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目錄
1 緒論 1
1.1課題背景 1
1.2 國內外研究現狀 3
1.3 研究目的及意義 3
1.4 研究內容和設計方法 3
2 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 6
2.2.2 轉向器 6
2.2.3 轉向傳動機構 8
2.3 轉向系主要性能參數 8
2.3.1 轉向器的效率 8
2.3.2 傳動比的變化特性 10
2.4 主要尺寸參數的選擇 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 19
2.5轉向器的計算和校核 21
2.5.1循環(huán)球式轉向器零件的強度計算 21
2.5.2 轉向搖臂軸直徑的確定 24
3結論 25
致謝 26
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。根據現用的國家標準并依據輕型汽車的循環(huán)球轉向器數據，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，使其能夠滿足現代轎車的國家標準要求。
關鍵詞: 循環(huán)球;轉向器;設計;分析
Abstract
Automobile is a transport machine with high-performance and variable loads. Steering system is one of the key 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 efficiency, 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 rendering parts of the plan are completed, so as to meet the national standards of Modern utility vehicle.
Key words: Circulating ball;Steering gear;Design;Analysis
III
1 緒論
1.1課題背景
轉向器還被稱為轉向機、方向機，它是轉向系中最重要的部件之一。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。
轉向器按結分類可分為很多種。但是現階段較常用的有齒輪齒條式、蝸桿曲柄指銷式、循環(huán)球-齒條齒扇式、循環(huán)球曲柄指銷式、蝸桿滾輪式等。如果按照助力方式分類的話，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類型?；具\行配合是一對相互嚙合的小齒輪和齒條。轉向軸轉動帶動小齒輪旋轉，齒條做直線運動。當靠齒條來直接帶動橫拉桿時，就可以使得轉向輪轉向。所以，這是一種最簡單的轉向器類型。它的優(yōu)點主要有結構簡單，成本低，轉向靈敏，體積小，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，它是以蝸桿為主動件，曲柄銷為從動件的轉向器。蝸桿上有梯形螺紋，錐形指銷用軸承支撐在曲柄上，曲柄與轉向搖臂軸連成一體。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，帶動轉向垂臂和曲柄擺動運動，然后再通過轉向傳動機構使轉向輪轉向。這種轉向器通常應用于轉向力較大的載貨汽車上?！ ?
（3） 循環(huán)球式轉向器
這種轉向器是用齒輪機構把從轉向盤來的旋轉力減速，使轉向盤旋轉運動變轉為渦輪蝸桿的旋轉運動，滾珠螺桿和螺母夾著鋼球，使得滾珠螺桿的旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動，螺母與扇形齒輪嚙合，直線運動重新轉變?yōu)樾D運動，使連桿臂搖動。循環(huán)球式轉向器的原理是應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，可以減小阻力，所有的鋼球都在一個首尾相連的封閉的螺旋曲線導管內循環(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的名字是相對齒輪齒條機械轉向器而言的，主要是在齒輪齒條機械轉向器的基礎上增加了轉向油泵、油壺、油管、閥等部件，目的是改善駕駛員手感，增加轉向助力。
進入90年代以來，汽車已經融入我們的生活，我國的經濟實力不斷增強，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。
