某小型SUV循环球式转向器设计

毕业设计（论文）

某小型SUV循环球式转向器设计

完成日期年月日

某小型SUV循环球式转向器设计

摘要

汽车不仅仅只是一种简单的运输工具，也是现今人们出行的一种便利的交通工具。伴随人们生活质量也跟着不断的变化，变得越来越好，人们也开始追求物质上的享受。汽车也不再只是富贵人家的象征，它也渐渐走进平常人家，仅仅只是作为一种简单的代步工具。随着汽车的需求越来越大，汽车工业的发展也呈现一种蒸蒸日上的势头，在这样的的大环境下，逐渐造成汽车泛滥，交通拥堵等现象。而伴随着这些现象而来的问题也一时无法得到解决，例如，交通事故也频繁发生，全世界几乎每时每刻都有人因交通事故而死于非命。所以行车安全也成为人们所面临的一个重要问题。该如何有效规避交通事故的发生也成为当今人们所要考虑的问题。首先是我们人为关系，需要每个人共同努力，遵守交通法规；其次汽车本身去解决问题，性能好坏与行车安全也息息相关。例如，转向器，它所起到的作用也是毋庸置疑的。转向器，根据他的名字就很容易看出它的作用是与汽车的转向有关，行车过程中无时无刻没在用着转向器，所以转向器的重要性也就不言而喻了，因此转向系统需要我们去了解和掌握。

关键词汽车；安全；转向器；研究；设计；

Design of a small SUV recirculating ball type steering gear

Abstract

Car is more than just a simple means of transport, is now a convenient means of transportation. With people's living standards also follows constantly changing, getting better, people also began to pursue material enjoyment. Cars are no longer just rich's symbol, it gradually into the warm family, just as a simple means of transport. As the demand for cars is growing, also show a growing momentum in the development of automobile industry, in such circumstances, gradually caused proliferation of cars, traffic jams and so on. And with them came the problem can't be solved, for example, traffic accidents also occur frequently, almost all the people who died in a traffic accident. Traffic safety has become the urgent need to resolve a problem. How to avoid traffic accidents have become the issues to be considered. First of all, the individual, need everyone to work together, to comply with traffic laws; secondly, the car itself to solve the problem, the performance is closely related to traffic safety. For example, steering gear and the role it plays is beyond doubt. Steering gear, according to his name, it is easy to see that it is associated with the car's steering, driving all the time without using the Steering, so the importance of steering is self-evident, so steering system that we need to understand and master. Keywords automobile; safety; steering gear; research; design;

目录

1 论述 (1)

1.1课题研究背景 (1)

1.1.1 循环球式转向器 (1)

1.2国内外研究现状 (1)

1.3研究目的及意义 (1)

1.4循环球式转向器发展前景 (2)

1.5本课题研究的难点 (2)

1.6研究内容和设计方法 (2)

2 汽车转向系统 (3)

2.1汽车转向系的类型和组成 (3)

2.1.1 机械式转向系 (3)

2.1.2 动力转向系 (3)

3 转向系设计概述 (4)

3.1转向操纵机构 (4)

3.2转向传动机构 (4)

3.3转向器 (5)

3.4转角及最小转弯半径 (5)

4汽车转向器的组成与分类 (7)

4.1齿轮齿条式转向器 (7)

4.2循环球式转向器 (7)

5 转向系的主要性能参数 (8)

5.1转向系的效率 (8)

5.1.1 转向器的正效率 (8)

5.1.2 转向器的逆效率 (8)

5.2传动比变化特性 (9)

5.2.1 转向系传动比 (9)

5.2.2 力传动比和角传动比之间的关系 (10)

5.2.3 转向器角传动比的选择 (10)

5.3传动副的传动间隙△T (11)

6 转向器设计计算 (12)

6.1转向系计算载荷的确定 (12)

6.2转向器设计 (12)

6.2.1 参数的选取 (12)

6.2.2 计算参数 (13)

6.3强度计算 (13)

6.3.1 钢球与滚道的接触应力 (13)

6.3.2 转向摇臂直径的确定 (14)

7 动力转向机构设计 (14)

7.1动力转向机构的要求 (14)

7.2液压式动力转向机构的计算 (15)

7.2.1 动力缸尺寸计算 (15)

7.2.2 分配阀的设计 (16)

7.3动力转向的评价指标 (18)

8 转向传动机构设计 (19)

8.1选材与表面处理 (20)

