汽车循环球式转向器设计【9张CAD图纸】【优秀】

循环球式转向器的设计

29页 12000字数+说明书+答辩稿+9张CAD图纸【详情如下】

A0装配图.dwg

A3壳体.dwg

A3螺杆.dwg

A3螺母左视图.dwg

A3齿扇轴.dwg

A4螺杆右端轴承盖.dwg

A4螺杆左端轴承盖.dwg

A4齿扇轴右端轴承盖.dwg

A4齿扇轴左端轴承盖.dwg

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循环球式转向器的设计答辩稿.ppt

循环球式转向器的设计论文.doc

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目录

1 绪论1

1.1课题背景1

1.2 国内外研究现状3

1.3 研究目的及意义3

1.4 研究内容和设计方法3

2 转向器的设计4

2.1 转向系统简介4

2.2 机械转向系5

2.2.1 转向操纵机构6

2.2.2 转向器6

2.2.3 转向传动机构8

2.3 转向系主要性能参数8

2.3.1 转向器的效率8

2.3.2 传动比的变化特性10

2.4 主要尺寸参数的选择12

2.4.1 螺杆、钢球、螺母传动副设计15

2.4.2 齿条、齿扇传动副设计19

2.5转向器的计算和校核21

2.5.1循环球式转向器零件的强度计算21

2.5.2 转向摇臂轴直径的确定24

3结论25

致谢26

摘要

　　　汽车是一种性能要求高，负荷变化大的运输工具。转向系统作为汽车的关键部件之一，更需要了解和掌握。转向器作为转向系统中最重要的组成部件，对它进行深入的研究便显得意义重大。循环球式转向器主要由螺杆、螺母、钢球、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，近年来得到广泛使用。根据现用的国家标准并依据轻型汽车的循环球转向器数据，按照汽车设计的原则设计一款循环球转向器，完成三维图形和零件平面图的绘制，使其能够满足现代轿车的国家标准要求。

关键词: 循环球;转向器;设计;分析  

Abstract

　　　Automobile is a transport machine with high-performance and variable loads. Steering system is one of the key components for vehicles and need to be understood and grasped. As the most important part of steering system, steering gear need to be studied importantly. Circulating ball-type steering gear contains screw, nut, ball, steering gear housing, etc. It has many Advantages, such as high transmission efficiency, light manipulation, less wear and long service life, so as to be widely used in recent years. According to current national standards and the ball steering vehicle data of BJ2020, a cycle ball steering is designed by the automotive principles, and some three-dimensional graphics and rendering parts of the plan are completed, so as to meet the national standards of Modern utility vehicle.

Key words: Circulating ball;Steering gear;Design;Analysis  　　　转向器还被称为转向机、方向机，它是转向系中最重要的部件之一。转向器的作用是：增大转向盘传到转向传动机构的力和改变力的传递方向。

　　　转向器按结分类可分为很多种。但是现阶段较常用的有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、循环球曲柄指销式、蜗杆滚轮式等。如果按照助力方式分类的话，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。 　

　　　（1） 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类型。基本运行配合是一对相互啮合的小齿轮和齿条。转向轴转动带动小齿轮旋转，齿条做直线运动。当靠齿条来直接带动横拉杆时，就可以使得转向轮转向。所以，这是一种最简单的转向器类型。它的优点主要有结构简单，成本低，转向灵敏，体积小，直接带动横拉杆。在汽车上得到广泛应用。　

　　　（2） 蜗杆曲柄销式转向器

　　　蜗杆曲柄销式转向器，它是以蜗杆为主动件，曲柄销为从动件的转向器。蜗杆上有梯形螺纹，锥形指销用轴承支撑在曲柄上，曲柄与转向摇臂轴连成一体。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，一边绕转向摇臂轴做圆弧运动，带动转向垂臂和曲柄摆动运动，然后再通过转向传动机构使转向轮转向。这种转向器通常应用于转向力较大的载货汽车上。　　

