毕业设计（论文）-汽车转向机构的结构设计与仿真

汽车转向机构的结构设计与仿真目录目录 摘要随着国民经济的快速发展，汽车逐渐在城乡地区广泛应用。汽车转向机构是保障汽车行驶安全性的重要组成部分，其结构和性能对整车的行驶安全性能影响至关重要，并影响着汽车的操纵稳定性。随着汽车工业的发展，汽车转向器也在不断的得到改进，虽然电子转向器已开始应用，但机械式转向器仍然广泛地被世界各国汽车及汽车零部件生产厂商所采用。而在机械式转向器中，循环球齿条-齿扇式转向器由于其自身的特点被广泛应用于各级各类汽车上。本文以循环球式转向器的设计为中心，首先介绍了汽车转向机构的组成及分类，然后介绍了循环球式转向器的的设计过程，最后对汽车转向机构总成进行了分析。设计的主要理论依据来源于国内外大量文献资料中介绍的汽车设计经验参数以及笔者大学四年中所学习到的机械设计理论知识。循环球式转向器具有操纵轻便、磨损小、寿命长等优点，缺点是结构复杂、成本较高。本文在设计的最后对汽车转向机构的主要零部件进行了校核，结果表明，所设计的汽车转向机构达到了预期的强度、刚度等要求，操纵安全可靠。关键词：转向机构；循环球式；转向器；1绪论1.1研究背景及现状近年来，我国的汽车工业有着飞速的发展，据中国汽车工业协会统计，截至2006年10月底，轿车累计销量超过300万辆，达到304万辆，同比增长40%。2006年11月的北京车展，自主品牌：奇瑞、吉利、长城、中兴、众泰、比亚迪、双环、中顺、力帆、华普、长安、哈飞、华晨等自主品牌纷纷亮相，在国际汽车盛宴中崭露头角，无论从参展规模还是产品所展示的品质和技术含量上，都不得不令人折服，但和国外有着近百年发展历史的国外汽车工业相比，我们的自主品牌汽车在行车性能和舒适体验方面仍有差距。汽车工业是国民经济的支柱产业，代表着一个国家的综合国力，汽车工业随着机械和电子技术的发展而不断前进。到今天，汽车已经不是单纯机械意义上的汽车了，它是机械、电子、材料等学科的综合产物。汽车转向系也随着汽车工业的发展历经了长时间的演变。汽车在行驶过程中需要不断改变方向，转向机构就是通过一系列机械传动使得前轮发生偏转，从而实现汽车转向，达到改变行驶方向的目的。转向机构一般包括方向盘、转向器、转向轴、转向管柱等部件，它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。转向器是完成有旋转运动到直线运动的一组齿轮机构，同时也是转向系中的减速传动装置，汽车的转向机构是汽车重要的总成部件，它的性能优劣直接影响着车辆的转向机动性和生产效率。因此对性能优良的转向机构的研究一直是车辆工程领域的重要课题。目前，汽车上广泛应用的汽车转向器主要有四种类型，即蜗杆肖式（WP型）、蜗杆滚轮式（WR型）、循环球式（BS型）、齿条齿轮式（RP型）。在世界范围内，汽车循环球式转向器占45%左右，齿条齿轮式转向器占40%左右，蜗杆滚轮式转向器占10%左右，其它型式的转向器占5%。对转向其结构型式的选择，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。循环球式转向器一直在稳步发展。美国和日本重点发展循环球式转向器，比率都已达到或超过90％；西欧则重点发展齿轮齿条式转向器。循环球式转向器和齿轮齿条式转向器，已成为当今世界汽车上主要的两种转向器；循环球式转向器的优点：效率高，操纵轻便，有一条平滑的操纵力特性曲线，布置方便，特别适合大、中型车辆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。可以实现变速比的特性，满足了操纵轻便性的要求。我国的转向器生产，除早期投产的解放牌汽车用蜗杆滚轮式转向器，东风汽车用蜗杆肖式转向器之外，其它大部分车型都采用循环球式结构，并都具有一定的生产经验。目前解放、东风也都在积极发展循环球式转向器，并已在第二代换型车上普遍采用了循环球式转向器。由此看出，我国的转向器也在向大量生产循环球式转向器发展。转向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臂的摆动转变为左、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同轨迹圆上，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。采用最优化设计方法优选转向梯形结构参数则可得到最佳设计效果。