8.2杆件设计结果 (20)

结论 (20)

致谢 (21)

参考文献 (22)

1 论述

1.1 课题研究背景

我们都知道转向器是汽车零件中不可缺少的一个组成元件，转向器的运作是作为一个减速的装置进行系统的运作。而现在在汽车领域里，循环球式转向器成为了很多汽车的首选。对循环球式转向器的设计以及研究是很有必要，目前全世界各个国家都在大力发展汽车领域，对汽车的投入也越来越大。

1.1.1 循环球式转向器

循环球式转向器已经在汽车上被普遍应用，而其相比与其它类型的不同之处，是在于其主要就是靠着的是滚动摩擦，因而它相对于其它转向器具有比较高的传动效率，操作方便简单，转向器各个部件磨损相对较小使用年限也比其它类型的要长，由于以上所述诸多优点，使它成为当今被使用最广的一类转向器。

世界生存法则优胜劣汰不仅仅只是在动物界才能看到，在机械中也得到了很好的证明。经过多年的发展与淘汰，一些落后的转向器渐渐退出了我们的视线，而那些优点突出的转向器获得了更大的市场。循环球式转向器由于自身优点突出以及其本身特点，使其占据了汽车大部分市场。其自身的众多优点突出。因此，很容易就可以知道它的发展前景是非常好的，所以我们很有必要去深入的研究它。

1.2 国内外研究现状

循环球式转向器现在已经被大多数汽车所使用，所以各国对其研究都很重视。虽然它的传动效率相比于其他转向器都要高、具有复杂的结构和高昂的成本等缺点；但是俗话说瑕不掩瑜，其正向传动效率很高、操纵轻巧、使用寿命相对长等诸多优点使其在汽车生产中得到广泛使用。

在我国乃至全世界范围内，各类转向器得到使用的比例基本相同。循环球式转向器被使用最多，所占份额也是最大的，差不多在45%左右，而且明显还有继续增长的态势，排在第二位的是齿条齿轮是，其所占份额大约在40%左右，剩下的共占15%左右。相信循环球式一定可以凭借其自身优点继续保持其第一的位置，这也加速了各国对其研究的步伐，其发展前景一片大好。

1.3 研究目的及意义

现今，汽车在很多方面都得到很好使用。行车安全也成为急需要解决的一个重要难题，在全球范围内汽车交通事故每时每刻都在发生，该如何规避事故的发生？汽车的组成部件有许多，转向器是其中不可缺少的一个，它与行车安全息息相关，由此也可以看出转向系

统与我们的生命紧密连在一起。经过这么多年的发展，汽车转向器的种类已经有很多种了，但是从目前国内外各类转向器被应用的情况来讲，汽车上应用最多的是循环球式。

本次毕业设计就是根据自己所掌握的知识，以及通过资料，把握转向器的各种特点，设计出一款符合要求的循环球式转向器，根据所学知识并且结合相关资料书籍以及汽车设计要求，使设计符合使用要求。

1.4 循环球式转向器发展前景

由于该转向器相对来说更加耐用，所以其对于经常在不平坦的道路上驾驶的越野车来说是比较好的选择。其在中、大型汽车上也可以广泛使用，而那些小型的乘用车却不是循环球式转向器最好，因此，现在小型商用车一般都会选择别的类型转向器。比如就连以前的忠实使用者奔驰，也开始放弃它转而让齿轮齿条式转向器来代替。

1.5 本课题研究的难点

由于缺少设计经验，所以只能大致说说看法，该转向器相对于其它类型转向器来说，它的传动效率明显要比其它类型要高许多，操纵起来也会感到更加得心应手，由于各个组成部件间的磨损不是那么严重，所以大大增加了其使用的寿命，而所面对的困难是该如何提高其传动效率并且减小部件磨损是我所需要考虑的重要问题也是我们研

究所面临的一大难点。

1.6 研究内容和设计方法

研究内容：

（1）结合自己所了解的设计理论，明确其技术要求以及设计要求；

（2）通过初步了解汽车的各种结构及设计的要点，明确课题目的与课题相关的专业知识；

（3）深入了解汽车设计的方法和步骤，阅读相关书籍，确定各部件参数并校核；

（4）通过相关的计算，来确定转向器各个部件的主要参数。根据汽车设计标准和生产工艺要求，绘制出循环球式转向器的各种相关CAD图。

设计方法：

我们先通过自己去学习和了解一些与汽车设计有关的知识，然后再通过已经知道的各部件相关的参数以及结合一些理论上的知识，确定循环球式转向器各部件参数，最后要进行强度的校核，如果校核的结果不符合国家相关要求就需要重新计算，直到结果满足要求的时候为止，在确定转向器的相关尺寸大小之后，然后就可以绘制相关的图纸，到此，毕业设计也就可以说结束了。

