取得過大。當(dāng)導(dǎo)程角小于或等于摩擦角時，逆效率為負(fù)值或者為零，此時表明該轉(zhuǎn)向器是不可逆式轉(zhuǎn)向器。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)向系的角傳動比和轉(zhuǎn)向系的力傳動比。從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)向盤上的手力之比，稱為力傳動比，即（1-5）轉(zhuǎn)向盤角速度與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度之比，稱為轉(zhuǎn)向系角傳動比，即（1-6）式中為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角增量；為轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角增量；為時間增量。它又由轉(zhuǎn)向器角傳動比和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)角傳動比所組成，即。轉(zhuǎn)向盤角速度與搖臂軸角速度之比，稱為轉(zhuǎn)向器角傳動比，即（1-7）式中，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(jī)構(gòu)的角傳動比,即（1-8）(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（1-9）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(diǎn)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（1-10）式中，為作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩；為轉(zhuǎn)向盤直徑。將式（1-9）和（1-10）帶入后得到（1-11）分析式（1-11）可知，當(dāng)主銷偏移距小時，力傳動比應(yīng)取大些才能保證轉(zhuǎn)向輕便。通常輕型越野車的值在0.4～0.6倍輪胎的胎面寬度尺寸范圍內(nèi)選取。轉(zhuǎn)向盤直徑應(yīng)根據(jù)車型不同在GB5911—86轉(zhuǎn)向盤尺寸標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的系列內(nèi)選取。本次設(shè)計用原有車型的數(shù)據(jù)。如果忽略摩擦損失，根據(jù)能量守恒原理，可用下式表示（1-12）將式（1-12）代入（1-11）后得到（1-13）當(dāng)和不變時，力傳動比越大，雖然轉(zhuǎn)向越輕，但也越大，表明轉(zhuǎn)向不靈敏。(3)轉(zhuǎn)向系的角傳動比轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)角傳動比，除用表示以外，還可以近似地用轉(zhuǎn)向節(jié)臂臂長與搖臂長之比來表示，即。現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)中，與的比值大約在0.85～1.1之間，可近似認(rèn)為其比值為1，則。由此可見，研究轉(zhuǎn)向系的傳動比特性，只需研究轉(zhuǎn)向器的角傳動比及其變化規(guī)律即可。(4)轉(zhuǎn)向器角傳動比及其變化規(guī)律式（1-9）表明：增大角傳動比可以增加力傳動比。從可知，當(dāng)一定時，增大能減少作用在方向盤上的手力，使操縱輕便。考慮到，由的定義可知：對于一定的轉(zhuǎn)向盤角速度，轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角速度與轉(zhuǎn)向器角傳動比成反比。角傳動比增加后，轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角速度對轉(zhuǎn)向盤角速度的影響應(yīng)變得遲鈍，使轉(zhuǎn)向操縱時間增長，汽車轉(zhuǎn)向靈敏性降低，所以“輕”和“靈”構(gòu)成一對矛盾。為解決這對矛盾，可采用變速比轉(zhuǎn)向器。齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器都可以制成變速比轉(zhuǎn)向器。循環(huán)球齒條齒扇式轉(zhuǎn)向器的角傳動比，因結(jié)構(gòu)原因，螺距不能變化，但可用改變齒扇嚙合半徑的方法，使循環(huán)球齒條齒扇式轉(zhuǎn)向器實(shí)現(xiàn)變速比的目的。3.3主要尺寸參數(shù)的選擇BJ2020前軸載荷根據(jù)表（3-1）取得為780kg，再根據(jù)表（3-2）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（3-3）進(jìn)行選取。