课程设计任务书-循环球式转向器螺杆轴

1xxxxx材料科学与工程学院课程设计任务书专业班级：材料xxx设计人：xx设计题目：东风汽车循环球式转向器螺杆轴（转向轴）设计参数：螺杆轴是循环球式转向器的机械零件。东风汽车循环球式转向器螺杆轴，内侧采用轴肩，左右直径均取d=20mm；左端轴径长度为14mm，比轴承宽度小4mm，螺杆轴与转向万节连接部位采用渐开线花键连接，花键加工工艺与齿轮相同。选用材料为20CrMnTi。设计要求：根据工件尺寸、形状、几何参数和服役条件选择适用材料；制定工件加工工艺流程，分析其方法、目的及作用；制定热处理加工工艺规范，分析热处理前后的组织、结构和性能；撰写设计说明书。设计方法：以专业主干课程材料科学基础、工程材料学、热处理原理与工艺、材料研究方法、材料力学性能等为主线，并参考金属材料和热处理等有关设计手册进行总体设计设计时间：2017年2月27日至2017年3月15日设计人(签字)指导教师(签字)2摘要汽车转向器是汽车的重要组成部位，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达到改进，在机械式的转向器中，循环球式转向器被广泛应用。这种转向器的有点事，操纵轻便，磨损小，寿命长。缺点是结构复杂。本文选择东风汽车循环球式转向器螺杆轴作为课题，主要内容有螺杆轴的参数设计；适用于工业生产的设计；热处理工艺参数。循环球式转向器主要由螺杆、螺母、转向器壳体以及许多小钢球等部件组成，所谓的循环球指的就是这些小钢球，它们被放置于螺母与螺杆之间的密闭管路内，起到将螺母螺杆之间的滑动摩擦转变为阻力较小的滚动摩擦的作用，当与方向盘转向管柱固定到一起的螺杆转动起来后，螺杆推动螺母上下运动，螺母在通过齿轮来驱动转向摇臂往复摇动从而实现转向。在这个过程当中，那些小钢球就在密闭的管路内循环往复的滚动，所以这种转向器就被称为循环球式转向器。关键词：转向器螺杆轴(转向轴）热处理31生产线的设计与规划方案1.1生产线设计规划：生产线建线目标：客户要求生产线自动化程度高，关键过程数据自动记录，要有防错设施，不能仅依靠员工的责任心。1.2生产线建设的流程：转向器生产线建设主要的几个节点：设备检讨会召开、设备采购、个别工程整备、综合工程整备。1.3设备检讨会的召开主要是协商讨论话多少钱买什么样装备的问题，开始时机是设计图纸发型后。1.4设备采购设备采购执行流程，不定期跟踪设备的制作进度，重点关注可能影响到大日程设备情况，必要时跟设备厂家提供详细的制作日程。1.5生产线平面布局生产线直线布局的优缺点:生产线直线布局的优点是（1）监督者方便观察（2）整体从零件到装配的物流路线清晰（3）清加工工序和粗加工工序可以区分开，避免对精加工工序的污染（4）不易出现漏工序的情况。4生产线直线布局不足点是（1）作业者不行距离变远（2）生产线变长2转向器总成方案设计2.1转向器设计分析循环球式转向器又称为综合式转向器(因为它由两级传动副组成），是目前国内外汽车上较为流行的一种结构形式。循环球式转向器中一般有两级传动副，第一级由螺杆和螺母共同形式的螺旋槽内装有钢球构成的传动副，第二级是由螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的齿条-齿扇传动副。转向时，转动转向盘，与转向轴连为一体的螺杆带动方形螺母做轴向移动（因螺杆在轴向方向固定在转向器壳上），螺母的下端制成5齿条，因而能带动与转向摇臂轴做成一体的齿扇的转动。图所示为一循环球式齿条-齿扇转向器。转向螺杆的轴径支撑在两个角接触球轴承上，轴承紧度可用调整垫片调整。转向螺母外侧的下平面加工齿条，与齿扇轴（即摇臂轴）上的齿扇啮合。可见，转向螺母既是第一级传动副的从动件，也是第二级传动副（齿条-齿扇传动副）的主动（齿条）。通过转向盘和转向轴转动转向螺杆时，转向螺母不能转动，只能轴向移动，并驱使齿扇轴转动。为了减少转向螺杆和转向螺母之间的摩擦和磨损，二者的螺纹制成半圆形凹槽，并不直接接触，其间装有许多钢球，从而将滑动摩擦变为滚动摩擦。转向螺杆和螺母上都加工出断面轮廓为两段或三段不同圆心弧组成近似半圆的螺旋槽。