1.2本文研究内容目前，在汽车上应用的转向器主要有即蜗杆肖式（WP型）、蜗杆滚轮式（WR型）、循环球式（BS型）、齿条齿轮式（RP型）四种类型，各类型的主要优缺点作比较如下：1）齿轮齿条式转向器齿轮齿条式转向器具有结构简单、紧凑、体积小、质量轻等优点，其传动效率高达90%；并可自动消除齿间间隙，没有转向摇臂和直拉杆，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：逆效率高（60%~70%）。因此，汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间的冲击力，大部分能传至转向盘。根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式：中间输入，两端输入；侧面输入，两端输出；侧面输入，中间输出；侧面输入，一端输出等。采用侧面输入、中间输出方案时，由于拉杆长度增加，车轮上、下跳动时位杆摆角减小，有利于减少车轮上、下跳动时转向系与悬架系的运动干涉。而采用两侧输出方案时，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，常用在平头微型货车上。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。齿条断面形状有圆形、V形和Y形三种。圆形断面齿条制作工艺比较简单。V形和Y形断面齿条与圆形断面比较，消耗的材料少，故质量小。齿轮齿条式转向器广泛应用于微型、普通级、中级和中高级轿车上。装载量不大、前轮采用独立悬架的货车和客车也用齿轮齿条式转向器。2）循环球式转向器循环球式转向器由螺杆和螺母共同形成的螺旋槽内装有钢球构成的传动副，以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成。循环球式转向器的优点是：传动效率可达到75%~85%；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容易；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。循环球式转向器在各类各级汽车上，特别是商用车和越野车上获得了广泛的应用。3）蜗杆滚轮式、蜗杆指销式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；强度比较高、工作可靠、寿命长；逆效率低。主要缺点是：正效率低；调整啮合间隙比较困难；传动比不能变化。蜗杆指销式转向器有固定销式和旋转销式两种形式。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：传动比可以做成不变的或者变化的；工作面间隙调整容易。固定销式转向器的结构简单、制造容易。但销子的工作部位磨损快、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，应采用双销式结构。双销式转向器的结构复杂、尺寸和质量大，并且对两主销间的位置精度、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。目前，蜗杆滚轮式和蜗杆指销式转向器应用较少，多为齿轮齿条式和循环球式所取代。本文选用一般通用三厢轿车作为研究对象，综合各方面转向器的结构特点及优缺点，本文选用循环球式转向器，悬架结构采用非独立悬架。转向传动机构主要由由转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂、梯形臂、转向横拉杆等部件组成。转向器和转向传动机构是用来保持或改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，保证各车轮有协调的转角关系。本次设计采用循环球式转向器，其优点使传动效率高，使用寿命长，传动比可以变化，工作平稳可靠，间隙调整容易，适合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。循环球式转向器在各类各级汽车上，特别是商用车和越野车上获得了广泛的应用。针对此课题和内容要求，本毕业设计中有待解决的主要关键问题是：1)确定该轿车的基本参数及对转向器的要求2)根据轿车对转向器的要求选择合适的转向器并设计3)根据选择的转向器及汽车悬架的情况选择转向系统并设计4)绘制整个设计的装配图及关键零件的零件图5)按照相应的格式编写设计说明书2汽车转向机构总体设计2.1汽车转向机构概述转向系统是汽车底盘的重要组成部分，转向系统性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性，它对于确保车辆的行驶安全、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。