循环球转向系统

1、西安工业大学北方信息工程学院本科毕业设计(论文)题目：城市SUV循环球式转向系统设计 系 别： 机电信息系 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： B090204 学 生： 赵梦林 学 号： B09020435 指导教师： 程文冬 2013年5月毕业设计（论文）任务书系别 机电信息系专业机械设计制造及其自动化班 B090204 姓名 赵梦林学号B09020435 1.毕业设计（论文）题目：城市SUV循环球式转向系统设计2.题目背景和意义：转向器是汽车的一个重要组成部分，它直接影响汽车的安全性和操控性。本课题根据长城哈佛H6主要行驶参数和运动要求，对其转向器进行整体结构设计，然后在三维软件环

2、境下实现对转向器虚拟模型的建立，最终实现汽车良好的转向性能，保证其安全性和操控性。3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）：（1）了解相关系统，熟悉其发展状况，掌握详细构造和工作原理（2）根据轿车的性能要求，对转向系统主要零部件进行结构设计，运用Auto CAD软件绘制总装配图；（3）运用AUTO CAD设计软件绘制装配图与主要零件图；（4）运用三维设计软件进行主要零部件设计与装配；（5）撰写1.2万字以上的毕业设计论文。本设计是根据长城哈佛H6而展开的，设计中所采用的相关参数均来源于此种车型，轴距（mm）：2680，最小转弯半径（m）：（6）前轮胎规格：225/65 R17，后轮胎规格

3、：225/65 R17，最高车速：180Km/h。 4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）：设计基本要求： （1）具有良好的工作效能；（2）工作可靠；（5）便于维护和保养。 时间节点安排： 第12周：消化课题题目，收集资料，明确设计的任务及要求； 第 3 周：撰写开题报告； 第45周：方案论证，深化方案的可行性并给出具体实施步骤； 第69周：设计计算主要零部件； 第1011周：应用AutoCAD软件绘制总装配图以及主要部件的零件图； 第1213周：运用三维设计软件，对主要部件进行三维建模与装配； 第1415周：进行毕业设计总结，编写毕业设计论文，并做好答辩的准备。 5.毕业设计（

4、论文）的工作量要求 1.5万字 实验（时数）*或实习（天数）： 图纸（幅面和张数）*： 折合3张A0图纸 其他要求： 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 系主任审批： 年 月 日说明：1本表一式二份，一份由学生装订入册，一份教师自留。2 带*项可根据学科特点选填。城市SUV循环球式转向系统设计摘 要论文主要阐述了循环球转向系统的设计。汽车转向器是汽车的重要组成部分，它直接影响汽车行驶的安全性，其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得到改进，虽然电子转向器已经开始使用，但是传统的机械转向器依然起着主导作用。循环球式转向系统由于其自身的特点被广泛运

5、用于各类汽车之中。本文重点设计了循环球式转向器，并对转向器零件强度、刚度进行了校核，同时还对转向系计算载荷进行确定，同时对转向系统的其他主要零部件进行了结构设计，同样也对所设计的转向机构进行了分析和研究。实现了转向器结构简单紧凑，轴向尺寸短，且零件数目少的优点又能增加助力，从而实现了汽车转向的稳定性和灵敏性。最后运用三维设计软件对所设计的结构进行了三维模型的建立，通过三维模型的设计与建立，更进一步的验证了所设计结构的合理性。关键词：转向器；转向系；机械转向；循环球式；液压助力 Honda crv circulation ball type steering system designAbstr

6、actThis paple mainly tell about the design of circulation ball steering system. Redirector,an important component of the automobile,which is the key assembly decided the safety of the automobile. It seriously affected the quality of the vehicle handing and stability. Along with the development of th

7、e auto industry,automobile steering gear is continuously improved, although the electronic steering gear has began to use ,but the traditional mechanical steering gear is still plays a leading role. Circulation ball type steering system has been widely used in various cars as of its characteristics.

