循環(huán)球式轉向器的設計2

1、目錄摘要 .1 緒論 .1 1.1 課題背景 .1 1.2 國內外研究現(xiàn)狀 .2 1.3 研究目的及意義 .3 1.4 研究內容和設計方法 .32 轉向器的設計 .4 2.1 轉向系統(tǒng)簡介 .4 2.2 機械轉向系 .5 2.2.1 轉向操縱機構 .5 2.2.2 轉向器 .6 2.2.3 轉向傳動機構 .9 2.3 轉向系主要性能參數(shù) .9 2.3.1 轉向器的效率 .9 2.3.2 傳動比的變化特性 .10 2.4 主要尺寸參數(shù)的選擇 .12 2.4.1 螺桿、鋼球、螺母傳動副設計 .15 2.4.2 齒條、齒扇傳動副設計 .17 2.5 轉向器的計算和校核.18 2.5.1 循環(huán)球式轉向

2、器零件的強度計算.18 2.5.2 轉向搖臂軸直徑的確定 .203 三維模型及二維工程圖 .21 3.1 三維模型零件圖 .21 3.2 二維工程圖 .24 3.2.1 零件圖的繪制 .24 3.2.2 總裝圖的繪制 .264 結論 .27致謝 .28參考文獻 .29循環(huán)球式轉向器的設計 摘要摘要 汽車是一種性能要求高，負荷變化大的運輸工具。轉向系統(tǒng)作為汽車的關鍵部件之一，更需要了解和掌握。轉向器作為轉向系統(tǒng)中最重要的組成部件，對它進行深入的研究便顯得意義重大。循環(huán)球式轉向器主要由螺桿、螺母、鋼球、轉向器殼體等組成，具有較高的傳動效率，操縱輕便，磨損較小，使用壽命長，近年來得到廣泛使用。根據(jù)現(xiàn)

3、用的國家標準并依據(jù) BJ2020 汽車的循環(huán)球轉向器數(shù)據(jù)，按照汽車設計的原則設計一款循環(huán)球轉向器，完成三維圖形和零件平面圖的繪制，使其能夠滿足現(xiàn)代汽車的國家標準要求。 關鍵詞關鍵詞 循環(huán)球 轉向器 設計 分析 The design on circulating ball type steering gear for a light off-road vehicleAbstract Automobile is a transport machine with high-performance and variable loads. Steering system is one of the ke

4、y components for vehicles and need to be understood and grasped. As the most important part of steering system, steering gear need to be studied importantly. Circulating ball-type steering gear contains screw, nut, ball, steering gear housing, etc. It has many Advantages, such as high transmission e

5、fficiency, light manipulation, less wear and long service life, so as to be widely used in recent years. According to current national standards and the ball steering vehicle data of BJ2020, a cycle ball steering is designed by the automotive principles, and some three-dimensional graphics and rende

6、ring parts of the plan are completed, so as to meet the national standards of Modern sports utility vehicle.Key words Circulating ball Steering gear Design Analysis Sports utility vehicle1 1 緒論緒論1.11.1 課題背景課題背景轉向器又名轉向機、方向機，它是轉向系中最重要的部件。轉向器的作用是：增大轉向盤傳到轉向傳動機構的力和改變力的傳遞方向。轉向器按結構形式可分為多種類型。目前較常用的有齒輪齒條式、蝸桿

7、曲柄指銷式、循環(huán)球-齒條齒扇式、循環(huán)球曲柄指銷式、蝸桿滾輪式等。如果按照助力形式，又可以分為機械式（無助力）和動力式（有助力）兩種，其中動力轉向器又可以分為氣壓動力式、液壓動力式、電動助力式、電液助力式等種類。 （1） 齒輪齒條式轉向器齒輪齒條式轉向器是一種最常見的轉向器。其基本結構是一對相互嚙合的小齒輪和齒條。轉向軸帶動小齒輪旋轉時，齒條便做直線運動。有時，靠齒條來直接帶動橫拉桿，就可使轉向輪轉向。所以，這是一種最簡單的轉向器。它的優(yōu)點是結構簡單，成本低廉，轉向靈敏，體積小，可以直接帶動橫拉桿。在汽車上得到廣泛應用。 （2） 蝸桿曲柄銷式轉向器蝸桿曲柄銷式轉向器是以蝸桿為主動件，曲柄銷為從動

8、件的轉向器。蝸桿具有梯形螺紋，手指狀的錐形指銷用軸承支承在曲柄上，曲柄與轉向搖臂軸制成一體。轉向時，通過轉向盤轉動蝸桿、嵌于蝸桿螺旋槽中的錐形指銷一邊自轉，一邊繞轉向搖臂軸做圓弧運動，從而帶動曲柄和轉向垂臂擺動，再通過轉向傳動機構使轉向輪偏轉。這種轉向器通常用于轉向力較大的載貨汽車上。 （3） 循環(huán)球式轉向器這種轉向裝置是由齒輪機構將來自轉向盤的旋轉力進行減速，使轉向盤的旋轉運動變?yōu)闇u輪蝸桿的旋轉運動，滾珠螺桿和螺母夾著鋼球嚙合，因而滾珠螺桿的旋轉運動變?yōu)橹本€運動，螺母再與扇形齒輪嚙合，直線運動再次變?yōu)樾D運動，使連桿臂搖動，連桿臂再使連動拉桿和橫拉桿做直線運動，改變車輪的方向。循環(huán)球式轉向器

