课程设计-汽车循环球式转向器设计

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汽车设计课程设计说明书

题目：汽车循环球式转向器设计（1）

系别：机电工程系

专业：车辆工程

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

日期：2021年7月

汽车循环球式转向器设计

摘要

汽车是一种性能要求高，负荷转变大的运输工具。转向系统作为汽车的关键部件之

一,更需耍了解和把握。转向器作为转向系统的重要组成部件，对它的深切的研究显得

意义重大。循环球式转向器要紧由螺杆、钢球、螺母和转向器壳体等组成，具有较高的

传动效率，操纵轻便，磨损较小，利用寿命长，今年来取得普遍的应用。依照现有的国

家标准并依照汽车设计的原那么设计一款循环球转向器，完成装配图和零件图的平面绘

制，使其能够知足现代商用车的国家标准要求。随着汽车工业的进展，汽车转向器也在

不断的取得改良，尽管电子转向器已开始应用，但机械式转向器仍然普遍地被世界各国

汽车及汽车零部件生产厂商所采纳。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普遍应用于各级各类汽车上。

关键词：循环球；转向器；设计；分析•；商用车

目录

第一章转向器整体概述......................................................1

1.1转向器的功用.........................................................1

1.2转向器的分类.........................................................1

1.3转向器的概念.........................................................I

1.4循环球式转向器......................................................1

1.4.1循环球式转向器的结构及特点.....................................1

1.4.2循环球式转向器的工作原理......................................1

1.4.3循环球式转向器的组成..........................................2

第二章转向器总成方案分析..................................................3

2.1转向器的设计要求....................................................3

2.2转向器的总成方案设计.................................................3

第三章循环球式转向器要紧参数的选择.......................................6

3.1钢球中心距D、螺杆外径》、螺母内径...............................6

3.2钢球直径d及数量n......................................................................................................6

3.3滚道截面............................................................8

3.4接触角0.........................................................................................................................8

3.5螺距〃和螺线导程角。仇...............................................8

3.6工作钢球圈数W...............................................................................................................9

3.7导管内径力..........................................................9

3.8转向器的效率.........................................................9

转向器的正效率n..........................................................................................................9

3.8.2转向器的逆效率n.............................................................................................10

3.9转向器各参数的计算..................................................11

3.10轴的计算...........................................................12

第四章齿条、齿扇传动副的设计.............................................13

4.1齿条、齿扇传动副的原理.............................................13

4.2变厚齿扇...........................................................14

4.2.1变厚齿扇的分析................................................14

4.2.2变厚齿扇齿形的计算............................................14

第五章转向器载荷的计算....................................................17

5.1转向器计算载荷的确信................................................17

5.2循环球式转向•器零件强度计算.........................................18

5.2.1钢球与滚道之间的接触应力......................................18

5.2.2齿扇齿的弯曲应力。”............................................19

5.2.3转向摇臂轴直径的确信..........................................19

第六章总结.................................................................20

参考文献....................................................................21

致谢........................................................................22

汽车循环球式转向器设计

第一章转向器整体概述

转向器的功用

转向器的作用将驾驶员加在转向盘上的力矩放大，并降低速度，然后传给转向传动

机构。它是汽车的重要组成部份，也是决定汽车主动平安性的关键总成，它的质量严峻

阻碍汽车的操纵稳固性，

转向器的分类

转向器分为机械式转向器和动力式转向器，机械式转向器要紧有齿轮齿条式和循环

球式。循环球式转向器又称为综合式转向器，它分为齿条齿扇式和曲柄指销式。

转向器的概念

将有人驾驶和无人驾驶且具有动力源的机械装置，使其在运行进程中随机改变运行

线路和方向的装置。驾驶人员通过它能够用较小的操纵力实现较大的转向力操纵，而且

在性能上平安、靠得住、操纵上灵活、轻便。

1.4循环球式转向器

1.4.1循环球式转向器的结构及特点

循环球式转向器在螺杆和螺母之间因为有能够循环流动的钢球，将滑动摩擦转变成

转动摩擦，因此传动效率可达到75%〜85版在结构和工艺上采取方法后，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

