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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
目 錄
摘要……………………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract …………………………………………………………………………………Ⅱ
第1章 緒論……………………………………………………………………………1
1.1課題研究的目的及意義………………………………………………………………1
1.2汽車轉(zhuǎn)向器研究的發(fā)展及趨勢(shì)概況…………………………………………………1
1.3 不同類型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)……………………………………………………4
1.3.1 傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)……………………………………………………………4
1.3.2 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）………………………………………………………4
1.3.3電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）……………………………………………5
1.3.4 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）………………………………………………………6
1.3.5 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）…………………………………………………………7
1.4轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)要求………………………………………………………………………7
1.5設(shè)計(jì)主要內(nèi)容…………………………………………………………………………8
第2章 液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器方案分析及確定……………………………………………9
2.1轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)分析和選擇……………………………………………………9
2.1.1齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器………………………………………………………………9
2.1.2循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器………………………………………………………………10
2.1.3蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器……………………………………………………………11
2.1.4蝸桿指銷式……………………………………………………………………11
2.2齒輪齒條式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)…………………………………………………………11
2.3液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器工作原理及過(guò)程……………………………………………………12
2.3.1工作原理………………………………………………………………………12
2.3.2工作過(guò)程………………………………………………………………………13
2.4轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù)………………………………………………………………15
2.4.1轉(zhuǎn)向系的效率…………………………………………………………………15
2.4.2 轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比…………………………………………………………………16
2.4.3 轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副的間隙特性…………………………………………………17
2.4.4轉(zhuǎn)向系的剛度…………………………………………………………………18
2.4.5轉(zhuǎn)向盤(pán)的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)…………………………………………………………18
2.5本章小結(jié)………………………………………………………………………………19
第3章 液壓轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………………………………20
3.1轉(zhuǎn)向系計(jì)算載荷的確定………………………………………………………………20
3.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)……………………………………………………………21
3.2.1選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)………………………………………21
3.2.2按齒面接觸硬度設(shè)計(jì)…………………………………………………………21
3.2.3按齒根抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)…………………………………………………………23
3.2.4幾何尺寸計(jì)算…………………………………………………………………25
3.3液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的計(jì)算…………………………………………………………26
3.3.1動(dòng)力缸尺寸的計(jì)算……………………………………………………………26
3.3.2活塞行程S的計(jì)算…………………………………………………………26
3.3.3分配閥的回位彈簧…………………………………………………………27
3.3.4動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的評(píng)價(jià)指標(biāo)………………………………………………………27
3.4 本章小結(jié)………………………………………………………………………………28
結(jié)論……………………………………………………………………………………………29
參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………………30
致謝……………………………………………………………………………………………31
附錄……………………………………………………………………………………………32
第1章 緒 論
1.1課題研究的目的及意義
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步以及人民生活水平的提高，汽車已經(jīng)慢慢的走進(jìn)了人們的生活當(dāng)中，它從以前簡(jiǎn)單的代步工具慢慢升級(jí)成為一種生活的品質(zhì)，人們不再滿足于簡(jiǎn)單的行駛，而更關(guān)注駕駛樂(lè)趣對(duì)于汽車的安全性、穩(wěn)定性、操縱性等更高要求。而人們除了從外觀及內(nèi)飾等反面了解汽車外，最能直接體驗(yàn)駕駛樂(lè)趣的就是擁有一個(gè)良好、先進(jìn)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，一個(gè)先進(jìn)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)帶給駕駛者更多的是駕駛的樂(lè)趣而不是負(fù)擔(dān)。同時(shí)，轉(zhuǎn)向系又是底盤(pán)的重要組成部分，其好壞優(yōu)劣會(huì)直接關(guān)系到汽車的駕駛舒適性，安全性和操縱穩(wěn)定性，從而影響人們的生命及財(cái)產(chǎn)的安全。同時(shí)就我國(guó)的國(guó)情而言，汽車工業(yè)己成為我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，為了提高汽車的產(chǎn)品質(zhì)量，保證汽車行駛的安全性，操縱穩(wěn)定性，發(fā)展我國(guó)的汽車工業(yè)，這就要求汽車轉(zhuǎn)向器綜合性能就成為汽車安全性能的一個(gè)重要項(xiàng)目。
汽車轉(zhuǎn)向器屬于對(duì)行駛安全影響較大的零部件，在汽車系統(tǒng)中占據(jù)了一個(gè)重要的位置，其規(guī)模和質(zhì)量已成為衡量汽車工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。在重型汽車、大型客車等載重量較大的汽車中，通常用動(dòng)力轉(zhuǎn)向器來(lái)操縱汽車行駛方向。由于動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有著傳統(tǒng)機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，例如：轉(zhuǎn)向輕便靈敏，回位性能及手感良好，極大的減輕了汽車駕駛員的工作強(qiáng)度，特別適用于汽車在高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向。因此目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的汽車越來(lái)越多地配置了動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
而液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器具有無(wú)噪聲、靈敏度高、體積小、能夠吸收來(lái)自不平路面的壓力等優(yōu)點(diǎn)，因此在現(xiàn)代汽車上得到了十分廣泛的應(yīng)用。
1.2 汽車轉(zhuǎn)向器研究的發(fā)展及趨勢(shì)概況
隨著科技的迅猛發(fā)展以及汽車的逐步普及，人們對(duì)汽車的操縱性、安全性，穩(wěn)定性等方面的性能已經(jīng)有了更進(jìn)一步的要求，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)品的需求也隨著汽車化的提高而發(fā)生著變化。最初駕駛員們只希望比較容易地操縱轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而后則追求在高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性、舒適性和良好的操縱感。在早期的汽車上，轉(zhuǎn)向機(jī)械非常簡(jiǎn)單，主要由一級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向拉桿等構(gòu)成。其基本功能是將駕駛員的手動(dòng)旋轉(zhuǎn)操作轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)向拉桿的左右移動(dòng)，從而帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向，隨著汽車技術(shù)的進(jìn)步又出現(xiàn)了更為復(fù)雜些的機(jī)械式轉(zhuǎn)向器，這時(shí)的轉(zhuǎn)向器是通過(guò)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，并通過(guò)一系列的桿件傳遞到轉(zhuǎn)向車輪上來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的，而著種傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向器又分為四種形式，分別為：齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式。其中齒輪齒條式和循環(huán)球式應(yīng)用比較廣泛， 在1923年，美國(guó)底特律的亨利·馬爾斯（HenryManes）為了減少蝸輪副和滾輪軸之間的接觸摩擦力，在兩者之間接觸處放置滾珠支承，這就出現(xiàn)了滾珠蝸輪轉(zhuǎn)向器。這種形式的轉(zhuǎn)向器就成為現(xiàn)在大家所熟知的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，它目前仍很廣泛地在汽車上應(yīng)用。所謂“現(xiàn)代”齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，是奔馳（Benz）于1885年首先采用的。