轻型货车循环球式转向器设计【三维CATIA】【含17张CAD图纸、说明书】【QX系列】

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For more than 100 years, automobile industry with mechanical and electronic technology development and progress. Today, the car is not purely mechanical sense of a car, it is the mechanical, electronic, materials and other comprehensive product. Steering system with the development of the car industry after the long evolution. The traditional steering system is mechanical steering system, automotive steering wheel, by pilot control through such a series of mechanical parts steering wheel to realize the deflection, so as to realize the steering. As in the 1950s, hydraulic power steering system in automotive applications, marked the beginning of steering system. Sources of power steering by previous human to human and hydraulic booster. Hydraulic booster HPS (Hydraulic Power Steering) is in the Steering system based on the mechanical and Hydraulic system increased a. The hydraulic system and the engine, when the general part of the engine starts, provide automobile engine power forward, another part of the kinetic energy of hydraulic system for power. Due to its reliable work, mature technology still has been widely used. The steering system of the main characteristic is the fluid pressure, reduce drivers support in the steering wheel, improved the steering light and auto operation stability. But at the same time, there are also some hydraulic power system flaw: Aiming at vehicle design and manufacture, after the completion of the vehicle steering dynamical characteristics cannot change. The direct consequence is that when the dynamical characteristics in low power, car in low segment can get very good, but in high-speed period has good way to sense, because cannot adjust dynamical characteristics, no better way drivers, When the dynamical characteristics in high power, not very good at low segment tprompt effect, If not, aiming to vehicle hydraulic system must also be in the engine driving. As a result, the energy consumption, increase fuel engine, Existing hydraulic oil leakage problems should not only to environmental pollution, and easy to other components, Aiming at low temperatures, hydraulic system performance is poor. In recent years, with the electronic technology in the wide application, steering system also more and more used electronic devices. Turn into the electronic control system, therefore, the corresponding appeared electrohydraulic power steering system. Electrohydraulic Power Steering can be divided into two categories: electric Hydraulic Steering system (Electro Hydraulic Power - the EHPS) and electric Hydraulic Steering Electronically Controlled ECHPS Steering (Hydraulic Power Steering). Electric hydraulic steering system is in hydraulic power system on the basis of the development of hydraulic booster