机械式转向器的设计和计算Word下载.docx
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时，相应的齿条移动行程应达到的值来确定。
变速比的齿
条压力角，对现有结构在12o〜35o范围内变化。
此外，设
计时应验算齿轮的抗弯强度和接触强度。
主动小齿轮选用16MnCr5或15CrNi6材料制造，而
齿条常采用45钢制造。
为减轻质量，壳体用铝合金压铸。
三、循环球式转向器设计
（一）主要尺寸参数的选择
1、螺杆、钢球、螺母传动副
（1）钢球中心距D、螺杆外径Di、螺母内径D2尺寸
D、Di、D2如图7-19所示。
钢球中心距是基本尺寸，螺杆外径Di、螺母内径D2及钢球直径d对确定钢球中心距D的大小有影响，而D又对转向器结构尺寸和强度有影响。
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
（表7—1）。
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。
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D2应大于D1,一般要求
D15%~10%D。
图7—19螺杆、钢球、螺母传动副
D2
（2）钢球直径d及数量n钢球直径尺寸d取得大，能提
高承载能力，同时螺杆和螺母传动机构和转向器的尺寸也随之增大。
钢球直径应符合国家标准，一般常在7〜9mm
范围内选用俵7-1）。
增加钢球数量n，能提高承载能力，但使钢球流动性变坏，从而使传动效率降低。
因为钢球本身有误差，所以共同参加工作的钢球数量并不是全部钢球数。
经验证明，每个环路中的钢球数以不超过60粒为好。
为保证尽可能多的
钢球都承载，应分组装配。
每个环路中的钢球数可用下式计算
DWDW
n
dcos0d
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；
°
为螺线导程角，
常取°
=5o〜8o,贝Ucos°
~1。
（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7-20，钢球与滚道有四点接触，
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。
为了减少摩擦，螺杆和螺母沟槽的半径R2
应大于钢球半径d/2，一般取R2=（O.51〜O.53）d。
（4）接触角B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B,如图7-20所示。
B角多取为45o，以使轴向力和径向力分配均匀。
（5）螺距P和螺旋线导程角o转向盘转动角，对应螺母移动的距离s为
p
s2P（7-11）
式中，P为螺纹螺距。
图7—20四段圆弧滚道截面
与此同时，齿扇节圆转过的弧长等于s，相应摇臂轴转
过p角，其间关系可表示如下
spr（7-12）
式中，r为齿扇节圆半径。
联立式（7-11）、式（7-12）得年p，将对p求导得循环球式转向器角传动比i为
i年（7-13）
由式（7-13）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7-19中的尺寸
b越小，要求b=P-d>
2.5mm。
螺距P一般在8〜llmm内选取。
前已述及导程角0对转向器传动效率有影响，此处不再赘述。
（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2.5圈两种。
一个环路的工作钢球圈数的选取见表7-1。
表7—1循环球式转向器主要参数
齿隔Stt/mm
3,0
3,5
4bQ
4.J
5X1
6.0
fix；
22
26
M
32
35
40
42
45
if曜申心距/mm
Z0
23
25
2S
2&
34
•*be/inm
20
2«
29
38
摘竜ftif/mm
5.556
5,55*
6.330
«
3$0
7.144
7r
RJ
144
noo
a.731
9.525
9,525
JO.000
10,000
trooo
工托■柱
1.5
15
2,3
2.5
2
4]
52
46
47
Stt
59
62
72
7ft
80
82
J
5
帽・鼻■肉観
12
13
14
齿幣压力角
22'
