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1、 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目 循環(huán)球式汽車方向機(jī)總體設(shè)計(jì)及三維裝配設(shè)計(jì) 學(xué) 院 制造科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 學(xué) 號 年級 指導(dǎo)教師 教務(wù)處制表 二Ο一四年 六月一日 42 四川大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)循環(huán)球式汽車方向機(jī)總體設(shè)計(jì)及三維裝配設(shè)計(jì) 循環(huán)球式汽車方向機(jī)的總體設(shè)計(jì) 及其三維裝配設(shè)計(jì)

2、 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生 指導(dǎo)老師 摘要：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是組成汽車的各個(gè)部分中極其重要的一部分，是用來改變或者保持汽車的行駛方向的系統(tǒng)?？v觀轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展，主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段: 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。國內(nèi)外現(xiàn)在最新的是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，但是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器在市場上仍然占有比較大的地位。研究設(shè)計(jì)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器要遵循“需求分析——原理分析——概要設(shè)計(jì)——詳細(xì)設(shè)計(jì)”這樣的思路。設(shè)計(jì)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，按需求，采用液壓助力，先對轉(zhuǎn)向器的原理進(jìn)行分析，然后分析各種轉(zhuǎn)向器的性能，接著進(jìn)行循環(huán)球式轉(zhuǎn)

3、向器結(jié)構(gòu)選型，在結(jié)構(gòu)確定之后就對各零部件參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算以及選取材料和零部件的強(qiáng)度校核，最后是針對零件的PRO/E三維建模，在零件三維模型建立好的基礎(chǔ)上，對轉(zhuǎn)向器的殼體進(jìn)行設(shè)計(jì)，在所以零件、殼體、箱蓋的三維模型都建立好之后進(jìn)行總體三維裝配設(shè)計(jì)。在完成總裝之后，將關(guān)鍵零部件以及總成圖的三維圖導(dǎo)成二維的CAD圖形，并對二維圖進(jìn)行處理，處理為零件圖和裝配圖。 關(guān)鍵詞：循環(huán)球式、轉(zhuǎn)向器、液壓助力、轉(zhuǎn)閥、螺桿  The overall design ofthe recirculating ball typesteeringmac

4、hine andits 3Dassembly design Mechanical Design Manufacturing andits automation Undergraduate: 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 ofsteeringsy

5、stem, 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

6、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 detailedd

7、esign". 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. Afterthest

8、ructureis 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 ofthest

9、eering 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, ma

10、de it bepart drawings and assembly drawings. Key word:recirculating balltype，steering gear, hydraulic power, rotary valve, screw  目錄 第一章緒論 6 1.1 概述 6 1.2 轉(zhuǎn)向器的發(fā)展歷史 6 1.3 轉(zhuǎn)向器的分類 7 1.4 轉(zhuǎn)向器的研究現(xiàn)狀 8 1.5 選題意義 9 1.6 本課題的主要研究內(nèi)容、研究思路 9 1.7 本章小結(jié) 10 第二章循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向器 11 2.1 循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu) 11 2.2 循環(huán)球

11、式液壓助力轉(zhuǎn)向器的工作原理 11 2.3 本章小結(jié) 13 第三章循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向器的總體設(shè)計(jì) 14 3.1 轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)條件 14 3.2 轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)要求 14 3.3 循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)選型 14 3.4 轉(zhuǎn)向器的計(jì)算載荷的確定 17 3.5 轉(zhuǎn)向系的效率 17 3.6 轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 18 3.6.1 螺桿、螺母基本參數(shù)的設(shè)計(jì) 18 3.6.2 齒條齒扇傳動(dòng)副的設(shè)計(jì) 21 3.6.3 轉(zhuǎn)閥的設(shè)計(jì) 24 3.6.4 殼體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 29 3.7本章小結(jié) 30 第四章零件的強(qiáng)度校核 31 4.1 鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力 31 4.2 齒

12、的彎曲應(yīng)力 32 4.3轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑的確定 32 4.4本章小結(jié) 32 第五章轉(zhuǎn)向器的PRO/E三維裝配設(shè)計(jì) 33 5.1 PRO/E軟件的介紹 33 5.2 轉(zhuǎn)向器主要零件的三維設(shè)計(jì) 33 5.3 三維圖轉(zhuǎn)二維圖 36 5.4 本章小結(jié) 36 第六章課程總結(jié)與展望 37 6.1 課程的總結(jié) 37 6.2 展望 37 參考文獻(xiàn) 38 致謝 40  第一章 緒 論 1.1概述 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是組成汽車的各個(gè)部分中極其重要的一部分，是用來改變或者保持汽車的行駛方向的系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的存在使得駕駛員能夠按照自己的意愿在汽車行駛過程中隨時(shí)改變汽車的行駛方向，而當(dāng)

13、路面狀況不佳（例如汽車經(jīng)常受地面影響而自動(dòng)偏轉(zhuǎn)）時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的存在使得駕駛員能夠維持汽車行駛方向的穩(wěn)定，因此汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠直接或間接地影響汽車的操作和使用的安全性和穩(wěn)定性。 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分，轉(zhuǎn)向器是其中極其重要的一個(gè)主要部件。轉(zhuǎn)向器又名轉(zhuǎn)向機(jī)、方向機(jī)，它的作用是：將駕駛員作用在方向盤上的轉(zhuǎn)向力先通過萬向節(jié)傳遞到轉(zhuǎn)向器的載荷輸入端然后通過其內(nèi)部零件的傳動(dòng)把經(jīng)過傳動(dòng)比轉(zhuǎn)化的力傳遞到轉(zhuǎn)向器的扇齒軸，即輸出端然后通過連接在扇齒軸上的搖臂以及和搖臂相接的平面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)傳遞到車輪上，驅(qū)動(dòng)車輪偏轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。 1.2轉(zhuǎn)向器的發(fā)展歷史 一百多年前

14、，汽車誕生，當(dāng)時(shí)的汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是模仿自行車的轉(zhuǎn)向方式用一個(gè)簡單的操縱桿來控制前輪的偏轉(zhuǎn)，來實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向，而當(dāng)時(shí)的操縱機(jī)構(gòu)操作起來比較費(fèi)力，更嚴(yán)重的問題是不可靠，比較容易發(fā)生事故。但是困難永遠(yuǎn)難不倒聰明的人類，隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對這些機(jī)械產(chǎn)品的要求的逐漸提高，這也催促了汽車發(fā)展的迅猛，于是乎，在隨后的幾十年里轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱的出現(xiàn)漸漸代替了操縱桿，也就隨之出現(xiàn)了最早的轉(zhuǎn)向器——機(jī)械轉(zhuǎn)向器，而最早被應(yīng)用的是蝸輪蝸桿式轉(zhuǎn)向器。 然而即使有了機(jī)械轉(zhuǎn)向器的出現(xiàn)，駕駛員靠手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤來控制汽車的轉(zhuǎn)向仍然比較費(fèi)力，而且仍不夠穩(wěn)定，在汽車日益普遍的環(huán)境下，出現(xiàn)事故的幾率依然沒有減少，于是人們開始提出給機(jī)

