輕型車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)裝配

1、摘要汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車重要組成部分之一，對(duì)于汽車的行駛安全和操縱穩(wěn)定性至關(guān)重要，因此，對(duì)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須按照國(guó)家相關(guān)的規(guī)定要求嚴(yán)格進(jìn)行。從汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的不斷發(fā)展可以看出：設(shè)計(jì)出具有良好性能的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，一直以來(lái)都是相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和各大汽車生產(chǎn)廠家的重要研究項(xiàng)目之一。本文概述了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀以及未來(lái)可能的發(fā)展方向。根據(jù)已給出的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合輕型載貨汽車的性能要求和國(guó)家的相關(guān)規(guī)定，完成了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的相應(yīng)設(shè)計(jì)工作，包括轉(zhuǎn)向器類型的選擇，結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定和性能計(jì)算校核等等；然后利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)三維軟件CATIA，首先構(gòu)建QX1040輕型載貨汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)重要零部件的三維實(shí)體模型，然后進(jìn)一步完成

2、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的整體裝配，最后完成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)整體動(dòng)態(tài)裝配并錄制視頻。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；性能計(jì)算；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；動(dòng)態(tài)裝配；CATIAAbstractAutomobile steering system as an important part of the car, is vital for cars driving safety and handling stability, therefore, for the design of the steering system must be strict in accordance with the relevant provisions of the

3、 state. As can be seen from the continuous development of vehicle steering system, how to design a steering system with good performance has always been one of the important research projects of the related research institutions and major car manufacturers.This paper outlines the development status

4、of the steering system, as well as future trends steering system .According to the structure parameters, combined with light truck performance requirements and regulations of the country, to complete the related design work of the steering system, including the selection of type of steering gear, th

5、e determination of structure parameters and performance calculation checking, etc. Then using three-dimensional computer aided design software CATIA, first build three-dimensional model of the QX1040 light truck steering systems important components, and then further complete the steering system of

6、the whole assembly, finally complete steering system as a whole dynamic assembly and video recording.Key words: Steering system; computer-aided design; performance computing; dynamic assembly; CATIA目錄摘要IAbstractII第一章 緒論11.1研究背景及意義11.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r11.3 主要研究?jī)?nèi)容4第二章 QX1040輕型載貨汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算52.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求52.2轉(zhuǎn)向系

7、統(tǒng)的組成52.2.1 轉(zhuǎn)向器52.2.2 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)72.2.3 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)82.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能參數(shù)92.4循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器參數(shù)確定和強(qiáng)度計(jì)算122.4.1 螺桿、鋼球、螺母?jìng)鲃?dòng)副參數(shù)的確定142.4.2 齒條齒扇傳動(dòng)副參數(shù)的確定182.4.3 轉(zhuǎn)向器零件的強(qiáng)度計(jì)算212.4.4轉(zhuǎn)向搖臂軸參數(shù)的確定232.5本章小結(jié)24第三章 QX1040輕型載貨汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)253.1 CATIA三維設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介253.2 轉(zhuǎn)向器的三維實(shí)體建模253.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件的裝配273.4 二維工程圖303.5 本章小結(jié)30第四章 QX1040輕型貨車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)裝配314.1 CATIA動(dòng)態(tài)裝配簡(jiǎn)

8、介314.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)裝配的過(guò)程314.3 本章小結(jié)33結(jié)論與展望34參考文獻(xiàn)35附錄I：電子文檔清單36致謝37III第一章 緒論第一章 緒論1.1研究背景及意義本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題由指導(dǎo)老師直接提出，目的在于使學(xué)生了解汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀，深入學(xué)習(xí)汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，包括其基本組成結(jié)構(gòu)和功能，然后以輕型車QX1040的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例，通過(guò)自己所掌握的知識(shí)和查閱資料去設(shè)計(jì)出一款符合實(shí)際使用價(jià)值的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，然后以三維軟件為輔助，完成零部件建模和動(dòng)態(tài)裝配，讓學(xué)生體會(huì)到汽車CAD/CAE軟件對(duì)輔助汽車設(shè)計(jì)的眾多優(yōu)點(diǎn)以及學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)時(shí)去應(yīng)用輔助軟件。通過(guò)本次課題設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的查閱、收集和整理

9、資料的能力和學(xué)會(huì)應(yīng)用三維軟件輔助設(shè)計(jì)的能力，為以后的設(shè)計(jì)工作積累經(jīng)驗(yàn)。1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)4個(gè)發(fā)展階段，未來(lái)則可能向線控動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展，目前汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正處在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的過(guò)度階段。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來(lái)保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系,按照動(dòng)力來(lái)源，可分為機(jī)械式和助力式。機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是純粹利用駕駛員的手力來(lái)操作方向盤，通過(guò)轉(zhuǎn)向器減速增扭后經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)完成轉(zhuǎn)向輪左右擺動(dòng)；而助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機(jī)械式的基礎(chǔ)上采用額外助

10、力輸入來(lái)減輕駕駛員操作手力?，F(xiàn)在在汽車上使用數(shù)量最多的是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，分別各約占40和45，其他類型的約占15。歐、美、日等發(fā)達(dá)汽車制造國(guó)家在輕型車上選擇轉(zhuǎn)向器類型大不相同，美國(guó)和日本主要選擇發(fā)展循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，在汽車上使用率已達(dá)到90以上；而齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器近年來(lái)得到西歐國(guó)家的大力青睞，在汽車上使用率超過(guò)50。我國(guó)根據(jù)不同類型汽車的特點(diǎn)也在大力發(fā)展循環(huán)球式和齒輪齒輪式轉(zhuǎn)向器，并已經(jīng)積累了成熟的設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)。(1）蝸桿曲柄銷式轉(zhuǎn)向器蝸桿曲柄銷式轉(zhuǎn)向器是以蝸桿為主動(dòng)件，曲柄銷為從動(dòng)件的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向搖臂軸制成一體。轉(zhuǎn)

