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輕型貨車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設計
摘 要
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器是由螺母與絲杠傳動副以及齒扇軸與螺母傳動副二個部分組成。螺母與絲杠傳動副是由里面的鋼珠聯(lián)系起來的，而齒扇軸與螺母傳動副則是通過齒之間的嚙合聯(lián)系的，最終完成了力的傳遞。
本文首先對汽車轉(zhuǎn)向器目前研究的概況和發(fā)展趨勢做出了闡述說明，研究BJ2020車型汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，整理出汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計要求，然后根據(jù)汽車的類型、汽車的前后軸的負荷以及汽車的用途選擇了初步的轉(zhuǎn)向器類型，隨后進行汽車轉(zhuǎn)向器選型分析并完成總結(jié)，完成循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器各項主要參數(shù)的選擇，并根據(jù)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的角傳動比、傳動效率以及使用用途并參考以往的成功車的型號對循環(huán)球式向器的強度和具體參數(shù)進行了計算，再進行循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器性能分析最后完成設計圖紙以及設計說明書。論文最后用建模的方式畫出了轉(zhuǎn)向器的三維設計圖，從立體的角度反映了轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)功能。還有零件圖，畫出了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件的尺寸。裝配圖畫出了各個零件之間的配合，更全面反映了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)。受力分析則清晰的展現(xiàn)了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的各種受力情況。
論文最后完成了BJ2020轉(zhuǎn)向器從結(jié)構(gòu)形式的初步選擇到制造工藝最后布置的所有設計，所有設計合乎標準。
關鍵詞：循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器；工藝布置；受力分析
I
ABSTRACT
Ecirculating ball type steering gear is composed of the nut and screw transmission gear and shaft and nut transmission of two parts. The nut and the screw pair is composed of a link inside the ball, and the gear shaft and nut transmission pair is linked through the meshing be- tween the final completion of the transfer of power.
Firstly, the steering situation and trend of current study to make an exposition of BJ2020 models of automobile steering system, sorting out the system design requirements for autom-
otive steering, then according to the type of car, use the car front and rear axle load and vehic- le selection of the steering type preliminary, followed by steering gear the selection and anal- ysis of the complete summary, complete the circulating ball type main parameters for the ste- ering and steering angle, gear ratio according to the circulating ball type, transmission efficie- ncy and use of reference and the model of successful car cycling ball strength and device spe- cific parameters are calculated, then the recirculating ball type steering the performance anal- ysis is finally complete the design drawings and design specification. Finally, by using the w- ay of modeling drawing to three-dimensional design, from three-dimensional angle reflects the shift The structure and function of device. And part drawing, draw the size of the recircul- ating ball type steering gear assembly drawing parts. Coordination between the various parts, more comprehensively reflect the circulating ball type steering gear structure. The stress anal- ysis show the recirculating ball steering the force.
