课程设计任务书-汽车循环球式转向器螺杆轴（转向轴）.doc

xxxxx材料科学与工程学院 课 程 设 计 任 务 书专业班级：材料xxx设 计 人：xx设计题目：东风汽车循环球式转向器螺杆轴（转向轴）设计参数：螺杆轴是循环球式转向器的机械零件。东风汽车循环球式转向器螺杆轴，内侧采用轴肩，左右直径均取d=20mm；左端轴径长度为14mm，比轴承宽度小4mm，螺杆轴与转向万节连接部位采用渐开线花键连接，花键加工工艺与齿轮相同。选用材料为20CrMnTi。设计要求： 根据工件尺寸、形状、几何参数和服役条件选择适用材料；制定工件加工工艺流程，分析其方法、目的及作用；制定热处理加工工艺规范，分析热处理前后的组织、结构和性能；撰写设计说明书。设计方法： 以专业主干课程材料科学基础、工程材料学、热处理原理与工艺、材料研究方法、材料力学性能等为主线，并参考金属材料和热处理等有关设计手册进行总体设计设计时间： 2017 年 2月 27日 至 2017年 3 月 15 日 设计人(签字) 指导教师(签字) 22 摘要 汽车转向器是汽车的重要组成部位，也是决定汽车主动安全性的关键总成，它的质量严重影响汽车的操纵稳定性。随着汽车工业的发展，汽车转向器也在不断的达到改进，在机械式的转向器中，循环球式转向器被广泛应用。这种转向器的有点事，操纵轻便，磨损小，寿命长。缺点是结构复杂。本文选择东风汽车循环球式转向器螺杆轴作为课题，主要内容有螺杆轴的参数设计；适用于工业生产的设计；热处理工艺参数。 循环球式转向器主要由螺杆、螺母、转向器壳体以及许多小钢球等部件组成，所谓的循环球指的就是这些小钢球，它们被放置于螺母与螺杆之间的密闭管路内，起到将螺母螺杆之间的滑动摩擦转变为阻力较小的滚动摩擦的作用，当与方向盘转向管柱固定到一起的螺杆转动起来后，螺杆推动螺母上下运动，螺母在通过齿轮来驱动转向摇臂往复摇动从而实现转向。在这个过程当中，那些小钢球就在密闭的管路内循环往复的滚动，所以这种转向器就被称为循环球式转向器。关键词：转向器 螺杆轴(转向轴） 热处理1生产线的设计与规划方案1.1生产线设计规划： 生产线建线目标：客户要求生产线自动化程度高，关键过程数据自动记录，要有防错设施，不能仅依靠员工的责任心。1.2生产线建设的流程： 转向器生产线建设主要的几个节点：设备检讨会召开、设备采购、个别工程整备、综合工程整备。1.3设备检讨会的召开 主要是协商讨论话多少钱买什么样装备的问题，开始时机是设计图纸发型后。1.4设备采购 设备采购执行流程，不定期跟踪设备的制作进度，重点关注可能影响到大日程设备情况，必要时跟设备厂家提供详细的制作日程。1.5 生产线平面布局生产线直线布局的优缺点:生产线直线布局的优点是（1）监督者方便观察（2）整体从零件到装配的物流路线清晰（3）清加工工序和粗加工工序可以区分开，避免对精加工工序的污染（4）不易出现漏工序的情况。生产线直线布局不足点是（1） 作业者不行距离变远 （2）生产线变长2转向器总成方案设计2.1转向器设计分析 循环球式转向器又称为综合式转向器(因为它由两级传动副组成），是目前国内外汽车上较为流行的一种结构形式。循环球式转向器中一般有两级传动副，第一级由螺杆和螺母共同形式的螺旋槽内装有钢球构成的传动副，第二级是由螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的齿条-齿扇传动副。 转向时，转动转向盘，与转向轴连为一体的螺杆带动方形螺母做轴向移动（因螺杆在轴向方向固定在转向器壳上），螺母的下端制成齿条，因而能带动与转向摇臂轴做成一体的齿扇的转动。图所示为一循环球式齿条-齿扇转向器。转向螺杆的轴径支撑在两个角接触球轴承上，轴承紧度可用调整垫片调整。转向螺母外侧的下平面加工齿条，与齿扇轴（即摇臂轴）上的齿扇啮合。可见，转向螺母既是第一级传动副的从动件，也是第二级传动副（齿条-齿扇传动副）的主动（齿条）。通过转向盘和转向轴转动转向螺杆时，转向螺母不能转动，只能轴向移动，并驱使齿扇轴转动。 为了减少转向螺杆和转向螺母之间的摩擦和磨损，二者的螺纹制成半圆形凹槽，并不直接接触，其间装有许多钢球，从而将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圆心弧组成近似半圆的螺旋槽。两者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面的螺旋管状通道，这样可以使转向螺母和转向螺杆轴向定位好，滚道和钢球间有间隙，可以用来贮存碎屑和润滑油，有助于减少螺母和螺杆之间的磨损。