表3-1BJ2020的主要技術(shù)參數(shù)BJ2020汽車系列BJ2020S系列BJ2020N系列全長[mm]40683860全寬[mm]17681750全高[整車裝備質(zhì)量時][mm]19901830軸距[mm]2300輪距[前輪、后輪][mm]14701440最小離地間隙[滿載][mm]210215最小轉(zhuǎn)彎直徑[沿前外輪中心][mm]12接近角[滿載][°]4145離去角[滿載][°]3335最大裝載質(zhì)量[kg]425整車裝備質(zhì)量[kg]15601520前橋軸荷[整車裝備質(zhì)量時][kg]757780后橋軸荷[整車裝備質(zhì)量時][kg]803740最大總質(zhì)量[kg]19901945最大拖掛質(zhì)量[掛車和貨物][kg]800………表3-2乘用車循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的齒扇齒模數(shù)齒扇齒模數(shù)/mm3.03.54.04.55.0發(fā)動機(jī)排量/ml5001000～18001600～200020002000轎車前軸負(fù)荷/N3500～80004700～73507000～90008300～1100010000～11000表3-3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/mm22263032323538404245鋼球中心距/mm2023252528303540螺桿外徑/mm20232528293438鋼球直徑/mm5.5565.5566.3506.3507.1447.1448.000螺距/mm7.9388.7319.5259.52510.00010.00011.000工作圈數(shù)1.51.52.52.5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22°30′27°30′切削角6°30′6°30′7°30′齒扇寬/mm2225252725283028-3234383538根據(jù)所選擇的齒扇模數(shù)，根據(jù)以上各表選取對應(yīng)的參數(shù)為：表3-4所選參數(shù)齒扇模數(shù)4mm前橋軸荷780kg鋼球直徑6.350mm螺距9.525mm工作圈數(shù)1.5螺桿外徑25mm環(huán)流行數(shù)2螺母長度47mm齒扇齒數(shù)5齒扇壓力角2730′齒扇寬28mm切削角630′3.4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)徑尺寸、、如圖（2-3）所示圖2-3螺桿鋼球螺母傳動副在保證足夠的強(qiáng)度條件下，盡可能將值取小些。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(jìn)行初選，經(jīng)強(qiáng)度驗(yàn)算后，再進(jìn)行修正。螺桿外徑通常在20～38mm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)徑應(yīng)大于，一般要求根據(jù)表（3-4）得：=25mm=25mmmm（2）鋼球直徑d及數(shù)量n鋼球直徑應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，一般常在6～9mm范圍內(nèi)，根據(jù)表（3-4）。取d=6.350mm。每個環(huán)路中的鋼球數(shù)可用下式計算：（1-14）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(dǎo)管中的鋼球數(shù)；為螺線導(dǎo)程角，常取=5°～8°，則。（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，如圖(2-4)，鋼球和滾道又四點(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。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道半徑為圖2-4四段圓弧滾道截面（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。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(1-15)式中，P為螺紋螺距。螺距P一般在8～11mm內(nèi)選取。由表（3-4）得：取9.525mm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：（1-16）式中，r為齒扇節(jié)圓半徑。聯(lián)立式（1-15），式（1-16）得，將對求導(dǎo)得循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器角傳動比為(1-17)又根據(jù)表（3-3）有；mm轉(zhuǎn)向器的角傳動比由式(2-17)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（2-6）中的尺寸b越小，要求，滿足要求。（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(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（3-4）。取W=1.5。(7)導(dǎo)管內(nèi)徑d1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)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的。