systems, and different is, electric hydraulic power system of power sources in the hydraulic system, but not by motor engine motor drive hydraulic system, save energy and reduce the engine fuel consumption. Electric hydraulic steering is in traditional hydraulic booster systems on the basis of the development, the difference is that the electric hydraulic steering system, electronic control devices increased. The electronic control unit can according to the steering rate, speed auto operation parameters of hydraulic system, change the size of the hydraulic booster at different speeds, so as to realize the change, dynamical characteristics. But under the motor drive hydraulic system, in turn, motor can stop turning, thereby reducing energy consumption.Although electrohydraulic power steering system of hydraulic steering overcomes the drawbacks. But due to the existence of hydraulic system, it exists the hydraulic oil leakage problem, and electrohydraulic power steering system, introduced motor drive system is more complex, costs and reliability. In order to avoid Electric hydraulic Steering system, Electric Power Steering system of Electric Power Steering (EPS) should now. It with all sorts of steering system, the biggest difference lies in the electric power steering system has no hydraulic system. Originally produced by hydraulic steering system by motor. Electric power steering system of general by the torque sensor and microprocessor, motor, etc. The basic principle is: when the driver turned the steering wheel drive shaft rotation, to install in the rotation axes of the torque sensor and torque signal into electrical signals to microprocessors, microprocessor based on speed and torque signal other vehicles running parameters, according to the set procedures in the treatment of that power motors booster direction and the size of the booster. Since 1988, the first in Japan suzuki Cervo car to equip the steering system, power steering system is widely recognized by the people. Steering system is mainly embodied in the following aspects: A power steering system can provide different at different speeds under the dynamical characteristics. In the low road, steering, to increase more light, At high speed reduced steering, even in order to improve the road are increased to damp. A power steering system only in steering motors to work, to provide power, so as to reduce energy consumption.A motor, so by battery-powered electric power steering system can not work in engine under the condition of the work. Electric power steering system should not hydraulic system, compared with hydraulic booster systems and automated assembly. And electric power steering system can change the booster program microprocessor algorithm, easy dynamical characteristics of the change. The development of science and technology is changing, the traditional