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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）
設(shè)計(jì)(論文)題目： 貨車轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì)
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目 錄 I
Abstract 2
1 緒論 3
1.1轉(zhuǎn)向系的用途 3
1.2研究目的及發(fā)展趨勢(shì) 3
2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述 4
2.1轉(zhuǎn)向系結(jié)構(gòu)和功用 4
2.1.1轉(zhuǎn)向器 4
2.1.2 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu) 4
2.1.3 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 5
2.2 轉(zhuǎn)向器的分類 5
2.2.1 循環(huán)球-齒條齒扇轉(zhuǎn)向器 5
2.2.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 7
2.2.3 蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器 8
2.3轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 9
3 轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù) 10
3.1 轉(zhuǎn)向器的效率 10
3.1.1 轉(zhuǎn)向器的正效率 10
3.1.2 轉(zhuǎn)向器的逆效率 10
3.2 傳動(dòng)比的變化特性 11
3.2.1轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比 11
3.2.2轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比 11
3.3轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副的傳動(dòng)間隙 12
3.4轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù) 12
4輕型貨車轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì) 13
4.1轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)與計(jì)算 13
4.1.1傳動(dòng)構(gòu)件尺寸 13
4.1.2鋼球直徑D及數(shù)量N 15
4.1.3滾道截面 15
4.1.4接觸角θ 15
4.1.5螺距P和螺線導(dǎo)程角α0 16
4.1.6工作鋼球圈數(shù)W 16
4.1.7導(dǎo)管內(nèi)徑D1 16
4.2變厚齒扇的計(jì)算 17
4.2.1齒扇齒的應(yīng)力校核 18
6轉(zhuǎn)向器載荷的計(jì)算 19
6.1轉(zhuǎn)向器計(jì)算載荷的確定 19
6.2循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件強(qiáng)度計(jì)算 20
6.2.1鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力 20
6.2.2轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑 22
7轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 23
7.1機(jī)構(gòu)臂、桿與球銷 23
8.2桿件設(shè)計(jì)結(jié)果 24
8 三維建模 25
總結(jié) 32
參考文獻(xiàn) 33
致謝 34
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摘 要
轉(zhuǎn)向系是用來改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)。駕駛員通過方向盤連接著的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)來控制汽車的直行或轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)向系的作用不僅改變行駛方向，它還是汽車安全性的保障，并且是汽車穩(wěn)定性的重要因素，也是駕駛員乘坐舒適感的重要體驗(yàn)。
本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目為貨車轉(zhuǎn)向系，我們選用的轉(zhuǎn)向器是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，通過循環(huán)球轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)與研究，設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)向系的主要零部件，對(duì)螺桿，螺母，齒輪齒扇參數(shù)的確定，達(dá)到畢業(yè)設(shè)計(jì)研究的效果，最后利用三維軟件CATIA建立模型，并將建立好的模型裝配起來。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系；循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器；齒輪齒扇；三維建模
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Abstract
The so-called car steering system, as the name implies, is used to change the steering mechanism in the direction of vehicle travel. Connected to the driver through the steering wheel with the steering mechanism to control the car's straight or turning the steering role of the Department not only just change the direction of travel, it is the protection of vehicle safety and vehicle stability is an important factor, but also the driver ride comfort experience a sense of importance. The topic for the graduation of truck steering system, we use a recirculating ball steering gear steering gear, Design and Research Department by recirculating ball, to explore in depth the importance of steering system for a motor vehicle, the design graduate study met effect. Finally, three-dimensional modeling software CATIA and establish a good model for assembly.
