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长城哈弗H6汽车循环球式转向器设计,长城,h6,汽车,循环,转向器,设计
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毕业设计 (论文 )中期报告 题目： 长城哈弗 车循环球式转向器设计 一、毕业设计（论文）进展情况 本次设计指定的车型为长城哈弗 用循环球式转向器，以液压为助力。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。 循环球式齿条齿扇转向器结构如图 1 所示： 图 2 循环球式转向器构造图 图 1 循环球式转向器结构图 循环球式齿条齿扇转向器，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，主要由螺杆、螺母、钢球、转向器壳体等组成。 （二） 转向系主要性能参数 1. 哈弗 要参数 表 1 长城哈弗 基本参数 长城哈弗 基本参数 最大功率 98 大功率转速 5500 r/最大功率转矩 186 Nm 最高时速 180 Km/h 整备质量 1549 距 2680 轮胎规格 225/65 身长宽高 4649 /1852 /1710 前后轮距 1565 /1565 最小离地间隙 180 向盘尺寸 380 功率 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。 计算公式： 正效率： + =( (2逆效率： - =( (2式中， 作用在转向轴上的功率， 转向器中的摩擦功率 ， 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。 循环球式转向器的传动副之间用滚动摩擦代替滑动摩擦，且滚动摩擦系数降到 右，其正效率可到 85%转向器设计中，应尽可能多采用滚动摩擦副，少采用滑动摩擦副。 逆效率过高，道路情况不佳时，容易打手，造成驾驶员疲劳。逆效率过低，不能保证转向后车轮自动回正，缺乏路感。长城哈弗 定位是城市 可以在城市中良好路面行驶，又需具备一定的越野能力，可选极限可逆式转向器。 转向系的传动比包括：转向 系角传动比 向系力传动比 转向系的力传动比： r/a) (2反向盘直径； a 为主销偏移距，可取汽车轮胎宽度的 （哈弗胎规格 225/65 转向系的角传动比： w/k=w (2现代汽车机构中，转向节臂臂长 摇臂长 比值 i,w 在 间， 可约取为 1。 研究转向系的传动比，只需研 究转向器的角传动比即可。 4. 转向系变角传动原理 转向器角传动比可以设计成减小、增大或保持不变的。影响选取角传动比变化规律的主要因素是转向轴负荷大小和对汽车机动能力的要求 . 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。 转向器角传动比变化曲线应选用大致呈中间小两端大些的下凹形曲线 . 5. 转向器传动副的传动间隙 t 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 所示的逐渐加大的形状。 图 2 转向器传动副传动间隙特性 转向器传动副传动间隙特性 : 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。 (三 ) 循环球式转向器的设计计算 为保证安全驾驶，转向器的个零件应有足够的强度，因此需确定作用在各零件上的力。转动转向轮需克服 的阻力主要是转向轮绕主销转动的阻力，车轮稳定阻力和轮胎变形阻力。 精确计算这些力是挺困难的。可用下面半经验公式来计算汽车在沥青或混凝土路面上的原地转向阻力矩： （ 3 式中， f 为轮胎和路面见的摩擦因素，一般取 1 为转向轴负荷（ N） ;p 为轮胎气压（ (四 ) 转向器的尺寸参数选择 （ 1）钢球中心距，螺杆外 径，螺母内径 在保证足够的强度条件下，尽可能将 取规律是，随扇齿模数的增大， 杆外径通常在 20 38据转向轴负荷选定。螺母内径大于螺杆外径，应满足 5%D 公 式。 （ 2）钢球直径 d 及数量 n d 取大，可提高承载能力。同时，螺杆螺母和转向器的尺寸也随之增大。 钢球数量 n 2115 5 c o 0 d D w (个 ) （ 4（ 3）滚道截面半径 （ 4 为减少摩擦，螺杆和螺母的半径 d/2,一般取 R 2 =（ d （ 4）接触角 ，螺距 P，螺线导程角 0 ，工作圈数 W 接触角 ，多取 45,以使轴向力和径向力分配均匀；螺距 P，工作圈数 W，根据齿扇模数查表确定；螺线导程角 0 应满足具有较高的正效率和反行程时不至发生自锁现象。 （ 5）齿扇，齿条传动副设计 滚刀相对工件做垂直 进给运动的同时，还以一定的比例做径向进给运动，获得一斜向进给运动。用斜向进给运动加工齿扇齿，得到变厚齿扇。工作示意图如下： 图 3 用滚刀加工变厚齿扇的进给运动 进行变厚齿扇齿形计算之前，必须确定的参数有：模数 m，法向压力角 ，切削角，常见的有 6030 和 7030，齿顶高系数，径向间隙系数，整圆齿数，齿扇宽度 (五 ) 转向器零件强度较核 （ 1）钢球与滚道之间的接触应力 =k 3222223)()( （ 5 式中， k 为系数，根据 A/B 值查表， A=（ 1/r） -(1/, B=(1/r)+(1/;k 取 r 为钢球半径； 螺杆外径； E 为材料弹性模量，等于 105 钢球与螺杆之间的正压力，即 3F= （ 5 式中， 螺杆螺线的导程角； o 为接触角； n 为参与工作的钢球数； 当接触表面硬度为 58用接触应力 =2500 (2)齿的弯曲应力 w （ 5 式中， F 为作用在齿扇上的圆周力； h， b 分别为齿扇的齿高，齿宽； s 为 基圆齿厚。许用弯曲应力 w=540N/0制造，表面渗碳。渗碳层深度约为 1面硬度为 58 63（ 3）转向摇臂直径的确定 转向摇臂直径 d 为 （ 5 式中， K 为安全系数，根据汽车使用条件不同可取 0 为 扭转强度极限。 摇臂轴用 20制造，表面渗碳，渗碳层深度在 于前轴负荷大的汽车，渗碳层深度为 面硬度为 58（六）参考文献 我所参考的文献为对汽车转向系统拉杆端故障的调查，出自故障工程分析 895 902 页。文献主要内容为，通过调查研究，汽车转向系统拉杆发生故障失效的原因为设计缺陷、零件强度校核不合格、材料选取不合适等。这就要求我们在设计转向器时多加注意，保证产品合格、力求优化。 二、存在问题及解决措施 在运用 图时，出图比例换算不准确，零件结构及装配还有误差。转向器尺寸设计部分还存在一些问题，还需要改正。零件强度校核计算部分还没有掌握透彻，还要进一步认真学习，计算，为零件材料的选取，之后撰写毕业设计说明书打下了基础。