8、This paper designs the circulating ball type steering gear and steering parts strength and stiffness for the checking, but also to determine steering system computational load, at the same time to the other main parts of steering system structure design, also in the design of steering mechanism is a

9、nalyzed and studied. Implements the redirector simple and compact structure, short axial dimensions, and the advantage of less parts number and can increase power, so as to realize the vehicle steering stability and sensitivity. Finally by using the 3 d design software to design 3 d model of structu

10、re, through the design and build 3 d model, further verify the rationality of the design structure. Key words: Steering gear; Steering system; Mechanical steering; Circulating ball type; The hydraulic power I目 录1 绪论11.1转向器的使用背景11.2循环球转向器的研究意义11.3国内外研究现状21.4主要研究工作32 转向器工作原理及其特点42.1转向系统概述42.2循环球式转向器特点

11、63 转向系主要性能参数83.1转向器的效率83.2传动比的变化特性93.3转向器传动副的传动间隙t113.4转向系计算载荷的确定114 循环球转向器的尺寸参数计算134.1主要尺寸参数的选择134.2变厚齿扇174.3循环球式转向器零件强度计算224.4转向器的润滑方式和密封类型的选择235 转向传动机构设计245.1转向传动机构原理245.2转向梯形的布置255.3转向梯形机构尺寸的初步确定255.4梯形校核255.5转向传送机构的臂、杆与球销265.6转向横拉杆及其端部265.7杆件设计结果276 转向系统的其它部分286.1万向传动装置286.2传动轴与中间支承306.3动力转向机构设

12、计306.4汽车转向器的日常维护327 转向器三维造型347.1 solidworks简介347.2转向器的三维装配设计348 结论36参考文献37致 谢38毕业设计（论文）知识产权声明39毕业设计（论文）独创性声明40II1 绪论1 绪论本章主要介绍了本课题的研究背景、研究目的及其意义、国内外研究现状，简单描述了本文的研究现状，明确设计任务和要求。1.1转向器的使用背景 当前，汽车工业成为中国经济发展的支柱产业之一，汽车企业对各系统部件的设计需求旺盛。其中，转向系统是汽车的一个重要组成部分，它直接影响汽车的操控性和安全性。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

13、1。用来改变或保持汽车行驶方向的专设机构称为汽车转向系统，汽车转向系统的功用就是保证汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶，并在受到路面传来的偶然冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶。因此，转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性和安全性1。随着现代汽车技术的迅速发展，汽车转向系统已从纯机械式转向系统、液压助力转向系（HPS）、电控液压助力转向系统（EHPS），发展到利用现代电子和控制技术的电动助力转向系统（EPS）及线控转向系统（SBW）2。1.2循环球转向器的研究意义 一百多年前，汽车刚刚诞生后不久，其转向操纵是仿照马车和自行车的转向方式，用一个操纵杆和手柄

14、来时前轮偏转实现转向的。由于操纵费力且不可靠，一直常发生车毁人亡的事故。在随后几十年内人们渐渐用转向盘和转向柱代替了操纵杆和手柄，之后涡轮蜗杆式的减速装置被最早应用。 在二十世纪初，汽车已经是一个沉重而又高速疾驰的车辆，即使一个强壮的驾驶员要控制转向仍然是很劳累的事情。于是降低转向操纵力的问题就变得比较迫切了。从1903年开始，助力辅助转向机构不断出现，有一些采用真空助力，有一些采用压缩空气。 1923年美国底特律市的亨利·马尔斯为了减少涡轮副和滚轮的摩擦力在两者之间接触放入钢珠支承，这就是后来的循环球式转向器了。目前在美国和日本汽车上依然得到广泛应用。 1928年，弗朗西斯

15、3;戴维斯研制成功并首次应用了液压助力转向器。但直到二战时期才重新推广应用。1954年凯迪拉克汽车公司首先把液压助力转向应用于汽车上。随后汽车工业迅猛发展，1985年日本丰田公司采用计算机控制辅3西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）助转向，即为所谓电动助力转向器。1986年本田又研制出四轮转向汽车。到今天，已经不是单纯机械意义上的汽车了，它是机械、电子、材料等学科的综合产物。汽车转向系统也随着汽车工业的发展历经了长时间的演变。 循环球式转向器和齿轮齿条式转向器，已成为当今世界汽车上主要的两种转向器；而蜗轮蜗杆式转向器和蜗杆肖式转向器，正在逐步被淘汰或保留较小的地位。相比齿轮齿条式转向器