11、向時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿、嵌于蝸桿螺旋槽中的錐形指銷一邊自轉(zhuǎn)，一邊繞轉(zhuǎn)向搖臂軸做圓弧運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)曲柄和轉(zhuǎn)向垂臂擺動(dòng)，再通過(guò)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。這種轉(zhuǎn)向器通常用于轉(zhuǎn)向力較大的載貨汽車上，由于它本身具有許多不可改善的缺點(diǎn)導(dǎo)致現(xiàn)在使用很少，已經(jīng)逐步被淘汰。（2）齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器內(nèi)部分布有一對(duì)相互嚙合的齒輪齒條，駕駛員操作轉(zhuǎn)向盤通過(guò)轉(zhuǎn)向軸帶動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)，從而使與齒輪相嚙合的齒條做直線運(yùn)動(dòng)。齒條直接帶動(dòng)與之相連的橫拉桿使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。這種轉(zhuǎn)向器具有眾多的優(yōu)點(diǎn)：體積小，質(zhì)量輕，制造成本低；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，齒間間隙易于調(diào)整，傳動(dòng)效率高。但其也存在重要的不足：逆效率高達(dá)百分之六七十，路面的

12、沖擊力大部分會(huì)傳回方向盤，容易產(chǎn)生反沖現(xiàn)象，會(huì)造成駕駛員難以控制方向盤或者方向盤突然轉(zhuǎn)動(dòng)造成打手，對(duì)駕駛員產(chǎn)生傷害。齒輪齒條轉(zhuǎn)向器在一開(kāi)始基本都系選擇直齒齒形，直齒會(huì)讓齒的輪廓順著齒的寬度方向一同進(jìn)行嚙合或是一同分離，導(dǎo)致齒輪所承受的力將立即增加或者消失，產(chǎn)生非常大的響聲和碰撞，降低穩(wěn)定性，隨后被斜齒齒輪齒條所替代。斜齒的優(yōu)點(diǎn)是齒面接觸情況好，重合系數(shù)大，傳動(dòng)平穩(wěn)，易于調(diào)整和布置，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于轎車和高級(jí)跑車等之中。（3）循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要由螺桿、螺母、轉(zhuǎn)向器殼體以及許多小鋼球等零件組成，鋼球被放置于螺桿與螺母形成的密閉管路中，將螺桿螺母之間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦來(lái)減少阻力

13、。轉(zhuǎn)向盤旋轉(zhuǎn)使與它連接的轉(zhuǎn)向軸產(chǎn)生力矩帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，螺桿自轉(zhuǎn)迫使鋼球流動(dòng)進(jìn)而推動(dòng)螺母上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)與螺母設(shè)計(jì)成一體的齒條來(lái)回驅(qū)動(dòng)齒扇使轉(zhuǎn)向搖臂往復(fù)搖擺，帶動(dòng)梯形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在汽車行駛速度越來(lái)越高，要求汽車在高速行駛時(shí)應(yīng)具備穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向控制性能，所以轉(zhuǎn)向器必須擁有足夠高的剛度和強(qiáng)度。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器以數(shù)量較多的鋼球的滾動(dòng)方式來(lái)工作，摩擦阻力小，承載能力強(qiáng)，因此它本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高以及耐磨性能非常良好。另外這種轉(zhuǎn)向器能夠?qū)⑵湓O(shè)計(jì)為擁有等強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，在具備變速比同時(shí)又具備較高的剛度，非常符合行駛速度較高的汽車的要求。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器中齒條與齒扇的間隙調(diào)節(jié)十分方便，只需沿著齒扇軸向方向前后調(diào)節(jié)搖臂軸就

14、可以達(dá)到最佳的傳動(dòng)間隙，極大的延長(zhǎng)了轉(zhuǎn)向器的使用壽命，因此采用非常廣泛。我國(guó)也在向大量生產(chǎn)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器發(fā)展。（4）液壓助力轉(zhuǎn)向器液壓助力轉(zhuǎn)向器在初期只有機(jī)械液壓助力式，隨后人們?cè)谄浠A(chǔ)上進(jìn)行改善研發(fā)出新的電動(dòng)液壓助力式。機(jī)械液壓助力由英國(guó)人在1902年發(fā)明， 直到1950年后人們才把技術(shù)比較成熟可靠、成本低廉的液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用于汽車上。機(jī)械液壓助力系統(tǒng)的主要組成部分有液壓泵、油管、壓力流體控制閥、V型傳動(dòng)皮帶、儲(chǔ)油罐等等，其工作原理是利用發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分輸出動(dòng)力轉(zhuǎn)化為液壓泵的壓力，再形成對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輔助作用力使輪胎轉(zhuǎn)向。對(duì)于某些大型專用汽車體積和重量都逐漸變大，使用傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)造成

15、操作轉(zhuǎn)向盤力量過(guò)大影響駕駛控制，而使用液壓助力可以極大的減輕了操作人員的操縱手力，突破了汽車重量過(guò)大限制汽車發(fā)展的難題。液壓泵直接由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，保證轉(zhuǎn)向助力充沛，適用車輛類型廣泛。但其存在一個(gè)無(wú)法改善的缺點(diǎn)：由于直接使用發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)油泵，因此提高了油耗，也消耗了一部分車輛行駛的動(dòng)力。另外轉(zhuǎn)向助力特性不協(xié)調(diào)，在汽車行駛速度較低情況下轉(zhuǎn)向時(shí)要求提供的轉(zhuǎn)向輔助力應(yīng)大些，但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低造成輔助力相對(duì)較小，導(dǎo)致駕駛員操作力量增加；相反在行駛速度較高的情況下轉(zhuǎn)向時(shí)要求提供的轉(zhuǎn)向輔助力應(yīng)較小，但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高引起輔助力相對(duì)較大，導(dǎo)致操作變得非常靈敏。在高低速時(shí)駕駛員操縱力度反差較大，導(dǎo)致汽車的

16、操縱性變得不穩(wěn)定。還有液壓系統(tǒng)占用空間大，管路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜出現(xiàn)故障率也高以及后期的保養(yǎng)維護(hù)成本高；整套油路工作時(shí)都處于高壓狀態(tài)，容易漏油和使用壽命減短。因?yàn)闄C(jī)械液壓助力會(huì)大量使用內(nèi)燃機(jī)輸出的功率來(lái)工作，造成過(guò)多的能量消耗，后來(lái)技術(shù)人員在它原來(lái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改善并設(shè)計(jì)出了能源消耗更低轉(zhuǎn)向特性更好的電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這套系統(tǒng)主要變化是更換成使用一個(gè)新的電動(dòng)機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)油泵，特別是額外增加了一套新的電控系統(tǒng)，這樣就能夠根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向角度兩個(gè)主要參考因素更加合理的控制轉(zhuǎn)向輔助力的大小。新增的電控系統(tǒng)主要有轉(zhuǎn)向ECU、車速傳感器、電磁閥等零部件，機(jī)械結(jié)構(gòu)上也重新增加了液流分配閥和液壓反應(yīng)裝置。汽