15、械轉(zhuǎn)向器提供助力，用助力機(jī)構(gòu)來輔助轉(zhuǎn)向，減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)。 1923年，在美國的底特律市，亨利馬爾斯為了減少蝸輪副和滾輪的摩擦力，在兩者之間的接觸部分加入了鋼珠作為介質(zhì)（眾所周知滾動(dòng)摩擦要比滑動(dòng)摩擦的力要小得多），而這就奠定了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)。1928年，弗朗西斯戴維斯成功研制了采用液壓作為助力的轉(zhuǎn)向器，并首次應(yīng)用。但在當(dāng)時(shí)，由于經(jīng)濟(jì)條件和其他方面因素的影響，液壓助力轉(zhuǎn)向器一直得不到重視，直到二戰(zhàn)時(shí)期才重新推廣應(yīng)用。1954年，凱迪拉克汽車公司首次把液壓助力轉(zhuǎn)向應(yīng)用于汽車上。從此之后的很長一段時(shí)間里，液壓助力的轉(zhuǎn)向器成為了風(fēng)靡全球的轉(zhuǎn)向器。而在穩(wěn)居了40年之后，隨著工業(yè)的發(fā)展，電力逐漸進(jìn)

16、入轉(zhuǎn)向器的世界，并成為其中的一個(gè)很重要的角色。隨后的80年代，出現(xiàn)了電液助力轉(zhuǎn)向器和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器（也有人認(rèn)為電液助力轉(zhuǎn)向器是液壓助力轉(zhuǎn)向器發(fā)展到電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器的過渡產(chǎn)品），現(xiàn)在電子技術(shù)日新月異，汽車轉(zhuǎn)向器又發(fā)展到了主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（AFS）和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW），這些技術(shù)已經(jīng)成熟。到今天，已經(jīng)不是單純機(jī)械意義上的汽車了，它是機(jī)械、電子、材料等學(xué)科的綜合產(chǎn)物。 縱觀轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展，主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段: 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展，總是順應(yīng)操作更加方便智能的發(fā)展方向。其中，電動(dòng)助

17、力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展趨勢，有著廣闊的應(yīng)用和發(fā)展空間。根據(jù)我國轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，以及與國外研究和發(fā)展的差距，研究和開發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EPS具有重要意義，并將為進(jìn)一步開發(fā)線控電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。 1.3轉(zhuǎn)向器的分類 1、按照轉(zhuǎn)向器動(dòng)力的來源可以將其分為五大類：機(jī)械式轉(zhuǎn)向器、液壓助力轉(zhuǎn)向器、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器、電控液壓轉(zhuǎn)向器和線控轉(zhuǎn)向器。 機(jī)械式轉(zhuǎn)向器： 這種轉(zhuǎn)向器依靠駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的力作為轉(zhuǎn)向的全部動(dòng)力來源，無任何助力系統(tǒng)，這使得地面對輪胎轉(zhuǎn)向的反作用力會(huì)間接地作用于駕駛員，因而地面的路況就會(huì)全部反饋給駕駛員，使其轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)容易打手。由力矩=力作用長度這一公式可

18、知，人轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的力氣是有限的，在機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比一定時(shí)，若要操作輕便，就必須加大作用長度，即加大方向盤的直徑，這樣就會(huì)使得方向盤占用較大的空間，不符合汽車整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的理念，因此這種轉(zhuǎn)向器的應(yīng)用范圍受到了很大的限制。 液壓助力轉(zhuǎn)向器： 這種轉(zhuǎn)向器主要由油泵、液壓分配閥、和助力機(jī)構(gòu)組成。其工作原理如下：皮帶帶動(dòng)油泵，把液壓油通過液壓分配閥輸入到助力器里面，助力器里有一個(gè)活塞，活塞兩端各有一個(gè)封閉的油腔，每個(gè)油腔各有一條油道和液壓閥相接。當(dāng)汽車直線行駛的時(shí)候，閥處于中間位置，上、下兩個(gè)油腔間接地接通，兩端的油壓相等，助力器不起作用；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，閥會(huì)偏轉(zhuǎn)一個(gè)小角度，相對應(yīng)的與油腔相

19、接的油道就會(huì)打開，油進(jìn)入對應(yīng)一側(cè)的油腔，油壓大于另一側(cè)油腔的油壓，此時(shí)活塞就會(huì)移動(dòng)，促使轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)動(dòng)，起到了助力的作用。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器： 這種轉(zhuǎn)向器的助力來源是電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)是安裝在車輪轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)附近，電動(dòng)機(jī)依靠電子控制單元對車速、轉(zhuǎn)向力矩等因素的分析、執(zhí)行來控制。其工作原理如下：當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，裝在方向盤軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器測出轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩信號，該信號與車速信號同時(shí)輸入到電子控制單元。電控單元根據(jù)這些輸入信號，確定助力轉(zhuǎn)矩的大小和方向，就會(huì)選定完成助力轉(zhuǎn)向所需的電動(dòng)機(jī)的電流和電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，調(diào)整轉(zhuǎn)向輔助動(dòng)力的大小。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩由電磁離合器通過減速機(jī)構(gòu)減速增矩后，加在汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，使之

20、得到一個(gè)與汽車工作狀況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。 電控液壓助力轉(zhuǎn)向器： 顧名思義，這種轉(zhuǎn)向器是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器和液壓助力轉(zhuǎn)向器的結(jié)合體。這種轉(zhuǎn)向器主要由儲(chǔ)油罐、助力轉(zhuǎn)向控制單元、電動(dòng)泵、轉(zhuǎn)向機(jī)、助力轉(zhuǎn)向傳感器等組成，其中助力轉(zhuǎn)向控制單元和電動(dòng)泵是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)向器所采用的液壓泵不在依靠發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶來驅(qū)動(dòng)，而是采用一個(gè)電動(dòng)泵，它所有的工作的狀態(tài)都是由電子控制單元根據(jù)車輛的行駛速度、轉(zhuǎn)向角度等信號計(jì)算出的最理想狀態(tài)。 其工作原理如下：簡單地說，在低速大轉(zhuǎn)向時(shí)，電子控制單元驅(qū)動(dòng)電子液壓泵以高速運(yùn)轉(zhuǎn)輸出較大功率，使駕駛員打方向省力；汽車在高速行駛時(shí)，液壓控制單元驅(qū)動(dòng)電子液壓泵以較低的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，在不至

21、于影響高速打轉(zhuǎn)向的需要同時(shí)，節(jié)省一部分發(fā)動(dòng)機(jī)功率。 線控轉(zhuǎn)向器： 汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成和主控制器(ECU)三個(gè)主要部分以及自動(dòng)防故障系統(tǒng)、電源等輔助系統(tǒng)組成。汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，完全由電能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，擺脫了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各種限制，其工作原理如下：用傳感器檢測駕駛員的轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)總線將信號傳遞給車上的ECU，并從轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)獲得反饋命令；轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)也從轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)獲得駕駛員的轉(zhuǎn)向指令，并從轉(zhuǎn)向系統(tǒng)獲得車輪情況，從而指揮整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制車輪轉(zhuǎn)到需要的角度，并將車輪的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩反饋到系統(tǒng)的其余部分，比如轉(zhuǎn)向操縱機(jī)