這種形式的轉(zhuǎn)向器同樣也使用在1905年的凱迪拉克（Cadillac）和1911一1920年間制造的許多其它形式的汽車上。據(jù)了解，在全世界范圍內(nèi)，汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占45%左右，有繼續(xù)發(fā)展之勢(shì)；齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器在40%左右；蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器占10%左右；其它型式的轉(zhuǎn)向器占5%。所以可以說(shuō)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器在穩(wěn)步發(fā)展。而西歐小客車中，齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器有很大的發(fā)展。日本汽車轉(zhuǎn)向器的特點(diǎn)是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占的比重越來(lái)越大，日本裝用不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的各類型汽車，采用不同類型轉(zhuǎn)向器，在公共汽車中因使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，由60年代占總數(shù)的62.5%發(fā)展到現(xiàn)今的100%了(蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器在公共汽車上已經(jīng)淘汰)。大、小型貨車中，也大都采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器;但齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器有所發(fā)展；微型貨車用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占65 %，齒條齒輪式占35 % 。20世紀(jì)初汽車已經(jīng)是一個(gè)沉重而又高速疾駛的車輛，充氣輪胎代替了實(shí)心車輪。由于轉(zhuǎn)向柱直接與轉(zhuǎn)向節(jié)連接，所以轉(zhuǎn)動(dòng)車輪是很費(fèi)勁的。即使是一個(gè)健壯的駕駛員，要控制轉(zhuǎn)向仍然是很勞累的事情。因此，汽車常常沖出路外，于是要降低轉(zhuǎn)向力的問(wèn)題就變得比較迫切了。為了轉(zhuǎn)向輕便，工程師設(shè)計(jì)了在方向盤(pán)和轉(zhuǎn)向節(jié)之間裝置齒輪減速機(jī)構(gòu)。從那時(shí)起，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)一直就是這樣沿用下來(lái)。汽車轉(zhuǎn)向雖然采用了轉(zhuǎn)向器，但轉(zhuǎn)向的操縱仍非輕松的事當(dāng)汽車重量增大、轉(zhuǎn)向費(fèi)勁時(shí)駕駛員要求能有更好的辦法來(lái)解決，這才重新推廣了一種已經(jīng)大約有3/4個(gè)世紀(jì)的動(dòng)力輔助轉(zhuǎn)向器。
從上世紀(jì)四十年代起，為減輕駕駛員體力負(fù)擔(dān)，在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了液壓助力系統(tǒng)它是建立在機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的，額外增加了一個(gè)液壓系統(tǒng)HPS(hydraulic?power?steering)，一般有油泵、V形帶輪、油管、供油裝置、助力裝置和控制閥。它具有工作無(wú)噪聲，其靈觸度高、體積小，能夠吸收來(lái)自不平路面的沖擊力等方面的優(yōu)點(diǎn)并且其工作可靠、技術(shù)成熟至今仍被廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在實(shí)際中應(yīng)用的最多。在當(dāng)時(shí)這個(gè)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最重要的新功能是液力支持轉(zhuǎn)向的運(yùn)動(dòng)，因此可以減少駕駛員作用在方向盤(pán)上的力。
隨著轎車車速的不斷提高，傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向暴露出一個(gè)致命的缺點(diǎn)，即若要保證汽車在停車或低速掉頭時(shí)轉(zhuǎn)向輕便的話，汽車在高速行駛時(shí)就會(huì)感到有“發(fā)飄”的感覺(jué)：反之，若要保證汽車在高速行駛時(shí)操縱有適度感的話，那么當(dāng)其要停車或低速掉頭時(shí)就會(huì)感到轉(zhuǎn)向太重，兩者不能兼顧，這是由傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向的結(jié)構(gòu)所決定的。由于動(dòng)力轉(zhuǎn)向在轎車上的日益普及，對(duì)其性能上的要求已不再是單純的為了減輕操作強(qiáng)度，而是要求其在低速掉頭時(shí)保證轉(zhuǎn)向輕便性的同時(shí)又能保證高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中愈來(lái)愈多的采用電子器件。相應(yīng)的就出現(xiàn)了電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電液助力轉(zhuǎn)向可以分為兩大類：電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EHPS、電控液壓助力轉(zhuǎn)向ECHPS[2]。EHPS是在液壓助力系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其特點(diǎn)是原來(lái)有發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的液壓助力泵改由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，取代了由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，節(jié)省了燃油消耗。ECHPS是在傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了電控裝置構(gòu)成的。
國(guó)外在汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的研究和開(kāi)發(fā)方面進(jìn)行得比較早，進(jìn)行了大量的研究，已經(jīng)成功地開(kāi)發(fā)出了電動(dòng)式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，并在越來(lái)越多的轎車和輕型車輛上成功使用。該裝置優(yōu)于普通的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，在不同車速下可通過(guò)轉(zhuǎn)向電腦ECU自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向盤(pán)的操作力，在低速行駛或車輛就位時(shí)，駕駛員只需用較小的操作力就能靈活進(jìn)行轉(zhuǎn)向；而在高速行駛時(shí)，則自動(dòng)控制使操作力逐漸增大，實(shí)現(xiàn)操縱的穩(wěn)定性。當(dāng)然，在目前的技術(shù)水準(zhǔn)下它仍然存在某些不足，如助力較小等，目前仍處在發(fā)展階段。和液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器相比，電動(dòng)轉(zhuǎn)向器具有許多優(yōu)點(diǎn)，如：效率高，路感好、符合環(huán)保要求等，它是轉(zhuǎn)向器未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。
20世紀(jì)末，隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，電子控制技術(shù)也在汽車上得到逐步廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)的主動(dòng)安全裝置，有電子控制四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(4WS)、電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)等。
電子控制四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(4WS):傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。為了使所有車輪處于純滾動(dòng)而無(wú)滑動(dòng)，要求全部車輪都繞同一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心做圓周運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向的同一時(shí)刻，每個(gè)車輪的轉(zhuǎn)向半徑都是不同的。但實(shí)際上，汽車轉(zhuǎn)向時(shí)若僅前輪轉(zhuǎn)向，車身的前進(jìn)方向與車身的中心線不一致，由于離心力的作用，將使后輪側(cè)偏，導(dǎo)致車輪橫擺。而且車速越高，后輪側(cè)偏越大，結(jié)果使車輪轉(zhuǎn)向在高速時(shí)的操縱穩(wěn)定性明顯降低。電子控制四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則是在前輪轉(zhuǎn)向的同時(shí)，主動(dòng)地控制后輪也進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)向（一般最大為50）。后輪相對(duì)于前輪的轉(zhuǎn)向，分為同向轉(zhuǎn)向(后輪與前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致)和逆向轉(zhuǎn)向（后輪與前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反）。由于汽車在拐急彎時(shí)，通常以低速行駛，而在直道或較平緩的彎道上時(shí)，通常以高速行駛。因此，采用電子控制四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車，電子控制單元(ECU)根據(jù)多個(gè)傳感器提供的數(shù)據(jù)，計(jì)算出后輪距目標(biāo)轉(zhuǎn)角的差值，再向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出指令使后輪偏轉(zhuǎn)。低速行駛時(shí)，依據(jù)方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角值使后輪逆向轉(zhuǎn)向，以減小轉(zhuǎn)彎半徑；中速行駛時(shí)，可減少后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，以減輕轉(zhuǎn)向操縱的不自然感覺(jué)；而在高速行駛時(shí)，可使后輪實(shí)現(xiàn)同向轉(zhuǎn)向，減少甚至基本避免車身橫擺，提高轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性。四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自1978年在馬自達(dá)·卡配拉轎車上最初試用以來(lái)，世界各大汽車公司已分別研究多種四輪轉(zhuǎn)向裝置，并已批量生產(chǎn)。
動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)日益廣泛的被采用，不僅在重型汽車L必須采用，在高級(jí)轎車上采用的也較多，就是在中型汽車上也逐漸推廣。主要是從減輕駕駛員疲勞，提高操縱輕便性和穩(wěn)定性出發(fā)。雖然帶來(lái)成本較高和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，但由于它的優(yōu)點(diǎn)明顯，還是得到很快的發(fā)展。
