机械设计说明书-长城哈弗H6汽车循环球式转向器设计

PAGEIVPAGEI本科毕业设计(论文)题目：长城哈弗H6汽车循环球式转向器设计长城哈弗H6汽车循环球式转向器设计本论文主要阐述说明长城哈弗H6的循环球式转向器的设计过程。汽车是一种性能要求高，负荷变化大的运输工具。转向系统是汽车的关键部分，而转向器是转向系统的重要组成部件，对它的深入研究显得意义重大。转向器质量的好坏对汽车的行驶稳定性和安全性都有直接影响。循环球式转向器主要由螺杆、钢球、螺母和转向器壳体等组成，具有较高的传动效率，操纵轻便，磨损较小，使用寿命长，近年来得到了广泛应用。虽然近年来电子助力，液压助力转向器越来越多的出现，但循环球式转向器由于其自身的特点被广泛应用于各级各类汽车上。本论文的重点在于循环球式转向器的设计，其中包括查询、计算转向系统相关参数；计算、选取转向器的尺寸；校核主要零件强度、刚度；确定零件载荷；同时对转向器进行结构设计、分析优化；并用AUTOCAD画出图纸，表达清楚其内部结构。实现转向器结构紧凑、轴向尺寸短、且零件数目少又能增加助力。关键词：SUV；转向器；机械转向；循环球式；设计TheGreatWallofHavalH6CarCirculatingBallTypeSteeringGearDesignAbstractThisthesismainlyexpoundsthattheGreatWallathavalH6circulatingballtypesteeringgeardesignprocess.Carisakindofhighperformancerequirements,largetransportloadchange.Steeringsystemisakeypartofthecar,steeringandsteeringgearisanimportantcomponentofthein-depthstudyofitissignificant.Steeringgearqualityonvehicledrivingstabilityandsafetyaredirectlyaffected.Mainlybythecirculatingballtypesteeringgear,ballscrew,nutandsteeringgearhousingandsoon,hasthehightransmissionefficiency,manipulatinglight,wearsmall,longservicelife,hasawiderangeofapplications.Althoughelectronicpowerinrecentyears,moreandmorehydraulicpowersteeringgear,loopballtoothfantyperedirectorrackduetoitsowncharacteristicsiswidelyusedinalllevelsofvarioustypesofcars.Thispaperwillfocusonthedesignofthecirculatingballtypesteeringgear,includingquery,relevantparameterscalculatedsteeringsystem;Thesizeofthecalculation,selectionofsteeringgear;Checkthemainpartsstrengthandrigidity;Determiningtheload;Optimizationofstructuraldesignandanalysisforthesteeringgear;WiththeAUTOCADdrawingdrawings,clearitsinternalstructure.Realizethesteeringcompactstructure,shortaxialdimensions,andlessnumberofpartsandcanincreasepower.KeyWords:SUV；Thesteeringgear；Mechanicalsteering；Circulatingballtype；Design目录1绪论 11.1转向器的研究背景及意义 11.2国内外研究现状 31.3本文主要研究内容 42转向器概述 52.1转向器简介 52.2工作原理 52.3循环球式转向器特点 53转向系主要性能参数 83.1转向器的效率 83.1.1转向器正效率η+ 83.1.2转向器逆效率η- 83.2转向系传动比 93.2.1转向系的角传动比 