2 汽车转向系统

汽车转向系，通俗一点来讲其实就是指那些专门用来可以改变或保持汽车运动方向的那些零部件的总称。司机可以通过转向系统来操纵汽车，改变其行驶的方向，使汽车按找司机意志运动。由此，很容易发现，汽车转向系非常重要，它关系到汽车是否可以正常行驶。

2.1 汽车转向系的类型和组成

汽车转向系统是改变汽车在运动过程中的方向的一个系统，驾驶员就是通过转向器来控制汽车的运动方向，并且可以使汽车按照驾驶员的个人意愿来行驶。汽车转向系统与汽车的行驶安全有着密不可分的关系，如果转向器出现问题就很可能是汽车无法正常行驶，严重时将会造成人员伤亡。

2.1.1 机械式转向系

机械式转向系是一种比较常见，它转向所需要的能源主要是由司机自身来给其提供的，消耗的是司机自身的体能，而且其中所有传力部件都是机械式的，故而也被称为机械式转向系。

2.1.2 动力转向系

动力转向系在许多车上都得到了使用，其中以液压动力转向器为最，在不同型号的汽车上都被采用。

转向助力装置有以下几种：

(1)液压式动力转向装置；

(2)电动式动力转向装置；

(3)电动液压式动力转向装置；

3 转向系设计概述

3.1 转向操纵机构

转向操纵机构是组成转向系的一个重要机构，我们一般都是选择采用通过在汽车的转向器内安装一个转向万向节（图2-1），这样做还可以方便布置减小附加载荷以及提高碰撞的安全性。

图3-1转向操纵机构

3.2 转向传动机构

转向传动机构的结构图如下图（3-2）所示

图3-2 转向传动机构

1-转向摇臂；2-转向纵拉杆；3-转向节臂；4-转向梯形臂；5-转向横拉杆

3.3 转向器

机械转向器说到底其实就是一种力的传动装置，它就是简单的把驾驶员作用在转向盘的转动力改变成为转向摇臂上的摆动力，然后再按照一定的条件去进行传递。

在遇到突发状况时，我们需要紧急刹车，这样就很容易使司机碰撞到方向盘，为了防出现这种不必要的伤害，我们就需要采取一些相对来说比较不错防范方法。通常我们可以安装安全气囊或者是在汽车内部安装防伤害的装置，以此预防不必要的受伤。

3.4 转角及最小转弯半径

转向器的内、外转向轮转角存在着一定的关系，其大小由下式决定：

L

K

BD CO DO i o =-=

-θθcot cot (3-1) 式中：θo 表示外转向轮转角；

θ

i

表示内转向轮转角；

L 表示轴距；

理想的转角关系如图3-3所示

图3-3 汽车内、外转向轮转角间的关系

用R min 表示汽车的最小转弯半径；θmax i 与θmax o 分别表示其内、外转向轮在最大转角；L 表示轴距；K 表示主销距；a 表示转向轮的转臂，则汽车的最小转弯半径可以按找下式计算：

a L o R +=

θmax

min sin (3-2)