9、的原理相當于利用了螺母與螺栓在旋轉過程中產生的相對移動，而在螺紋與螺紋之間夾入了鋼球以減小阻力，所有鋼球在一個首尾相連的封閉的螺旋曲線內循環(huán)滾動，循環(huán)球式故而得名。 （4） 齒輪齒條液壓助力轉向器齒輪齒條液壓助力轉向器，是相對于齒輪齒條機械轉向器而言的，主要是增加了轉向油泵、轉向油壺、轉向油管、轉向閥、轉向油缸等部件，以期達到改善駕駛員手感，增加轉 向助力的目的的轉向裝置。進入 90 年代以來，汽車已經(jīng)融入我們的生活，我國的經(jīng)濟實力不斷增強，人民生活水平大幅度提高，同時也反映出民族汽車工業(yè)的巨大進步?，F(xiàn)在我國已經(jīng)成為世界五大汽車強國。作為汽車關鍵部件之一的轉向系統(tǒng)也得到了相應的發(fā)展，基本已形成

10、了專業(yè)化、系列化生產的局面。有資料顯示，國外有很多國家的轉向器廠，都已發(fā)展成大規(guī)模生產的專業(yè)廠，年產超過百萬臺，壟斷了轉向器的生產，并且銷售點遍布了全世界。汽車轉向器的結構很多，從目前使用的普遍程度來看，主要的轉向器類型有 4 種：有蝸桿銷式(WP 型)、蝸桿滾輪式(WR 型)、循環(huán)球式(BS 型)、齒輪齒條式(RP 型)。這四種轉向器型式，已經(jīng)被廣泛使用在汽車上。1綜合上述對有關轉向器品種的使用分析,得出以下結論：循環(huán)球式轉向器和齒輪齒條式轉向器，已成為當今世界汽車上主要的兩種轉向器；而蝸輪-蝸桿式轉向器和蝸桿銷式轉向器，正在逐步被淘汰或保留較小的地位。在小客車上發(fā)展轉向器的觀點各異，美國和

11、日本重點發(fā)展循環(huán)球式轉向器,比率都已達到或超過 90%；西歐則重點發(fā)展齒輪齒條式轉向器，比率超過 50%，法國已高達 95%。據(jù)了解，在全世界范圍內，汽車循環(huán)球式轉向器占 45%左右，有繼續(xù)發(fā)展之勢；齒條齒輪式轉向器在 40%左右；蝸桿滾輪式轉向器占 10%左右；其它型式的轉向器占 5%。所以可以說循環(huán)球式轉向器在穩(wěn)步發(fā)展。而西歐小客車中，齒條齒輪式轉向器有很大的發(fā)展。日本汽車轉向器的特點是循環(huán)球式轉向器占的比重越來越大，日本裝用不同類型發(fā)動機的各類型汽車，采用不同類型轉向器，在公共汽車中因使用循環(huán)球式轉向器，由 60 年代占總數(shù)的 62.5%發(fā)展到現(xiàn)今的 100%了(蝸桿滾輪式轉向器在公共汽

12、車上已經(jīng)淘汰)。大、小型貨車中，也大都采用循環(huán)球式轉向器；但齒條齒輪式轉向器有所發(fā)展；微型貨車用循環(huán)球式轉向器占 65%，齒條齒輪式占 35%。由于循環(huán)球式轉向器的種種優(yōu)點，在中、小型號的車輛上都有良好的應用，而大型車輛更以循環(huán)球式轉向器為主要結構。由此我們不難看出循環(huán)球式轉向器設計具有很重要的意義，其應用前景也非常的好。1.21.2 國內外研究現(xiàn)狀國內外研究現(xiàn)狀循環(huán)球式轉向器是汽車上一種常用的轉向器，主要由螺桿、螺母、鋼球、轉向器殼體等組成。因螺母與螺桿之間沒有滑動摩擦，只有鋼球與螺桿及螺母之間的滾動摩擦，所以循 2環(huán)球式轉向器具有較高的傳動效率，由于有結構復雜，成本高，轉向靈敏度不如齒輪齒

13、條式的眾多缺點，因此逐漸被齒輪齒條式取代。但隨著動力轉向的應用以及道路行駛條件的改善，“打手”的現(xiàn)象明顯減少，正向傳動效率很高（最高可達 9095%），操縱輕便，使用壽命長，各種優(yōu)勢逐漸得到體現(xiàn)，因此目前再次得到廣泛使用。汽車車速的提高，需要在高速時有較好的轉向穩(wěn)定性，必須使轉向器具有較高的剛度。循環(huán)球式轉向器由于通過大量鋼球的滾動接觸來傳遞轉向力，具有較大的強度和較好的耐磨性。并且該轉向器可以被設計成具有等強度結構，特別是變速比結構具有較高的剛度，適宜高速車輛采用，這也是它采用廣泛的原因之一。循環(huán)球式轉向器的間隙可調，齒條齒扇副磨損后可以重新調整間隙，使之具有合適的轉向器傳動間隙，從而提高轉

