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1、汽车循环球式转向器设计摘要循环球式转向器是由螺杆和螺母共同形成螺旋槽内装钢球组成传动副，和螺母上齿条和摇臂轴上齿扇组成传动副总成。循环球式转向器优点是：在螺杆和螺母之间因为有能够循环流动钢球，将滑动摩擦转变为滚动摩擦，所以传动效率可达成75%85%；在结构和工艺上采取方法后，包含提升制造精度，改善工作表面表面粗糙度，螺杆和螺母上螺旋槽经淬火和磨削加工，使之有足够硬度和耐磨损性能，可确保有足够使用寿命；转向器传动比能够改变；工作平稳可靠；齿条和齿扇之间间隙调整工作轻易进行；适合来做整体式动力转向器。 本文关键内容即是设计一款机械式循环球式转向器。经过查阅相关文件资料，进行循环球式转向器尺寸设计计
2、算和强度校核，然后进行循环球式转向器三维CATIA建模，最终绘制转向器二维装配图及其关键零件零件图。关键词：循环球式转向器；三维建模；螺杆螺母传动副Circulating Ball Type Steering of the Vehicle DesignAbstract Circulating ball type steering gear is formed by the screw and nut of the spiral groove ball inside the transmission, vice, and the nut on the rack and constitute of
3、 the rocker arm shaft gear fan drive assembly.The advantage of circulating ball type steering gear :Between the screw and nut because of circulating ball,change the sliding friction to rolling friction,so transmission efficiency can reach 75% 85%;On the structure and process measures,including impro
4、ve the manufacturing accuracy, and improve the surface roughness of the work surface,the spiral groove on the screw and nut for quenching and grinding.Make it has enough hardness and wear resistance, to ensure adequate service life;Steering gear ratio can change;Stable and reliable;Rack and gear cle
5、arance between fan adjustment work easily;Suitable for integrated power steering. The main content of this title is to design a mechanical circulating ball type steering gear.Through consulting relevant literature,to design and calculation of the size of the circulating ball type steering gear and s
6、trength check.Then the circulating ball type steering gear three-dimensional modeling using CATIA.Finally draw the redirector assembly drawing and part drawing of important parts.Key words: Circulating ball type steering gear;3 d modeling;The screw and nut combination 目录摘要1Abstract1第1章 绪论11.1 课题背景11