螺母侧面有两对通孔，可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内。两根U形钢球导管的两端插入螺母侧面的两对通孔中，导管内也装满了钢球。这样两根导管和螺母内的螺旋管状通道组成两条各自独立的封闭的钢球流道。 转向螺杆转动时，通过钢球将力传给转向螺母，螺母即沿轴向移动。同时，在螺杆与螺母两者和钢球间的摩擦力偶作用下，所有钢球便在螺旋管道通道内滚动，形成球流。钢球在管道通道内绕行1.5周后，流出螺母而进入导管的一端，再由导管另一端流回螺旋管状通道。因此，在转向器工作时，两列钢球只是在各自封闭的流道内循环，而不脱出。 循环球式转向器在螺杆和螺母之间因为有可以流动的钢球，将滑动摩擦变为滚动摩擦，因而其正传动效率很高（可达9095），故操纵轻便。在结构上和工艺上采取措施，可保证有足够的使用寿命，工作平稳可靠，齿条和齿扇之间的间隙调整工作容易进行。但其逆效率高，容易将路面冲击力传动转向盘。不过，对于前轴轴载质量不大而又经常在平坦路面上行驶的汽车而言，这一缺点影响不大；而对于载重量较大的汽车，使用循环球式转向器时，除可以在转向器中增加吸振装置减少路面冲击反力外，往往装有液力转向加力器。由于循环球式转向器在结构上便于与液力转向加力器设计为一个整体，而液力系统又可以缓和路面的冲击。2.2转向器设计要求（1） 汽车转弯行驶时，全部车轮应绕顺时针方向旋转，任何车轮不应有侧滑，不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。（2） 汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的情况下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶。（3） 汽车在任何行驶状态下，转向轮不得产生振动，转向盘没有摆动。（4） 转向传动机构和悬架导向装置共同工作时由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小。（5） 保证汽车有较高的机动性，具有快速和小转弯能力。（6） 操纵轻便。（7） 转向轮碰到障碍物之后，传给转向轮的反冲力要尽可能小。（8） 转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。（9） 在车祸中，当转向轴和转向盘由于车架或车身的变形而后移时，转向系统应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。（10） 进行运动校核，保证转向盘与转向轮方向一致。正确设计转向梯形机构，可以使第一项得到保证。转向系中设有转向减震器时，能够防止转向轮产生振动，同时又能使传动转向盘上的反冲力明显下降。为了使汽车具有良好的机动性能，必须使转向轮有尽可能大的转角，并要达到按前外轮车轮轨迹计算其最小转弯半径能达到汽车轴距的22.5倍。通常用转向时驾驶员作用在转向盘上的切向力大小和转向盘转动圈数多少两项指标来评价操纵轻便性。没有动力转向的轿车，在行驶中转向，此力应为50100N；有动力转向时。此力在2050N。当货车从直线行驶状态，以10km/h的速度在柏油路或水泥的水平路段上转入沿半径12m的圆周行驶，且路面干燥，若转向系内没有装动力转向器，上述切向力不得超过250N；有动力转向器时，不得超过120N。轿车转向盘从中间位置转到每一端的圈数不得超过2.0。3螺杆轴设计计算3.1材料选择 螺杆轴用20CrMnTi制造，热处理钢球滚道处渗碳层深度在0.81.2mm，表面淬火HRC5863.20轴径硬度HRC40，渐开线花键处不渗碳。3.2结构设计如图 考虑轴向固定，内侧采用轴肩，又考虑角接触球轴承的标准，故左右轴径均取d=20mm；左端轴径长度为14mm，比轴承宽度小4mm，以便将轴承可靠的固定在转向螺杆轴上。为使汽车转向螺杆轴中心与转向万节的中心能保持高度一致，二者的连接采用渐开线花键连接，花键的加工工艺与齿轮相同；为减少螺杆和螺母之间的摩擦，提高传动效率，在螺杆和螺母的滚道之间放置适量的钢球；防止钢球沿滚道滚出，在螺母上设有钢球返回装置，使钢球通过此装置自动返回入口处，从而形成循环回路。