93.2.2转向系的力传动比 103.2.3力传动比和转向系角传动比的关系 103.3转向系变角传动原理 103.4转向器传动副的传动间隙△t 113.5转向系计算载荷的确定 124转向器的尺寸参数设计 134.1钢球中心距D、螺杆外径D1、螺母内径D2、钢球直径d及数量n 134.2滚道截面 154.3接触角θ 174.4螺距P和螺线导程角α0 174.5工作钢球圈数W与导管内径d1 174.6螺杆的实际有效工作长度的计算 185齿条、齿扇传动副的设计 195.1工作原理 195.2变厚齿扇的分析 205.3变厚齿扇齿形的计算 216循环球式转向器零件强度计算 236.1钢球与滚道之间的接触应力σ 236.2齿扇齿的弯曲应力σw 246.3转向摇臂轴直径d的确定 247结论 26参考文献 27致谢 28毕业设计（论文）知识产权声明 29毕业设计（论文）独创性声明 30PAGE11绪论1.1转向器的研究背景及意义汽车是一种性能要求高、负荷变化大、技术高度密集的运输工具。转向系统是汽车的关键部分，而转向器是转向系统的重要部件，对它进行深入研究显得意义重大，其质量好坏对汽车行驶的稳定性和安全性都有直接影响[1]。汽车转向器按结构可以分为多种，目前较常见的有循环球式、齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、蜗杆滚轮式等。如果按照助力形式，又可以分为机械式（无助力）和动力式（有助力）两种，其中，动力转向器又可以分为气压动力式、液压动力式、电动助力式、电液助力式等种类[2]。a.齿轮齿条式转向器齿轮齿条式转向器是一种最常见的转向器。其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条。转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。有时，靠齿条来直接带动横拉杆，就可使转向轮转向。所以，这是一种最简单的转向器，它的优点就是结构简单，成本低廉，转向灵敏，体积小，可以直接带动横拉杆，广泛应用。b.蜗杆曲柄销式转向器蜗杆曲柄销式转向器是以蜗杆为主动件，曲柄销为从动件的转向器，蜗杆具有梯形螺纹，手指状的雏形指销用轴承支承在曲柄上，曲柄与转向摇臂轴制成一体。转向时，通过转向盘转动蜗杆、嵌于蜗杆螺旋槽中的锥形指销一边自转，一边绕摇臂轴做圆弧运动，从而带动曲柄和转向垂臂摆动，再通过转向传动机构使转向轮偏转，通常用于转向力大的载货汽车上。c.齿轮齿条液压助力转向器齿轮齿条液压助力转向器，是相对于齿轮齿条机械转向器而言的，主要是增加了转向油泵、转向油壶、转向油管、转向阀、专项油缸等部件，以其达到改善驾驶员手感，增加转向助力的目的转向装置。循环球式转向器所谓的循环球指的就是小钢球，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西安大学北方信息工程学院毕业设计（论文）一起的螺杆转动起来后，螺杆推动螺母上下运动，螺母在通过齿轮啮合来驱动齿扇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。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主要的两种转向器，而蜗轮—蜗杆式转向器和蜗杆曲柄指销式转向器，正在逐步被淘汰或保留较小地位。在小3客车上发展转向器的观点各异，美国和日本重点发展循环球式转向器，比率都达到或超过了90%；西欧则重点发展齿轮齿条式转向器，比率超过50%，法国已高达95%。在全球范围内，汽车循环球式转向器占45%左右，有继续发展之势；齿轮齿条式转向器占40%左右；蜗杆滚轮式转向器占10%左右；其他形式的转向器占5%。可以说，循环球式转向器正在稳步发展，而西欧小客车，齿轮齿条式转向器有很大的发展；日本汽车转向器的特点是，循环球式转向器所占比重越来越大，日本装用不同型号发动机的各类型汽车，采用不同的转向器，在公共汽车中因使用循环球式转向器，有60年代所占总数的62.5%发展到现在的100%（蜗杆滚轮式转向器在公共汽车上已经被淘汰）。大、小型货车中，也大都采用循环球式转向器；但齿条齿轮式转向器有所发展；微型货车用循环球式转向器占65%，齿条轮式占35%。2010年，中国汽车产销量双双突破1800万辆，不仅蝉联世界第一，而且创全球历史新高。汽车工业俨然已经成为我国经济发展的支柱产业之一。在我国，进入90年代以来，汽车迅速普及，走进千家万户，融入我们的生活。我国的经济迅猛发展，人民生活水平大幅度提高，中国已成为世界汽车最大的新兴市场，产销两旺。