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东风越野平板运输车转向机构设计【汽车类】【5张CAD图纸】【优秀】

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关键词：: 东风越野平板运输车转向机构设计汽车 cad图纸

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东风越野平板运输车转向机构设计

50页 24000字数+说明书+任务书+开题报告+5张CAD图纸【详情如下】

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摘要.….…Ⅰ

Abstract.….Ⅱ

第 1 章绪论……………………….…. .….1

　　　1.1 引言……………………….…. .….1

　　　1.2 国内外研究现状……………………………………………….…………2

　　　1.3 设计研究的主要内容……………………………………….……………6

第 2 章转向机构方案分析.…………. . 7

　　　2.1 齿轮齿条式转向器…………………………………………. .……………7

　　　2.2 循环球式转向器…………………………………………. .………………9

　　　2.3 蜗杆滚轮式转向器………………………………………….…….… 10

　　　2.4 蜗杆指销式转向器…………………………………………………….11

　　　2.5 转向盘的尺寸及布置…………………………………………………….11

　　　2.6 转向轴的防伤安全措施………………………………………………….11

　　　2.7 转向机构方案确定……………………………………………………….12

　　　2.8 本章小结………………………………………………………………….12

第 3 章转向机构的参数分析与确定…………13

　　　3.1 转向系计算载荷的确定….13

　　　3.2 转向器的效率…………………………………………………………….14

　　　　　3.2.1 转向器的正效率.…………………………………………….15

　　　　　3.2.2 转向器的逆效率.…………………………………………….16

　　　3.3 传动比的变化特性.……….….16

　　　　　3.3.1 转向系传动比…………….….16

　　　　　3.3.2 传动比与转向系角传动比的关系…17

　　　　　3.3.3 转向系的角传动比.………….……18

　　　　　3.3.4 转向器角传动比及其变化规律…………………………………18

3.4 转向器传动副的传动间隙.….…19

　　　　　3.4.1 转向器传动间隙特性……………………………………………19

　　　　　3.4.2 传动间隙特性的确定……………………………………………20

3.5 转向盘的总转动圈数…………………………………………………….22

3.6 本章小结………………………………………………………………….22

第 4 章转向机构设计………………………………………….…… …….23

　　　4.1 主要尺寸参数的选择….23

　　　 4.1.1 螺杆、钢球、螺母传动副………………………………………23

　　　 4.1.2 钢球直径及数量…………………………………………… 23

　　　 4.1.3 滚道截面…………………………………………………………24

　　　 4.1.4 接触角………….………………………………………….…….24

　　　 4.1.5 螺距和螺距导程角………………………………………….….24

　　　 4.1.6 工作钢球圈数…………….……………………………………25

　　　4.2 齿条、齿扇传动副设计…………………………….28

　　　4.3 滚珠螺旋传动…………………………………………………………….32

　　　 4.3.1 工作原理与结构…………………………………………………33

　　　 4.3.2 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法……………34

　　　4.4 单螺母预紧原理（偏置导程法）.………………………………………35

　　　4.5 转向摇臂直径的确定…………………………………………………….35

　　　4.6 转向传送机构的臂、杆与球销………………………………………….36

　　　4.7 本章小结………………………………………………………………….37

第 5 章转向机构强度计算…………………………………………… …. .38

　　　5.1 钢球与滚道的强度计算………………………………………………….38

　　　5.2 齿轮强度计算…………………………………………………………….39

　　　5.3 轴的强度计算.40

　　　 5.3.1 转向横拉杆稳定安全系数………………………………………40

　　　 5.3.2 转向节臂弯曲强度验算……………………………………….….40

　　　 5.3.3 转向摇臂弯曲强度验算……………………………………………41

　　　5.4 本章小结………………………………………………………………….41

结论. 42

参考文献. …………………………………………………………….43

致谢. ……………………………………………………………44

摘要

　　　在汽车行驶中，转向运动是最基本的运动。我们通过方向盘来操纵和控制汽车的行驶方向，从而实现自己的行驶意图。在现代汽车上，转向系统是必不可少的最基本的系统之一，它也是决定汽车主动安全性的关键总成，如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车厂家和科研机构的重要课题。

　　　本文主要介绍汽车转向系的组成和作用，在对大量资料分析研究的基础上，提出运输车用循环球转向器的性能指标和机构方案。并且采用相关数据进行机械式转向机构的设计，对各种机械转向器的利弊进行分析，进行循环球转向器的总体和零部件CAD设计。

关键词:驾驶；转向系统；转向器；设计；计算

ABSTRACT

　　　In the process of travelling, steering is the most basic movement. We operate and control the automobile through the steering wheel, thus to achieve our intention of driving. On the modern automobile, the steering system is one of the most basic systems, it is also a essential unit which affect the automobile’s initiative secure. How to design the steering characteristic of automobile, enable the automobile to have good handling quality, which is always an important topic to various automobiles factory and the scientific research institution. Especially at the time of coming to high speed, drivers becoming personnel amateur, stream of vehicles crowded today, in view of the different crowd of driving, the design of automobile appears especially importantly.

　　　This article mainly introduc automobile steering composition and function system, and uses the correlate data to carry on the design which based on mechanical type rotation gear, carriy on the analysis to each kind of mechanical diverter advantages, designs the corresponding steering gear. Analysising the advantages and defect of different kind of streeing machinery,and carry on designing the whole and part on cad roof.

Key words:Drive; Steering System; Diverter; Design; Calculate

1.1 引言

　　　汽车在行驶过程中，为了适应各种道路情况和行驶条件，经常需要改变行驶方向或修正行驶方向，如转向、超车和避让等。因此，转向系对汽车行驶的适应性、安全性都具有重要的意义，转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性。如何设计汽车的转向系统，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车厂家和科研机构的重要课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同的驾驶人群，汽车的操纵性设计显得尤为重要。

　　　对转向系统产品的需求随着汽车化的提高而发生着变化。最初驾驶员们只希望比较容易地操纵转向系统，而后则追求在高速行驶时的稳定性、舒适性和良好的操纵感。传统的汽车转向系统是机械系统，汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。普通的转向系统建立在机械转向的基础上，通丸根据机械式转向器形式可以分为齿轮齿条式、循环式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。常用的有两种是齿轮齿条式和循环球式（用于需要较大的转向力时）。这种转向系统是我们最常见的，目前大部分低端轿车采用的是齿轮齿条式机械转向系统。

　　　从上世纪四十年代起，为减轻驾驶员体力负担，在机械转向系基础上增加了液压助力系统。它是建立在机械转向器的基础之上的，额外增加了一个液压系统HPS（Hydraulic?power?steering），一般有油泵、油管、供油装置、除噪装置和控制阀。由于其工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。现在液压助力转向系统在实际中应用的最多，根据控制阀形式有转阀式和滑阀式之分。这个助力转向系统最重要的新功能是液力支持转向的运动，因止可以减少驾驶员作用在方向盘上的力。

　　　近年来，随着电子技术的不断发展，转向系统中越来越多的采用电子元件。相应的就出现了电液助力转向系统。电液助力转向可以分为两大类：电动液压助力转向系统EHPS、电控液压助力转向ECHPS。ECHPS是在液压助力系统基础上发展起来的，其特点是原来有发动机带动的液压助力泵改由电机驱动，取代了由发动机驱动的方式，节省了燃油消耗。ECHPS是在传统的液压助力转向系统的基础上增加了电控装置构成的。电液助力转向系统的助力特性可根据转向速率、车速等参数设计为可变助力特性，使驾驶员能够更轻松的操纵汽车。?现代电液动力转向系统主要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，即在低速行驶或转急弯时能以很小的转向手力进行操作，在高速行驶时能以稍重的转向手力进行稳定操作，使操纵轻便和稳定性达到最合适的平稳状态。为了保证转向轻便性，要求增大转向器的传动比。但是，增大角传动比虽然可以减小转向盘上的手力，但同时也造成汽车对操纵的反应减慢，甚至有可能导致驾驶员没有能力来转动转向盘进行紧急避障等转向操作，即不够“灵”。 ECHPS相比传统HPS降低了能源损耗。但电液动力转向系统，不论ECHPS还是AHPS都与传统的HPS一样存在液压油泄漏问题。　　　因现代汽车发动机功率在不断增大，行车速度也不断提高，对于两轮转向的汽车在高速行驶时将使其操纵稳定性变差。从20世纪80年代末四轮转向系统已进入实用阶段，不仅保证了汽车低速行驶的转向灵活，也保证了汽车高速行驶的操纵稳定性。

　　　对转向系的主要设计要求如下。

　　　（1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。任何车轮不应有侧滑；

　　　（2）汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下，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，转向轮不得产生自振，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；

　　　（6）操纵轻便。具有迅速和小转弯行驶能力；

　　　（7）转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘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变形而共同后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。　　　电子控制电动动力转向系统（ECHPS）技术发展趋势可归结为以下几点。

　　　（1）电力驱动技术：ECHPS系统中的电机要求端电压、转速较低、输出转矩相对较高、尺寸小。由于电机端电压低，而功率相对较高。所以电机电流较大，这给驱动单元的电子器件选择和电路设计带来一定困难。

　　　（2）非接触式传感器技术：ECHPS系统中的转向盘转矩传感器要求结构简单、工作可靠、价格便宜，精度适中。考虑到可靠性问题，目前国外多采用非接触式。而接触式传感器应用较少。

　　　（3）转向控制技术：由于ECHPS系统在原有的机械式转向系统中增加了电机和减速器，使得转向操纵机构的惯性增大，为此需引入惯性控制和阻力控制，避免在电机开始助力和结束助力时对转向操纵产生影响。同时，为获得更好的“路感”，必需根据汽车的行驶速度和转向状态确定合理的助力大小和方向。