Key words: Steering system; recirculating-ball steering; importance; three-dimensional software
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1 緒論
1.1轉(zhuǎn)向系的用途
轉(zhuǎn)向系就是用來改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，駕駛員根據(jù)需要改變汽車的行駛方向，汽車需要在不同環(huán)境、不同溫度下行駛，而轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)則是選擇和改變行駛方向必不可少的機(jī)構(gòu)。現(xiàn)代的汽車要求較高，要求轉(zhuǎn)向車輪既穩(wěn)定而且又可以操縱靈活。 轉(zhuǎn)向車輪的穩(wěn)定，是指車輪在意外受到外力作用或者方向盤微轉(zhuǎn)動(dòng)從而導(dǎo)致汽車偏離直線行駛時(shí)，可以自動(dòng)恢復(fù)直線行駛。在將方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)一圈或更多圈，車輪扭轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的角度后，放松方向盤時(shí)車輪可以迅速恢復(fù)直線行駛。
汽車轉(zhuǎn)向系不光光是改變行駛方向的功用，亦是汽車安全性的所在。因此對(duì)于汽車轉(zhuǎn)向系的研究與探討變的尤為重要。
1.2研究目的及發(fā)展趨勢(shì)
眾所周知，汽車的轉(zhuǎn)向一直追求“輕”和“靈”，事實(shí)上卻是互相矛盾的。為了追求轉(zhuǎn)向的“輕”，需要使轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比變大，卻將造成操縱的反應(yīng)速度變慢，就失去了“靈”的效果。為了緩和“輕”“靈”之間的矛盾，對(duì)于機(jī)械轉(zhuǎn)向器，我們從兩個(gè)方面入手解決。一方面提高轉(zhuǎn)向器效率，第二將變速比應(yīng)用在轉(zhuǎn)向器上，但這并不能從源頭上面解決問題，只是治標(biāo)不治標(biāo)。并且汽車轉(zhuǎn)向系是汽車主動(dòng)安全的性的關(guān)鍵所在，怎樣設(shè)計(jì)使得汽車擁有更好的操控性能，因此我們的任務(wù)的便是針對(duì)汽車轉(zhuǎn)向系進(jìn)行更加努力的鉆研。?
汽車主要的轉(zhuǎn)向器有兩個(gè)，一是齒輪齒條轉(zhuǎn)向器，而是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器；而蝸桿銷式轉(zhuǎn)向器和蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)向器，在市場(chǎng)上很少。
對(duì)于小型汽車而言，齒輪齒條發(fā)揮出了自身的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛；循環(huán)球轉(zhuǎn)向器則在大型客車貨車中發(fā)揮著自己的長(zhǎng)處。
轉(zhuǎn)向系的發(fā)展越來越迅猛，分有以下幾類，機(jī)械式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，將來發(fā)展更有前景。
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2 轉(zhuǎn)向系概述
2 轉(zhuǎn)向系概述
2.1轉(zhuǎn)向系結(jié)構(gòu)和功用
轉(zhuǎn)向系分為三大機(jī)構(gòu)，每個(gè)機(jī)構(gòu)都相互依靠，至關(guān)重要。分別為：轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向 萬向節(jié)。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的構(gòu)造零件如下圖所示，包括轉(zhuǎn)向搖臂，轉(zhuǎn)向直拉桿，轉(zhuǎn)向節(jié)臂和橫拉桿，轉(zhuǎn)向節(jié)梯形臂。如圖2.1所示。
2.1.1轉(zhuǎn)向器
轉(zhuǎn)向系的重要的部件是轉(zhuǎn)向器，用途如下：
1、通過選用螺（蝸）桿上的左右螺紋螺旋方向，使得方向盤與車輪之間的方向一致；
2、使得來自方向盤的轉(zhuǎn)矩增大，增大到車輪與路面之間的轉(zhuǎn)向阻力矩得以克服；
3、將方向盤的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，改變運(yùn)動(dòng)方向。
2.1.2 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)
轉(zhuǎn)向器操縱機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸及轉(zhuǎn)向節(jié)。為了汽車的行駛安全保障性，便于保修和空間性，更多汽車采用分段式轉(zhuǎn)向軸，萬向節(jié)互相連接。柔性萬向節(jié)的特點(diǎn)是減少軸的震動(dòng)，但萬向節(jié)過軟，便會(huì)影響整個(gè)轉(zhuǎn)向系的剛度。
2.2轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)
1-轉(zhuǎn)向萬向節(jié)；2-轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸；3-轉(zhuǎn)向管柱；4-轉(zhuǎn)向軸；5-轉(zhuǎn)向盤