作為汽車最關鍵部件轉向機構得到了相應的發(fā)展，基本已形成了專業(yè)系列生產的局面。有資料顯示，國外有許多的國家的轉向器廠家，都已經形成了大規(guī)模生產模式，單年產超過百萬臺，壟斷轉向器的生產，并且銷售向全世界各地。汽車轉向器從結構類型分類可以分成很多種，從現在轉向器使用的普遍程度來看，主要的轉向器類型有四種：有蝸桿銷式轉向器、蝸桿滾輪式轉向器、循環(huán)球式轉向器、齒輪齒條式型轉向器。這四種轉向器類型，已經被廣泛使用在汽車上。
循環(huán)球式轉向器和齒輪齒條式轉向器，已經成為世界汽車上最普遍使用的兩種轉向器；而蝸輪-蝸桿式轉向器和蝸桿銷式轉向器，正在逐漸被淘汰。在小客車轉向器的發(fā)展上，觀點各異，美國主要發(fā)展循環(huán)球式轉向器，比率將近90%以上；而西歐主要發(fā)展齒輪齒條式轉向器，比率超過50%，而法國已經高達95%。
在全世界范圍內，汽車循環(huán)球式轉向器占45%左右；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%左右。所以說循環(huán)球式轉向器有很大的發(fā)展空間。日本汽車轉向器的特點是循環(huán)球式轉向器占的比重變得越來越大，日本不同類型汽車不同型號發(fā)動機上，分別采用了不同類型轉向器，在公共汽車中使用循環(huán)球式轉向器已發(fā)展到100%了。大型貨車小型貨車中，也大都采用了循環(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)球式轉向器發(fā)展的優(yōu)勢所在，在中、小型號的車輛上都有非常好的發(fā)展空間。由此我們可以很輕易看出循環(huán)球式轉向器設計具有非常重要的意義，其應用前景也會變得越來越好。
1.2 國內外研究現狀
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，逐漸的被齒輪齒條式取代。但隨著動力轉向的應用以及道路行駛條件的改善，“打手”的現象明顯減少，正向傳動效率很高（最高可達90～95%），操縱輕便，使用壽命長，各種優(yōu)勢逐漸得到體現，因此目前再次得到廣泛使用。
汽車車速的快速提高，需要汽車在高速行駛時有非常好的轉向穩(wěn)定性，轉向器必須具有相對有較高的剛度要求。循環(huán)球式轉向器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。循環(huán)球式轉向器的間隙可以調整，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，因此適用范圍越來越廣。我國的轉向器也在向以循環(huán)球式轉向器為主的方向發(fā)展。
1.3 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，根據一些指定的參數結合《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，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，使其能夠滿足輕型轎車的需要，并為其今后拓展應用領域奠定理論設計基礎。
1.4 研究內容和設計方法
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，并對其重要部件進行強度校核，確定相關參數、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：根據設計中已知參數并結合理論知識，分析并計算得到循環(huán)球式轉向器的基本結構參數，然后利用相關經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，結束本論文的設計工作。
2 轉向器的設計
2.1 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調的轉角關系。
按照中華人民共和國國家標準GB17675-1999和汽車設計可知，其轉向器的設計要求如下[3]：
（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80km／h（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10km／h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4s，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。
2.2 機械轉向系
機械轉向系以駕駛員的體力作為轉向能源，所有的傳力件都是機械連接的。機械轉向系共由轉向操縱機構、轉向器和轉向傳動機構三大部分組成。駕駛員對轉向盤施加的轉向力矩通過轉向軸輸入轉向器。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。經轉向器放大后的力矩和減速后的運動傳到轉向橫拉桿，再傳給固定于轉向節(jié)上的轉向節(jié)臂，使轉向節(jié)和它所支承的轉向輪偏轉，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
