循环球式转向器的设计讲解

1、2.4主要尺寸参数的选择长安福特福克斯2.0满载前轴载荷为51%Mg，再根据表（2-2）选择齿扇模数为4.5。在确定齿扇模数后，转向器其他参数根据表（2-1）和表（2-3）进行选取。表2-1循环球转向器的主要参数参数数值齿扇模数/mm3.03.54.04.55.06.06.5摇臂轴直径/mm22263032323842钢球中心距/mm20232528303540螺杆外径/mm20232528293438钢球直径/mm5.5566.3506.3507.1448.000螺距/mm7.9388.7319.52510.00011.000工作圈数1.52.52.5环流行数2齿扇齿数551214齿扇整圆齿

2、数131815齿扇压力角22°3027°306°30切削角6°307°302225253435齿扇宽/mm3028-322527283838表2-2各类汽车循环球转向器的齿扇齿模数齿扇齿模数mmm3.03.54O4.55O6.06.5发动机排量5001000160020002000ml18002000轿车前轴负350047007000830010000荷/N3800735090001100011000前轴负300045005500700090001700023000货车荷/N500075001850019500240003700044000和大

3、客车最大装载/kg350100025002700350060008000表2-3循环球式转向器的部分参数模数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3.0207.938405.55622°306°30227°303.5238.731455.55622°306°30267°304.0259.525486.35022°306°30207°304.5289.525587.14422°306°30327°305.02910.319627.14422°

4、306°30357°30根据所选择的齿扇模数，根据表（2-1）和表（2-3）选取对应的参数为：14钢球直径：7.144mm螺杆外径：28mm齿扇齿数：5齿扇宽：30mm螺距：9.525mm环流行数：2齿扇压力角：22°30'工作圈数：1.5螺母长度：58mm切削角：6°30z2.4.1螺杆、钢球、螺母传动副设计(1)钢球中心距D螺杆外径D螺母内径D尺寸D、D、D如图(2-6)所示刊1212图2-6螺杆钢球螺母传动副在保证足够的强度条件下，尽可能将D值取小些。选取D值的规律是随着扇齿模数的增大，钢球中心距D也相应增加，设计时先参考同类型汽车的参数进

5、行初选，经强度验算后，再进行修正同。螺杆外径D1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D应大于D，一般要求D-D二(5%10%)D根据(表2-1)：得D=28mm2121D1=28mmD=D+10%D=30.8mm21(2) 钢球直径d及数量n钢球直径应符合国家标准，一般常在69mm范围内，根据(表2-1)。取d=7.144mm。每个环路中的钢球数可用下式计算：兀DW兀DW(2-12)n二adcos以d0式中，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乩a0为螺线导程角，常取a0=5°8°,则cos-0二1

6、;代入数值解得n=l9。(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2-7,钢球和滚道又四点接触，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。为了减小摩擦，螺杆和螺母沟槽的半径R应大于钢球半径d/2，一般取R=(0.51-0.53)d。在此我们22取滚道半径为3.643mm,符合相应的要求。图2-7四段圆弧滚道截面(4) 接触角0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0o9角多取为45°，以使轴向力与径向力分配均匀。(5) 螺距P和螺旋线导程角Q

7、6;转向盘转动P角，对应螺母移动的距离s为®ps=(2-13)2兀式中，P为螺纹螺距。螺距P般在811mm内选取。查表(2-1)得：P取9.525mm导程角Q=5°8°取a二7。与此同时，齿扇节圆转过的弧长等于s,相应摇臂轴转过00卩。，其间关系可表示如下：Ps=0r(2-14)p式中，r为齿扇节圆半径。联立式(2-12),式(2-13)得=卩，将P对卩求导PPp得循环球式转向器角传动比i为CO(2-15).2nri=p又r=mz/2根据表2-1有z=18；r=mz/2=4.5x18/2=40.5mmP已知，可求出转向器的角传动比i=2兀x40.5/9.525&#

8、171;26.72CO由式(2-14)可知，螺距P影响转向器角传动比的值，在螺距不变的条件下，钢球直径d越大，图(2-9)中的尺寸b越小，要求b=Pd>2.5mm,符合要求。(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W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圈两种。一个环路的工作钢球圈数的选取见(表2-1)o取W=1.5o螺杆一钢球一螺母传动副与通常的螺杆一螺母传动副的区别在于前者是经过滚动的钢球将力由螺杆传至螺母，变滑动摩擦为滚动摩擦。螺杆和螺

9、母上的相互对应的螺旋槽构成钢球的螺旋滚道。转向时转向盘经转向轴转动螺杆，使钢球沿螺母上的滚道循环地滚动。为了形成螺母上的循环轨道，在螺母上与其齿条相反的一侧表面（通常为上表面）需钻孔与螺母的螺旋滚道打通以形成一个环路滚道的两个导孔，并分别插入钢球导管的两端导管。钢球导管是由钢板冲压成具有半圆截面的滚道，然后对接成导管，并经氰化处理使之耐磨。插入螺母螺旋滚道两个导孔的钢球的两个导管的中心线应与螺母螺旋滚道的中心线相切。螺杆与螺母的螺旋滚道为单头（单螺旋线）的，且具有不变的螺距。转向盘与转向器左置时转向螺杆为左旋右置时为右旋。钢球直径d约为69mm。一般应参考同类型汽车的转向器选取钢球直径d,并应

