汽车循环球式液压助力转向器.docx

本科生毕业论文（设计）题 目 循环球式汽车方向机总体设计及三维装配设计学 院 制造科学与工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 学 号 年级 指导教师 教务处制表二一四年 六月一日42四川大学本科生毕业设计循环球式汽车方向机总体设计及三维装配设计循环球式汽车方向机的总体设计及其三维装配设计机械设计制造及其自动化学生 指导老师 摘要：转向系统是组成汽车的各个部分中极其重要的一部分，是用来改变或者保持汽车的行驶方向的系统。纵观转向系统的发展，主要经历了以下几个阶段: 机械转向系统、液压动力转向系统、电控液压动力转向系统、电动助力转向系统、四轮转向系统、主动前轮转向系统、线控转向系统。国内外现在最新的是线控转向系统，但是循环球式转向器在市场上仍然占有比较大的地位。研究设计循环球式转向器要遵循“需求分析原理分析概要设计详细设计”这样的思路。设计循环球式转向器，按需求，采用液压助力，先对转向器的原理进行分析，然后分析各种转向器的性能，接着进行循环球式转向器结构选型，在结构确定之后就对各零部件参数进行设计计算以及选取材料和零部件的强度校核，最后是针对零件的PRO/E三维建模，在零件三维模型建立好的基础上，对转向器的壳体进行设计，在所以零件、壳体、箱盖的三维模型都建立好之后进行总体三维装配设计。在完成总装之后，将关键零部件以及总成图的三维图导成二维的CAD图形，并对二维图进行处理，处理为零件图和装配图。关键词：循环球式、转向器、液压助力、转阀、螺杆The overall design ofthe recirculating ball typesteeringmachine andits 3Dassembly designMechanical Design Manufacturing andits automationUndergraduate: Supervisor: Abstract:Steering system is an extremely important part of various parts in automotive, which is used to change or maintain vehicle directional. Throughoutthe development ofsteeringsystem, it mainly experienced the following phases: mechanical steering system, hydraulic power steering system, electric hydraulic power steering system, electric power steering system, four wheel steering system, active front steering system, the steering by wire system. Domestic and foreign newest now is the steering by wire system, but the recirculating ball type steering gear still occupies a larger role in the market. Study anddesign the recirculating ball type steering gear should follow the An analysis of needs- An analysis of the principle- General design - Summary of such detaileddesign. The design of the recirculating ball type steering gear, according to the demand, the hydraulic power, the first principle of steering gear is analyzed, and then analysis the performance of various steering, thenselecta structure model of the recirculating ball type steering gear. Afterthestructureis determined,we shoulddesign and calculatethe parameter of each part and select their materials, and made a strength checking for all parts. Finally,PRO/E three-dimensional modelingof partsin 3Dpart model,on the basis of three-dimensionalmodel of the partis established,design the box ofthesteering gear,after the3D models of allparts andshell