循环球式汽车方向机总体方案大学方案.docx

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循环球式汽车方向机总体方案大学方案

循环球式汽车方向机的总体设计

及关键零部件的设计

专业机械设计制造及其自动化

学生赵云甫指导教师赵武教授

【摘要】自从1928年液压助力转向器研制成功以来，液压助力的循环球式转向器便得到广泛的应用。

本文首先从转向器的历史、分类和发展等概念入手，引出本课题所要研究的对象循环球式转向器。

进而对循环球式转向器结构特点、设计要求和作用原理进行简单的介绍。

然后讲述了螺杆螺母传动副的设计、齿条齿扇传动副的设计、转阀和箱体的设计，重点讲述了转向螺杆的设计。

然后对设计出来的转向器进行强度校核，主要是钢珠与滚道的接触应力、齿扇的弯曲应力和摇臂轴直径的确定。

最后用三维造型软件Catia绘制转向器的总成图和装配图，至于二维的工程图就应用专业的计算机辅助绘图和设计软件—Auto/CAD进行绘制创建

Recirculatingballsteeringoftheoverallvehicledesign

andthedesignofkeycomponents

【Abstract】Since1928,sincethesuccessfuldevelopmentofhydraulicpowersteering,hydraulicpoweroftherecirculatingballsteeringhasbeenwidelyused.Firstly,fromthesteeringgearofthehistory,classificationanddevelopmentconcept,leadstothetopicoftheobjecttoberecirculatingballsteering.Turnontherecirculatingballsteeringstructure,designrequirementsandprinciplesforabriefrole.Thentellsthedrivescrewnutvicedesign,fandrivegearrackpairsdesign,thedesignofrotaryvalveandbox,highlighttheshiftscrewdesign.Thenoutofthesteeringofthedesignstrengthcheck,mainlysteelballandtheracewaycontactstress,bendingstressandtoothfanrockershaftdiameterdetermined.Finally,three-dimensionalmodelingsoftwareCatiadrawingsteeringgearassemblyandassemblydrawings,Asforthetwo-dimensionaldrawingstotheapplicationofprofessionalcomputer-aideddraftinganddesignsoftwaretodraw-Auto/CADcreated.

Keywords:

steeringgear,hydraulicpower,recirculatingballtype,rotaryvalve,screw.

