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循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)
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目錄
摘要 Ⅰ
1 緒論 1
1.1 課題背景 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.3 研究目的及意義 3
1.4 研究內(nèi)容和設(shè)計(jì)方法 3
2 轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì) 4
2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介 4
2.2 機(jī)械轉(zhuǎn)向系 5
2.2.1 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu) 5
2.2.2 轉(zhuǎn)向器 6
2.2.3 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 9
2.3 轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù) 9
2.3.1 轉(zhuǎn)向器的效率 9
2.3.2 傳動(dòng)比的變化特性 10
2.4 主要尺寸參數(shù)的選擇 12
2.4.1 螺桿、鋼球、螺母傳動(dòng)副設(shè)計(jì) 15
2.4.2 齒條、齒扇傳動(dòng)副設(shè)計(jì) 17
2.5轉(zhuǎn)向器的計(jì)算和校核 18
2.5.1循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件的強(qiáng)度計(jì)算 18
2.5.2 轉(zhuǎn)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(jié)論 27
致謝 28
參考文獻(xiàn) 29
輕型越野車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)
[摘要] 汽車是一種性能要求高，負(fù)荷變化大的運(yùn)輸工具。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車的關(guān)鍵部件之一，更需要了解和掌握。轉(zhuǎn)向器作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中最重要的組成部件，對(duì)它進(jìn)行深入的研究便顯得意義重大。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要由螺桿、螺母、鋼球、轉(zhuǎn)向器殼體等組成，具有較高的傳動(dòng)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(jù)現(xiàn)用的國家標(biāo)準(zhǔn)并依據(jù)BJ2020汽車的循環(huán)球轉(zhuǎn)向器數(shù)據(jù)，按照汽車設(shè)計(jì)的原則設(shè)計(jì)一款循環(huán)球轉(zhuǎn)向器，完成三維圖形和零件平面圖的繪制，使其能夠滿足現(xiàn)代越野車的國家標(biāo)準(zhǔn)要求。
[關(guān)鍵詞] 循環(huán)球 轉(zhuǎn)向器 設(shè)計(jì) 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(zhuǎn)向器又名轉(zhuǎn)向機(jī)、方向機(jī)，它是轉(zhuǎn)向系中最重要的部件。轉(zhuǎn)向器的作用是：增大轉(zhuǎn)向盤傳到轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力和改變力的傳遞方向。
轉(zhuǎn)向器按結(jié)構(gòu)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(huán)球-齒條齒扇式、循環(huán)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(jī)械式（無助力）和動(dòng)力式（有助力）兩種，其中動(dòng)力轉(zhuǎn)向器又可以分為氣壓動(dòng)力式、液壓動(dòng)力式、電動(dòng)助力式、電液助力式等種類。
（1） 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器是一種最常見的轉(zhuǎn)向器。其基本結(jié)構(gòu)是一對(duì)相互嚙合的小齒輪和齒條。轉(zhuǎn)向軸帶動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒條便做直線運(yùn)動(dòng)。有時(shí)，靠齒條來直接帶動(dòng)橫拉桿，就可使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向。所以，這是一種最簡單的轉(zhuǎn)向器。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，轉(zhuǎn)向靈敏，體積小，可以直接帶動(dòng)橫拉桿。在汽車上得到廣泛應(yīng)用。
（2） 蝸桿曲柄銷式轉(zhuǎn)向器
蝸桿曲柄銷式轉(zhuǎn)向器是以蝸桿為主動(dòng)件，曲柄銷為從動(dòng)件的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向搖臂軸制成一體。轉(zhuǎn)向時(shí)，通過轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿、嵌于蝸桿螺旋槽中的錐形指銷一邊自轉(zhuǎn)，一邊繞轉(zhuǎn)向搖臂軸做圓弧運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)曲柄和轉(zhuǎn)向垂臂擺動(dòng)，再通過轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。這種轉(zhuǎn)向器通常用于轉(zhuǎn)向力較大的載貨汽車上�！ �
（3） 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器