as well as the box been established,what we shoulddo is the overall3Dassembly design.After the completion ofassembly,converted the 3D figure of the key parts and assembly drawing into two-dimensional CAD graphics, anddeal with the CAD graphics, made it bepart drawings and assembly drawings.Key word:recirculating balltype，steering gear, hydraulic power, rotary valve, screw目录第一章绪论61.1 概述61.2 转向器的发展历史61.3 转向器的分类71.4 转向器的研究现状81.5 选题意义91.6 本课题的主要研究内容、研究思路91.7 本章小结10第二章循环球式液压助力转向器112.1 循环球式液压助力转向器的结构112.2 循环球式液压助力转向器的工作原理112.3 本章小结13第三章循环球式液压助力转向器的总体设计143.1 转向器的设计条件143.2 转向器的设计要求143.3 循环球式液压助力转向器的结构选型143.4 转向器的计算载荷的确定173.5 转向系的效率173.6 转向器的结构设计与计算183.6.1 螺杆、螺母基本参数的设计183.6.2 齿条齿扇传动副的设计213.6.3 转阀的设计243.6.4 壳体结构的设计293.7本章小结30第四章零件的强度校核314.1 钢球与滚道之间的接触应力314.2 齿的弯曲应力324.3转向摇臂轴直径的确定324.4本章小结32第五章转向器的PRO/E三维装配设计335.1 PRO/E软件的介绍335.2 转向器主要零件的三维设计335.3 三维图转二维图365.4 本章小结36第六章课程总结与展望376.1 课程的总结376.2 展望37参考文献38致谢40第一章 绪 论1.1概述转向系统是组成汽车的各个部分中极其重要的一部分，是用来改变或者保持汽车的行驶方向的系统。转向系统的存在使得驾驶员能够按照自己的意愿在汽车行驶过程中随时改变汽车的行驶方向，而当路面状况不佳（例如汽车经常受地面影响而自动偏转）时，转向系统的存在使得驾驶员能够维持汽车行驶方向的稳定，因此汽车的转向系统能够直接或间接地影响汽车的操作和使用的安全性和稳定性。汽车转向系统包括转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分，转向器是其中极其重要的一个主要部件。转向器又名转向机、方向机，它的作用是：将驾驶员作用在方向盘上的转向力先通过万向节传递到转向器的载荷输入端然后通过其内部零件的传动把经过传动比转化的力传递到转向器的扇齿轴，即输出端然后通过连接在扇齿轴上的摇臂以及和摇臂相接的平面传动机构传递到车轮上，驱动车轮偏转，以实现汽车的转向。1.2转向器的发展历史一百多年前，汽车诞生，当时的汽车转向机构是模仿自行车的转向方式用一个简单的操纵杆来控制前轮的偏转，来实现汽车的转向，而当时的操纵机构操作起来比较费力，更严重的问题是不可靠，比较容易发生事故。但是困难永远难不倒聪明的人类，随着时代的发展，人们对这些机械产品的要求的逐渐提高，这也催促了汽车发展的迅猛，于是乎，在随后的几十年里转向盘和转向柱的出现渐渐代替了操纵杆，也就随之出现了最早的转向器机械转向器，而最早被应用的是蜗轮蜗杆式转向器。然而即使有了机械转向器的出现，驾驶员靠手动转动转向盘来控制汽车的转向仍然比较费力，而且仍不够稳定，在汽车日益普遍的环境下，出现事故的几率依然没有减少，于是人们开始提出给机械转向器提供助力，用助力机构来辅助转向，减轻驾驶员的负担。1923年，在美国的底特律市，亨利马尔斯为了减少蜗轮副和滚轮的摩擦力，在两者之间的接触部分加入了钢珠作为介质（众所周知滚动摩擦要比滑动摩擦的力要小得多），而这就奠定了循环球式转向器的基础。1928年，弗朗西斯戴维斯成功研制了采用液压作为助力的转向器，并首次应用。但在当时，由于经济条件和其他方面因素的影响，液压助力转向器一直得不到重视，直到二战时期才重新推广应用。1954年，凯迪拉克汽车公司首次把液压助力转向应用于汽车上。从此之后的很长一段时间里，液压助力的转向器成为了风靡全球的转向器。而在稳居了40年之后，随着工业的发展，电力逐渐进入转向器的世界，并成为其中的一个很重要的角色。随后的80年代，出现了电液助力转向器和电动助力转向器（也有人认为电液助力转向器是液压助力转向器发展到电动助力转向器的过渡产品），现在电子技术日新月异，汽车转向器又发展到了主动前轮转向系统（AFS）和线控转向系统（SBW），这些技术已经成熟。到今天，已经不是单纯机械意义上的汽车了，它是机械、电子、材料等学科的综合产物。纵观转向系统的发展，主要经历了以下几个阶段: 机械转向系统、液压动力转向系统、电控液压动力转向系统、电动助力转向系统、四轮转向系统、主动前轮转向系统、线控转向系统。汽车转向系统的发展，总是顺应操作更加方便智能的发展方向。其中，电动助力转向系统作为现代汽车转向技术的发展趋势，有着广阔的应用和发展空间。