　　　（4）ECHPS系统与整车性能匹配：汽车本身是由各子系统组成的既相互联系又相互制约的有机整体，当汽车某个子系统改变时，整车性能也产生相应的变化。因此，必须对EPS系统与汽车上的其它子系统进行匹配，以利整车性能达到最优化。

　　　随着电子技术和控制方法的进一步发展，有人提出了一个大胆的假设：即取消转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电能实现转向，这就是线控转向系统。

　　　线控电动转向系统的特点：提高了驾驶员的安全性，由于减少了转向柱等机械机构，使得驾驶员周围空间变大，正面碰撞时对驾驶员的伤害得到了大大的降低。另外同样安全气囊与驾驶员间的距离加大，使得安全气囊可以张得更大，以增加对驾驶员的保护；提高了汽车的操纵性，由于可以实现传动比的任意设置，并针对不同的车速，转向状况进行参数补偿，从而提高汽车的操纵性；提高汽车的全面智能化，线控转向系统可以和其它的设备如ABS、防碰撞、自动导航、自动驾驶等系统结合起来，最终实现汽车的全面智能化；改善驾驶员的路感，在SBW中路感由模拟生成，使得在回正力矩控制方面可以从信号中提出最能够反应汽车实际行驶状态和路面状况的信息，作为方向盘回正力矩的控制变量，使方向盘仅仅向驾驶员提供有用的信息，从而为驾驶员提供更为真实的“路感”。

　　　线控转向系统还存在着可靠性的问题，目前欧洲汽车法规还要求驾驶员与转向车轮之间必须有机械连接，而闲空转向系统作为一个还不成熟的技术目前还不能有足够的证据证明其可靠性。其次，线控转向系统还需要在可靠性与成本之间做出较好的平衡；线控转向还将与其它的汽车电气系统通过CAN总线连接在中央控制器上，由中央控制器统一协调控制汽车的运用，从而实现汽车电气的一体化和智能化；

　　　总之，线控转向在EPS的基础上，将转向系统的发展又推进了一步，它将为实现汽车智能化驾驶提供技术支持。

1.3 设计研究的主要内容

通过阅读资料，分析与确定转向机构的整体设计方案。对设计参数进行分析与确定，并在此基础上对转向机构计算研究。对设计结果进行强度计算校核以保证转向机构的可靠性，安全性。　　　汽车转向器作为汽车的重要零部件，转向器机构涉及整车的操纵性、稳定性和安全性，它的质量也反映了车辆的质量，其综合性能直接关系车辆性能的关键部件、人民的生命财产安全。汽车工业发达国家都非常重视高安全性汽车转向器的研究。

　　　本文主要是对汽车转向机构进行设计。在阅读大量的基础上，对多种形式转向器进行分析比较，选定设计方案并依据传统的经验公式进行参数计算。依此对转向机构进行设计。在此设计中已完成的部分有：

　　　（1）以汽车作为研究对象，介绍了汽车转向机构的类型、组成以及转向机构的设计和转向性能并综合评价汽车转向机构的发展趋势

　　　（2）对多种转向器的设计方案进行分析，确定了最符合设计题目的总体方案。

　　　（3）对转向机构的参数进行了分析计算，设计转向器的总体结构。

　　　（4）通过计算确定了转向器的各部分尺及结构，介绍了其原理。

　　　（5）进行了强度计算，确保了转向机构的可靠性。

　　　（6）对设计的转向机构介绍了简单的维护保养方法。

　　　在本设计中，力求达到合理、完善、可靠、经济，但在许多情况下，无法达到理想的要求，只是抓住主要矛盾解决工程中实际问题。由于时间紧张，有些问题没有做太深入的研究。

　　　通过毕业设计，使我对汽车设计方法、步骤有了更新的认识，熟悉了设计工具、软件的使用。同时也发现了自己的不足之处，激发了学习的积极性，逐渐树立了正确的、科学的思想，严谨求实的作风，培养了分析能力与解决问题的能力，为以后的工作打下了基础。

参考文献

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[19] Makoto Sato. Steering Control. Automotive Electronics Handbook (2nd).

