GX1608A型循环球齿条-齿扇式转向器设计说明书

1．摘要汽车转向器是汽车的重要组成部分，也是决定汽车主动安全性的关键总成，它的质量严重影响汽车的操纵稳定性。

随着汽车工业的发展，汽车转向器也在不断的得到改进，虽然电子转向器已开始应用，但机械式转向器仍然广泛地被世界各国汽车及汽车零部件生产厂商所采用。

而在机械式转向器中，循环球齿条-齿扇式转向器由于其自身的特点被广泛应用于各级各类汽车上。

本文选择GX1608A型循环球齿条-齿扇式转向器作为研究课题，其主要内容有：汽车转向器的组成分类；转向器总成方案分析及其数据确定和转向器的设计过程。

这种转向器的优点是，操纵轻便，磨损小，寿命长。

缺点是结构复杂，成本高，转向灵敏度不如齿轮齿条式。

因此逐渐被齿轮齿条式取代。

但随着动力转向的应用，循环球式转向器近年来又得到广泛使用。

关键词；转向器操纵稳定性循环球齿条-齿扇式转向器目录摘要 (1)1绪论 (4)2汽车转向系的组成及分类 (6)2.1汽车转向系的类型和组成 (6)2.1.1 机械式转向系 (9)2.1.2 动力转向器 (10)2.2 转向系主要性能参数 (11)2.2.1转向器的效率 (11)2.2.2传动比的变化特性 (12)2.2.3转向盘自由行程 (17)2.3 转向操纵机构及转向传动机构 (17)2.3.1转向操纵机构 (17)2.3.2转向传动机构 (18)3转向器总成方案分析 (20)3.1转向器设计要求 (20)3.2转向器总成方案设计 (21)4循环球式转向器主要尺寸参数的选择 (25)5 转向器输出力矩的确定 (26)6 轴的设计计算及校核 (27)6.1 转向摇臂轴（即齿形齿扇轴）的设计计算 (27)6.1.1材料的选择 (27)6.1.2结构设计 (27)6.1.3轴的设计计算 (27)6.2 螺杆轴设计计算及主要零件的校核 (31)6.2.1材料选择 (31)6.2.2结构设计 (31)6.2.3轴的设计计算 (32)6.2.4钢球与滚道之间的接触应力校核 (34)结论 (36)参考文献 (37)1绪论循环球式转向器的英文名称是Recirculating Ball Steering Gear。

循环球式转向器由两对传动副组成，一对是螺杆、螺母，另一对是齿条、齿扇或曲柄销。

在螺杆和螺母之间装有可循环滚动的钢球，使滑动摩擦变为滚动摩擦，从而提高了传动效率。

循环球式：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，这是一种古典的机构，现代轿车已大多不再使用，但又被最新方式的助力转向装置所应用。

它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，循环球式故而得名这种转向器的优点是，操纵轻便，磨损小，寿命长。

缺点是结构复杂，成本高，转向灵敏度不如齿轮齿条式。

因此逐渐被齿轮齿条式取代。

但随着动力转向的应用，循环球式转向器近年来又得到广泛使用。

本文选择GX1608A型循环球齿轮-齿条式转向器作为研究课题，其主要内容有：汽车转向器相关知识，循环球式转向器的主要参数选择及其设计。

设计部分还包括转向摇臂轴，渐开线花键，扇形齿轮轴以及螺杆轴的设计与校核。

转向器按结构形式可分为多种类型。

历史上曾出现过许多种形式的转向器，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。

在《当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录》中，汽车关键零部件开发和制造被列为重点扶持的项目，国家计委和科技部也将汽车关键零部件划入当前国家优先发展的高技术产业化重点领域，所以，具有先进水平的汽车转向器的研发、生产将会得到有力的政策支持。

随着全球汽车工业的迅速发展，汽车的需求量大幅攀升，汽车制造已向发展中国家转移。

随着国际上汽车行业开始实行零部件“全球化采购”策略及国际跨国汽车企业推行本土化策略，国内汽车市场将出现巨大的零部件配件缺口。

到2010年，中国汽车零部件国内产值将突破1万亿元，市场前景广阔。

按照汽车零部件工业“十五”发展目标，到2005年中国汽车保有量为2198—2315万辆，其中轿车843—860万辆。

当年汽车需求量为：271—310万辆，其中轿车110——121万辆，汽车工业增加值占GDP的1%左右，汽车零部件工业产值将占汽车工业总产值的25%左右。

因此作为关键零部件的汽车转向器在中国销售市场上前景广阔。

“十五”期间，我国机动车行业包括汽车、农用车、工程机械等将发展成为国民经济的支柱产业，汽车转向器是符合国家重点扶持和优惠政策的汽车关键零部件，是汽车重要的保安件之一。