足够的硬度和耐磨损性能，可保证有足够的利用寿命；转向器的传动比能够转变；工作

平稳靠得住；齿条和齿扇之间的间隙调整工作容易进行，适合用来做整体式动力转向器。

但逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高，因此循环球式转向器要紧用于商

用车上。

1.4.2循环球式转向器的工作原理

转向装置是由齿轮机构以后自转向盘的旋转力进行减速，使转向盘的旋转运动变成

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涡轮蜗杆的旋转运动，滚珠螺杆和螺母夹着钢球啮合，因此滚珠螺杆的旋转运动变成直

线运动，螺母再与扇形齿轮啮合，直线运动再次变成旋转运动，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

车已大多再也不利用，但又被最新方式的助力转向装置所应用。它的原理相当于利用了

螺母与螺栓在旋转进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锁的螺旋曲线内循环转动。

1.4.3循环球式转向器的组成

循环球式转向器是由螺杆和螺母一起形成的螟旋槽内装钢球组成的传动副，和螺母

上齿条与摇臂轴上齿扇组成的传动副组成，如图1-1所示。

2

汽车循环球式转向器设计

第二章转向器总成方案分析

转向器的设计要求

（1）汽车转弯行驶时，全数车轮应绕顺时针方向旋转，任何车轮不该有侧滑。不知

足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳固性。

（2）汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的情形下，转向轮能自动返回到直线行

驶位置，并稳固行驶。

（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一起工作时，由于运动不和谐使车轮产生的摆动

应最小。

（5）保讦汽车有较高的机动性，具有快速和小转弯能力0

（6）操纵轻便。

（7）转向轮碰着障碍物以后，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，有排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损害的防伤装置

（10）进行运动校核，保证转向盘行转向轮转动方向一致U

正确设计转向梯形机构，能够使第一项取得保证。转向系中设有转向减震器时，能

够避免转向轮产生振动，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，必需使转向轮有尽可能大的转角，并要达到按前外轮车轮轨迹计算，

其最小转弯半径能达到汽车轴距的2〜2.5倍。通经常使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判操纵轻便性。当商用车从直线行

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，假设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，商用

圈。

转向器的总成方案设计

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、

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外汽车上较为流行的一种结构形式。循环球式转向器中一样有两级传动副，第一级是由

螺杆和螺母一起形成的螺旋槽内装有钢球组成的传动副，第二级是由螺母上齿条与摇臂

轴上齿扇组成的齿条-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，因此能带动与转向摇臂轴做成

一体的齿扇的转动。

图2.1所示。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,

并差遣齿扇轴转动。

1转向摇臂2向心推力球轴承3螺杆副总成4壳体组件5螺栓6上盖调整垫片8上企

9柱管夹子10螺杆油封11铁丝12顶丝13柱管14转向轴组件15支承套16自攻螺钉

17螺母M12X1.2518螺母MB19螺柱20垫圈21游气螺塞

图2.1循环球式齿条-齿扇转向器

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

非直接接触，其间装有许多钢球，从而将滑动摩擦变成转动摩擦。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。二者的螺旋槽能配合

形成近似圆形断面的螺旋管状通道，如此能够使转向螺母和转向螺杆轴向定位好，滚道

和钢球间有间隙，能够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形钢球导管的两头插入

螺母侧面的两对通孔中，导管内也装满了钢球。如此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锁的钢球“流道二

4

汽车循环球式转向器设计

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

与螺母二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转动，形成“球

流二钢球在管状通道内绕行L5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，在转向落工作时，两列钢球只是在各自封锁的“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转变的，故为变

厚齿扇。只要使齿扇轴相关于齿条作轴向移动，即能调整二者的啮合间隙。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，那么啮合间隙减少；反之，那么啮合间隙增大。

循环球式转向器在螺杆和螺母之间因为有能够循环流动的钢球，将滑动摩擦变成转

动摩擦，因此其正传动效率很高（可达90%〜95%）,故操纵轻便：在结构和工艺上采取

方法，可保证有足够的利用寿命；工作平稳靠得住；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。只是，关于前轴轴载质量不大