steering system of steering control (wheel steering), and turn of transmission mechanism. But the thought of the spark can always bring surprise! Electronic Steering system SBW Steering (to the Wire) was changed to the traditional concept of three most with micro-controller, it was replaced By the Steering transmission mechanism, the three most into two parts. Electronic steering system is the most advanced and automotive steering system of technology. It mainly consists of steering control module, to execute module and micro controller three modules. Steering control modules main function is to torque sensor detection by the driver intention, and to detect signal (including rotation direction and rotational speed, etc) by bus to micro controller, and micro controller based on the signal, and speed feedback control module is a steering wheel to make drivers, can feel road. But this is the way, is the development of virtual according to test data of integrated, formed experience, and by way of curing process in the form of micro controller. So it is with speed, turning to the size of the torque rate and some corresponding relation. Steering Angle sensor and actuator including steering motors, steering motor controller etc. It is the function of micro controller based on the control command, drive motor rotation Angle to execute, complete to action. Also the size of the rotation Angle sensor monitoring and feedback to micro controller, forming a complete accurate closed-loop control system, steering movement. Micro controller is the core of electronic steering system. It is receiving signal detection, processed send corresponding control signal. Due to the micro controller replaced steering transmission mechanism, thus mechanical connection between components of the system, reduce the response speed and the accuracy of the response. And to turn strategy, transmission control software programming any Settings, And other equipment, such as ABS, automatic navigation equipment. Transmission mechanism of reducing brings a bigger car interior space, give rides more fun. And turning behavior can be recorded, save in software that can help EEPROM after further perfecting the steering control strategy, even can provide.6指 导 教 师 评 语 外文翻译成绩：指导教师签字： 年 月 日注：1. 指导教师对译文进行评阅时应注意以下几个方面：翻译的外文文献与毕业设计（论文）的主题是否高度相关，并作为外文参考文献列入毕业设计（论文）的参考文献；翻译的外文文献字数是否达到规定数量（3 000字以上）；译文语言是否准确、通顺、具有参考价值。2. 外文原文应以附件的方式置于译文之后。 轻型货车循环球式转向器设计摘 要循环球式转向器是由螺母与丝杠传动副以及齿扇轴与螺母传动副二个部分组成。螺母与丝杠传动副是由里面的钢珠联系起来的，而齿扇轴与螺母传动副则是通过齿之间的啮合联系的，最终完成了力的传递。本文首先对汽车转向器目前研究的概况和发展趋势做出了阐述说明，研究BJ2020车型汽车转向系统，整理出汽车转向系统的设计要求，然后根据汽车的类型、汽车的前后轴的负荷以及汽车的用途选择了初步的转向器类型，随后进行汽车转向器选型分析并完成总结，完成循环球式转向器各项主要参数的选择，并根据循环球式转向器的角传动比、传动效率以及使用用途并参考以往的成功车的型号对循环球式向器的强度和具体参数进行了计算，再进行循环球式转向器性能分析最后完成设计图纸以及设计说明书。论文最后用建模的方式画出了转向器的三维设计图，从立体的角度反映了转向器的结构功能。还有零件图，画出了循环球式转向器零件的尺寸。装配图画出了各个零件之间的配合，更全面反映了循环球式转向器的结构。受力分析则清晰的展现了循环球式转向器的各种受力情况。 