循环球式转向器的设计

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循环球式转向器的设计 孙飞 机械设计与制造 2013年11月29日

目录

摘要 .................................................................. Ⅰ

1 绪论 ................................................................. 1

1.1 课题背景 ......................................................... 1

1.2 国内外研究现状 ................................................... 2

1.3 研究目的及意义 ................................................... 3

1.4 研究内容和设计方法 ............................................... 3

2 转向器的设计 ......................................................... 4

2.1 转向系统简介 ..................................................... 4

2.2 机械转向系 ....................................................... 5

2.2.1 转向操纵机构 ................................................. 6

2.2.2 转向器 ....................................................... 7

2.2.3 转向传动机构 ................................................. 9

2.3 转向系主要性能参数 ............................................... 9

2.3.1 转向器的效率 ................................................. 9

2.3.2 传动比的变化特性 ............................................ 10

2.4 主要尺寸参数的选择 .............................................. 12

2.4.1 螺杆、钢球、螺母传动副设计 .................................. 14

2.4.2 齿条、齿扇传动副设计 ........................................ 16

2.5转向器的计算和校核 .............................................. 17

2.5.1循环球式转向器零件的强度计算 ................................ 17

2.5.2 转向摇臂轴直径的确定 ........................................ 19

3 二维工程图 .......................................................... 20

3.1 二维工程图 .................................................... 20

3.1.1 零件图的绘制 ................................................ 20

3.1.2 总装图的绘制 ................................................ 22

4 结论 ................................................................ 23

参考文献 .............................................................. 24

轻型越野车循环球式转向器的设计

[摘要] 汽车是一种性能要求高，负荷变化大的运输工具。转向系统作为汽车的关键部件之一，更需要了解和掌握。转向器作为转向系统中最重要的组成部件，对它进行深入的研究便显得意义重大。循环球式转向器主要由螺杆、螺母、钢球、转向器壳体等组成，具有较高的传动效率，操纵轻便，磨损较小，使用寿命长，近年来得到广泛使用。根据现用的国家标准并依据BJ2020汽车的循环球转向器数据，按照汽车设计的原则设计一款循环球转向器，完成三维图形和零件平面图的绘制，使其能够满足现代越野车的国家标准要求。

[关键词] 循环球 转向器 设计 分析 越野车

1 绪论

1.1 课题背景

转向器又名转向机、方向机，它是转向系中最重要的部件。转向器的作用是：增大转向盘传到转向传动机构的力和改变力的传递方向。

转向器按结构形式可分为多种类型。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。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

齿轮齿条式转向器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。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。它的优点是结构简单，成本低廉，转向灵敏，体积小，可以直接带动横拉杆。在汽车上得到广泛应用。

（2） 蜗杆曲柄销式转向器

蜗杆曲柄销式转向器是以蜗杆为主动件，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。

（3） 循环球式转向器

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。循环球式转向器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循环滚动，循环球式故而得名。

（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。

进入90年代以来，汽车已经融入我们的生活，我国的经济实力不断增强，人民生活水平大幅度提高，同时也反映出民族汽车工业的巨大进步。现在我国已经成为世界五大汽车强国。

作为汽车关键部件之一的转向系统也得到了相应的发展，基本已形成了专业化、系列化

生产的局面。有资料显示，国外有很多国家的转向器厂，都已发展成大规模生产的专业厂，年产超过百万台，垄断了转向器的生产，并且销售点遍布了全世界。汽车转向器的结构很多，从目前使用的普遍程度来看，主要的转向器类型有4种：有蜗杆销式(WP型)、蜗杆滚轮式(WR型)、循环球式(BS型)、齿轮齿条式(RP型)。这四种转向器型式，已经被广泛使用在汽车上。 综合上述对有关转向器品种的使用分析,得出以下结论：

循环球式转向器和齿轮齿条式转向器，已成为当今世界汽车上主要的两种转向器；而蜗轮-蜗杆式转向器和蜗杆销式转向器，正在逐步被淘汰或保留较小的地位。在小客车上发展转向器的观点各异，美国和日本重点发展循环球式转向器,比率都已达到或超过90%；西欧则重点发展齿轮齿条式转向器，比率超过50%，法国已高达95%。

据了解，在全世界范围内，汽车循环球式转向器占45%左右，有继续发展之势；齿条齿轮式转向器在40%左右；蜗杆滚轮式转向器占10%左右；其它型式的转向器占5%。所以可以说循环球式转向器在稳步发展。而西欧小客车中，齿条齿轮式转向器有很大的发展。日本汽车转向器的特点是循环球式转向器占的比重越来越大，日本装用不同类型发动机的各类型汽车，采用不同类型转向器，在公共汽车中因使用循环球式转向器，由60年代占总数的62.5%发展到现今的100%了(蜗杆滚轮式转向器在公共汽车上已经淘汰)。大、小型货车中，也大都采用循环球式转向器；但齿条齿轮式转向器有所发展；微型货车用循环球式转向器占65%，齿条齿轮式占35%。