這種轉(zhuǎn)向裝置是由齒輪機(jī)構(gòu)將來自轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)力進(jìn)行減速，使轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)闇u輪蝸桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滾珠螺桿和螺母夾著鋼球嚙合，因而滾珠螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本�運(yùn)動(dòng)，螺母再與扇形齒輪嚙合，直線運(yùn)動(dòng)再次變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使連桿臂搖動(dòng)，連桿臂再使連動(dòng)拉桿和橫拉桿做直線運(yùn)動(dòng)，改變車輪的方向。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的原理相當(dāng)于利用了螺母與螺栓在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的相對(duì)移動(dòng)，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(gè)首尾相連的封閉的螺旋曲線內(nèi)循環(huán)滾動(dòng)，循環(huán)球式故而得名。
（4） 齒輪齒條液壓助力轉(zhuǎn)向器
齒輪齒條液壓助力轉(zhuǎn)向器，是相對(duì)于齒輪齒條機(jī)械轉(zhuǎn)向器而言的，主要是增加了轉(zhuǎn)向油泵、轉(zhuǎn)向油壺、轉(zhuǎn)向油管、轉(zhuǎn)向閥、轉(zhuǎn)向油缸等部件，以期達(dá)到改善駕駛員手感，增加轉(zhuǎn) 向助力的目的的轉(zhuǎn)向裝置。
進(jìn)入90年代以來，汽車已經(jīng)融入我們的生活，我國的經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷增強(qiáng)，人民生活水平大幅度提高，同時(shí)也反映出民族汽車工業(yè)的巨大進(jìn)步。現(xiàn)在我國已經(jīng)成為世界五大汽車強(qiáng)國。
作為汽車關(guān)鍵部件之一的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也得到了相應(yīng)的發(fā)展，基本已形成了專業(yè)化、系列化生產(chǎn)的局面。有資料顯示，國外有很多國家的轉(zhuǎn)向器廠，都已發(fā)展成大規(guī)模生產(chǎn)的專業(yè)廠，年產(chǎn)超過百萬臺(tái)，壟斷了轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)，并且銷售點(diǎn)遍布了全世界。汽車轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)很多，從目前使用的普遍程度來看，主要的轉(zhuǎn)向器類型有4種：有蝸桿銷式(WP型)、蝸桿滾輪式(WR型)、循環(huán)球式(BS型)、齒輪齒條式(RP型)。這四種轉(zhuǎn)向器型式，已經(jīng)被廣泛使用在汽車上。
綜合上述對(duì)有關(guān)轉(zhuǎn)向器品種的使用分析,得出以下結(jié)論：
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器和齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，已成為當(dāng)今世界汽車上主要的兩種轉(zhuǎn)向器；而蝸輪-蝸桿式轉(zhuǎn)向器和蝸桿銷式轉(zhuǎn)向器，正在逐步被淘汰或保留較小的地位。在小客車上發(fā)展轉(zhuǎn)向器的觀點(diǎn)各異，美國和日本重點(diǎn)發(fā)展循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器,比率都已達(dá)到或超過90%；西歐則重點(diǎn)發(fā)展齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，比率超過50%，法國已高達(dá)95%。
據(jù)了解，在全世界范圍內(nèi)，汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占45%左右，有繼續(xù)發(fā)展之勢；齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器在40%左右；蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器占10%左右；其它型式的轉(zhuǎn)向器占5%。所以可以說循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器在穩(wěn)步發(fā)展。而西歐小客車中，齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器有很大的發(fā)展。日本汽車轉(zhuǎn)向器的特點(diǎn)是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占的比重越來越大，日本裝用不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的各類型汽車，采用不同類型轉(zhuǎn)向器，在公共汽車中因使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，由60年代占總數(shù)的62.5%發(fā)展到現(xiàn)今的100%了(蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器在公共汽車上已經(jīng)淘汰)。大、小型貨車中，也大都采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器；但齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器有所發(fā)展；微型貨車用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占65%，齒條齒輪式占35%。
