循环球式转向器的原理.doc

1 绪论循环球式转向器主要由蜗杆、扇形齿轮轴、钢球、转向器壳、钢球螺母、调整螺钉、向心推力轴承等组成。为了降低摩擦，采用了具有循环球结构的滚动螺母，蝶、母的一侧制成齿条与转向摇臂轴的齿扇啃合。其结构和工作原理如下。 转动转向盘时，与转向轴结合成一体的螺杆便带动方形螺套做轴向移动。螺套的一个面切成齿条，故能进而带动与转向摇臂轴制成一体的齿扇转动。为了减小蜗杆与螺套间摩擦和磨损，二者的螺纹均制成半圆形凹槽，并不直接接触，其间装有许多钢球，因为借助钢球的滚动，蜗杆和球螺母之间的摩擦阻力小，从而构成了滚动摩擦传动副。 蜗杆的上、下端支承在两个滚锥轴承上，轴承的松紧度可用轴承端盖和壳体间的调整垫片调整。螺杆与方形螺套二者的螺旋槽对合而成近似圆形断面的螺旋形通道。方形螺套的外面有两根钢球导管，每根导管的两端分别塞入方形螺套侧面的孔内，导管内也塞满了钢球。这样，两根导管和方形螺套内的螺旋形通道组合成两个各自独立的封闭钢球流道。转向轴连同螺杆转动时，通过钢球将力传给方形蝶、套，螺套就产生轴向移动。同时，由于摩擦力作用，所有钢球便在螺杆与螺套之间滚动，形成“球流”。钢球在螺套内绕行两周之后，就流出螺套而进入导管，再由导管流回螺套内。故在转向器工作时，两列钢球只是在各自的封闭流道内循环，不致脱出。与齿扇制成一体的转向摇臂轴支承在壳体内的材套上，在转向摇臂轴的端部嵌入调整螺钉的圆柱形端头，调整螺钉拧在侧盖上，用螺母锁紧。因齿扇的齿高是做成沿齿扇轴线倾斜变化的，故转动调整螺钉使转向摇臂轴做轴向移动，即可调整齿条与齿扇的啮合间隙。循环球式转向器的英文名称是Recirculating Ball Steering Gear。循环球式转向器由两队传动副组成，一对是螺杆螺母，另一对是齿条、齿扇或曲柄销。在螺杆和螺母之间装有可循环滚动的钢球，使滑动摩擦变为滚动摩擦，从而提高了传动效率。循环球式: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，滚珠螺杆和螺母夹着钢球啮合，因而滚珠螺杆的旋转运动变为直线运动，螺母再与扇形齿轮啮合，直线运动再次变为旋转运动，使连杆臂摇动，连杆臂再使连动拉杆和横拉杆做直线运动，改变车轮的方向，这是一种古典的机构，现代轿车已大多不再使用，但又被最新方式的助力装置所应用。它的原理相当于利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以减小阻力，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。这种转向器的优点是，操纵轻便，磨损小，寿命长。缺点是结构复杂，成本高，转向灵敏度不如齿轮齿条式。因此逐渐被齿轮齿条式取代。但随着动力转向的应用，循环球式转向器近年来又得到广泛使用。本文选择GX1608A型循环球齿条齿扇式转向器作为研究，其主要内容有：汽车转向器相关知识，循环球式转向器的主要参数选择及其设计。设计部分还包括转向摇臂轴，渐开线花键，扇形齿轮轴以及螺杆轴的设计与校核。转向器按结构形式可分为多种类型。历史上曾出现过许多种形式的转向器，目前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。2.3.2 转向传动机构为牢固支撑转向盘而设有转向柱。传递转向盘操作的转向轴从中穿过，内部有轴承和衬套支承。转向机构应备有吸收汽车碰撞时产生的冲击能的装置，许多国家都规定轿车必须安装吸能式转向柱。吸能装置的方式很多，大都通过转向柱的支架变形来达到缓冲吸能的作用。转向轴与转向器齿轮箱之间采用联轴节相连（即两个万向节），之所以用连轴节，除了可以改变转向轴的方向，还有就是使得转向轴可以作纵向的伸缩运动，以配合装相助的缓冲运动。即：（1）可倾斜式转向机构；（2）可伸缩式转向机构；3.1 转向器设计要求（1） 汽车转弯行驶时，全部车轮应绕顺时针方向旋转，任何车轮不应有侧滑。不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。（2） 汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的情况下，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，转向轮不得产生振动，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，具有快速和小转弯能力。（6） 操纵轻便。（7） 转向轮碰到障碍物以后，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的变形而后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。