轻型货车转向系统设计及建模(5)

沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计

第5章 转向系的设计计算

本设计主要参照五十铃QL10403EAR轻型货车，其基本参数为：两轴式4?2驱动平头货车，最高车速98km/h,装载质量1.99t，最小转弯直径不大于13m，最大爬坡度不小于0.3。

5.1转向器的结构型式选择及其设计计算

循环球式转向器又有两种结构型式，即常见的循环球-齿条齿扇式和另一种即循环球-曲柄销式。它们各有两个传动副，前者为：螺杆、钢球和螺母传动副以及螺母上的齿条和摇臂轴上的齿扇传动副；后者为螺杆、钢球和螺母传动副以及螺母上的销座与摇臂轴的锥销或球销传动副。两种结构的调整间隙方法均是利用调整螺栓移动摇臂轴来进行调整。

本设计选用的循环球-齿条齿扇式转向器。

5.1.1螺杆—钢球—螺母传动副的设计

表5.1 各类汽车循环球转向器的齿扇模数

齿扇模数m/mm 乘用车 前桥负荷3.5 3.8 3.0 5.0 350 4.7 7.35 4.5 7.5 1000 7.0 9.0 5.5 18.5 2500 8.3 11.0 7.0 19.5 2700 10.0 11.0 9.0 24 4000 17.0 37.0 6000 23.0 44.0 8000 一一 一一 排量/mL 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 6.5 550 1000 1600 2000 2000 一一 一一 /kN 商用车 前桥负荷/kN 最大装载质量/kg 由设计要求可知最大装载质量为1990kg，按4×2单胎轴荷分配满载时32%～40%：前轴负荷为1476kg，即14760N，所以根据表6.1，齿扇模数选4.0mm。 （1）钢球中心距D、螺杆外径D1和螺母内径D2

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钢球中心距是基本尺寸。螺杆外径D1，螺母内径D2及钢球直径d对确定钢球中

表5.2 循环球式转向器主要参数

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 螺母长度/mm 齿扇齿数 齿扇整圆齿数 齿扇压力角 切削角 齿扇宽/mm 22/25 6°30′ 25/27 25/28 30 41 45/52 3/5 12/13 13 22°30′/27°30′ 6°30′/7°30′ 28~32 30/34/38 35/38 46/47 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 6.5 22 26 30 32 32/35 38/40 42/45 20 23/25 25 28 60/32 35 40 20 5.556 7.938 23/25 5.556 6.350 8.731 1.5 25 6.350 9.525 28 7.144 29 34 38 7.144/8.000 10.000 11.000 2.5 9.525 10.000 1.2/2.5 2 58 56/59/ 62 5 72/78 80/82 13/14/15 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5.2）。

设计时先参考同类汽车的参数进行初选，经强度验算后，再进行修正。螺杆外径D1通常在20~38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5.2，本设计初选钢球中心距为25mm，螺杆外径25mm，D2-D1=8%D，

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所以螺母内径D2为27mm。 （2）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加。钢球直径应符合国家标准一般常在7~9mm范围内选用（表5.2）。

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。因为钢球直径本身有误差，所以共同参加工作的钢球数量并不是全部的钢球数。经验表明，每个环路中的钢球数以不超过60为好。为保证尽可能多的钢球都承载，

n?

?DW?DW?dcos?0d （5.1）

式中，D为钢球中心距；W为一个环路中那个的钢球工作圈数；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°，故cos??1。

本设计中钢球直径d=6.350，工作圈数W=1.5，由公式（5.1）可得钢球数n为18。

（3）滚道截面

当螺杆和螺母的滚道截面各由两条圆弧组成，形成四段圆弧滚道截面时，如图5.1所示，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5.1中滚道与钢球之间的间隙，除用来储存润滑油之外，还能储存磨损杂质。为了减少摩擦，螺杆和螺母沟槽的半径rc应大于钢球半径d/2，一般取rc=（0.51~0.53）d。螺杆滚道应倒角，用来避免该处被啮出毛刺而划伤钢球后降低传动效率。

本设计取rc=0.53d=3.336mm。

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图5.1 滚道截面示意图

（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向截面轴线间的夹角称为接触角?，?角多取为45°，以使轴向力和径向力分配均匀。本设计?取为45°。 （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

s??P/2? （5.2）

式中，P为螺纹螺距。

与此同时，齿扇节圆转过的弧长等于s，相应摇臂转过?P角，期间关系为

s??Pr （5.3）

式中，r为齿扇节圆半径。

联立式（5.2）、（5.3）得??2?r?P/P，将?对?P求导，得循环球式转向器角传

i动比w为

iw?2?r/P?2?3.14?26?17 （5.4）

9.525 由式（5.4）可知，螺距P影响转向器角传动比的值。螺距P一般在8~11mm

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内选取。

本设计选取螺距P为9.525mm。

在已知螺旋线导程角?0和螺距t的情况下，钢球中心距D也可由下式求得：

D?P?tan?0 （5.5）

式中 P—螺杆与螺母滚道的螺距；

?0—螺线导程角。

因此根据式（5.5）反推出螺旋线导程角 ?0为6.92°

（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，参加工作的钢球数增多，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5.2 本设计选取工作钢球圈数W为1.5圈。 （7）导管内径d1

容纳钢球而且钢球在其内部流动的导管内径d1?d?e,式中，e为钢球直径d与导管内径之间的间隙。e不易过大，否则钢球流经导管时球心偏离导管中心的距离增大，并使流动阻力增大。推荐e?0.4~0.8mm。导管壁厚取为1mm。 本设计选取e为0.5mm，所以导管内径为6.850mm。

5.1.2齿条、齿扇传动副的设计

首先分析转向器的传动间隙，既齿扇和齿条之间的间隙。该间隙随转向盘转角?的大小不同而改变，这种变化关系称为转向器传动副传动间隙特性。研究该特性的意义在于，他与直线行驶的稳定性和转向器的使用寿命有关。

转向器传动副在中间及其附近位置因使用频繁，磨损速度要比两端快。在中间

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