轉向操縱機構由方向盤、轉向軸、轉向管柱等組成[4]，它的作用是將駕駛員轉動轉向盤的操縱力傳給轉向器。
2.2.2 轉向器
轉向器是完成由旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動的一組齒輪機構，也是轉向系中的減速傳動裝置。目前比較常用的有齒輪齒條式轉向器、循環(huán)球曲柄指銷式轉向器、蝸桿曲柄指銷式轉向器、循環(huán)球-齒條齒扇式轉向器、蝸桿滾輪式轉向器等。
循環(huán)球式和齒輪齒條式，是當今世界汽車上最主要使用的兩種轉向器；蝸桿式轉向器和蝸桿銷式轉向器，正在逐步被淘汰。
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。安裝方便。適用于大、中型車輛和動力轉向系統(tǒng)使用；有便于駕駛員操縱信號。，滿足了操縱輕便的要求。中間位置的轉向力小、而且經常使用，則要求轉向非常靈敏，因此要使中間位置速比小，才可以提高靈敏性。大角度轉向位置轉向阻力相對較大，但使用次數較少，因此希望大角度位置速比大一些，才可以減小轉向力。由于循環(huán)球式轉向器可實現變速比，應用范圍正在變得日益廣泛。
應用大量鋼球的滾動接觸傳遞轉向力，具有相對較大的強度和較好的耐磨性。并且該轉向器也可以被設計成具有等強度結構的，這也是它應用廣泛的原因之一。
變速比類型的結構具有相對較高的剛度，特別適合高速車輛車速提高時的要求。高速車輛需要汽車在高速時具有相對較好的轉向穩(wěn)定性，保證轉向器具有相對較高的剛度。
圖2-1 循環(huán)球式轉向器
循環(huán)球式轉向器內有一根蝸桿?？梢詫⑥D向器想象成兩部分。第一部分是帶有螺紋孔的螺母。此螺母外圍有切入的輪齒，這些輪齒與驅動轉向搖臂的齒輪相結合。方向盤連接在螺桿上，螺桿則插在螺母的孔內。轉動方向盤時，螺桿轉動螺栓。由于螺栓與螺母之間式相對固定的，因此在旋轉時，它不會像普通螺栓那樣鉆入螺母內中，而是帶動螺母移動，然后驅動轉動車輪的齒輪。
螺栓并不是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)相對于汽車的行駛安全至關重要，因此汽車轉向系統(tǒng)的零件也都被稱為保安件。循環(huán)球式轉向器一般有兩級傳動副，第一級是螺桿螺母傳動副，第二級是齒條齒扇傳動副。為了降低轉向螺桿轉向螺母之間的摩擦力，二者之間的螺紋并不是直接接觸的狀態(tài)，在其中間裝有多個鋼球，以實現滾動摩擦代替滑動摩擦。轉向螺桿和螺母上都被加工出了斷面輪廓為不同心圓弧組成的近似半圓的螺旋槽。他們的螺旋槽能配合在一起形成一個近似為圓形斷面的螺旋管狀通道。螺母側面有兩對通孔，可將鋼球通過孔塞入螺旋形通道內。轉向螺母上安裝有兩根鋼球導管，導管的兩個端口分別插入螺母側面的一對通孔中。導管內也裝滿鋼球。
當螺桿轉動時，通過鋼球將力傳遞到轉向螺母，螺母會沿著軸向移動。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。在轉向器運行時，兩列鋼球在各自的封閉流道內循環(huán)滾動，不會脫落出來。
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。
2.3 轉向系主要性能參數
2.3.1 轉向器的效率
功率自轉向軸輸入，經由轉向搖臂軸輸出求得的效率稱之為正效率，用符號表示，；反之則稱為逆效率，用符號表示，。為轉向器摩擦功率；為轉向搖臂軸功率。轉向時駕駛員轉動轉向盤時輕便穩(wěn)定，則要求正效率高，汽車轉向后轉向輪和轉向盤能自動返回到直線行駛位置的過程中，又要有一定的逆效率。減輕在不平路面上行駛時駕駛員的疲勞程度，車輪與路面之間的作用力傳回到轉向盤上時要盡可能的小，這要求逆效率必須盡可能的低。
(1) 轉向器類型、轉向器結構特點與轉向效率
滾針軸承和球軸承等三種結構之一。滾針軸承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著一定的滑動摩擦損失，因此這種轉向器的效率不高，另外兩種結構在前面說的四種轉向器中，齒輪齒條式、循環(huán)球式轉向器的正效率都相對比較高，而蝸桿指銷式轉向器的正效率要低的多。同一類型的轉向器，因結構不同也會使得效率不一樣。如蝸桿滾輪式轉向器的滾輪與支持軸之間使用的軸承可以選用滾針軸承、圓錐滾子軸的轉向器效率，根據試驗結果分別為70%和75%。
(2) 轉向器的結構參數和效率
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
（2-1）
式中， 為螺桿的螺線導程角：為摩擦角，；為摩擦因數。取為7°；取0.03，；
根據逆效率的大小，轉向器又分為可逆式、極限可逆式和不可逆式。路面反作用在車輪上的力，經過轉向系會大部分的被傳遞回轉向盤，這種逆效率相對較高的轉向器屬于可逆式的。它能保證轉向后，轉向輪和轉向盤可以自動回正。這不僅減輕了駕駛員的疲勞，也提高了行駛安全性。但是，在不平的路面上行進時，車輪受到的沖擊力大部分傳至轉向盤，引起駕駛員“打手”，使駕駛員精神緊張；如果長時間在不平的路面上行進，會使駕駛員疲勞，影響安全駕駛。