由于循环球式转向器的种种优点，在中、小型号的车辆上都有良好的应用，而大型车辆更以循环球式转向器为主要结构。由此我们不难看出循环球式转向器设计具有很重要的意义，其应用前景也非常的好。

1

1.2 国内外研究现状

循环球式转向器是汽车上一种常用的转向器，主要由螺杆、螺母、钢球、转向器壳体等组成2。因螺母与螺杆之间没有滑动摩擦，只有钢球与螺杆及螺母之间的滚动摩擦，所以循环球式转向器具有较高的传动效率，由于有结构复杂，成本高，转向灵敏度不如齿轮齿条式的众多缺点，因此逐渐被齿轮齿条式取代。但随着动力转向的应用以及道路行驶条件的改善，“打手”的现象明显减少，正向传动效率很高（最高可达90～95%），操纵轻便，使用寿命长，各种优势逐渐得到体现，因此目前再次得到广泛使用。

汽车车速的提高，需要在高速时有较好的转向稳定性，必须使转向器具有较高的刚度。循环球式转向器由于通过大量钢球的滚动接触来传递转向力，具有较大的强度和较好的耐磨性。并且该转向器可以被设计成具有等强度结构，特别是变速比结构具有较高的刚度，适宜高速车辆采用，这也是它采用广泛的原因之一。循环球式转向器的间隙可调，齿条齿扇副磨损后可以重新调整间隙，使之具有合适的转向器传动间隙，从而提高转向器寿命，因此采用日益广泛。我国的转向器也在向大量生产循环球式转向器发展。

生产的局面。有资料显示，国外有很多国家的转向器厂，都已发展成大规模生产的专业厂，年产超过百万台，垄断了转向器的生产，并且销售点遍布了全世界。汽车转向器的结构很多，从目前使用的普遍程度来看，主要的转向器类型有4种：有蜗杆销式(WP型)、蜗杆滚轮式(WR型)、循环球式(BS型)、齿轮齿条式(RP型)。这四种转向器型式，已经被广泛使用在汽车上。 综合上述对有关转向器品种的使用分析,得出以下结论：

循环球式转向器和齿轮齿条式转向器，已成为当今世界汽车上主要的两种转向器；而蜗轮-蜗杆式转向器和蜗杆销式转向器，正在逐步被淘汰或保留较小的地位。在小客车上发展转向器的观点各异，美国和日本重点发展循环球式转向器,比率都已达到或超过90%；西欧则重点发展齿轮齿条式转向器，比率超过50%，法国已高达95%。

据了解，在全世界范围内，汽车循环球式转向器占45%左右，有继续发展之势；齿条齿轮式转向器在40%左右；蜗杆滚轮式转向器占10%左右；其它型式的转向器占5%。所以可以说循环球式转向器在稳步发展。而西欧小客车中，齿条齿轮式转向器有很大的发展。日本汽车转向器的特点是循环球式转向器占的比重越来越大，日本装用不同类型发动机的各类型汽车，采用不同类型转向器，在公共汽车中因使用循环球式转向器，由60年代占总数的62.5%发展到现今的100%了(蜗杆滚轮式转向器在公共汽车上已经淘汰)。大、小型货车中，也大都采用循环球式转向器；但齿条齿轮式转向器有所发展；微型货车用循环球式转向器占65%，齿条齿轮式占35%。

由于循环球式转向器的种种优点，在中、小型号的车辆上都有良好的应用，而大型车辆更以循环球式转向器为主要结构。由此我们不难看出循环球式转向器设计具有很重要的意义，其应用前景也非常的好。

1

1.2 国内外研究现状

循环球式转向器是汽车上一种常用的转向器，主要由螺杆、螺母、钢球、转向器壳体等组成2。因螺母与螺杆之间没有滑动摩擦，只有钢球与螺杆及螺母之间的滚动摩擦，所以循环球式转向器具有较高的传动效率，由于有结构复杂，成本高，转向灵敏度不如齿轮齿条式的众多缺点，因此逐渐被齿轮齿条式取代。但随着动力转向的应用以及道路行驶条件的改善，“打手”的现象明显减少，正向传动效率很高（最高可达90～95%），操纵轻便，使用寿命长，各种优势逐渐得到体现，因此目前再次得到广泛使用。

汽车车速的提高，需要在高速时有较好的转向稳定性，必须使转向器具有较高的刚度。循环球式转向器由于通过大量钢球的滚动接触来传递转向力，具有较大的强度和较好的耐磨性。并且该转向器可以被设计成具有等强度结构，特别是变速比结构具有较高的刚度，适宜高速车辆采用，这也是它采用广泛的原因之一。循环球式转向器的间隙可调，齿条齿扇副磨损后可以重新调整间隙，使之具有合适的转向器传动间隙，从而提高转向器寿命，因此采用日益广泛。我国的转向器也在向大量生产循环球式转向器发展。

