1、目錄 TOC o 1-5 h z 1緒論22基本參數(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)53螺桿螺母取材及齒輪齒條參數(shù)確定84循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器強(qiáng)度計(jì)算105轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑的確定136總結(jié)147參考文獻(xiàn)151緒論課題背景轉(zhuǎn)向器又名轉(zhuǎn)向機(jī)、方向機(jī)，它是轉(zhuǎn)向系中最重要的部件。轉(zhuǎn)向器的作用是： 增大轉(zhuǎn)向盤傳到轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力和改變力的傳遞方向。轉(zhuǎn)向器按結(jié)構(gòu)形式可分為多種類型。目前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。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器這種轉(zhuǎn)向裝置是由齒輪機(jī)構(gòu)將來自轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)力進(jìn)行減速，使轉(zhuǎn)向盤的旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)闇u輪蝸桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滾珠螺桿和螺母夾著鋼球嚙合，因而滾珠螺桿 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)

2、動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，螺母再與扇形齒輪嚙合，直線運(yùn)動(dòng)再次變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 使連桿臂搖動(dòng)，連桿臂再使連動(dòng)拉桿和橫拉桿做直線運(yùn)動(dòng)，改變車輪的方向。循 環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的原理相當(dāng)于利用了螺母與螺栓在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的相對移動(dòng)，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(gè)首尾相連的封閉的螺 旋曲線內(nèi)循環(huán)滾動(dòng)，循環(huán)球式故而得名。進(jìn)入90年代以來，汽車已經(jīng)融入我們的生活，我國的經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷增強(qiáng)， 人民生活水平大幅度提高，同時(shí)也反映出民族汽車工業(yè)的巨大進(jìn)步?，F(xiàn)在我國已 經(jīng)成為世界五大汽車強(qiáng)國。作為汽車關(guān)鍵部件之一的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也得到了相應(yīng)的發(fā)展，基本已形成了專業(yè) 化、系列化生產(chǎn)的局面。有資料顯示，國外有很多國家的

3、轉(zhuǎn)向器廠，都已發(fā)展成 大規(guī)模生產(chǎn)的專業(yè)廠，年產(chǎn)超過百萬臺(tái)，壟斷了轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)，并且銷售點(diǎn)遍布 了全世界。汽車轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)很多，從目前使用的普遍程度來看，主要的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器型式，已經(jīng)被廣泛使用在汽車上用。綜合上述對有關(guān)轉(zhuǎn)向器品種的使用分析，得出以下結(jié)論：循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器和齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，已成為當(dāng)今世界汽車上主要的兩種轉(zhuǎn) 向器；而蝸輪-蝸桿式轉(zhuǎn)向器和蝸桿銷式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器的觀點(diǎn)各異，美國和日本重點(diǎn)發(fā)展循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器， 比率都已達(dá)到或超過90%；

4、西歐則重點(diǎn)發(fā)展齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，比率超過50%, 法國已高達(dá)95%。據(jù)了解，在全世界范圍內(nèi)，汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占45%左右，有繼續(xù)發(fā)展之 勢；齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器在40%左右；蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器占10%左右；其它型式的 轉(zhuǎn)向器占5%。所以可以說循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器在穩(wěn)步發(fā)展。而西歐小客車中，齒條 齒輪式轉(zhuǎn)向器有很大的發(fā)展。日本汽車轉(zhuǎn)向器的特點(diǎn)是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占的比重 越來越大，日本裝用不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的各類型汽車，采用不同類型轉(zhuǎn)向器，在公 共汽車中因使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器在公共汽車上已經(jīng)淘汰）。大、小型貨車中，也大都采用循 環(huán)球式轉(zhuǎn)向器；但

5、齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器有所發(fā)展；微型貨車用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占 65%，齒條齒輪式占35%。由于循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的種種優(yōu)點(diǎn)，在中、小型號的車輛上都有良好的應(yīng)用， 而大型車輛更以循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器為主要結(jié)構(gòu)。由此我們不難看出循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器 設(shè)計(jì)具有很重要的意義，其應(yīng)用前景也非常的好。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器是汽車上一種常用的轉(zhuǎn)向器，主要由螺桿、螺母、鋼球、轉(zhuǎn) 向器殼體等組成。因螺母與螺桿之間沒有滑動(dòng)摩擦，只有鋼球與螺桿及螺母之間 的滾動(dòng)摩擦，所以循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器具有較高的傳動(dòng)效率，由于有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本 高，轉(zhuǎn)向靈敏度不如齒輪齒條式的眾多缺點(diǎn)，因此逐漸被齒輪齒條式取代。但隨 著動(dòng)力轉(zhuǎn)向的應(yīng)用以及道路行駛條件的改