由于循环球式转向器的种种优点，在中、小型号的车辆上都有良好的应用，而大型车辆更以循环球式转向器为主要结构。由此不难看出，循环球式转向器设计具有极其重要的意义，其应用前景也非常好。循环球式转向器是一种经典的机械式转向器，由钢球、螺杆、螺母、齿扇、齿扇轴、壳体等组成，共两级传动副：转向螺杆——螺母传动副和转向螺母——齿扇传动副。因螺母与螺杆之间没有滑动摩擦，只有钢球与螺杆及螺母之间的滚动摩擦，所以循环球式转向器具有较高的传动效率。另一方面，因其结构复杂，制造精度高、成本高、转向灵敏度不如齿条齿轮式转向器等而一度被齿条齿轮式所压制。但随着动力转向的应用以及道况的改善，“打手”现象明显减少，正向传动效率很高（最高可达90%以上），操作轻便，使用寿命长等各优势渐得体现，目前再次得到广泛应用。汽车车速的提高，需要在转向时有较好的转向稳定性，必须使转向器具有较高刚度。循环球式转向器通过大量钢球的滚动接触来传递转向力，具有较大的强度和耐磨性，并且被设计成等强度结构，特别是变速比结构具有较高刚度，适宜高速车辆采用。循环球式转向器的间隙可调，提高了转向器使用寿命。循环球式转向器的制造水平体现了一个国家汽车工业发展水平。我国循环球式转向器行业在结构设计和制造工艺水平方面，与世界先进水平仍有较大差距。未来转向器在朝着更加灵敏、经济、与信息化相适应的方向发展。1.2国内外研究现状随着汽车工业的发展，全球汽车产量、销量、车速节节攀高，驾驶员和乘客的安全显得愈发重要。同时，行业的不断发展则要求设计、生产制造更加专业化、合理化、经济化、安全化。在世界范围内，汽车循环球式转向器占45%左右，有继续发展之势；齿条齿轮式转向器在40%左右；蜗杆滚轮式转向器占10%左右；其它型式的转向器占5%。循环球式转向器正向传动效率高（最高可达90%以上），啮合平稳，刚性好，操纵轻便，大大降低驾驶员的劳动强度、使用寿命长，各种优势逐渐得到体现，目前得到广泛使用。在中、小型号的车辆上都有良好的应用，而大型车辆更以循环球式转向器为主要结构。随着动力转向的应用以及道路行驶条件的改善，“打手”现象明显减少，我国的转向器行业也在朝向大量生产循环球式转向器的方向发展，可是相较于发达国家起步晚，底子薄，模仿多于创新。而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，极具竞争力。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，循环球式转向器还是得到很快的发展[3]。发达国家转向器行业，目前已基本形成了专业化，系列化的生产局面，使产品质量高、产量大、成本低。国外有许多已发展成大规模生产的专业厂，技术先进，年产量超过百万台，销售点遍布全球。我国的转向器行业，目前发展势头十分迅猛，也在朝向大量生产循环球式转向器的方向发展，可是相较于发达国家起步晚，底子薄，模仿多于创新，设计与制造水平均落后与世界先进水平。41.3本文主要研究内容本次设计主要根据循环球式转向器的结构特点，进行转向器整体及主要零件的尺寸设计及强度、载荷校核。前期明确转向器设计原则、要求，查询车型的相关数据，计算、选取必要的数据以确定钢珠的尺寸大小、数目；摇臂轴的直径、强度；齿扇轴的齿数、模数等。中期根据已有的数据，绘制CAD图纸，明确表达转向器整体、内部结构、大小和各零件的装配关系。后期，查看已完成的设计，改正不可实现、设计不合理的部分。2转向器概述52转向器概述本章主要介绍转向器的基本结构组成、工作原理、转向器设计要求，为后续的设计计算打下理论基础。2.1转向器简介转向器又名转向机、方向机，它是转向系中最重要的部件。它的作用是：增大方向盘传到转向传动机构的力并改变力的传递方向。循环球式转向器是一种经典的机械式转向器，由钢球、螺杆、螺母、齿扇轴、齿扇、壳体等主要零件组成，共两级传动副：转向螺杆——螺母传动副和转向螺母——齿扇传动副。2.2工作原理所谓的循环球指的就是小钢球，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，螺杆推动螺母直线往复运动，转向螺母再通过齿齿啮合来驱动齿扇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。这种转向装置是由齿轮机构将来自转向盘的旋转力进行减速，使转向盘的旋转运动变为涡轮蜗杆的旋转运动，转向螺杆和螺母夹着钢球啮合，从而将转向螺杆的旋转运动变为直线运动，转向螺母再与齿扇齿啮合，直线运动再次变为旋转运动，使连杆臂摇动，转向摇臂再使连动拉杆和横拉杆做直线运动，改变车轮的方向[4]。