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汽车行业汽车转向器毕业设计说明书

（汽车行业）汽车转向器毕业设计说明书

摘要

汽车转向器是汽车的重要组成部分，也是决定汽车主动安全性的关键总成，它的质量严重影响汽车的操纵稳定性。

随着汽车工业的发展，汽车转向器也在不断的得到改进，虽然电子转向器已开始应用，但机械式转向器仍然广泛地被世界各国汽车及汽车零部件生产厂商所采用。

而在机械式转向器中，循环球齿条-齿扇式转向器由于其自身的特点被广泛应用于各级各类汽车上。

本文选择GX1608A型循环球齿条-齿扇式转向器作为研究课题，其主要内容有：

汽车转向器的组成分类；转向器总成方案分析及其数据确定和转向器的设计过程。

这种转向器的优点是，操纵轻便，磨损小，寿命长。

缺点是结构复杂，成本高，转向灵敏度不如齿轮齿条式。

因此逐渐被齿轮齿条式取代。

但随着动力转向的应用，循环球式转向器近年来又得到广泛使用。

关键词；转向器操纵稳定性循环球齿条-齿扇式转向器

Abstract

Gearcarsanimportantcomponentoftheinitiativeisdecidedautomobilesafetyofthekeyassembly,Itseriouslyaffectedthequalityofthevehiclehandlingandstability.Alongwiththedevelopmentoftheautoindustry,automobilesteeringgeariscontinuouslyimproved,althoughtheelectronicsteeringgearhasbeguntouseButmechanicalsteeringgearisstillwidelybeenworldmotorvehiclesandpartsmanufacturersadopted.Andthemechanicalsteeringgear,Rackcycleball-typesteeringgeartoothfansasitsowncharacteristicshasbeenwidelyusedinvarioustypesvehicles.ThegraduationdesignoptionsGX1608Acyclegearball-typesteeringgearrackasaresearchtopic,Itsmaincontentsare:

automotivesteeringgearcomponentsclassification;assemblywastoprogramanalysisanddatatoidentifyandsteeringgeardesignprocess.

Theadvantageofsuchsteeringgear,andmanipulatinglight,wearandtear,longlife.Thedisadvantageisthatthestructureiscomplicatedandcostly,thansteeringrackandpinionsensitivity.Thereforegraduallybeingreplacedbyrackandpinion.However,withthepowersteeringapplications,theball-typesteeringgearcycleandarewidelyusedinrecentyears.

Keywords；DiverterBallhandlingandstabilityCyclerack-typesteeringgeardiverter

6轴的设计计算及校核24

1绪论

循环球式转向器的英文名称是RecirculatingBallSteeringGear。

循环球式转向器由两对传动副组成，一对是螺杆、螺母，另一对是齿条、齿扇或曲柄销。

在螺杆和螺母之间装有可循环滚动的钢球，使滑动摩擦变为滚动摩擦，从而提高了传动效率。

循环球式：

这种转向装置是由齿轮机构将来自转向盘的旋转力进行减速，使转向盘的旋转运动变为涡轮蜗杆的旋转运动，滚珠螺杆和螺母夹着钢球啮合，因而滚珠螺杆的旋转运动变为直线运动，螺母再与扇形齿轮啮合，直线运动再次变为旋转运动，使连杆臂摇动，连杆臂再使连动拉杆和横拉杆做直线运动，改变车轮的方向，这是一种古典的机构，现代轿车已大多不再使用，但又被最新方式的助力转向装置所应用。

它的原理相当于利用了螺母与螺栓在旋转过程中产生的相对移动，而在螺纹与螺纹之间夹入了钢球以减小阻力，所有钢球在一个首尾相连的封闭的螺旋曲线内循环滚动，循环球式故而得名