17、車啟動(dòng)后，車速傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控車速并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳遞給ECU，電控單元獲取數(shù)據(jù)后通過(guò)改變轉(zhuǎn)向控制閥的開(kāi)啟程度來(lái)控制油液壓力，進(jìn)而能夠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向助力力度的大小。電子液壓助力繼承了機(jī)械液壓助力的眾多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)減少了能耗，提高了反應(yīng)靈敏度，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向助力大小可根據(jù)轉(zhuǎn)角、車速等參數(shù)自行合理調(diào)節(jié)。不過(guò)由于采用了很多電子單元，使得其制造和維護(hù)成本相應(yīng)增加，使用穩(wěn)定性降低。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，這些不足也會(huì)被逐漸完善，電子液壓助力已經(jīng)成為眾多中、高級(jí)轎車和運(yùn)動(dòng)型汽車的不二選擇。（5）線控動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)線控動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Steering By Wire，簡(jiǎn)稱SBW)是隨著汽車電子技術(shù)發(fā)展的最新成果而成長(zhǎng)起來(lái)的一種全新

18、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它通過(guò)電線傳遞信號(hào)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作來(lái)取代傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)和機(jī)械連接，助力矩由主控制器在相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行解算之后，向轉(zhuǎn)向執(zhí)行電動(dòng)機(jī)下達(dá)指令，由轉(zhuǎn)向助力電動(dòng)機(jī)提供。SBW 取消了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接裝置，改由方向盤模塊、轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊和主控制器ECU，3 個(gè)主要部分以及自動(dòng)防故障系統(tǒng)、電源等輔助模塊組成。該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)6：消除轉(zhuǎn)向干涉問(wèn)題；去掉了原來(lái)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各個(gè)模塊之間的剛性機(jī)械連接，大大方便了系統(tǒng)的總布置；舒適性提高；可以個(gè)性化地適合特定的駕駛者和駕駛環(huán)境，與轉(zhuǎn)向有關(guān)的駕駛行為都可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)；消除了撞車事故中轉(zhuǎn)向柱傷害駕駛員的可能性，不必設(shè)置轉(zhuǎn)向防傷機(jī)構(gòu)；駕駛員

19、腿部活動(dòng)空間增加，出入更方便。但是由于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱之間無(wú)機(jī)械連接，生成讓駕駛員能夠感知汽車實(shí)際行駛狀態(tài)和路面狀況的“路感”比較困難，另外如果該系統(tǒng)的微控制器出現(xiàn)故障，駕駛員無(wú)法控制汽車的轉(zhuǎn)向，所以目前線控動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)僅用于一些概念車。1.3 主要研究?jī)?nèi)容根據(jù)已給出的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合輕型載貨汽車的性能要求和國(guó)家的相關(guān)規(guī)定，完成了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的相應(yīng)設(shè)計(jì)工作，包括轉(zhuǎn)向器類型的選擇，結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定和性能計(jì)算校核等等；然后利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)三維軟件CATIA，首先構(gòu)建QX1040輕型載貨汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)重要零部件的三維實(shí)體模型，主要包括方向盤，轉(zhuǎn)向軸，轉(zhuǎn)向器零部件等，然后進(jìn)一步完成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的整體裝配，最后完成轉(zhuǎn)

20、向系統(tǒng)整體動(dòng)態(tài)裝配并錄制視頻。39第二章 QX1040輕型載貨汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算第二章 QX1040輕型載貨汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求按照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB17675.1999和汽車設(shè)計(jì)可知，其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下：（1） 方向盤必須左置。（2） 不得單獨(dú)以后輪作為轉(zhuǎn)向車輪。（3） 不得裝用全動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。（4） 轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向車輪的偏轉(zhuǎn)必須是漸進(jìn)的。（5） 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須有足夠的剛度且堅(jiān)固耐用，以確保行駛安全。（6） 轉(zhuǎn)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(zhǔn)確地操作，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向車輪應(yīng)有自動(dòng)回正

21、能力，以保持汽車穩(wěn)定的直線行駛。（8） 后輪也做轉(zhuǎn)向車輪的汽車，具有二根和二根以上轉(zhuǎn)向車軸的全掛車和具有一根和一根以上轉(zhuǎn)向車軸的半掛車，以80kmh（設(shè)計(jì)車速計(jì)）的車速行駛時(shí)，駕駛員必須能在不做異常轉(zhuǎn)向修正的條件，保持汽車直線行駛。（9） 以10kmh車速、24m轉(zhuǎn)彎直徑前行轉(zhuǎn)彎時(shí)，不帶助力時(shí)轉(zhuǎn)向力應(yīng)小于245N，帶助力轉(zhuǎn)向但助力轉(zhuǎn)向失效時(shí)，其轉(zhuǎn)向力應(yīng)小于588N，機(jī)動(dòng)動(dòng)作時(shí)間正常情況下不得大于4s，帶助力轉(zhuǎn)向但助力失效時(shí)不得大于65。左右兩個(gè)方向都要試驗(yàn)。（10） 當(dāng)汽車前行向左或向右轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)向盤向左向右的回轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向力不得有顯著差異。（11） 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的液壓、氣壓或電氣部件部分或全部失

22、效后，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須有控制汽車行駛方向的能力。（12） 當(dāng)助力轉(zhuǎn)向裝置本身無(wú)獨(dú)立的輔助動(dòng)力源時(shí)，必須設(shè)有蓄能器。如使用壓縮空氣，貯氣筒上必須設(shè)有單向閥。（13） 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所有零部件的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和安裝，必須保證駕駛員正常操作時(shí)不會(huì)鉤掛駕駛員的衣服和飾物；不得有撞車時(shí)會(huì)加重駕駛員傷害的粗糙表面或尖銳棱角，維修保養(yǎng)時(shí)應(yīng)該容易接近。2.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成2.2.1 轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向器(也常稱為轉(zhuǎn)向機(jī))是完成由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)(或近似直線運(yùn)動(dòng))的一組齒輪機(jī)構(gòu)，同時(shí)也是轉(zhuǎn)向系中的減速傳動(dòng)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。根據(jù)上述內(nèi)容和已給出設(shè)計(jì)參

