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宜 宾 职 业 技 术 学 院毕 业 设 计题目：基于SolidWorks转阀式转向器三维造型设计 系部现 代 制 造 工 程 系专业名称汽 车 运 用 技 术班级汽 车 班姓名学号指导教师 2009年09月21日 I 基于SolidWorks转阀式转向器三维造型设计摘要近 年 来 随 着 我 国 汽 车 工 业 的 迅 猛 发 展 以 及 人 们 对 于 舒 适 、 安 全 性 能 要 求 的 不断 提 高 ， 作 为 汽 车 的 重 要 安 全 部 件 之 一 的 汽 车 转 向 器 的 生 产 水 平 也 有 了 很 大 提 高 。目 前 液 压 助 力 转 向 器 在 各 种 助 力 转 向 器 中 占 据 主 导 地 位 ， 而 作 为 液 压 助 力 转 向 器 之一 的 转 阀 式 液 压 助 力 转 向 器 更 是 应 用 广 泛 。 现 在 许 多 车 型 所 采 用 的 动 力 转 向 器 多 为转 阀 式 液 压 助 力 转 向 器 ， 转 阀 式 动 力 转 向 器 由 于 其 结 构 简 单 紧 凑 ， 轴 向 尺 寸 短 ， 且 零 件 数 目 少 ， 灵 敏 性 能 高 等 优 点 ， 成 为 当 前 动 力 转 向 器 的 发 展 趋 势 。 本 设 计 主 要 是基 于 SolidWorks对 转 阀 式 转 向 器 进 行 三 维 造 型 。对 于 液 压 助 力 转 向 器 ， 控 制 阀 是 影 响 其 性 能 的 关 键 部 件 ， 而 转 阀 就 是 一 种 能 保持 液 压 助 力 转 向 器 高 性 能 的 控 制 阀 。 本 文 研 究 的 是 转 阀 式 液 压 助 力 转 向 器 ， 文 中 分析 了 此 种 助 力 转 向 器 的 结 构 和 工 作 原 理 ， 在 此 基 础 上 根 据 SolidWorks对 其 进 行 零 件的 绘 制 以 及 爆 炸 图 、 工 程 图 的 生 成 。关键词： 汽 车 转 向 器 ； 转 阀 式 液 压 助 力 转 向 器 ； SolidWorks II The 3D Modeling Design of the Turn Valve Type Redirectoron SolidWorksAbstract Author： YanRong-qingTutor:YangLiIn recent years, alongwiththerapid development of Chinas automobileindustryfor comfort, safety and to improve the performance of the car, as an important component of the safety of the production of automobile redirector level has greatlyimproved. Currently in various hydraulic booster steering the dominant powersteering gear, as one of the hydraulic booster redirector turn valve type hydraulicpower steering gear is widely used. Now many models used to turn more powersteering gear hydraulic booster valve type redirector, turn valve type power steeringgear due to its simple and compact structure, short axial dimensions, and the numberof parts, sensitive, become the high performance of the development trend of thepower steering gear. This design is mainly based on the valve type redirectorgiven.thisSolidWorksthree-dimensionalmodelling.For hydraulic booster redirector, control valves is the key component, and performance of the valve is a turn can keep hydraulic booster redirectorhigh-performance control valves. This research is turn valve type hydraulic powersteering gear, the paper analyses the power steering structure and working principle,on the basis of its parts according to SolidWorks draw and explosion figure,engineeringdrawings.K eywords: automobile redirector； Turn