1.3 研究目的及意义

本次毕业设计主要是针对汽车循环球式转向器，根据一些指定的参数结合《汽车设计》和其他相关书籍中关于转向器的理论知识设计一款循环球式转向器，确定其相关参数，使设计出的转向器符合使用要求。

本文通过对一款循环球式转向器的设计，使其能够满足轻型越野车的需要，并为其今后拓展应用领域奠定理论设计基础。

1.4 研究内容和设计方法

研究内容：

（1） 调研收集课题相关资料。结合毕业设计课题进行必要的文献检索，查阅、收集、整理、归纳技术文献和科技情报资料；

（2） 深入学习并掌握汽车设计、汽车构造等专业知识；了解循环球转向器设计的指导思想和设计原则；

（3） 掌握汽车设计的方法和步骤，参考有关资料、手册和标准，对各总成部件进行选型、计算、校核等；

（4） 计算循环球式转向器的主要参数，并对其重要部件进行强度校核，确定相关参数、材料以及装配要求。绘制循环球式转向器的三维模型，按照标准和生产工艺要求，绘制汽车转向器总装配图和主要零件图。

设计方法：根据设计中已知参数并结合理论知识，分析并计算得到循环球式转向器的基本结构参数，然后利用相关经验公式对转向器的重要部件进行强度校核，校核的结果不符合国家相关要求则需要重新计算，当结果满足要求的时候，可确定其相关几何尺寸并完成图纸的绘制，结束本论文的设计工作。

2 转向器的设计

2.1 转向系统简介

转向系统是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，保证各转向轮之间有协调的转角关系。机械转向系依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转向器和转向传动机构使转向轮偏转。有些汽车还装有防伤机构和转向减震器。采用动力转向的汽车还装有动力系统，并借助此系统来减轻驾驶员的手力。

按照中华人民共和国国家标准GB17675-1999和汽车设计可知[4]，其转向器的设计要求如下[5]：

（1） 方向盘必须左置。

（2） 不得单独以后轮作为转向车轮。

（3） 不得装用全动力转向机构。

（4） 转向时转向车轮的偏转必须是渐进的。

（5） 转向系统必须有足够的刚度且坚固耐用，以确保行驶安全。

（6） 转向系统必须保证驾驶员在正常驾驶操作位置上能方便、准确地操作，转向系统在任何操作位置上不得与其他零部件有干涉现象。

（7） 汽车转向车轮应有自动回正能力，以保持汽车稳定的直线行驶。

（8） 后轮也做转向车轮的汽车，具有二根和二根以上转向车轴的全挂车和具有一根和一根以上转向车轴的半挂车，以80km／h（设计车速计）的车速行驶时，驾驶员必须能在不做异常转向修正的条件，保持汽车直线行驶。

（9） 以10km／h车速、24m转弯直径前行转弯时，不带助力时转向力应小于245N，带助力转向但助力转向失效时，其转向力应小于588N，机动动作时间正常情况下不得大于4s，带助力转向但助力失效时不得大于65。左右两个方向都要试验。

（10） 当汽车前行向左或向右转弯时，转向盘向左向右的回转角和转向力不得有显著差异。

（11） 转向系统中的液压、气压或电气部件部分或全部失效后，转向系统必须有控制汽车行驶方向的能力。

（12） 当助力转向装置本身无独立的辅助动力源时，必须设有蓄能器。如使用压缩空气，贮气筒上必须设有单向阀。

（13） 转向系统所有零部件的设计、结构和安装，必须保证驾驶员正常操作时不会钩挂驾驶员的衣服和饰物；不得有撞车时会加重驾驶员伤害的粗糙表面或尖锐棱角，维修保养时应该容易接近。

2.2 机械转向系

机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有的传力件都是机械的。机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。（如图2-1）

1.转向盘 2.安全转向轴 3.转向节 4.转向轮

5.转向节臂 6.转向横拉杆 7.转向减振器 8.机械转向器

图2-1 机械式转向系统

图2-1是一种机械式转向系统。驾驶员对转向盘1施加的转向力矩通过转向轴2输入转向器8。从转向盘到转向传动轴这一系列零件即属于转向操纵机构。作为减速传动装置的转向器中有1、2级减速传动副（图中所示转向系统中的转向器为单级减速传动副）。经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆6，再传给固定于转向节3上的转向节臂5，使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而改变了汽车的行驶方向。这里，转向横拉杆和转向节臂属于转向传动机构。

2.2.1 转向操纵机构

转向操纵机构（参见图2-3）由方向盘（如图2-2所示）、转向轴、转向管柱等组成，它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器[6]。