16、，循环球式转向器由于更多依靠滚动摩擦，所以具有较高的传动效率，操纵起来比较轻便舒适，机械部件的磨损较小，使用寿命相对较长，在过去那个没有转向助力的年代，循环球式转向器占据了统治地位。可以说，汽车丧失了转向器这个重要环节，那么汽车的安全性将得不到充分而且必要的保证，交通事故将会愈来愈多，所以研究汽车的转向器十分必要，而且意义重大。1.3国内外研究现状随着汽车车速的提高，驾驶员和乘客的安全非常重要，目前国内外在许多汽车上已普遍增设能量吸收装置，如防碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊等，并逐步推广。从人类工程学的角度考虑操纵的轻便性，已逐步采用可调整的转向管柱和动力转向系统。   

17、 随着国际经济形势的恶化，石油危机造成经济衰退，汽车生产愈来愈重视经济性，因此，要设计低成本、低油耗的汽车和低成本、合理化生产线，尽量实现大批量专业化生产3。对零部件生产，特别是转向器的生产，更表现突出。 随着汽车工业的迅速发展，转向装置的结构也有很大变化。汽车转向器的结构很多，从目前使用的普遍程度来看，主要的转向器类型有4种：有蜗杆销式(WP型)、蜗杆滚轮式(WR型)、循环球式(BS型)、齿条齿轮式(RP型)。这四种转向器型式，已经被广泛使用在汽车上4,5。  据了解，在世界范围内，汽车循环球式转向器占45左右，齿条齿轮式转向器占40左右，蜗杆滚轮式转向器占10左右，其它型式的转向

18、器占5。循环球式转向器一直在稳步发展。在西欧小客车中，齿条齿轮式转向器有很大的发展。日本汽车转向器的特点是循环球式转向器占的比重越来越大，日本装备不同类型发动机的各类型汽车，采用不同类型转向器，在公共汽车中使用的循环球式转向器，已由60年代的62.5，发展到现今的100了。大、小型货车大都采用循环球式转向器，但齿条齿轮式转向器也有所发展。微型货车用循环球式转向器占65，齿条齿轮式占 356。 循环球式转向器在国外实现了专业化生产，以专业厂为主、大力进行试验和研究，大大提高了产品的产量和质量。在日本“精工”(NSK)公司的循环球式转向器就以成本低、质量好、产量大，逐步占领日本市场，并向全世界销售

19、它的产品。德国ZF公司也作为一个大型转向器专业厂著称于世。它从1948年开始生产ZF型转向器，年产各种转向器200多万台。还有一些比较大的转向器生产厂，如美国德尔福公司SAGINAW分部；英国BURMAN公司都是比较有名的专业厂家，都有很大的产量和销售面。专业化生产已成为一种趋势，只有走这条道路，才能使产品质量高、产量大、成本低，在市场上有竞争力7,8。 动力转向系统的应用日益广泛，不仅在重型汽车上必须装备，在高级轿车上应用的也较多，在中型汽车上的应用也逐渐推广。主要是从减轻驾驶员疲劳，提高操纵轻便性和稳定性出发。虽然带来成本较高和结构复杂等问题，但由于优点明显，还是得到很快的发展。 

20、; 动力转向有3种形式：整体式、半分置式及联阀式动力转向结构。目前3种形式各有特点，发展较快，整体式多用于前桥负荷38t汽车，联阀式多用于前桥负荷518t汽车，半分置式多用于前桥负荷6t以上到超重型汽车9。 从发展趋势上看，国外整体式转向器发展较快，而整体式转向器中转阀结构是目前发展的方向。1.4主要研究工作这次设计主要是根据循环球转向器的主要结构特点，进行设计转向器的主要部分零件的尺寸大小。另外，还有强度校核以及转向器其他的零部件的论述和组要零部件的三维建模。其中包括，钢球尺寸大小、数目，摇臂轴的直径大小、螺距，齿扇轴的齿数、直径，转向螺母的尺寸大小，各部分的装配关系以及主要零部件的选材加工

21、要求等等。最后三维建模部分是根据前面的计算的尺寸而进行的实体建模，目的是为了更加清楚直观地表达此次设计的内容。另外，设计过程中应满足的转向器一些基本要求： 1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转。 2）转向轮具有自动回正能力。 3）在行驶状态下，转向轮不得产生自振，转向盘没有摆动。 4）转向传动机构和悬架导向装置产生的运动不协调，应使车轮产生的摆动最小。 5）转向灵敏，最小转弯直径小、操纵轻便。 6）转向轮传给转向盘的反冲力要尽可能小。 7）转向器和转向传动机构中应有间隙调整机构。 8）转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。 9）转向盘转动方向与汽车行驶方向的改变相一致10。