通常θmax i 为35o～40o，为了减小R min 值，θmax i 值有时可达到45o；

4汽车转向器的组成与分类

4.1 齿轮齿条式转向器

齿轮齿条式转向器是继循环球式转向器之后第二大应用比较多的转向器，一般多用与乘用车上。

4.2 循环球式转向器

循环球式转向器（图4-1），它有着自己的特点与优点，所以是目前汽车上应用的比较多的一类转向器，其结构相对比较较复杂，由两个传动副组成。

图4-1 循环球式转向器图

循环球式转向器相对比较容易调整齿条和齿扇之间的间隙（图4-2）；所以非常适合用来做整体式动力转向器。

图4-2 循环球式转向器的间隙调整机构

5 转向系的主要性能参数

5.1 转向系的效率

转向器的正效率用符号η+

表示，p 1表示转向轴输入的功率，通过转向摇臂轴的输出而

求出的效率；那么与其相反的就是逆效率，通常用符号η-

表示。

正效率η+

计算公式：

p p 1

2

1

-=

+

η

（5-1）

逆效率η-

计算公式：

p

p p 3

2

3

-=

-

η

（5-2）

一般我们为了使转向轮和转向盘具有自动恢复能力可以让转向器具有一定的逆效率，但是不能太大，太大则其恢复过程就有可能打到手，所以逆效率必须适当，不能小亦不能大。

5.1.1 转向器的正效率

类型不同的转向器正效率差异很大，类型不同，差异大小也各不相同同，相对来说齿轮齿条式、循环球式转向器相对比较高，其它类型则相对来说比较低；而对于同种类型的转向器，其正效率也不一定相同，这是因为相同类型的转向器其结构不一定相同，而转向器的结构也影响着转向器的正效率。

如果忽略其他损失而不忽略啮合副经过摩擦而造成的损失，则其效率可用下式计算：

0tan tan()

a a ηρ+=

+ (5-3)

a 0表示蜗杆的导程角； f 表示磨擦因数；ρ表示摩擦角，ρ=arctanf 。

5.1.2 转向器的逆效率

依照逆效率的差异，转向器又能够分为下列三种：

（1）可逆式转向器：通常把路面作用在车轮上的力通过转向系以后，还是有很多的力能够传递到转向盘的转向器。

（2）不可逆式转向器:当汽车的车轮在受到外力的冲击力时，冲击力仅仅只是有很少的一部分可以传递到转向盘的转向器。

(3)极限可逆式转向器：介于（1）和（2）之间的转向器 逆效率可用下式计算

0tan )

tan(a a ρη-=

- (5-4)

通过式（5-3）和式（5-4）我们可以知道导程角要比磨擦角大。

5.2 传动比变化特性

5.2.1 转向系传动比

转向系的力传动比:

F F i W p /2==1.22 (5-5)

转向系的角传动比:

k

k k w d d dt d dt d i β?

β?ωωω=

==

//0 （5-6）

转向系的角传动比0ωi 、转向器角传动比ωi 和转向传动机构角传动比

ω

i '三者之间存在着一定的关系，其关系如下： ω

ωωi i i '=0 （5-7） 转向器的角传动比:

p

p p w d d dt d dt d i β?

β?ωωω===

// （5-8） =22

转向传动机构的角传动比:

k

p

k p k p d d dt d dt d i ββββωωω

=

=='// （5-9） 1≈

5.2.2 力传动比和角传动比之间的关系

用F W 表示转向阻力，M r 用来表示转向阻力矩，则其关系如下：

a

M Fw r

=

（5-10） F

h

表示施加在转向盘上的手力，它与作用在转向盘上的力矩M h 存在以下关系：

sw

h

h D M F 2=

=41.54 N （5-11） 将式（5-10）、式（5-11）代入 h W p F F i /2=后得到

a

M D M i h sw

r p =

=81.22 （5-12）

如果不考虑磨擦所带来的损失，依据能量守恒原理，2Mr/M h 可用下式表示

02ωβ?

i d d M M k

h r == （5-13） 将式（5-10）代入式（5-11）后得到

a

D i i sw

p 20ω=

（5-14） 当D ew 和a 都保持不变时，则0ωi 随着p i 的增大而增大，虽然转向变得越轻的。

5.2.3 转向器角传动比的选择

转向器角传动比没有固定的要求，可大或者可以小，亦或者保持不变都可以。但是不同型号的汽车选取的不同角传动比可以使其获得更优良的性能，这就需要我们去认真选择。

当汽车需要快速行驶时，就需要较高的反应灵敏度，这就需要在选择转向器角传动比的时候尽可能选择小一点，而在有些地方却恰恰刚好相反，需要传动比稍微大一点，例如在转向盘中间位置就需要大一点，在这需要转向器角传动比不要太小，这样非常有利于汽车高速行驶，因为转向太过于敏感，会让驾驶员不能很好地准确控制转向轮。

角传动比存在一定的变化规律，其变化曲线如图5-1所示。

图5-1角传动比的变化特性曲线

5.3传动副的传动间隙△t

对于转向器的传动副来说，它的传动间隙是随时都会发生改变的，是会随着转向盘转角的大小改变而随时都可能变大或者变小的。而我们就把这种变化的关系称之为动副传动间隙特性（图5-2）。而对于传动副，其中间的使用率是大于附近的使用率，这就造成它