而從國(guó)內(nèi)角度來(lái)說(shuō)近年來(lái)對(duì)于EPS的研究發(fā)展很快，尤其是在控制策略的研究上，已經(jīng)將不同的控制方法引如ECU中，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析不斷地完善和改進(jìn)，但是在對(duì)于細(xì)節(jié)的優(yōu)化上距離國(guó)外還有相當(dāng)?shù)牟罹啵夷壳皣?guó)內(nèi)除了吉利汽車，還尚未自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EPS，距離EPS的批量化生產(chǎn)也還有一段路要走
從發(fā)展趨勢(shì)上看，國(guó)外整體式轉(zhuǎn)向器發(fā)展較快而整體式轉(zhuǎn)向器中轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展的方向。由寸動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還是新的結(jié)構(gòu)，各國(guó)的生產(chǎn)廠家都正在組織力量，大力開(kāi)展試驗(yàn)研究工作，提高使用性能、減小總成體積、降低生產(chǎn)成本、使之產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。以便逐步推廣和普及。
1.3 不同類型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
1.3.1 傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
汽車的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)是由駕駛員操縱方向盤(pán)，通過(guò)轉(zhuǎn)向器和一系列的桿件傳遞到轉(zhuǎn)向輪來(lái)完成的。機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作過(guò)程為：駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)施加的轉(zhuǎn)向力矩通過(guò)轉(zhuǎn)向軸輸入轉(zhuǎn)向器，減速傳動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)向器中有1、2級(jí)減速傳動(dòng)副，經(jīng)轉(zhuǎn)向器放大后的力矩和減速后的運(yùn)動(dòng)傳到轉(zhuǎn)向橫拉桿，再傳給固定于轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向節(jié)臂，使轉(zhuǎn)向節(jié)和它所支承的轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向器形式可以分為：齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式。純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為了產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)向扭矩需要使用大直徑的轉(zhuǎn)向盤(pán)，需占用較大的空間，整個(gè)機(jī)構(gòu)笨拙，，特別是對(duì)轉(zhuǎn)向阻力較大的重型汽車，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向難度很大，這就大大限制了其使用范圍。但因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)低廉，目前該類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)除在一些轉(zhuǎn)向操縱力不大、對(duì)操控性能要求不高的農(nóng)用車上使用外已很少被采用。
1.3.2 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）
裝配機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車，在泊車和低速行駛時(shí)駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱負(fù)擔(dān)過(guò)于沉重，為解決這個(gè)問(wèn)題，美國(guó)GM公司在20世紀(jì)50年代率先在轎車上采用了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)是建立在機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，額外增加了一個(gè)液壓系統(tǒng)。液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由液壓和機(jī)械等兩部分組成，它是以液壓油做動(dòng)力傳遞介質(zhì)，通過(guò)液壓泵產(chǎn)生動(dòng)力來(lái)推動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)向器，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般由機(jī)械轉(zhuǎn)向器、液壓泵、油管、分配閥、動(dòng)力缸、溢流閥和限壓閥、油缸等部件組成。為確保系統(tǒng)安全，在液壓泵上裝有限壓閥和溢流閥。其分配閥、轉(zhuǎn)向器和動(dòng)力缸置于一個(gè)整體，分配閥和主動(dòng)齒輪軸裝在一起（閥芯與齒輪軸垂直布置），閥芯上有控制槽，閥芯通過(guò)轉(zhuǎn)向軸上的撥叉撥動(dòng)。轉(zhuǎn)向軸用銷釘與閥中的彈性扭桿相接，該扭桿起到閥的中心定位作用。在齒條的一端裝有活塞，并位于動(dòng)力缸之中，齒條左端與轉(zhuǎn)向橫拉桿相接。轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向軸（連主動(dòng)齒輪軸）帶動(dòng)閥芯相對(duì)滑套運(yùn)動(dòng)，使油液通道發(fā)生變化，液壓油從油泵排出，經(jīng)控制閥流向動(dòng)力缸的一側(cè)，推動(dòng)活塞帶動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)，通過(guò)橫拉桿使車輪偏轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)向。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在駕駛員的控制下，借助于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵產(chǎn)生的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向。由于液壓轉(zhuǎn)向可以減少駕駛員手動(dòng)轉(zhuǎn)向力矩，從而改善了汽車的轉(zhuǎn)向輕便性和操縱穩(wěn)定性。為保證汽車原地轉(zhuǎn)向或者低速轉(zhuǎn)向時(shí)的輕便性，液壓泵的排量是以發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的流量來(lái)確定。汽車起動(dòng)之后，無(wú)論車子是否轉(zhuǎn)向，系統(tǒng)都要處于工作狀態(tài)，而且在大轉(zhuǎn)向車速較低時(shí)，需要液壓泵輸出更大的功率以獲得比較大的助力，所以在一定程度上浪費(fèi)了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力資源。并且轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還存在低溫工作性能差等缺點(diǎn)。
1.3.3電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）
由于液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無(wú)法兼顧車輛低速時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性和高速時(shí)的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，因此，在1983年日本Koyo公司推出了具備車速感應(yīng)功能的電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）。EHPS是在液壓助力系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，在傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)了電控裝置，其特點(diǎn)是原來(lái)由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的液壓助力泵改由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，取代了由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，節(jié)省了燃油消耗；具有失效保護(hù)系統(tǒng)，電子元件失靈后仍可依靠原轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安全工作；低速時(shí)轉(zhuǎn)向效果不變，高速時(shí)可以自動(dòng)根據(jù)車速逐步減小助力，增大路感，提高車輛行使穩(wěn)定性。電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是將液壓助力轉(zhuǎn)向與電子控制技術(shù)相結(jié)合的機(jī)電一體化產(chǎn)品。一般由電氣和機(jī)械2部分組成，電氣部分由車速傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器和電控單元ECU組成；機(jī)械部分包括齒輪齒條轉(zhuǎn)向器、控制閥、管路和電動(dòng)泵。其中電動(dòng)泵的工作狀態(tài)由電子控制單元根據(jù)車輛的行駛速度、轉(zhuǎn)向角度等信號(hào)計(jì)算出的最理想狀態(tài)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，在低速大轉(zhuǎn)向時(shí)，電子控制單元驅(qū)動(dòng)液壓泵以高速運(yùn)轉(zhuǎn)輸出較大功率，使駕駛員打方向省力；汽車在高速行駛時(shí)，液壓控制單元驅(qū)動(dòng)液壓泵以較低的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，在不至于影響高速打轉(zhuǎn)向的需要的同時(shí)，節(jié)省一部分發(fā)動(dòng)機(jī)功率。電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理：在汽車直線行駛時(shí)，方向盤(pán)不轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)泵以很低的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，大部分工作油經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向閥流回儲(chǔ)油罐，少部分經(jīng)液控閥然后流回儲(chǔ)油罐；當(dāng)駕駛員開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，ECU根據(jù)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)角、車速以及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋信號(hào)等，判斷汽車的轉(zhuǎn)向狀態(tài)，決定提供助力大小，向驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出控制指令，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)油泵，進(jìn)而輸出相應(yīng)流量和壓力的高壓油。高壓油經(jīng)轉(zhuǎn)向控制閥進(jìn)入齒條上的動(dòng)力缸，推動(dòng)活塞以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)闹Γ瑓f(xié)助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，從而獲得理想的轉(zhuǎn)向效果。電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上有了較大的改進(jìn)，但液壓裝置的存在，使得該系統(tǒng)仍有難以克服如滲油、不便于安裝維修及檢測(cè)等問(wèn)題。電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的過(guò)渡。