valve type hydraulic power steering；SolidWorks. III 目录1前言.12概述.22.1 转 向 器 结 构 方 案 分 析 .23转向器结构设计.93.1 转 向 系 计 算 载 荷 的 确 定 .93.2 齿 轮 齿 条 式 转 向 器 的 设 计 .93.3 循 环 球 式 转 向 器 设 计 .103.4 循 环 球 式 转 向 器 零 件 强 度 计 算 .15 4 SolidWorks的转阀式转向器设计.184.1 转 阀 式 转 向 器 零 件 的 绘 制 .184.2 转 阀 式 转 向 器 的 装 配 .214.3 转 阀 式 转 向 器 爆 炸 图 的 生 成 .224.4 转 阀 式 转 向 器 工 程 图 的 生 成 .23结 论 .24致 谢 .25参 考 文 献 .26 宜 宾 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 1 1 前 言当 今 汽 车 转 向 系 统 从 过 去 的 普 通 机 械 式 发 展 到 动 力 转 向 ， 一 直 到 现 代 汽 车 电子 控 制 动 力 转 向 ， 逐 步 的 发 展 和 完 善 。 汽 车 转 向 系 统 的 技 术 状 况 ， 对 于 保 障 汽 车行 驶 安 全 ， 减 轻 驾 驶 员 劳 动 强 度 ， 提 高 运 输 效 率 和 延 长 车 辆 使 用 寿 命 均 有 着 十 分重 要 的 作 用 。众 所 周 知 ， 汽 车 转 向 系 在 汽 车 上 是 必 不 可 少 的 系 统 ， 它 不 仅 可 以 改 变 汽 车 的驶 方 向 ， 而 且 还 可 以 克 服 由 于 路 面 测 向 干 扰 力 使 轮 自 行 产 生 的 转 向 ， 恢 复 汽 车原 来 的 行 驶 方 向 ， 它 在 汽 车 的 发 展 占 有 重 要 的 位 置 ， 改 善 汽 车 的 操 纵 稳 定 性 ， 提高 它 的 可 靠 性 。 本 设 计 主 要 是 对 转 向 器 进 行 三 维 造 型 ， 以 SolidWorks为 基 础 ， 结 合 所 学 书本 知 识 及 所 搜 索 的 网 络 资 料 ， 对 转 向 器 的 分 类 、 作 用 、 工 作 原 理 等 ， 结 合 各 种 图进 行 了 分 析 及 阐 述 ， 运 用 SolidWorks 软 件 对 其 进 行 了 零 件 的 绘 制 和 工 程 图 、 爆炸 图 、 装 配 图 的 生 成 。 宜 宾 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 2 2 概 述2.1 转 向 器 结 构 方 案 分 析2.1.1 转 向 器 的 定 义转 向 器 又 名 转 向 机 、 方 向 机 ， 它 是 转 向 系 中 最 重 要 的 部 件 ， 是 转 向 系 的 执 行机 构 ， 在 转 向 系 的 发 展 及 工 作 中 扮 演 着 不 可 或 缺 的 角 色 。全 液 压 转 向 器 全 液 压 转 向 器 广 泛 应 用 于 车 辆 转 向 和 船 舶 液 压 舵 。 驾 驶 人 员通 过 它 可 以 用 较 小 的 操 纵 力 实 现 较 大 的 转 向 力 控 制 ， 并 且 在 性 能 上 安 全 、 可 靠 、操 纵 上 灵 活 、 轻 便 。 转 向 器 的 操 纵 是 全 液 压 式 ， 也 就 是 说 在 转 向 柱 和 转 向 轮 之 间 没 有 机 械 连 接 ，在 转 向 器 与 转 向 油 缸 之 间 是 液 压 管 或 软 管 链 接 。当 转 动 方 向 盘 ， 转 向 器 根 据 方 向 盘 转 动 比 例 输 送 相 对 的 油 量 ， 该 油 量 直 接 流到 操 纵 缸 相 应 一 侧 ， 同 时 另 一 侧 的 油 量 回 到 油 箱 。转 阀 式 全 液 压 转 向 器 ， 具 有 以 下 特 点 ： 消 除 机 械 式 联 动 装 置 ， 可 以 降 低 主 机成 本 ， 提 供 可 靠 轻 便 的 结 构 ， 操 纵 灵 活 轻 便 ， 安 全 可 靠 ， 可 以 很 小 的 力 矩 进 行 连续 无 级 控 制 转 动 ， 提 供 给 控 制 回 路 以 及 主 机 尺 寸 广 泛 的 选 择 面 ， 能 和 多 种 转 向 油泵 及 液 压 供 应 系 统 连 接 。2.1.2 转 向 器 的 作 用 汽 车 在 行 驶 过 程 中 需 要 改 变 行 驶 方 向 时 ， 驾 驶 员 通 过 汽 车 转 向 系 使 汽 车 转 向桥 （ 一 般 是 前 桥 ） 上 的 车 轮 相 对 于 汽 车 纵 轴 线 偏 转 一 定 的 角 度 ， 使 汽 车 达 到 转 向的 目 的 。 另 外 ， 当 汽 车 直 线 行 驶 时 ， 转 向 轮 往 往 会 受 到 路 面 侧 向 干 扰 力 的 作 用 而自 动 偏 转 ， 从 而 改 变 了 原 来 的 行 驶 方 向 ， 此 时 ， 驾 驶 员 也 可 以 通 过 汽 车 转 向 系 使转 向 轮 向 相 反 的 方 向 偏 转 ， 恢 复 汽 车 原 来 的 行 驶 方 向 。汽 车 转 向 系 的 功 用 是 改 变 和 保 持 汽 车 的 行 驶 方 向 ， 而 作 为 转 向 系 重 要 执 行 机构 的 转 向 器 的 作 用 是 ： 将 转 向 盘 的 转 动 变 为 齿 条 轴 的 直 线 运 动 或 转 向 摇 臂 的 摆动 ， 降 低 传 动 速 度 ， 增 大 转 向 力 矩 并 改 变 转 向 力 矩 的 传 动 方 向 。 