郑州工业应用技术学院毕业设计说明书 轿车转向系统设计（循环球式转向器）
第1章 绪论
1.1背景
转向器按结构形式可分为多种类型。目前较常用的有齿轮齿条类型的、蜗杆曲柄指销类型的、循环球-齿条齿扇类型的、循环球曲柄指销类型的、蜗杆滚轮类型的等。循环球类型的转向器与齿轮齿条类型的转向器，它们已是目前最主要的两种转向器；而蜗轮-蜗杆类型的转向器与蜗杆销类型的转向器正在慢慢的被淘汰[1]。当前，汽车工业成为中国经济发展的支柱产业之一，汽车企业对各系统部件的设计需求旺盛。其中，转向系统是汽车的一个重要组成部分，它直接影响汽车的操控性和安全性。汽车在行驶过程中，需按照驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓汽车转向。用来改变或保持汽车行驶方向的专设机构称为汽车转向系统，汽车转向系统的功用就是保证汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶，并在受到路面传来的偶然冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶。因此，转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性和安全性[2]。 1.2本文研究意义
循环球式转向器主要由螺杆、钢球、螺母和转向器壳体等组成，具有较高的传动效率，操纵轻便，磨损较小，使用寿命长，循环球式转向器在世界范围内得到广泛的应用和较快的发展。轿车转向系统对汽车行驶稳定性和安全性有重要的影响，因此使汽车有较好的稳定性和安全性很重要。根据现有的国家标准，并按照汽车设计的原则设计一款循环球转向器。完成装配图和零件图的平面绘制，使其能够满足现代商用车的国家标准要求。
本文通过对一款转向系统的设计，使其能够满足轿车转向的需要，并为今后拓展应用领域奠定理论设计基础。并且通过这次的绘图更提高了自身的画图能力，以及对转向系统各部分构件的认识，为以后从事汽车转向行业奠定了基础。 1.3循环球式转向器国内外研究现状
国外：在国外循环球类型的转向器实现了比较专业化的生产，最主要的是设专业厂，以及进行多次的试验与研究，产量与质量都有极大的提高。生产循环球类型的转向器的日本“精工”(NSK)公司，在日本以较低的成本低、优越的质量、极大的产量，很快的占领了日本的市场，逐步的向全世界销售。德国ZF公司同样作为生产转向器闻名于世[3]。它从1948年从事生产ZF类型的转向器，每年生产各种类型的转向器200多万台。另外，还有其它比较大的转向器生产厂，如美国德尔福公司SAGINAW分部；
1
郑州工业应用技术学院毕业设计说明书 轿车转向系统设计（循环球式转向器）
英国BURMAN公司都是比较有名的专业厂家，都有很大的产量和销售面。专业化生产已成为一种趋势，只有走这条道路，才能使产品质量高、产量大、成本低，在市场上有竞争力。
动力转向系统的应用日益广泛，不仅在重型汽车上必须装备，在高级轿车上应用的也较多，在中型汽车上的应用也逐渐推广 [4]。主要是从减轻驾驶员疲劳，提高操纵轻便性和稳定性出发。虽然带来成本较高和结构复杂等问题，但由于优点明显，还是得到很快的发展[5]。
国内：国内已生产的循环球式转向器，无论是机械的还是动力的，多为循环球齿条-齿扇结构[6]。国内的设计水平基本达到国际水平，但由于加工设备的差别，机械效率还不够理想。大量的实验证明，国内外螺纹磨床加工的螺杆-螺母副，可保证使转向机的机械效率达到70%以上；进口的内外螺纹磨床加工的螺杆-螺母副，则可使转向器的机械效率达到75%以上；而国外循环球式转向器的机械效率则已达75-90%。
目前国内引进了西方新型动力转向器。但引进的滑阀式动力转向器与近期国外发展的转阀式动力转向器相比，结构复杂，零件数目多，调整较繁。目前国内已在研制和仿造这种新型转阀式动力转向器，并已研制成功[7]。 1.4本文研究的内容
本文从转向系统的类型及发展现状上进行分析，对循环球式转向器进行研究。了解转向系统结构组成部分及其工作原理，通过文献调查法收集资料，整理文献和所学知识的积累，经过调查实地测量数据，初步制定出转向系设计方案。首先对循环球式转向器的尺寸参数及性能参数进行选择，初步确定循环球式转向器的尺寸；其次为了满足工作强度的和使用经济性的需要，对主要的构件进行强度校核，确定循环球式转向器的尺寸。最后再对转向传动机构以及转向操纵机构的设计。在对循环球式转向器的设计和研究的过程，发现循环球式转向器在发展中所存在的问题，并对这问题制定解决措施，然后绘制出总装图和零件图，最后撰写设计说明书。
设计的内容如下： 第一章 绪论