这种转向器的优点是，操纵轻便，磨损小，寿命长。

缺点是结构复杂，成本高，转向灵敏度不如齿轮齿条式。

因此逐渐被齿轮齿条式取代。

但随着动力转向的应用，循环球式转向器近年来又得到广泛使用。

本文选择GX1608A型循环球齿轮-齿条式转向器作为研究课题，其主要内容有：

汽车转向器相关知识，循环球式转向器的主要参数选择及其设计。

设计部分还包括转向摇臂轴，渐开线花键，扇形齿轮轴以及螺杆轴的设计与校核。

转向器按结构形式可分为多种类型。

历史上曾出现过许多种形式的转向器，目前较常用的有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、循环球曲柄指销式、蜗杆滚轮式等。

在《当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录》中，汽车关键零部件开发和制造被列为重点扶持的项目，国家计委和科技部也将汽车关键零部件划入当前国家优先发展的高技术产业化重点领域，所以，具有先进水平的汽车转向器的研发、生产将会得到有力的政策支持。

随着全球汽车工业的迅速发展，汽车的需求量大幅攀升，汽车制造已向发展中国家转移。

随着国际上汽车行业开始实行零部件“全球化采购”策略及国际跨国汽车企业推行本土化策略，国内汽车市场将出现巨大的零部件配件缺口。

到2010年，中国汽车零部件国内产值将突破1万亿元，市场前景广阔。

按照汽车零部件工业“十五”发展目标，到2005年中国汽车保有量为2198—2315万辆，其中轿车843—860万辆。

当年汽车需求量为：

271—310万辆，其中轿车110——121万辆，汽车工业增加值占GDP的1%左右，汽车零部件工业产值将占汽车工业总产值的25%左右。

因此作为关键零部件的汽车转向器在中国销售市场上前景广阔。

“十五”期间，我国机动车行业包括汽车、农用车、工程机械等将发展成为国民经济的支柱产业，汽车转向器是符合国家重点扶持和优惠政策的汽车关键零部件，是汽车重要的保安件之一。

2汽车转向系的组成及分类

2.1汽车转向系的类型和组成

汽车转向系可按转向能源的不同分为机械式转向系和动力转向系两大类。

汽车转向器是用来保持或改变汽车形式方向的机构，在汽车转向行使时，还要保证各转向轮之间有协调的转角关系。

驾驶员通过操纵转向系统，使汽车保持直线或转弯运动状态，或者上述两种运动状态相互转换。

机械转向系的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，由转向操纵机构（方向盘）、转向器、转向传动机构三大部分组成。

其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动（严格讲是近似直线运动）的机构，是转向系的核心部件。

 动力转向系除具有以上三大部件外，其最主要的动力来源是转向助力装置。

由于转向助力装置最常用的是一套液压系统，因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐，它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电机和地线的作用。

 转向操纵机构 转向盘即通常所说的方向盘。

转向盘内部有金属制成的骨架，是用钢、铝合金或镁合金等材料制成。

由圆环状的盘圈、插入转向轴的转向盘毂，以及连接盘圈和盘毂的辐条构成。

采用焊接或铸造等工艺制造，转向轴是由细齿花键和螺母连接的。

骨架的外侧一般包有柔软的合成橡胶或树脂，也有采用皮革包裹以及硬木制作的转向盘。

转向盘外皮要求有某种程度的柔软度，手感良好，能防止手心出汗打滑的材质，还需要有耐热、耐候性。

 转向盘的功能：

转向盘位于司机的正前方，是碰撞时最可能伤害到司机的部件，因此需要转向盘具有很高的安全性，在司机撞在转向盘上时，骨架能够产生变形，吸收冲击能，减轻对司机的伤害。

转向盘的惯性力矩也是很重要的，惯性力矩小，我们就会感到“轮轻”，操做感良好，但同时也容易受到转向盘的反弹（即“打手”）的影响，为了设定适当的惯性力矩，就要调整骨架的材料或形状等。