At the end of the article, all the designs of the BJ2020 redirector from the initial selection of structural form to the final layout of the manufacturing process are completed, and the des- ign is up to standard.
Keywords:Recirculating ball steering; Process arrangement;Force analysis
III
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 課題背景 1
1.2 轉(zhuǎn)向器的介紹 1
1.3 國外的研究現(xiàn)狀 5
1.4 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 5
1.5 本課題研究的主要內(nèi)容 6
1.6 本章小結(jié) 7
2 轉(zhuǎn)向器的設計與參數(shù)選擇 8
2.1 轉(zhuǎn)向器的主要使用性能參數(shù) 8
2.2 主要尺寸參數(shù)的選擇 10
2.3 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的強度校核 18
2.4 轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑的確定 20
2.5 本章小結(jié) 21
3 建模及受力分析 22
3.1 二維工程圖 22
3.2 三維零件圖 24
3.3 受力分析 27
3.4 本章小結(jié) 30
4 結(jié) 論 31
參考文獻 32
附錄1：外文翻譯 33
附錄2：翻譯原文 37
致 謝 41
2
輕型貨車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設計
1 緒論
1.1 課題背景
轉(zhuǎn)向器別名轉(zhuǎn)向機、方向機，它在轉(zhuǎn)向系中的地位卓然，是很重要的部件。它的作用不僅能使作用在方向盤上的力傳到車輪時變得更大并且還可以改變力的傳遞方向，所以轉(zhuǎn)向器的設計就顯得意義非凡。
轉(zhuǎn)向器可根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同可分為齒輪齒條式、循環(huán)球曲柄指銷式、蝸桿曲柄指銷式、蝸桿滾輪式、循環(huán)球-齒條齒扇式等。當根據(jù)助力來看時又可分為有助力和無助力二種。其中又根據(jù)動力來源的不同可分為氣壓動力型、液壓動力型和電動動力型等多種類型。
轉(zhuǎn)向器具有將駕駛員作用在方向盤的手力放大，并且能夠使速度變慢之后再傳給轉(zhuǎn)向機構(gòu)。它作為汽車的重要部分，并且它決定了汽車安全性能的優(yōu)劣，它的質(zhì)量直接影響了汽車的操縱穩(wěn)定性，由此它的設計不可忽視。
因為循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器具備傳動效率高、工作狀態(tài)平穩(wěn)、牢靠，螺桿及螺母上的螺旋槽經(jīng)滲碳、淬火及磨削加工，耐磨性好、壽命長，且齒扇與齒條嚙合間隙的調(diào)整便利易行，這種構(gòu)造與液力式動力轉(zhuǎn)向液壓裝置的匹配安裝時也極為方便。故本文選用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。
1.2 轉(zhuǎn)向器的介紹
1.2.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的簡介
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來改變或者保持汽車行駛方向的一系列裝置。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的最重要的功能就是能按照駕駛員自己的想法去控制汽車的行駛方向。有的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還有助力機構(gòu)，能夠在一定程度上減輕了駕駛員的手力，這種機構(gòu)對于女性駕駛者則顯得很重要。
轉(zhuǎn)向器的設計必須滿足以下要求：
(1)方向盤一定要左置；
(2)后輪不可以單獨的作為轉(zhuǎn)向輪；
(3)不可以使用全動力轉(zhuǎn)向機構(gòu)；
(4)必須有漸進的轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)；
(5)轉(zhuǎn)向輪必須具備足夠的硬度以保證行駛安全；
(6)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須在合理的位置，以確保駕駛員能夠方便準確的操作，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不能和其它的裝置有干涉；
- 1 -
(7)轉(zhuǎn)向輪能夠自動恢復正位，從而確保車輪沿著直線行駛；
(8)在后輪做轉(zhuǎn)向輪的時候，具有二根及以上轉(zhuǎn)向車軸的全掛車和具有一根及以上轉(zhuǎn)向車軸的半掛車，以80km／h車速行駛時，駕駛員在不做反常修正時，能夠保持車輪直線行駛；
(9)當所有的助力系統(tǒng)損壞不能正常工作時，必須保證汽車有能夠控制行駛方向的能力；
(10)當助力裝置本身沒有獨立的輔助獨立機構(gòu)時，一定要具備蓄能器；
(11)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的部件安裝、設計等必須保證與駕駛員的衣物等物件不會拉扯，且其表面不能有棱角，不能對駕駛員產(chǎn)生傷害；
（12）汽車左右轉(zhuǎn)彎時，它的回轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向力沒有明顯差異；
（13）以10km/h車速轉(zhuǎn)彎且以12m的半徑前行和轉(zhuǎn)彎時，不帶助力的系統(tǒng)要求其轉(zhuǎn)向力不大于245N，帶助力轉(zhuǎn)向但助力轉(zhuǎn)向失去效用的系統(tǒng)，要求其轉(zhuǎn)向力不得大于588N，一般的情況下機動動作時間不得超過4s，帶有助力轉(zhuǎn)向的系統(tǒng)則要求它的助力失效時間不得大于65s，左右兩個方向都必須要進行試驗測試。
1.2.2機械轉(zhuǎn)向系