论文最后完成了BJ2020转向器从结构形式的初步选择到制造工艺最后布置的所有设计，所有设计合乎标准。关键词：循环球式转向器；工艺布置；受力分析I ABSTRACTEcirculating ball type steering gear is composed of the nut and screw transmission gear and shaft and nut transmission of two parts. The nut and the screw pair is composed of a link inside the ball, and the gear shaft and nut transmission pair is linked through the meshing be- tween the final completion of the transfer of power.Firstly, the steering situation and trend of current study to make an exposition of BJ2020 models of automobile steering system, sorting out the system design requirements for autom-otive steering, then according to the type of car, use the car front and rear axle load and vehic- le selection of the steering type preliminary, followed by steering gear the selection and anal- ysis of the complete summary, complete the circulating ball type main parameters for the ste- ering and steering angle, gear ratio according to the circulating ball type, transmission efficie- ncy and use of reference and the model of successful car cycling ball strength and device spe- cific parameters are calculated, then the recirculating ball type steering the performance anal- ysis is finally complete the design drawings and design specification. Finally, by using the w- ay of modeling drawing to three-dimensional design, from three-dimensional angle reflects the shift The structure and function of device. And part drawing, draw the size of the recircul- ating ball type steering gear assembly drawing parts. Coordination between the various parts, more comprehensively reflect the circulating ball type steering gear structure. The stress anal- ysis show the recirculating ball steering the force.At the end of the article, all the designs of the BJ2020 redirector from the initial selection of structural form to the final layout of the manufacturing process are completed, and the des- ign is up to standard. Keywords:Recirculating ball steering; Process arrangement;Force analysis III 目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题背景11.2 转向器的介绍11.3 国外的研究现状51.4 国内的研究现状51.5 本课题研究的主要内容61.6 本章小结72 转向器的设计与参数选择82.1 转向器的主要使用性能参数82.2 主要尺寸参数的选择102.3 循环球式转向器的强度校核182.4 转向摇臂轴直径的确定202.5 本章小结213 建模及受力分析223.1 二维工程图223.2 三维零件图243.3 受力分析273.4 本章小结304 结 论31参考文献32附录1：外文翻译33附录2：翻译原文37致 谢412轻型货车循环球式转向器设计1 绪论 1.1 课题背景转向器别名转向机、方向机，它在转向系中的地位卓然，是很重要的部件。它的作用不仅能使作用在方向盘上的力传到车轮时变得更大并且还可以改变力的传递方向，所以转向器的设计就显得意义非凡。转向器可根据其结构不同可分为齿轮齿条式、循环球曲柄指销式、蜗杆曲柄指销式、蜗杆滚轮式、循环球-齿条齿扇式等。当根据助力来看时又可分为有助力和无助力二种。其中又根据动力来源的不同可分为气压动力型、液压动力型和电动动力型等多种类型。转向器具有将驾驶员作用在方向盘的手力放大，并且能够使速度变慢之后再传给转向机构。它作为汽车的重要部分，并且它决定了汽车安全性能的优劣，它的质量直接影响了汽车的操纵稳定性，由此它的设计不可忽视。因为循环球式转向器具备传动效率高、工作状态平稳、牢靠，螺杆及螺母上的螺旋槽经渗碳、淬火及磨削加工，耐磨性好、寿命长，且齿扇与齿条啮合间隙的调整便利易行，这种构造与液力式动力转向液压装置的匹配安装时也极为方便。故本文选用循环球式转向器。 1.2 转向器的介绍 1.2.1转向系统的简介转向系统是用来改变或者保持汽车行驶方向的一系列装置。汽车转向系统的最重要的功能就是能按照驾驶员自己的想法去控制汽车的行驶方向。有的转向系统还有助力机构，能够在一定程度上减轻了驾驶员的手力，这种机构对于女性驾驶者则显得很重要。 