7、.2 中国外研究现实状况21.3 研究目标及意义31.4 研究内容和设计方法4第2章 转向器设计52.1 转向器组成和分类52.2 循环球式转向器方案分析62.3 转向器关键性能参数72.3.1 转向器效率82.3.2 传动比改变特征92.3.3 转向器传动副传动间隙122.4 循环球式转向器设计和计算132.4.1 转向器计算载荷确实定132.4.2 循环球式转向器关键尺寸参数确实定132.4.3 零件强度校核20第3章 基于CATIA三维造型233.1 CATIA介绍233.2 循环球式转向器三维建模233.2.1 转向螺杆建模233.2.2 转向器装配设计24总结27致谢28参考文件29
8、附件一31附件二 34第1章 绪论1.1 课题背景二十一世纪开局十年，既是中国改革开放经济高速增加十年，也是中国汽车工业快速发展十年。，中国汽车工业产销量突破1000万量大关，跃居世界第一位。在这么大环境下，汽车零部件也得到了飞速发展。汽车零部件行业是汽车工业发展基础，其带动产业很多，比如上游钢材、有色金属、石油、橡胶及其它材料行业，还有处于下游整车装配行业和汽车服务维修行业。伴随中国整车消费市场和汽车保有量大幅提升，不仅仅吸引了国外汽车品牌来中国合资建厂，同时很多国际著名汽车零部件厂商也把眼光聚焦在了中国这片市场上，包含电装、博世、马勒、博泽、法雷奥等等。当然中国也成长起来一大批汽车配套零部
9、件企业。全球汽车行业整车厂和零部件厂关系大致分为三种模式，一是以欧美为代表平行发展模式，即零部件企业完全和整车厂是相互独立，零部件企业经过自由竞争来赢取市场，取得发展；二是以日韩为代表塔式模式，整车企业和零部件企业之间是利益共同体关系，两种企业之间合作关系很深，相互依存，共同发展；三是中国计划经济时代模式，即零部件厂隶属于整车厂，比如一汽，东风这些国有企业。现在在中国仍有部分企业采取这种模式。然而伴随国际化浪潮不停推进，经济全球化已经成为世界经济发展主流趋势，这种整车厂和零部件企业关系也在不停地丰富和变换着。现在欧美企业也越来越强调整车企业和零部件企业共同合作关系；而在部分日韩汽车企业当中，也
10、有全球化采购零部件倾向。现在，整车厂对零部件厂提出越来越高要求，零部件企业已经不是传统意义上单纯零部件供给商，二是能够给整车厂提供系统处理方案供给商。也就是说，在整车厂研发设计产品阶段会对各个总成零部件提出限定和要求，或在产品研发过程中产生问题时候，这时候全部要求零部件供给商来协作，提供配套处理方案。这就对零部件企业提出了更高要求，比如要有很强创新能力和设计经验等。基于这么趋势，零部件企业要想取得愈加好发展，就必需在前沿技术开发早期，就和整车厂进行紧密合作，共同发展，合作共赢。从长远眼光看，这种模式下整车厂和零部件企业之间是共创未来关系，为整车厂和零部件企业发明了友好发展环境和宽广空间。经过多
11、年努力发展，国有品牌零部件质量有了很大提升，不过整体质量水平和外资企业相比还是有一定差距，尤其是在产品一致性和可靠性方面还有很多需要立即提升。当然，这也是有原因。因为部分中国零部件企业仍然处于粗放式生产管理方法阶段，缺乏对工艺系统研究和连续改善，过程控制能力不足，产品质量不稳定，极难形成高质量产品，这么在市场竞争方面就极难形成优势。产品技术实力是企业参与市场竞争关键要素，国外零部件企业起源于不停地研发投入和连续技术创新。而反观中国，因为起步比较晚，中国零部件企业在这首先仍有欠缺。现在，中国零部件供给商大多采取“来图加工”模式，即整车厂商将产品数据及图样提供给零部件供给商，后者根据图样进行生产加
12、工制造。多数企业没有完全掌握关键技术，产品市场多面向中低端，高端产品较少。尤其是在包含动力系统、油耗、排放、安全等电控零部件方面技术落后，部分领域甚至处于空白。能够说，汽车零部件产业发展水平直接影响着中国汽车工业未来，所以，加强零部件设计，提升其质量和技术水平便显得尤为关键。转向器是转向系统中关键组成部件，对其进行深入研究意义重大。而循环球式转向器因为含有较高传动效率，磨损较小，使用寿命长，多年来得到了广泛应用。1.2 中国外研究现实状况伴随中国汽车行业发展，作为汽车关键部件之一转向器也得到了对应发展，基础上形成了专业化、系列化生产局面。汽车转向器结构很多，但从现在使用普遍程度来看，关键有四种