宜 宾 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 3 2.1.3 转 向 器 的 分 类转 向 器 按 结 构 形 式 可 分 为 多 种 类 型 。 历 史 上 曾 出 现 过 许 多 种 形 式 的 转向 器 ， 目 前 较 常 用 的 有 齿 轮 齿 条 式 、 蜗 杆 曲 柄 指 销 式 、 循 环 球 -齿 条 齿 扇 式 、循 环 球 曲 柄 指 销 式 、 蜗 杆 滚 轮 式 等 。 其 中 第 二 、 第 四 种 分 别 是 第 一 、 第 三种 的 变 形 形 式 ， 而 蜗 杆 滚 轮 式 则 更 少 见 。 如 果 按 照 助 力 形 式 ， 又 可 以 分 为机 械 式 （ 无 助 力 ） ， 和 动 力 式 （ 有 助 力 ） 两 种 ， 其 中 动 力 转 向 器 又 可 以 分为 气 压 动 力 式 、 液 压 动 力 式 、 电 动 助 力 式 、 电 液 助 力 式 等 种 类 。（ 1） 齿 轮 齿 条 式 转 向 器它 是 一 种 最 常 见 的 转 向 器 。 其 基 本 结 构 是 一 对 相 互 啮 合 的 小 齿 轮 和 齿 条 ， 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 。转 向 轴 带 动 小 齿 轮 旋 转 时 ， 齿 条 便 做 直 线 运 动 。 有 时 ， 靠 齿 条 来 直 接 带 动横 拉 杆 ， 就 可 使 转 向 轮 转 向 。 所 以 ， 这 是 一 种 最 简 单 的 转 向 器 。 在 汽 车 上得 到 广 泛 应 用 。 与 其 它 形 式 转 向 器 比 较 ， 齿 轮 齿 条 式 转 向 器 最 主 要 的 优 点 是 ：结 构 简 单 、 紧 凑 ； 壳 体 采 用 铝 合 金 或 镁 合 金 压 铸 而 成 ， 转 向 器 的 质 量 比 较 小 ； 传动 效 率 高 达 90 ； 齿 轮 与 齿 条 之 间 因 磨 损 出 现 间 隙 后 ， 利 用 装 在 齿 条 背 部 、 靠近 主 动 小 齿 轮 处 的 压 紧 力 可 以 调 节 的 弹 簧 ， 可 自 动 消 除 齿 间 间 隙 ， 这 不 仅 可 以 提高 转 向 系 统 的 刚 度 ， 还 可 以 防 止 工 作 时 产 生 冲 击 和 噪 声 ； 转 向 器 占 用 的 体 积 小 ；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 。 图 2-1 齿 轮 齿 条 式 转 向 器齿 轮 齿 条 式 转 向 器 的 主 要 缺 点 是 ： 因 逆 效 率 高 (60 70 )， 汽 车 在 不 平 路面 上 行 驶 时 ， 发 生 在 转 向 轮 与 路 面 之 间 的 冲 击 力 ， 大 部 分 能 传 至 转 向 盘 ， 称 之 为 宜 宾 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 4 反 冲 。 反 冲 现 象 会 使 驾 驶 员 精 神 紧 张 ， 并 难 以 准 确 控 制 汽 车 行 驶 方 向 ， 转 向 盘 突然 转 动 又 会 造 成 打 手 ， 对 驾 驶 员 造 成 伤 害 。（ 2） 蜗 杆 曲 柄 销 式 转 向 器它 是 以 蜗 杆 为 主 动 件 ， 曲 柄 销 为 从 动 件 的 转 向 器 。 蜗 杆 具 有 梯 形 螺 纹 ，手 指 状 的 锥 形 指 销 用 轴 承 支 承 在 曲 柄 上 ， 曲 柄 与 转 向 摇 臂 轴 制 成 一 体 。 转向 时 ， 通 过 转 向 盘 转 动 蜗 杆 、 嵌 于 蜗 杆 螺 旋 槽 中 的 锥 形 指 销 一 边 自 转 ， 一边 绕 转 向 摇 臂 轴 做 圆 弧 运 动 ， 从 而 带 动 曲 柄 和 转 向 垂 臂 摆 动 ， 再 通 过 转 向传 动 机 构 使 转 向 轮 偏 转 。 这 种 转 向 器 通 常 用 于 转 向 力 较 大 的 载 货 汽 车 上 。 图 2-2 蜗 杆 曲 柄 销 式 转 向 器（ 3） 循 环 球 式 转 向 器循 环 球 式 ： 这 种 转 向 装 置 是 由 齿 轮 机 构 将 来 自 转 向 盘 的 旋 转 力 进 行 减速 ， 使 转 向 盘 的 旋 转 运 动 变 为 涡 轮 蜗 杆 的 旋 转 运 动 ， 滚 珠 螺 杆 和 螺 母 夹 着钢 球 啮 合 ， 因 而 滚 珠 螺 杆 的 旋 转 运 动 变 为 直 线 运 动 ， 螺 母 再 与 扇 形 齿 轮 啮合 ， 直 线 运 动 再 次 变 为 旋 转 运 动 ， 使 连 杆 臂 摇 动 ， 连 杆 臂 再 使 连 动 拉 杆 和横 拉 杆 做 直 线 运 动 ， 改 变 车 轮 的 方 向 。 这 是 一 种 古 典 的 机 构 ， 现 代 轿 车 已大 多 不 再 使 用 ， 但 又 被 最 新 方 式 的 助 力 转 向 装 置 所 应 用 。 它 的 原 理 相 当 于利 用 了 螺 母 与 螺 栓 在 旋 转 过 程 中 产 生 的 相 对 移 动 ， 而 在 螺 纹 与 螺 纹 之 间 夹 入 了 钢 球 以 减 小 阻 力 ， 所 有 钢 球 在 一 个 首 尾 相 连 的 封 闭 的 螺 旋 曲 线 内 滚 动 ，循 环 球 式 故 而 得 名 。