的磨损速度要快于两端，所以间隙特性的形状就可以想像的出来，如图5-2所示。

图5-2传动间隙特性

6 转向器设计计算

6.1 转向系计算载荷的确定

出于对行驶安全考虑，一般要求转向器每个部分都需要很高的强度。这就需要我们来对其零件的强度进行验算，而要验算其强度就需要知道作用在各个零件上的力的大小，这就需要我们来确定。汽车在原地转向阻力距M r （N?mm),我们可以通过下面公式计算求出：

P

f

G M

r

1

3

3

=

(6-1)

＝147623.29 N?mm

式中，f 表示的是轮胎和路面见的摩擦因素，一般情况我们都取f=0.7；p 表示的是轮胎气压（M Pa ）；G 1表示为转向轴负荷（N ）。

用L 1表示转向摇臂长；L 2表示转向节臂长；D SW 表示转向盘直径；i ω表示转向器角传动比；转向器正效率用η+

表示，则施加给转向盘上的力为：

η

ω+

=

i D L M L F

SW

r

h

2

12 （6-2）

＝41.54 N

6.2 转向器设计

6.2.1 参数的选取

摇臂轴直径/mm 26 钢球中心距D/mm 25 螺杆外径D 1/mm 23 钢球直径d /mm 5.556 螺距P /mm 8.731 工作圈数W 1.5 螺母长度L /mm 45 导管壁厚 /mm

1.5 钢球的直径与导管的内径间隙e/mm

0.5

螺线导程角0a /o

7

法向压力角0a /o

20

接触角θ/o 45 环流行数

2

6.2.2 计算参数

1.螺母内径D 2﹥D 1，需要满足

D D D %)10~%5(1

2

=- （6-3）

D 2

=D 1

+（5%~10%）D=25+8%*25

=27

2. 钢球数量n n =

19.215.556

5

.125πd πDW cos d πDW 0=??=≈a 个 （6-4）

≈22个 3. 滚道截面半径R 2

R 2=（0.51~0.53）d=0.52?5.556=2.889 mm （6-5）

6.3强度计算

6.3.1 钢球与滚道的接触应力

用r 表示钢球半径；1R 表示螺杆外径；E 表示材料弹性模量；3

F 表示钢球与螺杆的正

压力；2R 表示滚道截面的半径；k 为系数，则

σ=k

3

2

22

223)()(r R r R E F - （6-6）

=2253.34

其中，E 的值是2.1?105

M Pa ，A=[（1/r ）-(1/2R )]/2, B=[(1/r)+(1/1R )]/2;k 我们取2.271；

用0a 表示螺杆螺线的导程角；o θ表示接触角；n 表示参与工作的钢球数;则有

3F =

o

a n F θcos cos 02

（6-7）

=342.43 满足σ<[σ],则满足需要的强度。

6.3.2 转向摇臂直径的确定

若用M R 表示转向阻力矩；

0τ—扭转强度极限。则转向摇臂直径d 为：

2.0τR

KM d =

式中，K 为安全系数，且2.5﹤K ﹤3.5；

7 动力转向机构设计

7.1 动力转向机构的要求

对于动力转向机构，只需要其能保证良好的密封性以及不会发生内、外泄漏。

7.2 液压式动力转向机构的计算

7.2.1 动力缸尺寸计算

对于动力缸的设计我们需要知道其各部分相关的尺寸，这些都需要我们计算才能得到。

如果用转向摇臂长度用L 1表示；转向摇臂轴到动力缸活塞的距离用L 表示。那么动力缸产生的推力F 为可用下式表达：

L

F L

F 1

1

=

推力F 、工作油液压力p 和动力缸截面面积S 三者之间存在这一定关系，其具体的关系如下 式：

1

1

S PL

F L

=

(7-1)

工作面积应依照较小一面来进行计算，用D 表示动力缸内径；d p 表示活塞杆直径，初选d p ＝0.35D ，压力p ＝6.3 M Pa ，即

)(4

2

2d D p S -=

π

（7-2）

通过式(7-1)和式（7-2）我们可以得到：

d L F p pL

D 2

1

14+=

π （7-3）

=63 mm 所以d=22mm

活塞厚度B=0.3D 。动力缸的最大长度s 为 :

s D D s 13.0)6.0~5.0(10+++= (7-4)

=130 mm

要确定动力缸壳体壁厚t 的大小,一般情况下，我们可以是通过计算轴向平面拉应力σz

来确定的，即