操縱機構(gòu)、機械轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)三大部分組成了汽車機械式轉(zhuǎn)向系，其具體結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。汽車機械式的動力來源是駕駛員的手力，并且它的所有傳動件都是機械的。
圖1-1 機械式轉(zhuǎn)向器
1—轉(zhuǎn)向盤2—轉(zhuǎn)向軸3—轉(zhuǎn)向萬向4—轉(zhuǎn)向傳動軸5—轉(zhuǎn)向器
6—轉(zhuǎn)向搖臂 7—轉(zhuǎn)向直拉桿 8—轉(zhuǎn)向節(jié)臂9—左轉(zhuǎn)向節(jié)
10、12—左右梯形臂11—轉(zhuǎn)向橫拉桿13—右轉(zhuǎn)向節(jié)
駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上面的力通過轉(zhuǎn)向柱傳到轉(zhuǎn)向軸，從轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向傳動軸這一部分的零件都屬于轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)。再將力傳到直拉桿，再到轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向器在將力傳到減速器（圖中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無減速器，其位置在轉(zhuǎn)向器旁邊），到這里再到轉(zhuǎn)向拉桿，作用到轉(zhuǎn)向節(jié)臂。最后作用在轉(zhuǎn)向輪上，從而使其產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，改變汽車行駛的方向。而轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)和轉(zhuǎn)向節(jié)臂等零件均屬于轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)。
（1）轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)
轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)是由圖1-2中的方向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向管柱等零部件組成的。它主要作用是將駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤的力傳給轉(zhuǎn)向器。
圖1-2 轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)
（2）轉(zhuǎn)向器
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器由轉(zhuǎn)向齒輪、轉(zhuǎn)向殼體和轉(zhuǎn)向齒條等組成，結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點是造價低，結(jié)構(gòu)很簡單，體積較小，轉(zhuǎn)向靈敏，可以實現(xiàn)直接帶動橫拉桿。但是它由于逆效率很高，容易產(chǎn)生打手，令車上的駕駛員精神緊張，不能有很好地駕駛感受，甚至會產(chǎn)生比較致命的后果，所以本文不采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。
圖1-3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器
齒條齒扇副磨損后可以重新調(diào)整間隙，使之具有合適的轉(zhuǎn)向器傳動間隙，從而提高轉(zhuǎn)向器壽命，也是這種轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點之一。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器和齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器是如今世界社會上用的最多的兩種轉(zhuǎn)向器，蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器和蝸桿式轉(zhuǎn)向器這兩種則由于各種原因正在逐漸被淘汰掉。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點較多，比如效率很高，操縱很方便，布置容易等，特別適合中大型的汽車應用。易于傳遞駕駛操縱信息，逆效率也很高，和液壓操縱機構(gòu)配合的很不錯。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要是由螺桿、螺母、轉(zhuǎn)向器殼體以及許多的小鋼球等部件組成，其所謂的循環(huán)球指的就是里面的這些小鋼球，它們被放置于螺母與螺桿之間的密閉管路內(nèi)，經(jīng)過管道進行無限的循環(huán)流動，這些鋼球起到將螺母與螺桿之間的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)樽枇Ψ浅Ｐ〉臐L動摩擦的作用，當與方向盤轉(zhuǎn)向管柱固定到一塊的螺桿轉(zhuǎn)動起來的時候，螺桿推動螺母進行上下的運動，螺母在通過齒輪來驅(qū)動轉(zhuǎn)向搖臂往復搖動從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的傳動效率高、工作安穩(wěn)、牢靠，螺桿及螺母上的螺旋槽是經(jīng)滲碳、淬火以及切削加工，耐磨性極好、壽命很長。齒扇與齒條嚙合間隙的調(diào)整便利容易實施，這種結(jié)構(gòu)與液力式動力轉(zhuǎn)向液壓裝置的匹配布置也極為便利。所以循環(huán)球轉(zhuǎn)向器憑借這些優(yōu)點讓其在汽車中得到了比較廣泛的應用[1]。
轉(zhuǎn)向螺桿轉(zhuǎn)動時，通過小鋼球?qū)⒆饔昧鹘o了在絲杠上運動的轉(zhuǎn)向螺母，螺母即沿絲杠進行軸向的運動。同時，在螺桿及螺母與鋼球間的摩擦力偶效果的作用下，所有鋼球便會在螺旋管狀通道以及管道內(nèi)滾動，形成循環(huán)的“球流”。在轉(zhuǎn)向器工作時，兩列鋼球只是在各自的封閉流道內(nèi)循環(huán)，不會中途產(chǎn)生脫出。
（3）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動機構(gòu)
轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的功用是將轉(zhuǎn)向器輸出的力和運動傳到轉(zhuǎn)向橋兩側(cè)的轉(zhuǎn)向節(jié)上面，轉(zhuǎn)向節(jié)再使兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且使二個轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角按照一定的關系發(fā)生變化，從而確保汽車轉(zhuǎn)向時車輪與地面的相對滑動能夠盡可能的小。
1.3 國外的研究現(xiàn)狀
國外對于轉(zhuǎn)向器的研究較早。在韓國Durkhyun Wuh、Seokchan Yun、Changsoo Han [3]的研究中一個動態(tài)模型和控制算法的滾珠絲杠類型MDPS系統(tǒng)推導和分析了使用方法離散建模技術(shù)。改善轉(zhuǎn)向感覺,動力轉(zhuǎn)向的特點,兩個衍生品收益被添加到傳統(tǒng)的權(quán)力增加控制算法。通過模擬,影響控制增益的轉(zhuǎn)向角增益在頻域進行驗證。在中心的方向盤回正性和轉(zhuǎn)向力矩相位滯后處理時域測試同時進行。Man Hyung Lee、Seung Ki Ha 、Ju Yong Choi 、Kang Sup Yoon[4]討論了直流電機加熱器調(diào)節(jié)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)。
2005年法國的Carlos Canudas-de-Wit、 Hubert Bechart、Xavier Claeys、Pietro Dolcini、John-Jairo Martinez[6]研究了電子動力轉(zhuǎn)向和輔助離合器同步問題，提出EPS系統(tǒng)旨在生產(chǎn)相同的汽車轉(zhuǎn)向特性無論大小和重量，路況和輪胎特性;拒絕外部干擾,如道路違規(guī)行為和道路狀況的變化;PS系統(tǒng)替代現(xiàn)有的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng),取代傳統(tǒng)的液壓動力裝置的電子。任意設定預期的優(yōu)勢是潛在的能力反應方向盤轉(zhuǎn)矩特性,并使這些特征符合道路條件。
2016年Springer國際版中瑞士的Christoph Nippold、Ferit Kuckay、Roman Henze[5]在測試試驗臺基礎上的應用和分析機電動力轉(zhuǎn)向(EPS)。電動轉(zhuǎn)向有節(jié)能環(huán)保、安裝方便、效率高、路感好和回正性好等優(yōu)勢。
1.4 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀
為了正常進行循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器磨損試驗，2015年中國地質(zhì)大學伍穎，宋康頓，郭龍飛，吳選杰[7]參照《汽車電動助力轉(zhuǎn)向裝置技術(shù)條件與臺架試驗方法》標準，采用交流伺服技術(shù)、智能集成技術(shù)與微機測控技術(shù)，設計了雙工位循環(huán)球轉(zhuǎn)向器可靠性磨損試驗系統(tǒng)。試驗運行結(jié)果顯示：該試驗系統(tǒng)經(jīng)濟高效，穩(wěn)定牢靠，滿足循環(huán)球轉(zhuǎn)向器磨損試驗標準規(guī)定功能：系統(tǒng)應具有實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、實時繪制曲線和檢測空載性能三大功能，從而進一步完成循環(huán)球轉(zhuǎn)向器出廠前的可靠性磨損試驗，降低由于服役壽命周期內(nèi)的失去效果而導致交通安全事故的概率。
2016年為了解決循環(huán)球變比轉(zhuǎn)向器變比齒輪齒廓設計問題，為了解決循環(huán)球變比轉(zhuǎn)向器變比齒輪齒廓設計問題胡大偉,牛子孺等[8]提出一種數(shù)字設計方法即范成仿真法; 該方法在 CATIA 建模軟件中，基于變傳動比運動規(guī)律建立布爾減運算宏程序，模擬變比齒輪齒廓包絡面范成加 工過程，生成變比齒輪三維模型; 對齒廓曲面進行修補，完成變比齒輪副的虛擬裝配后，采用ADAMS軟件對建立的變比齒輪齒條副進行運動仿真分析，將仿真得到的傳動比曲線與設計用曲線進行對比分析，驗證了該方法的有效性。
為了檢測循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的疲勞性能，在原有的分析轉(zhuǎn)向器工作原理的基礎上，2016年郭海林,熊麗[9]運用電液伺服材料試驗機INSTRON 1251 試驗臺與計算機控制單元，設計出了轉(zhuǎn)向器疲勞試驗系統(tǒng)。研制了轉(zhuǎn)向器疲勞試驗工裝夾具，系統(tǒng)加載動態(tài)響應良好，達到了規(guī)定的轉(zhuǎn)向器疲勞試驗參數(shù)要求。試驗運行表明：該試驗設計實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向器疲勞性能測試，操作簡便，控制精度高，為轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)設計與強度評估提供了基礎技術(shù)支持。
我國正在發(fā)展多軸車輛的EPS系統(tǒng)：(1)右輪裝半自動 S-EPS，其雙輪左輪裝手動，最大負載6 000 kg，基本上滿足我國的公路重型汽車要求?；旧弦话愕妮p重型汽車都可使用EPS；(2)雙前橋轉(zhuǎn)向同前一條一樣用左輪裝手動 S-EPS，其余的可采用半自動 S-EPS，并且由一個控制器來控制。部分轉(zhuǎn)向桿系保持原拉桿系統(tǒng)；(3)分別在三軸車輛電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)前后軸上安裝電動轉(zhuǎn)向器[10]。
1.5 本課題研究的主要內(nèi)容
本文主要進行循環(huán)球的相關設計，包括其循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要性能參數(shù)的設計，其中包括轉(zhuǎn)向器的效率以及傳動比的變速特性。然后主要尺寸參數(shù)的選擇，包括其螺桿、鋼球、螺母傳動副的設計和齒條、齒扇傳動副的設計。隨后其零件的強度計算和轉(zhuǎn)向搖臂的軸直徑的確定，再進行三維模型及二維工程圖的設計。最后則利用CATIA對它進行受力分析，觀測它的受力情況。