根据我国转向系统的研究现状，以及与国外研究和发展的差距，研究和开发拥有自主知识产权的EPS具有重要意义，并将为进一步开发线控电动转向系统打下基础。1.3转向器的分类1、按照转向器动力的来源可以将其分为五大类：机械式转向器、液压助力转向器、电动助力转向器、电控液压转向器和线控转向器。机械式转向器：这种转向器依靠驾驶员转动方向盘的力作为转向的全部动力来源，无任何助力系统，这使得地面对轮胎转向的反作用力会间接地作用于驾驶员，因而地面的路况就会全部反馈给驾驶员，使其转动方向盘时容易打手。由力矩=力作用长度这一公式可知，人转动方向盘的力气是有限的，在机械式转向器的传动比一定时，若要操作轻便，就必须加大作用长度，即加大方向盘的直径，这样就会使得方向盘占用较大的空间，不符合汽车整体结构优化设计的理念，因此这种转向器的应用范围受到了很大的限制。液压助力转向器：这种转向器主要由油泵、液压分配阀、和助力机构组成。其工作原理如下：皮带带动油泵，把液压油通过液压分配阀输入到助力器里面，助力器里有一个活塞，活塞两端各有一个封闭的油腔，每个油腔各有一条油道和液压阀相接。当汽车直线行驶的时候，阀处于中间位置，上、下两个油腔间接地接通，两端的油压相等，助力器不起作用；当转动转向盘时，阀会偏转一个小角度，相对应的与油腔相接的油道就会打开，油进入对应一侧的油腔，油压大于另一侧油腔的油压，此时活塞就会移动，促使转向器转动，起到了助力的作用。电动助力转向器：这种转向器的助力来源是电动机，电动机是安装在车轮转向传动机构附近，电动机依靠电子控制单元对车速、转向力矩等因素的分析、执行来控制。其工作原理如下：当转动方向盘时，装在方向盘轴上的转矩传感器测出转向轴上的转矩信号，该信号与车速信号同时输入到电子控制单元。电控单元根据这些输入信号，确定助力转矩的大小和方向，就会选定完成助力转向所需的电动机的电流和电机的转动方向，调整转向辅助动力的大小。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与汽车工作状况相适应的转向作用力。电控液压助力转向器：顾名思义，这种转向器是电动助力转向器和液压助力转向器的结合体。这种转向器主要由储油罐、助力转向控制单元、电动泵、转向机、助力转向传感器等组成，其中助力转向控制单元和电动泵是一个整体结构。这种转向器所采用的液压泵不在依靠发动机皮带来驱动，而是采用一个电动泵，它所有的工作的状态都是由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态。其工作原理如下：简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动电子液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向省力；汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动电子液压泵以较低的速度运转，在不至于影响高速打转向的需要同时，节省一部分发动机功率。线控转向器：汽车线控转向系统由方向盘总成、转向执行总成和主控制器(ECU)三个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助系统组成。汽车线控转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电能实现转向，摆脱了传统转向系统的各种限制，其工作原理如下：用传感器检测驾驶员的转向数据，然后通过数据总线将信号传递给车上的ECU，并从转向控制系统获得反馈命令；转向控制系统也从转向操纵机构获得驾驶员的转向指令，并从转向系统获得车轮情况，从而指挥整个转向系统的运动。转向系统控制车轮转到需要的角度，并将车轮的转角和转动转矩反馈到系统的其余部分，比如转向操纵机构，以使驾驶员获得路感，这种路感的大小可以根据不同的情况由转向控制系统控制。2、按照传动副的结构形式不同，转向器可以分为很多类，目前用的比较多的是齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。这里主要介绍前三种。齿轮齿条式转向器：这是一种最常见的转向器，由相互啮合的小齿轮和齿条组成。转向轴带动小齿轮旋转时，小齿轮带动齿条做直线运动，而齿条可以直接带动横拉杆来使车轮偏转。循环球式转向器：循环球式转向器中一般有两级传动副，第一级是螺杆和螺母传动副，第二级是齿条和齿扇传动副，因此，这种转向器主要由螺杆、螺母、齿扇等组成，有些带有助力的循环球式转向器还包括液压阀等这些部件。其工作原理如下：来自方向盘的转向力驱使转向器的输入轴转动，这种旋转运动通过螺杆和螺母传动副转变为螺母的直线运动，然后再通过齿条和齿扇传动副转变为齿扇的旋转运动，齿扇通过摇臂驱动车轮的转向。蜗杆滚轮式转向器：这种转向器主要由蜗杆和滚轮传动副组成，类似蜗杆蜗轮传动副，转向轴带动蜗杆转动，蜗轮间接地带动车轮转向，这种转向器工作可靠，磨损小寿命长。1.4转向器的研究现状国内外现在最新的是线控转向系统，而国内外的研究焦点却是电动助力转向系统（EPS）。电动助力转向系统为上世纪八十年代，出现的一种机电技术,日本铃木公司于1988年首先研发出EPS,先后装备在Cervo车和Alto车上。