1.轮圈2.轮辐3.轮毂

图2-2 方向盘

图2-3 转向操纵机构

2.2.2 转向器

转向器(也常称为转向机)是完成由旋转运动到直线运动(或近似直线运动)的一组齿轮机构，同时也是转向系中的减速传动装置。目前较常用的有齿轮齿条式、循环球曲柄指销式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、蜗杆滚轮式等。我们主要介绍前几种。

图2-4 齿轮齿条转向器

循环球式转向器和齿轮齿条式转向器（参见图2-4），已成为当今世界汽车上主要的两种转向器；蜗杆式转向器和蜗杆销式转向器，正在逐步被淘汰或保留较小的地位。

循环球式转向器的特点是：效率高，操纵轻便，有一条平滑的操纵力特性曲线。布置方便。特别适合大、中型车辆和动力转向系统配合使用；易于传递驾驶员操纵信号；逆效率高、回位好，与液压助力装置的动作配合得好。可以实现变速比的特性，满足了操纵轻便性的要求。中间位置转向力小、且经常使用，要求转向灵敏，因此希望中间位置附近速比小，以提高灵敏性。大角度转向位置转向阻力大，但使用次数少，因此希望大角度位置速比大一些，以减小转向力。由于循环球式转向器可实现变速比，应用正日益广泛。

通过大量钢球的滚动接触来传递转向力，具有较大的强度和较好的耐磨性。并且该转向器可以被设计成具有等强度结构，这也是它应用广泛的原因之一。

变速比结构具有较高的刚度，特别适宜高速车辆车速的提高。高速车辆需要在高速时有较好的转向稳定性，必须保证转向器具有较高的刚度。

齿条齿扇副磨损后可以重新调整间隙，使之具有合适的转向器传动间隙，从而提高转向器寿命，也是这种转向器的优点之一。

图2-5 循环球式转向器

循环球式转向器有一蜗杆。您可以将此转向器想象为两部分。第一部分是带有螺纹孔的金属块（螺母）。此金属块外围有切入的轮齿，这些轮齿与驱动转向摇臂的齿轮相结合（参见图2-5）。方向盘连接在类似螺栓的螺杆上，螺杆则插在金属块的孔内。转动方向盘时，它便会转动螺栓。由于螺栓与金属块之间相对固定，因此旋转时，它不会像普通螺栓那样钻入金属块中，而是带动金属块旋转，进而驱动转动车轮的齿轮。

螺栓并不直接与金属块上的螺纹结合在一起，所有螺纹中都填满了滚珠轴承，当齿轮转动时，这些滚珠将循环转动。滚珠轴承有两个作用：第一，减少齿轮的摩擦和磨损；第二，减少齿轮的溢出。如果齿轮溢出，则会在转动方向盘时感觉到。而如果转向器中没有滚珠，轮齿之间会暂时脱离，从而造成方向盘松动。循环球式系统中的动力转向工作原理与齿条齿轮式系统类似。其辅助动力也是通过向金属块一侧注入高压液体来提供的。汽车转向系统对汽车的行驶安全至关重要，因此汽车转向系统的零件都称为保安件。循环球式转向器是目前国内外应用最广泛的结构型式之一，一般有两级传动副，第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿扇传动副。为了减少转向螺杆转向螺母之间的摩擦，二者的螺纹并不直接接触，其间装有多个钢球，以实现滚动摩擦。转向螺杆和螺母上都加工出断面轮廓为两段或三段不同心圆弧组成的近似半圆的螺旋槽。二者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面的螺旋管状通道。螺母侧面有两对通孔，可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内。转向螺母外有两根钢球导管，每根导管的两端分别插入螺母侧面的一对通孔中。导管内也装满了钢球。这样，两根导管和螺母内的螺旋管状通道组合成两条各自独立的封闭的钢球“流道”。

转向螺杆转动时，通过钢球将力传给转向螺母，螺母即沿轴向移动。同时，在螺杆及螺母与钢球间的摩擦力偶作用下，所有钢球便在螺旋管状通道内滚动，形成“球流”。在转向器工作时，两列钢球只是在各自的封闭流道内循环，不会脱出。

2.2.3 转向传动机构

转向传动机构的功用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，且使二转向轮偏转角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。

2.3 转向系主要性能参数

2.3.1 转向器的效率

功率P1从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率称之为正效率，用符号表示，(P1P2)/P1；反之则称为逆效率，用符号表示，(P3P2)/P3。式中P2为转向器中的摩擦功率；P3为转向摇臂轴上的功率。为了保证转向时驾驶员转动转向盘轻便，要求正效率高，为了保证汽车转向后转向轮和转向盘能自动返回到直线行驶位置，又需要有一定的逆效率。为了减轻在不平路面上行驶时驾驶员的疲劳，车轮于路面之间的作用力传至转向盘上要尽可能小，防止打手，这又要求此逆效率尽可能低。