2.1.3 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向臂、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向縱拉桿、轉(zhuǎn)向橫拉桿以及轉(zhuǎn)向梯形臂等。（見圖2.3）
轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)向器輸出的力和運(yùn)動(dòng)分別傳給左、右轉(zhuǎn)向節(jié)，在力的作用下左右輪偏移一定距離。
2.3 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
1-轉(zhuǎn)向搖臂；2-轉(zhuǎn)向縱拉桿；3-轉(zhuǎn)向節(jié)臂；4-轉(zhuǎn)向梯形臂；5-轉(zhuǎn)向橫拉桿
2.2 轉(zhuǎn)向器的分類
轉(zhuǎn)向器有以下幾種，齒輪齒條轉(zhuǎn)向器，循環(huán)球轉(zhuǎn)向器，蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器等。
2.2.1 循環(huán)球-齒條齒扇轉(zhuǎn)向器
工作原理：方向盤和轉(zhuǎn)向軸相接，轉(zhuǎn)向軸上布有螺紋帶動(dòng)螺套做軸向直線移動(dòng)。
螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)使螺母軸向移動(dòng)。而螺桿與螺母之間的用球填充間隙，主要作用就是減少了螺桿螺母運(yùn)動(dòng)之間產(chǎn)生的摩擦。螺桿螺母之間有兩列鋼球，每列鋼球都有自己封閉的滾道，并在滾道內(nèi)循環(huán)滾動(dòng)，因此不會(huì)脫離滾道，而且大大減少了摩擦阻力。鋼球在滾道里循環(huán)工作兩周后，從螺母滾出，同時(shí)進(jìn)入另一端滾道。
如圖2-4所示為循環(huán)球的工作原理圖和零件圖。
循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的正傳動(dòng)效率很高，效率高達(dá)百分之九十到百分之九十五。但是其逆效率也很高，
轉(zhuǎn)向盤會(huì)受到路面對(duì)車輪的沖擊力。若汽車經(jīng)常行駛在道路平整的路面上，則此缺點(diǎn)沒有太大的影響。
圖2.5循環(huán)球-齒條齒扇轉(zhuǎn)向器組成及工作原理
2.2.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器
齒輪齒條轉(zhuǎn)向器顧名思義，就是利用齒輪齒條之間的嚙合來改變傳動(dòng)的方向?？偹苤?，齒輪齒條嚙合是將齒輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為齒條的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。
齒輪齒條轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)效率可達(dá)90%與其他形式的轉(zhuǎn)向器比較，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器最主要的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。根據(jù)輸入齒輪齒輪位置和輸出特點(diǎn)不同，齒輪齒條轉(zhuǎn)向器有四種形式，中間輸入，兩端輸出（2.6a）；側(cè)面輸入兩端輸出（2.6b）；側(cè)面輸入，中間輸出（2.6c）；側(cè)面輸入，一端輸出（2.6d）。
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器廣泛應(yīng)用于乘用車上。載質(zhì)量不大，前輪采用獨(dú)立懸架的貨車和客車也用齒輪齒條轉(zhuǎn)向器。
2.2.3 蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器
蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，通過蝸桿傳動(dòng)將力，使得蝸桿槽里的指銷轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)使轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)作。此轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)零件復(fù)雜，種類繁多，維護(hù)較為不方便。因此現(xiàn)在的汽車中很少使用。
蝸桿曲柄指銷轉(zhuǎn)向器優(yōu)點(diǎn):傳動(dòng)比既可以為固定的，亦可以不固定。
轉(zhuǎn)向器缺點(diǎn)：效率低，磨損比較大。
2.3轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求
1）汽車在改變行駛方向后，司機(jī)松開方向盤，方向盤能主動(dòng)沿著直線行駛，并駕駛平穩(wěn)安全；
2）汽車行駛方向發(fā)生變化時(shí)，理想狀態(tài)下所有車輪向中心轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)車輪不可向側(cè)邊滑動(dòng)。
3）任何行駛狀態(tài)下的汽車，轉(zhuǎn)向輪不可產(chǎn)生自振，方向盤不能轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)；
4）轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置同時(shí)工作時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺動(dòng)應(yīng)最??；
