毕业设计（论文）-电动车循环球式转向器设计

PAGE\*ROMANPAGE\*ROMAN电动车循环球式转换器设计

摘要需求的认识—原理的解析—概要的设想—详细的设计与计算—验证与测试正确CAD，CAXA，PRO/E等绘图软件画出零件。使设计的零件能够满足现代国家科学技术要求的标准。关键词：电动车，循环球式，转向器ABSTRACTCapsuletypesinglepersonelectriccarisakindofhighperformancerequest,theloadchangesgreatlythevehicle,inourlifeUSESverywidely.byallkindsofpeople!Steeringsystemisoneofthekeycomponentsofthesingle-personelectricvehicle.Steeringgearisusedtochangeormaintainthecapsuleelectricvehicleforwarddirectionandspeedofthesystem.Amongthem,thespatialstressofsteeringsystemiscomplexandtheloadformsarenumerous.Sothesteeringgearasanimportantpartofthecapsule-typesingle-personelectricvehicle,thein-depthunderstandingofitisofgreatsignificance.Theresearchanddesignofcapsuleone-personelectricvehicleshouldhaveaclearmind,Accordingtoacertainprocessandsteps,suchas:requirementsunderstanding-principleanalysis-outlineassumptions-detaileddesignandcalculation-verificationandtestingcorrectness.andsoon.Inthedesignofcapsuletypesinglepersoncirculationballtypesteeringgear,tochooseareasonableshape,choiceofmaterials.Afterthecompletionofthedesign,theselectionofdesignparts,materialsandselectedpartstochecktheaccuracy.Finally,CAD,CAXA,PROEandotherdrawingsoftwareareusedtodrawtheparts.Sothatthedesignedpartscanmeettherequirementsofmodernnationalscienceandtechnologystandards.Keyword：Electriccars,Circulatingball,TypesteerinIIIIII目录摘要 IABSTRACT II第1章绪论 1课题背景 1国内外研究现状 2研究目的及意义 4研究内容和设计方法 4研究内容 4设计方法 51.5本章小结 6第2章循环球式转向器的设计 7转向系统的简介 7机械转向系 7转向操作机构 8转向器 9转向器的分类 12转向传动机构 13转向系的主要性能参数 13转向器的效率 13传动比的变化特性 15本章小结 17第3章参数的选择校核 18主要尺寸参数的选择 18螺杆、钢球、螺母传动副设计 20齿条、齿扇传动副设计 22转向器的计算和校核 24IVIV循环球式转向器零件的强度计算 24转向摇臂轴直径的确定 27本章小结 27第4章二维工程图及三维模型 28CAD软件的介绍 28循环球式转向器的三维零件图 28二维工程图 30零件图的绘制 30总装图的绘制 324.4本章小结 33第5章结论 34第6章展望 35致谢 36参考文献 37附录一： 39附录二： 50PAGEPAGE第1章绪论21实际以来，科技越来越发达，经济发展的越来越快。科技在人们的生活中起到很大的作用，在人们生活的各个方面。汽车基本普及到每家每户了，器[1]。此课题的设计的前景在当今世界以及未来的发展都是非常好。

1.1电动车螺母辊和螺钉构成行星机构。滚柱与行星轮相对应。当螺钉在螺母没有移动的情况[2]0.8mm0.2～0.4mm。这种样式的转向器的车辆只会在驾驶的汽车需要转向的时候运用二次转速和摩擦。45度圆弧上移动。由于驾驶员操纵的驾驶的空间较小，0.02mm以内。0.1mm[3]0.05mm或更小，旋转非常容易。手柄的自由移动是手柄在操纵空间中的自由移动，手柄不旋转，手柄自由移动的情（齿扇上面中间位置的齿调整10度。对于日常生活中的车辆，驾驶的方向盘要满足小于37mm。国内自己制造的车要满足小于15度。也就是说，它是7.554mm20度。80mm（中型车方向盘直径较大）[4]。如果转向盘的转向行程大，转向轻便，但调整到规定行程时，转向变得很重，螺母和滚丝杆的加工精度不够。研究内容（1）研究电动车方向机转向性能，建立符合电动车转向要求和符合人们正常的需求的目的，熟练了解驾驶的方向盘到转的流动，设计出的零件要有非常好的转向功能。并且保证电动车操作稳定性。（2）我们了解转向的历史，分析各种转向系统的性能特点。电瓶车方向机的总体设计，主要是循环球式转向器的设计，主要了解掌握该类型转向器的设计要领和方法。（3）设计计算关键零件的尺寸，并利用Pro/E，CAD，CAXA等绘图软件对这些零件进行绘图。课题研究方法提出猜想与假设选择转向器的类型已知基本参数查阅机械设计手册对数据分析计算课题研究方法提出猜想与假设选择转向器的类型已知基本参数查阅机械设计手册对数据分析计算计算所得数据校核得出结论，选用合适的转向器对转向器二维三维绘图图1.2技术路线图1.5本章小结第2章循环球式转向器的设计按照中华人民共和国国家标准GB17675-1999和汽车设计[5]可知，其转向器的设计要求如下：驾驶员提供不同的转向手特性。密封性能好，内外泄漏小。方向盘的偏转必须是逐渐的。（4）安装的不能够是全部动力的。安装的过程方便，结构可靠度搞。安装方便，安全度可靠。成本很低。（2.1）1.转向盘2.安全转向轴3.转向节4.转向轮5.6.7.8.机械转向器2.1机械式转向系统2.1122下图中看到的方向系统以第一阶段减速的传动向长方形移动，转向器（Steeringgear）又可以称只为方向机或者转向机。转向器主要运用于车转向操作机构转向操纵机构（参见图2.3）由方向盘（如图2.2）所示、转向轴、转向管柱等组成，它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器[7]。1.轮圈2.轮辐3.轮毂图2.2 方向盘转向器