影响转向器正效率的因素有：转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等。

(1) 转向器类型、结构特点与效率

滚针轴承和球轴承等三种结构之一。第一种结构除滚轮与滚针之间有摩擦损失外，滚轮侧翼与垫片之间还存在滑动摩擦损失，故这种转向器的效率仅有54%，另外两种结构在前述四种转向器中，齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高，而蜗杆指销式特别是固定销和蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显的低些。同一类型转向器，因结构不同效率也不一样。如蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支持轴之间的轴承可以选用滚针轴承、圆锥滚子轴的转向器效率，根据试验结果分别为70%和75%。转向摇臂轴轴承的形式对效率也有影响，用滚针轴承比用滑动轴承可使正或逆效率提高约10%。

(2) 转向器的结构参数和效率

如果忽略轴承和其它地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于蜗杆和螺杆类转向器，其效率可用下式计算

tan0 （2-1） tan(0)

式中，0为螺杆（或蜗杆）的螺线导程角：为摩擦角，arctanf；f为摩擦因数。

取0为7°；f取0.03，arctanf1.146；

tan0tan785.7% tan(0)tan(71.146)

根据逆效率大小不同，转向器又有可逆式、极限可逆式和不可逆式之分。路面作用在车轮上的力，经过转向系可大部分传递到转向盘，这种逆效率较高的转向器属于可逆式。它能保证转向后，转向轮和转向盘自动回正。这既减轻了驾驶员的疲劳，又提高了行驶安全性。但是，在不平路面上行驶时，车轮受到的冲击力能大部分传至转向盘，造成驾驶员“打手”，使之精神紧张；如果长时间在不平路面上行驶，易使驾驶员疲劳，影响安全驾驶。属于可逆式的有齿轮齿条式和循环球式转向器。

不可逆式转向器，是指车轮受到的冲击力不能传到转向盘的转向器。该冲击力由转向传动机构的零件承受，因而这些零件容易损坏。同时，它既不能保证车轮自动回正，驾驶员又缺乏路面感觉，因此，现代汽车不采用这种转向器。

极限可逆式转向器介于上述两者之间。在车轮受到冲击力作用时，此力只有较小一部分传至转向盘。它的逆效率较低，在不平路面上行驶时，驾驶员并不十分紧张，同时转向传动机构的零件所承受的冲击力也比不可逆式转向器要小。

如果忽略轴承和其它地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，则逆效率可用下式计算 tan(0) （2-2） tan0

tan(0)tan(71.146)83.5% tan0tan7

式（2-1）和（2-2）表明：增加导程角0，正、逆效率均增大。受增大的影响，0不宜取得过大。当导程角小于或等于摩擦角时，逆效率为负值或者为零，此时表明该转向器是不可逆式转向器。

2.3.2 传动比的变化特性

(1) 转向系传动比

转向系的传动比包括转向系的角传动比i0和转向系的力传动比ip。从轮胎接地面中心作用在两个转向轮上的合力2Fw与作用在转向盘上的手力Fh之比，称为力传动比，即 ip2Fw/Fh （2-3）

转向盘角速度w与同侧转向节偏转角速度k之比，称为转向系角传动比i0，即 i0wd/dtd （2-4） kdk/dtdk

式中d为转向盘转角增量；dk为转向节转角增量；dt为时间增量。它又由转向器角

所组成，即i0ii。 传动比i和转向传动机构角传动比i

转向盘角速度w与摇臂轴角速度p之比，称为转向器角传动比i，即 iwd/dtd （2-5） pdp/dtdp

式中，dp为摇臂轴转角增量。此定义适应于除齿轮齿条式之外的转向器。

，即 摇臂轴角速度p与同侧转向节偏转角速度k之比，称为转向机构的角传动比i

pdp/dtdp i （2-6） kdL/dtdL

(2) 力传动比与转向系角传动比的关系

轮胎与地面之间的阻力FW和作用在转向节上的转向阻力矩Mr之间有如下关系

FWMr （2-7） a

式中，a为主销偏移距，指从转向节主销轴线的延长线与支撑平面的交点至车轮中心平面与支承平面交线间的距离。

作用在方向盘上的手力Fh可用下式表示

Fh2Mh （2-8） Dsw

式中，Mh为作用在转向盘上的力矩；DSW为转向盘直径。

将式（2-3）和（2-4）带入ip2Fw/Fh后得到

iPMrDsw （2-9） Mha

分析式（2-5）可知，当主销偏移距a小时，力传动比ip应取大些才能保证转向轻便。通常轻型越野车的a值在0.4～0.6倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取。转向盘直径DSW应根据车型不同在GB5911—86转向盘尺寸标准中规定的系列内选取。本次设计用原有车型的数据。