它的原理相当于利用转向螺杆与螺母中产生的相对移动，变滑动摩擦为滚动摩擦，所有钢球在一个首尾相连的封闭的螺旋曲线内循环滚动，循环球式故而得名。2.3循环球式转向器特点循环球式转向器由螺杆、螺母、钢球、导管、壳体等主要零件组成。转向螺杆利用壳体两端的上盖和下盖及其轴承固定；在螺母的内表面和螺杆的外表面上，分别加工西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）出端面为半圆弧形的精密螺纹槽，二者的螺纹槽通过钢球相配合。螺母外表面有两根钢球导管，每根导管的两端分别插人螺母导管孔内，导管内也充满了钢球，结果两根导管和螺母、螺杆所形成螺旋形的通道就组合成两个独立的、封闭的钢球循环滚道。螺杆转动时，通过钢球给螺母，推动螺母轴向移动，同时由于摩擦力的作用，所有的钢球便PAGE6在螺杆与螺母之间滚动，形成“滚流”，钢球在螺母内绕行两圈后，流出螺母进人导管，再由导管流回螺母内而形成封闭的循环[5]。

螺杆与螺母之间是通过钢球作为中间传力件，而钢球在它们之间又是以滚动摩擦的形式传递作用力、减少了滑动摩擦，所以循环球式转向器传动效率高，操作轻便。

螺母的下端切制成等距的齿条，与转向摇臂轴上的偏心齿扇(齿中间截面为标准齿形，大端为正变位，小端为负变位，中间为连续变化的渐开线齿形)相啮合(螺母的下端面在宽度方向上倾斜于水平面[6]，转向摇臂轴上的偏心齿扇也从小端向大端倾斜于水平面)。可以通过调整螺栓调M它们的啮合间隙，实现无隙啮台，使传递平稳。

螺母沿螺杆作轴向移动，通过齿条与齿扇的啮合，使齿扇轴转动，从而带动转向垂臂摆动。循环球式转向器的调整：两个螺杆轴承的预紧力，可用增加或减少上盖的调整垫片来进行调整，然后用螺母锁紧,调整螺栓[7]。循环球式转向器的基本机构如图2.1所示：图2.1循环球式转向器汽车在行驶时，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。转向系由三个主要部分组成，它们分别是是转向操纵部分、转向器部分和转向传动部分。通过这三部分的紧密配合，转向系统用来改变或保持汽车行驶或倒退方向。转向系统结构如图2.2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2.2汽车转向系示意图按照中华人民共和国国家标准GB17675—1999和汽车设计可知，其转向器设计的要求如下：（1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，不应有侧滑；（2）转向轮具有自动回正能力，并稳定行驶；（3）在任何行驶状态下，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时，应使车轮产生的摆动最小；（5）转向灵敏，保证有足够小的最小转弯半径，提高汽车机动性；（6）转向轮遇到障碍物时，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的球头处，应有间隙调整机构；（8）发生事故时，应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置；（9）保证转向盘转动方向与汽车行驶方向的改变相一致；（10）转向操纵轻便、并兼顾高速行驶操纵稳定性。83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转向系的正逆效率、转向系的传动比变化特性、转向系变角传动原理、转向器传动副的传动间隙△t、转向系载荷等。3.1转向器的效率转向器的输出功率与输入功率之比，称为转向器的传动效率。转向器效率又分为正效率η+和逆效率η-。为保证转向时驾驶员转动转向盘轻便，要求正效率高；同时，为保证汽车转向后，转向轮和转向盘能自动返回到直线行驶位置，又需要有一定的逆效率。为了减轻在不平路面上行驶时驾驶员的疲劳，车轮与路面之间的作用力传至转向盘上要尽可能小，防止打手，要求此逆效率尽可能低。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[8]。3.1.1转向器正效率η+功率P1从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率，称为转向器的正效率:(3.1)式中，P1为作用在转向器输入轴上的输入功率，P2为转向器中的摩擦功率。循环球式转向器的正效率相对比较高，可达80%以上，正效率越高，摩擦损失就越小，转向操纵就越轻便。