2汽车转向系的组成及分类2.1汽车转向系的类型和组成汽车转向系可按转向能源的不同分为机械式转向系和动力转向系两大类。

汽车转向器是用来保持或改变汽车形式方向的机构，在汽车转向行使时，还要保证各转向轮之间有协调的转角关系。

驾驶员通过操纵转向系统，使汽车保持直线或转弯运动状态，或者上述两种运动状态相互转换。

机械转向系的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，由转向操纵机构(方向盘)、转向器、转向传动机构三大部分组成。

其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动(严格讲是近似直线运动)的机构，是转向系的核心部件。

动力转向系除具有以上三大部件外，其最主要的动力来源是转向助力装置。

由于转向助力装置最常用的是一套液压系统，因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐，它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电机和地线的作用。

转向操纵机构转向盘即通常所说的方向盘。

转向盘内部有金属制成的骨架，是用钢、铝合金或镁合金等材料制成。

由圆环状的盘圈、插入转向轴的转向盘毂，以及连接盘圈和盘毂的辐条构成。

采用焊接或铸造等工艺制造，转向轴是由细齿花键和螺母连接的。

骨架的外侧一般包有柔软的合成橡胶或树脂，也有采用皮革包裹以及硬木制作的转向盘。

转向盘外皮要求有某种程度的柔软度，手感良好，能防止手心出汗打滑的材质，还需要有耐热、耐候性。

转向盘的功能：转向盘位于司机的正前方，是碰撞时最可能伤害到司机的部件，因此需要转向盘具有很高的安全性，在司机撞在转向盘上时，骨架能够产生变形，吸收冲击能，减轻对司机的伤害。

转向盘的惯性力矩也是很重要的，惯性力矩小，我们就会感到“轮轻”，操做感良好，但同时也容易受到转向盘的反弹(即“打手”)的影响，为了设定适当的惯性力矩，就要调整骨架的材料或形状等。

现在的转向盘与以前的看似没有太大变化，但实际上已经有了改进。

由于转向助力装置的普及，转向盘外径变小了，而手握处却变粗了，采用柔软材料，使操作感得到了改善。

现在有越来越多的汽车在转向盘里安装了安全气囊，也使汽车的安全性大大提高了。

转向盘的集电环：转向盘上有喇叭开关，必须时刻与车身电器线路相连，而旋转的转向盘与组合开关之间显然不能用导线直接相连，因此就必须采用集电环装置。

集电环好比环形的地铁轨道，喇叭开关的触点就象奔跑在轨道上的电车，时刻保持接通的状态。

由于是机械接触，长时间使用触点会因磨损影响导电性，导致紧急时刻喇叭不鸣甚至气囊不工作。

因此，最近装备气囊的汽车开始装用电缆盘，代替集电环。

转向盘的端子与组合开关的端子用电缆线连接，电缆盘将电线卷入盘内，类似于吸尘器的电线卷取机构，在转向盘旋转范围内，电线*卷筒自由伸缩。

转向器分类转向器按结构形式可分为多种类型。

历史上曾出现过许多种形式的转向器，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。

其中第二、第四种分别是第一、第三种的变形形式，而蜗杆滚轮式则更少见。

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。

它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它是以蜗杆为主动件，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。

循环球式：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。

这是一种古典的机构，现代轿车已大多不再使用，但又被最新方式的助力转向装置所应用。

它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。

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。

国内经过10多年来的发展，已经形成成熟的研发和制造技术的厂家有豫北光洋转向器有限公司等企业。

转向系统发展随着汽车工业的飞速发展以及人们对于舒适、安全性能要求的不断提高，转向系统也随着科技的发展日新月异。

就目前而言，电动助力转向系统是转向行业前沿研究项目，按照其布局形式，可以分为管柱助力、齿轮助力、齿条助力、拉杆助力、电液助力等形式。

以前在一些科幻电影中才能出现的无人飞机、无人驾驶汽车等现在已经成为现实，转向系统也在朝着更加先进的方向发展，比如由日本JTEKT研究开发出来的先进线控转向系统等2.1.1 机械式转向系机械式转向器的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，由转向操纵机构(方向盘)、转向器、转向传动机构三大部分组成。

其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动(严格讲是近似直线运动)的机构，是转向系的核心部件。

这种转向器有两对传动副组成，一对是螺杆、螺母，另一对是齿条、齿扇或曲柄销。

在螺杆和螺母之间装有可循环滚动的钢球，使滑动摩擦变为滚动摩擦，从而提高了传动效率。