（10） 进行运动校核，保证转向盘与转向轮转动方向一致。正确设计转向梯形机构，可以使第一项得到保证。转向系中设有转向减震器时，能够防止转向轮产生振动，同时又能使传动转向盘上的反冲力明显下降。为了使汽车具有良好的机动性能，必须使转向轮有尽可能大的转角，并要达到按前外轮轨迹计算，其最小转弯半径能达到汽车轴距的22.5倍。通常用转向时驾驶员作用在转向盘上的切向力大小和转向盘转动圈数多少两项指标来评价操纵轻便性。没有动力转向的轿车，在行驶中转向，此力应为50100N；有动力转向时，此力在2050N。当货车从直线行驶状态，以10km/h的速度在柏油路或水泥的水平路段上转入沿半径12m的圆周行驶，且路面干燥，若转向系内没有装动力转向器，上述切向力不得超过250N；有动力转向器时，不得超过120N。轿车转向盘从中间位置转到每一端的 圈数不得超过2.0圈，货车则要求不超过3.0圈。3.1 转向器设计要求（1） 汽车转弯行驶时，全部车轮应绕顺时针方向旋转，任何车轮不应有侧滑。不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。（2） 汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的情况下，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，转向轮不得产生振动，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，具有快速和小转弯能力。（6） 操纵轻便。（7） 转向轮碰到障碍物以后，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的变形而后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。（10） 进行运动校核，保证转向盘与转向轮转动方向一致。正确设计转向梯形机构，可以使第一项得到保证。转向系中设有转向减震器时，能够防止转向轮产生振动，同时又能使传动转向盘上的反冲力明显下降。为了使汽车具有良好的机动性能，必须使转向轮有尽可能大的转角，并要达到按前外轮轨迹计算，其最小转弯半径能达到汽车轴距的22.5倍。通常用转向时驾驶员作用在转向盘上的切向力大小和转向盘转动圈数多少两项指标来评价操纵轻便性。没有动力转向的轿车，在行驶中转向，此力应为50100N；有动力转向时，此力在2050N。当货车从直线行驶状态，以10km/h的速度在柏油路或水泥的水平路段上转入沿半径12m的圆周行驶，且路面干燥，若转向系内没有装动力转向器，上述切向力不得超过250N；有动力转向器时，不得超过120N。轿车转向盘从中间位置转到每一端的 圈数不得超过2.0圈，货车则要求不超过3.0圈。7.1 基于Pro/E循环球式转向器建模文中采用美国MDI公司（Mechanical Dynamics inc.）开发的ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）软件对循环球式转向器进行仿真分析。由于ADAMS软件本身的造型能力比较弱，因此首先在Pro/E中建立好三维模型保存成Parasolid（*.*_t）格式，然后导入ADAMS中，对其进行属性编辑，施加约束及驱动，进行仿真。7.2 数据转换本文运用3D软件Pro/E中建立的循环球式转向器模型不能直接被ADAMS识别，故需对其进行相应的转换，本文采用扩展名为.x_t的Parasolid格式文件通过ADAMS/Exchange模块导入ADAMS，实现Pro/E与ADAMS的无缝连接。7.3 模型导入在ADAMS打开的对话框中选择“import a file”选项，在导入文件类型中选择“Parasolid”格式，在“file to read”一栏选择路径，在“model name”一栏中选择“model name”或者“part name”右键点击，选择“create”，点击“ok”。模型被导入ADAMS，并显示在主窗口中。如果导入后看不见模型，更改透明度即可。7.4 修改转向器模型特性将三维模型导入ADAMS后，需对模型赋予材料属性、力学属性、质心和转动惯量等，为了以后修改方便，可考虑修改各部件的名称，定义成自己熟悉的名字。7.5 施加约束为了在ADAMS中添加约束方便，以及不影响转向器的整体分析，本文将转向器的壳体固定，蜗杆齿形齿扇之间为啮合高副加入约束后的仿真模型如图示：7.6 仿真分析模型加入约束后，再创建合适的驱动，就可以对模型进行运动仿真，通过测试整个模型或模型的一部