GX1608A型循環(huán)球齒條-齒扇式轉(zhuǎn)向器設(shè)計,GX1608A型循環(huán)球齒條-齒扇式轉(zhuǎn)向器設(shè)計,gx1608a,循環(huán),齒條,齒扇式,轉(zhuǎn)向器,設(shè)計 摘 要 汽車轉(zhuǎn)向器是汽車的重要組成部分，也是決定汽車主動安全性的關(guān)鍵總成，它的質(zhì)量嚴(yán)重影響汽車的操縱穩(wěn)定性。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車轉(zhuǎn)向器也在不斷的得到改進(jìn)，雖然電子轉(zhuǎn)向器已開始應(yīng)用，但機(jī)械式轉(zhuǎn)向器仍然廣泛地被世界各國汽車及汽車零部件生產(chǎn)廠商所采用。而在機(jī)械式轉(zhuǎn)向器中，循環(huán)球齒條-齒扇式轉(zhuǎn)向器由于其自身的特點被廣泛應(yīng)用于各級各類汽車上。本文選擇GX1608A型循環(huán)球齒條-齒扇式轉(zhuǎn)向器作為研究課題，其主要內(nèi)容有：汽車轉(zhuǎn)向器的組成分類；轉(zhuǎn)向器總成方案分析及其數(shù)據(jù)確定和轉(zhuǎn)向器的設(shè)計過程。 這種轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點是，操縱輕便，磨損小，壽命長。缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，轉(zhuǎn)向靈敏度不如齒輪齒條式。因此逐漸被齒輪齒條式取代。但隨著動力轉(zhuǎn)向的應(yīng)用，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器近年來又得到廣泛使用。 關(guān)鍵詞；轉(zhuǎn)向器 操縱穩(wěn)定性 循環(huán)球齒條-齒扇式轉(zhuǎn)向器 Abstract Gear cars an important component of the initiative is decided automobile safety of the key assembly, It seriously affected the quality of the vehicle handling and stability. Along with the development of the auto industry, automobile steering gear is continuously improved, although the electronic steering gear has begun to use But mechanical steering gear is still widely been world motor vehicles and parts manufacturers adopted. And the mechanical steering gear, Rack cycle ball-type steering gear tooth fans as its own characteristics has been widely used in various types vehicles. The graduation design options GX1608A cycle gear ball-type steering gear rack as a research topic, Its main contents are : automotive steering gear components classification; assembly was to program analysis and data to identify and steering gear design process. The advantage of such steering gear, and manipulating light, wear and tear, long life. The disadvantage is that the structure is complicated and costly, than steering rack and pinion sensitivity. Therefore gradually being replaced by rack and pinion. However, with the power steering applications, the ball-type steering gear cycle and are widely used in recent years. Keywords； Diverter Ball handling and stability Cycle rack-type steering gear diverter 目 錄 摘 要 I Abstract II 1緒論 1 2汽車轉(zhuǎn)向系的組成及分類 3 2.1汽車轉(zhuǎn)向系的類型和組成 3 2.1.1 機(jī)械式轉(zhuǎn)向系 6 2.1.2 動力轉(zhuǎn)向器 7 2.2 轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù) 8 2.2.1轉(zhuǎn)向器的效率 8 2.2.2傳動比的變化特性 10 2.2.3轉(zhuǎn)向盤自由行程 13 2.3 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu) 13 2.3.1轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu) 13 2.3.2轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu) 14 3轉(zhuǎn)向器總成方案分析 15 3.1轉(zhuǎn)向器設(shè)計要求 15 3.2轉(zhuǎn)向器總成方案設(shè)計 16 4循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要尺寸參數(shù)的選擇 19 5 轉(zhuǎn)向器輸出力矩的確定 23 6 軸的設(shè)計計算及校核 24 6.1 轉(zhuǎn)向搖臂軸（即齒形齒扇軸）的設(shè)計計算 24 6.1.1材料的選擇 24 6.1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計 24 6.1.3軸的設(shè)計計算 24 6.2 螺桿軸設(shè)計計算及主要零件的校核 28 6.2.1材料選擇 28 6.2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計 28 6.2.3軸的設(shè)計計算 29 6.2.4鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力校核 31 參考文獻(xiàn) 33 致 謝 34 1緒論 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的英文名稱是Recirculating Ball Steering Gear。 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由兩對傳動副組成，一對是螺桿、螺母，另一對是齒條、齒扇或曲柄銷。在螺桿和螺母之間裝有可循環(huán)滾動的鋼球，使滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，從而提高了傳動效率。 循環(huán)球式：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)運動變?yōu)闇u輪蝸桿的旋轉(zhuǎn)運動，滾珠螺桿和螺母夾著鋼球嚙合，因而滾珠螺桿的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，螺母再與扇形齒輪嚙合，直線運動再次變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，使連桿臂搖動，連桿臂再使連動拉桿和橫拉桿做直線運動，改變車輪的方向，這是一種古典的機(jī)構(gòu)，現(xiàn)代轎車已大多不再使用，但又被最新方式的助力轉(zhuǎn)向裝置所應(yīng)用。它的原理相當(dāng)于利用了螺母與螺栓在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的相對移動，而在螺紋與螺紋之間夾入了鋼球以減小阻力，所有鋼球在一個首尾相連的封閉的螺旋曲線內(nèi)循環(huán)滾動，循環(huán)球式故而得名 這種轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點是，操縱輕便，磨損小，壽命長。缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，轉(zhuǎn)向靈敏度不如齒輪齒條式。因此逐漸被齒輪齒條式取代。但隨著動力轉(zhuǎn)向的應(yīng)用，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器近年來又得到廣泛使用。 本文選擇GX1608A型循環(huán)球齒輪-齒條式轉(zhuǎn)向器作為研究課題，其主要內(nèi)容有：汽車轉(zhuǎn)向器相關(guān)知識，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要參數(shù)選擇及其設(shè)計。設(shè)計部分還包括轉(zhuǎn)向搖臂軸，漸開線花鍵，扇形齒輪軸以及螺桿軸的設(shè)計與校核。 轉(zhuǎn)向器按結(jié)構(gòu)形式可分為多種類型。歷史上曾出現(xiàn)過許多種形式的轉(zhuǎn)向器，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。 在《當(dāng)前國家重點鼓勵發(fā)展的產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品和技術(shù)目錄》中，汽車關(guān)鍵零部件開發(fā)和制造被列為重點扶持的項目，國家計委和科技部也將汽車關(guān)鍵零部件劃入當(dāng)前國家優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點領(lǐng)域，所以，具有先進(jìn)水平的汽車轉(zhuǎn)向器的研發(fā)、生產(chǎn)將會得到有力的政策支持。隨著全球汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車的需求量大幅攀升，汽車制造已向發(fā)展中國家轉(zhuǎn)移。隨著國際上汽車行業(yè)開始實行零部件“全球化采購”策略及國際跨國汽車企業(yè)推行本土化策略，國內(nèi)汽車市場將出現(xiàn)巨大的零部件配件缺口。到2010年，中國汽車零部件國內(nèi)產(chǎn)值將突破1萬億元，市場前景廣闊。按照汽車零部件工業(yè)“十五”發(fā)展目標(biāo)，到2005年中國汽車保有量為2198—2315萬輛，其中轎車843—860萬輛。當(dāng)年汽車需求量為：271—310萬輛，其中轎車110——121萬輛，汽車工業(yè)增加值占GDP的1%左右，汽車零部件工業(yè)產(chǎn)值將占汽車工業(yè)總產(chǎn)值的25%左右。因此作為關(guān)鍵零部件的汽車轉(zhuǎn)向器在中國銷售市場上前景廣闊。 “十五”期間，我國機(jī)動車行業(yè)包括汽車、農(nóng)用車、工程機(jī)械等將發(fā)展成為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，汽車轉(zhuǎn)向器是符合國家重點扶持和優(yōu)惠政策的汽車關(guān)鍵零部件，是汽車重要的保安件之一。 2汽車轉(zhuǎn)向系的組成及分類 2.1汽車轉(zhuǎn)向系的類型和組成 汽車轉(zhuǎn)向系可按轉(zhuǎn)向能源的不同分為機(jī)械式轉(zhuǎn)向系和動力轉(zhuǎn)向系兩大類。汽車轉(zhuǎn)向器是用來保持或改變汽車形式方向的機(jī)構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行使時，還要保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。駕駛員通過操縱轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使汽車保持直線或轉(zhuǎn)彎運動狀態(tài)，或者上述兩種運動狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換。 機(jī)械轉(zhuǎn)向系的能量來源是人力，所有傳力件都是機(jī)械的，由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)(方向盤)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)三大部分組成。其中轉(zhuǎn)向器是將操縱機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃訖C(jī)構(gòu)的直線運動(嚴(yán)格講是近似直線運動)的機(jī)構(gòu)，是轉(zhuǎn)向系的核心部件。? 動力轉(zhuǎn)向系除具有以上三大部件外，其最主要的動力來源是轉(zhuǎn)向助力裝置。由于轉(zhuǎn)向助力裝置最常用的是一套液壓系統(tǒng)，因此也就離不開泵、油管、閥、活塞和儲油罐，它們分別相當(dāng)于電路系統(tǒng)中的電池、導(dǎo)線、開關(guān)、電機(jī)和地線的作用。? 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)? 轉(zhuǎn)向盤即通常所說的方向盤。轉(zhuǎn)向盤內(nèi)部有金屬制成的骨架，是用鋼、鋁合金或鎂合金等材料制成。由圓環(huán)狀的盤圈、插入轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)向盤轂，以及連接盤圈和盤轂的輻條構(gòu)成。采用焊接或鑄造等工藝制造，轉(zhuǎn)向軸是由細(xì)齒花鍵和螺母連接的。骨架的外側(cè)一般包有柔軟的合成橡膠或樹脂，也有采用皮革包裹以及硬木制作的轉(zhuǎn)向盤。轉(zhuǎn)向盤外皮要求有某種程度的柔軟度，手感良好，能防止手心出汗打滑的材質(zhì)，還需要有耐熱、耐候性。? 轉(zhuǎn)向盤的功能：轉(zhuǎn)向盤位于司機(jī)的正前方，是碰撞時最可能傷害到司機(jī)的部件，因此需要轉(zhuǎn)向盤具有很高的安全性，在司機(jī)撞在轉(zhuǎn)向盤上時，骨架能夠產(chǎn)生變形，吸收沖擊能，減輕對司機(jī)的傷害。轉(zhuǎn)向盤的慣性力矩也是很重要的，慣性力矩小，我們就會感到“輪輕”，操做感良好，但同時也容易受到轉(zhuǎn)向盤的反彈(即“打手”)的影響，為了設(shè)定適當(dāng)?shù)膽T性力矩，就要調(diào)整骨架的材料或形狀等。? 現(xiàn)在的轉(zhuǎn)向盤與以前的看似沒有太大變化，但實際上已經(jīng)有了改進(jìn)。由于轉(zhuǎn)向助力裝置的普及，轉(zhuǎn)向盤外徑變小了，而手握處卻變粗了，采用柔軟材料，使操作感得到了改善。? 現(xiàn)在有越來越多的汽車在轉(zhuǎn)向盤里安裝了安全氣囊，也使汽車的安全性大大提高了。轉(zhuǎn)向盤的集電環(huán)：轉(zhuǎn)向盤上有喇叭開關(guān)，必須時刻與車身電器線路相連，而旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向盤與組合開關(guān)之間顯然不能用導(dǎo)線直接相連，因此就必須采用集電環(huán)裝置。集電環(huán)好比環(huán)形的地鐵軌道，喇叭開關(guān)的觸點就象奔跑在軌道上的電車，時刻保持接通的狀態(tài)。由于是機(jī)械接觸，長時間使用觸點會因磨損影響導(dǎo)電性，導(dǎo)致緊急時刻喇叭不鳴甚至氣囊不工作。因此，最近裝備氣囊的汽車開始裝用電纜盤，代替集電環(huán)。? 轉(zhuǎn)向盤的端子與組合開關(guān)的端子用電纜線連接，電纜盤將電線卷入盤內(nèi)，類似于吸塵器的電線卷取機(jī)構(gòu)，在轉(zhuǎn)向盤旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，電線*卷筒自由伸縮。 轉(zhuǎn)向器分類 轉(zhuǎn)向器按結(jié)構(gòu)形式可分為多種類型。歷史上曾出現(xiàn)過許多種形式的轉(zhuǎn)向器，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。其中第二、第四種分別是第一、第三種的變形形式，而蝸桿滾輪式則更少見。如果按照助力形式，又可以分為機(jī)械式（無助力），和動力式（有助力）兩種，其中動力轉(zhuǎn)向器又可以分為氣壓動力式、液壓動力式、電動助力式、電液助力式等種類。 1）齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。它是一種最常見的轉(zhuǎn)向器。其基本結(jié)構(gòu)是一對相互嚙合的小齒輪和齒條。轉(zhuǎn)向軸帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)時，齒條便做直線運動。