6、善，“打手”的現(xiàn)象明顯減少，正向傳 動(dòng)效率很高（最高可達(dá)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(shí)有較好的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，必須使轉(zhuǎn)向器具有較 高的剛度。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由于通過大量鋼球的滾動(dòng)接觸來傳遞轉(zhuǎn)向力，具有較 大的強(qiáng)度和較好的耐磨性。并且該轉(zhuǎn)向器可以被設(shè)計(jì)成具有等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，特別是 變速比結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向器的間隙可調(diào)，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(dòng)間隙，從而提高轉(zhuǎn)向器壽命，因此采用日益廣泛。我國的轉(zhuǎn)向器 也在向大量生產(chǎn)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器

7、發(fā)展。研究目的本次課程設(shè)計(jì)是針對汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，根據(jù)一些參數(shù)結(jié)合汽車設(shè)計(jì) 和機(jī)械設(shè)計(jì)書中的理論知識設(shè)計(jì)一種循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，確定其相關(guān)參數(shù)，使 設(shè)計(jì)出的轉(zhuǎn)向器符合使用要求。2結(jié)構(gòu)與基本參數(shù)設(shè)計(jì)采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器：它有兩級傳動(dòng)副，一級是與轉(zhuǎn)向軸連接的轉(zhuǎn)向螺桿和轉(zhuǎn)向螺母，另一極是齒 條和齒扇。轉(zhuǎn)向螺母既是第一級傳動(dòng)副的從動(dòng)件，又是第二級傳動(dòng)副的主動(dòng)件。 為了減少轉(zhuǎn)向螺桿與轉(zhuǎn)向螺母之間的摩擦與磨損，二者的螺紋不直接接觸，而是 做成滾珠的內(nèi)外滾道，中間裝有許多滾珠，以實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)摩擦。轉(zhuǎn)向螺母上裝有兩 個(gè)滾珠導(dǎo)管，每個(gè)滾珠導(dǎo)管的兩端分別插入轉(zhuǎn)向螺母側(cè)面的孔中，滾珠導(dǎo)管也裝 滿了滾珠，形成兩個(gè)各自獨(dú)立的封

8、閉通道。如圖所示，這是本人根據(jù)汽車設(shè)計(jì)中的圖譜所畫的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。設(shè)計(jì)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器所需確定的基本參數(shù)主要有鋼球中心距、螺桿外徑、螺 母內(nèi)徑、鋼球直徑、鋼球數(shù)目、一個(gè)環(huán)路中的鋼球工作圈數(shù)、螺旋線導(dǎo)程角、接 觸角、螺距、導(dǎo)管內(nèi)徑等。螺桿、鋼球、螺母傳動(dòng)副與通常的螺桿、螺母、傳動(dòng)副的區(qū)別在于前者是經(jīng) 過滾動(dòng)的鋼球?qū)⒘τ陕輻U傳至螺母，變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦。螺桿和螺母上的相 互對應(yīng)的螺旋槽構(gòu)成鋼球的螺旋滾道。轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向盤經(jīng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿，使鋼球 沿螺母上的滾道循環(huán)地滾動(dòng)。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(cè)表面需鉆孔與螺母的螺旋滾道打通以形成一個(gè)環(huán)路滾道的兩個(gè)導(dǎo)孔，并 分別插入鋼球

9、導(dǎo)管的兩端導(dǎo)管。鋼球?qū)Ч苁怯射摪鍥_壓成具有半圓截面的滾道， 然后對接成導(dǎo)管，并經(jīng)氤化處理使之耐磨。插入螺母螺旋滾道兩個(gè)導(dǎo)孔的鋼球的 兩個(gè)導(dǎo)管的中心線應(yīng)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 頭的，且具有不變的螺距，通常螺距t約在8-13mm范圍內(nèi)，螺旋線導(dǎo)程角0約 為6 -11。轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向器左置時(shí)轉(zhuǎn)向螺桿為左旋，右置時(shí)為右旋。鋼球直 徑d約為6-9mm。一般應(yīng)參考同類型汽車的轉(zhuǎn)向器選取鋼球直徑d并應(yīng)使之符合 國家標(biāo)準(zhǔn)。鋼球直徑尺寸差應(yīng)不超過128X10-d。顯然，大直徑的鋼球其承載能 力亦大，但也使轉(zhuǎn)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 載能力增大，但也使鋼球