22、構(gòu)，以使駕駛員獲得路感，這種路感的大小可以根據(jù)不同的情況由轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)控制。 2、按照傳動(dòng)副的結(jié)構(gòu)形式不同，轉(zhuǎn)向器可以分為很多類，目前用的比較多的是齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式。這里主要介紹前三種。 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器： 這是一種最常見的轉(zhuǎn)向器，由相互嚙合的小齒輪和齒條組成。轉(zhuǎn)向軸帶動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，小齒輪帶動(dòng)齒條做直線運(yùn)動(dòng)，而齒條可以直接帶動(dòng)橫拉桿來使車輪偏轉(zhuǎn)。 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器： 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器中一般有兩級傳動(dòng)副，第一級是螺桿和螺母傳動(dòng)副，第二級是齒條和齒扇傳動(dòng)副，因此，這種轉(zhuǎn)向器主要由螺桿、螺母、齒扇等組成，有些帶有助力的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器還包括液壓閥等這些部件。其工作原

23、理如下：來自方向盤的轉(zhuǎn)向力驅(qū)使轉(zhuǎn)向器的輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過螺桿和螺母傳動(dòng)副轉(zhuǎn)變?yōu)槁菽傅闹本€運(yùn)動(dòng)，然后再通過齒條和齒扇傳動(dòng)副轉(zhuǎn)變?yōu)辇X扇的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，齒扇通過搖臂驅(qū)動(dòng)車輪的轉(zhuǎn)向。 蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器： 這種轉(zhuǎn)向器主要由蝸桿和滾輪傳動(dòng)副組成，類似蝸桿蝸輪傳動(dòng)副，轉(zhuǎn)向軸帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪間接地帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)向，這種轉(zhuǎn)向器工作可靠，磨損小壽命長。 1.4轉(zhuǎn)向器的研究現(xiàn)狀 國內(nèi)外現(xiàn)在最新的是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而國內(nèi)外的研究焦點(diǎn)卻是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為上世紀(jì)八十年代，出現(xiàn)的一種機(jī)電技術(shù),日本鈴木公司于1988年首先研發(fā)出EPS,先后裝備在Cervo車和Alto車上?，F(xiàn)在,國

24、內(nèi)技術(shù)成熟并能實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)EPS的內(nèi)資企業(yè)不多,而日本JTEKT、德國ZF及韓國ManDo等先后在中國成立了EPS生產(chǎn)基地,它們具有外資背景的企業(yè)占據(jù)了國內(nèi)EPS市場的相當(dāng)大的份額。 隨著人們對汽車經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、安全性的日益重視，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們在汽車操縱的輕便性和穩(wěn)定性的需求上不斷地研究創(chuàng)新，使得轉(zhuǎn)向器逐漸往“具有變速比、高剛性、智能化、人性化”的方向發(fā)展，而且在未來，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展趨勢，有著廣闊的應(yīng)用和發(fā)展空間。 改革開放以來，我國對工業(yè)的發(fā)展極其重視，尤其是汽車行業(yè)，國家出臺(tái)了一系列政策來保證汽車行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。目前，根據(jù)我國轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究

25、現(xiàn)狀，以及與國外研究和發(fā)展的差距，研究和開發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EPS 具有重要意義，并將為進(jìn)一步開發(fā)線控電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。 1.5 選題意義 一、培養(yǎng)系統(tǒng)化和流程化思維．通過方向機(jī)的總體設(shè)計(jì)，從整體上系統(tǒng)的把握設(shè)計(jì)流程，由抽象到具體，先整體后局部，在完整的設(shè)計(jì)框架基礎(chǔ)上作各零部件的設(shè)計(jì)，最后將各部分有機(jī)地聯(lián)合起來，培養(yǎng)以專業(yè)為背景的流程化思維。 二、掌握機(jī)械產(chǎn)品的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法，整合所學(xué)專業(yè)知識(shí)，掌握計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的原理和方法。培養(yǎng)分析問題、解決問題、自學(xué)、獨(dú)立思考的能力，提高綜合運(yùn)用知識(shí)和獨(dú)立設(shè)計(jì)能力，充分地把大學(xué)前三年的所學(xué)知識(shí)充分和新知識(shí)結(jié)合起來。 三、從該課題的設(shè)計(jì)過程中

26、，溫故知新，培養(yǎng)自己的創(chuàng)新意識(shí)，讓自己的思維想法不拘泥，培養(yǎng)自己的開放性思維，為以后的學(xué)習(xí)工作做好準(zhǔn)備。 1.6 本課題的主要研究內(nèi)容、研究思路 研究內(nèi)容： 一、研究汽車方向機(jī)轉(zhuǎn)向性能，建立符合汽車轉(zhuǎn)向要求和具有人性化的設(shè)計(jì)意識(shí)，把握從方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)到車輪的偏轉(zhuǎn)整個(gè)轉(zhuǎn)向過程的傳動(dòng)原理，設(shè)計(jì)出的轉(zhuǎn)向器要有良好的轉(zhuǎn)向性能，并且保證汽車操作穩(wěn)定性。 二、了解轉(zhuǎn)向器的發(fā)展歷史，分析比較各種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，著重研究液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（產(chǎn)生、現(xiàn)狀、原理、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和助力特性）。汽車方向機(jī)的總體設(shè)計(jì)，主要是循環(huán)球液壓助力轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)，主要了解掌握該類型轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)要領(lǐng)和方法。 三、設(shè)計(jì)計(jì)算關(guān)鍵

27、零件的尺寸，并利用PRO/E對這些零件進(jìn)行三維建模，對方向機(jī)的殼體進(jìn)行三維設(shè)計(jì)、建模，然后裝配。最后轉(zhuǎn)換成二維CAD工程圖，并對關(guān)鍵零件進(jìn)行二維圖的繪制。 研究思路： 一、設(shè)計(jì)思路：遵循需求分析、原理分析、概要設(shè)計(jì)（抽象）、詳細(xì)設(shè)計(jì)（具體）、三維建模、裝配設(shè)計(jì)。 二、總體設(shè)計(jì)流程：轉(zhuǎn)向器原理分析——轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向器性能分析——循環(huán)球轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)選型——轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)布局——效率計(jì)算、傳動(dòng)比的計(jì)算——各零部件設(shè)計(jì)計(jì)算——針對零件的PRO/E三維建?！D(zhuǎn)向器的殼體設(shè)計(jì)——三維裝配設(shè)計(jì)。 三、轉(zhuǎn)向器各零件設(shè)計(jì)流程：選擇零件類型、結(jié)構(gòu)——計(jì)算零件上的載荷——確定計(jì)算準(zhǔn)則——選擇零件的材料——確定零