 现在的转向盘与以前的看似没有太大变化，但实际上已经有了改进。

由于转向助力装置的普及，转向盘外径变小了，而手握处却变粗了，采用柔软材料，使操作感得到了改善。

 现在有越来越多的汽车在转向盘里安装了安全气囊，也使汽车的安全性大大提高了。

转向盘的集电环：

转向盘上有喇叭开关，必须时刻与车身电器线路相连，而旋转的转向盘与组合开关之间显然不能用导线直接相连，因此就必须采用集电环装置。

集电环好比环形的地铁轨道，喇叭开关的触点就象奔跑在轨道上的电车，时刻保持接通的状态。

由于是机械接触，长时间使用触点会因磨损影响导电性，导致紧急时刻喇叭不鸣甚至气囊不工作。

因此，最近装备气囊的汽车开始装用电缆盘，代替集电环。

转向盘的端子与组合开关的端子用电缆线连接，电缆盘将电线卷入盘内，类似于吸尘器的电线卷取机构，在转向盘旋转范围内，电线*卷筒自由伸缩。

转向器分类

转向器按结构形式可分为多种类型。

历史上曾出现过许多种形式的转向器，目前较常用的有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、循环球曲柄指销式、蜗杆滚轮式等。

其中第二、第四种分别是第一、第三种的变形形式，而蜗杆滚轮式则更少见。

如果按照助力形式，又可以分为机械式（无助力），和动力式（有助力）两种，其中动力转向器又可以分为气压动力式、液压动力式、电动助力式、电液助力式等种类。

1）齿轮齿条式转向器。

它是一种最常见的转向器。

其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条。

转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。

有时，靠齿条来直接带动横拉杆，就可使转向轮转向。

所以，这是一种最简单的转向器。

它的优点是结构简单，成本低廉，转向灵敏，体积小，可以直接带动横拉杆。

在汽车上得到广泛应用。

2）蜗杆曲柄销式转向器

它是以蜗杆为主动件，曲柄销为从动件的转向器。

蜗杆具有梯形螺纹，手指状的锥形指销用轴承支承在曲柄上，曲柄与转向摇臂轴制成一体。

转向时，通过转向盘转动蜗杆、嵌于蜗杆螺旋槽中的锥形指销一边自转，一边绕转向摇臂轴做圆弧运动，从而带动曲柄和转向垂臂摆动，再通过转向传动机构使转向轮偏转。

这种转向器通常用于转向力较大的载货汽车上。

3）循环球式转向器。

循环球式：

这种转向装置是由齿轮机构将来自转向盘的旋转力进行减速，使转向盘的旋转运动变为涡轮蜗杆的旋转运动，滚珠螺杆和螺母夹着钢球啮合，因而滚珠螺杆的旋转运动变为直线运动，螺母再与扇形齿轮啮合，直线运动再次变为旋转运动，使连杆臂摇动，连杆臂再使连动拉杆和横拉杆做直线运动，改变车轮的方向。

这是一种古典的机构，现代轿车已大多不再使用，但又被最新方式的助力转向装置所应用。

它的原理相当于利用了螺母与螺栓在旋转过程中产生的相对移动，而在螺纹与螺纹之间夹入了钢球以减小阻力，所有钢球在一个首尾相连的封闭的螺旋曲线内循环滚动，循环球式故而得名。

齿轮齿条液压助力转向器，是相对于齿轮齿条机械转向器而言的，主要是增加了转向油泵、转向油壶、转向油管、转向阀、转向油缸等部件，以期达到改善驾驶员手感，增加转向助力的目的的转向装置。

国内经过10多年来的发展，已经形成成熟的研发和制造技术的厂家有豫北光洋转向器有限公司等企业。

转向系统发展随着汽车工业的飞速发展以及人们对于舒适、安全性能要求的不断提高，转向系统也随着科技的发展日新月异。

就目前而言，电动助力转向系统是转向行业前沿研究项目，按照其布局形式，可以分为管柱助力、齿轮助力、齿条助力、拉杆助力、电液助力等形式。

以前在一些科幻电影中才能出现的无人飞机、无人驾驶汽车等现在已经成为现实，转向系统也在朝着更加先进的方向发展，比如由日本JTEKT研究开发出来的先进线控转向系统等

2.1.1机械式转向系

机械式转向器的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，由转向操纵机构（方向盘）、转向器、转向传动机构三大部分组成。