10、的流動(dòng)性變差，從而要降低傳動(dòng)效率。經(jīng)驗(yàn)表明在每個(gè) 環(huán)路中n以不大于60為好。根據(jù)汽車設(shè)計(jì)中的圖表可以選擇所需的上述主要尺寸參數(shù)鋼球中心距D=32mm 螺桿外徑D1=29mm螺母內(nèi)徑 D2=32.2mm 一般要求 D2-D1=(5%-10%)D鋼球直徑d=7.144mm鋼球數(shù)量n(n不超過60):能提高承載能力，但使鋼球流動(dòng)性變壞，從而使傳 動(dòng)效率降低。鋼球數(shù)目可有下式確定：nDWnDW n =牝=21d cos a 0d式中D-鋼球中心距；個(gè)環(huán)路中的鋼球工作圈數(shù)，為了使載荷在各鋼球間分布均勻，一般W=1.5-2.5,當(dāng)轉(zhuǎn)向器的鋼球工作圈數(shù)需大于2.5時(shí)，則應(yīng)采用兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)路;d-鋼球直徑；a

11、。一一螺線導(dǎo)程角；滾道截面四段圓弧滾道截面。滾道截面有四點(diǎn)接觸式、兩點(diǎn)接觸式和橢圓滾道截面等。 四點(diǎn)接觸式滾道截面由四段圓弧組成，螺桿和螺母的滾道截面各為兩段圓弧。四 點(diǎn)接觸式滾道截面可獲得最小的軸向間隙，以避免軸向定位的不穩(wěn)定，受載后基 本上可消除軸向位移，但滾道與鋼球間仍應(yīng)有間隙以貯存磨屑、減小磨損。雖然 其制造工藝較復(fù)雜，但仍得到廣泛應(yīng)用。兩點(diǎn)接觸式滾道截面由兩段圓弧組成， 其螺桿和螺母滾道均為單圓弧，形狀簡單。當(dāng)螺桿受有軸向載荷時(shí)，螺桿與螺母 間產(chǎn)生軸向相對位移使軸向定位不穩(wěn)定，增加了轉(zhuǎn)向盤的自由行程，這對裝動(dòng)力 轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向系特別不利，因?yàn)樗档土朔峙溟y的靈敏度，從而影響轉(zhuǎn)向性能。橢

12、圓滾道的螺桿部分為橢圓截面、螺母部分為圓弧截面。鋼球以三點(diǎn)與滾道接觸， 被精確地定位于滾道中心，軸向定位精確，但加工較復(fù)雜。螺桿滾道應(yīng)倒角以避 免尖角劃傷鋼球。接觸角0=45。接觸角0是指鋼球與螺桿滾道接觸點(diǎn)的正壓力方向與螺桿滾道法面 軸線間的夾角。增大0將使徑向力增大而軸向力減??；反之則相反。通常0多取 45。，以使徑向力與軸向力的分配均勻。螺距P= 10mm螺旋線導(dǎo)程角a0=6。前者影響轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比；后者影響傳動(dòng)效率。選擇時(shí)應(yīng)滿足角傳動(dòng)比的 要求和保證有較高的正效率，而反行程時(shí)不發(fā)生自鎖現(xiàn)象。工作鋼球圈數(shù)W=1.5圈。多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)向器用兩個(gè)環(huán)路，而每個(gè)環(huán)路的工作鋼球圈數(shù)W 又與接觸強(qiáng)

13、度有關(guān)。增加工作鋼球圈數(shù)，參加工作的鋼球增多，能降低接觸壓力， 提高承載能力；但鋼球受力不均勻，螺桿增長使剛度降低。工作鋼球圈數(shù)有1.5 圈和2.5圈兩種。導(dǎo)管內(nèi)徑d1=d+e取e=0.6mm，則d1=6.95mm導(dǎo)管壁厚取為1mm3螺桿螺母的取材及齒條齒扇參數(shù)確定螺桿和螺母一般采用.20CrMnTi、22CrMnMo、20CrNi3A鋼制造，表面滲碳， 滲碳層深度為0.8-1.2mm，重型汽車和前軸負(fù)荷大的汽車的轉(zhuǎn)向器，滲碳層深度 可達(dá)1.05-1.45mm。淬火后表面硬度為HRC58-64.螺桿-鋼球-螺母傳動(dòng)副的高可靠性、長壽命、小的摩擦損失以及達(dá)到實(shí)際上 的無隙配合（螺桿的軸向間隙不應(yīng)