22、西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）I2 转向器工作原理及其特点2 转向器工作原理及其特点本章主要介绍关于转向器的概述，其工作基本原理，以及其基本的结构组成，为后续的设计计算工作打下理论基础。 2.1转向系统概述 2.1.1转向系统的组成和工作原理汽车在行驶时，常常需要改变其行驶方向。用来改变汽车行驶方向的机构叫做汽车转向系。按照转向系能源的不同，汽车转向系又分为机械转向系与动力转向系两大类。机械转向系统完全靠驾驶员的人力操纵，转向系所有机件都是机械的。动力转向系实际上是一种助力转向系，即转向系兼用驾驶员手力和发动机动力为操纵能源。转向系由三个主要部分组成。它们是转向操纵部分、转向器部

23、分和转向传动部分。转向系结构如图2.1所示，当驾驶员转动转向盘时，转向器把这个动作传到转向传动机构。然后，转向系统传动机构带动前轮偏转，控制汽车的行驶方向。 图2.1 机械转向系示意图111-转向盘 2 -转向轴 3-转向万向节 4-转向传动轴 5-转向器 6-转向摇臂7-转向主拉杆 8-转向节臂 9-左转向节 10、12-梯形臂 13-右转向节2.1.2转向器的分类 按照转向器动力的来源可以将其分为五大类：机械式转向器、液压助力转向器、电动助力转向器、电控液压转向器和线控转向器。4西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) a . 机械式转向器 机械式转向器以驾驶者转动方向盘的力作为全部动

24、力，使得地面反作用轮胎转向的力全部作用于驾驶者，地面状况全部反馈给驾驶者，使其操作起来易打手。而且完全机械的转向机构，若想产生足够大的转向扭距，由力矩=力×作用长度知，人力是有限的，若想操作轻便，就必须增大作用长度即增大方向盘，这样一来，占用驾驶室的空间很大，整个机构显得比较笨拙。所以有限的力、有限的方向盘只能导致有限的转向扭距，使得机械式转向器的应用范围得到了限制。根据所采用的装箱传动副的不同，机械式的转向器的结构形式有很多种常见的有循环球式、齿轮齿条式、球面蜗杆滚轮式、蜗杆曲柄指销式等。 b. 液压助力转向器 液压助力转向器主要部件包括油泵、液压式分配阀和助力器。油泵通过皮带带动

25、，把油压输出到助力器，助力器课题内是一个活塞，活塞两端是腔室。当轿车直线行驶时，活塞两端压力相等，静止不动，油泵空转；转动方向盘时，液压分配阀将油液通过变化了的通道进入了助力器的一侧，使活塞两端出现压力差，迫使活塞移动到另一侧帮助转动。 液压助力具有工作噪音小，灵敏度高，占用体积小，并能够吸收来自地面的冲击力反应迅速等特点。但能耗较高,尤其是低速转弯的时候，觉得方向比较沉，发动机也比较费力气，又由于液压泵的压力很大，也比较容易损害助力系统。 c. 电动助力转向器 电动助力转向器是利用电动机作为助力源，根据车速和转向参数等因素，由电子控制单元完成助力控制，其原理可概括如下：当操纵转向盘时，装在转

26、向盘轴上的转矩传感器不断地测出转向轴上的转矩信号，该信号与车速信号同时输入到电子控制单元。电控单元根据这些输入信号，确定助力转矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转动方向，调整转向辅助动力的大小。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。 d. 电控液压助力转向器 电控液压助力转向器是液压助力和电动助力的结合体。它主要是通过车速传感器将车速传递给电子元件或微型计算机系统，控制电液转换装置改变动力转向的助力特性，使驾驶员的转向手力根据车速和行驶条件变化而改变，即在低速行驶或急速转弯时能以很小的转向手力进行操作，在高速行驶时能以