而又常常在平坦路面上行使的轻中型载货汽车而言，这一缺点阻碍不大；而关于载重量

较大的汽车，利用循环球式转向器时，除能够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，而液力系统又正能够缓和路面的冲击，因此，循环球式转向器取得

n趋普遍的应用。

循环球齿条-齿扇式转向器的优势：传动效率高，可达90%；在结构和工艺上采取

方法，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，可保证有足够的利用寿命；转向器的传动比

能够转变；工作平稳靠得住；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。

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第三章循环球式转向器要紧参数的选择

钢球中心距D、螺杆外径》、螺母内径

尺寸D、口、4如图3.1所示.钢球中心距D是大体尺寸，螺杆外径以、螺母内径

员及钢球直径d对确信钢球中心距D的大小有阻碍，而又对转向器结构尺寸和强度有阻

碍。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。螺杆外径瓦应大于口，一样要求》=(5%〜10%)及依照题目选取钢球中心

距D=25mm,螺杆外径D1=25mm,取螺母内径D2-D尸8%D:

因此螺母内径D2=D,+8%D=25mm+8%X25nlm=27nli1。

图3.1螺杆、钢球和螺母传动副⑴

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，一样常在7〜9mm范围内选用(表)。

增加钢球数量n,能提高承载能力，可是钢球流动性变坏，从而使传动效率降低。因为

钢球本身有误差，因此一起参加工作的钢球数量并排是全数钢球数。

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汽车循环球式转向器设计

表循环球式转向器要紧参数⑴

齿扇模

数m/mm

摇臂轴323842

22263032

直径/mm354045

钢球中2330

2025283540

心距/mm2532

螺杆外23

202528293438

径/mm25

钢球直

径/mm8

10

螺距/mm

1011

工作圈5

数

环流行

2

数

56

螺母长45467280

415859

度/mm52477882

62

齿扇齿3

5

数5

13

齿扇整12

1314

圆齿数13

15

齿扇压22°30'

力角27°30'

6°30'

切削角6。30'

7°30'

30

齿扇宽22252535

3028〜3234

/mm25272838

38

体会证明，每一个环路中的钢球数以不超过60粒为宜。为保证尽可能多的钢球都

承载，应分组装配。每一个环路中的钢球数可用下式计算

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7TPW111

(3.1)

dcos4

式3.1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&产5°〜8°,那么cosa产1。

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

3.2,钢球与滚道有四点接触，传动时轴

向间隙最小,可知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，螟杆与螺母沟槽

的半径R2应大于钢球半径d/2,一样

取R2=(0.51〜0.53)d,取R2X

6.35mm=3.30mmo图3.2四段圆弧滚道截面⑴

接触角e

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3.2所示。〃角多取45°,以使轴向力和径向力分派均匀。

螺距P和螺线导程角右

转向盘转动。角，对应螺母移动的距离s为

$=史"(3.2)

2〃

式3.2中,P为螺纹螺距。与此同时，齿扇节圆转过的弧长等于s,相应搭臂转过3

角，其间关系可表示如下

s=4卅(3.3)

式3.3中,r为齿扇节圆半径。

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汽车循环球式转向器设计

联立式（3.2）、式（3.3）得°=等"，将。对4求导得循环球式转向器角传动

比为：

（3.4）

“i（a=—p

由式（3.4）可知，螺距阻碍转向器传动比的值，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>2.5mm0螺距一样在8-11mm内选取，因为

P=9.525mm,d=6.350mm,因此b=P-d=9.525-6.350mm=3.175mm>2.5mm,因此符合要求。

工作钢球圈数W

多数情形下，转向器用两个环路，而每一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、螺杆增加而使刚度降低。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3.1得该要求的商用车的工作圈数选为1.5圈。

导管内径”