14、向器壽命，因此采用日益廣泛。我國的轉向器也在向大量生產循環(huán)球式轉向器發(fā)展。1.31.3 研究目的及意義研究目的及意義本次畢業(yè)設計主要是針對汽車循環(huán)球式轉向器，根據(jù)一些指定的參數(shù)結合汽車設計和其他相關書籍中關于轉向器的理論知識設計一款循環(huán)球式轉向器，確定其相關參數(shù)，使設計出的轉向器符合使用要求。本文通過對一款循環(huán)球式轉向器的設計，使其能夠滿足輕型越野車的需要，并為其今后拓展應用領域奠定理論設計基礎。1.41.4 研究內容和研究內容和設計設計方法方法研究內容：（1） 調研收集課題相關資料。結合畢業(yè)設計課題進行必要的文獻檢索，查閱、收集、整理、歸納技術文獻和科技情報資料；（2） 深入學習并掌握汽車設

15、計、汽車構造等專業(yè)知識；了解循環(huán)球轉向器設計的指導思想和設計原則；（3） 掌握汽車設計的方法和步驟，參考有關資料、手冊和標準，對各總成部件進行選型、計算、校核等；（4） 計算循環(huán)球式轉向器的主要參數(shù)，并對其重要部件進行強度校核，確定相關參數(shù)、材料以及裝配要求。繪制循環(huán)球式轉向器的三維模型，按照標準和生產工藝要求，繪制汽車轉向器總裝配圖和主要零件圖。設計方法：根據(jù)設計中已知參數(shù)并結合理論知識，分析并計算得到循環(huán)球式轉向器的基本結構參數(shù)，然后利用相關經(jīng)驗公式對轉向器的重要部件進行強度校核，校核的結果不符合國家相關要求則需要重新計算，當結果滿足要求的時候，可確定其相關幾何尺寸并完成圖紙的繪制，結束本

16、論文的設計工作。2 2 轉向器的設計轉向器的設計2.12.1 轉向系統(tǒng)簡介轉向系統(tǒng)簡介轉向系統(tǒng)是用來保持或者改變汽車行駛方向的機構，保證各轉向輪之間有協(xié)調的轉角關系。機械轉向系依靠駕駛員的手力轉動轉向盤，經(jīng)轉向器和轉向傳動機構使轉向輪偏轉。有些汽車還裝有防傷機構和轉向減震器。采用動力轉向的汽車還裝有動力系統(tǒng)，并借助此系統(tǒng)來減輕駕駛員的手力。按照中華人民共和國國家標準 GB17675-1999 和汽車設計可知4，其轉向器的設計要求如下5：（1） 方向盤必須左置。（2） 不得單獨以后輪作為轉向車輪。（3） 不得裝用全動力轉向機構。（4） 轉向時轉向車輪的偏轉必須是漸進的。（5） 轉向系統(tǒng)必須有足夠

17、的剛度且堅固耐用，以確保行駛安全。（6） 轉向系統(tǒng)必須保證駕駛員在正常駕駛操作位置上能方便、準確地操作，轉向系統(tǒng)在任何操作位置上不得與其他零部件有干涉現(xiàn)象。（7） 汽車轉向車輪應有自動回正能力，以保持汽車穩(wěn)定的直線行駛。（8） 后輪也做轉向車輪的汽車，具有二根和二根以上轉向車軸的全掛車和具有一根和一根以上轉向車軸的半掛車，以 80kmh（設計車速計）的車速行駛時，駕駛員必須能在不做異常轉向修正的條件，保持汽車直線行駛。（9） 以 10kmh 車速、24m 轉彎直徑前行轉彎時，不帶助力時轉向力應小于 245N，帶助力轉向但助力轉向失效時，其轉向力應小于 588N，機動動作時間正常情況下不得大于4

18、s，帶助力轉向但助力失效時不得大于 65。左右兩個方向都要試驗。（10） 當汽車前行向左或向右轉彎時，轉向盤向左向右的回轉角和轉向力不得有顯著差異。（11） 轉向系統(tǒng)中的液壓、氣壓或電氣部件部分或全部失效后，轉向系統(tǒng)必須有控制汽車行駛方向的能力。（12） 當助力轉向裝置本身無獨立的輔助動力源時，必須設有蓄能器。如使用壓縮空氣，貯氣筒上必須設有單向閥。（13） 轉向系統(tǒng)所有零部件的設計、結構和安裝，必須保證駕駛員正常操作時不會鉤掛駕駛員的衣服和飾物；不得有撞車時會加重駕駛員傷害的粗糙表面或尖銳棱角，維修保養(yǎng)時應該容易接近。2.22.2 機械轉向系機械轉向系機械轉向系以駕駛員的體力作為轉向能源，其

19、中所有的傳力件都是機械的。機械轉向系由轉向操縱機構、轉向器和轉向傳動機構三大部分組成。（如圖 2-1）1.轉向盤 2.安全轉向軸 3.轉向節(jié) 4.轉向輪5.轉向節(jié)臂 6.轉向橫拉桿 7.轉向減振器 8.機械轉向器圖 2-1 機械式轉向系統(tǒng)圖 2-1 是一種機械式轉向系統(tǒng)。駕駛員對轉向盤 1 施加的轉向力矩通過轉向軸 2 輸入轉向器 8。從轉向盤到轉向傳動軸這一系列零件即屬于轉向操縱機構。作為減速傳動裝置的轉向器中有 1、2 級減速傳動副（圖中所示轉向系統(tǒng)中的轉向器為單級減速傳動副）。經(jīng)轉向器放大后的力矩和減速后的運動傳到轉向橫拉桿 6，再傳給固定于轉向節(jié) 3 上的轉向節(jié)臂5，使轉向節(jié)和它所支承