内容简介：: SY-025-BY-3毕业设计（论文）开题报告学生姓名系部汽车与交通工程学院专业、班级B07- 8班指导教师姓名职称教授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称东风越野平板运输车转向机构设计一、课题研究现状、选题目的和意义（一）研究现状1. 平板运输车应用现状随着我国造船业和桥梁建筑业的发展，各大运输企业陆续从国外引入了一些大型自行式平板车来满足生产要求，但存在成本高、维护不及时等问题。针对这种情况，有必要研制拥有自主知识产权的国产高性能自行式动力平板运输车。国外自行式动力平板车的技术起步早，专业化程度高，其技术已很成熟。目前国际上大型的液压平板车的品牌主要有Cometto（科米托）、Goldhofer（歌德浩夫）、Nicolas（尼古拉斯）和Scheuerle（索爱勒）等。国内有上海电力环保设备总厂有限公司、郑州大方桥梁机械有限公司等。目前国内各工程项目的不断开展，带动了平板车市场强劲的籍求，尤其是大吨位平板车。以运梁车为例，运梁车是高速铁路施工中的重要设备，拟建中的京沪高速铁路线路全长的60%以上将建在桥上，全跨预注、逐跨架设的简支箱梁及小跨度连续梁将成为桥梁建设的主体，而平板车是预制梁的最好运输工具。因此平板车在国内有着极大的发展空间和市场潜力，尤其是大型平板车。随着平板车设计、制造技术的不断优化和平板车功能的延伸。平板车的技术日趋先进和复杂。（1）平板车的吨位不断增加(额定载重量达100t)，长度很长（L20 米），宽度很宽(B4米)等，在长度较长时，如何使主梁在满足强度的前提下，主梁还有略有上弓要求；在台面宽度较宽时，整车转向不用回转支承，而是拉杆，相比成品回转支承转向来说，拉杆平板车运行中更稳固、安全；拉杆系统设计和其转向润滑机构设计是此类平板车设计的技术核心及发展趋势。（2）对于部分客户需求的中大吨位平板拖车，要求自带停车制动和行车制动，行车制动有液压制动和气压制动，液压制动应尽量采用多回路设计，避免制动滞后和回路动力损失；气压制动设计技术核心在于其与发动机及制动桥的匹配衔接；（3）自带动力源平板车的设计开发，采用交流控制、交流再生制动、液压马达驱动齿轮转向技术等，满足特殊场合极小转弯半径下的使用需求。上述平板车中的特殊要求大大超出了普通平板车的设计制造技术，它的设计技术代表了平板车技术发展的趋势，同时也反映了平板车生产企业的技术含金量。2. 转向器研究和制造现状汽车转向器属于对行驶安全影响较大的零部件，在汽车系统中占据了一个重要的位置，其规模和质量已成为衡量汽车工业发展水平的重要标志之一。在重型汽车、大型客车等载重量较大的汽车中，通常用动力转向器来操纵汽车行驶方向。由于动力转向系统有着传统机械式转向系统无法比拟的优点，例如：转向轻便灵敏，回位性能及手感良好，极大的减轻了汽车驾驶员的工作强度，特别适用于汽车在高速行驶时的转向。因此目前国内外生产的汽车越来越多地配置了动力转向系统。从世界上第一辆汽车问世至今，汽车工业已经经历了百年的发展历程。自上世纪四十年代起，为减轻驾驶员体力负担，在机械转向系统基础上增加了液压助力系统它是建立在机械系统的基础之上的，额外增加了一个液压系统HPS(hydraulic power steering)，一般有油泵、V形带轮、油管、供油装置、助力装置和控制阀。它具有工作无噪声，其灵触度高、体积小，能够吸收来自不平路面的冲击力等方面的优点并且其工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。现在液压助力转向系统在实际中应用的最多。在当时这个助力转向系统最重要的新功能是液力支持转向的运动，因此可以减少驾驶员作用在方向盘上的力。现代的汽车与发展初期相比，广泛地应用了各种高新技术，并且还在发生更深刻的变革。转向系统作为汽车底盘中的独立分系统，在汽车技术发展的过程中也经历了深刻的变革。转向技术的发展基本上经历了机械转向、液压(气压)动力转向、电子控制液压动力转向、电动转向、电子线控转向和主动转向几个阶段，它们分别代表了转向技术的过去、现在和将来。（1）机械转向机构几十年来，各种汽车都使用循环球式转向器。由于这种转向器是滚动摩擦形式，因而正传动效率很高，操作方便且使用寿命长，而且承载能力大，广泛应用于载货车上。从70 年代起轿车兴起了齿轮齿条转向器，这种转向机构由方向盘、转向轴、万向节、转动轴、转向器、转向传动杆和转向轮(前轮)等组成。方向盘操纵转向器内的齿轮转动，齿轮与齿条紧密啮合，推动齿条左移动或右移动，带动转向轮摆动，从而改变轿车行驶的方向。这种转向机构与循环球式等其它类型的转向机构比较，省略了转向摇臂和转向主拉杆，具有构件简单，传动效率高的优点。而且它的逆传动效率也高，在车辆行驶时可以保证偏转车轮的自动回正，驾驶者的路感性强。（2）动力转向系统现代轿车马力大、速度快，为了操纵的轻便和灵敏，中高档轿车的转向器都普遍应用动力转向系统。采用动力转向的最直接的目的是减小手动转向力矩，改善转向轻便性，同时也可以改善转向的平稳性及汽车的操纵稳定性。动力转向根据工作介质的不同，可以分为气压式和液压式。气压式动力转向系统的工作压力比较低，一般不高于0.7MPa，对于需要较大助力的汽车，气压式动力转向系统的尺寸将过于庞大，所以已经很少采用。相比之下，液压动力转向系统的工作压力可高达10MPa 以上，液压动力转向系统的部件尺寸也很小，并且工作时噪声极低，工作滞后时间短，能够吸收来自不平路面的冲击，所以液压动力转向系统在各级各类汽车上获得了广泛的应用。（3）电动动力转向系统电动动力转向系统以电动机为动力源，电动机由汽车电源供电。在操纵方向盘时，扭矩传感器根据力的大小产生出相应的电压信号，由此电动助力转向系统就可以检测出操纵力的大小；同时根据车速传感器产生的脉冲信号又可测出车速、再控制电动机的电流大小，从而形成适当的转向助力，提高操纵的轻便性。（4）电子线控转向系统电动转向系统零部件少、结构紧凑、所占空间较少、重量轻，其重量可比液压动力转向系统轻25%；由于电动机只是在转向时才接通，故可节约燃油约2.5%；电动转向还可有各种安全保护措施和故障自诊断功能; 且电动转向系统与汽车上其它电气设备相连接，有助于四轮转向的实现，并能促进悬挂系统的发展。汽车电子转向系统是一种全新概念的转向系统，其取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接，通过软件协调它们之间的运动关系，可以实现一系列传统转向系统无法实现的特殊功能。它可以实现传动比的任意设置，并对随车速变化的参数进行补偿。并且可以和ABS、汽车动力学控制、防碰撞、单个车轮转向、轨道跟踪、自动侧向导航等功能相结合，实现对汽车的整体控制。电子转向系统由于取消了方向盘和转向轮之间的机械连接，完全摆脱了传统转向系统的各种限制，不但可以自由设计汽车转向的力传递特性，而且可以设计汽车转向的角传递特性，给汽车转向特性的设计带来无限的空间，是汽车转向系统的重大革新。（5）主动转向系统主动前轮动力转向AFS（Active Front Steering）的出色性能主要归功于先进的转向动力学技术，其性能与采用电子传控转向系统相类似。电子控制的动力转向系统使车轮转向角能够大于或小于驾驶员操纵方向盘的转向角。主动转向系统的基础是行星齿轮系统，它由3 个主要部分组成：太阳轮在中心，一套行星齿轮围绕着太阳轮，大齿轮环在最外侧，内齿与行星齿轮啮合。太阳轮和行星齿轮分别是输入和输出端，大齿圈与电控电机在外部啮合。当电机不转时，转向速比被固定，一旦电机按指令作出动作后，转速比就会改变。（二）目的和意义牵引车属于专用汽车，采用可拼接、模块化组合方式，可以根据所运设备的具体情况和路面条件进行不同形式的组合以适应各种运输要求。但现有的运输车存在成本高、维护不及时等问题。针对这种情况，有必要研制拥有自主知识产权的国产高性能牵引车。目前自行式牵引车的转向系统采用液压独立转向，其转向角度可达到 47以上。本设计的牵引车它的转向行驶模式有:直行、斜行、横行，正常转向行驶。转向灵活，成本低。现在，世界各国著名零件厂商正在大力研究开发一种新型的动力转向系统，即电子控制电动动力转向系统。电子控制电动动力转向系统是在机械转向系统的基础上，根据作用在转向盘上的转矩信号和车速信号，通过电子控制装置使电机产生相应大小和方向的辅助力，协助驾驶员进行转向操纵，并获得最佳转向特性的伺服系统。随着世界各国国民经济的增长，公路交通状况不断改善，对汽车的专业化、高速化、重型化的要求越来越明显，世界各国对专用汽车的需求逐年增加。近年来，专用汽车增长率均大于载货车增长率，各国专用车的产量占载货车产量的比率逐年递增，发达国家尽量以专用车替代载货汽车。目前专用汽车占载货汽车市场的半壁江山。从世界各国专用汽车的技术含量看，专用汽车技术含量比普通载货汽车高，而重型专用汽车属于高技术、高附加值产品，其附加值达40%以上。本设计的目的就是以我国现今发展情况探讨开发一种适合我国国情、满足未来市场需求的牵引车循环球式转向器，并在重型汽车的转向系统、转向装置、动力转向装置等底盘转向部件上进行重点探讨。要求设计方法简单、可靠、使用，设计出的底盘具有较高的安全性、可靠性、实用性、经济性，满足当前重型车辆使用中对转向系统基本的使用性能要求，并在方案实施上具有一定的可行性。二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题基本内容：（1）行式平板运输车独立转向机构总体设计方案分析确定；（2）确定机械转向器部分的性能参数（3）行式平板运输车独立转向器结构的选择与设计；解决问题：转向机构结构的设计，选型，尺寸参数的确定:由于齿轮齿条式转向器逆效率高（60%70%），汽车在不平路面上行驶时发生在转向轮与路面间冲击力的大部分能传至转向盘，反冲现象会使驾驶员紧张，并难以控制汽车行驶方向，转向盘突然转动又会造成“打手”，同时对驾驶员造成伤害。蜗杆滚轮式转向器正效率低，工作齿面磨损后调整啮合间隙比较困难，传动比不能变化。固定销蜗杆指销式转向器结构简单，制造容易，但因销不能自转，指销工作部位基本不变，所以磨损快、工作效率低。旋转销式转向器的效率高、磨损小，但是结构复杂。双销式的结构较单销式复杂，尺寸及质量也较大，且对两指销间的位置精度、蜗杆上螺纹槽的形状及尺寸精度要求较高，角传动比的变化特性及传动间隙特性的变化也受到限制。根据原始数据确定各项参数。三、技术路线（研究方法）收集资料、可行性分析总体传动方案确定转向器的运动和受力分析计算转向器的设计计算转向器装配草图设计设计零件图设计、液压系统设计零件图、正式装配图设计计算说明书四、进度安排（1）第 1 2周（2011年2月28日2011年3月13日）调研、开题报告，开题答辩（2）第 3 4周（2014年3月14日2011年3月27日）总体传动方案确定（3）第 5 6周（2011年3月28日2011年4月10日）传动参数设计计算（4）第 7 9周（2011年4月11日2011年5月 1日）转向器装配草图设计（5）第1011周（2011年5月 2日2011年5月15日）转向器正式装配图设计（6）第1213周（2011年5月16日2011年5月29日）零件图设计、液压系统设计（7）第1415周（2011年5月30日2011年6月12日）编写设计说明书（8）第16周（2011年6月13日2011年6月19日）设计审核、修改（9）第17周（2011年6月20日2011年6月26日）毕业设计答辩准备及答辩五、参考文献01 陈燎，田晋跃，殷金鉴，赵煦。130t升降平台运输车转向系统设计. 工程机械，2001年第32卷第01期 02 丁礼灯，杨家军，刘照。廖道训等.汽车动力转向器转向力矩的分析与计算.三峡大学学报(自然科学版)，2001，3.03 张高升，郑绍春，魏艳。WTW90型重型平板运输车非线性转向系统控制方法研究J武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2008，4 04 张玉莹循环球式转向器设计的几个问题J二汽科技 1987，1005 朱福培，张枫念。