10、使之符合国家标准。钢球直径尺寸差应不超过128xlO-5d。显然，大直径的钢球其承载能力亦大，但也使转向器的尺寸增大。钢球的数量n也影响承载能力，增多钢球使承载能力增大，但也使钢球的流动性变差，从而需要降低传动效率。经验表明在每个环路中n以不大于60为好。2.4.2齿条、齿扇传动副设计齿扇通常有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

11、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O转动，如图2-8所示，O相对于摇臂轴的中心O有距离为n11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As也逐渐加大,As可表达为As=2Artana=2tanar-ncosp±n2cos2p+r2一n2（216）ww式中Ar径向间隙；a啮合角；r齿扇的分度圆半径；wp摇臂轴的转角。图2-8为获得变化的齿侧间隙齿扇的加工原理和计算简图图2-9用于选择偏心n的线图当«，r确定后，根据上式可绘制如图2-12所示的线图，用于选择适当的n值，以便使w

12、齿条、齿扇传动副两端齿啮合时，齿侧间隙As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As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bo。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。本次设计采用直齿齿轮。2.5转向器的计算和校核2.5.1循环球式转向器零件的强度计算为了进行强度计算，首先要确定其计算载荷bi】。式(2-13)曾给出了汽车在粗糙的硬路面上作原地转向时转向轮的转向阻力矩，利用它可求得转向摇臂上的力矩和在转向盘上的切向力，它们均可作为转向系的最大计算载荷。但对前轴负荷大的重型载货汽车，用

13、关系式计算出来的力，往往会超过司机在体力上的所能施展的力量。这时在计算转向器的零件具体参数时，可取司机作用在转向盘轮缘上的最大瞬时力。确定计算载荷后，即可计算转向系零件的强度。汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩(N.m)即,G3M=iR3pf取0.7；G为前轴负荷(N)；p轮胎气压(MPa)。由查得的资料可知道长安福特福克1斯2.0前轴负荷51%Mg,因此G=51%xl73Ox9.8=8646N；p=0.25Mpa“0.7I(8646)3M二二375.1NmR30.25x1062-17)确定计算载荷后，即可计算转向系零件的强度。转向系力传动比：iDi二_swp2a2-18)0为转向系角

14、传动比i沁i=26.72；D为转向盘直径取380mm；SWa为主销偏移距通常a的值在0.40.6倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取。取a二0.5x205二102.5mm,所以26.71x380i=沁50p2x102.5轮胎与地面之间的转向阻力F和作用在转向节上的转向阻力M有如下关系WRM375.1F=r=3659.5NWmaxa2F再根据1=W可求出作用在方向盘上的手力pFh2F2x3659.5F=w=146.38Nhi50p(1)齿的弯曲应力bw齿扇齿的弯曲应力为b6Fh=，许用弯曲应力为°=540MPaBs2w式中，F为作用在齿扇上的圆周力；h为齿扇的齿高；B为齿扇的齿宽；s为基圆齿

15、厚。齿扇啮合半径r=mz/2=4.5x18/2=40.5mm；h=(2h+h)m=2.25x4.5=10.125mm；s=nm/2a7.07mm；b取27mmacM375.1FR9261.7Nmaxr40.5x10-3b6Fh_6x9261.7x10.125Bs227x7.072=416.9MPa<540MPa2.5.2转向摇臂轴直径的确定转向摇臂轴的直径可根据转向阻力矩MR及材料的扭转强度极限T0由下式确定:2-21)I1kMd=3r3o.2XT0式中，k安全系数，根据使用条件可取2.53.5，取k为3.0；M转向阻力矩，M=375.1N-m；RRT扭转强度极限，T二200MPa；01

16、0,rkMI1_3X375.1d=3=3沁0.0304m=30.4mm30.2XT3'0.2X200X106'0转向摇臂轴一般采用20CrMnTi、22CrMnMo或20CrNi3A钢制造，表面渗碳，渗碳层深为0.81.2mm，重型汽车和前轴负荷大的汽车，则为1.051.45mm。淬火后表面硬度为5863HRC。转向器壳体采用球墨铸铁QT40018或可锻铸铁KTH35010,KTH37012制造回。3二维工程图3.1二维工程图3.1.1零件图的绘制A25图3-7齿扇图3-7为测量完齿扇轴的相关数据后绘制齿扇的零件图12图3-8螺杆图3-8为测量转向螺杆的数据后绘制螺杆的零件图。

17、369.6P图3-9螺母主视图图3-9为根据外形及参考数据绘制螺母的零件主视图。一113总图3-10螺母左视图图3-10为根据外形及参考数据绘制螺母的零件左视图。3.1.2总装图的绘制图3-11总装配图主视图图3-11为最后将所有零件图进行组装，画出的总装图主视图。图3-12总装配图左视图图3-12为最后将所有零件图进行组装，画出的总装图左视图。4结论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轿车的需求。在现代轿车设计中，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效率高、操纵轻便；有一条平滑的操纵力特性曲线；布置方便，特别对大中型车辆易于和动力转向系统配合使用；易于传递驾驶员操纵信号，逆效率高、回位好，与液压助力装置的动作配合得好；可以实现变速比，满足了操纵轻便性的要求。中间位置转向力小、且经常使用，转向灵敏，减小转向力。根据现行的汽车参数设计标准和参照相似类型车辆的技术状况，本论文借用长安福特福克斯2.0相关参数完成了初步的设计，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。