20、的轉向輪偏轉，從而改變了汽車的行駛方向。這里，轉向橫拉桿和轉向節(jié)臂屬于轉向傳動機構。2.2.1 轉向操縱機構轉向操縱機構（參見圖 2-3）由方向盤（如圖 2-2 所示）、轉向軸、轉向管柱等組成，它的作用是將駕駛員轉動轉向盤的操縱力傳給轉向器6。1.輪圈 2.輪輻 3.輪轂圖 2-2 方向盤圖 2-3 轉向操縱機構2.2.2 轉向器轉向器(也常稱為轉向機)是完成由旋轉運動到直線運動(或近似直線運動)的一組齒輪機構，同時也是轉向系中的減速傳動裝置。目前較常用的有齒輪齒條式、循環(huán)球曲柄指銷式、蝸桿曲柄指銷式、循環(huán)球-齒條齒扇式、蝸桿滾輪式等。我們主要介紹前幾種。圖 2-4 齒輪齒條轉向器循環(huán)球式轉向

21、器和齒輪齒條式轉向器（參見圖 2-4），已成為當今世界汽車上主要的兩種轉向器；蝸桿式轉向器和蝸桿銷式轉向器，正在逐步被淘汰或保留較小的地位。循環(huán)球式轉向器的特點是：效率高，操縱輕便，有一條平滑的操縱力特性曲線。布置方便。特別適合大、中型車輛和動力轉向系統(tǒng)配合使用；易于傳遞駕駛員操縱信號；逆效率高、回位好，與液壓助力裝置的動作配合得好?？梢詫崿F(xiàn)變速比的特性，滿足了操縱輕便性的要求。中間位置轉向力小、且經(jīng)常使用，要求轉向靈敏，因此希望中間位置附近速比小，以提高靈敏性。大角度轉向位置轉向阻力大，但使用次數(shù)少，因此希望大角度位置速比大一些，以減小轉向力。由于循環(huán)球式轉向器可實現(xiàn)變速比，應用正日益廣泛。

22、通過大量鋼球的滾動接觸來傳遞轉向力，具有較大的強度和較好的耐磨性。并且該轉向器可以被設計成具有等強度結構，這也是它應用廣泛的原因之一。變速比結構具有較高的剛度，特別適宜高速車輛車速的提高。高速車輛需要在高速時有較好的轉向穩(wěn)定性，必須保證轉向器具有較高的剛度。齒條齒扇副磨損后可以重新調整間隙，使之具有合適的轉向器傳動間隙，從而提高轉向器壽命，也是這種轉向器的優(yōu)點之一。圖 2-5 循環(huán)球式轉向器循環(huán)球式轉向器有一蝸桿。您可以將此轉向器想象為兩部分。第一部分是帶有螺紋孔的金屬塊。此金屬塊外圍有切入的輪齒，這些輪齒與驅動轉向搖臂的齒輪相結合（參見圖 2-5）。方向盤連接在類似螺栓的螺桿上，螺桿則插在金

23、屬塊的孔內。轉動方向盤時，它便會轉動螺栓。由于螺栓與金屬塊之間相對固定，因此旋轉時，它不會像普通螺栓那樣鉆入金屬塊中，而是帶動金屬塊旋轉，進而驅動轉動車輪的齒輪。螺栓并不直接與金屬塊上的螺紋結合在一起，所有螺紋中都填滿了滾珠軸承，當齒輪轉動時，這些滾珠將循環(huán)轉動。滾珠軸承有兩個作用：第一，減少齒輪的摩擦和磨損；第二，減少齒輪的溢出。如果齒輪溢出，則會在轉動方向盤時感覺到。而如果轉向器中沒有滾珠，輪齒之間會暫時脫離，從而造成方向盤松動。循環(huán)球式系統(tǒng)中的動力轉向工作原理與齒條齒輪式系統(tǒng)類似。其輔助動力也是通過向金屬塊一側注入高壓液體來提供的。汽車轉向系統(tǒng)對汽車的行駛安全至關重要，因此汽車轉向系統(tǒng)的

24、零件都稱為保安件。循環(huán)球式轉向器是目前國內外應用最廣泛的結構型式之一，一般有兩級傳動副，第一級是螺桿螺母傳動副，第二級是齒條齒扇傳動副。為了減少轉向螺桿轉向螺母之間的摩擦，二者的螺紋并不直接接觸，其間裝有多個鋼球，以實現(xiàn)滾動摩擦。轉向螺桿和螺母上都加工出斷面輪廓為兩段或三段不同心圓弧組成的近似半圓的螺旋槽。二者的螺旋槽能配合形成近似圓形斷面的螺旋管狀通道。螺母側面有兩對通孔，可將鋼球從此孔塞入螺旋形通道內。轉向螺母外有兩根鋼球導管，每根導管的兩端分別插入螺母側面的一對通孔中。導管內也裝滿了鋼球。這樣，兩根導管和螺母內的螺旋管狀通道組合成兩條各自獨立的封閉的鋼球“流道”。轉向螺桿轉動時，通過鋼球

25、將力傳給轉向螺母，螺母即沿軸向移動。同時，在螺桿及螺母與鋼球間的摩擦力偶作用下，所有鋼球便在螺旋管狀通道內滾動，形成“球流”。在轉向器工作時，兩列鋼球只是在各自的封閉流道內循環(huán)，不會脫出。2.2.3 轉向傳動機構轉向傳動機構的功用是將轉向器輸出的力和運動傳到轉向橋兩側的轉向節(jié)，使兩側轉向輪偏轉，且使二轉向輪偏轉角按一定關系變化，以保證汽車轉向時車輪與地面的相對滑動盡可能小。2.32.3 轉向系主要性能參數(shù)轉向系主要性能參數(shù)2.3.1 轉向器的效率功率從轉向軸輸入，經(jīng)轉向搖臂軸輸出所求得的效率稱之為正效率，用符號表示，1P；反之則稱為逆效率，用符號表示，。式中為轉121/ )(PPP 323/

