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3章 转向系设计选择
3.1对转向系的要求
转向系是用来保持和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[15]。对转向系的主要设计如下：
1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转。 2）转向轮具有自动回正能力。
3）在行驶状态下，转向轮不得产生自振，转向盘没有摆动。
4）转向传动机构和悬架导向装置产生的运动不协调，应使车轮产生的摆动最小。 5）转向灵敏，最小转弯直径小、操纵轻便。 6）转向轮传给转向盘的反冲力要尽可能小。 7）转向器和转向传动机构中应有间隙调整机构。 8）转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。 9）转向盘转动方向与汽车行驶方向的改变相一致。
正确设计转向梯形机构，可以保证汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转。
转向轮的自动回正能力决定于转向轮的定位参数和转向器逆效率的大小.合理确定转向轮的定位参数，正确选择转向器的形式，可以保证汽车具有良好的自动回正能力。
转向系中设置有转向减振器时，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。
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，其最小转弯半径能达到汽车轴距的2～2.5倍。
转向操纵的轻便性通常用转向时驾驶员作用在转向盘上的切向力大小和转向盘转动圈数多少两项指标来评价。
轿车转向盘从中间位置转到第一端的圈数不得超过2.0圈[16]。 3.2转向器的结构方案选择
根据所采用的转向传动副的不同，机械转向器的机构形式有多种。常见的有齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等。
1. 齿轮齿条式
齿轮齿条式转向器由与转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。齿轮齿条类型的转向器的主要优点是：结构比较简单、空间紧凑布置方
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便；质量比较小，刚性较大；转向灵敏，传动效率比较高；没有转向摇臂和直拉杆，所以转向轮转角可以增大；制造成本低。
齿轮齿条类型转向器的不足是：逆效率高，汽车在不平路面上行驶时，发生转向轮与路面之间冲击力的大部分能传至转向盘。反冲现象会使驾驶员精神紧张，并难以控制汽车行驶方向，转向盘突然转动又会造成打手。同时对驾驶员造成伤害[17]。
2. 循环球式
循环球类型的转向器有两种结构形式，即常见的循环球-齿条齿扇式和循环球-曲柄销式。循环球类型的转向器的主要优点是：传动效率高，操纵轻便，使用寿命长；转向器的传动比可变；工作比较平稳、可靠；齿条和齿扇的间隙容易调整。循环球式转向器的不足是：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度比较高等[18]。
3．蜗杆滚轮式
蜗杆滚轮类型的转向器的传动副是球面蜗杆及滚轮。其主要的优点是：结构简单；制造容易；因为滚轮的齿面和球面蜗杆上的螺纹呈面接触，所以有比较高的强度，工作可靠，磨损小寿命长；逆效率低。
蜗杆滚轮式转向器的主要缺点是：正效率低；工作齿面磨损以后，调整啮合间隙比较困难；转向器的传动比不能改变[19]。
4．蜗杆指销式
蜗杆指销式转向器的传动副是转向蜗杆及装在摇臂轴曲柄端部的指销。根据指销能否自转，可分为固定销式和旋转式。其主要优点是：转向器的传动比可以分为可变的和不可变的；指销和蜗杆之间的工作面磨擦后，调整间隙工作容易进行。固定指销蜗杆指销式转向器的结构简单、制造容易；但因销不能自转，指销的工作部位基本不变，所以摩擦较快、工作效率低。旋转销转向器的效率高、磨损小，但结构复杂[20]。
循环球类型的转向器在结构和工艺上采取措施后，制造精度有很大的提高，工作表面的粗糙度有所改善，淬火和磨削加工螺杆和螺母上的螺旋槽，让螺旋槽有足够的硬度和比较好的耐磨损性能，因此使之有足够的使用寿命。循环球类型的转向器传动效率较高，操纵轻便，使用寿命长；转向器的传动比可变；工作比较平稳、可靠；齿条和齿扇的间隙容易调整。由于这种转向器强调驾驶者的路感，目前它主要应用在中、大型商用汽车和越野车上。根据转向器的发展现状、前景，自身的特点以及所学的知识储备因此选择了循环球式转向器的设计。