如果忽略摩擦损失，根据能量守恒原理，2Mr/Mh可用下式表示

2Mrd i0 （2-10）Mhdk

将式（2-6）代入（2-5）后得到

i0Dsw （2-11） 2a

当a和DSW不变时，力传动比ip越大，虽然转向越轻，但i0也越大，表明转向不灵敏。 iP

(3) 转向系的角传动比i0

dP/dk表示以外，还可以近似地用转向节臂臂长L2转向传动机构角传动比，除用i

dP/dkL2/L1。现代汽车结构中，L2与L1的比值大约与摇臂长L1之比来表示，即i

在0.85～1.1之间，可近似认为其比值为1，则i0id/d。由此可见，研究转向系的传动比特性，只需研究转向器的角传动比i及其变化规律即可。

(4) 转向器角传动比及其变化规律

式（2-7）表明：增大角传动比可以增加力传动比。从ip2Fw/Fh可知，当FW一定时，

增大ip能减少作用在方向盘上的手力Fh，使操纵轻便。

考虑到i0i，由i0的定义可知：对于一定的转向盘角速度，转向轮偏转角速度与转向器角传动比成反比。角传动比增加后，转向轮偏转角速度对转向盘角速度的影响应变得迟钝，使转向操纵时间增长，汽车转向灵敏性降低，所以“轻”和“灵”构成一对矛盾。为解决这对矛盾，可采用变速比转向器。

齿轮齿条式、循环球式、蜗杆指销式转向器都可以制成变速比转向器。循环球齿条齿扇式转向器的角传动比i2r/P，因结构原因，螺距P不能变化，但可用改变齿扇啮合半径

r的方法，使循环球齿条齿扇式转向器实现变速比的目的。

2.4 主要尺寸参数的选择

BJ2020前轴载荷根据表（2-2）取得为757Kg，再根据表（2-3）选择齿扇模数为4.5。在确定齿扇模数后，转向器其他参数根据表（2-1）和表（2-4）进行选取。

表2-1 循环球转向器的主要参数

参数 齿扇模数/mm 摇臂轴直径/mm 钢球中心距/mm 螺杆外径/mm 钢球直径/mm 螺距/mm 工作圈数 环流行数 齿扇齿数 齿扇整圆齿数

齿扇压力角

切削角

齿扇宽/mm

6°30′

5 12 13

18 22°30′ 27°30′

6°30′ 7°30′ 34 38

35 38

3.0 22 20 20 5.556 7.938

3.5 26 23 23 6.350 8.731

1.5

2

5

14 15

4.0 30 25 25 6.350

9.525

数值 4.5 32 28 28

7.144

10.000 2.5 5.0 32 30 29

6.0 38 35 34

8.000 11.000 2.5

6.5 42 40 38

22 25

25 27

25 28

30 28-32

表2-3 各类汽车循环球转向器的齿扇齿模数

齿扇齿模数m／mm

3.0 3.5 4．O 4.5 5．O 6.0 6.5

轿车

发动机排量／ml

500

1000 ～ 1800 1600 ～ 2000

2000 2000

前轴负荷/N

3500 ～ 3800 4700 ～ 7350 7000 ～ 9000 8300 ～11000 10000 ～11000

货车和大客车

前轴负荷／N

3000 ～ 5000 4500 ～ 7500 5500 ～ 18500 7000 ～ 19500 9000 ～ 24000 17000 ～ 37000 23000 ～ 44000

最大装载／kg

350 1000 2500 2700 3500 6000 8000

表2-4 循环球式转向器的部分参数

模数m

螺杆外径

螺纹升程

螺母长度

钢球直径

齿扇压力角

齿扇切削角



摇臂轴外径 22

3.0 20

5

7.938()

16118.731()

3239.525()

813

10.319()

3213

10.319()

3213

10.319()

32





40



630′7

5.556() 2230′ 

32730′ 

630′ 7

5.556() 2230′ 

32730′ 

630′ 1

6.350() 2230′ 

4730′ 

630′ 9

7.144() 2230′ 

32730′ 

630′ 9

7.144() 2230′ 

32730′ 

630′ 9

7.144() 2230′ 

32730′



3.5 23 45 26



4.0 25 48 29



5.0 29 62 35



6.0 34 72 38



6.5 38 82 42

根据所选择的齿扇模数，根据表（2-1）和表（2-4）选取对应的参数为： 钢球直径：7.144mm 螺距：9.525mm 工作圈数：1.5 螺杆外径：28mm 环流行数：2 螺母长度：58mm 齿扇齿数：5 齿扇压力角：2230′ 切削角：630′ 齿扇宽：27mm

2.4.1 螺杆、钢球、螺母传动副设计

（1） 钢球中心距D螺杆外径D1螺母内径D2尺寸D、D1、D2如图（2-6）所示7







图2-6 螺杆 钢球 螺母传动副

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，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

8

。

螺杆外径D1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D2应大于D1，一般要求D2D1(5%10%)D根据（表2-1）：得D=28mm

D2=30mm D2D110%D30.8mm

（2） 钢球直径d及数量n

钢球直径应符合国家标准，一般常在6～9mm范围内，根据（表2-1）。取d=7.144 mm。 每个环路中的钢球数可用下式计算：

n

DWDW



dcos0d

（2-12）

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

9

；0为螺线导程角，常取0=5°～8°，则cos01；代入数值解得n=21。 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2-7，钢球和滚道又四