由于循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的種種優(yōu)點(diǎn)，在中、小型號(hào)的車輛上都有良好的應(yīng)用，而大型車輛更以循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器為主要結(jié)構(gòu)。由此我們不難看出循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)具有很重要的意義，其應(yīng)用前景也非常的好。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器是汽車上一種常用的轉(zhuǎn)向器，主要由螺桿、螺母、鋼球、轉(zhuǎn)向器殼體等組成。因螺母與螺桿之間沒有滑動(dòng)摩擦，只有鋼球與螺桿及螺母之間的滾動(dòng)摩擦，所以循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器具有較高的傳動(dòng)效率，由于有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，轉(zhuǎn)向靈敏度不如齒輪齒條式的眾多缺點(diǎn)，因此逐漸被齒輪齒條式取代。但隨著動(dòng)力轉(zhuǎn)向的應(yīng)用以及道路行駛條件的改善，“打手”的現(xiàn)象明顯減少，正向傳動(dòng)效率很高（最高可達(dá)90～95%），操縱輕便，使用壽命長，各種優(yōu)勢逐漸得到體現(xiàn)，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(shí)有較好的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，必須使轉(zhuǎn)向器具有較高的剛度。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由于通過大量鋼球的滾動(dòng)接觸來傳遞轉(zhuǎn)向力，具有較大的強(qiáng)度和較好的耐磨性。并且該轉(zhuǎn)向器可以被設(shè)計(jì)成具有等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，特別是變速比結(jié)構(gòu)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(huán)球式轉(zhuǎn)向器的間隙可調(diào)，齒條齒扇副磨損后可以重新調(diào)整間隙，使之具有合適的轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)間隙，從而提高轉(zhuǎn)向器壽命，因此采用日益廣泛。我國的轉(zhuǎn)向器也在向大量生產(chǎn)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器發(fā)展。
1.3 研究目的及意義
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是針對(duì)汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，根據(jù)一些指定的參數(shù)結(jié)合《汽車設(shè)計(jì)》和其他相關(guān)書籍中關(guān)于轉(zhuǎn)向器的理論知識(shí)設(shè)計(jì)一款循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，確定其相關(guān)參數(shù)，使設(shè)計(jì)出的轉(zhuǎn)向器符合使用要求。
本文通過對(duì)一款循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)，使其能夠滿足輕型越野車的需要，并為其今后拓展應(yīng)用領(lǐng)域奠定理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。
1.4 研究內(nèi)容和設(shè)計(jì)方法
研究內(nèi)容：
（1） 調(diào)研收集課題相關(guān)資料。結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)課題進(jìn)行必要的文獻(xiàn)檢索，查閱、收集、整理、歸納技術(shù)文獻(xiàn)和科技情報(bào)資料；
（2） 深入學(xué)習(xí)并掌握汽車設(shè)計(jì)、汽車構(gòu)造等專業(yè)知識(shí)；了解循環(huán)球轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想和設(shè)計(jì)原則；
（3） 掌握汽車設(shè)計(jì)的方法和步驟，參考有關(guān)資料、手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各總成部件進(jìn)行選型、計(jì)算、校核等；
（4） 計(jì)算循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要參數(shù)，并對(duì)其重要部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，確定相關(guān)參數(shù)、材料以及裝配要求。繪制循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的三維模型，按照標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)工藝要求，繪制汽車轉(zhuǎn)向器總裝配圖和主要零件圖。
設(shè)計(jì)方法：根據(jù)設(shè)計(jì)中已知參數(shù)并結(jié)合理論知識(shí)，分析并計(jì)算得到循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后利用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)轉(zhuǎn)向器的重要部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，校核的結(jié)果不符合國家相關(guān)要求則需要重新計(jì)算，當(dāng)結(jié)果滿足要求的時(shí)候，可確定其相關(guān)幾何尺寸并完成圖紙的繪制，結(jié)束本論文的設(shè)計(jì)工作。
2 轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)
2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。機(jī)械轉(zhuǎn)向系依靠駕駛員的手力轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，經(jīng)轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。有些汽車還裝有防傷機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向減震器。采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向的汽車還裝有動(dòng)力系統(tǒng)，并借助此系統(tǒng)來減輕駕駛員的手力。