现在,国内技术成熟并能实现批量生产EPS的内资企业不多,而日本JTEKT、德国ZF及韩国ManDo等先后在中国成立了EPS生产基地,它们具有外资背景的企业占据了国内EPS市场的相当大的份额。随着人们对汽车经济性、环保性、安全性的日益重视，以及计算机技术的迅猛发展，人们在汽车操纵的轻便性和稳定性的需求上不断地研究创新，使得转向器逐渐往“具有变速比、高刚性、智能化、人性化”的方向发展，而且在未来，电动助力转向系统作为现代汽车转向技术的发展趋势，有着广阔的应用和发展空间。改革开放以来，我国对工业的发展极其重视，尤其是汽车行业，国家出台了一系列政策来保证汽车行业的稳定发展。目前，根据我国转向系统的研究现状，以及与国外研究和发展的差距，研究和开发拥有自主知识产权的EPS 具有重要意义，并将为进一步开发线控电动转向系统打下基础。1.5 选题意义一、培养系统化和流程化思维通过方向机的总体设计，从整体上系统的把握设计流程，由抽象到具体，先整体后局部，在完整的设计框架基础上作各零部件的设计，最后将各部分有机地联合起来，培养以专业为背景的流程化思维。二、掌握机械产品的先进设计方法，整合所学专业知识，掌握计算机辅助设计的原理和方法。培养分析问题、解决问题、自学、独立思考的能力，提高综合运用知识和独立设计能力，充分地把大学前三年的所学知识充分和新知识结合起来。三、从该课题的设计过程中，温故知新，培养自己的创新意识，让自己的思维想法不拘泥，培养自己的开放性思维，为以后的学习工作做好准备。1.6 本课题的主要研究内容、研究思路研究内容：一、研究汽车方向机转向性能，建立符合汽车转向要求和具有人性化的设计意识，把握从方向盘的转动到车轮的偏转整个转向过程的传动原理，设计出的转向器要有良好的转向性能，并且保证汽车操作稳定性。二、了解转向器的发展历史，分析比较各种转向系统的性能特点，着重研究液压助力转向系统（产生、现状、原理、结构、设计和助力特性）。汽车方向机的总体设计，主要是循环球液压助力转向器的设计，主要了解掌握该类型转向器的设计要领和方法。三、设计计算关键零件的尺寸，并利用PRO/E对这些零件进行三维建模，对方向机的壳体进行三维设计、建模，然后装配。最后转换成二维CAD工程图，并对关键零件进行二维图的绘制。研究思路：一、设计思路：遵循需求分析、原理分析、概要设计（抽象）、详细设计（具体）、三维建模、装配设计。二、总体设计流程：转向器原理分析转向系统、转向器性能分析循环球转向器结构选型转向器结构布局效率计算、传动比的计算各零部件设计计算针对零件的PRO/E三维建模转向器的壳体设计三维装配设计。三、转向器各零件设计流程：选择零件类型、结构计算零件上的载荷确定计算准则选择零件的材料确定零件的基本尺寸结构设计强度校核计算画出零件三维图。四、技术支持与可行性：综合所学相关知识，并结合所查相关资料，借助计算机辅助设计软件（PRO/E、CAD等），密切结合*教授的指导，发现问题、分析问题、解决问题。1.7 本章小结本章主要介绍了转向器的发展历史、分类和国内外的研究现状，选题意义，以及本课题的研究内容和研究思路。第二章 循环球式液压助力转向器2.1循环球式液压助力转向器的结构此次设计所采用的是整体式循环球式液压助力转向器，液压阀采用的是转阀，这种动力转向器的结构主要由机械部分和液压部分组成，而其中的机械部分和普通的循环球式机械转向器基本上是一样的，由壳体、螺杆螺母、滚珠、齿条和齿扇、前盖、后盖、侧盖以及调整螺母等组成，而它的液压助力部分由控制阀、油缸、还有活塞（活塞和螺母是集成于一体的）等组成。具体如下图2-1。图2-1循环球式液压助力转向器1控制阀；2螺杆；3齿条活塞（螺母）；4壳体；5调整螺栓；6侧盖；7齿扇轴在这种转向器中，由于有液压油的存在，在转向器工作时，缸体所承受的压力是非常大的，最大的工作压力可以达到15MPa，而此次设计中，转向器所承受的最大工作压力为13.7MPa。由上图可以看出，在缸体的上端部分是油缸的工作油腔，左端油腔和右端油腔分别通过油道和转向器的转阀连接在一起，螺母和活塞集成于一体，既包含齿条，又有活塞的作用，螺杆和阀套集成在一起，转向轴和阀芯集成于一体，而转向轴和螺杆通过扭杆来连接。齿扇轴连接摇臂（图中没有绘制出）将转向力矩输出到车轮。这样的转向器做成一体的结构可以节省材料，减少零部件的加工量，但是对材料的要求很高，要求利用铝合金材料来做转向器的壳体。2.2循环球式液压助力转向器的工作原理 本次设计选用的是六槽式转阀，阀芯的油槽上开有3个相互成120的油道与阀芯的内孔相接而直接和螺杆的中心孔相接，而螺杆的中心孔与其中一个油腔是连通的；而阀套上开有9个槽，3个接油箱为出油口，3个为进油口，还有三个接另一个油腔。方向盘转动时，输入轴转动，阀芯客服扭杆的弹性作用产生一个相对于阀套的小的角位移，即转阀中只有一侧油腔的油道口是全开的，另一侧全闭，这样油沿着打开的油道进入其中一侧的油腔，使得这一侧油腔的油压不断增大，另一侧的油腔油道封闭，油压不变，由于油是几乎不能被压缩的，这样两侧的油腔就会产生压力差，充满油的一侧油会推动活塞往另一侧移动，起到助力作用，这样驾驶员就不需要费太大的力气就可以轻松操纵方向盘，而且汽车的行驶也变得较为稳定。图2-2液压转向器两油缸工作图液压阀的具体工作原理如下：当方向盘不转动时，转向轴停止转动，扭杆的弹性恢复力和油腔的压力差的综合作用下促使阀芯和阀套（螺杆）回到原始的无相对角位移的初始位置（阀常开，两侧油腔油压相等的位置），所有油道相通，所以油从进油口进入阀套后又经过回油口回到油箱，不向任何一侧油腔通油。