28、件的基本尺寸——結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——強(qiáng)度校核計(jì)算——畫出零件三維圖。 四、技術(shù)支持與可行性：綜合所學(xué)相關(guān)知識(shí)，并結(jié)合所查相關(guān)資料，借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（PRO/E、CAD等），密切結(jié)合**教授的指導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題。 1.7 本章小結(jié) 本章主要介紹了轉(zhuǎn)向器的發(fā)展歷史、分類和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，選題意義，以及本課題的研究內(nèi)容和研究思路。  第二章 循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向器 2.1循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu) 此次設(shè)計(jì)所采用的是整體式循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向器，液壓閥采用的是轉(zhuǎn)閥，這種動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)主要由機(jī)械部分和液壓部分組成，而其中的機(jī)械部分和普通的循環(huán)球式機(jī)械轉(zhuǎn)向

29、器基本上是一樣的，由殼體、螺桿螺母、滾珠、齒條和齒扇、前蓋、后蓋、側(cè)蓋以及調(diào)整螺母等組成，而它的液壓助力部分由控制閥、油缸、還有活塞（活塞和螺母是集成于一體的）等組成。具體如下圖2-1。 圖2-1循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向器 1－控制閥；2－螺桿；3－齒條活塞（螺母）；4－殼體；5－調(diào)整螺栓；6－側(cè)蓋；7－齒扇軸 在這種轉(zhuǎn)向器中，由于有液壓油的存在，在轉(zhuǎn)向器工作時(shí)，缸體所承受的壓力是非常大的，最大的工作壓力可以達(dá)到15MPa，而此次設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)向器所承受的最大工作壓力為13.7MPa。由上圖可以看出，在缸體的上端部分是油缸的工作油腔，左端油腔和右端油腔分別通過油

30、道和轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)閥連接在一起，螺母和活塞集成于一體，既包含齒條，又有活塞的作用，螺桿和閥套集成在一起，轉(zhuǎn)向軸和閥芯集成于一體，而轉(zhuǎn)向軸和螺桿通過扭桿來連接。齒扇軸連接搖臂（圖中沒有繪制出）將轉(zhuǎn)向力矩輸出到車輪。這樣的轉(zhuǎn)向器做成一體的結(jié)構(gòu)可以節(jié)省材料，減少零部件的加工量，但是對材料的要求很高，要求利用鋁合金材料來做轉(zhuǎn)向器的殼體。 2.2循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向器的工作原理 本次設(shè)計(jì)選用的是六槽式轉(zhuǎn)閥，閥芯的油槽上開有3個(gè)相互成120的油道與閥芯的內(nèi)孔相接而直接和螺桿的中心孔相接，而螺桿的中心孔與其中一個(gè)油腔是連通的；而閥套上開有9個(gè)槽，3個(gè)接油箱為出油口，3個(gè)為進(jìn)油口，還有三個(gè)接另一個(gè)

31、油腔。方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)，閥芯客服扭桿的彈性作用產(chǎn)生一個(gè)相對于閥套的小的角位移，即轉(zhuǎn)閥中只有一側(cè)油腔的油道口是全開的，另一側(cè)全閉，這樣油沿著打開的油道進(jìn)入其中一側(cè)的油腔，使得這一側(cè)油腔的油壓不斷增大，另一側(cè)的油腔油道封閉，油壓不變，由于油是幾乎不能被壓縮的，這樣兩側(cè)的油腔就會(huì)產(chǎn)生壓力差，充滿油的一側(cè)油會(huì)推動(dòng)活塞往另一側(cè)移動(dòng)，起到助力作用，這樣駕駛員就不需要費(fèi)太大的力氣就可以輕松操縱方向盤，而且汽車的行駛也變得較為穩(wěn)定。 圖2-2液壓轉(zhuǎn)向器兩油缸工作圖 液壓閥的具體工作原理如下： 當(dāng)方向盤不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，扭桿的彈性恢復(fù)力和油腔的壓力差

32、的綜合作用下促使閥芯和閥套（螺桿）回到原始的無相對角位移的初始位置（閥常開，兩側(cè)油腔油壓相等的位置），所有油道相通，所以油從進(jìn)油口進(jìn)入閥套后又經(jīng)過回油口回到油箱，不向任何一側(cè)油腔通油。 圖2-3 轉(zhuǎn)閥工作原理圖 1-閥套；2-閥芯；3-扭桿 左轉(zhuǎn)向時(shí)，如圖2-3左圖所示，此時(shí)閥芯相對閥套左轉(zhuǎn)，關(guān)閉了每個(gè)閥芯的臺(tái)肩左側(cè)與閥套槽的間隙。油泵來油經(jīng)過閥套進(jìn)油口、相應(yīng)閥芯臺(tái)肩右側(cè)與閥套槽之間擴(kuò)大的間隙、閥芯上的孔道和閥芯內(nèi)的扭桿孔全部流人殼體下腔，推動(dòng)活塞起助力作用。殼體上腔的油則按相反的油路流回轉(zhuǎn)向油罐。 右轉(zhuǎn)向時(shí)則如圖2-3右圖所示，閫芯相對

33、閥蠻右轉(zhuǎn)．關(guān)閉了每個(gè)閥芯臺(tái)肩右側(cè)與閥套槽的間隙。油泵來油經(jīng)過閥套進(jìn)油口、相應(yīng)閥芯臺(tái)肩左側(cè)與閥套槽之間擴(kuò)大的間隙、閥套上的孔道流入殼體上腔．推動(dòng)活塞起助力作用。殼體下腔的油則按相反的油路流回轉(zhuǎn)向油罐。 2.3本章小結(jié) 本章主要介紹了循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理。  第三章 循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向器的總體設(shè)計(jì) 3.1轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)條件 本課題總體設(shè)計(jì)條件如下表： 表3-1 設(shè)計(jì)條件 名稱 參數(shù) 角傳動(dòng)比 18.85 最大工作壓力 13.7Mpa 轉(zhuǎn)向器用油 柴油機(jī)油15W/40CD 工作流量 (813.2)L/min 前橋負(fù)荷() 23.5

34、T 理論最大輸出力矩 1785Nm 旋向 左旋 輸出擺角 齒扇模數(shù) 6 使用溫度范圍 3.2 轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)要求 此次循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)主要滿足以下要求： 1、為駕駛者提供不同的轉(zhuǎn)向手力特性 2、密封性能好，內(nèi)外泄漏小 3、強(qiáng)度好，壽命長 4、安裝方便可靠 5、成本低 3.3 循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)選型 1、參數(shù)的確定 循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)的主要參數(shù)包括缸徑、工作壓力、輸出扭矩。而輸出扭矩是設(shè)計(jì)條件中已知的，理論最大輸出扭矩為1785Nm，設(shè)計(jì)條件中要求最大工作壓力為13.7MPa。 動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的輸出扭矩與其他參數(shù)的關(guān)系

35、如下： M=P(S0-S1)RF 式中：M——?jiǎng)恿D(zhuǎn)向器輸出扭矩（NM）； P——油泵最大工作壓力（MPa）； S0——油缸的工作面積（m2）； S1——螺桿外徑所占的面積（m2）； RF——扇齒分度圓半徑（m）。 在這里，油缸的工作面積取決于油缸的缸徑，而缸徑的取值范圍通常有110mm、100mm、90mm、80mm、70mm等，此次設(shè)計(jì)中我們選取100mm。 2、轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)的確定 在確定轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)之前，本人查閱了大量國內(nèi)外的轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)模型，包括美國的TRW公司的TAS系列轉(zhuǎn)向器、德國ZF公司的、以及日本KOYO公司的PBS系列等等。 以下是所參考的其中三種轉(zhuǎn)向器的