13、类型：循环球式、齿轮齿条式、蜗杆滚轮式、蜗杆销式1。而且齿轮齿条式转向器和循环球式转向器也是应用最广泛两种转向器。汽车车速不停提升，需要在高速时有愈加良好转向稳定性，这就要求转向器含有较高刚度。循环球式转向器因为经过钢球滚动来传输转向力，含有较高强度，而且该转向器能够被设计成含有等强度结构，适适用于高速车辆。当齿条齿扇传动副产生磨损后，能够重新调整间隙，使其保持适宜传动间隙，从而降低振动，提升转向器寿命。现在，汽车上广泛采取循环球式转向器。在循环球式转向器设计过程中，关键包含齿轮齿条传动副，螺杆螺母传动副和导球机构设计。所谓导球机构，是指将螺杆螺母之间滚球，经导向管组成首尾相接循环线路装置。这
14、装置包含螺母螺杆，滚球及导管。正确设计导球机构，可确保在不发生任何干涉且阻力较小情况下，引导滚球在该机构中顺利流通。相反，如设计不合理，就可能产生过大阻力，使传动效率降低，甚至会发生几何干涉，使导管损坏。现在设计导球机构方法，通常是参考现有结构选择几何参数，试制出样品以后再依据滚球流通情况进行修正。螺母滚球和螺杆组成行星机构，滚球相当于行星轮。当螺母不动而螺杆旋转时，滚球首先绕本身中心自转，同时又绕螺杆中心公转。滚球公转时，其球心运动轨迹是一条螺旋线。螺母上如装有导管，导管阻止滚球沿滚道运动，使其改变方向而沿导管运动。滚球由沿螺旋运动改为由导管运动时，会使运动阻力增加。假如设计不妥，则会发生运
15、动干涉现象。怎样使滚球运动通畅，关键问题是设计合理几何尺寸。影响滚球运动通畅关键几何原因为滚道截面形状，螺旋导程角，导管部署，滚球直径和螺母，螺杆传动副尺寸。螺母螺旋槽和螺杆螺旋槽形成滚球运动轨道，或称为滚道。假定滚道和滚球间没有间隙，在滚道上任意位置滚球，有运动为沿该点螺旋线切线方向移动及绕滚球本身球心转动2。导管作用即是限制其螺旋线上运动而引导其沿导管运动。导管限制滚球沿螺旋线运动而引导其沿导管运动特征，称为导管导球特征。滚球运动，可用其球心运动轨迹来描述，导管导球特征即为描述滚球球心轨迹方程式或曲线。导管在钢球旋转中起着至关关键作用，故在设计制造时应给充足重视。试验证实，转向器可靠性关键
16、取决于导管设计和制造质量。导管进出孔和钢球间隙通常为0.8mm左右，这是为了赔偿螺母导管孔和滚道间偏移误差，和导管本身形状和尺寸误差。为降低钢球在导管中排列不规则而引发流通阻力，推荐导管采取变截面，缩小二导管孔之间断面尺寸，使之和钢球之间间隙控制在0.20.4mm为宜。循环球式转向器是汽车转向器中唯一采取滚动摩擦和二级转速转向器，现在中国外全部后轮驱动，和以后轮驱动主驱动装置四轮驱动汽车中手动转向器和动力转向器普遍采取循环球式，因为采取滚动摩擦，其加工精度高于其它转向器。循环球式转向器螺母、螺母滚道加工精度，直接关系到转向盘自由行程和转动力矩，钢球应该能确保在螺杆和螺母45圆弧角上运行，运行轨
17、迹越窄，转向越轻。加工第一个螺杆和螺母后，必需对其滚道尺寸进行精密测量，依据测量结果选择适宜钢球，螺杆、螺母滚道和循环球间隙应控制在0.02mm以内。转向螺杆支撑轴承分为向心球轴承和圆锥滚子轴承，其中向心球轴承转向较轻，进口转向器均采取这类轴承。选择向心球轴承必需确保上下轴承盖同轴度误差小于0.1mm，假如向心球轴承上、下轴承盖同轴度误差过大，使用中可能会使相对比较单薄转向器上盖破裂，造成转向失效，极易引发交通事故3。中国加工精度较通常转向器厂通常选择圆锥滚子轴承，该轴承虽比向心球轴承滚动阻力大，但对上下轴承盖同轴度误差要求略微宽松。螺杆支承轴承预紧力调整，分为调整垫和调整螺母两种。采取调整垫
