汽车循环球式转向器设计
摘要
循环球式转向器是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总成。循环球式转向器的优点是：在螺杆与螺母之间因为有可以循环流动的钢球，将滑动摩擦转变为滚动摩擦，因而传动效率可达到75%~85%；在结构和工艺上采取措施后，包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度，螺杆和螺母上的螺旋槽经淬火和磨削加工，使之有足够的硬度和耐磨损性能，可保证有足够的使用寿命；转向器的传动比可以变化；工作平稳可靠；齿条和齿扇之间的间隙调整工作容易进行；适合来做整体式动力转向器。
本文的主要内容即是设计一款机械式循环球式转向器。通过查阅相关文献资料，进行循环球式转向器的尺寸的设计计算与强度校核，然后进行循环球式转向器的三维CATIA建模，最后绘制转向器的二维装配图及其重要零件的零件图。
关键词：循环球式转向器；三维建模；螺杆螺母传动副
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Circulating Ball Type Steering of the Vehicle
Design
Abstract
Circulating ball type steering gear is formed by the screw and nut of the spiral groove ball inside the transmission, vice, and the nut on the rack and constitute of the rocker arm shaft gear fan drive assembly.The advantage of circulating ball type steering gear :Between the screw and nut because of circulating ball,change the sliding friction to rolling friction,so transmission efficiency can reach 75% ~ 85%;On the structure and process measures,including improve the manufacturing accuracy, and improve the surface roughness of the work surface,the spiral groove on the screw and nut for quenching and grinding.Make it has enough hardness and wear resistance, to ensure adequate service life;Steering gear ratio can change;Stable and reliable;Rack and gear clearance between fan adjustment work easily;Suitable for integrated power steering.
The main content of this title is to design a mechanical circulating ball type steering gear.Through consulting relevant literature,to design and calculation of the size of the circulating ball type steering gear and strength check.Then the circulating ball type steering gear three-dimensional modeling using CATIA.Finally draw the redirector assembly drawing and part drawing of important parts.
Key words: Circulating ball type steering gear;3 d modeling;The screw and nut combination
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目录
摘要................................................................................ 1 Abstract ............................................................................ 1 第1章 绪论 ...................................................................... 1
1.1 课题背景 ................................................................. 1
1.2 国内外研究现状 ........................................................... 2 1.3 研究的目的及意义 ......................................................... 3 1.4 研究内容和设计方法 ....................................................... 4 第2章 转向器的设计 .............................................................. 5
2.1 转向器的组成与分类 ....................................................... 5 2.2 循环球式转向器方案分析 ................................................... 6 2.3 转向器主要性能参数 ....................................................... 7
2.3.1 转向器的效率 ....................................................... 8 2.3.2 传动比的变化特性 ................................................... 9 2.3.3 转向器传动副的传动间隙?t ......................................... 12 2.4 循环球式转向器设计与计算 ................................................ 13
2.4.1 转向器计算载荷的确定 .............................................. 13
2.4.2 循环球式转向器主要尺寸参数的确定 .................................. 13 2.4.3 零件的强度校核 .................................................... 20
第3章 基于CATIA的三维造型 ..................................................... 23 3.1 CATIA简介 .............................................................. 23
3.2 循环球式转向器的三维建模 ................................................ 23