按转向力能源的不同，可将转向系分为机械转向系和动力转向系。机械转向系的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，由转向操纵机构(方向盘)、转向器、转向传动机构三大部分组成。其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动(严格讲是近似直线运动)的机构，是转向系的核心部件。动力转向系除具有以上三大部件外，其最主要的动力来源是转向助力装置。由于转向助力装置最常用的是一套液压系统，因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐，它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电机和地线的作用。早期的轿车转向是用舵柄或横杆(即一种两端带有手柄的水平杆)进行操纵，转向比是1:1，因而汽车转向时的操作是很吃力的。后来，带有齿轮减速比的转向机构很快被推广使用，但是，这种机构的方向盘不象舵柄或横杆要置放在汽车中线的位置，而是要置放在汽车的左边或右边，这样触发了方向盘位置的争论。这场争论旷日持久，导致了今天的汽车分成了两大类方向盘装置法：一类以美国，中国，俄罗斯等世界上大多数国家和地区采用的左置方向盘，实行右上左下的汽车行驶规则；另一类以英国及英联邦，日本等少数国家和地区采用的右置方向盘，实行右下左上的汽车行驶规则。几十年来，各种汽车都使用蜗杆扇形齿轮转向器，现在的循环球式转向器也是这种转向器的一种变型，轿车也经常使用。在这种转向器中，蜗杆与扇形齿轮之间嵌入了钢珠，大大降低了摩擦力，使汽车的转向操纵变得比较轻松。从70年代起轿车兴起了齿轮齿条转向机构，它由方向盘、方向轴、方向节、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。这种转向机构与蜗杆扇形齿轮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。其实，齿轮齿条转向机构早在一世纪前的汽车萌芽发展阶段已经有了，只是那时还不完善，机件加工粗糙。1905年通用汽车卡迪拉克部的工程师将齿轮齿条转向器的设计理论化，并加工成精度很高，操纵灵活的齿轮齿条转向器，正式应用在轿车上。后来，汽车转向器的型式被蜗杆一扇形齿轮型式所垄断，但许多人仍然继续完善齿轮一齿条转向机构。由于近代材料科学的发展，大大提高了齿轮一齿条转向机构的安全可靠系数，人们再次重视这种转向机构的简单实用性，由于它具有构件少质量轻，成本低的优点，受到汽车制造商的青睐，现在大多数的轿车转向器都采用齿轮一齿条型。现代轿车马力大、速度快，为了操纵的轻便和灵敏，中高档次的轿车转向器都加装了转向动力装置，又称为液压动力转向器。它具有工作无噪声，灵触度高体积小，能够吸收来自不平路面的冲击力，在现代轿车上得到十分广泛的应用。2.2转向系的主要技术参数1）转向系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转向器的正效率，用符号表示，；反之称为逆效率，用符号表示。正效率计算公式：逆效率计算公式：式中，为作用在转向轴上的功率；为转向器中的磨擦功率；为作用在转向摇臂轴上的功率。正效率高，转向轻便；转向器应具有一定逆效率，以保证转向轮和转向盘的自动返回能力。但为了减小传至转向盘上的路面冲击力，防止打手，又要求此逆效率尽可能低。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。在四种转向器中，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。选用滚针轴承时，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，故这种轴向器的效率η+仅有54%。另外两种结构的转向器效率分别为70%和75%。转向摇臂轴的轴承采用滚针轴承比采用滑动轴承可使正或逆效率提高约10%。