23、數(shù)，并且參照其他同類車型的轉(zhuǎn)向器類型，對(duì)輕型車QX1040的轉(zhuǎn)向器選型為循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要是由螺桿螺母?jìng)鲃?dòng)副和齒條齒扇傳動(dòng)副組成，結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。為了減少螺桿和螺母兩者連接造成巨大的摩擦，選擇通過(guò)在二者之間填充多個(gè)鋼球來(lái)實(shí)現(xiàn)摩擦阻力更小的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式。螺桿外圓柱面和螺母內(nèi)圓柱面上皆有一條環(huán)繞的螺旋槽，螺旋槽的截面一般是由兩段或三段不同心圓弧組成的近似半圓面，二者的螺旋槽能夠配合形成近似圓形截面的螺旋管狀鋼球通道。螺母一側(cè)面設(shè)有兩對(duì)通孔與滾道相連通，可將鋼球從此孔塞入螺旋滾道內(nèi)。通過(guò)利用兩根導(dǎo)管分別對(duì)應(yīng)連接相鄰的兩對(duì)通孔可以構(gòu)成兩條完全獨(dú)立工作的螺旋鋼球滾道。螺桿被固定在軸承

24、上旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鋼球循環(huán)滾動(dòng)迫使螺母隨著軸向上下運(yùn)動(dòng)。在螺桿及螺母與鋼球的摩擦力偶作用下，每個(gè)環(huán)路中的鋼球便在各自獨(dú)立的螺旋滾道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，保證傳動(dòng)連續(xù)平穩(wěn)。圖2-1 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)圖循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器具有眾多優(yōu)點(diǎn)：(1)傳動(dòng)效率高，強(qiáng)度較大和耐磨性較好；(2)布置方便，適合中、大型車輛和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配合使用；(3)易于傳遞駕駛員操縱信號(hào)，有一條平滑的操縱力特性曲線；(4)能夠設(shè)計(jì)成變速比，容易實(shí)現(xiàn)操縱輕便性。轉(zhuǎn)向器在大多數(shù)時(shí)候都是在中間位置及其附近區(qū)域內(nèi)工作，此時(shí)轉(zhuǎn)向力要求較小，我們可將速比可設(shè)計(jì)得小一些，進(jìn)一步增加轉(zhuǎn)向靈敏性。當(dāng)轉(zhuǎn)向器在大角度區(qū)域工作時(shí)轉(zhuǎn)向阻力會(huì)比較大，但也不是經(jīng)常會(huì)使用，所以我

25、們可將其速比選擇大一些，這樣就能夠有效的降低駕駛員操作強(qiáng)度。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器是以數(shù)量較多的鋼球的滾動(dòng)接觸方式來(lái)工作，摩擦阻力小，承載能力強(qiáng)，因此它本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高以及耐磨性能非常良好。另外這種轉(zhuǎn)向器能夠?qū)⑵湓O(shè)計(jì)為擁有等強(qiáng)度特性，在具備變速比同時(shí)又具備較高的剛度，非常符合行駛速度較高的汽車的要求，這些優(yōu)點(diǎn)都使得它在汽車上普遍應(yīng)用。2.2.2 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)汽車轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸以及轉(zhuǎn)向管柱等機(jī)件組成，如圖2-2所示。它的作用是將駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞給轉(zhuǎn)向器。圖2-2 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)考慮到車架變形以及總布置的要求，大部分轉(zhuǎn)向系都會(huì)在轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)中設(shè)置一個(gè)撓性萬(wàn)向節(jié)，萬(wàn)向節(jié)兩端都是與傳

26、動(dòng)軸連接，可以使轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向器的軸線在一定的角度范圍內(nèi)布置。當(dāng)出現(xiàn)車禍時(shí)，給駕駛員構(gòu)成重要危害的是方向盤與駕駛?cè)税l(fā)生正面碰撞，為了減輕這種傷害可在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)安全保護(hù)機(jī)構(gòu)，如采用安全轉(zhuǎn)向柱、安全聯(lián)軸節(jié)或者能量吸收裝置等。轉(zhuǎn)向盤主要是由輪緣，輪輻和輪轂等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如圖2-3所示。輪輻一般為三根輻條或四根輻條，轉(zhuǎn)向盤輪轂孔內(nèi)表面被設(shè)計(jì)成細(xì)牙內(nèi)花鍵結(jié)構(gòu)，用來(lái)和轉(zhuǎn)向軸設(shè)有齒形的一端相結(jié)合并傳遞轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)向盤里面骨架一般采用由強(qiáng)度較高金屬框架構(gòu)成，框架表層再使用柔軟的成型橡膠或皮革來(lái)包裹住，以擁有良好的手感以及防止手心出汗時(shí)造成轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤打滑?？紤]到安全性的問(wèn)題，要求在汽車出現(xiàn)碰撞時(shí)，方向盤外表皮應(yīng)具有

27、柔軟性起到緩沖作用，而且其骨架要能夠產(chǎn)生一定程度的變形來(lái)吸收沖擊能量，以求在最大程度上能夠減輕駕駛員受到的傷害。轉(zhuǎn)向軸是連接轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)件，并傳遞它們之間的轉(zhuǎn)矩，如圖2-3所示。轉(zhuǎn)向軸一般采用兩段軸管，中間通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接，這樣可以讓方向盤與轉(zhuǎn)向器兩者的軸線在一定夾角范圍內(nèi)布置，提高布置的靈活性。軸管一般選擇使用無(wú)縫鋼管 ，上軸管位于轉(zhuǎn)向管柱軸承內(nèi)通過(guò)花鍵與方向盤連接，下軸管位于轉(zhuǎn)向管柱軸承內(nèi)通過(guò)花鍵與螺桿連接。轉(zhuǎn)向管柱上端通過(guò)上支架固定在駕駛室前圍儀表板上支承著轉(zhuǎn)向盤，下端通過(guò)下支架固定在駕駛室底板上。轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向柱管采取的安全措施有多種形式，但其基本原理是：在轉(zhuǎn)向軸受到來(lái)自方向盤的激