14、大于0.002-0.003mm），是通過對滾道的高精 度加工，使?jié)L道表面具有高光潔度，采用標(biāo)準(zhǔn)的高精度的鋼球（可用二、三級精 度的），并對螺桿、鋼球及螺母的尺寸進(jìn)行選配來達(dá)到的。齒條、齒扇傳動(dòng)副齒扇通常有5個(gè)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(dòng)搖臂軸來調(diào)節(jié)齒扇與齒條的嚙合間隙。由于轉(zhuǎn)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(chǎn)生的間隙而又不致在轉(zhuǎn)彎時(shí)使兩端齒卡住，則應(yīng)增大兩端齒嚙合時(shí)的齒側(cè)間 隙。這種必要的齒側(cè)間隙的改變可通過使齒扇各齒具有不同的齒厚來達(dá)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

15、切齒過程中使毛坯繞 工藝中心轉(zhuǎn)動(dòng)，其相對于搖臂軸的中心有距離為n的偏心。這樣加工的齒扇在與 齒條的嚙合中由中間齒轉(zhuǎn)向兩端的齒時(shí)，齒側(cè)間隙尊也逐漸加大，尊可表達(dá)為s = 2Ar tan a = 2tan ar - n cos p 土n2 cos2 0 + r 2 一 n2 式中Ar徑向間隙；a嚙合角；r齒扇的分度圓半徑；P搖臂軸的轉(zhuǎn)角。當(dāng)a，確定后，根據(jù)上式可繪制圖，用于選擇適當(dāng)?shù)膎值，以便使齒條、 齒扇傳動(dòng)副兩端齒嚙合時(shí)，齒側(cè)間隙As能夠適應(yīng)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(dòng)副各對嚙合齒齒側(cè)間隙As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(shí)現(xiàn)。一般是

16、將齒條（一般有4個(gè)齒）兩側(cè)的齒槽寬制成比中間齒槽大0.2-0.3mm即可。變厚齒扇基準(zhǔn)截面處的齒形計(jì)算，計(jì)算前應(yīng)將先選定的參數(shù)也列在該表中。 其中齒扇模數(shù)m是根據(jù)前橋負(fù)荷及汽車的裝載質(zhì)量的不同參考下表選??；法向壓 力角a0 一般為20。-30。；切削角v常見的有6。30和7。30兩種；齒頂高系數(shù)x 1 一 般取0.8或1.0；整圓齒數(shù)Z 一般在12-18范圍內(nèi)選取;齒扇寬度F 一般在22-28mm 范圍內(nèi)選取。經(jīng)查表可得齒扇模數(shù)取5.0齒扇齒數(shù)取5齒扇整圓齒數(shù)取13齒扇壓力角取22。30切削角取6。30齒扇寬取254循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器強(qiáng)度計(jì)算為了進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，首先要確定其計(jì)算載荷。曾給出了汽車在干

17、而粗糙的硬 路面上作原地轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向阻力矩，利用它可求得轉(zhuǎn)向搖臂上的力矩和在 轉(zhuǎn)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。但對前軸負(fù)荷大的重 型載貨汽車，計(jì)算出來的力往往會(huì)超過司機(jī)在體力上的可能。這時(shí)在計(jì)算轉(zhuǎn)向器 和動(dòng)力轉(zhuǎn)向的動(dòng)力缸以前的零件時(shí)，可取司機(jī)作用在轉(zhuǎn)向盤輪緣上的最大瞬時(shí) 力，此力可取為700N。鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力c為)2d r式中K系數(shù)，根據(jù)根據(jù)A/B查下表取得其中A/B用下式計(jì)算:A/B = d(2r -dj/2r (d + djd螺桿外徑；螺桿與螺母滾道截面的圓弧半徑；db鋼球直徑；E材料彈性模量，2.1 X 105MPa;N每個(gè)鋼球與螺桿滾道之間的正壓力;FRhnlsina cos00F轉(zhuǎn)向盤圓周力；R轉(zhuǎn)向盤輪緣半徑;a 0 螺桿螺線導(dǎo)程角；。一一鋼球與滾道間的接觸角;n參與工作的鋼球數(shù)；l鋼球接觸點(diǎn)至螺桿中心線之距離；700 x0.45當(dāng)鋼球與滾道的接觸表面的硬度為HRC58-64時(shí)，許用接觸應(yīng)力。可取 為 3000-3500MPa。700 x0.45N = 26390.4N21x0.00895xsin6x cos45。A/B = d(2r -叩/2r (d + 叩=0.8所以