第二章 汽车转向系统的概述 第三章 转向系设计选择 第四章 循环球式转向器的设计 第五章 转向传动机构设计 第六章 转向操纵机构尺寸设计 第七章 结论
2
郑州工业应用技术学院毕业设计说明书 轿车转向系统设计（循环球式转向器）
第2章 汽车转向系统的概述
2.1汽车转向系统的类型与组成 2.1.1机械式转向系
机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分构成机械转向系[8]。
如图2.1.1所示为机械转向系的组成和布置示意图。当汽车转向时，驾驶员对转向盘1施加一个转向力矩。该力矩通过转向轴2、转向万向节3和转向传动轴4输入转向器5。经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向摇臂6，再经过转向直拉杆7传给固定于左转向节9 上的转向节臂8，使左转向节和它所支承的左转向轮偏转。为使右转向节13及其支承的右转向轮随之偏转相应角度，还设置了转向梯形。转向梯形由固定在左、右转向节上的梯形臂10、12和两端与梯形臂作球铰链连接的转向横拉杆11组成。
从转向盘到转向传动轴这一系列部件和零件属于转向操纵机构。由转向摇臂至转向梯形这一系列部件和零件（不含转向节）均属于转向传动机构。
图2.1.1 机械转向系统的组成和布置示意图
1-转向盘2-转向轴3-转向万向节4-转向传动轴5-转向器6-转向摇臂7-转向直拉杆8-转向
节臂9-左转向节10、12-梯形臂11-转向横拉杆13-右转向节
2.1.2动力转向器转向系
动力转向系统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动力转向装置提供的。但在动力转向装置失去作用时，一般驾驶员还可以独立实现转向。所以，以机械转向系为基础并增加一套动力转向装置就形成动力转向系[9]。
对重型汽车的总质量高于50T而言，如果动力转向装置不工作，驾驶员对转向节的力不能使转向轮偏转而实现转向。因此动力转向装置对这种类型的汽车应该特别可
3
郑州工业应用技术学院毕业设计说明书 轿车转向系统设计（循环球式转向器）
靠[10]。
如图2.1.2为一种液压动力转向系的组成和液压动力转向装置的管路布置示意图。其中属于动力转向装置的部件是：转向油罐9、转向油泵10、转向控制阀5和转向动力缸12。当驾驶员逆时针转动转向盘1（左转向）时，转向摇臂7带动转向直拉杆6 前移。直拉杆的拉力作用于转向节臂4，并依次传到梯形臂3和转向横拉杆11，使之右移。与此同时，转向直拉杆还带动转向控制阀5中的滑阀，使转向动力缸12的右腔接通液面压力为零的转向油罐。 油泵10的高压油进入转向动力缸的左腔，于是转向动力缸的活塞上受到向右的液压作用力便经推杆施加在横拉杆11上，也使之右移。这样，驾驶员施于转向盘上很小的转向力矩，便可克服地面作用于转向轮上的转向阻力矩[11]。
图2.1.2液压动力转向系统的组成示意图
1-转向盘2-转向轴3-梯形臂4-转向节臂5-转向控制阀6-转向直拉杆7-转向摇臂8-机械转向器
9-转向油罐10-转向液压泵11-转向横拉杆12-转向动力缸
2.2循环球式转向器的概述 2.2.1循环球式转向器的结构
循环球式转向器由两级传动副、壳体、钢球和间隙调整装置等组成。第一级传动副是螺杆—螺母传动副，第二级是齿条—齿扇传动副[12]。
一级传动副是转向螺杆(steering screw)和转向螺母(steering nut)，转向螺杆与转向轴连接；另一级传动副是齿条(rack)和齿扇(sector)，在转向螺母下平面上加工成齿条，齿扇与齿扇轴形成一体。转向螺母既是第一级传动副的从动件，又是第二级传动副的主动件。为了减少转向螺杆与转向螺母之间的摩擦与磨损，二者的螺纹不
4
郑州工业应用技术学院毕业设计说明书 轿车转向系统设计（循环球式转向器）
直接接触，而是做成内外滚道，滚道中间装有两组钢球，以实现滚动摩擦。转向螺母上装有两个钢球导管，钢球导管内装满了钢球，钢球导管与滚道连通，形成两条独立的供钢球循环滚动的封闭通道[13]。 2.2.2循环球式转向器工作原理
如图2.2.2当转向盘转动时，转向轴带动转向螺杆旋转，通过钢球将力传给转向螺母，使得转向螺母沿轴向移动，钢球则在钢球导管与滚道通道内循环滚动；通过螺母上的齿条带动齿扇及轴转动，进而带动转向摇臂摆动，通过其他转向传动装置的传动，实现车轮的偏转。如果将齿条的齿顶面制成鼓形弧面，齿扇上的每一个齿的节圆半径也相应变化，使得中间齿节圆半径小，两端齿节圆半径大，便可得到变传动比的转向器，这样操纵省力，转向轻便[14]。
图2.2.2转向螺母、螺杆
5