1.3.4 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）
1988年日本Suzuki公司首先在小型轎車Cervo上配備了Koyo公司研發(fā)的轉(zhuǎn)向柱助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。1990年日本Honda公司也在運(yùn)動(dòng)型轎車NSX上采用了自主研發(fā)的齒條助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，從此揭開(kāi)了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向在汽車上應(yīng)用的歷史。EPS是在EHPS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,它取消EHPS的液壓油泵、油管、油缸和密封圈等部件,完全依靠電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件數(shù)量大大減少、可靠性增強(qiáng),解決了長(zhǎng)期以來(lái)一直存在的液壓管路泄漏和效率低下的問(wèn)題。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在本田飛度、思域以及豐田新皇冠、奔馳新A-class等車型上紛紛被采用。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般是由轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)向）傳感器、電子控制單元ECU、電動(dòng)機(jī)、電磁離合器以及減速機(jī)構(gòu)組成。其工作過(guò)程為：扭矩傳感器檢測(cè)駕駛員打方向盤(pán)的扭矩，然后根據(jù)這個(gè)扭矩給控制單元一個(gè)信號(hào)。同時(shí)控制單元也會(huì)收到來(lái)自方向盤(pán)位置傳感器的信號(hào)，這個(gè)傳感器一般是和扭矩傳感器裝在一起的（有些傳感器已經(jīng)將這2個(gè)功能集成為一體）。扭矩和方向盤(pán)位置信息經(jīng)過(guò)控制單元處理，連同傳入控制單元的車速信號(hào)，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序產(chǎn)生助力指令。該指令傳到電機(jī)，由電機(jī)產(chǎn)生扭矩傳到助力機(jī)構(gòu)上去，這里的齒輪機(jī)構(gòu)則起到增大扭矩的作用。這樣，助力扭矩就傳到了轉(zhuǎn)向柱并最終完成了助力轉(zhuǎn)向。節(jié)約了能源消耗與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，沒(méi)有系統(tǒng)要求的常運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向油泵，且電動(dòng)機(jī)只是在需要轉(zhuǎn)向時(shí)才接通電源，所以動(dòng)力消耗和燃油消耗均可降到最低。還消除了由于轉(zhuǎn)向油泵帶來(lái)的噪音污染。液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓油泵，使液壓油不停地流動(dòng)，再加上存在管流損失等因素，浪費(fèi)了部分能量。相反EPS僅在需要轉(zhuǎn)向操作時(shí)才需零部件要向電機(jī)提供的能量。而且，EPS系統(tǒng)能量的消耗與轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)向及當(dāng)前的車速有關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)不轉(zhuǎn)向時(shí)，電機(jī)不工作；需要轉(zhuǎn)向時(shí)，電機(jī)在控制模塊的作用下開(kāi)始工作，輸出相應(yīng)大小及方向的轉(zhuǎn)矩以產(chǎn)生助動(dòng)轉(zhuǎn)向力矩。該系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了“按需供能”，是真正的“按需供能型”（on-demand）系統(tǒng)，在各種行駛條件下可節(jié)能80%左右。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)一角度然后松開(kāi)時(shí)，EPS系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整使車輪回到正中。同時(shí)還可利用軟件在最大限度內(nèi)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)以獲得最佳的回正特性。通過(guò)靈活的軟件編程，容易得到電機(jī)在不同車速及不同車況下的轉(zhuǎn)矩特性，這些轉(zhuǎn)矩特性使得該系統(tǒng)能顯著地提高轉(zhuǎn)向能力，提供了與車輛動(dòng)態(tài)性能相匹配的轉(zhuǎn)向回正特性。而在傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)中，要改善這種特性必須改造底盤(pán)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)很困難。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是影響汽車操縱穩(wěn)定性的重要因素之一。傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向由于不能很好地對(duì)助力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制，所以協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向力與路感的能力較差，特別是汽車高速行駛時(shí)，仍然會(huì)提供較大助力，使駕駛員缺乏路感，甚至感覺(jué)汽車發(fā)飄，從而影響操縱穩(wěn)定性。但EPS是由電動(dòng)機(jī)提供助力，助力大小由電子控制單元（ECU）根據(jù)車速、方向盤(pán)輸入扭矩等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制，可以很好地解決這個(gè)矛盾。EPS系統(tǒng)控制單元ECU具有故障自診斷功能，當(dāng)ECU檢測(cè)到某一組件工作異常，如各傳感器、電磁離合器、電動(dòng)機(jī)、電源系統(tǒng)及汽車點(diǎn)火系統(tǒng)等，便會(huì)立即控制電磁離合器分離停止助力，轉(zhuǎn)為手動(dòng)轉(zhuǎn)向，按普通轉(zhuǎn)向控制方式進(jìn)行工作，確保了行車的安全。
1.3.5 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）
在車輛高速化、駕駛?cè)藛T大眾化、車流密集化的今天，針對(duì)更多不同水平的駕駛?cè)巳?，汽車的易操縱性設(shè)計(jì)顯得尤為重要。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steering-By-Wire Systerm，簡(jiǎn)稱SBW）的發(fā)展，正是滿足這種客觀需求。它是繼EPS后發(fā)展起來(lái)的新一代轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，具有比EPS操縱穩(wěn)定性更好的特點(diǎn)，它取消轉(zhuǎn)向盤(pán)與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，完全由電能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，徹底擺脫傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所固有的限制，提高了汽車的安全性和駕駛的方便性。SBW系統(tǒng)一般由轉(zhuǎn)向盤(pán)模塊、轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊和主控制器ECU、自動(dòng)防故障系統(tǒng)以及電源等模塊組成。轉(zhuǎn)向盤(pán)模塊包括路感電機(jī)和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器等，轉(zhuǎn)向盤(pán)模塊向駕駛員提供合適的轉(zhuǎn)向感覺(jué)（也稱為路感）并為前輪轉(zhuǎn)角提供參考信號(hào)。轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊包括轉(zhuǎn)向電機(jī)、齒條位移傳感器等,實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能:跟蹤參考前輪轉(zhuǎn)角、向轉(zhuǎn)向盤(pán)模塊反饋輪胎所受外力的信息以反饋車輛行駛狀態(tài)。主控制器控制轉(zhuǎn)向盤(pán)模塊和轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊的協(xié)調(diào)工作。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)向傳感器和轉(zhuǎn)向角傳感器檢測(cè)到駕駛員轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)角并轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸入到ECU,ECU根據(jù)車速傳感器和安裝在轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上的位移傳感器的信號(hào)來(lái)控制轉(zhuǎn)矩反饋電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向,并根據(jù)轉(zhuǎn)向力模擬,生成反饋轉(zhuǎn)矩,控制轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)矩大小和旋轉(zhuǎn)角度,通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向位置，使汽車沿著駕駛員期望的軌跡行駛。
1.4轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)要求
汽車轉(zhuǎn)向系的作用是保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛中，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。保證汽車在行駛中能按駕駛員的操縱要求，適時(shí)地改變行駛方向，并能在受到路面干擾偏離行駛方向時(shí)，與行駛系配合，共同保持汽車穩(wěn)定地直線行駛。轉(zhuǎn)向系對(duì)汽車行駛的適應(yīng)性、安全性都具有重要的意義。
對(duì)轉(zhuǎn)向系提出的要求有：
（1）汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，全部車輪應(yīng)繞瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應(yīng)有側(cè)滑。不滿組這項(xiàng)要求會(huì)加速輪胎磨損，并降低汽車的行駛穩(wěn)定性。
（2）汽車轉(zhuǎn)向行駛后，在駕駛員松開(kāi)轉(zhuǎn)向盤(pán)的條件下，轉(zhuǎn)向輪能自動(dòng)返回到直線行駛的位置，并穩(wěn)定行駛。
（3）汽車在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪都不得產(chǎn)生自振，轉(zhuǎn)向盤(pán)沒(méi)有擺動(dòng)。
（4）轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置共同作用時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺動(dòng)應(yīng)最小。
（5）保證汽車有較高的機(jī)動(dòng)性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力。
（6）操縱輕便。
（7）轉(zhuǎn)向輪碰撞到障礙物以后，傳給轉(zhuǎn)向盤(pán)的反沖力要盡可能小。
（8）轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的球頭處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)。