其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动（严格讲是近似直线运动）的机构，是转向系的核心部件。

这种转向器有两对传动副组成，一对是螺杆、螺母，另一对是齿条、齿扇或曲柄销。

在螺杆和螺母之间装有可循环滚动的钢球，使滑动摩擦变为滚动摩擦，从而提高了传动效率。

这种转向器的优点是，操纵轻便，磨损小，寿命长。

缺点是结构复杂，成本高，转向灵敏度不如齿轮齿条式。

因此逐渐被齿轮齿条式取代。

但随着动力转向的应用，循环球式转向器近年来又得到广泛使用。

当汽车转向时，驾驶员对转向盘施加一个转向力矩。

该力矩通过转向轴、转向万向节、和转向传动轴输入转向器。

经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向摇臂，再通过转向直拉杆传给固定于左转向节上的转向节臂，使左转向节和它所支撑的左转向轮偏转。

从转向盘到转向传动轴这一系列零件和部件，均属于转向操纵机构。

有转向摇臂至转向梯形这一系列零件和部件（不含转向节），均属于转向传动机构。

目前较常用的机械式转向器有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、蜗杆滚轮式等。

其中第二、第四种分别是第一、第三种的变形形式，而蜗杆滚轮式则更少见。

方向盘转动使方向机蜗杆转动、涡杆与蜗轮咬合（也有循环球咬合的）涡轮轴带动方向机摇臂前后摆动，方向机摇臂通过球头销与竖拉杆相连、竖拉杆另一端与左前轮轴头摇臂相连，轴头摇臂通过立销（主销）与前桥相连，摇臂前后摆动就可使车轮轴头（沿主销）左右转向了，左前轮通过横拉杆与右车轮相连，这样转动方向盘就可以让左右前轮同时转向了[2]汽车行驶中经常需要改变行驶方向，即所谓的转向，这就需要有一套能够按照司机意志使汽车转向的机构，它将司机转动方向盘的动作转变为车轮（通常是前轮）的偏转动作。

按转向力能源的不同，可将转向系分为机械转向系和动力转向系。

机械转向系的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，由转向操纵机构（方向盘）、转向器、转向传动机构三大部分组成。

其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动（严格讲是近似直线运动）的机构，是转向系的核心部件。

动力转向系除具有以上三大部件外，其最主要的动力来源是转向助力装置。

由于转向助力装置最常用的是一套液压系统，因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐，它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电机和地线的作用。

2.1.2动力转向器

动力转向器是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系。

在正常情况下，汽车转向所需的能量，只有一小部分由驾驶员提供，而大部分是由发动机通过转向加力装置提供的。

但在转向加力装置失效时，一般还应当能由驾驶员独立承担汽车转向任务。

因此，动力转向器是在机械转向器的基础上加设一套转向加力装置而形成的。

动力转向器除具有以上三大部件外，其最主要的动力来源是转向助力装置。

由于转向助力装置最常用的是一套液压系统，因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐，它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电机和地线的作用。

转向助力装置有以下几种：

（1）液压式动力转向装置

（2）电动式动力转向装置

（3）电动液压式动力转向装置

2.2转向系主要性能参数

2.2.1转向器的效率

转向器的输出功率与输入功率之比，称为转向器的传动效率。

功率P1从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率称为正效率，用符号η+表示，η+=（P1—P2）／P1；反之称为逆效率，用符号η－表示，η－=（P3—P2）／P3。

式中，P2为转向器中的摩擦功率；P3为作用在转向摇臂轴上的功率。

为了保证转向时驾驶员转动转向盘轻便，要求正效率高。

为了保证汽车转向后转向轮和转向盘能自动返回到直线行驶位置，又需要有一定的逆效率。

为了减轻在不平路面上行驶时驾驶员的疲劳，车轮与路面之间的作用力传至转向盘上要尽可能小，防止打手又要求此逆效率尽可能低。

转向器的正效率η+

影响转向器正效率的因素有：

转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等。

（1）转向器类型、结构特点与正效率

在前述四种转向器中，齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高，而蜗杆指销式特别是蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显的低些。