正在完成的以及未完成的部分还需要进一步努力。 、后期工作安排 第 11 周，继续计算转向器尺寸数据，完善总装配图 第 12、 13 周，继续零件强度校核，绘画主要零件 第 14 周，撰写毕业设计论文，正式确定 纸 第 15 周，进行设计整理，准备答辩。 指导教师签字： 年 月 日 毕业设计 (论文 )开题报告 题目： 长城哈弗 车循环球式转向器设计 系 一、毕业设计（论文）综述 1题目背景及研究意义 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件之一，而转向器是转向系统的重要组成部件，对它的深入的研究显得意义重大。转向器是汽车行驶系统中的重要安全部件，其质量好坏对汽车直线行驶的稳定性和操纵稳定性都有直接影响，进而影响汽车行驶的安全性 1。 随着汽车工业的发展 ,汽车转向器也在不断的得到改进，虽然电子转向器已开始应用，但机械式转向器仍然广泛 地被世界各国汽车及汽车零部件生产厂商所采用。而在机械式转向器中 ,循环球齿条齿扇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 2。 2国内外相关研究情况 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。汽车工业成为我国经济发展的支柱产业之一，在汽车行业市场规模高速增长的情况下，我国转向器行业面临着重要的机遇。目前，转向系统得到了相应的发展，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。国外许多国家的转向器厂都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 3。 作为汽车关键的部件之一，转向系统的工作原理如图 1 所示 4： 图 1 汽车转向系统工作原理图 转向器按结构形式可分为多种类型。目前较常用的有齿轮齿条式、循环球式、蜗杆曲柄指销式、蜗杆滚轮式等。 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；而蜗杆滚轮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的地位。 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。 循环球式齿轮齿条转向器结构如图 2 所示： 图 2 循环球式转向器构造图 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 5，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，转向灵敏度不如齿轮齿条式等众多缺点，因此逐渐被齿轮齿条式取代。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%），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等优点 ,各种优势逐渐得到体现 ,目前再次得到广泛使用 6。 汽车高速行驶时，需要较好的转向稳定性 ,必须使转向器具有较高的刚度。循环球式转向器由于通过大量钢球的滚动接触来传递转向力 7，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，特别是变速比结构具有较高的刚度，适宜高速车辆采用，这也是它采用广泛的原因之一。循环球式转向器的间隙可调，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，从而提高转向器寿命，因此日益广泛被采用 8。 据了解，在全世界 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%。由于循环球式转向器的种种优点 ,循环球式转向器正在稳步发展。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。我国的转向器也在向大量生产循环球式转向器发展。 二、本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施 1. 主要内容 循环球式齿条齿扇转向器，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，主要由螺杆、螺母、钢球、转向器壳体等组成。 （ 1） 明确对于转向系统的设计要求 9 （ 2） 确定转向器的主要性能参数：正效率，逆效率，传动比 （ 3） 螺杆，钢球和螺母传动副设计： 钢球中心距、螺杆外径、螺母内径、钢球直径及数量、滚道截面、接触角、螺距、螺旋线导程角、工作钢球圈数、导管内径 （ 4） 齿条、齿扇传动副设计 10： 变厚齿扇齿形的计算：模数、法向压力角、切削角、齿顶高系数、整圆齿数、齿扇宽度 （ 5） 零件的强度计算 钢球与滚道之间的接触应力；齿的弯曲应力；转向摇臂轴直径的确定 究方法或措施 究方法 (1) 调研收集课题相关资料。集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资料 11； (2) 深入学习并掌握汽车设计，汽车构造等专业知识；了解循环球式转向器设计的指导思想和设计原则 12； (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 13； （ 5）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 14。 知的基本参数 15 本次设计长城哈弗 基本参数如表 1 所示： 表 1 长城哈弗 车的基本参数 长城哈弗 车的基本参数 最大功率 98 大功率转速 5500 r/最大功率 转矩 186 Nm 轴 距 2680 轮胎规格 225/65 、本课题研究的重点及难点，前期已开展工作 1重点 循环球式转向器的主要参数，设计两级传动副；确定相关参数，材料以及装配要求；对重要部件进行强度校核；绘制汽车转向器总装配图和主要零件 图。 2. 难点 对其重要部件进行强度校核；绘制汽车转向器总装配图和各零件图。 3. 前期已开展工作 选完毕业设计课题后，根据导师推荐借阅了诸多汽车构造、设计、转向系统等方面的书籍、参考资料，消化学习，并查阅了一些长城哈弗 向器的基本参数。 