36、圖片： 圖3-1 美國TRW公司的TAS系列轉(zhuǎn)閥式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器 圖3-2 德國ZF公司轉(zhuǎn)閥式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器 圖3-3 國內(nèi)開發(fā)的B系列轉(zhuǎn)閥式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器 在參考了國內(nèi)外這么多的轉(zhuǎn)向器后，發(fā)現(xiàn)這些轉(zhuǎn)向器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)其實(shí)是大同小異的，我們在按要求設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)向器時(shí)，可以參考這些結(jié)構(gòu)，但是又不能完完全全抄襲這些結(jié)構(gòu)，因此要設(shè)計(jì)出跟別人不一樣的轉(zhuǎn)向器就要先明確設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)意圖，因此我們提出以下思路： （1）殼體質(zhì)量不能太大，各零部件要滿足工作條件的前提下提高剛度和強(qiáng)度； （2）采用整體式：

37、轉(zhuǎn)向軸（轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)矩輸入軸）和閥芯集成于一體，閥套和螺桿集成于一體，螺母和活塞集成于一體； （3）采用六槽式轉(zhuǎn)閥，采用貫通式螺桿和齒條活塞，采用三體式殼體； （4）在設(shè)計(jì)的同時(shí)要考慮裝配的輕便性和可行性，要保證不會(huì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，也要考慮加工的可行性； （5）在設(shè)計(jì)過程中要嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)。 初步定下此次設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)圖如下： 圖3-4 設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)圖 3.4 轉(zhuǎn)向器的計(jì)算載荷的確定 在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向器時(shí)，不能單純的設(shè)計(jì)計(jì)算，必須要考慮到能夠保證汽車行駛的安全性，因此必須保證轉(zhuǎn)向器有足夠的強(qiáng)度，而在計(jì)算零件強(qiáng)度時(shí)，需要用到汽車所受的

38、載荷，所以必須要提前計(jì)算出汽車的載荷。由于我們采用的是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向器內(nèi)的螺桿和螺母之間有滾珠，他們之間的滾動(dòng)摩擦代替了原先傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向器的滑動(dòng)摩擦，而滾動(dòng)摩擦是很小的，因此可以近似的認(rèn)為轉(zhuǎn)向器所受的載荷主要是由車輪轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力、車輪穩(wěn)定阻力、輪胎變形阻力。 由半經(jīng)驗(yàn)公式得汽車在路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩Mf： （1） 其中：f——輪胎與地面的摩擦系數(shù)，一般取0.7，故f=0.7； M——轉(zhuǎn)向阻力矩，單位（Nmm）； G1——轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷，單位（N）； P——輪胎氣壓，這里取P=3.5kg/cm=0.343N/mm。 計(jì)算得： 而最大承受載荷（設(shè)計(jì)載荷）P約為前

39、橋載荷的一半，那么 P=0.5G1=0.535009.8=17150（N） 汽車在行駛過程中，作用在轉(zhuǎn)向器的各個(gè)零件上的載荷是經(jīng)常在變化的，只能用假定的方法對載荷進(jìn)行計(jì)算。假定載荷計(jì)算的方法分為以下三種情況： （1）以駕駛員作用在方向盤的最大轉(zhuǎn)向力來確定； （2）按照汽車在停止行駛時(shí)在原地轉(zhuǎn)向所需要的轉(zhuǎn)向力矩（和轉(zhuǎn)向阻力矩相等）來計(jì)算； （3）以前橋負(fù)荷的一半來作為計(jì)算載荷。 很顯然以其他2種方法計(jì)算的載荷都很大，而且我們這次設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向器是為輕型汽車設(shè)計(jì)的，因此選用第一種假定方式計(jì)算，其他兩種都是適合重型汽車的載荷設(shè)計(jì)。故采用駕駛員作用在方向盤上的最大轉(zhuǎn)向力FHmax=600～70

40、0N，取前者即FHmax=600N來計(jì)算載荷。 3.5 轉(zhuǎn)向系的效率 1.轉(zhuǎn)向器的正效率 如果忽略軸承和其他零部件的摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，則循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的正效率可由下式計(jì)算： （2） 2.轉(zhuǎn)向器的逆效率 同樣，如果忽略軸承和其他零部件的摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，則循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的逆效率可由下式計(jì)算： （3） 其中：――螺桿的螺線導(dǎo)程角； ――摩擦角，=arctanf，f為摩擦因數(shù)，f=0.006。 3.6 轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.6.1 螺桿、螺母基本參數(shù)的設(shè)計(jì) 1、螺距和齒扇分度圓半徑的

41、確定 由結(jié)構(gòu)關(guān)系可得：s=(φ/360)t（4） 其中：s――活塞移動(dòng)的距離； φ――轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角； t――螺桿螺距。 又由傳動(dòng)關(guān)系得到：β360?2π?rw=s（5） 其中：β――齒扇轉(zhuǎn)角； rw――齒扇分度圓半徑。 由式（4）、（5）得角傳動(dòng)比iw=φβ=2πrwt（6） 式子中iw是已知的，iw=18.85 而分度圓半徑rw=mz2（7） 其中：m――齒扇模數(shù)，m=6； Z――齒扇齒數(shù)，一般在12-18范圍內(nèi)?。ň唧w參見齒扇軸的設(shè)計(jì)這一節(jié)），故取z=12。 所以rw=mz2=6122=36mm 所以代入式（6）中得到t=12mm，而查了相關(guān)資

42、料，螺距t在范圍t=8～13mm內(nèi)選取，故滿足要求。 2、螺桿外徑和螺母內(nèi)徑的設(shè)計(jì)計(jì)算 圖3-5 螺桿、鋼珠和螺母傳動(dòng)副的結(jié)構(gòu) 由《汽車設(shè)計(jì)》這本書可以查出，螺旋線導(dǎo)程角在6～11之間選取，取=6，則由， 即可初步確定中心距D=36.34mm。 而查資料可知螺桿外徑D1=20～38mm，而且螺桿外徑D1和螺母內(nèi)徑D2以及鋼球中心距D之間滿足關(guān)系：D2－D1=（5%～10%）D，所以綜合計(jì)算之后，最終定下D=35mm，D1 =34mm，D2=36mm。 3、鋼球數(shù)量n的確定 （7） 其中：D――鋼球中心距，D=35mm； W―

43、―轉(zhuǎn)向器的一個(gè)環(huán)路中的鋼球的工作圈數(shù)，為了使得鋼球之間的載荷能夠分布均勻，一般W在1.5～2.5之間取值，當(dāng)工作圈數(shù)大于2.5圈時(shí)，需要采用2個(gè)獨(dú)立的鋼球運(yùn)動(dòng)環(huán)路，在這里取W=2.5； D――鋼球直徑，查資料得知D在6～9mm之間取值，而且查相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，最終取國標(biāo)值D=7.144mm； ――螺桿螺旋線導(dǎo)程角，=6。 代入數(shù)據(jù)求得n=38.47個(gè)，取整數(shù)得n=39個(gè)，即單個(gè)工作環(huán)路中鋼球個(gè)數(shù)為39個(gè)。 4、螺桿螺母鋼球滾道截面的設(shè)計(jì) 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的滾道截面有四點(diǎn)接觸式、兩點(diǎn)接觸式和橢圓滾道截面等。在這里，為了軸向定位的穩(wěn)定，在比較了幾種截面后，我們選取四點(diǎn)接觸式的滾道截面。這種滾道截面