有時，靠齒條來直接帶動橫拉桿，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 它是以蝸桿為主動件，曲柄銷為從動件的轉(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，通過轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動蝸桿、嵌于蝸桿螺旋槽中的錐形指銷一邊自轉(zhuǎn)，一邊繞轉(zhuǎn)向搖臂軸做圓弧運動，從而帶動曲柄和轉(zhuǎn)向垂臂擺動，再通過轉(zhuǎn)向傳動機(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。循環(huán)球式：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)運動變?yōu)闇u輪蝸桿的旋轉(zhuǎn)運動，滾珠螺桿和螺母夾著鋼球嚙合，因而滾珠螺桿的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，螺母再與扇形齒輪嚙合，直線運動再次變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，使連桿臂搖動，連桿臂再使連動拉桿和橫拉桿做直線運動，改變車輪的方向。 這是一種古典的機(jī)構(gòu)，現(xiàn)代轎車已大多不再使用，但又被最新方式的助力轉(zhuǎn)向裝置所應(yīng)用。它的原理相當(dāng)于利用了螺母與螺栓在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的相對移動，而在螺紋與螺紋之間夾入了鋼球以減小阻力，所有鋼球在一個首尾相連的封閉的螺旋曲線內(nèi)循環(huán)滾動，循環(huán)球式故而得名。 齒輪齒條液壓助力轉(zhuǎn)向器，是相對于齒輪齒條機(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。國內(nèi)經(jīng)過10多年來的發(fā)展，已經(jīng)形成成熟的研發(fā)和制造技術(shù)的廠家有豫北光洋轉(zhuǎn)向器有限公司等企業(yè)。 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展以及人們對于舒適、安全性能要求的不斷提高，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也隨著科技的發(fā)展日新月異。就目前而言，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是轉(zhuǎn)向行業(yè)前沿研究項目，按照其布局形式，可以分為管柱助力、齒輪助力、齒條助力、拉桿助力、電液助力等形式。以前在一些科幻電影中才能出現(xiàn)的無人飛機(jī)、無人駕駛汽車等現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)實，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也在朝著更加先進(jìn)的方向發(fā)展，比如由日本JTEKT研究開發(fā)出來的先進(jìn)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等 2.1.1 機(jī)械式轉(zhuǎn)向系 機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的能量來源是人力，所有傳力件都是機(jī)械的，由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)(方向盤)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)三大部分組成。其中轉(zhuǎn)向器是將操縱機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃訖C(jī)構(gòu)的直線運動(嚴(yán)格講是近似直線運動)的機(jī)構(gòu)，是轉(zhuǎn)向系的核心部件。這種轉(zhuǎn)向器有兩對傳動副組成，一對是螺桿、螺母，另一對是齒條、齒扇或曲柄銷。在螺桿和螺母之間裝有可循環(huán)滾動的鋼球，使滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，從而提高了傳動效率。 這種轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點是，操縱輕便，磨損小，壽命長。缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，轉(zhuǎn)向靈敏度不如齒輪齒條式。因此逐漸被齒輪齒條式取代。但隨著動力轉(zhuǎn)向的應(yīng)用，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器近年來又得到廣泛使用。 當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時，駕駛員對轉(zhuǎn)向盤施加一個轉(zhuǎn)向力矩。該力矩通過轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向萬向節(jié)、和轉(zhuǎn)向傳動軸輸入轉(zhuǎn)向器。經(jīng)轉(zhuǎn)向器放大后的力矩和減速后的運動傳到轉(zhuǎn)向搖臂，再通過轉(zhuǎn)向直拉桿傳給固定于左轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向節(jié)臂，使左轉(zhuǎn)向節(jié)和它所支撐的左轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。 從轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向傳動軸這一系列零件和部件，均屬于轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)。有轉(zhuǎn)向搖臂至轉(zhuǎn)向梯形這一系列零件和部件（不含轉(zhuǎn)向節(jié)），均屬于轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)。 目前較常用的機(jī)械式轉(zhuǎn)向器有齒輪齒條式、蝸桿曲柄指銷式、循環(huán)球-齒條齒扇式、蝸桿滾輪式等。其中第二、第四種分別是第一、第三種的變形形式，而蝸桿滾輪式則更少見。方向盤轉(zhuǎn)動使方向機(jī)蝸桿轉(zhuǎn)動、渦桿與蝸輪咬合（也有循環(huán)球咬合的）渦輪軸帶動方向機(jī)搖臂前后擺動，方向機(jī)搖臂通過球頭銷與豎拉桿相連、豎拉桿另一端與左前輪軸頭搖臂相連，軸頭搖臂通過立銷（主銷）與前橋相連，搖臂前后擺動就可使車輪軸頭（沿主銷）左右轉(zhuǎn)向了，左前輪通過橫拉桿與右車輪相連，這樣轉(zhuǎn)動方向盤就可以讓左右前輪同時轉(zhuǎn)向了[2] 汽車行駛中經(jīng)常需要改變行駛方向，即所謂的轉(zhuǎn)向，這就需要有一套能夠按照司機(jī)意志使汽車轉(zhuǎn)向的機(jī)構(gòu)，它將司機(jī)轉(zhuǎn)動方向盤的動作轉(zhuǎn)變?yōu)檐囕?通常是前輪)的偏轉(zhuǎn)動作。 按轉(zhuǎn)向力能源的不同，可將轉(zhuǎn)向系分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系和動力轉(zhuǎn)向系。 機(jī)械轉(zhuǎn)向系的能量來源是人力，所有傳力件都是機(jī)械的，由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)(方向盤)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)三大部分組成。其中轉(zhuǎn)向器是將操縱機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃訖C(jī)構(gòu)的直線運動(嚴(yán)格講是近似直線運動)的機(jī)構(gòu)，是轉(zhuǎn)向系的核心部件。 動力轉(zhuǎn)向系除具有以上三大部件外，其最主要的動力來源是轉(zhuǎn)向助力裝置。由于轉(zhuǎn)向助力裝置最常用的是一套液壓系統(tǒng)，因此也就離不開泵、油管、閥、活塞和儲油罐，它們分別相當(dāng)于電路系統(tǒng)中的電池、導(dǎo)線、開關(guān)、電機(jī)和地線的作用。 2.1.2 動力轉(zhuǎn)向器 動力轉(zhuǎn)向器是兼用駕駛員體力和發(fā)動機(jī)動力為轉(zhuǎn)向能源的轉(zhuǎn)向系。