四、完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写） 第 1 2 周： 收集资料、消化知识点 第 3 周： 撰写开题报告 第 4 5 周： 确定转向系的主要性能参数，翻译外文 第 6 7 周： 选择 两级传动副设计尺寸参数 第 8 9 周： 零件 强度的计算及转向摇臂轴直径的计算 第 9 11 周： 绘制 装配图及各零件图 第 12 14 周： 修改 纸，编写毕业设计 第 15 周： 准备毕业答辩 参考文献 5 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见 ） 指导教师： 年 月 日 6 所在系审查意见 系主管领导： 年 月 日 1 赵英勋 . 汽车概论 M. 机械工业出版社 . 2012 2 王树凤 . 汽车构造 M. 国防工业出版社 . 2009 3 左建令 ,吴浩 . 汽车转向系统的发展及展望 J. 上海汽车 . 2005 年 01 期 4 陈家瑞 . 汽车构造 (第三版 )M. 机械工业出版社 . 5 钟天飞 . 循环球式转向器导球特性 . 汽车工程 J. 1A) 6 曾东建 . 汽车制造工艺学 M. 机械工业出版社 . 2006 7 张玉莹 . 循环球式转向器设计的几个问题 J. 1987 年 05 期 8 2012) 9 过学迅，邓亚东 . 汽车设计 M 2005 10 王国权，龚国庆 . 汽车设计课程设计指导书 M. 机械工业出版社 . 11 of 2002) 12 刘涛、赵立军、赵桂范 . 汽车设计 M. 北京大学出版社 . 2008 13 王玉梅、刘亚梅等 . 微型汽车循环球式转向器齿扇设计参数分析 J. 长春工业大学学报 D(自然科学版 ). 2005 年 02 期 14 A 2011) 15 张洪欣等编 . 汽车技术词典 M. 人民交 通出版社 . 1985 I 本科毕业设计 (论文 ) 题目：长城哈弗 车循环球式 转向器设计 城哈弗 车循环球式转向器设计 本论文主要阐述说明长城哈弗 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 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： 向器；机械转向；循环球式；设计 6 at 6 is a of is a of is an of of it is on by so a of in to is in of of on of of of of AD of 录 1 绪论 . 1 向器的研究背景及意义 . 1 内外研究现状 . 3 文主要研究内容 . 4 2 转向器概述 . 5 向器简介 . 5 作原理 . 5 环球式转向器特点 . 5 3 转向系主要性能参数 . 8 向器的效率 . 8 向器正效率 + . 8 向器逆效率 - . 8 向系传动比 . 9 向系的角传动比 . 9 向系的力传动比 . 10 传动比和转向系角传动比的关系 . 10 向系变角传动原理 . 10 向器传动副的传动间隙 t . 11 向系计算载荷的确定 . 12 4 转向器的尺寸参数设计 . 13 球中心距 D、螺杆外径 螺母内径 球直径 d 及数量 n . 13 道截面 . 15 触角 . 17 距 P 和螺线导程角 0 . 17 作钢球圈数 W 与导管内径 . 17 杆的实际有效工作长度的计算 . 18 V 5 齿条、齿扇传动副的设计 . 19 作原理 . 19 厚齿扇的分析 . 20 厚齿扇齿形的计算 . 21 6 循环球式转向器零件强度计算 . 23 球与滚道之间的接触应力 . 23 扇 齿的弯曲应力 w . 24 向摇臂轴直径 d 的确定 . 24 7 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 . 30 1 1 绪论 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。 d. 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 2 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 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 3 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。 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 ”(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 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 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 国 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。 4 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 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。 5 2 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。 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。 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。 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 6 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 示： 图 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 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 车转向系示意图 7 按照中华人民共和国国家标准 999 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 。 8 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。 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 +和逆效率 -。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。 