27、稍重的转向手力进行稳定操作，使操纵性和稳定性达到最合适的平衡状态。 e. 线控转向器 随着电子技术和控制理论的发展，一些研究人员做出大胆假设，将方向盘与转向车轮通过控制信号连接，就可以利用转向系统的变增益特性补偿整车转向特性的变化，从而降低驾驶员的操作负担，改善人-车闭环系统性能。这种全新的转向控制系统就是线控转向系统12。2.2循环球式转向器特点 循环球式转向器的特点是：效率高，操纵轻便，有一条平滑的操纵力特性曲线。布置方便。特别适合大、中型车辆和动力转向系统配合使用；易于传递驾驶员操纵信号；逆效率高、回位好，与液压助力装置的动作配合得好。可以实现变速比的特性，满足了操纵轻便性的要求。中间位

28、置转向力小、且经常使用，要求转向灵敏，因此希望中间位置附近速比小，以提高灵敏性。 大角度转向位置转向阻力大，但使用次数少，因此希望大角度位置速比大一些，以减小转向力。由于循环球式转向器可实现变速比，应用正日益广泛。其结构如图2.2所示。 图2.2 循环球部分结构示意图通过大量钢球的滚动接触来传递转向力，具有较大的强度和较好的耐磨性。并且该转向器可以被设计成具有等强度结构，这也是它应用广泛的原因之一。 变速比结构具有较高的刚度，特别适宜高速车辆车速的提高。高速车辆需要在高速时有较好的转向稳定性，必须保证转向器具有较高的刚度。间隙可调。齿条齿扇副磨损后可以重新调整间隙，使之具有合适的转向器传动间隙

29、，从而提高转向器寿命，也是这种转向器的优点之一。循环球式转向器传动效率可达到75%85%，转向器的传动比可以变化，工作平稳可靠，齿条和齿扇之间的间隙调整容易，适用来做整体式转向器13。循环球式转向器由螺杆和螺母共同形成的螺旋槽内装有钢球构成的传动副，以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成。73 转向系主要性能参数 3 转向系主要性能参数本章主要介绍关于转向器的效率，转向系传动比变化特性，以及传动比的选择，另外还有计算载荷的计算。3.1转向器的效率 功率P1从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率称为转向器的正效用符号+表示，反之称为逆效率，用符号表示。正效率+ 计算公式： +=（P1-

30、P2）/P1，逆效率 计算公式：=（P3-P2）/P314 。式中，P1为作用在转向轴上的功率，P2为转向器中的磨擦功率，P3为作用在转向摇臂轴上的功率。 正效率高，转向轻便。转向器应具有一定逆效率，以保证转向轮和转向盘的自动返回能力。但为了减小传至转向盘上的路面冲击力，防止打手，又要求此逆效率尽可能低。 3.1.1转向器的正效率+ 影响转向器正效率的因素有转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等。 a. 转向器类型、结构特点与效率 在四种转向器中，齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高，而蜗杆指销式特别是固定销和蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显的低些。 同一类型转向器，因结构不同效率也不

31、一样。如蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支持轴之间的轴承可以选用滚针轴承、圆锥滚子轴承和球轴承。选用滚针轴承时，除滚轮与滚针之间有摩擦损失外，滚轮侧翼与垫片之间还存在滑动摩擦损失，故这种轴向器的效率+仅有54%。另外两种结构的转向器效率分别为70%和75%。转向摇臂轴的轴承采用滚针轴承比采用滑动轴承可使正或逆效率提高约10%。 b. 转向器的结构参数与效率 如果忽略轴承和其经地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于蜗杆类转向器，其效率可用式3.1计算 （3.1） 8西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 式中，a0为蜗杆（或螺杆）的螺线导程角；为摩擦角，=arctanf；f为磨擦因数。 根据

32、逆效率不同，转向器有可逆式、极限可逆式和不可逆式之分。 路面作用在车轮上的力，经过转向系可大部分传递到转向盘，这种逆效率较高的转向器属于可逆式。它能保证转向轮和转向盘自动回正，既可以减轻驾驶员的疲劳，又可以提高行驶安全性。但是，在不平路面上行驶时，传至转向盘上的车轮冲击力，易使驾驶员疲劳，影响安全行驾驶。可逆式转向器有利于汽车转向结束后转向轮和转向盘自动回正，但也可能将坏路面对车轮的冲击力传到转向盘，发生“打手”情况。3.1.2转向器的逆效率 逆效率很低的转向器称为不可逆转向器。不平道路对转向轮的冲击在输入到这种转向器，即由其中个传动零件承受，而不会传到转向盘上。路面作用于转向轮上的回正力矩同