　　　（3） 循环球式转向器

　　　这种转向器是用齿轮机构把从转向盘来的旋转力减速，使转向盘旋转运动变转为涡轮蜗杆的旋转运动，滚珠螺杆和螺母夹着钢球，使得滚珠螺杆的旋转运动转变为直线运动，螺母与扇形齿轮啮合，直线运动重新转变为旋转运动，使连杆臂摇动。循环球式转向器的原理是应用了螺母与螺栓在旋转过程中产生的相对移动，而在螺纹与螺纹之间夹入了钢球，可以减小阻力，所有的钢球都在一个首尾相连的封闭的螺旋曲线导管内循环滚动，循环球式故而得名。 　

　　　（4） 齿轮齿条液压助力转向器

　　　齿轮齿条液压助力转向器的名字是相对齿轮齿条机械转向器而言的，主要是在齿轮齿条机械转向器的基础上增加了转向油泵、油壶、油管、阀等部件，目的是改善驾驶员手感，增加转向助力。

　　　进入90年代以来，汽车已经融入我们的生活，我国的经济实力不断增强，人民生活水平大幅度提高，同时也反映出民族汽车工业的巨大进步。

　　　作为汽车最关键部件转向机构得到了相应的发展，基本已形成了专业系列生产的局面。有资料显示，国外有许多的国家的转向器厂家，都已经形成了大规模生产模式，单年产超过百万台，垄断转向器的生产，并且销售向全世界各地。汽车转向器从结构类型分类可以分成很多种，从现在转向器使用的普遍程度来看，主要的转向器类型有四种：有蜗杆销式转向器、蜗杆滚轮式转向器、循环球式转向器、齿轮齿条式型转向器。这四种转向器类型，已经被广泛使用在汽车上。

　　　循环球式转向器和齿轮齿条式转向器，已经成为世界汽车上最普遍使用的两种转向器；而蜗轮-蜗杆式转向器和蜗杆销式转向器，正在逐渐被淘汰。在小客车转向器的发展上，观点各异，美国主要发展循环球式转向器，比率将近90%以上；而西欧主要发展齿轮齿条式转向器，比率超过50%，而法国已经高达95%。

　　　在全世界范围内，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%左右。所以说循环球式转向器有很大的发展空间。日本汽车转向器的特点是循环球式转向器占的比重变得越来越大，日本不同类型汽车不同型号发动机上，分别采用了不同类型转向器，在公共汽车中使用循环球式转向器已发展到100%了。大型货车小型货车中，也大都采用了循环球式转向器；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%，齿条齿轮式占35%。

由于循环球式转向器发展的优势所在，在中、小型号的车辆上都有非常好的发展空间。由此我们可以很轻易看出循环球式转向器设计具有非常重要的意义，其应用前景也会变得越来越好。　　　循环球式转向器是汽车上一种常用的转向器，主要由螺杆、螺母、钢球、转向器壳体等组成。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，由于有结构复杂，成本高，逐渐的被齿轮齿条式取代。但随着动力转向的应用以及道路行驶条件的改善，“打手”的现象明显减少，正向传动效率很高（最高可达90～95%），操纵轻便，使用寿命长，各种优势逐渐得到体现，因此目前再次得到广泛使用。

　　　汽车车速的快速提高，需要汽车在高速行驶时有非常好的转向稳定性，转向器必须具有相对有较高的刚度要求。循环球式转向器通过大量钢球的滚动接触来传递转向力，具有较大的强度和较好的耐磨性。循环球式转向器的间隙可以调整，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，从而提高转向器寿命，因此适用范围越来越广。我国的转向器也在向以循环球式转向器为主的方向发展。

1.3 研究目的及意义

　　　本次毕业设计主要是针对汽车循环球式转向器，根据一些指定的参数结合《汽车设计》和其他相关书籍中关于转向器的理论知识设计一款循环球式转向器，确定其相关参数，使设计出的转向器符合使用要求。

　　　本文通过对一款循环球式转向器的设计，使其能够满足轻型轿车的需要，并为其今后拓展应用领域奠定理论设计基础。

1.4 研究内容和设计方法

研究内容：

　　　（1） 调研收集课题相关资料。结合毕业设计课题进行必要的文献检索，查阅、收集、整理、归纳技术文献和科技情报资料；

　　　（2） 深入学习并掌握汽车设计、汽车构造等专业知识；了解循环球转向器设计的指导思想和设计原则；

　　　（3） 掌握汽车设计的方法和步骤，参考有关资料、手册和标准，对各总成部件进行选型、计算、校核等；

　　　（4） 计算循环球式转向器的主要参数，并对其重要部件进行强度校核，确定相关参数、材料以及装配要求。绘制循环球式转向器的三维模型，按照标准和生产工艺要求，绘制汽车转向器总装配图和主要零件图。

