循环球式转向器设计

机械工程学院毕业设计题目：循环球式转向器专业：车辆工程班级：姓名：学号：指导教师：日期：2016年6月1日目录摘要………………………………………………………………………………………………1第一章绪论1.1课题背景………………………………………………………………………………11.2国内外研究现状………………………………………………………………………21.3研究的目的及意义……………………………………………………………………21.4研究内容和设计方法…………………………………………………………………2第二章转向系简介2.1转向系统简介…………………………………………………………………………32.2转向操纵机构…………………………………………………………………………42.3转向器…………………………………………………………………………………42.4转向传动机构…………………………………………………………………………5第三章转向器结构设计3.1转向器效率……………………………………………………………………………63.2传动比变化特性………………………………………………………………………73.3主要参数的选择………………………………………………………………………93.4螺杆、钢球、螺母传动副设计………………………………………………………113.5齿条齿扇传动副设计…………………………………………………………………14第四章主要零部件校核4.1转向盘受力确定………………………………………………………………………164.2校核钢球与滚道间的接触应力j……………………………………………………174.3校核齿的弯曲应力w…………………………………………………………………184.4齿扇齿接触应力校核…………………………………………………………………194.4转向摇臂轴直径的确定………………………………………………………………22附件………………………………………………………………………………………………23总结………………………………………………………………………………………………26参考文献…………………………………………………………………………………………261摘要汽车是一种高性能要求，负荷变换巨大的运输工具。转向系统是汽车很关键的部件，更要详细的了解跟认识。这些年循环球式转向器得到市场普遍认可跟应用。本文主要设计了齿扇，螺杆，螺母三个主要零部件并校核。根据现在国家标准与循环球式转向器相关车型（本文以BJ2020）的数据，选取主要参数，参考汽车设计与相关资料设计一款循环球式转向器，并绘制二维平面图。关键词:循环球、转向器、设计、分析1绪论1.1课题背景转向器又叫转向机或者方向机，它是转向系中最重要的部件。转向器能增大转向盘传递到转向传动机构的力矩并改变传递方向。转向器按结构形式可分很多种。目前常用的有齿轮齿条式、蜗杆指销式、循环球式、蜗杆滚轮式等。如果按照助力形式又可分为机械式和动力式两种。循环球式转向器将来自转向盘的旋转进行减速并增大扭矩，使方向盘的旋转运动转变成螺母的上下运动，螺母再与扇形齿轮啮合，直线运动再次转变为旋转运动，使连杆臂摇动，连杆臂连动拉杆和横拉杆做直线运动，改变车轮的行驶方向。循环球式转向器由两组传动副构成，一个是螺杆、螺母，另一个是齿条、齿扇。循环滚动的钢球安装在螺杆和螺母之间，这样使滑动摩擦转变为滚动摩擦，从而提高了传动效率。现代社会，汽车已经已经成为我们生活中不可或缺的交通工具，我国的经济实力不断增强，人民生活水平不断提高，同时民族汽车工业不断进步。现在我国已经成为世界汽车较强的国家。当然作为汽车关键部件之一的转向系也得到了相应的发展，已形成了专业化、系列化生产的局面。国外有很多国家的转向器厂，已发展成大规模生产的专业厂商，年产超过百万台，基本垄断了转向器的生产，并且销售点遍布全世界。循环球式转向器与齿轮齿条式转向器，成为当今世界汽车上最主要的两种转向器；而蜗轮蜗杆式转向器和蜗杆销式转向器，正在逐步被淘汰。在小客车上发展转向器的各个国家都不一样，美国和日本重点发展循环球式转向器超过90%；欧洲则重点发展齿轮齿条式转向器超过50%，法国惊人的高达95%。