循环球式转向器的设计讲解
机械毕业设计1535循环球式转向器的设计
Abstract
Automobile is a transport machinewithhigh-performance and variable loads.Steering systemisone of the key componentsfor vehiclesandneed tobeunderstoodand grasped.As the most important part of steering system,steering gearneed to be studiedimportantly.Circulating ball-type steering gearcontainsscrew, nut,ball, steering gear housing, etc.Ithas many Advantages,such ashigh transmission efficiency, light manipulation, less wearandlong service life,soas tobewidelyused in recent years.According to current national standards andthe ball steering vehicle data of BJ2020,a cycle ball steeringis designedbytheautomotiveprinciples, andsomethree-dimensional graphics and rendering parts of the planare completed, so as tomeet the national standards of Modernutility vehicle.
循环球式液压助力方向机构造
循环球式液压助力方向机构造循环球式液压助力方向机构是一种常见的汽车方向盘助力装置，它通过利用液压力来提供驾驶员操纵车辆方向的辅助力量。
本文将介绍循环球式液压助力方向机构的工作原理、结构组成以及优点和应用。
循环球式液压助力方向机构的工作原理是基于流体力学原理的。
它由液压缸、转向球、转向机壳、动力泵、转向助力阀等组成。
当驾驶员转动方向盘时，转向球会随之转动，通过转向机壳传递给转向助力阀。
转向助力阀根据驾驶员的操纵力度和方向，控制动力泵输出的油液流向液压缸，从而产生助力力矩，帮助驾驶员操纵车辆的转向。
循环球式液压助力方向机构的结构组成主要包括液压缸、转向球、转向机壳、动力泵、转向助力阀等。
液压缸是该方向机构的核心部件，它负责产生助力力矩。
转向球是转动方向盘时产生的转动力矩的传递器，它能够把驾驶员的操纵力度和方向传递给转向助力阀。
转向机壳则起到支撑和固定液压缸和转向球的作用。
动力泵负责产生高压油液，为液压缸提供动力。
转向助力阀则控制动力泵输出的油液流向液压缸，从而产生助力力矩。
循环球式液压助力方向机构具有许多优点。
首先，它可以根据驾驶员的操纵力度和方向提供相应的助力，使驾驶变得更加轻松和舒适。
其次，它具有良好的动态响应性能，可以快速响应驾驶员的操纵指令，提高车辆的操控性。
此外，循环球式液压助力方向机构结构简单、可靠性高，且易于维修和保养。
最后，它适用于各种类型的汽车，广泛应用于乘用车、商用车等各类车辆中。
循环球式液压助力方向机构在汽车领域有着广泛的应用。
在日常生活中，我们常见的私家车、出租车等都采用了循环球式液压助力方向机构。
它不仅提高了驾驶的舒适性和操控性，还增强了行车安全性。
特别是在低速行驶、转弯等操作时，循环球式液压助力方向机构的优势更加明显。
总结起来，循环球式液压助力方向机构是一种常见的汽车方向盘助力装置，它通过利用液压力来提供驾驶员操纵车辆方向的辅助力量。
它的工作原理基于流体力学原理，结构包括液压缸、转向球、转向机壳、动力泵、转向助力阀等。
循环球式转向器设计流程