5） 轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的球頭處，應(yīng)布置因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)；
6） 車輪在道路上撞到物體后，傳遞給方向盤的反沖力盡量??；
7） 汽車轉(zhuǎn)彎的彎道較小時(shí)，方向盤通過轉(zhuǎn)向器控制的車輪必須轉(zhuǎn)向平穩(wěn)。汽車直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，汽車方向盤不可抖動(dòng)，必須穩(wěn)定。
8） 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核，保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。
3 轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù)
3 轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù)
3.1 轉(zhuǎn)向器的效率
的是指功率p1從轉(zhuǎn)向軸輸入，臂，用表示，，用
正效率計(jì)算公式：
（3-1）
逆效率計(jì)算公式：
（3-2）
式中， 轉(zhuǎn)向軸上的功率；為轉(zhuǎn)向器中的磨擦功率；轉(zhuǎn)向搖臂軸上的功率。
3.1.1 轉(zhuǎn)向器的正效率
功率P1進(jìn)入轉(zhuǎn)向軸，通過轉(zhuǎn)向軸搖臂輸出效率稱轉(zhuǎn)向器正效率:
(3.3)
轉(zhuǎn)向器中摩擦功率為P2。轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)不同，那么正效率也不同，而循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的正效率相對(duì)于其他轉(zhuǎn)向器而比較高；；正效率越大，轉(zhuǎn)向器的摩擦損失就會(huì)越小，轉(zhuǎn)向操縱更輕便。
對(duì)于軸承摩擦損失和其他摩擦損失忽略的話，將嚙合副的摩擦損失計(jì)算在內(nèi)，對(duì)于蝸桿和螺桿類轉(zhuǎn)向器，其正效率可用下式計(jì)算：
（3.6）
ρ為摩擦角；α0為螺桿螺線導(dǎo)程角；摩擦因數(shù)f取；
3.1.2 轉(zhuǎn)向器的逆效率
逆效率可分為可逆式、極限可逆式和不可逆式之分。
可逆式轉(zhuǎn)向器可保證汽車改變行駛方向后，轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤在駕駛員不接觸的情況下可自動(dòng)回正。這樣減少了駕駛的操作，不會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間行駛產(chǎn)生勞累，并且提高了行駛的安全性。但在泥濘道路上駕駛時(shí)，對(duì)車輪的阻力，絕大多數(shù)力傳遞方向盤，駕駛員易產(chǎn)生“打手”。齒輪齒條式和循環(huán)球式皆為可逆式轉(zhuǎn)向器。
汽車使用不可逆式轉(zhuǎn)向器，汽車車輪在沖擊力的作用下，直接將沖擊力傳遞給轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的零件，長(zhǎng)時(shí)間下零件磨損高，易損毀。同時(shí)，不可逆式轉(zhuǎn)向器不具有自動(dòng)回正功能，駕駛員對(duì)路面沒有感知。
極限可逆式轉(zhuǎn)向器屬于可逆式與不可逆式的中間值。當(dāng)車輪在沖擊力作用下，沖擊力只有很少的力傳給方向盤。逆效率較低，所以在非平整道路上行駛，駕駛員不會(huì)過度緊張，而且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)里面的零件受到的力也較小，耐磨損。
若只針對(duì)嚙合副的摩擦，忽略軸承等摩擦損失，則逆效率公式如下：
（2.5）
3.2 傳動(dòng)比的變化特性
3.2.1轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比
轉(zhuǎn)向盤角速度與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度之比，稱為轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比，即
（3-5）
又由轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)角傳動(dòng)比所組成，即
（3-6）
轉(zhuǎn)向盤角速度與搖臂軸角速度之比，稱為轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比，即
（3-7）
公式（3-7）除了齒輪齒條轉(zhuǎn)向器，其他轉(zhuǎn)向系都可互相使用。
轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比如下
(3-8)
3.2.2轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比
（3-14）
在大部分汽車中，與的值接近相等，因此L2/L1=1，得：
（3-15）
綜上，我們一般研究傳動(dòng)系的角傳動(dòng)比變化規(guī)律。
3.3轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副的傳動(dòng)間隙