18、调整时，必需使用钢制调整垫。垫和垫之间必需抹密封胶，预防油泄露，预紧力调整到轴向间隙小于0.05mm，旋转起来十分轻松即为适宜。转向盘自由行程即为转向盘自由转动量，它是指汽车在直线位置上转向盘空行程，即转向盘转动，而转向轮无转动过程。转向盘自由行程是整个转向系统综合间隙在转向盘上反应，其间隙关键是指转向器齿条和齿扇之间啮合间隙。手动齿扇转向器为5个齿，动力转向器齿扇为3个齿。调整其自由行程时，应将齿扇中央点（齿扇中间齿）对准齿条，此时齿扇和齿条之间啮合间隙为最小，在此点（即汽车在直线行驶位置上）处调整自由行程。通常情况下，转向盘自由行程调整越小越好。进口汽车循环球式转向器转向盘自由行程通常不超
19、出10，以轿车为例，转向盘自由行程应该控制在37mm之内。国产轻型汽车转向盘自由行程通常要求不得超出15，即左右个7.5，转向盘自由行程应该在54mm之内。中型汽车转向盘自由行程通常要求不得超出20，即左右各10转向盘自由行程应该在80mm之内（中型汽车转向盘直径大）4。假如转向盘自由行程较大时，转向器较轻，但调整到要求行程时，转向器显著变重，说明螺母、螺杆滚道加工精度不够。转向盘保持合适自由行程能够使操纵柔和，减小转向机构冲击载荷。但自由行程必需合适，过大则影响转向操纵灵敏度，过小使转向机构吃力。在汽车运行过程中，尤其是在部分路面质量较差路段行驶时，转向机构受冲击载荷频繁，致使转向机构各结合
20、部位极易磨损，齿条和齿扇之间啮合间隙增大，转向直拉杆上球头销和球头座磨损增大，转向盘自由行程也势必增大，影响操纵灵敏度。所以必需定时对方向盘自由行程进行检验和调整。在进行转向盘自由行程检验调整时，通常先调整转向螺杆轴承预紧度，转向盘应无显著轴向窜动，不然可用增减垫片来调整；齿条和扇形齿轮啮合间隙调整用拧动调整螺钉来调整。1.3 研究目标及意义此次毕业设计关键是针对汽车循环球式转向器，依据部分指定参数，而且结合汽车设计和其它相关书籍中相关转向器理论知识设计一款循环球式转向器，确定其相关参数，使设计出转向器符合使用要求。另外，也是经过此次毕业设计，熟悉掌握设计步骤和理念，为以后在专业领域发展奠定坚
21、实基础。1.4 研究内容和设计方法研究内容：（1） 调研搜集课题相关资料，结合毕业设计课题进行必需文件检索，查阅、归纳、整理相关资料；（2） 深入学习并掌握汽车设计、汽车结构等专业知识，了解循环球式转向器设计指导思想和设计标准；（3） 掌握汽车设计方法和步骤，参考相关资料、标准和手册，对各零部件进行选型。计算、校核等； (4) 计算循环球式转向器关键参数，并对其关键部件进行强度校核，确定相关参数、材料和装配要求。绘制循环球式转向器三维模型，根据标准和生产工艺要求，绘制汽车转向器总装配图和关键零件图。设计方法：依据设计中已知参数并结合已学理论知识，分析并计算得到循环球式转向器基础结构参数，然后利
22、用相关经验公式对转向器关键部件进行强度校核，校核结果不符合国家相关要求则需要重新计算，当结果满足要求时候，可确定其相关几何尺寸并完成图纸绘制，结束本论文设计工作。第2章 转向器设计2.1 转向器组成和分类 汽车在行驶过程中，需按驾驶员意志常常改变其行驶方向，即所谓汽车转向。就轮式汽车而言，实现汽车转向方法是，驾驶员经过一套专设机构，使汽车转向桥上车轮相对于汽车纵轴线偏转一定角度。在汽车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面侧向干扰力作用，自动偏转而改变行驶方向。此时，驾驶员也可利用这套机构使转向轮向相反方向偏转，从而使汽车恢复原来行驶方向。这一套用来改变或恢复汽车行驶方向专设机构，即称为汽车转向系
23、统。转向系即是用来保持或改变汽车行驶方向机构，在汽车转向行驶时，确保各转向轮之间有协调转角关系。汽车转向系可按转向能源不一样分为机械式转向系和动力转向系两大类。机械转向系能量起源是人力，全部传力件全部是机械，由转向操纵机构、转向器、转向传动机构三大部分组成5。其中转向器是将操纵机构旋转运动转变为传动机构直线运动机构，是转向系关键部件。动力转向系除含有以上三大部件外，其最关键动力起源是转向助力装置。因为转向助力装置最常见是一套液压系统，所以也离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐。转向盘即通常所说方向盘。转向盘内部有金属制成骨架，是用钢、铝合金或镁合金等材料制成。由圆环状盘圈、插入转向轴转向盘毂，和连