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器。沖擊力由轉向傳動機構的零件承受，因此會使得零件特別容易損壞。同時，它不能保證車輪自動回正，駕駛員對路面感覺非常低，因此，現代汽車已經不使用這種類型的轉向器了。
極限可逆式轉向器的情況則介于上述兩者之間。在車輪受到沖擊力作用時，反力只有相對較小一部分的力傳回轉向盤。它的逆效率相對比較低，而在不平路面上行駛時，駕駛員并不十分緊張，同時，零件受到的沖擊力也沒有不可逆式轉向器的大。
如果只考慮到嚙合副的摩擦損失，則可用以下公式做出計算
（2-2）
式（2-1）和（2-2）表明：導程角增大時，正效率逆效率都增大。受增大的影響，不應取得太。而當導程角小于或等于摩擦角時，逆效率小于等于零，此時則表明該轉向器屬于不可逆式轉向器。
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、力傳動比。輪胎接地面中心作用在兩個轉向輪上的合力與作用在轉向盤上的手力的比，稱為力傳動比，即
（2-3）
轉向盤角速度 與轉向節(jié)偏轉角速度 之比，為轉向系角傳動比。
（2-4）
式中的為轉向盤轉角增量；為轉向節(jié)轉角增量；為時間增量。轉向系角傳動比又由角傳動比和轉向傳動機構角傳動比所組成， 。
轉向盤角速度比搖臂軸角速度，稱為轉向器角傳動比。
（2-5）
式中的為搖臂軸轉角增量。此定義適應于除齒輪齒條式之外的轉向器。
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
（2-6）
(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
（2-7）
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
（2-8）
式中的是作用在轉向盤上的力矩；是轉向盤直徑。
將式（2-3）和（2-4）帶入后得到
（2-9）
分析式（2-5）可知，當主銷偏移距小時，力傳動比應取的相對大一些才能保證轉向輕便靈活。通常值在0.4～0.6倍輪胎的胎面寬度尺寸范圍內選取。本次設計用原有車型的數據。
忽略摩擦損失，可用下式表示出
（2-10）
將式（2-6）代入（2-5）后得到
（2-11）
當和不變時，力傳動比越大， 也越大，雖然轉向變得輕便了，但表明轉向不靈敏。
(3) 轉向系的角傳動比
計算轉向傳動機構角傳動比時，除用表示以外，還可以用轉向節(jié)臂臂長與搖臂長之比表示，即。現代汽車結構中，與的比值大約在0.85～1.1之間，可近似認為比值為1， 。因此，如果要研究轉向系的傳動比特性，只需要研究轉向器的角傳動比和的變化規(guī)律。
(4) 角傳動比及其的變化規(guī)律
式（2-7）表明：如果增大角傳動比，可以增加力傳動比。由可知，一定時，增大就可以減少作用在方向盤上的手力。
2.4 主要尺寸參數的選擇
由設計要求汽車前軸載荷為6KN，再根據表（2-2）選擇齒扇模數為4。在確定齒扇模數后，轉向器其他參數根據表（2-1）和表（2-3）進行選取。
表2-1 循環(huán)球轉向器的主要參數
參數
數值
齒扇模數/mm
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
6.0
6.5
搖臂軸直徑/mm
22
26
30
32
32
38
42
鋼球中心距/mm
20
23
25
28
30
35
40
螺桿外徑/mm
20
23
25
28
29
34
38
鋼球直徑/mm
5.556
6.350
6.350
7.144
8.000
螺距/mm
7.938
8.731
9.525
10.000
11.000
工作圈數
1.5
2.5
2.5
環(huán)流行數
2
齒扇齒數
5
5
齒扇整圓齒數
12
13
13
14
15
齒扇壓力角
22°30′
27°30′
切削角
6°30′
6°30′
7°30′
齒扇寬/mm
22
25
25
27
25
28
30
28-32
34
38
35
38
表2-2 各類汽車循環(huán)球轉向器的齒扇齒模數
齒扇齒模數m／mm
3.0
3.5
4．O
4.5
5．O
6.0
6.5
轎車
發(fā)動機排量／ml
500
1000
～
1800
1600
～
2000
2000
2000
前軸負荷/N
3500
～
3800
4700
～
7350
7000
～
9000
8300
～11000
10000
～11000
貨車和大客車
前軸負荷／N
3000
～
5000
4500
～
7500
5500
～
18500
7000
～
19500
9000
～
24000
17000
～
37000
23000
～
44000
最大裝載／kg
350
1000
2500
2700
3500
6000
8000