循环球式转向器设计中的一些问题探讨J汽车研究与开发 1996，1206 毛元祥，丁诚，刘海峰，容青松，罗爱玲。循环球式动力转向器转向螺杆总成沙市久隆汽车动力转向器有限公司07 张代盛，黄世晔，吴来发，慈龙尚。平板车设计要点及技术发展趋势 J设施与设备08 陈国定。机械设计基础M.北京：机械工业出版社,2005.09 张玉杰，孔靓靓。关于25 t汽车起重机转向系统的选型设计J汉阳专用汽车研究所10 陈家瑞。汽车构造M.北京：机械工业出版社11 M KPENN and T RICHTER. BMWs approach to modern steering technology.BMW AG,2004六、备注七、指导教师意见：签字：年月日本科学生毕业论文东风越野平板运输车转向机构设计系部名称：汽车工程系专业班级：车辆工程 BW07-8班学生姓名：指导教师：职称：教授黑龙江工程学院二一一年六月The Graduation Thesis for Bachelors DegreeDesign of Steering Mechanism of Dong Feng Flat Board transporterCandidate: Specialty: Vehicle EngineeringClass: BW07-8Supervisor:Heilongjiang Institute of Technology2011-06Harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计目录摘要.Abstract.第 1 章绪论. .11.1 引言. .11.2 国内外研究现状.21.3 设计研究的主要内容.6第 2 章转向机构方案分析. . .72.1 齿轮齿条式转向器. .72.2 循环球式转向器. .92.3 蜗杆滚轮式转向器. 102.4 蜗杆指销式转向器.112.5 转向盘的尺寸及布置.112.6 转向轴的防伤安全措施.112.7 转向机构方案确定.122.8 本章小结.12第 3 章转向机构的参数分析与确定.133.1 转向系计算载荷的确定.133.2 转向器的效率.143.2.1 转向器的正效率.153.2.2 转向器的逆效率.163.3 传动比的变化特性.163.3.1 转向系传动比.163.3.2 传动比与转向系角传动比的关系.173.3.3 转向系的角传动比.183.3.4 转向器角传动比及其变化规律.18 3.4 转向器传动副的传动间隙.193.4.1 转向器传动间隙特性.193.4.2 传动间隙特性的确定.20 3.5 转向盘的总转动圈数.22 3.6 本章小结.22第 4 章转向机构设计. .234.1 主要尺寸参数的选择.23 4.1.1 螺杆、钢球、螺母传动副.23 4.1.2 钢球直径及数量. 23 4.1.3 滚道截面.24 4.1.4 接触角.24 4.1.5 螺距和螺距导程角.24 4.1.6 工作钢球圈数.254.2 齿条、齿扇传动副设计.284.3 滚珠螺旋传动.32 4.3.1 工作原理与结构.33 4.3.2 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法.344.4 单螺母预紧原理（偏置导程法）.354.5 转向摇臂直径的确定.354.6 转向传送机构的臂、杆与球销.364.7 本章小结.37第 5 章转向机构强度计算 . .385.1 钢球与滚道的强度计算.385.2 齿轮强度计算.395.3 轴的强度计算.40 5.3.1 转向横拉杆稳定安全系数.40 5.3.2 转向节臂弯曲强度验算.40 5.3.3 转向摇臂弯曲强度验算415.4 本章小结.41结论. .42参考文献. .43致谢. .44摘要在汽车行驶中，转向运动是最基本的运动。我们通过方向盘来操纵和控制汽车的行驶方向，从而实现自己的行驶意图。在现代汽车上，转向系统是必不可少的最基本的系统之一，它也是决定汽车主动安全性的关键总成，如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车厂家和科研机构的重要课题。本文主要介绍汽车转向系的组成和作用，在对大量资料分析研究的基础上，提出运输车用循环球转向器的性能指标和机构方案。并且采用相关数据进行机械式转向机构的设计，对各种机械转向器的利弊进行分析，进行循环球转向器的总体和零部件CAD设计。关键词:驾驶；转向系统；转向器；设计；计算ABSTRACTIn the process of travelling, steering is the most basic movement. We operate and control the automobile through the steering wheel, thus to achieve our intention of driving. On the modern automobile, the steering system is one of the most basic systems, it is also a essential unit which affect the automobiles initiative secure. How to design the steering characteristic of automobile, enable the automobile to have good handling quality, which is always an important topic to various automobiles factory and the scientific research institution. Especially at the time of coming to high speed, drivers becoming personnel amateur, stream of vehicles crowded today, in view of the different crowd of driving, the design of automobile appears especially importantly.This article mainly introduc automobile steering composition and function system, and uses the correlate data to carry on the design which based on mechanical type rotation gear, carriy on the analysis to each kind of mechanical diverter advantages, designs the corresponding steering gear. Analysising the advantages and defect of different kind of streeing machinery,and carry on designing the whole and part on cad roof. Key words:Drive; Steering System; Diverter; Design; CalculateIII黑龙江工程学院本科生毕业设计第1章绪论1.1 引言汽车在行驶过程中，为了适应各种道路情况和行驶条件，经常需要改变行驶方向或修正行驶方向，如转向、超车和避让等。因此，转向系对汽车行驶的适应性、安全性都具有重要的意义，转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性。如何设计汽车的转向系统，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车厂家和科研机构的重要课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同的驾驶人群，汽车的操纵性设计显得尤为重要。对转向系统产品的需求随着汽车化的提高而发生着变化。最初驾驶员们只希望比较容易地操纵转向系统，而后则追求在高速行驶时的稳定性、舒适性和良好的操纵感。传统的汽车转向系统是机械系统，汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。普通的转向系统建立在机械转向的基础上，通丸根据机械式转向器形式可以分为齿轮齿条式、循环式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。常用的有两种是齿轮齿条式和循环球式（用于需要较大的转向力时）。这种转向系统是我们最常见的，目前大部分低端轿车采用的是齿轮齿条式机械转向系统。从上世纪四十年代起，为减轻驾驶员体力负担，在机械转向系基础上增加了液压助力系统。它是建立在机械转向器的基础之上的，额外增加了一个液压系统HPS（Hydraulicpowersteering），一般有油泵、油管、供油装置、除噪装置和控制阀。由于其工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。现在液压助力转向系统在实际中应用的最多，根据控制阀形式有转阀式和滑阀式之分。这个助力转向系统最重要的新功能是液力支持转向的运动，因止可以减少驾驶员作用在方向盘上的力。近年来，随着电子技术的不断发展，转向系统中越来越多的采用电子元件。相应的就出现了电液助力转向系统。电液助力转向可以分为两大类：电动液压助力转向系统EHPS、电控液压助力转向ECHPS。ECHPS是在液压助力系统基础上发展起来的，其特点是原来有发动机带动的液压助力泵改由电机驱动，取代了由发动机驱动的方式，节省了燃油消耗。ECHPS是在传统的液压助力转向系统的基础上增加了电控装置构成的。电液助力转向系统的助力特性可根据转向速率、车速等参数设计为可变助力特性，使驾驶员能够更轻松的操纵汽车。现代电液动力转向系统主要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，即在低速行驶或转急弯时能以很小的转向手力进行操作，在高速行驶时能以稍重的转向手力进行稳定操作，使操纵轻便和稳定性达到最合适的平稳状态。为了保证转向轻便性，要求增大转向器的传动比。但是，增大角传动比虽然可以减小转向盘上的手力，但同时也造成汽车对操纵的反应减慢，甚至有可能导致驾驶员没有能力来转动转向盘进行紧急避障等转向操作，即不够“灵”。 ECHPS相比传统HPS降低了能源损耗。但电液动力转向系统，不论ECHPS还是AHPS都与传统的HPS一样存在液压油泄漏问题。上世纪50年代，通用汽车公司出循环球式液压动力转向系统。上世纪80年代出现的电动转向系统为动力转向器增添了品种，欧洲汽车制造商在研究配有电动转向系统的汽车比较早，日本的KOYO、NSK、HONDA及美国的DELPHI等公司也开发了多种类型的电动转向系统。现在人们更加关注具有节能、环保特点的产品，因此也可预测从液压转向系统到电动转向系统的转变过程会在将来很快的发生。因现代汽车发动机功率在不断增大，行车速度也不断提高，对于两轮转向的汽车在高速行驶时将使其操纵稳定性变差。从20世纪80年代末四轮转向系统已进入实用阶段，不仅保证了汽车低速行驶的转向灵活，也保证了汽车高速行驶的操纵稳定性。对转向系的主要设计要求如下。（1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。任何车轮不应有侧滑；（2）汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下，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，转向轮不得产生自振，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；（6）操纵轻便。