2.3转向操纵机构PAGEPAGE面的两种（循环球面式转向器，齿轮齿条式）转向器[8]。图2.4齿轮齿条转向器1.万向节叉；2.转向齿轮轴；3.调整螺母；4.向心球轴承；5.滚针轴承；6.固定螺栓；7.转向横拉杆；8.转向器壳体；9.防尘套；10.转向齿条；11.调整螺塞；12.锁紧螺母；13.压紧弹簧；14.压块2.5循环球式转向器组成齿轮齿条式（参见图2.4）和循环球面式转向器（参见图2.5），已经是现如今世界上汽车以及其他车辆流行的主要两种转换器，其他类型的转向相反。速比结构刚性强，适合提高车速。汽车高速行驶时，转向稳定性好，转向刚度高。当齿条齿轮磨损时，此转向系统调整间隙，并具有适当的变速器间隙，以增加方向盘的正常使用时间[9]。这也是这种转向的优点。图2.6循环球式转向器（手柄连接通螺栓那样潜入金属块。转向器的分类（1）球面蜗杆滚轮式较舒服。（2）蜗杆曲柄指销式（3）循环球面式螺钉，螺丝，螺母，转向机的内壳以及大量的小圆球构成了循环球式的转向系统。（4）齿轮齿条式转向传动机构转向器的效率1

表示，(12)/1表示，(32)/354%的转向效率[9]。

tn0tn0)

(21)式中，0为螺杆（或蜗杆）rtnff为摩擦因数，取07°f0.03rtnf

1.146。

tn0 tn0)

tan7tan(71.146)

85.7%[10]。属于可逆式的有齿轮齿条式和循环球式转向器。如果不计算轴承和其他地方的摩擦消耗，只计算相互吻合的摩擦消耗，则逆效率可用下式计算

tn0)(22)tn0n0)n(71.146)83.5%n0

tan7式（21）和（2-2）表明：增加导程角0增大的影响，0不宜取得过大。当导程角不大于摩擦角时，逆效率为小于等于零的值，此时的结果说明是不可逆的。传动比的变化特性（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ip。从轮胎接地面中心作用在两个转向轮上的合力2Fw之比，称为力传动比，即ip2Fw/Fh(23)转向盘角速度w与同侧转向节偏转角速度k之比，称为转向系角传动比0，即i w0k

dtk/dt

d(24)kk式中ddt为时间增量。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0。k转向盘角速度w与摇臂轴角速度p之比，称为转向器角传动比，即iwp

d/dtdp/dt

d(25)dp式中，dp为摇臂轴转角增加量。此定义不适应于除齿轮齿条式的转向器。摇臂轴角速度p与同侧转向节偏转角速度k之比，称为转向机构的角传动比，即ipdp/dtdp(26)k L/dt L（2）力传动比与转向系角传动比的关系轮胎与地面之间的阻力FW和作用在转向节上的转向阻力矩Mr之间有如下关系FMr(27)W aa为主销偏移距，车轮中心与方向盘支撑面之间的距离。可用下式表示F2Mh(28)DhDswMhDSW为转向盘直径。将式（2-3）和（2-4）带入ip2Fw/后得到PiMrDsw(29)PMha分析式（2-5）可知，当主销偏移距a小时，力传动比ip应取大些才能保证转向轻便。通常轻型越野车的a0.4～0.6[11]倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取。转向盘直DSWGB5911—86如果忽略摩擦损失，根据能量守恒原理，2Mr/Mh可用下式表示02Mrd0