（9）在車禍中，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤(pán)由于車架或車身變形而共同后移時(shí)，轉(zhuǎn)向系應(yīng)有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。
（10）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核，保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。
（11）方向盤(pán)左置。
（12）不得裝用全動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。
（13）當(dāng)汽車前行向左或向右轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)向左向右的回轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向力不能有顯著的差別。
（14）轉(zhuǎn)向器應(yīng)有合適的角傳動(dòng)比，既能使轉(zhuǎn)向省力，減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，又能使駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)，轉(zhuǎn)向輪應(yīng)立即獲得相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角，且轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的總?cè)?shù)不能太多。
1.5設(shè)計(jì)主要內(nèi)容
本章主要研究?jī)?nèi)容：總結(jié)分析相關(guān)文獻(xiàn)，分析各轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)劣所在，結(jié)合實(shí)際情況初步選定所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向器類型。利用所選定的轉(zhuǎn)向器參數(shù)，完成轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)布置和設(shè)計(jì)。
第2章 液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器方案分析及確定
2.1轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)分析和選擇
汽車的轉(zhuǎn)向系根據(jù)其轉(zhuǎn)向能源的不同，可分為機(jī)械式轉(zhuǎn)向系和動(dòng)力式轉(zhuǎn)向系。而根據(jù)所采用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)副的不同，轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)型式有多種。常見(jiàn)的有齒輪齒條式、循環(huán)球式、球面蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式等。對(duì)轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)型式的選擇，主要是根據(jù)汽車的類型、前軸負(fù)荷、使用條件等來(lái)決定，并要考慮其效率特性、角傳動(dòng)比變化特性等對(duì)使用條件的適應(yīng)性以及轉(zhuǎn)向器的其他性能、壽命、制造工藝等。中、小型轎車以及前軸軸荷小于1.2t的客車、貨車，多采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。球面蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器曾廣泛用在輕型和中型汽車上，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器則是當(dāng)前廣泛使用的一種結(jié)構(gòu)，高級(jí)轎車和輕型及以上的客車、貨車均多采用。轎車、客車多行駛于好路面上，可以選用正效率高、可逆程度大些的轉(zhuǎn)向器。礦山、工地用汽車和越野汽車，經(jīng)常在壞路或無(wú)路地帶行駛，推薦選用極限可逆式轉(zhuǎn)向器，但當(dāng)系統(tǒng)中裝有液力式動(dòng)力轉(zhuǎn)向或在轉(zhuǎn)向橫拉桿上裝有減振器時(shí)，則可采用正、逆效率均高的轉(zhuǎn)向器，因?yàn)槁访娴臎_擊可由液體或減振器吸收，轉(zhuǎn)向盤(pán)不會(huì)產(chǎn)生“打手”現(xiàn)象。
2.1.1齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器由與轉(zhuǎn)向軸做成一體的轉(zhuǎn)向齒輪和常與轉(zhuǎn)向橫拉桿做成一體的齒條組成。與其他形式的轉(zhuǎn)向器比較，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器最主要的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成，轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量較??；傳動(dòng)效率高達(dá)90%；齒輪與齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙以后，利用裝在齒條背部、靠近主動(dòng)小齒輪處的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧，能自動(dòng)消除齒間間隙，如圖1.1所示。這不僅可以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度，還可以防止工作時(shí)產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用的體積小；沒(méi)有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿，所以轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角可以增大；制造成本低。
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是：因逆效率高（60%-70%），汽車在不平路面上行駛時(shí)，發(fā)生在轉(zhuǎn)向輪與路面之間沖擊力的大部分能傳至轉(zhuǎn)向盤(pán)，稱之為反沖。反沖現(xiàn)象會(huì)使駕駛員精神緊張，并難以準(zhǔn)確控制汽車行駛方向，轉(zhuǎn)向盤(pán)突然轉(zhuǎn)動(dòng)又會(huì)造成打手，同時(shí)對(duì)駕駛員造成傷害。
根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點(diǎn)不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式：中間輸入，兩端輸出（圖2.1a）；側(cè)面輸入，兩端輸出（圖2.1b）；側(cè)面輸入，中間輸出（圖2.1c）側(cè)面輸入，一端輸出（圖2.1d）。
圖2.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的四種形式
根據(jù)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向梯形相對(duì)前軸位置的不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在汽車上有四種布置形式：轉(zhuǎn)向器位于前 軸后方，后置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，前軸梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，后置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，前置梯形，如圖2.2。
圖2.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器四種布置形式
2.1.2循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由齒輪機(jī)構(gòu)將來(lái)自轉(zhuǎn)向盤(pán)的旋轉(zhuǎn)力進(jìn)行減速，使轉(zhuǎn)向盤(pán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)闇u輪蝸桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滾珠螺桿和螺母夾著鋼球嚙合，因而滾珠螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，螺母再與扇形齒輪嚙合，直線運(yùn)動(dòng)再次變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使連桿臂搖動(dòng)，連桿臂再使連動(dòng)拉桿和橫拉桿做直線運(yùn)動(dòng)，改變車輪的方向。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點(diǎn)：在螺桿和螺母之間因?yàn)橛锌梢匝h(huán)流動(dòng)的鋼球，將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，因而傳動(dòng)效率可達(dá)到75％—80％；在結(jié)構(gòu)和工藝上采取措施后，包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度和螺桿、螺母上的螺旋槽經(jīng)淬火和磨削加工，使之有足夠的硬度和耐磨損性能，可保證有足夠的使用壽命；轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比可以變化；工作平穩(wěn)可靠；齒條與齒扇之間的間隙調(diào)整工作容易進(jìn)行；適合用來(lái)做整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)：逆效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，制造精度要求高。
2.1.3蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器
蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器由蝸桿和滾輪嚙合而構(gòu)成。蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；制造容易；因?yàn)闈L輪的齒面和蝸桿上的螺紋呈面接觸，所以有比較高的強(qiáng)度，工作可靠，磨損小，壽命長(zhǎng)；逆效率低。蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是：正效率低；工作齒面磨損后，調(diào)整嚙合間隙比較困難；轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比不能變化。
2.1.4蝸桿指銷式
蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器根據(jù)其銷子能否自轉(zhuǎn)分為固定銷式蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器和旋轉(zhuǎn)銷式轉(zhuǎn)向器。根據(jù)銷子數(shù)量不同，又分為單銷和雙銷之分。蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)是：轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比可以做成不變的或者變化的；指銷和蝸桿之間的工作面磨損后，調(diào)整間隙工作容易進(jìn)行。固定銷蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易；但是因銷子不能自轉(zhuǎn)，銷子的工作部位基本保持不變，所以磨損快、工作效率低。旋轉(zhuǎn)銷式轉(zhuǎn)向器的效率高、磨損慢，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系中的減速增扭轉(zhuǎn)動(dòng)裝置[9]，其功用是增大轉(zhuǎn)向盤(pán)傳動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)的力并改變力的傳遞方向。曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)型式很多，但有些已趨于淘汰?，F(xiàn)代汽車的轉(zhuǎn)向器已演變定型，中型和重型汽車多采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，小型車多采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。在循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器中，輸入轉(zhuǎn)向圈與輸出的轉(zhuǎn)向搖臂擺角是成正比的；在齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器中，輸入轉(zhuǎn)向圈數(shù)與輸出的齒條位移是成正比的。目前大部分低端轎車采用的就是齒輪齒條式機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，本文為輕型車轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)，故采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。
2.2齒輪齒條式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)
在齒輪齒條式機(jī)械轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)向助力裝置，就成了齒輪齒條式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，其工作原理圖如圖2.3和圖2.4所示。
1-活塞；2-齒條；3-右轉(zhuǎn)彎油管
圖2.3 右轉(zhuǎn)彎時(shí)液壓油缸動(dòng)作
1—橫拉桿；2—左轉(zhuǎn)進(jìn)油管；3—右轉(zhuǎn)進(jìn)油管；4—右轉(zhuǎn)進(jìn)油口；5—轉(zhuǎn)向輸入軸；6—旋轉(zhuǎn)式控制閥；7—出油口；8—進(jìn)油口；9—左轉(zhuǎn)進(jìn)油口；10—?jiǎng)恿Ω祝?1—活塞； 12—轉(zhuǎn)向齒條；13—防塵套。
圖2.4左轉(zhuǎn)彎時(shí)液壓油缸動(dòng)作
在齒輪齒條式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器中，活塞安裝在轉(zhuǎn)向齒條上，并置于齒條套管內(nèi)。齒條活塞兩邊的齒條套管都被密封起來(lái)，形成兩個(gè)分開(kāi)的油液腔，連接左、右轉(zhuǎn)向回路。轉(zhuǎn)向盤(pán)右轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)閥在齒條活塞兩邊形成壓力差，使齒條朝低壓方向移動(dòng)，從而減輕轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)所需的總操縱力。
齒輪齒條式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器與其他形式的轉(zhuǎn)向器比較，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器最主要的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成，轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量較??；傳動(dòng)效率高達(dá)90%；齒輪與齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙以后，利用裝在齒條背部、靠近主動(dòng)小齒輪處的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧，能自動(dòng)消除齒間間隙，這不僅可以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度，還可以防止工作時(shí)產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用的體積??；沒(méi)有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿，所以轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角可以增大；制造成本低。
2.3液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器工作原理及過(guò)程
2.3.1工作原理
在機(jī)械轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)上增加一套轉(zhuǎn)向助力裝置，就成了動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。根據(jù)這套助力裝置提供能源不同分為液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器和電動(dòng)式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。以下主要敘述液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的工作原理。
液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器有常壓式和常流式兩種。對(duì)于常壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，其液壓系統(tǒng)設(shè)有儲(chǔ)能裝置，故無(wú)論轉(zhuǎn)向盤(pán)保持靜止還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，液壓系統(tǒng)工作管路中總是保持高壓。對(duì)于常流式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，其液壓泵始終處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)汽車處于直線行駛狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)向油泵輸出的油液流入轉(zhuǎn)向控制閥，又由此流回轉(zhuǎn)向油罐，因轉(zhuǎn)向控制閥的節(jié)流阻力很小，故油泵輸出壓力也很低，油泵實(shí)際上處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)向器使轉(zhuǎn)向控制閥(轉(zhuǎn)閥或者滑閥)處于與某一轉(zhuǎn)彎方向相應(yīng)的工作位置時(shí)，轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的相應(yīng)工作腔與回油管路隔絕，轉(zhuǎn)而與油泵輸出管路相同，而動(dòng)力缸的另一腔仍然通回油管路。地面轉(zhuǎn)向阻力經(jīng)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳到轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的推桿和活塞上，形成比轉(zhuǎn)向控制閥節(jié)流阻力高得多的油泵輸出管路阻力。于是轉(zhuǎn)向油泵輸出壓力急劇升高，直到足以推動(dòng)轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸活塞為止。轉(zhuǎn)向盤(pán)停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，轉(zhuǎn)向控制閥隨即回復(fù)到中間位置，使動(dòng)力缸停止工作。
比較而言，常流式結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、油泵壽命較長(zhǎng)、泄漏量較少、功率消耗也較少，因此，目前除少數(shù)重型汽車采用常壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器外，其他大量的汽車均采用常流式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。
如果動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的機(jī)械轉(zhuǎn)向部分、轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸和轉(zhuǎn)向控制閥組裝成一體，這種結(jié)構(gòu)稱為整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。也有將各部分分離組裝的產(chǎn)品，但是這種產(chǎn)品目前已不多見(jiàn)。
齒輪齒條液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器是把活塞安裝在轉(zhuǎn)向齒條上，并至于齒條套管內(nèi)，齒條活塞兩邊的齒條套管被密封起來(lái)，形成兩個(gè)分開(kāi)的油液腔，連接左右轉(zhuǎn)向回路，轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)伐在齒條活塞兩邊形成壓力差，使齒條朝低壓方向移動(dòng)，從而減輕轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)所需的總操縱力。
2.3.2工作過(guò)程
如圖2.5所示，汽車直線行駛時(shí)，轉(zhuǎn)閥處于中間位置。來(lái)自轉(zhuǎn)向油泵的工作液從轉(zhuǎn)向器殼體舶進(jìn)油口0流到閥體13的中間油環(huán)槽中，經(jīng)過(guò)其槽底的通孔進(jìn)入閥體13和閥芯12之間，此時(shí)因閥芯處于中間位置，所以進(jìn)入的油液分別通過(guò)閥體和閥芯縱槽和槽肩形成的兩邊相等的間隙，再通過(guò)閥芯的縱槽以及閥體的徑向孔流向閥體外圓上、下油環(huán)槽，然后通過(guò)殼體中的兩條油道分別流到動(dòng)力缸的
R—接右轉(zhuǎn)向動(dòng)力腔；L—接左轉(zhuǎn)向動(dòng)力腔；B—接轉(zhuǎn)向液壓泵；G—接轉(zhuǎn)向油罐
2—齒條-活塞；12—進(jìn)油口；13—閥體；22—閥心
圖2.5汽車直線行駛時(shí)轉(zhuǎn)閥的工作情況
上、下腔中去，即左轉(zhuǎn)向動(dòng)力腔L和右轉(zhuǎn)向動(dòng)力腔R，流人閥體內(nèi)腔的油液在通過(guò)閥芯縱槽流向閥體上、油環(huán)槽的同時(shí)，通過(guò)閥芯槽肩上的徑向油孔流到轉(zhuǎn)向螺桿和輸入軸之間的空隙中，經(jīng)閥體組件和調(diào)整螺塞之間的空隙流到回油口，經(jīng)油管回到油罐中去，形成了常流式油液循環(huán)。此時(shí)，上、下腔油壓相等且很小，齒條一活塞19既沒(méi)有受到轉(zhuǎn)向螺桿的軸向推力，也沒(méi)有受到上、下腔因壓力差造成的軸向推力。所以齒條一活塞處于中間位置，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器不工作。
參見(jiàn)圖2.6，汽車左轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)使短軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)其下端軸銷子帶動(dòng)閥芯同步轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)扭距也通過(guò)具有彈性的扭桿軸傳給下端軸蓋，下端軸蓋邊緣上的缺口通過(guò)固定在閥體上的銷子帶動(dòng)閥體轉(zhuǎn)動(dòng)，閥體通過(guò)其下端缺口和銷子，把轉(zhuǎn)向力矩傳給螺桿。由于轉(zhuǎn)向阻力的存在，要有足夠的轉(zhuǎn)向力矩才能使轉(zhuǎn)向螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)轉(zhuǎn)矩促使扭桿軸發(fā)生彈性扭轉(zhuǎn)，造成閥體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度小于閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，兩者產(chǎn)生相對(duì)角位移。通下動(dòng)力腔的進(jìn)油縫隙減小(或封閉)，回油縫隙增大，油壓降低;通上動(dòng)力腔的進(jìn)油縫隙增大而回油縫隙減小(或關(guān)閉)，油壓升高，上、下動(dòng)力腔產(chǎn)生油壓差，齒條一活塞便在上、下動(dòng)力腔油壓差的作用下移動(dòng)，產(chǎn)生助力作用。此時(shí)，來(lái)自轉(zhuǎn)向油泵的壓力油通過(guò)槽隙流向動(dòng)力缸上腔，動(dòng)力缸下腔的油則通過(guò)閥體徑向孔、槽隙、閥芯徑向孔和回油口流回流向儲(chǔ)油罐。