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1. 需求分析。
定义转向系统的性能要求，包括传动比、转向角范围、操作力和扭矩、回位力矩和耐久性。
汽车循环球式转向器的参数化设计
汽车循环球式转向器的参数化设计汽车循环球式转向器是一种常见的车辆控制部件，也被称为拉杆
和球头。
它是一种能够帮助车辆转向的关键部件，连接转向盘和车轮，从而实现转向功能。
在车辆行驶过程中，转向器起到了关键的作用，
因此其参数化设计非常重要。
汽车循环球式转向器的参数化设计需要考虑以下因素：
1.适用车型：转向器的设计需要考虑适用的车型，例如小型车、
中型车、大型车等。
由于车型不同，车轮的转向力度和灵敏度也会有
所不同，因此需要根据车型的特点设计转向器。
2.转向角度：转向器的设计还需要考虑转向角度，也就是车轮能
够转向的角度。
例如，越野车需要具备更大的转向角度，这样才能应
对更加崎岖和不平的路面。
3.承受力度：转向器需要承受车轮的转向力度和震动，因此需要
确定承受力度。
根据车辆的使用环境和道路条件，需要设定合适的承
受力度。
4.耐久性：汽车循环球式转向器的设计需要具备良好的耐久性，
能够承受数年甚至十年以上的使用。
因此需要选用合适的材料和加工
工艺。
5.稳定性：转向器需要具备良好的稳定性，能够确保车辆在高速
行驶时转向的平稳和可靠。
总的来说，汽车循环球式转向器的参数化设计需要考虑多个因素，包括适用车型、转向角度、承受力度、耐久性和稳定性等。
设计师需
要在这些因素之间进行平衡，并最终设计出符合要求的产品。
循环球式转向器的设计
转向系包括转向器和转向传动机构。
转向系的要求；转向器的工作原理：转向器的分类；重点突出循环球式转向器优点缺点；怎么改进缺点，循环球式转向器由螺杆和螺母共同形成的螺旋槽内装钢球构成的传动副，以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成。
循环球式转向器是汽车转向系中最重要的部件，它的作用是增大转向盘传到转向传动机构的力和改变力的传递方向。
它由两级传动副构成：第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿扇传动副。
在第一级传动副中，螺杆螺母的螺纹并不直接接触，其间装有多个钢球，实现滚动摩擦，可使正效率可达到90%。
因此循环球式转向器是目前国内外机械式和液压动力式汽车转向器应用最广泛的结构型式之一。
转向螺母是循环球式转向器中核心件之一，工作时与钢球接触，发生滚动摩擦，并有由于路面不平传到螺母的冲击。
由此转向螺母的钢球滚道轮廓形状是设计的关键，如果滚道与钢球的接触点不正确，将导致转向器卡死，造成翻车事故。
文中使用SolidWorks软件建立某车型汽车循环球式转向器的组件——转向螺母的精确三维模型，以便为后续的有限元分析、工作过程仿真和建立虚拟样机提供真实精确的三维仿真模型。
1 转向螺母的滚道设计原理转向螺杆和螺母上都加工出断面轮廓为两段不同心圆弧组成的近似半圆的螺旋槽，它们的螺旋滚道槽法截面轮廓见图1。
采用双圆弧滚道型面可以保证钢球滚珠和滚道面的“三点接触”，通过第三接触点C的法向反力Nc来和摩擦力fA、fB相平衡，使滚珠在几乎无滑移的情况下即可达到力的平衡，大大减轻其自锁效应。
自锁效应是指在两个摩擦力fA、fB组成力偶的作用下，滚珠向螺母或螺杆滚道侧的滑动现象。
如果滚珠滑动过大，将导致滚珠和接触滚道发生塑性变形，使整个螺旋副传动卡死，造成转向器不能转向，引发交通事故。
采用双圆弧滚道型面的滚珠螺旋副能减小自锁效应的关键是严格控制三者的配合间隙，过大的间隙将使得滚珠必须滑移一个较大的间隙值后才能与滚道的第三点接触，甚至不出现第三点接触。
简述汽车循环球式转向器的结构和工作原理。
简述汽车循环球式转向器的结构和工作原理。
汽车循环球式转向器是汽车转向系统的一种重要组成部分。
