某轻型汽车动力转向器总成设计

摘 要 通过参考现有的一套液压动力式转向器 实物 ，完成了某轻型汽车动力 转向器机械传动部分的结构 设计。对其中各传动副的传动比进行了分配， 对 壳体、转向螺母等 零件进行了设计， 并对 主要 传动零件进行了强度校核。 关健词 :动力 转向 器 设计 强度校核 he is up 0% , of is to is in of at is to as as of on to 录 摘要 绪论 . 1 环球式转向器的 概要 . 1 计的要求 . 1 2 循环球式转向器的设计方案 . 3 环球式转向器结构形式设计方案的分析 . 3 环球式转向器的结构设计 . 3 3 螺杆、钢球和螺母传动副 的 设计 . 4 要尺寸参数的确定 . 4 要尺寸参数的确定 . 5 球与滚道之间的强度计算 . 11 4 齿条、齿扇传动副 的 设计 . 12 条、齿扇传动副 设计方案的分析 . 12 要尺寸参数的确定 . 12 隙调整装置的设计 . 13 的弯曲应力 计算 . 14 5 结论 . 15 参考文献 致谢 某轻型汽车动力转向器总成设计 1 绪论 环 球式动力转向器的概要 汽车 在行驶过程中，需按照驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓汽车转向。就轮式汽车而言，实现汽车转向的方法是，驾驶员通过一套专设的机构，使汽车转向桥（一般是前桥）上的车轮（转向轮）相对于汽车纵轴线偏转一定角度。在汽车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向。此时，驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向相反方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。这一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，即称为汽车转向系统（俗称汽车转向系）。因此，汽车转向系的功用是，保证汽 车能按照驾驶员的意志而进行转向行驶。 按转向力能源的不同，可将转向系分为机械转向系和动力转向系。 机械转向系的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，由转向操纵机构 (方向盘 )、转向器、转向传动机构三大部分组成。其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动 (严格讲是近似直线运动 )的机构，是转向系的核心部件。 动力转向系除具有以上三大部件外，其最主要的动力来源是转向助力装置。由于转向助力装置最常用的是一套液压系统，因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐，它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电 机和地线的作用。 动力转向系是兼用驾驶员体力和发动机为转向能源的转向系。在正常情况下，汽车转向所需能量，只有一小部分由驾驶员提供，而大部分是由发动机通过动力转向装置提供的。但在动力转向装置失效时，一般还应当能由驾驶员独立承担汽车转向任务。因此，动力转向系是在机械转向系的基础上加设一套动力转向装置而形成的。 汽车动力转向器均采用液压作动力源， 液压式动力转向装置重量轻，结构紧凑， 也无须润滑， 油液的阻尼作用还可以吸收路面冲击力，有 利于改善转向操作感觉，但液体流量的增加会加重泵的负荷，需要保持怠速旋转的机构 ，并且产 品结构复杂，对加工精度和密封的要求相对较高。 计的要求 为保证转向器据有良好的工作性能，转向器的设计应尽量满足下列要求： （ 1） 运动学上应保持转向轮转角和驾驶员转向盘的转角之间保持一定的比例关系 ，即随动作用 ； （ 2） 在 转小转向时作用在转向盘上的手力的同时，还应当有合适的“路感”，即能及时地将地面对转向阻力的影响反映到转向盘上，使作用在转向盘上的手力随转向阻力的增大而增大； （ 3） 工作安全可靠 ，即使一旦动力转向系统失灵，司机仍能够操纵转向盘使汽车转向 ； （ 4） 密封性良好； （ 5） 工作没有噪声和震动； （ 6） 工作灵敏，转动转向盘后，系统内的压力很快能增长到最高值。 2 循环球式转向器的设计方案 环球式转向器设计方案的分析 由于循环球式转向器有两级传动副，第一级是螺杆、钢球和螺母传动副，第二级是螺母、齿条传动副，所以设计方案主要由这两个部分展开。 环球式转向器的结构设计 循环球式转向器的结构如图 21。 