26、)(PPP 2P向器中的摩擦功率；為轉向搖臂軸上的功率。為了保證轉向時駕駛員轉動轉向盤輕便，要3P求正效率高，為了保證汽車轉向后轉向輪和轉向盤能自動返回到直線行駛位置，又需要有一定的逆效率。為了減輕在不平路面上行駛時駕駛員的疲勞，車輪于路面之間的作用力傳至轉向盤上要盡可能小，防止打手，這又要求此逆效率盡可能低。影響轉向器正效率的因素有：轉向器的類型、結構特點、結構參數(shù)和制造質量等。(1) 轉向器類型、結構特點與效率滾針軸承和球軸承等三種結構之一。第一種結構除滾輪與滾針之間有摩擦損失外，滾輪側翼與墊片之間還存在滑動摩擦損失，故這種轉向器的效率僅有 54%，另外兩種結構在前述四種轉向器中，齒輪齒條

27、式、循環(huán)球式轉向器的正效率比較高，而蝸桿指銷式特別是固定銷和蝸桿滾輪式轉向器的正效率要明顯的低些。同一類型轉向器，因結構不同效率也不一樣。如蝸桿滾輪式轉向器的滾輪與支持軸之間的軸承可以選用滾針軸承、圓錐滾子軸的轉向器效率，根據(jù)試驗結果分別為 70%和 75%。轉向搖臂軸軸承的形式對效率也有影響，用滾針軸承比用滑動軸承可使正或逆效率提高約 10%。(2) 轉向器的結構參數(shù)和效率如果忽略軸承和其它地方的摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，對于蝸桿和螺桿類轉向器，其效率可用下式計算 （2-)tan(tan001）式中，為螺桿（或蝸桿）的螺線導程角：為摩擦角，；為摩擦因0farctanf數(shù)。取為 7；取

28、 0.03，；0f146. 1arctan f%7 .85)146. 17tan(7tan)tan(tan00根據(jù)逆效率大小不同，轉向器又有可逆式、極限可逆式和不可逆式之分。路面作用在車輪上的力，經(jīng)過轉向系可大部分傳遞到轉向盤，這種逆效率較高的轉向器屬于可逆式。它能保證轉向后，轉向輪和轉向盤自動回正。這既減輕了駕駛員的疲勞，又提高了行駛安全性。但是，在不平路面上行駛時，車輪受到的沖擊力能大部分傳至轉向盤，造成駕駛員“打手” ，使之精神緊張；如果長時間在不平路面上行駛，易使駕駛員疲勞，影響安全駕駛。屬于可逆式的有齒輪齒條式和循環(huán)球式轉向器。不可逆式轉向器，是指車輪受到的沖擊力不能傳到轉向盤的轉向

29、器。該沖擊力由轉向傳動機構的零件承受，因而這些零件容易損壞。同時，它既不能保證車輪自動回正，駕駛員又缺乏路面感覺，因此，現(xiàn)代汽車不采用這種轉向器。極限可逆式轉向器介于上述兩者之間。在車輪受到?jīng)_擊力作用時，此力只有較小一部分傳至轉向盤。它的逆效率較低，在不平路面上行駛時，駕駛員并不十分緊張，同時轉向傳動機構的零件所承受的沖擊力也比不可逆式轉向器要小。如果忽略軸承和其它地方的摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，則逆效率可用下式計算 （2-00tan)tan(2）%5 .837tan)146. 17tan(tan)tan(00式（2-1）和（2-2）表明：增加導程角，正、逆效率均增大。受增大的影響，0

30、不宜取得過大。當導程角小于或等于摩擦角時，逆效率為負值或者為零，此時表明該轉向0器是不可逆式轉向器。2.3.2 傳動比的變化特性(1) 轉向系傳動比 轉向系的傳動比包括轉向系的角傳動比和轉向系的力傳動比。從輪胎接地面中心0ipi作用在兩個轉向輪上的合力與作用在轉向盤上的手力之比，稱為力傳動比，即wF2hF （2-hwpFFi/23）轉向盤角速度與同側轉向節(jié)偏轉角速度之比，稱為轉向系角傳動比，即 wk0i （2-kkkwdddtddtdi/04） 式中為轉向盤轉角增量；為轉向節(jié)轉角增量；為時間增量。它又由轉向器角dkddt傳動比和轉向傳動機構角傳動比所組成，即。iiiii0轉向盤角速度與搖臂軸角

31、速度之比，稱為轉向器角傳動比，即wpi （2-pppwdddtddtdi/5）式中，為搖臂軸轉角增量。此定義適應于除齒輪齒條式之外的轉向器。pd搖臂軸角速度與同側轉向節(jié)偏轉角速度之比，稱為轉向機構的角傳動比，即pki （2-LpLpkpdddtddtdi/6）(2) 力傳動比與轉向系角傳動比的關系輪胎與地面之間的阻力和作用在轉向節(jié)上的轉向阻力矩之間有如下關系WFrM （2-aMFrW7）式中，為主銷偏移距，指從轉向節(jié)主銷軸線的延長線與支撐平面的交點至車輪中心平a面與支承平面交線間的距離。作用在方向盤上的手力可用下式表示hF （2-swhhDMF28）式中，為作用在轉向盤上的力矩；為轉向盤直徑。