本文的設計思路有以下8點：
（1）研究輕型貨車汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；
（2）汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計要求；
（3）根據(jù)汽車總體方案的設計選擇；
（4）進行汽車轉(zhuǎn)向器選型分析并完成總結(jié)；
（5）完成轉(zhuǎn)向器各項主要參數(shù)的選擇；
（6）進行轉(zhuǎn)向器性能分析；
（7）完成設計圖紙；
（8）完成設計說明書。
1.6 本章小結(jié)
本章是文章的緒論部分，首先寫的是設計此課題的背景，初步介紹了一下轉(zhuǎn)向系，以及它們的功用。國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀也是本章的重點，詳細說明近幾年轉(zhuǎn)向器的研究過程。本章也闡明了研究的意義以及目的。文章有各種的設計方法以及所有表達的內(nèi)容，此章介紹研究的方法以及內(nèi)容。之后是對轉(zhuǎn)向器的詳細介紹，包括它的工作原理、優(yōu)點等等。也將循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器與其它類型的轉(zhuǎn)向器進行詳細的對比，詳細說明了研究采用此類型轉(zhuǎn)向器的原因以及意圖。
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2 轉(zhuǎn)向器的設計與參數(shù)選擇
轉(zhuǎn)向器的設計參數(shù)包括主要的性能參數(shù)以及尺寸參數(shù)的設計和強度的校核。主要性能的參數(shù)包括效率和傳動比。尺寸參數(shù)則包括鋼球的直徑、鋼球數(shù)量、工作圈數(shù)、導管內(nèi)徑等等。強度的校核有鋼球與滾道的接觸應力以及彎曲壓力。
2.1 轉(zhuǎn)向器的主要使用性能參數(shù)
轉(zhuǎn)向器的使用性能參數(shù)主要包括循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的正逆效率以及轉(zhuǎn)向系自身的傳動比。
2.1.1 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的正逆效率
手作用在方向盤上的力功率從絲杠的一端輸入到轉(zhuǎn)向搖臂軸，再從轉(zhuǎn)向搖臂軸輸出到轉(zhuǎn)向搖臂軸所得到的效率被稱為正效率，其符號為，公式為；相反的，從轉(zhuǎn)向輪傳到轉(zhuǎn)向軸的效率，被稱為逆效率，其符號為，公式為。公式中的是轉(zhuǎn)向器自身所有的摩擦功率。正效率高能使轉(zhuǎn)向便利，而逆功率高能夠保證汽車轉(zhuǎn)向后的回正率更高。但是逆功率太高又會使汽車在行駛的路上打手情況更加嚴重，一般要求逆功率盡最大可能的小。轉(zhuǎn)向器的類型、構(gòu)造特征、內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)以及產(chǎn)品的制造質(zhì)量等等都可能是影響轉(zhuǎn)向器正功率的本質(zhì)原因。
（1）轉(zhuǎn)向器種類、構(gòu)造特點與正逆效率
滾針軸承除了滾輪和滾針之間的摩擦損耗之外，滑動摩擦消耗在滾輪兩邊與墊片之間也有，所以這種轉(zhuǎn)向器的正效率大約只有53%[14]。齒輪齒條式、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的正效率相對與蝸桿指銷式來說則顯得比較高。相同類型的轉(zhuǎn)向器也會由于它們的構(gòu)造不同，所以它們的正效率也不會完全的相同。有實驗可以證明選用滾針軸承、圓錐滾子軸的蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的滾輪與支持軸之間的軸承的轉(zhuǎn)向器，實驗結(jié)果顯示它們的正效率分別是69%和74%。此外對它有影響的還有轉(zhuǎn)向搖臂軸軸承的結(jié)構(gòu)種類，用圓錐滾子軸承的正負效率都比滑動軸承的高一些。
（2）轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)上的性能參數(shù)計算
如果我們只考慮到各個相嚙合零件之間的摩擦消耗時，把軸承其他地方的摩擦損失忽略掉，可用下式計算蝸桿和螺桿類轉(zhuǎn)向器它的正效率公式為：
（2-1） 式中，是螺桿上螺線的導程角度：是摩擦角度，；為材料摩擦因數(shù)。
查得鋼與鋼的摩擦因數(shù)為0.25，則，=8°。
故 （2-2）
可逆型轉(zhuǎn)向器在遇到凹凸不平的路面時，它會產(chǎn)生很嚴重的打手感，這樣會增加駕駛員的緊張感，不利于汽車行駛。屬于可逆型轉(zhuǎn)向器的有齒輪齒條型轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球型轉(zhuǎn)向器這二種。
如果路面給車輪的力基本不能傳回到方向盤，則被稱為不可逆式轉(zhuǎn)向器。由于不能很好的傳到方向盤，所以這些力只能由轉(zhuǎn)向器的零部件去承擔，很容易造成轉(zhuǎn)向器的破壞，所以現(xiàn)代的車輛大部分情況下不應用這種類型的轉(zhuǎn)向器。
效率處于兩者之間的還有種類型的轉(zhuǎn)向器，由于在路面不平時它接受路面的沖擊力比較小，所以逆效率低，稱為極限轉(zhuǎn)向器。打手感也不是特別大，駕駛員也不會感到過分的緊張，轉(zhuǎn)向器內(nèi)部零部件的沖擊力也不高，損傷也就不高。
如果我們只考慮相嚙合零件之間的摩擦消耗時，略去軸承以及其它地方因為摩擦造成的消耗，可利用下面的公式計算出蝸桿和螺桿類轉(zhuǎn)向器的逆效率公式為 ：
故 （2-3）
式（）表明：隨著的增大，它的也會變大。
2.1.2轉(zhuǎn)向系的傳動比
轉(zhuǎn)向系的傳動比包括角傳動比和力傳動比。力傳動比的公式為：
角傳動比的公式為：
（2-5）
式（2-5）中的即轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角增量；即轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角增量；它所表述的是時間增量。它里面包括的有轉(zhuǎn)向器角傳動比和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)角傳動比，即。