無論是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，還是循環(huán)球轉(zhuǎn)向器，或是蝸桿曲柄指銷轉(zhuǎn)向器，皆為齒輪副結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)副間隙根據(jù)方向盤尺寸而定，這種互相影響的關(guān)系便是
見圖（3.1）。
傳動(dòng)間隙直接影響到汽車直線行駛時(shí)情況下的的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向器的使用周期。
方向盤不動(dòng)或者方向盤偏轉(zhuǎn)一小定角度時(shí)，傳動(dòng)間隙是最小的，如果沒有間隙那么是最好的。若傳動(dòng)間隙比較大，那么汽車將不會(huì)直線行駛，并且脫離汽車行駛軌跡，對(duì)駕駛員的生命安全造成影響。
因此，傳動(dòng)副傳動(dòng)間隙特性如下圖3.1所示，波形呈逐漸加大的形狀。
圖3.1轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副傳動(dòng)間隙特性
圖3.1中，曲線1為轉(zhuǎn)向器在磨損前的間隙變化特性；曲線2是在使用后而且磨損了的間隙變化特性，如圖中所示，此時(shí)的曲線相對(duì)于曲線1出現(xiàn)了較大的間隙；曲線3的曲線就較為平滑，這是優(yōu)化過后的曲線。
3.4轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)
總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)與車輪的最大轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比息息相關(guān)，且直接關(guān)系到汽車轉(zhuǎn)向的“輕”與“靈”。一般汽車的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)相比貨車而言較少，一般約在3.6圈以內(nèi)；貨車一般不宜超過6圈。
4 轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)
4轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)
4.1轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)與計(jì)算
本設(shè)計(jì)主要參照東風(fēng)輕型貨車，其參數(shù)為：兩軸式42驅(qū)動(dòng)平頭貨車。最高車速115km/h,裝載質(zhì)量3t。最小轉(zhuǎn)彎直徑不大于14m。最大爬坡度不小于0.3。
4.1.1傳動(dòng)構(gòu)件尺寸
D1為螺桿外徑，D2為螺母內(nèi)徑，d為鋼球直徑。以上尺寸對(duì)鋼球的中心距都會(huì)產(chǎn)生影響，并且會(huì)影響結(jié)構(gòu)的剛度。一般D值越小越好。通常情況下，m越大，D越大。螺桿外徑D1在區(qū)間內(nèi),具體的參數(shù)需要根據(jù)轉(zhuǎn)向軸確定。螺母內(nèi)徑D2必須比D1大。一般要求。選取,,
圖4.2 螺桿、鋼球和螺母?jìng)鲃?dòng)副
4.1.2鋼球直徑D及數(shù)量N
對(duì)于轉(zhuǎn)向器而言，如果d越大，那么整個(gè)循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的承載力就會(huì)越大，并且轉(zhuǎn)向軸的結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之變大。D需要在國家標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)選取。通常在選取，根據(jù)4.1選取。
N越大，轉(zhuǎn)向器的操作能力就越大，但是卻會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向器的效率也會(huì)變低。又因?yàn)檗D(zhuǎn)向器傳動(dòng)之間有傳動(dòng)間隙，所以不是所有的球都在運(yùn)作。
每個(gè)環(huán)路中的鋼球數(shù)公式如下
（4-1）
式4.1中，α0為螺線導(dǎo)程角，取，得。
4.1.3滾道截面
螺桿與螺母嚙合時(shí)，中間的間隙用球填充，如圖所示剖面圖，此破面便是滾道截面，鋼球與滾道接觸的地方分為四個(gè)點(diǎn)，此四個(gè)點(diǎn)稱為四點(diǎn)接觸。此時(shí)螺桿和螺母之間的間隙也最小。留有間隙的原因是，方便潤滑油存儲(chǔ)在間隙里，減少傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦。
取R2=(0.51～0.53)d,取
4.1.4接觸角θ
圖4.3所示。通常情況下，接觸角θ=450，主要作用便是使軸向力和徑向力相等，已達(dá)到相互抵消的目的。
4.1.5螺距P和螺線導(dǎo)程角α0
螺母軸向直線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的距離s
(4-2)
齒扇節(jié)圓在運(yùn)動(dòng)中所劃的弧長(zhǎng)為s,得出公式
(4-3)
將上述兩個(gè)式子聯(lián)立起來得出,可以得出為：
（4-4）
要求螺距。螺距通常情況下在內(nèi)選取，，,所以，所以上述數(shù)據(jù)是合格的。
4.1.6工作鋼球圈數(shù)W