它通过将输入的转向力转化成输出的转向力，实现车辆行驶方向的控制。
本文将对汽车循环球式转向器的部件构成、结构原理、工作流程等进行详细介绍。
汽车循环球式转向器主要由外壳、油路系统、球栓、轴套、皮碗、球道、小球、杆头、齿轮、齿轮壳、轴等多个部件组成。
球栓和轴套结构比较特殊，是汽车循环球式转向器的核心组成部分。
球栓是一个类似小球的部件，由两个半球体组成。
半球体内部有一个球道，可以与轴套的球道相匹配。
轴套则是一个中空的部件，外部呈圆柱体状，内部有一个球道。
轴套与球栓之间有一道缝隙，用以通油。
齿轮和齿轮壳是汽车循环球式转向器的另一个重要组成部分，用来减小输入输出转向力之间的误差。
汽车循环球式转向器的结构原理比较简单。
当车辆进行转弯时，方向盘旋转产生的力矩将通过油路系统传递到汽车循环球式转向器。
接着，球栓和轴套开始相互接触，形成油路通道，将油液润滑到齿轮和齿轮壳之间。
齿轮和齿轮壳将输入的转向力转化成输出的转向力，调整车轮的转向角度，使车辆正确行驶。
汽车循环球式转向器的核心组成部分是球栓和轴套。
其结构原理可以基于液压力学来解释。
当方向盘发生旋转时，会产生一个流动液体的液压力。
这种力会通过球栓和轴套的结构进行转化，使得液压力在油路系统中形成一个闭合循环，从而实现转向的目的。
汽车循环球式转向器的工作流程可以描述为如下几个步骤：1.方向盘旋转：当车辆需要转向时，司机会通过方向盘控制汽车的转向角度。
这种旋转会产生力矩，传递到汽车循环球式转向器中。
2.液压力传递：转向力矩会通过油路系统传递到球栓和轴套中，使两者之间的接触面积增加。
在这个过程中，液压力在油路系统中形成一个封闭的循环，从而使球栓和轴套之间不断地进行相互接触和分离。
这种接触和分离形成的油道可以将压缩液体传递到齿轮和齿轮壳之间。
3.输出转向力：经过齿轮和齿轮壳的作用，输入的转向力被转化成了输出的转向力。
货车循环球式转向系统设计设计说明
货车循环球式转向系统设计设计说明毕业设计（论文）题目：货车循环球式转向系统设计（英文）：院别：专业：姓名：学号：指导教师：日期：货车循环球式转向系统设计摘要汽车在行驶的过程中，经常需要改变行驶的方向，称为转向。
轮式汽车行驶是通过转向轮(一般是前轮)对汽车纵向轴线偏转一定角度来实现的。
驾驶操纵用来改变或恢复汽车行驶方向的专用机构称为汽车转向系统。
常用的汽车转向系统分为非动力转向系统和动力转向系统两大类。
非动力转向系统又称机械式转向系统，是以人的体力为动力源，其中所有的传力器件都是机械的，主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成，其中转向器是汽车转向系统的重要零部件，其性能的好坏直接影响汽车行驶的安全性和可靠性。
汽车动力转向系统(Power Steering System)，亦可称作转向加力系统，是在机械转向系的基础上增设了一套转向加力装置所构成的转向系统。
本课题的题目是货车循环球式转向系统的设计。
课题以机械式转向系统的循环球式转向器设计及校核、整体式转向梯形机构的设计及验算为中心。
首先对汽车转向系统进行概述,分析各种转向系统的工作原理和优缺点、发展现状,说明各种转向器的工作原理.并对转向系的设计进行一定的概述.二是作设计前期数据准备,对转向系统的整体方案进行选择,还有转向系统主要性能参数的确定.三是转向器形式的选择以及初定各个参数,对循环球式转向器的各个数据进行选择,并对其主要部件进行受力分析与数据校核.四是对动力转向机构的设计,概述对动力转向机构的要求,对动力转向机构的布置方案进行选择并进行各个数据的计算。
五是整体式转向梯形机构的设计以及验算,并根据梯形数据对转向传动机构作尺寸设计。
最后设计中运用AutoCAD作出循环球式转向器的零件图以及装配图.在本文中主要进行了循环球式转向器的设计和对转向系统零件的校核，主要方法和理论采用汽车设计的经验参数和大学所学机械设计的课程内容进行设计，其结果满足强度要求，安全可靠。
循环球式电动助力转向器设计