第一章绪论5

1.1概述5

1.2转向器的历史5

1.3转向器的分类6

1.3.1机械式转向器6

1.3.2液压助力转向器6

1.3.3电动助力转向器7

1.3.4电控液压助力转向器7

1.3.5线控转向器7

1.4转向器的发展现状及展望7

1.5本课题研究内容及意义8

1.6本章小结8

第二章循环球式转向器9

2.1循环球式转向器的结构特点9

2.2循环球式液压助力转向器设计要求9

2.3循环球式液压助力转向器的作用原理10

2.4本章小结12

第三章循环球式转向器的总体设计及螺杆的设计13

3.1转向器计算载荷的确定13

3.2螺杆、钢珠和螺母传动副的设计14

3.2.1初选螺杆外径和螺母内径14

3.2.2螺杆的设计14

3.2.2钢球中心距D的确定16

3.2.3钢球的直径d和数量n16

3.2.4钢珠滚道截面17

3.2.5螺距t和螺纹导程角18

3.2.6导管内径18

3.2.7材料的选取18

3.2.8设计总结19

3.3齿条齿扇传动副的设计19

3.3.1概述19

3.3.2变厚齿扇的设计20

3.4转阀的设计22

3.4.1转阀槽型的选择22

3.4.2阀套的设计23

3.4.3阀芯的设计23

3.4.4扭杆结构24

3.4.5转阀刃口<阀口）的概述24

3.5箱体的设计26

3.6本章小结26

第四章零件的强度校核27

4.1钢球与滚道之间的接触应力27

4.2齿的弯曲应力28

4.3转向摇臂轴直径的确定28

4.4本章小结28

第五章转向器Catia三维造型29

5.1Catia的简介29

5.2Catia的混合建模29

5.3转向器的三维装配设计29

5.4三维catia图转二维CAD图30

5.5本章小结32

第六章课程总结与展望33

参考文献：

34

致谢35

第一章绪论

1.1概述

当汽车行驶时，车前突然出现障碍物，你只有两个选择，一踩刹车，二急转

向。

这道出了汽车安全的两大安保系统，一制动系统，二转向系统。

转向系统是汽车必不可少的基本组成系统之一，是用来改变和保持汽车行驶方向的专门机构。

它的作用是使汽车在行驶过程中能够按照驾驶员的意愿而随时随地的改变汽车的行驶方向，并且在受到路面传来的偶然碰撞和汽车意外的偏离正常的行驶方向时，能够与汽车的其他驾驶系统配合共同的保障汽车安全稳定的行驶。

所以说汽车的转向系统直接影响汽车的操作稳定性和安全性。

汽车转向系统由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。

从转向盘到转向传动轴这部分属于转向操纵机构，由转向摇臂至转向梯形这部分属于转向传动机构，操纵机构和传动机构之间的就是方向机，即本课题研究对象。

方向机又名转向器<下文多用此名），主要是用来增大方向盘传来的力以及改变力的传递方向。

1.2转向器的历史

一百多年前，汽车刚刚诞生后不久，其转向操纵是仿照马车和自行车的转向方式，用一个操纵杆和手柄来时前轮偏转实现转向的。

由于操纵费力且不可靠，一直常发生车毁人亡的事故。

在随后几十年内人们渐渐用转向盘和转向柱代替了操纵杆和手柄，之后涡轮蜗杆式的减速装置被最早应用。

在二十世纪初，汽车已经是一个沉重而又高速疾驰的车辆，即使一个强壮的驾驶员要控制转向仍然是很劳累的事情。

于是降低转向操纵力的问题就变得比较迫切了。

从1903年开始，助力辅助转向机构不断出现，有一些采用真空助力，有一些采用压缩空气。

1923年美国底特律市的亨利·马尔斯为了减少涡轮副和滚轮的摩擦力在两者之间接触放入钢珠支承，这就是后来的循环球式转向器了。

目前在美国和日本汽车上依然得到广泛应用。

1928年，弗朗西斯·戴维斯研制成功并首次应用了液压助力转向器。

但直到二战时期才重新推广应用。

1954年凯迪拉克汽车公司首先把液压助力转向应用于汽车上。

随后汽车工业迅猛发展，1985年日本丰田公司采用计算机控制辅助转向，即为所谓电动助力转向器。

1986年本田又研制出四轮转向汽车。

到今天，已经不是单纯机械意义上的汽车了，它是机械、电子、材料等学科的综合产物。

汽车转向系统也随着汽车工业的发展历经了长时间的演变。

1.3转向器的分类

按照转向器动力的来源可以将其分为五大类：

机械式转向器、液压助力转向器、电动助力转向器、电控液压转向器和线控转向器。

1.3.1机械式转向器

机械式转向器以驾驶者转动方向盘的力作为全部动力，使得地面反作用轮胎转向的力全部作用于驾驶者，地面状况全部反馈给驾驶者，使其操作起来易打手。

而且完全机械的转向机构，若想产生足够大的转向扭距，由力矩=力*作用长度知，人力是有限的，若想操作轻便，就必须增大作用长度即增大方向盘，这样一来，占用驾驶室的空间很大，整个机构显得比较笨拙。

所以有限的力、有限的方向盘只能导致有限的转向扭距，使得机械式转向器的应用范围得到了限制。

根据所采用的装箱传动副的不同，机械式的转向器的结构形式有很多种常见的有循环球式、齿轮齿条式、球面蜗杆滚轮式、蜗杆曲柄指销式等。

1.3.2液压助力转向器

液压助力转向器主要部件包括油泵、液压式分配阀和助力器。

油泵通过皮带带动，把油压输出到助力器，助力器课题内是一个活塞，活塞两端是腔室。

当轿车直线行驶时，活塞两端压力相等，静止不动，油泵空转；转动方向盘时，液压分配阀将油液通过变化了的通道进入了助力器的一侧，使活塞两端出现压力差，迫使活塞移动到另一侧帮助转动。