32、hMSWD將式（2-3）和（2-4）帶入后得到hwpFFi/2 （2-aMDMihswrP9）分析式（2-5）可知，當主銷偏移距小時，力傳動比應取大些才能保證轉向輕便。api通常輕型越野車的值在 0.40.6 倍輪胎的胎面寬度尺寸范圍內選取。轉向盤直徑應aSWD根據(jù)車型不同在 GB591186 轉向盤尺寸標準中規(guī)定的系列內選取。本次設計用原有車型的數(shù)據(jù)。如果忽略摩擦損失，根據(jù)能量守恒原理，可用下式表示hrMM /2 （2-02iddMMkhr10）將式（2-6）代入（2-5）后得到 （2-aDiiswP2011）當和不變時，力傳動比越大，雖然轉向越輕，但也越大，表明轉向不靈敏。aSWDpi0i

33、(3) 轉向系的角傳動比0i轉向傳動機構角傳動比，除用表示以外，還可以近似地用轉向節(jié)臂臂長kPddi/與搖臂長之比來表示，即?，F(xiàn)代汽車結構中，與的比值2L1L12/LLddikP2L1L大約在 0.851.1 之間，可近似認為其比值為 1，則。由此可見，研究轉ddii/0向系的傳動比特性，只需研究轉向器的角傳動比及其變化規(guī)律即可。i(4) 轉向器角傳動比及其變化規(guī)律式（2-7）表明：增大角傳動比可以增加力傳動比。從可知，當一定時，hwpFFi/2WF增大能減少作用在方向盤上的手力，使操縱輕便。pihF考慮到，由的定義可知：對于一定的轉向盤角速度，轉向輪偏轉角速度與轉ii00i向器角傳動比成反比

34、。角傳動比增加后，轉向輪偏轉角速度對轉向盤角速度的影響應變得遲鈍，使轉向操縱時間增長，汽車轉向靈敏性降低，所以“輕”和“靈”構成一對矛盾。為解決這對矛盾，可采用變速比轉向器。齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿指銷式轉向器都可以制成變速比轉向器。循環(huán)球齒條齒扇式轉向器的角傳動比，因結構原因，螺距不能變化，但可用改變齒扇嚙合半Pri/2P徑的方法，使循環(huán)球齒條齒扇式轉向器實現(xiàn)變速比的目的。r2.42.4 主要尺寸參數(shù)的選擇主要尺寸參數(shù)的選擇 BJ2020 前軸載荷根據(jù)表（2-2）取得為 757Kg，再根據(jù)表（2-3）選擇齒扇模數(shù)為 4。在確定齒扇模數(shù)后，轉向器其他參數(shù)根據(jù)表（2-1）和表（2-4）進行選取

35、。表 2-1 循環(huán)球轉向器的主要參數(shù)參數(shù)數(shù)值齒扇模數(shù)/mm3.03.54.04.55.06.06.5搖臂軸直徑/mm22263032323842鋼球中心距/mm20232528303540螺桿外徑/mm20232528293438鋼球直徑/mm5.5566.3506.3507.1448.000螺距/mm7.9388.7319.52510.00011.000工作圈數(shù)1.52.52.5環(huán)流行數(shù)2齒扇齒數(shù)55齒扇整圓齒數(shù)1213141315齒扇壓力角22302730切削角630630730齒扇寬/mm2225252725283028-3234383538表 2-2 BJ2020 的主要技術參數(shù)BJ2

36、020 汽車系列BJ2020S系列BJ2020N系列全長mm40683860全寬mm17681750全高整車裝備質量時mm19901830軸距mm2300輪距前輪、后輪mm14701440最小離地間隙滿載mm210215最小轉彎直徑沿前外輪中心mm12接近角滿載4145離去角滿載3335最大裝載質量kg425整車裝備質量kg15601520前橋軸荷整車裝備質量時kg757780后橋軸荷整車裝備質量時kg803740最大總質量kg19901945最大拖掛質量掛車和貨物kg800最高車速滿載km/h10098最低穩(wěn)定車速變速器一檔，分動器低檔km/h3最大爬坡度滿載、無拖掛、干燥的碎石路面30最大

37、涉水深度mm500一百公里燃油耗量L不大于 12汽車的制動性能、排放、噪聲滿足國家法規(guī)要求表 2-3 各類汽車循環(huán)球轉向器的齒扇齒模數(shù)齒扇齒模數(shù)mmm3.03.54O4.55O6.06.5發(fā)動機排量ml500100018001600200020002000轎車前軸負荷/N3500380047007350700090008300110001000011000前軸負荷N300050004500750055001850070001950090002400017000370002300044000貨車和大客車最大裝載kg350100025002700350060008000表 2-4 循環(huán)球式轉向器的

38、部分參數(shù)模數(shù) m螺桿外徑螺紋升程螺母長度鋼球直徑齒扇壓力角齒扇切削角搖臂軸外徑3.0207.938()165405.556()32722 306 307 30223.5238.731()3211455.556()32722 306 307 30264.0259.525()83486.350()4122 306 307 30295.02910.319()3213627.144()32922 306 307 30356.03410.319()3213727.144()32922 306 307 30386.53810.319()3213827.144()32922 306 307 3042根據(jù)所選

