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循環球式轉向器的設計
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- 循環球式轉向器的設計
目錄
摘要 Ⅰ
1 緒論 1
1.1 課題背景 1
1.2 國內外研究現狀 2
1.3 研究目的及意義 3
1.4 研究內容和設計方法 3
2 轉向器的設計 4
2.1 轉向系統簡介 4
2.2 機械轉向系 5
2.2.1 轉向操縱機構 5
2.2.2 轉向器 6
2.2.3 轉向傳動機構 9
2.3 轉向系主要性能參數 9
2.3.1 轉向器的效率 9
2.3.2 傳動比的變化特性 10
2.4 主要尺寸參數的選擇 12
2.4.1 螺桿、鋼球、螺母傳動副設計 15
2.4.2 齒條、齒扇傳動副設計 17
2.5轉向器的計算和校核 18
2.5.1循環球式轉向器零件的強度計算 18
2.5.2 轉向搖臂軸直徑的確定 20
3 三維模型及二維工程圖 21
3.1 三維模型零件圖 21
3.2 二維工程圖 24
3.2.1 零件圖的繪制 24
3.2.2 總裝圖的繪制 26
4 結論 27
致謝 28
參考文獻 29
輕型越野車循環球式轉向器的設計
[摘要] 汽車是一種性能要求高，負荷變化大的運輸工具。轉向系統作為汽車的關鍵部件之一，更需要了解和掌握。轉向器作為轉向系統中最重要的組成部件，對它進行深入的研究便顯得意義重大。循環球式轉向器主要由螺桿、螺母、鋼球、轉向器殼體等組成，具有較高的傳動效率，操縱輕便，磨損較小，使用壽命長，近年來得到廣泛使用。根據現用的國家標準并依據BJ2020汽車的循環球轉向器數據，按照汽車設計的原則設計一款循環球轉向器，完成三維圖形和零件平面圖的繪制，使其能夠滿足現代越野車的國家標準要求。
[關鍵詞] 循環球 轉向器 設計 分析 越野車
The design on circulating ball type steering gear for a light off-road vehicle
[Abstract] Automobile is a transport machine with high-performance and variable loads. Steering system is one of the key components for vehicles and need to be understood and grasped. As the most important part of steering system, steering gear need to be studied importantly. Circulating ball-type steering gear contains screw, nut, ball, steering gear housing, etc. It has many Advantages, such as high transmission efficiency, light manipulation, less wear and long service life, so as to be widely used in recent years. According to current national standards and the ball steering vehicle data of BJ2020, a cycle ball steering is designed by the automotive principles, and some three-dimensional graphics and rendering parts of the plan are completed, so as to meet the national standards of Modern sports utility vehicle.
[Key words] Circulating ball Steering gear Design Analysis Sports utility vehicle
1 緒論
1.1課題背景
轉向器又名轉向機、方向機，它是轉向系中最重要的部件。轉向器的作用是：增大轉向盤傳到轉向傳動機構的力和改變力的傳遞方向。
轉向器按結構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、循環球-齒條齒扇式、循環球曲柄指銷式、蝸桿滾輪式等。如果按照助力形式，又可以分為機械式（無助力）和動力式（有助力）兩種，其中動力轉向器又可以分為氣壓動力式、液壓動力式、電動助力式、電液助力式等種類。