在正常情況下，汽車轉(zhuǎn)向所需的能量，只有一小部分由駕駛員提供，而大部分是由發(fā)動機(jī)通過轉(zhuǎn)向加力裝置提供的。但在轉(zhuǎn)向加力裝置失效時，一般還應(yīng)當(dāng)能由駕駛員獨立承擔(dān)汽車轉(zhuǎn)向任務(wù)。因此，動力轉(zhuǎn)向器是在機(jī)械轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)上加設(shè)一套轉(zhuǎn)向加力裝置而形成的。 動力轉(zhuǎn)向器除具有以上三大部件外，其最主要的動力來源是轉(zhuǎn)向助力裝置。由于轉(zhuǎn)向助力裝置最常用的是一套液壓系統(tǒng)，因此也就離不開泵、油管、閥、活塞和儲油罐，它們分別相當(dāng)于電路系統(tǒng)中的電池、導(dǎo)線、開關(guān)、電機(jī)和地線的作用。轉(zhuǎn)向助力裝置有以下幾種： (1)液壓式動力轉(zhuǎn)向裝置 (2)電動式動力轉(zhuǎn)向裝置 (3)電動液壓式動力轉(zhuǎn)向裝置 2.2 轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù) 2.2.1轉(zhuǎn)向器的效率 轉(zhuǎn)向器的輸出功率與輸入功率之比，稱為轉(zhuǎn)向器的傳動效率。功率P1從轉(zhuǎn)向軸輸入，經(jīng)轉(zhuǎn)向搖臂軸輸出所求得的效率稱為正效率，用符號η+表示，η+=( P1—P2)／P1；反之稱為逆效率，用符號η－表示，η－ =(P3—P2)／P3。式中，P2為轉(zhuǎn)向器中的摩擦功率；P3為作用在轉(zhuǎn)向搖臂軸上的功率。為了保證轉(zhuǎn)向時駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤輕便，要求正效率高。為了保證汽車轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤能自動返回到直線行駛位置，又需要有一定的逆效率。為了減輕在不平路面上行駛時駕駛員的疲勞，車輪與路面之間的作用力傳至轉(zhuǎn)向盤上要盡可能小，防止打手又要求此逆效率盡可能低。 轉(zhuǎn)向器的正效率η+ 影響轉(zhuǎn)向器正效率的因素有：轉(zhuǎn)向器的類型、結(jié)構(gòu)特點、結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造質(zhì)量等。 （1）轉(zhuǎn)向器類型、結(jié)構(gòu)特點與正效率 在前述四種轉(zhuǎn)向器中，齒輪齒條式、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的正效率比較高，而蝸桿指銷式特別是蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的正效率要明顯的低些。 同一類型轉(zhuǎn)向器，因結(jié)構(gòu)不同其正效率也不一樣。另外兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向器正效率，根據(jù)試驗結(jié)果分別為70％和75％。 轉(zhuǎn)向搖臂軸軸承的形式對效率也有影響，用滾針軸承比用滑動軸承可使正逆效率提高約10％。 (2) 轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與正效率 如果忽略軸承和其它地方的摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，對于蝸桿和螺桿類轉(zhuǎn)向器，其正效率可用下式計算 η+=tanα／tan(α+ρ) （2--1） 式中，α為蝸桿(或螺桿)的螺線導(dǎo)程角； ρ為摩擦角，ρ=arctanf(f為摩擦因數(shù))。 2）轉(zhuǎn)向器逆效率η－ 根據(jù)逆效率大小不同，轉(zhuǎn)向器又有可逆式、極限可逆式和不可逆式之分。 路面作用在車輪上的力，經(jīng)過轉(zhuǎn)向系可大部分傳遞到轉(zhuǎn)向盤，這種逆效率較高的轉(zhuǎn)向器屬于可逆式。它能保證轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤自動回正。這既減輕了駕駛員的疲勞，又提高了行駛安全性。但是，在不平路面上行駛時，車輪受到的沖擊力，能大部分傳至轉(zhuǎn)向盤，造成駕駛員“打手”，使之精神狀態(tài)緊張。如果長時間在不平路面上行駛，易使駕駛員疲勞，影響安全駕駛。屬于可逆式的轉(zhuǎn)向器有齒輪齒條式和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。 不可逆式轉(zhuǎn)向器，是指車輪受到的沖擊力不能傳到轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向器。該沖擊力由轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的零件承受，因而這些零件容易損壞。同時，它既不能保證車輪自動回正，駕駛員又缺乏路面感覺,因此，現(xiàn)代汽車不采用這種轉(zhuǎn)向器。 極限可逆式轉(zhuǎn)向器介于上述兩者之間。在車輪受到?jīng)_擊力作用時，此力只有較小一部分傳至轉(zhuǎn)向盤。它的逆效率較低，在不平路面上行駛時，駕駛員并不十分緊張，同時轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的零件所承受的沖擊力也比不可逆式轉(zhuǎn)向器要小。 如果忽略軸承和其它地方的摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，則逆效率可用下式計算 H- = tan(α-ρ) tanα (2—2) 式(2—1)和式(2—2)表明：增加導(dǎo)程角α,正、逆效率均增大。受η-增大的影響，α不宜取得過大。當(dāng)導(dǎo)程角小于或等于摩擦角時，逆效率為負(fù)值或者為零，此時表明該轉(zhuǎn)向器是不可逆式轉(zhuǎn)向器。為此，導(dǎo)程角必須大于摩擦角。通常螺線導(dǎo)程角選在8°～10°之間。 2.2.2傳動比的變化特性 1）轉(zhuǎn)向系傳動比 轉(zhuǎn)向系的傳動比包括轉(zhuǎn)向系的角傳動比和轉(zhuǎn)向系的力傳動比 從輪胎接地面中心作用在兩個轉(zhuǎn)向輪上的合力2Fw與作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力之比，稱為力傳動比，即 ip=2Fw／Fh 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角速度 ωw 與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度 ωk 之比，稱為轉(zhuǎn)向系角傳動比 ，即iwo=ωw/ωk=( dφ/dt)/( dβkdt),式中，dφ 為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角增量；dβk 為轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角增量；dt為時間增量。它又由轉(zhuǎn)向器角傳動比iw 和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)角傳動比iw′ 所組成，即 iwo=iw iw′ 。 轉(zhuǎn)向盤角速度ωw與搖臂軸轉(zhuǎn)動角速度ωp之比，稱為轉(zhuǎn)向器角傳動比iw, 即iw=ωw/ωp= (dφ/dt)/(dβp/dt),式中,dβp為搖臂軸轉(zhuǎn)角增量。此定義適用于除齒輪齒條式之外的轉(zhuǎn)向器。 搖臂軸轉(zhuǎn)動角速度ωp與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度ωk之比，稱為轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的角傳動比iw′，即iw=ωp/ωk= (dβp/dt)/ (dβk/dt)。 2）力傳動比與轉(zhuǎn)向系角傳動比的關(guān)系 輪胎與地面之間的轉(zhuǎn)向阻力Fw和作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向阻力矩 Mr之間有如下關(guān)系 Fw= Mr/α （2—3） 式中，α為主銷偏移距，指從轉(zhuǎn)向節(jié)主銷軸線的延長線與支承平面的交點至車輪中心平面與支承平面交線間的距離。 作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力Fh可用下式表示 Fh=2Mh/Dsw (2—4） 式中，Mh為作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩；Dsw為轉(zhuǎn)向盤直徑。 