具有迅速和小转弯行驶能力；（7）转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘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变形而共同后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。1.2国内外研究现状随着液压动力转向系统在汽车上的日益普及，人们对操作时的轻便性和路感的要求也日益提高，然而液压动力转向系统却存在许多缺点：由于其本身的结构决定了其无法保证车辆在任何工况下转动转向盘实，都有较理想的操纵稳定性，即无法同时保证低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性；汽车的转向特性受驾驶员的驾驶技术的严重影响；转向传动比固定，使汽车转向响应特性随车速、侧向加速度等变化而变化，驾驶员必须提前针对汽车转向特性幅值和相位的变化进行一定的操作补偿，从而控制汽车按其意愿行驶。这样增加了驾驶员的操纵负担，也使汽车转向行驶中存在不安全隐患；而此后出现了电控液压助力系统，它在传统的液压动力转向系统的基础上增加了速度传感器，使汽车能够随着车速的变化自动调节操纵力的大小，在一定程度上缓和了传统的液压转向系统存在的问题。目前我国生产的商用车和轿车上采用的大多是电控液压助力转向系统，它是比较成熟和应用广泛的转向系统。电动助力转向系统是现在汽车转向系统的发展方向，其工作原理是：EPS系统的ECU对来自转向盘转矩传感器和车速传感器的信号进行分析处理后，控制电机产生适当的助力转矩，协助驾驶员完成转向操作。近几年来，随着电子技术的发展，大幅度降低ECHPS的成本已成为可能，日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司、美国的Delphi汽车系统公司、TRW公司及德国的ZF公司都相继研制出EPS。到目前为止，EPS系统在轻微型。电动助力转向系统主要是在机械式转向系统的基础上加上了传感器（包括车速传感器、转矩传感器和小齿轮位置传感器）、电子控制单元（ECU）、助力电机、电磁离合器和减速机构而构成。电动助力转向系统可根据减速机构的不同分为蜗轮蜗杆式助力机构和差动轮系式的主力机构两种形式。差动轮系机构具有转向路感平滑稳定、转向灵敏性可调，更适合前轴负载小且对高速操纵性能要求较高的轿车上，而蜗轮蜗杆机构具有助力大小可调整，适合前轴负载大、转向沉重、主要目的是降低转向力且对高速操纵性能要求不高的载货汽车上。另外电动助力转向系统还可以根据电动机和减速机构位置的不同分为：轴助力式EPS（电机和减速装置装在转向传动轴上），转向小齿轮助力式（电机和减速装置装在输入小齿轮上），另端小齿轮助力式（电机和减速装置装在另端小齿轮上），齿条助力式（电机和减速装置套在齿条外侧）。电动助力转向系统主要的优点有：自由度高，助力特性可以灵活的依据转向时的车速、横向加速度、汽车重量、电池电压、车轮气压等产生不同的助力，且修改方便；结构简单，相交与液压助力转向系统少了液压泵、转阀、液压管道等复杂的液压机构，不仅节省了大量的空间，也减少了46kg的重量；节能，对于驾驶员来说，最大的优点就是ESP能相较于传统的液压助力式的转向系统提升约5%的燃油经济性。这是由于EPS只在转向时才工作，而液压转向系统不管需不需要助力都一直在运行，尤其在汽车高速行驶时，原本这时是最不需要转向助力的，而这时液压泵的功率消耗却是最大的；减振，EPS系统具有较高的惯性力矩，对于来自轮胎的外部干扰可起到缓冲振动的作用。在高速相较于液压转向系统减振25%-30%；环保，由于不存在液压油泄漏等问题使得EPS相较于液压转向更为环保。从整体上来讲国内近年来对于ECHPS的研究发展很快，尤其是在控制策略的研究上，已经将不同的控制方法引如ECU中，并通过实验和分析不断地完善和改进，但是在对于细节的优化上距离国外还有相当的差距，而且目前国内除了吉利汽车，还尚未自主知识产权的ECHPS，距离ECHPS的批量化生产也还有一段路要走。尽管电控液压助力装置从一定程度上缓解了传统的液压转向中轻便性和路感之间的矛盾，然而它还是没有从根本上解决HPS系统存在的不足，随着汽车微电子技术的发展，汽车燃油节能的要求以及全球性倡导环保，其在布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面的不足已越来越明显，转向系统向着电动助力转向系统发展。动力转向系是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机产生的液压力或电动机驱动力来实现车论转向。由于采用动力转向可以减少驾驶员手动转向力矩，改善汽车的转向轻便性和汽车的操纵稳定性，因此在国外不仅在商用车上，而且在中高级轿车和轻型车上也逐渐普遍应用。动力转向系统主要有液压助力式、气动助力式和电动助力式等三种形式。其中液压助力转向系统由于其工作压力大，结构紧凑，而广泛应用。液压助力转向器自五十年代发展以来，已日趋成熟，得到广泛应用，近几年主要是提高现机构的轻量化，简化结构；提升工作油压。用压铸铝代替铸铁的转向器壳体；用塑料油箱代替钢板冲压油箱；对于轻型车和轿车，用铝合金转向轴万向节等措施，这些均可减轻50%以上重量，其次，改进“路感”特性，为了满足高速直行位置附近“路感”效果，改变阀特性，使其静特性曲线的中间部位比较平坦。传统的液压助力动力转向系统在多采用固定的放大倍率存在着一些缺点：如果所设计的固定放大倍率的动力转向系统是为了减少汽车在停车或低速行驶状态下转向盘的操舵力，则当汽车以高速行驶时，这一固定放大倍率会使转向盘的操舵力显得太小，高速行驶时“路感”差，不利于汽车的方向控制；反之，如果设计的固定放大倍率的动力转向系统是为了增加汽车在高速行驶时转向力，则当汽车低速行驶时，转向盘的力显得太大，破坏了低速状况下的操纵轻便性，为了解决这个问题，目前汽车界将电子控制技术应用在汽车动力转向系统中，使汽车转向性能达到令人满意的程度。迄今为止，电子控制液压动力转向系统已在轿车上获得应用。电子控制液压动力转向是在传统的液压助力转向基础上增设了控制液体流量的电磁阀，车速传感器和电子控制单元等。现在，世界各国著名零件厂商正在大力研究开发一种新型的动力转向系统，即电子控制电动动力转向系统。电子控制电动动力转向系统是在机械转向系统的基础上，根据作用在转向盘上的转矩信号和车速信号，通过电子控制装置使电机产生相应大小和方向的辅助力，协助驾驶员进行转向操纵，并获得最佳转向特性的伺服系统。电子控制电动动力转向系统（ECHPS）技术发展趋势可归结为以下几点。（1）电力驱动技术：ECHPS系统中的电机要求端电压、转速较低、输出转矩相对较高、尺寸小。由于电机端电压低，而功率相对较高。所以电机电流较大，这给驱动单元的电子器件选择和电路设计带来一定困难。（2）非接触式传感器技术：ECHPS系统中的转向盘转矩传感器要求结构简单、工作可靠、价格便宜，精度适中。考虑到可靠性问题，目前国外多采用非接触式。而接触式传感器应用较少。（3）转向控制技术：由于ECHPS系统在原有的机械式转向系统中增加了电机和减速器，使得转向操纵机构的惯性增大，为此需引入惯性控制和阻力控制，避免在电机开始助力和结束助力时对转向操纵产生影响。同时，为获得更好的“路感”，必需根据汽车的行驶速度和转向状态确定合理的助力大小和方向。（4）ECHPS系统与整车性能匹配：汽车本身是由各子系统组成的既相互联系又相互制约的有机整体，当汽车某个子系统改变时，整车性能也产生相应的变化。因此，必须对EPS系统与汽车上的其它子系统进行匹配，以利整车性能达到最优化。随着电子技术和控制方法的进一步发展，有人提出了一个大胆的假设：即取消转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电能实现转向，这就是线控转向系统。线控电动转向系统的特点：提高了驾驶员的安全性，由于减少了转向柱等机械机构，使得驾驶员周围空间变大，正面碰撞时对驾驶员的伤害得到了大大的降低。另外同样安全气囊与驾驶员间的距离加大，使得安全气囊可以张得更大，以增加对驾驶员的保护；提高了汽车的操纵性，由于可以实现传动比的任意设置，并针对不同的车速，转向状况进行参数补偿，从而提高汽车的操纵性；提高汽车的全面智能化，线控转向系统可以和其它的设备如ABS、防碰撞、自动导航、自动驾驶等系统结合起来，最终实现汽车的全面智能化；改善驾驶员的路感，在SBW中路感由模拟生成，使得在回正力矩控制方面可以从信号中提出最能够反应汽车实际行驶状态和路面状况的信息，作为方向盘回正力矩的控制变量，使方向盘仅仅向驾驶员提供有用的信息，从而为驾驶员提供更为真实的“路感”。线控转向系统还存在着可靠性的问题，目前欧洲汽车法规还要求驾驶员与转向车轮之间必须有机械连接，而闲空转向系统作为一个还不成熟的技术目前还不能有足够的证据证明其可靠性。其次，线控转向系统还需要在可靠性与成本之间做出较好的平衡；线控转向还将与其它的汽车电气系统通过CAN总线连接在中央控制器上，由中央控制器统一协调控制汽车的运用，从而实现汽车电气的一体化和智能化；总之，线控转向在EPS的基础上，将转向系统的发展又推进了一步，它将为实现汽车智能化驾驶提供技术支持。1.3 设计研究的主要内容通过阅读资料，分析与确定转向机构的整体设计方案。对设计参数进行分析与确定，并在此基础上对转向机构计算研究。对设计结果进行强度计算校核以保证转向机构的可靠性，安全性。第2章转向机构方案分析根据所采用的转向传动副的不同，转向器的结构型式有多种。常见的有齿轮齿条式、循环球式、球面蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等。对转向其结构形式的选择，主要是根据汽车的类型、前轴负荷、使用条件等来决定，并要考虑其效率特性、角传动比变化特性等对使用条件的适应性以及转向器的其他性能、寿命、制造工艺等。中、小型轿车以及前轴负荷小于 1.2t 的客车、货车，多采用齿轮齿条式转向器。球面蜗杆滚轮式转向器曾广泛用在轻型和中型汽车上，例如：当前轴轴荷不大于 2.5t且无动力转向和不大于 4t 带动力转向的汽车均可选用这种结构型式。循环球式转向器则是当前广泛使用的一种结构，高级轿车和轻型及以上的客车、货车均多采用。轿车、客车多行驶于好路面上，可以选用正效率高、可逆程度大些的转向器。矿山、工地用汽车和越野汽车，经常在坏路或在无路地带行驶，推荐选用极限可逆式转向器，但当系统中装有液力式动力转向或在转向横拉杆上装有减振器时，则可采用正、逆效率均高的转向器，因为路面的冲击可由液体或减振器吸收，转向盘不会产生“ 打手现象”。关于转向器角传动比对使用条件的适应性问题，也是选择转向器时应考虑的一个方面。对于前轴负荷不大的或装有动力转向的汽车来说，转向的轻便性不成问题，而主要应考虑汽车高速直线行驶的稳定性和减小转向盘的总圈数以提高汽车的转向灵敏性。因为高速行驶时，很小的前轮转角也会导致产生较大的横向加速度使轮胎发生侧滑。这时应选用转向盘处于中间位置时角传动比较大而左、右两端角传动比较小的转向器。对于前轴负荷较大且未装动力转向的汽车来说，为了避免“转向沉重”，则应选择具有两端的角传动比较大、中间较小的角传动比变化特性的转向器。2.1 齿轮齿条式转向器齿轮齿条式转向器由与转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。与其他形式的转向器比较，齿轮齿条式转向器最主要的优点是：结构简单、紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器的质量比较小；传动效率高达90%；齿轮与齿条之间因磨损出现间隙以后，利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧。能自动消除齿间间隙，这不仅可以提高转向系统的刚度。