如果忽略轴承和其它地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于螺杆类的循环球式转向器，其正效率可用下式计算：=87.3%（3.2）其中，α0为蜗杆(或螺杆)的螺线导程角，取α0=8°ρ为摩擦角，ρ=arctanƒ=arctan0.03=1.146°PAGE9摩擦因数f，取0.03。3.1.2转向器逆效率η-转向轴输出的功率（P3-P2）与转向摇臂轴的输入功率P3之比，称为转向器的逆效率：(3.3)式中，P3为作用在转向摇臂轴上的功率。根据逆效率大小不同，转向器又有可逆式、极限可逆式和不可逆式之分。循环球式转向器属于可逆式转向器，可逆式转向器的逆效率较高，一般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。由于它能保证转向后，转向轮和转向盘自动回正。这既减轻了驾驶员的疲劳，又提高了行驶安全性。但是，在不平路面上行驶时，车轮受到的冲击力，能大部分传至转向盘，造成驾驶员“打手”，使之精神状态紧张。如果长时间在不平路面上行驶，易使驾驶员疲劳，影响安全驾驶。不可逆式转向器，是指当车轮受到的外界冲击力不能传到转向盘的转向器。该冲击力由转向传动机构的零件承受，因而容易使这些零件损伤。同时，它既不能保证车轮自动回复正位，驾驶员又缺乏路面感觉。所以，现代汽车不采用这种转向器。极限可逆式转向器介于上述两者之间。在车轮受到冲击力作用时，此力仅仅有较小一部分传至转向盘。它的优点是逆效率较低，在不平整的路面上行驶时，可以降低驾驶员的紧张程度，同时转向传动机构的零件所承受的冲击力也远远小于不可逆式转向器。如果忽略轴承和其它地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，则逆效率可用下式计算：=85.5%（3.4）由上式(3.3)、(3.4)可知，增大螺线导程角α0，正、逆效率都增大，故不宜将α0取得过大；当α0≤ρ时，逆效率η-≤0，这时转向器为不可逆式转向器，因此α0min≥ρ，螺线导程角α0=8较为适宜。3.2转向系传动比转向系的传动比，包括转向系的角传动比iw和转向系的力传动比ip[9]。3.2.1转向系的角传动比对循环球式转向器，其角传动为方向盘角速度和转向摇臂角速度之比:(3.5)转向系角传动比，其中为转向机构角传动比：（3.6）3.2.2转向系的力传动比作用在转向节上的转向阻力矩Mr与作用在方向盘上的力矩Mh之比，称之为力传动比ip，即：ip=Mr/Mh=33.9（3.7）3.2.3力传动比和转向系角传动比的关系转向系统效率为作用在方向盘的输入功率与转向节输出功率之比，忽略转向变形，则：ip=*iwo（3.8）有上式可知，在转向系效率一定的情况下，力传动比ip越大，虽然转向越轻便，但不灵敏。3.3转向系变角传动原理上式ip=*iwo，表明增大力传动比ip，操作轻便，但转向轮偏转角速度对方向盘角速度的响应变得迟钝，操作时间增长，汽车转向灵敏性降低。所以，“轻”和“灵”构成了一对矛盾。为解决此问题，可采用变速比转向器。对于循环球式转向器，由式：(3.9)可知，因结构原因，螺距P不能改变，但可以用改变齿扇啮合半径r的方法达到使循环球式转向器实现变速比的目的[10]。随方向盘转角变化，转向器角传动比可以设计成减小、增大和保持不变。影响选取角传动比变化规律的因素主要是转向轴负荷和对汽车机动性能的要求。长城哈弗H6作为一款城市SUV，转向轴负荷较小，在方向盘转向角范围内，驾驶员不存在转向沉重问题。在此情况下，应选取较小的转向器角传动比并减少方向盘的总圈数，以提高气汽车机动性能。汽车以较高车速转向行驶时，要求转向轮反应灵敏，转向器角传动比应当小些。汽车高速直线行驶时，转向盘在中间位置的转向器角传动比不宜过小。否则转向过分敏感，使驾驶员精确控制转向轮的运动有困难。汽车转向器角传动比变化曲线应选用大致呈“中间小，两端大”的下凹形曲线，如图3.1所示。图3.1转向器角传动比变化特性曲线3.4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。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3.2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及其附近位置时要极小，一般是10%15%，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，汽车失去稳定。传动副在中间及其附近位置因使用频繁，磨损速度比两端快。