容纳钢球而且钢球在其内部流动的导管内径dLd+c,式中，c为钢球直径d与导管内

径之间的间隙。e不宜过大,不然钢球流经导管时球心偏离导管中心线的距离增大，并使

流动阻力增大。推荐e=0.4~0.8mm。导管壁厚取为1mm。

3.8转向器的效率

转向器的输出功率与输入功率之比，称为转向器的传动效率。转向器的效率又有正

效率n+和负效率之分n-。为了保证转向时驾驶员转动转向盘轻便，要求正效率高。为

了保证汽车转向后转向轮和转向盘能自动返回到直线行驶位置，又需要有必然的逆效

率。为了减轻在不平路面上行驶时驾驶员的疲劳，车轮与路面之间的作使劲传至转向盘

上要尽可能小，避免打手又要求此逆效率尽可能低。

转向器的正效率小

功率R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：

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〃"小(3.5)

式中，巴为转向器中的摩擦功率。不同结构的转向器的正效率也不一样，而循环球

式转向器的正效率相对照较高；转向摇臂轴轴承的形式对效率也有阻碍，用滚针轴承比

用滑动轴承可使正逆效率提高约10%；正效率越大，转动转向轮时转向器的摩擦损失就

越小，转向操纵就越容易。

若是忽略轴承和其它地址的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，关于蜗杆和螺杆

类转向器，其正效率可用下式计算：

lan(a0+p)

a°为蜗杆(或螺杆)的螺线导程角：

P为摩擦角，P=arctan/°；

摩擦因数f取0.06。

转向器的逆效率不

转向轴输出的功率(P「P2)与转向摇臂轴的输入功率E之比，称为转向器的逆效率：

77-=^—'(3.7)

式中，P?为作用在转向摇臂轴上的功率。依照逆效率大小不同，转向器又有可逆式、

极限可逆式和不可逆式之分。

循环球式转向器属于可逆式转向器，可逆式转向器的逆效率较高，一样路面作用在

车轮上的力，通过转向系可大部份传递到转向盘。由于它能保证转向后，转向轮和转向

盘自动回正。这既减轻了驾驶员的疲劳，又提高了行驶平安性。可是，在不平路面上行

驶时，车轮受到的冲击力，能大部份传至转向盘，造成驾驶员“打手”，使之精神状态

紧张。若是长时刻在不平路面上行驶，易使驾驶员疲劳，阻碍平安驾驶。

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。该冲击力由转

向传动机构的零件经受，因此这些零件容易损坏。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，现代汽车不采纳这种转向器。

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汽车循环球式转向器设计

极限可逆式转向器介于上述二者之间。在车轮受到冲击力作历时，此力只有较小一

部份传至转向盘。它的逆效率较低，在不平路面上行驶时，驾驶员并非十分紧张，同时

转向传动机构的零件所经受的冲击力也比不可逆式转向器要小。

若是忽略轴承和其它地址的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，那么逆效率可用

下式计算：

严(3.8)

tana0

由式(3.6)、(3.8)可知，增大螺线导程角正、逆效率都增大，故不宜取

得过大。当时，逆效率n-WO,这时转向器为不可逆式转向器，因此。MineP,

螺线导程角Q。取8°。

3.9转向器各参数的计算

由前轴负荷的大小依照表3.2,再从表3.1中得出：

钢球中心距D=25miri；螺杆外径D]=25nun；螺母内径D2=27mm；钢球直径d=6.350nun；

螺距P=9.525mm；工作圈数W=l.5；齿扇全齿数为13；

・・・每一个环路中的钢球数为：

〃二工，处=3.14x25x1.5:85

取n=19。

duuscz0d6.35

齿扇全齿数为Zyl3；齿扇齿数为Z=5；模数为m=4.0mm；齿顶高系数为h：=0.8；

顶隙系数为c*

二节圆的直径为d节=m*Z全X13mm=52mm

，节圆半径r=dw/2=52/2mm=26mm

・二齿顶图为hn-h；,*X

，齿根高为hf=(h；+c*)m=(0.8+0.3)X

，齿厚为s=£3.14x4

Fmm=6.28/72/77

转向器角传动比为:

2初_2x3.14x26

=17.14(3.9)

~p~9.525

表循环球式转向器齿扇齿模数⑴

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齿扇齿模数

m/nun

1600

排量1000

50020002000————

/mL〜180()