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器里面鋼球的工作空間有兩個(gè)回路。每個(gè)回路內(nèi)嵌入對(duì)應(yīng)的鋼球，并且鋼球工作圈數(shù)w直接影響到轉(zhuǎn)向器的強(qiáng)度。如果W增加，可以提高系統(tǒng)的承載能力，傳動(dòng)效果可靠。但是工作圈數(shù)也不能過多，因?yàn)槿?shù)過多，自然而言的就需要增加螺桿的長(zhǎng)度，會(huì)使的螺桿的強(qiáng)度變低，反而不利于轉(zhuǎn)向器的正常使用。因此工作圈數(shù)應(yīng)控制在正常范圍內(nèi)，使得既能提高工作時(shí)的承載能力，又不會(huì)使螺桿的剛度降低。一般規(guī)定W有兩種，分別是1.5圈的圈數(shù)，還有一個(gè)是2.5圈的圈數(shù)。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，后查表3.1得w為2.5圈。
4.1.7導(dǎo)管內(nèi)徑D1
導(dǎo)管內(nèi)徑的公式為,
式中鋼球直接e只能控制在一般范圍內(nèi)，不可太大，如果鋼球直徑e太大，會(huì)使得導(dǎo)管內(nèi)徑的增大，鋼球在導(dǎo)管內(nèi)運(yùn)作時(shí)，會(huì)有一個(gè)運(yùn)動(dòng)的中心線，一旦過大，將會(huì)偏離中心軌跡線，那么流動(dòng)阻力也會(huì)隨之真大,一般。導(dǎo)管壁厚取為1mm。
4.2變厚齒扇的計(jì)算
如圖4.4所示，為一個(gè)齒扇與軸相連的剖面圖。在對(duì)齒扇設(shè)計(jì)之初，需要查看的設(shè)計(jì)參數(shù)有：模數(shù)m必須確定，壓力角需要確定，通常壓力角的范圍區(qū)間在20°到30這個(gè)范圍內(nèi)選取，本文選取壓力角的大小為=200 。齒頂高系數(shù)一般取0.8，或者取1.0，徑向間隙系數(shù)，取0.2。
表4.2 齒扇模數(shù)選取對(duì)照表
根據(jù)本文需要查表,選取齒扇的模數(shù)m=5mm。
圖4.4 變厚齒形齒扇的計(jì)算簡(jiǎn)圖
各參數(shù)計(jì)算如下：
4.2.1齒扇齒的應(yīng)力校核
如圖4.5所示為齒輪齒扇齒的受力簡(jiǎn)圖。
圖4.5 齒扇齒的受力簡(jiǎn)圖
作用在齒扇上的圓周力
齒扇的齒高;
則齒扇齒的彎曲應(yīng)力
由上式可得彎曲應(yīng)力小于許用彎曲應(yīng)力。因此，本次所選參數(shù)和計(jì)算參數(shù)符合要求。
6 轉(zhuǎn)向器載荷的計(jì)算
6轉(zhuǎn)向器載荷的計(jì)算
6.1轉(zhuǎn)向器計(jì)算載荷的確定
想要檢查轉(zhuǎn)向系中每個(gè)零件的強(qiáng)度，首要任務(wù)就是需要缺點(diǎn)作用在每個(gè)零件上的力。
很多因素都會(huì)對(duì)零件的每個(gè)部位產(chǎn)生影響，對(duì)于轉(zhuǎn)向系來說，轉(zhuǎn)向系的零件需要有足夠的能力克服駕駛員對(duì)方向盤的力，方向盤對(duì)軸的力，汽車行駛時(shí)道路對(duì)輪胎的力，以及輪胎再行駛過程中會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力，還有就是轉(zhuǎn)向器里鋼球摩擦力，齒輪齒輪摩擦力，螺桿螺母摩擦力等等。想要將上述這些力全部計(jì)算出來，是相當(dāng)有難度的。
這里使用半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算汽車在瀝青或者混凝土路面上原地轉(zhuǎn)向阻力矩MR（N·mm）,得出
(6-1)
,G為前軸負(fù)荷
上述公式中，滑動(dòng)摩擦因數(shù)f取0.7；
輪胎氣壓。
駕駛員對(duì)方向盤需要作用的力為如下公式
（6-2）
式中——轉(zhuǎn)向搖臂長(zhǎng)
——轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)
——轉(zhuǎn)向盤直徑
——轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比
——轉(zhuǎn)向器正效率
循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)中選取轉(zhuǎn)向搖臂長(zhǎng)為；轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)為；
方向盤的尺寸不可隨意選擇，其尺寸已編為國家標(biāo)準(zhǔn)，并且選取方向盤的大小需要參考車型，車型不一樣，方向盤尺寸自然不同，一般乘用車選取較小，占用空間小，而較大汽車或載貨車則選取偏大的方向盤直徑，方向盤直徑在內(nèi)選取，本次設(shè)計(jì)參考國家標(biāo)準(zhǔn)選取直徑為500mm的方向盤。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器里因?yàn)槭锹輻U螺母?jìng)鲃?dòng)接觸，且接觸處采用滾珠填充因此效率高，摩擦小，一般情況正效率達(dá)，本次設(shè)計(jì)取85%。
代入式（5.9）得
6.2循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件強(qiáng)度計(jì)算
6.2.1鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力
（6-3）
式中K——系數(shù)，根據(jù)A／B查表6.1求得，其中A／B用下式計(jì)算：
（6-4）
——鋼球半徑為3.572
——螺桿與螺母滾道截面的圓弧半徑3.715
——螺桿外半徑14.5
E——材料彈性模量MPa；
N——每個(gè)鋼球與螺桿滾道正壓力；
（6-5）
——轉(zhuǎn)向盤圓周力為182.175
R——轉(zhuǎn)向盤輪緣半徑為200
——螺桿螺線導(dǎo)程角為8°
——鋼球與滾道間的接觸角為45°
——參與工作的鋼球數(shù)為33個(gè)
——鋼球接觸點(diǎn)至螺桿中心線之距離
得A/B=0.02，查表5.4可得K為1.8.