　　　设计方法：根据设计中已知参数并结合理论知识，分析并计算得到循环球式转向器的基本结构参数，然后利用相关经验公式对转向器的重要部件进行强度校核，校核的结果不符合国家相关要求则需要重新计算，当结果满足要求的时候，可确定其相关几何尺寸并完成图纸的绘制，结束本论文的设计工作。

2 转向器的设计

2.1 转向系统简介

　　　转向系统是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，保证各转向轮之间有协调的转角关系。

　　　按照中华人民共和国国家标准GB17675-1999和汽车设计可知，其转向器的设计要求如下[3]：

　　　（1） 方向盘必须左置。

　　　（2） 不得单独以后轮作为转向车轮。

　　　（3） 不得装用全动力转向机构。

　　　（4） 转向时转向车轮的偏转必须是渐进的。

　　　（5） 转向系统必须有足够的刚度且坚固耐用，以确保行驶安全。

　　　（6） 转向系统必须保证驾驶员在正常驾驶操作位置上能方便、准确地操作，转向系统在任何操作位置上不得与其他零部件有干涉现象。

　　　（7） 汽车转向车轮应有自动回正能力，以保持汽车稳定的直线行驶。

　　　（8） 后轮也做转向车轮的汽车，具有二根和二根以上转向车轴的全挂车和具有一根和一根以上转向车轴的半挂车，以80km／h（设计车速计）的车速行驶时，驾驶员必须能在不做异常转向修正的条件，保持汽车直线行驶。

　　　（9） 以10km／h车速、24m转弯直径前行转弯时，不带助力时转向力应小于245N，带助力转向但助力转向失效时，其转向力应小于588N，机动动作时间正常情况下不得大于4s，带助力转向但助力失效时不得大于65。左右两个方向都要试验。

　　　（10） 当汽车前行向左或向右转弯时，转向盘向左向右的回转角和转向力不得有显著差异。

　　　（11） 转向系统中的液压、气压或电气部件部分或全部失效后，转向系统必须有控制汽车行驶方向的能力。

　　　（12） 当助力转向装置本身无独立的辅助动力源时，必须设有蓄能器。如使用压缩空气，贮气筒上必须设有单向阀。

　　　（13） 转向系统所有零部件的设计、结构和安装，必须保证驾驶员正常操作时不会钩挂驾驶员的衣服和饰物；不得有撞车时会加重驾驶员伤害的粗糙表面或尖锐棱角，维修保养时应该容易接近。

2.2 机械转向系

　　　机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，所有的传力件都是机械连接的。机械转向系共由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。驾驶员对转向盘施加的转向力矩通过转向轴输入转向器。从转向盘到转向传动轴这一系列零件即属于转向操纵机构。作为减速传动装置的转向器中有1、2级减速传动副。经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆，再传给固定于转向节上的转向节臂，使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而改变了汽车的行驶方向。这里，转向横拉杆和转向节臂属于转向传动机构。

2.2.1 转向操纵机构

　　　转向操纵机构由方向盘、转向轴、转向管柱等组成[4]，它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。

2.2.2 转向器

　　　转向器是完成由旋转运动转变为直线运动的一组齿轮机构，也是转向系中的减速传动装置。目前比较常用的有齿轮齿条式转向器、循环球曲柄指销式转向器、蜗杆曲柄指销式转向器、循环球-齿条齿扇式转向器、蜗杆滚轮式转向器等。

　　　循环球式和齿轮齿条式，是当今世界汽车上最主要使用的两种转向器；蜗杆式转向器和蜗杆销式转向器，正在逐步被淘汰。

　　　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。安装方便。适用于大、中型车辆和动力转向系统使用；有便于驾驶员操纵信号。，满足了操纵轻便的要求。中间位置的转向力小、而且经常使用，则要求转向非常灵敏，因此要使中间位置速比小，才可以提高灵敏性。大角度转向位置转向阻力相对较大，但使用次数较少，因此希望大角度位置速比大一些，才可以减小转向力。由于循环球式转向器可实现变速比，应用范围正在变得日益广泛。