图2-3 转阀工作原理图1-阀套；2-阀芯；3-扭杆 左转向时，如图2-3左图所示，此时阀芯相对阀套左转，关闭了每个阀芯的台肩左侧与阀套槽的间隙。油泵来油经过阀套进油口、相应阀芯台肩右侧与阀套槽之间扩大的间隙、阀芯上的孔道和阀芯内的扭杆孔全部流人壳体下腔，推动活塞起助力作用。壳体上腔的油则按相反的油路流回转向油罐。右转向时则如图2-3右图所示，阃芯相对阀蛮右转关闭了每个阀芯台肩右侧与阀套槽的间隙。油泵来油经过阀套进油口、相应阀芯台肩左侧与阀套槽之间扩大的间隙、阀套上的孔道流入壳体上腔推动活塞起助力作用。壳体下腔的油则按相反的油路流回转向油罐。2.3本章小结本章主要介绍了循环球式液压助力转向器的结构特点和工作原理。第三章 循环球式液压助力转向器的总体设计3.1转向器的设计条件本课题总体设计条件如下表：表3-1 设计条件名称参数角传动比18.85最大工作压力13.7Mpa转向器用油柴油机油15W/40CD工作流量(813.2)L/min前桥负荷()23.5T理论最大输出力矩1785Nm旋向左旋输出摆角齿扇模数6使用温度范围3.2 转向器的设计要求此次循环球式液压助力转向器的设计主要满足以下要求：1、为驾驶者提供不同的转向手力特性2、密封性能好，内外泄漏小3、强度好，寿命长4、安装方便可靠5、成本低3.3 循环球式液压助力转向器的结构选型1、参数的确定循环球式液压助力转向器设计的主要参数包括缸径、工作压力、输出扭矩。而输出扭矩是设计条件中已知的，理论最大输出扭矩为1785Nm，设计条件中要求最大工作压力为13.7MPa。动力转向器的输出扭矩与其他参数的关系如下：M=P(S0-S1)RF式中：M动力转向器输出扭矩（NM）；P油泵最大工作压力（MPa）；S0油缸的工作面积（m2）；S1螺杆外径所占的面积（m2）；RF扇齿分度圆半径（m）。在这里，油缸的工作面积取决于油缸的缸径，而缸径的取值范围通常有110mm、100mm、90mm、80mm、70mm等，此次设计中我们选取100mm。2、转向器结构的确定在确定转向器结构之前，本人查阅了大量国内外的转向器的结构模型，包括美国的TRW公司的TAS系列转向器、德国ZF公司的、以及日本KOYO公司的PBS系列等等。以下是所参考的其中三种转向器的图片：图3-1 美国TRW公司的TAS系列转阀式动力转向器图3-2 德国ZF公司转阀式动力转向器图3-3 国内开发的B系列转阀式动力转向器在参考了国内外这么多的转向器后，发现这些转向器的内部结构其实是大同小异的，我们在按要求设计一个转向器时，可以参考这些结构，但是又不能完完全全抄袭这些结构，因此要设计出跟别人不一样的转向器就要先明确设计要求，设计意图，因此我们提出以下思路：（1）壳体质量不能太大，各零部件要满足工作条件的前提下提高刚度和强度；（2）采用整体式：转向轴（转向器转矩输入轴）和阀芯集成于一体，阀套和螺杆集成于一体，螺母和活塞集成于一体；（3）采用六槽式转阀，采用贯通式螺杆和齿条活塞，采用三体式壳体；（4）在设计的同时要考虑装配的轻便性和可行性，要保证不会出现干涉现象，也要考虑加工的可行性；（5）在设计过程中要严格按照国家标准。初步定下此次设计的转向器的结构图如下：图3-4 设计的转向器的结构图3.4 转向器的计算载荷的确定在设计转向器时，不能单纯的设计计算，必须要考虑到能够保证汽车行驶的安全性，因此必须保证转向器有足够的强度，而在计算零件强度时，需要用到汽车所受的载荷，所以必须要提前计算出汽车的载荷。由于我们采用的是循环球式转向器，转向器内的螺杆和螺母之间有滚珠，他们之间的滚动摩擦代替了原先传统转向器的滑动摩擦，而滚动摩擦是很小的，因此可以近似的认为转向器所受的载荷主要是由车轮转向时转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力。由半经验公式得汽车在路面上的原地转向阻力矩Mf：（1）其中：f轮胎与地面的摩擦系数，一般取0.7，故f=0.7；M转向阻力矩，单位（Nmm）；G1转向轴负荷，单位（N）；P轮胎气压，这里取P=3.5kg/cm=0.343N/mm。计算得：而最大承受载荷（设计载荷）P约为前桥载荷的一半，那么P=0.5G1=0.535009.8=17150（N）汽车在行驶过程中，作用在转向器的各个零件上的载荷是经常在变化的，只能用假定的方法对载荷进行计算。假定载荷计算的方法分为以下三种情况：（1）以驾驶员作用在方向盘的最大转向力来确定；（2）按照汽车在停止行驶时在原地转向所需要的转向力矩（和转向阻力矩相等）来计算；（3）以前桥负荷的一半来作为计算载荷。很显然以其他2种方法计算的载荷都很大，而且我们这次设计的转向器是为轻型汽车设计的，因此选用第一种假定方式计算，其他两种都是适合重型汽车的载荷设计。故采用驾驶员作用在方向盘上的最大转向力FHmax=600700N，取前者即FHmax=600N来计算载荷。3.5 转向系的效率1.转向器的正效率如果忽略轴承和其他零部件的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，则循环球式转向器的正效率可由下式计算： （2）2.转向器的逆效率同样，如果忽略轴承和其他零部件的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，则循环球式转向器的逆效率可由下式计算：（3）其中：螺杆的螺线导程角；摩擦角，=arctanf，f为摩擦因数，f=0.006。