(a)左行駛 (b)右行駛
圖2.6 左右行駛時(shí)轉(zhuǎn)閥的工作情況
右轉(zhuǎn)彎時(shí)轉(zhuǎn)向器工作過(guò)程與左轉(zhuǎn)彎時(shí)基本相似，如圖2.5b所示。不同的是由于轉(zhuǎn)向方向相反，造成閥體和閥芯的角位移相反，齒條一活塞下腔油壓升高而上腔油壓降低，產(chǎn)生右轉(zhuǎn)向助力。
當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)停在某一位置不再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，閥體隨轉(zhuǎn)向螺桿在液力和扭桿軸彈力的作用下，沿轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，使之與閥芯的相對(duì)角位移量減小，上、下動(dòng)力腔油壓差減小，但仍有一定的助力作用。此時(shí)的助力轉(zhuǎn)矩與車輪的回正力矩相平衡，使車輪維持在某一轉(zhuǎn)向位置上。在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，若轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度快，閥體與閥芯的相對(duì)角位移量也大，上、下動(dòng)力腔的油壓差也相應(yīng)加大，前輪偏轉(zhuǎn)的速度也加快，如轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的慢，前輪偏轉(zhuǎn)的也慢;若轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)在某一位置上不變，對(duì)應(yīng)著前輪也轉(zhuǎn)在某一位置上不變。此即稱“漸進(jìn)隨動(dòng)原理”，也就是“快轉(zhuǎn)快助，大轉(zhuǎn)大助，不轉(zhuǎn)不助”原理。轉(zhuǎn)向后需回正時(shí)，如果駕駛員放松轉(zhuǎn)向盤(pán)，閥芯回到中間位置，失去了助力作用，此時(shí)轉(zhuǎn)向輪在回正力矩的作用下自動(dòng)回位:若駕駛員同時(shí)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)，轉(zhuǎn)向助力器助力，幫助車輪回正。
當(dāng)汽車直線行駛偶遇外界阻力使轉(zhuǎn)向輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)，阻力矩通過(guò)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)
構(gòu)，作用在閥體上，使之與閥心之間產(chǎn)生相對(duì)角位移，產(chǎn)生了反相的推力作用，
在此力作用下，轉(zhuǎn)回輪迅速回正。
2.4轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù)
2.4.1轉(zhuǎn)向系的效率
功率p從轉(zhuǎn)向軸輸入，經(jīng)轉(zhuǎn)向搖臂軸輸出所求得的效率為正效率，用符號(hào)表示，反之稱為逆效率，用符號(hào)表示，為了保證轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)輕便，要求正效率高[10]；為了保證汽車轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤(pán)能自動(dòng)返回直線行駛位置，又需要有一定的逆效率。
轉(zhuǎn)向器的正效率與轉(zhuǎn)向器的類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造質(zhì)量等有關(guān)。在前述四種轉(zhuǎn)向器中，齒輪齒條式、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的正效率比較高，而蝸桿指銷式特別是鼓動(dòng)銷和蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的正效率要明顯低一些。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的正效率可達(dá)90%，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副為滾動(dòng)摩擦，摩擦損失小，其正效率可達(dá)85%，球面蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器正效率可達(dá)77%-82%，蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器和蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副存在較大滑動(dòng)摩擦，正效率68%-75%比較低。同一類型轉(zhuǎn)向器，因結(jié)構(gòu)不同效率也不一樣。
逆效率表示轉(zhuǎn)向器的可逆性。根據(jù)逆效率值的大小，轉(zhuǎn)向器又可分為可逆式、極限可逆式與不可逆試三種。
可逆式轉(zhuǎn)向器的逆效率較高，這種轉(zhuǎn)向器可將路面作用在車輪上的大部分力傳遞到轉(zhuǎn)向盤(pán)上，使司機(jī)的路感好。在汽車轉(zhuǎn)向后也能保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤(pán)的自動(dòng)回正，使轉(zhuǎn)向輪行駛穩(wěn)定。但在壞路面上，當(dāng)轉(zhuǎn)向輪上作用有側(cè)向力時(shí)，轉(zhuǎn)向輪受到的沖擊大部分會(huì)傳給轉(zhuǎn)向盤(pán)，為了減輕在不平路面上行駛時(shí)駕駛員的疲勞，車輪與路面之間的作用力傳至轉(zhuǎn)向盤(pán)上要盡可能小，防止打手，這又要求此逆效率盡可能低。因此，可逆式轉(zhuǎn)向器宜用于在良好路面上行駛的車輛。循環(huán)球式和齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器均屬于這一類。本文設(shè)計(jì)齒輪齒條轉(zhuǎn)向器逆效率為60％-70％。
不可逆式轉(zhuǎn)向器不會(huì)將轉(zhuǎn)向輪受到的沖擊力傳到轉(zhuǎn)向盤(pán)上。由于它既使司機(jī)沒(méi)有路感，又不能保證轉(zhuǎn)向輪的自動(dòng)回正，現(xiàn)代汽車已不采用。
極限可逆式轉(zhuǎn)向器介于上述兩者之間。其逆效率較低，適用于在壞路面上行駛的汽車。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪受到?jīng)_擊力時(shí)，其中只有較小的一部分傳給轉(zhuǎn)向盤(pán)。
通常，由轉(zhuǎn)向盤(pán)至轉(zhuǎn)向輪的效率即轉(zhuǎn)向系的正效率的平均值為67%-82%；當(dāng)向上述相反方向傳遞力時(shí)逆效率的平均值為58%-63%。
在循環(huán)球式機(jī)械轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)向助力裝置，就成了循環(huán)球式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，其工作原理如圖2.1所示。
2.4.2 轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比
轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)比包括轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)向系的力傳動(dòng)比。
從輪胎接地面中心作用在兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪上的合力2 與作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力之比，稱為力傳動(dòng)比。轉(zhuǎn)向盤(pán)角速度與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度之比，稱為轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比。
轉(zhuǎn)向盤(pán)角速度與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度之比，稱為轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比，即
（3.1）
式中：—轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角增量；
—轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角增量；
—時(shí)間增量。
又由轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)角傳動(dòng)比所組成，即
（3.2）
式中：—轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比；
—轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比。
現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比多在0.85-1.1之間，即近似于1?，F(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比也常采用不變的數(shù)值：轎車取=14-22；貨車取=20-25。本次設(shè)計(jì)取20。
=120=20
轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力傳動(dòng)比與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置型式及其桿件所處的轉(zhuǎn)向位置有關(guān)。
=100 （3.3）
式中：—主銷偏移距，取值在40-60mm，取40mm；
—轉(zhuǎn)向盤(pán)直徑，取360mm。
2.4.3 轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副的間隙特性
轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)間隙是指轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副之間的間隙[11]。該間隙隨轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的改變而改變。通常將這種變化關(guān)系稱為轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)間隙特性。研究該傳動(dòng)間隙特性的意義在于它對(duì)汽車直線行駛時(shí)的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向器的壽命都有直接影響。
當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)處于中間位置即汽車作直線行駛時(shí)，如果轉(zhuǎn)向器有傳動(dòng)間隙則將使轉(zhuǎn)向輪在該間隙范圍內(nèi)偏離直線行駛位置而失去穩(wěn)定性。為防止這種情況發(fā)生，要求當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)處于中間位置時(shí)轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副為無(wú)隙嚙合。這一要求應(yīng)在汽車使用的全部時(shí)間內(nèi)得到保證。汽車多直行行駛，因此轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副在中間部位的磨損量大于其兩端。為了保證轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副磨損最大的中間部位能通過(guò)調(diào)整來(lái)消除因磨損而形成的間隙，調(diào)整后當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)又不致于使轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副在其他嚙合部位卡住。為此應(yīng)使傳動(dòng)間隙從中間部位到兩端逐漸增大，并在端部達(dá)到其最大值，如圖3.1，利于間隙的調(diào)整及提高轉(zhuǎn)向器的使用壽命。不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向器其傳動(dòng)間隙特性亦不同。