當(dāng)鋼球與滾道的接觸表面的硬度為HRC58～64時(shí)，許用接觸應(yīng)力可取為3000～3500MPa。顯然，≤，符合要求。
若2.5時(shí)，需要采用兩個(gè)環(huán)路使得圈數(shù)和鋼球數(shù)相同，保證每個(gè)鋼球上分到的力相等，這樣傳遞的效率高?？偟匿撉驍?shù)不得超過60個(gè)。不然需要加大鋼球直徑而后在計(jì)算。
徑向間隙不應(yīng)大于0.02～0.03mm。亦可用下式計(jì)算：
（6-6）
本設(shè)計(jì)取為0.02
軸向間隙可用下式計(jì)算：
（6-7）
式中 ——鋼球直徑
由式（6.7）可得
6.2.2轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑
轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑d為
(6-8)
汽車的使用環(huán)境不一樣，K選取的值也不一樣。一般可取,本設(shè)計(jì)；
τ0為扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限，取。
轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑取。
7 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
7轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
駕駛員通過方向盤將力傳遞給與方向盤相連的轉(zhuǎn)向軸，轉(zhuǎn)向軸帶動(dòng)螺桿螺母運(yùn)動(dòng)，再通過轉(zhuǎn)向搖臂，轉(zhuǎn)向節(jié)臂，轉(zhuǎn)向直拉桿等之間的機(jī)構(gòu)來改變車輪的行駛方向。因此，通過轉(zhuǎn)向器末端的機(jī)構(gòu)來改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)便是轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。需要使汽車在轉(zhuǎn)向過程中平穩(wěn)，準(zhǔn)確，那么便需要轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)里的梯形機(jī)構(gòu)來完成這一工作。
如圖7.1所示為非獨(dú)立懸架轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。圖中的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由多個(gè)構(gòu)件組成。分別由轉(zhuǎn)向搖臂，轉(zhuǎn)向直拉桿，轉(zhuǎn)向節(jié)臂，汽車左車輪轉(zhuǎn)向梯形臂，汽車右車輪轉(zhuǎn)向梯形臂和轉(zhuǎn)向橫拉桿組成，其中，左車輪轉(zhuǎn)向梯形臂與右車輪轉(zhuǎn)向梯形臂完全相同。轉(zhuǎn)向橫拉桿與左轉(zhuǎn)向梯形臂與右轉(zhuǎn)向梯形臂組成轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)。
圖7.1與非獨(dú)立懸架轉(zhuǎn)向輪匹配是轉(zhuǎn)向系簡(jiǎn)圖
7.1機(jī)構(gòu)臂、桿與球銷
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置方法以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比都會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向搖臂產(chǎn)生或多或小的影響。
轉(zhuǎn)向搖臂的長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置及傳動(dòng)比等因素有關(guān)，對(duì)于小型汽車與乘用車而言，轉(zhuǎn)向搖臂在1取值，本次設(shè)計(jì)為貨車轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)，取轉(zhuǎn)向搖臂為200m。
轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)需要承受較大的力，因?yàn)樾枰獛?dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，所以選用的桿件需要有足夠的剛性，本次設(shè)計(jì)選用35鋼材料做成的鋼管。
轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中零件與零件之間采用連接方式是球形鉸接，球形鉸接具有諸多有點(diǎn)，例如，球形鉸接可以大大的減少零件和零件之間因?yàn)槟p出現(xiàn)的縫隙，并且可以滿足零件之間各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，這是其他鉸接方式所不能比的。球形鉸接是通過彈簧的預(yù)緊力把球頭和襯墊固定起來。這種結(jié)構(gòu)，制造簡(jiǎn)單，使用方便，在一般的小型車或者乘用車中較少使用，在中大型的載貨車中較為常見。古云：有利必有弊，球形鉸接缺點(diǎn)亦顯而易見，彈簧的預(yù)緊力必須較大，因此較大的預(yù)緊力對(duì)球形鉸接里的球與襯墊產(chǎn)生影響，降低了使用壽命。球形鉸接處的球頭與襯墊需要注入防止摩擦過度的潤滑油，并且通過不可讓潤滑油泄露，此外還需避免灰塵與塵土的進(jìn)入，否則會(huì)大大降低使用壽命。
7.2桿件設(shè)計(jì)結(jié)果
8 三維建模