3.6 转向器的结构设计与计算3.6.1 螺杆、螺母基本参数的设计1、螺距和齿扇分度圆半径的确定由结构关系可得：s=(/360)t（4）其中：s活塞移动的距离；转向盘转角； t螺杆螺距。又由传动关系得到：3602rw=s（5）其中：齿扇转角；rw齿扇分度圆半径。由式（4）、（5）得角传动比iw=2rwt（6）式子中iw是已知的，iw=18.85而分度圆半径rw=mz2（7）其中：m齿扇模数，m=6；Z齿扇齿数，一般在12-18范围内取（具体参见齿扇轴的设计这一节），故取z=12。所以rw=mz2=6122=36mm所以代入式（6）中得到t=12mm，而查了相关资料，螺距t在范围t=813mm内选取，故满足要求。2、螺杆外径和螺母内径的设计计算图3-5 螺杆、钢珠和螺母传动副的结构由汽车设计这本书可以查出，螺旋线导程角在611之间选取，取=6，则由，即可初步确定中心距D=36.34mm。而查资料可知螺杆外径D1=2038mm，而且螺杆外径D1和螺母内径D2以及钢球中心距D之间满足关系：D2D1=（5%10%）D，所以综合计算之后，最终定下D=35mm，D1 =34mm，D2=36mm。3、钢球数量n的确定（7）其中：D钢球中心距，D=35mm；W转向器的一个环路中的钢球的工作圈数，为了使得钢球之间的载荷能够分布均匀，一般W在1.52.5之间取值，当工作圈数大于2.5圈时，需要采用2个独立的钢球运动环路，在这里取W=2.5；D钢球直径，查资料得知D在69mm之间取值，而且查相关标准，最终取国标值D=7.144mm；螺杆螺旋线导程角，=6。代入数据求得n=38.47个，取整数得n=39个，即单个工作环路中钢球个数为39个。4、螺杆螺母钢球滚道截面的设计循环球式转向器的滚道截面有四点接触式、两点接触式和椭圆滚道截面等。在这里，为了轴向定位的稳定，在比较了几种截面后，我们选取四点接触式的滚道截面。这种滚道截面由四段圆弧组成，螺杆和螺母的滚道截面各有两段圆弧，加工较为复杂。具体如下图所示：图3-6 四点接触式滚道截面图中角是钢球与螺杆（螺母）滚道接触点处的正压力的方向与螺杆（螺母）滚道截面的轴线的夹角，若增大角，则径向力增大轴向力减小，若减少角，则径向力减小轴向力增大，所以一般取=45来使得径向力和轴向力分配均匀。R2是螺杆螺母的滚道截面中每段圆弧的半径，为了减少钢球和螺杆、螺母之间的摩擦，R2一般要满足R2d2，一般取R2=（0.510.55）D，所以在这里我们取R2=0.55D=3.93mm。5、导管内径的确定在循环球式转向器中，螺母和螺杆之间运动的滚珠必须要形成一个运动循环的回路才能保证转向器能一直工作下去，这就要求螺母上有两个对应的孔，然后通过导管来连接，使得滚珠能够通过导管重新进入初始的轨道来完成循环运动。如下图：图3-7 螺母上的导管导管内径D1满足：D1=De其中：为钢球与导管内壁的间隙，e一般在0.40.8mm之间选取，初定e=0.8mm，则D1=De=7.1440.8=7.944（mm），而导管壁厚我们取1mm。6、螺杆和螺母材料的选取螺杆和螺母我们选择采用20CrMnTi钢来制造，其表面都需要经过渗碳淬火的热处理工艺，来提高螺杆、螺母的滚道部分和轴承部分的表面硬度，渗碳深度为0.81.2mm，而钢球的国标规定其表面硬度要大于HRC60，所以螺杆和螺母的滚道和轴承部分渗碳后硬度可达HRC5664，其他部位就选择镀铜，心部的硬度应该要达到HRC3238。螺杆和螺母的螺距精度要达到0.005mm，四个螺距误差要小于0.015mm，而且滚道表面的粗糙度为Ra0.4，滚道中径的圆柱度要小于0.02mm。3.6.2 齿条齿扇传动副的设计1、齿扇的主要参数计算这种循环球式转向器的齿扇轴强度要求比普通的机械转向器的齿扇轴强度要大一些以便能够承受动力转向器较大的输出转矩。齿扇轴齿数一般多为三齿和五齿，而由于转角的变大，本次设计决定采用三齿齿扇。除此之外，齿扇的齿厚也是线性变化的，沿着齿宽方向变化，它的外观与普通的直齿圆锥齿轮相似。图3-8 变厚齿扇由上小节可知，已知整圆齿数为z=12，要满足设计条件中的“输出摆角为45”则需保留的齿数为三个齿。模数已知为m=6，法向压力角0根据图3-10选择0=27相应的齿顶高系数X1=1.0，X2=1.25，切削角根据图3-10选择=7.5。初定扇齿宽F=30mm，截面B-B离基准平面OO的距离为20mm，截面CC距离基准平面距离为10mm。图3-9 齿扇计算用图图3-10循环球式转向器的部分参数齿扇计算依据如下图：图3-11 齿扇计算依据由上述参数结合图3-11得：分度圆直径：D=mz=612=72mm齿顶高：h=m=1.06=6mm齿根高：h=m=1.256=7.5mm齿全高：h= hh=13.5mm径向间隙：c= h- h=1.5mm虽然齿厚在变，但是齿扇齿的分度圆、基圆半径是不变的，基圆半径为R0=D/2-h1=30mm最大变位系数：同理最小变位系数：=-0.219基准齿顶圆直径：D=（z2）m=（1221.0）6=84mm最大齿顶圆（BB处）直径：D=（z22）m=（1221.020.439）6=89.3mm最小齿顶圆（CC处）直径D=（z22）m=（122-20.219）6=81.4mm基准分度圆弧齿厚s=m/2=9.42mm最大分度圆弧齿厚（B-B处）s=（）m=（3.14/2 20.439tan27）6=12.1mm同理可得最小分度圆弧齿厚（CC处）s=8.1mm2、齿扇轴的材料选取 采用20CrMnTi钢，齿扇轴表面和齿扇表面的硬度要达到HRC5864，可以采用渗碳淬火；心部硬度要达到HRC2530，多采用调质处理。