(210)Mh k将式（2-6）代入（2-5）后得到ii0Dsw(211)P 2a当aDSWip（3）转向系的角传动比i0转向传动机构角传动比，除用

P/k21之比来表示，即P/kL2/121的比0.85～1.11，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。（4）转向器角传动比及其变化规律ip2Fw/时，增大ip，使操纵轻便。考虑到光”与“灵”对矛盾[12]P不能变化，但可用改变齿扇啮合半径r第3章参数的选择校核3.1

3.1循环球转向器的主要参数参数数值齿扇模数/mm3.03.54.04.55.05.56.0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55齿扇整圆齿数1213181415齿扇压力角22°30′27°30′切削角6°30′6°30′7°30′齿扇宽/mm2225252725283028-3234383538表3.2各类汽车循环球转向器的齿扇齿模数齿扇齿模数m／mm3.03.54.04.55.06.06.5轿车发动机排量／ml5001000～18001600～200020002000前轴负荷/N3500～38004700～73507000～90008300～1100010000～11000货车和大客车前轴负荷／N3000～50004500～75005500～185007000～195009000～2400017000～3700023000～44000最大装载／kg350100025002700350060008000表3.3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57.938( )1675.556( )323.020402230′630′730′22118.731( )3275.556( )323.523452230′630′730′2639.525( )816.350( )44.025482230′630′730′291310.319( )3297.144( )325.029622230′630′730′351310.319( )3297.144( )326.034722230′630′730′38PAGEPAGE1310.319( )3297.144( )326.538822230′630′730′42根据所选择的齿扇模数，根据表（3.1）和表（3.3）选取对应的参数为[13]：表3.4转向器的主要参数钢球直径7.144mm螺距9.525mm工作圈数1.5螺母长度58mm环形行数2螺杆外径28mm齿扇齿数5齿扇压力角22º30′切削角6º30′齿扇宽30mm3.1.1螺杆、钢球、螺母传动副设计（1）D螺母内[14]D2DD2

如图（3.1）所示3.1螺杆钢球螺母传动副DD值的规律是随着扇齿模DD120～38mm范围内变化，设计时应根据转向轴负荷的不同来选21215%~10%)D（3.128mm28mm

D2D110%D30.8mm（2）钢球直径d及数量n6～9mm范围内，根据3.1d7.144mm。每个环路中的钢球数可用下式计算：n dcos0

d

(

31)0为螺线导程角，常取05°～8°，则o01n19。（3）滚道截面R2d/2R20.510.53)d。在此我们取滚道半径为3.643mm,符合相应的要求。（4）接触角

图3.2四段圆弧滚道截面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[15]。角多取为45°，以使轴向力与径向力分配均匀。（5）P和螺旋线导程角0转向盘转动角，对应螺母移动的距离s为sp(32)2P8～11mm9.525mm导程角0=5°～8°取07s，相应摇臂轴转过，其间关系可表示如下：spr(33)r31（32得r，将对求导P P 得循环球式转向器角传动比i为i2r(34) P又rmz/2根据表2-1有z18；rmz/24.518/240.5mmP已知，可求出转向器的角传动比i240.5/9.52526.72由式(3-3)可知，螺距P影响直角传动比的大小，球径D随着节距的增大而变大，图（3.3）中的尺寸b越小，要求bPd2.5mm，符合要求。（6）工作钢球圈数WW与工作轨道且接3.1。w=1.5。（通常是上表面的孔形成一个环形滚柱的两个导d6～9mm器选取钢球直径d，并应使之符合国家标准。钢球直径尺寸差应不超过128105d。显60个。3.1.2齿条、齿扇传动副设计齿扇通常有五颗牙齿。与臂轴一体。牙齿皱纹的厚度沿牙齿的长方向变化。这样，（3.3）相对于摇臂轴的中心O有距离为n侧间隙ss可表达为s2rtn2tn[w

ncos

n2cos2r2n2](35)w式中r——径向间隙；w——啮合角；rw——齿扇的分度圆半径；——摇臂轴的转角。图3.3为获得变化的齿侧间隙齿扇的加工原理和计算简图图3.4用于选择偏心n的线图当3.4所示的线图，用于选择适当的ns能够适应消除中间齿最大磨损量所形成的间隙的需要。4齿）0.20～0.30mm。本课题选用直齿齿轮的计算。循环球式转向器零件的强度计算要计算零件的满足的强度，首先要计算载零件能够满足的载荷。公式（3-2）提供汽车沥青或混凝土表面的转动阻力矩/毫米fMR3f

G313-）pf0.71NpMPJ2020[]前轴负荷757Kg,因此G17579.87418.6N；p0.245Mpa0.7 (7418.6)30.7 (7418.6)33 0.245