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(yàn)表明在每個環(huán)路中不大于60為好。容納鋼球而且鋼球在其內(nèi)部流動的導(dǎo)管內(nèi)徑QUOTE，式中，e為鋼球直徑d與導(dǎo)管內(nèi)徑之間的間隙。e不容易過大，否則鋼球流經(jīng)導(dǎo)管時球心偏離導(dǎo)管中心線的距離增大，并使流動阻力增大。推薦e=0.4～0.8mm,取0.6mm。導(dǎo)管壁厚取1mm。則（8）螺桿螺紋滾道有效長度當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)過3π(即1.5圈)時，應(yīng)螺母在螺桿上移動的距離S,則QUOTE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=28.575mm在此條件下，應(yīng)盡量縮短滾道長度。但為了安全，在有效工作長度L之外的兩端各增加圈滾道寬度。因此，螺桿螺紋滾道的實(shí)際有效工作長度LL1=L+2(0.5～0.75)d=28.575+2×(0.5～0.75)×9.525=38.1～42.86mm又螺桿螺紋滾道的有效工作長度距兩端面距離5.5mm，即螺桿螺紋滾道的實(shí)際有效工作長度L1L+25.5=28.575+25.5=39.575mm；圓整后取L=39.5mm；則螺桿螺紋總長度為86.5mm。螺桿螺線導(dǎo)程角則,則=QUOTE=QUOTE=6.91o內(nèi)側(cè)采用軸肩，又考慮角接觸球軸承的標(biāo)準(zhǔn)，左右軸徑均取d=20mm；左端軸徑長度為14mm，比軸承寬度小1.25mm，軸承代號為30204，具體參數(shù)如下：軸承代號尺寸/mmdDTBCrsminr1smina≈30204204715.2514121111.23.5齒條、齒扇傳動副設(shè)計齒扇齒數(shù)由表（3-4）可知為5個，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(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，如圖（2-5）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(dá)為（1-18）式中——徑向間隙；——嚙合角；——齒扇的分度圓半徑；——搖臂軸的轉(zhuǎn)角。圖2-5為獲得變化的齒側(cè)間隙齒扇的加工原理和計算簡圖圖2-6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（2-6）所示的線圖，用于選擇適當(dāng)?shù)闹担员闶过X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。變厚齒形齒扇的計算，如圖（2-7）所示，一般將中間剖面A-A定義為基準(zhǔn)平面。進(jìn)行變厚齒扇計算之前，必須確定的參數(shù)有：變厚齒扇的模數(shù)m=4；法向壓力角，一般在20°～30°之間；齒頂高系數(shù)x1，一般取0.8或1.0；徑向間隙系數(shù)，取0.2；整圓齒數(shù)z，在12～15之間選??；齒扇寬度B，一般在22mm～38mm。圖2-7變厚齒形齒扇的計算簡圖變厚齒扇的幾何尺寸，計算結(jié)果如下：變厚齒扇的模數(shù)m=4mm變厚齒扇的法向壓力角=20°整圓齒數(shù)為z=13齒扇齒數(shù)為z=5變位系數(shù)x1=0.8頂系系數(shù)c=0.25分度圓直徑d=mz=413=52mm分度圓齒厚S=QUOTE=3.144/2=6.28mm齒頂高h(yuǎn)a=x1m=0.84=3.2mm齒根高h(yuǎn)f=(x1+c)m=(0.8+0.25)4=4.25mm齒頂圓直徑da=d+2ha=52+23.2=58.4mm由于齒扇的齒頂圓直徑da=58.4mm<500mm，可采用鍛造毛坯。因?yàn)辇X扇的齒根圓直徑df=d-2hf=52-24.25=43.5mm，而齒扇的軸徑為30mm,二者相差不大，故可制成一體的齒輪軸，軸的材料必須與齒扇齒輪相同。第四章主要零部件校核4.1轉(zhuǎn)向盤受力確定進(jìn)行強(qiáng)度計算首先要確定其計算載荷。為保證行駛安全,組成轉(zhuǎn)向系的零件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。要驗(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很困難。因此用足夠精確的半經(jīng)驗(yàn)公式來計算汽車在瀝青路面上行駛時轉(zhuǎn)向器的輸出力矩。汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩（N﹒mm）即（1-19）式中?為輪胎與地面間的摩擦因數(shù)取0.7；為前軸負(fù)荷（N）；輪胎氣壓（MPa）。由前軸負(fù)荷780Kg得；確定計算載荷后，即可計算轉(zhuǎn)向系零件的強(qiáng)度。轉(zhuǎn)向系力傳動比：（1-20）為轉(zhuǎn)向系角傳動比為轉(zhuǎn)向盤直徑取430mm為主銷偏移距通常的值在0.4～0.6倍輪胎的胎面寬度尺寸范圍內(nèi)選取。