（1） 齒輪齒條式轉向器
齒輪齒條式轉向器是一種最常見的轉向器。其基本結構是一對相互嚙合的小齒輪和齒條。轉向軸帶動小齒輪旋轉時，齒條便做直線運動。有時，靠齒條來直接帶動橫拉桿，就可使轉向輪轉向。所以，這是一種最簡單的轉向器。它的優點是結構簡單，成本低廉，轉向靈敏，體積小，可以直接帶動橫拉桿。在汽車上得到廣泛應用。
（2） 蝸桿曲柄銷式轉向器
蝸桿曲柄銷式轉向器是以蝸桿為主動件，曲柄銷為從動件的轉向器。蝸桿具有梯形螺紋，手指狀的錐形指銷用軸承支承在曲柄上，曲柄與轉向搖臂軸制成一體。轉向時，通過轉向盤轉動蝸桿、嵌于蝸桿螺旋槽中的錐形指銷一邊自轉，一邊繞轉向搖臂軸做圓弧運動，從而帶動曲柄和轉向垂臂擺動，再通過轉向傳動機構使轉向輪偏轉。這種轉向器通常用于轉向力較大的載貨汽車上。
（3） 循環球式轉向器
這種轉向裝置是由齒輪機構將來自轉向盤的旋轉力進行減速，使轉向盤的旋轉運動變為渦輪蝸桿的旋轉運動，滾珠螺桿和螺母夾著鋼球嚙合，因而滾珠螺桿的旋轉運動變為直線運動，螺母再與扇形齒輪嚙合，直線運動再次變為旋轉運動，使連桿臂搖動，連桿臂再使連動拉桿和橫拉桿做直線運動，改變車輪的方向。循環球式轉向器的原理相當于利用了螺母與螺栓在旋轉過程中產生的相對移動，而在螺紋與螺紋之間夾入了鋼球以減小阻力，所有鋼球在一個首尾相連的封閉的螺旋曲線內循環滾動，循環球式故而得名。
（4） 齒輪齒條液壓助力轉向器
齒輪齒條液壓助力轉向器，是相對于齒輪齒條機械轉向器而言的，主要是增加了轉向油泵、轉向油壺、轉向油管、轉向閥、轉向油缸等部件，以期達到改善駕駛員手感，增加轉 向助力的目的的轉向裝置。
進入90年代以來，汽車已經融入我們的生活，我國的經濟實力不斷增強，人民生活水平大幅度提高，同時也反映出民族汽車工業的巨大進步。現在我國已經成為世界五大汽車強國。
作為汽車關鍵部件之一的轉向系統也得到了相應的發展，基本已形成了專業化、系列化生產的局面。有資料顯示，國外有很多國家的轉向器廠，都已發展成大規模生產的專業廠，年產超過百萬臺，壟斷了轉向器的生產，并且銷售點遍布了全世界。汽車轉向器的結構很多，從目前使用的普遍程度來看，主要的轉向器類型有4種：有蝸桿銷式(WP型)、蝸桿滾輪式(WR型)、循環球式(BS型)、齒輪齒條式(RP型)。這四種轉向器型式，已經被廣泛使用在汽車上。
綜合上述對有關轉向器品種的使用分析,得出以下結論：
循環球式轉向器和齒輪齒條式轉向器，已成為當今世界汽車上主要的兩種轉向器；而蝸輪-蝸桿式轉向器和蝸桿銷式轉向器，正在逐步被淘汰或保留較小的地位。在小客車上發展轉向器的觀點各異，美國和日本重點發展循環球式轉向器,比率都已達到或超過90%；西歐則重點發展齒輪齒條式轉向器，比率超過50%，法國已高達95%。
據了解，在全世界范圍內，汽車循環球式轉向器占45%左右，有繼續發展之勢；齒條齒輪式轉向器在40%左右；蝸桿滾輪式轉向器占10%左右；其它型式的轉向器占5%。所以可以說循環球式轉向器在穩步發展。而西歐小客車中，齒條齒輪式轉向器有很大的發展。日本汽車轉向器的特點是循環球式轉向器占的比重越來越大，日本裝用不同類型發動機的各類型汽車，采用不同類型轉向器，在公共汽車中因使用循環球式轉向器，由60年代占總數的62.5%發展到現今的100%了(蝸桿滾輪式轉向器在公共汽車上已經淘汰)。大、小型貨車中，也大都采用循環球式轉向器；但齒條齒輪式轉向器有所發展；微型貨車用循環球式轉向器占65%，齒條齒輪式占35%。
由于循環球式轉向器的種種優點，在中、小型號的車輛上都有良好的應用，而大型車輛更以循環球式轉向器為主要結構。由此我們不難看出循環球式轉向器設計具有很重要的意義，其應用前景也非常的好。
1.2 國內外研究現狀
循環球式轉向器是汽車上一種常用的轉向器，主要由螺桿、螺母、鋼球、轉向器殼體等組成。因螺母與螺桿之間沒有滑動摩擦，只有鋼球與螺桿及螺母之間的滾動摩擦，所以循環球式轉向器具有較高的傳動效率，由于有結構復雜，成本高，轉向靈敏度不如齒輪齒條式的眾多缺點，因此逐漸被齒輪齒條式取代。但隨著動力轉向的應用以及道路行駛條件的改善，“打手”的現象明顯減少，正向傳動效率很高（最高可達90～95%），操縱輕便，使用壽命長，各種優勢逐漸得到體現，因此目前再次得到廣泛使用。
汽車車速的提高，需要在高速時有較好的轉向穩定性，必須使轉向器具有較高的剛度。循環球式轉向器由于通過大量鋼球的滾動接觸來傳遞轉向力，具有較大的強度和較好的耐磨性。并且該轉向器可以被設計成具有等強度結構，特別是變速比結構具有較高的剛度，適宜高速車輛采用，這也是它采用廣泛的原因之一。循環球式轉向器的間隙可調，齒條齒扇副磨損后可以重新調整間隙，使之具有合適的轉向器傳動間隙，從而提高轉向器壽命，因此采用日益廣泛。我國的轉向器也在向大量生產循環球式轉向器發展。