當今車輛轉(zhuǎn)向部分的角傳動比一般取0.8～51之間，此處取1.0。轎車的一般取，14～22，此處取17。所以：
2.2 主要尺寸參數(shù)的選擇
根據(jù)表2-1可知BJ2020的前軸載荷為780kg，再根據(jù)表2-2得到它的齒扇模數(shù)為。在轉(zhuǎn)向器齒扇模數(shù)得到確定后，循環(huán)式轉(zhuǎn)向器的各級數(shù)據(jù)可以通過表和表來進行選擇。
根據(jù)以下表格，確定的齒扇模數(shù)查表2-2和2-4可得：
螺距：9.525mm 工作圈數(shù)：1.5 鋼球直徑：6.350mm
螺桿外徑：25mm 齒扇壓力角：2230′ 齒扇寬：45mm
環(huán)流行數(shù)：2 螺母長度：80mm 齒扇齒數(shù)：4 切削角：630
表2-1
尺寸參數(shù)
質(zhì)量參數(shù)
使用參數(shù)
表2-2
數(shù)值
4
表2-3
表2-4 mm
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)
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3
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2.2.1鋼球、絲杠與螺母傳動副的設計
（1）如圖2-1所示絲杠外徑鋼球中心距螺母管道的直徑以及尺寸、、。
圖2-1 螺桿、螺母傳動副鋼球
一般取得越小越好。隨著齒扇模數(shù)的增加，鋼球的中心距也會相應的逐漸增加，絲杠外徑在19到31mm之間變化，螺母內(nèi)徑一般要求大于，并且一般要求=(6%～11%)D,再由表2-2得：=27mm，=25mm，。
（2）鋼球的個數(shù)及直徑
鋼球直徑一般取～mm，由表2-2得鋼球直徑為6.350mm，故每個路線的鋼球個數(shù)可由以下公式得出：
（2-6）
式中，為一個環(huán)形路線中的鋼球圈數(shù)；D為鋼球中心之間的距離；為包括環(huán)流管道中的鋼球個數(shù)；為螺線導程角，一般取=5°～8°，cos≈1；將上述各數(shù)值代入得=18.55。
（3）接觸角
為了使徑向力與軸向力分布更加均勻，一般取45°。
（4）滾道截面
絲杠與螺母由二條弧型線構(gòu)成，如圖2-2,從而形成四個分段類型的弧型軌道斷面，鋼球與滾道就會有四處接觸，此時傳動軸軸向的間隔不是很大，可以滿足所有的標準。
圖2-2中各處間隙除了可以用來儲存油外，也會存雜質(zhì)，使部件磨損。為了減小磨損，螺桿與螺母的溝槽半徑常取=（0.51～0.53）。在這里我們?nèi)?.239mm，符合之前的要求。
圖2-2 鋼球軌道斷面
（5）螺旋線導程角和螺線間距離
轉(zhuǎn)向盤旋轉(zhuǎn)角度，其相對應的螺母位移為：
（2-7）
式中，為。常取8～11mm之間。由表2-2得; 取6°，又；
（2-8）
式中，為齒扇節(jié)圓半徑。由前式得，可得轉(zhuǎn)向器角傳動比公式：
(2-9)
由此可得，螺距對轉(zhuǎn)向器傳動比有影響。
由表2-2得，,,故可得≈17
由上式可得若螺距不變，則隨著的增加，圖2-2中的不會越來越大，且設計合理。
（6）鋼球工作圈數(shù)
鋼球工作圈數(shù)有1.5和2.5二種。由表2-2得=1.5。
（7）導管內(nèi)徑
裝得下所有鋼珠并且能夠讓鋼珠在它的內(nèi)部管道里面滾動的管道直徑，一般應該盡量取很小，推薦=0.4～0.8mm，此處為了方便取0.5mm，導管壁的厚度取1mm。
2.2.2變厚齒扇機構(gòu)的設計
變厚齒扇的齒頂與根的輪廓面只是圓錐的一部分，它的分度圓的齒的厚度會一直進行改變，如圖2-3所示，被稱之為變厚齒扇。
圖2-3 變厚齒扇的截面
對于變厚齒扇齒型的計算，我們一般最中間的剖面作為基準面，如圖2-4。由基準面向左時，變位系數(shù)依次由正值變零再變負值。由某一剖面至基準面的距離為，則它的值為，是切削角，一般的有6°30′和7°30′二種，此處取6°30′。當不變時，變位系數(shù)由決定。
圖2-4 變厚齒扇計算說明圖
以上已經(jīng)確定；，，；，，；，；，，；，，。
2.3 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的強度校核
2.3.1鋼球與滾道的接觸應力σ
在進行強度計算前，我們應該首先確定其計算載荷。由之前的對應螺母移動的距離s的公式得轉(zhuǎn)向阻力矩，原地轉(zhuǎn)向阻力矩的公式為：
(2-10)
此處的；是汽車前軸載荷（N）；是輪胎大氣壓力（MPa）。又BJ2020前軸重量為780kg,因此；
故 ； (2-11)
轉(zhuǎn)向系的公式是：
(2-12)
由之前的計算得≈≈17
式中此處我們?nèi)?35mm；為主銷偏移距，常?。?.4～0.6）倍輪胎寬度，此處我們?nèi)?.5倍，即=107.5mm，故
(2-13)
又 (2-14)
在方向盤上作用的手力是：
（2-15）
所以這次所有設計符合該標準。
σ計算公式為
≤ （2-16）
式中，為滾道截面半徑，取=3.239mm；為系數(shù)，根據(jù)的值由表2-5可得，；為鋼球半徑；故可得=0.072 =0.229 =0.314 =0.600;為螺桿外半徑；為材料彈性模量，=2.1×105MPa；是鋼球的直徑=6.35mm。
表2-5
0.05
每個鋼球與螺桿滾道之間的正壓力 ：
（2-17）
式中轉(zhuǎn)向盤圓周力：半徑：螺桿螺線導程角：鋼球與軌道的接觸角：鋼球數(shù) ：，。
求得 （2-18）
故符合設計要求。
2.3.2齒的彎曲壓力
因為，且許用彎曲壓力為。
式中，是齒的齒高；是作用在齒上的周向力；是齒的寬度；是基圓的齒的厚度。
齒的高度；相咬合的半徑為；基圓的齒的厚度為；此處的取38mm。
得 （2-19）
2.4 轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑的確定
轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑的公式：
(2-20)
式中，為安全系數(shù)一般在2.5～3.5之間取，此處取=2；由上式可得=315046.57Nm2；。
所以
轉(zhuǎn)向搖臂軸的制造材料一般是22CrMnMo，并且其表面必須要經(jīng)過滲碳處理且深度大約是0.7～1.3mm，但前軸負荷比較大的汽車，一般為1.06～1.46mm。淬火過程后表面的硬度一般是58～63HRC。轉(zhuǎn)向器殼體這里采用型號為QT401—18的球墨鑄鐵對它進行鑄造。
2.5 本章小結(jié)