8 三維建模
在關(guān)于機(jī)械方面三維軟件眾多，其中包括SolidWorks，Creo，以及本次設(shè)計(jì)用到的catia，catia具有強(qiáng)大的三維建模能力，能夠方面并且準(zhǔn)確無誤的描繪出或者還原真實(shí)物體的尺寸構(gòu)造，對(duì)于后期的受力分析有著強(qiáng)大的支撐。Catia對(duì)于三維建模來說，曲面的建模相對(duì)于一般的建模較難，而且在受力分析方面略有不足，不過強(qiáng)大的建模體系創(chuàng)造了這個(gè)軟件的成功。
以下為本此catia三維建模的過程截圖，以及效果展示。
1.轉(zhuǎn)向盤圖
圖8.1轉(zhuǎn)向盤圖
2.傳動(dòng)軸
圖8.2傳動(dòng)軸
3.十字軸圖
圖8.3十字軸圖
4.萬向節(jié)圖
圖8.4萬向節(jié)圖
5.扇形齒輪
圖8.5扇形齒輪
6.螺桿圖
圖8.6螺桿圖
7.螺桿螺母嚙合圖
圖8.7螺桿螺母嚙合圖
8.轉(zhuǎn)向器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
圖8.8轉(zhuǎn)向器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
9.轉(zhuǎn)向器殼體圖
圖8.9轉(zhuǎn)向器殼體圖
10.轉(zhuǎn)向器
8.10轉(zhuǎn)向器
11.轉(zhuǎn)向系裝配圖
圖8.11轉(zhuǎn)向系裝配圖
參考文獻(xiàn)
總結(jié)
本次設(shè)計(jì)針對(duì)的是貨車轉(zhuǎn)向系，所選用的轉(zhuǎn)向器是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。
本次設(shè)計(jì)首先對(duì)轉(zhuǎn)向系的結(jié)構(gòu)組成部分進(jìn)行的詳細(xì)闡述，介紹了轉(zhuǎn)向系在未來的趨勢(shì)以及選用循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的目的與用途，接著對(duì)轉(zhuǎn)向系具體的機(jī)構(gòu)進(jìn)行的分類概述。主要包括三大機(jī)構(gòu)，分別是轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
既而對(duì)循環(huán)球轉(zhuǎn)向器進(jìn)行仔細(xì)研究，以及參數(shù)的確定。傳動(dòng)構(gòu)件尺寸的確定。接著對(duì)鋼球直徑D及數(shù)量N的確定。然后是滾道截面、接觸角θ、螺距P和螺線導(dǎo)程角α0。接著計(jì)算出工作圈數(shù)，導(dǎo)管內(nèi)徑。最后對(duì)變厚齒扇進(jìn)行計(jì)算。接著對(duì)轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)的各部位零件確定。
將確定的轉(zhuǎn)向系通過CATIA軟件進(jìn)行三維建模，然后將建模零件逐一裝配，并繪制螺桿螺母的二維cad圖。
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致謝
致謝
時(shí)光就像水一般的從我們身邊悄然流去，四年青春，眨眼即逝，心中念道將要從我熱愛的母校走出，病踏入社會(huì)，萬千思緒上我心頭。
畢設(shè)期間，在導(dǎo)師諸老師的幫助下，并且通過自己對(duì)畢設(shè)的努力，不論是思想上，還是學(xué)習(xí)上，都獲得了較大進(jìn)步。這次畢設(shè)不僅僅是對(duì)大學(xué)四年的總結(jié)，更是對(duì)踏入社會(huì)，走進(jìn)工作崗位的一個(gè)磨練。在思想上：我學(xué)會(huì)了不怕吃苦，對(duì)自己的專業(yè)更加熱愛，對(duì)自己的未來更加充滿信心；在學(xué)習(xí)上，對(duì)汽車結(jié)構(gòu)，汽車轉(zhuǎn)向系有了更加深入的了解。
在經(jīng)過為期近一個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我不僅僅可以將書面的知識(shí)進(jìn)行靈活的運(yùn)用，且在運(yùn)用期間了解了汽車的發(fā)展與研究方向。本次設(shè)計(jì)的課題是貨車轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)，以前對(duì)于轉(zhuǎn)向系的認(rèn)知只是片面的，只知道轉(zhuǎn)向系有幾個(gè)種類，現(xiàn)在對(duì)轉(zhuǎn)向系深入的研究之后，原來簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的轉(zhuǎn)向系包含了太多需要學(xué)習(xí)的東西。轉(zhuǎn)向系不光光只能根據(jù)駕駛員的意志改變汽車的行駛方向，它還是汽車安全性與穩(wěn)定性的關(guān)鍵所在。
在完成畢設(shè)的期間有許多的問題，諸如轉(zhuǎn)向系參數(shù)的選擇，圖紙的繪畫。對(duì)于零件圖與裝配圖，個(gè)人采用的是CATIA軟件進(jìn)行繪畫。CATIA是一款非常優(yōu)秀的三維建模軟件?？梢院?jiǎn)單方便的表達(dá)出轉(zhuǎn)向系的每個(gè)零件，以及每個(gè)零件裝配之后的效果圖。期間，我從這款軟件內(nèi)也學(xué)到了很多東西，機(jī)械專業(yè)中建模軟件萬變不離其宗，因此我更加有信心對(duì)待自己的論文。
最后我想說，不管是論文還是面對(duì)以后的工作，我都會(huì)積極向上，用一顆嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男膶?duì)待一切。