汽车转向器转向臂设计

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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。所以在设计转向器的时候，对其进行计算和校核尤为重要。这样可以保证转向器的安全性和实用性。 关键词：转向摇臂轴计算、螺杆轴计算校核 Abstract Automobile steering gear is an important part of the car, is to determine the safety of automobi

2、le active key assembly, its quality seriously affect the car control stability. With the development of automobile industry, the automobile steering gear is also in constant improved, although electronic steering gear has been used, but mechanical steering gear is still widely all over the world aut

3、omobile and auto parts manufacturers used. So in the design of steering gear, the calculation and checking is particularly important. This can guarantee the security of the steering gear and practicability. Keywords: pitman arm shaft calculation, screw shaft calculation check

4、 目录 摘要 1 Abstract 1 1.1 转向摇臂轴（即齿形齿扇轴）的设计计算 3 1.1.1材料的选择 3 1.1.2结构设计 3 1.1.3轴的设计计算 3 2.2 螺杆轴设计计算及主要零件的校核 6 2.2.1材料选择 6 2.2.2结构设计 6 2.2.3轴的设计计算 7 2.2.4钢球与滚道之间的接触应力校核 8  1.1 转向摇臂轴（即齿形齿扇轴）的设计计算 1.1.1材料的选择 摇臂轴用20CrMnTi钢制造，由于前轴负荷不大，螺纹、三角花键和卡簧槽部表面不渗碳，其余表面渗碳层深度在0.8～1.2mm。表面硬度

5、为58～63HRC。 1.1.2结构设计 轴结构如图1-1所示 轴伸出壳体的部分制成锥形渐开线花键，并使用螺母紧固，这样可以保证转向摇臂能紧紧压靠到轴上，使之联结紧固、无间隙、工作可靠，花键的加工工艺与齿轮相同；由于齿扇和齿条在工作时存在摩擦力，工作一段时间后会产生间隙，为使此间隙的调整工作容易进行，故将齿扇设计成变厚齿扇。 1.1.3轴的设计计算 （1）渐开线花键的设计计算 花键连接常根据被连接件的特点、尺寸、使用要求和工作条件，确定其类型、尺寸，然后进行必要的强度校核计算。 图1-1转向摇臂轴结构简图 本轴的渐开线花键可选择45花键，模数为m=0.8,齿数为Z=36，压

6、力角为45。 渐开线花键几何尺寸的计算 分度圆直径D=mZ=0.836=28.8mm; 基圆直径Db=mZcos45=0.8361.414=20.36mm; 周 节P=m=3.140.8=2.5mm; 内花键大径Dei=m(Z+1.2)=0.8(36+1.2)=29.76mm; 外花键大径Dee= m(Z+0.8)= 0.8(36+0.8)=29.44mm; 外花键小径Die= m(Z-1.2) =0.8(36-1.2)=27.84mm； 渐开线花键的校核计算 渐开线花键连接强度可按挤压、弯曲和剪切来计算。实践证明，挤压强度常是主要的。其计算过程如下： 渐开线花键

7、的平均直径mm; 渐开线花键齿的工作高度=m=0.8mm； 渐开线花键齿的工作长度=25mm；渐开线花键齿的弯曲应力 ； 许用弯曲应力为 由此可知，渐开线花键的设计满足要求。 （2）变厚齿形齿扇的计算 变厚齿形齿扇的计算，如图1-2所示，一般将中间剖面A-A定义为基准平面。进行变厚齿扇计算之前，必须确定的参数有：变厚齿扇的模数m，参考表4－1选取；法向压力角，一般在20～30之间；齿顶高系数X1，一般取0.8或1.0；径向间隙系数，取0.2；正圆齿数，在12～15之间选取；齿扇宽度，一般在22mm～28mm。 表1-1 循环球式转向器齿扇齿模数 齿扇齿模数m/mm

8、3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 6.5 轿 车 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 23

9、000 ～ 44000 最大转载质量/Kg 350 1000 2500 2700 3500 6000 8000 首先根据汽车的前轴负荷G1=14140N，查表,选取齿扇的模数m=5mm。 然后，由变厚齿扇的模数m=5mm,可查阅相关参数选择确定转向器的相关尺寸。 图1-2 变厚齿形齿扇的计算简图 变厚齿扇的几何尺寸，计算结果如下： 变厚齿扇的模数m=5mm; 变厚齿扇的法向压力角=30； 整圆齿数为13；齿扇齿数为z=5； 变位系数X1=0.082； 分度圆直径d=mz=513=65mm; 分度圆齿厚S=/2=3.145/2=7.85mm;