28、烈碰撞時(shí)便會(huì)發(fā)生沿著軸線的移動(dòng)，讓早已設(shè)計(jì)好的具有預(yù)定連接強(qiáng)度的特定支承件或支架斷開(kāi)連接或產(chǎn)生塑性變形，目的是達(dá)到最大程度上緩沖和吸收沖擊能量的效果。1.輪圈2.輪輻3.輪轂圖2-3 方向盤2.2.3 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將轉(zhuǎn)向器輸出的力和運(yùn)動(dòng)傳到轉(zhuǎn)向橋兩側(cè)的轉(zhuǎn)向節(jié)，使兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，且使二轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角按一定關(guān)系變化。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)向直拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿、左右梯形臂等零部件構(gòu)成，如圖2-4所示。圖2-4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總成轉(zhuǎn)向節(jié)與左右梯形臂相連，兩臂之間由轉(zhuǎn)向橫拉桿連接，這樣使得轉(zhuǎn)向橫拉桿、左右梯形臂相連形成一個(gè)轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)。當(dāng)個(gè)轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)使得另一個(gè)轉(zhuǎn)向

29、節(jié)也隨著變位，并且使得兩邊轉(zhuǎn)向輪都能夠按照理想的角度擺關(guān)系擺動(dòng)，以保證汽車轉(zhuǎn)向時(shí)車輪與地面的相對(duì)滑動(dòng)盡可能小或者完全沒(méi)有。2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能參數(shù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)向器的效率、傳動(dòng)比的特性、嚙合間隙t、轉(zhuǎn)向系剛度Cs 等等。（1）轉(zhuǎn)向器的效率正效率為功率P1從轉(zhuǎn)向軸輸入，經(jīng)轉(zhuǎn)向搖臂軸輸出所求得的效率，即+=(P1P2)Pl；反之稱為逆效率，即-=(P3P2)P3；P2為轉(zhuǎn)向器中的摩擦功率；P3為作用在轉(zhuǎn)向搖臂軸上的功率。轉(zhuǎn)向器的效率與其類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造質(zhì)量等相關(guān)。假如只考慮嚙合副的摩擦損失，不考慮其它地方和軸承的摩擦損失，對(duì)于蝸桿和螺桿類轉(zhuǎn)向器，其效率可用下式計(jì)算 （

30、2-1）式中，為螺桿（或蝸桿）的螺線導(dǎo)程角：為摩擦角，；為摩擦因數(shù)。由后面的計(jì)算可知為6.45°；取0.03，；則：為了使駕駛員在轉(zhuǎn)向時(shí)能較輕便地操作方向盤，需要轉(zhuǎn)向器有較高的正效率；為了使轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤在汽車轉(zhuǎn)向后能夠自動(dòng)地返回直線行駛的位置，要求有足夠的逆效率?？赡媸睫D(zhuǎn)向器能夠?qū)⒙访嫔蠈?duì)車輪的反作用力大部分逆向傳回方向盤，同時(shí)它又能夠使轉(zhuǎn)向輪和方向盤在轉(zhuǎn)向后自動(dòng)返回中間位置，因此在一定程度上提高了行駛安全性。不過(guò)，這種類型有一種明顯的不足之處：當(dāng)汽車行駛在顛簸道路上時(shí)，在車輪上產(chǎn)生的反向沖擊力過(guò)大且在出現(xiàn)次數(shù)頻繁的情況下，容易造成駕駛操作強(qiáng)度提高和“打手”現(xiàn)象，影響操作人安全駕駛

31、。不可逆式轉(zhuǎn)向器不能將車輪受到的沖擊力傳回方向盤，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受該沖擊力，容易造成零件損壞。它不能使車輪自動(dòng)回正，又令駕駛員缺乏路感。極限可逆式轉(zhuǎn)向器處在兩者之間，部分路面沖擊由轉(zhuǎn)向系各零件承受，少部分路面沖擊傳到轉(zhuǎn)向盤，可以保持良好的路感。(2)傳動(dòng)比的特性轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)比包括轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比和力傳動(dòng)比。從輪胎接地面中心作用在兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪上的合力與作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力之比，稱為力傳動(dòng)比，即 （2-2）轉(zhuǎn)向盤角速度與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度之比，稱為轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比，即 （2-3）式（2-3）中為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角增量；為轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角增量；為時(shí)間增量。它又由轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)角傳動(dòng)比所組成，即。轉(zhuǎn)向盤

32、角速度與搖臂軸角速度之比，稱為轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比，即 （2-4）式（2-4）中，為搖臂軸轉(zhuǎn)角增量。此定義適應(yīng)于除齒輪齒條式之外的轉(zhuǎn)向器。搖臂軸角速度與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度之比，稱為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比，即 （2-5）力傳動(dòng)比與轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比的關(guān)系輪胎與地面之間的阻力和作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向阻力矩之間有如下關(guān)系 （2-6）式（2-6）中，為主銷偏移距，指從轉(zhuǎn)向節(jié)主銷軸線的延長(zhǎng)線與支撐平面的交點(diǎn)至車輪中心平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 （2-7）式（2-7）中，為作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩；為轉(zhuǎn)向盤直徑。將式（2-6）和式（2-7）帶入后得到： （2-8）由公式（2-8）可知，當(dāng)主

33、銷偏移距小時(shí)，為了使轉(zhuǎn)向輕便，力傳動(dòng)比應(yīng)盡量取大些。轉(zhuǎn)向盤直徑應(yīng)根據(jù)車型不同在GB591186轉(zhuǎn)向盤尺寸標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的系列內(nèi)選取。本次設(shè)計(jì)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 （2-9）將式（2-9）代入式（2-8）后得到： （2-10）當(dāng)和不變時(shí)，力傳動(dòng)比越大轉(zhuǎn)向越輕便，但也會(huì)越大，造成轉(zhuǎn)向不靈敏?？紤]到，由的定義可知：當(dāng)轉(zhuǎn)向盤角速度一定時(shí)，轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比與轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角速度成反比。角傳動(dòng)比增加后，假設(shè)轉(zhuǎn)向盤角速度不變，那么轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角速度就會(huì)變小，使轉(zhuǎn)向操縱反應(yīng)變緩慢，轉(zhuǎn)向靈敏性降低，造成轉(zhuǎn)向“輕”和“靈”的矛盾。但是將轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)成為可變速比特性的話就可以有效處理