如果忽略轴承和其经地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于蜗杆类转向器，其效率可用下式计算式中，a0为蜗杆（或螺杆）的螺线导程角；ρ为摩擦角，ρ=arctanf；f为磨擦因数。转向器的逆效率根据逆效率不同，转向器有可逆式、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。它能保证转向轮和转向盘自动回正，既可以减轻驾驶员的疲劳，又可以提高行驶安全性。但是，在不平路面上行驶时，传至转向盘上的车轮冲击力，易使驾驶员疲劳，影响安全行驾驶。属于可逆式的转向器有齿轮齿条式和循环球式转向器。不可逆式和极限可逆式转向器。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可逆式与不可逆式转向器两者之间。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。如果忽略轴承和其它地方的磨擦损失，只考虑啮合副的磨擦损失，则逆效率可用下式计算上式表明：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磨擦角时，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，导程角必须大于磨擦角。2）传动比变化特性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。传动系的力传动比：转向系的角传动比:转向系的角传动比由转向器角传动比和转向传动机构角传动组成，即：转向器的角传动比:转向传动机构的角传动比:力传动比与转向系角传动比的关系转向阻力与转向阻力矩的关系式：作用在转向盘上的手力与作用在转向盘上的力矩的关系式：将式（2-10）、式（2-11）代入后得到：如果忽略磨擦损失，根据能量守恒原理，2Mr/Mh可用下式表示联立上面两式后得到：当a和Dsw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。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主要因素是转向轴负荷大小和对汽车机动能力的要求。若转向轴负荷小或采用动力转向的汽车，不存在转向沉重问题，应取较小的转向器角传动比，以提高汽车的机动能力。若转向轴负荷大，汽车低速急转弯时的操纵轻便性问题突出，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，要求转向轮反应灵敏，转向器角传动比应当小些。汽车高速直线行驶时，转向盘在中间位置的转向器角传动比不宜过小。否则转向过分敏感，使驾驶员精确控制转向轮的运动有困难。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，如图2.1所示。图2.1转向器角传动比变化特性曲线3）转向器传动副的传动间隙△t传动间隙是指各种转向器中传动副之间的间隙。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2.2）。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。传动副的传动间隙在转向盘处于中间及其附近位置时要极小，最好无间隙。若转向器传动副存在传动间隙，一旦转向轮受到侧向力作用，车轮将偏离原行驶位置，使汽车失去稳定。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过大时，必须经调整消除该处间隙。图2.2转向器传动副传动间隙特性转向器传动副传动间隙特性图中曲线1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。4）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圈数较少，一般约在3.6圈以内。2.3转向操纵机构及传动机构现在有越来越多的汽车在转向盘里安装了安全气囊，也使汽车的安全性大大提高了。转向盘的集电环：转向盘上有喇叭开关，必须时刻与车身电器线路相连，而旋转的转向盘与组合开关之间显然不能用导线直接相连，因此就必须采用集电环装置。集电环好比环形的地铁轨道，喇叭开关的触点时刻保持接通的状态。由于是机械接触，长时间使用触点会因磨损影响导电性，导致紧急时刻喇叭不鸣甚至气囊不工作。因此，最近装备气囊的汽车开始装用电缆盘，代替集电环。