向器正效率 + 功率 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 : 121 (式中， 作用在转向器输入轴上的输入功率， 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： ) = （ 其中， 0 为蜗杆 (或螺杆 )的螺线导程角，取 0=8 为摩擦角， =擦因数 f，取 向器逆效率 - 转向轴输出的功率（ 转向摇臂轴的输入功率 比，称为转向器的逆效率： 9 323- P (式中 ， 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： 00- = （ 由上式 ( (知，增大螺线导程角 0，正、逆效率都增大，故不宜将 0 取得过大；当 0 时，逆效率 -0，这时转向器为不可逆式转向器，因此 0， 螺线导程角 0=8 较 为 适宜。 向系传动比 转向系的传动比 ， 包括转向系的角传动比 转向系的力传动比 。 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 :6 18 1 2 p ri w (向系 角传动比 0 ，其中 1 . 2200240012 i（ 10 向系的力传动比 作用在转向节上的转向阻力矩 作用 在方向盘上的力矩 比 ，称之为 力传动比 ： r/ （ 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： 0 * （ 有上式可知，在 转向系效率一定的情况下，力传动比 大，虽然转向越轻便，但不灵敏。 向系变角传动原理 上式 0 *明增大力传动比 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 ： 2(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 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。 11 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 示。 图 向器角传动比变化特性曲线 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 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 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%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 12 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。 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 N,即 1 (式中 ,前轴负荷： 78409 (f 为 静止时 轮胎和路面间的摩擦因数，一般取 g 为重力加速度； m 为汽车前轴负荷，单位为 p 为轮胎气压（ ,查轮胎气压得， p= 作用在方向盘上的手力为 : 1 0 6 . 7 2 4 12402221h (式中， 转向摇臂长，取 240 转向节臂长，取 200 转向盘直径，取 380 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 上式计算出来的作用力是最大值，可用此值作为计算载荷。 13 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 近年来，销售十分火旺的民族自主品牌 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 城哈弗 基本参数 球中心距 D、螺杆外径 螺母内径 球直径 d 及数量 n 钢球中心距 D 是基本尺寸 ， 螺杆外径 母内径 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 常在 20 38 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 大于 一般要求 1=(5% 10%)D。根据题目选取钢球中心距 D=24 螺杆外径 3 取螺母内径 0%D 所以 ， 螺母内径 1+8%D=23+10%2425 长城哈弗 基本参数 最大功率 98 大功率转速 5500 r/最大功率转矩 186 Nm 最高时速 180 Km/h 整备质量 1549 载质量 2050 距 2680 轮胎规 格 225/65 身长宽高 4649 /1852 /1710 前后轮距 1565 /1565 最小离地间隙 180 向盘尺寸 380 14 图 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 取 d= 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： 2115 5 c o 0 d D w (个 ) （ 式 (， 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=8 10，则 。 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 大于钢球半径 d/2，一般取 d，初取 15 表 环球式转向器主要参数 12 齿扇模数 m/臂轴直径/2 26 30 30 32 32 35 38 40 42 45 钢球中心距/0 23 25 25 28 30 32 35 40 螺杆外径 /0 24 25 25 28 29 34 38 钢球直径 / 螺距/0 10 11 工作圈数 流行数 2 螺母长度 /1 45 52 46 47 58 56 59 62 72 78 80 82 齿扇齿数 3 5 5 齿扇整圆齿数 12 13 13 13 14 15 齿扇压力角 22 30 27 30 切削角 6 30 6 30 7 30 齿扇宽/2 25 25 27 25 28 30 28 32 30 34 38 35 38 16 图 段圆弧滚道截面 图 道截面 17 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示。 角多取 45， 以使轴向力和径向力分配均匀。 距 P 和螺线导程角 0 转向盘转动 角 ， 对应螺母移动的距离 s 为 2式（ ， P 为螺纹螺距。与此同时 ， 齿扇节圆转过的弧长等于 s，
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