同一类型转向器，因结构不同其正效率也不一样。

另外两种结构的转向器正效率，根据试验结果分别为70％和75％。

转向摇臂轴轴承的形式对效率也有影响，用滚针轴承比用滑动轴承可使正逆效率提高约10％。

（2）转向器的结构参数与正效率

如果忽略轴承和其它地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于蜗杆和螺杆类转向器，其正效率可用下式计算

η+=tanα／tan（α+ρ）（2--1）

式中，α为蜗杆（或螺杆）的螺线导程角；

ρ为摩擦角，ρ=arctanf（f为摩擦因数）。

2）转向器逆效率η－

根据逆效率大小不同，转向器又有可逆式、极限可逆式和不可逆式之分。

路面作用在车轮上的力，经过转向系可大部分传递到转向盘，这种逆效率较高的转向器属于可逆式。

它能保证转向后，转向轮和转向盘自动回正。

这既减轻了驾驶员的疲劳，又提高了行驶安全性。

但是，在不平路面上行驶时，车轮受到的冲击力，能大部分传至转向盘，造成驾驶员“打手”，使之精神状态紧张。

如果长时间在不平路面上行驶，易使驾驶员疲劳，影响安全驾驶。

属于可逆式的转向器有齿轮齿条式和循环球式转向器。

不可逆式转向器，是指车轮受到的冲击力不能传到转向盘的转向器。

该冲击力由转向传动机构的零件承受，因而这些零件容易损坏。

同时，它既不能保证车轮自动回正，驾驶员又缺乏路面感觉,因此，现代汽车不采用这种转向器。

极限可逆式转向器介于上述两者之间。

在车轮受到冲击力作用时，此力只有较小一部分传至转向盘。

它的逆效率较低，在不平路面上行驶时，驾驶员并不十分紧张，同时转向传动机构的零件所承受的冲击力也比不可逆式转向器要小。

如果忽略轴承和其它地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，则逆效率可用下式计算

H-=tan（α-ρ）tanα（2—2）

式（2—1）和式（2—2）表明：

增加导程角α,正、逆效率均增大。

受η-增大的影响，α不宜取得过大。

当导程角小于或等于摩擦角时，逆效率为负值或者为零，此时表明该转向器是不可逆式转向器。

为此，导程角必须大于摩擦角。

通常螺线导程角选在8°～10°之间。

2.2.2传动比的变化特性

1）转向系传动比

转向系的传动比包括转向系的角传动比和转向系的力传动比

从轮胎接地面中心作用在两个转向轮上的合力2Fw与作用在转向盘上的手力之比，称为力传动比，即ip=2Fw／Fh

转向盘转动角速度ωw与同侧转向节偏转角速度ωk之比，称为转向系角传动比，即iwo=ωw/ωk=（dφ/dt）/（dβkdt）,式中，dφ为转向盘转角增量；dβk为转向节转角增量；dt为时间增量。

它又由转向器角传动比iw和转向传动机构角传动比iw′所组成，即iwo=iwiw′。

转向盘角速度ωw与摇臂轴转动角速度ωp之比，称为转向器角传动比iw,即iw=ωw/ωp=（dφ/dt）/（dβp/dt）,式中,dβp为摇臂轴转角增量。

此定义适用于除齿轮齿条式之外的转向器。

摇臂轴转动角速度ωp与同侧转向节偏转角速度ωk之比，称为转向传动机构的角传动比iw′，即iw=ωp/ωk=（dβp/dt）/（dβk/dt）。

2）力传动比与转向系角传动比的关系

轮胎与地面之间的转向阻力Fw和作用在转向节上的转向阻力矩Mr之间有如下关系

Fw=Mr/α（2—3）

式中，α为主销偏移距，指从转向节主销轴线的延长线与支承平面的交点至车轮中心平面与支承平面交线间的距离。

作用在转向盘上的手力Fh可用下式表示

Fh=2Mh/Dsw（2—4）

式中，Mh为作用在转向盘上的力矩；Dsw为转向盘直径。

将式（2—3）、式（2—4）代入ip=2Fw／Fh后得到

ip=MrDsw/Mhα（2—5）

分析式（2—5）可知，当主销偏移距为a时，力传动比ip应取大些才能保证转向轻便。

通常轿车的a值在0．4～0．6倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取，而货车的d值在40～60mm范围内选取。