还可以防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用的体积小；没有转向摇臂和直拉杆，所以转向轮转角可以增大；制造成本低。齿轮齿条式转向器的主要缺点是：因逆效率高，汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间冲击力的大部分能传至转向盘，称之为反冲。反冲现象会使驾驶员精神紧张，并难以准确控制汽车行驶方向，转向盘突然转动又会造成打手，同时对驾驶员造成伤害。根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向起有四种形式：中间输入，两端输出（图2-1a）；侧面输入，两端输出（图2-1b）；侧面输入，中间输出（图2-1c）；侧面输入，一端输出（图2-1d）。图2.1 齿轮齿条式转向器的四种形式采用侧面输入，中间输出方案时，与齿条连的左，右拉杆延伸到接近汽车纵向对称平面附近。由于拉杆长度增加，车轮上、下跳动时拉杆摆角减小，有利于减少车轮上、下跳动时转向系与悬架系的运动干涉。拉杆与齿条用螺栓固定连接，因此，两拉杆那与齿条同时向左或右移动，为此在转向器壳体上开有轴向的长槽，从而降低了它的强度。采用两端输出方案时，由于转向拉杆长度受到限制，容易与悬架系统导向机构产生运动干涉。侧面输入，一端输出的齿轮齿条式转向器，常用在平头货车上。齿轮齿条式转向器采用直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合，则运转平稳降低，冲击大，工作噪声增加。此外，齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角只能是直角，为此因与总体布置不适应而遭淘汰。采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条式转向器，重合度增加，运转平稳，冲击与工作噪声均下降，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满足总体设计的要求。因为斜齿工作时有轴向力作用，所以转向器应该采用推力轴承，使轴承寿命降低，还有斜齿轮的滑磨比较大是它的缺点。齿条断面形状有圆形、V形和Y形三种。圆形断面齿条的制作工艺比较简单。V形和Y形断面齿条与圆形断面比较，消耗的材料少，约节省20%，故质量小；位于齿下面的两斜面与齿条托座接触，可用来防止齿条绕轴线转动；Y形断面齿条的齿宽可以做得宽些，因而强度得到增加。在齿条与托座之间通常装有用减磨材料（如聚四氟乙烯）做的垫片，以减少滑动摩擦。当车轮跳动、转向或转向器工作时，如在齿条上作用有能使齿条旋转的力矩时，应选用V形和Y形断面齿条，用来防止因齿条旋转而破坏齿轮、齿条的齿不能正确啮合的情况出现。为了防止齿条旋转，也有在转向器壳体上设计导向槽的，槽内嵌装导向块，并将拉杆、导向块与齿条固定在一起。齿条移动时导向块在导向槽内随之移动，齿条旋转时导向块可防止齿条旋转。要求这种结构的导向块与导向槽之间的配合要适当。配合过紧会为转向和转向轮回正带来困难，配合过松齿条仍能旋转，并伴有敲击噪声。根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，齿轮齿条式转向器在汽车上有四种布置：形式转向器位于前轴后方，后置梯形；转向器位于前轴后方，前置梯形；转向器位于前轴前方，后置梯形；转向器位于前轴前方，前置梯形。齿轮齿条式转向器广泛应用于乘用车上。载质量不大，前轮采用独立悬架的货车和客车有些也用齿轮齿条式转向器。2.2循环球式转向器循环球式转向器又有两种结构型式，即常见的循环球-齿条齿扇式和另一种即循环球-曲柄销式。它们各有两个传动副，前者为：螺杆、钢球和螺母传动副以及螺母上的齿条和摇臂轴上的齿扇传动副；后者为螺杆、钢球和螺母传动副以及螺母上的销座与摇臂轴的锥销或球销传动副。两种结构的调整间隙方法均是利用调整螺栓移动摇臂轴来进行调整。循环球式转向器的传动效率高、工作平稳、可靠，螺杆及螺母上的螺旋槽经渗碳、淬火及磨削加工，耐磨性好、寿命长。齿扇与齿条啮合间隙的调整方便易行，这种结构与液力式动力转向液压装置的匹配布置也极为方便。循环球式转向器有螺杆和螺母共同形成的螺栓槽内装钢球构成的传动副，以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成，如图2-2所示。循环球式转向器的优点是：在螺杆和螺母之间因为有可以循环流动的钢球，将滑动摩擦转变为滚动摩擦，因而传动效率可以达到75%85%；在结构和工艺上采取措施后，包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度和螺杆、螺母上的螺旋槽经淬火和磨削加工，使之有足够的使用寿命；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工作容易进行（图2-3）；适合用来做整体式动力转向器。循环球式转向器的主要缺点是：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。循环球式转向器主要用于商用车上。图2.2 循环球式转向器示意图图2.3 循环球式转向器的间隙调整机构2.3 蜗杆滚轮式转向器蜗杆滚轮式转向器由蜗杆和滚轮啮合而构成。主要优点是：结构简单；制造容易；因为滚轮的齿面和蜗杆上的螺纹呈面接触，所以有比较高的强度，工作可靠，磨损小，寿命长；逆效率低。蜗杆滚轮式转向器的主要缺点是：正效率低；工作齿面磨损以后，调整啮合间隙比较困难；转向器的传动比不能变化。这种转向器曾在汽车上广泛使用过。2.4蜗杆指销式转向器蜗杆指销式转向器的销子如不能自转，称为固定销式蜗杆指销式转向器；销子除随同摇臂轴转动外，还能绕自身州县转动的，称为旋转销式转向器。根据销子数量不同，又有单销和双销之分。蜗杆指销式转向器的优点是：转向器的传动比可以做成不变的或者变化的；指销和蜗杆之间的工作面磨损后，调整间隙工作容易进行。固定销蜗杆指销式转向器的结构简单、制造容易；但是因销子不能自转，销子的工作部位基本保持不变，所以磨损快、工作效率低。旋转销式转向器的效率高、磨损慢，但结构复杂。要求摇臂轴有较大的转角时，应该采用双销式结构。双销式转向器在直线行驶区域附近，两个销子同时工作，可降低销子上的负荷，减少磨损。当一个销子脱离啮合状态是，另一个销子要承受全部作用力，而恰恰在此位置，作用力达到最大值，所以设计师要注意核算其强度。双销与单销蜗杆指销式转向器比较，结构复杂、尺寸和质量大，并且对两主销间的位置精度、蜗杆上螺纹槽的形状及尺寸精度等要求高。此外，传动比的变化特性和传动间隙特性的变化受限制。蜗杆指销式转向器应用较少。2.5转向盘的尺寸及布置转向盘有轮毂、轮缘和轮辐组成。采用最大直径的转向盘，会使驾驶员进出驾驶室感到困难；若采用较小直径的转向盘，则在转向时要求驾驶人员施加较大的力量。转向盘布置过高会影响人对道路和仪表盘的视野；转向盘布置过低，则在操纵离合器、制动踏板时影响驾驶人员腿部的动作。在选择转向盘直径时，应考虑与汽车的类型和大小相适应。乘用车、小型客车、小型商用车的转向盘直径参考直径为400mm；中型客车、中型商用车的转向盘参考直径为450mm或者500mm；大型客车和大型商用车的转向盘参考直径为550mm。2.6 转向轴的防伤安全措施根据交通事故统计资料和对汽车碰撞试验结果的分析表明：汽车在正面碰撞时，转向盘、转向管柱和转向器是使驾驶员受伤的主要元件。因此，要求汽车在以48km/h的速度、正面同其他物体碰撞的试验中，转向管柱和转向轴后移量在水平方向上不得大于127mm；在台架试验中，用人体模型的躯干以6.7m/s的速度碰撞转向盘时，作用在转向盘的水平力不得超过11123N，见GB11557-1998。为此，需要在转向系中设计安装能吸收冲击能量的机构，或者采取能减轻驾驶员受伤程度的措施。吸收能量的方法是使有关的转向系零件在撞击时产生塑性变形、弹性变形或摩擦等来实现。当转向轴采用万向节连接的结构，可以通过合理布置保证在汽车正面碰撞时，防止转向轴等向车身内移动，这种结构虽然不能吸收碰撞能量，但其结构简单，主要万向节连接的两轴之间存在夹角，正面撞车后转向盘没有后移便不会影响驾驶员安全。转向轴上设置有万向节不仅提高安全性，而且有利于使转向盘和转向器在汽车上得到合理布置，提高了操纵方便性，拆装容易。2.7转向机构方案确定由于齿轮齿条式转向器逆效率高（60%70%），汽车在不平路面上行驶时发生在转向轮与路面间冲击力的大部分能传至转向盘，反冲现象会使驾驶员紧张，并难以控制汽车行驶方向，转向盘突然转动又会造成“打手”，同时对驾驶员造成伤害。蜗杆滚轮式转向器正效率低，工作齿面磨损后调整啮合间隙比较困难，传动比不能变化。固定销蜗杆指销式转向器结构简单，制造容易，但因销不能自转，指销工作部位基本不变，所以磨损快、工作效率低。旋转销式转向器的效率高、磨损小，但是结构复杂。双销式的结构较单销式复杂，尺寸及质量也较大，且对两指销间的位置精度、蜗杆上螺纹槽的形状及尺寸精度要求较高，角传动比的变化特性及传动间隙特性的变化也受到限制。根据原始数据：满载时前轴轴荷：1940kg前轮气压：350kPa，轮胎和路面间滑动摩擦系数：= 0.75，摇臂摆角：42，要求传动比设计成20左右，最大摇臂输出力矩：1500Nm。综合上述各种形式转向器的优缺点，本设计选取循环球式转向器为设计方案。2.8本章小节本章主要事对转向器的基本结构形式的选择，通过对目前各种形式转向器设计方案进行分析比较，综合考虑，采用循环球式转向器为设计方案。第3章转向机构的参数分析与确定转向系的主要性能有转向系的效率、转向系的角传动比与力传动比、转向器传动副的传动间隙特性、转向系的刚度以及转向盘的总转动圈数。3.1 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阻力等。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（Nmm）（3.1）式中：轮胎和路面间的滑动摩擦因数，一般取=0.75；转向轴负荷（N）；轮胎气压（MPa）。将原始数据代入公式（3.1）得， = 753542 （Nmm）。作用在转向盘上的手力为（3.2）式中：转向摇臂长；转向节臂长，=；转向盘直径，根据汽车设计设计手册，取Dsw= 550mm；转向器角传动比，一般取=20；转向器正效率，一般取=0.85。根据公式（3.2），代入参数得，Fk = 357 N。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。根据汽车的前轴负荷来选取循环球式转向器齿扇齿模数= 1940 9.8 = 19012 N表3.1 循环球式转向器齿扇齿模齿扇齿模数m/mm30354045506065轿车排量/mL 5001000 18001600200020002000前轴负荷/N3500380047007350700090008300110001000011000货车和大客车前轴负荷/N300050004500750055001850070001950090002400017000370002300044000 最大装载质量/kg350100025002700350060008000因为是货车，所以m = 5.0。3.2 转向器的效率功率从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率称为正效率，用符号表示。（3.3）反之称为逆效率，用符号表示。（3.4）式中：转向器中的摩擦功率；作用在转向摇臂轴上的功率。为了保证转向时驾驶员转动转向盘轻便，要求正效率高。为了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，防止打手又要求此逆效率尽可能低。3.2.1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。