转向盘的端子与组合开关的端子用电缆线连接，电缆盘将电线卷入盘内，在转向盘旋转范围内，电线靠卷筒自由伸缩。这种装置大大提高了电器装置的可靠性。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臂的摆动转变为左、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同轨迹圆上，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。采用最优化设计方法优选转向梯形结构参数则可得到最佳设计效果。本文所设计的汽车的悬架采用非独立悬架。故此该车的转向传动机构是与非独立悬架配合用的转动传动机构。由转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂、梯形臂、转向横拉杆。结构如下图1--1与非独立悬架配用的转向传动机构示意图1—转向器2—转向摇臂3—转向直拉杆4—转向节臂5—梯形臂6—转型横拉杆本次设计的汽车的前悬架为非独立悬架，应当采用整体式的转向梯形。梯形的类型有三种如上图。该车为后轮驱动，而前轴只器转向作用的话一般采用梯形后置的形式。[3]图1--2汽车转向梯形示意图初选rm值cotr=3/4xk/L=0.75x1570/4000=0.29canr=1/0.29=3.45r=arctan3.45=73.8(度)m=(0.11-0.15)k=172.7-235.5取m200mm3转向器的设计3.1转向器的方案分析转向器是整个转向系统的核心部分，转向器的设计也就是整个转向系统的关键所在。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、蜗杆指销式等齿轮齿条式转向器的齿轮齿条直接啮合，可安装助力机构。齿轮齿条式转向器的正逆效率都很高，属于可逆式转向器。其自动回正能力强。齿轮齿条式转向器结构简单（不需要转向摇臂和横拉杆等）、加工方便、工作可靠、使用寿命长、用需要调整齿轮齿条的间隙。循环球式转向器的第一级传动副是螺杆螺母传动副。第二级是齿条齿扇传动副或滑块曲柄销传动副。循环球式转向器的正效率很高（最高可达90%～95%），操作轻便，使用寿命长。但逆向效率也较高，可将地面对转向轮的冲击传给转向盘。指销式转向器的传动副以转向蜗杆为主动件，装在摇臂轴曲柄端的指销为从动件。转向蜗杆转动时，与之啮合的指指销即绕转向摇臂轴轴线沿圆弧线运动，并带动转向摇臂转动。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。循环球式转向器又称为综合式转向器（因为它由两级传动副组成），是目前国内、外汽车上较为流行的一种结构形式。循环球式转向器中一般有两级传动副，第一级是由螺杆和螺母共同形成的螺旋槽内装有钢球构成的传动副，第二级是由螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的齿条-齿扇传动副。转向时，转动转向盘，与转向轴连为一体的螺杆带动方形螺母作轴向移动（因螺杆在轴向方向固定在转向器壳上），螺母的下端制成齿条，因而能带动与转向摇臂轴做成一体的齿扇的转动。图2-1所示为一循环球式齿条-齿扇转向器。转向螺杆的轴径支撑在两个角接触球轴承上，轴承紧度可用调整垫片调整。转向螺母外侧的下平面加工成齿条，与齿扇轴（即摇臂轴）上的齿扇啮合。可见，转向螺母即是第一级传动副的从动件，也是第二级传动副（齿条-齿扇传动副）的主动件（齿条）。通过转向盘和转向轴转动转向螺杆时，转向螺母不能转动，只能轴向移动，并驱使齿扇轴转动。1转向导管2转向螺杆3螺母4齿扇5钢球图2-1循环球式转向器为了减少转向螺杆和转向螺母之间的摩擦和磨损，二者的螺纹制成半圆形凹槽，并不直接接触，其间装有许多钢球，从而将滑动摩擦变为滚动摩擦。转向螺杆和螺母上都加工出断面轮廓为两段或三段不同心圆弧组成近似半圆的螺旋槽。两者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面的螺旋管状通道，这样可以使转向螺母和转向螺杆轴向定位好，滚道和钢球间有间隙，可以用来贮存碎屑和润滑油，有助于减少螺母和螺杆之间的磨损。螺母侧面有两对通孔，可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内。两根U形钢球导管的两端插入螺母侧面的两对通孔中，导管内也装满了钢球。这样两根导管和螺母内的螺旋管状通道组成两条各自独立的封闭的钢球“流道”。