液压助力具有工作噪音小，灵敏度高，占用体积小，并能够吸收来自地面的冲击力反应迅速等特点。

但能耗较高,尤其是低速转弯的时候，觉得方向比较沉，发动机也比较费力气，又由于液压泵的压力很大，也比较容易损害助力系统。

1.3.3电动助力转向器

电动助力转向器是利用电动机作为助力源，根据车速和转向参数等因素，由电子控制单元完成助力控制，其原理可概括如下：

当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的转矩传感器不断地测出转向轴上的转矩信号，该信号与车速信号同时输入到电子控制单元。

电控单元根据这些输入信号，确定助力转矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转动方向，调整转向辅助动力的大小。

电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。

1.3.4电控液压助力转向器

电控液压助力转向器是液压助力和电动助力的结合体。

它主要是通过车速传感器将车速传递给电子元件或微型计算机系统，控制电液转换装置改变动力转向的助力特性，使驾驶员的转向手力根据车速和行驶条件变化而改变，即在低速行驶或急速转弯时能以很小的转向手力进行操作，在高速行驶时能以稍重的转向手力进行稳定操作，使操纵性和稳定性达到最合适的平衡状态。

1.3.5线控转向器

随着电子技术和控制理论的发展，一些研究人员做出大胆假设，将方向盘与转向车轮通过控制信号连接，就可以利用转向系统的变增益特性补偿整车转向特性的变化，从而降低驾驶员的操作负担，改善人-车闭环系统性能。

这种全新的转向控制系统就是线控转向系统。

1.4转向器的发展现状及展望

改革开放以来，我国汽车工业发展迅猛。

作为汽车关键部件之一的转向器也得到了相应的发展，基本已形成了专业化、系列化生产的局面。

例如上海ZF、恒隆集团、一汽光洋、新乡豫北和湖北三环等20多家，生产集中度约为80%。

转向器行业的企业总资产约为130亿元，年生产能力超过1000万台。

产品结构基本合理，能覆盖国内全系列汽车，基本满足整车产业发展需求。

在国内汽车配装的转向器产品中，商用车<主要是载货车）有95%以上是自主品牌转向器。

随着人民生活水平的不断提高，人们对汽车的要求不仅仅再是“代步”而已了，安全性、舒适性、速度感等等都成为人们购车的关键因素。

从操纵轻便性、稳定性及安全行驶的角度，汽车制造广泛使用更先进的工艺方法，使用变速比转向器、高刚性转向器。

“变速比和高刚性”是目前世界上生产的转向器结构的方向。

首先，充分考虑安全性、轻便性。

随着汽车车速的提高，驾驶员和乘客的安全非常重要，目前国内外在许多汽车上已普遍增设能量吸收装置，如防碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊等，并逐步推广。

从人类工程学的角度考虑操纵的轻便性，已逐步采用可调整的转向管柱和动力转向系统。

其次，低成本、低油耗、大批量专业化生产。

随着国际经济形势的恶化，石油危机造成经济衰退，汽车生产愈来愈重视经济性，因此，要设计低成本、低油耗的汽车和低成本、合理化生产线，尽量实现大批量专业化生产。

对零部件生产，特别是转向器的生产，更表现突出。

最后，汽车转向器装置的数字化、电子化。

随着计算机的快速发展，大量的电子产品应用到转向器之中，如现在的电动助力转向器和电控液压转向器都取得了较好的成绩。

其优势也渐渐显示出来，今后必然是发展的大势。

1.5本课题研究内容及意义

本课题研究对象是循环球式液压助力转向器，液压采用的是转阀式。

主要研究内容为转向器的介绍分类及历史发展；循环球式转向器的结构特点、设计要求、作用原理；循环球式转向器的总体设计和螺杆的设计；用三维设计软件catia绘制转向器三维图；用二维设计软件CAD进行螺杆的详细设计。

本课题的选题意义在于通过对循环球式转向器的总体设计熟悉产品设计的流程、方法和思维；掌握机械产品的先进设计方法，整合所学专业知识，掌握计算机辅助设计的原理和方法，提高综合运用知识和独立设计的能力；培养认识问题、分析问题和解决问题的思维方式，在没有完全认识问题之前切勿急于解决问题。