44、由四段圓弧組成，螺桿和螺母的滾道截面各有兩段圓弧，加工較為復(fù)雜。具體如下圖所示： 圖3-6 四點(diǎn)接觸式滾道截面 圖中θ角是鋼球與螺桿（螺母）滾道接觸點(diǎn)處的正壓力的方向與螺桿（螺母）滾道截面的軸線的夾角，若增大θ角，則徑向力增大軸向力減小，若減少θ角，則徑向力減小軸向力增大，所以一般取θ=45來使得徑向力和軸向力分配均勻。 R2是螺桿螺母的滾道截面中每段圓弧的半徑，為了減少鋼球和螺桿、螺母之間的摩擦，R2一般要滿足R2＞d2，一般取R2=（0.51～0.55）D，所以在這里我們?nèi)2=0.55D=3.93mm。 5、導(dǎo)管內(nèi)徑的確定 在循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器中，螺母和螺桿之間運(yùn)動(dòng)的滾珠必須要形成

45、一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)的回路才能保證轉(zhuǎn)向器能一直工作下去，這就要求螺母上有兩個(gè)對應(yīng)的孔，然后通過導(dǎo)管來連接，使得滾珠能夠通過導(dǎo)管重新進(jìn)入初始的軌道來完成循環(huán)運(yùn)動(dòng)。如下圖： 圖3-7 螺母上的導(dǎo)管 導(dǎo)管內(nèi)徑D1滿足：D1=D＋e 其中：ｅ為鋼球與導(dǎo)管內(nèi)壁的間隙，e一般在0.4～0.8mm之間選取，初定e=0.8mm，則D1=D＋e=7.144＋0.8=7.944（mm），而導(dǎo)管壁厚我們?nèi)?mm。 6、螺桿和螺母材料的選取 螺桿和螺母我們選擇采用20CrMnTi鋼來制造，其表面都需要經(jīng)過滲碳淬火的熱處理工藝，來提高螺桿、螺母的滾道部分和軸承部分的表面硬度，滲碳深

46、度為0.8～1.2mm，而鋼球的國標(biāo)規(guī)定其表面硬度要大于HRC60，所以螺桿和螺母的滾道和軸承部分滲碳后硬度可達(dá)HRC56～64，其他部位就選擇鍍銅，心部的硬度應(yīng)該要達(dá)到HRC32～38。 螺桿和螺母的螺距精度要達(dá)到0.005mm，四個(gè)螺距誤差要小于0.015mm，而且滾道表面的粗糙度為Ra0.4，滾道中徑的圓柱度要小于0.02mm。 3.6.2 齒條齒扇傳動(dòng)副的設(shè)計(jì) 1、齒扇的主要參數(shù)計(jì)算 這種循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的齒扇軸強(qiáng)度要求比普通的機(jī)械轉(zhuǎn)向器的齒扇軸強(qiáng)度要大一些以便能夠承受動(dòng)力轉(zhuǎn)向器較大的輸出轉(zhuǎn)矩。齒扇軸齒數(shù)一般多為三齒和五齒，而由于轉(zhuǎn)角的變大，本次設(shè)計(jì)決定采用三齒齒扇。除此之外，齒

47、扇的齒厚也是線性變化的，沿著齒寬方向變化，它的外觀與普通的直齒圓錐齒輪相似。 圖3-8 變厚齒扇 由上小節(jié)可知，已知整圓齒數(shù)為z=12，要滿足設(shè)計(jì)條件中的“輸出擺角為45”則需保留的齒數(shù)為三個(gè)齒。模數(shù)已知為m=6，法向壓力角α0根據(jù)圖3-10選擇α0=27相應(yīng)的齒頂高系數(shù)X1=1.0，X2=1.25，切削角根據(jù)圖3-10選擇γ=7.5。初定扇齒寬F=30mm，截面B-B離基準(zhǔn)平面O—O的距離為20mm，截面C—C距離基準(zhǔn)平面距離為10mm。 圖3-9 齒扇計(jì)算用圖

48、 圖3-10循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的部分參數(shù) 齒扇計(jì)算依據(jù)如下圖： 圖3-11 齒扇計(jì)算依據(jù) 由上述參數(shù)結(jié)合圖3-11得： 分度圓直徑：D=mz=612=72mm 齒頂高：h=m=1.06=6mm 齒根高：h=m=1.256=7.5mm 齒全高：h= h＋h=13.5mm 徑向間隙：c= h- h=1.5mm 雖然齒厚在變，但是齒扇齒的分度圓、基圓半徑是不變的，基圓半徑為 R0=D/2-h1=30mm 最大變位系數(shù)： 同理最小變位系數(shù)：=-0.219 基準(zhǔn)齒頂圓直徑：D=（z＋2）m=（12＋21.0）6=84mm 最

49、大齒頂圓（B—B處）直徑： D=（z＋2＋2）m=（12＋21.0＋20.439）6=89.3mm 最小齒頂圓（C—C處）直徑 D=（z＋2＋2）m=（12＋2-20.219）6=81.4mm 基準(zhǔn)分度圓弧齒厚s=mπ/2=9.42mm 最大分度圓弧齒厚（B-B處） s=（）m=（3.14/2 ＋20.439tan27）6=12.1mm 同理可得最小分度圓弧齒厚（C—C處）s=8.1mm 2、齒扇軸的材料選取 采用20CrMnTi鋼，齒扇軸表面和齒扇表面的硬度要達(dá)到HRC58—64，可以采用滲碳淬火；心部硬度要達(dá)到HRC25—30，多采用調(diào)質(zhì)處理。 3、齒條參數(shù)的

50、計(jì)算 如下圖： 圖3-12 齒條參數(shù)計(jì)算參考圖 計(jì)算各參數(shù)如下表： 表3-2 齒條參數(shù) 齒條壓力角 α0=27 齒距 t=πm=18.85mm 齒條節(jié)線齒厚 S=t2=9.43 齒條齒頂高 h=x1m=6mm 齒條齒根高 h″=2m＋c-h=7.5mm 工作齒高 h0=2m=12 頂隙c c=0.25m=1.5 齒條全高 H=13.5mm Ff Ff=39mm Fe Fe=45mm 3.6.3轉(zhuǎn)閥的設(shè)計(jì) 1、閥槽的選型 液壓助力轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)閥由閥套和閥芯組成，閥套和螺桿做成一體，位于螺桿的一端，閥芯和轉(zhuǎn)向軸做成一體，位于轉(zhuǎn)向軸的一端