循 环 球 式 转 向 器 的 优 点 是 ： 在 螺 杆 和 螺 母 之 间 因 为 有 可 以 循 环 流 动 的 钢 球 ，将 滑 动 摩 擦 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 ， 包 括 提 高 制 造 精 度 ， 改 善 工 作 表 面 的 表 面 粗 糙 度 和 螺 杆 、 螺 母 上 的 螺 宜 宾 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 5 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 做 整 体 式 动 力 转 向 器 。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 货 车 和 客 车 上 。 图 2-3 循 环 球 式 转 向 器（ 4） 齿 轮 齿 条 液 压 助 力 转 向 器齿 轮 齿 条 液 压 助 力 转 向 器 ， 是 相 对 于 齿 轮 齿 条 机 械 转 向 器 而 言 的 ， 主要 是 增 加 了 转 向 油 泵 、 转 向 油 壶 、 转 向 油 管 、 转 向 阀 、 转 向 油 缸 等 部 件 ，以 期 达 到 改 善 驾 驶 员 手 感 ， 增 加 转 向 助 力 的 目 的 的 转 向 装 置 。 国 内 经 过 10多 年 来 的 发 展 ， 已 经 形 成 成 熟 的 研 发 和 制 造 技 术 的 厂 家 有 豫 北 光 洋 转 向 器有 限 公 司 等 企 业 。 图 2-4 齿 轮 齿 条 液 压 助 力 转 向 器 宜 宾 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 6 2.1.4 转 向 器 的 工 作 原 理（ 1） 动 力 转 向 系 统 的 工 作 原 理动 力 转 向 系 统 是 在 机 械 式 转 向 系 统 的 基 础 上 加 一 套 动 力 辅 助 装 置 组 成的 。 如 下 图 ， 转 向 油 泵 6 安 装 在 发 动 机 上 ， 由 曲 轴 通 过 皮 带 驱 动 并 向 外 输出 液 压 油 。 转 向 油 罐 5 有 进 、 出 油 管 接 头 ， 通 过 油 管 分 别 与 转 向 油 泵 和 转向 控 制 阀 2 联 接 。 转 向 控 制 阀 用 以 改 变 油 路 。 机 械 转 向 器 和 缸 体 形 成 左 右两 个 工 作 腔 ， 它 们 分 别 通 过 油 道 和 转 向 控 制 阀 联 接 。当 汽 车 直 线 行 驶 时 ， 转 向 控 制 阀 2 将 转 向 油 泵 6 泵 出 来 的 工 作 液 与 油罐 相 通 ， 转 向 油 泵 处 于 卸 荷 状 态 ， 动 力 转 向 器 不 起 助 力 作 用 。 当 汽 车 需 要 向 右 转 向 时 ， 驾 驶 员 向 右 转 动 转 向 盘 ， 转 向 控 制 阀 将 转 向 油 泵 出 来 的 工 作液 与 R 腔 接 通 ， 将 L 腔 与 油 罐 接 通 ， 在 油 压 的 作 用 下 ， 活 塞 向 下 移 动 ， 通过 传 动 结 构 使 左 、 右 轮 向 右 偏 转 ， 从 而 实 现 右 转 向 。 向 左 转 向 时 ， 情 况 与上 述 相 反 。 图 2-5 液 压 动 力 转 向 系 统 示 意 图l-转 向 操 纵 机 构 2-转 向 控 制 阀 3-机 械 转 向 器 与 转 向 动 力 缸 总 成 4-转 向 传 动 结 构5-转 向 油 罐 6-转 向 油 泵 R-转 向 动 力 缸 右 腔 L-转 向 动 力 缸 左 腔（ 2） 转 阀 式 液 压 助 力 转 向 器 工 作 原 理汽 车 直 线 行 驶 时 ， 阀 芯 与 阀 套 的 位 置 关 系 如 图 中 所 示 。 自 泵 来 的 液 压 油 经阀 芯 与 阀 套 间 的 间 隙 ， 流 向 动 力 缸 两 端 ， 动 力 缸 两 端 油 压 相 等 。 驾 驶 员 转 动 方向 盘 时 ， 阀 芯 与 阀 套 的 相 对 位 置 发 生 改 变 ， 使 得 大 部 分 或 全 部 来 自 泵 的 液 压 油流 入 动 力 缸 某 一 端 ， 而 另 一 端 与 回 油 管 路 接 通 ， 动 力 缸 促 进 汽 车 左 传 或 右 转 。 宜 宾 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 7 图 2-6 转 阀 式 液 压 助 力 转 向 器 工 作 原 理当 汽 车 直 线 行 驶 时 ， 转 发 处 于 中 间 位 置 ， 如 图 2-7（ b） 所 示 。 来 自 转 向 油 泵2的 工 作 液 向 阀 套 8的 3个 进 油 孔 供 油 ， 油 液 通 过 预 开 隙 进 入 阀 芯 7的 凹 槽 ， 再通 过 阀 芯 的 回 油 孔 进 入 阀 芯 7与 扭 力 杆 6间 的 空 腔 ， 再 经 过 阀 套 8的 回 油 孔 通 过回 油 管 流 回 油 罐 1， 形 成 油 路 循 环 。 另 一 回 路 式 由 油 泵 2压 入 阀 套 8的 由 经 过 预开 隙 进 入 阀 套 左 右 两 侧 的 出 油 孔 。 