3.3轴的设计计算首先由变厚齿扇齿模数m=5.0mm，查表4-1确定转向螺杆轴的相关参数，相关参数如下：钢球中心距D=32mm； 螺杆外径D1=29mm； 钢球直径d=7.144mm；螺距P=10mm 工作圈数2.5； 环流行数2； 螺母长度L=56mm； 齿扇齿数Z=5； 齿扇整圆齿数Z，=13； 齿扇压力角a=2730； 齿扇宽26mm 螺杆螺纹滚道有效工作长度L=112mm4螺杆轴的设计分析4.1 20CrMnTi的成分及性能特点4.1.1 20CrMnTi的主要元素成分及作用如下表：元素CrTiMnCSi含量1.001.300.040.100.801.100.170.230.170.37作用提高钢的淬透性细化晶粒提高钢的淬透性4.1.2 20CrMnTi的性能 20CrMnTi是渗碳钢，通常为含碳量为0.17%-0.24%的低碳钢。汽车上多用其制造传动齿轮，是中淬透性渗碳钢中Cr Mn Ti 钢，其淬透性较高，在保证淬透情况下，具有较高的强度和韧性，特别是具有较高的低温冲击韧性。20CrMnTi表面渗碳硬化处理用钢。良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相当好。主要用途有：用于齿轮，轴类，活塞类零配件以及汽车，飞机各种特殊零件部位。4.2 热处理性能要求：1. 热处理钢球滚道处渗碳层深度在0.81.2mm，2. 渐开线花键处不渗碳。3. 表面淬火HRC5862.20轴径硬度HRC40，20CrMnTi螺杆轴的工艺流程：下料、锻造、正火、加工、清洗、渗碳、淬火、回火、清洗、检验 20CrMnTi钢常见的热处理工艺表热处理工艺工艺参数硬度要求工艺特点正火加热860880C，保温，空冷217HBS消除残余应力，降低硬度淬火加热920950C，保温，油冷156207HBS细化晶粒，消除组织缺陷，获得珠光体+少量铁素体组织回火加热500650，保温2h，油冷3036HCR回火索氏体渗碳后淬火与回火淬火：加热820850C，保温后油冷回火：加热180C，保温2h。空冷表面：5662HRC心部：3540HRC心部保持良好韧性的同时，表层获得高的强度、硬度、耐磨性与耐蚀性5正火设备选用RX3箱式电炉，参数见表产品名称产品型号额定功率（kv）额定电压（V）额定温度（C）相数炉膛尺寸（mm）外形尺寸（mm）重量（kg）箱式电炉RX3-30-9303809503950x450x3501920x1620x21402200 正火温度：20CrMnTi钢AC3约为825C，促使奥氏体均匀化，增大过冷奥氏体稳定性，20CrMnTi正火：20CrMnTi钢材在加热860保温速冷到680保温后空冷。930温度C650空冷时间min 加热方法：采用到温加热的方法，是指当炉温加热到指定温度时，再将工件装进热处理炉进行加热。这样做的原因是避免金属组织的出现不需要的相转变，加热速度快，节约时间。保温时间：选定的依据，保温时间可按下列公式进行计算：t=a x K x D，式中t为吧保温时间，K为反应装炉时的修正系数，K取为1.7。A为加热系数min/mm，加热系数a可根据钢种与加热介质、加热温度进行取值。D为工件的有效厚度（mm）d=30，取t=1780min。最终组织：细珠光体+铁素体 晶粒度：56级若正火温度过高，则会导致工件脱碳甚至开裂，降低零件硬度，使正火后的组织粗大；若正火温度过低，则组织转变不足，不能达到正火预期目的。6渗碳设备渗碳的目的：渗碳后进行淬火与回火，使其心部保持良好的韧性的同时，表层获得高的强度、硬度和耐磨性。 渗碳温度： 进行气体渗碳，加热900C，以0.150.2mm/h计算保温时间，加热温度不超过920C，以避免晶粒粗大。渗碳设备选用RQ3-60-9D型井式气体渗碳炉，产品名称产品型号额定功率（KV）额定电压（V）额定温度（C）炉膛尺寸（mm）外壁尺寸（mm）重量（kg）井式气体渗碳炉RQ3-60-9D60380950450x6001570x2000x22402630炉温均匀，介质流动性好，加热速度温度均匀，工件变形小，加热质量好，利于提高产品质量，炉膛容积有效利用率高，产量大，耗电量小，可节省电能与筑炉材料，电极寿命长，减少停炉时间。加热方法：采用到温加热的方法，是指炉膛加热到指定温度时，再将工件加入热处理炉进行加热。在不需要的地方，渐开线花键处涂防渗碳层，此部位不进行渗碳。渗碳温度：渗碳温度在AC3以上，考虑碳在钢中的扩散速度等因素，目前在生产上广泛采用温度为910930C。随着渗碳层深度的升高，碳在钢中的扩散系数呈指数上升，渗碳速度加快，但渗碳温度过高会使晶粒粗大，工件畸变增大，设备寿命降低。渗碳层厚度为0.81.2mm，选取t=920C。