转向盘直径Dsw根据车型不同在JB4505—86转向盘尺寸标准中规定的系列内选取。

如果忽略摩擦损失，根据能量守恒原理，2Mr／Mh可用下式表示

2Mr／Mh=dφ／dβk（2—6）

将式（2—6）代人式（2—5）后得到

ip=iwoDsw/2α（2—7）

当α和Dsw不变时，力传动比ip越大，虽然转向越轻，但iwo也越大，表明转向不灵敏。

3）转向系的角传动比iwo

转向传动机构角传动比，除用iw′=dβp／dβk表示以外，还可以近似地用转向节臂臂长L2与摇臂臂长Ll之比来表示，即iw′=dβp／dβk≈L2／Ll。

现代汽车结构中，L2与Ll的比值大约在0．85～1．1之间，可近似认为其比值为iwo≈iw=dφ／dβ。

由此可见，研究转向系的传动比特性，只需研究转向器的角传动比iw及其变化规律即可。

4）转向器角传动比及其变化规律

式（2—7）表明：

增大角传动比可以增加力传动比。

从ip=2Fw／Fh式可知，当Fw一定时，增大ip能减小作用在转向盘上的手力Fh，使操纵轻便。

考虑到iwo≈iw，由iwo的定义可知：

对于一定的转向盘角速度，转向轮偏转角速度与转向器角传动比成反比。

角传动比增加后，转向轮偏转角速度对转向盘角速度的响应变得迟钝，使转向操纵时间增长，汽车转向灵敏性降低，所以“轻”和“灵”构成一对矛盾。

为解决这对矛盾，可采用变速比转向器。

齿轮齿条式、循环球式、蜗杆指销式转向器都可以制成变速比转向器。

循环球齿条齿扇式转向器的角传动比iw=2πr／P。

因结构原因，螺距P不能变化，但可以用改变齿扇啮合半径r的方法，达到使循环球齿条齿扇式转向器实现变速比的目的。

随转向盘转角变化，转向器角传动比可以设计成减小、增大或保持不变的。

影响选取角传动比变化规律的因素，主要是转向轴负荷大小和对汽车机动能力的要求。

若转向轴负荷小，在转向盘全转角范围内，驾驶员不存在转向沉重问题。

装用动力转向的汽车，因转向阻力矩由动力装置克服，所以在上述两种情况下，均应取较小的转向器角传动比并能减少转向盘转动的总圈数，以提高汽车的机动能力。

转向轴负荷大又没有装动力转向的汽车，因转向阻力矩大致与‘车轮偏转角度大小成正比变化，汽车低速急转弯行驶时的操纵轻便性问题突出，故应选用大些的转向器角传动比。

汽车以较高车速转向行驶时，转向轮转角较小，转向阻力矩也小，此时要求转向轮反应灵敏，转向器角传动比应当小些。

因此，转向器角传动比变化曲线应选用大致呈中间小两端大些的下凹形曲线，如图2-1所示：

转向盘在中间位置的转向器角传动比不宜过小。

过小则在汽车高速直线行驶时，对转向盘转角过分敏感和使反冲效应加大，使驾驶员精确控制转向轮的运动有困难。

直行位置的转向器角传动比不宜低于15～16。

2.2.3转向盘自由行程

对转向盘自由行程的认识

转向盘在空转阶段中的角行程，称为转向盘自由行程。

转向盘自由行程对于缓和路面冲击及避免使驾驶员过度紧张是有利的，但不宜过大，以免过分影响灵敏性。

一般说来，转向盘从相应于汽车直线行驶的中间位置向任一方向