圖3.1 轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副傳動(dòng)間隙特性
2.4.4轉(zhuǎn)向系的剛度
轉(zhuǎn)向系的各零件尤其是一些桿件具有一定的彈性，這使得轉(zhuǎn)向輪的實(shí)際轉(zhuǎn)角要比司機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)并按轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比換算到轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角要小，這樣就會(huì)有不足轉(zhuǎn)向的趨勢(shì)。轉(zhuǎn)向系剛度對(duì)輪胎的側(cè)偏剛度影響也很大。轉(zhuǎn)向系剛度不足會(huì)使前輪的側(cè)偏剛度減小，使汽車的轉(zhuǎn)向靈敏度減小。
2.4.5轉(zhuǎn)向盤(pán)的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)
轉(zhuǎn)向盤(pán)從一個(gè)極端位置轉(zhuǎn)到另一個(gè)極端位置時(shí)所轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)稱為轉(zhuǎn)向盤(pán)的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。它與轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比有關(guān)，并影響轉(zhuǎn)向的操縱輕便性和靈敏性。轎車轉(zhuǎn)向盤(pán)的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)較少，一般約在3.6圈以內(nèi)；貨車一般不宜超過(guò)6圈。
單從轉(zhuǎn)向操縱的靈敏性而言，最好是轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向節(jié)的運(yùn)動(dòng)能同步開(kāi)始并同步終止。然而，這在實(shí)際上是不可能實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)樵谡麄€(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，各傳動(dòng)件之間都必然存在著裝配間隙，而且這些間隙將隨著零件的磨損而增大。在轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的開(kāi)始階段，駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)所施加的力矩很小，因?yàn)橹皇怯脕?lái)克服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部的摩擦的，使各傳動(dòng)件運(yùn)動(dòng)到其間的間隙完全消失，故可以認(rèn)為這個(gè)階段是轉(zhuǎn)向盤(pán)空轉(zhuǎn)階段。此后，才需要對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)施加更大的轉(zhuǎn)向力矩，以克服經(jīng)車輪傳到轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向阻力矩，從而實(shí)現(xiàn)使各轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)向盤(pán)在空轉(zhuǎn)階段中的角行程稱為轉(zhuǎn)向盤(pán)自由行程。轉(zhuǎn)向盤(pán)自由行程對(duì)于緩沖路面沖擊及避免使駕駛員過(guò)度緊張是有利的，但不宜過(guò)大，以免影響靈敏性。一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)向盤(pán)從相應(yīng)于汽車直線行駛的中間位置向任一方向的自由行程最好不超過(guò)10～15。當(dāng)零件磨損嚴(yán)重到使轉(zhuǎn)向盤(pán)自由行程超過(guò)25～30 時(shí)，必須進(jìn)行調(diào)整。
2.5本章小結(jié)
本章首先介紹了轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)和分類，本次設(shè)計(jì)主要選用齒輪齒條式液壓助力轉(zhuǎn)向器，其次介紹了幾種典型汽車液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的工作原理及過(guò)程，再次，對(duì)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，確定了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和主要性能參數(shù)，這為以下的設(shè)計(jì)計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。
第3章 液壓轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1轉(zhuǎn)向系計(jì)算載荷的確定
為了保證行駛安全，組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。欲驗(yàn)算轉(zhuǎn)向系零件的強(qiáng)度，需3首先確定作用在各零件上的力。影響這些力的只要因素有轉(zhuǎn)向軸的負(fù)荷，路面阻力和輪胎氣壓等。為轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力，包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力、車輪穩(wěn)定阻力、輪胎變形阻力和轉(zhuǎn)向系中的內(nèi)摩擦阻力等。
精確地計(jì)算這些力是困難的，為此推薦用足夠精確的半徑公式來(lái)計(jì)算汽車在瀝青或者混凝土路面上原地轉(zhuǎn)向阻力矩mm)，即
（3.1）
式中：
—輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，一般取0.7；
—轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷（N）7987N ；（整備質(zhì)量為815kg）。
—輪胎氣壓（MPa）。0.6 MPa
作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力為
（3.2）
式中：
—轉(zhuǎn)向盤(pán)直徑；360mm
—轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比；=20
—轉(zhuǎn)向器的正效率；75%
對(duì)給定的汽車，用式（3.2）計(jì)算出來(lái)的作用力是最大值。因此，可以用此值作為計(jì)算載荷。然而，對(duì)于前軸負(fù)荷大的貨車，用式（3.2）計(jì)算的力往往超過(guò)駕駛員生理上的可能。在此情況下，對(duì)轉(zhuǎn)向器和動(dòng)力轉(zhuǎn)向器動(dòng)力缸以前的零件的計(jì)算載荷，應(yīng)取駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)輪緣上的最大瞬時(shí)力，此力為700N。
3.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪多采用斜齒圓柱齒輪。齒輪模數(shù)范圍多在2~3之間。主動(dòng)小齒輪齒數(shù)多數(shù)在5~7個(gè)齒范圍變化，壓力角，齒輪螺旋角取值范圍多為。齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪達(dá)到最大偏轉(zhuǎn)角時(shí)，相應(yīng)的齒條移動(dòng)行程應(yīng)達(dá)到的值來(lái)確定。此外，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算齒輪的抗彎強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度。
已知：小齒輪傳遞功率P=6.125；小齒輪轉(zhuǎn)數(shù)n=;齒數(shù)比u=2.97
3.2.1選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
（1）按汽車轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)方案 ，選用斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
（2）考慮此轉(zhuǎn)向器的功率及壽命，主動(dòng)小齒輪、齒條都選用硬齒面。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選得主動(dòng)小齒輪采用低碳合金鋼15GrNi6制造并經(jīng)滲碳淬火；表面硬度在54~62HRC，芯部30~42HRC；齒條采用45號(hào)鋼制造并經(jīng)高頻淬火，表面硬度在58HRC以上。殼體常用鋁合金壓鑄。
（3）選取精度等級(jí)。因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削；故初選7級(jí)精度。
（4）因?yàn)槭情]式硬齒面齒輪傳動(dòng)，故選主動(dòng)小齒輪齒數(shù)；齒條齒數(shù)。
3.2.2按齒面接觸硬度設(shè)計(jì)
由機(jī)械原理與設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，即
（3.3）
（1） 確定公式內(nèi)的各參數(shù)數(shù)值
a) 試選載荷系數(shù)1.6
b) 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
N·mm
c) 由機(jī)械原理與設(shè)計(jì)表9-12選取齒寬系數(shù)
d) 由機(jī)械設(shè)計(jì)圖3-14、圖3-15查取
對(duì)于鋼制標(biāo)準(zhǔn)斜齒輪，，取、時(shí)，、、； ；
e) 由機(jī)械設(shè)計(jì)圖3-21及圖3-28按齒面硬度中間值58HRC、MQ等級(jí)查得
；；
；；
f) 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
g) 由機(jī)械設(shè)計(jì)圖3-23查得
；1.28
h) 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
由機(jī)械設(shè)計(jì)表3-9查得對(duì)于失效概率低于1%
（2） 計(jì)算齒輪參數(shù)
a) 計(jì)算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值
b) 計(jì)算圓周速度
c) 計(jì)算齒寬
=
d) 計(jì)算模數(shù)
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)
e) 計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)
f) 計(jì)算重合度
3.2.3按齒根抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由式機(jī)械原理與設(shè)計(jì)9-51得抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式為
確定公式內(nèi)的各參數(shù)數(shù)值
（1）由機(jī)械設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)圖3-21及3-28按MQ等級(jí)查得齒輪、齒條的抗彎疲勞強(qiáng)度極限：
；；
（2）由機(jī)械原理與設(shè)計(jì)圖9-38查得抗疲勞壽命系數(shù)
；；
（3）計(jì)算抗彎疲勞許用應(yīng)力
由式：
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表3-10及3-31
；；
選擇齒面粗糙度
由機(jī)械設(shè)計(jì)圖3-30：