表2-3 循環(huán)球式轉向器的部分參數
模數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
3.0
20
7.938()
40
5.556()
2230′
630′730′
22
3.5
23
8.731()
45
5.556()
2230′
630′
730′
26
4.0
25
9.525()
48
6.350()
2230′
630′
730′
29
5.0
29
10.319()
62
7.144()
2230′
630′
730′
35
6.0
34
10.319()
72
7.144()
2230′
630′
730′
38
6.5
38
10.319()
82
7.144()
2230′
630′
730′
42
根據所選擇的齒扇模數，根據表（2-1）和表（2-3）選取對應的參數為：
鋼球直徑：5.556mm 螺距：8.731mm 工作圈數：1.5
螺桿外徑：23mm 環(huán)流行數：2 螺母長度：45mm
齒扇齒數：3.5 齒扇壓力角：2230′ 切削角：630′
齒扇寬：265mm
2.4.1 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
圖2-2 螺桿 鋼球 螺母傳動副
選取值的規(guī)律是隨著扇齒模數的增大，鋼球中心距也相應增加，設計時先參考同類型汽車的參數進行初選，經強度驗算后，再進行修正。
螺桿外徑D1通常在20～38mm范圍內變化，設計時應根據轉向軸負荷的不同來選定，螺母內徑應大于，一般要求根據（表2-1）：得D=23mm ，=23mm ，mm
圖2-3根據外形及參考數據繪制螺母的零件主視圖
圖2-4根據外形及參考數據繪制螺母的零件左視圖
（2） 鋼球直徑d及數量n
鋼球直徑應符合國家標準，一般常在6～9mm范圍內，根據（表2-1）。取d=5.556mm。
每個環(huán)路中的鋼球數可用下式計算：
（2-12）
式中，D為鋼球中心距；W為一個環(huán)路中的鋼球工作圈數；n為不包括環(huán)流導管中的鋼球數；為螺線導程角，常取=5°～8°，則；代入數值解得n=19.50。
圖2-5測量轉向螺桿的數據后繪制螺桿的零件圖
（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時，見圖2-6，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。在此我們取滾道半徑為2.833mm,符合相應的要求。
圖2-6 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
轉向盤轉動角，對應螺母移動的距離s為
(2-13)
式中，P為螺紋螺距。螺距P一般在8～11mm內選取。查表（2-1）得：取8.731mm 導程角= 5°～ 8°取。與此同時，齒扇節(jié)圓轉過的弧長等于，相應搖臂軸轉過，其間關系可表示如下：
（2-14）
式中，r為齒扇節(jié)圓半徑。由式（2-12）、式（2-13）得，將對求導得循環(huán)球式轉向器角傳動比為
(2-15)
又根據表2-1 有；mm
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，圖中的尺寸b越小，要求mm，符合要求。
（6） 工作鋼球圈數W
多數情況下，轉向器用兩個環(huán)路，而每個環(huán)路的工作鋼球圈數W又與接觸強度有關：增加工作鋼球圈數時，會使參加工作的鋼球增多，就能降低接觸應力，提高了承載能力；但鋼球受力不均勻、螺桿增長而使剛度降低。工作鋼球圈數有1.5和2圈兩種。一個環(huán)路的工作鋼球圈數的選取見（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6～9mm。鋼球直徑尺寸差應不超過。顯然，大直徑的鋼球其承載能力亦大，但也使轉向器的尺寸增大。鋼球的數量也影響承載能力，增多鋼球使承載能力增大，但也使鋼球的流動性變差，從而需要降低傳動效率。經驗表明在每個環(huán)路中以不大于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，齒側間隙也逐漸加大，可表達為
（2-16）
式中——徑向間隙；
——嚙合角；
——齒扇的分度圓半徑；
——搖臂軸的轉角。
圖2-7 為獲得變化的齒側間隙齒扇的加工原理和計算簡圖
圖2-8 用于選擇偏心n的線圖
當，確定后，根據上式可繪制如圖2-12所示的線圖，用于選擇適當的值，以便使齒條、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齒扇各輪齒齒厚的辦法來實現。一般是將齒條(一般有4個齒)兩側的齒槽寬制成比中間齒槽大0.20～0.30mm即可。本次設計采用直齒齒輪。
2.5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，即可計算轉向系零件的強度。