由 于 左 、 右 油 缸 均 有 油 ， 且 油 压 相 等 ， 更 由 于油 路 连 通 回 油 道 而 建 立 不 起 高 压 ， 因 此 转 向 助 力 器 没 有 助 力 作 用 ， 这 即 是 直 线 行驶 状 态 。当 汽 车 右 转 弯 时 ， 转 向 盘 带 动 转 向 轴 转 动 并 带 动 扭 力 杆 6顺 时 针 转 动 （ 如 图 2-7（ a） 所 示 ） ， 扭 力 杆 端 头 与 阀 芯 7以 销 钉 连 接 ， 因 而 带 动 阀 芯 转 动 一 个 角 度 ，这 是 阀 套 8的 进 油 口 一 侧 的 预 开 隙 被 关 闭 ， 另 一 侧 的 预 开 隙 开 度 变 大 ， 压 力 油 压向 转 向 器 右 缸 ， 活 塞 向 伸 出 转 向 器 方 向 移 动 ， 也 即 将 齿 条 推 出 转 向 器 ， 从 而 起 到了 转 向 助 力 的 作 用 ， 汽 车 向 右 转 弯 。 活 塞 左 缸 的 油 液 被 压 出 ， 通 过 阀 套 孔 、 阀 芯及 阀 芯 与 扭 力 杆 间 的 间 隙 流 回 转 向 油 罐 1。当 汽 车 左 转 弯 时 ， 转 向 盘 带 动 转 向 轴 转 动 并 带 动 扭 力 杆 6反 时 针 转 动 （ 如 图2-7（ c） 所 示 ） 。 扭 力 杆 端 头 与 阀 芯 7连 接 ， 因 而 带 动 阀 芯 转 动 一 个 角 度 ， 这 是阀 套 8的 进 油 口 一 侧 的 预 开 隙 被 关 闭 ， 另 一 侧 的 预 开 隙 开 度 变 大 ， 压 力 油 压 向 转向 器 左 缸 ， 活 塞 向 缩 进 转 向 器 方 向 移 动 ， 也 即 将 齿 条 推 进 转 向 器 ， 从 而 起 到 了 转 宜 宾 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 8 向 助 力 的 作 用 ， 汽 车 向 左 转 弯 。 活 塞 右 缸 的 油 液 被 压 出 ， 通 过 阀 套 孔 、 阀 芯 及 阀芯 与 扭 力 杆 间 的 间 隙 流 回 转 向 油 罐 1。当 转 向 盘 停 在 某 一 位 置 不 再 继 续 转 动 时 ， 阀 套 随 小 齿 轮 在 液 力 和 扭 力 杆 弹 力的 作 用 下 ， 沿 转 向 盘 转 动 方 向 旋 转 一 个 角 度 ， 使 之 与 阀 芯 的 相 对 角 位 移 量 减 小 ，左 、 右 油 缸 油 压 差 减 小 ， 但 仍 有 一 定 的 助 力 作 用 。 此 时 的 助 力 转 矩 与 车 轮 的 回 正力 矩 相 平 衡 ， 使 车 轮 维 持 在 某 一 转 向 位 置 上 。在 转 向 过 程 中 ， 如 果 转 向 盘 转 动 过 快 ， 阀 套 与 阀 芯 的 相 对 角 位 移 量 也 大 ， 左 、右 动 力 腔 的 油 压 差 也 相 应 加 大 ， 前 轮 偏 转 的 速 度 也 加 快 ， 如 转 向 盘 转 动 速 度 慢 ，前 轮 偏 转 的 也 慢 ， 若 转 向 盘 停 在 某 一 位 置 上 不 变 ， 对 应 着 前 轮 也 停 在 某 一 位 置 上不 变 。 此 即 称 动 力 转 向 的 “ 渐 进 随 动 作 用 ” 。 如 果 驾 驶 员 放 松 转 向 盘 ， 阀 芯 回 到 中 间 位 置 ， 失 去 了 助 力 作 用 ， 此 时 转 向 轮在 回 正 力 矩 的 作 用 下 自 动 回 位 。当 汽 车 直 线 行 驶 偶 遇 外 界 阻 力 使 转 向 轮 发 生 偏 转 时 ， 阻 力 矩 通 过 转 向 传 动 机构 、 齿 轮 齿 条 转 向 器 、 阀 套 下 部 销 轴 作 用 在 阀 套 上 ， 使 之 与 阀 芯 之 间 产 生 相 对 角位 移 ， 这 样 使 动 力 缸 左 、 右 腔 油 压 不 等 ， 产 生 了 与 转 向 轮 转 向 方 向 相 反 的 助 力 作用 。 在 此 力 的 作 用 下 ， 转 向 轮 迅 速 回 正 ， 保 证 了 汽 车 直 线 行 驶 的 稳 定 性 。一 旦 液 压 助 力 装 置 失 效 ， 该 动 力 转 向 器 即 变 成 机 械 转 向 器 。 此 时 转 动 转 向 盘 ，通 过 转 向 柱 带 动 阀 芯 转 动 ， 阀 芯 下 端 边 缘 有 弧 形 缺 口 ， 转 动 一 定 角 度 后 ， 带 动 小齿 轮 转 动 ， 再 通 过 齿 条 传 给 左 右 横 拉 杆 ， 即 可 实 现 汽 车 转 向 。 宜 宾 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 9 3 转 向 器 结 构 设 计3.1 转 向 系 计 算 载 荷 的 确 定为 了 保 证 行 驶 安 全 ， 组 成 转 向 系 的 各 零 件 应 有 足 够 的 强 度 。 欲 验 算 转 向 系 零件 的 强 度 ， 需 首 先 确 定 作 用 在 各 零 件 上 的 力 。 影 响 这 些 力 的 主 要 因 素 有 转 向 轴 的负 荷 、 路 面 阻 力 和 轮 胎 气 压 等 。 为 转 动 转 向 轮 要 克 服 的 阻 力 ， 包 括 转 向 轮 绕 主 销转 动 的 阻 力 、 车 轮 稳 定 阻 力 、 轮 胎 变 形 阻 力 和 转 向 系 中 的 内 摩 擦 阻 力 等 。精 确 地 计 算 出 这 些 力 是 困 难 的 。 