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第4章 循环球式转向器的设计
4.1主要尺寸参数的选择
1.钢球中心距D、螺杆外径D1、螺母内径D2。图4.1.1参考同类车型，初选D=28mm；螺杆外径D1通常在20～38mm范围内变化，不妨取为27mm；由D2-D1=(5%～10%)×D可得，D2=8%·D+D1=8%×28+27≈29.24mm。
图4.1.1螺杆、钢球、螺母传动副
2.钢球直径d和数量n。钢球直径尺寸d取得大能提高承载能力，同时螺杆和螺母传动机构和转向器的尺寸随之增大。钢球直径应符合国家标准，一般常在7～9mm范围内选用。取d=8mm。
每个环路中的钢球数以不超过60粒为好。为保证尽可能多的钢球都承载，应分组装配。每个环路中的钢球可用公式计算
?DWn? （4-1） dcos?0 在式(4-1)中，n为不包括环流导管中的钢球数；?0为螺线导程角，常数 ?0=5°～8°,则 cos?0?1。W为一个环路中的钢球工组圈数；多数情况下，转向器用两个环路，而每个环路的工作钢球圈数W又与接触强度有关：增加工作钢球因数，参加工作的钢球增多，能降低接触应力，提高承载能力；但因钢球受力不均匀、螺杆增长而使刚度降低。工作圈数有1.5和2.5圈两种。取W=2.5。 所以
取n为28。
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n??DW3.14?28?2.5??27.5dcos?08?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）
3.滚道截面[21]。钢球与滚道有四点接触，传动时轴向间隙最小，可满足转向盘自由行程小的要求。图4.1.2中滚道与钢球之间的间隙，除用来贮存润滑油外，还能贮存磨损杂质。一般取R2?(0.15?0.53)?d=0.52?8=4.16mm
图4.1.2图四段圆弧滚道截面
4.接触角ζ。角多取为45°以使轴向力与径向力分配均匀。
5.螺距P和螺旋导程角α0。因为α0=5°～8°，不妨取α0=6°。螺距P一般在12～18mm内选取。取P=12mm，则b=P-d=12-8=4mm ?2.5mm.表4.1
齿条齿扇传动副设计：对齿轮来说，因为在不同位置的剖面中，其模数m不变，所以它的分度圆半径r和基圆半径rb相同。因此，变厚齿扇的分度圆和基圆均为一圆柱，它在不同剖面位置上的渐开线齿形，都是在同一基圆柱上展开的渐开线，只是其轮齿的渐开线齿形相对基圆的位置不同而已，所以应将其归于圆柱齿轮的范畴。由表4.1可选取循环球式转向器齿扇模数m=3.5mm。
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表4.1循环球式转向器齿扇齿模数表
齿扇齿模数3.0 m(mm) 乘用排量500 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 6.5 1000～1600～2000 1800 2000 2200 （ml） 车 前轴负3500～4700～7000～8300～10000～ 荷（N） 3800 商用车 前轴负350 荷（N） a.如下图4.1.3，球O-O截面出的齿形参数； d=mz=3.5×14=49mm
1000 2500 2700 3500 6000 排7350 9000 11000 11000 量3000～4500～5500～7000～9000～17000～23000～7500 18500 19500 37000 37000 44000 8000 （ml） 5000 ha?ha?m?1?3.5?3.5mm h=ha+hf=3.5+4.2=7.7mm
hf?(h??c?)m?(1?0.2)?3.5?4.2mm da?(z?2ha?)m?(14?2?1)?3.5?56mm db=dcosα=49×cos20°≈46.04mm P=πm=3.14×3.5=10.99mm s=πm／2=10.99÷2≈5.5mm e=s=5.5mm 式中
d为分度圆直径；
z为齿数；z=12～15，取z=14。 ha为齿顶高； ha*为齿顶高系数； ha*=1.0或0.8,取ha*=1.0 hf为齿跟高；
C*为顶隙数；取0.25； h为全齿高； da为齿顶圆直径；
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