两者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面的螺旋管状通道，这样可以使转向螺母和转向螺杆轴向定位好，滚道和钢球间有间隙，可以用来贮存碎屑和润滑油，有助于减少螺母和螺杆之间的磨损。螺母侧面有两对通孔，可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内。两根U形钢球导管的两端插入螺母侧面的两对通孔中，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成两条各自独立的封闭的钢球流道。6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，在螺杆与螺母两者和钢球间的摩擦力偶作用下，所有钢球便在螺旋管道通道内滚动，形成球流。钢球在管道通道内绕行1.5周后，流出螺母而进入导管的一端，再由导管另一端流回螺旋管状通道。因此，在转向器工作时，两列钢球只是在各自封闭的流道内循环，而不脱出。循环球式转向器在螺杆和螺母之间因为有可以流动的钢球，将滑动摩擦变为滚动摩擦，因而其正传动效率很高（可达90％~95％），故操纵轻便。在结构上和工艺上采取措施，可保证有足够的使用寿命，工作平稳可靠，齿条和齿扇之间的间隙调整工作容易进行。但其逆效率高，容易将路面冲击力传动转向盘。不过，对于前轴轴载质量不大而又经常在平坦路面上行驶的汽车而言，这一缺点影响不大；而对于载重量较大的汽车，使用循环球式转向器时，除可以在转向器中增加吸振装置减少路面冲击反力外，往往装有液力转向加力器。由于循环7球式转向器在结构上便于与液力转向加力器设计为一个整体，而液力系统又可以缓和路面的冲击。2.2转向器设计要求（1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕顺时针方向旋转，任何车轮不应有侧滑，不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。（2）汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的情况下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶。（3）汽车在任何行驶状态下，转向轮不得产生振动，转向盘没有摆动。（4）转向传动机构和悬架导向装置共同工作时由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小。（5）保证汽车有较高的机动性，具有快速和小转弯能力。（6）操纵轻便。（7）转向轮碰到障碍物之后，传给转向轮的反冲力要尽可能小。（8）转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。（9）在车祸中，当转向轴和转向盘由于车架或车身的变形而后移时，转向系统应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。（10）进行运动校核，保证转向盘与转向轮方向一致。正确设计转向梯形机构，可以使第一项得到保证。转向系中设有转向减震器时，能够防止转向轮产生振动，同时又能使传动转向盘上8的反冲力明显下降。为了使汽车具有良好的机动性能，必须使转向轮有尽可能大的转角，并要达到按前外轮车轮轨迹计算其最小转弯半径能达到汽车轴距的2~2.5倍。通常用转向时驾驶员作用在转向盘上的切向力大小和转向盘转动圈数多少两项指标来评价操纵轻便性。没有动力转向的轿车，在行驶中转向，此力应为50~100N；有动力转向时。此力在20~50N。当货车从直线行驶状态，以10km/h的速度在柏油路或水泥的水平路段上转入沿半径12m的圆周行驶，且路面干燥，若转向系内没有装动力转向器，上述切向力不得超过250N；有动力转向器时，不得超过120N。轿车转向盘从中间位置转到每一端的圈数不得超过2.0。3螺杆轴设计计算3.1材料选择螺杆轴用20CrMnTi制造，热处理钢球滚道处渗碳层深度在0.8~1.2mm，表面淬火HRC58~63.φ20轴径硬度≥HRC40，渐开线花键处不渗碳。