在全世界范围内，汽车循环球式转向器占45%左右，而且有继续增长的趋势，齿条齿轮式转向器在40%左右，蜗杆滚轮式转向器占10%左右，其它型式的转向器占5%。可以说循环球式转向器在稳步发展。1.2国内外研究现状循环球式转向器是汽车上常用的一种转向器，主要由螺母、螺杆、钢球、转向器壳体等2组成。因螺母与螺杆之间没有滑动摩擦，只有钢球与螺杆及螺母之间的滚动摩擦，所以循环球式转向器具有较高的传动效率，由于有结构复杂，成本高，转向灵敏度不好众多缺点，因此逐渐被齿轮齿条式取代。但随着动力转向的应用以及道路行驶条件的改善，“打手”的现象明显减少，正向传动效率很高，操纵轻便，使用寿命很长，各种优势逐渐得到体现，因此再次得到广泛使用。汽车在高速行驶时有较好的操纵稳定性，转向器必须具有较高的刚度。循环球式转向器由于通过大量钢球的滚动接触来传递扭矩，具有很高的强度和较好的耐磨性。并且可以被设计成具有等强度结构，适宜高速车辆采用，这也是它采用广泛的其中一个原因。循环球式转向器的间隙可调节，齿条齿扇磨损后可以重新调整间隙，使其具有合适的转向器传动间隙，从而提高转向器寿命，因此采用广泛。我国的也在向大量生产循环球式转向器发展。1.3研究目的及意义循环球式转向器是目前最为广泛应用的转向器类型，作为车辆工程专业的学生我们很有必要去了解其设计过程，为以后工作打下一个理论基础，同时循环球式转向器还会继续扩展市场占有率，也为我们国家转向器的发展给自己补充知识，贡献力量，为我们国家机械制造业的向前发展而努力。本次毕业设计主要是针对汽车循环球式转向器，根据某些参数结合《汽车设计》和其他相关书籍的理论知识设计一款循环球式转向器，确定参数，使设计出的转向器符合使用要求，并为其今后拓展应用领域奠定设计基础。1.4研究内容和设计方法研究内容：（1）收集课题相关资料。结合毕业设计课题进行必要的文献检索，查阅、收集、整理、归纳技术文献资料；（2）深入学习并掌握汽车构造、汽车设计等专业知识；了解循环球转向器设计的指导思想和原则；（3）掌握汽车设计的方法和步骤，参考有关手册和标准，对各总成部件进行选型、计算、校核等等；（4）计算循环球式转向器的主要参数并对其重要部件进行强度校核，确定相关参数与材料以及装配要求。按照标准和生产工艺要求，绘制汽车转向器总装配图和主要零件图。设计方法：根据已知参数并结合理论知识，分析计算得到循环球式转向器的基本结构参数，然后利用相关公式对转向器的重要部件进行强度校核，校核的结果不符合国家相关要求需要重新计算，当结果满足要求的时候，可确定其相关几何尺寸并完成图纸的绘制，结束本论文的设计。32转向系简介2.1转向系统功用与标准转向系统是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，保证各转向轮之间有协调的转角关系。机械转向系依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转向器和转向传动机构使转向轮偏转。有些汽车还装有防伤机构和转向减震器。采用动力转向的汽车还装有动力系统，并借助此系统来减轻驾驶员的手力。按照中华人民共和国国家标准GB17675-1999和汽车设计可知，其转向器的设计要求如下：（1）方向盘必须左置。（2）不得单独以后轮作为转向车轮。（3）不得装用全动力转向机构。（4）转向时转向车轮的偏转必须是渐进的。（5）转向系统必须有足够的刚度且坚固耐用，以确保行驶安全。（6）转向系统必须保证驾驶员在正常驾驶操作位置上能方便、准确地操作，转向系统在任何操作位置上不得与其他零部件有干涉现象。（7）汽车转向车轮应有自动回正能力，以保持汽车稳定的直线行驶。（8）后轮也做转向车轮的汽车，具有二根和二根以上转向车轴的全挂车和具有一根和一根以上转向车轴的半挂车，以80km／h（设计车速计）的车速行驶时，驾驶员必须能在不做异常转向修正的条件，保持汽车直线行驶。（9）以10km／h车速、24m转弯直径前行转弯时，不带助力时转向力应小于245N，带助力转向但助力转向失效时，其转向力应小于588N，机动动作时间正常情况下不得大于4s，带助力转向但助力失效时不得大于65。