为 此 推 荐 用 足 够 精 确 的 半 经 验 公 式 来 计 算 汽车 在 沥 青 或 者 混 凝 土 路 面 上 的 原 地 转 向 阻 力 矩 RM ( mmN )pGfMR 313 （ 3-1）式 中 ， f 为 轮 胎 和 路 面 间 的 滑 动 摩 擦 因 数 ， 一 般 取 0.7； 1G 为 转 向 轴 负 荷 (N)； p为 轮 胎 气 压 ( aMP )。作 用 在 转 向 盘 上 的 手 力 为 iDL MLF sw Rh 2 12 （ 3-2）式 中 ， 1L 为 转 向 摇 臂 长 ； 2L 为 转 向 节 臂 长 ； swD 为 转 向 盘 直 径 ； i 为 转 向 器 角 传动 比 ； 为 转 向 器 正 效 率 。对 给 定 的 汽 车 ， 用 式 （ 3-2） 计 算 出 来 的 作 用 力 是 最 大 值 。 因 此 ， 可 以 用 此值 作 为 计 算 载 荷 。 然 而 ， 对 于 前 轴 负 荷 大 的 重 型 货 车 ， 用 上 式 计 算 的 力 往 往 超 过驾 驶 员 生 理 上 的 可 能 ， 在 此 情 况 下 对 转 向 器 和 动 力 转 向 器 动 力 缸 以 前 零 件 的 计 算载 荷 ， 应 取 驾 驶 员 作 用 在 转 向 盘 轮 缘 上 的 最 大 瞬 时 力 ， 此 力 为 700N。3.2 齿 轮 齿 条 式 转 向 器 的 设 计齿 轮 齿 条 式 转 向 器 的 齿 轮 多 数 采 用 斜 齿 圆 柱 齿 轮 。 齿 轮 模 数 取 值 范 围 多 在 宜 宾 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 10 2 3mm之 间 。 主 动 小 齿 轮 齿 数 多 数 在 5 7个 齿 范 围 变 化 ， 压 力 角 取 20， 齿 轮螺 旋 角 取 值 范 围 多 为 9 15。 齿 条 齿 数 应 根 据 转 向 轮 达 到 最 大 偏 转 角 时 ， 相 应的 齿 条 移 动 行 程 应 达 到 的 值 来 确 定 。 变 速 比 的 齿 条 压 力 角 ， 对 现 有 结 构 在 1235范 围 内 变 化 。 此 外 ， 设 计 时 应 验 算 齿 轮 的 抗 弯 强 度 和 接 触 强 度 。主 动 小 齿 轮 选 用 16MnCr5或 15CrNi6材 料 制 造 ， 而 齿 条 常 采 用 45钢 制 造 。 为 减轻 质 量 ， 壳 体 用 铝 合 金 压 铸 。3.3 循 环 球 式 转 向 器 设 计3.3.1 主 要 尺 寸 参 数 的 选 择 （ 1） 螺 杆 、 钢 球 、 螺 母 传 动 副 钢 球 中 心 距 D、 螺 杆 外 径 1D 、 螺 母 内 径 2D 尺 寸 D、 1D 、 2D 如 图 3-1所 示 。 钢 球 中 心 距 是 基 本 尺 寸 ， 螺 杆 外 径 1D 、 螺 母 内 径 2D 及 钢 球 直 径 d对 确定 钢 球 中 心 距 D的 大 小 有 影 响 ， 而 D又 对 转 向 器 结 构 尺 寸 和 强 度 有 影 响 。 在 保证 足 够 的 强 度 条 件 下 ， 尽 可 能 将 D值 取 小 些 。 选 取 D值 的 规 律 是 随 着 扇 齿 模 数的 增 大 ， 钢 球 中 心 距 D也 相 应 增 加 (表 3-1)。 设 计 时 先 参 考 同 类 型 汽 车 的 参 数 进行 初 选 ， 经 强 度 验 算 后 ， 再 进 行 修 正 。 螺 杆 外 径 1D 通 常 在 20 38mm范 围 内 变化 ， 设 计 时 应 根 据 转 向 轴 负 荷 的 不 同 来 选 定 。 螺 母 内 径 2D 应 大 于 1D ， 一 般 要 求 DDD %10%5 12 。 图 3-1 螺 杆 、 钢 球 、 螺 母 传 动 副 宜 宾 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 11 钢 球 直 径 d及 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 也 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 (表 3-1)。增 加 钢 球 数 量 n， 能 提 高 承 载 能 力 ， 但 使 钢 球 流 动 性 变 坏 ， 从 而 使 传 动 效 率降 低 。 因 为 钢 球 本 身 有 误 差 ， 所 以 共 同 参 加 工 作 的 钢 球 数 量 并 不 是 全 部 钢 球 数 。经 验 证 明 ， 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 数 可 用 下 式 计 算dDWd DWn 0cos式 中 ， D为 钢 球 中 心 距 ； W为 一 个 环 路 中 的 钢 球 工 作 圈 数 ； n为 不 包 括 环 流 导 管 中 的 钢 球 数 ； 0 为 螺 线 导 程 角 ， 常 取 0 =5 8， 则 cos 0 1。 滚 道 截 面 当 螺 杆 和 螺 母 各 由 两 条 圆 弧 组 成 ， 形 成 四 段 圆 弧 滚 道 截 面 时 ，见 图 3-1， 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 中 滚 道 与 钢 球 之 间 的 间 隙 ， 除 用 来 贮 存 润 滑 油 之 外 ， 还 能 贮 存 磨损 杂 质 。 