3.2结构设计如图9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，以便将轴承可靠的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；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。3.3轴的设计计算首先由变厚齿扇齿模数m=5.0mm，查表4-1确定转向螺杆轴的相关10参数，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a=27°30′；齿扇宽26mm螺杆螺纹滚道有效工作长度L′=112mm4螺杆轴的设计分析4.120CrMnTi的成分及性能特点4.1.120CrMnTi的主要元素成分及作用如下表：元素CrTiMnCSi含量1.00~1.30％0.04~0.10％0.80~1.10％0.17~0.23％0.17~0.37％作用提高钢的淬透性细化晶粒提高钢的淬透性4.1.220CrMnTi的性能20CrMnTi是渗碳钢，通常为含碳量为0.17%-0.24%的低碳钢。汽车上多用其制造传动齿轮，是中淬透性渗碳钢中CrMnTi钢，其淬11透性较高，在保证淬透情况下，具有较高的强度和韧性，特别是具有较高的低温冲击韧性。20CrMnTi表面渗碳硬化处理用钢。良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相当好。主要用途有：用于齿轮，轴类，活塞类零配件以及汽车，飞机各种特殊零件部位。4.2热处理性能要求：1.热处理钢球滚道处渗碳层深度在0.8~1.2mm，2.渐开线花键处不渗碳。3.表面淬火HRC58~62.φ20轴径硬度≥HRC40，20CrMnTi螺杆轴的工艺流程：下料、锻造、正火、加工、清洗、渗碳、淬火、回火、清洗、检验20CrMnTi钢常见的热处理工艺表热处理工艺工艺参数硬度要求工艺特点正火加热860~880°C，保温，空冷≤217HBS消除残余应力，降低硬度淬火加热920~950°C，保温，油冷156~207HBS细化晶粒，消除组织缺陷，获得珠光体+少量铁素体组织12回火加热500~650°，保温2h，油冷30~36HCR回火索氏体渗碳后淬火与回火淬火：加热820~850°C，保温后油冷回火：加热180°C，保温2h。空冷表面：56~62HRC心部：35~40HRC心部保持良好韧性的同时，表层获得高的强度、硬度、耐磨性与耐蚀性5正火设备选用RX3箱式电炉，参数见表产品名称产品型号额定功率（kv）额定电压（V）额定温度（°C）相数炉膛尺寸（mm）外形尺寸（mm）重量（kg）箱式电炉RX3-30-9303809503950x450x3501920x1620x21402200正火温度：20CrMnTi钢AC3约为825°C，促使奥氏体均匀化，增大过冷奥氏体稳定性，20CrMnTi正火：20CrMnTi钢材在加热860℃保温速冷到680℃保温后空冷。930650空冷温度°C时间min13加热方法：采用到温加热的方法，是指当炉温加热到指定温度时，再将工件装进热处理炉进行加热。这样做的原因是避免金属组织的出现不需要的相转变，加热速度快，节约时间。保温时间：选定的依据，保温时间可按下列公式进行计算：t=axKxD，式中t为吧保温时间，K为反应装炉时的修正系数，K取为1.7。A为加热系数min/mm，加热系数a可根据钢种与加热介质、加热温度进行取值。D为工件的有效厚度（mm）d=30，取t=1780min。最终组织：细珠光体+铁素体晶粒度：5~6级若正火温度过高，则会导致工件脱碳甚至开裂，降低零件硬度，使正火后的组织粗大；若正火温度过低，则组织转变不足，不能达到正火预期目的。6渗碳设备渗碳的目的：渗碳后进行淬火与回火，使其心部保持良好的韧性的同时，表层获得高的强度、硬度和耐磨性。渗碳温度：进行气体渗碳，加热900°C，以0.15~0.2mm/h计算保温时间，加热温度不超过920°C，以避免晶粒粗大。渗碳设备14选用RQ3-60-9D型井式气体渗碳炉，产品名称产品型号额定功率（KV）额定电压（V）额定温度（°C）炉膛尺寸（mm）外壁尺寸（mm）重量（kg）井式气体渗碳炉RQ3-60-