转向螺杆转动时，通过钢球将力传给转向螺母，螺母即沿轴向移动。同时，在螺杆与螺母两者和钢球间的摩擦力偶作用下，所有钢球便在螺旋管状通道内滚动，形成“球流”。钢球在管状通道内绕行1.5周后，流出螺母而进入导管的一端，再由导管另一端流回螺旋管状通道。因此，在转向器工作时，两列钢球只是在各自封闭的“流道”内循环，而不致脱出。与齿条相啮合的齿扇，其齿厚是在分度圆上沿齿扇轴线按线性关系变化的，故为变厚齿扇。只要使齿扇轴相对于齿条作轴向移动，即能调整两者的啮合间隙。调整螺钉装在侧盖上，并用螺母锁紧。齿扇轴内侧端部有切槽，调整螺钉的圆柱形端头即嵌入此切槽中。将调整螺钉旋入，则啮合间隙减少；反之，则啮合间隙增大。循环球式转向器在螺杆和螺母之间因为有可以循环流动的钢球，将滑动摩擦变为滚动摩擦，因而其正传动效率很高（可达90%～95%），故操纵轻便；在结构和工艺上采取措施，可保证有足够的使用寿命；工作平稳可靠；齿条和齿扇之间的间隙调整工作容易进行。但其逆效率高，容易将路面冲击力传动转向盘。不过，对于前轴轴载质量不大而又经常在平坦路面上行使的轻中型载货汽车而言，这一缺点影响不大；而对于载重量较大的汽车，使用循环球式转向器时，除可以在转向器中增加吸振装置以减少路面冲击反力外，往往装有液力转向加力器。由于循环球式转向器在结构上便于与液力转向加力器设计为一个整体，而液力系统又正可以缓和路面的冲击，因此，循环球式转向器得到日益广泛的应用。循环球齿条-齿扇式转向器的优点：传动效率高，可达90%；在结构和工艺上采取措施，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，使之有足够的硬度和耐磨性能,可保证有足够的使用寿命；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；适合用来做整体式转向器。3.2转向器参数选取（1）钢球中心距D、螺杆外径D1、螺母内径D2尺寸D、D1、D2如图3-1所示.钢球中心距D是基本尺寸,螺杆外径D1、螺母内径D2及钢球直径d对确定钢球中心距D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D值取小些。选取规律是随着扇齿模数的增大，钢球中心距也相应增加。设计时先参考同类型汽车的参数进行选取，经强度验算后，再进行修正。螺杆外径D1通常在20～38mm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D2应大于D1,一般要求D2-D1=(5%～10%)D.D2-D1=(5%～10%)DD2-29=3故D2=32mm图3-1螺杆钢球螺母传动副（2）钢球直径d及数量n钢球直径尺寸d取得大，能提高承载能力，同时螺杆和螺母传动机构和转响器的尺寸也随之增大。钢球直径应符合国家标准，一般常在7～9mm范围内选用（表4-1）。增加钢球数量n，能提高承载能力，但是钢球流动性变坏，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n==3.14x30x2.5/7.114=33.10取n=34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；为螺线导程角，常取=5º～8º，则cos1。（3）滚道截面当螺杆和螺母各有两条圆弧组成，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，螺杆与螺母沟槽的半径R2应大于钢球半径，一般取R2=(0.51～0.53)d=3.69mm图3-1四段圆弧滚道截面（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45°,以使轴向力和径向力分配均匀。（5）螺距P和螺线导程角转向盘转动角,对应螺母移动的距离s为式4-2中,P为螺纹螺距。与此同时,齿扇节圆转过的弧长等于s,相应摇臂转过角,其间关系可表示如下式中,r为齿扇节圆半径.联立上述两式得,将对求导得循环球式转向器角传动比为上式表明,螺距影响转向器传动比的值。在螺距不变的条件下,钢球直径d越大,图3-1中的尺寸b越小,要求b=P-d＞2.5mm。螺距一般在10-18mm内选取.本次设计选择螺距为10mm。（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。一个环路的工作钢球圈数的选取见表4-1。