为 了 减 少 摩 擦 ， 螺 杆 和 螺 母 沟 槽 的 半 径 2R 应 大 于 钢 球 半 径 d 2， 一 般取 2R =(0.51 0.53)d 。 接 触 角 钢 球 与 螺 杆 滚 道 接 触 点 的 正 压 力 方 向 与 螺 杆 滚 道 法 面 轴 线 间 的夹 角 称 为 接 触 角 ， 如 图 2-8所 示 ， 角 多 取 为 45， 以 使 轴 向 力 和 径 向 力 分 配 均匀 。 图 3-2 四 段 圆 弧 滚 道 截 面 宜 宾 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 12 螺 距 P和 螺 旋 线 导 程 角 0 转 向 盘 转 动 角 ， 对 应 螺 母 移 动 的 距 离 s为 2Ps （ 3-3）式 中 ， P为 螺 纹 螺 距 。 表 3-1 循 环 球 式 转 向 器 主 要 参 数齿 扇 模 数/mm 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 6.5摇 臂 轴 直 径/mm 22 26 30 32 3235 3840 4245钢 球 中 心 距/mm 20 2325 25 28 3032 35 40螺 杆 外 径 /mm 20 2325 25 28 29 34 38钢 球 直 径/mm 5.556 5.5566.350 6.350 7.144 7.1448.000螺 距 /mm 7.938 8.731 9.525 9.52510.000 10.00011.000工 作 圈 数 1.5 1.52.5 2.5环 流 行 数 2螺 母 长 度/mm 41 4552 4647 58 565962 7278 8082齿 扇 齿 数 3 5 5齿 扇 整 圆 齿数 1213 13 131415齿 扇 宽 2225 2527 2528 30 2832 303438 3538与 此 同 时 ， 齿 扇 节 圆 转 过 的 弧 长 等 于 s， 相 应 摇 臂 轴 转 过 p 角 ， 其 间 关 系 可表 示 如 下 ： rs p （ 3-4）式 中 ， r为 齿 扇 节 圆 半 径 。 宜 宾 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 13 联 立 式 （ 3-3） 、 式 （ 3-4） 得 pPr 2 ， 将 对 p 求 导 得 循 环 球 式 转 向 器 角传 动 比 i 为 ： Pri 2 （ 3-5）由 式 （ 3-5） 可 知 ， 螺 距 P影 响 转 向 器 角 传 动 比 的 值 。 在 螺 距 不 变 的 条 件 下 ，钢 球 直 径 d越 大 ， 图 3-1中 的 尺 寸 b越 小 ， 要 求 b=P-d2.5mm。 螺 距 P一 般 在 8llmm内 选 取 。 工 作 钢 球 圈 数 W 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 圈 数 ， 参 加 工 作 的 钢 球 增 多 ， 能降 低 接 触 应 力 ， 提 高 承 载 能 力 ； 但 钢 球 受 力 不 均 匀 、 螺 杆 增 长 而 使 刚 度 降 低 。 工作 钢 球 圈 数 有 1.5和 2.5圈 两 种 。 一 个 环 路 的 工 作 钢 球 圈 数 的 选 取 见 表 3-1。 （ 2） 齿 条 、 齿 扇 传 动 副 设 计如 图 3-3所 示 ， 滚 迨 相 对 齿 扇 作 斜 向 进 给 运 动 加 工 齿 扇 齿 ， 得 到 变 厚 齿 扇 。如 图 3-4所 示 ， 变 厚 齿 扇 的 齿 顶 和 齿 根 的 轮 廓 面 是 圆 锥 的 一 部 分 ， 其 分 度 圆 上 的齿 厚 是 变 化 的 ， 故 称 之 为 变 厚 齿 扇 。图 3-4中 ， 若 0-0截 面 的 原 始 齿 形 变 位 系 数 =0， 且 II 剖 面 和 剖 面分 别 位 于 0-0剖 面 两 侧 ， 则 II剖 面 的 齿 轮 是 正 变 位 齿 轮 ， 剖 面 中 的 齿 轮为 负 变 位 齿 轮 ， 故 变 厚 齿 扇 在 整 个 齿 宽 方 向 上 ， 是 由 无 数 个 原 始 齿 形 位 移 系 数 逐渐 变 化 的 圆 柱 齿 轮 所 组 成 。 图 3-3 用 滚 刀 加 工 变 厚 齿 扇 的 进 给 运 动 宜 宾 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 14 图 3-4 变 厚 齿 扇 的 截 面对 齿 轮 来 说 ， 因 为 在 不 同 位 置 的 剖 面 中 ， 其 模 数 优 不 变 ， 所 以 它 的 分 度 圆 半径 厂 和 基 半 径 br 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 齿 形 ， 都 是 在 同 一 个 基 圆 柱 上 所 展 出 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 人 圆 柱 齿 轮 的 范 畴 。变 厚 齿 扇 齿 形 的 计 算 ， 如 图 3-5所 示 ， 一 般 将 中 间 剖 面 1-1规 定 为 基 准 剖 面 。由 1-1剖 面 向 右 时 ， 变 位 系 数 为 正 ， 向 左 则 由 正 变 为 零 (0-0剖 面 )， 再 变 为 负 。