3、齿条参数的计算如下图：图3-12 齿条参数计算参考图计算各参数如下表：表3-2 齿条参数齿条压力角0=27齿距t=m=18.85mm 齿条节线齿厚S=t2=9.43齿条齿顶高h=x1m=6mm齿条齿根高h=2mc-h=7.5mm工作齿高h0=2m=12顶隙cc=0.25m=1.5齿条全高H=13.5mmFfFf=39mmFeFe=45mm3.6.3转阀的设计1、阀槽的选型液压助力转向器的转阀由阀套和阀芯组成，阀套和螺杆做成一体，位于螺杆的一端，阀芯和转向轴做成一体，位于转向轴的一端，阀套和阀芯上各有轴向的沟槽，阀套和阀芯上分别开有油道。转阀有六槽式和八槽式，两种阀基本上原理相同，都有进油口、回油口、连接上下油腔的油口。我们这里选择的是六槽式，而且到下油腔的油道，选择的是通过螺杆中心孔（螺杆中心是贯孔）的孔道来将油通到下油腔。如下图：图3-13 转阀的槽型a）六槽式；b）八槽式2、 阀套的设计根据加工方法的不同，阀套可分为以下几种：刨槽机加工成型、拉刀加工镶块型、粉末冶金成型烧结型、套筒型、电化学腐蚀成型、压配合型。阀套结构的选型取决于加工阀槽的可行性，在比较了以上几种阀套后我们选择了刨槽机加工成型的阀套，如下图a）。图3-14 阀套的不同结构a）刨槽机加工成型;b)拉刀加工镶块型;c)粉末冶金成型烧结型;D)套筒型;e)电化学腐蚀成型;f)压配合型阀套的材料有两种，40Cr或45号钢，另一种是粉末冶金的，这里由于阀套和螺杆是一体的，故我们选择20CrMnTi作为材料。因此，我们设计的阀套要进行调质处理，热处理硬度要达到HRC3035。而阀套内孔的表面粗糙度为Ra0.4，精度要达到IT6，阀套槽分度精度为15，每个槽的对称度不能大于0.025mm。3、转阀刃口（阀口）的设计选择短切口的阀口，如下图：图3-15 短切口阀的结构图根据动力转向器设计这一书中资料得关系式如下：p=32QNW2A2-R1802 (8)其中：P工作油压，P=13.7MPa；液压油的绝对粘度，单位Pas； Q工作流量； N阀槽数；W2阀槽轴向长度，单位mm； A2阀套和阀芯槽之间的间隙； R阀芯部分的直径，R=24mm；阀芯与阀体的瞬间相对转角（=0-1）.令W2=23.5mm，则求得A2=0.66mm。QE=CdA02P (9)其中：Cd流量系数，取0.7； A0小孔面积；液体密度。由动力转向器设计中的资料得：p=Q2N2Cd2W2A1-R1802 (10)其中：P工作油压，P=13.7MPa；液体密度； Q工作流量； N阀槽数；Cd流量系数，取0.7；W阀槽切口轴向长度，单位mm； A1切口宽； R阀芯部分的直径，R=24mm；阀芯与阀体的瞬间相对转角（=1-2）。查下图，选W=6mm，得A1=1.0mm。图3-16 加工短切口转阀的灵敏度曲线4、阀芯的设计在这次设计中，阀芯与转向轴集成一体，转向轴上半段是渐开线三角花键，起到与转向传动装置连接的作用，中间是密封段，下半段是阀芯。阀芯的油槽开在阀芯的外圆表面，可以纵向铣削或滚削加工，油槽的长度要根据阀套槽长度和油口的设计位置来确定。转向轴的三角花键根据国标GB3478.1-83的规定选用，一般采用36齿标准齿型。阀芯部分的表面粗糙度为Ra0.4，精度要达到IT6。转向轴的材料一般为20CrMnTi，可以采用表面氰化处理或者渗碳淬火这样的热处理，热处理后阀芯表面硬度应达到HRC5863，阀芯心部硬度应达到HRC2530。5、扭杆的设计扭杆是转阀式动力转向器中转阀回正必不可少的关键弹性部件，转阀的阀芯随着转向轴转动，相对于阀套转动一个角度将阀打开，实现转向动作。转向完成后，阀芯在扭杆的作用下迅速恢复到原始对中位置。图3-17 扭杆D0为扭杆本体直径；D为扭杆大端直径；l2为过渡部分长度；l1为过渡部分当量长度扭杆的计算长度l可由下式计算：l=l02l1 (11)其中：l0扭杆本体长度，mm；l1过渡部分当量长度mm。结合图3-18以及螺杆和阀芯的设计参数最终定下扭杆的参数如下：D0=8mm;l0=200mm;l1=5mm;l2=6.94mm;R=12mm;D=10mm;总长L=262.5mm。图3-18 扭杆过渡部分当量长度计算曲线扭杆的材料我们选用50CrVA，扭杆热处理后的硬度一般要达到HRC3641，最高为HRC50，这里选择HRC45，进行喷丸处理以提高疲劳强度。6、转阀转动限位结构在转向动作开始后，转向轴（阀芯）克服扭杆弹性相对阀套产生圆周方向相对位移使阀打开。在阀全部打开后必须使转向轴与阀套一起转动，而转向螺杆是与阀套一体的，所以转向轴与转向螺杆在阀全部打开后亦应立即实现刚性接触一体转动，直至转向动作停止，在弹性元件扭杆作用下转向轴（阀芯）恢复相对阀套的中间位置。而实现这一刚性连接一般需要通过转阀的转动限位结构来实现，这种结构其实是在转向轴和转向螺杆结合部分设计一个有一定转动角度的转向限位结构，一般有四种结构。这个转角一般两侧均是7。