根据本次的设计参数选择工作钢球圈数为2.5圈。表3-1循环球式转向器主要参数齿扇模数m/mm3.03.54.04.55.06.06.5摇臂轴直径/mm22263032323538404245钢球中心距/mm202325252830323540螺杆外径/mm2023252528293438钢球直径/mm5.5565.5566.3506.3507.1447.1448螺距/mm7.9388.7319.5259.525101011工作圈数1.552.52.5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22°30´27°30´切削角6°30´6°30´7°30´齿扇宽/mm2225252725283028～323034383538根据以上的计算公式和汽车规格本次设计选择的尺寸如下：齿扇模数摇臂轴直径钢球中心距螺杆外径钢球直径螺距工作圈数环流行数螺母长度齿扇齿数535mm30mm29mm7.144mm10mm2.5262mm5螺线导程角正圆齿数法向压力角切削角齿扇齿宽接触角钢球数量螺杆螺母沟槽的半径螺母内径6.05°1320°6.5°28mm45°343.69mm32mm3.3确定转向器输出力矩为了保证行驶安全,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行驶时转向器的输出力矩。G=mg=600010=60000NG1=35%G=21000NM=G1L／4=14140×式中，G1为汽车前轴负荷，单位是N；M为汽车转向器的输出力矩，单位是N.mm；m为汽车的前轴负荷，单位是Kg；g为重力加速度，计算时取g=10N/Kg；L为汽车转向摇臂中心距（转向摇臂大端锥形三角花键轴颈中心与转向摇臂小端的球头销中心之间的距离），单位是mm。3.4齿形齿扇轴的设计计算1）材料的选择摇臂轴用20CrMnTi钢制造，由于前轴负荷不大，螺纹、花键表面不渗碳，其余表面渗碳层深度在0.8～1.2mm。表面硬度为58～63HRC。2）结构设计轴伸出壳体的部分制成锥形渐开线花键，并使用螺母紧固，这样可以保证转向摇臂能紧紧压靠到轴上，使之联结紧固、无间隙、工作可靠，花键的加工工艺与齿轮相同；由于齿扇和齿条在工作时存在摩擦力，工作一段时间后会产生间隙，为使此间隙的调整工作容易进行，故将齿扇设计成变厚齿扇。3）轴的设计计算渐开线花键的设计计算花键连接常根据被连接件的特点、尺寸、使用要求和工作条件，确定其类型、尺寸，然后进行必要的强度校核计算。图3-2转向摇臂轴结构简图本轴的渐开线花键可选择45°花键，模数为m=0.8,齿数为Z=36，压力角为45°。渐开线花键几何尺寸的计算分度圆直径D=mZ=0.836=28.8mm;基圆直径Db=mZcos45°=0.836×1.414=20.36mm;周节P=m=3.140.8=2.5mm;内花键大径Dei=m(Z+1.2)=0.8(36+1.2)=29.76mm;外花键大径Dee=m(Z+0.8)=0.8(36+0.8)=29.44mm;外花键小径Die=m(Z-1.2)=0.8(36-1.2)=27.84mm；渐开线花键的校核计算渐开线花键连接强度可按挤压、弯曲和剪切来计算。实践证明，挤压强度常是主要的。其计算过程如下：渐开线花键的平均直径mm;渐开线花键齿的工作高度=m=0.8mm；渐开线花键齿的工作长度=25mm；渐开线花键齿的弯曲应力

；许用弯曲应力为由此可知，渐开线花键的设计满足要求。变厚齿形齿扇的计算变厚齿形齿扇的计算，如图6-2所示，一般将中间剖面A-A定义为基准平面。进行变厚齿扇计算之前，必须确定的参数有：变厚齿扇的模数m，参考表4－1选取；法向压力角，一般在20°～30°之间；齿顶高系数X1，一般取0.8或1.0；径向间隙系数，取0.2；正圆齿数，在12～15之间选取；齿扇宽度，一般在22mm～28mm。 表5-1循环球式转向器齿扇齿模数齿扇齿模数m/mm3.03.54.04.55.06.06.5轿车排量/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最大转载质量/Kg350100025002700350060008000首先根据汽车的前轴负荷G1=21000N及载重量3000kg，查表,选取齿扇的模数m=5然后，由变厚齿扇的模数m=5,查4-1表选择确定转向器的相关尺寸。