护30
齿・寬/nim
27
28
2B-J2
刃
2、齿条、齿扇传动副设计
如图7-21所示，滚迨相对齿扇作斜向进给运动加工齿扇齿，得到变厚齿扇。
如图7—22所示，变厚齿扇的齿顶
和齿根的轮廓面是圆锥的一部分，其分度圆上的齿厚是变化的，故称之为变厚齿扇。
图7-22中，若0-0截面的原始齿形变位系数E=0,且i—i剖面和n—n剖面分别位于0-0剖面两侧，则i—i剖
面的齿轮是正变位齿轮，n—n剖面中的齿轮为负变位齿轮，故变厚齿扇在整个齿宽方向上，是由无数个原始齿形
位移系数逐渐变化的圆柱齿轮所组成。
图7—21用滚刀加工变厚齿扇的进给运动
图7—22变厚齿扇的截面
对齿轮来说，因为在不同位置的剖面中，其模数优不
变，所以它的分度圆半径厂和基半径rb相同。
因此，变厚齿
扇的分度圆和基圆均为一圆柱，它在不同剖面位置上的渐开齿形，都是在同一个基圆柱上所展出的渐开线，只是其轮齿的渐开线齿形相对基圆的位置不同而已，所以应将其归人圆柱齿轮的范畴。
变厚齿扇齿形的计算，如图7-23所示，一般将中间剖
面1-1规定为基准剖面。
由1-1剖面向右时，变位系数E为正，向左则由正变为零（O-0剖面），再变为负。
若0-0剖面距1-1剖面的距离为ao，则其值为aom/tan，丫是切削角，常见的有6O301和7o301两种。
在切削角Y一定的条件下，各剖面的变位系数E取决于距基准剖面1-1的距离a。
进行变厚齿扇齿形计算之前，必须确定的参数有：
模
数m，参考表7-2选取；
法向压力角o，一般在20o〜30o
之间；
齿顶高系数捲，一般取0.8或1.O;
径向间隙系
数，取0.2;
整圆齿数z,在12〜15。
之间选取；
齿扇宽度B，一般在
图7—23变厚齿扇齿形计算简图
22〜38mm。
表7-2循环球式转向器齿扇齿模数
齿扇齿模数m/mm
3.0
3.5
4.O
4.5
5.O
6.5
排
旦
量
500
1000
1600〜
2000
轿
/mL
1800
、八
前
3500
4700
7000
8300
100
车
轴负
00
荷
7350
3800
9000
11000
/N
5500
3000
4500
17000
23000
货
18500
440
5000
7500
19500
24000
37000
和
/N
最大
2500
大
装载
350
2700
6000
8000
客
质
/kg
四、循环球式转向器零件强度计算
1、钢球与滚道之间的接触应力C
用下式计算钢球与滚道之间的接触应力c
式中，k为系数，根据A/B值从表7—3查取，
A1/rI/R2/2,B1/r1/Ri/2;
R2为滚道截面半径；
r
为钢球半径；
R1为螺杆外半径；
E为材料弹性模量，等于
2.1105N/mm2；
F3为钢球与螺杆之间的正压力，可用下式计
F3
F2
ncos0cos
式中，o为螺杆螺线导程角；
B为接触角；
n为参与工
作的钢球数；
F2为作用在螺杆上的轴向力，见图7—24
当接触表面硬度为58〜64HRC时，许用接触应力
2500N/mm2o
7-24
A
/
B
1.
O
O.
9
0.8
O.7
0.6
0.5
O.4
3
0.2
k
0.3
88
0.4
O.410
0.440
O.468
0.490
O.536
0.7
16
图
螺杆受力简图
表7-3系数k与A/B的关系
2、齿的弯曲应力w
用下式计算齿扇齿的弯曲应力
6Fh
wBs2
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。
许用弯曲应力为[w]=540N/mm2。
螺杆和螺母用20CrMnTi钢制造，表面渗碳。
前轴负荷不大的汽车，渗碳层深度在0.8〜1.2mm;
前轴负荷大
的汽车，渗碳层深度在1.05〜1.45mm。
表面硬度为
58〜63HRC。
此外，应根据材料力学提供的公式，对接触应力进行验算。
3、转向摇臂轴直径的确定
用下式计算确定摇臂轴直径d
3KMR
■-0.20
式中，K为安全系数，根据汽车使用条件不同可取
2.5〜3.5;
mr为转向阻力矩；
°
为扭转强度极限。
摇臂轴用20CrMnTi钢制造，表面渗碳，渗碳层深度在
0.8〜1.2mm。
前轴负荷大的汽车，渗碳层深度为1.05〜
1.45mm。
表面硬度为58〜63HRC。
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