1.6本章小结

本章主要介绍了转向器的历史、分类和发展；课题的内容和意义。

第二章循环球式转向器

2.1循环球式转向器的结构特点

图2-1循环球式转向器的结构示意图<液压助力）

1是螺杆轴及转向轴；2是转阀的阀芯；3是螺母兼齿条兼活塞；4是弹性扭杆轴；5是摇臂；6是齿扇。

如上图所示，循环球式液压助力转向器中，壳体是承受高压的，最大工作压力已达15MPa。

液压阀体又做转向器上端盖，转向轴即与螺杆相连部分同时又做转阀的阀芯，两者之间是阀套。

转向轴与螺杆由中心的扭杆相连。

螺母下方开齿作为齿条用，同时又起到活塞的作用。

齿扇与齿扇轴仍为一体，同时又作为动力转向器输出力矩传力件，所以比一般机械转向器齿扇轴直径大些。

2.2循环球式液压助力转向器设计要求

本课题采用的是添加液压助力的转向器，液压方式是转阀式的，它的设计要达到以下几个方面的要求：

1、为驾驶者提供不同的转向手力特性

转向手力特性直接决定了该转向器的“路感”。

所谓的“路感”就是驶者在实现转向的同时，通过方向盘获得获得对路面状况和阻力变化的直接感觉。

这种感觉是驾驶者操作方向盘不可缺少的。

在转向器的设计中，要根据用户的需求调整不同的转向手力特性，可以通过改变扭杆刚度和改变转阀刃口的过流面积来调整专项手力特性供用户选用。

2、提供不同的角传动比

动力转向器的角传动比的大小直接影响车辆行驶的机动性，角传动比越小机动性越好。

机械转向器传动比越小转向手力越大，但是动力转向器有了助力系统的作用，使得减小传动比而不增大转向手力。

根据人们习惯，一般动力转向器的总圈数应在4.5-5.5圈，动力转向器角传动比应在18-22之间。

3、密封性能好，内外泄漏小

对于液压助力的转向器，密封性的好坏直接影响其工作性能的好坏。

密封性和内外泄漏主要与加工精度的控制、密封结构和元件设计及其密封元件本身质量有关系。

国内现有密封元件本身质量问题较大。

密封元件的材料选择高质量的耐油橡胶材质，改善橡胶的配方和成型工艺，对聚四氟乙烯材料进行改进或开发高质量代替产品，提高其弹性都是至关重要。

4、强度好寿命长

一方面从设计上保证强度，另一方面要从材料和零件加工及热处理上保证达到设计要求。

这就要求提高设计水平和提高工艺水平，使我们设计和生产的新型动力转向器的水平得到提高，达到和超过国外同类产品的水平。

5、安装方便可靠

在动力转向器的设计中，必须考虑安装方便和可靠。

一是装拆容易，包括行程限位阀容易调整，每个固定螺栓都容易装卸等。

二动力转向器本身刚度要好，特别是动力转向器输出扭矩大。

三是必须考虑与其连接的辅助件装拆方便。

6、成本低廉

在设计任何产品都必需充分考虑制造的成本。

应通过对结构的合理选型，结合生产厂家的设备条件和工艺水平把制造成本控制的尽量低，这样才能保证效益。

2.3循环球式液压助力转向器的作用原理

当方向盘转向时，输出轴输入一个转向指令时，转向轴<阀芯）在外力的作用下将克服扭杆弹性产生一个相对于阀套的角位移，使得转阀的每个台肩一侧油路全开，另一侧全闭。

这样油泵供来的油沿被打开的油路向油缸中相应的一腔供油。

如下图所示，由于油是不可压缩的，这样在转向动力缸的a、b腔就会产生压力差，充满油的一腔继续被供油就会膨胀，就会推动活塞即螺母齿条移动。

图2-2液压转向器a、b两油缸分布位置<右转）

当方向盘停止转动时，转向轴停止转动时，在扭杆弹性恢复力和油压力的继续作用下，阀芯和阀套回到正常的常开位置，油泵供来的油不再流入任何一腔，直接回到转向油腔，直到转向动作开始又重复上述过程。