　　　应用大量钢球的滚动接触传递转向力，具有相对较大的强度和较好的耐磨性。并且该转向器也可以被设计成具有等强度结构的，这也是它应用广泛的原因之一。

　　　变速比类型的结构具有相对较高的刚度，特别适合高速车辆车速提高时的要求。高速车辆需要汽车在高速时具有相对较好的转向稳定性，保证转向器具有相对较高的刚度。　　　循环球式转向器内有一根蜗杆。可以将转向器想象成两部分。第一部分是带有螺纹孔的螺母。此螺母外围有切入的轮齿，这些轮齿与驱动转向摇臂的齿轮相结合。方向盘连接在螺杆上，螺杆则插在螺母的孔内。转动方向盘时，螺杆转动螺栓。由于螺栓与螺母之间式相对固定的，因此在旋转时，它不会像普通螺栓那样钻入螺母内中，而是带动螺母移动，然后驱动转动车轮的齿轮。

　　　螺栓并不是与金属块上的螺纹结合在一起，所有螺纹中都填满了滚珠轴承，当齿轮转动时，这些滚珠将循环转动。滚珠轴承有两个作用：第一，减少齿轮的摩擦和磨损；第二，减少齿轮的溢出。如果齿轮溢出，则会在转动方向盘时感觉到。而如果转向器中没有滚珠，轮齿之间会暂时脱离，从而造成方向盘松动。循环球式系统中的动力转向工作原理与齿条齿轮式系统类似。其辅助动力也是通过向金属块一侧注入高压液体来提供的。汽车转向系统相对于汽车的行驶安全至关重要，因此汽车转向系统的零件也都被称为保安件。循环球式转向器一般有两级传动副，第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿扇传动副。为了降低转向螺杆转向螺母之间的摩擦力，二者之间的螺纹并不是直接接触的状态，在其中间装有多个钢球，以实现滚动摩擦代替滑动摩擦。转向螺杆和螺母上都被加工出了断面轮廓为不同心圆弧组成的近似半圆的螺旋槽。他们的螺旋槽能配合在一起形成一个近似为圆形断面的螺旋管状通道。螺母侧面有两对通孔，可将钢球通过孔塞入螺旋形通道内。转向螺母上安装有两根钢球导管，导管的两个端口分别插入螺母侧面的一对通孔中。导管内也装满钢球。

　　　当螺杆转动时，通过钢球将力传递到转向螺母，螺母会沿着轴向移动。同时，在螺杆及螺母与钢球间的摩擦力偶作用下，所有钢球便在螺旋管状通道内滚动。在转向器运行时，两列钢球在各自的封闭流道内循环滚动，不会脱落出来。　　　根据一些指定的参数结合《汽车设计》和其他相关书籍中关于转向器的理论知识来设计此转向器的其他相关参数，使设计出的转向器符合其基本的功能，齿轮齿扇的尺寸基本能满足一般轻型汽车的需求。在现代汽车设计中，选择变齿用于齿条齿扇传动副上是其前沿发展趋势，本论文中只是采用直齿齿轮完成了初步的设计，因而其实物在传动时将造成相关零件的磨损。

　　　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。安装方便。适用于大、中型车辆和动力转向系统使用；有便于驾驶员操纵信号。，满足了操纵轻便的要求。中间位置的转向力小、而且经常使用，则要求转向非常灵敏，因此要使中间位置速比小，才可以提高灵敏性。大角度转向位置转向阻力相对较大，但使用次数较少，因此希望大角度位置速比大一些，才可以减小转向力。由于循环球式转向器可实现变速比，应用范围正在变得日益广泛。

本论文借用相关参数完成了初步的设计，达到了设计初衷。应用AUTO CAD工程制图软件绘制了详细和准确的循环球式转向器图形；分析计算并选取了循环球转向器设计过程中所需要的主要参数，最终完成了自己的循环球式转向器设计。通过此次的轻型汽车循环球式转向器的设计，初步掌握了循环球式转向器设计的原则，同时锻炼了自己综合解决问题的能力。　　　

参考文献

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