1.3 研究目的及意義
本次畢業設計主要是針對汽車循環球式轉向器，根據一些指定的參數結合《汽車設計》和其他相關書籍中關于轉向器的理論知識設計一款循環球式轉向器，確定其相關參數，使設計出的轉向器符合使用要求。
本文通過對一款循環球式轉向器的設計，使其能夠滿足輕型越野車的需要，并為其今后拓展應用領域奠定理論設計基礎。
1.4 研究內容和設計方法
研究內容：
（1） 調研收集課題相關資料。結合畢業設計課題進行必要的文獻檢索，查閱、收集、整理、歸納技術文獻和科技情報資料；
（2） 深入學習并掌握汽車設計、汽車構造等專業知識；了解循環球轉向器設計的指導思想和設計原則；
（3） 掌握汽車設計的方法和步驟，參考有關資料、手冊和標準，對各總成部件進行選型、計算、校核等；
（4） 計算循環球式轉向器的主要參數，并對其重要部件進行強度校核，確定相關參數、材料以及裝配要求。繪制循環球式轉向器的三維模型，按照標準和生產工藝要求，繪制汽車轉向器總裝配圖和主要零件圖。
設計方法：根據設計中已知參數并結合理論知識，分析并計算得到循環球式轉向器的基本結構參數，然后利用相關經驗公式對轉向器的重要部件進行強度校核，校核的結果不符合國家相關要求則需要重新計算，當結果滿足要求的時候，可確定其相關幾何尺寸并完成圖紙的繪制，結束本論文的設計工作。
2 轉向器的設計
2.1 轉向系統簡介
轉向系統是用來保持或者改變汽車行駛方向的機構，保證各轉向輪之間有協調的轉角關系。機械轉向系依靠駕駛員的手力轉動轉向盤，經轉向器和轉向傳動機構使轉向輪偏轉。有些汽車還裝有防傷機構和轉向減震器。采用動力轉向的汽車還裝有動力系統，并借助此系統來減輕駕駛員的手力。
按照中華人民共和國國家標準GB17675-1999和汽車設計可知[4]，其轉向器的設計要求如下[5]：
（1） 方向盤必須左置。
（2） 不得單獨以后輪作為轉向車輪。
（3） 不得裝用全動力轉向機構。
（4） 轉向時轉向車輪的偏轉必須是漸進的。
（5） 轉向系統必須有足夠的剛度且堅固耐用，以確保行駛安全。
（6） 轉向系統必須保證駕駛員在正常駕駛操作位置上能方便、準確地操作，轉向系統在任何操作位置上不得與其他零部件有干涉現象。
（7） 汽車轉向車輪應有自動回正能力，以保持汽車穩定的直線行駛。
（8） 后輪也做轉向車輪的汽車，具有二根和二根以上轉向車軸的全掛車和具有一根和一根以上轉向車軸的半掛車，以80km／h（設計車速計）的車速行駛時，駕駛員必須能在不做異常轉向修正的條件，保持汽車直線行駛。
（9） 以10km／h車速、24m轉彎直徑前行轉彎時，不帶助力時轉向力應小于245N，帶助力轉向但助力轉向失效時，其轉向力應小于588N，機動動作時間正常情況下不得大于4s，帶助力轉向但助力失效時不得大于65。左右兩個方向都要試驗。
（10） 當汽車前行向左或向右轉彎時，轉向盤向左向右的回轉角和轉向力不得有顯著差異。
（11） 轉向系統中的液壓、氣壓或電氣部件部分或全部失效后，轉向系統必須有控制汽車行駛方向的能力。
（12） 當助力轉向裝置本身無獨立的輔助動力源時，必須設有蓄能器。如使用壓縮空氣，貯氣筒上必須設有單向閥。
（13） 轉向系統所有零部件的設計、結構和安裝，必須保證駕駛員正常操作時不會鉤掛駕駛員的衣服和飾物；不得有撞車時會加重駕駛員傷害的粗糙表面或尖銳棱角，維修保養時應該容易接近。
2.2 機械轉向系
機械轉向系以駕駛員的體力作為轉向能源，其中所有的傳力件都是機械的。機械轉向系由轉向操縱機構、轉向器和轉向傳動機構三大部分組成。（如圖2-1）
1.轉向盤 2.安全轉向軸 3.轉向節 4.轉向輪
5.轉向節臂 6.轉向橫拉桿 7.轉向減振器 8.機械轉向器
圖2-1 機械式轉向系統
圖2-1是一種機械式轉向系統。駕駛員對轉向盤1施加的轉向力矩通過轉向軸2輸入轉向器8。從轉向盤到轉向傳動軸這一系列零件即屬于轉向操縱機構。作為減速傳動裝置的轉向器中有1、2級減速傳動副（圖中所示轉向系統中的轉向器為單級減速傳動副）。經轉向器放大后的力矩和減速后的運動傳到轉向橫拉桿6，再傳給固定于轉向節3上的轉向節臂5，使轉向節和它所支承的轉向輪偏轉，從而改變了汽車的行駛方向。這里，轉向橫拉桿和轉向節臂屬于轉向傳動機構。
2.2.1 轉向操縱機構
轉向操縱機構（參見圖2-3）由方向盤（如圖2-2所示）、轉向軸、轉向管柱等組成，它的作用是將駕駛員轉動轉向盤的操縱力傳給轉向器[6]。 ...
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