24、接盘圈和盘毂辐条组成。采取焊接或铸造等工艺制造，转向轴是由细齿花键和螺母连接。骨架外侧通常包有柔软合成橡胶或树脂，也有采取皮革包裹和硬木制作转向盘。转向盘外皮要求有某种程度柔软度，手感良好，能预防手心出汗打滑材质，还需要有耐热、耐候性。转向盘在司机正前方，是碰撞时最可能伤害到司机部件，所以需要转向盘含有很高安全性，在司机撞到转向盘上时，骨架能够产生变形，吸收冲击能，减轻对司机伤害。转向盘惯性力矩也是很关键，惯性力矩小，我们就会感到“轮轻”，操作感良好，但同时也轻易受到转向盘反弹影响，为了设定合适惯性力矩，就要调整骨架材料或形状等。现在转向盘和以前看似没有太大改变，但实际上已经有了改善。因为转向
25、助力装置普及，转向盘外径变小了，而手握处却变粗了，采取柔软材料，使操作感得到了改善。现在有越来越多汽车在转向盘里安装了安全气囊，也使汽车安全性大大提升了6。当汽车转向时，驾驶员对转向力矩。该力矩经过转向轴、转向万向节、和转向传动轴输入转向器。经转向器放大后力矩和减速后运动传到转向摇臂，再经过转向直拉杆传给固定于左转向节上转向节臂，使左转向节和它所支撑左转向轮偏转。从转向盘到转向传动轴这一系列零件和部件，均属于转向操纵机构。有转向摇臂至转向梯形这一系列零件和部件，均属于转向传动机构。对转向系提出要求有：（1） 汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。不满足这项要求会加速
26、轮胎磨损，并降低汽车行驶稳定性。（2） 汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶。（3） 汽车在任何行驶状态下，转向轮全部不得产生自振，转向盘没有摆动。（4） 转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，因为运动不协调使车轮产生摆动应最小。（5） 确保汽车有较高机动性，含有快速和小转弯行驶能力。（6） 操纵轻便。（7） 转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘反冲力要尽可能小。（8） 转向器和转向传动机构球头处，有消除因磨损而产生间隙调整机构。（9） 在车祸中，当转向轴和转向盘因为车架或车身变形而共同后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害防伤装置。（10）
27、进行运动校核。确保转向轮和转向盘转动方向一致。 正确设计转向梯形机构，能够使第一项要求得到确保。转向系中设置有转向减震器时，能够预防转向轮产生自振，同时又能使传到转向盘上反冲力显著降低。要求M1类汽车以50km/h车速，M2、M3、N1、N2、N3类汽车以40km/h车速沿曲线半径为50m弯道切线方向驶离时，转向盘不得有异常振动。为了使汽车含有良好机动性能，必需使转向轮有尽可能大转角，并要达成按前外车轮轨迹计算，其最小转弯半径大小能达成汽车轴距22.5倍7。通常见转向时驾驶员作用在转向盘上手力大小和转向盘转动圈数多少两项指标来评价操纵轻便性。当汽车以10km/h车速从直线进入转弯半径为12m弯
28、道上行驶时，作用到转向盘上最大手力对M1、M2类汽车为150N，对M3、N1类汽车为200N，对N2、N3类汽车为245N。乘用车转向盘从中间位置转到每一端圈数不得超出2.0圈，货车则要求不超出3.0圈。2.2 循环球式转向器方案分析循环球式转向器由螺杆和螺母共同形成螺旋槽内装钢球组成传动副，和螺母上齿条和摇臂轴上齿扇组成传动副组成。图2-1 循环球式转向器示意图循环球式转向器优点是：在螺杆和螺母之间因为有能够循环流动钢球，将滑动摩擦转变为滚动摩擦，所以传动效率可达成75%85%；在结构和工艺上采取方法后，包含提升制造精度，改善工作表面表面粗糙度，螺杆和螺母上螺旋槽经淬火和磨削加工，使之有足够
