向器的螺母、螺母滚道的加工精度，直接关系到转向盘的自由行程和转动力矩，钢球应该能保证在螺杆和螺母45°圆弧角上运行，运行轨迹越窄，转向越轻。加工第一个螺杆和螺母后，必须对其滚道尺寸进行精密测量，根据测量结果选择合适的钢球，螺杆、螺母滚道与循环球的间隙应控制在0.02mm以内。
转向螺杆支撑轴承分为向心球轴承和圆锥滚子轴承，其中向心球轴承转向较轻，进口转向器均采用这类轴承。选用向心球轴承必须保证上下轴承盖的同轴度误差小于0.1mm，如果向心球轴承上、下轴承盖同轴度误差过大，使用中可能会使相对比较单薄的转向器上盖破裂，导致转向失效，极易引发交通事故[3]。国内加工精度较一般的转向器厂通常选用圆锥滚子轴承，该轴承虽比向心球轴承滚动阻力大，但对上下轴承盖的同轴度误差要求略微宽松。螺杆支承轴承预紧力的调整，分为调整垫和调整螺母两种。采用调整垫调整时，必须使用钢制调整垫。垫与垫之间必须抹密封胶，防止油的泄露，预紧力调整到轴向间隙小于0.05mm，旋转起来十分轻松即为合适。
转向盘的自由行程即为转向盘的自由转动量，它是指汽车在直线位置上转向盘的空行程，即转向盘转动，而转向轮无转动的过程。转向盘的自由行程是整个转向系统综合间隙在转向盘上的反应，其间隙主要是指转向器齿条和齿扇之间的啮合间隙。手动齿扇转向器为5个齿，动力转向器齿扇为3个齿。调整其自由行程时，应将齿扇中央点（齿扇中间的齿）对准齿条，此时齿扇和齿条之间的啮合间隙为最小，在此点（即汽车在直线行驶的位置上）处调整自由行程。通常情况下，转向盘自由行程调整的越小越好。进口汽车循环球式转向器转向盘自由行程通常不超过10°，以轿车为例，转向盘自由行程应该控制在37mm之内。国产轻型汽车转向盘自由行程通常规定不得超过15°，即左右个7.5°，转向盘自由行程应该在54mm之内。中型汽车转向盘自由行程通常规定不得超过20°，即左右各10°转向盘自由行程应该在80mm之内（中型汽车的转向盘直径大）[4]。如果转向盘自由行程较大时，转向器较轻，但调整到规定的行程时，转向器明显变重，说明螺母、螺杆滚道加工精度不够。转向盘保持适当的自由行程可以使操纵柔和，减小转向机构的冲击载荷。但自由行程必须适当，过大则影响转向操纵的灵敏度，过小使转向机构吃力。在汽车运行的过程中，尤其是在一些路面质量较差的路段行驶时，转向机构受冲击载荷频繁，致使转向机构各结合部位极易磨损，齿条和齿扇之间的啮合间隙增大，转向直拉杆上球头销和球头座磨损增大，转向盘自由行程也势必增大，影响操纵灵敏度。因此必须定期对方向盘自由行程进行检查和调整。在进行转向盘自由行程检查调整时，一般先调整转向螺杆的轴承预紧度，转向盘应无明显的轴向窜动，否则可用增减垫片来调整；齿条和扇形齿轮的啮合间隙的调整用拧动调整螺钉来调整。
1.3 研究的目的及意义
本次毕业设计主要是针对汽车循环球式转向器，根据一些指定的参数，并且结合《汽车设计》和其他相关书籍中关于转向器的理论知识设计一款循环球式转向器，确定其相关参数，使设计出的转向器符合使用要求。另外，也是通过本次毕业设计，熟悉掌握设计步骤与理念，为以后在专业领域的发展奠定坚实的基础。
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1.4 研究内容和设计方法
研究内容：
（1）调研收集课题相关资料，结合毕业设计课题进行必要的文献检索，查阅、归纳、整理相关资料；
（2）深入学习并掌握汽车设计、汽车构造等专业知识，了解循环球式转向器设计的指导思想和设计原则；
（3）掌握汽车设计的方法和步骤，参考相关资料、标准和手册，对各零部件进行选型。计算、校核等；
(4) 计算循环球式转向器的主要参数，并对其重要部件进行强度校核，确定相关参数、材料以及装配要求。绘制循环球式转向器的三维模型，按照标准和生产工艺要求，绘制汽车转向器总装配图和主要零件图。 设计方法：根据设计中已知参数并结合已学的理论知识，分析并计算得到循环球式转向器的基本结构参数，然后利用相关经验公式对转向器的重要部件进行强度校核，校核的结果不符合国家相关要求则需要重新计算，当结果满足要求的时候，可确定其相关几何尺寸并完成图纸的绘制，结束本论文的设计工作。
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第2章 转向器的设计
2.1 转向器的组成与分类
汽车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓汽车转向。就
轮式汽车而言，实现汽车转向的方法是，驾驶员通过一套专设的机构，使汽车转向桥上的车轮相对于汽车纵轴线偏转一定角度。在汽车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向。此时，驾驶员也可利用这套机构使转向轮向相反方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。这一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，即称为汽车转向系统。转向系即是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。