转向器的设计必须满足以下要求： (1)方向盘一定要左置； (2)后轮不可以单独的作为转向轮； (3)不可以使用全动力转向机构； (4)必须有渐进的转向轮的偏转； (5)转向轮必须具备足够的硬度以保证行驶安全； (6)转向系统必须在合理的位置，以确保驾驶员能够方便准确的操作，转向系统不能和其它的装置有干涉；- 1 - (7)转向轮能够自动恢复正位，从而确保车轮沿着直线行驶； (8)在后轮做转向轮的时候，具有二根及以上转向车轴的全挂车和具有一根及以上转向车轴的半挂车，以80kmh车速行驶时，驾驶员在不做反常修正时，能够保持车轮直线行驶； (9)当所有的助力系统损坏不能正常工作时，必须保证汽车有能够控制行驶方向的能力； (10)当助力装置本身没有独立的辅助独立机构时，一定要具备蓄能器； (11)转向系统的部件安装、设计等必须保证与驾驶员的衣物等物件不会拉扯，且其表面不能有棱角，不能对驾驶员产生伤害； （12）汽车左右转弯时，它的回转角和转向力没有明显差异； （13）以10km/h车速转弯且以12m的半径前行和转弯时，不带助力的系统要求其转向力不大于245N，带助力转向但助力转向失去效用的系统，要求其转向力不得大于588N，一般的情况下机动动作时间不得超过4s，带有助力转向的系统则要求它的助力失效时间不得大于65s，左右两个方向都必须要进行试验测试。 1.2.2机械转向系操纵机构、机械转向器和转向传动机构三大部分组成了汽车机械式转向系，其具体结构如图1-1所示。汽车机械式的动力来源是驾驶员的手力，并且它的所有传动件都是机械的。图1-1 机械式转向器1转向盘2转向轴3转向万向4转向传动轴5转向器6转向摇臂 7转向直拉杆 8转向节臂9左转向节10、12左右梯形臂11转向横拉杆13右转向节 驾驶员作用在转向盘上面的力通过转向柱传到转向轴，从转向盘到转向传动轴这一部分的零件都属于转向操纵机构。再将力传到直拉杆，再到转向器，转向器在将力传到减速器（图中转向系统无减速器，其位置在转向器旁边），到这里再到转向拉杆，作用到转向节臂。最后作用在转向轮上，从而使其产生偏转，改变汽车行驶的方向。而转向横拉杆、转向节和转向节臂等零件均属于转向传动机构。 （1）转向操纵机构转向操纵机构是由图1-2中的方向盘、转向轴、转向管柱等零部件组成的。它主要作用是将驾驶员作用在转向盘的力传给转向器。图1-2 转向操纵机构 （2）转向器 齿轮齿条式转向器由转向齿轮、转向壳体和转向齿条等组成，结构如图1-3所示。齿轮齿条式转向器的优点是造价低，结构很简单，体积较小，转向灵敏，可以实现直接带动横拉杆。但是它由于逆效率很高，容易产生打手，令车上的驾驶员精神紧张，不能有很好地驾驶感受，甚至会产生比较致命的后果，所以本文不采用齿轮齿条式转向器。 图1-3 齿轮齿条式转向器齿条齿扇副磨损后可以重新调整间隙，使之具有合适的转向器传动间隙，从而提高转向器寿命，也是这种转向器的优点之一。循环球式转向器和齿轮齿条式转向器是如今世界社会上用的最多的两种转向器，蜗杆曲柄指销式转向器和蜗杆式转向器这两种则由于各种原因正在逐渐被淘汰掉。循环球式转向器的优点较多，比如效率很高，操纵很方便，布置容易等，特别适合中大型的汽车应用。易于传递驾驶操纵信息，逆效率也很高，和液压操纵机构配合的很不错。循环球式转向器主要是由螺杆、螺母、转向器壳体以及许多的小钢球等部件组成，其所谓的循环球指的就是里面的这些小钢球，它们被放置于螺母与螺杆之间的密闭管路内，经过管道进行无限的循环流动，这些钢球起到将螺母与螺杆之间的滑动摩擦转变为阻力非常小的滚动摩擦的作用，当与方向盘转向管柱固定到一块的螺杆转动起来的时候，螺杆推动螺母进行上下的运动，螺母在通过齿轮来驱动转向摇臂往复摇动从而实现了转向轮的转向。循环球式转向器的传动效率高、工作安稳、牢靠，螺杆及螺母上的螺旋槽是经渗碳、淬火以及切削加工，耐磨性极好、寿命很长。齿扇与齿条啮合间隙的调整便利容易实施，这种结构与液力式动力转向液压装置的匹配布置也极为便利。所以循环球转向器凭借这些优点让其在汽车中得到了比较广泛的应用1。转向螺杆转动时，通过小钢球将作用力传给了在丝杠上运动的转向螺母，螺母即沿丝杠进行轴向的运动。同时，在螺杆及螺母与钢球间的摩擦力偶效果的作用下，所有钢球便会在螺旋管状通道以及管道内滚动，形成循环的“球流”。在转向器工作时，两列钢球只是在各自的封闭流道内循环，不会中途产生脱出。 （3）转向系统传动机构转向传动机构的功用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节上面，转向节再使两侧转向轮发生偏转，且使二个转向轮的偏转角按照一定的关系发生变化，从而确保汽车转向时车轮与地面的相对滑动能够尽可能的小。 1.3 国外的研究现状国外对于转向器的研究较早。在韩国Durkhyun Wuh、Seokchan Yun、Changsoo Han 3的研究中一个动态模型和控制算法的滚珠丝杠类型MDPS系统推导和分析了使用方法离散建模技术。改善转向感觉,动力转向的特点,两个衍生品收益被添加到传统的权力增加控制算法。通过模拟,影响控制增益的转向角增益在频域进行验证。在中心的方向盘回正性和转向力矩相位滞后处理时域测试同时进行。Man Hyung Lee、Seung Ki Ha 、Ju Yong Choi 、Kang Sup Yoon4讨论了直流电机加热器调节助力转向系统(EPS)。 2005年法国的Carlos Canudas-de-Wit、 Hubert Bechart、Xavier Claeys、Pietro Dolcini、John-Jairo Martinez6研究了电子动力转向和辅助离合器同步问题，提出EPS系统旨在生产相同的汽车转向特性无论大小和重量，路况和轮胎特性;拒绝外部干扰,如道路违规行为和道路状况的变化;PS系统替代现有的液压转向系统,取代传统的液压动力装置的电子。任意设定预期的优势是潜在的能力反应方向盘转矩特性,并使这些特征符合道路条件。2016年Springer国际版中瑞士的Christoph Nippold、Ferit Kuckay、Roman Henze5在测试试验台基础上的应用和分析机电动力转向(EPS)。电动转向有节能环保、安装方便、效率高、路感好和回正性好等优势。 1.4 国内的研究现状为了正常进行循环球式转向器磨损试验，2015年中国地质大学伍颖，宋康顿，郭龙飞，吴选杰7参照汽车电动助力转向装置技术条件与台架试验方法标准，采用交流伺服技术、智能集成技术与微机测控技术，设计了双工位循环球转向器可靠性磨损试验系统。试验运行结果显示：该试验系统经济高效，稳定牢靠，满足循环球转向器磨损试验标准规定功能：系统应具有实时监控数据、实时绘制曲线和检测空载性能三大功能，从而进一步完成循环球转向器出厂前的可靠性磨损试验，降低由于服役寿命周期内的失去效果而导致交通安全事故的概率。 