51、，閥套和閥芯上各有軸向的溝槽，閥套和閥芯上分別開有油道。轉(zhuǎn)閥有六槽式和八槽式，兩種閥基本上原理相同，都有進(jìn)油口、回油口、連接上下油腔的油口。我們這里選擇的是六槽式，而且到下油腔的油道，選擇的是通過螺桿中心孔（螺桿中心是貫孔）的孔道來將油通到下油腔。如下圖： 圖3-13 轉(zhuǎn)閥的槽型 a）六槽式；b）八槽式 2、 閥套的設(shè)計(jì) 根據(jù)加工方法的不同，閥套可分為以下幾種：刨槽機(jī)加工成型、拉刀加工鑲塊型、粉末冶金成型燒結(jié)型、套筒型、電化學(xué)腐蝕成型、壓配合型。 閥套結(jié)構(gòu)的選型取決于加工閥槽的可行性，在比較了以上幾種閥套后我們選擇了刨槽機(jī)加工成型的閥套，如下圖a）

52、。 圖3-14 閥套的不同結(jié)構(gòu) a）刨槽機(jī)加工成型;b)拉刀加工鑲塊型;c)粉末冶金成型燒結(jié)型; D)套筒型;e)電化學(xué)腐蝕成型;f)壓配合型 閥套的材料有兩種，40Cr或45號鋼，另一種是粉末冶金的，這里由于閥套和螺桿是一體的，故我們選擇20CrMnTi作為材料。因此，我們設(shè)計(jì)的閥套要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，熱處理硬度要達(dá)到HRC30～35。而閥套內(nèi)孔的表面粗糙度為Ra0.4，精度要達(dá)到IT6，閥套槽分度精度為15′，每個(gè)槽的對稱度不能大于0.025mm。 3、轉(zhuǎn)閥刃口（閥口）的設(shè)計(jì) 選擇短切口的閥口，如下圖：

53、圖3-15 短切口閥的結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)《動(dòng)力轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)》這一書中資料得關(guān)系式如下： p=32μQπNW2A2-πRφ1802　 (8) 其中：P――工作油壓，P=13.7MPa； μ――液壓油的絕對粘度，單位Pas； Q――工作流量； N――閥槽數(shù)； W2――閥槽軸向長度，單位mm； A2――閥套和閥芯槽之間的間隙； R――閥芯部分的直徑，R=24mm； φ――閥芯與閥體的瞬間相對轉(zhuǎn)角（φ=0-α1）. 令W2=23.5mm，則求得A2=0.66mm。 QE=CdA02Pρ (9) 其中

54、：Cd――流量系數(shù)，取0.7； A0――小孔面積； ρ――液體密度。 由《動(dòng)力轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)》中的資料得： p=ρQ2N2Cd2W2A1-πRφ1802 (10) 其中：P――工作油壓，P=13.7MPa； ρ――液體密度； Q――工作流量； N――閥槽數(shù)； Cd――流量系數(shù)，取0.7； W――閥槽切口軸向長度，單位mm； A1――切口寬； R――閥芯部分的直徑，R=24mm； φ――閥芯與閥體的瞬間相對轉(zhuǎn)角（φ=∝1-α2）。 查下圖，選W=6mm，得A1=1.0mm。

55、 圖3-16 加工短切口轉(zhuǎn)閥的靈敏度曲線 4、閥芯的設(shè)計(jì) 在這次設(shè)計(jì)中，閥芯與轉(zhuǎn)向軸集成一體，轉(zhuǎn)向軸上半段是漸開線三角花鍵，起到與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置連接的作用，中間是密封段，下半段是閥芯。 閥芯的油槽開在閥芯的外圓表面，可以縱向銑削或滾削加工，油槽的長度要根據(jù)閥套槽長度和油口的設(shè)計(jì)位置來確定。轉(zhuǎn)向軸的三角花鍵根據(jù)國標(biāo)GB3478.1-83的規(guī)定選用，一般采用36齒標(biāo)準(zhǔn)齒型。 閥芯部分的表面粗糙度為Ra0.4，精度要達(dá)到IT6。轉(zhuǎn)向軸的材料一般為20CrMnTi，可以采用表面氰化處理或者滲碳淬火這樣的熱處理，熱處理后

56、閥芯表面硬度應(yīng)達(dá)到HRC58～63，閥芯心部硬度應(yīng)達(dá)到HRC25～30。 5、扭桿的設(shè)計(jì) 扭桿是轉(zhuǎn)閥式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器中轉(zhuǎn)閥回正必不可少的關(guān)鍵彈性部件，轉(zhuǎn)閥的閥芯隨著轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)，相對于閥套轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度將閥打開，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向動(dòng)作。轉(zhuǎn)向完成后，閥芯在扭桿的作用下迅速恢復(fù)到原始對中位置。 圖3-17 扭桿 D0為扭桿本體直徑；D為扭桿大端直徑；l2為過渡部分長度；l1為過渡部分當(dāng)量長度 扭桿的計(jì)算長度l可由下式計(jì)算： l=l0＋2l1 (11) 其中：l0――扭桿本體長度，mm； l1――過渡部分當(dāng)量長度mm。 結(jié)合圖3-18以及螺桿和

57、閥芯的設(shè)計(jì)參數(shù)最終定下扭桿的參數(shù)如下： D0=8mm;l0=200mm;l1=5mm;l2=6.94mm;R=12mm;D=10mm;總長L=262.5mm。 圖3-18 扭桿過渡部分當(dāng)量長度計(jì)算曲線 扭桿的材料我們選用50CrVA，扭桿熱處理后的硬度一般要達(dá)到HRC36～41，最高為HRC50，這里選擇HRC45，進(jìn)行噴丸處理以提高疲勞強(qiáng)度。 6、轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)動(dòng)限位結(jié)構(gòu) 在轉(zhuǎn)向動(dòng)作開始后，轉(zhuǎn)向軸（閥芯）克服扭桿彈性相對閥套產(chǎn)生圓周方向相對位移使閥打開。在閥全部打開后必須使轉(zhuǎn)向軸與閥套一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而轉(zhuǎn)向螺桿是與閥套一體的，所以轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向螺桿在閥全部打開后

58、亦應(yīng)立即實(shí)現(xiàn)剛性接觸一體轉(zhuǎn)動(dòng)，直至轉(zhuǎn)向動(dòng)作停止，在彈性元件――扭桿作用下轉(zhuǎn)向軸（閥芯）恢復(fù)相對閥套的中間位置。而實(shí)現(xiàn)這一剛性連接一般需要通過轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)動(dòng)限位結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)其實(shí)是在轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向螺桿結(jié)合部分設(shè)計(jì)一個(gè)有一定轉(zhuǎn)動(dòng)角度的轉(zhuǎn)向限位結(jié)構(gòu)，一般有四種結(jié)構(gòu)。這個(gè)轉(zhuǎn)角一般兩側(cè)均是7。具體見下圖： 圖3-19 四種轉(zhuǎn)向限位結(jié)構(gòu) a）雙塊式；b）圓柱銷式；c）雙凸臺(tái)式；D）三凸臺(tái)式 在這里我們選擇雙凸臺(tái)式限位結(jié)構(gòu)，即在閥套上和閥芯接觸處設(shè)計(jì)兩個(gè)凸臺(tái)。 3.6.4 殼體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 1、動(dòng)力缸的設(shè)計(jì) （1）缸徑：我們缸徑選的是100mm； （2）活塞最大行程：