本章主要是轉(zhuǎn)向器的性能以及尺寸的參數(shù)的設計，然后開始對其主要的性能參數(shù)進行設計，先是轉(zhuǎn)向系的逆效率設計，算出為83.5%，再是計算出轉(zhuǎn)向系的傳動比為15。再來就是主要的尺寸參數(shù)的設計，其中包括齒扇的模數(shù)m=4，螺距齒扇壓力角為22°30′、齒扇寬為38mm等等的設計。經(jīng)過這些設計之后，又是鋼球、螺桿以及傳動副的設計。包括鋼球的數(shù)量n=18.55以及直徑d=6.35mm還有齒數(shù)z=14、螺桿的外徑D=29mm、接觸角θ=45°等等的設計。然后就是齒條齒扇傳動副的設計，包括之前已經(jīng)選擇好了的模數(shù)等等設計。
最后是強度的計算部分，其中包括了鋼球和滾道的接觸應力為1708MPa小于2500MPa以及齒的彎曲應力為405MPa小于540MPa，完成了強度的校核。之后是轉(zhuǎn)向搖臂軸的直徑的確定，計算出轉(zhuǎn)向搖臂軸的直徑=18mm，再進行軸的材料的選擇，最后選的是22CrMnMo，殼體材料為QT400-18。至此處，轉(zhuǎn)向器的計算基本結(jié)束，轉(zhuǎn)向器的性能以及尺寸參數(shù)也設計完畢，可以進行它的三維圖的繪制。
3 建模及受力分析
對零件進行三維建模以及用CATIA對它進行受力分析。
3.1 二維工程圖
主要是一些主要零件的二維圖紙的繪制，包括轉(zhuǎn)向搖臂軸、絲杠、螺母以及裝配圖等二維圖的繪制。
3.1.1 零件圖的繪制
繪制圖層，設置顏色，根據(jù)所需要的線以及各自的圖形尺寸畫圖。
（1）轉(zhuǎn)向搖臂軸
轉(zhuǎn)向搖臂軸上有齒扇，并且它與轉(zhuǎn)向搖臂相連，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖3-1所示。
圖3-1 轉(zhuǎn)向搖臂軸的二維圖紙
先畫出軸，根據(jù)圖中尺寸，然后畫齒扇，在根據(jù)之前計算的齒數(shù)畫出齒。
（2）螺桿
螺桿通過鋼球與螺母連接，傳遞手作用在方向盤上的力給轉(zhuǎn)向搖臂軸，其結(jié)構(gòu)以及尺寸如圖3-2所示。
圖3-2 螺桿的二維圖紙
（3）螺母
螺母通過鋼球與絲杠連接，并且通過齒與轉(zhuǎn)向搖臂軸連接，是轉(zhuǎn)向器的二個傳動副的組成之一，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖3-3所示。
圖3-3 螺母的二維圖
3.1.2裝配圖的繪制
裝配圖詳細的畫出了零件的位置，以及零件之間的配合關系，其結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。
圖3-4 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的裝配圖
1-螺釘2-軸承蓋3-殼體4-圓錐滾子軸承5-絲杠6-管道7-螺母8-油栓
3.2 三維零件圖
對一些主要零件三維圖紙的繪制，包括殼體、螺栓、轉(zhuǎn)向搖臂軸、軸承蓋、絲杠、總裝圖以及爆炸圖的三維圖繪制。
（1）殼體
殼體主要是起保護以及固定其它零部件的作用，其三維圖如圖3-5所示。
圖3-5 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器殼體
（2）螺栓
螺栓用于加緊固連接兩個帶有孔的零件的作用，三維圖如圖3-6所示。
圖3-6 螺栓
（3）轉(zhuǎn)向搖臂軸
轉(zhuǎn)向搖臂軸上可安裝轉(zhuǎn)向搖臂，并且軸上還有齒扇，其三維圖如圖3-7所示，是轉(zhuǎn)向器的重要零件之一，軸上的齒扇可用于調(diào)節(jié)其自由行程。
圖3-7 轉(zhuǎn)向搖臂軸
（4）螺母
螺母里面有很多槽，是鋼球的軌道，鋼球在內(nèi)滾道，形成球流，圖3-8所示是螺母的三維圖形。
圖3-8 螺母
齒扇和殼體的設計主要是利用拉伸的方法，來完成齒扇的設計。
（5）軸承蓋
軸承蓋用于阻止灰塵等衣物進入鋼球的軌道，以及保障潤滑劑僅僅對滾道以及鋼球起作用，其三維空間如圖3-9所示。
圖3-9 軸承蓋
軸承蓋主要是通過拉伸、鉆孔以及開槽等方法來完成的。
（6）絲杠
絲杠一端是用來接受手作用在方向盤上的力，螺母通過鋼球與螺桿連接在一起，其三維圖形如圖3-10所示。
圖3-10 絲杠
絲杠的設計主要也是用到了掃掠的處理，也是在中心線畫出螺紋螺旋線，然后在中心線掃一圈，最后得到螺桿的三維設計模型。
（7）總裝圖
轉(zhuǎn)向器總裝圖是各零件組合，如圖3-11所示，而轉(zhuǎn)向器的爆炸圖則展示了各零件的位置，如圖3-12所示。
圖3-11 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器總裝圖
圖3-12 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器爆炸圖
打開裝配圖，進入裝配模式，點移動選項下面的分解按鈕，爆炸圖生成。
3.3 受力分析
受力分析主要是對轉(zhuǎn)向器很重要的零部件進行力的分析，其中包括螺母、齒扇以及絲杠的受力分析。
受力分析作圖的步驟：先打開受力分析模塊，之后選擇材料庫，再圖形屬性板塊選固定，選定需要固定的面，進入力的參數(shù)設計，輸入力的參數(shù)以及受力點，最終，進行計算，得出受力分析圖，對材料進行著色。
（1）螺母的受力分析
螺母與鋼球接觸，鋼球運行的軌道之間存在的力的受到的力的分析如圖3-13所示，對螺母造成的變形量的分析如圖3-14所示。
圖3-13 螺母的受力圖
從圖中得其最大應力為1.2e+007Nm2，最小為3.97e+003Nm2，其受力點為鋼球軌道，故其受力合理，設計合理。
（2）轉(zhuǎn)向搖臂軸的受力分析
轉(zhuǎn)向搖臂軸與螺母有齒的接觸，其受力分析如圖3-15所示，其變形量分析如圖3-16所示。
圖3-14 轉(zhuǎn)向搖臂軸的受力圖
圖中的紅色區(qū)域代表受力最大區(qū)域，從圖中可以看出最中間的齒受力最嚴重，最大應力為1.53e+006Nm2，最小為0Nm2，并且齒輪也有變形，其主要受力點為最中間的齒輪，所以綜上設計較合理。
（3）絲杠的受力分析
絲杠是轉(zhuǎn)向器的重要零件，絲杠與螺母通過鋼球連接，鋼球與絲杠上的鋼球軌道有接觸，其受力分析如圖3-17所示，力產(chǎn)生的變形量如圖3-18所示。
圖3-15 絲杠的受力圖
從圖中著色的顏色來看，圖中最大的受力為二邊，其最大應力為2.12e+008Nm2，其受力點為鋼球的軌道，故受力合理，設計合理。
3.4 本章小結(jié)
本章是三維模型以及受力分析章節(jié)，其中主要有殼體的三維圖；齒扇軸、螺母以及絲杠的三維圖和二維圖以及受力分析圖；零件的裝配圖以及三維總裝圖等等。殼體的長寬高分別為151mm、100mm、152mm；絲杠的長和直徑為206mm和25mm；螺母的長寬高為80mm、35mm、47mm；齒扇軸的長和直徑為234mm和30mm。