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。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、转向器、转向传动机构三大部分组成[5]。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，因此也离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐。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，在司机撞到转向盘上时，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”，操作感良好，但同时也容易受到转向盘的反弹的影响，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[6]。当汽车转向时，驾驶员对转向力矩。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，均属于转向传动机构。 对转向系提出的要求有：
（1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。 （2）汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶。
（3）汽车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自振，转向盘没有摆动。
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（4）转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小。
（5）保证汽车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。 （6）操纵轻便。
（7）转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小。
（8）转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。 （9）在车祸中，当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。
（10）进行运动校核。保证转向轮与转向盘转动方向一致。 正确设计转向梯形机构，可以使第一项要求得到保证。转向系中设置有转向减震器时，能够防止转向轮产生自振，同时又能使传到转向盘上的反冲力明显降低。要求M1类汽车以50km/h的车速，M2、M3、N1、N2、N3类汽车以40km/h的车速沿曲线半径为50m的弯道的切线方向驶离时，转向盘不得有异常振动。为了使汽车具有良好的机动性能，必须使转向轮有尽可能大的转角，并要达到按前外车轮轨迹计算，其最小转弯半径大小能达到汽车轴距的2~2.5倍[7]。通常用转向时驾驶员作用在转向盘上的手力大小和转向盘转动圈数多少两项指标来评价操纵轻便性。当汽车以10km/h的车速从直线进入转弯半径为12m的弯道上行驶时，作用到转向盘上的最大手力对M1、M2类汽车为150N，对M3、N1类汽车为200N，对N2、N3类汽车为245N。乘用车转向盘从中间位置转到每一端的圈数不得超过2.0圈，货车则要求不超过3.0圈。
2.2 循环球式转向器方案分析
循环球式转向器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组成。
图2-1 循环球式转向器示意图
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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；适合用来作整体式动力转向器[8]。循环球式转向器的主要缺点是：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。循环球式转向器主要用于商用车上。循环球式转向器同样分为机械式的和助力似的，本文主要是设计一款机械式循环球式转向器。
转向器由螺杆、螺母、钢球、导管、摇臂轴、壳体、侧盖及上下盖等主要零件组成。如图2-1所示，螺杆螺母支承在壳体两端的上下盖轴承中。螺母下方切制成齿距相等的齿条，它与摇臂轴上的变厚齿扇相啮合，摇臂轴的轴颈支承在壳体及侧盖的滚针轴承中。转动螺杆时，通过钢球使螺母沿轴线移动，螺母齿条与摇臂轴齿扇的啮合，使摇臂轴往复摆动。螺杆轴承的预紧负荷，可通过增加或减少上盖处的调整垫片，达到转动螺杆所要求的预紧扭矩。齿条与齿扇的啮合可通过调整侧盖处的调整螺钉，使处在中间位置时无啮合间隙，转动螺杆时的扭矩应在规定范围内。转向器总成通过通过螺杆上的渐开线花键与转向轴相联接，转向器与转向盘间有两个（或一个)十字轴万向节。螺杆与螺母具有与钢球精密配合的螺纹滚道，其法向断面由双圆弧构成，其优点是消除螺杆与螺母的相对位移，减小转向盘的自由行程；在低负荷时，滚道与钢球为点接触，负荷较大时为局部接触，从而提高转向器的效率；钢球与滚道间的间隙可储存杂物，减少磨损，提高寿命。为减少钢球与滚道的接触应力，采用高精度钢球，分组装配，使螺杆与螺母的间隙控制在允许的范围内。
2.3 转向器主要性能参数
表1 原始参数
名称 角传动比 最大工作压力 前桥负荷（G1） 理论最大输出力矩 旋向 输出摆角 齿扇模数 参数 20.25 12.9MPa 2~3T 1665N 右旋 ?45? 6
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