34、這種問(wèn)題。齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器都可以被設(shè)計(jì)成為變速比轉(zhuǎn)向器。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比，由于本身結(jié)構(gòu)要求螺距無(wú)法改變，但是可以通過(guò)改變齒扇嚙合半徑來(lái)實(shí)現(xiàn)變速比。如果轉(zhuǎn)向軸承載不大和配備動(dòng)力轉(zhuǎn)向的汽車，那么轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比應(yīng)該選擇小一些，從而減少方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的總?cè)?shù)來(lái)改善汽車的操作靈敏性。轉(zhuǎn)向軸承載較重又沒(méi)有配置動(dòng)力轉(zhuǎn)向的汽車，由于轉(zhuǎn)向阻力矩一般都是與車輪偏轉(zhuǎn)角的大小成正比關(guān)系，為了使車輛在低速行駛通過(guò)急轉(zhuǎn)彎道路時(shí)操作更加省力，建議選用大些的轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比。汽車以較高車速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角較小，轉(zhuǎn)向阻力矩也小，此時(shí)要求轉(zhuǎn)向車輪反應(yīng)靈敏，轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比變化曲線應(yīng)選用大致呈中間小兩端

35、大些的下凹形曲線，如圖2-5 所示。當(dāng)方向盤在中間及其附近區(qū)域時(shí)要求轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比不要選擇得過(guò)于偏小，要是選擇過(guò)小的話會(huì)造成車輛在高速行駛時(shí)，方向盤轉(zhuǎn)角會(huì)過(guò)于靈敏，會(huì)容易造成駕駛員轉(zhuǎn)向時(shí)汽車偏轉(zhuǎn)方向過(guò)多和駕駛困難。圖2-5 轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比變化特性曲線（3）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是完全剛體時(shí)轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角應(yīng)等于轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動(dòng)比的比值。但是由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各個(gè)零件在轉(zhuǎn)向的過(guò)程中有彈性變形，使得轉(zhuǎn)向輪的實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度小于理論值。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度越小，這個(gè)值的偏差越大，且不足轉(zhuǎn)向的傾向變強(qiáng)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度對(duì)松手時(shí)的方向穩(wěn)定性也有影響，剛度小時(shí)，汽車的振動(dòng)周期變長(zhǎng)，半衰減時(shí)間變長(zhǎng)。一般轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度低

36、的時(shí)候汽車振動(dòng)的衰減率變小，車速增高時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)，變得不穩(wěn)定。因此高速汽車的轉(zhuǎn)向裝置的剛度必須很高。（4）嚙合間隙傳動(dòng)間隙是轉(zhuǎn)向器中各種傳動(dòng)副之間的間隙。該間隙隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的大小不同而改變，這種變化關(guān)系稱為轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副傳動(dòng)間隙特性。該特性可以清晰的反映轉(zhuǎn)向器的工作穩(wěn)定性和使用壽命之間的關(guān)系：在車輛直線行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副如果存在傳動(dòng)間隙，轉(zhuǎn)向輪一旦受到側(cè)向力作用，就會(huì)造成在傳動(dòng)間隙范圍內(nèi)偏離原來(lái)行駛方向，使汽車失去穩(wěn)定。為了解決這種問(wèn)題，相關(guān)規(guī)定在轉(zhuǎn)向盤處于中間及其附近位置時(shí)傳動(dòng)副的傳動(dòng)間隙要控制在極小的范圍內(nèi)。由于在中間及其附近位置時(shí)使用最多，轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副磨損情況要比兩端加快，當(dāng)出現(xiàn)無(wú)法確保

37、汽車保持直線穩(wěn)定行駛時(shí)，必須重新調(diào)整間隙。調(diào)整合格的標(biāo)準(zhǔn)是方向盤可以較為順暢地在行程內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，不能出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)困難或者卡滯的情況。所以傳動(dòng)副的傳動(dòng)間隙特性應(yīng)該設(shè)計(jì)成在方向盤離開(kāi)中間位置以后呈圖2-6 所示的逐漸加大的形狀。曲線1 表明轉(zhuǎn)向器在磨損前的間隙變化特性；曲線2 表明使用并磨損后的間隙變化特性，并且在中間位置處已經(jīng)出現(xiàn)較大隙； 曲線3表明調(diào)整后并消除中間位置的間隙轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)間隙變化特性。圖2-6 轉(zhuǎn)向器的嚙合間隙變化特性2.4循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器參數(shù)確定和強(qiáng)度計(jì)算（1）已給出的部分參數(shù)如下表2-1所示：表2-1QX1040輕型貨車部分參數(shù)軸距/mm 前輪距/mm后輪距/mm 總質(zhì)量/kg前軸負(fù)

38、荷/kg28001480147040751340后軸負(fù)荷/kg 最小轉(zhuǎn)彎半徑/m主銷后傾角/°方向盤直徑/mm車輪直徑/mm27355.71.5425754由已知部分參數(shù)，根據(jù)下表2-2、2-3和2-4初步選擇轉(zhuǎn)向器的其他參數(shù)。表2-2各類汽車循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的齒扇齒模數(shù)齒扇齒模數(shù)mmm3.03.54O4.55O6.06.5轎車發(fā)動(dòng)機(jī)排量ml500100018001600200020002000前軸負(fù)荷/N3500380047007350700090008300110001000011000表2-2各類汽車循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的齒扇齒模數(shù)（續(xù)）齒扇齒模數(shù)mmm3.03.54O4.55O6.06.