按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB17675-1999和汽車設(shè)計(jì)可知[4]，其轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)要求如下[5]：
（1） 方向盤必須左置。
（2） 不得單獨(dú)以后輪作為轉(zhuǎn)向車輪。
（3） 不得裝用全動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。
（4） 轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向車輪的偏轉(zhuǎn)必須是漸進(jìn)的。
（5） 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須有足夠的剛度且堅(jiān)固耐用，以確保行駛安全。
（6） 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須保證駕駛員在正常駕駛操作位置上能方便、準(zhǔn)確地操作，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在任何操作位置上不得與其他零部件有干涉現(xiàn)象。
（7） 汽車轉(zhuǎn)向車輪應(yīng)有自動(dòng)回正能力，以保持汽車穩(wěn)定的直線行駛。
（8） 后輪也做轉(zhuǎn)向車輪的汽車，具有二根和二根以上轉(zhuǎn)向車軸的全掛車和具有一根和一根以上轉(zhuǎn)向車軸的半掛車，以80km／h（設(shè)計(jì)車速計(jì)）的車速行駛時(shí)，駕駛員必須能在不做異常轉(zhuǎn)向修正的條件，保持汽車直線行駛。
（9） 以10km／h車速、24m轉(zhuǎn)彎直徑前行轉(zhuǎn)彎時(shí)，不帶助力時(shí)轉(zhuǎn)向力應(yīng)小于245N，帶助力轉(zhuǎn)向但助力轉(zhuǎn)向失效時(shí)，其轉(zhuǎn)向力應(yīng)小于588N，機(jī)動(dòng)動(dòng)作時(shí)間正常情況下不得大于4s，帶助力轉(zhuǎn)向但助力失效時(shí)不得大于65。左右兩個(gè)方向都要試驗(yàn)。
（10） 當(dāng)汽車前行向左或向右轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)向盤向左向右的回轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向力不得有顯著差異。
（11） 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的液壓、氣壓或電氣部件部分或全部失效后，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須有控制汽車行駛方向的能力。
（12） 當(dāng)助力轉(zhuǎn)向裝置本身無獨(dú)立的輔助動(dòng)力源時(shí)，必須設(shè)有蓄能器。如使用壓縮空氣，貯氣筒上必須設(shè)有單向閥。
（13） 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所有零部件的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和安裝，必須保證駕駛員正常操作時(shí)不會(huì)鉤掛駕駛員的衣服和飾物；不得有撞車時(shí)會(huì)加重駕駛員傷害的粗糙表面或尖銳棱角，維修保養(yǎng)時(shí)應(yīng)該容易接近。
2.2 機(jī)械轉(zhuǎn)向系
機(jī)械轉(zhuǎn)向系以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源，其中所有的傳力件都是機(jī)械的。機(jī)械轉(zhuǎn)向系由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。（如圖2-1）
1.轉(zhuǎn)向盤 2.安全轉(zhuǎn)向軸 3.轉(zhuǎn)向節(jié) 4.轉(zhuǎn)向輪
5.轉(zhuǎn)向節(jié)臂 6.轉(zhuǎn)向橫拉桿 7.轉(zhuǎn)向減振器 8.機(jī)械轉(zhuǎn)向器
圖2-1 機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
圖2-1是一種機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤1施加的轉(zhuǎn)向力矩通過轉(zhuǎn)向軸2輸入轉(zhuǎn)向器8。從轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸這一系列零件即屬于轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)。作為減速傳動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)向器中有1、2級(jí)減速傳動(dòng)副（圖中所示轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向器為單級(jí)減速傳動(dòng)副）。經(jīng)轉(zhuǎn)向器放大后的力矩和減速后的運(yùn)動(dòng)傳到轉(zhuǎn)向橫拉桿6，再傳給固定于轉(zhuǎn)向節(jié)3上的轉(zhuǎn)向節(jié)臂5，使轉(zhuǎn)向節(jié)和它所支承的轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，從而改變了汽車的行駛方向。這里，轉(zhuǎn)向橫拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂屬于轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
2.2.1 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)
轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)（參見圖2-3）由方向盤（如圖2-2所示）、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向管柱等組成，它的作用是將駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤的操縱力傳給轉(zhuǎn)向器[6]。 ...
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