2.4 主要尺寸参数的选择
长安福特福克斯 2.0 满载前轴载荷为 51%Mg，再根据表（ 2-2 ）选择齿扇模数为 2-1 ）和表（ 2-3 ）进行选取。
4.5 。在
确定齿扇模数后，转向器其他参数根据表（
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
数值
4.0 30 25 25 6.350
9.525
1.5
3.0 22 20 20 5.556 7.938
3.5 26 23 23 6.350 8.731
4.5 32 28 28
7.144
5.0 32 30 29
6.0 38 35 34
8.000
6.5
42
40
38
10.000 2.5
2
11.000
2.5
5 12
5
18
13
14 15
齿扇压力角
22° 30′ 27° 30′
切削角
6° 30′
6° 30′ 7° 30′
34 38
齿扇宽 /mm
22 25
25 27
25 28
30
28-32
35
38
1
表 2-2 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
发动机 排量／ ml
500
1000 ～ 1800 1600 ～ 2000
2000
2000
轿车
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 2-3 循环球式转向器的部分参数
螺杆外
径
模数 m
螺纹升程
螺母长
度
钢球直径
齿扇压
齿扇切
摇臂 轴外 径
力角
削角
3.0
20
7.938
40
5.556
22 30′
6 30′ 7 30′ 6 30′ 7 30′ 6 30′ 7 30′ 6 30′ 7 30′ 6 30′ 7 30′
22
3.5
23
8.731
45
5.556
22 30′
26
4.0
25
9.525
48
6.350
22 30′
20
4.5
28
9.525
58
7.144
22 30′
32
5.0
29
10.319
62
7.144
22 30′
35
根据所选择的齿扇模数，根据表（ 2-1 ）和表（ 2-3 ）选取对应的参数为：
2
钢球直径： 7.144mm
螺距： 9.525mm 环流行数： 2
齿扇压力角： 22 30′
工作圈数： 1.5
螺母长度： 58mm
螺杆外径： 28mm
齿扇齿数： 5
切削角： 6 30′
齿扇宽： 30mm
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
大，钢球中心距 再进行修正
8 。
D 值取小些。选取 D 值的规律是随着扇齿模数的增
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，
D1
20～38mm
螺杆外径
通常在
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
D1=28mmD 2 D1 10% D 30.8 mm
（ 2） 钢球直径
d 及数量 n
6～9mm
d=7.144 mm
钢球直径应符合国家标准，一般常在 每个环路中的钢球数可用下式计算：
范围内，根据（表 2-1 ）。取
。
n
DW d cos 0
DW d
（ 2-12 ）
D
W
n
式中， 为钢球中心距；
为一个环路中的钢球工作圈数；
0 =5°～ 8°，则 cos 0
为不包括环流导管中的钢球
数 9 ； 0 为螺线导程角，常取 （ 3） 滚道截面
1 ；代入数值解得 n=19。
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 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。
3
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 转向盘转动
0
角，对应螺母移动的距离
s 为
s
p 2
(2-13)
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
程角
0=5°～ 8°取 0 7 。与此同时，齿扇节圆转过的弧长等于 s
p r
s，相应摇臂轴转过
，其间关系可表示如下： p
（ 2-14 ）
式中， r 为齿扇节圆半径。联立式（
得循环球式转向器角传动比 i
2-12 ），式（ 2-13 ）得
2 r
P ，将
对 p 求导
P
为
i
2 r
(2-15)
又 r
P
mz/ 2 根据表 2-1 有 z 18
； r mz / 2 4.5 18 / 2 40.5 mm
P 已知，可求出转向器的角传动比 i 2 40.5/ 9.525 26.72
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
b mm 2-9
越小，要求 b P d 2.5 ，符合要求。 越大，图（ ）中的尺寸
（ 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
d
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
4
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 能力亦大， 但也使转向器的尺寸增大。
128 10 5 d 。显然，大直径的钢球其承载
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
齿侧间隙
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，
s也逐渐加大，
s 可表达为
s 2 r tan
式中 r ——径向间隙；
——啮合角；
2 tan [ rw n cos
n 2 cos2
rw2 n2 ]
（ 2-16 ）
rw ——齿扇的分度圆半径；
——摇臂轴的转角。
5
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
， 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
当
n 值，以便使
齿条、齿扇传动副两端齿啮合时，齿侧间隙 的需要。
s 能够适应消除中间齿最大磨损量所形成的间隙
齿条、齿扇传动副各对啮合齿齿侧间隙
10
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 大
。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
即可。本次设计采用直齿齿轮。
0.30mm 0.20～
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
6
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
（ 2-17 ）
M R
f 3
G13 p
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长安福特福克
斯 2.0 前轴负荷 51%Mg,因此 G1
51% 1730 9.8 8646N ； p 0.25Mpa 0.7 3
(8646)3 0.25 106
M R
375.1N m
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：
iD
0
i p
i
sw
2a
（ 2-18 ）
i 0 为转向系角传动比
i
0
26 .72 ；
DSW 为转向盘直径取 380mm；
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
102.5 mm，所以 a 0.5 205
i p
26.71 380 2 102.5
375.1
102.5 10 3
50
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
M R
M R 有如下关系
FW max
再根据 i p
2FW
Fh
a
3659.5N
可求出作用在方向盘上的手力
Fh
w
2FW
i p
2 3659.5 146.38N
50
（ 1） 齿的弯曲应力
齿扇齿的弯曲应力为
6Fh
w
Bs
2
，许用弯曲应力为
w
540MPa
式中， F 为作用在齿扇上的圆周力；
齿扇啮合半径 r
h 为齿扇的齿高； B 为齿扇的齿宽； s为基圆齿厚。
40.5mm； 375.1
9261.7 N
mz / 2 4.5 18/ 2
h (2ha
hc )m 2.25 4.5 10.125mm； s
m / 2 7.07mm ； B 取 27mm
F2
max
M R
6Fh
w
r 40.5 10 3
6 9261.7 10.125
27 7.07
2
Bs
416.9MPa 540MPa
7
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
M R 及材料的扭转强度极限
3
0 由下式确定：
d
kM R
（ 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 ；
M R ——转向阻力矩， M R 375.1N m ；
0 ——扭转强度极限，
0
3 0
d
kM R
3
200MPa ；
3 375.1 0.2
0.0304m 30.4mm
0.2
转向摇臂轴一般采用
200 106
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—
1263HRC。转向器壳体采用球墨铸铁 QT400 — 18 或可锻铸铁 KTH350 — 10，KTH370 — 12 制造 。
8
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。
9
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。
10
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。
11
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
足一般轿车的需求。在现代轿车设计中，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，本论文借用长安福特福
克斯 2.0 相关参数完成了初步的设计，
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。通过此次的轿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。
12
参考文献
[1] 《汽车理论》 - 余志生主编 . 机械工业出版社 .2006 [2] 《汽车构造》 - 陈家瑞主编 . 人民交通出版社 .2005 [3] 《汽车设计》 - 王望予主编 . 机械工业出版社 .2007. [4]
《汽车设计》 - 刘惟信 . 清华大学出版社 .2004.
[5] 《机械设计》 - 濮良贵、纪名刚主编 . 高等教育出版社 .2006. [6] 《机械原理》 - 孙桓、陈作模主编 . 高等教育出版社 .2006.
[7] 《汽车设计课程设计指导书》 - 王国权、龚国庆 . 机械工业出版社[8]
《机械设计课程设计手册》 - 吴宗泽主编 . 高级教育出版社 .2012.
13
2009.
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