乘用2000

车前轴3500470070008300

10000

负荷<***--z————

〜11000

/N38007350900011000

前轴300045005500700090001700023000

负荷

货车

/N500075001850019500240003700044000

和大

最大

客车

转载

350100025002700350060008000

质量

/Kg

3.10轴的计算

当转向盘转过3〃角(即圈)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,现在，摇臂轴转过立角，与此同时，转向轮转至最大转角，那么

3

s=ppr=—x26mm=54.45〃〃%(3.10)

那么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=2X5mm=10mm；在此条件卜，应尽可能缩短滚道长度。但为平安计，在有效，作

长度一之外的两头各增加圈滚道长度。乂因为螺杆螺纹滚道的有效工作长度距两头面

距离

因此，螺杆螺纹滚道的实际有效工作长度L

L=L'+2X0.55mm=10+1.3mm=110.2mm取整得L=110mm。

螺杆螺线导程角s则

1,1

P9.525八s

tan«0=——=-------=0.12

7TD3.14X25

即□o=arctan0.12=6.92°

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汽车循环球式转向器设计

第四章齿条、齿扇传动副的设计

齿条、齿扇传动副的原理

齿扇一样有5个齿，它与摇臂轴连为一体。齿扇的齿厚沿齿长方向是转变的，如此

即可通过轴向移动摇臂轴来调剂齿扇与齿条的啮合间隙。由于转向器常常处于中间位置

工作，因此齿扇与齿条的中间

齿磨损最厉害。为了排除中间

齿磨损后产生的间隙而不致在

转弯时使两头齿卡住，那么应

增大两头齿啮合时的齿侧间

隙,这种必要的齿侧间隙的改

变可通过使齿扇各齿具有不同

的齿厚来达到。即齿扇由中间

齿向两头齿的齿厚是慢慢减小

的。为此可在齿扇的切齿进程

中使毛坯绕工艺中心a转动，

如图4.1所示，（）i相关于摇臂

轴的中心。有距离为n的偏心。

如此加工的齿扇在与齿条的啮

合中由中间齿转向两头的齿

时，齿侧间隙也慢慢加大，

啮合角一样a为20°；图4.1齿侧间隙的齿扇加工原先与计算简图⑴

因此径向间隙为：

△X

△s可表达为：

△s=2Artana-2XXtan209mm

齿条、齿扇传动副各对啮合齿齿侧间隙的改变也能够用改变齿条各齿槽宽而不改变

齿扇各轮齿齿厚的方法来实现。一样是将齿条双侧的齿槽宽制成比中间齿槽大0.20〜

0.30mm即可。

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4.2变厚齿扇

变厚齿扇的分析

变厚齿扇的齿顶和齿跟的轮廓面是圆锥的一部份，其分度圆上的齿厚是转变的，齿

扇的齿厚沿齿宽方向的转变称为变厚齿扇。如图4.2所示，滚刀相对工件作垂直进给的

同时，还以必然的比例作径向进给，二者合成为斜向进给。如此即可取得变厚齿扇。变

厚齿扇的齿顶及齿根的轮廓面为圆锥面，其分度圆上的齿厚是成比例转变的，形成变厚

齿扇，如图4.3所示。在该图中0—0截面原始齿形的变位系数C=0,那么位于其双侧

的截面1-1和II—H别离具有C〉0和即截面I-I的齿轮为正变位齿轮，截

面II—II的齿轮为负变位齿轮。即变厚齿扇在其整个齿宽方向上是由无穷多的原始齿形

变位系数慢慢转变的圆柱齿轮所形成。因为在与0—0平行的不同截面中，其模数m不

变、齿数也相同，故其分度圆及基圆亦不变，即为分度圆柱和基圆柱。其不同截面位置

上的渐开线齿形，均为在同一基圆柱上展开的渐开线，仅仅是其轮齿的渐开线齿形离基

圆的位置不同罢了，故应将其归入圆柱齿轮范围，而不该归于直齿圆锥范围，尽管它们

从外观上更相似，因为直齿圆锥齿轮轮齿的渐开线齿形的形成基准是基锥。

滚刀

图4.2用滚刀加工变厚齿扇的进给运动⑴图4.3变厚齿扇的截面⑴

变厚齿扇齿形的计算

通常取齿扇宽度的中间位置作基准截面，如下31的截面I-I.由该截面至大端（截面

H-II）时，各截面处的变位系数C均取正，向小端（截面HI-HI）时，变位系数C由正