29、硬度和耐磨损性能，可确保有足够使用寿命；转向器传动比能够改变；工作平稳可靠；齿条和齿扇之间间隙调整工作轻易进行；适适用来作整体式动力转向器8。循环球式转向器关键缺点是：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。循环球式转向器关键用于商用车上。循环球式转向器一样分为机械式和助力似，本文关键是设计一款机械式循环球式转向器。转向器由螺杆、螺母、钢球、导管、摇臂轴、壳体、侧盖及上下盖等关键零件组成。图2-1所表示，螺杆螺母支承在壳体两端上下盖轴承中。螺母下方切制成齿距相等齿条，它和摇臂轴上变厚齿扇相啮合，摇臂轴轴颈支承在壳体及侧盖滚针轴承中。转动螺杆时，经过钢球使螺母沿轴线移动，螺母齿条和摇臂轴齿
30、扇啮合，使摇臂轴往复摆动。螺杆轴承预紧负荷，可经过增加或降低上盖处调整垫片，达成转动螺杆所要求预紧扭矩。齿条和齿扇啮合可经过调整侧盖处调整螺钉，使处于中间位置时无啮合间隙，转动螺杆时扭矩应在要求范围内。转向器总成经过经过螺杆上渐开线花键和转向轴相联接，转向器和转向盘间有两个（或一个)十字轴万向节。螺杆和螺母含有和钢球精密配合螺纹滚道，其法向断面由双圆弧组成，其优点是消除螺杆和螺母相对位移，减小转向盘自由行程；在低负荷时，滚道和钢球为点接触，负荷较大时为局部接触，从而提升转向器效率；钢球和滚道间间隙可储存杂物，降低磨损，提升寿命。为降低钢球和滚道接触应力，采取高精度钢球，分组装配，使螺杆和螺母间
31、隙控制在许可范围内。2.3 转向器关键性能参数表1 原始参数名称参数角传动比20.25最大工作压力12.9MPa前桥负荷（）23T理论最大输出力矩1665N旋向右旋输出摆角齿扇模数62.3.1 转向器效率功率P1从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得效率称为正效率，用符号表示，；反之称为逆效率，用符号表示，。式中，为转向器摩擦功率；为作用在转向摇臂上功率。为了确保转向时驾驶员转动转向盘轻便，要求正效率高；为了确保汽车转向后转向轮和转向盘能自动返回到直线行驶位置，又需要有一定逆效率。为了减轻在不平路面上行驶时驾驶员疲惫，车轮和路面之间作用力传至转向盘上要尽可能小，预防打手，这又要求此逆效率尽可能低
32、。影响转向器正效率原因有：转向器类型、结构特点、结构参数和制造质量等。（1） 转向器类型、结构特点和效率，在前述四种转向器中，齿轮齿条式、循环球式转向器正效率比较高，而蜗杆指销式尤其是固定销和蜗杆滚轮式转向器正效率要显著低部分。同一类型转向器，因结构不一样效率也不一样。如蜗杆滚轮式转向器滚轮和支持轴之间轴承能够选择滚针轴承、圆锥滚子轴承和球轴承等三种结构之一。第一个结构除滚轮和滚针之间有摩擦损失外，滚轮侧翼和垫片之间还存在滑动摩擦损失，故这种转向器效率仅有54%9。另外两种结构转向器效率，依据试验结果分别为70%和75%。转向摇臂轴轴承形式对效率也有影响，用滚针轴承比用滑动轴承可使正或逆效率提
33、升约10%。（2） 转向器结构参数和效率，假如忽略轴承和其它地方摩擦损失，只考虑啮合副摩擦损失，对于蜗杆和螺杆类转向器，其正效率为 （2.1） 式中，为蜗杆（或螺杆）螺线导成角；为摩擦角，；为摩擦因数。取为；取0.03，； （2.2） 依据逆效率大小不一样，转向器又有可逆式和不可逆式之分。路面作用在车轮上力，经过转向系可大部分传输至转向盘，这种逆效率较高转向器属于可逆式。它能确保转向后，转向轮和转向盘自动回正。这既减轻了驾驶员疲惫，又提升了行驶安全性。不过，在不平路面上行驶时，车轮受到冲击力能大部分传至转向盘，造成驾驶员“打手”，使之精神担心；假如长时间在不平路面上行驶，易使驾驶员疲惫，影响安
34、全驾驶10。属于可逆式有齿轮齿条式和循环球式转向器。不可逆时转向器，是指车轮受到冲击力不能传到转向盘转向器。该冲击力由转向传动机构零件承受，所以这些零件轻易损坏。同时，它既不能确保车轮自动回正，驾驶员又缺乏路面感觉，所以，现代汽车不采取这种转向器。极限可逆式转向器介于上述二者之间，在车轮受到冲击力作用时，此力只有较小一部分传至转向盘。它逆效率极低，在不平路面上行驶时，驾驶员并不十分担心，同时转向传动机构零件所承受冲击力也比不可逆时转向器要小。假如忽略轴承和其它地方摩擦损失，只考虑啮合副摩擦损失，则逆效率为 （2.3）由式（2.2）和式（2.3）可见，增加导程角，正、逆效率均增大。受增大影响，不