39、5貨車和大客車前軸負(fù)荷N300050004500750055001850070001950090002400017000370002300044000最大裝載kg350100025002700350060008000表2-3 循環(huán)球轉(zhuǎn)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

40、行數(shù)2齒扇齒數(shù)55齒扇整圓齒數(shù)1213131415齒扇壓力角22°3027°30切削角6°306°307°30齒扇寬/mm2225252725283028 3234383538表2-4 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的部分參數(shù)模數(shù)m螺桿外徑螺紋升程螺母長(zhǎng)度鋼球直徑齒扇壓力角齒扇切削角搖臂軸外徑3.0207.938()405.556()2230630730223.5238.731()455.556()2230630730264.0259.525()486.350()2230630730295.02910.319()627.144()2230630730356.0

41、3410.319()727.144()2230630730386.53810.319()827.144()223063073042根據(jù)表2-2、2-3和2-4，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)其他部分參數(shù)初步選擇如下：齒扇模數(shù)/mm鋼球直徑/mm螺距/mm工作圈數(shù)螺桿外徑/mm環(huán)流行數(shù)57.14410.3192.5292螺母長(zhǎng)度/mm齒扇齒數(shù)整圓齒數(shù)齒扇壓力角切削角齒扇寬/mm6251327°6.5°32鋼球中心距/mm搖臂軸直徑/mm30352.4.1 螺桿、鋼球、螺母?jìng)鲃?dòng)副參數(shù)的確定（1）鋼球中心距螺桿外徑螺母內(nèi)徑尺寸、如圖2-7所示。圖2-7 螺桿-鋼球-螺母?jìng)鲃?dòng)副鋼球中心距D指鋼球滾動(dòng)時(shí)其

42、中心所在圓柱表面的橫截面圓的直徑，在滿足強(qiáng)度條件的要求下，盡量選擇較小值。鋼球中心距與扇齒模數(shù)相關(guān)，會(huì)隨著扇齒模數(shù)的增大相應(yīng)地增大，在設(shè)計(jì)時(shí)一般都是根據(jù)不同的轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷來(lái)選擇。螺桿外徑D1一般選取值都在2038mm范圍內(nèi)，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求應(yīng)小于螺母內(nèi)徑，一般要滿足D2D1 =(5%-10%)D。根據(jù)已初選的參數(shù)D=30mm，D1=29mm，則mm。（2）鋼球直徑d及數(shù)量n鋼球直徑通常在69mm之間選取，根據(jù)（表2-3），初步選擇d=7.144mm。本轉(zhuǎn)向器采用兩個(gè)工作環(huán)路，每個(gè)工作環(huán)路的鋼球工作圈數(shù)W=2.5圈。則每個(gè)環(huán)路中的鋼球數(shù)可用下式計(jì)算： (2-11)式中，n為不包括環(huán)流導(dǎo)管中的鋼球數(shù)；D

43、為鋼球中心距；W為一個(gè)環(huán)路中的鋼球工作圈數(shù)； 為螺線導(dǎo)程角，已算出 =6.45°，則；代入已知數(shù)據(jù)解得n=32.96，取n=33。如果增大鋼球直徑其承載能力增強(qiáng)，但也會(huì)使轉(zhuǎn)向器增大結(jié)構(gòu)尺寸和重量；如果通過(guò)添加鋼球的數(shù)量來(lái)加強(qiáng)其承載能力，但同時(shí)也會(huì)降低鋼球整體流動(dòng)性，反而造成傳動(dòng)效率降低。經(jīng)驗(yàn)表明在每個(gè)環(huán)路中n以不大于60為好。（3）滾道截面滾道截面有兩點(diǎn)接觸式，四點(diǎn)接觸式和橢圓滾道式等，兩點(diǎn)接觸式滾道截面由半徑為R 的圓弧構(gòu)成，其缺點(diǎn)是在螺桿軸向受力時(shí)，螺桿螺母之間就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，軸向定位不穩(wěn)定，增加了方向盤自由行程，如圖2-8（a)所示。橢圓滾道螺桿的滾道是橢圓的，螺母的滾道是圓

44、的，鋼球被精確的定位在滾道中心，但加工比較復(fù)雜，如圖2-8（b)。故以上兩種本設(shè)計(jì)均不采用。四接觸式滾道截面是由螺桿和螺母上各兩條圓弧所組成，可以消除軸向定位不準(zhǔn)確，滾道與鋼球間有間隙，可以存放雜質(zhì)，減少磨損，如圖2-8(c)所示，本設(shè)計(jì)采用這種滾道。螺桿滾道均倒角以免尖叫劃傷鋼球。為了減少摩擦，滾道半徑應(yīng)該大于鋼球半徑，一般有Rc=（0.51-0.53）d,取Rc=0.52d=3.302mm。一般滾道截面的深度h=（0.3-0.35）d，取h=0.35d=2.50mm。 圖2-8 a）兩點(diǎn)接觸式 圖2-8 b)四點(diǎn)接觸式 圖2-8 c)橢圓滾道式圖（4） 接觸角鋼球與螺桿滾道接觸點(diǎn)的正壓力方

45、向與螺桿滾道法面軸線間的夾角稱為接觸角，如圖2-9所示。增大接觸角將使徑向力增大而軸向力減小；反之則相反。角多取為45°，以使軸向力與徑向力分配均勻。圖2-9 接觸角（5） 螺距和螺旋線導(dǎo)程角螺距P一般在811mm之間選取。查表（2-3）得：取9.525mm 導(dǎo)程角一般要求在6° 10°范圍內(nèi),由幾何關(guān)系可知： （2-12）上式中代入已知參數(shù)值，解得a0=6.45°轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角，對(duì)應(yīng)螺母移動(dòng)的距離s為 (2-13)式（2-13）中，P為螺紋螺距。與此同時(shí)，齒扇節(jié)圓轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)等于，相應(yīng)搖臂軸轉(zhuǎn)過(guò)，其間關(guān)系可表示如下： （2-14）式（2-14）中，r為齒扇

46、節(jié)圓半徑。聯(lián)立式（2-12），式（2-13）得，將對(duì)求導(dǎo)得循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比為 (2-15)已知，m=5，p=10.319；又=32.5，則可求出轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比iw=19.78。由式(2-15)說(shuō)明，轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比主要受到螺距P的影響。如果導(dǎo)程角0 變大就會(huì)使正逆效率隨之變大，所以導(dǎo)程角0 盡量不要選擇過(guò)大。當(dāng)導(dǎo)程角小于或等于摩擦角時(shí)，逆效率為負(fù)值或零，此時(shí)表明該轉(zhuǎn)向器是不可逆式轉(zhuǎn)向器，為此導(dǎo)程角必須大于摩擦角。如果保持螺距一定，鋼球直徑d越大，圖（2-9）中的b就越小，一般規(guī)定mm，所以設(shè)計(jì)符合要求。（6）工作鋼球圈數(shù)轉(zhuǎn)向器一般都選擇采用兩個(gè)工作環(huán)路，而每個(gè)環(huán)路的工作鋼球圈數(shù)W一般有1