转向器类型、结构特点与效率在前述四种转向器中，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等三种结构之一。第一种结构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，故这种转向器的效率仅有54。另外两种结构的转向器效率，根据试验结果分别为70和75。转向摇臂轴轴承的形式对效率也有影响，用滚针轴承比用滑动轴承可使正或逆效率提高约10。转向器的结构参数与效率如果忽略轴承和其它地方的杆类转向器，其效率可用下式计算摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于蜗杆和螺（3.5）式中：蜗杆（或螺杆）的螺线导程角；摩擦角，；摩擦因数，取= 0.02。= 1.14= 0.853.2.2 转向器逆效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。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。属于可逆式的转向器有齿轮齿条式和循环球式转向器。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。该冲击力由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上述两者之间。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。它的逆效率较低，在不平路面上行驶时，驾驶员并不十分紧张，同时转向传动机构的零件所承受的冲击力也比不可逆式转向器要小。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（3.6）式（3.5）和式（3.6）表明：增加导程角，正、逆效率均增大。受增大的影响。不宜取得过大。当导程角小于或等于摩擦角时，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，导程角必须大于摩擦角。通常螺线导程角选在810之间。 = 8= 0.853.3 传动比的变化特性3.3.1 转向系传动比转向系的传动比包括转向系的角传动比和转向系的力传动比。从轮胎接地面中心作用在两个转向轮上的合力2与作用在转向盘上的手力之比，称为力传动比，即=2/ （3.7）转向盘转动角速度与同侧转向节偏转角速度之比，称为转向系角传动比，即（3.8）式中：为转向盘转角增量；转向节转角增量；时间增量。它又由转向器角传动比和转向传动机构角传动比所组成，即。摇臂轴转动角速度与同侧转向节偏转角速度之比，称为转向传动机构的角传动比。（3.9）3.3.2传动比与转向系角传动比的关系轮胎与地面之间的转向阻力和作用在转向节上的转向阻力矩之间有如下关系（3.10）式中：主销偏移距，指从转向节主销轴线的延长线与支承平面的交点至车轮中心平面与支承平面交线间的距离。作用在转向盘上的手力可用下式表示（3.11）式中：作用在转向盘上的力矩；转向盘直径。将式（3.10）、式（3.11）代入后得到（3.12）分析式（3.12）可知，当主销偏移距小时，力传动比应取大些才能保证转向轻便。通常轿车的值在0.40.6倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取，而货车的值在4060mm范围内选取。转向盘直径根据车型不同在JB450586转向盘尺寸标准中规定的系列内选取。如果忽略摩擦损失，根据能量守恒原理，可用下式表示（3.13）将式（3.13）代人式（3.12）后得到（3.14）当和不变时，力传动比越大，虽然转向越轻，但也越大，表明转向不灵敏。3.3.3转向系的角传动比转向传动机构角传动比，除用表示以外，还可以近似地用转向节臂臂长与摇臂臂长之比来表示，即/。现代汽车结构中，与的比值大约在0.851.1之间，可近似认为其比值为1，则。由此可见，研究转向系的传动比特性，只需研究转向器的角传动比及其变化规律即可。3.3.4 转向器角传动比及其变化规律式（3.14）表明：增大角传动比可以增加力传动比。从式可知，当一定时，增大能减小作用在转向盘上的手力，使操纵轻便。考虑到，由的定义可知：对于一定的转向盘角速度，转向轮偏转角速度与转向器角传动比成反比。角传动比增加后，转向轮偏转角速度对转向盘角速度的响应变得迟钝，使转向操纵时间增长，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。循环球齿条齿扇式转向器的角传动比（3.15）因结构原因，螺距不能变化，但可以用改变齿扇啮合半径的方法，达到使循环球齿条齿扇式转向器实现变速比的目的。 = 20 （3.16）随转向盘转角变化，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因素，主要是转向轴负荷大小和对汽车机动能力的要求。若转向轴负荷小，在转向盘全转角范围内，驾驶员不存在转向沉重问题。装用动力转向的汽车，因转向阻力矩由动力装置克服，所以在上述两种情况下，均应取较小的转向器角传动比并能减少转向盘转动的总圈数，以提高汽车的机动能力。转向轴负荷大又没有装动力转向的汽车，因转向阻力矩大致与车轮偏转角度大小成正比变化，汽车低速急转弯行驶时一的操纵轻便性问题突出，故应选用大些的转向器角传动比。汽车以较高车速转向行驶时，转向轮转角较小，转向阻力矩也小，此时要求转向轮反应灵敏，转向器角传动比应当小些。因此，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.转向盘在中间位置的转向器角传动比不宜过小。过小则在汽车高速直线行驶时，对转向盘转角过分敏感和使反冲效应加大，使驾驶员精确控制转向轮的运动有困难。直行位置的转向器角传动比不宜低于1516。3.4 转向器传动副的传动间隙3.4.1 转向器传动间隙特性传动间隙是指各种转向器中传动副（如循环球式转向器的齿扇和齿条）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。直线行驶时，转向器传动副若存在传动间隙，一旦转向轮受到侧向力作用，就能在间隙的范围内，允许车轮偏离原行驶位置，使汽车失去稳定。为防止出现这种情况，要求传动副的传动间隙在转向盘处于中间及其附近位置时（一般是101 5）要极小，最好无间隙。转向器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大到无法确保直线行驶的稳定性时，必须经调整消除该处间隙。调整后，要求转向盘能圆滑地从中间位置转到两端，而无卡住现象。为此，传动副的传动间隙特性，应当设计成在离开中间位置以后呈图3.1所示的逐渐加大的形状。图中曲线l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。3.4.2 传动间隙特性的确定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。如图1所示，齿扇工作时绕摇臂轴的轴线中心转动。加工齿扇时使之绕切齿轴线转动。两轴线之间的距离称为偏心距。用这种方法切齿，可获得厚度不同的齿扇齿。其传动特性可用下式计算（3.17）式中：端面压力角；节圆半径；摇臂轴转角；中心到点的距离；偏心距。齿扇通常有5个齿，它与摇臂轴为一体。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。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又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转动，如图3.1所示，相对于摇臂轴的中心有距离为n的偏心。这样加工的齿扇在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，s可表达为：（3.18）式中：r径向间隙；啮合角；齿扇的分度圆半径；摇臂轴的转角。图3.1 为获得变化的齿侧间隙齿扇的加工原理和计算简图图3.2 用于选择偏心的线图当，确定后，根据上式可绘制如图3.2所示的线图，用于选择适当的值，以便使齿条、齿扇传动副两端齿啮合时，齿侧间隙s能够适应消除中间齿最大磨损量所形成的间隙的需要。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（一般有4个齿）两侧的齿槽宽制成比中间齿槽大0.200.30mm即可。3.5 转向盘的总转动圈数转向盘从一个极端位置转到另一个极端位置时所转过的圈数称为转向盘的总转动圈数。它与转向轮的最大转角及转向系的角传动比有关，并影响转向的操纵轻便性和灵敏性。轿车转向盘的总转动阁数较少，一般约在3.6圈以内；货车一般不宜超过6圈。3.6 本章小结对转向机构主要参数进行了分析。通过参照表格和公式，计算确定了主要设计参数。第4章转向机构结构设计4.1 主要尺寸参数的选择4.1.1 螺杆、钢球、螺母传动副钢球中心距、螺杆外径、螺母内径尺寸、如图4.1所示。钢球中心距是基本尺寸，螺杆外径、螺母内径及钢球直径对确定钢球中心距的大小有影响，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，尽可能将值取小些。选取值的规律是随着扇齿模数的增大，钢球中心距也相应增加（表7-1）。设计时先参考同类型汽车的参数进行初选，经强度验算后，再进行修正。螺杆外径Dl通常在2038mm范围内变化，设计时应根据转向轴负荷的不同来选定。螺母内径应大于，一般要求= （510）。图4.1 螺杆、钢球、螺母传动副4.1.2钢球直径及数量钢球直径尺寸取得大，能提高承载能力，同时螺杆和螺母传动机构和转向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4-1）。增加钢球数量n，能提高承载能力，但使钢球流动性变坏，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）式中：钢球中心距；一个环路中的钢球工作圈数；不包括环流导管中的钢球数；螺线导程角，常取=58，则cos1。4.1.3 滚道截面当螺杆和螺母各由两条圆弧组成，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，螺杆和螺母沟槽的半径应大于钢球半径，一般取 =（0.510.53）。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。角多取为45，以使轴向力和径向力分配均匀。4.1.5 螺距P和螺旋线导程角o 转向盘转动角，对应螺母移动的距离为（4.2）式中：螺纹螺距。与此同时，齿扇节圆转过的弧长等于，相应摇臂轴转过角，其间关系可表示如下（4.3）式中：齿扇节圆半径。联立式（4.2）、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，螺距影响转向器角传动比的值。在螺距不变的条件下，钢球直径越大，图4.1中的尺寸越小，要求mm。螺距P一般在1218mm内选取。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。根据=0.5取表4-1。表4.1 循环球式转向器主要参数齿扇模数/mm 3.03.54.04.55.06.06.5摇臂轴直径/mm22263032323538404245钢球中心距/mm202325252830323540螺杆外径/mm2023252528293438钢球直径/mm5.5565.5566.3056.3507.1447.1448.000螺距/mm7.9388.7319.5259.525101011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22302730切削角630630730齿扇宽 /mm2225252725283028323034383538选择数据如下 =21；=16.05 ；根据公式= （510）可得= 29.95；= 8；= 2根据公式（4.5）= 3.14211.5/8=.16.5因为n取整数所以 = 8；= 9；根据公式= （051053）；可得= 0.51*8=4.08；因为= 45；= 10；= 360；根据公式（4.6）可得= 573.24；根据公式（4.7）可得 = 31.84。