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汽车循环球式转向器设计

变成穹（截面IT）再变成负值。设截面IT至截面n-n的距离为旬，

111

a0=^wz/tan/（4.1）

那么式中"一一在截面1-1处的原始齿形变位系数；

m------模数；

Y——切削角（见图4.4）

由式（4-1）可知；当齿扇的模数m及切削角Y选定后，各截面处的变位系数C取决

于该截面与基准截面间的距离a（见图4.4）。

切削角丫为60°30'；齿扇宽一样为22〜28mln；模数为m=4.0mm；齿顶高系数一样取0.8；

压力角为20°。

・••距离为：

图4.4变厚齿扇齿形计算简图⑴

.••在截面II处的变位系数为：

1

丫a.xtan/"12.5xtan6°30„.

c=---}-----------=------------------=U..5o4

m4

，齿扇的最大端的直径为:

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D大二(Z全+2h：+2C)⑶m=(13+2X0.8+2X0.342)X

・••齿扇的最小端直径为：

D小=(Z全+2h；—2C)⑶(13+2XX0.342)X

，分度圆弧齿厚为

S=(-+2Ctanaj⑶m=3.14/2+2XXtan20°

2

，齿扇的全齿高为：

h=hn+hFhH*m+(haX4+(0.8+0.3)X

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汽车循环球式转向器设计

第五章转向器载荷的计算

5.1转向器计算载荷的确信

为了保证行驶平安,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，需第一确信作用在各零件上的力。

阻碍这些力的要紧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、车轮稳固阻力、轮胎变形阻力和转向系中的

内摩擦力等。

精准地计算出这些力是困难的。为此推荐用足够精准的半体会公式来计算汽车在沥

青或混凝土路面上原地转向阻力矩小（N•mm），即

孙=“（5.D

式中G1为前轴负荷：

G=n鸟=790x9.8N=7742N

m为汽车前轴负荷，单位为kg；

g为重力加速度；

f为轮胎和路面间的滑动摩擦因数，一样取0,7；

P为轮胎气压（MPa）,查轮胎气压规格得p=0.35MPa。

N•mm=268672N,mm

，3、/）3().35

正效率为

tan%⑴=lan6.920_67%

tan(a0+p)tan(6.92°+3.43°)

作用在方向盘上的手力为:

、RR⑴「⑴义

F=2LM.2M.2x268672(5.2)

4?swi+O.$w"%400xl7.14x0.67

式中，L为转向摇臂长（L取200mm）；1建为转向节臂长;

Ds”为转向盘直径（Ds.取400nm1）；L,为转向器角传动比；为转向器正效率。

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5.2循环球式转向器零件强度计算

钢球与滚道之间的接触应力

钢球接触点至螺杆中心线的距离为

.Dd256.35._

1=-----costn/=--------xcos45oHm7=10.25卯〃

2222

式中D为钢球中心距；d为钢球直径。

作用在螺杆上的轴向力为

…型二空登N=2205N(5.3)

/10.25

钢球与螺杆之间的正压力为

?居1，12205z/人

F=-----=----=---------------N=42N(5.4)

3ncoscosos。76cos6.92°cos45°

钢球与滚道之间的接触应力。为

(5.5)

式中，K为系数，依照A/B值从表查出，

A=[(1/r)-(1/RJ]/2,B<(1/r)+(1/R2)]/2,K取1.8；R2

为滚道截面半径；r为钢球半径；R.XlOllPao

已知R28mm；Ri=Di/2=25/2mm=12.5.

图5.1螺杆受力简图⑴

.・.。回字=1.8、乒叵巨娈叵m=1260M&

=\(R/)2V(3.30x3.18)2

因为。=1260MPa^[o]=2500MPa,因此接触应力符合要求。

表5.1系数长与%的关系⑴