35、宜取得过大。当导程角小于或等于摩擦角时，逆效率为负值或为零。此时表明，该转向器是不可逆时转向器。为此，导程角必需大于摩擦角，通常螺线导程角选在之间，取8。2.3.2 传动比改变特征 转向系传动比包含转向系角传动比和转向系力传动比。从轮胎接地面中心作用在两个转向轮上协力2和作用在转向盘手力之比，称为力传动比，即 转向盘角速度和同侧转向节偏转角速度之比，称为转向系角传动比，即 （2.4）式中，d为转向盘转角增量；d为转向节转角增量；d为时间增量。又由转向器角传动比和转向传动机构角传动比所组成，即 （2.5） 转向盘角速度和摇臂轴角速度之比，称为转向器角传动比，即 （2.6）式中，为摇臂轴转角增量。
36、此定义适适用于除齿轮齿条式之外转向器。 摇臂轴角速度和同侧转向节偏转角速度之比，称为转向传动机角传动比， （2.7） 轮胎和地面之间转向阻力和作用在转向节上转向阻力矩之间有以下关系 （2.8）式中，为主销偏移距，指从转向节主销轴线延长线和支撑平面交点至车轮中心平面和支承平面交线间距离。作用在转向盘上手力为 （2.9）式中，为作用在转向盘上力矩；为转向盘直径。将式（2.8）代入式（2.9）后得到 （2.10） 由式（2.10）可见，当主销偏移距小时，力传动比应取大些才能保持转向轻便。通常乘用车值在0.40.6倍轮胎胎面宽度尺寸范围内选择，而货车值在4060mm范围内选择11。转向盘直径对轻便性有
37、影响，选择尺寸小些转向盘，即使占用空间少，但转向时需对转向盘施以较大力；而选择尺寸大些转向盘又会使驾驶员进、出驾驶室时入座困难。依据车型不一样，转向盘直径在380550mmd标准系列内选择,这里取=420mm。 假如忽略摩擦损失，依据能量守恒原理，为 （2.11）将式（2.11）代入式（2.10）后得到 （2.12） 当和不变时，力传动比越大，即使转向越轻，但也越大，表明转向不灵敏。 转向传动机构角传动比，除用表示以外，还能够近似地用转向节臂臂长和摇臂臂长之比来表示，即。现代汽车结构中，和比值大约在0.851.10之间，可近似认为其比值为1，则。由此可见，研究转向系传动比特征，只需研究转向器角
38、传动比及其改变规律即可。考虑到，由定义可知：对于一定转向盘角速度，转向轮偏转角速度和转向器角传动比成反比。角传动比增加后，转向轮偏转角速度对转向盘角速度响应变得迟钝，使转向操纵时间增加，汽车转向灵敏性降低，所以“轻”和“灵”组成一对矛盾12。为处理这对矛盾，可采取变速比转向器。 齿轮齿条式、循环球式、蜗杆指销式转向器全部能够制成变速比转向器。下面介绍齿轮齿条式转向器变速比工作原理。相互啮合齿轮基圆齿距必需相等，即。其中，齿轮基圆齿距，齿条基圆齿距。由上述两式可知：当含有标准模数和标准压力角齿轮和一个含有变模数、变压力角齿条相啮合，并一直保持时，它们就能够啮合运转。假如齿条中部（相当于汽车直线行
39、驶位置）齿压力角最大，向两端逐步减小（模数也随之减小),则主动齿轮啮合半径也减小，致使转向盘每转动某同一角度时，齿条行程也随之减小。所以，转向器传动比是改变。 循环球齿条齿扇式转向器角传动比。因结构原因，螺距不能改变，但能够用改变齿扇啮合半径方法，达成使循环球齿条齿扇式转向器实现变速比目标。 随转向盘转角改变，转向器角传动比能够设计成减小、增大或保持不变。影响选择角传动比改变规律原因，关键是转向轴负荷大小和对汽车机动能力要求。若转向轴负荷小，则在转向盘全转角范围内，驾驶员不存在转向沉重问题13。装有动力转向汽车，因转向阻力矩由动力装置克服，所以在上述两中情况下，均应取较小转向器角传动比并能降低
40、转向盘转动总圈数，以提升汽车机动能力。转向轴负荷大又没有装动力转向汽车，因转向阻力矩大致和车轮偏转角度大小成正比改变，汽车低速急转弯行驶时操纵轻便性问题突出，故应选择大些转向器角传动比。汽车以较高车速转向行驶时，转向轮转角较小，转向阻力矩也小，此时要求转向器应该小写。所以，转向器角传动比改变曲线应选择大致呈中间小两端大些下凹形曲线，转向盘在中间位置时转向器角传动比不宜过小，不然在汽车高速直线行驶时，对转向盘转角过分敏感和使反冲效应加大，使驾驶员正确控制转向轮运动有困难。相当于汽车直行位置时转向器角传动比不宜低于1516。对乘用车，推荐转向器角传动比在1725范围内选择；对商用车，在2332范围