2016年为了解决循环球变比转向器变比齿轮齿廓设计问题，为了解决循环球变比转向器变比齿轮齿廓设计问题胡大伟,牛子孺等8提出一种数字设计方法即范成仿真法; 该方法在 CATIA 建模软件中，基于变传动比运动规律建立布尔减运算宏程序，模拟变比齿轮齿廓包络面范成加 工过程，生成变比齿轮三维模型; 对齿廓曲面进行修补，完成变比齿轮副的虚拟装配后，采用ADAMS软件对建立的变比齿轮齿条副进行运动仿真分析，将仿真得到的传动比曲线与设计用曲线进行对比分析，验证了该方法的有效性。 为了检测循环球式转向器的疲劳性能，在原有的分析转向器工作原理的基础上，2016年郭海林,熊丽9运用电液伺服材料试验机INSTRON 1251 试验台与计算机控制单元，设计出了转向器疲劳试验系统。研制了转向器疲劳试验工装夹具，系统加载动态响应良好，达到了规定的转向器疲劳试验参数要求。试验运行表明：该试验设计实现了转向器疲劳性能测试，操作简便，控制精度高，为转向器结构设计与强度评估提供了基础技术支持。我国正在发展多轴车辆的EPS系统：(1)右轮装半自动 S-EPS，其双轮左轮装手动，最大负载6 000 kg，基本上满足我国的公路重型汽车要求。基本上一般的轻重型汽车都可使用EPS；(2)双前桥转向同前一条一样用左轮装手动 S-EPS，其余的可采用半自动 S-EPS，并且由一个控制器来控制。部分转向杆系保持原拉杆系统；(3)分别在三轴车辆电动转向系统前后轴上安装电动转向器10。 1.5 本课题研究的主要内容本文主要进行循环球的相关设计，包括其循环球式转向器的主要性能参数的设计，其中包括转向器的效率以及传动比的变速特性。然后主要尺寸参数的选择，包括其螺杆、钢球、螺母传动副的设计和齿条、齿扇传动副的设计。随后其零件的强度计算和转向摇臂的轴直径的确定，再进行三维模型及二维工程图的设计。最后则利用CATIA对它进行受力分析，观测它的受力情况。本文的设计思路有以下8点： （1）研究轻型货车汽车转向系统； （2）汽车转向系统的设计要求； （3）根据汽车总体方案的设计选择； （4）进行汽车转向器选型分析并完成总结； （5）完成转向器各项主要参数的选择； （6）进行转向器性能分析； （7）完成设计图纸； （8）完成设计说明书。 1.6 本章小结 本章是文章的绪论部分，首先写的是设计此课题的背景，初步介绍了一下转向系，以及它们的功用。国内外的研究现状也是本章的重点，详细说明近几年转向器的研究过程。本章也阐明了研究的意义以及目的。文章有各种的设计方法以及所有表达的内容，此章介绍研究的方法以及内容。之后是对转向器的详细介绍，包括它的工作原理、优点等等。也将循环球式转向器与其它类型的转向器进行详细的对比，详细说明了研究采用此类型转向器的原因以及意图。- 6 -2 转向器的设计与参数选择 转向器的设计参数包括主要的性能参数以及尺寸参数的设计和强度的校核。主要性能的参数包括效率和传动比。尺寸参数则包括钢球的直径、钢球数量、工作圈数、导管内径等等。强度的校核有钢球与滚道的接触应力以及弯曲压力。 2.1 转向器的主要使用性能参数 转向器的使用性能参数主要包括循环球式转向器的正逆效率以及转向系自身的传动比。 2.1.1 循环球式转向器的正逆效率 手作用在方向盘上的力功率从丝杠的一端输入到转向摇臂轴，再从转向摇臂轴输出到转向摇臂轴所得到的效率被称为正效率，其符号为，公式为；相反的，从转向轮传到转向轴的效率，被称为逆效率，其符号为，公式为。公式中的是转向器自身所有的摩擦功率。正效率高能使转向便利，而逆功率高能够保证汽车转向后的回正率更高。但是逆功率太高又会使汽车在行驶的路上打手情况更加严重，一般要求逆功率尽最大可能的小。转向器的类型、构造特征、内部结构参数以及产品的制造质量等等都可能是影响转向器正功率的本质原因。 （1）转向器种类、构造特点与正逆效率滚针轴承除了滚轮和滚针之间的摩擦损耗之外，滑动摩擦消耗在滚轮两边与垫片之间也有，所以这种转向器的正效率大约只有53%14。齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率相对与蜗杆指销式来说则显得比较高。相同类型的转向器也会由于它们的构造不同，所以它们的正效率也不会完全的相同。有实验可以证明选用滚针轴承、圆锥滚子轴的蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支持轴之间的轴承的转向器，实验结果显示它们的正效率分别是69%和74%。此外对它有影响的还有转向摇臂轴轴承的结构种类，用圆锥滚子轴承的正负效率都比滑动轴承的高一些。 （2）转向器结构上的性能参数计算如果我们只考虑到各个相啮合零件之间的摩擦消耗时，把轴承其他地方的摩擦损失忽略掉，可用下式计算蜗杆和螺杆类转向器它的正效率公式为： （2-1） 式中，是螺杆上螺线的导程角度：是摩擦角度，；为材料摩擦因数。查得钢与钢的摩擦因数为0.25，则，=8。 故 （2-2）可逆型转向器在遇到凹凸不平的路面时，它会产生很严重的打手感，这样会增加驾驶员的紧张感，不利于汽车行驶。属于可逆型转向器的有齿轮齿条型转向器和循环球型转向器这二种。如果路面给车轮的力基本不能传回到方向盘，则被称为不可逆式转向器。由于不能很好的传到方向盘，所以这些力只能由转向器的零部件去承担，很容易造成转向器的破坏，所以现代的车辆大部分情况下不应用这种类型的转向器。效率处于两者之间的还有种类型的转向器，由于在路面不平时它接受路面的冲击力比较小，所以逆效率低，称为极限转向器。打手感也不是特别大，驾驶员也不会感到过分的紧张，转向器内部零部件的冲击力也不高，损伤也就不高。如果我们只考虑相啮合零件之间的摩擦消耗时，略去轴承以及其它地方因为摩擦造成的消耗，可利用下面的公式计算出蜗杆和螺杆类转向器的逆效率公式为 ： 故 （2-3）式（）表明：随着的增大，它的也会变大。 2.1.2转向系的传动比转向系的传动比包括角传动比和力传动比。力传动比的公式为： 角传动比的公式为： （2-5） 式（2-5）中的即转向盘的转角增量；即转向节转角增量；它所表述的是时间增量。它里面包括的有转向器角传动比和转向传动机构角传动比，即。当今车辆转向部分的角传动比一般取0.851之间，此处取1.0。轿车的一般取，1422，此处取17。所以： 2.2 主要尺寸参数的选择根据表2-1可知BJ2020的前轴载荷为780kg，再根据表2-2得到它的齿扇模数为。在转向器齿扇模数得到确定后，循环式转向器的各级数据可以通过表和表来进行选择。