在中间附近位置因磨损造成的间隙过大时，则必须经过调整消除该处间隙[11]。循环球式转向器的齿条齿扇传动副的传动间隙特性，可通过将齿扇齿做成不同厚度来获取必要的传动间隙。即将中间齿设计成正常齿厚，从靠近中间齿的两侧齿到离开中间齿最远的齿，其厚度依次递减。3.5转向系计算载荷的确定为了保证行驶安全，转向系的各零件应有足够的强度、刚度。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阻力等。精确地计算出这些力是极其困难的。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原地转向阻力矩MR（N·mm）,即N·mm(3.10)式中,G1为前轴负荷：(3.11)f为静止时轮胎和路面间的摩擦因数，一般取0.7；g为重力加速度；m为汽车前轴负荷，单位为kg；p为轮胎气压（MPa）,查轮胎气压得，p=0.245MPa。作用在方向盘上的手力为:(3.12)式中，Ll为转向摇臂长，取240mm；L2为转向节臂长，取200mm;Dsw为转向盘直径，取380mm；iw为转向器角传动比，为转向器正效率。本次毕业设计已经给定车型——长城哈弗H6，上式计算出来的作用力是最大值，可用此值作为计算载荷。4转向器的尺寸参数设计4转向器的尺寸参数设计本次设计的转向器，车型是长城哈弗H6——近年来，销售十分火旺的民族自主品牌SUV，在汽车之家网站上，可以查的该车型的基本数据，如下表所示：表4.1长城哈弗H6的基本参数长城哈弗H6的基本参数最大功率98kw最大功率转速5500r/min最大功率转矩186N·m最高时速180Km/h整备质量1549kg满载质量2050kg轴距2680mm前轮胎规格225/65R17车身长宽高4649/1852/1710前后轮距1565/1565最小离地间隙180mm方向盘尺寸380mm4.1钢球中心距D、螺杆外径D1、螺母内径D2、钢球直径d及数量n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20～38mm范围内变化，设计时应根据汽车排量、转向轴负荷的大小来选定。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=24mm，螺杆外径D1=23mm，取螺母内径D2-D1=10%D所以，螺母内径D2=D1+8%D=23+10%×24≈25mm。图4.1螺杆、钢球和螺母传动副钢球直径尺寸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，由表4.1初取d=5.556mm。增加钢球数量n，能提高承载能力，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：(个)（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；α0为螺线导程角，常取α0=8º～10º，则cosα0=1。循环球与滚道之间的间隙，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=(0.51～0.53)d，初取R2=0.53d=0.53×5.556=2.94mm。表4.2循环球式转向器主要参数[12]齿扇模数m/mm3.03.54.04.55.06.06.5摇臂轴直径/mm2226303032323538404245钢球中心距/mm202325252830323540螺杆外径/mm2024252528293438钢球直径/mm5.5565.5566.3506.3507.1447.1448螺距/mm7.9388.7319.5259.525101011工作圈数1.552.52.5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°30´27°30´切削角6°30´6°30´7°30´齿扇宽/mm2225252725283028～323034383538图4.2四段圆弧滚道截面图4.3滚道截面西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）4.3接触角θ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θ称为接触角，如图4-2所示。θ角多取45°，以使轴向力和径向力分配均匀。