这也就是所谓的“回正”。

图2-3转阀的横截面<左转）

图2-4转阀的横截面<右转）

如图2-3，左转向时，此时阀芯相对阀套左转，关闭了每个阀芯台肩左侧与阀套槽的间隙，相应阀芯台肩右侧与阀套槽之间的间隙变大。

油泵的来油便从阀套的进油口通过台肩右侧与阀套槽之间的间隙再通过阀芯上的孔洞流入油缸a，推动活塞，从而就起到了液压助力转向的目的。

如图2-4，左转向时，此时阀芯相对阀套右转，关闭了每个阀芯台肩右侧与阀套槽的间隙，相应阀芯台肩左侧与阀套槽之间的间隙变大。

油泵的来油便从阀套的进油口通过台肩左侧与阀套槽之间的间隙再通过阀芯上的孔洞流入油缸b，推动活塞，从而就起到了液压助力转向的目的。

2.4本章小结

本章主要介绍了循环球式液压助力转向器的结构特点、设计要求、作用原理。

第三章循环球式转向器的总体设计及螺杆的设计

本课题的总体设计条件如下表1

表1总体设计参数

名称

参数

角传动比

18.85

最大工作压力

13.7Mpa

转向器用油

柴油机油15W/40CD

工作流量

（81

3.2>L/min

前桥负荷（

>

2

3.5T

理论最大输出力矩

1785Nm

旋向

左旋

输出摆角

齿扇模数

6

使用温度范围

3.1转向器计算载荷的确定

为了汽车的行驶安全，必须保证转向器有足够的强度，计算转向器零件强度之前必须确定其所受的负载。

循环球式转向器利用钢珠将滑动摩擦转变为滚动摩擦，大大减小了转向器的内摩擦，这样转向器承受的载荷就主要是转向轮绕主销转动的阻力，车轮稳定阻力和轮胎变形阻力。

又半经验公式计算汽车在路面上的原地转向阻力距M

<3-1）

式中：

f——轮胎与地面的摩擦系数，一般取0.7

M

——转向阻力矩，N·mm

G1——转向轴负荷，N

P——轮胎气压，这里取P=3.5kg/cm

=0.343N/mm

N·mm

设计载荷P约为前桥负荷的一半，则P=0.5*3500*9.8=175150N

然而在实际应用中，如在商用车中即货车，质量较大，导致这样计算出来的转向力矩往往不是普通人所能承受。

因此对转向器和动力转向器动力缸以前的零件的计算载荷时，应取驾驶者作用在转向盘轮缘的最大作用力为人体最大的承受力这里取600N。

3.2螺杆、钢珠和螺母传动副的设计

3.2.1初选螺杆外径和螺母内径

图3-1螺杆、钢珠和螺母传动副结构

如上图示，螺杆外径D

通常在20-38mm之间取值，设计时应根据转向轴负荷的不同来选取，这里我们初选为28mm。

为避免摩擦，螺母内径D

应比螺杆外径稍微大点，这里我们初选为32mm。

3.2.2螺杆的设计

课题中有要求关键零部件的设计，本文便将重点将螺杆的设计作为另一个侧重点。

转向螺杆的三维图二维图如下：

图3-2转向螺杆三维图

图3-3转向螺杆二维图

如上图所示，螺杆的结构可以大致分为三段，右端大头部分是作为阀套使用阀套段，其结构也最为复杂；中间便是螺杆与螺母啮合的螺纹段，称为螺纹段并不十分准确，因为它是提供给钢珠在这里滚动的，也可称之为滚道段；最左端为输入段，方向盘传来的力和转矩就从这里传入转向器。

阀套段的设计。

阀套段要与阀芯相配合以构成所谓的液压阀，中间用扭杆相连接，为转向器提供助力。

阀套段的直径为47mm，长度为50mm。

要保证阀套与阀芯的配合，故而要求阀套内孔应与主轴线有一定的同轴度，这里我们选0.02，内孔里开阀槽，采用的六槽式，故而开六个长方形阀槽尺寸为6.3*23.5mm，阀槽上间隔着开3个直径为4mm的油孔，为了方便阀芯插入，最右端孔处倒30°<与轴心成30°）的角。