图5-2变厚齿形齿扇的计算简图变厚齿扇的几何尺寸，计算结果如下：变厚齿扇的模数m=5mm;变厚齿扇的法向压力角=22°；整圆齿数为13；齿扇齿数为z=5；变位系数X1=0.082；分度圆直径d=m·z=513=65mm;分度圆齿厚S=/2=3.145/2=7.85mm;齿顶高ha=X1m=15=5mm;齿根高hf=(X1+c)=(1+0.25)5=6.25mm;齿顶圆直径da=d+2ha=65+25=75mm;齿扇的结构设计由于齿扇的齿顶圆直径da=75mm<500mm，因此可采用锻造毛坯；又齿扇的齿根圆直径df=d-2hf=65-26.25=52.5mm，而齿扇的轴径为35mm,二者相差不大，故可制成一体的齿轮轴，轴的材料必须与齿扇齿轮相同。4）齿扇齿的应力校核齿扇齿的受力情况如图5-3所示。图5-3齿扇齿的受力简图作用在齿扇上的圆周力Fa===14683.85N;齿扇的齿高h=ha+hf=5+6.25=11.25mm;则齿扇齿的弯曲应力w=带入数据得478N/mm[w]=540N/mm;上式中，[w]为许用弯曲应力，[w]=540N/mm。由此可知，齿形齿扇的设计能够满足设计要求。3.5螺杆轴的设计计算1）材料选择螺杆轴用20CrMnTi钢制造，热处理钢球滚道处渗碳层深度在0.8～1.2mm，表面淬火HRC58～63。20轴径硬度HRC40。2）结构设计轴的结构如图所示图5-4螺杆轴结构简图考虑轴向固定，内侧采用轴肩，又考虑轴承的标准，故左右轴径均取d=20mm；左端轴径长度为13mm，比轴承宽度小2mm，以便将轴承可靠地固定在转向螺杆轴上；为使汽车转向螺杆轴中心与转向万节的中心能保持高度一致，二者的连接采用渐开线花键连接，花键的加工工艺与齿轮相同；为减少螺杆和螺母之间的摩擦，提高传动效率，在螺杆和螺母的滚道之间放置适量的钢球；为防止钢球沿滚道滚出，在螺母上设有钢球返回装置，使钢球通过此装置自动返回入口处，从而形成循环回路。[8]3）轴的设计计算（1）首先由变厚齿扇齿模数m=5.0mm，查表4-1确定转向螺杆轴的相关参数，相关参数如下：钢球中心距D=30mm;螺杆外径D1=29mm;钢球直径d=7.144mm;螺距P=10mm;工作圈数2.5；环流行数2；螺母长度L=62mm;齿扇齿数Z=5;齿扇整圆齿数Z’=13；齿扇压力角=22º；齿扇宽28mm；（2）其他参数的设计计算：螺母内径D2=D+(5%~10%)D1=32+(5%~10%)×29=33.5~34.9mm圆整后取D2=35mm;接触角选择=45º；当转向盘转过4.6角(即2.3圈)时，齿扇节圆应转过的弧长等于对应螺母在螺杆上移动的距离S,此时，摇臂轴转过0.22角，与此同时，转向轮转至最大转角，则=0.22π×65=51mm则螺杆螺纹滚道的有效工作长度L’等于螺母在螺杆上移动的距离的2倍，即L’=2S=2×51mm=102mm;在此条件下，应尽量缩短滚道长度。但为安全计，在有效工作长度L’之外的两端各增加0.5-0.75圈滚道长度。因此，螺杆螺纹滚道的实际有效工作长度LL=L’+2(0.5到0.75)d=102+2×(0.5～0.75)×7.144=109.44～112.716mm;又螺杆螺纹滚道的有效工作长度距两端面距离5.5mm，即螺杆螺纹滚道的实际有效工作长度LL’+25.5=102+25.5=113mm；圆整后取L=112mm；螺杆螺线导程角则,则===6.05º;4）钢球与滚道之间的接触应力校核螺杆受力作用在螺杆上的轴向力F2上式中d为变厚齿扇的分度圆直径；钢球与螺杆之间的正压力F3F3=上式中n为参与工作的钢球数；为接触角，=45º；螺杆受力简图则可见接近于0.1，根据查取K=0.970;表5-2系数K与的关系1.00.90.80.70.60.50.40.3K0.3880.4000.4100.4400.4680.4900.5360.6000.20.150.10.050.020.010.007K0.7160.8000.9701.2801.82.2713.202钢球与滚道之间的接触应力=K=2273.15[]；上述三式中，R1为螺杆外半径；R2为滚道截面半径；r为钢球半径；E为材料弹性模量，等于2.1;[]为许用接触应力，当接触表面硬度为58-64HRC时，[]等于25总结转向系是汽车行驶中必不可少的系统，本次设计一开始对汽车转向系很陌生，但本着对汽车转向的强烈兴趣和此次设计的责任感，通过大量的想关文献参考和网络搜索，使我逐渐认识并最终了解了汽车转向机构。本文以汽车转向机构中常见的循环球式转向器的设计为中心，根据设计任务的要求对汽车转向机构进行了分析和一些的设计，包括循环球式转向器的实现原理以及相关零件的校核等等。还