图1 循环球式电动助力转向器结构
图2 循环球式电动助力转向器工作原理
图3 转向器内部结构模型
单且形状较为均匀，所以为提高计算速度，这里采用图4 输入轴网格划分图5 传感器安装轴网格划分图6 螺杆轴网格划分图7 摇臂轴网格划分
图9 空载转矩试验曲线
表8 空载转矩试验数据（单位：N·m）
最大转矩平均转矩转矩波动起动力矩
带电 6.1 3.82 2.6 1.22
图8 总圈数、传动比试验曲线
表7 总圈数、传动比试验数据
输入轴总圈数摇臂摆角/（°）传动比
5.219020.69
图10 输入输出特性试验曲线
表9 输入输出特性试验数据
车速/（km/h）转矩对称度（%）输入转矩差/N·m
091.80.49
表11 功能试验数据
车速/（km/h ）最大转矩/ N·m 最小转矩/ N·m 转矩波动/ N·m
6
5.3
0.7
图11 吸收电流特性试验曲线
表10 吸收电流特性试验数据
车速/（km/h ）电流对称度（%）输入转矩/ N·m
电流/A 图12 功能试验曲线
市场的稳定恢复。
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2.4 主要尺寸参数的选择长安福特福克斯2.0满载前轴载荷为51%Mg，再根据表（2-2）选择齿扇模数为4.5。
在确定齿扇模数后，转向器其他参数根据表（2-1）和表（2-3）进行选取。
表2-1 循环球转向器的主要参数参数数值齿扇模数/mm 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 6.5 摇臂轴直径/mm 22 26 30 32 32 38 42 钢球中心距/mm 20 23 25 28 30 35 40 螺杆外径/mm 20 23 25 28 29 34 38 钢球直径/mm 5.556 6.350 6.350 7.144 8.000 螺距/mm 7.938 8.731 9.525 10.000 11.000 工作圈数 1.5 2.5 2.5环流行数 2齿扇齿数 5 5齿扇整圆齿数1213181415齿扇压力角22°30′27°30′切削角6°30′6°30′7°30′齿扇宽/mm 22252527252830 28-3234383538表2-2各类汽车循环球转向器的齿扇齿模数齿扇齿模数m／mm3.0 3.5 4．O4.5 5．O 6.0 6.5轿车发动机排量／ml5001000～18001600～20002000 2000前轴负荷/N3500～38004700～73507000～90008300～1100010000～11000货车和大客车前轴负荷／N3000～50004500～75005500～185007000～195009000～2400017000～3700023000～44000最大装载／kg350 1000 2500 2700 3500 6000 8000 表2-3 循环球式转向器的部分参数模数m 螺杆外径螺纹升程螺母长度钢球直径齿扇压力角齿扇切削角摇臂轴外径3.0 20 7.938 40 5.556 22 30′6 30′7 30′223.5 23 8.731 45 5.556 22 30′6 30′7 30′264.0 25 9.525 48 6.350 22 30′6 30′7 30′204.5 28 9.525 58 7.144 22 30′6 30′7 30′325.0 29 10.319 62 7.144 22 30′6 30′7 30′35 根据所选择的齿扇模数，根据表（2-1）和表（2-3）选取对应的参数为：钢球直径：7.144mm 螺距：9.525mm 工作圈数：1.5 螺杆外径：28mm 环流行数：2 螺母长度：58mm 齿扇齿数：5 齿扇压力角：2230′ 切削角：630′ 齿扇宽：30mm2.4.1 螺杆、钢球、螺母传动副设计（1） 钢球中心距D 螺杆外径1D 螺母内径2D 尺寸D 、1D 、2D 如图（2-6）所示[]7图2-6 螺杆 钢球 螺母传动副在保证足够的强度条件下，尽可能将D 值取小些。