將式(2—3)、式(2—4)代入 ip=2 Fw／Fh 后得到 ip= MrDsw/Mhα （2—5） 分析式(2—5)可知，當(dāng)主銷偏移距為a時，力傳動比 ip 應(yīng)取大些才能保證轉(zhuǎn)向輕便。通常轎車的 a 值在0．4～0．6倍輪胎的胎面寬度尺寸范圍內(nèi)選取，而貨車的d值在40～60mm范圍內(nèi)選取。轉(zhuǎn)向盤直徑 Dsw 根據(jù)車型不同在JB4505—86轉(zhuǎn)向盤尺寸標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的系列內(nèi)選取。 如果忽略摩擦損失，根據(jù)能量守恒原理，2Mr／Mh可用下式表示 2Mr／Mh= dφ／dβk （2—6） 將式(2—6)代人式(2—5)后得到 ip=iwoDsw/2α （2—7） 當(dāng) α 和 Dsw 不變時，力傳動比 ip 越大，雖然轉(zhuǎn)向越輕，但 iwo 也越大，表明轉(zhuǎn)向不靈敏。 3）轉(zhuǎn)向系的角傳動比iwo 轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)角傳動比，除用 iw′=dβp／dβk表示以外，還可以近似地用轉(zhuǎn)向節(jié)臂臂長L2與搖臂臂長Ll之比來表示，即 iw′=dβp／dβk≈L2／Ll ?，F(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)中，L2與Ll的比值大約在0．85～1．1之間，可近似認(rèn)為其比值為 iwo≈iw=dφ／dβ 。由此可見，研究轉(zhuǎn)向系的傳動比特性，只需研究轉(zhuǎn)向器的角傳動比iw 及其變化規(guī)律即可。 4）轉(zhuǎn)向器角傳動比及其變化規(guī)律 式(2—7)表明：增大角傳動比可以增加力傳動比。從 ip=2Fw／Fh式可知，當(dāng)Fw一定時，增大ip能減小作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力Fh，使操縱輕便。 考慮到 iwo≈iw ，由iwo 的定義可知：對于一定的轉(zhuǎn)向盤角速度，轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角速度與轉(zhuǎn)向器角傳動比成反比。角傳動比增加后，轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角速度對轉(zhuǎn)向盤角速度的響應(yīng)變得遲鈍，使轉(zhuǎn)向操縱時間增長，汽車轉(zhuǎn)向靈敏性降低，所以“輕”和“靈”構(gòu)成一對矛盾。為解決這對矛盾，可采用變速比轉(zhuǎn)向器。 齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器都可以制成變速比轉(zhuǎn)向器。 循環(huán)球齒條齒扇式轉(zhuǎn)向器的角傳動比iw =2πr／P。因結(jié)構(gòu)原因，螺距 P 不能變化，但可以用改變齒扇嚙合半徑 r 的方法，達(dá)到使循環(huán)球齒條齒扇式轉(zhuǎn)向器實現(xiàn)變速比的目的。 隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變化，轉(zhuǎn)向器角傳動比可以設(shè)計成減小、增大或保持不變的。影響選取角傳動比變化規(guī)律的因素，主要是轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷大小和對汽車機(jī)動能力的要求。若轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷小，在轉(zhuǎn)向盤全轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，駕駛員不存在轉(zhuǎn)向沉重問題。裝用動力轉(zhuǎn)向的汽車，因轉(zhuǎn)向阻力矩由動力裝置克服，所以在上述兩種情況下，均應(yīng)取較小的轉(zhuǎn)向器角傳動比并能減少轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的總?cè)?shù)，以提高汽車的機(jī)動能力。 轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷大又沒有裝動力轉(zhuǎn)向的汽車，因轉(zhuǎn)向阻力矩大致與‘車輪偏轉(zhuǎn)角度大小成正比變化，汽車低速急轉(zhuǎn)彎行駛時的操縱輕便性問題突出，故應(yīng)選用大些的轉(zhuǎn)向器角傳動比。汽車以較高車速轉(zhuǎn)向行駛時，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角較小，轉(zhuǎn)向阻力矩也小，此時要求轉(zhuǎn)向輪反應(yīng)靈敏，轉(zhuǎn)向器角傳動比應(yīng)當(dāng)小些。因此，轉(zhuǎn)向器角傳動比變化曲線應(yīng)選用大致呈中間小兩端大些的下凹形曲線，如圖2-1所示： 圖2-1轉(zhuǎn)向器角傳動比特性 轉(zhuǎn)向盤在中間位置的轉(zhuǎn)向器角傳動比不宜過小。過小則在汽車高速直線行駛時，對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角過分敏感和使反沖效應(yīng)加大，使駕駛員精確控制轉(zhuǎn)向輪的運動有困難。直行位置的轉(zhuǎn)向器角傳動比不宜低于15～16。 2.2.3轉(zhuǎn)向盤自由行程 對轉(zhuǎn)向盤自由行程的認(rèn)識 轉(zhuǎn)向盤在空轉(zhuǎn)階段中的角行程，稱為轉(zhuǎn)向盤自由行程。轉(zhuǎn)向盤自由行程對于緩和路面沖擊及避免使駕駛員過度緊張是有利的，但不宜過大，以免過分影響靈敏性。一般說來，轉(zhuǎn)向盤從相應(yīng)于汽車直線行駛的中間位置向任一方向的自由行程最好不超過10°～15°。當(dāng)零件磨損嚴(yán)重到十轉(zhuǎn)向盤自由行程超過25°～35°時，必須進(jìn)行調(diào)整。 2）轉(zhuǎn)向盤自由行程過大的原因 造成轉(zhuǎn)向盤自由行程過大的原因，主要有如下幾個方面： (1)轉(zhuǎn)向器蝸桿與滾輪(或齒扇、指銷等)間隙過大； (2)轉(zhuǎn)向傳動裝置松動； (3)轉(zhuǎn)向傳動裝置的球鉸鏈間隙過大(松動)； (4)前輪軸承或轉(zhuǎn)向節(jié)主銷與襯套配合不緊等。 2.3 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu) 2.3.1轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向盤的功能： 現(xiàn)在有越來越多的汽車在轉(zhuǎn)向盤里安裝了安全氣囊，也使汽車的安全性大大提高了。轉(zhuǎn)向盤的集電環(huán)：轉(zhuǎn)向盤上有喇叭開關(guān)，必須時刻與車身電器線路相連，而旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向盤與組合開關(guān)之間顯然不能用導(dǎo)線直接相連，因此就必須采用集電環(huán)裝置。集電環(huán)好比環(huán)形的地鐵軌道，喇叭開關(guān)的觸點時刻保持接通的狀態(tài)。由于是機(jī)械接觸，長時間使用觸點會因磨損影響導(dǎo)電性，導(dǎo)致緊急時刻喇叭不鳴甚至氣囊不工作。因此，最近裝備氣囊的汽車開始裝用電纜盤，代替集電環(huán)。 轉(zhuǎn)向盤的端子與組合開關(guān)的端子用電纜線連接，電纜盤將電線卷入盤內(nèi)，在轉(zhuǎn)向盤旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，電線靠卷筒自由伸縮。這種裝置大大提高了電器裝置的可靠性。 2.3.2轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu) 為牢固支承轉(zhuǎn)向盤而設(shè)有轉(zhuǎn)向柱。傳遞轉(zhuǎn)向盤操作的轉(zhuǎn)向軸從中穿過，內(nèi)部有軸承和襯套支承。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)應(yīng)備有吸收汽車碰撞時產(chǎn)生的沖擊能的裝置，許多國家都規(guī)定轎車必須安裝吸能式轉(zhuǎn)向柱。吸能裝置的方式很多，大都通過轉(zhuǎn)向柱的支架變形來達(dá)到緩沖吸能的作用。 轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向器齒輪箱之間采用聯(lián)軸節(jié)相連(即兩個萬向節(jié))，之所以用聯(lián)軸節(jié)，除了可以改變轉(zhuǎn)向軸的方向，還有就是使得轉(zhuǎn)向軸可以作縱向的伸縮運動，以配合轉(zhuǎn)向柱的緩沖運動。即： （1）可傾斜式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)： （2）可伸縮式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：[5] 3轉(zhuǎn)向器總成方案分析 3.1轉(zhuǎn)向器設(shè)計要求 （1） 汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，全部車輪應(yīng)繞順時針方向旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應(yīng)有側(cè)滑。不滿足這項要求會加速輪胎磨損，并降低汽車的行駛穩(wěn)定性。 （2） 汽車轉(zhuǎn)向行駛后，在駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤的情況下，轉(zhuǎn)向輪能自動返回到直線行駛位置，并穩(wěn)定行駛。 （3） 汽車在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不得產(chǎn)生振動，轉(zhuǎn)向盤沒有擺動。 （4） 轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置共同工作時，由于運動不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺動應(yīng)最小。 （5） 保證汽車有較高的機(jī)動性，具有快速和小轉(zhuǎn)彎能力。 （6） 操縱輕便。 （7） 轉(zhuǎn)向輪碰到障礙物以后，傳給轉(zhuǎn)向盤的反沖力要盡可能小。 （8） 轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的球頭處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)。 （9） 在車禍中，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤由于車架或車身的變形而后移時，轉(zhuǎn)向系應(yīng)有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。 （10） 進(jìn)行運動校核，保證轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動方向一致。 正確設(shè)計轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)，可以使第一項得到保證。轉(zhuǎn)向系中設(shè)有轉(zhuǎn)向減震器時，能夠防止轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生振動，同時又能使傳動轉(zhuǎn)向盤上的反沖力明顯下降。為了使汽車具有良好的機(jī)動性能，必須使轉(zhuǎn)向輪有盡可能大的轉(zhuǎn)角，并要達(dá)到按前外輪車輪軌跡計算，其最小轉(zhuǎn)彎半徑能達(dá)到汽車軸距的2-2.5倍。通常用轉(zhuǎn)向時駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的切向力大小和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動圈數(shù)多少兩項指標(biāo)來評價操縱輕便性。沒有動力轉(zhuǎn)向的轎車，在行駛中轉(zhuǎn)向，此力應(yīng)為50-100N；有動力轉(zhuǎn)向時，此力在20-50N。當(dāng)貨車從直線行駛狀態(tài)，以10Km/h的速度在柏油路或水泥的水平路段上轉(zhuǎn)入沿半徑12m的圓周行駛，且路面干燥，若轉(zhuǎn)向系內(nèi)沒有裝動力轉(zhuǎn)向器，上述切向力不得超過250N;有動力轉(zhuǎn)向器時，不得超過120N。轎車轉(zhuǎn)向盤從中間位置轉(zhuǎn)到每一端的圈數(shù)不得超過2.0圈，貨車則要求不超過3.0圈。[3] 3.2轉(zhuǎn)向器總成方案設(shè)計 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器又稱為綜合式轉(zhuǎn)向器（因為它由兩級傳動副組成），是目前國內(nèi)、外汽車上較為流行的一種結(jié)構(gòu)形式。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器中一般有兩級傳動副，第一級是由螺桿和螺母共同形成的螺旋槽內(nèi)裝有鋼球構(gòu)成的傳動副，第二級是由螺母上齒條與搖臂軸上齒扇構(gòu)成的齒條-齒扇傳動副。 轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，與轉(zhuǎn)向軸連為一體的螺桿帶動方形螺母作軸向移動（因螺桿在軸向方向固定在轉(zhuǎn)向器殼上），螺母的下端制成齒條，因而能帶動與轉(zhuǎn)向搖臂軸做成一體的齒扇的轉(zhuǎn)動。 圖3-1所示為一循環(huán)球式齒條-齒扇轉(zhuǎn)向器。轉(zhuǎn)向螺桿的軸徑支撐在兩個角接觸球軸承上，軸承緊度可用調(diào)整墊片調(diào)整。轉(zhuǎn)向螺母外側(cè)的下平面加工成齒條，與齒扇軸（即搖臂軸）上的齒扇嚙合?？梢?，轉(zhuǎn)向螺母即是第一級傳動副的從動件，也是第二級傳動副（齒條-齒扇傳動副）的主動件（齒條）。通過轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向螺桿時，轉(zhuǎn)向螺母不能轉(zhuǎn)動，只能軸向移動，并驅(qū)使齒扇軸轉(zhuǎn)動。 1轉(zhuǎn)向搖臂 2向心推力球軸承 3螺桿副總成 4殼體組件 5螺栓 6上蓋調(diào)整墊片8上蓋 9柱管夾子 10螺桿油封 11鐵絲 12頂絲 13柱管 14轉(zhuǎn)向軸組件 15支承套16自攻螺釘17螺母M12X1.25 18螺母MB 19螺栓20墊圈21濾氣螺塞 圖3-1 循環(huán)球式齒條-齒扇轉(zhuǎn)向器 為了減少轉(zhuǎn)向螺桿和轉(zhuǎn)向螺母之間的摩擦和磨損，二者的螺紋制成半圓形凹槽，并不直接接觸，其間裝有許多鋼球，從而將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦。轉(zhuǎn)向螺桿和螺母上都加工出斷面輪廓為兩段或三段不同心圓弧組成近似半圓的螺旋槽。兩者的螺旋槽能配合形成近似圓形斷面的螺旋管狀通道，這樣可以使轉(zhuǎn)向螺母和轉(zhuǎn)向螺桿軸向定位好，滾道和鋼球間有間隙，可以用來貯存碎屑和潤滑油，有助于減少螺母和螺桿之間的磨損。螺母側(cè)面有兩對通孔，可將鋼球從此孔塞入螺旋形通道內(nèi)。兩根U形鋼球?qū)Ч艿膬啥瞬迦肼菽競?cè)面的兩對通孔中，導(dǎo)管內(nèi)也裝滿了鋼球。這樣兩根導(dǎo)管和螺母內(nèi)的螺旋管狀通道組成兩條各自獨立的封閉的鋼球“流道”。 轉(zhuǎn)向螺桿轉(zhuǎn)動時，通過鋼球?qū)⒘鹘o轉(zhuǎn)向螺母，螺母即沿軸向移動。同時，在螺桿與螺母兩者和鋼球間的摩擦力偶作用下，所有鋼球便在螺旋管狀通道內(nèi)滾動，形成“球流”。鋼球在管狀通道內(nèi)繞行1.5周后，流出螺母而進(jìn)入導(dǎo)管的一端，再由導(dǎo)管另一端流回螺旋管狀通道。因此，在轉(zhuǎn)向器工作時，兩列鋼球只是在各自封閉的“流道”內(nèi)循環(huán)，而不致脫出。 與齒條相嚙合的齒扇，其齒厚是在分度圓上沿齒扇軸線按線性關(guān)系變化的，故為變厚齒扇。只要使齒扇軸相對于齒條作軸向移動，即能調(diào)整兩者的嚙合間隙。調(diào)整螺釘裝在側(cè)蓋上，并用螺母鎖緊。齒扇軸內(nèi)側(cè)端部有切槽，調(diào)整螺釘?shù)膱A柱形端頭即嵌入此切槽中。將調(diào)整螺釘旋入，則嚙合間隙減少；反之，則嚙合間隙增大。 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器在螺桿和螺母之間因為有可以循環(huán)流動的鋼球，將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，因而其正傳動效率很高（可達(dá)90%～95%），故操縱輕便；在結(jié)構(gòu)和工藝上采取措施，可保證有足夠的使用壽命；工作平穩(wěn)可靠；齒條和齒扇之間的間隙調(diào)整工作容易進(jìn)行。