轉(zhuǎn)向螺母的精確三維造型設(shè)計(jì)

循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器是汽乍轉(zhuǎn)向系中最重要的部件，它的作用是增大轉(zhuǎn)向盤傳到

轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的力和改變力的傳遞方向。它由兩級傳動副構(gòu)成：第一級是螺桿螺母

傳動副，第二級是齒條齒扇傳動副。在第一級傳動副中，螺桿螺母的螺紋并不直接

接觸，其間裝有多個(gè)鋼球，實(shí)現(xiàn)滾動摩擦，可使正效率可達(dá)到90機(jī)因此循環(huán)球式

轉(zhuǎn)向器是目前國內(nèi)外機(jī)械式和液壓動力式汽車轉(zhuǎn)向器應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式之一。

轉(zhuǎn)向螺母是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器中核心件之一，工作時(shí)與鋼球接觸，發(fā)生滾動摩

擦，并有由于路面不平傳到螺母的沖擊。由此轉(zhuǎn)向螺母的鋼球滾道輪廓形狀是設(shè)計(jì)

的關(guān)鍵，如果滾道與樞球的接觸點(diǎn)不正確，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)向器卡死，造成翻個(gè)事故。

文中使用SolidWorks軟件建立某車型汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的組件一一轉(zhuǎn)向

螺母的精確三維模型，以便為后續(xù)的有限元分析、工作過程仿真和建立虛擬樣機(jī)提

供真實(shí)精確的三維仿真模型。

1轉(zhuǎn)向螺母的滾道設(shè)計(jì)原理

轉(zhuǎn)向螺桿和螺母上都加工出斷面輪廓為兩段不同心圓弧組成的近似半圓的

螺旋槽，它們的螺旋滾道槽法截面輪廓見圖1。

圖」^陽弘演逋

采用雙圓弧滾道型面可以保證鋼球滾珠和滾道面的“三點(diǎn)接觸”，通過第三

接觸點(diǎn)C的法向反力W來和摩擦力fA、fB相平衡，使?jié)L珠在幾乎無滑移的情況下

即可達(dá)到力的平衡，大大減輕其自鎖效應(yīng)。自鎖效應(yīng)是指在兩個(gè)摩擦力fA、fB組成

力偶的作用下，滾珠向螺母或螺桿滾道側(cè)的滑動現(xiàn)象。如果滾珠滑動過大，將導(dǎo)致

滾珠和接觸滾道發(fā)生塑性變形，使整個(gè)螺旋副傳動卡死，造成轉(zhuǎn)向器不能轉(zhuǎn)向，引

發(fā)交通事故。采用雙圓弧滾道型面的滾珠螺旋副能減小自鎖效應(yīng)的關(guān)鍵是嚴(yán)格控制

三者的配合間隙，過大的間隙將使得滾珠必須滑移一個(gè)較大的間隙值后才能與滾道

的第三點(diǎn)接觸，甚至不出現(xiàn)第三點(diǎn)接觸。

表I承道主要幾何尺寸

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圖1中螺旋滾道槽法截面輪廓主要幾何尺寸見表1。接觸角3為滾珠與滾

道型面接觸點(diǎn)的公法線與通過滾珠中心的螺桿和螺母直徑線之間，在過接觸點(diǎn)的軸

平面上的夾角。當(dāng)前國內(nèi)外汽車轉(zhuǎn)向器采用8=45°,有利于提高轉(zhuǎn)向器的傳動效

率、承載能力和滾動流暢性。雙圓弧滾道型面由于接觸角B在轉(zhuǎn)向器工作過程中能

基本保持不變，因而傳動效率、承載能力和周向剛度均較穩(wěn)定，特別是螺旋槽底部

不與滾珠接觸，可容納一定的潤滑油和臟物，使磨損減小，并對滾動流暢性大有好

處。滾道半徑R與滾珠半徑廠曲/2比值的大小，對滾珠螺旋傳動承載能力有很大影

響,比值過大，摩擦損失增加；比值過小，則承載能力降低。一般取R=(0.52?0.55)

dbo

因此滾道的精確實(shí)體建模是汽車轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向靈敏的關(guān)鍵。

2轉(zhuǎn)向螺母的三維實(shí)體建模

用SolidWorks建立轉(zhuǎn)向螺桿零件的實(shí)體模型，在建模過程中將零件結(jié)構(gòu)尺

寸中原始參數(shù)的名稱改成有一定意義的易區(qū)分和識別的名稱，以便為后續(xù)多種車型

的汽車轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向螺桿的參數(shù)化設(shè)計(jì)所用。