47、.5和2.5圈兩種。根據(jù)已知參數(shù)，參照表（2-3），選取W=2.5。工作圈數(shù)主要會(huì)影響到鋼球接觸強(qiáng)度：添加工作鋼球圈數(shù)，就相當(dāng)于添加鋼球數(shù)量，使得接觸應(yīng)力減少和承載能力增加；但同時(shí)也會(huì)造成鋼球受力不均勻、螺桿增長(zhǎng)導(dǎo)致剛度降低。2.4.2 齒條齒扇傳動(dòng)副參數(shù)的確定(1)齒側(cè)間隙齒扇通常有5個(gè)齒，與搖臂軸相連接。齒扇是采用變齒厚，即齒厚沿齒長(zhǎng)方向是連續(xù)變化的，目的是為了通過(guò)搖臂軸的軸向移動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)齒扇與齒條的嚙合間隙。因?yàn)檗D(zhuǎn)向器在大多數(shù)情況下都是處于中間及其附近區(qū)域內(nèi)工作，造成齒扇與齒條在中間及其附近位置磨損相對(duì)較大。中間齒磨損后產(chǎn)生的間隙會(huì)造成兩端齒在進(jìn)入嚙合時(shí)發(fā)生卡齒現(xiàn)象影響轉(zhuǎn)向器正常工作，我們

48、可以通過(guò)增大兩端齒嚙合時(shí)的齒側(cè)間隙來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，具體方法是將齒扇各齒設(shè)計(jì)成具有不同的齒厚來(lái)改變齒側(cè)間隙，這樣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(guò)程中使毛坯繞工藝中心轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2-12所示，相對(duì)于搖臂軸的中心有距離為的偏心。這樣加工的齒扇在齒條的嚙合中由中間齒轉(zhuǎn)向兩端的齒時(shí)，齒側(cè)間隙也逐漸加大，可表達(dá)為 （2-16）式中徑向間隙；嚙合角；齒扇的分度圓半徑；搖臂軸的轉(zhuǎn)角。當(dāng)確定、rw后，可繪制出用于選擇偏心的線圖，如圖2-11所示。根據(jù)上圖可挑選合適的n 值，使齒扇、齒條傳動(dòng)副兩端齒嚙合時(shí)，齒側(cè)間隙s 能夠適應(yīng)消除中間齒最大磨損量所形成的間隙需要。方法2：齒扇齒條傳動(dòng)副嚙

49、合齒側(cè)間隙s 的改變也可以通過(guò)改變齒條的齒厚來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般是將齒條兩側(cè)的齒槽寬制成比中間齒增大0.200.30mm。圖2-10 為獲得變化的齒側(cè)間隙齒扇的加工原理和計(jì)算簡(jiǎn)圖圖2-11 用于選擇偏心n的線圖（2）變厚齒扇變厚齒扇是指齒扇的齒厚沿齒寬方向變化，可以通過(guò)滾刀斜向進(jìn)給加工來(lái)得到變厚齒扇，即滾刀相對(duì)工件同時(shí)作垂向進(jìn)給和徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。變厚齒扇的齒頂和齒根的輪廓面為圓錐面，其分度圓上的齒厚是成比例變化的，形成變厚齒扇如圖2-12所示。在該圖中，若0-0截面原始齒形的變位系數(shù)=0，則位于其兩側(cè)的截面I-I和-分別具有0和0，既截面I-I的齒輪為正變位齒輪，而截面-的齒輪為負(fù)變位齒輪。即變厚齒扇在

50、其整個(gè)齒寬方向上是由無(wú)窮多的原始齒形變位系數(shù)逐漸變化的圓柱齒輪所形成的。（3）變厚齒扇齒形參數(shù)的計(jì)算大多數(shù)情況下選擇齒扇的中間位置作為基準(zhǔn)截面，如圖2-13所示。從該截面到最大端截面B-B時(shí)，各截面處的變位系數(shù)均取正，相反從該截面到最小端截面C-C時(shí)，變位系數(shù)由正變?yōu)榱悖ń孛鍻-O）再變?yōu)樨?fù)值。設(shè)截面O-O至截面I-I的距離為0，則 （2-17）-在截面A-A處的原始齒形變位系數(shù)；m-模數(shù)；-切削角圖2-12為變厚齒扇的截面由于圓柱齒輪的連續(xù)變位，使得齒輪頂部，齒槽底部以及輪齒節(jié)線都同齒輪軸線傾斜某一角度，這個(gè)傾角叫做切削角或變厚角，用表示。由公式（2-17）可知：當(dāng)齒扇的模數(shù)m及切削角v選定

51、后，各截面處的變位系數(shù)取決于該截面與基準(zhǔn)截面間的距離a（見(jiàn)圖2-15）。已知：切削角v為6°30，齒扇寬度B為32mm,模數(shù)m為5，齒頂高系數(shù)取1.0，壓力角取27°。由公式（2-16），可得： （2-18）因此，在截面B-B處的變位系數(shù)為： （2-19）基準(zhǔn)截面處A-A的分度圓直徑： （2-20）齒扇的最大端B-B的直徑為： （2-21）齒扇的最小端C-C直徑為： （2-22）截面B-B處分度圓弧齒厚為： （2-23）截面B.B 處的齒頂圓壓力角： （2-24）截面B.B 處的齒頂圓弧齒厚： （2-25） 圖2-13 齒扇2.4.3 轉(zhuǎn)向器零件的強(qiáng)度計(jì)算（1）作用在方向盤上的力首先要確定前軸載荷，然后根據(jù)式2-17求出了汽車轉(zhuǎn)向阻力矩，利用它可求得轉(zhuǎn)向搖臂上的力矩和在方向盤上的切向力，它們均可作為轉(zhuǎn)向系的最大計(jì)算載荷。對(duì)于前軸載重較大的汽車，根據(jù)公式計(jì)算得出的力，一般都會(huì)大于司機(jī)最大的施展力量。這時(shí)在計(jì)算轉(zhuǎn)向器的零件具體參數(shù)時(shí)，可取司機(jī)作用在方向盤輪緣上的最大瞬時(shí)力。確定計(jì)算載荷后，即可計(jì)算轉(zhuǎn)向系零件的強(qiáng)度。汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩（Nm）即 （2-26）f取0.7；為前軸負(fù)荷，G11340*9.813132（N）；為輪胎氣壓（MPa），查輪胎氣壓規(guī)格可得