最后是受力分析，受力分析是用CATIA對它進行力學的仿真，就是模仿它的受力情況來校核它的可行性，齒扇軸最中間的齒受力最嚴重，最大楊氏模量為1.53e+006Nm2，最小為0Nm2，并且齒輪也有變形，螺母的最大楊氏模量為1.2e+007Nm2，最小為3.97e+003Nm2，絲杠的最大楊氏模量為2.12e+008Nm2，最小為1.41e+006Nm2，三個主要零件的受力均在合理范圍內(nèi)，所以設計合理。至此，轉(zhuǎn)向器的設計基本完成。
4 結(jié) 論
根據(jù)現(xiàn)在使用的汽車參數(shù)設計準則以及參照類似車型的技術(shù)參數(shù)，本文主要是參照BJ2020型汽車的相關參數(shù)進行了轉(zhuǎn)向器的設計，設計結(jié)果滿足現(xiàn)代輕型貨車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的設計。應用CATIA軟件繪制了循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的裝配圖以及各個零件的三維圖紙，還應用AUTO CAD繪制出了各個零件的零件圖以及裝配圖的二維圖紙，使得圖紙更加詳細和準確。
首先通過查資料對部分參數(shù)進行一個預選，螺距為9.525mm、工作圈數(shù)為1.5、鋼球直徑為6.350mm，螺桿外徑為25mm，齒扇壓力角為22°30′，齒扇寬為38mm，環(huán)流行數(shù)為2，螺母長度為80mm ，齒扇模數(shù)為4 以及切削角為6°30′。
又通過計算，算出來了轉(zhuǎn)向器的尺寸，包括齒扇，螺桿等各個零件的尺寸，齒扇寬為38mm，鋼球的直徑d=6.35mm，螺桿的外徑D=29mm，轉(zhuǎn)向搖臂軸的直徑為18mm，齒扇的齒高為9mm。同時計算了鋼球與滾道的接觸應力為1708MPa小于2500MPa，齒的彎曲壓力為405MPa小于540MPa。上述設計均合理。
最后本文利用CATIA軟件對其一些主要零部件如齒扇、螺母以及絲杠進行了受力分析，齒扇軸最中間的齒受力最嚴重，最大應力為1.53e+006Nm2，最小為0Nm2并且齒輪也有變形，但變形量最大為0.00044mm，螺母的最大應力為1.2e+007Nm2，最小為3.97e+003Nm2，其最大位移量為0.000551mm，絲杠的最大應力為2.12e+008Nm2，最小為1.41e+006Nm2，其最大的變形量為0.00337mm，三個零件的變形量以及受力情況均在合理范圍內(nèi)，驗證了它的力學的合理性，最終完成了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的設計。
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附錄1：外文翻譯
主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基于神經(jīng)網(wǎng)絡的控制系統(tǒng)的設計
Ikbal Eski Ali Temürlenk
斯普林格科學和多德雷赫特商業(yè)媒體
摘要：如今，道路車輛的安全是一個重要問題，由于增加的道路車輛事故。對客運車輛的被動安全系統(tǒng)是在事故發(fā)生過程中盡量減少對司機和乘客的道路車輛的損壞。而主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是提高甚至在不利情況的車輛駕駛員輸入的響應，從而避免事故的發(fā)生。本文提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡的魯棒控制系統(tǒng)設計的主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。主要是雙齒輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模。然后，四個控制結(jié)構(gòu)用于控制主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制規(guī)定的隨機軌跡。這些控制結(jié)構(gòu)是經(jīng)典的PID控制器，基于神經(jīng)網(wǎng)絡的控制器模型、神經(jīng)網(wǎng)絡預測控制和魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡預測控制系統(tǒng)。模擬的結(jié)果表明，本文提出的基于神經(jīng)網(wǎng)絡的魯棒控制系統(tǒng)的優(yōu)越性表現(xiàn)在適應大隨機擾動。
關鍵詞：主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡 魯棒控制 隨機道路輸入信號
1.介紹
主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)起著重要的作用，提高車輛操縱穩(wěn)定性。在幾篇文章中有一些提出如下，已發(fā)表在該地區(qū)的車輛轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，車輛穩(wěn)定性和一些論文如下。
鄭和Anwar研究了車輛主動前輪轉(zhuǎn)向控制的偏航穩(wěn)定性控制算法[1]。橫擺穩(wěn)定性控制算法得到的解耦的橫向和偏航車輛和車輛的偏航阻尼同時以橫擺角速度和前輪轉(zhuǎn)向角反饋運動。此外，控制系統(tǒng)施加在線控轉(zhuǎn)向車輛，并做了實驗說明該系統(tǒng)的好處。一種無人地面車輛軌跡生成方法是主動轉(zhuǎn)向模型利用Yoon等人的發(fā)展[2]。提出了一種約束條件下的最小費用跟蹤問題。仿真結(jié)果表明，該機制障礙的車輛考慮車輛的尺寸和狀態(tài)變量的威脅反映修正視差法。一個集成的控制策略提出了個人最佳配合即剎車和前/后轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)[3].。一個低級的滑移率控制器被設計來產(chǎn)生所需的縱向力較小的縱滑移率，同時避免車輪抱死滑移率最大。通過計算機模擬并證明所提出方法的效率。
用于控制車輛的橫向動態(tài)反饋線性化的方法，是由Liaw和鐘[4]應用。反饋線性化的方法，是用于構(gòu)建穩(wěn)定的控制律的標準模型。在鞍結(jié)分岔的整車動力學穩(wěn)定性然后保利用Lyapunov穩(wěn)定性判據(jù)。車輛的動力學包含方向控制