4.2 齿条齿扇传动副设计如图4.3所示，滚道相对齿扇作斜向进给运动加工齿扇齿，得到变厚齿扇。如图4.4所示，变厚齿扇的齿顶和齿根的轮廓面是圆锥的一部分，其分度圆上的齿厚是变化的，故称之为变厚齿扇。图4.4中，若00截面的原始齿形变位系数=0，且II剖面和剖面分别位于00剖面两侧，则II剖面的齿轮是正变位齿轮，剖面中的齿轮为负变位齿轮，故变厚齿扇在整个齿宽方向上，是由无数个原始齿形位移系数逐渐变化的圆柱齿轮所组成。图4.3 用滚刀加工变厚齿扇的进给运动图4.4 变厚齿扇的截面对齿轮来说，因为在不同位置的剖面中，其模数不变，所以它的分度圆半径和基圆半径相同。因此，变厚齿扇的分度圆和基圆均为一圆柱，它在不同剖面位置上的渐开线齿形，都是在同一个基圆柱上所展出的渐开线，只是其轮齿的渐开线齿形相对基圆的位置不同而已，所以应将其归人圆柱齿轮的范畴。图4.5 变厚齿扇形计算简图变厚齿扇齿形的计算，如图4.5所示。一般将中间剖面11规定为基准剖面。由剖面向右时，变位系数为正，向左则由正变为零（00剖面），再变为负。若00剖面距剖面的距离为，则其值为=/tan，是切削角，常见的有630和730，两种。在切削角一定的条件下，各剖面的变位系数取决于距基准剖面的距离。表4-1各类汽车循环球转向器的齿扇模数赤扇模数mm3.03.54.04.55.06.06.5轿车排量/mL550 1000-1800 1600-200020002000前桥负荷/kN 3.5-3.8 4.7-7.35 7.0-9.0 8.3-11.0 1.0-11大客车或货车前桥负荷/kN 3.0-5.04.5-7.5 5.5-18.5 7.0-19.5 9.0-24 17-37 23-44最大装载质量/kg3501000 2500 2800 4000 6000 8000 表4-2变厚齿扇（AA）处的齿形参数选择与计算参数名称参数的选择与计算参数选择参数的选择与计算整圆赤数通常在1218范围内选取齿顶高模数根据前桥负荷和汽车装载质量参考表4.1选取齿根高法向压力角齿全高切削角常见的有和径向间隙齿扇宽度通常取2238齿顶圆直径齿顶高系数1.0或0.8分度圆弧齿厚齿根高系数齿顶圆压力角变位系数齿顶圆弧齿厚分度圆直径最大变位系数截面即截面BB，应对该截面的齿形作齿顶变尖的核算，如表4-3所示。表4-3 最大变位系数截面（截面BB）齿顶变尖核算参数名称参数的选择与计算参数名称参数的选择与计算该截面相对于标准截面的变位系数截面B-B处的齿顶圆压力角最大变位系数截面B-B处的分度圆弧齿厚截面B-B处的齿顶圆直径截面B-B处的齿顶圆弧齿厚说明：一般容许的齿顶圆弧齿厚的最小值为：（0.250.30）当34时（0.200.25）当46时（0.100.20）当78时表4-4 齿轮齿扇主要参数模数m螺杆外径螺纹升程螺母长度钢球直径齿扇压力角齿扇切削角摇臂轴外径3.02040223.52345264.02548295.02962356,03472386.5388242进行变厚齿扇齿形计算之前，必须确定的参数有：模数，参考表4-1选取；法向压力角，一般在2030之间；齿顶高系数，一般取0.8或1.0；径向间隙系数，取0.2；整圆齿数，在1215之间选取；齿扇宽度，一般在2238mm。选取数据如下 = 630；=1；= 17；= 25。根据公式=/tan 可得= 274.3 滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或其它直线运动副相比，有下列特点：（1）传动效率高一般滚珠丝杠副的传动效率达9095，耗费能量仅为滑动丝杆的1/3。（2）运动平稳滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动时无冲击，预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。（3）工作寿命长滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度（HRC5862）、高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杆副的410倍以上。（4）定位精度和重复定位精度高由于滚珠丝杆副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙，通过预紧进行预拉伸以补偿热膨胀。因此可达到较高的定位精度和重复定位精度。（5）同步性好用几套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的运动部件，可得到较好的同步运动。（6）可靠性高润滑密封装置结构简单，维修方便。（7）不能自锁用于垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。（8）制造工艺复杂滚珠丝杆和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，故制造成本较高。4.3.1 工作原理与结构如图所示，丝杠和螺母的螺纹滚道间装有承载滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，则丝杠与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦，为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，它们与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。图4.6 滚珠丝杆副结构滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环二种。（1）内循环内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杆表面保持接触，在螺母的侧面孔内装有接通相邻滚道的反向器，利用反向器引导滚珠越过丝杆的螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。一般在同一螺母上装有24个滚珠用反向器，并沿螺母圆周均匀分布。内循环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。其不足之处是反向器加工困难、装配调整也不方便。（2）外循环外循环方式中的滚珠在循环返向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。从结构上看，外循环有以下三种形式，即螺旋槽式、插管式和端盖式。图6-23为端盖式循环和插管循环原理图。由于滚珠丝杠副的应用越来越广，对其研究也更深入，为了提高其承载能力，开发出了新型的滚珠循环方式（UHD）（图4-7b），为了提高回转精度，一种无螺母的丝杠副（图4-8c）被研制成功。4.3.2 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法 a）端盖循环 b）插管循环图4.7 丝杠螺母结构 a）通用方式 b）UHD方式 c）新型“螺母”图4.8 滚珠的排列方式和新型丝杠螺母结构滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格要求，以保证其反向传动精度。滚珠丝杠副的轴向间隙是承载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。通常采用双螺母预紧或单螺母（大滚珠、大导程）的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以减小或消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。4.4 单螺母预紧原理（偏置导程法）偏置导程法原理如图所示，仅仅是在螺母中部将其导程增加一个预压量，以达到预紧的目的。图4.9 导程图图4.10 预紧图滚珠丝杠精度等级 JB316.282滚珠丝杠副精度标准规定分为六个等级：C、D、E、F、G、H。C级最高，H级最低。滚珠丝杠副精度包括各元件的制造精度和装配后的综合精度，如：丝杠公称直径尺寸变动量、丝杠和螺母的表面粗糙度、丝杠大径对螺纹轴线的径向圆跳动、导程误差等。各等级对各项均有公差要求。4.5 转向摇臂轴直径的确定用下式计算确定摇臂轴直径（4.8）式中，K为安全系数，根据汽车使用条件不同可取2.53.5；MR为转向阻力矩；。为扭转强度极限。= 753542（Nmm）。= 0.25 = 0.25 2500=625 = 28摇臂轴用20CrMnTi钢制造，表面渗碳，渗碳层深度在0.81.2mm。前轴负荷大的汽车，渗碳层深度为1.051.45mm。表面硬度为5863HRC。转向传动机构是由转向摇臂至左、右转向车轮之间用来传递力及运动的转向杆、臂系统。其任务是将转向器输出端的转向摇臀的摆动转变为左、右转向车轮绕其转向主销的偏转，并使它们偏转到绕同一瞬时转向中心的不向轨迹圆上，实现车轮无滑动地滚动转向。为了使左、右转向车轮偏转角之间的关系能满足这一汽车转向运动学的要求，则要由转向传动机构中的转向梯形机构的精确设计来保证。非独立悬架汽车的转向系中，转向传动机构由转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂、两个相同的转向梯形臂和转向横拉杆组成。后者与左、右转向梯形臂又组成转向梯形机构。转向器在汽车上应这样安置：首先应使转向摇臂下端与纵拉杆铰接的球头中心在转向过程中是在平行于汽车纵向平面的平面内移动（在图4.9（a）中为了清楚地表明杆、臂间的连接关系，已将该球心所在乎面移至该图平面上）；其次，为了使转向纵拉杆与纵置钢板弹簧协调运动以避免转向车轮的摆振，如图4.10所示，转向摇臂下端的球头中心应尽量与转向节臂与纵拉杆铰接球头中心的摆动中心重合。4.6 转向传送机构的臂、杆与球销转向摇臂、转向节臂和梯形臂由中碳钢或中碳合金钢如35Cr，40，40Cr和40CrNi用模锻加工制成。多采用沿其长度变化尺寸的椭圆形截面以合理地利用材料和提高其强度与刚度。转向摇臂与转向摇臂轴用三角花键联接，且花键轴与花键孔具有一定的锥度以得到无隙配合，装配时花键轴与孔应按标记对中以保证转向摇臂的正确安装位置。转向摇臂的长度与转向传动机构的布置及传动比等因素有关，一般在初选时对小型汽车可取100150mm。转向传动机构的杆件应选用刚性好、质量小的20、30或35号钢的无缝钢管制造，其沿长度方向的外形可根据总布置的需要确定。转向传动机构的各元件间采用球形铰接球形铰接的主要特点是能够消除由于铰接处的表而磨损而产生的间隙，也能满足两铰接件间复杂的相对运动。在现代球形铰接的结构中均是用弹簧将球头与衬垫压紧。弹簧沿拉杆轴线压紧的结构制造容易，常为中、重型载货汽车所采用。但这种结构有明显的缺点，即弹簧的压紧力必须显著地大于汽车在最坏的行驶条件下作用于拉杆上的轴向力，这对于球头和衬垫的寿命也有不利的影响。弹簧沿球销轴线压紧的结构无上述缺点。在这种结构中弹簧的弹性压紧力必须显著地大于由于车轮通过不平路面而产生的作用于拉杆的最大垂向惯性力。以免在球形铰接处出现间隙。整体式转向横拉杆两端和分段式横拉杆左右边杆外端的球形铰接应作为单独组件，组装

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