3.2.1 转向螺杆的建模 .................................................... 23 3.2.2 转向器的装配设计 .................................................. 24 总结............................................................................... 27
致谢............................................................................... 28 参考文献 ........................................................................... 29 附件一............................................................................. 31 附件二 .......................................................................... 34
1 I
第1章 绪论
1.1 课题背景
21世纪的开局十年，既是我国改革开放经济高速增长的十年，也是我国的汽车工业快速发展的十年。2009年，我国汽车工业产销量突破1000万量大关，跃居世界第一位。在这样的大环境下，汽车零部件也得到了飞速的发展。汽车零部件行业是汽车工业发展的基础，其带动的产业很多，比如上游的钢材、有色金属、石油、橡胶及其他的材料行业，还有处于下游的整车装配行业和汽车的服务维修行业。随着我国整车消费市场和汽车保有量的大幅提升，不仅仅吸引了国外的汽车品牌来中国合资建厂，同时许多的国际知名汽车零部件厂商也把目光聚焦在了中国这片市场上，包括电装、博世、马勒、博泽、法雷奥等等。当然国内也成长起来一大批汽车配套零部件企业。
全球汽车行业的整车厂和零部件厂关系大体分为三种模式，一是以欧美为代表的平行发展模式，即零部件企业完全与整车厂是相互独立的，零部件企业通过自由竞争来赢取市场，获得发展；二是以日韩为代表的塔式模式，整车企业与零部件企业之间是利益共同体的关系，两种企业之间的合作关系很深，相互依存，共同发展；三是中国计划经济时代的模式，即零部件厂附属于整车厂，比如一汽，东风这些国有企业。目前在国内仍有部分企业采取这种模式。然而随着国际化浪潮的不断推进，经济全球化已经成为世界经济发展的主流趋势，这种整车厂和零部件企业的关系也在不断地丰富和变换着。现在欧美企业也越来越强调整车企业和零部件企业共同合作的关系；而在一些日韩的汽车企业当中，也有全球化采购零部件的倾向。如今，整车厂对零部件厂提出越来越高的要求，零部件企业已经不是传统的意义上的单纯的零部件供应商，二是能够给整车厂提供系统的解决方案的供应商。也就是说，在整车厂研发设计产品阶段会对各个总成零部件提出限定和要求，或者在产品的研发过程中产生问题的时候，这时候都要求零部件供应商来协作，提供配套的解决方案。这就对零部件企业提出了更高的要求，比如要有很强的创新能力和设计经验等。基于这样的趋势，零部件企业要想获得更好的发展，就必须在前沿技术开发的早期，就与整车厂进行紧密的合作，共同发展，合作共赢。从长远的眼光看，这种模式下的整车厂和零部件企业之间是共创未来的关系，为整车厂和零部件企业创造了和谐发展的环境和广阔空间。
经过多年的努力发展，国有品牌零部件质量有了很大的提高，但是整体的质量水平与外资企业相比还是有一定的差距的，尤其是在产品的一致性和可靠性方面还有很多需要尽快提升的。当然，这也是有原因的。由于部分国内零部件企业仍然处在粗放式的生产管理方式阶段，缺少对工艺系统的研究与持续改进，过程控制能力不足，产品质量不稳定，很难形成高质量的产品，这样在市场的竞争方面就很难形成优势。产品的技术实力是企业参与市场竞争的核心要素，国外的零部件企业的来源于不断地研发投入和持续的技术创新。而反观国内，由于起步比较晚，国内零部件企业在这一方面仍有欠缺。目前，国内的零部件供应商大多采用“来图加工”的模式，即整车厂商将产品数据及图样提供给零部件供应商，后者按照图样进行生产加工制造。多数企业没有完全掌握核心技术，产品市场多面向中低端，高端产品较少。尤其是在涉及动力系统、油耗、排放、安全等电控零部件方面技术落后，部分领域甚至处于空白。可以说，汽车零部件产业的发
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展水平直接影响着我国汽车工业的未来，因此，加强零部件的设计，提高其质量和技术水平便显得尤为重要。
转向器是转向系统中的重要组成的部件，对其进行深入的研究意义重大。而循环球式转向器由于具有较高的传动效率，磨损较小，使用寿命长，近年来得到了广泛的应用。
1.2 国内外研究现状
随着国内汽车行业的发展，作为汽车关键部件之一的转向器也得到了相应的发展，基本上形成了专业化、系列化的生产局面。汽车转向器的结构很多，但从目前的使用的普遍程度来看，主要有四种类型：循环球式、齿轮齿条式、蜗杆滚轮式、蜗杆销式[1]。而且齿轮齿条式转向器和循环球式转向器也是应用最广泛的两种转向器。汽车车速的不断提高，需要在高速时有更加良好的转向稳定性，这就要求转向器具有较高的刚度。循环球式转向器由于通过钢球的滚动来传递转向力，具有较高的强度，并且该转向器可以被设计成具有等强度结构，适用于高速车辆。当齿条齿扇传动副产生磨损后，可以重新调整间隙，使其保持合适的传动间隙，从而减少振动，提高转向器寿命。
目前，汽车上广泛采用循环球式转向器。在循环球式转向器的设计过程中，主要包括齿轮齿条传动副，螺杆螺母传动副以及导球机构的设计。所谓导球机构，是指将螺杆螺母之间的滚球，经导向管组成首尾相接的循环线路的装置。这装置包括螺母螺杆，滚球及导管。正确设计的导球机构，可保证在不发生任何干涉且阻力较小的情况下，引导滚球在该机构中顺利流通。相反，如设计不合理，就可能产生过大的阻力，使传动效率降低，甚至会发生几何干涉，使导管损坏。目前设计导球机构的方法，，一般是参照现有结构选择几何参数，试制出样品以后再根据滚球流通情况进行修正。
螺母滚球与螺杆组成行星机构，滚球相当于行星轮。当螺母不动而螺杆旋转时，滚球一方面绕自身的中心自转，同时又绕螺杆的中心公转。滚球公转时，其球心的运动轨迹是一条螺旋线。螺母上如装有导管，导管阻止滚球沿滚道运动，使其改变方向而沿导管运动。滚球由沿螺旋运动改为由导管运动时，会使运动阻力增加。如果设计不当，则会发生运动干涉现象。如何使滚球运动通畅，关键问题是设计合理的几何尺寸。影响滚球运动通畅的主要几何因素为滚道截面形状，螺旋导程角，导管的布置，滚球直径以及螺母，螺杆传动副的尺寸。螺母的螺旋槽与螺杆的螺旋槽形成滚球的运动轨道，或称为滚道。假定滚道与滚球间没有间隙，在滚道上任意位置的滚球，有的运动为沿该点螺旋线切线方向的移动及绕滚球本身球心的转动[2]。导管的作用即是限制其螺旋线上的运动而引导其沿导管运动。导管限制滚球沿螺旋线运动而引导其沿导管运动特性，称为导管导球特性。滚球的运动，可用其球心的运动轨迹来描述，导管导球特性即为描述滚球球心轨迹的方程式或曲线。导管在钢球旋转中起着至关重要的作用，故在设计制造时应给予充分重视。试验证明，转向器的可靠性主要取决于导管的设计和制造质量。导管进出孔与钢球的间隙一般为0.8mm左右，这是为了补偿螺母导管孔与滚道间的偏移误差，以及导管本身的形状与尺寸误差。为减少钢球在导管中排列不规则而引起的流通阻力，推荐导管采用变截面，缩小二导管孔之间的断面尺寸，使之与钢球之间的间隙控制在0.2~0.4mm为宜。
循环球式转向器是汽车转向器中唯一采用滚动摩擦和二级转速的转向器，目前国内外所有后轮驱动，以及以后轮驱动主驱动装置的四轮驱动汽车中的手动转向器和动力转向器普遍采用循环球式，由于采用滚动摩擦，其加工精度高于其他转向器。循环球式转
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