渗碳介质渗碳介质：煤油渗碳介质煤油在不同温度下的分解产物及含量见表名称温度/C分解产物CO2COH2CH4CmHnO2+N2煤油9500.42.21.24.637464056120.40.88000.41.21218192638.447.320290.47.3保温时间：5小时依据：20CrMnTi钢的渗碳层深度与渗碳时间的关系表渗碳过程排气升温碳势调整扩散预冷渗碳层深度（mm）及时间（min）0.40.7不少于1h自然升温20min1h30min0.60.9不少于1h自然升温20min1.5h30min0.81.2不少于1h自然升温20min2h30min1.11.6不少于1h自然升温20min3h30min7淬火的目的 淬火的目的是为了使过冷奥氏体进行马氏体（或贝氏体）转变，得到马氏体（或贝氏体）组织，然后配合以不同温度的回火，以提高工件的硬度、强韧性、弹性、耐蚀性和耐磨性，获得所需的力学性能。淬火设备： 气体渗碳后零件采用从渗碳温度随炉降温到适宜的淬火温度，经一段保温均热后直接淬火（水或油）的热处理工艺，因此淬火工艺与渗碳炉相同。 渗碳处理淬火温度：880C渗碳后冷却至850C淬火温度油淬时间保温时间：公式T=a x K x DT保温时间K工件装炉方式修正系数，K取值1.3a保温时间系数a=1.7D工件有效厚度D=30mm该公式是淬火加热、保温时间经验公式，当工件形状简单时，采用到温入炉加热，即公式计算出的时间为保温时间，由于工件是渗碳后直接淬火，该公式计算到保温时间依然适用。可得保温时间T=1800min。冷却方式：油冷淬火后的组织：渗碳淬火后表面至心部的组织依次为：马氏体+碳化物（少量）+残余奥氏体、 马氏体+残余奥氏体、 马氏体、 低碳马氏体（心部）。8回火回火目的： 低碳钢采取回火时可以使马氏体分解，析出碳化物转变成回火马氏体，淬火内应力得到部分消除，淬火时得到的微裂纹也得到大部分的愈合，因此低温回火可以在很少降低硬度的情况下使钢的韧性得到显著地提高，并提高钢的强度、耐磨性，使轴和齿轮部分得到优异的机械性能。并且可以稳定组织，使工件在适用过程中不发生组织转变，降低或消除淬火内应力，以减少工件的变形并防止开裂，从而保证工件的尺寸、形状不变。回火设备：回火设备选用和正火处理相同的RX3箱式电炉。回火温度： 由于渗碳钢零件表面要求具有很高的硬度，耐磨性，同时要求心部具有较好的塑韧性。因此低温回火可以满足性能要求，故选择低温回火，且工件适中，温度t：150250。选取为200C。 加热方式：用空气电阻炉采取到温加热的方式，可以减少工件加热时间，回火后硬度下降较小。即加热到200将工件放入电阻炉。加热介质：空气保温时间：依据：工件有效厚度30mm，合金钢按空气回火炉温表，增加所列时间的1/3保温时间。最终取保温时间120min。有效厚度/mm2020404060608080100保温时间/min3060609090120120150150180冷却方式：空冷回火组织：表面:回火马氏体+碳化物+残余奥氏体；心部：回火马氏体+残余奥氏体。A）表面硬度5862HRC,心部硬度3045HRC。9热处理工艺的检验9.1实验设备的选择1）HR-F洛氏硬度计。主要参数：实验力：1500N；压头类型：金刚石圆锥120； 实验力保持时间699s，可设置；测试硬度范围2070HRC。2) 金相显微镜9.2检验项目和具体操作1）检验内容 a) 外观检验：渗碳工件表面不得有氧化皮、碰伤及裂纹等缺陷。b) 渗层深度检验：渗层深度检验通常采用金相测定法对试块进行测定，如 结果出现争议需采用硬度法检验作为仲裁手段。 c) 硬度检验：包括工件的表面和心部的硬度检验。 d) 显微组织检验：主要有渗碳组织和心部组织的检验。渗层组织有马氏体 的粗细，碳化物的形状、大小、数量和分布，残余奥氏体的数量；心部组织检验主要检验游离铁素体的数量、大小和分布。渗层的主要组织为细针状马氏体、少量的残余奥氏体和数量不多、均匀分布的细小粒状碳化物。马氏体和残余奥氏体15级为合格；碳化物16级为合格，受冲击载荷的工件15级为合格。 e) 畸变：按图样技术要求或工艺规定进行检验 2) 具体操作 a) 硬度的检验：选取三点进行硬度测试，根据原理HB=F/S（淬火钢球）， 用硬度实验测试。b) 力学性能检测：利用实验仪器进行抗拉强度和屈服强度的测试。 c) 进行组织检验（GB/T 1329891金属显微组织检验方法） 试样制备：选取试样横截面切取，横截面在砂纸上由粗至细进行打磨后进行抛光。4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，用酒精清洗后吹干。 试样观察：在金相显微镜下进行观察试样的金相组织。