41、内选择，有原始数据得=20.25。2.3.3 转向器传动副传动间隙传动间隙是指多种转向器中传动副（如循环球式转向器齿扇和齿条）之间间隙该间隙随转向盘转角大小不一样而改变，这种改变关系称为转向器传动副传动间隙特征。研究该特征意义在于，它和直线行驶稳定性和转向器使用寿命相关。直线行驶时，转向器传动副若存在传动间隙，一旦转向轮受到侧向力作用，就能在间隙范围内，许可车轮偏离原行驶位置，是汽车失去稳定。为预防出现这种情况，要求传动副传动间隙在转向盘处于中间及其周围位置时要极小，最好无间隙。转向器传动副在中间及其周围位置因使用频繁，磨损速度要比两端快14。在中间周围位置因磨损造成间隙大到无法确保直线行驶稳
42、定性时，必需经调整消除该处间隙。调整后，要求转向盘能圆滑地从中间位置转到两端，而无卡住现象。为此，传动副传动间隙特征，应该设计成在离开中间位置以后呈逐步加大形状。 循环球式转向器齿条齿扇传动副传动间隙特征，可经过将齿扇齿做成不一样厚度来获取必需传动间隙，立即中间齿设计成正常齿吼，从靠近中间齿两侧齿到离开中间齿最远齿，其厚度依次递减。图2-2所表示，齿扇工作时绕摇臂轴轴线中心转动，加工齿扇时使之绕切齿轴线转动。两轴线之间距离称为偏心距。用这种方法切齿，可取得厚度不一样齿扇齿。其传动特征为 （2.13）式中，为端面压力角；R为节圆半径；为摇臂轴转角；为中心到b点距离；为偏心距。偏心距不一样，传动副
43、传动间隙特征也不一样。偏心距不一样时传动间隙改变特征。越大，在同一摇臂轴条件下，其传动间隙也越大。通常偏心距去0.5mm左右为宜。图2-2 确定齿扇齿切齿轴线偏移传动副径向间隙R及传动间隙t示意图2.4 循环球式转向器设计和计算2.4.1 转向器计算载荷确实定 为了确保行驶安全，组成转向系各零件应有足够强度。欲验算转向系零件强度，需首先确定作用在各零件上力。影响这些力关键原因有转向轴负荷，路面阻力和轮胎气压等。为转动转向轮要克服阻力，包含转向轮绕主销转动阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中内摩擦阻力等。正确地计算这些力是困难，为此推荐用足够正确地半经验公式来计算汽车在沥青或混凝土路面上原
44、地转向阻力矩(Nmm),即 (2.14)式中，为轮胎和路面间滑动摩擦因数，通常取0.7；为转向轴负荷（N）；P为轮胎气压（MPa),这里取P=35=0.343。作用在转向盘上手力为 （2.15）式中，为转向摇臂长；为转向节臂长；为转向盘直径，由前已知为420mm；为转向器角传动比；为转向器正效率。对给定汽车，用式（2.15）计算出来作用力是最大值。所以，能够用此值作为计算载荷。然而，对于前轴负荷大货车，用式（2.15） 计算力往往超出驾驶员生理上可能，在此情况下，对转向器和动力转向器动力缸以前零件计算载荷，应取驾驶员作用在转向盘轮缘上最大瞬时力，此力为700N。2.4.2 循环球式转向器关键尺
45、寸参数确实定（1） 钢球中心距、螺杆外径和螺母内径,尺寸、图2-3所表示。钢球中心距是基础尺寸。螺杆外径、螺母内径及钢球直径对确定钢球中心距大小有影响，而又对转向器结构尺寸和强度有影响。在确保足够强度条件下，尽可能将值取消些。选择值规律是伴随齿扇模数增大，钢球中心距也对应增加。设计时先参考同类型汽车参数进行初选，经强度验算后，再进行修正。螺杆外径通常在2038mm范围内改变，设计时应依据转向轴负荷不一样来选定。螺母内径应大于，通常情况下要求-=（5%10%）。由查表和计算得=35mm,=34mm,=37mm。图2-3 螺杆、钢球和螺杆传动副(2)钢球直径及数量,钢球直径尺寸取得大，能提升承载能力，同时螺杆和螺母传动机构和转向器尺寸也随之增大。钢球直径应符合国家标准，通常常在79mm范围内选择，取=8mm15。增加钢球数量，能提升承载能力；但使钢球流动性变坏，从而使传动效率降低。因为钢球直径本身有误差，所以共同参与工作钢球数量并不是全部钢球数。经验证实，每个环路中钢球数以不超出60个为好。为确保尽可能多钢球全部承载，应分组装配。每个环路中钢球数为 （