4.4螺距P和螺线导程角α0转向盘转动角，对应螺母移动的距离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βp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（4.2）、式（4.3）得(4.4)将对求导，得循环球式转向器角传动比为：（4.5）由式（4.5）可知，螺距P影响着转向器传动比的值。在螺距不变的条件下，钢球直径d越大，图4-1中的尺寸b越小，要求b=P-d＞2.5mm。螺距一般在811mm内选取，因为P=8.731mm，d=5.556mm，所以b=P-d=8.731-5.556=3.175mm﹥2.5mm，所以，初取值符合要求，故取，d=5.556mm。则滚道截面圆弧半径R2=0.53*5.556=2.94mm，此时的取值，符合要求。4.5工作钢球圈数W与导管内径d1多数情况下，转向器用两个环路，而每个环路的工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4.1，工作圈数选为1.5圈。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，从而流动阻力增大。推荐e=0.4～0.8mm，导管壁厚取为1mm。4.6螺杆的实际有效工作长度的计算当转向盘转过3角(即1.5圈)时，齿扇节圆应转过的弧长等于对应螺母在螺杆上移动的距离s，此时，摇臂轴转过角，与此同时，转向轮转至最大转角，则(4-6)则螺杆螺纹滚道的有效工作长度L′等于螺母在螺杆上移动的距离的2倍，即L′=2s=2×47.65mm=95.30mm；在此条件下，应尽量缩短滚道长度。但为安全考虑，在有效工作长度L′之外的两端各增加0.5-0.75圈滚道长度。又因为螺杆螺纹滚道的有效工作长度距两端面距离5.5mm。因此，螺杆螺纹滚道的实际有效工作长度LL=L′+2×0.55=95.3+1.3=96.6mm≈96mm(4-7)螺杆螺线导成角为，则：(4-8)

即(4-9)西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）5齿条、齿扇传动副的设计5.1工作原理循环球式转向器一般有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，这样即可通过轴向移动摇臂轴来调节齿扇与齿条的啮合间隙[13]。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5.1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α为200，径向间隙系数为0.2。图5.1齿侧间隙的齿扇加工原来与计算简图所以径向间隙为:△r=0.2r=0.2×22.75=4.55mm(5.1)△s可表达为：△s=2△rtanα=2×4.55×tan200=3.312mm(5.2)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0.20～0.30mm即可。图5.2用滚刀加工变厚齿扇的进给运动图5.3变厚齿扇的截面5.2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5.2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5.3所示。在该图中0—0截面原始齿形的变位系数ζ=0，则位于其两侧的截面Ⅰ—Ⅰ和Ⅱ—Ⅱ分别具有ζ>0和ζ<0，即截面Ⅰ—Ⅰ的齿轮为正变位齿轮，截面Ⅱ—Ⅱ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0—0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线，仅仅是其轮齿的渐开线齿形离基圆的位置不同而已，故应将其归入圆柱齿轮范畴，而不应归于直齿圆锥范围，虽然它们从外观上更相似，因为直齿圆锥齿轮轮齿的渐开线齿形的形成基准是基锥[13]。变厚齿形齿扇的计算，如图5-3所示，一般将中间剖面A-A定义为基准平面。进行变厚齿扇计算之前，必须确定的参数有：变厚齿扇的模数m；法向压力角，一般在20°～30°之间；齿顶高系数X1，一般取0.8或1.0；径向间隙系数，取0.2；正圆齿数，在12～15之间选取；齿扇宽度 B，一般在22mm～38mm。