（3） 滚道截面

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。为了减小摩

擦，螺杆和螺母沟槽的半径R2应大于钢球半径d/2，一般取R2(0.510.53)d。在此我们取滚道半径为3.643mm,符合相应的要求。

图2-7 四段圆弧滚道截面

（4） 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。角多取为45°，以使轴向力与径向力分配均匀。

（5） 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

p

(2-13) 2

式中，P为螺纹螺距。螺距P一般在8～11mm内选取。查表（2-1）得：P取9.525mm 导

s

程角0= 5°～ 8°取07。与此同时，齿扇节圆转过的弧长等于s，相应摇臂轴转过

p，其间关系可表示如下：

spr （2-14）

式中，r为齿扇节圆半径。联立式（2-12），式（2-13）得得循环球式转向器角传动比i为

2r

P，将对p求导P

2r

(2-15) P

又rmz/2根据表2-1 有z18；rmz/24.518/240.5mm

i

P已知，可求出转向器的角传动比i240.5/9.52526.71

由式(2-14)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（2-9）中的尺寸b越小，要求bPd2.5mm，符合要求。

（6） 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圈两种。一个环路的工作钢球圈数的

选取见（表2-1）。取W=1.5。

螺杆－钢球－螺母传动副与通常的螺杆－螺母传动副的区别在于前者是经过滚动的钢球将力由螺杆传至螺母，变滑动摩擦为滚动摩擦。螺杆和螺母上的相互对应的螺旋槽构成钢球的螺旋滚道。转向时转向盘经转向轴转动螺杆，使钢球沿螺母上的滚道循环地滚动。为了形成螺母上的循环轨道，在螺母上与其齿条相反的一侧表面(通常为上表面)需钻孔与螺母的螺旋滚道打通以形成一个环路滚道的两个导孔，并分别插入钢球导管的两端导管。钢球导管是由钢板冲压成具有半圆截面的滚道，然后对接成导管，并经氰化处理使之耐磨。插入螺母螺旋滚道两个导孔的钢球的两个导管的中心线应与螺母螺旋滚道的中心线相切。螺杆与螺母的螺旋滚道为单头(单螺旋线)的，且具有不变的螺距。转向盘与转向器左置时转向螺杆为左旋，右置时为右旋。钢球直径d约为6～9mm。一般应参考同类型汽车的转向器选取钢球直径d，并应使之符合国家标准。钢球直径尺寸差应不超过12810d。显然，大直径的钢球其承载能力亦大，但也使转向器的尺寸增大。钢球的数量n也影响承载能力，增多钢球使承载能力增大，但也使钢球的流动性变差，从而需要降低传动效率。经验表明在每个环路中n以不大于60为好。

2.4.2 齿条、齿扇传动副设计

齿扇通常有5个齿，它与摇臂轴为一体。齿扇的齿厚沿齿长方向是变化的，这样即可通过轴向移动摇臂轴来调节齿扇与齿条的啮合间隙。由于转向器经常处于中间位置工作，因此齿扇与齿条的中间齿磨损最厉害。为了消除中间齿磨损后产生的间隙而又不致在转弯时使两端齿卡住，则应增大两端齿啮合时的齿侧间隙。这种必要的齿侧间隙的改变可通过使齿扇各齿具有不同的齿厚来达到。即齿扇由中间齿向两端齿的齿厚是逐渐减小的。为此可在齿扇的切齿过程中使毛坯绕工艺中心O1转动，如图2-8所示，O1相对于摇臂轴的中心O有距离为n的偏心。这样加工的齿扇在齿条的啮合中由中间齿转向两端的齿时，齿侧间隙s也逐渐加大，

5

s可表达为

s2rtan2tan[rwncosncosrwn] （2-16）

式中r——径向间隙；

2

2

2

2

——啮合角；

rw——齿扇的分度圆半径；

——摇臂轴的转角。

图2-8 为获得变化的齿侧间隙齿扇的加工原理和计算简图

图2-9 用于选择偏心n的线图

当，rw确定后，根据上式可绘制如图2-12所示的线图，用于选择适当的n值，以便使齿条、齿扇传动副两端齿啮合时，齿侧间隙s能够适应消除中间齿最大磨损量所形成的间隙的需要。

齿条、齿扇传动副各对啮合齿齿侧间隙s的改变也可以用改变齿条各齿槽宽而不改变齿扇各轮齿齿厚的办法来实现10。一般是将齿条(一般有4个齿)两侧的齿槽宽制成比中间齿槽大0.20～0.30mm即可。本次设计采用直齿齿轮。