10、齿顶高 ha= X1m=0.85=4mm; 齿根高 hf=( X1+c)=(0.8+0.25)5=5.25mm; 齿顶圆直径da=d+2ha=65+24=73mm; 齿扇的结构设计 由于齿扇的齿顶圆直径da=73mm<500mm，因此可采用锻造毛坯；又齿扇的齿根圆直径df=d-2hf=65-25.25=54.75mm，而齿扇的轴径为32mm,二者相差不大，故可制成一体的齿轮轴，轴的材料必须与齿扇齿轮相同。 5）齿扇齿的应力校核 齿扇齿的受力情况如图1-3所示。 图1-3 齿扇齿的受力简图 作用在齿扇上的圆周力Fa===14683.85N; （1－1

11、） 齿扇的齿高h=ha+hf=4+5.25=9.25mm; 则齿扇齿的弯曲应力w== （1－2） =508.65N/mm[w]=540 N/mm; 上式中，[w]为许用弯曲应力，[w]= 540 N/mm。 由此可知，齿形齿扇的设计能够满足设计要求。 2.2 螺杆轴设计计算及主要零件的校核 2.2.1材料选择 螺杆轴用20CrMnTi钢制造，热处理钢球滚道处渗碳层深度在0.8～1.2mm，表面淬火HRC 58～63。20轴径硬度HRC40，渐开线花键处不渗碳。 2.2.2结构设计 轴的

12、结构如图所示 图1-4 螺杆轴结构简图 考虑轴向固定，内侧采用轴肩，又考虑角接触球轴承的标准，故左右轴径均取d=20mm；左端轴径长度为14mm，比轴承宽度小4mm，以便将轴承可靠地固定在转向螺杆轴上；为使汽车转向螺杆轴中心与转向万节的中心能保持高度一致，二者的连接采用渐开线花键连接，花键的加工工艺与齿轮相同；为减少螺杆和螺母之间的摩擦，提高传动效率，在螺杆和螺母的滚道之间放置适量的钢球；为防止钢球沿滚道滚出，在螺母上设有钢球返回装置，使钢球通过此装置自动返回入口处，从而形成循环回路。 2.2.3轴的设计计算 （1）首先由变厚齿扇齿模数m=5.0mm，可查阅材料确定转向螺杆轴

13、的相关参数，相关参数如下： 钢球中心距D=32mm; 螺杆外径D1=29mm; 钢球直径d=7.144mm; 螺距P=10mm; 工作圈数2.5； 环流行数2； 螺母长度L=56mm; 齿扇齿数Z=5; 齿扇整圆齿数Z’=13； 齿扇压力角=2730；齿扇宽26mm； （2）其他参数的设计计算： 螺母内径D2=D+(5% 到10%)D1=32+(5% 到10%)29=33.5到34.9mm; 圆整后取D2=34.2mm; 每个环路中的钢球数; （1－3） 圆整后取n=32; 滚道截面半径mm;

14、 （1－4） 圆整后取R2=4mm; 接触角选择=45； 当转向盘转过5角(即2.5圈)时，齿扇节圆应转过的弧长等于对应螺母在螺杆上移动的距离S,此时，摇臂轴转过0.25角，与此同时，转向轮转至最大转角，则 ==51mm; （1－5） 则螺杆螺纹滚道的有效工作长度L’等于螺母在螺杆上移动的距离的2倍，即L’=2S=251mm=102mm; 在此条件下，应尽量缩短滚道长度。但为安全计，在有效工作长度L’之外的两端各增加0.5-0.75圈滚道长度。 因此，螺杆螺纹滚道的实际有效工作长度L L=L’+2(0.5到0.75)d=102+2(0.

15、5～0.75)7.144=109.44～112.716mm; 又螺杆螺纹滚道的有效工作长度距两端面距离5.5mm，即螺杆螺纹滚道的实际有效工作长度 L L’+25.5=102+25.5=113mm； 圆整后取L=112mm； 螺杆螺线导程角则,则 = = =5.68; （1－6） 2.2.4钢球与滚道之间的接触应力校核 螺杆受力 作用在螺杆上的轴向力F2 （1－7） 上式中d为变厚齿扇的分度圆直径； 钢球与螺杆之间的正压力F3 F3= （1－8）

16、 上式中n为参与工作的钢球数；为接触角，=45； 螺杆受力简图 则 可见接近于0.1，根据查取K=0.970; （1－9） 表1-2 系数K与的关系 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 K 0.388 0.400 0.410 0.440 0.468 0.490 0.536 0.600 0.2 0.15 0.1 0.05 0.02 0.01 0.007 K 0.716 0.800 0.970 1.280 1.8 2.271 3.202 钢球与滚道之间的接触应力 =K =2273.15[]； （1－10） 上述三式中，R1为螺杆外半径；R2为滚道截面半径；r为钢球半径；E为材料弹性模量，等于2.1;[]为许用接触应力，当接触表面硬度为58-64HRC时，[]等于25 9