左右两个方向都要试验。（10）当汽车前行向左或向右转弯时，转向盘向左向右的回转角和转向力不得有显著差异。（11）转向系统中的液压、气压或电气部件部分或全部失效后，转向系统必须有控制汽车行驶方向的能力。（12）当助力转向装置本身无独立的辅助动力源时，必须设有蓄能器。如使用压缩空气，贮气筒上必须设有单向阀。（13）转向系统所有零部件的设计、结构和安装，必须保证驾驶员正常操作时不会钩挂驾驶员的衣服和饰物；不得有撞车时会加重驾驶员伤害的粗糙表面或尖锐棱角，维修保养时应该容易接近。2.2转向操纵机构转向操纵机构由方向盘、转向轴等组成，它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力矩传给转向器。4图2-1转向操纵机构2.3转向器转向器是完成由旋转运动到直线运动或近似直线运动的一组齿轮机构，同时也是转向系中减速传动装置。循环球式转向器和齿轮齿条式转向器，已成为当今世界汽车上主要的两种转向器。循环球式转向器效率高，操纵轻便，有平滑的操纵力特性曲线，容易布置。很适合大、中型车辆和动力转向系统；易于反馈驾驶员操纵的信号；逆效率高回位很好，与液压助力装置配合得很好。可以实现变速比，满足了操纵轻便性的要求。中间位置转向力小且经常使用，要求转向灵敏，希望中间位置附近速比小来提高灵敏性。大角度转向位置转向阻力大，但使用次数少，希望大角度位置速比大一些来减小转向力。由于循环球式转向器的众多优点得到广泛应用。通过大量钢球的滚动接触来传递转向力，具有较大的强度和较好的耐磨性。并且该转向器可以被设计成具有等强度结构，这也是它应用广泛的原因之一。变速比结构具有较高的刚度，特别适宜高速车辆车速的提高。高速车辆需要在高速时有较好的转向稳定性，必须保证转向器具有较高的刚度。齿条齿扇副磨损后可以重新调整间隙，使之具有合适的转向器传动间隙，从而提高转向器寿命，也是这种转向器的优点之一。5图2-2循环球式转向器循环球式转向器有一蜗杆。您可以将此转向器想象为两部分。第一部分是带有螺纹孔的金属块。此金属块外围有切入的轮齿，这些轮齿与驱动转向摇臂的齿轮相结合。方向盘连接在类似螺栓的螺杆上，螺杆则插在金属块的孔内。转动方向盘时，它便会转动螺栓。由于螺栓与金属块之间相对固定，因此旋转时，它不会像普通螺栓那样钻入金属块中，而是带动金属块旋转，进而驱动转动车轮的齿轮。螺栓并不直接与金属块上的螺纹结合在一起，所有螺纹中都填满了滚珠轴承，当齿轮转动时，这些滚珠将循环转动。滚珠轴承有两个作用：一，减少齿轮的摩擦和磨损；二，减少齿轮的溢出。如果齿轮溢出会在转动方向盘时感觉到。而如果转向器中没有滚珠，轮齿之间会暂时脱离造成方向盘松动。汽车转向系统对汽车的行驶安全至关重要。转向螺杆和螺母上都加工出断面轮廓为两段不同心圆弧组成的半圆的螺旋槽。螺母与螺杆的螺旋槽能形成近似圆形断面的螺旋管状通道。螺母侧面有两对通孔，可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内。转向螺母上有两根钢球导管，导管两端分别插入螺母侧面的一对通孔中。导管内也装满了钢球。两根导管和螺母内的螺旋管状通道组合成两条各自独立的封闭的钢球流道。2.4转向传动机构转向传动机构是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，使两个转向轮偏转角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能的小。6第三章转向器设计3.1转向器的效率功率1P从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率称之为正效率，用符号表示，121/)(PPP；反之则称为逆效率，用符号表示，323/)(PPP。式中2P为转向器中的摩擦功率；3P为转向摇臂轴上的功率。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，又需要有一定的逆效率。