2.5转向器的计算和校核

2.5.1循环球式转向器零件的强度计算

为了进行强度计算，首先要确定其计算载荷

11

。式(2-13)曾给出了汽车在粗糙的硬路面

17

上作原地转向时转向轮的转向阻力矩，利用它可求得转向摇臂上的力矩和在转向盘上的切向力，它们均可作为转向系的最大计算载荷。但对前轴负荷大的重型载货汽车，用关系式计算出来的力，往往会超过司机在体力上的所能施展的力量。这时在计算转向器的零件具体参数时，可取司机作用在转向盘轮缘上的最大瞬时力。确定计算载荷后，即可计算转向系零件的强度。

汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩（N﹒m）即

fMR

3G1

（2-17） p

3

f取0.7；G1为前轴负荷（N）；p轮胎气压（MPa）。由查得的资料可知道BJ2020前轴负荷757Kg,因此G17579.87418.6N；p0.7Mpa

0.7(7418.6)3

MR178.2 6

30.710

确定计算载荷后，即可计算转向系零件的强度。 转向系力传动比：

ip

i0Dsw

（2-18） 2a

i0为转向系角传动比i0i26.71；

DSW为转向盘直径取435mm；

a为主销偏移距通常a的值在0.4～0.6倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取。取a0.5215107.5mm，所以

26.71435ip54

2107.5

轮胎与地面之间的转向阻力FW和作用在转向节上的转向阻力MR有如下关系

M178.2

FWmaxR1657.7N 3

a107.510

2FW

再根据ip可求出作用在方向盘上的手力

Fh

2F21657.7FhW61.4N

ip54

（1） 齿的弯曲应力w 齿扇齿的弯曲应力为w

6Fh

，许用弯曲应力为w540MPa 2

Bs

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。

齿扇啮合半径rmz/24.518/240.5mm；

h(2hahc)m2.254.510.125mm；sm/27.07mm；B取27mm

M178.2FmaxR4400N 3

r40.510

6Fh6440010.125w2198.06MPa540MPa

Bs277.072

18

2.5.2 转向摇臂轴直径的确定

转向摇臂轴的直径可根据转向阻力矩MR及材料的扭转强度极限0由下式确定： d3

kMR

（2-21）

0.20

式中，k——安全系数，根据使用条件可取2.5～3.5，取k为3.0；

MR——转向阻力矩，MR178.2Nm；

0——扭转强度极限，0200MPa；

dkMR3178.2

0.0237m23.7mm 6

0.200.220010

转向摇臂轴一般采用20CrMnTi、22CrMnMo或20CrNi 3A钢制造，表面渗碳，渗碳层深为0.8～1.2mm，重型汽车和前轴负荷大的汽车，则为1.05～1.45mm。淬火后表面硬度为58—63HRC。转向器壳体采用球墨铸铁QT400—18或可锻铸铁KTH350—10，KTH370—12制造

19

12

。

3 二维工程图

3.1 二维工程图

3.1.1 零件图的绘制

图3-7 齿扇

图3-7为测量完齿扇轴的相关数据后绘制齿扇的零件图[12]。

图3-8 螺杆

图3-8为测量转向螺杆的数据后绘制螺杆的零件图。

20

图3-9 螺母主视图

图3-9为根据外形及参考数据绘制螺母的零件主视图。

图3-10 螺母左视图

图3-10为根据外形及参考数据绘制螺母的零件左视图。

21

3.1.2 总装图的绘制

图3-11总装配图主视图

图3-11为最后将所有零件图进行组装，画出的总装图主视图。

图3-12 总装配图左视图

图3-12为最后将所有零件图进行组装，画出的总装图左视图。

4 结论

根据一些指定的参数结合《汽车设计》和其他相关书籍中关于转向器的理论知识来设计此转向器的其他相关参数，使设计出的转向器符合其基本的功能，齿轮齿扇的尺寸基本能满足一般轻型越野车的需求。在现代越野车设计中，选择变齿用于齿条齿扇传动副上是其前沿发展趋势，本论文中只是采用直齿齿轮完成了初步的设计，因而其实物在传动时将造成相关零件的磨损。

循环球式转向器效率高、操纵轻便；有一条平滑的操纵力特性曲线；布置方便，特别对大中型车辆易于和动力转向系统配合使用；易于传递驾驶员操纵信号，逆效率高、回位好，与液压助力装置的动作配合得好；可以实现变速比，满足了操纵轻便性的要求。中间位置转向力小、且经常使用，转向灵敏，减小转向力。

根据现行的汽车参数设计标准和参照相似类型车辆的技术状况，本论文借用BJ2020汽车相关参数完成了初步的设计，达到了设计初衷。应用三维制图软件绘制的循环球式转向器的模型图，应用AUTO CAD工程制图软件绘制了详细和准确的循环球式转向器图形；分析计算并选取了循环球转向器设计过程中所需要的主要参数，最终完成了自己的循环球式转向器设计。通过此次的轻型越野车循环球式转向器的设计，初步掌握了循环球式转向器设计的原则，同时锻炼了自己综合解决问题的能力。

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