59、活塞移動(dòng)到極限位置時(shí)，我們選擇的是利用缸體本身來限位，活塞處于中間位置時(shí)距離其中一端的距離為： L=παD360 （12） 其中：α――扇齒最大轉(zhuǎn)角，45； D齒扇分度圓直徑，72mm。 得L=28.3mm，而螺母長度L0動(dòng)力缸的最小長度為S=L0＋2L=174.6mm，取S=190mm。 （3）動(dòng)力缸殼體壁厚 根據(jù)計(jì)算軸向平面拉應(yīng)力來確定： σz=P[D24(Dt＋t2)]≤σsn （13） 其中：P――油液壓力； D――動(dòng)力缸內(nèi)徑； n――安全系數(shù)，取n=4.5; σs――殼體材料屈服點(diǎn)，初選殼體材料為鋁合金Z

60、L105。其抗拉強(qiáng)度為160～240MPa. 由式（13）求得t=8.85mm，取t=10mm。 2、結(jié)構(gòu)的選擇 選擇三體式，即殼體、上蓋和下蓋，殼體是通孔，工藝性較好。下蓋和側(cè)蓋均采用法蘭盤式，用螺栓固定。 3、材料的選擇 選擇鋁合金ZL105，這種材料質(zhì)量輕便，但是不耐磨，因此采用鑲套結(jié)構(gòu)――在油缸部位都鑲一個(gè)灰鑄鐵薄缸套。 4、公差精度 (1)主要軸承孔的尺寸公差不低于IT7； (2)孔與平面,孔與孔的相互位置公差: A推力球軸承的兩軸承孔中心線與共公中心線的同軸度公差為0.03mm； B推力球軸承的軸承孔端面的圓跳動(dòng)公差為0.03mm； C轉(zhuǎn)向螺桿孔端面的圓跳動(dòng)公

61、差為0.08mm； D轉(zhuǎn)向搖臂軸油封孔中心線與公共中心線的同軸度公差為0.12mm； E側(cè)蓋孔中心線與公共中心線的同軸度公差為0.03mm； (3) 主要孔中心距偏差為0.05mm； (4) 主要孔表面粗糙度為Ra1.6um； (5) 側(cè)面上螺紋孔位置度公差為?0.15mm。 3.7本章小結(jié) 本節(jié)主要介紹了螺桿螺母傳動(dòng)副、齒條齒扇傳動(dòng)副、轉(zhuǎn)閥、轉(zhuǎn)向器殼體的設(shè)計(jì)過程。  第四章 零件的強(qiáng)度校核 4.1 鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力 已知接觸表面硬度為HRC56～64，則許用接觸應(yīng)力的MPa. 鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力可用下式計(jì)算

62、 ≤（14） 式中：K——系數(shù)，根據(jù)A/B值從下圖中查找，A/B=D1(2R2-D)/2R2(D1＋D)，得出A/B=0.08故得K=0.970； D1――螺桿外徑，34mm； R2——滾道截面半徑， 3.93mm； D——鋼球直徑， 7.144mm； 圖4-1 系數(shù)K與A/B的關(guān)系 E——材料彈性模量，E=2.1MPa； N——每個(gè)鋼球與螺桿滾道的正壓力： 其中： （15） ——轉(zhuǎn)向盤圓周力；Fh=FHmax?R?η＋D2?tanα0， ；FHmax=600N；D為鋼球中心距，35mm； ——轉(zhuǎn)向盤輪緣半徑；取R=210mm； —

63、—螺桿螺線導(dǎo)程角；； ——鋼球與滾道間的接觸角；； ——參與工作的鋼球數(shù)；； ――鋼球接觸點(diǎn)至螺桿中心線之距離， 代入數(shù)據(jù)求得=21500N＜ 4.2 齒的彎曲應(yīng)力 齒扇通常用20CrMnTi鋼制造，需用彎曲應(yīng)力=540MPa。 齒扇的彎曲應(yīng)力可由下式算得： （16） 式中：P——設(shè)計(jì)載荷，17150N h——齒扇的齒高，6mm B——齒扇的齒寬，30mm S——齒扇的齒厚，9.42mm 帶入數(shù)據(jù)得=231.9MPa< 4.3轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑的確定 轉(zhuǎn)向搖臂軸的直徑可由下式計(jì)算： （17） 式中：k——安全系數(shù)，一般取2.5～3.5，這里

64、取3； M——轉(zhuǎn)向阻力距，已知2.531Nmm； ——扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限，20CrMnTi鋼為300MPa=300N/mm2。 帶入數(shù)據(jù)得：D=36mm，而我們選取的轉(zhuǎn)向搖臂軸的直徑為38mm大于這個(gè)最小值，故而復(fù)合要求。 4.4本章小結(jié) 本章對鋼珠與滾道的接觸應(yīng)力，齒的彎曲應(yīng)力和搖臂軸直徑的校核。  第五章 轉(zhuǎn)向器的PRO/E三維裝配設(shè)計(jì) 5.1 PRO/E軟件的介紹 PRO/E軟件全稱為Pro/Engineer，該軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，在世界上

65、是參數(shù)化技術(shù)的應(yīng)用最早的一個(gè)軟件，PRO/E在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位。Pro/E作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置，另外其他相似的軟件還有SoliDworks、UG、Catia等等。 Pro/E采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。其主要特性有：參數(shù)化設(shè)計(jì)、基于特征建模、單一數(shù)據(jù)庫（全相關(guān)）等。 5.2 轉(zhuǎn)向器主要零件的三維設(shè)計(jì) 1、轉(zhuǎn)向螺桿的三維設(shè)計(jì) 如下圖5-1、

66、圖5-2所示，螺桿分為三段，左端這一段是閥套，閥套長51.5mm，外徑為48mm，內(nèi)徑為24mm，閥槽長23.5mm，寬5mm，閥槽上間隔著開了3個(gè)直徑為4mm的油孔閥套內(nèi)孔的右端做臺(tái)肩以便閥芯能夠更好的定位防止軸向竄動(dòng)。中間這一段是螺桿部分，螺距為12mm，鋼球中心距35mm，螺桿外徑34mm，導(dǎo)程角為6，旋向?yàn)樽笮?。右端為螺母和螺桿的直接接觸部分，外徑35mm螺桿中心孔直徑為12mm，最右端的內(nèi)孔直徑為10mm，徑向開有直徑4mm的銷孔。 形位公差及精度如下： 閥套內(nèi)孔與主軸同軸度為0.02，螺桿直徑34mm的外圓部分并不與螺母直徑接觸，加工精度達(dá)到Ra6.3即可，滾道的表面要精加工，粗糙度達(dá)Ra0.4。右端直徑35mm的外圓部分與中心軸同軸度0.03，表面粗糙度要達(dá)到Ra0.8，內(nèi)孔與中心軸同軸度達(dá)到0.01，內(nèi)表面粗糙度Ra3.2，最右端直徑為4mm的銷孔精度Ra1.6，其余的各個(gè)面精度均為Ra0.8。 圖5-1 螺桿三維圖