33、样也不能传到转向盘。这就使得转向轮自动回正成为不可能。此外，道路的转向阻力矩也不能反馈到转向盘，使得驾驶员不能得到路面反馈信息（所谓丧失“路感”），无法据以调节转向力矩。不可逆式转向器，是指车轮受到的冲击力不能传到转向盘的转向器。该冲击力转向传动机构的零件承受，因而这些零件容易损坏。同时，它既不能保证车轮自动回正，驾驶员又缺乏路面感觉，因此，现代汽车不采用这种转向器。极限可逆式转向器介于可逆式与不可逆式转向器两者之间。在车轮受到冲击力作用时，此力只有较小一部分传至转向盘。如果忽略轴承和其它地方的磨擦损失，只考虑啮合副的磨擦损失，则逆效率可用下式计算 （3.2） 式（3-1）和式（3-2）表明：

34、增加导程角a0，正、逆效率均增大。受-增大的影响，a0不宜取得过大。当导程角小于或等于磨擦角时，逆效率为负值或者为零，此时表明该转向器是不可逆式转向器。为此，导程角必须大于磨擦角。3.2传动比的变化特性3.2.1转向系传动比 转向系的传动比包括转向系的角传动比 iw0 和转向系的力传动比 ip 。转向系的力传动比:9 （3.3）转向系的角传动比: （3.4） 转向器的角传动比: （3.5） 根据取值范围，（对于货车iw一般取值为1632，对于轿车一般取值为1220），取值为16。 转向传动机构的角传动比: （3.6）转向系的角传动比 iw0 由转向器角传动比 iw 和转向传动机构传动比 i&#

35、39;w组成，即 。3.2.2力传动比与转向系角传动比的关系 转向阻力Fw与转向阻力矩Mr的关系式： （3.7） 作用在转向盘上的手力Fh与作用在转向盘上的力矩Mh的关系式： （3.8） 将式（3.7）、式（3.8）代入 后得到 （3.9） 如果忽略磨擦损失，根据能量守恒原理，2Mr/Mh可用下式表示 （3.10） 将式（3.10）代入式（3.9）后得到 （3.11） 通过关系式（3.11）可以看到，当a和Dsw不变时，力传动比 ip 越大，虽然转向越轻，但 iw0 也越大，表明转向不灵敏。 对于一定的转向盘角速度，转向轮偏转角速度与转向器角度传动比成反比。角传动比增加后，转向轮偏转角速度对转

36、向盘角速度的响应变得迟钝，汽车转向灵敏性降低，所以“轻”和“灵”构成一对矛盾。为解决这对矛盾，可采用变速比转向器。3.3转向器传动副的传动间隙t 传动间隙是指各种转向器中传动副之间的间隙。该间隙随转向盘转角的大小不同而改变，并把这种变化关系称为转向器传动副传动间隙特性（图3.1）。 研究该特性的意义在于它与直线行驶的稳定性和转向器的使用寿命有关，图3.1中曲线1表明转向器在磨损前的间隙变化特性；曲线2表明使用并磨损后的间隙变化特性，并且在中间位置处已出现较大间隙；曲线3表明调整后并消除中间位置处间隙的转向器传动间隙变化特性。 图3.1 转向器传动副传动间隙特性 传动副的传动间隙在转向盘处于中间

37、及其附近位置时要极小，最好无间隙。若转向器传动副存在传动间隙，一旦转向轮受到侧向力作用，车轮将偏离原行驶位置，使汽车失去稳定。传动副在中间及其附近位置因使用频繁，磨损速度要比两端快。在中间附近位置因磨损造成的间隙过大时，必须经调整消除该处间隙。 为此，传动副传动间隙特性应当设计成图3.1所示的逐渐加大的形状。 3.4转向系计算载荷的确定为了保证行驶安全，组成转向系的各零件应有足够的强度。欲验算转向系零件的强度，需首先确定作用在各零件上的力。影响这些力的主要因素有转向轴的负荷、路面阻力和轮胎气压等。为转动转向轮要克服的阻力，包括转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内摩擦

38、阻力等。以下为本次设计的有关初始数据,如表3.1：表3.1 基本参数表最大扭矩转速(r/min)最高车速(km/h)轴距(mm)最大功率 (KW)最大功率转速(r/min)最大扭矩(N·m)车重（kg）42002002620 11062001901475 精确地计算出这些力是困难的。为此推荐用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩Mn(N·mm) = 54221 N·mm （3.12）式中，f 为轮胎和路面间的滑动摩擦因数，一般取0.7；Gl为转向轴负荷(N)；p为轮胎气压(MPa)。 作用在转向盘上的手力为 = 550 N （3.1