取mm，所以輪胎與地面之間的轉(zhuǎn)向阻力和作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(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4.2校核鋼球與滾道間的接觸應(yīng)力（1-21）式中K——系數(shù)，根據(jù)A／B查表（3-5）求得，其中A／B用下式計算：；（1-22）——滾道截面半徑；；R1為螺桿外徑；——鋼球半徑；；A/B=0.065取0.1，因此,K取0.970表3-5系數(shù)K與A/B的關(guān)系A(chǔ)/B…0.20.150.10.050.020.010.007…K…0.7160.8000.9701.2801.82.2713.202…——材料彈性模量，；——每個鋼球與螺桿滾道之間的正壓力；圖2-8螺桿受力簡圖QUOTE——螺桿上面的切向力——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(diǎn)至螺桿中心線之距離。；那么則有。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)力可取為2500MPa滿足要求。螺桿和螺母用20CrMnTi鋼制造，熱處理鋼球滾道處滲碳層深度在0.8～1.2mm。4.3校核齒的彎曲應(yīng)力齒扇齒的彎曲應(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；；；為由此可知滿足要求。4.4齒扇齒接觸應(yīng)力校核齒扇齒接觸應(yīng)力校核公式為：QUOTE（1-23）式中，KH為接觸疲勞強(qiáng)度計算的載荷系數(shù)，KH=KAKVKHαKHβ。表3-6使用系數(shù)KA載荷狀態(tài)工作機(jī)器原動機(jī)電動機(jī)、均勻運(yùn)轉(zhuǎn)的蒸汽機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)蒸汽機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)液壓裝置多缸內(nèi)燃機(jī)單缸內(nèi)燃機(jī)輕微沖擊不均勻傳送的帶式運(yùn)輸機(jī)或者板式運(yùn)輸機(jī)、機(jī)床的主傳動機(jī)構(gòu)、重型升降機(jī)等1.251.351.501.57中等沖擊橡膠擠壓機(jī)、橡膠和塑料做間斷工作的攪拌機(jī)、木工機(jī)械、單缸活塞泵等1.501.601.752.00這里選中等沖擊KA=1.75。因?yàn)槠圐X輪精度等級通常為7,所以由下表可選擇動載系數(shù)Kv=1.1。圖2-9動載系數(shù)KV齒間載荷分配系數(shù)KHα由下表可知選擇KHα=1.1。表3-7齒間載荷分配系數(shù)KHα、KFαKAFt/b≥100N/mm<100N/mm精度等級Ⅱ組56785級或更低硬齒面直齒輪KHα1.01.11.2≥1.2KFα斜齒輪KHα1.01.11.21.4≥1.4KFα軟齒面直齒輪KHα1.01.1≥1.2KFα斜齒輪KHα1.01.11.21.4≥1.4KFαd為分度圓直徑Φd為齒寬系數(shù)，Φd=b/d=28/52=0.538查閱下圖并用插值法算取，但是這里校核可以取最大KHβ=1.170足矣。表3-8接觸疲勞強(qiáng)度計算用的齒向載荷分布系數(shù)T1為輸入的扭矩，即T1=u為傳動比，因?yàn)辇X條直徑無窮大，所以QUOTEQUOTE為節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，因?yàn)镼UOTE所以取2.5QUOTE為彈性影響系數(shù)取189.8MPaQUOTE為重合度系數(shù)，QUOTE,取最大值為1.155圖2-10αn=20°時節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)將以上參數(shù)代入上式（1-23）得QUOTE滿足使用要求。4.5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(qiáng)度極限由下式確定：（1-24）式中，——安全系數(shù)，根據(jù)使用條件可取2.5～3.5，取為2.5?！D(zhuǎn)向阻力矩，——扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限，轉(zhuǎn)向搖臂軸一般采用20CrMnTi、22CrMnMo或20CrNi3A鋼制造，表面滲碳，滲碳層深為0.8～1.2mm。淬火后表面硬度為58—63HRC。轉(zhuǎn)向器殼體采用球墨鑄鐵QT400—18或可鍛鑄鐵KTH350—10，KTH370—12制造。總結(jié)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)向器符合其基本的要求。在現(xiàn)代越野車設(shè)計中，本論文中只是完成了初步的設(shè)計，因而其存在的問題還有待于進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器效率高、操縱輕便，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，可以實(shí)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，