三维建模-螺母

转向螺母的精确三维造型设计 循环球式转向器是汽车转向系中最重要的部件，它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。它由两级传动副构成：第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿扇传动副。在第一级传动副中，螺杆螺母的螺纹并不直接接触，其间装有多个钢球，实现滚动摩擦，可使正效率可达到90%。因此循环球式转向器是目前国内外机械式和液压动力式汽车转向器应用最广泛的结构型式之一。 转向螺母是循环球式转向器中核心件之一，工作时与钢球接触，发生滚动摩擦，并有由于路面不平传到螺母的冲击。由此转向螺母的钢球滚道轮廓形状是设计的关键，如果滚道与钢球的接触点不正确，将导致转向器卡死，造成翻车事故。 文中使用SolidWorks软件建立某车型汽车循环球式转向器的组件转向螺母的精确三维模型，以便为后续的有限元分析、工作过程仿真和建立虚拟样机提供真实精确的三维仿真模型。 1 转向螺母的滚道设计原理 转向螺杆和螺母上都加工出断面轮廓为两段不同心圆弧组成的近似半圆的螺旋槽，它们的螺旋滚道槽法截面轮廓见图1。 采用双圆弧滚道型面可以保证钢球滚珠和滚道面的“三点接触”，通过第三接触点C的法向反力Nc来和摩擦力fA、fB相平衡，使滚珠在几乎无滑移的情况下即可达到力的平衡，大大减轻其自锁效应。自锁效应是指在两个摩擦力fA、fB组成力偶的作用下，滚珠向螺母或螺杆滚道侧的滑动现象。如果滚珠滑动过大，将导致滚珠和接触滚道发生塑性变形，使整个螺旋副传动卡死，造成转向器不能转向，引发交通事故。采用双圆弧滚道型面的滚珠螺旋副能减小自锁效应的关键是严格控制三者的配合间隙，过大的间隙将使得滚珠必须滑移一个较大的间隙值后才能与滚道的第三点接触，甚至不出现第三点接触。 图1中螺旋滚道槽法截面轮廓主要几何尺寸见表1。接触角为滚珠与滚道型面接触点的公法线与通过滚珠中心的螺杆和螺母直径线之间，在过接触点的轴平面上的夹角。当前国内外汽车转向器采用=45，有利于提高转向器的传动效率、承载能力和滚动流畅性。双圆弧滚道型面由于接触角在转向器工作过程中能基本保持不变，因而传动效率、承载能力和周向刚度均较稳定，特别是螺旋槽底部不与滚珠接触，可容纳一定的润滑油和脏物，使磨损减小，并对滚动流畅性大有好处。滚道半径R与滚珠半径r=db/2比值的大小，对滚珠螺旋传动承载能力有很大影响，比值过大，摩擦损失增加；比值过小，则承载能力降低。一般取R=（0.520.55）db。 因此滚道的精确实体建模是汽车转向器转向灵敏的关键。 2 转向螺母的三维实体建模 用SolidWorks建立转向螺杆零件的实体模型，在建模过程中将零件结构尺寸中原始参数的名称改成有一定意义的易区分和识别的名称，以便为后续多种车型的汽车转向器转向螺杆的参数化设计所用。 2.1转向螺母三维基体的生成 在前视基准面上插入实体拉伸形成长方体，切除拉伸法生成螺纹外径孔D，长方体倒角特征（四个圆角，一个6.5的斜齿条面），倒角便于转向螺母的毛胚采用精锻模设计。生成的三维基体见图2。 2.2 转向螺母螺旋滚道的生成 采用SolidWorks软件的切除扫描法生成螺旋滚道。 2.2.1 建立螺旋滚道的切除扫描路径 新建平行于右端距离为10mm的基准面（图3中的方框），在其上面新建草图，画公称直径为d0的圆，然后由菜单插入/曲线/螺旋线（窝状线），输入滚道的导程L和高度。生成的螺旋滚道的切除扫描路径见图3。2.2.2 绘制螺旋滚道的法截面轮廓 垂直于上面生成的公称直径为d0的三维螺旋线和它的起点建立基准面（图4中的方框），在其上依据表1中提供的滚道几何尺寸画出双圆弧滚道草图，见图4。 2.2.3 生成滚道 由菜单插入/切除/扫描，以图3中螺旋为切除扫描路径，图4中滚道的法截面为扫描轮廓，生成转向螺母的滚道，见图5。 2.3 转向螺母导管孔的生成 目前国内外汽车循环球转向器的转向螺母的导管为两个，每个导管环路中的钢球应以不超过64粒为宜，使每列滚珠运动链较短，运行阻力较小。从运动学和动力学观点来看，都要求导管的出入口与转向螺母的螺旋工作滚道的连接应光滑过渡，以保证滚珠进入导管时其速度不变和加速度无突变。同时要求滚珠中心的运动速度及加速度变化尽量缓慢，无冲击，以减少不必要的动力损失。因此螺母上四个导管孔中心线在空间上与图1中钢球的中心线相交，并且要求转向螺母在工作圈数内的导程误差小于四孔位置度误差，才可保证钻两个导管的安装四孔位置度。如果在钻孔时，四孔中心线在空间上偏离钢球中心线0.2mm时，将会增加滚珠的转动阻力，从而影响转向器转向的灵敏性。 选择转向螺母的顶面为基准面，建立四导管孔的草图，见图6，采用切除拉伸特征生成导管安装孔，见图7。四导管孔口锪圆角以便导管插入。采用钻孔向导的螺纹孔可以很方便地生成带装饰螺纹效果的三个导管压紧螺钉孔。生成的导管安装四孔和压紧螺钉孔见图7。 2.4 转向螺母齿条的生成 在螺母基体的前面建立变齿厚齿条草图，见图8，切除拉伸向外拔模6.5生成变齿厚斜齿条，见图9。图10为完成的转向螺母添加锻制红铜材质和光照效果的三维精确实体模型。 3 结论 详细介绍了某车型汽车循环球转向器螺母的设计原理和它在SolidWorks中精确三维实体建模过程。该建模过程对各种车型的机械式或液压动力式循环球转向器的转向螺母、滚珠丝杆螺母等螺旋副传动零件的三维造型设计具有一定的参考价值。 （1）新产品的研发速度极大提高。只需建立一次模型，对用于不同车型的汽车循环球转向