39、3）式中，Ll为转向摇臂长，L2为转向节臂长，Dsw为转向盘直径，iw为转向器角传动比，+为转向器正效率。 对给定的汽车，用式计算出来的作用力是最大值。因此，可以用此值作为计算载荷。然而，对于前轴负荷大的重型货车，用上式计算的力往往超过驾驶员生理上的可能，在此情况下对转向器和动力转向器动力缸以前零件的计算载荷，应取驾驶员作用在转向盘轮缘上的最大瞬时力，此力为700N。12I4 循环球转向器的尺寸参数计算 4 循环球转向器的尺寸参数计算 本章主要介绍关于循环球式转向器的相关尺寸设计计算及其相关参数的选取，另外，对于齿扇受力以及齿数的计算进行相关的分析，以及相关强度校核。4.1主要尺寸参数的选择

40、本课题的总体设计条件如下表4.1 表4.1 总体设计参数名称参数角传动比18.85最大工作压力13.7MPa前桥负荷()23.5T理论最大输出力矩1785Nm旋向左旋输出摆角齿扇模数5使用温度范围4.1.1钢球中心距D、螺杆外径D1、 螺母内径D2 尺寸D、D1、D2如图4.1所示。钢球中心距D是基本尺寸，螺杆外径D1螺母内径D2及钢球直径d对确定钢球中心距D的大小有影响，而又对转向器结构尺寸和强度有影响。在保证足够的强度条件下，尽可能将D值取小些。选取规律是随着扇齿模数的增大，钢球中心距也相应增加。设计时先参考同类型汽车的参数进行选取，经强度验算后，再进行修正。螺杆外径D1通常在2038mm

41、范围内变化，设计时应根据转向轴负荷的不同来选定。螺母内径D2应大于D1。一般要求D2-D1=(5%10%)D。根据题目选取钢球中心距D=32mm，螺杆外径D1=29mm，取螺母内径D2-D1=8%D，所以螺母内径D2=D1+8%D=29mm+8%×32mm=32mm。14西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）图4.1 螺杆、钢球和螺母传动副4.1.2钢球直径d及数量n 钢球直径尺寸d取得大，能提高承载能力，同时螺杆和螺母传动机构和转响器的尺寸也随之增大。钢球直径应符合国家标准，一般常在79mm范围内选用（表4.2），由表4.2取得d=7.144mm。增加钢球数量n，能提高承载能

42、力，但是钢球流动性变坏，从而使传动效率降低。因为钢球本身有误差，所以共同参加工作的钢球数量并不是全部钢球数。经验证明，每个环路中的钢球数以不超过60粒为好。为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可用下式计算 （4.1） 式4.1中，D为钢球中心距；W为一个环路中的钢球工作圈数；n为不包括环流导管中的钢球数；0为螺线导程角，常取0=5º8º，则cos01。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 表4.2 循环球式转向器主要参数齿扇模数mm3.03.54.04.55.06.06.5摇臂轴直径mm22263032323538404245钢球中心距mm2

43、02325252830323540 螺杆外径mm2023252528293438钢球直径mm5.5565.5566.3506.3507.1447.1448.000 螺距mm7.9388.7319.525 9.525 101011工作圈数1.51.52.52.5 环流行数 2螺母长度mm41455246475856596272788082齿扇齿数355齿扇整圆齿数121313131415齿扇压力角22°3027°30切削角6°30 6°30 7°30齿扇宽 mm22252527252830283230343835384.1.3滚道截面 螺杆和螺母

44、各有两条圆弧组成，形成四段圆弧滚道截面时,见图4.2，钢球与滚道有四点接触,传动时轴向间隙最小，可满足转向盘自由行程小的要求。图中滚道与钢球之间的间隙，除用来贮存润滑油之外，还能贮存磨损杂质。为了减少摩擦螺杆与螺母沟槽的半径R2应大于钢球半径d/2，一般取R2=(0.510.53)d,取R2=0.52d=0.52×7.144mm=3.7mm。 图4.2 四段圆弧滚道截面4.1.4接触角 钢球与螺杆滚道接触点的正压力方向与螺杆滚道法面轴线间的夹角称为接触角,如图4.2所示。角多取45°,以使轴向力和径向力分配均匀。4.1.5螺距P和螺线导程角0 转向盘转动角,对应螺母移动的距