301215.056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：

ip

Dsw2a

(37)i0

i0

i

17

.15；DSW为转向盘直径取435mm；a为主销偏移距通常a的值在0.4～0.6倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取。取a0.5215107.5mm，所以

i17.1543534.7p 2107.5轮胎与地面之间的转向阻力FW和作用在转向节上的转向阻力MR有如下关系FWmax

MRa

301215.0562802N107.5再根据i

2FWFpFh

可求出作用在方向盘上的手力F2FW

22802161.5Nihip(1)钢球与滚道间的接触应力j

34.722 12jK3NE

( )d R2

≤[j](3-8)式中K——系数，根据A/B查表2-5求得，其中A/B用下式计算：ArR2)/2;Br2(3-9)R2——螺杆与螺母滚道截面的圆弧半径，R20.52d0.526.353.302mm；d——钢球直径，d6.35mm；A/B=0.05 因此，K取1.280；E——材料弹性模量，2.1105MPa；N——N

FhRnlin0oh——Fh

162.11；R——转向盘轮缘半径，RDSW2

435217.5mm；20——螺杆螺线导程角，07；——钢球与滚道间的接触角，45；n——参与工作的钢球数，n18.55；l——钢球接触点至螺杆中心线之距离，l(256.35)/29.325mm；N R nlin0o

162.11217.518.559.325sin7cos45

2365.357N22 12

52 2 1 2jK3NE

( )d R2

1.2832365.357(2.1010)

(6.35

)3.302

3178.169MPa那么则有j[j]。表3.5系数K与A/B的关系A/B1.00.90.80.70.60.50.40.3K0.3880.4000.4100.4400.4680.4900.5360.600A/B0.20.150.10.050.020.010.007K0.7160.8000.9701.2801.82.2713.202当钢球与滚道的接触表面的硬度为HRC58～64时，许用接触应力[j]可取为3000～3500MPa。（2）齿的弯曲应力w齿扇齿的弯曲应力为6Fh，许用弯曲应力为540MPaw Bs2 wFhBs为基圆齿厚。齿扇啮合半径rmz/2415/230mm；h(2hahc)m2.2549mm；sm/26.28mm；B取28mmFmax

MRr

301215.05610040.50N306Fh610040.509490.99MPa540MPaw Bs2 286.282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0由下式确定：kMR3160dkMR3160式中，k——安全系数，根据使用条件可取2.5～3.5，取k为3.0；MR——转向阻力矩，MR301215.056Nmm；0——扭转强度极限，0200MPa；kMR31603kMR31603301215.05631620020CrMnTi22CrMnMo20CMI3A[16]0.8～1.2mm1.05～1.45mm5863RC。KTH370-12QT400-18KTH350-10。第4章二维工程图及三维模型CAD作为一个主体图形，关键点编辑，对象捕捉，显示，和鸟瞰图显示控制，工具栏，[17]。CADCAD软件的界面，点击新建中的机械设计功能，XY4.1螺杆4.2齿扇PAGEPAGE4.3壳体零件图的绘制零件图的绘制时，首先打开CAD绘图软件，按照上述文章中所计算的尺寸直接在新建的图上绘出。然后将绘制好的零件图进行标注，最后将绘制好的图保存即可。4.4齿扇图4.4为测量完齿扇轴的相关数据后绘制齿扇的零件图。图4.5螺杆图4.5为测量转向螺杆的数据后绘制螺杆的零件图。图4.6螺母主视图图4.6为根据外形及参考数据绘制螺母的零件主视图。图4.7螺母左视图图4.7为根据外形及参考数据绘制螺母的零件左视图。总装图的绘制图4.8总装配图主视图图4.8为最后将所有零件图进行组装，画出的总装图主视图。图4.9总装配图左视图图4.9为最后将所有零件图进行组装，画出的总装图左视图。4.4本章小结第5章结论BJ2020汽车相关参数AutoCAD第6章展望致谢参考文献王望予.汽车设计-4版[M].机械工业出版社2004.刘维信.汽车设计-3版[M].清华大学出版社,2004.王霄锋.汽车底盘设计[M].清华大学出版社,2010.张翠平,王铁.汽车工程概论[M].国防工业出版社,2011.[M].机械工程出版社,2011.,汽车构造.下册[M].人民交通出版社,2002.闻邦椿,机械设计手册[M].机械工业出版社,2009.汪传敬,汽车工程手册[M].北京理工大学出版社,2014.李彪,互换性与技术测量[M].中国质检出版社,2012.[10]马麟,画法几何与机械制图[M].高等教育出版社,2011RezaKazemi,AttaOveisi.Nonlinearadaptiveoptimalcon