具体见下图：图3-19 四种转向限位结构a）双块式；b）圆柱销式；c）双凸台式；D）三凸台式在这里我们选择双凸台式限位结构，即在阀套上和阀芯接触处设计两个凸台。3.6.4 壳体结构的设计1、动力缸的设计（1）缸径：我们缸径选的是100mm；（2）活塞最大行程：活塞移动到极限位置时，我们选择的是利用缸体本身来限位，活塞处于中间位置时距离其中一端的距离为：L=D360 （12）其中：扇齿最大转角，45；D齿扇分度圆直径，72mm。得L=28.3mm，而螺母长度L0动力缸的最小长度为S=L02L=174.6mm，取S=190mm。（3）动力缸壳体壁厚根据计算轴向平面拉应力来确定：z=PD24(Dtt2)sn （13） 其中：P油液压力；D动力缸内径； n安全系数，取n=4.5;s壳体材料屈服点，初选壳体材料为铝合金ZL105。其抗拉强度为160240MPa.由式（13）求得t=8.85mm，取t=10mm。2、结构的选择选择三体式，即壳体、上盖和下盖，壳体是通孔，工艺性较好。下盖和侧盖均采用法兰盘式，用螺栓固定。3、材料的选择选择铝合金ZL105，这种材料质量轻便，但是不耐磨，因此采用镶套结构在油缸部位都镶一个灰铸铁薄缸套。4、公差精度(1)主要轴承孔的尺寸公差不低于IT7；(2)孔与平面,孔与孔的相互位置公差:A推力球轴承的两轴承孔中心线与共公中心线的同轴度公差为0.03mm；B推力球轴承的轴承孔端面的圆跳动公差为0.03mm；C转向螺杆孔端面的圆跳动公差为0.08mm；D转向摇臂轴油封孔中心线与公共中心线的同轴度公差为0.12mm；E侧盖孔中心线与公共中心线的同轴度公差为0.03mm；(3) 主要孔中心距偏差为0.05mm；(4) 主要孔表面粗糙度为Ra1.6um；(5) 侧面上螺纹孔位置度公差为0.15mm。3.7本章小结本节主要介绍了螺杆螺母传动副、齿条齿扇传动副、转阀、转向器壳体的设计过程。第四章 零件的强度校核4.1 钢球与滚道之间的接触应力已知接触表面硬度为HRC5664，则许用接触应力的MPa.钢球与滚道之间的接触应力可用下式计算（14）式中：K系数，根据A/B值从下图中查找，A/B=D1(2R2-D)/2R2(D1D)，得出A/B=0.08故得K=0.970；D1螺杆外径，34mm；R2滚道截面半径， 3.93mm；D钢球直径， 7.144mm；图4-1 系数K与A/B的关系 E材料弹性模量，E=2.1MPa；N每个钢球与螺杆滚道的正压力：其中： （15）转向盘圆周力；Fh=FHmaxRD2tan0，；FHmax=600N；D为钢球中心距，35mm；转向盘轮缘半径；取R=210mm；螺杆螺线导程角；钢球与滚道间的接触角；参与工作的钢球数；钢球接触点至螺杆中心线之距离，代入数据求得=21500N4.2 齿的弯曲应力齿扇通常用20CrMnTi钢制造，需用弯曲应力=540MPa。齿扇的弯曲应力可由下式算得：（16）式中：P设计载荷，17150Nh齿扇的齿高，6mm B齿扇的齿宽，30mmS齿扇的齿厚，9.42mm带入数据得=231.9MPa4.3转向摇臂轴直径的确定转向摇臂轴的直径可由下式计算：（17）式中：k安全系数，一般取2.53.5，这里取3；M转向阻力距，已知2.531Nmm；扭转强度极限，20CrMnTi钢为300MPa=300N/mm2。带入数据得：D=36mm，而我们选取的转向摇臂轴的直径为38mm大于这个最小值，故而复合要求。4.4本章小结本章对钢珠与滚道的接触应力，齿的弯曲应力和摇臂轴直径的校核。第五章 转向器的PRO/E三维装配设计5.1 PRO/E软件的介绍PRO/E软件全称为Pro/Engineer，该软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，在世界上是参数化技术的应用最早的一个软件，PRO/E在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/E作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置，另外其他相似的软件还有SoliDworks、UG、Catia等等。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。其主要特性有：参数化设计、基于特征建模、单一数据库（全相关）等。5.2 转向器主要零件的三维设计1、转向螺杆的三维设计如下图5-1、图5-2所示，螺杆分为三段，左端这一段是阀套，阀套长51.5mm，外径为48mm，内径为24mm，阀槽长23.5mm，宽5mm，阀槽上间隔着开了3个直径为4mm的油孔阀套内孔的右端做台肩以便阀芯能够更好的定位防止轴向窜动。中间这一段是螺杆部分，螺距为12mm，钢球中心距35mm，螺杆外径34mm，导程角为6，旋向为左旋。右端为螺母和螺杆的直接接触部分，外径35mm螺杆中心孔直径为12mm，最右端的内孔直径为10mm，径向开有直径4mm的销孔。形位公差及精度如下：阀套内孔与主轴同轴度为0.02，螺杆直径34mm的外圆部分并不与螺母直径接触，加工精度达到Ra6.3即可，滚道的表面要精加工，粗糙度达Ra0.4。右端直径35mm的外圆部分与中心轴同轴度0.03，表面粗糙度要达到Ra0.8，内孔与中心轴同轴度达到0.01，内表面粗糙度Ra3.2，最右端直径为4mm的销孔精度Ra1.6，其余的各个面精度均为Ra0.8。图5-1 螺杆三维图