若 0-0 剖 面 距 1-1剖 面 的 距 离 为 0a ， 则 其 值 为 tan/0 ma ， 是 切 削 角 ， 常 见的 有 630和 730两 种 。 在 切 削 角 一 定 的 条 件 下 ， 各 剖 面 的 变 位 系 数 取 决 于 距 基 准 剖 面 1-1的 距 离 a。进 行 变 厚 齿 扇 齿 形 计 算 之 前 ， 必 须 确 定 的 参 数 有 ： 模 数 m， 参 考 表 3-2选 取 ；法 向 压 力 角 0 ， 一 般 在 20 30之 间 ； 齿 顶 高 系 数 1x ， 一 般 取 0.8或 1.0； 径 向间 隙 系 数 ， 取 0.2； 整 圆 齿 数 z， 在 12 15之 间 选 取 ； 齿 扇 宽 度 B， 一 般 在22 38mm 。 宜 宾 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 15 图 3-5 变 厚 齿 扇 齿 形 计 算 简 图表 3-2 循 环 球 式 转 向 器 齿 扇 齿 模 数齿 扇 齿 模 数 m mm 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 6.5轿 排 量mL 500 10001800 16002000 2000 2000车 前 轴负 荷 /N 35003800 47007350 70009000 830011000 1000011000货车和 前 轴负 荷 N 30005000 45007500 550018500 700019500 900024000 1700037000 2300044000大客车 最 大装 载 质 kg 350 1000 2500 2700 3500 6000 80003.4 循 环 球 式 转 向 器 零 件 强 度 计 算3.4.1 钢 球 与 滚 道 之 间 的 接 触 应 力 宜 宾 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 16 用 下 式 计 算 钢 球 与 滚 道 之 间 的 接 触 应 力 3 22 2223 rR rREFk （ 3-6）式 中 ， k 为 系 数 ， 根 据 A B 值 从 表 2-3 查 取 ， 2/1/1 2RrA ， 2/1/1 1RrB ； 2R 为 滚 道 截 面 半 径 ； r为 钢 球 半 径 ； 1R 为 螺 杆 外 半 径 ； E为 材 料 弹 性 模 量 ， 等 于 25 /101.2 mmN ； 3F 为 钢 球 与 螺 杆 之 间 的 正 压 力 ， 可 用下 式 计 算 coscos 023 n FF （ 3-7）式 中 ， 0 为 螺 杆 螺 线 导 程 角 ； 为 接 触 角 ； n为 参 与 工 作 的 钢 球 数 ； 2F 为 作 用 在螺 杆 上 的 轴 向 力 ， 见 图 3-6。当 接 触 表 面 硬 度 为 58 64HRC时 ， 许 用 接 触 应 力 =2500 2/mmN 。 图 3-6 螺 杆 受 力 简 图 宜 宾 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 17 表 3-3 系 数 k 与 A B 的 关 系3.4.2 齿 的 弯 曲 应 力 w用 下 式 计 算 齿 扇 齿 的 弯 曲 应 力 26BsFhw （ 3-8）式 中 ， F为 作 用 在 齿 扇 上 的 圆 周 力 ； h为 齿 扇 的 齿 高 ； B为 齿 扇 的 齿 宽 ； s为 基 圆齿 厚 。许 用 弯 曲 应 力 为 w =540 2/mmN 。螺 杆 和 螺 母 用 20CrMnTi钢 制 造 ， 表 面 渗 碳 。 前 轴 负 荷 不 大 的 汽 车 ， 渗 碳 层深 度 在 0.8 1.2mm； 前 轴 负 荷 大 的 汽 车 ， 渗 碳 层 深 度 在 1.05 1.45mm。 表 面 硬度 为 58 63HRC。此 外 ， 应 根 据 材 料 力 学 提 供 的 公 式 ， 对 接 触 应 力 进 行 验 算 。3.4.3 转 向 摇 臂 轴 直 径 的 确 定 用 下 式 计 算 确 定 摇 臂 轴 直 径 d3 02.0 RKMd （ 3-9）式 中 ， K为 安 全 系 数 ， 根 据 汽 车 使 用 条 件 不 同 可 取 2.5 3.5； RM 为 转 向 阻 力 矩 ；0 为 扭 转 强 度 极 限 。摇 臂 轴 用 20CrMnTi钢 制 造 ， 表 面 渗 碳 ， 渗 碳 层 深 度 在 0.8 1.2mm。 前 轴 负荷 大 的 汽 车 ， 渗 碳 层 深 度 为 1.05 1.45mm。 表 面 硬 度 为 58 63HRC。 AB 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1k 0.388 0.400 0.410 0.440 0.468 0.490 0.536 0.600 0.716 0.970 宜 宾 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 18 4 SolidWorks 的 转 阀 式 转 向 器 设 计4.1 转 阀 式 转 向 器 零 件 的 绘 制4.1.1 阀 芯 的 绘 制（ 1） 阀 芯 上 视 图 图 4-1 阀 芯 上 视 图（ 2） 阀 芯 下 视 图