选取D 值的规律是随着扇齿模数的增大，钢球中心距D 也相应增加，设计时先参考同类型汽车的参数进行初选，经强度验算后，再进行修正[]8。
螺杆外径D1通常在20～38mm 范围内变化，设计时应根据转向轴负荷的不同来选定，螺母内径2D 应大于1D ，一般要求D D D %)10~%5(12=-根据（表2-1）：得D=28mmD1=28mm 8.30%1012=+=D D D mm（2） 钢球直径d 及数量n钢球直径应符合国家标准，一般常在6～9mm 范围内，根据（表2-1）。
取d=7.144 mm 。
每个环路中的钢球数可用下式计算：dDWd DW n παπ≈=0cos （2-12）式中，D 为钢球中心距；W 为一个环路中的钢球工作圈数；n 为不包括环流导管中的钢球数[]9；0α为螺线导程角，常取0α=5°～8°，则1cos 0=α；代入数值解得n=19。
（3） 滚道截面当螺杆和螺母各由两条圆弧组成，形成四段圆弧滚道截面时，见图2-7，钢球和滚道又四点接触，传动时轴向间隙最小，可满足转向盘自由行程小的要求。
图中滚道与钢球之间的间隙，除用来贮存润滑油之外，还能贮存磨损杂质。
为了减小摩擦，螺杆和螺母沟槽的半径2R 应大于钢球半径2/d ，一般取d R )53.051.0(2-=。
在此我们取滚道半径为3.643mm ,符合相应的要求。
图2-7 四段圆弧滚道截面（4） 接触角θ钢球与螺杆滚道接触点的正压力方向与螺杆滚道法面轴线间的夹角称为接触角θ。
θ角多取为45°，以使轴向力与径向力分配均匀。
（5） 螺距P 和螺旋线导程角0α 转向盘转动ϕ角，对应螺母移动的距离s 为πϕ2ps =(2-13) 式中，P 为螺纹螺距。
螺距P 一般在8～11mm 内选取。
查表（2-1）得：P 取9.525mm 导程角0α= 5°～ 8°取︒=70α。
与此同时，齿扇节圆转过的弧长等于s ，相应摇臂轴转过p β，其间关系可表示如下：r s p β= （2-14）式中，r 为齿扇节圆半径。
联立式（2-12），式（2-13）得P Prβπϕ2=，将ϕ对p β求导得循环球式转向器角传动比ωi 为Pri πω2=(2-15) 又2/r mz =根据表2-1 有18=z ；5.402/185.42/r =⨯==mz mmP 已知，可求出转向器的角传动比72.26525.9/5.402≈⨯=πωi由式(2-14)可知，螺距P 影响转向器角传动比的值，在螺距不变的条件下，钢球直径d 越大，图（2-9）中的尺寸b 越小，要求5.2>-=d P b mm ，符合要求。
（6） 工作钢球圈数W多数情况下，转向器用两个环路，而每个环路的工作钢球圈数W 又与接触强度有关：增加工作钢球圈数，参加工作的钢球增多，能降低接触应力，提高承载能力；但钢球受力不均匀、螺杆增长而使刚度降低。
工作钢球圈数有1.5和2圈两种。
一个环路的工作钢球圈数的选取见（表2-1）。
取W=1.5。
螺杆－钢球－螺母传动副与通常的螺杆－螺母传动副的区别在于前者是经过滚动的钢球将力由螺杆传至螺母，变滑动摩擦为滚动摩擦。
螺杆和螺母上的相互对应的螺旋槽构成钢球的螺旋滚道。
转向时转向盘经转向轴转动螺杆，使钢球沿螺母上的滚道循环地滚动。
为了形成螺母上的循环轨道，在螺母上与其齿条相反的一侧表面(通常为上表面)需钻孔与螺母的螺旋滚道打通以形成一个环路滚道的两个导孔，并分别插入钢球导管的两端导管。
钢球导管是由钢板冲压成具有半圆截面的滚道，然后对接成导管，并经氰化处理使之耐磨。
插入螺母螺旋滚道两个导孔的钢球的两个导管的中心线应与螺母螺旋滚道的中心线相切。
螺杆与螺母的螺旋滚道为单头(单螺旋线)的，且具有不变的螺距。
转向盘与转向器左置时转向螺杆为左旋，右置时为右旋。
钢球直径d 约为6～9mm 。
一般应参考同类型汽车的转向器选取钢球直径d ，并应使之符合国家标准。
钢球直径尺寸差应不超过d 510128-⨯。