2.1轉(zhuǎn)向螺母三維基體的生成

在前視基準(zhǔn)面上插入實(shí)體拉伸形成長方體，切除一拉伸法生成螺紋外徑孔D,

長方體倒角特征（四個(gè)圓角，一個(gè)6.5。的斜齒條面），倒角便于轉(zhuǎn)向螺母的毛胚

采用精鍛模設(shè)計(jì)。生成的三維基體見圖2。

圖2牯向蝮行的V*基體

2.2轉(zhuǎn)向螺母螺旋滾道的生成

采用SolidWorxs軟件的切除一掃描法生成螺旋滾道。

2.2.1建立螺旋滾道的切除掃描路徑

新建平行于右端距離為10刖的基準(zhǔn)面（圖3中的方框），在其,上面新建草

圖，畫公稱直徑為dO的圓，然后由菜單一一插入/曲線/螺旋線（窩狀線），輸入滾

道的導(dǎo)程L和高度。生成的螺旋滾道的切除掃描路徑見圖3。

怕3蝶族承道的切除掃描路松

2.2.2繪制螺旋滾道的法截面輪廓

垂直于上面牛.成的公稱直徑為dO的三維螺旋線和它的起點(diǎn)建立基準(zhǔn)面（圖4中

的方框），在其上依據(jù)表1中提供的滾道兒何尺寸畫出雙圓弧滾道草圖，見圖4。

自4浜道的法低度輪麻

2.2.3生成滾道

由菜單一一插入/切除/掃描，以圖3中螺旋為切除掃描路徑，圖4中滾道的法

截面為掃描輪廓，生成轉(zhuǎn)向螺母的滾道，見圖5。

圖5調(diào)

2.3轉(zhuǎn)向螺母導(dǎo)管孔的生成

目前國內(nèi)外汽車循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向螺母的導(dǎo)管為兩個(gè)，每個(gè)導(dǎo)管環(huán)路中的鋼

球應(yīng)以不超過64粒為宜，使每列滾珠運(yùn)動鏈較短，運(yùn)行阻力較小。從運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)

觀點(diǎn)來看，都要求導(dǎo)管的出入口與轉(zhuǎn)向螺母的螺旋工作滾道的連接應(yīng)光滑過渡，以保證

滾珠進(jìn)入導(dǎo)管時(shí)其速度不變和加速度無突變。同時(shí)要求滾珠中心的運(yùn)動速度及加速度變

化盡量緩慢，無沖擊，以減少不必要的動力損失。因此螺母上四個(gè)導(dǎo)管孔中心線在空間

上與圖1中鋼球的中心線相交，并且要求轉(zhuǎn)向螺母在工作圈數(shù)內(nèi)的導(dǎo)程誤差小于四孔位

置度誤差，才可保證鉆兩個(gè)導(dǎo)管的安裝四孔位置度。如果在鉆孔時(shí)，四孔中心線在空間

上偏離鋼球中心線0.2mm時(shí)，將會增加滾珠的轉(zhuǎn)動阻力，從而影響轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向的靈敏性。

選擇轉(zhuǎn)向螺母的頂面為基準(zhǔn)面，建立四導(dǎo)管孔的草圖，見圖6,采用切除一拉伸

特征生成導(dǎo)管安裝孔，見圖7。四導(dǎo)管孔口鉤圓角以便導(dǎo)管插入。采用鉆孔向?qū)У穆菁y

孔可以很方便地生成帶裝飾螺紋效果的三個(gè)導(dǎo)管壓緊瞟釘孔。生成的導(dǎo)管安裝四孔和壓

緊螺釘孔見圖7。

網(wǎng)。air孔的單IB

孔*??fT扎

2.4轉(zhuǎn)向螺母齒條的生成

在螺母基體的前面建立變齒厚齒條草圖，見圖8,切除一拉伸向外拔模6.5°生

成變齒厚斜齒條，見圖9,圖10為完成的轉(zhuǎn)向螺母添加鍛制紅銅材質(zhì)和光照效果的三維

精確實(shí)體模型。

R18皆條輪麻?陽

B9夏街惠條

3結(jié)論

詳細(xì)介紹了某車型汽車循環(huán)球轉(zhuǎn)向器螺母的設(shè)計(jì)原理和它在SolidWorks中精確

三維實(shí)體建模過程。該建模過程對各種乍型的機(jī)械式或液壓動力式循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向

螺母、滾珠絲桿螺母等螺旋副傳動零件