但其逆效率高，容易將路面沖擊力傳動轉(zhuǎn)向盤。不過，對于前軸軸載質(zhì)量不大而又經(jīng)常在平坦路面上行使的輕中型載貨汽車而言，這一缺點影響不大；而對于載重量較大的汽車，使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器時，除可以在轉(zhuǎn)向器中增加吸振裝置以減少路面沖擊反力外，往往裝有液力轉(zhuǎn)向加力器。由于循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器在結(jié)構(gòu)上便于與液力轉(zhuǎn)向加力器設(shè)計為一個整體，而液力系統(tǒng)又正可以緩和路面的沖擊，因此，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器得到日益廣泛的應(yīng)用。 循環(huán)球齒條-齒扇式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點：傳動效率高，可達(dá)90%；在結(jié)構(gòu)和工藝上采取措施，包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度和螺桿螺母上的螺旋槽經(jīng)淬火和磨削加工，使之有足夠的硬度和耐磨性能,可保證有足夠的使用壽命；轉(zhuǎn)向器的傳動比可以變化；工作平穩(wěn)可靠；齒條和齒扇之間的間隙調(diào)整工作容易進(jìn)行；適合用來做整體式轉(zhuǎn)向器。 4循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要尺寸參數(shù)的選擇 （1）鋼球中心距D、螺桿外徑D1、 螺母內(nèi)徑D2 尺寸D、D1、D2如圖3-1所示. 鋼球中心距D是基本尺寸, 螺桿外徑D1、螺母內(nèi)徑D2及鋼球直徑d對確定鋼球中心距D的大小有影響，而又對轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)尺寸和強(qiáng)度有影響。在保證足夠的強(qiáng)度條件下,盡可能將D值取小些。選取規(guī)律是隨著扇齒模數(shù)的增大，鋼球中心距也相應(yīng)增加。設(shè)計時先參考同類型汽車的參數(shù)進(jìn)行選取，經(jīng)強(qiáng)度驗算后，再進(jìn)行修正。螺桿外徑D1通常在20～38mm范圍內(nèi)變化,設(shè)計時應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷的不同來選定.螺母內(nèi)徑D2應(yīng)大于D1,一般要求D2- D1=(5%～10%)D. 圖4-1螺桿鋼球螺母傳動副 （2）鋼球直徑d及數(shù)量n 鋼球直徑尺寸d取得大，能提高承載能力，同時螺桿和螺母傳動機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)響器的尺寸也隨之增大。鋼球直徑應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，一般常在7～9mm范圍內(nèi)選用（表4-1）。 增加鋼球數(shù)量n，能提高承載能力，但是鋼球流動性變壞，從而使傳動效率降低。因為鋼球本身有誤差，所以共同參加工作的鋼球數(shù)量并不是全部鋼球數(shù)。經(jīng)驗證明，每個環(huán)路中的鋼球數(shù)以不超過60粒為好。為保證盡可能多的鋼球都承載，應(yīng)分組裝配。每個環(huán)路中的鋼球數(shù)可用下式計算 n= （4-1） 式4-1中，D為鋼球中心距；W為一個環(huán)路中的鋼球工作圈數(shù)；n為不包括環(huán)流導(dǎo)管中的鋼球數(shù)；為螺線導(dǎo)程角，常取 =5o～8o，則cos1。 （3）滾道截面 圖4-2 四段圓弧滾道截面 當(dāng)螺桿和螺母各有兩條圓弧組成，形成四段圓弧滾道截面時,見圖4-2，鋼球與滾道有四點接觸,傳動時軸向間隙最小，可滿足轉(zhuǎn)向盤自由行程小的要求。圖中滾道與鋼球之間的間隙，除用來貯存潤滑油之外，還能貯存磨損雜質(zhì)。為了減少摩擦，螺桿與螺母溝槽的半徑R2應(yīng)大于鋼球半徑，一般取R2=(0.51～0.53)d。 （4）接觸角 鋼球與螺桿滾道接觸點的正壓力方向與螺桿滾道法面軸線間的夾角稱為接觸角,如圖4-2所示。角多取45°,以使軸向力和徑向力分配均勻。 （5）螺距P和螺線導(dǎo)程角 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角,對應(yīng)螺母移動的距離s為 （4-2） 式4-2中,P為螺紋螺距。與此同時,齒扇節(jié)圓轉(zhuǎn)過的弧長等于s,相應(yīng)搖臂轉(zhuǎn)過角,其間關(guān)系可表示如下 （4-3） 式4-3中,r為齒扇節(jié)圓半徑. 聯(lián)立式（4-2）、式（4-3）得,將對求導(dǎo)得循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器角傳動比為 （4-4） 由式（4-4）可知,螺距影響轉(zhuǎn)向器傳動比的值。在螺距不變的條件下,鋼球直徑d越大,圖3-1中的尺寸b越小,要求b=P-d＞2.5mm。螺距一般在12-18mm內(nèi)選取. （6）工作鋼球圈數(shù)W 多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)向器用兩個環(huán)路，而每個環(huán)路的工作鋼球圈數(shù)又與接觸強(qiáng)度有關(guān)：增加工作鋼球圈數(shù)，參加工作的鋼球增多，能降低接觸應(yīng)力，提高承載能力；但鋼球受力不均勻、螺桿增長而使剛度降低。工作鋼球圈數(shù)有1.5和2.5圈兩種。一個環(huán)路的工作鋼球圈數(shù)的選取見表4-1。[7] 表4-1循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要參數(shù) 齒扇模數(shù)m/mm 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 6.5 搖臂軸直徑/mm 22 26 30 32 32 35 38 40 42 45 鋼球中心距/mm 20 23 25 25 28 30 32 35 40 螺桿外徑/mm 20 23 25 25 28 29 34 38 鋼球直徑/mm 5.556 5.556 6.350 6.350 7.144 7.144 8 螺距/mm 7.938 8.731 9.525 9.525 10 10 11 工作圈數(shù) 1.5 5 2.5 2.5 環(huán)流行數(shù) 2 螺母長度/mm 41 45 52 46 47 58 56 59 62 72 78 80 82 齒扇齒數(shù) 3 5 5 齒扇整圓齒數(shù) 12 13 13 13 14 15 齒扇壓力角 22°30′ 27°30′ 切削角 6°30′ 6°30′ 7°30′ 齒扇寬/mm 22 25 25 27 25 28 30 28～32 30 34 38 35 38 5 轉(zhuǎn)向器輸出力矩的確定 為了保證行駛安全,組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。欲驗算轉(zhuǎn)向系零件的強(qiáng)度，需首先確定作用在各零件上的力。影響這些力的主要因素有轉(zhuǎn)向軸的負(fù)荷、路面阻力和輪胎氣壓等。為轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向輪要克服阻力,包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動的阻力、車輪穩(wěn)定阻力、輪胎變形阻力和轉(zhuǎn)向系中的內(nèi)摩擦力等。 精確地計算出這些力是困難的。為此推薦用足夠精確的半經(jīng)驗公式來計算汽車在瀝青或者混凝土路面上行駛時轉(zhuǎn)向器的輸出力矩。 G1=mg=141410=14140N M= G1L／4=14140 ×135／4 =477225N.mm 式中，G1為汽車前軸負(fù)荷，單位是N； M為汽車轉(zhuǎn)向器的輸出力矩，單位是N.mm； m為汽車的前軸負(fù)荷，單位是Kg； g為重力加速度，計算時取g=10N/Kg； L為汽車轉(zhuǎn)向搖臂中心距（轉(zhuǎn)向搖臂大端錐形三角花鍵軸頸中心與轉(zhuǎn)向搖臂小端的球頭銷中心之間的距離），單位是mm。 6 軸的設(shè)計計算及校核 6.1 轉(zhuǎn)向搖臂軸（即齒形齒扇軸）的設(shè)計計算 6.1.1材料的選擇 搖臂軸用20CrMnTi鋼制造，由于前軸負(fù)荷不大，螺紋、三角花鍵和卡簧槽部表面不滲碳，其余表面滲碳層深度在0.8～1.2mm。表面硬度為58～63HRC。 