汽車在瀝青路面上或混凝土路面上的原地轉向阻力矩（N﹒mm）
（2-17）
f取0.7；為前軸負荷（N）；輪胎氣壓（MPa）。由設計要求；
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：
（2-18）
為轉向系角傳動比；
為轉向盤直徑取435mm；
為主銷偏移距。通常的值在0.4～0.6倍輪胎的胎面寬度尺寸范圍內選取。取mm，所以
作用在轉向節(jié)上的轉向阻力和輪胎與地面之間的轉向阻力有如下關系
再根據可求出作用在方向盤上的手力
（1） 鋼球與滾道間接觸應力
≤ （2-19）
式中K——系數，根據A／B查表2-5求得，其中A／B用下式計算：
； （2-20）
——螺桿與螺母滾道截面的圓弧半徑；；
——鋼球直徑；；A/B=0.05 因此，K取1.8；
E——材料彈性模量，；
N——每個鋼球與螺桿滾道之間的正壓力；
；
——轉向盤圓周力；；
——轉向盤輪緣半徑；；
——螺桿螺線導程角；；
——鋼球與滾道間的接觸角；；
——參與工作的鋼球數；；
——鋼球接觸點至螺桿中心線之距離。；
那么則有
表2-5 系數K與A/B的關系
A/B
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
K
0.388
0.400
0.410
0.440
0.468
0.490
0.536
0.600
A/B
0.2
0.15
0.1
0.05
0.02
0.01
0.007
K
0.716
0.800
0.970
1.280
1.8
2.271
3.202
當鋼球與滾道的接觸表面的硬度為HRC58～64時，許用接觸應力可取為3000～3500MPa。
（2） 齒的彎曲應力
齒扇上齒的彎曲應力為，許用彎曲應力為
式中，為作用在齒扇上的圓周力；為齒扇的齒高；為齒扇的齒寬；為基圓齒厚。
齒扇嚙合半徑；；；B取
2.5.2 轉向搖臂軸直徑的確定
轉向搖臂軸的直徑可根據轉向阻力矩及材料的扭轉強度極限由下式確定：
（2-21）
式中，——安全系數，根據使用條件可取2.5～3.5，取為3.0；
——轉向阻力矩，；
——扭轉強度極限，；
轉向搖臂軸一般采用20CrMnTi、22CrMnMo或20CrNi 3A鋼制造，表面滲碳，滲碳層深為0.8～1.2mm，重型汽車和前軸負荷大的汽車，則為1.05～1.45mm。淬火后表面硬度為58—63HRC。轉向器殼體采用球墨鑄鐵QT400—18或可鍛鑄鐵KTH350—10，KTH370—12制造。
3結論
根據一些指定的參數結合《汽車設計》和其他相關書籍中關于轉向器的理論知識來設計此轉向器的其他相關參數，使設計出的轉向器符合其基本的功能，齒輪齒扇的尺寸基本能滿足一般輕型汽車的需求。在現代汽車設計中，選擇變齒用于齒條齒扇傳動副上是其前沿發(fā)展趨勢，本論文中只是采用直齒齒輪完成了初步的設計，因而其實物在傳動時將造成相關零件的磨損。
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。安裝方便。適用于大、中型車輛和動力轉向系統(tǒng)使用；有便于駕駛員操縱信號。，滿足了操縱輕便的要求。中間位置的轉向力小、而且經常使用，則要求轉向非常靈敏，因此要使中間位置速比小，才可以提高靈敏性。大角度轉向位置轉向阻力相對較大，但使用次數較少，因此希望大角度位置速比大一些，才可以減小轉向力。由于循環(huán)球式轉向器可實現變速比，應用范圍正在變得日益廣泛。
本論文借用相關參數完成了初步的設計，達到了設計初衷。應用AUTO CAD工程制圖軟件繪制了詳細和準確的循環(huán)球式轉向器圖形；分析計算并選取了循環(huán)球轉向器設計過程中所需要的主要參數，最終完成了自己的循環(huán)球式轉向器設計。通過此次的輕型汽車循環(huán)球式轉向器的設計，初步掌握了循環(huán)球式轉向器設計的原則，同時鍛煉了自己綜合解決問題的能力。 致謝
這次畢業(yè)論文能夠得以順利完成，是所有曾經指導過我的老師，幫助過我的同學，一直支持著我的家人對我的教誨、幫助和鼓勵的結果。我要在這里對他們表示深深的謝意！
首先要特別感謝我的指導老師許靜老師，她在我畢業(yè)設計的撰寫過程中，給我提供了極大的幫助和指導。從開始選題到中期修正，再到最終定稿，許靜老師給我提供了許多寶貴建議。
其次要感謝工學院所有2010級農業(yè)機械化及其自動化專業(yè)的老師，他們在這四年里辛苦的付出，老師們教會我的不僅僅是專業(yè)知識，更多的是對待學習、對待生活的態(tài)度。
感謝我的父母親，你們是我力量的源泉，只要有你們，不管面對什么樣的困難，我都不會害怕。
感謝我身邊的“戰(zhàn)友”，因為有你們的幫助，我的設計得以順利完成。感謝機械設計制造及其自動化專業(yè)的所有同學，在大學四年給我了那么多的幫助與鼓勵，在我不開心的時候，總能讓我開心起來。不會忘記，大學四年里我們一起渡過的歡樂時光，那些開心的日子，總是那么令人難以忘懷。 參考文獻
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