39、擇的齒扇模數(shù)，根據(jù)表（2-1）和表（2-4）選取對應的參數(shù)為：鋼球直徑：6.350mm 螺距：9.525mm 工作圈數(shù)：1.5螺桿外徑：25mm 環(huán)流行數(shù)：2 螺母長度：48mm齒扇齒數(shù)：5 齒扇壓力角：22 30 切削角：6 30齒扇寬：26mm2.4.1 螺桿、鋼球、螺母傳動副設計（1） 鋼球中心距螺桿外徑螺母內徑尺寸、如圖（2-6）所示D1D2DD1D2D 7圖 2-6 螺桿 鋼球 螺母傳動副在保證足夠的強度條件下，盡可能將值取小些。選取值的規(guī)律是隨著扇齒模數(shù)的增DD大，鋼球中心距也相應增加，設計時先參考同類型汽車的參數(shù)進行初選，經(jīng)強度驗算后，D再進行修正。 8螺桿外徑D1通常在2038

40、mm范圍內變化，設計時應根據(jù)轉向軸負荷的不同來選定，螺母內徑應大于，一般要求根據(jù)（表 2-1）：得D=25mm 2D1DDDD%)10%5(12D2=25mm mm5 .27%1012DDD（2） 鋼球直徑d及數(shù)量n鋼球直徑應符合國家標準，一般常在69mm范圍內，根據(jù)（表 2-1） 。取d=6.35 mm。每個環(huán)路中的鋼球數(shù)可用下式計算： （2-dDWdDWn0cos12）式中，D為鋼球中心距；W為一個環(huán)路中的鋼球工作圈數(shù)；n為不包括環(huán)流導管中的鋼球數(shù)；為螺線導程角，常取=58，則；代入數(shù)值解得n=18.55。 9001cos0（3） 滾道截面當螺桿和螺母各由兩條圓弧組成，形成四段圓弧滾道截面

41、時，見圖2-7，鋼球和滾道又四點接觸，傳動時軸向間隙最小，可滿足轉向盤自由行程小的要求。圖中滾道與鋼球之間的間隙，除用來貯存潤滑油之外，還能貯存磨損雜質。為了減小摩擦，螺桿和螺母溝槽的半徑應大于鋼球半徑，一般取。在此我2R2/ddR)53. 051. 0(2們取滾道半徑為3.302mm,符合相應的要求。圖 2-7 四段圓弧滾道截面（4） 接觸角鋼球與螺桿滾道接觸點的正壓力方向與螺桿滾道法面軸線間的夾角稱為接觸角。角多取為 45，以使軸向力與徑向力分配均勻。（5） 螺距和螺旋線導程角 P0轉向盤轉動角，對應螺母移動的距離 s 為 (2-13)2ps 式中，P 為螺紋螺距。螺距 P 一般在 811

42、mm 內選取。查表（2-1）得：取9.525mm P導程角= 5 8取。與此同時，齒扇節(jié)圓轉過的弧長等于，相應搖臂軸轉0 70s過，其間關系可表示如下：p （2-rsp14）式中，r 為齒扇節(jié)圓半徑。聯(lián)立式（2-12） ，式（2-13）得，將對求導PPr2p得循環(huán)球式轉向器角傳動比為i (2-15)Pri2又根據(jù)表 2-1 有；mm2/rmz13z262/1342/r mz已知，可求出轉向器的角傳動比P15.17525. 9/262i由式(2-14)可知，螺距 P 影響轉向器角傳動比的值，在螺距不變的條件下，鋼球直徑 d越大，圖（2-9）中的尺寸b越小，要求mm，符合要求。5 . 2dPb（6

43、） 工作鋼球圈數(shù) W多數(shù)情況下，轉向器用兩個環(huán)路，而每個環(huán)路的工作鋼球圈數(shù) W 又與接觸強度有關：增加工作鋼球圈數(shù)，參加工作的鋼球增多，能降低接觸應力，提高承載能力；但鋼球受力不均勻、螺桿增長而使剛度降低。工作鋼球圈數(shù)有 1.5 和 2 圈兩種。一個環(huán)路的工作鋼球圈數(shù)的選取見（表 2-1） 。取 W=1.5。螺桿鋼球螺母傳動副與通常的螺桿螺母傳動副的區(qū)別在于前者是經(jīng)過滾動的鋼球將力由螺桿傳至螺母，變滑動摩擦為滾動摩擦。螺桿和螺母上的相互對應的螺旋槽構成鋼球的螺旋滾道。轉向時轉向盤經(jīng)轉向軸轉動螺桿，使鋼球沿螺母上的滾道循環(huán)地滾動。為了形成螺母上的循環(huán)軌道，在螺母上與其齒條相反的一側表面(通常為上

44、表面)需鉆孔與螺母的螺旋滾道打通以形成一個環(huán)路滾道的兩個導孔，并分別插入鋼球導管的兩端導管。鋼球導管是由鋼板沖壓成具有半圓截面的滾道，然后對接成導管，并經(jīng)氰化處理使之耐磨。插入螺母螺旋滾道兩個導孔的鋼球的兩個導管的中心線應與螺母螺旋滾道的中心線相切。螺桿與螺母的螺旋滾道為單頭(單螺旋線)的，且具有不變的螺距。轉向盤與轉向器左置時轉向螺桿為左旋，右置時為右旋。鋼球直徑約為 69mm。一般應參考同類型汽車的轉向器選取鋼球直徑，dd并應使之符合國家標準。鋼球直徑尺寸差應不超過。顯然，大直徑的鋼球其承載d510128能力亦大，但也使轉向器的尺寸增大。鋼球的數(shù)量也影響承載能力，增多鋼球使承載能力n增大，