图 2 1 循环球式动力转向器示意图 12345 3 螺杆、钢球和螺母传动副的设计 杆、钢球和螺母传动副的结构设计 为了减少转向螺杆和转向螺母之间的摩擦，二者之间的螺纹以螺旋槽滚动的许多钢球代之，以实现 滑动摩擦变为滚动摩擦。转向螺杆和螺母上都加工出断面轮廓为两段或三段不同心圆弧组成的近似半圆的螺旋槽。两者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面的螺旋管状通道。螺母侧面有一对通 孔，可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内。钢球导管的两端插入螺母侧面通孔中，导管内也装满了钢球。这样，钢球导管和螺母内的螺旋管状通道组合成封闭的钢球“通道” 2。 螺杆、钢球和螺母传动副的结构如图 3示 。 图 3 1 钢球、螺杆和螺母传动副示意图 1 2 3 4 5要尺寸参数的确定 克曼几何学 两轴汽车以低速转弯行驶，可忽略离心力的影响，假设轮胎是刚性的，忽略轮胎侧偏的时候，此时若各车轮绕同一瞬时转向中心进行转弯行驶，则两转向前轮轴线的延长线交在后轴延长线上，这一几何关系称为阿克曼几何学 3。 汽车前轮转向时，为满足上述条件，须满足下述关系式 c o tc o t （ 3 1） 式中：o 转向轮外轮转角； i 转向轮捏内转角； K 两主销轴线与 地面交点间距离； L 车轮轴距。 小转弯半径 6 汽车最小转弯半径 汽车内轮最大转角轴距 L、转向轮绕主销转动半径 r、两主销延长线到地面交点的距离 转向过程中 L、 r、 有i是变化的，所以内轮应有足够大的转角，以保证获得给定的最小转弯半径 计算最小转弯半径 下： m a a xm a xm i n t a i ns i n （ 3 2） 在给定最小转弯半径 件下，可以用下式计算出转向内轮应达到的最大转角 2m i nm a x a r c t a n（ 3 3） 已知 4500 L=2200 r=75 K=1600取29。 向系的效率 转向系的效率0由转向器的效率 和转向操纵及传动机构的效率 决定，即 ： 0 （ 3 4） 转向器的效率 又有正效率 与逆效率 之分。 循环球 式转向器的正效率 可达90% 95%。 向系的角传动比与力传动比 传动比 转向盘转角 的增量与同侧转向节转角的相应增量 之比，称为转向系的角传动比0i。转向盘转角的增量 与转向摇臂转角的相应增量之比 ，称为转向器的角传动比i。转向摇臂轴转角的增量 与同侧转向节的相应增量 之比，称为转向传动机构的角传动比 i。它们之间的关系是： 0i= i i= （ 3 5） i（ 3 6） i（ 3 7） 现代汽车转向传动机构的角传动比多在 近似为 1。故研究转向系的角传动比时，为简便起见，往往只研究转向器的角传动比即可，即 i=1。 对于乘用车，推荐转向器角传动比7代轿 车的 角 传动比常采用不变的数值i=14。 循环球式转向器角传动比i= 因此，转向系的角传动比0i= i i= 传动比 转向传动机构的力传动比 比值，即 （ 3 8） 转向系的力传动比 （ 3 9） 传动比与转向系角传动的关系 （ 1）转向阻力矩 3 10） 式中 : 在沥青或混凝土路面上的原地转向阻力矩， N f 轮胎与地面间的滑动摩擦系数，取 ； 1G 转向轴负荷 ,N； P 轮胎气压， 其中，轴荷分配 ：前轴 56%取 60%； 则转向轴负荷 1G = %52N = 8 0 0 ，取 1G =5880N； 轮胎气压 p：取 p= 因此，转向阻力矩 ， 取 r 235 。 （ 2）作用在转向盘上的手力1（ 3 11） 式中， 作用在转向盘上的手力， N； 1L 转向摇臂长 , 2L 转向节臂长 , R 转向盘半径 ; R=190 i 转向器角传动比；i= 转向器正效率 ; = 其中， 121 转向阻力矩 235 则 0 102 3 513 （ 3）转向阻力（ 3 12） 式中， 乘用车 0取 a=55 则 02353 取273N。 （ 4）手力（ 3 13） 式中 , 80 将 (3（ 3入 后得到 ： （ 3 14） 忽略能量损失，根据能量守恒原理， 02 （ 3 15） 将（ 3 14）代入（ 3 13）后得到 ： 0（ 3 16） 由于 代入（ 3 13），则9936 将3 10），则 38 029 9362 取57N,符合手力小于 200N。 球中心距 D、螺杆外径 2 螺杆外径 母内 径 d 对确定钢球中心距 D 的大小有影响 6，而 以在保证足够强度条件下，尽可能将 D 值取小些。选 D= 2 球直径 d 及 数量 n 钢球直径选为 d=了保证尽可能多的钢球都承载，应分组装配。每个环路中的钢球数为 ： 0d （ 3 17） 式中， D 为钢球中心 距； W 为一个环路中钢球工作圈数 ,取 W= ； 0为螺线导程角，常取 0=5，故