根据以下表格，确定的齿扇模数查表2-2和2-4可得：螺距：9.525mm 工作圈数：1.5 钢球直径：6.350mm螺杆外径：25mm 齿扇压力角：2230 齿扇宽：45mm 环流行数：2 螺母长度：80mm 齿扇齿数：4 切削角：630表2-1 尺寸参数质量参数使用参数表2-2 数值4表2-3 表2-4 mm()()()()()()()()()3()() 2.2.1钢球、丝杠与螺母传动副的设计 （1）如图2-1所示丝杠外径钢球中心距螺母管道的直径以及尺寸、。图2-1 螺杆、螺母传动副钢球一般取得越小越好。随着齿扇模数的增加，钢球的中心距也会相应的逐渐增加，丝杠外径在19到31mm之间变化，螺母内径一般要求大于，并且一般要求=(6%11%)D,再由表2-2得：=27mm，=25mm，。 （2）钢球的个数及直径钢球直径一般取mm，由表2-2得钢球直径为6.350mm，故每个路线的钢球个数可由以下公式得出： （2-6） 式中，为一个环形路线中的钢球圈数；D为钢球中心之间的距离；为包括环流管道中的钢球个数；为螺线导程角，一般取=58，cos1；将上述各数值代入得=18.55。 （3）接触角 为了使径向力与轴向力分布更加均匀，一般取45。 （4）滚道截面丝杠与螺母由二条弧型线构成，如图2-2,从而形成四个分段类型的弧型轨道断面，钢球与滚道就会有四处接触，此时传动轴轴向的间隔不是很大，可以满足所有的标准。图2-2中各处间隙除了可以用来储存油外，也会存杂质，使部件磨损。为了减小磨损，螺杆与螺母的沟槽半径常取=（0.510.53）。在这里我们取3.239mm，符合之前的要求。 图2-2 钢球轨道断面 （5）螺旋线导程角和螺线间距离转向盘旋转角度，其相对应的螺母位移为： （2-7）式中，为。常取811mm之间。由表2-2得; 取6，又； （2-8）式中，为齿扇节圆半径。由前式得，可得转向器角传动比公式： (2-9)由此可得，螺距对转向器传动比有影响。由表2-2得，,故可得17由上式可得若螺距不变，则随着的增加，图2-2中的不会越来越大，且设计合理。 （6）钢球工作圈数钢球工作圈数有1.5和2.5二种。由表2-2得=1.5。 （7）导管内径装得下所有钢珠并且能够让钢珠在它的内部管道里面滚动的管道直径，一般应该尽量取很小，推荐=0.40.8mm，此处为了方便取0.5mm，导管壁的厚度取1mm。 2.2.2变厚齿扇机构的设计变厚齿扇的齿顶与根的轮廓面只是圆锥的一部分，它的分度圆的齿的厚度会一直进行改变，如图2-3所示，被称之为变厚齿扇。图2-3 变厚齿扇的截面对于变厚齿扇齿型的计算，我们一般最中间的剖面作为基准面，如图2-4。由基准面向左时，变位系数依次由正值变零再变负值。由某一剖面至基准面的距离为，则它的值为，是切削角，一般的有630和730二种，此处取630。当不变时，变位系数由决定。图2-4 变厚齿扇计算说明图以上已经确定；，；，；，；，；，。 2.3 循环球式转向器的强度校核 2.3.1钢球与滚道的接触应力在进行强度计算前，我们应该首先确定其计算载荷。由之前的对应螺母移动的距离s的公式得转向阻力矩，原地转向阻力矩的公式为： (2-10)此处的；是汽车前轴载荷（N）；是轮胎大气压力（MPa）。又BJ2020前轴重量为780kg,因此；故 ； (2-11) 转向系的公式是： (2-12) 由之前的计算得17式中此处我们取435mm；为主销偏移距，常取（0.40.6）倍轮胎宽度，此处我们取0.5倍，即=107.5mm，故 (2-13) 又 (2-14)在方向盘上作用的手力是： （2-15）所以这次所有设计符合该标准。计算公式为 （2-16）式中，为滚道截面半径，取=3.239mm；为系数，根据的值由表2-5可得，；为钢球半径；故可得=0.072 =0.229 =0.314 =0.600;为螺杆外半径；为材料弹性模量，=2.1105MPa；是钢球的直径=6.35mm。表2-5 0.05 每个钢球与螺杆滚道之间的正压力 ： （2-17）式中转向盘圆周力：半径：螺杆螺线导程角：钢球与轨道的接触角：钢球数 ：，。求得 （2-18） 故符合设计要求。 2.3.2齿的弯曲压力因为，且许用弯曲压力为。式中，是齿的齿高；是作用在齿上的周向力；是齿的宽度；是基圆的齿的厚度。齿的高度；相咬合的半径为；基圆的齿的厚度为；此处的取38mm。 得 （2-19） 2.4 转向摇臂轴直径的确定 转向摇臂轴直径的公式： (2-20)式中，为安全系数一般在2.53.5之间取，此处取=2；由上式可得=315046.57Nm2；。 所以 转向摇臂轴的制造材料一般是22CrMnMo，并且其表面必须要经过渗碳处理且深度大约是0.71.3mm，但前轴负荷比较大的汽车，一般为1.061.46mm。淬火过程后表面的硬度一般是5863HRC。转向器壳体这里采用型号为QT40118的球墨铸铁对它进行铸造。 2.5 本章小结本章主要是转向器的性能以及尺寸的参数的设计，然后开始对其主要的性能参数进行设计，先是转向系的逆效率设计，算出为83.5%，再是计算出转向系的传动比为15。再来就是主要的尺寸参数的设计，其中包括齿扇的模数m=4，螺距齿扇压力角为2230、齿扇宽为38mm等等的设计。经过这些设计之后，又是钢球、螺杆以及传动副的设计。包括钢球的数量n=18.55以及直径d=6.35mm还有齿数z=14、螺杆的外径D=29mm、接触角=45等等的设计。然后就是齿条齿扇传动副的设计，包括之前已经选择好了的模数等等设计。最后是强度的计算部分，其中包括了钢球和滚道的接触应力为1708MPa小于2500MPa以及齿的弯曲应力为405MPa小于540MPa，完成了强度的校核。之后是转向摇臂轴的直径的确定，计算出转向摇臂轴的直径=18mm，再进行轴的材料的选择，最后选的是22CrMnMo，壳体材料为QT400-18。至此处，转向器的计算基本结束，转向器的性能以及尺寸参数也设计完毕，可以进行它的三维图的绘制。3 建模及受力分析 对零件进行三维建模以及用CATIA对它进行受力分析。 3.1 二维工程图 主要是一些主要零件的二维图纸的绘制，包括转向摇臂轴、丝杠、螺母以及装配图等二维图的绘制。 3.1.1 零件图的绘制 绘制图层，设置颜色，根据所需要的线以及各自的图形尺寸画图。 （1）转向摇臂轴 转向摇臂轴上有齿扇，并且它与转向摇臂相连，其结构尺寸如图3-1所示。图3-1 转向摇臂轴的二维图纸 先画出轴，根据图中尺寸，然后画齿扇，在根据之前计算的齿数画出齿。 （2）螺杆 螺杆通过钢球与螺母连接，传递手作用在方向盘上的力给转向摇臂轴，其结构以及尺寸如图3-2所示。图3-2 螺杆的二维图纸 （3）螺母 螺母通过钢球与丝杠连接，并且通过齿与转向摇臂轴连接，是转向器的二个传动副的组成之一，其结构尺寸如图3-3所示。图3-3 螺母的二维图3.1.2装配图的绘制装配图详细的画出了零件的位置，以及零件之间的配合关系，其结构如图3-4所示。图3-4 循环球式转向器的装配图1-螺钉2-轴承盖3-壳体4-圆锥滚子轴承5-丝杠6-管道7-螺母8-油栓 3.2 三维零件图 对一些主要零件三维图纸的绘制，包括壳体、螺栓、转向摇臂轴、轴承盖、丝杠、总装图以及爆炸图的三维图绘制。 （1）壳体 壳体主要是起保护以及固定其它零部件的作用，其三维图如图3-5所示。图3-5 循环球式转向器壳体 （2）螺栓 螺栓用于加紧固连接两个带有孔的零件的作用，三维图如图3-6所示。图3-6 螺栓 （3）转向摇臂轴 转向摇臂轴上可安装转向摇臂，并且轴上还有齿扇，其三维图如图3-7所示，是转向器的重要零件之一，轴上的齿扇可用于调节其自由行程。图3-7 转向摇臂轴 （4）螺母 螺母里面有很多槽，是钢球的轨道，钢球在内滚道，形成球流，图3-8所示是螺母的三维图形。图3-8 螺母齿扇和壳体的设计主要是利用拉伸的方法，来完成齿扇的设计。 （5）轴承盖 轴承盖用于阻止灰尘等衣物进入钢球的轨道，以及保障润滑剂仅仅对滚道以及钢球起作用，其三维空间如图3-9所示。图3-9 轴承盖轴承盖主要是通过拉伸、钻孔以及开槽等方法来完成的。 （6）丝杠 丝杠一端是用来接受手作用在方向盘上的力，螺母通过钢球与螺杆连接在一起，其三维图形如图3-10所示。图3-10 丝杠丝杠的设计主要也是用到了扫掠的处理，也是在中心线画出螺纹螺旋线，然后在中心线扫一圈，最后得到螺杆的三维设计模型。（7）总装图转向器总装图是各零件组合，如图3-11所示，而转向器的爆炸图则展示了各零件的位置，如图3-12所示。图3-11 循环球式转向器总装图图3-12 循环球式转向器爆炸图 打开装配图，进入装配模式，点移动选项下面的分解按钮，爆炸图生成。 3.3 受力分析受力分析主要是对转向器很重要的零部件进行力的分析，其中包括螺母、齿扇以及丝杠的受力分析。受力分析作图的步骤：先打开受力分析模块，之后选择材料库，再图形属性板块选固定，选定需要固定的面，进入力的参数设计，输入力的参数以及受力点，最终，进行计算，得出受力分析图，对材料进行着色。 （1）螺母的受力分析 螺母与钢球接触，钢球运行的轨道之间存在的力的受到的力的分析如图3-13所示，对螺母造成的变形量的分析如图3-14所示。图3-13 螺母的受力图 从图中得其最大应力为1.2e+007Nm2，最小为3.97e+003Nm2，其受力点为钢球轨道，故其受力合理，设计合理。 （2）转向摇臂轴的受力分析转向摇臂轴与螺母有齿的接触，其受力分析如图3-15所示，其变形量分析如图3-16所示。图3-14 转向摇臂轴的受力图图中的红色区域代表受力最大区域，从图中可以看出最中间的齿受力最严重，最大应力为1.53e+006Nm2，最小为0Nm2，并且齿轮也有变形，其主要受力点为最中间的齿轮，所以综上设计较合理。 （3）丝杠的受力分析 丝杠是转向器的重要零件，丝杠与螺母通过钢球连接，钢球与丝杠上的钢球轨道有接触，其受力分析如图3-17所示，力产生的变形量如图3-18所示。图3-15 丝杠的受力图 从图中着色的颜色来看，图中最大的受力为二边，其最大应力为2.12e+008Nm2，其受力点为钢球的轨道，故受力合理，设计合理。 3.4 本章小结本章是三维模型以及受力分析章节，其中主要有壳体的三维图；齿扇轴、螺母以及丝杠的三维图和二维图以及受力分析图；零件的装配图以及三维总装图等等。壳体的长宽高分别为151mm、100mm、152mm；丝杠的长和直径为206mm和25mm；螺母的长宽高为80mm、35mm、47mm；齿扇轴的长和直径为234mm和30mm。最后是受力分析，受力分析是用CATIA对它进行力学的仿真，就是模仿它的受力情况来校核它的可行性，齿扇轴最中间的齿受力最严重，最大杨氏模量为1.53e+006Nm2，最小为0Nm2，并且齿轮也有变形，螺母的最大杨氏模量为1.2e+007Nm2，最小为3.97e+003Nm2，丝杠的最大杨氏模量为2.12e+008Nm2，最小为1.41e+006Nm2，三个主要零件的受力均在合理范围内，所以设计合理。至此，转向器的设计基本完成。 4 结 论 根据现在使用的汽车参数设计准则以及参照类似车型的技术参数，本文主要是参照BJ2020型汽车的相关参数进行了转向器的设计，设计结果满足现代轻型货车循环球式转向器的设计。应用CATIA软件绘制了循环球转向器的装配图以及各个零件的三维图纸，还应用AUTO CAD绘制出了各个零件的零件图以及装配图的二维图纸，使得图纸更加详细和准确。首先通过查资料对部分参数进行一个预选，螺距为9.525mm、工作圈数为1.5、钢球直径为6.350mm，螺杆外径为25mm，齿扇压力角为2230，齿扇宽为38mm，环流行数为2，螺母长度为80mm ，齿扇模数为4 以及切削角为630。又通过计算，算出来了转向器的尺寸，包括齿扇，螺杆等各个零件的尺寸，齿扇宽为38mm，钢球的直径d=6.35mm，螺杆的外径D=29mm，转向摇臂轴的直径为18mm，齿扇的齿高为9mm。同时计算了钢球与滚道的接触应力为1708MPa小于2500MPa，齿的弯曲压力为405MPa小于540MPa。上述设计均合理。 最后本文利用CATIA软件对其一些主要零部件如齿扇、螺母以及丝杠进行了受力分析，齿扇轴最中间的齿受力最严重，最大应力为1.53e+006Nm2，最小为0Nm2并且齿轮也有变形，但变形量最大为0.00044mm，螺母的最大应力为1.2e+007Nm2，最小为3.97e+003Nm2，其最大位移量为0.000551mm，丝杠的最大应力为2.12e+008Nm2，最小为1.41e+006Nm2，其最大的变形量为0.00337mm，三个零件的变形量以及受力情况均在合理范围内，验证了它的力学的合理性，最终完成了循环球式转向器的设计。 参考文献1杨越,王猛猛,吴明涛.汽车转向技术发展综述J.北京汽车,2012,04:35-37.2 Hui Jing，Rongrong WangMohammed Chadli,Chuan HuFengjun Yan,et al .Fault-Tolerant Control of Four-Wheel Independently Actuated Electric Vehicles with Active Steering Systems IFAC-Papers On Line , Issue 21, 2015, Pages 1165-1172.3Vivan Govender,Steffen Mller Modelling and Position Control of an Electric Power Steering System IFAC-PapersOnLine, Issue 11, 2016, Pages 312318.4Li Zhai，Hong Huang，Tianmin Sun，et al. 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