表5.1循环球式转向器齿扇齿模数循环球式转向器齿扇齿模数齿扇齿模数m/mm3.03.54.04.55.06.06.5轿车排量/mL5001000～18001600～200020002000前轴负荷/N3500～38004700～73507000～90008300～1100010000～11000货车和大客车前轴负荷/N3000～50004500～75005500～185007000～195009000～2400017000～3700023000～44000最大装载质量/Kg350100025002700350060008000首先根据汽车的排量1497ml，查表，选取齿扇的模数m=3.5mm，然后，由变厚齿扇的模数m=3.5mm，查表选择确定转向器的相关尺寸。5.3变厚齿扇齿形的计算通常取齿扇宽度的中间位置作基准截面,如图所示的截面I-I.由该截面至大端（截面Ⅱ-Ⅱ）时，各截面处的变位系数ζ均取正，向小端（截面Ⅲ-Ⅲ）时，变位系数ζ由正变为零（截面I-I）再变为负值。设截面I-I至截面Ⅱ-Ⅱ的距离为（5.3）则式中，ζⅠ——在截面I-I处的原始齿形变位系数；m——模数；γ——切削角(见图5.4)由式(4-1)可知；当齿扇的模数m及切削角γ选定后，各截面处的变位系数ζ取决于该截面与基准截面间的距离a(见图5.4)。切削角γ为60030′；齿扇宽一般为22～38mm；模数为m=3.5mm；齿顶高系数一般取0.8；压力角为200。所以，距离为：a0=B/2=25/2=12.5mm(5.4)图5.4变厚齿扇齿形计算简图在截面Ⅱ-Ⅱ处的变位系数为：（5.5）齿扇的最大端的直径为:D大=（Z全+2ha*+2ζ）m=(13+2×0.8+2×0.342)×3.5=53.947mm（5.6）齿扇的最小端直径为：D小=（Z全+2ha*-2ζ）m=(13+2×0.8-2×0.342)×3.5=48.251mm（5.7）分度圆弧齿厚为：S=（π/2+2ζtana0）m=3.14/2+2×0.342×tan200×3.5=6.5347mm（5.8）齿扇的全齿高为：h=ha+hf=ha*m+(ha*+c*)m=0.8×3.5+(0.8+0.3)×3.5=6.65mm（5.9）循环球式转向器零件强度计算为了保证行驶中车辆、驾驶员、运载货物及其他人员的安全,组成转向系的各零件应有具足够的强度、刚度与硬度。6.1钢球与滚道之间的接触应力σ钢球接触点至螺杆中心线的距离为(6.1)式中，D为钢球中心距；d为钢球直径。作用在螺杆上的轴向力为:(6.2)钢球与螺杆之间的正压力为[14]:（6.3)钢球与滚道之间的接触应力σ为:(6.4)式中，κ为系数，根据A/B值从表4.3查出，A=[(1/r)-(1/R2)]/2，B=[(1/r)+(1/R2)]/2,κ取1.8；R2为滚道截面半径；r为钢球半径；R1为螺杆外半径；E为材料弹性模量，等于2.1×105MPa。已知R2=2.94mm；r=d/2=5.556/2=2.778mm；R1=D1/2=23/2=11.5mm图6.1螺杆受力简图[15]（6-5）因为σ=1679.60MPa≤[σ]=2500[16]，所以，接触应力符合要求。表6.1系数K与A/B的关系A/BK1.00.3880.90.4000.80.4100.70.4400.60.4680.50.4900.40.5360.30.6000.20.7160.150.8000.10.9700.051.28040.021.80.012.2710.0073.2026.2齿扇齿的弯曲应力σw作用在齿扇上的圆周力为：(6.6)齿的弯曲应力为：(6.7)式中，h为齿扇的齿高，mm；B为齿扇的齿宽，mm；s为齿厚，mm；许用弯曲应力为[σω]=540MPaσω=530.07MPa＜[σω]=540MPa∴齿的弯曲应力符合要求[17]。螺杆和螺母用20CrMnTi钢制造，表面渗碳。前轴负荷不大的长城哈弗H6，渗碳层深度在0.8—1.2mm，表面硬度为58—63HRC。6.3转向摇臂轴直径d的确定转向摇臂轴直径d为：(6.8)式中，K为安全系数，根据汽车使用条件不同可取2.5～3.5，取K=3.5；MR为转向阻力矩；τ0为扭转强度极限，查得[τ0]=200MPa。≈30mm(6.9)摇臂轴一般都采用20CrMnTi制造，表面渗碳，渗碳层深度在0.8～1.2mm，淬火后表明硬度为58～63HRC。转向器壳体采用球墨铸铁QT400——18，KTH37012制造[18]。7结论28PAGE267结论本论文以长城哈弗H6循环球式转向器为设计对象。首先在汽车之家网站查询该车型的基本数据作为设计的原始数据，再根据网络和期刊资料了解归纳总结转向器的发展历程、未来趋势，对市场现有的循环球式转向器进行了较为详细的分类,并具体介绍了各种循环球式转向器的优、缺点及工作原理，并利用汽车设计类书籍对汽车转向系的主要性能参数进行确定，然后计算转向器零部件尺寸以及