45、离s为 （4.2）式4.2中,P为螺纹螺距。与此同时,齿扇节圆转过的弧长等于s,相应摇臂转过p角,其间关系可表示如下 （4.3）式4.3中,r为齿扇节圆半径。联立式（7.2）、式（4.3）得,将对求导得循环球式转向器角传动比为： （4.4） 由式（4.4）可知,螺距影响转向器传动比的值。在螺距不变的条件下,钢球直径d越大,图3.1中的尺寸b越小，要求b=P-d2.5mm。螺距一般在8-11mm内选取，因为P=10mm，d=7.144mm,所以b=P-d=10-7.144mm=2.856 mm>2.5mm，所以符合要求。4.1.6工作钢球圈数W 多数情况下，转向器用两个环路，而每个环路的工

46、作钢球圈数又与接触强度有关：增加工作钢球圈数，参加工作的钢球增多，能降低接触应力，提高承载能力；但钢球受力不均匀、螺杆增长而使刚度降低。工作钢球圈数有1.5和2.5圈两种。一个环路的工作钢球圈数的选取见表4.2得该要求的商用车的工作圈数选为1.5圈。4.1.7导管内径d1 容纳钢球而且钢球在其内部流动的导管内径d1=d+e,式中，e为钢球直径d与导管内径之间的间隙。e不宜过大,否则钢球流经导管时球心偏离导管中心线的距离增大，并使流动阻力增大。推荐e=0.40.8mm。导管壁厚取为1mm。4.2变厚齿扇4.2.1原理 齿扇一般有5个齿，它与摇臂轴连为一体。齿扇的齿厚沿齿长方向是变化的，这样即可通

47、过轴向移动摇臂轴来调节齿扇与齿条的啮合间隙。由于转向器经常处于中间位置工作，因此齿扇与齿条的中间齿磨损最厉害。为了消除中间齿磨损后产生的间隙而不致在转弯时使两端齿卡住，则应增大两端齿啮合时的齿侧间隙。这种必要的齿侧间隙的改变可通过使齿扇各齿具有不同的齿厚来达到。即齿扇由中间齿向两端齿的齿厚是逐渐减小的。为此可在齿扇的切齿过程中使毛坯绕工艺中心O1转动，如图4.3所示，O1相对于摇臂轴的中心O有距离为n的偏心。这样加工的齿扇在与齿条的啮合中由中间齿转向两端的齿时，齿侧间隙s也逐渐加大，啮合角一般为200，径向间隙系数为0.2；所以径向间隙为r=0.2r=0.2×26mm=5.2mm。s

48、可表达为：s=2rtan=2×5.2×tan200 mm=3.79mm。齿条、齿扇传动副各对啮合齿齿侧间隙s的改变也可以用改变齿条各齿槽宽而不改变齿扇各轮齿齿厚的办法来实现。一般是将齿条两侧的齿槽宽制成比中间齿槽大0.200.30mm即可。 图4.3 齿侧间隙的齿扇加工原理与计算简图4.2.2变厚齿扇的分析 变厚齿扇的齿顶和齿跟的轮廓面是圆锥的一部分，其分度圆上的齿厚是变化的，齿扇的齿厚沿齿宽方向的变化称为变厚齿扇。如图4.4所示，滚刀相对工件作垂直进给的同时，还以一定的比例作径向进给，两者合成为斜向进给。这样即可得到变厚齿扇。变厚齿扇的齿顶及齿根的轮廓面为圆锥面，其分度圆上的齿厚是成比例变化的，形成变厚齿扇，如图4.5所示。在该图中00截面原始齿形的变位系数=0，则位于其两侧的截面和分别具有>0和<0，即截面 的齿轮为正变位齿轮，截面的齿轮为负变位齿轮。即变厚齿扇在其整个齿宽方向上是由无穷多的原始齿形变位系数逐渐变化的圆柱齿轮所形成。因为在与00平行的不同截面中，其模数m不变、齿数也相同，故其分度圆及基圆亦不变，即为分度圆柱和基圆柱。其不同截面位置上的渐开线齿形，均为在同一基圆柱上展开的渐开