显然，大直径的钢球其承载能力亦大，但也使转向器的尺寸增大。
钢球的数量n 也影响承载能力，增多钢球使承载能力增大，但也使钢球的流动性变差，从而需要降低传动效率。
经验表明在每个环路中n 以不大于60为好。
2.4.2 齿条、齿扇传动副设计齿扇通常有5个齿，它与摇臂轴为一体。
齿扇的齿厚沿齿长方向是变化的，这样即可通过轴向移动摇臂轴来调节齿扇与齿条的啮合间隙。
由于转向器经常处于中间位置工作，因此齿扇与齿条的中间齿磨损最厉害。
为了消除中间齿磨损后产生的间隙而又不致在转弯时使两端齿卡住，则应增大两端齿啮合时的齿侧间隙。
这种必要的齿侧间隙的改变可通过使齿扇各齿具有不同的齿厚来达到。
即齿扇由中间齿向两端齿的齿厚是逐渐减小的。
为此可在齿扇的切齿过程中使毛坯绕工艺中心1O 转动，如图2-8所示，1O 相对于摇臂轴的中心O 有距离为n 的偏心。
这样加工的齿扇在齿条的啮合中由中间齿转向两端的齿时，齿侧间隙s ∆也逐渐加大，s ∆可表达为]coscos [tan 2tan 22222n r n n r r s w w -+±-=∆=∆ββαα （2-16）式中r ∆——径向间隙；α——啮合角；w r ——齿扇的分度圆半径；β——摇臂轴的转角。
图2-8 为获得变化的齿侧间隙齿扇的加工原理和计算简图图2-9 用于选择偏心n的线图当α，w r确定后，根据上式可绘制如图2-12所示的线图，用于选择适当的n值，以便使齿条、齿扇传动副两端齿啮合时，齿侧间隙s∆能够适应消除中间齿最大磨损量所形成的间隙的需要。
齿条、齿扇传动副各对啮合齿齿侧间隙s∆的改变也可以用改变齿条各齿槽宽而不改变齿扇各轮齿齿厚的办法来实现[]10。
一般是将齿条(一般有4个齿)两侧的齿槽宽制成比中间齿槽大0.20～0.30mm即可。
本次设计采用直齿齿轮。
2.5转向器的计算和校核2.5.1循环球式转向器零件的强度计算为了进行强度计算，首先要确定其计算载荷[]11。
式(2-13)曾给出了汽车在粗糙的硬路面上作原地转向时转向轮的转向阻力矩，利用它可求得转向摇臂上的力矩和在转向盘上的切向力，它们均可作为转向系的最大计算载荷。
但对前轴负荷大的重型载货汽车，用关系式计算出来的力，往往会超过司机在体力上的所能施展的力量。
这时在计算转向器的零件具体参数时，可取司机作用在转向盘轮缘上的最大瞬时力。
确定计算载荷后，即可计算转向系零件的强度。
汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩（N ﹒m ）即pG f M R 313=（2-17） f 取0.7；1G 为前轴负荷（N ）；p 轮胎气压（MPa ）。
由查得的资料可知道长安福特福克斯2.0前轴负荷51%Mg,因此N G 86468.91730%511=⨯⨯=；Mpa p 25.0=m N M R •=⨯=1.3751025.0)8646(37.063确定计算载荷后，即可计算转向系零件的强度。
转向系力传动比：aD i i sw p 20ω=（2-18）0ωi 为转向系角传动比72.260=≈ωωi i ；SW D 为转向盘直径取380mm ；a 为主销偏移距通常a 的值在0.4～0.6倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取。
取5.1022055.0=⨯=a mm ，所以505.102238071.26≈⨯⨯=p i轮胎与地面之间的转向阻力W F 和作用在转向节上的转向阻力R M 有如下关系N a M F R W 5.3659105.1021.3753max =⨯==- 再根据hWp F F i 2=可求出作用在方向盘上的手力 N i F F p W h 38.146505.365922=⨯==（1） 齿的弯曲应力w σ 齿扇齿的弯曲应力为26Bs Fhw =σ，许用弯曲应力为[]MPa w 540=σ 式中，F 为作用在齿扇上的圆周力；h 为齿扇的齿高；B 为齿扇的齿宽；s 为基圆齿厚。