阀套内孔最右端做两个台肩以使阀芯更好的定位，防止轴向移动。

滚道段的设计。

滚道螺纹螺距为11mm，直径30mm<即钢球中心距），导程角为8°，旋向逆时针。

由于滚道中才和钢球啮合，所以滚道齿上面并不参与啮合，故而可以粗加工，表面粗糙度6.3即可。

滚道的截面和钢珠是两点接触，故而不能将滚道做成圆弧状的，这样钢珠就与滚道成面接触了增大了摩擦力不利于钢珠的流动。

因此只能将滚道截面做成两个半径为4mm的圆弧相接，两个圆弧均与钢珠最大截面相切，这样就保证了钢珠与滚道只有两点接触但滚道最大开口距离我们设定为7.5mm，这样两段圆弧的圆心就必须不能在一起。

滚道要与钢球啮合故而要进行精加工，使表面粗糙度达到0.4才行。

而且为了让钢珠对两个接触点的应力尽量平衡，所以钢珠与滚道的接触角必须是45°。

输入端的设计。

最右端是转向器的输入端，方向盘传来的转矩和力通过它进入转向器中，外径为28.5mm内径为12mm，外径与中心轴心的同轴度要达到0.03，表面粗糙度要达到0.8，内径与中心轴线的同轴度要达到0.01，表面粗糙度要达到0.8.最右端开直径为4mm销孔用来与中心扭杆相连接，钻孔的精度要达到1.6。

其余各面的精度都要达到0.8。

3.2.2钢球中心距D的确定

如上图3-1所示，钢球中心距是指螺杆两侧钢球中心之间的距离，它是一个基本尺寸直接影响到转向器的结构尺寸和强度。

选取D的大小与齿扇模数成正比，即齿扇模数越大，钢球中心距越大。

设计时应根据不同的转向器应用环境进行初选，然后进行强度校核，继而进行修正。

在保证足够的强度下应保证钢珠中心距尽量小一点。

由图3-1可知钢球中心距大小应该在螺杆外径螺母内径之间，这里我们选D=30mm。

3.2.3钢球的直径d和数量n

钢球的大小直接决定了该传动副的承载能力，钢球的尺寸也能直接影响到螺杆螺母的尺寸乃至整个转向器的尺寸，钢球的直径d应按照国家标准，大小应在7-9mm之间，根据国家标准选取为7.144mm。

较大的钢球数量会增大其承载能力，但流动性就会较差从而使传动效率降低。

经验证明，一个环路的钢球数量不超过60个为好。

钢球的数量还与钢球的工作圈数W相关，工作圈数越大自然钢球数量越多，当工作圈数大于2.5时就该采用两个回路。

国际标准规定，钢球的工作圈数有1.5、2.5、3和5圈，这里我们选择2.5圈。

一个回路钢球数可有下式确定：

n=

<3-2）

式中：

D——为钢球中心距30mm

W——钢球的工作圈数2.5圈

——螺纹导程角，常取8°-9°，故cos

1

d——钢球直径7mm

n——不包括导管中的钢球

带入数值得：

n=

=

=33

3.2.4钢珠滚道截面

滚道截面有四点接触式<图8）、两点接触式和椭圆滚道截面等。

四点接触式滚道截面由四段圆弧组成，螺杆和螺母的滚道截面各为两段圆弧。

四点接触滚道截面可获得最小的轴向间隙，以避免轴向定位的不稳定，受载后基本上可消除轴向位移，但滚道与钢球间仍应有间隙以贮存磨屑、减小磨损。

虽然其制造工艺较复杂，但仍得到广泛应用。

两点接触式滚道截面由两段圆弧组成，形状简单，自由度限制较小。

当螺杆受有轴向载荷时，螺母与螺杆之间产生轴向相对移动，对轴向定位非常不利，增加了转向盘的自由行程，这对装动力转向的转向系特别不利，从而影响转向性