45、但也使鋼球的流動性變差，從而需要降低傳動效率。經(jīng)驗表明在每個環(huán)路中以不大n于 60 為好。2.4.2 齒條、齒扇傳動副設計齒扇通常有 5 個齒，它與搖臂軸為一體。齒扇的齒厚沿齒長方向是變化的，這樣即可通過軸向移動搖臂軸來調節(jié)齒扇與齒條的嚙合間隙。由于轉向器經(jīng)常處于中間位置工作，因此齒扇與齒條的中間齒磨損最厲害。為了消除中間齒磨損后產生的間隙而又不致在轉彎時使兩端齒卡住，則應增大兩端齒嚙合時的齒側間隙。這種必要的齒側間隙的改變可通過使齒扇各齒具有不同的齒厚來達到。即齒扇由中間齒向兩端齒的齒厚是逐漸減小的。為此可在齒扇的切齒過程中使毛坯繞工藝中心轉動，如圖 2-8 所示，相對于搖臂軸的中心有距離為

46、1O1OO的偏心。這樣加工的齒扇在齒條的嚙合中由中間齒轉向兩端的齒時，齒側間隙也逐漸加ns大，可表達為s （2-coscostan2tan22222nrnnrrsww16）式中徑向間隙；r嚙合角；齒扇的分度圓半徑；wr搖臂軸的轉角。圖 2-8 為獲得變化的齒側間隙齒扇的加工原理和計算簡圖圖 2-9 用于選擇偏心 n 的線圖當，確定后，根據(jù)上式可繪制如圖 2-12 所示的線圖，用于選擇適當?shù)闹?，以便wrn使齒條、齒扇傳動副兩端齒嚙合時，齒側間隙能夠適應消除中間齒最大磨損量所形成的s間隙的需要。齒條、齒扇傳動副各對嚙合齒齒側間隙的改變也可以用改變齒條各齒槽寬而不改變s齒扇各輪齒齒厚的辦法來實現(xiàn)。一

47、般是將齒條(一般有 4 個齒)兩側的齒槽寬制成比中間齒 10槽大0.200.30mm即可。本次設計采用直齒齒輪。2.52.5 轉向器的計算和校核轉向器的計算和校核2.5.1 循環(huán)球式轉向器零件的強度計算為了進行強度計算，首先要確定其計算載荷。式(2-13)曾給出了汽車在粗糙的硬路面 11上作原地轉向時轉向輪的轉向阻力矩，利用它可求得轉向搖臂上的力矩和在轉向盤上的切向力，它們均可作為轉向系的最大計算載荷。但對前軸負荷大的重型載貨汽車，用關系式計算出來的力，往往會超過司機在體力上的所能施展的力量。這時在計算轉向器的零件具體參數(shù)時，可取司機作用在轉向盤輪緣上的最大瞬時力。確定計算載荷后，即可計算轉向

48、系零件的強度。汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉向阻力矩（Nmm）即 （2-pGfMR31317）f取0.7；為前軸負荷（N） ；輪胎氣壓（MPa） 。由查得的資料可知道 BJ2020 前軸1Gp負荷 757Kg,因此；NG6 .74188 . 97571Mpap245. 0056.301215245. 0)6 .7418(37 . 03RM確定計算載荷后，即可計算轉向系零件的強度。轉向系力傳動比： （2-aDiiswp2018）為轉向系角傳動比；0i15.170ii為轉向盤直徑取435mm；SWD為主銷偏移距通常的值在0.40.6倍輪胎的胎面寬度尺寸范圍內選取。取aamm，所以5 .1072

49、155 . 0a7 .345 .107243515.17pi輪胎與地面之間的轉向阻力和作用在轉向節(jié)上的轉向阻力有如下關系WFRMNaMFRW28025 .107056.301215max再根據(jù)可求出作用在方向盤上的手力hWpFFi2NiFFpWh5 .1617 .34280222（1） 鋼球與滾道間的接觸應力j （2-3222)12(RdNEKjj19）式中 K系數(shù)，根據(jù) AB 查表 2-5 求得，其中 AB 用下式計算： ； （2-2/)/1 (/12RrA 2/1/11RrB20）螺桿與螺母滾道截面的圓弧半徑；2RmmdR302. 335. 652. 052. 02鋼球直徑；A/B=0.0

50、5 因此，K取1.280；dmmd35. 6E材料彈性模量，；MPa5101 . 2 N每個鋼球與螺桿滾道之間的正壓力； ；cossin0nlRFNh轉向盤圓周力；hF11.162hF轉向盤輪緣半徑；RmmDRSW5 .21724352螺桿螺線導程角；0 70鋼球與滾道間的接觸角； 45參與工作的鋼球數(shù)；n55.18n鋼球接觸點至螺桿中心線之距離。；lmml325. 92/ )35. 625(NnlRFNh357.236545cos7sin325. 955.185 .21711.162cossin0MPaRdNEKj169.3178)302. 3135. 62()1010. 2(357.236528. 1)12(32253222 那么則有jj表 2-5 系數(shù) K 與 A/B 的關系A/B1.00.90.80.70.60.50.40.3K0.3880.4000.4100.4400.4680.4900.5360.600A/B0.20.150.10.050.020.010.007K0.7160.8000.97