6.1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計 軸結(jié)構(gòu)如圖6-1所示 軸伸出殼體的部分制成錐形漸開線花鍵，并使用螺母緊固，這樣可以保證轉(zhuǎn)向搖臂能緊緊壓靠到軸上，使之聯(lián)結(jié)緊固、無間隙、工作可靠，花鍵的加工工藝與齒輪相同；由于齒扇和齒條在工作時存在摩擦力，工作一段時間后會產(chǎn)生間隙，為使此間隙的調(diào)整工作容易進(jìn)行，故將齒扇設(shè)計成變厚齒扇。 6.1.3軸的設(shè)計計算 （1）漸開線花鍵的設(shè)計計算 花鍵連接常根據(jù)被連接件的特點、尺寸、使用要求和工作條件，確定其類型、尺寸，然后進(jìn)行必要的強(qiáng)度校核計算。 圖6-1轉(zhuǎn)向搖臂軸結(jié)構(gòu)簡圖 本軸的漸開線花鍵可選擇45°花鍵，模數(shù)為m=0.8,齒數(shù)為Z=36，壓力角為45°。 漸開線花鍵幾何尺寸的計算 分度圓直徑D=mZ=0.836=28.8mm; 基圓直徑Db=mZcos45°=0.836×1.414=20.36mm; 周 節(jié)P=m=3.140.8=2.5mm; 內(nèi)花鍵大徑Dei=m(Z+1.2)=0.8(36+1.2)=29.76mm; 外花鍵大徑Dee= m(Z+0.8)= 0.8(36+0.8)=29.44mm; 外花鍵小徑Die= m(Z-1.2) =0.8(36-1.2)=27.84mm； 漸開線花鍵的校核計算 漸開線花鍵連接強(qiáng)度可按擠壓、彎曲和剪切來計算。實踐證明，擠壓強(qiáng)度常是主要的。其計算過程如下： 漸開線花鍵的平均直徑mm; 漸開線花鍵齒的工作高度=m=0.8mm； 漸開線花鍵齒的工作長度=25mm；漸開線花鍵齒的彎曲應(yīng)力 ； 許用彎曲應(yīng)力為 由此可知，漸開線花鍵的設(shè)計滿足要求。 （2）變厚齒形齒扇的計算 變厚齒形齒扇的計算，如圖6-2所示，一般將中間剖面A-A定義為基準(zhǔn)平面。進(jìn)行變厚齒扇計算之前，必須確定的參數(shù)有：變厚齒扇的模數(shù)m，參考表4－1選??；法向壓力角，一般在20°～30°之間；齒頂高系數(shù)X1，一般取0.8或1.0；徑向間隙系數(shù)，取0.2；正圓齒數(shù)，在12～15之間選??；齒扇寬度，一般在22mm～28mm。 表6-1 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器齒扇齒模數(shù) 齒扇齒模數(shù)m/mm 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 6.5 轎 車 排量/mL 500 1000 ～1800 1600 ～ 2000 2000 2000 前軸負(fù)荷/N 3500 ～ 3800 4700 ～ 7350 7000 ～ 9000 8300 ～ 11000 10000 ～11000 貨車和大客車 前軸負(fù)荷/N 3000 ～ 5000 4500 ～ 7500 5500 ～ 18500 7000 ～ 19500 9000 ～ 24000 17000 ～ 37000 23000 ～ 44000 最大轉(zhuǎn)載質(zhì)量/Kg 350 1000 2500 2700 3500 6000 8000 首先根據(jù)汽車的前軸負(fù)荷G1=14140N，查表,選取齒扇的模數(shù)m=5mm。 然后，由變厚齒扇的模數(shù)m=5mm,查4-1表選擇確定轉(zhuǎn)向器的相關(guān)尺寸。 圖6-2 變厚齒形齒扇的計算簡圖 變厚齒扇的幾何尺寸，計算結(jié)果如下： 變厚齒扇的模數(shù)m=5mm; 變厚齒扇的法向壓力角=30°； 整圓齒數(shù)為13；齒扇齒數(shù)為z=5； 變位系數(shù)X1=0.082； 分度圓直徑d=mz=513=65mm; 分度圓齒厚S=/2=3.145/2=7.85mm; 齒頂高 ha= X1m=0.85=4mm; 齒根高 hf=( X1+c)=(0.8+0.25)5=5.25mm; 齒頂圓直徑da=d+2ha=65+24=73mm; 齒扇的結(jié)構(gòu)設(shè)計 由于齒扇的齒頂圓直徑da=73mm<500mm，因此可采用鍛造毛坯；又齒扇的齒根圓直徑df=d-2hf=65-25.25=54.75mm，而齒扇的軸徑為32mm,二者相差不大，故可制成一體的齒輪軸，軸的材料必須與齒扇齒輪相同。 5）齒扇齒的應(yīng)力校核 齒扇齒的受力情況如圖6-3所示。 圖6-3 齒扇齒的受力簡圖 作用在齒扇上的圓周力Fa===14683.85N; （6－1） 齒扇的齒高h(yuǎn)=ha+hf=4+5.25=9.25mm; 則齒扇齒的彎曲應(yīng)力w== （6－2） =508.65N/mm[w]=540 N/mm; 上式中，[w]為許用彎曲應(yīng)力，[w]= 540 N/mm。 由此可知，齒形齒扇的設(shè)計能夠滿足設(shè)計要求。 6.2 螺桿軸設(shè)計計算及主要零件的校核 6.2.1材料選擇 螺桿軸用20CrMnTi鋼制造，熱處理鋼球滾道處滲碳層深度在0.8～1.2mm，表面淬火HRC 58～63。20軸徑硬度HRC40，漸開線花鍵處不滲碳。 6.2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計 軸的結(jié)構(gòu)如圖所示 圖6-4 螺桿軸結(jié)構(gòu)簡圖 考慮軸向固定，內(nèi)側(cè)采用軸肩，又考慮角接觸球軸承的標(biāo)準(zhǔn)，故左右軸徑均取d=20mm；左端軸徑長度為14mm，比軸承寬度小4mm，以便將軸承可靠地固定在轉(zhuǎn)向螺桿軸上；為使汽車轉(zhuǎn)向螺桿軸中心與轉(zhuǎn)向萬節(jié)的中心能保持高度一致，二者的連接采用漸開線花鍵連接，花鍵的加工工藝與齒輪相同；為減少螺桿和螺母之間的摩擦，提高傳動效率，在螺桿和螺母的滾道之間放置適量的鋼球；為防止鋼球沿滾道滾出，在螺母上設(shè)有鋼球返回裝置，使鋼球通過此裝置自動返回入口處，從而形成循環(huán)回路。[5] 6.2.3軸的設(shè)計計算 （1）首先由變厚齒扇齒模數(shù)m=5.0mm，查表4-1確定轉(zhuǎn)向螺桿軸的相關(guān)參數(shù)，相關(guān)參數(shù)如下： 鋼球中心距D=32mm; 螺桿外徑D1=29mm; 鋼球直徑d=7.144mm; 螺距P=10mm; 工作圈數(shù)2.5； 環(huán)流行數(shù)2； 螺母長度L=56mm; 齒扇齒數(shù)Z=5; 齒扇整圓齒數(shù)Z’=13； 齒扇壓力角=27o30′；齒扇寬26mm； （2）其他參數(shù)的設(shè)計計算： 螺母內(nèi)徑D2=D+(5% 到10%)D1=32+(5% 到10%)×29=33.5到34.9mm; 圓整后取D2=34.2mm; 每個環(huán)路中的鋼球數(shù); （6－3） 圓整后取n=32; 滾道截面半徑mm; （6－4） 圓整后取R2=4mm; 接觸角選擇=45o； 當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)過5角(即2.5圈)時，齒扇節(jié)圓應(yīng)轉(zhuǎn)過的弧長等于對應(yīng)螺母在螺桿上移動的距離S,此時，搖臂軸轉(zhuǎn)過0.25角，與此同時，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)至最大轉(zhuǎn)角，則 ==51mm; （6－5） 則螺桿螺紋滾道的有效工作長度L’等于螺母在螺桿上移動的距離的2倍，即L’=2S=2×51mm=102mm; 在此條件下，應(yīng)盡量縮短滾道長度。但為安全計，在有效工作長度L’之外的兩端各增加0.5-0.75圈滾道長度。 因此，螺桿螺紋滾道的實際有效工作長度L L=L’+2(0.5到0.75)d=102+2×(0.5～0.75)×7.144=109.44～112.716mm; 又螺桿螺紋滾道的有效工作長度距兩端面距離5.5mm，即螺桿螺紋滾道的實際有效工作長度 L L’+25.5=102+25.5=113mm； 圓整后取L=112mm； 螺桿螺線導(dǎo)程角則,則 = = =5.68o; （6－6） 6.2.4鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力校核 螺桿受力 作用在螺桿上的軸向力F2 （6－7） 上式中d為變厚齒扇的分度圓直徑； 鋼球與螺桿之間的正壓力F3 F3= （6－8） 上式中n為參與工作的鋼球數(shù)；為接觸角，=45o； 螺桿受力簡圖 則 可見接近于0.1，根據(jù)查取K=0.970; （6－9） 表6-2 系數(shù)K與的關(guān)系 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 K 0.388 0.400 0.410 0.440 0.46